KR20010004175A - Method for fabricating image sensor with improved photo sensitivity - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서(image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an image sensor, and more particularly, to a method for manufacturing a CMOS image sensor for improving light sensitivity.
CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루질 수 있다.CMOS image sensor is composed of light sensing part that detects light and logic circuit part that processes detected light into electrical signal and makes data. Efforts have been made to increase the fill factor of the area of the photo-sensing part in the overall image sensor device to increase the light sensitivity. However, this effort is limited under a limited area because the logic circuit part cannot be removed. . 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 array is arranged on the upper portion of the light sensing portion for receiving and receiving light from the outside to generate and accumulate photocharges. The color filter array (CFA) consists of three colors: red, green, and blue, or three colors: yellow, magenta, and cyan. It can be made with a collar.
도1은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an image sensor manufactured according to the prior art.
도1을 참조하여 종래기술에 따른 이미지센서 제조방법을 간단히 언급하면, 실리콘기판(1) 위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(2)을 형성하고 포토다이오드와 같은 수광소자(3)들을 포함하는 픽셀을 형성한 후 층간절연막(4)을 도포하고 금속배선(5)을 형성한다. 금속배선은 더블 금속배선으로 이루어지는 것이 통상적이다. 이어서, 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막(6) 및 질화막(7)을 연속적으로 도포하여 소자보호막(10)을 형성한다. 이후 이미지센서의 칼라 이미지 구현을 위하여 칼라필터(8)를 형성하고, 그 상부에 마이크로렌즈(9)를 형성한다.Referring to FIG. 1, a method of manufacturing an image sensor according to the related art is briefly described. A field insulating film 2 is formed on a silicon substrate 1 to electrically insulate between devices, and includes light receiving elements 3 such as a photodiode. After forming the pixel, the interlayer insulating film 4 is applied and the metal wiring 5 is formed. The metal wiring is usually made of a double metal wiring. Subsequently, in order to protect the device from moisture and scratches, the oxide film 6 and the nitride film 7 are applied successively to form the device protection film 10. Thereafter, a color filter 8 is formed to implement a color image of the image sensor, and a microlens 9 is formed thereon.
도2는 CMOS 이미지 센서의 특정 픽셀부를 확대한 것으로, 더블 금속배선이 적용된 것이다.2 is an enlarged specific pixel portion of a CMOS image sensor, in which a double metal wiring is applied.
도2를 참조하면, 광감지부(포토다이오드)로 사용되는 액티브영역의 수광소자(3)는 필드절연막(2)과 금속배선층(5a, 5b)의 타포로지(Topology)로 인하여 층간절연막(4a, 4b)의 증착(deposition) 공정에서 후속공정으로 진행될 수록 심하게 굴곡되는 현상이 발생된다. 소자보호막(10)도 마찬가지이다.Referring to FIG. 2, the light-receiving element 3 in the active region used as the light sensing unit (photodiode) has an interlayer insulating film (2) due to the topology of the field insulating film 2 and the metal wiring layers 5a and 5b. As the process proceeds to the subsequent process in the deposition process of 4a, 4b), the more severely the phenomenon occurs. The same is true of the element protective film 10.
때문에, 굴곡진 부위에 형성되는 칼라필터(8)의 평탄도가 불량하므로 그 위에 형성되는 마이크로렌즈(9)가 단위픽셀마다 모양이 상이하게 되어 그 특성의 균일성(Uniformity)이 저하된다.Therefore, since the flatness of the color filter 8 formed in the curved portion is poor, the shape of the microlens 9 formed thereon is different for each unit pixel, and the uniformity of the characteristics is lowered.
아울러, 층간절연막 및 소자보호막 들간의 굴절율(Refractive Index)차, 굴절각 차에 의한 빛의 산란, 반사 및 손실로 인하여 광감도, 색 분리도의 저하를 가져온다. 또한, 층간절연막의 각 계면에서 특히 단차진 부위에서 공정진행시 불투명하거나 반투명한 오염물질(도2의 도면부호 21 참조) 잔사로 광감도를 저하시킨다.In addition, light sensitivity and color separation may be reduced due to scattering, reflection, and loss of light due to a difference in refractive index between the interlayer insulating layer and the device protection layers and a difference in refractive angle. In addition, at each interface of the interlayer insulating film, in particular, at the stepped portion, light sensitivity is reduced due to opaque or translucent contaminants (see 21 in FIG. 2).
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광감도를 향상시키기 위한 이미지센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object is to provide a method for manufacturing an image sensor for improving the light sensitivity.
본 발명의 다른 목적은 칼라필터의 평탄도를 개선하고 마이크로렌즈의 프로파일이 일그러짐 없이 양호히 소자의 신뢰성 및 공정 마진을 증대시키는 이미지센서 제조방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing an image sensor that improves the flatness of a color filter and improves the reliability and process margin of the device without distortion of the microlens profile.
도1은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing an image sensor manufactured according to the prior art;
도2는 더블 금속배선이 적용된 이미지센서의 특정 픽셀부를 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view showing a specific pixel portion of an image sensor to which a double metal wiring is applied;
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도.3A to 3F 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
1 : 실리콘기판 2 : 필드산화막1: silicon substrate 2: field oxide film
3 : 광감지소자 4a, 4b : 층간절연막3: photosensitive elements 4a, 4b: interlayer insulating film
5a, 5b : 금속배선 10 : 소자보호막5a, 5b: metal wiring 10: device protection film
8 : 칼라필터 9 : 마이크로렌즈8: color filter 9: microlens
33 : 절연막33: insulating film
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이미지센서 제조방법에 있어서, 기판상에 광감지소자를 포함하는 소자들을 형성하고 적어도 한층의 제1절연막과 적어도 한층의 금속배선 및 소자보호막을 형성하는 제1단계: 상기 광감지소자의 상부에 제1절연막이 일부 잔류하면서 홈이 형성되도록, 선택적으로 상기 소자보호막 및 상기 제1절연막을 식각하는 제2단계: 및 상기 홈 내에 제2절연막을 매립하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing an image sensor, comprising: forming a device including a photosensitive device on a substrate and forming at least one first insulating film and at least one metal wiring and a device protective film; Step: selectively etching the device protection film and the first insulating film so that a groove is formed while a portion of the first insulating film is left on the photosensitive device; and a third step of embedding a second insulating film in the groove. A step is made.
또한 상기 본 발명에서 상기 제3단계는 상기 제2단계가 완료된 결과물의 전면에 상기 제2절연막을 형성하는 제4단계; 및 상기 제4단계의 결과물 상부를 화학적기계적연마하는 제5단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제5단계가 완료된 결과물 상에 칼라필터 및 마이크로렌즈를 형성하는 제6단계를 더 포함하여 이루어진다.Further, in the present invention, the third step may include forming a second insulating film on the entire surface of the resultant of the second step; And a fifth step of chemically mechanically polishing the upper part of the resultant of the fourth step, and further comprising a sixth step of forming a color filter and a microlens on the resultant of the fifth step.
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.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.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 나타내고 있다.3A to 3F illustrate an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
도3a는 단위픽셀 및 주변회로 등 이미지센서를 이루는 소자들을 제조하고 소자보호막 형성 공정을 완료한 상태의 단면도이다.FIG. 3A is a cross-sectional view of fabricating devices constituting an image sensor such as a unit pixel and a peripheral circuit and completing a device protection film forming process. FIG.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 실리콘기판(1) 위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(2)을 형성하고 포토다이오드와 같은 수광소자(3)들을 포함하는 픽셀들을 형성한 후 광투과 층간절연막(4a, 4b)을 도포하고 금속배선(5a, 5b))을 형성한다. 금속배선은 더블 금속배선으로 실시되어 있으나, 단층 금속배선 또는 삼층 이상의 금속배선이어도 무방할 것이다. 이어서, 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 및 질화막을 연속적으로 도포하여 소자보호막(10)을 형성한다.In more detail, the field insulating film 2 is formed on the silicon substrate 1 and the pixels including the light receiving elements 3, such as a photodiode, are formed for the electrical insulation between the devices, and then the light transmitting interlayer insulating film 4a is formed. , 4b) is applied to form metal wirings 5a and 5b). The metal wiring is implemented with a double metal wiring, but may be a single metal wiring or a metal wiring of three or more layers. Subsequently, in order to protect the device from moisture and scratches, an oxide film and a nitride film are applied successively to form the device protection film 10.
이어서, 도3b와 같이, 광감지소자 상부지역에 적층되어 있는 절연막들, 즉 소자보호막(10) 및 층간절연막(4a, 4b)을 선택적으로 식각하기 위하여 마스크패턴(31)을 형성한다. 상기 마스크패턴(31)은 포토레지스트패턴이 될수도 잇고 하드마스크 절연막이 될 수도 있다. 포토레지스트 패턴일 경우에는 그 두께를 1∼5㎛하며 광감지부 면적의 100∼1000% 크기의 오픈 영역이 형성되도록 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, a mask pattern 31 is formed to selectively etch insulating layers stacked on the photosensitive device, that is, the device protective layer 10 and the interlayer insulating layers 4a and 4b. The mask pattern 31 may be a photoresist pattern or a hard mask insulating film. In the case of the photoresist pattern, the thickness is 1 to 5 탆 and formed so as to form an open region of 100 to 1000% of the area of the photosensitive portion.
이어서, 도3c와 같이 마스크패턴(31)을 식각베리어로하여 적층된 절연막들을 선택적으로 식각하여 홈(32)을 형성하되, 광감지소자(3)의 액티브영역이 노출되지 않도록 층간절연막(4a)는 일부두께는 잔류시킨다. 이때의 식각은 도면에 도시된 바와 같이 경사진 건식식각을 사용할 수도 있고, 습식식각을 적용할 수도 있으며, 습식 및 건식 식각을 함께 적용할 수도 있다. 건식식각은 CF4, CHF3등과 같은 플루오르카본(fluorocarbon) 계열 가스를 적어도 한종류 이상을 사용한다.Subsequently, as shown in FIG. 3C, the insulating layers stacked by using the mask pattern 31 as an etch barrier are selectively etched to form grooves 32, but the interlayer insulating film 4a is not exposed so as to expose the active region of the photosensitive device 3. Leave some thickness. In this case, as shown in the drawings, inclined dry etching may be used, wet etching may be applied, and wet and dry etching may be applied together. Dry etching uses at least one fluorocarbon gas such as CF 4 , CHF 3, or the like.
그리고, 상기 홈의 저부 폭(AB)을 광감지소자 영역 폭(AP)의 100∼300%로 형성하고, 상기 홈의 상부 폭(AT)을 상기 저부 폭(AB)의 100∼500%로 형성하는 것이 바람직하다.The bottom width A B of the groove is formed to be 100 to 300% of the photosensitive device region width A P , and the top width A T of the groove is 100 to 300 of the bottom width A B. It is preferable to form at 500%.
이어서, 도3d와 같이 결과물 전면에 광투과 절연막(33)을 도포하고, 도3e와 같이 화학적기계적연마(CMP : chemical mechanical polishing)하여 기판 상부가 평탄화되면서 홈(32) 내부에 절연막(33)이 매립되도록 한다. 상기 절연막(33)은 광감지소자(3) 상부에 잔류하고 있는 층간절연막(4a)과 동일한 물질로 형성하는 것이 바람직한 바, 이는 빛이 투과하는 지역의 절연층이 동일한 종류의 절연막일때 굴절률 및 굴절각의 차에 의해 산란 및 반사되는 빛의 손실도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한 공정의 제약상 200∼600℃의 증착온도에서 증착가능하고 가시광선파장 영역(400∼800nm)에서 투과율 80% 이상인 물질을 절연막(33)에 적용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 CMP시 그 연마정지는 기판이 평탄화될때까지 실시하면 되기 때문에, 홈내에만 절연막(33)이 매립되는 것이 아니라 소자보호막 상에도 평탄화된 상태에서 절연막이 잔류할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 3D, the light-transmitting insulating layer 33 is coated on the entire surface of the resultant, and as shown in FIG. 3E, the upper surface of the substrate is flattened by chemical mechanical polishing (CMP), and the insulating film 33 is formed inside the groove 32. Allow to landfill. The insulating film 33 is preferably formed of the same material as the interlayer insulating film 4a remaining on the photosensitive device 3, which is a refractive index and an angle of refraction when the insulating layer in the region where light transmits is the same type of insulating film. This is because the degree of loss of scattered and reflected light due to the difference can be reduced. In addition, it is preferable to apply a material to the insulating film 33 that can be deposited at a deposition temperature of 200 to 600 ° C. and has a transmittance of 80% or more in the visible light wavelength region (400 to 800 nm). In the CMP, the polishing stop may be performed until the substrate is planarized. Thus, the insulating film 33 may remain in the planarized state not only in the groove but also in the device protection film.
이어서, 도3f와 같이 광감지소자(3)와 대향하는 위치의 절연막(33) 및 소자보호막(100 상에 칼라필터(8)를 형성하고, 그 상부에 마이크로렌즈(9)를 형성한다. 하부의 절연막(33) 및 소자보호막(10)들이 평탄화되어 있는 상태에서 칼라필터(8)와 마이크로렌즈(9)가 형성되기 때문에, 칼라필터는 그 평탄도가 우수하고 역시 마이크로렌즈는 그 프로파일(profile)이 균일하게 형성되게 된다.Subsequently, as shown in Fig. 3F, a color filter 8 is formed on the insulating film 33 and the element protective film 100 at a position facing the photosensitive device 3, and a microlens 9 is formed thereon. Since the color filter 8 and the microlens 9 are formed in the state where the insulating film 33 and the element protective film 10 are flattened, the color filter has excellent flatness and also the microlens has its profile. ) Is uniformly formed.
전술한 바와 같은 본 발명의 특징적 작용효과는 다음과 같다.Characteristic functional effects of the present invention as described above are as follows.
첫째, 종래에는 층간 절연의 특성 또는 기타 공정 상의 제약 때문에 서로 다른 종류의 박막을 적층할 수 밖에 없었는데, 본 발명은 빛이 투과되는 지역에서의 절연막 종류를 최소화하고 있어, 굴절률 및 굴절각의 차에 의해 빛의 산란 및 반사를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있다.First, in the past, due to the characteristics of interlayer insulation or other process constraints, it was inevitable to stack different kinds of thin films. The present invention minimizes the types of insulating films in a region through which light is transmitted. Light sensitivity can be increased by minimizing scattering and reflection of light.
둘째, 공정 상에서 절연막들간의 계면에 잔류하는 특히 굴곡진 부분에서 잔류하는 오염물들이 식각되어 제거되기 때문에 역시 빛의 산란 및 반사를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있다.Second, since contaminants remaining at the interface between the insulating layers, particularly in the curved portion, are etched and removed, the light sensitivity may be increased by minimizing scattering and reflection of light.
세째, 평탄화를 이룰수 있어 균일한 두께의 칼라필터 및 양호한 프로파일의 마이크로렌즈 형성이 가능하여 광감도를 증가시킬 수 있다.Third, flattening can be achieved to form a uniform color filter and microlens with a good profile, thereby increasing light sensitivity.
네째, 칼라필터(보통 염색된 네가티브 포토레지스트를 사용) 형성시 두께변화에 의한 국부적인 노광량 부족으로 발생하는 패턴 리프팅(Pattern Lifting)을 방지할 수 있는 등, 평탄화 달성으로 인해 칼라필터 형성시의 포토리소그래피 공정 마진 증대 등 여러 공정상의 마진을 얻을 수 있다.Fourth, it is possible to prevent the pattern lifting caused by the lack of local exposure due to the thickness change when forming the color filter (usually dyed negative photoresist). Several process margins can be obtained, including increased lithography process margins.
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 광감도를 향상, 양호한 칼라필터 및 마이크로렌즈 형성, 공정 마진 증대 등 여러 장점으로 인하여, 소자의 신뢰성 및 수율 증대를 얻을 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of improving the reliability and yield of the device due to various advantages such as improved light sensitivity, forming a good color filter and microlens, increasing the process margin.
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