KR101729249B1 - 포토다이오드 계면에 광흡수 방지층을 구비하는 단위화소, 및 상기 단위화소를 구비하는 백사이드 일루미네이션 ｃｍｏｓ 이미지센서 - Google Patents
포토다이오드 계면에 광흡수 방지층을 구비하는 단위화소, 및 상기 단위화소를 구비하는 백사이드 일루미네이션 ｃｍｏｓ 이미지센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 포토다이오드와 반사방지층의 계면에 광흡수방지층을 구비한 단위화소, 및 상기 단위화소를 구비하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서 을 개시한다. 상기 단위화소는, 배선층, 상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 상부에 형성된 광흡수방지층, 및 상기 광흡수방지층의 상부에 형성된 반사방지층(Anti-Reflection Layer)을 구비한다. 상기 광흡수방지층은 포토다이오드를 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭(Eg)이 큰 화합물 반도체로 형성된다.
Description
본 발명은 단위화소에 관한 것으로, 특히 반사방지층(ARL, Anti-Reflection Layer)과 포토다이오드 계면에 광흡수를 하지 않는 부분이 형성된 단위화소에 관한 것이다.
ＣＭＯＳ 이미지센서는 복수 개의 단위화소(unit picture element)를 구비하며, 복수 개의 단위화소들 각각에서 감지된 영상신호를 전기신호로 변환하는 기능을 수행한다. 각 단위화소 내에는 입사되는 영상신호를 감지하는 포토다이오드, 포토다이오로부터 감지된 영상신호를 전기신호로 변환하는데 사용되는 복수 개의 모스트랜지스터를 구비한다. 종래에는 포토다이오드 및 모스트랜지스터가 형성된 칩의 상부로부터 영상신호 즉 빛을 수신하였다. 단위화소에는 포토다이오드뿐만 아니라 모스트랜지스터들이 형성되어 있기 때문에, 칩의 상부에서 볼 때 빛을 수신하는 포토다이오드의 면적은 단위화소의 전체가 아닌 일부분이 할당될 수밖에 없다.
새롭게 제안된 백사이드 일루미네이션(Back-side illumination) CＭＯＳ 이미지센서는 칩의 상부로부터가 아니라, 칩의 하부 즉 기판(substrate)으로부터 빛을 수신하는 방식이다. 즉, 이미지센서를 구성하는 포토다이오드 및 모스트랜지스터들을 모두 형성시킨 후, 빛을 최적으로 수신할 수 있을 정도의 두께로 칩의 하부를 연마(grinding)하고, 연마된 부분의 하부방향으로 컬러필터 및 마이크로렌즈를 더 형성시키는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적과제는, 포토다이오드-반사방지층 계면에 광흡수를 하지 않는 물질이 형성된 단위화소를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적과제는, 포토다이오드-반사방지층 계면에 광흡수를 하지 않는 물질이 형성된 단위화소로 구성된 화소어레이를 구비하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명의 일면에 따른 단위화소는, 배선층, 상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 상부에 형성된 광흡수방지층, 및 상기 광흡수방지층의 상부에 형성된 반사방지층 (ARL: Anti-Reflection layer) 을 구비한다. 상기 광흡수방지층은 포토다이오드를 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭(Eg)이 큰 화합물 반도체로 형성된다.
바람직하게는, 상기 화합물반도체는 가시광을 투과시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 화합물 반도체는 실리콘-카바이드(SiC)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 화합물 반도체는 증착 공정에 의해 상기 포토다이오드 상부에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광흡수방지층에 P타입 고불순물을 도핑할 수 있다.
바람직하게는, 상기 P타입 고불순물은 보론(B)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반사방지층 상부에 컬러필터층이 더 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 컬러필터층 상부에 마이크로 렌즈가 더 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배선층은 복수의 메탈층 및 상기 복수의 메탈층을 절연하기 위한 절연막층으로 구성될 수 있다.
상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 일면에 따른 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 화소어레이, 로우 디코더 및 컬럼 디코더를 구비한다. 상기 화소어레이는 복수 개의 단위화소가 2차원으로 배열되어 있다. 상기 로우 디코더는 상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수평라인 단위로 제어한다. 상기 컬럼 디코더는 상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수직라인 단위로 제어한다. 상기 단위화소들 각각은, 배선층, 상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 상부에 형성된 광흡수방지층, 및 상기 광흡수방지층의 상부에 형성된 반사방지층을 구비한다. 광흡수방지층은 포토다이오드를 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭(Eg)이 큰 화합물 반도체로 형성된다.
본 발명은 광흡수를 하지 않은 물질을 반사방지층(ARL, Anti-Reflection Layer)-실리콘 계면에 형성하므로 화이트 스폿(White spot)과 빛에 대한 감도의 트레이드오프(trade-off) 관계를 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 포토다이오드와 반사방지층의 계면부에 광흡수방지층을 구비하는 단위화소의 단면구조를 나타낸다.
도 2는 포토다이오드와 반사방지층의 계면부에 광흡수방지층을 구비하지 않는 단위화소의 단면구조의 일 예를 나타낸다.
도 3 본 발명에 따른 포토다이오드와 반사방지층의 계면부에 광흡수방지층을 구비하는 단위화소의 회로도이다.
도 4a 내지 4d는 도 3의 단위화소의z축 방향 깊이에 따른, 에너지밴드갭, 실리콘비율, 가시광흡수율, 디펙트 농도와의 관계를 나타낸 것이다.
도 5는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 단위화소 단면도이다.
도 6은 CMOS 공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 7a는 포토다이오드를 형성하였을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7b는 포토다이오드의 상부에 광흡수 방지층을 형성했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7c는 광흡수 방지층에 P타입 고불순물을 도핑했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7d는 광흡수 방지층 상부에 반사방지층 및 컬러필터층을 형성했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7e는 일정한 형태의 아일랜드를 형성시켰을 때의 단위화소의 단면도이다.
도 7f는 포토다이오드의 상부에 형성된 아일랜드에 열을 가하여 광자 굴절용 마이크로 렌즈를 형성시켰을 때의 단위화소의 단면도이다.
도 8은 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
도 2는 포토다이오드와 반사방지층의 계면부에 광흡수방지층을 구비하지 않는 단위화소의 단면구조의 일 예를 나타낸다.
도 3 본 발명에 따른 포토다이오드와 반사방지층의 계면부에 광흡수방지층을 구비하는 단위화소의 회로도이다.
도 4a 내지 4d는 도 3의 단위화소의z축 방향 깊이에 따른, 에너지밴드갭, 실리콘비율, 가시광흡수율, 디펙트 농도와의 관계를 나타낸 것이다.
도 5는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 단위화소 단면도이다.
도 6은 CMOS 공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 7a는 포토다이오드를 형성하였을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7b는 포토다이오드의 상부에 광흡수 방지층을 형성했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7c는 광흡수 방지층에 P타입 고불순물을 도핑했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7d는 광흡수 방지층 상부에 반사방지층 및 컬러필터층을 형성했을 때 단위화소의 단면도이다.
도 7e는 일정한 형태의 아일랜드를 형성시켰을 때의 단위화소의 단면도이다.
도 7f는 포토다이오드의 상부에 형성된 아일랜드에 열을 가하여 광자 굴절용 마이크로 렌즈를 형성시켰을 때의 단위화소의 단면도이다.
도 8은 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 핵심 아이디어는, 포토다이오드와 반사방지층(ARL) 계면에 도핑이나 화합물 반도체 형성 등의 방법으로 계면 디펙트(defect)를 발생하지 않으며 빛을 흡수하지 않는 물질을 형성하는 것이다. 그렇게 함으로써, 빛의 흡수 및 전자 생성이 백사이드(backside) 표면으로부터 일정 깊이만큼 떨어진 곳에서 발생하게 되므로, 백사이드(backside) 표면의 다크 디펙트(dark defect)의 영향을 적게 받게 된다. 결국 강한 전기장(high electric field)을 갖는 포토다이오드(photodiode)를 형성하더라도 화이트 스폿(white spot)이 증가하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 포토다이오드와 반사방지층(ARL) 사이에 광흡수방지층을 구비하는 단위화소의 단면구조를 나타낸다.
도 1에 도시된 단면구조(100)는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 복수 개의 단위화소 중 2개를 나타낸다. 가장 하부로부터 배선층(110) 및 포토다이오드층(120)의 순서로 적층되어 있다. 포토다이오드층(120)에는 반도체 기판에 2개의 포토다이오드(PD1, PD2)가 형성되어 있다. 이하에서는 포토다이오드와 포토다이오드 층을 혼용해서 쓴다. 각 단위화소는 절연물이 채워진 트랜치(trench)(미도시)에 의해 구분될 수 있다. 포토다이오드층(120)은 반도체로 구성될 수 있다. 포토다이오드층(120)의 상부에는 광흡수 방지층(130)이 적층되어 있다. 광흡수 방지층(130)은, 화합물 반도체로 구성될 수 있다. 다만 상기 화합물 반도체는, 상기 포토다이오드를 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭이 커야 한다 (Eg(Si)=1.1eV이면 ~1.3eV이상). 상기 광흡수방지층(130)의 상부에, 반사방지층(ARL)(140), 컬러필터(150), 및 마이크로렌즈(160)가 순서대로 적층된다.
본 발명에 따른 단위화소(100)는 백사이드 일루미네이션 CＭＯＳ 이미지센서에 사용되는 것으로, 도 1을 참조하면, 빛은 1차적으로 포토다이오드에 먼저 도달한다. 일반적인 CＭＯＳ 이미지센서의 경우, 이미지센서에 입사되는 빛은 배선층(110)을 경유한 후 최종적으로 포토다이오드에 입사되는 방식이었다. 이 두 방식의 차이점에 대해서는 후술할 것이다.
정리하면, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위해서, 바람직하게는 광흡수방지층(110)을 구성하는 물질은 실리콘의 도핑층 또는 유사 물질로 형성되어 계면 디펙트(defect)를 발생하지 않으면서 빛을 흡수하지 않는 물질이어야 한다. 그러기 위해서는, 광흡수방지층(110)을 구성하는 화합물 반도체의 에너지 밴드갭(Eg)은, 포토다이오드층(120)을 구성하는 반도체의 에너지 밴드갭에 비해 높아야 한다. 예를 들면, 포토다이오드층(120)을 구성하는 반도체가 실리콘(Si)이라고 가정할 때, 광흡수방지층(130)를 구성하는 화합물 반도체는 실리콘보다 에너지 갭이 큰 물질은 무엇이든 가능할 수 있다. 바람직하게는, 광흡수방지층(130)를 구성하는 화합물 반도체는 실리콘-카바이드(SiC)를 사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 효과를 발생시키는 광학적 원리에 대하여 설명한다. 설명의 편의를 위하여 하나의 단위화소에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 단위화소(100)에서 광흡수 방지층이 없는 단위화소의 단면도(200)를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, BI(Back-side illumincation) 구조에서 백사이드의 실리콘(silicon)과 반사방지층(ARL) 경계면에는 다크 커런트(Dark current) 및 화이트 스폿(white spot)의 원인이 되는 디펙트(defect)가 많이 형성된다. 디펙트는 예컨대 표면의 리키지(likeage), 즉 표면에서 전자가 생성되는 것을 의미한다.
입사된 빛은 백사이드 표면에서 가장 많이 광전 변환(photoelectric conversion)이 일어나는데, 표면부에서 발생한 전자가 이웃 픽셀로 이동하는 크로스토크(crosstalk)을 줄이기 위해서는 강한 전기장(strong electric field)을 갖는 포토다이오드(photodiode) 형성이 필요하다.
그런데, 포토 다이오드에 전기장(e-field)를 강하게 형성하면, 디펙트(defect)에서 발생한 전자 역시 포토 다이오드 쪽으로 끌려오게 되므로, 화이트 스폿(white spot)과 크로스토크(crosstalk)는 트레이드오프(tradeoff) 관계에 있다.
따라서, 전기적 크로스토크(electrical crosstalk)를 증가시키지 않으며 디펙트(defect)의 영향도 줄일 수 있는 구조가 필요하다.
도 3에 도시된 단면은, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 포토다이오드층(120)과 반사방지층(ARL)(140)이 만나는 계면에 광흡수방지층(130)이 있는 단위화소를 나타낸다. 도 3의 단위화소(300)의 적층 구조는 도 1의 단위화소(100)의 적층 구조와 동일하다. 다만, 도 2와의 차이를 명확히 하기 위해, 도 2의 실리콘과 반사방지층의 계면 위치를 표시하였다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 포토다이오드층(120)은 실리콘층이고, 광흡수방지층(130)은 실리콘-카바이드(SiC)층이라고 한다. 다만 상기 설명한 바와 같이, 광흡수방지층(130)를 구성하는 화합물 반도체는 실리콘보다 에너지 갭이 큰 물질은 무엇이든 가능할 수 있다. 도 3을 참조하면, 실리콘층과 반사방지층(140)이 만나는 계면에 수 um 이하의 두께로 화합물 반도체 SixC(1-x)를 형성하게 되면 SiC의 밴드갭이 넓어서 가시광을 투과 시키게 되므로 빛을 흡수하지 않는 광흡수방지층(130)을 만들 수 있다. x는 실리콘 비율이다.
또한, 실리콘에서 탄소의 농도가 변하도록 실리콘 카바이드(SiC) 층을 형성하게 되면 디펙트의 발생을 최소화 할 수 있다.
결국 실리콘층과 반사방지층(ARL) 계면으로부터 일정한 거리를 두어 디펙트(defect)의 영향을 최소화 할 수 있으며, 실리콘-카바이드(SiC) 층에서는 전자가 발생하지 않으므로 일정 범위 이내에서 backside P+층의 도핑 농도나 깊이를 낮추더라도 크로스토크가 커지지 않을 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 단위화소(300)의 z축 방향 깊이에 따라 변하는, 실리콘 비율(x)(410), 에너지 밴드 갭(420), 가시광 흡수율(430), 및 디펙트 농도(440)를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, z=0부터 z=a는, 실리콘과 반사방지층의 계면(z=0)으로부터 일정한 거리(z=a)를 두어, 광흡수방지층(130)이 형성된 구간을 나타낸다. 또한 z=a부터 z=b는 포토다이오드층(120)이 형성된 구간을 나타낸다. 이때 a는 50 nm 이상, 3 um 이하일 수 있고, b는 1 um 이상, 20 um 이하일 수 있다. a는b 보다 작다.
도 4a를 참조하면, 광흡수방지층(130)이 형성된 구간 (z=0 ~ z=a) 에서, 실리콘의 비율(x)이 약 0.5이고, 포토다이오드층(120)이 형성된 구간 (z=a ~ z=b)에서, 실리콘의 비율이 1이다.
다음으로, 도 4b를 참조하면, 광흡수방지층(130)이 형성된 구간(z=0~ z=a)에서, 실리콘-카바이드(SiC)의 에너지 밴드 갭은 실리콘 보다 크다.
따라서, 도 4c를 참조하면, 실리콘-카바이드(SiC)는 에너지밴드갭이 넓어서, 가시광 영역의 빛에 의해 여기(excitation)가 되지 않는다.
반도체에서 빛이 흡수가 되려면, 다시 말해 광자에너지에 의해 전자가 여기되려면, 밴드갭보다 큰 광자에너지를 갖는 광자가 필요하다. 한편, 마이크로미터 단위의 파장과 eV단위의 광자에너지의 관계는 수학식 1과 같다.
이때 가시광 영역은 일반적으로 400nm 이상 700nm 이하로 생각하는데, 가장 에너지가 높은 400nm에서 3.1 eV가 된다. 실리콘 카바이드의 밴드갭은 3.1 eV보다 높게 만들 수 있으므로, 가시광 영역에서의 빛에 의해 전자가 여기되지 않고, 입사된 광자는 그대로 실리콘 카바이드를 지나가게 된다. 반면 실리콘의 밴드갭은 1.1 eV정도를 갖도록 포토다이오드를 만들게 되면 가장 낮은 광자에너지인 1.77 eV (700nm)보다도 밴드갭이 작은 것이므로, 가시광 영역에서의 빛에 의해 전자가 여기될 수 있다.
그 결과, 도 4c 및 도 4d를 참조하면, 가시광 영역에서의 빛에 의한 전자가 여기가 백사이드 표면으로부터 일정 깊이 많큼(z = a) 떨어진 곳에서 발생하게 되므로, 백사이드 표면의 다크 디펙트의 영향을 적게 받게된다.
도 5은 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 단위화소의 회로도이다.
도 5을 참조하면, 단위화소(500)는 빛을 감지하는 포토다이오드(PD), 포토다이오드(PD)에 집속된 광자들에 의해 생성된 전하들을 플로팅 확산영역(F/D)으로 전송하는 전송트랜지스터(M1), 플로팅 확산영역(F/D)을 리셋 시키는 리셋트랜지스터(M2), 플로팅 확산영역(F/D)에 전달된 전하들에 대응되는 전기신호를 생성하는 변환트랜지스터(M3) 및 단위화소에서 변환된 전기신호를 외부로 전달하는 선택트랜지스터(M4)를 구비한다.
전송트랜지스터(M1)는 전송제어신호(Tx), 리셋트랜지스터(M2)는 리셋제어신호(RE), 선택트랜지스터(M4)는 선택제어신호(Sx)에 의해 동작이 제어된다. 빛을 수신하는 방향에 따라 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서와 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구별할 수 있다. 즉, 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서는 포토다이오드의 N형 전극으로 입사되는 빛(LIGHT1)을 수신하고, 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는 P형 전극으로 입사되는 빛(LIGHT2)을 수신한다.
일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서의 경우 단위화소로 입사되는 빛(LIGHT1) 중의 일부는 모스트랜지스터 등에 의해 포토다이오드로 입사되는 것이 차단된다. 반면에 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 경우에는 단위화소 전체로 빛(LIGHT2)을 수신할 수 있기 때문에 빛을 수신하는 효율이 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서에 비해 상대적으로 양호하다.
도 6는 ＣＭＯＳ공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 6을 참조하면, ＣＭＯＳ공정을 이용하여 형성시킨 단위화소(600)는, P- 타입의 기판에 포토다이오드 및 모스트랜지스터를 구현시킨 것으로, 2개의 전극을 가지는 포토다이오드의 일 전극은 기판이고 다른 하나의 전극은 N+ 타입의 확산영역이다. 모스트랜지스터는 포토다이오드를 형성하는 하나의 N+ 확산영역 및 2개의 확산영역(N+)들 사이에 형성된 게이트에 의해 이루어지며, 모스트랜지스터들의 게이트에 인가되는 신호에 의해 동작하는데, 게이트는 기판의 상부에 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 산화막 위에 형성시킨 다결정 실리콘(Poly-Silicon)으로 구현된다. 트랜지스터의 문턱전압(Threshold Voltage)을 조절하기 위하여 실리콘 산화막은 열 성장(thermal growth)시키는 것이 바람직하다.
빛(LIGHT1)이 포토다이오드의 N+ 확산영역(N+)으로 인가될 때 빛(LIGHT1)을 수신할 수 있는 면적에 비해, 빛(LIGHT2)이 포토다이오드의 P- 기판으로 인가될 때 빛(LIGHT2)을 수신할 수 있는 면적이 상대적으로 넓다는 것을 쉽게 알 수 있다. 본 발명은 빛(LIGHT2)이 포토다이오드의 P- 기판으로 인가될 때에 해당하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서에 대한 것이다.
이하에서는 도 1에 도시한 본 발명에 따른 단위화소(1000를 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7a는 배선층 및 포토다이오드층을 형성하였을 때 단위화소(710)의 단면도이다.
일련의 공정을 거쳐서 웨이퍼의 일면에 포토다이오드 및 모스트랜지스터들을 형성시키고, 포토다이오드 및 모스트랜지스터들의 전기적 연결을 위한 메탈까지 완전하게 형성시킨다. 포토다이오드 및 모스트랜지스터들이 형성되는 부분이 웨이퍼의 상부라고 가정한다. 도 1에 도시된 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서(100)를 구성하는 복수 개의 층 중, 상기의 공정으로 형성되는 층은 포토다이오드(PD1, PD2) 및 배선층이다.
상기의 공정이 완료된 다음, 웨이퍼의 하부를 연마하여 웨이퍼가 일정한 두께가 되도록 한다. 연마된 웨이퍼를 뒤 집으면, 가장 하부에 위치하였던 기판이 위로 향하게 된다. 도 7a에 도시된 단위화소(710)는 포토다이오드 및 모스 트랜지스터가 모두 구현된 웨이퍼를 뒤집었을 때를 나타낸 것이다. 따라서 공정의 진행 중에는 가장 아래 부분에 위치하였을 포토다이오드(PD1, PD2)가 위쪽으로, 가장 위쪽에 위치하였을 배선층(110)이 가장 아래 부분으로 도시되었다. 포토다이오드의 일 전극이 형성된 기판은 포토다이오드 및 트랜지스터가 모두 형성된 이후 연마되어 포토다이오드의 일 단자의 폭을 조절한다.
이 후의 공정에서는 뒤집어진 웨이퍼의 상부 방향으로 광흡수방지층(130), 반사방지층(140), 컬러필터(150), 및 마이크로렌즈(160)를 형성시킨다. 그 이후의 공정에 대해서는 도 7b 내지 도 7 f를 참조하여 이하, 설명한다.
도 7b는 포토다이오드의 상부에 일정한 형태의 광흡수방지층(130)을 형성시켰을 때의 단위화소(720)의 단면도이다. 광흡수방지층(130)은 실리콘과 반사방지층(ARL)의 계면부에 도핑이나 적층(deposition)에 의해 형성될 수 있다.
도 7c는 광흡수방지층(130)에 P타입 고불순물을 주입 시켰을 때의 단위화소(730)의 단면도이다. 도 7c를 참조하면, P타입고불순물이 이온 주입 공정을 실시 하여, 광흡수 방지층(130)에 형성되는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 광흡수방지층(130)을 구성하는 화합물 반도체가 P타입 고불순물을 가지도록 형성될 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시 예에서, 도 7c P타입 고불술물 주입 공정은 생략될 수 있고, 도 7b의 광흡수방지층을 형성하고 도 7d의 단계로로 바로 넘어갈 수 있다.
P타입 고불순물은 보론(P)일 수 있다. P타입 고불순물을 주입 시키는 이유는, P 타입 고불순물층의 형성으로 소수 캐리어(minority carrier)를 줄여서 다크 커런트를 억제하기 위함이다. 일반적으로, 포토다이오드와 ARL 사이에 광흡수를 하지 않는 물질이 없이, 보론 도핑층만을 형성하면, 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 발생시켜서, 빛에 대한 감도 또한 저하될 수 있으며, 크로스토크를 증가시킬 단점도 있었다. 이에 반하여, 본 발명은 광흡수를 하지 않는 화합물 반도체에 P타입 고불순물을 도핑함으로써, 빛에 대한 감도 손실이 없으면서, 표면 리키지 또는 디펙트의 영향도 줄일 수 있게 할 수 있다는 장점을 가진다.
도 7d은 광흡수방지층(130)의 상부에 반사방지층(140) 및 컬러필터(150)가 순서대로 적층된 단위화소(740)의 단면도이다.
도 7e은 포토다이오드의 상부에 일정한 형태의 아일랜드를 형성시켰을 때의 단위화소(750)의 단면도이다. 도 7e에 도시된 포토다이오드(PD1, PD2)로 정의된 영역보다 작은 크기의 아일랜드(ISLAND)를 포토다이오드(PD1, PD2)의 상부에 형성시킨다. 아일랜드는 각각의 단위화소 마다 하나씩 형성시키는 것이 바람직하며, 아일랜드의 크기는 선택되는 후속 공정에 따라 달라질 수 있다. 아일랜드의 형태는 포토다이오드로 정의된 형태를 일정한 비율로 축소시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 포토다이오드의 형태가 사각형이라면 아일랜드의 형태도 사각형으로 하고 포토다이오드의 형태가 사각형 이상의 6각형 또는 8각형이라면 아일랜드의 형태도 6각형 또는 8각형으로 구현하는 것이 바람직하다. 그러나 경우에 따라서는 아일랜드의 형태를 원형으로 하는 것도 가능하다.
아일랜드를 형성하는 과정은 다양하지만 이해를 돕기 위하여 하나의 경우만 예를 든다.
- 먼저 광자굴절용 마이크로 렌즈를 구현하는 물질을 도포한다.
- 아일랜드를 정의하는 마스크(MASK)를 만든다.
- 마스크를 이용하여 포토레지스터(photo-resistor)에 아일랜드를 정의하고,
- 포토레지스터 중 아일랜드로 정의된 부분을 제외한 다른 부분을 제거한 후
- 아일랜드를 구현하는데 사용되는 물질을 식각(etching)하는데 사용되는 식각용액(etchant)을 이용하여 아일랜드를 형성시킨다.
도 7f는 포토다이오드의 상부에 형성된 아일랜드에 열을 가하여 마이크로렌즈(160)를 형성시켰을 때의 단위화소의 단면도이다.
도 8는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
도 8를 참조하면, ＣＭＯＳ 이미지센서(800)는 로우 디코더(810), 컬럼 디코더(820), 화소어레이(830), 선택부(840) 및 버퍼(850)를 구비한다.
화소어레이(830)에는 복수 개의 단위화소가 2차원으로 배열되어 있다. 로우 디코더(810)는 화소어레이(830))에 배열된 단위화소들의 동작을 수평라인 단위로 제어한다. 컬럼디코더(820)는 선택부(840)를 제어하여 화소어레이(830)에 배된 단위화소들의 동작을 수직라인 단위로 제어한다. 화소어레이(830)로부터 변환된 전기신호는 버퍼(850)를 통해 출력된다.
화소어레이(830)를 구성하는 단위화소가 도 1에 도시된 형태를 가지는 경우 본 발명을 실시한 것이 될 것이다.
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
Claims (11)
- 백사이드 일루미네이션 방식으로 빛을 감지하는 단위화소에 있어서,
배선층;
상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드 상부에 형성된 광흡수방지층;
상기 포토다이오드가 형성되는 반도체 기판; 및
상기 광흡수방지층의 상부에 형성되고 상기 포토다이오드에 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사방지층(Anti-Reflection Layer)을 구비하며,
상기 광흡수방지층은 상기 반도체 기판을 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭(Eg) 이 크고, 가시광을 투과시키는 화합물 반도체로 형성되고,
상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판에 의해 상기 광흡수방지층과 격리되는 것을 특징으로 하는 단위화소. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 반도체는 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제1항에 있어서,
상기 화합물 반도체는 실리콘-카바이드(SiC)인 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제1항에 있어서,
상기 화합물 반도체는 증착 공정에 의해 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제1항에 있어서,
상기 광흡수방지층에 P타입 불순물을 도핑하는 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제6항에 있어서,
상기 P타입 불순물은 보론(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제1항에 있어서,
상기 반사방지층 상부에 컬러필터층이 더 형성되고,
상기 컬러필터층 상부에 마이크로 렌즈가 더 형성된 것을 특징으로 하는 단위화소. - 제1항에 있어서,
상기 배선층은 복수의 메탈층 및 상기 복수의 메탈층을 절연하기 위한 절연막층으로 구성된 것을 특징으로 하는 단위화소. - 복수 개의 단위화소가 2차원으로 배열된 화소어레이;
상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수평라인 단위로 제어하는 로우 디코더; 및
상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수직라인 단위로 제어하는 컬럼 디코더를 구비하고,
상기 단위화소들 각각은,
배선층;
상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드 상부에 형성된 광흡수방지층;
상기 포토다이오드가 형성되는 반도체 기판; 및
상기 광흡수방지층의 상부에 형성되고 상기 포토다이오드에 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사방지층(Anti-Reflection Layer)을 구비하며,
상기 광흡수방지층은 상기 반도체 기판을 구성하는 반도체보다 에너지밴드갭(Eg) 이 크고, 가시광을 투과시키는 화합물 반도체로 형성되고,
상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판에 의해 상기 광흡수방지층과 격리되는 것을 특징으로 하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서.
- 제1항에 있어서,
상기 광흡수방지층의 두께는 50nm이상 3um이하인 것을 특징으로 하는 단위화소.
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