KR20020030959A - 포토다이오드 영역에 트렌치를 구비하는 이미지 센서 및그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단위 픽셀의 면적 증가없이 다이오드의 캐패시턴스를 향상시킬 수 있으며 포토다이오드의 공핍층을 상대적으로 깊은 위치에 형성할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드 영역의 제1 도전형 반도체 기판 내에 형성된 트렌치, 상기 트렌치 저면의 반도체 기판에 형성된 제2 도전형의 도핑층, 상기 트렌치 내에 형성된 제2 도전형의 반도체층, 상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 도핑층을 포함하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 영역 내에 트렌치를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서는 크게 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS를 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 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 이미지 센서의 단위 픽셀을 보이는 회로도로서, 광감지를 위한 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀을 보이고 있다. 4개의 NMOS 트랜지스터 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 플로팅확산영역 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드 캐패시턴스를 각각 나타낸다.
이와 같이 구성된 이미지 센서 단위 픽셀에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위 픽셀을 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 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위 픽셀 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 단위 픽셀에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2a는 종래 기술에 따라 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하를 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 공정 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 실리콘 기판(20)의 불순물 도핑 농도를 보이는 그래프이다.
도 2a에 보이는 바와 같이 종래 기술에 따른 이미지 센서는 p형 실리콘기판(20)에 형성된 n형 불순물 도핑영역(21), p형 실리콘 기판(20) 표면에 형성되며 n형 불순물 도핑영역(21)과 접하여 그와 함께 포토다이오드를 이루는 p형 불순물 도핑영역(22), 상기 p형 불순물 도핑영역(22)과 이격되어 형성된 플로팅(floating) 확산영역(23), p형 불순물 도핑영역(22)과 플로팅 확산영역(23) 사이의 실리콘 기판(20) 상에 형성된 게이트 절연막(24) 및 게이트 전극(25), 게이트 전극(25) 측벽에 형성된 절연막 스페이서(26)를 포함한다.
이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 부분이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 소자 면적 내에서 광감지 부분의 면적만을 증가시키기는 어렵다.단위 픽셀의 동작이 안정적으로 이루어지기 위해서는 포토다이오드의 캐패시턴스(Cp)와 플로팅확산영역의 캐패시턴스(Cf)가 매우 중요하다. 빛을 감지하는 포토다이오드의 캐패시턴스(Cp)는 면적이 클수록 빛에 대한 감지 특성이 향상된다. 그러나, 그에 따라 단위 픽셀의 크기가 증가하고, 칩 면적 및 패키지(package) 완료 후 사용되는 렌즈의 크기가 증가하게 되어 가격 경쟁력이 떨어진다. 반면 플로팅 확산영역의 캐패시턴스(Cf)가 작을수록 빛에 의해 포획(capture)된 전자들이 플로팅확산 영역으로 전달되었을 때 감지 특성이 향상되지만, 너무 작으면 게이트와 플로팅확산 영역간의 기생 캐패시터들에 의해 전하 공유(charge coupling) 현상이 발생하여 심한 노이즈(noise)를 일으키게 된다. 또한, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스(Cf)가 너무크면 감지 특성이 감소하여 출력단(Out)에서 이용할 수 있는 전압폭이 감소하게 된다. 즉 출력전압의 구동범위(dynamic range)가 작아진다.
한편, 높은 에너지로 이온을 주입하여 포토다이오드를 형성할 경우 이온이 폴리실리콘 게이트를 통과하여 누설전류원으로 작용하기 때문에 센서 동작에 이상이 발생한다. 그에 따라 포토다이오드의 공핍층 깊이를 제한할 수밖에 없는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 단위 픽셀의 면적 증가없이 다이오드의 캐패시턴스를 향상시킬 수 있으며 포토다이오드의 공핍층을 상대적으로 깊은 위치에 형성할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 단면도,도 2a는 종래 기술에 따라 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하를 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 공정 단면도,
도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 불순물 농도 분포도,
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정도,
도 4a는 도 3e의 B-B' 선을 따른 불순물 농도 분포도,
도 4b는 실리콘 기판에 따른 전위 변화를 보이는 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
I: 광감지 영역 L: 로직소자 영역
t: 트렌치 30: 실리콘 기판
32:제1 도핑층 33: 에택셜층(제2 도핑층)
37: 제3 도핑층 38: 제4 도핑층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 형성된 트렌치; 상기 트렌치 저면의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑층; 상기 트렌치 내에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 제2 도핑층; 상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 제3 도핑층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 형성된 트렌치; 상기 트렌치 저면의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑층; 상기 트렌치 내에 형성된 반도체층; 상기 트렌치 제1 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 제2 도핑층; 상기 제2 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 제3 도핑층; 및 상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 제4 도핑층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 저면에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 제1 도핑층을 형성하는 단계; 상기 트렌치 내부에 제2 도전형 불순물이 도핑된 제2 도핑층을 구비하는 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 표면에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 제3 도핑층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 저면에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 제1 도핑층을 형성하는 단계; 상기 트렌치 내부에 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 제2 도전형 불순물을 주입하여 제2 도핑층을 형성하는 단계; 상기 제2 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 제2 도전형 불순물을 주입하여 제3 도핑층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 표면에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 제4 도핑층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.본 발명은 포토다이오드 영역의 제1 도전형 반도체 기판 내에 형성된 트렌치, 상기 트렌치 저면의 반도체 기판에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑층, 상기 트렌치 내에 형성되며 상기 제1 도핑층 보다 농도가 높은 제2 도전형의 반도체층, 상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 제2 도핑층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 포토다이오드 영역의 제1 도전형 반도체 기판 내에 형성된 트렌치, 상기 트렌치 내에 성장된 에피택셜층, 상기 제1 도핑층과 접하는 상기 에피택셜층에 형성된 제2 도전형의 제2 도핑층, 상기 제2 도핑층 상의 상기 에티택셜층 내에 형성되며 상기 제2 도핑층 보다 농도가 높은 제2 도전형의 제3 도핑층, 상기 에피택셜층 표면에 형성된 제1 도전형의 제4 도핑층으로 이루어지는 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이하 첨부된 도면 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 도전형 실리콘 기판(30)의 로직 소자 부분(L)에 웰(31)을 형성한다. 이때, 광감지 영역(I)에는 웰을 형성하지 않는다. 이어서, 실리콘 기판(30) 상에 산화막을 증착하고 광감지 영역(I)의 실리콘 기판(30)을 선택적으로 식각하여 트렌치(t)를 형성한다.
다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 트렌치(t) 저면의 실리콘 기판(30) 내에 제1 도핑층(32)을 형성하고, 트렌치(t) 내부에 제2 도전형의 에택셜층(33)을 성장시킨다. 상기 에피택셜층(33)은 제2 도전형으로 도핑되어 제2 도핑층으로서 역할한다.
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 광감지 영역(I)과 로직 소자 부분(L) 각각에 소자분리막(34)과 게이트 산화막(35)을 형성하고, 폴리실리콘막 증착, 마스크 공정, 식각 공정 등을 실시하여 게이트 전극(36)을 형성한다.
다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 포토다이오드의 감도를 향상시키기 위하여 에피택셜층(33) 내에 제2 도전형의 제3 도핑층(37)을 형성하고, 암전류를 감소시키기 위해 에피택셜층(33) 표면에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 제4 도핑층(38)을 형성한다.
제1 도핑층(32), 에피택셜층(제2 도핑층, 33), 제3 도핑층의 순으로 도핑 농도가 증가하고, 제1 도전형 실리콘 기판(30)과 제4 도핑층(38)에 의해 이들 제1 도핑층 내지 제4 도핑층이 완전히 공핍된다.
이어서 도 3e에 도시한 바와 같이 로직 소자 부분(L)의 소오스 드레인 (40A) 플로팅 확산 영역을 형성한다. 이후, 게이트 전극(36) 측벽에 절연막 스페이서(39)를 형성한다.
상기 제4 도핑층(38)은 절연막 스페이서(39) 형성 이후에 형성될 수 있으며, 제4 도핑층(38)의 포텐셜은 실리콘 기판(30)과 동일하다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드 영역 형성을 위해 실리콘 기판을 식각해서 트렌치를 형성한 후 이온을 주입함으로써, 상대적으로 낮은 이온주입 에너지로 실리콘 기판 깊은 부분에 도핑층을 형성할 수 있다. 그에 따라 전하 포켓을 크게 형성할 수 있으므로 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 면적을 증가시켜 센서의 감도 및 출력전압 구동 범위를 확보하는 종래기술과 달리 본 발명은 수직 방향으로 전하 포켓을 증가시켰기 때문에 단위 픽셀 크기를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 고해상도의 이미지 센서를 구현할 수 있다.그리고, 전하 이송(charge transfer) 효율을 높이기 위해서는 기판 표면에서 전위 장벽(potential wall)을 깊게 형성해야 하는데, 본 발명은 도 4a에 보이는 바와 같이 순차적인 농도구배를 갖는 도핑층을 형성함으로써, 도 4b에 보이는 바와 같이 깊은 영역에서 형성된 전하가 내부전위 차이에 의해 상대적으로 쉽게 실리콘 기판 표면으로 이동할 수 있기 때문에 전하이송 효율 및 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
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 포토다이오드 영역의 전하 포켓 깊이를 종래보다 훨씬 깊게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 단위 픽셀 크기에 따라 자유롭게 다이오드 깊이를 변화시킬 수 있다. 이와 같이 포토다이오드 영역의 전하 포켓을 깊게 형성함에 따라 단위 픽셀의 크기를 감소시킬 경우에도 감도 및 출력전압 구동범위(dynamic range) 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 형성된 트렌치;상기 트렌치 저면의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑층;상기 트렌치 내에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 제2 도핑층;상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 제3 도핑층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 도핑층의 도핑 농도는 상기 제1 도핑층의 도핑 농도 보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 형성된 트렌치;상기 트렌치 저면의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑층;상기 트렌치 내에 형성된 반도체층;상기 트렌치 제1 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 제2 도핑층;상기 제2 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 제3 도핑층; 및상기 반도체층 표면에 형성된 제1 도전형의 제4 도핑층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 제3 도핑층의 도핑농도는 상기 제2 도핑층의 도핑농도 보다 높고,상기 제2 도핑층의 도핑농도는 상기 제1 도핑층의 도핑농도 보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체층은 에피택셜층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 저면에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 제1 도핑층을 형성하는 단계;상기 트렌치 내부에 제2 도전형 불순물이 도핑된 제2 도핑층을 구비하는 반도체층을 형성하는 단계; 및상기 반도체층 표면에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 제3 도핑층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제2 도핑층의 도핑 농도는 상기 제1 도핑층의 도핑 농도 보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 저면에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 제1 도핑층을 형성하는 단계;상기 트렌치 내부에 반도체층을 형성하는 단계;상기 제1 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 제2 도전형 불순물을 주입하여 제2 도핑층을 형성하는 단계;상기 제2 도핑층 상의 상기 반도체층 내에 제2 도전형 불순물을 주입하여 제3 도핑층을 형성하는 단계; 및상기 반도체층 표면에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 제4 도핑층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제3 도핑층의 도핑농도는 상기 제2 도핑층의 도핑농도 보다 높고,상기 제2 도핑층의 도핑농도는 상기 제1 도핑층의 도핑농도 보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체층은 에피택셜층 성장 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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2000
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