KR20090034429A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치되고 금속배선 및 층간 절연막을 포함하는 금속배선층; 상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간 절연막에 형성된 트랜치; 및 상기 트랜치의 내부에 형성된 컬러필터를 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 컬러필터
Description
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소 자로서, 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 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이 상에 복수의 배선을 포함하는 층간 절연막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
이러한 씨모스 이미지 센서에서 디자인 룰이 점차 감소됨에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 감소하여 포토다이오드의 광감도가 감소될 수 있다.
또한, 상기 층간 절연막은 복수의 층으로 형성되어 입사광의 난반사가 발생 될 수 있다. 이에 의해 상기 입사광은 인접하는 포토다이오드로 입사되어 크로스 토크 및 노이즈가 발생될 수 있다.
실시예에서는 입사광의 광경로를 단축시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치되고 금속배선 및 층간 절연막을 포함하는 금속배선층; 상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간 절연막에 형성된 트랜치; 및 상기 트랜치의 내부에 형성된 컬러필터를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간 절연막을 포함하는 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 대응되도록 상기 층간 절연막에 트랜치를 형성하는 단계; 및 상기 트랜치의 내부에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 포토다이오드와 컬러필터 사이의 광경로를 최대한 감소시켜 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드와 근접하도록 컬러필터가 배치되어 크로스 토크의 발생을 차단할 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 8은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드(30)를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 배치되고 금속배선(50) 및 층간 절연막(40)을 포함하는 금속배선층; 상기 포토다이오드(30)에 대응하도록 상기 층간 절연막(40)에 형성된 트랜치(65); 및 상기 트랜치(65)의 내부에 형성된 컬러필터(70)를 포함한다.
상기 금속배선층은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 층간 절연막(40)은 복수의 층으로 형성되고 상기 층간 절연막(40)을 관통하는 금속배선(50)도 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(40)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속배선(50)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐 등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(50)은 상기 포토다이오드(30)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 배치될 수 있다. 따라서, 상기 포토다이오드(30) 상부에는 층간 절연막(40)이 위치될 수 있다.
상기 트랜치(65)는 상기 층간 절연막(40) 내부에 형성된 것으로 상기 포토다이오드(30)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 트랜치(65)는 상기 반도체 기판(10) 또는 상기 금속배선(50) 중 최하부의 금속배선(M1)(50)이 형성된 층간 절연막(40)을 노출시키도록 형성될 수 있다. 특히, 상기 트랜치(65)는 상기 포토다이오드(30)의 표면에 손상을 주지 않을 정도의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 트랜치(65) 내부에는 컬러필터(70)가 배치되어 있다. 상기 컬러필터(70)는 상기 포토다이오드(30) 상부에 형성된 트랜치(65)를 통해 각각의 단위화소마다 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낼수 있다. 예를 들어, 상기 컬러필터(70)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 컬러필터(70)를 포함하는 트랜치(65) 내부에 절연층(80)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(80)은 상기 컬러필터(70)가 형성된 트랜치(65)와 상기 층간 절연막(40)에 갭이 발생되었을 경우, 상기 트랜치(65) 내부에 절연물질을 채움으로써 형성될 수 있다. 상기 절연층(80)은 굴절률 및 반사율이 작은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(80)은 산화막 또는 감광물질을 상기 트랜치(65) 내부에 채움으로써 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(70)에 대응하는 상기 절연층(80) 상부에는 마이크로 렌즈(90) 가 배치될 수 있다.
상기와 같이 트랜치(65) 내부에 컬러필터(70)가 형성되어 상기 포토다이오드(30)와 컬러필터(70) 사이의 광경로가 최대한 감소시켜 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드(30)와 근접하도록 컬러필터(70)가 배치되어 크로스 토크의 발생을 차단할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 단위화소를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속배선층이 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리영역(20)이 형성될 수 있다. 상기 액티브 영역에는 포토다이오드 및 씨모스 회로를 포함하는 단위화소가 형성될 수 있다.
상기 단위화소는 빛을 수광하여 광 전하를 생성하는 포토다이오드(30) 및 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)를 포함한다.
상기 포토다이오드(30)를 포함하는 관련소자들이 형성된 이후 층간 절연막(40) 및 금속배선(M1,M2,M3)(50)을 포함하는 금속배선층이 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된다. 상기 층간 절연막(40)은 복수의 층으로 형성될 수 있고, 상기 금속배선(50)도 복수층으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(50)은 전원라인 및 신호라인과 단위 화소 및 주변 회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 개로 형성될 수 있다. 상기 금속배선(50)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다. 따라서, 상기 포토다이오드(30)의 상부 영역에는 층간 절연막(40)이 위치될 수 있다.
예를 들어, 상기 층간 절연막(40)은 산화막 또는 질화막 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속배선(50)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐 등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(50) 중 최종 금속배선(M3)(50) 형성 후 상기 층간 절연막(40) 상에 하드 마스크층(60)이 형성될 수 있다. 상기 하드 마스크층(60)은 후속 공정에서 상기 층간 절연막(40)을 형성할 때 식각 마스크 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 하드 마스크층(60)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 물론 상기 하드 마스크층(60)은 형성되지 않을 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 층간 절연막(40)에 트랜치(65)가 형성된다.
상기 트랜치(65)는 상기 하드 마스크층(60) 상에 상기 포토다이오드(30)의 상부 영역에 해당하는 상기 하드 마스크층(60)의 표면을 노출시키는 포토레지스트 패턴(100)을 형성한다.
그리고, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각마스크로 하여 상기 하드 마스크층 및 층간 절연막(40)을 식각하면 상기 트랜치(65)가 형성된다. 예를 들어, 상기 트랜치(65)는 습식 또는 건식식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 트랜치(65)의 바닥면은 상기 포토다이오드(30)가 노출되지 않을 정도의 제1 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 트랜치(65)의 바닥면은 상기 포토다이오드(30)가 손상되지 않도록 상기 반도체 기판(10)의 표면을 노출시킬 수도 있고 또는 상기 금속배선(M1)(50)이 형성된 층간 절연막(40)의 하부 영역을 노출시킬 수도 있다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(100) 및 하드 마스크층(60)은 제거된다.
도 3을 참조하여, 상기 트랜치(65)에 대한 열처리 및 트리트먼트 공정이 진행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 식각 공정에 의하여 발생될 수 있는 상기 트랜치(65)의 표면 손상을 방지하기 위한 것이다.
또한, 상기 트리트먼트 공정은 이후 상기 트랜치(65) 내부에 컬러필터 형성이 원활하게 이루어지도록 상기 트랜치(65) 내부를 표면을 소수성으로 변화시키기 위한 것이다. 예를 들어, 상기 트리트먼트 공정은 유기물 물질을 도포하여 진행될 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 트랜치(65)의 내부에 컬러필터(70)가 형성된다. 상기 컬러필터(70)는 감광물질 및 안료 또는 감광물질 및 염료를 포함하는 컬러필터용 물질(미도시)을 스핀 코팅 공정등을 통해 상기 반도체 기판(10) 상에 형성한다. 이어서, 상기 컬러필터용 물질을 패턴 마스크(미도시)에 의하여 노광한 후 현상하여 상기 트랜치 내부에만 컬러필터(70)를 형성한다.
상기 컬러필터(70)는 상기 포토다이오드(30) 상부에 형성된 트랜치(65)를 통해 각각의 단위화소마다 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낼수 있다. 예를 들어, 상기 컬러필터(70)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 중 어느 하나일 수 있다.
상기와 같이 트랜치(65) 내부에 컬러필터(70)가 형성되어 상기 포토다이오드(30)와 컬러필터(70) 사이의 광경로가 최대한 감소시켜 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 컬러필터(70)가 상기 포토다이오드(30) 상에 형성되어 인접하는 단위화소로 빛이 입사되는 것을 방지할 수 있게 되어 크로스 토크 및 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 컬러필터(70)가 형성된 트랜치(65) 내부에 절연층(80)이 형성된다. 상기 절연층(80)은 상기 트랜치(65)의 깊이로 인하여 상기 컬러필터(70)와 상기 층간 절연막(40) 사이에 갭이 발생되었을 경우 형성될 수 있다.
상기 절연층(80)은 상기 트랜치(65)를 포함하는 반도체 기판(10) 상으로 투명한 물질을 갭필한 후 평탄화 공정을 진행하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(80)은 산화막 또는 감광물질로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 절연층(80) 상에 마이크로 렌즈(90)가 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(90)는 광투과도가 높은 실리콘 산화막 계열의 감광성 포토레지스트를 도포한 후 패터닝 공정을 수행하여 각각의 단위화소에 대응하는 각진 형태의 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 그리고 리플로우 공정(reflow)을 하면 돔(Dome) 형태의 마이크로 렌즈(90)가 형성된다. 또는 상기 마이크로 렌즈(90)는 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(90)는 상기 컬러필터(70) 상부의 상기 절연층(80) 상에 형성되어 상기 포토다이오드(30)에 광을 집광할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 상기 반도체 기판(10) 내부에 형성된 포토다이오드(30)와 근접하도록 상기 층간 절연막(40)에 형성된 트랜치(65) 내부에 컬러필터(70)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 포토다이오드(30)와 컬러필터(70) 사이의 거리가 최대한 감소되어 상기 컬러필터(70)를 통과한 광은 상기 포토다이오드(30)로 직접 입사될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터(70)가 상기 포토다이오드(30) 계면과 근접하도록 형성되어 크로스 토크의 발생을 차단할 수 있다.
또한, 상기 컬러필터(70)와 포토다이오드(30) 사이의 거리가 감소되어 광의 굴절 및 반사를 최대한 감소시켜 이미지 센서의 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시에 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (11)
- 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 배치되고 금속배선 및 층간 절연막을 포함하는 금속배선층;상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간 절연막에 형성된 트랜치; 및상기 트랜치의 내부에 형성된 컬러필터를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 금속배선층은 복수의 층으로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 컬러필터를 포함하는 트랜치 내부를 채우도록 배치된 절연층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 컬러필터 상부에 배치된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 트랜치는 상기 포토다이오드 상부의 반도체 기판 또는 층간 절연막을 노출시키도록 형성된 이미지 센서.
- 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간 절연막을 포함하는 금속배선층을 형성하는 단계;상기 포토다이오드에 대응되도록 상기 층간 절연막에 트랜치를 형성하는 단계; 및상기 트랜치의 내부에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 금속배선층은 복수의 층으로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 트랜치를 형성하는 단계는,상기 금속배선층 상에 상기 포토다이오드에 대응하는 상기 층간 절연막을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 층간 절연막을 식각하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 트랜치의 바닥면은 상기 반도체 기판 또는 상기 층간 절연막을 노출시키도록 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 컬러필터를 포함하는 트랜치 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 컬러필터 상부에 마이크로 렌즈가 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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