KR20080013566A - 이미지 센서 및 그 형성 방법 - Google Patents

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조영준
정희근
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서 및 그 형성 방법이 제공된다. 수광소자가 형성된 반도체 기판 상에 제1 절연막을 형성된다. 상기 제1 절연막 상에 금속 배선이 형성된다. 상기 금속 배선 사이에 아래로 볼록한 상부면을 갖는 주형막이 형성된다. 상기 반도체 기판 상에 상기 주형막과 접하고 아래로 볼록한 내부 렌즈를 포함하는 제2 절연막이 형성된다. 상기 내부 렌즈 상에 마이크로 렌즈가 형성된다.
이미지 센서, 내부 렌즈, 굴절률

Description

이미지 센서 및 그 형성 방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FORMING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 ♧
10 : 반도체 기판 14 : 수광소자
30 : 제1 절연막 45 : 금속 배선
65 : 주형막 70 : 제2 절연막
75 : 내부 렌즈 90 : 마이크로 렌즈
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학적 영상(optical image)를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치이다. 이미지 센서는 신호 전하의 이송 및 출력 방식에 따라 크게 씨씨디(CCD:Charge Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분된다. 통상적으로, 씨모스 이미지 센서의 화소는 포토 다이오드(photo diode)와, 상기 포토 다이오드에 저장된 전하를 전송 및 출력하기 위한 트랜지스터를 포함할 수 있다.
포토 다이오드는 빛을 감지하는 부분으로 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 포토 다이오드가 차지하는 비율(Fill Factor)이 커야 한다. 그러나, 제한된 면적에서 필 팩터를 증가시키는 것은 한계가 있다. 따라서, 통상적으로 씨모스 이미지 센서는 광감도를 높이기 위해 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토 다이오드 영역으로 빛을 모아주는 마이크로 렌즈를 사용한다. 그러나, 최근에 씨모스 이미지 센서의 크기가 급속도로 작아지면서 마이크로 렌즈만으로 집광 효율을 높이는데 한계가 있다. 즉, 고화소의 이미지 센서를 구현하기 위해서는 화소의 크기가 더욱 작아질 수밖에 없고, 이에 의해 포토 다이오드의 면적도 감소하게 된다. 또, 종횡비가 증가하여 화소의 집광 효율도 떨어지게 된다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 향상된 집광 효율을 갖는 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법이 제공된다. 수광소자가 형성된 반도체 기판 상에 제1 절연막을 형성된다. 상기 제1 절연막 상에 금속 배선이 형성된다. 상기 금속 배선 사이에 아래로 볼록한 상부면을 갖는 주형막이 형성된다. 상기 반도체 기판 상에 상기 주형막과 접하고 아래로 볼록한 내부 렌즈를 포함하는 제2 절연막이 형성된다. 상기 내부 렌즈 상에 마이크로 렌즈가 형성된다.
상기 형성 방법에서, 상기 금속 배선은 상기 제1 절연막 상에 금속막과 마스크 패턴을 차례로 형성한 후, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 금속막을 식각함으로써 형성될 수 있다. 상기 주형막은 상기 금속 배선 및 상기 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 제3 절연막을 형성한 후, 상기 마스크 패턴과 상기 제3 절연막의 식각율이 다른 식각 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
상기 식각 공정은 화학적 기계적 연마 공정을 포함할 수 있다. 상기 화학적 기계적 연마 공정은 상기 마스크 패턴에 비하여 상기 제3 절연막의 식각율이 큰 공정 조건을 사용할 수 있다. 상기 식각 공정에 의해 상기 금속 배선이 노출될 수 있다. 상기 마스크 패턴은 질화막으로 형성되고, 상기 제3 절연막은 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연막과 상기 제3 절연막은 서로 굴절률이 다른 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서가 제공된다. 상기 이미지 센서는 수 광소자가 형성된 반도체 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판 상에 제1 절연막이 위치한다. 상기 제1 절연막 상에 금속 배선이 위치한다. 상기 금속 배선 사이에 아래로 볼록한 상부면을 갖는 주형막이 위치한다. 상기 주형막 상에 아래로 볼록한 내부 렌즈가 위치한다. 상기 내부 렌즈 상에 마이크로 렌즈가 위치한다.
상기 이미지 센서에서, 상기 주형막과 상기 내부 렌즈는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 절연막을 기술하기 위해서 사용되었지만, 절연막이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 어느 소정의 절연막을 다른 절연막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 도면들에서, 막 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다.
(이미지 센서의 구조)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도 로서, 집광과 관련된 이미지 센서의 주요 부분만이 도시된다. 또한 도면의 간략화를 위해서 도 1에는 한 개의 수광소자만 도시된다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 반도체 기판(10), 제1 절연막(30), 금속 배선(45), 주형막(65), 내부 렌즈(75)를 갖는 제2 절연막(70), 및 마이크로 렌즈(90)를 포함한다.
반도체 기판(10)은 소자분리막(12)에 의해 정의된 활성영역을 포함한다. 활성영역에 수광소자(14) 및 플로팅 확산 영역(16)이 배치된다. 수광소자(14)와 플로팅 확산 영역(16) 사이의 활성영역 상에 이송 게이트(transfer gate,25)가 위치한다.
수광소자(14)는 빛을 감지하여 이를 전기적 신호로 변환할 수 있는 소자를 말한다. 외부에서 입사된 빛에 의해 수광소자(14) 내에서 전자-정공 쌍(EHP:electron-hole pair)이 생성되고, 이 전자-정공 쌍에 의한 신호 전하가 플로팅 확산 영역(16)으로 전달된다. 이에 의해, 플로팅 확산 영역(16)의 전위가 변화되고, 이 변화된 전위에 따른 신호가 출력단으로 출력된다. 수광소자(14)로 포토 다이오드(PD:photo diode) 등이 사용될 수 있고, 포토 다이오드(PD)는 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역을 포함한다.
이송 게이트(25), 수광소자(14)의 n형 불순물 영역, 및 플로팅 확산 영역(16)이 이송 트랜지스터(transfer transistor)를 구성한다. 도면에 도시되지 않았지만. 상기 활성영역 상에 상기 이송 트랜지스터에 직렬로 연결된 리셋 트랜지스터(reset transistor), 구동 트랜지스터(drive transistor), 및 선택 트랜지스 터(select transistor)가 더 배치될 수 있다.
제1 절연막(30)이 이송 트랜지스터가 배치된 반도체 기판을 덮는다. 제1 절연막(30) 상에 금속 배선(45)이 위치하고, 금속 배선(45) 사이에 주형막(65)이 위치한다. 주형막(65)은 아래로 볼록한 상부면을 갖는다. 금속 배선(45)과 주형막(65) 상에 제2 절연막(70)이 위치한다. 제2 절연막(70)은 그 하부에 돌출되어 주형막(65)과 접촉하는 내부 렌즈(75)를 갖는다. 내부 렌즈(75)가 금속 배선(45) 사이에 배치되기 때문에 이미지 센서는 종횡비를 증가시키지 않고 내부 렌즈(75)를 구비할 수 있다. 내부 렌즈(75)에 의해 이미지 센서의 집광 효율이 향상될 수 있다. 내부 렌즈(75)는 아래로 볼록한 곡면을 갖는다. 주형막(65)과 제2 절연막(70)은 서로 굴절률이 다른 막질로 이루어질 수 있다. 즉, 주형막(65)과 내부 렌즈(75)는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 이때, 집광 효율을 향상시키기 위해 내부 렌즈(75)의 굴절률이 주형막(65)에 비하여 더 큰 것이 바람직하다. 제1 절연막(30)은 층간 절연막으로, 제2 절연막(70)은 금속간 절연막으로 호칭될 수 있다.
제2 절연막(70) 상에 내부 렌즈(51) 상에 보호막(82), 컬러 필터(84), 평탄화막(86)이 차례로 위치한다. 보호막(82)은 컬러 필터(84)를 형성할 때 발생하는 여러 가지 화학 성분들이나 습기 등으로부터 소자들을 보호한다. 보호막(82)은 예컨대, 감광성 유기막 또는 질화막을 포함할 수 있다. 컬러 필터(84)는 염색된 감광성 유기막을 포함할 수 있다. 각각의 단위 화소마다 하나의 컬러 필터(84)가 배치되어, 입사하는 빛으로부터 색이 분리된다. 평탄화막(86)은 컬러 필터(84) 상부 를 평탄화한다.
평탄화막(86) 상에 마이크로 렌즈(90)가 위치한다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 마이크로 렌즈(90)에 의해 집광이 한 번 되고, 다시 내부 렌즈(75)에 의해 집광이 한 번 더 됨으로써 집광 효율이 향상될 수 있다. 또, 마이크로 렌즈(90)는 내부 렌즈(75)까지만 집광을 하면 되므로, 두껍게 형성되지 않을 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(90)의 곡률 반경은 종래의 마이크로 렌즈보다 더 크게 형성될 수 있다.
(이미지 센서의 형성 방법)
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(10)에 활성영역을 정의하는 소자분리막(12)이 형성된다. 상기 활성영역에 불순물 이온을 주입하여 수광소자(14) 및 플로팅 확산영역(16)이 형성된다. 수광소자(14)로 포토 다이오드를 형성할 경우를 간략히 설명하면 다음과 같다. 먼저, p형 기판에 p형 에피택시얼층이 형성되고, 상기 p형 에피택시얼층에 n형 불순물 이온을 주입하여 포토 다이오드의 n형 불순물 영역이 형성된다. 이어서, 상기 n형 불순물 영역의 표면에 p형 불순물 이온을 주입하여 p형 불순물 영역이 형성된다. 이에 의해, pn접합 포토 다이오드가 형성된다. 전자-정공 쌍에 의한 신호 전하는 포토 다이오드의 n형 불순물 영역에서 생성되고, p형 에피탁시얼층은 상기 신호 전하가 p형 기판으로 누설되는 것을 방지한다.
수광소자(14)와 플로팅 확산 영역(16) 사이의 활성영역 상에 이송 게이 트(25)가 형성된다. 이에 의해, 수광소자(12)의 n형 불순물 영역, 플로팅 확산 영역(16), 및 이송 게이트(25)를 포함하는 이송 트랜지스터가 형성된다. 도시되지 않았지만, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터 등이 더 형성될 수 있다.
이송 게이트(25)가 형성된 기판(10)을 덮는 제1 절연막(30)이 형성된다. 제1 절연막(30)은 예컨대, 산화막으로 형성될 수 있다. 제1 절연막(30) 상에 금속막(40)과 마스크 패턴(55)이 차례로 형성된다. 마스크 패턴(55)은 예컨대, 질화막으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 마스크 패턴(55)을 식각 마스크로 사용하여 금속막(40)을 식각하여 금속 배선(45)이 형성된다. 이어서, 기판 전면에 제3 절연막(60)이 형성된다. 제3 절연막(60)은 그 하부에 금속 배선(45) 사이 및 마스크 패턴(55)에 채워진 돌출부(62)를 갖는다. 제3 절연막(60)은 마스크 패턴(55)에 대하여 식각선택성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제3 절연막(60)은 예컨대, 산화막으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 식각 공정을 수행하여 금속 배선(45) 사이에 주형막(65)이 형성된다. 상기 식각 공정은 화학적 기계적 연마 공정(CMP:chemical mechanical polishing)을 포함할 수 있다. 상기 화학적 기계적 연마 공정은 마스크 패턴(55)에 비하여 제3 절연막(60)의 식각율이 큰 공정 조건을 사용할 수 있다. 상기 식각 공정에 의해, 금속 배선(45)의 상부면이 노출될 수 있고, 주형막(45)의 상부면은 아래로 볼록해질 수 있다.
도 5를 참조하면, 금속 배선(45) 및 주형막(65) 상에 제2 절연막(70)이 형성된다. 제2 절연막(70) 하부면에 돌출된 내부 렌즈(75)가 형성될 수 있다. 내부 렌즈(75)는 금속 배선(45) 사이에서 주형막(65)과 접촉하여 아래로 볼록한 곡면을 가질 수 있다. 제2 절연막(70)은 주형막(65)에 대하여 굴절률이 다른 물질로 형성될 수 있다. 단, 집광 효율을 높이기 위해 제2 절연막(70)은 주형막(65)에 비하여 굴절률이 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 내부 렌즈(75)가 금속 배선(45) 사이에 형성되기 때문에 이미지 센서의 종횡비가 증가하지 않는다.
도 6을 참조하면, 제2 절연막(70) 상에 보호막(82), 컬러 필터(84), 평탄화막(86) 및 마이크로 렌즈(90)가 형성된다. 예컨대, 보호막(82)은 감광성 유기막 유기막 또는 질화막으로 형성될 수 있고, 컬러 필터(84)는 염색된 감광성 유기막으로 형성될 수 있다. 평탄화막(86)은 감광성 유기막으로 형성될 수 있고, 마이크로 렌즈(90)는 광투과도가 높은 산화막 계열의 감광성 유기막으로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예에서는 전술한 실시예와 차이나는 부분만 설명한다. 나머지 부분은 전술한 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 평탄화 공정을 수행하여 금속 배선(45)이 노출되고, 제2 절연막(70)은 식각되어 금속 배선(45) 사이에 내부 렌즈(75)만이 잔존하게 된다. 이어서, 금속 배선(45) 및 내부 렌즈(75) 상에 보호막(82), 컬러 필터(84), 평탄화막(86) 및 마이크로 렌즈(90)가 형성된다. 단, 내부 렌즈(75)가 질화막으로 형성 되는 경우, 보호막(82)을 형성하기 전에 금속 배선(45) 및 내부 렌즈(75)를 덮는 산화막이 더 형성될 수 있다.
상술한 실시예에서는 하나의 금속 배선층이 형성되는 것으로 설명되어 있지만 이에 한정해서는 안 되며, 금속 배선층들이 적층되어 형성될 수도 있다. 이 경우, 주형막 및 내부 렌즈는 상기 복수의 금속 배선층들 중 어느 한층에 형성될 수 있다. 이때, 상기 내부 렌즈를 어느 층에 형성할 것인가 여부는 상기 내부 렌즈 상에 위치하는 컬러 필터의 종류와 상기 내부 렌즈가 형성되는 이미지 센서의 수평면 상에서의 위치(이미지 센서의 중앙부 또는 가장자리 등) 등을 고려하여 결정될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이미지 센서는 종횡비를 증가시키지 않고 내부 렌즈를 구비할 수 있다. 상기 내부 렌즈에 의해 이미지 센서의 집광 효율이 향상될 수 있다.

Claims (8)

  1. 수광소자가 형성된 반도체 기판 상에 제1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연막 상에 금속 배선을 형성하는 단계;
    상기 금속 배선 사이에 아래로 볼록한 상부면을 갖는 주형막을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 상기 주형막과 접하고 아래로 볼록한 내부 렌즈를 포함하는 제2 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 내부 렌즈 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 배선을 형성하는 단계는:
    상기 제1 절연막 상에 금속막을 형성하는 단계;
    상기 금속막 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 금속막을 식각하는 단계를 포함하고,
    상기 주형막을 형성하는 단계는:
    상기 금속 배선 및 상기 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 제3 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴과 상기 제3 절연막의 식각율이 다른 식각 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 식각 공정에 의해 상기 금속 배선이 노출되는 이미지 센서의 형성 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 식각 공정은 화학적 기계적 연마 공정을 포함하며,
    상기 화학적 기계적 연마 공정은 상기 마스크 패턴에 비하여 상기 제3 절연막의 식각율이 큰 공정 조건을 사용하는 이미지 센서의 형성 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마스크 패턴은 질화막으로 형성되고, 상기 제3 절연막은 산화막으로 형성되는 이미지 센서의 형성 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 절연막과 상기 제3 절연막은 서로 굴절률이 다른 물질로 형성되는 이미지 센서의 형성 방법.
  7. 수광소자가 형성된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 위치하는 제1 절연막;
    상기 제1 절연막 상에 위치하는 금속 배선;
    상기 금속 배선 사이에 위치하고, 아래로 볼록한 상부면을 갖는 주형막;
    상기 주형막 상에 위치하며, 아래로 볼록한 내부 렌즈; 및
    상기 내부 렌즈 상에 위치하는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주형막과 상기 내부 렌즈는 서로 다른 굴절률을 갖는 이미지 센서.
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