KR20090032491A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 기판에 하부배선을 포함하여 형성된 회로(circuitry); 상기 하부배선과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판상에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상에 형성된 반사방지막; 및 상기 반사방지막 상에 형성된 컬러필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이미지센서, 크로스토크, 컬러필터, 포토다이오드

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}

실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.

씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.

종래기술에 의한 씨모스 이미지센서는 빛 신호를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역(미도시)과, 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역(미도시)으로 구분할 수 있다.

그런데, 종래기술에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드가 트랜지스터와 수평으로 배치되는 구조이다.

물론, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의해 CCD 이미지센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에는 여전히 문제점들이 있다.

즉, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판상에 상호 수평으로 인접하여 제조된다. 이에 따라, 포토다이오드를 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 또한 레졀류션(Resolution)의 가능성을 제한하는 문제가 있다.

또한, 종래기술에 의하면 다음과 같은 원인으로 인해 크로스토크(Cross talk)가 발생한다.

첫째, 스펙트럼 크로스토크(Spectral Crosstalk)는 불완전한 컬러필터(Color Filter)를 통하여 원하지 않는 빛이 통과해서 발생하게 된다.

둘째, 전기적 크로스토크(Electrical Crosstalk)는 장파장으로 생긴 캐리어(Carrier)들이 인접 픽셀(Pixel)로 넘어가서 영향을 미치게 되고, 이것이 크로스토크(Crosstalk)를 유발시키게 한다.

마지막으로 옵티컬 스페이셜 크로스토크(Optical spatial Crosstalk)는 크로스토크(Crosstalk)를 유발시키는 가장 중요한 원인이라고 볼 수 있는데, 컬러필터(Color Filter)와 마이크로렌즈(Microlens)는 메탈(Metal)과 층간절연층(IMD)로 인해 픽셀표면(Pixel Surface)로부터 일정한 초점거리(Focal Length)를 두고 떨어져 있다. 이때 소수의 빛이 일정한 앵글(Angle)을 가지고 마이크로렌즈(Microlens)와 컬러필터(Color Filter)를 통해 입사하게 되면, 부분적으로 인접 픽셀(Pixel)에 흡수될 수 있고, 이것이 크로스토크(Crosstalk)를 유발시킬 수 있다. 크로스토크(Crosstalk) 현상이 계속 발생한다면 이미지센서의 수율 감소 및 이미지특성에 문제가 된다.

또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터를 동시에 제조하는 공정에 대한 최적화를 달성하는 점이 매우 어려운 문제가 있다. 즉, 신속한 트랜지스터 공정에서는 작은 면저항(low sheet resistance)을 위해 샐로우 졍션(shallow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 졍션(shallow junction)이 적절하지 않을 수 있다.

또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 추가적인 온칩(on-chip) 기능들이 이미지센서에 부가되면서 단위 화소의 크기가 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 포토다이오드를 위한 면적이 픽셀사이즈를 유지하기 위해 감소돼야한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가하면 이미지센서의 레졀류션(Resolution)이 감소하게 되며, 또한, 포토다이오드의 면적이 감소하면 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.

실시예는 회로(circuitry)와 포토다이오드의 새로운 집적을 제공할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 레졀류션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 이미지센서는 기판에 하부배선을 포함하여 형성된 회로(circuitry); 상기 하부배선과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판상에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상에 형성된 반사방지막; 및 상기 반사방지막 상에 형성된 컬러필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 하부배선을 포함하는 회로(circuitry)를 기판상에 형성하는 단계; 상기 하부배선과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및 상기 반사방지막 상에 컬러필터를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 포토다이오드와 컬러필터 사이에 반사방지막을 채용함으로써 크로스토크를 방지할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공정비용을 감축할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.

또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있다.

이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

실시예의 설명에 있어서 씨모스이미지센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.

실시예에 따른 이미지센서는 기판(110)에 하부배선(130)을 포함하여 형성된 회로(circuitry)(미도시); 상기 하부배선(130)과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판(110)상에 형성된 포토다이오드(140); 상기 포토다이오드(140) 상에 형성된 반사방지막(150); 및 상기 반사방지막(150) 상에 형성된 컬러필터(160);를 포함할 수 있다.

실시예에 따른 이미지센서에 의하면, 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있고, 이에 따라 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 반사방지막을 채용함으로써 크로스토크를 방지할 수 있다.

예를 들어, 실시예는 각 화소(Pixel) 별로 반사방지막(150)을 형성할 수 있 다. 즉, 컬러필터(160)가 제1 컬러필터(161), 제2 컬러필터(162) 및 제3 컬러필터(163)를 포함하는 경우, 반사방지막(150)은 각각의 컬러필터에 대응하여 제1 반사방지막(151), 제2 반사방지막(152) 및 제3 반사방지막(153)을 포함하여 형성될 수 있다.

이로써, 예를 들어 도 1과 같이 제2 컬러필터(162)를 통과한 직사광(L1)과 회절광(L2)이 인접 픽셀로 흡수되는 것을 차단하여 크로스토크를 방지할 수 있다.

특히, 제2 컬러필터(162)를 통과한 회절광(L2)이나 틸트된 광(미도시)은 제2 반사방지막(152)에 의해 인접픽셀로 흡수되는 것을 방지하여 크로스토크를 방지할 수 있다.

도 2 내지 도 3을 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.

우선, 도 2와 같이 하부배선(130)을 포함하는 회로(circuitry)(미도시)를 기판(110)상에 형성한다.

예를 들어, 기판(110) 상에 게이트 절연막(미도시)과 게이트 전극(미도시)를 포함하는 트랜지스터(미도시)를 형성한다. 실시예에 따른 이미지센서는 트랜지스터의 개수가 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 1.5개(공유하는 경우) 등 다양할 수 있다.

이후, 상기 트랜지스터가 형성된 기판(110)상에 층간절연층(120)을 형성하고, 하부배선(130)을 형성한다. 상기 하부배선(130)은 하부메탈(미도시)과 플러그(미도시)를 포함할 수 있다. 하부메탈은 복수로 형성될 수 있다. 상기 하부배 선(130) 상에는 텅스텐, 타이타늄, 탄탈륨 또는 이들의 질화물 등으로 형성된 배리어메탈(미도시)이 형성될 수 있다.

그 다음으로, 도 3과 같이 상기 하부배선(130)과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판(110)상에 포토다이오드(140)를 형성한다.

예를 들어, 상기 포토다이오드(140)는 비정질 실리콘의 증착에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, N형으로 도핑된 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 증착하여 N형 전도층(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 N형 전도층 상에 비정질 실리콘(n-doped amorphous silicon)을 증착하여 진성층(intrinsic layer)(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 진성층 상에 P형으로 도핑된 비정질 실리콘(p-doped amorphous silicon)을 증착하여 P형 전도층(미도시)을 형성함으로써 PIN 타입 포토다이오드(140)를 형성할 수 있다.

또는, 상기 포토다이오드(140)는 결정형 실리콘층(미도시)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)외의 별도의 결정형 실리콘층(미도시)을 준비하고, 상기 결정형 실리콘층에 이온주입에 의해 N형 이온주입영역과 P형 이온주입영역을 만들어서 포토다이오드(140)를 형성하고, 포토다이오드가 상기 기판(110)의 하부배선(130)과 접촉하도록 결정형 실리콘층과 상기 기판(110)을 본딩할 수 있다. 이때, 결정형 실리콘층에서 포토다이오드(140) 외의 영역은 제거해낸다.

그 다음으로, 상기 포토다이오드(140) 상에 투명전극(미도시)을 ITO 등으로 형성할 수 있다.

다음으로, 상기 포토다이오드(140) 상에 반사방지막(150)을 형성한다. 실시 예에 의하면 반사방지막을 채용함으로써 크로스토크를 방지할 수 있다.

예를 들어, 실시예는 각 화소(Pixel) 별로 반사방지막(150)을 형성할 수 있다. 즉, 컬러필터(160)가 제1 컬러필터(161), 제2 컬러필터(162) 및 제3 컬러필터(163)를 포함하는 경우, 반사방지막(150)은 각각의 컬러필터에 대응하여 제1 반사방지막(151), 제2 반사방지막(152) 및 제3 반사방지막(153)을 포함하여 형성될 수 있다.

예를 들어, 실시예는 제1 포토다이오드(미도시) 상에 제1 반사방지막(151)을 형성한 후 제1 컬러필터(161)를 형성한다. 이후, 제2 포토다이오드(미도시) 상에 제2 반사방지막(152)을 형성한 후 제2 컬러필터(162)를 형성한다. 이후, 제3 포토다이오드(미도시) 상에 제3 반사방지막(153)을 형성한 후 제3 컬러필터(163)를 형성할 수 있다.

이로써, 도 3과 같이 예를 들어 제2 컬러필터(162)를 통과한 직사광(L1)과 회절광(L2)이 인접 픽셀로 흡수되는 것을 차단하여 크로스토크를 방지할 수 있다.

특히, 제2 컬러필터(162)를 통과한 회절광(L2)이나 틸트된 광(미도시)은 제2 반사방지막(152)에 의해 인접픽셀로 흡수되는 것을 방지하여 크로스토크를 방지할 수 있다.

실시예에서, 상기 반사방지막(150)은 감광막과 같은 카본계열 물질을 채용함으로써 컬러필터(160)를 통과한 직사광(L1) 또는 회절광(L2)이 인접 픽셀로 흡수되는 것을 차단하여 크로스토크를 방지할 수 있다.

또한, 실시예에서 반사방지막(150)의 두께는 하부의 굴절률을 고려하여 약 300Å~1,500Å으로 형성할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.

도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.

도 2 내지 도 3은 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.

Claims (7)

1. 기판에 하부배선을 포함하여 형성된 회로(circuitry);

   상기 하부배선과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판상에 형성된 포토다이오드;

   상기 포토다이오드 상에 형성된 반사방지막; 및

   상기 반사방지막 상에 형성된 컬러필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 반사방지막은 각 화소(Pixel) 별로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 반사방지막은

   카본계열 물질인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 반사방지막의 두께는 약 300Å~1,500Å인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
5. 하부배선을 포함하는 회로(circuitry)를 기판상에 형성하는 단계;

   상기 하부배선과 전기적으로 연결되도록 상기 회로 상측의 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계;

   상기 포토다이오드 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및

   상기 반사방지막 상에 컬러필터를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 반사방지막을 형성하는 단계와 상기 컬러필터를 형성하는 단계는,

   제1 포토다이오드 상에 제1 반사방지막을 형성한 후 제1 컬러필터를 형성하는 단계;

   제2 포토다이오드 상에 제2 반사방지막을 형성한 후 제2 컬러필터를 형성하는 단계; 및

   제3 포토다이오드 상에 제3 반사방지막을 형성한 후 제3 컬러필터를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 반사방지막은

   카본계열 물질인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.

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