KR20070034292A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 고집적화에 따라 플로팅 확산영역의 필 팩터가 감소하더라도 플로팅 확산영역의 컨택 패일을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판 내에 국부적으로 형성된 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역이 노출되도록 상기 기판 상에 형성된 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 트랜지스터용 게이트 전극과 상기 플로팅 확산영역이 전기적으로 연결되도록, 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 플로팅 확산영역 상에 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 접촉되어 형성된 컨택층을 포함하는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, 컨택층, SEG, 폴리실리콘, 플로팅 확산영역, 필 팩터.
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(pixel)를 도시한 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 CMOS 이미지 센서의 'A' 부위를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 단면도.
도 4a 내지 도 4f는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정단면도.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
10, 110 : 기판
11, 111 : 소자분리막
13, 113 : 플로팅 확산영역
14, 114 : 게이트 절연막
15, 115 : 게이트 전도막
116 : 스크린 절연막
117, 121 : 포토레지스트 패턴
119 : 컨택홀
120 : 컨택층
17, 123 : 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극
16, 125 : 스페이서
19a, 19b : 컨택 플러그
20 : 금속배선
본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서의 플로팅 확산영역과 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극을 연결하는 컨택층 및 그 형성방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다. 이미지 센서는 칼라 이미지를 구현하기 위하여 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부 상부에 칼라필터가 정렬되어 있다. 이러한 칼라필터 어레이(Color Filter Array, CFA)는 레드(Red; R), 그린(Green; G) 및 블루(Blue; B) 또는, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다. 통상적으로, CMOS 이미지 센서의 칼라필터 어레이에는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라가 많이 사용된다.
이러한 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전술한 바와 같이 CCD와 CMOS 이미지 센서가 개발되어 널리 상용화되어 있다. CCD는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 반면, CMOS 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고, 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
그러나, CCD는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 수가 많이 필요하여 공정이 복잡하고, 시스날 프로세싱(signal processing) 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없어 원칩(one chip)화가 곤란하다는 여러 단점이 있는 바, 최근에는 이러한 CCD의 단점을 극복하기 위하여 서브 마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발에 대한 연구가 열정적으로 이루어지고 있다.
CMOS 이미지 센서는 단위 화소(pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고, 마스크 수도 대략 2O개 정도로 30~40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며, 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지 센서로 각광을 받고 있다.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지부와, 광감지부를 통해 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로부로 구성되어 있으며, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(Fill Facter)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다. 하지만, 근본적으로 로직회로부를 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높이기 위하여 광감지부 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 칼라필터 상에 마이크로 렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(pixel)를 도시한 회로도이 다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(Photo Diode, PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 이루어진다. 이때, 4개의 MOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD : Floating Diffusion)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉터 트랜지스터(Sx)로 이루어진다. 단위 화소 외부에는 출력신호를 독출할 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성된다. 미설명된 도면부호 'CFD'는 플로팅 확산영역의 캐패시턴스를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 중에서 'A' 부위, 즉 플로팅 확산영역(FD)과 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 전극만을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 국부적으로 소자분리막(11)이 형성된 기판(10) 내에 플로팅 확산영역(13, FD)이 형성되어 있고, 기판(10) 상의 일부에는 드라이브 트랜지스터(Dx)용 게이트 전극(17; 이하, 드라이브 전극이라 함)이 형성되어 있다. 이때, 드라이브 전극(17)은 일반적인 게이트 전극과 같이 게이트 절연막(14)과 게이트 전 도막(15)으로 구성되고, 그 양측벽에는 절연막으로 이루어진 스페이서(16)가 구비된다.
통상, 드라이브 전극(17)은 플로팅 확산영역(13)과 전기적으로 연결되어야 하는데, 이를 위해 종래에는 금속(metal)으로 이루어진 2개의 컨택 플러그(19a, 19b)와 하나의 금속배선(20)을 사용하고 있다. 즉, 플로팅 확산영역(13)과 금속배선(20)을 서로 연결시키는 제1 컨택 플러그(19a)와 드라이브 전극(17)과 금속배선(20)을 서로 연결시키는 제2 컨택 플러그(19b)를 각각 형성함으로써, 플로팅 확산영역(13)과 드라이브 전극(17)을 전기적으로 연결시키는 것이다.
그러나, 상기와 같은 종래기술에 따르면, 금속으로 이루어진 컨택 플러그(19a, 19b)와 금속배선(20) 형성의 디자인 룰(design rule)에 따라 플로팅 확산영역(13)의 필 팩터가 점차 감소하는 문제가 있다. 예컨대, 이미지 센서와 같은 반도체 소자의 고집적화에 따라 플로팅 확산영역(13)의 형성 폭은 점차 감소하는 반면, 금속 컨택 플러그와 금속배선의 디자인 룰은 준수할 수 밖에 없는 실정이다.
따라서, 플로팅 확산영역과 이를 금속배선과 연결시키기 위한 컨택 플러그 간의 컨택 패일(contact fail)이 발생하고 있다.
한편, 도 2에서 미설명된 부호 '18'은 층간절연막을 나타낸다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 이미지 센서의 고집적화에 따라 플로팅 확산영역의 필 팩터가 감소하더라도 플로팅 확산영 역의 컨택 패일을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 내에 국부적으로 형성된 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역이 노출되도록 상기 기판 상에 형성된 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 트랜지스터용 게이트 전극과 상기 플로팅 확산영역이 전기적으로 연결되도록, 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 플로팅 확산영역 상에 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 접촉되어 형성된 컨택층을 포함하는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 국부적으로 플로팅 확산영역이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판 상에 게이트 절연막, 게이트 전도막 및 스크린 절연막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 스크린 절연막, 상기 게이트 전도막 및 상기 게이트 절연막의 일부를 식각하여 상기 플로팅 확산영역의 일부를 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계와, 상기 컨택홀이 매립되도록 컨택층을 형성하는 단계와, 상기 컨택층 일측의 상기 플로팅 확산영역이 노출되도록 상기 스크린 절연막, 상기 게이트 전도막 및 상기 게이트 절연막의 일부를 식각하여 상기 컨택층 타측의 상기 기판 상에 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 스크린 절연막을 제거하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호는 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 일부를 도시한 단면도이다. 여기서는, 앞서 언급한 도 1에 도시된 'A' 부위만을 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소는 기판(110) 내에 국부적으로 형성된 플로팅 확산영역(113, FD)과, 플로팅 확산영역(113)이 노출되도록 기판(110) 상에 형성된 드라이브 트랜지스터(Dx)용 게이트 전극(123; 이하, 드라이브 전극이라 함)과, 드라이브 전극(123)과 플로팅 확산영역(113)이 전기적으로 연결되도록 드라이브 전극(123)의 일측으로 노출된 플로팅 확산영역(113) 상에 드라이브 전극(123)의 일측과 접촉되어 형성된 컨택층(120)을 포함한다. 또한, 기판(110) 내에는 복수의 소자분리막(111)이 형성되어 있고, 드라이브 전극(123) 및 컨택층(120)의 일측벽에는 각각 스페이서(125)가 형성되어 있다.
이때, 드라이브 전극(123)은 통상의 게이트 전극과 같이 게이트 절연막(114)과 게이트 전도막(115)이 적층된 구조로 이루어진다.
여기서, 중요한 것은 컨택층(120)이 폴리 실리콘으로 이루어진 것이다. 특히, 컨택층(120)은 후속공정을 통해 형성될 금속배선과의 컨택저항을 감소시키기 위해 불순물로 도핑된 폴리 실리콘으로 형성된다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서는, 플로팅 확산영역(113)과 드라이브 전극(123)을 서로 전기적으로 연결시키기 위해 별도의 금속 컨택 플러그 및 금속배선을 형성하지 않고 드라이브 전극(123)의 일측으로 노출된 플로팅 확산영역(113) 상에 드라이브 전극(123)의 일측과 접촉되는 컨택층(120)을 형성함으로써, 이미지 센서 소자의 고집적화에 따라 플로팅 확산영역(113)의 필 팩터가 감소하더라도 플로팅 확산영역(113)의 컨택 페일을 방지할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 기판(110) 내의 일부 영역에 복수의 소자분리막(111)을 형성한다. 그런 다음, 마스크 공정 및 불순물 이온주입 공정을 실시하여 소자분리막(111)의 일측 기판(110)에 플로팅 확산영역(113, FD)을 형성한다. 예컨대, P형 기판(110) 내에 고농도의 N형 불순물을 주입하여 고농도의 N+ 플로팅 확산영역(113)을 형성한다.
이어서, 플로팅 확산영역(113) 및 소자분리막(111)을 포함한 기판(110) 상에 게이트 절연막(114)을 형성한 후, 게이트 절연막(114) 상에 게이트 전도막(115)을 증착한다. 예컨대, 산화공정을 통해 게이트 절연막(114)을 형성한 후, 게이트 절연막(114) 상에 폴리 실리콘을 증착함으로써 게이트 전도막(115)을 형성한다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 게이트 전도막(115) 상에 스크린 절연막(116)을 형성한다. 여기서, 스크린 절연막(116)은 후속으로 진행될 SEG(Selective Epitaxial silicon Growing) 공정시 게이트 전도막(115) 상에 폴리 실리콘이 성장되는 것을 방지하기 위해 산화막 계열 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성한다. 예컨대, 스크린 절연막(116)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 산화막, ALD(Atomic Layer Deposition) 산화막, 라디컬(Radical) 산화막, 열산화막 및 질화막의 일군에서 선택된 어느 하나로 형성한다.
이어서, 스크린 절연막(116) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한 후, 노광 및 현상공정을 실히하여 포토레지스트 패턴(117)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(117)은 컨택영역, 즉 플로팅 확산영역(113)의 일부가 노출되도록 형성한다.
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(117)을 마스크로 이용한 식각공정(118)을 실시하여 스크린 절연막(116), 게이트 전도막(115) 및 게이트 절연막(114)을 순차적으로 식각한다. 이로써, 플로팅 확산영역(113)의 일부를 노출시키는 컨택홀(119)이 형성된다.
이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 스트립(strip) 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(117, 도 4c 참조)을 제거한다.
이어서, SEG 방식을 이용하여 컨택홀(119, 도 4c 참조)이 매립되도록 폴리 실리콘을 성장시킴으로써, 컨택층(120)을 형성한다. 또한, 플로팅 확산영역(113)과 후속공정을 통해 형성될 금속배선과의 컨택 저항을 감소시키기 위해 이처럼 SEG 방식을 이용하여 폴리 실리콘을 성장시킬 시에 폴리실리콘에 불순물을 도핑하는 공정을 함께 진행할 수도 있다.
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 컨택층(120)을 포함한 스크린 절연막(116) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한 후, 노광 및 현상공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(121)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(121)은 컨택층(120) 일측의 플로팅 확산영역(113)이 노출되도록 형성한다.
이어서, 포토레지스트 패턴(121)을 마스크로 이용한 식각공정(122)을 실시하여 노출된 스크린 절연막(116) 및 게이트 전도막(115)을 순차적으로 식각한다. 이로써, 플로팅 확산영역(113)의 일측, 즉 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(이하, 드라이브 전극이라 함)이 형성될 영역의 기판(110) 상에 드라이브 전극(123)이 형성된다.
이어서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 스트립 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(121, 도 4e 참조)을 제거한 후, 습식식각공정을 통해 스크린 절연막(116, 도 4e 참조)을 제거한다.
이어서, 게이트 절연막(114), 컨택층(120) 및 드라이브 전극(123) 상부의 단차를 따라 스페이서 절연막(미도시)을 증착한 후, 건식식각공정을 실시하여 스페이서 절연막 및 게이트 절연막(114)의 일부를 식각한다. 이로써, 컨택층(120) 및 드 라이브 전극(123)의 일측벽에 각각 스페이서(125)가 형성된다.
이어서, 도면에 도시되지는 않았지만, 일반적인 이미지 센서 제조공정과 같이 금속배선 형성공정을 더 진행할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 이미지 센서의 플로팅 확산영역과 드라이브 전극을 서로 전기적으로 연결시키기 위해 별도의 금속 컨택 플러그 및 금속배선을 형성하지 않고 드라이브 전극의 일측으로 노출된 플로팅 확산영역 상에 드라이브 전극의 일측과 접촉되는 컨택층을 SEG 방식으로 형성함으로써, 이미지 센서 소자의 고집적화에 따라 플로팅 확산영역의 필 팩터(Fill factor)가 감소하더라도 플로팅 확산영역의 컨택 페일(contact fail)을 방지할 수 있다.
Claims (9)
- 기판 내에 국부적으로 형성된 플로팅 확산영역;상기 플로팅 확산영역이 노출되도록 상기 기판 상에 형성된 트랜지스터용 게이트 전극; 및상기 트랜지스터용 게이트 전극과 상기 플로팅 확산영역이 전기적으로 연결되도록, 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 플로팅 확산영역 상에 상기 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 접촉되어 형성된 컨택층을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 컨택층은 폴리 실리콘으로 형성된 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 폴리 실리콘에는 불순물이 도핑된 씨모스 이미지 센서.
- 국부적으로 플로팅 확산영역이 형성된 기판을 제공하는 단계;상기 기판 상에 게이트 절연막, 게이트 전도막 및 스크린 절연막을 순차적으로 형성하는 단계;상기 스크린 절연막, 상기 게이트 전도막 및 상기 게이트 절연막의 일부를 식각하여 상기 플로팅 확산영역의 일부를 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계;상기 컨택홀이 매립되도록 컨택층을 형성하는 단계;상기 컨택층 일측의 상기 플로팅 확산영역이 노출되도록 상기 스크린 절연막, 상기 게이트 전도막 및 상기 게이트 절연막의 일부를 식각하여 상기 컨택층 타측의 상기 기판 상에 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계; 및상기 스크린 절연막을 제거하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 컨택층을 형성하는 단계는 SEG 방식을 이용하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 컨택층은 폴리 실리콘으로 형성하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 폴리 실리콘은 상기 SEG 진행시 불순물 도핑 공정을 동시에 실시하여 형성하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
- 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 스크린 절연막은 CVD 산화막, ALD 산화막, 라디컬 산화막, 열산화막 및 질화막의 일군에서 선택된 어느 하나로 형성하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 스크린 절연막을 제거한 후,상기 게이트 절연막, 상기 컨택 플러그 및 상기 게이트 전극 상부의 단차를 따라 스페이서 절연막을 증착하는 단계; 및상기 스페이서 절연막을 건식식각하여 상기 컨택 플러그 및 상기 게이트 전극의 일측벽에 각각 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서 제조방법.
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| KR1020050088823A KR20070034292A (ko) | 2005-09-23 | 2005-09-23 | 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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| KR20070034292A true KR20070034292A (ko) | 2007-03-28 |
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ID=49290922
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100851757B1 (ko) * | 2007-05-03 | 2008-08-11 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 이미지센서 및 그 제조방법 |
| KR101038886B1 (ko) * | 2008-11-06 | 2011-06-02 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지센서 및 그 제조방법 |
-
2005
- 2005-09-23 KR KR1020050088823A patent/KR20070034292A/ko not_active Application Discontinuation
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