KR20200084719A - 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 배치되는 복수개의 컬러 필터들; 상기 컬러 필터들의 측면과 상부면들을 덮는 보호막; 및 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴을 포함한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지(optical image)을 전기적 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 형 및 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 픽셀들을 구비한다. 픽셀들 각각은 포토 다이오드(photodiode)를 포함한다. 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광효율을 증가시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 공정 불량을 감소시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 배치되는 복수개의 컬러 필터들; 상기 컬러 필터들의 측면과 상부면들을 덮는 보호막; 및 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴을 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 배치되는 복수개의 컬러 필터들; 상기 컬러 필터들 사이에서 상기 반도체 기판 상에 배치되며 상기 컬러 필터 보다 작은 두께를 가지는 차광 패턴; 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴; 및 상기 저굴절 패턴과 상기 컬러 필터들 사이 그리고 상기 저굴절 패턴과 상기 차광 패턴 사이에 개재되는 보호막을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 배치되는 복수개의 광학 필터들; 상기 광학 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴; 및 상기 저굴절 패턴과 상기 반도체 기판 사이에 개재되는 차광 패턴을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 희생 패턴들을 형성하여 컬러 필터 영역들을 한정하는 단계; 상기 컬러 필터 영역들에 각각 컬러 필터들을 형성하는 단계; 및 상기 희생 패턴들을 저굴절 패턴으로 대체시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 개념에 따른 이미지 센서는, 컬러 필터들 사이에 개재되는 저굴절 패턴을 포함하여, 상기 컬러 필터들의 가장자리에 인접하여 입사되는 빛들을 굴절시켜 해당 화소로 입사시킬 수 있다. 이로써 수광 효율을 높여 광효율을 증대시킬 수 있고, SNR(Signal Noise Ratio)을 높일 수 있다.
또한 본 발명의 개념에 따른 이미지 센서는 컬러 필터들의 상부면과 측벽을 덮는 보호막을 포함하여, 제조 공정 중에 컬러 필터들의 손상을 방지하고, 습기의 흡수를 차단하는 흡습 방지 기능을 할 수 있어 신뢰성이 향상된 이미지 센서를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 개념에 따른 이미지 센서는 차광 패턴을 포함하여, 멍불량이 방지되어 선명한 화질을 구현할 수 있다.
또한 본 발명의 개념에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 희생 패턴을 이용하여 컬러 필터 영역들을 한정하므로, 컬러 필터들이 불량 프로파일을 가지는 것을 방지할 수 있으며 원하는 크기를 가지는 컬러 필터들을 정확하게 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 개념에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 보호막을 이용하여 컬러 필터들의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 ‘II’ 부분을 확대한 확대도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 ‘II’ 부분을 확대한 확대도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 'II' 부분을 확대한 확대도이다.
도 1, 2a 및 2b를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(100)는 반도체 기판(1)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)은 실리콘 단결정 웨이퍼나 실리콘 에피택시얼층일 수 있다. 상기 반도체 기판(1)에는 제 1 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 1 도전형은 예를 들면 P형일 수 있고 상기 불순물은 붕소일 수 있다. 상기 반도체 기판(1)은 서로 대향되는 제 1 면(1a)과 제 2 면(1b)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)은 복수개의 단위 화소 영역들(UP)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)에는 깊은 소자 분리부(13)가 배치되어 상기 단위 화소 영역들(UP)을 서로 분리시킬 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(13)은 깊은 트렌치(7) 안에 배치될 수 있다. 상기 깊은 트렌치(7)는 상기 제 2 면(1b)으로부터 상기 제 1 면(1a)을 향해 형성될 수 있다. 상기 깊은 트렌치(7)의 폭은 상기 제 2 면(1b)으로부터 상기 제 1 면(1a)으로 갈수록 좁아질 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(13)는 상기 깊은 트렌치(7)의 측벽을 콘포말하게 덮는 고정 전하막(9)과 상기 깊은 트렌치(7)를 채우는 매립 절연막(11)을 포함할 수 있다. 상기 고정 전하막(9)은 음의 고정 전하를 가질 수 있다. 상기 고정 전하막(9)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨 및 란타노이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 고정 전하막(9)은 하프늄 산화막 또는 알루미늄 산화막일 수 있다. 이때 상기 고정 전하막(9)의 주변에는 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 이로써 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또는 상기 매립 절연막(11)은 스텝 커버리지 특성이 좋은 절연막으로, 예를 들면 실리콘 산화막으로 형성이 될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 평면적 관점에서 상기 깊은 소자 분리부(13)는 격자 형태를 가질 수 있다. 상기 고정 전하막(9)은 상기 제 2 면(1b) 상으로 연장되어 상기 제 2 면(1b)과 접할 수 있다. 상기 매립 절연막(11)도 상기 제 2 면(1b) 상으로 연장될 수 있다.
상기 깊은 소자 분리부(13)에 의해 한정된 각각의 단위 화소 영역(UP)에서 상기 반도체 기판(1) 내에는 광전 변환부(PD)가 배치될 수 있다. 상기 광전 변환부(PD)는 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형의 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 예를 들면 상기 광전 변환부(PD)는 N형의 비소나 인이 도핑될 수 있다. 상기 광전 변환부(PD)는 주변의 상기 반도체 기판(1)과 PN접합을 이루어 포토다이오드를 구성할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(1)의 제 1 면(1a) 상에는 상기 광전 변환부로부터 발생된 전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소오스 팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터들이 배치될 수 있다. 그리고 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 1 면(1a)은 층간절연막(5)으로 덮일 수 있다. 상기 층간절연막(5)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막 및/또는 실리콘 질화막의 다중막을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 층간절연막(5) 내에는 복수층의 배선들이 배치될 수 있다.
상기 반도체 기판(1) 내에는 상기 제 1 면(1a)에 인접하며 상기 깊은 소자 분리부(13)와 중첩되는 소자분리 영역(3)이 배치될 수 있다. 상기 소자분리 영역(3)에는 제 1 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 소자분리 영역(3)에 도핑된 상기 제 1 도전형의 불순물의 농도는 상기 반도체 기판(1)에 도핑된 상기 제 1 도전형의 불순물의 농도보다 높을 수 있다.
상기 반도체 기판(1)의 제 2 면(1b)에서 상기 매립 절연막(11) 상에는 보조 절연막(15)이 배치될 수 있다. 상기 보조 절연막(15)은 반사방지막 및/또는 평탄화막을 포함할 수 있다. 상기 보조 절연막(15)은 실리콘 질화막 및/또는 유기 절연막을 포함할 수 있다.
상기 보조 절연막(15) 상에는 제 1 컬러 필터들(CF1)과 제 2 컬러 필터들(CF2)이 교대로 배치될 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 서로 이격된 섬 형태로 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 격자 형태를 가지는 저굴절 패턴들(25a) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 1 컬러 필터들(CF1)과 상기 제 2 컬러 필터들(CF2)은 서로 다른 색의 염료나 안료를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 특정 파장의 빛을 걸러낼 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 광학 필터로 명명될 수도 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 적외선 필터일 수도 있다.
상기 제 1 컬러 필터들(CF1)과 상기 제 2 컬러 필터들(CF2)의 측면과 상부면은 보호막(23)으로 덮일 수 있다. 상기 보호막(23)은 예를 들면 알루미늄 산화막과 실리콘탄화산화막 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 측면 상에서 제 1 두께(T1)를 상기 보호막(23)은 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 상부면 상에서 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다. 상기 제 1 두께(T1)는 상기 제 2 두께(T2)와 같거나 보다 클 수 있다. 상기 보호막(23)은 1Å~100Å의 두께를 가질 수 있다. 즉, 상기 제 1 두께(T1)는 1Å~100Å일 수 있다. 상기 보호막(23)은 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)을 보호하고 흡습 기능을 할 수 있다. 이로써 신뢰성이 향상된 이미지 센서가 구현될 수 있다.
상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이에서 상기 보조 절연막(15) 상에는 차광 패턴(17a)이 배치될 수 있다. 상기 차광 패턴(17a)은 평면적으로 격자(grid) 형태를 가질 수 있다. 상기 차광 패턴(17a)은 예를 들면 티타늄을 포함할 수 있다. 상기 차광 패턴(17a)은 제 3 두께(T3)를 가질 수 있다. 상기 차광 패턴(17a)의 측벽은 이에 인접하는 컬러 필터(CF1 또는 CF2)의 측벽과 정렬될 수 있다. 상기 차광 패턴(17a)은 멍불량(이미지의 일부가 푸른 색으로 보이는 현상)을 방지할 수 있어, 선명한 화질을 구현할 수 있다.
상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이의 공간은 저굴절 패턴(25a)으로 채워질 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)의 굴절률은 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 굴절률 보다 작을 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)의 굴절률은 바람직하게는 1.3 이하이다. 상기 저굴절 패턴(25a)은 유기 물질을 포함할 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)은 제 4 두께(T4)를 가질 수 있다. 상기 제 4 두께(T4)는 상기 제 3 두께(T3) 보다 클 수 있다. 상기 보호막(23)은 상기 저굴절 패턴(25a)과 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이 그리고 상기 저굴절 패턴(25a)과 상기 차광 패턴(17a) 사이에 개재될 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)의 상부면은 상기 보호막(23)의 상부면과 공면을 이룰 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)의 폭은 상기 차광 패턴(17a)의 폭보다 좁을 수 있다. 상기 저굴절 패턴(25a)과 상기 차광 패턴(17a)은 상기 깊은 소자 분리부(13)와 수직적으로 중첩될 수 있다.
상기 보호막(23) 상에는 마이크로 렌즈들(ML)이 배치될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(ML)은 각각 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(ML)은 각각 상기 보호막(23)과 상기 저굴절 패턴(25a)의 상부면들과 접할 수 있다.
본 예에 따른 이미지 센서(100)에서 저굴절 패턴(25a)이 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 굴절률 보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 이로써 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 가장자리에 인접하도록 입사되는 제 1 빛(L1)이 상기 저굴절 패턴(25a)의 표면에서 굴절되어 해당 화소의 광전 변환부(PD)로 입사될 수 있다. 또한 상기 저굴절 패턴(25a)이 1.3 이하의 굴절률을 가져, 상기 저굴절 패턴(25a)의 상부면으로 입사되는 제 2 빛(L2)도 굴절되어 해당 화소의 광전 변환부(PD)로 입사될 수 있다. 이로써 상기 광전 변환부(PD)로 입사되는 빛의 양을 증대시킬 수 있어 수광 효율이 증대되어 광효율이 증가될 수 있다. 이로써 SNR(Signal Noise Ratio)을 높일 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)과 상기 저굴절 패턴(25a) 사이에 개재되는 상기 보호막(23)은 100Å 이하의 얇은 두께를 가져 상기 제 1 빛(L1)과 상기 제 2 빛(L2)의 경로에 영향을 주지 않을 수 있다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시예들에 따라 도 1의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, 서로 대향되는 제 1 면(1a)과 제 2 면(1b)을 포함하는 반도체 기판(1)을 준비한다. 이온 주입 공정을 진행하여 반도체 기판(1) 내에 상기 제 1 면(1a)에 인접하도록 소자 분리 영역(3)을 형성할 수 있다. 상기 반도체 기판(1) 내에 광전 변환부(PD)를 형성할 수 있다. 도시하지는 않았지만 상기 반도체 기판(1) 상에 트랜지스터들을 형성할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 1 면(1a)을 덮는 층간절연막(5)을 형성할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 층간절연막(5) 내에 다층의 배선을 형성할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)을 상기 제 2 면(1b)으로부터 상기 제 1 면(1a) 쪽으로 식각하여 깊은 트렌치(7)를 형성할 수 있다. 상기 제 2 면(1b)의 전면 상에 고정 전하막(9)을 콘포말하게 형성하여 상기 깊은 트렌치(7)의 측벽과 바닥을 덮고, 매립 절연막(11)을 형성하여 상기 깊은 트렌치(7)를 채울 수 있다. 이로써 상기 깊은 트렌치(7) 안에 깊은 소자 분리부(13)를 형성할 수 있다. 상기 매립 절연막(11) 상에 보조 절연막(15)을 형성할 수 있다.
상기 보조 절연막(15) 상에 차광층(17)과 희생막(19)을 차례로 적층할 수 있다. 상기 차광층(17)은 예를 들면 티타늄으로 형성될 수 있다. 상기 희생막(19)은 예를 들면 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막으로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착 공정이나 물리 기상 증착 공정과 같은 증착 공정으로 형성될 수 있다. 상기 희생막(19)은 후속의 컬러 필터들(CF1, CF2)이 광학적 특성을 위해 가져야할 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 도시하지는 않았지만, 상기 희생막(19) 상에 마스크 패턴을 형성할 수 있다. 상기 마스크 패턴은 예를 들면 포토레지스트 패턴이나 상기 희생막(19)과 식각 선택비를 가지는 물질일 수 있다. 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 희생막(19)과 상기 차광층(17)을 차례대로 이방성 식각하여 상기 보조 절연막(15)을 노출시킬 수 있다. 이로써 컬러 필터 영역들(CFR)을 정의하는 희생 패턴들(19a)과 이들 아래에 배치되는 차광 패턴들(17a)이 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 평면적 관점에서 상기 희생 패턴들(19a)과 상기 차광 패턴들(17a)은 격자 형태를 가질 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 상기 컬러 필터 영역들(CFR)에 각각 컬러 필터들(CF1, CF2)을 형성할 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)은 포토리소그라피 공정을 복수회 진행하여 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 포토리소 그라피 공정은 염료/안료를 포함하는 포토레지스트 조성물의 코팅 공정, 소프트 베이크 공정, 노광 공정, 포스트 베이크 공정 및 현상 공정을 포함할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 상기 희생 패턴(19a)을 제거하여 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이의 공간(21)을 노출시킬 수 있다. 상기 희생 패턴(19a)이 실리콘 산화막으로 형성된 경우 예를 들면 불소를 포함하는 에천트를 사용하여 상기 희생 패턴(19a)을 제거할 수 있다. 상기 공간(21)에 의해 상기 차광 패턴(17a)의 상부면과 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 측벽이 노출될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 2 면(1b)의 전면 상에 보호막(23)을 콘포말하게 형성할 수 있다. 이때 상기 보호막(23)은 도 2b에 개시된 제 1 두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있다. 상기 보호막(23)은 예를 들면 알루미늄 산화막과 실리콘탄화산화막 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있다. 상기 보호막(23)은 화학 기상 증착 공정 또는 원자 박막 증착 공정으로 형성될 수 있다. 상기 보호막(23)은 200℃ 이하의 온도에서 증착되어 유기 물질을 포함하는 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 손상을 방지할 수 있다. 구체적인 예로써 상기 보호막(23)이 알루미늄 산화막으로 형성된 경우 약 100℃의 온도에서 증착될 수 있다. 상기 보호막(23)이 실리콘탄화산화막으로 형성된 경우 약 150℃의 온도에서 증착될 수 있다.
도 3e 및 도 3f를 참조하면, 상기 보호막(23) 상에 저굴절막(25)을 형성하여 상기 공간(21)을 채울 수 있다. 상기 저굴절막(25)은 유기 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 저굴절막(25)을 형성하는 단계는 유기 물질과 용매를 포함하는 조성물을 상기 보호막(23) 상에 스핀 코팅하는 단계와 소프트 베이크 공정 또는 건조 공정을 통해 상기 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3g를 참조하면, 상기 저굴절막(25)에 대해 전면 에치백 공정 또는 연마 공정을 진행하여 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 상부면 상에 위치하는 상기 저굴절막(25)을 제거하여 상기 보호막(23)을 노출하고 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이에 저굴절 패턴(25a)을 형성할 수 있다. 이때 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 상부면 상에 위치하는 상기 보호막(23)도 일부 식각될 수 있어 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 상부면 상에 위치하는 상기 보호막(23)은 도 2b에 개시된 바와 같이 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다. 반면에 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이에 위치하는 상기 보호막(23)은 식각되지 않으므로 원래의 제 1 두께(T1)를 가질 수 있다. 이로써 상기 제 2 두께(T2)는 상기 제 1 두께(T1)과 같거나 보다 작을 수 있다. 이때 상기 보호막(23)은 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)이 손상되는 것을 방지하고 보호할 수 있다. 후속으로 도 1을 참조하여 상기 보호막(23) 상에 마이크로 렌즈들(ML)을 형성할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 이미지 센서의 제조 방법에서는 희생막(19)을 반도체 제조 과정에서 자주 사용되는 실리콘 산화막 등으로 형성할 수 있기에 증착 두께 조절과 이방성 식각 공정을 위한 에천트 선택이 용이하다. 이로써 격자 형태를 가지는 희생 패턴(19a)을 정확한 CD(Critical Dimension)으로 형성할 수 있어 컬러 필터들의 간격을 일정하게 조절할 수 있다. 또한 상기 희생 패턴(19a)이 원하는 두께(컬러 필터들이 가져야할 두께)를 가질 수 있어 컬러 필터들이 원하는 프로파일을 가지도록 형성할 수 있다.
반면에 실리콘 산화막과 같은 희생 패턴을 사용하지 않고, 저굴절막으로 격자 형태의 저굴절 패턴을 만든 후에 컬러 필터를 제조하는 경우에는, 저굴절막의 소재 특성에 의해, 저굴절막이 원하는 두께로 형성되기 어려우며 이방성 식각 공정을 진행하기 어려울 수 있다. 따라서 이 경우, 컬러 필터들이 불량 프로파일을 가질 확률이 증가할 수 있고, 저굴절 패턴을 정확한 CD로 형성하기 어려울 수 있다.
또한 본 발명의 개념에 따른 이미지 센서의 제조 방법에서는 희생막(19)과 차광층(17)을 순차적으로 식각하여 희생 패턴(19a)과 차광 패턴(17a)을 만든 후에 상기 희생 패턴(19a)을 저굴절 패턴(25a)으로 바꾸기에 저굴절 패턴(25a)과 상기 차광 패턴(17a)이 오정렬 없이 수직적으로 잘 중첩될 수 있다. 이로써 광효율이 증가되면서 선명한 화질을 구현할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(101)는 자동 초점(Auto-Focus) 이미지 센서일 수 있다. 이 이미지 센서(101)에서는 깊은 소자 분리부(13)에 의해 분리되는 단위 화소 영역들(UP)은 각각 서브 깊은 소자 분리부(13s)에 의해 제 1 서브 화소 영역(SP1)과 제 2 서브 화소 영역(SP2)으로 나뉠 수 있다. 상기 제 1 서브 화소 영역(SP1)에서 상기 반도체 기판(1) 내에는 제 1 광전 변환부(PD1)이 배치될 수 있다. 상기 제 2 서브 화소 영역(SP2)에서 상기 반도체 기판(1) 내에는 제 2 광전 변환부(PD2)가 배치될 수 있다. 상기 제 1 광전 변환부(PD1)와 상기 제 2 광전 변환부(PD2) 사이에 상기 서브 깊은 소자 분리부(13s)가 개재될 수 있다. 상기 서브 깊은 소자 분리부(13s)는 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 중심부와 중첩될 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(13)처럼 상기 서브 깊은 소자 분리부(13s)도 고정 전하막(9)과 매립 절연막(11)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 1 면(1a)에는 서로 이격된 제 1 전송 게이트 전극(TG1)과 제 2 전송 게이트 전극(TG2)이 배치될 수 있다. 상기 제 1 전송 게이트 전극(TG1)은 상기 제 1 서브 화소 영역(SP1)에 위치하고, 상기 제 2 전송 게이트 전극(TG2)은 상기 제 2 서브 화소 영역(SP2)에 위치할 수 있다. 상기 제 1 전송 게이트 전극(TG1)과 상기 제 2 전송 게이트 전극(TG2) 사이에서 상기 반도체 기판(1) 내에는 부유 확산 영역(FD)이 배치될 수 있다. 그 외의 구성은 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(102)에서는 반도체 기판(1)의 제 1 면(1a)에 인접하도록 얕은 소자 분리부(2)가 배치될 수 있다. 상기 얕은 소자 분리부(2)는 상기 제 1 면(1a)에 배치되는 트랜지스터들을 위한 활성 영역들을 정의할 수 있다. 상기 얕은 소자 분리부(2)는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 얕은 소자 분리부(2)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화질화막 중 적어도 하나의 막의 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 깊은 트렌치(7)가 상기 얕은 소자 분리부(2)와 상기 반도체 기판(1)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 깊은 트렌치(7)는 상기 제 1 면(1a)으로부터 상기 제 2 면(1b)으로 갈수록 좁은 폭을 가질 수 있다.
상기 깊은 트렌치(7) 내에는 깊은 소자 분리부(53)가 배치될 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(53)는 불순물이 도핑된 폴리실리콘 패턴(51)과 이의 측벽을 둘러싸는 절연막(55)을 포함할 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(53)은 보조 절연막(15)과 접할 수 있다. 상기 폴리실리콘 패턴(51)은 실리콘 단결정으로 이루어지는 상기 반도체 기판(1)과 거의 같은 열팽창률을 가지므로, 물질들의 열 팽창률 차이에 의해 발생되는 물리적 스트레스를 줄일 수 있다. 또한 상기 폴리실리콘 패턴(51)은 공통 바이어스 라인의 역할을 할 수 있다. 상기 폴리실리콘 패턴(51)에는 음의 전압이 인가될 수 있다. 상기 깊은 트렌치(7)의 표면에 존재할 수 있는 정공들을 잡아주어 암전류 특성을 개선시킬 수 있다.
상기 보조 절연막(15)은 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 2 면(1b)과 접할 수 있다. 상기 보조 절연막(15)은 차례로 적층된 고정전하막, 반사방지막 및 평탄화막을 포함할 수 있으며, 이때 상기 고정전하막은 상기 제 2 면(1b)과 접할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)의 상기 제 1 면(1a)은 층간절연막(5)으로 덮일 수 있다. 상기 깊은 소자 분리부(53)는 상기 층간절연막(5) 및 상기 얕은 소자 분리부(2)와 이격될 수 있다. 상기 깊은 트렌치(7) 안에서 상기 깊은 소자 분리부(53)와 상기 층간절연막(5) 사이에는 보조 매립 절연막(4)이 배치될 수 있다. 그 외의 구성은 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(103)에서는 반도체 기판(1) 내에 관통 전극(57)이 배치될 수 있다. 상기 관통 전극(57)은 깊은 소자 분리부의 폴리실리콘 패턴(51)과 절연될 수 있다. 상기 관통 전극(57)은 제 1 비아 절연막(59)에 의해 둘러 싸여진다. 상기 관통 전극(57)과 상기 제 1 비아 절연막(59)는 상기 반도체 기판(1) 내에 배치되는 관통 전극홀(7h) 안에 배치될 수 있다. 상기 반도체 기판(1)의 제 1 면(1a) 상에는 전송 게이트 전극(TG)이 배치될 수 있다. 상기 전송 게이트 전극(TG)에 인접한 상기 반도체 기판(1) 내에는 제 1 부유 확산 영역(FD1)이 배치될 수 있다. 상기 반도체 기판(1) 내에는 얕은 소자 분리부(2)에 의해 상기 제 1 부유 확산 영역(FD1)과 이격되는 제 2 부유 확산 영역(FD2)이 배치될 수 있다. 단위 화소 영역들(UP)에서 상기 반도체 기판(1) 내에는 제 1 광전 변환부(PD1)가 배치될 수 있다. 상기 제 1 광전 변환부(PD1)는 제 2 도전형의 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
상기 반도체 기판(1)의 제 2 면(1b) 상에는 보조 절연막(15)이 배치될 수 있다. 상기 보조 절연막(15) 상에는 각 단위 화소 영역(UP) 별로 컬러 필터(CF1 또는 CF2)가 배치될 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이에서 상기 보조 절연막(15) 상에는 차광 패턴(17a)이 배치될 수 있다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2)의 측면과 상부면, 그리고 상기 차광 패턴(17a)의 상부면은 보호막(23)으로 덮인다. 상기 컬러 필터들(CF1, CF2) 사이의 공간은 저굴절 패턴(25a)으로 채워질 수 있다.
상기 보호막(23)과 상기 저굴절 패턴(25a) 상에는 제 1 절연막(30)이 배치될 수 있다. 상기 제 1 절연막(30)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 제 1 절연막(30) 상에는 단위 화소 영역(UP) 별로 화소 전극(32)이 배치될 수 있다. 상기 화소 전극들(32) 사이에는 제 2 절연막(44)이 개재될 수 있다. 상기 제 2 절연막(44)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 화소 전극들(32) 상에는 제 2 광전 변환부(PD2)가 배치될 수 있다. 상기 제 2 광전 변환부(PD2) 상에는 공통 전극(34)이 배치될 수 있다. 상기 공통 전극(34) 상에는 패시베이션막(36)이 배치될 수 있다. 상기 패시베이션막(36) 상에는 마이크로 렌즈(ML)가 배치될 수 있다.
상기 화소 전극(32)과 상기 공통 전극(34)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), 및/또는 유기 투명 도전 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 2 광전 변환부(PD2)는 예를 들면 유기 광전변환층일 수 있다. 상기 제 2 광전 변환부(PD2)는 p형 유기 반도체 물질 및 n형 유기 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 상기 p형 유기 반도체 물질과 n형 유기 반도체 물질은 pn접합을 형성할 수 있다. 또는 상기 제 2 광전 변환부(PD2)는 양자점(quantum dot) 또는 칼코게나이드(chalcogenide)를 포함할 수 있다.
상기 화소 전극(32)은 비아 플러그(40) 에 의해 상기 관통 전극(57)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 비아 플러그(40)는 불순물이 도핑된 폴리실리콘, 티타늄 질화막과 같은 금속 질화막, 텅스텐, 티타늄, 구리와 같은 금속 물질 또는 ITO 같은 투명 도전 물질을 포함할 수 있다. 상기 비아 플러그(40)는 상기 제 1 절연막(30), 상기 저굴절 패턴(25a), 상기 보호막(23), 상기 차광 패턴(17a) 및 상기 보조 절연막(15)을 관통하여 상기 관통 전극(57)과 접할 수 있다. 상기 비아 플러그(40)의 측벽은 제 2 비아 절연막(42)으로 덮인다. 상기 관통 전극(57)은 배선(8)에 의해 상기 제 2 부유 확산 영역(FD2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그 외의 구성은 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (20)
- 반도체 기판 상에 배치되는 복수개의 컬러 필터들;
상기 컬러 필터들의 측면과 상부면들을 덮는 보호막; 및
상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴을 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 저굴절 패턴은 상기 컬러 필터들의 굴절률 보다 작은 굴절률을 가지는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 보호막은 알루미늄 산화막과 실리콘탄화산화막 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막을 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 보호막은 1Å~100Å의 두께를 가지는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터들 사이에서 상기 반도체 기판 상에 배치되는 차광 패턴을 더 포함하되,
상기 차광 패턴의 상부면은 상기 보호막으로 덮이는 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 차광 패턴의 측벽은 상기 컬러 필터들 중 어느 하나의 측벽과 정렬되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하되,
상기 마이크로 렌즈는 상기 보호막 및 상기 저굴절 패턴의 상부면들과 접하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판 내에 배치되는 관통 전극;
상기 보호막 상에 배치되며 상기 저굴절 패턴과 중첩되는 화소 전극;
상기 화소 전극 상에 배치되는 유기 광전변환층; 및
상기 화소 전극과 상기 관통 전극을 전기적으로 연결하는 비아 플러그를 더 포함하되,
상기 비아 플러그는 상기 저굴절 패턴과 상기 보호막을 관통하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 보호막의 상부면은 상기 저굴절 패턴의 상부면과 공면을 이루는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 보호막은 상기 컬러 필터들의 측면에서 제 1 두께를 가지고, 상기 컬러 필터들의 상부면에서 제 2 두께를 가지며,
상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께와 같거나 보다 큰 이미지 센서. - 반도체 기판에 배치되는 복수개의 컬러 필터들;
상기 컬러 필터들 사이에서 상기 반도체 기판 상에 배치되며 상기 컬러 필터 보다 작은 두께를 가지는 차광 패턴;
상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴; 및
상기 저굴절 패턴과 상기 컬러 필터들 사이 그리고 상기 저굴절 패턴과 상기 차광 패턴 사이에 개재되는 보호막을 포함하는 이미지 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 보호막은 연장되어 상기 칼라필터들의 상부면과 접하는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 보호막의 상부면은 상기 저굴절 패턴의 상부면과 공면을 이루는 이미지 센서. - 반도체 기판 상에 배치되는 복수개의 광학 필터들;
상기 광학 필터들 사이의 공간을 채우는 저굴절 패턴; 및
상기 저굴절 패턴과 상기 반도체 기판 사이에 개재되는 차광 패턴을 포함하는 이미지 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 차광 패턴의 두께는 상기 저굴절 패턴의 두께보다 작은 이미지 센서. - 반도체 기판 상에 희생 패턴들을 형성하여 컬러 필터 영역들을 한정하는 단계;
상기 컬러 필터 영역들에 각각 컬러 필터들을 형성하는 단계; 및
상기 희생 패턴들을 저굴절 패턴으로 대체시키는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 희생 패턴들을 저굴절 패턴으로 대체시키는 단계는,
상기 희생 패턴들을 제거하여 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 노출시키는 단계;
상기 컬러 필터들이 형성된 상기 반도체 기판의 전면 상에 저굴절막을 형성하여 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 채우는 단계; 및
상기 컬러 필터들 상의 상기 저굴절막을 제거하여 상기 공간에 상기 저굴절 패턴을 남기는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 희생 패턴들을 저굴절 패턴으로 대체시키는 단계는, 상기 희생 패턴들을 제거하여 상기 컬러 필터들 사이의 공간을 노출시키는 단계 후에, 상기 컬러 필터들의 상부면과 측면을 콘포말하게 덮는 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하되,
상기 컬러 필터들 상의 상기 저굴절막을 제거하는 단계는 상기 보호막을 노출시키는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 희생 패턴들을 형성하는 단계는,
상기 반도체 기판 상에 희생층을 형성하는 단계; 및
상기 희생층을 패터닝하여 상기 희생 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 희생 패턴들을 형성하는 단계는:
상기 희생층을 형성하기 전에 차광층을 형성하는 단계; 및
상기 희생 패턴을 형성하는 단계 후에 상기 차광층을 패터닝하여 차광 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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