KR20100067882A - 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 메탈 라인이 형성된 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 형성되고, 렌즈 형성부가 형성된 보호막; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되는 칼라 필터층; 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 칼라 필터층 상에 형성되는 제 1 렌즈; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈;를 포함한다.
이미지 센서
Description
본 실시예는 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 대해서 개시한다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxidee-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
씨모스(Complementay MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 화소를 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
최근에, 씨모스 이미지 센서의 픽셀수가 메가급으로 증가하면서 상대적으로 픽셀은 작은 크기로 형성되고 있다. 픽셀 크기의 감소는 픽셀 위에 형성되는 마이크로 렌즈의 크기에 제한을 일으켜 픽셀과 마이크로 렌즈의 포커스 길이(Focus length)도 제한을 받게 되었다.
도 1은 씨모스 이미지 센서에서의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 감도 영역으로 빛이 포커싱되는 모습을 보여주기 위한 도면이고, 도 3은 감도 영역으로 빛이 포커싱이 맺히지 않는 모습을 보여주기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 에지로 들어오는 빛은 광축과 나란하게 입사되지 않고, 사입사(off-axis)되고 있다.
따라서, 광축과 나란하게 위치한 센서 어레이로 입사하는 빛은, 도 2에 도시된 바와 같이, 정상적으로 센서 어레이 중심의 감도 영역(sensitive area)에 정확히 포커싱이 된다.
반면에, 센서 어레이의 에지로 사입사되는 빛은, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 어레이의 감도 영역에 포커스가 맺히지 않고 쉬프트되는 현상이 발생하게 된다.
따라서, 도 3과 같이 빛의 초점이 정확하게 맺히지 않은 경우, 사입사되는 빛의 초점을 감도 영역의 중심으로 이동시키려면, 마이크로 렌즈용 마스크 제작시에 1칩이 되는 최소 단위내에 마이크로 렌즈 어레이를 센터에서 멀어질수록 특정의 쉬프트값을 줘서 마스크를 제작하여야 한다.
결국, 프라이머리 렌즈(primary lens)의 초점거리가 변할 때와 칩 사이즈가 변할 때마다 마이크로 렌즈의 마스크를 새롭게 제작하여야 하는 불편함이 있다.
본 실시예는 이미지 센서에 있어서의 감도 영역인 포토 다이오드로 빛의 정확한 포커싱이 이루어질 수 있도록 광경로를 시프트시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 메탈 라인이 형성된 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 형성되고, 렌즈 형성부가 형성된 보호막; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되는 칼라 필터층; 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 칼라 필터층 상에 형성되는 제 1 렌즈; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 포토 다이오드가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막에 메탈 배선을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막을 식각함으로써, 상기 보호막 내에 렌즈 형성부를 형성하는 단계; 상기 렌즈 형성부 내에, 칼라 필터층과 제 1 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 렌즈 상에 제 2 렌즈를 형성하는 단계;를 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 의해서, 포 토 다이오드로 입사되기 위한 빛의 포커싱이 보다 정확하게 이루어질 수 있으며, 이미지 센서의 에지부에 위치하는 마이크로 렌즈의 초점 쉬프트(focusing spot shift)을 보상하기 위하여 굴절률이 서로 다른 두 개의 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 포토 다이오드에 초점이 맺힐 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 그리고, 첨부되는 도면에는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 그 두께가 확대되어 도시된다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 층, 막, 영역, 판등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에"있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 4는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 실시예에 따른 이미지 센서에서의 제 2 마이크로 렌즈에 의한 광경로의 이동을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 포토 다이오드와 같이 빛의 수광하여 전기적인 신호 로 변환하는 감도 영역이 구비된 기판상에 층간 절연막(150)이 형성되고, 상기 층간 절연막(150)에는 복수의 금속 배선들이 형성되어 있다.
즉, 상기 층간 절연막(150)에는 최종 금속 배선층이 될 수 있는 메탈 배선(140)과, 외부의 다른 소자와의 전기적인 연결을 위한 메탈 패드(145)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 층간 절연막(150)상에는 보호막(160)이 기설정된 두께를 가지면서 형성되어 있으며, 특히, 상기 보호막(160)은 본 실시예에 따라 소정 깊이 함몰된 형상의 렌즈 형성부가 형성되어 있으며, 이러한 렌즈 형성부 내에 칼라 필터층(180), 평탄화층(181), 제 1 렌즈(190) 및 제 2 렌즈(200)가 안착 형성된 구조를 갖는다.
즉, 빛을 수광하기 위한 역할을 수행하는 렌즈가 제 1 렌즈(190)와 제 2 렌즈(200)로 이루어지고, 상기 제 2 렌즈(200)는 상기 제 1 렌즈(190)와는 다른 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 렌즈(190)의 에지 부위를 향하여 입사되는 빛은 상기 제 2 렌즈(200)에 의하여 굴절된 다음, 상기 제 1 렌즈(190)를 지나 수광부인 포토 다이오드로 향할 수 있게 된다.
도면에서는 제 1 렌즈(190)가 소수개가 도시되어 있으나, 실제로는 상기 제 2 렌즈(200)의 하측에 형성되는 제 1 렌즈(190)의 개수는 수십만개에서 수백만개가 될 수 있을 것이다. 즉, 각각의 포토 다이오드에 대응되는 제 1 렌즈들을 형성한 다음에, 각각의 제 1 렌즈들을 커버할 수 있도록 상기 제 2 렌즈(200)가 형성되는 구조를 갖는다.
상기 보호막(160)에는 상기 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈를 그 내측에 수용할 수 있도록 렌즈 형성부가 형성되는데, 이러한 렌즈 형성부는 그 깊이가 대략 1.2㎛ 내지 1.6㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 또한 렌즈 형성부의 가로폭은 제조하고자 하는 소자의 크기에 따라 달리 형성될 수 있겠지만 2400㎛ 내지 3000㎛ 범위의 길이를 갖을 수 있다.
즉, 이미지 센서로서 형성되는 마이크로 렌즈들(제 1 렌즈)의 상측에 굴절률이 다른 제 2 렌즈(200)가 형성되는 것이다.
그리고, 상기 제 2 렌즈(200)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 칩의 에지부(도 5에서는 칩을 구성하는 마이크로 렌즈에 대해 극소수만이 도시된 상태임)로 입사되는 빛에 대해서도 감도 영역인 포토 다이오드로 입사될 수 있도록 하기 위하여, 오목 렌즈와 같은 형상으로서 소정의 곡률을 갖도록 제공된다.
그리고, 최상층의 메탈 라인(140)과 메탈 패드(145) 상측에는 메탈의 보호를 위한 패드 보호막(170)이 소정 두께로 형성될 수 있다.
즉, 최상층의 메탈 라인을 갖는 층간 절연막(150) 상측에는 보호막(160)이 형성되고, 상기 보호막 내측의 렌즈 형성부에는 제 1 렌즈(190) 및 제 2 렌즈(200)가 형성된다. 그리고, 상기 보호막(160) 상에는 소정 두께의 패드 보호막(170)이 더 형성될 수 있다.
그리고, 상기 메탈 패드(145) 상측에 대응되는 보호막(160)에는 상기 메탈 패드(145)의 상부 표면을 추후에 노출시킬 수 있도록 하기 위한 메탈홀(162)이 형성될 수 있다.
도 5에는 빛의 집광을 위한 마이크로 렌즈로서 제 1 렌즈(190)와, 칩의 에지부로 입사되는 빛에 대해서도 그 수광효율을 향상시키기 위하여 상기 제 1 렌즈(190)상에 형성되는 제 2 렌즈(200)가 도시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제 2 렌즈(200)는 제 1 렌즈(190)와는 다른 굴절률로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1 렌즈와 제 2 렌즈간의 굴절률 차이로 인하여 칩의 에지부로 입사되는 빛에 대해서 수광부인 포토 다이오드의 수광 능력이 더욱 향상될 수 있다.
그리고, 상기 제 2 렌즈(200)는 소정의 곡률을 가지면서 오목한 형상으로 제공되며, 칩을 구성하는 복수의 렌즈(190)들 상에 형성된다.
다음으로, 본 실시예에 따른 이미지 센서를 제조하는 방법에 대해서 설명하여 보기로 한다.
도 6 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 감도 영역으로서 포토 다이오드(120) 및 주변부가 형성된 반도체 기판(100) 상에는 금속배선전 절연막(Pre-Metal Dielectric)(130)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속배선전 절연막(130)은 TEOS막 또는 BPSG막이 될 수 있다.
그리고, 상기 금속배선전 절연막(130)상에 금속배선층이 형성된다. 금속배선층은 층간 절연막(150)과 층간 절연막(150)을 관통하여 형성되는 메탈 배선들로 구성된다.
여기서, 메탈 배선에 대해서는 최상층인 경우에 대해서 개시하여 보기로 하며, 이 경우 메탈 배선(M2)(140)과 메탈 패드(145)가 층간 절연막(150)에 형성된다. 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 금속배선층은 전원라인 및 신호라인과 단위 픽셀의 포토다이오드 및 주변회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 층으로 형성될 수 있다.
그리고, 메탈 배선(140)들은 각각의 포토 다이오드(120)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃이 구성될 수 있다.
그리고, 상기 층간 절연막(150) 상에 보호막(160)을 형성한다. 보호막(160)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 최종 메탈 배선(140) 및 메탈 패드(145)를 포함한 층간 절연막(150) 상에 형성된다.
상기 보호막(160)으로서는 USG 또는 TEOS와 같은 산화막이 될 수 있다.
그 다음, 도 7을 참조하면, 상기 보호막(160)을 부분 식각하여, 마이크로 렌즈인 제 1 렌즈와 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈가 형성되는 렌즈 형성부(161)와 메탈홀(162)을 형성한다.
즉, 상기 보호막(160) 내측에 컬러 필터층과 마이크로 렌즈등을 형성하기 위하여, 마이크로 렌즈등이 형성될 영역에 대해서 상기 보호막(160)을 식각하는 공정을 수행하며, 상기 보호막(160)의 식각에 의하여 층간 절연막(150)의 일부가 노출될 수 있다.
도면에는 상기 보호막(160)내에 형성되는 렌즈 형성부(161)의 깊이(B)와 가로 폭(A)이 마치 비슷한 크기인 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따른 제 2 렌즈 는 수십만개 내지 수백만개의 마이크로 렌즈를 커버할 수 있는 크기로 제공되기 때문에, 렌즈 형성부(161)의 깊이(B)는 1.2㎛ 내지 1.6㎛ 범위로 형성되고, 렌즈 형성부(161)의 가로 폭(A)은 2400㎛ 내지 3000㎛ 범위의 크기로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 보호막(160)을 식각하는 공정에서는, 상기 메탈 패드(145)의 상부표면 일부를 노출시키는 메탈홀(162)을 더 형성시킬 수 있다.
상기 보호막(160)을 식각함으로써, 렌즈 형성부(161)와 메탈홀(162)을 형성한 다음에는, 상기 보호막(160) 상에 절연막으로 이루어진 패드 보호막(170)을 더 형성할 수 있다.
그 다음, 도 8을 참조하면, 상기 보호막(160) 내의 렌즈 형성부(161)에 복수의 칼라 필터층(180)을 형성하고, 상기 칼라 필터층(180) 상에 복수의 제 1 렌즈(190)들을 형성한다.
그리고, 상기 제 1 렌즈(190)상에 굴절률이 상이한 제 2 렌즈(200)를 형성한는데, 보호막(160)에는 렌즈 형성부로 인하여 단차가 형성되기 때문에 제 2 렌즈(200)를 형성시킬 포토레지스트를 스핀 코팅하게 되면, 그 단차의 깊이와 폭에 의하여 도시된 바와 같은 오목한 형상이 된다.
즉, 상기 보호막(160)을 식각함으로써 형성되는 렌즈 형성부의 깊이가 커질수록 상기 제 2 렌즈(200)가 갖는 곡률 또한 점차 커지게 된다.
이로써, 제안되는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조가 형성되며, 보호막의 렌즈 형성부에 칼라 필터층, 평탄화층 및 마이크로 렌즈(제 1 렌즈)를 형성하는 단게는 공지의 방법으로 포토 다이오드 영역 각각에 대응되도록 형성된다.
도 1은 씨모스 이미지 센서에서의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 감도 영역으로 빛이 포커싱되는 모습을 보여주기 위한 도면.
도 3은 감도 영역으로 빛이 포커싱이 맺히지 않는 모습을 보여주기 위한 도면.
도 4는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 실시예에 따른 이미지 센서에서의 제 2 마이크로 렌즈에 의한 광경로의 이동을 보여주는 도면.
도 6 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
Claims (11)
- 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판;상기 기판 상에 형성되고, 메탈 라인이 형성된 층간 절연막;상기 층간 절연막 상에 형성되고, 렌즈 형성부가 형성된 보호막; 및상기 렌즈 형성부 내에 형성되는 칼라 필터층;상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 칼라 필터층 상에 형성되는 제 1 렌즈; 및상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈;를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 렌즈는 상기 제 1 렌즈와는 다른 굴절률로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 렌즈는 상기 복수의 포토 다이오드 각각에 대응되도록 복수개 형성되고,상기 제 2 렌즈는 복수의 제 1 렌즈들 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 렌즈는 기설정된 곡률을 갖는 오목한 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막에는 상기 층간 절연막에 형성된 메탈 패드를 오픈시키기 위한 메탈홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막의 렌즈 형성부는 그 깊이가 1.2㎛ 내지 1.6㎛범위로 이루어지고,상기 렌즈 형성부의 가로 폭은 2400㎛ 내지 3000㎛ 범위의 크기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막 상에는 기설정된 두께의 패드 보호막이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 포토 다이오드가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연 막에 메탈 배선을 형성하는 단계;상기 층간 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계;상기 보호막을 식각함으로써, 상기 보호막 내에 렌즈 형성부를 형성하는 단계;상기 렌즈 형성부 내에, 칼라 필터층과 제 1 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 제 1 렌즈 상에 제 2 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 2 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 제 2 렌즈가 상기 렌즈 형성부 내에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 2 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 렌즈 형성부에 의한 보호막의 단차를 이용하여 포토레지스트를 스핀 코팅함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 렌즈 형성부를 형성하는 단계는, 상기 포토 다이오드에 대응하는 영역의 보호막을 식각함으로써 상기 렌즈 형성부를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미 지 센서의 제조 방법.
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| KR1020080126474A KR20100067882A (ko) | 2008-12-12 | 2008-12-12 | 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
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| KR1020080126474A KR20100067882A (ko) | 2008-12-12 | 2008-12-12 | 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
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Family Applications (1)
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| KR1020080126474A KR20100067882A (ko) | 2008-12-12 | 2008-12-12 | 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016167483A1 (ko) * | 2015-04-13 | 2016-10-20 | 엘지전자 주식회사 | 컬러센서 모듈 및 이동 단말기 |
-
2008
- 2008-12-12 KR KR1020080126474A patent/KR20100067882A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016167483A1 (ko) * | 2015-04-13 | 2016-10-20 | 엘지전자 주식회사 | 컬러센서 모듈 및 이동 단말기 |
| US10298824B2 (en) | 2015-04-13 | 2019-05-21 | Lg Electronics Inc. | Color sensor module and mobile terminal |
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