KR100390836B1 - 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬수 있는 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 양측면에 스페이서를 형성한 후, 상기 게이트 전극에 자기정렬되는 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기 위한 이온주입 마스크를 형성하고, 상대적으로 낮은 이온주입 에너지를 가하며 경사진 1차 이온주입을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극의 하부에까지 확장되어 중첩되는 n형 불순물 영역을 형성한다. 이에 따라 포토다이오드 표면의 n형 불순물 도핑 농도가 포토다이오드 내부와 유사하게 되도록 할 수 있고, p형 불순물층의 확산에 의한 전위 장벽 형성을 예방할 수 있으며, 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극에 유리한 전위구배가 발달되어 전하운송 효율을 향상시킬 수 있다. 이후, 상기 1차 이온주입 공정에서 보다 높은 에너지로 경사없이 2차 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드의 용량을 충분히 확보할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 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. 4개의 NMOS트랜지스터 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.
도 2a 및 도2b는 종래 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 형성 과정을 보이는 단면도이다.
도 2a는 p형 반도체 기판(20) 상에 p형 에피택셜층(21)을 형성하고, 에피택셜층(21)에 소자분리막(22), 게이트 절연막(23) 및 게이트 전극(24)을 형성하고, 포토다이오드 영역의 상기 에피택셜층(21)을 노출시키는 제1 감광막 패턴(PR1)을 형성하고 이를 이온주입 마스크로 이용하여 포토다이오드의 n형 불순물 영역(25)을 형성하는 상태를 보이고 있다. 도2a에서 A-A'선은 n형 불순물 영역(25)의 최고 농도 지점을 나타낸다.
도 2b는 상기 제1 감광막 패턴(PR)을 제거하고 상기 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(26)를 형성한 다음, 게이트 전극(24) 타단의 에피택셜층(21) 내에n형 불순물을 이온주입하여 플로팅 확산영역(27)을 형성하고, 포토다이오드 영역의 상기 에피택셜층(21)을 노출시키는 제2 감광막 패턴(PR2)을 형성하고 이를 이온주입 마스크로 이용하여 n형 불순물 영역(22) 상부의 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(28)을 형성한 것을 보이고 있다. 도2a에서 B-B'선은 n형 불순물 영역(25)의 농도분포를 나타낸다. 도 2b에서 도면부호 'A'는 포토다이오드(PD) 영역에서 플로팅 확산영역(27)으로의 확산에 의한 장벽(barrier) 형성을 보이고, 'B'는 공핍 영역을 나타낸다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 방법은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트전극(24) 일단 즉, 포토다이오드 영역에 자기정렬(self align)된 n형 불순물 영역(25)을 형성하고, 절연막 스페이서(26)를 형성한 후, p형 불순물 영역(28)을 형성함으로써 PNP 구조의 포토다이오드를 형성한다. 이러한 과정에 따라 형성된 포토다이오드의 p형 불순물 영역(28)은 확산으로 인해 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 아래를 지나서 센싱영역인 플로팅 확산에 이르는 전하운송 통로에 도 3에 보이는 바와 같이 전위 장벽(C)을 형성하여 전하운송을 방해한다. 또한, 포토다이오드 표면에서의 농도가 내부에 비해 작으므로 n형 불순물 영역의 최고 농도를 갖는 지점에 비해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 가까운 표면의 n형 불순물층이 포토다이오드 보다 빨리 공핍되기 때문에 전하운송을 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 동작시킬 때 n형 불순물 영역에서의 전하운송에 도움을 주는 전위구배(fringing field) 발달되지 못하여 완전한 전하운송에 방해가 되고 이와 같은 문제 때문에 n형을 보다 깊게 형성할 수 없어 포토다이오드의 용량을 충분히 확보하지 못하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 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 3은 종래 이미지 센서에서 포토다이오드로부터 플로팅 확산영역으로의 전하 이동을 보이는 설명도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에서 포토다이오드로부터 플로팅 확산영역으로의 전하 이동을 보이는 설명도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
40: 반도체 기판 41: p형 에피택셜층
46: n형 플로팅 확산 영역 47: n형 불순물 영역
48: p형 불순물 영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드에서 발생된 전자를 플로팅 확산영역으로 전송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 포토다이오드에서 상기 플로팅 확산영역 방향으로 경사 이온주입을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극의 하부에까지 확장되어 중첩되는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 수직 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계; 및 상기 제1 불순물 영역 상에 제1 도전형의 제3 불순물 영역을 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 양측면에 스페이서를 형성한 후, 상기 게이트 전극에 자기정렬되는 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기위한 이온주입 마스크를 형성하고, 상대적으로 낮은 이온주입 에너지를 가하며 경사진 1차 이온주입을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극과 중첩되는 n형 불순물 영역을 형상한다. 이에 따라 포토다이오드 표면의 n형 불순물 도핑 농도가 포토다이오드 내부와 유사하게 되도록 할 수 있고, p형 불순물층의 확산에 의한 전위 장벽 형성을 예방할 수 있고, 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극에 유리한 전위구배(fringing field)가 발달되어 전하운송 효율을 향상시킬 수 있다. 이후, 상기 1차 이온주입 공정에서 보다 높은 에너지로 경사없이 2차 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드의 용량을 충분히 확보할 수 있게 한다. 이후 n형 불순물 영역 상에 p형 불순물 영역 형성을 위한 이온주입 공정을 바로 진행할 수 있어 p형 불순물 영역 형성을 위한 별도의 이온주입 마스크 형성 및 제거 공정을 생략할 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(40)에 p형 에피택셜층(41) 및 소자분리막(42)을 형성하고, 상기 에피택셜층(41) 상에 게이트 절연막(43) 및 게이트 전극(44)을 형성하고, 포토다이오드 영역 및 그 주변의 게이트 전극(44) 일부를 노출시키는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고, 포토다이오드에서 플로팅 확산영역 방향으로 약 3°내지 5 ° 정도 경사를 이루며 140 KeV 내지 160 KeV의 에너지로 이온을 주입하는 1차 이온주입 공정을 실시하여 게이트 전극(44) 일단의 상기 에피택셜층(41) 내에 그 단부가 상기 게이트 전극(44)의 아래까지 확장되어 중첩되는 제1 n형 불순물 영역(47A)을 형성한다. 이러한 공정에 따라 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(44) 하부에까지 제1 n형 불순물 영역(47A)이 확장됨에 따라 그 후 제1 n형 불순물 영역(47A) 상에 p형 불순물 영역을 형성함에 따른 전위 장벽 형성을 예방할 수 있다. 또한, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 하부에까지 n형 불순물영역이 확장되어 형성됨으로써 도 5에 보이는 바와 같이 포토다이오드(PD) 내의 전자를 센싱영역인 플로팅 확산영역(FD)으로 전달하는데 유리한 전위구배가 발달되어 전하 운송 효율을 향상시킬 수 있다.
이후 상기 1차 이온주입 공정의 경우보다 더 높은 180 KeV 내지 200 KeV의 에너지로 경사없이 이온주입 공정을 실시하여 제1 n형 불순물 영역(47A) 보다 깊은 제2 n형 불순물 영역(47B)을 형성한다. 즉, 제1 n형 불순물 영역(47A)의 깊이(d1)는 제2 n형 불순물 영역(47B)의 깊이(d2)만큼 깊어진다. 이에 따라 포토다이오드의 용량 증가를 기대할 수 있다.
계속하여 도 4c에 보이는 바와 같이 제2 n형 불순물 영역(47B) 상부에 p형 불순물 영역(48) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한다. 도 4c에서 미설명 도면부호 'D' 및 'E'는 각각 공핍영역을 나타내고, 'F'는 프린징 필드(fringing field)로 역할하는 영역을 나타낸다.
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 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기 위한 이온주입 공정시 1차로 경사 이온주입을 실시하여 포토다이오드 표면의 농도 분포가 내부와 유사해지도록 하고, 2차 이온주입 공정에서는 수직으로 1차 이온주입 공정에서 보다 상대적으로 높은 에너지를 가하여 깊게 이온을 주입하여 포토다이오드의 용량을 향상시킬 수 있다.
Claims (5)
- 포토다이오드에서 발생된 전자를 플로팅 확산영역으로 전송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계;상기 포토다이오드에서 상기 플로팅 확산영역 방향으로 경사 이온주입을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극의 하부에까지 확장되어 상기 게이트 전극과 중첩되는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계;상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 수직 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계; 및상기 제1 불순물 영역 상에 제1 도전형의 제3 불순물 영역을 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 단계에서,약 3°내지 5 °의 경사로 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제2 단계에서,140 KeV 내지 160 KeV의 에너지로 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제3 단계에서,180 KeV 내지 200 KeV의 에너지로 이온주입 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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