KR101310742B1 - 배면 조사형 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고품질, 저비용의 배면 조사형 이미지 센서 및 그 제조방법을 위하여 일면 및 상기 일면의 반대편인 타면을 갖고, 상기 타면으로부터 내부로 파진 개구부를 포함하는 기판; 상기 기판의 일면 및 상기 개구부 사이의 상기 기판 내에 형성된 포토 다이오드부; 상기 기판의 일면 상의 배선부; 상기 기판의 개구부를 매립하는 절연막 패턴; 및 상기 포토 다이오드부 반대편의 상기 절연막 패턴 상의 렌즈부;를 구비하는 배면 조사형 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

배면 조사형 이미지 센서 및 그 제조방법{Backside illuminated image sensor and method for manufacturing the same}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배면 조사 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 소자를 말하며, 이러한 이미지 센서로는 대표적으로 CCD(Charge coupled device)와 CIS(CMOS image sensor)가 있다.
CCD는 다수개의 MOS 캐패시터를 포함하며, 상기 MOS 캐패시터는 빛에 의해 생성되는 전하(캐리어)를 이동시킴으로써 동작된다. 한편, CMOS 이미지 센서는 기존에 상용되고 있는 CMOS 기술에 의해 제작 가능하므로 제조가 용이한 장점이 있다.
이러한 종래의 이미지 센서의 제작 공정은 크게 2가지로 구분할 수 있다. 첫째는 초기부터 사용되는 전면 조사(Frontside illumination)방식과 최근 고집적화 시장에서 각광받는 배면 조사(Backside illumination)방식으로 구분할 수 있다.
그러나 배선층이 형성된 포토 다이오드부 상으로 광을 조사하는 전면 조사 방식은 이미지 센서의 소자 집적도가 증가함에 따라 화소가 집적되어 광의 통로가 좁아져 입사광의 손실이 발생하는 문제점이 발생한다. 배선층이 형성된 일면과 대향하는 배면을 통하여 포토 다이오드부 상에 광을 조사하는 배면 조사 방식은 두 개의 웨이퍼를 접합하는 방식을 채용함으로써 웨이퍼 접합 불량이 발생할 수 있고, 수율 감소 및 가격이 상승한다는 문제점이 있을 수 있다. 또한 웨이퍼 접합 후 박형화(thinning)가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 포토 다이오드부에 조사되는 광을 증가시키기 위해 배면 조사 방식을 사용하나, 웨이퍼 접합공정을 사용하지 않음으로써, 접합 공정에 따른 불량이 발생하지 않고, 추가되는 원재료(Raw Material)가 없이 제조비용 측면에서 유리한, 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 배면 조사형 이미지 센서가 제공된다. 기판은 일면 및 상기 일면의 반대편인 타면을 갖고, 상기 타면으로부터 내부로 파진 개구부를 포함한다. 다이오드부는 상기 기판의 일면 및 상기 개구부 사이의 상기 기판 내에 형성된다. 배선부는 상기 기판의 일면 상에 제공된다. 절연막 패턴은 상기 기판의 개구부를 매립하도록 제공된다. 렌즈부는 상기 포토 다이오드부 반대편의 상기 절연막 패턴 상에 제공된다.
상기 기판은 단일한 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
상기 렌즈부는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있고, 상기 포토 다이오드부는 상기 복수의 렌즈들에 대응하는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있고, 상기 절연막 패턴은 상기 복수의 렌즈들과 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 걸쳐 배치될 수 있다.
상기 절연막 패턴의 상면과 상기 기판의 타면은 레벨(level)이 동일할 수 있다.
상기 절연막 패턴은 상기 포토 다이오드부와 이격되어 배치될 수 있고, 상기 조사형 이미지 센서는 상기 절연막 패턴 및 상기 렌즈부 사이에 컬러필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 제1면 및 상기 제1면의 반대편인 제2면을 갖는 기판을 준비하는 단계와 상기 기판 내에 포토 다이오드부를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제1면 상에 배선부를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제2면으로부터 상기 기판의 일부를 평탄화 제거하여 상기 기판의 제3면을 노출시키는 박형화(thinning) 단계와, 상기 기판의 제3면으로부터 상기 기판 내에 개구부를 형성하는 단계와, 상기 개구부를 매립하는 절연막 패턴을 형성하는 단계와, 그리고 상기 절연막 패턴 상에 렌즈부를 형성하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 기판의 제2면으로부터 상기 기판의 일부를 평탄화 제거하여 상기 기판의 제3면을 노출시키는 박형화(thinning) 단계는 상기 기판의 제1면과 제2면의 상하를 뒤집은 이후에 수행할 수 있다.
상기 렌즈부는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있고, 상기 포토 다이오드부는 상기 복수의 렌즈들에 대응하는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있고, 상기 개구부는 상기 포토 다이오드부와 이격되고 상기 복수의 렌즈들과 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 제조방법은 상기 렌즈부를 형성하는 단계 전에 상기 절연막 패턴 상에 컬러필터부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 포토 다이오드부는 상기 기판에 이온주입하여 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가격이 경제적이고 불량률이 획기적으로 줄어든 배면 조사형 이미지 센서를 구현할 수 있다. 나아가, 전체적인 높이가 낮은 배면 조사형 이미지 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 배면 조사형 이미지 센서를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향에 추가하여 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 이미지 센서는 예시적으로 CMOS 이미지 센서인 것으로 제시되었지만, 본 발명의 기술적 사상을 구현함에 있어서 다른 타입의 이미지 센서들도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 배면 조사형 이미지 센서를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 배면 조사형 이미지 센서는 일면(F1) 및 일면(F1)의 반대편인 타면(B2)을 갖는 기판(110b)을 구비할 수 있다. 배면 조사형 이미지 센서에서 언급되는 배면은 타면(B2)에 대응되고, 전면은 일면(F1)에 대응될 수 있다. 기판(110b)은 타면(B2)으로부터 내부로 파져 형성된 개구부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(110b)은 반도체 기판일 수 있다. 예컨대, 실리콘 기판일 수 있으며, IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 또는 II-VI족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. IV족 반도체는 실리콘 이외에도 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(110b)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않으며, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등을 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 배면 조사형 이미지 센서에서, 기판(110b)은 단일한 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 즉, 기판(110b)은 복수의 실리콘 웨이퍼들이 서로 접합하여 형성된 실리콘 웨이퍼 적층 구조체가 아닌 단일한 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 통상적으로 실리콘 웨이퍼 적층 구조체는 접합계면에서 구조적 및 전기적으로 취약할 수 있으며, 이러한 단점은 단일한 실리콘 웨이퍼를 사용함으로써 극복될 수 있다.
포토 다이오드부(115)는 기판(110b) 내에 매립되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 포토 다이오드부(115)는 개구부와 기판(110b)의 일면(F1) 사이에서 기판(110b) 내에 형성될 수 있다. 포토 다이오드부(115)는 기판의 일면(F1)에 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 즉, 포토 다이오드부(115)는 기판의 일부가 이온 주입되어 형성된 것이다. 포토 다이오드부(115)는 기판(110b)의 타면(B2)보다 일면(F1)에 더 인접하여 배치될 수 있다. 포토 다이오드부(115)는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있으며, 기판(110b)의 타면(B2)으로부터 광을 조사받아 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 이러한 포토 다이오드들은 컬러필터들과 렌즈들에 수직하게 배치될 수 있다.
기판(110b)의 일면(F1) 상에는 배선부(122)가 배치될 수 있다. 배선부(122)는 포토 다이오드부(115)에서 생성된 광전하를 전달하는 트랜지스터부(미도시)에 전기적으로 연결된 도전성의 전기 배선들을 포함할 수 있다. 따라서 배선부(122)는 도전성의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 또한, 배선부(122)는 기판(110b)의 일면(F1) 상의 층간절연층(120)의 내부에 배치되어 적어도 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다.
한편, 절연막 패턴(130)은 기판(110b)의 개구부를 매립하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연막 패턴(130)은 포토 다이오드부(115)와 렌즈부(150) 사이에는, 기판(110b)의 타면(B2)으로부터 기판(110b) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연막 패턴(130)의 상면의 높이는 기판(110b)의 타면(B2)과 레벨(level)이 동일할 수 있다. 절연막 패턴(130)은 기판(110b)의 일면(F1) 상의 포토 다이오드부(115)와 이격되어 배치될 수 있다. 절연막 패턴(130)은 투과율과 굴절율의 변화가 거의 없는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연막 패턴(130)은 산화막 패턴을 포함할 수 있다. 상기 산화막 패턴은 기판(110b)과 상이한 광반사율을 갖는 절연물질 예컨대, 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
렌즈부(150)는 기판(110b)의 배면 상에서 입사되는 빛을 포커싱하기 위해서, 포토다이오드부(115) 반대편의 절연막 패턴(130) 상에 제공될 수 있다. 컬러필터부(140)는 절연막 패턴(130) 및 렌즈부(150) 사이에 더 제공될 수 있다. 컬러필터부(140)는 적색/녹색/청색(R/G/B 컬러)에 대응하도록 복수의 컬러필터들을 포함할 수 있으며, 렌즈부(150)도 적색/녹색/청색(R/G/B 컬러)에 대응하도록 복수개의 렌즈들을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 렌즈부(150)가 기판(110b)의 배면(도 1에서는 타면(B2)에 대응) 상에 배치되므로 렌즈부(150)를 투과한 광은 포토 다이오드부(115)에 도달하는 과정에서 기판(110b) 및 상대적으로 광반사율이 낮은 절연막 패턴(130)을 통과하게 된다. 만약, 렌즈부(150)가 기판(110b)의 일면(F1) 하에, 즉, 층간절연층(120) 하에 배치된다면, 렌즈부(150)를 투과한 광은 포토 다이오드부(115)에 도달하는 과정에서 기판(110b) 및 상대적으로 광반사율이 높은 배선부(122)를 거치게 되어 반사에 의한 광의 손실이 높아진다. 따라서 기판(110b)의 배면을 통하여 렌즈부(150)에 광을 조사하는 배면 조사형 이미지 센서가 고품질의 촬영에 유리할 수 있다.
또한, 절연막 패턴(130)이 기판(110b) 내에 형성되므로 렌즈부(150)의 기판(110b) 상 장착 높이가 상대적으로 낮게 된다. 그러므로 이미지 센서의 전체적인 높이도 낮아지게 되어 이미지 센서의 소형화에 유리하다. 만약, 기판(110b)의 타면(B2) 상에 추가적인 절연막 패턴을 더 형성한다면 이미지 센서의 전체적인 높이가 높아지게 될 것이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
먼저 도 2와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배면 조사형 이미지 센서를 제조하기 위해서는 기판(110)을 준비할 수 있다. 기판의 종류는 위에서 서술한 바와 같이 반도체 기판을 포함할 수 있으며, 실리콘 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등을 더 포함할 수 있다. 기판(110)은 단일한 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 제1면(F1) 및 상기 제1면의 반대편인 제2면(B1)을 가질 수 있다.
포토 다이오드부(115)는 이온주입 공정에 의해 기판(110)의 제1면(F1)과 이격되게 기판(110) 내에 형성될 수 있다. 즉, 포토 다이오드부(115)는 기판(110)의 일부가 이온 주입되어 형성된 것이다. 이어서, 기판(110)의 제1면(F1) 상에 배선부(122)를 형성하는 단계를 거칠 수 있다. 배선부(122)를 형성하는 단계는 기판(110)의 제1면(F1) 상에 층간절연층(120) 및 패드부(124)를 형성하는 단계들과 맞물려 수행될 수 있다. 층간절연층(120)을 형성하는 물질로는 예컨대, 실리콘 산화막일 수 있으며, 배선부(122)의 배선들 각각을 서로 이격시켜 배치시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2에서 형성된 구조체의 상하를 뒤집는(flipping) 단계를 수행한 후에 기판(110)의 제2면(B1)으로부터 기판(110)의 일부를 평탄화 제거하여 기판(110a)의 제3면(B2)을 노출시키는 박형화(thinning) 단계를 거칠 수 있다. 박형화된 기판(110a)은 박형화되기 전의 기판(도 2의 110)과 비교해 볼 때, 두께가 t1에서 t2로 얇아진다(t1>t2). 이러한 박형화는 후속공정에서 불필요한 공정의 부담을 최소화하고, 기판(110a)의 배면으로부터 포토 다이오드부(115)에 이르는 광의 도달거리를 조절하기 위함이다.
도 4를 참조하면, 기판(110a)의 제3면(B2)으로부터 기판(110a) 내에 개구부(C)를 형성한다. 개구부(C)는 포토 다이오드부(115)를 구성하는 복수의 포토 다이오드들 사이에 걸쳐(across) 배치되도록 형성될 수 있다. 기판(110a)이 단일한 실리콘 웨이퍼일 경우 개구부(C)는 실리콘 기판을 건식 식각하여 형성할 수 있다. 이 때 실리콘 기판을 건식 식각하는 과정에서 과식각되어 포토 다이오드부(115)의 일부에 손상을 미치지 않도록 개구부(C)의 바닥면은 포토 다이오드부(115)와 이격되도록 개구부(C)의 깊이가 적절하게 조절될 수 있다.
도 5를 참조하면, 개구부(C)를 매립하는 절연막 패턴(130)을 형성한다. 절연막 패턴(130)의 상면은 기판(110b)의 상면과 동일한 레벨(level)을 가질 수 있다. 이러한 구조를 구현하기 위하여 개구부(C)를 포함한 전면(全面)에 걸쳐 충분한 두께의 절연막을 형성한 후에 기판(110b)의 상면이 노출될 때까지 에치백(etchback) 공정 또는 화학적 기계적 연마(CMP-Chemical Mechanical Polishing) 공정과 같은 평탄화 작업을 수행할 수 있다. 절연막 패턴(130)은 투과율과 굴절율의 변화가 거의 없는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연막 패턴(130)은 산화막 패턴을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 계속하여, 절연막 패턴(130) 상에 컬러필터부(140)와 렌즈부(150)를 순차적으로 형성하여 최종적으로 도 1에 도시된 구조를 형성할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일한 실리콘 웨이퍼를 사용하여 배면 조사형 이미지 센서를 구현할 수 있다. 이러한 방식은 웨이퍼 접합 공정이 필요 없으므로 제조공정에 필요한 원자재를 절감할 수 있으며, 웨이퍼 접합 공정에 따른 불량 이슈를 방지할 수 있다. 나아가, 전면 조사형 이미지 센서에 비하여 투과되는 광의 양이 증가하는 이점을 가진다.
이와 비교하여, 웨이퍼와 웨이퍼를 접합하는 공정을 사용한다면 접합 불량에 따른 수율의 감소와 생산 단가의 상승을 초래할 수 있으며, 웨이퍼 접합 후에 두께를 조절하기 위한 박형화 단계를 수행하는 것이 기술적으로 용이하지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110, 110a, 110b : 기판
115 : 포토 다이오드부
120 : 층간절연층
122 : 배선부
124 : 패드부
130 : 절연막 패턴
140 : 컬러필터부
150 : 렌즈부

Claims (11)

  1. 일면 및 상기 일면의 반대편인 타면을 갖고, 상기 타면으로부터 내부로 파진 개구부를 포함하는 기판;
    상기 기판의 일면 및 상기 개구부 사이의 상기 기판 내에 형성된 포토 다이오드부;
    상기 기판의 일면 상의 배선부;
    상기 기판의 개구부를 매립하는 절연막 패턴; 및
    상기 포토 다이오드부 반대편의 상기 절연막 패턴 상의 렌즈부;
    를 포함하고,
    상기 기판은 단일한 실리콘 웨이퍼이고,
    상기 절연막 패턴의 상면과 상기 기판의 타면은 레벨(level)이 동일한, 배면 조사형 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부는 복수의 렌즈들을 포함하고,
    상기 포토 다이오드부는 상기 복수의 렌즈들에 대응하는 복수의 포토 다이오드들을 포함하고,
    상기 절연막 패턴은 상기 복수의 렌즈들과 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 걸쳐 배치되는, 배면 조사형 이미지 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연막 패턴은 상기 포토 다이오드부와 이격되어 배치되고,
    상기 절연막 패턴 및 상기 렌즈부 사이에 컬러필터부를 더 포함하는, 배면 조사형 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연막 패턴은 산화막 패턴을 포함하는, 배면 조사형 이미지 센서.
  7. 제1면 및 상기 제1면의 반대편인 제2면을 갖는 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 내에 포토 다이오드부를 형성하는 단계;
    상기 기판의 제1면 상에 배선부를 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2면으로부터 상기 기판의 일부를 평탄화 제거하여 상기 기판의 제3면을 노출시키는 박형화(thinning) 단계;
    상기 기판의 제3면으로부터 상기 기판 내에 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부를 매립하는 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 절연막 패턴 상에 렌즈부를 형성하는 단계;
    를 구비하고,
    상기 기판은 단일한 실리콘 웨이퍼이고,
    상기 절연막 패턴의 상면과 상기 기판의 제3면은 레벨(level)이 동일한, 배면 조사형 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판의 제2면으로부터 상기 기판의 일부를 평탄화 제거하여 상기 기판의 제3면을 노출시키는 박형화(thinning) 단계는 상기 기판의 제1면과 제2면의 상하를 뒤집은 이후에 수행하는, 배면 조사형 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 렌즈부는 복수의 렌즈들을 포함하고, 상기 포토 다이오드부는 상기 복수의 렌즈들에 대응하는 복수의 포토 다이오드들을 포함하고, 상기 개구부는 상기 포토 다이오드부와 이격되고 상기 복수의 렌즈들과 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 걸쳐 형성되는, 배면 조사형 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 렌즈부를 형성하는 단계 전에 상기 절연막 패턴 상에 컬러필터부를 형성하는 단계를 더 포함하는, 배면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 포토 다이오드부는 상기 기판에 이온주입하여 형성된, 배면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
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