KR20020058885A - 포토다이오드의 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드의 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기 위한 이온주입 공정시 적어도 두번의 이온주입 공정을 실시하며 그 중 한번은 경사이온주입을 실시한다. 즉, 1차 이온주입 공정에서는 경사 이온주입을 실시하여 광감도와 데드 존 특성이 양호해지도록 하고, 2차 이온주입 공정에서는 수직으로 1차 이온주입 공정에서 보다 상대적으로 깊게 이온을 주입하여 포토다이오드의 용량을 향상시키고 안정된 암전류 특성을 얻을 수 있다.

Description

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

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 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 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 2는 종래 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 형성 과정을 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 p형 에피택셜층(21)을 형성하고, 에피택셜층(21) 상에 게이트 절연막(22) 및 게이트 전극(23)을 형성하고, 게이트 전극(23) 일단의 상기 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(24)을 형성하고, 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(25)를 형성한 다음, n형 불순물 영역(22) 상부의 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(26)을 형성하고, 게이트 전극(24)을 사이에 두고 포토다이오드와 이격되는 플로팅 확산영역(27)을 형성한 상태를 보이고 있다.

PNP 구조의 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서를 제조하기 위한 종래 기술은 n형 불순물 영역(24)을 형성할 때, 일정한 에너지와 도핑농도 조건으로 이온주입 공정을 실시하는데, 이때 n형 불순물 영역(24) 도핑 조건은 그 상부에 형성되는 p형 불순물 영역(26) 그 하부의 p형 에피택셜층(21)도 충분히 공핍시켜 주어 포토다이오드의 용량을 충분히 확보하면서 동시에 암전류(dark signal) 특성과 데드 존(dead zone) 특성을 만족해야 하고, 또한 높은 광감도 특성도 만족되어야 한다. 그러나, 종래와 같이 일정한 에너지 및 도핑 농도의 조건으로 n형 불순물을 형성할 경우에는 다이오드 용량, 암전류, 데드 존, 광감도 특성을 모두 만족시키기 어렵다. 즉, 에너지를 높이면 다이오드의 용량은 증가하나 광감도 특성이 저하되고 암전류 특성은 좋아지나 반면 데드 존의 특성은 저하된다. 또, 에너지를 낮게 하면 그와 반대 형성이 나타나 광감도 특성과 데드 존 특성을 좋아지나 다이오드의 용량이 감소하고 암전류 특성은 저하된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드의 특성을 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 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

30: 반도체 기판 31: p형 에피택셜층

34: 제1 n형 불순물 영역 35: 제2 n형 불순물 영역

36: p형 불순물 영역 37: n형 플로팅 확산영역

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 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 및 상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 제3 단계를포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기 위한 이온주입 공정시 적어도 두번의 이온주입 공정을 실시하며 그 중 한번은 경사이온주입을 실시한다. 즉, 1차 이온주입 공정에서는 경사 이온주입을 실시하여 광감도와 데드 존 특성이 양호해지도록 하고, 2차 이온주입 공정에서는 수직으로 1차 이온주입 공정에서 보다 상대적으로 깊게 이온을 주입하여 포토다이오드의 용량을 향상시키고 안정된 암전류 특성을 얻을 수 있다.

이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(30)에 p형 에피택셜층(31)을 형성하고, 상기 에피택셜층(31) 상에 게이트 절연막(32) 및 게이트 전극(33)을 형성하고, 포토다이오드에서 플로팅 확산영역 방향으로 약 3°정도 경사를 이루며 160 KeV의 에너지로 이온을 주입하여 게이트 전극(33) 일단의 상기 에피택셜층(31) 내에 제1 n형 불순물 영역(34)을 형성한다.

다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 에피택셕층(31) 내에 180 KeV의 에너지로써 수직방향으로 이온을 주입하여 제1 n형 불순물 영역(34) 보다 상대적으로 깊은 제2 n형 불순물 영역(35)을 형성하고, 상기 게이트 전극(33) 측벽에 절연막 스페이서(33)을 형성한 다음, 제1 n형 불순물 영역(34) 상의 에피택셜층(31) 내에 p형 불순물 영역(36)을 형성하고, 상기 게이트 전극(33) 타단의 에피택셜층(31) 내에 n형의 플로팅 확산영역(37)을 형성한다.

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 광감도와 데드 존 특성이 양호해지도록 하고, 2차 이온주입 공정에서는 수직으로 1차 이온주입 공정에서 보다 상대적으로 높은 에너지를 가하여 깊게 이온을 주입하여 포토다이오드의 용량을 향상시키고 안정된 암전류 특성을 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 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 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 및

   상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 제3 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 단계 후,

   상기 제1 불순물 영역 상에 제1 도전형의 제3 불순물 영역을 형성하는 제4 단계; 및

   상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 플로팅 확산영역을 이루는제4 불순물 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.