KR20080060450A - Cmos image sensor and method for fabricaing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining the problem of the CMOS image sensor according to the prior art.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 특징을 설명하기 위한 도면.5 is a view for explaining the characteristics of the CMOS image sensor according to the present invention.
본 발명에서는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관해 개시된다.The present invention relates to an image sensor and a method of manufacturing the same.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and may be broadly classified into a charge coupled device (CCD) image sensor device and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor device.
상기 CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.The CMOS image sensor includes a photodiode unit for detecting irradiated light and a CMOS logic circuit unit for converting the detected light into an electrical signal and converting the data into electrical signals. As the amount of light received by the photodiode increases, the photosensitivity of the image sensor is increased. ) The characteristics become good.
이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.In order to increase the light sensitivity, a technique in which the fill factor of the photodiode in the total area of the image sensor is increased or the path of light incident to a region other than the photodiode is changed to focus the photodiode is used. .
상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.A representative example of the condensing technique is to form a microlens, which is a method of irradiating a larger amount of light to a photodiode by refracting the path of incident light by making a convex microlens with a material having a high light transmittance on the photodiode. to be.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.In this case, light parallel to the optical axis of the microlens is refracted by the microlens to form a focal point at a predetermined position on the optical axis.
한편, 이미지 센서용 소자를 제조함에 있어서, 이미지를 받아들이는 포토 다이오드의 개수가 해상력(resolution)을 결정하기 때문에 고(高)화소화로의 진전 및 소형화에 따른 픽셀(pixel)의 미세화가 이루어지고 있다. On the other hand, in manufacturing an element for an image sensor, since the number of photodiodes that accept an image determines the resolution, the pixels are miniaturized due to the progress and miniaturization of high pixels. .
따라서 이렇게 소형화 및 고화소화로의 진전에 따라 외부 화상의 입력을 이미지 플랜(image plane)에 집속함에 있어서 마이크로렌즈를 통해 집속을 하게 된다. Accordingly, as the miniaturization and the high pixel development progress, the focus of the external image is focused through the microlens in the image plane.
칼라 필터(color filter)는 색분리를 위해서 원색형 또는 보색형으로 칼라 필터층을 형성하게 되는데 원색형의 경우 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 칼라를, 보색형의 경우 시안(Cyan), 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 칼라를 형성하여 색분리가 되도록 하여 색 재현을 할 수 있도록 온-칩(on-chip) 방식으로 형성을 하게 된다. The color filter forms a color filter layer in primary or complementary colors for color separation. In the primary colors, red, green, and blue colors are used, and in the complementary colors, cyan ( Cyan, Yellow, and Magenta colors are formed to be separated in color so that they can be formed on-chip to reproduce colors.
한편, 입사되는 광을 효율적으로 활용하기 위함과 아울러 최대한 활용하기 위하여 마이크로렌즈를 형성하여 집광효율을 높이게 되는데, 상기 마이크로렌즈는 포토 레지스트(photo resist)를 열 리플로우(thermal reflow) 시켜서 형성하고 있다.On the other hand, in order to efficiently utilize the incident light, and to maximize the utilization of the microlens is formed to increase the light collection efficiency, the microlens is formed by thermal reflow of the photo resist (photo resist) .
그러나 마이크로렌즈의 사이즈를 최대한 크게 하여 보다 많은 광을 집속하기 위하여 리플로우하다 보면 이웃하는 마이크로렌즈간의 브릿지(bridge)가 생기기 때문에 어느 정도의 CD(Critical Dimension)을 유지하여 균일성(uniformity)을 향상하게 된다. However, when reflowing to focus more light by making the microlens size as large as possible, a bridge is formed between neighboring microlenses, which maintains a certain degree of CD and improves uniformity. Done.
상기와 같은 특징을 갖는 이미지 센서 중 CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. Among the image sensors having the above characteristics, CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the CMOS image sensor according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the prior art.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(12)와, 상기 포토 다이오드(12)를 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 형성되는 층간 절연층(13)과, 상기 층간 절연층(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R, G, B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(12)로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.As shown in FIG. 1, at least one
도 2는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a problem of the CMOS image sensor according to the prior art.
즉, 도 2는 종래의 CMOS 이미지 센서의 마이크로렌즈를 형성할 때 구조적으로 안고 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.That is, FIG. 2 is a diagram for explaining a problem that is structurally present when forming a microlens of a conventional CMOS image sensor.
도 2에서와 같이, 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이는 0.3㎛정도의 갭(gap)이 존재하고, 특히 마이크로렌즈의 사각 코너(corner)부분, 즉 4개의 마이크로렌즈에 맞닿는 부분에 코너 라운딩(corner rounding)이 형성되어 이곳으로 포커스되지 않은 빛이 통과하여 하부의 포토다이오드에 센싱될 경우에 이미지의 품질을 직접 저하시키는 원인이 된다. 마이크로렌즈의 형성공정시 리플로우(reflow)과정에서 마이크로렌즈 스페이스는 어느 정도 줄어들지만 이 갭은 포토다이오드가 작아짐에 따라 더욱 라운딩되어 크게 줄어들지 않는다.As shown in FIG. 2, a gap of about 0.3 μm exists between the microlenses and the microlenses, and corner rounding is particularly performed at the corners of the microlenses, that is, the portions contacting the four microlenses. ) Is formed and unfocused light passes through and senses in the lower photodiode, which directly reduces the quality of the image. Although the microlens space is reduced to some extent during the reflow during the microlens formation process, the gap is rounded further as the photodiode becomes smaller and does not significantly decrease.
본 발명은 마이크로렌즈의 코너 라운딩 현상을 제거하여 갭을 줄임으로써 포토다이오드 사이즈 감소에 따른 필 펙터(fill factor) 감소 부분을 기존에 도달하지 못했던 부분의 빛까지 포토다이오드에 조사시키어 필 펙터를 증가시킴과 동시에 포커싱 이외에 불필요한 갭 사이의 빛의 통과영역을 줄여 이미지 센서의 품질을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention reduces the gap by reducing the corner rounding phenomenon of the microlenses, thereby increasing the fill factor by irradiating the photodiode to the light of the portion where the fill factor decreases due to the reduction of the photodiode size to the light which has not been reached. In addition, it is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same to improve the quality of the image sensor by reducing the light passing area between unnecessary gaps in addition to focusing.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층; 상기 층간 절연층상에 상기 포토다이오드와 대응되게 형성되는 다수의 칼라 필터층; 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층; 상기 칼라 필터층 경계 부분의 평탄화층에 소정깊이로 형성되는 홀; 및 상기 평탄화층의 홀내에 코너 부분이 연장되게 상기 평탄화층상에 형성되는 마이크로렌즈가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.CMOS image sensor according to the present invention comprises at least one photodiode formed on the semiconductor substrate to generate a charge according to the amount of incident light; An interlayer insulating layer formed on an entire surface of the semiconductor substrate including the photodiode; A plurality of color filter layers formed on the interlayer insulating layer to correspond to the photodiodes; A planarization layer formed on an entire surface of the semiconductor substrate including the color filter layer; A hole formed at a predetermined depth in the planarization layer of the color filter layer boundary; And a microlens formed on the planarization layer such that a corner portion extends in the hole of the planarization layer.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수개의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토다이오드와 대응되게 다수의 칼라 필터층을 형성하는 단계; 상기 각 칼라 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 각 칼라 필터층의 경계 부분에 대응하는 상기 평탄화층을 선택적으로 제거하여 표면으로부터 소정깊이를 갖는 다수의 홀을 형성하는 단계; 및 상기 각 홀 양측 내부까지 코너 부분 이 연장되도록 상기 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention may include forming an interlayer insulating film on an entire surface of a semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes are formed; Forming a plurality of color filter layers on the interlayer insulating layer so as to correspond to the respective photodiodes; Forming a planarization layer on a front surface of each color filter layer; Selectively removing the planarization layer corresponding to the boundary portion of each color filter layer to form a plurality of holes having a predetermined depth from a surface; And forming a microlens on the planarization layer such that corner portions extend to both sides of each hole.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the present invention.
도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(31)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(32)와, 상기 포토 다이오드(32)를 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 형성되는 층간 절연층(33)과, 상기 층간 절연층(33)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R, G, B의 칼라 필터층(34)과, 상기 칼라 필터층(34)을 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 형성되는 평탄화층(35)과, 상기 칼라 필터층(34) 경계 부분의 평탄화층(35)에 소정깊이로 형성되는 홀(37)와, 상기 평탄화층(35)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되고 코너 부분이 상기 홀(37)내까지 연장되어 상기 칼라 필터층(34)을 투과하여 포토 다이오드(32)로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(39)를 포함하여 구성되어 있다.As shown in FIG. 3, at least one
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.
도 4a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(32)들 및 각종 트랜지스터(도 1을 참조)가 형성된 반도체 기판(31)상에 층간 절연층(33)을 형성한다.As shown in FIG. 4A, an
여기서, 상기 층간 절연층(33)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았 지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(32) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.Here, the
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 층간 절연층(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(R, G, B)(34)들을 형성한다.As shown in FIG. 4B, color filter layers R, G, and B are applied to the
여기서, 상기 각 칼라 필터층(34)은 1 ~ 5㎛의 두께를 갖도록 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)을 단일층으로 형성한다.Here, each of the
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 칼라 필터층(34)을 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 신뢰성(reliability) 및 패키지(package)시 EMC, 외부로부터의 수분이나 중금속 침투를 방지하기 위하여 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)막을 증착하여 평탄화층(35)을 형성한다.As shown in FIG. 4C, silicon nitride is applied to the front surface of the
한편, 이미지 센서는 광학적인 투과가 매우 중요하기 때문에 상기 평탄화층(35)의 두께에 의한 박막들의 간섭 현상을 배제하기 위하여 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성한다.On the other hand, since the optical transmission is very important, the image sensor is formed to a thickness of 1000 ~ 6000Å in order to exclude the interference phenomenon of the thin film due to the thickness of the
여기서, 상기 평탄화층(35)을 형성한 상태에서 배선을 위한 본딩 패드(bonding PAD)를 포토레지스트를 마스크로 이용하여 상기 평탄화층(35)을 패드 및 스크라이브 라인(scribe line) 부분을 오픈(open) 시키고, 건식 또는 습식으로 식각하여 소정의 원하는 본딩 패드(도시되지 않음)를 형성할 수도 있다.Here, in the state in which the
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 포토레지스트(36)를 도포 한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트(36)를 선택적으로 패터닝한다.As shown in FIG. 4D, the
여기서, 상기 패터닝된 포토레지스트(36)는 상기 칼라 필터층(34)의 경계 부분이 개구된다. 즉 이후에 형성되는 마이크로렌즈의 코너 부분이 형성될 영역이다.In this case, the patterned
또한, 상기 포토레지스트(36)는 이후에 형성될 마이크로렌즈 4개가 만나는 지점에 십자형 홀(hole)이 형성되도록 포토 마스크를 제작한 후 이를 이용하여 노광을 실시한다.In addition, the
또한, 상기 홀(37)는 십자형, 마름모꼴형, 팔각형, 원형 중에서 어느 하나의 모양으로 형성한다.In addition, the
이어서, 상기 패터닝된 포토레지스트(36)를 마스크로 이용하여 상기 평탄화층(35)을 선택적으로 제거하여 표면으로부터 소정깊이를 갖는 홀(37)를 형성한다.Subsequently, the
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(36)를 제거하고, 상기 홀(37)를 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 상기 포토 다이오드(32)에 광을 효율 좋게 집속하기 위하여 마이크로렌즈용 포토레지스트를 도포한다.As shown in FIG. 4E, in order to remove the
이어서, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트를 선택적으로 패터닝하여 마이크로렌즈 패턴(38)을 형성한다.Subsequently, the photoresist is selectively patterned by an exposure and development process to form a
여기서, 상기 포토레지스트가 포지티브 레지스트(positive resist)인 경우 포토레지스트의 흡수체인 기폭제(initiator)의 포토 액티브 컴파운드(photo active compound)를 분해하여야만 투과율이 향상되기 때문에 전면 노광(flood exposure)으로 상기 마이크로렌즈 패턴(38)내에 잔존하는 포토 액티브 컴파운드를 분해한다.In the case where the photoresist is a positive resist, the microlens may be exposed to a front exposure because the transmittance is improved only when the photo active compound of the initiator, which is an absorber of the photoresist, is decomposed. The photo active compound remaining in the
한편, 상기와 같이 마이크로렌즈 패턴(38)에 전면 노광을 통해 이후 투과율 을 높이고 포토 산(photo acid)을 발생시켜 마이크로렌즈의 유동성(flow ability)을 높인다.On the other hand, through the front exposure to the
도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(38)이 형성된 반도체 기판(31)을 핫 플레이트(hot plate)(도시되지 않음) 상부에 올려놓은 상태에서 150℃ 이상의 열처리로 상부에 존재하는 마이크로렌즈 패턴(38)을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈(39)를 형성한다.As shown in FIG. 4F, the microstructure present in the upper portion of a heat treatment of 150 ° C. or higher in a state where the
이어, 상기 열처리로 리플로우된 마이크로렌즈(39)를 쿨링(cooling) 처리한다. 여기서, 상기 쿨링 처리는 쿨 플레이트에 반도체 기판(31)을 올려놓은 상태에서 행해진다.Subsequently, the
한편, 상기 마이크로렌즈 패턴(38)을 리플로우할 때 상기 평탄화층(34)의 표면에 형성되는 홀(36) 내부까지 리플로우되어 마이크로렌즈(39)의 코너 부분이 된다.On the other hand, when the
도 5는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 특징을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the characteristics of the CMOS image sensor according to the present invention.
즉, 평탄화층에 소정깊이를 갖는 홀을 형성한 후 마이크로렌즈의 코너 부분이 홀 부분까지 연장되도록 하기 위해 도 5에서와 같이 마이크로렌즈 4개가 만나는 지점에 십자형 홀(hole)이 형성되도록 마스크를 제작한 후에 평탄화층의 식각 공정을 실시한다. 상기 홀이 형성된 이후에 마이크로렌즈 패턴을 형성하고 리플로우를 시키면 홀(hole) 사이로 포토레지스트가 벽면을 따라 흘러 들어가게 되어 갭을 줄이게 된다. That is, to form a hole having a predetermined depth in the planarization layer and to form a cross-shaped hole (hole) at the point where the four microlenses meet as shown in Figure 5 so that the corner portion of the microlens extends to the hole portion After that, the etching process of the planarization layer is performed. If the microlens pattern is formed and reflowed after the hole is formed, photoresist flows along the wall between the holes to reduce the gap.
한편 홀의 모양은 최대 ML 표면적을 가지도록 하기 위하여 십자형으로 형성하였으나 마름모 형태나 팔각형 등으로도 할 수 있다.On the other hand, the shape of the hole is formed cross-shaped to have a maximum ML surface area, but may also be a rhombus or octagonal shape.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the CMOS image sensor and its manufacturing method according to the present invention have the following effects.
첫째, 마이크로렌즈 사이의 평탄화층에 소정깊이를 갖는 홀을 형성함으로써 마이크로렌즈 사이의 갭을 줄여 필 펙터를 높여 조사되는 빛의 량을 늘려 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.First, by forming a hole having a predetermined depth in the planarization layer between the microlenses, the gap between the microlenses may be reduced to increase the fill factor to increase the amount of irradiated light, thereby improving the quality of the image sensor.
둘째, 종래에 갭 사이로 들어와서 언포커싱되어 생기던 노이즈를 감소시켜 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.Second, it is possible to improve the quality of the image sensor by reducing the noise caused by conventionally unfocused through the gap.
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