KR20090033636A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 상기 이미지 센서는 기판, 기판의 전면에 배치된 제1 패드, 기판의 후면에 배치된 제2 패드, 적어도 하나의 컨택으로, 각 컨택은 기판을 관통하여 제1 패드와 제2 패드를 서로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 컨택, 및 적어도 하나의 가드링으로, 각 가드링은 적어도 하나의 컨택을 둘러싸고 절연 특성을 갖는 적어도 하나의 가드링을 포함한다
이미지 센서, 컨택, 가드링
Description
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
특히, MOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, MOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, MOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
MOS 이미지 센서는 입사광을 흡수하여 광량에 대응하는 전하를 축적하는 광전 변환 소자와, 광을 제공받아 각 광전 변환 소자에 저장된 광신호를 출력하기 위 한 다층의 금속 배선층을 포함한다. 그런데, 입사광은 금속 배선층에 의해 반사되기도 하고 층간 절연막에 의해 흡수가 일어나서, 감도(sensitivity)가 떨어지게 된다. 뿐만 아니라, 반사된 광은 인접한 픽셀에 흡수되어, 크로스토크(crosstalk)가 발생하기도 한다.
따라서, 최근에는 기판의 후면(backside)을 연마하고 기판의 후면으로부터 광을 입사시키는 구조가 제안되었다. 이를 BI(backside illuminated) 이미지 센서라고 부른다. 이러한 BI 이미지 센서는 광이 입사되는 후면에 금속 배선층이 형성되어 있지 않기 때문에, 금속 배선층에 의해서 입사광이 반사되거나 층간 절연막에 의해서 광흡수가 일어나지 않는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 패드와 기판이 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 패드와 기판이 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 일 태양은 기판, 기판의 전면에 배치된 제1 패드, 기판의 후면에 배치된 제2 패드, 적어도 하나의 컨택으로, 각 컨택은 기판을 관통하여 제1 패드와 제2 패드를 서로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 컨택, 및 적어도 하나의 가드링으로, 각 가드링은 적어도 하나의 컨택을 둘러싸고 절연 특성을 갖는 적어도 하나의 가드링을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 다른 태양은 기판, 기판의 전면에 형성되고, 제1 패드를 포함하는 절연 구조체, 기판의 후면에 형성된 버퍼막, 버퍼막 상에 형성된 제2 패드, 버퍼막과 기판을 관통하여 제1 패드를 노출시키는 컨택홀, 컨택홀을 둘러싸고, 버퍼막과 기판을 관통하여 형성된 트렌치, 컨택홀 내에 형성되고 제1 패드와 제2 패드를 서로 전기적으로 연결하는 컨택, 및 트렌치 내에 형성되고 절연 특성을 갖는 가드링을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 일 태양은 기판의 전면에, 제1 패드를 포함하는 절연 구조체를 형성하고, 기판의 후면에, 버퍼막을 형성하고, 버퍼막과 기판을 관통하여 제1 패드를 노출시키는 컨택홀을 형성하고, 컨택홀을 둘러싸고 버퍼막과 기판을 관통하는 트렌치를 형성하고, 트렌치 내에 절연 특성을 갖는 가드링을 형성하고, 컨택홀 내에 제1 패드와 전기적으로 연결된 컨택을 형성하고, 버퍼막 상에 컨택과 전기적으로 연결된 제2 패드를 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 이미지 센서 및 그 제조 방법은, 패드와 기판이 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기 술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(1)는 액티브 픽셀 센서(APS) 어레이(10), 타이밍 발생기(20), I2C 인터페이스(22), I2C 인터페이스(22), 제어 레지스터 블록(24), 행 드라이버(30), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS; 50a, 50b), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC; 60a, 60b), 래치부(70a, 70b), 내부 전압 발생기(80), 패드(100)를 포함한다.
APS 어레이(10)는 행렬 형태로 배열된 다수의 픽셀을 포함한다. 다수의 픽셀은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. APS 어레이(10)는 행 드라이버(30)로부터 픽셀 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RX), 전하 전송 신호(TX) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 자세한 APS 어레이(10)의 구성 및 동작은 도 2를 참조하여 후술한다.
타이밍 발생기(20)는 외부로부터 다수의 신호(MCLK, RSTN, STBY, VSYNC, HSYNC, STRB) 등을 패드(100)를 통해서 제공받아, 적절한 타이밍에 맞추어 제어 신호를 행 디코더(30) 등에 제공하게 된다. 여기서, MCLK는 메인 클럭을 의미하고, RSTN은 마스터 리셋(master reset) 신호를 의미하고, STBY는 스탠바이 모드 신호이고, VSYNC는 수직 싱크 신호이고, HSYNC는 수평 싱크 신호이고, STRB는 싱글 프레임 캡쳐(single frame capture)를 위한 스트로브 신호(strobe signal)이다. 도 1에서 제시되는 신호들은 예시적인 것뿐이고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시된 이미지 센서는 스탠다드 시리얼 인터페이스(standard serial interface)로 잘 알려진 I2C 인터페이스(22)를 이용할 수 있다. I2C 인터페이스(22)는 양방향 데이터(bi-directional data)(SDA)와 클럭(SCL)을 각각 제공받는다. I2C 인터페이스(22)에 대해서는 잘 알려져 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
한편, APS 어레이(10)의 다수의 픽셀에서 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인을 통해서 상관 이중 샘플러(50a, 50b)에 제공된다. 도 1에서는 상관 이중 샘플러(50a, 50b)가 APS 어레이(10)의 일측과 타측에 분리되어 배열되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 홀수번째 컬럼에 위치하는 다수의 픽셀에 의해 변환된 전기 신호는 일측에 배치된 상관 이중 샘플러(50a)에 전달되고, 짝수번째 컬럼에 위치하는 다수의 픽셀에 의해 변환된 전기 신호는 타측에 배치된 상관 이중 샘플러(50b)에 전달된다. 상관 이중 샘플러(50a, 50b)는 APS 어레이(10)에서 제공된 전기 신호를 유지(hold) 및 샘플링한다. 상관 이중 샘플러(50a, 50b)는 잡음 레벨(noise level)과 형성된 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(60a, 60b)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
래치부(80a, 80b)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 패드(100)를 통해서 출력된다.
도 2는 도 1의 APS 어레이의 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 픽셀(P)이 행렬 형태로 배열되어 APS 어레이(10)를 구성한다. 각 픽셀(P)은 광전 변환 소자(11), 플로팅 확산 영역(13), 전하 전송 소자(15), 드라이브 소자(17), 리셋 소자(18), 선택 소자(19)를 포함한다. 이들의 기능에 대해서는 i행 픽셀(P(i, j), P(i, j+1), P(i, j+2), P(i, j+3), … )을 예로 들어 설명한다.
광전 변환 소자(11)는 입사광을 흡수하여 광량에 대응하는 전하를 축적한다. 광전 변환 소자(11)로 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 또는 이들의 조합이 적용될 수 있으며, 도면에는 포토 다이오드가 예시되어 있다.
각 광전 변환 소자(11)는 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(13)으로 전송하는 각 전하 전송 소자(15)와 커플링된다. 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion region)(FD)(13)은 전하를 전압으로 전환하는 영역으로, 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다.
소오스 팔로워 증폭기로 예시되어 있는 드라이브 소자(17)는 각 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하를 전달받은 플로팅 확산 영역(13)의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(Vout)으로 출력한다.
리셋 소자(18)는 플로팅 확산 영역(13)을 주기적으로 리셋시킨다. 리셋 소자(18)는 소정의 바이어스를 인가하는 리셋 라인(RX(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 구동되는 1개의 MOS 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 리셋 라인(RX(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 리셋 소자(18)가 턴 온되면 리셋 소자(18)의 드레인에 제공되는 소정의 전기적 포텐셜, 예컨대 전원 전압(VDD)이 플로팅 확산 영역(13)으로 전달된다.
선택 소자(19)는 행 단위로 읽어낼 픽셀(P)을 선택하는 역할을 한다. 선택 소자(19)는 행 선택 라인(SEL(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 구동되는 1개의 MOS 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 행 선택 라인(SEL(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 선택 소자(19)가 턴 온되면 선택 소자(19)의 드레인에 제공되는 소정의 전기적 포텐셜, 예컨대 전원 전압(VDD)이 드라이브 소자(17)의 드레인 영역으로 전달된다.
전하 전송 소자(15)에 바이어스를 인가하는 전송 라인(TX(i)), 리셋 소자(18)에 바이어스를 인가하는 리셋 라인(RX(i)), 선택 소자(19)에 바이어스를 인가하는 행 선택 라인(SEL(i))은 행 방향으로 실질적으로 서로 평행하게 연장되어 배열될 수 있다.
도 3은 도 1의 이미지 센서를 하나의 반도체 칩으로 구현하였을 경우의 예시 적 도면이다. 도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 도시한 레이아웃도이다. 도 4a는 설명의 편의를 위해서, 도 3에서 도시된 패드를 자세히 도시한 것이다. 도 4b는 도 4a의 B를 자세히 도시한 도면이다. 도 4c는 도 4a의 C-C'를 따라 절단한 단면도이다. 도 4c는 설명의 편의를 위해서, 패드가 형성되는 패드 영역(II)과 더블어 APS 어레이가 형성되는 센싱 영역(I)을 같이 도시하였다. 도 4d는 도 4a의 가드링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서 설명한 각종 신호(MCLK, RSTN, STBY, VSYNC, HSYNC, STRB, SCL), 데이터(DATA, SDA), 전압 등은 패드(100)를 통해서 입력 및/또는 출력될 수 있다. 이러한 패드(100)는 도 3에서와 같이 반도체 칩의 주변에 배치될 수 있다. 도 3에서 도시된 것은 예시적인 것에 불과하고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 기판(110)은 APS 어레이(도 1의 10 참조)가 형성되는 센싱 영역(I)과 패드(100)가 형성되는 패드 영역(II)을 포함한다. 센싱 영역(I)의 기판(110) 내에는 광전 변환 소자, 예를 들어 포토 다이오드(PD)가 형성되어 있고, 기판(110) 상에는 다수의 게이트(123)가 배치될 수 있다. 이러한 게이트(123)는 예를 들어, 전하 전송 소자의 게이트, 리셋 소자의 게이트, 드라이브 소자의 게이트 등일 수 있다. 또한, 여러가지 종류의 기판(110)이 사용 가능하나, 예를 들어, P형 또는 N형 벌크 기판을 사용하거나, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용하거나, N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용할 수도 있다. 또한, 반도체 기판 이외에도 유기(organic) 플라스틱 기판과 같은 기판도 사용할 수 있다. 도 4a에서 도시된 기판(110)은 연마 공정(도 10d를 통해서 후술함)을 통해서 벌크 기판이 모두 제거되고 에피층만 남은 경우를 도시한 것이나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 즉, 필요에 따라서는 벌크 기판의 일부를 남길 수도 있다. 남겨진 기판(110)의 두께는 예를 들어, 약 3-5㎛일 수 있다.
기판(110)의 전면(FRONT SIDE)에는 절연 구조체(122, 124a~124c, 126)가 배치된다. 절연 구조체(122, 124a~124c, 126)는 층간 절연막(122)과, 센싱 영역(I) 상에 형성되고 순차적으로 적층된 다수의 배선(124a~124c)과, 패드 영역(II) 상에 형성된 제1 패드(126)를 포함한다. 여기서, 제1 패드(126)는 다수의 배선(124a~124c) 중 가장 낮은 레벨의 배선(124a)과 동일한 레벨일 수 있다. 필요에 따라서 제1 패드(126)는 다수의 배선(124a~124c) 중 두번째 또는 세번째로 높은 레벨의 배선(124b 또는 124c)과 동일한 레벨일 수도 있다. 제1 패드(126)는 동일한 레벨을 갖는 배선(도 4c에서는 124a에 해당함)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
절연 구조체(122, 124a~124c, 126) 상에는 지지 기판(132)이 접착, 고정되어 있다. 지지 기판(132)은 연마 공정을 통해서 얇아진 기판(110)의 강도를 확보하기 위한 것이다. 지지 기판(132)은 반도체 기판뿐만 아니라, 기계적 강도가 유지할 수 있는 물질로 이루어진 것이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 예를 들어, 유리 기판을 사용할 수 있다.
지지 기판(132)과 절연 구조체(122, 124a~124c, 126)를 접착하기 위해서, 지지 기판(132)과 절연 구조체(122, 124a~124c, 126) 사이에는 접착막(134a, 134b)이 개재될 수 있다. 지지 기판(132)이 실리콘 기판일 경우에 접착막(134a, 134b)은 예 를 들어, 실리콘 산화막일 수 있다.
한편, 기판(110)의 후면(BACKSIDE)에는 반사 방지막(142)가 배치될 수 있다. 반사 방지막(142)은 포토 공정에서 사용하는 광의 파장에 따라, 물질/두께가 달라질 수 있다. 예를 들어, 반사 방지막(142)으로 약 50-200Å 두께의 실리콘 산화막과, 약 300-500Å 두께의 실리콘 질화막을 적층하여 사용할 수 있다.
반사 방지막(142) 상에는 버퍼막(144)가 배치된다. 버퍼막(144)은 제2 패드(190)를 형성하기 위한 패터닝 공정에서 기판(110)이 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 버퍼막(144)으로는 예를 들어, 약 3000-8000Å 두께의 실리콘 산화막을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서는 버퍼막(144), 반사 방지막(142), 기판(110)을 관통하여 제1 패드(126)를 노출하는 컨택홀(162)과, 컨택홀(162)을 둘러싸는 트렌치(164)를 포함할 수 있다. 컨택홀(162)의 측벽에는 스페이서(172)가 형성되고, 컨택(180)은 스페이서(172)를 따라서 컨포말하게 형성된다. 도 4c에서는 컨택(180)이 스페이서(180)를 따라 컨포말하게 형성된 경우만을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 컨택(180)의 형태는 제1 패드(126)와 제2 패드(190)를 연결할 수 있는 형태이면 어떤 형태이든 가능하다. 또한, 트렌치(164) 내에는 절연 특성을 갖는 가드링(guard ring)(170)이 형성된다. 스페이서(180)와 가드링(170)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서(180)와 가드링(170)으로는 예를 들어, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 사용할 수 있다. 물론, 필요에 따라서 스페이서(180)와 가드링(170)은 다른 물질로 이루어질 수도 있다.
스페이서(172)는 컨택(180)과 기판(110)이 전기적으로 연결(즉, 쇼트(short))되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 그런데, 공정 오류 등으로 인해서 스페이서(180)가 잘못 형성되거나 파손될 수도 있는데, 이러한 경우 컨택(180)과 기판(110)이 전기적으로 연결되게 된다(도 4d 참조). 이를 방지하기 위해 가드링(170)은 컨택(180)을 완전히 둘러싸도록 형성된다. 구체적으로 설명하면, 스페이서(180)가 잘못 형성되거나 파손되어, 컨택(180)과 기판(110)의 c 영역이 전기적으로 연결되더라도, c 영역은 가드링(170)에 의해 전기적으로 고립되어 있으므로, 컨택(180)과 기판(110)의 d 영역은 전기적으로 연결되지 않는다.
컨택홀(162)(또는 컨택(180))은 예를 들어, 도 4a에서 도시된 바와 같이, 한개만 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 컨택홀(162)(또는 컨택(180))이 다수개 형성될 수도 있다. 컨택홀(162)이 컨택(180)의 개수가 많을 수록 제1 패드(126)와 제2 패드(190) 사이의 저항은 작아지기 때문에, 저항을 고려하여 컨택(180)의 개수를 결정할 수 있다. 다수 개의 컨택홀(162)이 형성되는 경우는, 예시적으로 도 8, 도 9에 도시하였다.
컨택홀(162)의 폭(a)은, 도 4b에서 도시된 바와 같이, 트렌치(164)의 폭(b)보다 넓을 수 있다. 즉, 컨택(180)의 폭은 가드링(170)의 폭보다 넓을 수 있다.
컨택홀(162)의 깊이는, 도 4c에서 도시된 바와 같이, 트렌치(164)의 깊이와 동일할 수 있다. 즉, 컨택(180)의 길이는 가드링(170)의 길이와 동일할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서에서, 트렌치(164a)의 깊이는 컨택홀(162)의 깊이보다 짧다. 즉, 가드링(170a)의 길이는 컨택(180)의 길이보다 짧을 수 있다. 도 4a 내지 도 4d를 이용하여 설명하였듯이, 가드링(170a)은 컨택(180)과 기판(110)이 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서, 트렌치(164a)가 제1 패드(126)까지 연장되어 있지 않아도 무관하다. 즉, 컨택(180)과 기판(110)이 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있는 깊이, 즉, 트렌치(164a)가 층간 절연막(122)에 닿을 정도까지만 연장되어 있어도 무관하다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서에서, 트렌치(164)의 일부는 절연 물질(170b_1)로 채워져 있고, 나머지는 공기(170b_2)로 채워져 있다. 트렌치(164)의 폭은 상당히 좁기 때문에, 트렌치(164) 내부로 절연 물질(170b_1)이 완전히 채워지지 않을 수 있다. 하지만, 공기(170b_2)도 절연 특성을 갖고 있기 때문에, 가드링(170b)은 컨택(180)과 기판(110)을 전기적으로 분리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예가 제1 실시예와 다른 점은, 컨택(180a)이 컨택홀(162)을 완전히 채우도록 형성된다는 점이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 레이아웃도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 이미지 센서가 제1 실시예와 다른 점은, 컨택홀(162)이 다수개 형성되고, 트렌치(164b)가 모든 컨택홀(162)을 둘러싸도록 형성된다는 점이다. 즉, 트렌치(164b) 내에 형성된 가드링(170)은, 제1 패드(126)와 제2 패드(190)를 전기적으로 연결하는 모든 컨택(180)을 둘러싸도록 형성된다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 레이아웃도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 이미지 센서가 제5 실시예와 다른 점은, 트렌치(164c)가 둘 이상의 컨택홀(162)을 둘러싸도록 형성된다는 점이다. 즉, 트렌치(164c) 내에 형성된 가드링(170)은, 둘 이상의 컨택(180)을 둘러싸도록 형성된다. 예를 들어, 가드링(170)은 3개의 컨택 또는 4개의 컨택을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 가드링(170)이 둘러싸는 컨택(180)의 수는 레이아웃 설계에 따라 달라질 수 있음은 본 발명이 속하는 당업자에게 자명하다.
도면을 이용하여 설명하지는 않았으나, 다수의 컨택(180)(또는 컨택홀(162))이 형성되어 있는 경우, 다수의 가드링(170)(또는 트렌치(164)) 각각이 대응되는 하나의 컨택(180)(또는 컨택홀(162))을 둘러쌀 수도 있다.
이하에서. 도 10a 내지 도 10h, 도 4c를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명한다. 도 10a 내지 도 10h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면이다.
도 10a를 참조하면, 기판(110)에 STI(Shallow Trench Isolation), DTI(Deep Trench Isolation) 등과 같은 소자 분리 영역(미도시)을 형성하여, 기판(110)에 센싱 영역(I)과 패드 영역(II)을 정의한다.
이어서, 센싱 영역(I) 내에 다수의 픽셀을 형성한다. 구체적으로, 센싱 영역(I) 내에 광전 변환 소자, 예를 들어, 포토 다이오드(PD)를 형성하고, 센싱 영역(I) 상에 다수의 게이트(123)를 형성한다. 이러한 게이트(123)는 예를 들어, 전하 전송 소자의 게이트, 리셋 소자의 게이트, 드라이브 소자의 게이트 등일 수 있다.
이어서, 기판(110)의 전면(FRONT SIDE)에 절연 구조체(122, 124a~124c, 126)를 형성한다. 구체적으로, 절연 구조체(122, 124a~124c, 126)는 층간 절연막(122)과, 센싱 영역(I) 상에 형성되고 순차적으로 적층된 다수의 배선(124a~124c)과, 패드 영역(II) 상에 형성된 제1 패드(126)를 포함한다. 여기서, 제1 패드(126)는 다수의 배선(124a~124c) 중 가장 낮은 레벨의 배선(124a)과 동일한 레벨일 수 있다.
도 10b를 참조하면, 절연 구조체(122, 124a~124c, 126) 상에 지지 기판(132)을 접착한다.
구체적으로, 절연 구조체(122, 124a~124c, 126) 상에 접착막(134a)을 형성하여 표면을 평탄화한다. 지지 기판(132) 상에 접착막(134b)을 형성한다. 그 후, 접착막(134a, 134b)끼리 서로 대향하도록 하여, 기판(110)과 지지 기판(132)을 접착시킨다.
도 10c를 참조하면, 기판(110)의 상하를 반전시킨다.
도 10d를 참조하면, 기판(110)의 후면(BACKSIDE)을 연마한다. 구체적으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing), BGR(Back Grinding), 반응성 이온 에칭 혹은 이들의 조합을 이용하여 기판(110)의 후면을 연마한다. 연마되고 남은 기판(110)의 두께는 예를 들어, 약 3-5㎛일 수 있다.
도 10e를 참조하면, 기판(110)의 후면에 반사 방지막(142)을 형성한다. 예를 들어, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용해서, 약 50-200Å 두께의 실리콘 산화막과, 약 300-500Å 두께의 실리콘 질화막을 적층하여 형성할 수 있다.
이어서, 반사 방지막(142) 상에 버퍼막(144)을 형성한다. 예를 들어, CVD 방법을 이용해서, 약 3000-8000Å 두께의 실리콘 산화막을 적층하여 형성할 수 있다.
이어서, 버퍼막(144) 상에 하드 마스크막(150)을 형성한다. 예를 들어, CVD 방법을 이용해서, 약 1000-2000Å 두께의 실리콘 질화막(152)과, 약 3000-10000Å 두께의 실리콘 산화막(154)을 적층하여 사용할 수 있다.
도 10f를 참조하면, 컨택홀(162)과 트렌치(164)를 형성한다.
구체적으로, 하드 마스크막(150) 상에 포토 레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 포토 레지스트 패턴을 이용하여 하드 마스크막(150)을 먼저 패터닝한다. 포토 레지스트 패턴을 제거한다. 패터닝된 하드 마스크막(150)을 이용하여 버퍼막(144), 반사 방지막(142), 기판(110)을 관통하고 제1 패드(126)를 노출하는 컨택홀(162)과, 버퍼막(144), 반사 방지막(142), 기판(110)을 관통하고 컨택홀(162)을 둘러싸는 트렌치(164)를 형성한다. 컨택홀(162)과 트렌치(164)를 형성할 때에는 이방성 에칭을 사용할 수 있다.
한편, 도 10f에서는 컨택홀(162)과 트렌치(164)를 하나의 하드 마스크막(150)을 이용하여 동시에 형성하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 별도 공정을 이용하여 컨택홀(162)과 트렌치(164)를 각각 형성할 수도 있다.
도 10g를 참조하면, 하드 마스크막(150)을 제거한다. 이어서, CVD 등을 이용하여 컨택홀(162)과 트렌치(164) 내에 절연 물질(175)을 매립한다. 이 때, 트렌치(164)의 폭은 컨택홀(162)의 폭보다 좁기 때문에, 트렌치(164)는 절연 물질(175)로 완전히 매립될 수 있지만, 컨택홀(162)은 절연 물질(175)로 완전히 매립되지 않는다.
도 10h를 참조하면, 제1 패드(126)가 노출되도록 절연 물질(도 10g의 175)을 에치백한다. 에치백 공정에 의해서, 컨택홀(162)의 측벽에는 스페이서(172)가 형성되고, 트렌치(164) 내에는 가드링(170)이 형성된다.
다시 도 4c를 참조하면, 컨택(180)과 제2 패드(190)를 형성한다.
구체적으로, 버퍼막(144)과 스페이서(180)를 따라 도전 물질(미도시)을 컨포말하게 형성하고, 도전 물질을 패터닝한다. 이와 같이 함으로써, 컨택(180)과 제2 패드(190)가 동시에 형성된다. 여기서는, 컨택(180)과 제2 패드(190)가 동시에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 별도 공정을 이용하여 제1 패드와 전기적으로 연결된 컨택을 먼저 형성하고, 이어서 컨택과 전기적으로 연결된 제2 패드(190)를 형성할 수도 있다.
본 발명의 제2 내지 제6 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대한 설명으로부터 본 발명이 속하는 당업자가 용이하게 유추할 수 있으므로 설명을 생략한다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 11을 참조하면, 프로세서 기반 시스템(200)은 CMOS 이미지 센서(210)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 시스템(200)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(200)은 버스(205)를 통해 입출력(I/O) 소자(230)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(220)를 포함한다. CMOS 이미지 센서(210)는 버스(205) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(200)은 버스(205)를 통해 CPU(220)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(240), CD ROM 드라이브(250) 및/또는 포트(260)을 더 포함할 수 있다. 포트(260)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. CMOS 이미지 센서(210)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적 될 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 APS 어레이의 등가 회로도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서를 하나의 반도체 칩으로 구현하였을 경우의 예시적 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 도시한 레이아웃도이다.
도 4b는 도 4a의 B를 자세히 도시한 도면이다.
도 4c는 도 4a의 C-C'를 따라 절단한 단면도이다.
도 4d는 도 4a의 가드링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 레이아웃도이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용되는 패드를 설명하기 위한 레이아웃도이다.
도 10a 내지 도 10h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1: 이미지 센서 100 : 패드
126 : 제1 패드 132 : 지지 기판
142 : 반사 방지막 144 : 버퍼막
162 : 컨택홀 164 : 트렌치
170 : 가드링 172 : 스페이서
190 : 제2 패드
Claims (20)
- 기판;상기 기판의 전면에 배치된 제1 패드;상기 기판의 후면에 배치된 제2 패드;적어도 하나의 컨택으로, 상기 각 컨택은 상기 기판을 관통하여 상기 제1 패드와 상기 제2 패드를 서로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 컨택; 및적어도 하나의 가드링으로, 상기 각 가드링은 적어도 하나의 상기 컨택을 둘러싸고 절연 특성을 갖는 적어도 하나의 가드링을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 가드링의 폭은 상기 컨택의 폭보다 좁은 이미지 센서.
- 제 1항 또는 제2 항에 있어서,상기 가드링의 길이는 상기 컨택의 길이와 동일하거나 짧은 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 컨택은 둘 이상이고, 상기 가드링은 둘 이상이고,상기 각 가드링은 대응되는 하나의 컨택을 둘러싸는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 컨택은 둘 이상이고, 상기 가드링은 하나이고,상기 가드링은 상기 둘 이상의 컨택 모두를 둘러싸는 이미지 센서.
- 기판;상기 기판의 전면에 형성되고, 제1 패드를 포함하는 절연 구조체;상기 기판의 후면에 형성된 버퍼막;상기 버퍼막 상에 형성된 제2 패드;상기 버퍼막과 상기 기판을 관통하여 상기 제1 패드를 노출시키는 컨택홀;상기 컨택홀을 둘러싸고, 상기 버퍼막과 상기 기판을 관통하여 형성된 트렌치;상기 컨택홀 내에 형성되고 상기 제1 패드와 상기 제2 패드를 서로 전기적으로 연결하는 컨택; 및상기 트렌치 내에 형성되고 절연 특성을 갖는 가드링을 포함하는 이미지 센서.
- 제 6항에 있어서,상기 트렌치의 폭은 상기 컨택홀의 폭보다 좁은 이미지 센서.
- 제 6항 또는 제 7항에 있어서,상기 트렌치의 깊이는 상기 컨택홀의 깊이와 동일하거나 짧은 이미지 센서.
- 제 6항에 있어서,상기 컨택홀의 측벽에 형성된 스페이서를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,상기 컨택은 상기 스페이서를 따라 컨포말하게 형성된 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,상기 스페이서를 이루는 물질과 상기 가드링을 이루는 물질은 동일한 물질인 이미지 센서.
- 제 6항에 있어서,상기 기판은 센싱 영역과 패드 영역을 포함하고,상기 절연 구조체는 상기 센싱 영역 상에 순차적으로 적층된 다수의 배선을 포함하고,상기 제1 패드는 상기 다수의 배선 중 가장 낮은 레벨의 배선과 동일한 레벨을 갖는 이미지 센서.
- 기판의 전면에, 제1 패드를 포함하는 절연 구조체를 형성하고,상기 기판의 후면에, 버퍼막을 형성하고,상기 버퍼막과 상기 기판을 관통하여 상기 제1 패드를 노출시키는 컨택홀을 형성하고,상기 컨택홀을 둘러싸고 상기 버퍼막과 상기 기판을 관통하는 트렌치를 형성하고,상기 트렌치 내에 절연 특성을 갖는 가드링을 형성하고,상기 컨택홀 내에 상기 제1 패드와 전기적으로 연결된 컨택을 형성하고,상기 버퍼막 상에 상기 컨택과 전기적으로 연결된 제2 패드를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 트렌치의 폭은 상기 컨택홀의 폭보다 좁은 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항 또는 제 14항에 있어서,상기 트렌치의 깊이는 상기 컨택홀의 깊이와 동일하거나 짧은 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 컨택홀을 형성하는 것과 트렌치를 형성하는 것은 동시에 이루어지는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 트렌치의 측벽에 스페이서를 형성하는 것을 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 스페이서와 상기 가드링을 형성하는 것은 동시에 이루어지고,상기 스페이서와 상기 가드링을 형성하는 것은 상기 컨택홀과 상기 트렌치 내에 절연 물질을 매립하고, 상기 제1 패드가 노출되도록 상기 매립된 절연 물질을 에치백하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 컨택과 상기 제2 패드를 형성하는 것은 동시에 이루어지고,상기 컨택과 상기 제2 패드를 형성하는 것은 상기 버퍼막과 상기 스페이서를 따라 도전 물질을 컨포말하게 형성하고, 상기 도전 물질을 패터닝하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 기판은 센싱 영역과 패드 영역을 포함하고,상기 절연 구조체는 상기 센싱 영역 상에 순차적으로 적층된 다수의 배선을 더 포함하고,상기 제1 패드는 상기 다수의 배선 중 가장 낮은 레벨의 배선과 동일한 레벨을 갖는 이미지 센서의 제조 방법.
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