KR20070040958A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20070040958A
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강영수
이준현
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매그나칩 반도체 유한회사
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Abstract

본 발명은 암전류 발생을 억제하여 포토 다이오드의 감광도를 개선시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 국부적으로 소자분리막이 형성된 제1 도전형의 기판과, 상기 소자분리막과 상기 기판 간의 계면을 따라 형성된 제2 도전형의 제1 확산영역과, 상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제2 확산영역과, 상기 제2 확산영역 상부 표면에 형성된 제1 도전형의 제3 확산영역과, 상기 제1 확산영역에 역바이어스를 인가하도록 상기 제1 확산영역과 연결된 컨택층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
CMOS, 이미지센서, 암전류, PN 접합, 역바이어스.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 따른 포토 다이오드의 PN 접합(Junction)에서 순바이어스 및 역바이어스를 인가하였을 때의 그래프.
도 2는 종래 기술에 따른 PN 접합에 역바이어스를 인가하였을 때 형성되는 공핍층을 도시한 도면.
도 3은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 핀드 포토 다이오드(Pinned photo diode)를 도시한 도면.
도 4는 종래 기술에 따라 바이어스 전압을 증가시킬 때의 피닝 전압을 나타낸 그래프.
도 5는 현재 CMOS 이미지 센서에서 사용하고 있는 포토 다이오드를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
C : 공핍층
210, 310, 410 : 에피층
311, 411 : N+ 확산영역
211, 312, 412 : 소자분리막
213, 313, 413 : 게이트 전극
215, 315, 415 : N- 확산영역
217, 317, 417 : P0 확산영역
217a, 317a, 417a : 피닝 레이어
218, 318, 418 : 플로팅확산영역
319, 420 : 컨택플러그
320, 421 : 금속배선
321, 422 : 컨택층
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 P/N/P형 핀드 포토 다이오드를 구비하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 및 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다.
이러한 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전술한 바와 같이 CCD와 CMOS 이미지 센서가 개발되어 널리 상용화되어 있다. 특히, 최근에 널리 활용되고 있는 CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 게이트로 입력되는 4개의 NMOSFET으로 구성된다.
이하에서는, 이러한 CMOS 이미지 센서를 구성하는 포토 다이오드에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 PN 접합(Junction)에서 순바이어스 및 역바이어스를 인가하였을 때의 그래프이다. 도 1에서 'A'는 빛이 없을 경우를 나타내고, 'B'는 빛이 있을 경우를 나타낸다. 보통, CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드는 역바이어스 영역('R' 부위 참조)을 이용하는데, 역바이어스에서 애벌런치 전압(avalanche voltage)은 최대 50V이며, 50V 이상이 되면 PN 접합이 파괴되기 때문에 CMOS 이미지 센서의 경우 애벌런치 전압을 2V 이하로 한다.
또한, 도 2에서와 같이 반도체 기판의 PN 영역에 역바이어스를 인가하게 되면 P 영역에 있는 전자는 N 영역으로, N 영역에 있는 전하는 P 영역으로 보내지게 된다. 이때, 전압을 증가시키게 되면 전자와 전하의 공유가 없기 때문에 가전자와 가전하 사이가 멀어지게 되는데, 이 영역을 공핍층(Depletion layer, 'C' 부위 참조)이라 하고, 공핍층(C)의 내부 캐패시턴스(Capacitance)를 공핍층 정전용량이라 한다.
보통, CMOS 이미지 센서에서는 PNP 다이오드를 사용하는데 도 3에서와 같이 여기에 역바이어스를 인가하게 되면 N 영역이 점차 작아지게 되고, 이후에는 더이상 작아지지 않게 된다. 이때의 전압을 CMOS 이미지 센서에서는 피닝 전압(Pining voltage)이라 한다. 또한, 피닝 전압을 사용하고 있는 포토 다이오드를 CMOS 이미지 센서에서는 핀드 포토 다이오드(Pinned photo diode)라 하고, 피닝 전압에서의 N 영역을 피닝 레이어(Pining layer)라 한다.
한편, 바이어스 전압을 증가시킬 때 도 4의 150과 같이 N 영역이 더이상 작아지지 않는 경우를 피닝 레이어가 포화(saturation)되었다고 하며, 151을 소위 피닝 전압이라 한다.
도 5는 현재 CMOS 이미지 센서에서 사용하고 있는 포토 다이오드를 나타내는 단면도이다. 이는, 포토 다이오드를 P/N/P형 핀드 포토다이오드로 구성한 경우를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 소자분리막(211)이 형성된 P+ 기판(미도시)에 에피택셜 성장된 P- 에피층(210)이 형성되고, 이 P- 에피층(210) 내부에 N- 확산영역(215)이 형성되고, 이 N- 확산영역(215) 상부의 P- 에피층(210) 내에 P0 확산영역(217)이 형성되어 구성된다. 그리고, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(213)의 타측단 기판에는 플로팅확산영역(Floating Diffusion region, 218)이 형성된다.
이때, N 영역(즉, N- 확산영역)에 (+) 전압을 인가하고 P 영역(즉, P- 에피층 및 P0 확산영역(210, 217))에 (-) 전압을 인가하게 되면, N- 확산영역(215) 상부 표면에 피닝 레이어(217a)가 형성된다. 즉, 앞서 언급한 바와 같이 PNP 구조에서 역바이어스를 걸어주게 되면 각각의 PN/NP 영역에 공핍층이 형성되면서 N 영역이 작아지게 되고, 후에 N 영역은 중성영역, 즉 피닝 레이어(217a)가 되어 전자의 이동이 없게 된다. 이렇게 피닝 레이어(217a)가 형성이 되면, P0 확산영역(217)에 트랩된(Trapped) 전자와 기판의 어택(attack)에 의해 생성된 불필요한 전자 등이 N- 확산영역(215)으로 이동하지 않게 된다.
그러나, 종래와 같이 구성된 핀드 포토 다이오드는 소자분리막(211) 형성시 데미지를 입은 부위의 기판에 트랩되어있던 전자가 소자분리막(211) 일측의 기판을 따라 포토 다이오드 영역인 N- 확산영역(215)으로 흐르게 된다('D' 부위 참조). 이는 곧 암전류(Dark current)가 되어 포토 다이오드의 감광도(sensitivity)를 저하시키는 주요 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 암전류 발생을 억제하여 포토 다이오드의 감광도를 개선시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 국부적으로 소자분리막이 형성된 제1 도전형의 기판과, 상기 소자분리막과 상기 기판 간의 계면을 따라 형성된 제2 도전형의 제1 확산영역과, 상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제2 확산영역과, 상기 제2 확산영역 상부 표면에 형성된 제1 도전형의 제3 확산영역과, 상기 제1 확산영역에 역바이어스를 인가하도록 상기 제1 확산영역과 연결된 컨택층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 기판에 국부적으로 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치와 상기 기판 간의 계면을 따라 제2 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되 는 소자분리막을 형성하는 단계와, 상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 기판 내에 제2 도전형의 제2 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 제2 확산영역의 상부 표면에 제1 도전형의 제3 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 제1 확산영역에 역바이어스를 인가하도록 상기 제1 확산영역과 연결되는 컨택층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
상기한 본 발명에 따르면, 소자분리막과 기판 간의 계면을 따라 기판과 다른 도전형의 확산영역을 형성하고 이 확산영역과 직접적으로 연결되는 컨택층에 역바이어스를 인가함으로써, 소자분리막 쪽으로 전자를 끌어들여 전자를 확산영역 내에 잡아둘수 있게 된다. 따라서, 기판의 어택 부위에 트랩되어져 있던 전자들이 포토 다이오드 영역으로 흐르는 것을 방지하여 암전류의 흐름을 억제할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예 1
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 핀드 포토 다이오드 형성방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 고농도의 P+ 반도체 기판(미도시) 상부에 P- 에피층(310)을 에피택셜 성장시킨다. 여기서, 반도체 기판 및 에피층(310)은 이와 반대의 N형으로 도핑되어 있을 수도 있다.
이어서, STI(Shallow Trench Isolation)공정을 실시하여 소자 분리용 트렌치(미도시)를 형성하고, 트렌치를 오픈시키는 구조의 감광막 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하여 제1 확산영역(311)을 형성한다. 이때, 제1 확산영역(311)은 에피층(310)과 반대의 도전형으로 도핑시킨다. 예컨대, 감광막 패턴을 마스크로 이용한 고농도의 N+ 이온주입공정을 실시하여 N+ 확산영역(311)을 형성한다.
이어서, 트렌치가 매립되도록 매립특성이 우수한 절연막을 증착 및 평탄화하여 소자분리막(312)을 형성한다. 예컨대, 소자분리막(312)은 HDP(High Density Plasma) 산화막 또는 에피텍시얼 성장(epitaxial growth)된 폴리 실리콘막을 이용한다.
이어서, 에피층(310) 상에 게이트 절연막(미도시) 및 게이트 폴리실리콘(미도시)을 형성한 후, 이를 식각하여 에피층(310) 상의 일부 영역에 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(313)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 이온주입공정을 실시하여 N+ 확산영역(311)과 일정거 리 이격되도록 N+ 확산영역(311)과 게이트 전극(313) 간의 에피층(310) 내에 제2 확산영역(315)을 형성한다. 이때, 제2 확산영역(315)은 제1 확산영역(311)과 동일한 도전형으로 도핑시킨다. 예컨대, 포토 다이오드 영역이 오픈된 구조의 감광막 패턴을 마스크로 이용한 저농도의 N- 이온주입공정을 실시하여 N- 확산영역(315)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 이온주입공정을 실시하여 N- 확산영역(315) 상부 표면에 제3 확산영역(317)을 형성한다. 이때, 제3 확산영역(317)은 에피층(310)과 동일한 도전형으로 도핑시킨다. 예컨대, 포토 다이오드 영역이 오픈된 구조의 감광막 패턴을 마스크로 이용한 P0 이온주입공정을 실시하여 P0 확산영역(317)을 형성한다. 이로써, 포토 다이오드 영역에는 P/N/P형 핀드 포토 다이오드가 완성된다.
이때, N 영역인 N- 확산영역(315)에 (+) 전압을 인가하고 P 영역인 에피층(310) 및 P0 확산영역(317)에 (-) 전압을 인가하면 종래 기술에서 언급한 바와 같이 N- 확산영역(315) 상부 표면에 피닝 레이어(317a)가 형성되는 것이다.
이어서, 마스크공정 및 이온주입공정을 실시하여 게이트 전극(313)을 기준으로 P0 확산영역(317) 반대측 에피층(310) 내에 플로팅확산영역(318)을 형성한다.
이어서, 컨택플러그 및 금속배선 형성공정을 실시하여 소자분리막(312)을 관통하는 컨택층(321)을 형성한다. 예컨대, 소자분리막(312)의 일부를 식각하여 컨택 홀(미도시)을 형성하고 이를 매립하는 컨택플러그(319)를 형성한 다음, 컨택플러그(319)와 전기적으로 연결되는 금속배선(320)을 형성한다.
이때, 금속배선(320)에는 역바이어스 전압이 인가된다. 예컨대, N+ 확산영역(311)에는 (+) 전압을 인가한다. 이에 따라, N+ 확산영역(311)의 전자가 소자분리막(312)의 표면으로 몰리게 되므로, 전자가 인접한 N- 확산영역(315)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이는, 포토 다이오드로의 암전류 흐름을 방지하는 것이다.
실시예 2
도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 본 발명의 바람직한 제1 실시예와 컨택층(321) 형성 부위만이 다르다. 따라서, 여기서는 컨택층(321) 형성 이전의 공정에 대한 설명을 생략하기로 한다.
즉, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따르면, 제1 확산영역(411)에 역바이어스 전압을 인가하기 위한 컨택층(422)을 소자분리막(412)의 내부가 아닌 제1 확산영역(411)과 대응되는 영역의 에피층(410) 상에 형성한다. 이때, 컨택층(422)은 컨택플러그(420) 및 금속배선(421)으로 이루어지고, 컨택플러그(420)는 게이트 전극(413)을 덮는 층간절연막(419) 내에 형성된다.
여기서, 제2 확산영역(415), 제3 확산영역(417) 및 플로팅확산영역(418)은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에서와 동일하게 형성되고, N 영역 및 P 영역에 가해지는 바이어스 전압에 의해 핀드 포토 다이오에는 핀드 레이어(417a)가 형성된 다.
이후, 이미 공지된 기술을 통해 금속배선 공정, 칼라필터 형성공정, 마이크로 렌즈 형성공정과 같은 후속 공정을 순차적으로 진행하여 CMOS 이미지 센서를 완성한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 소자분리막과 기판 간의 계면을 따라 기판과 다른 도전형의 확산영역을 형성하고 이 확산영역과 직접적으로 연결되는 컨택층에 역바이어스를 인가함으로써, 소자분리막 쪽으로 전자를 끌어들여 전자를 확산영역 내에 잡아둘수 있게 된다. 따라서, 기판의 어택 부위에 트랩되어져 있던 전자들이 상기 확산영역과 이웃한 포토 다이오드 영역으로 흐르는 것을 방지하여 암전류의 흐름을 억제할 수 있다. 이를 통해, 이미지 센서를 이루는 포토 다이오드의 광감도 특성을 개선시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 국부적으로 소자분리막이 형성된 제1 도전형의 기판;
    상기 소자분리막과 상기 기판 간의 계면을 따라 형성된 제2 도전형의 제1 확산영역;
    상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제2 확산영역;
    상기 제2 확산영역 상부 표면에 형성된 제1 도전형의 제3 확산영역; 및
    상기 제1 확산영역에 역바이어스를 인가하도록 상기 제1 확산영역과 연결된 컨택층
    을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨택층은 상기 제1 확산영역과 연결되도록 상기 소자분리막을 관통하여 형성된 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨택층은 상기 제1 확산영역과 연결되도록 상기 제1 확산영역과 대응되 는 영역의 상기 기판 상에 형성된 이미지 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 상에 상기 제1 및 제2 확산영역을 감싸도록 제1 도전형의 에피층이 적층된 구조로 형성된 이미지 센서.
  5. 제1 도전형의 기판에 국부적으로 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치와 상기 기판 간의 계면을 따라 제2 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계;
    상기 트렌치가 매립되는 소자분리막을 형성하는 단계;
    상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 기판 내에 제2 도전형의 제2 확산영역을 형성하는 단계;
    상기 제2 확산영역의 상부 표면에 제1 도전형의 제3 확산영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 확산영역에 역바이어스를 인가하도록 상기 제1 확산영역과 연결되는 컨택층을 형성하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컨택층은 상기 제1 확산영역과 연결되도록 상기 소자분리막을 관통하여 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 컨택층은 상기 제1 확산영역과 연결되도록 상기 제1 확산영역과 대응되는 영역의 상기 기판 상에 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 컨택층을 형성하는 단계는 컨택 플러그 및 금속배선 형성공정을 순차적으로 실시하여 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 트렌치를 형성하기 전, 상기 기판 상부에 제1 도전형의 에피층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 에피층 내에 형성하는 이미지 센서 제조방법.
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