KR100259086B1 - 고체촬상소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리게이트전극의 길이를 다르게 패터닝하여 이로인해 발생되는 전위차를 이용하여 전하를 이동시킴으로서 공정을 간략화하는데 적당한 고체촬상소자 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것으로서 수직 및 수평전하 전송영역을 갖는 고체촬상소자에 있어서, 제 1 도전형 반도체기판내에 형성된 제 2 도전형 웰영역과, 상기 제 2 도전형 웰내에 형성된 제 1 도전형의 수평 전송채널영역과, 수평 전송채널영역이 형성된 반도체기판상에 순차적으로 길이를 달리하여 형성되는 복수개의 폴리게이트전극들, 그리고 상기 복수개의 폴리게이트전극들이 반복적으로 형성되는 것을 특징으로한다.

Description

고체촬상소자 및 이의 제조방법

본 발명은 고체촬상소자에 관한 것으로서 특히, 수평 전하전송영역의 폴리게이트전극의 길이을 서로 다르게 하여 베리어 이온주입 공정을 생략하므써 공정을 간략화하고 전하전송효율을 극대화하는데 적당한 고체촬상소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 고체촬상소자의 레이아웃도이다.

도 1에 도시한 바와같이 빛의 신호를 전기적인 신호전하로 변환하는 복수개의 포토다이오드(PD)영역과, 상기 포토다이오드영역에 수직한 방향으로 형성되어 상기 포토다이오드영역에 의해 변환된 신호전하를 이동시키는 수직 전하전송영역(VCCD : Vertical Charge Coupled Device)과, 수직 전하전송영역과 수직한 방향으로 형성되어 수직 전하전송영역으로부터 전송된 신호전하를 수평방향으로 이동시키는 수평 전하전송영역(HCCD : Horizontal Charge Coupled)과, 상기 수평 전하전송영역(HCCD)로부터 이동되어 온 전하를 센싱하는 센싱앰프(SA)로 구성된다.

이와같이 구성된 고체촬상소자에서 수평 전하전송영역은 수직 전하전송영역으로부터 병렬적으로 이동되어 온 전하를 짧은 순간 다 읽어 내어야 하기 때문에 클럭킹(Clocking)이 빨라야 한다.

따라서 수직 전하전송영역의 4-Phase 클럭킹과는 달리 2-Phase 클럭킹을 하는게 일반적이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 수평 전하전송영역에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 종래 HCCD의 구조단면도이고 도 2b는 종래 HCCD의 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 것이다.

도 2a에 도시한 바와같이 N형 반도체기판(11)에 형성된 P형 웰(13)과, 상기 P형 웰(13)의 소정영역에 형성되어 매몰 채널영역(BCCD:Buried CCD)(15)과, 상기 수평 전송채널영역(15)상측에 형성되는 게이트절연막(17)과, 상기 게이트절연막(17)상에 서로 절연되어 반복적으로 형성되는 제 1, 제 2 폴리게이트전극(19,19a)와, 상기 제 2 폴리게이트전극(19a)하측의 BCCD(15)에 전위차를 위하여 형성되는 베리어영역(21)으로 구성된다.

여기서, 상기 제 1 폴리게이트전극(19)와 제 2 폴리게이트전극(19a)의 사이에는 게이트절연막(17a)이 구성된다.

상기와 같은 종래 HCCD는 도 2b에 도시한 바와같이 계단형태의 포텐셜 웰을 유지하여 전하를 일방향으로 이동시킨다.

이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

t=1 일때 high전압이 인가되는 4번째 폴리게이트전극 하측 포텐셜 웰에 전하가 모이게 된다.

그리고 t=2 일때 1, 2번째 폴리게이트전극에 하이(high)전압이 인가되어 1, 2번째 폴리게이트전극 하측의 에너지 레벨은 내려가고 3, 4번째 폴리게이트전극에는 로우(low)전압이 인가되므로 에너지 레벨은 올라간다.

그러나 4번째 폴리게이트전극 하측의 포텐셜 웰에 모인 전자는 3번째 폴리게이트전극 하측의 베리어영역(21)에 의해 왼쪽으로는 이동할 수가 없다.

그리고 5, 6번째 폴리게이트전극의 에너지 레벨이 점점 낮아져서 4번째 폴리게이트전극의 오른편 에너지 장벽이 제거되면 에너지레벨이 낮은 5, 6번째 폴리게이트전극의 하측으로 전하가 이동한다.

그리고 5, 6번째 폴리게이트전극의 에너지 레벨이 충분히 높아지면 다시 계단식 포텐셜 웰을 형성하여 전자가 모여있는 위치는 4번째 폴리게이트전극의 하측에서 8번째 폴리게이트전극의 하측으로 바뀌게 된다.

이와같이 종래 2-Phase 클럭킹을 이용하여 순차적으로 포텐셜 레벨을 변화시켜 신호전하를 센싱앰프쪽으로 이동시킨다.

그러나 상기와 같은 종래 고체촬상소자는 다음과 같은 문제점이 있었다.

제 1 폴리게이트전극를 형성한 후 전위차를 발생하기 위해 상기 제 1 폴리게이트전극를 마스크로하여 이온주입을 실시하게 된다.

그리고 제 2 폴리게이트전극를 형성하기 위한 공정을 수행하여야 하므로 공정이 복잡하다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서 전위차를 형성하기 위한 이온주입 공정을 수행하지 않고 폴리게이트전극의 길이를 서로 다르게 하므로서 전위차를 발생시켜 공정을 간략화하는데 적당한 고체촬상소자 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 고체촬상소자의 레이아웃도

도 2a는 종래기술에 따른 고체촬상소자의 구조단면도

도 2b는 종래기술에 따른 고체촬상소자의 포텐셜 프로파일을 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 고체촬상소자의 구조단면도

도 4는 본 발명에 따른 고체촬상소자의 포텐셜 프로파일을 나타낸 도면

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 고체촬상소자의 제조공정을 나타낸 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 반도체기판33 : 웰영역

35 : 수평 전송채널영역37 : 폴리게이트전극

37a : 폴리실리콘층39 : 게이트절연막

39a : 절연막41 : 포토레지스트

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체촬상소자는 수직 및 수평전하 전송영역을 갖는 고체촬상소자에 있어서, 제 1 도전형 반도체기판내에 형성된 제 2 도전형 웰영역과, 상기 제 2 도전형 웰내에 형성된 제 1 도전형의 매몰 채널영역과, 매몰 채널영역이 형성된 반도체기판상에 순차적으로 길이를 달리하여 형성되는 복수개의 폴리게이트전극들, 그리고 상기 복수개의 폴리게이트전극들이 반복적으로 형성되는 것을 특징으로 하고 본 발명의 고체촬상소자 제조방법은 수직 및 수평 전하전송영역을 갖는 고체촬상소자의 제조에 있어서, 제 1 도전형의 반도체기판상에 제 2 도전형의 웰영역을 형성하는 공정과, 상기 웰영역내에 반도체기판과 동일도전형의 매몰 채널영역을 형성하는 공정과, 상기 매몰 채널영역상에 게이트절연막을 형성한 후 게이트절연막상에 폴리실리콘층을 형성하는 공정과, 상기 폴리실리콘층을 패터닝하여 전하이동방향에 따라 그 길이가 감소되는 복수개의 폴리게이트전극들을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.

먼저, 본 발명은 수평 전하전송영역(HCCD)의 폴리게이트전극의 길이를 서로 다르게 패터닝하여 각 폴리게이트전극들의 패턴길이에 따라 전하 포켓의 사이즈를 변화시키는 것이다.

이하, 본 발명의 고체촬상소자의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 고체촬상소자의 구조단면도이다.

도 3에 도시한 바와같이 본 발명의 고체촬상소자는 제 1 도전형의 반도체기판(31)과 상기 반도체기판(31)내에 형성된 제 2 도전형 웰영역(33)과, 상기 제 2 도전형 웰영역(33)의 표면내에 형성된 매몰 채널영역(BCCD:Buried CCD)(35)과, 상기 매몰 채널영역(35)상에서 순차적으로 서로다른 길이를 갖고 형성된 복수개의 폴리게이트전극(37)들을 포함하여 구성된다.

여기서 상기 제 1 도전형의 반도체기판(31)과 매몰 채널영역(35)은 N도전형이고 제 2 도전형의 웰영역(33)은 P도전형이다.

상기 매몰 채널영역(35)과 상기 폴리게이트전극(37)들 사이에는 게이트절연막(39)에 의해 절연되며 각 폴리게이트전극(37)들간에도 절연막(39a)에 의해 서로 절연되어 있다.

그리고 상기 복수개의 폴리게이트전극(37)들중 교번하는 폴리게이트전극들은 서로 동일한 클럭이 인가된다.

상기 폴리게이트전극(37)들은 각 폴리게이트전극의 길이가 일정값(a)을 기준으로하여 순차적으로 a+1, a+2, a+3이 되도록 4개의 전극을 패터닝하며 상기 4개의 전극으로 이루어진 한 쌍의 배열이 연속적으로 반복된다.

즉, 도 3에 도시한 바와같이 1, 3, 5, 7번째 폴리게이트전극에는 H0의 클럭신호가 인가되고 2, 4, 6, 8번째 폴리게이트전극에는 H1의 클럭신호가 인가된다.

이와같은 구조를 갖는 수평 전하전송영역의 구조에 따른 동작설명을 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 HCCD의 포텐셜 프로파일(Potential Profile)을 나타낸 것이다.

먼저, 포토다이오드(PD)영역에서 광전변환으로 형성된 신호전하가 수직 전하전송영역(VCCD)를 통해 수평 전하전송영역(HCCD)로 전달된다.

이때 도 4에 도시한 바와같이 t=1일때 H0의 클럭신호는 로우상태가 되고 H1의 클럭신호는 하이상태가 된다.

따라서 1, 3, 5, 7번째 폴리게이트전극에는 로우전압이 인가되고 2, 4, 6, 8번째 폴리게이트전극에는 하이전압이 인가된다.

비록 1, 3, 5, 7번째 폴리게이트전극에 동일한 로우전압이 인가되더라도 각 폴리게이트전극의 길이가 서로 다르므로 각 길이 차이에 해당하는 만큼의 전하 포겟 사이즈가 차이가 난다.

여기서 폴리게이트전극의 길이와 전하 포켓 사이즈와의 관계를 살펴보기로 한다.

균일하게 불순물이 주입되었을때 전하 포켓 사이즈는 폴리게이트전극의 면적에 비례한다.

즉, 폴리게이트전극의 면적이 증가할수록 전하 포켓 사이즈가 증가하고 상기 전하 포켓 사이즈에 비례하여 캐패시턴스가 증가하게 된다.

결과적으로 캐패시턴스가 전하 포켓 사이즈에 비례하므로 채널 포텐셜이 게이트면적에 따라 변화하게 된다.

이와같이 폴리게이트전극면적과 전하 포켓 사이즈와의 관계를 이용하게 되면 마찬가지로 2, 4, 6, 8번째 폴리게이트전극에 해당하는 포텐셜 레벨도 각 폴리게이트전극의 크기에 따라 차이가 난다.

이를 보다 상세히 설명하기로 한다.

t=1인 시점에서 1번째 폴리게이트전극에는 로우전압이 인가되어 높은 에너지 장벽을 갖게되고 2번째 폴리게이트전극에는 하이전압이 인가되므로 깊은 포텐셜 웰(큰 전하 포켓 사이즈)을 갖게된다.

그리고 3번째 폴리게이트전극에는 1번째 폴리게이트전극에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가되지만 폴리게이트전극의 길이가 1번째 폴리게이트전극보다 작으므로 에너지장벽의 크기가 1번째 폴리게이트전극에서 보다 작다.

4번째 폴리게이트전극에는 2번째 폴리게이트전극에 인가되는 전압과 동일한 하이전압이 인가되지만 폴리게이트전극의 길이가 2번째 폴리게이트전극보다 작으므로 전하 포켓의 사이즈가 작다.

따라서 수직 전하전송영역(VCCD)로부터 이동되어 온 신호전하는 도 4에 도시한 바와같이 4, 8번째 폴리게이트전극의 하부에 모이게 된다.

이후, t=1에서 t=2로 바뀌게 되면 상기 1, 3, 5, 7번째 폴리게이트전극에는 하이전압의 클럭신호가 인가되고 2, 4, 6, 8번째 폴리게이트전극에는 로우전압의 클럭신호가 인가된다.

즉, 1번째 폴리게이트전극에는 하이전압이 인가되어 전하 포켓의 사이즈가 크게 형성된다.

따라서 상대적으로 2번째 폴리게이트전극가 높은 에너지 장벽을 갖게 된다.

그리고 3번째 폴리게이트전극에는 1번째 폴리게이트전극에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가되지만 폴리게이트전극의 길이가 1번째 폴리게이트전극의 길이보다 작으므로 전하 포켓의 사이즈도 1번째 폴리게이트전극에 비해 작게 형성된다.

4번째 폴리게이트전극에는 2번째 폴리게이트전극에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가되지만 폴리게이트전극의 길이가 작으므로 에너지장벽이 2번째 폴리게이트전극에서보다 작게 형성된다.

또한 5번째 폴리게이트전극에는 하이전압이 인가되므로 상대적으로 4번째 폴리게이트전극에 비해 큰 전하 포켓을 갖게 된다.

따라서 T=1일때 4번째 폴리게이트전극의 하부에 모여있던 전하가 T=2일때에는 5번째 폴리게이트전극의 하부로 이동하게 된다.

한편 T=3일때를 설명하면 다음과 같다.

T=2에서 T=3로 바뀌면 T=2일때 1번째와 5번째 폴리게이트전극의 하부에 모여있던 전하가 각각 2번째와 6번째 폴리게이트전극의 하부로 이동하게 된다.

이상에서와 같이 각 폴리게이트전극의 길이를 서로 다르게 하여 클럭신호를 인가하게 되면 클럭신호가 인가됨에 따라 전하의 이동이 이루어진다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 고체촬상소자 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5a 내지 5c는 본 발명의 고체촬상소자 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와같이 제 1 도전형의 반도체기판(31)에 제 2 도전형의 웰영역(33)을 형성한다.

이때 상기 반도체기판(31)은 N도전형이고 상기 웰영역(33)은 P도전형이다.

이어, 상기 제 2 도전형의 웰(33)영역에 BCCD영역을 형성하여 매몰 채널영역(35)을 형성한다.

그리고 도 5b에 도시한 바와같이 상기 매몰 채널영역(35)상에 게이트절연막(39)을 형성한다.

상기 게이트절연막(39)상에 폴리게이트전극를 형성하기 위해 폴리실리콘층(37a)을 형성한다.

상기 폴리실리콘층(37a)상에 포토레지스트(41)를 도포한 후 전하이동 방향에 따라 그 폭이 감소되도록 노광 및 현상공정으로 상기 포토레지스트(41)를 패터닝한다.

이어, 도 5C에 도시한 바와같이 상기 패터닝된 포토레지스트(41)를 마스크로 이용한 식각공정으로 상기 폴리실리콘층(37a)을 선택적으로 제거하여 서로 다른 폭을 갖는 복수개의 폴리게이트전극(37)들을 형성한다.

여기서, 상기 폴리게이트전극(37)들은 전술한 바와같이 전하가 이동되는 방향에 따라 폴리게이트전극(37)의 길이가 점차로 감소되도록 형성하며 4개의 폴리게이트전극(37)들을 한 쌍으로 하여 반복적으로 형성한다.

이렇게 상기 폴리게이트전극(37)의 길이를 전하의 이동방향에 따라 차이를 두어 형성하면 각 폴리게이트전극(37)의 길이에 따라 전하 포켓의 사이즈가 차이를 갖게되고 전하 포켓의 사이즈가 차이를 갖게 되면 결과적으로 포텐셜 레벨이 차이가 나게된다.

상기와 같이 폴리게이트전극(37)의 길이에 따라 포텐셜 레벨을 변화시켜 수직 전하전송영역으로부터 전달되어 온 신호전하를 수평 전하전송영역을 통해 센싱앰프(SA)로 이동시키게 된다.

이상에서 상술한 바와같이 본 발명의 고체촬상소자는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 한 번의 게이트전극 형성공정으로 복수개의 폴리게이트전극들을 형성하므로 공정을 단순화 시킨다.

둘째, 폴리게이트전극의 길이를 서로 다르게 하므로써 전위차를 발생하기 때문에 전위차를 형성하기 위한 이온주입공정이 불필요하므로 공정을 간략화 시킨다.

셋째, 각 폴리게이트전극를 동일한 두께와 특성을 갖도록 형성하고 게이트절연막또한 동일한 두께로 형성할 수 있으므로 전하전송효율을 극대화시킨다.

Claims (6)

1. 수직 및 수평 전하전송영역을 갖는 고체촬상소자에 있어서,

   제 1 도전형의 반도체기판;

   상기 반도체기판내에 형성된 제 2 도전형의 웰영역;

   상기 웰영역내에 형성된 매몰 채널영역;

   상기 매몰 채널영역상에 형성된 게이트절연막;

   상기 게이트절연막상에서 일정간격을 두고 형성되고 전하이동 방향에 따라 순차적으로 길이가 감소하는 복수개의 폴리게이트전극들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 폴리게이트전극들은 4개를 한 쌍으로 하여 반복적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 폴리게이트전극들중 임의의 폴리게이트전극는 한 개의 폴리게이트전극를 건너서 형성된 폴리게이트전극와 동일한 클럭신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
4. 수직 및 수평 전하전송영역을 갖는 고체촬상소자의 제조에 있어서,

   제 1 도전형의 반도체기판상에 제 2 도전형의 웰영역을 형성하는 공정;

   상기 웰영역내에 반도체기판과 동일도전형의 매몰 채널영역을 형성하는 공정;

   상기 매몰 채널영역상에 게이트절연막을 형성한 후 게이트절연막상에 폴리실리콘층을 형성하는 공정;

   상기 폴리실리콘층을 패터닝하여 전하이동방향에 따라 그 길이가 감소되는 복수개의 폴리게이트전극들을 형성하는 공정

   각 폴리게이트전극들간의 전기적인 절연을 위해 절연막을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 폴리게이트전극들은 4개의 폴리게이트전극를 한 쌍으로 하여 반복적으로 형성되도록 폴리실리콘층을 패터닝함을 특징으로 하는 고체촬상소자 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 폴리게이트전극들중 임의의 폴리게이트전극는 하나의 폴리게이트전극를 건너서 형성된 폴리게이트전극와 동일한 클럭신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자 제조방법.

Images