KR100672715B1 - CMOS image sensor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드 영역과 STI막의 계면에서 발생하는 누설을 방지하기 위한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 이러한 목적을 달성하기 위한 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판을 필드 영역과 활성 영역으로 구분하는 STI막, 활성영역의 반도체 기판의 일정영역에 형성되며 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드 영역, 상기 포토다이오드 영역에서 생성된 광전하를 플로팅 센싱 노드로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터 및 신호 검출을 위해 광전하를 배출하는 리셋 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 포토다이오드 영역과 STI막의 계면의 반도체 기판상에 포토다이오드 영역과 STI막의 계면에서 발생되는 전자를 트랩시키는 폴리실리콘막을 구비하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a CMOS image sensor for preventing leakage occurring at the interface between the photodiode region and the STI film, and a method of manufacturing the same. The CMOS image sensor for achieving the above object includes a semiconductor substrate and a field region of the semiconductor substrate. And a STI film divided into an active region, a photodiode region formed in a predetermined region of a semiconductor substrate in the active region and receiving light to generate photocharges, and a transfer transistor for transporting the photocharges generated in the photodiode region to a floating sensing node. And a reset transistor for discharging photocharges for signal detection, the CMOS image sensor comprising: a poly trap for trapping electrons generated at an interface between a photodiode region and an STI film on a semiconductor substrate at an interface between the photodiode region and an STI film; A silicon film is provided.
STI막 계면, 누설(leakage), 폴리실리콘막, 전자 트랩STI film interface, leakage, polysilicon film, electron trap
Description
도 1은 종래 기술에 따른 4-T CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 평면도1 is a plan view showing a unit pixel of a 4-T CMOS image sensor according to the prior art
도 2는 도 1의 A-A' 방향에 따른 단면도FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1.
도 3은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 오프시 도 2의 A-A' 방향에 따른 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 도면FIG. 3 is a view illustrating a potential profile along the A-A 'direction of FIG. 2 when the transfer transistor Tx is off.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 평면도4 is a plan view of the CMOS image sensor according to the present invention
도 5는 도 4의 B-B' 방향에 따른 단면도FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 4.
도 6은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 오프시 도 5의 B-B' 방향에 따른 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 도면FIG. 6 is a view illustrating a potential profile along the B-B 'direction of FIG. 5 when the transfer transistor Tx is off.
**도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
PD: 포토다이오드 영역 21 : 반도체 기판PD: photodiode region 21: semiconductor substrate
22 : STI막 23 : 폴리실리콘막22: STI film 23: polysilicon film
24 : 플로팅센싱 노드 25, 26 : 콘택24: floating
본 발명은 포토다이오드 영역과 STI막의 계면에서 발생하는 누설을 방지하여 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor capable of improving the optical properties by preventing leakage occurring at the interface between the photodiode region and the STI film and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학적 영상(Optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device : 이하, CCD라 약칭한다), 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor) 등이 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes a charge coupled device (hereinafter, referred to as a CCD), a CMOS image sensor, and the like. There is this.
전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS: 이하 CMOS라 한다) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.A charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in capacitors while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other, and are referred to as CMOS (Complementary MOS: CMOS). ) Image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits to make MOS transistors as many as the number of pixels, and uses this to switch the outputs to detect an output in sequence. It is an element employing a system.
상기 CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며 마스크 공정 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱(signal processing) 회로를 CCD 칩(chip) 내에 구현할 수 없어 온 칩(one chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 이러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발에 많은 연구가 집중되고 있다.The CCD has many disadvantages such as complicated driving method, high power consumption, and high number of mask processes, which makes the process complicated and makes it difficult to implement a signal processing circuit in the CCD chip. In order to overcome this drawback, much research has been focused on the development of CMOS image sensors using sub-micron CMOS manufacturing techniques.
CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀(Pixel)은 여러 종류가 있으나, 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오 드로 구성된 3-T(3-Transistor) 구조의 픽셀과, 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-Transistor) 구조의 픽셀들이 있다.There are many kinds of pixels used in CMOS image sensor. Among them, typical commercially available pixels include 3-T (3-Transistor) structure consisting of three basic transistors and one photodiode. There are 4-T (4-Transistor) structured pixels consisting of four basic transistors and one photodiode.
도 1은 종래 기술에 따른 4-T CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 방향에 따른 단면도이다.1 is a plan view illustrating a unit pixel of a 4-T CMOS image sensor according to the related art, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1.
종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 도면에서 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(11)에 트렌치(trench) 분리 기술로 형성된 STI막(12)이 필드영역과 활성영역을 정의하고 있고, 활성영역의 반도체 기판(11)에는 광감지수단인 포토다이오드 영역(PD)과, 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)가 형성되어 있다.In the conventional CMOS image sensor, as shown in the drawing, the
4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 상기 포토다이오드 영역(PD)에서 생성된 광전하를 n+로 도핑된 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node)(13)로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 센싱 노드(13)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.Among the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transfers the photocharge generated in the photodiode region PD to the floating
도 3은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 오프시 도 2의 A-A' 방향에 따른 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view illustrating a potential profile along the A-A 'direction of FIG. 2 when the transfer transistor Tx is off.
포토다이오드 영역(PD)에 빛이 들어오면 전자 정공쌍(Electron Hole Pair)이 생성되고 정공은 반도체 기판(11)쪽으로 빠져나가고 전자가 포토다이오드 영역(PD)에 축적되게 되는데, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 오프시에는 도 3에서 도시하는 바와 같이 포텐셜 베리어(potential barrier)가 높아 포토다이오드 영역(PD)의 전자들이 플로팅 센싱 노드(13)쪽으로 이동할 수 없다.When light enters the photodiode region PD, an electron hole pair is generated, holes exit to the
그러나, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 온(on)되면 포텐셜 베리어가 낮아지므로 전자가 포텐셜 베리어를 넘어 플로팅 센싱 노드(13)의 커패시턴스(capacitance)에 저장되게 된다.However, since the potential barrier is lowered when the transfer transistor Tx is turned on, electrons are stored in the capacitance of the floating
이러한 씨모스 이미지 센서에서는 포토다이오드 영역(PD)이 STI(12)의 계면에까지 형성되게 된다. 이로 인하여 센싱되지 않아야 할 부분인 STI(12) 계면에서도 전자 정공쌍이 생성되고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 온(on)시에 상기 STI(12) 계면에서 생성된 전자 정공쌍의 전자가 포토다이오드 영역(PD)의 전자와 함께 외부로 빠져나가게 되어 누설(leakage)의 원인이 되고 있다.In the CMOS image sensor, the photodiode region PD is formed even at the interface of the
따라서, 정확한 이미지를 구현할 수 없게 되는 문제점이 발생한다.Therefore, a problem arises in that an accurate image cannot be realized.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 STI 계면에서 생성된 전자들을 외부로 빠져나가지 못하도록 하여 정확한 이미지 구현이 가능한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, which can implement accurate images by preventing electrons generated at an STI interface from escaping to the outside.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판을 필드 영역과 활성 영역으로 구분하는 STI막, 활성영역의 반도체 기판의 일정영역에 형성되며 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드 영역, 상기 포토다이오드 영역에서 생성된 광전하를 플로팅 센싱 노드로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터 및 신호 검출을 위해 광전하를 배출하는 리셋 트랜지스 터를 포함하는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 포토다이오드 영역과 STI막의 계면의 반도체 기판상에 포토다이오드 영역과 STI막의 계면에서 발생되는 전자를 트랩시키는 폴리실리콘막을 구비하는 것을 특징으로 한다.CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object is formed in a predetermined region of the semiconductor substrate of the semiconductor substrate, the STI film that divides the semiconductor substrate into the field region and the active region, the active region of the semiconductor substrate receives light A CMOS image sensor comprising a photodiode region for generating charge, a transfer transistor for transporting photocharges generated in the photodiode region to a floating sensing node, and a reset transistor for discharging the photocharge for signal detection; And a polysilicon film trapping electrons generated at the interface between the photodiode region and the STI film on the semiconductor substrate at the interface between the photodiode region and the STI film.
바람직하게, 상기 폴리실리콘막은 상기 리셋 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 연결되어 상기 리셋 트랜지스터의 턴온시에 함께 전원이 인가되어 그 하부에 전자가 트랩되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the polysilicon film is electrically connected to a gate of the reset transistor, and the power is applied together when the reset transistor is turned on so that electrons are trapped thereunder.
바람직하게, 상기 폴리실리콘막상에 형성되는 제 1 콘택과, 상기 리셋 트랜지스터의 게이트상에 형성되는 제 2 콘택과, 상기 제 1 콘택과 제 2 콘택간을 연결하는 메탈라인을 통해 상기 폴리실리콘막과 리셋 트랜지스터의 게이트가 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the polysilicon film is formed through a first contact formed on the polysilicon film, a second contact formed on a gate of the reset transistor, and a metal line connecting the first contact and the second contact. The gates of the reset transistors are connected to each other.
이 같은 구조를 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판, 상기 반도체 기판을 필드 영역과 활성 영역으로 구분하는 STI막, 활성영역의 반도체 기판의 일정영역에 형성되며 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드 영역 및 상기 포토다이오드 영역에서 생성된 전하를 센싱하기 위한 트랜지스터들을 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 트랜지스터들의 게이트 형성시에 상기 STI막과 포토다이오드 영역 계면의 반도체 기판상에 폴리실리콘막을 함께 형성하는 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing a CMOS image sensor having such a structure includes a semiconductor substrate, an STI film for dividing the semiconductor substrate into a field region and an active region, and a photoelectric charge formed on a predetermined region of the semiconductor substrate in an active region. A method of manufacturing a CMOS image sensor comprising a photodiode region and transistors for sensing charge generated in the photodiode region, the method comprising: forming a gate of the transistors on a semiconductor substrate at an interface between the STI film and the photodiode region; It is characterized by forming a polysilicon film together.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하 며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the invention shown in the drawings and described by it will be described as at least one embodiment, which By the technical spirit of the present invention described above and its core configuration and operation is not limited.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 평면도이고, 도 5는 도 4의 B-B' 방향에 따른 단면도이다.4 is a plan view of the CMOS image sensor according to the present invention, Figure 5 is a cross-sectional view taken along the B-B 'direction of FIG.
도면에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(21)에 트렌치(trench) 분리 기술로 형성된 STI막(22)이 필드영역과 활성영역을 정의하고 있고, 활성영역의 반도체 기판(21)에는 광감지수단인 포토다이오드 영역(PD) 및 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)가 형성되어 있으며, 상기 포토다이오드 영역(PD)과 STI막(22)의 계면을 포함하는 반도체 기판(21)의 소정 영역상에는 포토다이오드 영역(PD)과 STI막(22)의 계면에서 생성된 전자가 외부로 빠져나가지 못하게 트랩(trap)시키는 폴리실리콘막(23)이 형성되어 있다.As shown in the figure, in the CMOS image sensor according to the present invention, the
4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 상기 포토다이오드 영역(PD)에서 생성된 광전하를 n+로 도핑된 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node)(24)로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 센싱 노드(24)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하며, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.Among the four NMOS transistors, a transfer transistor Tx transfers the photocharge generated in the photodiode region PD to a floating
상기 폴리실리콘막(23)은 제 1, 제 2 콘택(25)(26) 및 메탈 라인(도시하지 않음)을 통해 리셋 게이트(Rx)에 연결되어, 이미지 센서 동작시 초기화시켜 레퍼런 스 값(reference value)을 읽어내기 위하여 턴온(turn on)되는 리셋 게이트(Rx)의 동작과 동시에 전원이 인가되어 하부 반도체 기판(21)에 필드(field)를 형성시어 전하가 저장될 수 있도록 하여 전하를 트랩시킨다.The
도 6은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 오프시 도 5의 B-B' 방향에 따른 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 도면으로, 상기 폴리실리콘막(23)에 전계가 가해짐으로 인하여 전위 우물이 형성되어 STI막(22)과 포토다이오드 영역(PD)의 계면에서 발생되는 전자를 담아두어 차후에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴 온되었을 때 빠져나가지 못하게 된다.FIG. 6 is a view illustrating a potential profile in the direction BB ′ of FIG. 5 when the transfer transistor Tx is turned off, and a potential well is formed due to an electric field applied to the
이 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 트랜지스터의 게이트 패터닝시에 마스크에 포토다이오드 영역(PD)과 STI막(22) 계면의 반도체 기판(21)상에 패턴을 추가하므로써 형성이 가능하다.The CMOS image sensor according to the present invention can be formed by adding a pattern on the
즉, 트랜지스터들의 게이트 형성을 위한 폴리실리콘막을 형성한 다음에 이를 패터닝하기 위한 포토 마스크 공정에서 포토다이오드 영역(PD)과 STI막(22) 계면상에도 폴리실리콘막이 잔류될 수 있도록 패터닝하므로써 형성이 가능하다.In other words, the polysilicon layer may be formed by forming a polysilicon layer for gate formation of the transistors and then patterning the polysilicon layer to remain on the interface of the photodiode region PD and the
그 외에는 통상적인 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 따르므로 별도로 설명하지 않을 것이다.Otherwise it will not be described separately because it follows the conventional method for manufacturing CMOS image sensor.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.The CMOS image sensor of the present invention and its manufacturing method as described above has the following effects.
첫째, 포토다이오드 영역과 SIT막의 계면에서 발생하는 전자가 외부로 빠져 나가지 못하도록 하여 씨모스 이미지 센서의 누설(leakage) 성분을 줄일 수 있다.First, the leakage component of the CMOS image sensor may be reduced by preventing electrons generated at the interface between the photodiode region and the SIT layer from escaping to the outside.
둘째, 씨모스 이미지 센서의 누설 성분을 줄일 수 있으므로 더욱 선명한 이미지 구현이 가능하다.Second, the leakage component of the CMOS image sensor can be reduced, enabling a clearer image.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the examples, but should be defined by the claims.
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