KR20080113489A

KR20080113489A - 이미지센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080113489A
Application number: KR1020070062023A
Authority: KR
Inventors: 박진호
Original assignee: 주식회사 동부하이텍
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-12-31
Also published as: US20080316607A1; CN101335283A

Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 픽셀영역의 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 상에 상호간에 분리되어 형성된 복수의 제1 마이크로렌즈; 및 상기 제1 마이크로렌즈 사이에 형성된 복수의 제2 마이크로렌즈;를 포함하며, 상기 제2 마이크로렌즈는 상기 제1 마이크로렌즈보다 직경이 더 큰 것을 특징으로 한다.

이미지센서, 씨모스 이미지센서, 마이크로렌즈

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing the same}

도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정도.

도 5는 실시예에 따른 이미지센서와 종래기술에 따른 이미지센서의 SEM 사진.

실시예는 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 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.

씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.

한편, 이미지센서에서는 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.

상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것이다.

종래기술에 의하면, 이미지센서의 제조과정 중 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 일반적으로 마이크로렌즈용 특수 감광막(photo resist)를 이용하여 마이크로포토공정(micro photo) 진행 후 리플로우(reflowing) 방식을 이용하여 왔다.

그러나, 종래기술에 의하면 감광막의 리플로우시 소실되는 감광막의 양이 많아져 마이크로렌즈 사이에 갭(G:gap)이 존재하게 되어 포토다이오드(photo diode)에 입사되는 빛의 양이 줄어들게 되어 이미지(image) 불량이 발생하는 단점이 있다.

또한, 종래기술에 의한 경우 이러한 마이크로렌즈 간의 갭(Gap)은 마이크렌즈의 필팩터(Fill Factor)를 낮추는 문제와 마이크로렌즈 갭(Gap)을 통해 빛이 들어와 화소간 간섭현상(crosstalk)을 유발시켜 감도를 저하하는 문제가 있다.

실시예는 마이크로렌즈 사이의 갭을 줄일 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 픽셀영역의 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층 상에 상호 분리된 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 제1 마이크로렌즈 사이에 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 듀얼 마이크로렌즈 형성방법에 의해 마이크로렌즈 사이의 갭을 줄임으로써 감도(Sensitivity)를 높일 수 있는 장점이 있다.

이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시 예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

실시 예의 설명에 있어서 씨모스이미지센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 마이크로렌즈를 채용하는 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.

예들 들어, 본 발명은 포토다이오드가 회로영역과 수직이게 형성되는 Above IC 형태의 이미지센서에 대해서도 적용이 가능하다.

(실시예)

도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정도이다.

우선, 도 1과 같이 픽셀영역의 기판(110)상에 층간절연층(130)을 형성한다.

상기 기판(110)에는 포토다이오드(미도시)가 형성되어 있을 수 있다. 이때, 포토다이오드는 트랜지스터(120)와 수평이 되도록 형성되거나 또는 트랜지스터(120)와 수직인 위치에 형성될 수도 있다.

상기 층간절연층(130)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연층을 형성한 후에 포토다이오드(미도시) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간절연층을 형성할 수도 있다.

상기 층간절연층(130) 사이에는 금속배선(140)이 형성될 수 있다.

이후, 상기 층간절연층(130)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(150)을 더 형성할 수 있다. 상기 보호막(150)은 산화막, 질화막 등을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 복수층일 수 있다.

다음으로, 상기 층간절연층(130) 상에 가염성레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 Red, Green, Bueu의 컬러필터층(160)을 형성한다.

다음으로, 상기 컬러필터층(160)상에 초점거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도확보 등을 위하여 평탄화층(PL:planarization layer)(170)을 더 형성할 수 있다.

한편, 실시예는 컬러필터층(160)이 형성되는 예를 들고 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 컬러필터 없이 후술하는 마이크로렌즈 자체에 컬러 마이크렌즈를 채용하여 원하는 빛의 색깔을 걸러낼 수 있다.

다음으로, 상기 층간절연층(130) 상에 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)을 형성한다. 상기 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)은 상호 분리되어 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)은 제1 픽셀영역(A1)과 상기 제1 픽셀영역(A1)과 대각선 방향에 위치한 제2 픽셀영역(A2)들에 형성될 수 있다.

이후, 도 2와 같이 상기 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)을 리플로우 하여 제1 마이크로렌즈(181)를 형성한다.

예를 들어, 상기 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)이 형성된 기판(110)을 핫 플레이트(hot plate)(미도시) 상부에 올려놓은 상태에서 약 150℃ 이상의 열처리로 상부에 존재하는 제1 마이크로렌즈 패턴(181a)을 리플로우하여 반구형의 제1 마이크로렌즈(181)를 형성할 수 있다.

또는, 실시예에서 상기 제1 마이크로렌즈(181)를 형성하는 단계는 제1 픽셀영역(A1)과 상기 제1 픽셀영역(A1)과 대각선 방향에 위치한 제2 픽셀영역(A2)들에 제1 마이크로렌즈(181)를 형성할 수 있다.

또는, 실시예에서 상기 제1 마이크로렌즈(181)를 형성하는 단계는 제1 픽셀영역(A1) 상과, 상기 제1 픽셀영역(A1)의 상하, 좌우에 위치하지 않은 제2 픽셀영역(A2)들 상에 제1 마이크로렌즈(181)를 형성할 수 있다.

다음으로, 도 3과 같이 상기 제1 픽셀영역(A1)과 상기 제2 픽셀영역(A2) 외의 제3 픽셀영역(A3)에 제2 마이크로렌즈 패턴(182a)을 형성한다.

다음으로, 도 4와 같이 상기 제2 마이크로렌즈 패턴(182a)을 리플로우하여 제2 마이크로렌즈(182)를 형성한다.

이로써, 상기 제1 마이크로렌즈(181) 사이에 제2 마이크로렌즈(182)를 형성할 수 있다.

또한, 실시예에서 상기 제2 마이크로렌즈(182)는 상기 제1 픽셀영역(A1)과 상기 제2 픽셀영역(A2) 외의 제3 픽셀영역(A3)에 형성될 수 있다.

또한, 실시예에서 상기 제2 마이크로렌즈(182)는 상기 제1 픽셀영역(A1)과 상기 제2 픽셀영역(A2)의 상하, 좌우에 인접한 제3 픽셀영역(A3)에 형성될 수 있다.

실시예에서, 상기 제1 마이크로렌즈(181)은 컬러필터층(160)의 그린컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 마이크로렌즈(182)는 컬러필터층(160)의 레드컬러필터 픽셀영역 및 블루컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.

또한, 다른 실시예로 상기 제1 마이크로렌즈(181)은 컬러필터층(160)의 레드컬러필터 픽셀영역 및 블루컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 마이크로렌즈(182)는 컬러필터층(160)의 그린컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.

도 5는 실시예에 따른 이미지센서와 종래기술에 따른 이미지센서의 In-Line SEM( scanning electron microscope)사진이다.

도 5의 표에서 싱글마이크로렌즈 공정(Single Micro Lens process)(한번의 공정에 의해 마이크로렌즈를 형성하는 종래기술)와 듀얼마이크로렌즈 공정(Dual Micro Lens process)(두 번에 걸쳐 마이크로렌즈를 형성하는 실시예)의 마이크로렌즈 사이즈(ML size)와 픽셀사이즈(Pixel size)를 비교하여 마이크로레즈 필팩터(fill factor)를 계산하면, Single Micro Lens의 fill factor는 0.87, Dual Micro Lens의 1^st ML의 Fill factor는 0.91 그리고 2^nd ML Fill factor는 1.09로 나왔다.

Single ML 대비 Dual ML의 fill factor는 1^st ML은 4.6% 증가, 2^nd 25.4% 증가하였다.

이러한 증가 요인은 Dual ML CD Gap이 제로갭(Zero Gap)이 되었기 때문이다.

또한, Dual ML size가 다른 이유는 2^nd ML reflow 시 1^st ML 보다 더 많이 Reflow가 되었기 때문이다. 이러한 사정이 크게 문제가 되지 않는 것은 각 컬러필터 위에 올라가는 ML가 균일(Uniformity)하면 되기 때문에 single ML처럼 전체가 Uniformity 할 필요가 없다. 실시예에 따르면, 각 컬러필터 위에 올라가는 ML는 Uniformity하다.

도 5에서, 좌측의 두 개의 그림은 종래기술이며, 우측의 두 개의 그림은 실시예에 따른 것이다.

종래기술에 의한 Single ML의 경우 픽셀사이즈가 2.25 ㎛ 인 경우, Single ML의 사이즈는 2.1 ㎛로서 150㎚의 갭(Gap)을 가진다.

반면에 실시예에 의한 경우, 픽셀사이즈가 2.25 ㎛ 인 경우, 제1 마이크로렌즈가 2.15 ㎛ 의 사이즈를 가지고, 제2 마이크로렌즈가 2.35㎛ 의 사이즈를 가지게 됨으로써 제로 갭(Zero Gap)을 가질 수 있다.

또한, 실시예에 따라 제조된 이미지센서에 대한 감도(Sensitivity)는 종래기술에 비해 Blue와 Red 감도가 2% 정도 향상되었고, Green 감도는 10%정도 좋아졌다.

결과적으로 single Micro Lens(ML)보다 실시예에 따른 Dual ML 형성방법이 제로갭(Zero Gap)을 구현하므로 Micro Lens Fill Factor을 높여 더욱 많은 빛을 포토다이오드(potodiode)에 전달하므로 감도 개선을 5%~10% 이상 증가시킬 수 있었다.

본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 하기 된 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.

예들 들어, 본 발명은 씨모스 이미지센서 외에 CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 대해 적용이 가능할 수 있다.

실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 듀얼 마이크로렌즈 형성방법에 의해 마이크로렌즈 사이의 갭을 줄임으로써 감도(Sensitivity)를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

픽셀영역의 기판상에 형성된 층간절연층;

상기 층간절연층 상에 상호간에 분리되어 형성된 복수의 제1 마이크로렌즈; 및

상기 제1 마이크로렌즈 사이에 형성된 복수의 제2 마이크로렌즈;를 포함하며,

상기 제2 마이크로렌즈는 상기 제1 마이크로렌즈보다 직경이 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제1 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈는,

제1 픽셀영역과 상기 제1 픽셀영역과 대각선 방향에 위치한 제2 픽셀영역들에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제1 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈는,

제1 픽셀영역 상과, 상기 제1 픽셀영역의 상하, 좌우에 위치하지 않은 제2 픽셀영역들 상에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제2 항 또는 제3 항에 있어서,

상기 제2 마이크로렌즈는,

상기 제1 픽셀영역과 상기 제2 픽셀영역 외의 제3 픽셀영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제1 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈는,

컬러필터층의 그린컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되며,

상기 제2 마이크로렌즈는,

컬러필터층의 레드컬러필터 픽셀영역 및 블루컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제1 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈는,

컬러필터층의 레드컬러필터 픽셀영역 및 블루컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되며,

상기 제2 마이크로렌즈는 컬러필터층의 그린컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
픽셀영역의 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계;

상기 층간절연층 상에 상호 분리된 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및

상기 제1 마이크로렌즈 사이에 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제7 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,

제1 픽셀영역과 상기 제1 픽셀영역과 대각선 방향에 위치한 제2 픽셀영역들에 제1 마이크로렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제7 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,

제1 픽셀영역 상과, 상기 제1 픽셀영역의 상하, 좌우에 위치하지 않은 제2 픽셀영역들 상에 제1 마이크로렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제8 항 또는 제9 항에 있어서,

상기 제2 마이크로렌즈는,

상기 제1 픽셀영역과 상기 제2 픽셀영역 외의 제3 픽셀영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제10 항에 있어서,

상기 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,

상기 제3 픽셀영역에 제2 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 제2 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제9 항에 있어서,

상기 제2 마이크로렌즈는,

상기 제1 픽셀영역과 상기 제2 픽셀영역의 상하, 좌우에 인접한 제3 픽셀영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
제7 항에 있어서,

상기 제1 마이크로렌즈는,

컬러필터층의 그린컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되며,

상기 제2 마이크로렌즈는,

컬러필터층의 레드컬러필터 픽셀영역 및 블루컬러필터 픽셀영역에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.