KR20080013159A - 이미지 센서 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공한다. 이미지 센서는 포토 다이오드 영역과 이를 차례로 덮는 하부 절연층 및 상부 절연층을 포함한다. 또한, 이미지 센서는 매립 수지층 및 이너 렌즈를 포함한다. 매립 수지층은 상부 절연층을 관통하여 포토 다이오드 영역 상의 하부 절연층을 노출시키는 공동을 채우고, 이너 렌즈는 매립 수지층 상에 배치되며 포토 다이오드 영역을 덮는다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 중에서 이너 렌즈의 다른 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 중 이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자이다. 이미지 센서는 외부 광을 받아들여 전기적 신호로 변환시키는 수광부를 포함한다. 통상적으로, 상기 수광부로서 대표적인 것은 포토 다이오드 영역이라 할 수 있다. 상기 외부 광이 상기 포토 다이오드 영역내 공핍 영역에 입사되어 전자-정공쌍들이 발생됨으로써, 상기 외부 광은 전기적 신호로 변환된다. 이러한 이미지 센서는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서 및 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 수광부의 면적과 상기 이미지 센서의 광 감도는 비례한다. 즉, 상기 수광부의 면적이 증가할수록 상기 이미지 센서의 광 감도가 향상된다. 하지만, 반도체 소자의 고집적화 경향 및 이미지 센서의 해상도가 증가함에 따라, 상기 포토 다이오드 영역의 면적이 점점 감소되고 있다. 이로 인하여, 이미지 센서의 광 감도가 저하되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 일 방안으로, 칼라필터(color filter) 상에 마이크로 렌즈(micro lenz)를 형성하는 방안이 제안된 바 있다. 상기 마이크로 렌즈에 의하여 상기 수광부 이외의 영역으로 입사되는 광을 상기 수광부로 모아줌으로써 상기 이미지 센서의 광감도를 향상시키는 방안이다. 하지만, 이러한 마이크로 렌즈로도 광을 집속하는 효과를 높이는데에 한계가 있다.
본 발명은 상술한 제반적인 문제점들을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제한된 면적에서 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 집광 효율을 놓여 제한된 면적에서 광감도를 향상시킬수 있는 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역; 상기 포토 다이오드 영역을 덮 되, 산화물으로 형성된 하부 절연층; 상기 하부 절연층 상에 배치되되, 단일층 또는 복수층으로 형성된 상부 절연층; 상기 상부 절연층을 관통하여 상기 포토 다이오드 영역 상의 하부 절연층을 노출시키는 공동(cavity)을 채우되, 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 매립 수지층(filling resin layer); 및 상기 매립 수지층 상에 배치되고 상기 포토 다이오드 영역을 덮되, 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성된 이너 렌즈(inner lenz)를 포함한다. 상기 높은 굴절률의 이너 렌즈로 인해 외부 광을 모우는 집광 효율이 향상된다. 또한, 상기 공동을 채우는 매립 수지층의 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률로 인하여 상기 집광 효율은 더욱 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서는 상기 이너 렌즈의 표면을 콘포말(conformal)하게 덮는 표면 수지층을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높다. 상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률과 동일한 것이 바람직하다. 상기 표면 수지층으로 인하여 상기 이너 렌즈의 표면 거칠기를 보상할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 이너 렌즈를 덮는 평탄화용 수지층을 더 포함할 수 있다. 상기 평탄화용 수지층의 상부면은 평탄화된 상태이고, 상기 평탄화용 수지층의 굴절률은 상기 하부 절연층의 굴절률에 비하여 높고 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮다. 상기 이미지 센서는 상기 평탄화용 수지층 아래에 배치되며, 상기 이너 렌즈를 덮는 반사 방지 수지층를 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮고 상기 평탄화용 수지의 굴절률에 비하여 높다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 절연층은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막이 적층된 복수층으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 확산 방지 절연막은 질화물로 형성될 수 있으며, 상기 층간 절연막내에는 금속을 포함하는 배선 또는 금속을 포함하는 콘택 플러그가 배치될 수 있다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 이미지 센서의 형성 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역을 덮되, 산화물으로 이루어진 하부 절연층을 형성하는 단계; 상기 하부 절연층 상에 단일층 또는 복수층으로 이루어진 상부 절연층을 형성하는 단계; 상기 상부 절연층을 패터닝하여 상기 포토 다이오드 영역 상의 상기 하부 절연층을 노출시키는 공동(cavity)을 형성하는 단계; 상기 공동을 채우되, 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 매립 수지층를 반도체 기판 상에 형성하는 단계; 및 상기 매립 수지층 상에 상기 포토 다이오드 영역을 덮는 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 이너 렌즈는 상기 매립 수지층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성한다.
일 실시예에 따르면, 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계는 상기 매립 수지층을 갖는 반도체 기판 전면 상에 렌즈용 수지층를 형성하는 단계; 상기 렌즈용 수지층에 포토리소그라피 공정으로 패터닝하여 예비 이너 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 예비 이너 렌즈를 리플로우(reflow)하여 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계는 상기 매립 수지층을 갖는 반도체 기판 전면 상에 렌즈용 수지층을 형성하는 단계; 상기 렌즈용 수지층 상에 상기 포토 다이오드 영역을 덮는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 리플로우하는 단계; 및 상기 리플로우된 감광막 패턴 및 상기 렌즈용 수지층을 이방성 식각하여 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 방법은 상기 이너 렌즈의 표면을 덮는 표면 수지층을 콘포말(conformal)하게 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 표면 수지층은 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는다. 특히, 상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률과 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 이너 렌즈를 덮는 평탄화용 수지층을 반도체 기판 전면 상에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 평탄화용 수지층의 굴절률은 상기 하부 절연층의 굴절률에 비하여 높고 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮다. 상기 방법은 상기 평탄화용 수지층을 형성하기 전에, 상기 이너 렌즈를 덮는 반사 방지 수지층을 상기 반도체 기판 전면 상에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮고 상기 평탄화용 수지층의 굴절률에 비하여 높다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 절연층은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막이 적층된 복수층으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 확산 방지 절연막은 질화물으로 형성될 수 있으며, 상기 층간 절연막내에는 금속을 포함하는 배선 또는 금속을 포함하는 콘택 플러그가 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설 명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층(또는 막) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층(또는 막)이 다른 층(또는 막) 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(또는 막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층(또는 막)이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 도전형의 도펀트들로 도핑된 반도체 기판(100)에 활성영역을 한정하는 소자분리막(102)이 배치된다. 상기 활성영역에 제2 도전형의 도펀트들로 도핑된 포토 다이오드 영역(108)이 배치된다. 또한, 부유 도핑 영역(110)이 상기 활성영역에 배치된다. 상기 부유 도핑 영역(110)도 제2 도전형의 도펀트들로 도핑되어 있다. 상기 포토 다이오드 영역(108) 및 부유 도핑 영역(110)은 서로 이격되어 있다. 상기 포토 다이오드 영역(108)의 하부면은 상기 부유 도핑 영역(110)의 하부면에 비하여 깊을 수 있다. 게이트 전극(106)이 상기 포토 다이오드 영역(108)과 상기 부유 도핑 영역(110) 사이의 상기 활성영역 상에 배치되고, 상기 활성영역과 상기 게이트 전극(106) 사이에 게이트 절연막(104)이 개재된다. 상기 게이트 전극(106)은 CMOS 이미지 센서의 전송 게이트에 해당할 수 있다. 이와는 다 르게, 상기 포토 다이오드 영역(108)은 CCD 이미지 센서에 포함될 수도 있다.
하부 절연층(112)이 상기 포토 다이오드 영역(108), 게이트 전극(106) 및 부유 도핑 영역(110)을 포함한 반도체 기판(100) 전면을 덮는다. 상기 하부 절연층(112)은 투명한 절연 물질, 예컨대, 산화물로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 하부 절연층(112)은 실리콘 산화물로 형성하는 것이 바람직하다. 상부 절연층(117)이 상기 하부 절연층(112) 상에 배치된다. 상기 상부 절연층(117)은 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다.
상기 상부 절연층(117)내에 적어도 하나의 배선이 배치된다. 특히, 상기 상부 절연층(117)내에는 복수개의 배선들(118a,118b,118c)이 적층되고, 상기 배선들(118a,118b,118c)을 연결하는 콘택 플러그들(119a,119b)이 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 도시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 배선들(118a,118b,118c)과 제1 및 제2 콘택 플러그들(119a,119b)이 상기 상부 절연층(117)내에 배치된다. 이와는 달리, 이미지 센서가 요구하는 것에 따라 적층된 배선들의 수는 달라질 수 있다. 상기 배선들(118a,118b,118c) 및 콘택 플러그들(119a,119b)은 이미지 센서의 고속동작을 위하여 비저항이 낮은 금속(예컨대, 구리 또는 알루미늄등)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 배선들(118a,118b,118c)은 다마신 기법(damascene method)으로 형성될 수 있다.
상기 배선들(118a,118b,118c) 및 콘택 플러그들(119a,119b)로 인하여 상기 상부 절연층(117)은 복수층으로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 배선들(118a,118b,118c) 및 콘택 플러그들(119a,119b)이 다마신 기법으로 형성됨에 따 라 상기 상부 절연층(117)은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막이 적층된 복수층으로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 상부 절연층(117)은 상기 확산 방지 절연막 및 상기 층간 절연막이 적어도 1회 반복적으로 적층된 복수층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 상부 절연층(117)의 최하층은 상기 확산 방지 절연막으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2 및 제3 배선들(118a,118b,118c) 및 제1 및 제2 콘택 플러그들(119a,119b)에 기인하여 상기 상부 절연층(117)이 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f) 및 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)이 교번적으로 적층된 복수층으로 형성된다. 상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 금속 원소의 확산을 방지할 수 있는 절연 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 상기 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)에 대하여 식각선택비를 갖는 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 상기 하부 절연층(112)에 대하여 식각선택비를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 질화물로 형성될 수 있다. 상기 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)은 산화물로 형성될 수 있다.
상기 제1, 제3 및 제5 층간 절연막들(116a,116c,116e)내에 각각 제1, 제2 및 제3 배선들(118a,118b,118c)이 배치된다. 상기 제1, 제2 및 제3 배선 들(118a,118b,118c)은 상기 제1, 제3 및 제5 층간 절연막들(116a,116c,116e)에 각각 형성된 제1, 제2 및 제3 그루브들(grooves)을 채운다. 상기 제2 및 제4 층간 절연막들(116b,116d)내에 각각 상기 제1 및 제2 콘택 플러그들(119a,119b)이 배치된다. 상기 제1 콘택 플러그(119a)는 상기 제2 확산 방지 절연막(114b), 제2 층간 절연막(116b) 및 제3 확산 방지 절연막(114c)을 관통하여 상기 제1 및 제2 배선들(118a,118b)을 서로 접속시킬 수 있다. 상기 제2 콘택 플러그(119b)는 상기 제4 확산 방지 절연막(116d), 제4 층간 절연막(116d) 및 제5 확산 방지 절연막(116e)을 관통하여 상기 제2 및 제3 배선들(118b,118c)을 서로 접속시킬 수 있다.
매립 수지층(122)이 상기 상부 절연층(117)을 관통하는 공동(120, cavity)을 채운다. 상기 공동(120)은 상기 포토 다이오드 영역(108) 상의 상기 하부 절연층(112)을 노출시킬 수 있다. 상기 매립 수지층(122)은 상기 하부 절연층(112)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 매립 수지층(122)은 상기 반도체 기판(100) 전면을 덮을 수 있다. 상기 매립 수지층(122)의 상기 공동(120)을 채우는 부분의 상부면은 도시된 바와 같이 오목한 형태일 수 있다. 상기 배선들(118a,118b,118c) 및 콘택 플러그들(119a,119b)은 상기 공동(120) 옆에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 배선들(118a,118b,118c) 및 콘택 플러그들(119a,119b)은 상기 포토 다이오드 영역(108)을 덮지 않는 것이 바람직하다.
상기 매립 수지층(122, filling resin layer) 상에 이너 렌즈(124b, inner lenz)가 배치된다. 상기 이너 렌즈(124b)는 상기 포토 다이오드 영역(108)을 덮는다. 상기 이너 렌즈(124b)는 상기 매립 수지층(122)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률은 약 1.8 내지 2.0 일 수 있다. 상기 이너 렌즈(124b)는 볼록 렌즈 형태인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 매립 수지층(112)의 굴절률은 상기 하부 절연층(112)의 굴절률에 비하여 높고, 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률에 비하여 낮다. 상기 하부 절연층(112)은 산화물, 특히, 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 실리콘 산화물의 굴절률은 약 1.3이다. 이로 인하여, 상기 매립 수지층(112)의 굴절률은 약 1.4 내지 1.6일 수 있다. 물론, 상기 매립 수지층(112)의 굴절률은 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률 및 상기 하부 절연층(112)의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.
표면 수지층(126)이 상기 이너 렌즈(124b)의 표면을 포함한 반도체 기판(100) 전면을 실질적으로 콘포말(conformal)하게 덮을 수 있다. 상기 표면 수지층(126)은 상기 매립 수지층(122)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성된다. 특히, 상기 표면 수지층(126)은 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률과 동일한 것이 바람직하다. 즉, 상기 표면 수지층(126)은 상기 이너 렌즈(124b)와 동일한 수지로 형성될 수 있다. 상기 표면 수지층(126)은 상기 이너 렌즈(124b)의 표면 거칠기를 보상하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 표면 수지층(126)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.
상기 표면 수지층(126) 상부에 평탄화용 수지층(130)이 배치된다. 상기 평탄화용 수지층(130)의 상부면은 평탄화된 상태이다. 상기 평탄화용 수지층(130)은 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률에 비하여 낮은 굴절률을 갖고 상기 하부 절연층(112) 의 굴절률에 비하여 높은 것이 바람직하다. 특히, 상기 평탄화용 수지층(130)의 굴절률은 상기 매립 수지층(122)의 굴절률과 유사할 수 있다. 예컨대, 상기 평탄화용 수지층(130)의 굴절률은 약 1.4 내지 1.6일 수 있다. 물론, 상기 평탄화용 수지층(130)의 굴절률은 상기 이너 렌즈(124b) 및 하부 절연층(112)의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.
상기 이너 렌즈(124b)와 상기 평탄화용 수지층(130) 사이에 반사 방지 수지층(128)이 배치될 수 있다. 상기 반사 방지 수지층(128)은 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 상기 반사 방지 수지층(128)은 외부 광의 난반사를 최소화할 수 있는 수지로 형성한다. 또한, 상기 반사 방지 수지층(128)은 상기 평탄화용 수지층(130)의 굴절률에 비하여 높고 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률에 비하여 낮은 굴절률을 갖는 수지로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 반사 방지 수지층(128)의 굴절률은 약 1.7 정도일 수 있다. 물론, 상기 반사 방지 수지층(128)의 굴절률은 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률 및 평탄화용 수지층(130)의 굴절률에 따라 달라질 수 있다. 상기 표면 수지층(126)이 존재하는 경우에, 상기 반사 방지 수지층(128)은 상기 표면 수지층(126)과 상기 평탄화용 수지층(130) 사이에 개재되는 것이 바람직하다.
상기 평탄화용 수지층(130) 상에 칼라필터(132, color filter)가 배치되고, 상기 칼라 필터(132) 상에 마이크로 렌즈(134, micro lenz)가 배치된다. 상기 마이크로 렌즈(134)는 상기 포토 다이오드 영역(108)을 덮는다. 상기 포토 다이오드 영역(108), 상기 매립 수지층(122)의 공동(120)을 채우는 부분, 이너 렌즈(124b) 및 마이크로 렌즈(134)가 수직으로 정렬된다.
상술한 이미지 센서에 따르면, 매립 수지층(122)이 상기 포토 다이오드 영역(108) 상의 하부 절연층(112)을 노출시키는 공동(120)을 채우고, 상기 매립 수지층(122) 상에 상기 이너 렌즈(124b)가 배치된다. 상기 이너 렌즈(124b)는 높은 굴절률을 갖는다. 이에 따라, 상기 마이크로 렌즈(134)을 통하여 모아진 빛은 상기 이너 렌즈(124b)에 의하여 더욱 모아져 상기 포토 다이오드 영역(108)으로 공급된다. 즉, 상기 이너 렌즈(124b)에 의하여 외부 광은 더욱 집광되어 이미지 센서의 광감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 공동(120)을 채우는 매립 수지층(122)은 상기 하부 절연층(112)에 비하여 높은 굴절률을 갖는다. 이에 따라, 상기 매립 수지층(122)에 의하여 외부 광은 더욱 집광될 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 광감도는 더욱 향상될 수 있다.
이에 더하여, 상기 평탄화용 수지층(130)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 상기 반사 방지 수지층(128)에 의하여 외부 광의 난반사를 최소화함과 더불어 외부 광을 더욱 모울수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 광감도는 더욱 향상된다.
더 나아가서, 상기 배선들(118a,118b,118c) 및/또는 콘택 플러그들(119a,119b)을 다마신 기법으로 형성하기 위하여 상기 상부 절연층(117)이 질화물로 형성된 확산 방지 절연막을 포함할지라도, 상기 공동(120)에 의하여 상기 포토 다이오드 영역(108)에는 상기 확산 방지 절연막이 존재하지 않는다. 이로 인하여, 질화물로 형성된 상기 확산 방지 절연막로 인하여 파장에 따른 빛의 투과율이 달라지는 현상을 최소화할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)에 소자분리막(102)을 형성하여 활성영역을 한정한다. 상기 활성영역 상에 차례로 적층된 게이트 절연막(104) 및 게이트 전극(106)을 형성한다. 제1 도펀트 이온들을 선택적으로 주입하여 상기 게이트 전극(106) 일측의 활성영역에 포토 다이오드 영역(108)을 형성한다. 제2 도펀트 이온들을 선택적으로 주입하여 상기 게이트 전극(106)의 타측의 활성영역에 부유 도핑 영역(110)을 형성한다. 상기 포토 다이오드 영역(108)을 형성한 후에, 상기 부유 도핑 영역(110)을 형성할 수 있다. 이와는 반대로, 상기 부유 도핑 영역(110)을 형성한 후에, 상기 포토 다이오드 영역(108)을 형성할 수도 있다.
상기 반도체 기판(100) 전면 상에 하부 절연층(112)을 형성한다. 상기 하부 절연층(112)은 투명한 절연 물질인 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 하부 절연층(112)은 실리콘 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 상기 하부 절연층(112) 상에 상부 절연층(117)을 형성한다. 상기 상부 절연층(117)은 단일층 또는 복수층으로 형성할 수 있다. 상기 상부 절연층(117)내에 적어도 하나의 배선을 형성할 수 있다. 이때, 상기 배선은 다마신 기법으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 상부 절연층(117)은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막을 포함하는 복수층으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 상기 상부 절연층(117)내에는 제1, 제2 및 제3 배선들(118a,118b,118c)이 적층된 형태로 형성된다. 이에 따라, 상기 상부 절연층(117)은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f) 및 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)이 교번적으로 적층된 복수층으로 형성된다.
상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 금속 원소의 확산을 방지할 수 있는 절연 물질로 형성된다. 또한, 상기 확산 방지막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 상기 하부 절연층(112) 및 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)에 대하여 식각선택비를 갖는 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 확산 방지 절연막들(114a,114b,114c,114d,114e,114f)은 질화막(ex,실리콘 질화막등)로 형성할 수 있다. 상기 층간 절연막들(116a,116b,116c,116d,116e)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 상부 절연층(117)의 최하층은 상기 확산 방지 절연막(114a)으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 상기 상부 절연층(117)을 패터닝하여 상기 포토 다이오드 영역(108) 상의 상기 하부 절연층(112)을 노출시키는 공동(120)을 형성한다. 이때, 상기 상부 절연층(117)의 최하층을 이루는 제1 확산 방지 절연막(114a)은 식각정지층으로 사용될 수 있다.
상기 공동(120)을 가지는 반도체 기판(100) 전면 상에 매립 수지층(122)을 형성한다. 상기 매립 수지층(122)은 상기 공동(120)을 채운다. 상기 매립 수지층(122)은 스핀 코팅(spin coating) 방식에 의하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상 기 매립 수지층(122)은 상기 공동(120) 이외의 영역에서는 비교적 얇은 두께로 형성됨과 더불어 상기 공동(120)을 채울 수 있다. 상기 매립 수지층(122)의 상기 공동(120)을 채우는 부분의 상부면은 상기 공동(120)에 기인하여 오목한 형태로 형성될 수 있다. 상기 매립 수지층(122)은 상기 하부 절연층(112)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성한다.
상기 매립 수지층(122) 상에 상기 반도체 기판(100) 전면을 덮는 렌즈용 수지층(124)을 형성한다. 상기 렌즈용 수지층(124)은 상기 매립 수지층(122)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성한다. 또한, 상기 렌즈용 수지층(124)은 포토리소그라피 공정에 의하여 노광 및 현상이 공정이 용이한 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 렌즈용 수지층(124)은 스핀 코팅 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 렌즈용 수지층(124)에 포토리소그라피 공정을 수행하여 예비 이너 렌즈(124a)를 형성한다. 상기 예비 이너 렌즈(124a)는 상기 포토 다이오드 영역(108) 및 상기 공동(120)을 덮는다. 상기 포토리소그라피 공정은 노광 공정 및 현상 공정을 포함한다. 즉, 상기 렌즈용 수지층(124)에 선택적으로 노광하고, 이어서, 노광된 상기 렌즈용 수지층(124)을 현상액으로 현상 공정을 수행하여 상기 예비 이너 렌즈(124a)를 형성할 수 있다.
상기 예비 이너 렌즈(124a)에 리플로우 공정(reflow process)을 수행한다. 이에 따라, 상기 예비 이너 렌즈(124a)는 블록 렌즈형태의 이너 렌즈(124b)로 형성된다.
상기 이너 렌즈(124a)를 갖는 반도체 기판(100) 전면 상에 반사 방지 수지층(128)을 형성한다. 상기 반사 방지 수지층(128)은 실질적으로 콘포말(conformal)하게 형성하는 것이 바람직하다. 상기 반사 방지 수지층(128)을 형성하기 전에, 상기 반도체 기판(100) 상에 실질적으로 균일한 표면 수지층(도 1의 126)을 형성할 수도 있다. 상기 반사 방지 수지층(128) 상에 평탄화용 수지층(130)을 형성한다. 상기 평탄화용 수지층(130)의 상부면은 평탄화된 상태이다. 상기 평탄화용 수지층(130)은 스핀 코팅 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 반사 방지 수지층(128)은 빛의 반사를 최소화할 수 있는 수지로 형성한다. 또한, 상기 반사 방지 수지층(128)은 상기 상기 평탄화용 수지층(130)에 비하여 높은 굴절률을 갖고 상기 이너 렌즈(124b)의 굴절률에 비하여 낮은 굴절률을 갖는 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 평탄화용 수지층(130)은 상기 하부 절연층(112)의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 평탄화용 수지층(130)의 굴절률은 상기 매립 수지층(122)의 굴절률과 동일하거나 유사할 수 있다.
이어서, 상기 평탄화용 수지층(130) 상에 도 1의 칼라필터(132)를 형성하고, 상기 칼라필터(132) 상에 도 1의 마이크로 렌즈(134)를 형성한다. 이로써, 도 1을 참조하여 설명한 이미지 센서의 일 예를 형성할 수 있다.
한편, 상기 렌즈용 수지층(124)은 상기 매립 수지층(122)의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖으나, 상기 포토리소그라피 공정을 수행하기가 어려운 수지로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 상기 이너 렌즈(124b)는 다른 방법으로 형성할 수 있 다. 이를 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 이 방법은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서의 형성 방법들을 포함할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 중에서 이너 렌즈의 다른 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 형성된 렌즈용 수지층(124) 상에 감광막 패턴(150)을 형성한다. 상기 감광막 패턴(150)은 포토리소그라피 공정으로 형성된다. 이때, 상기 감광막 패턴(150)을 형성하는 포토리소그라피 공정은 감광막 코팅 공정, 노광 공정 및 현상 공정을 포함한다. 상기 감광막 패턴(150)은 상기 렌즈용 수지층(124)과 유사하거나 동일한 식각율을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 감광막 패턴(150)을 갖는 반도체 기판(100)에 리플로우 공정을 수행한다. 이에 따라, 감광막 패턴(150a)의 상부면은 불록한 형태로 형성된다.
이어서, 상기 리플로우된 감광막 패턴(105a) 및 렌즈용 수지층(124)을 연속적으로 이방성 식각하여 이너 렌즈(124b)를 형성한다. 이어서, 상기 반도체 기판(100) 전면 상에 표면 수지층(126)을 실질적으로 콘포말(conformal)하게 형성하는 것이 바람직하다. 상기 이방성 식각에 의하여 상기 이너 렌즈(124b)의 표면이 거칠어질 수 있다. 이에 따라, 상기 표면 수지층(126)은 상기 이너 렌즈(124b)의 거친 표면을 매끄럽게하는 기능을 수행한다. 상기 표면 수지층(126)은 상기 매립 수지층(122)에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 특 히, 상기 표면 수지층(126)은 상기 이너 렌즈(124b)와 동일한 수지로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 표면 수지층(126) 상에 반사 방지 수지층(128)을 형성한다. 상기 반사 방지 수지층(128)은 도 1 및 도 6을 참조하여 설명한 것과 동일한 특성 및 물질로 형성된다. 이어서, 상기 반사 방지 수지층(128) 상에 도 1의 평탄화용 수지층(130), 칼라필터(132) 및 마이크로 렌즈(134)를 형성하여 도 1을 참조하여 설명한 이미지 센서의 다른 예를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 매립 수지층이 상부 절연층에 형성되어 하부 절연층을 노출시키는 공동을 채우고, 상기 매립 수지층 상에 이너 렌즈가 형성된다. 상기 매립 수지층은 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성되고, 상기 이너 렌즈는 상기 매립 수지층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성된다. 이에 따라, 높은 굴절률의 이너 렌즈로 인하여 외부 광을 모우는 집광 효율이 향상된다. 또한, 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 상기 매립 수지층에 의하여 상기 집광 효율은 더욱 향상된다.
Claims (14)
- 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역;상기 포토 다이오드 영역을 덮되, 산화물으로 형성된 하부 절연층;상기 하부 절연층 상에 배치되되, 단일층 또는 복수층으로 형성된 상부 절연층;상기 상부 절연층을 관통하여 상기 포토 다이오드 영역 상의 하부 절연층을 노출시키는 공동(cavity)을 채우되, 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 매립 수지층(filling resin layer); 및상기 매립 수지층 상에 배치되고 상기 포토 다이오드 영역을 덮되, 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성된 이너 렌즈(inner lenz)를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 이너 렌즈의 표면을 콘포말(conformal)하게 덮는 표면 수지층을 더 포함하되, 상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높은 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률과 동일한 이미지 센 서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중에 어느 한 항에 있어서,상기 이너 렌즈를 덮는 평탄화용 수지층을 더 포함하되, 상기 평탄화용 수지층의 상부면은 평탄화된 상태이고, 상기 평탄화용 수지층의 굴절률은 상기 하부 절연층의 굴절률에 비하여 높고 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮은 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 평탄화용 수지층 아래에 배치되며, 상기 이너 렌즈를 덮는 반사 방지 수지층를 더 포함하되, 상기 반사 방지 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮고 상기 평탄화용 수지의 굴절률에 비하여 높은 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중에 어느 한 항에 있어서,상기 상부 절연층은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막이 적층된 복수층으로 형성되되,상기 확산 방지 절연막은 질화물로 형성되고, 상기 층간 절연막내에는 금속을 포함하는 배선 또는 금속을 포함하는 콘택 플러그가 배치된 이미지 센서.
- 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드 영역을 덮되, 산화물으로 이루어진 하 부 절연층을 형성하는 단계;상기 하부 절연층 상에 단일층 또는 복수층으로 이루어진 상부 절연층을 형성하는 단계;상기 상부 절연층을 패터닝하여 상기 포토 다이오드 영역 상의 상기 하부 절연층을 노출시키는 공동(cavity)을 형성하는 단계;상기 공동을 채우되, 상기 하부 절연층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 매립 수지층를 반도체 기판 상에 형성하는 단계; 및상기 매립 수지층 상에 상기 포토 다이오드 영역을 덮는 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 이너 렌즈는 상기 매립 수지층에 비하여 높은 굴절률을 갖는 수지로 형성하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 이너 렌즈를 형성하는 단계는,상기 매립 수지층을 갖는 반도체 기판 전면 상에 렌즈용 수지층를 형성하는 단계;상기 렌즈용 수지층에 포토리소그라피 공정으로 패터닝하여 예비 이너 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 예비 이너 렌즈를 리플로우(reflow)하여 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 이너 렌즈를 형성하는 단계는,상기 매립 수지층을 갖는 반도체 기판 전면 상에 렌즈용 수지층을 형성하는 단계;상기 렌즈용 수지층 상에 상기 포토 다이오드 영역을 덮는 감광막 패턴을 형성하는 단계;상기 감광막 패턴을 리플로우하는 단계; 및상기 리플로우된 감광막 패턴 및 상기 렌즈용 수지층을 이방성 식각하여 상기 이너 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 이너 렌즈의 표면을 덮는 표면 수지층을 콘포말(conformal)하게 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 표면 수지층은 상기 매립 수지층의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 표면 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률과 동일한 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 7 항 내지 제 11 항 중에 어느 한 항에 있어서,상기 이너 렌즈를 덮는 평탄화용 수지층을 반도체 기판 전면 상에 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 평탄화용 수지층의 굴절률은 상기 하부 절연층의 굴절률에 비하여 높고 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮은 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 평탄화용 수지층을 형성하기 전에,상기 이너 렌즈를 덮는 반사 방지 수지층을 상기 반도체 기판 전면 상에 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 반사 방지 수지층의 굴절률은 상기 이너 렌즈의 굴절률에 비하여 낮고 상기 평탄화용 수지층의 굴절률에 비하여 높은 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 7 항 내지 제 11 항 중에 어느 한 항에 있어서,상기 상부 절연층은 적어도 하나의 확산 방지 절연막 및 적어도 하나의 층간 절연막이 적층된 복수층으로 형성되되,상기 확산 방지 절연막은 질화물으로 형성되고, 상기 층간 절연막내에는 금속을 포함하는 배선 또는 금속을 포함하는 콘택 플러그가 형성된 이미지 센서의 형성 방법.
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