KR100778870B1 - 반사 방식의 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 빛의 반사 개념을 이용한 새로운 구조의 씨모스 이미지 센서를 통해 제조 공정을 단순화하고 아울러 빛을 수광하는 면적을 최대한 확보하는 반사 방식의 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 제조 방법은, 반도체 기판을 식각하여 상기 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부와, 상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부를 형성하는 단계, 상기 경사홈부의 경사면에 가시광선을 반사하는 금속막을 증착하여 반사막을 형성하는 단계, 상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리된 복수의 포토다이오드들을 형성하는 단계 및 상기 소자형성부의 기판 표면에 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
CMOS, 이미지 센서
Description
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)를 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다. 여기서, 씨모스 이미지 센서는, 주변회로인 제어 회로(Control Circuit) 및 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 동시에 집적할 수 있는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 통해 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.
CMOS 이미지 센서는 포토다이오드(Photo Diode) 및 복수의 MOS 트랜지스터로 구성다. 도 1에는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 단면도를 도시하였다. 도 1을 참조하면, 반도체 기판 예컨대 실리콘 기판(10)에는 이온주입공정 및 실리콘 에피택셜 성장법을 반복 수행함으로써, 적색광, 녹색광 및 청색광을 수광하는 포토다이오드들(22, 24, 26)이 각각 형성된다. 보다 자세하게는, 기판(10) 내에 적색 포토다이오드(22)를 위한 이온주입층을 형성한 후, 그 위에 제1 실리콘 에피택셜층(12)을 형성한다. 그 후, 제1 에피택셜층(12) 내에 다시 이온주입공정을 통해 녹색 포토다이오드(24)를 형성하고, 아울러 제1 에피택셜층(12)의 일부 영역에 적색 포토다이오드의 컨택을 위한 플러그(42)를 형성한다. 다음으로, 다시 실리콘 에피택셜 성장 공정을 수행하여 제2 실리콘 에피택셜층(14)을 형성하고, 여기에 청색 포토다이오드(26)를 형성함과 아울러, 녹색 포토다이오드(26)의 컨택을 위한 플러그(46) 및 적색 포토다이오드(22)의 컨택을 위한 플러그(44)를 형성한다. 그리고, 제2 실리콘 에피택셜층(14) 위에는 포토다이오드(22, 24, 26)에서 모아진 광전하를 운송하는 복수의 MOS 트랜지스터를 형성한다. 복수의 MOS 트랜지스터는 일반적인 MOS 트랜지스터와 유사하게 게이트(30), 게이트 절연막(32) 및 스페이서(34)를 포함한다.
상술한 구조의 씨모스 이미지 센서에서는, 적색 포토다이오드(22) 및 녹색 포토다이오드(24)의 면적이 청색 포토다이오드(26)의 면적보다 크지만, 신호전달을 위한 트랜지스터들이 최상부에 배치되기 때문에 결과적으로는 청색 포토다이오드(26)가 차지하는 면적만이 실질적인 수광 면적이 된다. 따라서, 형성된 포토다 이오드의 면적보다 실질적으로 사용되는 수광 면적이 작다. 또한, 적색 포토다이오드(22) 또는 녹색 포토다이오드(24)의 신호처리를 위하여 형성된 플러그들(42, 44, 46)은 일반적으로 이온주입공정을 통해 형성되는데, 외부에서 빛이 조사될 경우 이들 플러그들에 의해 신호의 잡음이 발생할 수 있다. 더구나, 적색, 녹색 및 청색 포토다이오드들이 서로 간섭하는 것을 방지하기 위해서는 이들을 각각 독립적으로 형성해야 하므로, 각각의 에피택셜층에 포토다이오드들을 격리하기 위한 별도의 이온주입층을 형성할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 빛의 반사 개념을 이용한 새로운 구조의 씨모스 이미지 센서를 통해 제조 공정을 단순화하고 아울러 빛을 수광하는 면적을 최대한 확보하는 반사 방식의 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
삭제
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서 제조 방법의 일 특징은, 반도체 기판을 식각하여 상기 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부와, 상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부를 형성하는 단계, 상기 경사홈부의 경사면에 가시광선을 반사하는 금속막을 증착하여 반사막을 형성하는 단계, 상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리된 복수의 포토다이오드들을 형성하는 단계 및 상기 소자형성부의 기판 표면에 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일 특징은, 반도체 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부, 상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부, 상기 경사홈부의 경사면 형성된 가시광선을 반사하는 금속막으로 이루어진 반사막, 상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리되어 형성된 복수의 포토다이오드들 및 상기 소자형성부의 기판 표면에 형성된 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것이다.
보다 바람직하게, 상기 복수의 포토다이오드는 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드를 포함한다.
보다 바람직하게, 상기 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드는 수광면으로부터 순서대로 형성한다.
보다 바람직하게, 상기 경사면은 상기 기판 표면에 대하여 45° 각도로 형성한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
먼저, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 포토다이오드 및 MOS 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서에서는, 예컨대 실리콘 반도체 기판(100)에, 일측면이 경사지게 형성된 경사면(220) 및 타측면이 수직한 수광면(240)을 포함하는 경사홈부(A)와, 경사홈부(A)의 수광면(240)의 일측에 정의되는 소자형성부(B)가 형성되어 있다. 그리고, 경사홈부(A)의 경사면(220)에는 선택적으로 반사막(260)이 형성된다. 또한, 소자형성부(B)의 내부에는 서로 격리되고 기판 표면에 수직한 복수의 포토다이오드(320, 340, 360)가 형성된다. 아울러, 소자형성부(B)의 기판 표면에는, 게이트 전극(400), 게이트 절연막(440) 및 스페이서(420)을 포함하는 적어도 하나의 MOS 트랜지스터가 형성된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일 특징은, 반도체 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부, 상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부, 상기 경사홈부의 경사면 형성된 가시광선을 반사하는 금속막으로 이루어진 반사막, 상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리되어 형성된 복수의 포토다이오드들 및 상기 소자형성부의 기판 표면에 형성된 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것이다.
보다 바람직하게, 상기 복수의 포토다이오드는 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드를 포함한다.
보다 바람직하게, 상기 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드는 수광면으로부터 순서대로 형성한다.
보다 바람직하게, 상기 경사면은 상기 기판 표면에 대하여 45° 각도로 형성한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
먼저, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 포토다이오드 및 MOS 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서에서는, 예컨대 실리콘 반도체 기판(100)에, 일측면이 경사지게 형성된 경사면(220) 및 타측면이 수직한 수광면(240)을 포함하는 경사홈부(A)와, 경사홈부(A)의 수광면(240)의 일측에 정의되는 소자형성부(B)가 형성되어 있다. 그리고, 경사홈부(A)의 경사면(220)에는 선택적으로 반사막(260)이 형성된다. 또한, 소자형성부(B)의 내부에는 서로 격리되고 기판 표면에 수직한 복수의 포토다이오드(320, 340, 360)가 형성된다. 아울러, 소자형성부(B)의 기판 표면에는, 게이트 전극(400), 게이트 절연막(440) 및 스페이서(420)을 포함하는 적어도 하나의 MOS 트랜지스터가 형성된다.
여기서, 반사막(260)은 가시광선을 반사하는 금속막으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 금속막은, 일반적으로 가시광선에 대한 반사도가 우수한 금속으로 티타늄(Titanium) 사용하는 것으로서, 상기 티타늄을 스퍼터링 방법으로 증착하는 것이다. 상기 증착한 티타늄을 산화하여 산화 티타늄막으로 이루어진 금속막을 상기 반사막으로 사용하기도 한다. 또한, 복수의 포토다이오드는 청색 포토다이오드(320), 녹색 포토다이오드(340) 및 적색 포토다이오드(360)를 포함하며, 수광면(240)으로부터 순서대로 형성될 수 있다. 통상 청색광의 경우 침투 깊이가 작고 적색광이 침투 깊이가 크므로, 수광면(240)에 청색 포토다이오드(320)이 가장 근접하게 형성되고, 적색 포토다이오드(360)가 수광면(240)으로부터 가장 먼 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 아울러, 반사막(260)에 의해 반사된 빛이 수광면(240)에 수직하게 입사될 수 있도록, 경사면(220)은 기판 표면에 대하여 45도의 경사도를 갖는 것이 바람직하다.
다음으로, 상술한 구조의 씨모스 이미지 센서를 제조하는 방법을 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한다.
먼저, 실리콘 반도체 기판(100)을 준비한 후, 도 2a에서와 같이, 기판의 일부를 식각하여 일측면이 경사진 경사홈부(A)를 형성한다. 이 경사홈부(A)에 의해 포토다이오드 및 MOS 트랜지스터를 형성할 영역인 소자형성부(B)가 정의된다. 특히, 경사홈부(A)를 형성할 때, 그 일측면은 45도로 경사진 경사면(220)이 되고, 그 타측면은 기판 표면에 대하여 수직한 수광면(240)이 되도록 한다.
다음으로, 기판 전면에 대하여 가시광선에 대한 반사도가 우수한 금속으로 티타늄 혹은 산화 티타늄을 증착하는데, 이때, 증착방법은 스퍼터링 방법을 이용한다. 그리하여, 도 2b에서 보듯이, 경사면(220)에 선택적으로 반사막(260)이 형성된다. 경사면(220)에 반사막(260)을 선택적으로 형성하기 위해서는, 먼저 기판 전면에 대해 금속막을 증착한 후 기판 표면을 연마(예컨대, 화학적 기계적 연마)하여 기판 표면에 증착된 금속막을 제거하면 된다. 다른 방법으로는, 소자 형성부(B) 위에 사진 공정을 통해 감광막 패턴을 형성하고, 그 위에 금속막을 증착한 다음 감광막을 제거하면, 경사홈부(A)의 경사면(220)에만 금속막을 형성할 수 있다.
그 후, 도 2c에서 보듯이, 소자형성부(B) 내에 이온주입공정을 반복적으로 수행하여 복수의 포토다이오드(320, 340, 360)를 형성한다. 여기의 이온주입공정은 포토다이오드 형성을 위한 종래의 방법에 의하여 진행될 수 있으나, 다만 이온주입 에너지를 조절하여 각각의 포토다이오드를 위한 이온주입층이 기판 표면에 수직하게 즉 수광면(240)에 평행하게 형성한다. 특히, 복수의 포토다이오드(320, 340, 360)들은 소자형성부(B) 내에서 서로 격리되게 형성되며, 수광면으로부터 순서대로 청색 포토다이오드(320), 녹색 포토다이오드(340) 및 적색 포토다이오드(360)가 형성되도록 한다.
마지막으로, 도 2d에서 보듯이, 일반적인 트랜지스터 형성 공정을 통해서, 소자형성부(B)의 상면에 게이트 전극(400), 게이트 절연막(440) 및 스페이서(420)를 포함하는 MOS 트랜지스터를 형성한다. 여기서, 각각의 포토다이오드들(320, 340, 360)에서 발생된 신호를 전달할 수 있도록 각각의 포토다이오드들과 MOS 트랜지스터들이 전기적으로 연결될 수 있는 소정의 플러그(미도시)가 형성될 수 있다. 그리하여, 기판에 수직하게 입사된 빛이 반사막(260)에 의해 90도로 반사되며, 반사된 빛은 수광면(240)에 수직하게 입사되어 각각의 포토다이오드에 집광됨으로써 전기적 신호로 변환된다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 제조 방법에 따르면, 반사 개념을 이용한 새로운 구조의 씨모스 이미지 센서를 제공할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 입사광을 90도로 반사시켜 포토다이오드에 입사시키는 방식이므로, 포토다이오드 위에 빛을 차단하는 장애물을 형성하여도 무방하다. 따라서, 적층 구조의 소자를 형성하는데 보다 유리하며, 빛을 수광하는 면적을 보다 확장할 수 있다. 또한, 각각의 포토다이오드와 MOS 트랜지스터가 최단 거리로 접속될 수 있으므로 복잡한 이온주입공정을 통해 플러그를 형성할 필요가 없다. 따라서, 다단계의 플러그로 인한 신호의 잡음을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 소자의 성능이 향상될 수 있다.
Claims (10)
- 반도체 기판을 식각하여 상기 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부와, 상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부를 형성하는 단계;상기 경사홈부의 경사면에 가시광선을 반사하는 금속막을 증착하여 반사막을 형성하는 단계;상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리된 복수의 포토다이오드들을 형성하는 단계; 및상기 소자형성부의 기판 표면에 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 포토다이오드는 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드는 수광면으로부터 순서대로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 경사면은 상기 기판 표면에 대하여 45° 각도로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 제조 방법.
- 반도체 기판 표면에 대하여 수직한 수광면 및 입사광이 상기 수광면에 수직하게 입사하도록 상기 기판 표면에 대하여 소정 각도로 경사진 경사면을 구비하는 경사홈부;상기 경사홈부에 인접한 영역에 정의되는 소자형성부;상기 경사홈부의 경사면 형성된 가시광선을 반사하는 금속막으로 이루어진 반사막;상기 기판 표면에 대하여 수직하도록 상기 소자형성부의 기판 내부에 서로 격리되어 형성된 복수의 포토다이오드들; 및상기 소자형성부의 기판 표면에 형성된 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 포함하여 구성되는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,상기 복수의 포토다이오드는 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 청색 포토다이오드, 녹색 포토다이오드 및 적색 포토다이오드는 상기 수광면으로부터 순서대로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 경사면은 상기 기판 표면에 대하여 45° 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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