KR100855407B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 배치된 포토다이오드 패턴; 상기 포토다이오드 패턴 상에 배치된 하드 마스크 패턴; 상기 포토다이오드 패턴이 상호 분리되도록 상기 포토다이오드 패턴 사이에 형성된 소자분리 트랜치; 상기 소자분리 트랜치 내벽에 배치된 배리어막; 상기 포토다이오드 패턴 및 소자분리 트랜치를 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 소자분리 절연층을 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 소자분리
Description
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 빛 신호를 받아서 전기신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo diode) 영역과 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역이 수평으로 배치되는 구조이다.
수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판 상에 상호 수평으로 인접하여 형성된다.
이에 따라, 포토다이오드 형성을 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필 팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 레졀루션(Resolution)의 가능성을 제한한다.
실시예는 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 레졀루션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 배치된 포토다이오드 패턴; 상기 포토다이오드 패턴 상에 배치된 하드 마스크 패턴; 상기 포토다이오드 패턴이 상호 분리되도록 상기 포토다이오드 패턴 사이에 형성된 소자분리 트랜치; 상기 소자분리 트랜치 내벽에 배치된 배리어막; 상기 포토다이오드 패턴 및 소자분리 트랜치를 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 소자분리 절연층을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 회로를 포함하는 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상에 하드 마스크 패턴을 형성하여 소자분리 트랜치 를 가지는 포토다이오드 패턴을 형성하는 단계; 상기 소자분리 트랜치 내벽에 배리어막을 형성하는 단계; 및 상기 포토다이오드 패턴 및 소자분리 트랜치를 포함하는 층간 절연막 상에 소자분리 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공정비용을 감축할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소 없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드의 식각 시 발생할 수 댕글링 본드와 같은 디펙트를 복구하여 다크 커런트 및 저조도 특성을 개선할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 7은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 회로(110)를 포함하는 반도체 기판(100)과, 상기 반도체 기판(100) 상에 배치된 금속배선(130)을 포함하는 층간 절연막(120)과, 상기 금속배선(130)과 연결되도록 상기 층간 절연막(120) 상에 배치된 포토다이오드 패턴(145)과, 상기 포토다이오드 패턴(145) 상에 배치된 하드 마스크 패턴(155)과, 상기 포토다이오드 패턴(145)이 상호 분리되도록 상기 포토다이오드 패턴(145) 사이에 형성된 소자분리 트랜치(147)와, 상기 소자분리 트랜치(147) 내벽에 배치된 배리어막(160)과, 상기 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)를 포함하는 층간 절연막(120) 상에 배치된 소자분리 절연층(170)을 포함한다.
상기 배리어막(160)은 p타입 불순물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어막(160)은 상기 소자분리 트랜치(147)를 통해 BF2 이온을 주입하여 상기 포토다이오드 패턴(145)의 측면에 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드 패턴(145)의 측면에 상기 배리어막(160)이 형성되어 상기 포토다이오드 패턴(145)의 식각 시 발생되는 표면 결함을 해소하여 다크 커런트 및 저조도 특성을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100) 상에 금속배선(130) 및 층간 절연막(120)이 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다.
상기 반도체 기판(100)에는 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하는 소자 분리막(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 액티브 영역 상에는 후술되는 포토다이오드와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호로 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 회로가 단위픽셀 별로 형성될 수 있다.
상기 회로를 포함하는 반도체 기판(100) 상부에는 전원라인 또는 신호라인과 회로를 접속시키기 위하여 금속배선(130)을 포함하는 층간 절연막(120)이 형성되어 있다. 상기 층간 절연막(120)은 복수의 층으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(130)은 하부 금속배선 및 플러그를 포함한다. 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 금속배선(130)은 단위픽셀 별로 형성되어 상기 포토다이오드의 광전하를 상기 회로(110)로 전송하는 역할을 할 수 있다.
상기 금속배선(130)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속배선(130)은 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 상기 금속배선(130)의 플러그가 상기 층간 절연막(120)의 표면으로 노출될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 금속배선(130) 형성시 주변 회로영역에는 패드가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 결정형 반도체 기판(20)을 준비한다.
상기 결정형 반도체 기판(20)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 실시예에서 상기 결정형 반도체 기판(20)은 p형 기판일 수 있다. 또한, 상기 반도체 기판(100)과 상기 결정형 반도체 기판(20)은 동일한 크기로 형성될 수 있다. 또한, 상기 결정형 반도체 기판(20)에 에피층이 형성될 수도 있다.
상기 결정형 반도체 기판(20)에 포토다이오드(140)가 형성된다. 상기 포토다이오드(140)는 n형 불순물 영역 및 p형 불순물 영역을 포함할 수 있다. 상기 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역은 상호 접하도록 형성되어 PN 접합을 가지는 포토다이오드(140)가 형성된다. 예를 들어, 상기 포토다이오드는 0.5~2.0㎛의 두께를 가지도록 형성할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 반도체 기판(100)의 층간 절연막(120) 상에 포토다이 오드(140)가 형성된다.
구체적으로 상기 반도체 기판(100) 상에 상기 포토다이오드(140)를 포함하는 결정형 반도체 기판(20)이 결합된다. 상기 반도체 기판(100)과 결정형 반도체 기판(20)은 본딩공정에 의하여 결합될 수 있다.
구체적으로, 상기 반도체 기판(100)의 표면인 층간 절연막(120) 상부로 상기 결정형 반도체 기판(20)의 포토다이오드(140) 표면을 위치시킨 후 상호 접합되도록 본딩한다.
상기 반도체 기판(100)과 상기 결정형 반도체 기판(20)이 결합되면 상기 금속배선인 플러그와 상기 결정형 반도체 기판(20)의 포토다이오드(140)가 이 전기적으로 연결된 상태가 된다.
이후, 상기 반도체 기판(100) 상에 포토다이오드(140)가 남아있도록 상기 결정형 반도체 기판(20)이 제거된다. 상기 결정형 반도체 기판(20)이 제거되면 상기 반도체 기판(100) 상에는 포토다이오드(140)가 남아있게 된다. 예를 들어, 상기 결정형 반도체 기판(20)은 식각 또는 CMP 공정에 의하여 제거될 수 있다.
따라서, 상기 반도체 기판(100) 상에 포토다이오드(140)가 남아있게 되므로 상기 반도체 기판(100)과 포토다이오드(140)는 수직형 집적을 이루게 된다.
도 4를 참조하여, 상기 포토다이오드(140) 상에 하드 마스크 패턴(155)이 형성된다. 상기 하드 마스크 패턴(155)은 상기 포토다이오드(140)를 단위픽셀 별로 분리하기 위한 것이다.
상기 하드 마스크 패턴(155)은 상기 포토다이오드(140) 상에 하드 마스크층 (미도시)을 형성한 후 사진 및 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 하드 마스크 패턴(155)은 상기 금속배선(130)에 대응하는 상기 포토다이오드(140) 상에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 하드 마스크 패턴(155)은 상기 금속배선(130) 사이에 해당하는 상기 포토다이오드(140)를 선택적으로 노출시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 하드 마스크 패턴(155)은 TEOS를 포함하는 산화막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(155)은 3000~5000Å의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(155)은 상기 금속배선(130) 보다 넓은 영역을 가지도록 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 층간 절연막(120) 상에 포토다이오드 패턴(145)이 형성된다. 상기 포토다이오드 패턴(145)은 상기 하드 마스크 패턴(155)을 식각 마스크로 사용하여 노출된 상기 포토다이오드(140)를 식각함으로써 형성할 수 있다. 그러면 상기 층간 절연막(120) 상에는 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)가 형성된다. 상기 포토다이오드 패턴(145)은 상기 소자분리 트랜치(147)에 의하여 단위픽셀 별로 분리되어 상기 금속배선(130)과 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 소자분리 트랜치(147)는 상기 포토다이오드 패턴(145) 사이에 형성되어 상기 층간 절연막(120) 표면을 노출시킬 수 있다. 특히, 상기 소자분리 트랜치(147)는 상기 포토다이오드(140)의 높이에 의하여 딥 트랜치 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)는 플라즈마 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 포토다이오드(140)가 플라즈마 식각 공정에 의하여 패터닝되므로 플라즈마 데미지로 인하여 식각된 포토다이오드(140) 표면에 예상치 못한 전자들이 발생할 수 있다. 즉, 상기 포토다이오드(140)는 결정형 반도체 기판(20)에 형성된 것으로 결정형 반도체 기판(20)이 식각되면 댕글링 본드와 같은 격자결함이 발생하여 다크 커런트를 유발시키고 저조도 특성을 열화시킬 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 소자분리 트랜치(147)에 배리어막(160)이 형성된다. 상기 배리어막(160)은 상기 플라즈마 식각 공정에 의하여 결함이 발생된 상기 포토다이오드 패턴(145)의 측면을 보상하기 위한 것이다. 즉, 상기 배리어막(160)은 상기 소자분리 트랜치(147)의 표면을 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 배리어막(160)은 상기 하드 마스크 패턴(155)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)으로 p형 불순물을 임플란트 공정하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어막(160)은 BF2 이온으로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드 패턴(145) 상부 표면에는 상기 하드 마스크 패턴(155)이 형성되어 있으므로 상기 포토다이오드 패턴(145) 사이의 소자분리 트랜치(147) 내벽에 상기 BF2 이온이 주입되어 배리어막(160)을 형성하게 된다. 추가적으로 상기 BF2 이온 주입 후 어닐링 공정이 진행될 수도 있다.
상기 배리어막(160)은 상기 소자분리 트랜치(147)를 통해 상기 포토다이오드 패턴(145)의 측면에 형성된다. 따라서, 상기 포토다이오드 패턴(145)의 손상영역은 상기 BF2 이온에 의하여 복원될 수 있다. 따라서, 상기 배리어막(160)이 상기 포토다이오드(140)의 측면에 형성되어 댕글링 본드와 같은 디펙트를 개선하여 다크 커런트 발생을 방지하고 저조도 특성을 개선할 수 있게 된다.
도 7을 참조하여, 상기 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)를 포함하는 층간 절연막(120) 상에 소자분리 절연층(170)이 형성된다. 상기 소자분리 절연층(170)은 상기 층간 절연막(120) 상에 형성되어 상기 포토다이오드 패턴(145) 및 소자분리 트랜치(147)를 모두 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소자분리 절연층(170)은 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 소자분리 절연층(170)이 상기 소자분리 트랜치(147)를 채우도록 형성되므로 상기 포토다이오드 패턴(145)은 상기 소자분리 절연층(170)에 의하여 단위픽셀 별로 분리될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 소자분리 절연층 상에 상부전극, 컬러필터 또는 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 상기 금속배선을 포함하는 반도체 기판 상에 상기 포토다이오드가 형성되어 이미지 센서의 수직형 집적을 이룰 수 있다.
또한, 상기 결정형 반도체 기판 내부에 포토다이오드가 형성되어 포토다이오드의 디펙트를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드가 상기 소자분리 절연층에 의하여 단위픽셀 별로 분리되어 크로스 토크 및 노이즈 발생을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드의 식각 시 발생할 수 댕글링 본드와 같은 디펙트를복구하여 다크 커런트 및 저조도 특성을 개선할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (4)
- 회로를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막;상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 배치된 결정형 구조의 포토다이오드 패턴;상기 포토다이오드 패턴 상에 배치된 하드 마스크 패턴;상기 포토다이오드 패턴이 상호 분리되도록 상기 포토다이오드 패턴 사이에 형성된 소자분리 트랜치;상기 소자분리 트랜치 내벽에 불순물을 이온주입하여 형성된 배리어막;상기 포토다이오드 패턴 및 소자분리 트랜치를 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 소자분리 절연층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 배리어막은 p타입 불순물로 형성된 이미지 센서.
- 회로를 포함하는 반도체 기판을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 결정형 구조의 포토다이오드를 접착하여 형성하는 단계;상기 포토다이오드 상에 하드 마스크 패턴을 형성하여 소자분리 트랜치를 가지는 포토다이오드 패턴을 형성하는 단계;상기 소자분리 트랜치 내벽에 불순물을 이온주입하여 배리어막을 형성하는 단계; 및상기 포토다이오드 패턴 및 소자분리 트랜치를 포함하는 층간 절연막 상에 소자분리 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 배리어막은 상기 소자분리 트랜치 내부로 p형 불순물을 이온주입하여 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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