KR100878697B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 차광 영역 및 수광 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 차광 영역 및 수광 영역 상에 형성된 포토다이오드; 상기 차광 영역 및 수광 영역의 포토다이오드의 일측에 배치된 게이트; 상기 차광 영역의 포토다이오드 상에 배치된 차광 게이트; 및 상기 차광 게이트 상에 배치된 살리사이드층을 포함한다.
이미지 센서, 차광영역, 포토다이오드
Description
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 영역과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분을 포함한다.
특히, 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 화소수 만큼 포토다이오드 및 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.
씨모스 이미지 센서의 성능 저하에 영향을 미치는 요소 중의 하나가 핫 픽셀(hot pixel)이다. 이러한 핫 픽셀을 해결하기 위하여 픽셀 어레이의 일정 영역에 금속막을 증착하여 차광영역을 형성하고, 회로부의 ISP(Image ingnal procesing)에 의하여 상기 차광 영역과 수광 영역의 신호를 분석하여 핫 픽셀을 제거하였다.
이러한 차광 영역의 금속막은 최종 금속배선층 상에 형성되어 후속 공정에서의 스트레스로 인해 소자에 크랙이 발생될 수 있다.
실시예에서는 단위 픽셀의 게이트의 형성시 포토다이오드의 차광 영역을 형성할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 차광 영역 및 수광 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 차광 영역 및 수광 영역 상에 형성된 포토다이오드; 상기 차광 영역 및 수광 영역의 포토다이오드의 일측에 배치된 게이트; 상기 차광 영역의 포토다이오드 상에 배치된 차광 게이트; 및 상기 차광 게이트 상에 배치된 살리사이드층을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 차광 영역 및 수광 영역을 형성하는 단계; 상기 차광 영역 및 수광 영역 상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 차광 영역 및 수광 영역의 포토다이오드의 일측에 게이트를 형성하는 단계; 상기 차광 영역의 포토다이오드 상에 차광 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 차광 게이트 상에 살리사이드층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면 단위 픽셀의 게이트 형성시 차광 영역의 포토다이오드 상에 차광 게이트를 동시에 형성함으로써 빛을 차단할 수 있다.
또한, 상기 단위픽셀의 게이트 형성시 상기 차광 게이트가 동시에 형성되어 공정 단계가 감소되므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 차광 게이트 상에 살리사이드층이 형성되어 상기 차광 영역의 포토다이오드로의 입사광을 차단할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부한 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 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여, 반도체 기판(10)의 수광 영역(A) 및 차광 영역(B) 상에 단위 픽셀이 각각 배치되어 있다.
상기 단위 픽셀은 포토다이오드(30) 및 게이트(60)를 포함한다. 예를 들어, 상기 포토다이오드(30)는 레드 포토다이오드(red photo diode), 그린 포토다이오드(green photo diode) 및 블루 포토다이오드(blue photo diode)를 포함한다. 또한, 상기 게이트(60)는 포토다이오드(30)의 광전하를 처리하기 위한 것으로 게이트 절연층(41), 게이트 전극(51) 및 스페이서(70)를 포함한다. 특히, 상기 게이트 전극(51)은 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 상에 차광 게이트(65)가 배치되어 있다. 상기 차광 게이트(65)는 상기 게이트(60)와 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 상기 차광 게이트(65)는 게이트 절연층(45), 게이트 전극(55) 및 스페이서(75)로 형성될 수 있다.
상기 차광 게이트(65) 상에는 살리사이드층(85)이 배치되어 있다. 예를 들어, 상기 살리사이드층(85)은 코발트, 니켈 및 티타늄 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속배선층(90) 및 마이크로 렌즈(100)가 배치되어 있다.
상기 금속배선층(90)은 복수 개의 절연층 및 상기 절연층을 관통하는 금속배선(M)으로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(100)는 포토다이오드(30)로 빛을 집광하기 위한 것으로 단위픽셀 별로 형성될 수 있다.
상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 상에 차광 게이트(65)가 배치되어 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)로 입사되는 빛을 차단할 수 있다. 또한, 상기 차광 게이트(65) 상에 금속의 살리사이드층(85)이 배치되어 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)로 입사되는 빛을 이중으로 차단할 수 있다.
따라서, 상기 차광 게이트(65) 및 살리사이드층(85)에 의하여 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)가 광차단됨으로써, 빛의 세기가 0 일때 상온 및 고온에서 상기 차광 영역(B)에서 발생되는 신호와 상기 수광 영역(A)에서 발생되는 신호 의 차이를 주변 회로 영역의 ISP(Image signal processing)에서 비교하여 제거함으로써 출력 이미지의 핫 픽셀을 제거할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 포토다이오드(30)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 절연층(40) 및 전도층(50)이 형성된다.
예를 들어, 상기 반도체 기판(10)은 고농도의 p형 기판(p++)일 수 있고, 상기 반도체 기판(10) 상에는 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도의 p형 에피층(p-Epi)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역과 필드 영역을 정의하는 소자 분리층(20)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(10)에는 복수개의 단위픽셀이 형성되는데, 그 중에 빛이 입사되는 영역을 수광 영역(A)이라 칭하고, 빛이 차단되는 영역을 차광 영역(B)이라고 칭한다.
상기 수광 영역(A)과 차광 영역(B)을 구분하는 이유는, 이미지 센서에서 성능에 영향을 미치는 핫 픽셀(hot pixel)을 검출하여 제거하기 위함이다. 즉, 반도체 기판(10) 상에 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)을 형성한 후 일정 온도에서 상기 차광 영역(B)에서 발생되는 신호와 상기 수광 영역(A)에서 발생되는 신호를 주변 회로 영역의 ISP(Image signal processing)에서 비교하여 제거함으로써 출력 이미지에서 핫 픽셀을 제거할 수 있게 된다. 따라서, 상기 반도체 기판(10)의 차광 영 역(B)에는 빛을 차단하는 수단이 필요하다.
상기 수광 영역(A)과 차광 영역(B) 상에 단위 픽셀을 형성하기 위하여 포토다이오드(30)를 형성한다. 예를 들어, 상기 포토다이오드(30)는 레드 포토다이오드(red photo diode), 그린 포토다이오드(green photo diode) 및 블루 포토다이오드(blue photo diode)를 포함한다.
상기 포토다이오드(30)는 하나의 단위 픽셀에 3가지 색이 수직으로 배열되어 고화질의 이미지를 구현할 수 있게 된다. 또한, 상기 포토다이오드(30)에 의해 별도의 컬러 필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있게 된다.
상기 게이트를 형성하기 위하여 절연층(40) 및 전도층(50)이 상기 수광 영역 및 차광 영역(B) 상에 형성된다. 상기 절연층(40)은 산화막으로 형성될 수 있고, 상기 전도층(50)은 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도층(50)은 1000~3000Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 수광 영역(A)에 게이트(60)가 형성되고 상기 차광 영역(B)에는 게이트(60) 및 차광 게이트(65)가 형성된다.
상기 게이트(60)는 상기 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)에서 생성된 광전하를 신호처리하기 위한 것이다. 상기 차광 게이트(65)는 상기 차광 영역(B)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 것이다.
상기 게이트(60) 및 차광 게이트(65)를 형성하는 방법은 다음과 같다.
상기 반도체 기판(10) 상에 상기 수광 영역(A)과 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)에 대응하는 상기 전도층(50)은 노출시키고 나머지 영역은 가리는 제1 포토 레지스트 패턴(200)을 형선한다. 그리고, 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 표면을 가리는 제2 포토레지스트 패턴(210)을 형성한다. 이때, 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(200,210)은 동시에 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(200,210)을 식각 마스크로 사용하여 상기 전도층(50) 및 절연층(40)을 식각한다. 그러면, 상기 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)의 일측에는 게이트 절연층(41) 및 게이트 전극(51)으로 이루어지는 게이트(60)가 형성된다. 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 상부에는 게이트 절연층(45) 및 게이트 전극(55)으로 이루어지는 차광 게이트(65)가 형성된다. 여기서, 상기 차광 게이트(65)는 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)를 모두 가릴수 있도록 상기 포토다이오드(30)보다 넓게 형성될 수 있다. 또한, 상기 게이트(60)의 형성시 상기 차광 게이트(65)가 동시에 형성될 수 있다.
상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 상부에 차광 게이트(65)가 형성됨으로써 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)로는 빛이 차단될 수 있다.
이후, 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(200, 210)은 애싱공정에 의하여 제거된다.
도 3을 참조하여, 상기 게이트(60) 및 차광 게이트(65)의 양측에 스페이서(70, 75)가 각각 형성된다.
상기 스페이서(70, 75)는 상기 게이트(60) 및 차광 게이트(65)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 절연막을 증착한 후 전면 식각하여 상기 게이트(60) 및 차광 게이트(65)의 양측벽에 접하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반도체 기판(10) 상에 상기 차광 영역(B)의 차광 게이트(65)는 노출시키고 나머지 영역을 가리는 제3 포토레지스트 패턴(300)이 형성된다.
도 4를 참조하여, 상기 차광 게이트(65) 및 상기 제3 포토레지스트 패턴(300)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속층(80)이 형성된다.
상기 금속층(80)은 상기 차광 게이트(65) 상에 금속 살리사이드층을 형성하기 위한 것이다. 상기 금속층(80)은 상기 제3 포토레지스트 패턴(300)을 포함하는 반도체 기판(10) 상으로 증착되어 상기 차광 게이트(65)의 상면과 접하게 된다. 예를 들어, 상기 금속층(80)은 코발트, 니켈 및 티타늄등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 차광 게이트(65) 상에 살리사이드층(85)이 형성된다.
상기 살리사이드층(85)은 상기 금속층(80)에 대한 열처리 공정을 진행하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 금속층(80)에 대한 열처리 공정을 진행하면 상기 금속층(80)은 하부의 상기 차광 게이트(65)인 폴리실리콘과 반응하여 살리사이드화 된다. 이후, 상기 제3 포토레지스트 패턴(300) 및 금속층(80)을 제거하면 상기 차광 게이트(65) 상에만 금속과 폴리실리콘의 화합물인 살리사이드층(85)이 형성된다.
상기 차광 게이트(65) 상에만 금속으로 형성된 살리사이드층(85)이 형성되므로 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)는 차광 게이트(65) 및 살리사이드층(85)에 의하여 빛으로부터 완전히 차단될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 수광 영역(A) 및 차광 영역(B) 상에 금속배선층(90) 및 마이크로 렌즈(100)가 형성된다.
상기 금속배선층(90)은 절연막 및 상기 절연막을 관통하는 금속배선(M)을 포함한다. 상기 금속배선층(90)은 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 금속배선(M)은 상기 포토다이오드(30)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 레이아웃되어 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(100)는 상기 금속배선층(90) 상에 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(100)를 형성하기 위해서는 광투과도가 높은 유기물 또는 무기물등의 렌즈용 물질을 도포한다. 그리고, 상기 렌즈용 물질을 단위픽셀 별로 패터닝 한 후 리플로우 공정(reflow)하면 돔형태의 마이크로 렌즈(100)가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(100)는 단위픽셀 별로 형성되어 하부의 포토다이오드(30)로 광을 집광할 수 있다.
상기와 같이 형성된 이미지 센서에 있어서, 소자의 내부 온도 및 외부 온도에 의해서 핫 픽셀(hot pixel)이 발생될 수 있다. 이러한 핫 픽셀은 주변회로부의 ISP에 의해서 처리되는데, 상기 핫 픽셀을 처리하기 위해서는 픽셀 어레이 상에 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)을 형성하여 신호차이를 비교하여 핫 픽셀을 제거할 수 있다. 즉, 빛의 세기가 0일 때 상온에서 반응하는 수광 영역(A)과 차광 영역(B)에서의 신호차이를 계산하고, 후속으로 빛의 세기가 0일 때 고온에서 반응하는 수광 영역(A)과 차광 영역(B)에서의 신호차이를 비교한다. 이때, 상기 수광영역(A)에서 온도의 영향으로 핫 픽셀이 나타날 경우 상기 수광 영역(A)과 차광 영역(B)의 신호차이가 크기 때문에 이것을 ISP에서 처리하여 제거하게 되면 출력 이미지에서는 핫 픽셀이 제거될 수 있다.
상기 차광 영역(B)은 포토다이오드(30)로 입사되는 광을 차단하기 위한 것으로, 실시예에서는 차광 영역(B) 상의 포토다이오드(30) 상에 차광 게이트(65)를 형성함으로써 상기 포토다이오드(30)로 빛이 입사되는 것을 차단할 수 있다. 즉, 수광 영역(A) 및 차광 영역(B)에 게이트(60)를 형성할 때, 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30) 상에 차광 게이트(65)를 동시에 형성하였다. 따라서, 상기 차광 게이트(65)에 의하여 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)로 광이 입사되는 것을 차단 할 수 있다. 특히, 상기 차광 게이트(65)의 폴리실리콘이 충분한 두께로 형성되어 상기 포토다이오드(30)로 빛이 입사되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 상기 게이트(60)의 형성시 상기 차광 게이트(65)가 동시에 형성되어 공정단계가 감소되므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 차광 게이트(65) 상에만 금속의 살리사이드층(85)이 형성되어 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)로 빛이 입사되는 것을 이중으로 차단할 수 있다.
또한, 상기 차광 게이트(65) 상에 살리사이드층(85)이 형성되어 상기 차광 영역(B)의 포토다이오드(30)의 광차단 역할을 함으로써, 상기 차광 영역(B)의 광차단을 위한 별도의 마스크 제작 또는 후속 공정의 필요하지 않게 되므로 공정을 단순화 할 수 있어 비용 절감 및 성능 향상에 기여할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시에 및 도면에 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 가진자에 게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
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- 반도체 기판에 수광 영역 및 차광 영역을 형성하는 단계;상기 수광 영역 및 차광 영역 상에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 수광 영역 및 차광 영역의 포토다이오드의 일측에 게이트를 형성하는 단계;상기 차광 영역의 포토다이오드 상에 차광 게이트를 형성하는 단계; 및상기 차광 게이트 상에 살리사이드층을 형성하는 단계를 포함하고,상기 게이트 및 차광 게이트를 형성하는 단계는,상기 포토다이오드를 포함하는 수광 영역 및 차광 영역 상에 절연막 및 폴리 실리콘층을 증착하는 단계;상기 절연막 및 폴리실리콘층을 패터닝 하여 상기 포토다이오드의 일측에 게이트를 형성하는 단계; 및상기 차광 영역의 절연막 및 폴리실리콘층을 패터닝 하여 포토다이오드를 가리는 차광 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 포토다이오드는 레드 포토다이오드, 그린 포토다이오드 및 블루 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,상기 게이트 및 차광 게이트는 동시에 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 살리사이드층은 코발트, 니켈 및 티타늄 중 적어도 어느 하나로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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