KR20090085828A - Image sensor decresing crosstalk between pixels and method for manufacturing the image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소자 분리 영역에 빛을 흡수하는 물질을 채움으로써 픽셀들 간의 크로스토크를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an image sensor and a method for manufacturing the same that can reduce the crosstalk between the pixels by filling the light-absorbing material in the device isolation region.
이미지 센서는 빛을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로, 전하 결합 소자(charge coupled device, 이하 'CCD'라 함)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 나누어진다. CCD는 구동 방식이 복잡하고, 소모 전력도 크며, 제조 공정도 복잡하다.An image sensor is a semiconductor device that converts light into an electrical signal, and is divided into a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. CCDs have complex drive methods, high power consumption, and complex manufacturing processes.
최근에는 디지털 카메라, 켐코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기 등 다양한 분야에서 CMOS 이미지 센서에 대한 수요가 급격하게 증가하고 있다. 이하에서 이미지 센서라 함은 CMOS 이미지 센서를 의미한다.Recently, the demand for CMOS image sensors is rapidly increasing in various fields such as digital cameras, camcorders, personal communication systems (PCS), and gaming devices. Hereinafter, the image sensor means a CMOS image sensor.
먼저 일반적인 이미지 센서의 동작을 간략히 살펴본다.First, the operation of a general image sensor is briefly described.
도 1은 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀(100)을 나타내는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 4T(Transistors) 형의 상기 단위 픽셀(100)은 포토 다이오드(101), 플로팅 디퓨전 영역(103), 및 다수의 트랜지스터들(102, 104, 105, 및 106)을 포함한다.1 is a circuit diagram illustrating a
상기 이미지 센서는 매트릭스(matrix) 형태로 정렬된 다수의 단위 픽셀(100)들을 포함하나, 상기 다수의 단위 픽셀들(100)은 서로 그 구성과 동작 원리가 동일하므로, 도 1에서는 간략한 설명을 위하여 하나의 단위 픽셀(100) 만을 도시하였다.The image sensor includes a plurality of
상기 포토 다이오드(101)는 외부로부터 입사되는 빛에 응답하여 광전자를 생성한다. 트랜스퍼 트랜지스터(102)는 전송 신호(TG)에 응답하여 상기 포토 다이오드(101)에서 생성된 상기 광전자를 상기 플로팅 디퓨전 영역(103)으로 전송한다. 리셋 트랜지스터(104)는 리셋 신호(RG)에 응답하여 상기 플로팅 디퓨전 영역(103)을 소정의 전압(VDD)으로 리셋시킨다.The
드라이브 트랜지스터(105)는 상기 플로팅 디퓨전 영역(103)의 전압 레벨에 응답하여 가변되는 전압을 수직 신호 라인(107)을 통하여 출력한다. 선택 트랜지스터(106)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 신호를 출력할 단위 픽셀을 선택한다.The
최근에는 고해상도의 이미지 센서에 대한 요구가 증가하고, CMOS 제조 공정의 발달로 인하여 이미지 센서의 단위 픽셀의 크기가 급격히 감소하고 있다. 단위 픽셀의 크기의 감소에 따라 포토 다이오드의 크기 또한 감소하고 있는데, 이는 포토 다이오드의 감도를 저하시키는 요인이 된다.In recent years, the demand for high resolution image sensors has increased, and the size of the unit pixel of the image sensor has been rapidly decreased due to the development of the CMOS manufacturing process. As the size of the unit pixel decreases, the size of the photodiode decreases, which causes a decrease in the sensitivity of the photodiode.
포토 다이오드의 감도 저하를 최소화하기 위하여 단위 픽셀 내에서 포토 다 이오드의 크기는 가능한 최대 크기가 되도록 설계된다. 이로 인하여 인접한 단위 픽셀들의 포토 다이오드들 간의 거리가 가까워져 인접 픽셀 간의 크로스토크(crosstalk) 발생 빈도가 증가하게 된다.In order to minimize degradation of the sensitivity of the photodiode, the size of the photodiode in the unit pixel is designed to be the maximum possible size. As a result, the distance between the photo diodes of the adjacent unit pixels is closer to each other, thereby increasing the frequency of crosstalk between the adjacent pixels.
도 2는 일반적인 이미지 센서(200)의 부분 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 이미지 센서(200)는 반도체 기판(201), 다수의 포토 다이오드들(202), 소자 분리 영역(203a), 제1절연층(203b), 제2절연층(204), 및 와이어링 메탈(wiring metal, 205)을 포함한다.2 is a partial cross-sectional view of a
상기 소자 분리 영역(203a)은 인접한 포토 다이오드들 사이를 서로 분리시킨다. 일반적으로 상기 소자 분리 영역(203a)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 의하여 형성된 트렌치에 채워진 산화막으로 이루어진다. 전기적 부도체인 산화막은 인접 포토 다이오드들 사이를 전기적으로 분리시킴으로써 인접 단위 픽셀 사이의 전기적 크로스토크를 감소시킬 수 있다.The
그러나 산화막은 투명한 성질을 가지므로 빛이 쉽게 통과할 수 있으므로 광학적 크로스토크에 취약한 문제점이 있다. 도 2를 참조하면, 인접 포토 다이오드로부터 입사된 빛이 상기 소자 분리 영역(203a)을 통과하여 포토 다이어드 내부에 전자(e)와 정공(h) 쌍(Electron Hole Pair, EHP)을 생성시킬 수 있음을 알 수 있다.However, since the oxide film has a transparent property, light may pass easily, and thus there is a problem in that it is vulnerable to optical crosstalk. Referring to FIG. 2, light incident from an adjacent photodiode passes through the
EHP가 생성된 후, 정공(h)은 고농도의 P형인 상기 반도체 기판(201)로 쉽게 흡수될 수 있는 반면, 전자(e)는 인접 포토 다이오드로 이동하여 인접 픽셀 간의 데이터 믹스(data mix), 즉, 크로스토크를 발생시킬 수 있다.After the EHP is generated, holes (h) can be easily absorbed into the
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 인접 단위 픽셀의 포토 다이오드로 입사되는 빛을 차단함으로써 전기적 크로스토크와 광학적 크로스토크를 동시에 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, a technical problem of the present invention is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same capable of simultaneously reducing electrical crosstalk and optical crosstalk by blocking light incident on photodiodes of adjacent unit pixels.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이미지 센서는 반도체 기판, 다수의 포토 다이오드들, 및 다수의 소자 분리 영역들을 포함한다. 상기 다수의 포토 다이오들은 상기 반도체 기판 내부에 형성된다. 상기 다수의 소자 분리 영역들은 상기 포토 다이오드들을 서로 분리시키기 위한 다수의 트렌치들 내부에 형성된다.An image sensor for achieving the above technical problem includes a semiconductor substrate, a plurality of photo diodes, and a plurality of device isolation regions. The plurality of photodiodes is formed inside the semiconductor substrate. The plurality of device isolation regions are formed in a plurality of trenches for separating the photodiodes from each other.
상기 소자 분리 영역들 각각은 상기 트렌치 면을 따라 형성되는 제1소자 분리막 및 상기 제1소자 분리막 내부에 형성되어 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 차단하기 위한 제2소자 분리막을 포함한다.Each of the device isolation regions includes a first device isolation layer formed along the trench surface and a second device isolation layer formed inside the first device isolation layer to block light incident from an adjacent photodiode.
상기 다수의 트렌치들은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 따른 식각에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제1소자 분리막은 산화막일 수 있고, 상기 제2소자 분리막은 인접한 포토 다이오드들로부터 입사되는 빛을 흡수함으로써 픽셀들 사이의 크로스토크를 감소시키기 위한 흡광 물질막일 수 있다.The plurality of trenches may be formed by etching according to a shallow trench isolation (STI) process. The first device isolation layer may be an oxide layer, and the second device isolation layer may be a light absorbing material layer for reducing crosstalk between pixels by absorbing light incident from adjacent photodiodes.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 이미지 센서 제조 방법은 반도체 기판 내부에 다수의 포토 다이오드들을 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드들을 서로 분리시키기 위한 다수의 트랜치들을 형성하는 단계; 및 상기 다수의 트랜치들 내부에 다수의 소자 분리 영역들을 형성하는 단계를 포함한다.An image sensor manufacturing method for solving the technical problem comprises the steps of forming a plurality of photodiodes inside a semiconductor substrate; Forming a plurality of trenches to separate the photo diodes from each other; And forming a plurality of device isolation regions within the plurality of trenches.
상기 소자 분리 영역들 각각은 상기 트렌치 면을 따라 형성되는 제1소자 분리막 및 상기 제1소자 분리막 내부에 형성되어 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 차단하기 위한 제2소자 분리막을 포함한다. 상기 다수의 트렌치들을 형성하는 단계는 STI 공정에 따른 식각 공정일 수 있다.Each of the device isolation regions includes a first device isolation layer formed along the trench surface and a second device isolation layer formed inside the first device isolation layer to block light incident from an adjacent photodiode. The forming of the plurality of trenches may be an etching process according to an STI process.
상기 다수의 소자 분리 영역들 각각을 형성하는 단계는 상기 제1소자 분리막을 포함하는 제1소자 분리층을 형성하는 단계; 상기 제2소자 분리막을 포함하는 제2소자 분리층을 형성하는 단계; 및 식각에 의하여 상기 제1소자 분리막 및 상기 제2소자 분리막을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of each of the plurality of device isolation regions may include forming a first device isolation layer including the first device isolation layer; Forming a second device isolation layer including the second device isolation layer; And forming the first device isolation layer and the second device isolation layer by etching.
상기 제1소자 분리막은 산화막이고, 상기 제2소자 분리막은 인접한 포토 다이오드들로부터 입사되는 빛을 흡수함으로써 픽셀들 사이의 크로스토크를 감소시키기 위한 흡광 물질막일 수 있다. 상기 제1소자 분리막 및 상기 제2소자 분리막을 형성하는 단계는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 따른 식각에 의하여 상기 제1소자 분리막 및 상기 제2소자 분리막을 형성하는 단계일 수 있다. The first device isolation layer may be an oxide layer, and the second device isolation layer may be a light absorbing material layer for reducing crosstalk between pixels by absorbing light incident from adjacent photodiodes. The forming of the first device isolation layer and the second device isolation layer may include forming the first device isolation layer and the second device isolation layer by etching according to a chemical mechanical polishing (CMP) process.
상기 CMP 공정에 따른 식각의 깊이는 상기 STI 공정에 따른 식각에 의하여 형성된 트렌치 시작 면보다 깊을 수 있다.The depth of etching according to the CMP process may be deeper than the trench start surface formed by etching according to the STI process.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 인접 단위 픽셀들 사이의 전기적 크로스토크와 광학적 크로스토크를 동시에 감소시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the image sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention have the effect of simultaneously reducing the electrical crosstalk and the optical crosstalk between adjacent unit pixels.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects attained by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 상기 데이터 또는 신호를 상기 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.In the present specification, when one component 'transmits' data or a signal to another component, the component may directly transmit the data or signal to the other component, and at least one other component. Through this means that the data or signal can be transmitted to the other component.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 부분 단면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 이미지 센서(300)는 반도체 기판(201), 다수의 포토 다이오드들(202), 소자 분리 영역(203a 및 301), 제1절연층(230b), 제2절연층(204), 및 와이어링 메탈(205)을 포함한다. 도 3에서는 간략한 설명을 위하여 인접한 두 개의 포토 다이오드들만을 도시하였다.3 is a partial cross-sectional view of an
상기 반도체 기판(201)은 고농도의 P++층과 그 위에 적층된 P-에피 층으로 구성될 수 있으나 간략히 반도체 기판으로 칭한다. 상기 다수의 포토 다이오드들(202)은 상기 반도체 기판(201) 내부에 형성되며, 입사되는 빛을 전기적 신호로 변환한다.The
상기 이미지 센서(300)는 상기 포토 다이오드(202)의 상부에 위치하며 입사되는 빛을 필터링하기 위한 컬러 필터(미도시), 입사되는 빛을 집중시키기 위한 마이크로 렌즈(미도시), 상기 이미지 센서(300)를 구동시키기 위한 다수의 트랜지스터들(미도시), 및 각종 금속 배선(미도시)을 더 구비할 수 있다.The
상기 다수의 소자 분리 영역들(203a 및 301)은 상기 포토 다이오드들(202)을 서로 분리시키기 위한 다수의 트렌치들 내부에 형성된다. 상기 트랜치들은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 의하여 형성될 수 있다.The plurality of
상기 소자 분리 영역들(203a 및 301) 각각은 상기 트렌치 면을 따라 형성되는 제1소자 분리막(203a) 및 상기 제1소자 분리막 내부에 형성되어 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 차단하기 위한 제2소자 분리막(301)을 포함한다.Each of the
상기 제1소자 분리막(203a)은 일반적으로 산화막인데, 이는 전기적으로는 부도체이나 투명한 성질을 가지므로 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 효과적으로 차단할 수 없다. 상기 제2소자 분리막(301)은 인접한 포토 다이오드들로부터 입사되는 빛을 흡수함으로써 픽셀들 사이의 크로스토크를 감소시키기 위한 흡광 물질막일 수 있다. 상기 제2소자 분리막(301)은 빛을 흡수하는 성질을 갖는 금속, 폴리 실리콘, 실리콘 등으로 구현될 수 있다.The first
즉, 상기 제2소자 분리막(301)은 상기 제1소자 분리막(203a)이 광학적 크로스토크에 취약한 점을 보완하여, 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 차단하여 광학적 크로스토크를 감소시킬 수 있다.That is, the second
상기 제1절연층(203b)은 상기 제1소자 분리막(203a)와 같은 산화막으로 구현 될 수 있으며, 상기 이미지 센서(300)에 포함된 다수의 트랜지스터들을 형성하는데 이용될 수 있다. 상기 제2절연층(204)은 나이트라이드(SiN)층으로 구현될 수 있으며, 상기 이미지 센서(300)에서 ARL(Anti-Reflection) 기능을 수행할 수 있다.The
상기 와이어링 메탈(205)은 상기 이미지 센서(300)에 포함된 다수의 트랜지스터들을 연결하는 전력 배선일 수 있다. 상기 와이어링 메탈(205)은 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 포토 다이오드로 입사되는 빛을 차단하는 쉴드(shield) 역할을 수행할 수도 있다.The
이상에서 살펴본 상기 제1소자 분리막(203a), 상기 제2소자 분리막(301), 상기 제1절연층(203b), 및 상기 제2절연층(204) 등은 고밀도 플라즈마 산화막 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다.The first
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 제조 방법을 나타내는 순서도이다. 도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 제조 방법의 순서에 따른 공정 단면도이다. 이하 도 3, 도 4, 및 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 그 과정을 구체적으로 설명한다.4 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an
이온 주입에 의하여 반도체 기판(201) 내부에 다수의 포토 다이오드들(202)이 형성된다(S100). 잘 알려진 바와 같이 포토 다이오드는 이온 주입을 통하여 형성된 깊은 N형 불순물 영역(deep N-)과 얕은 P0불순물 영역으로 이루어진다. 도 5a에는 간략한 설명을 위하여 두 개의 포토 다이오드들만을 도시하였다.A plurality of
상기 포토 다이오드들(202)이 형성된 후에, 상기 포토 다이오드들(202) 사이를 분리시키기 위한 트랜치가 STI 공정에 따른 식각에 의하여 형성된다(S200). 도 5a를 참조하면, 상기 포토 다이오드들(202) 사이에 소정의 깊이를 갖는 트렌치가 형성되었음을 알 수 있다.After the
상기 트렌치가 형성된 후, 상기 다수의 트랜치 내부에 소자 분리 영역이 형성된다(S300, S400, 및 S500 단계). 소자 분리 영역이 형성되는 과정을 좀 더 구체적으로 살펴본다.After the trenches are formed, device isolation regions are formed in the plurality of trenches (steps S300, S400, and S500). The process of forming the device isolation region will be described in more detail.
먼저 상기 제1소자 분리막(203a)을 포함하는 제1소자 분리층이 형성된다(S300). 도 5c를 참조하면, 상기 제1소자 분리층은 상기 트랜치 면, 상기 반도체 기판(201), 및 상기 포토 다이오드(202) 위에도 형성되는데, 상기 제1소자 분리층 중에서 상기 트렌치 면을 따라 형성된 부분이 최종적으로 상기 제1소자 분리막(203a)이 되는 부분이다. 상기 제1소자 분리층은 산화막일 수 있다.First, a first device isolation layer including the first
상기 제1소자 분리층 위에 상기 제2소자 분리막(301)을 포함하는 제2소자 분리층이 형성된다(S400). 도 5d를 참조하면, 상기 제1소자 분리막(203a) 내부에 형성된 제2소자 분리층 부분은 최종적으로 상기 제2소자 분리막(301)이 되는 부분이다. 또한, 도 5d에 도시된 점선은 최종적으로 식각에 의하여 상기 제1소자 분리막(203a)과 상기 제2소자 분리막(301)이 형성되는 면을 나타낸다. 상기 제2소자 분리막(301)은 빛을 흡수하는 성질을 갖는 나이트라이드 또는 옥사이드 계열 무기막질, 실리콘, 폴리 실리콘, 금속 등으로 이루어질 수 있다.A second device isolation layer including the second
상기 제2소자 분리층이 형성된 이후 식각에 의하여 상기 제1소자 분리막(203a) 및 상기 제2소자 분리막(301)이 형성된다(S500). 상기 식각은 CMP 공정에 따라서 이루어질 수 있다. 도 5d 및 도 5e를 참조하면, 상기 CMP 공정에 따른 식각 의 깊이(CMP면)는 상기 STI 공정에 따른 식각에 의하여 형성된 트렌치 시작 면(STI면)보다 깊은 것을 알 수 있다.After the second device isolation layer is formed, the first
상기 제1소자 분리막(203a)은 전기적 부도체로 상기 포토 다이오드들(202) 사이의 전기적 크로스토크를 감소시킬 수 있으나, 상기 제2소자 분리막(301)은 인접 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 흡수함으로써 상기 포토 다이오드들(202) 사이의 광학적 크로스토크를 감소시킬 수 있다.The first
상기 제1소자 분리막(203a)와 상기 제2소자 분리막(301)이 형성된 후, 그 시각면 위에 다시 제1절연층(203b)이 형성된다(S600). 상기 제1절연층(203b)은 상기 제1소자 분리막(203a)와 같이 산화막일 수 있다. 도 5f에서는 상기 제1소자 분리막(203a)과 상기 제1절연층(203b)가 동일한 산화막임을 나타낸다.After the first
상기 제1절연층(203b)이 형성된 이후의 이미지 센서 제조 과정은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.An image sensor manufacturing process after the first insulating
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀을 나타내는 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a unit pixel constituting an image sensor.
도 2는 일반적인 이미지 센서의 부분 단면도이다.2 is a partial cross-sectional view of a general image sensor.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 부분 단면도이다.3 is a partial cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 순서에 따른 공정 단면도이다.5A to 5F are cross-sectional views illustrating processes of a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
KR1020080011683A KR20090085828A (en) | 2008-02-05 | 2008-02-05 | Image sensor decresing crosstalk between pixels and method for manufacturing the image sensor |
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CN102651376A (en) * | 2011-02-24 | 2012-08-29 | 索尼公司 | Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus |
US8860167B2 (en) | 2011-08-02 | 2014-10-14 | Dongbu Hitek Co., Ltd. | Image sensor and method for manufacturing the same |
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2008
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