KR20080014484A - 이미지 센서 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 형성 방법이 제공된다. 상기 이미지 센서의 형성 방법은 반도체 기판에 활성 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 단계, 선택적 에피택시 성장 공정을 수행하여 상기 트렌치 내에 에피택시층을 형성하는 단계, 상기 활성 영역 상에 이송 게이트를 형성하는 단계, 및 상기 이송 게이트 일측의 활성 영역에 수광소자를, 상기 이송 게이트 타측의 활성 영역에 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에패택시층과 상기 플로팅 확산 영역은 서로 다른 도전형의 불순물 이온이 주입된다.
이미지 센서, 선택적 에피택시 성장
Description
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 ♧
110 : 반도체 기판 115 : 트렌치
120 : 에피택시층 130 : 게이트 절여막
140 : 이송 게이트 150 : 수광소자
160 : 플로팅 확산 영역
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학적 영상(optical image)를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치이다. 이미지 센서는 신호 전하의 이송 및 출력 방식에 따라 크게 씨씨디(CCD:Charge Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분된다. 통상적으로, 씨모스 이미지 센서의 화소는 포토다이오드(photo diode)와, 상기 포토다이오드에 저장된 전하를 전송 및 출력하기 위한 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반도체 기판(10) 내에 소자간 격리를 위한 얕은 트렌치 분리(STI:shallow trench isolation) 구조의 소자분리막(20)이 배치된다. 소자분리막(20)에 의해 정의된 활성 영역에 포토다이오드(50)와 플로팅 확산 영역(60)이 배치된다. 포토다이오드(50)와 플로팅 확산 영역(60) 사이의 활성 영역 상에 게이트 절연막(30)과 이송 게이트(transfer gate,40)가 위치한다. 포토다이오드(50)는 p형 불순물 영역과 n형 불순물 영역을 포함한다.
종래 기술에 따른 씨모스형 이미지 센서에서는, 입사광이 입사되면 전하공핍영역인 포토다이오드(50)의 n형 불순물 영역에서 전자-정공 쌍(EHP:electron hole pair)이 생성된다. 이중 정공은 기판(10)으로 빠져나가고, 전자는 플로팅 확산 영역(60)으로 이동하여 이미지 데이터화된다. 그러나, 강한 광이 오랜 시간동안 조사되면, 포토다이오드(50)에서 생성되는 전자는 포토다이오드(50)에 저장되지 못하고 인접 단위화소로 유입되어 화면 상에서 뿌옇게 번지는 블루밍(blooming) 현상이 발생할 수 있다. 즉, 포토다이오드(50)의 n형 불순물 영역 아래의 기판(10)으로 이동하는 전자들은 정공들과 재결합하여 소모되어야 하지만, 기판(10)의 정공 농도가 낮으므로 과조사 상태에서 발생하는 전자들은 충분히 재결합되지 못하고 인접 단위화소에 영향을 줄 수 있다. 이와 같이, 종래의 이미지 센서에서는 일부 단위화소에서 생성된 광전하들이 인접 단위화소의 포토다이오드로 이동하여 크로스토크(crosstalk) 현상을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 소자분리막(20)과 포토다이오드(50)의 계면의 트랩(trap)에서 생성된 암 전자(dark electron)가 포토다이오드(50)로 이동하여 크로스토크 현상을 유발할 수 있다. 이에 의해, 이미지 센서의 광학적 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 최근에 소자간 격리를 위해 소자분리 영역에 이온을 주입하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 최근 이미지 센서가 고집적화되면서 이온주입 마스크를 두껍게 형성하는데 한계가 있기 때문에, 소정의 깊이까지 이온주입을 하기가 어렵다. 또, 이온주입을 깊게 하기 위해 트렌치를 형성한 후 트렌치 계면에 이온주입을 할 경우, 주입되는 불순물 이온이 포토 다이오드 영역으로 침투하여 포토다이오드(50)의 면적을 축소시킬 수 있다. 따라서, 상기 이온주입에 의한 방법으로는 고집적 이미지 센서를 형성하는 것이 어렵다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광학적 특성이 향상된 고집적 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법은: 반도체 기판에 활성 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 단계; 선택적 에피택시 성장 공정을 수행하여 상기 트렌치 내에 에피택시층을 형성하는 단계; 상기 활성 영역 상에 이송 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 이송 게이트 일측의 활성 영역에 수광소자를, 상기 이송 게이트 타측의 활성 영역에 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에패택시층과 상기 플로팅 확산 영역은 서로 다른 도전형의 불순물 이온이 주입된다.
상기 형성 방법에서, 상기 트렌치를 형성하는 단계는: 상기 반도체 기판의 소정 영역 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 반도체 기판을 식각하는 단계를 포함하고, 상기 마스크 패턴은 상기 선택적 에피택시 성장 공정을 수행한 후 제거될 수 있다.
상기 형성 방법에서, 상기 에피택시층을 형성하는 단계는 상기 불순물 이온을 인-시츄로 주입하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는: 반도체 기판에 배치되어 활성 영역을 정의하는 에피택시층; 상기 활성 영역에 배치된 수광소자 및 플로팅 확산 영역; 및 상기 수광소자 및 상기 플로팅 확산 영역 사이의 활성 영역 상에 위치하는 이송 게이트를 포함한다.
상기 이미지 센서에서, 상기 에피택시층과 상기 플로팅 확산 영역은 서로 다른 도전형의 불순물 이온을 포함할 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한 다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 도면들에서, 막 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다.
(이미지 센서의 구조)
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(110)에 활성 영역을 정의하는 에피택시층(120)이 배치된다. 에피택시층(120)은 소자분리 영역으로 기능한다. 상기 활성 영역에 수광소자(150)와 플로팅 확산 영역(160)이 배치된다. 수광소자(150)로 포토다이오드(photodiode)가 사용될 수 있다. 수광소자(150)로 pnp형 포토다이오드가 사용되는 경우, 수광소자(150)는 n형 불순물 영역(152)과 p형 불순물 영역(154)을 포함할 수 있다. 이때, 반도체 기판(110)은 p형이 되고, 플로팅 확산 영역(160)은 n형이 된다. 수광소자(150)와 플로팅 확산 영역(160) 사이의 활성 영역 상에 게이트 절연막(130)과 이송 게이트(140)가 위치한다. 이송 게이트(140) 양측벽에 스페이서(145)가 위치한다.
에피택시층(120)은 반도체 기판(110)과 같은 도전형의 불순물을 포함할 수 있다. 단, 에피택시층(120)의 불순물 농도는 반도체 기판(110)에 비하여 크다. 즉, 에피택시층(120)과 플로팅 확산 영역(160)은 서로 다른 도전형의 불순물 이온을 포함할 수 있다. 예컨대, 수광소자(150)가 pnp형 포토다이오드이고, 플로팅 확산 영역(160)이 n형 불순물 영역인 경우 에피택시층(120)은 p형 불순물 이온을 포함할 수 있다. p형 에피택시층(120)은 수광소자(150)의 n형 불순물 영역(152)에서 생성된 전자가 인접한 화소로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 크로스 토크 및 블루밍 현상 등이 방지될 수 있어, 이미지 센서의 광학적 특성이 향상될 수 있다.
(이미지 센서의 형성 방법)
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예에서는 수광소자로 pnp형 포토다이오드가 형성되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 3을 참조하면, p형 반도체 기판(110) 상에 마스크 패턴(170)이 형성된다. 마스크 패턴(170)을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정을 수행하여 기판(110)에 트렌치(115)가 형성된다. 트렌치(115)에 의해 기판(110)에 활성 영역이 정의된다.
도 4를 참조하면, 선택적 에피택시 성장 공정을 수행하여 트렌치(115)를 채우는 에피택시층(120)이 형성된다. 이때, 마스크 패턴(170)에 의해 노출된 트렌치(115) 내에서만 선택적으로 에피택시 성장이 되고, 마스크 패턴(170)과 접촉하고 있는 기판(110)의 표면에서는 에피택시 성장이 되지 않는다. 상기 선택적 에피택 시 성장 공정에서 에피택시층(120)에 p형 불순물 이온이 인-시츄(in-situ)로 주입될 수 있다. 즉, p형 불순물 이온은 활성 영역으로 침투하지 않고 에피택시층(120) 내에만 주입될 수 있다. 따라서, 에피택시층(120)의 불순물 농도는 반도체 기판(110)에 비하여 크다. 이에 의해, 활성 영역의 면적을 최대로 할 수 있고 이미지 센서는 고집적화될 수 있다.
도 5를 참조하면, 마스크 패턴(170)을 제거한 후 활성영역 상에 게이트 절연막(130)과 이송 게이트(140)가 형성된다. 게이트 절연막(130)과 이송 게이트(140)는 기판(110) 전면에 절연막과 도전막을 형성한 후 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 이송 게이트(140) 일측의 활성 영역에 n형 불순물 이온을 주입하여 수광소자의 n형 불순물 영역(152)이 형성된다. 이어서, 이송 게이트(140) 타측의 활성 영역에 n형 불순물 이온을 주입하여 플로팅 확산 영역(160)이 형성된다. 이송 게이트(140) 양측벽에 스페이서(145)가 형성된다. 예컨대, 스페이서(145)는 기판 전면에 질화막을 형성한 후 전면 이방성 식각함으로써 형성될 수 있다. n형 불순물 영역(152) 상부에 p형 불순물 이온을 주입하여 수광소자의 p형 불순물 영역(154)이 형성된다. 이에 의해, 수광소자(150)인 pnp형 포토다이오드가 형성된다. 단, 불순물 이온이 주입되는 순서, 즉 수광소자의 n형 불순물 영역(152)과 p형 불순물 영역(154), 및 플로팅 확산 영역(160)이 형성되는 순서는 달라질 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으 나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소자분리 영역에 에피택시층을 형성함으로써 크로스 토크 및 블루밍 현상 등이 방지되어 이미지 센서의 광학적 특성이 향상될 수 있다. 또, 에피택시층 내에만 불순물 이온이 주입됨으로써 이미지 센서는 고집적화될 수 있다.
Claims (5)
- 반도체 기판에 활성 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 단계;선택적 에피택시 성장 공정을 수행하여 상기 트렌치 내에 에피택시층을 형성하는 단계;상기 활성 영역 상에 이송 게이트를 형성하는 단계; 및상기 이송 게이트 일측의 활성 영역에 수광소자를, 상기 이송 게이트 타측의 활성 영역에 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계를 포함하며,상기 에패택시층과 상기 플로팅 확산 영역은 서로 다른 도전형의 불순물 이온이 주입되는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치를 형성하는 단계는:상기 반도체 기판의 소정 영역 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 반도체 기판을 식각하는 단계를 포함하고,상기 마스크 패턴은 상기 선택적 에피택시 성장 공정을 수행한 후 제거되는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 에피택시층을 형성하는 단계는 상기 불순물 이온을 인-시츄로 주입하는 것을 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 반도체 기판에 배치되어 활성 영역을 정의하는 에피택시층;상기 활성 영역에 배치된 수광소자 및 플로팅 확산 영역; 및상기 수광소자 및 상기 플로팅 확산 영역 사이의 활성 영역 상에 위치하는 이송 게이트를 포함하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 에피택시층과 상기 플로팅 확산 영역은 서로 다른 도전형의 불순물 이온을 포함하는 이미지 센서.
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Cited By (2)
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