KR20020048705A - 저조도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저조도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 하부가 포토다이오드의 n형 불순물 영역과 연결되고 그 측면이 포토다이오드의 p형 불순물 영역과 접하며 그 상부면이 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극과 중첩되고, 포토다이오드의 n형 불순물 영역 보다 농도가 높고 n형 플로팅 확산영역 보다 농도가 낮은 n 형 불순물 영역을 형성함으로써 장벽전위를 제거할 수 있다. 또한, 한번의 포토다이오드 형성 마스크를 사용하여 포토다이오드 형성용 n형 불순물과 p형 불순물을 연이어 주입하기 때문에 공정을 단순화할 수 있고, 레티클의 수를 감소시킬 수 있다.

Description

저조도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor capable of improving low light characteristics and method for forming the same}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 저조도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 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 4개의NMOS트랜지스터로 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(V_DD) 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.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압(VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 2는 도 1과 같은 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체기판(20) 상에 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)을 형성하고, 게이트 절연막(도시하지 않음)을 형성한 다음, 폴리실리콘막의 증착, 마스크 형성, 식각 공정 등을 진행하여 포토다이오드에서 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로 광전자를 이동시키는 역할을 하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(21)을 형성하고, 포토다이오드를 형성하기 위한 마스크를 이용하여 높은 에너지로 n형 불순물을 깊게 주입하여 n형 불순물 영역(22)을 형성하고 이어서, 낮은 에너지로 p형 불순물을 얕게 주입하여 n형 불순물 영역(22) 상에 p형 불순물 영역(23)을 형성하고, LDD(lightly doped drain) 구조 형성을 위해 게이트 전극(21) 측벽에 절연막 스페이서를 형성한 후, 플로팅 확산 영역(24) 형성을 위한 고농도 n형 불순물 이온주입 공정을 실시한 상태를 보이고 있다.

전술한 과정에 따라 만들어지는 이미지 센서의 단위화소는 트랜스터 트랜지스터의 게이트 전극(21) 가까이에 p형 불순물 영역(23)이 분포되고, 이에 따라 장벽 전위가 형성되어 저조도 특성을 악화시킨다. 또한, 포화준위(saturation level)를 향상시키기 위하여 n형 불순물 영역(22)을 깊게 형성하게 되는데 이에 의해 저조도에서 생성되는 작은 량의 광전자는 트랜스퍼 트랜지스터가 동작하게 되었을 때에도 플로팅 확산 센싱 노드(floating diffusion sensing node)로 완전하게 전달되지 못하게 된다. 이에 의해 이미지 센서가 저조도 광신호를 제대로 나타낼 수 없게 되는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 저조도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2는 종래 이미지 센서의 포토다이오드 영역, 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산영역을 보이는 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 4a 및 도 4b는 종래 이미지 센서와 본 발명에 따른 이미지 센서의 전위장벽을 보이는 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

31: 게이트 전극 32, 33: n형 불순물 영역

34: p형 불순물 영역

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판, 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드; 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제3 불순물 영역으로 이루어지는 플로팅 확산영역; 및 상기 제1 불순물 영역과 연결되고 그 측면이 상기 제2 불순물 영역과 접하며 그 상부면이 상기 게이트 전극과 중첩되며 그 농도가 상기 제1 불순물 영역 보다 높고 상기 제3 불순물 영역 보다 낮은 제2 도전형의 제4 불순물 영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 포토다이오드 영역과 상기 게이트 전극 사이의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 상기 포토다이오드 영역 내의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 농도가 낮은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계; 상기 제2 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제4 단계; 상기 제1 불순물 영역 보다 농도가 높은 상기 플로팅 확산영역을 형성하는 제5 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 이미지 센서의 저조도 특성을 향상시키기 위하여, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 사이에 중간 농도의 n형 불순물 영역을 형성함으로써 이후 진행되는 p형 불순물 주입에 따라 장벽 전위(barrier potential)가 형성되는 것을 방지하는데 그 특징이 있다.

이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(30) 상에 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)을 형성하고, 게이트 절연막(도시하지 않음)을 형성한 다음, 폴리실리콘막의 증착, 마스크 형성, 식각 공정 등을 진행하여 포토다이오드에서 플로팅 확산 영역으로 광전자를 이동시키는 역할을 하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(31)을 형성하고, 포토다이오드 영역과 게이트 전극 사이의 반도체 기판(30)을 노출시키는 이온주입 마스크로서 제1 감광막 패턴(PR1)을 형성한 다음, n형 불순물 이온주입 공정을 실시하여 n형 불순물 영역(32)을 형성한다.

다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 제1 감광막 패턴(PR1)을 제거한 다음포토다이오드 영역을 노출시키는 이온주입 마스크로서 제2 감광막 패턴(PR2)을 형성하고, 상기 n형 불순물 영역(32) 형성시 보다 낮은 농도의 n형 불순물 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드의 n형 불순물 영역(33)을 형성한다.

이어서 도 3c에 보이는 바와 같이, 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역(33) 상에 p형 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 p형 불순물 영역(34)을 형성한다.

다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 제2 감광막 패턴(PR2)을 제거하고, 게이트 전극(31) 측벽에 절연막 스페이서(35)를 형성한 다음, 게이트 전극(31) 타단의 반도체 기판(30) 내에 상기 n형 불순물 영역(33) 보다 농도가 높은 n형의 불순물을 이온주입하여 플로팅 확산영역(36)을 형성한다.

전술한 바와 같은 과정에 따라 제조된 이미지 센서는, p형 반도체 기판(30) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(31), 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 p형 불순물 영역(34), 상기 p형 불순물 영역(34) 하부에 형성된 n형 불순물 영역(33) 및 상기 n형 불순물 영역(33) 하부의 상기 p형 반도체 기판(30)으로 이루어지는 포토다이오드 영역, 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 n형 불순물 영역으로 이루어지는 플로팅 확산영역(36)을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 n형 불순물 영역(33)과 상기 게이트 전극(31) 사이의 상기 반도체 기판(30) 내에 그 농도가 상기 포토다이오드의 n형 불순물 영역(33) 보다 높고 상기 플로팅 확산영역(36) 보다 낮은 n형 불순물 영역(32)을 포함하는 이미지 센서가 형성된다.

이와 같이 본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(31) 인접 부분에 중간 농도의 n형 불순물 영역(32)을 형성하여, 이후 불순물 주입 공정에 의해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(31) 가까이에 분포하게 되는 p형 불순물과 반응하도록 하여 공핍층을 형성시킴으로써 종래 이미지 센서에서 p형 불순물 영역(34)에 의해 발생되던 장벽 전위를 효과적으로 억제할 수 있다.

즉, 그 하부가 포토다이오드의 저농도 n형 불순물 영역(33)과 연결되고 그 일측면이 포토다이오드의 p형 불순물 영역(34)과 접하며 그 상부면이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(31)과 중첩되고, 그 농도가 포토다이오드의 n형 불순물 영역 보다 높고 n형 플로팅 확산영역 보다 낮은 n 형 불순물 영역(32)을 형성하여 포토다이오드 보다 낮은 전위를 형성시킨다. 이로서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트가 동작할 때 계단식 전위가 형성되어 광전자가 이동하는데 용이하도록 만들어 준다. 즉 도 4a에 보이는 종래 이미지 센서에서의 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(Tx)이 온(on)될 때 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널(CH) 사이에 형성되는 장벽전위(A)와 달리 도 4b에 보이는 본 발명에 따른 이미지 센서에서는 장벽전위(B)가 계단 형태로 형성되어 광전자가 보다 용이하게 이동될 수 있다. 따라서, 저조도에서 포토다이오드에 형성되는 미량의 광전자도 플로팅 확산 센싱 노드로 완전히 전달되도록 하여 저조도 특성을 효과적으로 향상시킬 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.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드의 n형 불순물 영역과 연결되고 그 측면이 포토다이오드의 p형 불순물 영역과 접하며 그 상부면이 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극과 중첩되고, 포토다이오드의 n형 불순물 영역 보다 농도가 높고 n형 플로팅 확산영역 보다 농도가 낮은 n 형 불순물 영역을 형성함으로써 장벽전위를 제거할 수 있다. 또한, 한번의 포토다이오드 형성 마스크를 사용하여 포토다이오드 형성용 n형 불순물과 p형 불순물을 연이어 주입하기 때문에 공정을 단순화할 수 있고, 레티클의 수를 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 구비하는 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판;

   상기 반도체 기판, 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드;

   상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제3 불순물 영역으로 이루어지는 플로팅 확산영역; 및

   상기 제1 불순물 영역과 연결되고 그 측면이 상기 제2 불순물 영역과 접하며 그 상부면이 상기 게이트 전극과 중첩되며 그 농도가 상기 제1 불순물 영역 보다 높고 상기 제3 불순물 영역 보다 낮은 제2 도전형의 제4 불순물 영역

   을 포함하는 이미지 센서.
2. 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계;

   상기 포토다이오드 영역과 상기 게이트 전극 사이의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계;

   상기 포토다이오드 영역 내의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 농도가 낮은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계;

   상기 제2 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제4 단계;

   상기 제1 불순물 영역 보다 농도가 높은 상기 플로팅 확산영역을 형성하는 제5 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제3 단계 및 상기 제4 단계는 동일한 이온주입 마스크를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.