JP4870656B2 - シーモスイメージセンサー及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シーモス(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサーに関する。
一般に、イメージセンサーは光学映像(optical image)を電気信号に変換させる半導体素子であり、個別モス(MOS、metal oxide-silicon)キャパシター(capacitor)がお互いに非常に近接した位置にありながら、電荷キャリアがキャパシターに保存されて移送される二重結合素子(CCD、charge coupled device)と制御回路(control circuit)及び信号処理回路(signal processing circuit)を周辺回路に使用するシーモス(CMOS)技術を利用して、画素数程度にモストランジスターを作って、これを利用して順次に出力を検出するスイッチング方式を採用したシーモス(CMOS、complementary MOS)イメージセンサーがある。
そして、被写体の情報を電気的な信号に変換するシーモスイメージセンサーは、フォトダイオードが入っているシグナル処理チップで構成されており、チップ一つに増幅器(Amplifier)、アナログ/デジタル変換器(A/D converter)、内部電圧発生器(Internal voltage generator)、タイミングジェネレーター(Timing generator)、そして、デジタル論理(Digital logic)などが結合されたりするが、これは空間と電力、そして費用節減に大きな長所を有している。
一方、CMOSイメージセンサーはトランジスターの個数によって3T型、4T型、5T型などに区分される。3T型は1個のフォトダイオードと3個のトランジスターで構成され、4T型は1個のフォトダイオードと4個のトランジスターで構成される。
ここで、前記4T型CMOSイメージセンサーの単位画素に対するレイアウト(lay-out)を説明すると次のようである。
図1は従来の4T型CMOSイメージセンサーの等価回路図であり、図2は従来4T型CMOSイメージセンサーの単位画素を示すレイアウトである。
図1及び図2に示すように、シーモスイメージセンサーの単位画素100は、光電変換部としてのフォトダイオード(photo diode、10)と、4個のトランジスターを含んで構成される。前記4個のトランジスターのそれぞれは、トランスファートランジスター20、リセットトランジスター30、ドライブトランジスター40及びセレクトトランジスター50である。そして、前記各単位画素100の出力端(OUT)にはロードトランジスター60が電気的に連結される。
半導体基板上にSTI(Shallow Trench Isolation)工程で素子分離膜が形成されて、アクティブ領域を定義して、前記アクティブ領域は前記4個のトランジスターのアクティブ領域を含む。
ここで、未説明符号FDは、フローティング拡散領域であり、Txはトランスファートランジスター20のゲート電圧であり、Rxはリセットトランジスター30のゲート電圧であり、Dxはドライブトランジスター40のゲート電圧であり、Sxはセレクトトランジスター50のゲート電圧である。
一般的な、4T型CMOSイメージセンサーの単位画素PXは、図2に示すように、アクティブ領域が定義されて、前記アクティブ領域を除いた部分に素子分離膜が形成される。
前記アクティブ領域のうちで幅が広い部分に1個のフォトダイオードPDが形成されて、前記残り部分のアクティブ領域にそれぞれオーバーラップされる4個のトランジスターのゲート電極23、33、43、53が形成される。
すなわち、前記ゲート電極23によってトランスファートランジスター20が形成されて、前記ゲート電極33によってリセットトランジスター30が形成されて、前記ゲート電極43によってドライブトランジスター40が形成されて、前記ゲート電極53によってセレクトトランジスター50が形成される。
ここで、前記各トランジスターのアクティブ領域には各ゲート電極23、33、43、53下側部を除いた部分に不純物イオンが注入されて、各トランジスターのソース/ドレーン領域S/Dが形成される。
前記素子分離膜を具体的に説明すると、回路の最小線幅が0.35μmであるシーモスイメージセンサーでは、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)方式で素子分離膜を形成したが、回路の最小線幅が0.18μm以下である微細なシーモスイメージセンサーでは、素子の高集積化に有利なSTI(Shallow Trench Isolation)方式で素子分離膜を形成している。
このようなSTI方法で素子分離膜を形成する場合に、前記素子分離膜と隣接したフォトダイオードの境界部分Aで、トレンチ構造を形成するための蝕刻工程時の損傷によってシリコン格子構造の誤整列(dislocation)がたくさん発生する。
このようなシリコン格子構造の誤整列部分Aは電子を捕獲する電子トラップ(electron trap)の役割をするから、シーモスイメージセンサーの低照度特性を悪化させる源泉要因(main source)として作用している。
すなわち、低照度環境ではフォトダイオードに入射する光の量が少ないために、その程度にフォトダイオードで光電変換される電荷の量も少なくなければならないが、前述したような電子トラップに捕獲された電子がトランスファートランジスター16を経由して、イメージ再現に使用されることで、低照度環境でイメージセンサーの特性が低下されるものである。
本発明は、シーモスイメージセンサーで低照度特性を向上させたシーモスイメージセンサー及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明のある態様に係るシーモスイメージセンサーは、画素アレイ部と信号処理部が形成されたイメージセンサーにおいて、前記画素アレイ部に形成されて、第1導電型の第1イオン注入領域と前記第1イオン注入領域内に第2導電型の第2イオン注入領域が形成された素子分離イオン注入領域を有する半導体基板と、該半導体基板上の前記信号処理部に形成された素子分離膜と、前記画素アレイ部に形成されたフォトダイオードと、前記信号処理部に形成されたトランジスターとを含むことを特徴とする。
前記目的を達成するために本発明のある態様に係るシーモスイメージセンサーの製造方法は、半導体基板上に画素アレイ部と信号処理部を有するシーモスイメージセンサーを製造する方法において、前記半導体基板上の前記信号処理部に形成された素子分離膜を形成する段階と、前記画素アレイ部に形成されて、前記半導体基板上に第1導電型の第1イオン注入領域を形成して予備素子分離イオン注入領域を形成する段階と、前記第1イオン注入領域内に第2導電型の第2イオン注入領域を形成して素子分離イオン注入領域を完成する段階と、及び前記画素アレイ部にフォトダイオード及び前記信号処理部にトランジスターを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、シーモスイメージセンサーで半導体基板にSTI素子分離膜と素子分離イオン注入領域を素子分離膜で使用してフォトダイオードの周辺に結晶欠陥区域を最小化することで暗電流(dark current)のソース(source)を減少させることができる。この結果、界面トラップの発生を防止することができるので、低照度での特性が向上する効果が得られる。
以下、添付した図面を参照にして本発明の実施の形態に係るシーモスイメージセンサーについて具体的に説明する。
図3は本発明の実施の形態に係る4T型CMOSイメージセンサーの単位画素を示すレイアウトである。
図3に示すように、4T型単位画素、第1ないし第4単位ピクセル(画素)PX1、PX2、PX3、PX4がお互いに隣接している。
シーモスイメージセンサーは、入射する光を感知して電気的な信号に変換する画素アレイ部と画素アレイ部の出力を信号処理して、イメージを再現し出す信号処理部で大きく分けることができる。
また、前記画素アレイ部は複数個の単位画素が集まってアレイ(array)された構造を有しているが、本実施の形態で使用される素子分離イオン注入領域は、画素アレイ部でフォトダイオード境界で主に使用されて、信号処理部で使用される素子分離膜はLOCOSないしSTIによる素子分離膜164を使用する。
ここで、前記第1ないし第4単位ピクセルPX1、PX2、PX3、PX4のフォトダイオード領域がお互いに隣接するように配置されているが、これに限定されるものではないし、これは本実施の形態によってフォトダイオード領域の間の素子分離がよくなされることを示すためのレイアウトである。
以下、前記第1ないし第4単位ピクセルPX1、PX2、PX3、PX4のうちで第1及び第2単位ピクセルPX1、PX2を選択して具体的に説明する。
前記第1単位ピクセルPX1の第1フォトダイオード領域PD1と前記第2単位ピクセルPX2の第2フォトダイオード領域PD2は素子分離イオン注入領域170によって分離している。
前記第1単位ピクセルPX1及び第2単位ピクセルPX2は、光電変換部としてのフォトダイオード(photo diode、PD1、PD2)と、4個のトランジスターRx、Dx、Tx、Sxを含んでそれぞれ構成される。
前記4個のトランジスターのそれぞれは、トランスファートランジスター120a、120b、リセットトランジスター130a、130b、ドライブトランジスター140a、140b及びセレクトトランジスター150a、150bである。
そして、半導体基板上にSTI(Shallow Trench Isolation)工程で素子分離膜164が形成されてアクティブ領域を定義して、前記アクティブ領域は前記4個のトランジスターRx、Dx、Tx、Sxのアクティブ領域を含む。
ここで、未説明符号FDはフローティング拡散領域であり、Txはトランスファートランジスター120a、120bのゲート電圧であり、Rxはリセットトランジスター130a、130bのゲート電圧であり、Dxはドライブトランジスター140a、140bのゲート電圧であり、Sxはセレクトトランジスター150a、150bのゲート電圧である。
一般的な4T型CMOSイメージセンサーの単位画素は、アクティブ領域が定義されて前記アクティブ領域を除いた部分に素子分離膜164が形成されて、前記フォトダイオード領域の境界には素子分離イオン注入領域が形成されている。
前記第1単位ピクセルPX1で、前記アクティブ領域のうちで幅が広い部分に1個の第1フォトダイオードPD1が形成されて、前記残り部分のアクティブ領域にそれぞれオーバーラップされる4個のトランジスターのゲート電極123a、133a、143a、153aが形成される。
前記第2単位ピクセルPX2で、前記アクティブ領域のうちで幅が広い部分に1個の第2フォトダイオードPD2が形成されて、前記残り部分のアクティブ領域にそれぞれオーバーラップされる4個のトランジスターのゲート電極123b、133b、143b、153bが形成される。
すなわち、前記第1及び第2単位ピクセルPX1、PX2で、前記ゲート電極123a、123bによってトランスファートランジスター120a、120bが形成されて、前記ゲート電極133a、133bによってリセットトランジスター130a、130bが形成されて、前記ゲート電極143a、143bによってドライブトランジスター140a、140bが形成されて、前記ゲート電極153a、153bによってセレクトトランジスター150a、150bが形成される。
前記第1及び第2単位ピクセルPX1、PX2で、前記各トランジスターのアクティブ領域には、各ゲート電極の下側部を除いた部分に不純物イオンが注入されて各トランジスターのソース/ドレーン領域S/Dが形成される。
前記素子分離イオン注入領域170は、第1フォトダイオード領域PD1、第2フォトダイオード領域PD2の境界に不純物が注入されて形成される。
前記素子分離イオン注入領域170は、第1素子分離イオン注入領域171と第2素子分離イオン注入領域173とを含む。
前記第1素子分離イオン注入領域171は、深く形成された低濃度p型拡散領域であり、前記第2素子分離イオン注入領域173内に浅く形成された高濃度n型拡散領域である。
すなわち、前記第2素子分離イオン注入領域173は、前記第1素子分離イオン注入領域171が取り囲んでいる形象である。
そして、前記第2素子分離イオン注入領域173は、コンタクト連結されてリバースバイアス電圧(reverse bias voltage)が印加されるか、または電源(VDD)と連結されることができる。
前記リバースバイアス電圧または電源と連結されてリバース電圧が印加された素子分離イオン注入領域170は、空乏層175がエピ層の下部に深くて厚く形成されるので、十分なアイソレーションを得ることができる。
前記第2素子分離イオン注入領域173は、高濃度n型拡散領域であり、前記第1素子分離イオン注入領域171は低濃度p型拡散領域であり、前記エピ層111はp-ウェルであるので、前記空乏層175は前記高濃度n型拡散領域側には薄く形成されて、前記第1素子分離イオン注入領域171で前記エピ層方向に深く形成される。
前記素子分離イオン注入領域170の両方には第1及び第2フォトダイオード領域PD1、PD2が形成されており、前記第1及び第2フォトダイオード領域PD1、PD2は低濃度n型拡散領域が形成されているので、前記空乏層175は前記第1素子分離イオン注入領域171でフォトダイオード領域に広がらないで、さらに前記エピ層の下部方向に深く形成される。
図4aないし図4bは、図3のI-I'線に沿って切断した断面図である。
図4aは、本発明による第1実施例であり、前記素子分離イオン注入領域に電圧が印加されなかった場合を示す断面図であり、図4bは前記素子分離イオン注入領域に電源電圧が印加された場合を示す断面図である。
また、図5aは本発明による第2実施例であり、前記素子分離イオン注入領域に電圧が印加されなかった場合を示す断面図であり、図5bは前記素子分離イオン注入領域にリバースバイアス電圧が印加された場合を示す断面図である。
前記第1実施例及び第2実施例は構造が同一であって、動作が類似であるので一緒に説明する。
図4a及び図5aを見ると、素子分離イオン注入領域170が第1フォトダイオード領域PD1と第2フォトダイオード領域PD2の境界に形成されている。
高濃度のp型半導体基板と、該半導体基板上に形成された低濃度のp型エピ層111と、該p型エピ層111に形成されてアクティブ領域を定義する素子分離イオン注入領域170と、前記p型エピ層111上に低濃度n型不純物が注入されて低濃度n型拡散領域で第1フォトダイオード領域128aと第2フォトダイオード領域128bが形成されている。
そして、前記半導体基板上に絶縁膜180が形成されて、前記絶縁膜180は前記素子分離イオン注入領域170の第2素子分離イオン注入領域173を所定露出させるコンタクトホール183が形成されている。
図4b及び図5bを見ると、前記コンタクトホール183内に埋め立てられたコンタクト電極185は、前記第2素子分離イオン注入領域173にリバースバイアス電圧または電源が印加されることができるようにする。
前記素子分離イオン注入領域170は、前記第1及び第2フォトダイオード領域PD1、PD2の境界に不純物が注入されて形成される。
前記素子分離イオン注入領域170は、第1素子分離イオン注入領域171と第2素子分離イオン注入領域173でなされる。
前記第1素子分離イオン注入領域171は、深く形成された低濃度p型拡散領域であり、前記第2素子分離イオン注入領域173内に浅く形成された高濃度n型拡散領域である。
すなわち、前記第2素子分離イオン注入領域173は、前記第1素子分離イオン注入領域171が取り囲んでいる形象である。
そして、前記第2素子分離イオン注入領域173は、コンタクト連結されてリバースバイアス電圧(reverse bias voltage)が印加されるか、または電源(VDD)と連結されることができる。前記リバースバイアス電圧、または電源と連結されてリバース電圧が印加された素子分離イオン注入領域170は空乏層175がエピ層111下部で深くて厚く形成されるので、十分なアイソレーションを得ることができる。
前記第2素子分離イオン注入領域は、高濃度n型拡散領域であり、前記第1素子分離イオン注入領域は、低濃度p型拡散領域であり、前記エピ層は、p-ウェルであるので、前記空乏層は前記高濃度n型拡散領域側には薄く形成されて、前記第1素子分離イオン注入領域で前記エピ層方向に深く形成される。
前記素子分離イオン注入領域170の両方には、第1及び第2フォトダイオード領域が形成されており、前記第1及び第2フォトダイオード領域は低濃度n型拡散領域が形成されているので、前記空乏層175は前記第1素子分離イオン注入領域171でフォトダイオード領域で広がらないで、さらに前記エピ層111の下部方向に深く形成される。
このように素子分離イオン注入領域170を素子分離膜の代わりに使用するようになると、界面トラップ(interface trap)の発生を防止することができるから低照度での特性の向上する長所がある。
以上で説明した本発明の一実施例のように、フォトダイオードの境界の少なくとも一部にLOCOSまたはSTIのような素子分離膜ではなく、不純物を注入させて素子分離イオン注入領域を形成して、前記素子分離イオン注入領域にリバースバイアスを印加して空乏層すなわち、アイソレーション領域を拡張させることで、フォトダイオードとフォトダイオードを電気的にアイソレーションさせることができる。
これで、シリコンウェハーの格子構造に誤整列を発生させるSTI素子分離膜の代りに素子分離イオン注入領域を素子分離膜で使用してフォトダイオードの周辺に結晶欠陷区域を最小化することで、暗電流(dark current)のソース(source)を減少させることが可能であり、界面トラップの発生を防止することができるので、低照度での特性が向上したシーモスイメージセンサーを得ることができる。
図6は本発明による他の実施例として、4T型CMOSイメージセンサーの単位画素等を示したレイアウトである。
フォトダイオード200、202は前に説明した実施例でのように、素子分離イオン注入領域170(図3参照)によって幾つかの領域で分離されている。
前記各フォトダイオード200、202は互いに分離されており、その間に信号処理ユニット210が形成される。
前記各フォトダイオード200、202はそれぞれのトランスファートランジスター220、222を有しており、前記トランスファートランジスター220、222はセレクトトランジスター250、ドライブトランジスター240及びリセットトランジスター230を共有することができる。これにより、単位ピクセルのトランジスターの個数を減らすことができる。
本発明によれば、シーモスイメージセンサーで半導体基板にSTI素子分離膜と素子分離イオン注入領域を素子分離膜で使用してフォトダイオードの周辺に結晶欠陥区域を最小化することで暗電流(dark current)のソース(source)を減少させることができる。この結果、界面トラップの発生を防止することができるので、低照度での特性が向上する効果が得られる。
本発明を具体的な実施例を通じて詳しく説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明によるシーモスイメージセンサー及びその製造方法はこれに限定されないし、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を有した者によってその変形や改良が可能であることが明白である。
従来の4T型CMOSイメージセンサーの等価回路図である。 従来の4T型CMOSイメージセンサーの単位画素を示すレイアウトである。 本発明の実施の形態に係る4T型CMOSイメージセンサーの単位画素を示すレイアウトである。 本発明による第1実施例であり、前記素子分離イオン注入領域に電圧が印加されなかった場合を示す断面図である。 本発明による第1実施例であり、前記素子分離イオン注入領域に電源電圧が印加された場合を示す断面図である。 本発明による第2実施例であり、前記素子分離イオン注入領域に電圧が印加されなかった場合を示す断面図である。 本発明による第2実施例であり、前記素子分離イオン注入領域にリバースバイアス電圧が印加された場合を示す断面図である。 本発明による他の実施例として、4T型CMOSイメージセンサーの単位画素等を示したレイアウトである。
符号の説明
120a、120b トランスファートランジスター、130a、130b リセットトランジスター、140a、140b ドライブトランジスター、150a、150b セレクトトランジスター、123a、133a、143a、153a、123b、133b、143b、153b ゲート電極、170 素子分離イオン注入領域、171 第1素子分離イオン注入領域、173 第2素子分離イオン注入領域、175 空乏層、200、202 フォトダイオード、210 信号処理ユニット、220、222 トランスファートランジスター、230 リセットトランジスター、240 ドライブトランジスター、250 セレクトトランジスター。

Claims (20)

  1. 画素アレイ部と信号処理部が形成されたイメージセンサーにおいて、
    前記画素アレイ部のフォトダイオード間に形成され、第1導電型の第1イオン注入領域と前記第1イオン注入領域内に形成される第2導電型の第2イオン注入領域とからなる素子分離イオン注入領域と、前記第2イオン注入領域に接続されてバイアスが印加されるコンタクト電極と、を有する半導体基板と、
    前記半導体基板上の前記フォトダイオードに隣接する前記信号処理部を素子分離する素子分離膜と
    前記信号処理部に形成された複数のトランジスターを含むことを特徴とするCMOSイメージセンサー。
  2. 前記第1導電型はp型であり、前記第2導電型はn型であることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  3. 前記半導体基板は、p型エピ層であることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  4. 前記コンタクト電極は、前記第2イオン注入領域と接続されて前記第2イオン注入領域にリバース電圧(reverse voltage)を印加することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  5. 前記コンタクト電極は、前記第2イオン注入領域と接続されて前記第2イオン注入領域に電源を供給することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  6. 前記第2イオン注入領域と半導体層の接合位置で前記半導体層の下部方向に形成された空乏層の厚さは前記第1イオン注入領域と前記第2イオン注入領域の接合位置で前記第1イオン注入領域方向に形成された空乏層の厚さより大きいことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  7. 前記第2イオン注入領域は、前記第1イオン注入領域が取り囲んでいることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  8. 前記フォトダイオード領域は前記素子分離イオン注入領域によって少なくとも2個以上の領域分離されることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  9. 前記画素アレイ部は少なくとも2個以上の単位画素含み、各単位画素は少なくとも2個以上のトランジスターを含むことを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  10. 前記単位画素同士の境界に前記素子分離イオン注入領域が形成されたことを特徴とする請求項9に記載のCMOSイメージセンサー。
  11. 前記画素アレイ部は互いに隔離された少なくとも二個のフォトダイオード領域を含み、隣接に配置されたフォトダイオード領域は互いに少なくても一つのトランジスターを共有することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサー。
  12. 半導体基板上に画素アレイ部と前記画素アレイ部のフォトダイオードに隣接する信号処理部を有するCMOSイメージセンサーを製造する方法において
    前記画素アレイ部の前記フォトダイオードの間において、前記半導体基板上に第1導電型の第1イオン注入領域を形成して、予備素子分離イオン注入領域を形成する段階と、
    前記第1イオン注入領域内に第2導電型の第2イオン注入領域を形成して素子分離イオン注入領域を完成する段階と
    前記画素アレイ部に前記フォトダイオード及び前記信号処理部に複数のトランジスターを形成する段階と、
    前記第2イオン注入領域に接続されてバイアスが印加されるコンタクト電極を形成する段階と、
    を含むことを特徴とするCMOSイメージセンサーの製造方法。
  13. 前記コンタクト電極を形成する段階において、
    前記フォトダイオード及び前記複数のトランジスター上に絶縁膜を形成する段階と、
    前記絶縁膜に前記第2イオン注入領域の一部を露出させるコンタクトホールを形成する段階と
    前記コンタクトホール内に前記第2イオン注入領域と電気的に連結される前記コンタクト電極を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  14. 前記第2イオン注入領域にリバース電圧が印加されると、前記素子分離イオン注入領域の空乏層が深くなることを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  15. 前記第1導電型はp型であり、前記第2導電型はn型であることを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  16. 前記コンタクト電極は、リバースバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  17. 前記コンタクト電極は、電源電圧が印加されることを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  18. 前記第2イオン注入領域と半導体層の接合位置で前記半導体層の下部方向に形成された空乏層の厚さは、前記第1イオン注入領域と前記第2イオン注入領域の接合位置で前記第1イオン注入領域方向に形成された空乏層の厚さより大きいことを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  19. 前記画素アレイ部は、少なくとも2個以上の単位画素含み、各単位画素は少なくとも2個以上のトランジスターを含むことを特徴とする請求項12に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
  20. 前記単位画素同士の境界に前記素子分離イオン注入領域が形成されたことを特徴とする請求項19に記載のCMOSイメージセンサーの製造方法。
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