KR100683390B1 - 이미지센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
입사광의 조도를 향상시켜 양자효율 및 광감도를 개선하는데 적합한 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 기판에 포토다이오드영역 및 주변소자를 형성하는 제 1 단계, 상기 포토다이오드영역 상부에 굴절율 
이고 두께 
인 제1절연층을 형성하는 제 2 단계, 상기 포토다이오드영역의 상부에만 남도록 상기 제1절연층을 제거하는 제 3 단계, 상기 결과물 상에 제2절연층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진다.
이미지센서, 포토다이오드, 조도, 굴절율, PMD
Description
도 1 은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도,
도 2 는 종래기술의 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 나타낸 제조 공정 단면도,
도 3a 내지 도 3f 는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 나타낸 제조 공정 단면도,
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
41 : 반도체 기판 47 : 포토다이오드
51 : 버퍼유전층 53 : PMD
57 : 제1금속배선 60 : 층간절연막
63 : 소자보호막 64 : 컬러필터
66 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 입사광의 조도(Illuminance)를 향상시킨 CMOS 이미지센서(Image sensor)에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 CMOS 이미지센서를 이용하는데, 통상의 CCD 이미지센서는 외부의 피사체이미지를 촬상한 빛을 흡수하여 광전하를 모으고 축적하는 광전변환 및 전하축적부, 상기 광전변환 및 전하축적부에서 발생된 전하를 운송하기 위한 전하운송부 및 상기 전하운송부로부터 운송된 광전하를 전기적신호로 출력하는 신호변환부로 구성된다.
여기서 광전변환 및 전하축적부는 주로 포토다이오드(Photodiode;PD)를 사용하는데, 포토다이오드(PD)는 PN접합을 이용하여 포텐셜웰(Pontential well)을 형성시키고 빛(Light)에 의해 발생된 전하를 포텐셜웰에 축적해 두는 소자이다. 그리고 전하축적부에서 발생된 전하는 포토다이오드(PD)의 포텐셜웰에 갇혀있는데, 이 포텐셜웰을 움직임으로써 필요한 곳으로 전하를 운송할 수 있다. 또한 신호변환부는 운송된 전하로부터 전압을 발생시킨다. 한편, 신호검출이 끝나면 다음 차례를 기다리는 전하를 위하여 현재 포텐셜웰의 전하는 배출할 필요가 있는데, 이를 위하여 신호변환부의 포텐셜웰의 장벽을 제거하여 전하를 배출하는데 이를 리셋(Reset)이라고 한다.
이처럼 CCD 이미지센서는 CMOS 이미지센서와 달리 트랜지스터에 의한 스위칭방식이 아니라 전하결합에 의해서 신호를 검출한다. 그리고, 단위화소(Unit pixel)에 해당하고 광감지역할을 하는 포토다이오드(PD)는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호전압을 누적시간만큼 증가시킬 수 있어 광감도(Sensitivity)가 좋고, 노이즈(Noise)를 감소시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 광전하를 계속 운송해야 하므로 구동방식이 복잡하고, 약 8∼10V의 고전압 및 1W이상의 고전력이 소모된다.
반면 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비하여 전기광학적 특성에서 열세를 보이고 있으나, 저소비전력과 집적도 측면에서는 CMOS 이미지센서가 CCD 이미지센서보다 우수하다.
이러한 전기광학적 특성 중 외부양자효율(External Quantum Efficiency) 및 광감도(Sensitivity) 특성은 이미지센서의 품질(Quality)을 좌우하는 특성으로서, 특히 단위 시간당 포획할 수 있는 이미지프레임(Image frame) 및 이미지품질(Image quality)등을 결정하는 매우 중요한 특성이다.
도 1은 통상의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 상기 4개의 NMOS트랜지스터(Tx,Rx,Sx,Dx)는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하를 플로팅노드 (Floating node; X)로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅노드를 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx), 소오스팔로워 버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx), 스위칭(Switching)역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다.
도 2 는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 개략적으 로 나타낸 도면이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 종래기술의 CMOS 이미지센서의 단위화소는, P형 반도체기판(11)에 국부적으로 P형 웰(12)을 형성한 다음, 단위화소간의 분리를 위한 필드절연막(13)을 형성한다. 이어 상기 P형 반도체기판(11) 내부에 P-N접합층 (17a,17b)을 형성하여 포토다이오드(PD)를 이루고, 상기 반도체기판(11)에 상기 포토다이오드(PD)로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅접합층(18a)을 형성한다.
이어 상기 포토다이오드(PD)로부터 플로팅접합층(18a)으로 상기 광전하를 전달하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극을 형성하며, 상기 플로팅접합층 (18a)을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트전극을 형성한다. 이어 상기 플로팅접합층(18a)에 전기적으로 접속된 게이트전극을 갖는 드라이브트랜지스터 (Dx)와 어드레싱을 위한 신호를 자신의 게이트전극으로 인가받는 셀렉트트랜지스터 (Sx)를 형성한다. 이 때, 상기 리셋트랜지스터(Rx)와 드라이브트랜지스터(Dx)는 공통접합층(18b)을 가지며, 상기 공통접합층(18b)은 상기 반도체기판(11)과 P형 웰(12)의 경계에 형성된다. 이어 상기 필드절연막(13)의 일측에 셀렉트트랜지스터 (Sx)의 게이트전극을 형성하며, 상기 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터 (Sx)는 LDD(Lightly Doped Drain)구조의 불순물접합층(19)이 형성된다. 여기서 게이트전극은 게이트산화막(14), 폴리실리콘(15)과 텅스텐실리사이드(16)로 이루어지며, 게이트전극의 측벽에는 측벽스페이서(20)가 형성된다.
그리고 상기 4개의 트랜지스터(Tx,Rx,Dx,Sx) 상부에 광투과를 위한 제1층간 절연막(21,22)과 제2층간절연막(23,24,25)을 형성하고, 상기 제1,2층간절연막들 (21,22,23,24,25)을 선택적으로 식각하여 상기 트랜지스터들(Tx,Rx,Dx,Sx)을 외부소자와 연결하기 위해 티타늄/알루미늄/티타늄나이트라이드(26,27,28)의 적층막으로 이루어진 제1,2금속배선을 형성한다. 또한 상기 제2금속배선 상부에 습기 또는 스크래치(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위해 산화막(29) 및 질화막(30)으로 이루어진 소자보호막을 형성하며, 상기 소자보호막 상부에 컬러이미지 구현을 위해서 상기의 단위화소 배열위에 적색, 초록색 및 청색 또는 황색, 자홍색, 청록색으로 구성된 컬러필터(31)의 배열(Color Filter Array; CFA) 공정을 진행한다. 이어 상기 컬러필터(31)의 배열 상부에 평탄층(32)을 형성한 다음, 상기 평탄층(32) 상부에 컬러필터(31) 배열에 대향하는 마이크로렌즈(33)를 형성한다.
이와 같은 공정이 모두 완료된 후 광감지영역인 포토다이오드 상부에는 광투과를 위한 제1,2층간절연막(21,22,23,24,25), 소자보호막(29,30), 컬러필터(31) 및 마이크로렌즈(33)만이 위치하게 된다.
상술한 바와 같이, 종래기술에서는 외부양자효율 및 광감도의 특성을 향상시키기 위해 단위화소마다 마이크로렌즈(33)를 형성하여 입사광을 집속시키고 있으나, 마이크로렌즈(33)로 집속된 입사광은 마이크로렌즈(33)의 중심부와 주변부의 입사각도가 달라지므로 같은 수의 광량(Photon flux)이 집속되었다 하더라도 단위화소의 중심부와 주변부로 입사되는 광자(Photon)의 조도는 달라지게 된다.
즉 단위화소의 중심(θ=θc=0)으로 입사되는 광자의 조도를 ic 라 하면, 단위 화소의 주변으로 입사각도 θ=θE 로 입사되는 광자의 조도 iE 는 ic ×cos
4θ에 비례하므로 cos4θ만큼 감소하게 된다. 따라서 단위화소로 입사되는 광자의 입사각도를 줄여주어야만 한다.
이러한 이미지센서의 특성을 향상시키기 위해 반도체기판(11)은 동일한 가시광선영역에서 4.72∼3.48의 굴절율(NS)을 가지며, 단위화소의 포토다이오드(PD)를 형성한 후 포토다이오드(PD) 표면에 최초로 증착되는 절연층(PMD)(21,22)은 통상적으로 가시광선영역대(450~635nm)에서 1.48∼1.46의 굴절율(NO)을 갖는다. 그리고 마이크로렌즈(33)는 폭이 7.5㎛, 높이가 2.6㎛로 형성된다.
이와 같은 조건의 단위화소로 입사되는 입사광의 최초 입사각은 0(degree)이지만, 마이크로렌즈(33)에 부딪히는 순간 입사광의 입사각은 공기에서 마이크로렌즈로(33)의 매질차와 마이크로렌즈(33)의 곡률에 의하여 변하게 된다. 즉, 최초 공기중에서 입사각이 0(degree)인 입사광이 마이크로렌즈(33)의 중심부로 입사될 때의 입사각은 0(degree)이 되고 마이크로렌즈(33)의 가장자리 부분으로 입사될 때의 입사각은 33.5(degree)가 된다. 이렇게 단위화소의 포토다이오드(PD) 부분으로 입사광이 전파되어 입사되며, 최종 포토다이오드(PD)로 입사되는 입사광의 입사각도가 포토다이오드(PD)에로의 입사광 조도를 결정하게 된다.
따라서, 이미지센서에서 포토다이오드(PD)로 최종 입사되는 입사각도는 37 (degree)가 된다. 그러므로 단위화소의 포토다이오드(PD)가 받아들일 수 있는 중심 대비 주변의 상대 조도량은 cos4(37)=0.488 이 된다. 다시말하면, 포토다이오드(PD) 중심에서의 조도가 100%이면 마이크로렌즈(33)의 가장자리에서 입사된 입사광이 포토다이오드(PD)로 입사될 때의 조도는 48,8% 로, 포토다이오드(PD)의 주변부에서는 약 51.2%의 광량이 손실되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 포토다이오드와 최초 층간절연막 사이에 흡수율이 낮은 유전층을 추가로 증착하므로써 입사광의 조도를 향상시켜 양자효율 및 광감도를 개선하는데 적합한 이미지센서의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 방법은 기판에 포토다이오드영역 및 주변소자를 형성하는 제 1 단계, 상기 기판 상에 상기 포토다이오드영역 및 주변소자를 덮도록 굴절율이
이고 두께가 
인 무반사 특성을 갖는 옥시나이트라이드로 제1절연층을 형성하는 제 2 단계, 상기 제1절연층을 상기 포토다이오드영역의 상부에만 남도록 패터닝하는 제 3 단계, 상기 결과물 상에 제2절연층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
첨부도면 도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 나타낸 공정단면로서, 본 발명의 이미지센서의 단위화소는 통상의 단위화소와 동일한 구조를 갖는다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(41)에 웰 형성을 위한 마스크공정을 실시하고 보론이온을 주입한 다음, 열공정을 실시하여 측면확산(Lateral diffusion)에 의한 P형 웰(42)을 형성한다. 여기서 상기 P형 웰(42)은 셀렉트트랜지스터(Sx)와 드라이브트랜지스터(Dx)가 형성되는 영역이다.
이어 단위화소간의 분리막 필드절연막(43)을 형성한 후 게이트산화막(44)을 형성하고 상기 게이트산화막(44) 상부에 단위화소 내 트랜지스터들의 게이트전극을 형성하기 위해 폴리실리콘(45)과 텅스텐실리사이드막(46)을 연속적으로 형성하고 마스크 및 식각 공정을 통해 다수의 게이트전극을 형성한다. 여기서 상기 다수의 게이트전극들은 각각 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx), 셀렉트트랜지스터(Sx)의 게이트전극으로 이용된다.
이어 상기 결과물 상부에 포토다이오드(PD)를 형성하기 위한 마스크 공정을 실시하고 N- 도핑영역과 P0 도핑영역을 형성하기 위한 N- 이온주입과 P
0 이온주입을 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극 일측면에서 자기정렬하도록 실시한다. 이 때 상기 P형 기판(41), N- 도핑영역(47a) 및 P0 도핑영역(47b)은 PNP구조의 포토다이오 드(47)를 형성한다.
이어 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 N형 LDD(Lightly Doped Drain)이온주입을 위한 마스크패턴을 형성하고 보론이온을 주입하여 LDD영역 (49a)을 형성한다.
이어 트랜지스터들의 소오스/드레인 영역을 형성하기 위해 저압화학적기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD)을 이용하여 저압산화막(LP-Oxide)을 증착하고 전면식각하여 게이트전극의 측벽에 접하는 산화막스페이서(50)를 형성한 후, 고농도 N형 불순물 이온을 위한 마스크패턴을 형성하여 N형 불순물 이온주입을 실시하여 불순물접합층들(49b)을 형성한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 상부 특히 포토다이오드(PD)의 상부에 버퍼유전층(51)을 형성한다.
이 때 버퍼유전층(51)은 가시광선영역인 450∼635nm 범위에 대하여 2.25∼2.65의 굴절율을 갖는 유전층, 425∼2113Å의 두께를 갖는 유전층 또는 가시광의 흡수가 없는 물질 예를 들면, 실리콘이 다수 함유된 산화막(Silicon-rich Oxide), 옥시나이트라이드(Oxynitride) 또는 실리콘나이트라이드(Silicon nitride)를 포함하는 유전층 중 하나를 이용한다. 상기의 버퍼유전층(51)은 상기 포토다이오드(PD)로 입사되는 입사광의 조도를 증가시킨다.
이어 상기 버퍼유전층(51) 상부에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝한 다음, 상기 패터닝된 감광막을 마스크로 하여 상기 포토다이오드영역을 제외한 부분의 버퍼유전층(51)을 습식 또는 건식식각한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 상부에 저압화학적기상증착법 (LPCVD)으로 제1TEOS(TetraEthylOrthoSilicate)막(52a)을 증착한 후, 상기 제1TEOS막(52a) 상에 상압화학적기상증착법(Atmospheric Pressure CVD; APCVD)을 이용하여 BPSG막(52b)을 증착한다. 이어 열처리를 실시하여 상기 BPSG막(52b)을 리플로우시킨다. 여기서 상기 제1TEOS막(52a) 및 BPSG막(52b)을 PMD(Premetal Dielectric Layer)(53)라 한다.
이어 상기 PMD(53) 상에 마스크공정을 거쳐 완충산화막식각용액(BOE)을 이용하여 등방성식각을 하고 플라즈마식각공정을 이용한 비등방성식각을 진행하여 상기 접합층들(49b)의 표면에 콘택홀을 형성한다. 이어 상기 콘택홀을 포함한 전면에 티타늄/알루미늄/티타늄나이트라이드(Ti/Al/TiN)(54,55,56)를 순서대로 증착한다음 마스크공정과 식각공정을 하여 제1금속배선(57)을 형성한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속배선 상부에 플라즈마화학적기상증착법(Plasma Enhanced CVD; PECVD)을 이용하여 제2TEOS산화막(58)을 증착한 다음, SOG(Spin On Glass)산화막(59)을 두 번 도포하여 형성하고 열처리 및 플라즈마를 이용한 전면식각으로 평탄화한다. 이어 상기 평탄화된 SOG산화막(59) 상부에 플라즈마화학적기상증착(PECVD)법을 이용하여 층간절연막(60)을 증착한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 마스크공정을 거쳐 상기 층간절연막(60)을 완충산화막식각용액(BOE)으로 등방성식각하고 플라즈마를 이용한 비등방성식각을 진행하여 제2금속배선을 위한 콘택홀을 형성한다. 이어 상기 콘택홀을 포함한 결과물 상부에 티타늄/알루미늄/티타늄나이트라이드(54a,55a,56a)를 순서대로 증착한 다 음, 마스크공정과 식각공정을 하여 제2금속배선(61)을 형성한다. 이어 상기 제2금속배선(61) 상부에 플라즈마화학적기상증착법(PECVD)을 이용하여 소자보호막(63)으로서 산화막(62a)및 질화막(62b)을 증착한다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 패드오픈(Pad open)을 위해 상기 질화막(62b) 및 산화막(62a)을 선택적으로 제거하여 상기 제2금속배선(61)의 소정 표면을 노출시킨다. 이어 상기 패드오픈지역과 단위화소 상부에 컬러물질(Dyed photoresistor;이하 컬러감광막)을 도포하고 현상공정으로 컬러필터(64)를 형성한다. 이어 상기 컬러필터(64) 상부에 마이크로렌즈의 균일한 형성을 위하여 마이크로렌즈평탄층(65)을 형성한 후 상기 마이크로렌즈평탄층(65) 상부에 마이크로렌즈(66)를 형성한다.
이와 같이 본 발명에서는 PMD 형성 전 포토다이오드(PD) 상부에 2.25∼2.65의 굴절율을 가지며 425∼2113Å의 두께를 갖는 유전층을 형성하여 포토다이오드로 입사되는 입사광의 조도를 증가시킬 수 있다. 즉 입사광의 조도는 유전층의 굴절율과 두께에 의존한다.
상기 유전층 굴절율(Nx)은,
이고, 또한 상기 유전층의 두께(Tx)는,
이다. 이 때 상기 NO는 후속공정에서 형성되는 PMD의 굴절율(=1.48∼1.46)이고, NS는 기판(41)의 굴절율(=4.72∼3.48)이다.
이와 같이 흡수율이 낮은 버퍼유전층을 추가로 증착하면 입사광의 가시광선영역대에서 포토다이오드의 중심부 대비 주변부의 상대 조도량을 약 50% 향상시킬 수 있다. 예를 들면 λ=635nm, Nx=2.261, Tx=700Å 조건으로 증착된 버퍼유전층은 중심 대비 주변의 상대 조도량이 71.9%로 입사광의 조도를 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 통상의 CMOS 및 CCD 이미지센서의 제조공정을 적용하고 포토다이오드 상부에 버퍼유전층을 형성하여 입사광에 대한 포토다이오드의 중심부 대비 주변부의 상대 조도량을 증가시키므로써 이미지센서의 양자효율 및 광감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (7)
- 이미지센서 제조 방법에 있어서,기판에 포토다이오드영역 및 주변소자를 형성하는 제 1 단계;상기 기판 상에 상기 포토다이오드영역 및 주변소자를 덮도록 굴절율이이고 두께가
인 무반사 특성을 갖는 옥시나이트라이드로 제1절연층을 형성하는 제 2 단계;
상기 제1절연층을 상기 포토다이오드영역의 상부에만 남도록 패터닝하는 제 3 단계; 및상기 결과물 상에 제2절연층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.(상기에서 NO 는 상기 제2절연층의 굴절율이고, 상기 NS 는 상기 기판의 굴절율이다.) - 제 1 항에 있어서,상기 제 4 단계 후,상기 결과물 상부에 금속배선 및 소자보호막을 형성하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지며,상기 결과물 상부에 컬러필터와 마이크로렌즈를 형성하는 제 6 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계에서,상기 제1절연층은 425∼2113Å의 두께인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계에서,상기 제1절연층은 2.25∼2.65의 굴절율인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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