KR20190030956A - 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 구비한 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 광전변환소자를 포함하고, 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 상기 광전변환소자와 중첩되고, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막; 및 상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이(Optical Black Pixel array) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부의 영상을 감지하는 센서이다. 즉, 이미지 센서는 외부의 영상을 빛으로 감지하고, 상기 감지된 빛을 전기 신호로 변환하여 디지털 신호를 처리하는 장치로 전송한다. 이미지 센서는 외부로부터 입사되는 빛을 흡수하는 액티브 픽셀 어레이(active pixel array), 주변회로를 포함하는 로직회로 및 상기 빛이 입사되는 것을 차단하는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이(optical black pixel array )를 구비한다.
액티브 픽셀 어레이는 외부로부터 입사되는 빛을 흡수하여 광전하를 생성 및 축적하는 픽셀들이 형성되고, 상기 옵티컬 블랙 픽셀 어레이는 암흑(dark) 상태에서 픽셀 출력을 오프셋 값(Offset Value)으로 사용하기 때문에 빛의 유입이 차단되도록 구현된다.
본 발명의 실시 예는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이에 대한 차광 특성 및 전기적 절연 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이는 광전변환소자를 포함하고, 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 상기 광전변환소자와 중첩되고, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막; 및 상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법은 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판에 광전변환소자를 형성하는 단계; 및 상기 광전변환소자를 둘러싸는 차폐막을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 차폐막은 상기 광전변환소자와 중첩되고, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막, 및 상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이의 광전변환소자를 완전히 둘러싸는 제1차폐막 내지 제3차폐막을 구비함으로써, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이에 대한 차광 특성 및 전기적 절연 특성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 노이즈가 없는 다크 레벨(dark level)을 갖는 옵티컬 블랙 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본 기술은 제1 차폐막 내지 제3 차폐막 형성공정을 열처리를 수반하는 소스/드레인영역 형성공정 및 금속배선 형성공정 이후에 진행하기 때문에 열처리에 기인한 제1차폐막 내지 제3차폐막의 특성 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 간락히 도시한 평면도
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 제1실시 예 및 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 비교예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 5a 내지 도 5l은 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 제1실시 예 및 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 비교예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 5a 내지 도 5l은 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시 예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시 예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시 예는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이(Optical Black Pixel array)에 관한 것이다. 구체적으로, 실시 예는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이에 대한 차광 특성 및 전기적 절연 특성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. 이를 위해, 실시 예에 따른 이미지 센서는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이의 광전변환소자를 완전히 둘러싸는 차폐막을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 간락히 도시한 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이 영역(100) 및 로직 영역(300)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 영역(100)은 액티브 픽셀 어레이 영역(100A), 더미 픽셀 어레이 영역(100B) 및 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)을 포함할 수 있다. 액티브 픽셀 어레이 영역(100A)과 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)은 더미 픽셀 어레이 영역(100B)를 사이에 두고 서로 인접할 수 있다.
액티브 픽셀 어레이 영역(100A)은 피사체로부터 비롯된 입사광을 수광하여 광전하를 생성할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 액티브 픽셀 어레이 영역(100A)은 피사체로부터 비롯된 입사광을 수광하여 광전하를 생성하기 위해 복수의 로우(row) 라인 및 복수의 컬럼(column) 라인과 접속되고, 2차원 매트릭스 형태로 배치된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각은 레드(red) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 픽셀들은 특정 스펙트럼 영역의 입사광을 투과시키기 위해 컬러필터를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 픽셀들은 광전변환소자, 전달 트랜지스터(transfer transistor), 선택 트랜지스터(selection transistor), 리셋 트랜지스터(reset transistor) 및 억세스 트랜지스터(access transistor)를 포함할 수 있다.
옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)에 배치된 옵티컬 블랙 픽셀 어레이는 외부로부터 입사되는 빛을 차폐하여 액티브 픽셀 어레이의 전기적 특성, 즉 다크 커런트(dark Current)에 기인한 다크 노이즈(dark noise) 특성을 검사 및 평가하는데 이용될 수 있다. 다시 말해, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이는 다크 커런트에 기인한 다크 노이즈 특성을 검사 및 평가하고, 그 결과를 바탕으로 액티브 픽셀 어레이에 다크 커런트에 상응하는 전류값을 보상하여 이미지 센서에서 다크 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시 예에 따른 이미지 센서는 마이크로 렌즈(250), 컬러 필터층(240), 평탄화막(230), 차폐막(260), 기판구조물(220), 신호전달부(210) 및 웨이퍼(205)가 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상술한 적층 구조는 액티브 픽셀 어레이 영역(100A) 및 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)에 동일하게 적용될 수 있다.
마이크로 렌즈(250)들은 외부로부터 입사되는 빛을 집광할 수 있다. 마이크로 렌즈(250)는 반구형 렌즈일 수 있다.
컬러 필터층(240)은 마이크로 렌즈(250)들을 통하여 입사되는 빛으로부터 가시광선만을 통과시킬 수 있다. 컬러 필터층(240)에는 복수개의 칼라 필터들이 형성된다. 복수개의 칼라 필터들은 가시광선 중에서 적색만을 통과시키는 복수개의 레드 필터(red filter)들(R), 가시광선 중에서 녹색만을 통과시키는 복수개의 그린 필터(green filter)들(G), 및 가시광선 중에서 청색만을 통과시키는 복수개의 블루 필터(blue filter)들(B)을 구비한다. 필요에 따라, 칼라 필터들(140)은 복수개의 사이언 필터(cyan filter)들, 복수개의 옐로우 필터(yellow filter)들 및 복수개의 마젠타 필터(magenta filter)들을 구비할 수 있다.
기판구조물(220)은 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 갖는 기판(221) 및 복수의 광전변환영역들(222A)을 포함하는 광전변환소자(222)를 포함할 수 있다. 그리고, 기판(221)은 액티브 픽셀 영역(100A), 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C) 및 로직 영역(300)으로 구분될 수 있다.
액티브 픽셀 어레이 영역(100A)에서 컬러 필터층(230)과 기판구조물(220)사이에 평탄화막(230)이 위치할 수 있다. 평탄화막(230)은 컬러 필터층(230)를 통해 입사된 빛이 액티브 픽셀 어레이 영역(100A)의 광전변환소자(222)로 모두 일정한 각도로 입사되도록 한다. 이를 위해, 평탄화막(230)은 플랫한 표면을 가질 수 있다. 평탄화막(230)은 절연물질을 포함할 수 있다. 일례로, 평탄화막(230)은 하프늄산화막(HfO2)일 수 있다. 하프늄산화막은 광투과도가 높기 때문에 외부로부터 입사되는 빛은 평탄화막(230)을 모두 통과하여 기판구조물(220)으로 전달될 수 있다.
신호전달부(210)는 다층의 금속배선들(213) 및 다층의 금속배선들(213) 사이에 삽입된 복수의 층간절연막들(214)을 포함할 수 있다. 층간절연막(214)은 산화막, 질화막 및 산화질화막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상이 적층된 적층막일 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 신호전달부(210)는 다층의 금속배선들(213) 이외에 다층의 금속배선들 사이를 전기적으로 연결하는 플러그, 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 복수의 트랜지스터들은 전달 트랜지스터(transfer transistor)들, 리셋 트랜지스터(reset transistor)들, 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transistor)들, 선택 트랜지스터(selection transistor)들, 바이어스 트랜지스터(bias transistor)들 등을 포함할 수 있다. 복수의 트랜지스터들은 금속배선(213)을 통해 상호 연결될 수 있다.
신호전달부(210)는 전달 트랜지스터의 게이트(211) 및 게이트(211)와 최하층 금속배선(213) 사이를 전기적으로 연결하는 플러그(212)로 구성된 지지부(215)를 포함할 수 있다. 지지부(215)는 차폐막(260) 및 금속배선(213) 사이에 형성되며, 차폐막(260)의 형성 공정 시, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220)이 쓰러지는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 지지부(215)는 제2차폐막(260B)을 관통하여 형성될 수 있다.
웨이퍼(205)은 신호전달부(210)의 하부에 형성되며, 신호전달부(210)을 지지하고 보호할 수 있다. 즉, 웨이퍼(205)은 신호전달부(210)에 형성된 금속배선(213)들이 외부 환경의 영향을 받는 것을 방지한다. 웨이퍼(205)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막(silicon nitride film), 또는 이들이 복합적으로 구성된 복합막(composite layer)으로 구성될 수도 있고, 단결정 실리콘으로 형성될 수도 있다.
차폐막(260)은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)에 형성되며, 외부로부터 입사되는 빛이 기판구조물(220)내에 광전변환소자(222)로 전달되지 못하도록 차폐하는 역할을 한다. 이를 위해, 차폐막(260)은 갭필특성이 우수하며, 빛을 반사하거나 흡수하며 또한 전기신호를 차폐하는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 차폐막(260)은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220) 외부 표면을 둘러싸되, 신호전달부(210) 및 컬러 필터층(240), 로직 영역(300)의 기판(221) 및 액티브 픽셀 영역(100A)의 기판구조물(220)과 모두 접하도록 형성될 수 있다.
차폐막(260)은 광전변환소자(222)와 중첩되며, 기판(221)의 제1면(S1) 및 제2면(S2) 상에 각각 형성된 제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)을 포함할 수 있다. 또한, 차폐막(260)은 기판(221)을 관통하여 제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)과 접하고, 광전변환소자(222)를 둘러싸는 제3차폐막(260C)을 포함할 수 있다.
제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)은 평판타입일 수 있고, 제3차폐막(260C)은 광전변환소자(222)를 둘러싸는 링타입일 수 있다. 그리고, 제3차폐막(260C)은 액티브 픽셀 어레이 영역(100A) 및 로직영역(100C)으로부터 입사되는 빛 및 전기신호를 차폐할 수 있다. 구체적으로, 제1차폐막(260A)은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 컬러 필터층(240)과 접하는 평판타입일 수 있다. 이로써, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 마이크로 렌즈(250)를 통해 기판구조물(220)로 입사되는 빛(도 2의 도면부호 '①' 참조)을 차폐할 수 있다.
한편, 제1실시 예에서는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C) 상에 마이크로렌즈(250) 및 컬러 필터층(240)이 형성된 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)에는 마이크로렌즈(250) 및 컬러 필터층(240)이 형성되지 않을 수도 있다. 이 경우, 제1차폐막(260A)은 기판구조물(220)로 직접 입사되는 빛(도 2의 도면부호 '①' 참조)을 차폐할 수 있다.
제2차폐막(260B)은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 신호전달부(210)와 접하는 평판타입일 수 있다. 이로써, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 금속배선(213)에 의해 산란되어 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220)으로 입사되는 빛(도 2의 도면부호 '②' 참조)을 차폐할 수 있다.
제3차폐막(260C)은 광전변환소자(222)를 둘러싸는 링타입이기 때문에 액티브 픽셀 어레이 영역(100A)로부터 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220)으로 입사되는 빛(도 2의 도면부호 '③' 참조) 및 액티브 픽셀 영역(100A)의 금속배선(213)에 의해 산란되어 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220)으로 입사되는 빛(도 2의 도면부호 '④' 참조)을 차폐할 수 있다. 아울러, 제3차폐막(260C)은 로직영역(300)의 기판을 통해 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(220)으로 유입되는 전기적 크로스토크(도 2의 도면부호 '⑤' 참조)을 완벽히 차폐할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1실시 예에 따른 이미지 센서는 옵티컬 블랙 픽셀 어레이(100C)의 외부로부터 입사되는 빛 및 전기적 크로스토크를 차폐하여, 노이즈가 없는 다크 레벨(dark level)을 갖는 옵티컬 블랙 신호를 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 설명의 편의를 위해 제1실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)은 광전변환소자(222)를 포함하고, 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 갖는 기판(221), 광전변환소자와 중첩되고 기판(221)의 제1면(S1) 및 제2면(S2) 상에 각각 형성된 제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B), 광전변환소자(222)를 둘러싸고 기판(221)을 관통하여 제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)에 접하는 제3차폐막(260C)을 포함할 수 있다.
또한, 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)은 다층의 금속배선들(213) 중 최하층 금속배선(213)과 제2차폐막(260B) 사이에 형성된 제1절연막 및 제2차폐막(260B)과 제1절연막 사이에 형성된 제2절연막을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1절연막은 층간절연막(214)일 수 있고, 제2절연막은 보호막(280)일 수 있다. 보호막(280)은 차폐막(260) 형성 공정 시 기형성된 구조물 예컨대, 금속배선(213)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 보호막(280)은 제2차폐막(260B) 일부 즉, 제2차폐막(260B)의 외벽을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 보호막(280)은 후술하는 제조방법을 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예 및 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 비교예에 따른 이미지 센서를 도 1에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 이미지 센서는 마이크로 렌즈(150), 컬러 필터층(140), 평탄화막(130), 차폐막(160), 기판구조물(120), 신호전달부(110) 및 웨이퍼(105)가 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상술한 적층 구조는 액티브 픽셀 어레이 영역(100A) 및 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)에 동일하게 적용될 수 있다.
비교예의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)은 컬러 필터층(140)과 기판구조물(120) 사이에 차폐막(160)이 위치할 수 있다. 차폐막(160)은 외부로부터 칼라 필터들(140)을 통해서 입사되는 빛이 기판구조물(120)내에 광전변환소자(122)로 전달되지 못하도록 차폐하는 역할을 한다.
비교예에 따른 차폐막(160)은 컬러 필터층(140)과 기판구조물(120) 사이에만 형성되어 있어, 기판구조물(120)로 직접 입사되는 빛(도 4의 도면부호 '①' 참조)을 차폐할 수 있으나, 금속배선(113)에 의해 산란되어 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(120)으로 입사되는 빛(도 4의 도면부호 '②' 참조), 액티브 픽셀 어레이 영역(100A)로부터 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(120)으로 입사되는 빛(도 4의 도면부호 '③' 참조), 액티브 픽셀 영역(100A)의 금속배선(113)에 의해 산란되어 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(120)으로 입사되는 빛(도 4의 도면부호 '④' 참조) 및 로직 영역(300)의 기판(121)을 통해 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 기판구조물(120)으로 유입되는 전기적 크로스토크(도 4의 도면부호 '⑤' 참조)를 차폐할 수 없다. 따라서, 옵티컬 블랙 픽셀 어레이가 완전한 암흑(dark) 상태에서 픽셀신호를 출력할 수 없다.
반면에, 본 발명의 제1실시 예 및 제2실시 예에 따른 이미지 센서는 제1차폐막(260A) 내지 제3차폐막(260C)을 구비함으로써, 외부로부터 입사되는 빛 및 전기적 크로스토크를 차폐하여, 노이즈가 없는 다크 레벨(dark level)을 갖는 옵티컬 블랙 신호를 생성할 수 있다.
이하에서는, 도 2에 도시된 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역의 제조방법에 대한 일례를 도 5a 내지 도 5l을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5l은 본 발명의 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도이다. 참고로, 설명의 편의를 위해 도 5a 내지 도 5l은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역만을 도시하였다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(221)에 광전변환소자(222)를 형성한다. 광전변환소자(222)는 복수의 광전변환영역들(222A)을 포함할 수 있다. 광전변환소자(222)가 형성된 기판(221)은 도 2에 도시된 기판구조물(220)에 대응될 수 있다. 그리고, 기판(221)은 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 가질 수 있다. 제1면(S1)이 상부표면이라면, 제2면(S2)이 하부표면일 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 기판(221)의 제2면(S2) 상에 게이트(211)를 형성한다. 게이트(211)는 전달 트랜지스터(TX)의 게이트일 수 있으며, 전달 트랜지스터(TX)의 게이트가 형성되는 동안 다른 픽셀 트랜지스터들 예컨대, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 억세스 트랜지스터의 게이트들도 함께 형성될 수 있다.
이어서, 기판(221)의 제2면(S2) 상에 제1층간절연막패턴(214A)을 형성한다. 제1층간절연막패턴(214A)은 차폐막(260)이 형성될 영역에 대응하는 제1오프닝(O1)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1층간절연막패턴(214A)은 희생막(270)이 게이트(211)을 완전히 덮을 수 있도록, 게이트(211)의 두께보다 두껍게 형성할 수 있다. 제1층간절연막패턴(214A)은 기판(221)의 제2면(S2) 상에 게이트(211)를 덮는 층간절연막을 형성한 후, 층간절연막을 광전변환소자(222)와 중첩되는 영역을 기판(221)이 노출될때까지 식각하여 제1오프닝(O1)을 형성하는 일련의 공정과정을 통해 형성할 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 게이트(211)을 완전히 덮을 수 있도록 제1오프닝(O1)에 희생막(270)을 갭필한다. 제1층간절연막패턴(214A)은 희생막(270)을 형성하기 위한 몰드막 또는 가이드패턴으로 사용될 수 있다. 희생막(270)은 인접구조물들에 대해 식각선택비를 갖고, 습식식각이 용이한 물질로 형성할 수 있다. 인접구조물은 기판(221) 및 제1층간절연막패턴(214A)을 포함할 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 희생막(270) 및 제1층간절연막패턴(214A) 상에 제2층간절연막(214B)를 형성한다. 제2층간절연막(214B)은 후공정에서 형성될 복수의 플러그(212)들을 절연하기 위한 절연막으로 사용된다.
이어서, 희생막(270) 및 제2층간절연막(214B)을 게이트(211)가 노출될 때까지 식각하여 콘택홀(미도시)을 형성하고, 콘택홀에 금속성 도전물질을 매립하여, 게이트(211)와 전기적으로 연결되는 플러그(212)를 형성한다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 플러그(212)가 형성된 제2층간절연막(214B)상에 금속배선(213)을 형성한다.
도 5f에 도시된 바와 같이, 신호전달부(210)를 형성한다. 신호전달부(210)는 다층의 금속배선들(213) 및 이들 사이에 삽입된 층간절연막들(214)을 포함할 수 있다.
도 5g에 도시된 바와 같이, 신호전달부(210)에 웨이퍼(205)를 본딩하고, 기판(221)의 제1면에 대해 그라인딩 공정을 수행한다. 이로써, 기판(221)의 두께를 감소시킬 수 있다.
도 5h에 도시된 바와 같이, 기판(221)의 제1면(S1)으로부터 희생막(270)이 노출될때까지 기판(221)을 선택적으로 식각하여 트렌치(T)를 형성한다. 트렌치(T)는 기판(221)을 관통하고, 광전변환소자(222)를 둘러싸는 링타입으로 형성할 수 있다. 트렌치(T) 형성공정은 기판(221)상에 하드 마스크(미도시)를 형성하고, 하드 마스크를 식각장벽으로 희생막(270)의 표면이 노출될 때까지 기판(221)을 식각하여 형성할 수 있다. 식각은 건식식각으로 진행할 수 있다.
도 5i에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)에 의해 노출된 희생막(270)의 표면에 식각용액을 주입하여, 희생막(270)을 제거한 후, 제2층간절연막(214B)의 표면을 노출시켜 제2오프닝(O2)을 형성한다. 제2오프닝(O2)은 제1오프닝(O1) 및 트렌치(T)를
포함할 수 있다. 제2오프닝(O2) 형성 공정 시 게이트(211) 및 플러그(212) 즉, 지지부(215)는 상기 희생막(270)의 제거 시, 기판구조물(220)이 쓰러지는 것을 방지할 수 있다.
도 5j 및 도 5k에 도시된 바와 같이, 차폐막물질(260)이 제2오프닝(O2)에 매립하고, 연속하여 기판(221) 상부표면을 덮을 때까지 증착공정을 진행한다. 차폐막물질(260)은 트렌치(T)를 매립할 수 있도록 갭필 특성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 또한, 차폐막물질(260)은 차광특성을 갖는 절연물질일 수 있다.
도 5l에 도시된 바와 같이, 기판의 제1면(S1) 상에 형성된 차폐막물질(260)을 선택적으로 식각하여 제1차폐막(260A), 제2차폐막(260B) 및 제3차폐막(260C)을 형성한다. 제1차폐막(260A) 내지 제3차폐막(260C)은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역(100C)의 광전변환소자(222)를 모두 둘러싸도록 형성할 수 있다.
제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)은 광전변환소자(222)와 중첩되며, 제1면(S1) 및 제2면(S2) 상에 각각 형성되고, 평판타입일 수 있다. 제3차폐막(260C)은 기판(221)을 관통하여 제1차폐막(260A) 및 제2차폐막(260B)과 접하고, 광전변환소자(222)를 둘러싸는 링타입일 수 있다.
이후, 공지된 제조방법에 따라 이미지 센서를 완성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법 외부로부터 입사되는 빛 및 전기적 크로스토크를 차폐하여, 노이즈가 없는 다크 레벨(dark level)을 갖는 옵티컬 블랙 신호를 생성할 수 있다.
아울러, 제1차폐막(260A) 내지 제3차폐막(260C) 형성공정을 열처리를 수반하는 소스/드레인영역 형성공정 및 금속배선(213) 형성공정 이후에 진행하기 때문에 열처리에 기인한 제1차폐막(260A) 내지 제3차폐막(260C)의 특성 열화를 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 3에 도시된 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역의 제조방법에 대한 일례를 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도이다. 참고로, 설명의 편의를 위해 도 5a 내지 도 5l은 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역만을 도시하였으며, 도 5a 내지 도 5l과 중복되는 부분은 상세한 설명을 생략하였다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(221)에 광전변환소자(222)를 형성한다. 광전변환소자(222)는 복수의 광전변환영역들(222A)을 포함할 수 있다. 광전변환소자(222)가 형성된 기판(221)은 도 2에 도시된 기판구조물(220)에 대응될 수 있다. 그리고, 기판(221)은 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 가질 수 있다. 제1면(S1)이 상부표면이라면, 제2면(S2)이 하부표면일 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 기판(221)의 제2면(S2) 상에 게이트(211)를 형성한다. 게이트(211)는 전달 트랜지스터(TX)의 게이트일 수 있으며, 전달 트랜지스터(TX)의 게이트가 형성되는 동안 다른 픽셀 트랜지스터들 예컨대, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 억세스 트랜지스터의 게이트들도 함께 형성될 수 있다.
이어서, 기판(221)의 제2면(S2) 상에 제1층간절연막패턴(214A)을 형성한다. 제1층간절연막패턴(214A)은 차폐막(260)이 형성될 영역에 대응하는 제1오프닝(O1)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1층간절연막패턴(214A)은 희생막(270)이 게이트(211)을 완전히 덮을 수 있도록, 게이트(211)의 두께보다 두껍게 형성할 수 있다. 제1층간절연막패턴(214A)은 기판(221)의 제2면(S2) 상에 게이트(211)를 덮는 층간절연막을 형성한 후, 층간절연막을 광전변환소자(222)와 중첩되는 영역을 기판(221)이 노출될때까지 식각하여 제1오프닝(O1)을 형성하는 일련의 공정과정을 통해 형성할 수 있다.
이어서, 게이트(211)을 완전히 덮을 수 있도록 제1오프닝(O1)에 희생막(270)을 갭필한다. 제1층간절연막패턴(214A)은 희생막(270)을 형성하기 위한 몰드막 또는 가이드패턴으로 사용될 수 있다. 희생막(270)은 인접구조물들에 대해 식각선택비를 갖고, 습식식각이 용이한 물질로 형성할 수 있다. 인접구조물은 기판(221) 및 제1층간절연막패턴(214A)을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 제1오프닝(O1)보다 작은 면적을 갖도록 희생막(270)을 선택적으로 식각한다. 즉, 희생막(270)의 측벽과 제1층간절연막패턴(214A) 사이에 갭이 형성되도록 희생막(270)을 선택적으로 식각한다.
이어서, 갭을 매립하고, 희생막(270)을 덮도록 보호막(280)을 형성한다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 보호막(280)을 포함한 구조물 상에 제2층간절연막(214B)를 형성한다. 이후, 앞서 설명한 제1실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2실시 예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 보호막 형성공정을 진행함으로써, 후속 희생막(270) 제거 공정시 기형성된 구조물이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 6을 참조하여 카메라에 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 7을 참조하여, 실시 예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 이미지 센서(600), 광학 시스템(또는, 광학 렌즈)(610), 셔터 유닛(611), 이미지 센서(600) 및 셔터 유닛(611)을 제어/구동하는 구동부(613) 및 신호 처리부(612)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(610)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(600)의 픽셀 어레이로 안내한다. 광학 시스템(610)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(611)은 이미지 센서(600)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(613)는 이미지 센서(600)의 전송 동작과 셔터 유닛(611)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(612)는 이미지 센서(600)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100A : 액티브 픽셀 어레이 영역 100B : 더미 픽셀 어레이 영역
100C : 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역 222 : 광전변환소자
213 : 금속배선 210 : 신호전달부 260 : 차폐막
215 : 지지부
100C : 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 영역 222 : 광전변환소자
213 : 금속배선 210 : 신호전달부 260 : 차폐막
215 : 지지부
Claims (20)
- 광전변환소자를 포함하고, 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판;
상기 광전변환소자와 중첩되고, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막; 및
상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막
을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제1항에 있어서,
상기 제1차폐막 및 제2차폐막은 평판타입인 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제1항에 있어서,
상기 제3차폐막은 링타입인 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제1항에 있어서,
상기 제1차폐막 내지 상기 제3차폐막은 각각 차광특성을 갖는 절연물질을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제1항에 있어서,
상기 광전변환소자는 복수의 광전변환영역들을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 광전변환소자를 포함하고, 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판;
상기 광전변환소자와 중첩되며, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막;
상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막;
상기 제2차폐막 상에 형성되고, 다층의 금속배선들을 포함하는 신호전달부; 및
상기 광전변환소자와 상기 신호전달부 사이에 위치하고, 상기 광전변환소자와 상기 신호전달부 사이를 전기적으로 연결하는 지지부
를 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 다층의 금속배선들 중 최하층 금속배선과 상기 제2차폐막 사이에 형성된 제1절연막; 및
상기 제2차폐막과 상기 제1절연막 사이에 형성된 제2절연막
을 더 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제7항에 있어서,
상기 제2절연막은 상기 제2차폐막 외벽을 둘러싸는 형태를 갖는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 지지부는 상기 제2차폐막을 관통하여 형성되는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 지지부는,
상기 광전변환소자와 전기적으로 연결된 트랜지스터; 및
상기 다층의 금속배선들 중 최하층 금속배선과 상기 트랜지스터의 게이트 사이를 전기적으로 연결하는 플러그
를 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 제1차폐막 및 제2차폐막은 평판타입이고, 상기 제3차폐막은 링타입인 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 제1차폐막 내지 상기 제3차폐막은 각각 차광특성을 갖는 절연물질을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 광전변환소자는 복수의 광전변환영역들을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제6항에 있어서,
상기 제1차폐막 상에 형성된 컬러필터; 및
상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로렌즈
를 더 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이.
- 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판에 광전변환소자를 형성하는 단계; 및
상기 광전변환소자를 둘러싸는 차폐막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 차폐막은 상기 광전변환소자와 중첩되고, 상기 기판의 제1면 및 상기 제2면 상에 각각 형성된 제1차폐막 및 제2차폐막, 및 상기 광전변환소자를 둘러싸고, 상기 기판을 관통하여 상기 제1차폐막 및 상기 제2차폐막에 접하는 제3차폐막
을 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 광전변환소자를 둘러싸는 차폐막을 형성하기 이전,
상기 기판의 제2면 상에 지지부를 형성하는 단계; 및
상기 지지부 상에 다층의 금속배선들을 포함하는 신호전달부를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 지지부는,
상기 광전변환소자와 전기적으로 연결된 트랜지스터; 및
상기 다층의 금속배선들 중 최하층 금속배선과 상기 트랜지스터의 게이트 사이를 전기적으로 연결하는 플러그
를 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 기판의 제2면 상에 지지부를 형성하는 단계는,
상기 기판의 제2면 상에 상기 광전변환소자와 전기적으로 연결된 트랜지스터를 형성하는 단계;
상기 기판의 제2면 상에 상기 트랜지스터의 게이트를 덮는 제1층간절연막을 형성하는 단계;
상기 제1층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 광전변환소자와 중첩되는 제1오프닝을 포함하는 제1층간절연막패턴을 형성하는 단계:
상기 제1오프닝 내부에 희생막을 형성하는 단계;
상기 희생막을 포함하는 제1층간절연막패턴 상에 제2층간절연막을 형성하는 단계; 및
상기 제2층간절연막 및 상기 희생막을 관통하여 상기 트랜지스터의 게이트에 연결된 플러그를 형성하는 단계
를 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 광전변환소자를 둘러싸는 차폐막을 형성하는 단계는,
상기 기판의 제1면으로부터 상기 기판을 식각하여 상기 희생막을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계;
상기 희생막을 제거하여 제2오프닝을 형성하는 단계; 및
상기 제2오프닝을 갭필하고, 상기 기판의 제1면을 덮을때까지 차폐물질을 증착하는 단계
를 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제2층간절연막 및 상기 희생막 사이에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 옵티컬 블랙 픽셀 어레이 제조방법.
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