KR100326267B1 - Image sensor and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토다이오드의 정전용량이 증대되고, 단파장에 대해 광감도가 향상되며, 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅확산으로 전달하는 효율을 증대시킨 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것으로 이를 위한 본 발명의 이미지센서의 포토다이오드는 P-에피층과, P-에피층 내부에 형성되는 N-이온주입층과, N-이온주입층과 접하여 N-이온주입층 상부의 P-에피층 내부에 형성되는 P0이온주입층과, P0이온주입층과 접하여 P0이온주입층과 P-에피층 표면 사이의 P-에피층 내부에 형성되는 N0이온주입층, 및 P-에피층 표면 상에서 에피택셜 성장된 P+에피층을 구비한다. 그리고, 상기 N-이온주입층 및 상기 N0이온주입층은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지에 자신의 일측 에지가 실질적으로 얼라인되어 형성되며, 상기 N-이온주입층 및 상기 N0이온주입층이 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지 부분에서 서로 접하도록, 상기 P0이온주입층은 상기 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성되며, 역시 상기 P+에피층도 상기 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된다. 이에 의해 본 발명의 포토다이오드는 광감지영역의 활성영역에서는 P/N/P/N/P 다이오드를 구성하되, 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지 부위에서는 PN 다이오드를 형성하게 된다.An object of the present invention is to provide an image sensor in which the capacitance of a photodiode is increased, the photosensitivity is improved with respect to a short wavelength, and the efficiency of transferring the photocharge generated in the photodiode to the floating diffusion is increased, and a method of manufacturing the same. the photodiode of the image sensor of the present invention is P- epi-layer and, N is formed in the P- epi layer and the ion implanted layer, N-ion-implanted layer inside the P- epitaxial layer on the upper-ion-implanted layer in contact with the N N 0 on the ion-implanted layer, and a P- epitaxial layer surface formed on the inner P- epi layer between the ion implanted layer and P 0, P 0 P 0 in contact with the ion implanted layer and the ion implantation layer and the P- epitaxial layer surface formed And an epitaxially grown P + epilayer. In addition, the N-ion implantation layer and the N 0 ion implanted layer, the ion implantation layer and the N 0 ion implantation layer is formed that their side edges to the gate electrode edge of the transfer transistors are substantially aligned, the N , so as to be in contact with each other in the gate electrode edge portion of the transfer transistor and the P 0 ion implantation layer is formed, and spaced apart horizontally from the gate electrode edges, is also separated from said P + epitaxial layer also horizontally from the gate electrode edge do. Accordingly, the photodiode of the present invention forms a P / N / P / N / P diode in the active region of the photo sensing region and forms a PN diode at the gate electrode edge of the transfer transistor.

Description

큰 정전용량의 포토다이오드를 갖는 이미지센서 및 그 제조방법{Image sensor and method for fabricating the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor having a photodiode having a large capacitance,

본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 큰 정전용량의 포토다이오드를 갖는 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge coupled device (CCD) or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor having a photodiode with a large capacitance and a manufacturing method thereof.

CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip) 화가 곤란하는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(Sub- micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. 그러나 현재까지는 CCD에 비하여 화질이 떨어지므로 이를 개선하려는 노력이 진행중이다. 즉, CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이기 때문에 이를 위한 노력이 진행중이다.CCD is complicated in driving method, consumes a large amount of power, has a complicated process due to a large number of mask process steps, can not implement a signal processing circuit in a CCD chip, and has a drawback in that it is difficult to form one chip In order to overcome such drawbacks, the development of a CMOS image sensor using sub-micron CMOS manufacturing technology has been extensively studied. A CMOS image sensor forms a photodiode and a mos transistor in a unit pixel to detect an image sequentially by a switching method. Since a CMOS manufacturing technology is used, power consumption is low and the number of masks is about 20 to 30 to 40 Compared to a CCD that requires a single mask, the process is very simple, and it is possible to use several signal processing circuits and one chip, which is getting the spotlight as a next generation image sensor. However, since the image quality is lower than that of CCD until now, efforts are underway to improve it. That is, in a CCD or CMOS image sensor, a photodiode is an introduction part that converts incident light according to each wavelength into an electrical signal. In an ideal case, when the photomultiplier generation efficiency is 1 at all wavelength bands, This is an ongoing effort.

도1은 통상의 CMOS 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 MOS트랜지스터는 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(MD), 및 셀렉트트랜지스터(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다. 도면부호 Cfd는 플로팅확산의 커패시턴스를 나타낸다.FIG. 1 is a circuit diagram of a typical CMOS image sensor unit pixel (unit pixel), which is composed of one photodiode PD and four MOS transistors. The four MOS transistors are composed of a transfer transistor Tx, a reset transistor Rx, A drive transistor MD, and a select transistor Sx. A load transistor is formed outside the unit pixel so as to read an output signal. Cfd represents the capacitance of the floating diffusion.

도2에는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 중에서 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)에 대한 레이아웃이 도시되어 있고, 도3a 내지 도3d에는 도2의 A-A'를 따른 제조 공정 순서를 보여주는 단면도이다.2 shows a layout of a photodiode PD, a transfer transistor Tx and a reset transistor Rx in a unit pixel of a CMOS image sensor according to the related art. In FIGS. 3A to 3D, A 'in Fig.

도2와, 도3a 내지 도3d를 참조하여 종래기술에 따른 포토다이오드 제조 공정을 살펴보도록 한다.The photodiode manufacturing process according to the prior art will be described with reference to FIGS. 2 and 3A to 3D.

먼저, P+실리콘기판 상에 저농도의 P-에피층(1)이 성장된 웨이퍼를 준비한 다음, 필드절연막(2)과 트랜지스터들의 게이트산화막(3) 및 게이트전극(4)을 형성한다(도3a 참조). 도면에는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극(204)과 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트전극(202) 만이 도시되어 있다. 이어서, 마스크패턴(5)을 형성하고, 저농도 고에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(1) 내에 N-이온주입영역(6)을 형성한다(도3b 참조). 이때 도2에 도시된 바와 같이, N-이온주입 마스크패턴(5)은 그 오픈되는 영역(206)이 활성영역(205) 전체가 아니라 활성영역 모서리 에지를 덮도록 디자인되게 된다. 또한 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 일측을 노출시키도록 디자인된다.First, a wafer on which a low-concentration P-epi layer 1 is grown on a P + silicon substrate is prepared, and then a field oxide film 2 and a gate oxide film 3 and a gate electrode 4 of transistors are formed Reference). Only the gate electrode 204 of the transfer transistor Tx and the gate electrode 202 of the reset transistor Rx are shown. Subsequently, a mask pattern 5 is formed, and low-concentration high-energy ion implantation is performed to form an N - ion implantation region 6 in the P-epi layer 1 of the photodiode active region (see FIG. 3B). 2, the N - ion implantation mask pattern 5 is designed such that the open region 206 covers the active region edge edge, not the active region 205. And is designed to expose one side of the gate electrode 204 of the transfer transistor.

이어서, 상기 마스크패턴(5)을 제거하고 다시 마스크패턴(5')를 형성한 다음 고농도 저에너지 이온주입을 실시하여 P-에피층(1) 표면 하부에 P0이온주입영역(7)을 형성한다(도3c 참조). 이때 도2에 도시된 바와 같이, P0이온주입 마스크패턴(5')은 그 오픈되는 영역(207)이 활성영역(205) 전체이며, 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 일측을 노출시키도록 디자인된다.Subsequently, the mask pattern 5 is removed, a mask pattern 5 'is formed, and a high-concentration low-energy ion implantation is performed to form a P 0 ion implantation region 7 below the surface of the P-epi layer 1 (See FIG. 3C). 2, the P 0 ion implantation mask pattern 5 'is formed such that the open region 207 thereof is the entire active region 205 and the gate electrode 204 of the transfer transistor is exposed. do.

그리고, 도3d는 게이트측벽스페이서(8)와 트랜지스터들의 소스/드레인접합(9)을 형성한 다음, 층간절연막(10)을 형성한 상태를 보여준다. 트랜스퍼트랜지스터와 리셋트랜지스터를 연결하는 소스/드레인접합이 플로팅확산(203)이 되며, 리셋트랜지스터의 타접합에는 VDD를 인가받는 드레인접합(201)이 된다.3D shows a state in which the gate sidewall spacer 8 and the source / drain junction 9 of the transistors are formed and then the interlayer insulating film 10 is formed. The source / drain junction connecting the transfer transistor and the reset transistor becomes the floating diffusion 203, and the other junction of the reset transistor becomes the drain junction 201 receiving the VDD.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 포토다이오드는 P/N/P형 포토다이오드로 구성되는바, P/N/P형 포토다이오드는 P-에피층(1)과, N-이온주입영역(6) 및 P0이온주입영역(7)으로 이루어진다.As described above, the conventional photodiode P / N / P-type bar consisting of a photodiode, P / N / P-type photodiode and P- epi layer (1), N - ion implanted region 6 And a P 0 ion implantation region 7.

N-이온주입영역(6)은 입사하는 광자에 의하여 생성되는 광전하(Photogenerated Charge)를 모으는 공핍층(Depletion Region)의 역할을 한다. 그리고 P0이온주입영역(7)은 N-이온주입영역(6)을 완전히 공핍시키는 역할 뿐만 아니라 정전용량(Charge Capacity)의 증가를 도모하여 광감지영역에서 모을 수 있는 광전하의 수를 증가시켜서 광감도를 증가시킬 목적으로 형성되는 것이다. 따라서 P0이온주입영역(7)으로 내부의 N-이온주입영역(6)을 완전히 공핍시키기 위해서는 N-이온주입영역(6) 보다 P0이온주입영역(7)의 도펀트 농도가 상대적으로 높아야 한다.The N - ion implanted region 6 serves as a depletion region for collecting photogenerated charge generated by incident photons. And P 0 the ion implantation region 7 is N - ion implanted region 6 is fully serve to deplete, as well as by increasing the number under the photoelectric which may collect in the photo-sensing area to achieve an increase in the capacitance (Charge Capacity) light sensitivity to In order to increase the number. So P 0 ion implanted region 7 with the interior of the N - in order to fully deplete the ion-implanted region 6 and N - is the dopant concentration of the ion-implanted region 6 than P 0 ion implantation region 7 is relatively higher .

그런데, 이러한 구조의 종래 포토다이오드는, 한정된 파장대역에서만 국한되어 정전 용량과 광감도가 증가되는 문제점이 있다. 즉, 파장이 긴 레드(red) 빛이나 그린(Green) 빛의 경우에는 아무 문제가 되지 않으나, 단파장의 블루(blue) 빛은 실리콘기판(P-에피층) 깊숙이 투과되지 못하기 때문에 표면에서 광전하를 생성하게 되는데, 이 표면에 P0이온주입영역(7)이 존재하기 때문에 광자에 의해 생성되는 광전하(Photogenerated Charge)가 훨씬 감소하게 되어 광감도가 상대적으로 감소하게 된다. 따라서, 결핍된 블루 칼러로 인해 컬러 이미지를 구현하는데 있어 문제점이 발생된다.However, the conventional photodiodes having such a structure are confined to a limited wavelength band, increasing the capacitance and photosensitivity. That is, there is no problem in the case of a long wavelength of red light or green light, but since blue light of a short wavelength can not penetrate deeply into the silicon substrate (P-epi layer) The photogenerated charge generated by the photon is much reduced because the P 0 ion implanted region 7 exists on the surface, and the photosensitivity is relatively reduced. Therefore, a problem arises in implementing a color image due to a deficient blue color.

또한, 종래에는 P0이온주입영역(7)이 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 에지에 얼라인되도록 이온주입되어 형성되기 때문에, 이후의 후속 열공정에서 P0이온주입영역(7)의 도펀트들이 트랜스퍼트랜지스터의 채널 지역으로 확산되어 고 전위장벽을 형성하게되고, 이에 의해 생성된 광전하가 플로팅확산(203)으로 전달되는 효율이 감소할 뿐만 아니라, 이러한 고전위장벽을 극복할 수 있는 만큼의 광전자가 필요하기 때문에 충분한 광전자를 모으는 시간이 더 필요하게 되어 동영상 이미지를 구현하는데 문제점이 발생하는 문제점이 있다.Further, in the prior art, are P 0 ion implantation region 7 are formed is ion-implanted so that the alignment to the gate electrode 204, the edge of the transfer transistor, and in a subsequent thermal process after the P 0 dopant ion implantation region 7 Not only the efficiency of transferring the generated photoelectrons to the floating diffusion 203 is reduced, but also the amount of photoelectrons that can overcome such a high potential barrier There is a problem in that it takes more time to collect enough photoelectrons to cause a problem in implementing a moving image.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 포토다이오드의 정전용량이 증대되고, 단파장에 대해 광감도가 향상된 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an image sensor in which the capacitance of a photodiode is increased and the photosensitivity is improved with respect to a short wavelength, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅확산으로 전달하는 효율을 증대시킨 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide an image sensor that increases the efficiency of transferring light charges generated in a photodiode to floating diffusion, and a method of manufacturing the same.

도1은 통상의 CMOS 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도.1 is a circuit diagram of a typical CMOS image sensor unit pixel (unit pixel).

도2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 일부 평면도.2 is a partial plan view of a unit pixel of a conventional CMOS image sensor.

도3a 내지 도3d는 도2의 A-A'를 따른 제조 공정 순서를 보여주는 단면도.FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views showing a manufacturing process sequence according to A-A 'in FIG. 2; FIG.

도4는 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 일부 평면도.4 is a partial plan view of a unit pixel of a CMOS image sensor according to the present invention.

도5a 내지 도5g에는 도4의 A-A'를 따른 제조 공정 순서를 보여주는 단면도.5A to 5G are cross-sectional views illustrating a manufacturing process sequence according to A-A 'in FIG. 4;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

1 : P-에피층 6A : N-이온주입층1: P-epi layer 6A: N - ion implanted layer

6B : N0이온주입층 7 : P0이온주입층6B: N 0 ion implantation layer 7: P 0 ion implantation layer

11 : P+에피층11: P + epilayer

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 포토다이오드와 트랜스퍼트랜지스터를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드는, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제1이온주입층; 상기 제1이온주입층과 접하여 상기 제1이온주입층 상부지역의 상기 반도체층 내부에 형성되는 제1도전형의 제3이온주입층; 상기 제3이온주입층과 접하여 상기 제3이온주입층과 상기 반도체층 표면 사이의 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제2이온주입층; 및 상기 반도체층 표면 상에서 에피택셜 성장된 제1도전형의 에피층을 포함하여 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided an image sensor having a photodiode and a transfer transistor, the photodiode including: a first conductive semiconductor layer; A first ion-implanted layer of a second conductivity type formed in the semiconductor layer; A third ion-implanted layer of a first conductivity type formed in the semiconductor layer in the upper region of the first ion-implanted layer in contact with the first ion-implanted layer; A second ion-implanted layer of a second conductivity type formed in the semiconductor layer between the third ion-implanted layer and the surface of the semiconductor layer in contact with the third ion-implanted layer; And an epi layer of a first conductivity type epitaxially grown on the surface of the semiconductor layer.

그리고, 상기 구조를 갖는 본 발명의 포토다이오드는, 리셋과정에서, 상기 제3이온주입층과 상기 반도체층은 상기 제1이온주입층을 완전히 공핍시킬수 있는 도펀트 농도를 갖고, 상기 제2이온주입층은 상기 제3이온주입층을 완전히 공핍시킬수 있는 도펀트 농도를 가지며, 상기 에피층은 상기 제2이온주입층을 완전히 공핍시킬수 있는 도펀트 농도를 갖는 것을 특징으로 한다.In the photodiode of the present invention having the above structure, in the reset process, the third ion-implanted layer and the semiconductor layer have a dopant concentration capable of completely depleting the first ion-implanted layer, Has a dopant concentration capable of completely depleting the third ion-implanted layer, and the epi-layer has a dopant concentration capable of completely depleting the second ion-implanted layer.

바람직하게, 상기 제1이온주입층 및 상기 제2이온주입층은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지에 자신의 일측 에지가 실질적으로 얼라인되어 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 제1이온주입층과 상기 제2이온주입층이 상기 게이트전극 에지 부분에서 서로 접하도록, 상기 제3이온주입층은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성되고, 상기 에피층 역시 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 한다.Preferably, the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer are formed by substantially aligning one side edge of the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer at the gate electrode edge of the transfer transistor, The second ion implantation layer is formed horizontally spaced apart from the gate electrode edge of the transfer transistor so that the second ion implantation layer is in contact with the gate electrode edge portion and the epi layer is also separated from the gate electrode edge of the transfer transistor And is horizontally spaced apart.

바람직하게, 상기 반도체층과 상기 제3이온주입층 및 상기 에피층이 필드절연막의 에지부분에서 서로 접하도록 상기 제1 및 제2 이온주입층은 그 일부분이 상기 필드절연막의 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 한다.Preferably, a portion of the first and second ion-implanted layers is horizontally spaced apart from the edge of the field insulating film so that the semiconductor layer, the third ion-implanted layer, and the epi-layer contact each other at the edge portions of the field- .

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 제1도전형의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계; 상기 필드절연막으로부터 상기 포토다이오드가 형성될 광감지영역을 두고 떨어진 상기 반도체층 상에 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극을 패터닝하는 단계; 상기 게이트전극 일측에지가 노출되고 상기 광감지영역의 상기 반도체층 일부분을 덮도록 제1이온주입마스크를 형성하는 단계; 제2도전형 불순물을 이온주입하여 상기 반도체층 내부에 제1이온주입층을 형성하는 단계; 제2도전형 불순물을 이온주입하여 상기 제1이온주입층 상부의 상기 반도체층 내부에 제2이온주입층을 형성하는 단계; 상기 제1이온주입마스크를 제거하는 단계; 상기 게이트전극의 상기 일측에지를 덮으면서 광감지영역의 상기 반도체층이 노출되도록 제2이온주입마스크를 형성하는 단계; 제1도전형 불순물을 이온주입하여 상기 제1이온주입층과 상기 제2이온주입층의 계면에 제3이온주입층을 형성하는 단계; 및 상기 제2이온주입마스크에 의해 노출된 상기 반도체층 상에 제1도전형의 에피층을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an image sensor, including: forming a field insulating layer on a first conductive semiconductor layer; Patterning a gate electrode of the transfer transistor on the semiconductor layer separated from the field insulating film by a photo-sensing region where the photodiode is to be formed; Forming a first ion implantation mask to expose one edge of the gate electrode and cover a portion of the semiconductor layer of the photo-sensing area; Forming a first ion-implanted layer in the semiconductor layer by ion-implanting a second conductive impurity; Implanting a second conductive impurity to form a second ion-implanted layer in the semiconductor layer above the first ion-implanted layer; Removing the first ion implantation mask; Forming a second ion implantation mask so that the semiconductor layer of the photo-sensing region is exposed while covering the one edge of the gate electrode; Implanting a first conductive impurity to form a third ion-implanted layer at an interface between the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer; And growing an epitaxial layer of a first conductivity type on the semiconductor layer exposed by the second ion implantation mask.

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 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. do. The same reference numerals are given to the same constituent elements as those of the prior art.

도4에는 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 중에서 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)에 대한 레이아웃이 도시되어 있고, 도5a 내지 도5g에는 도4의 A-A'를 따른 제조 공정 순서를 보여주는 단면도이다.4 shows the layout of the photodiode PD, the transfer transistor Tx and the reset transistor Rx in the unit pixels of the CMOS image sensor according to the present invention, A 'in Fig.

도4와, 도5a 내지 도5g를 참조하여 본 발명에 따른 포토다이오드 제조 공정을 살펴보도록 한다.The photodiode fabrication process according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5A to 5G.

먼저, P+실리콘기판 상에 저농도의 P-에피층(1)이 성장된 웨이퍼를 준비한 다음, 필드절연막(2)과 트랜지스터들의 게이트산화막(3) 및 게이트전극(4)을 형성한다(도3a 참조). 도면에는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극(204)과 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트전극(202) 만이 도시되어 있다.First, a wafer on which a low-concentration P-epi layer 1 is grown on a P + silicon substrate is prepared, and then a field oxide film 2 and a gate oxide film 3 and a gate electrode 4 of transistors are formed Reference). Only the gate electrode 204 of the transfer transistor Tx and the gate electrode 202 of the reset transistor Rx are shown.

이어서, 마스크패턴(5)을 형성하고, 저농도 고에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(1) 내에 N-이온주입영역(6A)을 형성하고, 이어서 연속적으로 저에너지 고농도 이온주입을 진행하여 N-이온주입영역(6A) 상에 N0이온주입영역(6B)을 형성한다.(도3b 참조). 이때 도4에 도시된 바와 같이, N 타입 이온주입 마스크패턴(5)은 그 오픈되는 영역(206)이 활성영역(205) 전체가 아니라 활성영역 모서리 에지를 덮도록 디자인되게 된다. 또한 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 일측을 노출시키도록 디자인된다.Subsequently, a mask pattern 5 is formed, and a low-concentration high-energy ion implantation is performed to form an N - ion implantation region 6A in the P-epi layer 1 of the photodiode active region. Subsequently, The implantation proceeds to form the N 0 ion implanted region 6B on the N - ion implanted region 6A (see FIG. 3B). 4, the N-type ion implantation mask pattern 5 is designed such that the open region 206 covers the active region edge edge, not the active region 205 as a whole. And is designed to expose one side of the gate electrode 204 of the transfer transistor.

이어서, 상기 마스크패턴(5)을 제거하고 게이트측벽스페이서(8)와 트랜지스터들의 소스/드레인접합(9)을 형성하여, 플로팅확산(203)과 VDD를 인가받는 드레인접합(201)을 형성한다(도5c 참조).Subsequently, the mask pattern 5 is removed and a gate sidewall spacer 8 and a source / drain junction 9 of transistors are formed to form a drain junction 201 to which the floating diffusion 203 and VDD are applied ( 5c).

이어서, 평탄화된 제1절연막(10)을 형성하고, P형 불순물층을 형성하기 위하여 마스크패턴(20)을 형성하고, 제1절연막(10)을 식각한다. 이때 도4에 도시된 바와 같이, 마스크패턴(20)은 그 오픈되는 영역(도4의 207a)이 활성영역(205) 전체이며, 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204)을 완전히 덮도록 디자인된다.Then, a planarized first insulating film 10 is formed, a mask pattern 20 is formed to form a P-type impurity layer, and the first insulating film 10 is etched. 4, the mask pattern 20 is designed such that the open region (207a in FIG. 4) is the entire active region 205 and completely covers the gate electrode 204 of the transfer transistor.

이어서, 마스크패턴(20)을 제거하고 N-이온주입영역(6A) 형성시의 에너지보다 적은 중에너지로 P-타입 불순물을 이온주입하여 P0이온주입층(7)을 형성한다(도5e 참조). 이때, P0이온주입층(7)의 불순물 양은 광감지영역 내부의 N-이온주입영역(6A)을 완전히 공핍시킬 수 있도록 할뿐만 아니라, 자신도 N0이온주입층(6B)에 의해 리셋 과정에서 완전공핍될 수 있는 불순물 양을 갖는다.Then removing the mask pattern 20 and the N - forms an ion implanted region (6A), the ion implantation to P 0 ion implantation layer 7 a P- type impurity in the energy is less than the energy in the form (see Fig. 5e ). At this time, the impurity amount of the P 0 ion implantation layer 7 not only can completely deplete the N - ion implanted region 6A in the photo sensing region, but also allows the N 0 ion implantation layer 6B to perform the reset process Lt; RTI ID = 0.0 > depletion < / RTI >

이어서, 상기 제1절연막(10)에 의해 노출된 기판에 P-에피층(11)을 성장시킨다.(도5f 참조) 이때 에피층(11)의 두께는 아주 얇게 약 0.01 ~ 0.05㎛로 형성시킴과 동시에 고농도의 불순물을 유지하여 N0이온주입층(6B)을 리셋 과정에서 완전 공핍시킬 수 있는 농도를 가져야 한다.Then, the P-epi layer 11 is grown on the substrate exposed by the first insulating film 10 (see FIG. 5F). At this time, the thickness of the epi layer 11 is formed to be very thin to about 0.01 to 0.05 μm And at the same time, it is necessary to maintain a high concentration of impurities so that the N 0 ion implantation layer 6B can be completely depleted in the reset process.

이어서, 도5g와 같이, 급속열처리를 실시하여 실리콘의 격자 결함 및 이온주입에 의한 p-형 불순물의 활성화를 진행하고, 제2절연막(12)을 증착하고 평탄화한다.Next, as shown in FIG. 5G, rapid thermal annealing is performed to activate the p-type impurity by lattice defects of silicon and ion implantation, and the second insulating film 12 is deposited and planarized.

이상에서 상술한 바와 같은 방법에 의해 제조된 본 발명의 이미지센서 구조와 그 구조가 갖는 특징적 작용효과를 상기 도5g를 참조하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, the image sensor structure of the present invention manufactured by the above-described method and the characteristic effects of the structure will be described in detail with reference to FIG. 5G.

도5g를 참조하면, 본 발명에 따른 이미지센서의 포토다이오드는 P-에피층(1)과, 상기 P-에피층(1) 내부에 형성되는 N-이온주입층(6A)과, 상기 N-이온주입층(6A)과 접하여 상기 N-이온주입층(6A) 상부의 상기 P-에피층(1) 내부에 형성되는 P0이온주입층(7)과, 상기 P0이온주입층(7)과 접하여 상기 P0이온주입층(7)과 상기 P-에피층(1) 표면 사이의 상기 P-에피층(1) 내부에 형성되는 N0이온주입층(6B), 및 상기P-에피층(1) 표면 상에서 에피택셜 성장된 P+에피층(11)을 구비하고 있다.Referring to Figure 5g, the photodiode of the image sensor according to the present invention N is formed in the P- epitaxial layer 1 and the P- epitaxial layer (1) ion-implanted layer (6A) and the N- ion-implanted layer (6A) and in contact with the N-ion implantation layer (6A) of the upper P- epitaxial layer (1), P 0 ion implantation layer formed therein (7) and P 0 the ion injection layer (7) An N 0 ion implantation layer 6 B formed inside the P-epi layer 1 between the P 0 ion implantation layer 7 and the surface of the P-epi layer 1 in contact with the P- And a P + epitaxial layer 11 epitaxially grown on the surface of the substrate 1.

상기 N-이온주입층(6A) 및 상기 N0이온주입층(6B)은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(도4의 204) 에지에 자신의 일측 에지가 실질적으로 얼라인되어 형성되며, 상기 N-이온주입층(6A) 및 상기 N0이온주입층(6B)이 상기 게이트전극(204) 에지 부분에서 서로 접하도록, 상기 P0이온주입층(7)은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성되며, 역시 상기 P+에피층(11)도 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된다. 이에 의해 본 발명의 포토다이오드는 광감지영역의 활성영역에서는 P/N/P/N/P 다이오드를 구성하되 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(204) 에지 부위에서는 PN 다이오드를 형성하게 된다.The N - ion implanted layer (6A) and the N 0 ion implanted layer (6B) is formed that their side edges are substantially aligned to the gate electrode (204 in Figure 4) edge of the transfer transistor, the N - The P 0 ion implantation layer 7 is formed on the gate electrode 204 of the transfer transistor so that the ion implantation layer 6 A and the N 0 ion implantation layer 6 B are in contact with each other at the edge portion of the gate electrode 204. And the P + epi layer 11 is horizontally spaced apart from the edge of the gate electrode 204 of the transfer transistor. Accordingly, the photodiode of the present invention includes a P / N / P / N / P diode in the active region of the photo sensing region, and a PN diode at the edge of the gate electrode 204 of the transfer transistor.

한편, 상기 P-에피층(1)과 상기 P0이온주입층(7) 및 상기 P+에피층(11)은 필드절연막(2)의 에지부분에서 서로 접하도록 상기 N-이온주입층(6A) 및 상기 N0이온주입층(6B)은 그 일부분이 상기 필드절연막(2)의 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된다. 그리고, 상기 P0이온주입층(7)과 상기 P-에피층(1)은 상기 N-이온주입층(6A)을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 갖고, 상기 N0이온주입층(6B)은 상기 P0이온주입층(7)을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 가지며,상기 P+에피층(11)은 상기 N0이온주입층(6B)을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 갖는다. 이에 의해 본 발명의 포토다이오드는 리셋과정에서 p형 도전층(1, 7, 11)들이 서로 충분히 연결되어 n형 도전층(6A, 6B)들이 완전공핍되게 된다. 즉, 잘 알려진 바와 같이 수직적으로 다수의 P/N 접합을 갖는 다이오드에서 표면층으로부터 기판 내부층으로 갈수록 도핑농도가 적어야만 완전 공핍이 가능하고, 또한 기판 깊숙하게 공핍층의 형성이 가능하여 공핍영역을 증대시킬 수 있기 때문에, 도핑농도는 P+에피층(11)이 가장 크고, N0이온주입층(6B), P0이온주입층(7), N-이온주입층(6A), P-에피층(1)의 순으로 점차 작아져야 한다.On the other hand, the P- epi-layer (1) and P 0 the ion injection layer 7 and the N said P + epitaxial layer 11 is in contact with each other at an edge of the field insulation film (2) ion-implanted layer (6A And the N 0 ion implantation layer 6B are formed so that a part thereof is horizontally spaced from the edge of the field insulating film 2. In addition, the P 0 ion injection layer 7 and the P- epitaxial layer 1 is the N - has a dopant concentration that can be fully depleted by the ion implantation layer (6A), the N 0 ion implanted layer (6B) Has a dopant concentration capable of completely depleting the P 0 ion implantation layer 7 and the P + epi layer 11 has a dopant concentration capable of completely depleting the N 0 ion implantation layer 6B. Accordingly, the photodiode of the present invention sufficiently connects the p-type conductive layers 1, 7 and 11 to each other in the reset process to completely deplete the n-type conductive layers 6A and 6B. That is, as is well known, in a diode having a plurality of vertically P / N junctions, the doping concentration must be reduced from the surface layer to the inner layer of the substrate to enable complete depletion. Further, a depletion layer can be formed deeply on the substrate, The P + epitaxial layer 11 has the largest doping concentration and the N 0 ion implantation layer 6 B, the P 0 ion implantation layer 7, the N - ion implantation layer 6 A, Layer (1).

그리고, 상기 P+에피층(11)은 0.01 ~ 0.05㎛의 두께를 갖도록 하여 단파장 빛에 대한 광감도를 증대시킨다.The P + epitaxial layer 11 has a thickness of 0.01 to 0.05 탆 to increase the sensitivity to short-wavelength light.

더욱이, 상기 N-이온주입층(6A)이 완전공핍될 때 포토다이오드의 공핍층이 상기 P-에피층(1) 깊숙히 형성되도록 상기 P-에피층은 상기 P0이온주입층(7) 보다 낮은 도펀트 농도를 갖는다.Furthermore, when the N - ion implanted layer 6A is completely depleted, the P-epi layer is lower than the P 0 ion implanted layer 7 so that a depletion layer of the photodiode is deeply formed in the P- Dopant concentration.

이와 같은 광감지영역의 포토다이오드 구조를 형성하면, 포토다이오드의 정전용량은 P/N/P/N/P 접합 구조를 갖기 때문에 매우 증대되게 되며, 이에 의해 포토다이오드의 광전하 생성 효율을 크게 증대된다.When the photodiode structure of such a photodetecting region is formed, the electrostatic capacity of the photodiode is greatly increased because it has a P / N / P / N / P junction structure, thereby greatly increasing the photoconductive efficiency of the photodiode do.

또한, P+에피층(11)에 의해 실리콘 표면까지 공핍층을 확대함과 동시에 매우 얇은 0.01 ~ 0.05㎛의 두께의 P+에피층(11)이 존재하므로 파장이 짧은 예컨대 블루 빛에 대한 광감도를 증대시킬 수 있다. 이에 의해 칼러 이미지를 구현하는데 있어 보다 선명한 칼러 구현과 광전하를 모으는 시간에 대한 마진을 증가시킬 수 있다.Further, since the P + epitaxial layer 11 expands the depletion layer to the silicon surface and the P + epitaxial layer 11 having a thickness of 0.01 to 0.05 탆 is present, the photosensitivity to blue light having a short wavelength Can be increased. As a result, it is possible to realize a clearer color in implementing a color image and increase the margin of time for collecting light charges.

더욱이 본 발명의 포토다이오드는 트랜스퍼게이트 에지부분에서 NP형으로 형성되어 있어, 전위장벽이 억제되고 N형 도전층에 의해 전위우물(potential well)을 부분적으로 증가시키기 때문에 보다 쉽게 광전하가 플로팅확산쪽으로 전달되도록 한다.Furthermore, since the photodiode of the present invention is formed in the NP-type at the transfer gate edge portion, the potential barrier is suppressed and the N-type conductive layer partially increases the potential well, so that the photocharge is more easily directed toward the floating diffusion .

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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. In addition, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

본 발명의 이미지센서는, 제한된 면적하에서 P/N/P/N/P 접합 구조를 가짐과 동시에, 트랜스퍼트랜지스터의 게이트 에지에서는 NP 접합 구조를 갖는 포토다이오드를 구비하기 때문에, 포토다이오드의 큰 정전용량에 의해 광전하생성효율이 크게 증대되고, 광전하전달효율 역시 증대되며, 아울러 단파장 빛에 대한 광감도가 크게개선되므로써, 매우 우수한 특성을 갖게 된다.Since the image sensor of the present invention has the P / N / P / N / P junction structure under a limited area and the photodiode having the NP junction structure at the gate edge of the transfer transistor, , The photoelectric charge generating efficiency is greatly increased, the photoelectric charge transfer efficiency is increased, and the photosensitivity to short wavelength light is greatly improved.

Claims (11)

포토다이오드와 트랜스퍼트랜지스터를 갖는 이미지센서에 있어서,1. An image sensor having a photodiode and a transfer transistor, 상기 포토다이오드는,The photodiode includes: 제1도전형의 반도체층;A semiconductor layer of a first conductivity type; 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제1이온주입층;A first ion-implanted layer of a second conductivity type formed in the semiconductor layer; 상기 제1이온주입층과 접하여 상기 제1이온주입층 상부지역의 상기 반도체층 내부에 형성되는 제1도전형의 제3이온주입층;A third ion-implanted layer of a first conductivity type formed in the semiconductor layer in the upper region of the first ion-implanted layer in contact with the first ion-implanted layer; 상기 제3이온주입층과 접하여 상기 제3이온주입층과 상기 반도체층 표면 사이의 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제2이온주입층; 및A second ion-implanted layer of a second conductivity type formed in the semiconductor layer between the third ion-implanted layer and the surface of the semiconductor layer in contact with the third ion-implanted layer; And 상기 반도체층 표면 상에서 에피택셜 성장된 제1도전형의 에피층An epi layer of a first conductivity type epitaxially grown on the surface of the semiconductor layer 을 포함하여 이루어진 이미지센서.. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1이온주입층 및 상기 제2이온주입층은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지에 자신의 일측 에지가 실질적으로 얼라인되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.Wherein the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer are formed by substantially aligning one side edge thereof with the gate electrode edge of the transfer transistor. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 제1이온주입층과 상기 제2이온주입층이 상기 게이트전극 에지 부분에서 서로 접하도록, 상기 제3이온주입층은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.Wherein the third ion-implanted layer is horizontally spaced from the gate electrode edge of the transfer transistor so that the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer are in contact with each other at the gate electrode edge portion. sensor. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 에피층은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.Wherein the epi layer is horizontally spaced from the gate electrode edge of the transfer transistor. 제1항 내지 제4항중 어느한 항에 있어서,5. The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 반도체층과 상기 제2이온주입층 및 상기 에피층이 필드절연막의 에지부분에서 서로 접하도록 상기 제1 및 제2 이온주입층은 그 일부분이 상기 필드절연막의 에지로부터 수평적으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.The first and second ion-implanted layers are formed so that a part of the first and second ion-implanted layers are horizontally spaced from the edge of the field insulating film so that the semiconductor layer, the second ion-implanted layer, and the epi- Features an image sensor. 제5항에 있어서,6. The method of claim 5, 도핑농도는 상기 에피층이 가장 높고, 상기 제2이온주입층, 상기 제3이온주입층, 상기 제1이온주입층, 상기 반도체층의 순으로 점차 낮아지는 것을 특징으로하는 이미지센서.Wherein the doping concentration is the highest in the epitaxial layer, and gradually decreases in the order of the second ion-implanted layer, the third ion-implanted layer, the first ion-implanted layer, and the semiconductor layer. 제6항에 있어서,The method according to claim 6, 상기 에피층은 0.01 ~ 0.05㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.Wherein the epi layer has a thickness of 0.01 to 0.05 占 퐉. 제6항에 있어서,The method according to claim 6, 상기 제1이온주입층이 완전공핍될 때 공핍층이 상기 반도체층 깊숙히 형성되도록 상기 반도체층은 상기 제3이온주입층보다 낮은 도펀트 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.Wherein the semiconductor layer has a lower dopant concentration than the third ion-implanted layer such that a depletion layer is formed deeply into the semiconductor layer when the first ion-implanted layer is fully depleted. 이미지센서 제조방법에 있어서,A method of manufacturing an image sensor, 제1도전형의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계;Forming a field insulating film on the first conductive semiconductor layer; 상기 필드절연막으로부터 상기 포토다이오드가 형성될 광감지영역을 두고 떨어진 상기 반도체층 상에 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극을 패터닝하는 단계;Patterning a gate electrode of the transfer transistor on the semiconductor layer separated from the field insulating film by a photo-sensing region where the photodiode is to be formed; 상기 게이트전극 일측에지가 노출되고 상기 광감지영역의 상기 반도체층 일부분을 덮도록 제1이온주입마스크를 형성하는 단계;Forming a first ion implantation mask to expose one edge of the gate electrode and cover a portion of the semiconductor layer of the photo-sensing area; 제2도전형 불순물을 이온주입하여 상기 반도체층 내부에 제1이온주입층을 형성하는 단계;Forming a first ion-implanted layer in the semiconductor layer by ion-implanting a second conductive impurity; 제2도전형 불순물을 이온주입하여 상기 제1이온주입층 상부의 상기 반도체층 내부에 제2이온주입층을 형성하는 단계;Implanting a second conductive impurity to form a second ion-implanted layer in the semiconductor layer above the first ion-implanted layer; 상기 제1이온주입마스크를 제거하는 단계;Removing the first ion implantation mask; 상기 게이트전극의 상기 일측에지를 덮으면서 광감지영역의 상기 반도체층이 노출되도록 제2이온주입마스크를 형성하는 단계;Forming a second ion implantation mask so that the semiconductor layer of the photo-sensing region is exposed while covering the one edge of the gate electrode; 제1도전형 불순물을 이온주입하여 상기 제1이온주입층과 상기 제2이온주입층의 계면에 제3이온주입층을 형성하는 단계; 및Implanting a first conductive impurity to form a third ion-implanted layer at an interface between the first ion-implanted layer and the second ion-implanted layer; And 상기 제2이온주입마스크에 의해 노출된 상기 반도체층 상에 제1도전형의 에피층을 성장시키는 단계Growing an epitaxial layer of a first conductivity type on the semiconductor layer exposed by the second ion implantation mask 를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.The method comprising the steps of: 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 리셋과정에서, 상기 제3이온주입층과 상기 반도체층은 상기 제1이온주입층을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 갖고, 상기 제2이온주입층은 상기 제3이온주입층을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 가지며, 상기 에피층은 상기 제2이온주입층을 완전히 공핍시킬 수 있는 도펀트 농도를 갖도록, 상기 각 이온주입시 도즈를 조절하여 실시함을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.In the resetting process, the third ion-implanted layer and the semiconductor layer may have a dopant concentration capable of completely depleting the first ion-implanted layer, and the second ion-implanted layer may completely deplete the third ion- Wherein the epitaxial layer has a dopant concentration such that the epitaxial layer has a dopant concentration capable of completely depleting the second ion implanted layer. 제9항 또는 10항에 있어서,The method according to claim 9 or 10, 상기 에피층을 0.01 ~ 0.05㎛의 두께로 형성함을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.Wherein the epitaxial layer is formed to a thickness of 0.01 to 0.05 mu m.
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