KR100689582B1 - 트렌치 측벽에 광집속도 향상을 위한 반사층을 구비하는이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈의 정밀도 향상없이 광집속도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드와 같은 광감지 영역 상부의 측벽에 광반사용 금속층을 구비하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 특징이 있다. 즉, 포토다이오드를 덮는 층간절연막 내에 트렌치를 형성하고, 픽셀 영역을 덮는 반사막을 상기 트렌치 측벽까지 형성하고, 포토다이오드와 중첩되는 트렌치 저면에만 빛이 투과되는 절연막을 노출시킴으로써, 마이크로 렌즈에서 굴절되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 빛이 포토다이오드 영역으로 입사되도록 하여 광집속도를 향상시킨다.

이미지 센서, 포토다이오드, 광집속도, 트렌치, 측벽, 반사층

Description

트렌치 측벽에 광집속도 향상을 위한 반사층을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor having reflection layer on side wall of trench for improving light incident intensity and method for forming the same}

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 단면도,

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

33: 포토다이오드 35: 층간절연막

36: 금속막 37: 평탄화용 절연막

38: 마이크로 렌즈 T: 트렌치

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 광집속도를 보다 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위 픽셀을 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀을 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위픽셀에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위픽셀을 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위픽셀 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위픽셀에 대한 한 동작주기가 완료된다.

화상인식 소자로 사용되는 이미지 센서는 입사하는 빛을 손실없이 전자로 바 꾸는 능력이 중요하다. 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자가 포토다이오드인데, 통상 이미지 센서의 단위 픽셀에는 도 1에 보이는 바와 같이 포토다이오드 뿐만 아니라 단위 픽셀 내부의 신호처리를 위한 회로가 복합적으로 구성되기 때문에 포토다이오드의 면적에 제한이 따르게 된다. 이를 극복하기 위하여 단위픽셀 상부에 마이크로렌즈를 형성하여 단위픽셀로 입사하는 빛 중에서 포토다이오드 영역 이외의 지역으로 입사하는 빛을 포토다이오드로 모아준다. 이와 같이 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 통하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor) 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도로서, 필드산화막(21), 트랜스퍼 트랜지스터(22), 포토다이오드(23) 및 센싱영역(24)이 형성된 반도체 기판(20) 상에 층간절연막(25)을 형성하고, 상기 층간절연막(25) 상에 단위 픽셀 중 포토다이오드(23) 이외의 영역을 덮는 차광막(26)을 금속막으로 형성하고, 평탄화용 절연막(27)을 형성한 다음, 빛을 모으기 위한 마이크로 렌즈(28)를 형성하고, 마이크로 렌즈(28)를 통해 빛이 입사되는 것을 보이는 단면도이다.

상기 차광막(26)은 단위 픽셀 내의 포토다이오드 이외의 영역으로 빛이 입사하여 센서의 특성이 열화되는 것을 방지하기 위한 것으로서 광반사 특성이 우수한 물질로 형성한다.

마이크로 렌즈를 통해 굴절된 빛이 모두 포토다이오드로 모아지는 것은 아니 다. 따라서, 포토다이오드(23) 안으로 보다 많은 양의 빛이 입사되도록 하기 위해서는 빛의 입사경로를 정확하게 계산하여 완벽하고 정확한 마이크로 렌즈(28)를 형성하여야 하는데, 종래 기술상으로 그 실현이 용이하지 않다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 정밀한 마이크로 렌즈 형성 없이 광집속도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광감지 수단; 상기 광감지 수단을 덮는 층간절연막 내에 형성되어 그 저면이 상기 광감지 수단과 중첩되는 트렌치; 상기 트렌치 측벽에 형성된 광반사층; 및 상기 포토다이오드 상부에 형성된 집광수단을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함한 픽셀 영역; 상기 픽셀 영역을 덮는 층간절연막 내에 형성되어 그 저면이 상기 포토다이오드와 중첩되는 트렌치; 상기 픽셀 영역 및 상기 트렌치 측벽의 상기 층간절연막을 덮으며, 상기 트렌치 저면의 상기 층간절연막을 노출시키는 광반사막 패턴; 및 상기 광반사막 패턴 상에 상기 트렌치를 채우도록 형성된 평탄화용 절연막 상의 상기 트렌치 상부와 대응되는 부분에 형성된 집광수단을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 감광지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 선택 적으로 식각하여 그 저면이 상기 광감지 수단과 중첩되는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 측벽 및 상기 하부구조 상의 상기 층간절연막을 덮으며 상기 트렌치 저면의 상기 층간절연막을 노출시키는 광반사막 패턴을 형성하는 단계; 전체 구조 상에 평탄화용 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화용 절연막 상에 집광수단을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함한 픽셀 영역 형성이 완료된 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 그 저면이 상기 포토다이오드와 중첩되는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 층간절연막의 상부와 상기 트렌치 측벽을 덮으며 상기 트렌치 저면의 상기 층간절연막을 노출시키는 광반사막 패턴을 형성하는 단계; 상기 광반사막 패턴 상에 상기 트렌치를 채우는 평탄화용 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화용 절연막 상에 상기 트렌치와 중첩되도록 집광수단을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 포토다이오드와 같은 광감지 영역 상부의 측벽에 광반사용 금속층을 구비하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 특징이 있다. 즉, 포토다이오드를 덮는 층간절연막 내에 트렌치를 형성하고, 픽셀 영역을 덮는 반사막을 상기 트렌치 측벽까지 형성하고, 포토다이오드와 중첩되는 트렌치 저면에만 빛이 투과되는 절연막을 노출시킴으로써, 마이크로 렌즈에서 굴절되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 빛이 포토다이오드 영역으로 입사되도록하여 광집속도를 향상시킨다.

이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 필드산화막(31), 트랜스퍼 트랜지스터(32), 포토다이오드(33) 및 센싱영역(34)이 형성된 반도체 기판(30) 상에 층간절연막(35)을 형성한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 상기 층간절연막(35)을 선택적으로 식각하여 그 저면이 포토다이오드(33)와 중첩되는 트렌치(T)를 형성한 다음, 전체 구조 상에 금속막(36)을 형성하고, 상기 금속막(36)을 선택적으로 식각하여 트렌치 저면의 층간절연막(35)을 노출시킨다. 이후, 트렌치 측벽에 형성되는 금속막의 두께를 고려하여 트렌치(T)를 포토다이오드(33) 보다 크게 형성한다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이 전체 구조 상에 평탄화용 절연막(37)을 형성한 다음, 빛을 모으기 위한 마이크로 렌즈(38)를 형성한다. 도 3c에서는 마이크로 렌즈(38)를 통해 포토다이오드(33)로 빛이 입사되는 것을 함께 보이고 있다.

전술한 바와 같은 과정에 따라 형성된 이미지 센서는, 포토다이오드를 제외한 픽셀 영역과 트렌치 측벽이 광반사 특성을 갖는 금속막(36)으로 덮여, 포토다이오드(23) 이외의 영역으로 빛이 투과하는 것을 효과적으로 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 포토다이오드 영역을 벗어난 광이 트렌치 측벽의 금속막(36)으로부터 반사되어 포토다이오드에 입사될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치 환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드를 덮는 층간절연막 내에 구비된 트렌치 측벽에 반사막을 형성함으로써, 마이크로 렌즈에서 굴절되어 경로가 포토다이오드 영역을 벗어난 빛이 트렌치 측벽에서 반사되도록 하여 포토다이오드 이외의 영역으로 빛이 입사하는 것을 방지하면서 포토다이오드로의 광집속도를 향상시킬 수 있다. 그에 따라, 빛의 입사경로를 정확하게 계산하여 완벽하게 구현하여야 하는 마이크로 렌즈의 공정의 단순화를 도모할 수 있다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 포토다이오드를 포함한 픽셀 영역;

   상기 픽셀 영역을 덮는 층간절연막 내에 형성되고, 그 저면이 상기 포토다이오드보다 큰 폭을 갖고 상기 포토다이오드와 중첩되도록 형성된 트렌치;

   상기 포토다이오드와 중첩되는 상기 트렌치의 저면을 제외하고, 상기 트렌치 측벽으로부터 상기 픽셀 영역까지 연장되도록 상기 층간절연막 상에 형성된 광반사막 패턴;

   상기 트렌치를 채우도록 상기 광반사막 패턴 상에 형성된 평탄화용 절연막; 및

   상기 트렌치 상부와 대응되도록 상기 평탄화용 절연막 상에 형성된 집광수단

   을 포함하는 이미지 센서.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 집광수단은 마이크로 렌즈인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 광반사막 패턴은,

   금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 삭제
7. 포토다이오드를 포함한 픽셀 영역 형성이 완료된 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 그 저면이 상기 포토다이오드보다 큰 폭을 갖고 상기 포토다이오드와 중첩되도록 트렌치를 형성하는 단계;

   상기 층간절연막의 상부와 상기 트렌치 측벽을 덮으며 상기 트렌치 저면의 상기 층간절연막을 노출시키는 광반사막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 광반사막 패턴 상에 상기 트렌치를 채우는 평탄화용 절연막을 형성하는 단계; 및

   상기 평탄화용 절연막 상에 상기 트렌치와 중첩되도록 집광수단을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
8. 삭제
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 집광수단은 마이크로 렌즈인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 광반사막 패턴을,

    금속막으로 형성하는 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.

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