KR100753391B1 - 씨모스 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토 다이오드(Photo Diode)와 절연막 계면에서의 빛의 반사율을 최소화시켜 이미지 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지센서에 관해 개시한 것이다.
Si재질의 포토 다이오드가 구비된 기판; 상기 기판 상에 형성된 SiO2재질의 절연막; 상기 기판과 상기 절연막 사이에 개재된 반반사막; 상기 절연막 위에 형성되어 단위화소를 구성하는 각각의 금속배선, 및 컬러필터, 마이크로 렌즈를 구비한 씨모스의 이미지센서에 있어서, 본 발명에서의 상기 반반사막은 상기 Si재질의 포토 다이오드와 상기 SiO2재질의 절연막 사이의 굴절률값을 가진다.
따라서, 본 발명은 빛의 손실이 가장 큰 Si재질의 포토 다이오드와 SiO2재질의 제 1절연막 간의 계면 사이에 굴절율값이 상기 Si재질의 포토 다이오드의 굴절율과 상기 SiO2재질의 제 1절연막의 굴절율의 사이의 다양한 굴절율값을 가진 반반사막을 개재시킴으로써, 반사율을 최소화하여 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛이 최대한 포토 다이오드에 도달할 수 있도록 한다. 따라서, 백만화소 이상의 씨모스 이미지센서에 적용시켜 고화질의 이미지를 구현할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 구조를 설명하기 위한 공정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 구조에 있어서, 포토 다이오드/반반사막/절연막 구조를 보인 단면도.
본 발명은 씨모스 이미제센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 포토 다이오드(Photo Diode)와 절연막 계면에서의 빛의 반사율을 최소화시켜 이미지 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지센서에 관한 것이다.
씨모스 이미지센서의 픽셀은 일반적으로 다양한 용도의 트랜지스터 몇개와 1개의 포토 다이오드로 이루어져 있다. 씨모스 이미지센서는 우선 빛이 Si재질의 포토 다이오드에 투과되면서 포토 다이오드에 형성된 홀을 여기시켜 전기적인 신호로 변화시키며, 이러한 신호를 이미지로 전달시키는 과정을 거친다.
빛이 포토 다이오드에 100% 도달하는 것이 가장 이상적이지만 고화질이 요구됨에 따라 픽셀 사이즈는 점점 줄어들게 되어 픽셀당 포토 다이오드가 차지하는 면 적비율이 30% 이하로 줄어들게 된다. 즉, 실제 들어오는 빛의 30% 이하 밖에 포토 다이오드로 들어올 수 없기 때문에 각 픽셀 위에 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성시켜 90% 이상의 빛을 포토 다이오드로 접속시키는 방법을 이용하고 있다.
한편, 포토 다이오드와 트랜지스터 위에는 여러층의 금속배선이 형성되어 있으므로 마이크로 렌즈를 통해 들어오는 빛은 여러 층의 절연막들을 통과하여 포토 다이오드로 들어오게 된다. 이러한 과정에서 빛은 100% 투과되는 것이 아니라 어느 정도 반사가 일어나게 되는데, 이는 물질과 물질 사이의 굴절율 차이가 클수록 크게 된다. 일반적으로 픽셀 구조에서 가장 반사가 많이 일어나는 곳은 도핑된 실리콘의 일종인 포토 다이오드와 SiO2계열의 절연막으로서, 표 1에서와 같이, 반사율이 15% 정도에 이른다.
하기 표 1은 Si재질의 포토 다이오드와 그 위에 사용되는 SiO2계열의 절연막 구조에서의 반사율을 나타낸 것이다. 여기서, Si재질의 포토 다이오드는 굴절율(n)이 3.4이고, 그 위에 사용되는 절연막의 굴절율(n)은 1.5임을 알 수 있다.
<표 1>
| 재료 | n | 반사율 |
| Si | 3.4 | |
| SiO2 | 1.5 | 0.150354019 |
| 총반사율(%) | 15.04 |
한편, 반사율을 15% 이하로 낮추기 위한 대안으로서 포토 다이오드와 절연막 사이에 굴절율이 2.1인 SiN재질의 반반사막이 코팅된 구조를 채택하게 되면, 반사율을 대략 8%로 낮출 수 있다. 그러나, 이러한 구조를 채택한다해도 마이크로 렌즈 사이와 여러층의 절연막 계면에서 발생하는 반사율을 합하면 최소 10% 이상의 손실을 가져오게 되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 빛의 손실이 가장 Si재질의 포토 다이오드와 SiO2 재질의 절연막 간의 계면에 굴절율값이 상기 Si재질의 포토 다이오드의 굴절율과 상기 SiO2재질의 제 1절연막의 굴절율의 사이의 굴절율값을 가진 반반사막을 개재시킴으로써, 반사율을 최소화하여 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛이 최대한으로 포토다이오드에 도달하게 할 수 있는 씨모스 이미지센서의 형성방법을 제공하려는 것이다.
상기 목적을 달성하고자, Si재질의 포토 다이오드가 구비된 기판; 상기 기판 상에 형성된 SiO2재질의 절연막; 상기 기판과 상기 절연막 사이에 개재된 반반사막; 상기 절연막 위에 형성되어 단위화소를 구성하는 각각의 금속배선, 및 컬러필터, 마이크로 렌즈를 구비한 씨모스의 이미지센서에 있어서, 본 발명에서의 상기 반반사막은 상기 Si재질의 포토 다이오드와 상기 SiO2재질의 절연막 사이의 굴절률값을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 반반사막은 다야몬드, SiC 및 SiNx 중 어느 하나의 단일막을 이용한다. 여기서, 상기 반반사막으로서 다야몬드 단일막을 사용할 경우 다야몬드 단일막은 굴절율값이 2.5∼3.4이고, 두께가 500∼5000Å이다. 또한, 상기 반반사막으로서 상기 SiC 단일막을 사용할 경우 SiC 단일막은 굴절율값이 2.5∼3.4을 가진다. 한편, 상기 반반사막으로서 SiNx 단일막을 이용할 경우 SiNx 단일막은 굴절율값이 1.9∼2.4이고, 500∼5000Å두께를 가진다.
상기 반반사막은 SiNx /SiOxN1-x (0<x<1) 의 이중막 구조를 가진다. 여기서,
상기 SiNx /SiOxN1-x 이중막은 굴절율값이 1.5∼2.1이고, 500∼5000Å두께를 가진다.
상기 반반사막은 SiC /SiNx 및 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x 중 어느 하나의 구조를 가진다. 여기서, 상기 SiCx/SiNxC1-x /SiOxN1-x막은 굴절율값이 1.5 ∼3.4 까지 연속적으로 변하고, 500∼5000Å두께를 가진다.
(실시예)
이하, 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 구조를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 구조를 설명하기 위한 공정단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서에 있어서, 포토 다이오드/반반사막/절연막 구조의 단면도이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지센서는, 도 1에 도시된 바와 같이, Si재질의 포토 다이오드(12) 및 소자격리막(11)이 구비된 기판(10)과, 기판(10) 상에 형성된 제 1절연막(14)과, 포토 다이오드(12)와 제 1절연막(14) 사이에 개재된 반반사막(13)과, 제 1절연막(14) 상에 형성된 제 1금속배선(M1)과, 제 1금속배선(M1)을 포함한 제 1절연막(14) 위에 형성된 제 2절연막(15)과, 제 2절연막(15) 위에 형성된 제 2금속배선(M2)과, 제 2금속배선(M2)을 포함한 제 2절연막(15) 상에 형성된 제 3절연막(16)과, 제 3절연막(16) 위에 형성된 제 3금속배선(M3)과, 제 3금속배선(M3)을 포함한 제 3절연막(16) 위에 형성된 제 4절연막(17)과, 제 4절연막(17) 상에 형성된 제 4금속배선(M4)과, 제 4금속배선(M4)을 포함한 제 4절연막(16) 위에 형성된 제 5절연막(18)과, 제 5절연막(18) 위에 형성된 각각의 레드, 그린 및 블루 컬러필터(19)와, 각각의 컬러필터를 덮는 평탄화막(20)과, 평탄화막(20) 위에 형성된 마이크로렌즈(21)를 포함하여 구성된다.
상기 반반사막(13)은, Si재질의 포토 다이오드(12)와 SiO2재질의 제 1절연막(14의 사이의 굴절율값을 가진다. 이때, 상기 Si재질의 포토 다이오드(12)는 굴절율값이 3.4이고, 상기 SiO2재질의 제 1절연막(14)은 굴절율값이 1.5이다. 따라서, 본 발명에 따른 반반사막(13)의 굴절율값은 1.5∼3.4 에 해당된다.
상기 반반사막(13)의 재질로는 (1) 다야몬드(diamond)), SiC 및 SiNx 중 어느 하나의 단일막, (2) 상기 반반사막은 SiNx /SiOxN1-x (0<x<1)의 이중막 또는 (3) SiC /SiNx 및 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x (도 2에 도시됨)중 어느 하나의 막을 이용할 수 있다.
상기 반반사막(13)으로서 단일막 구조를 채택할 경우(상기 (1)에 해당됨), (a) 다야몬드 단일막을 사용할 경우, 다야몬드막은 2.5∼3.4 굴절율값 및 500∼5000Å두께를 갖도록 형성된다. (b) SiC 단일막을 사용할 경우, 굴절율값은 2.5∼3.4가 되도록 한다. 한편, (c) SiNx 단일막을 이용할 경우, SiNx막은 굴절율값이 1.9∼2.4굴절율값 및 500∼5000Å두께를 갖도록 형성된다.
상기 반반사막(13)으로서 이중막 구조를 채택할 경우(상기 (2)에 해당됨), 상기 SiOxN1-x막은 1.5∼2.1 굴절율값 및 500∼5000Å두께를 갖도록 형성된다.
상기 반반사막(13)으로서 단일 조성의 SiC /SiNx 및 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x 막 중 어느 하나의 구조를 채택할 경우(상기 (3)에 해당됨), 상기 SiCx/ SiNxC1-x /SiOxN1-x막(0<x<1)은 굴절율이 1.5 ∼3.4 까지 연속적으로 변하는 값을 가지고, 500∼5000Å두께를 갖도록 형성된다.
이하에서는 상기 구성을 가진 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서의 형성방법을 설명하기로 한다.
먼저, 반도체기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위한 소자격리막(11)을 형성한다. 이때, 상기 소자격리막(11)은 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 방법으로 형성될 수도 있고, 또는 트렌치 구조를 갖을 수도 있다.
이어, 상기 소자격리막(11)을 포함한 기판 위에 게이트전극(미도시)을 형성한 후, 이온주입 공정을 진행하여 Si재질의 포토 다이오드(12)를 형성하고, 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입(미도시)을 실시한다.
그런 다음, 상기 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 반반사막(13) 및 제 1절연막(14)을 차례로 형성한다.
이때, (1) 상기 반반사막(13)으로서 다야몬드 단일막을 사용할 경우, 상기 다야몬드 단일막은 플라즈마를 이용한 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용하여 형성한다. 또한, 반반사막(13)으로서 SiC 단일막을 사용할 경우, 상기 SiC단일막은 CVD 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용하여 형성한다. 한편, 반반사막(13)으로서 SiNx(x=1) 단일막을 사용할 경우, 굴절율값은 1.9∼2.4를 가지며, 바람직하게는, 하기 <표 2>에서와 같이 2.1의 굴절율 값을 가진다.
<표 2>
| 재료 | n | 반사율 |
| Si | 3.4 | |
| SiN | 2.1 | 0.055867769 |
| SiO2 | 1.5 | 0.027777778 |
| 총반사율(%) | 8.36 |
상기 표 2는 포토 다이오드/반반사막/제 1절연막이 Si/SiN/SiO2 구조일 경우 반사율을 도시한 것이다. (여기서, n은 굴절율값을 나타냄)
(2) 상기 반반사막(13)으로서 SiNx /SiOxN1-x 의 이중막을 사용할 경우, SiOxN1-x막은 질소소오스(NH3) 및 산소소오스(TEOS 또는 O2)의 비율을 시간에 따라 연속적으로 변화시키면서 CVD 또는 PECVD방식을 이용하여 형성한다. 여기서, 상기 SiOxN1-x막은 단일 조성의 막 또는 0<x<1 범위 내에서 연속적으로 변하는 조성의 막을 이용한다.
(3) 상기 반반사막(13)으로서 SiC /SiNx의 단일 조성막 또는 SiC /SiNx 및 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x을 사용할 경우, 이중에서, SiC/SiN(x=1인 경우) 단일 조성막을 사용할 경우, 하기 <표 3>에서와 같이 굴절율값은 SiC가 2.4, SiN이 2.1을 가진다.
<표 3>
| 재료 | n | 반사율 |
| Si | 3.4 | |
| SiC | 2.4 | 0.029726516 |
| SiN | 2.1 | 0.004444444 |
| SiO2 | 1.5 | 0.027777778 |
| 총반사율(5) | 3.22 |
상기 표 3은 포토 다이오드/반반사막/제 1절연막이 Si/SiC/SiN/SiO2 구조일 경우 반사율을 도시한 것이다. (여기서, n은 굴절율값을 나타냄)
한편, SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x막을 사용할 경우(도 2에 도시됨), SiOxN1-x막은 SiC →SiN →SiOx와 같이 조성이 연속적으로 변화되도록 반응기체의 양을 조절하여, CVD 또는 PECVD 방식을 이용하여 형성한다.
이후, 제 1절연막(14) 위에 단위화소를 구성하는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4금속배선(M1,M2,M3,M4)를 형성한다. 이때 형성되는 제 1, 제 2, 제 3및 제 4금속배선(M1,M2,M3,M4)는 포토 다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된다. 한편, 각층의 단위화소 구성용 금속배선들(M1,M2,M3M4) 사이사이에는 전기적인 절연을 위한 각각의 제 2,제 3, 제 4 및 제 5절연막들(15,16,17,18)이 형성된다.
이어, 상기 제 5절연막(18) 위에 각각의 레드, 그린 및 블루 컬러필터(19)를 형성하고 나서, 각각의 컬러필터(19)를 덮도록 평탄화막(20)을 형성한다. 그런 다음, 상기 평탄화막(20) 위에 마이크로렌즈(21)를 제조한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 빛의 손실이 가장 큰 Si재질의 포토 다이오드와 SiO2재질의 제 1절연막 간의 계면 사이에 굴절율값이 상기 Si재질의 포토 다이오드의 굴절율과 상기 SiO2재질의 제 1절연막의 굴절율의 사이의 다양한 굴절율값을 가진 반반사막을 개재시킴으로써, 반사율을 최소화하여 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛이 최대한 포토 다이오드에 도달할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명은 백만화소 이상의 씨모스 이미지센서에 적용시켜 고화질의 이미지를 구현할 수 있다.
Claims (9)
- Si재질의 포토 다이오드가 구비된 기판; 상기 기판 상에 형성된 SiO2재질의 절연막; 상기 기판과 상기 절연막 사이에 개재된 반반사막; 상기 절연막 위에 형성되어 단위화소를 구성하는 각각의 금속배선, 및 컬러필터, 마이크로 렌즈를 구비한 씨모스의 이미지센서에 있어서,상기 반반사막은 굴절률이 2.5~3.4인 다야몬드 또는 SiC단일막이거나,SiNx /SiOxN1-x (0<x<1)의 이중막 구조이거나,단일 조성의 SiC /SiNx 및 0<x<1 사이의 연속적으로 조성이 변하는 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x 중 어느 하나의 구조인 것을 특징으로 하는 씨모스의 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 다야몬드 단일막은 두께가 500∼5000Å인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 SiNx /SiOxN1-x 이중막은 굴절율값이 1.5∼2.1이고, 두께가 500∼5000Å인 것을 특징으로 하는 씨모스의 이미지센서.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 SiCx /SiNxC1-x /SiOxN1-x막은 굴절율값이 1.5 ∼3.4 까지 연속적으로 변화되고, 두께가 500∼5000Å인 것을 특징으로 하는 씨모스의 이미지센서.
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