KR20130119193A - 후면 수광 이미지 센서와 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후면 수광 이미지 센서에 있어서 인접 픽셀간의 간섭 현상을 최소화시킬 수 있는 후면 수광 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 에피층이 드러나도록 상기 제 1 기판을 제거하는 단계와, 상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층의 상부에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층에 대응되는 상기 제 1 보호막의 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이를 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 에피층이 드러나도록 상기 제 1 기판을 제거하는 단계와, 상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층의 상부에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층에 대응되는 상기 제 1 보호막의 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 CMOS 이미지 센서(image sensor : CIS)에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성한 후 딥 트렌치에 의해 분리된 에피층에 대응되는 영역 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성함으로써, 픽셀간 간섭 효과를 최소화할 수 있는 후면 수광 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 후면 수광(backside illumination) 이미지 센서는 웨이퍼의 후면에 이미지 센서의 마이크로 렌즈와 포토다이오드를 형성하여 수광 효율을 높이도록 한 소자를 말하는 것으로, 이와 같이 수광 효율을 높임으로서 종래 전면 수광(front side illumination) 이미지 센서 소자의 해상도(resolution) 증가 제한 및 금속배선(metal line)에 의한 민감도(sensitivity) 저하 등의 문제를 해결할 수 있도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 전면 수광 이미지 센서와 후면 수광 이미지 센서의 단면도를 도시한 것으로, 도 1a에 도시된 전면 수광 이미지 센서에서는 마이크로 렌즈(micro lens)(100)가 웨이퍼 전면에 형성되어 마이크로 렌즈(100)를 통과한 빛(150)이 금속 배선부(104)에 의해 하부의 포토다이오드(102)까지 효율적으로 전달되지 못하고 있음을 알 수 있다.
이에 반해, 도 1b에 도시된 후면 수광 이미지 센서에서는 마이크로 렌즈(100)가 웨이퍼 후면에 형성되어 마이크로 렌즈(100)를 통과한 빛(150)이 곧바로 포토다이오드(102)로 수신됨으로써 빛의 수광 효율이 높아지는 것을 알 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 종래 SOI 웨이퍼를 이용한 후면 수광 이미지 센서의 제조 공정 단면도를 도시한 것이다.
이하, 도 2a 내지 도 2f를 참조하여 종래 SOI 웨이퍼를 이용한 후면 수광 이미지 센서의 제조 공정을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 2a에서 보여지는 바와 같이, SOI 웨이퍼를 이용하여 에피층(epi layer)(204) 상부에 CMOS 이미지 센서 공정을 진행해서 이미지 센서를 위한 금속배선(206)을 형성시킨다.
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 경박화(wafer thining)를 위해 CMOS 공정이 진행된 웨이퍼의 상단에 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 공정을 통해 서포트 웨이퍼(support wafer)(208)를 부착한다.
그런 후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 본딩된 서포트 웨이퍼(208)를 고정하여 실리콘 기판(Si substrate)(200)에 대한 그라인딩(grinding)과 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 진행하여 도 2d에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(200)을 제거시켜 매립 산화막(BOX : buried oxide)(202)를 노출시킨다.
이어, 도 2e에 도시된 바와 같이, 습식 식각을 통해 매립 산화막(202)를 제거하여 포토다이오드 영역이 형성될 에피층(204)을 남긴 후, 도 2f에서와 같이 컬러필터(color filter)(210)와 마이크로 렌즈(212), 서포트 글래스 플레이트(support glass plate)(214)를 순차적으로 형성시켜 후면 수광 이미지 센서를 완료한다.
한편, 위와 같은 종래 후면 수광 이미지 센서의 제조 공정에서는 웨이퍼 경박화 공정 즉, 웨이퍼상 포토다이오드 두께만큼 남기고 나머지 실리콘을 제거하는 공정을 위해 식각 정지막(etch stop layer)으로 실리콘 산화막(silicon oxide)이 필요하게 된다. 이때, 실리콘 하부에 산화막이 존재해야 하므로 실리콘 층 사이에 매립 산화막이 존재하는 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 실리콘 기판으로 사용하게 된다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 후면 수광 이미지 센서는 실제 빗을 받아들이는 영역인 필 팩터(fill factor)를 증가시켜 전면 수광 이미지 센서에 비해 좋은 이미지를 생성할 수 있다.
그런데, 후면 수광 이미지 센서 및 전면 수광 이미지 센서 모두 빛이 입사될 때 인접 픽셀 간섭으로 이미지 특성 및 왜곡 현상이 발생되고 있다. 특히, 픽셀 사이즈가 작아짐에 따라 이러한 간섭 현상이 더욱 커지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 후면 수광 이미지 센서에 있어서 인접 픽셀간의 간섭 현상을 최소화시킬 수 있는 후면 수광 이미지 센서와 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 에피층이 드러나도록 상기 제 1 기판을 제거하는 단계와, 상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층의 상부에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층에 대응되는 상기 제 1 보호막의 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법에서 상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 에피층의 일부 영역이 관통되도록 상기 에피층을 패터닝하여 상기 딥 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법에서 상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 에피층의 일부 영역이 거의 관통되도록 상기 에피층을 패터닝하여 상기 딥 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법은 상기 딥 트렌치에 대응되는 영역의 상기 제 1 보호막 상부에 광 차폐막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법은 상기 광 차폐막이 형성된 제 1 보호막의 상부에 제 2 보호막을 형성하며, 상기 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계는, 상기 제 2 보호막의 상부에 상기 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법에서 상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 에피층의 상부에 상기 딥 트렌치에 대응되는 영역이 오픈된 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 한 식각 공정을 통해 상기 에피층의 일부 영역을 오픈시켜 상기 딥 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 방법에서 상기 딥 트렌치는, 상기 제 1 보호막 형성 시 증착되는 물질로 갭필되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서는 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 제 1 기판을 제거하여 형성되는 후면 수광 시모스 이미지 센서로서, 상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위해 형성된 딥 트렌치와, 상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층 상부에 형성된 제 1 보호막과, 상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층 영역에 대응되는 상기 보호막의 상부에 형성된 칼라 필터 및 렌즈를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서에서 상기 딥 트렌치는, 상기 에피층의 일부 영역이 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서에서 상기 딥 트렌치는, 상기 에피층의 일부 영역이 거의 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서는 상기 딥 트렌치에 대응되는 영역의 상기 제 1 보호막 상부에 형성된 광 차폐막과, 상기 광 차폐막이 형성된 제 1 보호막의 상부에 형성된 제 2 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서에서 상기 딥 트렌치는, 0.001-5㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성한 후 딥 트렌치에 의해 분리된 에피층에 대응되는 영역 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성함으로써, 픽셀간 간섭 효과를 최소화시킬 수 있다.
도 1a은 일반적인 전면 수광 이미지 센서를 도시한 단면도,
도 1b는 일반적인 후면 수광 이미지 센서를 도시한 단면도,
도 2a 내지 도 2f는 종래 후면 수광 이미지 센서의 제조 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 과정을 도시한 공정 단면도이다.
도 1b는 일반적인 후면 수광 이미지 센서를 도시한 단면도,
도 2a 내지 도 2f는 종래 후면 수광 이미지 센서의 제조 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 과정을 도시한 공정 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 인접 픽셀간의 간섭 현상을 최소화시킬 수 있는 후면 수광 이미지 센서와 그 제조 방법에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 영역이 정의된 에피층(304)을 구비한 실리콘 기판(300)과 캐리어 실리콘 기판(308)을 본딩한 후 실리콘 기판(300)을 제거하여 형성될 수 있다. 이러한 후면 수광 이미지 센서는 에피층(304)을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위해 형성된 딥 트렌치(310)과, 딥 트렌치(310)이 형성된 에피층(304) 상부에 순차 형성된 제 1 보호막(312), 제 1 보호막(312) 상부 일부 영역에 형성된 광 차폐막(314) 및 제 2 보호막(316)을 포함할 수 있다.
또한, 제 2 보호막(316)의 상부 영역, 즉 딥 트렌치(310)에 의해 분리된 에피층(304) 영역에 대응되는 제 2 보호막(316) 상부에 형성된 칼라 필터(318) 및 마이크로 렌즈(320)를 구비할 수 있다. 여기에서, 딥 트렌치(310)의 폭은 0.001-5㎛일 수 있으며, 그 폭이 작기 때문에 제 1 보호막(312) 형성 시 보이드 상태 또는 패시베이션 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 딥 트렌치(310)가 보이드 상태를 유지하는 것으로 예를 들어 설명하였지만, 제 1 보호막(312) 형성 시 증착되는 물질로 갭필될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 후면 수광 이미지 센서를 제조하는 과정에 대해 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 설명한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시 예에 따른 후면 수광 이미지 센서의 제조 과정을 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(300)를 이용하여 에피층(epi layer)(304)을 형성한 후 그 상부에 CMOS 이미지 센서 공정을 진행해서 이미지 센서를 위한 금속 배선(306)을 형성시킨다. 여기에서, 실리콘 기판(300)은 SOI 웨이퍼일 수 있는데, 이 경우 실리콘 기판(300)와 에피층(304) 사이에 매립 산화막(BOX : buried oxide)(302)이 형성될 수 있으며, 에피층(304)에는 포토다이오드 영역이 정의될 수 있다.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 같이 웨이퍼 경박화(wafer thining)를 위해 CMOS 공정이 진행된 실리콘 기판(300)의 상단에 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 공정을 통해 캐리어 실리콘 기판(308)를 부착한다.
그런 후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 캐리어 실리콘 기판(308)을 고정하여 실리콘 기판(300)에 대한 그라인딩(grinding)과 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 진행하여 도 4d에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(300)과 매립 산화막(302)을 제거한다. 여기에서, 실리콘 기판(300)이 SOI 웨이퍼인 경우 그라인딩(grinding)과 CMP 공정을 통해 매립 산화막(302)까지 제거하고, 그렇지 않을 경우 건식 또는 습식 식각 공정을 통해 실리콘 기판(300)을 제거할 수 있다. 건식 또는 습식 식각 공정을 통해 실리콘 기판(300)을 제거할 때 0.5㎛~5㎛ 정도 두께까지 실리콘 기판(300)을 남길 수 있다.
그런 다음, 에피층(304)의 일부 영역을 식각하여 픽셀 영역을 분리하기 위한 딥 트렌치(310)를 형성한다. 딥 트렌치(310)의 형성 과정에 대해 설명하면, 먼저 에피층(304)의 상부에 포토레지스트 패턴(미도시됨)을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 한 건식 식각 공정을 진행하여 에피층(304)의 일부 영역을 식각함으로써, 딥 트렌치(310)를 형성한다. 그리고 나서, 스트립 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 제거한 후 세정 및 어닐 공정을 실시할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 딥 트렌치(310)가 에피층(304)의 일부 영역을 관통하도록 형성되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 에피층(304)의 일부만을 식각하여 거의 관통되도록 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 딥 트렌치(310)의 폭은 0.001-5㎛일 수 있다.
이후, 도 4e에 도시된 바와 같이, 딥 트렌치(310)이 형성된 에피층(304)의 상부에 유전체(dielectric material)를 이용하여 제 1 보호막(312)을 증착한 후 딥 트렌치(310)에 대응되는 영역의 제 1 보호막(312) 상부에 광 차폐막(314)을 형성할 수 있다. 그런 다음, 광 차폐막(314)이 형성된 제 1 보호막(312)의 상부에 제 2 보호막(316)을 형성할 수 있다.
그리고 나서, 제 2 보호막(316)의 상부 영역, 즉 딥 트렌치(310)가 형성된 부분에 칼라 필터(318) 및 마이크로 렌즈(320)가 순차적으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 포토다이오드 영역인 에피층(304)의 일부 영역을 식각하여 딥 트렌치(310)를 형성한 후 그 상부에 칼라 필터(318) 및 마이크로 렌즈(320)을 형성함으로써, 픽셀간 간섭을 최소화시킬 수 있는 후면 수광 이미지 센서를 제조할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
300 : 실리콘 기판 302 : 매립 산화막
304 : 에피층 306 : 금속 배선
308 : 캐리어 실리콘 기판 310 : 딥 트렌치
312 : 제 1 보호막 314 : 광 차폐막
316 : 제 2 보호막 318 : 칼라 필터
320 : 마이크로 렌즈
304 : 에피층 306 : 금속 배선
308 : 캐리어 실리콘 기판 310 : 딥 트렌치
312 : 제 1 보호막 314 : 광 차폐막
316 : 제 2 보호막 318 : 칼라 필터
320 : 마이크로 렌즈
Claims (13)
- 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 에피층이 드러나도록 상기 제 1 기판을 제거하는 단계와,
상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위한 딥 트렌치를 형성하는 단계와,
상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층의 상부에 제 1 보호막을 형성하는 단계와,
상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층에 대응되는 상기 제 1 보호막의 상부에 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는,
상기 에피층의 일부 영역이 관통되도록 상기 에피층을 패터닝하여 상기 딥 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는,
상기 에피층의 일부 영역이 거의 관통되도록 상기 에피층을 패터닝하여 상기 딥 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 딥 트렌치에 대응되는 영역의 상기 제 1 보호막 상부에 광 차폐막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
후면 광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 광 차폐막이 형성된 제 1 보호막의 상부에 제 2 보호막을 형성하며,
상기 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 단계는, 상기 제 2 보호막의 상부에 상기 칼라 필터 및 렌즈를 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 딥 트렌치를 형성하는 단계는,
상기 에피층의 상부에 상기 딥 트렌치에 대응되는 영역이 오픈된 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,
상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 한 식각 공정을 통해 상기 에피층의 일부 영역을 오픈시켜 상기 딥 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 딥 트렌치는, 상기 제 1 보호막 형성 시 증착되는 물질로 갭필되는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서의 제조 방법.
- 포토다이오드 영역이 정의된 에피층을 구비한 제 1 기판과 제 2 기판을 본딩한 후 상기 제 1 기판을 제거하여 형성되는 후면 수광 시모스 이미지 센서로서,
상기 에피층을 패터닝하여 픽셀을 분리하기 위해 형성된 딥 트렌치와,
상기 딥 트렌치가 형성된 상기 에피층 상부에 형성된 제 1 보호막과,
상기 딥 트렌치에 의해 분리된 상기 에피층 영역에 대응되는 상기 보호막의 상부에 형성된 칼라 필터 및 렌즈를 구비하는
후면 수광 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 딥 트렌치는,
상기 에피층의 일부 영역이 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 딥 트렌치는,
상기 에피층의 일부 영역이 거의 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 딥 트렌치에 대응되는 영역의 상기 제 1 보호막 상부에 형성된 광 차폐막과,
상기 광 차폐막이 형성된 제 1 보호막의 상부에 형성된 제 2 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 딥 트렌치는, 상기 제 1 보호막에 의해 갭필되는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 딥 트렌치는, 0.001-5㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는
후면 수광 이미지 센서.
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