KR20000044589A - Image sensor and fabrication method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서(Image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 광감도를 갖는 이미지센서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an image sensor, and more particularly to a method of manufacturing an image sensor having a high light sensitivity.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. In a double charge coupled device (CCD), individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are very different from each other. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity, and a CMOS (Complementary MOS) image sensor is a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. Is a device that employs a switching method that makes MOS transistors by the number of pixels and sequentially detects the output using them.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 칼라필터 상에 마이크로렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다.In manufacturing such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor. For example, the CMOS image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a CMOS logic circuit portion for processing the detected light into an electrical signal to make data. In order to increase the light sensitivity, the area of the light sensing portion in the overall image sensor area is increased. Efforts have been made to increase the percentage of occupancy (commonly referred to as "Fill Factor"), but there is a limit to such efforts under a limited area since the logic circuit part cannot be removed. Therefore, in order to increase the light sensitivity, a lot of research has focused on the condensing technology that changes the path of light incident to the area other than the light sensing part and collects the light sensing part, and one of them forms a micro lens on the color filter. That's how.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도1에는 집광에 관련된 이미지센서의 주요부분만이 개략적으로 도시되어 있다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional image sensor showing a condensing technique according to the prior art. FIG. 1 schematically shows only a main part of an image sensor related to condensing.
도1을 참조하면, 종래의 이미지센서는 광감지소자(101) 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 층간절연막(102) 내에 광차폐층(light shield layer)(103)이 형성되어 있으며, 그 위로 보호막(104)이 형성되고, 보호막(104) 상에 칼라필터(105)가 어레이되어 있다. 그리고, 칼라필터(105) 위에는 마이크로렌즈의 균일한 제조와 포커스 길이(focal length) 조절을 목적으로 적용되는 OCM(Over Coating Material)층(106)이 형성되고, 그 상부에 마이크로렌즈(107)가 형성되어 있다. 통상적으로 광감지소자(101)는 포토게이트 또는 포토다이오드 등으로 형성되며 광차폐층(104)은 금속층으로 형성된다. 칼라필터(105)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체(polymer)가 주로 이용되고 있으며, 마이크로렌즈(107) 역시 복합다중체가 주로 이용되고, 층간절연막(102)은 투명물질로서 통상 실리콘산화물계 박막이 적용된다.Referring to FIG. 1, in the conventional image sensor, a light shield layer 103 is formed in the interlayer insulating film 102 to prevent light from being incident to a region other than the photosensitive device 101. The protective film 104 is formed thereon, and the color filter 105 is arrayed on the protective film 104. In addition, an over coating material (OCM) layer 106 is formed on the color filter 105 for uniform manufacturing of the microlenses and for adjusting the focal length, and the microlens 107 is formed thereon. Formed. Typically, the photosensitive device 101 is formed of a photogate or photodiode, and the light shielding layer 104 is formed of a metal layer. As the material of the color filter 105, a composite polymer such as a dyed photoresist is mainly used, and the microlens 107 is also a composite multiple polymer. The interlayer insulating film 102 is a transparent material. Silicon oxide thin film is applied.
그러나, 이와 같은 종래의 이미지센서는 고집적화로 인하여 픽셀(Pixel) 사이즈가 적어지면서 마이크로렌즈(107)의 곡률반경이 작아져, 픽셀 에지 부분으로 입사되는 빛의 굴절각이 큰 관계로 광감도 저하뿐만 아니라 다른 칼러 픽셀 간의 색섞임 및 산란을 일으키는 문제점이 있다.However, such a conventional image sensor has a small pixel size due to high integration, and thus a radius of curvature of the microlens 107 is reduced, resulting in a large refraction angle of light incident on the pixel edge portion. There is a problem of color mixing and scattering between color pixels.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 종래에 비해 광감도가 증대된 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide an image sensor with increased light sensitivity compared to the prior art.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional image sensor showing a light collecting technique according to the prior art;
도2는 본 발명에 따른 이미지센서의 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view schematically showing the technical configuration of an image sensor according to the present invention;
도3a 내지 도3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
101 : 광감지소자 102 : 층간절연막101: photosensitive device 102: interlayer insulating film
103 : 광차폐층 107 : 마이크로렌즈103: light shielding layer 107: microlens
210 : 버퍼산화막 211 : 오목렌즈210: buffer oxide film 211: concave lens
200 : 외부로부터 입사되는 빛 201 : 본 발명에 의한 빛 경로200: light incident from the outside 201: light path according to the present invention
202 : 종래의 빛 경로202: Conventional Light Path
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 광감지소자를 포함하는 이미지센서에 있어서, 상기 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리 지역에서 자신의 상단부에 오목렌즈 형상의 홈이 형성되며, 상기 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층; 상기 버퍼층 보다 큰 굴절률을 갖는 물질로서 상기 홈 내부를 채워 형성되는 오목렌즈; 상기 버퍼층 상에 형성되되, 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 형성된 상기 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.An image sensor of the present invention for achieving the above object, the image sensor comprising a photo-sensing device, the image sensor comprising: a substrate on which the related elements including the photo-sensing device are formed; A buffer layer formed on the substrate and having a concave lens-shaped groove formed at an upper end thereof in a separation region between neighboring microlenses, and having a refractive index similar to that of the microlens; A concave lens formed of a material having a refractive index greater than that of the buffer layer to fill the groove; The micro lens is formed on the buffer layer, and the edge thereof is formed to overlap the edge of the concave lens.
상기한 바와 같은 특징적 구성을 갖는 본 발명은,The present invention having the characteristic configuration as described above,
"굴절률이 작은 매질과 큰 매질의 경계면에서 입사면에 수직한 법선과의 입사각은 굴절률이 큰 매질에서 작아진다
라는 원리를 이용한 것으로서, 위로 볼록한 렌즈의 가장 자리 부근에 굴절률이 큰 물질로 아래로 볼록한 렌즈를 형성함으로써, 위로 볼록한 마이크로렌즈에서 굴절되어 광감지소자 외부로 굴절되는 빛의 경로를 변경하여 광감지소자에 도달하게 한다. 이에 의해 이미지센서의 광감도를 향상은 물론 서로 다른 칼러간의 섞임과 산란을 방지한다.By using the principle of forming a convex lens with a large refractive index near the edge of the convex lens, the convex lens is changed by changing the path of light refracted by the convex micro lens and out of the photo sensor. To reach This improves the light sensitivity of the image sensor and prevents mixing and scattering between different colors.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판 상에 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층을 형성하는 제2단계; 상기 버퍼층 상에 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리지역이 오픈된 식각마스크패턴을 형성하는 제3단계; 상기 오픈 부위의 버퍼층을 등방성 식각하여 오목렌즈 형상의 홈을 형성하고 상기 식각마스크패턴을 제거하는 제4단계; 상기 홈 내부에 상기 버퍼층보다 굴절률이 큰 물질을 채워 오목렌즈를 형성하는 제5단계; 및 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 상기 버퍼층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진다.In addition, the image sensor manufacturing method of the present invention for achieving the above object, the first step of preparing a substrate on which the associated elements including a photosensitive device is formed; Forming a buffer layer having a refractive index similar to that of a microlens on the substrate; A third step of forming an etching mask pattern in which a separation region between neighboring microlenses is opened on the buffer layer; Isotropically etching the open buffer layer to form a concave lens-shaped groove and removing the etch mask pattern; A fifth step of forming a concave lens by filling a material having a refractive index greater than that of the buffer layer in the groove; And a sixth step of forming a microlens on the buffer layer such that its edge overlaps and contacts the edge of the concave lens.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do. Like reference numerals designate like elements as in the prior art.
도2는 본 발명에 따른 이미지센서의 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing the technical configuration of the image sensor according to the present invention.
도2를 참조하면, 마이크로렌즈는 복합다중체(polymer) 물질을 사용하고 노광 및 현상과, 플로우를 위한 열공정에 의해 형성되는바, 플로우에 의해 이웃한 마이크로렌즈(107)들 간에 서로 붙어 버리는 것을 방지하기 위하여 이웃하는 마이크로렌즈 사이에 공간을 둘 수밖에 없다. 본 발명은 이러한 이웃하는 마이크로렌즈(107) 사이의 영역에 오목렌즈(211)가 형성되어 있고, 오목렌즈(211)는 마이크로렌즈(107) 보다 굴절률이 큰 물질로 이루어진다. 그리고, 오목렌즈(211)의 에지와 마이크로렌즈(107)의 에지는 서로 일정영역이 오버랩되어 접하고 있으며, 그 밖의 지역에서 오목렌즈(211)는 마이크로렌즈와 굴절률이 유사한 버퍼산화막(210)과 접해 있다. 그리고, 그 밖의 구성은 종래기술과 동일하다. 도2에서 보호막과 칼라필터는 도시되어 있지 않으나, 이후의 제조공정 설명에서는 추가 언급될 것이다.Referring to FIG. 2, a microlens uses a polymer material and is formed by exposure and development, and a thermal process for flow, and the microlenses adhere to each other between neighboring microlenses 107 by a flow. In order to prevent this, there is no choice but to leave a space between neighboring microlenses. In the present invention, the concave lens 211 is formed in the area between the neighboring microlenses 107, and the concave lens 211 is made of a material having a larger refractive index than the microlens 107. In addition, the edge of the concave lens 211 and the edge of the micro lens 107 are in contact with each other by overlapping a predetermined region, and in other regions, the concave lens 211 is in contact with the buffer oxide film 210 having a similar refractive index with that of the micro lens. have. The rest of the configuration is the same as in the prior art. 2, the protective film and the color filter are not shown, but will be further mentioned in the following description of the manufacturing process.
이러한 구성에 의해 본 발명의 이미지센서는 집적화로 인하여 곡률반경이 작다 하더라도 마이크로렌즈(107) 에지부위로 입사되는 빛(200)을 광감지소자(101) 쪽으로 전달할 수 있는바, 도2에서 도면부호 "201"은 마이크로렌즈(107) 에지부위로 입사되는 빛(200)이 오목렌즈(211)로 굴절되어 전달되는 경로를, 도면부호 "202"는 오목렌즈(211)가 없을 경우(종래기술)를 가정한 빛의 경로를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에서는, 마이크로렌즈(107)의 에지로 입사되는 빛(200)이 마이크로렌즈와 대기가 접하는 부분에서 1차 굴절된 다음, 다시 마이크로렌즈(107)와 오목렌즈(211)가 접하는 부분에서 2차 굴절되고, 또 다시 오목렌즈(211)와 버퍼산화막(210)이 접하는 부분에서 3차 굴절되어 광감지소자(101) 쪽으로 입사된다.With this configuration, the image sensor of the present invention can transmit the light 200 incident to the edge of the microlens 107 toward the photosensitive device 101 even if the radius of curvature is small due to integration. "201" indicates a path through which light 200 incident on the edge of the microlens 107 is refracted and transmitted to the concave lens 211, and "202" indicates that there is no concave lens 211 (prior art). It represents the path of light assuming. As described above, in the present invention, the light 200 incident on the edge of the microlens 107 is first refracted at the portion where the microlens and the air contact, and then the microlens 107 and the concave lens 211 are in contact with each other. Secondary refraction at the portion, and the third refraction at the portion where the concave lens 211 and the buffer oxide film 210 is in contact with each other and is incident toward the light sensing element 101.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도3a를 참조하면, 통상의 방법으로 예컨대 포토다이오드와 같은 광감지소자(101)와, 층간절연막(102), 광차폐층(금속배선)(103), 및 보호막(104), 칼라필터(106)를 형성한다. 이어서, 평탄화된 버퍼산화막(210)을 형성한 다음 포토레지스트(301)를 도포한다. 버퍼산화막(210)은 SOG막을 적용할 수 있으며, 그 두께는 아래로 볼록한 렌즈를 형성할 수 있도록 그리고 포커스를 고려하여 1μm 내지 3μm 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 굴절률이 1.3 내지 1.8 정도로서 마이크로렌즈용 물질과 유사하게 형성한다. 아울러 SOG막은 그 자체가 평탄화 특성이 우수하지만 필요에 따라서는 평탄화를 위하여 에치백 또는 화학적기계적연마(CMP) 공정을 추가 할 수 있다.Referring to FIG. 3A, a photosensitive device 101 such as a photodiode, an interlayer insulating film 102, a light shielding layer (metal wiring) 103, a protective film 104, and a color filter 106 in a conventional manner, for example. ). Subsequently, the planarized buffer oxide film 210 is formed, and then the photoresist 301 is coated. The buffer oxide film 210 may be an SOG film, and the thickness of the buffer oxide film 210 is preferably 1 μm to 3 μm in consideration of focus and considering the focus, and has a refractive index of about 1.3 to 1.8. Forms similar to materials. In addition, the SOG film itself has excellent planarization characteristics, but if necessary, an etch back or chemical mechanical polishing (CMP) process may be added.
이어서, 도3b를 참조하면 마이크로렌즈 형성시 사용할 레티클(포토마스크)과 동일한 레티클을 사용하여 포토레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하므로써 포토레지스트패턴(301a)을 형성하고, 이를 식각마스크로하여 버퍼산화막(210)을 등방성 식각하여 아래로 볼록한 렌즈 형상의 홈(302)을 형성한다. 이때 식각의 정도에 따라 아래로 볼록한 홈(302)의 크기가 결정된다. 등방성식각은 습식식각에 의해 이루어지며, HF와 NH4F 등이 혼합된 BOE(buffered oxide etchant) 용액을 사용한다.3B, the photoresist pattern 301a is formed by selectively exposing and developing the photoresist using the same reticle as the reticle (photomask) to be used for forming the microlenses, and using the buffer oxide layer as an etch mask. Isotropic etching of 210 forms a lens-shaped groove 302 that is convex downward. At this time, the size of the groove 302 which is convex downward is determined according to the degree of etching. Isotropic etching is performed by wet etching, using a buffered oxide etchant (BOE) solution in which HF and NH 4 F are mixed.
이어서, 도3c를 참조하면 전면에 버퍼산화막(210)보다 굴절률이 큰 물질인 질화막(303)을 도포한 다음, 도3d와 같이, 상기 홈(302) 내부에만 질화막(303)이 채워지도록 상기 버퍼산화막(210)이 드러날때까지 에치백 또는 CMP를 실시한다. 이에 의해 오목렌즈를 완성된다.Subsequently, referring to FIG. 3C, a nitride film 303, which is a material having a refractive index greater than that of the buffer oxide film 210, is coated on the entire surface, and as shown in FIG. 3D, the buffer is filled so that the nitride film 303 is filled only in the groove 302. Etch back or CMP is performed until the oxide film 210 is exposed. This completes the concave lens.
이어서, 도3e를 참조하면, 기판 전면에 복합다중체물질(107a)을 도포한 다음, 도3f에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈 형성용 레티클을 사용하여 선택적 노광 및 현상 공정을 통해 복합다중체물질 패턴(107b)을 형성한다. 그리고, 도3g와 같이 패턴(107b)을 열 공정을 통해 플로우시켜 위로 볼록한 형상의 마이크로렌즈(107)를 형성한다. 이때 마이크로렌즈(107)의 에지는 오목렌즈를 구성하는 질화막(303)의 에지에 오버랩되게 된다.Next, referring to FIG. 3E, the composite multi-material 107a is applied to the entire surface of the substrate, and then, as shown in FIG. 3F, the composite multi-material is subjected to selective exposure and development processes using a microlens forming reticle. The pattern 107b is formed. As shown in FIG. 3G, the pattern 107b is flowed through a thermal process to form a microlens 107 having a convex shape. At this time, the edge of the microlens 107 overlaps the edge of the nitride film 303 constituting the concave lens.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 고집적 이미지센서의 집광 능력을 크게 향상시켜 이미지센서의 광감도를 증대시키는 효과가 있다.The present invention has the effect of greatly improving the light condensing capability of the highly integrated image sensor to increase the light sensitivity of the image sensor.
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