KR100920542B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 금속배선 상에 배치된 하부전극; 상기 하부전극의 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 하부전극 및 스페이서를 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 포토 다이오드를 포함한다.
씨모스 이미지 센서, 포토다이오드, 단위픽셀
Description
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 빛 신호를 받아서 전기신호로 바꾸어 주는 포토 다이오드(Photo diode) 영역과 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터가 반도체 기판에 수평으로 배치되는 구조이다.
수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 포토 다이오드와 트랜지스터가 기판 상에 상호 수평으로 인접하여 형성된다. 이에 따라, 포토 다이오드 형성을 위한 추가적인 영역이 요구된다.
실시예는 트랜지스터 회로와 포토 다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 레졀루션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토 다이오드를 채용하면서 크로스 토크 및 노이즈 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 금속배선 상에 배치된 하부전극; 상기 하부전극의 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 하부전극 및 스페이서를 포함하는 층간 절연막 상에 배치된 포토 다이오드를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 금속배선과 연결되도록 상기 금속배선 상에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및 상기 하부전극 및 스페이서를 포함하는 층간 절연막 상에 포토 다이오드를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로와 포토 다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 트랜지스터와 포토 다이오드의 수직형 집적에 의해 필 팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 수직형 집적에 의해 종래기술보다 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티비티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 각 단위 픽셀은 센서티비티(sentivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로를 구현할 수 있다.
또한, 포토 다이오드의 단위픽셀을 구현함에 있어 단위 픽셀 내의 포토 다이오드의 표면적을 증가시켜 광감지율을 향상시킬 수 있다.
또한, 포토 다이오드가 소자분리 영역에 의하여 단위픽셀 별로 분리되어 크로스 토크 및 노이즈 발생을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에는 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20)이 배치되어 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)에는 트랜지스터가 단위픽셀 별로 배치되어 있다.
상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(20)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 상기 층간 절연막(20)을 관통하여 복수개로 배치될 수 있다. 상기 금속배선(30)은 단위픽셀 별로 형성되어 상기 반도체 기판(10)의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 금속배선(30) 상에는 하부전극(40)이 배치된다. 예를 들어, 상기 하부전극(40)은 Cr, Ti, TiN, Ta, TaN, Al, Cu 및 W 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부전극(40)은 50~200Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 하부전극(40)은 상기 금속배선(30)이 노출되지 않도록 상기 금속배선(30) 및 층간 절연막(20) 상에 배치된다. 또한, 상기 하부전극(40)은 단위픽셀 별로 배치된 상기 금속배선(30) 상부에 배치되어 단위픽셀 별로 이격된다.
상기 하부전극(40)의 양측벽에는 스페이서(55)가 배치된다. 예를 들어, 상기 스페이서(55)는 산화막 또는 질화막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다. 상기 하부전극(40)에 형성된 스페이서(55)는 이웃하는 하부전극의 스페이서와 이격 또는 접촉하도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 스페이서(55)는 상기 하부전극(40)의 양측 벽에 형성되어 상기 하부전극(40)을 단위픽셀 별로 분리할 수 있다.
상기 하부전극(40) 및 스페이서(55)를 포함하는 층간 절연막(20) 상에 포토 다이오드가 배치된다. 상기 포토 다이오드는 제1 도전형 전도층(60), 진성층(70) 및 제2 도전형 전도층(80)을 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(60)은 n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon)이고, 진성층(70)은 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon)이고, 상기 제2 도전형 전도층(80)은 p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)일 수 있다.
또한, 상기 포토 다이오드는 상기 층간 절연막(20) 표면보다 돌출된 상기 하부전극(40)의 표면을 따라 형성되므로 웨이브 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 하부전극(40) 상부의 포토 다이오드는 볼록한 형태로 형성되고 상기 하부전극(40) 사이에 형성된 포토 다이오드는 오목한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드의 볼록한 형태에 의하여 상기 하부전극(40)으로 광이 집광될 수 있다.
또한, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 해당하는 상기 하부전극(40)으로만 수집되어 크로스 토크 및 노이즈가 발생되는 것을 차단할 수 있다. 이것은 상기 하부전극(40)의 양측벽에는 스페이서(55)가 형성되어 있기 때문이다. 따라서, 상기 하부전극(40)의 사이 영역에 해당하는 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 상기 스페이서(55)에 의하여 상기 하부전극(40)으로 이동되는 차단되어 크로스 토크 및 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 포토 다이오드 상부에는 상부전극(90)이 배치된다. 상기 상부전극(90)은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극(90)은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 상부전극(90) 상에 단위화소 별로 컬러필터(100)가 배치된다. 상기 컬러필터(100)는 단위픽셀마다 하나식 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터(100)는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판 상에 포토 다이오드가 형성되어 포토 다이오드의 필 팩터를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 하부전극의 측면에 형성된 스페이서에 의하여 포토 다이오드가 단위픽셀 별로 분리되므로 크로스 토크 및 노이즈 발생을 차단할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에 금속배선(30)을 포함하는 층간 절연막(20)이 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에는 후술되는 포토 다이오드와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜지스터가 단위화소 별로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 트랜지스터는 3Tr, 4Tr 및 5Tr 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 반도체 기판(10) 상부에는 전원라인 또는 신호라인과의 접속을 위하여 층간 절연막(20) 및 금속배선(30)이 형성되어 있다.
상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(20)은 질화막 또는 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 상기 층간 절연막(20)을 관통하여 복수개 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속배선(30)은 금속, 합금 또는 살리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(30)은 포토 다이오드에서 생성된 전자를 하부의 트랜지스터로 전달하는 역할을 한다. 도시되지는 않았지만, 상기 금속배선(30)은 상기 반도체 기판(10)의 하부에 형성된 불순물이 도핑된 영역과 접속되어 단위픽셀 별로 형성될 수 있다.
상기 층간 절연막(20) 상에 상기 금속배선(30)과 연결되도록 단위픽셀 별로 하부전극(40)이 형성된다. 상기 하부전극(40)은 PVD 방법에 의하여 금속물질을 증착한 후 패터닝하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부전극(40)은 Cr, Ti, TiN, Ta, TaN, Al, Cu 및 W 중 어느 하나를 PVD 방법에 의하여 약 50~2000Å의 두께로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 하부전극(40)의 패터닝 공정은 예를 들어, Cl2 및 O2 가스를 이용한 건식 식각에 의하여 형성될 수 있다.
상기 하부전극(40)은 상기 층간 절연막(20) 상에 형성되어 상기 금속배선(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 하부전극(40)은 상호 이격되어 상기 층간 절연막(20)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 특히, 상기 하부전극(40)의 면적이 넓을 수록 포토 다이오드의 광전하의 수집량이 커질 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 하부전극(40)을 포함하는 층간 절연막(20) 상에 절연층(50)이 형성된다. 예를 들어, 상기 절연층(50)은 산화막 또는 질화막을 100~5000Å의 두께로 형성할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 하부전극(40)의 양측벽에 스페이서(55)가 형성된다. 상기 스페이서(55)는 상기 절연층(50)에 대한 블랭크 식각 공정을 진행하여 상기 하부전극(40)의 양측벽에만 형성될 수 있다.
상기 하부전극(40)은 이웃하는 하부전극과 상기 스페이서(55)에 의하여 분리될 수 있다. 이때, 상기 하부전극(40)의 측벽에 형성된 스페이서(55)는 이웃하는 상기 하부전극의 스페이서와 이격 또는 접하도록 형성될 수 있다.
따라서, 상기 하부전극(40)은 상기 스페이서(55)에 의하여 단위픽셀 별로 분리된 상태가 된다.
도 4를 참조하여, 상기 하부전극(40) 및 스페이서(55)를 포함하는 층간 절연막(20) 상에 포토 다이오드가 형성된다.
상기 포토 다이오드는 NIP 다이오드(NIP diode)를 사용한다. 상기 NIP 다이오드는 금속, n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon), 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon), p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)이 접합된 구조로 형성되는 것이다.
상기 NIP 다이오드는 p형 실리콘층과 금속 사이에 순수한 반도체인 진성 비정질 실리콘층이 접합된 구조의 광 다이오드로서, 상기 p형과 금속 사이에 형성되는 진성 비정질 실리콘층이 모두 공핍영역이 되어 전하의 생성 및 보관에 유리하게 된다.
실시예에서는 포토 다이오드로서 NIP 다이오드를 사용하며 상기 다이오드의 구조는 P-I-N 또는 N-I-P, I-P 등의 구조로 형성될 수 있다. 실시예에서는 N-I-P 구조의 포토 다이오드가 사용되는 것을 예로 하며, 상기 n형 비정질 실리콘층은 제1 도전형 전도층(60), 진성 비정질 실리콘층은 진성층(70), 상기 p형 비정질 실리콘층은 제2 도전형 전도층(80)이라 칭하도록 한다.
상기 포토 다이오드를 형성하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 층간 절연막(20) 상에 제1 도전형 전도층(60)이 형성된다. 경우에 따라서, 상기 제1 도전형 전도층(60)은 형성되지 않고 이후의 공정이 진행될 수도 있다.
상기 제1 도전형 전도층(60)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 N층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 전도층(60)은 N 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 전도층(60)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 전도층(60)은 실란가스(SiH4)에 PH3, P2H5 등을 혼합하여 PECVD에 의해 약 100~400℃에서 증착하여 N 도핑된 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 전도층(60)은 50~1000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 전도층(60) 상에 진성층(70)이 형성된다. 상기 진성층(70)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 I층의 역할을 할 수 있다. 상기 진성 층(70)은 비정질 실리콘(intrinsic amorphous silicon)을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 진성층(70)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 진성층(70)은 실란가스(SiH4) 등을 이용하여 PECVD에 의해 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 진성층(70)은 500~12000Å의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 진성층(70)은 상기 제1 도전형 전도층(60)의 두께보다 약 10~1,000배 정도의 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 이는 상기 진성층(70)의 두께가 두꺼울수록 핀 다이오드의 공핍영역이 늘어나 많은 양의 광전하를 보관 및 생성하기에 유리하기 때문이다.
상기 진성층(70) 상에 제2 도전형 전도층(80)이 형성된다. 상기 제2 도전형 전도층(80)은 상기 진성층(70)의 형성과 연속공정으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 전도층(80)은 실시예에서 채용하는 N-I-P 다이오드의 P층의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 도전형 전도층(80)은 P 타입 도전형 전도층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 전도층(80)은 화학기상증착(CVD) 특히, PECVD 등에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 전도층(80)은 실란가스(SiH4)에 BH3 또는 B2H6 등의 가스를 혼합하여 PECVD에 의해 약 100~400℃에서 증착하여 P 도핑된 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 전도층(80)은 50~2000Å의 두 께로 형성될 수 있다.
상기 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판(10)과 상기 포토 다이오드가 수집형 집적을 이루어 상기 포토 다이오드의 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 상기 포토 다이오드는 상기 하부전극(40) 및 층간 절연막(20)의 단차를 따라 형성되어 웨이브 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 하부전극(40)의 상부 영역에 형성된 포토 다이오드는 볼록한 형태를 가지고 상기 하부전극(40) 사이 영역에 형성된 포토 다이오드는 오목한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 해당하는 단위픽셀의 하부전극(40)으로 모아지게 되어 소자의 집광율을 향상시킬 수 있다.
또한, 광전자를 수집하여 상기 금속배선(30)으로 전달하는 상기 하부전극(40)의 측벽에는 스페이서(55)가 형성되어 상기 포토 다이오드를 단위픽셀 별로 분리할 수 있다. 즉, 상기 하부전극(40)의 양 측벽에는 스페이서(55)가 형성되어 있으므로 상기 하부전극에 대응하는 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 해당하는 단위픽셀의 하부전극으로 수집될 수 있다. 또한, 상기 하부전극(40) 사이 영역에 대응하는 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 상기 스페이서(55)에 의하여 하부전극(40)으로 이동하는 것이 차단될 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전자는 해당하는 상기 하부전극(40)의 포토 다이오드로 수집될 수 있으므로 크로스 토크 및 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 포토 다이오드 상에 상부전극(90)이 형성된다.
상기 상부전극(90)은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성 될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극(90)은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부전극(90)은 상기 포토다이오드의 단차를 따라 형성되므로 웨이브 형태로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 상부전극(90) 상에 컬러필터가 단위픽셀 별로 형성된다. 상기 컬러필터(100)는 단위 픽셀 마다 하나씩 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한, 상기 컬러필터(100)는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드, 그리 및 블루의 3가지 색으로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로와 포토 다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 트랜지스터와 포토 다이오드의 수직형 집적에 의해 필 팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 수직형 집적에 의해 종래기술보다 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티비티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 각 단위 픽셀은 센서티비티(sentivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로를 구현할 수 있다.
또한, 포토 다이오드의 단위픽셀을 구현함에 있어 단위 픽셀 내의 포토 다이오드의 표면적을 증가시켜 광감지율을 향상시킬 수 있다.
또한, 포토 다이오드 사이에 소자분리 영역이 형성되어 이미지 센서의 크로스 토크 및 노이즈 발생을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아 니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (6)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 금속배선과 연결되도록 상기 금속배선 상에 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극을 포함하는 층간 절연막 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막에 대한 블랭크 식각을 진행하여 상기 하부전극의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계;상기 하부전극 및 스페이서의 표면을 따라 증착되어 웨이브 형태의 가지는 포토 다이오드를 형성하는 단계; 및상기 포토다이오드 상에 곡면을 가지는 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제4항에 있어서,상기 하부전극의 측벽에 형성된 스페이서는 이웃하는 하부전극의 스페이서와 이격 또는 접하도록 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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