KR100745991B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는 기판 내에 형성된 광전 변환 소자, 기판의 일면 상에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막이 다층으로 적층된 반사막, 광전 변환 소자의 위치에 대응되어 기판의 타면에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
기판, 레드 영역 파장, 반사
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 반사막이 구비되지 않은 종래의 이미지 센서 경우의 장파 파장 대역의 투과율을 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사막을 구비한 경우의 파장 대역에 대한 반사막의 반사율을 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
1 : 이미지 센서 10 : 화소 배열 영역
20 : 주변 회로 영역 21 : 컨트롤 레지스터 블록
22 : 타이밍 제너레이터 23 : 로우 디코더
24 : 로우 드라이버 25 : 램프 제너레이터
26 : 상관 이중 샘플러 및 아날로그-디지털 컨버터
27 : 래치 소자 28 : 칼럼 디코더
29 : MUX 102 : 반도체 기판
106 : 소자 분리 영역 108 : 얼라인먼트 키
110 : 광전 변환 소자 120 : 전하 검출 소자
130 : 전하 전송 소자 140 : 리셋 소자
150 : 증폭 소자 160 : 선택 소자
190a: 굴절막 190 : 반사막
200 : 층간 절연막
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레드 영역의 파장에 대하여 광전 변환 소자의 감도에 기여할 수 있도록 반사막을 구비한 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)란, 입사한 광(光)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이러한 이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있다.
여기서, 전하 결합 소자란 개개의 모스 캐패시터(MOS Capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 한편 CMOS 이미지 센서는 복수의 단위 픽셀에서 전하를 전압으로 변환하여 신호선에서 스위칭 동작에 의하여 신호를 출력하는 소자이다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 반도체 디바이스의 고집적화에 따라 화소를 미세화하여 소자를 고집적화하는 것이 요구된다.
CMOS 이미지 센서는 다수 개의 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 액티브 픽셀 센서 영역과 단위 화소를 제어하거나 단위 화소의 신호를 처리하는 주변 회로가 형성된 주변 회로 영역으로 구분할 수 있다. 특히, 액티브 픽셀 센서 영역은 빛 에너지를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환 소자와 변환된 전기적 신호를 처리하여 데이터화하는 로직 소자로 구분된다.
종래의 CMOS 이미지 센서에서는 다층의 배선층 위에 형성된 렌즈로부터 배선층 사이를 통해 광전 변환 소자에 광을 조사하여 검출하는 구조로 되어 있다. 이러한 다층 배선의 레이아웃에 의해 장해(障害)를 받아 입사광이 광전 변환 소자에 실제 도달하는 빛의 양은 충분하지 않다. 즉, 다층 배선의 레이아웃에 의해 광전 변환 소자에 대한 개구율이 작아져서 광전 변환 소자에 입사되는 빛의 양이 현저히 줄어든다. 이로써, 감도가 저하될 수 있다.
따라서, 이를 위하여 타면 조사형의 이미지 센서를 구현한다. 타면 조사형의 이미지 센서는 반도체 기판의 타면측(배선부와 반대측)으로부터 광을 조사하여 광전 변환 소자에서 수광을 하는 구조로서, 다층 배선층의 레이아웃에 의해 장해를 받지 않고 실효 개구율을 높일 수 있고 감도를 대폭 높일 수 있다.
그러나, 이러한 반도체 기판의 타면으로부터 광을 조사시, 상대적으로 가시 광선의 장파 (長波) 영역인 레드 영역의 파장은 광전 변환 소자에 모두 수광되지 않고 광전 변환 소자를 지나 기판 상부의 층간 절연막을 투과하는 현상이 발생할 수 있다. 이로 인하여 광전 변환 소자의 감도에 기여해야 할 레드 영역의 파장이 일부 손실되어 레드 감도가 저하될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레드 영역의 파장에 대하여 광전 변환 소자의 감도에 기여할 수 있도록 반사막을 구비한 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 레드 영역의 파장에 대하여 광전 변환 소자의 감도에 기여할 수 있도록 반사막을 구비한 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 기판 내에 형성된 광전 변환 소자, 기판의 일면 상에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막이 다층으로 적층된 반사막, 광전 변환 소자의 위치에 대응되어 기판의 타면에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 기판 내에 광전 변환 소자를 형성하고, 기판의 일면에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막을 다층으로 적층하여 반사막을 형성하고, 기판의 타면을 연마하고, 연마된 기판의 타면에 상기 광전 변환 소자의 위치에 대응하여 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 액티브 픽셀 센서 영역(10)과 주변 회로 영역(20)으로 크게 구분할 수 있다.
액티브 픽셀 센서 영역(10)은 매트릭스 형태로 배열된 다수 개의 단위 화소 를 포함한다. 다수 개의 단위 화소들은 물체에서 반사된 빛 에너지를 흡수하여, 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 액티브 픽셀 센서 영역(10)은 로우 드라이버(24)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수 개의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인을 통해서 상관 이중 샘플러 및 아날로그-디지털 컨버터(26)에 제공된다. 또한, 단위 화소에 대해서는 도 2와 함께 자세히 설명한다.
주변 회로 영역(20)은 액티브 픽셀 센서 영역(10)의 단위 화소를 제어하거나 단위 화소의 신호를 처리하는 역할을 한다. 주변 회로 영역(20)은 컨트롤 레지스터 블럭(control register block; 21), 타이밍 제너레이터(timing generator; 22), 로우 디코더(row decoder; 23), 로우 드라이버(row driver; 24), 램프 제너레이터(ramp generator; 25), 상관 이중 샘플러 및 아날로그-디지털 컨버터(Correlated Double Sampler & Analog to Digital Converter; 26), 래치 소자(latch; 27), 컬럼 디코더(colЧmn decoder; 28), MUX(multiplexer; 29) 등을 포함한다.
타이밍 제너레이터(22)는 로우 디코더(23) 및 컬럼 디코더(28)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
로우 드라이버(24)는 로우 디코더(23)에서 디코딩된 결과에 따라 다수 개의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수 개의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 영역(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행(row)별로 구동 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러 및 아날로그-디지털 컨버터(26)는 액티브 픽셀 센서 영 역(10)에 형성된 전기적 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, ‘잡음 레벨(noise level)’)과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, ‘신호 레벨’)을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다. 그 후, 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
래치 소자(27)는 이러한 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 MUX(29)에 제공된다. MUX(29)는 제공된 신호를 모두 직렬로 배치하고, 직렬화된 신호를 영상신호 처리부(도면 미도시)에 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 단위 화소(100)는 광전 변환 소자(110), 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140), 증폭 소자(150), 선택 소자(160)를 포함한다.
광전 변환 소자(110)는 물체에서 반사된 빛 에너지를 흡수하여 발생한 전하를 축적한다. 광전 변환 소자(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출 소자(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환 소자(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출 소자(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출 소자(120)는 증폭 소자(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭 소자(150)를 제어한다.
전하 전송 소자(130)는 광전 변환 소자(110)에서 전하 검출 소자(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송 소자(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.
리셋 소자(140)는 전하 검출 소자(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋 소자(140)의 소스는 전하 검출 소자(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭 소자(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출 소자(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(181)으로 출력된다. 소스는 선택 소자(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택 소자(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(181)에 연결된다.
또한, 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140), 선택 소자(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 이미지 센서(1)는 마이크로 렌 즈(320)가 반도체 기판(102)의 타면에 형성된 타면 조사형의 이미지 센서이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 기판(102) 상에 다수 개의 단위 화소가 매트릭스(matrix) 형태로 배열된다. 단위 화소는 소자 분리 영역(106), 광전 변환 소자(110), 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140), 반사막(190), 및 층간 절연막(200) 등을 포함한다. 다만, 광전 변환 소자(110)는 설명의 편의상 핀드 포토 다이오드(PPD)를 예로 든다.
보다 구체적으로 설명하면, 반도체 기판(102)은 주로 P형 기판을 사용하고, 도면에는 표시하지 않았으나 반도체 기판(102) 상부에 P형 에피층(epitaxial layer)을 성장시키거나 별도의 웰(well)영역을 만들어, P형 에피층 및/또는 웰 영역 상에 광전 변환 소자(110), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140) 등을 형성시킬 수 있다.
소자 분리 영역(106)은 반도체 기판(102)상의 활성 영역을 정의하고, 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다.
광전 변환 소자(110)는 빛 에너지를 흡수하여 발생한 전하를 축적하며, N+형의 포토 다이오드(112)와 P+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함한다. 일반적으로, 포토 다이오드(112)와 피닝층(114)은 2번의 서로 다른 이온 주입 공정을 통해서 형성된다.
종래의 이미지 센서에서, 암전류의 원인으로는 포토 다이오드(112)의 표면 손상을 들 수 있다. 표면 손상은 주로 댕글링 실리콘 결합(dangling silicon bonds)의 형성에 의할 수도 있고, 게이트(gate), 스페이서(spacer) 등의 제조 과정 중에 에칭 스트레스(etching stress)와 관련된 결점에 의해 이루어 질 수도 있다. 따라서, 포토 다이오드(112)를 반도체 기판(102) 내부에 깊게 형성하고 피닝층(114)을 형성함으로써, 이러한 암전류의 생성을 방지하고 빛 에너지에 의해 생성된 전하의 전송이 더 수월하게 이루어질 수 있다.
전하 검출 소자(120)는 광전 변환 소자(110)에서 축적된 전하를 전하 전송 소자(130)를 통해서 전송받으며, 주로 N+ 도펀트를 이온 주입하여 형성한다.
전하 전송 소자(130)는 스위칭 소자인 트랜지스터로 형성되며, 제1 게이트 절연막(132), 제1 게이트 전극(134) 및 제1 스페이서(136)를 포함한다.
리셋 소자(140)도 스위칭 소자인 트랜지스터로 형성되며, 제2 게이트 절연막(142), 제2 게이트 전극(144), 제2 스페이서(146)를 포함한다.
그리고 기판(102) 상부, 즉 광전 변환 소자(110) 상부 및 독출을 하기 위한 다수의 소자들인 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130) 및 리셋 소자(140) 상부를 따라 컨포말하게(conformally) 반사막(190)이 형성된다.
가시 광선의 파장 대역을 400 내지 700nm라 할 때, 단파(短波) 파장 영역대의 400 내지 500nm 대역은 블루(blue) 영역의 파장, 중파(中波) 파장 영역대의 500 내지 600nm 대역은 그린(green) 영역의 파장, 장파(長波) 파장 영역대의 600 내지 700nm 대역은 레드(red) 영역의 파장이라고 분류할 수 있다. 한편, 광전 변환 소 자(110)가 형성된 기판의 깊이는 통상적으로 4 내지 5 ㎛의 두께로 형성된다. 이러한 기판(102)의 타면으로 빛을 조사시 블루 영역의 파장 및 그린 영역의 파장은 모두 광전 변환 소자(110)에서 수광이 된다. 한편, 장파 파장 영역대인 레드 영역의 파장의 빛, 즉 600 내지 700nm 대역의 빛은 기판(102) 내의 광전 변환 소자(110)에 모두 수광되지 않고 광전 변환 소자(110)를 지나 통상적인 깊이의 기판(102)도 투과하여 손실될 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빛에 대하여 굴절 및 반사시킬 수 있는 굴절막(190a)이 다층으로 적층된 반사막(190)이 광전 변환 소자(110) 상에 형성됨으로써 반사막(190)에 의해 빛을 굴절 및 반사할 수 있다. 그리하여, 반사막(190)에 의해 굴절 및 반사된 빛을 광전 변환 소자(110)가 재수광할 수 있게 한다. 따라서, 반사막(190)의 반사율이 높을수록 반사막(190)에 의해 반사된 빛이 광전 변환 소자(110)에 재수광될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 반사율이 높은 반사막(190)은 제 1 굴절율막(191)과 제 2 굴절율막(192)으로 적층되어 형성된 굴절막(190a)이 다층으로 적층되어 형성된다.
반사막(190) 및 굴절막(190a)에 대하여 자세히 설명하면, 제 1 굴절율막(191)은 제 2 굴절율막(192)보다 굴절율이 클 수 있다. 예를 들어, 제 1 굴절율막(191)의 굴절율은 4일 수 있고, 제 2 굴절율막(192)의 굴절율은 1.4일 수 있다. 여기서, 굴절율 4를 갖는 제 1 굴절율막(190)은 실리콘막일 수 있고, 굴절율 1.4를 갖는 제 2 굴절율막은 실리콘 산화막(192)일 수 있다. 본 발명의 굴절막(190a)은 제 2 굴절율막(192)이 제 1 굴절율막(191)보다 두께가 두껍다. 예를 들어, 제 1 굴절율막(191)은 400nm의 두께로 형성될 수 있고, 제 2 굴절율막(192)은 800nm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 굴절율이 상대적으로 작은 막이 굴절율이 상대적으로 큰 막보다 더 두껍도록 형성되면 가능하다. 이처럼 굴절막(190a)이 굴절율이 상대적으로 높은 막과 낮은 막이 교차되어 형성됨으로써 굴절율이 다른 계면에서 재차 굴절됨으로써 반사율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예의 반사막(190)은 이러한 굴절막(190a)이 다층으로 적층되어 형성되는데 이는 반사율을 더욱 높일 수 있다.
2개의 서로 다른 굴절율을 갖는 2개의 굴절막에 의한 반사율(R)은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(R은 반사율)
예를 들어, 제 1 굴절율막(191)의 굴절율을 n1(n1=4), 제 2 굴절율막(192)의 굴절율을 n2(n2=1.4)라고 하면 굴절막(190a) 하나로 형성된 반사막(190)의 경우는 위의 수식에 의해 23%의 반사율(R)을 얻을 수 있다. 따라서, 최적의 반사효과를 유도할 수 없다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에서는 다층의 굴절막(190a)이 적어도 4층으로 형성된다. 따라서, 적어도 굴절막(190a)이 4층 이상으로 적층되어 반사막(190)이 형성되면 더욱 높은 반사 효과를 가져올 수 있다.
따라서, 광전 변환 소자(110) 내에 전부 수광되지 못한 레드 영역 파장의 빛도 이러한 높은 반사율을 갖는 반사막(190)에 의해 굴절 및 반사될 수 있다. 그리하여, 광전 변환 소자(110) 내부로 재수광하게 됨으로써 빛의 손실을 방지하여 광 감도가 개선될 수 있다.
그리고, 층간 절연막(200)이 반사막(190) 상부에 형성된다. 층간 절연막(200)은 산화막으로 이루어 지거나, 산화막 및 질화막의 복합막으로 형성될 수 있다. 층간 절연막(200)은 다수의 배선층을 포함할 수 있으며 또한 다층으로 적층된 층간 절연막일 수 있으나 여기서는 설명의 편의상 하나의 층간 절연막(200)을 예시한다.
그리고, 연마된 기판(102)의 타면에 평탄화막(300)이 형성되어 있다. 그리고, 평탄화막(300)상의 광전 변환 소자(110)에 대응되는 위치에 컬러 필터(310) 및 돔(dome)형태의 마이크로 렌즈(320)가 형성된다. 이러한 마이크로 렌즈(320)가 반도체 기판(102)의 타면에 형성됨으로써 기판(102)의 타면에 광을 조사하여 수광부인 광전 변환 소자(110)에 광을 입사시키는 타면 조사형의 이미지 센서(1)가 형성될 수 있다. 타면 조사형의 이미지 센서(1)를 구현함으로써 다층 배선의 레이아웃에 의하여 광전 변환 소자(110)에 대한 개구율이 작아지는 것을 방지할 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따라 구비된 반사막(190)이 가시 광선의 장파 파장 영역대인 레드 영역 파장의 빛을 굴절 및 반사시켜 광전 변환 소자(110)가 재수광함으로써 레드 영역 파장의 빛 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 반사막(190)은 제 2 굴절율막(192)보다 굴절율이 큰 제 1 굴절율막(191) 상부에 제 2 굴절율막(192)을 적층한 굴절막(190a)을 예로 들었으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면 다른 실시예의 굴절막(190b)을 구비한 이미지 센서(1)를 설명할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다른 실시예의 굴절막(190b)은 제 2 굴절율막(191)보다 굴절율이 작은 제 1 굴절율막(192) 상부에 제 2 굴절율막(191)을 적층한 것을 알 수 있다. 여기서 제 1 굴절율막(192)은 실리콘 산화막일 수 있고, 제 2 굴절율막(191)은 실리콘막일 수 있다. 또한, 제 1 굴절율막(192)이 제 2 굴절율막(191)보다 두께가 두꺼운 막일 수 있다. 예를 들어, 제 1 굴절율막(192)은 800nm의 두께로 형성될 수 있고, 제 2 굴절율막(191)은 400nm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 굴절율이 상대적으로 작은 막이 굴절율이 상대적으로 큰 막보다 더 두껍도록 형성되면 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(1)를 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 도 3의 일 실시예와 달리 반사막(250)이 층간 절연막(200) 상부에 형성된다.
전술한 바와 같이 중복되는 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예와 다른 점만 설명하면, 반사막(250)이 층간 절연막(200) 상부에 형성된다.
즉, 광전 변환 소자(110) 및 다수의 독출 게이트가 형성된 기판(102) 상에 층간 절연막(200)이 형성된다. 그리고, 층간 절연막(200) 상부에 반사막(250)이 형성된다. 또 다른 실시예의 반사막(250)은 제 1 굴절율막(251)과 제 2 굴절율막(252)로 형성된 굴절막(250a)이 다층으로 적층 되어 형성된다.
직접적으로 광전 변환 소자(110) 상부에 반사막(250)이 형성되지 않더라도, 광전 변환 소자(110)를 지나 층간 절연막(200)을 투과할 수 있는 레드 영역의 파장의 빛을 층간 절연막(200) 상부에 형성된 반사막(250)에 의해 굴절 및 반사시킴으로써 광전 변환 소자(110)내로 재수광시킬 수 있다.
다음의 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 단위 화소를 이루는 광전 변환 소자(110R, 110G, 110B)가 구비된다. 이러한 광전 변환 소자(110R, 110G, 110B)는 레드(Red), 그린(Green), 및 블루(blue) 영역의 파장의 빛에 대응하여 전하를 축적한다.
본 발명의 제 4 실시예에서는 레드 영역의 파장의 빛에 대응하여 전하를 축적하는 레드 광전 변환 소자(110R)상에만 반사막(190)이 형성된다.
이로써, 필요한 영역대인 가시 광선의 장파 파장 영역대에 대응하는 레드 광전 변환 소자(110R)상에만 선택적으로 반사막(190)이 구비될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 제조 방법에 대하여 다음의 도 7a내지 도 7c를 참조하여 설명하기로 한다.
도 7a내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
우선 도 7a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 기판(102) 내에 소자 분리 영역(106)을 형성한다. 그리고, 기판(102) 내에 광전 변환 소자(110)를 형성하며 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140) 등을 형성한다. 도면에는 표시하지 않았으나 반도체 기판(102) 상부에 P형 에피층(epitaxial layer)을 성장시키거나 별도의 웰(well)영역을 만들어, P형 에피층 및/또는 웰 영역 상에 광전 변환 소자(110), 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140) 등을 형성할 수도 있다.
광전 변환 소자(110)는 N+형의 포토 다이오드(112)와 P+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함하고, 포토 다이오드(112)와 피닝층(114)은 2번의 서로 다른 이온 주입 공정을 통해서 형성된다. 즉, 우선 주변의 소스, 드레인보다 더 깊게 N+ 도펀트를 이온 주입하여 포토 다이오드(112)를 형성하고, 포토 다이오드(112) 상부에 P+ 도펀트를 낮은 에너지, 높은 도즈(dose)를 이용하여 이온 주입하여 피닝층(114)을 형성한다. 물론, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.
전하 검출 소자(120)는 주로 N+ 도펀트를 이온 주입하여 형성한다.
전하 전송 소자(130)는 제1 게이트 절연막(132) 상에 제1 게이트 전극(134) 을 형성하고, 제1 게이트 전극(134)의 양측벽에는 제1 스페이서(136)를 형성한다. 리셋 소자(140)도 동일한 방법으로 형성한다.
다음으로 도 7b를 참조하면 광전 변환 소자(110), 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130) 및 리셋 소자(140) 등이 형성된 기판(102)의 결과 구조물을 따라 컨포말하게 반사막(190)을 형성한다.
반사막(190)을 형성하는 것은 제 1 굴절율막(191)과 제 2 굴절율막(192)으로 형성된 굴절막(190a)을 다층으로 적층하여 형성한다.
자세히 설명하면, 제 2 굴절율막(192)보다 굴절율이 큰 제 1 굴절율막(191)을 결과 구조물을 따라 컨포말하게 형성한다. 그리고, 제 1 굴절율막(119)을 따라 컨포말하게 제 2 굴절율막(192)을 형성한다. 제 1 굴절율막(191)은 예를 들어, 실리콘막으로 형성할 수 있고, 제 2 굴절율막(192)은 예를 들어, 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 실리콘 질화막등으로 형성할 수 있다. 다만, 굴절막(190a)은 굴절율이 서로 다른 박막으로 적층하여 형성하면 가능하다.
그리고, 제 1 굴절율막(191)보다 제 2 굴절율막(192)의 두께가 두껍도록 형성한다. 이는 굴절율과 두께의 상관 관계를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 제 1 굴절율막(191)은 예를 들어, SiH4 가스를 이용하여 LPCVD 방식으로 형성할 수 있으며, 공정의 조건에 따라 두께는 달라질 수 있으며, 제 1 굴절율막(191)의 굴절율이 약 4가 될 수 있도록 공정을 진행하고 그때의 두께는 약 400nm 로 형성할 수 있다.
제 2 굴절율막(192)은 예를 들어, LPCVD 또는 ALD 방식으로 형성할 수 있으며, 두께는 약 800nm로 형성할 수 있다. 그러나, 공정의 조건에 따라 굴절율이 달라질 수 있으며 굴절율은 1.4 내지 1.6이 될 수 있도록 공정을 진행한다.
이러한 굴절막(190a)을 다층으로 적층하여 반사막(190)을 형성한다.
계속해서 도 7b를 참조하면 반사막(190) 상부에 층간 절연막(200)을 형성한다. 층간 절연막(200)은 산화막 또는 질화막으로 형성할 수 있다. 이후, 층간 절연막(200) 상부에 금속 절연막을 증착하고 금속 배선 및 컨택 비어홀들을 형성하는 공정이 있으나 여기서는 설명하지 않기로 한다.
다음 도 7c를 참조하면 반도체 기판(102)의 타면을 연마한다.
우선, 반도체 기판(102)을 상하 반전시킨 후, 반도체 기판(102)의 타면의 일정 두께를 타면 연마(back grinding)한다. 여기서, 반도체 기판(102)의 타면을 연마하는 것은 통상적인 CMP 공정을 이용하여 할 수 있다. 이로써, 반도체 기판(102)의 타면의 오염을 제거하고 광전 변환 소자(110)로 입사할 실리콘의 두께를 감소시켜 광전 변환 소자(110)로 입사하는 광의 감도를 좋게 한다.
다시 도 3을 참조하여 계속해서 설명하면, 광전 변환 소자(110)에 대응되는 위치에 마이크로 렌즈(220)를 형성한다.
우선, 연마된 기판(102)의 타면에 평탄화막(300)을 형성한다.
평탄화막(300)은 컬러 필터(310) 형성 전에 반도체 기판(102)을 평탄하게 하기 위하여 형성하고 또한 컬러 필터(310)가 반도체 기판(102)과 직접 닿아 변형되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 평탄화막(300)은 오버 코팅 레이어(Over Coating layer; OCL)일 수 있다.
컬러 필터(310)는 컬러 필터 형성용 물질을 도포하고 이를 적절한 마스크를 이용하여 패터닝하여 형성할 수 있다. 컬러 필터 형성용 물질로는 염색된 포토레지스트가 주로 사용될 수 있다. 이러한 컬러 필터(310)는 레드(Red), 그린(Green), 및 블루(blue)의 3가지 컬러중 하나로 형성할 수 있다.
컬러 필터(310) 상부에 광전 변환 소자(110)의 위치에 대응되는 마이크로 렌즈(320)를 형성한다.
마이크로 렌즈(320)는 광 투과성이 우수한 포토레지스트가 사용될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 마이크로 렌즈용 포토레지스트를 도포한 후 패터닝한다. 계속해서 열공정을 이용하여 리플로우(reflow)공정을 수행하면 반구형의 돔(dome)형태의 마이크로 렌즈(22)를 형성할 수 있다. 여기서 도시하지 않았으나, 컬러 필터(310)와 마이크로 렌즈(320) 사이에 또다른 오버 코팅 레이어가 개재될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반사막(190)이 구비된 이미지 센서의 제조 방법에 따르면 가시 광선의 빛을 높은 반사율을 갖는 반사막(190)에 의해 굴절시키고 반사시킴으로써 광전 변환 소자(110) 내로 재수광시킬 수 있다. 특히, 가시 광선의 장파 파장 대역인 레드 영역의 파장의 빛이 광전 변환 소자(110)에 모두 수광되지 않고 일부가 광전 변환 소자(110)를 지나 투과할 수 있다. 하지만, 이러한 레드 영역의 파장의 빛까지도 본 발명의 일 실시예에 의한 반사막(190)에 의해 굴절시키고 반사시킬 수 있음으로써 빛의 손실을 방지할 수 있다. 이로써, 광의 감도가 개선된 이미지 센서를 구현할 수 있다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
<실험예 1>
도 8의 경우는, 기판 내에 광전 변환 소자를 형성하고 기판의 타면에 광전 변환 소자 위치에 대응되는 마이크로 렌즈를 형성한다. 여기서는 종래의 경우의 이미지 센서이므로 광전 변환 소자 상에 굴절막이 다층으로 적층되어 형성된 반사막이 구비되어 있지 않았다.
X축은 기판의 깊이를 나타내고, Y축은 투과율을 나타낸다. 따라서, 실험예 1은 이러한 종래의 이미지 센서의 경우, 기판의 깊이에 따른 장파 파장 대역(650nm)의 투과율을 기판 상부의 층간 절연막에서 본 그래프이다.
그리하여, 광전 변환 소자가 형성된 기판의 통상적인 깊이인 4.5 ㎛를 기준으로, 그 깊이에서의 장파 파장 대역인 650nm의 레드 영역의 파장의 빛의 투과율은 28%임을 알 수 있다. 실험예 1의 투과율은 기판 상부의 층간 절연막에서 본 것으로서, 레드 영역의 파장의 빛의 28%정도가 기판 내의 광전 변환 소자를 지나 기판 상부의 층간 절연막으로 투과한 것을 의미한다. 이로써, 광전 변환 소자 상에 굴절막이 다층으로 적층되어 형성된 반사막이 구비되어 있지 않으면 레드 영역 파장의 빛은 광전 변환 소자에 모두 수광되지 못하고 일부 손실됨을 알 수 있다.
<실험예 2>
실험예 2는 기판 내에 광전 변환 소자를 형성하고, 기판의 일면 상에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막이 4층으로 적층된 반사막을 형성한 경우의 파장대역에 대한 반사막의 반사율을 나타낸 것이다.
여기서, 제 1 굴절율막은 굴절율 4를 갖는 실리콘막으로 두께 약 400nm로 형성하고, 제 2 굴절율막은 굴절율 1.4를 갖는 실리콘 산화막으로 두께 약 800nm로 형성하였다.
X축은 파장 대역을 나타내고, Y축은 반사막에 의한 반사율을 나타낸다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 반사막에 의한 반사율은 장파 파장 대역으로 갈수록 높아짐을 알 수 있다.
즉, 450nm 이상의 파장 대역에 대해서는 반사막에 의한 반사율이 실질적으로 100%이므로 반사막에 의해 빛을 모두 반사시킬 수 있음을 의미한다. 이로써 광전 변환 소자를 지나 투과하는 빛을 모두 반사하여 광전 변환 소자 내로 재수광시킬 수 있음을 나타낸다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사막을 구비한 이미지 센서는, 반사막에 입사되는 빛을 높은 반사율로 굴절 및 반사시킬 수 있다. 따라서, 광전 변환 소자를 투과한 빛이라도 반사막에 의해 굴절 및 반사될 수 있다. 그리하여, 반사막에 의해 반사된 빛이 광전 변환 소자 내에 재수광됨으로써 감도가 개선된 이미지 센서를 구현할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 이미지 센서 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 굴절막이 다층으로 적층된 반사막을 구비함으로써 높은 반사율로 빛을 굴절 및 반사시킬 수 있다.
둘째, 특히 장파 파장의 영역대인 레드 영역의 파장의 빛까지도 굴절 및 반사시킴으로써 광전 변환 소자 내로 재수광시킬 수 있다.
셋째, 광전 변환 소자 내로 재수광시킴으로써 빛의 손실을 방지하여 광 감도가 개선될 수 있다.
Claims (24)
- 기판 내에 형성된 광전 변환 소자;상기 기판의 일면 상에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막이 다층으로 적층된 반사막; 및상기 광전 변환 소자의 위치에 대응되어 상기 기판의 타면에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 굴절율이 큰 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 실리콘막이고 상기 제 2 굴절율막은 실리콘산화막인 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 2 굴절율막은 상기 제 1 굴절율막보다 두께가 두꺼운 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 굴절율이 작은 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 실리콘 산화막이고 제 2 굴절율막은 실리콘막인 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 두께가 두꺼운 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 기판 상에, 상기 광전 변환 소자와 상기 반사막 사이에 형성된 다수의 독출 게이트가 형성되고,상기 반사막은 상기 다수의 독출 게이트와 상기 기판 상에 컨포말하게(conformally) 형성된 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 광전 변환 소자가 형성된 기판 상에 층간 절연막이 형성되고,상기 반사막은 상기 층간 절연막 상에 형성된 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 반사막은 레드 영역의 파장의 빛에 대응하여 전하를 축적하는 레드 광 전 변환 소자 상에만 형성된 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 반사막의 다층의 상기 굴절막은 적어도 4층인 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로 렌즈와 상기 기판의 타면 사이의 상기 광전 변환 소자 위치에 대응되어 컬러 필터가 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 기판 내에 광전 변환 소자를 형성하고,상기 기판의 일면에 제 1 굴절율막과 제 2 굴절율막으로 형성된 굴절막을 다층으로 적층하여 반사막을 형성하고,상기 기판의 타면을 연마하고,상기 연마된 기판의 타면에 상기 광전 변환 소자의 위치에 대응하여 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 굴절율이 큰 막으로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 실리콘막으로 형성하고 제 2 굴절율막은 실리콘 산화막으로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14항에 있어서,상기 제 2 굴절율막은 상기 제 1 굴절율막보다 두께가 두껍도록 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 굴절율이 작은 막으로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 실리콘 산화막으로 형성하고 제 2 굴절율막은 실리콘막으로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 제 1 굴절율막은 상기 제 2 굴절율막보다 두께가 두껍도록 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 기판 상에, 상기 광전 변환 소자와 상기 반사막 사이에 형성된 다수의 독출 게이트를 형성하고,상기 다수의 독출 게이트와 상기 기판 상에 컨포말하게(conformally) 상기 반사막을 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 광전 변환 소자가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하고,상기 층간 절연막 상에 상기 반사막을 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,레드 영역의 파장의 빛에 대응하여 전하를 축적하는 레드 광전 변환 소자 상에만 상기 반사막을 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 반사막의 다층의 상기 굴절막은 적어도 4층을 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 마이크로 렌즈와 상기 기판의 타면 사이의 상기 광전 변환 소자 위치에 대응되어 컬러 필터를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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