KR20090035262A

KR20090035262A - 이미지 센서 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20090035262A
Application number: KR1020070100436A
Authority: KR
Inventors: 이윤기; 박병준
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09
Also published as: US20090140365A1

Abstract

이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는 픽셀 영역 및 패드 영역이 정의된 기판, 패드 영역의 기판 전면 상에 형성된 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물, 픽셀 영역의 상기 기판 내에 형성된 복수개의 광전 변환부, 각각의 광전 변환부를 구분하도록 기판 전면에서 기판의 적어도 일부를 관통하여 형성된 복수개의 소자 분리 영역, 패드 영역에 형성되며, 기판을 관통하여 제1 금속 배선층을 노출시키는 콘택홀, 기판을 관통하여 콘택홀을 둘러싸도록 형성되며, 기판의 전면에서 복수개의 소자 분리 영역과 같은 레벨에 형성된 절연층, 패드 영역에 형성되며, 기판의 후면에 형성되어 콘택홀을 통해 제1 금속층과 전기적으로 연결된 패드를 포함한다.

반도체 소자, 이미지 센서

Description

이미지 센서 및 그의 제조 방법{Image sensor and method of fabricating the same}

본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생산성이 향상된 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.

이미지 센서에서는 다층의 배선층 위에 형성된 렌즈로부터 배선층 사이를 통해 광전 변환부로 빛이 입사한다. 이러한 구조에서는 다층의 배선층의 레이아웃에 의해 장해(障害)를 받아 광전 변환부에 실제 도달하는 빛의 양은 충분하지 않다. 즉, 다층 배선층에 의해 광전 변환부에 대한 개구율이 작아져서 광전 변환부에 입사되는 빛의 양이 현저히 줄어들어, 감도가 저하될 수 있다.

이를 해결하기 위하여 타면 조사형의 이미지 센서를 구현한다. 타면 조사형 의 이미지 센서는 반도체 기판의 타면측(배선부와 반대측)으로부터 광을 조사하여 광전 변환부에서 수광을 하는 구조로서, 다층 배선층의 레이아웃에 의해 장해를 받지 않고 실효 개구율을 높이고 감도를 향상시킬 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생산성이 향상된 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 생산성이 향상된 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 일 태양은 픽셀 영역 및 패드 영역이 정의된 기판, 상기 패드 영역의 상기 기판 전면(frontside)에 형성된 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물, 상기 픽셀 영역의 상기 기판 내에 형성된 복수개의 광전 변환부, 상기 각각의 광전 변환부를 구분하도록 상기 기판 전면에서부터 상기 기판의 적어도 일부를 관통하여 형성된 복수개의 소자 분리 영역, 상기 패드 영역에 형성되며, 상기 기판을 관통하여 상기 제1 금속 배선층을 노출시키는 콘택홀, 상기 기판을 관통하여 상기 콘택홀을 둘러싸도록 형성되며, 상기 기판의 전면에서 상기 복수개의 소자 분리 영역과 같은 레벨에 형성된 절연층 및 상기 패드 영역에 형성되며, 상기 기판의 후면(backside)에 형성되어 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결된 패드를 포함한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 다른 태양은 기판, 상기 기판의 전면(frontside)에 형성된 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물, 상기 기판을 관통하여 상기 제1 금속 배선층을 노출시키는 콘택홀, 상기 기판의 후면(backside)에 형성되어 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결된 패드 및 상기 콘택홀을 둘러싸도록 상기 기판을 관통하여 형성되며, 상기 콘택홀을 둘러싸도록 상기 기판을 관통하여 형성되며, 상기 기판의 전면에서의 외부 경계면의 길이는 상기 기판의 후면에서의 횡방향 외부 경계면의 길이와 같거나 더 큰 절연층을 포함한다.

상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 제조 방법의 일 태양은 픽셀 영역 및 패드 영역이 정의된 기판을 제공하고, 상기 픽셀 영역에는 복수개의 소자 분리 영역을, 상기 패드 영역에는 적어도 하나의 절연층을 형성하고, 상기 픽셀 영역에 상기 복수개의 소자 분리 영역에 의해 구분되는 복수개의 광전 변환부를 형성하고, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 금속 배선들을 포함하는 구조물을 형성하고, 상기 기판의 전면(frontside)지지 기판을 본딩하고, 상기 절연층이 노출되도록 상기 기판의 후면(backside)을 식각하고, 상기 기판을 관통하여 상기 절연층에 의해 둘러싸이고 상기 금속 배선의 일부를 노출하는 콘택홀을 형성하고, 상기 기판의 후면에 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결되는 패드를 형성하는 것을 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따르면, 소자 분리 영역과 절연층을 동시에 형성하기 때문에, 특별한 추가 공정 없이도 콘택 및 패드를 효과적으로 절연할 수 있다. 따라서, 생산성이 향상되면서도 보다 안정적인 이미지 센서를 제조할 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(active pixel sensor array, APS arrray)(10), 타이밍 제너레이터(timing generator)(20), 로우 디코더(row decoder)(30), 로우 드라이버(row driver)(40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)(50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC)(60), 래치부(latch)(70) 및 컬럼 디코더(column decoder)(80) 등을 포함한다.

액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소를 포 함한다. 다수의 단위 화소들은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 로우 드라이버(40)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.

타이밍 제너레이터(20)는 로우 디코더(30) 및 컬럼 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.

로우 드라이버(40)는 로우 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.

상관 이중 샘플러(50)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, '잡음 레벨(noise level)')과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, '신호 레벨')을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.

아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

래치부(70)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 컬럼 디코더(80)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 하나의 반도체 칩으로 구현하였을 경우의 예시적 도면이다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 APS 어레이의 회로도이다. 도 3b는 도 2의 a 영역을 확대한 개략적인 레이아웃도로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 영역 일부의 개략적인 레이아웃도이다. 도 4는 도 2의 b 영역을 확대한 개략적인 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 패드 영역 일부를 나타낸 도면이다. 도 5는 도 3b의 Ⅰ-Ⅰ' 및 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'을 절단한 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 구현한 반도체 칩의 중심 영역에는 픽셀 영역(A)이 정의되고, 주변 영역에는 패드 영역(B)이 정의된다. 픽셀 영역(A)에는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소(100)를 포함하는 액티브 픽셀 센서 어레이가 형성되며, 패드 영역(B)에는 도 1에서 설명한 각종 신호, 전압 등이 입력 또는 출력되는 패드(620)들이 형성된다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 영역(A)에 형성되는 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(100)가 도 2에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수도 있다.

광전 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.

전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.

전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.

리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.

증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.

선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.

또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 패드 영역(B)에 형성되는 패드(620)는 패드(620)를 둘러싸도록 형성된 절연층(310)에 의해 주변 영역과 절연되어 형성된다.

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 자세히 설명한다. Ⅰ- Ⅰ' 은 도 3b에 도시된 픽셀 영역(A)의 단면도이고, Ⅱ-Ⅱ'은 도 4에 도시된 패드 영역(B)의 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 기판(105)의 전면(frontside) 상에 구조물(245, 345)이 형성된다.

기판(105)은 여러가지 종류가 사용될 수 있으며, 예를 들어, P형 또는 N형 벌크 기판을 사용하거나, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용하거나, N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용할 수도 있다. 또한, 반도체 기판 이외에도 유기(organic) 플라스틱 기판과 같은 기판도 사용할 수 있다. 도 5에 도시된 기판(105)은 연마 공정을 통해서 벌크 기판이 모두 제거되고 에피층만 남은 경우를 도시한 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 필요에 따라서는 벌크 기판의 일부를 남길 수도 있다.

구조물(240, 340)은 적층되어 형성된 복수개의 금속 배선(242, 246, 248, 342, 344, 346) 및 금속 배선(242, 246, 248, 342, 344, 346)을 구분하는 복수개의 층간 절연막들(245, 345)을 포함한다. 이 때, 패드 영역(B)의 기판(105) 전면에 가장 인접하게 형성된 금속층인 제1 금속 배선(342)는 콘택(622)과 접하도록 형성된 다.

한편, 일면이 기판(105) 전면과 접하는 구조물(240, 340)의 타면은 지지 기판(400)과 연결된다. 지지 기판(400)은 연마 공정을 통해서 얇아진 기판(105)의 강도를 확보하기 위한 것이다. 지지 기판(400)은 웨이퍼 등의 일반적으로 사용되는 반도체 기판 일 수 있다. 또는 기계적 강도가 유지할 수 있는 물질로 이루어진 것이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 예를 들어, 유리 기판을 사용할 수도 있다.

픽셀 영역(A)에는 소자 분리 영역(210)이 기판(105)을 관통하여 형성된다. 소자 분리 영역(210)은 기판(105)의 일부를 관통하여 형성될 수도 있으며, 기판(105)의 전체를 관통하여 형성될 수도 있다. 또는, 복수개의 소자 분리 영역(210) 중 일부는 기판(105)의 일부를 관통하여 형성되고 일부는 기판(105)의 전체를 관통하여 형성될 수도 있다. 여기서, 기판(105)의 일부를 관통하여 형성된다는 것은 기판(105)의 전면에서부터 기판(105)의 중간 영역까지 형성됨을 의미한다. 도 5에는 소자 분리 영역(210)이 기판(105)의 전체를 관통하여 형성된 것이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.

소자 분리 영역(210)은 기판(105)을 관통하여 형성된 트렌치를 산화막 등의 절연 물질이 매립하여 형성되며, 기판(105)의 전면과 멀어질수록 횡방향 단면적이 작아질 수 있다. 소자 분리 영역(210)은 예를 들어, STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있으며, 소자 분리 영역(210)의 깊이가 광전 변환부(110)의 깊이보다 깊게 형성된 DTI(Deep Trench Isolation)일 수도 있다.

소자 분리 영역(210)에 의해 분리된 영역에는 복수개의 광전 변환부(110)가 형성된다. 광전 변환부(110)는 P+형의 피닝층(pinning layer; 112) 및 N형의 포토 다이오드(114)를 포함한다. 피닝층(112)은 상부 기판 영역에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 줄이는 역할을 하며, 포토 다이오드(114)는 각 파장의 입사광에 대응하여 생성된 전하가 축적된다. 또한, 포토 다이오드(114)의 최대 불순물 농도는 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁸ 원자/cm3일 수 있고, 피닝층(112)의 불순물 농도는 1×10¹⁷ 내지 1×10²⁰ 원자/cm3 일 수 있다. 다만, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다. 한편, 도 5에는 기판(105)의 일부에만 형성된 포토 다이오드(114)가 형성되었으나, 이에 제한되지 않으며, 포토 다이오드(114)는 기판(105)의 대부분을 차지하도록 형성할 수도 있다. 또는 포토 다이오드(114) 하부에 불순물 영역을 더 형성하여 포토 다이오드(114)의 전하 축적을 도울 수도 있다.

패드 영역(B)에는 기판(105)을 관통하여 링 형상으로 절연층(310)이 형성된다. 절연층(310)은 도 4에 도시된 바와 같이, 사각 링일 수도 있고 원형 링일 수도 있다. 또는 다각형 형상의 링일 수도 있다. 절연층(310)은 기판(105)의 전면에서의 횡방향 단면적이 기판(105)의 후면(backside)에서의 횡방향 단면적과 같거나 더 크다. 또한, 절연층(310)의 기판(105)의 전면에서의 외부 경계면의 길이는 기판(105)의 후면에서의 횡방향 외부 경계면의 길이와 같거나 더 크다.

즉, 절연층(310)은 기판(105) 후면으로 갈수록 외부 경계면이 형성하는 도형이 작아지거나, 외부 경계면이 형성하는 도형이 일정하다. 따라서, 기판(105) 후면 으로 갈수록 단면적이 작아지거나, 단면적이 일정하다. 절연층(310)은 기판(105)의 전면에서 복수개의 소자 분리 영역(210)과 같은 레벨에 형성될 수 있다. 즉, 절연층(310)은 기판(105)의 전체를 관통하여 형성되고, 소자 분리 영역(210)은 기판(105)의 일부 또는 전체를 관통하여 형성되므로, 기판(105)의 전면에서는 소자 분리 영역(210)과 절연층(310)의 레벨이 같으나, 기판(105)의 후면에서는 소자 분리 영역(210)과 절연층(310)의 레벨이 다를 수 있다.

또한, 절연층(310) 내부의 기판(105)을 관통하여 제1 금속 배선(342)을 노출하는 콘택홀(610)이 형성되며, 콘택홀(610) 내부에는 콘택(622)이 형성되어, 기판(105) 후면에 형성된 패드(620)와 제1 금속 배선(342)을 연결한다.

기판(105)의 후면 상에는 반사 방지막(510) 및 버퍼막(520)이 형성될 수 있다. 반사 방지막(510)은 포토 공정에서 사용하는 광의 파장에 따라, 물질/두께가 달라질 수 있다. 예를 들어, 반사 방지막(510)으로 약 50-200Å 두께의 실리콘 산화막과, 약 300-500Å 두께의 실리콘 질화막을 적층하여 사용할 수 있다. 반사 방지막(510) 상에는 버퍼막(520)이 배치된다. 버퍼막(520)은 패드(620)를 형성하기 위한 패터닝 공정에서 기판(105)이 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 버퍼막(520)으로는 예를 들어, 약 3000-8000Å 두께의 실리콘 산화막을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 따르면, 절연층(310)이 효과적으로 콘택(622) 및 패드(620)를 기판(105)과 절연시켜 준다. 따라서, 스페이서 등을 따로 형성하지 않아도, 기판(105)과 콘택(622) 및 패드(620)가 절연됨으로써, 이미 지 센서의 안정성이 향상될 수 있다. 그러나, 본 발명의 이미지 센서의 콘택홀(610) 측벽에 스페이서(미도시)가 부가적으로 형성되어도 무방하다.

이하, 도 6 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 6 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 사용된 기판(105)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역(A) 및 패드 영역(B)이 정의되어 있으며, 도 6 내지 도 12에서는 픽셀 영역(A)의 단면인 Ⅰ- Ⅰ' 영역과, 패드 영역(B)의 단면인 Ⅱ-Ⅱ' 영역이 도시되어 있다.

우선, 도 6을 참조하면, 기판(105)을 제공한다. 기판(105)은 일반적인 실리콘 반도체 기판, SOI(Semiconductor On Insulator) 기판, 갈륨 비소 반도체 기판, 실리콘 게르마늄 반도체 기판, 세라믹 반도체 기판, 석영 반도체 기판, 또는 디스플레이용 유리 반도체 기판 등을 사용할 수 있음은 물론이다.

이어서, 도 7을 참조하면, 픽셀 영역(A)의 기판(105) 내에 소자 분리 영역(210)을 형성하고, 패드 영역(B)의 기판(105) 내에 절연층(310)을 형성한다. 이 때, 소자 분리 영역(210)은 STI 또는 DTI로 형성할 수 있다. 도 7에는 충분히 깊은 깊이로 형성된 DTI로 형성된 소자 분리 영역(210)들이 도시되어 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

절연층(310)은 소자 분리 영역(210)과 동시에 형성한다. 즉, 소자 분리 영역(210)을 형성하기 위한 사진 식각 공정을 진행할 때에 패드 영역(B) 상에도 마스크 패턴을 형성하여 절연층(310)을 동시에 형성한다. 이 때, 절연층(310)의 깊이는 소자 분리 영역(210)과 같아질 수 있으나, 달라질 수도 있다. 즉, 절연층(310)의 깊이는 소자 분리 영역(210)보다 깊을 수도 있으며, 얕을 수도 있고, 같을 수도 있다. 여기서, 절연층(310)은 후속 공정에서 패드(620)를 절연시키기 위한 목적으로 사용되므로, 충분히 깊게 형성해야 하며, 예를 들어, 약 3-20㎛의 깊이로 형성할 수 있다. 또한, 절연층(310)은 도 4에 도시된 바와 같이 링 형상으로 형성할 수 있다. 즉, 중앙에 고립된 영역이 생기도록 형성할 수 있다. 또는 절연층(310)은 중앙에 고립된 영역이 생기지 않는 내부가 완전히 채워지도록 형성될 수도 있다.

한편, 소자 분리 영역(210) 및 절연층(310)은 기판(105) 하부로 갈수록 횡방향 단면적이 작아진다. 이것은 사진 식각 공정을 진행할 때에 깊이가 깊어짐에 따라 식각 가스가 도달하는 양이 줄어들기 때문이다. 즉, 깊이가 깊어지면 기판(105)이 식각되는 양이 적어지기 때문에 트렌치의 폭이 줄어들게 되고, 따라서 소자 분리 영역(210) 및 절연층(310)의 횡방향 단면적은 기판(105) 전면에서 가장 크고, 기판(105) 하부로 갈수록 작아진다.

이어서, 도 8을 참조하면, 픽셀 영역(A)의 기판(105) 내에 소자 분리 영역(210)에 의해 분리된 광전 변환부(110)를 형성한다. 광전 변환부(110)는 이온 주입 공정에 의해 형성되는 피닝층(112) 및 포토 다이오드(114)를 포함할 수 있다. 도 8에는 소자 분리 영역(210)보다 얕은 깊이로 형성된 광전 변환부(110)가 형성되어 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 다만, 소자 분리 영역(210)이 DTI로 형성된 경우, 광전 변환부(110)의 깊이보다 소자 분리 영역(210)의 깊이가 더 깊을 수 있다. 한편, 광전 변환부(110) 하부에는 하부 영역과 상부 영역을 분리하는 깊은 웰 (점선 표시)을 형성할 수도 있다.

또한, 광전 변환부(110)와 함께 이미지 센서의 구동에 필요한 트랜지스터들(도 3b의 130, 140 내지 160) 및 전하 검출부(도 3b의 120)을 형성한다.

이어서, 도 9를 참조하면, 기판(105)의 전면에 금속 배선들(242, 244, 246, 342, 344, 346)이 층간 절연막들(245, 345) 사이에 차례로 적층되어 형성된 구조물(240, 340)을 형성한다. 이 때, 패드 영역(B)의 금속 배선들(342, 344, 346)은 기판(105) 상에 인접하여 형성된 제1 금속 배선(342)을 포함한다.

이어서, 도 10을 참조하면, 기판(105)의 전면에 형성된 구조물(240, 340) 상에 지지 기판(400)을 본딩한다. 지지 기판(400)을 본딩할 때에는 평탄화된 구조물(240, 340) 상에 접착막을 형성하고, 지지 기판(400)의 일면에 접착막을 형성한 후, 접착막끼리 서로 대향하도록 하여 본딩한다.

이어서, 기판(105)의 상하를 반전시켜, 기판(105)의 후면을 연마한다. 구체적으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing), BGR(Back Grinding), 반응성 이온 에칭 혹은 이들의 조합을 이용하여 기판(105)의 후면을 연마한다. 연마되고 남은 기판(105)의 두께는 예를 들어, 약 3-20㎛일 수 있다. 기판(105)의 후면을 연마할 때에는 절연층(310)이 노출될 때까지 연마를 진행한다. 이 때, 소자 분리 영역(210)은 노출될 수도 있고, 노출되지 않을 수도 있다.

이어서, 도 11을 참조하면, 연마된 기판(105)의 후면에 반사 방지막(510) 및 버퍼막(520)을 형성한다. 반사 방지막(510)은 예를 들어, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용해서, 약 50-200Å 두께의 실리콘 산화막과, 약 300-500Å 두께의 실리콘 질화막을 적층하여 형성할 수 있으며, 버퍼막(144)은 예를 들어, CVD 방법을 이용해서, 약 3000-8000Å 두께의 실리콘 산화막을 적층하여 형성할 수 있다.

이어서, 버퍼막(520) 상에 하드마스크 패턴(530)을 형성하는데, 하드마스크 패턴(530)은 절연층(310)의 중심 영역의 일부가 노출되도록 형성한다. 이 때, 노출되는 영역은 절연층(310)이 링 형상인 경우, 링의 내부 영역일 수도 있고, 링의 내부 영역 및 절연층(310)과 일부 오버랩된 영역일 수도 있다. 도 11에는 링의 내부 영역을 노출하는 하드마스크 패턴(530)이 형성되어 있다. 또는, 절연층(310)이 링 형상이 아니라, 내부가 전부 매립된 형상인 경우, 절연층(310)의 일부, 즉, 절연층(310)의 중심 영역을 노출하도록 하드마스크 패턴(530)이 형성될 수도 있다.

이어서, 도 12를 참조하면, 하드마스크 패턴(530)을 식각마스크로 하여, 콘택홀(610)을 형성한다. 콘택홀(610)은 기판(105)을 관통하여, 제1 금속 배선(342)이 노출되도록 형성한다. 콘택홀(610)은 이방성 에칭 공정으로 형성할 수 있다. 이 때, 절연층(310)이 내부가 전부 매립된 형상으로 하드마스크 패턴(530)이 절연층(310)의 중심 영역을 노출하도록 형성된 경우, 콘택홀(610)은 절연층(310)을 관통하여 제1 금속 배선(342)이 노출되도록 형성할 수도 있다.

이어서, 다시 도 5를 참조하면, 버퍼막(520) 및 콘택홀(610) 내에 도전 물질(미도시)을 컨포멀하게 형성하고, 패터닝하여, 콘택(622) 및 패드(620)를 형성한다. 도 5에는 연결되어 형성된 콘택(622) 및 패드(620)가 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않으며, 별도 공정으로 콘택(622)을 먼저 형성하고, 콘택(622)을 통해 제 1 금속 배선(342)과 전기적으로 연결된 패드(620)를 형성할 수도 있다. 한편, 콘택(622)이 둘레에는 절연층(310)이 형성되어 있기 때문에, 콘택(622) 및 패드(620)는 기판(105)과 절연될 수 있다. 따라서, 특별한 추가 공정 없이도 콘택(622) 및 패드(620)를 절연할 수 있다. 그러나, 안전을 기하기 위해, 콘택홀(610) 측벽에 스페이서(미도시)를 부가적으로 형성할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따르면, 소자 분리 영역(210)과 절연층(310)을 동시에 형성하기 때문에, 특별한 추가 공정 없이도 콘택(622) 및 패드(620)를 효과적으로 절연할 수 있다. 따라서, 생산성이 향상되면서도 보다 안정적인 이미지 센서를 제조할 수 있다.

이하, 도 13 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명한다. 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일 실시예와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 기판(105)의 전체를 관통하지 않은 소자 분리 영역(212)을 포함한다. 즉, 소자 분리 영역(212)이 기판(105)의 후면에 노출되지 않는다. 또한, 도 13에는 광전 변환부(110)의 깊이보다 깊은 소자 분리 영역(212)이 도시되어 있지만, 소자 분리 영 역(212)은 광전 변환부(110)보다 작은 길이를 가질 수도 있다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 기판(105)의 전체를 관통하지 않은 소자 분리 영역(212)과, 기판(105)의 전체를 관통한 소자 분리 영역(210)을 모두 포함한다. 즉, 복수개의 소자 분리 영역(210, 202)은 서로 다른 깊이를 가질 수도 있다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 콘택홀(610)이 절연층(312)을 관통하여 형성되어, 콘택(622)이 절연층(310)과 접하여 형성되어 있다. 이러한 구조는 콘택홀(610)을 형성할 때에 콘택홀(610)의 너비를 넓게 하여 절연층(310)이 노출되도록 형성될 수도 있고, 또는 절연층(310)을 형성할 때에 내부가 매립되도록 형성하여, 콘택홀(610)을 절연층(310)을 관통하여 형성되도록 하여 형성할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대한 설명으로부터 본 발명이 속하는 당업자가 용이하게 유추할 수 있으므로 설명을 생략한다.

도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.

도 16을 참조하면, 프로세서 기반 시스템(700)은 CMOS 이미지 센서(710)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 시스템(700)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(700)은 버스(705)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(720)를 포함한다. CMOS 이미지 센서(710)는 버스(705) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(700)은 버스(705)를 통해 CPU(720)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(740), 플로피디스크 드라이브(750) 및/또는 CD ROM 드라이브(755), 및 포트(760)을 더 포함할 수 있다. 포트(760)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. CMOS 이미지 센서(710)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.

이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 하나의 반도체 칩으로 구현하였을 경우의 예시적 도면이다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 APS 어레이의 회로도이다.

도 3b는 도 2의 a 영역을 확대한 개략적인 레이아웃도이다.

도 4는 도 2의 b 영역을 확대한 개략적인 도면이다.

도 5는 도 3b의 Ⅰ-Ⅰ' 및 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'을 절단한 단면도이다.

도 6 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 13 내지 도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 아미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

10: 액티브 픽셀 센서 어레이 20: 타이밍 제너레이터

30: 로우 디코더 40: 로우 드라이버

50: 상관 이중 샘플러 60: 아날로그 디지털 컨버터

70: 래치부 80: 컬럼 디코더

100: 단위 화소 105: 기판

110: 광전 변환부 112: 피닝층

114: 포토 다이오드 120: 전하 검출부

130: 전하 전송부 140: 리셋부

150: 증폭부 160: 선택부

210, 212: 소자 분리 영역 240, 340: 구조물

242, 246, 248, 342, 344, 346: 금속 배선

235, 345: 층간 절연막 310, 312: 절연층

400: 지지 기판 510: 반사 방지막

520: 버퍼막 530: 하드마스크 패턴

610: 콘택홀 620: 패드

622: 콘택

Claims

픽셀 영역 및 패드 영역이 정의된 기판;

상기 패드 영역의 상기 기판 전면(frontside)에 형성된 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물;

상기 픽셀 영역의 상기 기판 내에 형성된 복수개의 광전 변환부;

상기 각각의 광전 변환부를 구분하도록 상기 기판 전면에서부터 상기 기판의 적어도 일부를 관통하여 형성된 복수개의 소자 분리 영역;

상기 패드 영역에 형성되며, 상기 기판을 관통하여 상기 제1 금속 배선층을 노출시키는 콘택홀;

상기 기판을 관통하여 상기 콘택홀을 둘러싸도록 형성되며, 상기 기판의 전면에서 상기 복수개의 소자 분리 영역과 같은 레벨에 형성된 절연층; 및

상기 패드 영역에 형성되며, 상기 기판의 후면(backside)에 형성되어 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결된 패드를 포함하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 절연층은 링 형상인 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 절연층의 상기 기판의 전면에서의 외부 경계면의 길이는 상기 기판의 후면에서의 횡방향 외부 경계면의 길이와 같거나 더 큰 절연층을 포함하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 절연층은 상기 소자 분리 영역과 동일한 물질로 형성된 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 절연층은 상기 기판을 관통하여 형성된 트렌치 및 상기 트렌치를 적어도 일부 매립하는 절연 물질을 포함하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 패드와 상기 제1 금속층은 상기 콘택홀 내에 형성된 콘택에 의해 전기적으로 연결된 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 구조물은 순차적으로 적층된 복수개의 금속 배선 및 상기 각 금속 배선을 분리하는 다층의 층간 절연막을 포함하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 기판의 전면에 형성된 상기 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물 상에는 지지 기판이 부착된 이미지 센서.
기판;

상기 기판의 전면(frontside)에 형성된 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물;

상기 기판을 관통하여 상기 제1 금속 배선층을 노출시키는 콘택홀;

상기 기판의 후면(backside)에 형성되어 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결된 패드; 및

상기 콘택홀을 둘러싸도록 상기 기판을 관통하여 형성되며, 상기 기판의 전면에서의 외부 경계면의 길이는 상기 기판의 후면에서의 횡방향 외부 경계면의 길이와 같거나 더 큰 절연층을 포함하는 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 절연층은 링 형상인 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 기판 내에 형성된 복수개의 광전 변환부 및 상기 각 광전 변환부를 분리하는 복수개의 소자 분리 영역을 더 포함하는 이미지 센서.
제 11항에 있어서,

상기 복수개의 소자 분리 영역은 상기 기판 전면에서 상기 기판의 적어도 일부를 관통하여 형성되며, 상기 절연층은 상기 기판의 전면에서 상기 소자 분리 영역과 같은 레벨에 형성된 이미지 센서.
제 11항에 있어서,

상기 절연층은 상기 소자 분리 영역과 동일한 물질로 형성된 이미지 센서.
제 11항에 있어서,

상기 소자 분리 영역의 적어도 하나는 상기 기판을 관통하여 형성된 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 절연층은 상기 기판을 관통하여 형성된 트렌치 및 상기 트렌치를 적어도 일부 매립하는 절연 물질을 포함하는 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 패드와 상기 제1 금속층은 상기 콘택홀 내에 형성된 콘택에 의해 전기적으로 연결된 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 기판의 전면에 형성된 상기 제1 금속 배선층을 포함하는 구조물 상에는 지지 기판이 부착된 이미지 센서.
픽셀 영역 및 패드 영역이 정의된 기판을 제공하고,

상기 픽셀 영역에는 복수개의 소자 분리 영역을, 상기 패드 영역에는 적어도 하나의 절연층을 형성하고,

상기 픽셀 영역에 상기 복수개의 소자 분리 영역에 의해 구분되는 복수개의 광전 변환부를 형성하고,

상기 기판 상에 순차적으로 적층된 금속 배선들을 포함하는 구조물을 형성하고,

상기 기판의 전면(frontside)지지 기판을 본딩하고,

상기 절연층이 노출되도록 상기 기판의 후면(backside)을 식각하고,

상기 기판을 관통하여 상기 절연층에 의해 둘러싸이고 상기 금속 배선의 일부를 노출하는 콘택홀을 형성하고,

상기 기판의 후면에 상기 콘택홀을 통해 상기 제1 금속층과 전기적으로 연결되는 패드를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 절연층의 깊이는 상기 소자 분리 영역의 깊이와 같거나 상기 소자 분리 영역보다 깊게 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 절연층의 상기 기판의 전면에서의 횡방향 단면적은 상기 기판의 후면에서의 횡방향 단면적과 같거나 더 큰 이미지 센서의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 절연층과 상기 소자 분리 영역은 동시에 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 기판의 하면을 식각할 때에 상기 소자 분리 영역의 적어도 하나는 노출되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 픽셀 영역에는 복수개의 소자 분리 영역을, 상기 패드 영역에는 적어도 하나의 링 형상의 절연층을 형성하는 것은,

상기 픽셀 영역의 기판 내에 형성된 복수개의 제1 트렌치 및 상기 패드 영역의 기판 내에 형성된 적어도 하나의 제2 트렌치를 형성하고,

상기 제1 및 제2 트렌치를 절연 물질로 매립하여, 상기 픽셀 영역에는 복수개의 소자 분리 영역을, 상기 패드 영역에는 적어도 하나의 링 형상의 절연층을 형 성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.