KR20100050331A - Image sensor and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서가 주목을 받고 있다.Recently, a CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) image sensor has attracted attention as a next generation image sensor for overcoming the disadvantages of the charge coupled device.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.The CMOS image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit, a signal processing circuit, and the like as peripheral circuits to form MOS transistors corresponding to the number of unit pixels on a semiconductor substrate, thereby forming the MOS transistors of each unit pixel. The device adopts a switching method that sequentially detects output.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.That is, the CMOS image sensor implements an image by sequentially detecting an electrical signal of each unit pixel by a switching method by forming a photodiode and a MOS transistor in the unit pixel.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.The CMOS image sensor has advantages, such as a low power consumption, a simple manufacturing process according to a few photoprocess steps, by using CMOS manufacturing technology.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.In addition, since the CMOS image sensor can integrate a control circuit, a signal processing circuit, an analog / digital conversion circuit, and the like into the CMOS image sensor chip, the CMOS image sensor has an advantage of easy miniaturization.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.Therefore, the CMOS image sensor is currently widely used in various application parts such as a digital still camera, a digital video camera, and the like.
씨모스 이미지 센서의 제조에 있어 이미지 특성은 제품의 품질을 결정하는 데 중요한 항목이다. 이미지 특성을 결정하는 데 중요한 이슈(issue) 중 하나는 픽셀 내 포토다이오드에 흡수된 빛이 전자로 변환시 다른 트랜지스터로 전달되어 크로스토크(crosstalk)를 발생시키는 문제이다. 이와 같이 잘못 전달된 전자에 의해 포토 다이오드의 누설 전류가 증가하고 나아가 씨모스 이미지 센서의 암전류(dark current)가 증가하여 화질이 저하되는 문제가 있다.In the manufacture of CMOS image sensors, image characteristics are an important factor in determining the quality of a product. One of the important issues in determining image characteristics is the problem that light absorbed by photodiodes in a pixel is transferred to other transistors when converted to electrons, resulting in crosstalk. As a result, the leakage current of the photodiode increases and the dark current of the CMOS image sensor increases due to the mistransmitted electrons, thereby degrading the image quality.
실시예는 픽셀 내에 전기적 소자 격리를 강화시키기 위하여 소자 격리 패턴 하부에 깊은 소자 격리 영역을 형성하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.Embodiments provide an image sensor and a method of manufacturing the same to form a deep device isolation region under the device isolation pattern to enhance electrical device isolation within the pixel.
실시예는 소자 격리 패턴 하부에 여러 번에 걸쳐 불순물을 깊게 주입하여 포토다이오드에서 생성된 전자가 다른 트랜지스터로 빠져나가지 못하도록 하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same, in which impurities are deeply injected under the device isolation pattern several times to prevent electrons generated in the photodiode from escaping to another transistor.
실시예에 따른 이미지센서는, 포토다이오드가 형성된 반도체 기판, 상기 포토다이오드 주변의 상기 반도체 기판에 형성된 소자 격리 패턴 및 상기 소자 격리 패턴 하부에 형성된 소자 격리 영역을 포함한다.The image sensor according to the embodiment includes a semiconductor substrate on which a photodiode is formed, a device isolation pattern formed on the semiconductor substrate around the photodiode, and a device isolation region formed under the device isolation pattern.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 하부에서 깊이가 다른 적어도 두 군데에 불순물 주입 영역들을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판을 어닐링하여 상기 불순물 주입 영역들이 확산되어 서로 연결된 소자 격리 영역을 형성하는 단계 및 상기 트렌치 내에 매립된 소자 격리 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.According to at least one example embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a trench in a semiconductor substrate, forming impurity implantation regions in at least two different depths under the trench, and annealing the semiconductor substrate to form the impurity implantation regions. Forming diffused device isolation regions connected to each other and forming a device isolation pattern embedded in the trench.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내에 매립된 소자 격리 패턴을 형성하는 단계, 상기 트렌치 하부에서 깊이가 다른 적어도 두 군데에 불순물 주입 영역들을 형성하는 단계, 상 기 반도체 기판을 어닐링하여 상기 불순물 주입 영역들이 확산되어 서로 연결되며, 상기 반도체 기판 하부의 P형 불순물 주입 영역과 연결되는 소자 격리 영역을 형성하는 단계 및 상기 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing an image sensor according to the embodiment may include forming a trench in a semiconductor substrate, forming a device isolation pattern buried in the trench, and forming impurity implantation regions in at least two different depths under the trench. Annealing the semiconductor substrate to form an isolation region in which the impurity implantation regions are diffused and connected to each other, and connected to a P-type impurity implantation region under the semiconductor substrate; and forming a photodiode in the semiconductor substrate. Steps.
실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 내에서 각 포토다이오드의 전자들이 다른 트랜지스터로 전달될 수 없도록 소자 격리 패턴 하부에 깊은 소자 분리 영역을 형성하므로 픽셀 내 크로스토크를 억제시킬 수 있으며 이미지 특성을 향상시켜 양질의 이미지 센서 제품을 양산할 수 있다.The image sensor according to the embodiment forms a deep device isolation region under the device isolation pattern so that electrons of each photodiode cannot be transferred to other transistors in the pixel, thereby suppressing crosstalk in the pixel and improving image quality. Mass-produced image sensor products.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.An image sensor and a method of manufacturing the same according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. In the description of the embodiments, where described as being formed "on / over" of each layer, the on / over may be directly or through another layer ( indirectly) includes everything formed.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an image sensor according to an embodiment.
한편, 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. Image sensors are classified into 3T, 4T, and 5T types according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors.
도 1에 도시된 바와 같이, P++형 반도체 기판(101) 상에 P-형 에피층(103)이 형성된다. 그리고, 액티브 영역을 갖는 상기 반도체 기판에서 액티브 영역을 구분하기 위하여 소자 격리 패턴(120)이 형성된다.As shown in FIG. 1, a P-type
상기 소자 격리 패턴(120)은 상기 반도체 기판에 트렌치(T)를 형성하고 이 트렌치(T)에 매립된 산화막으로 이루어질 수 있다.The
상기 에피층(103)의 부분 상에 게이트 절연막(151)을 개재하여 게이트 전극(153)이 형성되고, 상기 게이트 전극(153)의 양측면에 절연막 측벽(155)이 형성된다.The
그리고, 상기 포토 다이오드 영역(PD)의 상기 에피층(103)에는 n-형 확산 영역(165) 및 P0형 확산 영역(163)이 형성된다.In addition, an n-
여기서, 상기 P0형 확산 영역(163)은 상기 n-형 확산 영역(165) 상에 형성된다. 또한, 상기 소오스/드레인 영역(161)은 고농도 n형 확산 영역(n+)과 저농도 n형 확산영역(n-)이 형성된다.Here, the
소자 격리 패턴(120)의 하부에는 P++형 반도체 기판(101)과 이어지는 소자 격리 영역(110)이 형성된다. 상기 소자 격리 영역(110)은 P형 불순물이 이온 주입되어 형성된다.A
특히, 상기 소자 격리 영역(110)은 포토다이오드들 간의 전기적 소자 격리 특성을 향상시켜 상기 소자 분리막(120)과 상기 포토 다이오드의 P0형 확산 영역(163) 경계부 및 상기 소자분리막(120)과 상기 포토다이오드의 n-형 확산 영역(165) 경계부에서 발생하는 암전류를 차단하여 크로스토크 등을 억제할 수 있다.In particular, the
도 2는 실시예에 따른 소자 격리 영역의 형성 공정을 보여주는 순서도이고, 도 3 내지 도 8은 도 2의 순서도에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.2 is a flowchart illustrating a process of forming an isolation region according to an embodiment, and FIGS. 3 to 8 are cross-sectional views of an image sensor according to the flowchart of FIG. 2.
먼저, 상기 반도체 기판에는 P++형 불순물이 주입되어 P++형 반도체 기판(101)을 형성할 수 있다. 상기 P++형 반도체 기판(101) 상에 P-형 에피층(103)이 형성된다. First, a P ++ type impurity may be implanted into the semiconductor substrate to form a P ++
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 P-형 에피층(103) 상에 패드 산화막(181a), 패드 질화막(183a)을 순차적으로 형성한다.2 and 3, a
상기 패드 산화막(181a)은 CVD 공정 또는 열산화 공정에 의해 형성될 수 있다.The
상기 패드 질화막(183a)은 LPCVD(Low Pressure CVD)와 같은 CVD 공정을 통해형성할 수 있다.The
상기 패드 산화막(181a)은 상기 패드 질화막(120)의 질소 성분이 상기 반도체 기판으로 침투하는 것을 방지하는 버퍼층의 역할도 수행할 수 있다.The
상기 패드 산화막(181a) 및 상기 패드 질화막(183a)을 패터닝하여 상기 P-형 에피층(103) 상에 패드 산화막 패턴(181) 및 상기 패드 산화막 패턴(181) 상에 패드 질화막 패턴(183)을 형성한다.The
상기 패드 산화막 패턴(181) 및 상기 패드 질화막 패턴(183)을 식각마스크로 반도체 기판을 식각하여 P-형 에피층(103)에 도 4에 도시한 바와 같은 소정의 트렌치(T)를 형성한다.The semiconductor substrate is etched using the pad
상기 트렌치(T)는 포토다이오드 주변의 트렌치를 포함한다.The trench T includes trenches around the photodiode.
이후, 도 2 및 4에 도시한 바와 같이, 트렌치(T) 내벽을 따라 산화막(105)이 형성된다. 상기 산화막(105)은 식각 공정을 통해 손상된 트렌치(T) 내부를 커버하며 이후 소자 격리 패턴의 매립 특성을 개선한다.2 and 4, an
이후, 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 패드 산화막 패턴(181) 및 상기 패드 질화막 패턴(183)을 이온주입마스크로 사용하여, 상기 트렌치(T) 내에 P형 불순물을 주입한다.2 and 5, P-type impurities are implanted into the trench T using the pad
상기 P형 불순물은 상기 트렌치(T) 내의 바닥면에서 반도체 기판 내에 불순물 주입 영역을 형성한다.The P-type impurity forms an impurity implantation region in the semiconductor substrate at the bottom surface of the trench T.
이와 같은 불순물 주입 공정은 적어도 두번 이상 이루어지며, 여기서는 세번 걸쳐 실시하였다.Such impurity implantation is performed at least twice, and here three times.
제 1 불순물 주입 영역(111)은 상기 트렌치(T) 바닥면 근처에 형성된다. 제 2 불순물 주입 영역(113)은 상기 제 1 불순물 주입 영역(111) 아래에 형성된다. 제 3 불순물 주입 영역(115)은 상기 제 2 불순물 주입 영역(113) 아래에 형성된다.The first
상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역(111, 113, 115)은 기판에 대하여 수직한 방향으로 적층되어 있다.The first to third
상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역(111, 113, 115)은 동일한 P형 불순물 을 사용하여 형성할 수 있으며, 서로 다른 이온 주입 에너지를 이용하여 형성할 수 있다.The first to third
예를 들어, 제 1 불순물 주입 영역(111)은 P형 불순물을 이온 주입 에너지 80~120keV로 형성할 수 있고, 제 2 불순물 주입 영역(113)은 P형 불순물을 이온 주입 에너지 300~400keV로 형성할 수 있고, 제 3 불순물 주입 영역(115)은 P형 불순물을 600~800keV로 형성할 수 있다.For example, the first
예를 들어, 보론(Boron)이온 11B+를 앞서 언급한 이온 주입 에너지로 각각 주입할 때 상기 제 1 불순물 주입 영역(111)은 기판 표면으로부터 0.26~0.37㎛, 제 2 불순물 주입 영역(113)은 기판 표면으로부터 0.79~0.97㎛이고, 제 3 불순물 주입 영역(115)은 기판 표면으로부터 1.33~1.45㎛일 수 있다.For example, when the boron ion 11B + is respectively implanted with the aforementioned ion implantation energy, the first
상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역(111, 113, 115) 형성 공정에서 각 이온 주입 영역의 이온 주입 에너지가 다르므로 상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역(111, 113, 115)은 서로 이격되어 형성될 수 있다.Since the ion implantation energy of each ion implantation region is different in the first to third
도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 불순물이 주입된 반도체 기판을 어닐링하여 소자 격리 영역(110)을 형성한다.2 and 6, the
상기 어닐링 공정은 950~1150℃ 온도로, 4시간~7시간동안, 질소가스 분위기에서 시행할 수 있다.The annealing process may be carried out at a temperature of 950 ~ 1150 ℃, for 4 hours to 7 hours, in a nitrogen gas atmosphere.
즉, 상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역(111, 113, 115)은 어닐링에 의하여 불순물들이 확삼됨으로써 상기 트렌치(T)와 상기 P++형 반도체 기판(101) 사이에 P형 불순물이 주입된 소자 격리 영역(11)을 형성하게 된다.In other words, the first to third
서로 이격된 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역들(111, 113, 115)은 어닐링 공정을 통해 확산되어 서로 연결된 P형 소자 격리 영역(110)을 형성할 수 있다.The first to third
상기 소자 격리 영역(110)은 위로는 트렌치(T) 바닥면과 이어지고, 아래로는 상기 P++형 반도체 기판(101)과 이어져, 포토다이오드 영역 주변을 P형 불순물 영역으로 감싸며 형성시킬 수 있다. The
이로써, 상기 소자 격리 영역(110)은 포토다이오드들 간의 전기적 소자 격리 특성을 향상시켜 상기 소자 격리 패턴(120)과 상기 포토 다이오드의 P0형 확산 영역(163) 경계부 및 상기 소자 격리 패턴(120)과 상기 포토다이오드의 n-형 확산 영역(165) 경계부에서 발생하는 암전류를 차단하여 크로스토크 등을 억제할 수 있다.As a result, the
도 2, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(T)를 포함한 구조물 전면에 트렌치 충진(trench filling) 물질을 증착하여 상기 트렌치(T) 내에 매립되며 상기 패드 질화막 패턴(183)을 덮는 소자격리막(120a)이 형성된다.As shown in FIGS. 2, 7 and 8, a trench filling material is deposited on the entire surface of the structure including the trench T to fill the trench T to fill the pad
여기서, 상기 소자격리막(120a)은 상압화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD)법에 의해 증착되는데, 상기 트렌치(111)를 매립하는 트렌치 충진 물질로는 O3-TEOS(tetraetylorthosilicate)를 사용할 수 있다.Here, the
이후, 상기 패드 질화막 패턴(183)을 식각정지막으로 사용하여 상기 소자격리막(120a)을 화학기계적연마(CMP)하여 상기 패드 질화막 패턴(183)이 노출될때까지 연마하여 상기 트렌치(T) 내에 소자 격리 패턴(120)을 형성할 수 있다.Subsequently, using the pad
이후, 패드 산화막 패턴(181) 및 패드 질화막 패턴(183)을 제거할 수 있다.Thereafter, the pad
도 9는 다른 실시예에 따른 소자 격리 영역의 형성 방법을 보여주는 순서도 이다.9 is a flowchart illustrating a method of forming a device isolation region according to another exemplary embodiment.
도 9에 도시한 바와 같이, 반도체 기판에 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치가 형성된 반도체 기판을 산화시켜 상기 트렌치 내벽을 따라 산화막을 형성한다.As shown in FIG. 9, a trench is formed in the semiconductor substrate, and the oxide substrate on which the trench is formed is oxidized to form an oxide film along the inner wall of the trench.
상기 트렌치가 포함된 구조물 전면에 소자격리막을 형성하고, 상기 소자격리막을 연마하여 상기 트렌치 내부에 형성된 소자 격리 패턴을 형성한다.An isolation layer is formed on the entire structure including the trench, and the isolation layer is polished to form an isolation pattern formed in the trench.
상기 소자 격리 패턴이 형성된 다음, 상기 소자 격리 패턴 하부에 제 1 불순물 주입 영역, 제 2 불순물 주입 영역 및 제 3 불순물 주입 영역이 차례로 형성될 수 있도록 서로 다른 이온 주입 에너지로 P형 불순물을 주입한다.After the device isolation pattern is formed, P-type impurities are implanted with different ion implantation energies so that a first impurity implantation region, a second impurity implantation region, and a third impurity implantation region are sequentially formed below the device isolation pattern.
이후, 상기 제 1 내지 제 3 불순물 주입 영역을 어닐링을 통해 확산시킴으로써 서로 연결된 소자 격리 영역을 형성한다.Thereafter, the first to third impurity implantation regions are diffused through annealing to form device isolation regions connected to each other.
상기 소자 격리 영역은 포토다이오드 주변의 소자 격리 패턴 하부에 형성되며 P++형 반도체 기판과 연결되며 포토다이오드로 흡수된 빛이 전자로 변환시 이 전자가 다른 트랜지스터로 넘어가 크로스토크가 발생되는 것을 방지하여 준다. 즉, 상기 포토다이오드 주변에서 전기적으로 완벽한 소자 격리 영역을 형성하는 것이다.The device isolation region is formed under the device isolation pattern around the photodiode and is connected to a P ++ type semiconductor substrate. When the light absorbed by the photodiode is converted into electrons, the electrons are prevented from being crossed to another transistor and crosstalk is generated. That is, to form an electrically perfect device isolation region around the photodiode.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.As mentioned above, the present invention has been described in detail through specific embodiments, which are intended to specifically describe the present invention, and the method of forming a semiconductor device according to the present invention is not limited thereto. It is apparent that modifications and improvements are possible to those skilled in the art.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an image sensor according to an embodiment.
도 2는 실시예에 따른 소자 격리 영역의 형성 공정을 보여주는 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a process of forming a device isolation region according to an embodiment.
도 3 내지 도 8은 도 2의 순서도에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.3 to 8 are cross-sectional views of the image sensor according to the flowchart of FIG. 2.
도 9는 다른 실시예에 따른 소자 격리 영역의 형성 방법을 보여주는 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a method of forming a device isolation region according to another exemplary embodiment.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020080109563A KR20100050331A (en) | 2008-11-05 | 2008-11-05 | Image sensor and fabricating method thereof |
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KR1020080109563A KR20100050331A (en) | 2008-11-05 | 2008-11-05 | Image sensor and fabricating method thereof |
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Cited By (2)
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KR101241473B1 (en) * | 2011-04-13 | 2013-03-11 | 엘지이노텍 주식회사 | Semiconductor device and method of semiconductor |
US9420209B2 (en) | 2013-06-05 | 2016-08-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of generating pixel array layout for image sensor and layout generating system using the method |
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2008
- 2008-11-05 KR KR1020080109563A patent/KR20100050331A/en not_active Application Discontinuation
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US9420209B2 (en) | 2013-06-05 | 2016-08-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of generating pixel array layout for image sensor and layout generating system using the method |
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