KR20110077412A - 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법은, 기판에 형성된 메탈층 및 층간절연층; 상기 메탈층 상에 형성된 포토다이오드와; 상기 포토다이오드 상에 형성된 투명전극층과; 상기 투명전극층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
BSI, 이미지센서, 후면수광

Description

후면수광 이미지센서 및 그 제조방법{Back Side Illumination Image Sensor and Method for Manufacturing the same}
실시예는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자이다. 특히 CMOS (Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이미지센서 기술의 발달에 따라 칩 사이즈(Chip Size) 증가 없이 픽셀(Pixel) 수 증가를 위한 목적으로 포토다이오드의 사이즈가 점점 감소함에 따라 수광부 면적 축소로 이미지 특성(Image Quality)이 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 수광부 면적 축소만큼의 적층높이(Stack Height)의 감소가 이루어지지 못하여 에어리 디스크(Airy Disk)라 불리는 빛의 회절 현상으로 수광부에 입사되는 포톤(Photon)의 수 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 웨이퍼 백사이드(Wafer Back Side)를 통해 빛을 받아들여 수광부 상부의 단차를 최소화하고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 현상을 없애는 후면수광(Back Side Illumination, BSI) 이미지 센서가 개발된 바 있다.
후면수광 이미지센서는 로직 회로가 형성된 기판과 포토다이오드가 형성된 기판을 본딩하여 형성한다. 따라서, 두 개의 기판에서 각각 공정을 진행해야 하는 불편함이 있으며, 본딩 중에 양 측 기판의 배열이 맞지 않거나(misalign), 박리(delamination), 크랙(crack) 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 본딩 후 컬러필터와 마이크로렌즈를 생성함에 있어서 포토키 어라인(photo key align) 문제가 발생 할 수 있다. 이와 같이, 종래기술에 의한 후면수광 이미지센서는 제조 공정이 복잡하고 어렵다는 문제점이 있다.
실시예는 웨이퍼 본딩 공정 없이 용이하게 제조가 가능한 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 의한 후면수광 이미지센서는, 기판에 형성된 메탈층 및 층간절연층; 상기 메탈층 상에 형성된 포토다이오드와; 상기 포토다이오드 상에 형성된 투명전극층과; 상기 투명전극층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
실시예에 의한 후면수광 이미지센서의 제조방법은, 기판 상에 메탈층과 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층 및 메탈층에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 웨이퍼 본딩 공정 없이 용이하게 제조가 가능한 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 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. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 구조도이다. 실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 단일의 기판상에 구현되며, 기판의 후면을 통해 빛을 받아들여 수광부 상부의 단차를 최소화하고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 현상을 방지한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 기판에 형성된 메탈층(100) 및 층간절연층(110)과, 메탈층(100) 상에 형성된 포토다이오드(200)와, 포토다이오드(200) 상에 형성된 투명전극층(300)과, 투명전극층(300) 상에 형성된 컬러필터(400) 및 마이크로렌즈(410)를 포함한다.
메탈층(100, 10)은 기판 상에 다층 구조를 형성될 수 있으며 각 메탈층(100, 10)은 비아(20)를 통해 연결될 수 있다. 최상위 메탈층(100)상에는 층간절연층(110)이 형성되고, 여기에 트렌치 공정을 수행하여 포토다이오드(200)를 형성한다. 트렌치(T)에는 메탈막(210)을 형성하여 밴드 갭을 맞출 수 있다.
포토다이오드(200)는 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)로 형성할 수 있다. CIGS(CuInxGa(1- x)Se2)는 게르마늄(germanium)을 베이스로 한 물질과 합금을 혼합한 것으로서, 가시광선의 흡수가 가능하며 동시 스퍼터링(co-sputtering), 동시 증착(co-evaporation), 전기 도금(electroplating) 등의 다양한 공정으로 생성시킬 수 있다.
포토다이오드(200) 상에는 투명전극층(300)과, 평탄화층(310)을 형성한 후 컬러필터(400)와 마이크로렌즈(410)를 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 포토다이오드 트렌치(T) 공정을 수행하여 단일의 가판상에 후면수광이 가능한 이미지센서를 구현하고 있다.
도 2 내지 도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조 공정도이다.
먼저, 기판 상에 메탈층(100)을 구현한 후 층간절연층(110)을 형성한다. 예컨대, 통상적인 이미지센서의 공정과 마찬가지로 metal-2까지 구현한 후 ILD-2를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(200) 어레이를 구현하기 위해 트렌치(T)를 형성한다. 트렌치(T) 형성을 위해 1.5um 이하로 oxide etch를 수행할 수 있다. 트렌치(T)의 내부에는 메탈막(210)을 형성하여 밴드 갭을 맞출 수 있다. 다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)의 탑 코너를 에칭하여 탑 부분의 메탈막(210)을 제거함으로써, 트렌치(T)가 절연되도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)가 매립되도록 포토다이오드층(200a)을 형성한다. 포토다이오드층(200a)은 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)로 형성할 수 있다. CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)는 게르마늄(germanium)을 베이스로 한 물질과 합금을 혼합한 것으로서, 가시광선의 흡수가 가능하며 동시 스퍼터링(co-sputtering), 동시 증착(co-evaporation), 전기 도금(electroplating) 등의 다양한 공정으로 생성시킬 수 있다. 예컨대, GIGS는 Cu, In, Ga, Se 를 타깃(target)으로 이용한 동시 스퍼터링(co-sputtering) 방법으로 형성이 가능하다. 이 때 조성은 Cu, In, Ga, Se 순으로 1 : X : (1-X) : 2로 하며 X는 0.1 ~ 0.6까지 실시한다. 이 후, CIGS를 안정화 하기 위하여 400℃에서 1hr 동안 신터(sinter) 공정을 수행한다.
다음, 도 5에 도시된 바와 같이, CIGS CMP 공정을 수행하여 CIGS층(200a)을 층간절연층(110)까지 제거하여 포토다이오드(200)를 형성한다.
CIGS 트렌치 형상의 포토다이오드(200)가 완성된 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 투명전극층(300)을 0.3um 두께로 형성한다. 투명전극층(300)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 투명전극층(300)은 픽셀영역에만 형성된다. 픽셀영역에만 투명전극층(300)을 형성하기 위해 사진 및 식각공정이 진행될 수 있다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, 픽셀영역을 평탄화하기 위해 PR 평탄화층(310)을 형성한다.
이 후, 도 8에 도시된 바와 같이, 평탄화층(310) 상에 컬러필터(400)와 마이 크로렌즈(410)를 형성할 수 있다. 여기서, 컬러필터(400)는 필요에 따라 선택적으로 형성할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 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 후면수광 이미지센서의 구조도.
도 2 내지 도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조 공정도.

Claims (13)

  1. 기판에 형성된 메탈층 및 층간절연층;
    상기 메탈층 상에 형성된 포토다이오드와;
    상기 포토다이오드 상에 형성된 투명전극층과;
    상기 투명전극층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 후면수광 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)로 형성되는 후면수광 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드와 상기 층간절연층 사이에 개재되는 메탈막을 포함하는 후면수광 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층은,
    ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포 함하여 형성되는 후면수광 이미지센서.
  5. 기판 상에 메탈층과 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간절연층 및 메탈층에 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치에 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명전극층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 트렌치에 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    상기 트렌치 내에 메탈막을 형성하는 단계;
    상기 트렌치의 탑 코너에 형성된 메탈막을 제거하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 트렌치에 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    상기 트렌치에 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)층을 형성하는 단계;
    상기 CIGS층을 상기 층간절연층까지 연마하여 제거하는 단계를 포함하는 후 면수광 이미지센서의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 트렌치에 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)층을 형성하는 단계는,
    동시 스퍼터링(co-sputtering), 동시 증착(co-evaporation), 전기 도금(electroplating) 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 트렌치에 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)층을 형성하는 단계는,
    Cu, In, Ga, Se를 타깃으로 이용하여 동시 스퍼터링(co-sputtering)을 수행하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 Cu, In, Ga, Se의 조성은 1 : X : (1-X) : 2로 하며 X는 0.1 ~ 0.6까지 실시하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 CIGS(CuInxGa(1-x)Se2) 안정을 위해 신터공정을 수행하는 단계를 포함하 는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 투명전극층은, ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 포토다이오드 상에 투명전극층을 형성하는 단계는,
    픽셀영역에만 상기 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
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