KR20060079091A - 씨모스(ｃｍｏｓ) 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명 기판에 포토다이오드와 트랜지스터를 형성하고 투명 기판쪽으로 빛을 수광하도록 하여 포토다이오드의 수광특성을 향상시킬 수 있도록한 씨모스(CMOS) 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판; 상기 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역의 투명 기판에 형성되는 블랙매트릭스층; 상기 포토다이오드 영역의 투명 기판에 형성되는 칼라 필터층; 상기 칼라 필터층 및 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위에 형성되는 p형 반도체층; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 트랜지스터 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 다수개의 트랜지스터를 포함하여 구성된 것이다.
투명 기판, 씨모스 이미지 센서
Description
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 3은 도 2의 I-I선상의 단면 구조도
도 4는 종래의 씨모스 이미지 센서의 대략적인 단면도
도 5a 내지 5b는 종래의 씨모스 이미지 센서의 공정 단면도
도 6은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도
도 7a 내지 7d은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 공정 단면도
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 투명 기판 32 : 블랙매트릭스층
33 : 칼라 필터층 34 : p형 반도체층
35 : 포토다이오드 36 : 게이트 절연막
37a, 37b, 37c : 게이트 전극 38 : 소오스/드레인 영역
39 : p형 불순물 영역 40, 42, 43 : 층간 절연막
41, 44 : 금속 배선 47 : 절연막
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)에 관한 것으로서, 특히 투명 기판에 포토다이오드와 트랜지스터를 형성하고 투명 기판쪽으로 빛을 수광하도록 하여 포토다이오드의 수광특성을 향상시킬 수 있도록한 씨모스(CMOS) 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서, 씨모스 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수 만큼의 포토다이오드와 이에 연결되어 채널을 열고 닫는 트랜지스터들을 만들고 상기 트랜지스터들을 이용하여 차례로 적색(RED), 녹색(GREEN) 및 청색(BLUE)의 광학 신호를 검출하여 스위칭 방식에 의해 출력하는 소자이다.
상기와 같은 씨모스 이미지 센서는 낮은 소비전력, 낮은 공정 단가 및 높은 수준의 집적도 등의 많은 장점들을 가지고 있다. 특히 최근의 기술적 진보로 인해 씨모스 이미지 센서는 여러 응용 분야에서 고체촬상소자(Charge Coupled Devices; CCD)의 대안으로 각광을 받고 있다.
상기와 같은 CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이다.
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이고 , 도 3은 도 2의 I-I'선상의 단면도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 워드 라인에 접속되어 있다.
따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3) 는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, p형 반도체 기판(1)에 필드 영역과 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다.
즉, 상기 포토다이오드(20)는 나머지 액티브 영역보다 n형 불순물 이온 주입이 더 깊게 이루어져 깊게 형성된다(Deep junction).
그리고, 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다. 여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
이와 같이 구성된 포토다이오드 3개가 하나의 화소를 구성한다. 즉, 하나의 픽셀을 구성하는 3개의 각 포토다이오드위에 적색, 녹색 및 청색의 칼라필터층이 형성되어 하나의 화소를 형성한다.
도 4는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
종래 씨모스 이미지 센서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 센싱부와 주변 구동부로 정의된다.
따라서, 반도체 기판(11)상에 액티브 영역을 정의하기 위한 필드 산화막(도시되지 않음)이 형성되어 있고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(11)에는 다수개의 포토다이오드(PD)(12)와 트랜지스터(13)들이 형성되어 있다.
그리고, 상기 포토다이오드(12)와 트랜지스터(13)를 포함하는 전체 구조상에 제 1 층간 절연막(14)이 형성된다.
이 때, 상기 포토다이오드(12)의 표면에서 상기 제 1 층간 절연막(14)의 높이(두께)는 약 7450Å정도이다.
상기 제 1 층간 절연막(14)상에는 단위 화소를 구성하는 다수개의 금속배선(M1,M2,M3)들이 상기 포토다이오드(12)로 입사되는 빛을 막지 않도록 배치되어 있다.
이 때, 상기 각층의 단위화소 구성용 금속배선(M1,M2,M3)들 사이에는 전기적 절연을 위한 제 2 내지 제 4 층간 절연막(15,16,17)과 평탄화층(18)이 형성되어 있다.
즉, 상기 제 1 층간 절연막(14)상에 5070Å 두께로 제 1 금속배선(M1)이 형성되고, 상기 제 1 금속 배선(M1)을 포함한 기판 전면에 제 2 층간 절연막(15)이 7300Å 두께로 형성된다.
그리고, 상기 제 2 층간 절연막(15)상에 5070Å 두께로 제 2 금속배선(M2)이 형성되고, 상기 제 2 금속 배선(M2)을 포함한 기판 전면에 제 3 층간 절연막(16)이 7300Å 두께로 형성된다.
또한, 상기 제 3 층간 절연막(16)상에 9630Å 두께로 제 3 금속배선(M3)이 형성되고, 상기 제 3 금속 배선(M3)을 포함한 기판 전면에 제 4 층간 절연막(17)이 4000Å 두께로 형성된다.
그리고, 상기 제 4 층간 절연막(17)위에 평탄화층(18)이 3000Å 두께로 형성된다.
또한, 상기 센싱부의 상기 평탄화층(18)상에는 칼라 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 칼라 필터층(19)이 형성되어 있고, 상기 칼라 필터층(19)상에 마이크로렌즈(micro-lens)(21)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(21)는 포토레지스트(photo resist)를 도포하고 상기 포토다이오드(12) 상부에 남도록 패터닝한 후에 베이킹(backing)을 통해 포토레지스트를 리플로우하여 원하는 곡률을 얻고 있다.
상기와 같은 마이크로렌즈(21)는 입사광을 포토다이오드(12)까지 집약시켜 보내주는 중요한 역할을 하고 있다.
도 5a 내지 5b는 종래의 CMOS 이미지 센서의 공정단면도이다.
종래의 CMOS 이미지 센서의 제조 방법은, 도 5a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)에 p형 불순물 이온을 주입하여 p-well을 형성하고, 필드 영역과 액티브 영 역을 정의하여 필드 영역에 소자분리막(STI; shallow trench isolation)(2)을 형성한다.
전면에 게이트 산화막(3)과 도전성 물질을 증착하고 선택적으로 제거하여 상기에서 언급한 각종 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)을 형성한다. 이어서, 상기 액티브 영역중 포토다이오드 형성영역에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드(20)를 형성하고, 나머지 액티브 영역에 n형 불순물 이온을 주입하여 각종 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(4)을 형성한다.
여기서, 상기 게이트 전극(120, 130, 140)을 마스크로 이용하여 저농도 n형 불순물 이온을 주입하여 LDD(Lightly Doped Drain) 영역을 형성하고, 상기 각 게이트 전극(120, 130, 140)의 측벽에 절연막 측벽(5)을 형성한 후 고농도 n형 불순물 이온을 주입하여 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(4)을 형성함이 바람직하다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(120, 130, 140)을 포함한 기판 전면에 LPCVD 방법으로 금속 배선 절연막(PMD; pre-metal dielectric, 예를들면, TEOS 산화막)인 제 1 층간절연막(14)을 1000Å 정도로 증착한다.
이후, 상기 제 1 층간절연막(14)을 선택적으로 식각하여 상기 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(4)이 노출되도록 콘택홀(6)을 형성한 다음, 전면에 금속층을 증착하고 선택적으로 식각하여 제 1 금속배선(M1)을 형성한다. 여기서, 상기 콘택홀(6) 형성은 플라즈마 식각 공정으로 진행하여 형성한다.
그리고, 도 4에서 설명한 바와 같은 방법으로, 그리고, 각 층간 절연막(15, 16, 17) 및 각 금속배선(M2, M3)을 형성하고, 상기 제 4 층간 절연막(17)위에 평탄 화층(18)을 형성한다. 계속해서 상기 센싱부의 상기 평탄화층(18)상에 칼라 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 칼라 필터층(19)을 형성하고, 상기 각 칼라 필터층(19)상에 마이크로렌즈(micro-lens)(21)를 형성한다.
그러나, 이와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 상술한 바와 같이, 포토다이오드 영역이 기판의 아래쪽에 배치되고 그위에 각종 절연막 및 금속 배선이 형성되므로, 금속 배선에 의해 포토다이오드의 수광 면적 크기가 제한을 받게 되고, 금속 배선 형성 시 포토다이오드 상측 부분에는 금속 배선을 형성할 수 없으므로 금속 배선의 설계에 제한이 따른다.
둘째, 상기 금속 배선 및 층간 절연막의 두께에 의해 실질적으로 포토다이오드에 도달하는 빛이 크게 줄게되므로 수광 특성이 저하되고, 마이크로 렌즈를 필수적으로 형성하여야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 투명 기판에 포토다이오드 및 각 트랜지스터를 구성하여 포토 다이오드의 수광 특성을 향상시키고 금속 배선의 설계의 마진을 확보할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격 리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판; 상기 투명 기판위에 형성되는 p형 반도체층; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 트랜지스터 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 다수개의 트랜지스터를 포함하여 구성됨에 그 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판; 상기 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역의 투명 기판에 형성되는 블랙매트릭스층; 상기 포토다이오드 영역의 투명 기판에 형성되는 칼라 필터층; 상기 칼라 필터층 및 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위에 형성되는 p형 반도체층; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 트랜지스터 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 다수개의 트랜지스터를 포함하여 구성됨에 또 다른 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판위에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 투명 기판에 칼라 필터층을 형성하는 단계; 상기 칼라 필터층 및 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이 트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고 상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판의 배면에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계; 그리고 상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판상에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계; 상기 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체 층을 형성하는 단계; 상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계; 그리고 상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계; 상기 칼라필터층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계; 그리고 상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판의 배면에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면도이다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서도, 도 2에서 언급한 바와 같이, 액티브 영역과 필드 영역이 정의되고, 상기 액티브 영역은 포토다이오드 영역과 각 트랜지스터 형성 영역으로 정의된다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 액티브 영역의 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역의 투명 기판(예를들면, 유리 기판 또는 석영 기판)(31)위에 블랙매트릭스층(32)이 형성된다. 상기 블랙매트릭스층(32)은 빛을 차광하기 위한 것으로, 빛을 차광할 수 있는 금속(Cr) 또는 블랙 레진으로 형성된다.
그리고, 상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판(31)상에는 칼라 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 칼라 필터층(33)이 형성되고, 상기 칼라 필터층(33) 및 블랙매트릭스층(32)을 포함한 투명 기판(31) 전면에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등의 절연막(47)이 형성된다. 물론 상기 절연막(47)이 형성되지 않아도 무방하다.
상기 액티브 영역의 상기 절연막(47)위에 p형 반도체층(34)이 형성된다.
여기서, 상기 p형 반도체층(34)은 필드 영역에는 형성되지 않으며, 오직 액티브 영역에만 형성되므로 별도의 소자 분리막을 형성하지 않는다. 그리고, 상기 p형 반도체층(34)은 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층이다.
그리고, 상기 액티브 영역 중 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층(34)에는 n형 불순물 이온이 주입되어 포토다이오드(35)가 형성된다. 상기 트랜지스터 영 역의 상기 p형 반도체층(34)위에는 게이트 절연막(36) 및 게이트 전극(37a, 37b, 37c)이 적층되고, 상기 각 게이트 전극(37a, 37b, 37c) 사이의 상기 p형 반도체층(34)에는 n형 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(38)이 형성된다.
상기 포토다이오드 영역의 표면에는 p형 불순물 영역(39)이 더 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(37a, 37b, 37c) 및 포토다이오드를 포함한 기판 전면에 제 1 층간절연막(40)이 형성되고, 상기 포토다이오드(35) 및 소오스/드레인 영역(38)이 노출되도록 상기 제 1 층간 절연막(40)이 선택적으로 제거되어 콘택홀이 형성된다.
그리고, 상기 콘택홀을 통해 상기 포토다이오드(35) 및 소오스/드레인 영역(38)에 전기적으로 연결되도록 상기 제 1 층간 절연막(40)위에 제 1 금속배선(41)이 형성된다.
상기 제 1 금속 배선(41)을 포함한 상기 제 1 층간 절연막(40)위에 다층의 층간 절연막(42, 43)이 형성되고, 각 층간 절연막(42, 43)위에 다층의 금속 배선(44)이 형성된다.
따라서, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 투명 기판쪽으로 빛을 수광하므로 수광부에서 포토다이오드까지의 거리가 짧아 수광 특성이 우수하고 별도의 마이크로 렌즈를 형성할 필요가 없다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 공정 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 도 7a에 도시한 바와 같이, 액티브 영역과 필드 영역이 정의되고, 상기 액티브 영역은 포토다이오드 영역과 각 트랜지스터 형성 영역으로 정의된다.
투명 기판(예를들면, 유리 기판 또는 석영 기판)(31)위에 차광 물질을 증착하고 선택적으로 제거하여 상기 액티브 영역의 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역에 블랙매트릭스층(32)을 형성한다. 상기 블랙매트릭스층(32)은 빛을 차광하기 위한 것으로, 빛을 차광할 수 있는 금속(Cr) 또는 블랙 레진으로 형성한다.
상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판(31)상에는 칼라 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 칼라 필터층(33)을 형성한다.
즉, 3개의 포토다이오드가 하나의 단위 셀을 구성하므로, 전면에 적색 칼라필터층을 증착하고 사진식각 공정으로 3개의 포토다이오드 영역 중 하나에 적색 칼라필터층을 형성하고, 전면에 녹색 칼라필터층을 증착하고 사진식각 공정으로 3개의 포토다이오드 영역 중 나머지 하나에 녹색 칼라필터층을 형성하고, 전면에 청색칼라필터층을 증착하고 사진식각 공정으로 3개의 포토다이오드 영역 중 마지막 하나에 청색 칼라필터층을 형성한다.
그리고, 상기 R,G, B 칼라 필터층(33) 및 블랙매트릭스층(32)을 포함한 상기 투명 기판(31) 전면에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등의 절연막(47)을 형성하고, 상기 절연막(47)위에 p형 반도체층(34)을 증착한다. 그리고, 도면에는 도시도지 않았지만, 상기 p형 반도체층(34)위에 감광막을 증착하고 노광 및 현상 공정으로 액티브 영역을 정의한 다음, 상기 액티브 영역에만 남도록 필드 영역의 상기 p형 반도체층(34)을 선택적으로 제거한다.
여기서, 상기 p형 반도체층(34)은 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층이고, 상기 p형 반도체층(34) 중 필드 영역의 p형 반도체층(34)을 제거하므로 별도로 소자 분리막 또는 필드 절연막을 형성할 필요가 없다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 반도체층(34)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(36) 및 도전층을 증착하고 상기 게이트 절연막(36) 및 도전층을 선택적으로 제거하여 트랜지스터의 게이트 전극(37a, 37b, 37c)을 형성한다. 즉, 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트 전극(37a), 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 전극(37b) 및 선택 트랜지스터(Sx)의 게이트 전극(37c)을 형성한다. 물론, 4T형 및 5T형 씨모스 이미지 센서일 경우 상기에서 언급한 방법으로 트랜지스터의 게이트 전극을 더 형성한다.
그리고, 상기 액티브 영역 중 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체 층(34)에 선택적으로 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드(35)를 형성하고, 상기 각 게이트 전극(37a, 37b, 37c) 사이의 상기 p형 반도체층(34)에는 n형 불순물 이온을 주입하여 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(38)을 형성한다.
상기에서, 상기 포토다이오드(35) 표면의 누설 전류를 방지하기 위하여 상기 포토다이오드(35)의 표면에 p형 불순물 이온을 주입하여 p형 불순물 영역(39)을 더 형성할 수 있다.
도 7c에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(37a, 37b, 37c) 및 포토다이오드(35)를 포함한 기판 전면에 제 1 층간절연막(40)을 형성하고, 상기 포토다이오드(35) 및 소오스/드레인 영역(38)이 노출되도록 상기 제 1 층간 절연막(40)을 선택적으로 제거되어 콘택홀(46)을 형성한다.
그리고, 전면에 금속층을 증착하고 선택적으로 제거하여, 상기 콘택홀(46)을 통해 상기 포토다이오드(35) 및 소오스/드레인 영역(38)에 전기적으로 연결되도록 상기 제 1 층간 절연막(40)위에 제 1 금속배선(41)을 형성한다.
도 7d에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 금속 배선(41)을 포함한 상기 제 1 층간 절연막(40)위에 제 2 층간 절연막(42)을 증착하고, 상술한 바와 같은 방법으로 상기 제 1 금속배선(41)에 콘택홀을 형성하고 상기 콘택홀을 통해 전기적으로 제 1 금속배선(41)에 연결되도록 상기 제 2 층간절연막(42)위에 제 2 금속배선(44)을 형성한다.
그리고, 상기 제 2 금속 배선(44)을 포함한 기판 전면에 제 3 층간 절연막(43) 및 금속 배선과 다층의 절연막(도면에는 도시되지 않음)을 반복형성하여 다층의 금속 배선을 형성한다.
한편, 다른 실시예로 상기 R, G, B 칼라필터층(33) 그리고/또는 블랙매트릭스층(32)을 투명 기판(31)의 배면에 형성할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 도 8에 도시한 바와 같다. 즉, 본 발명의 제 1 실시예에서 R, G, B 칼라필터층(33)을 상기 투명 기판(31)의 상부면에 형성하지 않고, 상기 투명 기판(31)의 배면 중 상기 포토다이오드 영역에 상응하는 부분에 형성할 수 있다. 나머지 부분은 본 발명의 제 1 실시예의 구성과 같으므로 구성 설명을 생략한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법도 도 7a 내지 7d에서 설명한 본 발명의 제 1 실시예와 같으나, 단 R, G, B 칼라필터층(33)을 공정 중에 형성하지 않고, 공정을 완료한 후, 상기 투명 기판(31)의 배면 중 상기 포토다이오드 영역에 상응하는 부분에 상기 R, G, B 칼라필터층을 부착할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 도 9에 도시한 바와 같다. 즉, 본 발명의 제 1 실시예에서 블랙매트릭스층(32)을 상기 투명 기판(31)의 상부면에 형성하지 않고, 상기 투명 기판(31)의 배면 중 상기 포토다이오드 영역을 제외한 부분에 형성할 수 있다. 나머지 부분은 본 발명의 제 1 실시예의 구성과 같으므로 구성 설명을 생략한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법도 도 7a 내지 7d에서 설명한 본 발명의 제 1 실시예와 같으나, 단 블랙매트릭스층(32)을 공정 중에 형성하지 않고, 공정을 완료한 후, 상기 투명 기판(31)의 배면 중 상기 포토다이오드 영역을 제외한 부분에 상기 블랙매트릭스층(32)을 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조 단면도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 도 10에 도시한 바와 같다. 즉, 본 발명의 제 1 실시예에서 R, G, B 칼라필터층(33) 및 블랙매트릭스층(32)을 상기 투명 기판(31)의 상부면에 형성하지 않고, 상기 투명 기판(31)의 배면 에 형성한 것이다. 다시 말하면, 상기 투명기판(31)의 배면 중 상기 포토다이오드 영역을 제외한 부분에 블랙매트릭스층(32)을 형성하고, 상기 포토다이오드 영역에 R, G, B 칼라필터층(33)을 형성할 수 있다. 나머지 부분은 본 발명의 제 1 실시예의 구성과 같으므로 구성설명을 생략한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법도 도 7a 내지 7d에서 설명한 본 발명의 제 1 실시예와 같으나, 단 블랙매트릭스층(32) 및 칼라필터층(33)을 공정 중에 형성하지 않고, 공정을 완료한 후, 상기 투명 기판(31)의 배면에 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 투명 기판위에 포토다이오드를 형성하고, 상기 투명 기판쪽으로 빛을 수광하므로 수광 표면에서 포토다이오드까지의 거리가 짧아 수광 특성이 우수하다.
둘째, 별도의 마이크로 렌즈를 형성할 필요가 없다.
셋째, 금속 배선에 무관하게 포토다이오드를 형성할 수 있으므로, 포토다이오드의 수광 면적을 크게 형성할 수 있다.
넷째, 금속 배선을 포토다이오드 상측 부분에 형성할 수 있으므로 금속 배선의 설계에 제한이 없다.
Claims (27)
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판;상기 투명 기판위에 형성되는 p형 반도체층;상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 포토다이오드; 그리고상기 트랜지스터 영역의 상기 p형 반도체층에 형성되는 다수개의 트랜지스터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역의 투명 기판에 형성되는 블랙매트릭스층을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역의 상기 블랙매트릭스층과 동일한 면에 형성되는 칼라 필터층을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 블랙매트릭스층 및 칼라필터층을 포함한 투명 기판과 상기 p형 반도체층 사이에 형성되는 절연막을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 액티브 영역과 필드 영역의 투명 기판 배면에 형성되는 블랙매트릭스층을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판 배면에 형성되는 칼라 필터층을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 투명 기판은 유리 기판 또는 석영 기판을 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 블랙매트릭스층은 빛을 차광하는 금속 또는 블랙 레진으로 형성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 p형 반도체층은 상기 액티브 영역에만 형성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 p형 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층으로 형성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드는 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온이 주입된 n형 불순물 영역과상기 n형 불순물 영역 표면에 형성되는 p형 불순물 영역을 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 다수개의 트랜지스터는, 상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 게이트 절연막을 매개하여 형성되는 다수개의 게이트 전극과,상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 형성되는 소오스/드레인 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 다수개의 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함한 기판 전면에 형성되는 층간절연막; 그리고상기 층간 절연막위에 형성되는 금속 배선을 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계;상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판위에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 투명 기판에 칼라 필터층을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층 및 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 p형 반도체층을 형성하기 전에, 상기 블랙매트릭스층 및 칼라필터층을 포함한 투명 기판에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 블랙매트릭스층을 형성하는 단계는,상기 투명 기판 전면에 차광 금속 또는 블랙 레진을 형성하는 단계와,상기 포토다이오드 영역의 상기 차광 금속 또는 블랙 레진을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 p형 반도체층을 형성하는 단계는,상기 블랙매트릭스층 및 칼라필터층을 포함한 기판 전면에 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층을 증착하는 단계와,상기 액티브 영역에만 남도록 상기 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 포토다이오드를 형성하는 단계는, 상기 n형 불순물 이온이 주입된 반도체층 표면에 p형 불순물 이온을 더 주입함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 게이트 전극, 포토다이오드 및 소오스/드레인 영역을 포함한 기판 전면에 층간절연막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 및 소오스/드레인 영역에 콘택홀을 형성하는 단계; 그리고상기 포토다이오드 및 소오스/드레인 영역에 전기적으로 연결되도록 상기 층간 절연막위에 금속 배선을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계;상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판의 배면에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계; 그리고상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계;상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판상에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계;상기 블랙매트릭스층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 p형 반도체층을 형성하기 전에, 상기 블랙매트릭스층을 포함한 투명 기판에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역을 구비한 액티브 영역과 액티브 영역을 격리하기 위한 필드 영역이 정의된 투명 기판을 준비하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 투명 기판의 배면에 칼라 필터층을 형성하는 단계;상기 칼라필터층을 포함한 상기 투명 기판위의 액티브 영역에 p형 반도체층 을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역의 p형 반도체층위에 다수개의 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고상기 각 게이트 전극 사이의 상기 p형 반도체층에 n형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 25 항에 있어서,상기 포토다이오드 영역을 제외한 상기 투명 기판의 배면에 블랙매트릭스층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 25 항에 있어서,상기 p형 반도체층을 형성하기 전에, 상기 칼라필터층을 포함한 투명 기판에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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