KR20030057646A - Method of fabricating microlense in CMOS image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시모스 이미지센서에서 광 손실을 줄인 마이크로렌즈 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a microlens with reduced light loss in a CMOS image sensor.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 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. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity, and a CMOS (Complementary MOS) image sensor is a CMOS using a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. It is a device that adopts a switching method that makes MOS transistors by the number of pixels using technology and sequentially detects the output using them.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 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.In manufacturing such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor. For example, the CMOS image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a CMOS logic circuit portion for processing the detected light into an electrical signal to make data. In order to increase the light sensitivity, the area of the light sensing portion in the overall image sensor area is increased. Efforts have been made to increase the percentage of occupancy (commonly referred to as "Fill Factor"), but there is a limit to such efforts under a limited area since the logic circuit part cannot be removed.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다.Therefore, a lot of researches have focused on condensing technology to change the path of light incident to the area other than the light sensing area to raise the light sensitivity.
도1은 마이크로렌즈를 포함하여 구성된 종래의 이미지센서를 보인 도면으로 이를 참조하여 종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 설명한다.1 is a view showing a conventional image sensor including a microlens with reference to this will be described a conventional method of manufacturing a conventional image sensor.
기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(3)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도1에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)After forming a field oxide film 3 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. (The gate electrode is not shown in FIG. 1). not.)
이후, 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(2)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다. (트랜지스터는 미도시)Thereafter, an appropriate ion implantation process is performed to form a light receiving region including the photodiode 2 and to perform ion implantation for forming a source / drain and a sensing node of the transistor. (Transistor not shown)
결과물상에 층간절연막(4)과 금속배선(미도시)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러 개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간 절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 금속배선과 페시베이션막은 도1에서는 도시하지 않았다.The interlayer insulating film 4 and the metal wiring (not shown) are sequentially formed on the resultant. In the case of using a plurality of metal wirings, an intermetallic insulating film is formed between the metal wirings and a passivation film is formed on the final metal wiring. The metal wirings and the passivation film are not shown in FIG.
최종금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료한 이후에, 칼라이미지 구현을 위한 세 가지 종류의 칼라필터(5) 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스트를 이용하여 형성한다.After the passivation film is formed on the final metal wiring and the general CMOS logic process is completed, three types of color filters 5 are formed to implement color images. The color filters generally use dyed photoresist. Form.
칼라필터(5)가 형성되면 도1에 도시된 바와 같이, 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터(5) 상부에 형성될 마이크로렌즈(7)가 단위 픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성 (uniformity)이 저하되게 된다.When the color filter 5 is formed, as shown in FIG. 1, the flatness is poor due to the step, so that the microlenses 7 to be formed on the color filter 5 are formed differently in unit pixels. Uniformity is lowered.
이러한 점을 개선하기 위하여 평탄화막(6)을 형성한다. 평탄화막(6)은 일종의 감광막인 오버코팅레이어 (OCL:Over Coating Layer)를 이용하며, 이와 같은 평탄화 공정 이후에 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(7)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트를 이용하여 형성한다.In order to improve this point, the planarization film 6 is formed. The planarization layer 6 uses an overcoat layer (OCL), which is a kind of photoresist, and forms a microlens 7 to increase the light focusing ratio after such a planarization process. It forms using a resist.
마이크로렌즈 형성용 감광제를 도포한 후, 마스크 공정을 통해 패턴을 형성하고, 열 공정을 통해 사각형 형태의 마이크로렌즈(7)를 플로우 시켜서 돔(dome)형태의 마이크로렌즈(7)를 형성한다.After applying a photosensitive agent for forming a microlens, a pattern is formed through a mask process, and a dome-shaped microlens 7 is formed by flowing a rectangular microlens 7 through a thermal process.
이와 같은 방법으로 형성된 이미지센서의 마이크로렌즈의 경우에는 중앙부분으로 입사하는 빛은 굴절률이 높은 마이크로렌즈를 통과하게 되어 오히려 광투과율이 저하되며 광손실이 발생하는 단점이 있었다.In the case of the microlens of the image sensor formed by the above method, the light incident to the center portion passes through the microlens with a high refractive index, so that light transmittance is lowered and light loss occurs.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시모스 이미지센서에서 광손실을 줄인 마이크로렌즈 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a microlens with reduced light loss in a CMOS image sensor.
도1은 종래의 시모스 이미지센서의 모습을 보인 단면도,1 is a cross-sectional view showing a state of the conventional CMOS image sensor,
도2 내지 도5는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면.2 to 5 illustrate a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 : 기판1: substrate
2 : 포토다이오드2 photodiode
3 : 필드산화막3: field oxide film
4 : 층간절연막4: interlayer insulating film
5 : 칼라필터5: color filter
6 : 평탄화막6: planarization film
7 : 마이크로렌즈7: microlens
8 : 마이크로렌즈 보호 산화막8: microlens protective oxide film
9 : 평탄화막 보호 산화막9: planarization film protection oxide film
10 : 감광막10 photosensitive film
11 : 저온산화막11: low temperature oxide film
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광소자가 형성된 반도체 기판상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막상에 제1 저온산화막을 형성하는 단계; 상기 제1 저온산화막상에 상기 수광소자와 대응되는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴의 측벽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object, forming a color filter on the semiconductor substrate on which the light receiving element is formed; Forming a planarization film on the color filter; Forming a first low temperature oxide film on the planarization film; Forming a photoresist pattern corresponding to the light receiving element on the first low temperature oxide film; Forming microlenses on sidewalls of the photoresist pattern; And removing the photoresist pattern.
본 발명은 시모스 이미지센서 제조시, 광집적을 위해 제작하는 마이크로렌즈를 스페이서 형태로 제작하여 광손실을 최소화한 것이다.In the present invention, when manufacturing the CMOS image sensor, the microlenses manufactured for light integration are manufactured in a spacer form to minimize light loss.
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.
도2 내지 도5는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면으로 이를 참조하여 설명한다.2 to 5 are views illustrating a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention.
칼라필터 상부에 평탄화막을 형성하기까지의 공정은 종래기술과 유사하다. 즉, 기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(3)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도2에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)The process up to forming the planarization film on the color filter is similar to the prior art. That is, after forming the field oxide film 3 on the substrate 1 for electrical insulation between devices, the gate electrode is formed by successively applying and patterning polysilicon and tungsten silicide films. It is not done.)
이후, 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(2)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다. (트랜지스터는 미도시)Thereafter, an appropriate ion implantation process is performed to form a light receiving region including the photodiode 2 and to perform ion implantation for forming a source / drain and a sensing node of the transistor. (Transistor not shown)
결과물상에 층간절연막(4)과 금속배선(미도시)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러 개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간 절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 금속배선과 페시베이션막은 도2에서는 도시하지 않았다.The interlayer insulating film 4 and the metal wiring (not shown) are sequentially formed on the resultant. In the case where multiple metal wires are used, an intermetallic insulating film is formed between the metal wires and a passivation film is formed on the final metal wire. The metal wires and the passivation film are not shown in FIG.
최종금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료한 이후에, 칼라이미지 구현을 위한 세 가지 종류의 칼라필터(5) 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스트를 이용하여 형성한다.After the passivation film is formed on the final metal wiring and the general CMOS logic process is completed, three types of color filters 5 are formed to implement color images. The color filters generally use dyed photoresist. Form.
칼라필터(5)가 형성되면 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터 상부에 형성될 마이크로렌즈가 단위 픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성 (uniformity)이 저하되게 된다.When the color filter 5 is formed, the flatness becomes poor due to the step, and thus the microlens to be formed on the color filter is formed differently in unit pixels, thereby decreasing uniformity.
이러한 점을 개선하기 위하여 평탄화 공정을 수행한다. 평탄화 공정은 일종의 감광막인 오버코팅레이어 (OCL:Over Coating Layer)(6)를 이용하여 평탄화 공정을 진행한다.In order to improve this, a planarization process is performed. The planarization process is performed by using an over coating layer (OCL: 6), which is a kind of photoresist.
이와 같이 평탄화막(6)을 형성한 이후에 평탄화막(6) 상에 저온에서 증착이 가능한 저온산화막(9)을 수백 Å의 두께로 도포한다. 바람직하게는 100 ∼ 800Å의 두께를 갖도록 한다.After the planarization film 6 is formed as described above, a low temperature oxide film 9 capable of being deposited at a low temperature is applied on the planarization film 6 to a thickness of several hundred microseconds. Preferably it has a thickness of 100-800 kPa.
상기 저온산화막(9)은 후속 식각공정에서 평탄화막(6)이 손상되지 않도록 평탄화막을 보호하는 역할을 하며 이하, 평탄화막 보호산화막(9)이라 한다.The low temperature oxide film 9 serves to protect the planarization film so that the planarization film 6 is not damaged in a subsequent etching process, hereinafter referred to as the planarization film protection oxide film 9.
다음으로, 도2에 도시된 바와 같이 평탄화막 보호산화막(9) 상에 감광막(10)을 도포하고 패턴(10)을 형성하는데, 패턴(10)의 크기는 포토다이오드(2)의 크기보다 다소 작게 설정한다. 그 이유는 공정상의 변화로 인하여 패턴(10)의 크기가 포토다이오드(2) 보다 크게 형성될 경우에는, 굴절없이 입사하게 되는 빛이 포토다이오드(2) 이외의 지역으로 입사하여 잡음성분으로 작용하게 되기 때문이다.Next, as shown in FIG. 2, the photoresist 10 is applied onto the planarization protective oxide film 9 and the pattern 10 is formed. The size of the pattern 10 is somewhat larger than that of the photodiode 2. Set it small. The reason is that when the size of the pattern 10 is formed larger than the photodiode 2 due to the process change, light incident without refraction enters a region other than the photodiode 2 to act as a noise component. Because it becomes.
평탄화막 보호산화막(9) 상에 형성되는 감광막(10)은 고가의 마이크로렌즈 형성용 감광막이 아니라 저가의 일반 감광막을 이용한다.The photosensitive film 10 formed on the planarization film protective oxide film 9 uses an inexpensive general photoresist film instead of an expensive microlens formation photoresist film.
다음으로, 도3에 도시된 바와 같이 평탄화막 보호산화막(9)과 감광막(10)을 포함하는 영역에 저온산화막(11)을 증착하는데, 이 저온산화막(11)을 이용하여 스페이서 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 된다. 따라서, 증착되는 저온산화막(11)의 두께는 상기 감광막 패턴(10)의 크기와 후속으로 형성될 스페이서의 크기를 고려하여 설정한다.Next, as shown in FIG. 3, the low temperature oxide film 11 is deposited on a region including the planarization protective film 9 and the photosensitive film 10. The low temperature oxide film 11 is used to form a microlens in the form of a spacer. Will form. Therefore, the thickness of the low temperature oxide film 11 to be deposited is set in consideration of the size of the photoresist pattern 10 and the size of the spacer to be subsequently formed.
다음으로, 도4에 도시된 스페이서 형태의 마이크로렌즈(11)를 얻기 위해 상기 저온 산화막(11)을 마스크 없이 식각하는 공정을 수행한다.Next, the low-temperature oxide film 11 is etched without a mask to obtain the microlens 11 having the spacer shape shown in FIG. 4.
저온산화막(11)을 식각하는 공정에서 상기 감광막 패턴(10)이 노출될 정도로 식각공정을 수행하는데 이때, 너무 과도하게 식각공정을 진행할 경우에는 평탄화막 보호산화막(9)마저 식각될 수도 있으므로 평탄화막 보호산화막(9)은 식각되지 않도록 저온산화막(11) 식각공정을 진행한다.In the process of etching the low-temperature oxide film 11, the etching process is performed so that the photosensitive film pattern 10 is exposed. In this case, when the etching process is excessively excessive, the planarization film protective oxide 9 may be etched. The protective oxide film 9 is subjected to the low temperature oxide film 11 etching process so as not to be etched.
저온산화막(11) 식각이 완료되면 도4에 도시된 바와 같은 형태를 얻을 수 있는데, 감광막 패턴(10)의 양 측면에 스페이서 형태의 저온산화막(11)이 형성된 형태를 얻을 수 있다.When etching of the low-temperature oxide film 11 is completed, a shape as shown in FIG. 4 may be obtained. A low-temperature oxide film 11 having a spacer shape may be formed on both sides of the photosensitive film pattern 10.
다음으로, 상기 감광막 패턴(10)을 마스크 없이 식각하여 도5에 도시된 바와같이 저온산화막으로 구성된 스페이서 형태의 마이크로렌즈(11)를 형성한다. 감광막 패턴(10)을 식각하는 공정에서 상기 평탄화막 보호산화막(9)은 식각공정중에 평탄화막(8)이 손상받지 않도록 하는 역할을 함은 전술한 바와 같다.Next, the photoresist pattern 10 is etched without a mask to form a microlens 11 having a spacer shape formed of a low temperature oxide film as shown in FIG. 5. In the process of etching the photoresist pattern 10, the planarization protective film 9 serves to prevent the planarization film 8 from being damaged during the etching process.
이와 같이 중앙부분을 제거하여 스페이서 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 되면, 광손실을 줄일 수 있다.As such, when the center portion is removed to form a spacer-type microlens, light loss can be reduced.
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 발명을 이미지센서의 제조에 적용하게 되면, 종래와 같은 집광이 가능하면서도 마이크로렌즈의 중앙부분으로 입사하는 빛의 광에너지 손실을 없앨 수 있기 때문에 전체 이미지센서의 광감도를 향상시키는 효과가 있다.When the present invention is applied to the manufacture of the image sensor, it is possible to condense as in the prior art, but it is possible to eliminate the optical energy loss of light incident to the center portion of the microlenses, thereby improving the light sensitivity of the entire image sensor.
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