KR20110070002A - Method of manufacturing a image sensor - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing an image sensor is provided to shorten the focal distance from a micro lens to a photo diode, thereby increasing the sensitivity of the image sensor. CONSTITUTION: An interlayer insulating layer(225) is formed on a semiconductor substrate(210). A guide line of a line pattern is formed in the interlayer insulating layer corresponding to the top of a photo diode(220). A part of the interlayer insulating layer is wet-etched using the guide line as a blocking mask so that a groove is formed. A color filter layer(260) is formed in the groove after eliminating the guide line. A micro lens(270) is formed on the color filter layer.

Description

이미지 센서의 제조 방법{Method of manufacturing a image sensor}Method of manufacturing a image sensor

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a manufacturing method of an image sensor capable of improving sensitivity.

일반적으로 CIS(CMOS Image Sensor)는 이미지(image)에 대한 정보를 얻기 위해 광전자에 의해 형성되는 전자를 담아 두는 공간인 포토다이이오드(photo diode, PD)를 포함한다. 즉 불순물(주기율표상 3족 or 5족의 원소들)이 도핑된 실리콘(silicon) 기판에 P-N-P 웰을 순차적으로 형성하여 포토다이오드를 형성한다.In general, a CMOS image sensor (CIS) includes a photodiode (PD), which is a space for storing electrons formed by optoelectronics to obtain information about an image. That is, a P-N-P well is sequentially formed on a silicon substrate doped with impurities (groups 3 or 5 elements of the periodic table) to form a photodiode.

이 경우 형성되는 포토다이오드의 면적과 마이크로 렌즈(Micro lens)부터 포토다이오드 사이의 초점 길이(focal length)는 이미지 센서의 감도 및 축적되는 전하의 양을 조절하는 매우 중요한 요소가 된다.In this case, the area of the photodiode formed and the focal length between the micro lens and the photodiode become a very important factor controlling the sensitivity of the image sensor and the amount of charge accumulated.

CIS가 고집적화 됨에 따라 픽셀 크기(pixel size)가 작아지고 이미지에 대한 보상 및 일정한 오프셋(offset) 처리 등의 회로가 증가한다. 이로 인하여 포토다이오드의 면적은 줄어드는 추세이다. 하지만 픽셀 특성에 대한 요구 스펙(spec)은 변함이 없거나 오히려 엄격하다. 따라서 여러 가지 PI(Process Integration)을 변경하여 픽셀 특성의 향상을 도모한다.As the CIS becomes more integrated, the pixel size becomes smaller, and the circuits such as image compensation and constant offset processing increase. As a result, the area of the photodiode is decreasing. However, the required specs for pixel characteristics remain unchanged or rather strict. Therefore, various PI (Process Integration) changes are made to improve pixel characteristics.

대표적인 방법이 가능한 큰 면적의 포토다이오드를 형성하거나 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 간격을 줄이거나 포토다이오드를 형성하기 위한 웰 임플란트, 및 식각 공정으로 의한 반도체 기판에 대한 플라즈마 손상(plasma damage)을 최소화하거나 이를 치유하는(curing) 것이다. Exemplary methods are to minimize the plasma damage to the semiconductor substrate by the etching process, to form a large area photodiode or to reduce the gap between the microlens and the photodiode, to the well implant to form the photodiode, and to the etching process. It is curing.

도 1은 일반적인 CIS의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(115)는 실리콘 기판(110) 내에 위치하고, 빛은 그 상부에 위치하는 마이크로 렌즈(140), 컬러 필터어레이(Color Filter Array, CFA), 및 금속 배선 (130) 및 콘택(125)을 포함하는 층간 절연층(Inter Metal Dielectric, 120)을 통과하여 포토다이오드(115)로 들어오게 되며, 이러한 광 경로를 거치는 동안 빛의 감도는 떨어진다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a general CIS. As shown in FIG. 1, the photodiode 115 is located within the silicon substrate 110, and the light is located above the micro lens 140, the color filter array (CFA), and the metal wire ( The photodiode 115 enters the photodiode 115 through the interlayer dielectric 120 including the 130 and the contact 125, and the sensitivity of the light decreases while passing through the optical path.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 렌즈로부터 포토다이오드까지의 초점 거리를 감소시켜 광손실을 줄일 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor that can reduce the optical loss by reducing the focal length from the micro lens to the photodiode.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 내에 포토다이오드를 형성하는 단계, 반도체 기판 상에 층간 절연층을 형성하는 단계, 포토다이오드 상부에 해당하는 층간 절연층 내에 라인 패턴의 가이드 라인을 형성하는 단계, 가이드 라인을 블로킹 마스크로 이용하여 가이드 라인 내측의 층간 절연층의 일부를 습식 식각하여 홈을 형성하는 단계, 가이드 라인을 제거한 후 상기 홈 내부에 컬러 필터층을 형성하는 단계, 및 컬러 필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.Method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a step of forming a photodiode in the semiconductor substrate, forming an interlayer insulating layer on the semiconductor substrate, the interlayer corresponding to the upper portion of the photodiode Forming a guide line having a line pattern in the insulating layer, forming a groove by wet etching a part of the interlayer insulating layer inside the guide line using the guide line as a blocking mask, and removing the guide line Forming a filter layer, and forming a micro lens on the color filter layer.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이의 초점 거리가 일반적인 이미지 센서에 비하여 짧기 때문에 이미지 센서의 감도를 향상시킨다. 또한 가이드 라인을 블로킹 마스크(blocking mask)로 이용하여 층간 절연층을 식각하기 때문에 측면 식각이 방지되고, 습식 식각을 사용하는 점에서 플라즈마 손상도 방지하는 효과가 있다.The manufacturing method of the image sensor according to the embodiment of the present invention improves the sensitivity of the image sensor because the focal length between the photodiode and the microlens is shorter than that of a general image sensor. In addition, since the interlayer insulating layer is etched using the guide line as a blocking mask, side etching is prevented and plasma damage is also prevented by using wet etching.

이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the technical objects and features of the present invention will be apparent from the description of the accompanying drawings and the embodiments. Looking at the present invention in detail.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸다.2A to 2E illustrate a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(210, 예컨대 실리콘 기판) 내에 포토다이오드(220)를 형성한다. 예컨대, 임플란트 공정을 통하여 반도체 기판 내에 불순물을 도핑하여 N 웰, P-N 웰, 또는 P-N-P 웰을 형성함으로써 포토다이오드를 형성할 수 있다.First, as shown in FIG. 2A, a photodiode 220 is formed in a semiconductor substrate 210 (eg, a silicon substrate). For example, a photodiode may be formed by forming an N well, a P-N well, or a P-N-P well by doping impurities into a semiconductor substrate through an implant process.

그리고 포토다이오드가 형성된 반도체 기판(210) 상에 콘택들(230) 및 금속 배선들(235)을 포함하는 층간 절연층(Inter Metal Dielectric, 225)을 형성한다. 층간 절연층(225)은 다수의 절연층들이 적층된 형태일 수 있으며, 금속 배선들(235)은 적층된 다수의 절연층들 각각의 상부에 형성되고, 콘택들(230)은 금속 배선들(235) 간 및 금속 배선들(235)과 반도체 기판(210) 간을 연결한다.The interlayer dielectric layer 225 including the contacts 230 and the metal wires 235 is formed on the semiconductor substrate 210 on which the photodiode is formed. The interlayer insulating layer 225 may be formed by stacking a plurality of insulating layers, and the metal wires 235 are formed on each of the stacked plurality of insulating layers, and the contacts 230 are formed of metal wires ( 235 and between the metal wires 235 and the semiconductor substrate 210.

다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(220) 상부에 해당하는 층간 절연층(225) 내에 라인 패턴의 홈(미도시)을 형성한다. 라인 패턴의 홈의 바닥은 포토다이오드(220)와 이격되도록 형성한다. 또한 라인 패턴의 홈은 사각형 또는 원 형태일 수 있으며, 라인 패턴의 홈은 포토다이오드(220)와 동일한 크기이거나 작을 수 있다. 또한 홈의 라인 폭은 0.5~1um이고, 홈의 라인 깊이는 1~3um일 수 있다. Next, as shown in FIG. 2B, a groove (not shown) having a line pattern is formed in the interlayer insulating layer 225 corresponding to the upper portion of the photodiode 220. The bottom of the groove of the line pattern is formed to be spaced apart from the photodiode 220. In addition, the grooves of the line pattern may have a rectangular or circular shape, and the grooves of the line pattern may be the same size or smaller as the photodiode 220. In addition, the line width of the groove may be 0.5 ~ 1um, the line depth of the groove may be 1 ~ 3um.

예컨대, 포토리쏘그라피 공정을 수행하여 층간 절연층(225) 상에 제1 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 제1 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 층간 절연층(225)을 식각하여 라인 패턴의 홈을 형성할 수 있다. For example, a first photoresist pattern (not shown) is formed on the interlayer insulating layer 225 by performing a photolithography process, and the interlayer insulating layer 225 is etched using the first photoresist pattern as a mask. The groove of the pattern can be formed.

라인 패턴의 홈 내부에 BARC(Bottom Anti-reflected Coating) 또는 질화물(nitride material)과 같은 물질을 채워 가이드 라인(242)을 형성한다. 이때 가이드 라인(242)의 바닥은 포토다이오드(220)와 이격되도록 형성되며, 가이드 라인은 사각형 또는 원 형태이고, 가이드 라인은 포토다이오드(220)와 동일한 크기이거나 작을 수 있다. 또한 가이드 라인의 폭은 0.5~1um이고, 가이드 라인의 층간 절연층(225) 내에서의 깊이는 1~3um일 수 있다.A guide line 242 is formed by filling a material such as a bottom anti-reflected coating (BARC) or a nitride material inside the groove of the line pattern. At this time, the bottom of the guide line 242 is formed to be spaced apart from the photodiode 220, the guide line is a rectangular or circle shape, the guide line may be the same size or smaller than the photodiode 220. In addition, the width of the guide line is 0.5 ~ 1um, the depth of the guide line in the interlayer insulating layer 225 may be 1 ~ 3um.

도 3은 도 2b에 도시된 점선 부분의 평면도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 가이드 라인(242)은 사각형의 라인 패턴을 갖는다. 도 3과 달리 가이드 라인(242)은 원 형상의 라인 패턴일 수 있다.3 is a plan view of the dotted line portion shown in FIG. 2B. Referring to FIG. 3, the guide line 242 has a rectangular line pattern. Unlike FIG. 3, the guide line 242 may be a circular line pattern.

다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(220)의 상부의 층간 절연층(225) 상에 가이드 라인(242)보다 작은 개구부를 갖는 제2 포토레지스트 패턴(250)을 형성한다. 즉 가이드 라인(242) 내측의 층간 절연층(225-1)을 노출시키고, 외측의 층간 절연층(225-2)은 덮는 제2 포토레지스트 패턴(250)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2C, a second photoresist pattern 250 having an opening smaller than the guide line 242 is formed on the interlayer insulating layer 225 on the photodiode 220. That is, the second photoresist pattern 250 is formed to expose the interlayer insulating layer 225-1 inside the guide line 242 and cover the outer interlayer insulating layer 225-2.

다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이, 산화물 습식 케미컬(oxide wet chemical)을 이용하여 제2 포토레지스트 패턴(250)에 의하여 노출되는 층간 절연층(225-1)을 일부 습식 식각하여 홈(250)을 형성한다. 이때 층간 절연층(225-1) 내에 형성되는 홈(250)의 깊이는 가이드 라인(242)과 동일하거나 낮다. 예컨대, 홈(250의 깊이는 1~3um일 수 있다.Next, as illustrated in FIG. 2D, the groove 250 may be partially wet-etched by using the oxide wet chemical to partially wet the interlayer insulating layer 225-1 exposed by the second photoresist pattern 250. To form. At this time, the depth of the groove 250 formed in the interlayer insulating layer 225-1 is the same as or lower than the guide line 242. For example, the depth of the groove 250 may be 1 to 3um.

이때 가이드 라인(242)에 의하여 습식 식각이 블로킹(blocking)되기 때문에 가이드 라인(242)은 외측의 층간 절연층(225-2)에 대한 측면 식각(side etching)을 방지하는 역할을 한다. In this case, since the wet etching is blocked by the guide line 242, the guide line 242 prevents side etching of the outer interlayer insulating layer 225-2.

다음으로 도 2e에 도시된 바와 같이. 가이드 라인(242)을 습식 식각하여 제거한다. 가이드 라인(242)이 제거된 홈(250) 내부에 컬러 필터층(260)을 형성한다. 그리고 컬러 필터층(270) 상에 마이크로 렌즈(270)를 형성한다.Next as shown in FIG. 2E. The guide line 242 is removed by wet etching. The color filter layer 260 is formed in the groove 250 from which the guide line 242 is removed. The micro lens 270 is formed on the color filter layer 270.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드(220)와 마이크로 렌즈(270) 사이의 초점 거리가 일반적인 이미지 센서에 비하여 짧기 때문에 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한 가이드 라인(242)을 블로킹 마스크(blocking mask)로 이용하여 층간 절연층(225)을 식각하기 때문에 측면 식각이 방지되고, 습식 식각을 사용하는 점에서 플라즈마 손상도 방지할 수 있다.In the image sensor according to the exemplary embodiment of the present disclosure, since the focal length between the photodiode 220 and the microlens 270 is shorter than that of a general image sensor, the sensitivity of the image sensor may be improved. In addition, since the interlayer insulating layer 225 is etched using the guide line 242 as a blocking mask, side etching is prevented and plasma damage can be prevented from using wet etching.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.

도 1은 일반적인 CIS의 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a general CIS.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸다.2A to 2E illustrate a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 도 2b에 도시된 점선 부분의 평면도를 나타낸다. 3 is a plan view of the dotted line portion shown in FIG. 2B.

Claims (6)

반도체 기판 내에 포토다이오드를 형성하는 단계;Forming a photodiode in the semiconductor substrate; 상기 반도체 기판 상에 층간 절연층을 형성하는 단계;Forming an interlayer insulating layer on the semiconductor substrate; 상기 포토다이오드 상부에 해당하는 층간 절연층 내에 라인 패턴의 가이드 라인을 형성하는 단계;Forming a guide line of a line pattern in an interlayer insulating layer corresponding to an upper portion of the photodiode; 상기 가이드 라인을 블로킹 마스크로 이용하여 상기 가이드 라인 내측의 층간 절연층의 일부를 습식 식각하여 홈을 형성하는 단계;Forming a groove by wet etching a portion of the interlayer insulating layer inside the guide line using the guide line as a blocking mask; 상기 가이드 라인을 제거한 후 상기 홈 내부에 컬러 필터층을 형성하는 단계; 및Forming a color filter layer inside the groove after removing the guide line; And 상기 컬러 필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.And forming a microlens on the color filter layer. 제1항에 있어서, 상기 라인 패턴의 가이드 라인을 형성하는 단계는,The method of claim 1, wherein the forming of the guide line of the line pattern comprises: 상기 포토다이오드 상부에 해당하는 층간 절연층 내에 라인 패턴 홈을 형성하는 단계; 및Forming a line pattern groove in an interlayer insulating layer corresponding to an upper portion of the photodiode; And 상기 라인 패턴 홈 내부에 BARC(Bottom Anti-reflected Coating) 또는 질화물(nitride material)을 채워 상기 가이드 라인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법. And filling the BARC (Bottom Anti-reflected Coating) or nitride material into the line pattern groove to form the guide line. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가이드 라인의 바닥은 상기 포토다이오드와 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.The bottom of the guide line is formed to be spaced apart from the photodiode manufacturing method of the image sensor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가이드 라인은 사각형 또는 원 형태인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.The guide line is a manufacturing method of the image sensor, characterized in that the rectangular or circle shape. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가이드 라인은 상기 포토다이오드와 동일한 크기이거나 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법. The guide line is the same size or smaller than the photodiode manufacturing method of the image sensor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 층간 절연층 내에 형성되는 홈의 깊이는 상기 가이드 라인의 깊이와 동일하거나 낮은 것은 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.And the depth of the groove formed in the interlayer insulating layer is equal to or lower than the depth of the guide line.
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