(57)【要約】【課題】トランジスター回路とフォトダイオードの垂直型集積を提供することができるイメージセンサー及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】単位ピクセルを含む半導体基板と、前記半導体基板上に単位ピクセル別に配置された金属配線を含む層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に単位ピクセル別に配置されて、互いに違う大きさで形成された複数の下部電極と、前記下部電極を含む層間絶縁膜上に配置されたフォトダイオードと、前記フォトダイオード上に単位ピクセル別に配置されたカラーフィルターを含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位ピクセルを含む半導体基板と、
前記半導体基板上に単位ピクセル別に配置された金属配線を含む層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に単位ピクセル別に配置されて、互いに違う大きさで形成された複数の下部電極と、
前記下部電極を含む層間絶縁膜上に配置されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオード上に単位ピクセル別に配置されたカラーフィルターを含むイメージセンサー。
【請求項２】
前記下部電極の中で、どれかの一つは残りの一つより小さな大きさで形成された請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項３】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極上に配置されたカラーフィルターは、グリーンカラーフィルターを含む請求項２に記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極上に配置されたカラーフィルターは、レッド又はブルーカラーフィルターを含む請求項２に記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極に対応する前記カラーフィルター上には、マイクロレンズが配置された請求項２に記載のイメージセンサー。
【請求項６】
半導体基板上に単位ピクセル別に形成された金属配線を含む層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜上に単位ピクセル別に形成されて、互いに違う大きさを持つ複数の下部電極を形成する段階と、
前記下部電極を含む層間絶縁膜上にフォトダイオードを形成する段階と、
前記フォトダイオード上に単位ピクセル別にカラーフィルターを形成する段階を含むイメージセンサーの製造方法。
【請求項７】
前記下部電極を形成する段階は、前記層間絶縁膜上に下部電極層を形成する段階と、前記下部電極層をパターニングして前記金属配線と繋がる下部電極を形成する段階を含んで、前記下部電極中のどれかの一つは残りの一つより小さな大きさで形成される請求項６に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項８】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極上に形成されるカラーフィルターは、グリーンカラーフィルターを含む請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極上に形成されるカラーフィルターは、レッド又はブルーカラーフィルターを含む請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０】
前記下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極に対応する前記カラーフィルター上にマイクロレンズを形成する段階を含む請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施例では、イメージセンサ及びその製造方法が開示される。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサーは、光学的映像(Optical Image)を電気信号に変換させる半導体素子として、 大きく電荷結合素子(charge coupled device：CCD)イメージセンサーと、シーモス(Complementary Metal Oxide Silicon：CMOS)イメージセンサー(CIS)を含む。
【０００３】
シーモスイメージセンサーは、単位画素内にフォトダイオードとモストランジスタを形成させることで、スイチング方式で各単位画素の電気的信号を順次に検出して映像を具現する。
【０００４】
シーモスイメージセンサーは、光信号を受けて電気信号に変えてくれるフォトダイオード(Photo diode)領域と、この電気信号を処理するトランジスターが半導体基板に水平に配置される構造である。
【０００５】
水平型シーモスイメージセンサーによると、フォトダイオードとトランジスターが基板上に相互水平に隣接して形成される。これによって、フォトダイオード形成のための追加的な領域が要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施例は、トランジスター回路とフォトダイオードの垂直型集積を提供することができる、イメージセンサー及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施例によるイメージセンサーは、単位ピクセルを含む半導体基板と、前記半導体基板上に単位ピクセル別に配置された金属配線を含む層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に単位ピクセル別に配置されて、互いに違う大きさで形成された複数の下部電極と、前記下部電極を含む層間絶縁膜上に配置されたフォトダイオードと、前記フォトダイオード上に単位ピクセル別に配置されたカラーフィルターを含む。
【０００８】
実施例によるイメージセンサーの製造方法は、半導体基板上に単位ピクセル別に形成された金属配線を含む層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜上に単位ピクセル別に形成されて、互いに違う大きさを持つ複数の下部電極を形成する段階と、前記下部電極を含む層間絶縁膜上にフォトダイオードを形成する段階と、前記フォトダイオード上に単位ピクセル別にカラーフィルターを形成する段階を含む。
【発明の効果】
【０００９】
実施例によるイメージセンサーの製造方法によれば、フォトダイオードの光電子を下部の回路に伝達する第１及び第２下部電極が、互いに違う大きさで形成されて離隔距離が広くなるので、クロストークを改善することができる。
【００１０】
また、前記第１及び第２下部電極の中で、小さな大きさで形成された下部電極上にマイクロレンズが形成されてイメージ特性を向上させることができる。
【００１１】
実施例によるイメージセンサー及びその製造方法によれば、トランジスター回路(circuitry)とフォトダイオードの垂直型集積を提供することができる。
【００１２】
また、実施例によれば、トランジスター回路(circuitry)とフォトダイオードの垂直型集積によって、充てん比(fill factor)を１００％に近接させることができる。
【００１３】
また、実施例によれば、従来技術より、垂直型集積によって、同じピクセルサイズで高い感度(sensitivity)を提供することができる。
【００１４】
また、実施例によれば、従来技術より、同じレゾリューション(Resolution)のために工程費用を減縮することができる。
【００１５】
また、実施例によれば、各単位ピクセルは感度(sensitivity)の減少なしに、より複雑な回路(circuitry)を具現することができる。
【００１６】
また、実施例によって集積されることができる追加的なオンチップ回路(on-chip circuitry)は、イメージセンサーのパフォーマンス(performance)を増加させて、ひいては素子の小型化及び製造費用の節減を獲得することができる。
【００１７】
また、実施例によれば、垂直型のフォトダイオードを採用しながらクロストーク及びノイズを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施例によるイメージセンサー及びその製造方法を、添付された図面を参照して詳しく説明する。
【００１９】
図６は、実施例によるイメージセンサーの断面図である。
【００２０】
図６を参照すれば、第１及び第２ピクセルＡ、Ｂを含む半導体基板１０上には、第１及び第２金属配線３１、３２を含む層間絶縁膜２０が配置されている。
【００２１】
前記半導体基板１０上には、フォトダイオードと繋がって受光された光電荷を電気信号に変換するためのシーモス回路(図示していない)が、第１及び第２ピクセルＡ、Ｂにそれぞれ形成されることができる。
【００２２】
前記層間絶縁膜２０は、複数の層に形成されることができて、前記第１及び第２金属配線３１、３２は、第１及び第２ピクセルＡ、Ｂと繋がるように、前記層間絶縁膜２０内部にそれぞれ配置されることができる。
【００２３】
前記層間絶縁膜２０上部には、前記第１及び第２金属配線３１、３２と繋がるように、互いに違う大きさを持つ第１及び第２下部電極４１、４２が配置される。例ば、前記第１下部電極４１は、前記第２下部電極４２より小さな大きさで形成されることができる。又は、図９に図示されているように、前記第２下部電極４２は、前記第１下部電極４１より小さな大きさで形成されることができる。
【００２４】
前記第１及び第２下部電極４１、４２を含む層間絶縁膜２０上にフォトダイオードが配置される。前記フォトダイオードは、第１導電型伝導層５０と真性層６０及び第２導電型伝導層７０で形成されることができる。例えば、前記第１導電型伝導層５０はN型シリコン層、前記真性層６０は非晶質シリコン層、前記第２導電型伝導層７０はP型シリコン層で形成されることができる。
【００２５】
前記のように、前記第１及び第２下部電極４１、４２中、どれかの一つが小さく形成されれば、前記第１及び第２下部電極４１、４２の間の距離が広がるようになる。したがって、前記フォトダイオードで生成された光電子が隣接ピクセルに伝達されることを防止して、イメージセンサーのクロストークを改善することができる。
【００２６】
前記フォトダイオード上には、上部電極８０が配置される。例えば、前記上部電極８０は、ITO(indium tin oxide)、CTO(cadmium tin oxide)、ZnO2中、どれかの一つで形成されることができる。
【００２７】
前記上部電極８０上に、第１ 及び第２カラーフィルター９１、９２が配置される。前記第１カラーフィルター９１はグリーンカラーフィルターで、前記第２カラーフィルター９２はレッド又はブルーカラーフィルターであることがある。したがって、前記第１ピクセルＡ上にはグリーンカラーフィルターが配置されて、前記第２ピクセルＢ上にはレッド又はブルーカラーフィルターが配置されることができる。
【００２８】
図８を参照すれば、前記第１カラーフィルター９０上にマイクロレンズ１１０が配置される。又は、図９に図示されているように、前記第２カラーフィルター９２上にマイクロレンズ１２０が配置されることができる。
【００２９】
すなわち、前記マイクロレンズは、前記第１及び第２下部電極４１、４２中、小さく形成された下部電極上部のカラーフィルター上に配置されることができる。したがって、前記マイクロレンズによって第１及び第２下部電極４１、４２中、小さく形成された下部電極に該当するフォトダイオードの集光率が向上されて、イメージセンサーの光特性を向上させることができる。
【００３０】
以下、図１乃至図８を参照して、実施例によるイメージセンサーの製造方法を説明する。
【００３１】
図１を参照すれば、第１ピクセルＡ及び第２ピクセルＢを含む半導体基板１０上に、第１及び第２金属配線３１、３２を含む層間絶縁膜２０が形成される。
【００３２】
前記半導体基板１０上には、後述されるフォトダイオードと繋がって、受光された光電荷を電気信号に変換するシーモス回路(図示していない)が、第１及び第２ピクセルＡ、Ｂに形成されることができる。例えば、前記シーモス回路は、3Trと4Tr及び5Tr中の一つであることがある。
【００３３】
前記第１及び第２ピクセルＡ、Ｂを含む前記半導体基板１０上部には、電源ライン又は信号ラインとの接続のために、第１及び第２金属配線３１、３２を含む層間絶縁膜２０が形成されている。
【００３４】
前記層間絶縁膜２０は、複数の層に形成されることができる。例えば、前記層間絶縁膜２０は、窒化膜又は酸化膜で形成されることができる。
【００３５】
また、前記第１及び第２金属配線３１、３２も、複数の層に形成されることができる。前記第１金属配線３１は第１ピクセルＡと繋がって、前記第２金属配線３２は第２ピクセルＢと繋がる。前記第１及び第２金属配線３１、３２は、フォトダイオードで生成された電子を下部のシーモス回路に伝達する役割をする。図示されてはいないが、前記第１及び第２金属配線３１、３２は、前記半導体基板１０の下部の不純物領域と接続されることができる。
【００３６】
前記第１及び第２金属配線３１、３２は、前記層間絶縁膜２０を貫通して複数に形成されることができる。前記第１及び第２金属配線３１、３２は、金属、合金又はサリサイド(salicide)を含む多様な伝導性物質で形成されることができる。例えば、前記第１及び第２金属配線３１、３２は、アルミニウム、銅、コバルト又はタングステン等で形成されることができる。
【００３７】
図２を参照すれば、前記層間絶縁膜２０上に下部電極層４０が形成される。前記下部電極層４０は、前記層間絶縁膜２０上に形成されて、前記第１及び第２金属配線３１、３２と電気的に繋がることができる。例えば、前記下部電極層４０は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＴｉＷ及びＴａのような金属で形成されることができる。
【００３８】
そして、前記下部電極層４０を単位ピクセル別にパターニングするために、前記下部電極層４０上に第１及び第２フォトレジストパターン２１０、２２０が形成される。前記第１及び第２フォトレジストパターン２１０、２２０は、前記第１及び第２金属配線３１、３２に対応する領域の前記下部電極層４０を遮るように形成される。
【００３９】
前記第１及び第２フォトレジストパターン２１０、２２０は、それぞれ異なる幅で形成されることができる。例えば、前記第１フォトレジストパターン２１０は、前記第２フォトレジストパターン２２０より小さな大きさで形成されることができる。又は、前記第１フォトレジストパターン２１０は、前記第２フォトレジストパターン２２０より大きく形成されることができる。
【００４０】
以後、前記第１及び第２フォトレジストパターン２１０、２２０をエッチングマスクとして、前記下部電極層４０をエッチングする。
【００４１】
図３を参照すれば、前記層間絶縁膜２０上に、第１下部電極４１及び第２下部電極４２が単位ピクセル別に形成される。前記第１下部電極４１は前記第１金属配線３１と繋がって、前記第２下部電極４２は前記第２金属配線３２と繋がることができる。特に、前記第１下部電極４１は、前記第２下部電極４２より小さな大きさで形成されることができる。例えば、前記第１下部電極４１は、前記第２下部電極４２より１０〜７５％小さな大きさで形成されることができる。
【００４２】
前記第１下部電極４１が前記第２下部電極４２より小さな大きさで形成されて、前記第１及び第２下部電極４１、４２上にフォトダイオードが形成された時、入射光のクロストークを防止することができる。
【００４３】
図４を参照すれば、前記第１及び第２下部電極４１、４２を含む層間絶縁膜２０上に、フォトダイオードが形成される。
【００４４】
実施例では、フォトダイオードはＮＩＰダイオード(NIP diode)を使う。前記ＮＩＰダイオードは、金属とＮ型非晶質シリコン層(n-type amorphous silicon)と真性非晶質シリコン層(intrinsic amorphous silicon)とＰ型非晶質シリコン層(p-type amorphous silicon)が接合された構造で形成されるものである。
【００４５】
前記ＮＩＰダイオードは、Ｐ型シリコン層と金属の間に、純粋な半導体である真性非晶質シリコン層が接合された構造の光ダイオードで、前記Ｐ型シリコン層と金属の間に形成される真性非晶質シリコン層が全部空乏領域になって、電荷の生成及び保管に有利になる。
【００４６】
実施例では、フォトダイオードとしてＮＩＰダイオードを使い、前記ダイオードの構造は、Ｐ-Ｉ-Ｎ又はＮ-Ｉ-Ｐ、Ｉ-Ｐなどの構造で形成されることができる。実施例では、Ｎ-Ｉ-Ｐ構造のフォトダイオードが使われることを例にして、前記Ｎ型非晶質シリコン層は第１導電型伝導層５０、真性非晶質シリコン層は真性層６０、前記Ｐ型非晶質シリコン層は第２導電型伝導層７０と称するようにする。
【００４７】
前記フォトダイオードを形成する方法に対して説明すれば、次のようである。
【００４８】
前記層間絶縁膜２０上に第１導電型伝導層５０が形成される。場合によって、前記第１導電型伝導層５０は形成されなくて、以後の工程が進行されることもできる。
【００４９】
前記第１導電型伝導層５０は、実施例で採用するＮ-Ｉ-ＰダイオードのＮ層の役割をするができる。すなわち、前記第１導電型伝導層５０は、Ｎタイプ導電型伝導層であることがあるが、これに限定されるのではない。
【００５０】
前記第１導電型伝導層５０上に、真性層６０が形成される。前記真性層６０は、実施例で採用するＮ-Ｉ-ＰダイオードのＩ層の役割をするができる。前記真性層６０は非晶質シリコンを利用して形成されることができる。
【００５１】
ここで、前記真性層６０は、前記第１導電型伝導層５０の厚さより約１０〜１，０００倍くらいの厚さで形成されることができる。これは、前記真性層６０の厚さが厚いほど、ピンダイオードの空乏領域が増えて、多くの量の光電荷を保管及び生成するのに有利だからである。
【００５２】
前記真性層６０上に、第２導電型伝導層７０が形成される。前記第２導電型伝導層７０は、前記真性層６０の形成と連続工程で形成されることができる。前記第２導電型伝導層７０は、実施例で採用するＮ-Ｉ-ＰダイオードのＰ層の役割をすることができる。すなわち、前記第２導電型伝導層７０は、Ｐタイプ導電型伝導層であることがあるが、これに限定されるのではない。
【００５３】
したがって、前記半導体基板１０上に形成された第１ピクセルＡ及び第２ピクセルＢと前記フォトダイオードが垂直型集積を形成して、前記フォトダイオードの充てん比を１００％に近接させることができる。
【００５４】
図５を参照すれば、前記フォトダイオードが形成された半導体基板１０上に、上部電極８０が形成される。
【００５５】
前記上部電極８０は、光の透過性が良くて伝導性が高い透明電極で形成されることができる。例えば、前記上部電極８０は、ＩＴＯ(indium tin oxide)、ＣＴＯ(cadmium tin oxide)、ZnO2中、どれかの一つで形成されることができる。
【００５６】
図６を参照すれば、前記上部電極８０上に、第１及び第２カラーフィルター９１、９２が形成される。前記第１及び第２カラーフィルター９１、９２は、染色されたフォトレジストを使い、それぞれの単位ピクセル毎に形成されて入射する光から色を分離し出している。
【００５７】
前記第１ピクセルＡ上に、第１カラーフィルター９１が形成されて、前記第２ピクセルＢ上に、第２カラーフィルター９２が形成される。例えば、前記第１カラーフィルターはグリーンで、第２カラーフィルターはレッドであることがある。また、図示されてはいないが、第３カラーフィルターはブルーであることがある。
【００５８】
したがって、前記第１カラーフィルター９１を通過した光は、フォトダイオードと第１下部電極４１及び第１金属配線３１を通じて第１ピクセルＡに伝達されて、前記第２カラーフィルター９２を通過した光は、フォトダイオードと第２下部電極４２及び第２金属配線３２を通じて第２ピクセルＢに伝達される。この時、前記第１下部電極４１及び前記第２下部電極４２は、それぞれ異なる大きさで形成されて、前記第１及び第２下部電極４１、４２の間の離隔距離によって、前記フォトダイオードで生成された光電子は、該当する第１及び第２下部電極４１、４２に伝達されることができる。すなわち、前記第１下部電極４１が前記第２下部電極４２より小さな大きさで形成されて離隔距離が広くなるので、前記フォトダイオードは単位ピクセル別に分離されることができる。したがって、前記フォトダイオードで発生された光電子が、隣接下部電極に移動することを防止して、クロストークを改善することができるようになる。
【００５９】
図７は、前記第１、第２ピクセルＡ、Ｂ上に形成された、第１、第２下部電極４１、４２及び第１、第２カラーフィルター９１、９２の面積を現わすための平面図である。
【００６０】
図７に図示されているように、前記第１ピクセルＡ上の第１下部電極４１は、前記第２ピクセルＢ上の第２下部電極４２より小さな大きさで形成されている。また、前記第１ピクセルＡ上の第１下部電極４１は第３ピクセルＣの下部電極より小さな大きさで形成されることができる。
【００６１】
図８を参照すれば、前記第１カラーフィルター９１上に、マイクロレンズ１１０が形成される。前記マイクロレンズ１１０は、前記第１カラーフィルター９１上にのみ形成されて、入射光を前記フォトダイオードに集光した後、前記第１下部電極４１に伝達することができる。
【００６２】
前記第１下部電極４１は、前記第２下部電極４２より相対的に小さな大きさで形成されているので、前記第１下部電極４１に伝達される光電子は、前記第２下部電極４２に比べて少ない量であることがある。これを克服するために、前記第１カラーフィルター９１上に、前記マイクロレンズ１１０を形成すれば、前記第１下部電極４１に該当するフォトダイオード領域に多い量の光が集まるので、第１下部電極４１に伝達される光電子の量は、相対的に多くなることができる。
【００６３】
図９及び図１０は、他の実施例によるイメージセンサーを表す、断面図及び平面図である。
【００６４】
図９及び図１０を参照すれば、前記第１ピクセルＡ上の第1 下部電極１４１は、前記第２ピクセルＢ上の第２下部電極１４２より大きい大きさで形成される。また、前記第１下部電極１４１は、前記第３ピクセルＣの下部電極より大きく形成されることができる。前記第１下部電極１４１が前記第２下部電極１４２より相対的に大きく形成されて、前記第１下部電極１４１と前記第２下部電極１４２の間には、ギャップが発生される。
【００６５】
前記のように、前記第１下部電極１４１と前記第２下部電極１４２の間に、離隔距離によって、前記フォトダイオードは単位ピクセル別に分離されることができる。したがって、前記フォトダイオードで発生された光電子は、該当する下部電極に移動することができるので、イメージセンサーのクロストークを防止することができる。
【００６６】
また、前記第２カラーフィルター９２上に、マイクロレンズ１２０が形成されることができる。前記マイクロレンズ１２０によって、前記第２下部電極１４２に該当するフォトダイオード領域の集光率が向上されて、前記第２下部電極１４２に伝達される光電子の量は、相対的に多くなることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図２】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図３】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図４】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図５】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図６】実施例によるイメージセンサーの製造工程を表す断面図。
【図７】図６の平面図。
【図８】図６にマイクロレンズが形成されたことを図示した断面図。
【図９】他の実施例によるイメージセンサーの断面図。
【図１０】図９の平面図。
【符号の説明】
【００６８】
１０      半導体基板
２０      層間絶縁膜
３１      第１金属配線
３２      第２金属配線
４０      下部電極層
４１      第１下部電極
４２      第２下部電極
５０      第１導電型伝導層
６０      真性層
７０      第２導電型伝導層
８０      上部電極
９１      第１カラーフィルター
９２      第２カラーフィルター
１１０    マイクロレンズ
１２０    マイクロレンズ
１４１    第１下部電極
１４２    第２下部電極
２１０    第１フォトレジストパターン
２２０    第２フォトレジストパターン
Ａ        第１ピクセル
Ｂ        第２ピクセル
Ｃ        第３ピクセル  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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