KR20100063960A - 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드를 포함한 반도체 기판과, 기판 상에 형성된 다층의 층간 절연막과, 층간 절연막 상의 최상위 레이어에 형성되고, 입사되는 빛을 투과시켜 상기 포토 다이오드에 집속시키는 투명 전극 배선을 포함한다.
ITO, 투명 전극 배선, 투과율

Description

씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD MANUFACTURING FOR THE SAME}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
일반적인 씨모스 이미지 센서의 마이크로 렌즈와 칼라필터를 통과하는 빛들이 포토다이오드로 전부 입사하지 못하고 흩어져서 광 집속효율이 감소되는 문제점을 갖고 있다.
최근에는 회로의 최소선폭이 점점 작아짐에 따라 공정 편차가 발생하는데, 이와 같은 포토 다이오드의 사이즈 감소 때문에 광 집속효율이 크게 감소되는 문제 점이 있다.
즉, 입사광이 마이크로렌즈와 칼라필터르 ㄹ통과하여 포토다이오드로 입사하기 위해서는 그 입사거리도 길며 또한, 여러가지 층(layer)을 통과하여야 하는데, 이러한 광 경로 상의 여러 구조물들을 제조하는 제조공정에서 공정 편차가 발생할 경우, 소자의 미세화로 인해 광집속효율의 저하가 점점 심해지고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토 다이오드의 주위에 금속 배선을 이용하여 광투과율을 향상시킴으로써, 광 집속효율을 증가시키는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드를 포함한 반도체 기판과, 기판 상에 형성된 다층의 층간 절연막과, 층간 절연막 상의 최상위 레이어에 형성되고, 입사되는 빛을 투과시켜 상기 포토 다이오드에 집속시키는 투명 전극 배선을 포함한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토 다이오드를 비롯한 관련소자들을 기판 상에 형성하는 단계와, 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 층간 절연막 상의 최상위 레이어에 투명 전극 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은 ITO를 이용하여 투명 전극 배선으로 최종 금속 배선을 구성함으로써, 마이크로렌즈를 투과한 빛들을 포토 다이오드로 집속시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에 관하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 기판(100) 상에 형성되어 활성 영역과 필드 영역을 정의하는 필드 절연막(110)과, 기판의 활성 영역에 형성되어 입사하는 빛으로부터 광전하를 생성해내는 포토 다이오드(50)와, 회로를 구성하는 하부배선(210)과, 하부 배선의 상부에 형성된 층간 절연막(200)에 다층으로 형성된 금속배선들(310 및 330)과, 상기 금속배선들 상에 형성된 층간 절연막(300 및 320)과, 층간 절연막(320) 상에 형성된 투명 전극 배선(420)과, 투명 전극 배선(420) 상에 형성된 층간 절연막(400)과, 층간 절연막(400) 상에 형성된 컬러 필터(430), 평탄화층(500) 및 마이크로 렌즈(600)를 포함한다.
여기서, 투명 전극 배선(420)은 ITO(Indium Tin Oxide)로 증착하여 형성하며, 10~1000Å의 두께로 형성될 수 있고, 전도성이 높기 때문에 금속으로 형성된 메탈 배선의 역할도 하면서, 동시에 빛의 투과성이 높기 때문에 광 손실을 줄이고, fill factor를 향상시킬 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100)에는 회로영역(미도시)과 하부배선(210)이 형성된 하부배선 구조물(200)이 형성되어 있다.
반도체 기판(100)에는 액티브 영역과 필드 영역을 정의하는 소자분리막(110) 이 형성되어 있으며, 단위화소를 형성하기 위해 후술되는 포토 다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호로 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터로 이루어진 트랜지스터 구조물(미도시)이 이루어진 회로 영역이 형성되어 있다.
상기 트랜지스터 구조물이 형성된 반도체 기판(100) 상부에는 전원라인 또는 신호라인과 회로 영역을 접속시키기 위하여 적층 구조를 이루는 복수의 하부배선(210)과 하부배선(210) 사이의 절연막으로 이루어진 하부배선 구조물(200)이 형성되어 있다.
하부배선 구조물(200) 상에는 층간 절연막(300)이 형성되고, 층간 절연막(300)을 관통하여 하부배선 구조물(200)의 하부배선(210)과 연결되는 복수의 금속배선들(310)이 형성되어 있다.
층간 절연막은 다층으로 형성될 수 있으며, 본 발명에서는 예시적으로 층간 절연막들(200, 300 및 320)들 내에 금속배선들(210, 310 및 330)이 형성된 구조를 참고로 한다.
금속배선들(310 및 330)은 각 게이트 전극과 동일 물질로 동일층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 금속배선들(310 및 330)은 대부분 알루미늄, 구리 또는 텅스텐으로 형성된다.
층간 절연막(200, 300 및 320)에 반도체 기판(100)의 회로영역과 연결되는 금속배선들(310 및 330)을 형성한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 층간 절연막(200, 300 및 320)과 금속배선들(310 및 330)을 평탄화시킬 수 있 다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속 배선 공정 중 최상위 레이어(Top metal layer)에는 투명 전극 배선(420)을 형성한다.
투명 전극 배선(420)은 ITO(Indium Tin Oxide)로 증착하여 형성하며, 10~1000Å의 두께로 형성할 수 있다.
투명 전극 배선(420)은 전도성이 높기 때문에 금속으로 형성된 메탈 배선의 역할도 하면서, 동시에 빛의 투과성이 높기 때문에 광 손실을 줄이고, fill factor를 향상시킬 수 있다.
즉, 기존의 최상위 레이어 상의 최종 금속 배선은 광투과성이 없기 때문에 마이크로렌즈로부터 입사되는 빛이 상기 최종 금속 배선에 의해 왜곡되거나 반사되기 때문에 포토 다이오드로 입사되지 못하여 광 손실이 있었던데에 반해, 본 발명은 최종 금속 배선을 광투과 특성이 좋은 ITO로 형성함으로써, 마이크로렌즈로부터 입사되는 빛이 최종 금속 배선을 투과하여 안정적으로 포토 다이오드로 입사되도록 할 수 있다.
구체적으로, ITO는 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착하고, 두께는 150㎚ 이상으로 하여 Rs를 낮추도록 하고, 빛이 400㎚ wave length 이상인 경우 투과율이 90% 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 일반적인 최상위 레이어 상에 형성된 금속 메탈은 두께 및 너비가 하부에 형성된 금속배선들보다 크게 형성되기 때문에 광입자를 반사시키고, 왜곡시켰던 문제가 있었던 반면에, 본 발명의 최상위 레이어 상에 광투과율이 90% 이상되 는 투명 전극 배선(320)을 포토 다이오드 주위에 배선하기 때문에 광경로 상에 공정편차가 존재하더라도, 일단 마이크로렌즈를 통과한 빛은 포토다이오드로 입사하게 되어 광 집속효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(400) 상의 포토다이오드 영역(50)에 상응하는 층간 절연막(400) 위에 청색 칼라 필터, 녹색 칼라 필터 및 적색 칼라 필터를 포함하는 컬러 필터(430)를 형성한다.
통상, 칼라 필터들은 빛의 삼원색인 R(Red), G(Green), B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y:Yello), 마젠타(M:Magenta), 시안(Cy:Cyan)을 사용할 수 있다.
컬러 필터(430)는 각 컬러 필터 색과 대응되는 안료 또는 염료를 포함하는 감광 물질을 층간 절연막(400) 상에 도포하고, 이들을 사진 및 식각 방식으로 패터닝하여 형성할 수 있다.
다음, 컬러 필터(430)를 완전히 덮는 평탄화층(500)을 형성한다. 평탄화층(500)은 청색, 녹색 및 적색 컬러 필터의 두께가 서로 다를 때 형성하는 것으로, 청색 녹색 및 적색 컬러 필터의 단차를 완화시키거나 단차를 완전히 없앤다.
그리고, 청색, 녹색 및 적색 컬러 필터에 대응하는 평탄화층(500) 상에 감광막(미도시)을 도포하고, 선택적으로 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성하며, 리플로우(reflow) 공정과 같은 열처리 공정을 실시하여 곡면을 가진 마이크로렌즈(600)를 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도.

Claims (10)

  1. 포토 다이오드를 포함한 반도체 기판;
    상기 기판 상에 형성된 다층의 층간 절연막;
    상기 층간 절연막 상의 최상위 레이어에 형성되고, 입사되는 빛을 투과시켜 상기 포토 다이오드에 집속시키는 투명 전극 배선;
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극 배선은
    ITO로 형성되고, 입사되는 빛을 90% 내지 100% 투과시키는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 ITO로 형성된 상기 투명 전극 배선은
    10~1000Å의 두께인 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 층간 절연막은
    상기 반도체 기판의 회로영역과 연결되는 다수의 금속배선들을 포함하는 씨 모스 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속배선들은
    알루미늄 또는 구리 또는 텅스텐 또는 이들의 합금 중 어느 하나인 것인 씨모스 이미지 센서.
  6. 포토 다이오드를 비롯한 관련소자들을 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막 상의 최상위 레이어에 투명 전극 배선을 형성하는 단계;
    를 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명 전극 배선은
    ITO로 형성되고, 입사되는 빛을 90% 내지 100% 투과시키는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 ITO는 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착하고, 두께는 150㎚ 이상으로 하여 빛이 400㎚ wave length 이상인 경우 투과율이 90% 내지 100%되게 하는 씨 모스 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 층간 절연막 상에 상기 반도체 기판의 회로영역과 연결되는 다수의 금속배선들을 형성하는 단계를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속배선들은
    알루미늄 또는 구리 또는 텅스텐 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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