KR20020055120A - 포토다이오드 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 동일 면적하에서 포토다이오드의 캐패시턴스를 극대화하기 위해서 벌크 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하고, 트렌치 영역에 에피택셜층을 형성함으로써 포토다이오드의 면적을 증가시키는데 그 특징이 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압(VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법의 문제점을 설명한다.
먼저 도 2a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(20)에 형성된 p형 에피택셜층(21)에 소자분리를 위한 필드산화막(22)을 형성하고, 반도체 기판(20) 상에 게이트 절연막(23) 및 게이트 전극(24)을 형성하고, 포토다이오드 영역을 노출시키는 감광막 패턴(PR)을 형성하고, 이를 이온주입 마스크로 이용하여 게이트 전극(24) 일단의 상기 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(25)을 형성한다.
다음으로 상기 감광막 패턴(PR)을 제거하고, 도 2b에 도시한 바와 같이 게이트 전극(34) 측벽에 절연막 스페이서(26)를 형성하고, 상기 n형 불순물 영역(25) 상부의 상기 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(27)을 형성한 다음, 게이트 전극(33) 타단의 상기 에피택셜층(21) 내에 고농도 불순물 이온주입을 실시하여 n형의 플로팅 확산영역(28)을 형성하면서 트랜지스터의 고농도 소오스 드레인을 형성한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 방법은 p형 반도체 기판(20)과 p형 에피택셜층(21)이 중첩된 에피 웨이퍼(epi-wafer)를 사용하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 사이에 두고 플로팅 확산영역(28)의 반대쪽에 p형 불순물 영역(37) 및 n형 불순물 영역(35)을 형성하여 포토다이오드를 형성하고 있다.
이러한 종래 이미지 센서 제조 방법은 소자의 집적도가 향상될수록 포토다이오드의 면적을 확보하기가 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
30: 반도체 기판 32: 게이트 절연막
33: 게이트 전극 34: 보호 산화막
35: 산화막 스페이서 36: 장벽산화막
37: p형 에피택셜층 38: n형 불순물 영역
39: p형 불순물 영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 내에 형성된 트렌치; 및 상기 트렌치 저면 및 상기 트렌치 측면 상에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 에피택셜층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 일단의 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 내에 형성된 트렌치; 상기 트렌치 저면 및 상기 트렌치 측면 상에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 에피택셜층; 및 상기 반도체 기판, 상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 저면 및 측면 상에 에피택셜층을 형성하는 단계; 상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 영역을형성하는 단계; 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 상에, 그 상부 표면이 보호막으로 덮인 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 단계; 전체 구조 상에 장벽층을 형성하는 단계; 포토다이오드 영역의 상기 장벽층 및 상기 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 저면 및 측면 상에 에피택셜층을 형성하는 단계; 상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 동일 면적하에서 포토다이오드의 캐패시턴스를 극대화하기 위해서, 벌크 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하고, 트렌치 영역에 에피택셜층을 형성함으로써 포토다이오드의 면적을 증가시키는데 그 특징이 있다.
이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서제조 방법을 설명한다.
먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(30)에 소자분리를 위한 필드산화막(31)을 형성하고, 반도체 기판(30) 상에 산화막, 전도막 및 산화막을 적층하여 게이트 산화막(32) 및 게이트 전극(33)을 형성하면서 게이트 전극(33) 상부 표면이 보호 산화막(34)으로 덮이도록 하고, 게이트 전극(33)의 양측벽에 산화막 스페이서(35)를 형성한 다음, 전체 구조 상에 장벽 산화막(barrier oxide, 36)을 형성하고, 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판(30)을 노출시키는 감광막 패턴(PR)을 형성한다.
다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(PR)을 식각마스크로 이용하여 상기 포토다이오드 영역의 상기 장벽산화막(36) 및 상기 반도체 기판(30)을 식각해서 트렌치(t)를 형성하고, 상기 감광막 패턴(PR)을 제거한다. 이러한 과정에서 포토다이오드 영역 이외의 반도체 기판(30) 표면은 장벽산화막(36)으로 덮여있게 된다.
이어서 도 3c에 보이는 바와 같이, 에피택셜 성장을 실시하여 포토다이오드 영역의 트렌치 각 표면에 p형 에피택셜층(37)을 형성한다.
다음으로 도 3d에 도시한 바와 같이, 에피택셜층(37)과 그 하부의 반도체 기판(30) 내에 n형 불순물 영역(38)을 형성하고 n형 불순물 영역(38) 상의 상기 에피택셜층(37) 상에 p형 불순물 영역(39)을 형성한 다음, 열처리 공정을 실시한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 포토다이오드 영역의 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하고, 트렌치 저면 및 측면 상에 에피택셜층을 형성함으로써 포토다이오드의 면적을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 동일한 웨이퍼 면적을 이용하여 포토다이오드의 면적을 증가시킬 수 있어 이미지 센서의 광감도 향상을 기대할 수 있다. 또한, 적층형(stack type) 포토다이오드를 형성함으로써 고집적 이미지 센서의 제조를 기대할 수 있다.
Claims (5)
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 내에 형성된 트렌치; 및상기 트렌치 저면 및 상기 트렌치 측면 상에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 에피택셜층을 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극;상기 게이트 전극 일단의 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 내에 형성된 트렌치;상기 트렌치 저면 및 상기 트렌치 측면 상에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 에피택셜층; 및상기 반도체 기판, 상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역에 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 저면 및 측면 상에 에피택셜층을 형성하는 단계;상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 및상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판 상에, 그 상부 표면이 보호막으로 덮인 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 단계;전체 구조 상에 장벽층을 형성하는 단계;포토다이오드 영역의 상기 장벽층 및 상기 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 저면 및 측면 상에 에피택셜층을 형성하는 단계;상기 에피택셜층 및 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 및상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 보호막 및 장벽층 각각을 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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