KR20090025818A - 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 이미지 센서에 있어서, 특히 크로스 토크를 방지하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법은, 반도체 기판상에 정의된 픽셀 영역 및 주변 회로 영역의 적소에 트랜지스터들을 형성하는 단계와, 상기 픽셀 영역의 트랜지스터 일측에 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 픽셀 영역 상부에 상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽을 포함하여 이루어짐으로써, 빛을 목적하는 포토 다이오드에 집광하여 인접하는 픽셀과의 크로스 토크를 방지한다.
크로스 토크, 이미지 센서, 차광
Description
본 발명은 이미지 센서에 있어서, 특히 크로스 토크(cross-talk)를 방지하는 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor) 디바이스의 경우 픽셀(pixel) 간에 크로스 토크(cross-talk)가 일어난다. 특히 옵티컬 크로스 토크(optical cross-talk)의 경우, 빛이 금속배선(metal line) 사이의 절연물질(dielectric)을 통과하여 목적하는 픽셀의 옆 픽셀로 들어가면서 발생하게 된다.
이 경우 포토 다이오드에서는 잘못된 정보를 얻게 되고, 그에 인한 잘못된 영상이 출력되게 된다. 즉, 크로스토크는 데이터를 믹싱(mixing)시켜, 색 섞임을 유발할 수 있고, 특히, 밝은 영상을 촬상하는 경우, 주변이 모두 밝게 보이는 문제점이 초래된다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단면도로서, 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 목적하는 해당 픽셀로 입사되지 않고 옆 픽셀로 입사함을 보여주는 도면이다.
일반적인 이미지 센서의 하부구조는 반도체 기판(102)상에 픽셀 영역과 주변 회로 영역이 정의되고 상기 픽셀 영역과 주변 회로 영역에 STI막(104 ; Shallow Trench Isolation film), 포토 다이오드들, 적소에 배치된 트랜지스터들로 이루어져 있다.
도 1을 참조하면, 제 1 포토 다이오드(106), 제 2 포토 다이오드(108) 및 트랜지스터의 게이트 전극(110)이 도시되어 있다. 도 1에서는 도면을 간략화하기 위해 2개의 포토 다이오드와 트랜지스터를 의미하는 하나의 게이트 전극(110)만을 도시하였고, 다른 포토 다이오드와 트랜지스터는 미도시함을 미리 밝혀둔다.
전술한 일반적인 이미지 센서의 하부구조 위에 PMD층(Pre-Metal Dielectric layer)으로서 BPSG층(112 ; BoroPhosphorSilicate Glass layer)과 제 1 캡핑층(114 ; first capping layer)이 형성된다.
그리고 상기 BPSG층(112)과 제 1 캡핑층(114)을 패터닝하고 상층의 배선구조를 위한 콘택(116 ; contact)을 형성하고 제 1 캡핑층(114) 상에 제 1 금속배선(118)을 형성한다. 이후 제 1 금속배선(118)과 제 1 캡핑층(114) 상부에 제 1 ILD층(120 ; first Inter Layer Dielectric)과 제 2 캡핑층(122)을 적층한다.
그리고 제 2 캡핑층(122) 상에 제 2 금속배선(124)을 형성하고 이후 상기 제 2 금속배선(124)과 상기 제 2 캡핑층(122) 상에 제 2 ILD층(126)과 제 3 캡핑층(128)을 적층한다. 이후 제 2 ILD층(126)과 제 3 캡핑층(128)을 패터닝하여 비아(129 ; via)를 형성하고 제 3 캡핑층(128) 상에 제 3 금속배선(130)을 형성한다. 제 3 금속배선(130)은 비아(129 ; via)를 통해 제 2 금속배선(124)과 층이 다 름에도 연결되게 된다.
이어, 상기 제 3 캡핑층(128) 및 제 3 금속배선(130) 상부에 USG층(132 ; Undoped Silicate Glass layer)을 형성하고 질화막(134)을 적층할 수 있다.
이어, 상기 질화막(134) 상에 칼라필터층(136 ; color filter layer), 평탄화층(138) 및 마이크로 렌즈(140)을 순차적으로 형성한다. 이로써, 일반적인 쓰리 메탈 구조(three metal structure)의 이미지 센서가 이루어지게 된다.
도 1에서 보이는 광경로 A,B 및 C를 설명하면, 광경로 B 및 C는 마이크로 렌즈(140)를 통과한 빛이 목적하는 해당 포토 다이오드로 입사되는 것을 나타낸다. 그러나 광경로 A는 빛이 금속배선 사이의 절연물질을 통과하여, 목적하는 제 2 포토 다이오드(108)가 아닌 옆의 제 1 포토 다이오드(106)로 입사되는 것을 나타낸다. 결과적으로 이는 옵티컬 크로스 토크를 일으키게 된다.
도면에는 도시되지 않았으나, 마이크로 렌즈(140)를 통과한 빛은 여러 금속배선 또는 층간 물질에 반사 또는 굴절되어 목적하지 않는 포토 다이오드로 입사되어 크로스 토크를 일으킬 수도 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 인접 픽셀간의 크로스 토크를 억제할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 일 특징은, 반도체 기판상에 정의된 픽셀 영역 및 주변 회로 영역의 적소에 트랜지스터들을 형성하는 단계, 상기 픽셀 영역의 트랜지스터 일측에 포토 다이오드를 형성하는 단계 및 상기 픽셀 영역 상부에 상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽을 포함하여 이루어지는 것이다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 센서의 일 특징은, 픽셀 영역 및 주변 회로 영역이 정의된 반도체 기판, 상기 픽셀 영역 및 주변 회로 영역의 적소에 각각 형성되는 트랜지스터들, 상기 픽셀 영역의 트랜지스터 일측에 형성되는 포토 다이오드 및 상기 픽셀 영역 상부에 형성되며 상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽을 포함하여 이루어지는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법은 포토 다이오드의 외곽에 차광 금속벽을 형성하여, 마이크로 렌즈를 통과해 입사되는 광을 차단 또는 반사하고, 목적하는 포토 다이오드에 집광하여 인접하는 픽셀과의 크로스 토크를 방지할 수 있다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
그리고 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따라 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도로서, 쓰리 메탈(three metal) 구조의 이미지 센서의 일 단면을 공정 순서별로 도시하고 있다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 하부 구조는 반도체 기판(202)상에 픽셀 영역과 주변 회로 영역이 정의되고 상기 픽셀 영역과 주변 회로 영역에 STI막(204 ; Shallow Trench Isolation film), 포토 다이오드들, 적소에 배치된 트랜지스터들로 이루어져 있다.
여기서, 제 1 포토 다이오드(206), 제 2 포토 다이오드(208) 및 트랜지스터의 게이트 전극(210)이 도시되어 있다. 도 2a 내지 도 2c에서는 도면을 간략화하기 위해 2개의 포토 다이오드와 트랜지스터를 의미하는 하나의 게이트 전극(210)만을 도시하였고, 다른 포토 다이오드와 트랜지스터는 미도시함을 미리 밝혀둔다.
전술한 이미지 센서의 하부구조 위에 PMD층(Pre-Metal Dielectric layer)으로서 BPSG층(212 ; BoroPhosphorSilicate Glass layer)과 제 1 캡핑층(214 ; first capping layer)이 형성된다. 여기서 제 1 캡핑층(214)은 SiH4로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 BPSG층(212)과 제 1 캡핑층(214)을 패터닝하여 콘택 홀(contact hole)을 형성하고, 콘택 홀에 금속을 매립하여 하부구조와 상층 배선구조의 전기적 연결을 위한 콘택(216)을 형성한다.
여기서, 콘택(216)을 형성하는 도중에 제 1 포토 다이오드(206) 및 제 2 포토 다이오드(208)의 외곽을 둘러싸되, 상기 포토 다이오드들(206, 208)을 노출시키도록 상기 포토 다이오드들(206, 208)의 형성영역 위에는 존재하지 않는 차광 콘택(216a)도 형성한다.
그리고 제 1 캡핑층(214) 상에 제 1 금속배선(218)을 형성한다. 여기서, 제 1 금속배선(218)을 형성하는 도중에 제 1 포토 다이오드(206) 및 제 2 포토 다이오드(208)의 외곽을 둘러싸되, 상기 포토 다이오드들(206, 208)을 노출시키도록 상기 포토 다이오드들(206, 208)의 형성영역 위에는 존재하지 않는 제 1 차광 금속층(218a)도 형성한다.
여기서 제 1 차광 금속층(218a)과 차광 콘택(216a)은 연결된 형태일 수 있고 서로 반도체 기판(202)과 수직방향으로 일직선상에 위치하여 함께 1차적인 차광 금속벽을 이룰 수 있다.
이어, 도 2b를 참조하면, 제 1 금속배선(218), 제 1 캡핑층(214) 및 제 1 차광 금속층(218a)의 상부에 제 1 ILD층(220 ; first Inter Layer Dielectric)과 제 2 캡핑층(222)을 적층한다. 여기서 제 2 캡핑층(222)은 SiH4로 이루어질 수 있다.
그리고 제 1 ILD층(220)과 제 2 캡핑층(222)을 패터닝하여 홀(hole)을 형성하고, 홀에 금속을 매립하여 제 1 차광 비아(223a)를 형성한다.
여기서, 제 1 차광 비아(223a)는 제 1 포토 다이오드(206) 및 제 2 포토 다이오드(208)의 외곽을 둘러싸되, 상기 포토 다이오드들(206, 208)을 노출시키도록 상기 포토 다이오드들(206, 208)의 형성영역 위에는 존재하지 않도록 형성할 수 있다.
그리고 제 2 캡핑층(222) 상에 제 2 금속배선(224)을 형성한다. 여기서, 제 2 금속배선(224)을 형성하는 도중에 제 1 포토 다이오드(206) 및 제 2 포토 다이오드(208)의 외곽을 둘러싸되, 상기 포토 다이오드들(206, 208)을 노출시키도록 상기 포토 다이오드들(206, 208)의 형성영역 위에는 존재하지 않는 제 2 차광 금속층(224a)도 형성한다.
여기서 제 2 차광 금속층(224a)과 제 1 차광 비아(223a)는 연결된 형태일 수 있고 서로 반도체 기판(202)과 수직방향으로 일직선상에 위치하여 함께 2차적인 차광 금속벽을 이룰 수 있다.
이후 제 2 금속배선(224), 제 2 차광 금속층(224a) 및 제 2 캡핑층(222) 상에 제 2 ILD층(226)과 제 3 캡핑층(228)을 적층한다. 여기서 제 3 캡핑층(228)은 SiH4로 이루어질 수 있다.
이후 제 2 ILD층(226)과 제 3 캡핑층(228)을 패터닝하여 제 1 비아(229)를 형성하고 제 3 캡핑층(228) 상에 제 3 금속배선(230)을 형성한다. 제 3 금속배선(230)은 제 1 비아(229)를 통해 제 2 금속배선(224)과 층이 다름에도 전기적으로 연결되게 된다.
여기서, 제 1 비아(229)를 형성하는 도중에 제 2 ILD층(226)과 제 3 캡핑층(228)을 패터닝하여 홀을 형성하고 금속을 매립하여 제 2 차광 비아(229a)도 형성한다. 또한 제 3 금속배선(230)을 형성하는 도중에 제 3 차광 금속층(230a)도 형성한다.
여기서, 제 3 차광 금속층(230a) 및 제 2 차광 비아(229a)는 상기 제 1 포토 다이오드(206) 및 제 2 포토 다이오드(208)의 외곽을 둘러싸되, 상기 포토 다이오드들(206, 208)을 노출시키도록 상기 포토 다이오드들(206, 208)의 형성영역 위에는 존재하지 않는다.
여기서 제 2 차광 비아(229a) 및 제 3 차광 금속층(230a)은 연결된 형태일 수 있고 서로 반도체 기판(202)과 수직방향으로 일직선상에 위치하여 함께 3차적인 차광 금속벽을 이룰 수 있다.
전술한 제 1 차광 금속층(218a), 차광 콘택(216a), 제 2 차광 금속층(224a), 제1 차광 비아(223a), 제 2 차광 비아(229a) 및 제 3 차광 금속층(230a)은 서로 반도체 기판(202)과 수직방향으로 일직선상에 위치하여 함께 최종적인 차광 금속벽을 이룰 수 있다.
상기 제 1 차광 금속층(218a), 차광 콘택(216a), 제 2 차광 금속층(224a), 제1 차광 비아(223a), 제 2 차광 비아(229a) 및 제 3 차광 금속층(230a)은 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 차광 콘택과 차광 비아(216a, 223a, 229a)의 경우 매립특성이 좋은 텅스텐으로, 차광 금속층들(218a, 224a, 230a)은 전도성이 좋은 알루미늄으로 형성하였다.
여기서 최종적인 차광 금속벽은 각 층의 차광 금속벽이 동일층의 금속배선과 합선이 되지 않게 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 쓰리 메탈 구조의 경우 3개층의 금속배선들에 흐르는 전기적 시그널(signal)에 의해 여러 기능이 동작 되는데 이를 방해하지 않기 위함이다. 따라서, 도 2a 내지 2c에는 도시되지 않았으나, 상기 시그널의 경로가 되는 금속배선, 콘택 및 비아에 차광 금속벽이 합선될 염려가 있다면 해당 층 해당 부분의 차광 금속벽은 형성되지 않을 수 있다.
여기서 제 3 차광 금속층(230a)은 제 3 금속배선(230)이 형성된 높이보다 큰 높이로 형성될 수 있다. 이는 최종적인 차광 금속벽의 높이를 크게하여 차광 범위를 확대하기 위함이다.
이어, 도 2c를 참조하면, 상기 제 3 캡핑층(228) ,제 3 금속배선(230) 및 제 3 차광 금속층(230a) 상부에 USG층(232 ; Undoped Silicate Glass layer)을 형성하고 질화막(234)을 적층할 수 있다.
그리고 상기 질화막(234) 상에 칼라필터층(236 ; color filter layer), 평탄화층(238) 및 마이크로 렌즈(240)을 순차적으로 형성한다. 이로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 쓰리 메탈 구조(three metal structure)의 이미지 센서가 이루어지게 된다.
도 2c에서 보이는 광경로 A' 및 D를 설명하면, 광경로 A'는 마이크로 렌즈(240)를 통과한 빛이 최종적인 차광 금속벽의 일부인 제 2 차광 비아(229a)에 반사되어 목적하는대로 제 2 포토 다이오드(208)로 집광되는 것을 나타낸다. 따라서 도 1에서 보이는 광경로 A와 비교하여 본 발명에서는 옵티컬 크로스 토크가 줄어들게 된다.
그리고 광경로 D는 빛이 제 3 차광 금속층(230a)의 윗부분에 반사되어 목적하는데로 제 1 포토 다이오드(206)로 집광되는 것을 나타낸다. 이로써, 이미지 센서의 시그널 경로가 되는 금속배선, 콘택 및 비아의 사이에 형성된 절연물질로 통과하는 빛을 차단하여 옵티컬 크로스 토크를 없애게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단면도
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따라 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
202 : 반도체 기판 204 : STI막
206 : 제 1 포토 다이오드 208 : 제 2 포토 다이오드
210 : 게이트 전극 212 : BPSG층
214 : 제 1 캡핑층 216 : 콘택
216a : 차광 콘택 218 : 제 1 금속배선
218a : 제 1 차광 금속층 220 : 제 1 ILD층
222 : 제 2 캡핑층 223a : 제 1 차광 비아
224 : 제 2 금속배선 224a : 제 2 차광 금속층
226 : 제 2 ILD층 228 : 제 3 캡핑층
229 : 제 1 비아 229a : 제 2 차광 비아
230 : 제 3 금속배선 230a : 제 3 차광 금속층
232 : USG층 234 : 질화막
236 : 칼라필터층 238 : 평탄화층
240 : 마이크로 렌즈
Claims (10)
- 반도체 기판상에 정의된 픽셀 영역 및 주변 회로 영역의 적소에 트랜지스터들을 형성하는 단계;상기 픽셀 영역의 트랜지스터 일측에 포토 다이오드를 형성하는 단계; 및상기 픽셀 영역 상부에 상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 차광 금속벽 중 가장 상층의 차광 금속벽은 동일층의 금속배선보다 높이가 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어,상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽은 상기 포토 다이오드의 외곽을 둘러싸되, 상기 차광 금속벽과 동일층의 금속배선과 합선이 되지 않게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어,상기 차광 금속벽은 층간에는 콘택 또는 비아의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 차광 금속벽은 텅스텐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 픽셀 영역 및 주변 회로 영역이 정의된 반도체 기판;상기 픽셀 영역 및 주변 회로 영역의 적소에 각각 형성되는 트랜지스터들;상기 픽셀 영역의 트랜지스터 일측에 형성되는 포토 다이오드; 및상기 픽셀 영역 상부에 형성되며 상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 차광 금속벽 중 가장 상층의 차광 금속벽은 동일층의 금속배선보다 높이가 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어,상기 포토 다이오드를 노출시키도록 형성되는 차광 금속벽은 상기 포토 다이오드의 외곽을 둘러싸되 상기 차광 금속벽과 동일층의 금속배선과 합선이 되지 않게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어,상기 차광 금속벽은 층간에는 콘택 또는 비아의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 차광 금속벽은 텅스텐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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