KR100381016B1 - CMOS image sensor for improved light sensitivity and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연막; 상기 절연막 상에 형성되는 소자보호막; 및 상기 소자보호막의 저면에서부터 상기 포토다이오드 표면으로 확장되도록 상기 절연막 내부에 형성된 복수의 미세홀을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 바, 미세홀에 의해 빛이 포토다이오드까지 입사되는 과정에서 왜곡되는 것을 방지하여 감도가 우수한 CMOS 이미지센서를 구현하게 된다.A CMOS image sensor for improving light sensitivity and a method of manufacturing the same are disclosed. The CMOS image sensor of the present invention, a photodiode for generating a photocharge by receiving light; An insulating film formed on the photodiode; An element protection film formed on the insulating film; And a plurality of micro holes formed in the insulating film so as to extend from the bottom surface of the device protection film to the surface of the photodiode, thereby preventing the light from being distorted in the process of being incident to the photodiode by the micro holes. Therefore, the CMOS image sensor with high sensitivity is realized.
Description
본 발명은 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지센서는 그 용도에 따라서 고선명 화질을 요구하기도 하는데, 예를 들어 의료계나 특수용도를 위하여 이용되어지는 센서 등은 그 감도의 확보가 필수요건인 바, 본 발명은 이런 고감도(high sensitivity)의 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, and in particular, the image sensor may require a high definition image quality depending on its use, for example, the sensor used for medical applications or special purposes, it is essential to secure the sensitivity As a requirement, the present invention relates to such a high sensitivity CMOS image sensor and a method of manufacturing the same.
잘 알려진 바와 같이, 화상 인식 소자로 사용되는 CMOS 이미지센서의 단위화소 내부에는 그 구성 요소의 일부로써 포토다이오드를 사용하고 있다. 포토다이오드는 단위화소로 입사하는 빛을 전하로 바꾸어 주는 역할을 하기 때문에 센서의 특성을 좌우하는 주요 부분이다. 통상 포토다이오드를 실리콘기판에 불순물 이온 주입 공정을 통하여 형성시킨 불순물접합층으로 구성된다.As is well known, a photodiode is used as part of a component inside a unit pixel of a CMOS image sensor used as an image recognition device. The photodiode converts light incident on the unit pixel into electric charge, which is a major factor in determining the characteristics of the sensor. Usually, the photodiode is composed of an impurity bonding layer formed by implanting an impurity ion into a silicon substrate.
이렇게 구성된 포토다이오드에 바이어스를 가함으로써 공핍층을 형성시키고, 일정 시간 동안 포토다이오드로 입사하는 빛에 의해 실리콘기판에서 생성된 전하를 공핍층에 모으고, 이를 회로적으로 읽어내는 방식을 통하여 화상 신호를 구현한다.The depletion layer is formed by applying a bias to the photodiode configured as described above, and the image signal is collected by collecting charges generated from the silicon substrate in the depletion layer by the light incident on the photodiode for a predetermined time and reading it out in a circuit. Implement
따라서 포토다이오드까지 빛이 왜곡, 반사 혹은 굴절 등에 의해 소멸됨이 없이 포토다이오드까지 입사되도록 하는 기술이 매우 중요하다.Therefore, a technology that allows light to enter the photodiode without being destroyed by distortion, reflection, or refraction up to the photodiode is very important.
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 구조를 보여준다. 포토다이오드 부분(100)과 CMOS 로직부분(150)이 함께 도시되어 있다.1 shows the structure of an image sensor according to the prior art. The photodiode portion 100 and the CMOS logic portion 150 are shown together.
도 1을 참조하면, 기판(1)에 소자분리를 위한 필드산화막(2)이 형성되어 있고, 불순물접합층으로서 포토다이오드(2)가 형성되어 있다. 그리고, CMOS 로직부분(150)에는 NMOS트랜지스터(4) 및 PMOS트랜지스터(5)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 1, a field oxide film 2 for device isolation is formed on a substrate 1, and a photodiode 2 is formed as an impurity bonding layer. In the CMOS logic portion 150, an NMOS transistor 4 and a PMOS transistor 5 are formed.
이렇게 포토다이오드 및 CMOS 소자들이 형성된 구조 상부에는 금속배선전절연막(PMD)(6)이 형성되고, 금속배선전절연막(6)을 관통하여 제1금속배선(M1)이 CMOS 소자에 콘택된다. 다시 그 상부에는 제1금속배선간절연막(IMD1)(8)이 형성되고 이를 관통하여 제2금속배선(M2)(9)이 제2금속배선(7)에 콘택된다.In this way, a metal wiring insulating film (PMD) 6 is formed on the structure where the photodiode and the CMOS devices are formed, and the first metal wiring M1 contacts the CMOS device through the metal wiring insulating film 6. The first intermetallic insulating film IMD1 8 is formed thereon, and the second metal wiring M2 9 contacts the second metal wiring 7 through the first metal interlayer insulating film IMD1 8.
이어서, 도면에 도시되지 않았지만, 광차단층으로서 제3금속배선을 적용하는 경우에는(물론사용하지 않은 경우도 있음) 제2금속배선이 완료된 구조 상에 다시 제2금속배선간절연막이 증착되고, 그 상부에는 다시 보호막(Passivation layer)이 형성되게 된다.Subsequently, although not shown in the drawing, in the case where the third metal wiring is applied as the light blocking layer (which may not be used of course), the second intermetallic insulating film is deposited again on the structure where the second metal wiring is completed. A passivation layer is formed again on the upper side.
한편, 포토다이오드(3)에는 빛이 입사되어야 하기에 제1, 제2 또는 제3금속배선 등에 의해 그 상부가 가려지지 않는다.On the other hand, since the light must be incident on the photodiode 3, the upper portion thereof is not covered by the first, second, or third metal wiring.
따라서, 포토다이오드(3) 상부 지역에는 금속배선전절연막(6), 제1금속배선간절연막(7) 및 제2금속배선간절연막 등 다층의 절연층이 적층되어 있다. 물론 각 절연층은 빛이 투과되는 투명의 산화막이 적용된다.Therefore, multilayer insulating layers such as the metal pre-insulation film 6, the first metal inter-insulation film 7, and the second metal inter-insulation film are stacked in the upper region of the photodiode 3. Of course, a transparent oxide film through which light is transmitted is applied to each insulating layer.
그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 그리고 여러 사항을 감안하여 변경 가능하지만, 포토다이오드(3) 상부의 보호막 상에는 칼라필터, 평탄화층, 마이크로렌즈 등이 차례로 적층되게 된다.Although not shown in the drawing and may be changed in view of various matters, a color filter, a planarization layer, a microlens, and the like are sequentially stacked on the protective film on the photodiode 3.
결국, 종래의 이미지센서는 포토다이오드 위쪽으로 여러 종류의 막이 빛의 방향이나 양을 반사나 굴절을 통해서 방해하는 구조를 형성하고 있어, 소자의 감도를 낮추는 한 원인으로 작용하고 있다.As a result, the conventional image sensor forms a structure in which various kinds of films interfere with the direction or amount of light through reflection or refraction above the photodiode, thus acting as a cause of lowering the sensitivity of the device.
본 발명은 광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor and a manufacturing method for improving the light sensitivity.
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 구조를 보여주는 단면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of an image sensor according to the prior art.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서의 구조를 보여주는 단면도.2 is a cross-sectional view showing the structure of an image sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
200 : 미세홀 201 : 기판200: microhole 201: substrate
202 : 필드산화막 203 : 포토다이오드202: field oxide film 203: photodiode
204, 205 : CMOS 소자 206 : 금속배선전절연막204, 205: CMOS element 206: pre-insulation film for metal wiring
207 : 제1금속배선 208 : 제1금속배선간절연막207: first metal wiring 208: first metal wiring interlayer
209 : 제2금속배선 210 : 제2금속배선간절연막209: second metal wiring 210: second metal wiring insulating film
211 : 제3금속배선(광차단층) 212 : 소자보호막211: third metal wiring (light blocking layer) 212: device protection film
213 : 칼라필터213: color filter
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연막; 상기 절연막 상에 형성되는 소자보호막; 및 상기 소자보호막의 저면에서부터 상기 포토다이오드 표면으로 확장되도록 상기 절연막 내부에 형성된 복수의 미세홀을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.CMOS image sensor of the present invention for achieving the above object is a photodiode for generating a photocharge upon receiving light; An insulating film formed on the photodiode; An element protection film formed on the insulating film; And a plurality of micro holes formed in the insulating film to extend from the bottom surface of the device protection film to the photodiode surface.
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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 구조를 보여준다.2 shows an image sensor structure according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(203)와, 포토다이오드(203) 상부에 형성되는 절연막(206, 208, 210)과, 절연막(206, 208, 210) 상에 형성되는 소자보호막(passivation)(212), 및 상기소자보호막(212)의 저면에서부터 상기 포토다이오드(203) 표면으로 확장되도록 상기 절연막(206, 208, 210) 내부에 형성된 복수의 미세홀(200)을 포함하여 구성되어 있다.Referring to FIG. 2, the image sensor of the present invention includes a photodiode 203 for generating photocharges by receiving light, insulating films 206, 208, and 210 formed on the photodiode 203, and an insulating film 206. And passivation layers 212 formed on the substrates 208 and 210, and formed in the insulating layers 206, 208 and 210 so as to extend from the bottom surface of the device protective layer 212 to the surface of the photodiode 203. It is configured to include a plurality of micro holes (200).
즉, 종래의 이미지센서와 다른점은 소자보호막(212)의 저면에서부터 포토다이오드(203) 표면까지 확장되도록 절연막(206, 208, 210) 내부에 복수의 미세홀(200)이 형성되어 있다는 것이다.That is, the difference from the conventional image sensor is that a plurality of fine holes 200 are formed in the insulating films 206, 208, and 210 so as to extend from the bottom of the device protection film 212 to the surface of the photodiode 203.
도 2에서 하나의 포토다이오드 상에만 미세홀(200)을 도시하였으나, 모든 포토다이오드 상에 형성될 수 있고, 현재 단파장 블루의 광감도를 개선하는 것이 시급하므로 블루 화소에 상응하는 포토다이오드 상에만 형성하는 것이 가능하다.Although the microhole 200 is illustrated on only one photodiode in FIG. 2, it can be formed on all photodiodes, and since it is urgent to improve the light sensitivity of the short wavelength blue, it is only formed on the photodiode corresponding to the blue pixel. It is possible.
디자인 룰이 0.5㎛인 이미지센서를 예로서 들면 상기 미세홀(200)은 그 지름을 0.5㎛까지 형성하는 것이 가능하다. 리소그래피 기술 등이 향상되면 상기 미세홀(200)의 지름 사이즈 더욱 줄일 수 있고, 또한 미세홀(200)의 개수는 늘릴 수 있을 것이다.Using the image sensor having a design rule of 0.5 μm as an example, the micro holes 200 may have a diameter of 0.5 μm. If the lithography technique is improved, the diameter size of the micro holes 200 may be further reduced, and the number of micro holes 200 may be increased.
포토다이오드(203)는 기판(201) 표면 아래에 형성된 불순물접합층으로 실시 구현되어 있으나, 기판이 아닌 도전층에 형성된 불순물접합이 될 수도 있고, 광감지소자를 포토게이트로 사용하는 경우에도 물론 본 발명은 적용 가능하다.Although the photodiode 203 is implemented by an impurity bonding layer formed under the surface of the substrate 201, the photodiode 203 may be an impurity bonding formed on the conductive layer instead of the substrate, and of course, the photodiode 203 may be used as a photogate. The invention is applicable.
절연막(206, 208, 210)은 금속배선전절연막(PMD)(206)과, 제1금속배선간절연막(IMD1)(208) 및 제1금속배선간절연막(IMD2)(210)으로 실시 구성되어 있다. 상기 실시예는 3중 금속배선(M1, M2, M3)(207, 209, 211) 구조로서, 본 발명은 2중 또는 한층의 금속배선 구조에도 물론 적용 가능하다.The insulating films 206, 208, and 210 are formed of a pre-metal wiring insulating film (PMD) 206, a first metal wiring insulating film (IMD1) 208, and a first metal wiring insulating film (IMD2) 210. have. The above embodiment is a triple metal wiring (M1, M2, M3) (207, 209, 211) structure, the present invention is of course also applicable to a double or one layer metal wiring structure.
그리고, 소자보호막(212)은 상기 미세홀(200)과 접하는 하층에 예컨대 PECVD에 의한 TEOS막과 같은 층덮힘(step coverage)이 양호하지 않은 절연막이 적용된다. 이는 미세홀이 절연막에 의해 채워지지 않아야 하기 때문이다. 물론 제1 및 제2 금속배선간 절연막의 하층도 미세홀을 매립하지 못하는 절연막들을 포함하게 된다.In the device protection layer 212, an insulating layer having a poor step coverage, such as a TEOS layer by PECVD, is applied to the lower layer in contact with the micro holes 200. This is because the fine holes should not be filled by the insulating film. Of course, the lower layer of the insulating film between the first and the second metal wires also includes insulating films that do not fill the micro holes.
소자보호막(212) 상에는 칼라 이미지 구현을 위한 칼라필터(213)가 형성되어 있다. 흑백 이미지센서에서는 상기 칼라필터가 필요 없다.The color filter 213 for implementing a color image is formed on the device protection layer 212. The black and white image sensor does not require the color filter.
포토다이오드(203)는 CMOS 소자(204, 205)와 전기적으로 연결되어 있다.The photodiode 203 is electrically connected to the CMOS devices 204 and 205.
상술한 바와 같이 본 발명은 포토다이오드(203) 상에 복수의 미세홀(200)이 형성되어 있기 때문에, 빛이 입사되는 경로에서의 왜곡을 방지하여 이미지센서의 감도를 향상시킬 수 있다.As described above, since the plurality of micro holes 200 are formed on the photodiode 203, the sensitivity of the image sensor may be improved by preventing distortion in a path in which light is incident.
한편 상기한 구조의 미세홀(200)을 형성하는 방법은 통상의 리소그라피 공정에 의해 가능하다. 즉, 절연막 상에 미세홀의 패턴이 형성된 포토레지스트패턴을 형성하고 이를 식각마스크로하여 절연막을 식각하는 공정에 의해 구현이 가능하다.Meanwhile, the method of forming the microholes 200 having the above structure is possible by a conventional lithography process. That is, a photoresist pattern having a pattern of fine holes formed on the insulating film may be formed and an etching mask may be used to etch the insulating film.
그리고, 통상 절연막은 금속배선전절연막(206), 제1 및 제2 금속배선간절연막(208, 210) 등으로 다층으로 형성되는 바, 소자의 디자인 룰에 따라 어느단계에서 미세홀을 형성하는가가 결정될 것이다.In general, the insulating film is formed in multiple layers by the pre-metal wiring insulating film 206 and the first and second inter-metal wiring insulating films 208 and 210. According to the design rule of the device, at what stage is a microhole formed? Will be decided.
예컨대, 디자인 룰 0.5㎛의 이미지센서인 경우 제1금속배선간절연막(208) 또는 제2금속배선간절연막(210)이 보통 7000∼9000Å를 가지기 때문에,제2금속배선(209) 공정이 끝난 후, 마스크 및 식각공정에 의해 제1금속배선간절연막(208)과 금속배선전절연막(206)을 식각하여 미세홀을 형성하고, 이어서 제2금속배선간절연막(210)을 형성한 다음, 제3금속배선(211)(통상 광차단층으로 이용됨) 공정을 완료하고, 다시 마스크 및 식각 공정에 의해 제2금속배선간절연막(210)을 식각하여 미세홀을 형성한다. 이때 첫 번째 및 두번째 미세홀 형성시 각 마스크의 정렬이 이루어지도록 한다.For example, in the case of an image sensor having a design rule of 0.5 μm, since the first intermetallic insulating film 208 or the second metal intermetallic insulating film 210 usually has 7000 to 9000 GPa, after the second metal wiring 209 process is finished. After etching the first metal inter-wire insulating film 208 and the metal pre-insulation film 206 by using a mask and an etching process, fine holes are formed, and then a second metal inter-wire insulating film 210 is formed. After completing the metal wiring 211 (usually used as a light blocking layer), the second inter-wire insulating film 210 is etched again by a mask and etching process to form fine holes. At this time, each mask is aligned when the first and second micro holes are formed.
한편, 미세홀이 형성된 상태에서, 제2금속배선전절연막(210)을 증착할때는 하부의 미세홀에 제2금속배선전절연막(210)이 매립되어서는 안된다. 따라서, 제2금속배선간절연막(210)을 증착할때는 층덮힘이 불량한 PECVD 방법으로 TEOS막을 2000∼3000Å정도 증착하고, 그 상부에 SOG막 등을 형성하는 방법을 사용한다. 역시 보호막도 하부층으로서 PECVD에 의해 TEOS층을 증착한 후 PECVD 질화막을 그 상부에 형성하는 방법을 사용한다.On the other hand, when the second metal wiring insulating film 210 is deposited in a state where micro holes are formed, the second metal wiring insulating film 210 should not be buried in the lower micro holes. Therefore, when depositing the second metal inter-wire insulating film 210, a method of depositing about 2000-3000 mV of TEOS film by PECVD with poor layer covering is used, and a method of forming an SOG film or the like thereon is used. The protective film is also used as a lower layer by depositing a TEOS layer by PECVD and then forming a PECVD nitride film thereon.
2개의 금속배선 공정이 필요한 소자의 경우는 위에서 설명한 방법 중 보호막을 증착하기전 한번의 리소그래피 공정만을 적용하여 미세홀을 형성하면 될 것이다. 또한, 금속배선간절연막의 두께를 감안하여 식각이 가능한 두께를 결정하여 진행하는데 순서는 금속배선 공정이 끝난 후 행한다.In the case of a device requiring two metallization processes, the micro holes may be formed by applying only one lithography process before depositing the protective layer. In addition, in consideration of the thickness of the intermetallic insulating film, the thickness which can be etched is determined and proceeded. The procedure is performed after the metallization process is completed.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 우수한 감도의 CMOS 이미지센서를 제공하므로, 현재 고선명의 화질 등을 요구하는 의료계나 기타 정밀 산업 등에서 사용되어지고 있는 CCD(Charge Coupled Device)의 대체 효과를 들 수 있다. 지금까지 CCD는 감도면에서는 이미지 센서에 비해 탁월하나 공정단계가 복잡하고 타 시스템과의 접목성이나 집적도에 있어 이미지 센서보다 떨어지는 단점을 가지고 있고 무엇보다도 이러한 것들에 의해 가격이 훨씬 비싼 것이 흠으로 지적되고 있는데, 이를 대체할 수 있는 고감도의 이미지센서의 등장은 기술적인 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 그 파급효과는 매우 크다.Since the present invention provides a CMOS image sensor with excellent sensitivity, there is a replacement effect of CCD (Charge Coupled Device) which is currently used in the medical and other precision industries that require high definition image quality. Until now, CCD is superior to image sensor in terms of sensitivity, but it has a disadvantage in that process steps are complicated, and it is inferior to image sensor in terms of integration and integration with other systems. The emergence of high-sensitivity image sensor that can replace this has a huge ripple effect not only in terms of technology but also in terms of economy.
Claims (9)
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