KR20090068808A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체기판에 형성된 포토다이오드와, 상기 반도체기판 상에 형성되며, 트랜지스터 영역에 다수 금속배선을 포함하면서 포토다이오드 영역에 입사광의 웨이브가이드 절연막을 갖는 층간절연막과, 상기 층간절연막에서 상기 웨이브가이드 절연막의 저면에 형성된 평면굴절막과, 상기 층간절연막의 상면에 형성된 컬러 필터와, 상기 컬러 필터 상에 형성된 평탄화막과, 상기 평탄화막 상에 형성된 마이크로렌즈로 구성되는 이미지 센서가 수직 입사되지 않은 빛(측사광)에 대해 웨이브가이드의 측면 반사율을 보장하면서도 그 웨이브가이드의 저면에서의 높은 반사율을 방지해 주는 발명이다.

이미지 센서, 굴절률, 웨이브가이드, 층간절연막, 웨이브가이드 절연막, 평면굴절막

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{image sensor, and method of manufacturing thereof}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학 영상(optical image)를 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다.

이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다.

씨모스 이미지 센서는, 주변회로인 제어 회로(Control Circuit) 및 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 동시에 집적할 수 있는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 통해 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.

CMOS 이미지 센서는 포토다이오드(Photo Diode) 및 복수의 MOS 트랜지스터로 구성되며, 기본적으로 이미지 센서 칩의 전후로부터 입사되는 빛 즉, 가시광선을 전기적 신호로 변환하여 영상화한다.

최근에는 수평형 구조와 달리 하나의 픽셀에서 다양한 컬러를 구현할 수 있는 수직형 포토다이오드 갖는 수직형 이미지 센서(vertical image sensor)가 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 일반적인 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도로써, 그 종래의 이미지 센서는 다음의 공정 순서를 통해 제조된다.

도 1을 참조하면, 먼저 반도체기판(1)에 적어도 하나의 포토다이오드(2)를 형성한다. 이어, 그 포토다이오드(2)를 포함하는 반도체기판(1) 상에 금속배선들(미도시)을 포함하는 다층구조의 층간절연막(3)을 형성한다.

이어 층간절연막(3) 상에 산화물이나 질화물을 증착하여 보호절연막(4)을 형성한다. 그리고, 상기 보호절연막(4) 상에 포토다이오드(2)에 대응되는 적어도 하나의 컬러 필터(미도시)을 형성한 후에 최종적으로 적어도 하나의 마이크로렌즈(7)를 형성한다. 물론, 마이크로렌즈(7) 하부에 평탄화막(미도시)을 더 구비할 수 있다.

상기한 이미지 센서의 제조 공정 중 주요 공정은, 집광을 위한 마이크로렌즈(7)를 형성하는 공정과, R(red)/G(green)/B(blue) 색상의 각 신호를 구분하기 위한 컬러 필터를 형성하는 공정과, 집광된 빛으로부터 생성되는 전자를 모아서 전기적 신호를 발생하는 포토다이오드(2)를 형성하는 공정이다.

한편, 상기한 이미지 센서는 CCD에 비해 두꺼운 층간절연막(3)을 갖는다. 이러한 차이점으로 인해 CMOS 이미지 센서는 픽셀 피치(pixel pitch)가 작아짐에 따라 최적 형태의 마이크로렌즈(70)를 형성하여도 포토다이오드(2)에 초점이 맺히지 않는 문제가 CCD에 비해 더 심각하였다. 이는 마이크로렌즈(7)의 최적 초점 조건에서 집광 가능한 최소 스팟(Spot) 크기는 초점 거리에 비례하며 조리개 구경(Numerical Aperture)과도 관련되기 때문이다. 이미지 센서의 픽셀에서 조리개 구경은 픽셀 피치에 해당하고, 초점 거리는 금속배선을 내부에 포함하는 층간절연막(3)의 두께에 해당한다. 그러므로 초점 스팟을 얻기 위해서는 픽셀의 크기가 작아지고 층간절연막(3)의 두께가 얇아져야 한다.

그러나 기존의 일반적인 CMOS 이미지 센서 구조로는 층간절연막(3)을 최소 필요 두께 이하로 얇게 설계하는 것에는 한계가 있다. 그러므로 픽셀 크기를 더 이상 줄일 수 없는 한계 픽셀 피치가 생기게 된다. 예로써, 대략 1.75㎛ 정도 픽셀 피치가 그 한계로 예측되고 있다.

상기한 종래의 한계를 극복하기 위한 방법에는 최상부의 마이크로렌즈 이외에 추가로 층간절연막(3)의 내부에 추가의 무기물로 마이크로렌즈를 더 형성하는 방식이 있다. 그러나 이는 공정이 매우 복잡해지는 단점이 있다.

또다른 극복 방법으로는 도 2에 도시된 바와 같이, 입사 광의 전달경로인 웨이브가이드(wave guide)를 더 형성하는 방식이 있다.

도 2a는 종래 기술에 따른 웨이브가이드를 갖는 이미지 센서를 나타낸 단면도이고, 도 2b 는 도 2a의 이미지 센서에서 광 입사 형상을 나타낸 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(2) 상부에 픽셀 크기 정도의 트렌치를 층간절연막(3) 두께 정도의 깊이로 형성한다.

이어, SOG(spin on glass) 또는 굴절계수(굴절률)가 층간절연막(3)보다 큰 물질로 가득 채워 일종의 웨이브가이드(8)를 형성한다.

상기 웨이브가이드(8)가 입사 광을 포토다이오드(2)까지 효율적으로 전달하게 된다.

그러나, 웨이브가이드를 형성하는 경우에도, 도 2b에 도시된 바와 같이, 그 웨이브가이드의 저면(bottom)에서 즉, 절연막과 웨이브가이드의 경계에서 굴절계수(굴절률)의 차이로 인해 수직 입사되지 않은 빛(측사광)에 대한 반사율이 매우 커지는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로, 입사 광의 전달경로인 웨이브가이드(wave guide)를 형성하는 구조의 이미지 센서에서 웨이브가이드의 저면에서 수직 입사되지 않은 빛(측사광)에 대한 반사를 효과적으로 줄일 수 있도록 해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법의 일 특징은,

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 일 특징은,

본 발명에 따르면, 수직 입사되지 않은 빛(측사광)에 대해 웨이브가이드의 측면 반사율을 보장하면서도 그 웨이브가이드의 저면에서의 높은 반사율을 방지해 준다. 그에 따라, 웨이브가이드가 수직 입사 광은 물론 측사광을 포토다이오드까지 효율적으로 전달해 준다.

결국, 본 발명의 이미지 센서의 포토다이오드에 초점이 맺히지 않는 문제를 해결해주며, 이미지 센서의 전체 광 감도를 효율적으로 개선한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 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.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타낸 단면도이고, 도 3b는 도 3a에서 평면굴절막을 포함하는 막층을 나타낸 상세도이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서로써, 입사 광의 전달경로인 웨이브가이드(wave guide)를 갖는 이미지 센서이다.

상세하면, 본 발명의 이미지 센서는 포토다이오드(20)와, 웨이브가이드 절연막(40)과, 그 웨이브가이드 절연막(40)을 갖는 다층구조의 층간절연막(30)과, 웨이브가이드 절연막(40)과 서로 다른 굴절계수(굴절률)를 갖는 평면굴절막(90)과, 컬러필터(50)와, 평탄화막(60)과, 마지막으로 마이크로렌즈(70)로 구성된다.

포토다이오드(20)는 반도체기판(10)에 형성된다.

층간절연막(30)은 포토다이오드(20)를 포함하는 반도체기판(1O) 상에 다층구조로 형성되며, 트랜지스터 영역에는 다수 금속배선(미도시)를 포함한다. 또한 층간절연막(30)의 포토다이오드 영역에는 입사 광의 전달경로인 상기 웨이브가이드 절연막(40)이 구비된다. 상기 포토다이오드 영역에는 마이크로렌즈(70)부터 포토다이오드(20)까지 입사된 광이 전달되는 경로 상에 상호 대응되어, 웨이브가이드 절 연막(40)과 그 상부에 컬러필터(50)가 구비된다.

특히, 본 발명에서는 상기 웨이브가이드 절연막(40)의 저면에 평면굴절막(90)이 형성된다. 그 평면굴절막(90)은 웨이브가이드 절연막(40)의 굴절계수(굴절률) 보다 큰 굴절계수를 가지는 물질로 형성되며, 층간절연막(30)의 굴절계수(굴절률) 보다 큰 굴절계수를 가지는 물질로 형성된다. 그리하여, 웨이브가이드의 저면(bottom)에서 즉, 포토다이오드(20) 상부의 절연막과 웨이브가이드의 경계에서 수직 입사되지 않은 빛(측사광)에 대한 반사율을 줄인다.

평면굴절막(90)은 실리콘 질화물을 포함하는 무기물 또는 유기물이며, 약 55㎚ 이하의 두께이다.

한편, 웨이브가이드 절연막(40)은 도 3a에 도시된 바와 같이, 층간절연막(30)의 상부측에 까지 형성되어 보호막 역할을 할 수 있다. 그에 따라, 컬러 필터(50)가 그 웨이브가이드 절연막(40) 상부에 형성될 수도 있으나, 이하 설명에서는 컬러 필터(50)가 다층구조인 층간절연막(30)의 최상층 상면에 형성되는 것으로 한다.

평탄화막(60)은 컬러 필터(50) 상에 형성되며, 마이크로렌즈(70)가 컬러 필터(50)에 대응하여 평탄화막(60) 상에 형성된다.

본 발명에서는 포토다이오드(20) 상부에 픽셀 크기 정도의 트렌치 즉, 웨이브가이드를 위한 트렌치를 층간절연막(30) 두께 정도의 깊이로 식각하여 형성할 수 있으며, 또는 층간절연막(30) 두께보다 작은 깊이로 식각하여 형성할 수 있다. 후자의 경우 웨이브가이드 절연막(40) 하부에 층간절연막(30)의 일부가 남도록 형성 된다.

결국, 도 3b에 도시된 바와 같이, 평면굴절막(90)은 웨이브가이드 절연막(40)의 굴절계수(굴절률) 보다 큰 굴절계수를 가지며, 또한 평면굴절막(90) 하부의 절연막의 굴절계수(굴절률) 보다 큰 굴절계수를 가진다. 그리하여, 웨이브가이드 저면에서의 반사 없이 입사 광이 포토다이오드(20)까지 효율적으로 전달된다.

상기와 같이 본 발명에서는 굴절계수가 큰 평면층을 더 추가함으로써 웨이브가이드 저면에서의 반사율을 20 내지 30% 이상 줄일 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 이미지 센서는 다음의 공정 순서를 통해 제조된다.

반도체기판(10)에 포토다이오드(20)를 형성한다. 이어, 그 포토다이오드(20)를 포함하는 반도체기판(10) 상에 금속배선들(미도시)들을 포함하는 다층구조의 층간절연막(30)을 형성한다.

이어, 다층구조 층간절연막(30)의 포토다이오드 영역을 식각하여 포토다이오드(20)에 대응되는 상부에 입사광의 전달경로인 웨이브가이드를 위한 트렌치(80)를 형성한다. 여기서, 트렌치(80)는 픽셀 크기 정도로 형성되며, 그 트렌치(80)의 깊이는 층간절연막(30) 두께 정도로 또는 층간절연막(30) 두께보다 작도록 한다.

이어, 트렌치(80)의 저면에 제1굴절률의 평면굴절막(90)을 형성한다. 즉, 실리콘 질화물을 포함하는 무기물 또는 유기물을 약 55㎚ 이하의 두께로 증착한다.

상기 평면굴절막(90)이 형성된 트렌치(80)에 제2굴절률의 웨이브가이드용 절연물을 충진하면서 경우에 따라서는 그 충진의 범위 층간절연막(30) 상부까지 진행한다. 그리하여 웨이브가이드 절연막(40)을 형성한다.

상기 언급된 제1굴절률은 제2굴절률보다 크며, 그 제1굴절률은 포토다이오드(20) 상부의 절연막의 굴절률보다 크다.

이어, 절연막(30 또는 40) 상에 포토다이오드(20)에 대응되는 컬러 필터(50)를 형성하고, 그 컬러 필터(50) 상에 평탄화막(60)을 형성한다. 그리고, 최종적으로 평탄화막(60) 상에 마이크로렌즈(70)를 형성한다.

상기와 같이 이미지 센서에서 마이크로렌즈(70)를 통해 입사된 광은 웨이브가이드의 저면에서 굴절되어 바로 포토다이오드(20)로 전달되어, 집광 능력을 향상시킨다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래의 일반적인 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.

도 2a는 종래 기술에 따른 웨이브가이드를 갖는 이미지 센서를 나타낸 단면도이고, 도 2b 는 도 2a의 이미지 센서에서 광 입사 형상을 나타낸 도면.

도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타낸 단면도.

도 3b는 도 3a에서 평면굴절막을 포함하는 막층을 나타낸 상세도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 반도체기판 20 : 포토다이오드

30 : 층간절연막 40 : 웨이브가이드 절연막

50 : 컬러 필터 60 : 평탄화막

70 : 마이크로렌즈 80 : 웨이브가이드 트렌치

90 : 평면굴절막

Claims (7)

1. 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;

   상기 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체기판 상에 다수 금속배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 층간절연막의 포토다이오드 영역을 식각하여 상기 포토다이오드에 대응되는 상부에 입사광의 웨이브가이드를 위한 트렌치를 형성하는 단계;

   상기 트렌치의 저면에 평면굴절막을 형성하는 단계;

   상기 트렌치에 충진되며, 상기 트렌치를 포함하여 상기 층간절연막 상에 절연막을 형성하는 단계와;

   상기 절연막 상에 컬러 필터를 형성하는 단계;

   상기 컬러 필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계; 그리고

   상기 평탄화막 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 평면굴절막을 상기 절연막보다 굴절률이 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 평면굴절막을 실리콘 질화물을 포함하는 무기물 또는 유기물로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 트렌치를 형성하는 단계는,

   상기 층간절연막의 일부를 상기 트렌치 하부에 남기도록 상기 포토다이오드 영역을 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 평면굴절막을 상기 트렌치 하부에 일부가 남겨진 상기 층간절연막보다 굴절률이 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
6. 반도체기판에 형성된 포토다이오드;

   상기 반도체기판 상에 형성되며, 트랜지스터 영역에 다수 금속배선을 포함하면서 포토다이오드 영역에 입사광의 웨이브가이드 절연막을 갖는 층간절연막;

   상기 층간절연막에서 상기 웨이브가이드 절연막의 저면에 형성된 평면굴절막;

   상기 층간절연막의 상면에 형성된 컬러 필터;

   상기 컬러 필터 상에 형성된 평탄화막; 그리고

   상기 평탄화막 상에 형성된 마이크로렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 평면굴절막은 상기 웨이브가이드 절연막 또는 상기 층간절연막 보다 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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