KR100798250B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는, 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판과, 반도체 기판 위에 형성된 PMD(Pre Metal Dielectric)층과, PMD층 위에 형성된 적어도 하나의 메탈층과, 메탈층과 PMD층을 관통하여 형성된 복수의 도파관을 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 메탈층 위에 형성되며 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 파장대역에 맞추어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 더 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 도파관은 측벽에 형성된 금속막을 포함하며, 금속막의 내부에 절연막이 형성되는 경우에 도파관은 0.5~1.0㎛의 크기로 형성되고, 금속막의 내부가 동공 형태의 빈 공간으로 형성되는 경우에 도파관은 0.1~0.5㎛의 크기로 형성된다.

또한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판 위에 PMD(Pre Metal Dielectric)층을 형성하는 단계와, PMD층 위에 적어도 하나의 메탈층을 형성하는 단계와, 메탈층과 PMD층을 관통하는 복수의 도파관을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image sensor and fabricating method thereof}

도 1은 종래 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 도면.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에 형성된 도파관을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200... 반도체 기판 210... PMD층

220... 제 1 메탈층 230... 제 2 메탈층

240... 제 3 메탈층 300... 도파관

410... 금속막 420... 절연막

본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, 씨모스(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

한편, 이미지 센서에서 해결하여야 하는 과제 중의 하나는 입사되는 빛 신호를 전기신호로 바꾸어 주는 율(rate), 즉 감도를 증가시키는 것이다. 감도가 떨어지는 여러 가지 이유 중의 한 가지는 도 1에 나타낸 바와 같이 마이크로 렌즈와 컬러필터를 통과한 빛이 여러 절연막을 통과하며 계면에서 굴절과 반사를 일으킨다는 것이다. 도 1은 종래 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 이에 따라 일부 빛이 반사되거나 포토 다이오드 영역으로 흡수되지 못하고 사라지게 됨으로써 감도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달하여 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서는, 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 PMD(Pre Metal Dielectric)층; 상기 PMD층 위에 형성된 적어도 하나의 메탈층; 상기 메탈층과 상 기 PMD층을 관통하여 형성된 복수의 도파관; 을 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 메탈층 위에 형성되며 입사되는 빛을 상기 포토 다이오드 영역에 파장대역에 맞추어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 더 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 도파관은 측벽에 형성된 금속막을 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 금속막의 내부에 형성된 절연막을 더 포함하며, 상기 도파관은 0.5~1.0㎛의 크기로 형성된다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 금속막의 내부는 동공 형태의 빈 공간으로 형성되며, 상기 도파관은 0.1~0.5㎛의 크기로 형성된다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 금속막은 5~1000Å의 두께로 형성된다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판 위에 PMD(Pre Metal Dielectric)층을 형성하는 단계; 상기 PMD층 위에 적어도 하나의 메탈층을 형성하는 단계; 상기 메탈층과 상기 PMD층을 관통하는 복수의 도파관을 형성하는 단계; 를 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 복수의 도파관을 형성하는 단계는, 상기 메탈층과 상기 PMD층을 관통하는 복수의 관통홀을 형성하는 단계; 상기 관통홀의 내벽 및 하부면에 금속막을 형성하는 단계; 상기 관통홀의 하부면에 형성된 금속막을 제거하는 단계; 상기 결과물에 절연막을 형성하는 단계; 를 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 금속막의 내부에 상기 절연막이 형성되며, 상기 도파관은 0.5~1.0㎛의 크기로 형성된다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 금속막의 내부는 동공 형태의 빈 공간으로 형성되며, 상기 도파관은 0.1~0.5㎛의 크기로 형성된다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 메탈층 위에, 입사되는 빛을 상기 포토다이오드 영역에 파장대역에 맞추어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 형성하는 단계를 더 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달하여 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on/above/over/upper)"에 또는 "아래(down/below/under/lower)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 그 의미는 각 층(막), 영역, 패드, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들에 접촉되어 형성되는 경우로 해석될 수도 있으며, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 그 사이에 추가적으로 형성되는 경우로 해석될 수도 있다. 따라서, 그 의미는 발명의 기술적 사상에 의하여 판단되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판(200) 위에 PMD(Pre Metal Dielectric)층(210)을 형성한다.

상기 PMD층(210) 위에 적어도 하나의 메탈층을 형성한다. 도 2에서는 제 1 메탈층(220), 제 2 메탈층(230), 제 3 메탈층(240)이 형성된 경우를 예로서 나타내었으나, 상기 메탈층의 숫자는 설계에 따라 더 많게 형성될 수도 있으며 또한 더 적게 형성될 수도 있다.

상기 제 3, 제 2, 제 1 메탈층(240)(230)(220)과 상기 PMD층(210)을 관통하는 복수의 도파관(300)을 형성한다. 상기 도판관(300)은 상기 반도체 기판(200)의 포토 다이오드 영역 상부에 형성된다.

하나의 예로서, 상기 도파관(300)은 다음과 같은 공정을 통하여 형성될 수 있다.

먼저, 상기 제 3, 제 2, 제 1 메탈층(240)(230)(220)과 상기 PMD층(210)을 관통하는 복수의 관통홀을 형성한다. 상기 관통홀을 형성함에 있어, 상기 반도체 기판(200)이 노출되는 지점까지 식각이 진행되도록 할 수 있다.

상기 관통홀이 형성된 결과물에 금속막을 형성한다. 이에 따라, 상기 관통홀의 내벽 및 하부면에 금속막이 형성될 수 있게 된다. 이때, 상기 금속막은 Ti, TiN, Cu, Al, Ta, TaN, W, Ag, Au, Co, Ni 또는 이들의 화합물, 혼합물 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 상기 금속막은 CVD, , ALD, PVD, 증발(Evaporation), ECP 등의 방법을 통하여 증착될 수 있다. 예로서 상기 금속막은 5~1000Å의 두께로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 관통홀의 하부면에 형성된 금속막을 제거한다. 예로서, 직진성 있는 PVD 식각방법을 통해 바닥 부분에 형성된 금속막을 제거할 수 있다 (Punch Thru 방법).

상기 결과물에 절연막을 형성함으로써, 상기 도파관(300)을 형성할 수 있게 된다. 상기 절연막을 형성한 이후, CMP 공정을 통하여 상기 절연막에 대한 평탄화를 수행할 수도 있다.

상기 관통홀의 크기에 따라 상기 도판관(300)을 이루는 구조가 달라질 수 있다. 상기 관통홀의 크기는 상기 도파관(300)의 크기에 대응된다. 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에 형성된 도파관을 설명하기 위한 도면이다.

예컨대, 상기 도파관(300)의 크기가 0.5~1.0㎛의 크기로 형성되는 경우에, 상기 도파관(300)은 도 4에 나타낸 바와 같은 구조로 형성될 수 있다. 즉, 상기 도파관(300)의 측벽에 금속막(410)이 형성되어 있으며, 상기 금속막(410)의 내부에 절연막(420)이 형성되어 있다. 상기 절연막(420)은 상기 금속막(410) 내부에 충진되어 형성될 수도 있으며, 충진되어 형성되지 않고 일부 공간에만 형성될 수도 있다.

또한 상기 도파관(300)의 크기가 0.1~0.5㎛의 크기로 형성되는 경우에, 상기 도파관(300)은 도 5에 나타낸 바와 같은 구조로 형성될 수 있다. 즉, 상기 도파관(300)의 측벽에 금속막(410)이 형성되어 있으며, 상기 금속막(410)의 내부는 절연막이 없는 동공 형태의 빈 공간으로 형성될 수 있다.

도면으로 도시되지는 아니 하였으나, 상기 제 3 메탈층(240) 위에, 상부로부터 입사되는 빛을 상기 반도체 기판(200)의 포토 다이오드 영역에 파장대역에 맞추 어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다. 또한 상기 컬러필터 위에는 집광을 위한 마이크로 렌즈를 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 이미지 센서에 의하면, 입사된 빛이 상기 도파관(300)을 통하여 상기 반도체 기판(200)에 형성된 포토 다이오드 영역으로 전달될 수 있게 된다. 상기 도파관(300)으로 입사된 빛은 상기 금속막(410)에 반사되어 포토 다이오드 영역으로 입사될 수 있게 된다. 상기 도파관(300)으로 입사된 빛은 손실 없이 상기 반도체 기판(200)의 포토 다이오드 영역으로 도달될 수 있게 된다. 이에 따라, 입사된 빛이 손실 없이 상기 반도체 기판(200)의 포토 다이오드 영역에 도달될 수 있으므로 이미지 센서의 감도를 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 이미지 센서에 의하면 상기 집광을 위한 마이크로 렌즈가 형성되는 경우에, 상기 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 공정 마진을 확대할 수 있게 된다. 상기 도파관(300)에 입사된 빛은 모두 상기 반도체 기판(200)의 포토 다이오드 영역으로 전달되므로, 상기 마이크로 렌즈의 촛점 거리는 상기 도파관(300)의 입구에서부터 그 내부 어디에 맺혀도 상관이 없기 때문이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달함으로써 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (15)

1. 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판;

   상기 반도체 기판 위에 형성된 PMD(Pre Metal Dielectric)층;

   상기 PMD층 위에 형성된 적어도 하나의 메탈층; 및

   상기 메탈층과 상기 PMD층을 관통하고, 상기 포토다이오드 영역의 상부에 형성된 복수개의 도파관;

   상기 도파관의 측벽에 형성된 금속막을 포함하며, 상기 금속막으로 둘러싸인 상기 도파관의 내부는 동공 형태의 빈 공간으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 메탈층 위에 형성되며, 입사되는 빛을 상기 포토 다이오드 영역에 파장대역에 맞추어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,

   상기 도파관은 지름이 0.1~0.5㎛의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 금속막은 5~1000Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
9. 포토 다이오드 영역이 형성된 반도체 기판 위에 PMD(Pre Metal Dielectric)층을 형성하는 단계;

   상기 PMD층 위에 적어도 하나의 메탈층을 형성하는 단계; 및

   상기 메탈층과 상기 PMD층을 관통하며, 상기 포토다이오드 영역의 상부에 내부가 동공 형태의 빈 공간으로 형성된 복수개의 도파관을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 복수의 도파관을 형성하는 단계는,

    상기 메탈층과 상기 PMD층을 관통하며, 상기 포토다이오드 영역의 상부에 복수개의 관통홀을 형성하는 단계;

    상기 관통홀의 내벽 및 하부면에 금속막을 형성하는 단계; 및

    상기 관통홀의 하부면에 형성된 금속막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제 9항에 있어서,

    상기 도파관은 지름이 0.1~0.5㎛의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
15. 제 9항에 있어서,

    상기 메탈층 위에, 입사되는 빛을 상기 포토다이오드 영역에 파장대역에 맞추어 선택적으로 투과시키는 컬러필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.

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