KR20060010901A - 초점 거리를 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초점 거리를 개선하여 광 감도를 높일 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되어 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막; 상기 질화막 상에 형성되며 산화막으로 이루어진 평탄화막; 및 상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되는 상기 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상부에 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막을 형성하는 단계; 상기 질화막 상에 산화막으로 이루어진 평탄화막을 형성하는 단계; 및 상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되도록 상기 평탄화막 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
이미지센서, 초점 거리, 등방성 식각, 보호막, 오목 렌즈, 질화막, 산화막.
Description
도 1은 CMOS 이미지센서의 단위화소의 배열을 도시한 평면도.
도 2는 RGB 색상이 모두 나타나도록 도 1을 a-a' 방향으로 절취한 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 형성 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 고농도 P형 영역 101 :P-에피층
102 : 필드산화막 103 : 게이트전도막
104 : n-영역 105 : P0영역
106 : 스페이서 107 : 플로팅 확산영역
108 : PMD 109 : M1
110 : IMD2 111 : M2
112 : IMD2 113 : M3
114 : 산화막 115 : 질화막
117 : 오목한 형상 118 : 평탄화막
119 : 칼라필터 120 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 초점거리를 개선할 수 있는 CMOS 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중에서 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
반면, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하며, 화소 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도 1은 CMOS 이미지센서의 단위화소의 배열을 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 빛의 3원색인 RGB의 색상을 캡쳐하기 위한 각각의 단위화 소가 격자 구조로 배치되어 있다.
도 2는 RGB 색상이 모두 나타나도록 도 1을 a-a' 방향으로 절취한 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층된 구조를 갖는 기판(SUB)에 국부적으로 필드산화막(FOX)이 형성되어 있으며, 기판(SUB) 상에는 트랜스퍼 게이트(Tx)를 포함한 복수의 게이트전극이 형성되어 있으며, 트랜스퍼 게이트(Tx)의 일측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(DEEP N-)과 기판(SUB)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(P0)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다. 트랜스퍼 게이트(Tx)의 타측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 이온주입에 의한 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산영역(FD)이 형성되어 있다.
포토다이오드(PD) 및 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성된 전면에 메탈라인 형성 전 절연막(Pre-Metal Dielectric; 이하 PMD라 함)이 형성되어 있으며, PMD 상에 제1메탈라인(M1)이 형성되어 있다. 제1메탈라인(M1) 상에는 제1메탈라인 간 절연막(Inter-Metal Dielectric-1; 이하 IMD1이라 함)이 형성되어 있으며, IMD1 상에는 제2메탈라인(M2)이 형성되어 있다. 제2메탈라인(M2) 상에는 제2메탈라인 간 절연막(IMD2)이 형성되어 있으며, 제3메탈라인(M3)이 형성되어 있다.
제1 ∼ 제3메탈라인(M1 ∼ M3)은 전원라인 또는 신호라인과 단위화소 및 로직회로의 접속시키기 위한 것으로, 포토다이오드(PD) 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드의 역할을 동시에 한다.
제3메탈라인(M3) 상에는 하부 구조의 보호(Passivation)를 위한 보호막(Passivation Layer; 이하 PL이라 함)이 형성되어 있으며, PL 상에는 칼라필터 형성시 공정 마진 확보를 위한 제1평탄화막(제1오버코팅 레이어(Over Coating Layer); 이하 OCL1이라 함)이 형성되어 있고, OCL1 상에는 각 단위화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터 어레이(Color Filter Array; 이하 CFA라 함)가 형성되어 있다.
여기서, PL은 통상 질화막/산화막의 2중 구조를 갖는다.
통상의 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.
CFA 상에는 마이크로렌즈 형성시 공정 마진 확보를 위한 제2평탄화막(이하 OCL2라 함)이 형성되어 있으며, OCL2 상에는 마이크로렌즈(Micro-Lens; 이하 ML이라 함)가 형성되어 있다.
입사된 빛은 마이크로렌즈(ML)에 의해 포커싱되어 포토다이오드(PD)로 입사한다.
CMOS 이미지센서의 소형화와 고집적화에 따라 메탈라인의 수가 증가한다. 메탈라인 수의 증가는 포토다이오드(PD)와 마이크로렌즈(ML) 사이의 거리를 멀어지게하므로 빛이 포토다이오드(PD)에 도달하기 전에 초점이 형성되어 흩어진다. 이로 인해, 포토다이오드(PD)에 도달하는 빛의 양이 작아지는 문제가 발생한다. 이를 개선하기 위해서는 마이크로렌즈(ML)의 곡률 반경을 크게 하여야 하나, 마이크로렌즈(ML)의 두께를 작게하는 것에는 한계가 있으며, 곡률 반경 또한 길게 할 수 없다. 따라서, 빛의 초점을 더 길게 형성할 수 없으며 빛의 흩어지는 양만큼 이미지센서의 감도가 나빠지게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 초점 거리를 개선하여 광 감도를 높일 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되어 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막; 상기 질화막 상에 형성되며 산화막으로 이루어진 평탄화막; 및 상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되는 상기 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상부에 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막을 형성하는 단계; 상기 질화막 상에 산화막으로 이루어진 평탄화막을 형성하는 단계; 및 상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되도록 상기 평탄화막 상부에 마이크로렌즈를 형성 하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 OCL, PMD, IMD 등으로 사용되는 실리콘산화막의 굴절률 1.5에 비해 큰 2의 굴절률을 가지며 보호막으로 사용되는 질화막을 마이크로렌즈와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖도록 배치한다.
질화막 상의 OCL은 굴절률이 1.5인 산화막 또는 폴리머성 물질막이며, 질화막은 2이므로 질화막의 오목한 부분은 오목렌즈의 역할을 하게 된다. 질화막을 이용한 오목렌즈 효과로 인해 초점 거리가 길어지므로 포토다이오드로 초점의 중심을 일치시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 고농도의 P형(P++) 영역(100)과 에피층(P-epi, 101)이 적층된 구조를 갖는 기판(이하 기판이라 함)에 국부적으로 필드산화막(FOX, 102)이 형성되어 있으며, 기판 상에는 트랜스퍼 게이트(Tx)를 포함한 복수의 게이트전극(도시하지 않음)이 형성되어 있으며, 트랜스퍼 게이트(Tx)의 일측에 얼라인된 기판의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(n-, 104)과 기판의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(P0, 105)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다. 트랜스퍼 게이트(Tx)의 타측에 얼라인된 기판의 표면 하부에 이온주입에 의한 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산영역(FD, 107)이 형성되어 있다.
게이트전극은 게이트전도막(103)과 그 측면의 스페이서(106)로 이루어지며, 플로팅 확산영역(FD, 107)은 스페이서(106)에 얼라인된다. 한편, P0영역(105)이 스페이서(106)에 얼라인될 수도 있다. 게이트전도막(103)은 폴리실리콘, 텅스텐, 텅스텐 실리사이드 등의 단독 또는 적층된 구조를 포함하며, 스페이서(106)는 질화막과 산화막의 단독 또는 적층된 구조를 포함한다.
포토다이오드(PD) 및 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성된 전면에 메탈라인 형성 전 절연막(PMD, 108)이 형성되어 있으며, PMD(108) 상에 제1메탈라인(M1, 109)이 형성되어 있다. 제1메탈라인(M1, 109) 상에는 제1메탈라인 간 절연막(IMD1, 110)이 형성되어 있으며, IMD1(110) 상에는 제2메탈라인(M2, 111)이 형성되어 있다. 제2메탈라인(M2, 111) 상에는 제2메탈라인 간 절연막(IMD2, 112)이 형성되어 있으며, IMD2(112) 상에는 제3메탈라인(M3, 113)이 형성되어 있다.
제1 ∼ 제3메탈라인(M1 ∼ M3)은 전원라인 또는 신호라인과 단위화소 및 로직회로의 접속시키기 위한 것으로, 포토다이오드(PD) 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드의 역할을 동시에 한다.
제3메탈라인(M3, 113) 상에는 하부 구조의 보호를 위한 보호막으로 산화막(114)과 질화막(115)이 형성되어 있다.
질화막(115) 상에는 칼라필터 형성시 공정 마진 확보를 위한 평탄화막(OCL, 118)이 형성되어 있고, OCL(118) 상에는 각 단위화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터(19)가 형성되어 있다.
통상의 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.
칼라필터(119) 상의 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 부분에 마이크로렌즈(120)가 형성되어 있다. 마이크로렌즈(120) 형성시 공정 마진 확보를 위한 칼라필터(119) 상에 추가의 OCL을 사용하나, 여기서는 생략하였다.
본 발명에서는 OCL(118), PMD(108), IMD(110, 112) 등으로 사용되는 실리콘산화막의 굴절률 1.5에 비해 큰 2의 굴절률을 가지며 보호막으로 사용되는 질화막(115)을 마이크로렌즈(120)와 오버랩되는 부분에서 도면부호 '117'과 같이 오목한 형상을 갖도록 한다.
질화막(115) 상의 OCL(118)은 굴절률이 1.5인 산화막이며, 질화막(115)은 굴절률이 2이므로 질화막(115)의 오목한 부분(117)은 오목렌즈의 역할을 하게 된다. 따라서, 질화막(115)을 이용한 오목렌즈 효과로 인해 초점 거리가 길어지므로 포토다이오드(PD)로 초점의 중심을 일치시킬 수 있다.
따라서, 입사된 빛은 마이크로렌즈(120)와 질화막(115)의 오목한 부분(117)에 의해 포커싱되어 포토다이오드(PD)로 입사한다.
결국, 마이크로렌즈(120)의 곡률 반경을 증가시키지 않으면서 빛의 초점을 더 길게 형성할 수 있어 광 감도를 향상시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 형성 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 전술한 구조를 갖는 이미지센서 제조 공정을 살펴 본다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, P++영역(100)과 P-에피층(101)이 적층된 기판에 필드산화막(102)과 웰(도시하지 않음) 등을 형성한다.
이어서, 기판(100)에 게이트전도막(103)을 형성한 다음, 이온주입 방식을 이용하여 게이트전도막(103) 일측에 얼라인되며 깊은 n-영역(104)과 얕은 P0영역(105)을 형성함으로써, 이를 포함하는 복수의 포토다이오드(PD)를 형성한 다음, 게이트전도막(103) 측벽에 스페이서(106)를 형성한다.
이어서, 게이트전도막(103)의 타측에서 스페이서(106)에 얼라인되는 플로팅 확산영역(N+, 107)을 형성한다.
이어서, PMD(108)와 M1(109), IMD1(110), M2(111) 및 IMD2(112)와 M3(113)를 차례로 형성한 후, M3(113)이 형성된 프로파일을 따라 보호막으로 산화막(114)과 질화막(115)을 차례로 형성한다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 상부에서 질화막(115)을 노출시키는 마스크 패턴(116)을 형성한다.
마스크 패턴(116)을 식각마스크로 노출된 질화막(115)의 일부를 등방성 프로파일을 갖도록 식각함으로서, 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 상부에서 오목한 형상(117)을 갖도록 한다.
등방성 프로파일 형성을 위해서는 습식 식각 방식와 건식 플라즈마 식각 방식을 모두 사용 가능하다.
습식의 경우 130℃ ∼ 200℃의 인산(Phosphoric acid, H3PO4)을 사용하거나, 순수에 희석된(Diluted) HF를 사용한다. 희석된 HF는 순수와 1:4 ∼ 1:6의 비율로 혼합된 것이 바람직하다.
플라즈마를 이용하는 경우에는 질화막(115)에 대한 반응성이 큰 CF4, SF6, NF3 등을 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 마스크 패턴(116)을 제거한 다음, 질화막(115) 상에 OCL(118)을 형성한다.
OCL(118)은 질화막(115)이 등방성 식각되어 형성된 오목한 형상(117)을 부분을 매립한다.
OCL(118)은 산화막 또는 폴리머성 물질막으로 이루어지므로 그 굴절률이 1.5인 반면, 질화막(115)은 굴절율 2.0이므로 오목렌즈의 효과를 거둘 수 있다.
이어서, OCL(118) 상에 칼라필터(119)와 마이크로렌즈(120)를 차례로 형성한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, OCL로 사용되는 실리콘산화막의 굴절률 1.5에 비해 큰 2의 굴절률을 가지며 보호막으로 사용되는 질화막을 마이크로렌즈와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖도록 배치하여 오목렌즈 효과로 거둠으로써, 초점 거리가 길게 확보하여 포토다이오드로 광 초점의 중심을 일치시킬 수 있어 광 감도를 증가시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 이미지센서의 광 감도를 높일 수 있어, 제품의 경쟁력을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (8)
- 기판에 형성된 포토다이오드;상기 포토다이오드 상부에 형성되어 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막;상기 질화막 상에 형성되며 산화막으로 이루어진 평탄화막; 및상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되는 상기 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,2.0의 굴절률을 갖는 상기 질화막의 오목한 형상 부분에 채워진 1.5의 굴절률을 갖는 상기 평탄화막으로 인해 상기 마이크로렌즈로부터 입사하는 빛의 초점을 증가시키는 오목 렌즈 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평탄화막과 상기 마이크로렌즈 사이에 형성된 칼라필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 포토다이오드 상부에 보호막 역할을 하며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분에서 오목한 형상을 갖는 질화막을 형성하는 단계;상기 질화막 상에 산화막으로 이루어진 평탄화막을 형성하는 단계; 및상기 포토다이오드 및 상기 질화막의 오목한 형상과 오버랩되도록 상기 평탄화막 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 질화막을 형성하는 단계는,질화막을 증착하는 단계와, 상기 질화막 상에 상기 포토다이오드와 오버랩되는 부분을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 노출된 상기 질화막을 등방성 식각하는 단계와, 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 질화막을 등방성 식각하는 단계에서, 130℃ 내지 200℃의 H3PO4를 인산을 이용하여 습식 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 질화막을 등방성 식각하는 단계에서, 순수에 1:4 내지 1:6의 비율로 희석된 HF를 이용하여 습식 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 질화막을 등방성 식각하는 단계에서, CF4, SF6 또는 NF3 중 어느 하나의 가스를 이용하여 플라즈마 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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- 2004-07-29 KR KR1020040059492A patent/KR20060010901A/ko not_active Application Discontinuation
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