KR20110079318A - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 BSI 구조의 이미지 센서에 관한 것으로서, 반도체 기판의 하측 일부에 형성된 제1 소자분리막; 상기 제1 소자분리막 사이의 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드; 상기 제1 소자분리막 위의 상기 반도체에 소정 깊이로 형성된 이온주입영역; 상기 반도체 기판 저면에 형성되고, 금속배선이 포함된 제1 절연층; 상기 제1 소자분리막과 수직하게 대응되는 영역에 트렌치가 형성되고, 상기 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층; 상기 제2 절연층 밑에 소정 깊이로 형성된 제1 이온주입층; 및 상기 트렌치 밑에 상기 소정 깊이보다 깊게 형성된 제2 이온주입층을 포함한다.
실시예에 의하면, 광차폐층으로 기능되는 이온주입영역을 이중 구조로 형성함으로써 광경로가 안정화되고 광간섭 현상을 방지할 수 있다. 또한, 노이즈 성분의 전자를 포획하는 제1 이온주입층과 광차폐층을 구성하는 제2 이온주입층을 동시에 형성할 수 있으므로 공정을 단순화할 수 있다.
이미지 센서, BSI, FSI, 광차폐막, 이온주입층, 광간섭 현상
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. BSI 구조의 이미지 센서는 금속 배선이 없는 반도체 기판의 저면으로부터 빛이 입사되도록 하는 구조이다.
도 1은 일반적인 BSI 구조의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 포토 다이오드(12), 소자분리막(11) 및 이온주입영역(13)이 형성된 반도체 기판(10), 금속배선(21)이 형성된 제1 절연층(20), 이온주입층(25), 제2 절연층(30), 컬러필터층(40), 마이크로렌즈(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 반도체 기판(10)의 상부에 소자분리막(11), 포토 다이오드(12)를 형성하고, 상기 소자분리막(11) 밑으로 이온주입영역(130)을 형성한다. 그리고, 상기 반도체 기판(10) 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 이온주입층(25)을 형성하고, 그 위에 상기 제2 절연층(30) 내지 상기 마이크로렌즈(50)를 순서대로 형성한다.
상기 이온주입층(25)은 뒤집혀진 상태의 상기 반도체 기판(10)의 저면측 계면에서 발생되는 노이즈 성분의 전자를 포획(trap)하기 위하여 형성되는 층이다.
이러한 BSI 구조는 금속배선의 영향을 배제할 수 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.
특히, 상기 이온주입영역(13)은 포토 다이오드(12) 사이를 격리시키기 위하여 형성되나, 이온주입공정의 한계로 인하여 상기 반도체 기판(10)의 저면(뒤집혀진 상태임)까지 형성되지 못하므로 광간섭 현상을 방지하기 부족하다.
FSI 구조의 이미지 센서에서는 파장이 긴 적색광의 간섭 현상이 가장 문제가 되나, BSI 구조의 이미지 센서에서는 파장이 짧은 청색광의 간섭 현상이 가장 문제가 된다.
실시예는 BSI 구조에서 발생되는 광간섭 현상 및 감도 저하를 최소화할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 BSI 구조의 이미지 센서에 관한 것으로서, 반도체 기판의 하측 일부에 형성된 제1 소자분리막; 상기 제1 소자분리막 사이의 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드; 상기 제1 소자분리막 위의 상기 반도체에 소정 깊이로 형성된 이온주입영역; 상기 반도체 기판 저면에 형성되고, 금속배선이 포함된 제1 절연층; 상기 제1 소자분리막과 수직하게 대응되는 영역에 트렌치가 형성되고, 상기 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층; 상기 제2 절연층 밑에 소정 깊이로 형성된 제1 이온주입층; 및 상기 트렌치 밑에 상기 소정 깊이보다 깊게 형성된 제2 이온주입층을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판에 포토 다이오드, 제1 소자분리막이 형성되고, 상기 제1 소자분리막 밑의 상기 반도체 기판에 소정 깊이로 이온주입영역이 형성되는 단계; 상기 반도체 기판 위에 금속배선이 포함된 제1 절연층이 형성되고, 상기 반도체 기판 및 상기 제1 절연층이 뒤집히는 단계; 상기 제1 절연층의 저면에 제2 절연층이 형성되는 단계; 상기 제1 소자분리막과 수직하게 대응되는 상기 제2 절연층 영역을 개구시키는 제2 포토레지스트 패턴이 상기 제2 절연층 위에 형성되는 단계; 식각 공정을 진행하여 상기 제2 절연층에 트렌 치가 형성되고, 상기 제2 포토레지스트 패턴이 제거되는 단계; 및 제2 이온주입공정을 통하여 상기 제2 절연층 밑에 소정 깊이로 제1 이온주입층이 형성되고, 상기 트렌치 밑에 상기 소정 깊이보다 깊게 제2 이온주입층이 형성되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광차폐층으로 기능되는 이온주입영역을 이중 구조로 형성함으로써 광경로가 안정화되고 광간섭 현상을 방지할 수 있다.
둘째, 빛의 종류, 즉 빛의 투과 계수에 따라 광차폐층의 형성 유무, 깊이, 도핑 농도를 용이하게 조절할 수 있다.
셋째, 하나의 이온 주입 마스크를 통하여 이중 구조의 이온주입영역을 형성할 수 있고, 노이즈 성분의 전자를 포획하는 제1 이온주입층과 광차폐층을 구성하는 제2 이온주입층을 동시에 형성할 수 있으므로 공정을 단순화할 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 구조 물들이 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 2는 실시예에 따른 제2 절연층(130)에 트렌치(T)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
반도체 기판(110)에 포토 다이오드(114), 제1 소자분리막(112), 트랜지스터(미도시) 등을 형성하고, 상기 제1 소자분리막(112) 영역을 개구시키는 제1 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다.
상기 제1 포토레지스트 패턴이 형성되면 이를 이온주입 마스크로 이용하여 제1 이온주입공정을 실시한다.
이때 주입된 이온은 상기 제1 소자분리막(112)을 관통하여 상기 반도체 기판(110)에 소정 깊이로 침투하게 되고, 상기 제1 소자분리막(112) 밑의 상기 반도체 기판(110)에 소정 깊이로 이온주입영역(116)이 형성된다.
이후, 상기 제1 포토레지스트 패턴은 제거된다.
상기 설명에서, 상기 이온주입영역(116)은 상기 포토 다이오드(114) 및 상기 트랜지스터가 형성된 후에 형성되는 것으로 설명하였으나, 상기 제1 이온주입영역(116)이 먼저 형성될 수도 있다.
상기 제1 포토레지스트 패턴이 제거되면, 상기 반도체 기판(110) 위에 제1 절연층(120)을 형성한다.
상기 제1 절연층(120)은 단층 혹은 다층 구조로 형성될 수 있으며, 포토리소그라피 공정, 식각 공정, 금속물질 매립 공정, 평탄화 공정 등이 진행되어 금속배선(122), 컨택 플러그(미도시) 등이 포함될 수 있다.
참고로, 상기 반도체 기판(110)은 제1 기판일 수 있고, 상기 제1 절연층(120)은 금속배선이 형성된 제2 기판일 수 있으며, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 접합 방식에 의하여 결합될 수 있다.
이후, 상기 반도체 기판(110)과 상기 제1 절연층(120)을 뒤집어 제1 절연층(120)이 밑을 향하게 하고, 상기 반도체 기판(110)이 위를 향하게 한다.
이때, 상기 반도체 기판(110)의 두께를 조정하기 위하여 뒤집혀진 상기 반도체 기판(110)의 밑면에 수정 깊이로 수소 이온이 주입되고, 이온주입층(미도시)을 경계로 그 위의 층이 제거될 수 있다(보통, "스마트 컷(smart-cut)"으로 지칭됨).
이어서, 뒤집혀진 상기 반도체 기판(110)의 저면에 제2 절연층(130)을 형성하고, 상기 제2 절연층(130) 위에 포토레지스트층을 도포한다.
상기 포토레지스트층을 도포한 후, 상기 제1 포토레지스트 패턴을 형성할때 사용된 동일한 마스크를 이용하여 포토리소그라피 공정 및 식각 공정 등을 처리함으로써 제2 포토레지스트 패턴(130a)을 형성한다.
따라서, 상기 제2 포토레지스트 패턴(130a)은 상기 제1 포토레지스트 패턴과 동일하게 상기 제1 소자분리막(112) 영역을 개구시킬 수 있다.
이후, 상기 제2 포토레지스트 패턴(130a)을 식각 마스크로 이용하여 상기 제2 절연층(130)에 트렌치(T)를 형성한다.
상기 트렌치(T)가 형성되면, 상기 제2 포토레지스트 패턴(130a)은 제거된다.
도 3은 실시예에 따른 제1 이온주입층(140a) 및 제2 이온주입층(140b)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
다음으로, 상기 제2 절연층(130)을 이온주입마스크로 하여 제2 이온주입공정을 실시한다.
따라서, 상기 제2 절연층(130) 밑으로 얇게 제1 이온주입층(140a)이 형성되고, 상기 트렌치(T) 밑으로 깊게 제2 이온주입층(140b)이 형성된다.
상기 제2 이온주입층(140b)은 뒤집혀진 상기 반도체 기판(110)의 저면으로부터 상기 이온주입영역(116)의 밑까지 형성된다.
즉, 상기 이온주입영역(116)은 상기 반도체 기판(110)의 상기 소정 깊이까지 광차폐막 기능을 수행하고, 상기 제2 이온주입층(140b)은 상기 소정 깊이로부터 상기 반도체 기판(110)의 나머지 깊이, 즉 상기 반도체 기판(110)의 저면까지 광차폐막 기능을 수행한다.
따라서, 상기 포토 다이오드(114) 사이의 상기 반도체 기판(110) 영역은 완전히 차폐될 수 있다.
상기 제1 이온주입층(140a)은 뒤집혀진 상기 반도체 기판(110)의 저면측 계면에서 발생되는 노이즈 성분의 전자를 포획하여 광감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 이온주입공정을 진행함에 있어서, 이온 주입 에너지, 이온 주입량을 차별화하여 단계적으로 실시함으로써 상기 제2 이온주입층(140b)의 깊이, 폭, 도핑 농도 등과 같은 프로파일(profile)을 다양하게 구현할 수 있다.
또한, 빛의 종류, 즉 빛의 투과 계수에 따라 상기 제2 포토레지스트 패턴(130a)의 개방 영역을 선택적으로 형성시킴으로써 상기 제2 이온주입층(140b) 역시 선택적으로 형성시킬 수 있는데, 이처럼 상기 제2 이온주입층(140b)의 형성 유무, 프로파일을 차별화하는 것은 가령, 빛의 종류(투과 계수)를 고려하여 선택될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 제2 소자분리막(150)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이어서, 상기 트렌치(T)가 매립되도록 하여 상기 제2 절연층(130) 위에 제3 절연층(미도시)을 형성하고, 상기 제2 절연층(130)이 노출될때까지 평탄화 공정을 진행하여 상기 제3 절연층을 제거한다.
따라서, 상기 트렌치(T)에 제2 소자분리막(150)이 형성될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 마이크로렌즈(170)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
다음으로, 뒤집혀진 상기 반도체 기판(110)의 저면 위에 컬러필터층(160)을 형성하고, 그 위에 마이크로렌즈(500)를 형성한다.
상기 컬러필터층(160)과 상기 마이크로렌즈(500) 사이에 평탄화보호층(미도시)이 더 형성될 수 있다.
상기 컬러필터층(160)의 각각의 컬러필터, 가령 적색/녹색/청색(R/G/B) 컬러필터들과 상기 마이크로렌즈(170)는 상기 포토 다이오드(114) 영역에 수직하게 대 응되도록 형성된다.
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 실시예에 따른 제2 절연층에 트렌치가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 제1 이온주입층 및 제2 이온주입층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 4는 실시예에 따른 제2 소자분리막이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 5는 실시예에 따른 마이크로렌즈가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 개략적으로 도시한 측단면도.
Claims (12)
- 반도체 기판에 포토 다이오드, 제1 소자분리막이 형성되고, 상기 제1 소자분리막 밑의 상기 반도체 기판에 소정 깊이로 이온주입영역이 형성되는 단계;상기 반도체 기판 위에 금속배선이 포함된 제1 절연층이 형성되고, 상기 반도체 기판 및 상기 제1 절연층이 뒤집히는 단계;상기 제1 절연층의 저면에 제2 절연층이 형성되는 단계;상기 제1 소자분리막과 수직하게 대응되는 상기 제2 절연층 영역을 개구시키는 제2 포토레지스트 패턴이 상기 제2 절연층 위에 형성되는 단계;식각 공정을 진행하여 상기 제2 절연층에 트렌치가 형성되고, 상기 제2 포토레지스트 패턴이 제거되는 단계; 및제2 이온주입공정을 통하여 상기 제2 절연층 밑에 소정 깊이로 제1 이온주입층이 형성되고, 상기 트렌치 밑에 상기 소정 깊이보다 깊게 제2 이온주입층이 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 이온주입층은뒤집혀진 상기 반도체 기판의 저면으로부터 상기 이온주입영역까지 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이온주입영역이 형성되는 단계는상기 제1 소자분리막 영역을 개구시키는 제1 포토레지스트 패턴이 형성되는 단계; 및제1 이온주입공정을 통하여 상기 제1 소자분리막 밑의 상기 반도체 기판에 소정 깊이로 이온주입영역을 형성하고, 상기 제1 포토레지스트 패턴이 제거되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 제1 포토레지스트 패턴 및 상기 제2 포토레지스트 패턴은 동일한 마스크를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 트렌치가 매립되도록 하여 상기 제2 절연층 위에 제3 절연층이 형성되는 단계; 및상기 제2 절연층이 노출될때까지 상기 제3 절연층이 평탄화되어 상기 트렌치에 제2 소자분리막이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2 소자분리막이 형성된 상기 제2 절연층 위에 컬러필터층이 형성되는 단계;상기 컬러필터층 위에 평탄화보호층이 형성되는 단계; 및상기 평탄화보호층 위에 마이크로렌즈가 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2 이온주입공정을 진행함에 있어서, 이온 주입 에너지, 이온 주입량 중 하나 이상의 공정 조건을 차별화하여 단계적으로 실시함으로써 상기 제2 이온주입층의 프로파일을 픽셀에 따라 차별적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- BSI 구조의 이미지 센서에 있어서,반도체 기판의 하측 일부에 형성된 제1 소자분리막;상기 제1 소자분리막 사이의 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드;상기 제1 소자분리막 위의 상기 반도체에 소정 깊이로 형성된 이온주입영역;상기 반도체 기판 저면에 형성되고, 금속배선이 포함된 제1 절연층;상기 제1 소자분리막과 수직하게 대응되는 영역에 트렌치가 형성되고, 상기 반도체 기판 위에 형성된 제2 절연층;상기 제2 절연층 밑에 소정 깊이로 형성된 제1 이온주입층; 및상기 트렌치 밑에 상기 소정 깊이보다 깊게 형성된 제2 이온주입층을 포함하는 이미지 센서.
- 제8항에 있어서, 제2 이온주입층은상기 트렌치로부터 상기 이온주입영역까지 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제8항에 있어서,상기 트렌치에 형성된 제2 소자분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,상기 제2 소자분리막이 형성된 상기 제2 절연층 위에 형성된 컬러필터층;상기 컬러필터층 위에 형성된 평탄화보호층; 및상기 평탄화보호층 위에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제8항에 있어서,상기 제1 이온주입층, 상기 제2 이온주입층 중 하나 이상의 층은 픽셀에 따라 도핑 농도, 깊이, 폭 중 하나 이상의 프로파일이 차별적으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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