KR20110048115A - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 픽셀 영역과 논리소자 영역으로 구분되는 반도체 기판 위에 산화막을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역의 상기 산화막 일부를 제거하고, 상기 산화막 일부가 제거된 상기 반도체 기판 위에 에피층을 성장시키는 단계; 상기 산화막을 제거하는 단계; 및 상기 에피층 일부에 포토 다이오드를 형성하며, 상기 에피층과 상기 논리소자 영역의 상기 반도체 기판에 각각 소자분리영역과 반도체 소자를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 픽셀 영역에서 포토 다이오드와 마이크로렌즈 사이의 거리를 선택적으로 최소화함으로써 절연층 투과시의 광손실을 최소화하고, 절연층의 금속 구조물에 의한 굴절, 반사, 산란 등의 영향을 최소화할 수 있다.
이미지 센서, 절연층, 광손실, 산란, 에피층, 포토 다이오드

Description

이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법{Image sensor and manufacturing method of image sensor}
실시예는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서에서, 마이크로렌즈, 평탄화보호층, 컬러필터층을 투과한 빛은 절연층을 경유하여 반도체 기판의 포토 다이오드에 입사된다.
이때, 상기 절연층은 다층 구조의 컨택 및 금속배선을 포함하므로 두꺼운 두께를 가지며, 따라서, 빛이 상기 절연층을 투과하는 동안 빛의 일부가 흡수되어 광손실이 발생한다.
또한, 빛이 상기 절연층을 투과하는 과정에서, 컨택 및 금속배선과 같은 금속 구조물에 의하여 굴절, 반사, 산란 등의 영향을 받아므로 광손실이 발생한다.
따라서, 상기 포토 다이오드에 도달하는 빛은 열화되고, 상기 포토 다이오드에서 생성되는 전자의 수가 감소되어 이미지 센서의 감도가 저하되는 문제점이 있다.
실시예는 컨택, 금속배선과 같은 다층 구조의 금속 구조물이 형성된 절연층 상에서 광손실이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 영역과 논리소자 영역으로 구분되는 반도체 기판; 상기 픽셀 영역의 일부에 소정 두께로 성장된 에피층; 상기 에피층 일부에 형성된 포토 다이오드; 및 상기 에피층 및 상기 논리소자 영역의 상기 반도체 기판에 각각 형성된 소자분리영역 및 반도체 소자를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 픽셀 영역과 논리소자 영역으로 구분되는 반도체 기판 위에 산화막을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역의 상기 산화막 일부를 제거하고, 상기 산화막 일부가 제거된 상기 반도체 기판 위에 에피층을 성장시키는 단계; 상기 산화막을 제거하는 단계; 및 상기 에피층 일부에 포토 다이오드를 형성하며, 상기 에피층과 상기 논리소자 영역의 상기 반도체 기판에 각각 소자분리영역과 반도체 소자를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 픽셀 영역에서 포토 다이오드와 마이크로렌즈 사이의 거리를 선택적으로 최소화함으로써 절연층 투과시의 광손실을 최소화하고, 절연층의 금속 구조물에 의한 굴절, 반사, 산란 등의 영향을 최소화할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드에 입사되는 광량을 극대화하고, 이미지 센서의 전기적 특성을 향상시키며, 픽셀 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 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 실시예의 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.
도 1은 실시예에 따른 에피층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
픽셀 영역(A)과 논리소자 영역(B)으로 구분되는 반도체 기판(100) 위에 산화막(110)을 형성하고, 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 진행하여 상기 픽셀 영역(A)의 상기 산화막(110) 일부를 제거한다.
다음으로, 상기 반도체 기판(100) 위에 에피층(120)을 성장시킨다.
이때, 상기 에피층(120)은 상기 산화막(110)이 제거되어 드러난 상기 픽셀 영역(A)의 반도체 기판(100) 위에만 성장되고, 상기 산화막(110) 위에는 성장되지 않는다. 따라서, 상기 에피층(120)은 선택적으로 성장될 수 있다.
이후, 상기 산화막(110)은 제거된다.
상기 산화막(110)은 약 100Å 내지 200Å의 두께로 형성되고, 상기 에피층(120)은 약 2000Å 내지 3000Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 반도체 소자(142, 144)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이어서, 상기 에피층(120) 상측 일부에 포토 다이오드(122)를 형성하고, 상기 픽셀 영역(A)과 상기 논리소자 영역(B)에 각각 소자분리영역(130) 및 반도체 소자(142, 144)를 형성한다.
가령, 상기 소자분리영역(130)은 STI(Shallow Trench Isolation) 구조로 형성될 수 있으며, 상기 픽셀 영역(A)의 반도체 소자(142)는 포토 다이오드(122)에서 변환된 전류를 처리하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 드라이버 트랜지스터일 수 있다.
이때, 상기 픽셀 영역(A)의 소자분리영역(130)은 상기 포토 다이오드(122)의 중간을 관통하도록 형성될 수 있고, 상기 픽셀 영역(A)의 반도체 소자(142)는 상기 에피층(120) 위 그리고 상기 포토 다이오드(122)의 양측에 형성될 수 있다.
따라서, 상기 에피층(120) 위에는 상기 소자분리영역(130)에 의하여 구분되는 다수의 픽셀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 논리소자 영역(B)의 반도체 소자(144)는 상기 이미지 센서의 픽셀 어레이를 구동하는 회로 소자일 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 제1 절연층(150)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이어서, 상기 반도체 소자(142, 144), 상기 에피층(120)이 덮히도록 하여 상기 반도체 기판(100) 위에 제1 절연층(150)을 형성하고, 상기 제1 절연층(150)에 상기 논리소자 영역(B)의 반도체 소자와 접속되는 제1 컨택(151)을 형성한다.
도 4는 실시예에 따른 제1 금속배선(152)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이후, 포토레지스트층의 도포, 포토리소그라피 공정, 식각 공정, 포토레지스트 패턴의 제거 공정 등을 통하여, 상기 제1 컨택(151)을 포함한 상기 논리소자 영역(B)의 상기 제1 절연층(150)의 상측 일부를 제거한다.
따라서, 상기 픽셀 영역(A)과 상기 논리소자 영역(B)의 상기 제1 절연층(150) 사이에 단차가 발생될 수 있다.
이어서, 상측 일부가 제거된 상기 논리소자 영역(B)의 상기 제1 절연층(150) 위에 상기 제1 컨택(151)과 접속되는 제1 금속배선(152)을 형성한다.
도 5는 실시예에 따른 제2 금속배선이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
상기 제1 금속배선(152)이 형성된 후, 상기 논리소자 영역(B)의 상기 제1 절연층(150)의 단차를 메우는 제2 절연층(160)을 형성한다.
상기 제2 절연층(160)이 형성되면, 상기 픽셀 영역(A)의 상기 제1 절연층(150)에 상기 에피층(120) 위의 상기 반도체 소자(142)와 접속되는 제2 컨택(153)을 형성하고, 상기 제2 절연층(160)에 상기 제1 금속배선(152)과 접속되는 제3 컨택(154)을 형성한다.
다음으로, 상기 제1 절연층(150), 상기 제2 절연층(160) 위에 각각 상기 제2 컨택(153) 및 상기 제3 컨택(154)과 접속되는 제2 금속배선(161)을 형성한다.
도 6은 실시예에 따른 마이크로렌즈(190)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이후, 상기 제2 금속배선(161)을 포함하여 상기 픽셀 영역(A)의 상기 제1 절연층(150)과 상기 논리소자 영역(B)의 상기 제2 절연층(160) 위에 제3 절연층(170)을 형성한다.
상기 제3 절연층(170)은 상기 제2 금속배선(161)과 연결되는 제4 컨택(171) 및 제3 금속배선(172)을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 픽셀 영역(A)의 상기 포토 다이오드(120)와 수직하게 대응되는 상기 제3 절연층(170) 위에 컬러필터층(180), 평탄화보호층(182), 마이크로렌즈(190)을 형성하여 실시예에 따른 이미지 센서를 완성한다.
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 실시예에 따른 에피층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 2는 실시예에 따른 반도체 소자가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 제1 절연층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 4는 실시예에 따른 제1 금속배선이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 5는 실시예에 따른 제2 금속배선이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 6은 실시예에 따른 마이크로렌즈가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.

Claims (14)

  1. 픽셀 영역과 논리소자 영역으로 구분되는 반도체 기판 위에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 픽셀 영역의 상기 산화막 일부를 제거하고, 상기 산화막 일부가 제거된 상기 반도체 기판 위에 에피층을 성장시키는 단계;
    상기 산화막을 제거하는 단계; 및
    상기 에피층 일부에 포토 다이오드를 형성하며, 상기 에피층과 상기 논리소자 영역의 상기 반도체 기판에 각각 소자분리영역과 반도체 소자를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판 위에 제1 절연층을 형성하고, 상기 논리소자 영역의 반도체 소자와 연결되는 제1 컨택을 상기 제1 절연층에 형성하는 단계;
    상기 제1 컨택을 포함한 상기 논리소자 영역의 상기 제1 절연층의 상측 일부를 제거하여 단차를 형성하는 단계; 및
    상측 일부가 제거된 상기 제1 절연층 위에 상기 제1 컨택과 연결되는 제1 금속배선을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단차를 메우는 제2 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 에피층 위에 형성된 상기 반도체 소자와 연결되는 제2 컨택을 상기 제1 절연층에 형성하고, 상기 제1 금속배선과 연결되는 제3 컨택을 상기 제2 절연층에 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 픽셀 영역의 상기 제1 절연층과 상기 논리소자 영역의 상기 제2 절연층 위에 하나 이상의 적층 구조를 가지며, 상기 제2 컨택 및 상기 제3 컨택과 연결되는 하나 이상의 컨택 및 금속배선을 포함하는 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 포토 다이오드와 수직하게 대응되는 상기 픽셀 영역의 상기 제1 절연층 위에 컬러필터층을 형성하는 단계;
    상기 컬러필터층 위에 평탄화보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 평탄화보호층 위에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에피층 위에 형성된 반도체 소자는
    트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 드라이버 트랜 지스터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에피층에 형성된 소자분리영역은 상기 포토 다이오드의 중간을 관통하여 형성되고,
    상기 에피층 위에 형성된 반도체 소자는 상기 포토 다이오드의 양측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  8. 픽셀 영역과 논리소자 영역으로 구분되는 반도체 기판;
    상기 픽셀 영역의 일부에 소정 두께로 성장된 에피층;
    상기 에피층 일부에 형성된 포토 다이오드; 및
    상기 에피층 및 상기 논리소자 영역의 상기 반도체 기판에 각각 형성된 소자분리영역 및 반도체 소자를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에피층 및 상기 반도체 기판 위에 형성되고, 적어도 상기 에피층을 포함하는 상기 픽셀 영역과 상기 논리소자 영역 사이에 단차가 형성된 제1 절연층;
    상기 논리소자 영역의 상기 반도체 소자와 연결되고, 상기 제1 절연층에 형성된 제1 컨택; 및
    상기 논리소자 영역의 상기 제1 절연층의 단차 위에 형성되고, 상기 제1 컨 택과 연결되는 제1 금속배선을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단차를 메우는 제2 절연층;
    상기 에피층 위에 형성된 상기 반도체 소자와 연결되고, 상기 제1 절연층에 형성된 제2 컨택; 및
    상기 제1 금속배선과 연결되고, 상기 제2 절연층에 형성된 제3 컨택을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 픽셀 영역의 상기 제1 절연층과 상기 논리소자 영역의 상기 제2 절연층 위에 하나 이상의 적층 구조를 가지며, 상기 제2 컨택 및 상기 제3 컨택과 연결되는 하나 이상의 컨택 및 금속배선을 포함하는 절연층을 포함하는 이미지 센서.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 포토 다이오드와 수직하게 대응되는 상기 픽셀 영역의 상기 제1 절연층 위에 형성된 컬러필터층;
    상기 컬러필터층 위에 형성된 평탄화보호층; 및
    상기 평탄화보호층 위에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  13. 제8항에 있어서, 상기 에피층 위에 형성된 반도체 소자는
    트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 드라이버 트랜지스터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 에피층에 형성된 소자분리영역은 상기 포토 다이오드의 중간을 관통하여 형성되고,
    상기 에피층 위에 형성된 반도체 소자는 상기 포토 다이오드의 양측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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