KR20080015310A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 포토 다이오드 영역을 포함하는 단위 화소 영역들을 갖는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 제공된 층간 절연막, 층간 절연막 상에 제공되되, 포토 다이오드 영역에 대응되는 이너 렌즈들, 및 이너 렌즈 상에 제공되되, 단위 화소 영역에 대응되는 마이크로 렌즈들을 포함한다.
이미지 센서, 씨모스, 마이크로 렌즈, 이너 렌즈
Description
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도;
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 대한 것으로, 더 구체적으로 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 대한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 소자이다. 이러한 이미지 센서로는 대표적으로 전하 결합 소자(Charge Coupled Device : CCD) 및 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor : CIS)가 있다. 전하 결합 소자는 다수개의 모스 커패시터(capacitor)를 포함하며, 이 모스 커패시터는 빛에 의해 생성되는 전하(혹은 캐리어)를 이동시 한편, 씨모스 이미지 센서는 다수개의 단위 화소(unit pixel) 및 단위 화소의 출력 신호를 제어하는 씨모스 로직 회로를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 소비 전력, 적은 사진 공정 스텝(step)에 따른 단순한 제조 공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한 씨모스 이미지 센서는 제어 회로(control circuit), 신호 처리 회로(signal processing circuit), 아날로그/디지털 변환 회로(A/D converter) 등을 씨모스 이미지 센서 칩(chip)에 집적시키는 단일칩(one chip)화가 용이하여 제품의 소형화가 쉽다는 장점이 있다. 따라서, 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카레라 등과 같은 다양한 응용 분야에 널리 사용되고 있다.
여기서, 씨모스 이미지 소자에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 우선, 화소 어레이 영역(pixel array region)은 입사되는 빛을 감지(sensing)하는 포토 다이오드(photo diode) 및 포토 다이오드에 의해 생성된 전하를 처리하는 트랜지스터들로 구성된다. 또한, 화소 어레이 영역의 포토 다이오드의 상부에는 입사되는 빛을 집속(focusing)시키기 위한 마이크로 렌즈(micro lens)가 구비된다.
이전에는 트랜지스터 또는 활성 영역을 공유하지 않는 4개의 트랜지스터를 사용하는 독립적인 단위 화소 구조로도 충분히 씨모스 이미지 센서의 특성 확보가 가능하였다. 그러나 씨모스 이미지 센서의 고화소화에 의해 단위 화소의 크기가 감소함에 따라, 단위 화소의 크기가 2.5×2.5μm2 이하로 감소하게 되면서 포토 다이오드의 용량(capacity) 등과 같은 씨모스 이미지 센서의 기본 특성의 열화가 불가피한 상황이다.
이러한 씨모스 이미지 센서의 기본 특성의 열화를 극복하기 위하여, 트랜지 스터 또는 특정 활성 영역(예를 들어, 부유 확산(Floating Diffusion) 영역)을 공유하여 최적의 화소 특성을 확보하는 기술이 활용되었다.
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(unit pixel)들이 배열된 어레이(array)의 일부를 나타낸 도면이다. 단위 화소는 단위 화소 영역(A×A), 단위 화소 영역(A×A) 내의 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역(12), 및 단위 화소 영역(A×A)에 대응되는 마이크로 렌즈(micro lens, 22)를 포함한다. 즉, 단위 화소 영역(A×A)과 마이크로 렌즈(22)는 동일한 중심축을 갖는 것을 의미한다. 포토 다이오드 영역(12)은 단위 화소 영역(A×A)의 일측면으로 치우친 직사각형 모양을 가진다. 마이크로 렌즈(22)는 단위 화소 영역(A×A)에 대한 포토 다이오드 영역(12)의 점유 면적 비율인 필 팩터(fill factor)를 개선(실질적인 필 팩터의 증가가 아닌 유효 필 팩터의 증가)하여 집광 효율을 개선하기 위하여 제공된다. 단위 화소 영역(A×A) 내에 표시된 참조 부호인 R, G 및 B는 단위 화소 영역(A×A)의 컬러 특성을 결정하는 각각의 컬러 필터막(color filter layer)에 의해 각각 레드(Red) 픽셀, 그린(Green) 픽셀 및 블루(Blue) 픽셀을 나타낸다.
씨모스 이미지 센서가 트랜지스터 또는 특정 활성 영역을 공유함에 따라, 포토 다이오드 영역(12)들은 서로 이웃하는 단위 화소 영역(A×A) 내에서 불규칙하거나 비대칭(asymmetry)적인 배치를 가진다. 이러한 트랜지스터 또는 특정 활성 영역을 공유하는 단위 화소들 사이의 포토 다이오드(12)들의 불규칙한 배치 및 상이한 금속 쉴드(metal shield, 미도시) 구조로 인해 동일한 입사 각도의 빛에 대해 서로 이웃하는 단위 화소들은 서로 다른 전압 출력치를 보이게 된다. 또한, 단위 화소 영역(A×A)에 대응되는 마이크로 렌즈(22)만으로는 사각(oblique angle)으로 입사되는 빛을 집속하지 못하는 한계가 있다. 이는 서로 이웃하는 단위 화소들이 다른 음영 프로파일(shading profile)을 초래한다. 이에 따라, 씨모스 이미지 센서는 컬러 틴트(color tint) 및 GR(레드 화소에 인접한 그린 픽셀)와 GB(블루 화소에 인접한 그린 픽셀) 사이의 감도 차이와 같은 불량을 갖는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 이웃하는 화소 사이의 감도 차이를 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 이웃하는 화소 사이의 감도 차이를 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 포토 다이오드 영역을 포함하는 단위 화소 영역들을 갖는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 제공된 층간 절연막, 층간 절연막 상에 제공되되, 포토 다이오드 영역에 대응되는 이너 렌즈들, 및 이너 렌즈 상에 제공되되, 단위 화소 영역에 대응되는 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다.
포토 다이오드 영역은 단위 화소 영역의 일측면으로 치우쳐 형성되면서, 직사각형 모양을 가질 수 있다.
이너 렌즈는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막일 수 있다.
이너 렌즈와 마이크로 렌즈 사이에는 평탄화막 및 컬러 필터막이 더 제공될 수 있다.
상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판의 단위 화소 영역들의 소정 영역에 각각의 포토 다이오드 영역들을 형성하는 것, 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 것, 층간 절연막 상에 이너 렌즈들을 형성하는 것, 그리고 이너 렌즈 상에 마이크로 렌즈들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이너 렌즈 및 마이크로 렌즈는 각각 포토 다이오드 영역 및 단위 화소 영역에 대응되는 것을 특징으로 할 수 있다.
포토 다이오드 영역을 형성하는 것은 포토 다이오드 영역이 단위 화소 영역의 일측면으로 치우친 직사각형 모양을 갖게 할 수 있다.
이너 렌즈는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막으로 형성될 수 있다.
이너 렌즈들을 형성한 후, 이너 렌즈 상에 평탄화막을 형성하는 것 그리고 평탄화막 상에 컬러 필터막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소들이 배열된 어레이의 일부를 나타낸 도면이다. 단위 화소는 단위 화소 영역(A'×A'), 단위 화소 영역(A'×A') 내의 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역(112), 및 포토 다이오드 영역(112)과 단위 화소 영역(A'×A')에 각각 대응되는 이너 렌즈(inner lenz, 116) 및 마이크로 렌즈(122)를 포함한다. 즉, 이너 렌즈(116) 및 마이크로 렌즈(122)는 각각 포토 다이오드 영역(112) 및 단위 화소 영역(A'×A')과 동일한 중심축을 갖는 것을 의미한다.
포토 다이오드 영역(112)은 단위 화소 영역(A'×A')의 일측면으로 치우친 직사각형 모양을 가질 수 있다. 이는 씨모스 이미지 센서가 트랜지스터 또는 특정 활성 영역을 공유함에 따른 것일 수 있다. 마이크로 렌즈(122)는 단위 화소 영역(A'×A')에 대한 포토 다이오드 영역(112)의 점유 면적 비율인 필 팩터를 개선(실질적인 필 팩터의 증가가 아닌 유효 필 팩터의 증가)하여 집광 효율을 개선하기 위하여 제공될 수 있다. 단위 화소 영역(A'×A') 내에 표시된 참조 부호인 R, G 및 B는 단위 화소 영역(A'×A')의 컬러 특성을 결정하는 각각의 컬러 필터막에 의해 각각 레 드(Red) 픽셀, 그린(Green) 픽셀 및 블루(Blue) 픽셀을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 포토 다이오드 영역(112)에 대응되는 이너 렌즈(116)가 제공된다. 이에 따라, 포토 다이오드 영역(112)들이 서로 이웃하는 단위 화소 영역(A'×A')들 내에서 불규칙하거나 비대칭(asymmetry)적인 배치 및 상이한 금속 쉴드(미도시)를 가지더라도, 동일한 입사 각도의 빛에 대해 서로 이웃하는 단위 화소들은 유사한 전압 출력치를 보일 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(122)만이 제공된 경우보다 빛의 입사 각도에 따른 공차(tolerance : 소정의 기준값에 대해 규정된 최대값과 최소값의 차이)가 작을 수 있다. 이에 따라, 서로 이웃하는 단위 화소들이 유사한 음영 프로파일을 가질 수 있다. 결과적으로, 씨모스 이미지 센서에서 발생하는 컬러 틴트, 및 GR과 GB 사이의 감도 차이와 같은 불량을 최소화할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 반도체 기판(110)의 단위 화소 영역(A')들의 소정 영역에 포토 다이오드 영역(112)들을 형성한다. 반도체 기판(110)은 p-웰(p-well, 미도시) 및 n-웰(n-well, 미도시)이 형성되어 있는 p-형 실리콘 기판일 수 있다. 아울러, 반도체 기판(110)은 포토 다이오드 영역(112)들을 형성하기 전에, 소자 분리막(미도시), 및 화소 영역 및 씨모스 로직 영역(logic region)을 구성하는 트랜지스터의 게이트 전극들(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 포토 다이오드 영역(112)은 반도체 기판(110)의 단위 화소 영역(A')의 소정 영역에 불순물을 주입하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 불순물을 주입하는 공정은 예를 들어, n-형의 접합 영역에 p-형의 접합 영역을 형성하는 것일 수 있다. 이에 따라, 포토 다이오드 영역(112)은 알려진 바와 같이, p-n 접합으로 이루어질 수 있다. 또한, 포토 다이오드 영역(112)은 단위 화소 영역(A')의 일측면으로 치우친 직사각형 모양을 가질 수 있다. 이는 씨모스 이미지 센서가 트랜지스터 또는 특정 활성 영역을 공유함에 따른 것일 수 있다.
포토 다이오드 영역(112)들이 형성된 반도체 기판(110) 상에 층간 절연막(114)을 형성한다. 층간 절연막(114)은 앞서 설명한 화소 영역 및 씨모스 로직 영역을 구성하는 트랜지스터의 게이트 전극, 및 전기적 연결을 위한 콘택 플러그(contact plug) 등을 포함할 수 있다.
층간 절연막(114) 상에 이너 렌즈용 물질막을 형성한다. 이너 렌즈용 물질막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막일 수 있다. 이너 렌즈용 물질막은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PE-CVD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
이너 렌즈용 물질막 상에 이너 렌즈(116)의 크기를 정의하는 포토레지스트 패턴을 사진 식각 공정으로 형성한다. 포토레지스트 패턴은 포토 다이오드 영역(112)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 포토레지스트 패턴이 렌즈 형태의 곡률을 가지게 하기 위해, 포토레지스트 패턴을 소정의 온도에서 리플로우(reflow) 시킨다. 리플로우 공정으로 인해 포토레지스트 패턴은 렌즈 형태의 곡률을 갖게 된다. 곡률을 가진 포토레지스트 패턴을 마스크로 이너 렌즈용 물질막을 건식 식각하여 이너 렌즈(116)들을 형성한다. 건식 식각에 의해 이너 렌즈용 물질막은 곡률을 가진 포토레지스트 패턴의 형태가 전사되어 이너 렌즈(116)가 될 수 있다. 곡률을 가진 포토레지스트 패턴을 제거한다.
이너 렌즈(116)가 형성된 층간 절연막(114)을 덮는 평탄화막(118)을 형성한 후, 평탄화막(118) 상에 컬러 필터막(120)을 형성한다. 컬러 필터막(120)은 단위 화소 영역(A')의 컬러 특성을 결정할 수 있다. 컬러 필터막(120)은 레드, 그린 및 블루로 구성되는 어레이, 또는 옐로우(Yellow : Y), 마젠타(Magenta : M) 및 시안(Cyan : C)으로 구성되는 어레이일 수 있다. 도면의 왼쪽 및 오른쪽 컬러 필터막(120)들은, 도 2a를 참조하면, 각각 그린 및 레드일 수 있다.
컬러 필터막(120) 상에 마이크로 렌즈용 포토레지스트막을 형성한다. 사진 식각 공정으로 마이크로 렌즈용 포토레지스트 패턴을 형성한다. 마이크로 렌즈용 포토레지스트 패턴은 단위 화소 영역(A')에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈용 포토레지스트 패턴을 소정의 온도에서 리플로우 시킨다. 리플로우 공정으로 인해 마이크로 렌즈용 포토레지스트 패턴은 렌즈 형태의 곡률을 갖는 마이크로 렌즈(122)가 될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 씨모스 이미지 센서를 제조함으로써, 이웃하는 화소 사이의 감도 차이를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 이웃하는 화소 사이의 감도 차이를 최소화함으로써, 씨모스 이미지 센서에서 발생하는 컬러 틴트, 및 GR과 GB 사이의 감도 차이와 같은 불량을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에 대응되는 이너 렌즈가 제공됨으로써, 고화소의 씨모스 이미지 센서를 제공 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에 대응되는 이너 렌즈를 형성함으로써, 불량이 최소화된 신뢰성 있는 씨모스 이미지 센서를 제공할 수 있다.
Claims (8)
- 포토 다이오드 영역을 포함하는 단위 화소 영역들을 갖는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 제공된 층간 절연막;상기 층간 절연막 상에 제공되되, 상기 포토 다이오드 영역에 대응되는 이너 렌즈들; 및상기 이너 렌즈 상에 제공되되, 상기 단위 화소 영역에 대응되는 마이크로 렌즈들을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 포토 다이오드 영역은 상기 단위 화소 영역의 일측면으로 치우쳐 형성되면서, 직사각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 이너 렌즈는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 이너 렌즈와 상기 마이크로 렌즈 사이에는 평탄화막 및 컬러 필터막이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 반도체 기판의 단위 화소 영역들의 소정 영역에 각각의 포토 다이오드 영역들을 형성하고;상기 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하고;상기 층간 절연막 상에 이너 렌즈들을 형성하고; 그리고상기 이너 렌즈 상에 마이크로 렌즈들을 형성하되, 상기 이너 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈는 각각 상기 포토 다이오드 영역 및 상기 단위 화소 영역에 대응되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 포토 다이오드 영역을 형성하는 것은 상기 포토 다이오드 영역이 상기 단위 화소 영역의 일측면으로 치우친 직사각형 모양을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 이너 렌즈는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 이너 렌즈들을 형성한 후,상기 이너 렌즈 상에 평탄화막을 형성하고; 그리고상기 평탄화막 상에 컬러 필터막을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
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| KR1020060076844A KR20080015310A (ko) | 2006-08-14 | 2006-08-14 | 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110021612A (zh) * | 2018-01-10 | 2019-07-16 | 三星电子株式会社 | 图像传感器 |
-
2006
- 2006-08-14 KR KR1020060076844A patent/KR20080015310A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110021612A (zh) * | 2018-01-10 | 2019-07-16 | 三星电子株式会社 | 图像传感器 |
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| US10497730B2 (en) | 2018-01-10 | 2019-12-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors |
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