KR20070017794A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층 및 상기 반도체층 상에 형성되고 상기 반도체층보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층을 포함한다. 상기 에피층을 관통하여 형성된 소자분리막이 상기 반도체층과 접속된다. 상기 소자분리막 사이의 에피층 내에 포토다이오드가 위치한다. 본 발명에 의하면, 깊게 형성된 소자분리막과 소자분리막을 둘러싸는 누화 방지막이 광전하의 이동 통로를 차단하여 크로스토크의 발생을 방지한다.
씨모스 이미지 센서, 소자분리막, 누화 방지막, 포토다이오드, 부유확산층
Description
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발 발명에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 도시한 공정단면도이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명 ♧
110 : 기판 120 : 절연층
130 : 반도체층 140 : 에피층
141a : 패드 산화막 141b : 패드 질화막
141c : 소자분리마스크 142 : 소자분리막
144 : 누화 방지막 146 : 포토다이오드
146a : 제1 불순물 영역 146b : 제2 불순물 영역
148 : 부유확산층 150 : 트랜스퍼 게이트
152 : 스페이서
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스형 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 현재 시판되는 이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD:Charge Coupled Device)와 씨모스(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor) 방식으로 구분된다. 씨모스형 이미지 센서는 화소(Pixel)수 만큼 포토다이오드(PD:photodiode)와 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 광학적 영상을 전기 신호로 출력하는 방식을 적용한 것이다. 이는 전하 결합 소자(CCD)에 비하여 구동 방식이 간편하고, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 소형화가 가능하고 전력 소모 또한 낮아 배터리를 오래 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히 1990년대 후반에 들어서 씨모스 공정 기술의 발달과 신호처리 알고리즘 등의 개선으로 기존 제품에 내재되었던 단점들이 극복되었고 최근에는 모바일 폰이나 카메라 등 다양한 제품에 널리 사용되면서 그 수요가 크게 증가하고 있다.
이러한 씨모스형 이미지 센서는 이미지를 감지하는 화소부와 화소부의 출력 신호를 처리하는 주변회로부로 이루어지며, 단위화소(unit pixel)에 포함된 트랜지스터의 갯수에 따라 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조 및 4-트랜지스터 구조로 구분된다. 1-트랜지스터 구조는 높은 필 팩터(fill factor)를 갖지만, 노이즈가 큰 것이 단점이다. 이에 따라, 최근의 씨모스형 이미지 센서로는 3-트랜지스터 구조 또는 4-트랜지스터 구조가 일반적으로 사용된다.
4-트랜지스터 구조의 씨모스 이미지 센서의 단위화소는 하나의 포토다이오드와 네 개의 모스 트랜지스터로 구성된다. 네 개의 트랜지스터는 포토다이오드에서 집속된 광전하를 부유확산층(FD:floating diffusion)으로 운송하기 위한 트랜스터 트랜지스터(Tx:transfer transistor), 부유확산층의 전위를 원하는 값으로 세팅하고 전하를 배출하여 부유확산층을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx:drive transistor), 스위칭 역할로 어드레싱(addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx:select transistor)로 구성된다.
위와 같이 구성된 씨모스 이미지 센서의 단위화소에 대한 동작 과정은 다음과 같다.
먼저 상기 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-온하여 상기 부유확산층(FD)에 정전압(Vdd)을 인가한다. 이어서 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-오프한 후, 외부에서 포토 다이오드에 빛이 입사하여 전자-정공 쌍(EHP:electron-hole pair)이 생성되면 신호 전하가 포토 다이오드에 축적된다. 이 후 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴-온되면 축적된 신호전하는 상기 부유확산층(FD)으로 전달되어 부유확산층(FD)의 전위가 변화됨과 동시에 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 전위가 변화된다. 이때, 선택 신호에 의해 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴-온되면 데이터가 출력단(Out)으로 출력된다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스형 이미지 센서에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 단위화소의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, p형 반도체층(30)이 형성된 기판(10) 상에 에피텍셜 성장된 p형 에피층(40)이 위치한다. p형 에피층(40) 내에 소자간 격리를 위한 얕은 트렌치 분리(STI: shallow trench isolation) 구조의 소자분리막(42)이 위치한다. 소자분리막(42)에 의해 한정된 영역에 포토다이오드(46)와 양측벽에 스페이서(52)가 형성된 트랜스퍼 게이트(50), 및 부유확산층(48)이 위치한다. 트랜스퍼 게이트(50)와 p형 에피층(40) 사이에는 게이트 절연막(미도시)이 위치한다. 게이트포토다이오드(46)는 p형 불순물 영역(46a)과 n형 불순물 영역(46b)을 포함한다.
종래 기술에 따른 씨모스형 이미지 센서에서는, 입사광이 입사되면 전하공핍영역인 포토다이오드(46)의 n형 불순물 영역(46b)에서 전자-정공 쌍(EHP:electron hole pair)이 발생한다. 이중 정공은 p형 반도체층(30)으로 빠져나가고, 전자는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 통하여 부유확산층(48)으로 이동하여 이미지 데이터화된다. 그러나, 강한 광이 오랜 시간동안 조사되면, 포토다이오드(46)에서 생성되는 전자는 포토다이오드(46)에 저장되지 못하고 인접 단위화소로 유입되어 화면 상에서 뿌옇게 번지는 블루밍(blooming) 현상이 발생한다. 이때, 포토다이오드(46)의 n형 불순물 영역(46b) 아래의 p형 에피층(40)으로 이동된 전하들은 정공들과 재결합하여 소모되지만, p형 에피층(40)의 정공 농도가 낮으므로 과조사 상태에서 발생하는 전하들은 충분히 재결합되지 못하고 인접 단위화소에 영향을 줄 수 있다. 즉, 종래의 이미지 센서에서는 모든 단위화소가 p형 에피층(40)에 의해 연결되어 있으므로, 일부 단위화소에서의 과도한 광조사에 의한 광전하들은 인전 단위화소의 포토다이오드로 이동하여 크로스토크(crosstalk) 현상을 유발한다. 뿐만 아니라, 소자분리막(42)과 포토다이오드(46)의 계면의 트랩(trap)에서 발생될 수 있는 암 전자(dark electron)가 포토다이오드(46)로 이동하여 크로스토크 현상을 유발할 수도 있다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 단위화소간 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 이미지 센서는 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층과 상기 반도체층 상에 형성되고 상기 반도체층보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층을 포함한다. 상기 에피층을 관통하여 형성된 소자분리막이 상기 반도체층과 접속된다. 상기 소자분리막 사이의 에피층 내에 포토다이오드가 위치한다.
상기 기판과 반도체층 사이에 절연층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 소자분리막과 상기 에피층 사이에 형성된 제1 도전형의 누화 방지막을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 누화 방지막의 불순물 이온의 농도는 상기 반도체층의 불순물 이온의 농도와 같거나 더 클 수 있다.
상기 포토다이오드는 상기 에피층 표면에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역, 및 상기 제1 불순물 영역 아래에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 도전형은 p형이고, 상기 제2 도전형은 n형일 수 있 다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 먼저 기판 상에 제1 도전형의 반도체층 및 상기 반도체층보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층을 순차적으로 형성하는 것을 포함한다. 상기 에피층을 식각하여 상기 반도체층의 일부를 노출시키는 트렌치를 형성한 후 상기 트렌치를 절연막으로 매립하고 평탄화 공정을 실시하여 상기 에피층의 표면을 노출시킨다. 상기 에피층 내에 포토다이오드를 형성한다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 상기 반도체층을 형성하기 전에 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 트렌치를 형성한 후 절연막으로 매립하기 전에 상기 트렌치에 의하여 노출된 상기 에피층의 측벽에 제1 도전형의 불순물을 주입하여 누화 방지막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인접하는 단위화소간 광전하가 이동할 수 있는 통로를 모두 차단함으로써 크로스토크를 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
본 명세서의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어들은 단지 어느 소정의 영역 등을 다른 영역 등과 구별시키기 위해서 사용되었으므로, 영역 등이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다.
도면들에 있어서, 층(막) 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 또한, 층(막)이 다른 층(막) 또는 기판 상(위)에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층(막)이 개재될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 절연층(120), 제1 도전형의 반도체층(130), 및 제1 도전형의 에피층(140)이 위치한다. 제1 도전형은 p형일 수 있다. 에피층(140)에서의 불순물 이온의 농도는 반도체층(130)에서의 불순물 이온의 농도보다 작다. 절연층(120)은 장파장의 빛에 의해 기판(110)에서 발생한 암전자가 인접한 단위화소로 이동하는 것을 막아준다. 에피층(140)은 포토다이오드의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 광감도특성을 좋게 하고, 반도체층(130)은 기판(110) 또 는 절연층(120)과 에피층(140)의 계면의 트랩에서 발생될 수 있는 암전자가 인접하는 단위화소로 이동하는 것을 방지한다.
에피층(140)을 관통하여 형성된 소자분리막(142)이 반도체층(130)과 접속한다. 종래에는 얕은 트렌치 격리(STI)에 의해 형성된 소자분리막이 반도체층과 접속되지 않아, 인접 화소간에 광전하가 소자분리막과 반도체층 사이의 에피층을 통하여 이동할 수 있었다.(도 1 참조) 그러나, 본 발명에 따른 이미지 센서에 있어서는 소자분리막(142)이 깊게 형성되어 단위화소는 인접하는 단위화소와 완전히 격리된다. 단위화소에서 발생한 광전하는 인접하는 단위화소로 이동할 수 없게 되어, 크로스토크의 발생을 방지할 수 있다.
소자분리막(142)과 에피층(140) 사이에 제1 도전형의 누화 방지막(144)이 개재된다. 누화 방지막(144)의 불순물 이온의 농도는 반도체층(130)의 불순물 이온의 농도와 같거나 클 수 있다. 따라서, 누화 방지막(144)은 소자분리막(142)과 에피층(140)의 계면의 트랩에서 발생할 수 있는 암전자가 인접하는 단위화소로 이동하는 것을 방지한다. 뿐만 아니라, 그 하부면은 반도체층(130)과 접속하여 단위화소의 접지를 잘 형성할 수 있도록 해준다.
소자분리막(142) 사이의 에피층(140) 내에 포토다이오드(146)와 부유확산층(148)이 위치한다. 포토다이오드(146)와 부유확산층(148) 사이의 에피층(140) 상에 측벽에 스페이서(152)가 형성된 트랜스퍼 게이트(150)가 위치한다. 즉, 트랜스퍼 게이트(150)의 일측에는 포토다이오드(146)가 정렬되고, 타측에는 부유확산층(148)이 정렬된다. 트랜스퍼 게이트(150)와 에피층(140) 사이에 게이트 절연막(미 도시)이 개재한다. 포토다이오드(146)는 제1 도전형의 제1 불순물 영역(146a)과 제2 도전형의 제2 불순물 영역(146b)을 포함한다. 제1 도전형은 p형일 수 있다. 이때, 제2 도전형은 n형이 된다. 이경우 포토다이오드(146)는 PNP구조가 되나, 그 반대의 경우도 가능하다. 즉, 제1 도전형은 n형, 제2 도전형은 p형일 수 있으며, 이때 포토다이오드(146)는 NPN구조가 된다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발 발명에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 도시한 공정단면도이다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 절연층(120) 및 제1 도전형의 반도체층(130)이 차례로 형성된다. 제1 도전형은 p형일 수 있다. 반도체층(130) 상에 반도체층(130)보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층(140)이 성장된다.
도 3b를 참조하면, 에피층(140)상에 패드 산화막(141a)과 패드 질화막(141b)이 차례로 증착된다. 패드 질화막(141b) 상에 포토레지스트를 도포한 후 노광 및 현상으로 패터닝하면 소자분리마스크(141c)가 형성된다. 소자분리마스크(141c)에 의해 노출된 패드 질화막(141b)과 패드 산화막(141a)을 식각하면 에피층(140)의 표면이 노출된다. 계속해서 노출된 에피층(140)을 반도체층(130)의 표면이 노출될 때까지 식각하면 트렌치(142t)가 형성된다.
도 3c를 참조하면, 트렌치(142t)에 의하여 노출된 에피층(140)의 측벽에 제1 도전형의 불순물 이온을 주입하면 누화 방지막(144)이 형성된다. 이때, 누화 방지막(144)은 주입되는 불순물 이온의 농도가 반도체층(130)의 불순물 이온의 농도와 동일하거나 더 크도록 형성된다.
도 3d를 참조하면, 소자분리마스크(141c)를 제거한 후 트렌치(도 3c 참조)에 화학기상증착방식(CVD:chemical vapor deposition)에 의해 산화막(142)이 증착된다. 화학기상증착은 갭필(gapfill) 특성이 우수하다. 평탄화공정, 예를 들어 화학적 기계적 연마(CMP:chemical mechanical polishing)를 실시하면, 패드 질화막(141b)과 패드 산화막(141a)이 제거되면서 평탄화된다. 에피층(140)이 노출되고, 소자분리막(142)이 형성된다.
도 3e를 참조하면, 에피층(140) 상에 스페이서(152)가 측벽에 형성된 트랜스퍼 게이트(150)가 형성된다. 트랜스퍼 게이트(150) 일측의 에피층(140) 내에 부유확산층(148)이 형성되고, 타측의 에피층(140) 내에 포토다이오드(146)가 형성된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 본 발명에 의하면, 깊게 형성된 소자분리막과 소자분리막을 둘러싸는 누화 방지막이 광전하의 이동 통로를 차단하여 크로스토크의 발생을 방지한다. 누 화 방지막은 반도체층과 연결되어 에피층의 접지를 잘 형성할 수 있도록 해준다. 또한, 절연층은 장파장의 빛에 의해 기판에서 발생한 암 전자가 반도체층을 거쳐 인접 화소로 이동하여 크로스토크를 발생하는 것을 방지한다. 장시간의 과도한 광조사에 의해서도 블루밍 현상이 발생하지 않는다.
Claims (9)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층;상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 반도체층보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층;상기 에피층을 관통하여 상기 반도체층과 접속된 소자분리막; 및상기 소자분리막 사이의 에피층 내에 형성된 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판과 반도체층 사이에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 소자분리막과 상기 에피층 사이에 형성된 제1 도전형의 누화 방지막을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 누화 방지막의 불순물 이온의 농도는 상기 반도체층의 불순물 이온의 농도와 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드는,상기 에피층 표면에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역; 및상기 제1 불순물 영역 아래에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 제1 도전형은 p형이고, 상기 제2 도전형은 n형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 기판 상에 제1 도전형의 반도체층 및 상기 반도체층보다 불순물 이온의 농도가 작은 제1 도전형의 에피층을 순차적으로 형성하고,상기 에피층을 식각하여 상기 반도체층의 일부를 노출시키는 트렌치를 형성하고,상기 트렌치를 절연막으로 매립한 후 평탄화 공정을 실시하여 상기 에피층의 표면을 노출시키고,상기 에피층 내에 포토다이오드를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 반도체층을 형성하기 전에,상기 기판 상에 절연층을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 트렌치를 형성한 후 절연막으로 매립하기 전에,상기 트렌치에 의하여 노출된 상기 에피층의 측벽에 제1 도전형의 불순물을 주입하여 누화 방지막을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법
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|---|---|---|---|
| KR1020050072384A KR20070017794A (ko) | 2005-08-08 | 2005-08-08 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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| KR20070017794A true KR20070017794A (ko) | 2007-02-13 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101485653B1 (ko) * | 2012-05-31 | 2015-01-22 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 이의 형성 방법 |
-
2005
- 2005-08-08 KR KR1020050072384A patent/KR20070017794A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101485653B1 (ko) * | 2012-05-31 | 2015-01-22 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 이의 형성 방법 |
| US9048162B2 (en) | 2012-05-31 | 2015-06-02 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | CMOS image sensors and methods for forming the same |
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