KR102424772B1 - 후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법이 개시된다. 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함하며, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 갖는다.
Description
본 발명의 실시예들은 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기판의 후면 상에 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이가 형성되는 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 전하결합소자(charge coupled device; CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor; CIS)로 구분될 수 있다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성하고 스위칭 방식으로 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출함으로써 이미지를 형성할 수 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 전면 조사형 이미지 센서와 후면 조사형 이미지 센서로 구분될 수 있다.
상기 전면 조사형 이미지 센서는, 포토 다이오드들이 형성된 기판, 상기 기판의 전면 상에 형성된 트랜지스터들, 상기 기판의 전면 상에 형성된 배선층들, 상기 배선층들 상에 형성된 차광 패턴들과 패시베이션층, 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서는 상기 전면 조사형 이미지 센서에 비하여 개선된 수광 효율을 가질 수 있다. 일 예로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0135627호(공개일자: 2012.12.17)에는, 기판의 후면 상에 형성된 반사 방지막과 차광 패턴, 상기 반사 방지막과 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층, 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 후면 조사형 이미지 센서가 개시되어 있다.
상기 차광 패턴은 텅스텐으로 이루어질 수 있으며 상기 반사 방지막 상에 텅스텐층을 형성한 후 상기 텅스텐층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 증가하는 폭을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 텅스텐층의 경우 상대적으로 식각이 어렵기 때문에 식각 과정에서 상기 차광 패턴의 측면들이 포지티브 슬로프(positive slope)를 가질 수 있으며, 아울러 상기 텅스텐층의 두께를 증가시키는데 한계가 있다. 이에 따라, 상기 차광 패턴의 측면들에서의 광반사에 의해 광손실이 발생될 수 있으며, 상기 차광 패턴에 의한 크로스토크(crosstalk)의 감소 효과 역시 제한적인 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 광손실과 크로스토크를 감소시킬 수 있는 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서는, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 화소 영역들은, 상기 기판 내에 형성된 전하 저장 영역과, 상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층을 각각 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 화소 영역들은 상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층을 각각 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 화소 영역들로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판의 전면 부위들에 형성된 플로팅 확산 영역들과, 상기 화소 영역들과 상기 플로팅 확산 영역들 사이에 각각 위치되도록 상기 기판의 전면 상에 형성된 게이트 구조물들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 반사 방지막 상에 형성되며 상기 차광 패턴을 형성하기 위한 트렌치들을 갖는 몰드층과, 상기 몰드층과 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는 상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 사이 그리고 상기 차광 패턴의 측면들 상에 형성된 확산 방지막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는 상기 차광 패턴 상에 형성된 제2 확산 방지막을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법은, 기판 내에 화소 영역들을 형성하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사 방지막 상에 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴을 형성하는 단계와, 상기 차광 패턴 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제9항에 있어서, 상기 화소 영역들을 형성하는 단계는, 상기 기판 내에 전하 저장 영역들을 형성하는 단계와, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 전면 피닝층들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 화소 영역들을 형성하는 단계는 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 후면 피닝층들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 화소 영역들로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판의 전면 부위들에 플로팅 확산 영역들을 형성하는 단계와, 상기 기판의 전면 상에 게이트 구조물들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 게이트 구조물들이 형성된 후 상기 게이트 구조물들의 양측에 각각 위치되도록 상기 화소 영역들과 상기 플로팅 확산 영역들이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 차광 패턴을 형성하는 단계는, 상기 반사 방지막 상에 상기 차광 패턴을 형성하기 위한 트렌치들을 갖는 몰드층을 형성하는 단계와, 상기 트렌치들이 매립되도록 상기 몰드층 상에 금속층을 형성하는 단계와, 상기 몰드층이 노출되도록 평탄화 공정을 수행하여 상기 트렌치들 내에 상기 차광 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 트렌치들은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 차광 패턴을 형성한 후 상기 몰드층을 제거하는 단계와, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은 상기 몰드층 및 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은 상기 금속층을 형성하기 전에 상기 몰드층 및 상기 트렌치들에 의해 노출된 상기 반사 방지막 상에 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은 상기 차광 패턴 상에 제2 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 조사형 이미지 센서는, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 가질 수 있다.
따라서, 상기 차광 패턴의 측면들에서의 광반사가 감소될 수 있으며 이에 따라 상기 후면 조사형 이미지 센서의 광손실이 감소될 수 있다. 아울러, 상기 광반사에 의한 크로스토크가 감소될 수 있다.
상기 차광 패턴은 금속 다마신 공정을 통해 형성될 수 있으며, 패터닝 공정에 의해 형성되는 종래의 차광 패턴과 비교하여 그 두께를 상대적으로 두껍게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 후면 조사형 이미지 센서의 크로스토크를 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 7 내지 도 15는 도 1에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 16 및 도 17은 도 3에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 18은 도 5에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 19는 도 6에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 7 내지 도 15는 도 1에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 16 및 도 17은 도 3에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 18은 도 5에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 19는 도 6에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
본 발명의 실시예들에서 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결되는 것으로 설명되는 경우 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화는 충분히 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차를 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 요소들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상은 요소들의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서(100)는 기판(102) 내에 형성된 복수의 화소 영역들(120)을 포함할 수 있다. 각각의 화소 영역들(120)은 입사광에 의해 생성된 전하들이 축적되는 전하 저장 영역(122)을 포함할 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 소정 간격 이격된 상기 기판(102)의 전면 부위에는 플로팅 확산 영역(126)이 배치될 수 있다.
상기 기판(102)은 제1 도전형을 가질 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 기판(102)으로는 P형 기판이 사용될 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126)으로서 기능하는 N형 불순물 확산 영역들이 상기 P형 기판(102) 내에 형성될 수 있다.
상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126) 사이의 채널 영역 상에는 상기 전하 저장 영역(122)에 축적된 전하들을 상기 플로팅 확산 영역(126)으로 전달하기 위한 전달 게이트 구조물(110)이 배치될 수 있다. 상기 전달 게이트 구조물(110)은 상기 기판의(102) 전면(102A) 상에 형성된 게이트 절연막(112)과, 상기 게이트 절연막(112) 상에 형성된 게이트 전극(114)과, 상기 게이트 전극(114)의 측면들 상에 형성된 게이트 스페이서들(116)을 포함할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에는 상기 플로팅 확산 영역(126)과 전기적으로 연결된 리셋 게이트 구조물(미도시)과 소스 팔로워 게이트 구조물(미도시) 및 선택 게이트 구조물(미도시)이 배치될 수 있다.
그러나, 상기와 다르게 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)가 3T 레이아웃을 갖는 경우 상기 전달 게이트 구조물(110)은 리셋 게이트 구조물로서 기능할 수 있으며 상기 플로팅 확산 영역(126)은 상기 전하 저장 영역(122)을 리셋 회로에 연결하기 위한 활성 영역으로서 기능할 수 있다.
상기 화소 영역들(120)은 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 기판(102)의 전면(102A) 사이에 배치된 전면 피닝층(124)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화소 영역들(120)은 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 기판(102)의 후면(102B) 사이에 배치된 후면 피닝층(128)을 포함할 수 있다. 상기 전면 및 후면 피닝층들(124, 128)은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들면, P형 불순물 확산 영역들이 상기 전면 및 후면 피닝층들(124, 128)로서 사용될 수 있다.
상기 기판(102)의 전면(102A) 상에는 상기 화소 영역들(120)과 전기적으로 연결되는 배선층들(130)이 배치될 수 있으며, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 배선층들(130) 사이에는 절연층들(132)이 배치될 수 있다.
상기 기판(102)의 후면(102B) 상에는 반사 방지막(140)이 배치될 수 있으며, 상기 반사 방지막(140) 상에는 상기 화소 영역들(120)에 대응하는 개구들(162A; 도 15 참조)을 갖는 차광 패턴(162)이 배치될 수 있다. 아울러, 상기 반사 방지막(140)과 상기 차광 패턴(162) 상에는 패시베이션층(180)이 배치될 수 있고, 상기 패시베이션층(180) 상에 컬러 필터층(192)이 배치될 수 있으며, 상기 컬러 필터층(192) 상에 마이크로렌즈 어레이(194)가 배치될 수 있다. 아울러, 상기 화소 영역들(120)은 소자 분리 영역들(104)에 의해 전기적으로 서로 격리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차광 패턴(162)은 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 광손실 및 크로스토크를 감소시키기 위해 사용될 수 있으며 상기 기판(102)의 후면(102B)을 향하여 감소하는 폭을 가질 수 있다. 즉, 상기 차광 패턴(162)의 측면들은 네거티브 슬로프(negative slope)를 가질 수 있으며 이에 따라 상기 차광 패턴(162)의 측면들에서의 광반사가 감소될 수 있다. 결과적으로, 상기 광반사에 의한 광손실이 크게 감소될 수 있다. 아울러, 상기 차광 패턴(162)은 금속 물질을 이용한 다마신(damascene) 공정을 통해 형성될 수 있으며 이에 따라 상기 차광 패턴(162)의 두께를 상대적으로 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 차광 패턴(162)에 의한 크로스토크의 감소 효과가 증가될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)는 상기 반사 방지막(140) 상에 형성된 몰드층(150)을 포함할 수 있다. 상기 몰드층(150)은 상기 차광 패턴(162)을 형성하기 위한 트렌치들(152; 도 12 참조)을 가질 수 있으며, 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(162) 상에 패시베이션층(182)이 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 몰드층(150)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 트렌치들(152)은 이방성 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 특히, 상기 트렌치들(152)은 상기 이방성 식각 공정에 의해 상기 기판(102)의 후면(102B)을 향해 감소되는 폭을 가질 수 있다. 즉, 상기 트렌치들(152)의 내측면들은 포지티브 슬로프를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 차광 패턴(166)은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 차광 패턴(166)은 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 그러나, 상기와 다르게 차광 패턴(166)은 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수도 있다. 본 실시예들에 따르면, 도시된 바와 같이 상기 반사 방지막(140)과 상기 차광 패턴(166) 사이 그리고 상기 차광 패턴(166)의 측면들 상에는 금속 확산을 방지하기 위한 확산 방지막(170)이 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 확산 방지막(170)으로는 텅스텐 질화막, 티타늄 질화막, 탄탈륨 질화막 등이 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 후면 조사형 이미지 센서들을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 차광 패턴(166) 상에는 제2 확산 방지막(172, 174)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 차광 패턴(166)과 상기 확산 방지막(170) 및 상기 반사 방지막(140) 상에 제2 확산 방지막(172)이 형성될 수 있으며, 또한 도 6에 도시된 바와 같이 상기 차광 패턴(166)과 상기 몰드층(150) 상에 제2 확산 방지막(174)이 형성될 수 있다. 상기 제2 확산 방지막(172, 174)으로는 실리콘 질화막이 사용될 수 있다.
도 7 내지 도 15는 도 1에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 기판(102)의 전면 부위들에 액티브 영역들을 정의하기 위한 소자 분리 영역들(104)을 형성할 수 있다. 상기 기판(102)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 기판(102)으로는 P형 기판이 사용될 수 있으며, 다른 예로서, 상기 기판(102)은 실리콘 벌크 기판과 상기 실리콘 벌크 기판 상에 형성된 P형 에피택시얼층을 포함할 수 있다. 상기 소자 분리 영역들(104)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며 얕은 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation; STI) 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 소자 분리 영역들(104)을 형성한 후 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에 전달 게이트 구조물들(110)이 형성될 수 있다. 상기 전달 게이트 구조물들(110)은 각각 게이트 절연막(112)과 상기 게이트 절연막(112) 상에 형성된 게이트 전극(114)과 상기 게이트 전극(114)의 측면들 상에 형성된 게이트 스페이서들(116)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 기판(102)의 전면 상에는 리셋 게이트 구조물(미도시)과 소스 팔로워 게이트 구조물(미도시) 및 선택 게이트 구조물(미도시)이 상기 전달 게이트 구조물(110)과 동시에 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 구체적으로, 상기 기판(102) 내에 화소 영역들(120)로서 기능하는 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102)의 액티브 영역들 내에 제2 도전형을 갖는 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있다. 예를 들면, P형 기판(102) 내에 N형 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있으며, 상기 N형 전하 저장 영역들(122)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 N형 불순물 확산 영역들일 수 있다. 이어서, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 제1 도전형을 갖는 전면 피닝층들(124)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 N형 전하 저장 영역들(122) 사이에는 이온 주입 공정을 통해 P형 전면 피닝층들(124)이 형성될 수 있으며, 상기 P형 전면 피닝층들(124)은 P형 불순물 확산 영역들일 수 있다. 상기 N형 전하 저장 영역들(122)과 P형 전면 피닝층들(124)은 후속하는 급속 열처리 공정에 의해 활성화될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 전하 저장 영역들(122)로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판(102)의 전면 부위에 제2 도전형을 갖는 플로팅 확산 영역들(126)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전하 저장 영역들(122)로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판(102)의 전면 부위에 상기 플로팅 확산 영역들(126)로서 기능하는 N형 고농도 불순물 영역들이 이온 주입 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 전달 게이트 구조물들(110)은 상기 전하 저장 영역들(122)과 상기 플로팅 확산 영역들(126) 사이의 채널 영역들 상에 배치될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에는 상기 화소 영역들(120)과 전기적으로 연결되는 배선층들(130)이 형성될 수 있으며, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 배선층들(130) 사이에는 절연층들(132)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 배선층들(130)은 상기 플로팅 확산 영역들(126) 및 상기 게이트 구조물들(110)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 기판(102)의 두께를 감소시키기 위한 백그라인딩 공정 또는 화학적 기계적 연마 공정이 수행될 수 있으며, 이어서 상기 기판(102)의 후면(102B)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 제1 도전형을 갖는 후면 피닝층들(128)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 상기 기판(102)의 후면(102B)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 P형 후면 피닝층들(128)이 형성될 수 있으며, 상기 P형 후면 피닝층들(128)은 레이저 어닐 공정을 통해 활성화될 수 있다.
상기와 다르게, 상기 후면 피닝층들(128)은 상기 전하 저장 영역들(122)보다 먼저 형성될 수도 있다. 예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 상기 후면 피닝층들(128)을 형성한 후 상기 후면 피닝층들(128) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 백그라인딩 공정은 상기 후면 피닝층들(128)이 노출되도록 수행될 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 반사 방지층(140)이 형성될 수 있으며, 상기 반사 방지층(140) 상에 몰드층(150)이 형성될 수 있다. 이어서, 상기 몰드층(150)을 부분적으로 식각하여 상기 차광 패턴(162) 형성을 위한 트렌치들(152)을 형성할 수 있다. 상기 트렌치들(152)은 상기 차광 패턴(162)의 형성을 위해 상기 화소 영역들(120) 사이에 배치될 수 있다. 특히, 상기 트렌치들(152)은 이방성 식각 공정을 통해 형성될 수 있으며, 상기 반사 방지층(140)은 상기 이방성 식각 공정에서 식각 저지막으로서 기능할 수 있다. 또한, 상기 트렌치들(152)은 상기 이방성 식각 공정에 의해 하방으로 점차 감소되는 폭을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 반사 방지층(140)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 상기 몰드층(150)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 트렌치들(152)이 매립되도록 상기 몰드층(150) 상에 금속층(160)을 형성할 수 있으며, 도 14를 참조하면, 상기 몰드층(150)이 노출되도록 평탄화 공정이 수행될 수 있고, 이에 의해 상기 트렌치들(152) 내에서 상기 차광 패턴(162)이 수득될 수 있다.
예를 들면, 상기 몰드층(150) 상에는 텅스텐층(160)이 유기금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 공정을 통해 형성될 수 있으며, 이에 의해 상기 트렌치들(152)이 텅스텐으로 매립될 수 있다. 이어서, 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polish; CMP) 공정이 상기 몰드층(150)이 노출되도록 수행될 수 있다. 결과적으로, 상기 텅스텐층(160)의 상부(upper portion)가 상기 화학적 기계적 연마 공정에 의해 제거될 수 있으며, 이에 의해 상기 트렌치들(152) 내에서 상기 차광 패턴(162)이 수득될 수 있다.
상기와 같이 차광 패턴(162)을 형성한 후 도 15에 도시된 바와 같이 상기 몰드층(150)이 등방성 식각, 예를 들면, 습식 식각 공정을 통해 제거될 수 있으며, 이에 따라 상기 개구들(162A)을 갖는 차광 패턴이 완성될 수 있다. 이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반사 방지막(140)과 상기 차광 패턴(162) 상에 패시베이션층(180)이 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(180)은 TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate) 및 USG(undoped silica glass) 등과 같은 실리콘 산화물을 포함할 수 있으며 화학기상증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 선택적으로, 상기 패시베이션층(180)을 형성한 후 평탄화 공정이 추가적으로 수행될 수 있으며 상기 패시베이션층(180)은 평탄화층으로서 기능할 수 있다. 상기 패시베이션층(180)을 형성한 후 상기 패시베이션층(180) 상에 컬러 필터층(192)과 마이크로렌즈 어레이(194)가 순차적으로 형성될 수 있다.
상기와 다르게, 상기 몰드층(150)이 노출되도록 상기 평탄화 공정을 수행한 후 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(162) 상의 이물질들을 제거하기 위한 세정 공정이 수행될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(162) 상에 패시베이션층(182)이 형성될 수 있다. 이어서, 상기 컬러 필터층(192)과 상기 마이크로 어레이(194)가 상기 패시베이션층(182) 상에 형성될 수 있다.
도 16 및 도 17은 도 3에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 16을 참조하면, 상기 반사 방지막(140) 상에 상기 트렌치들(152)을 갖는 몰드층(150)을 형성한 후 상기 몰드층(150)과 상기 트렌치들(152)에 의해 노출된 상기 반사 방지막(140) 상에 금속 확산을 방지하기 위한 확산 방지막(170)을 형성할 수 있다. 상기 확산 방지막(170)은 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 등을 포함할 수 있으며, 유기금속 화학기상증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 확산 방지막(170)을 형성한 후 상기 트렌치들(152)이 매립되도록 상기 확산 방지막(170) 상에 금속층(164)을 형성할 수 있다. 상기 금속층(164)은 텅스텐, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있으며, 유기금속 화학기상증착 공정, 진공 증착 공정, 전기 도금 등의 방법을 통해 형성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 상기와 같이 금속층(164)을 형성한 후 상기 몰드층(150)이 노출되도록 평탄화 공정이 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 트렌치들(152) 내에서 차광 패턴(166)이 수득될 수 있다.
이어서, 습식 식각과 같은 등방성 식각 공정을 통해 상기 몰드층(150)을 제거한 후 도 3에 도시된 바와 같이 상기 반사 방지막(140)과 상기 확산 방지막(170) 및 상기 차광 패턴(166) 상에 패시베이션층(184)과 컬러 필터층(192) 및 마이크로렌즈 어레이(194)를 순차적으로 형성할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 몰드층(150)이 노출되도록 상기 평탄화 공정을 수행한 후 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(166) 상의 이물질들을 제거하기 위한 세정 공정이 수행될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(166) 상에 패시베이션층(186)이 형성될 수 있다. 이어서, 상기 컬러 필터층(192)과 상기 마이크로 어레이(194)가 상기 패시베이션층(186) 상에 형성될 수 있다.
도 18은 도 5에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 19는 도 6에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 18을 참조하면, 상기 몰드층(150)을 제거한 후 상기 반사 방지막(140)과 상기 확산 방지막(170) 및 상기 차광 패턴(166) 상에 제2 확산 방지막(172)이 형성될 수 있다. 상기 제2 확산 방지막(172)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며 화학기상증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 이어서, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제2 확산 방지막(172) 상에 패시베이션층(188)과 컬러 필터층(192) 및 마이크로렌즈 어레이(194)를 순차적으로 형성할 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 몰드층(150)이 노출되도록 상기 평탄화 공정을 수행한 후 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(166) 상의 이물질들을 제거하기 위한 세정 공정이 수행될 수 있으며, 상기 몰드층(150)과 상기 차광 패턴(166) 상에 제2 확산 방지막(174)이 형성될 수 있다. 이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 확산 방지막(174) 상에 패시베이션층(190)과 상기 컬러 필터층(192) 및 상기 마이크로 어레이(194)가 순차적으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 조사형 이미지 센서(100)는, 화소 영역들(120)이 형성된 기판(102)과, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 배치된 반사 방지막(140)과, 상기 반사 방지막(140) 상에 배치되며 상기 화소 영역들(120)과 대응하는 개구들(162A)을 갖는 차광 패턴(162)과, 상기 차광 패턴(162) 상에 배치된 컬러 필터층(192)과, 상기 컬러 필터층(192) 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이(194)를 포함할 수 있으며, 상기 차광 패턴(162)은 상기 기판(102)의 후면(102B)을 향하여 감소하는 폭을 가질 수 있다.
따라서, 상기 차광 패턴(162)의 측면들에서의 광반사가 감소될 수 있으며 이에 따라 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 광손실이 감소될 수 있다. 아울러, 상기 광반사에 의한 크로스토크가 감소될 수 있다.
상기 차광 패턴(162)은 금속 다마신 공정을 통해 형성될 수 있으며, 패터닝 공정에 의해 형성되는 종래의 차광 패턴과 비교하여 그 두께를 상대적으로 두껍게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 크로스토크를 크게 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 후면 조사형 이미지 센서 102 : 기판
102A : 기판의 전면 102B : 기판의 후면
104 : 소자 분리 영역 110 : 전달 게이트 구조물
120 : 화소 영역 122 : 전하 저장 영역
124 : 전면 피닝층 126 : 플로팅 확산 영역
128 : 후면 피닝층 130 : 배선층
132 : 절연층 140 : 반사 방지막
150 : 몰드층 152 : 트렌치
160 : 금속층 162 : 차광 패턴
162A : 개구 170 : 확산 방지막
172, 174 : 제2 확산 방지막 180 : 패시베이션층
192 : 컬러 필터층 194 : 마이크로렌즈 어레이
102A : 기판의 전면 102B : 기판의 후면
104 : 소자 분리 영역 110 : 전달 게이트 구조물
120 : 화소 영역 122 : 전하 저장 영역
124 : 전면 피닝층 126 : 플로팅 확산 영역
128 : 후면 피닝층 130 : 배선층
132 : 절연층 140 : 반사 방지막
150 : 몰드층 152 : 트렌치
160 : 금속층 162 : 차광 패턴
162A : 개구 170 : 확산 방지막
172, 174 : 제2 확산 방지막 180 : 패시베이션층
192 : 컬러 필터층 194 : 마이크로렌즈 어레이
Claims (17)
- 화소 영역들이 형성된 기판;
상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막;
상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖고 금속 물질로 이루어지는 차광 패턴;
상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 사이 그리고 상기 차광 패턴의 측면들 상에 형성되며 금속 질화물로 이루어지는 확산 방지막;
상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층; 및
상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함하되,
상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서, 상기 화소 영역들은,
상기 기판 내에 형성된 전하 저장 영역; 및
상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제2항에 있어서, 상기 화소 영역들은 상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 화소 영역들로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판의 전면 부위들에 형성된 플로팅 확산 영역들; 및
상기 화소 영역들과 상기 플로팅 확산 영역들 사이에 각각 위치되도록 상기 기판의 전면 상에 형성된 게이트 구조물들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막 상에 형성되며 상기 차광 패턴을 형성하기 위한 트렌치들을 갖는 몰드층; 및
상기 몰드층과 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 차광 패턴 상에 형성된 제2 확산 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
- 기판 내에 화소 영역들을 형성하는 단계;
상기 기판의 후면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
상기 반사 방지막 상에 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴을 형성하는 단계;
상기 차광 패턴 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계; 및
상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 차광 패턴을 형성하는 단계는, 상기 반사 방지막 상에 상기 차광 패턴을 형성하기 위한 트렌치들을 갖는 몰드층을 형성하는 단계와, 상기 몰드층 및 상기 트렌치들에 의해 노출된 상기 반사 방지막 상에 금속 질화물로 이루어진 확산 방지막을 형성하는 단계와, 상기 트렌치들이 매립되도록 상기 확산 방지막 상에 금속층을 형성하는 단계와, 상기 몰드층이 노출되도록 평탄화 공정을 수행하여 상기 트렌치들 내에 금속 물질로 이루어진 상기 차광 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 트렌치들은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 갖고, 상기 차광 패턴은 상기 기판의 후면을 향하여 감소하는 폭을 갖도록 상기 트렌치들 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 상기 화소 영역들을 형성하는 단계는,
상기 기판 내에 전하 저장 영역들을 형성하는 단계; 및
상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 전면 피닝층들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 화소 영역들을 형성하는 단계는,
상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 후면 피닝층들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 상기 화소 영역들로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판의 전면 부위들에 플로팅 확산 영역들을 형성하는 단계; 및
상기 기판의 전면 상에 게이트 구조물들을 형성하는 단계를 더 포함하되,
상기 게이트 구조물들이 형성된 후 상기 게이트 구조물들의 양측에 각각 위치되도록 상기 화소 영역들과 상기 플로팅 확산 영역들이 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 삭제
- 제9항에 있어서, 상기 차광 패턴을 형성한 후 상기 몰드층을 제거하는 단계; 및
상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 상기 몰드층 및 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제9항에 있어서, 상기 차광 패턴 상에 제2 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
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