KR100606900B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광투과율이 우수한 고분자물질을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 수광특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토다이오드들과, 상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 고분자 물질로 이루어진 다수의 마이크로렌즈들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

마이크로렌즈, 고분자 물질, PMMA, 칼라 필터

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor and method for fabricating the same}

도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도

도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31 : 포토다이오드 32 : 층간 절연층

33 : 보호막 34 : 칼라 필터층

35 : 평탄화층 36 : 마이크로렌즈

본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 수광특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.

상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.

그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.

또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.

최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.

상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.

즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.

상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.

한편, 상기와 같은 특징을 갖는 CMOS 이미지 센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환해 주는 도입부로써 이상적인 경우는 모든 파장대에서 광전하생성율(quantum efficiency)이 1인 경우로 입사되는 광을 모두 집속하는 경우이기 때문에 이를 달성하기 위한 노력이 진행되고 있다.

따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 칼라필터상에 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.

종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 3에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)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 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)상에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 감광제로 이루어져 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(11)로 빛을 집광하는 마이크로렌즈(16)로 구성된다.

그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(12)내에는 포토 다이오드(11)의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.

한편, 상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서에서 마이크로렌즈(16)를 형성하는 방법은 다음과 같다.

즉, 상기 평탄화층(14)상에 마이크로 렌즈용 감광제를 도포하고, 노광 및 현상 공정을 통해 상기 감광제를 선택적으로 패터닝하며, 상기 패터닝된 감광제를 소정온도에서 리플로우하여 돔 형태를 갖는 마이크로렌즈를 형성하고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 마이크로렌즈가 감광제로 이루어져 있기 때문에 광투과율이 낮아 수광특성이 나쁘다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 광투과율이 우수한 고분자물질을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 수광특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토다이오드들과, 상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 고분자 물질로 이루어진 다수의 마이크로렌즈들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 고분자 물질층을 형성하는 단계와, 상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 고분자 물질층을 선택적으로 제거하여 다수의 고분자 물질층 패턴을 형성하는 단계와, 상기 각 고분자 물질층 패턴을 열처리하여 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제 조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토다이오드(31)들과, 상기 각 포토다이오드(31)들을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층(32)과, 상기 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 상기 포토다이오드(31)에 대응하여 보호막(33)상에 구성되고, 각각의 포토다이오드(31)에 특정 파장대의 빛을 필터링하여 조사하는 칼라 필터층(34)들과, 상기 칼라 필터층(34)들을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층(35)과, 상기 포토다이오드(31)에 대응하여 상기 평탄화층(35)상에 고분자 물질(예를 들면, PMMA(polymethymethacrylate))로 이루어진 다수의 마이크로렌즈(36)들 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 각 마이크로렌즈(36)는 상기 칼라 필터층(34)의 폭과 거의 동일한 폭을 갖고 형성되어 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층(32)을 형성한다.

여기서, 상기 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 상기 포토 다이오드(31) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

이어, 상기 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.

그리고 상기 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.

이어, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 형성한다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 마이크로 렌즈용 물질층으로 고분자 물질 예를 들면, PMMA 필름을 접착하여 형성한다.

일반적으로, 상기 PMMA 필름은 고투명성, 고강성, 자외선 특성이 좋아 유리 대용으로 사용되고 유리보다도 광투과율이 우수하다(유리는 약 91%, PMMA 필름은 93%). 또한 알코올 계열의 유기 용매에 잘 녹는 특성을 가지고 있고 열변형 온도는 약 110℃이다.

한편, 상기 PMMA 필름은 중,축합 방법에 의해 형성할 수 있다.

또한, 상기 PMMA 필름의 접착 방법으로는 낮은 열변형 온도를 이용하기 위하여 상기 PMMA 필름을 평탄화층(35)상에서 열처리하는 방법을 이용한다. 이때 상기 열처리 온도는 약 100 ~ 200℃에서 진행한다.

이어, 포토리소그래피 공정(노광 및 현상 그리고 식각 공정)을 통해 상기 PMMA 필름을 선택적으로 패터닝하여 상기 포토 다이오드(31)와 대응되면서 상기 칼 라 필터층(34)과 거의 동일한 크기를 갖는 다수의 PMMA 패턴(36a)을 형성한다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 PMMA 필름상에 감광막(도시되지 않음)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 감광막을 패터닝하여 마이크로렌즈 영역을 정의한다. 이어, 상기 패터닝된 감광막을 마스크로 이용하여 상기 PMMA 필름을 선택적으로 제거하여 다수의 PMMA 패턴(36a)을 형성하고, 상기 마스크로 사용된 감광막을 제거한다.

여기서, 상기 PMMA 필름은 알코올 계열의 유기 용제를 이용하여 제거한다. 예를 들면, 알코올 계열 중의 하나인 IPA와 같은 물질에 용해시켜 상기 감광막이 덮여 있지 않는 않고 노출된 PMMA 필름을 선택적으로 제거하는 것이다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 PMMA 패턴(36a)에 열처리 공정을 실시하여 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈(36)를 형성한다. 이때 상기 열처리 온도는 약 300 ~ 700℃에서 진행한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 유리보다 뛰어난 투과도를 가진 고분자 물질을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 수광 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토다이오드들과,

   상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과,

   상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과,

   상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과,

   상기 각 포토다이오드와 대응하여 상기 평탄화층상에 고분자 물질로 이루어진 다수의 마이크로렌즈들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 물질은 PMMA 필름인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
3. 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;

   상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계;

   상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;

   상기 평탄화층상에 고분자 물질층을 형성하는 단계;

   상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 고분자 물질층을 선택적으로 제거하여 다수의 고분자 물질층 패턴을 형성하는 단계;

   상기 각 고분자 물질층 패턴을 열처리하여 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 물질층은 PMMA 필름을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 물질층을 형성하는 단계는 상기 평탄화층상에 소정온도에 열처리하여 접착하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 열처리는 100 ~ 200℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 물질층 패턴을 형성하는 단계는

   상기 고분자 물질층상에 감광막을 도포한 후 노광 및 현상 공정을 통해 상기 감광막을 선택적으로 패터닝하는 단계;

   상기 패터닝된 감광막을 마스크로 이용하여 상기 고분자 물질층을 선택적으 로 제거하는 단계;

   상기 감광막을 제거하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 고분자 물질층은 유기 용제를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 유기 용제는 IPA와 같은 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈를 형성하기 위한 열처리는 300 ~ 700℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.

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