KR100700273B1

KR100700273B1 - 반사막을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100700273B1
Application number: KR1020000086504A
Authority: KR
Inventors: 이경락
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2007-03-26
Also published as: KR20020058403A

Abstract

본 발명은 포토다이오드 표면을 손상시키지 않으면서 보다 용이한 공정으로 포토다이오드 상부에 반사막을 형성하여 포토다이오드에 집속되는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 반도체 기판 상부를 덮는 층간절연막; 및 상기 포토다이오드 가장자리 상의 상기 층간절연막 내에 형성된 반사막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드 주변을 둘러싸는 홀을 형성하는 단계; 및 상기 홀 내에 반사막을 매립하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

이미지 센서, 마이크로 렌즈, 반사막, 텅스텐

Description

반사막을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor having reflection layer and method for forming the same}

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2는 마이크로 렌즈의 레이 트레이싱 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프,

도 3은 종래 기술에 따라 포토다이오드 상부의 층간절연막 측벽에 반사막 스페이서를 구비하는 구조를 보이는 단면도,

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 평면도,

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

ML: 마이크로 렌즈 OCM: 평탄화층

CFA: 칼라필터 어레이 PD: 포토다이오드

43: 반사막

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서에 있어서 가장 중요한 특징인 광감도(light sensitivity)를 크게 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미 지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(V_DD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

종래 이미지 센서는 p형 반도체 기판 상에 형성된 p형 에피택셜층, 상기 에피택셜층 내에 형성된 소자분리막에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층 내에 형성된 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드 및 트랜지스터 등을 포함한 하부구조 상부에 형성된 칼라필터, 칼라필터를 덮는 OCM 평탄화층, OCM 평탄화층 상에 형성되어 칼라필터와 중첩되는 마이크로 렌즈를 포함한다.

도 2는 마이크로 렌즈의 레이 트레이싱 시뮬레이션(ray tracing simulation) 결과를 마이크로 렌즈와 함께 보이는 그래프이다. 도 2에 보이는 바와 같이 마이크로 렌즈의 가장자리로 입사되는 빛들은 포토다이오드에 집속되지 않음으로 인하여 센서의 광특성 효율이 저하되는 문제점 있다. 또한, 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 층간절연막의 두께 및 렌즈 모양에 대하여 최종적인 공정 조건을 찾아야 하는 공정상의 어려움이 있다.

한편, 도 3에 보이는 바와 같이 포토다이오드(도시하지 않음)가 형성된 반도체 기판 상부를 덮는 층간절연막(32)을 선택적으로 식각하여 포토다이오드를 노출시키고, 전체 구조 상에 반사막을 형성하고 전면식각하여 층간절연막(32) 측벽에 스페이서 형태의 반사막(33)을 형성하는 방법이 제시되었다. 즉, 도 4a 및 도 4b에 보이는 바와 같이 포토다이오드(PD) 주변에 반사막(33)을 구비하는 이미지 센서를 보이고 있다. 즉, 소자분리막(41), 포토다이오드(PD) 및 플로팅 확산영역(FD)을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 층간절연막(42)을 형성하고, 층간절연막(42)을 선택적으로 식각하여 포토다이오드(PD)를 노출시키노 전체 구조 상에 반사막(43)을 증착하고 전면식각하여 층간절연막(43) 측벽에 반사막(43)을 형 성한다. 그러나, 이러한 방법은 스페이서 형성을 위하여 포토다이오드 영역을 오픈시키는 마스크가 필요하고, 포토다이오드 부분을 덮고 있는 층간절연막을 건식식각할 때 포토다이오드 표면이 손상될 우려가 있다. 또한, 층간절연막의 평탄화 후 포토다이오드 부분만을 오픈시키기 위한 포토리소그래피 공정 등이 추가되어야 하는 문제점 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 표면을 손상시키지 않으면서 보다 용이한 공정으로 포토다이오드 상부 측면에 반사막을 형성하여 포토다이오드에 집속되는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 반도체 기판 상부를 덮는 층간절연막; 상기 층간절연막의 상기 포토다이오드의 가장자리와 대응되며 상기 포토다이오드를 평면적으로 에워싸도록 형성된 홀; 및 상기 홀을 채우도록 형성된 반사막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드의 가장자리와 대응하는 부분의 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 평면적으로 에워싸는 홀을 형성하는 단계; 및 상기 층간절연막 상에 반사 물질을 상기 홀을 채우도록 증착하고 상기 홀 내에만 잔류하도록 에치백하여 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 5a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(51), 포토다이오드(PD), 트랜지스터 및 금속배선 등을 포함한 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(50) 상에 층간절연막(52)을 형성하고, 포토다이오드 주변의 상기 층간절연막(52)을 노출시키는 감광막 패턴(PR)을 형성한다.

이어서, 감광막 패턴(PR)을 식각마스크로 이용하여 상기 층간절연막(52)을 식각해서 포토다이오드(PD) 가장자리 주변과 중첩되는 홀을 형성하고, 도 5b에 보이는 바와 같이 전체 구조 상에 반사막(53)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 반사막(53)을 텅스텐으로 형성한다.

다음으로 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 층간절연막(52) 표면이 노출될 때까지 반사막(53)을 에치백하여 상기 반사방지막(53)이 홀 내에 남도록 하고, 금속배선(M1), 절연막(54), 칼라필터 어레이(CFA), OCM층 및 마이크로 렌즈(ML) 형성 공정을 진행한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식 을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드를 둘러싼 반사막을 형성함으로서 광집속 효율을 증가시킬 수 있고, 마이크로 렌즈 모양 및 층간절연막 두께에 민감한 광집속 효율에 대하여 공정 마진을 확보할 수 있다.

Claims

삭제
이미지 센서에 있어서,

반도체 기판;

상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드;

상기 반도체 기판 상부를 덮는 층간절연막;

상기 층간절연막의 상기 포토다이오드의 가장자리와 대응되며 상기 포토다이오드를 평면적으로 에워싸도록 형성된 홀;

상기 홀을 채우도록 형성된 반사막;

상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선;

상기 금속배선을 덮는 절연막;

상기 절연막 상에 형성된 칼라필터 어레이;

상기 칼리필터 어레이를 덮는 평탄화층; 및

상기 평탄화층 상에 형성된 집광수단

을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
이미지 센서 제조 방법에 있어서,

포토다이오드를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;

상기 포토다이오드의 가장자리와 대응하는 부분의 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 평면적으로 에워싸는 홀을 형성하는 단계; 및

상기 층간절연막 상에 반사 물질을 상기 홀을 채우도록 증착하고 상기 홀 내에만 잔류하도록 에치백하여 반사막을 형성하는 단계

를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.