KR20020048716A - Image sensor having reflection layer on back side of semiconductor substrate and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드에 입사되는 광에 대한 전자-정공 쌍을 많이 생산할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and more particularly, to an image sensor capable of producing a large number of electron-hole pairs for light incident on a photodiode and a method of manufacturing the same.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centered on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of commercially available solid-state image sensors, a metal-oxide-semiconductor (MOS) type and a charge coupled device (CCD) type.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitance structures, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) as an optical sensing means and four NMOS transistors. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transmits a signal for transferring the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx supplies the floating diffusion region FD. The drive transistor Dx serves as a source follower, and the select transistor Sx receives a pixel data enable signal and receives a pixel to reset the voltage to the voltage V DD level. It is responsible for transmitting the data signal to the output.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the unit pixel is reset by turning on the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx. At this time, the photodiode PD starts to deplete, and carrier accumulation occurs, and the floating diffusion region is charged and stored up to the supply voltage VDD. The transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In this operation state, after reading the output voltage V1 from the unit pixel output terminal SO and storing it in the buffer, the transfer transistor Tx is turned on to move the carriers of the capacitance Cp changed according to the light intensity to the capacitance Cf. The output voltage (V2) is read from the output terminal (Out) again and the analog data for V1-V2 is converted into digital data, so one operation cycle for the unit pixel is completed.
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 21), 상기에피택셜층(21) 내에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층(21) 내에 형성된 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드(도시하지 않음), 트랜지스터(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조(23) 상부에 형성된 칼라필터(R, G, B), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(26), OCM 평탄화층(26) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 25)를 도시하고 있다.2 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a conventional image sensor, wherein a p-type epitaxial layer 21 formed on a p-type semiconductor substrate 20 and an isolation layer 22 formed in the epitaxial layer 21 are shown. And an upper portion of the lower structure 23 including photodiodes (not shown), transistors (not shown), and the like, each of which is formed by an n-type impurity region and a p-type impurity region formed in the epitaxial layer 21. Formed on the color filters R, G, and B, the over coating material (OCM) flattening layer 26 covering the color filter, and the OCM flattening layer 26 to overlap the color filters R, G, and B. The microlens 25 is shown.
종래 이미지 센서 구조는 정해진 포토다이오드의 면적 내로 입사된 광이라할지라도 전자-정공 쌍을 형성하지 못하고 반도체 기판(20) 내부에 그대로 흡수되어 버리는 광이 존재하게 되어, 포토다이오드로 입사된 광 중 일부만이 전자-정공 쌍 형성에 기여하는 단점이 있다.In the conventional image sensor structure, even if the light is incident into the area of the predetermined photodiode, the light does not form an electron-hole pair but is absorbed into the semiconductor substrate 20 as it is, so that only a part of the light incident to the photodiode is present. There is a disadvantage that contributes to this electron-hole pair formation.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 입사광에 대한 전자-정공쌍 형성 비율을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can improve the electron-hole pair formation ratio for incident light.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도,2 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional image sensor;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도,3 is a cross-sectional view showing the structure of an image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 공정 단면도.4A-4C are cross-sectional views of an image sensor process in accordance with an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
R, G, B: 칼라필터 39: OCM 평탄화층R, G, B: Color filter 39: OCM planarization layer
40: 마이크로 렌즈 41: 알루미늄층40: microlens 41: aluminum layer
42: USG층42: USG floor
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내에 형성된 수광영역과 상기 수광영역으로부터 전달된 광전자를 감지하는 감지영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 반도체 기판 뒷면에 형성된 반사층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.The present invention for achieving the above object, in the image sensor having a light receiving region formed in the semiconductor substrate and a sensing region for sensing the photoelectrons transferred from the light receiving region, the image sensor including a reflective layer formed on the back of the semiconductor substrate To provide.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 수광영역 및 감지영역; 상기 수광영역 상부에 형성된 적어도 1색의 칼라필터; 상기 칼라필터 상에 형성된 집광수단; 및 상기 반도체 기판 뒷면에 형성된 반사층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, a semiconductor substrate; A light receiving region and a sensing region formed in the semiconductor substrate; At least one color filter formed on the light receiving area; Light collecting means formed on the color filter; And it provides an image sensor comprising a reflective layer formed on the back of the semiconductor substrate.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단을 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 제1 단계; 및 상기 반도체 기판 뒷면에 알루미늄을 스퍼터링하여 알루미늄층을 형성하는 제2 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, the first step of providing a semiconductor substrate is completed a predetermined substructure including a light receiving means; And a second step of forming an aluminum layer by sputtering aluminum on the back surface of the semiconductor substrate.
입사된 광에서 전자-정공 쌍이 많이 발생할수록 광전자 발생이 많아지고, 트랜스퍼 트랜지스터를 거쳐 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 이동이 많아져 이미지 센서의 감도는 향상된다. 본 발명에서는 반도체 기판 뒷면을 연마(grind)한 다음, 알루미늄 스퍼터링 공정을 실시하여 반도체 기판 뒷면에 알루미늄층을 형성하여 입사된 광이 알루미늄층에서 반사되도록 하는데 그 특징이 있다. 한편, 알루미늄층을 보호하기 위하여 증착온도가 낮은 USG(undoped silicate glass)를 증착하기도 한다.The more electron-hole pairs are generated in the incident light, the more photoelectrons are generated, and the more the movement to the floating diffusion region through the transfer transistor is, the more the sensitivity of the image sensor is improved. In the present invention, after grinding the back of the semiconductor substrate (grind), the aluminum sputtering process is carried out to form an aluminum layer on the back of the semiconductor substrate is characterized in that the incident light is reflected in the aluminum layer. Meanwhile, in order to protect the aluminum layer, USG (undoped silicate glass) having a low deposition temperature may be deposited.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(30) 전면상에 형성된 p형 에피택셜층(31), 소자분리막(32), 상기에피택셜층(31) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 절연막(33) 및 게이트 전극(34), 상기 게이트 전극(34) 일단의 상기 에피택셜층(31) 내에 형성된 n형 불순물 영역(도시하지 않음)과 p형 불순물 영역(도시하지 않음)으로 이루어져 수광기능을 하는 포토다이오드(36), 게이트 전극(34) 타단의 상기 에피택셜층(31) 상에 형성되어 감지기능을 하는 플로팅 확산영역(37) 및 금속배선(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조(38) 상부에 형성된 칼라필터(R, G, B), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(39), OCM 평탄화층(39) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 40), 반도체 기판(30) 뒷면에 형성된 알루미늄층(41), 알루미늄층(41)을 덮는 산화막의 예로서 USG층(42)을 도시하고 있다.3 is a cross-sectional view illustrating a structure of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the p-type epitaxial layer 31, the device isolation layer 32, and the epitaxial layer ( The n-type impurity region (not shown) and the p-type impurity formed in the gate insulating film 33 and the gate electrode 34 of the transfer transistor formed on the 31, and the epitaxial layer 31 at one end of the gate electrode 34. A photodiode 36 having a light receiving function, a floating diffusion region 37 and a metal wiring formed on the epitaxial layer 31 at the other end of the gate electrode 34. Formed on the color filters R, G, and B formed on the lower structure 38, the over coating material (OCM) planarizing layer 39 covering the color filter, and the OCM planarizing layer 39. And semiconductor substrates with microlenses 40 overlapping with color filters R, G, and B (30) The USG layer 42 is shown as an example of an oxide film covering the aluminum layer 41 and the aluminum layer 41 formed on the back surface.
포토다이오드(36)에 입사된 광 중 광전자를 발생시키지 못하고 반도체 기판(30) 내에 흡수되는 광은 알루미늄층(41)에서 반사되어 전자-정공쌍을 형성하게 된다.The light absorbed in the semiconductor substrate 30 without generating photoelectrons among the light incident on the photodiode 36 is reflected by the aluminum layer 41 to form an electron-hole pair.
이하, 첨부된 도면 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings of FIGS. 4A to 4C.
먼저 도 4a에 도시한 바와 같이, 에피택셜층(31), 소자분리막(32), 포토다이오드(도시하지 않음), 트랜지스터 및 금속배선 등을 포함한 소정의 하부구조(32) 형성이 완료된 반도체 기판(30)을 마련하고 반도체 기판(30) 뒷면을 연마한다.First, as shown in FIG. 4A, a semiconductor substrate having completed formation of a predetermined substructure 32 including an epitaxial layer 31, an isolation layer 32, a photodiode (not shown), a transistor, a metal wiring, or the like ( 30) and the back surface of the semiconductor substrate 30 is polished.
다음으로 도 4b에 보이는 바와 같이, 반도체 기판(30) 뒷면에 알루미늄을 스퍼터링하여 알루미늄층(41)을 형성하고, 알루미늄층(41) 상에 USG층(42)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4B, the aluminum layer 41 is formed by sputtering aluminum on the back surface of the semiconductor substrate 30, and the USG layer 42 is formed on the aluminum layer 41.
다음으로 도 4c에 도시한 바와 같이, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)를 형성하고, 전체 구조 상에 OCM층(39)을 형성하여 평탄화시킨 다음 마이크로 렌즈(40)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 4C, the blue color filter B, the red color filter R, and the green color filter G are formed, and the OCM layer 39 is formed and planarized over the entire structure. The lens 40 is formed.
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 apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 입사광이 포토다이오드 영역 내에서 1차적으로 전자-정공 쌍을 형성하지 못할지라도 반도체 기판 뒷면에 형성된 반사층에 의해 반사되는 2차광에 의해서 2차적으로 전자-정공쌍을 형성하게 되어 전체적으로 전자-정공쌍의 발생량을 증가시켜 포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 효과를 가져오고, 이미지 센서의 광감도를 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 고집적이 용이한 이미지 센서의 제조가 가능하다.According to the present invention, the incident light does not form the electron-hole pair primarily in the photodiode region, so that the electron-hole pair is secondarily formed by the secondary light reflected by the reflective layer formed on the back side of the semiconductor substrate. Thus, the generation of electron-hole pairs can be increased to increase the capacitance of the photodiode, and the light sensitivity of the image sensor can be improved. Thus, a highly integrated image sensor can be manufactured.
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