KR100837559B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관해 개시된다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 센싱부 및 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 형성된 복수의 포토 다이오드 및 트랜지스터; 상기 반도체 기판 상에 형성된 복수의 금속 배선 및 층간 절연막; 상기 반도체 기판의 센싱부에 형성된 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈; 상기 반도체 기판의 주변 구동부에 형성된 금속 배선 중 최상층 금속 배선에 연결된 텅스텐 플러그; 및 상기 텅스텐 플러그 상측에 형성된 보호막이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
씨모스, 이미지 센서
Description
도 1은 종래 기술의 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터로 구성된 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(Unit Pixel)의 등가 회로도.
도 2는 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
본 발명에서는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관해 개시된다.
이미지 센서(Image sensor)라 함은 광학 영상(optic image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD)와 씨모스 이미지 센서(Complementary MOS image sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영 역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 전하 결합 소자는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다. 또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨 모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
씨모스 이미지 센서를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터로 구성된 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(Unit Pixel)의 등가 회로도이다.
씨모스 이미지 센서의 단위화소는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(Photo Diode : PD)와, 상기 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion : FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역(FD)의 전위를 셋팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follow Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도 2는 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 단면도로서, 집광에 관련된 주요부분만 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서는 센싱부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판(100)상에 액티브 영역을 정의하기 위한 필드 산화막(도시되지 않 음)이 형성되어 있고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(100)내에 다수개의 포토다이오드(PD)(101)가 형성되고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(100)위에 복수개의 트랜지스터(102)들이 형성된다.
상기 포토다이오드(101)와 트랜지스터(102)를 포함하는 센싱부 및 주변 구동부를 포함한 기판 전면에 제 1 층간 절연막(103)이 형성되고, 상기 제 1 층간 절연막(103)상에는 제 1 금속 배선(M1)이 형성된다.
그리고, 상기 제 1 금속 배선(M1)위에 제 2 층간절연막(104), 제 2 금속 배선(M2), 질화막(105), 제 3 층간절연막(106), 제 3 금속 배선(M3), 제 4 층간절연막(107), 제 4 금속 배선(M4) 및 보호막(109)이 차례로 형성된다.
여기서, 상기 제 2, 제 3, 제 4 금속배선(M2,M3,M4)은 주변 구동부에 형성되어 상기 포토다이오드(101)로 입사되는 빛에 영향을 주지 않도록 배치되어 있다.
또한, 상기 센싱부의 보호막(109)상에는 컬러 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 컬러 필터층(110)이 형성되어 있고, 상기 각 컬러 필터층(110)상에는 마이크로 렌즈(micro-lens)(111)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(111)는 포토레지스트(photo resist)를 도포하고 상기 포토다이오드(101) 상부에 남도록 패터닝한 후에 베이킹(backing)을 통해 포토레지스트를 리플로우하여 원하는 곡률을 얻고 있다.
상기와 같은 마이크로 렌즈(111)는 입사광을 포토다이오드(101)까지 집약시켜 보내주는 중요한 역할을 하고 있다.
한편, 상기와 같은 씨모스 이미지 센서는 상기 보호막(109)의 형성 후 공정 중에 소자에 가해진 스트레스와 데미지를 상쇄시키기 위하여 400도 이상에서 수소 어닐링(Annealing) 공정을 진행한다.
어닐링 공정 중 상기 보호막(109)을 구성하는 물질과 금속 배선은 열팽창이 다르게 작용하기 때문에 상기 보호막(109)에 크랙(Crack) 형태의 디펙(defect)이 발생된다.
특히, 종래의 씨모스 이미지 센서는 주변 구동부를 통해 상기 포토 다이오드(101)로 입사되는 빛을 차단하기 위하여 제 4 금속 배선(M4)을 넓게(wide) 형성하였다.
따라서, 넓게 형성된 제 4 금속 배선(M4)과 상기 보호막(109)의 열팽창 차이에 의해 보호막(109)의 디펙이 발생될 가능성은 더욱 증가된다.
본 발명은 주변 구동부를 통해 입사되는 빛을 차단할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 최상층의 금속 배선과 보호막 사이의 열팽창 차이에 의한 보호막의 디펙을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 센싱부 및 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 형성된 복수의 포토 다이오드 및 트랜지스터; 상기 반도체 기판 상에 형성된 복수의 금속 배선 및 층간 절연막; 상기 반도체 기판의 센싱부에 형성된 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈; 상기 반도체 기판의 주변 구동부에 형성된 금속 배선 중 최상층 금속 배선에 연결된 텅스텐 플러그; 및 상기 텅스텐 플러그 상측에 형성된 보호막이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 센싱부 및 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 복수의 포토 다이오드 및 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 복수의 포토 다이오드 및 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 상에 복수의 금속 배선 및 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 센싱부에 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 주변 구동부에 금속 배선 중 최상층 금속 배선에 텅스텐 플러그를 형성하는 단계; 및 상기 텅스텐 플러그 상측에 보호막을 형성하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서는 센싱부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판(200)상에 액티브 영역을 정의하기 위한 필드 산화막(도시되지 않음)이 형성되어 있고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(200)내에 다수개의 포토다이오드(PD)(201)가 형성되고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(200)위에 복수개의 트랜지스터(202)들이 형성된다.
상기 포토다이오드(201)와 트랜지스터(202)를 포함하는 센싱부 및 주변 구동부를 포함한 기판 전면에 제 1 층간 절연막(203)이 형성되고, 상기 제 1 층간 절연막(203)상에는 제 1 금속 배선(M1)이 형성된다.
그리고, 상기 제 1 금속 배선(M1)위에 제 2 층간절연막(204), 제 2 금속 배선(M2), 질화막(205), 제 3 층간절연막(206), 제 3 금속 배선(M3), 제 4 층간절연막(207), 제 4 금속 배선(M4) 및 보호막(209)이 차례로 형성된다.
또한, 상기 센싱부의 보호막(209)상에는 컬러 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 컬러 필터층(210)이 형성되어 있고, 상기 각 컬러 필터층(210)상에는 마이크로 렌즈(micro-lens)(211)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(211)는 포토레지스트(photo resist)를 도포하고 상기 포토다이오드(201) 상부에 남도록 패터닝한 후에 베이킹(backing)을 통해 포토레지스트를 리플로우하여 원하는 곡률을 얻고 있다.
상기 제 2, 제 3, 제 4 금속배선(M2,M3,M4)은 주변 구동부에 형성되어 상기 포토다이오드(201)로 입사되는 빛에 영향을 주지 않도록 배치되어 있다.
또한, 상기 제 4 금속배선(M4)은 주변 구동부를 통해 상기 포토 다이오드(201)로 입사되는 빛을 차단하도록 설계된다.
본 발명에서는 상기 제 4 금속배선(M4)을 텅스텐 플러그를 사용하여 형성한다.
상기 텅스텐 플러그를 사용하면 상기 포토 다이오드(201)로 입사되는 빛을 효과적으로 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 넓은(wide) 알루미늄 금속 배선과 보호막 사이의 열팽창 차이에 의한 보호막의 크랙을 방지할 수 있다.
상기 텅스텐 플러그는 상기 제 4 층간 절연막에 트렌치를 형성하고 상기 트렌치 상에 텅스텐(W)을 매립 후 CMP 공정을 통해 평탄화한다.
따라서, 주변 구동부를 통해 입사되는 빛을 두꺼운 텅스텐 물질로 차단함으로써 노이즈를 제거할 수 있으며, 열처리 공정에 매우 안정하여 어닐링 공정에서 상기 보호막(209)에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 제조방법은 주변 구동부를 통해 입사되는 빛을 차단할 수 있고, 최상층의 금속 배선과 보호막 사이의 열팽창 차이에 의한 보호막의 디펙을 감소시킬 수 있다.
Claims (3)
- 센싱부 및 상기 센싱부 일측의 주변 구동부가 정의된 반도체 기판;상기 센싱부에 형성된 복수의 포토 다이오드 및 상기 복수의 포토 다이오드에서 감지한 신호를 출력하기 위한 트랜지스터;상기 반도체 기판 상에 형성된 복수의 금속 배선 및 층간 절연막;상기 반도체 기판의 센싱부에 형성된 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈;상기 반도체 기판의 주변 구동부에 형성된 금속 배선 중 최상층 금속 배선에 연결되고 상기 최상층 금속 배선과 동일한 층간 절연막 내에 배치된 텅스텐 플러그; 및상기 텅스텐 플러그 상측에 형성된 보호막이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 센싱부 및 상기 센싱부 일측의 주변 구동부로 정의된 반도체 기판의 상기 센싱부에 복수의 포토 다이오드 및 상기 복수의 포토 다이오드에서 감지한 신호를 출력하기 위한 트랜지스터를 형성하는 단계;상기 복수의 포토 다이오드 및 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 상에 복수의 금속 배선 및 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 센싱부에 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 주변 구동부에 금속 배선 중 최상층 금속 배선에 연결되고 상기 최상층 금속 배선과 동일한 층간 절연막 내에 텅스텐 플러그를 형성하는 단계; 및상기 텅스텐 플러그 상측에 보호막을 형성하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 텅스텐 플러그를 형성하는 단계는 상기 최상측 금속 배선 상에 형성된 층간 절연막에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치에 텅스텐을 매립하는 단계와, 상기 텅스텐에 대하여 CMP 공정을 수행하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN103066082A (zh) * | 2011-10-21 | 2013-04-24 | 索尼公司 | 固体摄像元件及其制造方法、摄像装置、电子设备、固体摄像装置及其制造方法 |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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