KR20050106930A - Cmos image sensor and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 둘레에 더미(dummy) 폴리실리콘을 증착하여 오목한 토폴로지(topology)를 만든 후, 그 상부에 질화막을 이용한 내부 렌즈를 형성함으로써 누화현상과 잡음을 억제해 주고 동시에 실리콘 기판에서의 계면반사율을 최소화시킨 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 반도체 기판 상에 형성되어 활성영역과 필드영역의 정의하는 소자분리막; 상기 활성영역에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 둘레의 상기 소자분리막 상에 형성된 더미 폴리실리콘; 상기 포토다이오드 및 상기 더미 폴리실리콘을 포함한 구조를 덮되, 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖는 산화막; 상기 산화막 상에 형성되되, 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖는 질화막 내부렌즈; 상기 기판 상에 형성된 복수층의 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 칼라필터; 및 상기 칼라필터 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, and particularly, by depositing dummy polysilicon around a photodiode to create a concave topology, and then forming an internal lens using a nitride film thereon. The present invention relates to a CMOS image sensor that suppresses phenomena and noise and at the same time minimizes interfacial reflectance on a silicon substrate, and a method of manufacturing the same. To this end, the present invention is an element isolation film formed on a semiconductor substrate to define an active region and a field region; A photodiode formed in the active region; Dummy polysilicon formed on the device isolation layer around the photodiode; An oxide film covering the structure including the photodiode and the dummy polysilicon, the central portion of the photodiode having a concave topology; A nitride film internal lens formed on the oxide film and having a concave topology of a central portion of the photodiode; A plurality of metal wirings formed on the substrate; A passivation film formed on the metal wiring; A color filter formed on the passivation film; And a microlens formed on the color filter.
Description
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 포토다이오드의 둘레에 더미 폴리실리콘을 형성하여 오목한 형태의 분지를 형성하고, 그 상부에 질화막을 형성하여, 상기 오목한 형태의 분지 상에 형성된 질화막이 내부렌즈의 역할을 수행하도록 하여, 인접화소간의 누화현상과 잡음을 감소시킴과 동시에 반도체 기판에서의 계면 반사율을 최소화시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same. In particular, a dummy polysilicon is formed around a photodiode to form a concave branch, and a nitride film is formed on the top of the photodiode. The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of fabricating the nitride film to perform the role of an internal lens to reduce crosstalk and noise between adjacent pixels and to minimize interfacial reflectance on a semiconductor substrate.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 시모스 이미지센서와 전하결합소자로 나눌 수 있다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and may be roughly divided into a CMOS image sensor and a charge coupled device.
이 중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.Among them, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located very close to each other. It is a device that adopts the switching method that detects the output by using MOS transistor as many as pixel by using CMOS technology that uses control circuit and signal processing circuit as peripheral circuit. .
그리고, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 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. In addition, the 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. The ratio of the area of the light sensing portion in the entire 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.
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.Therefore, a condensing technology has emerged to change the path of light incident to an area other than the light sensing portion to raise the light sensitivity, and to collect the light sensing portion. For this purpose, the image sensor uses a microlens on the Cali filter. The method of forming is used.
도1a는 종래기술에 따른 시모스(CMOS) 이미지센서에서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도이다. FIG. 1A is a circuit diagram illustrating a unit pixel including one photodiode PD and four MOS transistors in a CMOS image sensor according to the related art.
이를 참조하면, 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(103)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 또한, 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.Referring to this, a unit pixel of a conventional CMOS image sensor includes a photodiode 100 that receives light to generate photocharges, and a transfer for transporting the photocharges collected from the photodiode 100 to the floating diffusion region 102. A transistor 101, a reset transistor 103 for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging electric charges to reset the floating diffusion region 102, and a source follower buffer amplifier. Drive transistor 104 and select transistor 105 for addressing in a switching role. In addition, a load transistor 106 is formed outside the unit pixel so as to read an output signal.
도1b는 이러한 구조의 단위화소에서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 중심으로 그 레이아웃 구조를 도시한 레이아웃 도면이다.FIG. 1B is a layout diagram showing a layout structure centering on a photodiode, a transfer transistor, and a reset transistor in a unit pixel of such a structure.
이를 참조하면, 활성(active)영역과 필드(field)영역을 정의하는 소자분리막이 도시되어 있으며(도1b에서 빗금친 부분이 소자분리막 임), 활성영역은 포토다이오드 및 트랜지스터의 소스/드레인이 형성될 영역이다.Referring to this, a device isolation film defining an active region and a field region is shown (the hatched portion in FIG. 1B is a device isolation film), and the active region is formed by the photodiode and the source / drain of the transistor. The area to be.
또한, 활성영역 중에서는 사각형의 형태를 갖고 있는 포토다이오드가 도시되어 있으며, 포토다이오드의 일측면에 접하여 Y축 방향으로 진행하다가 X축 방향으로 확장되어 형성된 활성영역이 도시되어 있다. In addition, a photodiode having a quadrangular shape is shown in the active region, and an active region formed in contact with one side of the photodiode and extending in the X-axis direction is shown.
참고로, 포토다이오드의 일측면에 접하여 Y축 방향으로 진행하다가 X축 방향으로 확장되어 형성된 활성영역에는 플로팅 확산영역이 형성된다.For reference, a floating diffusion region is formed in an active region formed in contact with one side of the photodiode in the Y-axis direction and extending in the X-axis direction.
그리고, 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이에는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있으며, 플로팅 확산영역의 타측에는 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있음을 알 수 있다. The gate polysilicon of the transfer transistor is formed between the photodiode and the floating diffusion region, and the gate polysilicon of the reset transistor is formed on the other side of the floating diffusion region.
도1b에는 단위화소를 구성하는 나머지 트랜지스터들(예를 들면, 셀렉트 트랜지스터 및 드라이브 트랜지스터 등)은 도시되어 있지 않으며, 그 외에도 칼라필터 및 마이크로렌즈 등은 아직 형성되기 전이므로, 도1b에 도시하지 않았다.In FIG. 1B, the remaining transistors constituting the unit pixel (for example, the select transistor and the drive transistor, etc.) are not shown. In addition, since the color filter and the microlens are not formed yet, they are not shown in FIG. 1B. .
도1c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드, 칼라필터 및 마이크로렌즈 등이 모두 형성된 상태의 단면 구조를 도시한 단면도면으로, 포토다이오드를 중심으로 단위화소의 단면구조를 도시한 도면이다. 이를 참조하여 종래기술에 따른 시모스 이미지센서 제조방법을 설명하면 다음과 같다.FIG. 1C is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure in which a photodiode, a color filter, a micro lens, and the like are all formed in a CMOS image sensor according to the related art, and illustrating a cross-sectional structure of a unit pixel around a photodiode. Referring to this description with reference to the CMOS image sensor manufacturing method according to the prior art.
먼저, 반도체 기판(11) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(12)을 형성한다. 소자분리막으로는 열산화방법을 이용한 소자분리막 또는 트렌치를 이용한 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)이 적용된다. First, an isolation layer 12 defining an active region and a field region is formed on the semiconductor substrate 11. As the isolation layer, an isolation layer using a thermal oxidation method or a trench isolation layer (STI) using a trench is used.
이어서, 정의된 활성영역중에서 일정 영역에 포토다이오드가 형성된다. 포토다이오드는 통상적으로 반도체 기판 깊숙히 형성된 n형 이온주입영역(통상적으로 'Deep N 영역' 이라고 표시됨)과 그 상부에 형성된 p형 이온주입영역(통상적으로 'P0 영역' 이라고 표시됨)으로 구성되며, p형의 기판(11)과 더불어 p/n/p 구조의 포토다이오드 구조가 많이 이용된다. 도1c에는 이러한 포토다이오드의 자세한 구조는 도시하지 않았으며 단순히 하나의 포토다이오드로만 표시하였다.Subsequently, a photodiode is formed in a predetermined region among the defined active regions. The photodiode is generally composed of an n-type ion implantation region (typically denoted as 'Deep N region') formed deep inside a semiconductor substrate and a p-type ion implantation region (usually designated as 'P 0 region') formed thereon, In addition to the p-type substrate 11, a p / n / p structure photodiode structure is often used. In FIG. 1C, the detailed structure of the photodiode is not illustrated and is simply represented by only one photodiode.
이어서, 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터 및 플로팅 확산영역이 형성되는 공정이 진행된다.Subsequently, a process of forming various transistors and floating diffusion regions constituting the unit pixel is performed.
이와같이 소자분리막(12)과 포토다이오드(13) 및 트랜지스터를 비롯한 관련소자들이 형성된 이후에, 관련소자들을 덮는 층간절연막(14)이 반도체 기판(11) 상에 형성된다. After the device isolation film 12, the photodiode 13, and related devices including transistors are formed, an interlayer insulating film 14 covering the related devices is formed on the semiconductor substrate 11.
종래기술에서는 이러한 층간절연막(14)으로, 주로 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 산화막이 사용되었으며, TEOS 산화막은 1000Å 이상의 두터운 두께를 갖게 형성되었다.In the prior art, a TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) oxide film was mainly used as the interlayer insulating film 14, and the TEOS oxide film was formed to have a thickness of 1000 Å or more.
이어서, 층간절연막(14) 상에는 복수층의 금속배선(15)과 금속배선간 절연막(16)이 형성되며, 가장 상부에는 최종금속배선(17)이 형성된다.Subsequently, a plurality of metal wirings 15 and an intermetallic insulating film 16 are formed on the interlayer insulating film 14, and the final metal wiring 17 is formed on the uppermost layer.
이와같이 최종금속배선까지 형성된 이후에, 최종금속배선(17) 상부에는 페시베이션막(18)이 형성된다. 여기서, 페시베이션막(18)은 소자를 습기나 스크래치 (scratch)로 부터 보호하기 위한 막이다. After the final metal wiring is formed as described above, the passivation film 18 is formed on the final metal wiring 17. Here, the passivation film 18 is a film for protecting the device from moisture or scratches.
다음으로 도1c에 도시된 바와같이 페시베이션막(18) 상에 곧바로 칼라필터(19)가 형성되거나 또는 페시베이션막(18) 상에 평탄화막(미도시)을 먼저 형성하고, 그 상부에 칼라필터가 형성될 수도 있다. 도1b에는 페시베이션막(18) 상에 바로 칼라필터(19)를 형성하는 경우를 도시하였다.Next, as shown in FIG. 1C, a color filter 19 is formed directly on the passivation film 18, or a planarization film (not shown) is first formed on the passivation film 18, and the color is formed thereon. Filters may be formed. FIG. 1B shows a case where the color filter 19 is formed directly on the passivation film 18.
칼라필터(19)는 통상적으로 염색된 포토레지스트가 사용되며, 각각의 단위화소마다 하나의 칼라필터(19)가 형성되어, 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.As the color filter 19, a dyed photoresist is generally used, and one color filter 19 is formed for each unit pixel to separate colors from incident light.
전술한 바와같이 칼라필터 형성물질로는 주로 염색된 포토레지스트가 사용되며, 또한 이웃하는 칼라필터들은 서로 약간씩 오버랩(overlap)되어 형성되는 것이 일반적이다. As described above, a dye photoresist is mainly used as the color filter forming material, and neighboring color filters are generally formed to overlap each other slightly.
따라서, 서로 오버랩되는 부분으로 인해 칼라필터로 인한 단차가 발생하며,이를 보완하기 위해 칼라필터(19) 상에 평탄화막(오버코팅 레이어 : Over Coating Layer, OCL 이라고도 함 )(20)이 형성된다. Therefore, a step due to the color filter occurs due to portions overlapping each other, and to compensate for this, a flattening film (over coating layer: OCL) 20 is formed on the color filter 19.
후속으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야만 빛을 효과적으로 집광할 수 있는데, 이를 위해서는 칼라필터로 인한 단차를 없애야 한다.Subsequently, the microlenses to be formed must be formed on the flattened surface to effectively collect the light. This requires eliminating the step caused by the color filter.
때문에, 칼라필터(19) 상에는 평탄화막(20)이 형성되어야 하며, 이러한 평탄화막 역시 주로 감광막 계열의 막으로 이루어진다.Therefore, the planarization film 20 should be formed on the color filter 19, and the planarization film is also mainly composed of a photoresist-based film.
이와같이 평탄화막(20)까지 형성한 다음에, 평탄화막(20) 상에 마이크로렌즈(21)가 형성된다. 도1c에는 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(21)가 도시되어 있으며, 이와같은 형태를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.After forming the flattening film 20 in this manner, the microlens 21 is formed on the flattening film 20. In FIG. 1C, a dome-shaped microlens 21 is illustrated, and a method of forming the microlens having such a shape will be described in detail as follows.
먼저, 광 투과도가 높은 실리콘 산화막 계열의 감광성 포토레지스트(photo resist)를 스핀온 코팅장치(spin-on-coater)를 이용하여 도포한 다음, 적절한 마스크를 사용한 패터닝 공정을 수행하여, 각각의 단위화소에 대응하는 각진 형태의 마이크로렌즈를 형성한다.(통상적으로 사각형 형태를 갖게 패터닝된다.)First, a photosensitive photoresist of silicon oxide-based film having high light transmittance is applied by using a spin-on-coater, and then a patterning process using an appropriate mask is performed. To form a microlens of an angular shape corresponding to (typically patterned to have a rectangular shape).
이어서, 노광공정을 통해 패터닝된 마이크로렌즈용 감광막의 연결고리를 끊어 주고나서 다시, 열공정을 이용한 플로우(flow) 공정을 적용하게 되면, 도1c에 도시된 바와같은 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 얻을 수 있다.Subsequently, after breaking the connection of the photoresist film for the microlenses patterned through the exposure process and again applying a flow process using a thermal process, a dome-shaped microlens as shown in FIG. 1C is applied. Can be obtained.
하지만 이와같은 구조의 종래기술에 따른 시모스 이미지센서는 여러가지 단점이 있었는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.However, the CMOS image sensor according to the prior art of such a structure has a number of disadvantages, it will be described as follows.
먼저, 종래기술의 문제점으로는 인접한 단위화소간의 누화현상(cross talk)을 들 수 있다.First, a problem of the related art is cross talk between adjacent unit pixels.
누화현상이란 개개의 단위화소에서 발생한 광전하가 인접한 단위화소로 침투함으로써 정확한 이미지재현을 방해하는 현상으로, 이미지센서가 점차로 소형화되어감에 따라 그 문제가 더욱 심각해 지고 있다.The crosstalk phenomenon is a phenomenon in which photocharge generated from individual unit pixels penetrates adjacent unit pixels and prevents accurate image reproduction. As the image sensor is gradually miniaturized, the problem becomes more serious.
즉, 이미지센서 소자의 크기가 점차로 감소함에 따라, 단위화소로 입사하는 입사광의 입사각이 상대적으로 더욱 커지게 되었으며 또한, 인접한 단위화소간의 거리 역시 감소하게 되었다. That is, as the size of the image sensor element is gradually reduced, the incident angle of incident light incident on the unit pixel becomes relatively larger, and the distance between adjacent unit pixels is also reduced.
이러한 이유때문에, 하나의 단위화소에서 발생한 광전하가 인접한 단위화소로 이동할 가능성이 점차로 증가하고 있으며, 이러한 누화현상의 억제는 소자의 소형화에 따라 점차로 중요한 문제로 대두되고 있다. For this reason, the possibility that photocharges generated in one unit pixel move to an adjacent unit pixel is gradually increasing, and such suppression of crosstalk is becoming an important problem as the size of the device becomes smaller.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토다이오드 상부에 질화막을 이용한 내부렌즈를 구비하여 누화현상과 계면반사를 억제한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, having a cross-section phenomenon and interfacial reflection suppressed by providing an internal lens using a nitride film on the photodiode.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상에 형성되어 활성영역과 필드영역의 정의하는 소자분리막; 상기 활성영역에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 둘레의 상기 소자분리막 상에 형성된 더미 폴리실리콘; 상기 포토다이오드 및 상기 더미 폴리실리콘을 포함한 구조를 덮되, 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖는 산화막; 상기 산화막 상에 형성되되, 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖는 질화막 내부렌즈; 상기 기판 상에 형성된 복수층의 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 칼라필터; 및 상기 칼라필터 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object is an element isolation film formed on a semiconductor substrate to define an active region and a field region; A photodiode formed in the active region; Dummy polysilicon formed on the device isolation layer around the photodiode; An oxide film covering the structure including the photodiode and the dummy polysilicon, the central portion of the photodiode having a concave topology; A nitride film internal lens formed on the oxide film and having a concave topology of a central portion of the photodiode; A plurality of metal wirings formed on the substrate; A passivation film formed on the metal wiring; A color filter formed on the passivation film; And a microlens formed on the color filter.
또한, 본 발명은 반도체 기판 상에 활성영역과 필드영역의 정의하는 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 활성영역에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 둘레의 상기 소자분리막 상에 더미 폴리실리콘을 형성하는 단계: 상기 포토다이오드 및 상기 더미 폴리실리콘을 포함한 구조상에 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖도록 산화막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드의 중심부가 오목한 토폴로지를 갖는 질화막 내부렌즈를 산화막 상에 형성하는 단계; 상기 기판 상에 복수층의 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 페시베이션막을 형성하는 단계; 상기 페시베이션막 상에 칼라필터를 형성하는 단계; 및 상기 칼라필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. In addition, the present invention comprises the steps of forming a device isolation film defining the active region and the field region on the semiconductor substrate; Forming a photodiode in the active region; Forming dummy polysilicon on the device isolation layer around the photodiode: forming an oxide layer on the structure including the photodiode and the dummy polysilicon such that a central portion of the photodiode has a concave topology; Forming a nitride film internal lens on an oxide film having a concave topology of a central portion of the photodiode; Forming a plurality of metal wirings on the substrate; Forming a passivation film on the metal wiring; Forming a color filter on the passivation film; And forming a microlens on the color filter.
본 발명에서는 포토다이오드의 상부에 질화막을 이용한 내부렌즈를 형성하여 포토다이오드로 입사하는 입사광이 되도록이면 포토다이오드로 수직으로 입사하도록 유도하여 누화현상을 억제하였으며, 또한 질화막 내부렌즈의 두께를 적절히 조절하여 실리콘 기판 표면에서의 계면반사율을 감소시키는 반사방지 효과를 동시에 얻을 수 있었다. In the present invention, by forming an internal lens using a nitride film on top of the photodiode, the incident light incident on the photodiode is induced to enter the photodiode vertically to suppress crosstalk, and also to properly adjust the thickness of the internal film of the nitride film At the same time, an anti-reflection effect of reducing interfacial reflectance on the surface of the silicon substrate was obtained.
이를 위해 본 발명에서는, 포토다이오드를 중심으로 오목한 토폴로지 (topology)를 갖도록 포토다이오드의 둘레에 더미(dummy) 폴리실리콘을 형성하였으며, 그 상부에 질화막을 이용한 내부렌즈를 형성하였다.To this end, in the present invention, a dummy polysilicon was formed around the photodiode so as to have a concave topology around the photodiode, and an internal lens using a nitride film was formed thereon.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 더미 폴리실리콘으로 주변이 둘러싸인 포토다이오드 상에 TEOS 산화막을 얇은 두께로 증착하였으며, TEOS 산화막의 두께는 실리콘 기판과 질화막 사이의 계면 스트레스를 유발하지 않을 정도의 두께인 100 ∼ 200Å 을 적용하였다.That is, in one embodiment of the present invention, a thin TEOS oxide film was deposited on a photodiode surrounded by dummy polysilicon, and the thickness of the TEOS oxide film is thick enough not to cause an interfacial stress between the silicon substrate and the nitride film. 100-200 Hz was applied.
이후에 TEOS 산화막 상에 질화막을 형성하였는 바, 더미 폴리실리콘으로 인해 오목해진 토폴로지로 인하여 증착된 질화막이 내부렌즈의 역할을 수행하도록 하였다. 본 발명에서는 이와같은 질화막 내부렌즈로 인하여 포토다이오드로 입사하는 입사광이 가급적이면 수직으로 입사할 수 있도록 유도하여 인접화소간의 누화현상을 억제할 수 있었다.Subsequently, a nitride film was formed on the TEOS oxide film, and thus, the nitride film deposited due to the concave topology due to the dummy polysilicon serves as an internal lens. In the present invention, the incident light incident on the photodiode due to the internal lens of the nitride film may be induced so as to vertically enter as much as possible, thereby preventing crosstalk between adjacent pixels.
또한, 본 발명에서는 전술한 질화막의 두께를 1000 ∼ 1500Å 정도로 설정하여 실리콘 기판에서의 계면 반사율을 최소화하는 반사방지의 효과도 더불어 얻을 수 있었다. In addition, in the present invention, the above-described nitride film thickness was set to about 1000 to 1500 Pa, and the antireflection effect of minimizing the interfacial reflectance on the silicon substrate was also obtained.
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.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 중심으로 그 레이아웃 구조를 도시한 도면으로 이를 참조하여 포토다이오드의 주변 둘레에 더미 폴리실리콘을 형성하는 공정을 설명한다.FIG. 2 is a diagram illustrating a layout structure centering on a photodiode, a transfer transistor, and a reset transistor in a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to this, dummy polysilicon is formed around a periphery of a photodiode. Explain the process.
먼저, 도2를 참조하면 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막이 형성되어 있으며(도2에서 빗금으로 표시한 부분이 소자분리막임), 포토다이오드 및 플로팅 확산영역을 이루고 있는 활성영역도 도시되어 있다.First, referring to FIG. 2, an isolation layer defining an active region and a field region is formed (indicated by a hatched portion in FIG. 2 is an isolation layer), and an active region constituting a photodiode and a floating diffusion region is also illustrated. have.
활성영역 중에서 포토다이오드 영역은 사각형 형태를 갖고 있으며, 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이에는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있다. 그리고 플로팅 확산영역의 일측면에는 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있다.The photodiode region of the active region has a rectangular shape, and a gate polysilicon of a transfer transistor is formed between the photodiode and the floating diffusion region. A gate polysilicon of the reset transistor is formed on one side of the floating diffusion region.
종래기술에 따른 레이아웃 도면인 도1b와 본 발명의 일실시예에 따른 도2를 비교하면, 포토다이오드의 주변 둘레에 형성된 더미 폴리실리콘이 다른 점이다.Comparing FIG. 1B, which is a layout diagram according to the prior art, and FIG. 2 according to an embodiment of the present invention, the difference is that the dummy polysilicon formed around the periphery of the photodiode.
이와같이 포토다이오드의 주변에 더미 폴리실리콘을 형성하게 되면, 포토다이오드를 중심으로 그 중심부가 오목한 형태의 토폴로지(topology)를 얻을 수 있다.When the dummy polysilicon is formed around the photodiode in this manner, a topology in which the center of the photodiode is concave can be obtained.
본 발명의 일실시예에서는 이러한 토폴로지와 질화막을 이용하여 내부렌즈를 형성하여 주었는데, 본 발명에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도3a 내지 도3d를 이용하여 설명한다. In an embodiment of the present invention, the internal lens was formed using the topology and the nitride film, but the CMOS image sensor manufacturing process according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.
도3a 내지 도3d는 포토다이오드를 중심으로 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도로서, 이를 참조하면, 먼저 도3a에 도시된 바와같이 반도체 기판(31) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(32)을 형성한다. 3A through 3D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor in accordance with an embodiment of the present invention, with reference to the photodiode. Referring to this, first, as shown in FIG. An isolation layer 32 is formed in the active region and the field region.
반도체 기판으로는 통상적으로 p형 기판이 주로 사용되며, 소자분리막으로는 열산화방법을 이용한 소자분리막 또는 트렌치를 이용한 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)이 주로 적용된다.A p-type substrate is generally used as a semiconductor substrate, and a device isolation film using a thermal oxidation method or a trench device isolation (STI) using a trench is mainly used as a device isolation film.
이어서, 활성영역중 일정 영역에 포토다이오드가 형성된다. 포토다이오드는 통상적으로 반도체 기판 깊숙히 형성된 n형 이온주입영역(통상적으로 'Deep N 영역' 이라고 표시됨)과 그 상부에 형성된 p형 이온주입영역(통상적으로 'P0 영역' 이라고 표시됨)으로 구성되며, p형의 기판(31)과 더불어 p/n/p 구조의 포토다이오드 구조가 많이 이용된다. 도3a에는 이러한 포토다이오드의 자세한 구조는 도시하지 않았으며 단순히 하나의 포토다이오드로만 표시하였다.Subsequently, a photodiode is formed in a predetermined region of the active region. The photodiode is generally composed of an n-type ion implantation region (typically denoted as 'Deep N region') formed deep inside a semiconductor substrate and a p-type ion implantation region (usually designated as 'P 0 region') formed thereon, In addition to the p-type substrate 31, a p / n / p structure photodiode structure is often used. The detailed structure of this photodiode is not shown in FIG. 3A, and is merely represented by one photodiode.
다음으로, 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘을 패터닝하는 공정이 진행되는데, 이때 포토다이오드의 둘레에 더미 폴리실리콘(34)을 패터닝하는 공정도 함께 진행된다.Next, a process of patterning gate polysilicon of various transistors constituting the unit pixel is performed, and a process of patterning the dummy polysilicon 34 around the photodiode is also performed.
즉, 도2에 도시된 바와같이 포토다이오드의 둘레 중에서, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 형성된 쪽을 제외한 나머지 3면에 더미 폴리실리콘을 형성하며, 그 단면을 도시한 도면이 도3a이다. 도3a에는 전술한 더미 폴리실리콘(34)만이 도시되어 있으며, 단위화소를 구성하는 나머지 게이트 폴리실리콘은 도시되어 있지 않다.That is, as shown in FIG. 2, dummy polysilicon is formed on three surfaces of the photodiode except for the side where the gate polysilicon of the transfer transistor is formed, and a cross-sectional view thereof is shown in FIG. 3A. In FIG. 3A, only the above-described dummy polysilicon 34 is shown, and the remaining gate polysilicon constituting the unit pixel is not shown.
이어서, 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터의 소스/드레인 및 플로팅 확산영역을 형성하는 공정이 진행된다.Subsequently, a process of forming source / drain and floating diffusion regions of various transistors constituting the unit pixel is performed.
다음으로 도3b에 도시된 바와같이, 소자분리막(32)과 포토다이오드(33) 및 더미 폴리실리콘(34)을 비롯한 관련소자들이 형성된 이후에, 이들을 덮는 층간절연막(35)을 반도체 기판(31) 상에 형성하는 공정이 진행된다.Next, as shown in FIG. 3B, after the related devices including the device isolation film 32, the photodiode 33, and the dummy polysilicon 34 are formed, the interlayer insulating film 35 covering them is formed on the semiconductor substrate 31. The process of forming in a phase advances.
종래기술에서는 층간절연막으로 TEOS 산화막이 사용되었으며, 그 두께 역시 1000Å 이상이 적용되었으나, 본 발명의 일실시예에서는 층간절연막으로 TEOS 산화막을 사용하되, 그 두께는 100 ∼ 200Å 정도의 얇은 두께를 적용하였다.In the prior art, a TEOS oxide film was used as the interlayer insulating film, and its thickness was also applied to 1000 Å or more. However, in an embodiment of the present invention, a TEOS oxide film was used as the interlayer insulating film, but a thickness of about 100 to 200 Å was applied. .
이와같이 얇은 두께를 적용한 이유에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서는 종래기술과 달리, TEOS 산화막과 질화막이 적층된 구조가 적용되는 바, TEOS 산화막의 두께는 반도체 기판과 질화막 사이의 계면에 스트레스가 유발되지 않을 정도인 100 ∼ 200Å 의 두께를 갖도록 하였다. 또한, TEOS 산화막의 두께가 두꺼울 경우에는, 더미 폴리실리콘을 이용하여 애써 만들어논 오목한 형상의 토폴로지가 어느정도 평탄화될 수도 있으므로, 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다.The reason why the thin thickness is applied is as follows. In the present invention, unlike the prior art, the structure in which the TEOS oxide film and the nitride film are laminated is applied, and the thickness of the TEOS oxide film has a thickness of 100 to 200 kPa which does not cause stress at the interface between the semiconductor substrate and the nitride film. In addition, when the thickness of the TEOS oxide film is thick, it is preferable to have a thin thickness since the concave-shaped topology made by using dummy polysilicon may be flattened to some extent.
다음으로 도3c에 도시된 바와같이 TEOS 산화막(35) 상에 질화막(36)을 증착하는 공정이 진행된다. TEOS 산화막(35) 상에 증착된 질화막(36)은 더미 폴리실리콘(34)으로 인한 오목한 토폴로지로 인해, 도3c에 도시된 바와같이 증착되며, 결과적으로 포토다이오드의 상부에 내부렌즈 역할을 수행할 수 있도록 오목한 형태를 갖게 된다. Next, as illustrated in FIG. 3C, a process of depositing a nitride film 36 on the TEOS oxide film 35 is performed. The nitride film 36 deposited on the TEOS oxide film 35 is deposited as shown in Fig. 3C, due to the concave topology due to the dummy polysilicon 34, and consequently serves as an internal lens on top of the photodiode. It will have a concave shape.
또한, 본 발명의 일실시예에서 적용된 질화막(36)은 1000 ∼ 1500Å 의 두께를 갖는데, 이는 반사방지(anti-reflection)의 효과를 위해서이다. 이를 부연설명하면, 포토다이오드(33)로 입하는 입사광은 실리콘 반도체 기판(31)의 계면에서 어느 정도 반사되기 때문에 광 손실을 가져오고 있는데, 질화막의 두께를 1000 ∼ 1500Å 로 설정하면, 반도체 기판계면에서의 반사율을 최소화시켜줄 수 있어 광 손실을 억제할 수 있는 장점이 있다.In addition, the nitride film 36 applied in one embodiment of the present invention has a thickness of 1000 to 1500Å, for the effect of anti-reflection. In detail, incident light incident on the photodiode 33 reflects to some extent at the interface of the silicon semiconductor substrate 31, resulting in light loss. When the thickness of the nitride film is set to 1000 to 1500 mW, the semiconductor substrate interface It is possible to minimize the reflectance at, so there is an advantage to suppress the light loss.
이어서 수행되는 공정 및 질화막 내부렌즈를 채용함으로써 얻을 수 있는 장점에 대해서는 도3d를 참조하여 설명한다.Subsequently, the advantages to be obtained by employing the process performed and the nitride film inner lens will be described with reference to FIG. 3D.
도3d를 참조하면, 마이크로렌즈(43)까지 형성된 단면구조가 도시되어 있으며, 이를 참조하여 질화막 내부렌즈(36)형성 이후의 공정에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 3D, a cross-sectional structure formed up to the microlens 43 is illustrated, and a process after formation of the nitride film inner lens 36 will be described with reference to the following.
도3d에 도시된 바와같이 TEOS 산화막(35) 상에 질화막(36)을 형성한 다음, 그 상부에는 복수층의 금속배선(38)과 금속배선간 절연막(37)이 형성되며, 가장 상부에는 최종금속배선(39)이 형성된다. 도3d에는 2개의 금속배선이 사용되는 경우를 도시하였지만, 더 많은 금속배선이 사용될 수도 있으며 이때, 복수층의 금속배선은 포토다이오드(33)으로 입사하는 빛을 가리지 않기 위해 의도적으로 레이아웃 되어 형성된다.After the nitride film 36 is formed on the TEOS oxide film 35 as shown in FIG. 3D, a plurality of layers of metal wiring 38 and an insulating film 37 between the metal wirings are formed thereon, and at the top, Metal wiring 39 is formed. Although FIG. 3D shows a case in which two metal wires are used, more metal wires may be used, and a plurality of metal wires are intentionally laid out so as not to block light incident on the photodiode 33. .
다음으로, 최종금속배선(39) 상부에는 페시베이션막(40)이 형성되며, 이는 소자를 습기나 스크래치 (scratch)로 부터 보호하기 위한 막이다. Next, a passivation film 40 is formed on the final metal wiring 39, which is a film for protecting the device from moisture or scratches.
다음으로 도3d에 도시된 바와같이 페시베이션막(40) 상에 곧바로 칼라필터(41)가 형성되거나 또는 페시베이션막(40) 상에 평탄화막(미도시)을 먼저 형성하고, 그 상부에 칼라필터가 형성될 수도 있다. 도3d에는 페시베이션막(40) 상에 곧 바로 칼라필터(41)를 형성하는 경우를 도시하였다.Next, as shown in FIG. 3D, a color filter 41 is formed directly on the passivation film 40, or a planarization film (not shown) is first formed on the passivation film 40, and then a color is formed thereon. Filters may be formed. 3D illustrates a case in which the color filter 41 is formed directly on the passivation film 40.
칼라필터(41)는 통상적으로 염색된 포토레지스트가 사용되며, 각각의 단위화소마다 하나의 칼라필터가 형성되어, 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 여기서 전술한 칼라필터로는 주로 염색된 포토레지스트가 사용되며, 또한 이웃하는 칼라필터들은 서로 약간씩 오버랩(overlap)되어 형성되는 것이 일반적이다.The color filter 41 is typically a dyed photoresist, one color filter is formed for each unit pixel, to separate the color from the incident light. In this case, a dye photoresist is mainly used as the above-described color filter, and neighboring color filters are generally formed by being slightly overlapped with each other.
따라서, 서로 오버랩되는 부분으로 인해 칼라필터로 인한 단차가 발생하며,이를 보완하기 위해 칼라필터(41) 상에 평탄화막(오버코팅 레이어 : Over Coating Layer, OCL 이라고도 함 )(42)이 형성된다. Therefore, a step due to the color filter occurs due to portions overlapping each other, and a flattening film (over coating layer: OCL) 42 is formed on the color filter 41 to compensate for this.
후속으로 형성될 마이크로렌즈(43)는 평탄화된 표면 상에 형성되어야만 빛을 효과적으로 집광할 수 있는데, 이를 위해서는 칼라필터로 인한 단차를 없애야 한다.Subsequently, the microlens 43 to be formed must be formed on the flattened surface to effectively collect the light. For this purpose, the step due to the color filter must be eliminated.
때문에, 칼라필터(41) 상에는 평탄화막(42)이 형성되는 것이 일반적이며, 이러한 평탄화막(42) 역시 주로 감광막 계열의 막으로 이루어진다.Therefore, the flattening film 42 is generally formed on the color filter 41, and the flattening film 42 is also mainly composed of a photoresist-based film.
다음으로, 평탄화막(42) 상에 마이크로렌즈(43)가 형성된다. 도3d에는 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(43)가 도시되어 있으며, 이와같은 형태를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 종래기술과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Next, the microlens 43 is formed on the planarization film 42. 3D shows a dome-shaped microlens 43. Since the method for forming the microlens having the shape is the same as in the related art, a detailed description thereof will be omitted.
다음으로 도3d에는 도시되어 있지 않지만 마이크로렌즈(43) 상에 마이크로렌즈를 보호할 목적으로 마이크로렌즈 보호용 산화막(미도시)을 형성할 수 도 있다.Next, although not shown in FIG. 3D, a microlens protective oxide film (not shown) may be formed on the microlens 43 to protect the microlens.
도3d를 참조하여 포토다이오드(33)로 입사하는 광의 경로를 살펴보면, 수직으로 입사하는 입사광의 비율이 늘어났음을 알 수 있다.Looking at the path of the light incident on the photodiode 33 with reference to Figure 3d, it can be seen that the ratio of the incident light incident vertically increased.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 포토다이오드의 상부에 오목한 형상의 질화막 내부렌즈가 형성되어 있기 때문에, 이들을 통해 입사하는 빛은 포토다이오드에 수직으로 입사하게 되며 인접화소간의 누화현상을 억제하고 있음을 알 수 있다. That is, in one embodiment of the present invention, since the nitride film inner lens is formed on the upper portion of the photodiode, light incident through the photodiode is incident perpendicularly to the photodiode and suppresses crosstalk between adjacent pixels. Able to know.
본 발명을 적용하게 되면 포토다이오드에 최대한 근접하여 내부렌즈가 형성되어 지므로, 포토다이오드에 수직으로 입사하는 입사광의 비율을 높일 수 있다. 이는 곧 빛에 의한 광전하가 인접한 단위화소로 이동하는 누화현상을 억제할 수 있음을 의미하며, 또한 본 발명에서는 질화막 내부렌즈의 두께를 적절히 설정하여 반도체 기판 계면에서의 계면반사율을 감소시켜 광 손실을 억제할 수 있는 장점을 동시에 얻을 수 있었다. According to the present invention, since the internal lens is formed as close as possible to the photodiode, the ratio of incident light incident on the photodiode can be increased. This means that it is possible to suppress crosstalk phenomenon in which the photocharge due to light moves to adjacent unit pixels. Also, in the present invention, the thickness of the internal lens of the nitride film is appropriately set to reduce the interfacial reflectance at the interface of the semiconductor substrate, thereby reducing the light loss. At the same time it was possible to suppress the advantage.
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 가진 자에게 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 Esau.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하면, 인접 단위화소간의 누화현상을 억제할 수 있으며, 동시에 반도체 기판 표면에서의 계면반사율을 최소화시켜 줌으로써 이미지센서의 감도특성 및 데드존 특성의 개선을 가져올 수 있는 효과가 있다. When the present invention is applied to the CMOS image sensor, crosstalk between adjacent unit pixels can be suppressed, and at the same time, the interfacial reflectance on the surface of the semiconductor substrate can be minimized, thereby improving the sensitivity and dead zone characteristics of the image sensor. There is.
도1a는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소 구조를 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing a unit pixel structure of a CMOS image sensor according to the prior art;
도1b는 종래기술에 따라 단위화소를 구현한 레이아웃 중에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 중심으로 도시한 레이아웃 도면,1B is a layout diagram centering on a photodiode, a transfer transistor, and a reset transistor in a layout in which unit pixels are implemented according to the prior art;
도1c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서 마이크로렌즈와 포토다이오드를 포함하여 그 수직적 구조를 도시한 단면도,1C is a cross-sectional view showing a vertical structure including a microlens and a photodiode in a unit pixel of a CMOS image sensor according to the prior art;
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 더미 폴리실리콘을 중심으로 레이아웃 구조를 도시한 도면,2 is a diagram illustrating a layout structure centering on a photodiode, a transfer transistor, a reset transistor, and a dummy polysilicon in a unit pixel of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도3a 내지 도3d는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도. 3A to 3D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
31 : 기판 32 : 소자분리막 31 substrate 32 device isolation film
33 : 포토다이오드 34 : 더미 폴리실리콘33: photodiode 34: dummy polysilicon
35 : TEOS 산화막 36 : 질화막35 TEOS oxide film 36 nitride film
37 : 층간절연막 38 : 제 1 금속배선37: interlayer insulating film 38: first metal wiring
39 : 최종금속배선 40 ; 페시베이션막39: final metallization 40; Passivation film
41 : 칼라필터 42 : 평탄화막41 color filter 42 flattening film
43 : 마이크로렌즈 43 microlens
Claims (10)
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2004
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