KR20050106933A - 시모스 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토다이오드의 표면을 피라미드와 같이 볼록하게 형성함으로써, 포토다이오드의 용량을 증가시킴과 동시에 누화현상을 억제한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 포토다이오드를 구비한 시모스 이미지지센서에 있어서, 장차 포토다이오드가 형성될 영역만의 표면이 피라미드 형태를 갖도록 패터닝된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막; 및 상기 피라미드 형태를 갖는 반도체 기판에 대응하여 형성된 포토다이오드를 포함하여 이루어 진다.

Description

시모스 이미지센서 및 그 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 포토다이오드의 표면을 피라미드 형태로 볼록하게 형성하여 포토다이오드의 용량을 증가시킴과 동시에 인접 단위화소간의 누화현상을 억제한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도1a는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 그리고, 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도1b는 이러한 구조를 갖는 단위화소에서 포토다이오드, 플로팅 확산영역, 트랜스퍼 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 중심으로 그 모습을 도시한 평면도면으로, 이를 참조하면 활성영역과 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘이 도시되어 있다.
활성영역을 살펴보면, 사각형의 형태를 갖는 포토다이오드(100)가 개시되어 있으며, 상기 포토다이오드(100)의 일측면에는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(101)(이하, 트랜스퍼 게이트라 한다.)이 도시되어 있다.
또한, 트랜스퍼 게이트(101)의 타측면에는 y축 방향으로 확장되다가 x축 방향으로 꺽어지는 플로팅 확산영역(102)이 도시되어 있으며, 플로팅 확산영역(102)의 일측면은 리셋 트랜지스터의 게이트(103)와 접하고 있다. 참고로, 도1b에는 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터는 도시되어 있지 않다. 또한, 도1b에는 게이트 전극의 측벽에 형성된 게이트 스페이서 역시 도시되어 있지 않다.
도1c는 도1b에 도시된 A-A' 라인에 따른 단면을 도시한 도면으로, 종래기술에 따라 평면적인 표면을 갖는 포토다이오드 영역 및 포토다이오드로 입사하는 입사광의 광로를 도시한 도면이다.
도1c를 참조하면, 반도체 기판(11) 상에는 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(12)이 형성되어 있으며, 활성영역 중에서 포토다이오드가 형성될 포토다이오드 영역(13)이 도시되어 있다.
통상적으로 포토다이오드는 n형 이온주입 영역(미도시) 및 p형 이온주입 영역(미도시)으로 구성되며, p형 기판과 더불어 p/n/p형 포토다이오드로 구성되는 경우가 일반적이나. 도1c에는 이러한 포토다이오드의 상세한 구조는 도시하지 않았으며, 단순히 포토다이오드 영역이라 표시하였다.
또한, 도1c에는 포토다이오드로 입사하는 입사광의 경로가 도시되어 있으며, 이를 참조하면 포토다이오드로 입사한 빛은 포토다이오드에 의해 전기적 신호로 변화되어 이미지 재현에 사용된다.
이러한 구조를 갖는 종래의 시모스 이미지센서의 문제점을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 이미지센서 소자가 점차로 소형화, 고집적화 되어감에 따라, 단위화소의 크기 역시 점차로 감소하고 있기 때문에, 포토다이오드의 용량 감소가 큰 문제로 대두되었다.
포토다이오드의 용량 감소는 곧 시모스 이미지센서의 다이내믹 레인지의 감소를 의미한다. 여기서, 다이내믹 레인지란, 시모스 이미지센서의 출력값이 변화할 수 있는 최대 범위를 의미하는 것이며, 다이내믹 레인지가 크면 클 수록, 고 화질의 이미지를 재현할 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지의 확보가 중요한 요소가 되고 있다.
이와같은 다이내믹 레인지를 확보하기 위해서는 포토다이오드의 용량이 어느정도 이상이어야 한다. 하지만, 이를 위한 포토다이오드의 용량증가는 소형화 추세와 상충하는 문제이기 때문에, 소자 디자인에 있어서 많은 제약을 받을 수 밖에 없었다.
또한, 단위화소의 크기가 감소함에 따라, 인접한 단위화소와의 거리도 점차로 감소하고 있으며, 이는 곧 누화 현상의 증가를 야기하였다.
포토다이오드로 입사하는 빛은 광전하를 발생하여 이미지 재현에 사용되고 있으나, 도1c에 도시된 바와같이 광전하는 인접한 단위화소로 침투하여 누화현상(cross talk)을 야기하고 있으며, 또한, 잡음으로도 작용하여 소자의 성능을 저하시키는 요인이 되어왔다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 포토다이오드의 표면을 피라미드 형태로 볼록하게 형성하여 포토다이오드의 용량을 증가시킴과 동시에 누화현상을 감소시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 장차 포토다이오드가 형성될 영역만의 표면이 피라미드 형태를 갖도록 패터닝된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막; 및 상기 피라미드 형태를 갖는 반도체 기판에 대응하여 형성된 포토다이오드를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 반도체 기판을 준비하는 단계; 마스크를 이용하여 상기 반도체 기판을 패터닝하되, 장차 포토다이오드가 형성될 영역의 표면만이 피라미드 형태를 갖도록 상기 반도체 기판을 패터닝하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막을 형성하는 단계; 및 상기 피라미드 형태를 갖는 반도체 기판 영역에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명에서는 포토다이오드의 표면을 피라미드와 같이 볼록한 형태로 구현하여 포토다이오드의 용량증가를 꾀하였으며, 또한 포토다이오드의 볼록한 표면이 마치 렌즈처럼 빛을 집중시켜주기 때문에 누화현상의 발생을 억제할 수 있었다.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 평면도로서, p형의 실리콘 기판이 도시되어 있으며, 포토다이오드가 형성될 영역은 마치 피라미드 형태처럼 볼록히 솟아 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서는 소자분리막이 형성되기 전에 실리콘 기판(21)에 대한 마스킹(masking), 식각공정을 진행하여, 포토다이오드가 형성될 영역(이하에서는 "포토다이오드 영역" 이라 함.)의 표면이 피라미드처럼 볼록한 형태를 갖도록 식각하였다.
종래기술에서 전술한 바와같이 단위화소는 1개의 포토다이오드와 복수개의 트래지스터들로 구성되어 있는 바, 도2a에 도시된 바와같은 피라미드 형태를 갖는 부분은 포토다이오드 영역뿐이다. 즉, 활성영역 중에서, 장차 포토다이오드가 형성될 영역만이 피라미드 형태를 갖도록 볼록하게 패터닝 하였다.
도2a는 단면을 도시한 단면도 이므로, 삼각형 모습으로 표현되어 있지만, 도2b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드 표면의 정확한 형태를 알 수 있다.
도2b에는 피라미드 형태로 볼록 솟아오른 모습이 도시되어 있는 바, 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드 표면은 피라미드 형태를 갖는다.
이러한 형태를 갖게 되면, 종래기술에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
먼저, 표면이 평면형태인 종래기술에 비해, 본 발명에서는 포토다이오드의 용량이 증가하는 장점이 있어, 다이내믹 레인지 확보에 유리한 장점이 있다.
또한, 피라미드 형태의 표면이 마치 렌즈와 같은 역할을 하여 입사광을 포토다이오드의 중심으로 모아주는 역할을 하는데, 이는 곧 누설전류의 발생을 억제하는 효과가 있다.
도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드가 완성되고 입사광의 경로를 함께 도시한 도면으로, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(21) 상에는 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(Field Oxide : Fox)(22)이 형성되어 있으며, 활성영역 중에서 포토다이오드가 형성된 반도체 기판의 표면만이 피라미드 형태로 볼록하게 패터닝 되어 있음을 알 수 있다.
이와같은 구조를 형성하는 방법으로는, 먼저 적절한 마스크를 이용하여 반도체 기판을 패터닝하되, 장차 포토다이오드가 형성될 영역의 기판 표면만이 피라마드 형태로 볼록 솟아오르도록 반도체 기판을 패터닝한다.
이후에, 활성영역과 필드영역을 정의한 소자분리막을 형성하고, 다음으로 포토다이오드 및 트랜지스터 등을 차례로 형성하여 시모스 이미지센서를 완성한다.
통상적으로 포토다이오드는 n형 이온주입 영역(미도시) 및 p형 이온주입 영역(미도시)으로 구성되며, p형 기판(21)과 더불어 p/n/p형 포토다이오드로 구성되는 경우가 일반적이나. 도2c에는 이러한 포토다이오드의 상세한 구조는 도시하지 않았으며, 단순히 포토다이오드 영역(23)이라고만 표시하였다.
도2c를 참조하면, 포토다이오드 영역(23)으로 입사하는 입사광의 경로도 함께 도시되어 있는 바, 피라미드 형태로 솟아오른 포토다이오드의 표면이 마치 렌즈와 같은 역할을 수행하여 입사광을 포토다이오드의 중심으로 집중시키는 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
결과적으로, 포토다이오드에서 생성된 광전하는 포토다이오드 영역의 중심부분에서 생성될 확률이 증가하게 되며 이는 곧, 인접한 단위화소간의 누화현상이 감소될 수 있음을 의미한다.
본 발명을 적용하게 되면, 포토다이오드의 용량을 증가시킬 수 있으므로 다이내믹 레인지도 확대될 수 있으며 또한, 픽셀 사이즈가 점차로 감소하는 경우에도 인접화소간의 누화현상 및 잡음을 억제할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 본 발명을 적용할 경우, 포토다이오드의 용량을 증가시킬 수 있으므로 다이내믹 레인지도 확대될 수 있으며 또한, 픽셀 사이즈가 점차로 감소하는 경우에도 인접화소간의 누화현상 및 잡음을 억제할 수 있는 장점이 있다.
도1a는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도,
도1b는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드, 플로팅 확산영역, 트랜스퍼 게이트 및 리셋 게이트를 중심으로 그 모습을 도시한 평면도,
도1c는 도1b의 A-A' 라인에 따른 단면과 입사광의 광로를 도시한 단면도,
도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드가 형성될 영역의 실리콘 기판 표면이 피라미드 형태로 패터닝된 모습을 도시한 단면도,
도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드 영역의 표면을 위에서 본 평면도,
도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드 영역의 모습과 입사광의 광로를 도시한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 반도체 기판
22 : 소자분리막
23 : 포토다이오드 영역

Claims (3)

  1. 포토다이오드를 구비한 시모스 이미지지센서에 있어서,
    장차 포토다이오드가 형성될 영역만의 표면이 피라미드 형태를 갖도록 패터닝된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막; 및
    상기 피라미드 형태를 갖는 반도체 기판에 대응하여 형성된 포토다이오드
    를 포함하여 이루어지는 시모스 이미지센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p형 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  3. 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    반도체 기판을 준비하는 단계;
    마스크를 이용하여 상기 반도체 기판을 패터닝하되, 장차 포토다이오드가 형성될 영역의 표면만이 피라미드 형태를 갖도록 상기 반도체 기판을 패터닝하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막을 형성하는 단계; 및
    상기 피라미드 형태를 갖는 반도체 기판 영역에 포토다이오드를 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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