KR20170087580A - 이미지 센서 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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차승원
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김이태
박종은
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Abstract

이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서는, 다수의 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리막에 대응하는 격자 구조를 갖는 차광막을 포함한다. 차광막은 픽셀 영역들 각각을 노출시키는 홀들을 포함한다. 차광막은 음의 전압을 인가하는 차지 펌프와 연결된다.

Description

이미지 센서 및 이를 제조하는 방법{IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 이미지 센서 및 이를 제조하는 방법 에 관련된 것으로. 더욱 상세하게는 CIS(CMOS image sensor) 및 이를 제조하는 방법에 관련된 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 이미지 센서도 고집적화고 있다. 이에 따라 각각의 화소의 크기들도 작아져 포토다이오드의 면적도 작아지고 있다. 이에 의해 포토다이오드가 작은 변수 또는 외부 환경에 영향을 많이 받아 광감도가 떨어지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 제한된 면적 내에서 광감도가 우수한 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 이미지 센서를 제공한다. 상기 이미지 센서는: 기판에 배치되며 다수의 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리막; 상기 기판의 제1 면 상에 배치되는 배선 구조체; 상기 기판의 제2 면에 대향하는 제2 면 상에 배치되는 차광막; 및 상기 차광막으로 음의 전압을 인가하는 차지 펌프(charge pump)를 포함하되, 상기 차광막은 상기 픽셀 영역들을 노출시키는 홀들을 갖는 격자 구조를 가지며, 상기 격자 구조는 상기 소자 분리막의 위치와 대응된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차광막은 상기 픽셀 영역들을 감싸는 제1 부분과, 상기 제1 부분들 사이를 종방향 및 횡방향으로 가로지르는 제2 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차광막은 텅스텐(W), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서는: 상기 픽셀 영역들 각각에 형성되어 광전하를 생성하는 광전 변환층; 상기 광전 변환층 및 상기 기판의 제1 면 사이에 배치되고 상기 광전 변환층과 다른 도전형의 불순물이 도핑된 웰 불순물층; 및 상기 광전 변환층에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 전송 게이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 웰 불순물층 내로 삽입된 하부 부분과, 상기 하부 부분과 연결되며 상기 기판의 제1 면 상으로 돌출되는 상부 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트의 일 측의 웰 불순물층 내에서 상기 웰 불순물층의 도전형과 반대의 도전형의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판의 제2 면 및 상기 차광막 사이에 양의 전하가 잔류하고, 상기 차광막으로 인가되는 음의 전압에 의해 상기 양의 전하가 상쇄될 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 상기 이미지 센서의 제조 방법은: 기판 내에 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리막을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역들 각각에 광전 변환층 및 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계; 상기 기판의 제1 면 상에 배선 구조체를 형성하는 단계; 상기 기판의 제2 면 상에 차광막을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2 면으로 UV 또는 플라즈마 큐어링하는 단계; 및 상기 차광막으로 음의 전압을 인가하여, 상기 기판의 제2 면 및 상기 차광막 사이에 잔류하는 양의 전하를 상쇄하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소자 분리막을 형성하는 단계는, 상기 기판의 제1 면을 식각하여, 상기 픽셀 영역들 각각을 정의하도록 격자 구조를 갖는 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치를 절연물을 채우는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판의 제2 면 상에 차광막을 형성하는 단계는, 상기 기판의 제2 면을 완전하게 덮는 금속막을 형성하는 단계; 및 상기 금속막을 식각하여 상기 픽셀 영역들을 노출시키는 홀들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속막은 텅스텐(W), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서의 제조 방법은: 상기 차광막으로 음의 전압을 인가하는 차지 펌프와 상기 차광막을 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서의 제조 방법은: 상기 차광막 상에 컬러 필터층을 형성하는 단계; 및 상기 컬러 필터층 상에, 상기 픽셀 영역들에 각각 대응되도록 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서의 제조 방법은: 상기 플로팅 확산 영역을 형성하기 전에, 상기 광전 변환층 및 상기 기판의 제1 면 사이에 웰 불순물층을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 광전 변환층 및 상기 플로팅 확산 영역은 동일한 제1 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성되고, 상기 웰 불순물층은 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들에 의하면, 차광막이 빛의 유입을 차단할 뿐만 아니라, 음의 전압을 인가하는 차지 펌프와 연결되어 양의 전하를 상쇄하는 기능을 수행한다. 따라서, 픽셀 영역들 각각의 블랙 레벨과 광학 블랙 영역의 블랙 레벨 차이값이 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도들이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 차광막으로 인가되는 음의 전압 값에 따른 픽셀 영역과 광학 블랙 영역 사이의 블랙 레벨과 블랙 레벨 차이값을 나타내는 표이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 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, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(10; Active Pixel Sensor array), 행 디코더(row decoder; 20), 행 드라이버(row driver; 30), 열 디코더(column decoder; 40), 타이밍 발생기(timing generator; 50), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 60), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 70) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 80)를 포함한다.
상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 상기 행 드라이버(30)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 변환된 전기적 신호는 상기 상관 이중 샘플러(60)에 제공된다.
상기 행 드라이버(30)는 상기 행 디코더(20)에서 디코딩된 결과에 따라 상기 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)로 제공한다. 상기 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
상기 타이밍 발생기(50)는 상기 행 디코더(20) 및 상기 열 디코더(40)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
상기 상관 이중 샘플러(CDS; 60)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 상기 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
상기 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 70)는 상기 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
상기 입출력 버퍼(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 상기 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하며, 단위 픽셀들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이 실시예에서, 단위 픽셀(PX)은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 여기서, 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX; reset transistor), 선택 트랜지스터(SX; selection transistor), 및 드라이브 트랜지스터(DX; drive transistor or source follower transistor)를 포함할 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트 (TG), 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(floating diffusion region, FD)를 포함할 수 있다.
상기 광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 상기 전송 게이트(TG)는 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송한다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)는 상기 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장한다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 상기 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터(RX)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 상기 플로팅 확산 영역(FD)와 연결되며 소오스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결된다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)되면, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 소오스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 플로팅 확산 영역(FD)로 전달된다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온 시 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 상기 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(DX)는 단위 픽셀(PX) 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(Vout)으로 출력한다.
상기 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 상기 단위 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 전원 전압(VDD)이 드라이브 트랜지스터(DX)의 소오스 전극으로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도들이다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 기판(100)은 다수의 픽셀 영역들(PX)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 영역들(PX)은 x축 및 y축 방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 기판(100)은 광학 블랙 영역(optical black region)을 포함할 수 있다. 상기 광학 블랙 영역은 상기 픽셀 영역(PX)을 둘러싸도록 상기 기판(100)의 가장자리에 배치될 수 있다. 상기 픽셀 영역(PX)은 입사되는 빛을 수광하여 전기 신호로 전환하는 영역이며, 광학 블랙 영역은 빛의 유입을 차단하여 액티브 픽셀 영역(PX)에 블랙 신호의 기준을 제공하는 영역이다.
상기 기판(100)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘/게르마늄을 포함하는 반도체 기판이거나, SOI(silicon on insulator) 기판, GOI(germanium on insulator) 기판 또는 반도체 에피택시얼층(epitaxial layer)을 포함하는 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 서로 대향하는 제1 면(102a) 및 제2 면(102b)을 가질 수 있다.
이하에서는, 상기 기판(100)의 제1 면(102a)을 먼저 설명하기로 한다. 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 배선 구조체(CLS)가 배치될 수 있으며, 상기 배선 구조체(CLS)는 로직 트랜지스터들(도시되지 않음) 및 이와 연결되는 배선층들(150)을 포함할 수 있다.
상기 픽셀 영역들(PX) 각각은 상기 기판(100) 내에 광전 변환층(115) 및 웰 불순물층(120)이 형성될 수 있다. 상기 광전 변환층(115)은 입사광의 세기에 비례하여 광전하를 생성한다. 상기 광전 변환층(115)은 상기 기판(100)과 반대의 도전형을 갖는 불순물을 상기 기판(100) 내에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 및 제2 면(102b) 사이에 포텐셜 기울기를 가질 수 있도록 상기 광전 변환층(115)은 상기 제1 면(102a)에 인접한 영역과 상기 제2 면(102b)에 인접한 영역 간에 불순물 농도 차이를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환층(115)은 복수 개의 불순물 영역들이 적층된 형태로 형성될 수도 있다. 상기 기판(100)은 상기 기판(100)의 제1 면(102a)에 인접하며, 상기 광전 변환층(115)과 반대의 도전형을 갖는 불순물이 도핑된 웰 불순물층(120)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 광전 변환층(115)은 n형 불순물이 도핑될 수 있으며, 상기 웰 불순물층(120)을 p형 불순물이 도핑될 수 있다.
제1 소자 분리막(105)이 상기 픽셀 영역들(PX)을 정의하기 위하여 상기 기판(100)에 제공될 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 기판(100)의 제1 면(102a)에서 상기 제2 면(102b)을 수직으로 연장될 수 있으며, 상기 광전 변환층(115)을 둘러쌀 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 기판(100)보다 굴절율이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소자 분리막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 언도프트 폴리실리콘(undoped polysilicon), 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 광전 변환층(115)으로 비스듬히 입사되는 입사광을 굴절시킬 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 입사광에 의해 생성된 광전하들이 랜덤 드리프트(random drift)에 의해 인접한 픽셀 영역들(PX)로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 하나의 픽셀 영역(PX) 내에 다수의 액티브 패턴들을 정의하는 제2 소자 분리막(110)이 제공될 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105) 및 상기 제2 소자 분리막(110) 각각의 상부면은 동일 평면이나, 상기 기판(100)의 제1 면(102a)의 기준에서 상기 제2 소자 분리막(110)의 바닥면이 상기 제1 소자 분리막(105)의 바닥면보다 가까울 수 있다.
상기 픽셀 영역들(PX) 각각에 전송 게이트(135) 및 플로팅 확산 영역(125)이 각각 배치될 수 있다. 상기 전송 게이트(135)는 상기 광전 변환층(115)에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역(125)으로 전송할 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 전송 게이트(135)는 상기 웰 불순물층(120) 내로 삽입된 하부 부분(135L)과, 상기 하부 부분(135L)과 연결되며 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상으로 돌출되는 상부 부분(135U)을 포함할 수 있다. 상기 전송 게이트(135)의 하부 부분(135L)은 상기 웰 불순물층(120)의 일부를 관통할 수 있다. 그리고, 상기 전송 게이트(135)와 상기 기판(100) 사이에 게이트 절연막(130)이 개재될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 웰 불순물층(120)에 트렌치(도시되지 않음)를 형성하고, 상기 트렌치 내에 게이트 절연막(130) 및 전송 게이트(135)를 차례로 적층하여 형성할 수 있다. 이와는 다르게 도 5를 참조하면, 상기 전송 게이트(135)는 상기 웰 불순물층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 전송 게이트(135)와 상기 기판(100) 사이에 게이트 절연막(130)이 개재될 수 있다.
상기 전송 게이트(135) 일 측의 웰 불순물층(120) 내에 상기 플로팅 확산 영역(125)이 형성되며, 상기 웰 불순물층(120)과 반대의 도전형을 갖는 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 플로팅 확산 영역(125)들은 n형 불순물 영역일 수 있다.
상세하게 도시되지 않았으나, 상기 픽셀 영역(PX)에는 리셋 게이트, 선택 게이트 및 소스 팔로워 게이트가 배치될 수 있으며, 상기 리셋 게이트, 상기 선택 게이트 및 상기 소스 팔로워 게이트 각각은 게이트 절연막을 개재하여 상기 웰 불순물층(120) 상에 배치될 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 다층의 층간 절연막(ILD)이 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 제1 층간 절연막(133a)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 층간 절연막(133a)은 상기 전송 게이트(135), 리셋 게이트, 선택 게이트 및 소스 팔로워 게이트를 각각 덮을 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(133a) 내에 복수 개의 제1 콘택 플러그들(145)이 배치될 수 있다. 상기 제1 콘택 플러그들(145)은 제1 연결 배선(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 층간 절연막(133b)이 상기 제1 연결 배선(150)을 덮도록 제공될 수 있다. 상세하게 도시되지 않았으나, 다층의 층간 절연막(ILD)들이 배치되고, 각각에는 콘택 플러그(145) 및 연결 배선(150)이 배치될 수 있다. 상기 콘택 플러그들(145) 및 상기 연결 배선들(150) 각각은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta) 티타늄 질화막(TiN), 탄탈륨 질화막(TaN), 지르코늄 질화막(ZrN), 텅스텐 질화막(TiN) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금 등으로 형성될 수 있다.
이하, 상기 기판(100)의 제2 면(102b)에 대하여 설명하도록 한다. 상기 기판(100)의 제2 면(102b) 상에는 차광막(160), 컬러 필터층(CF) 및 마이크로 렌즈들(ML)이 배치될 수 있다.
상기 차광막(160)은 상기 기판(100)의 제2 면(102b)을 덮으며 배치되되, 상기 차광막(160)은 다수의 홀들(HL)을 포함할 수 있다. 상기 홀들(HL) 각각은 상기 픽셀 영역들(PX) 각각에 대응되어, 상기 픽셀 영역들(PX)로 빛이 수광될 수 있다. 예컨대, 평면적 관점에서 상기 차광막(160)은 격자(grid) 구조를 가질 수 있다. 상기 격자 구조는 상기 제1 소자 분리막(105)에 대응되는 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 픽셀 영역들(PX)을 감싸는 제1 부분(160a)과, 상기 제1 부분(160a) 사이를 종방향 및 횡방향으로 가로지르는 제2 부분(160b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 부분(160a) 및 상기 제2 부분(160b)은 일체형(one body)일 수 있다. 상기 차광막(160)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni)과 같은 금속을 포함할 수 있다.
상기 차광막(160)에 연결되며, 상기 이미지 센서 내 차지 펌프(charge pump, 170)와 연결되어 상기 차광막(160)으로 음의 전압을 인가하는 연결 라인이 제공될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 음의 전압은 정전압으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 차광막(160)과 연결된 접지 전위는 단락될 수 있다.
상기 차치 펌프는 반도체 소자 내에서 음의 전압이 필요한 모든 요소들과 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 차지 펌프는 상기 전송 게이트(135)으로 음의 전압을 인가할 수 있다. 예컨대, 상기 전송 게이트(135)는 양의 차지 펌프로부터 전압을 공급받아 온(on)되고, 음의 차지 펌프로부터 전압을 공급받아 오프(off)될 수 있다.
상기 차광막(160)은 빛의 유입을 차단할 뿐만 아니라, 양의 전하를 상쇄하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 텅스텐과 같은 금속을 증착하는 공정과 상기 기판의 제2 면에 대한 후반 공정(예를 들면, 식각 또는 연마 공정)을 수행하는 동안, 상기 기판(100)의 제2 면(102b)에 정공들(h+)이 생성되는데, 일반적으로 UV 또는 플라즈마을 이용하여 큐어링할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 US 또는 플라즈마 큐어링 공정 시 정공들(h+)이 상기 차광막(160)과 기판(100) 사이에 잔류하게 되는데, 상기 차광막(160)으로 인가되는 음의 전압에 의해 상기 차광막(160) 및 상기 기판(100)의 제2 면(102b) 사이의 상기 정공들(h+)이 제거될 수 있다. 따라서, 상기 픽셀 영역들(PX) 각각의 블랙 레벨과 상기 광학 블랙 영역의 블랙 레벨 차이값이 감소할 수 있다. 이에 대한 설명은 후속 도 11에서 상세하게 하기로 한다.
상기 기판(100)의 제2 면(102b)과 상기 차광막(160) 사이에 제1 평탄막(155)이 개제될 수 있다. 상기 제1 평탄막(155)은 다수의 층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 차광막(160)이 다수의 홀들(HL)을 포함하기 때문에 상기 홀들(HL)을 채우도록 상기 차광막(160) 및 상기 컬러 필터층(CF) 사이에 제2 평탄막(165)이 더 개재될 수 있다. 상기 제2 평탄막(165)도 다수의 층으로 구성될 수 있다. 상기 제1 평탄막(155) 및 상기 제2 평탄막(165)은 각각 투명한 절연물을 포함할 수 있다. 예컨대, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 컬러 필터층(CF) 및 상기 마이크로 렌즈들(ML) 각각은 단위 픽셀 영역(PX)에 대응되어 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터층(CF)은 단위 픽셀에 따라 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터(CF)를 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 이하 “제1 및 제2”는 형성 순서를 지칭하지 않는다.
도 6을 참조하면, 기판(100)에 제2 소자 분리막(110), 제1 소자 분리막(105), 광전 변환층(115), 웰 불순물층(120), 전송 게이트(135) 및 플로팅 확산 영역(125)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판(100)의 제1 면(102a)에서 제1 깊이의 제1 트렌치(도시되지 않음)를 형성하고, 상기 제1 트렌치를 절연물로 매립하여 상기 제2 소자 분리막(110)을 형성할 수 있다. 상기 제2 소자 분리막(110)은 픽셀 영역들(PX) 각각 내 액티브 패턴들을 정의한다. 상기 기판(100)의 제1 면(102a)에서 상기 제1 깊이보다 큰 제2 깊이의 제2 트렌치(도시되지 않음)를 형성하고, 상기 제2 트렌치를 절연물로 매립하여 상기 제1 소자 분리막(105)을 형성할 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 픽셀 영역들(PX)을 정의한다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 평면적 관점에서 격자 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 소자 분리막(110)과 상기 제1 소자 분리막(105)은 일부가 오버랩되게 형성될 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 면(102a)으로 제1 도전형의 불순물을 이온 주입하여 상기 광전 변환층(115)을 형성할 수 있다. 상기 제1 도전형은 상기 기판(100)에 도핑된 불순물의 도전형과 반대이다. 상기 광전 변환층(115) 상에 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하여 상기 웰 불순물층(120)을 형성할 수 있다. 상기 기판(100)의 제1 면(102a)을 식각하여 상기 웰 불순물층(120) 내 제2 트렌치를 형성하고 상기 제2 트렌치 내부에 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 순차적으로 적층하여 상기 전송 게이트(135)를 형성할 수 있다.
상기 전송 게이트(135)를 이온 주입 마스크로 사용하여, 상기 전송 게이트(135)에 인접한 웰 불순물층(120)으로 제1 도전형의 불순물을 주입하여 플로팅 확산 영역(125)을 형성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 다층의 층간 절연막들(ILD), 다층의 콘택 플러그들(145) 및 다층의 연결 배선들(150)을 포함하는 배선 구조체(CLS) 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 전송 게이트(135)을 덮도록 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 제1 층간 절연막(133a)을 형성하고, 상기 제1 층간 절연막(133a)을 관통하여 상기 플로팅 확산 영역(125)과 전기적으로 연결되는 제1 콘택 플러그(145)를 형성할 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(133a) 상에 제1 연결 배선(150)을 형성한 후, 상기 제1 층간 절연막(133a) 상에 제1 연결 배선(150)을 덮는 제2 층간 절연막(133b)을 형성할 수 있다. 유사한 공정을 상기 배선 구조체(CLS)를 완성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 기판(100)의 제2 면(102b)을 연마하여 상기 제1 소자 분리막(105)의 바닥면을 노출시키고, 상기 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 제1 평탄막(155)을 형성할 수 있다. 상기 제1 평탄막(155)은 다수의 층을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 제1 평탄막(155)은 투명한 절연물을 포함할 수 있다. 예컨대, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 평탄막(155) 상에 차광막(160)을 형성할 수 있다. 우선, 금속막을 형성하고 상기 금속막을 패터닝하여, 상기 픽셀 영역들(PX) 각각을 노출시키는 홀들(HL)을 갖는 차광막(160)을 형성할 수 있다. 상기 차광막(160)은 상기 제1 소자 분리막(105)에 대응되는 격자 구조를 가질 수 있다. 상기 차광막(160)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni)과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 차광막(160)은 이미지 센서 내에 로직 또는 컨트롤러 영역에 배치되는 차지 펌프(170)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 음의 전압을 인가 받기 위하여 새로운 차지 펌프(170)를 사용하는 것이 아니라, 이미지 센서 내로 음의 전압을 인가하는 라인으로 연결 라인을 연결시켜 상기 음의 전압을 인가받을 수 있다. 그리고, 상기 차광막(160)이 접지 전위와 연결된 연결 라인은 단락시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 기판(100)의 제2 면(102b)으로 UV 또는 플라즈마 큐어링 공정을 수행할 수 있다. UV 또는 플라즈마 큐어링은 양의 전하를 갖는 플라즈마를 이용하는데, 상기 양의 전하가 상기 차광막(160) 및 상기 기판(100)의 제2 면(102b) 사이에 고정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기의 고정된 양의 전하를 상쇄시키기 위하여 상기 차지 펌프(170)로부터 상기 차광막(160)으로 음의 전압이 인가된다. 상기 차광막(160)으로 인가된 음의 전압에 의해 양의 전하는 음의 전하와 결합하여 상쇄될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 차광막(160) 상에 제2 평탄막(165), 컬러 필터층(CF) 및 마이크로 렌즈들(ML)을 형성할 수 있다. 상기 제2 평탄막(165)은 실리콘 산화물과 같은 투명한 절연물을 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 차광막으로 인가되는 음의 전압 값에 따른 픽셀 영역과 광학 블랙 영역 사이의 블랙 레벨과 블랙 레벨 차이값을 나타내는 표이다.
도 11을 참조하면, 도 4에 도시된 이미지 센서의 차광막으로 0V 부터 -2.8V까지 음이 전압 값을 -0.4V 단위로 증가시킨다. 이때, 음의 전압 값이 증가하더라도 픽셀 영역(PX)의 블랙 레벨 값은 약 4.7e-/s로 유지되되, 상기 차광막의 블랙 레벨 값이 5.4e-/s에서 4.7e-/s으로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 따라서, 픽셀 영역에 영향 없이, 차광막에 잔류하는 양의 전하를 상쇄시켜 상기 픽셀 영역과 광학 블랙 영역 사이의 블랙 레벨 차이를 감소시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 기판
105: 제1 소자 분리막
110: 제2 소자 분리막
115: 광전 변환층
120: 웰 불순물층
125: 플로팅 확산 영역
135: 전송 게이트
CLS: 배선 구조체
155: 제1 평탄막
160: 차광막
165: 제2 평탄막
170: 차지 펌프

Claims (10)

  1. 기판에 배치되며 다수의 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리막;
    상기 기판의 제1 면 상에 배치되는 배선 구조체;
    상기 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 배치되는 차광막; 및
    상기 차광막으로 음의 전압을 인가하는 차지 펌프(charge pump)를 포함하되,
    상기 차광막은 상기 픽셀 영역들을 노출시키는 홀들을 갖는 격자 구조를 가지며, 상기 격자 구조는 상기 소자 분리막의 위치와 대응되는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차광막은 상기 픽셀 영역들을 감싸는 제1 부분과, 상기 제1 부분들 사이를 종방향 및 횡방향으로 가로지르는 제2 부분을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 영역들 각각에 형성되어 광전하를 생성하는 광전 변환층;
    상기 광전 변환층 및 상기 기판의 제1 면 사이에 배치되고 상기 광전 변환층과 다른 도전형의 불순물이 도핑된 웰 불순물층; 및
    상기 광전 변환층에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 전송 게이트를 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전송 게이트는 상기 웰 불순물층 내로 삽입된 하부 부분과, 상기 하부 부분과 연결되며 상기 기판의 제1 면 상으로 돌출되는 상부 부분을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트의 일 측의 웰 불순물층 내에서 상기 웰 불순물층의 도전형과 반대의 도전형의 불순물을 포함하는 이미지 센서.
  6. 기판 내에 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리막을 형성하는 단계;
    상기 픽셀 영역들 각각에 광전 변환층 및 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제1 면 상에 배선 구조체를 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2 면 상에 차광막을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2 면으로 UV 또는 플라즈마 큐어링하는 단계; 및
    상기 차광막으로 음의 전압을 인가하여, 상기 기판의 제2 면 및 상기 차광막 사이에 잔류하는 양의 전하를 상쇄하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소자 분리막을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 제1 면을 식각하여, 상기 픽셀 영역들 각각을 정의하도록 격자 구조를 갖는 트렌치를 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치를 절연물을 채우는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판의 제2 면 상에 차광막을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 제2 면을 완전하게 덮는 금속막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속막을 식각하여 상기 픽셀 영역들을 노출시키는 홀들을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 차광막으로 음의 전압을 인가하는 차지 펌프와 상기 차광막을 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 플로팅 확산 영역을 형성하기 전에,
    상기 광전 변환층 및 상기 기판의 제1 면 사이에 웰 불순물층을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 광전 변환층 및 상기 플로팅 확산 영역은 동일한 제1 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성되고,
    상기 웰 불순물층은 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
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