KR20020057285A - Image sensor havig 3-structual light collecting area - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 플로팅 확산영역과 같은 역할을 하는 집광수단이 3차원 구조로 형성되어 수광영역의 면적을 보다 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and more particularly, to an image sensor and a method of manufacturing the light collecting means having a role as a floating diffusion region having a three-dimensional structure to increase the area of the light receiving region.
CMOS 이미지 센서(image sensor)는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 빛에 반응하여 생성된 신호전자를 전압으로 변환하고 신호처리 과정을 거쳐 화상정보를 재현한다. CMOS 이미지 센서는 각종 카메라, 의료장비, 감시용 카메라, 위치확인 및 감지를 위한 각종 산업 장비, 장난감 등 화상신호를 재현하는 모든 분야에 이용 가능하며, 저전압 구동과 단일 칩화가 가능하여 점점 활용범위가 확대되고 있는 추세이다.A CMOS image sensor converts an optical image into an electrical signal using a CMOS manufacturing technology. The CMOS image sensor converts signal electrons generated in response to light into voltage and reproduces image information through a signal processing process. CMOS image sensor can be used in all fields of image signal reproduction such as various cameras, medical equipment, surveillance cameras, various industrial equipments for positioning and detection, toys, etc. The trend is expanding.
CMOS 이미지 센서는 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.The CMOS image sensor adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the MOS transistors. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
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 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(RST)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(RS)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.FIG. 1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitance structures. The unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) and four NMOS transistors as a light sensing means is shown. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx serves to transport the photocharges generated by the photodiode PD to the floating diffusion region, and the reset transistor RST is stored in the floating diffusion region for signal detection. The drive transistor Dx serves as a discharge source, the source follower serves as a source follower, and the select transistor RS is used for switching and addressing.
도 2에 보이는 바와 같이 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(RS)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(RS)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(RST)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(COL BUS)로부터 출력전압을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드(PD)의 캐리어들을 플로팅 확산영역(FD)으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(COL BUS)에서 출력전압을 읽어들여 두 전압차에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다. 도1에서 미설명 도면부호 'PG'는 포토게이트를 나타낸다.As shown in FIG. 2, the operation of the image sensor unit pixel is performed as follows. Initially, the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor RS are turned on to reset the unit pixels. At this time, the photodiode PD starts to deplete to generate charge charging, and the floating diffusion region is charged to a supply voltage VDD. Then, the transfer transistor Tx is turned off, the select transistor RS is turned on, and the reset transistor RST is turned off. In such an operation state, the output voltage is read from the unit pixel output terminal COL BUS and stored in the buffer, and then the carrier transistors of the photodiode PD, which are changed according to the light intensity, are turned on by transferring the transfer transistor Tx. After moving to FD), the output voltage is read from the output terminal (COL BUS) and the analog data of the two voltage differences are converted into digital data, thereby completing one operation cycle for the unit pixel. In FIG. 1, reference numeral 'PG' denotes a photogate.
이미지 센서의 감도 향상을 위한 종래 기술중의 하나가 수광부분의 면적을 상대적으로 최대한 확보하는 것이다. 그러나 이 경우 타소자에 비해 추가의 수광부분 만큼 칩 크기가 더 크다는 단점을 안고 있다.One of the prior arts for improving the sensitivity of the image sensor is to secure the area of the light receiving portion relatively maximum. In this case, however, the chip size is larger than that of other elements.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 3차원 구조의 집광수단을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention for solving the above problems provides an image sensor having a light collecting means having a three-dimensional structure and a manufacturing method thereof.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1 is a circuit diagram schematically showing a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2는 종래 이미지 센서의 구조 및 전하이동 형상을 보이는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a structure and a charge transfer shape of a conventional image sensor;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 전하이동 형상을 보이는 단면도,3 is a cross-sectional view showing a structure and a charge transfer shape of an image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.4A to 4E are cross-sectional views of an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
50: 반도체 기판 51: 소자분리막50: semiconductor substrate 51: device isolation film
52: 산화막 절연막 52A: 터널 산화막52: oxide film insulating film 52A: tunnel oxide film
55: 제1 폴리실리콘막 56: 실리콘 산화질화막55: first polysilicon film 56: silicon oxynitride film
57: 게이트 산화막 58: 텅스텐 실리사이드57: gate oxide film 58: tungsten silicide
PR1, PR2: 포토레지스트 패턴PR1, PR2: photoresist pattern
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 내에 형성된 수광영역; 상기 수광영역 상에 형성된 터널 산화막; 상기 터널 산화막 상에 형성된 제1 게이트 전극; 상기 제1 게이트 전극을 덮는 절연막; 및 상기 절연막 상에 형성되어 신호를 인가받는 제2 게이트 전극 으로이루어지는 집광수단을 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 상기 제2 게이트 전극은 조절 소자에 연결되어 상기 집광수단(광전자 축전수단)에 저장된 전하를 조절 소자 등으로 이동할 수 있다. 상기 조절 소자는 리셋 트랜지스터가 될 수도 있다.The present invention for achieving the above object is a light-receiving region formed in the semiconductor substrate; A tunnel oxide film formed on the light receiving region; A first gate electrode formed on the tunnel oxide film; An insulating layer covering the first gate electrode; And a light collecting means formed on the insulating film and connected to a second gate electrode to which a signal is applied. The second gate electrode may be connected to a control element to move charges stored in the light collecting means (photoelectron storage means) to the control element. The regulating element may be a reset transistor.
본 발명은 터널 산화막을 이용하여 집광된 빛을 플로팅 게이트를 이용하여 모이는데 특징이 있다.The present invention is characterized in that light collected using a tunnel oxide film is collected using a floating gate.
본 발명은 이중 폴리실리콘 형성 공정을 이용하여 집광지역을 기판 상부로 분리시키고 그 여유분 만큼 수광부분으로 이용하여 전체적인 칩 크기의 변화없이 감도의 개선을 기대할 수 있다.The present invention can be expected to improve the sensitivity without changing the overall chip size by using a double polysilicon forming process to separate the light collecting region to the upper portion of the substrate and the light receiving portion by the margin.
산업의 여러분야에서 그 활용이 많은 이미지 센서는 타소자에 비해 수광부분이 추가로 필요한 구조적인 문제로 인해 생산단가가 높다는 경제적인 단점을 가지고 잇다. 본 발명은 전체 칩 면적을 줄일 수 있는 고기술 공정을 이용하면서 감도 개선을 위한 수광부분의 면적을 최대로 확보하고자 하는 것이다.The image sensor, which is widely used in the industry, has an economic disadvantage that the production cost is high due to the structural problem that requires an additional light receiving portion compared to other devices. The present invention is intended to secure the maximum area of the light receiving portion for improving the sensitivity while using a high technology process that can reduce the overall chip area.
본 발명에 따른 이미지 센서는 이중 폴리실리콘막을 이용하여 집광영역 영역을 3차원적으로 배열함으로써 2차원으로 배열된 상태보다 면적을 증가시키는데 그 특징이 있다. 즉, 집광영역인 플로팅 확산영역과 이를 제어하는 하나의 활성층 또는 폴리실리콘막으로 구성하지 않고 2개의 폴리로 구성하여 활성영역 만큼의 면적을 수광부분으로 사용하여 감도를 개선하고자 하는데 그 특징이 있다.The image sensor according to the present invention is characterized by increasing the area than the state arranged in two dimensions by arranging the condensing region region in three dimensions by using a double polysilicon film. That is, it is characterized by improving the sensitivity by using the area of the active area as the light-receiving portion by using two poly instead of the floating diffusion region, which is a condensing region, and one active layer or polysilicon film controlling the condensing region.
수광부분에 빛이 쌓이면 이를 전달소자가 제어하여 집광영역으로 이동시키는데 이를 이중 폴리실리콘막과 같은 이중 전도층을 사용하여 구동시킨다. 먼저 수광부분에 빛이 모이면 이를 콘트롤 게이트를 통해 플로팅 확산영역으로 전자를 이동시키는데 이때 가장 중요한 점은 터널 영역을 통하여 FN 터널링이 가능하도록 매우 얇은 산화막(터널 산화막)을 형성하여야 하고, 이를 위해 최소 전기장 크기가 약 10 MV/㎝ 정도가 되도록 외부 전원이 고전압 이어야 한다.When light accumulates on the light receiving portion, the transfer element is controlled to move to the light collecting area, which is driven by using a double conductive layer such as a double polysilicon film. First, when light collects in the light receiving area, it moves electrons to the floating diffusion region through the control gate. The most important point is to form a very thin oxide film (tunnel oxide film) to enable FN tunneling through the tunnel area. The external power source should be high voltage so that the electric field is about 10 MV / cm.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정을 보이는 도 4a 내지 도 4e에서, 도 4a는 반도체 기판(10) 상에 소자분리막(51)을 형성하고, 수광 영역인 포토다이오드(PD), 트랜지스터의 소오스/드레인(SD)을 반도체 기판 내에 형성하고, 전체 구조 상에 산화막(52)을 증착하고, 포토다이오드 상의 산화막 일부를 노출시키는 터널 마스크를 포토레지스트 패턴(PR1)으로 형성한 다음 노출된 산화막(52)을 식각하여 50 Å 두께의 터널 산화막(52A)을 형성한 것을 보인다.4A to 4E illustrating an image sensor manufacturing process according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 4A illustrates a device isolation layer 51 formed on a semiconductor substrate 10, and includes a photodiode PD, a light receiving region, and a transistor. A source / drain SD is formed in the semiconductor substrate, an oxide film 52 is deposited on the entire structure, and a tunnel mask for exposing a portion of the oxide film on the photodiode is formed in the photoresist pattern PR1, and then the exposed oxide film ( 52 is etched to form a tunnel oxide film 52A having a thickness of 50 kHz.
그리고 도 4b는 1500 Å 두께의 제1 폴리실리콘막(55)을 형성하고, 제1 폴리실리콘막 상에 70 Å 두께의 산화막을 형성하고, 이어서 170 Å 두께의 질화막을 형성하여 250 Å 두께의 산화질화막(56)을 형성한다. 이어서 제1 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고, 산화질화막(56) 및 제1 폴리실리콘막(55)을 식각하여 적층패턴을 형성한 것을 보인다.4B shows a first polysilicon film 55 having a thickness of 1500 GPa, an oxide film having a thickness of 70 GPa is formed on the first polysilicon film, and then a nitride film having a thickness of 170 GPa is formed to form an oxide having a thickness of 250 GPa. The nitride film 56 is formed. Subsequently, the first photoresist pattern PR is formed, and the oxynitride film 56 and the first polysilicon film 55 are etched to form a stacked pattern.
그리고 도 4C는 전체 구조 상에 약 65 Å 두께의 게이트 산화막을 형성하고, 전체 구조 상에 1500 Å 두께의 제2 폴리실리콘막(57) 및 1200 Å 두께의 텅스텐 실리사이드(58)를 형성한 것으로 보인다.4C shows that a gate oxide film having a thickness of about 65 kV is formed over the entire structure, and a second polysilicon film 57 having a thickness of 1500 mW and tungsten silicide 58 having a thickness of 1200 mW are formed over the entire structure. .
그리고 도 4d는 제3 포토레지스트 패턴을 형성하여 텅스텐 실리사이드(58) 및 제2 폴리실리콘막(57)을 식각해서 상기 적층 패턴 상에 제2 폴리실리콘막(57) 및 텅스텐 실리사이드(58)으로 이루어지는 패턴을 형성한다. 이러한 패턴 형성 과정에서 상기 제2 폴리실리콘막과 상기 텅스텐 실리사이드(58)로 이루어지는 게이트 전극 패턴을 형성할 수도 있다.4D illustrates a third photoresist pattern to etch the tungsten silicide 58 and the second polysilicon film 57 to form a second polysilicon film 57 and a tungsten silicide 58 on the stacked pattern. Form a pattern. In the process of forming the pattern, a gate electrode pattern including the second polysilicon layer and the tungsten silicide 58 may be formed.
상기 텅스텐 실리사이드(58)와 상기 제2 폴리실리콘막(57)은 제어 게이트(control gate)로 역할하고, 상기 산화질화막(56)은 집광영역으로서 역할하며 상기 제1 폴리실리콘막(55)은 플로팅 게이트로서 역할한다.The tungsten silicide 58 and the second polysilicon layer 57 serve as a control gate, the oxynitride layer 56 serves as a condensing region, and the first polysilicon layer 55 floats. Serves as a gate.
본 발명은 이와 같이 터널 산화막을 이용하여 집광된 빛을 플로팅 게이트로 모으며, 빛을 집광하는데 FN 터널링 기술을 이용한다.The present invention collects the light collected by using the tunnel oxide film as a floating gate, and uses the FN tunneling technique to collect the light.
전술한 본 발명의 실시예에서는 폴리실리콘막으로 이루어지는 플로팅 게이트와 상기 제어 게이트를 설명하였지만, 플로팅 게이트와 제어 게이트 각각은 다양한전도층을 형성될 수도 있다.In the above-described embodiment of the present invention, the floating gate and the control gate made of the polysilicon film have been described, but each of the floating gate and the control gate may be formed with various conductive layers.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 이중 폴리, 즉 이중 게이트 구조를 사용함으로써 메모리 소자처럼 직접 프로그램이 가능하고, 감도의 개선을 이룰 수 있다.The present invention made as described above can be directly programmed like a memory device by using a double poly, that is, a double gate structure, and the sensitivity can be improved.
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