KR100694458B1 - Image sensor and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈의 손상 및 오염에 따른 광감도 저하 및 제조 수율 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 평탄화된 마이크로 렌즈 설계를 위하여 칼라필터 위에 평탄화를 위한 제1 OCM 평탄화층을 상대적으로 두껍게 증착하고, OCL을 습식식각하여 마이크로 렌즈 형성 영역에 아래로 볼록한 영역을 형성하고, 상기 영역 내에 질화막을 채워 렌즈를 형성한 다음, 전체 구조 상에 제2 OCM 평탄화층을 형성하여 이미지 센서의 상부 표면을 평탄화시킴으로써 보다 나은 광감도 특성을 가지면서 종래 마이크로 렌즈 형성시 문제가 되었된 제조 수율 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
The present invention relates to an image sensor and a method for manufacturing the same, which can prevent a decrease in light sensitivity and a decrease in manufacturing yield due to damage and contamination of a microlens, and a first OCM planarization layer for planarization on a color filter for a flattened microlens design. Is deposited relatively thick, wet-etched OCL to form a convex region in the microlens forming region, a nitride film is filled in the region to form a lens, and then a second OCM planarization layer is formed on the entire structure to form an image. By planarizing the upper surface of the sensor, it is possible to effectively prevent a decrease in manufacturing yield, which has been a problem in forming a conventional microlens while having better light sensitivity characteristics.
이미지 센서, 마이크로 렌즈, 볼록, 습식식각, OCLImage Sensor, Micro Lens, Convex, Wet Etch, OCL
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 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도,2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a CMOS image sensor according to the prior art,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도,3A is a cross-sectional view schematically showing the structure of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 3b는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 구조를 보이는 사시도.
Figure 3b is a perspective view showing the structure of a micro lens according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
R, G, B: 마이크로 렌즈 35: 질화막R, G, B: Micro Lens 35: Nitride Film
34, 35: OCM 평탄화층
34, 35: OCM planarization layer
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈의 균열, 긁힘 그리고 마이크로 렌즈에 오염입자가 흡착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and more particularly, to an image sensor and a method of manufacturing the same, which can effectively prevent cracking, scratching, and adsorption of contaminant particles onto a microlens.
CMOS 이미지 센서(image sensor)는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 빛에 반응하여 생성된 신호전자를 전압으로 변환하고 신호처리 과정을 거쳐 화상정보를 재현한다. CMOS 이미지 센서는 각종 카메라, 의료장비, 감시용 카메라, 위치확인 및 감지를 위한 각종 산업 장비, 장난감 등 화상신호를 재현하는 모든 분야에 이용 가능하며, 저전압 구동과 단일 칩화가 가능하여 점점 활용범위가 확대되고 있는 추세이다.A CMOS image sensor converts an optical image into an electrical signal using a CMOS manufacturing technology. The CMOS image sensor converts signal electrons generated in response to light into voltage and reproduces image information through a signal processing process. CMOS image sensor can be used in all fields of image signal reproduction such as various cameras, medical equipment, surveillance cameras, various industrial equipments for positioning and detection, toys, etc. The trend is expanding.
CMOS 이미지 센서는 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.The CMOS image sensor adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the MOS transistors. 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 이미지센서의 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 광전 하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.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 an optical sensing means and four NMOS transistors. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx serves to transport the photocharge generated by the photodiode PD to the floating diffusion region, and the reset transistor Rx is stored in the floating diffusion region for signal detection. It serves to discharge the charge, the drive transistor (Dx) serves as a source follower (Source Follower), the select transistor (Sx) is for switching (Switching) and addressing (Addressing). In the drawing, "Cf" represents capacitance of the floating diffusion region, and "Cp" represents capacitance of the photodiode, respectively.
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 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)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, and the capacitance Cp generates carrier charging, and the capacitance Cf of the floating diffusion region is charged and stored up 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 such an operating state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Out and stored in the buffer, and then the carrier 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 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20)에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 반도체 기판(20) 내에 형성된 포토다이오드(P), 게이트 전극(22) 및 소오스 드레인(23) 등을 포함한 하부구조(24) 상부에 형성된 칼라필터(R, G, B) 및 차광층(25), 칼라필터(R, G, B)및 차광층(25)을 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(26), OCM 평탄화층(26) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 27)를 도시하고 있다.2 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional image sensor, each of which is separated by a
도 2에 보이는 바와 같이 종래 이미지 센서 제조 공정에 따라 형성된 마이크로 렌즈(27)는 위로 볼록한 형태를 가짐으로써, 그 이후 균열(crack)이나 긁힘(scratch) 등의 영향으로 광감도를 저하시키고 생산수율을 감소시키는 주요인으로 작용한다. 또한, 조립(package) 과정에서 발생되는 오염입자(particle)에 의한 마이크로 렌즈의 오염은 이후 과정에서 거의 제거가 불가능함으로써 추가적인 패키지 수율의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
As shown in FIG. 2, the
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 마이크로 렌즈의 손상 및 오염에 따른 광감도 저하 및 제조 수율 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
An object of the present invention for solving the above problems is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can prevent a decrease in light sensitivity and a decrease in manufacturing yield due to damage and contamination of the micro lens.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역을 포함한 하부구조를 덮는 제1 투명층; 상기 제1 투명층 내에 형성되며 그 볼록면이 상기 수광영역을 향하는 오목부를 채우는 제2 투명층으로 이루어지는 집광수단; 및 상기 집광수단을 덮는 제3 투명층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다The present invention for achieving the above object, the first transparent layer covering a lower structure including a light receiving area; A condensing means formed in the first transparent layer and having a convex surface formed of a second transparent layer filling the concave portion facing the light receiving region; And a third transparent layer covering the light collecting means.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역 및 상기 수광영역 상에 형성된 칼라필터를 포함한 하부구조를 덮는 제1 투명층; 상기 제1 투명층 내에 형성되며 그 볼록면이 상기 칼라필터를 향하는 오목부를 채우는 제2 투명층으로 이루어지는 집광수단; 및 상기 집광수단을 덮는 제3 투명층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, the first transparent layer covering the light receiving area and the lower structure including a color filter formed on the light receiving area; Condensing means formed in the first transparent layer and having a convex surface formed of a second transparent layer filling the concave portion facing the color filter; And a third transparent layer covering the light collecting means.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역을 포함한 하부구조를 덮는 제1 투명층을 형성하는 단계; 상기 제1 투명층을 선택적으로 식각하여 그 볼록면이 상기 수광영역을 향하는 오목부를 형성하는 단계; 제2 투명층으로 상기 오목부를 채워 집광수단을 형성하는 단계; 및 상기 집광수단을 덮는 제3 투명층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, forming a first transparent layer covering a lower structure including a light receiving area; Selectively etching the first transparent layer to form a concave portion whose convex surface faces the light receiving region; Filling the recess with a second transparent layer to form a light collecting means; And forming a third transparent layer covering the light collecting means.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역 및 칼라필터를 포함한 하부구조를 덮는 제1 투명층을 형성하는 단계; 상기 제1 투명층을 선택적으로 식각하여 그 볼록면이 상기 칼라필터를 향하는 오목부를 형성하는 단계; 제2 투명층으로 상기 오목부를 채워 집광수단을 형성하는 단계; 및 상기 집광수단을 덮는 제3 투명층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
In addition, the present invention for achieving the above object, forming a first transparent layer covering a lower structure including a light receiving area and a color filter; Selectively etching the first transparent layer to form a concave portion whose convex surface faces the color filter; Filling the recess with a second transparent layer to form a light collecting means; And forming a third transparent layer covering the light collecting means.
본 발명은 평탄화된 마이크로 렌즈 설계를 위하여 칼라필터 위에 평탄화를 위한 제1 OCM 평탄화층을 상대적으로 두껍게 증착하고, OCL을 습식식각하여 마이크 로 렌즈 형성 영역에 아래로 볼록한 영역을 형성하고, 상기 영역 내에 질화막을 채워 렌즈를 형성한 다음, 전체 구조 상에 제2 OCM 평탄화층을 형성하여 이미지 센서의 상부 표면을 평탄화시킴으로써 보다 나은 광감도 특성을 가지면서 종래 마이크로 렌즈 형성시 문제가 되었된 제조 수율 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.The present invention provides a relatively thick deposition of a first OCM planarization layer for planarization on a color filter, and wet etching of the OCL to form a convex down region in the microlens formation region for the planarized microlens design. Forming a lens by filling the nitride film, and then forming a second OCM planarization layer on the entire structure to planarize the upper surface of the image sensor to effectively reduce the production yield problem that has been a problem when forming a conventional micro lens while having better light sensitivity characteristics You can prevent it.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 소자분리막(31), 포토다이오드(도시하지 않음) 및 트랜지스터(도시하지 않음) 등의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(30)을 덮는 층간절연막(32)을 형성하고, 층간절연막(32) 상에 금속배선(도시하지 않음), 평탄화층(33) 및 칼라필터(R, G, B)를 차례로 형성하고, 그 상부에 굴절율이 1.55인 제1 OCM 평탄화층(26)을 형성한 다음, 제1 OCM 평탄화층(26)을 습식식각하여 제1 OCM 평탄화층(26) 내에 아래로 볼록하게 형성되어 그 볼록면이 칼라필터(R, G, B) 및 포토다이오드에 대향하는 영역을 형성하고, 상기 영역 내에 굴절율이 2.11인 질화막(35)을 채워 마이크로 렌즈를 형성하고, 제2 OCM 평탄화층(36)을 형성한 것을 도시하고 있다. 도 3a에서 도면부호 'I'는 법선을 나타낸다.3A is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and includes a semiconductor substrate on which substructures such as an
도 3b는 제1 OCM 평탄화층(34) 내에 아래로 볼록하게 형성된 영역 내에 질화막(35)을 채워 마이크로 렌즈를 형성한 것을 확대하여 보이는 사시도이다.FIG. 3B is an enlarged perspective view of a microlens formed by filling the
상기 마이크로 렌즈를 이루는 질화막(35)은 굴절률(n1)이 2.11이고, 제1 OCL 평탄화층(34)은 굴절율(n2)이 1.55이므로 입사각(Θ1)에 비하여 굴절각(Θ2)이 상대적으로 크게 되므로 다음의 수학식1과 같은 스넬의 법칙(Snell' law)에 의해 렌즈의 포커싱(focusing) 조건을 만족시킬 수 있다.
Since the refractive index n1 is 2.11 and the first
이와 같은 구조의 렌즈를 형성함으로써, 종래보다 공정이 단순화될 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 패턴 구현이 가능하다. 또한 무엇보다도 센서의 상부층이 종래의 볼록한 렌즈 형태가 아닌 평탄화된 구조이기 때문에 외부의 충격에 의한 영향이 감소되고 이는 수율 향상에 직접적으로 기여할 수 있다.By forming a lens having such a structure, not only the process can be simplified but also a stable pattern can be realized. In addition, since the upper layer of the sensor is a flattened structure rather than the conventional convex lens shape, the influence of external impact is reduced, which can directly contribute to yield improvement.
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 마이크로 렌즈가 균열되거나 긁히는 것을 방지할 수 있어 광감도 개선을 도모하며 오염입자의 흡착으로 기인하는 생산수율 저하를 최소화하고, 오염입자를 용이하게 제거할 수 있어 조립 공정의 수율 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.The present invention made as described above can prevent the microlenses from cracking or scratching to improve the photosensitivity, minimize the reduction in production yield due to adsorption of contaminant particles, can easily remove contaminant particles yield of the assembly process The fall can be prevented effectively.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| AMND | Amendment | ||
| B701 | Decision to grant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120228 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |