KR100649019B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 형성하기 전에 형성되는 평탄화층에 집광 효율을 높이기 위한 오목 렌즈 영역을 형성하여 이미지 센싱 효율을 높인 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 그 구성은 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자들 상에 형성되는 층간 절연층 그리고 상기 광감지 소자에 대응하여 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층들;상기 칼라 필터층상에 평탄화되어 형성되고 광감지 소자에 대응하는 영역에 음각된 오목 렌즈들이 구성되어 빛을 2차 집속하는 제 1 마이크로 렌즈들을 갖는 평탄화층;상기 평탄화층상에 각각의 광감지 소자에 대응하여 형성되고 빛을 1차 집속하는 제 2 마이크로 렌즈층들을 포함한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로 렌즈, Fly eye lens, 오목 렌즈, 평탄화층
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 마이크로 렌즈 구성도
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 오목 렌즈 영역을 형성 공정을 나타낸 단면 및 평면도
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면 구성도
도 4a내지 도 4c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31. 포토 다이오드 32. 층간 절연층
33. 보호막 34. 칼라 필터층
35. 평탄화층 36. 제 1 마이크로 렌즈
37. 제 2 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈 어레이를 형성하 기 전에 형성되는 평탄화층에 집광 효율을 높이기 위한 오목 렌즈 영역을 형성하여 이미지 센싱 효율을 높인 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 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 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 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 면적중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서 및 그의 마이크로 렌즈 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 마이크로 렌즈 구성도이다.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(11) 영역들과, 상기 포토 다이오드(11) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(12)과, 층간 절연층(12)상에 형성되는 보호막(13)과, 보호막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 칼라 필터층(14)상에 형성되는 평탄화층(15)과, 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터(14)를 투과하여 포토 다이오드(11) 영역으로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 층간 절연층내에는 포토 다이오드(11) 영역의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.
그리고 광을 감지하기 위한 소자로 포토 다이오드 형태가 아니고, 포토 게이트 형태로 구성되는 것도 가능하다.
여기서, 마이크로 렌즈(16)는 집속된 빛의 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 차 광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.
이와 같이 종래 기술의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조하기 위한 공정에서 광의 집속력을 높이기 위하여 형성되는 마이크로 렌즈(16)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.
마이크로 렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터(14)를 통하여 포토 다이오드(11) 영역에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.
이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로 렌즈(16)에 의해 집광되어 칼라 필터(14)를 통해 필터링된 광은 칼라 필터(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(11)에 입사된다.
이때, 차광층은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 CMOS 이미지 센서에 있어서 볼록 형태의 마이크로 렌즈의 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.
이러한 반구 형태의 마이크로 렌즈의 경우 광축과 평행한 빛은 렌즈에서 굴절되어 렌즈의 대향 위치에 있는 광감지 소자에 도달되어 정상적으로 소자를 동작시키지만, 광축에 평행하지 않은 빛은 렌즈에서 굴절되어 빛이 입사되지 말아야 하는 경로의 광감지 소자에 도달하게 되어 소자가 오동작되는 경우가 발생하게 된다.
또한, 마이크로 렌즈 하부 막질의 종류 및 두께에 따라서 광감지 소자에 도 달하는 빛의 양 차이를 발생하게 되어 집광 효율이 떨어지고 이로 인해 화질이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 이미지 센서에서 마이크로 렌즈 어레이를 형성하기 전에 형성되는 평탄화층에 집광 효율을 높이기 위한 오목 렌즈 영역을 형성하여 이미지 센싱 효율을 높인 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자들 상에 형성되는 층간 절연층 그리고 상기 광감지 소자에 대응하여 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층들;상기 칼라 필터층상에 평탄화되어 형성되고 광감지 소자에 대응하는 영역에 음각된 오목 렌즈들이 구성되어 빛을 2차 집속하는 제 1 마이크로 렌즈들을 갖는 평탄화층;상기 평탄화층상에 각각의 광감지 소자에 대응하여 형성되고 빛을 1차 집속하는 제 2 마이크로 렌즈층들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 광감지 소자에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 광감지 소자에 대응하는 영역에 오목 렌즈들이 복수개 밀집되는 형태의 제 1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 제 1 마이크로 렌즈층상에 렌즈 형성용 물질층을 증착하고, 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여 제 2 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 오목 렌즈 영역을 형성 공정을 나타낸 단면 및 평면도이다.
씨모스 이미지 센서의 표면에 마이크로 렌즈를 형성하기 직전에 칼라 필터 어레이를 형성하고 평탄화 공정을 진행하는데, 본 발명에 따르면, 평탄화를 위한 공정 진행시에 마이크로 렌즈가 형성될 부분의 평탄화층을 요철을 갖도록 하여 마이크로 렌즈의 집광 효율 및 균일도를 향상시키는 것이다.
즉, CFA(Color Filter Array)의 cell이외의 부분의 평탄화층을 제거하는 마스크 공정을 진행하는데, 이 공정을 진행하기 위한 마스크층에 도 2a와 도 2b에서와 같이, 0.3 ~ 0.4㎛ 크기의 오픈 영역을 갖도록 하여 마이크로 렌즈 형성 영역의 평탄화층에 요철이 형성되도록한 것이다.
이와 같은 공정으로 평탄화층(21)에는 엠보씽 형태의 분화구가 음각되는데, 이와 같은 음각된 제 1 마이크로 렌즈(22)는 빛의 균일성을 유지하고 집광 효율을 높이는데 사용된다
제 1 마이크로 렌즈(22)는 등방성 식각 공정에 의해 형성되고, 제 1 마이크로 렌즈(22)의 음각 영역에는 제 2 마이크로 렌즈(23)를 형성하기 위한 물질이 채워진다.
제 2 마이크로 렌즈(23)에 의해 1차 굴절되어 집속된 빛은 제 1 마이크로 렌즈(22)에 의해 1차 굴절되어 하부의 광감지 소자 영역으로 조사된다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 및 제조 공정의 일시시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면 구성도이고, 도 4a내지 도 4c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도이다.
도 3에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31) 영역들과, 상기 포토 다이오드(31) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(32)과, 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 보호막(33)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(34)과, 칼라 필터층(34)상에 상부의 메인 마이크로 렌즈에 의해 1차 집속된 빛을 2차 집속하는 오목한 형태의 제 1 마이크로 렌즈(36)가 형성되는 평탄화층(35)과, 평탄화층(35)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(37)로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 층간 절연층내에는 포토 다이오드(31) 영역의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.
그리고 광을 감지하기 위한 소자로 포토 다이오드 형태가 아니고, 포토 게이트 형태로 구성되는 것도 가능하다.
여기서, 제 2 마이크로 렌즈(37)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 본 발명은 하나의 제 2 마이크로 렌즈(37)의 하부에 오목한 형태의 제 1 마이크로 렌즈가 복수개 형성되어 빛의 집속 효율을 높일 수 있으므로 설계 마진이 커진다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, 도 4a에서와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(31) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.
그리고 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
이어, 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(36)을 형성한다.
그리고 도 4b에서와 같이, 제 2 마이크로 렌즈(37) 형성 영역에 복수개의 오픈 영역을 갖도록 패터닝하고, 패터닝된 마스크층을 이용하여 평탄화층(36)을 식각 하여 직경이 0.3 ~ 0.4㎛ 크기를 갖는 오목한 형태의 음각 영역을 복수개 갖는 제 1 마이크로 렌즈(Fly eye lens)(36)를 형성한다.
여기서, 평탄화층 형성을 위한 노광 공정에서 사용되는 마스크층에 형성되는 오픈 영역은 제 2 마이크로 렌즈가 형성될 장소의 중심에 밀집된 형태로 위치해야 하며 평탄화 PR이 현상액에 의해 완전히 현상되지 않을 정도의 크기를 갖도록 제작된다.
이와 같은 제 1 마이크로 렌즈(36) 형성 공정은 CFA(Color Filter Array)의 cell 이외의 부분의 평탄화층(36)을 제거하는 공정과 동시에 진행된다.
이어, 도 4c에서와 같이, 렌즈 형성용 물질층을 증착하고 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여 각각의 포토 다이오드(31)에 대응하는 제 2 마이크로 렌즈층(37)을 형성한다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 볼록 형태의 상부 마이크로 렌즈층의 하부에 오목한 형태의 하부 마이크로 렌즈가 복수개 밀집된 형태로 형성되는 것에 의해 빛의 집속 효율을 높일 수 있다.
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.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 씨모스 이미지 센서 제조 공정에서 상부의 메인 마이크로 렌즈로 입사된 빛의 직진성을 향상시키는 fly eye 형태의 하부 마이크로 렌즈를 형성함으로써 단일 렌즈의 경우 보다 광의 집속 효율을 높일 수 있다.
둘째, 광의 집속 효율이 높아지는 것에 의해 칼라 필터를 통과한 빛이 포토 다이오드에 많이 오게 되므로 색상의 구현이 더욱 확실하게 된다.
이는 씨모스 이미지 센서의 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.
넷째, 마이크로 렌즈 형성시의 두께에 영향을 받지 않고 렌즈를 구성할 수 있으므로 공정의 재현성 및 용이성 향상, 공정 마진의 충분한 확보 등의 효과를 갖는다.
다섯째, 평탄화층 패터닝시에 하부의 서브 마이크로 렌즈를 동시에 형성하므로 공정 및 비용의 추가없이 렌즈의 집광 특성을 높일 수 있다.
Claims (6)
- 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자들 상에 형성되는 층간 절연층 그리고 상기 광감지 소자에 대응하여 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층들;상기 칼라 필터층상에 평탄화되어 형성되고 광감지 소자에 대응하는 영역에 음각된 오목 렌즈들이 구성되어 빛을 2차 집속하는 제 1 마이크로 렌즈들을 갖는 평탄화층;상기 평탄화층상에 각각의 광감지 소자에 대응하여 빛을 1차 집속하고, 상기 제1 마이크로 렌즈를 구성하는 오목렌즈들의 음각부분에 채워지면서 동시에 형성된 제2 마이크로 렌즈층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 마이크로 렌즈들은 볼록한 형태로 구성되고, 하나의 제 2 마이크로 렌즈의 하부에는 제 1 마이크로 렌즈를 구성하는 오목 렌즈들이 복수개 대응되어 구성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 광감지 소자에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 광감지 소자에 대응하는 영역에 오목 렌즈들이 복수개 밀집되는 형태의 제 1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 제1 마이크로 렌즈층이 형성된 기판 상에 렌즈형성용 물질층을 증착하고 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여, 제2 마이크로 렌즈층을 형성하면서 동시에 상기 제1 마이크로 렌즈를 구성하는 오목렌즈들에 상기 렌즈형성용 물질층이 채워지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 1 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 평탄화층의 패터닝 공정을 CFA(Color Filter Array)의 셀 이외의 부분의 평탄화층을 제거하는 공정과 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 1 마이크로 렌즈를 구성하는 음각된 오목 렌즈들을 형성하기 위하여 사용되는 마스크에 0.3 ~ 0.4㎛의 크기의 직경을 갖는 오픈 영역들이 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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