KR20070096115A - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 사이에 반사막을 형성함으로써 광의 집속 능력을 향상시켜 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토 다이오드들과, 상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연층과, 상기 각 포토 다이오드에 대응되는 개구부를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성되는 반사막과, 상기 반사막을 포함한 상기 제 1 층간 절연층의 전면에 형성되는 제 2 층간 절연층과, 상기 제 2 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토 다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 형성되는 마이크로 렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 반사막
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도 2는 종래 기술의 씨모스 이미지 센서에서 포토 다이오드에 의해 반사를 나타낸 구조 단면도
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서에서 반사막에 의해 재반사를 나타낸 구조 단면도
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 포토 다이오드 32a, 32b : 층간 절연층
33 : 보호막 34 : 칼라 필터층
35 : 평탄화층 36 : 마이크로 렌즈
40 : 반사막 42 : 개구부
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 사이에 반사막을 형성함으로써 광의 집속 능력을 향상시켜 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 광을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 광을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 광을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 광이 마이크로 렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(11)들과, 상기 포토 다이오드(11)들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(12)과, 상기 층간 절연층(12)상에 형성되는 보호막(13)과, 상기 보호막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 광을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)상에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(11)로 광을 집광하는 마이크로 렌즈(16)를 포함하여 구성되어 있다.
그리고 광을 감지하기 위한 소자로 포토 다이오드 형태가 아니고, 포토 게이트 형태로 구성되는 것도 가능하다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(16)는 집속된 광의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자의 두께, 그리고 차광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반 경으로 형성되어야 한다.
상기 마이크로 렌즈(16)는 집속된 광의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 감광성 레지스트가 주로 사용되고, 상기 감광성 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 감광성 레지스트를 패터닝하여 감광성 레지스트 패턴을 형성하고, 상기 감광성 레지스트 패턴을 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터층(14)을 통하여 포토 다이오드(11)에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.
이미지 센서로 입사된 광은 마이크로 렌즈(16)에 의해 집광되어 칼라 필터층(14)을 통해 필터링된 광은 칼라 필터층(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(11)에 입사된다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서는 도 2에 도시한 바와 같이 포토 다이오드(11)에 입사되는 광(18) 중 일부(20)가 포토 다이오드(11)에 의해 반사되기 때문에 광의 집속 효율이 떨어져 씨모스 이미지 센서의 감도가 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 사이에 반사막을 형성함으로써 광의 집속 능력을 향상시켜 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토 다이오드들과, 상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연층과, 상기 각 포토 다이오드에 대응되는 개구부를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성되는 반사막과, 상기 반사막을 포함한 상기 제 1 층간 절연층의 전면에 형성되는 제 2 층간 절연층과, 상기 제 2 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토 다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 형성되는 마이크로 렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계와; 상기 각 포토 다이오드에 대응되는 개구부를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층 상에 반사막을 형성하는 단계와; 상기 반사막을 포함한 상기 제 1 층간 절연층의 전면에 제 2 층간 절연층을형성하는 단계와; 상기 제 2 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계와; 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와; 상기 각 포토 다이오드와 대응하도록 상기 평탄화층상에 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(30)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들과, 상기 각 포토 다이오드(31)들을 포함한 반도체 기판(30)의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연층(32a)과, 상기 각 포토 다이오드(31) 상에 개구부(42)를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층(32a)에 형성된 반사막(40)과, 상기 반사막(40)을 포함한 상기 제 1 층간 절연층(32)의 전면에 형성된 제 2 층간 절연막(32b)와, 상기 제 2 층간 절연막(32b)의 전면에 형성되는 보호막(33)과, 상기 포토 다이오드(31)에 대응하여 보호막(33) 상에 형성되어 각 포토 다이오드(31)에 특정 파장대의 광을 필터링하여 조사하는 칼라 필터층(34)들과, 상기 칼라 필터층(34)들을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층(35)과, 상기 포토 다이오드(31)에 대응하여 상기 평탄화층(35)상에 형성되어 상기 포토 다이오드(31)로 광을 집속하는 마이크로 렌즈(36)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 반사막(40)은 금속막으로써 반도체 소자의 제조공정에서 사용되는 모든 종류의 금속막 중 어느 하나가 될 수 있다. 상기 반사막(40)은 투명한 제 1 층간절연막(32a) 상에 반도체 소자의 제조공정 중 금속막의 형성에 사용되는 모든 금속막의 증착방법 중 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는 CVD 또는 PVD 방법이 될 수 있다.
여기서, 상기 반사막(40)은 증착공정에 의해 증착된 박막을 패터닝하고, 식각하여 개구부(42)를 가지도록 형성된다. 이때, 개구부(42)는 마이크로 렌즈(36)에 의해 집속된 광이 각 포토 다이오드(31)로 입사되는 영역에 대응되도록 패터닝된다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(36)는 볼록한 반구 형태로 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 도 4에 도시한 바와 같이 포토 다이오드(31)와 마이크로 렌즈(36) 사이에 개구부(42)를 가지는 반사막(40)을 형성함으로써 포토 다이오드(31)에 의해 반사되는 광(50)이 반사막(40)에 의해 재반사되어 포토 다이오드(31)로 입사되므로 광의 집속 효율을 증가시켜 씨모스 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(30) 상에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들을 형성한다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 각 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판(30)의 전면에 제 1 층간 절연막(32a)을 형성한다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 층간 절연막(32a)의 전면에 금속막을 증착한다. 여기서, 금속막은 반도체 소자의 제조공정에서 사용되는 모든 종류의 금속막 중 어느 하나가 될 수 있다.
이어, 노광 및 현상 공정을 통해 상기 금속막을 선택적으로 패터닝하여 개구 부(42)를 가지는 반사막 패턴을 형성한다.
그리고, 식각 공정을 통해 선택적으로 반사막 패턴을 제거하여 상기 각 포토 다이오드(31) 상에 개구부(42)를 가지는 반사막(40)을 형성한다.
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 반사막(40)이 형성된 제 1 층간 절연막(32a)의 전면에 제 2 층간 절연막(32b)을 형성한다. 여기서, 제 2 층간 절연막(32)은 제 1 층간 절연막(32a)과 동일한 물질로 형성된다.
도 5e에 도시한 바와 같이 상기 제 2 층간 절연층(32b) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.
이어, 상기 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 광을 필터링하는 R,G,B의 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
그리고, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 형성한다.
도 5f에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 레지스트 또는 SiON과 같은 마이크로 렌즈용 물질층을 증착한다.
이어, 노광 및 현상 공정을 통해 상기 마이크로 렌즈용 물질층을 선택적으로 패터닝하여 상기 각 포토 다이오드(31)와 대응되게 상기 평탄화층(35)상에 마이크로 렌즈 패턴(36a)을 형성한다.
도 5g에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈 패턴(36a)을 120 ~ 200℃의 온도에서 리플로우(reflow) 공정을 실시하여 반구형의 마이크로 렌즈(36)를 형성한 다.
그리고 상기 마이크로 렌즈(36)를 포함한 전면에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로 렌즈(36)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.
여기서, 상기 반사막(40)의 개구부(42)는 마이크로 렌즈(36)에 의해 집속된 광이 각 포토 다이오드(31)로 입사되는 영역에 대응된다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 포토 다이오드에 의해 반사되는 광이 반사막에 의해 재반사되어 포토 다이오드로 입사되므로 포토 다이오드에 의해 반사되는 광까지도 포토 다이오드로 재흡수할 수 있으므로 광의 집속 효율을 증가시켜 씨모스 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토 다이오드들과,상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연층과,상기 각 포토 다이오드에 대응되는 개구부를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층 상에 형성되는 반사막과,상기 반사막을 포함한 상기 제 1 층간 절연층의 전면에 형성되는 제 2 층간 절연층과,상기 제 2 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과,상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과,상기 각 포토 다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 형성되는 마이크로 렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막은 금속재질로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈들에 의해 집속되는 광이 상기 포토 다이 오드에 입사되는 영역에 대응됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 다수의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계와;상기 각 포토 다이오드에 대응되는 개구부를 가지도록 상기 제 1 층간 절연층 상에 반사막을 형성하는 단계와;상기 반사막을 포함한 상기 제 1 층간 절연층의 전면에 제 2 층간 절연층을형성하는 단계와;상기 제 2 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계와;상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와; 그리고상기 각 포토 다이오드와 대응하도록 상기 평탄화층상에 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 반사막은 금속재질로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈들에 의해 집속되는 광이 상기 포토 다이오드에 입사되는 영역에 대응됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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