KR20030002902A - 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 있으며 부가적인 마이크로 렌즈 형성 공정을 생략할 수 있도록 쐐기(V자, Wedge)형의 집광용절연막을 갖는 이미지센서 및 그 제조 방법에 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 a wedge (V-shaped, Wedge) -type insulating film for improving condensing ability and eliminating an additional microlens forming process, and a manufacturing method thereof. will be.
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, 포토다이오드(10)가 형성된 기판(10) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 Blue, Red, Green 등의 CFA(Color Filter Array, 13)가 배치되어 있으며, 그 상부에 층간 절연을 위한 OCM(Over-Coating Material, 14)이 형성되어 있고, CFA(13)와 오버랩되는 영역의 상부에 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 마이크로 볼록렌즈(Microlens, 15)가 형성되어 있는 바, 도면의 간략화를 위해 게이트전극 및 광차단막 등을 생략하였으며, 이는 층간절연막(12) 내의 포토다이오드(11)와 오버랩되지 않는 영역에 배치된다.Referring to FIG. 1, a color filter array (CFA) 13 including blue, red, and green, which forms a unit pixel, is disposed on a substrate 10 on which a photodiode 10 is formed, and an interlayer is disposed thereon. OCM (Over-Coating Material) 14 for insulation is formed, and micro-convex lenses (Microlens, 15) made of a resin similar to photoresist are formed on the region overlapping with CFA 13. As a result, the gate electrode, the light blocking film, and the like are omitted for the sake of simplicity of the drawings, and the gate electrode and the light blocking film are omitted.
상기한 구성을 갖는 종래의 이미지센서는 포토다이오드(도시하지 않음) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(도시하지 않음)로 모이도록 하고 있으며, OCM(14)은 CFA(13) 패턴 형성 후 마이크로 볼록렌즈(15)의 패턴 형성이 용이하도록 평탄화의 목적으로 이용되는 바, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(가)을 마이크로 렌즈에 의한 집광영역(나)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.The conventional image sensor 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 14 is a CFA 13 pattern. It is used for the purpose of flattening to facilitate the pattern formation of the micro convex lens 15 after formation. The effective light sensing region (a) is enlarged to the condensing region (b) by the micro lens to increase the incident light energy. It is taking form.
이와 같이 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로 렌즈(15)를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 따라서, 'A'와 같이 마이크로 볼록렌즈(15) 영역 상으로 입사되는 빛을 유효 감광지영역(가)으로 집광하여 집광효율을 높일 수 있는 장점이 있으나, 마이크로 렌즈(15) 상호간의 밀착 특성 때문에 마이크로 렌즈(15) 상호간의 간격(다)을 유지하여야 하며, 이는 'B'와 같이 마이크로 렌즈(15) 사이(다)로 입사하는 빛(B)의 손실(Loss)을 유발하게 된다. 따라서, 전체적인 이미지센서의 필 팩터를 10% 이상 감소시키게 되며, 이는 화소의 사이즈가 감소함에 따라 그 영향이 배가된다. 또한, 상기한 볼록렌즈과 같이 돌출된 상부의 구조에 기인한 긁힘(Scratch)와 외부 파티클(Particle)의 부착 특성(Adhesive) 때문에 패키지(Package) 공정 상에서 최종 테스트시 금속성 파티클에 의한 백색 화소 결함(White bad pixel) 등이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.As described above, the microlenses are conventionally formed in a convex lens shape, and in particular, the focus is on forming the microlenses 15 so as to overlap the upper portion of the photodiode. Accordingly, although light incident on the micro-convex lens 15 region is condensed into the effective photosensitive paper region as in 'A', the light condensing efficiency can be improved. The distance between the lenses 15 should be maintained, which causes loss of light B incident between the micro lenses 15, such as 'B'. Therefore, the fill factor of the overall image sensor is reduced by 10% or more, which is doubled as the size of the pixel decreases. In addition, white pixel defects due to metallic particles during final testing in a package process due to scratches and adhesive properties of external particles due to the structure of the projecting upper part such as the convex lens described above Bad pixels) may occur.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소정의 굴절률을 갖는 막을 이용하여 쐐기(V자)형의 집광용절연막을 구현함으로써, 마이크로 레즈의 구조에 기인한 집광 손실을 최소화하여 필 팩터를 100%에 가깝게 구현할 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by using a film having a predetermined refractive index to implement a wedge (V-shaped) condensing insulating film, thereby minimizing condensing loss due to the structure of the micro-rez The goal is to provide an image sensor that can achieve near 100% fill factor.
또한, 본 발명은 특별한 마이크로 렌즈 형성 공정을 생략 가능하도록 함으로써, 공정의 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention has another object to provide an image sensor manufacturing method that can simplify the process by making it possible to omit a special micro lens forming process.
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 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating an image sensor manufacturing process according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20 : 기판20: substrate
21 : 포토다이오드21: photodiode
22 : 층간절연막22: interlayer insulating film
23 : CFA23: CFA
24 : OCM24: OCM
25 : 집광용절연막25: condensing insulation film
26 : 산화막26: oxide film
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 배치된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성되는 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기(V자, Wedge)형태의 마루 부분을 이루는 집광용절연막을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.The present invention to achieve the above object, the photodiode disposed on the substrate; An insulating layer formed on the photodiode; And a light collecting insulating layer formed on the insulating layer and having an upper portion overlapping with the photodiode forming a floor portion having a wedge (V-shape) shape.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1단계; 상기 하부 구조 상에 제1굴절율을 갖는 절연층을 형성하는 제2단계; 상기 절연층 상에 집광용절연막을 형성하는 제3단계; 및 상기 집광용절연막의 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기 형태의 마루 부분을 이루도록 하기 위해 쐐기형 마스크 패턴을 이용한 경사 식각을 실시하는 제4단계를 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; Forming a dielectric layer having a first refractive index on the substructure; A third step of forming a light collecting insulating film on the insulating layer; And a fourth step of performing an oblique etching using a wedge-shaped mask pattern so that an upper portion overlapping the photodiode of the light collecting insulating layer forms a wedge-shaped floor portion.
바람직하게, 본 발명의 상기 집광용절연막은, 상기 제1굴절율 이상인 제2굴절율을 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 집광용절연막은 질화막 계열이며, 상기 절연층 상부는 산화막 계열인 것을 특징으로 하며, 상기 절연층은 OCM(Over Coating Material)/CFA(Colour Filter Array)/층간절연막 또는 OCM/층간절연막 중 어느 하나의 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 집광용절연막 상에 배치된 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the light collecting insulating film of the present invention has a second refractive index that is greater than or equal to the first refractive index, wherein the light collecting insulating film is nitride based, and the upper portion of the insulating layer is oxide based. The insulating layer may be any one of an over coating material (OCM) / color filter array (CFA) / interlayer insulating film or an OCM / interlayer insulating film, and further includes an oxide film disposed on the light collecting insulating film. It is done.
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 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to explain in detail enough to enable those skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention, refer to FIGS. 2A to 2D attached to the most preferred embodiment of the present invention. This will be described.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.2C is a cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는, 기판(20) 상에 배치된 포토다이오드(21)와, 포토다이오드(21) 상에 제공되며 제1굴절율 예컨대, (0.5)의 굴절율을 갖는 절연층(22, 23, 24)의 상부 즉, OCM(24) 상에 제공되며, 포토다이오드(21)와 오버랩되는 상부가 쐐기(V자, Wedge)형태의 마루 부분(X)을 이루는 집광용절연막(25)을 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 2C, an image sensor of the present invention is provided with a photodiode 21 disposed on a substrate 20 and an insulation having a refractive index of a first refractive index, for example, (0.5), provided on the photodiode 21. An insulating film for condensing, which is provided on top of the layers 22, 23, and 24, that is, on the OCM 24, and overlaps with the photodiode 21 to form a floor portion X having a wedge (V-shape). It is comprised with 25.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 도 2a 내지 도 2d를 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. 2A to 2D.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부 구조가 형성된 결과물 상에 층간절연막(22)과 CFA(23) 및 OCM(24)을 차례로 형성한 후, 그 상부에 집광용절연막(25)을 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, an interlayer insulating film 22, a CFA 23, and an OCM 24 are sequentially formed on the resultant formed substructure, and then a light collecting insulating film 25 is formed thereon. do.
여기서, 도시된 도면부호 '21'은 포토다이오드를 나타내며, CFA(23)는 생략가능하며, OCM(24)은 막 평탄화를 이루기 위해 1.5 정도의 굴절율을 갖는 산화막 계열을 사용하며, 집광용절연막(25)은 2.2 정도의 굴절율을 갖는 질화막 계열을 사용한다.Here, the reference numeral '21' denotes a photodiode, the CFA 23 may be omitted, and the OCM 24 uses an oxide-based series having a refractive index of about 1.5 to achieve planarization of the film. 25) uses a nitride film series having a refractive index of about 2.2.
이어서, 집광용절연막(25)을 패터닝하는 공정을 수행하는 바, 도 2b에 도시된 개략도를 참조하여 상세히 설명한다.Subsequently, a process of patterning the light collecting insulating layer 25 is performed, which will be described in detail with reference to the schematic diagram shown in FIG. 2B.
도 2b에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25) 상에 쐐기(V자, Wedge)형 마스크 패턴(30)을 형성하여 경사 식각을 실시하는 바, 식각 특성 상 집광용절연막(25)은 마스크 패턴(30)의 경사진 부분과 동일하게 경사지게 식각된다.As shown in FIG. 2B, a wedge (V-shaped, Wedge) type mask pattern 30 is formed on the condensing insulating film 25 to perform oblique etching, and the condensing insulating film 25 is a mask due to etching characteristics. It is etched obliquely like the inclined portion of the pattern 30.
즉, 도 2c에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25)의 포토다이오드(21)와 오버랩되는 상부가 쐐기 형태의 마루 부분(X)을 이루게 된다. 한편, 포토다이오드(21)와 오버랩되지 않는 영역은 골(X')이 형성되는 바, 골과 OCM(24) 사이의 거리는 후술하는 스넬의 법칙(Snell's law)에 근거하여 적절하게 조절할 수 있다.That is, as shown in FIG. 2C, an upper portion overlapping with the photodiode 21 of the light collecting insulating layer 25 forms a wedge-shaped floor portion X. On the other hand, the region not overlapped with the photodiode 21 is formed with a valley (X '), the distance between the valley and the OCM 24 can be appropriately adjusted based on Snell's law described later.
상기한 바와 같은 구조로 형성된 본 발명의 이미지센서에서의 집광 원리를 도 2d를 참조하여 설명하면, 대기 중의 굴절율이 '1'이라고 가정했을 경우, 질화막 계열의 집광용절연막(25)의 굴절율은 '2.2' 정도이며, 하부의 층간절연막(22) 또는 OCM(24)의 굴절율은 '1.5' 정도이므로 스넬의 법칙에 의해Referring to FIG. 2d, the principle of condensing in the image sensor of the present invention having the above-described structure is assumed. When the refractive index in the atmosphere is' 1 ', the refractive index of the nitride-based insulating insulating film 25 is' 2.2 'and the refractive index of the lower interlayer insulating film 22 or OCM 24 is about' 1.5 'and according to Snell's law
즉, n1(대기중의 굴절율)＜ n2(집광용절연막의 굴절율) 이므로 θ1＞θ2가 되며, θ3＜θ4가 되므로, 집광용절연막(25)의 쐐기 내로 입사되는 빛은 포토다이오드(21)로 모두 집광시켜 줄 수가 있게 된다.That is, since n1 (refractive index in the air) <n2 (refractive index of the condensation insulating film), θ 1 > θ 2 and θ 3 <θ 4 , so that light incident into the wedge of the condensing insulating film 25 is photodiode. All of them can be condensed by (21).
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25) 상에 집광용절연막(25)의 굴절율보다 더 적은 산화막(26)을 추가로 형성하여 긁힘 등을 방지할 수 있는 보호막 역할을 수행할 수도 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 2C, an oxide film 26 having a refractive index smaller than that of the light collecting insulating film 25 is additionally formed on the light collecting insulating film 25 to serve as a protective film to prevent scratches and the like. It may be.
상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 종래의 마이크로 렌즈를 사용함으로 인하여 발생되는 렌즈간 간격에 의한 광 손실 또는 렌즈의 오염(Smear)에 따른노이즈 및 공정 상의 긁힘 또는 파티클의 영향을 최소로 하여 필 팩터를 100%에 가깝게 확대함으로써, 광감도의 향상과 오염에 의한 노이즈의 억제로 인한 S/N비의개선 및 다이내믹 레인지(Dynamic range)의 증가 등 단위 화소의 성능을 획기적으로 개선할 수 있으며, 마이크로 렌즈의 형성에 따른 공정 상의 번거로움을 피할 수 있으며, 패키지 공정 상에 발생할 수 있는 파티클 문제를 근본적으로 해결할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.The present invention made as described above, the fill factor by minimizing the effects of noise and process scratches or particles due to light loss or lens contamination due to the inter-lens spacing caused by using a conventional micro lens By expanding to nearly 100%, it is possible to dramatically improve the performance of the unit pixel, such as the improvement of the S / N ratio due to the improvement of light sensitivity and the suppression of noise caused by contamination, and the increase of the dynamic range. It can be seen through the examples that the process can be avoided due to the formation of the, and can fundamentally solve the particle problem that can occur on the packaging process.
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 있으며, 공정 단순화에 의한 가격 경쟁력 확보를 동시에 이룰 수 있는 탁월한 효과가 있다.The present invention as described above, by increasing the light energy absorption rate of the unit pixel, can significantly improve the performance of the image sensor, there is an excellent effect that can at the same time secure the price competitiveness by the process simplification.
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