KR20070066115A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 공정 중 광 차단층으로부터 유입된 Cu/Al 등의 금속이 식각용액과 반응하여 액티브 이온 또는 라디컬을 생성하고, 이렇게 생성된 액티브 이온 또는 라디컬 등이 기판 방향으로 침투하여 리퍼런스 화소영역에서 누설전류의 소스를 유발시키는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 광 차단층을 통해 입사되는 광이 차단되는 리퍼런스 화소영역과, 실제 화소 데이터를 생성하는 액티브 화소영역을 구비하는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 광 차단층은 카본 계통의 유기 재료 또는 포토 아크릴계 수지로 이루어진 블랙 매트릭스로 형성된 이미지 센서를 제공한다.
CMOS 이미지 센서, ABLC, 리퍼런스 화소영역, 액티브 화소영역, 광 차단층, 블랙 매트릭스
Description
도 1은 종래기술에 따른 자동 블랙 레벨 기능을 갖는 이미지 센서의 구성을 도시한 블럭도.
도 2는 도 1에 도시된 화소 어레이 중 리퍼런스 화소영역과 액티브 화소영역을 도시한 단면도.
도 3은 종래기술에 따른 이미지 센서의 구조에서 발생되는 문제점을 설명하기 위하여 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이 중 리퍼런스 화소영역과 액티브 화소영역을 설명하기 위하여 도시한 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 블랙 매트릭스(BM) 배열을 설명하기 위하여 도시한 개념도
도 6은 도 4에 도시된 이미지 센서의 화소 어레이를 설명하기 위하여 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 화소 어레이 11 : 액티브 화소영역
12 : 리퍼런스 화소영역 13 : 더미 화소영역
20 : 로우 디코더 30 : 아날로그 라인 버퍼
40 : 타이밍 제어부 50 : 칼럼 디코더
60 : PGA 70 : ADC
IMD1~IMD3 : 층간 절연막 ILD : 층간 절연막
Sub : 기판 M1~M4 : 금속배선
SM : 광 차단층 101 : TEOS
102 : 질화막 103 : 패시베이션층
BM : 블랙 매트릭스
본 발명은 반도체 설계 기술에 관한 것으로, 특히 블랙 레벨(black level), 즉 암신호(dark current)로 인한 저조도시의 잡음을 자동적으로 보상하여 주는 ABLC(Automatic Black Level Cancellation) 기능을 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈은 기본적으로 이미지 센서를 포함한다. 일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 소자를 말한다. 이러한 이미지 센서로는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, 이하, CCD라 함)와 시모스(CMOS; Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소모가 많으며, 제조공정시 마스크 공정 수가 많아 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱 회로(signal processing circuit)를 칩 내에 구현할 수 없어 원 칩(one chip)화가 어렵다는 등의 여러 단점이 있다. 이에 반해, 시모스 이미지 센서는 하나의 단일 칩 상에 제어, 구동 및 신호 처리 회로의 모놀리식 집적화가 가능하기 때문에 최근에 보다 주목을 받고 있다. 게다가, 시모스 이미지 센서는 저전압 동작 및 저전력 소모, 주변기기와의 호환성 및 표준 CMOS 제조 공정의 유용성으로 인하여 기존의 CCD에 비해 잠재적으로 적은 비용을 제공한다.
이미지 센서, 특히 시모스 이미지 센서의 경우 반도체 소자로 이루어져 있기 때문에 제조공정 또는 외부 환경에 의해 불필요한 전류 성분이 발생한다. 이러한 전류를 암전류라 한다. 암전류 발생시 이미지 센서 내에는 광학적 요인 외의 신호 성분이 포함되어 아주 어두운 환경, 즉 빛을 가하지 않는 환경에서도 일정 치의 신호레벨이 검출된다. 이러한 신호레벨은 열 잡음 및 시스템 잡음으로 블랙 레벨이라 한다.
이러한 블랙 레벨을 자동적으로 보상하기 위해 제안된 방법이 ABLC(Automatic Black Level Cancellation) 기법이다. 종래기술에 따른 ABLC 기법은 어떤 기준값을 설정하여 이 기준값에서 상한값과 하한값을 정한 다음, 이 상한값과 하한값을 벗어나는 출력신호는 버리거나, 상한값이나 하한값으로 대체하는 방식을 채택하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 ABLC 기능을 갖는 이미지 센서의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 이미지 센서는 화소 어레이부(10)와, 로우 디코더(row decoder)(20)와, 아날로그 라인 버퍼부(analog line buffer)(30)와, 타이밍 제어부(timing control)(40)와, 칼럼 디코더(column decoder)(50)와, 프로그래어블 게인 증폭기(Programmabe Gain Amplifier; 이하, PGA라 함)(60)와, 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하, ADC라 함)(70)로 이루어진다.
화소 어레이부(10)는 실제 어드레싱(addressing)이 이루어져 광수광부(photoreceptor)의 광전 변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환시키는 액티브 화소(Active Pixel; AP) 영역(11)과, ABLC를 위한 리퍼런스 셀(Reference Pixel; RP)(12) 영역과, 어드레싱이 이루어지지 않는 더미 화소(dummy pixel) 영역 (13)으로 이루어진다. 리퍼런스 화소영역(12)과, 더미 화소영역(13)은 최종 금속층으로 광 차단층(shield metal layer)이 형성되며, 광 차단층에 의해 광이 차단되어 빛이 입사되지 않는 영역이다. 리퍼런스 화소영역(12)은 더미 화소영역(13)과 마찬가지로 광 차단층에 의해 빛이 차단되는 영역이지만, 어드레싱을 통해 액티브 화소영역(11)에서 입사광이 없을 때 기준값을 생성하여 화소 간의 오프셋(offset)을 제거하는데 사용되는 영역이다.
로우 디코더(20)와 칼럼 디코더(50)는 타이밍 제어부(40)의 수평 및 수직동기 신호에 응답하여 화소 어레이부(10)에 배열된 화소들을 로우 및 칼럼라인별로 선택한다.
아날로그 라인 버퍼부(30)는 로우 디코더(20)에 의해 선택된 화소를 칼럼라인별로 독출한 후 이렇게 독출된 화소 신호를 샘플링하여 오프셋을 제거한 후 래치(latch)에 저장한다.
PGA(60)는 아날로그 라인 버퍼부(30)로부터 출력된 아날로그 신호를 증폭시켜 출력한다.
ADC(70)는 PGA(60)에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
이러한 구성을 갖는 이미지 센서를 이용한 ABLC 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 로우 디코더(20) 및 칼럼 디코더(50)는 타이밍 제어부(40)로부터 제공되는 수평 및 수직동기신호에 응답하여 리퍼런스 화소영역(11)의 로우 및 칼럼라인 별로 화소를 선택한다. 아날로그 라인 버퍼부(30)는 로우 디코더(20) 및 칼럼 디코더(50)에 의해 선택된 화소로부터 출력되는 기준값을 샘플링하여 저장한다. 이렇게 저장된 기준값은 PGA(60)를 통해 증폭된 후 ADC(70)를 통해 디지털 신호로 변환된다. 그런 다음, 디지털 연산부(미도시)는 ADC(70)로부터 출력되는 디지털 신호를 입력받고, 칼럼라인별로 평균값을 계산하여 라인버퍼(line buffer)(미도시)와 같은 저장 매체에 저장한다.
그런 다음, 리퍼런스 화소영역(12)에서의 데이터 독출 동작과 마찬 가지로, 로우 디코더(20) 및 칼럼 디코더(50)는 타이밍 제어부(40)로부터 제공되는 수평 및 수직동기신호에 응답하여 액티브 화소영역(11)의 로우라인 및 칼럼라인별로 화소를 선택한다. 아날로그 라인 버퍼부(30)는 로우 디코더(20) 및 칼럼 디코더(50)에 의해 선택된 화소로부터 출력되는 실제 화소 신호를 샘플링하여 저장한다. 이렇게 저장된 실제 화소 신호는 PGA(60)를 통해 증폭된 후 색상 보간 및 색상 보정 등의 과정을 거친 후 ADC(70)를 통해 디지털 신호로 변환된다. 디지털 연산부(미도시)는 미리 리퍼런스 화소영역(12)으로부터 독출되어 라인버퍼에 저장된 리퍼런스 화소영역(12a)의 칼럼라인당 평균값과 현재 독출된 액티브 화소영역(11)의 칼럼라인별 디지털 신호를 감산하여 액티브 화소영역(11)의 칼럼라인별 디지털 신호에 포함된 오프셋을 제거한다.
이와 같이, ABLC 기법을 적용하기 위하여 화소 어레이부(10)는 액티브 화소영역(11)과, 리퍼런스 화소영역(12)으로 나누어서 형성되며, 그 단면도가 도 2에 도시되었다.
도 2에 도시된 바와 같이, 액티브 화소영역(11)과 리퍼런스 화소영역(12)에는 각각 제1 내지 제3 금속층(M1~M3)이 형성된다. 또한, 리퍼런스 화소영역(12)에는 최종 금속층으로 광 차단층(SM)이 형성된다. 이때, 리퍼런스 화소영역(12)에 형성된 제1 및 제2 금속층(M1, M2)은 어드레싱에 따라 기준값을 생성하는데 사용되는 금속배선이다.
이처럼, 종래기술에 따른 ALBC 기법을 적용한 이미지 센서의 화소 어레이부에서 리퍼런스 화소영역(12)은 최종 배선으로 Cu/Al으로 이루어진 광 차단층(SM)을 필요로 한다.
그런데, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 공정 중 광 차단층(SM)으로부터 유입된 Cu/Al 등의 금속이 식각용액(wet chemical)과 반응하여 액티브 이온(active ion) 또는 라디컬(radical)을 생성하게 된다. 이러한 액티브 이온 또는 라디컬 등이 기판 방향으로 침투하여 주로 리퍼런스 화소영역에서 누설전류의 소스를 유발시키는 원인이 된다.
이에 따라, 리퍼런스 화소영역에서의 암신호(dark signal) 및 블랙 신호(black signal)의 열화를 유발시켜 리퍼런스 화소영역의 기준값이 액티브 화소영역의 블랙 신호를 대변하지 못하게 된다. 결국, 초기 기준값이 터무니없이 높게 또는 낮게 제어되어 액티브 셀의 출력에 포함된 잡음을 제대로 제거하지 못해 색상 불량을 야기시킨다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 반도체 공정 중 광 차단층으로부터 유입된 Cu/Al 등의 금속이 식각용액과 반응하여 액티브 이온 또는 라디컬을 생성하고, 이렇게 생성된 액티브 이온 또는 라디컬 등이 기판 방향으로 침투하여 리퍼런스 화소영역에서 누설전류의 소스를 유발시키는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 광 차단층을 통해 입사되는 광이 차단되는 리퍼런스 화소영역과, 실제 화소 데이터를 생성하는 액티브 화소영역을 구비하는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 광 차단층은 카본 계통의 유기 재료 또는 포토 아크릴계 수지로 이루어진 블랙 매트릭스로 형성된 이미지 센서를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 리퍼런스 화소영역과 액티브 화소영역으로 정의된 기판 상에 복수의 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선을 덮도록 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상부에 평탄화막을 형성하는 단계와, 상기 액티브 화소영역에 칼라 필터를 형성하는 단계와, 상기 리퍼런스 화소영역에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ABLC 기능을 구비한 이미지 센서의 화소 어레이를 설명하기 위하여 도시한 평면도이고, 도 5는 개념도이고, 도 6은 단면도이다. 여기서는 설명의 편의를 위해 리퍼런스 화소영역과 액티브 화소영역만을 간략하게 도시하였다. 또한, 각 영역에 형성되는 포토 다이오드(photo diode)와 복수의 트랜지스터(transistor)는 생략하였다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 도 2에 도시된 종래기술에 따른 Cu, Al 또는 Cu/Al 합금막으로 이루어진 광 차단층(SM) 대신에 칼라필터(color filter)와 같은 물질로 이루어진 블랙 매트릭스(Black matrix)(BM)를 구비한다.
블랙 매트릭스(BM)는 Cu, Al 또는 Cu/Al 합금막으로 광 차단층을 형성하는 종래기술에서 반도체 공정 중에 식각용액과의 반응에 의한 액티브 이온 또는 라디칼 생성을 최소화하기 위하여 금속물질 대신에 칼라필터와 같은 유기 또는 무기계 물질로 형성된다. 이로써, 리퍼런스 화소영역(RP)에서 누설전류의 소스를 차단할 수 있다.
예컨대, 블랙 매트릭스(BM)는 LCD(Liquid Crystal Display) 소자에서 적, 녹, 청색의 서브 칼러 필터 사이에 형성된 블랙 매트릭스를 그대로 사용할 수 있다. 그 재질로는 광학 밀도(optical density)가 3.5 이상의 크롬(Cr) 등의 금속박막이나, 카본(Carbon) 계통의 유기 재료 또는 포토 아크릴(photo acryl)계 수지(resin)가 사용된다. 여기서는, 칼러 필터와의 공정 연계의 편리성을 위해 크롬 등의 금속박막 대신에 카본 계통의 유기 재료 또는 포토 아크릴계 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
블랙 매트릭스(BM)는 칼라 필터 어레이 형성 후에 형성된다. 즉, 최종 금속배선(M4)이 형성된 기판 상부를 덮도록 패시베이션층(103)을 형성한 후 그 상부에 평탄화막인 OCL(Over Coating Layer)을 형성한다. 그런 다음, OCL 상부에 칼라 필터 어레이(Color Filter Array, CFA)를 형성한 후 형성한 후 블랙 매트릭스(BM)를 형성한다.
이처럼 블랙 매트릭스(BM)은 칼러 필터 어레이를 형성한 후 형성하기 때문에 최종 금속배선(M4)와의 단차가 크게 발생되어 빛의 회절, 간섭 현상 등이 발생될 수 있는데, 이러한 빛의 회절, 간섭 현상을 제거하기 위해서 실제 리퍼런스 화소영역(RRP)의 주변에 더미 리퍼런스 화소영역(DRP)을 형성하여 이러한 단차를 보상한 다.
한편, 블랙 매트릭스(BM)는 실제 리퍼런스 화소영역(RRP)으로 빛이 입사되는 것을 차단할 수 있을 정도의 두께를 가져야 한다. 예컨대, 적어도 10KÅ의 두께로 형성해야 한다. 이러한 두께를 확보하기 위해서는 칼라 필터 어레이를 형성한 후 블랙 매트릭스(BM)를 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 도포(coating) 공정과 현상(develop) 공정으로 형성되는 칼라 필터 특성 때문인데, B → R → G의 순으로 두께가 필연적으로 증가되게 된다. 따라서, B → R → G → BM 순으로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6에서, ILD, IMD1~IMD3는 층간 절연막으로서, HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organo Silicate Glass)막 중 어느 하나의 단층 구조 또는 이들이 적층된 적층 구조로 형성한다. 또한, M1~M4는 금속배선으로서, Cu, Al 또는 Cu/Al 합금막으로 형성한다. 또한, 패시베이션층(103)인 '101'은 TEOS막이고, '102'는 질화막이다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 리퍼런스 화소영역에 형성되는 광 차단층을 블랙 매트릭스로 형성함으로써 반도체 공정 중에 식각용액과 반응하는 Cu, Al 성분을 최소화하고, 이를 통해 Cu, Al 성분과 식각용액과의 반응에 의해 생성되는 액티브 이온 또는 라디칼을 최소화하여 리퍼런스 화소영역에서 누설전류의 소스를 차단할 수 있다. 따라서, 리퍼런스 화소 데이터를 안정화시켜 리퍼런스 화소에 기인한 이미지 센서의 잡음불량 또는 색상불량 등을 해결할 수 있다.
Claims (13)
- 광 차단층을 통해 입사되는 광이 차단되는 리퍼런스 화소영역과, 실제 화소 데이터를 생성하는 액티브 화소영역을 구비하는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서,상기 광 차단층은 카본 계통의 유기 재료 또는 포토 아크릴계 수지로 이루어진 블랙 매트릭스로 형성된 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 상기 액티브 화소영역에 형성된 칼라 필터와 동일층에 형성된 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스에 기인한 단차를 보상하기 위하여 상기 리퍼런스 화소영역의 주변에는 형성된 더미 화소영역을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 상기 더미 화소영역의 상부에도 형성된 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 적어도 10KÅ의 두께로 형성된 이미지 센서.
- 리퍼런스 화소영역과 액티브 화소영역으로 정의된 기판 상에 복수의 금속배선을 형성하는 단계;상기 금속배선을 덮도록 패시베이션층을 형성하는 단계;상기 패시베이션층 상부에 평탄화막을 형성하는 단계;상기 액티브 화소영역에 칼라 필터를 형성하는 단계; 및상기 리퍼런스 화소영역에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 카본 계통의 유기 재료로 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 포토 아크릴계 수지로 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 칼라 필터는 B → G → R 순으로 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 칼라 필터 중 R을 상기 블랙 매트릭스와 인접하게 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 칼라 필터는 B → G → R 순으로 더 두껍게 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 적어도 10KÅ의 두께로 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 블랙 매트릭스는 적어도 광학 밀도가 3.5 이상의 크롬으로 형성하는 이미지 센서의 제조방법.
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| CN102157529A (zh) * | 2010-02-12 | 2011-08-17 | 联咏科技股份有限公司 | 影像传感器 |
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