KR20060020400A - Fabricating method of cmos image sensor with reduced loss of light - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 픽셀어레이의 둘레부분에 상대적으로 저 굴절률을 갖는 산화막을 제 2 금속배선 깊이까지 매립함으로써 픽셀어레이의 엣지부분에서 발생하였던 광 손실을 절감한 발명이다. 이를 위한 본 발명은 픽셀 어레이 영역과 로직영역을 구비한 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 상기 픽셀 어레이 영역과 상기 로직 영역에 제 2 금속배선까지 형성한 후, 상기 로직 영역에는 제 4 금속배선까지 형성하며 상기 픽셀 어레이 영역에는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 식각하여 상기 픽셀 어레이 영역과 상기 로직 영역 사이의 경계면에 상기 제 2 금속배선 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내부를 상기 층간절연막 보다 굴절률이 낮은 산화막으로 매립하는 단계를 포함하여 이루어진다.
The present invention relates to a method for manufacturing a CMOS image sensor, and more particularly, to reduce an optical loss generated at an edge portion of a pixel array by embedding an oxide film having a relatively low refractive index in a peripheral portion of a pixel array to a depth of a second metal wiring. to be. According to the present invention, a method for manufacturing a CMOS image sensor having a pixel array region and a logic region includes: forming up to a second metal wiring in the pixel array region and the logic region, and then forming a fourth metal wiring in the logic region. Forming an interlayer insulating film in the pixel array region; Etching the interlayer insulating layer to form a trench having a depth of the second metal wiring at an interface between the pixel array region and the logic region; And filling the inside of the trench with an oxide film having a lower refractive index than the interlayer insulating film.
시모스 이미지센서, 굴절률, 전반사, 픽셀 어레이, 광 손실CMOS image sensor, refractive index, total reflection, pixel array, light loss
Description
도1a는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 회로도, 1A is a circuit diagram showing a unit pixel of a conventional CMOS image sensor;
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서칩의 대략적인 구조를 도시한 도면,Figure 1b is a view showing a schematic structure of a CMOS image sensor chip according to the prior art,
도1c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 픽셀 어레이 부분과 로직영역의 단면을 비교하여 도시한 단면도,Figure 1c is a cross-sectional view showing a cross-sectional view of the pixel array portion and the logic region in the CMOS image sensor according to the prior art,
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도,2A to 2C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 칩의 모습을 보인 평면도면, Figure 2d is a plan view showing a state of the CMOS image sensor chip according to an embodiment of the present invention,
도3은 본 발명의 기술적 사상을 단위화소에 적용한 경우를 도시한 단면도면.
3 is a cross-sectional view showing a case where the technical idea of the present invention is applied to a unit pixel;
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
30 : 기판 31 : 게이트30
32 : 스페이서 33 : 층간절연막
32
34 : M1 콘택 35 : 제 1 금속배선(M1)34: M1 contact 35: first metal wiring (M1)
36 : VIA 1 37, 39, 42 : 금속층간절연막36: VIA 1 37, 39, 42: interlayer insulating film
38 : 제 2 금속배선(M2) 40 : VIA 2 38: second metal wiring (M2) 40: VIA 2
41 : 제 3 금속배선(M3) 43 : VIA341: third metal wiring (M3) 43: VIA3
44 : 제 4 금속배선(M4) 45 : 마스크44: fourth metal wiring (M4) 45: mask
46 : 트렌치 47 : 산화막46: trench 47: oxide film
50 : 기판 51 : 포토다이오드50
52 : 게이트 53 : 스페이서52: gate 53: spacer
54 : 층간절연막 55, 56 : 금속층간절연막54: interlayer
57 : 산화막
57: oxide film
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 픽셀 어레이와 로직회로 사이의 엣지영역에 제 2 금속배선 깊이까지 산화막을 빙 둘러 매립함으로써, 상기 산화막에 의해 전반사된 빛을 픽셀 어레이로 다시 받아들여 빛의 손실을 감소시킨 발명이다. The present invention relates to a method for manufacturing a CMOS image sensor, and in particular, by filling an oxide film in the edge region between a pixel array and a logic circuit to a depth of a second metal wiring, the light reflected by the oxide film is totally received by the pixel array Invention is reduced the loss of light.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and representative image sensor devices include a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor.
그 중에서 전하결합소자는 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 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.Among them, the charge-coupled device is a device in which charge carriers are stored and transported in the capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located very close to each other, and the CMOS image sensor is a control circuit and a signal processing circuit. It is a device that adopts a switching method that uses a CMOS technology that uses a signal processing circuit as a peripheral circuit to make MOS transistors by the number of pixels and sequentially detects the output using the same.
도1a는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(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, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성된 모습을 도시하고 있다. FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor, and includes a
도1b는 이러한 단위화소가 수십 내지 수백만개 구비된 픽셀 어레이를 비롯하여 화상 데이터를 처리하는 로직회로부 등으로 구성된 시모스 이미지센서 칩의 대 략적인 모습을 도시한 평면도이다. 이를 참조하면 빛을 수광하는 픽셀 어레이의 주변으로 로직회로부가 배치되어 있음을 알 수 있다.FIG. 1B is a plan view schematically illustrating a CMOS image sensor chip including a pixel array including tens to millions of such unit pixels, a logic circuit unit for processing image data, and the like. Referring to this, it can be seen that the logic circuit unit is disposed around the pixel array receiving the light.
도1c는 픽셀어레이와 로직회로부의 단면을 함께 도시한 단면도면으로 특히, 픽셀 어레이와 로직회로부의 경계면을 중점적으로 도시한 도면으로, 도1c를 참조하여 종래기술의 문제점을 설명하면 다음과 같다.FIG. 1C is a cross-sectional view illustrating a cross section of a pixel array and a logic circuit unit. In particular, FIG. 1C illustrates a boundary of the pixel array and a logic circuit unit. Referring to FIG.
먼저, 도1c에는 픽셀 어레이 영역과 로직 영역이 함께 도시되어 있는 바, 픽셀어레이 영역은 포토다이오드 등으로 구성된 수광부가 형성되어 있는 영역이며, 로직영역은 신호처리를 위한 일반적인 논리회로가 중점적으로 형성된 부분이다.First, in FIG. 1C, a pixel array region and a logic region are shown together. A pixel array region is a region in which a light receiving unit formed of a photodiode or the like is formed, and a logic region is a portion in which a general logic circuit for signal processing is mainly formed. to be.
즉, 반도체 기판(11) 상에는 스페이서(13)를 구비한 게이트 전극(12)이 형성되어 있으며, 게이트 전극을 포함한 기판 상에는 절연을 위한 층간절연막(14)이 형성되어 있다. 그리고 게이트 전극(12) 상에는 층간절연막(14)을 관통하여 게이트 전극(12)과 제 1 금속배선(16)을 연결하는 금속콘택(15)(M1 contact)이 형성되어 있다.That is, the
또한, 층간절연막(14) 상에는 제 1 금속배선(16)이 패터닝되어 있으며, 그 위로는 제 2 내지 제 4 금속배선(18, 20, 22)이 적층되어 형성되며, 각 금속배선 사이에는 금속배선들을 절연하기 위한 금속층간절연막(도면부호는 부여하지 않음)이 각각 구비되어 있다. 여기서 금속층간절연막은 통상적으로 FSG 막과 TEOS 산화막이 적층된 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한, 도1c에는 각각의 금속배선을 전기적으로 연결하기 위한 VIA 1 내지 VIA 3 가 도시되어 있다.In addition, a
도1c를 참조하면 종래의 시모스 이미지센서에서, 픽셀 어레이 영역은 제 2 금속배선(M2)(18)까지만 형성되어 있으며, 로직영역은 제 4 금속배선(22)까지 형성되어 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 1C, it can be seen that in the conventional CMOS image sensor, the pixel array region is formed only up to the second metal wiring M2 18, and the logic region is formed up to the
즉, 제 2 금속배선(M2)(18)까지만 형성된 픽셀어레이 영역에서는 산화막 계열의 FGS 막과 TEOS 산화막이 2 겹씩 형성되어, 로직 영역의 제 4 금속배선과 높이를 맞추고 있다. That is, in the pixel array region formed only up to the second metal wirings M2 and 18, two layers of the oxide film-based FGS film and the TEOS oxide film are formed, so as to match the height of the fourth metal wiring of the logic region.
이와같은 구조의 종래 이미지센서에서는, 로직 영역의 제 4 금속배선(22)을 실딩 메탈(shielding metal)로 형성하여 픽셀 어레이 영역을 둘러싸고 있는데, 이는 픽셀 어레이영역과 로직영역간의 경계임을 나타내는 동시에 픽셀 어레이 영역의 가장자리로 입사하는 빛의 손실을 감소시키기 위한 목적도 있었다. In the conventional image sensor having such a structure, the
하지만, 종래기술에 따라 제 4 금속배선을 이용한 실딩 메탈은 엣지로 입사하는 입사광을 픽셀 어레이 쪽으로 모아주지 못하고, 금속의 허수부 유전율에 의해 거의 대부분을 손실하는 단점이 있었다.
However, according to the related art, the shielding metal using the fourth metal wire does not collect incident light incident to the edge toward the pixel array, and has a disadvantage in that it is almost lost due to the imaginary part dielectric constant of the metal.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 픽셀 어레이의 엣지부분에서 광손실을 감소시키며 나아가 픽셀 어레이의 중심부분과 엣지부분의 광감도 차이를 줄인 시모스 이미지센서 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a CMOS image sensor which reduces light loss at the edge portion of the pixel array and further reduces the difference in light sensitivity between the center portion and the edge portion of the pixel array. .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 픽셀 어레이 영역과 로직영역을 구 비한 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 상기 픽셀 어레이 영역과 상기 로직 영역에 제 2 금속배선까지 형성한 후, 상기 로직 영역에는 제 4 금속배선까지 형성하며 상기 픽셀 어레이 영역에는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 식각하여 상기 픽셀 어레이 영역과 상기 로직 영역 사이의 경계면에 상기 제 2 금속배선 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내부를 상기 층간절연막 보다 굴절률이 낮은 산화막으로 매립하는 단계를 포함하여 이루어진다.
The present invention for achieving the above object, in the method for manufacturing a CMOS image sensor having a pixel array region and a logic region, after forming up to a second metal wiring in the pixel array region and the logic region, the logic region Forming up to a fourth metal wiring on the substrate and forming an interlayer dielectric in the pixel array region; Etching the interlayer insulating layer to form a trench having a depth of the second metal wiring at an interface between the pixel array region and the logic region; And filling the inside of the trench with an oxide film having a lower refractive index than the interlayer insulating film.
본 발명에서는 픽셀 어레이와 로직 영역의 경계면에 제 2 금속배선 깊이까지 산화막 계열의 막을 매립시켜, 입사된 빛이 산화막 계열의 막에 의해 전반사되어 픽셀 어레이 쪽으로 입사하도록 유도함으로써 빛의 손실을 막고 픽셀 어레이의 엣지부분의 광감도를 향상시킬 수 있었다.
In the present invention, the oxide-based film is buried at the interface between the pixel array and the logic region to the depth of the second metal wiring, and the incident light is totally reflected by the oxide-based film to be incident toward the pixel array, thereby preventing light loss and preventing the pixel array. It was possible to improve the light sensitivity of the edge portion of the.
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.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도로써 이를 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다. 2A through 2C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, with reference to this description.
우선, 제 4 금속배선(44)을 형성하기 까지의 공정은 종래기술과 동일하다.First, the process up to forming the
이를 참조하면 먼저, 픽셀 어레이 영역과 로직영역을 갖는 반도체 기판 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막을 형성한다. 이러한 소자분리막은 도2a에는 도시하지 않았다.Referring to this, first, an isolation layer defining an active region and a field region is formed on a semiconductor substrate having a pixel array region and a logic region. This device isolation film is not shown in Fig. 2A.
다음으로 픽셀 어레이 영역에 포토다이오드를 형성한다. 포토다이오드 역시 도2a에는 도시되어 있지 않다. 다음으로 반도체 기판 상부에 스페이서(32)를 구비한 게이트 전극(31)을 형성하고 소스/드레인 영역(미도시)을 형성한다.Next, a photodiode is formed in the pixel array region. The photodiode is also not shown in FIG. 2A. Next, a
다음으로, 게이트 전극(31)을 포함한 기판(30) 상부에 층간절연막(33)을 형성한 후, 층간절연막(33)을 일정부분 제거하고 전도물질을 매립하여 게이트 전극(31)과 제 1 금속배선(35)을 연결하는 금속콘택(34)을 형성한다.Next, after the
이어서, 제 1 금속배선(35)의 상부에 제 1 금속층간절연막(37)을 형성한 후, 제 1 금속층간절연막(37)을 관통하여 제 1 금속배선과 제 2 금속배선을 연결하는 제 1 비아(VIA 1)(36)를 형성한다. Subsequently, after the first
다음으로 제 1 금속층간절연막(37) 상에 제 2 금속배선(38)을 패터닝한다.Next, the
이와같은 공정은 픽셀어레이 영역과 로직영역에서 모두 동일하게 진행되나, 이후의 공정은 픽셀어레이 영역과 로직영역에서 달리 진행된다.This process is the same in both the pixel array region and the logic region, but subsequent processes are performed differently in the pixel array region and the logic region.
즉, 로직영역에서는 제 3 금속배선(41) 및 제 4 금속배선(44)이 차례로 적층되는 공정이 진행되는 반면에, 픽셀 어레이 영역에서는 금속층간절연막(39, 42)만이 차례로 적층되며 더이상의 금속배선은 사용되지 않는다.That is, in the logic region, a process of sequentially stacking the
도2a에서 미설명 부호 40, 43 은 각각 VIA 2 와 VIA 3 를 나타낸다.In FIG. 2A,
이와같이 제 4 금속배선(44)까지 형성한 다음, 마스크(45)를 이용하여 픽셀어레이 영역과 로직영역 사이의 경계면에 트렌치(46)를 형성한다. 이때, 트렌치의 깊이는 제 2 금속배선(38)까지로 하며 0.18㎛ 급 시모스 이미지센서에서는 트렌치의 깊이가 16000Å 정도 되는 것이 바람직하다.After the
다음으로, 도2b에 도시된 바와같이 전체 구조상에 산화막(47)을 증착하여 트렌치를 매립한다.Next, as shown in Fig. 2B, an
여기서, 산화막(47)은 1.41 정도의 낮은 굴절률을 갖고 있으며, 픽셀 어레이쪽의 금속층간절연막 보다는 상대적으로 낮은 굴절률을 갖고 있다. 이와같이 본 발명의 일실시예에서는 상기의 산화막(47)을 이용한 전반사를 통해 경계면에서의 빛 손실을 줄일 수 있었다.Here, the
이와같이 산화막(47)을 증착한 다음에는 도2c에 도시된 바와같이 제 4 금속배선(44)의 표면이 드러날 때까지 산화막(47)에 대한 에치벡 공정을 진행하게 되면, 제 4 금속배선의 측면에는 스페이서 형태로 산화막이 남게 되며, 트렌치는 산화막으로 매립된다. 이때, 제 4 금속배선의 두께는 6500Å 정도 된다.After depositing the
이후에 도2c에는 도시되어 있지 않지만, 페시베이션막, 칼라필터, 마이크로렌즈 형성 등의 통상적인 공정을 진행하여 시모스 이미지센서를 완성한다.Thereafter, although not shown in FIG. 2C, the CMOS image sensor is completed by performing a conventional process such as a passivation film, a color filter, and microlens formation.
결과적으로 픽셀어레이의 주변으로는 저 굴절률을 갖는 산화막이 매립되어 있으므로, 픽셀 어레이 영역과 로직영역사이의 경계면으로 입사하는 빛은 산화막에 의해 전반사되어 픽셀 어레이 영역으로 재입사하게 된다.As a result, since an oxide film having a low refractive index is buried in the periphery of the pixel array, light incident on the interface between the pixel array region and the logic region is totally reflected by the oxide film and reincident to the pixel array region.
본 발명에서는 이러한 점을 이용하여 픽셀 어레이의 엣지부분에서의 광감도를 향상시켜 줄 수 있었으며 또한, 픽셀 어레이의 중앙부분과 엣지부분의 광감도 차이도 감소시킬 수 있었다. In the present invention, the light sensitivity at the edge portion of the pixel array can be improved by using this point, and the difference in light sensitivity between the center portion and the edge portion of the pixel array can be reduced.
도2d는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서 칩의 대략적인 모습을 도시한 평면도로써, 픽셀 어레이의 가장자리를 따라 저 굴절률의 산화막(47)이 매립되어 있음을 알 수 있다. FIG. 2D is a plan view illustrating a CMOS image sensor chip formed according to an exemplary embodiment of the present invention, and it can be seen that an
도3은 본 발명의 기술적 사상을 단위화소에 적용한 모습을 도시한 단면도이다. 즉, 도3은 하나의 단위화소를 중심으로 그 단면을 도시한 도면으로 이를 참조하여 설명한다.3 is a cross-sectional view showing a state in which the technical idea of the present invention is applied to a unit pixel. That is, FIG. 3 is a diagram illustrating a cross section of one unit pixel, and will be described with reference to the drawing.
먼저, 제 2 금속배선(M2)을 형성하기 까지는 본 발명의 제 1 실시예와 동일하다. 즉, 반도체 기판(50)에는 빛을 수광하여 전기신호로 변환하는 포토다이오드(51)가 형성되어 있으며, 또한 스페이서(53)를 구비한 게이트 전극(52)이 형성되어 있다.First, it is the same as the first embodiment of the present invention until the second metal wiring M2 is formed. That is, the
또한, 게이트 전극을 포함한 반도체 기판(50) 상에는 층간절연막(54)이 형성되어 있으며, 층간절연막 상에는 포토다이오드로 입사하는 빛의 진로를 막지 않도록 레이아웃된 제 1 금속배선(M1) 및 제 2 금속배선(M2)이 형성되어 있다.In addition, an
미설명 부호 54, 55 는 금속층간절연막이다.
이와같이 제 2 금속배선(M2)까지 형성한 후에는 그 상부를 금속층간절연막(56)으로 덮은 공정이 진행된다. 이후, 상기 금속층간절연막(56)을 식각하여 트렌치를 형성하되, 트렌치는 포토다이오드의 둘레에 대응하는 위치에 형성한다. After the second metal wiring M2 is formed in this manner, a process of covering the upper portion with the metal
다음으로, 트렌치를 저 굴절률의 산화막(57)으로 매립하게 되면, 매립된 산화막(57)이 전반사를 유도하는 역할을 하여 포토다이오드로 입사하는 빛의 손실을 방지할 수 있게 된다.
Next, when the trench is filled with the
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 적용하게 되면, 픽셀 어레이의 엣지부분에서 발생하였던 광 손실을 절감할 수 있을 뿐 아니라 나아가 픽셀 어레이의 중앙부분과 엣지부분과의 광 감도 차이를 줄일 수 있는 장점이 있다.
When the present invention is applied to the CMOS image sensor, it is possible not only to reduce the light loss generated at the edge portion of the pixel array, but also to reduce the light sensitivity difference between the center portion and the edge portion of the pixel array.
Claims (3)
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