이미지센서 및 그 제조방법
专利汇可以提供이미지센서 및 그 제조방법专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PURPOSE: An image sensor and a method for fabricating the same are provided to restrain degradation of a characteristic of a pinned photo diode and prevent leakage current between pinned photo diodes. CONSTITUTION: A field stop dopant layer(203) and a field insulating layer(202) are formed on a P type silicon substrate(201). A mask pattern is formed on a boundary portion between the field insulating layer(202) and a photo diode region. A groove is formed by etching the silicon substrate(201). A P type dopant layer(206) is formed by implanting P type ions of high density and low energy. At this time, the P type dopant layer(206) is formed on a surface of the etched groove. An insulating layer(207) is buried into the groove(205). An N type dopant layer(208) is formed by implanting N type ions of low density and high energy. A pinned photo diode is formed by performing a thermal process.，下面是이미지센서 및 그 제조방법专利的具体信息内容。
이미지센서 및 그 제조방법{Image sensor and method for fabricating the same}
본 발명은 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode) 또는 베리드 포토다이오드라고 불리는 포토다이오드가 CMOS 트랜지스터와 함께 집적화된 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, CMOS 이미지센서 및 CCD(Charge Coupled Device)는 물론 광을 집적하고 그 광을 사용하여 소자를 동작시키거나 광의 센싱에 사용하는 모든 이미지 센싱 장치에 적용 가능하다.
잘 알려진 바와 같이, 이미지센서는 광감지소자로서 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode)와 상기 핀드 포토다이오드에 생성된 광전하(photo generated charge)를 전기적 신호로 처리하기 위한 모스트랜지스터들로 구성된다.
도1a 및 도1b는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여준다. 도면에서는 포토다이오드가 형성되는 영역만을 도시하였다.
도1a는 P형 실리콘기판(P-sub)(101)상에 통상의 LOCOS(local oxidation of silicon) 또는 STI(shallow trench isolation) 공정을 통해 소자분리막(필드산화막)(102)을 형성한 상태이다. 이때 소자분리막(102) 하부에는 소자간의 누설전류를 막기위하여 P형 불순물층인 필드스탑불순물층(103)이 형성된다.
이어서, 도1b는 포토다이오드가 형성될 영역(3a, 3b)이 오픈된 이온주입마스크(도면에 도시되지 않음)를 사용하여 저농도 고에너지 N타입 이온주입을 실시하여 기판 내부에 N형 불순물층(104)을 형성한 다음, 고농도 저에너지 P타입 이온주입을 실시하여 기판 표면 하부에 P형 불순물층(105)을 형성한 상태이다. 이후, 열공정에 의한 불순물 확산으로 P형실리콘기판/N형불순물층/P형불순물층으로 이루어진 핀드 포토다이오드가 형성되게 된다.
핀드 포토다이오드는 소스/드레인 PN 접합(Junction) 구조나 모스캐패시터 구조 등 다른 구조의 포토다이오드에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있으며, 그 장점중 하나가 공핍층의 깊이를 증가시킬 수 있어 입사된 광자(Photon)를 전자(Electron)로 바꾸어 주는 능력이 우수하다는 것이다(High Quantum Efficiency). 즉, PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 N영역이 완전공핍되면서 N영역을 개재하고 있는 두 개의 P영역으로 공핍층이 형성되므로 그 만큼 공핍층 깊이를 증가시켜 광전하생성효율(Quantum Efficiency)을 증가시킬 수 있다. 또한 이에 의해 광감도(Light Sensitivity)가 매우 우수하다.
그런데, 이러한 종래의 구조의 이미지센서는 소자분리막(102) 하부에 필드스탑불순물층(103)을 형성한다 하더라도 N형 불순물층(104)이 고에너지 이온주입되어 형성되기 때문에 이웃하는 단위화소의 핀드 포토다이오드 사이에 누설전류(LKG)가 발생되는 문제가 있다.
또한, 누설전류를 방지하기 위하여 필드스탑 이온주입을 심하게 실시하게 되면, 필드 스탑 불순물들이 포토다이오드 내부로 확산되어 포토다이오드의 특성을 악화시키게 된다.
본 발명은 핀드포토다이오드의 특성 악화를 억제하는 동시에 이웃하는 핀드포토다이오드들 간의 누설전류를 억제하는데 적합한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1a 및 도1b는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도,
도2a 내지 도2e는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도,
도3a 및 도3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도.
** 도면의 각부분에 대한 부호의 명칭 **
201 : 실리콘기판 202 : 필드절연막
203 : 필드스탑불순물층 204 : 마스크패턴
205 : 요부 206 : P형 불순물층
207 : 절연막 208 : N형 불순물층
상기 목적을 달성하기 위한 제1특징적인 본 발명의 이미지센서는, 제1도전형의 반도체기판; 상기 반도체기판에 국부적으로 형성된 필드절연막; 상기 필드절연막 하부의 반도체기판에 형성된 필드스탑불순물층; 상기 필드절연막과 핀드포토다이오드 영역의 경계부분에서 상기 반도체기판이 식각되어 형성된 요부; 상기 요부를 포함하는 핀드포토다이오드 영역의 반도체기판의 표면 하부에 형성된 제1도전형의 불순물층; 상기 요부내에 매립된 절연막; 및 상기 핀드포토다이오드 영역의 반도체기판 내부에 형성된 제2도전형의 불순물층을 포함하여 이루어진다.
또한 제2특징적인 본 발명의 이미지센서는 제1도전형의 반도체기판; 상기 반도체기판에 국부적으로 형성된 필드절연막; 상기 필드절연막 하부의 반도체기판에 형성된 필드스탑불순물층; 상기 필드절연막과 핀드포토다이오드 영역의 경계부분에서 상기 반도체기판이 식각되어 형성된 요부; 상기 요부내에 적층 매립된 절연막과 전도막; 상기 핀드포토다이오드 영역의 반도체기판의 표면 하부에 형성된 제1도전형의 불순물층; 및 상기 핀드포토다이오드 영역의 반도체기판 내부에 형성된 제2도전형의 불순물층을 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도이다.
도2a를 참조하면, P형 실리콘기판(201)에 통상의 소자분리 공정을 진행하여 필드스탑불순물층(203) 및 필드절연막(202)을 형성하고, 필드절연막(202)과 포토다이오드 영역의 경계부분에서 상기 실리콘기판이 노출되도록 마스크패턴(204)을 형성한다.
이어서, 도2b는 마스크패턴(204)을 식각베리어로하여 기판을 일정깊이 식각하여 요부(205)를 형성한다. 요부의 깊이 정도는 핀드포토다이오드의 N형 불순물층 깊이를 고려하여 결정하는 바, 되도록 N형 불순물층의 깊이 보다 크게하여야만 누설전류를 차단하는데 좋다.
이어서, 도2c에 도시된 바와 같이 고농도 저에너지 P타입 이온주입을 실시하여 기판 표면 하부에 P형 불순물층(206)을 형성한다. 이때 기판이 식각된 요부(205)의 각 표면에서도 P형 불순물층(206)이 형성되기 때문에 측면으로의 누설전류 방지에 유리하다.
이어서, 도2d와 같이 상기 요부(205) 내에 절연막(207)를 매립하고, 도2e와 같이 저농도 고에너지 N타입 이온주입을 실시하여 기판 내부에 N형 불순물층(208)을 형성한다. 이후, 열공정에 의한 불순물 확산으로 P형실리콘기판/N형불순물층/P형불순물층으로 이루어진 핀드포토다이오드가 형성되게 된다.
도2e에 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지센서는 소자분리막(202)과 핀드포토다이오드의 경계부위영역에 실리콘기판 내부로 형성된 절연막(207)이 존재하기 때문에, 필드스탑불순물층(203)의 깊이 및 농도가 낮다 하더라도 이웃하는 핀드포토다이오드들 사이의 누설전류가 상기 절연막(207)에 의해 억제 또는 방지되게 된다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도이다.
도3a를 참조하면, P형 실리콘기판(P-sub)(301)에 국부적으로 필드스탑이온주입층(303) 및 소자분리막(302)을 형성한다. 이어서, 소자분리막(302)과 핀드포토다이오드가 형성될 영역의 경계영역에 부분에서 실리콘기판을 일정깊이 식각하여 요부를 형성한 다음, 상기 요부에 절연막(311) 및 전도막(312)을 적층 매립한다. 이때 핀드포토다이오드영역의 기판 표면은 절연막(311) 및 전도막(312)이 오픈된다. 절연막 및 전도막은 별도의절연막 및 전도막을 추가사용할 필요없이 기존에 사용되는 트랜지스터 형성용 게이트절연막 및 게이트전도막으로 이용할 수 있다. 이때는 마스크만을 변형하면 된다. 트랜지스터 구성은 본 단면에 도시되어 있지 않다.
도3b는 저농도 고에너지로 N형 불순물을 이온주입하고, 고농도 저에너지로 P형 불순물을 이온주입하여, N형 불순물층(308)과 P형 불순물층(306)을 형성한다. 이후 열공정을 통해 불순물들을 확산시켜 P형실리콘기판/N형불순물층/P형불순물층으로 이루어진 핀드포토다이오드를 형성한다.
이후, 필드절연막(202) 상부의 게이트전도막(312)에 예컨대 Vcc와 같은 전원을 연결한다.
도3b에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지센서는 핀드포토다이오드에서 발생하는 전자-정공쌍이 주위의 핀드포토다이오드로 누설되는 것을 방지할수 있고, 커패시터의 역할을 하게 되어 핀드포토다이오드지역의 신호를 외부로 읽을 경우 이곳에 저장된 전하를 사용할수 있으므로 핀드포토다이오드의 효율을 증대시킬수 있게 된다.
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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 이미지센서 구조는, 종래의 방법에 비하여 이웃하는 핀드포토다이오드간의 누설전류를 억제시켜 소자의 특성을 향상시킬수 있고, 핀드포토다이오드만을 분리하여 특성 변경을 할수 있는 공정마진을 얻을수 있다. 또한 전하축전용량을 손실없이 사용할수 있으므로 핀드포토다이오드의 특성을 향상시킬수 있게 된다.
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