KR20090070446A - Cmos image sensor and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 씨모스 이미지센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly to a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof.
이미지센서는 광학 영상(optical image)를 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal.
이미지센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서로 분류될 수 있다.The image sensor may be classified into a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor.
씨모스 이미지센서는, 주변회로인 제어 회로(Control Circuit) 및 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 동시에 집적할 수 있는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 통해 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.CMOS image sensor uses CMOS technology that can integrate control circuit and signal processing circuit which are peripheral circuits at the same time to make as many MOS transistors as the number of pixels. A switching method for detecting is employed.
CMOS 이미지센서는 포토다이오드(Photo Diode) 및 복수의 MOS 트랜지스터로 구성되며, 기본적으로 이미지센서 칩의 전후로부터 입사되는 빛 즉, 가시광선을 전기적 신호로 변환하여 영상화한다. The CMOS image sensor is composed of a photo diode and a plurality of MOS transistors, and basically converts light incident from front and rear of the image sensor chip, that is, visible light, into an electrical signal to image.
최근에는 수평형 구조와 달리 하나의 픽셀에서 다양한 컬러를 구현할 수 있는 수직형 포토다이오드 갖는 수직형 이미지센서(vertical image sensor)가 널리 사용되고 있다.Recently, a vertical image sensor having a vertical photodiode capable of realizing various colors in one pixel is widely used, unlike a horizontal structure.
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서의 제조를 설명하기 위한 공정 단면도로써, 종래 씨모스 이미지 센서는 수소 어닐링(H2 annealing) 이전에 광차폐막(7)을 형성하고, 그 광차폐막(7) 상부에 질화막(8)을 형성한다.As the cross-sectional views for explaining a fabrication of Fig. 1 is a conventional CMOS image sensor, the conventional CMOS image sensor, and forming a light shielding film (7) before the hydrogen annealing (H 2 annealing), on top the light shielding film (7) The
도 1을 참조하여 설명하면, 종래 기술에 따른 수직형 이미지센서의 제조 공정에서는 빛이 들어가는 것을 차단하기 위하여 암물질(dark material)의 광차폐막(7)을 형성한다.Referring to Figure 1, in the manufacturing process of the vertical image sensor according to the prior art to form a light shielding film 7 of a dark material (dark material) in order to block the light.
물론 상기 광차폐막(7)의 형성 이전에, 반도체 기판 상에 적어도 하나의 포토다이오드(1) 및 트랜지스터(2)와, 그 포토다이오드(1) 및 트랜지스터(2)를 포함하는 반도체 기판 상에 층간절연막 및 그 층간절연막 내에 적어도 하나의 금속배선(3~5)과, 상기 층간절연막 상에 산화막(6)이 순차적으로 형성된다.Of course, prior to the formation of the light shielding film 7, an interlayer on a semiconductor substrate comprising at least one photodiode 1 and a
그리고, 광차폐막(7) 상에 그 광차폐막(7)을 보호하기 위한 질화막(8)이 형성된다. 이어, 기판 전체에 대해 수소(H2)를 사용하는 어닐링을 실시한다.Then, a
상기 수소 어닐링을 통해 수소 소결(hydrogen sinter)을 진행함으로써, 광차폐막(7) 하부의 요소들 즉, 포토다이오드(1)나 트랜지스터(2)의 실리콘 표면의 결손을 큐어링(curing)시키게 된다.Hydrogen sintering is performed through the hydrogen annealing, thereby curing the defects of the elements under the light shielding film 7, that is, the silicon surface of the photodiode 1 or the
그런데, 광차폐막(7)을 형성하기 위한 암물질로써 금속을 사용하는 경우에는 그 금속의 광차폐막(7)이 수소 소결(hydrogen sinter)을 진행하는데 방해가 되었다. 즉, 광차폐막(7)이 수소 어닐링 중에 수소의 투과를 방지한다는 것이다.By the way, when metal is used as a dark substance for forming the light shielding film 7, the light shielding film 7 of the metal hinders the hydrogen sintering. That is, the light shielding film 7 prevents the permeation of hydrogen during hydrogen annealing.
상기와 같이 종래에는 금속의 광차폐막(7)이 수소 소결(hydrogen sinter)의 진행을 방해함으로써, 광차폐막(7) 하부의 포토다이오드(1)나 트랜지스터(2) 등의 실리콘 표면의 결손을 큐어링(curing)시키지 못한다는 문제가 있었다. 또한 그로 인하여 소자의 누설 전류 특성이 상당히 취약해지는 문제도 발생하였는데, 이는 빛이 없는 상태에서 레퍼런스 다이오드와 트랜지스트로써 사용할 수 없기 때문이다. 이와 같이 빛이 없는 상태에서는 레퍼런스 픽셀로 사용할 수 없기 때문에, 빛이 없는 상태에서 누설 전류 특성이 현저히 나빠지는 문제가 있었다. As described above, the metal light shielding film 7 prevents the progress of hydrogen sintering, thereby treating defects in silicon surfaces such as the photodiode 1 and the
본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로써, 수소 어닐링을 통해 수소 소결(hydrogen sinter)을 진행할 때, 하부의 포토다이오드나 트랜지스터의 실리콘 부분의 결손을 큐어링(curing)시키는데 용이하도록 해주는 씨모스 이미지센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention has been made in view of the above points, so that when hydrogen sintering through hydrogen annealing, it is easy to cure the defect of the silicon portion of the lower photodiode or transistor. To provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서의 특징은, 어닐링을 통해 수소 소결을 진행하기 위한 씨모스 이미지 센서에 있어서, 반도체 기판과; 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 어닐링을 통해 상기 수소 소결되는 적어도 하나의 포토다이오드 및 트랜지스터와, 상기 포토다이오드 및 상기 트랜지스 터를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 형성되는 층간절연막 및 상기 층간절연막 내에 형성되는 적어도 하나의 금속배선을 포함하는 다층막과, 상기 다층막 상에 형성되는 제1절연막과, 상기 제1절연막 상에 형성되는 제2절연막으로 구성되는 하부 막층과; 상기 하부 막층을 포함하는 상기 반도체 기판 전체에 대한 상기 어닐링 후에, 상기 제2절연막 상에 형성되는 광차폐막을 포함하여 구성되는 것이다.Features of the CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object, the CMOS image sensor for proceeding hydrogen sintering through annealing, comprising: a semiconductor substrate; At least one photodiode and a transistor formed on the semiconductor substrate and sintered through the annealing, and formed in the interlayer insulating layer and the interlayer insulating layer formed on the semiconductor substrate including the photodiode and the transistor. A lower film layer comprising a multilayer film including at least one metal wiring, a first insulating film formed on the multilayer film, and a second insulating film formed on the first insulating film; And an optical shielding film formed on the second insulating film after the annealing of the entire semiconductor substrate including the lower film layer.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지센서 제조 방법의 특징은, 반도체 기판 상에 적어도 하나의 포토다이오드 및 트랜지스터를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 및 상기 트랜지스터를 포함하는 상기 반도체 기판 상에, 적어도 하나의 금속배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 제1절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1절연막 상에 제2절연막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 및 상기 트랜지스터의 수소 소결을 위해, 상기 제2절연막까지 형성된 상기 반도체 기판 전면에 대해 수소 어닐링을 실시하는 단계와, 상기 수소 어닐링 후 상기 제2절연막 상에 광차폐막을 형성하는 단계와, 상기 광차폐막 상에 상기 광차폐막의 부식 방지를 위한 보호막을 형성하는 단계로 이루어지는 것이다. A feature of the CMOS image sensor manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is the step of forming at least one photodiode and a transistor on a semiconductor substrate, the semiconductor substrate comprising the photodiode and the transistor Forming an interlayer insulating film on the interlayer insulating film, forming a first insulating film on the interlayer insulating film, forming a second insulating film on the first insulating film, and Performing hydrogen annealing on the entire surface of the semiconductor substrate formed up to the second insulating film for hydrogen sintering of the diode and the transistor, forming a light shielding film on the second insulating film after the hydrogen annealing; Forming a protective film for preventing the corrosion of the light shielding film on the shielding film.
바람직하게, 상기 보호막을 테트라에틸오쏘실리케이드(PETEOS Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)으로 형성할 수 있다.Preferably, the protective film may be formed of tetraethyl orthosilicate (PETEOS Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate).
바람직하게, 상기 제1절연막과 상기 제2절연막을 각각 산화막과 질화막 중 어느 하나로 형성할 수 있다.Preferably, the first insulating film and the second insulating film may be formed of one of an oxide film and a nitride film, respectively.
본 발명에 따르면, 광차폐막의 형성 이전에 기판 전체에 대해 수소(H2)를 사용하는 수소 어닐링을 실시함으로써, 수소 소결을 위한 수소의 투과를 방해하지 않는다. 따라서, 수소 어닐링을 통해 수소 소결(hydrogen sinter)을 진행할 때, 씨모스 이미지 센서의 하부 구조를 형성하는 요소들인 포토다이오드나 트랜지스터의 실리콘 표면의 결손을 보다 효과적으로 큐어링(curing) 할 수 있다.According to the present invention, the hydrogen annealing using hydrogen (H 2 ) is performed on the entire substrate prior to the formation of the light shielding film, thereby preventing the permeation of hydrogen for hydrogen sintering. Therefore, when hydrogen sintering is performed through hydrogen annealing, it is possible to more effectively cure a defect in the silicon surface of the photodiode or transistor, which is an element forming the lower structure of the CMOS image sensor.
또한 빛이 없는 상태에서도 레퍼런스 픽셀로 사용할 수 있기 때문에, 빛이 없는 상태에서 누설 전류 특성을 보다 개선할 수 있는 효과가 있다.Also, since it can be used as a reference pixel even in the absence of light, leakage current characteristics can be further improved in the absence of light.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings illustrating the configuration and operation of the embodiment of the present invention, the configuration and operation of the present invention shown in the drawings and described by it will be described by at least one embodiment, By the technical spirit of the present invention described above and its core configuration and operation is not limited.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the CMOS image sensor and a manufacturing method according to the present invention.
도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 절차를 나타낸 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a CMOS image sensor and a manufacturing procedure thereof according to the present invention.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 어닐 링을 통해 그의 구성요소들인 하부의 포토다이오드(10)와 트랜지스터(20)에 대한 수소 소결을 보다 안정적으로 진행하기 위한 구조이다.Referring to FIGS. 2A to 2C, the CMOS image sensor according to the present invention is used to more stably perform hydrogen sintering of the
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 반도체 기판(미도시)과, 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)와, 금속배선(30~50) 및 그를 내포하는 층간절연막(미도시)과, 제1 및 2 절연막들(60,80)과, 광차폐막(70)과, 보호막(90)으로 구성된다.The CMOS image sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate (not shown), a
포토다이오드(10)는 반도체 기판에 적어도 하나가 형성되며, 트랜지스터(20)도 반도체 기판에 형성된다. 여기서, 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)는 후속공정인 수소 어닐링을 통해 그들의 실리콘 표면이 수소 소결된다.At least one
금속배선(30~50)은 적어도 하나의 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)를 포함하는 반도체 기판 상에 형성되는 층간절연막(미도시) 내에 형성된다. 그 층간절연막 내에 적어도 하나의 금속배선(30~50)이 형성된다.The
제1 절연막(60)은 상기 금속배선(30~50)을 포함하는 층간절연막(미도시) 상에 형성되며, 산화막으로 형성되는 것이 바람직하다.The first
제2 절연막(80)은 제1 절연막(60) 상에 형성되며, 질화막으로 형성되는 것이 바람직하다.The second
지금까지 형성된 하부 막층(즉, 포토다이오드와 트랜지스터, 금속배선을 포함하는 층간절연막, 그리고 제1 및 2 절연막들을 포함하는 층) 즉, 최상부에 제2 절연막(80)이 형성된 반도체 기판 전체에 대해 수소 어닐링을 실시함으로써, 그 수소 어닐링을 통해 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)의 실리콘 표면이 수소 소결된다. 그로써, 실리콘 표면의 결손이 큐어링(curing)된다.The lower film layer formed so far (ie, the photodiode and the transistor, the interlayer insulating film including the metal wiring, and the layer including the first and second insulating films), that is, the hydrogen on the entire semiconductor substrate on which the second
광차폐막(70)은, 상기한 수소 어닐링 이후에, 제2 절연막(80) 상에 형성된다. 광차폐막(70)은 암물질로써 형성되며, 금속일 수 있다.The
보호막(90)은 상기 광차폐막(70)의 암물질의 부식을 방지하기 위해, 그 광차폐막(70) 상에 형성되며, 산화막으로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 그 산화막은 테트라에틸오쏘실리케이드(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate; 이하, PETEOS)일 수 있다.The
다음은 도 2a 내지 2c를 참조하여, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 절차에 대해 설명한다.Next, a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2C.
먼저, 반도체 기판(미도시)에 다수 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)를 형성한다.First, a plurality of
이어, 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)를 포함하는 반도체 기판 상에 층간절연막(미도시)과 금속배선(30~50)을 교번하여 다층막을 형성한다. Subsequently, an interlayer insulating film (not shown) and
이어, 상기 다층막 상에 산화물을 증착하여 산화막의 제1 절연막(60)을 형성한다. 그리고, 화학적기계적연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 표면을 평탄화한다.Next, an oxide is deposited on the multilayer film to form a first
이어, 상기 제1 절연막(60) 상에 질화물을 증착하여 질화막의 제2 절연막(80)을 형성한다.Next, nitride is deposited on the first
상기 전 공정을 통해 전술된 하부 막층(10~60,80)을 형성한 후에, 도 2a에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10) 및 트랜지스터(20)의 실리콘 표면을 수소 소결하기 위한 수소 어닐링을 실시한다. After forming the above-described
상기 수소 어닐링 후에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 절연막(80) 상에 암물질(dark material)을 증착하여 광차폐막(70)을 형성한다. 이때, 금속의 암물질을 증착할 수 있다.After the hydrogen annealing, as shown in FIG. 2B, a dark material is deposited on the second
이어, 후속 공정에 의한 광차폐막(70)의 부식을 방지하기 위해, 광차폐막(70) 상에 산화물을 증착하여 산화막의 보호막(90)을 형성한다. 예로써, TEOS(Tetra Ethyle Ortho Silicate)를 재료로 사용하고 또한 촉진 조건으로 플라즈마를 사용하여 화학기상증착으로써 PETEOS의 보호막(90)을 형성한다.Subsequently, in order to prevent corrosion of the
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. While the preferred embodiments of the present invention have been described so far, those skilled in the art may implement the present invention in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments of the present invention described herein are to be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation, and the scope of the present invention is shown in the appended claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope are equivalent to the present invention. Should be interpreted as being included in.
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서의 제조를 설명하기 위한 공정 단면도.1 is a cross-sectional view for explaining the manufacture of a conventional CMOS image sensor.
도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 절차를 나타낸 단면도.2A to 2C are cross-sectional views showing a CMOS image sensor and a manufacturing procedure thereof according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 포토다이오드 20 : 트랜지스터10
30 ~ 50 : 금속배선 60 : 제1절연막30 to 50: metal wiring 60: first insulating film
70 : 광차폐막 80 : 제2절연막70: light shielding film 80: second insulating film
90 : 보호막 90: protective film
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KR1020070138462A KR20090070446A (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Cmos image sensor and method of manufacturing thereof |
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KR (1) | KR20090070446A (en) |
-
2007
- 2007-12-27 KR KR1020070138462A patent/KR20090070446A/en not_active Application Discontinuation
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