KR102354420B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 배치되어 상기 반도체 기판의 활성 영역을 정의하되, 상기 활성 영역은 서로 이격하는 제1 및 제2 영역들, 및 상기 제1 및 제2 영역들 사이의 제3 영역을 포함하는, 소자 분리막; 상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 연장되는 트렌치; 상기 제3 영역 내의 상기 트렌치에 배치된 게이트 전극; 상기 제1 영역에 배치되며, 상기 트렌치와 수직적으로 중첩되는 광전 변환부; 및 상기 제2 영역에 배치된 부유 확산 영역을 포함한다.

Description

이미지 센서{Image Sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성 영역에 형성된 트렌치를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(charge coupled device)형 및 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 각각의 상기 화소들은 포토 다이오드(photodiode)를 포함한다. 상기 포토 다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 이미지 센서도 고집적화고 있다. 이에 따라 각각의 화소의 크기들도 작아져 포토 다이오드의 면적도 작아지고 있다. 그 결과, 하나의 포토 다이오드가 저장할 수 있는 풀 웰 용량(full well capacity)도 작아지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 풀 웰 용량(full well capacity)을 가짐과 더불어, 이미지 래그(image lag) 현상이 개선된 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 배치되어 상기 반도체 기판의 활성 영역을 정의하되, 상기 활성 영역은 서로 이격하는 제1 및 제2 영역들, 및 상기 제1 및 제2 영역들 사이의 제3 영역을 포함하는, 소자 분리막; 상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 연장되는 트렌치; 상기 제3 영역 내의 상기 트렌치에 배치된 게이트 전극; 상기 제1 영역에 배치되며, 상기 트렌치와 수직적으로 중첩되는 광전 변환부; 및 상기 제2 영역에 배치된 부유 확산 영역을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극은 상기 트렌치 주변의 상기 제3 영역 상으로 연장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부는 상기 트렌치 주변의 상기 제1 영역으로 연장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치는 상기 제2 영역으로 연장되지 않을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치의 측벽은 경사면을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 영역에 형성되는 적어도 하나의 추가 트렌치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 트렌치와 이격할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 트렌치와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 제3 영역으로 연장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 제2 영역으로 연장되지 않을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 제3 영역에서 상기 트렌치와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극은 상기 제3 영역 내의 상기 적어도 하나의 추가 트렌치에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부는 상기 적어도 하나의 추가 트렌치와 수직적으로 중첩될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부는 상기 활성 영역의 상부에 형성되는 제1 불순물 주입 영역; 및 상기 제1 불순물 주입 영역과 접하도록 상기 제1 불순물 주입 영역 하에 형성되되, 상기 부유 확산 영역과 동일한 도전형을 갖는 제2 불순물 주입 영역을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치와 중첩되는 상기 제2 불순물 주입 영역의 일부는 상기 제2 불순물 주입 영역의 다른 부분보다 상기 반도체 기판의 최상부면으로부터 멀 수 있다.
또한, 상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 배치되어 상기 반도체 기판의 활성 영역을 정의하는 소자 분리막; 상기 활성 영역에 형성되되, 제1 부분 및 상기 제1 부분과 연결된 제2 부분을 포함하는 트렌치; 상기 제2 부분을 노출하도록, 상기 트렌치의 상기 제1 부분 및 상기 제1 부분에 인접한 상기 활성 영역 상에 배치되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극의 일 측에 노출된 상기 활성 영역에 형성되되, 상기 트렌치의 상기 제2 부분과 수직적으로 중첩되는 부분을 갖는 광전 변환부; 및 상기 게이트 전극의 다른 측에 노출된 상기 활성 영역에 형성되되, 상기 광전 변환부와 이격하는 부유 확산 영역을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 부유 확산 영역은 상기 트렌치와 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극의 상기 일 측에 노출된 상기 활성 영역에 형성된 적어도 하나의 추가 트렌치를 더 포함하되, 상기 광전 변환부는 상기 적어도 하나의 추가 트렌치와 수직적으로 중첩될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부는 상기 활성 영역의 상부에 형성되는 제1 불순물 주입 영역; 및 상기 제1 불순물 주입 영역과 접하도록 상기 제1 불순물 주입 영역 하에 형성되되, 상기 부유 확산 영역과 동일한 도전형을 갖는 제2 불순물 주입 영역을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치와 중첩되는 상기 제2 불순물 주입 영역의 일부는 상기 제2 불순물 주입 영역의 다른 부분보다 상기 반도체 기판의 최상부면으로부터 멀 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이미지 센서에 따르면, 광전 변환부는 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 풀 웰 용량이 증가할 수 있다.
본 발명의 이미지 센서에 따르면, 게이트 전극의 일부가 트렌치 내에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부와 부유 확산 영역을 전기적으로 연결하기 위해 형성되는 채널이 부유 확산 영역에 가까워질 수 있으며, 이미지 래그 특성이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서 광전 변환부와 주변 회로와의 연결 관계를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 2, 4, 6, 및 8의 I-I'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 4의 II-II'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 6의 III-III'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 8의 IV-IV'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들로서, 도 2의 I-I'선에 대응되는 단면들을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 12 내지 16는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서 광전 변환부와 주변 회로와의 연결 관계를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서 소자 분리막에 의해 절연되는 각각의 단위 화소들은 하나의 광전 변환부(PD)와 하나의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, Transfer transistor)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 각각의 단위 화소에는 광전 변환부(PD)에서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)로 연장되는 트렌치(미도시)가 형성된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산(FD, Floating diffusion) 영역이라 한다. 부유 확산(FD) 영역은 리셋 트랜지스터(Rx, Reset transistor)의 소스가 될 수 있다. 또한, 부유 확산(FD) 영역에는 콘택(CT)이 형성될 수 있으며, 상기 콘택(CT)은 선택 트랜지스터(Sx)의 선택 게이트 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(Sx)와 리셋 트랜지스터(Rx)는 일렬로 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(Sx)는 억세스 트랜지스터(Ax, Access transistor)에 연결된다. 리셋 트랜지스터(Rx), 선택 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)는 이웃하는 화소들에 의해 서로 공유될 수 있으며, 이에 의해 집적도를 높일 수 있다.
이미지 센서의 동작을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 빛이 차단된 상태에서 리셋 트랜지스터(Rx)와 선택 트랜지스터(Sx)에 VDD를 인가하여 부유 확산 영역에 잔류하는 전하들을 방출시킨다. 그 후에 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프(OFF)시키고, 외부에서 수광부인 광전 변환부(PD)에 빛을 입사시킨다. 이때, 광전 변환부(PD)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 정공은 P형 불순물 주입 영역쪽으로, 전자는 N형 불순물 주입 영역쪽으로 이동하여 축적된다. 이러한 전자, 정공과 같은 전하는, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(ON) 시키면, 부유 확산(FD) 영역으로 전달되며, 전달된 전하량에 비례하여 선택 트랜지스터(Sx)의 게이트 바이어스가 변하게 된다. 이는 결국 선택 트랜지스터(Sx)의 소스 전위 변화를 초래하게 된다. 이때 억세스 트랜지스터(Ax)를 온(ON) 시키면, 칼럼쪽으로 전하에 의한 신호가 읽히게 된다.
이미지 센서가 고집적화됨에 따라 광전 변환부(PD)의 크기도 점점 작아져 풀 웰 용량(full well capacity)이 줄어든다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서는, 광전 변환부(PD)에서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)로 연장되는 트렌치(미도시)가 형성된다. 이에 따라, 광전 변환부(PD)가 트랜치의 측면 및 하면에 따라 형성되어, 광전 변환부(PD)의 면적이 넓어질 수 있다. 그 결과, 광전 변환부(PD)의 풀 웰 용량이 증가할 수 있다. 또한, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 일부를 트렌치 내에 형성하여 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 채널이 광전 변환부(PD)와 가까워 질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 이미지 래그(image lag) 특성이 개선될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 2, 4, 6, 및 8의 I-I'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 이미지 센서(100)는 반도체 기판(110), 소자 분리막(120), 게이트 전극(130), 광전 변환부(140), 및 부유 확산 영역(150)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)에 소자 분리막(120)이 배치되어 활성 영역(AR)이 정의될 수 있다. 활성 영역(AR)은 제1 내지 제3 활성 영역들(AR1, AR2, AR3)을 포함할 수 있다. 제1 활성 영역(AR1) 및 제2 활성 영역(AR2)은 서로 이격될 수 있으며, 제3 활성 영역(AR3)은 제1 및 제2 활성 영역들(AR1, AR2) 사이에 있을 수 있다. 예를 들어, 평면적으로, 활성 영역(AR)은 직사각형의 일 모서리가 돌출된 형태일 수 있으며, 제1 활성 영역(AR1)은 상기 일 모서리 부근을 제외한 직사각형 영역, 제2 활성 영역(AR2)은 직사각형에서 돌출된 영역, 그리고 제3 활성 영역(AR3)은 제1 활성 영역(AR1)과 제2 활성 영역(AR2)을 연결하는 부분일 수 있다. 반도체 기판(110)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다.
반도체 기판(110)의 활성 영역(AR)의 상부면은 트렌치(TRC)를 가질 수 있다. 트렌치(TRC)는 제1 활성 영역(AR1)에서 제3 활성 영역(AR3)으로 연장될 수 있으나, 제2 활성 영역(AR2)으로는 연장되지 않을 수 있다. 제3 활성 영역(AR3) 내의 트렌치(TRC)는 제1 트렌치 부분(TRC1), 제1 활성 영역(AR1) 내의 트렌치(TRC)는 제2 트렌치 부분(TRC2)으로 정의될 수 있다. 트렌치(TRC)의 측벽은 경사질 수 있다.
게이트 전극(130)은 제3 활성 영역(AR3)을 덮으며 배치될 수 있다. 이에 따라, 게이트 전극(130)의 일 측에는 제1 활성 영역(AR1) 및 제2 트렌치 부분(TRC2)이 노출될 수 있고, 다른 측에는 제2 활성 영역(AR2)이 노출될 수 있다. 달리 말해, 게이트 전극(130)은 제1 트렌치 부분(TRC1)에서 제1 트렌치 부분(TRC1) 주변의 제3 활성 영역(AR3) 상으로 연장되도록 배치될 수 있다. 게이트 절연막(132)이 게이트 전극(130)과 반도체 기판(110) 사이에 배치되어 반도체 기판(110)과 게이트 전극(130)을 절연시킬 수 있다. 게이트 전극(130)은 도 1을 참조하여 설명한 트랜스퍼 트랜지스터(도 1의 Tx 참조)의 게이트(도 1의 TG 참조)에 대응될 수 있다.
광전 변환부(140)는 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)는 트렌치(TRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장되는 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 광전 변환부(140)는 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성되는 제1 불순물 주입 영역(142) 및 제1 불순물 주입 영역(142)과 접하도록 제1 불순물 주입 영역(142) 하에 형성되는 제2 불순물 주입 영역(144)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 불순물 주입 영역(142)과 제2 불순물 주입 영역(144)은 PN 접합을 형성하여 포토 다이오드를 구성할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
광전 변환부(140)의 일부는 제2 트렌치 부분(TRC2)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 제2 불순물 주입 영역(144)의 일부도 제2 트렌치 부분(TRC2)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 제2 불순물 주입 영역(144) 중 제2 트렌치 부분(TRC2)과 수직적으로 중첩되는 일부(144b)는 제2 불순물 주입 영역(144)의 다른 부분(144a)보다 반도체 기판(110)의 최상부면으로부터 먼 거리에 있을 수 있다.
광전 변환부(140)는 도 1을 참조하여 설명한 광전 변환부(도 1의 PD 참조)에 대응될 수 있다. 광전 변환부(140)에 빛을 입사시키면, 광전 변환부(140)에 전자-정공 쌍이 생성될 수 있다. 생성된 정공은 제1 불순물 주입 영역(142)으로, 생성된 전자는 제2 불순물 주입 영역(144)으로 이동하여 축적될 수 있다.
부유 확산(floating diffusion) 영역(150)은 제2 활성 영역(AR2)의 상부에 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(150)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있으며, 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 트렌치(TRC)는 제2 활성 영역(AR2)으로 연장되지 않을 수 있으므로, 부유 확산 영역(150)은 트렌치(TRC)와 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다. 부유 확산 영역(150)과 광전 변환부(140)은 게이트 전극(130)의 서로 다른 측면에 형성될 수 있으며, 서로 이격할 수 있다. 부유 확산 영역(150)은 도 1을 참조하여 설명한 부유 확산 영역(도 1의 FD 참조)에 대응될 수 있다. 게이트 전극(130)에 턴 온(turn-on) 전압이 가해지면, 제3 활성 영역(AR3)의 상부에 형성되는 채널 영역(미도시)을 통해 광전 변환부(140)와 부유 확산 영역(150)은 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)에 축전된 전하(전자 및/또는 정공)가 부유 확산 영역(150)으로 이송될 수 있다.
본 발명의 이미지 센서(100)에 따르면, 광전 변환부(140)는 트렌치(TRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장될 수 있다. 이에 따라, 제1 활성 영역(AR1)에 트렌치(TRC)가 형성되지 않은 경우보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(100)는 보다 큰 풀 웰 용량(full well capacity)을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서(100)에 따르면, 게이트 전극(130)의 일부가 트렌치(TRC) 내에 형성될 수 있다. 광전 변환부(140)의 일부가 트렌치(TRC)의 아래에 형성되어 반도체 기판(110) 내에 깊게 형성된 만큼 게이트 전극(130)의 일부도 반도체 기판(110) 내에 깊게 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)와 부유 확산 영역(150)을 전기적으로 연결하기 위해 형성되는 채널 영역이 광전 변환부(140)와 가까워질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(100)의 이미지 래그(image lag) 특성이 개선될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 4의 II-II'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 3 내지 5를 참조하면, 이미지 센서(101)는 반도체 기판(110), 소자 분리막(120), 게이트 전극(130), 광전 변환부(140), 및 부유 확산 영역(150)을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위하여, 상술한 제1 실시예에 따른 이미지 센서(도 2 및 3의 100 참조)에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하며, 추가 트렌치들(ATRC) 및 광전 변환부(140)에 대해 설명한다.
반도체 기판(110)의 상부면은 추가 트렌치들(ATRC)을 더 가질 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)은 제1 활성 영역(AR1)에 형성될 수 있으며, 트렌치(TRC)와 이격할 수 있다. 일 예로, 추가 트렌치들(ATRC)은 트렌치(TRC)와 나란히 배열될 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)의 측벽은 경사질 수 있다.
광전 변환부(140)는 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)는 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장되는 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 광전 변환부(140)은 제1 불순물 주입 영역(142) 및 제2 불순물 주입 영역(144)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제1 불순물 주입 영역(142)과 접하도록 제1 불순물 주입 영역(142) 하에 형성될 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 불순물 주입 영역(142)과 제2 불순물 주입 영역(144)은 PN 접합을 형성하여 포토 다이오드를 구성할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
광전 변환부(140)의 일부는 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 제2 불순물 주입 영역(144)의 일부도 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 제2 불순물 주입 영역(144) 중 트렌치(TRC)와 수직적으로 중첩되는 일부(144b) 또는 제2 불순물 주입 영역(144) 중 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩되는 일부(144c)는 제2 불순물 주입 영역(144)의 다른 부분(144a)보다 반도체 기판(110)의 최상부면으로부터 먼 거리에 있을 수 있다.
이미지 센서(101)에 따르면, 광전 변환부(140)은 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(101)의 광전 변환부(140)는 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(101)는 더욱 큰 풀 웰 용량(full well capacity)을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 6의 III-III'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 3, 6, 및 7을 참조하면, 이미지 센서(102)는 반도체 기판(110), 소자 분리막(120), 게이트 전극(130), 광전 변환부(140), 및 부유 확산 영역(150)을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위하여, 상술한 제1 실시예에 따른 이미지 센서(도 2 및 3의 100 참조)에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하며, 추가 트렌치들(ATRC) 및 광전 변환부(140)에 대해 설명한다.
반도체 기판(110)의 상부면은 추가 트렌치들(ATRC)을 더 가질 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)은 제1 활성 영역(AR1)에 형성될 수 있으며, 트렌치(TRC)와 연결될 수 있다. 일 예로, 추가 트렌치들(ATRC)은 트렌치(TRC)와 교차하는 방향으로 배열될 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)의 측벽은 경사질 수 있다.
광전 변환부(140)는 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)는 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장되는 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 광전 변환부(140)은 제1 불순물 주입 영역(142) 및 제2 불순물 주입 영역(144)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제1 불순물 주입 영역(142)과 접하도록 제1 불순물 주입 영역(142) 하에 형성될 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 불순물 주입 영역(142)과 제2 불순물 주입 영역(144)은 PN 접합을 형성하여 포토 다이오드를 구성할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
광전 변환부(140)의 일부는 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 제2 불순물 주입 영역(144)의 일부도 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 제2 불순물 주입 영역(144) 중 트렌치(TRC)와 수직적으로 중첩되는 일부(144b) 또는 제2 불순물 주입 영역(144) 중 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩되는 일부(144c)는 제2 불순물 주입 영역(144)의 다른 부분(144a)보다 반도체 기판(110)의 최상부면으로부터 먼 거리에 있을 수 있다.
이미지 센서(102)에 따르면, 광전 변환부(140)은 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(102)의 광전 변환부(140)는 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(101)는 더욱 큰 풀 웰 용량(full well capacity)을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 8의 IV-IV'선에 따른 단면을 나타낸다.
도 3, 8, 및 9를 참조하면, 이미지 센서(103)는 반도체 기판(110), 소자 분리막(120), 게이트 전극(130), 광전 변환부(140), 및 부유 확산 영역(150)을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위하여, 상술한 제1 실시예에 따른 이미지 센서(도 2 및 3의 100 참조)에 대한 설명과 중복되는 설명은 생략하며, 추가 트렌치들(ATRC), 게이트 전극(130), 및 광전 변환부(140)에 대해 설명한다.
반도체 기판(110)의 상부면은 추가 트렌치들(ATRC)을 더 가질 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)은 제1 활성 영역(AR1)에서 제3 활성 영역(AR3)으로 연장될 수 있으나, 제2 활성 영역(AR2)으로는 연장되지 않을 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)은 트렌치(TRC)와 연결될 수 있다. 일 예로, 추가 트렌치들(ATRC)은 제3 활성 영역(AR3)에서 트렌치(TRC)와 연결될 수 있다. 추가 트렌치들(ATRC)의 측벽은 경사질 수 있다.
게이트 전극(130)은 제3 활성 영역(AR3)을 덮으며 배치될 수 있다. 이에 따라, 게이트 전극(130)의 일 측에는 제1 활성 영역(AR1)이 노출될 수 있고, 다른 측에는 제2 활성 영역(AR2)이 노출될 수 있다. 달리 말해, 게이트 전극(130)은 제1 트렌치 부분(TRC1)에서 제1 트렌치 부분(TRC1) 주변의 제3 활성 영역(AR3) 상으로 연장되도록, 그리고, 제3 활성 영역(AR3) 내의 추가 트렌치들(ATRC)에서 추가 트렌치들(ATRC) 주변의 제3 활성 영역(AR3) 상으로 연장되도록 배치될 수 있다. 게이트 절연막(132)이 게이트 전극(130)과 반도체 기판(110) 사이에 배치되어 반도체 기판(110)과 게이트 전극(130)을 서로 절연시킬 수 있다. 게이트 전극(130)은 도 1을 참조하여 설명한 트랜스퍼 트랜지스터(도 1의 Tx 참조)의 게이트(도 1의 Tg 참조)에 대응될 수 있다.
광전 변환부(140)는 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)는 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장되는 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 광전 변환부(140)은 제1 불순물 주입 영역(142) 및 제2 불순물 주입 영역(144)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성될 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제1 불순물 주입 영역(142)과 접하도록 제1 불순물 주입 영역(142) 하에 형성될 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 불순물 주입 영역(142)과 제2 불순물 주입 영역(144)은 PN 접합을 형성하여 포토 다이오드를 구성할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
광전 변환부(140)의 일부는 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 제2 불순물 주입 영역(144)의 일부도 트렌치(TRC) 또는 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 제2 불순물 주입 영역(144) 중 트렌치(TRC)와 수직적으로 중첩되는 일부(144b) 또는 제2 불순물 주입 영역(144) 중 추가 트렌치들(ATRC)과 수직적으로 중첩되는 일부(144c)는 제2 불순물 주입 영역(144)의 다른 부분(144a)보다 반도체 기판(110)의 최상부면으로부터 먼 거리에 있을 수 있다.
이미지 센서(103)에 따르면, 광전 변환부(140)은 트렌치(TRC) 및 추가 트렌치들(ATRC)의 저면 및 측벽을 따라 제1 활성 영역(AR1)의 최상부로 연장될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(102)의 광전 변환부(140)는 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(101)는 더욱 큰 풀 웰 용량(full well capacity)을 가질 수 있다.
또한, 이미지 센서(103)에 따르면, 게이트 전극(130)의 일부가 추가 트렌치들(ATRC) 내에 형성될 수 있다. 광전 변환부(140)의 일부가 추가 트렌치들(ATRC)의 아래에 형성되어 반도체 기판(110) 내에 깊게 형성된 만큼 게이트 전극(130)의 일부도 반도체 기판(110) 내에 깊게 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환부(140)와 부유 확산 영역(150)을 전기적으로 연결하기 위해 형성되는 채널 영역이 광전 변환부(140)와 가까워질 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(103)의 이미지 래그 특성이 개선될 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들로서, 도 2의 I-I'선에 대응되는 단면들이다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서와 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호가 제공되고, 설명의 간소화를 위하여 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 10a를 참조하면, 반도체 기판(110)에 소자 분리막(120)이 형성되어 활성 영역(AR)이 정의될 수 있다. 활성 영역(AR)은 제1 내지 제3 활성 영역들(AR1, AR2, AR3)을 포함할 수 있다. 제1 활성 영역(AR1) 및 제2 활성 영역(AR2)은 서로 이격할 수 있으며, 제3 활성 영역(AR3)은 제1 및 제2 활성 영역들(AR1, AR2) 사이에 있을 수 있다. 예를 들어, 평면적으로, 활성 영역(AR)은 직사각형의 일 모서리가 돌출된 형태일 수 있으며, 제1 활성 영역(AR1)은 상기 일 모서리 부근을 제외한 직사각형 영역, 제2 활성 영역(AR2)은 직사각형에서 돌출된 영역, 그리고 제3 활성 영역(AR3)은 제1 활성 영역(AR1)과 제2 활성 영역(AR2)을 연결하는 부분일 수 있다(도 2 참조). 반도체 기판(110)은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있다.
도 10b를 참조하면, 활성 영역(AR)의 상부면에 트렌치(TRC)가 형성될 수 있다. 트렌치(TRC)는 반도체 기판(110)의 일부를 이방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 트렌치(TRC)는 제1 활성 영역(AR1)에서 제3 활성 영역(AR3)으로 연장될 수 있으나, 제2 활성 영역(AR2)으로는 연장되지 않을 수 있다. 제3 활성 영역(AR3) 내의 트렌치(TRC)는 제1 트렌치 부분(TRC1), 제1 활성 영역(AR1) 내의 트렌치(TRC)는 제2 트렌치 부분(TRC2)으로 정의될 수 있다. 트렌치(TRC)의 측벽은 경사질 수 있다.
도시하지는 않았으나, 트렌치(TRC)의 형성 시, 본 발명의 제 2 내지 4 실시예들에 따른 이미지 센서와 관련하여 상술한 추가 트렌치들(도 4 내지 9의 ATRC 참조)이 함께 형성될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 제3 활성 영역(AR3) 상에 게이트 절연막(132) 및 게이트 전극(130)이 차례로 형성될 수 있다. 게이트 절연막(132)은 트렌치(TRC)가 형성된 제3 활성 영역(AR3)의 상부면을 따라 콘포말하게(conformally) 형성될 수 있다. 다시 말해, 게이트 절연막(132)은 제1 트렌치 부분(TRC1)을 콘포말하게 덮을 수 있다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서에서와 같이, 제3 활성 영역(AR3) 상에 추가 트렌치들(도 8 및 9의 ATRC 참조)이 형성된 경우, 게이트 절연막(132)은 추가 트렌치들(도 8 및 9의 ATRC 참조)의 저면 및 측벽을 콘포말하게 덮을 수 있다. 게이트 전극(130)은 게이트 절연막 상에 형성될 수 있다. 게이트 전극(130)의 일 측에는 제1 활성 영역(AR1)이 노출될 수 있고, 다른 측에는 제2 활성 영역(AR2)이 노출될 수 있다.
도 10d를 참조하면, 광전 변환부(140) 및 부유 확산 영역(150)이 형성될 수 있다.
광전 변환부(140)은 제1 불순물 주입 영역(142) 및 제2 불순물 주입 영역(144)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 활성 영역(AR1)에 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있고, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제1 활성 영역(AR1)에 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다. 불순물의 주입은 이온 주입법(ion implantation)을 통해 수행될 수 있다. 제1 및 제2 불순물 주입 영역들(142, 144)이 형성되는 깊이 및 불순물의 도핑 농도는 각각 주입 에너지 및 주입량(dose)을 통해 조절될 수 있다. 즉, 주입 에너지가 클수록 불순물 주입 영역들(142, 144)은 깊게 형성되며, 주입량이 클수록 불순물 주입 영역들(142, 144)은 높은 불순물 도핑 농도를 갖는다. 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)에 비해 낮은 주입 에너지 및 높은 주입량의 공정 조건을 갖는 이온 주입법에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 불순물 주입 영역(142)은 제1 활성 영역(AR1)의 상부에 형성되며, 제2 불순물 주입 영역(144)은 제1 불순물 주입 영역(142)의 아래에 형성된다. 또한, 제1 불순물 주입 영역(142)은 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
부유 확산 영역(150)은 이온 주입법을 통해 제2 확산 영역(AR2)의 상부에 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(150)은 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑되어 있을 수 있으며, 제2 불순물 주입 영역(144)보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
상기 전자장치는 디지털 카메라 또는 모바일 장치일 수 있다. 도 11을 참조하면, 디지털 카메라 시스템은 이미지 센서(100), 프로세서(200), 메모리(300), 디스플레이(400) 및 버스(500)을 포함한다. 상기 이미지 센서(100)는 프로세서(200)의 제어에 응답하여 외부의 영상 정보를 캡쳐(Capture)한다. 상기 프로세서(200)는 캡쳐된 영상정보를 상기 버스(500)를 통하여 상기 메모리(300)에 저장한다. 상기 프로세서(200)는 상기 메모리(300)에 저장된 영상정보를 상기 디스플레이(400)로 출력한다.
도 12 내지 16는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는, 도 12에 도시된 바와 같이 모바일 폰 또는 스마트 폰(1000)에 적용될 수 있고, 도 13에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(2000)에 적용될 수 있다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(3000)에 적용될 수 있고, 도 15에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(4000)에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 16에 도시된 바와 같이 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더(5000)에 적용될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 내에 배치되어 상기 반도체 기판의 활성 영역을 정의하되, 상기 활성 영역은 서로 이격하는 제1 및 제2 영역들, 및 상기 제1 및 제2 영역들 사이의 제3 영역을 포함하는, 소자 분리막;
    상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 연장되는 트렌치;
    상기 제3 영역 내의 상기 트렌치에 배치된 게이트 전극;
    상기 제1 영역에 배치되며, 상기 트렌치와 수직적으로 중첩되는 광전 변환부;
    상기 제2 영역에 배치된 부유 확산 영역; 및
    상기 제1 영역 상에 배치되고, 상기 트렌치와 교차하는 방향으로 배열되는 적어도 하나의 추가 트렌치를 포함하되,
    상기 광전 변환부는 상기 적어도 하나의 추가 트렌치와 수직적으로 중첩되는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 트렌치 주변의 상기 제3 영역의 상기 반도체 기판 상으로 연장되는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 상기 트렌치 주변의 상기 제1 영역의 상기 반도체 기판으로 연장되는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 제2 영역으로 연장되지 않는 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 트렌치의 측벽은 경사면을 가지는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 제3 영역으로 연장되는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 제3 영역 내의 상기 적어도 하나의 추가 트렌치에 배치되는 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 트렌치는 상기 트렌치와 연결되는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부는:
    상기 활성 영역의 상부에 형성되는 제1 불순물 주입 영역; 및
    상기 제1 불순물 주입 영역과 접하도록 상기 제1 불순물 주입 영역 하에 형성되되, 상기 부유 확산 영역과 동일한 도전형을 갖는 제2 불순물 주입 영역을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 트렌치와 중첩되는 상기 제2 불순물 주입 영역의 일부는 상기 제2 불순물 주입 영역의 다른 부분보다 상기 반도체 기판의 최상부면으로부터 먼 이미지 센서.
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