KR100538378B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전하운송 효율을 향상시킴과 동시에 포토다이오드의 면적을 증가시켜 충분한 동적범위를 확보할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판과, 상기 트랜지스터 영역의 기판 상부에 형성된 전송 게이트와, 상기 포토다이오드 영역의 기판 내부에 형성된 제 2 도전형의 제 1 불순물영역과, 상기 포토다이오드 영역의 기판 표면에 형성된 제 1 도전형의 제 2 불순물영역을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 불순물영역은 각각 상기 전송 게이트와 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
Description
본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 PNP 구조의 포토다이오드를 구비한 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서의 경우에는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.
이미지센서의 단위화소는 광감지 부분인 포토다이오드와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는데, 4개의 NMOS 트랜지스터 중 전송(Transfer) 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋(Reset) 트랜지스터는 신호검출을 위해 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 구동(Drive) 트랜지스터는 소스팔로워(Source Follower) 역할을 하여, 선택(Selective) 트랜지스터는 스위칭(Switching) 및 어드레싱 (Addressing) 역할을 한다.
이러한 종래 이미지센서의 제조방법을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a를 참조하면, 포토다이오드 및 트랜지스터 영역이 정의된 P형 반도체 기판(10) 상에 패드 산화막(11)과 패드 질화막(12)을 순차적으로 증착하고 패터닝하여 기판(10)의 일부를 노출시키는 절연막 패턴(100)을 형성한 후, 절연막 패턴(100)을 마스크로하여 노출된 기판(10)을 식각하여 소정 깊이의 트렌치(13)를 형성한다.
도 1b를 참조하면, 트렌치(13)를 매립하도록 산화막을 증착하고 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)에 의해 평탄화를 수행하여 소자분리막(14)을 형성한 후 절연막 패턴(100)을 제거한다. 그 다음, 트랜지스터 영역의 기판(10) 상에는 게이트 절연막(15)과 게이트(16)를 형성하고 기판(10) 표면에는 소오스/드레인의 N＋ 접합영역(17)을 형성하여 NMOS 트랜지스터를 형성한다. 여기서, 포토다이오드 영역에 인접한 N＋ 접합영역(17)은 플로팅 확산영역으로 작용하고, 게이트(16)는 전송 게이트이다.
그 후, 포토다이오드 영역의 기판(10) 내부에 딥(deep) N- 불순물영역(18)을 형성하고, 게이트(16) 측벽에 질화막 스페이서(19)를 형성한 다음, 포토다이오드 영역의 기판(10) 표면에 P0 불순물 영역(20)을 형성하여 PNP 구조의 포토다이오드를 형성한다. 그 후, 도시되지는 않았지만, 배선, 칼라필터 및 마이크로렌즈 등의 후속 공정을 수행한다.
그러나, 상술한 PNP 구조의 포토다이오드를 가지는 CMOS 이미지센서에서는, 소자 동작 시 P0 불순물 영역(20)의 확산이 발생하여 포토다이오드로부터 전송 게이트(16) 하부를 지나 플로팅 확산영역(17)에 이르는 전하운송통로에 전위장벽을 형성하여 전하운송을 방해함으로써 전하운송 효율을 저하시키게 된다.
또한, 고집적화로 인해 포토다이오드의 면적이 점점 더 감소되면서 충분한 동적범위(dynamic range)를 확보하기가 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전하운송 효율을 향상시킴과 동시에 포토다이오드의 면적을 증가시켜 충분한 동적범위를 확보할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판과, 상기 트랜지스터 영역의 기판 상부에 형성된 전송 게이트와, 상기 포토다이오드 영역의 기판 내부에 형성된 제 2 도전형의 제 1 불순물영역과, 상기 포토다이오드 영역의 기판 표면에 형성된 제 1 도전형의 제 2 불순물영역을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 불순물영역은 각각 상기 전송 게이트와 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적은 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판 상에 기판을 일부 노출시키는 제 1 절연막 패턴을 형성하는 단계; 제 1 절연막 패턴을 마스크로하여 기판을 식각하여 소정 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 트렌치에만 소자분리막을 형성하는 단계; 트랜지스터 영역과 소정 간격 이격되면서 포토다이오드 영역을 마스킹하도록 제 1 절연막 패턴을 패터닝하여 제 2 절연막 패턴을 형성하는 단계; 트랜지스터 영역에 전송 게이트를 형성하는 단계; 제 2 절연막 패턴을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판 내부에 전송 게이트에 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 제 2 도전형 불순물영역을 형성하는 단계; 제 2 절연막 패턴을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 1 불순물영역을 형성하는 단계; 전송 게이트 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및 제 2 절연막 패턴 및 스페이서를 이용하여 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 2 불순물을 형성하여, 전송 게이트에 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 제 1 도전형 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 절연막 패턴은 패드 산화막과 패드 질화막이 순차적으로 적층된 막으로 이루어지고, 이때 패드 산화막은 약 100Å 이하의 두께를 가지고, 패드 질화막은 1400 내지 1500Å 이하의 두께를 가지며, 스페이서는 질화막 또는 산화막으로 이루어진다.
또한, 제 1 도전형 제 1 불순물영역은 포토다이오드 영역을 오픈시키는 마스크를 이용한 이온주입에 의해 형성하고, 제 1 도전형 제 2 불순물영역은 블랭킷 이온주입에 의해 형성한다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 2a를 참조하면, 포토다이오드 및 트랜지스터 영역이 정의된 P형 반도체 기판(30) 상에 약 100Å 이하 두께의 패드 산화막(31)과 1400 내지 1500Å 이하의 패드 질화막(32)을 순차적으로 증착하고 패터닝하여 기판(30)의 일부를 노출시키는 제 1 절연막 패턴(300)을 형성한 후, 제 1 절연막 패턴(300)을 마스크로하여 노출된 기판(30)을 식각하여 소정 깊이의 트렌치를 형성한다. 그 다음, 트렌치를 매립하도록 산화막을 증착하고 CMP에 의해 평탄화를 수행하여 소자분리막(33)을 형성한 후, 제 1 절연막 패턴(300) 상부에 포토리소그라피 공정에 의해 이후 형성될 전송 게이트와 소정 간격 이격되면서 포토다이오드 영역을 마스킹하는 마스크 패턴(34)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 마스크 패턴(34)을 이용하여 노출된 영역의 절연막 패턴(300)을 제거하여 제 2 절연막 패턴(300a)을 형성한 후, 공지된 방법에 의해 마스크 패턴(34)을 제거한다. 그 다음, 트랜지스터 영역의 기판(30) 상에는 게이트 절연막(35)과 게이트(36)를 형성하고 기판(30) 표면에는 소오스/드레인의 N＋ 접합영역(37)을 형성하여 NMOS 트랜지스터를 형성한다. 여기서, 포토다이오드 영역에 인접한 N＋ 접합영역(37)은 플로팅 확산영역으로 작용하고 게이트(36)는 전송 게이트이다.
그 후, 제 2 절연막 패턴(300a)을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판(30)으로 N- 불순물을 이온주입하여 기판(30) 내부에 딥 N- 불순물영역(38)을 형성한다. 이때, 제 2 절연막 패턴(300a)에 의해 제 2 절연막 패턴(300a) 하부에는 불순물이 얕게 주입되고 전송 게이트(36)에 인접한 영역 하부에는 불순물이 상대적으로 깊게 주입된다. 바람직하게, 이온주입은 제 2 절연막 패턴(300a)의 두께를 고려하여 Rp 값을 동일하게 맞추는 방향으로 이온주입 에너지를 약 20keV 정도 더 증가시켜 수행한다. 그 다음, 포토다이오드 영역만을 오픈시키는 마스크 패턴(미도시)과 제 2 절연막 패턴(300a)을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판(30)으로 제 1 P0 불순물을 이온주입하여 기판(30) 표면에 제 1 P0 불순물영역(39a)을 형성한다. 이때, 제 2 절연막 패턴(300a)에 의해 제 1 P0 불순물영역(39a)도 딥 N- 불순물영역(38)과 마찬가지로 전송 게이트(36)에 인접한 영역 하부에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 갖는다.
도 2c를 참조하면, 기판 전면 상에 스페이서 물질로서 질화막을 증착하고, 블랭킷 식각하여 게이트(36) 측벽에 스페이서(40)를 형성한다. 이때, 식각 선택도 용이하게 확보하도록 스페이서 물질로서 산화막을 사용할 수 도 있다. 그 다음, 제 2 절연막 패턴(300a)과 스페이서(40)를 이용하여 제 2 P0 불순물이온을 블랭킷(blanket) 이온주입하여 포토다오드 영역의 기판(30) 표면에 제 2 P0 불순물영역(39b)을 형성하여 P0 불순물영역(39)을 형성함으로써 포토다이오드를 형성한다. 이때, 제 2 P0 불순물영역(39b)은 스페이서(40)에 제 1 P0 불순물영역(39a)과는 반대로 전송 게이트(36)에 인접한 영역 하부에서 상대적으로 얕은 농도 프로파일을 가지게 됨으로써, 최종 P0 불순물영역(39)은 딥 N- 불순물영역(38)과 마찬가지로 전송 게이트(36)에 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 갖는다.
그 후, 도시되지는 않았지만, 제 2 절연막 패턴(300a)을 완전히 제거하고, 배선, 칼라필터 및 마이크로렌즈 등의 후속 공정을 수행한다.
상기 실시예에 의하면, 포토다이오드의 P0 불순물영역과 딥 N- 불순물영역이 전송 트랜지스터와 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 갖도록 함으로써, 소자 동작시 P0 불순물영역의 확산이 발생하더라도 전하운송통로에 전위장벽이 낮게 형성되므로, 저조도 특성 및 전하운송 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상대적으로 깊은 농도 프로파일에 의해 전자를 담을 수 있는 영역이 넓어지게 되므로 충분한 동적범위를 확보할 수 있다.
또한, 소자분리막 공정시 형성된 질화막 패턴을 이용하여 포토다이오드의 불순물 농도 프로파일을 변화시키기 때문에, 이온주입시 별도의 질화막 패턴을 형성할 필요가 없으므로 공정단순화 효과도 얻을 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 포토다오드 형성 후 절연막 패턴을 완전히 제거하였지만, 이를 제거하지 않고 절연막 패턴의 패드 산화막과 패드 질화막의 두께비를 적절하게 조절하여, 포토다이오드의 기판 표면에서 발생되는 빛의 반사성 (reflectivity)을 최소화할 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.
전술한 본 발명은 이미지센서에서 저조도 특성 및 전하운송효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 충분한 동적범위를 용이하게 확보할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : P형 반도체 기판 31 : 패드 산화막
32 : 패드 질화막 33 : 소자분리막
34 : 마스크 패턴 35 : 게이트 절연막
36 : 게이트 37 : N＋ 접합영역
38 : 딥 N- 불순물영역 39a, 39b, 39 : P0 불순물영역
40 : 스페이서 300, 300a : 절연막 패턴
Claims (7)
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판;상기 트랜지스터 영역의 기판 상부에 형성된 전송 게이트;상기 포토다이오드 영역의 기판 내부에 형성된 제 2 도전형의 제 1 불순물영역; 및상기 포토다이오드 영역의 기판 표면에 형성된 제 1 도전형의 제 2 불순물영역을 포함하고,상기 제 1 및 제 2 불순물영역은 각각 상기 전송 게이트와 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 포토다이오드 영역 및 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판 상에 기판을 일부 노출시키는 제 1 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막 패턴을 마스크로하여 상기 기판을 식각하여 소정 깊이의 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치에만 소자분리막을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역과 소정 간격 이격되면서 상기 포토다이오드 영역을 마스킹하도록 상기 제 1 절연막 패턴을 패터닝하여 제 2 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 트랜지스터 영역에 전송 게이트를 형성하는 단계;상기 제 2 절연막 패턴을 이용하여 상기 포토다이오드 영역의 기판 내부에 상기 전송 게이트에 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 제 2 도전형 불순물영역을 형성하는 단계;상기 제 2 절연막 패턴을 이용하여 상기 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 1 불순물영역을 형성하는 단계;상기 전송 게이트 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및상기 제 2 절연막 패턴 및 스페이서를 이용하여 상기 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 2 불순물을 형성하여, 상기 전송 게이트에 인접한 영역에서 상대적으로 깊은 농도 프로파일을 가지는 제 1 도전형 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 절연막 패턴은 패드 산화막과 패드 질화막이 순차적으로 적층된 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 패드 산화막은 약 100Å 이하의 두께를 가지고, 상기 패드 질화막은 1400 내지 1500Å 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 스페이서는 질화막 또는 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 도전형 제 1 불순물영역은 상기 포토다이오드 영역을 오픈시키는 마스크를 이용한 이온주입에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 제 1 도전형 제 2 불순물영역은 블랭킷 이온주입에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20111129 Year of fee payment: 7 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |