KR20160114767A - 이미지센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20160114767A
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김명호
전승익
최덕균
최형석
장한빈
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주식회사 레이언스
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Abstract

본 발명은 기판 상에 형성된 소스전극 및 드레인전극과; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과; 상기 산화물반도체층 상에 형성된 제1절연막과; 상기 제1절연막 상에 형성된 게이트전극과; 상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 포함하고, 상기 산화물반도체층은, 상기 게이트전극에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분과, 상기 게이트전극에 의해 가려지지 않는 자외선 조사 부분으로 구성된 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.
한편, 이미지센서의 센싱 능력 향상을 위해 구동전류가 향상되는 것이 바람직하며, 이를 위해 산화물반도체의 비저항을 감소시키는 방법이 요구된다. 이를 위해, 종래에는 He, Ar 등의 가스를 이용한 플라즈마처리(plasma treatment) 방법이나, SiNx 증착시 발생하는 H2를 이용한 H2 확산법 등이 사용되었다. 그런데, 이와 같은 종래의 방법은 이미지센서의 제작에 응용되기에는 한계가 있다.
즉, 플라즈마처리 방법은 연속 공정시 소자의 신뢰성을 확보하기 어렵고 채널 보호층이 필수적이며, 후속 공정에 의해 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다. 그리고, H2 확산법은 유효 채널 길이를 감소시키고 공정단가가 높고 복잡한 문제가 있다.
본 발명은 종래에 비해 개선된 방법으로 산화물반도체의 비저항을 감소시킬 수 있는 방안을 제공하는 것에 과제가 있다.
전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 형성된 소스전극 및 드레인전극과; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과; 상기 산화물반도체층 상에 형성된 제1절연막과; 상기 제1절연막 상에 형성된 게이트전극과; 상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 포함하고, 상기 산화물반도체층은, 상기 게이트전극에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분과, 상기 게이트전극에 의해 가려지지 않는 자외선 조사 부분으로 구성된 이미지센서를 제공한다.
여기서, 상기 포토다이오드는, 상기 드레인전극으로부터 연장된 제1전극과, 상기 제1전극 상에 형성된 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 제2전극을 포함하고, 상기 제1절연막은 상기 제2전극 상에 위치할 수 있다.
상기 게이트전극 및 제1절연막 상에 위치하고, 상기 제1절연막과 함께 상기 소스전극을 노출하는 제1콘택홀과 상기 제2전극을 노출하는 제2콘택홀을 포함하는 제2절연막과; 상기 제2절연막 상에, 상기 제1콘택홀을 통해 상기 소스전극과 연결되는 독출배선과, 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2전극과 연결되는 바이어스전극을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 기판 상에 소스전극 및 드레인전극을 형성하는 단계와; 상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하며, 제1부분 및 제2부분으로 구성된 산화물반도체층을 형성하는 단계와; 상기 산화물반도체층 상에 제1절연막을 형성하는 단계와; 상기 제1절연막 상에, 상기 제1부분을 가리고 상기 제2부분을 가리지 않는 게이트전극을 형성하는 단계와; 상기 게이트전극을 자외선 차단 마스크로 사용하여 자외선 조사를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 드레인전극은 포토다이오드와 연결되는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1절연막을 형성한 후에, 열처리를 통해 상기 산화물반도체층을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 게이트전극을 형성하는 식각 마스크인 포토레지스트패턴이 상기 게이트전극 상에 위치한 상태에서, 상기 자외선 조사를 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화물반도체층은 게이트전극에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분과 게이트전극 외부로 노출된 자외선 조사 부분으로 구성된다.
이에 따라, 산화물반도체층의 비저항이 감소되어, 이미지센서의 구동전류가 향상될 수 있게 되어, 이미지센서의 광센싱 능력이 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 화소를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 구동전류 특성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 산화물반도체의 비저항 특성을 나타낸 도면.
본 발명의 실시예에 따른 이미지센서로서는 X선 뿐만 아니라, 가시광선 등을 검출하는 이미지센서가 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 화소를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 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.
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.
산화물반도체층(230) 상에는 제1절연막(235)이 형성될 수 있다. 제1절연막(235)은 무기절연물질로서, 예를 들면, SiO2나 SiNx로 이루어질 수 있다. 제1절연막(235)은 게이트절연막으로서, 실질적으로 기판(210) 전면 상에 형성될 수 있다.
한편, 산화물반도체층(230)은 제1절연막(235)가 형성된 상태에서 열처리를 통해 어닐링(annealing)될 수 있다.
제1절연막(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.
특히, 본 발명의 실시예에서는, 게이트전극(240)은 산화물반도체층(230)의 중앙부를 가리고 양측을 노출하는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 평면적으로 볼 때, 산화물반도체층(230)은 게이트전극(240)에 의해 가려지는 중앙의 제1부분(B1)과, 게이트전극(240)에 의해 가려지지 않는 양측부분의 제2부분(B2)으로 구성될 수 있다.
이때, 제1부분(B1)은 게이트전극(220)에 의해 가려지게 되어 자외선(UV)에 노출되지 않는 자외선 비노출 부분에 해당되고, 제2부분(B2)은 게이트전극(220)에 의해 가려지지 않게 되어 자외선에 노출되는 자외선 노출 부분에 해당된다.
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. 그리고, 반도체층(250)은 비정질 실리콘으로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 포토다이오드(PD)는 제1절연막(235)에 의해 덮혀진 상태로 형성될 수 있다.
게이트전극(240) 및 제1절연막(235) 상에는 보호층인 제2절연막(260)이 실질적으로 기판(210) 전면에 걸쳐 형성될 수 있다. 제2절연막(260)은, 예를 들면, SiO2나 SiNx 등의 무기절연물질로 이루어지거나, 아크릴 등의 유기절연물질로 이루어질 수 있다.
제2절연막(260) 및 제1절연막(235)에는 소스전극(221)을 노출하는 제1콘택홀(261)과, 제2전극(255)을 노출하는 제2콘택홀(262)이 형성될 수 있다.
제2절연막(260) 상에는 독출배선(271)과 바이어스배선(272)이 형성될 수 있다. 독출배선(271)은 제1콘택홀(261)을 통해 소스전극(221)과 연결된다. 바이어스배선(272)은 제2콘택홀(262)을 통해 제2전극(255)과 연결되어, 제2전극(255)에 바이어스전압을 인가할 수 있게 된다.
독출배선(271)과 바이어스배선(272)은 단일층 구조나 다중층 구조로 형성될 수 있다. 일예로, 몰리브덴(Mo)/알루미늄(Al)/몰리브덴(Mo)의 삼중층 구조로 형성될 수 있다.
한편, 제2절연막(260) 상에는 게이트전극(240)을 가리는 블랙매트릭스(273)가 형성될 수 있다. 이와 같은 블랙매트릭스(273)는 독출배선 및 바이어스배선(271, 272)을 형성하는 공정에서 동일 물질로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 산화물반도체층(230)은 게이트전극(240)에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분인 제1부분(B1)과 게이트전극(240) 외부로 노출된 자외선 조사 부분인 제2부분(B2)으로 구성된다.
이와 같은 구성에 의해, 게이트전극(240)을 자외선 마스크로 하여 자외선을 조사하게 되면, 산화물반도체층(230)의 제2부분(B2)에 자외선이 조사되어, 산화물반도체층(230)의 비저항이 감소된다.
이에 따라, 이미지센서(200)의 구동전류 즉 데이터전류가 향상될 수 있게 되어, 이미지센서(200)의 광센싱 능력이 향상될 수 있게 된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법에 대해 설명한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 기판(210) 전면 상에 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제1도전층을 형성하고, 그 상부에 n+ 비정질 실리콘층, 순수 비정질 실리콘층, p+ 비정질 실리콘층과, 제2도전층을 증착한다.
다음으로, 마스크공정을 진행하여, n+ 비정질 실리콘층, 순수 비정질 실리콘층, p+ 비정질 실리콘층과, 제2도전층을 패터닝한다. 이에 따라, 제2영역(A2)에 반도체층(250)과 제2전극(255)을 형성하게 된다.
다음으로, 제1도전층을 패터닝하여 제1영역(A1)에서 서로 이격된 상태의 소스전극 및 드레인전극(221, 222)을 형성하게 된다.
드레인전극(222)로부터 제2영역(A2)으로 연장된 제1전극(225)은 그 상부의 반도체층(250)과 제2전극(255)과 함께 포토다이오드(PD)를 구성하게 된다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 소스전극 및 드레인전극(221, 222)이 형성된 기판(210) 상에 산화물반도체를 증착하고 마스크공정을 진행하여 제1영역(A1)에 산화물반도체층(230)을 형성한다.
다음으로, 산화물반도체층(230)이 형성된 기판(210) 상에 제1절연막(235)를 형성한다.
다음으로, 제1절연막(235)이 형성된 기판(210)에 대해 열처리를 진행하여, 산화물반도체층(230)에 대한 어닐링(annealing) 공정을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 2c를 참조하면, 제1절연막(235) 상에 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제3도전층을 형성하고, 그 상부에 포토레지스트를 형성한다. 그 후에, 포토레지스트에 대해 노광 및 현상을 진행하여, 포토레지스트패턴(245)을 형성한다.
다음으로, 포토레지스트패턴(245)을 식각 마스크로 하여 제3도전층을 패터닝하여 게이트전극(240)을 형성한다.
이때, 게이트전극(240)은 하부의 산화물반도체층(230)의 일부를 가리도록 형성된다. 즉, 게이트전극(240)은 산화물반도체층(230)의 제1부분(B1)을 가리게 되고, 제1부분(B1) 양측의 제2부분(B2)(즉, 소스전극 및 드레인전극(221, 222)과 접촉하는 부분)은 게이트전극(240)에 의해 가려지지 않은 상태가 된다.
다음으로, 게이트전극(240) 및 그 상부의 포토레지스트패턴(245)을 자외선 차단 마스크로 하여, 자외선(UV) 조사를 진행하게 된다. 이에 따라, 산화물반도체층(230)의 제2부분(B2)에는 자외선이 조사된다. 한편, 다른 예로서, 포토레지스트패턴(245)를 제거한 후 게이트전극(240)을 자외선 차단 마스크로 사용하여 자외선 조사 공정을 진행할 수도 있다.
이와 같은 자외선 조사 공정을 통해, 산화물반도체층(230)의 비저항이 감소될 수 있게 된다.
다음으로, 자외선 조사 공정 후에, 포토레지스트패턴(245)를 제거하는 스트립 공정을 진행하게 된다.
다음으로, 도 2d를 참조하면, 게이트전극(240)이 형성된 기판(210) 상에 제2절연막(260)을 형성한다.
다음으로, 마스크공정을 진행하여 제1 및 2절연막(235, 260)을 패터닝하여, 소스전극(221)을 노출하는 제1콘택홀(261)과, 제2전극(255)을 노출하는 제2콘택홀(262)을 형성한다.
다음으로, 제2절연막(260) 상에 적어도 하나의 금속물질로 이루어진 제4금속층을 형성하고, 이에 대해 마스크공정을 진행하여 패터닝한다. 이에 따라, 제1콘택홀(261)을 통해 소스전극(221)과 접속하는 독출배선(271)과, 제2콘택홀(262)을 통해 제2전극(255)과 접속하는 바이어스배선(272)를 형성한다. 더욱이, 게이트전극(240)을 가리는 블랙매트릭스(273)을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같은 공정들을 통해, 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 구동전류 특성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 산화물반도체의 비저항 특성을 나타낸 도면이다.
도 3에서는, 박막트랜지스터(TFT)가 온(on) 상태에서, 비교예로서 자외선을 조사하지 않은 경우의 구동전류 특성 그래프와, 본 실시예로서 자외선을 조사한 경우의 구동전류 특성 그래프를 함께 도시하였다.
그리고, 도 4에서는, 비교예1로서 어닐링 및 자외선 조사가 수행되지 않은 경우의 산화물반도체의 비저항과, 비교예2로서 어닐링만이 수행된 경우의 산화물반도체의 비저항과, 본 실시예로서 UV를 조사한 경우의 산화물반도체의 비저항을 함께 도시하였다.
먼저, 도 3을 참조하면, 자외선을 조사한 경우가 자외선을 조사하지 않은 경우에 비해 구동전류 특성이 월등히 향상됨을 확인할 수 있다.
그리고, 도 4를 참조하면, 어닐링 및 자외선 조사가 함께 수행된 경우에 비저항이 월등히 감소됨을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 산화물반도체층은 게이트전극에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분과 게이트전극 외부로 노출된 자외선 조사 부분으로 구성된다.
이에 따라, 산화물반도체층의 비저항이 감소되어, 이미지센서의 구동전류가 향상될 수 있게 되어, 이미지센서의 광센싱 능력이 향상될 수 있게 된다.
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
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
273: 블랙매트릭스
A1, A2: 제1, 2영역
B1, B2: 제1, 2부분

Claims (6)

  1. 기판 상에 형성된 소스전극 및 드레인전극과;
    상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하는 산화물반도체층과;
    상기 산화물반도체층 상에 형성된 제1절연막과;
    상기 제1절연막 상에 형성된 게이트전극과;
    상기 드레인전극과 연결되는 포토다이오드를 포함하고,
    상기 산화물반도체층은, 상기 게이트전극에 의해 가려지는 자외선 비조사 부분과, 상기 게이트전극에 의해 가려지지 않는 자외선 조사 부분으로 구성된
    이미지센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는, 상기 드레인전극으로부터 연장된 제1전극과, 상기 제1전극 상에 형성된 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 제2전극을 포함하고,
    상기 제1절연막은 상기 제2전극 상에 위치하는
    이미지센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트전극 및 제1절연막 상에 위치하고, 상기 제1절연막과 함께 상기 소스전극을 노출하는 제1콘택홀과 상기 제2전극을 노출하는 제2콘택홀을 포함하는 제2절연막과;
    상기 제2절연막 상에, 상기 제1콘택홀을 통해 상기 소스전극과 연결되는 독출배선과, 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2전극과 연결되는 바이어스전극을 포함하는
    이미지센서.
  4. 기판 상에 소스전극 및 드레인전극을 형성하는 단계와;
    상기 소스전극 및 드레인전극과 접촉하며, 제1부분 및 제2부분으로 구성된 산화물반도체층을 형성하는 단계와;
    상기 산화물반도체층 상에 제1절연막을 형성하는 단계와;
    상기 제1절연막 상에, 상기 제1부분을 가리고 상기 제2부분을 가리지 않는 게이트전극을 형성하는 단계와;
    상기 게이트전극을 자외선 차단 마스크로 사용하여 자외선 조사를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 드레인전극은 포토다이오드와 연결되는
    이미지센서 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1절연막을 형성한 후에, 열처리를 통해 상기 산화물반도체층을 어닐링하는 단계
    를 포함하는 이미지센서 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 게이트전극을 형성하는 식각 마스크인 포토레지스트패턴이 상기 게이트전극 상에 위치한 상태에서, 상기 자외선 조사를 수행하는
    이미지센서 제조방법.
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