KR100988778B1 - 씨모스 이미지 센서, 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 감도를 향상시키는 단차를 갖는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 형성하는 단계; 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막 중 포토 다이오드 상부에 위치하는 절연막 상부에 스페이서 마스크를 증착하여 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 식각하는 단계를 포함한다.
포토 다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터, 씨모스 이미지 센서, 실리콘 질화물, TEOS, 버퍼층
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토 다이오드 상부에 위치하는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막에 단차를 형성하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중, 씨모스 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 화소 수 만큼의 포토다이오드와 이에 연결되어 채널을 열고 닫는 트랜지스터들을 만들고 상기 트랜지스터들을 이용하여 차례로 적색(RED), 녹색(GREEN), 및 청색(BLUE)의 광학 신호를 검출하여 스위칭 방식에 의해 출력하는 소자이다.
상기와 같은 씨모스 이미지 센서는 낮은 소비전력, 낮은 공정 단가 및 높은 수준의 집적도 등의 많은 장점들을 가지고 있다. 특히 최근의 기술적 진보로 인해 씨모스 이미지 센서는 여러 응용 분야에서 고체찰상소자(Charge Coupled Devices;CCD)의 대안으로 각광을 받고 있다.
상기와 같은 씨모스 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 4T형 씨모스 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1 은 일반적인 4T형 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 나타내는 등가 회로도이다.
도 1을 참조하면, 씨모스 이미지 센서의 단위화소(5)는 1 개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터(10',20',30',40')을 포함한다.
포토다이오드(PD)는 광 에너지를 수용하여 전하를 생성하며, 포토다이오드(PD)의 캐소드는 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor, 10')에 전기적으로 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(10')는 트랜스퍼 게이트 라인(TG)에 의하여 제어되며, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 운송한다. 리셋 트랜지스터(reset transitor, 20')의 소스는 입력 전원(또는 레퍼런스 전압, VDD)에 연결되고, 리셋 트랜지스터(20')의 드레인은 플로팅 확산 노드(floating diffusion node, FD)에 연결된다. 리셋 트랜지스터(20')는 리셋 게이트 라인(RS)에 의해 제어되며, 플로팅 확산 노드(FD)의 전위를 설정(setting) 또는 초기화(resetting)시킬 수 있다. 드라이브 트랜지스터(drive transistor, 30')의 소스는 입력 전원(VDD)에 연결되고, 드라이브 트랜지스터의 드레인은 선택 트랜지스 터(40')의 소스에 연결된다. 드라이브 트랜지스터(30')는 플로팅 확산 노드(FD) 전압이 게이트에 인가되어, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행한다. 선택 트랜지스터(40')의 드레인은 출력회로(reading-out circuit)에 연결된다. 선택 트랜지스터(40')는 선택 신호 라인(SEL)에 의해 제어되고, 단위화소(5)를 어드레싱(addressing)하는 역할을 수행한다.
최근, 씨모스 이미지 센서가 휴대폰 등의 소형 제품에 적용됨에 따라 고해상도 및 소형 칩 사이즈에 적합하도록 고집적화의 요구가 증가하고 있다.
또한, 씨모스 이미지 센서의 게이트를 형성한 후, 스페이서를 만들기 위한 다수의 절연층을 증착하게 된다. 이러한 다수의 절연층에 의하여 포토 다이오드의 빛 흡수율이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 포토 다이오드의 상부에 위치하는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막의 두께를 450 내지 550 Å로 형성하여 반사율은 낮추고 최대한 빛을 흡수하는 씨모스 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 하부에 포토 다이오드를포함하지 아니하는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막은 식각을 수행함으로써, 트랜스퍼 트랜지스터의 측벽에 스페이서를 만들기 위한 일반적인 공정을 수행할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막 중 포토 다이오드 상부에 위치하는 절연막 상부에 스페이서 마스크를 증착하여 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 식각하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 포토 다이오드 상부에 위치하며 단차를 갖는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막을 포함한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 포토 다이오드의 상부에 위치하는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막의 두께를 450 내지 550 Å로 형성하여 씨모스 이미지 센서의 반사율은 낮추고 최대한 빛을 흡수할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 하부에 포토 다이오드를 포함하지 아니하는 트랜스퍼 트랜지스터의 절연막은 식각을 수행함으로써, 트랜스퍼 트랜지스터의 측벽에 스페이서를 만들기 위한 일반적인 공정을 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사 용되는 경우 "포함하다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형성들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
또한, 도면에서 영역들의 크기는 설명을 명확하게 하기 위하여 과장된 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 화소부를 구성하는 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 화소부(PX)는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(10), 플로팅 확산 노드(FD), 리셋 트랜지스터(20), 드라이브 트랜지스터(30), 선택 트랜지스터(40)를 포함한다.
일반적으로 포토 다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터의 상부에 버퍼층을 형성한다.
상기 버퍼층은 복수의 버퍼층들로 구성될 수 있고, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 상기 버퍼층은 게이트 형성후 스페이서를 형성하기 위하여, TEOS 200 Å, 실리콘 질화물 200 Å, 및 TEOS 800 Å을 증착하여 형성된다. 또한, 상기 버퍼층은 식각이 진행되는 경우, 포토 다이오드가 손상되는 것을 방지하기 위한 것이나, 포토 다이오드의 흡수율을 저하시키는 원인이 되기도 한다.
따라서, 본 발명은 상기 포토 다이오드 상부에 위치하는 상기 버퍼층 중 막 두께에 따른 흡수율이 민감한 실리콘 질화물의 두께를 조절함으로써 포토 다이오드의 감도가 개선된 씨모스 이미지 센서의 제조 방법으로서, 반도체 기판 내부에 포토 다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드와 인접한 반도체 기판상에 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 포토 다이오드 및 포토 다이오드와 중첩하는 트랜스퍼 트랜지스터 상에 위치하는 제 2 버퍼층 상부에 스페이서 마스크를 형성하여 상기 제 2 버퍼층을 식각하는 단계를 제공한다.
상기 제 1 버퍼층은 실리콘 산화물, 상세하게는 TEOS 일 수 있으며, 상기 제 2 버퍼층은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
도 2 는 빛의 파장 길이에 따른 반사방지 실리콘 질화물층에 있어서, 빛의 파장 길이에 따른 반사율을 나타낸 것이다.
일반적으로 GREEN, BLUE, RED 중 BLUE 의 파장이 가장 짧아 흡수율이 떨어지므로 이에 초점을 맞추어 살펴보는 경우, BLUE 빛의 파장 근처인 450nm 에서 실리콘 질화물(SiN)의 반사율이 가장 낮은 경우가 500 Å 임을 알 수 있다.
따라서, 상기 제 2 버퍼층을 형성하는 실리콘 질화물은 450 내지 550 Å로 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(100) 내부에 포토 다이오드(110)를 형성하고, 상기 포토 다이오드(100)와 인접한 반도체 기판상에 트랜스퍼 트랜지스터(130), 및 리셋 트랜지스터(135)를 형성한 후, 일반적인 버퍼층을 형성하는 것과 마찬가지로, 제 1 버퍼층(140)에 해당하는 실리콘 산화물인 TEOS 를 약 200 Å의 두께로 형성한다.
이어, 상기 실리콘 산화물 상부에 제 2 버퍼층(150)의 역할을 하는 실리콘 질화물을 형성한다. 이 경우, 도 2에서 나타난 바와 같이, 포토 다이오드(110)에 흡수되는 빛의 반사율을 낮추고 감도를 개선하기 위하여 실리콘 질화물을 450 내지 550 Å 의 두께로 형성한다.
상기 두께로 형성된 실리콘 질화물은 흡수율이 낮은 BLUE 파장의 반사율을 낮추어 씨모스 이미지 센서의 감도를 개선하는 효과를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 포토 다이오드(110) 상부에 위치하는 상기 제 2 버퍼층(150)의 두께를 유지하기 위하여 추후 공정을 수행하기 이전에, 포토 다이오드(110) 및 포토 다이오드(110)와 중첩하는 트랜스퍼 트랜지스터(A) 상에 위치하는 상기 제 2 버퍼층(150) 상부에 스페이서 마스크(Spacer Mask;160)를 형성한다. 상기 스페이서 마스크(160)를 이용하여 상기 제 2 버퍼층(150)의 두께가 150 내지 250 Å로 형성될 때까지 식각 공정을 수행한다. 상기 식각 공정은 습식 또는 건식 식각 공정일 수 있으며, 상기 식각 공정을 수행한 후 스페이서 마스크(160)를 제거한다.
식각 공정을 수행한 후, 상기 제 2 버퍼층(155)은 포토 다이오드(110) 상부 및 포토 다이오드(110)와 중첩하는 트랜스퍼 트랜지스터(A) 상부에서 450 내지 550 Å의 두께를 가지며, 나머지 영역에서는 150 내지 250 Å의 두께를 갖는다.
상기 트랜스퍼 트랜지스터(130)가 상기 포토 다이오드와 중첩하는 영역(A)과 중첩하지 아니하는 영역으로 이루어지는 경우, 상기 트랜스퍼 트랜지스터 상부에 위치하는 상기 제 2 버퍼층(155)은 단차를 형성할 수 있다.
도 5에 나타난 바와 같이, 상기 제 2 버퍼층(155) 상부에는 제 3 버퍼층(170)이 더 형성될 수 있으며,상기 제 3 버퍼층(170)은 실리콘 산화물, 상세하게는 TEOS 가 700 내지 900 Å 의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 포토 다이오드 상부에 높은빛의 흡수율을 갖는 450 내지 550Å의 두께를 갖는 실리콘 질화물을 포함하는 다수의 버퍼층을 형성함으로써, 빛의 반사율을 낮춰 포토 다이오드의 감도를 개선한다.
또한, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 따르면, 일반적으로 픽셀의 크기(pixel size)가 13㎛ 공정에서 90nm 공정으로 줄어듬에 따라 감소되는 pixel의 감도를 개선한다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 화소부를 구성하는 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 는 빛의 파장 길이에 따른 반사방지 실리콘 질화물층에 있어서, 빛의 파장 길이에 따른 반사율을 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 단면도이다.
Claims (6)
- 반도체 기판 내부에 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 포토 다이오드와 인접한 반도체 기판상에 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계;상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계;상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계; 및상기 포토 다이오드 및 포토 다이오드와 중첩하는 트랜스퍼 트랜지스터 상에 위치하는 제 2 버퍼층 상부에 스페이서 마스크를 형성하여 상기 제 2 버퍼층을 식각하는 단계;를 포함하고,상기 식각된 제 2 버퍼층은 상기 트랜스퍼 트랜지스터 상에서 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토 다이오드 상부 및 트랜스퍼 트랜지스터 상부의 제 2 버퍼층은 상기 식각 공정 후 450 내지 550 Å의 두께를 갖는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 버퍼층은 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 버퍼층을 식각하는 단계 이후 상기 제 2 버퍼층 상부에 제 3 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 포토 다이오드를 포함하는 반도체 기판;상기 포토 다이오드와 인접한 반도체 기판상에 위치하는 트랜스퍼 트랜지스터;상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 상에 위치하는 제 1 버퍼층; 및상기 제 1 버퍼층 상에 위치하는 제 2 버퍼층을 포함하는 씨모스 이미지 센서로서,상기 포토 다이오드 상부에 위치하는 상기 제 2 버퍼층이 하부에 포토 다이오드를 포함하지 아니하는 제 2 버퍼층에 비하여 두꺼운 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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2007
- 2007-12-31 KR KR1020070141472A patent/KR100988778B1/ko not_active IP Right Cessation
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