KR20040031119A - 화소격리영역을 갖는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
반도체 기판; 상기 반도체 기판 표면에 입사되는 빛을 광전변환하기 위한 복수의 단위화소영역; 이웃하는 단위화소영역 사이에 위치하는 화소격리영역; 으로 구성된 이미지 센서에 있어서, 상기 화소격리영역은 이웃하는 단위화소영역 사이에 주입되고 이웃하는 단위화소영역 사이에서 발생하는 누설전류를 차단하는 불순물 영역;과 상기 불순물 영역 표면에 형성되고 이웃하는 단위화소영역에 입사광이 확산되는 것을 방지하기 위한 광차단막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 개시된다.
Description
본 발명은 단위화소 격리구조를 가진 이미지 센서로서, 구체적으로는 단위화소영역간 누설전류를 차단하는 불순물영역과 입사광의 확산을 방지하는 광차단막으로 구성된 화소격리영역을 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)란 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비젼을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에 널리 상용되며 응용 기술이 발전되어 왔다.
한편, 시판되는 고체 촬상 소자로는 CCD(Charged Coupled Device) 와 CMOS형의 2 종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 센서는 종래의 이미지 센서로서 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 제작할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 근래에는 CCD 이미지 센서 보다는 CMOS 이미지 센서가 더욱 널리 사용되고 있다.
도 1 은 CMOS 이미지 센서의 구성을 보여준다. 참조부호 10 은 화소격리영역, 12 는 포토다이오드(Photo Diode), 14 는 게이트전극을 나타낸다.
도면을 참조하면, CMOS 이미지 센서는 포토다이오드(Photo Diode)(12)와 게이트전극(14)을 포함하는 단위화소영역이 서로 이웃하여 어레이되어 있으며 이들 사이에 화소격리영역(10)이 배치된다. 단위화소영역은 입사광을 전기적 신호로 변환하는 기능을 하는 것으로서 이미지센서는 복수의 단위화소영역의 집합체이다. 이러한 단위화소영역의 수에 따라 전기적 신호로 변화된 화상의 해상도가 결정된다. 따라서 해상도를 높이기 위해서는 복수의 단위화소영역이 이웃하여 어레이되고, 이웃하는 단위화소영역간의 전기적 절연을 위하여 이웃하는 단위화소영역 사이에 화소격리영역(10)을 배치한다.
상기 화소격리영역(10)을 생성하기 위하여 종래에는 LOCOS(local oxidation of silicon) 또는 STI(shallow trench isolation) 공정을 이용하였다. 그 중 특히 제조 공정이 비교적 간단한 LOCOS 공정을 주로 이용하는데 LOCOS 공정은 열산화 공정에 의해 산화막을 노출하고 산화막을 성장시키는 공정이다.
도 2a 내지 도 2d 는 기존의 화소격리영역을 생성하기 위한 LOCOS 공정을 나타낸다.
도면을 참조하면, 먼저 실리콘 기판에 실리콘 산화막(SiO₂)과 실리콘 질화막(Si3N4)을 형성한다(도 2a). 그리고 생성하고자 하는 화소격리영역을 제외한 부분에 플라즈마장치를 이용한 드라이 에칭(dry etching)에 의해 실리콘 질화막(Si3N4)을 제거하고 국부적으로 실리콘 산화막(SiO₂)을 노출시킨다(도 2b).
실리콘 질화막(Si3N4)이 제거되어 국부적으로 실리콘 산화막(SiO₂)이 노출되면 고온의 열처리 공정을 통해 노출된 실리콘 산화막(SiO₂)을 팽창시킨다(도 2c).
실리콘 산화막(SiO₂)을 팽창시키는 공정이 완료되면, 플라즈마장치를 이용한 드라이 에칭(dry etching)에 의해 남아있는 실리콘 질화막(Si3N4)을 제거한다(도 2d). 이와 같이 상술한 공정을 통해 이웃하여 어레이되는 단위화소영역 사이에 화소격리영역을 생성한다.
그런데 상술한 LOCOS 공정에 의하면 실리콘 질화막(Si3N4)을 제거하기 위하여 반복적으로 플라즈마 에칭을 사용한다. 그러나 상기 플라즈마의 높은 온도는 에칭시 상기 실리콘 기판을 손상시켜 결과적으로 이미지 센서에 백색 흠집을 유발시킨다.
이러한 LOCOS 공정의 문제점을 해결하기 위하여 많은 발명들이 출원된 바 있다. 특히 대한민국 특허공개공보 제2000-64430호에 의하면 단위화소영역 사이에 소자분리용불순물층을 이온주입한 CMOS 이미지 센서를 개시하고 있다.
또한, 대한민국 특허공개공보 제2000-51300호에 의하면 소자분리막 하부에 불순물층을 형성하여 소자분리를 행하는 발명을 개시하고 있다.
그런데 상기 개시된 발명들에 의하여 화소격리영역을 생성하면 이웃하는 단위화소영역간 전기적 절연은 달성할 수 있으나, 입사광이 이웃하는 단위화소영역으로 확산되는 것을 방지할 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 플라즈마 에칭에 의한 실리콘 기판의 손상을 줄이면서 입사광이 이웃하는 단위화소영역으로 확산되는 것을 방지하는 화소격리영역을 갖는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
도 1 은 종래의 CMOS 이미지 센서의 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d 는 종래의 화소 격리 공정인 LOCOS 공정을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 화소를 격리시킨 이미지 센서의 구성도이다.
도 4a 내지 도 4d 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화소 격리 공정을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단위화소영역의 구성도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 화소격리영역12 : 포토다이오드(photo diode)
14 : 게이트전극42 : 단위화소영역
44 : 불순물 영역46 : 광차단막
52, 62, 72 : 산화막63 : p 형 웰영역
54, 64, 74 : 포토다이오드 n 영역
56, 66 : 포토다이오드 표면 p 영역
58, 68, 78 : 플로우팅 디퓨전 영역
59, 69, 79 : 게이트전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 표면에 입사되는 빛을 광전변환하기 위한 복수의 단위화소영역; 이웃하는 단위화소영역 사이에 위치하는 화소격리영역; 으로 구성된 이미지 센서에 있어서, 상기 화소격리영역은 이웃하는 단위화소영역 사이에 주입되고 이웃하는 단위화소영역 사이에서 발생하는 누설전류를 차단하는 불순물 영역;과 상기 불순물 영역 표면에 형성되고 이웃하는 단위화소영역으로 입사광이 확산되는 것을 방지하기 위한 광차단막;을 포함한다.
상기 광차단막은 불투명 절연체로서 실리콘 산화막(SiO₂) 또는 고분자수지(resin) 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 불순물 영역은 반도체 기판 타입에 따라 p형 또는 n형 불순물 도핑에 의해 이루어진다.
상기 화소격리영역은 CCD, CMOS 타입의 이미지센서 뿐만 아니라 광을 집적하고 전기적 신호로 출력하는 모든 이미지 센서에 적용 가능하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 생성된 화소격리영역을 포함하는 이미지 센서를 보여준다. 도면의 참조부호 42는 단위화소영역, 44는 불순물 영역, 46은 광차단막을 나타낸다.
불순물 영역(44)은 p 형 또는 n 형 불순물로서 반도체 기판 타입에 따라 이온주입되어 형성되는 것으로 단위화소영역(42)간 누설전류를 차단하는 기능을 한다. 또한, 광차단막(46)은 상기 불순물 영역에 접촉하여 형성되며 단위화소영역(42)에 입사한 빛이 이웃하는 단위화소영역(42)으로 확산되는 것을 방지하는 기능을 한다. 즉, 기존에는 불순물을 반도체 기판에 주입하여 이웃하는 단위화소영역(42)간에 전기적 절연을 이루었지만, 이웃하는 단위화소영역(42)에 입사광이 확산되는 것을 차단할 수 없었다. 그러나 본 발명은 상술한 광차단막을 불순물 영역(44) 상부에 형성함으로써 입사광이 이웃하는 단위화소영역(42)에 확산되는것을 차단할 수 있다.
상기 불순물 영역(44)과 광차단막(46)을 포함하는 화소격리영역은 기존에 일반적으로 사용하던 CCD, CMOS 등의 이미지 센서에서 뿐만 아니라, 광을 집적하여 전기적 신호로 출력하는 모든 이미지 센서에서 사용가능하다. 특히, 본 출원과 동일자로 본 발명자에 의해 출원된 NMOS 이미지 센서에서도 동일하게 사용가능하다.
도 4a 내지 도 4e 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불순물 영역과 광차단막을 갖는 화소격리영역을 생성하는 공정을 나타낸다. 상기 공정에 의해 플라즈마 에칭에 의한 실리콘 기판의 손상을 최소화 시킬 수 있다.
도면을 참조하면, 먼저 실리콘 기판에 단위화소영역간 누설전류를 차단하는 불순물 영역을 이온 주입한다(도 4a). 상기 불순물층은 실리콘 기판의 타입에 따라 p형 또는 n형 불순물이 사용될 수 있다.
불순물층의 이온 주입이 완료되면 도 4b에서 보는 바와 같이 실리콘 산화막(SiO₂)과 실리콘 질화막(Si3N4)을 실리콘 기판위에 형성한다. 이 때 실리콘산화막(SiO₂)은 기존 LOCOS 공정에서의 실리콘 산화막(SiO₂) 두께보다는 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
산화막(SiO₂)과 질화막(Si3N4)이 형성되면, 생성하고자 하는 화소격리영역을 제외한 나머지 영역에 대하여 플라즈마 장치 등을 이용한 드라이 에칭(dry etching)을 실시하여 국부적으로 실리콘 질화막(Si3N4)을 제거한다(도4c).
상기 공정은 LOCOS 공정과 마찬가지로 고온의 플라즈마 에칭을 실시하지만 실리콘 기판 위에 두껍게 존재하는 실리콘 산화막(SiO₂)의 완충작용으로 인해 실리콘 기판의 손상을 방지할 수 있다.
실리콘 질화막(Si3N4)의 에칭이 완료되면, 도 4d 에서 보는 바와 같이 국부적으로 존재하는 실리콘 질화막(Si3N4)을 마스크로 하여 실리콘 산화막(SiO₂)을 제거한다. 상기 실리콘 산화막(SiO₂) 제거는 화학 약품에 의한 웨트 에칭(wet etching)을 사용할 수 있다.
웨트 에칭(wet etching)에 의하여 화소격리영역을 제외한 나머지 실리콘 기판이 노출되면 본 발명의 화소격리영역의 제조 공정은 마무리된다. 이후에 상기 노출된 실리콘 기판을 보호하는 산화막을 더 형성하는 것도 가능하다.(도 4e)
상기 공정에 의해 생성된 화소격리영역은 실리콘 기판에 이온주입으로 형성된 p 형 또는 n 형 불순물 영역과 상기 실리콘 기판 위에 형성된 광차단막으로 구성된다.
본 실시예에서는 상기 광차단막을 실리콘 산화막(SiO₂)과 실리콘질화막(Si3N4)으로 생성하였지만, 공정의 변경을 통하여 고분자 수지(resin)층과 같은 불투명 절연층으로 하는 것도 가능하다.
도 5a 내지 도 5c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 단위화소영역에 사용되는 다양한 이미지 센서를 예시한다.
도 5a는 단위화소영역에 사용되는 CMOS 타입의 이미지 센서를 보여준다.
도면을 참조하면, CMOS 타입의 단위화소영역은 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 산화막(52), 일정 깊이로 반도체 기판내에 형성되어 있는 포토다이오드 n 영역(54), 상기 포토다이오드 n 영역 상부에 위치하며 계면을 갖는 포토다이오드 표면 p 영역(56), 일정간격으로 이격되어 계면을 갖고 반도체 기판 내에 위치한 플로우팅 디퓨전 영역(58), 상기 플로우팅 디퓨전 영역(58)과 상기 포토 다이오드 영역(54, 56)사이의 반도체 기판위에 위치한 게이트 전극(59)으로 구성되어 있다.
CMOS 타입의 단위화소영역은 입사된 빛을 상기 포토다이오드 n 영역(54)에서 광전 변환하여 신호 전하를 생성하고, 상기 포토다이오드 표면 p 영역(56)을 거쳐 플로우팅 디퓨전 영역(58)에서 증폭된 후 전압 신호로 변환하여 출력된다.
통상 게이트 전극(59)은 하기의 플로우팅 디퓨전 영역(58) 및 포토다이오드(54, 56)와 얼라인된 구조로 되어 있으며, 게이트 전극은 주로 도핑된 다결정 실리콘으로 형성된다.
도 5b는 단위화소영역에 사용되는 CCD 타입의 이미지 센서를 보여준다.
도면을 참조하면, 상기 CCD 타입의 단위화소영역은 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 산화막(62), 일정 깊이로 반도체 기판내에 형성되어 있는 포토다이오드 n 영역(64), 상기 포토다이오드 n 영역(64) 위에 위치하며 계면을 갖는 포토다이오드 표면 p 영역(66), 일정 간격으로 이격되어 계면을 갖고 반도체 기판내에 위치한 플로우팅 디퓨전 영역(68), 상기 플로우팅 디퓨전 영역(68) 상부의 반도체 기판위에 위치한 게이트 전극(69) 및 상기 포토다이오드 n 영역(64), 포토다이오드 표면 p 영역(66), 플로우팅 디퓨전 영역(68)을 포함하고 있는 p 형 웰 영역(63)으로 구성되어 있다.
CCD 형 이미지 센서는 입사된 빛을 상기 포토다이오드 n 영역(64)에서 광전 변환하여 신호 전하를 생성하고, 상기 포토다이오드 표면 p 영역(66)을 거쳐, p 형 웰 영역(63)을 수평으로 가로질러, 플로우팅 디퓨전 영역(68)에서 증폭된 후 전압 신호로 변환하여 출력된다. 통상 게이트 전극(69)은 하기의 플로우팅 디퓨전 영역(68)과 오버랩된 구조로 되어 있으며, 도핑된 다결정 실리콘으로 형성된다.
도 5c는 단위화소영역에 사용되는 NMOS 타입의 이미지 센서를 보여준다.
도면을 참조하면, 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 산화막(72), 상기 산화막 상부에 형성된 게이트전극(79), 상기 게이트 전극(79)에 일정 간격 이격되어 그의 일측에 위치하며, 상부에 계면을 갖고 반도체 기판 내에 형성되는 포토다이오드 n 형 영역(74) 및 상기 게이트 전극(79)에 일정 간격 이격되어 다른 일측에 위치하며 상부에 계면을 갖고 반도체 기판 내에 형성되는 플로우팅 디퓨전 영역(78)인 n 형 영역으로 구성되어 있다.
NMOS 타입 이미지 센서의 구체적인 동작과정은 본 발명과 동일자로 동일 발명자에 의해 출원된 발명에 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 화소격리영역은 CCD, CMOS 타입의 이미지센서 뿐만 아니라 광을 집적하고 전기적 신호로 출력하는 모든 이미지 센서에 적용 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 실리콘 질화막(Si3N4)을 제거하기 위한 플라즈마 에칭시 실리콘 산화막(SiO₂)의 완충작용에 의해 실리콘 기판의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 입사광이 확산되는 것을 효과적으로 차단하는 광차단막을 별도로 구비함으로써 이미지센서의 기능을 향상시킬 수 있다.
Claims (8)
- 반도체 기판;상기 반도체 기판 표면에 입사되는 빛을 광전변환하기 위한 복수의 단위화소영역;이웃하는 단위화소영역 사이에 위치하는 화소격리영역;으로 구성된 이미지 센서에 있어서,상기 화소격리영역은이웃하는 단위화소영역 사이에 주입되고 이웃하는 단위화소영역 사이에서 발생하는 누설전류를 차단하는 불순물 영역;과상기 불순물 영역 표면에 형성되고 이웃하는 단위화소영역으로 입사광이 확산되는 것을 방지하기 위한 광차단막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 불순물 영역은 반도체 기판에 p형 또는 n형 불순물 도핑에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 광차단막은 불투명 절연체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 불투명 절연체는 SiO2것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 불투명 절연체는 불투명 고분자 수지(resin)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 단위화소영역은 CMOS 형 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 단위화소영역은 CCD 형 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단위화소영역은반도체 기판 상부에 형성되어 있는 산화막;상기 산화막 상부에 형성되는 게이트 전극;상기 게이트 전극에 일정 간격 이격되어 그의 일측에 위치하며, 상부에 계면을 갖고 반도체 기판 내에 형성되는 포토다이오드 n형 영역; 및상기 게이트 전극에 일정 간격 이격되어 다른 일측에 위치하며, 상부에 계면을 갖고 반도체 기판 내에 형성되는 플로우팅 디퓨전 영역인 n형 영역;으로 이루어진 단위 화소를 다수개 포함하는 NMOS 형 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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