KR100907157B1 - Image sensor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 이미지 센서는, 단위화소들이 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성되어, 상기 단위화소들에 대응하는 제 1 내지 제 3 컬러필터영역이 형성된 절연층 및 상기 단위화소와 연결된 금속 배선을 포함하는 금속배선층 및 상기 단위화소들과 대응하여 상기 금속배선층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다. 실시예는 컬러필터를 사용하여 별도의 레이어로 구비된 컬러필터 어레이를 이온주입으로 절연층에 형성하여 레이어 수를 줄임으로써 광의 투과율을 높일 수 있으며, 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄여 감도를 향상시킬 수 있다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same. The image sensor may include a semiconductor substrate having unit pixels formed thereon, an insulating layer formed on the semiconductor substrate and having first to third color filter regions corresponding to the unit pixels, and a metal wiring connected to the unit pixel. And a microlens formed on the metallization layer in correspondence with the unit pixel and the metallization layer including the unit pixel. According to the embodiment, a color filter array formed as a separate layer using a color filter is formed on an insulating layer by ion implantation to increase the light transmittance by reducing the number of layers, and to reduce the sensitivity by reducing the distance between the microlens and the photodiode. Can be improved.
컬러필터, 이온 주입 Color filter, ion implantation
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is largely a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. (CIS).
씨모스 이미지 센서는 이미징(IMAGING) 기술로 빛을 디지털화 하는 장치이다. 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.CMOS image sensors are devices that digitize light with IMAGING technology. In the CMOS image sensor, a photo diode and a MOS transistor are formed in a unit pixel to sequentially detect an electrical signal of each unit pixel in a switching manner to implement an image.
씨모스 이미지 센서의 구조를 간단히 살펴보면 수광부, 필터부, 센서부, 회로부로 나뉘어 있다. 이미징 기술에서 중요한 것은 들어온 빛을 필터링하여 빛의 손실 없이 이미지를 디지털화하는 것이다.The structure of the CMOS image sensor is briefly divided into a light receiving unit, a filter unit, a sensor unit, and a circuit unit. The key to imaging technology is to filter the incoming light and digitize the image without losing any light.
도 1은 종래 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional image sensor.
도 1에 도시된 이미지 센서는 포토다이오드(11)를 포함하는 단위화소가 형성된 픽셀 어레이 기판(10) 상부에 절연층(15)이 형성되고, 상기 절연층(15) 상에 금속 배선을 포함하는 다층으로 이루어진 금속배선층(20)이 형성되어 있고, 상기 금속배선층(20) 상에 보호층(30) 및 컬러필터 어레이층(40)이 형성되어 있으며, 상기 컬러필터 어레이층(40) 상에 상기 단위화소와 대응하는 마이크로 렌즈(50)가 형성되어 있다.In the image sensor illustrated in FIG. 1, an
종래 이미지 센서는 배선 공정을 위하여 많은 레이어(layer)들을 적층하는 구조를 채택하고 있으며, 별도의 컬러필터 레이어에 의하여 마이크로 렌즈(50)와 포토다이오드(11) 사이의 거리가 멀어 감도가 떨어지는 문제점이 있다.The conventional image sensor adopts a structure in which many layers are stacked for a wiring process, and the distance between the
실시예는 이미지 센서의 컬러필터 어레이를 절연층에 이온주입을 통하여 형성함으로써 박형의 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides a thin image sensor and a method of manufacturing the same by forming a color filter array of an image sensor through an ion implantation in an insulating layer.
실시예에 따른 이미지 센서는, 단위화소들이 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성되어, 상기 단위화소들에 대응하는 제 1 내지 제 3 컬러필터영역이 형성된 절연층 및 상기 단위화소와 연결된 금속 배선을 포함하는 금속배선층 및 상기 단위화소들과 대응하여 상기 금속배선층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.The image sensor may include a semiconductor substrate having unit pixels formed thereon, an insulating layer formed on the semiconductor substrate and having first to third color filter regions corresponding to the unit pixels, and a metal wiring connected to the unit pixel. And a microlens formed on the metallization layer in correspondence with the unit pixel and the metallization layer including the unit pixel.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 단위화소들을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층에 선택적으로 1차 이온주입공정을 하여 제 1 컬러필터영역을 형성하는 단계, 상기 절연층에 선택적으로 2차 이온주입공정을 하여 제 2 컬러필터영역을 형성하는 단계, 상기 절연층에 선택적으로 3차 이온주입공정을 하여 제 3 컬러필터영역을 형성하는 단계 및 상기 절연층 상에 금속배선을 형성하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing an image sensor according to the embodiment may include forming unit pixels including a photodiode on a semiconductor substrate, forming an insulating layer on the semiconductor substrate, and selectively performing a primary ion implantation process on the insulating layer. Forming a first color filter region, selectively performing a secondary ion implantation process on the insulating layer, forming a second color filter region, selectively performing a tertiary ion implantation process on the insulation layer, and performing a third color Forming a filter region and forming a metal wiring on the insulating layer.
실시예는 이미지 센서의 컬러필터 어레이를 절연층에 이온주입을 통하여 형성함으로써 이미지 센서의 두께를 줄여 박형의 이미지 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.The embodiment has the effect of realizing a thin image sensor by reducing the thickness of the image sensor by forming the color filter array of the image sensor through the ion implantation in the insulating layer.
실시예는 컬러필터를 사용하여 별도의 레이어로 구비된 컬러필터 어레이를 이온주입으로 절연층에 형성하여 레이어 수를 줄임으로써 광의 투과율을 높일 수 있는 효과가 있다.The embodiment has the effect of increasing the transmittance of light by reducing the number of layers by forming a color filter array provided as a separate layer in the insulating layer using a color filter in the insulating layer by ion implantation.
실시예는 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄여 감도를 향상시키는 효과가 있다.The embodiment has the effect of improving the sensitivity by reducing the distance between the micro lens and the photodiode.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. In the description of the embodiments, where described as being formed "on / over" of each layer, the on / over may be directly or through another layer ( indirectly) includes everything formed.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면 도들이다.2 to 6 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an image sensor according to an embodiment.
도시하지 않았으나, 반도체 기판(100)에는 소자간의 전기적인 절연을 위한 필드산화막이 형성되고 액티브 영역 상에는 화소영역과 주변 회로영역이 형성되어 있다. Although not illustrated, a field oxide film for electrical insulation between devices is formed on the
상기 회로영역은 N형 웰 또는 P형 웰을 형성하고 폴리실리콘과 금속물질을 도포하고 패터닝함으로써 게이트 전극이 형성된다. 게이트 전극에 게이트 스페이서를 형성하고, 트랜지스터의 소스 및 드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다. The circuit region is formed by forming an N type well or a P type well and applying and patterning polysilicon and a metal material. A gate spacer is formed on the gate electrode, and ion implantation is performed to form a source, a drain, and a sensing node of the transistor.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 화소영역에는 상기 반도체 기판(100)에 이온주입을 실시하여 단위화소 내에 포토 다이오드(101)가 형성되어 있다.As shown in FIG. 2, a
도 3에 도시한 바와 같이, 트랜지스터 및 포토 다이오드(101)가 형성된 상기 반도체 기판(100) 상에 절연층(110)을 형성한다. 상기 절연층(110) 상에 제 1 포토레지스트 패턴(181)을 형성한다.As shown in FIG. 3, an
상기 제 1 포토레지스트 패턴(181)은 스핀 코팅 공정을 통해 포토레지스트막을 형성하고, 상기 포토레지스트막은 노광 공정 및 현상 공정을 포함하는 포토 공정에 의해 패터닝 되어 형성된다.The first
상기 제 1 포토레지스트 패턴(181)을 마스크로 상기 반도체 기판(100)에 1차 이온주입공정을 하여 상기 절연층(110)에 제 1 컬러필터영역(111)을 형성한다.The first
상기 1차 이온 주입 공정은 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 망간(Mn), 안티몬(Sb)으로 이루어지는 금속 원소 중 적어도 하나를 포함하는 이온을 소정의 에너 지로 상기 반도체 기판(100)에 주입한다.The first ion implantation process may include a semiconductor containing at least one of ions containing at least one of a metal element consisting of iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), manganese (Mn), and antimony (Sb). Inject in 100.
상기 제 1 컬러필터영역(111)은 상기 포토다이오드(101)와 대응하는 위치에 형성하도록 한다.The first
이후 상기 제 1 포토레지스트 패턴(181)을 제거하고 열처리를 하면, 상기 제 1 컬러필터영역(111)은 제 1 깊이(a)를 가지고 상기 절연층(110)에 형성된다.Subsequently, when the first
예를 들어, 상기 제 1 컬러필터영역(111)은 적색 컬러필터영역일 수 있다.For example, the first
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 컬러필터영역(111)이 형성된 상기 절연층(110) 상에 제 2 포토레지스트 패턴(182)을 형성한다.As shown in FIG. 4, a second
상기 제 2 포토레지스트 패턴(182)은 스핀 코팅 공정을 통해 포토레지스트막을 형성하고, 상기 포토레지스트막은 노광 공정 및 현상 공정을 포함하는 포토 공정에 의해 패터닝 되어 형성된다.The second
상기 제 2 포토레지스트 패턴(182)을 마스크로 상기 절연층(110)에 2차 이온주입 공정을 하여 상기 절연층(110)에 제 2 컬러필터영역(112)을 형성한다.The second
상기 2차 이온 주입 공정은 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 망간(Mn), 안티몬(Sb)으로 이루어지는 금속 원소 중 적어도 하나를 포함하는 이온을 소정의 에너지로 상기 반도체 기판(100)에 주입한다.The secondary ion implantation process includes a semiconductor substrate having ions containing at least one of metal elements consisting of iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), manganese (Mn), and antimony (Sb) with a predetermined energy. Inject in 100.
상기 제 2 컬러필터영역(112)은 상기 제 1 컬러필터영역(111)과 대응하는 포토다이오드(101)와 다른 포토다이오드(101)에 대응한다.The second
이후, 상기 제 2 포토레지스트 패턴(182)을 제거한 후 열처리를 하면 상기 제 2 컬러필터영역(112)은 제 2 깊이(b)를 가지고 상기 절연층(110)에 형성된다.Subsequently, when the second
예를 들어, 상기 제 2 컬러필터영역(112)은 녹색 컬러필터영역일 수 있다. 상기 제 2 깊이(b)는 상기 제 1 깊이(a)보다 얕다.For example, the second
도 5에 도시한 바와 같이, 서로 독립적으로 형성된 제 1 컬러필터영역(111) 및 제 2 컬러필터영역(112)이 형성된 상기 반도체 기판(100) 상에 제 3 포토레지스트 패턴(183)이 형성된다.As shown in FIG. 5, a third
상기 제 3 포토레지스트 패턴(183)은 스핀 코팅 공정을 통해 포토레지스트막을 형성하고, 상기 포토레지스트막은 노광 공정 및 현상 공정을 포함하는 포토 공정에 의해 패터닝 되어 형성된다.The third
상기 제 3 포토레지스트 패턴(183)을 마스크로 상기 절연층(110)에 3차 이온주입 공정을 하여 상기 절연층(110)에 제 3 컬러필터영역(113)을 형성한다.The third
상기 3차 이온 주입 공정은 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 망간(Mn), 안티몬(Sb)으로 이루어지는 금속 원소 중 적어도 하나를 포함하는 이온을 소정의 에너지로 상기 반도체 기판에 주입한다.In the tertiary ion implantation process, the semiconductor substrate contains ions containing at least one of metal elements consisting of iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), manganese (Mn), and antimony (Sb) with a predetermined energy. Inject in.
상기 제 3 컬러필터영역(113)은 상기 제 1 및 제 2 컬러필터영역(111, 112)과 대응하는 포토다이오드(101)와 다른 포토다이오드(101)에 대응한다.The third
이후, 상기 제 3 포토레지스트 패턴(183)을 제거한 다음 열처리를 하면 상기 제 3 컬러필터영역(113)은 제 3 깊이(c)를 가지고 상기 절연층(110)에 형성된다.Thereafter, when the
예를 들어, 상기 제 3 컬러필터영역(113)은 청색 컬러필터영역일 수 있다. 상기 제 3 깊이(c)는 상기 제 2 깊이(b)보다 얕다.For example, the third
상기와 같은 이온주입 공정들을 거쳐 상기 절연층(110)에 컬러필터 어레이를 형성할 수 있다.The color filter array may be formed on the insulating
따라서, 이미지 센서의 컬러필터 어레이를 절연층(110)에 이온주입을 통하여 형성함으로써 이미지 센서의 두께를 줄여 박형의 이미지 센서를 구현할 수 있으며, 컬러필터를 사용하여 별도의 레이어로 구비된 컬러필터 어레이를 이온주입으로 절연층에 형성하여 레이어 수를 줄임으로써 광의 투과율을 높일 수 있다.Therefore, by forming the color filter array of the image sensor through the ion implantation in the
추후 형성될 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄여 감도를 향상시킬 수도 있다.Sensitivity may be improved by reducing the distance between the microlens to be formed later and the photodiode.
상기 제 1 내지 제 3 컬러필터영역(111, 112, 113) 중 적색 컬러필터인 상기 제 1 컬러필터영역(111)의 깊이가 가장 깊고, 청색 컬러필터인 상기 제 3 컬러필터영역(113)의 깊이가 가장 얕은데, 이는 색깔별 투과율을 고려한 상대적 두께이다.The depth of the first
예를 들어, 상기 제 3 컬러필터영역(113)의 깊이가 2000Å이면, 제 2 컬러필터영역(112)의 깊이는 4000Å, 제 1 컬러필터영역(111)의 깊이는 상기 포토다이오드 인근까지 깊게 형성된다. For example, when the depth of the third
도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 내지 제 3 컬러필터영역(111, 112, 113)이 형성된 상기 절연층(110) 상에 금속배선(121) 및 복수의 층간절연막으로 이루어지는 금속배선층(120)이 형성된다. As shown in FIG. 6, a
상기 금속배선(121)은 전원라인, 신호라인 및 화소영역과 연결되는 것으로 상기 화소영역으로 입사하는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 배치 형성된다. The
또한, 상기 금속배선층(120)의 최상부 금속배선(121)을 형성할 때 패드(미도시)가 형성된다. 상기 패드는 알루미늄, 알루미늄 합금 등 전기적으로 저항이 낮은 금속을 포함하며, 상기 패드는 화소와 전기적으로 연결될 수 있다. In addition, a pad (not shown) is formed when the
도시하지는 않았지만 상기 금속배선(121) 및 패드의 상부에는 전도성 배리어막으로서 Ti 또는 TiN이 형성될 수 있다.Although not shown, Ti or TiN may be formed as a conductive barrier layer on the
그리고 상기 금속배선(121) 및 패드를 포함하는 금속배선층(120) 상으로 외부의 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 보호층(130)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이거나 상기 막들의 적층 구조로 이루어질 수 있다.A
상기 보호층(130) 상에 상기 단위화소 각각에 대응하여 마이크로 렌즈(150)를 형성한다.The
상기 마이크로 렌즈(150) 형성 공정을 보면, 상기 보호층(130) 상에 마이크로 렌즈용 포토레지스트막을 스핀 공정등을 통해 도포하고, 상기 포토레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상한 후 각각의 제 1 내지 제 3 컬러필터 영역 상부에 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이후, 리플로우 공정을 실시하여 볼록한 형상을 갖는 돔 형태의 상기 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다.In the process of forming the
실시예에서는 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 절연층(110)에 컬러필터영역을 형성하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 반도체 기판(100)과 상기 마이크로 렌즈(150) 사이의 어느 층간절연막에 이온주입되어 컬러필터영역이 형성되어도 무방하다.In an embodiment, the color filter region is formed in the insulating
실시예는 이미지 센서의 컬러필터 어레이를 절연층에 이온주입을 통하여 형성함으로써 이미지 센서의 두께를 줄여 박형의 이미지 센서를 구현할 수 있는 효과 가 있다.The embodiment has the effect of realizing a thin image sensor by reducing the thickness of the image sensor by forming a color filter array of the image sensor through the ion implantation in the insulating layer.
실시예는 컬러필터를 사용하여 별도의 레이어로 구비된 컬러필터 어레이를 이온주입으로 절연층에 형성하여 레이어 수를 줄임으로써 광의 투과율을 높일 수 있는 효과가 있다.The embodiment has the effect of increasing the transmittance of light by reducing the number of layers by forming a color filter array provided as a separate layer in the insulating layer using a color filter in the insulating layer by ion implantation.
실시예는 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄여 감도를 향상시키는 효과가 있다.The embodiment has the effect of improving the sensitivity by reducing the distance between the micro lens and the photodiode.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described above with reference to the embodiments, which are merely examples and are not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains are not exemplified above without departing from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1은 종래 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional image sensor.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.2 to 6 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an image sensor according to an embodiment.
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