KR20020091883A - Image sensor and fabricating method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로 특히, 집광능력을 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈(Microlens)를 구비한 이미지센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to an image sensor having microlens capable of improving light collection capability.
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 located in close proximity, and 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 creates 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 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 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 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다.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, a CMOS image sensor is composed of a photodiode for detecting light and a portion of a CMOS logic circuit for processing the detected light into an electrical signal to make data. To increase light sensitivity, the ratio of the photodiode to the total image sensor area is increased. Efforts have been made to increase the fill factor (usually called the fill factor), but since the logic circuit part cannot be removed essentially, this effort is limited under a limited area. Therefore, in order to increase the light sensitivity, an area other than the photodiode A condensing technology that changes the path of incident light and collects them into photodiodes has emerged. This is a microlens forming technology.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an image sensor showing a micro lens shape and position according to the prior art.
도 1을 참조하면, 포토다이오드를 포함하는 기판(1) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 Blue, Red, Green 등의 CFA(Color Filter Array, 2)가 배치되어 있으며, 그 상부에 층간 절연을 위한 OCM(Over-Coating Material, 3)이 형성되어 있고, CFA(2)와 오버랩되는 영역의 상부에 마이크로 볼록렌즈(Concave microlens, 4)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 1, a color filter array (CFA) 2 such as blue, red, or green, which forms a unit pixel, is disposed on a substrate 1 including a photodiode, and interlayer insulation is disposed thereon. An over-coating material (OCM) 3 is formed, and concave microlens 4 is formed on an area overlapping the CFA 2.
상기한 구성을 갖는 종래기술에 따른 이미지센서는 포토다이오드(도시하지 않음) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(도시하지 않음)로 모이도록 하고 있으며, OCM(3)은 CFA(2) 패턴 형성 후 마이크로 볼록렌즈(4)의 패턴 형성이 용이하도록 평탄화의 목적으로 이용된다.The image sensor according to the related art having the above-described configuration refracts light incident to a region other than the photodiode (not shown) to collect as a photodiode (not shown), and the OCM 3 is a CFA (2). ) Is used for the purpose of planarization to facilitate pattern formation of the micro convex lens 4 after pattern formation.
한편, 이러한 각 단위 화소의 단면도를 도시한 도 2를 참조하면, 실리콘기판(22) 상의 소정 영역에 포토다이오드(23)가 배치되어 있으며, 그 상부에 절연막(24)이 형성되어 있고, 절연막(24) 상의 포토다이오드(23)와 오버랩되지 않는 영역에 게이트전극(25)과, 게이트전극(25)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 광차단막(26)이 게이트전극(25) 상부에 오버랩되도록 배치되어 있으며, 게이트전극(25)과 광차단막(26) 사이에 층간절연막(27)이 형성되어 있다. 층간절연막(27) 상의 포토다이오드(23)와 오버랩되는 영역에 포토리소그라피(Photolithography) 공정에서 사용하는 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 마이크로 볼록렌즈(28)가 배치되어 있다.On the other hand, referring to Fig. 2 showing a cross-sectional view of each unit pixel, a photodiode 23 is disposed in a predetermined region on the silicon substrate 22, an insulating film 24 is formed thereon, and an insulating film ( The gate electrode 25 and the light blocking layer 26 for blocking light from being incident on the gate electrode 25 overlap the upper portion of the gate electrode 25 in an area not overlapping with the photodiode 23 on the top surface 24. The interlayer insulating film 27 is formed between the gate electrode 25 and the light blocking film 26. In the region overlapping with the photodiode 23 on the interlayer insulating film 27, a micro convex lens 28 made of a resin or the like similar to the photoresist used in the photolithography process is disposed.
즉, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(A)을 마이크로 렌즈에 의한 집광영역(B)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.That is, in order to increase the incident light energy, the effective light sensing area A is expanded to the light converging area B by the microlens.
이와 같이 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로 렌즈를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 따라서, 'β'와 'γ' 같은 유효 광감지영역(A) 바같 영역에 입사되는 빛을 입사하여 집광효율을 높일 수 있는 장점이 있으나, 'α'와 같이 직진으로 입사하는 빛의 경우에는 오히려 마이크로 볼록렌즈(28)의 상대적으로 두꺼운 면적을 통과해야하므로, 빛 에너지의 투과율(Transmittance)이 크게 저하되어 광감도가 감소되는 문제점이 발생하게 된다.As described above, the microlenses are conventionally formed in the shape of a convex lens. In particular, the focus is on forming the microlenses so as to overlap the upper portion of the photodiode. Accordingly, the light incident efficiency can be increased by incidence of light incident on the effective light sensing area A such as 'β' and 'γ', but in the case of light incident in a straight line such as 'α' Since it must pass through a relatively thick area of the micro-convex lens 28, the transmittance of light energy is greatly reduced, causing a problem that the light sensitivity is reduced.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 포토다이오드와 오버랩되는 마이크로 렌즈의 중앙 부분의 수지를 얇게함으로써, 직진으로 입사하는 빛에 대한 투과율 저하를 방지할 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by providing a thinner resin of the central portion of the micro lens overlapping the photodiode, to provide an image sensor that can prevent a decrease in transmittance of light incident straight. Its purpose is to.
또한, 본 발명은 마이크로 렌즈의 중앙 부분을 얇게 형성하기 위한 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide an image sensor manufacturing method for forming a thin central portion of a micro lens.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of an image sensor showing a micro lens shape and position according to the prior art,
도 2는 도 1의 단위 화소를 나타내는 단면도,2 is a cross-sectional view illustrating a unit pixel of FIG. 1;
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 제조 공정을 나타내는 단면도.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30 : 기판30: substrate
31 : 포토다이오드31: photodiode
32 : 절연막32: insulating film
33 : 로직부33: logic section
34 : 광차단막34: light blocking film
35 : 층간절연막35: interlayer insulating film
36 : 마이크로 렌즈36 micro lens
37 : 산화막37: oxide film
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 형성된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상부에 형성되되, 볼록한 형상의 상부면이 하부면과 평행하게 절단된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a photodiode formed on a substrate; And a micro lens formed on an upper portion of the photodiode, the upper surface of the convex shape being cut in parallel with the lower surface.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 산화막을 형성하는 제3 단계; 및 상기 결과물 전면에 포토레지스트를 코팅한 후 에치백 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖되, 상기 렌즈의 하부면과 평행하도록 절단하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention to achieve the above object, the first step of forming a lower structure including a photodiode on a substrate; A second step of forming a convex micro lens on the lower structure; Forming an oxide film along a surface of the micro lens; And a photoresist coated on the entire surface of the resultant, followed by an etch back process, wherein the upper surface of the microlens has a width overlapping with the effective light sensing area of the photodiode, and is cut to be parallel to the lower surface of the lens. It provides an image sensor manufacturing method comprising a four step.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 및 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖되, 상기 렌즈의 하부면과 평행하도록 절단하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention to achieve the above object, the first step of forming a lower structure including a photodiode on a substrate; A second step of forming a convex micro lens on the lower structure; And performing a chemical mechanical polishing (CMP) process to cut the upper surface of the micro lens to have an width overlapping with the effective light sensing area of the photodiode, and to cut parallel to the lower surface of the lens. It provides a method for manufacturing an image sensor.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도이다.3D is a cross-sectional view of an image sensor showing a micro lens shape and position formed according to an embodiment of the present invention.
도 3d을 참조하면, 본 발명의 이미지센서는, 포토다이오드(31) 및 로직부(33)를 구성하는 회로가 형성된 기판(30)과, 로직부(33)의 상부에 형성되어 로직부(33)로 입사되는 빛을 차단하는 광차단막(34)과, 광차단막(34) 상부에 배치되되, 볼록한 형상의 상부면이 하부면과 평행하게 절단된 마이크로 렌즈(36)와, 마이크로 렌즈(36)의 아치형 옆면을 감싸도록 배치된 산화막(37)을 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 3D, the image sensor of the present invention includes a substrate 30 on which a circuit constituting the photodiode 31 and the logic unit 33 and a logic unit 33 are formed on the logic unit 33. A light blocking film 34 for blocking light incident to the light blocking layer, a micro lens 36 disposed on the light blocking film 34 and having a convex upper surface cut parallel to the lower surface, and a micro lens 36. The oxide film 37 is arranged so as to surround the arcuate side surface.
구체적으로, 포토다이오드(31)와 로직부(33) 사이에는 절연막(32)이 형성되어 있고, 로직부(33)와 광차단막(34)은 층간절연막(35)에 의해 격리되어 있다.Specifically, an insulating film 32 is formed between the photodiode 31 and the logic portion 33, and the logic portion 33 and the light blocking film 34 are separated by the interlayer insulating film 35.
따라서, 포토다이오드(31)의 유효 광감지영역(A) 이외의 영역으로 입사되는 빛 'β'와 'γ'는 그 곡률 반경 안쪽으로 굴절되어 포토다이오드(31)로 모이며, 'α'와 같이 유효 광감지영역(A)으로 직진하여 입사되는 빛은 비교적 얇은 마이크로 렌즈(36)를 통과하므로 높은 투과율을 갖고 포토다이오드(31)로 모인다.Accordingly, the light 'β' and 'γ' incident on an area other than the effective light sensing area A of the photodiode 31 are refracted into the radius of curvature and collected into the photodiode 31, and the 'α' and Likewise, since the light incident to the effective light sensing area A passes through the relatively thin micro lens 36, the light is collected at the photodiode 31 with high transmittance.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 상세히 설명한다.An image sensor manufacturing process of the present invention having the above configuration will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 3D.
먼저 도 3a에 도시된 바와 같이, 소정의 공정이 완료된 기판(30) 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈(36)를 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, a convex micro lens 36 is formed on the substrate 30 on which a predetermined process is completed.
여기서, 도시된 도면부호 '31'은 포토다이오드, '32'는 절연막, '33'은 로직부, '34'는 광차단막 그리고, '35'는 층간 절연 및 평탄화를 위한 층간절연막(35)을 나타낸다.Here, '31' is a photodiode, '32' is an insulating film, '33' is a logic portion, '34' is a light blocking film, and '35' is an interlayer insulating film 35 for interlayer insulation and planarization. Indicates.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(36)의 표면을 따라 산화막(37)을 코팅한다.Next, as shown in FIG. 3B, an oxide film 37 is coated along the surface of the micro lens 36.
구체적으로, 산화막(37)은 LTO(Low Temperature Oxide)로서, 후속의 피알스트립(PR Strip) 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 공정에 의한 마이크로 렌즈(36)의 어택(Attack)을 방지하기 위한 역할을 하는 바, 저온의 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 4000Å ∼ 10000Å의 두께가 되도록 한다.Specifically, the oxide film 37 is a low temperature oxide (LTO), and is used to prevent the attack of the microlens 36 by a subsequent process such as PR strip or chemical mechanical polishing (CMP). It serves as a thickness of 4000 kPa to 10000 kPa using a low temperature PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 결과물 전면에 포토레지스트(38)를 코팅한다.Next, as shown in FIG. 3C, the photoresist 38 is coated on the entire surface of the resultant product.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 에치백(Etch Back) 공정을 통하여 마이크로 렌즈(36)의 절단된 상부의 폭이 유효 광감지영역(A)과 오버랩되도록 한다.Next, as illustrated in FIG. 3D, the width of the cut upper portion of the microlens 36 is overlapped with the effective light sensing region A through an etch back process.
구체적으로, 마이크로 렌즈(36)와 산화막(37) 및 포토레지스트(38)의 식각선택비를 각각 1:1:1로 하여 에치백을 실시하는 바, 유효 광감지영역(A)의 폭과 절단된 마이크로 렌즈(36)의 상부의 폭이 오버랩되도록 적절히 조절한다. 이어서, 이웃하는 마이크로 렌즈(36)와의 사이인 아치형 옆면에 잔류하는 포토레지스트(36)를 피알스트립을 통하여 제거하는 바, 산화막(37)은 이러한 피알스티립 시 하부 마이크로 렌즈(36)의 어택을 방지하도록 한다.Specifically, etch back is performed with the etching selectivity of the microlens 36, the oxide film 37, and the photoresist 38 as 1: 1: 1, respectively, so that the width and cutting of the effective light sensing region A are cut. It adjusts suitably so that the width of the upper part of the completed micro lens 36 may overlap. Subsequently, the photoresist 36 remaining on the arcuate side surface adjacent to the neighboring microlens 36 is removed through the blood strip, so that the oxide film 37 removes the attack of the lower microlens 36 during the blood strip. Prevent it.
마이크로 렌즈의 상부를 절단하는 방법은, 상기한 바와 같이 포토레지스트를 이용한 에치백 공정을 통해 이루질 수도 있는 반면, 상기 도 3b의 포토레지스트(38) 코팅을 실시하지 않고, 산화막(37)과 마이크로 렌즈(36)를 CMP 공정을 통하여 절단할 수도 있다. 여기서, 상부면의 폭은 상술한 포토레지스트를 이용하는 방법과 동일하게 한다.The method of cutting the upper portion of the micro lens may be performed through an etch back process using a photoresist as described above, but without coating the photoresist 38 of FIG. 3B, the oxide film 37 and the micro The lens 36 may be cut through the CMP process. Here, the width of the upper surface is the same as the method using the photoresist described above.
상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 볼록한 형태의 마이크로 렌즈 상부면을 유효 광감지영역의 폭과 오버랩되도록 절단함으로써, 직진으로 입사하는 빛의 투과율을 높일 수 있으며, 렌즈의 아치형 옆면을 통한 유효 광감지 영역 이외의 빛도 받아들일 수 있으므로 집광효율을 높일 수 있을을 실시예를 통해 알아 보았다.According to the present invention made as described above, by cutting the convex shape of the upper surface of the microlens so as to overlap the width of the effective light-sensing area, it is possible to increase the transmittance of light incident in a straight line, the effective light sensing through the arched side of the lens Since light outside the area can be received, the light condensing efficiency can be improved through the examples.
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 범위 내에서 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 본 발명은, 단위 화소의 빛 에너지 흡수율을 높임으로써, 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.The present invention described above has an excellent effect of greatly improving the performance of the image sensor by increasing the light energy absorption of the unit pixel.
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