KR100748326B1 - Image sensor and fabricating method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 사각으로 입사하는 빛을 차단함과 동시에 이 빛을 반사시켜 화소 내로 재입사시킴으로써, 광감도를 향상시킬 수 있으며 광 손실을 최소화할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 수광 영역 내의 반도체층에 형성된 트렌치; 상기 트렌치 단차를 따라 형성된 절연층; 상기 트렌치에 인접하여 상기 반도체층 내부에 형성된 포토다이오드; 상기 트렌치 내의 상기 절연층 상에 형성되어 사각 입사되는 빛을 상기 포토다이오드로 반사하는 금속층; 및 상기 포토다이오드에 인접한 트랜스퍼 게이트를 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and in particular, to block light incident to a square and simultaneously reflect the light to be re-entered into a pixel, thereby improving an optical sensitivity and minimizing light loss. To provide a, for the present invention, a trench formed in the semiconductor layer in the light receiving region; An insulating layer formed along the trench steps; A photodiode formed in the semiconductor layer adjacent to the trench; A metal layer formed on the insulating layer in the trench and reflecting square incident light to the photodiode; And a transfer gate adjacent to the photodiode.
또한, 본 발명은 반도체층을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 제1단계; 상기 트렌치를 포함한 전체 구조 표면을 따라 절연층 및 금속층을 차례로 형성하는 제2단계; 상기 트렌치 단차를 따라 상기 절연층 및 상기 금속층을 매립시키기 위해 평탄화하는 제3단계; 상기 트렌치에 일측이 접하는 포토다이오드를 형성하는 제4단계; 및 상기 포토다이오드의 타측에 접하는 트랜스퍼 게이트를 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
In addition, the present invention is a first step of selectively etching the semiconductor layer to form a trench; A second step of sequentially forming an insulating layer and a metal layer along the entire structure surface including the trench; A third step of planarizing the gap between the insulating layer and the metal layer along the trench step; A fourth step of forming a photodiode in which one side is in contact with the trench; And a fifth step of forming a transfer gate in contact with the other side of the photodiode.
트렌치, 반사, 정전 용량, PD, FD, 금속층.Trench, reflection, capacitance, PD, FD, metal layer.
Description
도 1은 종래기술에 따른 포토다이오드 및 트랜스퍼 게이트를 도시한 평면도,1 is a plan view showing a photodiode and a transfer gate according to the prior art,
도 2는 도 1의 포토다이오드를 포함한 이미지센서의 단면도,2 is a cross-sectional view of an image sensor including the photodiode of FIG.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도,3A to 3C are cross-sectional views illustrating an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명에 따라 형성된 이미지센서의 평면도,4 is a plan view of an image sensor formed according to the present invention;
도 5는 도 4의 단면도.
5 is a cross-sectional view of FIG. 4.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20 : 반도체층20: semiconductor layer
21 : 절연층21: insulation layer
22 : 금속층22: metal layer
t : 트렌치
t: trench
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것이다.The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly to an image sensor.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. In a double charge coupled device (CCD), individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are very different from each other. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being located in close proximity, and CMOS (Complementary MOS) image sensor is a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. Is a device that employs a switching method that creates MOS transistors by the number of pixels and sequentially detects the output using them.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.In the manufacture of such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor, one of which is a condensing technology. For example, a CMOS image sensor is composed of a photodiode for detecting light and a portion of a CMOS logic circuit for processing the detected light into an electrical signal to make data. To increase light sensitivity, the ratio of the photodiode to the total image sensor area is increased. Efforts have been made to increase (usually referred to as Fill Factor).
도 1은 종래기술에 따른 포토다이오드 및 트랜스퍼 게이트를 도시한 평면도로서, 포토다이오드(PD)와 인접해서 트랜스퍼 게이트(Tx)가 배치되어 있음을 알 수 있으며, 도 2는 이러한 포토다이오드를 포함한 이미지센서의 단면도를 도시한 것으 로 화소(X1, X2)를 이루는 PD와 FD 및 Tx가 각각 배치되어 있는 구조를 나타낸다.1 is a plan view showing a photodiode and a transfer gate according to the prior art, it can be seen that the transfer gate (Tx) is disposed adjacent to the photodiode (PD), Figure 2 is an image sensor including such a photodiode The cross-sectional view of Fig. 2 shows a structure in which PDs, FDs, and Txs constituting the pixels X1 and X2 are disposed.
한편, 상기와 같은 종래의 화소(Pixel) 구조에서 PD에 입사된 신호 중 사각으로 입사된 신호(A)가 이웃하는 화소(X2)에 스며들어 가서 원하지 않는 신호로 작용하는 화소간의 크로스 토크(Cross talk)가 발생하게 되는 바, 이는 화소의 집광 효율 또한 감소시키는 결과를 초래하게 되어 광 손실을 유발하므로 이미지센서 화소 제조 공정에서 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다.
On the other hand, in the conventional pixel structure as described above, a crosstalk between pixels in which a signal A, which is incident on a square, among the signals incident on the PD penetrates to the neighboring pixel X2 and acts as an unwanted signal is used. Since the talk occurs, this results in a reduction in the light condensing efficiency of the pixel, which causes the loss of light, which is the biggest problem in the image sensor pixel manufacturing process.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 사각으로 입사하는 빛을 차단함과 동시에 이 빛을 반사시켜 화소 내로 재입사시킴으로써, 광감도를 향상시킬 수 있으며 광 손실을 최소화할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention proposed to solve the problems of the prior art as described above, by blocking the light incident to the square and at the same time by reflecting the light back into the pixel, can improve the light sensitivity and minimize the light loss It is an object of the present invention to provide an image sensor and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수광 영역 내의 반도체층에 형성된 트렌치; 상기 트렌치 단차를 따라 형성된 절연층; 상기 트렌치에 인접하여 상기 반도체층 내부에 형성된 포토다이오드; 상기 트렌치 내의 상기 절연층 상에 형성되어 사각 입사되는 빛을 상기 포토다이오드로 반사하는 금속층; 및 상기 포토다이오드에 인접한 트랜스퍼 게이트를 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.The present invention to achieve the above object, the trench formed in the semiconductor layer in the light receiving region; An insulating layer formed along the trench steps; A photodiode formed in the semiconductor layer adjacent to the trench; A metal layer formed on the insulating layer in the trench and reflecting square incident light to the photodiode; And a transfer gate adjacent to the photodiode.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체층을 선택적으로 식각 하여 트렌치를 형성하는 제1단계; 상기 트렌치를 포함한 전체 구조 표면을 따라 절연층 및 금속층을 차례로 형성하는 제2단계; 상기 트렌치 단차를 따라 상기 절연층 및 상기 금속층을 매립시키기 위해 평탄화하는 제3단계; 상기 트렌치에 일측이 접하는 포토다이오드를 형성하는 제4단계; 및 상기 포토다이오드의 타측에 접하는 트랜스퍼 게이트를 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
In addition, the present invention to achieve the above object, the first step of selectively etching the semiconductor layer to form a trench; A second step of sequentially forming an insulating layer and a metal layer along the entire structure surface including the trench; A third step of planarizing the gap between the insulating layer and the metal layer along the trench step; A fourth step of forming a photodiode in which one side is in contact with the trench; And a fifth step of forming a transfer gate in contact with the other side of the photodiode.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 4는 본 발명에 따라 형성된 이미지센서의 평면도이며, 도 5는 상기 도 4의 단면도이다.4 is a plan view of the image sensor formed in accordance with the present invention, Figure 5 is a cross-sectional view of FIG.
도 4를 참조하면, 수광 영역(가) 내에 포토다이오드(PD)가 형성되어 있으며, 그 둘레를 따라 사각형의 일면을 제외한 영역에 트렌치형의 금속층(22)이 형성되어 있으며, 상기 일면에는 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성되어 있다. Referring to FIG. 4, a photodiode PD is formed in the light receiving region A, and a trench-
도 5를 참조하면, 수광 영역(가) 내의 반도체층(20)에 트렌치(t)가 형성되어 있으며, 트렌치(t) 단차를 따라 절연층(21)이 형성되어 있고, 트렌치(t)에 인접하여 반도체층(20) 내부에 포토다이오드(PD)가 형성되어 있으며, 트렌치(t) 내의 절연층 상에 사각 입사되는 빛(B)을 포토다이오드(PD)로 반사하는 금속층(22)이 형성되어 있으며, 포토다이오드(PD)에 인접한 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성되어 있다. 또한, 트랜스퍼 게이트(Tx)에 인접하여 센싱 노드(FD)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 5, a trench t is formed in the
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.3A to 3C are cross-sectional views illustrating an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명에 따른 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.Hereinafter, a process of manufacturing an image sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3C, where the
먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다. First of all, the drive gate (Dx) serving as a source follower and the switching gate (addressing) can be addressed by switching as a source follower through lateral diffusion. A step of forming a P-well (not shown) is carried out so as to contain (Select Gate, Sx).
이어서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체층(20)을 선택적으로 식각하여 트렌치(t)를 형성한 다음, 트렌치(t)를 포함한 전체 구조 표면을 따라 절연층(21)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3A, the
여기서, 트렌치의 폭은 수광 영역(가)의 5% 내지 15%로 하여 포토다이오드(PD) 형성 영역을 최대로 확보할 수 있도록 하며, 그 깊이는 후속의 포토다이오드가 형성되는 깊이와 실질적으로 동일하도록 하며, 절연층(21)은 통상의 질화막 계열이나 산화막 계열을 이용한다.Here, the width of the trench is 5% to 15% of the light-receiving area (A) to secure the photodiode (PD) forming area to the maximum, and the depth is substantially the same as the depth at which the subsequent photodiode is formed. As the
다음으로 도 3b에 도시된 바와 같이, 절연층(21) 상에 금속층(22)을 형성하여 트렌치(t) 내부를 충분히 채울 수 있도록 하는 바, 금속층(22)은 텅스텐 등의 금속, Iro2 등의 금속 산화물 또는 텅스텐 실리사이드 등의 금속 실리사리드 등을 이용할 수 있다.Next, as shown in FIG. 3B, the
금속층(22)은 PD의 사각으로 입사되는 빛을 반사시켜 이웃하는 화소로 재입사하도록 하는 역할을 한다. 따라서, 빛의 손실을 감소시키며, 크로스 토크를 방지할 수 있게 된다.The
다음으로 도 3c에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함) 또는 에치백(Etch back) 공정을 실시하여 상부를 평탄화한다.Next, as shown in FIG. 3C, the upper part is planarized by performing chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP) or etch back process.
다음으로, 트렌치(t)에 일측이 접하는 포토다이오드(PD)를 형성하며, 상기 포토다이오드(PD)의 타측에 접하는 트랜스퍼 게이트(Tx)를 형성한 다음, 센싱 노드(FD)를 형성하는 바, 이는 통상적인 이온주입 등을 이용한다.Next, a photodiode PD is formed in contact with one side of the trench t, a transfer gate Tx is formed in contact with the other side of the photodiode PD, and then a sensing node FD is formed. This uses a conventional ion implantation or the like.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드에 사각으로 입사되는 빛을 트렌치 내부의 금속층을 이용하여 반사시킴으로써 이웃하는 화소로 이 빛을 재입사하도록 하여 빛의 손실을 줄일 수 있으며 크로스 토크를 방지할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.According to the present invention made as described above, by reflecting light incident in a square to the photodiode using a metal layer inside the trench, the light is re-incident to neighboring pixels, thereby reducing the loss of light and preventing crosstalk. It was found through the examples.
다만, 본 발명의 이미지센서에서 포토다이오드 형성시 트렌치에 의해 수광 영역에서 포토다이오드 영역이 좁아지는 바, 포토다이오드의 전극 용량이 충분하도록 이온주입시 n- 영역을 깊은 레벨로 형성하여 포화신호(Saturation signal)에 문제가 발생하지 않도록 해야 한다.
However, in the image sensor of the present invention, when the photodiode is formed, the photodiode region is narrowed in the light receiving region by the trench, so that the n- region is formed at a deep level during ion implantation so that the photodiode has sufficient electrode capacity. signal should be avoided.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은, 크로스 토크를 방지함과 동시에 빛의 손실을 최소화함으로써, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
The present invention described above, by preventing the crosstalk and at the same time minimizing the loss of light, can be expected to have an excellent effect that can ultimately greatly improve the performance and yield of the image sensor.
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