KR100470821B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토다이오드의 광응답 특성을 향상시키고, 광플럭스의 신호전환 효율을 최대화할 수 있는 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 구비된 반도체 기판; 상기 기판의 전면 상에 형성된 산화막; 상기 산화막 상에 형성되고, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막; 및 상기 기판의 후면에서 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 형성된 캐비티를 포함하며, 상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯(Asymmetric Febry-Perot; AFP) 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전면 상에 산화막과, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 기판의 후면 상에 상기 포토다이오드 부분을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 기판을 식각하여 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 하는 캐비티를 형성하는 단계; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 씨모스(complementary metal oxide semiconductor; CMOS) 이미지 센서(Image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 후면조사(Back illumination) 구조를 적용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.
이러한, CMOS 이미지 센서의 단위화소는 1개의 포토다이오드와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되며, 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드에서 모아진 광전하를 플로팅 노드로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터, 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터로 구성된다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단면도로서, 도 1에서는 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역만을 도시하였다.
도 1을 참조하여, 상기 이미지 센서를 살펴보면, P형 반도체 기판(10) 상에 필드절연막(1), 게이트 절연막(12) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(13)가 형성되고, 게이트(13)의 양측벽에는 스페이서(15)가 형성되어 있다. 게이트(13)의 일측 기판(10)에는 저농도의 N- 불순물영역(14)이 깊게 형성되고, 이 N- 불순물영역(14) 표면에는 P0 불순물영역(16)이 형성되어 P-N-P 구조의 포토다이오드를 이루고, 게이트(13)의 다른측 기판(10)에는 고농도 N+ 플로팅 확산영역(17)이 형성된다. 또한, 도시되지는 않았지만, 상기 구조의 기판 상부에는 절연막을 비롯한 여러 상부층들이 형성된다.
상술한 CMOS 이미지 센서는 일반적으로 포토다이오드 상부로 광이 조사되는 전면조사(Front illumination) 구조를 갖는다. 그러나, 포토다이오드 상부에 형성된 여러 상부층들에 의해 광손실이 야기되기 때문에, 포토다이오드의 광응답(Photo-response) 특성이 우수하지 못하다. 또한, 광자(photon)의 투과깊이(Penetration depth)가 상대적으로 큰 경우, 생성 전자를 신호성분으로 기여시키기에는 재결합(Recombination)에 의한 소멸 가능성이 크기 때문에, 입사되는 광플럭스를 신호로 전환(Conversion)하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 포토다이오드의 광응답 특성을 향상시키고, 광플럭스의 신호전환 효율을 최대화할 수 있는 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 잘성하기 위하여 본 발명은, 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 구비된 반도체 기판; 상기 기판의 전면 상에 형성된 산화막; 상기 산화막 상에 형성되고, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막; 및 상기 기판의 후면에서 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 형성된 캐비티를 포함하며, 상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯(Asymmetric Febry-Perot; AFP) 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
삭제
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전면 상에 산화막과, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 기판의 후면 상에 상기 포토다이오드 부분을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 기판을 식각하여 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 하는 캐비티를 형성하는 단계; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
삭제
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 후면조사 구조가 적용된 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 CMOS 이미지 센서를 살펴보면, P형 반도체 기판(20)의 전면(Front surface) 상에 필드절연막(21), 게이트 절연막(22) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(23)가 형성되고, 게이트(23)의 양측벽에는 스페이서(25)가 형성되어 있다. 게이트(23)의 일측 기판(20)에는 저농도의 N- 불순물영역(24)이 깊게 형성되고, 이 N- 불순물영역(24) 표면에는 P0 불순물영역(26)이 형성되어 P-N-P 구조의 포토다이오드를 이루고, 게이트(23)의 다른측 기판(20)에는 트랜스퍼 트랜지스터의 소오스/드레인으로서도 작용하는 고농도 N+ 플로팅 확산영역(27)이 형성되어 있다.
또한, 상기 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 구비된 기판(20)의 전면에는 산화막(28)과, 비교적 높은 반사율, 바람직하게 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막(29)이 적층되고, 포토다이오드 부분의 기판(20) 후면(Back surface)에는 캐비티(Cavity; 100)가 형성되며, 이 캐비티(100)로 기판(20)의 후면에서 광(L)이 조사된다. 바람직하게, 캐비티(100)는 캐비티(100)의 저부 표면으로부터 기판(20)의 전면 표면까지의 두께(d)가 약 2㎜ 정도가 되도록 형성된다.
즉, 본 발명에서는 포토다이오드에 후면조사를 적용하면서, 포토다이오드의 전면 영역은 반사율이 높은 금속막으로 차폐하고, 후면영역은 약 2㎜ 정도의 두께만 남도록 하여, 기판(20) 후면 부분에 30% 정도의 반사율을 허용하도록 함으로써, 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯 구조를 형성시킨다. 이에 따라, 포토다이오드의 광흡수가 향상되어 우수한 광응답 특성을 얻을 수 있고, 흡수된 광에 의해 생성된 전자가 모두 신호 성분으로 전환되므로 광플럭스의 신호전환 효율이 최대화될 수 있다.
다음으로, 상술한 본 발명의 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
P형 반도체 기판(20)의 전면 상에 필드절연막(21), 게이트 절연막(22) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(23)를 형성하고, 게이트(23)의 일측 기판(20)으로 저N- 불순물이온을 깊게 주입하여 저농도 N- 불순물영역(24)을 형성한다. 그 다음, 게이트(23)의 측벽에 절연막으로 이루어진 스페이서(25)를 형성하고, N- 불순물영역(24) 표면으로 P0 불순물이온을 주입하여 P0 불순물영역(26)을 형성하여, P-N-P 구조의 포토다이오드를 완성한다. 그 후, 게이트(23)의 다른측 기판(20)으로 N+ 불순물 이온을 주입하여 고농도의 N+플로팅 확산영역(27)을 형성하고, 기판 전체 상부에 산화막(28)과, 비교적 높은 반사율, 바람직하게 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막(29)을 순차적으로 적층한다.
그리고 나서, 기판(20)의 후면 상에 상기 포토다이오드 부분을 노출시키는 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 마스크 패턴을 식각마스크로하여 노출된 기판(20)을 식각하여 포토다이오드 부분에 캐비티(100)를 형성한 후, 공지된 방법으로 마스크 패턴을 제거한다. 여기서, 마스크 패턴은 질화막으로 형성하고, 상기 식각은 캐비티(100)의 저부 표면으로부터 기판(20)의 전면 표면까지의 두께(d)가 약 2㎜ 정도가 되도록 수행한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은 포토다이오드의 광흡수를 향상시켜 우수한 광응답 특성을 얻을 수 있고, 흡수된 광에 의해 생성된 전자가 모두 신호 성분으로 전환되므로 광플럭스의 신호전환 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 후면조사 구조가 적용된 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 반도체 기판 21 : 필드절연막
22 : 게이트 절연막 23 : 게이트
24 : N- 불순물영역 25 : 스페이서
26 : P0 불순물영역 27 : N+ 플로팅 확산영역
28 : 산화막 29 : 금속막
100 : 캐비티

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 구비된 반도체 기판;
    상기 기판의 전면 상에 형성된 산화막;
    상기 산화막 상에 형성되고, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막; 및
    상기 기판의 후면에서 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 형성된 캐비티를 포함하며,
    상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯(Asymmetric Febry-Perot; AFP) 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐비티의 저부 표면으로부터 상기 기판의 전면 표면까지의 두께가 2㎜인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터가 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 전면 상에 산화막과, 95 내지 100% 정도의 반사율을 갖는 금속막을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면 상에 상기 포토다이오드 부분을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 기판을 식각하여 상기 포토다이오드 부분에 후면조사되는 광이 30%의 광 반사율로 반사되도록 하는 캐비티를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 기판의 전후면으로 비대칭 페브리-페롯 구조를 이루어, 상기 캐비티를 통하여 상기 포토다이오드로 광이 후면조사 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캐비티 형성을 위한 식각은 상기 캐비티의 저부 표면으로부터 상기 기판의 전면 표면까지의 두께가 2㎜가 되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마스크 패턴은 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
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