KR20030002877A - Image sensor and fabricating method of thesame - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최단 거리의 전하 운송 경로를 갖는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly to an image sensor, and more particularly, to an image sensor having a shortest distance charge transport path and a manufacturing method thereof.
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 전송되는 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 transmitted in a capacitor while being in close proximity, and a 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 manufacturing such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor, and one of them is a light 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 이미지센서를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an image sensor according to the prior art.
도 1을 참조하면, P형의 기판(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)이 형성되어 있는 바, STI 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 등의 구조로 형성되어 있으며, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극(12) 즉, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)가 형성되어 있으며, 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다.Referring to FIG. 1, a field insulating film 11 is locally formed on a P-type substrate 10. The field insulating film 11 is formed in a structure such as STI or LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon). A gate electrode 12, that is, a transfer gate, is formed in a distant region, which serves to transport the photoelectrons from the photodiode to the floating sensing node (hereinafter referred to as FD).
필드 절연막(11)과 게이트전극(12)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)이 기판(10) 내부에 소정의 깊이로 형성되어 있으며, 이는 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도로 도핑된 것이다. n- 영역의 상부와 기판(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0 영역)이 형성되어 있다.An impurity region n− for photodiode in contact with the field insulating film 11 and the gate electrode 12 is formed in the substrate 10 to a predetermined depth, and is formed by using a high energy, for example, energy of 160 KeV to 180 KeV. It is lightly doped. An impurity region (P0 region) in contact with the top of the n− region and the surface of the substrate 10 is formed.
즉, PNP 구조의 포토다이오드를 이루며 n- 영역이 높은 포텐셜을 갖게 되어 입사광에 의해 기판(10) 내부에서 생성된 광전자가 n- 영역으로 모이게 된다. 또한, 포토다이오드 영역의 타측에 게이트전극(12)과 접하는 n+영역이 형성되어 있으며, 이는 센싱노드의 역할을 수행한다.That is, the photodiode having a PNP structure has a high potential of n-region, and photons generated inside the substrate 10 by the incident light are collected in the n- region. In addition, an n + region in contact with the gate electrode 12 is formed on the other side of the photodiode region, which serves as a sensing node.
상기한 바와 같은 종래의 이미지센서는 전하 용량을 증대시키고 단파장에 대한 광감도를 증대시키기 위해 NP 구조의 포토다이오드 상부에 P형 불순물 영역(16)을 형성시킴으로써 PNP 구조의 포토다이오드 구조를 갖는 바, 상부의 P0 영역은 n- 영역을 완전히 공핍(Fully depletion)시키며, 포토다이오드의 실리콘 표면의 격자 결함 등에서 발생하는 전자가 n- 영역에 모아지는 것을 방지하는 역할을 하는 반면, 상부의 P0 영역은 후속 열공정에 의해 기판(10) 내부로 확산되어 n- 영역에서 트랜스퍼 게이트(12)에 이르는 전하 운송 통로에 전위 장벽을 형성하는 경우 상기 전위 장벽을 넘지 못하는 전자(B)에 대해서는 신호 처리가 되지 않기 때문에 광감도를 저하시키는 문제점이 발생하게 되며, 전하 운송 통로 자체가 직선 경로를 취하지 못하고 길게 곡선의 형태로 형성되므로 루틴(Routine) 자체가 길어짐에 따라 재결합(Recombination)에 따른 전하의 손실(Loss)이 발생하게 된다.The conventional image sensor as described above has a PNP structure photodiode structure by forming a P-type impurity region 16 on the NP structure photodiode in order to increase charge capacity and increase photosensitivity to short wavelengths. Fully depletion of the n- region and serves to prevent electrons from the lattice defects on the silicon surface of the photodiode from collecting in the n- region, whereas the upper P0 region is the In the case where a potential barrier is formed in the charge transport passage from the n− region to the transfer gate 12 in the n-region by the process, the signal B is not processed for electrons B that do not cross the potential barrier. The problem of lowering the sensitivity of light occurs, and the charge transport passage itself does not take a straight path and has a long curved shape. As the routine itself becomes longer, the loss of charge due to recombination occurs.
도 2는 도 1의 전위 분포를 도시한 개략도로서, 도 2에 도시된 바와 같이 P0 영역이 일종의 장벽(Barrier) 역할을 하게 됨에 따라 'A'의 전자는 전송이 되나 'B'의 전자는 전송이 P0 장벽에 의해 전송이 되지 못하게 됨을 나타내며, 이에 따라 전하 운송 효율이 감소하게 된다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the potential distribution of FIG. 1. As shown in FIG. 2, as the P0 region acts as a barrier, electrons of 'A' are transmitted but electrons of 'B' are transmitted. This indicates that the P0 barrier prevents the transfer, thereby reducing the charge transport efficiency.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 포토다이오드용 P0 영역을 기판 상에 돌출된 리지(Ridge) 형으로 형성함으로써, 전하 전송 경로 상의 장벽 형성을 근본적으로 방지함으로써 전하 전송 효율을 높일 수 있으며, 포토다이오드의 표면적을 증가시켜 정전 용량을 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention proposed to solve the above problems of the prior art, by forming the P0 region for the photodiode in the form of a ridge protruding on the substrate, thereby essentially preventing charge formation by forming a barrier on the charge transfer path An object of the present invention is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same, which can increase efficiency and increase capacitance by increasing the surface area of a photodiode.
도 1은 종래기술에 일예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing an image sensor according to an example in the prior art,
도 2는 도 1에 따른 전위 분포를 도시한 개략도,2 is a schematic diagram showing a potential distribution according to FIG. 1, 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 도 3c에서의 전위 분포를 도시한 개략도.4 is a schematic diagram showing the potential distribution in FIG. 3C.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30 : 기판30: substrate
31 : 필드 절연막31: field insulating film
32 : 트랜스퍼 게이트32: transfer gate
33 : 스페이서33: spacer
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형 반도체 기판의 주면 상에 제공되는 트랜스퍼 게이트; 상기 트랜스퍼 게이트 일측의 주면 하부에 제공되는 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역; 및 상기 트랜스퍼 게이트 일측의 상기 반도체 기판 주면 상에 돌출되어 제공되는 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, a transfer gate provided on the main surface of the first conductive semiconductor substrate; A first impurity region for a photodiode of a second conductivity type provided under a main surface of one side of the transfer gate; And a second impurity region for a photodiode of a first conductivity type provided on the main surface of the semiconductor substrate on one side of the transfer gate.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형 기판을 선택적으로 식각하여 상기 기판의 포토다이오드가 형성될 영역이 소정의 두께로 돌출되도록 하는 제1단계; 상기 포토다이오드 영역에 인접하도록 상기 기판의 주면 상에 트랜스퍼 게이트를 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 돌출된 포토다이오드 형성 영역 하부의 상기 기판 내에 상기 트랜스퍼 게이트와 인접하도록 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제3단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 돌출된 기판 내에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제4단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, the present invention, a first step of selectively etching the first conductive substrate so that the region in which the photodiode of the substrate is to be formed to protrude to a predetermined thickness; Forming a transfer gate on a main surface of the substrate to be adjacent to the photodiode region; Performing a ion implantation to form a first impurity region for a photodiode of a second conductivity type in the substrate below the protruding photodiode formation region so as to be adjacent to the transfer gate; And a fourth step of performing ion implantation to form a second impurity region for a photodiode of a first conductivity type in the protruding substrate.
바람직하게 본 발명의 상기 돌출된 제2불순물 영역은, 0.1㎛ 내지 0.2㎛의 두께인 것을 특징으로 하며, 상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 한다.Preferably, the protruding second impurity region of the present invention is characterized in that the thickness of 0.1㎛ to 0.2㎛, the first conductive type is characterized in that the P-type, the second conductive type is characterized in that the N-type.
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 3c는 본 발명의 일실시에에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.3C is a cross-sectional view illustrating an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 P형 반도체 기판(30)의 주면 상에 제공되는 트랜스퍼 게이트(32)와, 트랜스퍼 게이트(32) 일측의 주면 하부에 제공되는 N형의 포토다이오드용 불순물 영역(n-)과, 트랜스퍼 게이트(32) 일측의 반도체 기판(30) 주면 상에 돌출되어 제공되는 P형의 포토다이오드용 불순물영역(P0)을 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 3C, an image sensor of the present invention is used for a transfer gate 32 provided on a main surface of a P-type semiconductor substrate 30 and an N-type photodiode provided under a main surface of one side of the transfer gate 32. The impurity region n− and the P-type photodiode impurity region P0 protruding from the main surface of the semiconductor substrate 30 on one side of the transfer gate 32 are provided.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.With reference to the accompanying drawings, the image sensor of the present invention having the above configuration will be described in detail.
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.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, P형 반도체 기판(30)을 선택적으로 식각하여 기판(30)의 포토다이오드가 형성될 영역(PD)이 0.1㎛ 내지 0.2㎛의 두께로 돌출되도록 한다.First, as shown in FIG. 3A, the P-type semiconductor substrate 30 is selectively etched so that the region PD on which the photodiode of the substrate 30 is to be formed protrudes to a thickness of 0.1 μm to 0.2 μm.
즉, 이미지센서 제조 공정 전단계에 습식 식각을 통해 기판(30)을 식각하여 포토다이오드가 형성될 영역(PD)이 상기한 바와 같이 돌출되도록 하는 바, 이는 돌출된 포토다이오드가 형성될 영역(PD)에 의해 포토다이오드의 표면적을 증가시켜 포토다이오드의 전극 용량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전하 운송 경로에서의 P0 영역에 따른 전위 장벽을 근본적으로 제거할 수 있도록 한다.That is, before the image sensor manufacturing process, the substrate 30 is etched by wet etching so that the region PD on which the photodiode is to be formed is protruded as described above, which is the region PD on which the protruding photodiode is to be formed. By increasing the surface area of the photodiode to increase the electrode capacity of the photodiode, it is possible to fundamentally eliminate the potential barrier along the P0 region in the charge transport path.
다음으로 도 3b에 도시된 바와 같이, 소자 격리를 위한 필드 절연막(31)을 형성하고 게이트 절연막(도시하지 않음)과 폴리실리콘 등을 이용하여 포토다이오드 형성 영역(PD)에 인접하도록 기판(30)의 주면 상에 트랜스퍼 게이트(32)를 형성한 다음, 이온주입을 실시하여 돌출된 포토다이오드 형성 영역(PD) 하부의 기판(30) 내에 트랜스퍼 게이트(32)와 인접하도록 포토다이오드용 N형 불순물 영역(n-)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3B, the substrate 30 is formed to form a field insulating film 31 for device isolation and to be adjacent to the photodiode forming region PD using a gate insulating film (not shown), polysilicon, or the like. After the transfer gate 32 is formed on the main surface of the N-type impurity region for the photodiode so as to be adjacent to the transfer gate 32 in the substrate 30 under the protruding photodiode formation region PD by ion implantation. to form (n-).
구체적으로, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(31)에접하는 n- 영역을 기판(30) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한 다음, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한다.Specifically, an n-region in contact with the field insulating film 31 is formed to a predetermined depth in the substrate 30 by using an ion implantation mask (not shown), and then doped at a low concentration using high energy. An ion implantation mask (not shown) is removed through the PR strip.
다음으로 도 3c에 도시된 바와 같이, ,질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 트랜스퍼 게이트(32) 측벽에 스페이서(33)를 형성한, 센싱노드 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+ 영역을 형성한 후, 이온주입을 실시하여 돌출된 기판(30) 내에 형성포토다이오드용 P형 전극(P0)을 형성함으로써, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성되고 P/N 접합의 FD(n+)가 형성된다.Next, as illustrated in FIG. 3C, after depositing a nitride film or the like on the front surface, the spacer 33 is formed on the sidewalls of the transfer gate 32 through the front surface etching to form a high concentration of N-type impurities for forming a sensing node. After implantation to form an n + region, ion implantation is performed to form a P-type electrode P0 for photodiode in the protruding substrate 30, whereby a depletion region is formed by P / N / P junction, thereby forming a photodiode. Is formed and FD (n +) of the P / N junction is formed.
도 4는 상기 도 3c에 의해 P0 영역의 장벽이 제거됨에 따라 전자의 이동이 원할하게 이루어짐을 도시하고 있다.FIG. 4 illustrates smooth movement of electrons as the barrier of the P0 region is removed by FIG. 3C.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 이미지센서 제조 공정의 초기 단계에서 포토다이오드 형성 영역 중 P0 영역 부분이 마루형(Ridge)으로 돌출되도록 하여 그 돌출된 부분에 P0 영역을 형성함으로써, 전극 용량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 전하 운송 경로 상의 P0 영역에 의한 전위 방벽을 제거함으로써 전하 운송 효율을 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.According to the present invention made as described above, in the initial stage of the image sensor manufacturing process, the portion of the P0 region of the photodiode forming region protrudes into a ridge, thereby forming the P0 region on the protruding portion, thereby increasing the electrode capacity. In addition, it was found that the charge transport efficiency can be improved by removing the potential barrier caused by the P0 region on the charge transport path.
한편, 본 발명의 이미지센서 제조시 초기 단계에서 습식 식각을 통해 마루 형상의 구조를 형성한 일예를 나타내었으나, 상기한 방법 이외에 포토다이오드 형성 공정에서 선택적 에피택셜 성장(Selective Epitaxial Growth)법 및 증착에 의한 마스크 패턴 공정을 이용할 수 있다.Meanwhile, although an example of forming a floor-like structure through wet etching in the initial stage of manufacturing the image sensor of the present invention is shown, in addition to the above-described method, the selective epitaxial growth method and the deposition in the photodiode forming process By a mask pattern process can be used.
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, 포토다이오드의 전하 운송 효율을 높일 수 있으며 포토다이오드의 전극 용량을 증대시켜, 궁극적으로 포토다이오드의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.The present invention described above can increase the charge transport efficiency of the photodiode, increase the electrode capacity of the photodiode, and ultimately can expect an excellent effect that can greatly improve the performance and yield of the photodiode.
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