KR100388461B1 - 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동일한 입사광에 대해 상대적으로 많은 수의 전자를 발생시킬 수 있어 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 포토다이오드 영역 내부 또는 그 주변의 반도체층에 절연층을 구비하여 포토다이오드의 전자 저장능력을 증가시키는데 그 특징이 있다. 예로서, 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역과 p형 반도체 기판 계면에 절연층을 구비하거나, 포토다이오드 영역의 에피택셜층과 반도체 기판 계면에 절연층을 형성하여 캐패시터를 이루도록 함으로써 포토다이오드의 전자수용 능력을 증대시켜 이미지 센서의 광감도 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 감도를 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 4개의NMOS트랜지스터로 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 도 1과 같은 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 p형 에피택셜층(21), 소자분리를 위한 필드산화막(22)을 형성하고, 에피택셜층(21) 상에 게이트 절연막(23) 및 게이트 전극(24)을 형성하고, 게이트 전극(24) 일단의 상기 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(25)을 형성하고, 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(26)를 형성한 다음, n형 불순물 영역(25) 상부의 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(27)을 형성하고, 게이트 전극(24)을 사이에 두고 포토다이오드와 이격되는 플로팅 확산영역(28)을 형성한 상태를 보이고 있다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은공급전압(VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
CMOS 이미지 센서의 집적도가 높아짐에 따라 포토다이오드 영역과 플로팅 확산영역이 동시에 작아지고 그에 따라 트랜스퍼 게이트를 통과하여 플로팅 확산영역으로 이동하는 전자의 양이 작아짐으로써 이미지 센서의 감도(sensitivity)가 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 동일한 입사광에 대해 상대적으로 많은 수의 전자를 발생시킬 수 있어 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서의 포토다이오드 영역 및 그 주변을 보이는 단면도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 4는 에피택셜층과 반도체 기판 저면에 형성된 산화막에 의한 전자의 축적을 설명하기 위한 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
30: 반도체 기판 31: 에피택셜층
34: 게이트 전극 35: n형 불순물 영역
37: p형 불순물 영역 38: n형 플로팅 확산영역
39: 산화층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단으로서 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제2 도전형의 제1 불순물 영역; 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 제2 불순물 영역; 및 상기 제1 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 형성된 절연층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단으로서 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 성장되며 상기 반도체 기판 보다 도핑농도가 낮은 제1 도전형의 에피택셜층; 상기 포토다이오드 영역의 상기 에피택셜층과 상기 반도체 기판 계면에 형성된 절연층; 상기 에피택셜층 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제2 도전형의 제1 불순물 영역; 및 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 에피택셜층 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단으로서 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 상기 반도체 기판 보다 도핑농도가 낮은 제1 도전형의 에피택셜층을 형성하는 제1 단계; 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판과 상기 에피택셜층 계면에 산소이온을 주입하는 제2 단계; 및 열처리 공정을 실시하여 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판과 상기 에피택셜층 계면에 산화층을 형성하는 제3 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산소를 이온주입하는 단계; 및 열처리를 실시하여 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체기판 계면에 산화층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 반도체 기판 내에 상기 포토다이오드를 이루는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산소를 이온주입하는 단계; 및 열처리를 실시하여 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산화층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 포토다이오드 영역 내부 또는 그 주변의 반도체층에 절연층을 구비하여 포토다이오드의 전자 저장능력을 증가시키는데 그 특징이 있다.
예로서, 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역과 p형 반도체 기판 계면에 절연층을 구비하거나, 포토다이오드 영역의 에피택셜층과 반도체 기판 계면에 절연층을 형성하여 캐패시터를 이루도록 함으로써 포토다이오드의 전자수용 능력을 증대시켜 이미지 센서의 광감도 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p+형 반도체 기판(30)에 성장된 p형 에피택셜층(31)에 소자분리를 위한 필드산화막(32)을 형성하고, 에피택셜층(31) 상에 게이트 절연막(33) 및 게이트 전극(34)을 형성하고, 게이트 전극(34) 일단의 상기 에피택셜층(31) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(35)을 형성하고, 게이트 전극(34)의 양측벽에 절연막 스페이서(36)를 형성하고, n형 불순물 영역(35) 상의 에피택셜층 내에 p형 불순물 영역을 형성하고, 게이트 전극(34) 타단의 상기 에피택셜층(31) 내에 고농도 불순물을 이온주입하여 n형의 플로팅 확산영역(38)을 형성한다.
다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 포토다이오드 영역을 노출시키는 감광막 패턴(PR)을 형성하고, 이를 이온주입 마스크로 이용하여 에피택셜층(31)과 반도체 기판(30) 계면에 산소를 이온주입한다.
이어서, 도 3c에 보이는 바와 같이, 상기 감광막 패턴(PR)을 제거하고 열처리 공정을 실시하여 포토다이오드 영역의 에피택셜층(31)과 반도체 기판(30) 계면에 산화층(39)을 형성한다.
전술한 본 발명의 실시예에 달리, 에피택셜층을 형성하지 않을 경우 상기 산화층은 포토다이오드의 n형 불순물 영역과 반도체 기판의 계면에 형성할 수도 있다. 즉, p+형 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하고, 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하고, 게이트 전극의 양측벽에 절연막 스페이서를 형성하고, n형 불순물 영역 상의 반도체 기판 내에 p형 불순물 영역을 형성하고, 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 고농도 불순물을 이온주입하여 n형의 플로팅 확산영역을 형성한 다음, 상기 n형 불순물 영역과 반도체 기판 계면에 산소를 이온주입하고, 열처리 공정을 실시하여 n형 불순물 영역과 반도체 기판 계면에 산화층을 형성할 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에서는 포토다이오드를 이루는 n형 불순물 영역 및 p형 불순물 영역 형성 이후에 상기 산화층 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하는 것을 설명하였지만, 산화층을 먼저 형성한 후에 포토다이오드 형성 공정을 진행할 수도 있다. 또한, 상기 산화층을 대신하여 다양한 형태의 절연막을 형성함으로써 본 발명이 이루고자 하는 소기의 목적을 달성할 수 있다.
입사광에 의해 발생한 전자(e)들은 도 4에 보이는 바와 같이 산화층(39)에 의해 n형 불순물 영역(35)에 저장된다. 따라서 공핍영역의 확대효과를 가져와 계속되는 입사광에 의해 전자-정공 쌍이 추가적으로 발생할 확률이 높아지며, 그에 따라 플로팅 확산영역으로 이동되는 전자의 양도 증가하게 된다.
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 포토다이오드 내부 또는 그 저면에 절연층을 구비하고 그에 의해 전자를 저장하는 캐패시터 역할을 하도록 함으로써 동일한 입사광에 대해 많은 수의 전자들을 발생시킬 수 있어 이미지 센서의 광감도를 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (8)
- 수광수단으로서 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제2 도전형의 제1 불순물 영역;상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 포토다이오드를 이루는 제1 도전형의 제2 불순물 영역; 및상기 제1 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 형성된 절연층을 포함하는 이미지 센서.
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- 삭제
- 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연층은 산화층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 수광수단으로서 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판 상에 상기 반도체 기판 보다 도핑농도가 낮은 제1 도전형의 에피택셜층을 형성하는 제1 단계;상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판과 상기 에피택셜층 계면에 산소이온을 주입하는 제2 단계; 및열처리 공정을 실시하여 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판과 상기 에피택셜층 계면에 산화층을 형성하는 제3 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제1 단계 후,상기 에피택셜층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 일단의 상기 에피택셜층 내에 포토다이오드를 형성하는 단계; 및상기 게이트 전극 타단의 상기 에피택셜층 내에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제1 도전형의 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산소를 이온주입하는 단계; 및열처리를 실시하여 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산화층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제1 도전형의 반도체 기판 내부에 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,상기 반도체 기판 내에 상기 포토다이오드를 이루는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계;상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계;상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산소를 이온주입하는 단계; 및열처리를 실시하여 상기 포토다이오드의 제2 도전형 불순물 영역과 상기 반도체 기판 계면에 산화층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
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