KR20100074497A - 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 픽셀 간의 크로스토크를 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 소자분리막으로 액티브 영역과 소자분리영역이 정의된 반도체 기판에 일정한 간격을 갖는 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간절연막의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 갭필하도록 상기 트렌치를 포함한 상기 제 1 층간절연막 전면에 갭필막을 형성함과 동시에 상기 트렌치 내부에 에어갭 영역을 형성하는 단계와, 상기 갭필막 상에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 보호막 상에 제 2 층간절연막을 형성하고 평탄화하는 단계와, 상기 제 2 층간절연막 상에 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
에어갭 영역, 씨모스 이미지 센서
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 픽셀 간의 크로스토크를 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
전하 결합 소자(CCD)에서, 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수 개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열된다. 전하 결합 소자는 복수 개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD), 수평 방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 센스 증폭기(Sense Amplifier)로 구성된다. 복수 개의 VCCD는 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 역할을 한다. HCCD는 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전 송된 전하를 수평방향으로 전송하는 역할을 하며, 센스 증폭기는 수평 방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력한다. 그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다. 또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다. 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 전력 소모, 비교적 적은 포토공정 스텝 수에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
이러한 씨모스 이미지 센서는 일반적으로 액티브 영역을 정의하기 위하여 소자분리막이 반도체 기판에 형성되어 있고, 반도체 기판의 표면에 포토다이오드가 형성되어 있으며, 반도체 기판의 전면에 다수의 층간절연막과 금속배선이 형성되어 있고, 컬러필터와 빛을 포토다이오드에 모으기 위한 마이크로 렌즈로 구성된다.
따라서, 본 발명은 픽셀 간의 크로스토크를 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 소자분리막으로 액티브 영역과 소자분리영역이 정의된 반도체 기판에 일정한 간격을 갖는 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간절연막의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 갭필하도록 상기 트렌치를 포함한 상기 제 1 층간절연막 전면에 갭필막을 형성함과 동시에 상기 트렌치 내부에 에어갭 영역을 형성하는 단계와, 상기 갭필막 상에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 보호막 상에 제 2 층간절연막을 형성하고 평탄화하는 단계와, 상기 제 2 층간절연막 상에 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 한 픽셀에 입사된 빛이 해당 픽셀 이외의 주위 픽셀로 입사되어 픽셀간의 크로스토크가 일어나는 일반적인 이미지 센서와는 달리 층간절연막 사이에 에어갭 영역을 형성함으로써 빛이 다른 방향으로 굴절되어 다른 픽셀에 입사되는 것을 방지할 수 있다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 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 제한되지는않는다.
그리고 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 1e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 1a 내지 1e에서는 전체 씨모스 이미지 센서 중 본 발명과 관련된 영역만을 도시하였다. 이외의 영역은 일반적인 씨모스 이미지 센서와 동일한 구성을 가지므로 도시를 생략하기로 한다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 액티브 영역과 소자 격리 영역으로 정의된 반도체 기판(10)에서, 액티브 영역을 정의하기 위해 소자 격리 영역에 소자 격리막(미도시)를 형성한다. 여기서, 소자 격리막은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정 또는 LOCOS(Local Oxidation Of Silicon) 공정등에 의해 형성된다. 이때, p++형 반도체 기판(10)에 에픽택셜 공정을 실시하여 성장된 저농도의 제 1 도전형, 예를 들어 P-형 에피층(미도시)을 형성할 수 있으며, 반도체 기판(10)으로는 단결정 실리콘 기판 등이 사용될 수 있다. 이러한 에피층 형성은 포토 다이오드에서의 공핍 영역(depletion region)을 크고 깊게 형성시킴으로써 광전하를 모으기 위한 저전압 포토 다이오드의 능력을 증가시키고 나아가 광감도를 개선시키기 위함이다.
이어, 소자 격리막 사이에 액티브 영역에 저농도 불순물 이온을 주입하여 반 도체 기판(10)의 표면 내에 포토 다이오드(12)를 형성한다.
이후, 포토 다이오드(12)와 소자 격리막을 포함한 반도체 기판(10)의 전면에 제 1 층간절연막(14)을 형성한다. 여기서, 제 1 층간절연막(14)은 USG(Undoped Silicate Glass)와 같은 산화막을 사용할 수 있으며, 다층으로 형성될 수 있으며, 제 1 층간절연막(14) 내에는 일정한 간격을 갖는 각종 금속배선(M)들이 형성되어 있다. 또한, 포토 다이오드 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)이 형성될 수도 있다.
그 다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1 층간절연막(14) 전면에 포토레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 통해 패터닝하여 후속공정에서 제 1 층간절연막(14) 내에 형성될 에어갭 영역을 위한 층간절연막(14)의 표면을 노출시키는 포토레지스트 패턴(15)을 형성한다.
이후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(15)을 식각마스크로 이용하여 노출된 제 1 층간절연막(14)을 선택적으로 식각하여 트렌치(T)를 형성한다. 여기서, 트렌치는 제 1 층간절연막(14) 내에 형성된 금속배선(M)들이 형성된 곳을 피해서 한 픽셀(Pixel)당 2개씩 서로 이격되어 포토다이오드(12)의 양외곽부에 대응되도록 형성되며, 반도체 기판(10)이 노출될때까지 식각하여 깊은 수직홀 형태로 형성한다. 또한, 트렌치의 상부는 라운드 형태가 되도록 식각하여 형성된다.
이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(15)을 스트립 공정을 통해 제거한 후, 트렌치를 포함한 반도체 기판 전면에 TEOS를 이용하여 트렌치를 갭필하도록 갭필막(16)을 형성한다. 이후에, 갭필막(16) 상에 SiN을 이용하여 제 1 보호막(18)을 형성한다. 이때, 갭필 능력이 떨어지는 TEOS로 반도체 기판(10)이 노출될때까지 형성된 깊은 수직홀 형태의 트렌치에 갭필함으로써 트렌치를 완전히 채우지 못하고 공간이 발생하는데 이것이 에어갭 영역(20)이다. 이러한 에어갭 영역(20)은 제 1 층간절연막(14)과 동일한 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 갭필막(16) 상부에 굴절률이 높은 SiN으로 이루어진 제 1 보호막(18)을 형성함으로써 내부 렌즈가 존재하는 것과 같은 효과를 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 1e에 도시된 바와 같이, 제 1 보호막(18) 상에 제 2 층간절연막(15)을 한차례 더 형성한 후, 평탄화한다. 이어서, 제 2 층간절연막(15) 상에 가염성 레지스트를 형성한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라필터층(22)들을 포토 다이오드(12)와 대응되게 일정한 간격을 갖도록 형성한다.
이후, 칼라 필터층(22)을 포함한 반도체 기판(10)의 전면에 마이크로 렌즈 형성용 물질층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 물질층을 패터닝하여 칼라 필터층(22) 상에 마이크로 렌즈(24)를 형성한다. 이어서, 마이크로 렌즈(24)의 포커스 능력을 향상시키기 위해 굴절률이 높은 SiN을 이용하여 마이크로 렌즈(24) 상부에 제 2 보호막(26)을 형성한다.
이와 같은 구조로 인하여, 본 발명은 화살표(B방향)과 같이 한 픽셀에 입사된 빛이 해당 픽셀 이외의 주위 픽셀로 입사되어 픽셀간의 크로스토크가 일어나는 일반적인 이미지 센서와는 달리 도 1e에 도시된 바와 같이, 제 1 층간절연막(14) 사이에 형성된 에어갭 영역(20)으로 인하여 빛이 화살표(A방향)으로 굴절되어 다른 픽셀에 입사되는 것을 방지할 수 있다.
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 1a 내지 1e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 반도체 기판 12: 포토다이오드
14: 층간절연막 15: 포토레지스트 패턴
16: 갭필막 18: 제 1 보호막
20: 에어갭 영역 22: 칼라필터층
24: 마이크로렌즈 26: 제 2 보호막
Claims (9)
- 소자분리막으로 액티브 영역과 소자분리영역이 정의된 반도체 기판에 일정한 간격을 갖는 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와,상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1 층간절연막의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계와,상기 트렌치를 갭필하도록 상기 트렌치를 포함한 상기 제 1 층간절연막 전면에 갭필막을 형성함과 동시에 상기 트렌치 내부에 에어갭 영역을 형성하는 단계와,상기 갭필막 상에 제 1 보호막을 형성하는 단계와,상기 제 1 보호막 상에 제 2 층간절연막을 형성하고 평탄화하는 단계와,상기 제 2 층간절연막 상에 칼라필터층을 형성하는 단계와,상기 칼라필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 상에 제 2 보호막을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 보호막은 SiN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 갭필막은 TEOS막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 트렌치는 상기 제 1 층간절연막 내에 형성된 금속배선들을 피해서 하나의 픽셀당 2개씩 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 트렌치는 상기 포토다이오드의 양외곽부에 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 트렌치는 상기 반도체 기판을 노출시키도록 깊은 수직홀 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 트렌치의 상부는 라운드 형태인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 에어갭 영역의 두께는 상기 제 1 층간절연막의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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2008
- 2008-12-24 KR KR1020080132954A patent/KR20100074497A/ko not_active Application Discontinuation
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