KR100907156B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 포토다이오드를 노출시키도록 상기 반도체 기판 상에 배치된 보호층 패턴 패턴; 상기 보호층 패턴 상에 배치되고 상기 포토다이오드를 노출시키도록 트랜치를 가지는 절연층 패턴; 및 상기 트랜치 내부에 배치된 웨이브 가이드를 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 절연층
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)를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서에서 디자인 룰이 점차 감소됨에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 감소하여 광감도가 감소될 수 있다. 이러한 광감도를 높여주기 위하여 컬러필터 상에 마이크로 렌즈가 형성된다.
그러나, 상기 마이크로렌즈에서 포토다이오드까지의 광경로에 존재하는 배선등의 추가구조로 인하여 빛의 회절 및 산란등에 의하여 광감도가 감소될 수 있다.
실시예에서는 포토다이오드의 집광율을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 포토다이오드를 노출시키도록 상기 반도체 기판 상에 배치된 보호층 패턴 패턴; 상기 보호층 패턴 상에 배치되고 상기 포토다이오드를 노출시키도록 트랜치를 가지는 절연층 패턴; 및 상기 트랜치 내부에 배치된 웨이브 가이드를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 상기 포토다이오드를 노출시키는 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드의 표면을 노출시키도록 트랜치를 가지는 보호층 패턴 및 절연층 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 트랜치 내부에 웨이브 가이드를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 포토다이오드 상부에 층간 절연막 보다 높은 굴절률을 가지는 웨이브 가이드가 형성되어 광 감지율을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세 히 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 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5를 참조하여, 상기 반도체 기판(10)에는 단위화소 별로 포토다이오드(20)가 배치되어 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 상기 포토다이오드(20)를 노출시키도록 하부 트랜치(35)를 가지는 보호층 패턴(31)이 배치되어 있다. 예를 들어, 상기 보호층 패턴(31)은 질화막으로 형성될 수 있다.
상기 보호층 패턴(31) 상에는 상기 포토다이오드(20)를 노출시키도록 상부 트랜치(45)를 가지는 절연층 패턴(41)이 배치되어 있다. 상기 상부 트랜치(45)는 상기 하부 트랜치(35)와 동일한 너비로 형성되어 상기 포토다이오드(20)를 노출시킬 수 있다.
상기 절연층 패턴(41)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층 패턴(41)은 SiO2, SiH4, TEOS, BPSG, USG, FSG와 같은 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 절연층 패턴(41)의 내부에는 상기 포토다이오드(20)를 가리지 않도록 복수개의 금속배선(M1,M2,M3)이 형성되어 있다.
상기 하부 트랜치(35) 및 상부 트랜치(45)의 내부에는 웨이브 가이드(50)가 배치되어 있다. 상기 웨이브 가이드(50)는 상기 절연층 패턴(41) 및 보호층 패턴(31)보다 굴절률이 높은 물질로 형성되어 상기 포토다이오드(20)로 광을 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 웨이브 가이드(50)는 SOG(Spin On Glass) 또는 HSQ(hydrogen-silsesquioxane)로 형성될 수 있다.
상기 웨이브 가이드(50) 및 절연층 패턴(41)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 컬러필터(60) 및 마이크로 렌즈(70)가 단위화소 별로 배치되어 있다.
실시예에 따른 이미지 센서에 의하면, 포토다이오드의 상부에 층간 절연막 보다 높은 굴절률을 가지는 웨이브 가이드가 위치되어 포토다이오드의 집광율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 웨이브 가이드는 단위화소 별로 배치되어 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 상기 웨이브 가이드 상에 마이크로 렌즈가 배치되어 집광율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 포토다이오드(20)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 보호층(30)이 형성된다.
상기 포토다이오드(20)는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 것으로 상기 반도체 기판(10)에 단위화소 별로 형성되어 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에는 상기 포토다이오드(20)에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜지스터(미도시)가 단위화소 별로 형성될 수 있다.
상기 보호층(30)은 상기 포토다이오드(20)의 표면을 보호하기 위한 것으로 예를 들어, 질화막으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 보호층(30) 상에 금속배선(M1,M2,M3)을 포함하는 절연층(40)이 형성된다.
상기 절연층(40)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(40)은 SiO2, SiH4, TEOS, BPSG, USG, FSG와 같은 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(M1,M2,M3)은 상기 절연층(40)을 관통하여 복수의 개로 형성될 수 있다. 상기 금속배선(M1,M2,M3)은 상기 포토다이오드(20)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다. 따라서, 상기 포토다이오드(20) 상부 영역은 상기 절연층(40)이 위치될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 반도체 기판(10) 상에 상부 트랜치(45)를 가지는 절연층 패턴(41)이 형성된다. 상기 절연층 패턴(41)은 상기 포토다이오드(20)에 대응하는 상기 보호층(30)의 표면은 상기 상부 트랜치(45)에 의하여 노출시키고 나머지 영역은 가릴 수 있다.
상기 절연층 패턴(41)을 형성하기 위해서는 상기 절연층(40) 상에 상기 포토다이오드(20)에 대응하는 상기 절연층(40)의 표면을 노출시키는 포토레지스트 패 턴(100)을 형성한다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각 마스크로 상기 절연층(40)에 대한 식각 공정을 진행한다. 구체적으로 상기 절연층(40)에 대한 식각은 반응성 이온 식각(Reactive ion etching)공정을 이용하여 이방성 식각을 할 수 있다.
그러면, 상기 포토다이오드(20)에 대응하는 상기 보호층(30) 상에는 상부 트랜치(45)가 형성되고 나머지 영역에는 절연층 패턴(41)이 남아있게 된다. 특히, 상기 절연층(40)에 대한 식각 공정시 상기 포토다이오드(20) 상부에는 질화막으로 형성된 보호층(30)이 형성되어 있으므로 상기 포토다이오드(20)는 플라즈마에 의한 식각 데미지를 피할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 포토다이오드(20)의 표면을 노출시키는 보호층 패턴(31)이 형성된다. 상기 보호층 패턴(31)은 상기 포토다이오드(20)를 노출시키는 하부 트랜치(35)를 포함한다.
상기 보호층 패턴(31)을 형성하기 위해서는 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각 마스크로 상기 보호층(30)에 대한 식각 공정을 진행한다. 구체적으로 상기 보호층(30)에 대한 식각 공정은 화학적 건식 식각 공정(Chmical dry etching)을 이용하여 등방성 식각을 할 수 있다. 상기 화학적 건식 식각 공정은 CxFy계 가스의 하나인 CF4 가스 및 마이크로 웨이브(u-wave)를 이용하여 100~1000 mT 압력 하에서 식각 공정을 진행하는 것이다. 따라서, 상기 보호층(30)에 대한 화학적 건식 식각 공정을 진행하면 플라즈마가 발생되지 않으므로 상기 포토다이오드(20)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 제거하면 상기 반도체 기판(10) 상에는 포토다이오드(20)를 노출시키는 보호층 패턴(31) 및 절연층 패턴(41)이 남아있게 된다.
도 4를 참조하여, 상기 상부 트랜치(45) 및 하부 트랜치(35)의 내부에 웨이브 가이드(50)가 형성된다. 상기 웨이브 가이드(50)는 상기 포토다이오드(20)로 빛을 집광시킬 수 있다.
상기 웨이브 가이드(50)는 상기 상부 트랜치(45) 및 하부 트랜치(35)의 내부에 상기 절연층 패턴(41)보다 굴절률이 높은 물질을 채움으로써 형성될 수 있다. 즉, 상기 웨이브 가이드(50)는 상기 상부 트랜치(45) 및 하부 트랜치(35) 내부에 SOG(Spin On Glass) 또는 HSQ(hydrogen-silsesquioxane)와 같은 물질을 채워 형성될 수 있다.
상기 웨이브 가이드(50)는 상기 상부 트랜치(45) 및 하부 트랜치(35)를 통해 상기 포토다이오드(20) 상부에 형성된다. 따라서, 입사광은 상기 웨이브 가이드(50)에 의하여 상기 포토다이오드(20)로 집광될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 웨이브 가이드(50) 및 절연층 패턴(41)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 컬러필터(60) 및 마이크로 렌즈(70)가 형성된다.
상기 컬러필터(60)는 단위화소 마다 각각 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낼 수 있다. 예를 들어, 상기 컬러필터(60)는 각각의 단위화소 마다 레드, 그린 및 블루 컬러필터가 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(60)는 감광물질 및 안료 또는 감광물질 및 염료를 포함하는 컬러필터용 물질을 스핀 코팅 공정등을 통해 형성한다. 이어서, 상기 컬러필터용 물질을 패턴 마스크에 의하여 노광 및 현상하여 컬러필터(60)를 형성한다.
상기 마이크로 렌즈(70)는 단위화소 마다 하나씩 형성되어 하부에 배치된 포토다이오드(20)로 광을 집광할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(70)는 광투과도가 높은 실리콘 산화막 또는 감광성 포토레지스트를 도포한 후 패터닝 공정을 수행한다. 그러면, 단위화소 별로 배치된 상기 포토다이오드(20)에 대응하도록 렌즈 패턴이 형성된다. 그리고 상기 렌즈 패턴에 대한 리플로우 공정(reflow)을 하면 돔(Dome) 형태의 마이크로 렌즈(70)가 단위화소 별로 형성된다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 포토다이오드에 대응하도록 절연층의 내부에 웨이브 가이드가 형성되어 상기 포토다이오드의 집광율을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 포토다이오드의 상부 영역에 웨이브 가이드가 형성되어 절연층에 의한 빛의 회절 및 산란을 방지하고 포토다이오드로 광을 집광시킬 수 있다.
또한, 상기 웨이브 가이드는 단위화소 별로 형성된 포토다이오드 상부에 형성되어 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 상기 웨이브 가이드의 상부에는 마이크로 렌즈가 형성되어 입사광은 마이크로 렌즈 및 웨이브 가이드를 통해 이중으로 포토다이오드로 모아지므로 필팩터를 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아 니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센세의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (10)
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- 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계;상기 보호층 상에 절연층을 형성하는 단계;상기 포토다이오드에 대응하는 상기 절연층이 노출되도록 상기 절연층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 절연층을 식각하여 상기 포토다이오드에 대응하는 상기 보호층을 노출시키는 상부 트랜치를 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 보호층을 식각하여 상기 포토다이오드를 노출시키는 하부 트랜치를 형성하는 단계; 및상기 상부 및 하부 트랜치 내부에 상기 보호층 및 절연층보다 굴절률이 높은 물질을 채워서 웨이브 가이드를 형성하는 단계를 포함하고,상기 상부 트랜치는 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하는 반응성 이온식각(Reactive ion etching) 공정에 의하여 형성되고,상기 하부 트랜치는 마이크로 웨이브(u-wave)에 의한 100~1000mT의 압력 및 CF4 가스를 이용하는 화학적 건식 식각 공정(Chmical dry etching)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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- 제5항에 있어서,상기 보호층은 질화막으로 형성되고, 상기 절연층은 산화막으로 형성되고, 상기 웨이브 가이드는 SOG(Spin On Glass) 또는 HSQ(hydrogen-silsesquioxane)으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 웨이브 가이드를 포함하는 절연층 패턴 상에 마이크로 렌즈가 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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