KR100840658B1 - CMOS Image Sensor and Method for Manufacturing the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과, 상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과, 상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과, 상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과, 상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와, 상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 씨모스 이미지 센서 및 이러한 씨모스 이미지 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention provides a semiconductor substrate including a gate, a metal wiring, or a plurality of devices in a logic region for processing predetermined optical information, a lower metal wiring connecting a pixel region and a logic region formed on the semiconductor substrate, and the logic region. A first contact formed in the via in contact with the lower metal wiring formed in the first wiring; a porous silicon thin film layer formed on the uppermost metal wiring formed in the pixel region; a plurality of photodiodes formed in the porous silicon thin film layer; A second contact formed in the plurality of vias connecting the uppermost metal wiring of the pixel region and the photodiode to the porous silicon thin film layer, a top insulating film formed on the photodiode, and a plurality of formed on the top insulating film Color filters and a plurality of micro formed respectively corresponding to the color filters Seeds containing's CMOS image sensor and a CMOS such relates to a method of manufacturing the image sensor.

이미지센서, 포토다이오드, 콘택(Contact), 다공질 실리콘 박막층 Image sensor, photodiode, contact, porous silicon thin film layer

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법{CMOS Image Sensor and Method for Manufacturing the Same}CMOS Image Sensor and Method for Manufacturing the Same

도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도.1 is an exemplary view for explaining a method of manufacturing a conventional CMOS image sensor.

도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention.

<도면의 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

A : 픽셀 영역A: pixel area

B : 로직 영역B: logic area

201 : 반도체 기판 201: semiconductor substrate

202 : 게이트202: gate

203 : 하부 금속 배선203: lower metal wiring

204 : 제1 콘택204: First contact

205 : 로직 영역의 제1 금속 배선205: first metal wiring in the logic region

206 : 로직 영역의 제2 금속 배선206: second metal wiring in the logic region

207 : 로직 영역의 제3 금속 배선207: third metal wiring in the logic region

208 : 로직 영역의 제n-1 금속 배선208: n-1 metal wiring in the logic region

209 : 로직 영역의 제n 금속 배선209: n-th metal wiring in the logic region

210 : 로직 영역의 다수의 금속 배선210: Multiple metal wiring in the logic area

211 : 로직 영역의 층간 절연막211: interlayer insulating film in the logic region

212 : 픽셀 영역의 층간 절연막212: interlayer insulating film in the pixel region

213 : 픽셀 영역의 제1 금속 배선213: first metal wiring in the pixel region

214 : 픽셀 영역의 제2 금속 배선214: second metal wiring in the pixel region

215 : 픽셀 영역의 제3 금속 배선215: third metal wiring in the pixel region

216 : 픽셀 영역의 다수의 금속 배선216: a plurality of metal wirings in the pixel region

217 : 다공질 실리콘 박막층217: porous silicon thin film layer

218 : 포토다이오드218 photodiode

219 : 제2 콘택219: second contact

220 : 최상부 절연층220: top insulating layer

221 : 청색 칼라 필터221 blue color filter

222 : 적색 칼라 필터222: red color filter

223 : 녹색 칼라 필터223: Green Color Filter

224 : 마이크로 렌즈224: Micro Lens

본 발명은 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로 특히, 수광 효율을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same that can improve the light receiving efficiency.

일반적으로 이미지 센서(Image Sensor)는 광학 영상(Optical Image)을 전기적인 신호로 변환하는 반도체 장치로서, 크게 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon : CMOS) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다. 여기서, CCD는 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로 (Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀(Pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD에 비하여 CMOS 이미지센서는 구동 방식이 간편하고, 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 CCD에 비해 크게 낮은 장점이 있어 광범위한 제품에서 사용되고 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and is largely a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. It is divided into (Image Sensor). Here, a CCD is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while a metal-oxide-silicon (MOS) capacitor is in close proximity to each other, and a CMOS image sensor is a control circuit and a signal processing circuit. ) Is a device that adopts a switching method that makes MOS transistors as many pixels as the peripheral circuit using CMOS technology, and detects the output sequentially using them. Compared with CCDs, which are widely used as current image sensors, CMOS image sensors can be easily driven, implemented with various scanning methods, and integrated with signal processing circuits on a single chip. The use of CMOS technology reduces manufacturing costs, and power consumption is significantly lower than CCDs, making it widely used in a wide range of products.

한편, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광 감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 광 감도(Sensitivity)를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광 감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직 회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적에서는 이러한 노력에 한계가 있다. 따라서, 광 감도를 높여주기 위하여 광 감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부분 상부에 칼라 필터(Color filter)가 순차적으로 배열되어 있다. 칼라 필터 배열(Color Filter Array; CFA)은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터의 3가지 칼라 필터로 이루어지거나, 또는 황색 필터, 자황색 필터 및 청록색 필터의 3가지 칼라 필터로 이루어질 수 있다. 또한 칼라 필터 배열 상부에 이미지센서의 광 감도를 높이기 위하여 마이크로렌즈(Microlens)를 이용한다.On the other hand, the CMOS image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a logic circuit portion for processing the detected light into an electrical signal to make data. Efforts have been made to increase the fill factor of the area of the photo-sensing part of the entire image sensor device to increase the sensitivity, but this is limited in areas where the logic circuit part cannot be removed. There is a limit to. Therefore, in order to increase the light sensitivity, a light condensing technology that changes the path of light incident to a region other than the light sensing portion and collects the light sensing portion has emerged. Such a technique is a microlens forming technique. In addition, the image sensor for implementing a color image is a color filter (Color filter) is sequentially arranged on the upper portion of the light sensing portion for generating and accumulating the optical charge by receiving light from the outside. The color filter array (CFA) may be composed of three color filters, a red filter, a green filter, and a blue filter, or three color filters of a yellow filter, a purple yellow filter, and a cyan filter. In addition, a microlens is used to increase the light sensitivity of the image sensor on the color filter array.

종래의 씨모스 이미지 센서를 제작하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.A method of manufacturing a conventional CMOS image sensor will be described with reference to FIG. 1.

도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역(A)은 다수의 포토다이오드(103) 등으로 구성된 수광부가 형성되어 있는 영역이며 로직 영역(B)은 신호처리를 위한 일반적인 논리회로가 중점적으로 형성된 영역이다. 즉, 고농도의 불순물 영역과 다수의 에피텍셜층이 적층된 구조로 된 실리콘 기판(101)에 국부적으로 소자 분리막(미도시)을 형성할 수 있으며, 기판(101) 상의 로직 영역(B)에는 로직 영역의 게이트(102)가 형성된다. 또한, 픽셀영역(A)에는 이온 주입 방법을 통해 기판(101) 내부에 소정의 이온을 주입하여 포토다이오드(103)를 형성한다. As shown in FIG. 1, the pixel area A is an area in which a light receiving unit composed of a plurality of photodiodes 103 and the like is formed, and the logic area B is an area in which a general logic circuit for signal processing is mainly formed. . That is, a device isolation layer (not shown) may be locally formed on the silicon substrate 101 having a structure in which a high concentration of impurity regions and a plurality of epitaxial layers are stacked, and logic may be formed in the logic region B on the substrate 101. The gate 102 of the region is formed. In addition, the photodiode 103 is formed in the pixel region A by implanting predetermined ions into the substrate 101 through an ion implantation method.

이어서, 픽셀 영역(A)의 포토다이오드(103)와 로직영역(B)의 게이트(102)를 포함한 기판(101) 전면에 로직영역(B)의 다수의 금속배선(104, 105. 106, 107, 108 : 109) 및 다수의 층간 절연막(110)과 픽셀영역(A)의 다수의 금속 배선(112, 113, 114 : 115) 및 다수의 층간 절연막(111)을 형성한다. Subsequently, a plurality of metal wirings 104, 105. 106, and 107 of the logic region B are disposed on the entire surface of the substrate 101 including the photodiode 103 of the pixel region A and the gate 102 of the logic region B. 108: 109, a plurality of interlayer insulating films 110, a plurality of metal wires 112, 113, 114: 115 of the pixel region A, and a plurality of interlayer insulating films 111 are formed.

다음으로, 전술한 방법에 의해 형성된 픽셀영역의 다수의 금속배선(115) 및 다수의 층간 절연막(111)을 포함한 하부 소자층의 전면에 형성되어 칼라 필터층을 둘러싸는 층간 절연층(116)을 형성하고, 층간 절연층(116) 내부에 각각의 특정 파장대의 빛을 통과하는 적색 칼라 필터(117), 녹색 칼라 필터(118), 청색 칼라 필터(119)를 형성한다. 이어서, 이러한 칼라 필터층 상에 평탄화층을 형성하고, 평탄화층 상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터를 투과하여 포토 다이오드 영역으로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(120)를 형성한다. 여기서, 마이크로 렌즈(120)는 집광된 빛의 초점 등의 여러 가지 조건을 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 주로 폴리머 계열의 수지를 사용하고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우(reflow) 등의 공정으로 처리함으로써 형성될 수 있다.Next, the interlayer insulating layer 116 is formed on the entire surface of the lower element layer including the plurality of metal wirings 115 and the plurality of interlayer insulating layers 111 of the pixel region formed by the above-described method and surrounds the color filter layer. In addition, a red color filter 117, a green color filter 118, and a blue color filter 119 are formed in the interlayer insulating layer 116 to pass light of each specific wavelength band. Subsequently, a planarization layer is formed on the color filter layer, and a convex shape having a predetermined curvature is formed on the planarization layer to form a micro lens 120 that transmits a corresponding color filter to condense light to the photodiode region. Herein, the microlens 120 has a curvature and a formation height determined in consideration of various conditions such as the focus of the collected light, mainly using a polymer-based resin, and is preferably deposited, patterned, and reflowed. It can be formed by treatment.

이러한 방법으로 씨모스 이미지 센서를 제조하는 공정에서, 빛이 수광되는 처음 지점인 마이크로 렌즈로부터 실리콘 기판에 위치한 포토 다이오드 사이에 다층의 금속 배선 및 다수의 층간 절연막으로 인하여 필요한 빛의 양이 포토 다이오드에 닿기 전에 손실되고, 이러한 문제로 인해 발생하는 난반사(Diffuse Reflectance) 현상과 다층 절연막 간에 상이한 굴절율로 인한 빛의 굴절 현상 등의 문제가 발생한다.In the process of manufacturing CMOS image sensor in this way, the amount of light required by the multi-layered metal wiring and the interlayer insulation film between the microlens, the first point at which light is received, and the photodiode located on the silicon substrate, is transferred to the photodiode. Problems such as diffuse reflection caused by such a problem and light refraction due to different refractive indices between the multilayer insulating layers are caused before they are touched.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, CMOS 이미지 센서의 다층 금속 배선 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제로 인한 수광 효율의 저하와 불량 픽셀 발생을 줄일 수 있는 광 경로가 단축된 CMOS 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and the optical path is shortened to reduce the light reception efficiency and reduce the defective pixel due to the structural problem including the multilayer metal wiring of the CMOS image sensor and the insulating film therebetween. It is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 이러한 광 경로가 단축됨에 따라 단위 화소의 사이즈가 줄어들어 설계규칙(Design Rule)이 미세한 소자의 고집적화 구현을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same in which the size of a unit pixel is reduced as the optical path is shortened, so that a design rule can improve the high integration of a device.

본 발명에 따른 씨모스 이미지센서는 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과, 상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과, 상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과, 상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과, 상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와, 상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.The CMOS image sensor according to the present invention is a semiconductor substrate in which a gate, a metal wiring, or a plurality of elements of a logic region for processing predetermined optical information is formed, and a lower metal wiring connecting a pixel region and a logic region formed on the semiconductor substrate. And a first contact formed in a via in contact with a lower metal line formed in the logic region, a porous silicon thin film layer formed on the uppermost metal line formed in the pixel region, and a porous silicon thin film layer. A plurality of photodiodes, a second contact formed in the plurality of vias connecting the photodiode with the top metal wiring of the pixel region to the porous silicon thin film layer, a top insulating film formed over the photodiode, and the top A plurality of color filters formed on the insulating film and corresponding to the color filters, respectively It includes a plurality of microlenses that are generated.

또한, 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자를 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선을 형성하는 단계와, 상기 로직영역의 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir)를 형성한 후, 상기 비아 내에 제1 콘택(Contact)을 형성하는 단계와, 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층을 형성하는 단계와, 상기 다공질 실리콘 박막층에 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 다공질 실리콘 박막층 상에 포토 레지스트 막을 형성한 후, 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 제2 콘택을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 위에 최상부 절연막을 형성하는 단계와, 상기 최상부 절연막에 다수의 칼라 필터를 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈를 각각 형성하는 단계를 포함한다.In addition, the method for manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention includes forming a gate, a metal wiring, or a plurality of devices in a logic region for processing predetermined optical information on a semiconductor substrate, a pixel region of the semiconductor substrate, Forming a lower metal interconnection connecting the logic region, forming a via in contact with the lower metal interconnection of the logic region, and forming a first contact in the via; Forming a porous silicon thin film layer on the uppermost metal wiring formed in the region, forming a plurality of photodiodes in the porous silicon thin film layer, forming a photoresist film on the porous silicon thin film layer, and then forming a top resistive metal in the pixel region. Forming a second contact in a plurality of vias connecting a wiring and the photodiode, and the photodiode It comprises the steps of forming a plurality of microlenses corresponding to the respective color filters forming a plurality of color filters on the phase and the top insulating film to form an insulating film on the top node.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(201)의 로직 영역(B)에 소정의 광 정보 신호를 처리하기 위한 로직영역의 게이트(202) 등의 하부 구조물을 형성하여 신호처리를 위한 일반적인 논리회로를 구성할 수 있다. 구체적으로, 전술한 하부 구조물 예컨대, 금속 배선, 게이트 또는 다수의 소자가 형성된 실리콘 기판(201) 상에 소정의 금속을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 픽셀영역(A)과 로직 영역(B)을 연결하는 하부 금속 배선(203)을 형성할 수 있다. 이어서, 하부 금속 배선(203) 위에 금속배선들 간의 절연을 위한 절연막을 형성하고 평탄화한다. 그 후, 절연막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 반응이온식각(Reactive Ion Ether : RIE) 공정을 포함한 식각 공정을 통해 로직 영역(B)의 하부 금속 배선(203)과 접촉할 수 있는 비아(Via)를 형성하며, 이러한 비아 내에 제1 콘택(Contact)(204)을 형성한다. 이 때, 로직 영역(B)의 제1 콘택(204)은 화학기상증착(Chamical Vapor Deposition : CVD) 방법를 이용하여 비아 홀을 채우는 방법을 통해 형성할 수 있다. 또한, RIE 방법을 이용하여 비아를 통해 접촉되어 있는 하부 금속 배선(203)의 표면을 청결하게 할 수 있다. 또한, 로직 영역의 제1 콘 택(204)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속을 이용하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 2, the CMOS image sensor forms a lower structure such as a gate 202 of a logic region for processing a predetermined optical information signal in a logic region B of a semiconductor substrate 201 for signal processing. General logic circuits can be constructed. Specifically, a predetermined metal is deposited on the silicon substrate 201 on which the above-described substructures, for example, metal lines, gates, or a plurality of elements are formed, and then selectively patterned to connect the pixel region A and the logic region B. The lower metal wiring 203 can be formed. Subsequently, an insulating film for insulation between the metal wires is formed and planarized on the lower metal wire 203. Thereafter, a photoresist film is formed on the insulating film, and the via may contact the lower metal wiring 203 of the logic region B through an etching process including a reactive ion etching (RIE) process. Form a first contact 204 in the via. In this case, the first contact 204 of the logic region B may be formed by filling a via hole by using chemical vapor deposition (CVD). In addition, the RIE method may be used to clean the surface of the lower metal wiring 203 that is in contact through the via. In addition, the first contact 204 of the logic region may be formed using a metal such as tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), or the like.

다음으로, 로직 영역(B)의 제1 콘택(204)이 형성된 절연막 상의 픽셀 영역(A)과 로직 영역(B)에 금속배선을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 픽셀 영역의 제1 금속 배선(213)과 로직 영역의 제1 금속 배선(205)을 형성한다. 이 때, 로직 영역(B)에 형성된 제1 금속 배선(205)은 로직 영역의 제1 콘택(204)을 통해 하부 금속 배선(203)과 연결된다. 이어서, 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)의 제1 금속 배선 상에 다수의 층간 절연막(212, 211) 및 다수의 금속 배선(214, 215 : 216, 206, 207)을 형성한다. 즉, 픽셀 영역(A)의 금속 배선 공정이 모두 끝날 때까지 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)의 금속 배선 공정이 함께 진행될 수 있다. 그 후, 로직 영역(B)의 나머지 금속 배선(208, 209)을 형성하기 위한 공정을 진행하여 로직 영역(B)의 구성을 완료한다. Next, a metal wiring is deposited on the pixel region A and the logic region B on the insulating layer on which the first contact 204 of the logic region B is formed, and then selectively patterned to form the first metal wiring 213 of the pixel region. ) And the first metal wiring 205 of the logic region. In this case, the first metal wire 205 formed in the logic region B is connected to the lower metal wire 203 through the first contact 204 of the logic region. Subsequently, a plurality of interlayer insulating films 212 and 211 and a plurality of metal wirings 214 and 215: 216, 206 and 207 are formed on the first metal wirings of the pixel region A and the logic region B. FIG. That is, the metal wiring process of the pixel region A and the logic region B may proceed together until the metal wiring process of the pixel region A is completed. Thereafter, a process for forming the remaining metal wirings 208 and 209 of the logic region B is performed to complete the configuration of the logic region B. FIG.

다음으로, 로직 영역(B)의 구성이 끝난 후, 이미지 센서를 구현하기 위한 포토다이오드(218)를 형성하기 위해 픽셀 영역(A)의 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층(217)을 형성한다. 여기서, 다공질 실리콘 박막층(217)은 단결정 실리콘을 CVD 등의 방법으로 증착한 후, 불산과 과산화수소수를 이용한 전기분해의 방법으로 실리콘 웨이퍼 표면에 절연막을 도포하지 않고 균일한 다공질의 실리콘 웨이퍼로 만드는 선택적 다공질 실리콘 형성방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 다공질의 실리콘 박막층은 다양한 표면 흡착 능력을 가지는 장점이 있고, 이 후의 공정에서 포토다이오드(218)와 마이크로 렌즈(224)가 인접하게 배치될 수 있 게 하는 지지체의 역할을 할 수 있다. Next, after the configuration of the logic region B is completed, the porous silicon thin film layer 217 is formed on the uppermost metal wiring of the pixel region A to form the photodiode 218 for implementing the image sensor. Herein, the porous silicon thin film layer 217 is formed by depositing single crystal silicon by CVD or the like and then electrolytically using hydrofluoric acid and hydrogen peroxide to selectively form a porous silicon wafer without applying an insulating film on the silicon wafer surface. It can be formed using a porous silicon forming method. The porous silicon thin film layer has an advantage of having various surface adsorption capacities, and may serve as a support for allowing the photodiode 218 and the microlens 224 to be disposed adjacent to each other in a subsequent process.

다음으로, 전술한 바와 같이 형성된 다공질 실리콘 박막층(217)에 대해 이온 주입 및 에피텍셜 공정을 수행하여 P형 도전형 또는 N형 도전형의 불순물 영역을 만들 수 있다. 그 후, 다공질 실리콘 박막층(217)에 P웰 형성 또는 N웰 형성을 위한 이온 주입법을 포함하는 공정을 수행하여 빛을 받아 광 전하를 생성하는 포토다이오드(218)를 형성할 수 있다. 이 때, 포토다이오드(218)를 형성하기 전에 포토다이오드(218) 측면에 다수의 소자분리막(미도시)과 다수의 트렌지스터(미도시)를 형성할 수 있다. Next, an ion implantation and epitaxial process may be performed on the porous silicon thin film layer 217 formed as described above to form an impurity region having a P-type conductivity or an N-type conductivity. Thereafter, a process including an ion implantation method for forming P wells or N wells may be performed on the porous silicon thin film layer 217 to form a photodiode 218 that receives light to generate photocharges. In this case, before forming the photodiode 218, a plurality of device isolation layers (not shown) and a plurality of transistors (not shown) may be formed on the side surface of the photodiode 218.

다음으로, 다공질 실리콘 박막층(217) 위에 선택적으로 포토레지스트막을 형성한 후, RIE를 포함한 에칭 공정을 통해 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 연결되는 다수의 비아를 형성하고 다수의 비아에 대해 제2 콘택(219)을 형성한다. 여기서 제2 콘택(219)은 빛을 수광한 포토다이오드(218)로부터 발생된 광 정보를 최상층 금속 배선을 포함한 픽셀 영역(A)의 다수의 금속배선(216)으로 보내는 역할을 한다. 또한, 제2 콘택(219)은 전술한 제1 콘택(204)의 형성 방법과 동일하게 CVD를 통해 비아 홀을 채우는 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, RIE를 이용하여 비아를 통해 접촉되어 있는 최상층 금속 배선의 표면을 세정할 수 있다. 이 때, 제2 콘택(219)은 텡스텐, 알루미늄 구리 등을 포함하는 금속을 이용하여 형성할 수 있다.Next, after the photoresist layer is selectively formed on the porous silicon thin film layer 217, a plurality of vias connected to the uppermost metal wiring of the pixel region are formed through an etching process including an RIE, and a second contact ( 219). The second contact 219 serves to send light information generated from the photodiode 218 that receives the light to the plurality of metal wires 216 of the pixel region A including the uppermost metal wire. In addition, the second contact 219 may be formed using a method of filling via holes through CVD in the same manner as the method of forming the first contact 204 described above, and the uppermost layer contacted through the via using RIE. The surface of the metal wiring can be cleaned. In this case, the second contact 219 may be formed using a metal including tungsten, aluminum copper, or the like.

다음으로, 포토다이오드(218) 상부에 칼라 필터층을 보호하기 위한 최상부 절연막(220)을 형성하고 선택적으로 식각하여 패턴을 형성한다. 그 후, 패턴 상에 컬러감광막을 도포하고 현상하여 청색 칼라 필터(221), 적색 칼라 필터(222), 녹색 칼라 필터(223) 순으로 칼라 필터층을 형성한다. 이 때, 칼라 필터층은 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 방법을 이용하여 평탄화한다. 이어서, 평탄화된 칼라필터층 각각에 대응하는 마이크로 렌즈(224)가 다수 형성되는데 이 때, 마이크로 렌즈(224)와 컬러필터층은 갭(gap)이 없이 형성된다. 또한, 마이크로 렌즈(224)는 폴리머 계열의 수지를 주로 사용하며, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우(reflow) 등의 공정으로 형성될 수 있다. 이러한 방법은, 포토다이오드(218) 위에 다수의 금속배선이 생략됨으로 인해 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이의 거리를 줄여 광 경로를 획기적으로 감소시킴으로써 수광 감도를 향상시킬 수 있다.Next, an uppermost insulating layer 220 is formed on the photodiode 218 to protect the color filter layer and is selectively etched to form a pattern. Thereafter, a color photosensitive film is coated and developed on the pattern to form a color filter layer in order of the blue color filter 221, the red color filter 222, and the green color filter 223. At this time, the color filter layer is planarized using a chemical mechanical polishing (CMP) method. Subsequently, a plurality of micro lenses 224 corresponding to each of the flattened color filter layers are formed. At this time, the micro lenses 224 and the color filter layers are formed without a gap. In addition, the micro lens 224 mainly uses a polymer-based resin, and may be formed by a process such as deposition, patterning, and reflow. In this method, since a plurality of metal wires are omitted on the photodiode 218, the light receiving sensitivity may be improved by reducing the distance between the photodiode and the microlens and dramatically reducing the optical path.

지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.Although specific embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, this is intended to be easily understood by those skilled in the art and is not intended to limit the technical scope of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention is determined by the matters described in the claims, and the embodiments described with reference to the drawings may be modified or modified as much as possible within the technical spirit and scope of the present invention.

본 발명은, 마이크로 렌즈에서 포토다이오드에 이르는 광 경로를 단축시킴으로써, 다층 금속 배선 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제에 의해 발생하는 난반사(Diffuse Reflectance) 현상과 다층 절연막 간에 상이한 굴절율로 인한 빛의 굴절 현상을 해소하여 포토다이오드로 입사되는 빛의 양을 극대화할 수 있어 단위 화소의 수광 감도가 크게 증가된 반도체 소자를 형성할 수 있다.By shortening the optical path from the microlens to the photodiode, the present invention provides light due to different refractive indices between a diffuse reflection and a multilayer problem caused by a structural problem including a multilayer metal wiring and an insulating film therebetween. By eliminating the refraction phenomenon, the amount of light incident on the photodiode can be maximized, thereby forming a semiconductor device having greatly increased light receiving sensitivity of a unit pixel.

또한, 본 발명은 이러한 광 경로가 단축된 소자를 구현함에 따라 단위 화소가 줄어들어 설계규칙이 미세한 고집적 소자의 실현을 가능케하고, 빛이 산란 되는 것을 최소화함으로써 색감이 향상되어 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, as a device having such a short optical path is implemented, unit pixels may be reduced to realize a highly integrated device having a fine design rule, and color may be improved by minimizing light scattering to improve reliability of a semiconductor device. Can be.

Claims (10)

소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자가 형성된 반도체 기판과,A semiconductor substrate on which a gate, a metal wiring, or a plurality of elements of a logic region for processing predetermined optical information are formed; 상기 반도체 기판에 형성된 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선과,A lower metal interconnection connecting the pixel region and the logic region formed on the semiconductor substrate; 상기 로직영역에 형성된 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir) 내에 형성된 제1 콘택(Contact)과,A first contact formed in a via in contact with a lower metal line formed in the logic region; 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 형성되는 다공질 실리콘 박막층과,A porous silicon thin film layer formed on the uppermost metal wiring formed in the pixel region; 상기 다공질 실리콘 박막층에 형성되는 다수의 포토다이오드와,A plurality of photodiodes formed on the porous silicon thin film layer, 상기 다공질 실리콘 박막층에 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 형성된 제2 콘택과,A second contact formed in the plurality of vias connecting the uppermost metal wiring of the pixel region and the photodiode to the porous silicon thin film layer; 상기 포토다이오드 위에 형성되는 최상부 절연막과,An uppermost insulating film formed on the photodiode; 상기 최상부 절연막에 형성되는 다수의 칼라 필터와,A plurality of color filters formed on the uppermost insulating film, 상기 칼라 필터에 각각 대응하여 형성되는 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 씨모스 이미지 센서.CMOS image sensor comprising a plurality of micro lenses each corresponding to the color filter. 삭제delete 제1항에서,In claim 1, 상기 다공질 실리콘 박막층은 포토다이오드 및 포토다이오드 측면에 형성된 다수의 소자 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.The porous silicon thin film layer includes a photodiode and a plurality of device isolation layers formed on the photodiode side of the CMOS image sensor. 제1항에서,In claim 1, 상기 다공질 실리콘 박막층은 단결정 실리콘을 CVD 방법으로 증착한 후, 불산과 과산화수소수를 이용한 전기분해를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.The porous silicon thin film layer is formed by depositing single crystal silicon by a CVD method, followed by electrolysis using hydrofluoric acid and hydrogen peroxide. 제1항에서,In claim 1, 상기 포토다이오드는 각각 청색 칼라 필터, 적색 칼라 필터 및 녹색 칼라 필터 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서.And each of the photodiodes includes at least one of a blue color filter, a red color filter, and a green color filter. 제1항에서,In claim 1, 상기 컬러 필터층과 상기 마이크로 렌즈는 갭(gap)이 없이 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서. And the color filter layer and the micro lens are formed without a gap. 반도체 기판에 소정의 광 정보를 처리하기 위한 로직영역의 게이트, 금속 배선 또는 다수의 소자를 형성하는 단계와,Forming a gate, a metal wiring, or a plurality of devices in a logic region for processing predetermined optical information on the semiconductor substrate; 상기 반도체 기판의 픽셀 영역 및 로직 영역을 연결하는 하부 금속 배선을 형성하는 단계와,Forming a lower metal wiring connecting the pixel region and the logic region of the semiconductor substrate; 상기 로직영역의 하부 금속 배선과 접촉하는 비아(Vir)를 형성한 후, 상기 비아 내에 제1 콘택(Contact)을 형성하는 단계와,Forming a via in contact with the lower metal wiring of the logic region, and then forming a first contact in the via; 상기 픽셀 영역에 형성된 최상층 금속 배선 위에 다공질 실리콘 박막층을 형성하는 단계와,Forming a porous silicon thin film layer on the uppermost metal wiring formed in the pixel region; 상기 다공질 실리콘 박막층에 다수의 포토다이오드를 형성하는 단계와,Forming a plurality of photodiodes on the porous silicon thin film layer; 상기 다공질 실리콘 박막층 상에 포토 레지스트 막을 형성한 후, 상기 픽셀 영역의 최상층 금속 배선과 상기 포토다이오드를 연결하는 다수의 비아(Vir) 내에 제2 콘택을 형성하는 단계와,Forming a photoresist film on the porous silicon thin film layer, and then forming a second contact in a plurality of vias connecting the uppermost metal wiring of the pixel region and the photodiode; 상기 포토다이오드 위에 최상부 절연막을 형성하는 단계와,Forming a top insulating film on the photodiode; 상기 최상부 절연막에 다수의 칼라 필터를 형성하는 단계와,Forming a plurality of color filters on the top insulating film; 상기 칼라 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈를 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.And forming a plurality of micro lenses corresponding to the color filters, respectively. 제7항에서,In claim 7, 상기 다공질 실리콘 박막층은 불산과 과산화수소를 이용한 전기분해 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.The porous silicon thin film layer is a method of manufacturing a CMOS image sensor, characterized in that formed using an electrolysis method using hydrofluoric acid and hydrogen peroxide. 삭제delete 제7항에서,In claim 7, 상기 다공질 실리콘 박막층은 포토다이오드 및 포토다이오드 측면에 형성된 다수의 소자 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조 방법.The porous silicon thin film layer includes a photodiode and a plurality of device isolation layers formed on the side of the photodiode manufacturing method of the CMOS image sensor.
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