KR20100028371A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서는, 단위화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성되고 그 표면에 단위화소 별로 렌즈형 패턴이 형성된 패시베이션층; 및 상기 렌즈형 패턴 상에 형성된 렌즈형 컬러필터를 포함한다.
이미지센서, 포토다이오드, 컬러필터
Description
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
도 7은 종래의 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여, 이미지 센서는 단위화소(2)를 포함하는 기판(1) 상에 금속배선(5) 및 층간절연막(4)이 형성되고, 상기 층간절연막(4) 상에 패시베이션층(6), 컬러필터 어레이(8), 평탄화층(7) 및 마이크로 렌즈(9)가 형성될 수 있다.
하지만, 이미지 센서가 소형화되면서 포토다이오드(3)에 집광되는 빛의 효율이 점점 감소되어 마이크로 렌즈(9)에 의해서만 빛을 모아주는 역할을 하기에는 한 계가 있다.
특히, 픽셀 사이즈가 작아지면서 빛이 산란되므로 크로스 토크가 발생되고, 또한 포토다이오드(3)와 마이크로 렌즈(9) 사이에는 금속배선층 및 컬러필터(8)와 같은 여러가지 층들이 형성되어 있으므로 빛이 상기 층들로 흡광되어 포토다이오드(3)의 감도를 저하시키는 문제가 있다.
상기 마이크로 렌즈(9)의 경우 센터(center)와 에지(edge)간에 빛이 입사 또는 각도에 따라 마이크로 렌즈(9)에서 컬러필터(8)까지의 두께가 달라질 수 있다. 입사광에 대한 상기 컬러필터(8)의 두께가 위치에 따라 달라질 경우, 광투과도가 달라지게 된다.
예를 들어, 레드 컬러필터(R)는 600~700nm의 파장이 입사되는 것인데 도 6에 도시된 레드 컬러필터(R)의 경우 그 중앙영역 및 에지영역의 두께가 다르므로 400~700nm까지의 파장이 모두 들어올 수 있게 된다.
그 이유는 빛의 입사각에 따라 컬러필터(6)에서 마이크로 렌즈(9)까지의 두께가 달라지게 되어 투과도 선백비가 떨어지므로 다른 영역에 입사될 파장까지 입사되어 컬러필터(8)의 역할을 할 수 없는 문제가 있다.
실시예에서는 컬러필터가 렌즈형으로 형성되어 포토다이오드의 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지센서는, 단위화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성되고 그 표면에 단위화소 별로 렌즈형 패턴이 형성된 패시베이션층; 및 상기 렌즈형 패턴 상에 형성된 렌즈형 컬러필터를 포함한다.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 단위화소를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 패시베이션층을 형성하는 단계; 상기 단위화소에 대응하는 상기 패시베이션층의 표면을 선택적으로 식각하여 렌즈형 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 렌즈형 패턴 표면에 렌즈형 컬러필터를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 컬러필터가 렌즈형으로 형성되어 빛의 산란 및 흡광률을 감소시킴으로써 포토다이오드의 광감도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 6은 실시예에 따른 이미지센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는, 단위화소를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선(50) 및 층간절연막(40); 상기 층간절연막(40) 상에 형성되고 그 표면에 단위화소 별로 렌즈형 패턴(61)이 형성된 패시베이션층(60); 및 상기 렌즈형 패턴(61) 상에 형성된 렌즈형 컬러필터를 포함한다.
상기 렌즈형 컬러필터는 레드 컬러필터인 제1 렌즈형 컬러필터(81), 그린 컬러필터인 제2 렌즈형 컬러필터(82), 블루 컬러필터인 제3 렌즈형 컬러필터(83)를 포함한다.
상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83) 사이에는 픽셀분리 패턴(63)이 형성되어 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)를 단위화소 별로 분리시킬 수 있다.
상기 렌즈형 패턴(61)은 그 표면이 볼록한 구면으로 형성되어 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)도 볼록한 구면으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 컬러필터 및 마이크로 렌즈 역할을 할 수 있다.
따라서, 별도의 마이크로 렌즈가 생략되므로 두께감소에 따른 소자의 집적화를 달성할 수 있다. 또한, 두께 감소에 따라서 빛의 흡광 및 산란 현상이 감소되어 포토다이오드의 감도를 개선할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 그 중앙영역 및 에지영역의 두께가 동일하게 형성되어 광투과도가 균일하므로 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
도 6의 도면 부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하여, 포토다이오드(30)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속배선층이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(20)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 액티브 영역에 형성된 단위화소는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(30) 및 상기 포토다이오드(30)에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)를 포함한다.
상기 포토다이오드(30)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 이후 금속배선(50) 및 층간절연막(40)을 포함하는 금속배선층이 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 층간절연막(30)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간절연막(30)은 질화막 또는 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(40)은 상기 층간절연막(30)을 관통하여 복수 개로 형성될 수 있다. 상기 금속배선(40)은 포토다이오드(30)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다.
그 다음, 상기 층간절연막(30) 상에 패시베이션층(60)이 형성된다. 상기 패시베이션층(60)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 절연막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 패시베이션층(60)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중의 어느 하나로 형성될 수도 있으며 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 실시예에서 상기 패시베이션층(60)은 USG막으로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 패시베이션층(60) 상에 포토레지스트 패턴(100)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(100)은 상기 패시베이션층(60) 상에 포토레지스트막을 도포한 후 단위화소에 대응하는 영역을 노출시키고 나머지 영역은 가리도록 형성할 수 있다. 즉, 상기 포토레지스트 패턴(100)은 단위화소와 단위화소 사이의 소자분리막(20)에 대응되도록 형성할 수 있다. 한편, 상기 포토레지스트 패턴(100)은 90nm 라인을 형성하기 위하여 ARF 장비를 사용하여 패터닝될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각마스크로 사 용하여 상기 패시베이션층(60)에 대한 식각공정을 진행한다. 예를 들어, 상기 식각공정은 HBr 및 Cl2를 식각가스로 사용하여 진행될 수 있다. 특히, HBr과 Cl2가 3~8:1 정도의 비율을 가지도록 공급하여 식각공정을 진행할 수 있다.
상기 식각가스인 HBr 및 Cl2를 상기와 같은 비율을 가지도록 조정하면 상기 포토레지스트 패턴(100)에 의하여 가려진 측면영역이 중앙영역보다 식각률이 더 높아지게 된다. 즉, 상기 포토레지스트 패턴(100)에 의하여 상기 패시베이션층(60)에 정의된 단위화소 영역을 기준으로 하여, 상기 단위화소 영역의 에지영역의 식각률이 그 중앙영역의 식각률보다 높아지게 되므로 상기 패시베이션층(60)은 단위화소 별로 볼록한 형태를 가질 수 있게 된다.
따라서, 상기 패시베이션층(60)에는 단위화소 별로 그 표면이 볼록한 형태를 가지는 렌즈형 패턴(61)이 형성된다. 또한, 상기 포토레지스트 패턴(100)에 의하여 식각공정으로부터 보호된 상기 렌즈형 패턴(61)의 양측에는 픽셀분리 패턴(63)이 형성된다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(100)은 애싱공정에 의하여 제거될 수 있다.
상기와 같이, 상기 패시베이션층(60)은 선택적 식각공정에 의하여 단위화소 별로 그 표면이 구면을 가지는 렌즈형 패턴(61)이 형성되고, 상기 렌즈형 패턴(61)은 픽셀분리 패턴(63)에 의하여 픽셀 별로 분리된 상태로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 패시베이션층(60)의 렌즈형 패턴(61) 상에 컬러필터가 형성된다. 상기 컬러필터는 염색된 포토레지스트를 사용하며 각 단위화소마다 하나의 컬러필터가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해낼 수 있다.
이러한 컬러필터는 단위화소 마다 각각 다른 색상을 나타내는 것으로, 제1 컬러필터(71), 제2 컬러필터(72) 및 제3 컬러필터(73)를 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 컬러필터(71)는 레드(red) 컬러필터이고, 제2 컬러필터(72)는 그린(green) 컬러필터이며, 제3 컬러필터(73)는 블루(blue) 컬러필터로 형성될 수 있다.
상기 제1 컬러필터(71)는 감광물질 및 안료 또는 감광물질 및 염료를 포함하는 제1 컬러필터층(미도시)을 스핀 코팅 공정등을 통해 형성한다. 이어서, 상기 제1 컬러필터층을 패턴 마스크에 의하여 노광한 후 현상하여 제1 컬러필터(71)를 형성할 수 있다. 그 다음, 상기 제1 컬러필터(71) 형성방법과 같은 방법을 반복하여 제2 및 제3 컬러필터(73)를 형성할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73)는 상기 픽셀분리 패턴(63)에 의하여 단위화소 별로 분리된 각각의 렌즈형 패턴(61) 상에 형성되어 단위화소 별로 각각 분리될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 렌즈형 패턴(61) 상에 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 형성된다. 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73)에 대한 리플로우 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
리플로우 공정은 폴리머 물질에 유동성을 부여하고 표면장력을 이용하여 렌즈면을 형성하는 방법이다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73)에 대한 리플로우 공정을 진행하면 그 표면이 구면을 가지는 제1 내지 제3 렌즈형 컬러 필터(81, 81, 83)가 형성된다.
구체적으로 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 170~190℃의 온도에서 180~220초 동안 1차 리플로우 공정을 진행한다. 그 다음 190~220℃의 온도에서 160~200초 동안 2차 리플로우 공정을 진행하여 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73)는 단위화소마다 픽셀분리 패턴(63)에 의하여 각각 분리되어 있으므로 리플로우 공정이 진행되더라도 브리지(brige)나 머지(merge) 현상이 나타나는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 픽셀분리 패턴(63)이 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73) 사이에 형성되어 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73) 사이에서 차단막 역할을 하고 있으므로 리플로우 공정이 진행되어도 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 붙는 것을 방지할 수 있다.
상기 1차 및 2차 리플로우 공정을 통해 형성된 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 일반적인 마이크로 렌즈와 같이 표면이 볼록한 반구형태로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 단위화소의 포토다이오드(30)로 광을 집광시키는 마이크로렌즈 역할을 하게 된다.
또한, 상기 제1 내지 제3 컬러필터(71, 72, 73)를 리플로우 시켜 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 형성되는 것이므로, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 컬러필터 역할도 할 수 있게 된다.
따라서, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 마이크로 렌즈 및 컬러필터 역할을 동시에 할 수 있다. 이에 집광수단인 마이크로 렌즈의 형성공정이 생략되므로 공정 단순화에 따른 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 렌즈역할을 하므로 이미지센서의 전체적인 두께를 감소시킴으로써 소자의 집적화를 달성할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)는 렌즈형 패턴(61)의 표면을 따라 반구형으로 형성되는 것이므로 그 중앙영역 및 에지영역에서 동일한 두께를 가질 수 있으므로 광감도를 향상시킬 수 있다. 즉 실시예에서는 하나의 단위화소에 해당하는 상기 제1 렌즈형 컬러필터(81)는 레드 컬러필터로서, 그 중앙영역 및 에지 영역의 두께가 동일하게 형성되어 광투과도에 대한 선택비도 동일할 수 있다. 이에 따라 600~700nm의 파장만이 상기 제1 렌즈형 컬러필터(81)를 통과할 수 있으므로 광감도가 향상될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 렌즈 역할을 하므로 기존의 이미지 센서와 대비하여 두께가 감소되므로 빛의 산란 및 흡광이 기존과 대비하여 낮아지므로 광감도가 개선될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)가 픽셀분리 패턴(63)에 의하여 단위화소 별로 분리되어 있으므로 크로스 토크 및 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈형 컬러필터(81, 81, 83)에서 포토다이오드(30)까지의 초점거리가 감소되어 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 예시한 도면을 참조 로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사항 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 7은 종래의 기술에 따른 이미지센서를 나타내는 단면도이다.
Claims (12)
- 단위화소를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 층간절연막;상기 층간절연막 상에 형성되고 그 표면에 단위화소 별로 렌즈형 패턴이 형성된 패시베이션층; 및상기 렌즈형 패턴 상에 형성된 렌즈형 컬러필터를 포함하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 렌즈형 패턴의 표면은 볼록한 구면으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 렌즈형 패턴 사이에는 픽셀분리 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 렌즈형 컬러필터는 그 중앙영역 및 에지영역의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제3항에 있어서,상기 렌즈형 패턴과 픽셀분리 패턴은 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 단위화소를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간절연막을 형성하는 단계;상기 층간절연막 상에 패시베이션층을 형성하는 단계;상기 단위화소에 대응하는 상기 패시베이션층의 표면을 선택적으로 식각하여 렌즈형 패턴을 형성하는 단계; 및상기 렌즈형 패턴 표면에 렌즈형 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 렌즈형 컬러필터가 단위화소 별로 분리되도록 상기 렌즈형 패턴을 형성할 때 상기 렌즈형 패턴 사이에 픽셀분리 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 렌즈형 패턴 및 픽셀분리 패턴을 형성하는 단계는,상기 단위화소에 대응하는 상기 패시베이션층이 노출되도록 포토레지스트 패 턴을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 식각공정을 진행하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하고,상기 식각공정 시 HBr 및 Cl2 가스를 공급하여 상기 렌즈형 패턴은 그 표면이 볼록한 구면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 식각공정 시 HBr 가스가 Cl2 가스 보다 3~ 6배 이상 제공되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 렌즈형 컬러필터를 형성하는 단계는,상기 렌즈형 패턴 상에 컬러필터를 형성하는 단계;상기 컬러필터에 대한 리플로우 공정을 진행하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 리플로우 공정은 1차 리플로우 공정 및 2차 리플로우 공정을 포함하고,상기 1차 리플로우 공정은 170~190℃의 온도에서 진행되고, 2차 리플로우 공 정은 190~220℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 렌즈형 컬러필터는 그 중앙영역 및 에지영역의 두께가 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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