KR20020014315A - 이웃하는 화소간의 크로스 토크 및 활성영역 감소를방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이웃하는 화소간을 보다 효과적으로 분리할 수 있으며 활성영역의 감소를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, CMOS 이미지 센서 제조시 반도체 기판 상에 절연막 증착 및 건식식각 공정을 진행하여 소자간 격리를 위한 절연막 패턴을 형성함으로써 절연막 사이에 포토다이오드 및 트랜지스터 등이 형성될 활성영역을 정의하고, 활성영역 상에 에피택셜(epitaxial) 실리콘층을 성장시킨 후, 상기 에피택셜 실리콘층 상에 소자를 형성하여 개별 트랜지스터뿐만 아니라 단위 화소간의 크로스 토크를 확실하게 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에서는 에피택셜 실리콘층을 성장시키기 이전에 미리 소자분리막 형성 공정을 진행한 다음, 에피택셜 실리콘층을 형성하고 소자를 형성하는데 그 특징이 있다.

Description

이웃하는 화소간의 크로스 토크 및 활성영역 감소를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법{Image sensor formation method capable of preventing cross talk between pixels and reduction of active area}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지하고 활성영역의 면적 감소를 방지할 수 있는 이미지 센서의 활성영역 형성 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅센싱노드에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅센싱노드가 갖는 커패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 커패시턴스를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 커패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 센싱노드의 커패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 커패시턴스 Cp의 캐리어들을 커패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 1에 도시한 바와 같이 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 제조 공정은 다음과 같은 과정을 포함한다. 즉, 도 2에 보이는 바와 같이 일반 실리콘 웨이퍼 보다 양호한 포토다이오드 특성을 얻을 수 있는 수 ㎛ 두께의 에피택셜 실리콘 기판(20)에 LOCOS(Local Oxidation of silicon) 공정 또는 완충 폴리실리콘막을 이용한 LOCOS(poly silicon buffered LOCOS) 공정을 진행하여 필드산화막(field oxide, 21)을 형성하고, 포토다이오드(PD) 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 등을 포함한 각종 소자를 형성한다. 도 2에서 미설명 도면부호 '12'는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트, '13'는 플로팅 확산(floating diffusion) 영역, '14'는 LDD(lightly doped drain) 영역, '15'는 스페이서, '16'은 필드 채널 스톱 이온주입(field channel stop implant) 영역을 나타낸다.

전술한 바와 같이 이루어지는 종래의 이미지 센서 제조 공정은, 부분 산화공정을 이용하여 필드산화막(21)을 형성하기 때문에 필연적으로 버드 비크(bird's beak)가 발생하여 소자가 형성되는 활성영역이 감소한다. 또한, 소자간의 격리를 위해 필드산화막(21) 아래부분에 도펀트(dopant)를 주입하여 이른바 필드 채널 스탑 이온주입 영역(26)을 형성하여야 하는데, 필드 채널스탑 이온주입 영역(26)에 주입된 도펀트는 이후 진행되는 열처리 공정에서 포토다이오드(PD) 쪽으로 확산되어 포토다이오드의 특성에 영향을 주며 도판트 주입량이 많거나 확산이 과도하게 일어나는 경우 포토다이오드의 전하 용량(charge capacity)을 감소시키는 악영향을 주게된다.

기술이 발전하고 소비자는 나날이 보다 나은 제품, 즉 고해상도, 고품질의 센서를 요구함에 따라 소자의 크기가 점점 작아져가는 추세이고, 이에 따라 설계규칙(design rule)이 작아진다. 따라서, 트랜지스터뿐만 아니라 소자간의 격리 거리도 함께 작아져 소자를 안정적으로 격리시키기 위해서는 필드 채널스탑 이온주입 영역(26)의 농도를 증가시켜야 하므로, 전술한 바와 같이 포토다이오드의 전하용량이 더욱 더 감소하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 트렌치(trench)를 이용한 격리공정이 개발되었다. 그러나, 포토다이오드(PD)의 작동시 공핍(depletion) 영역의 깊이는 실리콘 기판(20) 표면에서 아래 방향으로 수 ㎛에 이르기 때문에 트렌치의 깊이가 그 보다 깊지 않는 한 포토다이오드(PD)에 저장된 전자가 이웃하는 화소로 이동함에 따른 크로스 토크(cross talk) 문제를 완벽하게 해결하기 어렵다. 그 뿐만 아니라 수 ㎛ 이상 깊이의 트렌치를 형성하기 위해 실리콘 기판(20)을 식각하기도 어려울 뿐만 아니라 산화막으로 트렌치를 매립하는 것도 용이하지 않은 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 이웃하는 화소간을 보다 효과적으로 분리할 수 있으며 활성영역의 감소를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도,

도 2는 도 1과 같은 CMOS 이미지 센서를 구현하는 종래 공정 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

30: 실리콘 기판 31: 산화막

32: 에피택셜 실리콘층

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 소자간 격리 영역을 덮는 식각마스크를 형성하는 단계; 상기 식각마스크로 덮이지 않은 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 화소간격리를 위한 절연막 패턴을 형성하면서 상기 반도체 기판을 노출시키는 단계; 상기 식각마스크를 제거하는 단계; 상기 노출된 반도체 기판 상에 활성영역을 이루는 에피택셜 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 활성영역 상에 광감지 수단, 신호전달 수단 및 신호처리 수단을 구비하는 이미지 센서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조시 반도체 기판 상에 절연막 증착 및 건식식각 공정을 진행하여 소자간 격리를 위한 절연막 패턴을 형성함으로써 절연막 사이에 포토다이오드 및 트랜지스터 등이 형성될 활성영역을 정의하고, 활성영역 상에 에피택셜(epitaxial) 실리콘층을 성장시킨 후, 상기 에피택셜 실리콘층 상에 소자를 형성하여 개별 트랜지스터 뿐만 아니라 단위 화소간의 크로스 토크(cross talk)를 확실하게 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에서는 에피택셜 실리콘층을 성장시키기 이전에 미리 소자분리막 형성 공정을 진행한 다음, 에피택셜 실리콘층을 형성하고 소자를 형성하는데 그 특징이 있다.

이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(30) 상에 절연을 위한 산화막(31)을 증착하고, 산화막 상에 필드영역을 정의하는 식각마스크(M)를 형성한다. 산화막(31)의 두께는 향후 성장시킬 에피택셜 실리콘층의 두께와 동일하게 형성하며, 일예로 수 ㎛ 두께의 산화막(31)을 형성한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 식각마스크(M)로 덮이지 않은 산화막(31)을 식각하여 소자가 형성될 활성영역의 산화막(31)을 제거하여 화소간 격리를 위한 산화막(31) 패턴을 형성하면서 실리콘 기판(30)을 노출시키고, 상기 식각마스크를 제거한다. 이때, 이방성 식각특성을 갖는 건식식각을 실시하여 수직방향으로 산화막(31)이 식각되도록 한다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 활성영역의 실리콘 기판(30) 상에 에피택셜 실리콘층(32)을 형성한다. 상기 에피택셜 실리콘층(32)에는 이후 형성되는 소자의 특성을 감안하여 적절한 농도의 도판트를 도핑한다.

다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 상기 에피택셜 실리콘층(32)에 광감지를 위한 포토다이오드(PD), 전하전송을 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 처리용 트랜지스터 등을 형성한다. 도 3d에서 미설명 도면부호 '32'는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트, '33'은 플로팅 확산 영역, '34'는 LDD 영역, '35'는 스페이서를 각각 나타낸다.

전술한 본 발명의 실시예에서는 이미지 센서의 활성영역 형성 방법에 대해 중점적으로 설명하였다. 활성영역 상에 형성되는 이미지 센서의 각종 소자 형성 방법을 통상의 방법과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 두꺼운 산화막으로 분리된 에피택셜 실리콘층 상에 소자를 형성함으로써 개별 트랜지스터 뿐만 아니라 단위 화소간의 크로스 토크를 확실하게 방지할 수 있다 또한, 종래의 제조 방법과 달리 소자간의 격리를 위해 필드산화막 아래부분에 이온을 주입하는 공정(field channel stop implant)을 생략함으로써 이온주입 공정에 의한 포토다이오드의 열화를 근본적으로 방지할 수 잇고, 또한 종래 소자와는 달리 열산화에 의한 필드산화막 형성 공정을 사용하지 않기 때문에 버드비크(bird's beak)에 의한 활성영역의 면적 감소를 방지할 수 있다. 그에 따라 소자의 신뢰성 및 특성 향상을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;

   상기 절연막 상에 소자간 격리 영역을 덮는 식각마스크를 형성하는 단계;

   상기 식각마스크로 덮이지 않은 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 화소간 격리를 위한 절연막 패턴을 형성하면서 상기 반도체 기판을 노출시키는 단계;

   상기 식각마스크를 제거하는 단계;

   상기 노출된 반도체 기판 상에 활성영역을 이루는 에피택셜 반도체층을 형성하는 단계; 및

   상기 활성영역 상에 광감지 수단, 신호전달 수단 및 신호처리 수단을 구비하는 이미지 센서를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,

   상기 에피택셜층은 실리콘층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 절연막을 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 절연막을 건식식각으로 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.