KR20190054380A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20190054380A
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김도환
박지숙
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Abstract

본 기술은 복수의 픽셀들이 2차원 배열되어 있는 이미지 센서에 있어서, 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은, 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및 상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하도록 형성되는 제1 하프늄 함유막을 포함하는 이미지 센서가 제공된다.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명의 실시 예들은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
디지털 카메라, 캠코더 등 촬영 장치에 오토 포커싱 시스템(Auto Focus system)이 널리 탑재되고 있다. 오토 포커싱 시스템은 위상차 검출 방식과 콘트라스트 검출 방식으로 구분할 수 있다.
위상차 검출 방식은 이미지 센서와 별도로 위상차를 검출하기 위한 센서를 구비하고, 위상차 검출 센서 출력으로부터 렌즈의 디포커스량을 구해 오토 포커싱을 수행할 수 있다. 또한, 위상차 오토 포커싱을 위한 별도의 미러를 필요로할 수 있다. 예컨대, DSLR(digital single lens reflection) 카메라에 위상차 오토 포커싱을 적용하기 위해서는 메인 미러 이외에 입사광을 위상차 검출 센서로 입사하기 위한 서브 미러가 구비될 수 있다. 위상차 오토 포커싱은 고속 오토 포커싱 및 고성능 오토 포커싱이 가능하다는 장점이 있지만, 위상차 오토 포커싱을 위한 별도의 센서 및 광학계를 필요로하는 고비용의 시스템이다.
반면에, 콘트라스트 검출 방식은 이미지 센서의 이미지 데이터 출력으로부터 고주파 데이터를 추출하고, 추출된 고주파 데이터를 이용하여 오토 포커싱을 수행할 수 있다. 따라서, 콘트라스트 오토 포커싱은 이를 위한 신호 처리 회로가 요구되나, 별도의 센서 및 광학계를 필요로 하지 않아 비교적 저렴하게 오토 포커싱 시스템을 구축할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 위상차 오토 포커싱에 비해 저속이고 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 실시 예들은 이미지 센서의 집광효율 및 차광효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이을 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은, 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및 상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하도록 형성되는 제1 하프늄 함유막을 포함할 수 있다. 상기 투광영역에 대응하는 기판에 형성되는 제2 하프늄 함유막을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 하프늄 함유막 및 상기 제2 하프늄 함유막은 일측벽이 서로 접촉할 수 있다. 상기 제1 하프늄 함유막 및 상기 제2 하프늄 함유막은 하프늄 산화물을 포함하되, 상기 제1 하프늄 함유막에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 불안정한 결합을 하고, 제2 하프늄 함유막에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정된 결합을 할 수 있다. 상기 제1 하프늄 함유막은 하프늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제2 하프늄 함유막은 하프늄 실리케이트를 포함 할 수 있다. 상기 제2 하프늄 함유막의 산소함유량은 상기 제1 하프늄 함유막의 산소함유량보다 클 수 있다. 상기 제1 하프늄 함유막은 전기적으로 플로팅 상태일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은, 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및 상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하도록 형성되며, 금속 실리사이드를 포함하는 차광막; 및 상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 형성되며, 금속 실리케이트를 포함하는 투광막을 포함할 수 있다. 상기 차광막 및 상기 투광막은 동일 금속을 포함 할 수 있다. 상기 금속 실리사이드는 HfSi를 포함하고, 상기 금속 실리케이트는 HfSiO을 포함 할 수 있다. 상기 투광막 및 차광막은 일측벽이 서로 접촉 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이을 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은, 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하여 형성되며, 제1 금속 산화물을 포함하는 차광막; 및 상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 형성되며, 상기 제1 금속 산화물과 다른 산소함량을 갖는 제2 금속 산화물을 포함하는 투광막을 포함할 수 있다. 상기 제2 금속 산화물의 산소 함량은 상기 제1 금속 산화물의 산소 함량보다 클 수 있다. 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물은 하프늄을 포함할 수 있다. 제1 금속 산화물에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 불안정한 결합을 하고, 제2 금속 산화물에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정된 결합을 할 수 있다. 상기 제1 금속 산화물은 HfOx(X는 1 이하)를 포함하고, 상기 제2 금속 산화물은 HfO2을 포함할 수 있다. 상기 투광막 및 차광막은 일측벽이 서로 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법은 기판 내에 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 형성하는 단계: 및 상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하는 차광막 및 상기 투광영역에 대응하는 기판에 접촉하는 투광막을 동시에 형성하는 단계를 포함하며, 상기 차광막은 제1 하프늄 함유막을 포함하고, 상기 투광막은 제2 하프늄 함유막을 포함할 수 있다. 상기 차광막 및 투광막은 일측벽이 서로 접촉할 수 있다. 상기 차광막 및 투광막을 동시에 형성하는 단계는 상기 투광영역에 대응하는 기판상에 실리콘 산화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 차광영역에 대응하는 기판 및 상기 실리콘 산화막 패턴 상에 하프늄막을 형성하는 단계; 및 열처리를 수행하여, 상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 하프늄 실리케이트를 형성함과 동시에, 상기 차광영역에 대응하는 기판 상에 하프늄 실리사이드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 차광막 및 투광막을 동시에 형성하는 단계는 상기 투광영역에 대응하는 기판상에 실리콘 산화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 차광영역에 대응하는 기판 및 상기 실리콘 산화막 패턴 상에 하프늄막을 형성하는 단계; 및 산소분위기에서 열역학반응을 유도하여, 상기 제1하프늄산화막을 형성함과 동시에, 상기 제1하프늄산화막보다 산소함량이 큰 제2하프늄산화막을 형성할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 위상차 검출 오토 포커싱 시스템(Auto Focus system)을 갖는 이미지 센서의 집광효율 및 차광효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 기술은 차광막 및 투광막을 동시에 동일 공정에서 동시에 형성함으로써, 제조 공정이 단순화 되어 제조비용을 감소시킬 수 있다.
또한 본 기술은 투광막과 차광막을 적층구조가 아닌 기판에 접촉되는 형태로 형성함으로써, 컬러필터와 광전변환소자 사이의 거리가 감소하여, 광센싱 감도, 크로스토크 특성 및 위상차 검출특성이 향상될 수 있다. 따라서, 불량률이 감소되며, 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 위상차 검출 오토 포커싱 시스템의 위상차 검출 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 따른 위상차를 설명하기 위한 그래프.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도시한 도면.
도 4a 내지 4f는 도 3에 도시된 위상차 검출 픽셀의 제조방법을 도시한 도면.
도 5는 비교예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하기로 할 수 있다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시 예들의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 막을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 막들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시 예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 막들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 막들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 막 사이에 하나 이상의 추가 막이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 막이 제2 막 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 막이 제2 막 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 막이 제1 막과 제2 막 사이 또는 제1 막과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
도 1은 위상차 검출 픽셀을 이용한 위상차 검출 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 따른 위상차를 설명하기 위한 그래프이며, 도 3은 비교예에 따른 도 1의 위상차 검출 픽셀을 도시한 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 2b를 참조하여 위상차 검출 원리에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 위상차 검출 오토 포커싱 시스템은 위상차 검출 픽셀(PR, PL), 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array, MLA), 촬영렌즈(imaging lens, IL)를 포함한다.
촬영렌즈(IL)의 동공(pupil, P1, P2)을 통과한 입사광은 마이크로 렌즈 어레이(MLA)을 통과해 광전변환막(도 3의 도면부호 21)를 구비한 제1픽셀(PR) 및 제2픽셀(PL)로 입사된다.
촬영렌즈(IL)의 동공 중, 촬영렌즈(IL)의 광 축(Optical Axis)보다 위에 있는 제1 동공(P1)으로부터의 입사광은 제2픽셀(PL)로 입사되고, 촬영렌즈(IL)의 광 축(Optical Axis)보다 아래에 있는 제2 동공(P2)으로부터의 입사광은 제1픽셀(PR)로 입사된다.
위상차 검출 픽셀에 구비된 광전변환막(21)이 제1 및 제2 동공(P1, P2) 위치에서 역 투영되는 범위의 입사광을 수광하는 것을 동공 분할(pupil division)이라고 한다.
제1픽셀(PR)과 제2픽셀(PL)으로부터 출력된 동공 분할된 제1 픽셀출력(R) 및 제2 픽셀출력(L)의 연속한 출력을 그리면 도 2a 및 도 2b와 같이 될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에서 가로축은 제1픽셀(PR), 제2픽셀(PL)의 위치를 의미하며, 세로축은 제1픽셀(PR), 제2픽셀(PL)의 출력 값을 의미할 수 있다. 각각 제1픽셀(PR)과 제2픽셀(PL)의 출력을 비교해보면, 같은 형상이나, 위치에 따른 출력 즉, 위상은 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 이것은 촬영렌즈(IL)의 편심된(eccentrically) 동공(P1, P2)으로부터의 입사광 결상 위치가 다르기 때문이다. 따라서, 초점이 맞지 않은 경우에는 도 2a와 같이 위상이 어긋나게 되고, 초점이 맞은 경우에는 도 2b와 같이 같은 위치에 결상 될 수 있다. 또한, 이로부터 초점 차이의 방향도 판정할 수 있다. 피사체 앞에 초점이 맞은 경우는 '전 핀(front-focusing)'이라고 하며, 전 핀인 경우 제1픽셀(PR)은 합초 위상(focused phase)보다 왼쪽으로 시프트 하고, 제2픽셀(PL)은 합초 위상 보다 오른쪽으로 시프트 할 수 있다. 반대로, 피사체 뒤에 초점이 맞은 경우는 '후 핀(back-focusing)'이라고 하며, 후 핀인 경우 제1픽셀(PR)은 합초 위상보다 오른쪽으로 시프트 하고, 제2픽셀(PL)은 합초 위상보다 왼쪽으로 시프트 할 수 있다. 도 2a는 전 핀을 나타낸 것으로, 도 2a와 반대가 되는 경우 후 핀이 될 수 있다. 그리고 제1픽셀(PR)과 제2픽셀(PL)의 편차량은 초점 편차량으로 환산할 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시 예들은 오토 포커싱 시스템(Auto Focus system)이 탑재된 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 위상차 검출 방식의 오토 포커싱 시스템이 탑재된 이미지 센서에 관한 것으로, 별도의 위상차 검출 센서와 광학계 없이 위상차 오토 포커싱을 수행할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있다. 이를 위해, 실시 예들은 이미지를 획득하기 위한 단수의 이미지 픽셀과 더불어서 위상차를 검출할 수 있는 단수의 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 제공할 수 있다. 여기서, 실시 예들에 따른 이미지 센서는 2차원 배열되는 단수의 픽셀들이 이미지 픽셀과 위상차 검출 픽셀이 각각 구분되어 존재하거나, 또는 위상차 검출 픽셀이 이미지 픽셀로도 작용하여 위상차 검출 픽셀과 이미지 픽셀의 구분 없이 존재할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위상차 검출 픽셀을 간략히 도시한 단면도이다. 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이을 포함하고, 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 위상차 검출 픽셀은 절연막(100), 기판(200), 컬러필터(600) 및 마이크로 렌즈(700)가 순차적으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
이러한 구성은 투광영역(B)과 차광영역(A)에 동일하게 적용될 수 있다. 또한 투광영역(B)에서는 컬러필터(600)과 기판(200) 사이에 투광막(300)이 형성될 수 있고, 차광영역(A)에서는 컬러필터(600)과 기판 (200) 사이에 차광막(400)이 형성될 수 있다.
절연막(100)의 내부에는 메탈로 형성된 배선들(미도시)이 형성될 수 있다. 경우에 따라 차광영역(A)의 절연막(100)에는 배선들(미도시)이 형성되지 않을 수도 있다. 절연막(100)은 실리콘 산화막(silicon oxide film)이나 실리콘 질화막(silicon nitride film), 또는 이들이 복합적으로 구성된 복합막(composite layer)으로 구성될 수 있다. 절연막(100)에는 배선들 외에 단수개의 모스(MOS; Metal Oxide Semiconductor) 전계효과트랜지스터들, 예컨대 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)들, 리셋 트랜지스터(reset transistor)들, 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transistor)들, 선택 트랜지스터(selection transistor)들, 바이어스 트랜지스터(bias transistor)들 등이 형성될 수 있다. 모스 전계효과 트랜지스터들은 배선에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 절연막(100)의 하부에 지지막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 지지막은 절연막(100)을 지지하고 보호할 수 있다. 즉, 지지막은 절연막(100)에 형성된 배선들이 외부 환경의 영향을 받는 것을 방지할 수 있다. 지지막은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막(silicon nitride film), 또는 이들이 복합적으로 구성된 복합막(composite layer)으로 구성될 수도 있고, 단결정 실리콘으로 형성될 수도 있다.
기판(200)은 투광영역(B) 및 차광영역(A)을 갖는 광전변환소자(210)을 포함할 수 있다. 기판(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(200)은 단결정의 실리콘함유 재료를 포함할 수 있다.
광전변환소자(210)는 수직적으로 중첩되는 복수개의 광전변환부들을 포함할 수 있으며, 광전변환부들 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드(Photo Diode)일 수 있다. 또한 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(phot gate), 핀드 포토 다이오드(pinned phot diode) 등을 포함할 수도 있다. 본 발명의 광전변환소자(210)는 투광영역(B) 및 차광영역(A)을 포함 할 수 있다.
본 발명의 차광막(400)은 차광영역(A)에 대응하는 기판(200) 상에 접촉하여 형성되는 제1 하프늄 함유막을 포함할 수 있다. 또한 차광막(400)은 외부로부터 컬러필터(600)을 통해서 입사되는 빛이 기판(200)으로 전달되지 못하도록 차단할 수 있으며, 차광막(400)은 금속(하프늄)을 포함하지만 도전성을 갖지 않기에 전기적으로 플로팅 상태를 갖는다.
본 발명의 투광막(300)은 투광영역(B)에 대응하는 기판(200)상에 형성되며, 컬러필터(600)을 통해서 입사되는 빛을 그대로 통과시켜서 기판(200)으로 전달하며 반사방지막의 역할도 수행할 수 있다.
또한 본 발명의 투광막(300) 및 차광막(400)은 광 축을 중심으로 서로 인접하여 형성되며, 광전변환소자(210)과 약 50:50으로 중첩될 수 있다. 그리고 투광막(300) 및 차광막(400)은 동일 레벨에 형성될 수 있으며, 일측벽이 서로 접촉하는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 차광막(400)은 금속 실리사이드막으로 형성될 수 있으며 구체적으로 하프늄 실리콘(HfSi)를 포함할 수 있다. 또한, 투광막(300)은 금속 실리케이트로 형성될 수 있으며, 구체적으로 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO)를 포함할 수 있다. 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO) 및 하프늄 실리콘(HfSi)에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정된 결합을 할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 차광막(400)은 제1 금속산화막으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 하프늄 옥사이드(HfOx, X는 1 이하)를 포함할 수 있다. 또한, 투광막(300)은 제1 금속산화막보다 산소함량이 큰 제2 금속산화막로 형성될 수 있으며, 구체적으로 하프늄 옥사이드(HfO2)를 포함할 수 있다. 하프늄 옥사이드(HfOx)에 포함된 하프늄(Hf)과 산소(O2)는 화학양론적으로 불안정된 화학양론비를 가지며, 하프늄 옥사이드(HfO2) 에 포함된 하프늄과 산소는 안정된 화학양론비를 갖는다.
컬러필터(600)는 입사되는 빛으로부터 가시광선만을 통과시킨다. 컬러필터(600)는 가시광선 중에서 레드 필터(red filter), 녹색만을 통과시키는 그린 필터(green filter) 및 블루 필터(blue filter) 중에서 하나를 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈(700)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광하여 컬러필터(600)로 전달할 수 있다.
본 발명의 투광막(300) 및 차광막(400)은 모두 하프늄 함유막으로 형성됨에도 불구하고, 투광막(300)은 광 투과도가 높고, 차광막(400)은 광 투과도가 낮은 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광센싱 특성이 향상될 수 있다.
또한 본 발명의 투광막(300) 및 차광막(400)은 모두 하프늄 함유막으로 동시에 동일공정으로 형성되기 때문에, 이미지 센서의 제조 공정이 단순화 되어 제조비용이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 투광막(300) 및 차광막(400)이 기판(200)에 접촉하는 형태로 형성되며, 컬러필터(600)과 기판(200)사이의 거리(H1)가 투광막(300) 및 차광막(400)의 두께만큼으로 짧기에, 광센싱 감도, 크로스토크 특성이 향상될 수 있으며, 또한 위상차 검출특성이 향상될 수 있다.
그리고 차광막(400)과 동일레벨에 형성되는 투광막(300)은 반사방지막의 역할도 수행하기에 차광막(400)과 적층구조를 갖는 반사방지막이 별도로 필요하지 않는다. 이로 인해, 컬러필터(600)과 기판(200)사이의 거리(H1)가 투광막(300) 및 차광막(400)두께만큼으로 짧기에, 광센싱 감도, 크로스토크 특성이 향상될 수 있으며, 또한 위상차 검출특성이 향상될 수 있다.
도 4a 내지 4f은 본 발명에 따른 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도들이다. 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법 중, 절연층(도 3의 100), 컬러필터(도 3의 600) 및 마이크로 렌즈(도 3의 700)는 공지된 제조방법에 따라 형성 가능하기에 이에 대해 설명은 생략하기로 한다. 도 4a 내지 4f을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서에 포함된 위상차 검출 픽셀의 제조 방법을 설명하기로 할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 투광영역(B) 및 차광영역(A)을 포함하는 광전변환층(22)이 구비된 실리콘 기판(21)을 준비한다. 실리콘 기판(21)의 하부에 지지판(미도시)이 형성될 수 있고, 이때, 실리콘 기판(21)과 지지판 사이에 배선들(미도시)이 형성된 절연막(미도시, 도 3의 100에 대응)이 더 형성될 수 있다. 또한, 배선들이 형성된 절연막은 실리콘 기판(21)의 상부에 형성될 수도 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 투광영역(B) 및 차광영역(A)에 대응하는 실리콘 기판(21)의 상부 전체를 덮는 실리콘 산화막(80)을 형성한다.
실리콘 기판(21) 위에 실리콘 산화막(80)을 형성하기 위해서는, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 방법, 예컨대, 입사 결합형 플라즈마 화학 기상 증착 방법을 사용할 수 있다. 입사 결합형 플라즈마 화학 기상 증착 방법은 높은 밀도의 플라즈마를 생성하여 저온에서도 기체 분해 작용을 활발하게 하며, 원격 플라즈마를 사용하여 플라즈마가 발생하는 영역과 실리콘 기판(21) 사이가 떨어져 있어서, 플라즈마에 의한 막-성장 영역에 대해 이온 손상을 감소시킬 수 있다. 실리콘 산화막(80)의 증착을 위해 SIH4, N2O 및 희석 He 가스가 반응 가스로 사용될 수 있다. 실리콘 산화막(80)은 SiO2로 형성할 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 차광영역(A)에 형성된 실리콘 산화막(80)을 제거한다. 구체적으로 차광영역(A)에 대응하는 기판(21)의 상부표면이 노출될 때까지 실리콘 산화막(80)을 제거할 수 있다.
차광영역(A)의 기판(21)의 상부에 형성된 실리콘 산화막(80)을 제거하기 위해서는 먼저, 실리콘 산화막(80)위에 포토레지스트막(photoresist film)(미도시)을 형성하고, 패터닝된 마스크를 이용한 노광(exposure) 공정, 현상(development) 공정 및 에칭 공정을 진행하여 차광영역(A)에 형성된 포토레지스트막을 제거할 수 있다. 이어서, 에칭 공정을 진행함으로써, 투광영역(B)에 형성된 포토레지스트막이 마스크 역할을 하여 차광영역(A)에 형성된 실리콘 산화막(80)이 제거될 수 있다. 그후, 투광영역(B)의 상부에 형성된 실리콘 산화막(80) 위에 남아있는 포토레지스트막을 에칭하여 제거함으로써, 실리콘 기판(21) 상부에 실리콘 산화막 패턴(80A)이 형성될 수 있다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 차광영역(A)에 대응하는 실리콘 기판(21)의 상부와 실리콘 산화막 패턴(80A)의 상부에 하프늄막(90)을 형성한다. 이를 위해, 실리콘 산화막 패턴(80A)이 형성된 실리콘 기판(21)을 스퍼터링 챔버(미도시) 내부에 장착하고, 하프늄 원료(source)을 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 실리콘 기판(21)위에 증착시킨다.
구체적으로, 실리콘 기판(21)이 스퍼터링 챔버 내부에 장착된 상태에서 스퍼터링 챔버를 진공 상태로 만들고, 이어서 스퍼터링 챔버 내부에 아르곤(Ar) 등의 스퍼터 가스를 주입할 수 있다. 그러면, 스퍼터 가스의 입자는 플라즈마 상태로 이온화되고, 이온화된 입자들이 하프늄으로 이루어진 타겟(target)에 충돌할 수 있다. 그에 따라 타겟으로부터 하프늄 원자들이 방출될 수 있다. 방출된 하프늄 원자들은 실리콘 기판(21) 쪽으로 확산되어 실리콘 기판(21)에 증착되고, 그에 따라 실리콘 기판(21)의 상부에 하프늄막(90)이 형성될 수 있다. 이 때, 타겟의 배면에 위치한 마그넷의 N극과 S극의 자계의 영향으로 인하여 이온화된 입자들의 이온화 확률을 높임으로써 스퍼터링 현상이 빠르게 이루어질 수 있다. 스퍼터링 방식으로써, 예컨대, 플라즈마 방출 모니터를 이용한 반응성 DC 스퍼터링 방식을 이용할 수 있다.
도 4e 및 도 4f에 도시된 바와 같이, 하프늄막(90) 및 실리콘 산화막 패턴(80A)이 형성된 실리콘 기판(21)을 열처리(heat treatment)을 통해 서로 반응(reaction)시킨다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 투광막(30, 도 3의 300) 및 차광막(40, 도 3의 300)을 형성하기 위해서는 하프늄막(90) 및 실리콘 산화막 패턴(80A)이 형성된 실리콘 기판(21)을 열챔버에 장착하고, 소정 온도, 예컨대 섭씨 300∼450도에서 30∼150분동안 어닐링(annealing)을 수행할 수 있다.
차광영역(A)에서는 실리콘 산화막 패턴(80A)이 제거된 상태이기에, 실리콘 기판(21)의 Si와 하프늄막(90)의 Hf가 열역학반응하여, 금속 실리사이드막을 포함하는 차광막(30)이 형성될 수 있다. 투광영역(B)에서는 실리콘 산화막 패턴(80A)의 SiO2와 하프늄막(90)의 Hf가 열역학반응하여, 금속 실리케이트로 형성된 투광막(30)이 형성될 수 있다.
구체적으로 차광막(30)은 하프늄 실리콘(HfSi) 를 포함할 수 있으며, 투광막(30)은 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO)를 포함할 수 있다. 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO)에는 투광성을 높여주는 역할을 하는 산소가 포함되어 투광성이 높지만, 하프늄 실리콘(HfSi)에는 산소가 함유되어 있지 않아 차광성이 좋다.
또한 본 발명의 제2실시 예에 따른 투광막(30, 도 3의 300) 및 차광막(40, 도 3의 400)을 형성하기 위해서는 실리콘 산화막 패턴(80A) 및 하프늄막(90)이 형성된 실리콘 기판(21)을 산소가 공급되는 상온에서 소정 시간동안 방치한다.
그러면 실리콘 기판(21) 하프늄막(90)과 실리콘 산화막 패턴(80A)이 다음과 같은 화학 반응을 일으킬 수 있다.
2SiO2+Hf→HfO2+SiO2↑, SiO2+HfO2→HfSiO4, HF+HfSiO4→2HfO2+Si
차광영역(A)에서는 실리콘 산화막 패턴(80A)이 제거된 상태이며, 실리콘 기판(21)의 Si와 하프늄막(90)의 Hf가 산소분위기에서 열역학반응(thermodynamic reaction)이 진행되는 동안에, 하프늄막(90)의 Hf과 산소가스(O2)가 결합하여, 제1 하프늄 함유막(HfOx)로 형성된 차광막(40)이 형성될 수 있다.
투광영역(B)에서는 실리콘 산화막 패턴(80A)의 SiO2와 하프늄막(90)의 하프늄이 산소분위기에서 열역학반응(thermodynamic reaction)하는 동안에 실리콘 산화막 패턴(80A)의 SiO2가 소모되면서, 하프늄막(90)의 Hf과 산소가스(O2)가 결합하여 제2 하프늄 함유막(HfO2)로 구성된 차광막(40)이 형성될 수 있다.
제1 하프늄 함유막(HfOx) 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 불안정한 결합을 하며, 제2 하프늄 함유막(HfO2) 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정한 결합을 한다.
제2 하프늄 함유막(HfO2)는 제1 하프늄 함유막 (HfOx)보다 산소함량이 높아 투광성이 좋으며, 제1 하프늄 함유막(HfOx)은 제2 하프늄 함유막(HfO2)보다 산소함량이 낮아 차광성이 좋다.
상기 공정을 통해, 투광영역(B)의 상부에는 광 투과도가 높은 투광막(30) (HfSiO 또는 HfO2)이 형성되고, 차광영역(A)의 상부에는 광 투과도가 낮은 차광막(40)(HfSi 또는 HfOx)이 실리콘 기판(21)에 접촉하는 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 제1 및 제2 하프늄 함유막들은 유전체(dielectric)로 구성될 수 있다.
도 4f에서에 도시된 투광막(30) 및 차광막(40)이 형성 된 이후, 잔류하는 미반응 하프늄막(90)을 제거한다. 하프늄막(90)을 제거하기 위하여 하프늄막(90)을 금속 에칭 용액에 넣어서 소정 시간 유지하는 방법과 특정한 약품을 이용하여 세정함으로써, 실리콘 기판(21) 위에 남아있는 하프늄막(90)을 제거하는 방법 등을 이용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 차광영역(A)의 상부에 광 투과도가 낮은 차광막(HfSi 또는 HfOx)이 형성됨으로써, 외부에서 입사되는 빛은 차광영역(A)의 차광막(40)을 통과하지 못하게 될 수 있다.
또한 투광막(30) 및 차광막(40)이 모두 하프늄 함유막으로 형성됨에도 불구하고, 투광막(30)은 광 투과도가 높고, 차광막(40)은 광 투과도가 낮은 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광센싱 특성이 향상될 수 있다.
또한 본 발명의 투광막(30) 및 차광막(40)이 모두 하프늄 함유막(산소 비율은 서로 다름)으로 동시에 동일공정으로 형성되기 때문에, 이미지 센서의 제조 공정이 단순화 되어 제조비용이 감소될 수 있다.
또한 본 발명의 투광막(30) 및 차광막(40)이 기판(21) 상에 형성되며, 컬러필터과 기판사이의 거리(도 3의 H1 참조)가 투광막(30) 및 차광막(40)의 두께만큼으로 짧기에, 광센싱 감도, 크로스토크 특성이 향상될 수 있으며, 또한 위상차 검출특성이 향상될 수 있다.
그리고 차광막(40)과 동일레벨에 형성되는 투광막(30)이 반사방지막의 역할도 수행하기에 차광막(40)과 적층구조를 갖는 반사방지막이 별도로 필요하지 않는다. 이로 인해, 컬러필터과 기판사이의 거리(H1)가 투광막(30) 및 차광막(40)두께만큼으로 짧기에, 광센싱 감도, 크로스토크 특성이 향상될 수 있으며, 또한 위상차 검출특성이 향상될 수 있다.
도 5은 비교예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 위상차 검출 픽셀은 마이크로 렌즈(8), 컬러필터(7), 평탄화막(6), 차광막(5), 반사방지막(4), 기판(2), 및 절연막(1)이 상부로부터 순차적으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
마이크로 렌즈(8)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광하여 컬러필터(7)으로 전달할 수 있다. 마이크로 렌즈(9)는 인접한 위상차 검출 픽셀의 마이크로 렌즈들과 끝부분들이 서로 접촉하도록 형성될 수도 있고, 광학적 쉐이딩(shading) 특성을 확보하기 위하여 그 끝부분들이 서로 소정 간격 이격되도록 형성될 수도 있다.
컬러필터(7)은 마이크로 렌즈(8)을 통하여 입사되는 빛으로부터 가시광선만을 통과시킨다. 컬러필터(7)는 가시광선 중에서 적색만을 통과시키는 레드 필터(red filter), 녹색만을 통과시키는 그린 필터(green filter), 및 가시광선 중에서 청색만을 통과시키는 블루 필터(blue filter) 중에서 하나를 포함할 수 있다.
평탄화막(6)은 위상차 검출픽셀에 형성된 소정의 구조물(예를들면, 차광막)에 기인한 단차를 제거함과 동시에 입사광에 대한 반사방지막으로 작용할 수 있다. 평탄화막(6)은 산화막, 질화막 및 산화/질화막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상이 적층된 다중막일 수 있다.
차광막(5)은 외부로부터 컬러필터(7)을 통해서 입사되는 빛이 기판(2)내의 광전변환층(3)으로 전달되지 못하도록 차단할 수 있다. 이를 위해 차광막(5)은 빛을 차단하기 위한 금속막(예를들면, 텅스텐)을 포함할 수 있다.
비교 예에 따른 차광막(5)은 그리드 패턴(미도시)을 확장하여 형성하기 때문에, 기판(2)에 접하여 형성될 수 없다. 그리고 텅스텐과 같은 도전성을 갖는 금속막으로 형성되기에 기판(2)에 접하여 형성될 수 없다.
반사방지막(4)은 컬러필터(7)을 통해서 입사되는 빛이 외부로 반사되는 것을 방지하고, 통과시켜서 기판(4)내의 광전변환층(3)으로 전달한다. 이를 위해 반사방지막(4)은 빛을 투광하기 위한 하프늄 함유막(예를들면, HfO2)을 포함할 수 있다.
피사체로부터의 입사광은 마이크로 렌즈(8)를 통해서 광전변환막(3)으로 입사되고, 입사광에 응답하여 광전변환막(3)에서 생성된 전하가 픽셀정보가 될 수 있다.
하지만 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서는 반사방지막(4)을 형성하기 위한 하프늄 함유막 형성공정 및 차광막(5) 형성을 위한 금속막 형성공정이 각각 별도로 진행되어, 생산성의 저하 및 제조단가가 상승되는 단점이 있다.
또한 차광막(5)은 기판(2)에 접촉되는 형태로 형성되지 못하기 때문에, 이미지 센서의 광학적 특성이 열화되는 문제점이 있다.
또한 컬러필터(7)와 기판(2)이, 적층구조로 형성된 차광막(5) 및 반사방지막(4), 그리고 차광막(5)의 단차를 제거하기 위한 평탄화막(6)의 두께(H2)만큼 떨어져 있어, 기판(2)내에 포함된 광전변환막(3)의 광센싱감도, 크로스토크 특성이 떨어질 수 있으며, 이로 인해 위상차 검출특성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만 본 발명의 투광막 및 차광막(은 모두 하프늄 함유막(산소 비율은 서로 다름)으로 형성됨에도 불구하고, 투광막은 광 투과도가 높고, 차광막은 광 투과도가 낮은 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광센싱 특성이 향상되면서도 이미지 센서의 제조 공정이 단순화되어 제조비용이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 투 광막 및 차광막이 동일두께를 가진다. 그리고 차광막과 동일레벨에 형성되는 투광막이 반사방지막의 역할도 수행하기에 차광막과 적층구조를 갖는 반사방지막이 별도로 필요하지 않는다. 이로 인해, 컬러필터과 기판사이의 거리(H1)가 투광막 및 차광막 두께만큼으로 짧기에, 광센싱 감도, 크로스토크 특성이 향상될 수 있으며, 또한, 위상차 검출특성이 향상될 수 있다.
이상으로 해결하고자 하는 과제를 위한 다양한 실시 예들이 기재되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자진 자라면 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 명백하다.
100 : 절연막 200 : 기판
210 : 광전변환막 300 : 투광막
400 : 차광막 600 : 컬러필터
700 : 마이크로 렌즈

Claims (21)

  1. 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은,
    투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및
    상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하도록 형성되는 제1 하프늄 함유막을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투광영역에 대응하는 기판에 형성되는 제2 하프늄 함유막을 더 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 하프늄 함유막 및 상기 제2 하프늄 함유막은 일측벽이 서로 접촉하는 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 하프늄 함유막 및 상기 제2 하프늄 함유막은 하프늄 산화물을 포함하되, 상기 제1 하프늄 함유막에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 불안정한 결합을 하고, 제2 하프늄 함유막에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정된 결합을 하는 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 하프늄 함유막은 하프늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제2 하프늄 함유막은 하프늄 실리케이트를 포함하는 이미지 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 하프늄 함유막의 산소함유량은 상기 제1 하프늄 함유막의 산소함유량보다 큰 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하프늄 함유막은 전기적으로 플로팅 상태인 이미지 센서.
  8. 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은,
    투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판; 및
    상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하도록 형성되며, 금속 실리사이드를 포함하는 차광막; 및
    상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 형성되며, 금속 실리케이트를 포함하는 투광막을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차광막 및 상기 투광막은 동일 금속을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속 실리사이드는 HfSi를 포함하고, 상기 금속 실리케이트는 HfSiO을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 투광막 및 차광막은 일측벽이 서로 접촉하는 이미지 센서.
  12. 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 어느 하나의 픽셀은,
    투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 포함하는 기판;
    상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하여 형성되며, 제1 금속 산화물을 포함하는 차광막; 및
    상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 형성되며, 상기 제1 금속 산화물과 다른 산소함량을 갖는 제2 금속 산화물을 포함하는 투광막을 포함하는 이미지 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물의 산소 함량은 상기 제1 금속 산화물의 산소 함량보다 큰 이미지 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물은 하프늄을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    제1 금속 산화물에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 불안정한 결합을 하고, 제2 금속 산화물에 포함된 하프늄과 산소는 화학양론적으로 안정된 결합을 하는 이미지 센서.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물은 HfOx(X는 1 이하)를 포함하고, 상기 제2 금속 산화물은 HfO2을 포함하는 이미지 센서.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 투광막 및 차광막은 일측벽이 서로 접촉하는 이미지 센서.
  18. 기판 내에 투광영역 및 차광영역을 갖는 광전변환소자를 형성하는 단계: 및
    상기 차광영역에 대응하는 기판에 접촉하는 차광막 및 상기 투광영역에 대응하는 기판상에 형성되는 투광막을 동시에 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 차광막은 제1 하프늄 함유막을 포함하고,
    상기 투광막은 제2 하프늄 함유막을 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 차광막 및 투광막은 일측벽이 서로 접촉하는 이미지 센서 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 차광막 및 투광막을 동시에 형성하는 단계는
    상기 투광영역에 대응하는 기판상에 실리콘 산화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 차광영역에 대응하는 기판 및 상기 실리콘 산화막 패턴 상에 하프늄막을 형성하는 단계; 및
    열처리를 수행하여, 상기 투광영역에 대응하는 기판 상에 하프늄 실리케이트를 형성함과 동시에, 상기 차광영역에 대응하는 기판 상에 하프늄 실리사이드를 형성하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 차광막 및 투광막을 동시에 형성하는 단계는
    상기 투광영역에 대응하는 기판상에 실리콘 산화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 차광영역에 대응하는 기판 및 상기 실리콘 산화막 패턴 상에 하프늄막을 형성하는 단계; 및
    산소분위기에서 열역학반응을 유도하여, 상기 제1하프늄산화막을 형성함과 동시에, 상기 제1하프늄산화막보다 산소함량이 큰 제2하프늄산화막을 형성하는 이미지 센서 제조방법.
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