KR100894390B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 영역과 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막; 상기 픽셀 영역의 층간 절연막 상에 형성된 포토다이오드 및 상부전극; 상기 주변회로 영역의 상기 패드가 노출되도록 상기 층간 절연막에 형성된 패드홀; 상기 패드홀을 포함하는 층간 절연막 상에 형성된 더미 패드; 상기 포토다이오드 상에 형성된 컬러필터; 상기 컬러필터 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
이미지 센서, 씨모스 이미지 센서, 포토다이오드
Description
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도 이다.
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.
물론, 수평형 씨모스 이미지 센서에 의해 CCD 이미지 센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 상기 수평형 씨모스 이미지 센서에는 여전히 문제점들이 있다.
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 제한하는 문제가 있다.
또한, 수평형 씨모스 이미지 센서에 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 정션(shllow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 정션(shllow junction)이 적절하지 않을 수 있다.
또한, 수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 추가적인 온칩(on-chip) 기능들이 이미지 센서에 부가되면서 단위화소의 크기가 이미지 센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 감소되어야 한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가되면 이미지 센서의 레졀루션(Resolution)이 감소하게 된다. 또는 포토다이오드의 면적이 감소되면 이미지 센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.
실시예는 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 새로운 집적을 제공할 수 있는 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 레졀루션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 후속의 공정 단계를 개선할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 영역과 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막; 상기 픽셀 영역의 층간 절연막 상에 형성된 포토다이오드 및 상부전극; 상기 주변회로 영역의 상기 패드가 노출되도록 상기 층간 절연막에 형성된 패드홀; 상기 패드홀을 포함하는 층간 절연막 상에 형성된 더미 패드; 상기 포토다이오드 상에 형성된 컬러필터; 상기 컬러필터 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
또한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판 상에 픽셀 영역 및 주변회로 영역을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역의 층간 절연막 상에 포토다이오드 및 상부전극을 형성하는 단계; 상기 주변회로 영역의 상기 패드가 노출되도록 상기 층간 절연막에 패드홀을 형성하는 단계; 상기 패드홀을 포함하는 층간 절연막 상에 더미 패드를 형성하는 단계; 상기 상부전극 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 평탄화층을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B)이 형성된 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선(30) 및 패드(31)를 포함하는 층간 절연막(20); 상기 픽셀 영역(A)의 층간 절연막(20) 상에 형성된 포토다이오드(40) 및 상부전극(50); 상기 주변회로 영역(B)의 상기 패드(31)가 노출되도록 상기 층간 절연막(20)에 형성된 패드홀(32); 상기 패드홀(32)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 형성된 더미 패드(60); 상기 포토다이오드(40) 상에 형성된 컬러필터(70); 상기 컬러필터(70) 상에 형성된 평탄화층(80); 및 상기 평탄화층(80) 상에 형성된 마이크로 렌즈(90)를 포함한다.
상기 더미 패드(60)는 상기 상부전극(50)과 동일한 높이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 더미 패드(60)는 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드(40)는 제1 도전형 전도층, 진성층 및 제2 도전형 전도층을 포함하여 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B)을 포함하는 반도체 기 판(10) 상에 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20)이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역 및 필드영역을 정의하는 소자분리막이 형성될 수 있으며, 상기 액티브 영역 상에는 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B)이 형성될 수 있다.
상기 픽셀 영역(A) 상에는 단위화소가 형성되고, 상기 주변회로 영역(B) 상에는 각 단위화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현하기 위한 주변 회로부가 형성된다.
상기 픽셀 영역(A) 상에 형성되는 단위화소에는 후술되는 포토다이오드와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터 등으로 이루어진 씨모스 회로가 형성될 수 있다.
상기 씨모스 회로가 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.
상기 금속배선(30)은 상기 층간 절연막(20)을 관통하여 복수개로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 층간 절연막(20)은 산화막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속배선(30)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 단위화소 별로 배치되어 상기 씨모스 회로와 포토다이 오드를 연결하도록 형성된다.
또한, 상기 금속배선(30)의 형성시 주변회로 영역(B)과 연결되는 패드(31)가 형성된다.
상기 포토다이오드(40)는 층간 절연막(20) 상부에 형성되어 외부에서 입사되는 빛을 받아 전기적 형태로 전환 및 보관하기 위한 것으로 실시예에서는 핀 다이오드(PIN diode)를 사용한다.
상기 핀 다이오드는 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.
포토다이오드의 성능은 외부의 빛을 받아 전기적 형태로 전환하는 효율과 총 보관 가능 전기량(charge capacitance)에 따라 결정된다. 기존의 포토다이오드는 P-N, N-P, N-P-N, P-N-P 등의 이종접합시 생성되는 공핍영역(Depletion region)에 전하를 생성 및 보관하였다.
그러나, 상기 핀 다이오드는 p형 실리콘층과 n형 실리콘층 사이에 순수한 반도체인 진성 비정질 실리콘층이 접합된 구조의 광 다이오드로서, 상기 p형과 n형 사이에 형성되는 진성 비정질 실리콘층이 모두 공핍영역이 되어 전하의 생성 및 보관에 유리하게 된다.
이와 같이 실시예에서는 포토다이오드로서 핀 다이오드를 사용하며 핀 다이오드의 구조는 P-I-N 또는 N-I-P, I-P 등의 구조로 형성될 수 있다.
특히, 실시예에서는 I-P 구조의 핀 다이오드가 사용되는 것을 예로 하며, 진 성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon)은 진성층, 상기 p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)은 도전형 전도층이라 칭하도록 한다.
상기 포토다이오드(40)를 형성하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 층간 절연막(20) 상에 제1 도전형 전도층이 형성된다.
상기 제1 도전형 전도층은 실시예에서 채용하는 P-I-N 다이오드의 N층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층은 N 타입 도전형 전도층일수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 전도층은 N 도핑된 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 전도층 상에 상에 진성층(intrinsic layer)이 형성된다. 상기 진성층은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 I층의 역할을 할 수 있다.
상기 진성층은 비정질 실리콘(intrinsic amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다.
여기서, 상기 진성층은 상기 제1 도전형 전도층의 두께 보다 약 10~1,000배 정도의 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 이는 상기 진성층의 두께가 두꺼울 수록 핀 다이오드의 공핍영역이 늘어나 많은 양의 광전하를 보관 및 생성하기에 유리하기 때문이다.
상기 진성층 상에 제2 도전형 전도층이 형성된다.
상기 제2 도전형 전도층은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 P층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 도전형 전도층은 P 타입 도전형 전도층일 수 있으 나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전형 전도층은 P 도핑된 비정질 실리콘(p-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 제1 도전형 전도층, 진성층 및 제2 도전형 전도층으로 이루어지는 포토다이오드(40)는 상기 픽셀 영역(A)의 씨모스 회로와 수직형 집적을 이루어 포토다이오드(40)의 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
상기 포토다이오드(40) 상에 상부전극(50)이 형성될 수 있다.
상기 상부전극(50)은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 층간 절연막(20)에 패드홀(32)을 형성하여 패드(31)의 상부 표면을 노출시킨다.
상기 패드홀(32)은 상기 층간 절연막(20) 상에 상기 패드(31)와 대응되는 영역의 층간 절연막(20) 상부표면을 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 그리고 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 층간 절연막(20)을 식각하면 패드홀(32)이 형성되어 상기 패드(31)가 노출된다.
상기와 같이 픽셀 영역(A) 상에는 포토다이오드(40) 및 상부전극(50)이 형성되고 상기 주변회로 영역(B)에는 패드(31)가 오픈됨으로써 상기 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B)은 단차를 가지게 된다.
상기와 같이 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B) 사이에 단차가 발생되면 후속 으로 형성되는 컬러필터(70) 및 마이크로 렌즈(90)의 형성공정이 어려워지게 된다.
따라서, 상기 포토다이오드(40) 및 상부전극(50)이 형성된 픽셀 영역(A)과 패드홀(32)이 형성된 주변회로 영역(B)에 대하여 동일한 표면 높이가 요구된다.
도 4를 참조하여, 상기 패드홀(32)이 형성된 층간 절연막(20) 상으로 더미 패드(60)를 형성한다. 예를 들어, 상기 더미 패드(60)는 산화막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 더미 패드(60)는 상기 상부전극(50)을 포함하는 반도체 기판(10) 상으로 절연막을 증착한 후 평탄화 공정을 실시한다. 그러면 상기 패드홀(32)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 더미 패드(60)가 형성된다. 예를 들어, 상기 더미 패드(60)는 CMP공정에 의하여 형성되며 상기 상부전극(50)이 식각정지막으로 사용된다.
따라서, 상기 더미 패드(60)와 상기 상부전극(50)은 동일한 높이를 가지게 되므로, 상기 포토다이오드(40)에 의하여 발생된 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B)의 단차를 제거할 수 있게 된다.
도 5를 참조하여, 상기 상부전극(50) 및 더미 패드(60) 상에 컬러필터(70)가 형성된다.
상기 컬러필터(70)는 컬러필터층을 패턴 마스크에 의하여 노광한 후 현상하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 컬러필터(70)는 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성되며, 각각의 단위화소마다 하나의 컬러필터(70)가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.
이러한 컬러필터(70)는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어져 인접한 컬러필터들은 서로 약간씩 오버랩되어 단차를 가지게 된다.
이를 보완하기 위한 평탄화층(80)이 상기 컬러필터(70) 상에 형성된다.
후속공정으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하며, 이를 위해서는 상기 컬러필터(70)로 인한 단차를 없애야 하므로, 상기 컬러필터(70) 상에 평탄화층(80)이 형성된다.
상기 평탄화층(80) 상으로 마이크로 렌즈(90)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(90)는 상기 컬러필터(70)의 상부로 마이크로렌즈용 포토레지스트막(미도시)을 스핀 공정등을 통해 형성한다. 그리고 상기 포토레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상한 후 리플로우 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(90)는 상기 더미 패드(60)에 의하여 평탄화된 표면 상에 형성되어 있으므로 공정이 용이해지고, 또한 상기 마이크로 렌즈(90)의 형태를 원하는 형태로 형성할 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 픽셀 영역(A) 상의 마이크로 렌즈(90)를 가리는 포토레지스트 패턴(100)이 형성된다.
상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각 마스크로 하여 상기 주변회로 영역(B)의 마이크로 렌즈(90), 평탄화층(80) 및 컬러필터(70)를 제거하여 상기 더미 패드(60)를 노출시킨다.
도 7을 참조하여, 상기 포토레지스트 패턴(200)을 식각 마스크로 하여 더미 패드(60)를 제거한다. 예를 들어, 상기 더미 패드(60)의 제거는 건식식각 또는 습식식각으로 제거할 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 더미 패드(60)가 제거되면 상기 패드홀(32)이 개방되어 상기 패드(31)의 표면이 노출된다.
상기와 같이 포토다이오드(40) 및 상부전극(50) 형성에 의하여 상기 픽셀 영역(A)과 주변회로 영역(B) 상에 발생된 단차를 더미 패드(60)에 의하여 제거함으로써, 컬러필터(70) 및 마이크로 렌즈(90) 형성 공정이 용이하게 진행될 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(90)가 평탄화된 표면 상에 형성되므로 형태의 변형이 발생되지 않는다.
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 가진자에게 있어 명백할 것이다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 트랜지스터 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, 상기 포토다이오드 형성에 의하여 발생된 픽셀 영역과 주변회로 영역의 단차를 더미패드에 의하여 제거함으로써 마이크로 렌즈 형성공정이 용이해진다.
Claims (9)
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- 반도체 기판 상에 픽셀 영역 및 주변회로 영역을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 픽셀 영역의 층간 절연막 상에 포토다이오드 및 상부전극을 형성하는 단계;상기 주변회로 영역의 상기 패드가 노출되도록 상기 층간 절연막에 패드홀을 형성하는 단계;상기 패드홀을 포함하는 상기 주변회로 영역의 층간 절연막 상에 더미 패드를 형성하는 단계;상기 상부전극 상에 컬러필터를 형성하는 단계;상기 컬러필터 상에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 더미패드를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 더미 패드를 형성하는 단계는;상기 층간 절연막의 패드홀 상으로 산화막 증착하는 단계; 및상기 산화막을 평탄화하여 상기 상부전극과 동일한 높이로 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 산화막의 평탄화 공정은 CMP 방법으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 포토다이오드를 형성하는 단계는;상기 금속배선을 포함하는 층간 절연막 상으로 제1 도전형 전도층을 형성하는 단계;상기 제1 도전형 전도층 상으로 진성층을 형성하는 단계;상기 진성층 상으로 제2 도전형 전도층을 형성하는 단계; 및상기 주변회로 영역 상에 형성된 상기 제1 도전형 전도층, 진성층 및 제2 도전형 전도층을 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 픽셀 영역에 상기 컬러필터, 평탄화층 및 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,상기 상부전극 및 더미 패드를 포함하는 층간 절연막 상에 컬러필터 및 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 픽셀 영역에 대응하는 상기 마이크로 렌즈를 가리는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 픽셀 영역을 제외한 나머지 영역의 마이크로 렌즈, 평탄화층 및 컬러필터를 식각하여 상기 더미 패드를 노출시키는 단계; 및상기 더미 패드를 제거하여 상기 패드홀을 노출시키는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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