KR100900682B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 기판상에 형성된 포토다이오드; 상기 기판상에 형성된 금속배선; 상기 포토다이오드 상측이 선택적으로 제거된 리세스구조(recess structure)를 포함하면서, 상기 금속배선 상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 상에 형성된 클래드층; 및 상기 클래드층 상에 형성된 코어층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 씨모스 이미지센서, 크로스토크

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
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)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
CMOS 이미지센서는 픽셀사이즈(Pixel Size)가 작아지고, 다층배선(Multilayer Metal)을 사용하면서 광 스캐터링(Optical Scattering)에 의한 크로 스토크(Crosstalk) 및 센서티버티(Sensitivity)의 저하가 문제가 되고 있다.
크로스토크(Crosstalk)는 이미지래깅(image lagging)현상을 유발하는 원인 되며, 또한 센서티버티(Sensitivity)의 저하는 저조도 특성에 문제를 야기한다. 크로스토크(Crosstalk)란 빛이 회절 및 간섭, 포커싱(focusing)과 같은 문제로 인해 인접 픽셀(Pixel)에 영향을 주는 현상을 말한다.
실시예는 크로스토크(Crosstalk) 현상을 개선할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 센서티버티(Sensitivity)를 증대할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판상에 형성된 포토다이오드; 상기 기판상에 형성된 금속배선; 상기 포토다이오드 상측이 선택적으로 제거된 리세스구조(recess structure)를 포함하면서, 상기 금속배선 상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 상에 형성된 클래드층; 및 상기 클래드층 상에 형성된 코어층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판상에 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상의 상기 층간절연층을 선택적으로 제거하여 리세스구조(recess structure)를 형성하는 단계; 상기 리세스구조의 층간 절연층 상에 클래드층을 형성하는 단계; 상기 클래드층 상에 코어층을 형성하는 단계; 및 상기 코어층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 실시예에 의하면 클래드층과 코어층을 형성하여 광의 전반사가 일어나도록 하여 크로스토크(Crosstalk) 현상을 개선하고, 센서티버티(Sensitivity)를 증대할 수 있으며, 또한 실시예에 의하면 클래드층과 코어층을 형성하여 포토(Photo) 및 에치(Etch) 공정 추가 없이 픽셀(Pixel) 간 광학적 분리(Isolation) 효과 획득할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
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.
실시 예의 설명에 있어서 씨모스이미지센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 마이크로렌즈를 채용하는 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판(110)상에 형성된 포토다이오드(120); 상기 기판(110)상에 형성된 금속배선(160); 상기 포토다이오드(120) 상측이 선택적으로 제거된 리세스구조(recess structure)를 포함하면서, 상기 금속배선(160) 상에 형성된 층간절연층(150); 상기 층간절연층(150) 상에 형성된 클래드층(Clad layer)(170); 및 상기 클래드층(170) 상에 형성된 코어층(Core layer)(180);을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서에 의하면 클래드층(170)과 코어층(180)을 형성하여 광의 전반사가 일어나도록 하여 크로스토크(Crosstalk) 현상을 개선할 수 있고, 또한, 실시예에 의하면 클래드층과 코어층을 형성하여 광의 전반사가 일어나도록 하여 센서티버티(Sensitivity)를 증대할 수 있다.
상기 클래드층(170)은 상기 리세스구조의 층간절연층 표면을 따라 형성될 수 있으며, 상기 코어층(180)은 상기 리세스구조(R)(도 2 참조)를 메우도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 코어층(180)의 귤절률은 상기 클래드층(170)의 굴절률 보다 더 크도록 함으로써 코어층(180)에 입사된 빛이 코어층(180)과 클래드층(170)의 경계면에서 전반사가 일어나도록 하여 크로스토크(Crosstalk) 현상을 개선할 수 있고, 센서티버티(Sensitivity)를 증대할 수 있다.
상기 기판(110)에는 소자분리막(130), 트랜지스터(140), 컬러필터층(190), 마이크로렌즈(195) 등이 더 형성되어 있을 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2와 같이 기판(110)상에 포토다이오드(120)를 형성한다. 상기 기 판(110)은 소자분리막(130)에 의해 액티브영역이 정의될 수 있다. 상기 소자분리막(130)은 얕은 소자분리막(Shallow Trench Isolation: STI) 또는 로코스(LOCOS) 등으로 형성할 수 있다.
또한, 실시예는 상기 기판(110)에 트랜지스터(140) 더 형성될 수 있다. 실시예는 트랜지스터의 개수에 따라 1Tr형, 2Tr형, 3Tr형, 4Tr형, 5Tr형 등에 적용이 가능하다. 예를 들어, 3Tr형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터(리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트랜지스터)로 구성되며, 4Tr형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터(트랜스퍼트랜지스터, 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트랜지스터)로 구성된다.
다음으로, 상기 포토다이오드(120)가 형성된 기판(110)상에 금속배선(160)을 형성한다. 상기 금속배선(160)은 다층금속배선일 수 있다.
다음으로, 상기 금속배선(160) 상에 층간절연층(150)을 형성한다.
상기 층간절연층(150)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연층을 형성한 후에 포토다이오드(120) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간절연층을 형성할 수도 있다.
이후, 상기 층간절연층(150)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(미도시)을 더 형성할 수 있다.
그 다음으로, 상기 포토다이오드(120) 상의 상기 층간절연층(150)을 선택적으로 제거하여 리세스구조(recess structure)(R)를 형성한다.
그 다음으로, 도 3과 같이 상기 리세스구조(R)의 층간절연층(150) 상에 클 래드층(170)을 형성한다.
상기 클래드층(170)을 형성하는 단계는 상기 클래드층(170)을 상기 리세스구조(R)의 층간절연층(150) 표면을 따라 형성할 수 있다.
상기 클래드층(170)은 광섬유재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 클래드층(170)은 SiO2 등과 같은 산화막일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그 다음으로, 도 4와 같이 상기 클래드층(170) 상에 코어층(180)을 형성한다.
상기 코어층(180)을 형성하는 단계는 상기 리세스구조(R)를 메우도록 형성할 수 있다.
상기 코어층(180)은 광섬유재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 코어층(180)은 SiO2 등과 같은 산화막일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 코어층(180)의 귤절률은 상기 클래드층(170)의 굴절률보다 더 클 수 있다.
상기 코어층(180)은 상기 클래드층(170) 보다 불순물의 농도가 높음으로써 더 귤절률이 클 수 있다.
예를 들어, 상기 코어층(180)을 형성할 때 상기 클래드층(170) 형성의 공정온도 보다 온도를 더 낮게 하여 불순물의 농도를 높일 수 있다.
실시예는 리세스(Recess) 구조 측면의 빛 손실과 크로스토크(crosstalk)를 막기 위해 광섬유 구조로 리세스(Recess) 구조를 형성할 수 있다.
광섬유는 빛을 통과하는 핵심 부분인 코어층(180)의 굴절률보다 빛이 밖으로 나가지 못하게 하는 차단층인 클래드층(170)의 굴절률을 작게 하여 코어층(180)에 입사된 빛이 굴절률이 다른 코어층(180)과 클래드층(170)의 경계면에서 전반사가 일어나도록 구성할 수 있다.
실시예에서 광섬유의 재료로 코어층(180)과 클래드층(170) 에 SiO2 등과 같은 산화막(Oxide)을 이용하는 경우 기존의 반도체 IMD 제조 공정으로 쉽게 구현 가능하다.
리세스(Recess) 구조의 측면에 좀더 순수한(Pure) 한 산화막(Oxide Film)을 추가하여 클래드층(Clad layer)(170) 역할을 하게 하고 리세스(Recess) 부분을 채우고 있는 노말 산화막(Normal Oxide)이 코어층(Core layer)(180) 역할을 하게 하여 그 경계면에서 전반사가 일어나는 조건을 만들어 준다.
빛이 측면으로 빠져 나가 유발되는 센서티버티(sensitivity) 저하와 빠져나간 빛이 주변의 픽셀(Pixel)에 영향을 주어 발생하는 크로스토크(crosstalk)를 줄여주는 역할을 한다.
다음으로, 상기 코어층(180)을 평탄화하는 단계를 더 진행할 수 있다.
한편, 코어층(180)과 포토다이오드(120) 사이에 존재하는 클래드층(170)에는 전반사를 일으킬 수 없는 각도로 빛이 입사되므로 이 부분을 제거하기 위한 추가적인 식각공정 등은 반드시 필요한 것은 아니다.
다만, 코어층(180)과 포토다이오드(120) 사이에 존재하는 클래드층(170)을 제거하기 위한 식각공정이 더 진행될 수도 있다.
또한, 리세스 구조 외의 금속배선(160) 상측에 존재하는 클래드층(170)을 제거하기 위한 식각공정도 더 진행될 수도 있다.
그 다음으로, 도 5와 같이 상기 코어층(180) 상에 컬러필터층(190)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 코어층(180) 상에 가염성레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R, G, B의 컬러필터층(190)을 형성할 수 있다.
이후, 상기 컬러필터층(190)상에 초점거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도확보 등을 위하여 평탄화층(PL:planarization layer)(미도시)을 더 형성할 수 있다.
이후, 상기 평탄화층 상에 집광을 위한 마이크로렌즈를 더 형성할 수 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 클래드층과 코어층을 형성하여 광의 전반사가 일어나도록 하여 크로스토크(Crosstalk) 현상을 개선할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 클래드층과 코어층을 형성하여 광의 전반사가 일어나도록 하여 센서티버티(Sensitivity)를 증대할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 클래드층과 코어층을 형성하여 포토(Photo) 및 에 치(Etch) 공정 추가 없이 픽셀(Pixel) 간 광학적 분리(Isolation) 효과 획득할 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판상에 형성된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드와 전기적으로 연결되면서 상기 기판상에 형성된 금속배선;
    상기 포토다이오드 상측이 선택적으로 제거된 리세스구조(recess structure)를 포함하면서, 상기 금속배선 상에 형성된 층간절연층;
    상기 리세스구조의 층간절연층 표면을 따라 형성된 클래드층; 및
    상기 리세스구조를 메우도록 상기 클래드층 상에 형성된 코어층;을 포함하며,
    상기 리세스구조는 양측 하측에 모서리를 가진 트렌치 형태이고,
    상기 클래드층과 상기 코어층은 각각 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 코어층의 귤절률은 상기 클래드층의 굴절률 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 클래드층 보다 불순물의 농도가 높은 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  6. 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드와 전기적으로 연결되도록 상기 기판상에 금속배선을 형성하는 단계;
    상기 금속배선 상에 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드 상의 상기 층간절연층을 선택적으로 제거하여 리세스구조(recess structure)를 형성하는 단계;
    상기 리세스구조의 층간절연층 표면을 따라 클래드층을 형성하는 단계; 및
    상기 리세스구조를 메우도록 상기 클래드층 상에 코어층을 형성하는 단계; 및
    상기 코어층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 리세스구조는 양측 하측에 모서리를 가진 트렌치 형태이고,
    상기 클래드층과 상기 코어층은 각각 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 코어층의 귤절률은 상기 클래드층의 굴절률 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 클래드층 보다 불순물의 농도가 높은 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 클래드층의 형성의 공정온도 보다 공정온도가 낮은 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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