KR20150091900A - 이미지센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20150091900A
KR20150091900A KR1020140012695A KR20140012695A KR20150091900A KR 20150091900 A KR20150091900 A KR 20150091900A KR 1020140012695 A KR1020140012695 A KR 1020140012695A KR 20140012695 A KR20140012695 A KR 20140012695A KR 20150091900 A KR20150091900 A KR 20150091900A
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oxide semiconductor
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KR1020140012695A
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전승익
김명호
장한빈
최덕균
최명재
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주식회사 레이언스
한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 소스전극 및 드레인전극과; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과; 상기 산화물반도체층 상에 형성된 게이트절연막과; 상기 게이트절연막 상에 형성된 게이트전극과; 상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 포함하는 이미지센서를 제공한다.

Description

이미지센서 및 이의 제조방법{Image sensor and method of manufacturing the same}
본 발명은 이미지센서에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 산화물반도체를 사용한 박막트랜지스터를 포함한 이미지센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.
기존에는, 의료나 공업용 X선 촬영에서 필름과 스크린을 이용한 방식이 사용되었다. 이와 같은 경우에는, 촬영된 필름의 현상 및 보관상의 문제 등에 기인하여 비용 및 시간 측면에서 비효율적이었다.
이를 개선하기 위해, 디지털 방식의 이미지센서가 현재 널리 사용되고 있다. 디지털방식의 이미지센서는, CCD 방식, CMOS 방식, TFT 방식 등으로 분류될 수 있다.
여기서, TFT 방식은 TFT 기판을 이용하는 것으로서, 이미지센서를 대면적으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 TFT 방식 이미지센서에는, 매트릭스 형태로 배치된 화소에 박막트랜지스터 및 포토다이오드가 구성된다.
일반적으로, 박막트랜지스터의 반도체층으로서 비정질 실리콘이 사용된다. 그런데, 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 이동도 등의 전기적 특성이 좋지 않다.
이를 개선하기 위해, 최근에 산화물반도체를 사용하는 것이 제안되었다. 산화물반도체는 비정질 실리콘에 비해 이동도 특성이 수배 내지 십 수배 더 크고 오프 전류(off current) 특성 등이 우수한 장점을 갖는다.
종래의 산화물반도체를 사용한 이미지센서는, 산화물반도체층을 형성한 후 포토다이오드를 형성하게 되는데, 포토다이오드 형성시 발생되는 공정가스 특히 수소(H2) 가스에 의해 손상을 받게 되며, 또한 식각 공정에서 소스전극 및 드레인전극 사이로 노출된 산화물반도체층의 채널영역이 식각 가스에 의해 손상되어, 전기적 특성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 산화물반도체의 손상을 방지하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 데 과제가 있다.
전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 소스전극 및 드레인전극과; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과; 상기 산화물반도체층 상에 형성된 게이트절연막과; 상기 게이트절연막 상에 형성된 게이트전극과; 상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
여기서, 상기 산화물반도체층은 상기 소스전극 및 드레인전극 상부나 하부에 구성될 수 있다.
상기 포토다이오드는, 상기 드레인전극으로부터 연장된 제1전극과; 상기 제1전극 상에 형성된 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 제2전극을 포함할 수 있다.
상기 반도체층은, 상기 제1전극 상에 순차적으로 위치하는 n+층과, i층과, p+층을 포함할 수 있다.
상기 게이트전극과 포토다이오드 상에, 상기 소스전극을 노출하는 제1콘택홀과, 상기 제2전극을 노출하는 제2콘택홀을 포함하는 보호막과; 상기 보호막 상에, 상기 제1콘택홀을 통해 상기 소스전극과 연결되는 독출배선과, 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2전극과 연결되는 바이어스전극을 포함하고, 상기 게이트절연막은 상기 제1콘택홀을 포함할 수 있다.
상기 산화물반도체층의 표면에 형성된 산화막을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 소스전극 및 드레인전극을 형성하는 단계와; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층을 형성하는 단계와; 상기 산화물반도체층을 N2O 플라즈마 처리하는 단계와; 상기 산화물반도체층 표면에 산화막을 형성하는 단계와; 상기 산화물반도체층 상에 게이트절연막을 형성하는 단계와; 상기 게이트절연막 상에 게이트전극을 형성하는 단계와; 상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 산화물반도체층을 사용한 산화물 박막트랜지스터는 탑게이트 방식으로 구성된다. 이와 같은 구성에 따라, 포토다이오드 형성시 발생되는 수소 가스가 산화물반도체로 침투하는 것이 구조적으로 차단될 수 있게 된다. 따라서, 포토다이오드 형성시 수소 가스로 침투로 인한 산화물반도체의 손상이 방지되어, 전기적 특성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 위와 같이 구조적으로 수소 가스 침투가 방지됨으로써, 보텀 게이트(bottom gate) 방식에서 요구되는 식각방지막이 형성될 필요가 없어, 제조공정 및 제조비용이 절감될 수 있게 된다.
또한, 산화물반도체층의 표면에 산화막을 형성할 수 있는데, 이와 같은 경우에 산화막에 의해 산화물반도체층을 효과적으로 보호할 수 있게 된다. 특히, SiNx로 게이트절연막을 형성하는 경우에, 발생하는 많은 양의 H2의 침투를 방지하여 산화물반도체층의 손상을 개선함으로써, 전기적 특성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 산화막 형성 전에, 산화물반도체층에 대해 N2O 플라즈마 처리가 수행될 수 있다. 이와 같은 N2O 플라즈마 처리를 통해, 산화물반도체층의 결함이 제거될 수 있게 되어, 산화물반도체층(230)의 전기적 특성이 개선될 수 있게 된다.
또한, 탑 게이트 방식의 박막트랜지스터를 구성함에 따라, 게이트전극은 블랙매트릭스로서 기능하여 산화물반도체층에 외부광이 입사되는 것이 방지될 수 있게 된다. 따라서, 별도의 블랙매트릭스를 구비하지 않아도 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 사용한 영상장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 화소를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 도시한 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 사용한 영상장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 화소를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상장치(100)는, 광발생기(110)와, 이미지센서(200)를 포함할 수 있다.
광발생기(110)는 영상촬영을 위해 광을 발생시키고, 이를 피검체에 조사하는 구성에 해당된다. 예를 들면, X선 영상촬영을 수행하는 경우에, 광발생기(110)는 X선을 발생시켜 조사하게 된다.
이와 같이 조사된 광은 피검체(150)를 통과하여 이미지센서(200)에 입사된다. 이미지센서(200)는 매트릭스 형태로 배치된 다수의 화소(P)를 포함한다.
각 화소(P)에는, 입사된 광을 전기적신호로 변환하는 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)와 전기적으로 연결되며 스캔신호에 따라 온/오프 스위칭동작을 하여 전기적신호를 독출배선(271)에 출력하는 박막트랜지스터(T)가 구성된다.
이와 같은 기능을 하는 이미지센서(200)에 대해 도 2를 더욱 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 이미지센서(200)의 각 화소(P)에는 박막트랜지스터(T)와 포토다이오드(PD)가 형성된다. 설명의 편의를 위해, 박막트랜지스터(T)가 형성된 영역을 제1영역(A1), 포토다이오드(PD)가 형성된 영역을 제2영역(A2)이라고 한다.
기판(210) 상의 제1영역(A1)에는 서로 이격된 소스전극 및 드레인전극(221, 222)이 형성되어 있다. 소스전극 및 드레인전극(221, 222)은 단일층 구조나 다중층 구조로 형성될 수 있다. 일예로, 몰리브덴(Mo)/알루미늄(Al)/몰리브덴(Mo)의 삼중층 구조로 형성될 수 있다.
드레인전극(222)은 제2영역(A2)으로 연장될 수 있다. 이와 같이 제2영역(A2)으로 연장되어 형성된 부분은 포토다이오드(PD)의 제1전극(225)으로서 기능한다. 이처럼, 제1전극(225)을 통해 포토다이오드(PD)는 박막트랜지스터(T)와 전기적으로 연결될 수 있다.
소스전극 및 드레인전극(221, 222)이 형성된 기판(210) 상의 제1영역(A1)에는, 양측에서 소스전극 및 드레인전극(221, 222)과 중첩하여 접촉하도록 구성된 산화물반도체층(230)이 형성된다. 소스전극 및 드레인전극(221, 222) 사이의 산화물반도체층(230) 영역은 채널영역으로서 기능을 하게 된다.
산화물반도체층(230)은, 예를 들면, IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide) 중 하나로 이루어질 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 소스전극 및 드레인전극(221, 222) 형성전에, 기판(210) 상에 버퍼층이 형성될 수 있다. 이와 같은 버퍼층은 기판(210)으로부터 유출되는 불순물에 의해 산화물반도체층(230)이 손상되는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다.
그리고, 전술한 구성과 다르게, 산화물반도체층(230)이 먼저 형성되고, 그 후에 소스전극 및 드레인전극(221, 222)이 형성되도록 구성될 수 있다.
전술한 산화물반도체층(230)에 대해 N2O 플라즈마 처리가 수행될 수 있는데, 이에 따라 산화물반도체층(230)의 결함이 제거되어 막질 특성이 향상될 수 있다.
산화물반도체층(230) 상에는 게이트절연막(235)이 형성될 수 있다. 게이트절연막(235)은 무기절연물질로서, 예를 들면, SiO2나 SiNx로 이루어질 수 있다. 이와 같은 게이트절연막(235)은 포토다이오드(PD)가 형성되는 영역에는 형성되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 게이트절연막(235) 형성 전에 산화물반도체층(230)에 대해 O2 어닐링(annealing) 공정이 수행될 수 있으며, 이에 따라 산화물반도체층(230)의 상면에는 산화막(233)이 형성될 수 있다.
이와 같은 산화막(233)은 게이트절연막(235) 형성과정에서 산화물반도체층(230)을 보호하는 기능을 할 수 있게 된다. 특히, SiNx로 게이트절연막(235)을 형성하는 경우에, SiO2를 사용하는 경우에 비해, 많은 양의 H2가 발생하게 되고, 이는 산화물반도체층(230)에 과도한 손상을 가하게 된다. 따라서, 산화막(233)을 산화물반도체층(230)의 표면에 형성함으로써, H2의 침투를 방지하여 산화물반도체층(230)의 전기적 특성을 개선할 수 있게 된다.
게이트절연막(235) 상에는 산화물반도체층(230)에 대응하여 게이트전극(240)을 형성할 수 있다. 게이트전극(220)은 단일층 구조나 다중층 구조로 형성될 수 있다. 일예로, 몰리브덴(Mo)/알루미늄(Al)의 이중층 구조로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1영역(A1)에 구성된 소스전극 및 드레인전극(221, 222)과, 산화물반도체층(230)과, 게이트전극(240)은 탑 게이트(top gate) 방식의 박막트랜지스터(T)를 구성하게 된다.
제1전극(225) 상에는 반도체층(250)이 형성되며, 반도체층(250) 상에는 제2전극(255)이 형성될 수 있다.
여기서, 제1전극(225)와 제2전극(255) 중 하나는 캐소드(cathode)로 기능하고 나머지 하나는 애노드(anode)로 기능하게 된다. 설명의 편의를 위해, 제1전극(225)은 캐소드로 기능하고, 제2전극(255)은 애노드로 기능하는 경우를 예로 든다.
이와 같은 경우에, 제2전극(255)은 제1전극(225)에 비해 높은 일함수를 갖는 물질로 이루어질 수 있는데, 예를 들면, 투명도전성물질로서 ITO(indium-tin-oxide), IZO(indium-zinc-oxide), ITZO(indium-tin-zinc-oxide) 중 하나로 이루어질 수 있다.
포토다이오드(PD)로서, 예를 들면, PIN 타입 포토다이오드가 사용될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. PIN 타입 포토다이오드가 사용되는 경우에, 반도체층(250)은 n+층(251), i층(252), p+층(253)을 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)가 형성된 기판(210) 상에 보호층(260)이 형성될 수 있다. 이와 같은 보호층(260)은 실질적으로 기판(210) 전면에 걸쳐 형성될 수 있다. 보호층(260)은, 예를 들면, SiO2나 SiNx 등의 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
보호층(260)에는, 게이트절연막(235)과 함께 소스전극(221)을 노출하는 제1콘택홀(261)과, 제2전극(255)을 노출하는 제2콘택홀(262)이 형성될 수 있다.
보호층(260) 상에는 독출배선(271)과 바이어스전극(272)이 형성될 수 있다. 독출배선(271)은 제1콘택홀(261)을 통해 소스전극(241)과 연결된다. 바이어스전극(272)은 제2콘택홀(262)을 통해 제2전극(255)과 연결되어, 제2전극(255)에 바이어스전압을 인가할 수 있게 된다.
독출배선(271)과 바이어스전극(272)은 단일층 구조나 다중층 구조로 형성될 수 있다. 일예로, 몰리브덴(Mo)/알루미늄(Al)/몰리브덴(Mo)의 삼중층 구조로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 산화물반도체층(230)을 사용한 산화물 박막트랜지스터(T)는 탑게이트 방식으로 구성된다. 즉, 산화물반도체층(230)은 박막트랜지스터(T) 내에서 하부에 위치하여 그 상부에 여러 적층막이 구성된다. 이와 같은 구성에 따라, 포토다이오드(PD) 형성시 발생되는 수소 가스가 산화물반도체로 침투하는 것이 구조적으로 차단될 수 있게 된다. 따라서, 포토다이오드(PD) 형성시 수소 가스로 침투로 인한 산화물반도체의 손상이 방지되어, 전기적 특성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 위와 같이 구조적으로 수소 가스 침투가 방지됨으로써, 보텀 게이트(bottom gate) 방식에서 요구되는 식각방지막이 형성될 필요가 없어, 제조공정 및 제조비용이 절감될 수 있게 된다.
또한, 산화물반도체층(230)의 표면에 산화막(233)을 형성할 수 있는데, 이와 같은 경우에 산화막(233)에 의해 산화물반도체층(230)을 효과적으로 보호할 수 있게 된다. 특히, SiNx로 게이트절연막(235)을 형성하는 경우에, SiO2를 사용하는 경우에 비해, 많은 양의 H2가 발생하게 되고, 이는 산화물반도체층(230)에 과도한 손상을 가하게 된다. 따라서, 산화막(233)을 산화물반도체층(230)의 표면에 형성함으로써, H2의 침투를 방지하여 산화물반도체층(230)의 손상을 개선함으로써, 전기적 특성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 산화막(233) 형성 전에, 산화물반도체층(230)에 대해 N2O 플라즈마 처리가 수행될 수 있다. 이와 같은 N2O 플라즈마 처리를 통해, 산화물반도체층(230)의 결함이 제거될 수 있게 되어, 산화물반도체층(230)의 전기적 특성이 개선될 수 있게 된다.
또한, 탑 게이트 방식의 박막트랜지스터를 구성함에 따라, 게이트전극(240)은 블랙매트릭스로서 기능하여 산화물반도체층(230)에 외부광이 입사되는 것이 방지될 수 있게 된다. 따라서, 별도의 블랙매트릭스를 구비하지 않아도 된다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법에 대해 설명한다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 기판(210) 상에 금속물질을 증착하고 마스크공정을 진행하여, 제1영역(A1)에 소스전극 및 드레인전극(221, 222)을 형성한다. 여기서, 마스크공정은 박막 패턴을 형성하는 공정으로서, 포토레지스트 증착 공정, 노광 공정, 현상 공정, 식각 공정, 포토레지스트 스트립 공정 등을 포함하는 일련의 공정을 의미한다.
한편, 드레인전극(222)은 포토다이오드(PD)가 형성될 화소(P)의 제2영역(A2)으로 연장되도록 형성된다. 이와 같이 제2영역(A2)에 형성된 부분은 제1전극(225)에 해당된다.
다음으로, 소스전극 및 드레인전극(221, 222)이 형성된 기판(210) 상에 산화물반도체를 증착하고 마스크공정을 진행하여 제1영역(A1)에 산화물반도체층(230)을 형성한다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 산화물반도체층(230)이 형성된 기판(210)에 대해 N2O 플라즈마 처리를 수행하게 된다. 이에 따라, 산화물반도체층(230)은 N2O 플라즈마 처리되어 결함이 제거되고 막질 특성이 향상될 수 있게 된다.
다음으로, 도 3c를 참조하면, 산화물반도체층(230)이 형성된 기판(210)에 대해 O2 어닐링 처리가 수행된다. O2 어닐링 처리를 통해, 산화물반도체층(230)의 표면에는 산화막(233)이 형성된다.
여기서, O2 어닐링 처리는, 예를 들면, 대략 300℃의 온도에서 1시간 정도 진행될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 경우에 따라, 전술한 N2O 플라즈마 처리와 O2 어닐링 처리 중 하나가 수행되거나, 이들 처리 모두 수행되지 않을 수도 있다.
다음으로, 산화물반도체층(230)이 형성된 기판(210) 상에 게이트절연막(235)을 형성한다. 다음으로, 게이트절연막(235) 상부에, 금속물질을 증착하고 마스크공정을 진행하여 제1영역(A1)에 게이트전극(240)을 형성한다.
다음으로, 제1전극(225) 상에 반도체층(250)과 제2전극(255)을 형성한다. 이와 관련하여 예를 들면, n+물질, i물질, p+물질을 순차적으로 증착하고, p+ 물질층 상부에 투명도전성물질을 증착한 후, 마스크 공정을 진행하여, n+층(251), i층(252), p+층(253)으로 구성되는 반도체층(250)과, 제2전극(255)을 형성한다.
한편, 다른 예로서, 반도체층(250)을 형성한 후, 투명도전성물질을 증착하고 마스크공정을 진행하여 제2전극(255)을 형성할 수도 있다.
다음으로, 제2전극(255)이 형성된 기판(210) 상에 무기절연물질을 증착하여 보호막(260)을 형성하고, 보호막(260)에 대해 마스크공정을 진행하여 제1 및 2콘택홀(261, 262)을 형성한다. 여기서, 제1콘택홀(261) 형성시, 보호막(260)과 함께 그 하부의 게이트절연막(235) 또한 함께 식각된다.
다음으로, 보호막(260) 상에 금속물질을 증착하고 마스크공정을 진행하여, 독출배선 및 바이어스전극(271, 272)을 형성한다.
독출배선(271)은 제1콘택홀(261)을 통해 소스전극(221)과 연결되고, 바이어스전극(272)은 제2콘택홀(262)를 통해 포토다이오드(PD)의 제2전극(255)과 연결된다.
전술한 바와 같은 공정들을 통해, 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 제조할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.
200: 이미지센서 210: 기판
221: 소스전극 222: 드레인전극
225: 제1전극 230: 산화물반도체층
233: 산화막 235: 게이트절연막
240: 게이트전극 250: 반도체층
251: n+층 252: i층
253: p+층 255: 제2전극
260: 보호막 261: 제1콘택홀
262: 제2콘택홀 271: 독출배선
272: 바이어스전극

Claims (7)

  1. 소스전극 및 드레인전극과;
    상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과;
    상기 산화물반도체층 상에 형성된 게이트절연막과;
    상기 게이트절연막 상에 형성된 게이트전극과;
    상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드
    를 포함하는 이미지센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물반도체층은 상기 소스전극 및 드레인전극 상부나 하부에 구성된
    이미지센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는,
    상기 드레인전극으로부터 연장된 제1전극과;
    상기 제1전극 상에 형성된 반도체층과;
    상기 반도체층 상에 형성된 제2전극을 포함하는
    이미지센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반도체층은, 상기 제1전극 상에 순차적으로 위치하는 n+층과, i층과, p+층을 포함하는
    이미지센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트전극과 포토다이오드 상에, 상기 소스전극을 노출하는 제1콘택홀과, 상기 제2전극을 노출하는 제2콘택홀을 포함하는 보호막과;
    상기 보호막 상에, 상기 제1콘택홀을 통해 상기 소스전극과 연결되는 독출배선과, 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2전극과 연결되는 바이어스전극을 포함하고,
    상기 게이트절연막은 상기 제1콘택홀을 포함하는
    이미지센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물반도체층의 표면에 형성된 산화막
    을 포함하는 이미지센서.
  7. 소스전극 및 드레인전극을 형성하는 단계와;
    상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층을 형성하는 단계와;
    상기 산화물반도체층을 N2O 플라즈마 처리하는 단계와;
    상기 산화물반도체층 표면에 산화막을 형성하는 단계와;
    상기 산화물반도체층 상에 게이트절연막을 형성하는 단계와;
    상기 게이트절연막 상에 게이트전극을 형성하는 단계와;
    상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 형성하는 단계
    를 포함하는 이미지센서 제조방법.
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