KR20040007971A - 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 인접 화소간의 크로스토크를 방지할 수 있으며, 전하용량을 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 반도체층; 상기 반도체층에 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치로 국부적으로 배치된 필드절연막; 상기 필드절연막 하부에 배치된 채널스탑영역; 및 상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역 보다 얕은 깊이로 상기 반도체층에 배치된 다수의 포토다이오드를 포함하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은, 반도체층에 국부적으로 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 채널스탑영역을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 매립된 필드절연막을 형성하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역보다 얕은 깊이를 갖는 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

Description

크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법{Imase sensor with improved capability of protection against crosstalk and method for fabricating thereof}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고집적화에 따른 전하용량 확보와 크로스토크(Crosstalk)를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법에 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(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.

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 이미지센서의 고집적화에 따른 단위화소의 배열을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 고집적화에 따라 포토다이오드(PD)를 포함하는 단위화소의 사이즈 감소는 필연적이며, 이에 따라 포토다이오드 영역의 감소에 따른 CMOS 이미지센서의 최대출력(전하용량)은 크게 감소하여 소자 특성의 구현에 어려움이 많다.

도 2는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 방식의 소자분리 기술을 적용한 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 3은 STI(Shallow Trench Isolation) 방식의 소자분리 기술을 적용한 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 인접 화소의 포토다이오드(PD)는 LOCOS 방식의 필드절연막(FOX)에 의해 서로 격리되어 있으며, 특히 이러한 LOCOS 방식의 필드절연막(FOX)을 사용하던 기술에서는 필드절연막(FOX) 하부의 P형 불순물영역인 채널스탑영역(CST) 만으로도 포토다이오드(PD)의 하부로의 두께(t1)를 커버할 수 있어, 크로스토크를 방지할 수 있었다.

그러나, 전술한 LOCOS 방식은 고집적화에된 기술력에서는 사용이 불가능햐지고 따라서, 도 3에 도시된 STI 구조의 필드절연막(FOX)을 사용하게 된다. 그러나, 고집적화에 따라 포토다이오드(PD)의 영역이 축소하게 되며, 이로인해 전하용량 증가를 위한 방법으로 N형 불순물영역 형성시 도 2에 도시된 경우보다 더 큰 이온주입 에너지를 사용하여 깊게 형성하게 하였는 바, 도 3에 도시된 t2의 두께로 되도록 한다.

이로 인해 채널스탑영역(CST)의 깊이를 능가하는 포토다이오드(PD)가 형성되고 이에 따라 인접 화소간의 크로스토크 문제가 다시 발생한다.

도 4는 깊은 채널스탑영역과 깊은 포토다이오드 이온주입을 실시하는 상태를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, STI 방식의 필드절연막(FOX)을 형성한 상태에서 이온주입 마스크(PR)를 이용하여 채널스탑영역(CST)을 형성하기 위한 고에너지의 이온주입을 실시하는 것으로, 이 경우 포토다이오드(PD)의 이온주입 깊이보다 훨씬 깊이 채널스탑영역(CST)을 형성하기 위해서는 충분한 두께의 이온주입 마스크(PR)를 사용해야 하기 때문에 이온주입 마스크(PR)의 두께 증가는 디자인룰을 만족해야 하는 포토리소그라피(Photolithography) 공정의 어려움으로 적용하기 어려우며 이온주입시 채널스탑영역의 측면확산에 의한 측면 확대로 인해 포토다이오드(PD) 영역의 감소로 인해 전하용량이 감소한다.

즉, 고집적화로 인해 전하용량과 소자 격리로 인한 크로스토크 방지의 두가지 해결 방안은 서로 트레이드오프(Tradeoff) 관계가 존재하게 되므로, 두가지 모두를 만족할 수 있는 이미지센서 기술이 필요하게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 인접 화소간의 크로스토크를 방지할 수 있으며, 전하용량을 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 이미지센서의 고집적화에 따른 단위화소의 배열을 개략적으로 도시한 평면도.

도 2는 LOCOS 방식의 소자분리 기술을 적용한 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 STI 방식의 소자분리 기술을 적용한 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

도 4는 깊은 채널스탑영역과 깊은 포토다이오드 이온주입을 실시하는 상태를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도.

도 6a와 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

P++ : 고농도 P형 기판P-Epi : P형 에피층

FOX : 필드절연막PD : 포토다이오드

n- : 포토다이오드용 N형 불순물영역

P0 : 포토다이오드용 P형 불순물영역

CST : 채널스탑영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체층; 상기 반도체층에 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치로 국부적으로 배치된 필드절연막; 상기 필드절연막 하부에 배치된 채널스탑영역; 및 상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역 보다 얕은 깊이로 상기 반도체층에 배치된 다수의 포토다이오드를 포함하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체층에 국부적으로 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 채널스탑영역을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 매립된 필드절연막을 형성하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역보다 얕은 깊이를 갖는 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

본 발명은 필드절연막 형성을 위한 7000Å ∼ 15000Å 깊이의 깊은 트렌치를 형성하고 그 하부에 이온주입에 의한 채널스탑영역을 형성함으로써, 포토다이오드를 깊게 형성하여 전하용량을 확보하고 깊은 채널스탑영역의 형성으로 인해 인접 화소간의 격리 특성을 향상시켜 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 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 고농도 P형의 기판(P++)과 P형의 에피층(P+ Epi)이 적층된 반도체층(이하 반도체층이라 함)과, 반도체층에 7000Å ∼ 15000Å 깊이(d)의 트렌치로 국부적으로 배치된 필드절연막(FOX)과, 필드절연막 하부에 배치된 P형의 채널스탑영역(CST)과, 채널스탑영역(CST) 보다 얕은 깊이로 반도체층 내부에 배치되며, 필드절연막(FOX)에 의해 서로 격리되는 포토다이오드용 N형의 불순물영역(n-)과, N형의 불순물영역(n-)에서 반도체층 표면에 접하는 포토다이오드용 P형의 불순물 영역(P0)을 포함하는 포토다이오드(PD)를 구비하여 구성된다.

전술한 본 발명의 이미지센서는 트렌치의 깊이를 7000Å ∼ 15000Å로 깊게 형성하여 종래의 일반적인 STI 구조의 필드절연막 형성시 3000Å ∼ 5000Å 깊이의 트렌치에 비해 깊게 형성하고, 포토다이오드의 N형 불순물영역(n-)의 깊은 이온주입을 고려하여 필드절연막 형성전에 트렌치 하부에 깊은 이온주입을 실시함으로써,충분한 전하용량을 확보하고 인접 화소간의 격리를 할 수 있어 크로스토크를 방지할 수 있다.

도 6a와 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도로서, 전술한 도 5의 이미지센서 제조 공정을 도 6a와 도 6b를 참조하여 상세히 살펴본다.

반도체층은 고농도인 P형 기판(P++)과 P형 에피층(P-Epi)이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층으로 칭한다.

먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다.

이어서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 반도체층 상에 패드산화막(PAD)을 증착한 다음, 패드산화막(PAD) 상에 트렌치 형성용 포토레지스트 패턴(MK)을 형성한다.

다음으로 도 6b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(MK)을 식각마스크로 하여 패드산화막(PAD) 및 반도체층을 선택적으로 식각하여 트렌치(t)를 형성한다.

이 때, 7000Å ∼ 15000Å의 깊이(d)로 트렌치(t)를 형성함으로써, 통상적인 STI 구조의 트렌치의 3000Å ∼ 5000Å 깊이에 비해 3배 정도 깊게 형성한다.

이어서, 포토레지스트 패턴(MK) 및 패드산화막(PAD)을 이온주입 마스크로 하여 고농도의 P형 불순물을 트렌치(t) 하부에 이온주입함으로써, P형의 채널스탑영역(CST)를 형성한다.

이 때, 포토다이오드의 N형의 불순물영역 형성시의 깊이와 트렌치의 깊이(d)를 고려하여 이온주입 에너지를 선택한다. 예를 들어, N형 불순물영역을 15000Å의 깊이로 형성하고 10000Å 깊이의 트렌치를 형성하였을 경우, 100KeV 정도의 에너지를 사용하며, P형일 경우 보론(B)을 불순물로 사용한다.

이 때, 활성영역은 패드산화막(PAD)과 질화막(도시하지 않음)으로 덮여 있어 셀프얼라인되며, 트렌치 깊이를 깊게 형성할 경우 화소영역은 포토레지스트 패턴(MK) 즉, 이온주입 마스크에서 전체적으로 오픈이 가능하여 웨이퍼 내에서 포토리소그라피의 CD 및 오버레이에 의한 변화없는 도핑 프로파일을 얻을 수 있다.

이후, HDP(Hifh Density Plasma)산화막 등을 증착하여 트렌치(t)를 충분히 매립하도록 한 다음, 반도체층 표면이 노출될 때까지 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함) 등을 이용하여 평탄화함으로써, 반도체층에 국부적으로 깊은 트렌치 구조의 필드절연막을 형성한 다음,

이어서, 필드 절연막과 떨어진 영역에 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼 게이트(도시하지 않음)를 형성하는 바, 이는 포토다이오드에서 FD로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 이어서, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드절연막과 게이트전극에 접하는 포토다이오드용 N형 불순물영역을 반도체층 내부에 채널스탑영역 보다 얕은 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한 다음, 피알 스트립을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극 측벽에 스페이서(도시하지 않음)를 형성한다. 이어서, 센싱확산노드 형성을 위한 고농도의 N형 불순물의 이온주입을 실시한다.

계속해서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 N형 불순물영역 상부와 반도체층 표면에 접하는 P형 불순물영역(도시하지 않음)을 형성함으로써, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성된다.

한편, 전술한 바와 같은 방법 이외에 주변회로영역 등에 다른 깊이의 트렌치를 형성하고 채널스탑영역을 형성하는 이온주입 공정을 동시에 실시할 수 있다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 7000Å ∼ 15000Å 정도의 깊은 트렌치 구조 형성 후 이온주입을 통해 채널스탑영역을 형성함으로써, 이웃하는 화소와의 소자 분리 특성을 향상시켜 크로스토크를 방지하며, 포토다이오드의 형성 깊이를 상대적으로 깊게 형성할 수 있어 전하용량을 증가시킬 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, 포토다이오드의 크로스토크를 방지하며 전하용량을 증가시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (8)

1. 반도체층;

   상기 반도체층에 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치로 국부적으로 배치된 필드절연막;

   상기 필드절연막 하부에 배치된 채널스탑영역; 및

   상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역 보다 얕은 깊이로 상기 반도체층에 배치된 다수의 포토다이오드

   를 포함하는 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체층은 제1도전형의 기판과 제1도전형의 에피층이 적층된 것임을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 채널스탑영역은 제1도전형이고,

   상기 포토다이오드는,

   상기 반도체층 내부에 배치되며, 상기 필드절연막에 접하는 제2도전형의 제1불순물 영역; 및

   상기 제1불순물 영역의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
5. 반도체층에 국부적으로 7000Å 내지 15000Å 깊이의 트렌치를 형성하는 단계;

   이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 채널스탑영역을 형성하는 단계;

   상기 트렌치에 매립된 필드절연막을 형성하는 단계; 및

   이온주입을 실시하여 상기 필드절연막에 의해 서로 격리되며 상기 채널스탑영역보다 얕은 깊이를 갖는 포토다이오드를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 반도체층은 제1도전형의 기판과 제1도전형의 에피층이 적층된 것임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 채널스탑영역은 제1도전형이고,

   상기 포토다이오드는,

   상기 반도체층 내부에 배치되며, 상기 필드절연막에 접하는 제2도전형의 제1불순물 영역; 및

   상기 제1불순물 영역의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서.