KR20080058549A - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제 1포토 다이오드 화소, 제 2포토 다이오드 화소 및 제3 포토 다이오드 화소를 포함하는 포도 다이오드 화소를 형성하는 단계, 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소의 상부면에 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드를 덮는 절연막을 형성하고, 절연막의 상부면에 포토레지스트 필름을 도포하고 패터닝하여 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소들 중 선택된 포토 다이오드 화소에 대응하여 트렌치가 형성된 절연막 구조물을 형성하는 단계, 절연막 구조물 상부면에 제 1컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 제 1포토 다이오드 화소와 대응하여 제 1컬러필터를 형성하는 단계, 제 1컬러필터를 포함한 절연막 구조물 상부면에 제 2컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 제 2포토 다이오드 화소와 대응하여 제 2컬러필터를 형성하는 단계, 제 1 및 제 2컬러필터를 포함한 상기 절연막 구조물 상부면에 제 3컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 제 3컬러필터를 형성하는 단계 및 제 1, 제 2 및 제 3컬러필터들 상부면에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이미지센서, 절연막 구조물, 트렌치, 컬러필터 구조물
Description
도 1은 종래의 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께를 서로 다르게 형성한 SEM 사진이다.
도 2는 종래의 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께를 동일하게 형성한 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 포토 다이오드 화소의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 반도체 기판 상에 포토 다이오드 화소를 형성한 것을 도시한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 포토 다이오드 화소 상에 절연막 구조물을 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 절연막 구조물 상에 블루 컬러필터를 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 절연막 구조물 상에 블루 컬러필터를 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 절연막 구조물 상에 레드 컬러필터를 형성하는 과정을 나 타낸 단면도이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 색의 혼합 없이 보다 균일한 두께를 갖는 컬러필터를 갖는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학적 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로 정의된다. 종래 이미지 센서는 전하 결합 소자(CCD), 씨모스 이미지 센서(CMOS image Sensor) 등이 대표적이다.
일반적인 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판상에 트랜지스터들 및 트랜지스터들에 전기적으로 연결되는 포토 다이오드를 형성하고, 트랜지스터 및 포토 다이오드 상에 절연막 구조물 및 배선을 형성한 후 절연막 구조물 상에 레드, 그린 및 블루로 이루어진 컬러필터를 형성한다. 여기서, 절연막 구조물의 상부면에 형성된 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 다르다.
도 1은 종래의 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께를 서로 다르게 형성한 SEM 사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 절연막 구조물의 표면으로부터 측정된 각 컬러필터의 두께가 서로 다를 경우 컬러필터의 상부면에 감광성 물질을 도포하여 평탄화층을 형성하고, 평탄화층의 상부면에 포토 레지스트 필름을 도포하고 리플로우 공 정을 진행하여 포토 다이오드로 집광된 광을 제공하는 마이크로 렌즈를 형성한다.
그러나, 이미지 센서의 컬러필터들이 서로 다른 두께로 형성될 경우 컬러필터를 덮는 평탄화층이 두꺼워져 평탄화층에 의한 광손실이 발생된다. 즉, 평탄화층의 두께가 두꺼워질 경우 광 신호 감도가 저하되어 이미지 센서의 성능이 크게 저하된다.
그리고, 컬러필터들의 단차를 완화하기 위해 평탄화 층이 형성되면, 마이크로 렌즈의 촛점이 화소 영역에 정확하게 포커싱되지 않아 평탄화층의 두께 만큼 초점 거리를 보상하기 위해 마이크로 렌즈를 얇게 형성해야 하며, 이로 인해 공정 마진 감소 등의 문제점이 발생된다.
또한, 컬리필터와 평탄화층이 모두 형성되어 있는 화소 영역과 컬러필터와 평턴화층이 존재하지 않는 스크라이브 라인 사이의 두께 단차로 인해 마이크로 렌즈를 형성할 경우 코팅 줄무늬가 발생되는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께를 동일하게 형성한 SEM 사진이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 컬러필터층을 형성할 때 두께가 가장 높던 레드 컬러필터의 두께를 도 2에 도시된 바와 같이 그린 및 블루 컬러필터의 두께와 동일하게 형성하여 단차를 완화한다. 이후 컬러필터의 상부면에 평탄화층을 형성하기 않고 각 컬러필터의 상부에 마이크로 렌즈를 바로 형성한다.
그러나, 컬러필터의 두께를 거의 동일하게 맞추어 상술한 문제점을 해결한 경우 특정 색을 필터링하는데 필요한 최소 두께를 충족시키기 못하기 때문에 각 컬 러필터가 필터링해야 하는 파장대의 빛을 투과시키므로 색이 혼합되는 문제점이 발생된다.
예를 들어 블루 컬러필터 또는 그린 컬러필터는 300∼500nm 정도 파장의 청색/녹색 가시광선 영역에서 흡광율이 높아 필요한 빛의 세기를 얻기 위해서 컬러필터의 두께를 낮게 형성해야 한다. 반면 그린 컬러필터는 600nm 정도 파장의 적색 가시광선 영역에서 흡광율이 낮고 투과율은 높아 색 혼합 없이 적절한 필터링 기능을 수행하기 위해서는 블루 및 그린 컬러필터의 두께보다 400∼500nm 정도 두꺼운 컬러필터 두께가 필요하지만, 레드, 그린 및 블루 컬러필터의 두께를 거의 동일하게 맞추어 단차를 완화한 경우 상술한 바와 같이 색 혼합이 발생된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 색 혼합 없이 컬러필터들을 두께를 균일하게 형성할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 이미지 센서는 반도체 기판의 화소 영역에 형성되며 입사된 광에 의하여 전기적 신호를 발생하며 제 1포토 다이오드 화소, 제 2포토 다이오드 화소 및 제 3포토 다이오드 화소를 포함하는 포토 다이오드 화소; 상기 포토 다이오드 화소 상에 형성되며, 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소들 중 선택된 포토 다이오드 화소에 대응하여 트렌치가 형성된 절연막 구조물; 상기 층간 절연막의 상부면 중 상기 제 1포토 다이오드 화소들에 대응 하여 형성되는 제 1컬러필터들, 상기 제 2포토 다이오드 화소들에 대응하여 형성되는 제 2컬러필터들 및 상기 제 3포토 다이오드 화소들과 대응하여 형성되는 제 3컬러필터를 포함하는 컬러필터 구조물; 및 상기 제 1, 제 2 및 제 3컬러필터들 상부면에 배치된 마이크로 렌즈들을 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제 1포토 다이오드 화소, 제 2포토 다이오드 화소 및 제3 포토 다이오드 화소를 포함하는 포도 다이오드 화소를 형성하는 단계; 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소의 상부면에 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드를 덮는 절연막을 형성하고, 상기 절연막의 상부면에 포토레지스트 필름을 도포하고 패터닝하여 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소들 중 선택된 포토 다이오드 화소에 대응하여 트렌치가 형성된 절연막 구조물을 형성하는 단계; 상기 절연막 구조물 상부면에 상기 제 1컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 상기 제 1포토 다이오드 화소와 대응하여 제 1컬러필터를 형성하는 단계; 상기 제 1컬러필터를 포함한 상기 절연막 구조물 상부면에 제 2컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 상기 제 2포토 다이오드 화소와 대응하여 제 2컬러필터를 형성하는 단계; 상기 제 1 및 제 2컬러필터를 포함한 상기 절연막 구조물 상부면에 제 3컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 제 3컬러필터를 형성하는 단계; 및 상기 제 1, 제 2 및 제 3컬러필터들 상부면에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 및이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예 들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
이미지 센서
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 포토 다이오드 화소의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 이미지 센서(300)는 포토 다이오드 화소(100), 절연막 구조물(150), 컬러필터 구조물(200) 및 마이크로 렌즈(250)를 포함한다.
포토 다이오드 화소(100)는 반도체 기판(10)의 화소 영역에 형성되고, 입사된 광에 의하여 전기적 신호를 발생시키는 것으로, 제 1포토 다이오드 화소(102), 제 2포토 다이오드 화소(104) 및 제 3포토 다이오드 화소(106)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소(12,104,106)는 광의 광량을 감지하는 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함한다.
포토 다이오드(PD)에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)가 직렬로 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소오스는 포토 다이오드(PD)와 접속하고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 리셋 트랜지스터(Sx)의 소오스와 접속한다. 리셋 트랜지스터(Sx)의 드레인에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산층(FD, floating diffusion) 역할을 한다. 부유 확산층(FD)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에 접속된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)는 직렬로 접속된다. 즉, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소오스와 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인은 서로 접속한다. 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인 및 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인은 출력단에 해당하고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에는 선택 신호가 인가된다.
다시 도 3을 참조하면, 절연막 구조물(150)은 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소(102, 104, 106)를 포함한 반도체 기판(10)의 상부를 덮어 다층으로 이루어진 배선(도시 안됨)을 절연하는 절연막(152) 및 절연막(152)의 상부면 중 제 3포토 다이오드 화소(106)과 대응되는 부분에 소정 깊이로 형성된 트렌치(154)를 포함한다.
바람직하게, 트렌치(154)의 깊이는 400nm이다.
도 3을 참조하면, 컬러필터 구조물(200)은 절연막 구조물(150)의 상부면에 형성되어 특정 색만을 통과시키고 나머지 색들은 차단한다. 이러한 기능을 갖는 컬러필터 구조물(200)은 절연막(152)의 상부면 중 제 1포토 다이오드 화소(102)와 대응하여 형성되고 블루 가시광선만 통과시키는 블루 컬러필터(202), 절연막(152)의 상부면 중 제 2포토 다이오드 화소(104)와 대응하여 형성되고 녹색 가시광선만 통과시키는 그린 컬러필터(204) 및 절연막 구조물(150)의 상부면 중 트렌치(154)에 형성되고 레드 가시광선만 통과시키는 레드 컬러필터(206)를 포함한다.
본 발명에서는 일예로, 블루 컬러필터(202)의 상부면에서 하부면까지의 두께 및 그린 컬러필터(204)의 상부면에서 하부면까지의 두께는 서로 동일하게 형성된다. 그리고, 레드 컬러필터(206)의 상부면에서 하부면까지의 두께는 트렌치(154)의 깊이 만큼 더 두껍다. 즉, 레드 컬러필터(206)의 두께가 블루 및 그린 컬러필터(202,024)의 두께보다 더 두껍지만, 트렌치(154)로 인해 블루 컬러필터(202), 그린 컬러필터(204) 및 레드 컬러필터(206)의 상부면 높이는 도 3에 도시된 바와 같이 모두 동일하다.
다른 예로, 그린 컬러필터(204)가 그린 파장대의 광만을 통과시키지 않고 그린 파장대와 인접한 다른 파장대의 빛을 통과시켜 색이 혼합되는 것을 방지하기 위해서 그린 컬러필터(204)의 두께를 블루 컬러필터(202)의 두께 보다 약간 두껍게 형성할 수도 있다. 이 경우 컬러필터 구조물(200)의 상부면이 균일하지 않고 약간의 단차가 발생되지만, 후속 공정 즉, 마이크로 렌즈 형성 공정을 진행하는데는 무리가 없다.
여기서, 그린 컬러필터(204)의 두께를 블루 컬러필터(202)의 두께보다 약간 두껍게 형성하면서, 균일한 상부면을 갖는 컬러필터 구조물(200)을 형성하기를 원할 경우, 절연막(152) 중 제 2포토 다이오드 화소(104)와 대응되는 부분에 그린 컬러필터(204)와 블루 컬러필터(202)의 단차 만큼의 트렌치를 형성한다.
도 3을 참조하면, 마이크로 렌즈(250)는 각각의 포토 다이오드 화소(100)로 광을 전달하는 것으로, 블루 컬러필터(202), 그린 컬러필터(204) 및 레드 컬러필터(206)의 상부면에 각각에 구면 형상을 갖도록 형성된다.
본 발명에서와 같이 절연막 구조물(150) 중 레드 컬러필터(206), 또는 레드 및 그린 컬러필터(206,204)가 형성될 부분에 트렌치(154)를 형성한 후 컬러필터 구조물(200)을 형성하면, 컬러필터 구조물(200)의 상부면 높이가 균일하여, 컬러필터 구조물(200)의 상부면에 평탄화층을 형성하지 않고 곧 바로 마이크로 렌즈(250)를 형성할 수 있다.
그러면, 컬러필터 구조물(200)과 마이크로 렌즈(250) 사이에 평탄화층이 없기 때문에 광이 포토 다이오드 화소(100)로 전달되는 동안 광손실이 발생되지 않고, 마이크로 렌즈(250)의 촛점이 포토 다이오드(PD)에 정확하게 포커싱되어 마이크로 렌즈(250)를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 포토 다이오드 화소들이 형성되는 화소 영역과 스크라이브 라인 사이의 단차 두께도 작게 발생하기 때문에 마이크로 렌즈(250)를 형성하기 위해 감광성 물질을 코팅할 경우 코팅 줄무늬의 발생을 최소화시킬 수 있다.
한편, 본 발명을 적용하면, 컬러필터 구조물(200)의 상부면 높이를 균일하게 형성할 수 있고, 절연막 구조물(150)에 형성된 트렌치(154)에 의해 레드 컬러필터(106)의 두께, 또는 레드 및 그린 컬러필터(206,204)의 두께를 블루 컬러필터(202)의 두께보다 두껍게 형성할 수 있기 때문에 색 혼합 현상이 발생되지 않는다.
이미지 센서의 제조 방법
도 3 내지 도 9b들은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 평면도 및 단면도들이다.
도 5는 본 발명에 의한 반도체 기판 상에 포토 다이오드 화소를 형성한 것을 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(300)를 제조하기 위해서, 먼저, 반도체 기판(10)상에는 제1 내지 제3 포토 다이오드 화소(102, 104, 106)들을 포함한 포토 다이오드 화소(100)를 형성한다. 본 발명에서, 포토 다이오드 화소(100)는 비록 3 개의 제1 내지 제3 포토 다이오드 화소(102, 104, 106)들을 포함하지만, 반도체 기판(10) 상에는 해상도에 대응하여 다수개의 포토 다이오드 화소(100)들이 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 내지 제3 포토 다이오드 화소(102, 104, 106)는 광의 광량을 감지하는 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함한다.
포토 다이오드(PD)에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)가 직렬로 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소오스는 포토 다이오드(PD)와 접속되고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스와 접속된다. 리셋 트랜지스터(Rx)의 드레인에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산층(FD, floating diffusion) 역할을 한다. 부유 확산층(FD)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에 접속된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)는 직렬로 접속된다. 즉, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소오스와 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인이 서로 접속된다. 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인 및 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스에는 전원 전압(Vdd) 이 인가된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인은 출력단(Out)에 해당하고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에는 선택 신호(Row)가 인가된다.
상술한 구조의 이미지 센서(300)의 포토 다이오드 화소(100)의 동작을 간략히 설명한다. 먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴 온(turn on)시켜 부유 확산층(FD)의 전위를 상기 전원 전압(Vdd)과 동일하게 한 후에, 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴 오프(turn off)시킨다. 이러한 동작을 리셋 동작이라 정의한다.
외부의 광이 포토 다이오드(PD)에 입사되면, 포토 다이오드(PD)내에 전자-홀 쌍(EHP; electron-hole pair)들이 생성되어 신호 전하들이 포토 다이오드(PD)내에 축적된다. 이어서, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴 온됨에 따라 포토 다이오드(PD)내 축적된 신호 전하들은 부유 확산층(FD)으로 출력되어 부유 확산층(FD)에 저장된다.
이에 따라, 부유 확산층(FD)의 전위는 포토 다이오드(PD)에서 출력된 전하의 전하량에 비례하여 변화되고, 이로 인해 억세스 트랜지스터(Ax)의 게이트의 전위가 변한다. 이때, 선택 신호(Row)에 의해 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴 온되면, 데이타가 출력단으로 출력된다.
데이타가 출력된 후에, 포토 다이오드 화소(100)는 다시 리셋 동작을 수행한다. 포토 다이오드 화소(100)는 이러한 과정들을 반복하여 광을 전기적 신호로 변환시켜 출력한다.
도 6a 및 도 6b는 포토 다이오드 화소 상에 절연막 구조물을 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 포토 다이오드 화소(100)들이 형성된 후, 반도체 기판(10) 상에는 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소(102, 104, 106)를 덮는 절연막(152)을 형성한다.
이후, 절연막(152)의 상부면에 포토레지스트 필름(160)을 도포한다. 바람직하게, 포토레지스트 필름(160)은 광에 노출된 부분의 크로스 링크가 끊어지는 포지티브 타입의 포토레지스트 물질로 형성한다.
도 6b를 참조하면, 절연막 상에 포토레지스트 필름(160)을 도포한 후 포토레지스트 필름(160) 중 제 3포토 다이오드 화소(106)와 대응되는 영역이 광에 노출되도록 클리어 톤으로 처리된 노광 마스크를 이용하여 포토레지스트 필름(160)을 노광한다. 그리고, 포토레지스트 필름(160)을 식각하여 포토레지스트 필름(160)을 패터닝한다. 여기서, 포토레지스트 필름(160)을 식각하면, 광과 반응하여 크로스 링크가 끊어진 부분, 즉 포토레지스트 필름(160) 중 제 3포토 다이오드 화소(106)와 대응되는 부분만이 식각되어 패터닝된다.
이후, 패터닝된 포토레지스트 필름(160a)을 식각 마스크로 이용하여 절연막(152)을 반응성 이온 식각하면, 절연막(152) 중 제 3포토 다이오드 화소(106)와 대응되는 부분이 식각되어 소정 깊이를 갖는 트렌치(154)가 형성된다.
바람직하게, 트렌치(154)의 깊이는 400nm이다.
도 7a 내지 도 9b는 도 6b를 통해 형성된 절연막 구조물 상에 컬러필터 구조물을 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 절연막 구조물 상에 블루 컬러필터를 형성하는 과정을 나 타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 절연막 구조물(150)이 형성된 후, 절연막 구조물(150) 상에는 블루 파장을 갖는 가시광선을 통과시키는 블루 컬러필터(202)가 형성된다.
도 7a를 참조하면, 블루 컬러필터(202)를 형성하기 위해서, 절연막 구조물(150) 상에는 전면적에 걸쳐 블루 컬러필터 물질이 도포되어 블루 컬러필터층(202a)이 형성된다. 블루 컬러필터 물질은, 예를 들어, 블루 안료 및/또는 염료와 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게 포토 레지스트 물질은 절연막(152)의 상부면에 트렌치(154)를 형성하기 위해 도포된 포지티브 타입의 포토레지스트 필름(160)과 반대로 광에 노출된 부분에 크로스 링크(cross-link)가 형성되는 네거티브 타입이다.
이후, 도 7b를 참조하면, 블루 컬러필터층(202a)을 사진공정 및 현상 공정을 포함하는 포토공정을 진행하여 패터닝하여 제 1포토 다이오드 화소(102)에 대응하는 절연막 구조물(150) 상에는 블루 컬러필터(202)를 형성한다.
도 8a 및 도 8b는 절연막 구조물 상에 블루 컬러필터를 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 절연막 구조물(150)이 형성된 후, 절연막 구조물(15) 상에는 그린 파장을 갖는 가시광선을 통과시키는 그린 컬러필터(204)를 형성한다.
도 8a를 참조하면, 그린 컬러필터(204)를 형성하기 위해서, 절연막 구조 물(150) 상에는 전면적에 걸쳐 그린 컬러필터 물질을 도포하여 그린 컬러필터층(204a)을 형성한다. 그린 컬러필터 물질은, 예를 들어, 그린 안료 및/또는 염료와 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게 포토 레지스트 물질은 광에 노출된 부분에 크로스 링크(cross-link)가 형성되는 네거티브 타입이다.
이후, 도 8b를 참조하면, 그린 컬러필터층(204a)을 사진공정 및 현상 공정을 포함하는 포토공정을 진행하여 패터닝하여 제 2포토 다이오드 화소(104)에 대응하는 절연막 구조물(150) 상에는 그린 컬러필터(204)를 형성한다.
바람직하게, 그린 컬러필터(204)의 상부면에서 하부면까지의 두께는 블루 컬러필터(202)의 상부면에서 하부면까지의 두께와 동일하게 형성된다.
도 9a 및 도 9b는 절연막 구조물 상에 레드 컬러필터를 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 절연막 구조물(150)이 형성된 후, 절연막 구조물(150) 상에는 레드 파장을 갖는 가시광선을 통과시키는 레드 컬러필터(206)를 형성한다.
도 9a를 참조하면, 레드 컬러필터(206)를 형성하기 위해서, 절연막 구조물(150) 상에는 전면적에 걸쳐 레드 컬러필터 물질을 도포하여 레드 컬러필터층(206a)을 형성한다. 레드 컬러필터 물질은, 예를 들어, 레드 안료 및/또는 염료와 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게 포토 레지스트 물질은 절연막(152)의 상부면에 트렌치(154)를 형성하기 위해 도포된 포지티브 타입의 포토레지스트 필름(160)과 반대로 광에 노출된 부분에 크로스 링크(cross-link)가 형성되 는 네거티브 타입이다.
이후, 절연막 구조물 상에 도포된 레드 컬러필터층(206a) 중 트렌치(154)와 대응되는 영역이 광에 노출되도록 클리어 톤으로 처리된 노광 마스크를 이용하여 레드 컬러필터층(206a)을 노광한다. 그리고, 레드 컬러필터층(206a)을 현상하는 공정을 통해 레드 컬러필터층(206a)을 패터닝하여 트렌치(154) 내에 블루 및 그린 컬러필터(202, 204)의 두께보다 두꺼운 레드 컬러필터(206)를 형성한다.
여기서, 레드 컬러필터층(206a)의 노광은 트렌치(154)를 형성하기 위해서 절연막(154)의 상부면에 도포된 포토레지스트 필름(160)을 노광한 노광 마스크와 동일한 노광 마스크를 사용하여 진행한다. 한편, 레드 컬러필터층(206a)이 현상 공정에 의해 패터닝되면, 광과 반응하여 크로스 링크가 형성된 부분, 즉 도 9b에 도시된 바와 같이 트렌치(154)에 대응되는 부분만 식각되지 않고 남아 레드 컬러필터(206)를 형성한다.
바람직하게, 레드 컬러필터(206)의 상부면에서 하부면까지의 두께는 트렌치(154)의 깊이 만큼 더 두껍다. 즉, 레드 컬러필터(206)의 두께가 블루 및 그린 컬러필터(202,024)의 두께보다 더 두껍지만, 트렌치(154)로 인해 블루 컬러필터(202), 그린 컬러필터(204) 및 레드 컬러필터(206)의 상부면 높이는 도 9b에 도시된 바와 같이 모두 동일하다.
다시 도 3을 참조하면, 트렌치(154) 내에 레드 컬러필터(206)가 형성된 후, 평탄화층을 형성하지 않고 각각의 블루, 그린 및 레드 컬러필터(202, 204, 206)의 상부면에 곧 바로 감광성 물질을 도포한 후에 리플로우 공정을 통해 구면 형상을 갖는 마이크로렌즈(250)를 형성한다.
본 발명에서는 일예로, 블루 컬러필터(202)의 상부면에서 하부면까지의 두께 및 그린 컬러필터(204)의 상부면에서 하부면까지의 두께를 서로 동일하게 형성하고, 레드 컬러필터(206)의 상부면에서 하부면까지의 두께를 트렌치(154)의 깊이 만큼 더 두껍게 형성하여 블루 컬러필터(202), 그린 컬러필터(204) 및 레드 컬러필터(206)의 상부면 높이를 모두 동일하게 형성한 것을 설명하고 도시하였다.
도시되지는 않았지만 본 발명의 다른 예로, 그린 컬러필터(204)가 그린 파장대의 광만을 통과시키지 않고 그린 파장대와 인접한 다른 파장대의 빛을 통과시켜 색이 혼합되는 것을 방지하기 위해서 그린 컬러필터(204)의 두께를 블루 컬러필터(202)의 두께 보다 약간 두껍게 형성한다. 이 경우 컬러필터 구조물(200)의 상부면이 균일하지 않고 약간의 단차가 발생되지만, 후속 공정 즉, 마이크로 렌즈 형성 공정을 진행하는데 무리가 없다.
하지만, 그린 컬러필터(204)의 두께를 블루 컬러필터(202)의 두께보다 약간 두껍게 형성하면서, 균일한 상부면을 갖는 컬러필터 구조물(200)을 형성하기를 원할 경우, 절연막(152)에 트렌치를 형성하는 공정에서 제 2포토 다이오드 화소(104)와 대응되는 부분에 그린 컬러필터(204)와 블루 컬러필터(202)의 단차 만큼의 트렌치를 형성한, 후에 제 3포토 다이오드 화소(104)와 대응되는 부분에 레드 컬러필터(204)가 형성될 트렌치를 형성한다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 컬러필터 구조물(200)의 상부면 높 이가 균일하여, 컬러필터 구조물의 상부면에 평탄화층을 형성하지 않고 곧 바로 마이크로 렌즈를 형성할 수 있어 이미지 센서의 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 컬러필터 구조물과 마이크로 렌즈 사이에 평탄화층이 없기 때문에 광이 포토 다이오드 화소로 전달되는 동안 광손실이 발생되지 않고, 마이크로 렌즈의 촛점이 포토 다이오드에 정확하게 포커싱되어 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있고, 마이크로 렌즈를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 포토 다이오드 화소들이 형성되는 화소 영역과 스크라이브 라인 사이의 단차 두께도 작게 발생하기 때문에 마이크로 렌즈를 형성하기 위해 감광성 물질을 코팅할 경우 코팅 줄무늬의 발생을 최소화시킬 수 있어 벤딩(bending) 및 디스 컬러(discolor) 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 컬러필터 구조물의 상부면 높이를 균일하게 형성할 수 있고, 절연막 구조물에 형성된 트렌치에 의해 레드 및 그린 컬러필터의 두께를 블루 컬러필터의 두께보다 두껍게 형성할 수 있어 색 혼합 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (19)
- 반도체 기판의 화소 영역에 형성되며 입사된 광에 의하여 전기적 신호를 발생하며 제 1포토 다이오드 화소, 제 2포토 다이오드 화소 및 제 3포토 다이오드 화소를 포함하는 포토 다이오드 화소;상기 포토 다이오드 화소 상에 형성되며, 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소들 중 선택된 포토 다이오드 화소에 대응하여 트렌치가 형성된 절연막 구조물;상기 층간 절연막의 상부면 중 상기 제 1포토 다이오드 화소들에 대응하여 형성되는 제 1컬러필터들, 상기 제 2포토 다이오드 화소들에 대응하여 형성되는 제 2컬러필터들 및 상기 제 3포토 다이오드 화소들과 대응하여 형성되는 제 3컬러필터를 포함하는 컬러필터 구조물;상기 제 1, 제 2 및 제 3컬러필터들 상부면에 배치된 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 절연막 구조물 중 상기 제 3포토 다이오드 화소가 형성된 부분에 형성되며, 상기 제 3컬러필터는 상기 트렌치 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서, 상기 제 3컬러필터가 형성되는 상기 트렌치의 깊이는 400nm인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서, 상기 제 1컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께 및 상기 제 2컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 서로 동일하고, 상기 제 3컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 1 및 제 2컬러필터의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 절연막 구조물 중 상기 제 2포토 다이오드 화소가 형성된 부분에 형성되며, 상기 제 2컬러필터가 형성되는 제 1트렌치 및 상기 절연막 구조물 중 상기 제 3포토 다이오드 화소가 형성된 부분에 형성되며, 상기 제 3컬러필터가 형성되는 제 2트렌치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서, 상기 제 2컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 1컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께보다 두껍고, 상기 제 3컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 2컬러필터의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 6항에 있어서, 상기 제 1컬러필터, 상기 제 2컬러필터 및 상기 제 3컬러필터의 상부면 높이는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1컬러필터는 블루 컬러필터이고, 상기 제 2컬러필터는 그린 컬러필터이며, 상기 제 3컬러필터는 레드 컬러필터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판 상에 제 1포토 다이오드 화소, 제 2포토 다이오드 화소 및 제3 포토 다이오드 화소를 포함하는 포도 다이오드 화소를 형성하는 단계;상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소의 상부면에 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드를 덮는 절연막을 형성하고, 상기 절연막의 상부면에 포토레지스트 필름을 도포하고 패터닝하여 상기 제 1 내지 제 3포토 다이오드 화소들 중 선택된 포토 다이오드 화소에 대응하여 트렌치가 형성된 절연막 구조물을 형성하는 단계;상기 절연막 구조물 상부면에 상기 제 1컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 상기 제 1포토 다이오드 화소와 대응하여 제 1컬러필터를 형성하는 단계;상기 제 1컬러필터를 포함한 상기 절연막 구조물 상부면에 제 2컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 상기 제 2포토 다이오드 화소와 대응하여 제 2컬러필터를 형성하는 단계;상기 제 1 및 제 2컬러필터를 포함한 상기 절연막 구조물 상부면에 제 3컬러필터 물질을 도포하고 패터닝하여 제 3컬러필터를 형성하는 단계; 및상기 제 1, 제 2 및 제 3컬러필터들 상부면에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 포토레지스트 필름을 노광하는 노광 마스크와 상기 제 3컬러필터 물질을 노광하는 노광 마스크는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 포토레지스트 필름은 포지티브 타입이고, 상기 제 3컬러필터 물질은 네가티브 타입의 포토레지스트 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 절연막을 반응성 이온 식각하여 상기 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 절연막 구조물 중 상기 제 3포토 다이오드 화소가 형성된 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 3포토 다이오드 화소와 대응되는 부분에 형성된 상기 트렌치의 깊이는 400nm인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 2컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 1컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께와 동일하게 형성되고, 상기 제 3 컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 트렌치의 깊이만큼 상기 제 1컬러필터의 두께보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 절연막 구조물 중 상기 제 2포토 다이오드 화소와 대응하여 형성된 제 1트렌치 및 상기 절연막 구조물 중 상기 제 3포토 다이오드 화소와 대응하여 형성된 제 2트렌치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 제 2컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 1컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께보다 두껍게 형성되고, 상기 제 3컬러필터의 상부면에서 하부면까지의 두께는 상기 제 2컬러필터의 두께보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 제 1컬러필터, 상기 제 2컬러필터 및 상기 제 3컬러필터의 상부면 높이는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 제 1컬러필터는 블루 컬러필터이고, 상기 제 2컬러필터는 그린 컬러필터이며, 상기 제 3컬러필터는 레드 컬러필터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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2007
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- 2007-12-21 US US11/963,276 patent/US20080150059A1/en not_active Abandoned
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|---|---|---|---|---|
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| KR20190097914A (ko) * | 2018-02-13 | 2019-08-21 | 동우 화인켐 주식회사 | 컬러필터 및 이를 포함하는 표시 장치 |
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