KR20020014535A - 이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수있는 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 이웃하는 화소들간의 크로스 토크 발생을 방지하기 위하여, 반도체 기판 내에 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치 하부의 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입 영역을 형성한 다음, 상기 트렌치 내부에 절연막을 매립하여 화소간 분리막을 형성하는데 그 특징이 있다.

Description

이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법{Image sensor formation method for preventing crosstalk between pixels}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 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 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 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 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 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 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 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 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 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), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 플로팅 확산(floating diffusion, FD) 등을 포함한 각종 소자를 형성한다.

0.5 ㎛급 이하의 집적도를 갖는 종래 이미지 센서는 전술한 바와 같이 부분 산화공정을 이용하여 화소간 분리를 위한 필드산화막(21)을 형성한다. 종래 필드산화막(21)의 통상적인 두께는 5200 Å 정도이며 이 경우 실리콘 기판(20) 내에 형성되는 필드산화막(21)의 두께는 2500 Å 내지 3000 Å 정도인데, 이와 같은 깊이로는 인접 화소간의 전하 이동(charge transfer)을 완전히 방지할 수 없어 일부 소자에서는 블루밍(blooming) 현상이 발견된다. 즉, 포토다이오드의 정전용량(Charge Capacity)을 초과하는 양만큼의 광전하가 흘러 넘쳐 이웃하는 화소에 모이게 되면 그 결과, 강한 광원으로부터 화소들간에 크로스 토크(Pixel to Pixel Cross Talk)가 발생되고, 화면상에 광원 주위로 뿌옇게 번지는 현상인 블루밍(Blooming)이 나타나는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 이웃하는 화소간의 크로스 토크를 효과적으로 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이있다.

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

도 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도,

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

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

30: 실리콘 기판 31: 패드산화막

32: 질화막 33: 이온주입 영역

34: 필드산화막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이웃하는 화소간의 전하 이동을 방지하기 위한 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 화소간 분리영역에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 하부의 상기 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입영역을 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 하부에 절연막을 매립하여 화소간 분리막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이웃하는 화소간의 전하 이동을 방지하기 위한 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 패드산화막 및 질화막을 적층하는 제1 단계; 상기 질화막 및 상기 패드산화막을 선택적으로 식각하여 화소간 분리 영역의 상기 반도체 기판을 노출시키는 제2 단계; 노출된 반도체 기판을 식각하여 화소간 분리영역에 트렌치를 형성하는 제3 단계; 상기 트렌치 하부의 상기 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입영역을 형성하는 제4 단계; 상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 산화막을 형성하여 상기 트렌치를 채우는 제5 단계; 상기 질화막이 노출될 때까지 상기 산화막을 연마하여 상기 트렌치 내부에 산화막을 잔류시킴으로써 화소간 분리막을 형성하는 제6 단계; 및 상기 질화막을 제거하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 이웃하는 화소들간의 크로스 토크 발생을 방지하기 위하여, 반도체 기판 내에 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치 하부의 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입 영역을 형성한 다음, 상기 트렌치 내부에 절연막을 매립하여 화소간 분리막을 형성하는데 그 특징이 있다.

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

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(30) 상에 패드산화막(31) 및 질화막(32)을 적층한다. 상기 패드산화막(31)은 질화막(32) 형성에 따른 실리콘 기판(30)의 스트레스를 완화시키기 위하여 형성한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 화소간 분리영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 질화막(32) 및 패드산화막(31)을 식각하여 화소간 분리영역의 실리콘 기판(30)을 노출시킨 다음, 실리콘 기판(30)을 식각해서 3000 Å 내지 1 ㎛ 깊이의 트렌치를 형성한다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 이온주입 공정을 실시하여 트렌치 저면의 실리콘 기판(30) 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입 영역(33)을 형성한다.

다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 포토레지스트 패턴(PR)을 제거하고, 산화공정을 실시하여 트렌치 내에 산화막을 매립하고 상기 질화막(32)이 노출될 때까지 산화막을 CMP(chemical mechanical polishing)하여 트렌치 내부에만 산화막을 잔류시킴으로써 화소간 분리막(34)을 형성한 다음, 질화막(32)을 제거한다.

도 3e는 본 발명에 따라 각 화소 간의 전하(e^-) 이동이 방지되는 것을 보이는 개략도로서, 도면부호 '35'는 게이트 절연막, '36'은 게이트 전극, '37'은 스페이서를 나타낸다.

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 이미지 센서 각 화소의 전하가 이웃하는 화소로 이동하는 것을 효과적으로 억제하여 소자의 특성을 개선할 수 있으며, 측면 확산(lateral diffusion)에 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 이웃하는 화소간의 전하 이동을 방지하기 위한 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   반도체 기판을 선택적으로 식각하여 화소간 분리영역에 트렌치를 형성하는 단계;

   상기 트렌치 하부의 상기 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입영역을 형성하는 단계; 및

   상기 트렌치 하부에 절연막을 매립하여 화소간 분리막을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
2. 이웃하는 화소간의 전하 이동을 방지하기 위한 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   반도체 기판 상에 패드산화막 및 질화막을 적층하는 제1 단계;

   상기 질화막 및 상기 패드산화막을 선택적으로 식각하여 화소간 분리 영역의 상기 반도체 기판을 노출시키는 제2 단계;

   노출된 반도체 기판을 식각하여 화소간 분리영역에 트렌치를 형성하는 제3 단계;

   상기 트렌치 하부의 상기 반도체 기판 내에 전하의 이동을 방지하기 위한 이온주입영역을 형성하는 제4 단계;

   상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 산화막을 형성하여 상기 트렌치를 채우는 제5 단계;

   상기 질화막이 노출될 때까지 상기 산화막을 연마하여 상기 트렌치 내부에 산화막을 잔류시킴으로써 화소간 분리막을 형성하는 제6 단계; 및

   상기 질화막을 제거하는 제7 단계

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

   상기 트렌치는 3000 Å 내지 1 ㎛ 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.