KR20090034428A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20090034428A
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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 포토다이오드에 대응하는 위치에 트랜치를 가지는 제2 절연층 패턴: 상기 트랜치에 배치된 평탄화층: 및 상기 포토다이오드 상부의 상기 평탄화층 상에 배치된 컬러필터를 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 절연층

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof}
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소 자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이 상에 복수의 배선을 포함하는 금속배선층, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
이러한 씨모스 이미지 센서에서 디자인 룰이 점차 감소됨에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 감소하여 포토다이오드의 광감도가 감소될 수 있다. 또한, 상기 금속배선층은 복수의 층으로 형성되어 포토다이오드의 광 흡수율이 감소될 수 있다.
실시예에서는 포토다이오드의 센서티비티를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 포토다이오드에 대응하는 위치에 트랜치를 가지는 제2 절연층 패턴: 상기 트랜치에 배치된 평탄화층: 및 상기 포토다이오드 상부의 상기 평탄화층 상에 배치된 컬러필터를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1 절연층 상에 상기 포토다이오드에 대응하는 위치에 트랜치를 가지는 제2 절연층 패턴을 형성하는 단계: 상기 트랜치에 평탄화층을 형성하는 단계: 및 상기 포토다이오드 상부의 상기 평탄화층 상에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 포토다이오드의 상부영역에 감광 물질로 형성된 평탄화층에 의하여 포토다이오드의 광흡수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드가 형성된 반도체 기판의 표면에 사이렌 물질로 형 성된 절연층이 형성되어 상기 반도체 기판의 손상을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 반도체 기판의 표면 손상에 의한 댕글링 본드의 발생을 방지하여 다크 특성을 개선시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면 실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드(30)를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 배치된 제1 절연층(40); 상기 제1 절연층(40) 상에 배치되고 상기 포토다이오드(30)에 대응하는 위치에 트랜치()를 가지는 제2 절연층 패턴(65): 상기 트랜치()에 배치된 평탄화층(90): 및 상기 포토다이오드(30) 상부의 에 대응하는 상기 평탄화층(90) 상에 배치된 컬러필터(100)를 포함한다.
상기 제1 절연층(40)은 수소가 함유된 사이렌(SiH4) 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 절연층(40)이 사이렌 물질로 형성되어 상기 트랜치(63) 형성시 반도체 기판(10)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 제2 절연층 패턴(65)은 복수의 층간 절연막으로 형성되고 상기 제2 절연층 패턴(65)의 내부에는 복수개의 금속배선(70)이 형성될 수 있다. 상기 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층 패턴(65)는 상기 트랜치(63)에 의하여 상기 포토다이오드(30) 상부 영역을 제외한 영역에 형성될 수 있다. 즉, 상기 트랜치(63)가 상기 포토다이오드(30)의 상부 영역에 형성될 수 있다.
상기 제2 절연층 패턴(65)의 하부에는 제1 마스크 패턴(55)이 배치되고, 상기 제2 절연층(60)의 외주면에는 제2 마스크 패턴(85)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 또는 제2 마스크 패턴(85)은 질화막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 트랜치(63) 내부에 배치되는 상기 평탄화층(90)은 감광물질로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제1 및 제2 마스크 패턴(85)이 상기 제2 절연층 패턴(65) 주변에만 배치되고 상기 포토다이오드(30) 상부의 트랜치(63) 내부에는 평탄화층(90)이 배치된다. 이에 따라, 상기 포토다이오드(30)로 입사되는 빛의 난반사 및 굴절이 발생되는 것을 방지하여 이미지 센서의 센서티비티를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반도체 기판(10) 상에 사이렌 물질로 형성된 제1 절연층(40)이 형성되어 식각시 플라즈마 손상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 반도체 기판(10)의 표면에 형성된 댕글링 본드를 회복시켜 다크 특성을 개선시킬 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한 다.
도 1을 참조하여, 포토다이오드(30)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제1 절연층(40) 및 제1 마스크층(50)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리영역(20)이 형성될 수 있다. 상기 액티브 영역에는 단위화소가 형성될 수 있다.
상기 단위화소는 빛을 수광하여 광 전하를 생성하는 포토다이오드(30) 및 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)를 포함한다.
상기 포토다이오드(30)를 포함하는 관련소자들이 형성된 이후 상기 반도체 기판(10) 상에 제1 절연층(40)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 절연층(40)은 수소가 함유된 사이렌(SiH4) 계열의 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 절연층(40)이 사이렌 계열의 물질로 형성되면 절연층의 식각시 상기 반도체 기판(10)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 반도체 기판(10)의 표면 결함에 의한 댕글링 본드가 회복되어 다크 특성을 개선시킬 수 있다.
상기 제1 마스크층(50)은 상기 제1 절연층(40) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 마스크층(50)은 질화막으로 형성되어 상기 제1 절연층(40)에 대한 식각 시 식각 정지층의 역할을 할 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 제1 마스크층(50) 상에 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층(60)이 형성된다. 상기 제2 절연층(60)은 복수의 층간 절연막으로 형성될 수 있고, 상기 금속배선(70)도 복수층으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(70)은 전원라인 및 신호라인과 단위 화소 및 주변 회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 개로 형성될 수 있다. 상기 금속배선(70)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다. 따라서, 상기 포토다이오드(30)의 상부 영역에는 상기 제2 절연층(60)이 위치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 절연층(60)은 산화막 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속배선(70)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐 등으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 제2 절연층(60)에 제1 트랜치(61)가 형성된다. 상기 제1 트랜치(61)는 상기 포토다이오드(30) 상부의 제1 마스크층(50)을 노출시킬 수 있다.
상기 제1 트랜치(61)를 형성하기 위해서는 상기 포토다이오드(30)에 대응하는 상기 제2 절연층(60)의 표면을 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴(200)을 형성한다. 그리고, 상기 제1 포토레지스트 패턴(200)을 식각마스크로 사용하여 상기 제2 절연층(60)을 식각한다. 이때, 상기 제1 마스크층(50)이 상기 제2 절연층(60)의 식각 정지층으로 사용되어 상기 포토다이오드(30) 상부의 제2 절연층(60)만 제거될 수 있다.
따라서, 상기 포토다이오드(30) 상부 영역에는 상기 제1 마스크층(50)의 표면을 노출시키는 상기 제1 트랜치(61)가 형성되고, 나머지 영역에는 상기 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층 패턴(65)이 남아있게 된다.
도 4를 참조하여, 상기 제1 트랜치(61)를 포함하는 제2 절연층 패턴(65) 상 에 제2 마스크층(80)이 형성된다. 상기 제2 마스크층(80)은 상기 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층 패턴(65)의 외주면 및 상기 제1 트랜치(61)의 바닥면 상에 형성되어 상기 제2 절연층 패턴(65)의 보호층 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 마스크층(80)은 질화막으로 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 제2 마스크층(80)에 제2 포토레지스트 패턴(300)이 형성된다. 상기 제2 포토레지스트 패턴(300)은 상기 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층 패턴(65)은 가리고 상기 제1 트랜치(61)의 바닥면인 제2 마스크층(80)의 표면은 노출시키도록 형성된다.
상기 제2 포토레지스트 패턴(300)을 식각 마스크로 상기 제2 마스크층(80) 및 제1 마스크층(50)을 제거한다. 그러면, 상기 포토다이오드(30) 상부 영역에는 상기 제1 절연층(40)이 노출되는 제2 트랜치(63)가 형성된다. 그리고, 상기 금속배선(70)을 포함하는 제2 절연층 패턴(65)의 하부에는 제1 마스크 패턴(55)이 남아있고, 상기 제1 절연층 패턴(65)의 외주면에는 상기 제2 마스크 패턴(85)이 남아있게 된다.
상기와 같이, 상기 포토다이오드(30) 상부에 질화막으로 형성된 제1 마스크 패턴(55) 및 제2 마스크 패턴(85)이 제거되어 이후 마이크로 렌즈 및 컬러필터를 통해 상기 포토다이오드로 입사하는 광이 난반사되거나 굴절되는 것을 방지하여 이미지 센서의 광특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 마스크층(50) 및 제2 마스크층(80)의 제거시 상기 제1 절연층(40)이 상기 반도체 기판(10)의 표면을 보호하여 식각시 발생될 수 있는 결함을 방지할 수 있다.
도 7을 참조하여, 상기 제2 트랜치(63) 내부에 평탄화층(90)이 형성된다. 상기 평탄화층(90)은 후속공정인 컬러필터가 용이하게 형성되도록 상기 반도체 기판(10) 상부 영역의 표면을 평탄화시키기 위한 것이다.
상기 평탄화층(90)은 상기 제2 트랜치(63)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 절연물질을 형성한 후 평탄화 공정을 진행하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 평탄화층(90)은 감광물질을 상기 반도체 기판(10) 상에 형성한 후 상기 제2 마스크 패턴(85)을 연마 종료점으로 사용하는 CMP 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 제2 마스크 패턴(85) 및 평탄화층(90) 상에 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위하여 패시베이션층이 형성될 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 제2 마스크 패턴(85) 및 평탄화층(90)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 컬러필터(100)가 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 컬러필터(100)는 감광물질 및 안료 또는 감광물질 및 염료를 포함하는 컬러필터용 물질(미도시)을 스핀 코팅 공정등을 통해 상기 반도체 기판(10) 상에 형성한다. 이어서, 상기 컬러필터용 물질을 패턴 마스크(미도시)에 의하여 노광한 후 현상하여 컬러필터를 형성한다.
상기 컬러필터(100)는 상기 포토다이오드(30) 상부 영역에 형성되어 각각의 단위화소마다 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낼수 있다. 예를 들어, 상기 컬러필터(100)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 컬러필터(100) 상에 마이크로 렌즈(110)가 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(110)는 광투과도가 높은 실리콘 산화막 계열의 감광성 포토레지스트를 도포한 후 패터닝 공정을 수행하여 각각의 단위화소에 대응하는 각진 형태의 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 그리고 리플로우 공정(reflow)을 하면 돔(Dome) 형태의 마이크로 렌즈(110)가 형성된다. 또는 상기 마이크로 렌즈(110)는 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 상기 포토다이오드(30) 상부 영역에 감광 물질로 형성된 평탄화층(90)이 형성되어 상기 포토다이오드(30)로 입사되는 광의 반사 및 굴절을 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 포토다이오드(30)의 광흡수율이 향상되어 이미지 센서의 센서티비티를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드(30)가 형성된 반도체 기판(10)의 표면에 사이렌 물질로 형성된 제1 절연층(40)이 형성되어 상기 반도체 기판(10)의 표면 손상을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 반도체 기판(10)의 표면 손상에 의한 댕글링 본드의 발생을 방지하여 다크 특성을 개선시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시에 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (11)

  1. 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 배치된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 포토다이오드에 대응하는 위치에 트랜치를 가지는 제2 절연층 패턴:
    상기 트랜치에 배치된 평탄화층: 및
    상기 포토다이오드 상부의 상기 평탄화층 상에 배치된 컬러필터를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 사이렌(SiH4) 물질로 형성된 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절연층 패턴의 하부에는 제1 마스크 패턴이 배치되고, 상기 제2 절연층의 외주면에는 제2 마스크 패턴이 배치된 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 마스크 패턴은 질화막으로 형성된 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 평탄화층은 감광물질로 형성된 이미지 센서.
  6. 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연층 상에 상기 포토다이오드에 대응하는 위치에 트랜치를 가지는 제2 절연층 패턴을 형성하는 단계:
    상기 트랜치에 평탄화층을 형성하는 단계: 및
    상기 포토다이오드 상부의 상기 평탄화층 상에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 사이렌 물질(SiH4)로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 절연층 패턴은 복수의 층간 절연막으로 형성되고, 상기 층간 절연막에는 금속배선이 형성된 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 트랜치를 형성하는 단계는,
    상기 제1 절연층 상에 제1 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 제1 마스크층 상에 금속배선을 포함하는 제2 절연층을 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드 상부에 대응하는 상기 제2 절연층을 제거하여 제1 트랜치를 포함하는 제2 절연층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연층 패턴 상에 제2 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드 상부에 대응하는 제2 마스크층 및 제1 마스크층을 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마스크층은 질화막으로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 평탄화층은 감광물질로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
KR1020070099610A 2007-10-04 2007-10-04 이미지 센서 및 그 제조방법 KR20090034428A (ko)

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