KR101559907B1 - 전기 회로 배선을 라인 앤 스페이스 타입의 반사막 패턴으로 변경함으로써, 메탈 라인의 최소 간격에 따라 광 감도가 개선되는 이미지 센서 및 그 제조방법. - Google Patents
전기 회로 배선을 라인 앤 스페이스 타입의 반사막 패턴으로 변경함으로써, 메탈 라인의 최소 간격에 따라 광 감도가 개선되는 이미지 센서 및 그 제조방법. Download PDFInfo
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Abstract
수광부가 전면에 배치된 전면 수광부 이미지 센서의 경우에는, 렌즈를 통해 입사된 빛이 다수의 배선층 사이를 통과해야 비로소 수광부에 도달하기 때문에, 수광부의 감도가 저하된다. 후면 수광부 이미지 센서가 사용되는 경우에는 배선층의 반대측에서 빛이 조사되기 때문에, 감도는 향상되나, 수광부에서의 빛의 흡수율은 파장에 따라 변화되고, 장 파장의 경우에는 빛을 흡수할 수 있는 실리콘의 깊이가 충분하게 깊어야 한다. 하지만, 픽셀이 축소되면서 실리콘을 두껍게 형성하는데 한계가 있기 때문에, 후면 수광부에 있어서도 신호대잡음비의 열화는 불가피하다. 이에, 절연막 상에는 수광부를 통과한 빛이 반사되어 다시 수광부로 재집광될 수 있도록 반사 기능을 수행하되, 반사판을 별도로 형성하지 않고, 기존의 배선층을 반사막의 형태로 대체한다. 특히, 블럭 형태의 반사판을 라인 앤 스페이스 형태의 메탈 라인으로 변경한다. 이로써, 반사판의 반사 효과를 그대로 유지하면서도, 반사판의 추가 공정은 생략된다.
이미지 센서, 후면 수광부, 반사판, 회절, 굴절율
Description
본 발명은 후면 수광부 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 회로 배선 기능을 수행하는 메탈 라인을 길이 방향 혹은 가로 방향에서 최소 간격을 유지하도록 배열하거나, 내지는 길이 방향과 가로 방향에서 혼용되게 배열함으로써, 회절로 인한 빛의 손실을 최소화하고, 반사 기능을 최적화하며, 메탈 라인의 최소 간격을 충족할 만큼, 전기 회로 배선 기능을 수행하는 메탈 라인의 형성이 절대적으로 부족한 경우에도, 전기 회로 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 메탈 라인의 형태와 동일하게 라인 앤 스페이스 형태로 더 구비하거나 혹은 이와 유사하게 박스 형태로 더 구비함으써, 후면 수광부의 광 감도가 개선되는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)란, 입사한 광(光)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이러한 이미지 센서는, 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있다. 그 중에서 CMOS 이미지 센서는, 복수의 단위 픽셀에서 전하를 전압으로 변환하고, 신호선에서 스위칭 동작에 의하여 신호를 출력하는 소자에 관한 것이다.
이러한 다양한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증진하기 위한 노력들이 진행되고 있다. 그 중 하나가 집광 기술이다. 예컨대, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광 감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로 부분으로 구성된다. 광 감도를 높이기 위해서, 전체 이미지 센서 면적에서 광 감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다. 하지만, 근본적으로 로직 회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 뚜렷한 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광 감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광 기술이 주로 연구되고 있다. 그 중 하나가 칼라 필터 상에 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다. 그런데 이와 같이, 집광 기술에 의해서 광감도를 향상시키는 방법은, 이미지 센서가 더욱더 고집적화 되어감에 따라 광 감도를 증대시키기에는 어느 정도 한계가 있을 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 빛이 전면에 배치된 다수의 배선층을 통과하지 않고 후면으로 입사되는 후면 수광부 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 픽셀 사이즈가 축소됨으로서, 실리콘의 두께가 장 파장의 빛을 흡수하지 못하는 경우에도, 절연막으로 투과되는 빛을 반사시켜 실리콘에서 재집광할 수 있는 반사막을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 배선층의 레이아웃에 구애받지 않고, 반사막을 자유롭게 형성하기 위하여, 기존의 전기 회로 배선을 직접 활용하여 반사 패턴을 형성하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 회로 배선을 이용하여 반사 패턴을 형성하는 경우에도, 면 형태의 반사판과 동일한 반사도를 갖는 라인 앤 스페이스 타입의 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반사 패턴을 라인 앤 스페이스 타입으로 형성하는 경우에도, 빛이 라인 사이를 통과하여 소실되지 않도록 라인 간격을 최적화하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 라인 간격을 최적화하기 위하여, 전기 회로 배선 으로 반사 패턴을 충분하게 형성하지 못하는 경우에도, 더미 패턴을 이와 결합하여 보충하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 실리콘 내부에 형성되는 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자의 일면에 형성되고, 빛을 집광하는 렌즈와, 상기 광전 변환 소자의 타면에 형성되는 금속 배선 전 절연막 및 상기 절연막 상에 형성되고, 상기 절연막을 통과한 빛이 상기 실리콘으로 재흡수되도록 빛을 반사하고, 동시에 전기 회로 배선의 기능을 수행하는 반사 패턴을 포함한다.
상기 광전 변환 소자는, 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위하여, 실리콘 표면 아래에 형성된 불순물 접합층으로 구성되고, 상기 반사 패턴은, 회로 동작에 기여하는 메탈 라인으로 구성되며, 상기 회로는, 광전 변환 소자에서 변환된 전기적 신호를 처리하여 데이터화하는 로직 소자로 구성되거나 혹은 상기 광전 변환 소자 및 로직 소자를 제어하고 상기 소자의 신호를 처리하기 위하여 주변에 형성된 주변 회로 소자로 구성된다.
상기 메탈 라인은, 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성된다.
상기 메탈 라인의 간격은, 상기 절연막의 굴절율(n)에 따라 그 최소값이 결정되고, 상기 절연막의 굴절율이 증가할수록 메탈 라인의 최소 간격은 반대로 작아진다. 만약, 상기 절연막이, 옥사이드로 형성되고, 상기 빛은 파장이 600㎚ 이상의 가시광선 영역에서, 상기 메탈 라인의 최소 간격은 200㎚ 이하로 결정된다.
상기 메탈 라인의 간격은, 빛의 파장(λ)에 따라 그 최소값이 결정되고, 상기 빛의 파장(λ)이 작아질수록 메탈 라인의 최소 간격은 이와 비례하여 작아진다.
상기 라인 앤 스페이스 타입은, 메탈 라인이 길이 방향에서 일정한 간격을 두고 배열되거나, 메탈 라인이 가로 방향에서 일정한 간격을 두고 배열되거나 혹은 상기 라인 앤 스페이스 타입은, 메탈 라인이 길이 방향과 가로 방향에서 혼용되어 배열된다.
상기 메탈 라인은, 라인의 최소 간격이 형성되도록, 메탈 라인 사이에 더미 패턴을 더 구비하고, 상기 더미 패턴은, 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 형성되거나 혹은 박스 타입(box type)으로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 렌즈를 통해 입사된 빛이 직접 흡수될 수 있도록, 후면 수광부가 구비된 실리콘 레이어 및 상기 실리콘을 통과한 빛이 전면으로 손실되지 않고, 실리콘으로 재흡수되며, 상기 수광부로 재집광될 수 있도록, 배선 기능의 메탈 라인이 빛의 반사를 최적화하는 라인 앤 스페이스 형태로 구비되는 절연막 레이어를 포함한다.
상기 메탈 라인은, 회절 현상에 의하여 상기 라인 사이로 빛의 통과를 허락하지 않는 최소 간격에 의하여 그 형태가 결정되고, 상기 라인의 최소 간격은, 조사되는 빛의 파장에 비례하고, 절연막의 굴절율에 반비례함으로써, 빛의 파장이 클수록 최소 간격은 증가하고, 굴절율이 클수록 최소 간격은 감소한다. 예컨대, 파장이 600㎚ 이상인 가시광선 영역에서, 상기 라인의 최소 간격을 200㎚ 이상으로 확보할 수 있도록, 굴절율이 1. 5 이하인 옥사이드 절연막이 사용된다.
상기 라인의 최소 간격이, 상기 배선 기능을 수행하는 메탈 라인에 의하여 필요 이상으로 충분하게 형성되지 않는 경우, 배선 기능을 수행하지 않는 더미 패턴을 상기 배선 기능의 라인 사이에 더 결합함으로서, 상기 최소 간격의 조건이 충족된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 실리콘의 일면에 이온주입 공정에 의하여 포토 다이오드를 형성하고, 상기 포토 다이오드가 구비된 실리콘 기판 상에 금속 배선 전 절연막을 형성하며, 상기 절연막 상에 알루미늄이나 구리를 이용하여 메탈 라인을 라인 앤 스페이스 패턴으로 형성하며, 상기 메탈 라인 상에 절연막을 다시 적층하고, 평면화 공정을 통하여 절연막을 평탄화하며, 상기 메탈 라인의 반대면을 가공하기 위하여 실리콘을 뒤집고, 상기 반대면의 가공을 위하여, 상기 절연막에 상기 실리콘 혹은 절연막과 동일한 재질의 지지판을 부착하며, 상기 실리콘을 백랩하여 실리콘의 두께를 조절하고, 상기 백랩된 실리콘에 칼라 필터와 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함한다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 렌즈에서 집광된 빛이 다수의 배선층을 통과하지 않고, 수광부의 후면으로 직접 조사되기 때문에, 감도가 향상되는 작용효과가 기대된다.
둘째, 픽셀의 사이즈가 작아지고, 실리콘의 두께가 얇아지더라도, 실리콘을 통과한 빛이 절연막 상에서 반사되고 실리콘에서 재흡수됨으로써, 감도가 향상되는 작용효과가 기대된다.
셋째, 기존의 전기 회로 배선층을 직접 이용하여 반사막을 형성하기 때문에, 배선층의 레이아웃에 영향을 받지 않고, 반사막을 이미지 센서의 조건에 따라 적절하게 배치할 수 있는 작용효과가 기대된다.
넷째, 반사 패턴을 라인 앤 스페이스 형태로 형성함으로써, 반사막을 면 형태로 제작하지 않더라도 면 형태의 반사막과 동일한 반사도를 얻을 수 있기 때문에, 제조 원가가 절감되는 작용효과가 기대된다.
다섯째, 빛의 파장과 절연막의 굴절율에 따라 라인의 최소 간격을 결정하기 때문에, 빛과 절연막의 조건에 따라 적절하게 감도를 조절할 수 있는 작용효과가 기대된다.
여섯째, 전기 회로 배선을 전부 사용하지 않고도 더미 패턴을 이용하여 라인 간격을 가감할 수 있기 때문에, 회로의 종류나 기능에 관계 없이 반사 기능을 최적화할 수 있는 작용효과가 기대된다.
일곱째, 반사판의 제조 공정이 생략됨으로써, 공정수가 단축되는 경제적인 작용효과가 기대된다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전기 회로 배선을 라인 앤 스페이스 타입의 반사막 패턴으로 변경함으로써, 메탈 라인의 최소 간격에 따라 광 감도가 개선되는 이미지 센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서는, 다수개의 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 액티브 픽셀 센서 영역과, 단위 화소를 제어하거나 단위 화소의 신호를 처리하기 위하여 주변 회로가 형성된 주변 회로 영역으로 구분될 수 있다. 또한 상기 액티브 픽셀 센서 영역은, 빛 에너지를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환 소자와, 변환된 전기적 신호를 처리하여 데이터화하는 로직 소자로 구분될 수 있다.
상기 광전 변환 소자는, 입사된 빛 에너지를 흡수함으로서 발생되는 전하를 축적하는 기능을 수행한다. 따라서 이러한 광전 변화 소자는, 대표적으로 포토 다이오드(Photo diode)가 많이 사용되나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 포토 트랜지스터 등 빛 에너지를 전기적 신호로 변환할 수 있는 광전 변화 소자라면 모두 이에 해당된다. 여기서는 포토 다이오드를 예로 들어 설명한다.
상기 로직 소자는, 다수의 MOS 트랜지스터로 구성되데, MOS 트랜지스터는 포토 다이오드에서 수집된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산 영역를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터 및 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing) 하는 셀렉트 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.
이하, 광전 변환 소자를 중심으로 이미지 센서의 구성을 자세하게 살펴보기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층 된 실리콘 기판(110)은, 그 표면의 하부에 깊은 이온주입으로 N형 영역이 형성되고, 그 표면과 접하는 부분에 P형 영역이 형성됨으로써, 포토 다이오드(120)를 구비한다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 포토 다이오드(120)의 일측에는 실리콘 기판(110)의 표면 하부에 이온주입으로 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산 영역이 더 형성됨으로써, 포토 다이오드에서 축적된 전하를 전송받아 저장할 수 있게 된다.
상기 포토 다이오드가 구비된 실리콘 기판(110)의 전면에는 메탈 라인 형성을 위한 절연막(Dielectric)(130)이 형성된다. 상기 절연막(130)에는 배선 기능을 수행하는 다수의 메탈 라인(M1, M2, M3)이 형성된다. 상기 메탈 라인(M1, M2, M3)은, 전원 라인과 신호 라인를 전술한 단위 화소나 및 로직 회로와 연결시키기 위한 것으로, 실제 이보다 더 많은 메탈 라인이 존재할 수 있다. 이때, 절연막은 메탈 라인의 층 수에 비례하여 다수의 층간 절연막을 형성하게 된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, M1, M2, M3와 대응되게 D1, D2, D3가 형성될 수 있다.
상기 절연막(130) 상에는 각 단위 화소 별로 알지비(R,G,B) 색상 구현을 위한 칼라 필터(Color Filter)(140)가 형성된다. 칼라 필터 상에는 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(Micro Lens)(150)가 형성된다.
따라서, 입사된 빛은 마이크로 렌즈(ML)(150)에 의해 포커싱되고, 포토 다이오드(120)로 입사하게 되는데, 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서(100)가, 포토 다이오드(120)가 전면에 구비된 전면 수광부 이미지 센서로 구성되기 때문에, 렌즈(150)를 통하여 입사된 빛이 메탈 라인(M1, M2, M3)의 배선층 사이를 통과해야 비로소 수광부 즉, 포토 다이오드(120)에 도달하게 된다. 이로써, 수광부의 감도 가 저하되는 경향이 있다.
한편, 메탈 라인(M1, M2, M3)이 상하로 점프되어 있음을 알 수 있다. 이는 전면 수광시 빛이 메탈 라인에 의하여 가려지는 것을 방지하기 위한 것이다. 특히 포토 다이오드(120) 이외의 영역으로 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 것이다.
그러나, 메탈 라인이 좌우로 배열되거나 혹은 수직으로 배열되거나 하더라도, 어떤식으로든 포토 다이오드(120)로 입사되는 빛은 다수의 메탈 라인(M1, M2, M3)에 의하여 간섭을 받지 않을 수 없다. 따라서, 감도의 저하의 불가피하다.
이에 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 수광부가 전면에 구비된 전면 수광부 이미지 센서(100)에서, 렌즈를 통하여 입사된 빛이 배선층 사이를 통과해야 비로소 수광부에 도달하고, 이로 인하여 수광부의 감도가 저하되는 경향이 있었기 때문에, 후면 수광부 이미지 센서(200)를 사용하기로 한다.
따라서, 후면 수광부 이미지 센서(200)는, 실리콘 기판(210)의 후면(배선부의 반대측)으로부터 광이 조사되면, 수광부에서 빛을 감지하는 구조로서, 배선부 즉, 메탈 라인(M1, M2, M3)의 레이아웃에 의해 입사된 빛이 전혀 방해를 받지 않게 된다.
그러나, 후면 수광부에도 다음과 같은 장애가 있을 수 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 빛의 흡수율은 파장(λ)에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 파장(λ)이 길어 질수록 빛을 흡수하는 실리콘의 깊이(Depth)는 깊어져야 한다. 따라서 실리콘의 두께를 두껍게 형성해야 하는 문제점이 있다. 이는 반도체 소자의 경박단소화의 경향과 배치된다.
더욱이, 픽셀의 사이즈가 작아지면서 깊은 영역에서의 이온주입 방식을 활용한 포토 다이오드(220) 형성은 더 어려워지고 있다. 반대로 흡수되는 빛의 량은 감소하여 수광부의 감도가 이와 비례하여 저하되고 있다. 이는 신호대잡음비의 열화를 야기한다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 파장이 600㎚ 이상의 빛을 흡수하기 위해서는 10㎛ 이상의 실리콘 두께가 요구되고, 500㎚ 이상의 빛을 흡수하기 위해서는 5㎛ 이상의 실리콘 두께가 필요하다. 그러나, 이미지 센서가 구비되는 실리콘 두께의 디자인 룰이 4.5㎛ 이하인 점을 고려하면, 파장이 500㎚ 이상인 빛은 상당 부분 흡수되지 못하게 된다는 것을 알 수 있다.
즉, 실리콘 기판(210)의 후면으로부터 빛이 조사되면, 가시 광선과 같이 파장이 긴 영역에서는 전부가 수광부에 수렴되지 않고, 그대로 수광부를 투과하며, 투과된 빛은 실리콘 기판의 전면으로 아웃된다. 이로써, 수광부에 수렴되어야 할 장(長) 파장의 빛은 손실되기 때문에, 수광부의 감도가 현저하게 저하되는 한계가 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 절연막 상에는 포토 다이오드(220)를 통과한 빛이 반사되어 다시 포토 다이오드(220)로 재집광될 수 있도록 반사판(270)을 형성한다.
즉, 실리콘 기판(210)의 두께에는 픽셀이 축소되면서 디자인 룰에 따라 두껍게 하는데 한계가 있고, 특히 포토 다이오드(220)는 실리콘 기판의 표면으로부터 깊이 형성할 수 없는 이온주입의 한계가 있기 때문에, 포토 다이오드는 대게 표면 근처에 형성된다. 이로써, 파장이 클 수록 입사된 빛이 포토 다이오드에 흡수되지 못하고 손실되는 경우가 허다하다. 결과적으로, 흡수되지 못한 빛을 재흡수하기 위하여 반사판(270)의 설치가 절실히 요구된다.
그러나, 절연막(230) 상에는 다수의 메탈 라인(M1, M2, M3)이 형성되어 있기 때문에, 반사판(270)을 배치하는데 한계가 있다. 설치하더라도 메탈 라인의 영향으로 광범위하게 형성할 수 없다. 뿐만 아니라, 반사판(270)을 형성하기 위해서는 메탈 라인의 증착과 별도의 공정이 요구되기 때문에 공정수가 증가하는 공정상의 문제가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(300)는 반사판을 별도로 구비하지 않는다. 다만, 메탈 라인(M1, M1, M1, ..)을 반사막의 형태로 변경함으로써, 반사판에 의한 빛의 재흡수 효과를 동일하게 획득하고자 한다. 예컨대, 후면 수광부 이미지 센서(300)에 있어서, 기존의 면 형태의 반사판 대신에 라인 앤 스페이스(L/S) 형태로 메탈 라인(Ma)을 배열함으로써, 반사판의 반사효과를 그대로 유지하면서도, 반사판의 형성 공정을 생략할 수 있게 된다.
다만, 메탈 라인(Ma)을 라인 앤 스페이스(L/S) 형태로 변경함에 있어서, 라인 사이의 피치 즉 스페이스의 크기를 어떻게 결정하는가의 문제가 있을 수 있다. 파장(λ)이 서로 다른 빛의 프로파일에 따라 스페이서의 크기가 달라질 수 있기 때문이다. 또한, 빛이 통과하는 매질의 성질에 따라 굴절율(n)이 달라지기 때문에, 매질에 따라 스페이서의 크기가 달라질 수 있다. 또한, 빛이 투과하는 모듈의 두 께에 따라 스페이서의 크기가 달라질 수 있다. 이와 같이, 여러 가지 조건을 고려하여 스페이서의 크기가 결정되어야 할 것이다.
먼저, 매질의 굴절율에 대하여 살펴본다. 모듈에 빛이 투과하는 영역은 크게 포토 다이오드가 구비되는 실리콘 레이어 영역과, 메탈 라인이 구비되는 절연막 레이어 영역으로 구분될 수 있다. 즉, 빛은 실리콘 기판(310)과 절연막(330) 모두를 통과한다. 상기 절연막(330)에는 SiO2, P-SiN, SiON가 사용될 수 있다. SiO2의 굴절율(n)은 1.47이고, P-SiN의 굴절율(n)은 2.07이며, SiON의 굴절률(n)은 2.76이다.
가령, 절연막(330)으로 SiO2를 사용하게 되면, 굴절율(n)이 1.44이기 때문에, 실리콘 기판(310)에 투과되는 빛의 파장(λ)이 550㎚ 일 때, 절연막(330)에서는 실제 380㎚으로 파장(λ)이 감소된다. 따라서, 상기 빛이 통과하는 슬릿 즉 라인(L)의 간격이 파장(λ)의 절반인 190㎚에서 회절이 발생한다. 이와 같이, 라인(L)의 간격이 190㎚ 이상에서 빛이 회절하게 되면, 빛이 반사되지 못하고 소실되기 때문에, 실리콘 영역으로 재흡수되지 못한다. 슬릿을 통과한 빛의 양만큼 손실이 발생하게 되고, 감도가 저하된다.
도 5는 절연막이 SiO2로 형성되고, 파장(λ)이 550㎚인 빛이 조사될 때, 빛의 프로파일을 나타낸 것이다.
A의 경우에는, 반사판이 존재하지 않기 때문에, 실리콘을 통과한 빛은 절연막에서 반사되지 못하고 그대로 소실된다. B의 경우에는, 반사판이 존재하기 때문에, 실리콘을 통과한 빛이 절연막에서 반사되어 대부분이 실리콘에서 재흡수되는 것을 알 수 있다. C의 경우에는, 반사판이 존재하지 않으나, L/S 타입의 메탈 라인이 180㎚ 간격으로 형성되기 때문에, 실리콘을 통과한 빛이 절연막에서 반사되어 실리콘에서 재흡수되고, 흡수 정도가 상기 반사판의 경우와 거의 동일함을 알 수 있다. D의 경우에는, C의 경우와 같이 메탈 라인이 존재하나, 그 간격이 200㎚ 이기 때문에, 회절이 일부 발생하여 빛이 손실되는 점을 알 수 있다.
따라서, 파장 550㎚의 빛이 SiO2의 절연막을 통과할 때, 메탈 라인의 간격은 190㎚을 경계로 회절이 발생하고, 그 이상일 때 절연막을 투과하여 실리콘에 재흡수되지 않음을 알 수 있다. 이와 같이 빛의 프로파일에 따라 빛의 통과를 결정하는 최소 메탈 라인의 크기를 결정할 수 있다.
도 6은 굴절률(n)과 빛의 파장(λ)에 따라 빛이 통과가능한 메탈 라인의 최소 간격을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바에 따르면, 절연막의 성질에 따라 굴절률이 달라지고, 굴절율에 따라 최소 메탈 라인의 간격이 결정됨을 알 수 있다. 굴절율이 클수록 빛의 통과를 결정하는 메탈 라인의 최소 간격이 작아지는 것을 알 수 있다. 파장과의 관계에서는 파장이 작아질수록 메탈 라인의 최소 간격이 작아지는 것을 알 수 있다. 이를 종합해 보면, 빛의 파장은 작아질수록, 굴절율은 커질수록 메탈 라인의 최소 간격이 작아짐을 알 수 있다.
도 7은 파장(λ)이 620㎚인 빛에서 반사율을 나타낸 것으로서, 반사판이 존재하지 않는 경우, 면 형태의 반사판을 설치한 경우, 반사판을 대신하여 메탈 라인을 형성한 경우에 실리콘에서의 빛의 흡수 정도를 시뮬레이션을 통해 비교한 것이다. 보는 바와 같이, 면 타입의 반사판과 라인 타입의 메탈 라인의 반사도가 동일 함을 알 수 있다.
그렇다면, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이 라인 앤 스페이스 형태의 메탈 라인에 여러 가지 실시 형태가 존재할 수 있다.
(a)는, 메탈 라인(Ma)이 길이 방향에서 소정의 간격을 두고 일정하게 배열된 것이고, (b)는, 메탈 라인(Ma)이 가로 방향에서 소정의 간격을 두고 일정하게 배열된 것이며, (c)는, 메탈 라인(Ma)이 길이 방향과 가로 방향에서 혼용되어 배열된 것이며, (d)는, 메탈 라인(Ma)이 더미 패턴(Md)과 혼용되어 배열된 것이다.
이때, 위에서 메탈 라인의 최소 간격을 결정하다보면, 회로의 동작에 필요한 메탈 라인의 숫자 보다 형성되어야 할 메탈 라인이 더 많아야 하는 경우가 있을 수 있다. 이런 경우에는 반드시 메탈 라인을 회로 동작에 필요한 배선으로 모두 형성할 필요는 없고, 필요에 따라 라인 타입의 더미(dummy) 패턴(Md)을 더 형성할 수 있다. 다만, 기존의 반사판과 차이가 있다면, 반사판은 블럭 형태이고, 별도의 공정을 필요로 하지만, 더미 패턴(Md)의 경우에는 라인 형태이고 별도의 공정이 필요치 않으며, 메탈 라인(Ma)의 형성시 동시에 증착 및 식각되는데 잇점이 있다.
또한, 더미 패턴은 반드시 라인 형태를 가질 필요는 없다. 메탈 라인은 라인 형태를 취하더라도, 더미 패턴(Md)은 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이, 라인 혹은 박스(box) 타입으로 형성될 수 있다. 메탈 라인의 조건에 따라 그 형태를 적절하게 변경하여 사용할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 이미지 센서의 제조방법에 대하여 살펴본다.
실리콘 기판(310)의 전면에 이온주입 공정을 통하여 포토 다이오드(320)를 형성함으로써, 기판 내에 포토 다이오드를 형성한다. 이때, 소자 분리를 위하여 실리콘 기판(310)을 선택적으로 식각하여 트랜치를 형성하고, 절연막을 충진하여 필드산화막(도면부호 없음)을 형성할 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 플로팅 확산영역이 포토 다이오드와 동일한 평면 내에서 형성될 수 있다. 포토 다이오드가 구비되는 실리콘 기판(310)의 상면에는 트랜스퍼 트랜지스터 혹은 리셋 트랜지스터 등이 형성된다.
상기 포토 다이오드(320)와 트랜지스터(도시되지 않음) 상에 SiO2, P-SiN, SiON 등의 산화막 혹은 질화막을 이용하여 절연막(330)을 형성한다. 편의상 금속 배선 전 절연막과, 층간 절연막을 구분하지 않고, 절연막(330)으로 표시한다. 상기 절연막 상에 알루미늄이나 구리 혹은 텅스텐을 이용하여 메탈 라인(Ma)을 라인 앤 스페이스 타입(L/S type)으로 패턴닝 한다. 상기 패턴은 길이 방향 혹은 가로 방향으로 형성되거나 박스 형태로 형성될 수 있다.
일실시예에 의한 메탈 라인(M1, M2, M3)이 수직으로 배열된 상태에 있기 때문에, 다층의 메탈 라인을 형성하기 위해서는 절연막의 형성 공정 또한 메탈 라인의 층만큼 다수 반복하여 수행되나, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 메탈 라인(Ma)이 단층으로 구성될 수 있기 때문에, 배선 형성을 위한 금속 절연 층간 절연막을 반복하여 적층하고 표면을 연마하는 공정이 생략될 수 있다.
따라서, 메탈 라인을 다층으로 형성하는 경우에는 메탈 층만큼 절연막의 형성 공정 및 평탄화 공정이 반복하여 수반되기 때문에, 그에 따른 생산 비용과 공정 불량이 증가하기 마련이다. 하지만, 메탈 라인을 단층으로 형성하게 되면 생산 비 용을 절약하고, 공정 불량을 방지하는 작용효과를 기대할 수 있다.
상기 메탈 라인(Ma) 상에 상기 절연막을 다시 적층하고, 평면화 공정을 통하여 전면을 평탄화한다.
실리콘 기판(310)의 후면을 가공하기 위하여 기판을 실리콘의 전면이 아래에 위치하도록 뒤집는다. 후면 가공의 편의를 위하여 실리콘 기판(310)의 전면에 실리콘 혹은 SiO2 재질의 지지판(312)을 부착한다. 이미지 센서의 디자인 룰에 따라 실리콘의 두께를 조절하기 위하여 후면을 백랩 한다. 이때 실리콘의 두께가 얇아지더라도 지지판(312)에 의하여 실리콘의 뒤틀리거나 손상되지 않는다.
상기 백랩된 실리콘의 후면에 칼라 필터(340)를 형성한다. 칼라 필터(340)의 상부에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈(350)가 설치됨으로써, 이미지 센서(300)가 완성된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 전면 수광부 이미지 센서의 경우에는, 렌즈를 통해 입사된 빛이 다수의 배선층 사이를 통과해야 비로소 수광부에 도달하기 때문에, 수광부의 감도가 저하되는 경향이 있다. 수광부가 수직으로 배열된 경우에도 마찬가지이다. 반대로 후면 수광부 이미지 센서가 사용되는 경우에는, 배선층의 반대측에서 빛이 조사되기 때문에, 감도는 향상된다. 그러나, 수광부에서의 빛의 흡수율은 파장에 따라 변화되고, 상기 파장은 가시광선과 같이 장 파장의 경우에는 빛을 흡수할 수 있는 실리콘의 깊이가 충분하게 커야함에도, 이미지 센서의 경박단소화 경향과 깊은 이온주입의 한계로 인하여, 후면 수광부에 있어서도 감도가 여전히 저하되는 경향이 있다. 이에, 절연막 상에는 수광부를 통과한 빛이 반사되어 다시 수광부로 재집광될 수 있도록 반사판의 기능이 요구되는데, 반사판을 절연막 상에 설치하는데는 배선층의 레이아웃에 의하여 설치할 공간이 협소하고, 설치하더라도 광범위하게 형성하기 곤란하다. 이에, 본 발명은 반사막을 별도로 형성하지 않고, 배선층을 반사막의 형태로 대체하며, 블럭 형태의 반사판을 라인 앤 스페이스 형태의 메탈 라인으로 변경하게 되면, 반사판의 반사효과를 그대로 유지하면서도, 반사판 공정을 생략하게 된다. 따라서, 전기 회로 배선 기능을 수행하는 배선층을 라인 앤 스페이스 형태의 메탈 라인으로 구성한다. 다만, 라인 간격에 따라 회절로 인한 빛의 손실이 발생하기 때문에, 회절이 발생하지 않는 최소 간격이 결정되어야 한다. 메탈 라인의 최소 간격은 수광부의 깊이, 입사되는 빛의 파장 그리고 절연막에서의 굴절율에 따라 달라진다. 굴절율이 클수록 빛의 통과를 결정하는 메탈 라인의 최소 간격이 작아지고, 빛의 파장이 작아질수록 메탈 라인의 최소 간격이 작아지는 점을 고려하여 최소 간격의 최적 조건을 결정하여야 한다. 이를 위하여, 배선 기능의 메탈 라인만으로 최소 간격을 형성하지 못할 때는 그 사이에 더미 패턴을 개재함으로써, 기존의 면 타입의 반사판과 동일한 반사 효과를 가져오는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전면 수광부 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사판을 구비한 후면 수광부 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 실리콘 두께와 파장에 따라 빛이 흡수되는 정도를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 라인 앤 스페이스 타입의 반사 패턴을 구비한 이미지 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 절연막이 SiO2로 형성되고, 파장이 550㎚인 빛이 조사될 때, 빛의 프로파일을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 굴절률과 빛의 파장에 따라 빛이 통과가능한 메탈 라인의 최소 간격을 나타내는 그래프.
도 7은 파장이 620㎚인 빛에서 반사판이 존재하지 않는 경우, 면 형태의 반사판이 설치된 경우, 반사판을 대신하여 메탈 라인이 형성된 경우에 실리콘에서의 빛의 흡수 정도를 비교하는 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 메탈 라인이 길이 방향에서 배열된 형태와, 메탈 라인이 가로 방향에서 배열된 형태와, 메탈 라인이 길이 방향과 가로 방향에서 혼용되어 배열된 형태와, 메탈 라인이 박스 타입의 더미 패턴과 혼용되어 배열된 형태를 각각 나타내는 평면도.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**
100, 200, 300: 이미지 센서 110, 210, 310: 실리콘 기판
120, 220, 320: 포토 다이오드 130, 230, 330: 절연막
140, 240, 340: 칼라필터 150, 250, 350: 마이크로 렌즈
270: 반사판 312: 지지판
M1, M2, M3, Ma: 메탈 라인 Md: 더미 패턴
Claims (20)
- 기판;상기 기판 내에 형성된 포토다이오드;상기 기판의 상면 상에 형성된 렌즈;상기 기판의 하면 상에 형성된 절연막; 및상기 절연막 내에 형성되고 상기 포토다이오드와 수직으로 중첩하는 반사 패턴들을 포함하되,상기 반사 패턴들은 라인-앤-스페이스 형태로 배열되며, 전기 회로 배선 기능을 수행하는 메탈 라인들 및 상기 메탈 라인들 사이에 위치하는 더미 패턴을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 기판을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연막은 SiO2를 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 반사 패턴들의 간격은 200nm 이하인 이미지 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 더미 패턴은 라인-앤-스페이스 형태를 갖는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 더미 패턴은 박스 형태를 갖는 이미지 센서.
- 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 내에 형성된 불순물 접합층;상기 실리콘 기판의 전면 상에 형성된 절연막;상기 실리콘 기판의 후면 상에 형성된 마이크로 렌즈;상기 절연막 내에 형성되고, 라인-앤-스페이스 형태로 배열되며, 전기 회로 배선 기능을 수행하는 메탈 라인들; 및상기 메탈 라인들 사이에 위치하는 더미 패턴을 포함하되,상기 메탈 라인들 및 상기 더미 패턴은 상기 불순물 접합층과 수직 중첩하는 이미지 센서.
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