KR100874954B1 - 후면 수광 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

후면 수광 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 포토다이오드가 형성된 기판과, 상기 기판의 제 1 면에 형성된 절연층과, 상기 절연층 내에 형성된 배선층을 포함한다. 상기 기판과 상기 절연층 사이에 반사방지층이 개재된다. 상기 제 1 면에 대향하는 상기 기판의 제 2 면에 복수개의 컬러필터가 형성되고, 상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 형성된다. 본 발명에 따르면 기판과 층간 절연막 사이에 반사방지막을 형성함으로써, 기판을 투과하여 기판과 층간 절연막 사이의 계면까지 도달한 빛의 반사율을 현저히 줄일 수 있다.

이미지 센서, 후면 수광, 반사방지막

Description

후면 수광 이미지 센서{BACK ILLUMINATED IMAGE SENSOR}

도 1은 종래의 후면 수광 이미지 센서의 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 반사방지막을 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사방지막의 투과도를 나타낸 그래프.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더 구체적으로 후면 수광 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학 신호를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서는 빛을 감지하는 광전변환부와 감지된 빛을 전기적 신호로 변환하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성된다. 광감도를 높이기 위하여 마이크로 렌즈를 둠으로써 광전변환부 이외의 영역으로 입사되는 빛의 경로를 바꾸어 집광한다.

종래의 이미지 센서는 광전변환부가 형성된 기판 상에 다층의 배선이 형성되고, 상기 배선층 상부에 컬러필터 및 마이크로 렌즈가 형성되어 있다. 따라서, 컬러필터층과 광전변환부 사이의 거리가 길어 초점거리의 확보가 어렵고, 배선층에 의한 입사광의 난반사 및 가려짐으로 인해 광전변환부의 수광효율이 낮은 단점이 있다.

이를 개선하기 위하여 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 기판의 후면에 형성하여, 광전변환부와 컬러필터 사이의 거리를 줄이고 광전변환부에 입사되는 빛의 수광효율을 증가시킨 후면 수광 이미지 센서가 소개되었다.

도 1은 종래의 후면 수광 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(20)에 다수의 포토다이오드(23)이 형성되어 있고, 상기 기판(20)의 제 1 면 상에 층간절연막(24)이 형성되어 있다. 상기 층간 절연막(24) 내에 복수층의 배선으로 구성된 다층 배선층(25)가 형성되어 있다.

상기 제 1 면에 대향하는 기판의 제 2 면에는 복수개의 컬러필터(27)가 형성되고, 상기 컬러필터(27) 상에 마이크로 렌즈(29)가 형성되어 있다. 도 1 은 이미지 센서의 화소 영역의 일부를 도시한 단면도로서, 화소 영역 주변의 회로 영역은 도시되지 않았다.

상기 마이크로 렌즈(29)에 의해 집광된 빛은 컬러필터(27)을 투과하면서 적색광, 녹색광 또는 청색광이 선택되어 상기 기판(20) 내부로 입사된다. 파장에 따른 흡수계수(extinction coefficent)의 차이로 인해, 파장 450㎚ 부근의 청색광과 550㎚ 부근의 녹색광은 상기 포토 다이오드(23)내에서 흡수되지만, 650㎚ 부근의 적색광은 상기 기판(20)과 상기 층간 절연막(24)의 계면까지 도달한다. 상기 기판(20)과 상기 층간 절연막(24)의 계면에서 반사된 빛은 이웃한 다른 포토다이오드로 입사되어 원하지 않은 고스트 이미지(ghost image)를 유발할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기판과 층간 절연막의 계면까지 도달한 빛의 반사를 감소시킬 수 있는 구조의 후면 수광 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 포토다이오드에 입사된 빛이 반사되어 다른 포토다이오드로 입사되는 것이 억제된 후면 수광 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 반사방지막을 포함하는 후면 수광 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 포토다이오드가 형성된 기판과, 상기 기판의 제 1 면에 형성된 절연층과, 상기 절연층 내에 형성된 배선층을 포함한다. 상기 기판과 상기 절연층 사이에 반사방지층이 개재된다. 상기 제 1 면에 대향하는 상기 기판의 제 2 면에 복수개의 컬러필터가 형성되고, 상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 형성된다.

상기 반사방지층은 굴절율이 다른 두 물질을 포함할 수 있다. 굴절율이 다른 제 1 물질층 및 제 2 물질층은 적층될 수 있고, 다수의 제 1 물질층 및 제 2 물질층이 교번하여 적층될 수 있다.

상기 제 1 물질은 상기 제 2 물질에 비해 굴절율이 낮을 수 있으며, 이 때 상기 제 1 물질 및 상기 제 1 물질의 두께는 굴절율에 반비례하여, 상기 제 1 물질의 두께는 상기 제 2 물질의 두께에 비해 두꺼운 것이 바람직하다.

상기 반사방지층은 상기 기판을 투과하여 도달한 빛을 투과하거나 흡수하여 주변의 다른 포토다이오드로 반사광이 입사하는 것을 막을 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서는 기판의 제 1 면에 형성된 배선층과, 상기 제 1 면의 반대면인 기판의 제 2 면에 형성된 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 포함한다.

기판(50')에는 화소 영역과 주변영역이 정의되고, 상기 화소 영역에 복수개 의 포토다이오드들(52)이 형성되어 광전변환영역을 구성한다. 상기 기판(50')의 제 1 면에 반사방지막(54)이 형성되고, 상기 반사 방지막(54) 상에 층간 절연막(56)이 형성되어 있다. 상기 층간 절연막(56)은 다층의 절연막을 포함하고, 상기 층간 절연막(56) 내에 다층의 배선층(58)이 형성되어 있다. 상기 기판(50')은 반도체 기판 또는 반도체 에피택시얼 기판일 수 있다.

상기 기판(50')의 제 2 면에 복수개의 컬러필터들(60)으로 구성된 컬러필터층이 형성되고, 상기 컬러 필터(60) 상에 마이크로 렌즈(62)가 형성되어 있다. 상기 컬러필터층은 상기 기판(50')에 직접 형성될 수도 있고, 절연막을 개재하여 기판 상에 형성될 수도 있다. 또한, 상기 마이크로 렌즈(62)는 상기 컬러 필터(60) 상에 직접 형성될 수도 있고, 상기 컬러 필터층 상에 평탄화막을 개재하여 형성될 수도 있다.

장파장의 빛은 상기 마이크로 렌즈(62)에서 집광되어 상기 기판(50')과 상기 반사방지막(54)의 계면까지 도달할 수 있다. 이 때, 상기 기판(50')의 계면에서 빛의 대부분은 상기 반사방지막(54)에 흡수되거나, 상기 반사방지막(54)을 투과하고 일부분만 반사된다. 따라서, 종래에 비해 주변의 다른 포토다이오드로 입사되는 광량이 현저히 감소되어 고스트 이미지를 형성하지 않거나 억제할 수 있다.

상기 반사방지막(54)은 굴절율이 다른 복수의 물질층으로 구성될 수 있다. 본 발명에서는 반사율을 최소화하기 위하여 굴절율이 다른 제 1 물질층과 제 2 물질층을 교번하여 적층함으로써 상기 반사방지막(54)은 교번하여 적층된 복수층의 제 1 물질층과 제 2 물질층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 물질층은 실리콘산화막이고, 상기 제 2 물질층은 실리콘질화막 또는 실리콘산화질화막일 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 반사방지막을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 반사방지막(54)은 기판(50')에 적층된 다수의 제 1 물질층(54a)와 제 2 물질층(54b)을 포함한다. 도면에서는 상기 제 1 물질층(54a)과 상기 제 2 물질층(54b)을 두 층씩 적층하였으나, 상기 제 1 물질층(54a)와 상기 제 2 물질층(54a)은 각각 2층 이상일 수 있다.

굴절율이 서로 다른 물질을 교번하여 적층함으로써, 굴절율이 공간적 주기를 가지며 배치될 수 있다. 굴절율의 공간적 주기는 투과하는 빛의 성질 및 경로에 영향을 주어 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과하거나, 선택적 반사 또는 선택적 흡수하는 것이 가능하다.

예컨대, 상기 반사방지막(54) 내부로 입사된 빛을 굴절율의 공간적 주기에 따른 광학적 밴드갭에 가둬둠으로써 물질층의 계면에서 반사되어 기판으로 반사되는 것을 막을 수 있고, 상기 제 1 물질층(54a) 및 상기 제 2 물질층(54b)에서 반사되는 빛들의 상쇄 간섭에 의해 반사율이 낮아질 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 물질층(54a)은 상기 제 2 물질층(54b)에 비해 굴절율이 낮은 물질일 수 있다. 또한, 상기 제 1 물질층(54a)은 상기 제 2 물질층(54b)에 비해 두꺼울 수 있으며, 반사방지막(54)을 구성하는 제 1 물질층(54a) 및 제 2 물질층(54b)은 각각 정해진 두께를 가질 수 있다.

예컨대, 상기 물질층의 두께는

일 수 있다.

여기서, 상기 t_f는 물질층의 두께, 상기 λ_f는 상기 물질층 내 입사된 빛의 파장이다. 물질층 내에서 빛의 파장은 이동 경로에서 투과된 물질들의 굴절율에 의해 변경될 수 있으며 계산될 수 있다. 예컨대, 공기중에서 파장 λ₀인 빛은 마이크로 렌즈, 컬러필터, 기판 및 반사방지막을 투과하는 동안 변경되어 반사방지막의 물질층 내에서 파장은 λ_f으로 변경되고, 이는 투과한 물질의 알려진 굴절율을 이용하여 계산될 수 있다.

즉, 상기 제 1 물질층의 두께 t_a는

이고, 상기 제 2 물질층의 두께 t_b는

인 것이 바람직하다. 여기서, λ_a는 상기 제 1 물질층 내 입사된 빛의 파장이고, 상기 λ_b는 상기 제 2 물질층 내 입사된 빛의 파장이다.

상기 제 1 물질층(54a) 및 상기 제 2 물질층(54b)의 굴절율의 차이가 클 수록 반사방지 효율이 증가될 수 있고, 상기 제 1 물질층(54a) 및 상기 제 2 물질층(54b)의 흡수계수가 큰 것이 바람직하다.

도 4는 상기 반사방지막으로 실리콘 질화막 270Å 및 실리콘 산화막 200Å이 적층된 구조의 반사방지막에서 빛의 거동을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 세로축은 비율이고 가로축은 파장을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 일반적으로 실리콘 기판과 실리콘 산화막의 계면에서 약 20%의 빛이 반사되는 것으로 알려진 것에 비해, 다층의 물질층이 적층된 반사방지 막에서 적색광에 해당하는 파장 600㎚ 내지 700㎚ 사이의 빛은 반사방지막에서 90%이상 투과되고, 10%미만이 반사되는 것으로 나타났다.

즉, 본 발명에 따를 경우 종래에 비해 반사율의 절반으로 줄일 수 있으며, 제 1 물질막과 제 2 물질막의 적층 수가 증가할 수록 반사광의 상쇄 간섭이 강해져 반사율이 더욱 감소될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 기판(50)에 복수개의 포토다이오드(52)를 형성한다. 상기 포토다이오드(52)의 구조 및 형성 방법과 기판 내에 형성된 불순물 확산 구조는 종래의 이미지 센서와 동일하게 형성할 수 있다.

상기 기판(50)의 제 1 면 상에 반사방지막(54)을 형성한다. 상기 반사방지막(54)은 도 3에 도시된 것과 같이, 굴절율이 다른 두 물질을 교번하여 형성함으로써 복수층의 제 1 물질층 및 제 2 물질층이 교대로 적층되어 굴절율의 공간적 주기가 형성될 수 있다.

도시하지는 않았지만, 상기 반사방지막(54)을 형성하기 전에 상기 기판(50)의 제 1 면에 복수개의 트랜지스터를 형성할 수 있다. 상기 반사방지막(54)은 화소 영역의 광전변환부, 즉 포토다이오드가 형성된 기판(50)의 계면에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 트랜지스터를 형성한 후 상기 반사방지막(54)을 기판의 전면에 균일하게 형성할 수 있다.

계속해서, 상기 반사방지막(54)이 형성된 기판 상에 층간 절연막(56)을 형성 하고, 다층의 배선층(58)을 형성한다. 상기 층간 절연막(56)은 다층으로 구성될 수 있으며, 상기 배선층과 상기 층간 절연막을 교대로 형성함으로써, 상기 층간 절연막(56) 내에 다층의 배선층(58)을 형성할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 배선층과 배선층 사이에는 층간절연막을 관통하는 로컬 배선이 형성된다.

최상부 배선층이 형성되고 패시베이션층까지 형성되었을 때, 상기 기판(50)의 배면을 연마하여 소정두께의 기판(50')을 남긴다. 이 때, 이미지 센서의 웰 구조 및 화소 영역의 포토다이오드 구조를 고려하여 최소 두께의 기판을 남김으로써 컬러 필터와 포토다이오드의 거리를 줄이는 것이 바람직하다.

도 7을 참조하면, 상기 제 1 면의 반대면인 기판의 제 2 면에 컬러 필터(60)을 형성한다. 상기 컬러 필터(60)은 상기 기판(50')에 직접 형성하거나, 절연막을 개재하여 형성될 수 있다.

계속해서 도시하지는 않았지만, 상기 컬러 필터(60) 상에 마이크로 렌즈(도 2의 62)를 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(62)는 상기 컬러 필터(60) 상에 평탄층을 형성하고, 상기 평탄층 상에 형성될 수도 있다.

상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 기판과 층간 절연막 사이에 반사방지막을 형성함으로써, 기판을 투과하여 기판과 층간 절연막 사이의 계면까지 도달한 빛의 반사율을 현저히 줄일 수 있다.

상기 반사방지막은 투과 깊이가 깊은 장파장의 빛에 대한 반사방지 효율이 높은 물질 및 구조로 형성하여, 기판의 계면에서 반사되어 이웃한 포토다이오드로 입사되는 반사광을 없애거나 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 포토다이오드에 입사된 빛이 다른 포토다이오드로 입사되는 것을 억제함으로써 고스트 이미지를 막을 수 있고, 결과적으로 깨끗한 영상을 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 포토다이오드가 형성된 기판;

   상기 기판의 제 1 면에 형성된 절연층;

   상기 절연층 내에 형성된 배선층;

   상기 기판과 상기 절연층 사이에 개재된 반사방지층;

   상기 제 1 면에 대향하는 상기 기판의 제 2 면에 형성된 복수개의 컬러필터; 및

   상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 반사방지층은 굴절율이 다른 제 1 물질층 및 제 2 물질층이 교번하여 적층된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제 1 물질은 실리콘 산화막이고, 상기 제 2 물질은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 제 1 물질은 실리콘 산화막이고, 상기 제 2 물질은 실리콘산화질화 막(Silicon Oxynitride)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 제 1 물질층의 굴절율은 상기 제 2 물질층의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 반사방지층을 구성하는 제 1 물질층들의 두께는 동일하고, 상기 반사방지층을 구성하는 제 2 물질층들의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 제 1 물질층 및 상기 제 2 물질층의 두께는 각각

   

   및

   

   이고, 여기서 a, b는 각각 제 1 물질층 및 제 2 물질층을 의미하고, t는 두께, λ는 물질층 내에 입사된 빛의 파장인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 반사방지층은 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사되어 상기 기판을 투과하여 도달된 빛의 반사를 억제하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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