KR20110036994A - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드를 포함한 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층; 상기 제2 절연층의 상부에 형성되고 상기 포토다이오드에 수직하게 대응되도록 형성된 트랜치 내부에 형성된 광차폐막; 및 상기 제2 절연층 위에 형성되고, 상기 광차폐막과 필터 영역이 대응되도록 형성된 컬러필터층을 포함한다.
실시예는 다마신 공정을 응용한 것으로서, 하나의 절연층을 이용하여 광차폐막을 형성할 수 있으므로 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 광차폐막은 절연층의 상부에 컬러필터층과 접촉되도록 형성되므로 광차폐 효과가 우수하다.
이미지 센서, BSI, 컬러필터층, 광차폐막, 다마신
Description
실시예는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
FSI(Front Side Illumination) 구조의 이미지 센서는 빛이 상측으로부터 마이크로렌즈, 컬러필터층, 금속배선층을 경유하여 반도체 기판의 포토 다이오드로 입사된다. 이러한 경우, 이미지 센서의 픽셀이 작아질수록 빛이 금속배선의 영향을 크게 받으므로 금속배선 영역이 작아질 수 밖에 없으며 배선 공정에 많은 어려움이 있다. 이러한 이유로, 현재 BSI(Back Side Illumication) 구조의 이미지 센서가 사용된다.
도 1은 일반적인 BSI 구조의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 포토 다이오드(12) 및 소자분리막(11)이 형성된 반도체 기판(10), 금속배선(21)이 형성된 제1 절연층(20), 제2 절연층(30), 컬러필터층(40), 평탄화보호층(50), 마이크로렌즈(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 반도체 기판(10)의 상부에 소자분리막(11), 포토 다이오드(12)를 형성하고, 그 위에 상기 제1 절연층(20)을 형성한다.
이후, 상기 반도체 기판(10)을 뒤집어 상기 제1 절연층(20)이 밑을 향하고, 상기 반도체 기판(10)이 위를 향하게 한다.
다음으로, 뒤집혀진 상태의 상기 반도체 기판(10)의 저면에 상기 제2 절연층(30) 내지 상기 마이크로렌즈(60)를 순서대로 형성한다.
이러한 BSI 구조는 금속배선의 영향을 배제할 수 있고 절연층이 없어 감도저하가 적다는 장점이 있으나, STI(Shallow Trench Isolation)와 이온주입(Implantation Doping)을 이용한 상기 포토 다이오드(12)들 사이의 격리가 제대로 이루어지지 않아 광간섭(X-Talk) 현상에 매우 취약하다.
이에, 상기 제2 절연층(30) 부분에 광차폐막(light shield layer)를 형성하여 광간섭을 줄이는 방법이 있으나 공정이 복잡하여지는 문제점이 있다.
실시예는 광간섭 현상을 효율적으로 방지하고 집광 능력을 최대화할 수 있는 광차폐막 구조를 가지는 이미지 센서를 제공한다.
실시예는 단순화된 공정을 통하여 우수한 성능의 광차폐막을 형성할 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드를 포함한 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층; 상기 제2 절연층의 상부에 형성되고 상기 포토다이오드에 수직하게 대응되도록 형성된 트랜치 내부에 형성된 광차폐막; 및 상기 제2 절연층 위에 형성되고, 상기 광차폐막과 필터 영역이 대응되도록 형성된 컬러필터층을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드를 포함한 반도체 기판 위에 제2 절연층이 형성되는 단계; 상기 제2 절연층의 상부에 상기 포토다이오드에 수직하게 대응되도록 트랜치가 형성되는 단계; 상기 트랜치가 매립되도록 하여 상기 제2 절연층 위에 광차폐 물질층이 형성되는 단계; 상기 제2 절연층 위의 상기 광차폐 물질층을 제거하여 상기 트랜치에 광차폐막이 형성되는 단계; 및 상기 광차폐막과 필터 영역이 대응되도록 상기 제2 절연층 위에 컬러필터층이 형성되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실시예는 다마신 공정을 응용한 것으로서, 하나의 절연층을 이용하여 광차폐막을 형성할 수 있으므로 공정을 단순화할 수 있다.
둘째, 실시예에 따른 광차폐막은 절연층의 상부에 컬러필터층과 접촉되도록 형성되므로 광차폐 효과가 우수하다.
셋째, 실시예는 다마신 공정을 이용하므로, 다수의 평탄화 공정이 요구되지 않으며 공정을 단순화할 수 있다.
넷째, 절연층을 형성한 후 트랜치의 깊이를 필요에 따라 조정할 수 있으므로, 광차폐막의 깊이를 쉽게 제어할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
이하, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되므로 본 발명의 기술적 사상과 직접적인 관련이 있는 핵심적인 구성부만을 언급하기로 한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
우선, 종래의 광차폐막을 형성하는 방법에 대하여 간단히 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 BSI 구조의 이미지 센서에 광차폐막을 형성하는 일반 공정을 도시한 측단면도이다.
도 2의 (a) 도면을 보면, 도 1과 같이 금속 배선(미도시), 제1 절연층(미도시), 포토다이오드(미도시), 소자분리막(미도시)이 형성된 반도체 기판(10)을 뒤집고 상기 반도체 기판(10)의 저면을 평탄화한 다음, 그 위에 제1 절연층(11)을 형성한다.
(b) 도면을 보면, 상기 제1 절연층(11) 위에 차폐막 물질(light shield material)층(12a)을 적층하고, 포토 리소그라피 공정, 식각 공정 등을 통하여 상기 차폐막 물질층(12a)을 패터닝한다.
따라서, (c) 도면과 같이 광차폐막(12)이 형성된다. 이때, 상기 제1 절연층(11)은 상기 차폐막 물질층(12a)과 상기 반도체 기판(10) 사이의 접착력을 좋게 하는 기능을 한다.
(d) 도면을 보면, 상기 광차폐막(12)을 덮도록 하여 상기 제1 절연층(11) 위에 제2 절연층(13)을 형성한다.
이후, (e) 도면과 같이 상기 제2 절연층(13)의 표면을 평탄화하고, (f) 도면과 같이 상기 제2 절연층(13) 위에 컬러필터층(14), 평탄화보호층(미도시), 마이크로 렌즈(미도시)를 순서대로 형성한다.
이와 같이 종래의 광차폐막을 형성하는 공정은 매우 복잡함을 알 수 있다.
이하, 종래의 공정과 비교하여 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 이미지 센서는 밑으로부터 금속배선과 같은 금속구조물(135)이 형성된 제1 절연층(130), 상기 제1 절연층 위에 형성된 반도체 기판(100)을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 BSI 구조로서, 상기 반도체 기판(100)은 상기 제1 절연층(130)이 형성된 후 뒤집힌 상태이며, 뒤집힌 상태의 상기 반도체 기판(100)의 하측에 포토다이오드(110), 소자분리막(115), 이온주입층(120)이 형성된다. 상기 이온주입층(120)은 광차폐 효과을 극대화하기 위하여 상기 소자분리막(115) 위(뒤집히기 전의 "아래")에 형성된다.
상기 반도체 기판(100) 위에 제2 절연층(140)이 형성되고, 상기 소자분리막(115)과 수직하게 대응되도록 상기 제2 절연층(140) 상부에 광차폐막(150)이 형성된다.
상기 광차폐막(150) 위에 컬러필터층(160)이 형성되고, 상기 컬러필터층(160) 위에 마이크로렌즈(170)이 형성된다.
상기 광차폐막(150)에 의하여 구분되는 상기 컬러필터층(160)의 필터 영역은 각각 적색(R) 필터, 녹색(G) 필터, 청색(B) 필터일 수 있다.
또한, 상기 광차폐막(150)은 상기 제2 절연층(140)의 트랜치 내부에 형성되 는데, 상기 트랜치 내부면을 따라 질화막(151), 가령 SiN막이 형성되고, 나머지 트랜치 영역에 광차폐 물질이 매립되어 형성될 수 있다.
상기 광차폐 물질은 금속 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 질화막(151)은 상기 광차폐 물질의 접착성을 증대시키는 기능을 하지만, 상기 광차폐막(150)은 상기 질화막(151) 없이 상기 광차폐 물질만으로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 광차폐막(150)은 금속배선 공정시 주로 이용되는 다마신 공정을 응용한 것으로서, 공정이 단순화될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 각 단계별로 도시한 공정 순서도이다.
실시예는 이미지 센서의 광차폐막 구조에 대한 것으로서, 설명상 불필요하다고 판단된 구성부는 도 4에서 생략하였다.
처음으로, 뒤집혀 지기 전의 상기 반도체 기판(100)에 소자분리막(도 2의 115)을 형성하고, 상기 소자분리막(115) 사이의 상기 반도체 기판(100) 표면에 포토다이오드(도 2의 110)를 형성한다.
전술한 대로, 광차폐 효과를 극대화하기 위하여 상기 소자분리막(115) 아래로 상기 이온주입층(도 2의 120)이 더 형성될 수 있다.
이어서, 상기 반도체 기판(100) 위에 금속 구조물(도 2의 135)을 포함한 제1 절연층(도 2의 130)을 형성한다.
이와 같이 상기 제1 절연층(130)까지 형성되면, 상기 제1 절연층(130)이 밑을 향하도록 하고, 상기 반도체 기판(100)의 아랫면이 위를 향하도록 상기 반도체 기판(100)을 뒤집은 뒤 위를 향한 상기 반도체 기판(100)의 아랫면을 평탄화한다.
이하, 도 4에서는 간단히 상기 뒤집혀진 반도체 기판(100)만을 도시하여 설명하기로 한다.
도 4의 (a) 도면을 참조하면, 뒤집혀진 상태의 상기 반도체 기판(100) 위에 상기 제2 절연층(140)을 형성한다.
상기 제2 절연층(140)은 상기 반도체 기판(140)과 구분되는 다른 기판일 수 있으며, 본딩 공정에 의하여 두개의 기판이 결합될 수도 있다.
도 4의 (b) 도면을 참조하면, 상기 제2 절연층(140) 위에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고 식각 공정을 진행하여 소정 깊이의 트랜치(T)를 형성한다. 이후, 상기 포토레지스트 패턴은 제거된다.
도 4의 (c) 도면을 참조하면, 상기 트랜치(T)를 포함한 상기 제2 절연층(140)의 표면을 따라 상기 질화막(151)을 형성하고, 상기 제2 절연층(140) 위의 상기 질화막(151)을 제거하여 상기 트랜치(T) 내부에만 상기 질화막(151)이 잔존되도록 한다.
이후, 상기 트랜치(T)의 나머지 영역이 매립되도록 하여 상기 반도체 기판(100) 위에 광차폐 물질층(152a)을 형성한다.
도 4의 (d) 도면을 참조하면, 상기 트랜치(T) 내부에만 상기 광차폐 물질(152)이 잔존되도록 상기 반도체 기판(100) 위의 상기 광차폐 물질층(152a)을 평탄화하여 제거한다.
따라서, 상기 광차폐막(150)이 완성된다.
실시예에서는 상기 광차폐막(150)이 상기 질화막(151), 상기 광차폐 물질(152)의 두 층으로 형성된 것으로 설명하였으나, 그 이상의 층으로 형성될 수도 있다. 가령, 상기 광차폐 물질층(152a)은 차폐 효과를 극대화하기 위하여 두가지 이상의 물질층으로 이루어질 수 있다.
도 4의 (e) 도면을 참조하면, 상기 광차폐막(150)이 형성된 상기 제2 절연층(140) 위에 상기 컬러필터층(160)을 형성한다.
이후, 도 3과 같이 상기 컬러필터층(160) 위에 상기 마이크로렌즈(170)가 형성된다.
이와 같은 실시예에 따른 광차폐막 구조를 종래와 비교하면 다음과 같다.
첫째, 실시예는 다마신 공정을 응용한 것으로서, 하나의 절연층, 즉 상기 제2 절연층(140)을 이용하여 상기 광차폐막(150)을 형성할 수 있다. 반면, 종래에는 2개의 절연층, 즉 상기 제1 절연층(도 2의 11)과 제2 절연층(도 2의 13)이 필요로 된다. 따라서, 공정을 단순화할 수 있다.
둘째, 실시예에 따른 상기 광차폐막(150)은 상기 제2 절연층(140)의 상부에 형성되므로 상기 컬러필터층(160)에 접촉되어 형성될 수 있으나, 종래에는 광차폐막(12)이 상기 제2 절연층(도 2의 13)의 하부에 형성된다. 따라서, 실시예에 따른 광차폐막(150)의 차폐 효과가 우수함을 알 수 있다.
셋째, 실시예는 다마신 공정을 이용하므로, 도 2의 (d) 도면과 같이 별도의 평탄화 공정이 요구되지 않는다. 따라서, 공정을 단순화할 수 있다.
넷째, 종래에는 상기 광차폐막(도 2의 12)을 형성한 후 상기 제2 절연층(도 2의 13)을 형성하므로 상기 광차폐막(도 2의 12)의 깊이를 제어하기 곤란하다. 그러나, 실시예에 의하면, 상기 제2 절연층(140)을 형성한 후 상기 트랜치(T)의 깊이를 필요에 따라 조정할 수 있으므로, 상기 광차폐막(150)의 깊이를 쉽게 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 광차폐막(150)의 깊이는 상기 제2 절연층(140)의 두께, 상기 트랜치(T) 형성시 식각률 등을 조절하여 제어할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 광차폐막의 다른 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이며, 이미지 센서의 일부, 즉 상기 반도체 기판(100b) 내지 상기 마이크로렌즈(170b) 까지의 구조를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 광차폐막(150b)은 도 3과 비교하여 상기 제2 절연층(140b)의 아랫면까지 형성된 점이 상이하다.
즉, 전술한 바와 같이 상기 트랜치(T)의 깊이를 조절함에 있어서 식각 조건을 달리 함으로써, 상기 제2 절연층(140b)을 관통하도록 상기 트랜치(T)를 홀의 형태로 형성할 수 있는 것이다.
실시예에서는 BSI 구조의 이미지 센서에 적용된 광차폐막에 대하여 설명하였으나, 금속 구조물이 없는 절연층을 가지는 이미지 센서, 가령 3D-픽셀형 이미지 센서에 상기 광차폐막(150) 구조 및 형성 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 BSI 구조의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도.
도 2는 BSI 구조의 이미지 센서에 광차폐막을 형성하는 일반 공정을 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 각 단계별로 도시한 공정 순서도.
도 5는 실시예에 따른 광차폐막의 다른 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.
Claims (10)
- 포토다이오드를 포함한 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층;상기 제2 절연층의 상부에 형성되고 상기 포토다이오드에 수직하게 대응되도록 형성된 트랜치 내부에 형성된 광차폐막; 및상기 제2 절연층 위에 형성되고, 상기 광차폐막과 필터 영역이 대응되도록 형성된 컬러필터층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 이미지 센서는 BSI 구조를 가지며, 상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판 하부에 형성되고,상기 포토다이오드 사이의 상기 반도체 기판 하부에 형성된 소자분리막; 및상기 반도체 기판 아래에 형성되고, 금속 구조물을 포함하는 제1 절연층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광차폐막은하나 이상의 광차폐 물질층을 포함하여 하나 이상의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 광차폐막은질화막, 상기 광차폐 물질층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는반도체 기판 위에 형성되고, 금속 구조물을 포함하지 않은 절연층을 포함하는 3D 픽셀형 이미지 센서로서, 상기 광차폐막은 상기 절연층에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 트랜치는상기 제2 절연층 상에서 소정 깊이로 형성되거나 상기 제2 절연층의 밑면까지 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 포토다이오드를 포함한 반도체 기판 위에 제2 절연층이 형성되는 단계;상기 제2 절연층의 상부에 상기 포토다이오드에 수직하게 대응되도록 트랜치가 형성되는 단계;상기 트랜치가 매립되도록 하여 상기 제2 절연층 위에 광차폐 물질층이 형성되는 단계;상기 제2 절연층 위의 상기 광차폐 물질층을 제거하여 상기 트랜치에 광차폐막이 형성되는 단계; 및상기 광차폐막과 필터 영역이 대응되도록 상기 제2 절연층 위에 컬러필터층 이 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 이미지 센서는 BSI 구조의 센서로서, 상기 제2 절연층이 형성되기 전에,상기 반도체 기판에 소자분리막이 형성되는 단계;상기 소자분리막 사이에 포토다이오드가 형성되는 단계;상기 반도체 기판 위에 금속 구조물을 포함한 제1 절연층이 형성되는 단계;상기 제1 절연층이 밑을 향하도록 상기 반도체 기판이 뒤집혀지는 단계;상기 뒤집혀진 반도체 기판의 윗면이 평탄화되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제2 절연층 위에 광차폐 물질층이 형성되는 단계는,상기 제2 절연층의 표면을 따라 질화막이 형성되는 단계;상기 제2 절연층 위의 질화막이 제거되는 단계;상기 질화막이 형성된 상기 트랜치의 나머지 영역이 매립되도록 하여 상기 제2 절연층 위에 광차폐 물질층이 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 트랜치는상기 제2 절연층 상에서 소정 깊이로 형성되거나 상기 제2 절연층의 밑면까 지 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020090094216A KR20110036994A (ko) | 2009-10-05 | 2009-10-05 | 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 |
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ID=44044533
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| KR (1) | KR20110036994A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103545329A (zh) * | 2012-07-12 | 2014-01-29 | 索尼公司 | 固态成像装置、制造固态成像装置的方法以及电子设备 |
-
2009
- 2009-10-05 KR KR1020090094216A patent/KR20110036994A/ko not_active Application Discontinuation
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