KR100840658B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과, 상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과, 상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과, 상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과, 상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와, 상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 씨모스 이미지 센서 및 이러한 씨모스 이미지 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이미지센서, 포토다이오드, 콘택(Contact), 다공질 실리콘 박막층
Description
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
A : 픽셀 영역
B : 로직 영역
201 : 반도체 기판
202 : 게이트
203 : 하부 금속 배선
204 : 제1 콘택
205 : 로직 영역의 제1 금속 배선
206 : 로직 영역의 제2 금속 배선
207 : 로직 영역의 제3 금속 배선
208 : 로직 영역의 제n-1 금속 배선
209 : 로직 영역의 제n 금속 배선
210 : 로직 영역의 다수의 금속 배선
211 : 로직 영역의 층간 절연막
212 : 픽셀 영역의 층간 절연막
213 : 픽셀 영역의 제1 금속 배선
214 : 픽셀 영역의 제2 금속 배선
215 : 픽셀 영역의 제3 금속 배선
216 : 픽셀 영역의 다수의 금속 배선
217 : 다공질 실리콘 박막층
218 : 포토다이오드
219 : 제2 콘택
220 : 최상부 절연층
221 : 청색 칼라 필터
222 : 적색 칼라 필터
223 : 녹색 칼라 필터
224 : 마이크로 렌즈
본 발명은 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로 특히, 수광 효율을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(Image Sensor)는 광학 영상(Optical Image)을 전기적인 신호로 변환하는 반도체 장치로서, 크게 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon : CMOS) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다. 여기서, CCD는 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로 (Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀(Pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD에 비하여 CMOS 이미지센서는 구동 방식이 간편하고, 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 CCD에 비해 크게 낮은 장점이 있어 광범위한 제품에서 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광 감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 광 감도(Sensitivity)를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광 감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직 회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적에서는 이러한 노력에 한계가 있다. 따라서, 광 감도를 높여주기 위하여 광 감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부분 상부에 칼라 필터(Color filter)가 순차적으로 배열되어 있다. 칼라 필터 배열(Color Filter Array; CFA)은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터의 3가지 칼라 필터로 이루어지거나, 또는 황색 필터, 자황색 필터 및 청록색 필터의 3가지 칼라 필터로 이루어질 수 있다. 또한 칼라 필터 배열 상부에 이미지센서의 광 감도를 높이기 위하여 마이크로렌즈(Microlens)를 이용한다.
종래의 씨모스 이미지 센서를 제작하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역(A)은 다수의 포토다이오드(103) 등으로 구성된 수광부가 형성되어 있는 영역이며 로직 영역(B)은 신호처리를 위한 일반적인 논리회로가 중점적으로 형성된 영역이다. 즉, 고농도의 불순물 영역과 다수의 에피텍셜층이 적층된 구조로 된 실리콘 기판(101)에 국부적으로 소자 분리막(미도시)을 형성할 수 있으며, 기판(101) 상의 로직 영역(B)에는 로직 영역의 게이트(102)가 형성된다. 또한, 픽셀영역(A)에는 이온 주입 방법을 통해 기판(101) 내부에 소정의 이온을 주입하여 포토다이오드(103)를 형성한다.
이어서, 픽셀 영역(A)의 포토다이오드(103)와 로직영역(B)의 게이트(102)를 포함한 기판(101) 전면에 로직영역(B)의 다수의 금속배선(104, 105. 106, 107, 108 : 109) 및 다수의 층간 절연막(110)과 픽셀영역(A)의 다수의 금속 배선(112, 113, 114 : 115) 및 다수의 층간 절연막(111)을 형성한다.
다음으로, 전술한 방법에 의해 형성된 픽셀영역의 다수의 금속배선(115) 및 다수의 층간 절연막(111)을 포함한 하부 소자층의 전면에 형성되어 칼라 필터층을 둘러싸는 층간 절연층(116)을 형성하고, 층간 절연층(116) 내부에 각각의 특정 파장대의 빛을 통과하는 적색 칼라 필터(117), 녹색 칼라 필터(118), 청색 칼라 필터(119)를 형성한다. 이어서, 이러한 칼라 필터층 상에 평탄화층을 형성하고, 평탄화층 상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터를 투과하여 포토 다이오드 영역으로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(120)를 형성한다. 여기서, 마이크로 렌즈(120)는 집광된 빛의 초점 등의 여러 가지 조건을 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 주로 폴리머 계열의 수지를 사용하고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우(reflow) 등의 공정으로 처리함으로써 형성될 수 있다.
이러한 방법으로 씨모스 이미지 센서를 제조하는 공정에서, 빛이 수광되는 처음 지점인 마이크로 렌즈로부터 실리콘 기판에 위치한 포토 다이오드 사이에 다층의 금속 배선 및 다수의 층간 절연막으로 인하여 필요한 빛의 양이 포토 다이오드에 닿기 전에 손실되고, 이러한 문제로 인해 발생하는 난반사(Diffuse Reflectance) 현상과 다층 절연막 간에 상이한 굴절율로 인한 빛의 굴절 현상 등의 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, CMOS 이미지 센서의 다층 금속 배선 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제로 인한 수광 효율의 저하와 불량 픽셀 발생을 줄일 수 있는 광 경로가 단축된 CMOS 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 광 경로가 단축됨에 따라 단위 화소의 사이즈가 줄어들어 설계규칙(Design Rule)이 미세한 소자의 고집적화 구현을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지센서는 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과, 상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과, 상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과, 상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과, 상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와, 상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자를 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선을 형성하는 단계와, 상기 로직영역의 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir)를 형성한 후, 상기 비아 내에 제1 콘택(Contact)을 형성하는 단계와, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층을 형성하는 단계와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 다공질 실리콘 박막층 상에 포토 레지스트 막을 형성한 후, 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 제2 콘택을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 위에 최상부 절연막을 형성하는 단계와, 상기 최상부 절연막에 다수의 칼라 필터를 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈를 각각 형성하는 단계를 포함한다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(201)의 로직 영역(B)에 소정의 광 정보 신호를 처리하기 위한 로직영역의 게이트(202) 등의 하부 구조물을 형성하여 신호처리를 위한 일반적인 논리회로를 구성할 수 있다. 구체적으로, 전술한 하부 구조물 예컨대, 금속 배선, 게이트 또는 다수의 소자가 형성된 실리콘 기판(201) 상에 소정의 금속을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 픽셀영역(A)과 로직 영역(B)을 연결하는 하부 금속 배선(203)을 형성할 수 있다. 이어서, 하부 금속 배선(203) 위에 금속배선들 간의 절연을 위한 절연막을 형성하고 평탄화한다. 그 후, 절연막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 반응이온식각(Reactive Ion Ether : RIE) 공정을 포함한 식각 공정을 통해 로직 영역(B)의 하부 금속 배선(203)과 접촉할 수 있는 비아(Via)를 형성하며, 이러한 비아 내에 제1 콘택(Contact)(204)을 형성한다. 이 때, 로직 영역(B)의 제1 콘택(204)은 화학기상증착(Chamical Vapor Deposition : CVD) 방법를 이용하여 비아 홀을 채우는 방법을 통해 형성할 수 있다. 또한, RIE 방법을 이용하여 비아를 통해 접촉되어 있는 하부 금속 배선(203)의 표면을 청결하게 할 수 있다. 또한, 로직 영역의 제1 콘 택(204)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 로직 영역(B)의 제1 콘택(204)이 형성된 절연막 상의 픽셀 영역(A)과 로직 영역(B)에 금속배선을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 픽셀 영역의 제1 금속 배선(213)과 로직 영역의 제1 금속 배선(205)을 형성한다. 이 때, 로직 영역(B)에 형성된 제1 금속 배선(205)은 로직 영역의 제1 콘택(204)을 통해 하부 금속 배선(203)과 연결된다. 이어서, 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)의 제1 금속 배선 상에 다수의 층간 절연막(212, 211) 및 다수의 금속 배선(214, 215 : 216, 206, 207)을 형성한다. 즉, 픽셀 영역(A)의 금속 배선 공정이 모두 끝날 때까지 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)의 금속 배선 공정이 함께 진행될 수 있다. 그 후, 로직 영역(B)의 나머지 금속 배선(208, 209)을 형성하기 위한 공정을 진행하여 로직 영역(B)의 구성을 완료한다.
다음으로, 로직 영역(B)의 구성이 끝난 후, 이미지 센서를 구현하기 위한 포토다이오드(218)를 형성하기 위해 픽셀 영역(A)의 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층(217)을 형성한다. 여기서, 다공질 실리콘 박막층(217)은 단결정 실리콘을 CVD 등의 방법으로 증착한 후, 불산과 과산화수소수를 이용한 전기분해의 방법으로 실리콘 웨이퍼 표면에 절연막을 도포하지 않고 균일한 다공질의 실리콘 웨이퍼로 만드는 선택적 다공질 실리콘 형성방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 다공질의 실리콘 박막층은 다양한 표면 흡착 능력을 가지는 장점이 있고, 이 후의 공정에서 포토다이오드(218)와 마이크로 렌즈(224)가 인접하게 배치될 수 있 게 하는 지지체의 역할을 할 수 있다.
다음으로, 전술한 바와 같이 형성된 다공질 실리콘 박막층(217)에 대해 이온 주입 및 에피텍셜 공정을 수행하여 P형 도전형 또는 N형 도전형의 불순물 영역을 만들 수 있다. 그 후, 다공질 실리콘 박막층(217)에 P웰 형성 또는 N웰 형성을 위한 이온 주입법을 포함하는 공정을 수행하여 빛을 받아 광 전하를 생성하는 포토다이오드(218)를 형성할 수 있다. 이 때, 포토다이오드(218)를 형성하기 전에 포토다이오드(218) 측면에 다수의 소자분리막(미도시)과 다수의 트렌지스터(미도시)를 형성할 수 있다.
다음으로, 다공질 실리콘 박막층(217) 위에 선택적으로 포토레지스트막을 형성한 후, RIE를 포함한 에칭 공정을 통해 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 연결되는 다수의 비아를 형성하고 다수의 비아에 대해 제2 콘택(219)을 형성한다. 여기서 제2 콘택(219)은 빛을 수광한 포토다이오드(218)로부터 발생된 광 정보를 최상층 금속 배선을 포함한 픽셀 영역(A)의 다수의 금속배선(216)으로 보내는 역할을 한다. 또한, 제2 콘택(219)은 전술한 제1 콘택(204)의 형성 방법과 동일하게 CVD를 통해 비아 홀을 채우는 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, RIE를 이용하여 비아를 통해 접촉되어 있는 최상층 금속 배선의 표면을 세정할 수 있다. 이 때, 제2 콘택(219)은 텡스텐, 알루미늄 구리 등을 포함하는 금속을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 포토다이오드(218) 상부에 칼라 필터층을 보호하기 위한 최상부 절연막(220)을 형성하고 선택적으로 식각하여 패턴을 형성한다. 그 후, 패턴 상에 컬러감광막을 도포하고 현상하여 청색 칼라 필터(221), 적색 칼라 필터(222), 녹색 칼라 필터(223) 순으로 칼라 필터층을 형성한다. 이 때, 칼라 필터층은 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 방법을 이용하여 평탄화한다. 이어서, 평탄화된 칼라필터층 각각에 대응하는 마이크로 렌즈(224)가 다수 형성되는데 이 때, 마이크로 렌즈(224)와 컬러필터층은 갭(gap)이 없이 형성된다. 또한, 마이크로 렌즈(224)는 폴리머 계열의 수지를 주로 사용하며, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우(reflow) 등의 공정으로 형성될 수 있다. 이러한 방법은, 포토다이오드(218) 위에 다수의 금속배선이 생략됨으로 인해 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이의 거리를 줄여 광 경로를 획기적으로 감소시킴으로써 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.
본 발명은, 마이크로 렌즈에서 포토다이오드에 이르는 광 경로를 단축시킴으로써, 다층 금속 배선 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제에 의해 발생하는 난반사(Diffuse Reflectance) 현상과 다층 절연막 간에 상이한 굴절율로 인한 빛의 굴절 현상을 해소하여 포토다이오드로 입사되는 빛의 양을 극대화할 수 있어 단위 화소의 수광 감도가 크게 증가된 반도체 소자를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 이러한 광 경로가 단축된 소자를 구현함에 따라 단위 화소가 줄어들어 설계규칙이 미세한 고집적 소자의 실현을 가능케하고, 빛이 산란 되는 것을 최소화함으로써 색감이 향상되어 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과,상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과,상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과,상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과,상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와,상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과,상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과,상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와,상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에서,상기 다공질 실리콘 박막층은 포토다이오드 및 포토다이오드 측면에 형성된 다수의 소자 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
- 제1항에서,상기 다공질 실리콘 박막층은 단결정 실리콘을 CVD 방법으로 증착한 후, 불산과 과산화수소수를 이용한 전기분해를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
- 제1항에서,상기 포토다이오드는 각각 청색 칼라 필터, 적색 칼라 필터 및 녹색 칼라 필터 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
- 제1항에서,상기 컬러 필터층과 상기 마이크로 렌즈는 갭(gap)이 없이 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.
- 반도체 기판에 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자를 형성하는 단계와,상기 반도체 기판의 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선을 형성하는 단계와,상기 로직영역의 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir)를 형성한 후, 상기 비아 내에 제1 콘택(Contact)을 형성하는 단계와,상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층을 형성하는 단계와,상기 다공질 실리콘 박막층에 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와,상기 다공질 실리콘 박막층 상에 포토 레지스트 막을 형성한 후, 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 제2 콘택을 형성하는 단계와,상기 포토다이오드 위에 최상부 절연막을 형성하는 단계와,상기 최상부 절연막에 다수의 칼라 필터를 형성하는 단계와,상기 칼라 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈를 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.
- 제7항에서,상기 다공질 실리콘 박막층은 불산과 과산화수소를 이용한 전기분해 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제7항에서,상기 다공질 실리콘 박막층은 포토다이오드 및 포토다이오드 측면에 형성된 다수의 소자 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.
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