KR20100120875A - 투과도가 향상된 반사 방지막을 갖는 후면 수광 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
후면 수광 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 서로 대향되는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판의 수광 영역에 포토 다이오드들을 형성하고, 반도체 기판의 제1 면상에 금속 배선을 형성한다. 반도체 기판의 제2 면을 부분적으로 제거하고, 제2 면상에 반사 방지막을 형성한다. 반사 방지막과 제2 면의 수광 영역의 일부를 급속 어닐링시킨다. 반도체 기판과 반사 방지막의 계면 특성이 개선되며, 반사 방지막의 굴절률이 향상되어 광 투과도가 개선되므로 후면 수광 시모스 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다
Description
본 발명은 후면 수광 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 투과도가 향상된 반사 방지막을 갖는 후면 수광 시모스 이미지 센서 및 이러한 후면 수광 시모스 이미지 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다
일반적으로 이미지 센서는 광학 신호를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 이러한 이미지 센서는 광을 감지하는 광전 변환부와 감지된 광을 전기적 신호로 변환하여 데이터화하는 로직 회로부로 구성된다. 또한, 광의 감도를 높이기 위하여 마이크로 렌즈를 구비함으로써 상기 광전 변환부 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 집광한다.
최근 들어 정보 통신 산업 발달과 함께 전자 장치의 디지털화에 따라 디지털 카메라, 캠코더, 휴대폰, PCS(personal communication system), 게임기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서들이 요구되고 있다.
종래의 이미지 센서에 있어서, 광전 변환부가 마련된 기판 상에 다층의 배선층들을 형성한 후, 이와 같은 배선층들 상부에 컬러 필터 및 마이크로 렌즈가 배치된다. 따라서, 상기 컬러 필터층과 광전 변환부 사이의 거리가 길어져 초점 거리의 확보가 어려우며, 상기 배선층들에 의해 입사광이 난반사되거나 가려짐으로써, 상기 광전 변환부의 수광 효율이 저하되는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 기판의 후면에 형성하여, 광전 변환부와 컬러 필터 사이의 거리를 감소시키고 광전 변환부에 입사되는 빛의 수광 효율을 증가시킬 수 있는 구성을 갖는 후면 수광(back side illumination) 시모스 이미지 센서가 개발되었다. 그러나, 시모스 이미지 센서는 노이즈(noise) 또는 암전류(dark current)로 인하여 전하 전송 효율이 저하되고 전하의 저장 능력이 감소하여 결국 화상 결함이 야기되는 것이 주요한 문제점으로 지적되고 있다.
대체로 암전류는 시모스 이미지 센서의 감광 소자에서 광의 입력 없이 축적된 전하를 일컫는 것으로서, 주로 실리콘 기판의 표면에 존재하는 결함들이나 실리콘-산소 사이의 결합(-Si-O) 또는 실리콘 사이의 결합(-Si-) 등과 같은 실리콘 댕글링 본드(dangling bond)로부터 야기된다. 상기 기판의 표면에 실리콘 댕글링 본드와 같은 결함이 존재하는 경우, 시모스 이미지 센서는 입사광이 존재하지 않는 경우에도 열적으로 전하를 발생시키기 쉬운 상태에 있게 된다. 이에 따라, 기판에 댕글링 본드가 다량 존재하는 경우에는 어두운 상태에서도 시모스 이미지 센서가 마치 광이 입사된 경우와 같은 반응을 보이는 비정상 상태에 있게 된다. 이와 같이 시모스 이미지 센서 내에 발생되는 암전류는 시모스 이미지 센서의 화질을 현저하게 열화시킨다.
한편, 후면 수광 이미지 센서에 있어서는, 반도체 기판을 디닝(thinning) 공정을 통해 제거한 다음, 수광부 표면에 반사 방지막을 형성하여 광의 투과율을 증가시켜야 하지만, 기판이나 반사 방지막의 결정 결함에 따른 격자창 불일치(lattice parameter mismatch)와 같은 문제에 의해 입사광이 난반사를 일으켜 결국 이미지 센서의 투과율을 저하시키게 된다. 또한, 반사 방지막을 상대적으로 높은 온도에서 열처리해야 하지만, 반도체 후단 공정 특성상 일반적인 열처리 공정을 수행할 수 없기 때문에 상기 반사 방지막의 막질이 치밀화되지 못하여 굴절률 차이 확보하지 못함으로써, 이미지 센서의 투과도가 더욱 감소되는 문제점이 있다
본 발명의 일 목적은 반도체 기판과 반사 방지막 사이의 계면 특성과 반사 방지막의 굴절률을 향상시켜 반사광을 감소시키고 암전류 특성을 개선할 수 있는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 급속 열처리를 통해 향상된 특성을 갖는 반사 방지막을 구비하는 후면 수광 시모스 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서, 서로 대향되는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판의 수광 영역에 복수의 포토 다이오드들을 형성한 후, 상기 반도체 기판의 제1 면상에 금속 배선을 형성한다. 상기 반도체 기판의 제2 면을 부분적으로 제거한 다음, 상기 반도체 기판의 제2 면상에 반사 방지막을 형성한다. 상기 반사 방지막 및 상기 반도체 기판의 제2 면의 상기 수광 영역의 일부를 급속 어닐링시킨다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 급속 어닐링은 레이저 어닐링 공정, 플래시 램프 어닐링, 또는 자외선 어닐링 공정 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 레이저 어닐링 공정은 약 1.2μm 정도 보다 큰 파장을 갖는 레이저를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 급속 어닐링은 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 정도의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 화합물 또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 방지막은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 또는 이들의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 급속 어닐링에 의해 상기 반사 방지막과 상기 반도체 기판 사이의 굴절률 차이가 감소될 수 있다.
전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서는, 반도체 기판, 복수의 포토 다이오드들, 금속 배 선, 반사 방지막, 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 구비한다. 상기 반도체 기판은 서로 대향되는 제1 면과 제2 면을 가지며, 상기 포토 다이오드들은 상기 반도체 기판의 수광 영역에 배치된다. 상기 금속 배선은 상기 반도체 기판의 제1 면상에 배치되며, 상기 반사 방지막은 상기 반도체 기판의 제2 면상에 배치된다. 상기 반사 방지막은 상기 반도체 기판의 제2 면의 상기 수광 영역의 일부와 함께 급속 어닐링된다. 상기 컬러 필터는 상기 반사 방지막 상에 배치되며, 상기 마이크로 렌즈는 상기 컬러 필터 상에 배치된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 반도체 기판의 제1 면상에 금속 배선을 형성한 다음, 상기 반도체 기판의 제2 면상에 반사 방지막을 형성하고, 급속 어닐링을 수행함으로써, 상기 반사 방지막의 굴절률을 향상시킴과 동시에 반도체 기판의 결함을 치유하여 후면 수광 시모스 이미지 센서의 특성을 개선시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 센서 및 그 제조 방법에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 즉, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본문에 설명된 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니므로 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 이와 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 또는 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해될 것이다.
본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 시모스(CMOS) 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 시모스 이미지 센서(10)는 통상적으로 수광 영역 (20) 및 주변 영역(30)을 포함한다. 수광 영역(20)은 능동 픽셀 어레이(pixel array)들이 배치되는 영역으로서, 수광 영역(20)에는 매트리스(matrix) 형태로 복수의 단위 픽셀(22)들이 배치된다.
주변 영역(30)에는 시모스(CMOS) 제어 회로가 배치되며, 이러한 시모스 제어 회로는 복수의 시모스(CMOS) 트랜지스터들로 구성된다. 상기 시모스 제어 회로는 수광 영역(20)에 위치하는 각 단위 픽셀(22)에 일정한 신호를 제공하거나 단위 픽셀(22)들로부터 얻어진 광전 변환 신호들의 출력을 제어한다.
도 2는 도 1에 도시한 시모스 이미지 센서(10)의 각 단위 픽셀(22)의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 시모스 이미지 센서(10)의 단위 픽셀(22)은 광을 인가 받아 광 전하를 생성하는 포토 다이오드(PD), 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(floating diffusion region; FD)에 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 전하들을 주기적으로 리셋(reset) 시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)하는 드라이브 트랜지스터(DX), 그리고 픽셀(22)을 선택하기 위한 스위치 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서는 제1 면(102)과 제2 면(104)을 갖는 반도체 기판(100) 상에 구비된다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 면(102)과 제2 면(104)은 각기 반도체 기판(100)의 전면 및 후면에 해당될 수 있다. 반도체 기판(100)은 실리콘 기판, 실리콘-게르마늄 기판, 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 기판 등을 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)의 제1 면(102)에는 복수의 포토 다이오드(106)들이 배치된다. 또한, 기판(100)의 제1 면(102)에는 포토 다이오드(106)들을 커버하면서 층간 절연막(110)이 형성된다. 층간 절연막(110)은 다층의 절연막들을 포함하며, 층간 절연막(110)의 각 절연막에는 금속 배선(120)이 형성된다. 층간 절연막(110)은 실리콘 산화물 등의 산화물로 이루어질 수 있다.
기판(100)의 제2 면(104) 상에는 반사 방지막(130)이 형성되며, 반사 방지막(130) 상에는 컬러 필터층(140)이 배치된다. 반사 방지막(130)은 실리콘 화합물 또는 금속 화합물로 구성될 수 있으며, 컬러 필터층(140)은 청색(B), 적색(R) 및 녹색(G) 필터를 구비하는 컬러 필터 어레이를 포함할 수 있다.
컬러 필터층(140) 상에는 마이크로 렌즈(150)가 배치된다. 마이크로 렌즈(150)를 통과하여 컬러 필터(140)에 의해 선택된 광은 포토 다이오드 (106)들에서 광전 변환되어 전하로 축적된다.
한편, 마이크로 렌즈(150)에 집광된 광은 반도체 기판(100)의 제2 면(104)에서 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 이와 같이 반사된 광은 주변의 다른 단위 픽셀에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 반사광으로 인한 영향을 방지하기 위하여 기판(100)의 제2 면(104)에 반사 방지막(130)을 형성한다.
반사 방지막(130)이 반도체 기판(100)의 굴절률에 비하여 작은 굴절률을 가질 경우에는 반도체 기판(100)의 제2 면(104)에서의 입사되는 광의 반사 방지 효과가 저하된다. 이에 비하여, 반사 방지막(130)의 굴절률이 반도체 기판(100)의 굴절률과 실질적으로 동일하거나 유사할수록 광의 투과도가 향상되기 때문에 반도체 기판(100)의 제2 면(104)에서의 반사 방지 효과는 상승하게 된다.
그러나, 반도체 기판(100)의 제2 면(104) 상에 반사 방지막(130)을 형성하기 전에 반도체 기판(100)의 제1 면(102) 상에 금속 배선(120)들이 먼저 형성되기 때문에, 제2 면(104) 상에 위치하는 반사 방지막(130)을 약 400℃ 이상의 고온에서 전체적으로 열처리하기 어려운 문제가 있다. 또한, 이러한 후반 고온 열처리 공정의 한계로 인하여 반도체 기판(100)의 표면에 존재하는 암전류를 유발하는 댕글링 본드와 같은 결함을 치유하지 못하게 됨으로써, 시모스 이미지 센서의 암전류 특성을 개선하지 못할 뿐 아니라, 반사 방지막(130)도 막질의 치밀화를 유도하지 못하여 시모스 이미지 센서의 투과도 향상에 어려움이 발생한다. 특히, 백사이드 일루 민네이션 타입의 시모스 이미지 센서에서는 반도체 기판의 일부를 디닝(thinning) 공정을 통해서 제거한 다음, 상기 시모스 이미지 센서의 수광 구조를 형성하기 때문에 반도체 기판에 댕글링 본드와 같은 결함이 많이 발생하지만 이러한 결함을 치유하기 어려워 암전류에 기인하는 상기 시모스 이미지 센서의 열화를 방지하지 못하게 된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서의 반사 방지막(130)은 약 1.5 내지 약 3.0 정도의 굴절률을 갖는 실리콘 화합물 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 반사 방지막(130)은 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 티타늄 산화물(TiOx), 하프늄 산화물(HfOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx) 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용될 수 있다.
통상적으로, 실리콘은 약 3.4 이하의 굴절률을 가기지 때문에, 반사 방지막(130)과 반도체 기판(100) 사이의 굴절률 차이를 감소시키기 위해서는 반사 방지막(130)에 포함되는 실리콘 화합물 또는 금속 화합물의 굴절률을 증가시킬 필요가 있다.
도 4는 실리콘 산질화물을 포함하는 반사 방지막의 열처리 온도에 따른 굴절률 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 실리콘 산질화물로 이루어진 상기 반사 방지막은 약 500nm 정도의 파장을 갖는 광에 대해 약 400℃ 정도의 온도에서 약 2.3 정도의 굴절률을 나타낸다. 약 500℃ 정도의 온도까지는 상기 반사 방지막의 굴절률이 점 진적으로 증가하지만, 약 500℃ 정도를 초과하면서 약 600℃ 정도의 온도까지 가장 급격하게 상기 반사 방지막의 굴절률이 상승하게 된다. 또한, 약 600℃ 이상의 온도에서는 계속하여 온도 상승에 따라 상기 반사 방지막의 굴절률이 상승함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 반사 방지막(130)의 굴절률을 향상시키고 반사 방지막(130)의 결정화를 유도하기 위하여 반사 방지막(130)이 형성된 반도체 기판(100)에 대해 급속 어닐링 공정을 수행한다. 이러한 급속 어닐링 공정은, 예를 들면, 레이저 어닐링 공정을 포함할 수 있다. 반도체 기판(100)에 대한 레이저 어닐링 공정은 적외선 가열 비임, 가시광 활성화 비임, 고온 적외선 등을 다수의 필터링 렌즈들과 편광 시스템을 이용하여 반도체 기판(100) 상의 반사 방지막(130)의 요구되는 부분에 레이저를 조사하여 부분인 열처리를 수행하는 공정이다. 상기 레이저 어닐링 공정에 따라 대상체의 특정 부위나 박막에 대해 부분적인 열처리가 가능하다. 레이저의 특성에 따라 특정한 파장의 레이저는 특정한 물질에만 흡수되기 때문에, 레이저의 파장 별로 레이저를 입사시켜 다수의 층으로 구성된 반도체 기판의 특정 부위에만 열을 발생시켜 원하는 층의 막질을 변화시키거나 결정 상태를 변화시킬 수 있다.
도 5는 열처리에 따른 반사 방지막의 투과도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에 있어서, X축은 투과되는 광의 파장을 나타내고, Y축은 열처리를 하지 않은 경우의 광 투과도를 100%로 하여 상대적인 광 투과도를 나타낸 것이다. 또한, 열처리된 반사 방지막의 광 투과도는 일점 쇄선으로 나타내며, 열처리를 하지 않은 반 사 방지막의 광 투과도는 실선으로 나타낸다. 여기서, 실리콘 질화물로 구성된 반사 방지막을 약 800℃ 정도의 온도에서 열처리하였다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열처리된 반사 방지막은 입사광의 파장에 따라 약 1% 내지 약 3% 정도의 광 투과도 향상을 보인다. 반사 방지막이 원자층 적층(ALD) 공정 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 형성된 경우에는, 이러한 반사 방지막을 형성하기 위한 공정 온도가 약 400℃ 내지 약 500℃ 정도이기 때문에 반사 방지막의 격자 구조가 치밀해지지 않고 비정질 상태가 될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 비정질 상태의 반사 방지막에 대해 반도체 기판이 전체적으로 용해되지 않는 온도인 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 정도의 온도 범위에서 레이저 어닐링을 수행할 경우, 반사 방지막이 치밀화되며, 반사 방지막의 결정 구조가 적어도 부분적으로 비정질 상태에서 결정 상태로 변화하여 반사 방지막의 굴절률이 향상된다. 이와 같이, 반사 방지막의 굴절률이 높아지면 반도체 기판의 굴절률과 차이가 감소되어 상기 반사 방지막을 포함하는 시모스 이미지 센서의 투과도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전술한 레이저 어닐링 과정에서 반도체 기판의 표면과 반사 방지막 사이의 격자창 미스 매치(lattice parameter mismatch)에 기인하는 결함이 치유되고, 반도체 기판 표면의 댕글링 본드 등의 결함도 치유됨으로써, 암전류를 유발하는 결함들이 제거되어 반도체 기판과 반사 방지막 사이의 원활한 결합이 가능하며, 결국 광의 난반사를 방지하여 투과 효율이 보다 향상된다.
더욱이, 상술한 레이저 어닐링을 통해 다양한 막질로 구성된 반도체 기판의 결함을 선택적으로 제거하거나, 반사 방지막의 치밀화를 유도하여 굴절률을 개선함으로써, 이미지 센서의 투과율을 향상시키거나 필요에 따라 반사 방지막의 결정 구조를 비정질 상태에서 결정 상태로 변환시키는 등 다양한 효과를 얻을 수 있다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 후면 시모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(500) 상에 제1 도전형 에피층(505)을 형성한다. 반도체 기판(500)은 실리콘 기판, 실리콘-게르마늄 기판 등을 포함할 수 있다, 또한, 반도체 기판(1500)은 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 기판이나 게르마늄-온-인슐레이터(GOI) 기판 등과 같이 반도체층이 형성된 기판을 포함할 수 있다.
제1 도전형 에피층(505)에는 웰(well) 등과 같은 다수의 시모스 이미지 센서의 구성 요소들이 형성된다. 제1 도전형 에피층(505)은 에피택시얼 성장(epitaxial growth) 공정을 이용하여 반도체 기판(500)의 표면으로부터 약 5μm 내지 약 15μm 정도의 두께로 형성될 수 있다.
제1 도전형 에피층(505)에 제2 도전형 웰(510) 및 제1 도전형 웰(515)을 형성한다. 도 6에서는 제1 및 제2 도전형 웰(515, 510)이 실질적으로 동일한 깊이로 도시되지만, 제1 도전형 웰(515)과 제2 도전형 웰(510)은 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서의 특성에 따라 서로 상이한 깊이로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 웰(515, 510)은 이온 주입 공정을 이용하여 제1 도전형 에피층(505)의 소정의 부분들에 각기 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 및 제2 도전형 웰(515, 510) 사이와 후속하여 포토 다 이오드(545)(도 8 참조)들이 위치하는 부분의 제1 도전형 에피층(505)에 복수의 소자 분리막(520)들을 형성한다. 소자 분리막(520)은 각기 쉘로우 트렌치 분리(STI) 공정과 같은 소자 분리 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 소자 분리막(520)은 USG, SOG, FOX, TEOS, PE-TEOS, TOSZ, HDP-CVD 산화물 등의 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 소자 분리막(520)들은 포토 다이오드(545)들을 전기적으로 분리시키는 제1 소자 분리막과 트랜지스터들을 전기적으로 분리시키는 제2 소자 분리막으로 구분될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 소자 분리막은 서로 상이한 깊이로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서에 있어서, 입사되는 광 가운데 가장 긴 파장을 갖는 적색광의 파장이 약 0.4μm 내지 약 0.5μm 정도이기 때문에, 포도 다이오드(545)들은 각기 적어도 약 2μm 이상의 깊이를 가진다. 일반적인 시모스 이미지 센서는 소자 분리막이 약 2μm 이내의 깊이를 가지는 경우에도 모든 구성 요소들이 전기적으로 절연되어 구동될 수 있다. 그러나, 인접하는 포토 다이오드들을 격리시키는 소자 분리막이 약 2μm 이내의 깊이를 가지는 경우에는 인접하는 픽셀들 사이의 크로스토크를 충분히 방지할 수 없게 된다. 실질적으로, 모든 소자 분리막들을 약 2μm 이상의 깊이로 형성할 수도 있지만, 소자 분리막들의 깊이가 깊어질수록 그 폭도 증가하여 시모스 이미지 센서의 집적도를 향상시키기 어려운 문제에 직면하게 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따르면, 인접하는 포토 다이오드(545)들을 격리시키는 제1 소자 분리막이 제2 소자 분 리막 보다 깊은 깊이를 갖도록 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서의 수광 영역에 형성되는 소자 분리막(520)은 반도체 기판 (500)에 인접하게 형성하거나, 반도체 기판 (500)에 접촉되게 형성될 수 있다. 또한, 소자 분리막(520)의 내부 또는 소자 분리막(520)에 인접하는 제1 도전형 에피층(505)에 불순물층(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 이와 같은 소자 분리막(520) 및 불순물층의 형성에 따라 백사이드 일루민네이션 타입의 시모스 이미지 센서의 구동 중에 혼색이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 소자 분리막(520) 및 상기 불순물층이 각기 포토 다이오드(545)를 감싸는 구조로 형성될 경우, 후면으로부터 조사되는 광이 이웃하는 포토 다이오드로 굴절되지 않기 때문에 인접하는 포토 다이오드(545)들 사이에서 혼색이 일어나지 않게 된다.
다시 도 7을 참조하면, 소자 분리막(520)이 형성된 제1 도전형 에피층(505)의 상에 게이트 절연막(525)을 형성한다. 게이트 절연막(525)은 산화물 또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 게이트 절연막(525)은 실리콘 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다.
절연막(525) 상에 제1 포토레지스트 패턴(530)을 형성한 다음, 트랜스퍼 트랜지스터가 형성되는 부분의 제1 도전형 에피층(505)에 제1 채널 영역 및 제2 채널 영역을 포함하는 트랜스퍼 채널 영역(535)을 형성한다. 트랜스퍼 채널 영역(535)의 제1 및 제2 채널 영역은 각기 제1 도전형 불순물과 제2 도전형 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.
트랜스퍼 채널 영역(535)의 형성 후에, 애싱 공정 및/또는 스트리핑 공정을 이용하여 제1 포토레지스트 패턴(530)을 제거할 수 있다.
도 8을 참조하면, 포토 다이오드(545)가 형성될 부분의 제1 도전형 에피층(505)을 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴(540)을 형성한 다음, 노출된 제1 도전형 에피층(505)에 포토 다이오드(545)를 형성한다. 즉, 노출된 부분의 제1 도전형 에피층(505)에 제2 포토레지스트 패턴(540)을 이온 주입 마스크로 이용하여 불순물들 주입함으로써, 포토 다이오드(545)를 형성한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 도전형 에피층(505)에 포토 다이오드(545)를 형성하기 때문에, 포토 다이오드(545)가 수직형 구조를 가지기 위해서는, 제1 도전형 에피층(505)에 제2 도전형 불순물층을 먼저 형성하고, 상기 제2 도전형 불순물층 상에 제1 도전형 불순물층을 형성하여 포토 다이오드(545)를 마련한다. 이에 따라, 포토 다이오드(545)와 제1 도전형 에피층(505)이 접하는 부분에 공핍 영역이 형성됨으로써 후면 수광 시모스 이미지 센서가 동작할 수 있게 된다.
포토 다이오드(545)의 깊이가 적색광의 최대 파장보다 큰 경우에는 입사되는 모든 적색광을 수광하여 시모스 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있기 때문에, 포토 다이오드(545)의 제2 도전형 불순물층이 제1 도전형 에피층(505)의 표면으로부터 약 5μm 정도의 깊이에 형성될 수 있도록 상기 제2 도전형 불순물층을 형성하기 위한 불순물 주입 에너지를 조절할 수 있다. 포토 다이오드(545) 아래 부분의 제1 도전형 에피층(505)은 공핍 영역이 형성된다. 이러한 공핍 영역이 넓을 경우에 는 이미지 센서의 전기적 크로스토크 발생 가능성을 감소시킬 수 있기 때문에, 반도체 기판(500) 상에 제1 도전형 에피층(505) 형성하는 동안 적절하게 불순물 농도를 조절할 수 있다.
포토 다이오드(545)를 형성한 다음, 절연막(525)으로부터 애싱 공정 및/또는 스트리핑 공정을 이용하여 제2 포토레지스트 패턴(540)을 제거할 수 있다.
도 9를 참조하면, 포토 다이오드(545), APS 어레이 영역과 주변 회로 영역의 게이트 절연막(525) 상에 게이트 구조물(555)들을 형성한다. 게이트 구조물(555)들은 각기 다층 구조의 게이트 전극을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 게이트 전극은 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 게이트 전극은 불순물들이 도핑된 폴리실리콘, 텅스텐, 텅스텐 질화물, 텅스텐 실리사이드, 티타늄, 티타늄 질화물, 티타늄 실리사이드, 알루미늄, 알루미늄 질화물, 코발트 실리사이드, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 탄탈륨 실리사이드 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 게이트 전극 상에는 게이트 마스크가 추가적으로 형성될 수 있다. 상기 게이트 마스크는 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
게이트 절연막(525) 상에 제3 포토레지스트 패턴(560)을 형성한다. 제3 포토레지스트 패턴(560)은 포토 다이오드(545), 트랜스퍼 트랜지스터가 형성되는 부분 및 P형 모스 트랜지스터가 형성되는 부분들 커버한다. 제3 포토레지스트 패턴(560)에 의해 노출되는, 게이트 절연막(525)을 통해 제1 도전형 에피층(505)에 불순물들 을 주입함으로써, 게이트 구조물(555)들 사이의 제1 도전형 에피층(505)에 제1 도전형 저농도 불순물층(565)을 형성한다.
도 10을 참조하면, P형 모스 트랜지스터가 형성되는 부분을 노출시키는 제4 포토레지스트 패턴(570)을 게이트 절연막(525) 상에 형성한 후, 노출된 게이트 절연막(525)을 통해 불순물들을 도핑하여 게이트 구조물(555)에 인접하는 제2 도전형 웰(510)에 제2 도전형 저농도 불순물층(575)을 형성한다.
제2 도전형 저농도 불순물층(575)을 형성한 다음, 게이트 절연막(525)으로부터 제4 포토레지스트 패턴(570)을 제거한다. 예를 들면, 제4 포토레지스트 패턴(570)은 애싱 공정 및/또는 스트리핑 공정을 통해 제거될 수 있다.
도 11을 참조하면, 게이트 절연막(525) 상에 게이트 구조물(555)들을 덮는 스페이서 형성용 절연막을 형성한다. 상기 스페이서 형성용 절연막은 게이트 구조물(555)들의 프로파일을 따라 균일하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 스페이서 형성용 절연막은 실리콘 질화물을 화학 기상 증착(CVD) 공정을 증착시켜 형성될 수 있다. 상기 스페이서 형성용 절연막 게이트 절연막(5250의 상면으로부터 약 500 정도의 두께로 형성될 수 있다.
상기 스페이서 형성용 절연막 상에 포토 다이오드(545)와 플로팅 확산 영역을 커버하는 제5 포토레지스트 패턴(585)를 형성한 다음, 상기 스페이서 형성용 절연막을 부분적으로 식각하여 게이트 구조물(555)들의 측벽 상에 각기 스페이서(583)를 형성한다. 예를 들면, 스페이서(583)는 이방성 식각 공정을 통해 형성될 수 있다.
제5 포토레지스트 패턴(585)을 다시 이온 주입 마스크로 이용하여 상기 주변 회로 영역에 불순물들을 주입함으로써, 인접하는 게이트 구조물(555)들 사이에 제1 및 제2 도전형 고농도 불순물층(590)을 형성한다.
도 12를 참조하면, 게이트 구조물(555)을 덮으면서 게이트 절연막(525) 상에 제1 층간 절연막(595)을 형성한다. 제1 층간 절연막(595)은 USG, SOG, TEOS, PE-TEOS, BPSG, PSG, TOSZ, FOX, HDP-CVD 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 층간 절연막(595)은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 층간 절연막(595)에 대해 화학 기계적 연마(CMP) 공정 및/또는 에치 백 공정을 수행하여 제1 층간 절연막(595)을 평탄화시킬 수 있다.
제1 층간 절연막(595) 상에 제1 식각 방지막(600)을 형성한다. 제1 식각 방지막(600)은 제1 층간 절연막(595)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 식각 방지막(600)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
제1 식각 방지막(600)과 제1 층간 절연막(595)을 부분적으로 식각하여 게이트 구조물(555)들을 각기 노출시키는 제1 콘택 홀들(도시되지 않음)을 형성한 다음, 각 제1 콘택 홀들을 채우는 플러그(605)를 형성한다. 플러그(605)는 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 플러그(605)는 텅스텐, 텅스텐 질화물, 텅스텐 실리사이드, 티타늄, 티타늄 질화물, 티타늄 실리사이드, 알루미늄, 알루미늄 질화물, 코발트 실리사이드, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 탄탈륨 실리사이드 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 플러그(605)는 게이트 구조물(555)에 전기적으로 접속된다.
제1 식각 방지막(600) 및 플러그(605) 상에 제2 층간 절연막(610)을 형성한다. 제2 층간 절연막(610)은 USG, SOG, TEOS, PE-TEOS, BPSG, PSG, TOSZ, FOX, HDP-CVD 산화물 등을 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정 등으로 증착하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 층간 절연막(610)에 대해 화학 기계적 연마(CMP) 공정 및/또는 에치 백 공정을 수행하여 제2 층간 절연막(610)을 평탄화시킬 수 있다.
제2 층간 절연막(610) 상에 제2 식각 방지막(615)을 형성한다. 예를 들면, 제2 식각 방지막(615)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
제2 식각 방지막(615)과 제2 층간 절연막(610)을 부분적으로 식각하여 플러그(605)들을 노출시키는 제2 콘택 홀들(도시되지 않음)을 형성한 다음, 제2 콘택 홀들 내에 배선(620)을 형성한다. 배선(620)은 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 배선(620)은 텅스텐, 텅스텐 질화물, 텅스텐 실리사이드, 티타늄, 티타늄 질화물, 티타늄 실리사이드, 알루미늄, 알루미늄 질화물, 코발트 실리사이드, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 탄탈륨 실리사이드 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 배선(620)들 은 각기 플러그(605)들을 통해 게이트 구조물(555)들에 전기적으로 연결된다.
제2 식각 방지막(615)과 배선(620) 상에 제3 층간 절연막(625)을 형성한다. 제3 층간 절연막(625)은 USG, SOG, TEOS, PE-TEOS, BPSG, PSG, TOSZ, FOX, HDP-CVD 산화물 등을 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정 등으로 증착하여 형성될 수 있다. 전술한 바와 유사하게, 제3 층간 절연막(625)에 대해 평탄화 공정을 수행하여 제3 층간 절연막(625)을 평탄화시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 제3 층간 절연막(625) 상에 핸들링 웨이퍼(630)를 부착시킨다. 핸들링 웨이퍼(630)의 부착 후에 백사이드 일루민네이션 메커니즘이 가능한 구조를 만들기 위하여 반도체 기판(500) 전체를 상하로 뒤집어 핸들링 웨이퍼(630)가 아래쪽에 위치하도록 한다.
디닝(thinning) 공정을 통해 제1 도전형 에피층(505)으로부터 반도체 기판(500)을 제거하여 제1 도전형 에피층(505)을 노출시킨다.
도 14를 참조하면, 제1 도전형 에피층(505)을 노출시킨 다음, 제1 도전형 에피층(505) 상에 반사 방지막(635)을 형성한다. 반사 방지막(635)은 실리콘 화합물 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 반사 방지막(635)은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 반사 방지막(635)은 제1 도전형 에피층(505)의 표면으로부터 약 10Å내지 약 1,000Å 정도의 두께로 형성될 수 있다.
반사 방지막(635) 상에 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서의 수광부 영역을 노출시키는 레이저 마스크(640)를 형성한 다음, 상기 수광부 영역에 선택적으로 흡수 가능한 파장의 레이저(E)를 주입시킨다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 반사 방지막(635)을 통해 제1 도전형 에피층(505)에 흡수되는 펄스파 레이저 에너지에 의해 제1 도전형 에피층(505)의 표면이 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 정도의 온도로 순간적으로 가열되기 때문에, 제1 도전형 에피층(505) 표면에 존재하는 실리콘-산소 결합 및 실리콘 결합 등의 실리콘 댕글링 본드와 같은 결함을 제거할 수 있다. 상기 레이저는 약 10.6μm 정도의 파장을 갖는 이산화탄소(CO2) 레이저나 혹은 가열 복사에 따른 다른 파장을 갖는 레이저를 이용할 수 있다. 제1 도전형 에피층(505)의 결함을 제거하기 위한 레이저의 파장은 실리콘의 밴드 갭 에너지 보다 작은 에너지를 가져야 한다. 예를 들면, 상기 레이저는 약 1.2μm 보다 큰 파장을 가지며, 바람직하게는, 약 5μm 보다 큰 파장을 가진다.
상술한 바와 같은 레이저의 조사에 따라, 제1 도전형 에피층(505)의 표면은 용해되지 않으면서, 제1 도전형 에피층(505) 표면에 존재하는 결함이 치유된다. 또한, 레이저에 의한 열이 제1 도전형 에피층(505)으로부터 반사 방지막(635)에 전도되므로 반사 방지막(635)의 막질이 치밀하게 재구성됨에 따라 반사 방지막(635)의 굴절률이 향상된다.
레이저에 의해 가열된 반사 방지막(635)은 가열되지 않는 부분과는 상이한 치밀화된 구조를 가지기 때문에, 반사 방지막(635)의 가열된 부분의 그레인들은 작 고 치밀하게 재구성된다. 반사 방지막(635)의 굴절률이 제1 도전형 에피층(505)의 굴절률과 실질적으로 유사하게 됨으로써, 반사 방지막(635)과 제1 도전형 에피층(505) 사이의 굴절률 차이가 감소한다. 이에 따라, 반사 방지막(635)과 제1 도전형 에피층(505) 사이의 계면에서 광 반사가 감소하여 결국 상기 이미지 센서의 광 투과도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 전술한 레이저 어닐링 공정 대신 플래시 램프 어닐링(flash lamp annealing) 공정, 자외선(UV) 어닐링 공정 등을 적용하여 제1 도전형 에피층(505)의 결함을 치유하는 한편, 반사 방지막(635)의 굴절률을 향상시킬 수 있다. 상기 플래시 램프 어닐링 공정이나 자외선 어닐링 공정에 있어서, 제1 도전형 에피층(505)의 표면뿐만 아니라 반사 방지막(635)을 전체적으로 열처리할 수 있기 때문에, 상술한 레이저 어닐링 공정보다 보다 간단하게 상기 후면 수광 시모스 이미지 센서의 특성을 개선시킬 수 있다.
도 15를 참조하면, 반사 방지막(635)으로부터 레이저 마스크(640)를 제거한 후, 평판화 공정을 수행하여 반사 방지막(635)이 균일한 표면을 갖도록 한다. 예를 들면, 화학 기계적 연마 및/또는 에치 백 공정을 통해 반사 방지막(635)의 표면을 균일화 시킨다.
균일한 표면을 갖는 반사 방지막(635) 상에 컬러 필터층(650)을 형성한다. 도 16에서는 설명의 편의상 1개의 광 투과 부위를 도시하지만, 적색(red), 녹색(green) 및 청색(blue)에 의한 컬러 필터 어레이(color filter array: CFA)를 구비하는 컬러 이미지 센서의 경우에는 최소한 3개 이상의 포토 다이오드(545)를 포 함하는 단위 픽셀로 하나의 컬러 표시 픽셀을 구성한다.
컬러 필터층(650) 상에는 마이크로 렌즈(655)가 배치된다. 마이크로 렌즈(660)를 통과한 이미지 영상으로부터 생성된 광은 컬러 필터(650)에 의해서 선택적으로 필요한 색광만 선택되며, 선택된 색광은 포토 다이오드 (545)에서 광전 변환되어 전하로 축적된다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따라 후면 수광 시모스 이미지 센서를 구비하는 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 16을 참조하면, 후면 수광 시모스(CMOS) 이미지 센서(710)를 구비하는 시스템(700)은 후면 수광 시모스 이미지 센서(710)의 출력 이미지를 처리할 수 있다. 예를 들면, 시스템(700)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 이미지 안전화 시스템 등의 후면 수광 시모스 이미지 센서(710)가 구비된 임의의 시스템에 해당될 수 있다.
시스템(700)이 컴퓨터 시스템과 같은 프로세서 시스템(700)일 경우, 버스(705)를 통해서 입출력 I/O 소자(730)와 커뮤니케이션을 할 수 있는 마이크로 프로세서 등과 같은 중앙 처리 장치(CPU)(720)를 포함한다. 버스(705)를 통해서 플로피 디스크 드라이브(750) 및/또는 CD ROM 드라이브(755), 포트(760), RAM(740) 등과 중앙 처리 장치(CPU)(720)는 서로 전기적으로 연결되어 데이터를 주고받음으로써, 후면 수광 시모스 이미지 센서(710) 데이터로부터 출력 이미지를 재생한다.
포트(760)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트에 해당될 수 있다.
후면 수광 시모스 이미지 센서(710)는 중앙 처리 장치(CPU), 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로 프로세서와 함께 집적되거나, 메모리와 함께 집적 될 수 있다. 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩으로 집적될 수도 있다.
시스템(700)은 최근 발달되고 있는 디지털 기기 중에서 화상 휴대폰, 디지털 카메라 등의 시스템 블록 다이어그램이 될 수 있으며, 상술한 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법에 따라 댕글링 본드와 같은 결함이 치유되고 반사 방지막의 치밀화가 유도되어 암전류가 발생하지 않고 우수한 투과 효율을 갖는 후면 수광 시모스 이미지 센서(710)가 장착된 시스템이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따라 후면 수광 시모스 이미지 센서가 별개의 칩으로 구성된 시스템을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 17을 참조하면, 후면 수광 시모스(CMOS) 이미지 센서(800)는, 타이밍 제너레이터(timing generator)(805), APS 어레이(815), CDS(correlated double sampling)(820), 컴페레이터(comparator)(825), ADC(analog-to-digital convertor)(830), 버퍼(buffer)(840) 그리고 컨트롤 레지스터 블록(control resister block)(850)으로 구성된다.
APS 어레이(815)의 광학 렌즈에 포집된 피사체의 광 데이터는 전자 변환(electron conversion)을 통해 전압으로 전환(voltage conversion) 및 증폭된다. CDS(820)에서 증폭된 전압으로부터 노이즈가 제거되며, 필요한 신호만 선택되어, 컴페레이터(825)에서 선택된 신호들을 비교하여 일치 여부를 확인한다. 일치된 신호 데이터는 ADC(analog-to-digital convertor)(830)에서 아날로그 신호로부터 디 지털 신호로 변경된다. 이러한 디지털 이미지 데이터 신호는 버퍼(buffer)(840)등을 통과하고, DSP 등을 거쳐 시스템으로부터 피사체 이미지가 재생된다.
본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서의 APS 어레이(815) 구조에 있어서, 전술한 바와 같이 암전류가 발생하지 않고 우수한 투과 효율을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서는 제조 과정 중에 발생되는 댕글링 본드와 같은 결함을 열처리로 치유하고 반사 방지막을 치밀화함으로써, 보다 향상된 투과율을 확보하여 선명하고 고화질의 이미지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 시모스 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 시모스 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 반사 방지막의 열처리 온도에 따른 굴절률 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 열처리에 따른 반사 방지막의 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따라 후면 수광 시모스 이미지 센서를 구비하는 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따라 후면 수광 시모스 이미지 센서가 별개의 칩으로 구성된 시스템을 나타내는 블록 다이어그램이다
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 500: 반도체 기판 102: 반도체 기판의 제1 면
104: 반도체 기판의 제2 면 106, 545: 포토 다이오드
110: 층간 절연막 120, 620: 금속 배선
130, 635: 반사 방지막 140, 650: 컬러 필터
140: 마이크로 렌즈 505: 제1 도전형 에피층
520: 소자 분리막 525: 게이트 절연막
555: 게이트 구조물 595: 제1 층간 절연막
610: 제2 층간 절연막
Claims (10)
- 서로 대향되는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판의 수광 영역에 복수의 포토 다이오드들을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 제1 면상에 금속 배선을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 제2 면을 부분적으로 제거하는 단계;상기 반도체 기판의 제2 면상에 반사 방지막을 형성하는 단계; 및상기 반사 방지막 및 상기 반도체 기판의 제2 면의 상기 수광 영역의 일부를 급속 어닐링하는 단계를 포함하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 급속 어닐링은 레이저 어닐링 공정, 플래시 램프 어닐링 공정 또는 자외선 어닐링 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 레이저 어닐링 공정은 1.2μm 보다 큰 파장을 갖는 레이저를 사용하는 수행되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 급속 어닐링은 500℃ 내지 1,000℃의 온도 에서 수행되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 화합물 또는 금속 화합물을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 또는 이들의 조합을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 급속 어닐링에 의해 상기 반사 방지막과 상기 반도체 기판 사이의 굴절률 차이가 감소되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 서로 대향되는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판;상기 반도체 기판의 수광 영역에 배치되는 복수의 포토 다이오드들;상기 반도체 기판의 제1 면상에 배치되는 금속 배선;상기 반도체 기판의 제2 면상에 배치되며, 상기 반도체 기판의 제2 면의 상기 수광 영역의 일부와 함께 급속 어닐링되는 반사 방지막;상기 반사 방지막 상에 배치되는 컬러 필터; 및상기 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하는 후면 수광 시모스 이미지 센서.
- 제8항에 있어서, 상기 반사 방지막과 상기 반도체 기판의 제2 면의 상기 수광 영역의 일부는 레이저 어닐링 공정, 플래시 램프 어닐링 공정 또는 자외선 어닐링 공정을 통해 급속 어닐링되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서.
- 제8항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 화합물 또는 금속 화합물을 포함하며, 10Å내지 1,000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 수광 시모스 이미지 센서.
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