KR20150118635A - 이미지센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 실시예는 기판 표면에서 발생하는 전하에 의한 암전류를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 형성된 상기 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층; 상기 전하제어층 상에 형성된 배선을 포함하는 층간절연층; 및 상기 층간절연층 상에 상기 각 광전변환영역에 대응되도록 형성된 컬러필터 및 집광패턴을 포함할 수 있다. 본 기술은 광전변환영역 상부에 전하제어층을 형성하여 암전류 소스(Dark Source)로 잔류하는 전하를 제어하는 효과가 있다.
Description
본 실시예는 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전하제어층을 포함하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image Sensor)는 광학적 영상(Optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 장치이다. 일반적으로 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)형 이미지 센서와 CMOS형 이미지 센서(CMOS Image Sensor, CIS)가 있다. 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 구비하고, 각각의 픽셀은 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력한다. 이때, 복수의 픽셀들 각각은 포토다이오드로 대표되는 광전변환소자를 통해 입사광에 상응하는 광전하를 축적하고, 축적된 광전하에 기초하여 픽셀 신호를 출력한다.
이미지 센서에서 주로 광전변환소자가 형성된 기판 표면에서 발생하는 전하에 기초하여 발생하는 암전류(Dark current)는 픽셀 신호에 대한 노이즈(noise)로 작용하여 이미지 센서의 특성을 열화시키는 문제점이 있다.
본 실시예는 기판 표면에서 발생하는 전하에 의한 암전류를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 형성된 상기 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층; 상기 전하제어층 상에 형성된 배선을 포함하는 층간절연층; 및 상기 층간절연층 상에 상기 각 광전변환영역에 대응되도록 형성된 컬러필터 및 집광패턴을 포함할 수 있다.
특히, 상기 전하제어층은 투명전극을 포함하되, 상기 전하제어층은 그래핀층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전하제어층은 배선과 연결되는 콘택을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판과 상기 전하제어층 사이에 계면층을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법은 기판에 광전변환영역을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층을 형성하는 단계; 상기 투명전극 상에 배선을 포함하는 층간절연층을 형성하는 단계; 및 상기 층간절연층 상에 상기 각 광전변환영역에 대응되는 컬러필터 및 집광패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술은 광전변환영역 상부에 전하제어층을 형성하여 암전류 소스(Dark Source)로 잔류하는 전하를 제어하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 레이아웃도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법의 일 예를 나타내는 공정 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 레이아웃도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법의 일 예를 나타내는 공정 단면도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들이 상세히 설명된다.
도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예들의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 층이 제2 층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 층이 제2 층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1 층과 제2 층 사이 또는 제1 층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 회로도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 레이아웃도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위화소를 포토다이오드(PD, Photo Diode), 전송 트랜지스터(Tx, Transfer transistor), 부유확산영역(FD, Floating diffusion), 리셋 트랜지스터(Rx, Reset transistor), 드라이브 트랜지스터(Dx, Drive transistor) 및 선택 트랜지스터(Sx, Selection transistor)를 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 포토다이오드 즉, 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층(100)을 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)는 빛 에너지를 수신하여 광 전하를 생성하고 축적하는 광전변환영역에 포함될 수 있다.
전송 트랜지스터(Tx)는 게이트로 입력되는 전송 제어신호에 응답하여 포토다이오드에 의해서 축적된 전하(또는 광전류)를 부유확산영역(FD)으로 전송하는 역할을 할 수 있다.
부유확산영역(FD)은 전송 트랜지스터를 통해 포토다이오드로부터 생성된 전하를 수신하고 저장하는 역할을 할 수 있다.
리셋 트랜지스터(Rx)는 전원전압(Vdd)과 부유확산영역 사이에 접속되고, 리셋 신호(RST)에 응답하여 부유확산영역에 저장된 전하를 전원전압으로 드레인 시킴으로써, 부유확산영역을 리셋시키는 역할을 할 수 있다.
드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 부유확산영역에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(Buffering)하는 역할을 할 수 있다.
선택 트랜지스터(Sx)는 단위 화소를 선택하기 위한 스위칭(switching) 및 어드레싱(addressing) 역할을 할 수 있다.
전하제어층(100)은 기판 내에 암전류 소스(Dark Source)를 제거하는 역할을 할 수 있다. 즉, 기판 내에 암전류의 원인이 되는 암전류 소스를 기판쪽으로 이동시켜 재결합(recombination)에 의해 제거할 수 있다. 전하제어층(100)은 투명전극을 포함할 수 있다. 예컨대, 전하제어층(100)은 그래핀층을 포함할 수 있다.
전하제어층(100)은 전압의 인가가 가능하도록 배선과 연결되는 콘택을 포함할 수 있다.
전하제어층(14)을 이용한 암전류 소스를 제거하기 위한 방법으로, 먼저 전송 트랜지스터(Tx)가 오프(off) 상태 일때, 전하제어층(14)에 마이너스 전압을 인가할 수 있다. 이때, 마이너스 전압은 후속 전송 트랜지스터의 온(On) 상태에서 잔류전압에 의해 부유확산영역(FD)으로 전자의 흐름이 방해되지 않는 범위 내에서 조절할 수 있다. 그리고, 전하제어층(14)에 마이너스 전압이 인가됨에 따라 기판(11) 표면에는 양전하(+)가 유도되며, 광전변환영역(12)의 공핍층이 증가하고, 이로 인해 암전류 소스로 잔류하던 전자들이 기판(11)쪽으로 이동하면서 재결합(Recombination)으로 인해 제거될 수 있다.
트랜지스터(Tx)가 온(On) 상태일 경우, 전하제어층(14)는 아무런 전압도 인가하지 않아서, 트랜지스터의 온(On) 상태 이후에 기판(11) 표면으로 축적된 전자들이 부유확산영역(FD)으로 용이하게 이동하도록 할 수 있다.
위와 같이, 본 실시예는 전압의 인가를 통해 기판 내에 암전류 소스로 작용하는 전자(또는 전하)를 제거함으로써 암전류 생성을 방지하고, 기판 특성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀(pixel)을 갖는 기판(11)에 광전변환영역(12)과 인접한 픽셀 사이를 분리하는 소자분리막(미도시)이 형성된다. 그리고, 기판(11) 전면 상에 계면층(13) 및 전하제어층(14)이 적층된다. 그리고 전하제어층(14) 상에 신호생성회로(16)를 포함하는 층간절연층(15)이 형성된다. 그리고, 층간절연층(15) 상에는 각 광전변환영역(12)에 대응되는 컬러필터(17) 및 집광패턴(18)이 형성된다.
기판(11)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(11)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(11)은 벌크 실리콘기판이거나, 또는 실리콘에피층을 포함한 SOI(Silicon On Insulator) 기판일 수 있다.
광전변환영역(12)은 수직적으로 중첩되는 복수 개의 광전변환부(미도시)들을 포함할 수 있으며, 광전변환부들 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드(Photo Diode)일 수 있다. 광전변환영역(12)은 기판(11)의 전면과 후면에 모두 접하여 기판(11)을 관통하는 형태를 가질 수 있다. 또한, 광전변환영역(12)은 기판(11)의 전면에는 접하고 기판(11)의 후면으로부터 소정 간격 이격된 형태를 가질 수도 있다.
계면층(13)은 기판(11)과 전하제어층(14) 간의 절연 역할을 할 수 있다. 계면층(13)은 예컨대, 절연물질을 포함할 수 있다. 계면층(13)은 질화물질, 산화물질 및 고유전산화물질(High K oxide) 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 절연물질을 포함할 수 있다.
전하제어층(14)은 인가되는 전하를 통해 광전변환영역(12) 및/또는 기판(11) 내의 암전류 소스로 작용하는 전자들을 제거하는 역할을 할 수 있다. 전하제어층(14)은 예컨대, 투명전극을 포함할 수 있다. 전하제어층(14)은 예컨대, 그래핀층을 포함할 수 있다. 그래핀층은 빛 투과율이 약 98％이상이다. 이에, 빛의 손실을 최소화하면서 전면 이미지 센서에서도 전자를 제어할 수 있는 전하제어층(14)의 형성을 가능케하며, 광전변환영역(12) 전반에 걸쳐 형성이 가능하다.
전하제어층(14)은 전압의 인가가 가능하도록 배선에 연결되는 콘택(도 2 참조, 101)을 포함할 수 있다. 그러나, 콘택의 위치 및 전하제어층(14)의 크기 등은 도 2의 레이아웃도에 한정되지 않으며 필요에 따라 크기, 모양, 콘택의 위치 등은 얼마든지 변경이 가능하다.
층간절연층(15)은 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다. 층간절연층(13) 내부에 형성된 신호생성회로는 복수의 트랜지스터(미도시), 다층의 금속배선(16) 및 이들을 상호 연결하는 콘택플러그(미도시)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 도면에서 도면부호 16은 실질적으로 다층의 금속배선을 나타내고 있으나, 이하 신호생성회로를 대표하는 도면부호로 사용하기로 한다. 신호생성회로(16)는 광전변환영역(12)에서 생성된 광전하에 상응하는 픽셀 신호(또는 전기 신호)를 생성(또는 출력)하는 역할을 수행할 수 있다.
컬러필터(17)는 광전변환영역(12)에 대응하여 해당 필터들이 형성될 수 있다. 예컨대, 레드(R), 그린(G), 블루(B) 픽셀의 광전변환영역(12)에 각각 대응하여 레드, 그린, 블루 필터들이 형성되거나, 이미지 센서가 적외선 광전변환영역(12)을 포함하는 경우, 적외선 수광 소자에 대응한 적외선(infrared) 필터가 형성될 수 있다.
집광패턴(18)은 마이크로렌즈를 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법의 일 예를 나타내는 공정 단면도이다. 도 4a 내지 도 4c는 도 3의 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 것으로, 이해를 돕기 위해 도 3과 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀(pixel)들이 정의된 기판(11)을 준비한다. 기판(11)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(11)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(11)은 벌크 실리콘기판이거나, 또는 실리콘에피층을 포함한 SOI 기판일 수 있다.
이어서, 복수의 픽셀들이 접하는 경계지역을 따라 기판(11)에 소자분리영역(미도시)을 형성할 수 있다. 소자분리영역은 기판(11)에 소자분리 트렌치를 형성하고, 소자분리 트렌치를 절연물질로 갭필하는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정으로 형성할 수 있다.
이어서, 기판(11)에 광전변환영역(12)을 형성할 수 있다. 광전변환영역(12)은 수직적으로 중첩되는 복수 개의 광전변환부(미도시)들을 포함할 수 있으며, 광전변환부들 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드(Photo Diode)일 수 있다. 포토다이오드는 불순물 이온주입공정을 통해 형성할 수 있다.
이어서, 기판(11) 전면 상에 계면층(13)을 형성할 수 있다. 계면층(13)은 후속 공정을 통해 형성되는 전하제어층과 기판(11) 사이의 절연 역할을 할 수 있다. 계면층(13)은 예컨대 절연물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 절연물질은 질화물질, 산화물질 및 고유전산화물질로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 절연물질을 포함할 수 있다.
이어서, 계면층(13) 상에 전하제어층(14)을 형성할 수 있다. 전하제어층(14)은 인가되는 전하를 통해 광전변환영역(12) 및/또는 기판(11) 내의 암전류 소스로 작용하는 전자들을 제거하는 역할을 할 수 있다.
전하제어층(14)은 예컨대, 투명전극을 포함할 수 있다. 전하제어층(14)은 예컨대, 그래핀층을 포함할 수 있다. 그래핀층은 빛 투과율이 약 98％이상이다. 이에, 빛의 손실을 최소화하면서 전면 이미지 센서에서도 전자를 제어할 수 있는 전하제어층(14)의 형성을 가능케하며, 광전변환영역(12) 전반에 걸쳐 형성이 가능하다. 그래핀층의 형성방법은 스핀 코팅(Spin coating)을 이용한 솔루션 방법(Solution method) 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용한 성장 방법 등 다양한 방법으로 진행할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 전하제어층(14) 상에 신호생성회로(16)를 포함하는 층간절연층(15)을 형성할 수 있다. 층간절연층(15)은 산화물, 질화물, 산화질화물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 다층구조를 가질 수 있다. 신호생성회로(16)는 광전변환영역에서 생성된 광전하에 상응하는 전기신호를 생성(또는 출력)하는 역할을 수행할 수 있다. 신호생성회로(16)는 광전변환영역(12)에서 생성된 광전하에 상응하는 픽셀 신호(또는 전기신호)를 생성(또는 출력)하는 역할을 수행한다. 복수의 트랜지스터는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 선택 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함할 수 있다.
광전변환영역을 기준으로 자른 본 실시예의 단면도에는 도시되지 않았으나, 층간절연층(15)을 형성하기 전에 게이트 형성지역의 전하제어층(14) 및 계면층(13)을 식각하여 기판(11)을 오픈시키고, 오픈된 기판(11) 상에 게이트 절연층(미도시) 및 게이트패턴(미도시)을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 층간절연층(15) 상에 컬러필터(17)를 형성할 수 있다. 컬러필터(17)는 광전변환영역(12)에 대응하는 해당 필터들이 형성될 수 있다. 예컨대, 레드(R), 그린(G), 블루(B) 픽셀의 광전변환영역(12)에 각각 대응하여 레드, 그린, 블루 필터들이 형성될 수 있다. 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 이미지 센서가 적외선 광전변환영역(12)을 포함하는 경우, 적외선 수광 소자에 대응한 적외선(infrared) 필터가 형성될 수 있다.
이어서, 컬러필터(17) 상에 집광패턴(18)을 형성할 수 있다. 집광패턴(18)은 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 집광패턴(18)을 형성하기 전에, 평탄화층(미도시)을 추가로 형성할 수 있다.
이후, 공지된 제조방법을 통해 이미지 센서를 완성할 수 있다.
본 실시예의 기술 사상은 상기 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 실시예의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 실시예의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
11 : 기판
12 : 광전변환영역
13 : 계면층 14 : 전하제어층
15 : 층간절연층 16 : 신호생성회로
17 : 컬러필터 18 : 집광패턴
13 : 계면층 14 : 전하제어층
15 : 층간절연층 16 : 신호생성회로
17 : 컬러필터 18 : 집광패턴
Claims (9)
- 광전변환영역을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 형성된 상기 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층;
상기 전하제어층 상에 형성된 배선을 포함하는 층간절연층; 및
상기 층간절연층 상에 상기 각 광전변환영역에 대응되도록 형성된 컬러필터 및 집광패턴
을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 전하제어층은 투명전극을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 전하제어층은 그래핀층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 전하제어층은 배선과 연결되는 콘택을 더 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 전하제어층 사이에 계면층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 기판에 광전변환영역을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 광전변환영역에 오버랩되는 전하제어층을 형성하는 단계;
상기 투명전극 상에 배선을 포함하는 층간절연층을 형성하는 단계; 및
상기 층간절연층 상에 상기 각 광전변환영역에 대응되는 컬러필터 및 집광패턴을 형성하는 단계
를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 전하제어층은 투명전극을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 전하제어층은 그래핀층을 포함하는 이미지 센서 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 전하제어층을 형성하는 단계 전에,
상기 기판 전면 상에 계면층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
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