KR100518887B1 - Method of manufacturing image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광감도 특성 및 스위칭 기능을 향상시킴과 동시에 공정을 단순화하고 제조단가를 낮출 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing an image sensor that can improve the photosensitivity and switching function, and at the same time simplify the process and lower the manufacturing cost.
본 발명은 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의되고, 소자분리막에 의해 액티브 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 포토다이오드 및 트랜지스터 영역의 기판에 제 1 도전형 웰을 형성하는 단계; 트랜지스터 영역의 기판에 게이트 및 제 2 도전형 접합영역으로 이루어진 트랜지스터를 형성하는 단계; 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 2 도전형의 포토다이오드 하부전극을 형성하는 단계; 기판 전면 상에 하부전극을 노출시키는 제 1 콘택홀을 구비한 제 1 절연막을 형성하는 단계; 제 1 절연막 상에 제 1 콘택홀을 매립하면서 하부전극과 콘택하는 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 실리콘 패턴에 선택적 광반응성을 부여하여 실리콘 패턴을 칼라필터로 변화시키는 단계; 및 칼라필터에 제 1 도전형의 포토다이오드 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a first conductivity type semiconductor substrate in which a photodiode region and a transistor region are defined and an active region is defined by an isolation layer; Forming a first conductivity type well in the substrate of the photodiode and transistor regions; Forming a transistor comprising a gate and a second conductivity type junction region in a substrate of the transistor region; Forming a photodiode bottom electrode of a second conductivity type on a surface of the substrate in the photodiode region; Forming a first insulating film having a first contact hole exposing a lower electrode on a front surface of the substrate; Forming a silicon pattern in contact with the lower electrode while filling the first contact hole on the first insulating layer; Converting the silicon pattern into a color filter by imparting selective photoreactivity to the silicon pattern; And forming a photodiode upper electrode of the first conductivity type in the color filter.
Description
본 발명은 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토다이오드와 칼라필터가 하나로 통합된 구조를 가지는 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a manufacturing method of an image sensor, and more particularly, to a manufacturing method of an image sensor having a structure in which a photodiode and a color filter are integrated into one.
일반적으로, 이미지센서는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서의 경우에는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서에서는 광감지 부분 상에 레드(Red; R), 그린(Green; G), 블루(Blue; B)의 3가지 칼라필터로 이루어진 칼라필터 어레이(Color Filter Array; CFA)가 구비되고, 광감도 향상을 위해 마이크로렌즈가 구비된다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is composed of an optical sensing part that senses light and a logic circuit part that processes the sensed light into an electrical signal to make data. (Complementary Metal Oxide Semiconductor) In the case of image sensor, CMOS technology is used to make MOS transistors by the number of pixels, and the switching method is used to detect the output sequentially. In addition, in the image sensor for implementing a color image, a color filter array including three color filters of red (R), green (G), and blue (B) on the light sensing portion CFA) and a microlens for improving light sensitivity.
도 1은 이러한 종래 이미지센서의 단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 포토다이오드, 네이티브(native) NMOS 트랜지스터 및 노멀(normal) NMOS 트랜지스터 영역이 정의된 P형 반도체 기판(10)에 소자분리막(11)이 형성되고, 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판(10)에는 P-웰(12)이 형성되며, 각각의 트랜지스터 영역에는 기판(10) 상부에 형성된 게이트 절연막(13) 및 게이트(14)와 기판(10) 표면에 형성된 소오스/드레인의 N＋ 접합영역(15a, 15b, 15c)으로 이루어진 NMOS 트랜지스터가 형성되어 있다. 게이트(14) 측벽에는 절연막의 스페이서(16)가 형성되고, 포토다이오드 영역에는 기판(10) 내부에 형성된 딥(deep) N- 불순물영역(17)의 하부전극과 그 표면에 형성된 P0 불순물 영역(18)의 상부전극으로 이루어진 포토다이오드가 형성되어 있다. 또한, 기판 전면 상에는 트랜지스터 및 포토다이오드를 덮으면서 접합영역(15a, 15b, 15c)을 노출시키는 콘택홀을 구비한 제 1 절연막(19)이 형성되고, 제 1 절연막(19) 상에는 콘택홀을 매립하면서 접합영역(15a, 15b, 15c)과 콘택하는 배선(20)이 형성되며, 배선(20)을 덮도록 기판 전면 상에 제 2 절연막(21)이 형성되어 있다. 포토다이오드 영역의 제 2 절연막(21) 상부에는 칼라필터(22)가 형성되고, 칼라필터(22)를 덮도록 기판 전면 상에 보호막(23)이 형성되며, 포토다이오드 영역의 보호막(23) 상부에는 마이크로렌즈(24)가 형성되어 있다.FIG. 1 is a cross-sectional view of the conventional image sensor, and as shown in FIG. 1, an isolation layer (P) in a P-type semiconductor substrate 10 in which photodiodes, native NMOS transistors, and normal NMOS transistor regions are defined. 11, a P-well 12 is formed in the substrate 10 of the normal NMOS transistor region, and the gate insulating layer 13 and the gate 14 and the substrate formed on the substrate 10 are formed in each transistor region. (10) An NMOS transistor formed of N + junction regions 15a, 15b, and 15c of source / drain formed on the surface is formed. A spacer 16 of an insulating layer is formed on the sidewall of the gate 14, and a lower electrode of the deep N − impurity region 17 formed inside the substrate 10 and a P 0 impurity region formed on the surface thereof are formed in the photodiode region. A photodiode consisting of the upper electrode of 18 is formed. Further, a first insulating film 19 having a contact hole exposing the junction regions 15a, 15b and 15c while covering the transistor and the photodiode is formed on the entire surface of the substrate, and the contact hole is buried on the first insulating film 19. While the wiring 20 is in contact with the junction regions 15a, 15b, and 15c, a second insulating film 21 is formed on the entire surface of the substrate so as to cover the wiring 20. A color filter 22 is formed on the second insulating film 21 in the photodiode region, and a protective film 23 is formed on the entire surface of the substrate so as to cover the color filter 22, and an upper portion of the protective film 23 in the photodiode region. The microlens 24 is formed in this.
한편, 이미지센서에서 우수한 광감도 특성을 얻기 위해서는 광감지 부분인 포토다이오드의 면적 확보가 중요하다. 그러나, 상술한 종래의 이미지센서에서는 포토다이오드의 상부전극이 트랜지스터의 접합영역과 동일 평면상에 형성되기 때문에, 포토다이오드의 면적 확보에 한계가 있을 뿐만 아니라, 포토다이오드에 인접한 트랜지스터 등의 스위칭 소자의 면적도 제한되는 문제가 있다.On the other hand, it is important to secure the area of the photodiode, which is a light sensing part, in order to obtain excellent light sensitivity characteristics in the image sensor. However, in the above-described conventional image sensor, since the upper electrode of the photodiode is formed on the same plane as the junction region of the transistor, there is a limit in securing the area of the photodiode and the switching of a switching element such as a transistor adjacent to the photodiode. There is also a problem that the area is limited.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜지스터는 상기와 같이 기판(10) 상에 형성하고, 실리콘 패턴(100)을 이용하여 포토다이오드 상부전극인 P0 불순물영역(18a)은 제 1 절연막(19) 상부에 형성하여 트랜지스터와 다른 평면상에 위치하도록 하여, 포토다이오드의 면적을 극대화하고 트랜지스터의 면적을 충분히 확보하는 방법이 제시되었다.In order to solve this problem, as shown in FIG. 2, the transistor is formed on the substrate 10 as described above, and the P 0 impurity region 18a as the photodiode upper electrode is formed using the silicon pattern 100. A method of maximizing the area of the photodiode and sufficiently securing the area of the transistor has been proposed to be formed on the first insulating film 19 and positioned on a plane different from the transistor.
그러나, 상술한 방법에서는 실리콘 패턴(100) 형성을 위해 추가적인 패터닝 공정을 더 수행하여야 할뿐만 아니라 포토다이오드 상부전극과 배선(20)을 절연시키기 위한 별도의 절연막(19b) 형성공정을 더 수행하여야 하므로, 공정이 복잡하고 제조단가가 높다는 또 다른 문제가 발생하게 된다.However, in the above-described method, an additional patterning process must be further performed to form the silicon pattern 100, and a separate insulating film 19b for insulating the photodiode upper electrode and the wiring 20 must be further performed. Another problem arises in that the process is complicated and manufacturing costs are high.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광감도 특성 및 스위칭 기능을 향상시킴과 동시에 공정을 단순화하고 제조단가를 낮출 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a method of manufacturing an image sensor that can simplify the process and lower the manufacturing cost while improving the light sensitivity characteristics and switching functions. .
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의되고, 소자분리막에 의해 액티브 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 포토다이오드 및 트랜지스터 영역의 기판에 제 1 도전형 웰을 형성하는 단계; 트랜지스터 영역의 기판에 게이트 및 제 2 도전형 접합영역으로 이루어진 트랜지스터를 형성하는 단계; 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 2 도전형의 포토다이오드 하부전극을 형성하는 단계; 기판 전면 상에 하부전극을 노출시키는 제 1 콘택홀을 구비한 제 1 절연막을 형성하는 단계; 제 1 절연막 상에 제 1 콘택홀을 매립하면서 하부전극과 콘택하는 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 실리콘 패턴에 선택적 광반응성을 부여하여 실리콘 패턴을 칼라필터로 변화시키는 단계; 칼라필터에 제 1 도전형의 포토다이오드 상부전극을 형성하는 단계; 상부전극을 덮도록 기판 전면 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 제 1 및 제 2 절연막을 패터닝하여 접합영역을 노출시키는 제 2 콘택홀을 형성하는 단계; 제 2 절연막 상에 제 2 콘택홀을 매립하면서 접합영역과 콘택하는 배선을 형성하는 단계; 기판 전면 상에 보호막을 형성하는 단계; 및 포토다이오드 영역 상의 보호막 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, an object of the present invention is to prepare a first conductive semiconductor substrate in which a photodiode region and a transistor region is defined, the active region is defined by an element isolation film Doing; Forming a first conductivity type well in the substrate of the photodiode and transistor regions; Forming a transistor comprising a gate and a second conductivity type junction region in a substrate of the transistor region; Forming a photodiode bottom electrode of a second conductivity type on a surface of the substrate in the photodiode region; Forming a first insulating film having a first contact hole exposing a lower electrode on a front surface of the substrate; Forming a silicon pattern in contact with the lower electrode while filling the first contact hole on the first insulating layer; Converting the silicon pattern into a color filter by imparting selective photoreactivity to the silicon pattern; Forming a photodiode upper electrode of a first conductivity type on the color filter; Forming a second insulating film on the entire surface of the substrate to cover the upper electrode; Patterning the first and second insulating films to form a second contact hole exposing the junction region; Forming a wiring contacting the junction region while filling the second contact hole on the second insulating film; Forming a protective film on the entire surface of the substrate; And forming a microlens on an upper portion of the passivation layer on the photodiode region.
바람직하게, 실리콘 패턴은 폴리실리콘막 또는 비정질실리콘막으로, 제 1 절연막 상에서 포토다이오드 영역에 인접한 트랜지스터의 게이트를 덮도록 형성하고, 실리콘 패턴을 칼라필터로 변화시키는 단계는 이온주입공정으로 수행한다.Preferably, the silicon pattern is a polysilicon film or an amorphous silicon film, formed on the first insulating film so as to cover the gate of the transistor adjacent to the photodiode region, and the silicon pattern is changed into a color filter by an ion implantation process.
또한, 포토다이오드 하부전극은 불순물영역으로 이루어지고, 포토다이오드 상부전극은 칼라필터에만 불순물을 이온주입하여 형성하거나, 칼라필터 상부에 도핑된 폴리실리콘막을 적층하거나, 금속막 또는 금속화합물층을 적층하여 형성한다.In addition, the photodiode lower electrode is formed of an impurity region, and the photodiode upper electrode is formed by ion implantation of impurities only in the color filter, a doped polysilicon film is laminated on the color filter, or a metal film or a metal compound layer is laminated. do.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a에 도시된 바와 같이, 포토다이오드, 네이티브 NMOS 트랜지스터 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역이 정의된 P형 반도체 기판(30)에 STI 공정에 의해 소자분리막(31)을 형성하여 액티브 영역을 정의한다. 그 다음, 포토리소그라피 공정에 의해 기판(30) 상에 노멀 NMOS 트랜지스터 영역뿐만 아니라 포토다이오드 및 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역을 모두 오픈시키는 제 1 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 오픈된 영역으로 P형 불순물을 이온주입(33)하여 P-웰(32)을 형성한 후, 공지된 방법에 의해 마스크 패턴을 제거한다. As shown in FIG. 3A, the device isolation layer 31 is formed on the P-type semiconductor substrate 30 in which the photodiode, the native NMOS transistor, and the normal NMOS transistor region are defined by an STI process to define an active region. Next, a first mask pattern (not shown) is formed on the substrate 30 to open both the photodiode and the native NMOS transistor region, as well as the normal NMOS transistor region, on the substrate 30 by a photolithography process. After ion implantation 33 to form the P-well 32, the mask pattern is removed by a known method.
도 3b에 도시된 바와 같이, 각각의 트랜지스터 영역의 기판(30) 상에는 게이트 절연막(33)과 게이트(34)를 형성하고, 기판(30) 내부에는 소오스/드레인의 N＋ 접합영역(35a, 35b, 35c)을 형성하여 NMOS 트랜지스터를 완성한다. 그 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 게이트(34) 측벽에 절연막의 스페이서(36)를 형성하고, 포토다이오드 영역의 기판(30) 표면에 포토다이오드의 하부전극으로서 N- 불순물영역(37)을 형성한다.As shown in FIG. 3B, a gate insulating film 33 and a gate 34 are formed on the substrate 30 of each transistor region, and the N + junction regions 35a and 35b of the source / drain are formed inside the substrate 30. , 35c) to complete the NMOS transistor. Next, as shown in FIG. 3C, a spacer 36 of an insulating film is formed on the sidewall of the gate 34, and the N − impurity region 37 is formed as a lower electrode of the photodiode on the surface of the substrate 30 of the photodiode region. To form.
도 3d에 도시된 바와 같이, 기판 전면 상에 제 1 절연막(38)을 증착하고, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 패터닝하여 N- 불순물영역(38)을 노출시키는 제 1 콘택홀을 형성한다. 그 후, 제 1 콘택홀을 매립하도록 제 1 절연막(38) 상부에 실리콘막을 증착하고, 포토다이오드 영역과 인접하는 트랜지스터의 게이트(34)를 덮도록 패터닝하여 N- 불순물영역(38)과 콘택하는 실리콘 패턴(39)을 형성한다. 바람직하게, 실리콘 패턴(39)은 폴리실리콘 또는 비정질실리콘막으로 이루어진다.As shown in FIG. 3D, the first insulating layer 38 is deposited on the entire surface of the substrate, and patterned by photolithography and etching to form a first contact hole exposing the N − impurity region 38. Thereafter, a silicon film is deposited on the first insulating film 38 so as to fill the first contact hole, and patterned to cover the gate 34 of the transistor adjacent to the photodiode region to contact the N − impurity region 38. The silicon pattern 39 is formed. Preferably, the silicon pattern 39 is made of polysilicon or an amorphous silicon film.
도 3e에 도시된 바와 같이, 포토리소그라피 공정에 의해 제 1 절연막(38) 상부에 실리콘 패턴(39)만을 오픈시키는 제 2 마스크 패턴(40)을 형성하고, 이온주입공정(41)에 의한 특정 불순물 확산 또는 패턴 자체의 성질변화를 통해 실리콘 패턴(38)에 선택적 광반응성을 부여하여 실리콘 패턴(38)을 특정 색의 광을 흡수하는 칼라필터(42)로 변화시킨다. As shown in FIG. 3E, a second mask pattern 40 is formed on the first insulating film 38 to open only the silicon pattern 39 by a photolithography process, and specific impurities are formed by the ion implantation process 41. Selective photoreactivity is given to the silicon pattern 38 through diffusion or property change of the pattern itself, thereby changing the silicon pattern 38 to a color filter 42 that absorbs light of a specific color.
도 3f에 도시된 바와 같이, 칼라필터(42)에 P형 불순물을 이온주입하여 칼라필터(42) 표면에 포토다이오드 상부전극으로서 P0 불순물영역(43)을 형성하여 포토다이오드를 완성한다. 이때, 포토다이오드 상부전극은 P0 불순물영역(43) 대신 칼라필터(42) 상부에 P0 도핑된 폴리실리콘막이나 금속막 또는 금속화합물층을 적층하여 형성할 수도 있다. 그 후, 공지된 방법에 의해 제 2 마스크 패턴(40)을 제거한다.As illustrated in FIG. 3F, P-type impurities are implanted into the color filter 42 to form a P 0 impurity region 43 as a photodiode upper electrode on the surface of the color filter 42 to complete the photodiode. In this case, the photodiode upper electrode may be formed by stacking a P 0 doped polysilicon film, a metal film, or a metal compound layer on the color filter 42 instead of the P 0 impurity region 43. Thereafter, the second mask pattern 40 is removed by a known method.
도 3g에 도시된 바와 같이, 기판 전면 상에 제 2 절연막(44)을 증착하고, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 제 1 절연막(38)과 제 2 절연막(44)을 패터닝하여 접합영역(35a, 35b, 35c)을 노출시키는 제 2 콘택홀을 형성한다. 그 다음, 제 2 콘택홀을 매립하도록 제 2 절연막(44) 상부에 배선용 물질막을 증착하고 패터닝하여 접합영역(35a, 35b, 35c)과 콘택하는 배선(45)을 형성한다. 그 후, 기판 전면 상에 보호막(46)을 증착하고, 포토다이오드 영역의 보호막(46) 상부에 마이크로렌즈(47)를 형성한다.As shown in FIG. 3G, the second insulating film 44 is deposited on the entire surface of the substrate, and the first insulating film 38 and the second insulating film 44 are patterned by photolithography and etching to form the junction region 35a, Second contact holes exposing 35b and 35c are formed. Subsequently, a wiring material layer is deposited and patterned on the second insulating layer 44 to fill the second contact hole, thereby forming the wiring 45 in contact with the junction regions 35a, 35b, and 35c. Thereafter, the protective film 46 is deposited on the entire surface of the substrate, and the microlens 47 is formed on the protective film 46 in the photodiode region.
상기 실시예에 의하면, 실리콘 패턴을 이용하여 트랜지스터와 포토다이오드 상부전극을 다른 평면상에 위치하도록 하여 포토다이오드의 면적을 극대화하고 트랜지스터의 면적을 충분히 확보할 수 있으므로 광감도 특성 및 스위칭 기능을 개선할 수 있게 된다. 또한, 실리콘 패턴을 소정의 공정에 의해 칼라필터로 변화시켜 칼라필터와 포토다이오드의 상부전극을 하나로 통합하여 형성함으로써, 공정을 단순화할 수 있고, 이에 따라 제조단가를 낮출 수 있게 된다.According to the above embodiment, the area of the photodiode can be maximized and the transistor can be sufficiently secured by placing the transistor and the photodiode upper electrode on different planes using a silicon pattern, thereby improving the light sensitivity characteristics and switching function. Will be. In addition, by changing the silicon pattern to a color filter by a predetermined process to form a color filter and the upper electrode of the photodiode integrated into one, the process can be simplified, thereby reducing the manufacturing cost.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
전술한 본 발명은 이미지센서의 광감도 특성 및 스위칭 기능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조공정을 단순화하여 제조단가를 낮출 수 있다. The above-described present invention can not only improve the light sensitivity characteristic and the switching function of the image sensor, but can also simplify the manufacturing process and lower the manufacturing cost.
도 1은 종래의 이미지센서의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional image sensor.
도 2는 종래의 개선된 이미지센서의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional improved image sensor.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of symbols for main parts of drawing
30 : P형 반도체 기판 31 : 소자분리막30 P-type semiconductor substrate 31 device isolation film
32 : P-웰 33 : 게이트 절연막32: P-well 33: gate insulating film
34 : 게이트 35a, 35b, 35c : N＋ 접합영역34: gate 35a, 35b, 35c: N + junction area
36 : 스페이서 37 : N- 불순물영역36 spacer 37: N - impurity region
38, 44 : 절연막 39 : 실리콘 패턴38, 44 insulating film 39: silicon pattern
40 : 마스크 패턴 41 : 이온주입40 mask pattern 41 ion implantation
42 : 칼라필터 43 : P0 불순물영역42: color filter 43: P 0 impurity region
45 : 배선 46 : 보호막45: wiring 46: protective film
47 : 마이크로렌즈47: microlens
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