KR20100078083A - Image sensor, and method for fabricating thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기술에 있어서, 특히 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판 상에 다수 금속배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 상부의 상기 층간절연막에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함하는 상기 반도체 기판 전면 상에 보호 절연막을 형성하는 단계와, 상기 보호 절연막이 형성된 상기 반도체 기판에 대해 소결(Sinter) 및 열처리 공정을 순차적으로 진행하는 단계와, 상기 트렌치 내의 상기 보호 절연막 상에 컬러 필터 어레이, 평탄화막 및 마이크로렌즈를 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 공정을 통해 제조되는 감도 개선된 CMOS 이미지 센서에 관한 발명이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor and a method of manufacturing the same, in particular, forming an interlayer insulating film including a plurality of metal wirings on a semiconductor substrate including a photodiode, Forming a trench in the trench, forming a protective insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench, and sequentially performing a sintering and heat treatment process on the semiconductor substrate on which the protective insulating film is formed. And a step of sequentially forming a color filter array, a planarization film, and a microlens on the protective insulating film in the trench.
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to an image sensor and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. A charge coupled device (CCD) is a device in which individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are very close to each other. A device in which a charge carrier is stored and transported in a capacitor while in position.
씨모스(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 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.Complementary MOS (CMOS) image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits to make MOS transistors by the number of pixels and uses them. It is a device that employs a switching system that sequentially detects output.
한편, 종래 기술에서는 CMOS 이미지 센서의 감도 개선을 위해 아래와 같은 구조를 적용하였다.Meanwhile, in the related art, the following structure is applied to improve the sensitivity of the CMOS image sensor.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a structure of a CMOS image sensor according to the prior art.
도 1을 참조하면, 포토다이오드(11)가 반도체 기판(10) 내에 구비된다. 여기서, 반도체 기판(10)은 포토다이오드(11)가 형성되는 포토 영역과, 그 포토 영역 주변에서 금속배선(13) 및 트랜지스터 등을 포함하는 주변 회로들이 형성되는 주변 영역으로 정의된다.Referring to FIG. 1, a
상기와 같이 포토다이오드(11)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 다수 금속배선(13)을 포함하는 층간절연막(12)이 구비된다. 여기서, 층간절연막(12) 내에는 다수 금속배선(13)들의 전기적 연결을 위한 콘택 플러그(contact plug)(14)가 더 구비될 수 있다.An
이어, 포토 영역에서 포토다이오드(11) 상부에 형성된 층간절연막(12) 상부측의 일부를 식각에 의해 제거하여 형성되는 트렌치가 구비되며, 그 트렌치 내에 순차적으로 형성되는 컬러 필터 어레이(16), 평탄화막(17) 및 마이크로렌즈(18)가 구비된다.Next, a trench is formed by removing a portion of the upper side of the
상기와 같이 층간절연막(12)의 상부측에 트렌치를 형성하여, 그 트렌치 내에 컬러 필터 어레이(16), 평탄화막(17) 및 마이크로렌즈(18)가 구비됨으로써, 이미지 센서의 감도가 개선된다.By forming a trench on the upper side of the
그러나, 상기 트렌치를 형성하기 위한 식각 공정에 의해 발생되는 과도한 플라즈마 손상으로 인하여 다크 디펙트(dark defect)가 발생하는 문제가 있었다. 그 다크 디펙트로 인한 칩 엣지(chip edge)측의 저조도 특성은 이미지 센서를 열화시키는 문제가 있었다.However, there is a problem that dark defects occur due to excessive plasma damage generated by the etching process for forming the trench. The low light characteristic on the chip edge side due to the dark defect has a problem of degrading the image sensor.
본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 이미지 센서의 감도 개선을 위한 구조에서 식각 공정에 의해 발생되는 과도한 플라즈마 손상을 방지해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an image sensor and a method for manufacturing the same, which are designed to prevent excessive plasma damage caused by an etching process in a structure for improving the sensitivity of the image sensor.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법의 특징은, 포토다이오드를 포함하는 반도체 기판 상에 다수 금속배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 상부의 상기 층간절연막에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함하는 상기 반도체 기판 전면 상에 보호 절연막을 형성하는 단계와, 상기 보호 절연막이 형성된 상기 반도체 기판에 대해 소결(Sinter) 및 열처리 공정을 순차적으로 진행하는 단계와, 상기 트렌치 내의 상기 보호 절연막 상에 컬러 필터 어레이, 평탄화막 및 마이크로렌즈를 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 것이다.A feature of the image sensor manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is the step of forming an interlayer insulating film including a plurality of metal wiring on a semiconductor substrate including a photodiode, the interlayer insulating film on the photodiode Forming a trench in the trench, forming a protective insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench, and sequentially performing a sintering and heat treatment process on the semiconductor substrate on which the protective insulating film is formed. And sequentially forming a color filter array, a planarization film, and a microlens on the protective insulating film in the trench.
바람직하게, 상기 트렌치를 형성하는 단계는, 플라즈마를 이용한 건식식각으로 상기 포토다이오드 상부에서 상기 층간절연막의 일부를 식각하여 상기 트렌치를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 플라즈마를 이용한 건식식각에 의해 발생되는 플라즈마 손상을 치유하기 위해 상기 보호 절연막으로써 실리콘 질화막(SiN)을 증착할 수 있다.The trench may be formed by etching a portion of the interlayer insulating layer on the photodiode by dry etching using plasma. Here, a silicon nitride layer (SiN) may be deposited as the protective insulating layer in order to cure plasma damage caused by dry etching using the plasma.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 특징은, 포토다 이오드를 포함하는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 다수 금속배선을 포함하는 층간절연막과, 상기 포토다이오드의 위치에 대응하여 상기 층간절연막 상부에 구비되는 트렌치와, 상기 트렌치를 포함하는 상기 반도체 기판 전면 상에 증착된 실리콘 질화막과, 상기 트렌치 내의 상기 실리콘 질화막 상에 순차적으로 구비되는 컬러 필터 어레이, 평탄화막 및 마이크로렌즈로 구성되는 것이다.Features of the image sensor according to the present invention for achieving the above object, a semiconductor substrate including a photodiode, an interlayer insulating film including a plurality of metal wiring on the semiconductor substrate, and corresponding to the position of the photodiode A trench provided on the interlayer insulating film, a silicon nitride film deposited on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench, and a color filter array, a planarization film, and a microlens sequentially provided on the silicon nitride film in the trench. Will be.
본 발명에서는 층간절연막의 상부측에 형성되는 트렌치 내에 컬러 필터 어레이, 평탄화막 및 마이크로렌즈를 구비하여 이미지 센서의 감도를 개선할 뿐만 아니라 트렌치 형성 과정에서 발생되는 과도한 플라즈마 손상을 방지할 수 있다. 그에 따라, 다크 디펙트(dark defect)의 발생을 억제하여 이미지 센서를 열화를 개선해 준다.In the present invention, the color filter array, the planarization film, and the microlens are provided in the trench formed on the upper side of the interlayer insulating film to improve the sensitivity of the image sensor and to prevent excessive plasma damage generated during the trench formation process. This suppresses the occurrence of dark defects and improves deterioration of the image sensor.
특히 본 발명에서는 컬러 필터 어레이, 평탄화막 및 마이크로렌즈가 형성되는 트렌치 내에 미리 실리콘 질화막을보호 절연막으로 더 사용함으로써 과도한 플라즈마 손상을 방지할 수 있다.In particular, in the present invention, excessive plasma damage can be prevented by further using a silicon nitride film as a protective insulating film in the trench in which the color filter array, the planarization film, and the microlens are formed.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings illustrating the configuration and operation of the embodiment of the present invention, the configuration and operation of the present invention shown in the drawings and described by it will be described by at least one embodiment, By the technical spirit of the present invention described above and its core configuration and operation is not limited.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, an image sensor and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서 기술되는 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서인 것이 바람직하다.The image sensor described in the present invention is preferably a CMOS image sensor.
도 2a 내지 2b는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 구조 및 공정을 설명하기 위한 단면도이다.2A to 2B are cross-sectional views illustrating a CMOS image sensor structure and process according to the present invention.
먼저 도 2a 내지 2b에 도시된 CMOS 이미지 센서의 구조를 설명한다.First, the structure of the CMOS image sensor shown in FIGS. 2A to 2B will be described.
본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토다이오드(110)가 반도체 기판(100) 내에 구비된다. 여기서, 반도체 기판(100)은 포토다이오드(110)가 형성되는 포토 영역과, 그 포토 영역 주변에서 금속배선(130) 및 트랜지스터 등을 포함하는 주변 회로들이 형성되는 주변 영역으로 정의된다.In the CMOS image sensor according to the present invention, a
상기와 같이 포토다이오드(110)를 포함하는 반도체 기판(100) 상에 다수 금속배선(130)을 포함하는 층간절연막(120)이 구비된다. 여기서, 층간절연막(120) 내에는 다수 금속배선(130)들의 전기적 연결을 위한 콘택 플러그(contact plug)(140)가 더 구비된다.An
특히, 포토다이오드(110)가 형성된 포토 영역에서 층간절연막(120) 상부측의 일부가 식각되어 형성되는 트렌치(200)가 구비된다. 그 트렌치(200)는 주변 영역에 형성되는 최상위 금속배선(M3) 사이에서 층간절연막(120)을 일정 깊이까지 식각하여 형성될 수 있다. 예로써, 트렌치(200)는 1.1㎛ 깊이로 형성될 수 있다.In particular, a
또한, 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 트렌치(200)를 포함하는 반도체 기 판(100) 전면 상에 보호 절연막으로써 실리콘 질화막(SiN)(150)이 구비된다. 실리콘 질화막(150)은 트렌치(200)를 형성하는 과정에서 발생되는 과도한 플라즈마 손상을 개선하기 위한 것으로, 그 실리콘 질화막(150)은 소결 및 열처리되어 실리콘 결정 결함이 제거된다. 예로써, 실리콘 질화막(150)은 3000Å의 두께로 형성될 수 있다.In addition, in the CMOS image sensor of the present invention, a silicon nitride film (SiN) 150 is provided as a protective insulating film on the entire surface of the
또한, 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 트렌치(200) 내에서 실리콘 질화막(150) 상에 순차적으로 컬러 필터 어레이(160), 평탄화막(170) 및 마이크로렌즈(180)를 구비한다.In addition, the CMOS image sensor of the present invention includes a
이하에서는 상기한 구조의 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 설명한다.Hereinafter, a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention having the above-described structure will be described.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100)에 포토다이오드(110)를 형성한다.Referring to FIG. 2A, a
이어, 포토다이오드(110)를 포함하는 반도체 기판(100) 상에 다수 금속배선(130)을 포함하는 층간절연막(120)을 형성하며, 층간절연막(120) 내에 다수 금속배선(130)들의 전기적 연결을 위한 콘택 플러그(contact plug)(140)를 또한 형성한한다.Subsequently, an interlayer
이어, 플라즈마를 이용한 건식식각을 통해, 포토 영역에서 그 포토다이오드(110) 상부에서 층간절연막(120) 상부측을 일부 식각하여 트렌치(200)를 형성한다. 그 트렌치(200)는 주변 영역에 형성되는 최상위 금속배선(M3) 사이에서 층간절연막(120)을 일정 깊이까지 식각하여 형성되는 것이 바람직하며, 1.1㎛ 깊이로 형성될 수 있다.Subsequently, the
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 트렌치(200)를 포함하는 반도체 기판(100) 전면 상에 보호 절연막으로써 실리콘 질화막(SiN)(150)을 3000Å의 두께로 증착한다. 실리콘 질화막은 트렌치(200)를 형성하기 위해 진행된 플라즈마 건식식각에 의한 손상을 개선하기 위한 것이다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, a silicon nitride film (SiN) 150 is deposited to a thickness of 3000 으로써 as a protective insulating film on the entire surface of the
이어, 실리콘 질화막(150)을 소결(sinter) 및 열처리(anneal)한다. 소결은 약 450도에서 약 30분간 진행하며, H2 20%와 N 80%를 사용한다. 한편, 열처리는 약 420도에서 약 30분간 20atm으로 진행한다. Subsequently, the
상기에서 열처리는 중소소 열처리(deuterium anneal)로써, 중수소는 수소의 동위 원소 하나이면서 수소와 화학적 성질은 유사하나 질량수가 2인 것이다. 따라서 중수소 열처리 H2보다 질량수가 2배 큰 중수소를 사용하기 때문에 열처리 시 결합력을 크게 한다.In the above heat treatment is deuterium anneal (deuterium anneal), deuterium is one isotope of hydrogen and chemical properties similar to hydrogen, but the mass number is 2. Therefore, since deuterium is used twice as much as the mass of deuterium heat treatment H 2 , the bonding force is increased during heat treatment.
이어, 소결 및 열처리된 실리콘 질화막(150) 상에 특히, 트렌치(200) 내에 순차적으로 컬러 필터 어레이(160), 평탄화막(170) 및 마이크로렌즈(180)를 형성한다.Subsequently, the
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. While the preferred embodiments of the present invention have been described so far, those skilled in the art may implement the present invention in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments of the present invention described herein should be considered in a descriptive sense, not in a limiting sense, and the scope of the present invention is shown in the appended claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope are equivalent to the present invention. Should be interpreted as being included in.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 구조를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor structure according to the prior art.
도 2a 내지 2b는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 구조 및 공정을 설명하기 위한 단면도.2A to 2B are cross-sectional views for explaining the structure and process of a CMOS image sensor according to the present invention;
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20081230 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |