KR100766674B1

KR100766674B1 - Image sensor with improved dark current characteristics and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR100766674B1
Application number: KR1020010068983A
Authority: KR
Inventors: 임부택
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2007-10-15
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: KR20030038839A

Abstract

본 발명은 칩 내부에서 발생되는 열을 외부로 완전히 방출시켜 칩의 내부 온도를 감소킴으로써 다크 전류 증가를 방지하여 향상된 다크 전류 특성을 갖는 이미지 센서를 제공한다. 본 발명에 따른 향상된 다크 전류 특성을 갖는 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 화소, 층간절연막, 및 금속배선이 형성된 반도체 기판; 금속배선을 덮도록 기판 전면에 형성되고, 금속배선의 일부를 노출시키는 콘택홀을 구비한 패시배이션막; 및 패시배이션막 상부에 형성되고, 콘택홀을 통하여 금속배선과 콘택하면서 금속배선의 형태로 배열된 방열판을 포함하고, 방열판은 금속배선을 통하여 흐르는 전류에 의해 생성된 열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 방열판은 화소가 형성되는 영역 이외의 영역까지 확장하여 형성되며, 제 1 금속막은 텅스텐막이나 알루미늄막으로 이루어지고, 제 2 금속막은 텅스텐막, 알루미늄막, 티타늄막/티타늄질화막 중 선택되는 하나의 막으로 이루어진다.
The present invention provides an image sensor having improved dark current characteristics by preventing the dark current increase by completely dissipating heat generated inside the chip to the outside to reduce the internal temperature of the chip. An image sensor having improved dark current characteristics according to the present invention includes a semiconductor substrate including a pixel including a light receiving element, an interlayer insulating layer, and a metal wiring; A passivation film formed on the entire surface of the substrate so as to cover the metal wiring, and having a contact hole exposing a part of the metal wiring; And a heat sink formed on the passivation layer and arranged in the form of metal wires while contacting the metal wires through the contact holes, wherein the heat sinks dissipate heat generated by the current flowing through the metal wires to the outside. It features. In addition, the heat sink is formed to extend to a region other than the region where the pixel is formed, wherein the first metal film is made of tungsten film or aluminum film, and the second metal film is one selected from tungsten film, aluminum film and titanium / titanium nitride film. It is made of a film.

방열판, 이미지 센서, 패시배이션막, 열전도도, 다크 전류Heat sink, image sensor, passivation film, thermal conductivity, dark current

Description

IMAGE SENSOR HAVING IMPROVED DARK CURRENT PROPERTY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME

도 1은 종래의 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional image sensor.

도 2는 온도변화에 따른 다크 전류 특성을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the dark current characteristics with temperature changes.

도 3 은 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 3 to 5 are views for explaining the manufacturing method of the image sensor according to an embodiment of the present invention,

도 3은 패시배이션막 상부에서의 방열판 배열을 나타낸 평면도이고, 3 is a plan view showing a heat sink arrangement on an upper portion of a passivation film;

도 4는 도 3의 M 부분에 대한 일부 확대도이며, 4 is a partially enlarged view of portion M of FIG. 3,

도 5는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도.5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing

20 : 반도체 기판 21 : 필드 절연막20 semiconductor substrate 21 field insulating film

22 : 수광소자 23A, 23B : 층간절연막22: light receiving element 23A, 23B: interlayer insulating film

24A, 24B : 금속배선 25 : 산화막24A, 24B: metal wiring 25: oxide film

26 : 평탄화막 27 : 패시배이션막26 planarization film 27 passivation film

28 : 콘택홀 29 : 방열판28: contact hole 29: heat sink

본 발명은 이미지 센서 기술에 관한 것으로, 특히 향상된 다크 전류 특성을 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to image sensor technology, and more particularly, to an image sensor having improved dark current characteristics and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이 되어 있다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor includes a light sensing part that senses light and a logic circuit part that processes the sensed light into an electrical signal to make data. In addition, the image sensor for implementing a color image is a color filter is arranged on the upper portion of the light sensing portion for generating and accumulating photocharges from the light.

도 1은 종래의 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도 1을 참조하여 그 제조방법을 설명한다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a conventional image sensor, and a method of manufacturing the same will be described with reference to FIG. 1.

도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘과 같은 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(11)을 형성하고, 포토 다이오드와 같은 수광소자(12)를 포함하는 화소를 형성한 후, 제 1 층간절연막(13A)을 형성하고 제 1 금속배선(14A)을 형성한다. 그리고 나서, 제 1 금속배선(14A)을 덮도록 제 1 층간절연막(13A) 상에 산화막(15)을 형성하고, 산화막(15) 상부에 평탄화막(16)을 형성하여 표면을 평탄화한다. 그 후, 평탄화막(16) 상에 제 2 층간절연막(13B)을 형성하고, 제 2 금속배선(14B)을 형성한 다음, 수분이나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 및 질화막으로 패시배이션막(17)을 형성한다. 그 후, 도시되지는 않았지만, 이미지센서의 칼라 이미지 구현을 위하여 칼라필터를 형성한 다.As shown in FIG. 1, a field insulating film 11 is formed on the semiconductor substrate 10 such as silicon to electrically insulate between devices, and a pixel including a light receiving element 12 such as a photodiode is formed. After that, the first interlayer insulating film 13A is formed and the first metal wiring 14A is formed. Then, an oxide film 15 is formed on the first interlayer insulating film 13A so as to cover the first metal wiring 14A, and a planarization film 16 is formed on the oxide film 15 to planarize the surface. After that, the second interlayer insulating film 13B is formed on the planarization film 16, the second metal wiring 14B is formed, and then passivated with an oxide film and a nitride film to protect the device from moisture, scratches, and the like. The film 17 is formed. Thereafter, although not shown, a color filter is formed to implement a color image of the image sensor.

그러나, 상술한 종래의 이미지 센서에 있어서는, 칼라필터 형성전 기판 전체를 덮고 있는 패시배이션막(17)에 의해 이후 칩 전체의 내부 온도가 상승하여 다크 전류가 증가되는 문제가 발생함으로써, 결국 이미지 센서의 다크 전류 특성이 저하된다.However, in the above-described conventional image sensor, the passivation film 17 covering the entire substrate before forming the color filter causes a problem that the internal temperature of the entire chip is raised to increase the dark current, resulting in an image. The dark current characteristic of the sensor is degraded.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 이미지 센서에서는 칩의 온도가 증가함에 따라 다크 전류가 지수함수(exponential)의 형태로 증가하는데, 패시배이션막(17)을 구성하는 산화막 및 질화막의 열전도율은 6.0 ×10^-5 으로서 배선 형성시 사용되는 물질에 비해 매우 낮기 때문에 금속배선(14B)에 흐르는 전류에 의해 생성되는 열이 패시배이션막(17)으로 인하여 외부로 거의 방출되지 못하고 칩 내부에 남게 됨으로써, 칩의 내부 온도가 상승하여 결국 다크 전류가 증가되는 문제가 발생하는 것이다.
That is, as shown in FIG. 2, in the image sensor, as the temperature of the chip increases, the dark current increases in the form of an exponential function, and the oxide film and the nitride film constituting the passivation film 17 are generally used. The thermal conductivity is 6.0 × 10 ^-5 , which is very low compared to the material used to form the wiring, so that the heat generated by the current flowing through the metal wiring 14B is hardly released to the outside due to the passivation film 17, and thus the inside of the chip. In this case, the internal temperature of the chip rises, causing the dark current to increase.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 칩 내부에서 발생되는 열을 외부로 완전히 방출시켜 칩의 내부 온도를 감소킴으로써 다크 전류 증가를 방지하여 향상된 다크 전류 특성을 갖는 이미지 센서를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above conventional problems, an object of the present invention is to discharge the heat generated inside the chip to the outside completely to reduce the internal temperature of the chip to prevent the dark current increase to improve the dark current characteristics It is to provide an image sensor having.

또한, 본 발명의 다른 목적을 상술한 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것 이다.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the image sensor described above.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 향상된 다크 전류 특성을 갖는 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 화소, 층간절연막, 및 금속배선이 형성된 반도체 기판; 금속배선을 덮도록 기판 전면에 형성되고, 금속배선의 일부를 노출시키는 콘택홀을 구비한 패시배이션막; 및 패시배이션막 상부에 형성되고, 콘택홀을 통하여 금속배선과 콘택하면서 금속배선의 형태로 배열된 방열판을 포함하고, 방열판은 금속배선을 통하여 흐르는 전류에 의해 생성된 열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention, an image sensor having an improved dark current characteristics according to the present invention includes a semiconductor substrate including a pixel, an interlayer insulating film, and a metal wiring including a light receiving element; A passivation film formed on the entire surface of the substrate so as to cover the metal wiring, and having a contact hole exposing a part of the metal wiring; And a heat sink formed on the passivation layer and arranged in the form of metal wires while contacting the metal wires through the contact holes, wherein the heat sinks dissipate heat generated by the current flowing through the metal wires to the outside. It features.

또한, 방열판은 화소가 형성되는 영역 이외의 영역까지 확장하여 형성된다.In addition, the heat sink is formed extending to an area other than the area where the pixel is formed.

또한, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 수광소자를 포함하는 화소, 층간절연막, 및 금속배선이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 금속배선을 덮도록 기판 전면에 패시배이션막을 형성하는 단계; 금속배선 상의 패시배이션막을 식각하여 상기 금속배선의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 콘택홀에 매립되도록 상기 패시배이션막 상부에 열전도도가 우수한 제 1 금속막을 증착하고 전면식각하여 플러그를 형성하는 단계; 및 플러그와 콘택하도록 패시배이션막 상부에 열전도도가 우수한 제 2 금속막을 증착하고 금속배선의 형태로 패터닝하여 방열판을 완성하는 단계를 포함한다.In addition, in order to achieve another object of the present invention, a method of manufacturing an image sensor according to the present invention comprises the steps of preparing a semiconductor substrate including a pixel, an interlayer insulating film, and a metal wiring including a light receiving element; Forming a passivation film on the entire surface of the substrate to cover the metal wiring; Etching a passivation film on the metal line to form a contact hole exposing a portion of the metal line; Depositing a first metal film having excellent thermal conductivity on the passivation layer so as to be buried in a contact hole and etching the entire surface to form a plug; And depositing a second metal film having excellent thermal conductivity on the passivation film so as to contact the plug and patterning the second metal film in the form of metal wiring to complete the heat sink.

여기서, 제 1 금속막은 텅스텐막이나 알루미늄막으로 형성하고, 제 2 금속막 은 텅스텐막, 알루미늄막, 티타늄막/티타늄질화막 중 선택되는 하나의 막으로 형성한다.Here, the first metal film is formed of a tungsten film or an aluminum film, and the second metal film is formed of one film selected from a tungsten film, an aluminum film, and a titanium film / titanium nitride film.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3은 패시배이션막(27) 상부에서의 방열판(29) 배열을 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 M 부분에 대한 일부 확대도이며, 도 5는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다.3 to 5 are views for explaining a manufacturing method of an image sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a plan view showing an arrangement of the heat sink 29 on the passivation film 27, Figure 4 3 is a partially enlarged view of portion M of FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4.

먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 이미지 센서는 화소영역(P)의 패시배이션막(27) 상부에 금속배선(24A, 24B)의 형태로 콘택홀(28; 도 4 참조)을 통하여 금속배선(24B)과 콘택하도록 배열된 방열판(29)을 구비하여, 금속배선(24B)을 통하여 흐르는 전류에 의해 생성되는 열을 외부로 완전히 방출할 수 있다. 여기서, 방열판(29)은 열전도도가 우수한 제 1 금속막(29A; 도 5 참조)으로 이루어진 플러그와 이 플러그와 콘택하는 열전도도가 우수한 제 2 금속막(29B; 도 5 참조)으로 이루어진다. 바람직하게, 제 1 금속막(29A)은 텅스텐(W)막이나 알루미늄(Al)막으로 이루어지고, 제 2 금속막(29B)은 텅스텐막, 알루미늄막, 및 티타늄(Ti)/티타늄 질화막(TiN) 중 선택되는 하나의 막으로 이루어진다. 또한, 방열판(29)을 광차단층인 금속배선(24B) 상부에만 형성하므로 방열판(29)으로 인한 입사광의 저하는 발생되지 않는다. 또한, 방열효과를 증대시키기 위하여, 방열판(29)을 화소영역(P) 이외의 영역까지 확장하여 형성할 수도 있다. First, referring to FIG. 3, the image sensor of the present invention is formed through the contact holes 28 (see FIG. 4) in the form of metal wirings 24A and 24B on the passivation layer 27 of the pixel region P. Referring to FIG. The heat sink 29 is arranged to be in contact with the metal wiring 24B, so that heat generated by the current flowing through the metal wiring 24B can be completely discharged to the outside. Here, the heat sink 29 includes a plug made of a first metal film 29A having excellent thermal conductivity (see FIG. 5) and a second metal film 29B having excellent thermal conductivity in contact with the plug (see FIG. 5). Preferably, the first metal film 29A is made of a tungsten (W) film or an aluminum (Al) film, and the second metal film 29B is a tungsten film, an aluminum film, and a titanium (Ti) / titanium nitride film (TiN). ), One of the membranes is selected. In addition, since the heat dissipation plate 29 is formed only on the upper portion of the metal wiring 24B, which is the light blocking layer, no decrease in incident light caused by the heat dissipation plate 29 occurs. In addition, in order to increase the heat dissipation effect, the heat dissipation plate 29 may be extended to a region other than the pixel region P. FIG.

다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여, 상술한 이미지 센서의 제조방법을 설명 한다.Next, referring to Figures 4 and 5, the manufacturing method of the above-described image sensor will be described.

실리콘과 같은 반도체 기판(20) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(21)을 형성하고, 포토 다이오드와 같은 수광소자(22)를 포함하는 화소를 형성한 후, 제 1 층간절연막(23A)을 형성하고 제 1 금속배선(24A)을 형성한다. 그리고 나서, 제 1 금속배선(24A)을 덮도록 제 1 층간절연막(23A) 상에 산화막(25)을 형성하고, 산화막(25) 상부에 평탄화막(26)을 형성하여 기판의 표면을 평탄화한다. After the field insulating film 21 is formed on the semiconductor substrate 20 such as silicon for electrical insulation between the elements, and the pixel including the light receiving element 22 such as a photodiode is formed, the first interlayer insulating film 23A is formed. ) Is formed and the first metal wiring 24A is formed. Then, an oxide film 25 is formed on the first interlayer insulating film 23A to cover the first metal wiring 24A, and a planarization film 26 is formed on the oxide film 25 to planarize the surface of the substrate. .

그 다음, 평탄화막(26) 상에 제 2 층간절연막(23B)을 형성하고, 제 2 금속배선(24B)을 형성한 다음, 수분이나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위하여 패시배이션막(27)을 형성한다. 그 후, 패시배이션막(27) 상부에 포토리소그라피로 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 마스크로하여 제 2 금속배선(24B) 상의 패시배이션막(27)을 식각하여, 제 2 금속배선(24B)의 일부를 노출시키는 콘택홀(28)을 형성한 다음, 공지된 방법으로 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다.Next, the second interlayer insulating film 23B is formed on the planarization film 26, the second metal wiring 24B is formed, and then the passivation film 27 is used to protect the device from moisture, scratches, and the like. To form. Thereafter, a photoresist pattern (not shown) is formed on the passivation film 27 by photolithography, and the passivation film 27 on the second metal wiring 24B is formed using the photoresist pattern as a mask. By etching, the contact hole 28 exposing a part of the second metal wiring 24B is formed, and then the photoresist pattern is removed by a known method.

그리고 나서, 콘택홀(28)에 매립되도록 패시배이션막(27) 상부에 열전도도가 우수한 제 1 금속막(29A)을 증착하고 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)와 같은 전면식각 공정으로 제 1 금속막(29A)을 전면 식각하여 콘택홀(28)을 통하여 제 2 금속배선(29B)과 콘택하는 플러그를 형성한다. 바람직하게, 제 1 금속막(29A)은 텅스텐막이나 알루미늄막으로 형성한다. Then, the first metal film 29A having excellent thermal conductivity is deposited on the passivation film 27 so as to be filled in the contact hole 28 and subjected to a full surface etching process such as chemical mechanical polishing (CMP). The first metal layer 29A is etched entirely to form a plug contacting the second metal wiring 29B through the contact hole 28. Preferably, the first metal film 29A is formed of a tungsten film or an aluminum film.

그 다음, 플러그가 형성된 상기 패시배이션막(27) 상부에 열전도도가 우수한 제 2 금속막(29B)을 증착하고, 포토리소그라피 및 식각공정으로 제 2 금속막(29B) 을 제 2 금속배선(29B)의 형태로 패터닝하여, 방열판(29)을 완성한다. 바람직하게, 제 2 금속막(29B)은 텅스텐막, 알루미늄막, 티타늄막/티타늄질화막 중 선택되는 하나의 막으로 형성한다.Next, a second metal film 29B having excellent thermal conductivity is deposited on the passivation film 27 having the plug formed thereon, and the second metal film 29B is formed on the second metal wiring (by photolithography and etching processes). The heat sink 29 is completed by patterning in the form of 29B). Preferably, the second metal film 29B is formed of one film selected from tungsten film, aluminum film and titanium film / titanium nitride film.

그 후, 도시되지는 않았지만, 이미지센서의 칼라 이미지 구현을 위하여 칼라필터를 형성한다.Thereafter, although not shown, a color filter is formed to implement a color image of the image sensor.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 패시배이션막 상부에 금속배선과 콘택하도록 열전도도가 우수한 금속막으로 방열판을 형성함으로써, 방열판에 의해 금속배선을 통하여 흐르는 전류에 의해 생성되는 열을 외부로 완전히 방출시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 칩의 내부 온도가 감소되어 다크 전류가 감소되고, 그 결과 다크 전류 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, the heat sink is formed of a metal film having excellent thermal conductivity so as to contact the metal wiring on the passivation film, thereby dissipating heat generated by the current flowing through the metal wiring by the heat sink. Can be released completely. Accordingly, the internal temperature of the chip is reduced to reduce the dark current, and as a result, the dark current characteristic can be improved.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

전술한 본 발명은 다크 전류 증가를 방지하여 이미지 센서의 다크 전류 특성을 향상시키는 효과가 있다.
The present invention described above has the effect of improving the dark current characteristics of the image sensor by preventing the dark current increase.

Claims

An image sensor comprising a pixel including a light receiving element, an interlayer insulating film, and a metal wiring,

A passivation layer on the metal line, the passivation layer having a contact hole exposing a part of the metal line; And

A heat sink formed on the passivation layer and connected to the metal wiring through the contact hole;

The heat sink is formed in the area overlapping the metal wiring so that the light incident to the light receiving element is not reduced.

The method of claim 1,

The heat sink is formed by extending to an area other than the area where the pixel is formed.

The method according to claim 1 or 2,

The heat sink is an image sensor comprising a plug made of a first metal film having excellent thermal conductivity and a second metal film having excellent thermal conductivity in contact with the plug.

The method of claim 3, wherein

And the first metal film is made of a tungsten film or an aluminum film.

The method of claim 4, wherein

The second metal film is an image sensor comprising one film selected from tungsten film, aluminum film, and titanium / titanium nitride film.

In the manufacturing method of an image sensor including a pixel including a light receiving element, an interlayer insulating film and a metal wiring,

Forming a passivation film on the metal wiring;

Forming a contact hole by etching the passivation layer to expose a portion of the metallization; And

And forming a heat sink on the passivation layer to be connected to the metal wiring through the contact hole.

Forming the heat sink is,

The method of claim 11, wherein the light incident on the light receiving element is formed in an area overlapping with the metal wiring so as not to be reduced.

The method of claim 6,

Forming the heat sink is,

Forming a first metal layer to fill the contact hole; And

Forming a second metal film on the passivation film so as to be connected to the first metal film,

And the first metal film is formed of a tungsten film or an aluminum film.

The method of claim 7, wherein

And the second metal film is formed of one of tungsten film, aluminum film and titanium / titanium nitride film.