KR100718771B1 - Manufacturing method of image sensor with improved light sensitivity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서의 다층 메탈라인 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제로 인한 광 감도 저하를 방지하고, 광 감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상부에 배치된 마이크로렌즈; 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 절연막; 상기 절연막을 관통하여 상기 포토다이오드를 둘러싸도록 상기 마이크로렌즈로부터 상기 포토다이오드로 이어지는 광 통로의 주위에 배치된 반사 벽을 포함하는 이미지센서를 제공한다.The present invention is to provide an image sensor and a method for manufacturing the same, which can prevent the optical sensitivity degradation due to a structural problem including a multilayer metal line of the image sensor and an insulating film therebetween, and improve the optical sensitivity. The present invention provides a photodiode provided on a substrate; A microlens disposed above the photodiode so as to overlap the photodiode; An insulating film disposed between the photodiode and the microlens; And a reflective wall disposed around a light passage from the microlens to the photodiode so as to penetrate the insulating film to surround the photodiode.
또한, 본 발명은, 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 관통하여 상기 포토다이오드를 둘러싸며, 마이크로렌즈로부터 상기 포토다이오드로 이어지는 광 통로의 주위에 배치되도록 반사 벽을 형성하는 단계; 및 상기 반사 벽 및 상기 절연막이 형성된 상부에 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, forming a photodiode on the substrate; Forming an insulating film on the photodiode; Forming a reflective wall through the insulating film to surround the photodiode and to be disposed around a light path from a microlens to the photodiode; And forming a microlens to overlap the photodiode on the reflective wall and the insulating layer.
이미지센서, 반사 벽, 저밀도 액상 코팅 산화막, HSQ, 절연막, 광 통로. Image sensor, reflective wall, low density liquid coating oxide, HSQ, insulating film, light path.
Description
도 1은 RGB 색상이 모두 나타나도록 배열된 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도.1 is a cross-sectional view showing unit pixels of a CMOS image sensor arranged so that all RGB colors appear.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 CMOS 이미지센서를 도시한 단면도.2 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 서로 다른 밀도를 갖는 매질을 통과할 경우의 입사각 및 굴절각을 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining the angle of incidence and the angle of refraction when passing through media having different densities.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시 예에 따른 저밀도 액상 코팅 산화막으로 이루어진 반사 벽 형성 공정을 도시한 단면도.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a reflective wall forming process of a low density liquid coating oxide film according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
SUB : 기판 Fox : 필드 산화막SUB: Substrate Fox: Field Oxide
PMD : 메탈라인 형성 전 절연막 M1 ∼ M4 : 메탈라인PMD: Insulation film before metal line formation M1 to M4: Metal line
IMD1 ∼ IMD3 : 메탈라인 간 절연막 PL : 보호막IMD1 to IMD3: Insulation between metal lines PL: Protective film
OCL1, OCL2 : 오버코팅 레이어 CFA : 칼라필터 어레이OCL1, OCL2: Overcoat Layer CFA: Color Filter Array
ML : 마이크로렌즈 PSL : 보호막ML: Microlens PSL: Protective Film
LDO : 저밀도 액상 코팅 산화막LDO: Low Density Liquid Coating Oxide
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 광 감도가 향상된 이미지센서의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to a structure of an image sensor with improved light sensitivity and a method of manufacturing the same.
CMOS 이미지센서는 현재 모바일 폰(Mobile phone), PC(Personal Computer)용 카메라(Camera) 및 전자기기 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스(Device)이다. CMO 이미지센서는 기존에 이미지센서로 사용되던 CCD(Charge Coupled Device)에 비해 구동방식이 간편하며, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 한 칩에 집적할 수 있어서 SOC(System On Chip)이 가능하므로 모듈의 소형화를 가능하게 한다. CMOS image sensors are devices widely used in mobile phones, cameras for personal computers (PCs), and electronic devices. CMO image sensor is simpler to drive than CCD (Charge Coupled Device) which is used as image sensor, and it is possible to integrate signal processing circuit into one chip so that SOC (System On Chip) is possible. Allows the module to be miniaturized.
또한, 기존에 셋-업(Set-up)된 CMOS 기술을 호환성 있게 사용할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다. In addition, since the conventional set-up CMOS technology can be used interchangeably, it has many advantages, such as lowering the manufacturing cost.
도 1은 RGB 색상이 모두 나타나도록 배열된 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing unit pixels of a CMOS image sensor arranged so that all RGB colors appear.
도 1을 참조하면, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층된 구조를 갖는 기판(SUB)에 국부적으로 필드 산화막(FOX)이 형성되어 있으며, 기판(SUB) 상에는 트랜스퍼 게이트(도시하지 않음)를 포함한 복수의 게이트전극이 형성되어 있 으며, 예컨대, 트랜스퍼 게이트의 일측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(도시하지 않음)과 기판(SUB)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(도시하지 않음)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 이 경우 트랜스퍼 게이트의 타측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 이온주입에 의한 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산영역이 형성된다. Referring to FIG. 1, a field oxide film FOX is formed locally on a substrate SUB having a structure in which a high concentration of P-type (P ++) region and an epi layer (P-epi) are stacked, and on the substrate SUB. A plurality of gate electrodes including a transfer gate (not shown) are formed, for example, an N-zero region (not shown) by deep ion implantation under the surface of the substrate SUB aligned on one side of the transfer gate. And a P-type region (not shown) positioned in a region in contact with the surface of the substrate SUB. Although not shown in the drawing, in this case, a highly concentrated N-type (N +) floating diffusion region is formed under the surface of the substrate SUB aligned on the other side of the transfer gate by ion implantation.
포토다이오드(PD) 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 전면에 메탈라인 형성 전 절연막(Pre-Metal Dielectric; 이하 PMD라 함)이 형성되어 있으며, PMD 상에 제1메탈라인(M1)이 형성되어 있다. The pre-metal dielectric (hereinafter referred to as PMD) is formed on the entire surface of the photodiode PD and the transfer gate, and the first metal line M1 is formed on the PMD.
제1메탈라인(M1) 상에는 제1메탈라인 간 절연막(Inter-Metal Dielectric-1; 이하 IMD1이라 함)이 형성되어 있으며, IMD1 상에는 제2메탈라인(M2)이 형성되어 있다. 제2메탈라인(M2) 상에는 제2메탈라인 간 절연막(IMD2)이 형성되어 있으며, IMD2 상에는 제3메탈라인(M3)이 형성되어 있다. 제3메탈라인(M3) 상에는 제3메탈라인 간 절연막(IMD3)이 형성되어 있으며, IMD3 상에는 제4메탈라인(M4)이 형성되어 있다.An inter-metal dielectric (hereinafter, referred to as IMD1) is formed on the first metal line M1, and a second metal line M2 is formed on the IMD1. A second intermetallic insulating film IMD2 is formed on the second metal line M2, and a third metal line M3 is formed on the IMD2. The third intermetallic insulating film IMD3 is formed on the third metal line M3, and the fourth metalline M4 is formed on the IMD3.
제1 ∼ 제4메탈라인(M1 ∼ M4)은 전원라인 또는 신호라인과 단위화소 및 로직회로를 접속시키기 위한 것으로, 포토다이오드(PD) 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드의 역할을 동시에 한다.The first to fourth metal lines M1 to M4 are used to connect power lines, signal lines, unit pixels, and logic circuits, and serve as a shield to prevent light from being incident on a region other than the photodiode PD. At the same time.
아울러, 여기서는 제4메탈라인(M4)이 최종 메탈라인인 것으로 나타나 있으나, 이보다 제5 또는 제6 등 그 이상의 메탈라인을 포함하는 경우도 존재한다.In addition, although the fourth metal line M4 is shown as a final metal line, the fourth metal line M4 may include a fifth or sixth metal line or more.
제4메탈라인(M4) 상에는 하부 구조의 보호(Passivation)를 위한 보호막(Passivation Layer; 이하 PL이라 함)이 형성되어 있으며, PL 상에는 칼라필터 어레이 형성시 공정 마진 확보를 위한 제1오버코팅 레이어(Over Coating Layer-1); 이하 OCL1이라 함)이 형성되어 있으며, OCL1 상에는 각 단위화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터 어레이(Color Filter Array; 이하 CFA라 함)가 형성되어 있다.A passivation layer (hereinafter referred to as PL) is formed on the fourth metal line M4 to passivate the underlying structure, and on the PL, a first overcoating layer for securing process margin when forming a color filter array (PL). Over Coating Layer-1); A color filter array (hereinafter referred to as a CFA) for implementing RGB color is formed on each unit pixel.
통상의 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.R (Red) G (Green) B (Blue), which is the three primary colors of ordinary light, is used. In addition, yellow, magenta (Mg), and cyan (Cy), which are complementary colors, may be used. .
여기서, PL은 통상 질화막/산화막의 2중 구조로 이루어진다.Here, PL usually consists of a double structure of a nitride film / oxide film.
CFA 상에는 마이크로렌즈 형성시 공정 마진 확보를 위한 제2오버코팅 레이어(이하 OCL2라 함)이 형성되어 있으며, OCL2 상에는 마이크로렌즈(Micro-Lens; 이하 ML이라 함)가 형성되어 있다. A second overcoating layer (hereinafter referred to as OCL2) is formed on the CFA to secure process margins when forming the microlens, and a microlens (hereinafter referred to as ML) is formed on the OCL2.
ML 상에는 ML이 긁히거나 파손되는 것을 방지하기 위한 보호막(이하 PSL이라 함)이 형성되어 있다. 입사된 빛은 마이크로렌즈(ML)에 의해 포커싱되어 포토다이오드(PD)로 입사한다. On the ML, a protective film (hereinafter referred to as PSL) is formed to prevent the ML from being scratched or broken. The incident light is focused by the microlens ML and enters the photodiode PD.
도시된 바와 같이, 포토다이오드(PD)와 칼라필터 어레이(CFA) 사이에는 M1 ∼ M4의 메탈라인과 그 사이의 복수의 절연막(PMD, PL, IMD1 ∼ IMD3)을 포함하고 있다.As shown, a metal line of M1 to M4 and a plurality of insulating films PMD, PL, and IMD1 to IMD3 are included between the photodiode PD and the color filter array CFA.
이렇듯, 메탈라인의 수가 증가할 수록 ML로부터 포토다이오드(PD)로의 거리는 멀어지게 된다. 따라서, ML의 초점이 정확히 포토다이오드(PD)의 표면에 형성되지 않고 중간에 형성되거나 포토다이오드(PD)에서 벗어난 곳에 형성될 가능성이 높 다. As such, as the number of metal lines increases, the distance from the ML to the photodiode PD increases. Therefore, it is highly likely that the focal point of the ML is not formed on the surface of the photodiode PD but is formed in the middle or out of the photodiode PD.
도면부호 'a'는 ML로부터 입사된 빛이 포토다이오드(PD)까지 전달되는 것을 나타내고, 도면부호 'b'는 이와는 반대로 포토다이오드(PD)까지 전달되지 못하고 인접 화소에 영향을 미치는 것을 나타낸다.Reference numeral 'a' indicates that light incident from the ML is transmitted to the photodiode PD, and 'b', on the contrary, indicates that the light is not transmitted to the photodiode PD and affects adjacent pixels.
이러한 현상이 발생하면, 빛의 손실이 생겨 포토다이오드(PD)에서 생성하는 전류의 양이 감소하여 선명한 이미지를 얻을 수 없으며, 신뢰성이 저하된다.When this phenomenon occurs, the loss of light occurs, the amount of current generated by the photodiode PD is reduced to obtain a clear image, the reliability is degraded.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 이미지센서의 다층 메탈라인 및 그 사이의 절연막을 포함하는 구조적인 문제로 인한 광 감도 저하를 방지하고, 광 감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention proposed to solve the problems of the prior art, it is possible to prevent the optical sensitivity degradation due to the structural problems including the multilayer metal line of the image sensor and the insulating film therebetween, and can improve the optical sensitivity It is an object of the present invention to provide an image sensor and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상부에 배치된 마이크로렌즈; 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 절연막; 상기 절연막을 관통하여 상기 포토다이오드를 둘러싸도록 상기 마이크로렌즈로부터 상기 포토다이오드로 이어지는 광 통로의 주위에 배치된 반사 벽을 포함하는 이미지센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a photodiode provided on the substrate; A microlens disposed above the photodiode so as to overlap the photodiode; An insulating film disposed between the photodiode and the microlens; And a reflective wall disposed around a light passage from the microlens to the photodiode so as to penetrate the insulating film to surround the photodiode.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 포토다이오드를 형성 하는 단계; 상기 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 관통하여 상기 포토다이오드를 둘러싸며, 마이크로렌즈로부터 상기 포토다이오드로 이어지는 광 통로의 주위에 배치되도록 반사 벽을 형성하는 단계; 및 상기 반사 벽 및 상기 절연막이 형성된 상부에 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention in order to achieve the above object, forming a photodiode on the substrate; Forming an insulating film on the photodiode; Forming a reflective wall through the insulating film to surround the photodiode and to be disposed around a light path from a microlens to the photodiode; And forming a microlens to overlap the photodiode on the reflective wall and the insulating layer.
도 3은 서로 다른 밀도를 갖는 매질을 통과할 경우의 입사각 및 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining an incident angle and a refractive angle when passing through media having different densities.
'A'와 'B'의 서로 다른 밀도를 갖는 매질이 존재하고, 'A'가 'B'에 비해 밀도가 크다. 즉, η1 ＜ η2이다. 또한, 각도는 입사각(θ2) ＜ 굴절각(θ1)이다.There are media with different densities of 'A' and 'B', and 'A' is denser than 'B'. That is, eta 1 <eta 2. Incidentally, the angle is the incident angle θ2 <the refraction angle θ1.
도 3을 참조하면, 밀도가 큰 매질(A)에서 밀도가 작은 매질(B)로 입사하는 빛은 입사각(θ2) 보다 큰 굴절각(θ1)을 가지며, θ2가 점차 증가하게 되면, 굴절각(θ1)이 90가 넘게 되어 전반사되는 각이 생기게 되며, 이를 임계각이라고 한다.Referring to FIG. 3, the light incident from the high density medium A to the low density medium B has a
본 발명은, 이렇듯 밀도가 큰 물질에서 작은 매질로 빛이 통과할 때 굴절각이 커지며, 임계각 이상에서는 전반사가 일어나는 광섬유의 원리를 이용한다. 즉, 단위 화소의 포토다이오드를 둘러싸는 형태로 메탈라인 사이의 절연막을 뚫고 절연막에 비해 굴절률이 낮은, 즉 밀도가 낮은 저밀로 액상 코팅 산화막을 형성함으로써, 포토다이오드 방향으로 전반사를 유도하여 포토다이오드로 빛을 모을 수 있도록 한다. 여기서, 굴절률은 밀도의 함수이기 때문에 굴절률이 낮다는 의미는 곧 밀도가 낮다는 의미와 같다. The present invention utilizes the principle of the optical fiber in which the angle of refraction increases when light passes from a material having a high density to a small medium, and total reflection occurs above the critical angle. That is, by forming a liquid-coated oxide film having a low refractive index, that is, a low density, that forms a liquid-coated oxide film that penetrates an insulating film between metal lines in a form surrounding a photodiode of a unit pixel, inducing total reflection in the photodiode direction to the photodiode. Make sure you collect the light. Here, since the refractive index is a function of the density, the low refractive index is equivalent to the low density.
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 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 CMOS 이미지센서를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기판(SUB)에 국부적으로 필드 산화막(FOX)이 형성되어 있으며, 기판(SUB) 상에는 트랜스퍼 게이트(도시하지 않음)를 포함한 복수의 게이트전극이 형성되어 있으며, 예컨대, 트랜스퍼 게이트의 일측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(도시하지 않음)과 기판(SUB)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(도시하지 않음)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 이 경우 트랜스퍼 게이트의 타측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 이온주입에 의한 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산영역이 형성된다. Referring to FIG. 2, a field oxide film FOX is formed locally on a substrate SUB, and a plurality of gate electrodes including a transfer gate (not shown) are formed on the substrate SUB, for example, a transfer gate. The photo is composed of an N-zero region (not shown) by deep ion implantation below the surface of the substrate SUB aligned on one side of the substrate and a P-type region (not shown) located in the region in contact with the surface of the substrate SUB. Diode PD is formed. Although not shown in the drawing, in this case, a highly concentrated N-type (N +) floating diffusion region is formed under the surface of the substrate SUB aligned on the other side of the transfer gate by ion implantation.
포토다이오드(PD) 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 전면에 메탈라인 형성 전 절연막(Pre-Metal Dielectric; 이하 PMD라 함)이 형성되어 있으며, PMD 상에 제1메탈라인(M1)이 형성되어 있다. The pre-metal dielectric (hereinafter referred to as PMD) is formed on the entire surface of the photodiode PD and the transfer gate, and the first metal line M1 is formed on the PMD.
제1메탈라인(M1) 상에는 제1메탈라인 간 절연막(Inter-Metal Dielectric-1; 이하 IMD1이라 함)이 형성되어 있으며, IMD1 상에는 제2메탈라인(M2)이 형성되어 있다. 제2메탈라인(M2) 상에는 제2메탈라인 간 절연막(IMD2)이 형성되어 있으며, IMD2 상에는 제3메탈라인(M3)이 형성되어 있다. 제3메탈라인(M3) 상에는 제3메탈라 인 간 절연막(IMD3)이 형성되어 있으며, IMD3 상에는 제4메탈라인(M4)이 형성되어 있다.An inter-metal dielectric (hereinafter, referred to as IMD1) is formed on the first metal line M1, and a second metal line M2 is formed on the IMD1. A second intermetallic insulating film IMD2 is formed on the second metal line M2, and a third metal line M3 is formed on the IMD2. A third metal interlayer insulating film IMD3 is formed on the third metal line M3, and a fourth metal line M4 is formed on the IMD3.
제1 ∼ 제4메탈라인(M1 ∼ M4)은 전원라인 또는 신호라인과 단위화소 및 로직회로를 접속시키기 위한 것으로, 포토다이오드(PD) 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드의 역할을 동시에 한다.The first to fourth metal lines M1 to M4 are used to connect power lines, signal lines, unit pixels, and logic circuits, and serve as a shield to prevent light from being incident on a region other than the photodiode PD. At the same time.
여기서, 트랜지스터는 리셋 트랜지스터와 드라이브 트랜지스터와 셀렉트 트랜지스터 등을 포함하며, 4개의 트랜지스터를 포함하는 구조일 경우에는 트랜스퍼 트랜지스터를 더 포함할 것이다.Here, the transistor includes a reset transistor, a drive transistor, a select transistor, and the like, and in the case of a structure including four transistors, the transistor may further include a transfer transistor.
아울러, 여기서는 제4메탈라인(M4)이 최종 메탈라인인 것으로 나타나 있으나, 이보다 제5 또는 제6 등 그 이상의 메탈라인을 포함하는 경우도 존재한다.In addition, although the fourth metal line M4 is shown as a final metal line, the fourth metal line M4 may include a fifth or sixth metal line or more.
제4메탈라인(M4) 상에는 하부 구조의 보호(Passivation)를 위한 보호막(Passivation Layer; 이하 PL이라 함)이 형성되어 있으며, PL 상에는 칼라필터 어레이 형성시 공정 마진 확보를 위한 제1오버코팅 레이어(Over Coating Layer-1); 이하 OCL1이라 함)이 형성되어 있으며, OCL1 상에는 각 단위화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터 어레이(Color Filter Array; 이하 CFA라 함)가 형성되어 있다.A passivation layer (hereinafter referred to as PL) is formed on the fourth metal line M4 to passivate the underlying structure, and on the PL, a first overcoating layer for securing process margin when forming a color filter array (PL). Over Coating Layer-1); A color filter array (hereinafter referred to as a CFA) for implementing RGB color is formed on each unit pixel.
통상의 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.R (Red) G (Green) B (Blue), which is the three primary colors of ordinary light, is used. In addition, yellow, magenta (Mg), and cyan (Cy), which are complementary colors, may be used. .
여기서, PL은 통상 질화막/산화막의 2중 구조로 이루어진다.Here, PL usually consists of a double structure of a nitride film / oxide film.
CFA 상에는 마이크로렌즈 형성시 공정 마진 확보를 위한 제2오버코팅 레이어(이하 OCL2라 함)이 형성되어 있으며, OCL2 상에는 마이크로렌즈(Micro-Lens; 이하 ML이라 함)가 형성되어 있다. A second overcoating layer (hereinafter referred to as OCL2) is formed on the CFA to secure process margins when forming the microlens, and a microlens (hereinafter referred to as ML) is formed on the OCL2.
여기서, 기판(SUB)은 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층된 구조를 가지며, 포토다이오드(PD)는 기판(SUB)의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(도시하지 않음)과 기판(SUB)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(도시하지 않음)으로 이루어진다.Here, the substrate SUB has a structure in which a high concentration P-type (P ++) region and an epi layer (P-epi) are stacked, and the photodiode PD is formed by deep ion implantation under the surface of the substrate SUB. It consists of a zero area (not shown) and a P-type area (not shown) located in an area in contact with the surface of the substrate SUB.
본 발명에서는 상기한 구조에 각 단위 화소의 포토다이오드(PD) 주변을 가드링 형태로 둘러싸도록 반사 벽을 배치하였다.In the present invention, a reflective wall is disposed to surround the photodiode PD of each unit pixel in the form of a guard ring.
반사 벽은 CFA 하부의 OCL1과 PL과 IMD3 ∼ IMD1의 절연막을 관통하는 얇은 트렌치 형태로 이루어지며, OCL1과 PL과 IMD3 ∼ IMD1이 산화막 계열로 이루어진 것이므로, 이와 실질적으로 동일한 산화막 계열로 이루어지면서 막 밀도가 낮은 즉, 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)으로 이루어진다.The reflective wall is formed as a thin trench that penetrates the insulating films of OCL1, PL, and IMD3 to IMD1 under the CFA. Since the OCL1, PL, and IMD3 to IMD1 are formed of an oxide series, the film density is substantially the same as that of the oxide series. Is made of low density liquid coating oxide film (LDO).
저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)은 100Å ∼ 20000Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The low density liquid coating oxide film LDO is preferably formed to a thickness of about 100 kPa to about 20000 kPa.
따라서, 도 3에서 설명한 바와 같이 OCL1과 PL과 IMD3 ∼ IMD1 등을 통해 입사된 빛은 밀도가 낮은 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)에서 입사각에 비해 큰 각도로 거의 전반사를 하게 되므로, 'a'와 같이 입사된 빛도 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)으로 이루어진 반사벽에 의해 포토다이오드로 집중된다.Therefore, as described with reference to FIG. 3, the light incident through OCL1, PL, and IMD3 to IMD1 is almost totally reflected at an angle larger than the angle of incidence in the low density low density liquid coating oxide film (LDO), such as 'a'. Incident light is also concentrated on the photodiode by a reflective wall made of a low density liquid coating oxide (LDO).
저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)으로는 HSQ(Hydrogen SilsesQuioxane) 등이 해당될 것이다. 예컨대, 633nm 파장에서 SiO2의 굴절률은 1.43~1.46인데 반해 HSQ의 굴절률은 1.43이하이다. Low-density liquid-coated oxide (LDO) may include HSQ (Hydrogen SilsesQuioxane). For example, at 633 nm, the refractive index of SiO 2 is 1.43 to 1.46, while the refractive index of HSQ is 1.43 or less.
아울러, OCL1과 PL과 IMD3 ∼ IMD1 등의 두께는 1000Å ∼ 50000Å 정도이므로, 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)의 두께 또한 이 범위 내에 해당될 것이다.In addition, since the thickness of the OCL1, PL, and IMD3 to IMD1 is about 1000 kPa to 50000 kPa, the thickness of the low density liquid coating oxide film (LDO) will also fall within this range.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시 예에 따른 저밀도 액상 코팅 산화막으로 이루어진 반사 벽 형성 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 상기한 도 2의 구조를 갖는 이미지센서의 제조 공정을 살펴본다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a reflective wall forming process of a low density liquid coating oxide film according to an exemplary embodiment of the present invention. With reference to this, the manufacturing process of the image sensor having the structure of FIG. 2 will be described.
도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(도시하지 않음)에 포토다이오드(PD)를 형성한다. 기판은 고농도의 저면 영역과 그 상부의 에피층이 적층된 구조를 포함하며, 포토다이오드(PD) 형성 시 복수의 트랜지스터 또한 형성된다.As shown in FIG. 4A, a photodiode PD is formed on a substrate (not shown). The substrate includes a structure in which a high concentration bottom surface region and an epitaxial layer formed thereon are stacked, and a plurality of transistors are also formed when the photodiode PD is formed.
포토다이오드(PD)가 형성된 상부에 복수의 절연막(ILD1 ~ ILDn(n은 자연수)) 및 복수의 메탈라인(M1 ~ Mn)을 형성한다.A plurality of insulating films ILD1 to ILDn (n is a natural number) and a plurality of metal lines M1 to Mn are formed on the photodiode PD.
복수의 절연막(ILD1 ~ ILDn(n은 1보다 큰 자연수))은 PMD, IMD 등을 모두 포함하며, 주로 산화막 계열로 이루어진다. 복수의 메탈라인(M1 ~ Mn)은 단위 화소와 주변회로 간의 연결과 전원라인의 연결 및 쉴드 등의 목적으로 사용된다.The plurality of insulating films ILD1 to ILDn (n is a natural number larger than 1) include all of PMD, IMD, and the like, and is mainly composed of an oxide film series. The plurality of metal lines M1 to Mn are used for the purpose of connecting unit pixels and peripheral circuits, connecting power lines, and shielding.
이어서, 단위 화소 내에서 메탈라인(M1 ~ Mn)이 배치된 안쪽, 즉 광 통로에서 포토다이오드(PD)를 가드링 형태로 둘러싸는 반사 벽을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한다.Subsequently, a photoresist pattern PR is formed to form a reflective wall that encloses the photodiode PD in a guard ring shape in the light path, in which the metal lines M1 to Mn are disposed in the unit pixel.
절연막(ILD1 ~ ILDn)의 두께가 1000Å ∼ 50000Å이므로, 포토레지스트 패턴(PR) 또한 이 두께를 식각할 수 있을 정도의 두께로 형성한다.Since the thicknesses of the insulating films ILD1 to ILDn are 1000 kPa to 50000 kPa, the photoresist pattern PR is also formed to a thickness such that the thickness can be etched.
도 4b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 절연막 (ILD1 ~ ILDn)을 식각하여 폭이 좁은 트렌치(X)를 형성한다.As shown in FIG. 4B, the narrow trench X is formed by etching the insulating films ILD1 to ILDn using the photoresist pattern PR as an etch mask.
이때, 빛의 반사 경로를 감안하여 식각 깊이를 결정하는 바, 절연막(ILD1 ~ ILDn)의 두께만큼이 식각 가능한 깊이인 반면, M1 상부에서 식각이 멈추도록 하는 것이 바람직하다.At this time, since the etching depth is determined in consideration of the reflection path of the light, it is preferable that the etching depth is as much as the thickness of the insulating films ILD1 to ILDn, while the etching is stopped on the upper portion of M1.
절연막(ILD1 ~ ILDn)이 산화막 계열이므로, 식각시 CxHyFz(x,y,z는 0 또는 자연수이나 x가 0인 경우는 제외)에 He, Ne, Ar, O2, N2 등을 혼합한 가스를 사용한다.Since the insulating films ILD1 to ILDn are oxide films, a gas in which He, Ne, Ar, O 2 , N 2, etc. is mixed with CxHyFz (x, y, z is 0 or natural number, except when x is 0) during etching. Use
도 4c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(PR)을 제거하고 세정 공정을 실시한 다음, 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)을 증착하여 트렌치(X)를 매립한다.As shown in FIG. 4C, the photoresist pattern PR is removed and the cleaning process is performed. Then, the low density liquid coating oxide film LDO is deposited to fill the trench X.
이어서, 평탄화 공정을 통해 트렌치(X)에 내에 매립된 형태로 반사 벽을 이루는 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)을 형성한다. 저밀도 액상 코팅 산화막(LDO)은 HSQ막 등을 포함한다.Subsequently, the planarization process forms a low density liquid coating oxide film LDO that forms a reflective wall in the trench X. The low density liquid coating oxide film (LDO) includes an HSQ film and the like.
평탄화 시에는 에치백(Etch back) 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방식을 사용할 수 있다.When planarizing, an etch back or chemical mechanical polishing (CMP) method may be used.
도면에 도시되지는 않았지만, 후속 공정으로 OCL과 CFA 및 ML 등을 형성 공정을 실시할 것이다.Although not shown in the drawings, a subsequent process will be performed to form OCL, CFA, ML and the like.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 밀도가 큰 물질에서 작은 매질로 빛이 통과할 때 굴절각이 커지며, 임계각 이상에서는 전반사가 일어나는 광섬유의 원리를 이용하여 단위 화소의 포토다이오드를 둘러싸는 형태로 메탈라인 사이의 절연막을 뚫고 절연막에 비해 밀도가 낮은 저밀로 액상 코팅 산화막으로 이루어진 반사 벽을 배치함으로써, 포토다이오드 방향으로 전반사를 유도하여 포토다이오드로 빛을 모을 수 있도록 함을 실시 예를 통해 알아보았다.According to the present invention made as described above, the angle of refraction is increased when light passes through a small medium in a dense material, and the metal line in the form of surrounding the photodiode of the unit pixel by using the principle of the optical fiber that the total reflection occurs above the critical angle Through the insulating film in between and by placing a reflective wall made of a liquid-coated oxide film with a low density compared to the insulating film, it was found through the embodiment to induce total reflection in the photodiode direction to collect light with the photodiode.
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.
예컨대, 상기한 본 발명의 실시예에서는 CMOS 이미지센서를 그 예로 하였으나, 이외에도 수광부와 마이크로렌즈를 갖는 모든 이미지센서에도 적용이 가능하다.For example, in the above-described embodiment of the present invention, the CMOS image sensor is taken as an example, but it is also applicable to all image sensors having the light receiving unit and the microlens.
상술한 본 발명은, 광 통로에 배치된 반사 벽을 통해 손실 가능성이 높은 빛을 포토다이오드로 입사시켜 광 감도를 높일 수 있어, 이미지센서의 화질을 개선시키는 효과가 있다.According to the present invention described above, light having a high probability of loss can be incident on the photodiode through the reflective wall disposed in the light path to increase the light sensitivity, thereby improving the image quality of the image sensor.
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