KR20090046173A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 제1 하부배선과 제2 하부배선을 포함하는 회로(circuityr)가 형성된 기판; 상기 제1 하부배선 상에 형성된 하부전극; 상기 하부전극을 둘러싸면서 상기 기판상에 형성된 분리메탈; 상기 하부전극 상에 형성된 진성층; 상기 진성층 상에 형성된 제2 도전형 전도층; 및 상기 제2 도전형 전도층 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 포토다이오드, 크로스토크

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD) 이미지센서와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
한편, CCD 이미지센서는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점이 있으므로, 최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
종래기술에 의한 씨모스 이미지센서는 빛 신호를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역(미도시)과, 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역(미도시)으로 구분할 수 있다.
그런데, 종래기술에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드가 트랜지스터와 수평으로 배치되는 구조이다.
물론, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의해 CCD 이미지센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에는 여전히 문제점들이 있다.
즉, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판상에 상호 수평으로 인접하여 제조된다. 이에 따라, 포토다이오드를 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 또한 레졀류션(Resolution)의 가능성을 제한하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드의 픽셀간의 크로스토크(cross talk)로 인해 이미지센서의 이미지특성이 떨어지는 문제가 있었다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터를 동시에 제조하는 공정에 대한 최적화를 달성하는 점이 매우 어려운 문제가 있다. 즉, 신속한 트랜지스터 공정에서는 작은 면저항(low sheet resistance)을 위해 샐로우 졍션(shallow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 졍션(shallow junction)이 적절하지 않을 수 있다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 추가적인 온칩(on-chip) 기능들이 이미지센서에 부가되면서 단위화소의 크기가 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 포토다이오드를 위한 면적이 픽셀사이즈를 유지하기 위해 감소되야한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가되면 이미지센서의 레졀류션(Resolution)이 감소하게되며, 또한, 포토다이오드의 면적이 감소되면 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.
실시예는 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 새로운 집적을 제공할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 포토다이오드의 픽셀간의 크로스토크(cross talk)를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 레졀류션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예는 이미지센서 칩 외곽(chip edge) 부분에서 입사하는 빛이 탑메탈에 반사되는 것을 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 제1 하부배선과 제2 하부배선을 포함하는 회로(circuityr)가 형성된 기판; 상기 제1 하부배선 상에 형성된 하부전극; 상기 하부전극을 둘러싸면서 상기 기판상에 형성된 분리메탈; 상기 하부전극 상에 형성된 진성층; 상기 진성층 상에 형성된 제2 도전형 전도층; 및 상기 제2 도전형 전도층 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제1 하부배선과 제2 하부배선을 포함하는 회로(circuityr)를 기판상에 형성하는 단계; 상기 제1 하부배선 상에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극을 둘러싸는 분리메탈을 상기 기판상에 형성하는 단계; 상기 하부전극 상에 진성층을 형성하는 단계; 상기 진성층 상에 제2 도전형 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 도전형 전도층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 비정질실리콘(Amorphous Silicon)을 이용한 이미지센서(Image Sensor)에서 각 픽셀어레이(Pixel Array)를 절연(Isolation)함에 있어, 메탈(Metal)을 이용하여 절연(Isolation) 시킴으로써 픽셀간의 크로스토크를 방지할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 비정질실리콘(Amorphous Silicon)을 이용한 이미지센서(Image Sensor)에서 비정질실리콘(Amorphous Silicon) 증착(Deposition) 후 식각(Etch) 혹은 CMP 등의 공정을 진행하지 않음으로써, 포토다이오드에 디펙트발생을 최소화하여 다크(Dark) 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공 정비용을 감축할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
실시예의 설명에 있어서 씨모스이미지센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 제1 하부배선(120)과 제2 하부배선(125)을 포함하는 회로(circuityr)가 형성된 기판(미도시); 상기 제1 하부배선(120) 상에 형성된 하부전극(130); 상기 하부전극(130)을 둘러싸면서 상기 기판상에 형성된 분리메 탈(135); 상기 하부전극(130) 상에 형성된 진성층(143); 상기 진성층(143) 상에 형성된 제2 도전형 전도층(145); 및 상기 제2 도전형 전도층(145) 상에 형성된 상부전극(150);을 포함할 수 있다.
실시예는 상기 하부전극(130) 상에 형성된 제1 도전형 전도층(141)을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서에 의하면 비정질실리콘(Amorphous Silicon)을 이용한 이미지센서(Image Sensor)에서 각 픽셀어레이(Pixel Array)를 절연(Isolation)함에 있어, 메탈(Metal)을 이용하여 절연(Isolation) 시킴으로써 픽셀간의 크로스토크를 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 분리메탈(135)이 상기 제2 하부배선(125)과 전기적으로 연결되도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 분리메탈(135)은 픽셀의 경계를 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리메탈(135)은 픽셀의 경계를 따라 연결되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2 하부배선(125)은 상기 분리메탈(135) 하측의 일부분에만 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 하부배선(125)은 픽셀의 에지에 형성될 수 있다.
실시예에서 상기 제2 하부배선(125)에는 역바이어스가 걸리고, 상기 제1 하부배선(120)에는 순방향바이어스가 걸림으로써 포토다이오드(140)에서 발생한 전자(e-)들이 제2 하부배선(125)의 척력과 제1 하부배선(120)의 인력에 의해 해당 픽셀의 하부전극(130)으로 이동함으로써 픽셀간의 크로스토크(cross talk)를 효과적 으로 방지할 수 있다(도 2 참조).
즉, 도 1과 같이 바이어스(Bias)를 가할 경우, 도 2와 같이 Schottky Barrier에 의해 순방향에서만 전자가 이동할 수 있으며, 또한 역방향 Bias를 인가한 제2 하부배선(125)을 통해서는 전자가 이동하지 않는다. 뿐만 아니라, 각 픽셀(Pixel)에서 생성된 전자가 역방향 Bias를 인가한 제2 하부배선 부근으로는 포텐셜배리어(Potential Barrier)에 의해 이동에 제약을 받음으로써, 가장 가까운 순방향 Pad인 제1 하부전극(130)으로 이동하여, 픽셀간의 절연(Pixel Isolation)이 가능하게 된다.
더불어 실제 크로스토크(Crosstalk)가 발생하는 픽셀(Pixel) 간 전자의 이동은 N형 전도층(n-doped Layer)(141)을 통해 대부분 발생하므로, 상기와 같은 구조만으로도 충분한 픽셀간의 절연(Pixel Isolation)이 가능하게 된다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 선을 따른 단면도이다.
우선, 도 3과 같이 제1 하부배선(120)과 제2 하부배선(125)을 포함하는 회로(circuityr)를 기판(미도시)상에 형성한다.
상기 기판(미도시)에는 층간절연층(110)이 형성되고, 상기 층간절연층(110)을 선택적으로 식각하여 트렌치를 만들고, 상기 트렌치를 금속으로 메워서 제1 하부배선(120)과 제2 하부배선(125)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 하부배선(120)은 픽셀마다 형성할 수 있으나, 제2 하부배선(135)은 픽셀마다 형성할 필요가 없으며 유닛당 1개 이상으로 형성될 수 있다.
다음으로, 하부전극(130)과 분리메탈(135)을 형성한다. 예를 들어, 상기 하부전극(130)은 상기 제1 하부배선(120) 상에 형성되며, 상기 분리메탈(135)은 상기 하부전극(130)을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)은 동시에 형성되거나 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)은 같은 전도성 금속으로 형성되거나, 다른 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)이 같은 전도성 금속으로 형성되는 경우 상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)은 동시에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 하부배선(120)과 제2 하부배선(125)을 포함하는 기판 전면에 전도성금속을 형성하고 소정의 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 전도성금속을 선택적으로 식각하여 상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)을 동시에 형성할 수 있다.
이때, 상기 하부전극(130)과 분리메탈(135)은 알루미늄, 구리, 코발트 등으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 분리메탈(135)은 픽셀의 경계를 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리메탈(135)은 픽셀의 경계를 따라 연결되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2 하부배선(125)은 상기 분리메탈(135) 하측의 일부분에만 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 하부배선(125)은 픽셀의 에지에 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 하부전극(130) 상에 제1 도전형 전도층(141)을 형성한다. 한편, 경우에 따라서는 상기 제1 도전형 전도층(141)이 형성되지 않고 이후의 공정이 진행될 수도 있다. 상기 제1 도전형 전도층(141)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 N층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(141)은 N 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 전도층(141)은 N 도핑된 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(141)은 비정질 실리콘에 게르마늄, 탄소, 질소 또는 산소 등을 첨가하여 a-Si:H, a-SiGe:H, a-SiC, a-SiN:H a-SiO:H 등으로 형성될 수도 있다. 상기 제1 도전형 전도층(141)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(141)은 실란가스(SiH4)에 PH3, P2H5 등을 혼합하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 제1 도전형 전도층(141) 상에 진성층(intrinsic layer)(143)을 형성한다. 상기 진성층(143)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 I층의 역할을 할 수 있다.
상기 진성층(143)은 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 진성층(143)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 진성층(143)은 실란가스(SiH4) 등을 이용하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
그 후, 상기 진성층(143) 상에 제2 도전형 전도층(145)을 형성한다. 상기 제 2 도전형 전도층(145)은 상기 진성층(143)의 형성과 연속공정으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 전도층(145)은 실시예에서 채용하는 PIN 다이오드의 P층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 도전형 전도층(145)은 P 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 도전형 전도층(145)은 P 도핑된 비정질 실리콘(p-doped amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 전도층(145)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 전도층(145)은 실란가스(SiH4)에 보론 등을 혼합하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제2 도전형 전도층(145) 상에 상부전극(150)을 형성한다. 상기 상부전극(150)은 빛의 투과성이 높고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극(150)은 ITO(indium tin oxide) 또는 CTO(cardium tin oxide) 등으로 형성될 수 있다.
이후에, 상기 상부전극(150) 상에 컬러필터층(미도시)을 더 형성할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 비정질실리콘(Amorphous Silicon)을 이용한 이미지센서(Image Sensor)에서 각 픽셀어레이(Pixel Array)를 절연(Isolation)함에 있어, 메탈(Metal)을 이용하여 절연(Isolation) 시킴으로써 픽셀간의 크로스토크를 방지 할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 비정질실리콘(Amorphous Silicon)을 이용한 이미지센서(Image Sensor)에서 비정질실리콘(Amorphous Silicon) 증착(Deposition) 후 식각(Etch) 혹은 CMP 등의 공정을 진행하지 않음으로써, 포토다이오드에 디펙트발생을 최소화하여 다크(Dark) 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공정비용을 감축할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 이미지센서의 효과를 설명하기 위한 평면도.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.

Claims (13)

  1. 제1 하부배선과 제2 하부배선을 포함하는 회로(circuityr)가 형성된 기판;
    상기 제1 하부배선 상에 형성된 하부전극;
    상기 하부전극을 둘러싸면서 상기 기판상에 형성된 분리메탈;
    상기 하부전극 상에 형성된 진성층;
    상기 진성층 상에 형성된 제2 도전형 전도층; 및
    상기 제2 도전형 전도층 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하부전극 상에 형성된 제1 도전형 전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 분리메탈은 상기 제2 하부배선과 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 분리메탈은 픽셀의 경계를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센 서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 분리메탈은 픽셀의 경계를 따라 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 하부배선에는 역바이어스가 걸리고,
    상기 제1 하부배선에는 순방향바이어스가 걸리는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 하부배선은
    상기 분리메탈 하측의 일부분에만 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  8. 제1 하부배선과 제2 하부배선을 포함하는 회로(circuityr)를 기판상에 형성하는 단계;
    상기 제1 하부배선 상에 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부전극을 둘러싸는 분리메탈을 상기 기판상에 형성하는 단계;
    상기 하부전극 상에 진성층을 형성하는 단계;
    상기 진성층 상에 제2 도전형 전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도전형 전도층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 진성층을 형성하는 단계 전에,
    상기 하부전극 상에 제1 도전형 전도층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 분리메탈을 형성하는 단계에서,
    상기 분리메탈은 상기 제2 하부배선과 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 분리메탈을 형성하는 단계에서,
    상기 분리메탈은 픽셀의 경계를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 분리메탈을 형성하는 단계에서,
    상기 분리메탈은 픽셀의 경계를 따라 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 하부전극과 분리메탈은 같은 전도성 금속이면서, 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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