KR20090073493A - Vertical image sensor and method for manufacturing the sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 씨모스(CMOS) 수직형 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to a CMOS vertical image sensor and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 씨모스 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이 중에서 전하 결합 소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.In general, CMOS image sensors are semiconductor devices that convert an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes an individual metal-oxide silicon (MOS) capacitor. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to one another.
한편, 씨모스 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼의 포토 다이오드(PD; Photo Diode)와 이에 연결되어 채널을 열고 닫는 트랜지스터들을 만들고 트랜지스터들을 이용하여 차례로 적색(RED), 녹색(GREEN) 및 청색(BLUE)의 광학 신호를 검출하여 스위칭 방식에 의해 출력하는 소자이다.On the other hand, the CMOS image sensor is connected to and connected to the number of photo diodes (PD) as many as the number of pixels using CMOS technology using a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. It is a device that creates transistors that open and close and detects optical signals of red, green, and blue in sequence using transistors and outputs them by a switching method.
전술한 씨모스 이미지 센서는 낮은 소비전력, 낮은 공정 단가 및 높은 수준 의 집적도 등의 많은 장점들을 가지고 있다. 특히 최근의 기술적 진보로 인해 씨모스 이미지 센서는 여러 응용 분야에서 고체촬상소자(CCD:Charge Coupled Devices)의 대안으로 각광을 받고 있다. CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토 다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 이러한 일반적인 씨모스 이미지 센서의 경우, 포토 다이오드를 포함하여 구동 등을 위한 트랜지스터들이 수평 상으로 형성되며, 단위 픽셀은 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러 필터를 이용하여 해당 색상의 광을 감지하게 된다. 이때, 씨모스 이미지 센서에 있어서는, 하나의 단위 픽셀은 평면상으로 형성되는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 컬러필터를 모두 포함하여 대응되어야 하므로, 그 크기가 커지게 된다. 따라서, 일반적인 씨모스 이미지 센서의 경우, 픽셀 집적도가 저하된다. 이와 같이, 일반적인 이미지 센서의 집적도 저하 문제를 개선하기 위해 수직형 이미지 센서가 제안되었다. 수직형 이미지센서는 단위 픽셀당 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 신호를 모두 감지할 수 있도록 적/녹/청색 포토 다이오드가 수직적 구조로 되어 있다.The CMOS image sensor described above has many advantages such as low power consumption, low process cost, and high level of integration. In particular, recent technological advances have made CMOS image sensors a viable alternative to charge-coupled devices (CCDs) in many applications. CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. Type 3T consists of one photodiode and three transistors, and type 4T consists of one photodiode and four transistors. In the case of such a CMOS image sensor, transistors for driving and the like are formed horizontally, including a photodiode, and unit pixels are formed by using color filters of red (R), green (G), and blue (B). It will detect the light of color. At this time, in the CMOS image sensor, since one unit pixel must include all of the red (R), green (G), and blue (B) color filters formed in a plane, the size becomes larger. Therefore, in the case of the general CMOS image sensor, the pixel integration degree is lowered. As such, a vertical image sensor has been proposed to improve the problem of lowering the density of a general image sensor. In the vertical image sensor, red / green / blue photodiodes are vertically structured to detect red (R), green (G), and blue (B) signals per unit pixel.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 종래의 수직형 씨모스 이미지 센서들을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a conventional vertical CMOS image sensor will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 수직형 씨모스 이미지 센서를 나타낸 평면도이며, 도 2는 도 1의 I~I'선상의 구조 단면도이다.FIG. 1 is a plan view illustrating a general vertical CMOS image sensor, and FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 수직형 이미지 센서(10)의 포토 다이오드는 웰(well) 형상으로 이루어지며, 단위 픽셀당 신호를 모두 감지할 수 있도록 적 색(R), 녹색(G), 청색(B) 포토 다이오드(3, 6 및 8)가 수직으로 형성되어 있다. 여기서, 종래의 수직형 이미지 센서(10)는 복수 개의 단위 픽셀들이 형성되는 픽셀 영역(20)과 픽셀 영역(20)에 형성되는 소자들(미도시) 및 각 포토 다이오드(3, 6 및 8)에 신호를 인가하는 소정의 단자 및 그라운딩 단자들을 포함하는 주변 영역(40)으로 크게 구분된다. 이러한 종래의 수직형 씨모스 이미지 센서는 실리콘 반도체 기판(1)과, 반도체 기판(1)의 소정 부위에 형성된 적색 광을 감지하는 제1 포토 다이오드(3)와, 반도체 기판(1) 상에 형성된 제1 에피층(epitaxial layer)(4)과, 제1 에피층(4) 상에 제1 포토 다이오드(3)와 오버랩되어 형성된 제2 포토 다이오드(6)와, 제1 에피층(4) 상에 형성된 제2 에피층(7)과, 제2 에피층(7) 상에 제2 포토 다이오드(6)와 오버랩되어 형성된 제3 포토 다이오드(8)와, 각 실리콘 기판 및 제1 및 제2 에피층(4 및 7)의 해당 포토 다이오드와 이격된 부위에 형성된 제1 내지 제3 더미 모우트(dummy moat)(9, 19 및 29)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIGS. 1 and 2, the photodiode of the conventional
도 3은 일반적인 다른 수직형 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀(pixel)의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a unit pixel of another general vertical CMOS image sensor.
도 3에 도시된 이미지 센서와 도 2에 도시된 이미지 센서를 비교하면, 층(105)는 층(1, 4 및 9)에 대응하고, 적(R), 녹(G) 및 청(B)의 포토 다이오드(110)는 포토 다이오드(3, 6 및 8)에 각각 대응한다.Comparing the image sensor shown in FIG. 3 with the image sensor shown in FIG. 2,
도 3을 참조하면, 신호 처리를 위한 게이트 패턴(112)은 게이트와 게이트 절연막으로 구성되고, 식각 정지층(116)은 콘텍(contact)을 형성하기 위한 식각 공정에서 식각을 저지하는 역할을 하며, 스페이서(114)가 게이트 패턴(112)의 측부에 형성되어 있다. 신호 전달 및 소자 보호를 위한 층간 절연막들(118, 120, 122 및 124)이 적층되어 형성되어, 이들에 금속 배선들(130, 132 및 134)과 비아(via) 등이 형성되어 있다.Referring to FIG. 3, the
일반적으로 전술한 바와 같은 이미지 센서를 제조할 때, 금속층(Metal layer)이 증가할수록 층간 절연막들 사이의 계면이 증가하게 된다. 층간 절연막의 표면은 화학적 기계적 연마(CMP:Chemical Mechanical Polarization) 공정에 의해 형성되므로, 상당히 많은 결함(defect)을 가지고 있으며, 이곳(140)으로 빛이 입사되어 각종 산란을 일으켜 이미지 센서의 감도를 저하시키는 문제가 있다. 이를 감소시키기 위해, 히드로겐 어닐(hydrogen anneal)이 사용되고 있으나 그 개선효과는 지극히 미미한 실정이다.In general, when fabricating the image sensor as described above, as the metal layer increases, the interface between the interlayer insulating films increases. Since the surface of the interlayer insulating film is formed by a chemical mechanical polarization (CMP) process, the surface of the interlayer insulating film has a large number of defects, and light is incident on the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 포토 다이오드로의 광 입사 효율을 증대시킬 수 있는 수직형 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a vertical image sensor and a method of manufacturing the same, which can increase light incident efficiency to a photodiode.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 수직형 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판 상의 포토 다이오드 영역에 다수의 포토 다이오드들을 수직으로 적층하여 형성하는 단계와, 상기 최상위 포토 다이오드의 상부에 식각 정지층을 형성하는 단계와, 상기 식각 정지층의 상부에 복수 개의 층간 절연막들을 형성하는 단계 및 사진 및 식각 공정을 이용하여 상기 포토 다이오드 영역의 상기 층간 절연막들을 상기 식각 정지층까지 식각하여 홀을 형성하는 단계 및 상기 홀에 투광층을 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a vertical image sensor, the method comprising: vertically stacking a plurality of photodiodes in a photodiode region on a semiconductor substrate, and forming an etch stop layer on the top photodiode Forming a hole on the etch stop layer, forming a plurality of interlayer insulating films on the etch stop layer, and etching the interlayer insulating films of the photodiode region to the etch stop layer using a photolithography and etching process; It is preferable that the light transmitting layer is formed in the hole.
또는, 상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는, 반도체 기판 상의 포토 다이오드 영역에 수직으로 적층되어 형성된 다수의 포토 다이오드들과, 트랜지스터 영역에 형성된 게이트 패턴과, 상기 최상위 포토 다이오드의 상부에 형성된 식각 정지층과, 상기 트랜지스터 영역에서, 상기 게이트 패턴의 상부에 수직으로 적층하여 형성된 복수 개의 층간 절연막들 및 상기 포토 다이오드 영역에서, 상기 식각 정지층의 상부에 형성된 투광층을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서.로 구성되는 것이 바람직하다.Alternatively, an image sensor according to the present invention for achieving the above object, a plurality of photodiodes formed by being stacked vertically on the photodiode region on the semiconductor substrate, a gate pattern formed in the transistor region, and formed on the uppermost photodiode And an etch stop layer, a plurality of interlayer insulating layers formed by vertically stacking an upper portion of the gate pattern in the transistor region, and a light transmitting layer formed on the etch stop layer in the photodiode region. Vertical image sensor.
본 발명에 의한 수직형 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 포토 다이오드 영역에 존재하는 층간 절연막들만을 선택적으로 식각하여 홀을 생성한 후 홀에 마이크로 렌즈와 굴절률이 동일한 필름을 SOG(Silicon-On-Glass) 공정 등에 의해 효과적으로 채울 수 있기 때문에, 층간 절연막들의 계면에 존재하는 결함들에 의한 빛의 산란을 최소화하여 줄일 수 있어 집광 효율을 높일 수 있는 효과를 갖는다.In the vertical image sensor according to the present invention and a method of manufacturing the same, a hole is formed by selectively etching only the interlayer insulating layers present in the photodiode region, and a film having the same refractive index as that of the microlens is formed in the hole. Since it can be effectively filled by a process, etc., it is possible to minimize and reduce the scattering of light due to defects present in the interface between the interlayer insulating film has the effect of increasing the light collection efficiency.
이하, 본 발명에 의한 수직형 이미지 센서의 제조 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a vertical image sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 의한 수직형 이미지 센서에 따른 공정 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views of a vertical image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 이미지 센서는 트랜지스터가 형성되는 트랜지스터 영역(200)과 포토 다이오드가 형성되는 포토 다이오드 영역(210)으로 구분된다. 여기서, 포토 다이오드 영역(210)은 포토 다이오드(152)로 빛이 입사되는 경로를 의미한다. 포토 다이오드 영역(210) 상에 다수의 포토 다이오드들(152)을 수직으로 적층하여 형성한다. 다수의 포토 다이오드(152)는 적(R:Red), 녹(G:Green), 청색(B:Blue)의 포토 다이오드들로서 반도체 기판 및 에피층(150)에 형성된다. 즉, 실리콘 웨이퍼에 연속적인 에피층 형성과 이온 주입을 통해 포토 다이오드 영역(210)에 수직형 포토 다이오드들(152)을 생성할 수 있다. 층(150)은 도 3에 도시된 층(150)에 대응하며 포토 다이오드(152)는 도 3에 도시된 포토 다이오드(110)에 대응하므로, 이들의 형성 과정에 대한 상세한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 4A, an image sensor is divided into a
수직형 포토 다이오드(152)를 형성한 후, 층(150)의 상부에 게이트 절연막(미도시)과 폴리 실리콘 게이트(미도시)가 적층된 구조를 갖는 게이트 패턴(154)을 형성하고, 게이트 패턴(154)의 측부에 스페이서(156)을 형성한다. 게이트 패턴(154)과 스페이서(156) 역시 일반적인 공정에 의해 형성될 수 있으며 후속하는 일반적인 공정을 수행하여 이미지 센서의 트랜지스터들을 완성한다.After forming the
포토 다이오드들(152)에서 최상위에 형성된 포토 다이오드의 상부에 식각 정지층(158)을 형성한다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 식각 정지층(158)은 포토 다이오드 영역(210) 뿐만 아니라 트랜지스터 영역(200)에도 형성될 수 있다. 그러나, 식각 정지층(158)을 트랜지스터 영역(200)에는 형성하지 않고, 포토 다이오드 영역(210)에만 선택적으로 형성할 수도 있다. 식각 정지층(158)은 콘텍을 형성하기 위한 식각 공정에서 식각 저지 기능을 수행한다.An
도 3에 도시된 바와 마찬가지로 도 4a에 도시된 이미지 센서는, 트랜지스터 영역(200)과 포토 다이오드 영역(210)의 식각 정지층(158)의 상부 전면에 복수 개의 층간 절연막들(160, 162, 164 및 166)을 형성한다. 층간 절연막(160, 162, 164 및 166)은 신호 전달 및 소자 보호의 역할을 수행한다. 복수 개의 층간 절연막(160, 162, 164 및 166)을 형성하는 과정에서 금속 배선(170, 172 및 174)이나 콘텍 플러그(미도시)를 통상적인 공정에 의해 형성한다.As shown in FIG. 3, the image sensor illustrated in FIG. 4A includes a plurality of
이후, 사진 및 식각 공정을 이용하여, 포토 다이오드 영역(210)의 상부에 형성된 층간 절연막들(160, 162, 164 및 166)만을 식각 정지층(158)까지 식각하여 제거하므로서, 홀(180)을 형성한다.Thereafter, only the
실시예에 따라, 층간 절연막(160, 162, 164 및 166)은 도 4a에 도시된 바와 같이 네 개의 층들만으로 이루어질 수도 있고, 이보다 적게 또는 많게도 형성될 수 있다. 따라서, 층간 절연막이 적층되는 두께에 따라 식각 정지층(158)의 두께를 설정할 수 있다. 대략 최상부 금속을 형성한 후, 층간 절연막(160, 162, 164 및 166)의 총 두께는 3㎛ 정도이다. 이 경우, 100:1의 선택비를 가진 식각 가스를 이용하면, 식각 정지층(158)의 두께가 300Å일 경우 식각 정지 기능이 제대로 수행되지 못할 수도 있으므로, 그(158)의 두께를 500Å로 설정할 수 있다.In some embodiments, the
이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 홀(180)에 투광층(190)을 형성한다. 본 발명에 의하면, 투광층(190)의 굴절율(n)은 마이크로 렌즈(미도시)와 굴절율과 동일할 수 있다. 마이크로 렌즈는 이미지 센서로 입사되는 광을 포토 다이오드로 포커싱하는 역할을 하며, 일반적인 사항이므로 상세한 설명은 생략한다. 예를 들어, 투광층(190)의 굴절율은 1.0 내지 1.2일 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 4B, the
화학적 기상 증착(CVD:Chemical Vapor Depositon) 방법이나 물리 기상 증착(PVD:Physical Vapor Deposition) 방법에 의할 경우, 홀(180)의 깊이가 3㎛ 정도라면, 이 단차를 극복하여 홀(180)에 투광층(190)을 고르게 형성시키기 어려울 수도 있다. 따라서, 본 발명에 의하며, 투광층(190)을 실리콘-온-글래스(SOG:Silicon-On-Glass) 공정에 의해 홀(180)에 형성할 수 있다. SOG 공정의 경우, 유체의 특성상 3㎛ 정도 패인 홀(180)에만 투광층을 고르게 형성할 수 있다.In the case of chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) methods, if the depth of the
이하, 본 발명의 실시예에 의한 수직형 이미지 센서를 첨부된 도 4b를 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, a vertical image sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4B.
이미지 센서는 트랜지스터가 형성되는 트랜지스터 영역(200)과 포토 다이오드가 형성되는 영역 즉, 빛이 수광되는 영역인 포토 다이오드 영역(210)으로 구분된다. 이 경우, 포토 다이오드 영역(210)에 다수의 포토 다이오드들(152)이 수직으로 적층되어 형성되어 있다.The image sensor is divided into a
신호 처리를 위한 트랜지스터 영역(200)에는 게이트 패턴(154)과 스페이서(156)가 형성되어 있다. 게이트 패턴(154)의 경우, 층(150)의 상부에 게이트 절연막이 형성되어 있고, 게이트 절연막의 상부에 폴리 실리콘 게이트가 형성되어 있다.The
식각 정지층(158)은 최상위 포토 다이오드의 상부를 포함하는 포토 다이오드 영역(210)을 비롯하여 트랜지스터 영역(200)의 상부 전면에 형성되어 있다. 그러나, 식각 정지층(158)은 포토 다이오드 영역(210)에만 선택적으로 형성될 수도 있다.An
층간 절연막(160, 162, 164 및 166)은 트랜지스터 영역(200)에서, 게이트 패턴(152)의 상부 즉, 트랜지스터 영역(200)의 상부에만 수직으로 적층되어 형성되어 있다. 금속 배선(170, 172 및 174)과 콘텍 플러그(미도시)가 해당하는 층간 절연막의 상부 및 내부에 형성될 수 있다.The
본 발명에 의한 도 4b에 도시된 이미지 센서는, 도 3에 도시된 일반적인 이미지 센서와 달리 포토 다이오드 영역(210)에서 식각 정지층(158)의 상부에 층간 절연막(160, 162, 164 및 166) 대신에 투광층(190)이 형성되어 있다.The image sensor shown in FIG. 4B according to the present invention, unlike the general image sensor shown in FIG. 3, has an interlayer insulating
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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 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.
도 1은 일반적인 수직형 씨모스 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.1 is a plan view illustrating a general vertical CMOS image sensor.
도 2는 도 1의 I~I'선상의 구조 단면도이다.FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 1.
도 3은 일반적인 다른 수직형 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a unit pixel of another general vertical CMOS image sensor.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 의한 수직형 이미지 센서에 따른 공정 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views of a vertical image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
150 : 반도체 기판 및 에피층 152 : 포토 다이오드150: semiconductor substrate and epi layer 152: photodiode
154 : 게이트 패턴 156 : 스페이서154: gate pattern 156: spacer
158 : 식각 정지층 160, 162, 164, 166: 층간 절연막158:
190 : 투광층190: light transmitting layer
Claims (6)
Priority Applications (1)
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KR1020070141455A KR20090073493A (en) | 2007-12-31 | 2007-12-31 | Vertical image sensor and method for manufacturing the sensor |
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2007
- 2007-12-31 KR KR1020070141455A patent/KR20090073493A/en not_active Application Discontinuation
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