KR20040007966A - 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 사광에 의해 발생된 광전자의 흐름을 원천적으로 차단하여 포토다이오드간의 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층에 국부적으로 배치된 필드절연막; 상기 필드절연막에 의해 격리되어 상기 반도체층 내에 배치된 다수의 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 및 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층 내에 일정 두께로 형성되며, 상기 필드절연막 하부가 상기 포토다이오드 하부에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 제1도전형의 전위장벽영역을 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계; 상기 필드절연막이 형성된 반도체층 전면에 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막의 타폴로지가 반도체층으로 전사되어 상기 필드절연막 하부가 그 주변에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 일정 두께의 제1도전형의 전위장벽영역을 형성하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 격리되며 상기 전위장벽영역 상부의 상기 반도체층 내에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 사광에 의한 크로스토크(Crosstalk)를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 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.
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.
도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체층(10) 내부에 P0영역과 n-영역으로 이루어진 포토다이오드(Photo Diode; 이하 PD라 함)가 이온주입 등의 공정을 통해 형성되어 있으며, 이러한 이웃하는 PD간의 데이타 간섭에 따른 크로스토크를 방지하기 위한 P형의 채널 스탑 영역(Channel STop; 이하 CST라 함)이 형성되어 있는 바, CST는 통상적으로 P형 불순물 이온주입을 통하여 필드절연막(도시하지 않음) 하부에 형성된다. 또한, PD와 오버랩되지 않는 상부에 트랜스퍼 게이트(도시하지 않음)로의 광 입사 및 사광(α)에 의한 PD간의 트로스토크를 방지하기 위한 광차단금속층(Shielding Metal; 이하 SM이라 함)이 형성되어 있다.
여기서, 게이트전극 즉, 트랜스퍼 게이트와 센싱확산노드(Floating Diffusion; 이하 FD라 함)는 도면의 간략화를 위해 생략하였으며, SM 하부의 평탄화막 등도 생략하였다. 또한, 반도체층(10)은 고농도의 P++층 P-Epi층이 적층된 구조 또는 P-웰(Well) 등을 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어지는 종래의 이미지센서에서, 외부의 강한 입사광이 조사될 경우 굴절율이 다른 층들간의 다층반사 또는 불균일한 막의 표면에 의해 발생되는 굴절 등에 기인한 사광(α)이 발생하게 되는 바, 도시된 바와 같이 반도체층(10) 표면에서 부터 SM 까지의 거리가 멀어, 즉 그 사이의 막 등이 두꺼워 α와같은 사광에 의한 크로스토크를 방지하지 못하는 실정이다.
여기서, X는 새들 포인트(Saddle point)를 나타내는 것으로, 이는 포토다이오드의 n-영역에 의해 P형의 반도체층(10)이 공핍화되는 곳과 중성 영역(Neutral region)으로 남는 경계점으로 P형의 반도체층(10)의 준위가 0V로 되는 최초점이라고 할 수 있다.
도 2는 도 1을 A-A'으로 절단하였을 경우의 전위 분포를 개략적으로 도시하고 있는 바, α사광에 의해 P형의 반도체층(10) 내부에서 생성된 광전자 α' 또한, 드리프트(Drift) 및 전위차에 의해 화살표 방향의 공핍영역으로 확산됨으로써 크로스토크를 유발하게 된다.
한편, 이러한 사광에 의한 PD간의 크로스토크를 방지하기 위해 SM과 반도체층(10) 표면과의 거리를 짧게 즉, 중간의 막을 생략 또는 얇게할 수도 있으나, 이는 평탄화 및 스트레스 증가로 인한 물리적 파괴 등 오히려 소자의 특성에 악영향을 끼치게 된다. 따라서, 이러한 사광에 의한 크로스토크를 방지하기 위한 근본적인 해결책이 필요하다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 사광에 의해 발생된 광전자의 흐름을 원천적으로 차단하여 포토다이오드간의 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 도시한 단면도.
도 2는 도 1을 A-A'으로 절단하였을 경우의 전위 분포를 개략적으로 도시한 도면.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도.
도 4는 도 3을 B-B'-B" 방향으로 절단하여 전위 분포를 개략적으로 도시한 도면.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
P+ : 고농도 P형 기판P-Epi : P형 에피층
P : P형 전위방장벽영역PD : 포토다이오드
CST : 채널스탑영역FOX : 필드절연막
n- : 포토다이오드용 N형 불순물영역
P0 : 포토다이오드용 P형 불순물영역
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층에 국부적으로 배치된 필드절연막; 상기 필드절연막에 의해 격리되어 상기 반도체층 내에 배치된 다수의 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 및 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층 내에 일정 두께로 형성되며, 상기 필드절연막 하부가 상기 포토다이오드 하부에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 제1도전형의 전위장벽영역을 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계; 상기 필드절연막이 형성된 반도체층 전면에 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막의 타폴로지가 반도체층으로 전사되어 상기 필드절연막 하부가 그 주변에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 일정 두께의 제1도전형의 전위장벽영역을 형성하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 격리되며 상기 전위장벽영역 상부의 상기 반도체층 내에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
본 발명은 필드절연막의 타폴로지를 따르도록 필드절연막 형성 후 마스크를 형성하지 않고 전면 이온주입을 실시하여 반도체층 내부 깊이 전위장벽영역을 형성하여 사광에 의해 형성된 광전자의 흐름을 전위장벽을 통해 차단하여 사광에 의한 크로스토크를 방지하고자 한다.
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.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 제1도전형(이하 P형이라 함)의 고농도 기판(P+)과 P형 에피층(P-Epi)이 적층된 반도체층(이하 반도체층이라 함)과, 반도체층에 국부적으로 배치된 필드절연막(FOX)과, 필드절연막(FOX)에 의해 격리되어 반도체층 내에 배치된 다수의 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD) 및 필드절연막(FOX) 하부의 반도체층 내에 일정 두께로 형성되며, 필드절연막(FOX) 하부가 포토다이오드(PD) 하부에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 P형의 전위장벽영역(P)을 포함한다.
포토다이오드(PD)는 제2도전형(이하 N형이라 함)의 불순물영역(n-)과 N형의 불순물영역(n-)과 반도체층 표면에 접하는 P형의 불순물영역(P0)을 포함하며, 필드절연막 하부에는 크로스토크 방지를 위한 P형의 채널스탑영역(CST)이 이온주입 등에 의해 형성되어 있다.
전위장벽영역(P)은 전술한 타폴로지에 의해 사광에 의해 형성된 광전자가 포토다이오드(PD)로 유입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 'B'' 영역에 입사하는 사광에 의해 생성된 광전자의 흐름을 전위방벽영역(P)의 타폴로지에 의한 전위장벽을 통해 차단함으로써 'X'와 같은 광전자의 포토다이오드(PD) 영역으로의 유입에 의한 크로스토크를 방지한다.
즉, 도 3을 B-B'-B" 방향으로 절단하여 전위 분포를 개략적으로 도시한 도 4를 참조하면, B'영역에서 사광에 의해 생성된 'PE'는 상부 필드절연막(FOX)의 타폴로지가 전사된 형태의 전위장벽영역(P)의 프로파일에 의해 그 흐름이 막혀 포토다이오드(PD) 영역으로 유입되지 못하게 된다. 따라서, 사광에 의해 생성된 광전자 'PE'에 의한 크로스토크를 근본적으로 방지할 수 있게 된다.
상기한 구성을 갖는 이미지센서의 제조 공정을 살펴 보는 바, 도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 고농도 P형 기판(P+)과 P형 에피층(P-Epi)이 적층된 반도체층에 구체적으로, P형 에피층(P-Epi)에 필드절연막(FOX)을 형성하는 바, 주지된 열산화 공정을 이용하여 트렌치형(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 구조를 이용하여 필드절연막(FOX)을 형성한다.
이어서, 필드절연막(FOX)이 형성된 반도체층 전면에 이온주입을 실시하여 필드절연막(FOX)의 타폴로지가 반도체층으로 전사되어 필드절연막(FOX)하부에서 그 주변에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 일정 두께의 P형 전위장벽영역(P)을 형성한다.
여기서, P형 이온주입시 보론(B)을 이용하며, 후속 공정에 의해 형성될 포토다이오드와 채널스탑영역에 비해 그 깊이가 더 깊도록 이온주입 에너지를 조절하며, 그 형성 두께 또한 포토다이오드와 채널스탑영역의 깊이에 따라 가변적으로 조절한다.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이 포토레지스트의 소자분리 마스크를 형성하고 필드절연막(FOX) 하부에만 P형 불순물 이온주입함으로써, 인접 수광영역 구체적으로, 포토다이오드간의 크로스토크를 방지하기 위한 P형의 채널스탑영역(CST)을 형성한다.
이어서, 이온주입을 실시하여 반도체층 내의 전위장벽영역(P) 상부의 반도체층에 포토다이오드(PD)를 형성하는 바, 인접 포토다이오드(PD)간은 필드절연막(FOX)에 의해 서로 격리된다.
포토다이오드(PD)는 N형 불순물영역(n-)과 P형 불순물(P0)의 이온주입을 차례로 실시함으로써 형성되며, 이 때 주지된 방법을 이용하는 바, 생략한다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 포토다이오드와 필드절연막 하부에 필드절연막의 타폴로지가 전사된 일정 두께의 P형 전위장벽영역을 형성함으로써, 전술한 타폴로지에 의해 사광에 의해 형성된 광전자를 전위장벽으로 가두어 포토다이오드로의 유입을 차단함으로써, 사광에 의한 크로스토크를 효과적으로 방지할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
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.
상술한 본 발명은, 포토다이오드간 데이타의 크로스토크를 방지함으로써, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (5)
- 제1도전형의 반도체층;상기 반도체층에 국부적으로 배치된 필드절연막;상기 필드절연막에 의해 격리되어 상기 반도체층 내에 배치된 다수의 포토다이오드; 및상기 포토다이오드 및 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층 내에 일정 두께로 형성되며, 상기 필드절연막 하부가 상기 포토다이오드 하부에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 제1도전형의 전위장벽영역을 포함하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 전위장벽영역은,상기 타폴로지에 의해 사광에 의해 형성된 광전자가 상기 포토다이오드로 유입되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드는,반도체층 내부에 배치된 제2도전형의 제1불순물영역과, 상기 제1불순물영역과 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1도전형의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계;상기 필드절연막이 형성된 반도체층 전면에 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막의 타폴로지가 반도체층으로 전사되어 상기 필드절연막 하부가 그 주변에 비해 더 높은 타폴로지를 갖는 일정 두께의 제1도전형의 전위장벽영역을 형성하는 단계; 및이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 격리되며 상기 전위장벽영역 상부의 상기 반도체층 내에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제1도전형은 P형이며, 상기 전위장벽영역 형성시 보론(B)을 이온주입하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| N231 | Notification of change of applicant | ||
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |