KR20060114448A - 시모스 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SiC로 인해 광특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성된 기판상에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성되지 않은 영역의 상기 제2 절연막을 선택적으로 제거하여 배선이 형성될 영역을 형성하는 단계; 상기 배선이 형성될 영역에 금속을 매립시켜 배선을 형성하는 단계: 상기 금속 배선이 형성된 기판 전면에 제1 탄화실리콘막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성된 영역에 형성된 상기 제1 탄화실리콘막을 선택적으로 제거하는 단계; 상기 제1 탄화실리콘막이 제거된 영역에 제3 절연막을 형성시키는 단계; 및상기 제3 절연막상에 상기 포토다이오드와 얼라인되어 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
시모스 이미지센서, 포토다이오드, 구리배선, SiC.
Description
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도5는 종래기술에 따른 이미지센서의 문제점을 도시한 단면도.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면도.
도7a 내지 도7f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
PD : 포토다이오드
Lens : 마이크로 렌즈
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토다이오에 보다 많은 빛이 입사되도록 하기 위한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법이다.
일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 전달 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워 (Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다.
이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10)에서 전달된 빛에 의해 모아진 전자를 전자를 출력단(Output)으로 전달하기 위해 4개의 모스트랜지스터(11, 12, 13, 14)의 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)이 각각 배치되고, 액티브영역(101 ~ 104)이 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)의 좌우에 각각 배치된다.
여기서 액티브영역(101)이 포토다이오드에 의해 모아진 전자를 전달받는 센싱노드이다.
한 단위소자의 동작을 간단하게 살펴보면, 포토다이오드(10)에 전달된 빛에 의해 모아진 전자가 전달트랜지스터(11)를 통해 센싱노드(101)에 전달된다.
센싱노드(101)는 드라이빙 트랜지스터(13)의 게이트와 연결되어 있기 때문에, 드라이빙 트랜지스터(13)은 센싱노드(101)에 인가되는 전압에 따라 일측단에 접합된 액티브영역(103)의 전압레벨을 드라이빙하게 된다. 이어서 셀렉트 트랜지스터(104)가 턴온되어 액티브영역(103)에 인가된 전압을 출력단을 통해 출력하게 된다.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도4를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(10, PD)가 형성된 기판(20) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 24)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 25)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.
다층의 절연막(22) 사이에는 다층의 배선(23)이 형성되어 있으며, 배선(23)은 포토다이오드(10)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.
또한, 포토다이오드(10)에 인접한 기판(20) 상에는 복수의 모스트랜지스터(A영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4Tr 구조의 단위 화소의 경우 전술한 바와 같이 전달 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터가 배치된다.
마이크로렌즈(26) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(26)를 보호하기 위해 보호막(27)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 29는 소자분리막을 나타내는 것이다.
또한 여기서는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈의 상부에는 외부에서 입사된 빛을 직접적으로 입력받아 마이크로 렌즈로 전해주는 매크로 랜즈가 배치된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 포토다이오드에서 플로팅 노드(SD)로 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 조절되고, 그 조절된 전압에 대응하여 드라이빙 트랜지스터의 소스단을 드라이빙하게 된다.
도5는 종래기술에 따른 이미지센서의 문제점을 도시한 단면도이다.
도5를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(PD)상에 다층의 층간절연막(BPSG, TEOS,FSG,SIN)이 배치되고, 최상에는 마이크로 렌즈(Lens)가 배치된다.
다층의 층간절연막의 사이 사이에는 금속배선이 배치되는데, 이전에는 알루니늄으로 금속배선을 하였으나, 최근에는 배선으로 구리를 이용하고 있다.
시모스 이미지센서의 기술이 점점 더 집적화되면서 배선간 인터커넥션(interconnect)에 관계된 문제가 회로의 전체 성능을 좌우하는 주요 요인이 되고 있다. 이에 따라 비저항이 낮은 구리를 배선으로 사용하게 되었는데, 구리를 배선으로 사용하는 경우에는 구리의 확산 및 산화가 문제가 된다.
따라서 구리를 배선으로 사용하는 경우 SiC를 구리 배선를 감싸도록 배치시키고 있다.
시모스 이미지 센서는 빛을 수광하는 소자인 포토다이오드의 성능이 핵심적인데, 구비배선을 위해 사용된 SiC가 포토다이오드와 마이크로 렌즈의 사이에 배치 되어 마이므로 렌즈로 입사되는 빛이 제대로 전달 하지 못하는 문제점이 발생하고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, SiC로 인해 광특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성된 기판상에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성되지 않은 영역의 상기 제2 절연막을 선택적으로 제거하여 배선이 형성될 영역을 형성하는 단계; 상기 배선이 형성될 영역에 금속을 매립시켜 배선을 형성하는 단계: 상기 금속 배선이 형성된 기판 전면에 제1 탄화실리콘막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성된 영역에 형성된 상기 제1 탄화실리콘막을 선택적으로 제거하는 단계; 상기 제1 탄화실리콘막이 제거된 영역에 제3 절연막을 형성시키는 단계; 및상기 제3 절연막상에 상기 포토다이오드와 얼라인되어 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 얼라인 되지 않으면서 상부 영역에 배치된 다층의 금속배선; 상기 다층의 금속배선에 각각 접합하여 배치된 다층의 탄화실리콘막; 및 상기 포토다이오드와 얼라인되어 그 상부영역에 배치된 마이크로 렌즈를 구비하며, 상기 탄화실리콘막은 상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈의 사이 영역에는 배치된되지 않는 시모스 이미지센서를 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면도이다.
도6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 가장 큰 특징은 구리배선에 의해 필수적으로 사용되는 탄화실리콘막(SiC)을 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이에는 제거한 것이다.
따라서 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이에는 하나의 레이어로 되어 있어 빛의 반사를 줄이고 실리콘 표면 즉, 포토다이오드가 형성된 영역까지 잘 투과할 수 있게 되어 광특성의 향상을 기대할 수 있다.
도7a 내지 도7f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.
도7a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 STI 형태의 소자분리막이 형성된 상태에서 포토다이오드(PD)를 형성한다.
이어서 게이트 패턴을 형성하고, TEOS + BPSG 로 된 절연막을 형성한다. 그 리고 탄화실리콘막(SiC)을 형성한 이후, 포토다이오드가 형성된 영역의 상부에는 형성된 SiC막을 제거한다.
이어서 도7b에 도시된 바와 같이, FSG막을 형성하고, 선택적으로 제거하고, 제거된 곳에 구리배선을 형성하고, 구비배선의 상부에 탄화실리콘막(SiC)막을 형성한다.
이 경우에도 포토다이오드가 형성된 영역의 상부에서는 탄화실리콘막(SiC)을 선택적으로 제거한다.
계속해서 도7c 내지 도7d에 도시된 바와 같이, 다층으로 형성되는 구리 배선을 형성하고, 각각의 구리배선에 탄화실리콘막(SiC)을 대응하여 형성시킨다.
이 경우에도 탄화실리콘막(SiC)을 형성하고, 선택적으로 제거하여 포토다이오드가 형성된 영역 상부에는 탄화실리콘막(SiC)이 형성되지 않도록 한다.
이어서 도7f에 도시된 바와 같이, 다층의 구리배선이 형성되고 나면, SiN + TEOS + SiN 막을 그 상부에 형성한다.
이어서 그 상부에 칼라필터와 OCL막, 마이크로 렌즈를 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
위에서 구리배선에 관해서 설명하였으나, 알루미늄배선을 이용하는 경우에 SiC막등이 사용된다면 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
본 발명은 시모스이미지 센서에서 구리배선을 사용하면서도, 구리배선간의 인터커넥션을 방지하기 위한 필수적으로 사용되는 SiC막을 포토다이오드의 상부영역에서는 형성하지 않아, 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드로 입사되는 효율을 높일 수 있게 되었다.
Claims (5)
- 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 포토다이오드가 형성된 기판상에 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드가 형성되지 않은 영역의 상기 제2 절연막을 선택적으로 제거하여 배선이 형성될 영역을 형성하는 단계;상기 배선이 형성될 영역에 금속을 매립시켜 배선을 형성하는 단계:상기 금속 배선이 형성된 기판 전면에 제1 탄화실리콘막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드가 형성된 영역에 형성된 상기 제1 탄화실리콘막을 선택적으로 제거하는 단계;상기 제1 탄화실리콘막이 제거된 영역에 제3 절연막을 형성시키는 단계; 및상기 제3 절연막상에 상기 포토다이오드와 얼라인되어 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속은구리 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 제1 내지 제3 절연막은 FSG막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 포토다이오드;상기 포토다이오드에 얼라인 되지 않으면서 상부 영역에 배치된 다층의 금속배선;상기 다층의 금속배선에 각각 접합하여 배치된 다층의 탄화실리콘막; 및상기 포토다이오드와 얼라인되어 그 상부영역에 배치된 마이크로 렌즈를 구비하며, 상기 탄화실리콘막은 상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈의 사이 영역에는 배치된되지 않는 시모스 이미지센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 금속배선은 구리 또는 알루미늄 배선인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
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KR100806781B1 (ko) | 2006-12-29 | 2008-02-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 |
KR100869219B1 (ko) * | 2007-05-03 | 2008-11-18 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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