KR102658571B1 - 이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및 상기 기판 상부에 위치하는 그리드 구조물을 포함하되, 상기 그리드 구조물은 내부 그리드 및 상기 내부 그리드의 측부와 상부에 형성된 에어층을 포함하는 외부 그리드를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법{IMAGE SENSING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어(air) 캡핑 구조의 그리드 구조물을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 입사된 광에 대한 라이트 가이딩(light guarding) 효과를 최대화하면서 크로스토크(cross talk)를 방지할 수 있는 이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및 상기 기판 상부에 위치하는 그리드 구조물을 포함하되, 상기 그리드 구조물은 내부 그리드 및 상기 내부 그리드의 측부와 상부에 형성된 에어층을 포함하는 외부 그리드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 제조 방법은 광전변환소자를 포함하는 기판 상부에 내부 그리드를 형성하는 단계, 상기 내부 그리드를 전체적으로 덮도록 희생막을 형성하는 단계, 상기 희생막 상부에 지지물질층을 형성하는 단계, 상기 희생막과 상기 지지물질층을 패터닝하여 기 정의된 그리드 구조물 영역에 희생막 패턴과 지지막의 적층 구조를 형성하는 단계, 상기 희생막 패턴과 상기 지지막의 적층 구조를 덮도록 제 1 캡핑막을 형성하는 단계, 상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 희생막 패턴이 제거된 영역에 에어층을 형성하는 단계, 및 상기 제 1 캡핑막 상에 제 2 캡핑막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 광라이트 가이딩(light guarding) 효과를 최대화하면서 크로스토크(cross talk)를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'를 따라 절단한 단면의 일 실시예를 간략하게 나타낸 단면도.
도 3은 도 2에서의 버퍼층 및 그리드 구조물의 일 실시예에 따른 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면.
도 4는 도 2에서의 버퍼층 및 그리드 구조물의 다른 실시예에 따른 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면.
도 5a 내지 도 5g는 도 4의 구조를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들.
도 6은 O2 플라즈마 공정을 통해 희생막 패턴이 제거되는 모습을 개념적으로 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그리드 구조물 및 버퍼층의 구조를 보여주는 단면도들.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그리드 구조물 및 버퍼층의 구조를 보여주는 단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그리드 구조물 및 버퍼층의 구조를 보여주는 단면도들.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 200), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 300), 버퍼(Buffer, 400), 로우 드라이버(row driver, 500), 타이밍 제너레이터(timing generator, 600), 제어 레지스터(control register, 700) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 800)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 매트릭스 구조로 배열된 복수의 단위픽셀(PX)들을 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 각각 광학적 이미지 정보를 전기적 이미지 신호로 변환하여 컬럼 라인들(column lines)을 통하여 상관 이중 샘플러(200)로 출력할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 각각 로우 라인들(row lines) 중 하나 및 컬럼 라인들(column lines) 중 하나와 연결될 수 있다.
상관 이중 샘플러(200)는 픽셀 어레이(100)의 픽셀(PX)들로부터 수신된 전기적 이미지 신호를 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(200)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공된 클럭 신호에 따라 기준 전압 레벨과 수신된 전기적 이미지 신호의 전압 레벨을 샘플링하여 그 차이에 해당하는 아날로그적 신호를 아날로그-디지털 컨버터(300)로 전송할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(300)는 램프 신호 제너레이터(800)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(300)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(400)로 출력할 수 있다.
버퍼(400)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(400)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀(PX)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
로우 드라이버(500)는 타이밍 제너레이터(600)의 신호에 따라 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(500)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 이러한 선택 신호는 후술되는 스위칭 정션의 온/오프 동작을 제어하기 위한 제어신호를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(600)는 로우 드라이버(500), 상관 이중 샘플링(200), 아날로그-디지털 컨버터(300) 및 램프 신호 제너레이터(800)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
제어 레지스터(700)는 램프 신호 제너레이터(800), 타이밍 제너레이터(600) 및 버퍼(400)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
램프 신호 제너레이터(800)는 타이밍 제너레이터(600)의 컨트롤에 따라 버퍼(400)로부터 출력되는 이미지 신호를 제어하기 위한 램프 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이(100)에서 A-A'를 따라 절단한 단면의 일 실시예를 간략하게 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센싱 장치의 픽셀 어레이(100)는 기판(110), 버퍼층(120a), 컬러필터층(130), 그리드 구조물(140) 및 렌즈층(150)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판(110)은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(110)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 기판(110)은 P형 불순물을 포함할 수 있다. 기판(110)의 내부에는 광전변환소자(112)가 형성될 수 있다. 기판(110)은 광전변환소자들(112) 사이를 소자분리시키기 위한 소자분리구조(114)를 포함할 수 있다. 소자분리구조(114)는 절연막과 에어(air) 중 적어도 어느 하나가 매립된 DTI(Deep Trench Isolation) 구조로 형성될 수 있다.
광전변환소자(112)는 유기 또는 무기 포토다이오드를 포함할 수 있다. 광전변환소자(112)는 기판(110) 내에서 수직 방향으로 적층되는 불순물 영역들을 포함할 수 있다. 예컨대, 광전변환소자(112)는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역이 수직 방향으로 적층된 포토다이오드(Photo Diode)를 포함할 수 있다. N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역은 이온주입공정을 통해 형성될 수 있다.
버퍼층(120)은 기판(110)에 형성된 소정의 구조물들에 의한 단차를 제거하기 위한 평탄화층의 역할을 수행함과 동시에 컬러필터층(130)을 통해 입사된 광이 기판(110)의 광전변환소자(112) 쪽으로 통과되도록 하는 반사 방지막의 역할을 수행할 수 있다. 버퍼층(120)은 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 예컨대, 버퍼층(120)은 컬러필터층(130) 하부 또는 그리드 구조물(140)과 컬러필터층(130) 하부에 전체적으로 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층(120)은 굴절율이 서로 다른 물질들이 적층된 다층막으로 형성될 수 있다. 예컨대, 버퍼층(120)은 질화막과 산화막이 적층된 다층막 구조를 포함할 수 있다. 질화막은 실리콘 질화막(SixNy, 여기서 x, y는 자연수) 또는 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수)을 포함할 수 있다. 산화막은 USG(Undoped Silicate Glass)막과 저온산화(ULTO: ULTRA LOW TEMPERATURE OXIDE)막 중 어느 하나의 단일막 또는 이들이 적층된 다층막을 포함할 수 있다. 버퍼층(120)의 구조에 대해서는 보다 상세하게 후술된다.
컬러필터층(130)은 렌즈층(150)을 통해 입사되는 광으로부터 가시광을 필터링하여 통과시킨다. 컬러필터층(130)은 단위픽셀(PX) 별로 형성되며 그리드 구조물(140) 사이에 갭필된 컬러필터들을 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러필터층(130)은 가시광에서 적색광만을 통과시키는 복수의 레드필터들(red filters), 가시광에서 녹색광만을 통과시키는 복수의 그린필터들(green filters) 및 가시광에서 청색광만을 통과시키는 복수의 블루필터들(blue filters)을 포함할 수 있다. 이러한 레드필터들, 그린필터들 및 블루필터들은 베이어 패턴 형태로 배열될 수 있다. 또는 컬러필터층(130)은 복수의 사이언 필터들(cyan filters), 복수의 옐로우 필터들(yellow filters), 복수의 마젠타 필터들(magenta filters)을 포함할 수 있다.
그리드(grid) 구조물(140)은 인접한 컬러필터들 사이의 경계면에 위치하여 컬러필터들 간의 광학적 크로스토크(cross-talk)를 방지한다. 그리드 구조물(140)은 컬러필터들(130)과 측벽이 접촉되도록 형성될 수 있다. 특히, 본 실시예의 그리드 구조물(140)은 에어(air)가 메탈 그리드를 둘러싸는 에어 캡핑 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 그리드 구조물(140)은 메탈 그리드의 측부 및 상부에 에어층이 형성되는 구조로 형성될 수 있다.
컬러 필터를 통과한 광선(RAY)이 굴절률이 1인 에어 그리드에 도달하였을 때 입사각이 임계각보다 작아지면, 에어 그리드는 그리드로서의 역할을 하지 못하고 에어 그리드에 도달한 광은 에어 그리드를 통과할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 에어 그리드 내부에 메탈 그리드를 형성함으로써, 광의 크로스토크를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 이러한 그리드 구조물(140)의 구조에 대해서는 보다 상세하게 후술된다.
렌즈층(150)은 컬러필터층(130) 및 그리드 구조물(140)의 상부에 형성되는 복수개의 마이크로 렌즈들(또는 온 칩 렌즈들)을 포함할 수 있다. 복수개의 마이크로 렌즈들은 외부로부터 입사되는 빛을 집광하여 컬러필터층(130)으로 전달한다.
도 3은 도 2에서의 버퍼층 및 그리드 구조물의 일 실시예에 따른 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 버퍼층(120a)은 기판(110) 상에 위치하며, 절연막(122) 및 캡핑막(126)의 적층 구조를 포함할 수 있다.
이때, 절연막(122)은 질화막 또는 산화막으로 된 단일막 구조 또는 질화막과 산화막의 적층막 구조를 포함할 수 있다. 이러한 절연막(122)은 실리콘 질화막(SixNy, 여기서 x, y는 자연수), 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), USG(Undoped Silicate Glass)막, 실리콘 산화막(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
캡핑막(126)은 외부 그리드(OG)의 캡핑막(147)과 동일한 물질막으로 이루어질 수 있다. 이러한 캡핑막(126)은 산화막을 포함하는 다층막 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, 캡핑막(126)은 이중 산화막 구조 또는 산화막과 산화막이 아닌 다른 물질막이 적층된 다층막 구조로 형성될 수 있다. 캡핑막(126)의 산화막은 바람직하게는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO: Ultra Low Temperature Oxide)막을 포함할 수 있다.
그리드 구조물(140a)은 내부 그리드(IG: Inner Grid) 및 외부 그리드(OG: Outer Grid)를 포함할 수 있다.
내부 그리드(IG)는 기판(100) 상부에 형성된 메탈층(141) 및 메탈층(141)을 캡핑하는 절연막(142)을 포함할 수 있다.
메탈층(141)은 텅스텐을 포함할 수 있다. 절연막(142)은 버퍼층(120a)의 절연막(122)과 동일한 물질막으로 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 절연막(122)과 절연막(142)을 구분하여 표시하였으나, 절연막들(122, 142)은 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
외부 그리드(OG)는 에어층(air layer)(145) 및 에어층(145)을 캡핑하는 캡핑막(147)을 포함할 수 있다.
에어층(145)은 내부 그리드(IG)를 전체적으로 캡핑하도록 내부 그리드(IG)의 측부 및 상부에 형성된다. 캡핑막(147)은 그리드 구조물(140a)의 최외곽에 형성되는 물질막으로, 에어층(145)을 캡핑하여 에어층(145)이 형성되는 영역을 정의한다. 이러한 캡핑막(147)은 버퍼층(120a)의 캡핑막(126)과 동일한 물질막으로 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 캡핑막(126)과 캡핑막(147)을 구분하여 표시하였으나, 캡핑막들(126, 147)은 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
도 4는 도 2에서의 버퍼층 및 그리드 구조물의 다른 실시예에 따른 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다. 설명의 편의를 위해, 상술한 도 3과 동일한 대상에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하였다.
도 4를 참조하면, 버퍼층(120b)은 기판(110) 상에 위치하며, 질화막(123), 산화막(124) 및 캡핑막(126)의 적층 구조를 포함할 수 있다.
이때, 질화막(123)은 실리콘 질화막(SixNy, 여기서 x, y는 자연수) 또는 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수)을 포함할 수 있다. 산화막(124)은 USG막을 포함할 수 있다. 캡핑막(126)은 외부 그리드(OG)의 캡핑막(147)과 동일한 물질막으로 이루어질 수 있다. 이러한 캡핑막(126)은 산화막을 포함하는 다층막 구조를 포함할 수 있다. 예컨대, 캡핑막(126)은 이중 산화막 구조 또는 산화막과 산화막이 아닌 다른 물질막이 적층된 다층막 구조로 형성될 수 있다. 캡핑막(126)의 산화막은 바람직하게는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다.
그리드 구조물(140b)은 내부 그리드(IG') 및 외부 그리드(OG')를 포함할 수 있다.
내부 그리드(IG')는 기판(100) 상부에 형성된 베리어메탈층(141a), 베리어메탈층(141a) 상부에 형성된 메탈층(141b), 베리어메탈층(141a)과 메탈층(141b)을 캡핑하는 절연막(143, 144)을 포함할 수 있다.
베리어메탈층(141a)은 Ti와 TiN 중 어느 하나 또는 이들이 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 메탈층(141b)은 텅스텐을 포함할 수 있다.
절연막(143, 144)은 질화막(143) 및 산화막(144)을 포함할 수 있다. 질화막(143)은 베리어메탈층(141a)과 메탈층(141b)의 측면 및 메탈층(141b)의 상부면 상에 형성되고, 산화막(144)은 질화막(143) 상부에 형성될 수 있다. 이러한 질화막(143)은 실리콘 질화막(SixNy, 여기서 x, y는 자연수) 또는 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수)을 포함할 수 있다. 산화막(144)은 USG막을 포함할 수 있다. 또한 절연막들(143, 144)은 동일한 물질막 예컨대 SiO2와 같은 산화막으로 형성될 수도 있다.
외부 그리드(OG')는 에어층(air layer)(145), 에어층(145) 상부에 형성된 지지막(146), 및 적층된 에어층(145)과 지지막(146)을 캡핑하는 캡핑막(147)을 포함할 수 있다.
에어층(145)은 내부 그리드(IG)를 전체적으로 캡핑하도록 내부 그리드(IG)의 측부 및 상부에 형성된다.
지지막(146)은 그리드 구조물(140b)의 형태를 유지시키기 위한 막으로, 에어층(145)을 형성하는 과정에서 캡핑막(147)이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 이러한 지지막(146)은 광흡수 특성을 갖지 않는 절연막을 포함할 수 있다. 예컨대, 지지막(146)은 탄소가 함유된 스핀 온 카본(SOC: Spin On Carbon)막과 식각 선택비가 다른 절연막으로서, 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
캡핑막(147)은 그리드 구조물(140)의 최외곽에 형성되는 물질막으로, 에어층(145)과 지지막(146)을 캡핑하여 에어층(145)이 형성되는 영역을 정의한다. 캡핑막(147)은 에어층(145)과 지지막(146)의 측면 및 지지막(146)의 상부면 상에 형성될 수 있다. 이러한 캡핑막(147)은 버퍼층의 캡핑막(126)과 동일한 물질막으로 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 캡핑막(126)과 캡핑막(147)을 구분하여 표시하였으나, 캡핑막들(126, 147)은 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 도 4의 구조를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
먼저 도 5a를 참조하면, 광전변환소자(112)를 포함하는 기판(110) 상부에 베리어메탈층(141a)과 메탈층(141b)을 순차적으로 형성한다.
예컨대, 기판(110) 상부에 베리어메탈 물질과 메탈 물질이 순차적으로 적층된 후 내부 그리드의 메탈층 영역을 정의하는 마스크 패턴(미도시)을 식각 마스크로 하여 베리어메탈 물질과 메탈 물질이 식각됨으로써 베리어메탈층(141a)과 메탈층(141b)의 적층 구조물이 형성될 수 있다. 이때, 베리어메탈 물질은 Ti와 TiN 중 어느 하나 또는 이들이 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 메탈 물질은 텅스텐(W)을 포함할 수 있다.
이어서, 기판(110), 베리어메탈층(141a) 및 메탈층(141b) 상부에 질화막(123, 143)이 형성되고 질화막(123, 143) 상부에 산화막(124, 144)이 형성됨으로써 내부 그리드(IG)가 형성된다. 이때, 내부 그리드(IG') 양측의 기판(110) 상에 형성되는 질화막(123)과 산화막(124)은 버퍼층(120b)의 일부가 된다.
설명의 편의를 위해, 질화막(123, 143)은 형성되는 위치에 따라 서로 다른 참조번호로 구분되어 표시되었으나, 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다. 또한, 산화막(124, 144)도, 설명의 편의를 위해, 형성되는 위치에 따라 구분되어 표시되었으나, 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다. 즉, 질화막(143)과 산화막(144)은 내부 그리드(IG')의 일부로서 베리어메탈층(141a) 및 메탈층(141b) 상부에 형성된 것을 나타내며, 질화막(123)과 산화막(124)은 버퍼층(120b)의 일부로서 내부 그리드(IG')들 양측의 기판(110) 상에 형성되는 것을 나타낸다.
질화막(123, 143)은 실리콘 질화막(SixNy, 여기서 x, y는 자연수) 또는 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수)을 포함할 수 있으며, 산화막(124, 144)은 USG(Undoped Silicate Glass)막을 포함할 수 있다.
이어서, 질화막(123, 143) 및 산화막(124, 144)에 대한 어닐(anneal) 공정이 수행될 수 있다. 어닐 공정은 질소(N2) 분위기에서 수행될 수 있다.
다음에 도 5b를 참조하면, 산화막(124, 144) 상부에 희생막(148)이 형성되고, 희생막(148) 상부에 지지물질층(149)이 형성된다.
이때, 희생막(148)은 탄소가 함유된 SOC막을 포함할 수 있다.
지지물질층(149)은 후속 공정에서 그리드 구조물이 붕괴되는 것을 방지하기 위한 물질층이다. 지지물질층(149)은 희생막(148)과 식각 선택비가 다른 절연막층으로서, 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음에 도 5c를 참조하면, 지지물질층(149) 상부에 외부 그리드(OG')의 에어층(145) 영역을 정의하는 마스크 패턴(150)이 형성된다.
마스크 패턴(150)은 포토레지스트(Photoresist) 패턴을 포함할 수 있다.
다음에 도 5d를 참조하면, 마스크 패턴(150)을 식각 마스크로 하여 지지물질층(149) 및 희생막(148)이 순차적으로 식각됨으로써 내부 그리드(IG') 상부에 희생막 패턴(148')과 지지막(146)의 적층 구조가 형성된다.
이때, 희생막 패턴(148')과 지지막(146)은 내부 그리드(IG) 보다 폭이 넓게 형성된다. 즉, 희생막 패턴(148')과 지지막(146)은 내부 그리드(IG) 및 내부 그리드(IG) 양측의 일부 영역을 덮도록 형성된다.
다음에 도 5e를 참조하면, 산화막(124), 희생막 패턴(148') 및 지지막(146) 상부에 제 1 캡핑막(147a, 126a)이 형성된다.
제 1 캡핑막(147a, 126a)은 산화막을 포함하며, 바람직하게는 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다. 특히, 제 1 캡핑막(147a)은 후속의 플라즈마 공정에서 사용되는 가스와 희생막 패턴(148')의 탄소가 결합되어 생성된 분자가 쉽게 외부로 빠져나갈 수 있는 두께로 형성된다. 바람직하게는, 제 1 캡핑막(147a)은 300Å 이하의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 형성되는 위치에 따라 제 1 캡핑막(147a, 126a)을 구분하여 표시하였으나, 이들은 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
다음에 도 5f를 참조하면, 도 5e의 결과물에 대해 플라즈마 공정이 수행됨으로써 희생막 패턴(148')이 제거되고 그 위치에 에어층(145)이 형성된다. 이때, 플라즈마 공정은 O2, N2, H2, CO, CO2, CH4 등 산소, 질소, 수소 중 적어도 하나가 포함된 가스를 이용한 플라즈마 공정이 이용될 수 있다.
예컨대, 도 6은 O2 플라즈마 공정에 의해 희생막 패턴이 제거되는 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6에서와 같이, 도 5e의 결과물에 대해 O2 플라즈마 공정을 수행하면, 산소기(Oxygen Radical)(O*)가 제 1 캡핑막(147a)을 통해 희생막 패턴(148')으로 유입되고, 유입된 산소기는 희생막 패턴(148')의 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2 를 생성한다. 생성된 CO 또는 CO2 는 제 1 캡핑막(147a)을 통해 밖으로 빠져나가게 된다. 이러한 과정을 통해 희생막 패턴(148')이 제거되고 제거된 위치에 에어층(145)이 형성된다.
이때, 희생막 패턴(148')이 제거되더라도 제 1 캡핑막(147a)이 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 본 실시예에서는 희생막 패턴(148') 상에 지지막(146)을 형성한 상태에서, 플라즈마 공정을 수행한다.
즉, 본 실시예에서는 플라즈마 공정시 희생막 패턴(148')이 보다 잘 제거되도록 하기 위해 제 1 캡핑막(147a)을 가능한 얇은 두께로 형성할 필요가 있다. 따라서, 희생막 패턴(148') 상에 지지막(146)이 형성되지 않고 희생막 패턴(148')만 형성된 상태에서 플라즈마 공정을 통해 희생막 패턴(148')이 제거되는 경우, 제 1 캡핑막(147a)이 쉽게 붕괴될 수 있다. 그러한 사실은 실험을 통해서도 확인되었다.
그러나, 희생막 패턴(148') 상에 지지막(146)을 형성한 후 희생막 패턴(148')을 제거하는 경우에는 제 1 캡핑막(147a)이 붕괴되지 않는다는 사실이 실험을 통해 확인되었다. 따라서, 본 실시예에서는 희생막 패턴(148') 상에 지지막(147a)을 형성한 후 희생막 패턴(148')을 제거한다.
다음에 도 5g를 참조하면, 제 1 캡핑막(147a, 126a) 상부에 제 2 캡핑막(147b, 126b)이 형성된다.
즉, 제 1 캡핑막(147a)이 두껍게 형성되는 경우, 상술한 플라즈마 공정을 통한 희생막 패턴(148') 제거 및 에어층(145) 형성이 어려울 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 플라즈마 공정이 잘 이루어지도록 제 1 캡핑막(147a)은 박막 형태로 가능한 얇게 형성한다.
그런데, 캡핑막(147)이 박막 형태의 제 1 캡핑막(147a) 만으로 이루어지는 경우, 후속의 열처리 공정 등에서 에어층이 터지는 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 플라즈마 공정 후 제 1 캡핑막(147a) 상에 제 2 캡핑막(147b)을 추가적으로 형성함으로써 최종적으로 그리드 구조물(140b)의 형태를 안정적으로 유지할 수 있는 두께로 캡핑막(147)을 형성한다.
그리드 구조물(140)들 사이에 있는 제 1 캡핑막(126a) 상에도 추가적으로 제 2 캡핑막(126b)이 형성됨으로써 버퍼층(120b)이 형성된다.
이때, 제 2 캡핑막(147b, 126b)은 제 1 캡핑막(147a, 126a)과 동일한 물질막으로 형성될 수도 있고, 서로 다른 물질막으로 형성될 수도 있다.
제 2 캡핑막(147b, 126b)도, 설명의 편의를 위해, 형성되는 위치에 따라 구분되어 표시되었으나, 이들은 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다. 또한, 제 2 캡핑막(147b, 126b)은 제 1 캡핑막(147a, 126a)과 동일한 공정 조건으로 형성될 수 있다.
이후, 그리드 구조물(140)들 사이가 매립되도록 버퍼층(120) 상부에 컬러필터층(130)이 형성되고, 컬러필터층(130) 상에 렌즈층(150)이 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그리드 구조물 및 버퍼층의 구조를 보여주는 단면도들이다. 설명의 편의를 위해, 도 6에서는 상술한 도 3과 동일한 대상에 대해 동일한 참조번호를 부여하였다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에서는 내부 그리드(IG'', IG''')의 구조가 도 4에서의 내부 그리드(IG')와 차이가 있다.
즉, 본 실시예에서의 메탈층(141b', 141b'')은 단면 모양이 사다리꼴 또는 삼각형 형태로 형성됨으로써 측면이 비스듬히 경사진 형태로 형성될 수 있다. 이때 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 다양하게 결정될 수 있다. 이처럼, 내부 그리드(IG'', IG'')의 단면이 경사지게 형성됨으로써, 광이 에어로 된 외부 그리드(OG')를 통과하더라도 내부 그리드(IG'', IG''')에 의해 가이딩되어 본래의 픽셀로 입사되도록 할 수 있다.
도 7에서는 내부 그리드가 삼각형 또는 사다리꼴 형태로 형성되는 경우만을 예시적으로 도시하고 있으나, 측면이 경사진 형태를 갖는 다각형 형태로 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그리드 구조물 및 버퍼층의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 내부 그리드(IG'''')는 도 4에서의 내부 그리드(IG')와 비교하여, 베리어메탈층(141a)과 메탈층(141b) 상에 절연막들(143, 144)이 형성되지 않는다. 즉, 베리어메탈층(141a) 및 메탈층(141b) 상부에는 도 4에서와 같은 질화막(143)과 산화막(144)이 형성되지 않을 수 있다.
이러한 경우, 버퍼층(120c)은 캡핑막(126)으로만 이루어질 수 있으며, 캡핑막(126)은 캡핑막(147)과 동일한 증착 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
도 8과 같이, 내부 그리드가 베리어메탈층 및 메탈층으로만 이루어진 경우에도, 메탈층은 도 9와 같이 측면이 경사지게 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 픽셀 어레이
110: 기판
120: 버퍼층
130: 컬러필터층
140: 그리드 구조물
150: 렌즈층
200: 상관 이중 샘플러
300: 아날로그-디지털 컨버터
400: 버퍼
500: 로우 드라이버
600: 타이밍 제너레이터
700: 제어 레지스터
800: 램프 신호 제너레이터
IG: 내부 그리드
OG: 외부 그리드

Claims (20)

  1. 광전변환소자를 포함하는 기판; 및
    상기 기판 상부에 위치하는 그리드 구조물을 포함하되,
    상기 그리드 구조물은
    내부 그리드; 및
    상기 내부 그리드의 측부와 상부를 커버하는 에어층, 및 상기 에어층과 상기 내부 그리드의 측부와 상부를 커버하는 캡핑막을 포함하는 외부 그리드를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서, 상기 외부 그리드는
    상기 에어층과 상기 캡핑망 사이에 위치하는 지지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 2에 있어서, 상기 지지막은
    실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 2에 있어서, 상기 캡핑막은
    상기 에어층과 상기 지지막의 측면 및 상기 지지막의 상부면에 형성된 제 1 캡핑막; 및
    상기 제 1 캡핑막 상에 형성된 제 2 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  5. ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 4에 있어서, 상기 제 1 캡핑막은
    저온산화(ULTO: ULTRA LOW TEMPERATURE OXIDE)막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 2에 있어서, 상기 캡핑막은
    상기 그리드 구조물 양측의 버퍼층 영역까지 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 6에 있어서, 상기 내부 그리드는
    베리어메탈층; 및
    상기 베리어메탈층 상부에 형성된 메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 7에 있어서, 상기 내부 그리드는
    상기 베리어메탈층과 상기 메탈층의 측면 및 상기 메탈층의 상부면에 형성된 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 8에 있어서, 상기 절연막은
    상기 버퍼층 영역까지 연장되게 형성되며, 상기 버퍼층 영역에서 상기 기판과 상기 캡핑막 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 8에 있어서, 상기 절연막은
    질화막 및 산화막의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 7에 있어서, 상기 메탈층은
    단면 모양이 사각형, 삼각형 및 사다리꼴 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  12. 광전변환소자를 포함하는 기판 상부에 내부 그리드를 형성하는 단계;
    상기 내부 그리드를 전체적으로 덮도록 희생막을 형성하는 단계;
    상기 희생막 상부에 지지물질층을 형성하는 단계;
    상기 희생막과 상기 지지물질층을 패터닝하여 기 정의된 그리드 구조물 영역에 희생막 패턴과 지지막의 적층 구조를 형성하는 단계;
    상기 희생막 패턴과 상기 지지막의 적층 구조를 덮도록 제 1 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 희생막 패턴이 제거된 영역에 에어층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 캡핑막 상에 제 2 캡핑막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 12에 있어서, 상기 희생막을 형성하는 단계는
    상기 내부 그리드의 측부 및 상부에 탄소가 함유된 물질막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 13에 있어서, 상기 탄소가 함유된 물질막은
    스핀 온 카본(SOC: Spin On Carbon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 12에 있어서, 상기 지지물질층을 형성하는 단계는
    상기 희생막 상에 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 12에 있어서, 상기 내부 그리드를 형성하는 단계는
    상기 기판 상부에 베리어메탈층 및 메탈층이 적층된 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 16에 있어서, 상기 내부 그리드를 형성하는 단계는
    상기 베리어메탈층과 상기 메탈층의 측면 및 상기 메탈층의 상부면에 절연막층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 12에 있어서, 상기 에어층을 형성하는 단계는
    상기 희생막 패턴에 대해 플라즈마 공정을 수행하여 상기 희생막 패턴에 함유된 탄소가 상기 플라즈마 공정에 사용된 가스와 결합되고 그 결합된 가스가 상기 제 1 캡핑막을 통해 외부로 빠져나가게 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  19. ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 18에 있어서, 상기 제 1 캡핑막을 형성하는 단계는
    상기 희생막 패턴과 상기 지지막의 측면 및 상기 지지막의 상부면에 저온산화(ULTO: ULTRA LOW TEMPERATURE OXIDE)막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
  20. ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 12에 있어서, 상기 제 2 캡핑막을 형성하는 단계는
    상기 제 1 캡핑막과 동일한 물질막을 상기 제 1 캡핑막 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치의 제조 방법.
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