KR100410669B1 - Image sensor and fabricating method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈의 구조에 기인한 집광 손실을 최소화하여 필 팩터를 100%에 가깝게 구현할 수 있으며 특별한 마이크로 렌즈 형성 공정을 생략 가능하도록 함으로써, 공정의 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 배치된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성된 산화막 계열의 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 칼라필터어레이; 상기 칼라필터어레이 상에 형성된 OCM(Over-Coating Material)층; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기(V자, Wedge)형태의 마루 부분을 이루며, 이웃하는 포토다이오드와의 사이와 오버랩되는 상부에서 쐐기형의 골 부분을 이루도록 상기 OCM층 상에 형성된 질화막 계열의 집광용절연막을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.또한, 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 단계; 상기 하부 구조 상에 산화막 계열의 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계; 상기 칼라필터어레이 상에 OCM층을 형성하는 단계; 상기 OCM층 상에 질화막 계열의 집광용절연막을 형성하는 단계; 및 쐐기형 마스크 패턴을 이용한 경사 식각을 실시하여 상기 집광용절연막의 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기 형태의 마루 부분을 이루며, 이웃하는 포토다이오드와의 사이와 오버랩되는 상부에서 쐐기형의 골 부분을 이루도록 하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.The present invention provides an image sensor that can simplify the process by minimizing condensation loss due to the structure of the microlens to close the fill factor and eliminating a special microlens forming process, thereby simplifying the process. To provide, for the present invention, a photodiode disposed on the substrate; An interlayer insulating film based on an oxide film formed on the photodiode; A color filter array formed on the interlayer insulating film; An over-coating material (OCM) layer formed on the color filter array; And a nitride film series formed on the OCM layer such that an upper portion overlapping the photodiode forms a wedge-shaped floor portion and a wedge-shaped valley at an upper portion overlapping with a neighboring photodiode. An image sensor comprising a light collecting insulating film of the present invention is provided. In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing an image sensor including: forming a lower structure including a photodiode on a substrate; Forming an oxide-based interlayer insulating film on the substructure; Forming a color filter array on the interlayer insulating film; Forming an OCM layer on the color filter array; Forming a light-emitting insulating film based on a nitride film on the OCM layer; And a wedge-shaped valley portion formed at an upper portion of the upper portion overlapping the photodiode of the condensation insulating film by a wedge-shaped mask pattern, and overlapping with a neighboring photodiode. It provides an image sensor manufacturing method comprising the step of achieving.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 집광능력을 향상시킬 수 있으며 부가적인 마이크로 렌즈 형성 공정을 생략할 수 있도록 쐐기(V자, Wedge)형의 집광용절연막을 갖는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor having a wedge (V-shaped, Wedge) type insulating film for improving the light collecting capability and omitting an additional micro lens forming process, and a manufacturing method thereof. will be.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electric signal, and a charge coupled device (CCD) has individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors that are very different from each other. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity. CMOS (Complementary MOS) image sensor is a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. Is a device that employs a switching method that makes MOS transistors by the number of pixels and sequentially detects the output using them.
다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다.예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 광감도를 높이는 것에는 한계가 있다.따라서 광감도를 높여주기 위하여 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다.In manufacturing various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of an image sensor, one of which is a condensing technology. For example, a CMOS image sensor is a photodiode for detecting light and It consists of CMOS logic circuits that process light into electrical signals and make data, and in order to increase light sensitivity, efforts are being made to increase the ratio of the photodiode to the total image sensor area (commonly called a fill factor). However, since it is impossible to remove the logic circuit part, there is a limit to increase the light sensitivity under the limited area. Therefore, in order to increase the light sensitivity, the light diode is changed into a photodiode by changing the path of light incident to a region other than the photodiode. Condensing technology has emerged, and this technology In a lens forming techniques.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an image sensor showing a micro lens shape and position according to the prior art.
도 1을 참조하면, 포토다이오드(10)가 형성된 기판(10) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 Blue, Red, Green 등의 칼라필터어레이(13, Color Filter Array; 이하 CFA라 함)가 배치되어 있으며, 그 상부에 OCM(Over-Coating Material, 14)이 형성되어 있고, CFA(13)와 오버랩되는 영역의 상부에 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 마이크로 볼록렌즈(Microlens, 15)가 형성되어 있는 바, 도면의 간략화를 위해 게이트전극 및 광차단막 등을 생략하였으며, 이는 층간절연막(12) 내의 포토다이오드(11)와 오버랩되지 않는 영역에 배치된다.Referring to FIG. 1, a color filter array 13 (hereinafter referred to as a CFA) such as blue, red, and green, which forms a unit pixel, is disposed on the substrate 10 on which the photodiode 10 is formed. OCM (Over-Coating Material) 14 is formed on the upper portion, and a micro-convex lens (Microlens, 15) made of a resin such as photoresist similar to the upper portion of the region overlapping with the CFA 13 Since the gate electrode, the light blocking film, and the like are omitted for the sake of simplicity of the drawing, it is disposed in the region not overlapping with the photodiode 11 in the interlayer insulating film 12.
상기한 구성을 갖는 종래의 이미지센서는 포토다이오드(도시하지 않음) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(도시하지 않음)로 모이도록 하고 있으며, OCM(14)은 CFA(13) 패턴 형성 후 마이크로 볼록렌즈(15)의 패턴 형성이 용이하도록 평탄화의 목적으로 이용되는 바, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(가)을 마이크로 렌즈에 의한 집광영역(나)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.The conventional image sensor having the above-described configuration refracts light incident to a region other than the photodiode (not shown) to collect as a photodiode (not shown), and the OCM 14 is a CFA 13 pattern. It is used for the purpose of flattening to facilitate the pattern formation of the micro convex lens 15 after formation. The effective light sensing region (a) is enlarged to the condensing region (b) by the micro lens to increase the incident light energy. It is taking form.
이와 같이 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로 렌즈(15)를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 따라서, 'A'와 같이 마이크로 볼록렌즈(15) 영역 상으로 입사되는 빛을 유효 감광지영역(가)으로 집광하여 집광효율을 높일 수 있는 장점이 있으나, 마이크로 렌즈(15) 상호간의 밀착 특성 때문에 마이크로 렌즈(15) 상호간의 간격(다)을 유지하여야 하며, 이는 'B'와 같이 마이크로 렌즈(15) 사이(다)로 입사하는 빛(B)의 손실(Loss)을 유발하게 된다.따라서, 전체적인 이미지센서의 필 팩터를 10% 이상 감소시키게 되며, 이는 화소의 사이즈가 감소함에 따라 그 영향이 배가된다.또한, 상기한 볼록 형태의 렌즈과 같이 돌출된 상부의 구조에 기인한 긁힘(Scratch)와 외부 파티클(Particle)의 부착 특성(Adhesive) 때문에 패키지(Package) 공정 상에서 최종 테스트시 금속성 파티클에 의한 백색 화소 결함(White bad pixel) 등이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.As described above, the microlenses are conventionally formed in a convex lens shape, and in particular, the focus is on forming the microlenses 15 so as to overlap the upper portion of the photodiode. Accordingly, although light incident on the micro-convex lens 15 region is condensed into the effective photosensitive paper region as in 'A', the light condensing efficiency can be improved. The distance between the lenses 15 should be maintained, which causes loss of light B incident between the micro lenses 15, such as 'B'. The fill factor of the image sensor is reduced by more than 10%, and the effect is doubled as the size of the pixel decreases. In addition, scratches and externalities caused by the structure of the protruding upper part such as the convex lens described above. Due to the adhesion of particles, white bad pixels due to metallic particles are generated during final testing in a package process.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소정의 굴절률을 갖는 막을 이용하여 쐐기(V자)형의 집광용절연막을 구현함으로써, 마이크로 레즈의 구조에 기인한 집광 손실을 최소화하여 필 팩터를 100%에 가깝게 구현할 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by using a film having a predetermined refractive index to implement a wedge (V-shaped) condensing insulating film, thereby minimizing condensing loss due to the structure of the micro-rez The goal is to provide an image sensor that can achieve near 100% fill factor.
또한, 본 발명은 특별한 마이크로 렌즈 형성 공정을 생략 가능하도록 함으로써 공정의 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide an image sensor manufacturing method that can simplify the process by making it possible to omit a special micro lens forming process.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of an image sensor showing a micro lens shape and position according to the prior art,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating an image sensor manufacturing process according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20 : 기판20: substrate
21 : 포토다이오드21: photodiode
22 : 층간절연막22: interlayer insulating film
23 : CFA23: CFA
24 : OCM24: OCM
25 : 집광용절연막25: condensing insulation film
26 : 산화막26: oxide film
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 배치된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성된 산화막 계열의 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 칼라필터어레이; 상기 칼라필터어레이 상에 형성된 OCM(Over-Coating Material)층; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기(V자, Wedge)형태의 마루 부분을 이루며, 이웃하는 포토다이오드와의 사이와 오버랩되는 상부에서 쐐기형의 골 부분을 이루도록 상기 OCM층 상에 형성된 질화막 계열의 집광용절연막을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.The present invention to achieve the above object, the photodiode disposed on the substrate; An interlayer insulating film based on an oxide film formed on the photodiode; A color filter array formed on the interlayer insulating film; An over-coating material (OCM) layer formed on the color filter array; And a nitride film series formed on the OCM layer such that an upper portion overlapping the photodiode forms a wedge-shaped floor portion and a wedge-shaped valley at an upper portion overlapping with a neighboring photodiode. It provides an image sensor comprising a light collecting insulating film.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 단계; 상기 하부 구조 상에 산화막 계열의 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계; 상기 칼라필터어레이 상에 OCM층을 형성하는 단계; 상기 OCM층 상에 질화막 계열의 집광용절연막을 형성하는 단계; 및 쐐기형 마스크 패턴을 이용한 경사 식각을 실시하여 상기 집광용절연막의 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부가 쐐기 형태의 마루 부분을 이루며, 이웃하는 포토다이오드와의 사이와 오버랩되는 상부에서 쐐기형의 골 부분을 이루도록 하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, to achieve the above object, the present invention, forming a lower structure including a photodiode on a substrate; Forming an oxide-based interlayer insulating film on the substructure; Forming a color filter array on the interlayer insulating film; Forming an OCM layer on the color filter array; Forming a light-emitting insulating film based on a nitride film on the OCM layer; And a wedge-shaped valley portion formed at an upper portion of the upper portion overlapping the photodiode of the condensation insulating film by a wedge-shaped mask pattern, and overlapping with a neighboring photodiode. It provides an image sensor manufacturing method comprising the step of achieving.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to explain in detail enough to enable those skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention, refer to FIGS. 2A to 2D attached to the most preferred embodiment of the present invention. This will be described.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.도 2c를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는, 기판(20) 상에 배치된 포토다이오드(21)와, 포토다이오드(21) 상부에 형성된 산화막 계열의 층간절연막(22)과, 층간절연막(22) 상에 형성된 CFA(24)와, CFA(24) 상에 형성된 OCM층(24)과 포토다이오드(21)와 오버랩되는 상부가 쐐기(V자, Wedge)형태의 마루 부분(X)을 이루며, 이웃하는 포토다이오드(21)와의 사이와 오버랩되는 상부에서 쐐기형의 골 부분(X')을 이루도록 OCM층(25) 상에 형성된 질화막 계열의 집광용절연막(25)을 구비하여 구성된다.2C is a cross-sectional view of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2C, an image sensor of the present invention includes a photodiode 21 and a photodiode 21 disposed on a substrate 20. An oxide layer-based interlayer insulating film 22 formed on the upper portion, a CFA 24 formed on the interlayer insulating film 22, and an upper portion overlapping with the OCM layer 24 and the photodiode 21 formed on the CFA 24 It is formed on the OCM layer 25 to form a wedge (V-shape) shaped floor portion X, and to form a wedge-shaped valley portion X 'at an upper portion overlapping with a neighboring photodiode 21. The light-emitting insulating film 25 of the nitride film series is provided.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 상세히 설명한다.An image sensor manufacturing process of the present invention having the above configuration will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2D.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부 구조가 형성된 결과물 상에 층간절연막(22)과 CFA(23) 및 OCM층(24)을 차례로 형성한 후, 그 상부에 집광용절연막(25)을 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, the interlayer insulating film 22, the CFA 23, and the OCM layer 24 are sequentially formed on the resultant formed substructure, and then the light collecting insulating film 25 is formed thereon. Form.
여기서, 도시된 도면부호 '21'은 포토다이오드를 나타내며, OCM(24)은 막 평탄화를 이루기 위해 1.5 정도의 굴절율을 갖는 산화막 계열을 사용하며, 집광용절연막(25)은 2.2 정도의 굴절율을 갖는 질화막 계열을 사용한다.Herein, reference numeral '21' denotes a photodiode, and the OCM 24 uses an oxide film series having a refractive index of about 1.5 to achieve planarization of the film, and the insulating insulating film 25 has a refractive index of about 2.2. Nitride film series is used.
이어서, 집광용절연막(25)을 패터닝하는 공정을 수행하는 바, 도 2b에 도시된 개략도를 참조하여 상세히 설명한다.Subsequently, a process of patterning the light collecting insulating layer 25 is performed, which will be described in detail with reference to the schematic diagram shown in FIG. 2B.
도 2b에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25) 상에 쐐기(V자, Wedge)형 마스크 패턴(30)을 형성하여 경사 식각을 실시한다. 이 때, 식각 특성 상 집광용절연막(25)은 마스크 패턴(30)의 경사진 부분과 동일하게 경사지게 식각된다.As shown in FIG. 2B, a wedge (V-shape) type mask pattern 30 is formed on the light collecting insulating layer 25 to perform oblique etching. At this time, the light collecting insulating layer 25 is inclined and etched in the same manner as the inclined portion of the mask pattern 30 due to the etching characteristics.
즉, 도 2c에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25)의 포토다이오드(21)와 오버랩되는 상부가 쐐기 형태의 마루 부분(X)을 이루게 된다. 한편, 포토다이오드(21)와 오버랩되지 않는 영역(즉, 이웃하는 포토다이오드(21)와의 사이와 오버랩되는 상부)은 골(X')이 형성되는 바, 골과 OCM(24) 사이의 거리는 후술하는 스넬의 법칙(Snell's law)에 근거하여 적절하게 조절할 수 있다.That is, as shown in FIG. 2C, an upper portion overlapping with the photodiode 21 of the light collecting insulating layer 25 forms a wedge-shaped floor portion X. On the other hand, in the region not overlapping with the photodiode 21 (that is, the upper portion overlapping with the neighboring photodiode 21), the valley X 'is formed, and the distance between the valley and the OCM 24 will be described later. This can be adjusted appropriately based on Snell's law.
상기한 바와 같은 구조로 형성된 본 발명의 이미지센서에서의 집광 원리를 도 2d를 참조하여 설명하면, 대기 중의 굴절율이 '1'이라고 가정했을 경우, 질화막 계열의 집광용절연막(25)의 굴절율은 '2.2' 정도이며, 하부의 층간절연막(22) 또는 OCM(24)의 굴절율은 '1.5' 정도이므로 스넬의 법칙에 의해Referring to FIG. 2d, the principle of condensing in the image sensor of the present invention having the above-described structure is assumed. When the refractive index in the atmosphere is' 1 ', the refractive index of the nitride-based insulating insulating film 25 is' 2.2 'and the refractive index of the lower interlayer insulating film 22 or OCM 24 is about' 1.5 'and according to Snell's law
즉, n1(대기중의 굴절율)＜ n2(집광용절연막의 굴절율) 이므로 θ1＞θ2가 되며, θ3＜θ4가 되므로, 집광용절연막(25)의 쐐기 내로 입사되는 빛은 포토다이오드(21)로 모두 집광시켜 줄 수가 있게 된다.That is, since n1 (refractive index in the air) <n2 (refractive index of the condensation insulating film), θ 1 > θ 2 and θ 3 <θ 4 , so that light incident into the wedge of the condensing insulating film 25 is photodiode. All of them can be condensed by (21).
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 집광용절연막(25) 상에 집광용절연막(25)의 굴절율보다 더 적은 산화막(26)을 추가로 형성하여 긁힘 등을 방지할 수 있는 보호막 역할을 수행할 수도 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 2C, an oxide film 26 having a refractive index smaller than that of the light collecting insulating film 25 is additionally formed on the light collecting insulating film 25 to serve as a protective film to prevent scratches and the like. It may be.
상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 종래의 마이크로 렌즈를 사용함으로 인하여 발생되는 렌즈간 간격에 의한 광 손실 또는 렌즈의 오염(Smear)에 따른노이즈 및 공정 상의 긁힘 또는 파티클의 영향을 최소로 하여 필 팩터를 100%에 가깝게 확대함으로써, 광감도의 향상과 오염에 의한 노이즈의 억제로 인한 S/N비의개선 및 다이내믹 레인지(Dynamic range)의 증가 등 단위 화소의 성능을 획기적으로 개선할 수 있으며, 마이크로 렌즈의 형성에 따른 공정 상의 번거로움을 피할 수 있으며, 패키지 공정 상에 발생할 수 있는 파티클 문제를 근본적으로 해결할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.The present invention made as described above, the fill factor by minimizing the effects of noise and process scratches or particles due to light loss or lens contamination due to the inter-lens spacing caused by using a conventional micro lens By expanding to nearly 100%, it is possible to dramatically improve the performance of the unit pixel, such as the improvement of the S / N ratio due to the improvement of light sensitivity and the suppression of noise caused by contamination, and the increase of the dynamic range. It can be seen through the examples that the process can be avoided due to the formation of the, and can fundamentally solve the particle problem that can occur on the packaging process.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은, 단위 화소의 빛 에너지 흡수율을 높임으로써, 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 공정 단순화에 의한 가격 경쟁력 확보를 동시에 이룰 수 있는 탁월한 효과가 있다.The present invention as described above, by increasing the light energy absorption rate of the unit pixel, can significantly improve the performance of the image sensor, there is an excellent effect that can at the same time secure the price competitiveness by the process simplification.
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