KR100731067B1 - Cmos image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도1 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor of the prior art
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도2 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the present invention
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
101 : 반도체 기판 102 : 포토다이오드101
103 : 제 1 평탄화층 104 : 제 1 트렌치103: first planarization layer 104: first trench
105 : 제 2 트렌치 106 : 청색 칼라필터층105: second trench 106: blue color filter layer
107 : 녹색 칼라필터층 108 : 적색 칼라필터층107: green color filter layer 108: red color filter layer
109 : 제 2 평탄화층 110 : 마이크로렌즈109: second planarization layer 110: microlens
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 감도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same to improve the sensitivity of the image sensor.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and may be broadly classified into a charge coupled device (CCD) image sensor device and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor device.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.The CMOS image sensor is composed of a photodiode portion for sensing the irradiated light and a CMOS logic circuit portion for processing the detected light into an electrical signal and converting the data into light. The greater the amount of light received by the photodiode, the higher the photosensitivity of the image sensor. The characteristic becomes good.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.In order to increase the optical sensitivity, a technique in which the fill factor of the photodiode in the total area of the image sensor is increased or the path of the light incident to a region other than the photodiode is changed to focus the photodiode. .
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.A representative example of the focusing technique is to form a microlens, which is a method of irradiating a larger amount of light to a photodiode by refracting the path of incident light by making a convex microlens with a material having a high light transmittance on the photodiode. to be.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.In this case, light parallel to the optical axis of the microlens is refracted by the microlens to form a focal point at a predetermined position on the optical axis.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a CMOS image sensor according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor of the prior art.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 반도체 기판(11)의 표면내에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(12)들과, 상기 포토 다이오드(12)들을 포함하는 반도체 기판(11)의 전면에 형성되는 제 1 평탄화층(13)과, 상기 제 1 평탄화층(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)을 포함한 전면에 형성되는 제 2 평탄화층(15)과, 상기 제 2 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(12)로 빛을 집속하는 마이크로렌즈(16)를 포함하여 구성된다.In the prior art CMOS image sensor, as shown in FIG. 1, at least one
여기서, 상기 마이크로렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착, 노광 및 현상에 의한 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.Here, the
즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자의 두께, 그리고 차광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.That is, it should be formed with an optimal size, thickness, and radius of curvature determined by the size, position, shape of the unit pixel, the thickness of the photosensitive device, and the height, position, size, etc. of the light blocking layer.
이때 노광 조건에 따라 패턴 프로파일(profile)의 모양이 변화한다. 예를 들면 반도체 기판의 박막 조건에 따라 프로세스 진행 조건이 변화한다. 따라서 마이크로렌즈도 변화한다. 현실적으로 패턴 형성 조건이 매우 불안정한 경향이 있으며 결과적으로 광의 집속 효율이 떨어진다.At this time, the shape of the pattern profile changes according to the exposure conditions. For example, process progress conditions change according to the thin film conditions of a semiconductor substrate. Therefore, the microlens also changes. In reality, the pattern forming conditions tend to be very unstable and consequently the light focusing efficiency is lowered.
이와 같이 종래 기술의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조하기 위한 공정에서 광의 집속 효율을 높이기 위하여 형성되는 마이크로 렌즈(16)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.As described above, the
상기 마이크로렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터층(14)을 통하여 포토 다이오드(12)에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.The
이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로렌즈(16)에 의해 집속되어 칼라 필터층(14)을 통해 필터링된 광은 칼라 필터층(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(12)에 입사된다.Light incident on the image sensor is focused by the
이때, 차광층은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.In this case, the light blocking layer serves to prevent the incident light from escaping to another path.
그러나 이와 같은 종래 기술의 CMOS 이미지 센서에 있어서 다음과 같은 문제가 있다.However, there are the following problems in the conventional CMOS image sensor.
즉, 칼라 필터층(14)들은 필터 종류마다 두께를 다르게 쌓기 때문에 단차가 많이 발생한다. 이를 보완하기 위해 칼라 필터층(14)을 형성한 후 전면에 제 2 평탄화층(15)을 칼라 필터 두께의 절반 이상으로 형성하고 있다.That is, since the
이때 빛은 상기 칼라 필터층(14)을 지나가 전인 제 2 평탄화층(15)에서 자연광으로 존재하는데 이는 칼라 필터층(14)들 사이로 침투해서 포토다이오드(12)에까지 이르게 돼서 잡음을 만들 수 있는 주 요인이 된다.At this time, light exists as natural light in the
보다 구체적으로 설명하면, 마이크로렌즈 하부 막질의 종류 및 두께에 따라서 포토다이오드에 도달하는 빛의 양 차이를 발생하게 되어 집속 효율이 떨어지고 이로 인해 화질이 저하되는 문제가 발생한다. More specifically, the difference in the amount of light that reaches the photodiode according to the type and thickness of the lower film quality of the microlens is generated, the focusing efficiency is lowered, thereby causing a problem of deterioration of image quality.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 칼라 필터층과 마이크로렌즈 사이에 형성되는 평탄화층의 두께를 줄여 자연광의 침투로 인해 발생하는 잡음을 방지하여 이미지 센서의 감도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the conventional problem as described above, to reduce the thickness of the planarization layer formed between the color filter layer and the microlens to prevent noise caused by the penetration of natural light to improve the sensitivity of the image sensor. It is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판의 표면내에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과, 상기 포토 다이오드들을 포함하는 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 1 평탄화층과, 상기 제 1 평탄화층의 표면내에 소정깊이로 형성되는 제 1 트렌치와, 상기 제 1 트렌치와 일정한 간격을 갖고 상기 제 1 평탄화층의 표면내에 상기 제 1 트렌치보다 얇은 깊이로 형성되는 제 2 트렌치와, 상기 제 1 트렌치내에 형성되는 청색 칼라 필터층과, 상기 제 2 트렌치내에 형성되는 녹색 칼라 필터층과, 상기 청색 칼라 필터층 및 녹색 칼라 필터층을 제외한 상기 제 1 평탄화층상에 형성되는 적색 칼라 필터층과, 상기 각 칼라 필터층상에 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object is formed of at least one photodiode in the surface of the semiconductor substrate and generates a charge according to the amount of incident light, and a semiconductor substrate comprising the photodiodes A first planarization layer formed on the entire surface, a first trench formed at a predetermined depth in the surface of the first planarization layer, and a predetermined distance from the first trench in the surface of the first planarization layer at a predetermined distance from the first trench. On the first planarization layer except for the second trench formed in a thin depth, the blue color filter layer formed in the first trench, the green color filter layer formed in the second trench, and the blue color filter layer and the green color filter layer. A red color filter layer formed and a microlens formed on each of said color filter layers The features.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 기판상에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 평탄화층의 소정영역에 표면으로부터 소정깊이를 갖는 제 1 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 제 1 트렌치와 일정한 간격을 갖고 상기 제 1 평탄화층을 표면내에 상기 제 1 트렌치보다 얇은 깊이로 제 2 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 제 1 트렌치내에 청색 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 트렌치내에 녹색 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 1, 제 2 트렌치를 제외한 제 1 평탄화층상에 적색 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라필터층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.In addition, the method for manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a first planarization layer on a substrate on which a plurality of photodiodes are formed, and in a predetermined region of the first planarization layer. Forming a first trench having a predetermined depth from a surface, forming a second trench in the surface with a depth smaller than the first trench, the first planarization layer having a predetermined distance from the first trench, and Forming a blue color filter layer in the first trench, forming a green color filter layer in the second trench, forming a red color filter layer on the first planarization layer except for the first and second trenches; And forming microlenses on each of the color filter layers.
이하, 첨부됨 도면을 참고하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(101)의 표면내에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(102)들과, 상기 포토 다이오드(102)들을 포함하는 반도체 기판(101)의 전면에 형성되는 제 1 평탄화층(103)과, 상기 제 1 평탄화층(103)의 표면내에 소정깊이로 형성되는 제 1 트렌치(104)와, 상기 제 1 트렌치(104)와 일정한 간격을 갖고 상기 제 1 평탄화층(103)의 표면내에 상기 제 1 트렌치(104)보다 얇은 깊이로 형성되는 제 2 트렌치(105)와, 상기 제 1 트렌치(104)내에 형성되는 청색(B) 칼라 필터층(106)과, 상기 제 2 트렌치(105)내에 형성되는 녹색(B) 칼라 필터층(107)과, 상기 청색 칼라 필터층(106) 및 녹색 칼라 필터층(107) 사이의 제 1 평탄화층(103)상에 형성되는 적색(R) 칼라 필터층(108)과, 상기 각 칼라 필터층(106,107,108)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 형성되는 제 2 평탄화층(109)과, 상기 제 2 평탄화층(109)상에 각 칼라필터 층(106,107,108)과 대응되게 형성되는 마이크로렌즈(110)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, at least one
여기서, 상기 제 1, 제 2 트렌치(104,105)에 의해 상기 청색 칼라 필터층(106) 및 녹색 칼라 필터층(107) 그리고 적색 칼라 필터층(108)의 표면 높이는 동일하게 형성되기 때문에 상기 제 2 평탄화층(109)의 두께를 종래 보다 얇게 형성할 수가 있다. Here, the surface heights of the blue
또한, 상기 제 1, 제 2 평탄화층(103,109)은 SiN층으로 이루어져 있다.In addition, the first and
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제 2 평탄화층(109)을 형성하고 있지만, 상기 각 칼라 필터층(106,107,108)이 동일 높이로 평탄하게 형성되어 있기 때문에 제 2 평탄화층(109)을 생략할 수도 있다.In addition, although the
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.
도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(101)의 표면내에 적어도 하나 이상으로 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(102)를 형성하고, 상기 포토 다이오드(102)를 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 층간 절연층(도시되지 않음) 및 제 1 평탄화층(103)을 차례로 형성한다.As shown in FIG. 3A, a
여기서, 상기 층간 절연층은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(102) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.Here, the interlayer insulating layer may be formed in a multi-layer, but not shown, after forming a light shielding layer for preventing light from being incident to a portion other than the
한편, 상기 층간 절연층은 USG(Undoped Silicate Glass)과 같은 옥사이드를 사용한다.On the other hand, the interlayer insulating layer uses an oxide such as USG (Undoped Silicate Glass).
또한, 상기 제 1 평탄화층(103)은 SiN막으로 이루어져 있다.In addition, the
도 3b에 도시한 바와 같이, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 제 1 평탄화층(103)의 소정 부분을 선택적으로 제거하여 표면으로부터 소정깊이를 갖는 제 1 트렌치(104)를 형성한다.As shown in FIG. 3B, a predetermined portion of the
여기서, 상기 제 1 트렌치(104)는 이후에 청색 칼라필터가 형성될 영역이다.Here, the
도 3c에 도시한 바와 같이, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 제 1 트렌치(104)와 일정한 간격을 갖도록 상기 제 1 평탄화층(103)의 소정부분을 선택적으로 제거하여 상기 제 1 트렌치(104)보다 얇은 깊이로 제 2 트렌치(105)를 형성한다.As shown in FIG. 3C, a predetermined portion of the
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2 트렌치(104,105)를 포함한 전면에 청색 필터용 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상하여 상기 제 1 트렌치(104)의 내부에 청색 칼라필터층(106)을 형성한다.As shown in FIG. 3D, a blue filter resist is coated on the entire surface including the first and
여기서, 상기 청색 칼라필터층(106)을 형성할 때는 사용된 레티클(reticle)은 상기 제 1 트렌치(104)를 형성할 때 사용된 레티클을 그대로 사용한다.Here, the reticle used when forming the blue
이어서, 녹색용 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상하여 제 2 트렌치(105)내에 녹색 칼라 필터층(107)을 형성한다.Subsequently, after applying a green resist, it is exposed and developed to form a green
여기서, 상기 녹색 칼라필터층(107)을 형성할 때는 사용된 레티클(reticle)은 상기 제 2 트렌치(105)를 형성할 때 사용된 레티클을 그대로 사용한다.Here, the reticle used when forming the green
그리고 적색용 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 청색 칼라필터층(106)과 녹색 칼라필터층(107) 사이의 제 1 평탄화층(103)상에 적색 칼라필터층(108)을 형성한다.After the red resist is applied, a red
한편, 본 발명의 실시예에서는 청색 칼라필터층(106), 녹색 칼라필터층(107), 적색 칼라필터층(108)의 순서로 형성하고 있지만, 이에 한정하지 않고 각 칼라필터층의 형성 순서를 임의로 조정할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the blue
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라필터층(106,107,108)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 제 2 평탄화층(109)을 형성한다.As shown in FIG. 3E, a
한편, 본 발명의 실시예는 상기 제 2 평탄화층(109)의 두께를 감소시켜 마이크로렌즈를 통과한 자연광이 바로 칼라 필터층으로 들어갈 수 있도록 형성하기 위해 칼라 필터층을 형성하기 전에 다른 칼라 필터들에 비해 두꺼운 필터들은 미리 제 1 평탄화층(103)의 표면내에 트렌치를 형성한 후 각 칼라 필터층을 형성하고 있다.On the other hand, the embodiment of the present invention compared to other color filters before forming the color filter layer to reduce the thickness of the
따라서 전체적으로 각 칼라 필터층의 표면은 평탄화하게 형성되기 때문에 상기 제 2 평탄화층(109)의 두께는 최소한으로 줄일 수 있고, 심지어 생략할 수도 있다.Therefore, the thickness of the
이어, 상기 제 2 평탄화층(109)상에 마이크로렌즈 형성용 물질층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 물질층을 패터닝하여 마이크로렌즈 패턴을 형성한다.Subsequently, a microlens formation material layer is coated on the
여기서, 상기 마이크로렌즈 형성용 물질층으로, 레지스트 또는 TEOS와 같은 산화막을 사용할 수도 있다.Here, an oxide film such as a resist or TEOS may be used as the material layer for forming the microlens.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우시키어 마이크로렌즈(110)를 형성 한다.Subsequently, the microlens pattern is reflowed to form the
여기서, 상기 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)를 이용하거나 퍼니스(furnace)를 이용할 수 있다. 이때 수축 가열하는 방법에 따라 마이크로렌즈(110)의 곡률이 달라지는데 이 곡률에 따라서 집속 효율도 달라지게 된다.In this case, the reflow process may use a hot plate or a furnace. In this case, the curvature of the
이어, 상기 마이크로렌즈(110)에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(110)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(110)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.Subsequently, the
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.Such CMOS image sensor and its manufacturing method according to the present invention has the following effects.
즉, 칼라 필터층을 형성하기 전에 다른 칼라 필터들에 비해 두꺼운 필터들은 미리 제 1 평탄화층의 표면내에 트렌치를 형성한 후 각 칼라 필터층을 형성함으로써 제 2 평탄화층의 두께를 감소시켜 마이크로렌즈를 통과한 자연광이 바로 칼라 필터층으로 들어갈 수 있도록 하여 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.That is, before forming the color filter layer, the filters thicker than other color filters form trenches in the surface of the first flattening layer in advance, and then form the respective color filter layers to reduce the thickness of the second flattening layer and pass through the microlenses. The sensitivity of the image sensor can be improved by allowing natural light to enter the color filter layer directly.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020050132618A KR100731067B1 (en) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Cmos image sensor and method for manufacturing the same |
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KR20030039713A (en) * | 2001-11-14 | 2003-05-22 | 주식회사 하이닉스반도체 | Image sensor and method of fabricating the same |
KR20040083173A (en) * | 2003-03-21 | 2004-10-01 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of manufacturing a image device |
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2005
- 2005-12-28 KR KR1020050132618A patent/KR100731067B1/en not_active IP Right Cessation
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