KR20070024787A - Cmos image sensor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.1 is a circuit diagram showing one unit pixel in a CMOS image sensor.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.FIG. 2 is a process cross-sectional view of four MOS transistors forming a unit cycle shown in FIG.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도.3 is a process plan view of four MOS transistors shown in FIG.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.Figure 4 is a schematic cross-sectional view of an image sensor according to the prior art.
도5a 내지 도5g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.5A to 5G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30 : 기판 31 : 포토다이오드30
32 : 소자분리막 33 : 층간절연막32: device isolation layer 33: interlayer insulating film
34 : 배선 35 : 평탄화막34: wiring 35: planarization film
36 : 칼라필터 37 : 평탄화막36: color filter 37: planarization film
38 : 마이크로 렌즈 39 : 렌즈보호막38: microlens 39: lens protective film
40 : 광감도 향상을 위한 보조막40: auxiliary film for improving the light sensitivity
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 시모스 이미지센서의 광특성 향상에 관한 발명이다.The present invention relates to a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an optical characteristic improvement of the CMOS image sensor.
일반적으로 반도체 장치중 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 of a semiconductor device is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. 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 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 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. By using CMOS technology that uses a signal processing circuit as a peripheral circuit, a MOS transistor (typically four MOS transistors) corresponding to the number of pixels is made and sequentially output using the MOS transistor.
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.1 is a circuit diagram showing one unit pixel in a CMOS image sensor.
도1을 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 전달 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워 (Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다. Referring to FIG. 1, one unit pixel includes one
이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.Four
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.FIG. 2 is a process cross-sectional view of four MOS transistors constituting a unit circuit shown in FIG. 1, and four
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도이다.3 is a process plan view of four MOS transistors shown in FIG.
도3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10)에서 전달된 빛에 의해 모아진 전자를 전자를 출력단(Output)으로 전달하기 위해 4개의 모스트랜지스터(11, 12, 13, 14)의 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)이 각각 배치되고, 액티브영역(101 ~ 104)이 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)의 좌우에 각각 배치된다.As shown in FIG. 3, gate patterns Tx of four
여기서 액티브영역(101)이 포토다이오드에 의해 모아진 전자를 전달받는 전하감지노드이다.In this case, the
한 단위소자의 동작을 간단하게 살펴보면, 포토다이오드(10)에 전달된 빛에 의해 모아진 전자가 전달트랜지스터(11)를 통해 전하감지노드(101)에 전달된다.Referring to the operation of one unit device briefly, electrons collected by light transmitted to the
전하감지노드(101)는 드라이빙 트랜지스터(13)의 게이트와 연결되어 있기 때문에, 드라이빙 트랜지스터(13)은 전하감지노드(101)에 인가되는 전압에 따라 일측단에 접합된 액티브영역(103)의 전압레벨을 드라이빙하게 된다. 이어서 셀렉트 트랜지스터(104)가 턴온되어 액티브영역(103)에 인가된 전압을 출력단을 통해 출력하게 된다.Since the
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing an image sensor according to the prior art.
도4를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(10, PD)가 형성된 기판(20) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 24)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 25)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 4, a color filter array (CFA) such as blue, red, and green, which form unit pixels on the
다층의 절연막(22) 사이에는 다층의 배선(23)이 형성되어 있으며, 배선(23)은 포토다이오드(10)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.
또한, 포토다이오드(10)에 인접한 기판(20) 상에는 복수의 모스트랜지스터(A영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4Tr 구조의 단위 화소의 경우 전술한 바와 같이 전달 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터가 배치된다.In addition, a plurality of MOS transistors (region A) are formed on the
마이크로렌즈(26) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(26)를 보호하기 위해 보호막(27)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 29는 소자분리막을 나타내는 것이다.A
또한 여기서는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈의 상부에는 외부에서 입사된 빛을 직접적으로 입력받아 마이크로 렌즈로 전해주는 매크로 랜즈가 배치된다.Also, although not shown here, a macro lens is disposed on the upper portion of the micro lens to directly receive light incident from the outside and transmit the light to the micro lens.
이상에서 살펴본 바와 같이, 포토다이오드에서 전하감지노드(SD)로 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 조절되고, 그 조절된 전압에 대응하여 드라이빙 트랜지스터의 소스단을 드라이빙하게 된다.As described above, the voltage applied to the gate of the driving transistor is controlled by electrons transferred from the photodiode to the charge sensing node SD, and the source terminal of the driving transistor is driven in response to the regulated voltage.
시모스 이미지센서는 광학영상을 전기적신호로 변환시켜는 반도체소자이기 때문에 빛을 받아 들이는 영역이 매우 중요하다.Since the CMOS image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, an area for receiving light is very important.
광감도를 높이기 위해 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 크게 하려는 노력을 진행하고 있으나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력을 진행하고 있으나, 한계가 있다.Efforts have been made to increase the ratio of the area of the light-sensing portion of the entire image sensor element to increase the light sensitivity. However, since the logic circuit portion cannot be removed, these efforts are under limited area, but there are limitations. .
따라서 광감도를 높이기 위하여 광감지 영역이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경하여 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이 기술이 마이크로 렌즈 기술이다.Therefore, in order to increase the light sensitivity, a light condensing technology that changes the path of light incident to a region other than the light sensing region and collects the light sensing portion has emerged. This technique is a micro lens technology.
또한 칼라이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로 부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 측적하는 광감지 부분의 상부에 칼라필터가 어레이 되어 잇다. 칼라필터 어레이는 일반적으로 레드, 그린, 블루의 3가지 칼라필터로 이루어진다.In addition, the image sensor for implementing a color image is a color filter array is arranged on the upper part of the light sensing portion for generating and measuring the photocharge by receiving light from the outside. Color filter arrays generally consist of three color filters: red, green and blue.
이러한 마이크로 렌즈와 칼라필터는 감광막을 이용하여 형성하며, 연한 막질 을 가지고 있다.These micro lenses and color filters are formed using a photosensitive film, and have a light film quality.
현재까지 사용하고 있는 시모스 이미지센서의 제조공정을 살펴보면 픽셀 부분의 마이크로 렌즈 위에 마지막층으로 보호막(27)을 형성한다. 따라서 보호막이 공기와 접하고 있는 형태를 띠게 된다.Looking at the manufacturing process of the CMOS image sensor currently used to form a
이 때 마이크로 렌즈의 굴절율(refractive index)은 1.6이며, 보호막으로 사용되는 절연막의 굴절율은 1.5이고, 그 보호막과 접하게 되는 공기는 1.0이다. 마이크로 렌즈와 보호막의 굴절율 차이는 거의 나지 않지만, 공기와 보호막의 굴절율 차이는 약 0.5 정도의 차이를 보이고 있다.At this time, the refractive index of the microlens is 1.6, the refractive index of the insulating film used as the protective film is 1.5, and the air coming into contact with the protective film is 1.0. The difference in refractive index between the microlens and the protective film is hardly noticeable, but the difference in refractive index between the air and the protective film is about 0.5.
이러한 굴절율의 차이는 픽셀로 들어오는 광이 전부 투과하지 못하고 굴절되거나 반사되어 포토다이오드에 도달하는 빛의 양을 줄이게 되며, 결국에는 광특성이 나빠지는 원인이 될 수 있다.This difference in refractive index reduces the amount of light that does not transmit all the light into the pixel and is refracted or reflected and reaches the photodiode, which may eventually cause deterioration of optical characteristics.
이러한 문제는 시모스 이미지센서의 최상단면, 즉 공기와 접하는 막의 굴절율과 공기와의 굴절율 차이가 크면 클수록 심하게 나게 된다.This problem is exacerbated as the difference between the refractive index of the top surface of the CMOS image sensor, that is, the film in contact with the air and the refractive index between the air is larger.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 시모스 이미지센서의 최상단면과 공기와의 굴절율 차이를 줄여서, 보다 많은 빛이 마이크로 렌즈로 입사될 수 있는 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, by reducing the difference in refractive index between the top end of the CMOS image sensor and the air, more light can be incident to the micro lens. The purpose.
본 발명은 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 얼라인되도록 마이크로 렌즈를 포토다이오드상에 형성하는 단계; 및 상기 마이크로 렌즈가 가지는 굴절율과 공기가 가지는 굴절율의 사이값을 가지는 보조막을 마이크로 렌즈상에 형성하는 단계를 포함하며, 상기 보조막이 공기와 접하도록 제조되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of forming a photodiode on the substrate; Forming a micro lens on the photodiode to be aligned with the photodiode; And forming an auxiliary film having a value between a refractive index of the microlens and a refractive index of the air on the microlens, wherein the auxiliary film is manufactured to be in contact with the air. to provide.
또한, 본 발명은 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 얼라인되도록 상기 포토다이오드상에 형성된 마이크로 렌즈와, 상기 마이크로 렌즈 상에 배치되며, 상기 마이크로 렌즈가 가지는 굴절율과 공기가 가지는 굴절율의 사이값을 가지는 보조막을 구비하며, 상기 보조막이 공기와 접하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서를 제공한다. The present invention also provides a photodiode, a microlens formed on the photodiode so as to be aligned with the photodiode, and disposed on the microlens, and having a value between a refractive index of the microlens and a refractive index of air. It is provided with an auxiliary film, it provides a CMOS image sensor, characterized in that the auxiliary film is configured to contact with air.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도5a 내지 도5g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.5A to 5G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도5a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 살펴보면, 먼저, 소자분리막(32)이 형성된 기판(30)에 포토다이오드(31)를 형성하고, 그 상부에 다층의 배선(34)과 다층의 배선(34)을 절연시키기 위한 다층의 절연막(33)을 형성한다.As shown in FIG. 5A, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present embodiment will be described. First, a
이어서 도5b에 도시된 바와 같이, OCL(over coating layer)막이라고 하는 평탄화막(35)을 형성한다.Subsequently, as shown in Fig. 5B, a
이어서 도5c에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(31)에 얼라인되도록 칼라필터(36)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 5C, the
이어서 도5d에 도시된 바와 같이, 칼라필터(36)를 덮을 수 있도록 OCL(over coating layer)막이라고 하는 평탄화막(37)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 5D, a
이어서 도5e에 도시된 바와 같이, 칼라필터(36)에 얼라인되도록 마이크로 렌즈(38)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 5E, the
이어서 도5f에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈를 덮을 수 있도록 보호막(39)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5F, a
이어서 도5g에 도시된 바와 같이, 보호막(39)상에 포로스 저유전막(porous low-K)을 광감도 향상을 위한 보조막(40)으로 코딩한다. 이 때 보조막(40)은 매트릭스(matrix)와 포로겐(porogen)이 함유되어 있는 용액(solution)을 코터(coater)를 이용하여 코팅한다. 또한 매트릭스(matrix)의 경화와 포로겐(porogen)의 분해를 용이하게 가열공정을 추가로 진행할 수 있다.Then, as shown in Fig. 5G, a porous low-K on the
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 마이크로 렌즈의 보호막과 공기사이에 굴절율 차이에 의해 발생하는 광의 굴절 또는 반사에 의해 광특성이 나빠지는 현상을 줄이기 위해, 마이크로 렌즈의 보호막이 가지는 굴절율과 공기의 굴절율의 사이값을 가지는 물질을 광감도 향상을 위한 보조막(40)으로 마이크로 렌즈의 보호막상에 형성한다.As described above, in the exemplary embodiment of the present invention, the refractive index of the microlens protective film and the refractive index of the air are reduced in order to reduce a phenomenon in which optical characteristics deteriorate due to the refraction or reflection of light caused by the difference in refractive index between the protective film of the microlens and the air. A material having a value of between is formed on the protective film of the microlens as an
이렇게 함으로써, 광투과율을 높일 수 있게 되어 마이크로 렌즈로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 것이다.By doing so, the light transmittance can be increased, thereby increasing the amount of light incident on the microlens.
스넬의 법칙(snell's law)을 이용하여 계산한 결과, 광감도 향상을 위한 보조막(40)의 필요한 굴절율은 1.22 정도면 100% 정도의 우수한 광투과율을 보일 것으로 예상된다.As a result of the calculation using Snell's law, it is expected that the required refractive index of the
하지만 현재 사용하고 있는 CVD 방식으로는 이 정도의 낮은 굴절율을 가지는 막을 형성하기 어렵다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 pore의 도입을 통해 형성되는 막의 조절을 용이하게 하여 굴절율을 쉽게 조절할 수 있게 된다.(약 1.1 ~ 1.5 사이의 값을 모두 구현할 수 있다.) 따라서 원하는 굴절율을 가지는 포로서 저유전막(porous low-k)을 형성할 수 있는 것이다.However, it is difficult to form a film having such a low refractive index by the CVD method currently used. In order to solve this difficulty, the refractive index can be easily adjusted by facilitating the adjustment of the film formed through the introduction of pore (all values between about 1.1 and 1.5 can be realized). It is possible to form a dielectric low-k.
또한 참고적으로 광감도 향상을 위한 보조막(40)으로 1.35 정도의 SOG(spin on glass)막을 이용할 수도 있으나, pore 사이즈와 pore 분포를 조절하여 더 낮은 굴절율을 가지는 포로스 저유전막(porous low-K)이 보다 더 효과적이다.In addition, as an
또한 패턴의 사이즈가 작아지면서 배선을 구리로 사용하게 되는데, 이 경우 구리 배선의 절연막으로 포로스 저유전막(porous low-K)이 절대적으로 필요하게 된다. 따라서 이 경우에는 공정상의 번그러움도 덜 수 있게 된다.In addition, as the size of the pattern becomes smaller, the wiring is used as copper. In this case, a porous low-K film is absolutely necessary as an insulating film of the copper wiring. In this case, therefore, process troubles can be reduced.
또한 참고로 빛의 입사량을 증가시키기 위해 포로스 저유전막(porous low-K)을 마이크로 렌즈의 보호막상 이외에도 형성할 수 있는데, 1.1 ~ 1.5 사이에 필요한 굴절율을 가지는 위치에 형성할 수 있는 것이다. 이러한 경우 감광막을 사용하여 패턴을 형성할 때에 포로스 저유전막(porous low-K)을 antireflction막으로 역 할을 할 수 있다.In addition, in order to increase the incident amount of light, a porous low-K may be formed in addition to the protective film of the microlens, which may be formed at a position having a required refractive index between 1.1 and 1.5. In this case, when the pattern is formed using the photoresist film, the porous low-K film may serve as an antireflction film.
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 발명에 의해서 마이크로 렌즈 보호막과 공기의 굴절율 차이로 인해 빛의 굴절 또는 반사에 의해 발생하는 광특성 저하문제를 해결하여, 보다 많은 빛이 마이크로 렌즈로 입사될 수 있도록 할 수 있다.According to the present invention, a problem of deterioration of optical characteristics caused by refraction or reflection of light due to the difference in refractive index between the microlens passivation layer and the air may be solved, and more light may be incident on the microlens.
특히, 1.22정도의 광감도 향상을 위한 보조막(40)을 사용함으로써, 다른 막의 교체없이 광특성을 향상시킬 수 있는 데, 그 개선정도는 5% 이상이 된다.In particular, by using the
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