KR100718876B1 - 이미지 센서의 픽셀 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 픽셀에서 용적율을 보다 높이기 위해 픽셀 내부의 필드 산화막의 일부영역 또는 전영역을 포토 다이오드로 쓸 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀은 반도체 기판 내부에 형성되는 매립되어 형성되는 포토 다이오드; 포토 다이오드의 상기 형성 이후에 형성되는 픽셀 트랜지스터들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀은 픽셀 트랜지스터들; 픽셀 트랜지스터들을 분리하는 필드 산화막; 필드 산화막 일부 면적 또는 전부면적의 하부에 위치하는 포토 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서, (a)반도체 기판의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계; (b)트렌치 영역의 적어도 일부분을 포함하는 포토 다이오드를 형성하는 단계; (c)포토 다이오드의 상기 형성 이후에 픽셀 트랜지스터들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 포토 다이오드의 표면적이 넓어져 용적율(fill factor)이 향상되고 광감도를 향상시킬 수 있으며, 이미지 센서의 단위 픽셀에서 트랜지스터가 형성되는 영역을 제외하고는 모두 포토 다이오드 영역이 되어 용적율이 극대화된다.

Description

이미지 센서의 픽셀 및 그 제조방법{Pixel for Image Senor and Fabrication Method Thereof}
도 1은 4-TR 구조의 씨모스 이미지센서의 회로도를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서의 평면 레이아웃을 도시한 것이다.
도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면도를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 픽셀의 일부 층만을 나타낸 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 픽셀에서 다른 일부의 층을 나타낸 평면도이다.
도 4c는 본 발명의 픽셀에서 포토 다이오드의 연결층을 포함된 단면도이다.
도 4d는 본 발명의 픽셀에서 픽셀의 트랜지스터 층의 일부가 포함된 단면도이다.
도 5a는 도 4a를 X-X' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 5b는 도 4b를 X-X' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 5c는 도 4c를 X-X' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 5d는 도 4d를 X-X' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 5e는 일부 메탈층을 포함하는 픽셀의 단면도이다.
도 6a는 종래의 픽셀에서 포토 다이오드가 차지하는 면적만을 강조하여 나타낸 것으로 도2의 그림을 단순화한 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 픽셀에서 포토 다이오드가 차지하는 면적만을 강조하여 나타낸 평면도이다.
본 발명은 이미지 센서(image sensor)의 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 능동소자인 트랜지스터를 포함하는 액티브 픽셀 형태의 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 광자)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 포획하는(capture) 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 에너지 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다. 이와 같은 이미지 센서의 픽셀 중의 하나가 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.
도 1은 네 개의 트랜지스터(110~140)와 하나의 포토 다이오드(190)로 구성된 이미지 센서의 회로도를 나타낸 것이다. 이미지 센서 회로의 대략적인 동작다음과 같다. 처음 리셋(RESET) 구간에서는 RX 신호와 TX 신호에 의해 포토 다이오드(190)가 리셋된 후, 포토 다이오드에 집광된 빛은 전기신호로 바뀌어 전달 트랜지스터(110), 드라이버 트랜지스터(130) 및 선택 트랜지스터(140)를 거쳐 출력노드인 Vout에 전달된다.
이와 같은 씨모스 이미지 센서를 반도체 기판위에 형성하여 나타낸 평면도와 이 평면도를 X-X'방향에서 절단한 단면도를 도 2와 도 3에 각각 나타내었다.
이들 도면을 참조로 하여 종래의 이미지 센서 픽셀 구조를 설명한다.
도 3에서는 절단방향으로 인해 도 2의 드라이버 트랜지스터(130)와 선택 트랜지스터(140)는 표시되지 않았고, 같은 도면 부호는 같은 부재를 나타낸다.
이미지 센서는 빛 에너지에 민감하게 동작하여야 하므로 이미지 센서가 제작될 반도체 기판(101)은 누설전류가 적은 에피택셜 성장된 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
전달 트랜지스터(110)와 리셋 트랜지스터(120) 사이의 노드는 컨택 영역을 통한 금속층(125)에 의해 드라이버 트랜지스터(130)의 게이트에 연결된다.
제조 순서상 P-well 방지층(150)은 장차 포토 다이오드가 형성될 영역에는 P-well(151, 도3)이 생기지 않도록 하기 위한 층이다.
PDN층(160)은 포토 다이오드(190)의 음극(cathode)으로 N형-불순물을 이온 주입하여 형성하고, PDP층(180)은 포토 다이오드(190)의 양극(anode)로 P형-불순물을 이온 주입하여 형성한다. PDN층(160)과 PDP층(180)이 서로 겹치는 영역이 PN접합을 이루어 포토 다이오드의 면적이 된다.
PDC층(185)은 포토 다이오드와 전달 트랜지스터(110)의 소오스(source)영역과의 연결을 위한 것이며 도 3에서 도시되지는 않았다.
한편, 반도체 기술의 발달에 따라 이미지 센서 픽셀의 크기도 점점 작아질 뿐 아니라 포토 다이오드 역시 작아지게 되었다. 이와 더불어 반도체 기판 위에 중첩되는 절연층과 금속배선층 또한 많아지게 되어 픽셀의 표면으로부터 포토 다이오 드까지의 거리가 멀어져서 픽셀의 포토 다이오드에 집광되는 빛의 양도 점점 줄어들게 되었고 이미지 센서의 화질 저하는 피할 수 없는 것이 되었다.
이러한 단점을 극복하기 위한 종래의 방법으로는 완성된 픽셀의 최상층부인 칼라필터 위에 볼록렌즈 형태의 마이크로 렌즈를 형성함으로써 이미지 센서로 들어오는 입사광을 집광할 수 있도록 하여 포토 다이오드에 도달되는 빛의 양을 증가시키고자 하는 것이 있다.
일반적으로, 이미지 센서에서는 포토 다이오드의 면적이 커야 풍부한 광량으로 인해 좀 더 나은 영상을 얻을 수 있음은 잘 알려져 있다. 전체 픽셀 가운데 포토 다이오드가 차지하는 면적을 용적율, 또는 필-팩터(fill-factor)라 하는데 이 팩터를 가지고 픽셀의 특성을 평가할 수도 있다.
도 2의 평면도에서 보듯이 종래의 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드와 트랜지스터들이 평면상에 배치할 수밖에 없으므로 최근의 용적율의 값은 6~16% 정도에 불과하여 광감도(photo sensitivity)가 저하되고 이웃 픽셀 간의 거리가 짧아져서 크로스토크(cross-talk) 또한 점점 심각해져서 잡음이 많이 발생하게 된다.
도 2에서 나타났듯이 단위픽셀에서는 포토 다이오드를 형성하기 위한 면적을 제외한 나머지의 면적에는 트랜지스터들(110~140)과 필드 산화막(195)이 형성되어 있다. 이는 픽셀 제조순서상 트랜지스터를 먼저 만들고, 트랜지스터들 간의 분리를 위해 필드 산화막을 이용하기 때문이다.
본 발명은 이와 같이 이미지 센서의 단위 픽셀에서 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역을 제외한 나머지의 필드 산화막 하부 영역을 좀 더 효율적으로 이용 하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 제한된 픽셀의 크기 내에서도 포토 다이오드의 면적이 증가되도록 하는 이미지 센서 픽셀 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 포토 다이오드를 반도체 기판의 트렌치 영역에다 구성함으로써 보다 효율적인 용적율을 달성하고자 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이웃 픽셀 간의 크로스토크 현상이 최소화되도록 하는 이미지 센서의 픽셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제한된 픽셀 면적에서 보다 큰 포토 다이오드를 구성할 수 있게 하여 보다 감도가 좋고 선명한 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 보다 마이크로 렌즈가 필요없는 이미지 센서의 픽셀 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나아가 본 발명의 이미지 센서를 장착하는 전자기기로 하여금 그 성능을 보다 제고케 할 뿐 아니라 보다 경제성 있는 전자기기를 소비자에게 제공할 수 있게 하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 픽셀은 반도체 기판 내부에 형성되는 매립되어 형성되는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드의 상기 형성 이후에 형성되는 픽셀 트랜지스터들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 픽셀은 픽셀 트랜지스터들; 픽셀 트랜지스터들을 분리하는 필드 산화막; 상기 필드 산화막 일부 면적 또는 전부면적의 하부에 위치하는 포토 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위해 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서, (a)반도체 기판의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계; (b)트렌치 영역의 적어도 일부분을 포함하는 포토 다이오드를 형성하는 단계; (c)포토 다이오드의 상기 형성 이후에 픽셀 트랜지스터들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 이미지 센서 픽셀의 제조 공정 과정을 설명하기 위한 평면도이고 이들 그림을 X-X' 방향으로 절단한 단면도는 도 5a 내지 도5e이다. 이들 도면과 더불어 아래에 계속될 설명은 본 발명의 핵심적인 사상이 드러나도록 하기 위한 것일 뿐이어서 모든 제조 공정과정을 빠짐없이 설명하는 것은 아 니지만 반도체 제조에 관한 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이하, 도 4a 및 도 5a를 참고로 하여 본 발명의 이미지 센서 픽셀의 제조공정을 설명한다.
마련된 반도체 기판(400,도5a)에 필드 마스크(415)를 이용하여 반도체 기판(400)의 일부의 영역에 트렌치 영역(410)을 에칭(etching)해낸다. 이때 반도체 기판(400)은 반도체 이미지 센서의 저누설 특성을 위해 에피택셜(Epitaxial) 성장된 웨이퍼를 이용해도 된다.
에칭으로 형성된 트렌치 영역(410)에 이온 주입기술을 이용하여 포토 다이오드의 한쪽 극(411)을 형성한다. 이때 사용된 반도체 기판이 P형이면 포토 다이오드의 한쪽 극은 반대형인 N형으로 이온 주입하여 음극(411)을 만든다.
포토 다이오드의 음극보다 얇은 깊이로 P형 이온을 주입하여 포토 다이오드의 양극(413)을 만든다. 이때 P형 이온의 주입은 경사진 이온 주입법(tilted ion implantation)을 이용하여 기판 내 형성된 트렌치의 측벽면에도 P형 영역이 잘 형성되도록 한다.
필드 산화막을 적절한 두께로 형성한 뒤 화학기계연마법(Chemical Mechanical Polishing, CMP)을 이용하여 트렌치 영역에만 필드 산화막(420)이 남아있도록 한다. 도 4b는 트렌치 영역(410)위에 필드 산화막(420)이 남겨져 있는 상태이므로 두 층은 겹쳐져 있다. 도 4b의 431은 P-웰층을 나타내며 도 5b는 P-웰을 형성하기 위해 포토 레지스트(photo resist)(430)를 덮은 그림이다.
P-웰(431)을 이온주입법으로 형성한 뒤, 포토 다이오드를 장차 트랜지스터와 연결하기 위한 포토 다이오드 연결영역(440,450)을 이온 주입하여 형성한다. 도 4C에서 보듯이 포토 다이오드 연결영역을 형성하기 위한 이온주입은 두 번으로 나눠 실시하되, 각각의 이온 에너지를 달리하여 서로 다른 깊이로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 필요에 따라서는 한번의 이온주입만으로도 포토 다이오드 연결 영역을 형성하여도 무방하다.
다음으론 도 4d와 도 5d에서 보듯이 픽셀 트랜지스터들(460,470,480,490)을 형성하고 N형 이온주입 마스크(461)을 이용하여 액티브 영역들(451,452,453,454)을 이온주입으로 형성한다.
여기서 액티브 영역들(451,452,453,454)을 새로운 도면 부호를 붙인 것은 필드 마스크(415, 도 4a 내지 4c)로 정의된 영역 가운데 N형 이온주입 마스크(461) 내부에 존재하는 영역들만 이온 주입에 의해 액티브 영역으로 되기 때문이고, 이들 영역을 제외한 나머지 부분은 필드 산화막(420)이 이온 주입을 차단하여 액티브 영역으로 변화되지 않기 때문이다.
다음으론 픽셀 트랜지스터들(468, 470, 480, 490)들을 각각 전달 트랜지스터(460), 리셋 트랜지스터(470), 드라이버 트랜지스터(480) 및 선택 트랜지스터(49)로 구성하기 위해 각각의 트랜지스터들을 메탈 컨택층과 메탈층을 이용하여 적절히 연결한다. (도 5e)
이러한 연결과정은 보통의 씨모스(CMOS) 트랜지스터 제조공정과 동일하거나 유사하므로 구체적인 설명을 생략하여도 통상의 지식을 가진 자가 이해하기에 부족함이 없으므로 생략한다.
도 6a에는 종래의 이미지 센서의 픽셀(100)에서 포토 다이오드 영역(180)과 트랜지스터들을 포함하는 그 외 영역(610)을 강조하여 나타낸 것으로 도 2의 그림을 더욱 단순화한 것이다.
도 6b는 본 발명의 이미지 센서의 픽셀(600)에서 포토 다이오드 영역(680)을 강조하여 나타낸 것으로 도 4d의 그림을 더욱 단순화 한 것으로 전체 픽셀의 면적 가운데 P-웰층(431)과 액티브층(415)를 제외한 나머지의 영역(680)이 바로 포토 다이오드가 되어 용적율(fill-factor)가 극대화됨을 알 수 있다.
도 6a와 도 6b를 대비하여 보면 본 발명의 장점이 극명하게 드러난다.
즉, 도 6a의 종래 기술에서는 필드 산화막(195)으로 소자들이 분리되는 트랜지스터들을 먼저 형성한 뒤에 포토 다이오드(180)를 형성함으로써 포토 다이오드(180), 필드산화막(190) 및 트랜지스터들이 픽셀의 전체면적을 차지하게 되었다.
이와는 대비되게 도 6b의 본 발명에서는 전체 픽셀(600)의 면적 가운데 트렌치 영역을 이용하여 포토 다이오드(680)를 먼저 형성한 뒤 필드 산화막을 포토 다이오드 상부에 형성하고 그 나머지의 영역에다 트랜지스터를 형성한다. 즉, 단위 픽셀에는 포토 다이오드(680) 영역과 그 외 영역(431, 415)만이 존재하게 되어 종래에는 필드 산화막으로 쓰이던 면적까지 포토 다이오드로 쓸 수 있게 됨으로써 용적율(fill-factor)이 극대화 된다.
도 4a 내지 도 4d에 나타난 본 발명의 일실시 예에 의하면 트렌치 영역이 픽셀의 면적 대부분을 차지하여 용적율이 보다 커지도록 포토 다이오드를"ㄷ"자 모양 으로 형성하였다.
비록 도면에 도시하지는 않았지만 포토 다이오드의 평면 모양을 편의에 따라 "ㄴ"자 모양으로 하거나 "ㄱ"자 모양으로 하여도 본 발명의 효과를 나타내기에는 부족함이 없다. 이러한 모양들은 포토 다이오드와 픽셀 트랜지스터들의 상호 위치에 따라 달라질 뿐이며 얕은 트렌치 홈를 이용하여 포토 다이오드를 매립형으로 구성하는 것은 모두 본 발명의 사상에 포함되는 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 포토 다이오드의 표면적이 넓어져 용적율(fill factor)이 향상되고 광감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 이미지 센서의 단위 픽셀에서 트랜지스터가 형성되는 영역을 제외하고는 모두 포토 다이오드 영역이 되어 용적율이 극대화된다.
본 발명의 다른 효과에 의하면 집광효율이 좋아져 마이크로렌즈가 필요하지 않으므로 경제성이 뛰어나다.
본 발명의 또 다른 효과에 의하면 융기된 구조의 포토 다이오드에 의해 이웃 픽셀 간의 크로스토크가 최소화되어 보다 효율적인 이미지 센서를 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 이미지 센서의 픽셀에 있어서,
    반도체 기판 내부에 형성되는 매립되어 형성되는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드의 상기 형성 이후에 형성되는 픽셀 트랜지스터들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 소정영역에 형성되는 트렌치 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 트렌치 영역의 상부에 형성된 필드 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  4. 이미지 센서의 픽셀에 있어서,
    픽셀 트랜지스터들;
    상기 픽셀 트랜지스터들을 분리하는 필드 산화막;
    상기 필드 산화막 일부 면적 또는 전부면적의 하부에 위치하는 포토 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  5. 이미지 센서의 픽셀 제조방법에 있어서,
    반도체 기판의 소정 영역에 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치 영역의 적어도 일부분을 포함하는 포토 다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드의 상기 형성 이후에 픽셀 트랜지스터들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 포토 다이오드의 상기 형성 이후에 상기 트렌치 영역의 상부에 필드 산화막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀의 제조방법.
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