KR100390843B1 - Method for fabricating image sensor capable of reducing capacitance of floating node - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디지털 카메라 또는 PC 카메라와 같이 디지털 화상을 얻는 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 이중 게이트 산화막 형성 기술을 이용하여 드라이버 트랜지스터의 게이트 산화막을 상대적으로 두껍게 형성하여 스위칭 캐패시턴스를 감소시킴으로써 소자의 광 감도를 향상시키는데 그 특징이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor that obtains a digital image, such as a digital camera or a PC camera, and uses a double gate oxide film formation technique to form a relatively thick gate oxide film of a driver transistor, thereby reducing switching capacitance, thereby improving optical sensitivity of the device. It is characteristic to improve.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 플로팅 노드의 캐패시턴스에 영향을 주는 각종 캐패시터 성분 중 가장 큰 비중을 차지하는 드라이버 트랜지스터의 스위칭 캐패시턴스를 감소시킴으로써 출력신호의 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and in particular, an image capable of improving the sensitivity of an output signal by reducing the switching capacitance of a driver transistor, which occupies the largest portion among various capacitor components affecting the capacitance of a floating node. It relates to a sensor manufacturing method.
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.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centering on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of commercially available solid-state image sensors, a metal-oxide-semiconductor (MOS) type and a charge coupled device (CCD) type.
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.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1a 및 도 1b는 각각 3개 트랜지스터 및 4개 트랜지스터를 구비하는 종래 CMOS 이미지 센서 단위 화소의 개략적인 구조를 보이는 구성도이다. 단위 화소의 동작원리는 다음과 같다. 포토다이오드(11)에서 플로팅 노드(12)로 전달된 광전자의 양(전류)에 비례하여 플로팅 노드 및 그에 연결된 드라이버 트랜지스터(driver transistor, Dx)의 게이트 전압이 변화하게 됨으로써 VDD로부터 셀렉트 트랜지스터(select transistor, Sx)의 드레인 쪽으로 전달되는 전압이 변화하게 되고, 이 전압의 변화량이 컬럼 버스(13)를 통하여 출력신호로서 검출된다.1A and 1B are schematic diagrams showing a schematic structure of a conventional CMOS image sensor unit pixel including three transistors and four transistors, respectively. The operation principle of the unit pixel is as follows. The gate voltage of the floating node and the driver transistor (Dx) connected thereto is changed in proportion to the amount (current) of the photoelectrode transferred from the photodiode 11 to the floating node 12, thereby selecting the select transistor from V DD . The voltage delivered to the drain of the transistor Sx is changed, and the amount of change of this voltage is detected as an output signal through the column bus 13.
통상의 반도체 소자와 마찬가지로 이미지 센서 역시 고해상도 센서 제조를 위해서 집적도의 증가 및 소자 크기의 감소로 인해 단위 화소 및 단위 화소를 구성하는 포토다이오드의 크기가 점점 작아지고 있는 추세이다. 포토다이오드 크기의 감소에 의해 출력단으로 전달되는 광전자의 수가 감소하게 됨으로 새로의 구조 또는 방법의 도입없이 집적도 향상을 위하여 종래 제품을 단순이 크기만 감소시킬 경우 이미지 센서의 출력저하는 피할 수 없다.Like conventional semiconductor devices, an image sensor has a trend of decreasing size of a unit pixel and a photodiode constituting the unit pixel due to an increase in integration and a decrease in device size for manufacturing a high resolution sensor. The reduction of the photodiode size reduces the number of photoelectrons delivered to the output stage, so that the output reduction of the image sensor cannot be avoided if the conventional product is simply reduced in size to improve the integration without introducing a new structure or method.
이미지 센서의 감도는 플로팅 노드의 캐패시턴스에 의존하는데, 다음의 수학식1에 보이는 바와 같이 포토다이오드에서 플로팅 노드로 이동하는 전하(q)의 수(N)가 일정하더라도 플로팅 노드의 캐패시턴스(Cf)가 작아진다면 출력신호(ΔV)가 증가하게 된다.The sensitivity of the image sensor depends on the capacitance of the floating node. The capacitance C f of the floating node is constant even if the number N of charges q transferred from the photodiode to the floating node is constant, as shown in Equation 1 below. If decreases, the output signal [Delta] V increases.
플로팅 노드 캐패시턴스(Cf)는 드라이버 트랜지스터(Dx)의 스위칭 캐패시턴스, 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 중첩 캐패시턴스(overlapcapacitance) 그리고 플로팅 노드 영역과 소자분리 영역 사이에 존재하는 에지 캐패시턴스(edge capacitance) 등으로 구성되며, 단위 화소의 구성에 따라 조금씩 다를 수 있으나 보통 드라이버 트랜지스터의 게이트 산화막에 의한 스위칭 캐패시턴스가 플로팅 노드 캐패시턴스(Cf)의 가장 큰 부분을 차지한다.The floating node capacitance C f is the switching capacitance of the driver transistor Dx, the overlap capacitance of the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx, and the edge capacitance existing between the floating node region and the device isolation region. capacitance), and may vary slightly depending on the configuration of the unit pixel, but the switching capacitance by the gate oxide of the driver transistor occupies the largest portion of the floating node capacitance C f .
따라서, 플로팅 노드 캐패시턴스를 감소시켜 이미지 센서의 출력을 향상시키기 위해서 드라이버 트랜지스터의 게이트 산화막에 의한 캐패시턴스를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 구조 및 그 제조 방법이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for an image sensor structure and a method of manufacturing the same, which can reduce the capacitance caused by the gate oxide of the driver transistor in order to reduce the floating node capacitance and improve the output of the image sensor.
상기와 같은 요구에 부응하기 위한 본 발명은, 드라이버 트랜지스터의 게이트 산화막이 상대적으로 두꺼운 이미지 센서 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor having a relatively thick gate oxide film of a driver transistor.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도,1A and 1B are cross-sectional views schematically illustrating a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.2A-2D are cross-sectional views of an image sensor manufacturing process in accordance with an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
22: 제1 게이트 산화막 23: 제2 게이트 산화막22: first gate oxide film 23: second gate oxide film
24A: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극24A: gate electrode of transfer transistor
24B: 드라이버 트랜지스터의 게이트 전극24B: gate electrode of driver transistor
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 내에 발생된 광전하를 감지하는 플로팅 노드, 상기 플로팅 노드를 공급전압 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 노드에 연결되어 소스 팔로워로서 역할하는 드라이버 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터에 연결되어 픽셀 데이터 인에이블 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 리셋 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터 및 상기 셀렉트 트랜지스터 각각의 게이트 절연막 보다 상기 드라이버 트랜지스터의 게이트 절연막이 상대적으로 두꺼운 이미지 센서를 제공한다.The present invention for achieving the above object, the photodiode formed in the semiconductor substrate, a floating node for sensing the photocharge generated in the photodiode, a reset transistor for transmitting a signal for resetting the floating node to the supply voltage level, A reset transistor connected to the floating node to serve as a source follower, and a select transistor connected to the driver transistor to receive a pixel data enable signal and to transmit a pixel data signal to an output; The gate insulating film of the driver transistor is relatively thicker than the gate insulating film of each of the driver transistor and the select transistor.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 내에 발생된 광전하를 감지하는 플로팅 노드, 상기 포토다이오드와 상기 플로팅 노드 사이에 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 플로팅 노드를 공급전압 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 노드에 연결되어 소스 팔로워로서 역할하는 드라이버 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터에 연결되어 픽셀 데이터 인에이블 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터 및 상기 셀렉트 트랜지스터 각각의 게이트 절연막 보다 상기 드라이버 트랜지스터의 게이트 절연막이 상대적으로 두꺼운 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, the photodiode formed in the semiconductor substrate, a floating node for sensing the photocharge generated in the photodiode, photoelectric charge generated in the photodiode between the photodiode and the floating node Is a transfer transistor for transporting a floating diffusion to a floating diffusion region, a reset transistor for transmitting a signal for resetting the floating node to a supply voltage level, a driver transistor connected to the floating node to serve as a source follower, and a pixel data connected to the driver transistor. An image sensor comprising a select transistor configured to receive an enable signal and to transmit a pixel data signal to an output, the image sensor comprising: a gate of each of the transfer transistor, the reset transistor, the driver transistor, and the select transistor; The gate insulating film of the driver transistor is relatively thicker than the insulating film.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상에 제1 게이트 산화막을 형성하는 단계; 상기 드라이버 트랜지스터의 게이트 전극 형성 영역을 덮는 식각마스크를 형성하고, 상기 제1 게이트 산화막을 선택적으로 식각하여 상기 반도체 기판 표면을 노출시키는 단계; 상기 반도체 기판 및 상기 제1 게이트 산화막 상에 제2 게이트 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트 산화막 상에 상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터 및상기 셀렉트 트랜지스터 각각의 게이트 전극을 형성하면서, 상기 제1 게이트 산화막과 상기 제2 게이트 산화막의 적층 구조 상에 드라이버 트랜지스터의 게이트 전극이 위치하도록 하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, forming a first gate oxide film on a semiconductor substrate; Forming an etching mask covering a gate electrode formation region of the driver transistor, and selectively etching the first gate oxide layer to expose a surface of the semiconductor substrate; Forming a second gate oxide film on the semiconductor substrate and the first gate oxide film; And forming a gate electrode of each of the transfer transistor, the reset transistor, the driver transistor, and the select transistor on the second gate oxide film, and forming a gate electrode of the driver transistor on the stacked structure of the first gate oxide film and the second gate oxide film. It provides a method of manufacturing an image sensor comprising the step of placing the gate electrode.
본 발명은 디지털 카메라(digital camera) 또는 PC 카메라와 같이 디지털 화상을 얻는 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 이중 게이트 산화막 형성 기술을 이용하여 드라이버 트랜지스터의 게이트 산화막을 상대적으로 두껍게 형성하여 스위칭 캐패시턴스를 감소시킴으로써 소자의 광 감도(sensitivity)를 향상시키는데 그 특징이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor that obtains a digital image, such as a digital camera or a PC camera, and uses a double gate oxide film formation technique to form a relatively thick gate oxide film of a driver transistor, thereby reducing switching capacitance. It is characterized by improving the optical sensitivity of the light source.
본 발명은 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 내에 발생된 광전하를 감지하는 플로팅 노드, 상기 플로팅 노드를 공급전압 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 노드에 연결되어 소스 팔로워로서 역할하는 드라이버 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터에 연결되어 픽셀 데이터 인에이블 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 리셋 트랜지스터, 상기 드라이버 트랜지스터 및 상기 셀렉트 트랜지스터 각각의 게이트 절연막 보다 상기 드라이버 트랜지스터의 게이트 절연막이 상대적으로 두꺼운 이미지 센서를 제공한다.The present invention relates to a photodiode formed in a semiconductor substrate, a floating node for sensing photocharge generated in the photodiode, a reset transistor for transmitting a signal for resetting the floating node to a supply voltage level, and a source follower connected to the floating node. An image sensor comprising a driver transistor which is connected to the driver transistor and receives a pixel data enable signal and transmits a pixel data enable signal to an output, the image sensor comprising: a reset transistor, a driver transistor, and a select transistor, respectively; The gate insulating film of the driver transistor is relatively thicker than the gate insulating film to provide an image sensor.
또한, 상기 포토다이오드와 상기 플로팅 노드 사이에 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 노드로 운송하며 그 게이트 절연막이 상기 드라이버 트랜지스터의 게이트 절연막 보다 얇은 트랜스퍼 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서를제공한다.The present invention also provides an image sensor between the photodiode and the floating node, which transfers photocharges generated at the photodiode to a floating node, the gate insulating layer further comprising a thinner transistor than the gate insulating layer of the driver transistor.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2D.
먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 소자분리를 위한 필드산화막(21) 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 제1 게이트 산화막(22)을 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, the first gate oxide film 22 is formed on the semiconductor substrate 20 on which the field oxide film 21 for device isolation is completed.
다음으로 도 2b에 보이는 바와 같이, 드라이버 트랜지스터의 게이트 전극 형성 영역을 덮는 감광막 패턴(PR)을 형성하고, 상기 감광막 패턴(PR)을 식각마스크로 이용해서 제1 게이트 산화막(22)을 선택적으로 식각하여 반도체 기판(20) 표면을 노출시킨다.Next, as shown in FIG. 2B, the photoresist pattern PR covering the gate electrode formation region of the driver transistor is formed, and the first gate oxide layer 22 is selectively etched using the photoresist pattern PR as an etching mask. Thus, the surface of the semiconductor substrate 20 is exposed.
이어서 도 2c에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(PR)을 제거하고 반도체 기판(20) 및 제1 게이트 산화막(22) 상에 제2 게이트 산화막(23)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, the photoresist pattern PR is removed and a second gate oxide film 23 is formed on the semiconductor substrate 20 and the first gate oxide film 22.
다음으로 도 2d에 보이는 바와 같이, 제2 게이트 산화막(23) 상에 게이트 전극(24A)을 형성하면서, 제1 게이트 산화막(22)과 제2 게이트 산화막(23)의 적층 구조 상에 드라이버 트랜지스터의 게이트 전극(24B)이 위치하도록 한다. 이어서, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(24A) 일단의 반도체 기판 내에 포토다이오드(25)를 형성하고, 후속 공정을 진행한다.Next, as shown in FIG. 2D, while forming the gate electrode 24A on the second gate oxide film 23, the driver transistors are stacked on the stacked structure of the first gate oxide film 22 and the second gate oxide film 23. The gate electrode 24B is positioned. Subsequently, the photodiode 25 is formed in the semiconductor substrate of one end of the gate electrode 24A of the transfer transistor, and the subsequent process is performed.
전술한 본 발명의 실시예에서는 서술의 편의상 트랜지스터 형성을 위한 각종 이온주입 공정 과정을 생략하였으나 실제로는 문턱전압 조절용 이온주입, 펀치쓰루(punch thorough) 방지를 위한 이온주입 및 소오스, 드레인 형성을 위한이온주입 공정 등을 실시한다. 또한, 게이트 산화막 증가에 따른 드라이버 트랜지스터의 문턱전압을 증가를 보상하기 위해 드라이버 트랜지스터의 채널 영역에만 추가의 카운터 도핑(counter doping)을 실시하기도 한다.In the above-described embodiments of the present invention, for convenience of description, various ion implantation processes for forming transistors are omitted, but in practice, ion implantation for threshold voltage adjustment, ion implantation for preventing punch thorough, ion implantation for source and drain formation, etc. An injection process is performed. In addition, an additional counter doping may be performed only in the channel region of the driver transistor to compensate for the increase in the threshold voltage of the driver transistor as the gate oxide film increases.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 드라이버 트랜지스터의 게이트 절연막에 의한 캐패시턴스 감소를 통한 플로팅 노드의 캐패시턴스 감소를 이룰 수 있어 포토다이오드로부터 플로팅 노드로 전달되는 광전자의 수가 감소하여도 출력의 증가를 통한 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있으므로, 향후 고집적 고해상도 이미지 센서 제조에 이용될 수 있다.According to the present invention as described above, the capacitance of the floating node can be reduced by reducing the capacitance caused by the gate insulating film of the driver transistor. Thus, even if the number of photoelectrons transferred from the photodiode to the floating node is reduced, the characteristics of the image sensor can be increased by increasing the output. Since it can be improved, it can be used in the manufacture of highly integrated high resolution image sensor in the future.
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2000
- 2000-12-18 KR KR10-2000-0077937A patent/KR100390843B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000010191A (en) * | 1998-07-30 | 2000-02-15 | 김영환 | Cmos image sensor and manufacturing method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20020048708A (en) | 2002-06-24 |
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