KR20060133247A - 이미지 센서의 픽셀 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광감도를 향상시키며, 동일한 픽셀 내에서 이웃하는 픽셀의 크로스토크를 제거하는 융기된 포토다이오드를 구비한 이미지 센서의 픽셀 제조방법 및 이를 이용하여 형성된 이미지 센서의 픽셀에 관한 것이다.
본 발명에 의한 반도체 이미지 센서의 픽셀은 반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 이미지 센서의 픽셀 표면적 대비 포토다이오드의 표면적이 보다 크게 차지하여 광감도를 향상시킬 수 있으며, 용적율(fill factor)의 향상으로 인하여 마이크로렌즈가 필요하지 않다. 또한, 동일한 픽셀 내에서 이웃하는 픽셀의 크로스토크를 제거할 수 있다.

Description

이미지 센서의 픽셀 및 그 제조방법{Image Senor Pixel and Method of Forming the same}
도 1은 4-TR 구조의 씨모스 이미지센서의 회로도를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서의 평면 레이아웃을 도시한 것이다.
도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서가 제조과정이 완성되었을 때의 단면도를 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명의 픽셀의 일부 층만을 나타낸 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 픽셀에서 다른 일부의 층을 나타낸 평면도 이다.
도 5c는 본 발명의 픽셀에서 또 다른 일부의 금속층들과 그 연결부위만을 강조하여 나타낸 평면도 이다.
도 6a는 본 발명 픽셀의 포토 다이오드 부분의 제조 공정의 일부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6b는 본 발명 픽셀의 포토 다이오드 부분의 제조 공정의 다른 일부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6c는 본 발명 픽셀의 포토 다이오드 부분의 제조 공정의 일부를 설명하기 위한 다른 방향의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 있어 이웃하는 픽셀의 포토 다이오드 부분만을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 이미지 센서(image sensor)의 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 4-트랜지스터 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서의 액티브 픽셀에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 광자)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 포획하는(capture) 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 에너지 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다. 이와 같은 이미지 센서의 픽셀 중의 하나가 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.
도 1은 네 개의 트랜지스터(110~140)와 하나의 포토 다이오드(190)로 구성된 이미지 센서의 회로도를 나타낸 것이다. 이미지 센서 회로의 대략적인 동작다음과 같다. 처음 리셋(RESET) 구간에서는 RX 신호와 TX 신호에 의해 포토 다이오드(190)가 리셋된 후, 포토 다이오드에 집광된 빛은 전기신호로 바뀌어 전달 트랜지스터(110), 드라이버 트랜지스터(130) 및 선택 트랜지스터(140)를 거쳐 출력노드인 Vout에 전달된다.
도 2는 이와 같은 4-트랜지스터 이미지 센서의 평면구조를 나타낸 것이고 도 3은 도 2의 단면도를 나타낸 것이다.
여기서 액티브 픽셀을 구성하는 네 개의 트랜지스터의 도면부호(110~140)은 도 1의 부호와 같음을 유의하여야 한다.
전달 트랜지스터(110)와 리셋 트랜지스터(120) 사이의 노드는 컨택 영역을 통한 메탈층(125)에 의해 드라이버 트랜지스터(130)의 게이트에 연결된다.
제조 순서상 p-well 층(150)은 장차 포토 다이오드가 형성 영역을 위해 마련된 것이다.
특히 씨모스(CMOS) 기술을 이용한 이미지 센서는 누설이 보다 적은 에피택셜(epitaxial) 성장된 반도체 기판을 사용함으로써 좀 더 나은 센서 특성을 만들고자 하는 것이 보통이다.
PDN층(160)은 포토 다이오드(190)의 음극(cathode)으로 N형-불순물을 이온 주입하여 형성하고, PDP층(180)은 포토 다이오드(190)의 양극(anode)로 P형-불순물을 이온 주입하여 형성한다. PDN층(160)과 PDP층(180)이 서로 겹치는 영역이 PN접합을 이루어 포토 다이오드의 면적이 된다.
PDC층(185)은 포토 다이오드와 전달 트랜지스터(110)의 소오스(source)영역과의 연결을 위한 것이다.
한편, 반도체 기술의 발달에 따라 이미지 센서 픽셀의 크기도 점점 작아질 뿐 아니라 포토 다이오드 역시 작아지게 되었다. 이와 더불어 반도체 기판 위에 중첩되는 절연층과 금속배선층 또한 많아지게 되어 픽셀의 표면으로부터 포토 다이오드까지의 거리가 멀어져서 픽셀의 포토 다이오드에 집광되는 빛의 양도 점점 줄어 들게 되었고 이미지 센서의 화질 저하는 피할 수 없는 것이 되었다.
이러한 단점을 극복하기 위한 종래의 방법으로는 도 4에 보는 바와 같이 완성된 픽셀의 칼라필터(410)위의 최상층부에 볼록렌즈 형태의 마이크로 렌즈(420)을 형성함으로써 이미지 센서로 들어오는 입사광을 집광할 수 있도록 하여 포토 다이오드에 도달되는 빛의 양을 증가시키고자 하는 것이 있다.
일반적으로, 이미지 센서에서는 포토 다이오드의 면적이 커야 풍부한 광량으로 인해 좀 더 나은 영상을 얻을 수 있음은 잘 알려져 있다. 전체 픽셀 가운데 포토 다이오드가 차지하는 면적을 필-팩터(fill factor)라 하는데 이 팩터를 가지고 픽셀의 특성을 평가할 수도 있다. 도 2의 평면도에서 보듯이 종래의 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드와 트랜지스터들이 평면상에 배치할 수 밖에 없으므로 최근의 필-팩터의 값은 6~16% 정도에 불과하여 광감도(photo sensitivity)가 저하되고 이웃 픽셀 간의 거리가 짧아져서 크로스토크(cross-talk) 또한 점점 심각해져서 잡음이 많이 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 제한된 픽셀의 크기 내에서도 포토 다이오드의 면적이 증가되도록 반도체 기판 위로 융기되는 구조의 이미지 센서 픽셀 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이웃 픽셀 간의 크로스토크 현상이 최소화되도록 하 는 이미지 센서의 픽셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제한된 픽셀 면적에서 보다 큰 포토 다이오드를 구성할 수 있게 하여 보다 감도가 좋고 선명한 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 보다 마이크로 렌즈가 필요없는 이미지 센서의 픽셀 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나아가 본 발명의 이미지 센서를 장착하는 전자기기로 하여금 그 성능을 보다 제고케 하고, 보다 경제성 있는 전자기기를 소비자에게 제공할 수 있게 하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 픽셀 구조는 반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 픽셀 구조는 반도체 기판 표면 아래에 형성된 포토 다이오드와 상기 반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 픽셀 구조는 반도체 기판 표면 아래에 형성된 제 1 포토 다이오드와 상기 반도체 기판 표면 위에 융기되어 상기 제1 포토 다이오드의 상부에 위차한 제2 포토 다이오드를 포함하 는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위해 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서, (a) 반도체 기판 내부에 이온주입으로 상기 기판과 반대 타입의 제1 영역을 형성하는 단계; (b)상기 기판 상에 소정 두께를 갖는 에피텍셜 층을 형성하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위해 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서, (a) 반도체 기판 내부에 이온주입으로 상기 기판과 반대 타입의 제1 영역을 형성하는 단계; (b) 상기 기판 상에 소정 두께를 갖는 에피텍셜 층을 형성하는 단계;(c) 상기 에피택셜 층에 이온주입을 하는 단계; 를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 픽셀의 평면도를 나타낸 것으로 특히 트랜지스터와 포토 다이오드 일부 층만을 표시한 것이다. 네 개의 트랜지스터(510~540)은 각각 전달 트랜지스터(510), 리셋 트랜지스터(520), 드라이버 트랜지스터(530) 및 선택 트랜 지스터(540)를 각각 나타낸 것이다. 이 트랜지스터들의 게이트 입력들을 각각 Tx, Rx, Dx 및 Sx로 나타내었다.
P-웰 층(552)은 층 내부 영역에 P-웰 이온주입이 되는 것을 방지하는 층이며 액티브층(554)는 포토 다이오드의 양극 영역이 형성되는 영역이다.
PDC 층(553)은 포토 다이오드의 음극과 전달 트랜지스터(510)의 소오스 영역을 서로 전기적으로 연결하기 위한 층이다.
액티브 층(557)은 트랜지스터의 소오스 또는 드레인이 형성될 부분을 나타낸다.
N 이온 주입층(558)은 픽셀의 액티브 소자들인 트랜지스터가 N-채널형이 되기 위해 이온주입을 할 때 쓰이는 층이다.
도 5b는 도 5a의 그림에다 두 개의 층을 더한 것이다. PD층(571)은 포토 다이오드가 형성될 영역을 정의하는 층으로 제조공정에서는 이 층의 포토마스크(photo mask)를 이용하여 식각하는 방법으로 포토 다이오드 영역을 정의한다. PD 방지층(572)는 두 개의 포토 다이오드를 형성하기 위해 쓰이는 층이다.
도 5c는 금속 배선 부분을 강조한 그림이다. 제1 컨택(581)은 제1층의 금속배선과의 컨택을 나타내는 영역이고, 제2 컨택(582)는 제2층의 금속배선과의 컨택을 나타내는 영역이다. 제2층의 금속 배선 가운데 하나(585)는 전달 트랜지스터(510)의 게이트에 전달 신호 Tx를 가하기 위한 것이다. 제2층의 다른 금속 배선(586)은 픽셀에 전원전압을 전달하기 위한 것이다. 제1층의 금속배선(584) 는 전달 트랜지스터의 드레인 노드를 장차 드라이버 트랜지스터(530)의 게이트에 연결하기 위한 것이다.
도5a 내지 도5c는 반도체 제조공정의 특성상 복잡한 여러 개의 층을 나누어서 설명한 것일 뿐이고 실제로는 이들이 적절하게 합쳐져 있음을 유의하여야 한다.
도 6a부터 도 6b는 도 5c에 나타난 본 발명의 픽셀을 X-X' 부분으로 잘랐을때를 표현하는 그림이다. 이 도면들을 참조하여 본 발명의 픽셀을 제조하기 위해 방법을 나타내는 실시 예를 설명한다.
도 6a에서는 본 발명 픽셀의 포토 다이오드 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 이미지 센서를 제조하기 위하여 사용하는 반도체 기판(601)은, 바람직하기로는 P형, 10~15 ohm-cm 정도의 특성을 갖는 것이 좋다. 종래에 이지 센서용 기판이 누설전류가 특히 적은 에피택셜-성장(epitaxial growth)된 기판이 사용되던 것과는 달리 본 발명에서는 충분히 큰 필-팩터의 달성이 가능하기 때문에 구태여 값비싼 에피택셜-성장된 기판을 사용할 필요가 없다.
반도체 기판(601)으로부터 P-웰(602)를 형성한 후, 게이트(611, 612)와 게이트의 측벽(613)을 만든 후, 이온주입에 의해 전달 트랜지스터와 포토 다이오드가 연결될 부위(604)를 형성한다. 그 다음 드레인 영역(607)을 이온주입으로 형성한 후, 질화층(614)으로 게이트(611, 612)층을 덮고 유동성이 있는 절연막, 예컨대 포스포러스(phosphorous)성분이 포함된 PSG막(608)을 덮는다.
이때 PSG막과 더불어 보론(boron) 성분이 포함된 BSG막을 추가로 덮어 이중 막(608)을 형성하여도 된다. 또한 PSG막, 또는 PSG-BSG 이중막의 형성 이후에 당 업계에 잘 알려진 화학-기계 연마법(Chemical Mechanical Polishing, CMP)을 이용하여 평탄화를 계속 수행하여도 무방하다.
이웃하는 픽셀과의 전기적 절연을 위해 전달 트랜지스터의 드레인(607)의 옆에는 트렌치(605)가 형성된다.
BSG층(608)위에 산화층(609)을 형성하고 포도 다이오드 영역을 만들기 위한 포토 레지스터층(621)을 증착한 다음, 포토 다이오드 형성 마스크를 이용하여 식각 처리한다.
다음으로, 포토 다이오드 연결부위(604)의 아래에 이온주입에 의한 제1 N형 영역(603)을 형성한다. 이론적으로 제1 N형 영역(603)과 P형기판(601) 사이, 제1 N형 영역(603)과 P-웰(602)사이에는 PN 접합 영역이 되고, 빛을 받아 이에 상응하는 전하 캐리어를 생성하는 영역은 제1 N형 영역(603) 전체가 된다.
다음 공정은 도 6b에서 보듯이 제1 N형 영역(603)으로부터 에피텍셜 층(633)을 성장시킨 후 에피택셜 층(633)에 N형 불순물을 이온주입한다. 이 에피택셜 층은 제2 N형 영역이 된다. 이 이온주입 과정은 때에 따라 생략하여도 무방하다. 에피택셜 층(633)의 상층부(631)에만 P형 불순물을 이온주입하여 상층부(631)를 제1 P형 영역로 전환한다. 이 과정이 끝나면 제2 N형 영역(633)과 제1 P형 영역(631)는 제1 다이오드(603)와는 다른 제2 다이오드(633)가 되어 하나의 픽셀에는 실효적으로(effectively) 두 개의 다이오드가 존재하게 된다.
도 6c는 도 5c의 그림에서 Y-Y' 부분을 자른 단면도이다. 도 6c의 공정이 끝 난 후, 포토 다이오드 영역을 정의하는 마스크 층(641)을 이용하여 포토 다이오드 영역을 제외한 나머지 영역에 P형 불순물을 이온주입하여 제2 P형 영역(643)을 형성한다. 제 2 P형 영역(643)에 의해 제2 다이오드의 PN 접합 영역은 한층 더 넓어지게 되어 입사광에 의해 전하 캐리어가 발생되는 영역이 넓어지게 되므로 좀 더 크고 크로스토크가 없는 전기신호의 생성이 가능하게 되었다.
도 7은 본 발명에 있어 이웃하는 픽셀의 포토 다이오드 부분만을 나타낸 단면도이다. 이 도면을 참조하면 본 발명의 또 다른 장점이 확연히 드러난다. 칼라필터(659)를 통해 입사광 가운데 수직으로 입사하는 광은 제2 포토 다이오드(633)에서 전하 캐리어를 생성시킨다. 그러나 종래의 발명과는 달리 비스듬히 입사하는 광에 대해서도 절연막(643)에 의해 전반사되어 제2 포토 다이오드 내부로 스며들어 집광효율이 극대화된다. 절연막은 BSG, 또는 PSG, 또는 PSG와 BSG를 복합적으로 사용한 층일 수 있음은 전술하여 설명한 바와 같다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 포토 다이오드의 표면적이 넓어져 용적율(fill factor)이 향상되고 광감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 효과에 의하면 집광효율이 좋아져 마이크로렌즈가 필요하지 않으므로 경제성이 뛰어나다.
본 발명의 또 다른 효과에 의하면 융기된 구조의 포토 다이오드에 의해 이웃 픽셀 간의 크로스토크가 최소화되어 보다 효율적인 이미지 센서를 제조할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 이미지 센서의 픽셀에 있어서,
    반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  2. 반도체 이미지 센서의 픽셀에 있어서,
    반도체 기판 표면 아래에 형성된 포토 다이오드;와
    상기 반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 융기된 형태의 포토 다이오드는 에피택셜 성장에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판 표면 아래에 형성된 포토 다이오드와 상기 반도체 기판 표면 위에 융기된 형태의 포토 다이오드는 이온 주입 과정을 거친 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 에피택셜 성장에 의해 형성된 후 이온주입 과정을 거친 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 에피택셜 성장은 상기 반도체 기판 표면 아래에 형성된 포토 다이오드로부터 시작되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  7. 반도체 이미지 센서의 픽셀에 있어서,
    반도체 기판 표면 아래에 형성된 제 1 포토 다이오드;와
    상기 반도체 기판 표면 위에 융기되어 상기 제1 포토 다이오드의 상부에 위차한 제2 포토 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  8. 제1항, 또는 제2항 또는 제7항 가운데 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판 내부는,
    웰(well);
    상기 웰(well)보다 얇은 두께의 트렌치(trench) 분리 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
  9. 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 반도체 기판 내부에 이온주입으로 상기 기판과 반대 타입의 제1 영역을 형성하는 단계;
    (b)상기 기판 상에 소정 두께를 갖는 에피텍셜 층을 형성하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 제조방법.
  10. 이미지 센서의 픽셀을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 반도체 기판 내부에 이온주입으로 상기 기판과 반대 타입의 제1 영역을 형성하는 단계;
    (b) 상기 기판 상에 소정 두께를 갖는 에피텍셜 층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 에피택셜 층에 이온주입을 하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 제조방법.
  11. 제 9항 또는 제10항에 있어서,
    (b)단계는 상기 제1 영역으로부터 시작되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 제조방법.
  12. 제 9항 또는 제10항에 있어서,
    (a) 상기 반도체 기판에 상기 기판과 반대 타입의 웰(well)을 형성하는 단계;
    (b) 상기 웰보다 얇은 깊이의 트렌치 영역을 형성하는 단계"를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 제조방법.
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