KR100658921B1 - CMOS image sensor formation method capable of omitting planarization process before color filter formation process and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SOG층 이용하지 않고 평탄화를 이룰 수 있어 결함 발생을 방지할 수 있는 CMOS 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 형성이 완료된 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 사이의 상기 절연막 상에 그 측벽의 일부가 상기 연결배선 패턴의 측벽과 중첩되는 제1 칼라필터 패턴을 형성하는 단계; 에치백 공정을 실시하여 상기 제1 칼라필터 패턴의 높이를 감소시키는 단계; 상기 연결배선 패턴 사이의 상기 절연막 상에 상기 제1 칼라필터 패턴과 이웃하며 그 측벽의 일부가 상기 연결배선 패턴의 측벽과 중첩되는 제2 칼라필터 패턴을 형성하는 단계; 전체 구조 상에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층 상에 상기 칼라필터 패턴과 중첩되는 집광수단을 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing a CMOS image sensor that can achieve a planarization without using an SOG layer, the method comprising: forming a connection wiring pattern on a semiconductor substrate on which a predetermined substructure is completed; Forming an insulating film on the entire structure where the connection wiring pattern is completed; Forming a first color filter pattern on the insulating layer between the connection wiring patterns, wherein a portion of the side wall overlaps the side wall of the connection wiring pattern; Performing an etch back process to reduce the height of the first color filter pattern; Forming a second color filter pattern on the insulating layer between the connection wiring patterns, the second color filter pattern being adjacent to the first color filter pattern and a part of the sidewall overlapping the sidewall of the connection wiring pattern; Forming a planarization layer on the entire structure; It provides a CMOS image sensor manufacturing method comprising forming a light collecting means overlapping the color filter pattern on the planarization layer.
CMOS 이미지 센서, 칼라필터, 평탄화, 결함, SOG, 친수성CMOS image sensor, color filter, planarization, defect, SOG, hydrophilicity
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1 is a circuit diagram schematically showing a unit pixel structure of a CMOS image sensor according to the prior art;
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도,2A to 2C are cross-sectional views of a manufacturing process of a CMOS image sensor according to the prior art;
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도, 3A to 3D are cross-sectional views of a manufacturing process of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도.4A-4C are cross-sectional views of a manufacturing process of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
32, 42: 금속배선 33, 43: IMO32, 42:
R, G, B: 칼라필터 34, 44: OCMR, G, B:
35, 45: 마이크로 렌즈
35, 45: microlens
본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 칼라필터 형성 이전에 평탄화를 위한 SOG 형성 공정을 생략할 수 있는 CMOS 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of CMOS image sensor fabrication, and more particularly, to a method of fabricating a CMOS image sensor which can omit the SOG formation process for planarization prior to color filter formation.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centered on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of solid-state image sensors on the market: metal-oxide-semiconductor (MOS) type and charge coupled device (CCD) type.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미 지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitance structures, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) as a light sensing means and four NMOS transistors. have. Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transmits a signal for transferring the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx supplies the floating diffusion region FD. The drive transistor Dx serves as a source follower, and the select transistor Sx receives a pixel data enable signal and receives a pixel to reset the voltage to the voltage V DD level. It is responsible for transmitting the data signal to the output.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다. Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the unit pixel is reset by turning on the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx. At this time, the photodiode PD starts to deplete to generate charge charging, and the floating diffusion region is charged to the supply voltage VDD. The transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In this operation state, after reading the output voltage V1 from the unit pixel output terminal SO and storing it in the buffer, the transfer transistor Tx is turned on to move the carriers of the capacitance Cp changed according to the light intensity to the capacitance Cf. The output voltage (V2) is read from the output terminal (Out) again and the analog data for V1-V2 is converted into digital data, so one operation cycle for the unit pixel is completed.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여 종래 CMOS 이미지 센서 제조 공정의 문제점을 설명한다.2A to 2C will be described a problem of the conventional CMOS image sensor manufacturing process.
도 2a는 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(21) 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 금속배선(22)을 형성하고, 제1 IMO(inter metal oxide, 23)를 증착하고, 제1 IMO(23) 상에 SOG(spin on glass, 24)를 코팅(coating)하고 큐어링(curing)한 상태를 보이고 있다.FIG. 2A illustrates a
도 2b는 금속배선(22) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(22)가 노출될 때까지 SOG(24)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제2 IMO(25)를 증착한 것을 도시하고 있다.FIG. 2B shows that the SOG 24 is etched back and planarized until the
도 2c는 제2 IMO(25) 상에 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각을 칼라필터 어레이 마스크(color filter array mask)를 이용하여 형성하고, 칼라필터(R, G, B) 상에 OCM(over coating material, 26)층을 형성하고, 각각의 칼라필터와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 27)를 형성한 것을 도시하고 있다.FIG. 2C illustrates each of the blue color filter B, the red color filter R, and the green color filter G on the
CMOS 이미지 센서 제조 공정은, 포토다이오드 등을 형성하는 기본 공정 후 칼라필터 어레이 형성 공정을 진행하고 광을 모으기 위해 마이크로 렌즈를 형성하는 과정으로 이루어지는데, 칼라필터 형성 이전에 평탄화 공정을 반드시 진행하여야 한다. 전술한 바와 같이 평탄화를 위해 가장 범용으로 사용되는 방법은 제1 IMO 증착, SOG 코팅, SOG 큐어링, SOG 에치백, 제2 IMO 증착을 포함하는 일련의 공정을 포함한다.The CMOS image sensor manufacturing process includes a process of forming a color filter array after a basic process of forming a photodiode and a process of forming a microlens to collect light. The planarization process must be performed before the color filter is formed. . As described above, the most commonly used methods for planarization include a series of processes including first IMO deposition, SOG coating, SOG curing, SOG etchback, and second IMO deposition.
한편, 평탄화를 위해 사용되는 SOG는 친수성을 갖기 때문에 이후 순수(deionized water)를 이용한 세정 공정 등을 거치면서 수분을 흡수하는데, 이러한 SOG는 상대적으로 단차가 낮은 하부층 즉, 금속배선 사이, 스크라이브 레인(scribe lane), 주변영역(peripheral area) 등에 잔류하게 되어 결함으로 작용하고, 그에 따라 제조 수율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
On the other hand, since SOG used for planarization has hydrophilicity, it absorbs water through a cleaning process using deionized water and the like, and the SOG has a relatively low step, that is, between the metal layers and the scribe lane ( It remains in scribe lanes, peripheral areas, and the like, which acts as a defect, thereby lowering manufacturing yield.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, SOG층 이용하지 않고 평탄화를 이룰 수 있어 결함 발생을 방지할 수 있는 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a CMOS image sensor manufacturing method that can be flattened without using the SOG layer to prevent the occurrence of defects.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 형성이 완료된 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 사이의 상기 절연막 상에 그 측벽의 일부가 상기 연결배선 패턴의 측벽과 중첩되는 제1 칼라필터 패턴을 형성하는 단계; 에치백 공정을 실시하여 상기 제1 칼라필터 패턴의 높이를 감소시키는 단계; 상기 연결배선 패턴 사이의 상기 절연막 상에 상기 제1 칼라필터 패턴과 이웃하며 그 측벽의 일부가 상기 연결배선 패턴의 측벽과 중첩되는 제2 칼라필터 패턴을 형성하는 단계; 전체 구조 상에 상기 제 1 및 제 2 칼라필터 패턴들을 덮는 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층 상에 상기 칼라필터 패턴과 중첩되는 집광수단을 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object, the step of forming a connection wiring pattern on the semiconductor substrate on which the predetermined substructure is completed; Forming an insulating film on the entire structure where the connection wiring pattern is completed; Forming a first color filter pattern on the insulating layer between the connection wiring patterns, wherein a portion of the side wall overlaps the side wall of the connection wiring pattern; Performing an etch back process to reduce the height of the first color filter pattern; Forming a second color filter pattern on the insulating layer between the connection wiring patterns, the second color filter pattern being adjacent to the first color filter pattern and a part of the sidewall overlapping the sidewall of the connection wiring pattern; Forming a planarization layer on the entire structure to cover the first and second color filter patterns; It provides a CMOS image sensor manufacturing method comprising forming a light collecting means overlapping the color filter pattern on the planarization layer.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 형성이 완료된 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 연결배선 패턴 사이의 상기 절연막 상에 그 측벽의 일부가 상기 연결배선 패턴의 측벽과 중첩되며 단차를 갖는 적어도 2색의 칼라필터 패턴을 형성하는 단계; 전체 구조 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층과 상기 단차를 갖는 적어도 2색의 칼라필터 패턴을 균일하게 에치백하여 상기 적어도 2색의 칼라필터 패턴 표면을 평탄화시키는 단계; 및 상기 적어도 2색의 칼라필터 패턴의 표면과 접하는 집광수단을 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, the step of forming a connection wiring pattern on the semiconductor substrate on which the predetermined substructure is completed; Forming an insulating film on the entire structure where the connection wiring pattern is completed; Forming a color filter pattern of at least two colors on the insulating film between the connection wiring patterns, wherein a part of the side wall overlaps the sidewall of the connection wiring pattern and has a step; Forming a sacrificial layer on the entire structure; Uniformly etching back the sacrificial layer and the at least two color filter patterns having the steps to planarize the surface of the at least two color filter patterns; And forming a light collecting means in contact with a surface of the color filter pattern of at least two colors.
이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.
먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(31) 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상에 금속배선(32)을 형성하고, 전체 구조 상에 IMO(33)를 증착한다.First, as shown in FIG. 3A, a
다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 블루 칼라필터(B)를 형성하고, 블루 칼라필터(B)의 높이가 이후 형성되는 레드 칼라필터와 그린 칼라필터의 높이에 영향을 주는 것을 고려하여, 블루 칼라필터(B)를 에치백한다.Next, as shown in FIG. 3B, the blue color filter B is formed, and in consideration of the fact that the height of the blue color filter B affects the heights of the red color filter and the green color filter to be formed later, the blue color Etch back the filter (B).
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각을 칼라필터 어레이 마스크(color filter array mask)를 이용하여 차례로 형성 한다. Subsequently, as shown in FIG. 3C, each of the red color filter R and the green color filter G is sequentially formed using a color filter array mask.
다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 OCM(34)을 도포하고 각각의 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(35)를 감광막으로 형성한다.Next, as shown in FIG. 3D, the
전술한 본 발명의 일실시예에서는 블루칼라 필터(B)만을 에치백하여 그 높이를 감소시켰으나, 다음의 보이는 본 발명의 다른 실시예와 같이 칼라필터 전체의 높이를 감소시키기 위한 에치백 공정을 실시할 수도 있다.
In the above-described embodiment of the present invention, the blue color filter B is etched back to reduce its height. However, as shown in another embodiment of the present invention, the etchback process is performed to reduce the height of the entire color filter. You may.
이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4C.
먼저 도 4a에 도시한 바와 같이, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(41) 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 금속배선(42)을 형성하고, 전체 구조 상에 IMO(43)를 증착한다.First, as shown in FIG. 4A, the
다음으로 도 4b에 보이는 바와 같이, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각을 칼라필터 어레이 마스크(color filter array mask)를 이용하여 차례로 형성하고, 전체 구조 상에 포토레지스트 또는 OCM 등으로 이루어지는 희생층(44)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4B, each of the blue color filter B, the red color filter R, and the green color filter G is sequentially formed by using a color filter array mask, and the overall structure thereof. A sacrificial layer 44 made of photoresist, OCM, or the like is formed on the substrate.
이어서 도 4c에 도시한 바와 같이, 희생층(44)과 상기 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)를 식각하여 평탄화시키고, 각각의 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(45)를 감광막으로 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 4C, the sacrificial layer 44, the blue color filter B, the red color filter R, and the green color filter G are etched and planarized, and the respective color filters R and G are etched and planarized. , B) overlapping with the
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 친수성이 강한 SOG를 사용하지 않고, 또 칼라필터 어레이 형성 전에 평탄화 공정을 실시하지 않을 수 있어, 칼라필터 어레이 형성 공정, 마이크로 렌즈 형성 공정 및 조립 공정 중에 수반되는 순수를 이용한 세정에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, 결함의 감소로 인한 제조수율 향상 및 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
The present invention made as described above does not use SOG having strong hydrophilicity, and may not perform the planarization process before forming the color filter array, and uses pure water accompanying the color filter array forming process, the microlens forming process, and the assembling process. Stability for cleaning can be secured, manufacturing yield improvement and device reliability can be secured due to the reduction of defects.
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