KR100720492B1 - Cmos image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 픽셀간의 소자 분리를 위한 격리를 효과적으로 수행함과 동시에 픽셀간의 크로스토크 방지 및 동작 특성을 개선하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역으로 이루어진 액티브 영역과 소자 격리 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 소자 격리 영역에 소정깊이로 형성된 트렌치와, 상기 트렌치의 내부에 형성되고 어닐 공정 또는 절연 물질을 매립하여 1~2㎛의 정션 깊이를 갖는 소자 격리막과, 상기 트렌치의 표면내에 형성되어 소자 격리막보다 1~2㎛의 정션 깊이를 더 갖는 산소 확산 영역과, 상기 반도체 기판의 액티브 영역에 게이트 절연막을 개재하여 형성되는 게이트 전극과, 상기 포토 다이오드 영역에 상기 소자 격리막과 일정한 간격을 갖고 형성되는 저농도 제 2 도전형 확산 영역과, 상기 트랜지스터 영역에 형성되는 고농도 제 2 도전형 확산 영역과, 상기 저농도 제 2 도전형 확산 영역이 형성된 반도체 기판의 표면내에 형성되는 저농도 제 1 도전형 확산 영역을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, which effectively performs isolation for device isolation between pixels and improves crosstalk prevention and operation characteristics between pixels, and includes an active region including a photodiode region and a transistor region. A first conductivity type semiconductor substrate having a device isolation region defined therein, a trench formed to a predetermined depth in the device isolation region of the semiconductor substrate, and a junction formed in the trench and buried with an annealing process or an insulating material and having a thickness of 1 to 2 µm. A device isolation film having a depth, an oxygen diffusion region formed in the surface of the trench, and having a junction depth of 1 to 2 µm greater than that of the device isolation film, a gate electrode formed through a gate insulating film in an active region of the semiconductor substrate; Formed in the photodiode region at regular intervals from the device isolation layer Is a low concentration second conductivity type diffusion region, a high concentration second conductivity type diffusion region formed in the transistor region, and a low concentration first conductivity type diffusion region formed in the surface of the semiconductor substrate on which the low concentration second conductivity type diffusion region is formed. Characterized in that further comprises.
이미지 센서, 소자 격리막, 포토 다이오드, 산소 확산 영역, 트렌치 Image Sensor, Device Isolation, Photodiode, Oxygen Diffusion Zone, Trench
Description
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도1 is an equivalent circuit diagram of a typical 4T CMOS image sensor
도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃2 is a layout showing unit pixels of a general 4T CMOS image sensor
도 3a 내지 도 3f는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art along line II ′ of FIG. 2.
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도Figure 4 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to the present invention
도 5a 내지 도 5h는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도5A to 5H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention taken along line II ′ of FIG. 2.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
101 : 반도체 기판 102 : 에피층101
103 : 패드 산화막 104 : 패드 질화막103: pad oxide film 104: pad nitride film
105 : 트렌치 106 : 산소 확산 영역105: trench 106: oxygen diffusion region
107 : 소자 격리막 108 : 게이트 절연막107
109 : 게이트 전극 112 : 절연막 측벽 109: gate electrode 112: insulating film sidewall
111 : 저농도 n-형 확산 영역 114 : 고농도 n+형 확산 영역111: low concentration n-type diffusion region 114: high concentration n + type diffusion region
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same to improve the characteristics of the image sensor.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and is generally classified into a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor. .
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다. In the charge coupled device (CCD), a plurality of photo diodes (PDs) for converting a signal of light into an electrical signal are arranged in a matrix form, and the photo diodes in each vertical direction arranged in the matrix form. A plurality of vertical charge coupled device (VCCD) formed between the plurality of vertical charge coupled devices (VCCD) for vertically transferring charges generated in each photodiode, and horizontally transferring charges transferred by the respective vertical charge transfer regions; A horizontal charge coupled device (HCCD) for transmitting to the sensor and a sense amplifier (Sense Amplifier) for outputting an electrical signal by sensing the charge transmitted in the horizontal direction.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다. However, such a CCD has a disadvantage in that the manufacturing method is complicated because the driving method is complicated, the power consumption is large, and the multi-step photo process is required.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소 형화가 곤란한 단점을 갖는다.In addition, the charge coupling device has a disadvantage in that it is difficult to integrate a control circuit, a signal processing circuit, an analog-to-digital conversion circuit (A / D converter), and the like into a charge coupling device chip, which makes it difficult to downsize the product.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. Recently, CMOS image sensors have attracted attention as next generation image sensors for overcoming the disadvantages of the charge coupled device.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 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 uses CMOS technology that uses a control circuit, a signal processing circuit, and the like as peripheral circuits to form MOS transistors corresponding to the number of unit pixels on a semiconductor substrate, thereby forming the MOS transistors of each unit pixel. The device adopts a switching method that sequentially detects output.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.That is, the CMOS image sensor implements an image by sequentially detecting an electrical signal of each unit pixel by a switching method by forming a photodiode and a MOS transistor in the unit pixel.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 전력 소모, 비교적 적은 포토공정 스텝 수에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. The CMOS image sensor has advantages such as relatively low power consumption, a simple manufacturing process with a relatively small number of photo process steps, and the like.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. In addition, since the CMOS image sensor can integrate a control circuit, a signal processing circuit, an analog / digital conversion circuit, and the like into the CMOS image sensor chip, the CMOS image sensor has an advantage of easy miniaturization.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.Therefore, the CMOS image sensor is currently widely used in various application parts such as a digital still camera, a digital video camera, and the like.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으 로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors.
여기서, 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다. Herein, the layout of the unit pixels of the 4T-type CMOS image sensor will be described.
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃이다. 1 is an equivalent circuit diagram of a general 4T CMOS image sensor, and FIG. 2 is a layout showing unit pixels of a typical 4T CMOS image sensor.
도 1에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(10)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다. As illustrated in FIG. 1, the
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(20), 리셋 트랜지스터(30), 소스 플로어 트랜지스터(40) 및 셀렉트 트랜지스터(50)이다. 그리고, 상기 각 단위 화소(100)의 출력단(OUT)에는 로드 트랜지스터(60)가 전기적으로 연결된다.Here, each of the four transistors is a
여기서, 미설명 부호 FD는 플로팅 확산 영역이고, Tx는 트랜스퍼 트랜지스터(20)의 게이트 전압이고, Rx는 리셋 트랜지스터(30)의 게이트 전압이고, Dx는 소스 플로어 트랜지스터(40)의 게이트 전압이고, Sx는 셀렉트 트랜지스터(50)의 게이트 전압이다.Here, reference numeral FD is a floating diffusion region, Tx is a gate voltage of the
일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역이 정의되어 상기 액티브 영역을 제외한 부분에 소자 분리막이 형성된다. 상기 액티브 영역 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(PD)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역에 각각 오버랩되는 4개의 트랜지스터의 게이트 전극(23, 33, 43, 53)이 형성된다. In the unit pixel of a typical 4T type CMOS image sensor, as shown in FIG. One photodiode PD is formed in a wide portion of the active region, and
즉, 상기 게이트 전극(23)에 의해 트랜스퍼 트랜지스터(20)가 형성되고, 상기 게이트 전극(33)에 의해 리셋 트랜지스터(30)가 형성되고, 상기 게이트 전극(43)에 의해 소스 플로어 트랜지스터(40)가 형성되며, 상기 게이트 전극(53)에 의해 셀렉트 트랜지스터(50)가 형성된다. That is, the
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역에는 각 게이트 전극(23, 33, 43, 53) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(S/D)이 형성된다. Here, impurity ions are implanted into the active region of each transistor except for the lower portion of each
도 3a 내지 도 3f는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art along line II ′ of FIG. 2.
도 3a에 도시한 바와 같이, 고농도 P++형 반도체 기판(61)에 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도 P-형 에피층(62)을 형성한다. As shown in FIG. 3A, an epitaxial process is performed on the high concentration P ++
이어, 상기 반도체 기판(61)을 액티브 영역과 소자 분리 영역을 정의하고, STI 공정을 이용하여 상기 소자 분리 영역에 소자 분리막(63)을 형성한다. Subsequently, an active region and an isolation region are defined in the
여기서, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 소자 격리막(63)을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.Here, although not shown, a method of forming the
먼저, 반도체 기판위에 패드 산화막(pad oxide), 패드 질화막(pad nitride) 및 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 산화막을 차례로 형성하고, 상기 TEOS 산화막위에 감광막을 형성한다. First, a pad oxide film, a pad nitride film, and a TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) oxide film are sequentially formed on a semiconductor substrate, and a photoresist film is formed on the TEOS oxide film.
이어, 액티브 영역과 소자 분리 영역을 정의하는 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하고 현상하여 상기 감광막을 패터닝한다. 이때, 상기 소자 분리 영역의 감광막이 제거한다. Subsequently, the photoresist is exposed and developed using a mask defining an active region and a device isolation region to pattern the photoresist. At this time, the photoresist of the device isolation region is removed.
그리고 상기 패터닝된 감광막을 마스크로 이용하여 상기 소자 분리 영역의 패드 산화막, 패드 질화막 및 TEOS 산화막을 선택적으로 제거한다.The pad oxide film, the pad nitride film and the TEOS oxide film of the device isolation region are selectively removed using the patterned photoresist as a mask.
이어, 상기 패터닝된 패드 산화막, 패드 질화막 및 TEOS 산화막을 마스크로 이용하여 상기 소자 분리 영역의 상기 반도체 기판을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 그리고, 상기 감광막을 모두 제거한다. Subsequently, the semiconductor substrate in the device isolation region is etched to a predetermined depth using the patterned pad oxide film, the pad nitride film, and the TEOS oxide film as a mask to form a trench. Then, all of the photosensitive film is removed.
이어, 상기 트렌치의 내부에 절연 물질을 매립하여 상기 트렌치의 내부에 소자 격리막(63)을 형성한다. 이어, 상기 패드 산화막, 패드 질화막 및 TEOS 산화막을 제거한다.Subsequently, an insulating material is buried in the trench to form the
그리고, 상기 소자 분리막(63)이 형성된 에피층(62) 전면에 게이트 절연막(64)과 도전층(예를 들면, 고농도 다결정 실리콘층)을 차례로 증착하고, 선택적으로 상기 도전층 및 게이트 절연막을 제거하여 게이트 전극(65)을 형성한다. The
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(65)을 포함한 반도체 기판(61) 전면에 제 1 감광막(66)을 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 포토다이오드 영역을 커버하고 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 노출되도록 패터닝한다. As shown in FIG. 3B, the first
그리고, 상기 패터닝된 제 1 감광막(66)을 마스크로 이용하여 상기 노출된 상기 소오스/드레인 영역에 저농도 n-형 불순물 이온을 주입하여 n-형 확산 영역(67)을 형성한다.The n-
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 감광막(66)을 제거한 다음, 상기 반도체 기판(61)의 전면에 제 2 감광막(68)을 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 블루(Blue), 그린(Green), 레드(Red)의 각 포토 다이오드 영역이 노출되도록 패터닝한다. As shown in FIG. 3C, after the first
그리고, 상기 패터닝된 제 2 감광막(68)을 마스크로 이용하여 상기 에피층(62)에 저농도 n-형 불순물 이온을 주입하여 상기 블루, 드린, 레드 포토다이오드 영역(69)을 형성한다. In addition, low concentration n-type impurity ions are implanted into the
여기서, 상기 각 포토다이오드 영역(69)을 형성하기 위한 불순물 이온 주입은 상기 소오스/드레인 영역의 저농도 n-형 확산 영역(67) 보다 더 높은 에너지로 이온 주입하여 더 깊게 형성한다.Here, impurity ion implantation for forming each
또한, 상기 각 포토다이오드 영역(69)은 리셋 트랜지스터(도 1 및 도 2의 Rx)의 소오스 영역이다. Each
한편, 상기 각 포토다이오드 영역(69)과 저농도 P-형 에피층(62)간에 역바이어스가 걸리면, 공핍층이 생기고 여기서 빛을 받아 생기는 전자가 리셋 트랜지스터가 턴-오프(turn off)될 때 소스 플로어 트랜지스터의 포텐셜을 낮추게 되고, 이는 리셋 트랜지스터가 턴-온되었다가 턴-오프될 때부터 계속 상기 포텐셜을 낮추게 되어 전압차이가 발생하게 되어 이를 신호처리로 이용하여 이미지 센서의 동작을 하게 된다.On the other hand, if a reverse bias is applied between each of the
여기서, 상기 각 포토다이오드 영역(69)의 깊이(A)는 2 ~ 4㎛로 동일한 깊이로 형성하고 있다.Here, the depths A of the
즉, 각 포토 다이오드 영역에 동일한 이온 주입 에너지로 불순물 이온을 주입하여 동일한 깊이를 갖도록 형성하고 있다.In other words, impurity ions are implanted into each photodiode region with the same ion implantation energy to form the same depth.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 감광막(68)을 완전히 제거하고, 상기 반도체 기판(61)의 전면에 절연막을 증착한 후, 에치백 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(65)의 양측면에 측벽 절연막(70)을 형성한다.As shown in FIG. 3D, the
이어, 상기 반도체 기판(61)의 전면에 제 3 감광막(71)을 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토 다이오드 영역이 커버되고 상기 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 노출되도록 패터닝한다.Subsequently, a
그리고, 상기 패터닝된 제 3 감광막(71)을 마스크로 이용하여 상기 노출된 상기 소오스/드레인 영역에 고농도 n+형 불순물 이온을 주입하여 n+형 확산 영역(72)을 형성한다.The n +
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 3 감광막(71)을 제거하고, 상기 반도체 기판(61)의 전면에 제 4 감광막(73)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 각 포토다이오드 영역이 노출되도록 패터닝한다.As shown in FIG. 3E, after removing the
이어, 상기 패터닝된 제 4 감광막(73)을 마스크로 이용하여 상기 n-형 확산 영역(69)이 형성된 포토다이오드 영역에 p0형 불순물 이온을 주입하여 반도체 기판의 표면내에 p0형 확산 영역(74)을 형성한다. Subsequently, p0 type impurity ions are implanted into the photodiode region in which the n-
도 3f에 도시한 바와 같이, 제 4 감광막(73)을 제거하고, 상기 반도체 기판(61)에 열처리 공정을 실시하여 각 불순물 확산영역을 확산시킨다.As shown in FIG. 3F, the fourth
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.However, there is a problem in the method of manufacturing the CMOS image sensor according to the prior art as described above.
첫째, 소자 격리막의 계면에 포토다이오드 영역인 n-형 확산영역이 포함되어 구성되므로 소자 격리막을 형성하기 위한 트렌치 식각시 무너진 격자 구조를 가진 부분이 인터페이스 전자 트랩(interface electron trap), 정션 레키지(junction leakage) 역할을 수행하여 저조도에 취약하다.First, since the n-type diffusion region, which is a photodiode region, is included at the interface of the device isolation layer, the portion having the collapsed lattice structure during the trench etching to form the device isolation layer is an interface electron trap or a junction package ( It is vulnerable to low light by playing a role of junction leakage.
둘째, 파장이 큰 적색(R) 빛은 실리콘 내에서의 침투깊이(penetration depth)가 5~10㎛에 이르기 때문에 0.5㎛ 이내의 깊이로 형성되는 소자 격리막만으로는 효과적으로 격리하지 못한다.Second, since the red (R) light having a large wavelength reaches 5 to 10 μm in silicon, the device isolation film having a depth within 0.5 μm cannot be effectively isolated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 픽셀간의 소자 분리를 위한 격리를 효과적으로 수행함과 동시에 픽셀간의 크로스토크 방지 및 동작 특성을 개선하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, which effectively perform isolation for device separation between pixels and improve crosstalk prevention and operation characteristics between pixels. There is a purpose.
상기와 같은 목적들 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역으로 이루어진 액티브 영역과 소자 격리 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 소자 격리 영역에 소정깊이로 형성된 트렌치와, 상기 트렌치의 내부에 형성되고 어닐 공정 또는 절연 물질을 매립하여 1~2㎛의 정션 깊이를 갖는 소자 격리막과, 상기 트렌치의 표면내에 형성되어 소자 격리막보다 1~2㎛의 정션 깊이를 더 갖는 산소 확산 영역과, 상기 반도체 기판의 액티브 영역에 게이트 절연막을 개재하여 형성되는 게이트 전극과, 상기 포토 다이오드 영역에 상기 소자 격리막과 일정한 간격을 갖고 형성되는 저농도 제 2 도전형 확산 영역과, 상기 트랜지스터 영역에 형성되는 고농도 제 2 도전형 확산 영역과, 상기 저농도 제 2 도전형 확산 영역이 형성된 반도체 기판의 표면내에 형성되는 저농도 제 1 도전형 확산 영역을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, a CMOS image sensor includes a first conductive semiconductor substrate having an active region and a device isolation region including a photodiode region and a transistor region, and a device isolation region of the semiconductor substrate. A trench formed to a predetermined depth, a device isolation film formed in the trench and having a junction depth of 1 to 2 µm by embedding an annealing process or an insulating material, and formed in the surface of the trench and having a thickness of 1 to 2 µm than that of the device isolation film. An oxygen diffusion region having a junction depth, a gate electrode formed in the active region of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and a low concentration second conductivity type diffusion region formed in the photodiode region at regular intervals from the device isolation layer. And a high concentration second conductivity type diffusion region formed in the transistor region; Also it features configured by further comprising a low concentration first conductivity type diffusion regions formed in the surface of the semiconductor substrate of the second conductivity type diffusion regions formed.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역으로 이루어진 액티브 영역과 소자 격리 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판의 소자 격리 영역에 소정깊이를 갖는 트렌치를 형성하는 단계와; 상기 트렌치가 형성된 반도체 기판의 소자 격리 영역에 산소 이온을 주입하여 상기 트렌치의 표면내에 산소 확산 영역을 형성하는 단계와; 상기 반도체 기판에 어닐 공정 또는 절연 물질을 매립하여 트렌치의 내부에 1~2㎛의 깊이를 가지는 소자 격리막을 형성하는 단계와; 상기 반도체 기판의 액티브 영역에 게이트 절연막을 개재하여 게이트 전극을 형성하는 단계와; 상기 포토 다이오드 영역에 저농도 제 2 도전형 확산 영역을 형성하는 단계와; 상기 트랜지스터 영역에 고농도 제 1 도전형 확산 영역을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 포함하여 형성함을 특징으로 한다.In addition, the method for manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object is in the device isolation region of the first conductivity type semiconductor substrate in which an active region and a device isolation region consisting of a photodiode region and a transistor region are defined. Forming a trench having a predetermined depth; Implanting oxygen ions into the device isolation region of the trench-formed semiconductor substrate to form an oxygen diffusion region in the surface of the trench; Embedding an annealing process or an insulating material in the semiconductor substrate to form a device isolation layer having a depth of 1 to 2 μm in the trench; Forming a gate electrode through a gate insulating layer in an active region of the semiconductor substrate; Forming a low concentration second conductivity type diffusion region in said photodiode region; And forming a high concentration first conductivity type diffusion region in the transistor region.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing the CMOS image sensor according to the present invention.
도 4에 도시한 바와 같이, 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역으로 이루어진 액티브 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 p++형 도전형 반도체 기판(101)에 형성되는 p-형 에피층(102)과, 상기 반도체 기판(101)의 액티브 영역을 정의하기 위해 소자 분리 영역에 소정깊이로 형성되는 트렌치(105)와, 상기 트렌치(105)의 표면내에 형성되는 산소 확산 영역(106)과, 상기 산소 확산 영역(106)이 형성된 트렌치(105)의 내부에 형성되는 소자 격리막(107)과, 상기 반도체 기판(101)의 액티브 영역에 게이트 절연막(108)을 개재하여 형성되는 게이트 전극(109)과, 상기 게이트 전극(109) 일측의 포토 다이오드 영역에 상기 소자 격리막(107)과 일정 간격만큼 이격되어 형성되는 저농도 n-형 확산 영역(111)과, 상기 게이트 전극(109)의 양측면에 형성되는 절연막 측벽(112)과, 상기 게이트 전극(109) 타측의 트랜지스터 영역에 형성되는 고농도 n+형 확산 영역(114)과, 상기 저농도 n-형 확산 영역(111)이 형성된 반도체 기판(101)의 표면내에 형성되는 P0형 확산 영역(116)을 포함하여 구성되어 있다.As shown in FIG. 4, the p-
여기서, 상기 소자 격리막(107)은 1~2㎛의 깊이로 형성되고, 상기 산소 확산 영역(106)은 상기 소자 격리막(107)보다 1~2㎛ 더 깊게 형성된다.Here, the
도 5a 내지 도 5h는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.5A through 5H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the present invention taken along line II ′ of FIG. 2.
도 5a에 도시한 바와 같이, 고농도 제 1 도전형(P++형) 단결정 실리콘 등의 반도체 기판(101)에 에피택셜(epitaxial) 공정으로 저농도 제 1 도전형(P-형) 에피층(102)을 형성한다. As shown in FIG. 5A, the low-concentration first conductivity-type (P-type)
여기서, 상기 에피층(102)은 포토 다이오드에서 공핍 영역(depletion region)을 크고 깊게 형성하는데, 이는 광 전하를 모으기 위한 저전압 포토 다이오드의 능력을 증가시키고 나아가 광 감도를 향상시키기 위해서이다.Here, the
한편, 상기 반도체 기판(101)은 n형 기판에 p형 에피층을 형성할 수도 있다. On the other hand, the
도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 에피층(102)이 형성된 반도체 기판(101)상에 패드 산화막(103)을 형성하고, 상기 패드 산화막(103)상에 패드 질화막(104)을 형성한다.As shown in FIG. 5B, a
이어, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 패드 질화막(104) 및 패드 산화막(103)을 선택적으로 제거하여 소자 격리 영역을 정의한다.Subsequently, the device isolation region is defined by selectively removing the
그리고 상기 선택적으로 제거된 패드 질화막(104) 및 패드 산화막(103)을 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(101)을 선택적으로 제거하여 상기 소자 격리 영역에 소정 깊이를 갖는 트렌치(105)를 형성한다.The
이어, 상기 트렌치(105)가 형성된 반도체 기판(101)에 산소(O2) 이온을 주입하여 상기 트렌치(105)의 표면내에 산소 확산 영역(106)을 형성한다.Subsequently, oxygen (O 2) ions are implanted into the
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)에 어닐 공정을 실시하여 상기 산소 확산 영역(106)에 주입된 산소 이온을 확산시킴과 동시에 상기 트렌치(105)내에 소자 격리막(107)을 형성한다.As shown in FIG. 5C, an annealing process is performed on the
이때 상기 소자 격리막(107)은 상기 산소 이온이 주입된 반도체 기판(101)을 어닐 공정을 실시하게 되면, 열 산화막이 형성되면서 트렌치(105)를 매립하게 된다.In this case, when the
한편, 상기 소자 격리막(107)은 산소가 주입된 트렌치(105)내에 형성되기 때문에 종래와 달리 1~2㎛의 깊이를 갖고 형성된다.Meanwhile, since the
본 발명의 실시예에서는 어닐 공정을 통해 소자 격리막(107)을 형성하는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 상기 소자 격리막(107)은 별도의 절연 물질을 증착한 후 CMP 등의 평탄화 공정을 통해 트렌치(105) 내부에 형성할 수도 있다.In an embodiment of the present invention, the
또한, 상기 고농도 산소 확산 영역(106)은 상기 소자 격리막(107)보다 1~2㎛ 깊은 정션 깊이로 형성된다.In addition, the high concentration
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 패드 질화막(104) 및 패드 산화막(103)을 제거하고, 상기 소자 분리막(107)이 형성된 에피층(102) 전면에 게이트 절연막(108)과 도전층(예를들면, 고농도 다결정 실리콘층)을 차례로 증착한다.As shown in FIG. 5D, the
여기서, 상기 게이트 절연막(108)은 열산화 공정에 의해 형성하거나 CVD법으로 형성할 수도 있다.Here, the
그리고 상기 도전층 및 게이트 절연막을 선택적으로 제거하여 게이트 전극(108)을 형성한다.The conductive layer and the gate insulating layer are selectively removed to form the
여기서, 상기 게이트 전극(109)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이 된다.Here, the
도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(101) 전면에 제 1 감광막(110)을 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 각 포토 다이오드 영역이 노출되도록 패터닝한다. As shown in FIG. 5E, the first
그리고, 상기 패터닝된 제 1 감광막(110)을 마스크로 이용하여 상기 에피층(102)에 저농도 제 2 도전형(n-형) 불순물 이온을 주입하여 n-형 확산 영역(111)을 형성한다.The low concentration second conductive (n-type) impurity ions are implanted into the
도 5f에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 감광막(110)을 완전히 제거하고, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 절연막을 증착한 후, 에치백(etch back) 공정을 실시하여 상기 게이트 전극(109)의 양측면에 절연막 측벽(112)을 형성한다.As shown in FIG. 5F, the
이어, 상기 절연막 측벽(112)이 형성된 반도체 기판(101)의 전면에 제 2 감광막(113)을 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 상기 각 포토 다이오드 영역이 커버되고 상기 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 노출되도록 패터닝한다.Subsequently, a
그리고, 상기 패터닝된 제 2 감광막(113)을 마스크로 이용하여 상기 노출된 상기 소오스/드레인 영역에 고농도 n+형 불순물 이온을 주입하여 n+형 확산 영역(114)을 형성한다.The n +
도 5g에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 감광막(113)을 제거하고, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 제 3 감광막(115)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 각 포토다이오드 영역이 노출되도록 패터닝한다.As shown in FIG. 5G, the
이어, 상기 패터닝된 제 3 감광막(115)을 마스크로 이용하여 상기 n-형 확산 영역(111)이 형성된 에피층(102)에 제 1 도전형(p0형) 불순물 이온을 주입하여 상기 에피층(102)의 표면내에 p0형 확산 영역(116)을 형성한다.Subsequently, the first conductive type (p0 type) impurity ions are implanted into the
도 5h에 도시한 바와 같이, 상기 제 3 감광막(115)을 제거하고, 상기 반도체 기판(101)에 열처리 공정을 실시하여 각 불순물 확산영역을 확산시킨다.As shown in FIG. 5H, the third
이후, 공정은 도면에 도시하지 않았지만, 전면에 다수의 층간 절연막의 금속배선을 형성한 후 칼라 필터층과 마이크로렌즈를 형성하여 이미지 센서를 완성한다.Subsequently, although the process is not shown in the figure, the metal wiring of the plurality of interlayer insulating films is formed on the front surface, and then the color filter layer and the microlens are formed to complete the image sensor.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 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 embodiment 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 evident to those who have knowledge of.
이상에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.CMOS image sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention as described in detail above has the following advantages.
첫째, 산소 이온을 주입한 후 어닐 공정을 실시하여 소자 격리막을 형성하고 상기 소자 격리막의 주위에 산소 확산 영역을 형성함으로써 픽셀간의 소자 분리를 위한 격리 효과를 극대화 및 크로스토크를 방지할 수 있다.First, after implanting oxygen ions, an annealing process is performed to form an isolation layer and an oxygen diffusion region around the isolation layer to maximize isolation and prevent crosstalk between pixels.
둘재, 소자 격리막 계면에서의 격자 결함 영역에 의해 포토다이오드 영역화되는 것을 방지하여 계면에서의 정션 레키지나 인터페이스 전자 트랩을 방지할 수 있어 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.Secondly, the photodiode region is prevented by the lattice defect region at the element isolation layer interface, thereby preventing the junction architecture and the interface electron trap at the interface, thereby improving the sensitivity of the image sensor.
셋째, 트렌치를 형성한 후 산소 이온을 주입하고 어닐 공정을 통해 소자 격리막을 형성함으로써 소자 격리막의 깊이를 1~2㎛의 깊이로 형성함으로써 픽셀간의 소자 분리를 위한 격리 효과를 극대화시킬 수 있다.Third, after the trench is formed, oxygen ions are implanted and the device isolation layer is formed through the annealing process, thereby forming a device isolation layer having a depth of 1 to 2 μm, thereby maximizing the isolation effect for device separation between pixels.
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KR20050067489A (en) * | 2003-12-29 | 2005-07-04 | 주식회사 하이닉스반도체 | Shallow trench isolation method of semiconductor device |
-
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