KR101087997B1 - 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입사광의 진행 경로로써 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 상부에 별도의 배선층을 형성함으로써 식각에 의해 광도파관을 형성할 때 식각의 균일성을 확보하고 식각 공정에서의 플라즈마 이온에 의한 암 전류 발생을 방지할 수 있는 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 포토다이오드의 상부에 배선층을 형성하여 광도파관을 형성하는 과정에서 식각 정지층으로 사용함으로써 식각 깊이의 불균일성이 해소되고 이로 인해 포토다이오드의 이미지 특성이 향상되는 효과가 있으며, 또한 식각 공정에 사용되는 플라즈마화된 이온이 배선층을 통해 반도체 기판으로 배출되도록 하여 포토다이오드의 결함을 유발하는 소스의 유입을 차단함으로서 암 전류를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이미지센서, 광도파관, 배선층, 암전류,
Description
본 발명은 입사광의 진행 경로로써 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 상부에 별도의 배선층을 형성함으로써 식각에 의해 광도파관을 형성할 때 식각의 균일성을 확보하고 식각 공정에서의 플라즈마 이온에 의한 암 전류의 발생을 방지할 수 있는 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서는 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device : CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
이 중 시모스 이미지센서는 시모스 제조기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서 화소수 만큼의 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다.
시모스 이미지센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고있는 CCD 이미지센서에 비해 구동방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며 신호처리 회 로를 단일칩에 집적할 수 있어서 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 시모스기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점이 있다.
이러한 시모스 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 시모스 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, 이미지센서의 광감도를 높이기 위해, 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 fill factor라 한다.)을 크게 하는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 그 비율을 크게 하는 데에는 근본적인 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꾸어서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였으며 그 대표적인 것이 마이크로렌즈 형성기술과 광도파관을 이용하는 기술이다.
그러나 마이크로렌즈를 통해 빛을 집광시킨다 하여도 최근 들어 집적되는 화소수가 증가하면서 마이크로렌즈와 그 하단에 배치된 포토다이오드의 거리가 점점 더 증가되어 포토다이오드에 초점이 형성되지 못해서 마이크로렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드에 효과적으로 전달되지 못하는 문제가 있다.
한편 입사광의 진행 경로에 광도파관을 구비하여 포토다이오드로 입사되는 광이 광도파관을 통과하도록 함으로써 입사광의 손실을 최소화하고 인접한 픽셀과의 크로스토크를 억제하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서를 도시한 단면도 이다.
도 1을 참고하면 종래 기술에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서는 포토다이오드(11)의 상부에 형성된 층간절연막(16)이 식각되어 광도파관(19)이 형성되어 있음을 알 수 있다.
그러나 상기한 광도파관을 구비하는 이미지센서의 경우 광도파관을 형성할 때 식각되는 층간절연막(16)의 량이 상당히 많고, 식각을 해야 하는 깊이가 매우 깊기 때문에 식각의 균일성을 확보할 수 없으며 이러한 불균일성은 포토다이오드(11)의 불균일성으로 나타나 이미지센서의 특성을 저하시키는 문제가 있었다.
또한 광도파관을 형성하기 위한 식각과정에 소요되는 플라즈마 이온의 량이 증가되고, 이러한 플라즈마화된 이온의 일부가 포토다이오드(11)로 유입되어 포토다이오드의 결함을 유발하는 소스로 작용하여 이미지센서의 전체 특성을 저하시키는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 포토다이오드의 상부에 배선층을 형성하여 광도파관을 형성하는 과정에서 식각 정지층으로 사용함으로써 식각 깊이의 불균일성을 해소하고, 식각 공정에서 발생하는 플라즈마화된 이온을 배선층을 통해 반도체 기판으로 배출함으로써 포토다이오드로의 유입을 차단하여 암 전류를 감소시킬 수 있는 광도파관을 구비한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지센서는, 포토다이오드 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 반사방지막, 상기 반사방지막의 상부에 형성된 절연층, 상기 절연층의 상부에 형성되고 상기 반도체 기판에 연결된 배선층, 상기 배선층의 상부에 적층된 적어도 하나의 층간절연막 및 상기 포토다이오드의 수직 상부에 형성된 상기 배선층 및 상기 층간절연막을 관통하여 상기 절연층에 연결된 광도파관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지센서의 제조방법은, (a) 포토다이오드 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판의 상부에 반사방지막을 형성하는 단계, (b) 상기 반사방지막의 상부에 절연층을 형성하는 단계, (c) 상기 절연층의 상부에 배선층을 형성하는 단계, (d) 상기 배선층의 상부에 적어도 하나의 층간절연막을 형성하는 단계, (e) 상기 포토다이오드의 수직 상부에 광도파관을 형성하기 위해 상기 배선층이 노출될 때까지 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하는 단계 및 (f) 상기 포토다이오드의 수직 상부에 형성된 상기 절연층이 노출될 때까지 상기 (e)단계에서 노출된 상기 배선층을 선택적으로 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 포토다이오드의 상부에 배선층을 형성하여 광도파관을 형성하는 과정에서 식각 정 지층으로 사용함으로써 식각 깊이의 불균일성이 해소되고 이로 인해 포토다이오드의 이미지 특성이 향상되는 효과가 있다.
또한 식각 공정에 사용되는 플라즈마화된 이온이 배선층을 통해 반도체 기판으로 배출되도록 하여 포토다이오드의 결함을 유발하는 소스의 유입을 차단함으로서 암 전류를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 2를 참고하면 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지센서(200)는 반도체 기판(20), 반사방지막(22), 절연층(22-1), 배선층(25), 층간절연막(26) 및 광도파관(29)을 구비한다.
상기 반도체 기판(20)에는 포토다이오드(21) 및 주변회로 영역이 형성된다. 상기 반도체 기판(20)에 형성된 포토다이오드(21) 및 주변회로 영역은 일반적인 시모스 이미지센서와 동일한 것으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 반사방지막(22)은 상기 반도체 기판(20)의 상부에 형성되고, 상기 반사방지막(22)의 상부에 절연층(22-1)이 형성되며, 상기 절연층(22-1)의 상부에 배선층(25)이 형성된다. 상기 배선층(25)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 실리콘 나이트라이드(SiN) 등의 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 배선층(25)은 상기 반도체 기판(20)에 형성된 웰(24)에 연결된다. 이때 상기 웰(24)은 상기 반도체 기판이 P형 기판인 경우 N+/P 접합에 의해 형성되고, 상기 반도체 기판이 N형 기판인 경우 P+/N 접합에 의해 형성된다.
상기 배선층(25)의 상부에는 적어도 하나의 층간절연막(26)이 적층되고 최상층의 층간절연막의 상부에는 패시베이션층(27)을 더 형성하는 것이 바람직하다. 상기 배선층(25), 층간절연막(26) 및 패시베이션층(27)을 관통하여, 상기 포토다이오드(21)의 수직 상부에 형성된 상기 절연층(22-1) 부분까지 광도파관(29)이 연결된다.
상기 광도파관이 관통된 패시베이션층(27)의 상부에는 컬러필터를 형성하고 상기 칼라필터의 상부에는 마이크로렌즈(28)를 구비함으로써 집광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서는 마이크로렌즈(28) 및 각각의 칼라필터를 투과한 빛이 광도파관(29)으로 입사된 후 광도파관 내에 구비된 물질에 의해 광도파관 내에서 전반사되어 입사광의 손실을 최소화된 상태로 포토다이오드로 전송된다.
한편, 상기 배선층(25)이 상기 웰(24)에 연결됨으로써 광도파관(29)을 형성하는 과정에서 발생된 다량의 플라즈마화된 이온이 포토다이오드(21)로 유입되지 않고 상기 웰(24)을 통해 상기 반도체 기판(20)으로 배출됨으로서 포토다이오드의 특성이 향상되는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 레이아웃을 나타 내는 평면도이다.
도 3을 참고하면 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서는 포토다이오드의 상부영역에 광도파관(29)의 개구부를 포함하는 배선층(25)이 형성되어 있으며 상기 배선층(25)이 반도체 기판에 형성된 하부 N+/P형 웰 또는 P+/N형 웰에 연결되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 제조방법은 반사방지막 형성단계(S410), 절연층 형성단계(S420), 배선층 형성단계(S430), 층간절연막 형성단계(S440), 층간절연막 식각단계(S450) 및 배선층 식각단계(S460)를 구비한다.
상기 반사방지막 형성단계(S410)에서는 포토다이오드(21) 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판(20)의 상부에 반사방지막(22)을 형성한다. 이후 절연을 위해 상기 반사방지막(22)의 상부에 절연층(22-1)을 형성한다(S420).
상기 배선층 형성단계(S430)에서는 상기 절연층(22-1)의 상부에 배선층(25)을 형성한다. 한편, 상기 배선층(25)을 상기 반도체 기판(20)에 형성된 웰(24)에 연결함으로써 광도파관(29)을 형성하는 과정에서 발생된 다량의 플라즈마화된 이온이 포토다이오드(21)로 유입되지 않고 상기 웰(24)을 통해 상기 반도체 기판(20)으로 배출되도록 한다.
상기 층간절연막 형성단계(S440)에서는 상기 배선층(25)의 상부에 적어도 하 나의 층간절연막(26)을 형성한다. 이때 최상층의 층간절연막(26)의 상부에 패시베이션층(27)을 더 형성하는 것이 바람직하다.
층간절연막 식각단계(S450)에서는 상기 포토다이오드(21)의 수직 상부에 광도파관(29)을 형성하기 위해 상기 배선층(25)이 노출될 때까지 상기 층간절연막(26) 및 패시베이션층(27)을 선택적으로 식각한다.
이후 포토다이오드(21)의 수직 상부에 형성된 상기 절연층(22-1)이 노출될 때까지 상기 층간절연막 식각단계(S450)에서 노출된 상기 배선층(25)을 선택적으로 식각하는 배선층 식각단계(S460)를 수행한다.
상기 광도파관(29)의 개구부가 형성된 상기 패시베이션층(27)의 상부에 칼라필터 및 마이크로렌즈(28)를 형성하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 필요에 따라 상기 배선층 식각단계(S460)에서 노출된 상기 절연층(22-1)의 일부를 선택적으로 식각함으로써 포토다이오드에 입사되는 광의 손실을 더욱 줄일 수 있다.
본원 발명의 핵심적인 아이디어는 광도파관을 형성하기 전에 N+/P형 또는 P+/N형의 웰에 연결된 배선층을 포토다이오드의 상부에 미리 형성시켜 광도파관을 개구하는 과정에서 발생되는 플라즈마화된 이온(plasma charged ion)을 N+/P형 또는 P+/N형의 웰을 통해 반도체 기판으로 배출시킴으로써 플라즈마 이온이 포토다이오드로 유입되는 것을 차단하는 데에 있다.
또한 포토다이오드 상부에 미리 형성된 배선층이 광도파관을 개구하는 과정에서 식각 정지층(etch stopping layer)으로 작용하여 포토다이오드 상부에 형성된 광도파관의 개구 깊이를 균일하게 식각할 수 있다. 이후 식각 정지층으로 사용된 배선층을 식각하여 개구하게 되면 광도파관 형성을 위한 개구과정이 완료된다.
즉, 광도파관의 형성을 위해 배선층이 노출될 때 까지 식각을 통해 층간절연막에 대한 개구 작업 후 식각 정지층(etch stopping layer)으로 사용된 배선층을 개구하면 광도파관에 대한 개구가 완료된다.
도 5는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 제조공정 중 플라즈마 이온이 배선층을 통해 반도체 기판으로 빠져나가는 것을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면 광도파관을 개구하는 과정에서 발생되는 플라즈마화된 이온(plasma charged ion)이 포토다이오드(31)로 유입되지 아니하고 N+/P형 또는 P+/N형의 웰(34)을 통해 반도체 기판(30)으로 배출되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 종래 기술에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 광도파관을 구비하는 이미지 센서의 제조공정 중 플라즈마 이온이 배선층을 통해 반도체 기판으로 빠져나가는 것을 설명하는 도면이다.
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- 광도파관을 구비하는 이미지센서의 제조방법에 있어서,(a) 포토다이오드 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판의 상부에 반사방지막을 형성하는 단계;(b) 상기 반사방지막의 상부에 절연층을 형성하는 단계;(c) 상기 절연층의 상부에 배선층을 형성하는 단계;(d) 상기 배선층의 상부에 적어도 하나의 층간절연막을 형성하는 단계; 및(e) 상기 포토다이오드의 수직 상부에 광도파관을 형성하기 위해 상기 배선층이 노출될 때까지 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하는 단계; 및(f) 상기 포토다이오드의 수직 상부에 형성된 상기 절연층이 노출될 때까지 상기 (e)단계에서 노출된 상기 배선층을 선택적으로 식각하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (c)단계는(c1) 상기 배선층을 상기 반도체 기판 상에 형성된 웰에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 (d)단계는(d1) 상기 층간절연막의 최상부에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 웰은상기 반도체 기판이 P형 기판인 경우 N+/P 접합에 의해 형성되고, 상기 반도체 기판이 N형 기판인 경우 P+/N 접합에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 (c)단계는텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 실리콘 나이트라이드(SiN)를 사용하여 상기 배선층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,(g) 상기 배선층 식각단계에 의해 노출된 상기 절연층의 일부를 식각하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
- 제9항에 있어서,(g) 상기 패시베이션층의 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 및(h) 상기 칼라필터의 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 구비한 이미지센서의 제조방법.
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