KR20010061054A - 광집적률 개선을 위한 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
광의 집적도를 증대시키고 주변 단위화소에서의 신호투과 현상을 방지하는데 적합한 이미지센서에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 반도체기판에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드를 포함한 기판 상부에 형성된 제1층간절연막, 각 단위화소의 상기 포토다이오드의 주변에지에 일정폭 오버랩되어 상기 제1층간절연막 상에 형성된 제1반사층, 상기 제1반사층 상에 형성된 제2층간절연막, 상기 제2층간절연막을 관통하여 상기 제1반사층에 연결되고 상기 제1반사층과 동일폭으로 형성된 제2반사층을 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 반사되는 입사광을 재집적하여 사용할 수 있는 이미지센서에 관한 것이다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 이미지센서(Image sensor)인 CMOS이미지센서, CCD이미지센서는 물론 광을 집적하고 그 광을 사용하여 소자를 동작시키는 모든 반도체 장치에 적용할 수 있다.
일반적으로 CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 광감도 (Sensitivity)를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill factor)을 크게하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한 , 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라필터(Color filter)가 어레이되어 있다.
상기의 칼라필터어레이(Color Filter Array;CFA)는 적색(Red), 초록색 (Green) 및 청색(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 황색(Yellow), 자황색(Magenta) 및 청록색(Cyan)의 3가지칼라로 이루어질 수 있다.
첨부도면 도 1 은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
실리콘기판(11) 상부에 이미지센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(12)을 형성하고 포토다이오드(13)와 같은 수광소자들을 포함하는 단위화소를 형성한 후 금속배선층간 절연을 위한 층간절연막(14)을 형성한다.
여기서 상기 층간절연막(14) 하부에 광투과를 위한 PMD(Pre-Metal Dielectric)이 형성될 수 있으며 층간절연막(14) 상부에는 금속배선이 형성될 수 있다. 이 때 상기 금속배선은 단층 금속배선으로 이루어지는 것이 통상적이나, 더블금속배선 또는 삼층금속배선으로 형성되어도 무방하다. 또한, 수분이나 스크래치 (Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는 질화막 또는 산화막과 질화막의 적층막을 연속적으로 도포하여 소자보호막을 형성한다.
이어 상기 층간절연막(14) 상부에 이미지센서의 컬러이미지구현을 위하여 컬러감광막을 도포하고 현상공정으로 컬러필터(15)를 형성하고 그 상부에 평탄층(16)을 형성한다. 이어 상기 평탄층(16) 상에 상기 컬러필터(15)에 대향하는 마이크로렌즈(17)를 형성한다.
상기와 같이 형성된 이미지센서는 입사된 광을 집적시켜 수광소자 영역에 입사시켜 소자를 동작시키는 원리를 사용하는데, 마이크로렌즈의 특성, 또는 마이크로렌즈의 제조 방법에 따라 입사광 모두가 수광소자에서 사용되는 것이 아니라 일부는 반사(Reflection) 혹은 산란(Scatter)될 수 있고, 또한 옆의 수광소자로 입사된 광이 산란 및 간섭 현상을 일으켜 수광소자의 특성에 오류가 발생할 수 있다. 결과로 이미지센서의 오동작을 유발할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 포토다이오드영역을 입사되는 광의 집적도를 증대시키고 주변 단위화소에서의 신호투과 현상을 방지하는데 적합한 이미지센서 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 나타낸 구조단면도,
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 구조 단면도,
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타낸 도면,
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서의 구조 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
21 : 반도체기판 22 : 필드절연막
23 : 포토다이오드 24 : 제1층간절연막
25a : 제1반사층 26 : 제2층간절연막
27 : 제2반사층 28 : 제3층간절연막
29 : 컬러필터 30 : 평탄층
31 : 마이크로렌즈
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는 반도체기판에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드를 포함한 기판 상부에 형성된 제1층간절연막, 각 단위화소의 상기 포토다이오드의 주변에지에 일정폭 오버랩되어 상기 제1층간절연막 상에 형성된 제1반사층, 상기 제1반사층 상에 형성된 제2층간절연막, 상기 제2층간절연막을 관통하여 상기 제1반사층에 연결되고 상기 제1반사층과 동일폭으로 형성된 제2반사층을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면으로서, 포토다이오드(23)를 포함한 소정공정이 완료된 반도체기판(21)에 단위화소간 분리를 위한 필드절연막(22)이 형성되고, 상기 상기 필드절연막(22)을 포함한 반도체기판 (21) 상부에 금속배선간의 절연을 위한 제1층간절연막(24)이 형성된다. 그리고 상기 포토다이오드(23)의 양끝에 일정폭 오버랩되어 상기 제1층간절연막(24) 상에 입사되는 광을 반사시키기 위한 제1반사층(25a)이 형성되고 상기 제1반사층(25a) 상에 제2층간절연막(26)이 형성된다. 또한 상기 제2층간절연막(26)을 관통하여 상기 제1반사층(25a)에 전기적으로 연결되고 상기 제1반사층(25a)과 동일폭으로 제2반사층(27)이 형성된다.
또한 상기 제2반사층(27) 상부에 제3층간절연막(28)이 형성되고 상기 제3층간절연막(28) 상에 컬러필터(29)의 배열이 형성되며, 상기 컬러필터(29)의 배열 상에 평탄층(30) 및 마이크로렌즈(31)가 형성된다. 그리고 상기 컬러필터(29) 및 마이크로렌즈(31)은 상기 포토다이오드(23)와 동일폭으로 형성된다.
이처럼 제1반사층(25a) 및 제2반사층(27)을 금속층을 이용하여 포토다이오드 (23)과 일정폭 오버랩되게 형성함으로써 포토다이오드(23)을 벗어난 지역으로 입사되는 광을 효율적으로 집적할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체기판(21) 상에 이미지센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(22)을 형성하고 포토다이오드(23)를 형성한다. 이 때 상기 포토다이오드(23)는 이온주입 또는 불순물확산에 의해 형성될 수 있다.
이어 상기 결과물 전면에 전도층간의 단락을 방지하기 위한 제1층간절연막(Inter Metal Dielectric; IMD)(24)을 형성하고 상기 제1층간절연막(24) 상에 금속층(25)을 증착한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 금속층(25)을 선택적으로 식각하여 입사광의 반사를 위한 제1반사층(25a)을 형성한다. 이 때 상기 제1반사층(25a)은 단위화소내 포토다이오드간의 분리역할을 하는 전도층으로 평면상에서 보면 가능한 한 포토다이오드를 넓게 둘러싸는 형상으로 형성된다. 공정 진행중에 상기 제1반사층 (25a)은 추가공정으로 진행하는 것이 아니라 주변 소자를 형성하기 위한 금속배선으로 사용할 수 있으며, 상기 제1층간절연막(24) 하부에 광투과를 위한 PMD(Pre-Metal Dielectric)층이 형성될 수 있다. 이어 상기 제1반사층(25a) 상에 전도층간의 단락을 방지하기 위한 제2층간절연막(26)을 증착한 다음 평탄화한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제2층간절연막(26)을 선택적으로 식각하여 상기 제1반사층(25a)의 소정표면이 노출되는 콘택홀을 형성한다. 여기서 알루미늄 (Al) 또는 텅스텐(W)을 포함한 금속을 이용하여 상기 콘택홀을 매립하고 패터닝하여 상기 제1반사층(25a)과 전기적으로 연결되는 콘택으로서 제2반사층(27)을 형성한다.
이 때 상기 제2반사층(27)은 타측 단위화소의 포토다이오드와 분리하기 위해 콘택간의 거리를 조밀하게 형성하거나 라인(Line) 형태의 콘택을 형성하며, 상기 제1반사층(25a)과 제2반사층(27)간의 이격거리가 크면 상기 배선들 사이에 콘택 및 플러그를 형성하여 연결할 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제2반사층(27)을 포함한 전면에 전도층간의단락을 방지하기 위한 제3층간절연막(28) 및 소자보호막(도시 생략)을 형성하고 컬러물질(염색된 감광막; 컬러감광막)을 도포하고 현상공정으로 컬러필터(29)를 형성한 다음, 상부에 평탄층(30)을 형성한다.
이어 상기 평탄층(30) 상부에 상기 컬러필터(39)에 대향하는 마이크로렌즈 (31)를 형성한다. 이 때 상기 컬러필터(29)는 특정 광(녹색광, 적색광, 청색광)만을 선택적으로 입사시키는 기능을 하며, 상기 마이크로렌즈(31)는 광을 집적하는 기능을 한다.
상기와 같이 형성된 이미지센서의 단위화소에서는 마이크로렌즈(31)를 통과하여 투과된 광이 포토다이오드(23)에서 소자를 동작시키게 되고 반사되거나 산란되어 포토다이오드(23)에 작용하지 못하는 광은 제1반사층 및 제2반사층(25a,27)에서 반사되어 2차 광원으로 포토다이오드(23)에 작용하게 되어 광집적도를 향상시킬 수 있다.
또한 주변 단위화소의 포토다이오드 영역에 입사된 광 중 본 발명 단위화소의 포토다이오드(23)로 산란되어 입사되는 광은 상기 제1 및 제2반사층(25a,27)에서 차단되어 노이즈를 방지할 수 있다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면으로서, 도 2의 이미지센서에서의 제1층간절연막(24) 및 제1반사층(25) 대신 게이트산화막 (34)과 게이트전극(35)을 이용하여 광집적률을 증대시킨다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(33)를 포함한 소정공정이 완료된 반도체기판(31)에 단위화소간 분리를 위한 필드절연막(32)이 형성되고, 상기 상기필드절연막(32)을 포함한 반도체기판(31) 상부에 게이트산화막(34) 및 게이트전극 (35)이 형성된다. 이 때 상기 게이트전극(35)은 상기 포토다이오드(33)의 양끝에 일정폭 오버랩되어 형성된다. 그리고 상기 게이트전극(35) 상에 제1층간절연막(36)이 형성되며, 상기 제1층간절연막(36)을 관통하여 상기 게이트전극(35)에 전기적으로 연결되고 상기 게이트전극(35)과 동일폭으로 금속으로 이루어진 반사층(37)이 형성된다.
또한 상기 반사층(37) 상부에 제2층간절연막(38)이 형성되고 상기 제2층간절연막(38) 상에 컬러필터(39)의 배열이 형성되며, 상기 컬러필터(39)의 배열 상에 평탄층(40) 및 마이크로렌즈(41)가 형성된다. 그리고 상기 컬러필터(40) 및 마이크로렌즈(41)은 상기 포토다이오드(33)와 동일폭으로 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에에서는 마이크로렌즈(41)를 통하여 투과된 광은 포토다이오드(33)에서 소자를 동작시키고 반사되거나 산란되어 포토다이오드(33)에 작용하지 못하는 광은 게이트전극(35) 및 반사층(37)에서 반사되어 2차 광원으로 포토다이오드에 작용하게 되어 광집적도를 향상시킨다. 또한 주변의 포토다이오드영역에 입사된 광 중 본 발명의 포토다이오드(33)로 산란되어 입사되는 광은 콘택 및 게이트전극(35)에서 반사되어 영향을 미치지 못하게 되어 노이즈를 방지한다.
그리고 상기 게이트전극(35)과 반사층(37)에 전위를 인가해주는 경우, 포토다이오드와 게이트전극(35)이 오버랩되는 부분에 반대의 전위가 형성되게 되고, 이로 인하여 포토다이오드(33)에서 생성된 전자-정공쌍(Electron Hole Pair; EHP)이타측의 포토다이오드로 이동하는 것을 억제하거나 전자-정공쌍(EHP)의 수명(Life time)을 증대시켜 포토다이오드의 특성을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 포토다이오드를 둘러싸는 금속층으로 이루어진 반사층을 형성하여 포토다이오드 이외의 영역으로 반사 또는 산란되는 입사광을 반사시켜 포토다이오드로 집속할 수 있으며, 이러한 반사층을 단위화소간 장벽층으로 이용하여 포토다이오드간 노이즈를 방지한다. 그리고 반사층 및 게이트전극의 반사계수와 흡수계수를 높게하여 광반사율 및 광흡수율을 증가시킨다.
상술한 본 발명은 반사층 및 게이트전극을 이용하여 포토다이오드를 벗어나 입사되는 광을 집적할 수 있으므로 이미지센서의 광집적도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 반사층 및 게이트전극을 단위화소간에 조밀하게 형성하므로써 포토다이오드간의 간섭을 방지하여 노이즈를 방지할 수 있다.
Claims (7)
- 이미지센서의 단위화소에 있어서,반도체기판에 형성된 포토다이오드;상기 포토다이오드를 포함한 기판 상부에 형성된 제1층간절연막;각 단위화소의 상기 포토다이오드의 주변에지에 일정폭 오버랩되어 상기 제1층간절연막 상에 형성된 제1반사층;상기 제1반사층 상에 형성된 제2층간절연막; 및상기 제2층간절연막을 관통하여 상기 제1반사층에 연결되고 상기 제1반사층과 동일폭으로 형성된 제2반사층를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2반사층 상부에 상기 포토다이오드와 동일폭으로 형성된 컬러필터 및 마이크로렌즈를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1반사층은 이웃하는 단위화소와 분리되도록 상기 포토다이오드를 둘러싸는 형태로 형성됨을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1반사층은 플러그를 이용하여 상기 제2반사층과 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2반사층은 상기 단위화소간 포토다이오드를 분리하기 위해 좁은 간격으로 형성되거나 또는 선 형태로 형성됨을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1반사층은 주변트랜지스터의 게이트전극용 전도막임을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1반사층 및 제2반사층은 각각 배선용 전도막임을 특징으로 하는 이미지센서.
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- 1999-12-28 KR KR1019990063535A patent/KR100600945B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100963141B1 (ko) * | 2007-02-23 | 2010-06-15 | 캐논 가부시끼가이샤 | 광전 변환 장치 및 그 제조 방법 |
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| KR100600945B1 (ko) | 2006-07-13 |
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