KR20080062142A - Method of manufacturing image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도. 1 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method of an image sensor according to the prior art.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
200 : 실리콘 에피층 201 : 레드 픽셀200: silicon epi layer 201: red pixel
202 : 그린 픽셀 203 : 블루 픽셀202: green pixel 203: blue pixel
210 : 제 1 층간 절연막 211 : 제 1 금속배선210: first interlayer insulating film 211: first metal wiring
212 : 제 1 질화막 213 : 제 1 MIM212: first nitride film 213: first MIM
220 : 제 2 층간 절연막 230 : 제 1 콘택220: second interlayer insulating film 230: first contact
240 : 제 3 층간 절연막 241 : 제 2 금속배선240: third interlayer insulating film 241: second metal wiring
250 : 제 4 층간 절연막 260 : 제 2 콘택250: fourth interlayer insulating film 260: second contact
270 : 제 1 마이크로렌즈 280 : 제 5 층간 절연막270: first microlens 280: fifth interlayer insulating film
281 : 제 3 금속배선 282 : 제 2 질화막281: third metal wiring 282: second nitride film
282 : 제 2 MIM 290 : 제 6 층간 절연막282: second MIM 290: sixth interlayer insulating film
300 : 제 3 콘택 310 : 패시베이션 산화막300: third contact 310: passivation oxide film
311 : 제 4 금속 배선 320 : 제 2 마이크로렌즈311: fourth metal wiring 320: second microlens
본 발명은 이미지 센서(image sensor)의 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈를 개선함으로써 광의 집광 효율을 높여 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing an image sensor, and more particularly, to a method of manufacturing an image sensor capable of improving performance of an image sensor by improving light condensing efficiency by improving a microlens.
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. CCD 소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.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. CCD devices are devices in which charge carriers are stored and transported in capacitors while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are in close proximity to each other.
반면, CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 포토다이오드의 수광량이 많을수록 이미지 센서의 광 감도(photo sensitivity) 특성이 양호해진다. On the other hand, the CMOS image sensor is composed of a photodiode unit for detecting the irradiated light and a CMOS logic circuit unit for processing the detected light into an electrical signal and converting the data into light. As the amount of light received by the photodiode increases, the optical sensitivity of the image sensor is increased. The characteristic becomes good.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 포토다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다. 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로렌즈를 형성하는 것인데, 이것은 포토다이오드 상부에 광 투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토다이오드 영역으로 조사하는 방법이다. 이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성된다.In order to increase the light sensitivity, a technique of increasing the fill factor occupied by the area of the photodiode in the total area of the image sensor or by changing the path of light incident to an area other than the photodiode is used to focus the photodiode. A representative example of the focusing technique is to form a microlens. This 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. . 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.
도 1은, 종래 기술에 따른 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.1 is a structural cross-sectional view showing an image sensor according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 적층된 실리콘 에피층(100)의 픽셀 영역에 각각 레드(red) 픽셀(110), 그린(green) 픽셀(111), 블루(blue) 픽셀(112) 신호를 인지할 수 있는 포토다이오드(photodiode, PD)를 형성하고, 로직 영역에 다수의 금속 배선, 콘택 및 신호처리를 위한 소자를 구비한 다수의 층간 절연막을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 1, signals of a
위와 같이, 다수의 소자를 포함하는 실리콘 에피층(100) 상에 하부 층간 절연막(120)을 형성한다. 이때, 하부 층간 절연막(120)의 로직 영역 상에 하부 금속 배선(121), 질화막(122) 및 MIM(123)이 구비될 수 있다.As described above, the lower
이어서, MIM(123), 질화막(122) 및 하부 금속 배선(121)을 포함한 하부 층간 절연막(120) 상에 상부 층간 절연막(130)을 형성한다. Next, an upper
이어서, 상부 층간 절연막(130)과 하부 층간 절연막(120)을 관통하여 질화막(122) 상에 접촉하는 콘택(140)을 형성한다. Next, a
이어서, 콘택(140)을 포함한 상부 층간 절연막(130) 상에 수분이나 외부로부터 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위하여 패시베이션 산화막(150)을 형성하고, 패시베이션 산화막(150)의 로직 영역에 콘택(140)과 접촉하는 상부 금속 배 선(160)을 형성한다. Subsequently, a
그 후, 외부의 빛을 받아 신호를 형성하는 포토다이오드(PD)와 패시베이션 산화막(150) 가장 상부에 생성될 마이크로렌즈(Microlens)(170) 와의 간격을 줄이기 위해서 포토다이오드(PD)의 픽셀 영역의 패시베이션 산화막(150) 일부를 어레이 패터닝하고 에치 공정을 진행한다. Thereafter, in order to reduce the distance between the photodiode PD that forms a signal by receiving external light and the
이어서, 마이크로렌즈(170)를 형성하기 위한 포토레지스트막 코팅시 웨이퍼 전면에 포토레지스트를 고르게 형성시키기 위해서는 픽셀 영역의 바닥 면 경사를 줄여 평탄화를 만드는 공정 단계가 중요하다. Subsequently, in order to evenly form the photoresist on the entire surface of the wafer during coating of the photoresist film for forming the
현재 사용하는 종래 기술의 경우, 어레이 에치 후 픽셀 가장자리 부분과 중간 부분이 두께의 차이를 보이는 균일성에 문제점이 나타나며, 어레이 에치를 통한 평탄화와, 후속의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 양 옆의 벽멱에 52˚의 기울기를 주어 에치를 해야하는 어려운 점이 있다. 또한, 어레이 에치의 조건이 달라짐에 따라 오목함(toplogy)의 차이에 따른 마이크로 렌즈 두께, 곡률 반경, 마이크로렌즈 구현 균일성, 렌즈와 렌즈 사이의 간격 등의 문제가 있다. In the current state of the art, a problem arises in the uniformity in which the pixel edges and the middle portions differ in thickness after the array etch, and planarization through the array etch and the sidewalls to form subsequent microlenses. There is a difficult point that needs to be etched due to the inclination of ˚. In addition, as the condition of the array etch is different, there are problems such as microlens thickness, curvature radius, microlens implementation uniformity, and gap between the lens and the lens due to the difference in toplogy.
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 마이크로렌즈를 개선함으로써 광의 집광 효율을 높여 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방을 을 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an image sensor that can improve the performance of the image sensor by improving the light condensing efficiency by improving the microlens.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반도체 기판상에 다수의 포토다이 오드를 구비한 에피층을 형성하는 단계와, 상기 에피층 상에 다수의 금속 배선, 콘택 및 신호처리를 위한 소자를 구비한 다수의 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 중 상부의 층간 절연막 상에 상기 포토다이오드에 대응하여 다수의 제 1 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 제 1 마이크로렌즈가 구비된 상기 상부의 층간 절연막 상에 다수의 금속 배선, 콘택 및 신호처리를 위한 소자를 구비하는 다수의 다른 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 다른 층간 절연막 중 최상부의 층간 절연막 상에 상기 제 1 마이크로렌즈와 동일한 재질과 형태의 다수의 제 2 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, forming an epitaxial layer having a plurality of photodiodes on a semiconductor substrate, and a plurality of metal wiring, contacts and signal processing on the epitaxial layer Forming a plurality of interlayer insulating films, forming a plurality of first microlenses corresponding to the photodiode on an upper interlayer insulating film among the interlayer insulating films, and forming a plurality of first microlenses Forming a plurality of different interlayer insulating films having a plurality of metal wirings, contacts and elements for signal processing on the interlayer insulating film, and forming the same material as the first microlens on the uppermost interlayer insulating film of the other interlayer insulating films; It provides a method of manufacturing an image sensor comprising the step of forming a plurality of second microlens of the form.
본 발명에서, 상기 제 1 마이크로렌즈 및 상기 제 2 마이크로렌즈는 포토레지스트 물질을 이용하여 볼록형 마이크로렌즈로 형성한다.In the present invention, the first microlens and the second microlens are formed into convex microlenses using a photoresist material.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 자세히 설명한다.Hereinafter, a manufacturing method of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.Descriptions of technical contents that are well known in the art to which the present invention pertains and are not directly related to the present invention will be omitted. This is to more clearly communicate without obscure the subject matter of the present invention by omitting unnecessary description.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 반도체 기판(미도시)상에 다수의 포토다이오드를 구비한 실리콘 에피층(200)을 형성하고, 실리콘 에피층(200) 상에 다수의 금속 배선, 콘택 및 신호처리를 위한 소자를 구비한 다수의 층간 절연막을 형성할 수 있다.First, as illustrated in FIG. 2A, a
구체적으로, 적층된 실리콘 에피층(200)의 픽셀 영역에 각각 레드(red) 픽 셀(201), 그린(green) 픽셀(202), 블루(blue) 픽셀(203) 신호를 인지할 수 있는 포토다이오드(photodiode, PD)를 형성한다. In detail, a photo capable of recognizing a
그 후, 포토다이오드(PD)를 포함하는 실리콘 에피층(200) 상에 제 1 층간 절연막(210)을 형성한다. 여기서, 제 1 층간 절연막(210)은 절연 물질인 TEOS(Tetra Ethly Ortho Silicate) 물질로 증착한다. 이때, 제 1 층간 절연막(210)의 로직 영역 상에 제 1 금속 배선(211), 제 1 질화막(212) 및 제 1 MIM(213)이 구비될 수 있다. 즉, 제 1 금속 배선(211)을 형성하기 위하여 로직 영역의 제 1 층간 절연막(210)에 대해 선택적으로 소정의 패터닝 및 에치 공정을 수행하고 구리를 포함하는 금속을 증착하여 제 1 금속배선(211)을 형성한다. Thereafter, a first interlayer
이어서, 제 1 금속 배선(211) 상에 제 1 질화막(212) 및 제 1 MIM(Metal Insulator Metal)(213)을 형성한다. 이때, 제 1 질화막(212)은 확산 방지막의 기능을 한다. 또한, 제 1 MIM(213)은 금속 사이에 절연체가 있는 것을 의미하며 캐패시터의 기능을 하게 된다.Subsequently, a
다음으로, 제 1 MIM(213), 제 1 질화막(212) 및 제 1 금속 배선(211)을 포함한 제 1 층간 절연막(210) 상에 제 2 층간 절연막(220)을 형성한다. Next, a second interlayer
이어서, 제 2 층간 절연막(220)과 제 1 층간 절연막(210)을 관통하여 제 1 질화막(212) 상에 접촉하는 제 1 콘택(230)을 형성한다. 이때, 제 1 콘택(230)은 CVD 텅스텐 방식으로 형성할 수 있다. Subsequently, the
이어서, 제 1 콘택(230)을 포함한 제 2 층간 절연막(220) 상에 제 3 층간 절연막(240)을 형성하고, 제 3 층간 절연막(240)의 로직 영역에 제 1 콘택(230)과 접 촉하는 제 2 금속 배선(241)을 형성한다. Subsequently, a third interlayer
그 후, 제 2 금속 배선(241)을 포함한 제 3 층간 절연막(240) 상에 제 4 층간 절연막(250)을 형성하고, 제 1 콘택(230)을 형성할 때와 동일한 방법으로 제 4층간 절연막(250)과 제 3 층간 절연막(240)을 관통하여 제 2 금속배선(241)과 접촉하는 제 2 콘택(260)를 형성한다. Thereafter, the fourth
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(PD) 등이 구비된 픽셀 영역의 제 4 층간 절연막(250) 상에 포토다이오드(PD)와 대응하여 다수의 제 1 마이크로렌즈(270)를 형성한다. 이때, 제 1 마이크로렌즈(270)는 종래에 사용된 포토레지스트의 투과율과 같은 산화물질로 렌즈를 구현할 수 있다. 즉, 산화물질을 이용하여 제 4 층간 절연막(250) 상에 증착하고 에치 백(etch back) 기술을 이용하여 오목한(topolgy) 형상의 제 1 마이크로렌즈(270)를 구현할 수 있다.Next, as illustrated in FIG. 2B, a plurality of
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 마이크로렌즈(270)를 포함한 제 4 층간 절연막(250) 상에 제 5 층간 절연막(280)을 형성한다. 이때, 제 5 층간 절연막(280)의 로직 영역에 제 3 금속 배선(281), 제 3 금속 배선(281) 상에 제 2 질화막(282) 및 제 2 질화막(282) 상에 제 2 MIM(283)이 구비될 수 있다.Next, as illustrated in FIG. 2C, a fifth
이어서, 제 2 MIM(283), 제 2 질화막(282) 및 제 3 금속 배선(281)을 포함한 제 5 층간 절연막(280) 상에 제 6 층간 절연막(290)을 형성한다. 그 후, 제 6 층간 절연막(290)과 제 5 층간 절연막(280)을 관통하여 제 2 질화막(282)과 접촉하는 제 3 콘택(300)을 형성한다. Subsequently, a sixth
이어서, 제 3 콘택(300)을 포함한 제 6 층간 절연막(290) 상에 패시베이션 산화막(310)을 증착한다. 그 후, 제 4 금속 배선(311)을 형성하기 위하여 로직 영역의 패시베이션 산화막(310)에 대해 패터닝, 에치 및 증착 공정을 수행하여 제 4 금속 배선(311)을 형성한다. Subsequently, the
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역의 패시베이션 산화막(310) 상에 제 1 마이크로렌즈(270)와 동일한 재질과 형태의 다수의 제 2 마이크로렌즈(320)를 형성한다. 이때, 제 2 마이크로렌즈(320)를 형성시, 제 1 마이크로렌즈(270)와 동일한 마스크로 사용함으로써 제 2 마이크로렌즈(320)를 위한 추가 마스크 제작 비용을 절감할 수 있다.Next, as illustrated in FIG. 2D, a plurality of
따라서, 제 1 마이크로렌즈(270) 및 제 2 마이크로렌즈(320)의 더블 마이크로렌즈(double microlens)를 형성함으로써, 외부의 빛을 받아 신호를 형성하는 포토다이오드(PD)와 패시베이션 산화막 가장 상부에 생성될 마이크로렌즈와의 간격을 줄이기 위해서 포토다이오드(PD) 픽셀 영역의 패시베이션 산화막 일부를 어레이 패터닝하고 에치 공정을 진행하던 마이크로렌즈 형성부의 평탄화 공정이 필요없어짐으로 인하여 경사 에치를 통한 감도 향상 공정 없이 렌즈의 두께 및 곡률 반경 조절이 용이하면서도 픽셀 영역의 감도를 효과적으로 유지할 수 있다.Accordingly, by forming double microlens of the
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거 나 수정할 수 있다. Although specific embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, this is intended to be easily understood by those skilled in the art and is not intended to limit the technical scope of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention is determined by the matters described in the claims, and the embodiments described with reference to the drawings may be modified or modified as much as possible within the technical spirit and scope of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 더블 마이크로렌즈(double microlens)를 형성함으로써, 외부의 빛을 받아 신호를 형성하는 포토다이오드(PD)와 패시베이션 산화막 가장 상부에 생성될 마이크로렌즈와의 간격을 줄이기 위해서 포토다이오드(PD) 픽셀 영역의 패시베이션 산화막 일부를 어레이 패터닝하고 에치 공정을 진행하던 마이크로렌즈 형성부의 평탄화 공정이 필요없어짐으로 인하여 경사 에치를 통한 감도 향상 공정 없이 렌즈의 두께 및 곡률 반경 조절이 용이하면서도 픽셀 영역의 감도를 효과적으로 유지할 수 있다.As described above, according to the present invention, by forming double microlens, the gap between the photodiode PD that forms a signal by receiving external light and the microlens to be generated on top of the passivation oxide film is reduced. In order to eliminate the need for the planarization of the microlens forming part that arrays a portion of the passivation oxide layer of the photodiode (PD) pixel area and performs the etch process, it is easy to control the thickness and the radius of curvature of the lens without the sensitivity improvement process through the diagonal etch. The sensitivity of the pixel region can be effectively maintained.
또한, 동일한 면적의 픽셀 영역에 마이크로렌즈를 형성할 경우, 어레이 에치 벽면의 경사에 의한 면적 손실을 막고, 동일한 면적에 더 작고 많은 셀(cell) 을 형성함으로써 칩의 크기를 줄이는 효과가 있다.In addition, when the microlens is formed in the pixel area of the same area, it is possible to prevent the area loss due to the inclination of the array etch wall and to reduce the size of the chip by forming smaller and more cells in the same area.
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