KR20190118726A - 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, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 형성되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층과, 상기 차광 패턴층 상에 형성된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 형성된 마이크로렌즈 어레이와, 상기 개구들 내에 각각 형성되며 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들에 집광하기 위한 굴절 패턴들을 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, 포토 다이오드들이 형성된 기판, 상기 기판의 전면 상에 형성된 트랜지스터들, 상기 기판의 전면 상에 형성된 배선층들, 상기 배선층들 상에 형성된 차광 패턴들과 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 제10-2012-0135627호에는, 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.
상기 차광 패턴은 텅스텐으로 이루어질 수 있으며 상기 반사 방지막 상에 텅스텐층을 형성한 후 상기 텅스텐층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 특히, 복수의 화소 영역들이 상기 기판 내에 형성될 수 있으며, 상기 차광 패턴은 상기 화소 영역들에 대응하는 개구들을 가질 수 있다. 상기 차광 패턴은 상기 후면 조사형 이미지 센서의 크로스토크(crosstalk)를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 상기 차광 패턴에 의해 상기 후면 조사형 이미지 센서의 집광 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 후면 조사형 이미지 센서의 집광 효율을 향상시킬 필요가 있으며, 상기 크로스토크 또한 보다 개선될 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0135627호 (공개일자 2012.12.17)
본 발명의 실시예들은 집광 효율 및 크로스토크(crosstalk)를 개선할 수 있는 후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서는, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 형성되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층과, 상기 차광 패턴층 상에 형성된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 형성된 마이크로렌즈 어레이와, 상기 개구들 내에 각각 형성되며 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들에 집광하기 위한 굴절 패턴들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 형성된 평탄화층을 더 포함할 수 있으며, 상기 컬러 필터층은 상기 평탄화층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들은 상기 평탄화층보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 기판의 후면 상에 형성된 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 반사 방지층은 상기 기판의 후면 상에 형성된 금속 산화막과, 상기 금속 산화막 상에 형성된 실리콘 산화막, 및 상기 실리콘 산화막 상에 형성된 실리콘 질화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 후면 조사형 이미지 센서는, 상기 반사 방지층 상에 형성된 절연층을 더 포함할 수 있으며, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들은 상기 절연층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 화소 영역들은, 상기 기판 내에 형성된 전하 저장 영역과, 상기 전하 저장 영역 및 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층을 각각 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 화소 영역들은, 상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층을 각각 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법은, 기판 내에 화소 영역들을 형성하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층을 형성하는 단계와, 상기 개구들 내에 굴절 패턴들을 각각 형성하는 단계와, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 굴절 패턴들은 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들로 집광하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들을 형성하는 단계는, 상기 개구들 내부에 예비 굴절 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 굴절 패턴들을 형성하기 위하여 상기 예비 굴절 패턴들의 가장자리 부위들을 부분적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 굴절 패턴들은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들을 형성하는 단계는, 상기 예비 굴절 패턴들 상에 경사진 측면들을 갖는 포토레지스트 패턴들을 각각 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 예비 굴절 패턴들의 가장자리 부위들은 상기 포토레지스트 패턴들을 식각 마스크로서 사용하는 이방성 식각 공정에 의해 부분적으로 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 이방성 식각 공정을 수행하는 동안 상기 포토레지스트 패턴들은 상기 예비 굴절 패턴들과 동일한 속도로 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 평탄화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 컬러 필터층은 상기 평탄화층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들은 상기 평탄화층보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 굴절 패턴들은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 굴절 패턴들을 형성한 후 상기 굴절 패턴들의 결함들을 제거하기 위한 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 기판의 후면 상에 반사 방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 반사 방지층 상에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 조사형 이미지 센서는, 화소 영역들이 형성된 기판과, 상기 기판의 후면 상에 형성되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층과, 상기 개구들 내에 형성된 굴절 패턴들과, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상에 형성된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층 상에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 상기 굴절 패턴들은 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들에 집광하기 위해 사용될 수 있다.
특히, 상기 굴절 패턴들은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들을 각각 가질 수 있으며, 상기 평탄화층보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 경사진 측면들로 입사되는 광이 상기 화소 영역들로 굴절될 수 있으며, 결과적으로 상기 후면 조사형 이미지 센서의 집광 효율과 크로스토크 특성이 충분히 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조사형 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반사 방지층을 설명하기 위한 개략적인 확대 단면도이다.
도 3 내지 도 12는 도 1에 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, 화소 영역들(120)이 형성된 기판(102)과, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 형성되며 상기 화소 영역들(120)과 대응하는 개구들(152; 도 8 참조)을 갖는 차광 패턴층(150)과, 상기 차광 패턴층(150) 상에 형성된 컬러 필터층(190)과, 상기 컬러 필터층(190) 상에 형성된 마이크로렌즈 어레이(192)를 포함할 수 있다. 특히, 상기 개구들(152) 내에는 상기 마이크로렌즈 어레이(192)와 상기 컬러 필터층(190)을 통과한 광을 상기 화소 영역들(120)에 집광하기 위한 굴절 패턴들(170)이 각각 형성될 수 있다.
상기 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. 다른 예로서, 상기 기판(102)은 P형 에피택시얼 층을 포함할 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.
상기 기판(102)의 전면(102A) 상에는 상기 화소 영역들(120)과 전기적으로 연결되는 배선층들(130)이 배치될 수 있으며, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 배선층들(130) 사이에는 절연층들(132)이 배치될 수 있다.
상기 기판(102)의 후면(102B) 상에는 반사 방지층(140)이 형성될 수 있다. 도 2는 도 1에 도시된 반사 방지층을 설명하기 위한 개략적인 확대 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 반사 방지층(140)은 기판(102)의 후면(102B) 상에 형성된 금속 산화막(142)과, 상기 금속 산화막(142) 상에 형성된 실리콘 산화막(144) 및 상기 실리콘 산화막(144) 상에 형성된 실리콘 질화막(146)을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화막(142)은 고정 전하층으로서 기능할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 산화막(142)은 음성 고정 전하층(negative fixed charge layer)으로서 기능할 수 있으며, 하프늄 산화물(HfO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlO) 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 음성 고정 전하층의 음성 전하는 상기 기판(102)의 후면 부위에 음성으로 충전된 얕은 소수 캐리어 과량 함유 영역(shallow minority carrier rich region) 즉 상기 기판(102)의 후면 부위에 정공들이 축적된 정공 축적 영역을 형성할 수 있으며, 상기 정공 축적 영역은 상기 후면 피닝층들(128)의 기능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기와 다르게 상기 전하 저장 영역(122)이 제1 도전형을 갖는 경우 즉 상기 기판(102)으로서 N형 기판이 사용되고 상기 전하 저장 영역이 P형 불순물을 포함하는 경우, 상기 금속 산화막(142)은 양성 고정 전하층(positive fixed charge layer)으로서 기능할 수 있으며 지르코늄 산화물(ZrO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO2) 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 양성 고정 전하층은 상기 기판(102)의 후면 부위에 전자들이 축적된 전자 축적 영역을 형성할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 반사 방지층(140) 상에는 절연층(148) 예를 들면 실리콘 산화물 층이 형성될 수 있으며, 상기 절연층(148) 상에 차광 패턴층(150)이 형성될 수 있다. 상기 차광 패턴층(150)은 상기 화소 영역들(120)과 대응하는 개구들(152)을 가질 수 있으며, 금속 물질 예를 들면 텅스텐으로 이루어질 수 있다.
상기 개구들(152) 내에는 굴절 패턴들(170)이 각각 형성될 수 있으며, 상기 차광 패턴층(150)과 상기 굴절 패턴들(170) 상에는 평탄화층(180)이 형성될 수 있다. 일 예로서, 상기 평탄화층(180)은 실리콘 산화물 또는 포토레지스트 물질로 이루어질 수 있다. 상기 평탄화층(180) 상에는 컬러 필터층(190)이 형성될 수 있으며, 상기 컬러 필터층(190) 상에는 상기 마이크로렌즈 어레이(192)가 형성될 수 있다.
특히, 상기 굴절 패턴들(170)은 상기 마이크로렌즈 어레이(192)와 상기 컬러 필터층(190)을 통과한 광을 상기 화소 영역들(120)에 집광하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 굴절 패턴들(170)은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들(170A; 도 11 참조)을 각각 가질 수 있다. 특히, 상기 굴절 패턴들(170)은 상기 경사진 측면들(170A)로 입사된 광을 상기 화소 영역들(120)로 굴절시키기 위하여 상기 평탄화층(180)보다 높은 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 굴절 패턴들(170)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 결과적으로, 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 집광 효율과 크로스토크가 크게 개선될 수 있다.
도 3 내지 도 12는 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 에피택시얼 층을 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)로서 기능하는 전하 저장 영역들(122)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 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 고농도 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) 상에는 상기 화소 영역들(120)과 전기적으로 연결되는 배선층들(130)이 형성될 수 있으며, 상기 기판(102)의 전면(102A)과 상기 배선층들(130) 사이에는 절연층들(132)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 배선층들(130)은 상기 플로팅 확산 영역들(126) 및 상기 게이트 구조물들(110)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 7을 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.
한편, 상기 기판(102)이 P형 에피택시얼 층을 포함하는 경우, 상기 전하 저장 영역들(122)과 전면 및 후면 피닝층들(124, 128)은 상기 P형 에피택시얼 층 내에 형성될 수 있으며, 상기 실리콘 벌크 기판은 상기 백그라인딩 공정에 의해 제거될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 반사 방지층(140)이 형성될 수 있으며, 상기 반사 방지층(140) 상에 절연층(148)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 상기 반사 방지층(140)으로서 기능하는 금속 산화막(142; 도 2 참조)과 실리콘 산화막(144; 도 2 참조) 및 실리콘 질화막(146; 도 2 참조)이 순차적으로 형성될 수 있으며, 상기 반사 방지층(140) 상에 상기 절연층(148)으로서 기능하는 실리콘 산화물 층이 형성될 수 있다. 상기 반사 방지층(140)과 상기 절연층(148)은 화학 기상 증착, 유기 금속 화학 기상 증착, 원자층 증착 등을 통해 형성될 수 있다.
이어서, 상기 절연층(148) 상에 상기 화소 영역들(120)과 각각 대응하는 개구들(152)을 갖는 차광 패턴층(150)이 형성될 수 있다. 상기 차광 패턴층(150)은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(148) 상에 텅스텐 층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 텅스텐 층을 패터닝함으로써 상기 절연층(148) 상에 차광 패턴층(150)이 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 개구들(152) 내부에 예비 굴절 패턴들(160)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 개구들(152)이 매립되도록 상기 차광 패턴층(150)과 상기 절연층(148) 상에 굴절층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 예비 굴절 패턴들(160)은 평탄화 공정을 통해 상기 차광 패턴층(150)이 노출되도록 상기 굴절층의 상부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 특히, 상기 예비 굴절 패턴들(160)은 후속하여 형성될 평탄화층(180; 도 12 참조)보다 높은 굴절률을 가질 수 있으며, 일 예로서 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 예비 굴절 패턴들(160) 상에 포토레지스트 패턴들(162)이 형성될 수 있다. 특히, 상기 포토레지스트 패턴들(162)은 도시된 바와 같이 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들(162A)을 가질 수 있으며, 이중 노광 공정 또는 다중 노광 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 예비 굴절 패턴들(160)의 가장자리 부위들을 부분적으로 제거함으로써 상기 개구들(152) 내에 굴절 패턴들(170)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 포토레지스트 패턴들(162)을 식각 마스크로서 이용하는 이방성 식각 공정을 수행함으로써 상기 예비 굴절 패턴들(160)의 가장자리 부위들이 제거될 수 있다. 이때, 상기 이방성 식각 공정을 수행하는 동안 상기 포토레지스트 패턴들(162)은 상기 예비 굴절 패턴들(160)과 동일한 속도로 제거될 수 있으며, 이에 의해 상기 포토레지스트 패턴들(162)과 동일한 형상을 갖는 굴절 패턴들(170)이 상기 개구들(152) 내에 형성될 수 있다. 즉 상기 굴절 패턴들(170)은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들(170A)을 각각 가질 수 있다.
상기 굴절 패턴들(170)이 형성된 후 상기 굴절 패턴들(170) 상에 잔류하는 포토레지스트 잔류물을 제거하기 위한 애싱 또는 스트립 공정이 수행될 수 있으며, 식각 잔류물을 제거하기 위한 세정 공정이 수행될 수 있다.
또한, 상기 굴절 패턴들(170)이 형성된 후 상기 굴절 패턴들(170)의 결함들을 제거하기 위한 열처리 공정이 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 이방성 식각 공정을 수행하는 동안 발생될 수 있는 댕글링 본드들을 제거하기 위한 열처리 공정이 질소 및 수소를 포함하는 분위기에서 약 300℃ 내지 450℃ 정도의 온도로 약 20분 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 다른 예로서, 상기 열처리 공정은 후속하는 평탄화층(180)을 형성한 후에 수행될 수도 있다.
도 12를 참조하면, 상기 차광 패턴층(150)과 상기 굴절 패턴들(170) 상에 평탄화층(180)이 형성될 수 있으며, 상기 평탄화층(180) 상에 컬러 필터층(190) 및 마이크로렌즈 어레이(192)가 순차적으로 형성될 수 있다. 상기 평탄화층(180)은 상기 굴절 패턴들(170)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질, 예를 들면, 실리콘 산화물 또는 포토레지스트 물질로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 조사형 이미지 센서(100)는, 화소 영역들(120)이 형성된 기판(102)과, 상기 기판(102)의 후면(102B) 상에 형성되며 상기 화소 영역들(120)과 대응하는 개구들(152)을 갖는 차광 패턴층(150)과, 상기 개구들(152) 내에 형성된 굴절 패턴들(170)과, 상기 차광 패턴층(150)과 상기 굴절 패턴들(170) 상에 형성된 평탄화층(180)과, 상기 평탄화층(180) 상에 형성된 컬러 필터층(190)과, 상기 컬러 필터층(190) 상에 형성된 마이크로 렌즈 어레이(192)를 포함할 수 있다. 상기 굴절 패턴들(170)은 상기 마이크로 렌즈 어레이(192)와 상기 컬러 필터층(190)을 통과한 광을 상기 화소 영역들(120)에 집광하기 위해 사용될 수 있다.
특히, 상기 굴절 패턴들(170)은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들(170A)을 각각 가질 수 있으며, 상기 평탄화층(180)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 경사진 측면들(170A)로 입사되는 광이 상기 화소 영역들(120)로 굴절될 수 있으며, 결과적으로 상기 후면 조사형 이미지 센서(100)의 집광 효율과 크로스토크 특성이 충분히 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 : 배선층
132 : 절연층 140 : 반사 방지막
142 : 금속 산화막 144 : 실리콘 산화막
146 : 실리콘 질화막 148 : 절연막
150 : 차광 패턴층 152 : 개구
160 : 예비 굴절 패턴 162 : 포토레지스트 패턴
170 : 굴절 패턴 170A : 경사진 측면
180 : 평탄화층 190 : 컬러 필터층
192 : 마이크로렌즈 어레이

Claims (20)

  1. 화소 영역들이 형성된 기판;
    상기 기판의 후면 상에 형성되며 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층;
    상기 차광 패턴층 상에 형성된 컬러 필터층;
    상기 컬러 필터층 상에 형성된 마이크로렌즈 어레이; 및
    상기 개구들 내에 각각 형성되며 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들에 집광하기 위한 굴절 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 굴절 패턴들은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 형성된 평탄화층을 더 포함하며, 상기 컬러 필터층은 상기 평탄화층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 굴절 패턴들은 상기 평탄화층보다 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 굴절 패턴들은 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판의 후면 상에 형성된 반사 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반사 방지층은 상기 기판의 후면 상에 형성된 금속 산화막과, 상기 금속 산화막 상에 형성된 실리콘 산화막, 및 상기 실리콘 산화막 상에 형성된 실리콘 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반사 방지층 상에 형성된 절연층을 더 포함하며, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들은 상기 절연층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 화소 영역들은,
    상기 기판 내에 형성된 전하 저장 영역; 및
    상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 전면 사이에 형성된 전면 피닝층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 화소 영역들은 상기 전하 저장 영역과 상기 기판의 후면 사이에 형성된 후면 피닝층을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서.
  11. 기판 내에 화소 영역들을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면 상에 상기 화소 영역들과 대응하는 개구들을 갖는 차광 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 개구들 내에 굴절 패턴들을 각각 형성하는 단계;
    상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계; 및
    상기 컬러 필터층 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 굴절 패턴들은 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 컬러 필터층을 통과한 광을 상기 화소 영역들로 집광하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 굴절 패턴들을 형성하는 단계는,
    상기 개구들 내부에 예비 굴절 패턴들을 형성하는 단계; 및
    상기 굴절 패턴들을 형성하기 위하여 상기 예비 굴절 패턴들의 가장자리 부위들을 부분적으로 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 굴절 패턴들은 상방으로 폭이 감소되도록 경사진 측면들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 굴절 패턴들을 형성하는 단계는,
    상기 예비 굴절 패턴들 상에 경사진 측면들을 갖는 포토레지스트 패턴들을 각각 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 예비 굴절 패턴들의 가장자리 부위들은 상기 포토레지스트 패턴들을 식각 마스크로서 사용하는 이방성 식각 공정에 의해 부분적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 이방성 식각 공정을 수행하는 동안 상기 포토레지스트 패턴들은 상기 예비 굴절 패턴들과 동일한 속도로 제거되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 차광 패턴층과 상기 굴절 패턴들 상에 평탄화층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 컬러 필터층은 상기 평탄화층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 굴절 패턴들은 상기 평탄화층보다 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 굴절 패턴들은 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 굴절 패턴들을 형성한 후 상기 굴절 패턴들의 결함들을 제거하기 위한 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 기판의 후면 상에 반사 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반사 방지층 상에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
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