KR20010059238A - Image sensor structure to improved photo sensitivity and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 집광을 효과적으로 구현하기 위한 구조의 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly to an image sensor and a method of manufacturing the structure for implementing the light condensing effectively.
일반적으로, 이미지센서(image sensor)라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(charge coupled device: 이하 CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon: 이하 MOS) 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, and a charge coupled device (CCD) is an individual metal-oxide-silicon (MOS). Is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while the capacitors are in close proximity to each other, and a CMOS (Complementary MOS) image sensor is a control circuit and a signal processing circuit. Is a device that adopts a switching method that makes MOS transistors by the number of pixels by using CMOS technology using peripheral circuits, and sequentially detects the output by using the same.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.In manufacturing such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor, and one of them is a light condensing technology. For example, the CMOS image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a logic circuit portion for processing the detected light as an electrical signal to make data. In order to increase the light sensitivity, the area of the light sensing portion occupies the entire area of the image sensor. Efforts have been made to increase the fill factor, but these efforts are limited in a limited area because the logic circuit part cannot be removed fundamentally.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서 단면도로서, 도1에는 집광에 관련된 이미지센서의 주요부분만이 개략적으로 도시되어 있다.Figure 1 is a cross-sectional view of a conventional image sensor showing a condensing technique according to the prior art, Figure 1 schematically shows only the main part of the image sensor related to the condensing.
도1을 참조하면, 종래의 이미지센서는 소자분리절연막(2)이 형성된 실리콘기판(1) 표면 하부에 수광소자로서 포토다이오드(3)가 형성되고 그밖에 이미지센서를 구성하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터 등의 CMOS 소자(도면에 도시되지 않음)들이 형성된다. 소자분리절연막(2) 상에 형성된 패턴은 트랜지스터의 게이트전극 패턴시 형성된 워드선(4)을 나타낸다. 이어 금속배선전절연막(PMD : pre metal dielectric)(5)이 형성되고, 제1금속배선(6)이 형성되며 다시 금속배선간절연막(IMD : inter metal dielectric)(7)이 형성된 후 제2금속배선(8)이 형성된다. 금속배선은 단층 또는 3층 배선으로 형성될 수도 있다. 이어 소자보호막(9)이 형성되고 소자보호막 상에 칼라필터(calor filter)(10)가 형성된다. 칼라필터는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성된다. 이어 칼라필터어레이 상에 평탄화 및 초점거리 조절을 위한 버퍼층(11)이 형성되고 그 위로 마이크로렌즈(12)가 형성된다.Referring to FIG. 1, in the conventional image sensor, a photodiode 3 is formed as a light receiving element under the surface of the silicon substrate 1 on which the device isolation insulating film 2 is formed, and other NMOS and PMOS transistors constituting the image sensor, etc. CMOS elements (not shown in the figure) are formed. The pattern formed on the element isolation insulating film 2 represents the word line 4 formed during the gate electrode pattern of the transistor. Subsequently, a pre metal dielectric (PMD) 5 is formed, a first metal wiring 6 is formed, and an inter metal dielectric (IMD) 7 is formed, and then a second metal is formed. The wiring 8 is formed. The metal wiring may be formed by single layer or three layer wiring. Subsequently, a device protection film 9 is formed, and a color filter 10 is formed on the device protection film. The color filter is formed by arranging three color filters of red (R), green (G), and blue (B). Subsequently, a buffer layer 11 for planarization and focal length adjustment is formed on the color filter array, and a microlens 12 is formed thereon.
통상적으로 칼라필터(10)의 재료로는 염료가 첨부된 레지스트가 주로 이용되고 있으며, 마이크로렌즈(12)의 재료로는 레지스트 또는 그와 유사한 수지(resin)가 주로 이용된다. 또한, 금속배선전절연막(5), 금속층간절연막(9) 및 소자보호막(9)은 광투과 절연막으로서 각각 단층 또는 다층의 산화물계 박막 또는/및 질화물계 박막이 적용된다. 그리고, 버퍼층(11) 역시 광투과물질로서 산화물계 박막 또는 포토레지스트가 적용된다.Generally, a resist with dye is mainly used as the material of the color filter 10, and a resist or a similar resin is mainly used as the material of the microlens 12. In addition, the metal interconnection insulating film 5, the metal interlayer insulating film 9, and the element protective film 9 are applied with a single layer or a multilayer oxide thin film and / or nitride thin film, respectively, as a light transmissive insulating film. In addition, an oxide thin film or a photoresist is applied to the buffer layer 11 as a light transmitting material.
한편, 마이크로렌즈(12)는 단위화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 포토다이오드까지의 깊이, 그리고 금속배선의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률반경으로 형성되어야 한다.On the other hand, the microlens 12 should be formed with an optimal size, thickness, and radius of curvature determined by the size, position, shape of the unit pixel, the depth to the photodiode, and the height, position, size, etc. of the metal wiring.
그러나, 점점 이미지센서가 고집적화 되어감에 따라 역시 단위화소의 크기가 축소되면서 마이크로렌즈의 크기도 그에 따라 축소되며 또한 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 깊이는 깊어지게 되는 바, 이에 의해 마이크로렌즈가 정확한 광집속 기능을 수행하도록, 즉 원하는 포토다이오드에 정확히 광을 집속하도록, 그 두께 및 곡률 반경 등을 설정하기가 매우 어렵게 된다.However, as the image sensor becomes more and more highly integrated, the size of the unit pixel is also reduced, and the size of the microlens is reduced accordingly, and the depth from the microlens to the photodiode is deepened. It is very difficult to set the thickness, the radius of curvature, and the like so as to perform the focusing function, that is, to accurately focus light to a desired photodiode.
따라서, 공정 오차 등에 의해 마이크로렌즈는 불균일하게 형성되며 이에 의해 빛이 산란 및 굴곡지므로써 경로가 휘거나 원하지 않는 방향으로 잡음성 빛이 입사되게 된다. 따라서, 잡음성 데이터가 발생되게 된다.Therefore, the microlenses are formed non-uniformly due to process error, and thus the light is scattered and bent so that the path is bent or noisy light is incident in an undesired direction. Thus, noisy data is generated.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 산란 및 굴곡에 의해 들어오는 잡음성 빛의 유입을 막아 데이터의 잡음을 방지하기 위한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an image sensor and a manufacturing method for preventing the noise of the data by preventing the influx of noisy light due to scattering and bending.
도1은 종래기술에 의한 이미지센서의 구조 및 잡음성 빛의 경로를 보여주는 단면도,1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional image sensor and the path of noisy light;
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도,2a to 2c is an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention,
도3은 반사층의 평면도.3 is a plan view of the reflective layer;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 실리콘기판 2 : 소자분리절연막1: silicon substrate 2: device isolation insulating film
3 : 포토다이오드 4 : 워드선3: photodiode 4: word line
5 : 금속배선전절연막 6 : 제1금속배선5: Pre-insulation film of metal wiring 6: First metal wiring
7 : 금속층간절연막 8 : 제2금속배선7 interlayer insulating film 8 second metal wiring
9 : 소자보호막 10 : 칼라필터9 element protection film 10 color filter
11 : 버퍼층 12 : 마이크로렌즈11 buffer layer 12 microlens
13 : 반사층13: reflective layer
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 광감지소자를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판; 상기 광감지소자에 대응되는 위치의 상기 기판 상에패턴된 칼라필터; 이웃하는 칼라필터와의 경계 부위에 형성되어 외부에서 입사되는 잡음성 빛을 차단하는 반사층; 및 상기 칼라필터상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.An image sensor of the present invention for achieving the above object is a substrate formed with a predetermined element including a light sensing element; A color filter patterned on the substrate at a position corresponding to the light sensing element; A reflection layer formed at a boundary with a neighboring color filter to block noisy light incident from the outside; And a microlens formed on the color filter.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이해를 돕기 위하여 종래기술과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 인용하였다.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. To aid understanding, the same components as in the prior art have been referred to by the same reference numerals.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도이다.2a to 2c is a manufacturing process of the image sensor according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도2c를 참조하여 본 실시예에 따른 이미지센서의 구조를 살펴보고, 이어서 이구조를 제조하기 위한 방법을 살펴보도록 한다.First, the structure of the image sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 2C, and then a method for manufacturing the structure will be described.
도2c를 참조하면, 소자분리절연막(2)이 형성된 실리콘기판(1) 표면 하부에 수광소자로서 포토다이오드(3)가 형성되고 그밖에 이미지센서를 구성하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터 등의 CMOS 소자(도면에 도시되지 않음)들이 형성된다. 소자분리절연막(2) 상에 형성된 패턴은 트랜지스터의 게이트전극 패턴시 형성된 워드선(4)을 나타낸다. 이어 금속배선전절연막(5)이 형성되고, 제1금속배선(6)이 형성되며 다시 금속층간절연막(7)이 형성된 후 제2금속배선(8)이 형성된다. 금속배선은 단층 또는 3층 배선으로 형성될 수도 있다. 이어 소자보호막(9)이 형성되고 소자보호막 상에 칼라필터(10)가 형성된다. 칼라필터는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성되는데, 본 실시예에서는 각 칼라필터의 경계부위에는 광에 대해 고반사율을 갖는 반사층(13)이 형성되어 있음을 주목하여야 한다. 이어 칼라필터어레이 상에 평탄화 및 초점거리 조절을 위한 버퍼층(11)이 형성되고 그 위로 마이크로렌즈(12)가 형성된다.Referring to Fig. 2C, a photodiode 3 is formed as a light receiving element under the surface of the silicon substrate 1 on which the device isolation insulating film 2 is formed, and other CMOS elements such as NMOS and PMOS transistors constituting an image sensor (Fig. Not shown) are formed. The pattern formed on the element isolation insulating film 2 represents the word line 4 formed during the gate electrode pattern of the transistor. Subsequently, the pre-insulation metal film 5 is formed, the first metal wiring 6 is formed, the metal interlayer insulating film 7 is formed, and then the second metal wiring 8 is formed. The metal wiring may be formed by single layer or three layer wiring. Subsequently, an element protection film 9 is formed and a color filter 10 is formed on the element protection film. The color filter is formed by arranging three color filters of red (R), green (G), and blue (B). In this embodiment, the reflective layer 13 having a high reflectance with respect to light is formed at the boundary of each color filter. It should be noted that this is formed. Subsequently, a buffer layer 11 for planarization and focal length adjustment is formed on the color filter array, and a microlens 12 is formed thereon.
결국, 본 실시예에 따른 이미지센서는 각 칼라필터의 경계 부위에 반사층(13)이 형성되어 있으므로, 이부분을 통하여 입사되는 잡음성 빛을 차단할 수 있어 안정된 데이터를 얻는 것이 가능하다.As a result, in the image sensor according to the present embodiment, since the reflective layer 13 is formed at the boundary portion of each color filter, it is possible to block the noisy light incident through the portion, thereby obtaining stable data.
그럼, 이러한 구조를 얻기 위한 제조방법의 바람직한 실시예를 살펴본다.Then, it looks at a preferred embodiment of the manufacturing method for obtaining such a structure.
도2a는 통상적인 방법으로 칼라필터를 형성하기 직전까지의 공정을 진행한 다음, 최상부층인 소자보호막(9) 상에 3가지 칼라필터의 각 경계부위에 반사층(13) 패턴을 형성한 상태이다. 도3은 반사층의 평면도이다. 본 실시예에서는 3층의 절연막(5, 7, 9)을 도시하고 있으나 소자보호막 상에는 별도로 평탄화 등을 위한 버퍼층이 더 형성될 수 있고, 절연층 역시 다층으로 형성될 수 있다. 반사층(15)은 실리콘(Si)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al)층, 구리(Cu)층 및 텅스텐(W)층 등 광에 대해 고반사율을 갖는 박막은 모두 적용될 수 있다.FIG. 2A shows a state in which the reflective layer 13 pattern is formed on each boundary of the three color filters on the element protection film 9 which is the top layer after the process up to the formation of the color filter in a conventional manner. . 3 is a plan view of the reflective layer. In this embodiment, three insulating layers 5, 7, and 9 are shown, but a buffer layer for planarization, etc. may be further formed on the device protection layer, and the insulating layer may also be formed in multiple layers. The reflective layer 15 is a thin film having high reflectivity for light such as a silicon (Si) layer, a titanium (Ti) layer, a titanium nitride (TiN), an aluminum (Al) layer, a copper (Cu) layer, and a tungsten (W) layer. Are all applicable.
상기 반사층 패턴을 형성하기 위한 구체적인 공정의 일예로서는, 먼저 소자보호막(9) 상에 얇게 예컨대 텅스텐막과 같은 금속막을 증착하고, 도3의 형상(빗금친 부분이 닫힌)을 갖는 마스크를 사용하여 금속막을 식각한 다음, 선택적 성장법에 의해 금속막을 성장시키는 방법이 있다.As an example of a specific process for forming the reflective layer pattern, first, a metal film such as a tungsten film is deposited thinly on the element protective film 9, and then a metal is formed using a mask having the shape of FIG. 3 (hatched portions are closed). After etching the film, there is a method of growing a metal film by a selective growth method.
이어서, 도2b에 도시된 바와 같이, 광감지소자인 포토마스크에 대향되는 위치에 각각 칼라필터(10)를 형성한다. 예컨대 레드(R) 칼라필터가 먼저 형성된다면레드색의 레지스트를 도포한 후 선택적 노광 및 현상하는 방법을 사용하고 이후 동일한 방법으로 블루(B) 및 그린(G) 칼라필터를 형성하면된다. 이에 의해 각 칼라필터의 경계부위에는 반사층(13)이 형성되는 구조가 형성되게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the color filters 10 are formed at positions opposite to the photomask as the photosensitive device. For example, if a red (R) color filter is first formed, a method of selectively exposing and developing the red resist is applied, and then the blue (B) and green (G) color filters are formed in the same manner. As a result, a structure in which the reflective layer 13 is formed at the boundary of each color filter is formed.
이어서, 도2c에 도시된 바와 같이, 레지스트 또는 산화막 또는 질화막계열의 절연막으로 평탄화된 버퍼층(11)을 그 위에 마이크로렌즈(12)를 형성한다.Then, as shown in Fig. 2C, a microlens 12 is formed thereon with a buffer layer 11 planarized with a resist or an oxide film or an insulating film series of nitride films.
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.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지센서는 산란 및 굴곡에 의해 들어오는 잡음성 빛의 유입을 막아 데이터의 잡음을 방지하므로써, 이미지센서의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시키는 탁월한 효과가 있다.As described above, the image sensor according to the present invention has an excellent effect of greatly improving the performance and reliability of the image sensor by preventing the influx of noisy light due to scattering and bending to prevent data noise.
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| KR20110020743A (en) * | 2009-08-24 | 2011-03-03 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | Photodetector and display device |
| US8970768B2 (en) | 2010-08-30 | 2015-03-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Unit pixel array and image sensor having the same |
-
1999
- 1999-12-30 KR KR1019990066629A patent/KR20010059238A/en not_active Application Discontinuation
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