KR20030002125A - Image sensor with multilayer color filter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 칼라필터레이어를 다층으로 구성한 이미지센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor comprising a multilayer of color filter layers.
잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(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 이루어진다.As is well known, an image sensor for implementing a color image has an array of color filters on the light sensing portion that receives and receives 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 is made of collar.
또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 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 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.In addition, the image sensor is composed of a light sensing part for detecting light and a logic circuit part for processing the detected light as an electrical signal to make data. The ratio of the area of the light sensing part to the overall image sensor element is increased to increase the light sensitivity. 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. Therefore, a condensing technology has emerged to change the path of light incident to a region other than the light sensing portion to raise the light sensitivity, and to collect the light sensing portion. For this purpose, the image sensor forms microlens on the kali filter. I'm using the method.
종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.A conventional method of manufacturing an image sensor will be described with reference to FIG. 1.
기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.After forming a field oxide film 2 on the substrate 1 for electrical insulation between devices, a gate electrode is formed by successively applying and patterning a polysilicon and a tungsten silicide film.
이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(3)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한 후 층간절연막(4), 제1금속배선(5)을 형성한다. 그 상부에 금속층간절연막(6), 제2금속배선(7)을 형성한 후 제2금속배선 상부에 평탄화 목적의 SOG(Silicon On Glass)막(8)을 형성하고 마지막으로 페시베이션보호막(9)을 형성하면 일반 시모스 로직 프로세스가 완료된다.Thereafter, an appropriate ion implantation process is performed to form the photodiode 3 and to perform ion implantation to form a source / drain and a sensing node of the transistor, and then to form an interlayer insulating film 4 and a first metal wiring 5. After the interlayer insulating film 6 and the second metal wiring 7 are formed thereon, a SOG (Silicon On Glass) film 8 for planarization is formed on the second metal wiring, and finally the passivation protective film 9 ), The general CMOS logic process is completed.
이후 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(10) 형성공정을 진행하고 OCL(Over Coating Layer)막(11)을 이용한 평탄화 공정을 진행하여 칼라필터어레이를 형성한다. 칼라필터의 물질은 통상 염색된 포토레지스트를 사용한다.Thereafter, three types of color filters 10 are formed to implement a color image, and a color filter array is formed by performing a planarization process using an OCL (Over Coating Layer) film 11. The material of the color filter usually uses dyed photoresist.
OCL(11)은 일종의 감광막으로서 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 쓰인다. OCL막을 이용하여 평탄화공정을 수행한 다음 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(12)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성한다.The OCL 11 is a kind of photoresist and is used for the purpose of planarization to facilitate subsequent microlens mask patterning. After the planarization process using the OCL film, the microlenses 12 are formed to increase the light focusing rate. The microlenses are mainly formed using an organic photoresist material.
마이크로렌즈의 형성은 다음과 같이 수행된다.Formation of the microlenses is performed as follows.
마이크로렌즈 감광제를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성한다. 이후 베이킹을 하여 마이크로렌즈를 플로우 시켜서 돔 형태의 마이크로렌즈(12)를 형성시키게 된다.After applying the microlens photosensitizer, a pattern is formed through a mask process. After baking, the microlens is flowed to form a dome-shaped microlens 12.
이와 같은 종래의 컬러필터(10)는 도1에 도시된 바와 같이 하부막의 토폴로지의 영향을 받아 필터의 두께가 증가하거나 프로파일이 변화하기 때문에 광특성이 저하되는 등의 단점이 있었으며 칼라필터는 포토레지스트 물질을 사용하기 때문에 칼라필터 공정에서 발생하는 spot성 결함이 발생하는 단점이 있었다.As shown in FIG. 1, the conventional color filter 10 has a disadvantage in that optical characteristics are deteriorated because the thickness of the filter is increased or the profile is changed due to the topology of the lower layer. Because of the use of materials, there was a disadvantage in that spot defects occur in the color filter process.
또한 포토다이오드의 크기가 점점 작아짐에 따라 입사되는 빛을 포토다이오드의 중심으로 집광하는 것이 더욱 힘들어 진다. 이와같은 문제를 해결하기 위해서는 마이크로렌즈의 두께를 증가시키거나 또는 마이크로렌즈의 크기를 증가시켜야 하는 문제가 있었다.In addition, as the size of the photodiode decreases, it becomes more difficult to focus the incident light toward the center of the photodiode. In order to solve this problem, there has been a problem in that the thickness of the microlenses needs to be increased or the size of the microlenses must be increased.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 산화막과 잘화막을 이용하여 포토다이오드상에 다층으로 칼라필터를 구성하여 광효율과 결함을 줄일 수 있는 다층 칼라필터 이용한 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an image sensor using a multilayer color filter which can reduce light efficiency and defects by forming a color filter in a multilayer on a photodiode using an oxide film and a thin film. .
도1은 종래의 칼라필터를 포함하여 구성된 이미지센서를 도시한 도면.1 is a view showing an image sensor including a conventional color filter.
도2 내지 도4는 본 발명에 따른 다층 칼라필터를 형성하는 모습을 도시한 도면.2 to 4 are views showing the appearance of forming a multilayer color filter according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 기판2 : 필드산화막1: substrate 2: field oxide film
3 : 포토다이오드4 : 층간절연막3: photodiode 4: interlayer insulating film
5 : 제1금속배선 6 : 금속층간절연막5: first metal wiring 6: metal interlayer insulating film
7 : 제2금속배선8 : SOG막7: second metal wiring 8: SOG film
9 : 페시베이션보호막10 : 컬러필터9: passivation protective film 10: color filter
11 : OCL막12 : 마이크로렌즈11: OCL film 12: microlens
a : 산화막b : 질화막a: oxide film b: nitride film
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 반도체기판내의 불순물확산영역에 의해 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드영역의 상기 반도체기판 상에 형성되며, 산화막과 질화막이 적층되어 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성된 소자보호막; 상기 소자보호막 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.The present invention for solving the conventional problems as described above, the photodiode formed by the impurity diffusion region in the semiconductor substrate; A color filter formed on the semiconductor substrate in the photodiode region and formed by stacking an oxide film and a nitride film; An interlayer insulating film formed on the color filter; A metal wiring formed on the interlayer insulating film; An element protection film formed on the metal wiring; A planarization layer formed on the device protection film; And a microlens formed on the planarization layer.
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 설명한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.
본 발명에서는 특정파장의 빛을 필터링하는 칼라필터를 형성하기 위해 일정두께의 산화막과 일정두께의 질화막을 다층으로 적층시켜 칼라필터를 형성하며 본 발명에 따른 다층칼라필터는 종래 기술과는 달리 포토다이오드상에 형성된다.In the present invention, in order to form a color filter for filtering light of a specific wavelength, a color filter is formed by stacking an oxide film having a predetermined thickness and a nitride film having a predetermined thickness in a multi-layer, and the multilayer color filter according to the present invention is different from the prior art photodiode. Is formed on the phase.
도2내지 도4는 본 발명에 따른 다층 칼러필터를 형성하는 모습을 도시한 도면이고 표1은 본 발명에 사용된 각각의 칼라필터의 특성을 기술한 표이다.2 to 4 are diagrams showing the formation of a multilayer color filter according to the present invention, and Table 1 is a table describing the characteristics of each color filter used in the present invention.
본 발명에 따른 다층필터의 구성을 표1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Table 1, the configuration of the multilayer filter according to the present invention is as follows.
표1에 기술된 바와같이 청록색(Cyan)을 필터링하는 다층필터는 0.12㎛의 산화막과 0.067㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 1.122㎛ 이며 기준파장은 0.7㎛ 이다.As described in Table 1, the multi-layer filter for filtering cyan is composed of six layers of a layer composed of an oxide film of 0.12 μm and a nitride film of 0.067 μm. The total thickness of the multilayer filter is 1.122 μm and the reference wavelength. Is 0.7 µm.
노랑색(Yellow)을 필터링하는 다층필터는 0.068㎛의 산화막과 0.038㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 0.636㎛ 이며 기준파장은 0.37㎛ 이다.Yellow filter is a multi-layer filter composed of six layers of a layer composed of an oxide film of 0.068㎛ and a nitride film of 0.038㎛, the total thickness of the multilayer filter is 0.636㎛ and the reference wavelength is 0.37㎛.
자홍색(Magenta)을 필터링하는 다층필터는 0.094㎛의 산화막과 0.053㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 0.882㎛ 이며 기준파장은 0.55㎛ 이다.The multi-layer filter to filter magenta is composed of six layers of a pair of layers consisting of an oxide film of 0.094 μm and a nitride film of 0.053 μm. The total thickness of the multilayer filter is 0.882 μm and the reference wavelength is 0.55 μm.
상기에서 기술된 칼라필터를 구성하는 각층의 두꼐와 구성은 본 발명에 따른 일 실시예에 지나지 않으며 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리 또는 층간절연막이나 마이크로렌즈의 두께등 여러 인자에 의하여 최적의 광특성을 갖도록 형성할 수 있다.The thickness and configuration of each layer constituting the color filter described above are only an embodiment according to the present invention, and optimal optical characteristics may be determined by various factors such as the distance between the microlens and the photodiode or the thickness of the interlayer insulating film or the microlens. It can be formed to have.
본 발명에 따른 다층필터를 형성하는 공정을 도2내지 도4를 참조하여 설명한다.A process of forming a multilayer filter according to the present invention will be described with reference to FIGS.
먼저 도2에 도시된 바와 같이 기판상에 포토다이오드를 비롯한 논리소자들을 형성한 후에 표1에 기술된 특정필터를 형성한다. 예를 들어 청록색을 필터링하는 필터를 형성하는 경우에는 0.12㎛ 두께의 산화막을 형성한후 0.067㎛ 두께의 질화막을 1쌍으로 하여 6개층을 적층시킨다.First, as shown in FIG. 2, logic elements including photodiodes are formed on a substrate, and then the specific filter described in Table 1 is formed. For example, in the case of forming a filter for filtering cyan, after forming an oxide film having a thickness of 0.12 탆, six layers are laminated with a pair of nitride films having a thickness of 0.067 탆.
이와 같이 특정한 포토다이오드 상부에 다층필터가 형성되도록 마스킹과 에칭공정을 진행하여 도3에 도시된 형태의 다층필터를 형성한다.As such, a masking and etching process is performed to form a multilayer filter on a specific photodiode to form a multilayer filter of the type shown in FIG. 3.
나머지 색을 필터링하는 필터들도 이와 같은 방법으로 형성시킨다.Filters for filtering the remaining colors are also formed in this way.
도4에 도시된 바와 같이 제2금속배선(7)을 형성하기까지의 공정은 종래기술과 동일하며 제2금속배선(7)을 형성한 후의 공정은 다음과 같다.As shown in FIG. 4, the process up to forming the second metal wiring 7 is the same as in the prior art, and the process after forming the second metal wiring 7 is as follows.
상기 제2금속배선상(7)에 패시베이션보호막(9)을 형성하고 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 일종의 감광막인 OCL막(11)을 형성한다. 그리고 OCL막(11) 상부에 마지막으로 마이크로렌즈(12)를 형성한다.A passivation protective film 9 is formed on the second metal wiring 7 and an OCL film 11, which is a kind of photoresist film, is formed for the purpose of planarization for facilitating subsequent microlens mask patterning. Finally, the microlens 12 is formed on the OCL film 11.
이와 같이 제2금속배선을 형성한 후 마이크로렌즈를 형성하기까지의 공정은 종래 기술과는 달리 일반적인 SOG막 형성공정과 포토레지스트 성분의 컬러필터 형성공정이 생략된다.As described above, the process from forming the second metal wiring to forming the microlens is omitted in the conventional SOG film forming process and the color filter forming process of the photoresist component, unlike the prior art.
이와 같이 본 발명에서는 패시베이션보호막 형성전에 진행되는 SOG막 형성공정이 생략되고 또한 패시베이션 보호막 형성후 진행되는 컬러필터 형성공정이 생략되기 때문에 마이크로렌즈와 포토다이오드사이의 거리(X)가 종래 기술보다 짧아지게 된다.As described above, in the present invention, the SOG film forming process that is performed before the passivation protective film is omitted, and the color filter forming process that is performed after the passivation protective film is omitted, so that the distance X between the microlenses and the photodiode is shorter than in the prior art. do.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
본 발명에 따른 이미지센서는 칼라필터의 프로파일이 균일하게 되고 또한 포토레지스트성분이 아닌 물질로 칼라필터를 형성하므로 스폿성 결함도 감소시키며 제조원가도 감소시키는 효과가 있다. 또한 칼라필터를 포토다이오드 상에 형성하므로 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이의 거리를 줄일 수 있어 광효율의 증가 및 포토다이오드의 크기를 작게 할 수 있는 효과가 있다.The image sensor according to the present invention has a uniform profile of the color filter and forms a color filter with a material other than the photoresist component, thereby reducing spot defects and reducing manufacturing costs. In addition, since the color filter is formed on the photodiode, the distance between the photodiode and the microlens can be reduced, thereby increasing the light efficiency and reducing the size of the photodiode.
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