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KR100819706B1 - 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

씨모스 이미지센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100819706B1
KR100819706B1 KR1020060135769A KR20060135769A KR100819706B1 KR 100819706 B1 KR100819706 B1 KR 100819706B1 KR 1020060135769 A KR1020060135769 A KR 1020060135769A KR 20060135769 A KR20060135769 A KR 20060135769A KR 100819706 B1 KR100819706 B1 KR 100819706B1
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윤영제
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동부일렉트로닉스 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드를 포함하는 기판상에 형성된 하부층; 상기 하부층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가지며 상기 하부층 상에 형성된 중간층; 상기 중간층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 상기 중간층 상에 형성된 상부층; 및 상기 상부층 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
씨모스 이미지센서, CIS, 컬러필터

Description

씨모스 이미지센서 및 그 제조방법{CMOS Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 단면도.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 제조공정 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
110: 기판 120: 간섭계 필터
130: 마이크로 렌즈
본 발명은 씨모스 이미지센서 및 그 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.
한편, CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있으므로, 최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
한편, 이미지 센서의 성능을 좌우하는 가장 중요한 공정 중 하나로서 컬러필터(Color filter) 형성 공정이 있다. 종래의 컬러필터어레이(CFA:Color filter array) 형성 방법으로 가장 널리 사용되는 것은 컬러필터 역할을 하는 감광막(PR)을 사용하여 소자의 최상층에 마이크로렌즈(micro-lens)를 형성하기 전 컬러필터어레이를 형성하는 공정이다.
그런데, 이러한 종래기술을 사용하는 경우 컬러필터어레이의 감광막의 두께만큼 추가의 막질 두께가 형성되므로 하부의 포토다이오드(photo-diode)까지 전달되어야 하는 빛 신호의 광학 효율이 낮아지는 단점이 있다.
또한, 종래기술에 의함면 밴드패스(band-pass) 필터로서 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 신호를 필터링(filtering) 해야 하는 감광막(PR)의 필터효율에 한계로 인하여 색 분해 능력에 한계가 있는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 종래기술의 컬러필터를 대체하면서 빛의 필터링의 분해력이 우수한 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한 다.
또한, 본 발명은 종래기술에 의한 이미지 센서 보다 높이가 현저히 낮은 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드를 포함하는 기판상에 형성된 하부층; 상기 하부층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가지며 상기 하부층 상에 형성된 중간층; 상기 중간층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 상기 중간층 상에 형성된 상부층; 및 상기 상부층 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서의 제조방법은 포토다이오드를 포함하는 기판상에 하부층을 형성하는 단계; 상기 하부층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R), 녹색(G), 청색(B)영역에 단차를 가진 중간층을 상기 하부층 상에 형성하는 단계; 상기 중간층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 상부층을 상기 중간층 상에 형성하는 단계; 및 상기 상부층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 종래기술과 달리 컬러필터층 대신 간섭 필터를 형성함으로써 종래기술의 컬러필터를 대체하고 빛의 필터링의 분해력이 매우 우수한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예의 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드(미도시)를 포함하는 기판(110)상에 형성된 하부층(122); 상기 하부층(122)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가지며 상기 하부층(122) 상에 형성된 중간층(124); 상기 중간층(124)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 상기 중간층(124) 상에 형성된 상부층(126); 및 상기 상부층(126) 상에 형성된 마이크로 렌즈(130);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서는 종래기술과 달리 컬러필터층 대신 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가진 간섭 필터(120)를 형성함으로써 종래기술의 컬러필터를 대체하고 빛의 필터링의 분해력이 매우 우수한 장점이 있다.
상기 단차를 가진 중간층(124)에서, 상기 적색(R)영역의 높이는 상기 중간층(124)의 높이와 같고, 상기 녹색(G)영역의 높이는 상기 적색(R) 영역의 높이 보다는 낮고, 상기 청색(B)영역의 높이는 상기 녹색(G)영역의 높이 보다는 낮은 것을 특징으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서는 Fabry-Perot의 간섭계 필터원리를 이용한다.
Fabry-Perot의 간섭계 필터원리는 λ는 파장길이(wavelength)로서 입사 광에 λ1+λ2+λ3와 같이 여러 파장이 섞여 있어도 통과되는 빛은 λ1 하나뿐이다.
이때 통과 가능한 빛의 파장은 2nft x cosθ = mλ로 주어진다. 수직입사로 가정하면 θ=0, cosθ=1이며 보통의 경우 m=1로 고려하면 2nft = λ의 식에 따라 통과시키고자 하는 빛의 파장에 따라 필요한 두께(t= λ/2nf)가 계산된다.
즉, 본원발명에서 하부층(122), 중간층(124) 및 상부층(126)이 새로운 구조의 간섭 필터(120)를 형성한다.
이러한 새로운 구조의 이미지센서의 경우 간섭 필터의 두께 혹은 단차 차이를 통해 컬러필터 역할을 대신하므로 컬러필터를 위한 두께만큼의 공간이 없어도 된다.
즉, 본원발명에 의하면 마이크로렌즈(130)를 통과한 빛이 하부의 포토다이오드까지 빛 신호를 전달하는데 있어 광학 효율이 매우 높다는 장점이 있다.
또한, 본원발명에 의하면 매우 정교한 밴드패스 필터링(band-pass filtering)이 가능하므로 정교한 색 분해가 가능하다는 장점이 있다.
보통 종래기술에 따라 감광막을 사용한 컬러필터층(color filter array)의 두께는 약 1500nm 정도의 두께가 필요하다는 점을 고려할 때 새로운 구조의 간섭 필터(120)를 채용한 경우 약 1500nm 정도의 두께 이득이 있다고 할 수 있다.
이러한 간섭 필터(120)를 구성하는 중간층(124) 물질의 광학적 특성 조건에는 1) 가시광선 영역에서 굴절률 인덱스의 허수부분(imaginary part of refractive index)(k)이 0.05 이하인 투명한 물질이어야 하며, 2) 실제 굴절률(real refractive index)(n)이 위 아래를 덮는 하부층(122), 상부층(126)보다 작은 물질이어야 한다.
이와 같은 중간층(124) 물질은 통상의 감광막의 굴절률 상수(n)이 약 1.7~1.8인 것을 감안하면 가시광선 파장에서 중간층(124) 의 굴절률 상수(n)가 약 1.4~1.5 정도의 산화막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 중간층(124)으로 TEOS 등을 사용할 수 있다.
상기 기술한 대로, 빛의 파장에 따라 필요한 두께(t= λ/2nf)가 된다.
한편, 적색(R)의 파장은 약 610~700nm이고, 녹색(G)의 파장은 약 500~570이며, 청색(B)의 파장은 약 450~500이다.
예를 들어, 굴절률 상수(n)가 약 1.4인 TEOS를 중간층(124)으로 할 경우, 상기 적색(R)영역의 중간층(124)은 약 290~340nm의 두께일 수 있다.
즉, 적색(R) 빛을 간섭 필터(120)에 의해 필터링하고자 한다면, 적색(R) 영역의 중간층(124)의 두께는 약 293~337nm가 된다.
또한, 상기 녹색(G)영역의 중간층(124) 두께는 약 230~280nm의 두께일 수 있다. 즉,녹색(G) 빛을 간섭 필터(120)에 의해 필터링하고자 한다면, 녹색(G) 영역의 중간층(124)의 두께는 약 274~240nm가 된다.
또한, 상기 중간층(124)의 상기 청색(B)영역의 두께는 약 210~250nm 일수 있다. 즉, 청색(B) 빛을 간섭 필터(120)에 의해 필터링하고자 한다면, 청색(B) 영역 의 중간층(124)의 두께는 약 216~240nm가 된다.
한편, 상기 하부층(122)과 상부층(126)은 굴절률 상수(n)이 약 2.2~2.3 정도의 질화막으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부층(122)과 상부층(126)으로 SiN 등을 사용할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따라 간섭 필터(120)를 채용하여 각각 픽셀(pixel) 마다 정교한 Fabry-Perot 간섭 필터(120)가 형성되어 종래에 감광막으로 형성하던 컬러필터층(color filter array)의 기능을 대체하고, 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가진 간섭 필터(120)를 형성함으로써 빛의 필터링의 분해력이 매우 우수한 효과가 있다.
또한, 본원발명에 의하면 기존의 컬러필터층을 생략함으로써 이미지 센서 보다 높이가 현저히 낮게 하여 빛이 포토다이오드까지 도달하는 빛의 양을 증대시켜 빛의 광학적 효율을 증대시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 제조공정 단면도이다.
우선, 도 2와 같이 포토다이오드(미도시)를 포함하는 기판(110)상에 하부층(122)을 형성한다. 상기 하부층(122)은 굴절률 상수(n)이 약 2.2~2.3 정도의 질화막으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부층(122)으로 SiN 등을 사용할 수 있다.
그 후, 상기 하부층(122) 상에 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역이 예정된 중간층(124)을 형성한다. 상기 중간층(124) 물질은 가시광선 파장에서 굴절률 상수(n)가 약 1.4~1.5 정도의 산화막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 중간층(124)으로 TEOS 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 중간층(124)은 약 290~340nm의 두께로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3과 같이 상기 적색(R) 영역의 중간층(124) 상에 제1 감광막 패턴(210)을 형성한다. 그 후, 상기 제1 감광막 패턴(210)을 식각마스크로 하여 상기 중간층(124)을 제1 깊이로 1차 식각한다.
이때, 상기 중간층(124)을 제1 깊이로 1차 식각하는 단계는 상기 1차 식각된 중간층(124)의 녹색(G)영역, 청색(B)영역의 두께가 약 230~280nm가 되도록 1차 식각이 진행되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 제1 감광막 패턴(210)을 제거하고 상기 청색(B)영역의 중간층(124)을 노출하도록 제2 감광막 패턴(220)을 상기 1차 식각된 중간층(124) 상에 형성한다.
그 후, 상기 제2 감광막 패턴(220)을 식각마스크로 하여 상기 1차 식각된 중간층(124)을 제2 깊이로 2차 식각한다.
이때, 상기 1차 식각된 중간층(124)을 제2 깊이로 2차 식각하는 단계는 상기 2차 식각된 중간층(124)의 청색(B)영역의 두께가 약 210~250nm가 되도록 2차 식각이 진행될 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 2차 식각된 중간층(124) 상에 상부층(126)을 형성한다. 상기 상부층(126)은 굴절률 상수(n)이 약 2.2~2.3 정도의 질화막으로 형 성할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부층(126)으로 SiN 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 2차 식각된 중간층(124) 상에 상부층(126)을 형성하는 단계 후에 상기 상부층(126)을 CMP 또는 에치백 등으로 평탄화하는 단계를 더 진행할 수 있다.
상기 공정에 의해, 적색(R)영역의 높이는 상기 중간층(124)의 최고 높이와 같고, 상기 녹색(G)영역의 높이는 상기 적색(R) 영역의 높이 보다는 낮고, 상기 청색(B)영역의 높이는 상기 녹색(G)영역의 높이 보다는 낮은 중간층(124)을 포함하는 간섭 필터(120)를 완성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따라 간섭 필터(120)를 채용하여 각각 픽셀(pixel) 마다 정교한 Fabry-Perot 간섭 필터(120)가 형성되어 종래에 감광막으로 형성하던 컬러필터층(color filter array)의 기능을 대체하고, 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가진 간섭 필터(120)를 형성함으로써 빛의 필터링의 분해력이 매우 우수한 효과가 있다.
또한, 본원발명에 의하면 기존의 컬러필터층을 생략함으로써 이미지 센서 보다 높이가 현저히 낮게 하여 빛이 포토다이오드까지 도달하는 빛의 양을 증대시켜 빛의 광학적 효율을 증대시키는 효과가 있다.
그 다음으로, 도 6과 같이 상기 상부층(126) 상에 마이크로 렌즈(130)를 형성하는 단계를 진행할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 이미지 센서의 구조상의 단차를 형성하여 간섭 필터를 형성함으로써 종래기술의 컬러필터를 대체하고 빛의 필터링의 분해력이 매우 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기존의 컬러필터층을 생략함으로써 이미지 센서 보다 높이가 현저히 낮게 하여 빛이 포토다이오드까지 도달하는 빛의 양을 증대시켜 빛의 광학적 효율을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 포토다이오드를 포함하는 기판상에 형성된 하부층;
    상기 하부층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역에 단차를 가지며 상기 하부층 상에 형성된 중간층;
    상기 중간층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 상기 중간층 상에 형성된 상부층; 및
    상기 상부층 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 중간층은 가시광선 영역에서 굴절률 인덱스의 허수부분(imaginary part of refractive index)(k)이 0.05 이하인 투명한 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 중간층의 굴절률 상수(n)가 1.4~1.5 인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 단차를 가진 중간층에서,
    상기 적색(R)영역의 높이는 상기 중간층의 높이와 같고,
    상기 녹색(G)영역의 높이는 상기 적색(R) 영역의 높이 보다는 낮고,
    상기 청색(B)영역의 높이는 상기 녹색(G)영역의 높이 보다는 낮은 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 중간층은 산화막인 경우,
    상기 적색(R)영역은 290~340nm의 두께인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 녹색(G)영역의 두께는 230~280nm의 두께인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 청색(B)영역의 두께가 210~250nm인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
  8. 포토다이오드를 포함하는 기판상에 하부층을 형성하는 단계;
    상기 하부층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지면서 적색(R), 녹색(G), 청색(B)영역에 단차를 가진 중간층을 상기 하부층 상에 형성하는 단계;
    상기 중간층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 상부층을 상기 중간층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 상부층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 단차를 가진 중간층을 상기 하부층 상에 형성하는 단계는,
    상기 하부층 상에 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역이 예정된 중간층을 형성하는 단계;
    상기 적색(R) 영역의 중간층 상에 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 중간층을 제1 깊이로 1차 식각하는 단계;
    상기 청색(B)영역의 중간층을 노출하도록 제2 감광막 패턴을 상기 1차 식각된 중간층 상에 형성하는 단계;
    상기 제2 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 1차 식각된 중간층을 제2 깊이로 2차 식각하는 단계; 및
    상기 2차 식각된 중간층 상에 상부층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 하부층 상에 적색(R)영역, 녹색(G)영역, 청색(B)영역이 예정된 중간층을 형성하는 단계는,
    상기 하부층 상에 290~340nm의 두께로 상기 중간층을 형성하는 단계를 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 중간층을 제1 깊이로 1차 식각하는 단계는
    상기 1차 식각된 중간층의 녹색(G)영역, 청색(B)영역의 두께가 230~280nm가 되도록 1차 식각이 진행되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 1차 식각된 중간층을 제2 깊이로 2차 식각하는 단계는,
    상기 2차 식각된 중간층의 청색(B)영역의 두께가 210~250nm가 되도록 2차 식각이 진행되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 2차 식각된 중간층 상에 상부층을 형성하는 단계 후에 상기 상부층을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서 제조방법.
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