KR20020055037A - 광감도 개선을 위한 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연막; 상기 절연막 상에 형성되는 소자보호막; 및 상기 소자보호막의 저면에서부터 상기 포토다이오드 표면으로 확장되도록 상기 절연막 내부에 형성된 복수의 미세홀을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 바, 미세홀에 의해 빛이 포토다이오드까지 입사되는 과정에서 왜곡되는 것을 방지하여 감도가 우수한 CMOS 이미지센서를 구현하게 된다.
Description
본 발명은 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지센서는 그 용도에 따라서 고선명 화질을 요구하기도 하는데, 예를 들어 의료계나 특수용도를 위하여 이용되어지는 센서 등은 그 감도의 확보가 필수요건인 바, 본 발명은 이런 고감도(high sensitivity)의 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 화상 인식 소자로 사용되는 CMOS 이미지센서의 단위화소 내부에는 그 구성 요소의 일부로써 포토다이오드를 사용하고 있다. 포토다이오드는 단위화소로 입사하는 빛을 전하로 바꾸어 주는 역할을 하기 때문에 센서의 특성을 좌우하는 주요 부분이다. 통상 포토다이오드를 실리콘기판에 불순물 이온 주입 공정을 통하여 형성시킨 불순물접합층으로 구성된다.
이렇게 구성된 포토다이오드에 바이어스를 가함으로써 공핍층을 형성시키고, 일정 시간 동안 포토다이오드로 입사하는 빛에 의해 실리콘기판에서 생성된 전하를 공핍층에 모으고, 이를 회로적으로 읽어내는 방식을 통하여 화상 신호를 구현한다.
따라서 포토다이오드까지 빛이 왜곡, 반사 혹은 굴절 등에 의해 소멸됨이 없이 포토다이오드까지 입사되도록 하는 기술이 매우 중요하다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 구조를 보여준다. 포토다이오드 부분(100)과 CMOS 로직부분(150)이 함께 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 기판(1)에 소자분리를 위한 필드산화막(2)이 형성되어 있고, 불순물접합층으로서 포토다이오드(2)가 형성되어 있다. 그리고, CMOS 로직부분(150)에는 NMOS트랜지스터(4) 및 PMOS트랜지스터(5)가 형성되어 있다.
이렇게 포토다이오드 및 CMOS 소자들이 형성된 구조 상부에는 금속배선전절연막(PMD)(6)이 형성되고, 금속배선전절연막(6)을 관통하여 제1금속배선(M1)이 CMOS 소자에 콘택된다. 다시 그 상부에는 제1금속배선간절연막(IMD1)(8)이 형성되고 이를 관통하여 제2금속배선(M2)(9)이 제2금속배선(7)에 콘택된다.
이어서, 도면에 도시되지 않았지만, 광차단층으로서 제3금속배선을 적용하는 경우에는(물론사용하지 않은 경우도 있음) 제2금속배선이 완료된 구조 상에 다시 제2금속배선간절연막이 증착되고, 그 상부에는 다시 보호막(Passivation layer)이 형성되게 된다.
한편, 포토다이오드(3)에는 빛이 입사되어야 하기에 제1, 제2 또는 제3금속배선 등에 의해 그 상부가 가려지지 않는다.
따라서, 포토다이오드(3) 상부 지역에는 금속배선전절연막(6), 제1금속배선간절연막(7) 및 제2금속배선간절연막 등 다층의 절연층이 적층되어 있다. 물론 각 절연층은 빛이 투과되는 투명의 산화막이 적용된다.
그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 그리고 여러 사항을 감안하여 변경 가능하지만, 포토다이오드(3) 상부의 보호막 상에는 칼라필터, 평탄화층, 마이크로렌즈 등이 차례로 적층되게 된다.
결국, 종래의 이미지센서는 포토다이오드 위쪽으로 여러 종류의 막이 빛의 방향이나 양을 반사나 굴절을 통해서 방해하는 구조를 형성하고 있어, 소자의 감도를 낮추는 한 원인으로 작용하고 있다.
본 발명은 광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서의 구조를 보여주는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
200 : 미세홀 201 : 기판
202 : 필드산화막 203 : 포토다이오드
204, 205 : CMOS 소자 206 : 금속배선전절연막
207 : 제1금속배선 208 : 제1금속배선간절연막
209 : 제2금속배선 210 : 제2금속배선간절연막
211 : 제3금속배선(광차단층) 212 : 소자보호막
213 : 칼라필터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연막; 상기 절연막 상에 형성되는 소자보호막; 및 상기 소자보호막의 저면에서부터 상기 포토다이오드 표면으로 확장되도록 상기 절연막 내부에 형성된 복수의 미세홀을 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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 구조를 보여준다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(203)와, 포토다이오드(203) 상부에 형성되는 절연막(206, 208, 210)과, 절연막(206, 208, 210) 상에 형성되는 소자보호막(passivation)(212), 및 상기소자보호막(212)의 저면에서부터 상기 포토다이오드(203) 표면으로 확장되도록 상기 절연막(206, 208, 210) 내부에 형성된 복수의 미세홀(200)을 포함하여 구성되어 있다.
즉, 종래의 이미지센서와 다른점은 소자보호막(212)의 저면에서부터 포토다이오드(203) 표면까지 확장되도록 절연막(206, 208, 210) 내부에 복수의 미세홀(200)이 형성되어 있다는 것이다.
도 2에서 하나의 포토다이오드 상에만 미세홀(200)을 도시하였으나, 모든 포토다이오드 상에 형성될 수 있고, 현재 단파장 블루의 광감도를 개선하는 것이 시급하므로 블루 화소에 상응하는 포토다이오드 상에만 형성하는 것이 가능하다.
디자인 룰이 0.5㎛인 이미지센서를 예로서 들면 상기 미세홀(200)은 그 지름을 0.5㎛까지 형성하는 것이 가능하다. 리소그래피 기술 등이 향상되면 상기 미세홀(200)의 지름 사이즈 더욱 줄일 수 있고, 또한 미세홀(200)의 개수는 늘릴 수 있을 것이다.
포토다이오드(203)는 기판(201) 표면 아래에 형성된 불순물접합층으로 실시 구현되어 있으나, 기판이 아닌 도전층에 형성된 불순물접합이 될 수도 있고, 광감지소자를 포토게이트로 사용하는 경우에도 물론 본 발명은 적용 가능하다.
절연막(206, 208, 210)은 금속배선전절연막(PMD)(206)과, 제1금속배선간절연막(IMD1)(208) 및 제1금속배선간절연막(IMD2)(210)으로 실시 구성되어 있다. 상기 실시예는 3중 금속배선(M1, M2, M3)(207, 209, 211) 구조로서, 본 발명은 2중 또는 한층의 금속배선 구조에도 물론 적용 가능하다.
그리고, 소자보호막(212)은 상기 미세홀(200)과 접하는 하층에 예컨대 PECVD에 의한 TEOS막과 같은 층덮힘(step coverage)이 양호하지 않은 절연막이 적용된다. 이는 미세홀이 절연막에 의해 채워지지 않아야 하기 때문이다. 물론 제1 및 제2 금속배선간 절연막의 하층도 미세홀을 매립하지 못하는 절연막들을 포함하게 된다.
소자보호막(212) 상에는 칼라 이미지 구현을 위한 칼라필터(213)가 형성되어 있다. 흑백 이미지센서에서는 상기 칼라필터가 필요 없다.
포토다이오드(203)는 CMOS 소자(204, 205)와 전기적으로 연결되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 포토다이오드(203) 상에 복수의 미세홀(200)이 형성되어 있기 때문에, 빛이 입사되는 경로에서의 왜곡을 방지하여 이미지센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
한편 상기한 구조의 미세홀(200)을 형성하는 방법은 통상의 리소그라피 공정에 의해 가능하다. 즉, 절연막 상에 미세홀의 패턴이 형성된 포토레지스트패턴을 형성하고 이를 식각마스크로하여 절연막을 식각하는 공정에 의해 구현이 가능하다.
그리고, 통상 절연막은 금속배선전절연막(206), 제1 및 제2 금속배선간절연막(208, 210) 등으로 다층으로 형성되는 바, 소자의 디자인 룰에 따라 어느단계에서 미세홀을 형성하는가가 결정될 것이다.
예컨대, 디자인 룰 0.5㎛의 이미지센서인 경우 제1금속배선간절연막(208) 또는 제2금속배선간절연막(210)이 보통 7000∼9000Å를 가지기 때문에,제2금속배선(209) 공정이 끝난 후, 마스크 및 식각공정에 의해 제1금속배선간절연막(208)과 금속배선전절연막(206)을 식각하여 미세홀을 형성하고, 이어서 제2금속배선간절연막(210)을 형성한 다음, 제3금속배선(211)(통상 광차단층으로 이용됨) 공정을 완료하고, 다시 마스크 및 식각 공정에 의해 제2금속배선간절연막(210)을 식각하여 미세홀을 형성한다. 이때 첫 번째 및 두번째 미세홀 형성시 각 마스크의 정렬이 이루어지도록 한다.
한편, 미세홀이 형성된 상태에서, 제2금속배선전절연막(210)을 증착할때는 하부의 미세홀에 제2금속배선전절연막(210)이 매립되어서는 안된다. 따라서, 제2금속배선간절연막(210)을 증착할때는 층덮힘이 불량한 PECVD 방법으로 TEOS막을 2000∼3000Å정도 증착하고, 그 상부에 SOG막 등을 형성하는 방법을 사용한다. 역시 보호막도 하부층으로서 PECVD에 의해 TEOS층을 증착한 후 PECVD 질화막을 그 상부에 형성하는 방법을 사용한다.
2개의 금속배선 공정이 필요한 소자의 경우는 위에서 설명한 방법 중 보호막을 증착하기전 한번의 리소그래피 공정만을 적용하여 미세홀을 형성하면 될 것이다. 또한, 금속배선간절연막의 두께를 감안하여 식각이 가능한 두께를 결정하여 진행하는데 순서는 금속배선 공정이 끝난 후 행한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 우수한 감도의 CMOS 이미지센서를 제공하므로, 현재 고선명의 화질 등을 요구하는 의료계나 기타 정밀 산업 등에서 사용되어지고 있는 CCD(Charge Coupled Device)의 대체 효과를 들 수 있다. 지금까지 CCD는 감도면에서는 이미지 센서에 비해 탁월하나 공정단계가 복잡하고 타 시스템과의 접목성이나 집적도에 있어 이미지 센서보다 떨어지는 단점을 가지고 있고 무엇보다도 이러한 것들에 의해 가격이 훨씬 비싼 것이 흠으로 지적되고 있는데, 이를 대체할 수 있는 고감도의 이미지센서의 등장은 기술적인 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 그 파급효과는 매우 크다.
Claims (9)
- CMOS 이미지센서에 있어서,빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드;상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연막;상기 절연막 상에 형성되는 소자보호막; 및상기 소자보호막의 저면에서부터 상기 포토다이오드 표면으로 확장되도록 상기 절연막 내부에 형성된 복수의 미세홀을 포함하여 이루어진 CMOS 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 포토다이오드는 기판 표면 아래에 형성된 불순물접합층임을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 절연막은 금속배선전절연막과, 금속배선간절연막이 적층된 복수층임을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 미세홀은 그 지름이 0.5㎛ 이하임을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 소자보호막은 상기 미세홀과 접하는 TEOS막을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- 제1항 내지 제5한 중 어느한 항에 있어서,상기 보호막상에 형성된 칼라필터를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- 제1항 내지 제5한 중 어느한 항에 있어서,상기 포토다이오드는 CMOS 소자와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
- CMOS 이미지센서 제조방법에 있어서,기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 표면까지 상기 절연막을 국부적으로 복수군데 식각하여 복수의 미세홀을 형성하는 단계; 및상기 미세홀이 매립되지 않도록 사익 절연막 상에 소자보호막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 CMOS 이미지센서 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 소자보호막을 형성하는 단계는,상기 미세홀과 접하는 최하부층으로서 플라즈마 화학기상증착에 의해 TEOS막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서 제조방법.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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Payment date: 20110330 Year of fee payment: 9 |
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