KR100696995B1 - 고체 촬상 장치 - Google Patents
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Abstract
포토다이오드(20a 및 20b)가 반도체 기판(10)의 주표면내에 형성된다. 포토다이오드(20a)는 P+-형 표면층(22a) 및 전하 축적부(21a)를 포함하며, 포토다이오드(20b)는 P+-형 표면층(22b) 및 전하 축적부(21b)를 포함한다. 포토다이오드(20a 및 20b)는 STI 구조를 갖는 소자 분리부(33a)에 의해 분리된다. 포토다이오드(20a 및 20b)를 구성하는 전하 축적부(21a 및 21b)의 기저부는 소자 분리부(33a)의 기저부 보다 반도체 기판(10)의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치된다. 그러므로, 혼색이 방지될 수 있고, 전하 축적부의 용량이 크며, 감도 및 포화 특성이 우수한 고체 촬상 장치가 제공될 수 있다.
포토다이오드, 소자 분리부, 반도체층, 고체 촬상 장치
Description
도 1은 고체 촬상 장치의 구조를 도시하는 평면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 고체 촬상 장치의 횡단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예의 고체 촬상 장치에서의 생성된 신호 전하의 에너지 분포 및 상태를 도시하는 도면.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제1 실시예의 고체 촬상 장치의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 횡단면도 및 생성된 신호 전하의 에너지 분포 및 상태를 도시하는 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 횡단면도 및 생성된 신호 전하의 에너지 분포 및 상태를 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 횡단면도 및 생성된 신호 전하의 에너지 분포 및 상태를 도시하는 도면.
도 8은 종래 기술의 반도체 장치의 구조를 도시하는 횡단면도.
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 STI(shallow trench isolation) 방법에 의해 소자가 분리(isolate)되는 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
근래에, 증폭형 MOS 센서를 채용하는 고체 촬상 장치가 고체 촬상 장치로서 주목받고 있다. 이러한 고체 촬상 장치는 각 픽셀에 대해 포토다이오드에서 검출된 신호를 트랜지스터로 증폭하며, 고감도를 특징으로 한다. 더욱이, 고체 촬상 장치에서 근래의 픽셀의 미세화에 따라, STI 방법에 의한 소자 분리 구조가 이용된다. STI 방법은 반도체 기판의 주표면에 흠을 형성하고, 이 홈에 산화막과 같은 절연막을 채우고, 다음으로 표면을 평탄화(smooth)하여 소자 분리부가 형성되는 방법이다. 이 STI 방법에서, 홈의 측면은 반도체 기판의 주표면에 대해 예리하게 형성될 수 있고, 따라서 소자 분리부의 폭은 LOCOS(local oxidization of silicon) 방법에 의해 형성된 소자 분리부의 것보다 더 좁게 될 수 있다.
이하, 종래 기술의 고체 촬상 장치의 구조가 도 8을 참조로 설명된다. 도 8은 소자가 STI 방법에 의해 분리되는 증폭형 MOS센서를 채용하는 고체 촬상 장치의 횡단면도이다.
도 8에 도시된 고체 촬상 장치는 반도체 기판(10), 포토다이오드(20a 및 20b), 및 고전압 트랜지스터(70)를 포함한다. 반도체 기판(10)은 고체 촬상 장치를 형성하기 위한 베이스의 역할을 하고, p-형 반도체 층에 의해 구성된다. 포토다이오드(20a)는 반도체 기판(10)의 주표면에 형성되며, 반도체 기판(10)의 주표면으로 향하는 입사광(incident light)의 강도에 따른 전하량을 갖는 신호 전하를 발생하고, 발생된 신호 전하를 축적한다. 포토다이오드(20a)는 반도체 기판(10)의 표면 주변에 형성되는 표면층(22a) 및 표면층(22a) 아래에 형성되는 전하 축적부(23a)를 포함한다.
표면층(22a)은 반도체 기판(10)에 비해 큰 불순물 농도를 갖는 p-형 불순물층이다. 이하, 그러한 큰 p-형 불순물 농도는 P+형으로 칭하고, 표면층(22a)은 "P+-형 표면층(22a)"로 칭한다. P+-형 표면층(22a)은 이온 주입법에 의해 반도체 기판(10)의 주표면에 P-형 불순물을 도입함에 의해 형성된다. 전하 축적부(23a)는 N-형 불순물층이며, P+-형 표면층(22a)과 PN접합을 형성하여, 전하 축적부(23a)는 입사광의 강도에 따른 전하량을 갖는 신호 전하를 발생하고, 발생된 신호 전하를 축적한다. 전하 축적부(23a)는 이온 주입법에 의해 반도체 기판(10)의 주표면에 N-형 불순물을 도입하고, 도입된 분순물을 열적으로 확산시킴에 의해 형성된다. 포토다이오드(20b)는 포토다이오드(20a)의 것과 동일한 구조를 가지며, 그 설명은 생략한다.
고전압 트랜지스터(70)는 소스 확산층(40a), 드레인 확산층(40b), 게이트 절연막(50) 및 게이트 전극(60)을 포함한다. 소스 확산층(40a) 및 드레인 확산층(40b)는 이온 주입법에 의해 반도체 기판(10)의 주표면으로 N-형 불순물을 도입함에 의해 형성된다. 게이트 절연막(50)은 반도체 기판(10) 표면의 소스 확산층(40a)과 드레인 확산층(40b) 사이의 영역에 실리콘 산화막 등으로 형성된다. 게이트 전극(60)은 게이트 절연막(50) 상에 폴리실리콘 막 등으로 형성된다.
포토다이오드(20a 및 20b) 및 고전압 트랜지스터(70)는 STI 방법에 의해 형성된 소자 분리부(33a 및 33b)에 의해 분리된다. 더욱 상세하게는, 포토다이오드(20a 및 20b)는 소자 분리부(33a)에 의해 분리된다. 포토다이오드(20b) 및 고전압 트랜지스터(70)는 소자 분리부(33b)에 의해 분리된다. 소자 분리부(33a 및 33b)는 후술한다.
소자 분리부(33a)는 홈(30a), P+-형 내면층(31a) 및 절연막(32a)을 포함한다. 홈(30a)은 "트랜치"라 칭하고, 포토다이오드(20a 및 20b) 사이에서의 반도체 기판(10)의 주표면을 선택적으로 제거함에 의해 형성된다. P+-형 내면층(31a)은 홈(30a)의 내면을 덮도록 형성된다. 절연막(32a)은 P+-형 내면층(31a)으로 덮힌 홈(30a)를 채우도록 형성된다. 절연막(32a)은 그 표면이 반도체 기판(10)의 주표면과 동일한 면을 형성하도록 평탄화된다. 이러한 방식으로, 소자 분리부(33a)가 형성된다. 이하, 이러한 방식으로 STI 방법에 의해 형성된 소자 분리부는 "STI 구조를 갖는 소자 분리부"라 칭한다. 소자 분리부(33b)의 구조는 소자 분리부(33a)의 것과 동일하여, 그 설명은 생략한다.
이러한 구조의 고체 촬상 장치에 대해, 혼색(color mixing)의 발생을 가능한 한 감소시킬 필요가 있다. 혼색이란 포토다이오드(예를 들면, 포토다이오드(20b))를 통과한 경사광(oblique light)에 의해 반도체 기판(10)의 주표면내에 생성된 신호 전하가 그에 인접한 다른 포토다이오드(예를 들면, 포토다이오드(20a))내의 신호 전하로서 축적되는 현상을 지칭한다. 그러므로, 혼색은 반도체 기판(10)의 주표면에 입사하는 광 중에서 수직 방향의 입사광에 의해서가 아니라 경사 방향의 입사광에 의해 초래된다.
반도체 기판(10)의 주표면에 입사하는 경사광 중에서, 반도체 기판(10)의 주표면에 대해 큰 각도를 형성하는 경사광의 양은 반도체 기판(10)의 주표면에 대해 작은 각도를 형성하는 경사광의 양보다 크다. 대부분의 경사광은 반도체 기판(10)의 깊은 부분에 도달하고, 신호 전하를 생성한다. 그러므로, 주표면으로부터 얕은 위치에서 생성되는 신호 전하에 비해 반도체 기판(10)의 두께 방향으로 주표면으로부터 깊은 위치에서 생성되는 신호 전하의 의해 더 자주 혼색이 발생한다.
이러한 혼색을 방지하기 위해서, 일본 공개 공고 제2003-142674호 등은 도 8에 도시된 것처럼, 포토다이오드(20a 및 20b)를 구성하는 전하 축적부(23a 및 23b)가 반도체 기판(10)의 주표면으로부터 얕은 부분내에 형성된다. 그러한 구조는 반도체 기판(10)의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하가 전하 축적부(23a 및 23b)내의 신호 전하로서 축적되는 것을 어렵게 하여, 혼색의 발생을 억제하도록 하는 것이다.
그러나, 도 8에 도시된 것과 같은 종래 기술의 고체 촬상 장치에서, 전하 축적부(23a 및 23b)의 기저부(bottom portion)는 반도체 기판(10)의 주표면으로부터 얕은 부분에 위치된다. 보다 상세하게는, STI 구조를 갖는 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 반도체 기판(10)의 주표면으로부터 더 얕은 위치에 전하 축적부(23a 및 23b)의 기저부가 위치된다. 그러한 형태를 갖는 전하 축적부(23a 및 23b)의 용량은 작고, 축적될 수 있는 전하의 양도 작아서, 고체 촬상 장치의 감도 특성이 낮다는 문제가 있다.
그러므로, 본 발명은 혼색이 방지되면서 우수한 감도 및 포화 특성을 갖는 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 아래의 특징을 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치는 소자가 STI 방법에 의해 분리되는 고체 촬상 장치에 관한 것으로, 이 고체 촬상 장치는 반도체 기판, 복수개의 포토다이오드, 및 STI 구조를 갖는 소자 분리부를 포함한다.
본 발명의 고체 촬상 장치에서, 소자 분리부의 기저부에 비해 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 포토다이오드의 기저부가 위치된다. 이러한 구조로, 포토다이오드의 용량은 증가되어, 축적될 수 있는 전하량이 증가되고, 반도체 기판의 깊은 위치까지 광전 변환에 의해 전자가 수득됨이 보장된다. 그러므로, 우수한 감도 및 포화 특성을 갖는 고체 촬상 장치가 수득될 수 있다. 더욱이, 후술하는 구조를 갖는 포토다이오드에서, 전하의 분할선이 인접 포토다이오드 사이에서 발생하여, 그 사이에서 생성되는 신호 전하는 소망된 포토다이오드 또는 기판의 깊은 부분으로 향하고, 따라서 혼색이 방지될 수 있다.
포토다이오드는 반도체 기판의 깊이 방향으로의 농도 분포의 피크가 소자 분리부의 기저부 보다 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치하는 구조이어서, 포토다이오드를 구성하는 불순물의 피크 위치는 소자 분리부의 농도의 피크 위치와 떨어져 있을 수 있다. 결과적으로, 포토다이오드에 대한 누설 전류인 PN 접합의 역전류는 억제될 수 있다.
포토다이오드의 측면은 소자 분리부의 측면과 접촉될 수 있다. 이러한 구조로서, 소자 분리부의 측면이 투명 산화막으로 형성되어, 포토다이오드의 수광 면적을 더욱 증가될 수 있고 따라서 감도 특성은 개선될 수 있다. 더욱이, 축적될 수 있는 전하양은 더욱 증가될 수 있어서, 포화 특성이 개선될 수 있다. 또한, 포토다이오드가 소자 분리부의 기저면과 접촉되는 구조로, 전하 축적부의 수광 면적은 증가될 수 있어서, 감도 특성이 개선될 수 있다.
포토다이오드가 소자 분리부와 단순히 접촉되어 있는 구조에서는, PN 접합의 공핍(depletion)의 발생이 용이하지 않고, 그러므로 누설 전류는 증가될 수 있으며, 백색 얼룩(white spot) 또는 암잡음(dark noise)과 같은 화상 특성의 열화가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명의 고체 촬상 장치에서, 상술한 것처럼, 포토다이오드의 기저부는 소자 분리부의 기저부 보다 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치되며, 반도체 기판의 깊이 방향의 농도 분포 피크는 소자 분리부의 기저부 보다 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치되어, 누설 전류의 증가가 방지될 수 있다. 이는 소자 분리부의 주변에서의 포토다이오드의 농도가 감소되는 경우, PN 접합의 공핍이 용이하게 초래될 수 있어서, 누설 전류는 포토다이오드 및 소자 분리부 아래의 층에서도 억제될 수 있기 때문이다.
반도체 기판이 제1 도전형의 반도체 층과 제1 도전형의 반도체 층 아래에 형성된 제2 도전형의 반도체 층을 포함하는 구조에서, 기판의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하는 기판 측으로 확산될 수 있고, 그러므로 혼색을 방지할 수 있는 현저한 효과가 수득될 수 있다.
또한, 상술한 구조에서 제2 도전형의 반도체 층 대신에, 반도체 기판은 위에 형성된 제1 도전형의 반도체 층 보다 더 큰 불순물 농도를 갖는 제1 도전형의 반도체 층을 더 포함할 수 있다. 또한, 이러한 구조로서, 기판의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하는 기판 측면으로 확산될 수 있으므로, 혼색을 방지하는 현저한 효과가 수득될 수 있다.
상술한 것처럼, 본 발명에 따르면, 포토다이오드의 기저부를 STI 구조를 갖는 소자 분리부의 기저부 보다는 반도체 기판의 주표면으로부터 깊은 부분에 제공함으로써, 축적될 수 있는 신호 전하의 양이 증가되면서 혼색이 방지될 수 있어서, 양호한 감도 및 포화 특성을 갖는 고체 촬상 장치가 구현될 수 있다. 더욱이, 소자 분리부의 측면 또는 기저면과 접촉될 수 있는 포토다이오드를 형성함에 의해, 수광 면적은 증가될 수 있다. 이러한 경우, 포토다이오드내의 반도체 기판의 깊이 방향으로의 농도 분포 피크를 소자 분리부의 기저부 보다는 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치되도록 함에 의해, 양호한 감도, 포화 특성을 갖는 고체 촬상 장치 및 백색 얼룩과 암잡음이 없는 화상 특성이 구현될 수 있다.
본 발명의 상술한 및 다른 목적, 특성, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 아래의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
(제1 실시예)
도 1은 STI 방법에 의해 소자가 분리되는 고체 촬상 장치의 개략적 평면도이다. 도 1에 도시된 고체 촬상 장치는 포토다이오드(20a 및 20b) 및 고전압 트랜지스터(70)를 포함하고, 이들 소자들은 소자 분리부(33a 및 33b)에 의해 분리된다. 고전압 트랜지스터(70)는 게이트 전극(60 및 61), 소스 확산층(40b) 및 상부 도전층에 접촉하기 위한 접촉부(101)를 포함한다. 소자 분리부(33a)는 포토다이오드(20a)와 포토다이오드(20b) 사이를 분리하고, 소자 분리부(33b)는 포토다이오드(20a)와 고전압 트랜지스터(70)를 분리한다.
도 2는 도 1에 도시된 선 W-X-Y-Z를 따라 취해지는 고체 촬상 장치의 횡단면도이다. 본 발명의 제1 실시예의 고체 촬상 장치의 구조는 도 2를 참조로 설명된다. 도 2에 도시된 고체 촬상 장치는 증폭형 MOS 센서를 채용하는 고체 촬상 장치로서 반도체 기판(10)내에 형성된다. 반도체 기판(10)은 고체 촬상 장치를 형성하기 위한 베이스의 역할을 하는 실리콘 기판이며 P-형 반도체 층으로 구성된다.
포토다이오드(20a)는 반도체 기판(10)의 주표면 내에 형성되며, 반도체 기판(10)의 주표면으로 향해지는 입사광의 강도에 따른 전하량을 갖는 신호 전하를 생성하며, 생성된 신호 전하를 축적한다. 포토다이오드(20a)는 반도체 기판(10)의 표면 주변에 형성되는 P+-형 표면층(22a)과 P+-형 표면층(22a) 아래에 형성되는 전하 축적부(21a)를 포함하는 매입형 PNP 포토다이오드(buried PNP photodiode)이다.
P+-형 표면층(22a)은 이온 주입법에 의해 반도체 기판(10)이 주표면내에 P-형 불순물을 도입함에 의해 형성되어 반도체 기판(10)의 P-형 반도체 층의 것보다 더 높은 반도체 불순물을 가지도록 형성된다. 전하 축적부(21a)는 N-형 불순물층이며 P+-형 표면층(22a)과 PN 접합을 형성하여, 전하 축적부(21a)는 입사광의 강도에 따른 전하량을 갖는 신호 전하를 생성하고 이 생성된 신호 전하를 축적한다. 전하 축적부(21a)는 이온 주입법에 의해 반도체 기판(10)의 주표면에 N-형 불순물을 도입하고, 이 도입된 불순물을 열적으로 확산함에 의해 형성된다. 포토다이오드(20b)는 포토다이오드(20a)의 것과 동일한 구조를 가지므로, 그 상세한 설명은 생략된다.
고전압 트랜지스터(70)는 소스 확산층(40a), 드레인 확산층(40b), 게이트 절연막(50) 및 게이트 전극(60)을 포함한다. 소스 확산층(40a) 및 드레인 확산층(40b)은 반도체 기판(10)의 주표면에 N-형 불순물을 도입함에 의해 형성된다. 게이트 절연막(50)은 반도체 기판(10)의 표면 상의 소스 확산층(40a)와 드레인 확산층(40b) 사이의 영역내에서 실리콘 산화막 등으로 형성된다. 게이트 전극(60)은 게이트 절연막(50) 상에 폴리실리콘 막 등으로 형성된다.
소자 분리부(33a)는 STI 구조를 갖는 소자 분리부이며, 홈(30a), P+-형 내면층(31a) 및 절연막(32a)을 포함한다. 홈(30a)은 "트랜치"라 칭하고, 포토다이오드(20a 및 20b) 사이의 반도체 기판(10)의 주표면을 선택적으로 제거함에 의해 형성된다. P+-형 내면층(31a)은 홈(30a)의 내면을 덮도록 형성된다. 절연막(32a)은 그 내부 표면이 P+-형 내면층(31a)으로 덮여지는 홈(30a)을 채우도록 형성된다. 절연막(32a)은 그 표면이 반도체 기판(10)의 주표면과 동일한 평면을 형성하도록 평탄화된다. 이러한 방식으로, 소자 분리부(33a)는 형성된다. 소자 분리부(33b)의 구조는 소자 분리부(33a)의 것과 동일하여, 설명은 생략한다.
이 실시예의 고체 촬상 장치는 도 8에 도시된 종래 기술의 고체 촬상 장치와 상이하여, 포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부는 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치된다. 보다 상세하게는, 포토다이오드(20a 및 20b)를 구성하는 전하 축적부(21a 및 21b)의 기저부는 소자 분리부(33a 및 33b)를 구성하는 홈(30a 및 30b)의 기저부 보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치된다. 본 발명에서, "포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부는 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치됨"이라는 문장은 포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부가 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부와 기판 두께 방향에 대해 동일한 위치에 위치되는 경우를 포함한다. 이러한 구조로, 포토다이오드(20a 및 20b)의 용량은 증가하여 축적될 전하량이 증가하며, 반도체 기판(10)의 깊은 위치까지 광전 변환에 의해 전자가 수득됨이 보장된다. 그러므로, 종래의 고체 촬상 장치보다 우수한 감도 및 포화 특성을 갖는 고체 촬상 장치가 실현될 수 있다. 포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부가 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치하는 한, 그 한계에 대한 제약은 없다.
본 실시예에서, 포토다이오드(20a 및 20b)는 상술한 형상을 가져서, 광전 변환 영역 및 전하 용량이 증가될 뿐만 아니라, 혼색이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 대한 이유는 도 3a 및 도 3b를 참조로 설명된다. 도 3a는 도 2에 도시된 고체 촬상 장치의 관련 부분을 도시하는 개략도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 고체 촬상 장치에서 선 A-B를 따른 에너지 분포를 도시하는 도면이다.
고체 촬상 장치에서, 포토다이오드(예를 들면, 포토다이오드(20b))를 통과한 경사광에 의해 반도체 기판(10) 내부에 생성된 신호 전하는 다른 인접 포토다이오드(예를 들면, 포토다이오드 20a)내의 신호 전하로서 축적된다는 사실에 의해 혼색이 초래된다. 예를 들면, 도 3a에서, 포토다이오드(20a)를 통과한 입사광(h
: 90a)에 의해 생성된 신호 전하(12a)는 포토다이오드(20b)를 구성하는 전하 축적부(21b)에 진입하여, 혼색이 발생한다. 별도로는, 포토다이오드(20b)를 통과한 입사광(h
: 90b)에 의해 생성된 신호 전하(12b)는 포토다이오드(20a)를 구성하는 전하 축적부(21a)로 진입하여, 혼색이 발생한다.
그러나, 본 실시예의 고체 촬상 장치에서 상술한 것처럼, 전하 축적부(21a 및 21b)의 기저부는 기판의 주표면으로부터 깊은 위치에 위치된다. 그러므로, 도 3b에 도시된 것처럼, 상향 볼록형을 갖는 에너지 분포 피크는 인접 전하 축적부(21a 및 21b) 사이 즉, P-형 반도체 층(11a)에서 생성된다. 이 에너지 분포 피크는 "전하 분할선(80)"으로 칭한다. 그러한 전하 분할선(80)이 형성되어, 전하 축적부(21a)를 통과한 광에 의해 생성된 신호 전하(12a)는 도 3b에서의 화살표로 표시된 것처럼 전하 축적부(21a)의 측면을 향하고, 전하 축적부(21b)를 통과한 광에 의해 생성된 신호 전하(12b)는 전하 축적부(21b)의 측면을 향한다. 그러므로, 신호 전하(12a 및 12b)는 각각 축적이 예정된 전하 축적부(21a 및 21b)내에 축적된다. 그러므로, 본 실시예의 고체 촬상 장치에서, 인접 포토다이오드(20a 및 20b) 사이에서 생성된 신호 전하에 의해 야기된 혼색이 방지될 수 있다.
더욱이, 포토다이오드(20a 및 20b)의 측면은 소자 분리부(33a 및 33b)의 측면과 접촉한다. 이러한 구조로, 포토다이오드(20a 및 20b)의 용량은 종래의 전하 축적부(23a 및 23b)의 것보다 더 커질 수 있다. 또한, 소자 분리부(33a 및 33b)의 측면은 투명 산화막으로 형성되어, 광을 수신할 수 있고, 이는 포토다이오드(20a 및 20b)의 수광 면적을 증가시켜서, 포토다이오드 영역을 더욱 증가시켜서, 축적될 수 있는 전하량을 더욱 증가시킨다.
더욱이, 포토다이오드(20a 및 20b)는 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저면과 부분적으로 접촉된다. 그러한 구조로, 수광 면적은 증가될 수 있고, 광전 변환 영역을 깊어질 수 있고, 따라서 감도 특성은 개선될 수 있다.
포토다이오드(20a 및 20b)를 소자 분리부(33a 및 33b)와 단순히 접촉하도록 하는 것은 PN 접합의 공핍을 초래하는 것을 어렵게 하므로, 누설 전류는 증가될 수 있고 백색 얼룩 또는 암 잡음과 같은 화상 특성의 열화를 초래할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 고체 촬상 장치는 포토다이오드(20a 및 20b)내의 반도체 기판의 깊이 방향으로의 농도 분포 피크가 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 반도체 기판(10)의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치되도록 구성되어, 누설 전류의 증가가 방지될 수 있다.
도 3c는 포토다이오드(20a 및 20b)의 기판의 깊이 방향으로의 농도 분포를 도시한다. 곡선 A1은 P+-형 표면층(22a 및 22b)의 농도 분포를 도시하고, 곡선 A2은 N-형 전하 축적부(21a 및 21b)의 농도 분포를 도시한다. 파선 B는 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부의 위치를 도시한다. 여기서, 고체 촬상 장치가 곡선 A2로 도시된 N-형 전하 축적부(21a 및 21b)에서의 피크(P1)가 파선 B로 도시된 소자 분리부(33a 및 33b)의 기저부 보다 기판의 더 깊은 부분에 위치되는 구성인 경우, 누설 전류의 증가가 방지될 수 있다. 이는 PN 접합의 공핍이 소자 분리부(33a 및 33b)의 둘레의 전하 축적부(21a 및 21b)의 농도의 감소에 의해 쉽게 야기될 수 있어서, 누설 전류가 포토다이오드(20a 및 20b) 및 소자 분리부(33a 및 33b)의 아래의 층에서도 억제될 수 있기 때문이다.
더욱이, 그러한 농도 분포를 갖는 포토다이오드(20a 및 20b)는 소자 분리부(33a 및 33b)의 농도의 피크 위치와는 떨어져서 전하 축적부(21a 및 21b)의 불순물 농도의 피크 위치(P1)를 유지할 수 있다. 결과적으로, 포토다이오드(20a 및 20b)의 누설 전류인 PN 접합의 역전류가 억제될 수 있다.
이러한 구조의 고체 촬상 장치에서, 예를 들면, 기판의 표면으로부터의 홈(30a 및 30b)의 깊이는 약 0.3㎛이며, 기판의 표면으로부터의 전하 축적부(21a 및 21b)의 깊이는 약 0.8㎛, 기판의 표면으로부터의 P+-형 표면층(22a 및 22b)의 깊이는 약 0.2㎛이고, 기판의 표면으로부터 소스 확산층(40a) 및 드레인 확산층(40b)의 깊이는 0.1㎛이다.
이하, 상술한 구조를 갖는 고체 촬상 장치를 제조하는 방법이 도 4를 참조로 설명된다. 도 4a 내지 도 4f는 도 2에 도시된 고체 촬상 장치를 제조하는 각 단계에서 반도체 기판 및 그 표면의 횡단면도이다.
도 4a는 전하 축적부(21a 및 21b)가 반도체 기판(10)의 주표면에 형성되는 상태를 도시한다. 이 상태에서 기판을 수득하기 위해서는, 먼저, 전하 축적부(21a 및 21b)가 형성될 영역내에 형성된 개구부를 갖는 레지스트 패턴이 P-형 반도체 기판(10)의 주표면 상에서 공지된 방법에 의해 제공된다. 이 레지스트 패턴을 마스크로 이용하여, N-형 불순물인 비소(As)로 고속 이온 주입을 수행한다. 보다 상세하게는, As 이온은 650KeV 및 1.8 x 1012/㎠으로 주입된다. 그러므로, 전하 축적부(21a 및 21b)는 반도체 기판(10)의 주표면내에 형성된다. 기판 표면으로부터 전하 축적부(21a 및 21b)의 깊이는 약 0.8㎛이다.
도 4b는 P+-형 표면층이 전하 축적부(21a 및 21b)내에 형성되는 상태를 도시한다. 이러한 상태의 기판을 수득하기 위해서, 먼저, P+-형 표면층(22a 및 22b)이 형성될 영역내에 형성된 개구부를 갖는 레지스트 패턴이 반도체 기판(10)의 표면 상에 공지된 방법에 의해 제공된다. 이 레지스트 패턴을 마스크로 이용하여, P-형 불순물(예를 들면, 보론) 이온이 주입된다. 그러므로, P+-형 표면층(22a 및 22b)이 전하 축적부(21a 및 21b) 내부에 형성된다. 기판 표면으로부터의 P+-형 표면층(22a 및 22b)의 깊이는 약 0.2㎛이다.
도 4c는 소자를 분리하기 위한 홈(30a 및 30b)이 반도체 기판(10)의 주표면내에 형성되는 상태를 도시한다. 그러한 홈(30a 및 30b)은 소자 분리부가 형성될 영역내에 건식 에칭 처리를 수행함에 의해 형성된다. 홈(30a 및 30b)의 깊이는 약 0.3㎛이다.
도 4d는 소자 분리부(33a 및 33b)가 형성되는 상태를 도시한다. 그러한 소지 분리부를 형성하기 위하여, 먼저, 홈(30a 및 30b)쪽으로 저속으로 이온 주입이 수행된다. 보다 상세하게는, 보론(B)이온이 30KeV 및 3.2 x 1013/㎠으로 주입된다. 그러므로, P+-형 내면막(31a 및 31b)이 홈(30a 및 30b)의 내면에 형성된다. 다음으로, 내면막(31a 및 31b)으로 덮인 홈(30a 및 30b)이 산화막과 같은 절연막(32a 및 32b)으로 채워지고, 평탄화된다. 그러므로, STI 구조를 갖는 소자 분리부(33a 및 33b)가 형성될 수 있다.
도 4e는 게이트 절연막(50) 및 게이트 전극(60)이 반도체 기판(10) 상에 형성되는 상태를 도시한다. 기판을 이러한 상태로 수득하기 위하여, 먼저, 실리콘 산화막(SiO2 막)이 열 산화 또는 CVD(화학 기상 증착: chemical vapor deposition) 방법에 의해 반도체 기판(10)의 표면 상에 9nm의 두께로 증착된다. 다음으로, 폴리실리콘 산화막이 CVD 방법에 의해 SiO2 상에 160nm의 두께로 증착된다. 다음으로, 이들 막은 포토리쏘그라피 및 건식 에칭을 거쳐서, 필요한 패턴이 형성되고, 게이트 절연막(50) 및 게이트 전극(60)이 형성된다.
도 4f는 소스 확산층(40a) 및 드레인 확산층(40b)가 반도체 기판(10)의 주표면내에 형성되는 상태를 도시한다. 그러한 소자 분리부를 형성하기 위하여, 먼저, N-형 불순물의 이온이 게이트 전극(60)을 마스크로 이용하여 반도체 기판(10)의 주표면 내에 주입된다. 보다 상세하게는, 비소(As) 이온이 50KeV 및 2.0 x 1015/㎠으로 주입된다. 그러므로, 소스 확산층(40a) 및 드레인 확산층(40b)이 반도체 기판(10)의 주표면내에 형성되며, 고전압 MOS 트랜지스터(70)이 형성된다.
(제2 실시예)
본 실시예에서, 기판의 깊은 위치에서도 발생하는 신호 전하로 인한 혼색이 방지될 수 있는 구조를 갖는 고체 촬상 장치가 설명된다. 이 실시예의 고체 촬상 장치는 제1 실시예의 고체 촬상 장치와 실질적으로 동일한 구조를 가지므로, 둘 사이의 차이점에 대해서만 이하 설명한다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 도 5b는 도 5a에 도시된 고체 촬상 장치의 선 C-D를 따른 에너지 분포를 도시하는 도면이다. 도 5a에서, 반도체 기판(10)은 표면 상에 위치되는 P-형 반도체층(11a), 상기 층 아래에 형성되는 P+-형 반도체층(11b), 및 기저부에 위치된 P-형 반도체층(11c)로 구성된다. 이 실시예에서, P+-형 반도체층(11b)는 포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 형성된다.
이러한 구조로, 반도체 기판(10)의 기판 깊이 방향으로의 에너지 분포는 도 5b에 도시된 것처럼 기판의 깊은 부분에서 상향 볼록형을 갖는 에너지 피크(M1)를 가진다. 그러므로, 예를 들면, 도 5a에서, 포토다이오드(20b)를 통과한 입사광(h
: 90c)에 의해 기판의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하(12c)는 도 5b에 도시된 것처럼 P-형 반도체층(11c)로 향한다(화살표로 도시된 방향). 그러므로, 큰 불순물 농도를 갖는 반도체층(11b)가 포토다이오드(20a 및 20b)가 형성되는 반도체층(11a) 아래에 더욱 제공되어 기판의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하(12c)가 기판의 더 깊은 부분으로 향하도록 고체 촬상 장치를 구성함에 의해, 제1 실시예의 효과 외에도 기판의 깊은 부분에서 생성되는 신호 전하로 인한 혼색이 방지될 수 있다.
더욱이, 기판의 깊은 부분에서 생성된 신호 전하가 보다 신뢰적인 방식으로 기판측으로 향해 흐르도록 하기 위해서, 반도체 기판(10)은 도 6a에 도시된 것과 같은 구성이 된다. 도 6a에서, 반도체 기판(10)은 표면에 위치한 P-형 반도체층(11a), 그 층 아래에 형성된 P+-형 반도체층(11b), 및 기저부에 위치한 N-형 반도체층(11d)로 구성된다. 본 실시예에서, P+-형 반도체층(11b)은 포토다이오드(20a 및 20b)의 기조부보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 형성된다. 이렇게 구성된 반도체 기판(10)의 일반적인 불순물 농도는 P-형 반도체층(11a)에 대해 약 1 x 1014 내지 1 x 1015/㎠, P+-형 반도체층(11b)에 대해 약 1 x 1016 내지 1 x 1017/㎠, 및 N-형 반도체층(11d)에 대해 1 x 1014 내지 1 x 1015/㎠ 이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 고체 촬상 장치의 선 C-D를 따른 에너지 분포를 도시하는 도면이다. 도 6a에 도시된 것처럼, 고체 촬상 장치에서, 낮은 에너지를 갖는 N-형 반도체 층이 P+-형 반도체층(11b)에 인접하게 제공되며, 도 6b에 도시된 것처럼 상향 볼록 형태를 갖는 에너지 피크(M1)에 인접하여 낮은 측으로 향하는 곡선(M2)이 생성된다. 그러므로, 예를 들면, 도 6a에서, 기판의 깊은 부분에서 생성되고 전하 축적부(21b)를 통과한 신호 전하는 보다 용이하게 화살표로 표시된 방향, 즉 도 6b에 도시된 것처럼 N-형 반도체층(11d) 쪽의 방향으로 향한다.
더욱이, 반도체 기판(10)에서 도 7a에 도시된 것처럼 P-형 반도체층(11a)이 N-형 반도체층(11d) 상에 직접 형성된다. N-형 반도체층(11d)은 포토다이오드(20a 및 20b)의 기저부 보다 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치내에 형성된다. 또한 도 7b에 도시된 것과 같은 이러한 구조로, 도 6b에 도시된 것과 동일한 에너지 분포가 수득될 수 있다.
도 6a 및 도 7a에 도시된 것처럼, N-형 반도체층 상에 p-형 반도체층을 형성하기 위하여, N-형 반도체층이 이용되고 이 실리콘 기판에 다수회 고에너지로 주입되어서, 깊은 P-형 반도체층이 형성된다. 예를 들면, 도 7a에 도시된 반도체 기판(10)의 경우에, P-형 불순물(예를 들면, 보론) 이온이 5 단계에 걸쳐 N-형 실리콘 기판으로 주입된다. 이 경우의 이온 주입은 400KeV에서 1.0 x 1011/㎠, 800KeV에서 1.0 x 1011/㎠, 1200KeV에서 1.0 x 1011/㎠, 1600KeV에서 1.0 x 1011/㎠, 및 1800KeV에서 2.0 x 1011/㎠ 이다.
종래 기술로서 인용되는 일본 특허 공개 공보 2003-142674호에 개재된 고체 촬상 장치에서, N-형 불순물층은 소자 분리 영역의 주변부에서의 누설 전류를 억제하기 위하여 STI 구조를 갖는 소자 분리 영역의 주변부를 둘러싼다. 그러므로, 고체 촬상 장치를 구성하는 반도체 기판으로서, P-형 반도체 기판만이 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 P-형 반도체 기판을 이용하는 고체 촬상 장치 뿐만 아니라 상술한 것처럼 N-형 반도체 기판을 이용하는 고체 촬상 장치에도 적용될 수 있다.
상술한 실시예에서, 포토다이오드(20a 및 20b)를 구성하는 전하 축적부(21a 및 21b)는 홈(30a 및 30b)의 기저부와 접촉된다. 그러나, 기저부는 각자가 접촉될 필요는 없다. 더욱이, 상술한 실시예에서, 전하 축적부(21 및 21b)의 측면은 홈(30a 및 30b)의 측면과 접촉된다. 그러나, 측면은 각자가 접촉될 필요는 없다.
또한, 상술한 실시예의 고체 촬상 장치는 예를 들면 MOS 고체 촬상 장치를 들어 설명되었다. 그러나, 본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS 센서에도 적용될 수 있다.
본 발명의 고체 촬상 장치는 높은 전하 축적량을 제공하고 혼색을 방지하는 것을 특징으로 하여, 본 발명은 STI 방법에 의한 소자 분리 구조를 갖는 MOS 고체 촬상 장치에 대해 양호하게 이용될 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 카메라를 갖는 이동 전화기, 비디오 카메라 및 디지털 스틸 카메라 또는 프린터 등에 이용되는 라인 센서(line sensor) 등에 이용되는 고체 촬상 장치에 양호하게 이용될 수 있다.
본 발명이 상세히 설명되었지만, 상술한 설명은 예로써 든 것이지 제한적이지는 않다. 수개의 다른 개조물 및 변형물이 본 발명의 기술 범위에서 벗어나지 않고 고안될 수 있을 것이다.
Claims (6)
- 고체 촬상 장치에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판의 주표면에 형성되며, 입사광의 강도에 따라 신호 전하를 생성 및 축적하는 복수개의 포토다이오드; 및인접 포토다이오드를 분리하기 위하여, 상기 반도체 기판의 주표면에 형성된 홈을 절연막으로 채움에 의해 형성되는 소자 분리부를 포함하되, 상기 포토다이오드의 기저부는 상기 소자 분리부의 기저부 보다 상기 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치하며,상기 포토다이오드로 입사된 경사광의 신호 전하가 당해 포토다이오드에 축적되고 인접한 다른 포토다이오드에는 축적되지 않도록, 상기 소자 분리부 하방의 인접하는 포토다이오드들 사이에 상향 볼록형의 에너지 분포 피크가 형성되어 있는, 고체 촬상 장치.
- 고체 촬상 장치에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판의 주표면에 형성되며, 입사광의 강도에 따라 신호 전하를 생성 및 축적하는 복수개의 포토다이오드; 및인접 포토다이오드를 분리하기 위하여, 상기 반도체 기판의 주표면에 형성된 홈을 절연막으로 채움에 의해 형성되는 소자 분리부를 포함하되, 상기 포토다이오드의 기저부는 상기 소자 분리부의 기저부 보다 상기 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치하며,상기 포토다이오드의 상기 반도체 기판의 깊이 방향의 농도 분포의 피크는 상기 소자 분리부의 기저부 보다 상기 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치되는 고체 촬상 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 포토다이오드의 측면은 상기 소자 분리부의 측면과 접촉하는 고체 촬상 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 포토다이오드는 상기 소자 분리부의 기저부와 접촉하는 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은상기 포토다이오드를 형성하기 위한 제1 도전형의 반도체층; 및상기 제1 도전형의 반도체층 아래에 형성되는 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 고체 촬상 장치.
- 고체 촬상 장치에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판의 주표면에 형성되며, 입사광의 강도에 따라 신호 전하를 생성 및 축적하는 복수개의 포토다이오드; 및인접 포토다이오드를 분리하기 위하여, 상기 반도체 기판의 주표면에 형성된 홈을 절연막으로 채움에 의해 형성되는 소자 분리부를 포함하되, 상기 포토다이오드의 기저부는 상기 소자 분리부의 기저부 보다 상기 반도체 기판의 주표면으로부터 더 깊은 위치에 위치하며,상기 반도체 기판은상기 포토다이오드를 형성하기 위한 제1 도전형의 반도체층; 및상기 반도체층 아래에 형성되며, 상기 반도체층 보다 더 높은 불순물 농도를 갖는 상기 제1 도전형의 반도체층을 포함하며,상기 포토다이오드를 통과한 경사광에 의해 상기 더 높은 불순물 농도를 갖는 제1 도전형의 반도체층에서 생성된 신호 전하가 상기 반도체 기판의 더 깊은 부분으로 향하도록, 상기 더 높은 불순물 농도를 갖는 제1 도전형의 반도체층에는 상기 반도체 기판의 깊이 방향으로 상향 볼록형의 에너지 분포 피크가 형성되어 있는, 고체 촬상 장치.
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