KR100889554B1 - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스(CMOS) 이미지센서 제조방법에 있어서, 특히 포토 다이오드 상부에 양자점(Quantum dot)을 형성함으로써, 상기 포토 다이오드로 입사된 입사광의 집광효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a CMOS image sensor, in particular, by forming a quantum dot on an upper portion of a photodiode, thereby increasing a light collecting efficiency of incident light incident on the photodiode.
본 발명에 의한 씨모스(CMOS) 이미지센서 제조방법은, 포토 다이오드(Photo Diode)가 형성된 반도체 기판상에 층간절연막 및 실리콘 산화막을 차례로 증착하는 단계, 플라즈마(plasma) 처리 또는 열처리를 통해 상기 실리콘 산화막 전면에 양자점(Quantum Dot)을 형성하는 단계, 및 상기 양자점이 형성된 실리콘 산화막 상부에 상기 포토 다이오드와 대응되는 포토레지스트 패턴을 형성하고 상기 양자점이 형성된 실리콘 산화막을 상기 포토레지스트 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention, a method of sequentially depositing an interlayer insulating film and a silicon oxide film on a semiconductor substrate on which a photo diode is formed, the silicon oxide film through plasma treatment or heat treatment Forming a quantum dot on the front surface, and forming a photoresist pattern corresponding to the photodiode on the silicon oxide film on which the quantum dot is formed, and selectively etching the silicon oxide film on which the quantum dot is formed according to the photoresist pattern Steps.
포토 다이오드(Photo Diode), 양자점(Quantum dot), 밴드 갭(band gap), 씨모스(CMOS) 이미지센서 Photo Diode, Quantum Dot, Band Gap, CMOS Image Sensor
Description
본 발명은 씨모스(CMOS) 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로서, 특히 포토 다이오드 상부에 양자점(Quantum dot)을 형성하여 상기 포토 다이오드로 입사되는 입사광의 집광효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a CMOS image sensor, and more particularly, to a method of increasing a light collecting efficiency of incident light incident on the photodiode by forming a quantum dot on the photodiode.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서 소자로 나눌 수 있다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and may be classified into a charge coupled device (CCD) image sensor device and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor device.
그러나, 상기 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력소비가 클 뿐만 아니라, 제조 공정이 복잡한 단점이 있다. 또한, 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 CCD 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점이 있다. However, the CCD has a disadvantage in that the driving method is complicated, the power consumption is large, and the manufacturing process is complicated. In addition, it is difficult to integrate a control circuit, a signal processing circuit, an analog-to-digital converter (A / D converter), etc. in the CCD chip, which makes it difficult to miniaturize the product.
따라서, 최근에는 상기 CCD의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지센서로서 CMOS 이미지 센서가 주목을 받고 있다. Therefore, recently, a CMOS image sensor has attracted attention as a next generation image sensor for overcoming the shortcomings of the CCD.
상기 CMOS 이미지센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하 는 CMOS 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써, 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.The CMOS image sensor forms MOS transistors corresponding to the number of unit pixels on a semiconductor substrate by using CMOS technology using a control circuit, a signal processing circuit, and the like as peripheral circuits. The device adopts a switching method that sequentially detects output.
따라서, 상기 CMOS 이미지센서는 CMOS 제조기술을 이용하여 적은 전력소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등을 갖는다는 장점이 있고, 하나의 칩에 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 집적시킬 수 있으므로, 제품의 소형화가 용이하다.Therefore, the CMOS image sensor has the advantage of having a low power consumption, a simple manufacturing process according to a few photo process step using the CMOS manufacturing technology, the control circuit, signal processing circuit, analog / digital conversion circuit on one chip Etc., it is possible to integrate the product, which makes it easy to miniaturize the product.
상기 CMOS 이미지센서의 광감도를 높이기 위한 방법으로는, 상기 이미지센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광(photon)의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜주는 기술이 사용된다.In order to increase the light sensitivity of the CMOS image sensor, the fill factor of the photodiode in the total area of the image sensor may be increased, or the path of photon incident to a region other than the photodiode may be changed. A technique for condensing with the photodiode is used.
상기 집광기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈에서 포토 다이오드까지의 거리를 좁혀 입사광이 흡수 또는 반사되는 양을 줄이거나, 상기 마이크로 렌즈 사이의 간격(Gap)을 작게 하여 상기 마이크로 렌즈를 통해 들어오는 입사광의 양을 늘리는 것이다. A representative example of the condensing technique is to reduce the amount of incident light absorbed or reflected by narrowing the distance from the microlens to the photodiode, or increasing the amount of incident light entering through the microlens by reducing the gap between the microlenses. will be.
그러나, 상기한 집광기술에 따라 집광된 입사광이 포토 다이오드 계면에서도 반사되어 집광효율이 떨어지는 단점이 있다. However, the incident light collected by the light condensing technique is also reflected at the photodiode interface, thereby degrading the light collecting efficiency.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 포토 다이오드 상부에 양자점(Quantum dot)을 형성하여 집광효율을 높이는 씨모스(CMOS) 이미지센서 제조방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention has been made in view of the above problems, to provide a CMOS image sensor manufacturing method for forming a quantum dot (Quantum dot) on the photodiode to increase the light collection efficiency.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지센서 제조방법의 일 특징은, 포토 다이오드(Photo Diode)가 형성된 반도체 기판상에 층간절연막 및 실리콘 산화막을 차례로 증착하는 단계, 플라즈마(plasma) 처리 또는 열처리를 통해 상기 실리콘 산화막 전면에 양자점(Quantum Dot)을 형성하는 단계, 및 상기 양자점이 형성된 실리콘 산화막 상부에 상기 포토 다이오드와 대응되는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 양자점이 형성된 실리콘 산화막을 상기 포토레지스트 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 단계를 포함한다.One feature of the CMOS image sensor manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is the step of sequentially depositing an interlayer insulating film and a silicon oxide film on a semiconductor substrate on which a photo diode is formed, plasma ( forming a quantum dot on the entire surface of the silicon oxide film through plasma treatment or heat treatment, and forming a photoresist pattern corresponding to the photodiode on the silicon oxide film on which the quantum dot is formed, and forming the silicon oxide film on which the quantum dot is formed. Selectively etching according to the photoresist pattern.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 일 특징은, 표면 하부에 포토 다이오드(Photo Diode)가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상부에 상기 포토 다이오드와 대응되도록 형성되는 다수의 양자점(Quantum Dot) 및 상기 반도체 기판 결과물 상부에 상기 포토 다이오드 및 상기 양자점과 대응되도록 형성되는 마이크로 렌즈(micro lens)를 포함하여 구성되는 것이다. In addition, a feature of the CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate having a photodiode (Photo Diode) formed on the lower surface, a plurality of formed to correspond to the photodiode on the semiconductor substrate A quantum dot and a microlens formed on the semiconductor substrate resultant to correspond to the photodiode and the quantum dot.
보다 바람직하게, 상기 양자점(Quantum Dot)은 금속 화합물 또는 실리콘 화합물의 나노결정이다. More preferably, the quantum dots are nanocrystals of metal compounds or silicon compounds.
보다 바람직하게, 상기 금속 화합물은 구리(Cu)와 텅스텐(W)과 알루미늄(Al) 중, 적어도 어느 하나의 화합물로 이루어진다. More preferably, the metal compound is composed of at least one of copper (Cu), tungsten (W), and aluminum (Al).
보다 바람직하게, 상기 양자점은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)과 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 중, 적어도 어느 하나의 방법을 포함하여 이루어지는 기상증착법을 통해 형성된다. More preferably, the quantum dots are formed by vapor deposition including at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE).
보다 바람직하게, 상기 기상증착법은 저압의 질소가스(N2)를 이용한 플라즈마(plasma) 처리 또는 열공정 처리를 통해 이루어진다.More preferably, the vapor deposition method is performed through a plasma treatment or a thermal process treatment using nitrogen gas (N2) of low pressure.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지센서 제조방법은 포토 다이오드 상부에 양자점(Quantum dot)을 형성함으로써, 상기 포토 다이오드로 입사되는 입사광의 집광효율을 높일 수 있는 효과가 있다. As described above, the CMOS image sensor manufacturing method according to the present invention has an effect of increasing the light collecting efficiency of incident light incident on the photodiode by forming a quantum dot on the photodiode. .
또한, 상기 포토 다이오드로 입사된 입사광이 전기적 신호로 변환되는 비율이 증가함으로 인해 작은 사이즈의 이미지 픽셀을 생성할 수 있으며, 상기 이미지의 선명도를 향상할 수 있는 효과가 있다. In addition, as the ratio of incident light incident to the photodiode is converted into an electrical signal is increased, an image pixel of a small size can be generated, and the sharpness of the image can be improved.
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.
우선, 양자점(Quantum Dot)은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자제 한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. First, a quantum dot is a nano-scale semiconductor material and exhibits a quantum confinement effect.
상기 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 흡수하여 에너지 여기 상태에 이르면, 양자점의 에너지 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지를 방출하게 된다. When the quantum dot absorbs light from an excitation source and reaches an energy excited state, the quantum dot emits energy corresponding to an energy band gap of the quantum dot.
따라서, 양자점의 크기 또는 물질 조성을 조절하게 되면 에너지 밴드 갭(band gap)을 조절할 수 있게 되어 다양한 수준의 파장 대의 에너지를 이용할 수 있다. Therefore, by adjusting the size or material composition of the quantum dot it is possible to control the energy band gap (band gap) can use the energy of the wavelength band of various levels.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따라 형성된 양자점의 빛의 파장에 따른 밴드갭(band gap)을 나타내는 그래프이다. 1 is a graph showing a band gap according to the wavelength of light of a quantum dot formed according to an embodiment of the present invention.
도 1(a)는 양자점에서 적색(red)에 해당하는 670nm 파장의 에너지 밴드 갭을 나타낸 그래프이고, 도 1(b)는 양자점에서 녹색(Green)에 해당하는 570nm 파장의 에너지 밴드 갭을 나타낸 그래프이고, 도 1(c)는 양자점에서 청색(blue)에 해당하는 416nm 파장의 에너지 밴드 갭을 나타낸 그래프이다. FIG. 1 (a) is a graph showing an energy band gap of 670 nm wavelength corresponding to red in quantum dots, and FIG. 1 (b) is a graph showing an energy band gap of 570 nm wavelength corresponding to green in quantum dots. 1C is a graph showing an energy band gap of 416 nm wavelength corresponding to blue in quantum dots.
상기 도 1(a) 내지 도 1(c)를 참조하면, 양자점을 사용하는 경우, 빛의 파장에 따른 광자들은 원자들의 간섭을 받지 않으므로, 외부로부터 입사된 동일한 광자에 대해 더 많은 전자홀쌍이 생성되어 높은 감도를 구현할 수 있는 장점이 있다. 1 (a) to 1 (c), when using quantum dots, since photons according to the wavelength of light are not affected by atoms, more electron hole pairs are generated for the same photons incident from the outside. There is an advantage that can be implemented high sensitivity.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 형성된 양자점을 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a quantum dot formed according to an embodiment of the present invention.
도 2와 같이 상기 양자점(Quantum Dot: 5)은 포토 다이오드(Photo Diode: 2) 상부에 섬(island) 형태로 형성된다. As shown in FIG. 2, the
우선, 포토 다이오드(2)가 형성되어 있는 반도체 기판(1)에 층간절연막(3)을 증착한다. First, the interlayer
상기 층간절연막(3)은 대기압에서 운전되는 APCVD(atmospheric CVD)법에 의해 PSG(phosphosilicate glass)나 BPSG (boro-phospho silicate glass) 등을 증착하는 것이다. The interlayer
이후, 상기 증착된 층간절연막(3)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 평탄화한다. Thereafter, the deposited
그리고, 상기 층간절연막 상부 전면에 실리콘 산화막(4)을 증착한 후, 플라즈마(plasma) 처리 혹은 열처리를 통해 상기 실리콘 산화막(4) 전면에 양자점(Quantum Dot: 5)을 형성한다. After the
예를 들어, 상기 양자점(5)은 저압의 질소가스(N2)를 이용하여 650~950℃에서 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)나 MBE(molecular beam epitaxy)와 같은 기상 증착법을 실시함으로써 실리콘 나노결정을 형성하는 것이다. For example, the
또한, 유기 용매에 전구체 물질을 넣어 결정을 성장시키는 화학적 습식 방법도 있다. 이때, 상기 화학적 습식 방법은 결정이 성장될 때 유기 용매가 자연스럽게 양자점(5) 결정 표면에 배위되어 분산제 역할을 하게 함으로써, 결정의 성장을 조절하는 방법으로 MOCVD 또는 MBE와 같은 기상 증착법보다 더 쉽고 저렴한 공정을 통하여 나노결정의 크기와 형태의 균일도를 조절할 수 있는 장점이 있다. There is also a chemical wet method in which a precursor material is added to an organic solvent to grow crystals. At this time, the chemical wet method is a method of controlling the growth of the crystal by the organic solvent is naturally coordinated to the quantum dot (5) crystal surface when the crystal is grown, it is easier and cheaper than the vapor deposition method such as MOCVD or MBE Through the process there is an advantage that can control the uniformity of the size and shape of the nanocrystals.
그리고, 상기 양자점(5)이 형성된 실리콘 산화막(4) 상부에 포토 레지스트(미도시)를 도포한 후, 포토 리소그래피(Photo_lithography) 공정을 통해 상기 포토 다이오드(2)와 대응되는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 양자점(5)이 형성된 실리콘 산화막(4)을 상기 포토레지스트 패턴에 따라 선택적으로 식각한다. A photoresist (not shown) is coated on the
이때, 상기 포토 다이오드(2) 상부에만 상기 실리콘 산화막(4)이 남고, 나머지 부분은 상기 실리콘 산화막(4)이 식각되어 개방된 형태가 된다. In this case, the
따라서, 상기 양자점(5)은 상기 포토 다이오드(2) 상부에 존재하는 실리콘 산화막(4)에 섬(island) 형태로 형성되는 것이다. Therefore, the
상기 실리콘 양자점 이외에도, 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 알루미늄(Al) 등을 플라즈마 처리 혹은 열처리하여 금속 화합물의 나노결정으로 형성할 수 있다. In addition to the silicon quantum dots, copper (Cu), tungsten (W) and aluminum (Al) may be formed into nanocrystals of metal compounds by plasma treatment or heat treatment.
이때, 상기 양자점(5)에 phosphorus 이온을 주입하여 상기 양자점(5)이 극성을 갖도록 함으로써, 상기 극성을 갖는 양자점(5)이 보다 많은 전하(charge)를 트랩(trap)할 수 있도록 한다.In this case, the
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 씨모스(CMOS) 이미지센서의 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로렌즈(100) 상에 LTO(Lower Temperature Oxide)막을 형성한다. 상기 LTO막은 die sowing시 발생하는 파티클(particle)의 영향을 방지하기 위한 것으로서, 300℃ 이하의 저온에서 증착한 절연성 oxide 물질을 2000Å ~ 10000Å의 두께로 성장시키는 것이다. As shown in FIG. 3, a lower temperature oxide (LTO) film is formed on the
이때, 상기 LTO막은 집광영역과 그 외의 영역을 포함하는 전면에 형성되는 것으로서, 예를 들어, 상기 마이크로렌즈(100)가 3.7㎛의 크기이면, 상기 LTO막은 3.7㎛ 이상의 크기로 형성한다. In this case, the LTO film is formed on the entire surface including the light condensing area and other areas. For example, when the
그리고, 상기 마이크로렌즈(100)를 통해 입사된 광자들이 2차 금속배 선(MeTal Layer 2; MTL1)들 및 1차 금속배선(MeTal Layer 1 : MTL1)들 사이를 통과하여 반사 혹은 흡수되는 것을 상기 포토 다이오드(300) 상부에 형성된 양자점(200)에서 2차적으로 트랩(trap)하여 상기 포토 다이오드(300)로 전달하는 것이다. 여기서, 2.25㎛는 상기 2차 금속배선들 간의 space 크기를 뜻한다.In addition, the photons incident through the
따라서, 상기 포토 다이오드(300)로 입사되는 광자들이 증가하게 되고, 상기 포토 다이오드(300)로 입사된 광자들이 전기적 신호로 변환되는 비율이 증가하므로, 상기 씨모스(CMOS) 이미지센서의 집광효율이 향상됨을 알 수 있다. Therefore, photons incident on the
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 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 it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those who have knowledge.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일실시 예에 따라 형성된 양자점(Quantum dot)에서 빛의 파장에 따른 밴드 갭(band-gap)을 나타낸 그래프. 1 (a) to 1 (c) is a graph showing a band gap (gap) according to the wavelength of light in the quantum dot (Quantum dot) formed according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 형성된 양자점을 나타낸 단면도. 2 is a cross-sectional view showing a quantum dot formed in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 씨모스(CMOS) 이미지센서의 단면도.3 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
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