KR100871981B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서는 회로(circuitry)를 포함하는 기판; 상기 기판상에 순차적으로 형성된 하부 전극, 진성층(intrinsic layer), 제2 도전형 전도층; 상기 제2 도전형 전도층 상에 형성된 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상에 형성된 상부 투명전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 포토다이오드, 누설전류
Description
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD) 이미지센서와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
한편, CCD 이미지센서는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점이 있으므로, 최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성 시킴으로써 스위칭방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
종래기술에 의한 씨모스 이미지센서는 빛 신호를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역(미도시)과, 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역(미도시)으로 구분할 수 있다.
그런데, 종래기술에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드가 트랜지스터와 수평으로 배치되는 구조이다.
물론, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의해 CCD 이미지센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에는 여전히 문제점들이 있다.
즉, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판상에 상호 수평으로 인접하여 제조된다. 이에 따라, 포토다이오드를 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 또한 레졀류션(Resolution)의 가능성을 제한하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터를 동시에 제조하는 공정에 대한 최적화를 달성하는 점이 매우 어려운 문제가 있다. 즉, 신속한 트랜지스터 공정에서는 작은 면저항(low sheet resistance)을 위해 샐로우 졍션(shallow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 졍션(shallow junction)이 적절하지 않을 수 있다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 추가적인 온 칩(on-chip) 기능들이 이미지센서에 부가되면서 단위화소의 크기가 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 포토다이오드를 위한 면적이 픽셀사이즈를 유지하기 위해 감소되야한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가되면 이미지센서의 레졀류션(Resolution)이 감소하게되며, 또한, 포토다이오드의 면적이 감소되면 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.
실시예는 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 새로운 집적을 제공할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 누설전류(leakage current)를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 레졀류션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 회로(circuitry)를 포함하는 기판; 상기 기판상에 순차적으로 형성된 하부 전극, 진성층(intrinsic layer), 제2 도전형 전도층; 상기 제2 도전형 전도층 상에 형성된 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상에 형성된 상부 투명전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 회로(circuitry)를 포함하는 기판상에 하부 전극, 진성층(intrinsic layer), 제2 도전형 전도층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 단계; 및 상기 확산방지막 상에 상부 투명전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있고, 또한, 실시예는 제2 도전형 전도층에 플라즈마 처리 등에 의해 누설전류(leakage current)를 방지하고, 광감도(photo sensitivity)를 높일 수 있으며, 또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 회로(circuitry)(미도시)를 포함하는 기판(110); 상기 기판(110)상에 순차적으로 형성된 하부 전극(130), 진성층(intrinsic layer)(150), 제2 도전형 전도층(160); 상기 제2 도전형 전도층(160) 상에 형성된 확산방지막(170); 및 상기 확산방지막(170) 상에 형성된 상부 투명전극(180);을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서는 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있고, 또한, 실시예는 제2 도전형 전도층(160)에 플라즈마 처리 등에 의해 확산방지막(170)을 형성함으로써 누설전류(leakage current)를 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 확산방지막(170)은 질소가 확산된(N-rich) 제2 도전형 전도층일 수 있다.
예를 들어, 상기 확산방지막(170)은 상기 제2 도전형 전도층(160)에 질소가 확산된(N-rich) 층 일 수 있다.
또한, 예를 들어 상기 확산방지막(170)은 플라즈마 처리 등에 의해 산소 농도가 60% 이하가 됨으로써 상부 투명전극(180)의 산소가 포토다이오드(100) 내부로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서는 금속배선(124)과 전자전달 배선(122) 및 제1 도전형 전도층(140)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 전도층(140), 진성층(intrinsic layer)(150), 제2 도전형 전도층(160)을 포함하여 포토다이오드(100)라고 칭할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조로 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2와 같이 회로(circuitry)(미도시)를 포함하는 기판(110)상에 하부 전극(130), 진성층(intrinsic layer)(150), 제2 도전형 전도층(160)을 순차적으로 형성한다.
상기 기판(110) 상에는 금속배선(124)과 전자전달 배선(122)이 형성될 수 있다.
상기 하부 전극(130)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 전극(Bottom electrode)(130)은 실리사이드(silicide) 형성이 용이한 Cr, Ti, TiW, Ta 등의 금속을 PVD 등의 방법을 이용해 증착할 수 있다.
실시예에서는, 상기 전자전달 배선(122)과 상기 하부 전극(130) 사이에 배리어 메탈(미도시)을 더 형성할 수 있다. 상기 배리어 메탈은 텅스텐, 타이타늄, 탄탈륨 또는 이들의 질화물 등으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 배리어 메탈은 형성되지 않을 수 있다.
다음으로, 상기 하부 전극(130) 상에는 제1 도전형 전도층(140)을 더 형성할 수 있다.
한편, 경우에 따라서는 상기 제1 도전형 전도층(140)이 형성되지 않고 이후의 공정이 진행될 수도 있다. 상기 제1 도전형 전도층(140)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 N층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(140)은 N 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 전도층(140)은 N 도핑된 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(140)은 비정질 실리콘에 게르마늄, 탄소, 질소 또는 산소 등을 첨가하여 a-Si:H, a-SiGe:H, a-SiC, a-SiN:H a-SiO:H 등으로 형성될 수도 있다.
상기 제1 도전형 전도층(140)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(140)은 실란가스(SiH4)에 PH3, P2H5 등을 혼합하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 전도층(140)을 포함하는 기판(110) 상에 진성층(intrinsic layer)(150)을 형성한다. 상기 진성층(150)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 I층의 역할을 할 수 있다.
상기 진성층(150)은 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 진성층(150)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 진성층(150)은 실란가스(SiH4) 등을 이용하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
그 후, 상기 진성층(150) 상에 제2 도전형 전도층(160)을 형성한다. 상기 제2 도전형 전도층(160)은 상기 진성층(150)의 형성과 연속공정으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 전도층(160)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 P층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 도전형 전도층(160)은 P 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 전도층(160)은 P 도핑된 비정질 실리콘(p-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 전도층(160)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 전도층(160)은 실란가스(SiH4)에 보론 등을 혼합하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제2 도전형 전도층(160) 상에 확산방지막(170)(도 4 참조)을 형성한다.
이를 위해, 제1의 방법으로, 도 3과 같이 상기 제2 도전형 전도층(160) 표면을 플라즈마 처리(T)하여, 도 4와 같이 상기 제2 도전형 전도층(160) 상에 확산방지막(170)을 형성한다.
예를 들어, 상기 플라즈마 처리(T)는 N2 가스를 이용하여 100 내지 400℃ 온도와 약 10 mtorr 내지 100 mtorr의 압력하에 진행함으로써 얇은 N-rich P-doped a-Si:H layer(170)가 형성될 수 있으며, 이것이 후술하는 상부 투명전극(180)의 산소에 대한 확산방지막(diffusion barrier film) 효과를 나타낼 수 있다.
상기 확산방지막(170)의 산소 농도가 60% 이하가 됨으로써 산소에 대한 확산방지막(diffusion barrier film) 효과를 나타낼 수 있다.
또는, 제2의 방법으로 가스 클러스터 이온빔 처리를 하여 상기 제2 도전형 전도층(160) 상에 확산방지막(170)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 가스 클러스터 이온빔 처리는, N2 가스를 100 내지 9,000 마이크론 크기의 가스 클러스터 이온빔을 사용하여 상기 제2 도전형 전도층(160) 상에 확산방지막(170)을 형성할 수 있다. 상기 확산방지막(170)은 산소 농도가 60% 이하가 됨으로써 산소에 대한 확산방지막(diffusion barrier film) 효과를 나타낼 수 있다.
한편, 실시예에서 채용하는 가스 클러스터 이온은 N2 가스 이온들이 각각의 이온빔과는 달리 낮은 에너지 상태의 이온들이 뭉쳐져, 큰 질량을 형성하고 이들이 표면에 충돌함으로써, 원하는 계면의 표면층에만 한정적으로 영향을 미치고 표면손상을 최소화할 수 있다.
그 다음으로, 도 5와 같이 상기 확산방지막(170) 상에 상부 투명전극(180)을 형성 한다.
상기 상부 투명전극(180)은 빛의 투과성이 높고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 투명전극(180)은 ITO(indium tin oxide) 또는 CTO(cardium tin oxide) 등으로 형성될 수 있다.
그런데, 상부 투명전극(180)의 산소(oxygen) 성분이 상기 진성층(150)으로 확산(diffusion)됨으로써 누설전류(leakage current)가 증가되고, 광감도(photo sensitivity)의 특성이 열화 될 수 있다.
그러므로, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제2 도전형 전도층(160)에 플라즈마 처리 또는 가스 클러스터 이온빔 처리에 의해 확산방지막(170)을 형성함으로써 상부 투명전극(180)의 산소의 확산을 방지하여 누설전류(leakage current)를 방지하고, 광감도(photo sensitivity)를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 하기 된 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 제2 도전형 전도층에 플라즈마 처리 등에 의해 누설전류(leakage current)를 방지하고, 광감도(photo sensitivity)를 높일 수 있는 효과가 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 감소없이 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.
Claims (9)
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- 회로(circuitry)를 포함하는 기판상에 하부 전극, 진성층(intrinsic layer), 제2 도전형 전도층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제2 도전형 전도층 상에 산소에 대한 확산방지막을 형성하는 단계; 및상기 확산방지막 상에 상부 투명전극을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 단계는,상기 제2 도전형 전도층 표면을 N2 가스를 이용하여 플라즈마 처리하여 상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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- 제4 항에 있어서,상기 플라즈마 처리는,N2 가스를 이용하여 100 내지 400℃ 온도와 10 mtorr 내지 100 mtorr의 압력하에 진행하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 회로(circuitry)를 포함하는 기판상에 하부 전극, 진성층(intrinsic layer), 제2 도전형 전도층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제2 도전형 전도층 상에 산소에 대한 확산방지막을 형성하는 단계; 및상기 확산방지막 상에 상부 투명전극을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 단계는,가스 클러스터 이온빔을 이용하여 상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 단계는,N2 가스를 원료로 상기 가스 클러스터 이온빔을 사용하여 상기 제2 도전형 전도층 상에 확산방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제4 항에 있어서,상기 확산방지막을 형성하는 단계는,상기 확산방지막의 산소 농도가 60% 이하인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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