KR20090068403A - Image sensor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is largely a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. (CIS).
씨모스 이미지 센서는 이미징(IMAGING) 기술로 빛을 디지털화하는 장치이다. 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.CMOS image sensors are devices that digitize light with IMAGING technology. In the CMOS image sensor, a photo diode and a MOS transistor are formed in a unit pixel to sequentially detect an electrical signal of each unit pixel in a switching manner to implement an image.
씨모스 이미지 센서의 구조를 간단히 살펴보면 수광부, 필터부, 센서부, 회로부로 나뉘어 있다. 이미징 기술에서 중요한 것은 들어온 빛을 필터링하여 빛의 손실 없이 이미지를 디지털화하는 것이다.The structure of the CMOS image sensor is briefly divided into a light receiving unit, a filter unit, a sensor unit, and a circuit unit. The key to imaging technology is to filter the incoming light and digitize the image without losing any light.
씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드의 상부에 절연층, 보호층, 컬러필터층, 평탄화층, 마이크로 렌즈의 다층 구조로 이루어지므로 CCD 타입의 이미지 센서에 비해 두꺼운 금속 배선 층을 갖는다. The CMOS image sensor has a thicker metal wiring layer than the CCD type image sensor because the CMOS image sensor has a multilayer structure of an insulating layer, a protective layer, a color filter layer, a planarization layer, and a micro lens on the top of the photodiode.
이로 인해 씨모스 이미지 센서의 경우 픽셀 피치가 작아짐에 따라 최적 형태의 마이크로 렌즈를 형성하여도 상기 포토 다이오드층에 포커스가 맺히지 않는 문제점이 있다.As a result, in the case of the CMOS image sensor, as the pixel pitch becomes smaller, there is a problem in that the focus does not occur on the photodiode layer even when a microlens having an optimal shape is formed.
이는 마이크로 렌즈의 포커스 조건에서 집광 가능한 최소 스팟(spot)의 크기가 에어리 디스크(airy disc) 크기로 ~1/NA 및 초점 거리에 비례하기 때문이다. 여기에서 NA는 조리개 구경(Numerical Aperture)을 의미한다.This is because the size of the minimum spot that can be condensed under the focus condition of the microlens is proportional to ~ 1 / NA and the focal length in the size of the airy disc. Here NA is the numerical aperture (Numerical Aperture).
상기 이미지 센서의 픽셀에서는 상기 NA가 픽셀 피치, 초점 거리가 금속 배선 층 두께에 해당하므로, 동일한 크기의 포커스 스팟을 얻기 위해서는 픽셀의 크기기가 작아질수록 금속 배선층의 두께는 얇아져야 한다.In the pixel of the image sensor, the NA corresponds to the pixel pitch and the focal length corresponds to the thickness of the metal wiring layer. Therefore, in order to obtain the same sized focus spot, the thickness of the metal wiring layer must be thinner as the size of the pixel becomes smaller.
그러나, 기존 형태의 이미지 센서의 구조로는 금속 배선층의 최소 필요 두께 이하로 얇게 설계하는 것에 한계가 있으므로 이에 따라 픽셀의 크기를 더 이상 줄일 수 없는 한계 픽셀 피치가 생긴다.However, the conventional structure of the image sensor has a limitation in designing it to be thinner than the minimum required thickness of the metal wiring layer, thereby resulting in a limit pixel pitch in which the pixel size can no longer be reduced.
실시예는 이미지 센서의 광특성을 향상시켜, 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same that can improve the optical characteristics of the image sensor and improve the light sensitivity.
실시예는 이미지 센서로 들어온 빛을 손실없이 사용하며 인접 화소와의 간섭을 배제할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same, which can use the light entering the image sensor without loss and can exclude interference with adjacent pixels.
실시예에 따른 이미지 센서는, 수광소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 수광소자와 대응하여 바닥면이 오목한 트렌치를 포함하는 금속배선층, 상기 트렌치 내에 매립된 갭필막, 상기 갭필막을 포함하는 상기 금속배선층 상에 형성된 컬러필터 어레이 및 상기 컬러필터 어레이 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.The image sensor according to the embodiment may include a semiconductor substrate including a light receiving element, a metal wiring layer formed on the semiconductor substrate and having a recessed bottom surface corresponding to the light receiving element, a gap fill film embedded in the trench, and It includes a color filter array formed on the metal wiring layer including a gap fill film and a micro lens formed on the color filter array.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계, 상기 금속배선층에 예비 트렌치를 형성하는 단계, 상기 예비 트렌치 바닥면에서 오목한 프로파일을 갖도록 상기 금속배선층 상에 유기막을 형성하는 단계, 상기 유기막 및 상기 금속배선층을 에치백하여 바닥면이 상기 오목한 프로파일을 갖는 트렌치를 형성하는 단계 및 상기 트렌치가 매립되도록 상기 금속배선층 상에 갭필막을 형성하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing an image sensor according to the embodiment may include forming a metal wiring layer on a semiconductor substrate including a light receiving element, forming a preliminary trench in the metal wiring layer, and having the concave profile on the bottom surface of the preliminary trench. Forming an organic layer on the interconnection layer, etching back the organic layer and the metal interconnection layer to form a trench having a concave profile at a bottom surface thereof, and forming a gap fill layer on the metal interconnection layer so that the trench is embedded; Include.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 금속배선층에 트렌치를 형성하고 트렌치 바닥면의 프로파일을 변경하여 광의 집광도를 향상시킴으로써 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The image sensor and the method of manufacturing the same according to the embodiment have the effect of improving the performance of the image sensor by forming a trench in the metallization layer and changing the profile of the trench bottom to improve the light concentrating degree.
실시예에 따른 이미지 센서는 빛이 금속배선을 향하여 입사될 때, 트렌치의 바닥면의 프로파일을 아래로 볼록하게 형성하고 굴절율이 다른 물질을 상기 트렌치에 매립함으로써 효율적인 집광이 가능하며 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.When the image sensor according to the embodiment is incident light toward the metal wiring, the convex profile of the bottom surface of the trench is convex downward, and by filling the trench with a material having a different refractive index can be efficiently focused and improve the image quality It has an effect.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an image sensor and a method of manufacturing the same according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.In the description of the embodiments, where it is described as being formed "on / under" of each layer, it is understood that the phase is formed directly or indirectly through another layer. It includes everything.
실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.In the description of the embodiment will be described with reference to the structure of the CMOS image sensor (CIS), the present invention is not limited to the CMOS image sensor, it is applicable to all image sensors, such as CCD image sensor.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.1 to 6 are process cross-sectional views of a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1기판(10)에 회로층(20) 및 금속배선 층(30)을 형성시킨다.First, as shown in FIG. 1, the
상기 제1기판(10)에는 소자분리막(5) 및 수광소자(15)가 형성되어 있고, 상기 회로층(20)은 트랜지스터를 포함하는 회로가 형성되어 있으며, 상기 금속배선층(30)은 상기 회로와 연결된 배선(35)을 포함하여 형성된다.An
상기 수광소자(15)는 포토 다이오드(photo diode)가 될 수 있다.The
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 금속배선층(30)에 예비 트렌치(37)를 형성한다.As shown in FIG. 2, a
상기 예비 트렌치(37)는 상기 금속배선층(30) 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 식각 공정을 진행하여 형성할 수 있다.The
상기 상기 금속배선층(30)을 식각하는 공정에서 추후 트렌치를 형성하기 위한 추가 식각 공정을 고려하여 약 0.1~0.7㎛ 여유를 두고 예비 트렌치(37)를 형성할 수 있다.In the process of etching the
상기 예비 트렌치(37)는 상기 금속배선층(30)의 상기 수광소자(15)와 대응되는 영역에 형성된다.The
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 예비 트렌치(37)를 포함하는 상기 금속배선층(30) 상에 유기막(40)을 형성한다.3, the
상기 유기막(40)은 플래너 타입(planar type)의 물질로 상기 예비 트렌치(37)를 갭필하는 경우 상부면 프로파일이 아래로 오목한 형태를 가진다. 여기서, 상기 유기막(40)의 갭필양을 조절하여 이러한 프로파일을 갖는 유기막(40)을 식각 씨드 패턴(etch seed pattern)으로 사용할 수 있다.The
상기 유기막(40)은 상기 예비 트렌치(37) 내부에 플래너 타입의 유기 물질을 도포한다. 이때, 상기 예비 트렌치(37) 내부에 형성되는 유기 물질의 량을 적절히 조절하여 유기막(40)이 상기 예비 트렌치(37)의 내부 바닥면을 겨우 덮을 정도로 도포한다. 이때, 상기 유기막(40)은 상기 예비 트렌치(37) 내에서 모서리에 더 많이 증착되어 상부면이 아래로 오목한 렌즈 형태의 유기막(40)을 형성할 수 있다.The
상기와 같이 예비 트렌치(37) 내에서 상부면 프로파일이 오목한 형태를 갖는 유기막(40)은 그 프로파일이 하부의 절연막에 전사될 수 있도록 하여 트렌치(37a)를 형성한다.As described above, the
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 유기막(40)이 형성된 기판(10) 전면을 에치백(etch-back)한다.As shown in FIG. 4, the entire surface of the
상기 에치백 공정을 진행하면 상기 유기막(40) 및 금속 배선층(30)이 식각되어 상기 트렌치(37a)의 바닥면은 상기 유기막(40)의 상부면 프로파일이 전사되어 오목렌즈 형태를 갖게 된다.When the etch back process is performed, the
이때, 상기 금속배선층(30) 상의 유기막(40) 및 상기 트렌치(37a) 내의 유기막(40)도 모두 제거되도록 한다.In this case, all of the
이후, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(37a)가 매립되도록 상기 금속배선층(30) 상에 갭필 물질막(50)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 5, a gap fill material film 50 is formed on the
상기 갭필 물질막(45)은 광투과성이 뛰어난 산화막, 폴리머(polymer) 또는 포토 레지스트(Photo Resist) 등으로 형성될 수 있다.The
상기 갭필 물질막(45)은 상기 트렌치(37a) 및 상기 금속배선층(30)을 덮도록 형성하며, 상기 갭필 물질막(45)을 평탄화공정을 통하여 상기 금속배선층(30)의 일부가 드러나고 상기 트렌치(37a) 내에 상기 갭필 물질막(45)이 형성된다.The gap
이후, 상기 갭필 물질막(45)을 경화시키는 공정을 실시할 수 있다.Thereafter, a process of curing the
상기 갭필 물질막(45)은 상기 금속배선층(30)의 층간절연물질의 굴절률보다 큰 물질로 형성하여 상기 갭필 물질막(45)과 상기 금속배선층(30) 간의 경계에서 빛의 굴절이 일어나 포토 다이오드(15)로 광을 집광시킬 수 있도록 한다.The gap
예를 들어, 상기 갭필 물질막(45)의 굴절 계수가 1~1.6이고, 상기 층간절연막의 굴절계수는 1~1.4 정도이다. For example, the refractive index of the gap fill
상기 갭필 물질막(45)의 굴절 계수는 상기 층간절연막의 굴절계수보다 클 수 있다.The refractive index of the
도 6에 도시한 바와 같이, 상기 금속배선층(30) 상에 제 1 평탄화막(61)을 형성하고, 상기 제 1 평탄화막(61) 컬러필터 어레이(color filter array)를 형성하고, 상기 컬러필터 어레이 상에 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 6, a
상기 컬러필터 어레이에서 제 1 내지 제 3 감광성 컬러필터(51, 52, 53)의 높이는 서로 다를 수 있으며, 적색, 녹색, 청색 순으로 높이가 작아질 수 있다. 이는 상기 제 1 내지 제 3 감광성 컬러필터(51, 52, 53)는 컬러필터의 색에 따라 파장이 다르기 때문이다.The heights of the first to third
이후, 상기 제 1 내지 제 3 감광성 컬러필터(51, 52, 53) 상부에 제 2 평탄화막(62)을 형성하고, 상기 제 2 평탄화막(62) 상에 단위 화소와 대응하여 마이크로 렌즈(micro lens)(65)를 형성할 수 있다.Thereafter, a
상기 금속배선층(30) 상에 패드(60)가 형성될 수 있다.The
실시예와 같은 구조를 갖는 이미지 센서는 트렌치(37a) 내벽을 따라 형성된 가이드 패턴(45)에 의해 빛의 굴절에 의한 손실을 최소화할 수 있다.The image sensor having the same structure as the embodiment can minimize the loss due to the refraction of light by the
또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 바닥면이 오목한 패턴의 트렌치(37a) 내에 고굴절 계수의 물질을 매립하여 상기 이미지 센서로 들어오는 빛을 효과적으로 포토 다이오드로 집광할 수 있다.In addition, the image sensor according to the embodiment may effectively fill the photodiode with light entering the image sensor by filling a material having a high refractive index in the
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described above with reference to the embodiments, which are merely examples and are not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains are not exemplified above without departing from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.1 to 6 are process cross-sectional views of a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |