KR101550866B1 - 광학적 크로스토크를 개선하기 위하여, 절연막의 트렌치 상부만을 갭필하여 에어 갭을 형성하는 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
광학적 크로스토크를 개선하기 위하여, 절연막의 트렌치 상부만을 갭필하여 에어 갭을 형성하는 이미지 센서의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
이미지 센서에서 단위 픽셀의 면적이 최소화되고, 필 펙터가 증가됨에 따라, 포토 다이오드들 사이의 간격은 점차 줄어들고, 이웃하는 포토다이오드 사이에서 크로스토크(cross-talk)가 발생할 확률은 그 만큼 높아진다. 특히, 후면 수광부 이미지 센서에서는 실리콘 기판의 후면으로부터 빛이 조사되면, 장파장의 가시 광선은 수광부에 수렴되지 않고 그대로 수광부를 투과하며, 투과된 빛은 실리콘 기판의 전면으로 아웃되기 때문에, 포토 다이오드를 통과한 빛이 반사되어 다시 포토 다이오드로 재집광할 수 있도록 반사판을 구비한다. 그러나, 반사판에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어감으로써, 광학적 크로스토크를 더욱 가속화시킨다. 이에 반사판에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않도록, 에어 갭을 형성한다. 상기 에어 갭은, 비스듬히 들어오는 빛을 전반사함으로써 크로스토크를 방지하는 기능을 수행한다. 상기 에어갭은 층간 절연막(ILD)을 소정 깊이까지 식각하여 실리콘 표면에 이르는 트렌치를 형성하고, 갭필 특성이 불량한 옥사이드를 이용하여 트렌치 상부만을 채워서 형성된다.
이미지 센서, 크로스토크, 반사판, 트렌치, 에어 갭
Description
본 발명은 수광부가 후면에 형성되는 후면 수광부 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이고, 후면 수광부의 광 감도를 개선하기 위하여 절연막 상에 반사 패턴이 구비되는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이며, 반사 패턴이 배선 패턴과 동시에 형성되는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이며, 반사 패턴에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접한 픽셀로 넘어감으로써 발생하는 광학적 크로스토크를 방지하는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이며, 특히 비스듬히 들어오는 빛이 반사 패턴에서 반사되어 인접 픽셀로 넘어갈 때 이를 전반사시켜 해당 픽셀로 가이드하는 에어 갭의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 광전 변환소자이다. 일반적인 이미지 센서는 반도체 기판 상에 행렬로 배열되는 복수개의 픽셀을 구비한다. 각각의 픽셀은 포토 다이오드 및 트랜지스터들을 구비한다. 반도체 기판 상의 반도체층과 포토 다이오드는 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성한다. 생성된 광전하는 포토 다이오드에 모인다. 그리고, 트랜지스터들은 생성된 광전하의 전하량에 따른 전기적인 신호를 출력한다.
그런데, 이미지 센서의 경우에는 생성된 전하가 인접 픽셀의 광전 변환소자로 이동하고, 축적되어 픽셀 상호간 크로스토크(Cross-talk)가 유발될 수 있다.
상기 크로스토크는, 마이크로 렌즈 및 컬러 필터를 통과하여 입사된 광이 서로 다른 굴절율을 갖는 층간 절연막에서 굴절되어 형성되는 굴절광 혹은 금속 배선층의 상면 또는 측면에서 반사되어 형성된 반사광에 의해 해당 픽셀이 아닌 인접 필셀의 광전 변환소자로 전달되는 광학적 크로스토크(Optical crosstalk)와, 파장이 긴 입사광에 의해 광전 변환부의 하부 혹은 측부에서 생성된 전하가 인접 픽셀의 광전 변환소자로 전달되는 전기적 크로스토크(Electrical crosstalk)로 구분할 수 있다.
크로스토크가 발생하면, 흑백 이미지 센서의 경우에는 해상도가 떨어지므로 화상의 왜곡이 발생될 수 있다. 또한, 레드(red), 그린(green), 블루(blue)에 의한 컬러 필터 어레이(Color Filter Array; CFA)를 사용하는 컬러 이미지 센서의 경우에는, 파장이 긴 레드 입사광에 의한 크로스토크의 가능성이 크고, 이에 따라 색조(tint) 불량이 나타날 수 있다. 또한, 화면상의 인접 픽셀이 뿌옇게 번지는 블루밍(blooming) 현상이 나타날 수 있다.
특히, 이미지 센서의 집적도가 점점 높아지는 것이 최근 경향이다. 그에 따라, 픽셀 간의 거리가 점점 짧아지고, 포토 다이오드의 크기가 점점 작아지고 있 다. 따라서, 이미지 센서의 집적도가 높아짐에 따라, 크로스토크 현상은 더욱 문제시된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 빛이 전면에 배치된 다수의 배선층을 통과하지 않고 후면으로 입사되는 후면 수광부 이미지 센서에서 배선층의 절연막으로 투과되는 빛을 반사시켜 포토 다이오드로 재집광할 수 있는 반사 패턴을 구비하는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 반사 패턴을 전기 회로 배선과 동일한 평면 내에서 일체로 형성하는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 반사 패턴과 배선 패턴을 식각 마스크로 이용하여 절연막을 소정 깊이까지 식각함으로써 트렌치를 형성하고, 갭필 특성이 불량한 옥사이드를 이용하여 트렌치의 상부만을 채움으로써 라이트 가이드 기능을 수행하는 에어 갭을 형성하는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 반사 패턴에서 반사되어 인접 픽셀로 들어오는 빛을 차단함으로써, 장파장의 감도를 개선하고 크로스토크(cross-talk)를 방지하는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 광전 변환 소자가 다수의 픽셀로 배열되는 반도체 기판을 준비하고, 상기 반도체 기판 상에 층간 절연막(ILD)을 형 성하며, 상기 층간 절연막(ILD) 상에 금속 레이어를 증착하고, 상기 금속 레이어를 에칭함으로써, 상기 광전 변환 소자를 통과한 빛이 재흡수되도록 빛을 반사하는 반사 패턴과 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하는 배선 패턴 그리고 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 일체로 형성하며, 상기 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴을 에칭 마스크로 하여 상기 층간 절연막(ILD)을 상기 반도체 기판의 표면까지 식각함으로써, 반사 패턴과 배선 패턴 혹은 반사 패턴과 더미 패턴 사이에 트렌치를 형성하며, 상기 트렌치가 형성된 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴 상에 갭필 옥사이드를 이용하여 트렌치 상부만을 채움으로써, 상기 층간 절연막(ILD)에 상기 반사 패턴에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않도록 라이트 가이드(Light Guide) 역할을 수행하는 에어 갭이 형성된다.
상기 실리콘 기판은, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층되고, 상기 실리콘 기판의 표면 하부에 깊은 이온주입으로 N형 불순물 영역이 형성되고, 상기 표면과 접하는 부분에 P형 불순물 영역이 형성된다.
상기 층간 절연막(ILD)을 반도체 기판의 표면까지 식각함에 있어서, 실리콘 기판이 식각되는 것을 방지하기 위하여, 상기 실리콘 기판과 층간 절연막(ILD) 사이에는 식각 정지막이 더 구비되고, 상기 트렌치는 상기 식각 정지막의 표면까지 형성된다.
상기 반사 패턴은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 형성되고, 배선 패턴은 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성 되며, 상기 더미 패턴은 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하되, 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성된다.
상기 층간 절연막(ILD)을 에칭할 때, 메탈 로스(Metal Loss)를 방지하기 위하여, 상기 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴 상에는 SiN으로 구성된 하드 마스크(Hard Mask)를 더 형성한다.
상기 갭필 옥사이드는, 상기 트렌치가 매립되지 않도록, 스텝 커버리지가 불량한 PEOX 혹은 PE-TEOS의 산화막이 사용된다.
상기 갭필 옥사이드 상에는 층간 배선 절연막(IMD)을 형성하고, 상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에는 알루미늄이나 구리 혹은 텅스텐을 이용하여 메탈 레이어(Metal layer)를 형성하며, 사진 식각 공정을 이용하여 메탈 레이어를 패턴닝함으로써, 각 배선 패턴을 형성하며, 상기 실리콘 기판의 후면을 가공하기 위하여 실리콘 기판의 전면에 실리콘 재질의 지지판(Sustain wafer)을 부착하고, 상기 지지판을 이용하여 디자인 룰에 따라 실리콘 기판의 후면을 백랩(Back-lab)하며, 백랩된 상기 실리콘 기판의 후면 상에 반사 방지층(Anti-reflective layer)을 형성하며, 상기 반사 방지층 상에는 칼라 필터(Color filter)를 형성하며, 상기 칼라 필터 상에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈(Micro lens)가 설치된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 에피층(epitaxial layer)으로 형성된 반도체 기판 상에 광전 변환 소자를 다수의 픽셀로 배열하고, 상기 반도체 기판 상에 층간 절연막(ILD)을 형성하며, 상기 층간 절연막(ILD) 상에 금속 레이어를 증착하고, 상기 금속 레이어를 에칭함으로써, 상기 광전 변환 소자를 통과한 빛이 재흡수되도록 빛을 반사하는 반사 패턴과 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하는 배선 패턴 그리고 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 일체로 형성하되, 상기 반사 패턴은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 형성되고, 상기 배선 패턴은 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 2라인 앤 스페이스 타입(2L/S type)으로 형성되며, 상기 더미 패턴은 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하되, 2라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성되며, 상기 각 패턴이 형성된 층간 절연막(ILD) 상에 층간 배선 절연막(IMD)을 형성하고, 상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에 포토 레지스트(PR)를 도포하고, 적어도 상기 배선 패턴과 더미 패턴에서 2개 라인(2L) 사이의 스페이스(S)를 오픈함으로써, 이웃하는 단위 픽셀을 구획하는 단일 트렌치를 형성하며, 상기 트렌치가 형성된 층간 배선 절연막(IMD) 상에 갭필 옥사이드를 이용하여 트렌치 상부만을 채움으로써, 상기 층간 절연막(ILD)에 상기 반사 패턴에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접한 픽셀로 넘어가지 않도록 라이트 가이드(Light Guide) 역할을 수행한다.
상기 에어갭은, 갭필 특성을 더욱 강화하기 위하여 그 폭이 0.5㎛를 넘지 않으며, 전반사를 위하여 적어도 0.05㎛ 이상이 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 렌즈에서 집광되는 빛이 다수의 배선층을 통과하지 않고, 수광부의 후 면으로 직접 조사되기 때문에, 감도가 향상되고, 포토 다이오드를 통과한 빛이 반사 패턴에서 재반사되고, 포토 다이오드로 재흡수됨으로써, 수광부의 감도가 더욱 향상되는 작용효과가 기대된다.
둘째, 반사 패턴과 배선 패턴을 동일한 공정에서 형성함으로써, 반사 패턴의 제조 공정이 생략되고, 공정수가 단축되는 작용효과가 기대된다.
셋째, 반사 패턴과 배선 패턴을 식각 마스크로 이용하여 절연막을 소정 깊이까지 식각하여 트렌치를 형성하고, 갭필 특성이 불량한 옥사이드를 이용하여 트렌치의 상부만을 채움으로써, 에어 갭의 기밀성이 유지되고, 전반사 기능이 극대화되는 작용효과가 기대된다.
넷째, 에어 갭의 라이트 가이드 기능으로 인하여, 크로스토크(cross-talk)를 방지함으로써, 이미지 센서의 집광 효율이 극대화되고, 이미지 센서의 감도를 향상시키는 작용효과가 기대된다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광학적 크로스토크를 개선하기 위하여, 절연막의 트렌치 상부만을 갭필하여 에어 갭을 형성하는 이미지 센서의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 의한 이미지 센서는, 다수개의 단위 픽셀이 매트릭스 형태로 배열된 액티브 픽셀 센서 영역(APS area)과, 단위 픽셀을 제어하거나 단위 픽셀의 신호를 처리하기 위하여 주변 회로가 형성된 주변 회로 영역(Peri area)으로 구분될 수 있다. 또한 상기 액티브 픽셀 센서 영역(APS area)은, 빛 에너지를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환 소자와, 변환된 전기적 신호를 처리하여 데이터화하는 로직 소자로 구분될 수 있다.
상기 광전 변환 소자는, 입사된 빛 에너지를 흡수함으로서 발생되는 전하를 축적하는 기능을 수행한다. 따라서 이러한 광전 변화 소자는, 대표적으로 포토 다이오드(Photo Diode)가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 포토 트랜지스터 등 빛 에너지를 전기적 신호로 변환할 수 있는 광전 변화 소자라면 모두 이에 해당된다. 여기서는 포토 다이오드(PD)를 예로 들어 설명한다.
상기 로직 소자는, 다수의 MOS 트랜지스터로 구성되는데, MOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)에서 수집된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산 영역를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터 및 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing) 하는 셀렉트 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.
이하, 광전 변환 소자를 중심으로 이미지 센서의 구성을 자세하게 살펴보기로 한다.
도 1의 이미지 센서(100)는 전면 수광부 이미지 센서이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(PD)가 구비된 실리콘 기판(110)의 전면에는 메탈 라인 형성을 위한 절연막(Dielectric)(130)이 형성된다. 상기 절연막(130)에는 배선 기 능을 수행하는 다수의 메탈 라인(M1, M2, M3)이 형성된다. 이때, 절연막(130)은 메탈 라인의 층 수에 비례하여 다수의 층간 절연막을 형성하게 된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, M1, M2, M3와 대응되게 D1, D2, D3가 형성될 수 있다.
상기 절연막(130) 상에는 각 단위 픽셀 별로 알지비(R,G,B) 색상 구현을 위한 칼라 필터(Color Filter)(140)가 형성된다. 칼라 필터(140) 상에는 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(Micro Lens)(150)가 형성된다.
따라서, 입사된 빛은 마이크로 렌즈(ML)(150)에 의해 포커싱되고, 포토 다이오드(PD)로 입사하게 되는데, 본 발명의 제1실시예에 의한 이미지 센서(100)는, 포토 다이오드(PD)가 전면에 구비된 전면 수광부 이미지 센서로 구성되기 때문에, 렌즈(150)를 통하여 입사된 빛이 메탈 라인(M1, M2, M3)의 배선층 사이를 통과해야 비로소 수광부 즉, 포토 다이오드(PD)에 도달하게 된다. 이로써, 수광부의 감도가 저하되는 경향이 있다.
한편, 메탈 라인(M1, M2, M3)이 상하로 점프되어 있음을 알 수 있다. 이는 전면 수광시 빛이 메탈 라인에 의하여 가려지는 것을 방지하기 위한 것이다. 특히 포토 다이오드(PD) 이외의 영역으로 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 것이다. 그러나, 메탈 라인이 좌우로 배열되거나 혹은 수직으로 배열되거나 하더라도, 어떤식으로든 포토 다이오드(PD)로 입사되는 빛은 다수의 메탈 라인(M1, M2, M3)에 의하여 간섭을 받지 않을 수 없다. 따라서, 감도의 저하가 불가피하다.
이에 본 발명의 제2실시예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 후면 수광부 이미지 센서(200)를 사용하기로 한다. 따라서, 후면 수광부 이미지 센서(200)는, 실리콘 기판(210)의 후면(배선부의 반대측)으로부터 빛이 조사되면, 마이크로 렌즈(250)와 칼라 필터(240)를 경유하여 수광부에서 빛을 감지하는 구조로서, 배선부 즉, 메탈 라인(M1, M2, M3)의 레이아웃에 의해 입사된 빛이 전혀 방해를 받지 않게 된다.
그러나, 후면 수광부에도 다음과 같은 장애가 있을 수 있다. 빛의 흡수율은 파장(λ)에 따라 변화되는데, 파장(λ)이 길어 질수록 빛을 흡수하는 실리콘의 깊이(Depth)는 깊어져야 한다. 따라서 실리콘의 두께를 두껍게 형성해야 하는 문제점이 있다. 이는 반도체 소자의 경박단소화의 경향과 배치된다. 더욱이, 픽셀의 사이즈가 작아지면서 깊은 영역에서의 이온주입 방식을 활용한 포토 다이오드(PD) 형성은 더 어려워진다. 반대로 흡수되는 빛의 량은 감소하여 수광부의 감도가 이와 비례하여 저하되는 경향이 있다. 이는 신호대잡음비의 열화를 야기한다.
따라서, 실리콘 기판(210)의 후면으로부터 빛이 조사되면, 가시 광선과 같이 파장이 긴 영역에서는 전부가 수광부에 수렴되지 않고, 그대로 수광부를 투과하며, 투과된 빛은 실리콘 기판(210)의 전면으로 아웃된다. 이로써, 수광부에 수렴되어야 할 장파장의 빛은 손실되기 때문에, 수광부의 감도가 현저하게 저하되는 한계가 있다.
따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 절연막(230) 상에는 포토 다이오드(PD)를 통과한 빛이 반사되어 다시 포토 다이오드(PD)로 재집광될 수 있도록 반사판(270)을 형성한다. 즉, 픽셀이 축소되면서 디자인 룰에 따라 실리콘 기판(210)의 두께를 두껍게 하는데 한계가 있다. 특히 포토 다이오드(PD)는 실리콘 기판(210)의 표 면으로부터 깊이 형성할 수 없는 이온주입의 한계가 있기 때문에, 포토 다이오드는 대게 표면 근처에 형성된다. 이로써, 파장이 클 수록 입사된 빛이 포토 다이오드에 흡수되지 못하고 손실되는 경우가 허다하다. 결과적으로, 흡수되지 못한 빛을 재흡수하기 위하여 반사판(270)의 설치가 절실히 요구된다. 도면부호 270은 후면 가공의 편의를 위한 실리콘 재질의 지지판이다.
다른 한편, 이미지 센서의 높은 해상도를 구현하기 위하여, 픽셀 면적이 점차 감소하는 추세에 있다. 이에 따라, 인접하는 픽셀간의 크로스토크(Cross-talk)가 현격히 증대되는 문제점이 있다.
상기와 같은 크로스토크는 광 에너지에 의한 광전 효과로 반도체 기판(210)내에 발생되는 전자의 이동이 한 원인이 될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 사각으로 입사되거나 혹은 도 4에 도시된 바와 같이 반사판(270)에서 반사되어 돌아오는 빛이 다른 원인이 될 수 있다. 상기 광전 효과에 의해 발생되는 전자 이동에 따른 전기적 크로스토크(Electrical Cross-talk)는 거의 무시될 만한 수준이다. 현재, 이미지 센서에서 인접한 픽셀에서 사각으로 입사되거나 혹은 반사판에서 반사되어 돌아오는 빛에 의한 크로스토크(Optical Cross-talk)가 심각한 문제가 되고 있다. 특히, 후면 수광부 이미지 센서에서 집광 효율을 개선하기 위하여 반사판을 구비하기 때문에, 반사판에서 반사되어 인접한 픽셀로 들어오는 빛에 의한 크로스토크가 더욱 심각하다.
이와 같은 크로스토크는 픽셀 상호간의 데이터를 믹싱(mixing)시켜, 색 섞임을 유발할 수 있다. 특히, 밝은 영상을 촬상하는 경우, 주변이 모두 밝게 보이는 문제점이 초래된다. 이로 인하여, 정확한 영상을 촬영하는데 어려움이 있다.
본 발명의 제3실시예에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이 절연막에 반사판에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않도록, 에어 갭(Air Gap)(302)을 형성 형성할 수 있다.
상기 에어 갭(302)은, 비스듬히 들어오는 빛을 전반사(Total Reflection) 시킴으로써, 광학적 크로스토크(Optical Cross-talk)를 방지하는 기능을 수행한다. 가령, 매질에 따라 굴절률의 차이가 있는데, 절연막을 구성하는 옥사이드의 굴절률은 에어의 굴절률보다 크다. 이때, 빛의 속도가 느린 매질에서 빛의 속도가 빠른 매질 쪽으로 빛이 들어갈 때, 빛이 빛의 속도가 빠른 매질로 나가지 못하고, 빛의 속도가 느린 매질 쪽으로 전부 되돌아 오는 전반사 현상을 이용하는 것이다. 즉, 옥사이드에서 에어로 입사된 빛은 에어로 입사되지 못하고 옥사이드로 입사각과 동일한 반사각으로 전부 반사된다.
도 6에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(310)의 전면에 이온주입 공정을 통하여 포토 다이오드(PD)를 형성한다. 상기 포토 다이오드(PD)는, 표면의 하부에 깊은 이온주입으로 형성되는 N형 불순물 영역과, 그 표면과 접하여 형성되는 P형 불순물 영역으로 구성된다. 따라서, 고농도의 P형(P+) 영역과 에피층(P-epi)이 적층된 실리콘 기판(310)의 표면의 하부에 깊은 이온주입으로 N형 불순물 영역을 형성하고, 상기 표면과 접하는 부분에 P형 불순물 영역을 형성할 수 있다.
이때, 소자 분리를 위하여 실리콘 기판(310)을 선택적으로 식각하여 트랜치를 형성하고, 절연막을 충진하여 필드산화막(도면부호 없음)을 형성할 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 포토 다이오드(PD)와 동일한 평면 내에 플로팅 확산영역을 형성할 수 있다. 그리고, 포토 다이오드(PD)가 구비되는 실리콘 기판(310)의 상면에 트랜스퍼 트랜지스터 혹은 리셋 트랜지스터 등을 형성할 수 있다.
후술하는 절연막을 식각할 때, 포토 다이오드(PD)가 식각되는 것을 방지하기 위하여, 실리콘 기판(310) 상에는 식각 정지막(320)이 더 형성될 수 있다. 상기 식각 정지막(320) 상에는 SiO2, P-SiN, SiON 등의 산화막 혹은 질화막을 이용하여 층간 절연막(Inter layer Dielectrics: ILD)(330)을 형성할 수 있다.
상기 층간 절연막(ILD)(330) 상에 알루미늄이나 구리 혹은 텅스텐을 이용하여 메탈 레이어(Metal layer)를 형성할 수 있다. 사진 식각 공정을 이용하여, 메탈 레이어를 패턴닝함으로써, 반사 패턴(340)과 배선 패턴(342)을 형성할 수 있다.
상기 배선 패턴(342)은, 전원 라인과 신호 라인를 전술한 단위 픽셀이나 로직 회로와 연결시키기 위한 것으로, 그 패턴 형상이나 사이즈 혹은 패턴 수는 특별히 제한되지 않는다. 이때, 도 7에 도시된 바와 같이 반사 패턴(340)은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 패턴닝되고, 배선 패턴(342)은 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 패턴닝될 수 있다.
본 실시예에서는, 에어 갭(Air Gap)(302)을 픽셀 단위로 형성하고, 포토 다이오드(PD)를 포위하는 링 타입으로 형성하기 위하여, 배선 패턴(342)의 가로 방향으로 더미 패턴(344)이 더 형성될 수 있다. 배선 패턴(342)은 길이 방향에서 전기적으로 연결되지만, 상기 더미 패턴(344)은 배선 패턴(342)과 전기적으로 단선되도 록, 가로 방향에서 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하게 된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 반사 패턴(340)과 배선 패턴(342) 그리고 더미 패턴(344)을 에칭 마스크로 하여 층간 절연막(ILD)(330)을 일정 깊이까지 식각한다. 이로써, 반사 패턴(340)과 배선 패턴(342) 혹은 반사 패턴(340)과 더미 패턴(344) 사이에 트렌치(Trench)가 형성된다.
이때, 도면에는 도시되어 있지 않지만 층간 절연막(ILD)(330)을 에칭할 때 메탈 로스(Metal Loss)를 방지하기 위하여, 상기 반사 패턴(340)과 배선 패턴(342)의 상에는 SiN 기타 옥사이드로 구성된 하드 마스크(Hard Mask)를 더 형성할 수 있다. 또한, 층간 절연막(ILD)(330)을 에칭할 때, 주변 회로 영역(Peri area)의 에칭을 방지하기 위하여 액티브 픽셀 센서 영역(APS area)만을 열어주는 포토 레지스트가 더 추가될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(Trench)가 형성된 반사 패턴(340)과 배선 패턴(342) 그리고 더미 패턴(244) 상에는 스텝 커버리지(Step Coverage)가 매우 큰 갭필 옥사이드(Oxide)(350)를 증착하여 트렌치 상부만을 채우게 된다. 따라서, 상기 트렌치에 의하여 층간 절연막(ILD)(330)에는 보이드(Void)가 발생한다. 상기 보이드는, 전술한 에어 갭(Air Gap)(302)을 형성함으로써, 반사 패턴(340)에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않도록 안내하는 라이트 가이드(Light Guide) 역할을 수행한다.
상기 갭필 옥사이드(350)는, 트렌치 갭필(Gap Fill) 특성이 불량할수록, 바람직하다. 즉, 상기 트렌치의 깊이에 비하여 폭을 좁게함으로써, 트렌치의 종횡 비(Aspect ratio)를 크게 하고, 큰 종횡비에 대하여 특히 트렌치 갭필 특성이 불량한 산화막을 증착하게 된다. 이와 같이, 갭필 특성이 불량하고 스텝 커버리지가 큰 산화막으로는 PEOX(plasma enhanced oxide) 혹은 PE-TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 등이 사용될 수 있다. 따라서, 트렌치가 매립되지 않도록 상기 PEOX 혹은 PE-TEOS 산화막을 사용하되, 상기 트렌치의 갭필 불량 특성을 더 적극 활용하기 위하여 상기 트렌치의 폭은 0.5㎛를 넘지 않도록 한다. 뿐만 아니라, 트렌치가 에어 갭(302)으로서 전반사의 반사막 기능을 수행하도록, 적어도 0.05㎛ 이상이 되도록 한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 옥사이드 상에는 층간 배선 절연막(inter metallic dielectric: IMD)(360)을 형성할 수 있다. 상기 층간 배선 절연막(IMD)(360) 상에는 마찬가지로 알루미늄이나 구리 혹은 텅스텐을 이용하여 메탈 레이어(Metal layer)를 형성하고, 사진 식각 공정을 이용하여, 메탈 레이어를 패턴닝함으로써, 각종 배선 패턴(도면부호 없음)을 형성할 수 있다.
상기 반사 패턴(340) 혹은 배선 패턴(342)이 수직으로 배열된 상태에 있기 때문에, 다층의 패턴을 형성하기 위해서는 절연막의 형성 공정 또한 패턴 층만큼 다수 반복하여 수행되고, 반복하여 표면을 연마하는 공정이 요구된다. 즉, 패턴을 다층으로 형성하는 경우에는 패턴 층만큼 절연막의 형성 공정 및 평탄화 공정이 반복하여 수반된다. 다만, 본 발명의 제3실시예에서는 편의상 층간 배선 절연막(IMD)(360) 상의 패턴을 층간 절연막(ILD)(330) 상의 패턴과 동일한 형태로 구성하였으나, 상기 층간 배선 절연막(IMD)(360) 상에 패턴닝되는 배선의 형태나 기능 에 대하여는 별도로 제한을 두지 않기로 한다.
또한, 상기 패턴(340, 342, 344)은 다수 층으로 구성되지 않고, 단일 층으로 구성될 수 있다. 다수 층으로 구성되는 경우에 각 층의 배선 패턴은 비아(도시되지 않음)를 통하여 연결될 수 있다.
이어서, 도 11에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(310)의 후면을 가공하기 위하여 실리콘 기판(310)의 전면이 아래에 위치하도록 뒤집는다. 후면 가공의 편의를 위하여 실리콘 기판(310)의 전면에 실리콘 혹은 SiO2 재질의 지지판(370)을 부착한다. 이미지 센서의 디자인 룰에 따라 실리콘의 두께를 조절하기 위하여 실리콘 기판의 후면을 백랩(Back-lap) 한다. 이때 실리콘의 두께가 얇아지더라도 지지판(312)에 의하여 실리콘의 뒤틀리거나 손상되지 않는다.
도 12에 도시된 바와 같이, 백랩된 상기 실리콘 기판(310)의 후면 상에 반사 방지층(Anti-reflective layer:ARL)(380)을 더 형성할 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 반사 방지층(ARL)(380) 상에 패드 메탈(PAD Metal)(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다. 이때, 도면부호 382는 패드 메탈을 형성하고 절연하기 위한 산화막이다. 상기 산화막(382) 상에는 칼라 필터(384)를 형성한다. 칼라 필터(384)의 상부에 평탄화층(386)과, 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈(388)가 설치됨으로써, 이미지 센서(300)가 완성된다.
상기 제3실시예에 따르면, 배선 패턴(342)의 라인 양측으로 스페이스가 형성됨으로써, 이웃하는 단위 픽셀의 에어 갭(Air Gap)(302) 사이에는 층간 절연막(ILD)(330)으로 구성되는 버퍼 영역(buffer area)이 존재한다. 상기 버퍼 영역 은, 이웃하는 픽셀의 반사 패턴(340)에서 반사되어 들어오지 않고, 사각에서 직접 입사되는 빛을 차단하는 기능을 수행하는 것으로, 버퍼 영역을 더 두게 되면, 크로스토크의 방지 효과가 우수하나, 픽셀의 크기가 작아지는 단점이 있다.
이에 본 발명의 제4실시예에 의하면, 버퍼 영역을 두지 않고, 단위 픽셀을 구분하는 하나의 에어 갭(Air Gap)(402)에 의하여 크로스토크를 방지하고자 한다. 이를 위하여, 실리콘 기판(410)의 전면에 이온주입 공정을 통하여 포토 다이오드(PD)를 형성하고, 포토 다이오드가 구비된 실리콘 기판(410) 상에는 식각 정지막(320)을 형성하며, 식각 정지막(420) 상에는 SiO2, P-SiN, SiON 등의 산화막 혹은 질화막을 이용하여 층간 절연막(Inter layer Dielectrics: ILD)(430)을 형성하며, 상기 층간 절연막(ILD)(430) 상에 금속 레이어를 형성하는 공정은 상기 제3실시예와 동일하다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 금속 레이어에 패턴을 형성함에 있어서, 반사 패턴(440)은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 형성되고, 배선 패턴(442)은 2개의 라인 앤 스페이스 타입(2L/S type)으로 형성될 수 있다. 상기 더미 패턴(444) 역시 가로 방향에서 배선 패턴(442)과 단절되는 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하되, 2개의 라인 앤 스페이스 타입(2L/S type)으로 형성될 수 있다. 상기 2개의 배선 패턴(442) 중 하나는 더미 패턴으로 형성될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 상기 반사 패턴(440)과 배선 패턴(442) 그리고 더미 패턴(444)을 에칭 마스크로 하여 층간 절연막(ILD)(430)을 직접 식각하는 공정은 생략된다. 상기 패턴이 형성된 층간 절연막(ILD)(430) 상에 층간 배선 절연 막(inter metallic dielectric: IMD)(450)을 형성하기 때문이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에 포토 레지스트(Photoresist)(460)를 도포한다. 상기 한 쌍의 배선 패턴(442)과 더미 패턴(444) 사이를 오픈하여 트렌치를 형성할 수 있도록, 적어도 2개 라인(2L) 사이의 스페이스(S)에 대응되는 부분에 포토 레지스트(PR)(460)를 노광한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 상기 포토 레지스트(PR)(460)를 식각 마스크로 하여 상기 스페이스(S)를 일정 깊이까지 식각한다. 이로써, 층간 절연막(ILD)(430)에는 이웃하는 단위 픽셀을 구획하는 단일 트렌치가 형성된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치가 형성된 상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에는 스텝 커버리지(Step Coverage)가 매우 크고, 트렌치 갭필 특성이 불량한 PEOX 혹은 PE-TEOS의 갭필 옥사이드(Oxide)(462)를 증착하여 트렌치 상부만을 채운다. 이로써, 에어 갭(402)이 완성된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 갭필 옥사이드(462) 상에는 다수 층으로 구성되는 절연막과 배선 패턴이 더 형성될 수 있으며, 상기한 실시예의 경우와 동일하게 실리콘 기판(410)의 전면에는 후면 가공을 위한 지지판(470)이 설치되고, 백랩된 실리콘 기판(410)의 후면에는 빛의 반사를 방지하는 반사 방지층(ARL)(480), 패드 메탈(PAD Metal)을 형성하기 위한 산화막(482), 알지비(R,G,B)의 칼라 필터(484), 평탄화층(486) 그리고 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(488)가 순차 설치됨으로써, 이미지 센서(400)가 완성된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 이미지 센서의 픽셀 면적이 최소화되고, 포토 다이오드들 사이의 간격이 좁아지며, 집광 효율을 극대화하기 위하여 구비되는 반사판에 의하여 오히려 이웃하는 포토 다이오드로 크로스토크(cross-talk)가 빈번해지면서, 인접 픽셀로 넘어오는 빛을 가이드할 필요성이 높아진다. 이에 본 발명은 라이트 가이드 기능의 에어 갭을 제조하기 위하여, 포토 다이오드가 구비된 반도체 기판 상에 층간 절연막(ILD)을 소정 깊이로 증착하고, 상기 층간 절연막(ILD)을 소정 깊이까지 식각하여 트렌치를 형성하기 위하여 메탈 레이어를 반사 패턴, 배선 패턴 그리고 더미 패턴으로 패턴닝하고, 상기 패턴들을 식각 마스크로 이용하며, 트렌치의 상부만을 증착하고 하부는 보이드한 상태로 유지하기 위하여 스텝 커버리지가 불량한 옥사이드로 갭필하는 하는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 전면 수광부 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 의한 반사판이 구비된 후면 수광부 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 사각으로 입사되는 크로스토크를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 반사판에서 반사되어 돌아오는 크로스토크를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 의한 에어 갭에 의하여 개선되는 크로스토크를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 의한 반사 패턴과 배선 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 7은 도 6의 평면도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 층간 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 트렌치의 상부만을 갭필 옥사이드로 채우는 과정을 나타내는 단면도.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 의한 층간 배선 절연막과 각 배선층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 의한 실리콘 기판의 후면을 백랩하기 위하여 전면에 지지판을 부착하는 과정을 나타내는 단면도.
도 12는 본 발명의 제3실시예에 의한 에어 갭이 구비된 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 13은 본 발명의 제4실시예에 의한 반사 패턴 및 배선 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 14는 도 13의 평면도.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 의한 패턴이 구비된 실리콘 기판 상에 층간 배선 절연막을 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 16은 본 발명의 제4실시예에 의한 층간 배선 절연막 상에 포토 레지스트를 증착하고 패턴하는 과정을 나타내는 단면도.
도 17은 본 발명의 제4실시예에 의한 층간 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 과정을 나타내는 단면도.
도 18은 본 발명의 제4실시예에 의한 트렌치의 상부만을 갭필 옥사이드로 채우는 과정을 나타내는 단면도.
도 19는 본 발명의 제4실시예에 의한 에어 갭이 구비된 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**
300: 이미지 센서 302: 에어 갭
310: 실리콘 기판 320: 식각 정지막
330: 층간 절연막 340: 반사 패턴
342: 배선 패턴 344: 더미 패턴
350: 갭필 옥사이드 360: 층간 배선 절연막
370: 지지판 380: 반상 방지막
382: 산화막 384: 칼라 필터
386: 평탄화층 388: 마이크로 렌즈
400: 이미지 센서 402: 에어 갭
410: 실리콘 기판 420: 식각 정지막
430: 층간 절연막 440: 반사 패턴
442: 배선 패턴 444: 더미 패턴
450: 층간 배선 절연막 460: 포토 레지스트
462: 갭필 옥사이드 470: 지지판
480: 반사 방지층 482: 산화막
484: 칼라 필터 486: 평탄화층
488: 마이크로 렌즈
Claims (9)
- 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 광전 변환 소자가 다수의 픽셀로 배열되는 반도체 기판을 준비하고,상기 반도체 기판 상에 층간 절연막(ILD)을 형성하며,상기 층간 절연막(ILD) 상에 금속 레이어를 증착하고, 상기 금속 레이어를 에칭함으로써, 상기 광전 변환 소자를 통과한 빛이 재흡수되도록 빛을 반사하는 반사 패턴과 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하는 배선 패턴 그리고 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 일체로 형성하며,상기 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴을 에칭 마스크로 하여 상기 층간 절연막(ILD)을 상기 반도체 기판의 표면까지 식각함으로써, 반사 패턴과 배선 패턴 혹은 반사 패턴과 더미 패턴 사이에 트렌치를 형성하며,상기 트렌치가 형성된 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴 상에 갭필 옥사이드를 이용하여 트렌치 상부만을 채움으로써, 상기 층간 절연막(ILD)에 상기 반사 패턴에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않도록 라이트 가이드(Light Guide) 역할을 수행하는 에어 갭이 형성되는 것을 포함하되,상기 반사 패턴은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 형성되고, 배선 패턴은 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성되며, 상기 더미 패턴은 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하되, 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판은, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층되고, 상기 반도체 기판의 표면 하부에 깊은 이온주입으로 N형 불순물 영역이 형성되고, 상기 표면과 접하는 부분에 P형 불순물 영역이 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 층간 절연막(ILD)을 반도체 기판의 표면까지 식각함에 있어서, 반도체 기판이 식각되는 것을 방지하기 위하여, 상기 반도체 기판과 층간 절연막(ILD) 사이에는 식각 정지막이 더 구비되고, 상기 트렌치는 상기 식각 정지막의 표면까지 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 층간 절연막(ILD)을 에칭할 때, 메탈 로스(Metal Loss)를 방지하기 위하여, 상기 반사 패턴, 배선 패턴 및 더미 패턴 상에는 SiN으로 구성된 하드 마스 크(Hard Mask)를 더 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 갭필 옥사이드는, 상기 트렌치가 매립되지 않도록, 스텝 커버리지가 불량한 PEOX 혹은 PE-TEOS의 산화막이 사용되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 갭필 옥사이드 상에는 층간 배선 절연막(IMD)을 형성하고, 상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에는 알루미늄이나 구리 혹은 텅스텐을 이용하여 메탈 레이어(Metal layer)를 형성하며, 사진 식각 공정을 이용하여 메탈 레이어를 패턴닝함으로써, 각 배선 패턴을 형성하며,상기 반도체 기판의 후면을 가공하기 위하여 반도체 기판의 전면에 실리콘 재질의 지지판(Sustain wafer)을 부착하고, 상기 지지판을 이용하여 디자인 룰에 따라 반도체 기판의 후면을 백랩(Back-lab)하며,백랩된 상기 반도체 기판의 후면 상에 반사 방지층(Anti-reflective layer)을 형성하며,상기 반사 방지층 상에는 칼라 필터(Color filter)를 형성하며,상기 칼라 필터 상에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈(Micro lens)가 설치되는 이미지 센서의 제조방법.
- 에피층(epitaxial layer)으로 형성된 반도체 기판 상에 광전 변환 소자를 다수의 픽셀로 배열하고,상기 반도체 기판 상에 층간 절연막(ILD)을 형성하며,상기 층간 절연막(ILD) 상에 금속 레이어를 증착하고, 상기 금속 레이어를 에칭함으로써, 상기 광전 변환 소자를 통과한 빛이 재흡수되도록 빛을 반사하는 반사 패턴과 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하는 배선 패턴 그리고 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 전기 회로 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 일체로 형성하되, 상기 반사 패턴은 박스 앤 스페이스 타입(B/S type)으로 형성되고, 상기 배선 패턴은 상기 반사 패턴의 길이 방향에서 2라인 앤 스페이스 타입(2L/S type)으로 형성되며, 상기 더미 패턴은 상기 반사 패턴의 가로 방향에서 아이소레이션 타입(Isol type)을 취하되, 2라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성되며,상기 각 패턴이 형성된 층간 절연막(ILD) 상에 층간 배선 절연막(IMD)을 형성하고,상기 층간 배선 절연막(IMD) 상에 포토 레지스트(PR)를 도포하고, 적어도 상기 배선 패턴과 더미 패턴에서 2개 라인(2L) 사이의 스페이스(S)를 오픈함으로써, 이웃하는 단위 픽셀을 구획하는 단일 트렌치를 형성하며,상기 트렌치가 형성된 층간 배선 절연막(IMD) 상에 갭필 옥사이드를 이용하여 트렌치 상부만을 채움으로써, 상기 층간 절연막(ILD)에 상기 반사 패턴에서 반사되어 돌아오는 빛이 인접한 픽셀로 넘어가지 않도록 라이트 가이드(Light Guide) 역할을 수행하는 에어 갭이 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 에어갭은, 갭필 특성을 더욱 강화하기 위하여 그 폭이 0.5㎛를 넘지 않으며, 전반사를 위하여 적어도 0.05㎛ 이상이 되는 이미지 센서의 제조방법.
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