KR20100018722A - 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그의 제조 방법이 개시된다. 이 센서는, 입사된 특정 파장 대의 광을 통과시키는 컬러 필터와, 반도체 기판의 활성 영역에 형성되어, 컬러 필터를 통과한 광의 량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 반도체 기판의 상부와 컬러 필터 사이에 형성되는 중간층 및 중간층을 관통하여 형성되며, 컬러 필터를 통과한 광이 포토 다이오드로 집중되어 들어가도록 가이드하며, 포토 다이오드와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는 광 유도부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 컬러 필터를 통과한 빛을 포토 다이오드로 가이딩하는 광 유도부의 끝단을 볼록한 형태로 형성하여 광 유도부를 통과한 빛이 손실없이 충실하게 포토 다이오드로 모아질 수 있도록 하고, 더우기 광 유도부에서 산란된 빛이더라도 충실하게 포토 다이오드로 모아질 수 있도록 하여, 빛의 손실을 최소화하여 광 감도를 개선할 수 있는 효과를 갖는다.
이미지 센서, 포토 다이오드, 굴절
Description
본 발명은 센서에 관한 것으로서, 특히, 상보형-모스(CMOS:Complementary Metal OxideSemiconductor; 이하, "CMOS"라 칭함) 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전기 및 전자 기술이 급격한 발전을 이루면서, 이미지 센서 기술을 채용한 다양한 전자 제품들, 예컨대, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 소형 카메라 장착형 PC, 소형 카메라 장착형 휴대폰 등이 폭 넓게 개발 및 보급되고 있다.
전통적으로, 상술한 종래의 이미지 센서로는 전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device; 이하, "CCD"라 칭함)가 주로 사용되었으나, 이러한 CCD의 경우, 높은 구동전압이 요구되는 점, 추가의 지원회로가 별도로 요구되는 점, 공정 단가가 높은 점등의 여러 단점들을 지니고 있기 때문에, 현재 그 이용이 대폭 감소되고 있는 추세에 있다.
근래에, 상술한 CCD를 대체할 수 있는 이미지 센서로써, 이른바, 상보형-모스(CMOS) 이미지 센서가 크게 각광받고 있다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 기존의 CCD와 달리, 저전압 구동이 가능한 장점, 추가 지원회로가 필요 없는 장점, 공정 단가가 저렴한 장점 등을 폭 넓게 지니고 있다.
CMOS 이미지 센서의 제조 공정에서 도광체(wave guide)의 물질 특성 및 공정 등에 대한 개발은 활발하였으나, 도광체의 형상에 대한 최적화가 없었다. 일반적으로 도광체는 절연막보다 큰 굴절율을 가지며, 이 경우 도광체의 끝 부분의 형상에 따라 빛을 더욱 산란시킬 수 있다. 하지만 현재까지 이에 대한 고려가 없어 필요 없는 빛의 손실이 있다.
이하, 일반적인 CMOS 이미지 센서에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)에 소자 분리막(12)이 형성되어 있다. 반도체 기판(10)의 활성 영역에는 포토 다이오드(PD:Photo Diode)(22)와 불순물 확산층(20)이 형성되어 있다. 반도체 기판(10)의 상부로 게이트 산화막(14)과 게이트 전극(16)이 형성되어 있으며, 이들의 상부로 층간 절연막들(32, 34, 35 및 36) 및 보호막(38)이 형성되어 있다. 막들(30)의 내부에는 게이트 전극(16)의 상부로 플러그(17)와 금속 배선(40)이 형성되어 있다. 막(30)을 관통하여 도광체(wave guide)(44)가 형성되어 있다. 도광체(44)는 컬러 필터(42)를 통과한 빛이 포토 다이오드(22)로 전달되도록 하는 역할을 한다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 도광체(44)의 끝단의 다양한 모습들을 나타낸다. 특히, 도 2a는 도 1에 도시된 참조부호 46을 확대 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 광의 굴절을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 굴절율(n1)을 갖는 밀한 매질로부터 굴절율(n2)을 갖는 소한 매질로 광이 진행할 경우, 각도(θ0)는 각도(θI)보다 크다. 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이 도광체(44)의 끝 부분이 평편(flat)할 경우 비교적 높은 각도에서 입사된 빛은 상대적으로 소한 층간 절연막(32) 예를 들면 SiO2와의 경계면(interface)에서 굴절(점선으로 표기된 화살표)하여 산란된다. 만일, 도 2b에 도시된 바와 같이 도광체(44)의 끝 부분이 오목할 경우 더욱 큰 각도로 광이 굴절(점선으로 표기된 화살표)되어 한정된 크기의 포토 다이오드(22)에서 빛을 받을 수 있는 확률이 더욱 저하된다.
도 4는 실제로 형성된 도광체(44)의 모습을 SEM(Scanning Electron Microscope)로 촬영한 모습을 나타낸다.
도 4의 경우 도광체(44)의 끝 부분이 도 2b에 도시된 바와 같은 모습이며, 이는 전술한 바와 같이 오히려 소자 특성을 열화시킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광을 컬러 필터로부터 포토 다이오드로 충실하게 가이드할 수 있는 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는, 외부로부터 입사된 특정 파장 대의 광을 통과시키는 컬러 필터와, 반도체 기판의 활성 영역에 형성되어, 상기 컬러 필터를 통과한 광의 량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 반도체 기판의 상부와 상기 컬러 필터 사이에 형성되는 중간층 및 상기 중간층을 관통하여 형성되며, 상기 컬러 필터를 통과한 광이 상기 포토 다이오드로 집중되어 들어가도록 가이드하며, 상기 포토 다이오드와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는 광 유도부로 구성되는 것이 바람직하다.
또는, 상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판의 활성 영역에, 수광된 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 상부에 상기 포토 다이오드를 덮도록 중간층을 형성하는 단계와, 상기 중간층을 관통하고, 광이 상기 포토 다이오드로 집중되어 들어가도록 가이드하며, 상기 포토 다이오드와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는 광 유도부를 형성하는 단계와, 상기 중간 층과 상기 광 유도부의 상부에, 외부로부터 입사된 특정 파장 대의 광을 통과시키는 컬러 필터를 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 컬러 필터를 통과한 빛을 포토 다이오드로 가이딩하는 광 유도부의 끝단을 볼록한 형태로 형성하여 광 유도부를 통과한 빛이 손실없이 충실하게 포토 다이오드로 모아질 수 있도록 하고, 더우기 광 유도부에서 산란된 빛이더라도 충실하게 포토 다이오드로 모아질 수 있도록 하여, 빛의 손실을 최소화하여 광 감도를 개선할 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법에 의한 공정 단면도들을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 소자 분리막(62), 게이트 절연막(66), 게이트 전극(68), 불순물 확산층(64), 포토 다이오드(50), 스페이서(70), 중간층(80), 금속 배선(90) 및 플러그(69)를 형성한다. 이들을 형성하는 공정을 일반적인 사항이므로 여기서는 개략적으로만 살펴본다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 일련의 STI 공정(Shallow Trench Isolation process), 또는 LOCOS 공정(LOCal Oxidation of Silicon process) 등을 선택적으로 진행하여, 반도체 기판(60)의 활성(active) 영역을 정의하기 위한 필드 영역에 소자 분리막(62)을 형성한다. 이 경우, 반도체 기판(60), 예컨대, 고 농도 P++형 단결정 실리콘 기판에는 상황에 따라, 공핍 영역(Depletion region)의 크기(깊이)를 증가시키기 위한 P-형 에피층(도시안됨)이 먼저 형성될 수도 있다.
이후, 게이트 절연막(66)과 게이트 전극(68)을 반도체 기판(60)의 상부에 형성한다. 예를 들면, 일련의 저압 화학 기상 증착 공정을 진행시켜, 활성 영역의 트랜지스터 예정 영역에 신호 처리 트랜지스터(T2)의 게이트 절연막(66)을 원하는 두께로 형성한다. 이 경우, 게이트 절연막(66)은 예를 들어, 열 산화 공정에 의해 형성된 열 산화막으로 이루어질 수도 있다. 그런 다음, 본 발명에서는 일련의 저압 화학 기상 증착 공정을 진행시켜, 게이트 절연막(66)의 상부에 게이트 전극 패턴(68)의 형성을 위한 도전층, 예컨대, 고 농도의 다결정 실리콘층을 원하는 두께로 형성시킨다. 물론, 상황에 따라, 이러한 고 농도의 다결정 실리콘층 상에 실리사이드층이 추가 형성될 수도 있다.
이후, 게이트 패턴(66 및 68)을 마스크로 이용하여 반도체 기판(60)의 활성 영역의 포토 다이오드 영역에 불순물 이온을 주입하여 포토 다이오드(50)를 형성한다. 이후, 게이트 패턴(66 및 68)의 측부에 스페이서(70)를 형성한다. 스페이서(70), 게이트 패턴(66 및 68) 및 포토 다이오드(50)를 덮도록 반도체 기판(60)의 상부 전면에 중간층(80)을 형성한다. 중간층(80)은 복수 개의 층간 절연막들(82 및 84)과 보호막(86)으로 이루어질 수 있다. 중간층(80)을 형성할 때, 금속 배선(90)과 플러그(69)도 함께 형성한다.
이 경우, 층간 절연막(82)은 상황에 따라, 비 도핑 실리케이트 글래스 막(USG layer:Undoped Silicate Glass layer), 보론 실리케이트 글래스 막(BSG layer:Boron Silicate Glass layer), 포스포러스 실리케이트 글래스 막(PSG:Phosphorus Silicate Glass layer), 보론-포스포러스 실리케이트 글래스 막(Boron-Phosphorus Silicate Glass layer), 또는 오존 테오스 막(O3-TEOS layer:Ozone Tetra Ethyl Ortho Silicate layer)일 수도 있고, 이들의 조합일 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 중간층(80)의 상부에 광 유도부(112)를 형성할 영역을 노출시키는 감광막 패턴(100)을 사진 및 식각 공정에 의해 형성한다.
도 5c를 참조하면, 감광막 패턴(100)을 식각 마스크로 이용하여 일련의 이방성 특성을 갖는 건식 식각공정, 예컨대, 반응성 이온 에칭 공정(Reactive Ion Etching process)을 진행시켜, 중간층(80)을 식각하여 중간층(80)을 관통하는 트렌치(110)를 형성한다. 예를 들어, 트렌치(110)의 깊이는 29000Å~31000Å일 수 있다. 이때, 포토 다이오드(50)와 마주보는 면이 볼록한 형태를 갖도록 트렌치(110)를 형성한다. 트렌치(110)를 형성할 때의 건식 식각에서 플라즈마 파워, AC 바이어스, 가스의 종류 및 유량 중 적어도 하나를 통해, 트렌치(110)의 맨 아래 부분에 볼록한 형태의 곡률을 제어할 수 있다. 이러한 트랜치(110) 형성 상황에서, 트랜치(110)의 하부(즉, 포토 다이오드의 상부)에 예컨대, 900Å~1100Å 정도의 버퍼막(141)을 잔류시킨다.
도 5d를 참조하면, 감광막 패턴(100)을 애슁(ashing)에 의해 제거하고, 트렌치(110)에 물질을 매립하여 광 유도부(112)을 형성한다. 예를 들어, 트렌치(110)에 매립되는 물질은 SiN, SiC 또는 폴리머(polymer)일 수 있다. 또한, 광 유도부(112) 의 굴절율은 층간 절연막(82A)의 굴절율보다 크다. 예를 들어, 광 유도부(112)의 절대 굴절율이 대략 2이고, 층간 절연막(82A)인 SiO2의 절대 굴절율은 대략 1.5일 수 있다. 예를 들어, 오존-TEOS(Tetra Ortho Silicate Glass) 공정, 상압 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process:HDP CVD process)등을 선택적으로 진행시켜, 트랜치(110)의 내부 영역을 충분한 두께의 절연막(112), 예컨대, 산화막으로 채운다.
이후, 광 유도부(112)를 포함하여 중간층(80A)의 상부에 컬러 필터(120)를 형성한다. 도 5d의 경우, 두 개의 컬러 필터(120)만이 도시되어 있으나, 적(R:Red), 녹(G:Green) 및 청색(B:Blue)에 해당하는 세 개의 컬러 필터가 마련될 수 있음은 물론이다. 이후, 컬러 필터(120)의 상부에 마이크로 렌즈(130)를 형성한다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서를 첨부한 도 5d를 참조하여 다음과 같이 설명한다.
컬러 필터(120)는 외부로부터 마이크로 렌즈(130)를 통해 입사된 특정 파장 대의 광을 컬러별로 통과시킨다. 비록 도 5d에는 두 개의 컬러 필터(120)만이 도시되어 있으나, 적, 녹 및 청색에 해당하는 세 개의 컬러 필터들이 마련될 수 있음은 물론이다.
중간층(80A)은 반도체 기판(60)의 상부와 컬러 필터(120) 사이에 형성되어 있다. 중간층(80A)에는 금속 배선(90)과 플러그(69)가 형성되어 있다. 중간층(80A)은 적어도 두 개의 층간 절연막들(82A 및 84A) 및 보호막(86A)으로 구성된다.
광 유도부(112)는 중간층(80A)을 관통하여 형성되어 있다. 광 유도부(112)는 컬러 필터(120)를 통과한 광이 손실 없이 포토 다이오드(50)로 집중되어 들어가도록 가이드하는 역할을 한다. 본 발명의 광 유도부(112)는 도 1에 도시된 일반적인 광 유도부(44)와 달리, 포토 다이오드(50)와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는다.
포토 다이오들(50)에 인접 배치된 일련의 신호 처리 트랜지스터들(T1 및 T2)은 해당 포토 다이오드들(50)에 의해 생성 축적된 광 전하들을 보간 회로(Interpolation circuit)(미도시) 측으로 운반/배출하는 절차를 진행하게 된다. 이러한 신호처리 트랜지스터들(T1 및 T2)을 거친 광 전하들은 해당 보간 회로에 의한 보간 절차를 통해, 일정 해상도의 컬러 영상으로 형상화될 수 있게 된다.
도 6은 도 5에 도시된 부분(140)을 확대 도시한 도면으로서, 확대된 광 유도부(112)와 포토 다이오드(50) 및 이들(112 및 50) 사이의 버퍼막(141)을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 광 유도부(112)의 단면이 도 1에 도시된 광 유도부(44)와 달리 볼록한 모습을 보임을 알 수 있다. 따라서, 광 유도부(112)를 통과한 광이 포토 다이오드(50)를 벗어나지 않고, 포토 다이오드(50)로 손실없이(점선으로 표기) 전달될 수 있다. 특히, 광 유도부(112)를 통과한 빛이 산란되더라도 손실 없이 빛이 포토 다이오드(50)로 모아질 수 있어 감도가 개선될 수 있다.
도 6에 도시된 광 유도부(112)의 볼록한 형태의 곡률은 포토 다이오드(50)의 크기(W)에도 비례하고, 포토 다이오드(50)와 광 유도부(112)간의 최근접 거리(d)에도 비례한다. 그러나, 광 유도부(112)의 볼록한 형태의 곡률은 광 유도부(112)와 중간층(80A)간의 굴절율에 반비례한다.
포토 다이오드(50)는 반도체 기판(60)의 활성 영역에 형성되어 있다. 포토 다이오드(50)는 컬러 필터(120)를 통과한 후 광 유도부(112)를 거친 광의 량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다.
전술한, 본 발명은 도 5a 내지 도 5d에 국한되지 않는다. 즉, 광 유도부(112)의 볼록한 형태를 제외하면, 마이크로 렌즈(130)의 형태, 중간층(80)의 형태, 금속 배선(90)의 모습, 게이트 패턴(66 및 68)의 형태 및 소자 분리막(62)들의 형태는 도 5a 내지 도 5d와는 다른 모습을 가질 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 도광체의 끝단의 다양한 모습들을 나타낸다.
도 3은 일반적인 광의 굴절을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실제로 형성된 도광체의 모습을 SEM으로 촬영한 모습을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법에 의한 공정 단면도들을 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 부분을 확대 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
60 : 반도체 기판 62 : 소자 분리막
50 : 포토 다이오드 82A : 층간 절연막
110 : 트렌치 112 : 광 유도부
Claims (8)
- 외부로부터 입사된 특정 파장 대의 광을 통과시키는 컬러 필터;반도체 기판의 활성 영역에 형성되어, 상기 컬러 필터를 통과한 광의 량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드;상기 반도체 기판의 상부와 상기 컬러 필터 사이에 형성되는 중간층; 및상기 중간층을 관통하여 형성되며, 상기 컬러 필터를 통과한 광이 상기 포토 다이오드로 집중되어 들어가도록 가이드하며, 상기 포토 다이오드와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는 광 유도부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 볼록한 형태의 곡률은 상기 포토 다이오드의 크기에 비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 볼록한 형태의 곡률은 상기 포토 다이오드와 상기 광 유도부간의 최근접 거리에 비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 볼록한 형태의 곡률은 상기 광 유도부와 상기 중간층간의 굴절율에 반비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판의 활성 영역에, 수광된 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 상부에 상기 포토 다이오드를 덮도록 중간층을 형성하는 단계;상기 중간층을 관통하고, 광이 상기 포토 다이오드로 집중되어 들어가도록 가이드하며, 상기 포토 다이오드와 마주보는 면이 광의 유출 방향으로 볼록한 형태를 갖는 광 유도부를 형성하는 단계;상기 중간 층과 상기 광 유도부의 상부에, 외부로부터 입사된 특정 파장 대의 광을 통과시키는 컬러 필터를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5 항에 있어서, 상기 광 유도부를 형성하는 단계는상기 중간층의 상부에 광 유도부를 형성할 영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계;상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 중간층을 식각하여 상기 볼록한 형태를 갖는 트렌치를 형성하는 단계;상기 감광막 패턴을 애슁에 의해 제거하는 단계; 및상기 트렌치에 물질을 매립하여 상기 광 유도부을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5 항에 있어서, 상기 트렌치에 매립되는 물질은 SiN, SiC 또는 폴리머인 것을 특으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제6 항에 있어서, 상기 트렌치를 형성할 때, 플라즈마 파워, AC 바이어스, 가스의 종류 및 유량 중 적어도 하나를 통해, 상기 트렌치의 맨 아래 부분에 상기 볼록한 형태의 곡률을 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020080077350A KR20100018722A (ko) | 2008-08-07 | 2008-08-07 | 이미지 센서 및 그의 제조 방법 |
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| KR20100018722A true KR20100018722A (ko) | 2010-02-18 |
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| KR (1) | KR20100018722A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9501960B2 (en) | 2012-09-19 | 2016-11-22 | Samsung Display Co., Ltd. | Display panel |
-
2008
- 2008-08-07 KR KR1020080077350A patent/KR20100018722A/ko not_active Application Discontinuation
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