KR20190070485A - 후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법이 개시된다. 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 전하 저장 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 전면 상에 형성된 절연막과, 상기 전하 저장 영역들에 대응하도록 상기 절연막 상에 배치된 광 반사 패턴들과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.

Description

후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법{Backside illuminated image sensor and method of manufacturing the same}
본 발명의 실시예들은 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기판의 후면 상에 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이가 형성되는 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 전하결합소자(charge coupled device; CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor; CIS)로 구분될 수 있다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성하고 스위칭 방식으로 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출함으로써 이미지를 형성할 수 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 전면 조사형 이미지 센서와 후면 조사형 이미지 센서로 구분될 수 있다.
상기 전면 조사형 이미지 센서는, 전하 저장 영역들이 형성된 기판, 상기 기판의 전면 상에 형성된 트랜지스터들, 상기 기판의 전면 상에 형성된 배선층들, 상기 배선층들 상에 형성된 차광 패턴과 패시베이션층, 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서는 상기 전면 조사형 이미지 센서에 비하여 개선된 수광 효율을 가질 수 있다. 일 예로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0135627호(공개일자: 2012.12.17)에는, 기판의 후면 상에 형성된 반사 방지막과 차광 패턴, 상기 반사 방지막과 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층, 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러 필터층과 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 후면 조사형 이미지 센서가 개시되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0135627호 (공개일자: 2012.12.17)
본 발명의 실시예들은 향상된 감도를 갖는 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서는, 전하 저장 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 전면 상에 형성된 절연막과, 상기 전하 저장 영역들에 대응하도록 상기 절연막 상에 배치된 광 반사 패턴들과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 절연막 상에 형성된 식각 저지막과, 상기 식각 저지막 상에 형성된 제2 절연막과, 상기 제2 절연막 상에 형성되며 상기 전하 저장 영역들과 전기적으로 연결된 배선 패턴들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 식각 저지막과 상기 제2 절연막은 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 가질 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 개구들 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광 반사 패턴들은 텅스텐을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 절연막과 상기 식각 저지막 및 상기 제2 절연막을 관통하여 상기 배선 패턴들과 연결되는 콘택 플러그들을 더 포함할 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광 반사 패턴들은 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 절연막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 전기적으로 연결된 배선 패턴들을 더 포함할 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 배선 패턴들과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층들과, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 확산 방지막을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법은, 기판 내에 전하 저장 영역들을 형성하는 단계와, 상기 기판의 전면 상에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막 상에 상기 전하 저장 영역들과 대응하도록 광 반사 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사 방지막 상에 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴을 형성하는 단계와, 상기 차광 패턴 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 절연막 상에 식각 저지막을 형성하는 단계와, 상기 식각 저지막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막과 상기 식각 저지막을 부분적으로 제거하여 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 개구들 내에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 제2 절연막 상에 상기 저하 저장 영역들과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 제2 절연막과 상기 식각 저지막 및 상기 절연막을 관통하는 콘택홀들을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀들 내에 콘택 플러그들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 동시에 형성되고, 상기 배선 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광 반사 패턴들은 텅스텐을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 절연막 상에 상기 전하 저장 영역들과 연결되는 배선 패턴들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 배선 패턴들과 동시에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광 반사 패턴들은 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 전면 피닝층들을 형성하는 단계와, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 후면 피닝층들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 컬러 필터층은 상기 패시베이션층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 상에 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 패시베이션층은 상기 확산 방지막 상에 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 조사형 이미지 센서는, 전하 저장 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 전면 상에 형성된 절연막과, 상기 전하 저장 영역들에 대응하도록 상기 절연막 상에 배치된 광 반사 패턴들과, 상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴과, 상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
특히, 상기 광 반사 패턴들은 상기 전하 저장 영역들을 통과한 입사광을 반사시켜 상기 전하 저장 영역들로 되돌릴 수 있으며, 이에 따라 상기 후면 조사형 이미지 센서의 감도가 크게 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3 내지 도 13은 도 1에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 14 내지 도 18은 도 2에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
본 발명의 실시예들에서 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결되는 것으로 설명되는 경우 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화는 충분히 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차를 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 요소들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상은 요소들의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서(100)는 기판(102) 내에 형성된 복수의 화소 영역들(120)을 포함할 수 있다. 각각의 화소 영역들(120)은 입사광에 의해 생성된 전하들이 축적되는 전하 저장 영역(122)을 포함할 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 소정 간격 이격된 상기 기판(102)의 전면 부위에는 플로팅 확산 영역(126)이 배치될 수 있다.
상기 기판(102)은 제1 도전형을 가질 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 기판(102)으로는 P형 기판이 사용될 수 있으며, 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126)으로서 기능하는 N형 불순물 확산 영역들이 상기 P형 기판(102) 내에 형성될 수 있다.
상기 전하 저장 영역(122)과 상기 플로팅 확산 영역(126) 사이의 채널 영역 상에는 상기 전하 저장 영역(122)에 축적된 전하들을 상기 플로팅 확산 영역(126)으로 전달하기 위한 전달 게이트 구조물(110)이 배치될 수 있다. 상기 전달 게이트 구조물(110)은 상기 기판의(102) 전면(102A) 상에 형성된 게이트 절연막(112)과, 상기 게이트 절연막(112) 상에 형성된 게이트 전극(114)과, 상기 게이트 전극(114)의 측면들 상에 형성된 게이트 스페이서들(116)을 포함할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에는 상기 플로팅 확산 영역(126)과 전기적으로 연결된 리셋 게이트 구조물(미도시)과 소스 팔로워 게이트 구조물(미도시) 및 선택 게이트 구조물(미도시)이 배치될 수 있다.
그러나, 상기와 다르게 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)가 3T 레이아웃을 갖는 경우 상기 전달 게이트 구조물(110)은 리셋 게이트 구조물로서 기능할 수 있으며 상기 플로팅 확산 영역(126)은 상기 전하 저장 영역(122)을 리셋 회로에 연결하기 위한 활성 영역으로서 기능할 수 있다.
상기 화소 영역들(120)은 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 기판(102)의 전면(102A) 사이에 배치된 전면 피닝층(124)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화소 영역들(120)은 상기 전하 저장 영역(122)과 상기 기판(102)의 후면(102B) 사이에 배치된 후면 피닝층(128)을 포함할 수 있다. 상기 전면 및 후면 피닝층들(124, 128)은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들면, P형 불순물 확산 영역들이 상기 전면 및 후면 피닝층들(124, 128)로서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(102)의 전면(102A) 및 상기 전달 게이트 구조물(110) 상에는 절연막(130)이 형성될 수 있으며, 상기 절연막(130) 상에는 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하도록 광 반사 패턴들(146)이 배치될 수 있다. 상기 광 반사 패턴들(146)은 상기 전하 저장 영역들(122)을 통과한 광을 상기 전하 저장 영역들(122)로 되돌리기 위해 상기 광을 반사시킬 수 있다.
일 예로서, 상기 절연막(130) 상에는 식각 저지막(132)이 형성될 수 있고, 상기 식각 저지막(132) 상에는 제2 절연막(134)이 형성될 수 있다. 특히, 상기 식각 저지막(132)과 상기 제2 절연막(134)은 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하는 개구들(138; 도 7 참조)을 가질 수 있으며, 상기 광 반사 패턴들(146)은 상기 개구들(138) 내에 배치될 수 있다. 상기 절연막(130)과 상기 제2 절연막(134)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 식각 저지막(132)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 제2 절연막(134) 상에는 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들(150)이 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 배선 패턴들(150)은 상기 절연막(130)과 상기 식각 저지막(132) 및 상기 제2 절연막(134)을 관통하는 콘택 플러그들(148)에 의해 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결될 수 있다. 특히, 상기 광 반사 패턴들(146)은 상기 콘택 플러그들(148)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 광 반사 패턴들(146)과 상기 콘택 플러그들(148)은 텅스텐으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 절연막(134) 상에는 제2 배선 패턴들(154)과 제3 배선 패턴들(158)이 배치될 수 있다. 상기 배선 패턴들(150)과 상기 제2 배선 패턴들(154) 사이에는 제1 층간 절연막(152)이 배치될 수 있으며, 상기 제2 배선 패턴들(154)과 상기 제3 배선 패턴들(158) 사이에는 제2 층간 절연막(156)이 형성될 수 있다. 상기 제3 배선 패턴들(158) 상에는 제3 절연막(160)이 배치될 수 있다.
상기 기판(102)의 후면(102B) 상에는 반사 방지막(170)이 배치될 수 있으며, 상기 반사 방지막(170) 상에는 상기 전하 저장 영역들(122)에 대응하는 개구들(174; 도 12 참조)을 갖는 차광 패턴(172)이 배치될 수 있다. 아울러, 상기 반사 방지막(170)과 상기 차광 패턴(172) 상에는 패시베이션층(178)이 배치될 수 있고, 상기 패시베이션층(178) 상에 컬러 필터층(180)이 배치될 수 있으며, 상기 컬러 필터층(180) 상에 마이크로렌즈 어레이(182)가 배치될 수 있다. 아울러, 상기 화소 영역들(120)은 소자 분리 영역들(104)에 의해 전기적으로 서로 격리될 수 있다.
상기 차광 패턴(172)은 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 광손실 및 크로스토크를 감소시키기 위해 사용될 수 있으며, 금속, 예를 들면, 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 반사 방지막(170)과 상기 차광 패턴(172) 상에는 확산 방지막(176)이 형성될 수 있으며, 상기 패시베이션층(178)은 상기 확산 방지막(176) 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 방지막(170)과 상기 확산 방지막(176)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 상기 패시베이션층(178)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 전달 게이트 구조물(110) 상에는 절연막(190)이 배치될 수 있으며, 상기 절연막(190) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하도록 광 반사 패턴들(200)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 절연막(190) 상에는 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들(202)이 배치될 수 있으며, 상기 배선 패턴들(202)은 상기 절연막(190)을 관통하는 콘택 플러그들(198)에 의해 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결될 수 있다.
특히, 상기 광 반사 패턴들(200)과 상기 배선 패턴들(202)은 동일한 물질로 동시에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 광 반사 패턴들(200)과 상기 배선 패턴들(202)은 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수 있다.
상기 광 반사 패턴들(200)과 상기 배선 패턴들(202) 및 상기 절연막(190) 상에는 제1 층간 절연막(204)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 층간 절연막(204) 상에는 제2 배선 패턴들(206)이 배치될 수 있다. 상기 제2 배선 패턴들(206)과 상기 제1 층간 절연막(204) 상에는 제2 층간 절연막(208)이 배치될 수 있으며, 상기 제2 층간 절연막(208) 상에는 제3 배선 패턴들(210)이 배치될 수 있다. 상기 제3 배선 패턴들(210)과 상기 제2 층간 절연막(208) 상에는 제2 절연막(212)이 배치될 수 있다.
도 3 내지 도 13은 도 1에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 기판(102)의 전면 부위들에 액티브 영역들을 정의하기 위한 소자 분리 영역들(104)을 형성할 수 있다. 상기 기판(102)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 기판(102)으로는 P형 기판이 사용될 수 있으며, 다른 예로서, 상기 기판(102)은 실리콘 벌크 기판과 상기 실리콘 벌크 기판 상에 형성된 P형 에피택시얼층을 포함할 수 있다. 상기 소자 분리 영역들(104)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며 얕은 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation; STI) 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 소자 분리 영역들(104)을 형성한 후 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에 전달 게이트 구조물들(110)이 형성될 수 있다. 상기 전달 게이트 구조물들(110)은 각각 게이트 절연막(112)과 상기 게이트 절연막(112) 상에 형성된 게이트 전극(114)과 상기 게이트 전극(114)의 측면들 상에 형성된 게이트 스페이서들(116)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 기판(102)의 전면 상에는 리셋 게이트 구조물(미도시)과 소스 팔로워 게이트 구조물(미도시) 및 선택 게이트 구조물(미도시)이 상기 전달 게이트 구조물(110)과 동시에 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 기판(102) 내에 화소 영역들(120)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판(102)의 액티브 영역들 내에 제2 도전형을 갖는 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있다. 예를 들면, P형 기판(102) 내에 N형 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있으며, 상기 N형 전하 저장 영역들(122)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 N형 불순물 확산 영역들일 수 있다. 이어서, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 제1 도전형을 갖는 전면 피닝층들(124)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 N형 전하 저장 영역들(122) 사이에는 이온 주입 공정을 통해 P형 전면 피닝층들(124)이 형성될 수 있으며, 상기 P형 전면 피닝층들(124)은 P형 불순물 확산 영역들일 수 있다. 상기 N형 전하 저장 영역들(122)과 P형 전면 피닝층들(124)은 후속하는 급속 열처리 공정에 의해 활성화될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 전하 저장 영역들(122)로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판(102)의 전면 부위에 제2 도전형을 갖는 플로팅 확산 영역들(126)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전하 저장 영역들(122)로부터 소정 간격 이격되도록 상기 기판(102)의 전면 부위에 상기 플로팅 확산 영역들(126)로서 기능하는 N형 불순물 영역들이 이온 주입 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 전달 게이트 구조물들(110)은 상기 전하 저장 영역들(122)과 상기 플로팅 확산 영역들(126) 사이의 채널 영역들 상에 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 기판(102)의 전면(102A) 및 상기 전달 게이트 구조물(110) 상에 절연막(130)을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 절연막(130) 상에 식각 저지막(132)을 형성하고, 상기 식각 저지막(132) 상에 제2 절연막(134)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 절연막(130) 및 제2 절연막(134)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 식각 저지막(132)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 절연막(134) 상에 제1 포토레지스트 패턴(136)을 형성하고, 상기 제1 포토레지스트 패턴(136)을 식각 마스크로 이용하는 이방성 식각 공정을 수행하여 상기 절연막(130)을 노출시키는 개구들(138)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 이방성 식각 공정에 의해 상기 제2 절연막(134)과 상기 식각 저지막(132)이 부분적으로 제거될 수 있으며, 이에 따라 상기 절연막(130)을 노출시키는 개구들(138)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 개구들(138)은 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하도록 형성될 수 있다. 상기 제1 포토레지스트 패턴들(136)은 상기 개구들(138)을 형성한 후 애싱 또는 스트립 공정에 의해 제거될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 절연막(134) 상에 제2 포토레지스트 패턴(140)을 형성하고, 상기 제2 포토레지스트 패턴(140)을 식각 마스크로 이용하는 이방성 식각 공정을 수행하여 상기 전달 게이트 구조물(110)과 연결되는 콘택홀들(142)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 이방성 식각 공정에 의해 상기 제2 절연막(134)과 식각 저지막(132) 및 상기 절연막(130)이 부분적으로 제거될 수 있으며, 이에 따라 상기 콘택홀들(142)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 리셋 게이트 구조물과 상기 소스 팔로워 게이트 구조물 사이의 불순물 확산 영역, 상기 리셋 게이트 구조물, 및 상기 선택 게이트 구조물과 연결되는 콘택홀들이 상기 제2 포토레지스트 패턴(140)을 이용하는 상기 이방성 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 제2 포토레지스트 패턴(140)은 상기 콘택홀들(142)을 형성한 후 애싱 또는 스트립 공정에 의해 제거될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제2 절연막(134) 상에 금속층(144)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 유기금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 공정을 통해 상기 제2 절연막(134) 상에 텅스텐 층(144)이 형성될 수 있으며 상기 텅스텐 층(144)에 의해 상기 개구들(138) 및 상기 콘택홀들(142)이 매립될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 제2 절연막(134)이 노출되도록 평탄화 공정이 수행될 수 있으며, 이에 의해 상기 개구들(138) 및 상기 콘택홀들(142) 내에 광 반사 패턴들(146)과 콘택 플러그들(148)이 각각 형성될 수 있다. 예를 들면, 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polish; CMP) 공정이 상기 제2 절연막(134)이 노출되도록 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 텅스텐 층(144)의 상부가 제거될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제2 절연막(134) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들(150)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 절연막(134) 상에 알루미늄층 또는 구리층과 같은 금속층이 형성될 수 있으며, 상기 금속층을 패터닝함으로써 상기 콘택홀들(148)과 연결되는 배선 패턴들(150)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 절연막(134)과 상기 광 반사 패턴들(146) 및 상기 배선 패턴들(150) 상에 제1 층간 절연막(152)이 형성될 수 있으며, 상기 제1 층간 절연막(152) 상에 제2 배선 패턴들(154)이 형성될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(152)과 상기 제2 배선 패턴들(154) 상에는 제2 층간 절연막(156)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 층간 절연막(156) 상에는 제3 배선 패턴들(158)이 형성될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(156)과 상기 제3 배선 패턴들(158) 상에는 제3 절연막(160)이 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 층간 절연막들(152, 156)과 상기 제3 절연막(160)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 및 제3 배선 패턴들(154, 158)은 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 기판(102)의 두께를 감소시키기 위한 백그라인딩 공정 또는 화학적 기계적 연마 공정이 수행될 수 있으며, 이어서 상기 기판(102)의 후면(102B)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 제1 도전형을 갖는 후면 피닝층들(128)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 상기 기판(102)의 후면(102B)과 상기 전하 저장 영역들(122) 사이에 P형 후면 피닝층들(128)이 형성될 수 있으며, 상기 P형 후면 피닝층들(128)은 레이저 어닐 공정을 통해 활성화될 수 있다.
상기와 다르게, 상기 후면 피닝층들(128)은 상기 전하 저장 영역들(122)보다 먼저 형성될 수도 있다. 예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 상기 후면 피닝층들(128)을 형성한 후 상기 후면 피닝층들(128) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 백그라인딩 공정은 상기 후면 피닝층들(128)이 노출되도록 수행될 수 있다.
이어서, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 반사 방지막(170)이 형성될 수 있으며, 상기 반사 방지막(170) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하는 개구들(174)을 갖는 차광 패턴(172)이 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(170)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 상기 차광 패턴(172)은 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 방지막(170) 상에 텅스텐층(미도시)을 형성하고, 상기 텅스텐층을 패터닝함으로써 상기 차광 패턴(172)이 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 반사 방지막(170)과 상기 차광 패턴(172) 상에 확산 방지막(176)을 형성하고, 상기 확산 방지막(176) 상에 패시베이션층(178)을 형성할 수 있다. 상기 확산 방지막(176)은 상기 차광 패턴(172)으로부터의 금속 확산 즉 텅스텐 확산을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로서, 상기 확산 방지막(176)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 상기 패시베이션층(178)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 패시베이션층(178) 상에 상기 컬러 필터층(180)과 상기 마이크로 어레이(182)가 형성될 수 있다.
도 14 내지 도 18은 도 2에 도시된 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 14를 참조하면, 상기 기판(102)의 전면(102A) 상에 전달 게이트 구조물(110)을 형성한 후 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 전달 게이트 구조물(110) 상에 절연막(190), 예를 들면, 실리콘 산화막을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 절연막(190) 상에 포토레지스트 패턴(192)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(192)을 식각 마스크로 이용하는 등방성 식각 공정을 통해 상기 전달 게이트 구조물(110)과 연결되는 콘택홀들(194)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 리셋 게이트 구조물과 상기 소스 팔로워 게이트 구조물 사이의 불순물 확산 영역, 상기 리셋 게이트 구조물, 및 상기 선택 게이트 구조물과 연결되는 콘택홀들이 상기 이방성 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 절연막(190) 상에 상기 콘택홀들(194)이 매립되도록 금속층(196)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 유기금속 화학기상증착 공정을 통해 상기 절연막(190) 상에 텅스텐 층(196)이 형성될 수 있으며, 상기 텅스텐 층(196)에 의해 상기 콘택홀들(194)이 매립될 수 있다.
도 16을 참조하면, 상기 절연막(190)이 노출되도록 평탄화 공정이 수행될 수 있으며, 이에 의해 상기 콘택홀들(194) 내에 콘택 플러그들(198)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 화학적 기계적 연마 공정이 상기 절연막(190)이 노출되도록 수행될 수 있다.
도 17을 참조하면, 상기 절연막(190) 상에 상기 전하 저장 영역들(122)과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들(202)과 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하는 광 반사 패턴들(200)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연막(190) 상에 알루미늄층 또는 구리층과 같은 금속층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 금속층을 패터닝함으로써 상기 콘택 플러그들(198)과 연결되는 배선 패턴들(202)과 상기 전하 저장 영역들(122)과 대응하는 광 반사 패턴들(200)이 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 절연막(190)과 상기 배선 패턴들(202) 및 상기 광 반사 패턴들(200) 상에 제1 층간 절연막(204)이 형성될 수 있으며, 상기 제1 층간 절연막(204) 상에 제2 배선 패턴들(206)이 형성될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(204)과 상기 제2 배선 패턴들(206) 상에는 제2 층간 절연막(208)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 층간 절연막(208) 상에는 제3 배선 패턴들(210)이 형성될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(208)과 상기 제3 배선 패턴들(210) 상에는 제2 절연막(212)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 층간 절연막들(204, 208)과 상기 제2 절연막(212)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 및 제3 배선 패턴들(206, 210)은 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광 반사 패턴들(146 또는 200)은 상기 전하 저장 영역들(122)을 통과한 입사광을 반사시켜 상기 전하 저장 영역들(122)로 되돌릴 수 있으며, 이에 따라 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 감도가 크게 개선될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 후면 조사형 이미지 센서 102 : 기판
102A : 기판의 전면 102B : 기판의 후면
104 : 소자 분리 영역 110 : 전달 게이트 구조물
120 : 화소 영역 122 : 전하 저장 영역
124 : 전면 피닝층 126 : 플로팅 확산 영역
128 : 후면 피닝층 130 : 절연막
132 : 식각 저지막 134 : 제2 절연막
146 : 광 반사 패턴 148 : 콘택 플러그
150 : 배선 패턴 152 : 제1 층간 절연막
154 : 제2 배선 패턴 156 : 제2 층간 절연막
158 : 제3 배선 패턴 160 : 제3 절연막
170 : 반사 방지막 172 : 차광 패턴
176 : 확산 방지막 178 : 패시베이션층
180 : 컬러 필터층 182 : 마이크로렌즈 어레이

Claims (20)

  1. 전하 저장 영역들이 형성된 기판;
    상기 기판의 전면 상에 형성된 절연막;
    상기 전하 저장 영역들에 대응하도록 상기 절연막 상에 배치된 광 반사 패턴들;
    상기 기판의 후면 상에 배치된 반사 방지막;
    상기 반사 방지막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴;
    상기 차광 패턴 상에 배치된 컬러 필터층; 및
    상기 컬러 필터층 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연막 상에 형성된 식각 저지막;
    상기 식각 저지막 상에 형성된 제2 절연막; 및
    상기 제2 절연막 상에 형성되며 상기 전하 저장 영역들과 전기적으로 연결된 배선 패턴들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 식각 저지막과 상기 제2 절연막은 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 가지며, 상기 광 반사 패턴들은 상기 개구들 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광 반사 패턴들은 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 절연막과 상기 식각 저지막 및 상기 제2 절연막을 관통하여 상기 배선 패턴들과 연결되는 콘택 플러그들을 더 포함하며,
    상기 광 반사 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 반사 패턴들은 알루미늄 또는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 절연막 상에 배치되며 상기 전하 저장 영역들과 전기적으로 연결된 배선 패턴들을 더 포함하며,
    상기 광 반사 패턴들은 상기 배선 패턴들과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층들; 및
    상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막 및 상기 차광 패턴 상에 형성된 확산 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  11. 기판 내에 전하 저장 영역들을 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 상기 전하 저장 영역들과 대응하도록 광 반사 패턴들을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사 방지막 상에 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴을 형성하는 단계;
    상기 차광 패턴 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계; 및
    상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 절연막 상에 식각 저지막을 형성하는 단계;
    상기 식각 저지막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 절연막과 상기 식각 저지막을 부분적으로 제거하여 상기 전하 저장 영역들과 대응하는 개구들을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 광 반사 패턴들은 상기 개구들 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 절연막 상에 상기 저하 저장 영역들과 전기적으로 연결되는 배선 패턴들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 절연막과 상기 식각 저지막 및 상기 절연막을 관통하는 콘택홀들을 형성하는 단계; 및
    상기 콘택홀들 내에 콘택 플러그들을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 광 반사 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 동시에 형성되고,
    상기 배선 패턴들은 상기 콘택 플러그들과 연결되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 광 반사 패턴들은 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 절연막 상에 상기 전하 저장 영역들과 연결되는 배선 패턴들을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 광 반사 패턴들은 상기 배선 패턴들과 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 광 반사 패턴들은 알루미늄 또는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 전면 사이에 전면 피닝층들을 형성하는 단계; 및
    상기 전하 저장 영역들과 상기 기판의 후면 사이에 후면 피닝층들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 컬러 필터층은 상기 패시베이션층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반사 방지막과 상기 차광 패턴 상에 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 패시베이션층은 상기 확산 방지막 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
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