KR100881276B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선 상에 배치되고 그 표면에 적어도 하나 이상의 돌기부를 가지는 하부전극; 상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상에 배치된 상부전극을 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드
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)로 구분된다.
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 영역으로 구분할 수 있다.
씨모스 이미지 센서는 포토다이오드와 트랜지스터가 반도체 기판에 수평으로 배치되는 구조이다.
수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판 상에 상호 수평으로 인접하여 형성된다. 이에 따라, 포토다이오드 형성을 위한 추가적인 영역이 요구된다.
실시예는 씨모스 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 크로스 토크 및 노이즈 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선 상에 배치되고 그 표면에 적어도 하나 이상의 돌기부를 가지는 하부전극; 상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상에 배치된 상부전극을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 씨모스 회로를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 그 표면에 적어도 하나 이상의 돌기부를 가지는 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 포토다이오드 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 포토다이오드의 하부에 형성된 하부전극의 표면이 뾰족한 형태로 형성되어 포토다이오드의 전자 수용능력을 최대한 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 하부전극의 형태에 의하여 포토다이오드에서 생성된 전자가 해당 하부전극으로 집중되어 크로스 토크 및 노이즈 현상을 방지할 수 있다.
또한, 씨모스 회로와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필 팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 수직형 집적에 의해 종래기술보다 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티비티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 각 단위 픽셀은 센서티비티(sentivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로를 구현할 수 있다.
또한, 포토다이오드의 단위픽셀을 구현함에 있어 단위 픽셀 내의 포토다이오드의 표면적을 증가시켜 광감지율을 향상시킬 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 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6을 참조하여, 반도체 기판(10)은 씨모스 회로(11)를 포함한다.
상기 씨모스 회로(11)는 단위화소 별로 형성되고, 상부의 포토다이오드(80)와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터 등으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20)이 배치된다. 상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 배치되고, 상기 금속배선(30)도 복수개로 배치될 수 있다.
상기 금속배선(30) 상에는 하부전극(45)이 배치된다. 예를 들어, 상기 하부전극(45)은 Cr, Ti, TiW 및 Ta과 같은 금속으로 형성할 수 있다.
상기 하부전극(45)은 상기 금속배선(31)이 노출되지 않도록 상기 금속배선(30) 및 층간 절연막(20) 상에 배치된다. 또한, 상기 하부전극(45)은 단위화소 별로 배치된 상기 금속배선(30) 상부에 배치되어 단위화소 별로 이격된다.
상기 하부전극(45)의 표면에는 돌기부(41)가 배치된다. 상기 돌기부(41)는 삼각형, 다각형 및 원형의 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성되어 있다.
상기 하부전극(45)의 표면에 뾰족한 형태의 돌기부(41)가 형성되어 상기 하부전극(45)에는 전위집중 현상이 나타날 수 있다.
상기 하부전극(45)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 포토다이오드(80)가 배치된다.
상기 포토다이오드(80)는 제1 도전형 전도층(50), 진성층(60) 및 제2 도전형 전도층(70)을 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(50)은 n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon)이고, 상기 진성층(60)은 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon)이고, 상기 제2 도전형 전도층(70)은 p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)일 수 있다.
또는, 상기 포도다이오드(80)는 진성층(60) 및 제2 도전형 전도층(70)을 포함할 수 있다.
상기 포토다이오드(80) 상부에는 상부전극(90)이 배치된다.
상기 상부전극(90)은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극(90)은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 씨모스 회로(11)와 포토다이오드(80)가 수집형 집적을 이루어 이미지 센서의 필팩터를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 하부전극(45)의 표면에 뾰족한 형태의 돌기부(41)가 형성되어 포토다이오드(80)에서 생성된 전자의 수용능력을 향상시킬 수 있다. 이는 상기 하부전극(45)의 표면에 형성된 돌기부(41)에 의해 전위집중 현상이 나타나므로 포토다이오드(80)의 전자가 상기 돌기부(41)로 집중될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 하부전극(45)의 형태에 의하여 포토다이오드(80)의 전자가 해당 하는 하부전극(45)으로 집중될 수 있기 때문에 크로스 토크 및 노이즈 발생을 감소시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 씨모스 회로(11)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20)이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 후술되는 포토다이오드(80)와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터 등으로 이루어진 씨모스 회로(11)가 형성될 수 있다.
상기 씨모스 회로(11)가 형성된 반도체 기판(10) 상부에는 전원라인 또는 신호라인과의 접속을 위하여 층간 절연막(20) 및 금속배선(30)이 형성되어 있다.
상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(20)은 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 상기 층간 절연막(20)을 관통하여 복수개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속배선(30)은 금속, 합금 또는 살리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 포토다이오드(80)에서 생성된 전자를 하부의 씨모스 회로(11)로 전달하는 역할을 한다.
도 5를 참조하여, 상기 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 하부 전극(45)이 형성된다. 예를 들어, 상기 하부전극(45)은 Cr, Ti, TiW 및 Ta과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 하부전극(45)은 단위화소 별로 배치된 금속배선(30) 상부에 각각 형성된다. 또한, 상기 하부전극(45)의 표면에는 돌기부(41)가 돌출형성되어 있다.
상기 하부전극(45)의 표면에 형성된 돌기부(41)는 포토다이오드(80)에서 생성된 전자를 수용하여 하부의 금속배선(30)으로 전달시킬 수 있게 된다. 즉, 상기 하부전극(45)의 표면에 형성된 돌기부(41)가 뾰족한 형태로 형성되어 전위 집중 현상이 나타난다.
상기 돌기부(41)의 전위집중 현상에 의하여 상기 하부전극(45)은 전자 수용력이 향상되어 포토다이오드(80)에서 생성된 전자를 효율적으로 금속배선(30)으로 이동시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 하부전극(45)의 전위집중 현상에 의하여 전자가 해당하는 하부전극으로 집중되어 이웃하는 하부전극(45)과의 간섭이 작아지지 때문에 노이즈 및 크로스 토크를 방지할 수 있다.
상기 하부전극의 형성방법에 대하여 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 2를 참조하여, 상기 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 하부전극층(40)이 형성된다. 예를 들어, 상기 하부전극층(40)은 Cr을 PVD 방법에 의하여 형성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 하부전극층(40)에 대하여 스퍼터링, 에치공정 및 반응성 이온에칭 공정 중 적어도 어느 하나를 이용하여 그 표면을 식각한다. 예를 들 어, 상기 하부전극층(40)의 표면에 대하여 스퍼터링 또는 반응성 이온에칭 공정을 진행하면 상기 하부전극층(40)의 표면에는 뾰족한 삼각형 형태의 돌기부(41)가 형성될 수 있다. 또는 상기 하부전극층(40)의 표면에 대하여 습식식각 공정을 진행하면 상기 하부전극층(40)의 표면에는 다각형 또는 원형의 돌기부(41)가 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 하부전극층(40) 상에 상기 금속배선(30)에 대응하는 하부전극층(40)을 가리는 포토레지스트 패턴(100)을 형성한다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각마스크로 상기 하부전극층(40)을 식각하면 상기 금속배선(30) 상에 돌기부(41)를 가지는 하부전극(45)이 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 하부전극(45)은 상기 층간 절연막(20) 상에 형성된 하부전극층(40)을 금속배선(30) 별로 패터닝하여 형성할 수 있다. 그리고, 상기 하부전극(45)에 대한 스퍼터링, 에치공정 및 반응성 이온에칭 공정 중 어느 하나를 이용하여 그 표면을 식각함으로써 상기 하부전극(45)의 표면에 돌기부(41)가 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 하부전극(45)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 상기 금속배선(30)과 연결되도록 포토다이오드(80)를 형성한다.
실시예에서는 포토다이오드(80)는 NIP 다이오드(NIP diode)를 사용한다. 상기 NIP 다이오드는 금속, n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon), 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon), p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)이 접합된 구조로 형성되는 것이다.
상기 NIP 다이오드는 p형 실리콘층과 금속 사이에 순수한 반도체인 진성 비정질 실리콘층이 접합된 구조의 광 다이오드로서, 상기 p형과 금속 사이에 형성되는 진성 비정질 실리콘층이 모두 공핍영역이 되어 전하의 생성 및 보관에 유리하게 된다.
실시예에서는 포토다이오드로서 IP 다이오드를 사용하며 상기 다이오드의 구조는 P-I-N 또는 N-I-P, I-P 등의 구조로 형성될 수 있다.
특히, 실시예에서는 N-I-P 구조의 포토다이오드가 사용되는 것을 예로 하며, n형 비정질 실리콘층은 제1 도전형 전도층(50), 진성 비정질 실리콘층은 진성층(60), 상기 p형 비정질 실리콘층은 제2 도전형 전도층(70)이라 칭하도록 한다.
도 6을 참조하여, 상기 NIP 다이오드를 이용한 포토다이오드를 형성하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 도전형 전도층(50)이 형성된다. 경우에 따라서, 상기 제1 도전형 전도층(50)은 형성되지 않고 이후의 공정이 진행될 수도 있다.
상기 제1 도전형 전도층(50)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 N층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(50)은 N 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(50)은 N 도핑된 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(50)은 실란가스(SiH4)에 PH3 또는 P2H6 등의 가스 를 혼합하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 전도층(50) 상에 진성층(intrinsic layer)(60)이 형성된다. 상기 진성층(60)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 I층의 역할을 할 수 있다.
상기 진성층(60)은 비정질 실리콘(intrinsic amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 진성층(60)은 실란가스(SiH4) 등을 이용하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 진성층(60)은 상기 제2 도전형 전도층(70)의 두께보다 약 10~1,000배 정도의 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 이는 상기 진성층(60)의 두께가 두꺼울수록 핀 다이오드의 공핍영역이 늘어나 많은 양의 광전하를 보관 및 생성하기에 유리하기 때문이다.
상기 진성층(60) 상에 제2 도전형 전도층(70)이 형성된다. 상기 제2 도전형 전도층(70)은 상기 진성층(60)의 형성과 연속공정으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 전도층(70)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 P층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 도전형 전도층(70)은 P 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 전도층(70)은 실란가스(SiH4)에 BH3 또는 B2H6 등의 가스를 혼합하여 PECVD에 의해 P 도핑된 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드(80)가 형성된 반도체 기판(10) 상부로 상부전극(90)이 형 성된다.
상기 상부전극(90)은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극(90)은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 상부전극(90) 상에 컬러필터 및 마이크로 렌즈가 추가로 형성될 수 있다.
상기와 같이 제1 도전형 전도층(50), 진성층(60) 및 제2 도전형 전도층(70)으로 이루어지는 포토다이오드(80)는 상기 씨모스 회로(11)와 수직형 집적을 이루어 포토다이오드(80)의 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
도 7을 참조하여, 상기 하부전극(45) 상에 뾰족한 형태의 돌기부(41)가 복수개 형성되어 상기 포토다이오드(80)에서 생성된 전자가 상기 하부전극(45)으로 집중되므로 씨모스 회로로 전자를 효율적으로 전달할 수 있게 된다.
또한, 상기 하부전극(45)의 형태에 따른 전위집중 현상(Pontential Concentration)에 의하여 전자 수용능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 하부전극의 형태에 의한 전위집중 현상에 따라 상기 포토다이오드(80)에서 생성된 전자가 해당 하부전극(45)으로 전달될 수 있으므로 이웃하는 하부전극과의 간섭이 방지되므로 크로스 토크 및 노이즈의 발생을 감소시킬 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 가 진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정단면도이다.
도 7은 도 6의 A영역을 확대한 단면도이다.
Claims (9)
- 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막;상기 금속배선 상에 배치되고 그 표면에 적어도 하나 이상의 돌기부를 가지는 하부전극;상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 배치되고 비정질 실리콘으로 형성된 포토다이오드; 및상기 포토다이오드 상에 배치된 상부전극을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 돌기부는 삼각형, 다각형 및 원형의 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 하부전극은 Cr, Ti, TiW 및 Ta 중 적어도 어느 하나로 형성된 이미지 센서.
- 반도체 기판에 씨모스 회로를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 금속배선 상에 그 표면에 적어도 하나 이상의 돌기부를 가지는 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 비정질 실리콘으로 형성된 포토다이오드를 증착하는 단계; 및상기 포토다이오드 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 하부전극을 형성하는 단계는,상기 층간 절연막 상에 하부전극층을 형성하는 단계;상기 하부전극층의 표면에 대하여 스퍼터링 또는 에칭 공정을 진행하여 돌기부를 형성하는 단계; 및상기 하부전극층을 상기 금속배선 별로 패터닝하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 하부전극을 형성하는 단계는,상기 층간 절연막 상에 하부전극층을 형성하는 단계;상기 하부전극층을 패터닝하여 상기 금속배선 상에 하부전극을 형성하는 단계; 및상기 하부전극에 스퍼터링 또는 에칭 공정을 진행하여 돌기부를 형성하는 단 계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 하부전극은 Cr, Ti, TiW 및 Ta 중 적어도 어느 하나로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 돌기부는 건식 에칭공정에 의하여 그 표면이 뾰족한 삼각형 형태로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 돌기부는 습식 에칭공정에 의하여 그 표면이 다각형 또는 원형으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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