KR100531234B1 - 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SOI(Silicon On Insulator, 이하 SOI) 기판 상에 형성된 게이트 및 LBT(Lateral Bipolar transistor, 이하 LBT) 현상을 효과적으로 조절하여 빛에 의해 여기된 정공(Hole)을 SOIMOSFET(Silicon On Insulator Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor, 이하 SOIMOSFET)의 부유 바디(Floating Body)에 축적되도록 함으로써 FET의 바디 포텐셜(Body Potential)을 광여기 캐리어에 선형적으로 증가시켜 결국, FET의 문턱 전압을 조절하여 광응답을 전류가 증대시킴으로써 광전변환 효율의 증가와 동시에 고감도, 고집적 이미지센서에 응용할 수 있는 단위 화소 구조의 최적화에 관한 것이다.
본 발명의 고감도 이미지센서 및 그 제조방법은 SOI 기판 상에 마스크를 이용하여 소정 영역의 활성 실리콘 및 매몰 산화막을 식각하여 N 형의 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 상기 노출된 N 형 기판에 P 형의 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계; 상기 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계에서 식각되지 않은 활성 실리콘을 패턴하여 십자형 활성 실리콘을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 마주보는 두 영역의 소정 부분에 P 형 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 상기 P 형 영역이 형성된 영역을 제외한 마주보는 두 영역의 소정 부분에 N 형 이온을 주입하여 N 형 영역을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 상부에 게이트 산화막 및 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 십자형 활성 실리콘의 N 형 영역과 상기 기판의 P 형 영역을 연결하는 연결부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 고감도 이미지센서 및 그 제조방법은 SOI 기판을 이용함으로써 암 전류를 낮출 수 있고, 단위 소자의 크기를 줄 일수 있을 뿐만 아니라, 기생적인 부유 캐패시턴스를 줄일 수 있어 고속 동작이 가능하며 빛에 민감하게 반응할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 SOI(Silicon On Insulator, 이하 SOI)기판 상에 이미지 센서를 형성함으로써 고감도, 고집적을 실현할 수 있는 고감도 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1a는 종래의 이미지센서의 구조를 나타낸 단면도이다. 도에서 보는 바와 같이 이미지센서는 P-형 실리콘 기판(1) 및 P-형 실리콘 기판 상에서 에피택셜 성장한 N-형 실리콘 기판(2)의 적층 구조를 갖는다. 이 적층 구조에서, 포토다이오드, 및 포토다이오드(3)로부터 출력되는 신호를 처리하기 위한 회로인 바이폴라 트랜지스터(4)가 일체형으로 제공된다. N-형 실리콘 기판은 P-형 매립 확산층(5)에 의해 복수 영역으로 분리된다. 포토다이오드와 바이폴라 트랜지스터는 P-형 매립 확산층에 의해 분리된 영역에 각각 제공된다.
포토다이오드는 P-형 실리콘 기판과 N-형 실리콘 기판의 적층 구조로 형성된 PN 접합형으로 되어 있다. 바이폴라 트랜지스터는 그 표면과 인접하여 N-형 실리콘 기판에 형성된 P-형 확산층을 갖는다. N-형 확산층은 P-형 확산층에 형성되어 있다. 또한, N-형 실리콘 기판은 N-형 실리콘 기판의 표면으로부터 N-형 확산층으로 연장되어 있는 N-형 확산층을 포함한다.
산화막층(6)은 N-형 실리콘 기판의 표면 전체에 제공된다. 바이폴라 트랜지스터 영역에서는, N-형 확산층(7)에 연결된 배선 P-형 확산층에 연결된 배선, 및 N-형 확산층(P-형 확산층의 표면 근처에 매립됨)에 연결된 배선이 산화막 층에 제공된다. 이러한 구조를 갖는 이미지센서에서는, 포토다이오드의 감광부에 대한 감광성은 PN 접합부에서의 감광도뿐만 아니라 포토다이오드의 크기 및 두께에 해당하는 흡광량에 따라 달라진다.
도 1b는 SOI 웨이퍼가 사용되는 이미지센서를 나타내는 단면도이다. SOI 웨이퍼는 실리콘 기판(11)과 N-형 실리콘 기판(12)을 포함하며, N-형 확산층은 그의 하면에 형성되고 산화막(13)은 그 들 사이에 놓여 있다.
SOI 웨이퍼의 N-형 실리콘 기판은 트렌치형 분리층(14)에 의해 복수의 영역으로 분리된다. 포토다이오드(15)와 바이폴라 트랜지스터(16)는 트렌치형 분리층에 의해 분리된 영역에 각각 제공된다. 트렌치형 분리층은 N-형 확산층을 통해 N-형 실리콘 기판의 표면으로부터 연장되어 산화막(17)에 도달한다.
포토다이오드에서는, 활성층으로 작용하는 P-형 확산층이 N-형 실리콘 기판의 표면 근처에 형성된다. N+-형 확산층(18)은 N-형 실리콘 기판의 표면으로부터 N-형 확산층에 연장되도록 제공된다.
종래의 벌크 실리콘 기판을 이용한 CMOS 이미지센서는 감도 및 노이즈 발생에 물리적 한계를 가지고 있으며 빛 조사에 의해 발생되는 광여기 캐리어가 원하지 않는 곳에 임으적으로 발생하기 쉬우며 기생적인 부유 용량의 존재에 의해 노이즈의 증가와 동시에 동적 속도의 저하 등으로 센서의 특성을 저하시키는 원인이 되고 있다. 실리콘 벌크(Bulk) 웨이퍼를 사용시 진성 반도체 부분의 공핍 영역이 기판쪽으로 많이 형성되어 생기는 누설전류 성분인 암 전류(dark current) 성분이 포토 커런트의 잡음 성분으로 작용하게 되어 감도(sensitivity)가 떨어지며, 광 전류의 반응 속도가 느려서 입사된 영상 이미지에 대한 응답 속도가 떨어지게 된다.
또한, 종래의 SOI 기판을 이용한 CMOS 이미지센서는 매몰 산화막 상에 형성된 액피텍셜 실리콘의 두께가 얇아서, 고전압의 트랜지스터의 작동이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, SOI 기판 상에 이미지 센서를 형성함으로써, 실리콘 벌크 상에 형성되어 발생하는 암 전류를 낮출 수 있고, 단위 소자의 크기를 줄 일수 있을 뿐만 아니라, 기생적인 부유 캐패시턴스를 줄일 수 있어 고속 동작이 가능하며 빛에 민감하게 반응할 수 있는 고감도 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 SOI 기판 상에 마스크를 이용하여 소정 영역의 활성 실리콘 및 매몰 산화막을 식각하여 N 형의 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 상기 노출된 N 형 기판에 P 형의 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계; 상기 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계에서 식각되지 않은 활성 실리콘을 패턴하여 십자형 활성 실리콘을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 마주보는 두 영역의 소정 부분에 P 형 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 상기 P 형 영역이 형성된 영역을 제외한 마주보는 두 영역의 소정 부분에 N 형 이온을 주입하여 N 형 영역을 형성하는 단계; 상기 십자형 활성 실리콘의 상부에 게이트 산화막 및 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 십자형 활성 실리콘의 N 형 영역과 상기 기판의 P 형 영역을 연결하는 연결부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 고감도 이미지 센서의 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 N 형의 하부 기판의 표면부에 P 형 영역이 형성되어 하부 기판과 PN 접합을 이루고 있는 포토 다이오드영역; 상기 포토 다이오드 영역과 이격되어 십자형으로 형성된 활성 실리콘 단결정; 상기 십자형 활성 실리콘 단결정의 일측의 양끝단에 소오스 및 드레인 영역; 상기 소오스 및 드레인 영역의 타측의 양끝단에 형성된 불순물 주입 영역; 상기 소오스와 드레인 영역 사이의 채널 영역; 상기 채널 영역 상부에 형성된 게이트 산화막 및 게이트 산화막 상부에 형성된 게이트; 및 상기 불순물 주입 영역과 상기 포토 다이오드의 P 형 영역을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어진 고감도 이미지센서에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 2는 SOI 기판 상에 마스크를 이용하여 소정 영역의 활성 실리콘(20) 및 매몰 산화막(21)을 식각하여 N 형의 하부 실리콘 기판(22)을 노출시키는 단계이다. 이 때 상기 SOI 기판은 여러 가지 제조 방식으로 제조하여 사용할 수 있는데, 특히 SIMOX(Separation by Implanted Oxygen) 방식으로 제조한 SOI 기판의 경우에는 매몰 산화막 상부에 형성되어 있는 활성 실리콘이 단결정으로 형성되어 있는 것이 특징이다.
다음, 도 3은 상기 노출된 N 형 기판에 P 형의 이온을 주입하여 P 형 영역(23)을 형성하여 포토 다이오드를 정의하는 단계이다. P 형의 이온 주입으로 형성된 P 형 영역과 하부기판의 N 형의 접합으로 포토 다이오드를 형성한다. 이 때 P 형의 이온 주입의 깊이는 입사되는 빛이 광전자로 최대한 많은 양이 변환될 수 있는 깊이로 형성한다. 또한, 형성되는 포토 다이오드의 형상은 암전류(dark current)가 최소화될 수 있도록 매립형 포토 다이오드와 같은 형상으로 형성한다.
다음, 도 4a 내지 도 4b는 상기 하부 실리콘 기판을 노출 시키는 단계에서 식각 되지 않은 활성 실리콘을 패턴하여 십자형 활성 실리콘(24)을 형성하는 단계이다. 도 4b는 도 4a의 식각되지 않은 매몰 산화막 상부의 활성 실리콘(25)을 보여주는 것으로서, 상기 활성 실리콘을 마스크를 이용하여 십자형으로 패턴하고 식각하여 십자형 활성 실리콘을 형성하는 것을 보여 주는 평면도이다. 즉, 상기 십자형 활성 실리콘의 형상은 상부방향에서 보았을 때 네 개의 가지(branch)가 소정의 길이를 갖는 십자가의 형상을 갖는다.
다음, 도 5a는 상기 십자형 활성 실리콘의 마주보는 두 개의 끝단의 가장자리에 P 형 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계이다. 도 5b는 도 5a의 십자형 활성 실리콘 영역(27)의 평면도로, 마주보는 두 개의 끝단의 가장자리에 P 형 영역이 형성되는 것을 보여 주고 있다. 이 때 상기 두 P 형 영역은 서로 마주 보는 위치에 형성되어 지고, 상기 포토 다이오드의 P 형 영역과 연결되어질 영역이다.
다음, 도 6a는 상기 형성된 P 형 영역이 형성된 두개의 끝단을 제외한 두 끝단의 가장자리에 N 형 이온을 주입하여 N 형 영역(28)을 형성하는 단계이다. 도 6b는 십자형 활성 실리콘 영역(27)의 평면도로, 도핑되지 않은 나머지 두 끝단의 가장자리에 N 형의 이온을 주입하여 소오스 및 드레인 영역으로 정의한다.
다음, 도 7은 상기 십자형 활성 실리콘의 상부에 게이트(29)를 형성하는 단계이다. 상기 게이트는 게이트 절연막 및 실리콘을 순차적으로 적층하고, 패턴 및 식각 공정으로 게이트를 형성한다. 이 때 게이트는 십자형 활성 실리콘 영역에서 P 형 영역을 제외한 영역의 너비보다 작은 너비로 형성된다.
다음, 도 8은 상기 십자형 활성 실리콘의 P 형 영역과 포토 다이오드의 P 형을 연결하는 연결부(30)를 형성하는 단계이다.
또한, 본 발명에 의한 고감도 이미지 센서의 구조는 도 9에서 보는 바와 같이 N형의 하부 기판(22)의 표면부에 P형 영역(23)이 형성되어 하부 기판과 PN 접합을 이루고 있는 포토 다이오드(Photo Diode)영역을 형성하고 있다. 상기 포토 다이오드 영역과 이격되어 SOI 기판 상에 존재하는 단결정 활성 실리콘을 식각하여 십자형 단결정 활성 실리콘 영역(25)이 형성된다. 이 때 상기 단결정 활성 실리콘은 SOI 기판 상에 존재하는 활성 실리콘으로, SOI 기판을 제조할 때 형성되어져 있는 활성 실리콘이다. 상기 십자형 단결정의 네 끝단 중 마주 보는 두 끝단의 가장자리는 P 형 이온을 주입하여 P 형 영역(26)이 형성되어 있다. 그리고 상기 포토 다이오드의 P 형 영역과 상기 십자형 단결정의 P 형 영역이 각각 연결부(30)로 연결(Tied)되어 있다. 한편, 상기 십자형 단결정의 네 끝단 중 나머지 두 끝단의 가장자리에는 N 형 이온을 이온 주입하여 N 형 영역(28)을 형성하고, 각각 소오스(Source) 및 드레인(Drain)으로 정의된다. 상기 십자형 활성 실리콘 단결정 상부에 게이트 산화막(도시 안함)과 게이트(29)가 형성 되어 있는데, 상기 게이트는 상기 십자형 활성 실리콘 단결정의 네 끝단의 가장 자리에 형성되어져 있는 두 N 형 영역의 간격 및 두 P 형 영역의 간격 보다 작은 길이를 갖는 크기로 형성되어 있다.
다음, 도 10은 본 발명의 고감도 이미지센서의 작동방법을 모사한 단면도로, 포토 다이오드 영역에 빛(31)이 조사되고, 이 때 포토 다이오드 영역 이외의 영역에 빛이 조사 되지 않도록 차광막(32)이 형성되어 있다. 상기 차광막의 재료는 알루미늄이 바람직하다. 먼저, 조사된 빛에 의해 포토 다이오드에서 전자-정공(Electron-Hole Pair)가 형성되어져서, 정공은 P 형 영역(23), 연결부(30) 및 십자형 활성 실리콘 단결정의 끝단에 형성되어 있는 P형 영역(26)을 통해서 활성 실리콘 단결정의 중앙부(33)에 축적되고, 전자는 N 형 기판을 따라 활성 실리콘 단결정의 중앙부의 아래있는 매몰 산화막 하부(34)에 축적된다.
따라서, 활성 실리콘 단결정의 중앙부에 축적된 정공이 일정량 이상 축적되어지면 수직 방향으로 형성된 소오스, 활성 실리콘 단결정의 중앙부 및 드레인으로 PNP의 LBT(Lateral Bipolar transistor, 이하 LBT)가 형성되어지고, 구동함으로써 트랜지스터가 더욱 효과적으로 작동하게 된다. 즉, 신호 전하를 출력하는 광검출 트랜지스터의 채널 밑부분의 중성 영역에 광여기된 캐리어로 전위 조절할 수 있도록 전극을 임의로 형성시켰으며 충분한 다이나믹 레인지 확보와 입력 색신호의 구현을 극대화시키기 위하여 하부 실리콘에 제작된 포토다이오드 신호를 공급할 수 있도록 제된다. 또한 매몰 산화막 하부에 축적되어진 광여기 소수 캐리어인 전자가 기판 바이어스(Bias)역할을 하게 되어 활성 실리콘 단결정의 중앙부의 포텐셜(Potential)을 상승시킨다.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 본 발명의 고감도 이미지센서 및 그 제조방법은 SOI 기판을 이용함으로써 암 전류를 낮출 수 있고, 단위 소자의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기생적인 부유 캐패시턴스를 줄일 수 있어 고속 동작이 가능하며 빛에 민감하게 반응할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 의한 이미지센서.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 의한 고감도 이미지센서의 공정도.
도 9는 본 발명에 의한 고감도 이미지센서.
Claims (13)
- SOI 기판 상에 마스크를 이용하여 소정 영역의 활성 실리콘 및 매몰 산화막을 식각하여 N 형의 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계;상기 노출된 N 형 기판에 P 형의 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계;상기 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계에서 식각되지 않은 활성 실리콘을 패턴하여 십자형 활성 실리콘을 형성하는 단계;상기 십자형 활성 실리콘의 마주보는 두 영역의 소정 부분에 P 형 이온을 주입하여 P 형 영역을 형성하는 단계;상기 십자형 활성 실리콘의 상기 P 형 영역이 형성된 영역을 제외한 마주보는 두 영역의 소정 부분에 N 형 이온을 주입하여 N 형 영역을 형성하는 단계;상기 십자형 활성 실리콘의 상부에 게이트 산화막 및 게이트를 형성하는 단계; 및상기 십자형 활성 실리콘의 N 형 영역과 상기 기판의 P 형 영역을 연결하는 연결부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 연결부를 형성하는 단계 이후 십자형 활성 실리콘 및 게이트 상부에 차광막을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 차광막의 재질은 알루미늄임을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘의 N 형 영역은 소오스 및 드레인임을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘의 소정 부분은 마주보는 두 영역의 양 끝단임을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 게이트를 형성하는 단계는 게이트 산화막 및 실리콘을 순차적으로 증착하고, 패턴 및 식각 공정하여 십자형 활성 실리콘의 중앙 상부에 형성됨을 특징으로 하는 고감도 이미지센서의 제조방법.
- N 형의 하부 기판의 표면부에 P 형 영역이 형성되어 하부 기판과 PN 접합을 이루고 있는 포토 다이오드영역;상기 포토 다이오드 영역과 이격되어 십자형으로 형성된 활성 실리콘 단결정;상기 십자형 활성 실리콘 단결정의 일측의 양끝단에 소오스 및 드레인 영역;상기 소오스 및 드레인 영역의 타측의 양끝단에 형성된 불순물 주입 영역;상기 소오스와 드레인 영역 사이의 채널 영역;상기 채널 영역 상부에 형성된 게이트 산화막 및 게이트 산화막 상부에 형성된 게이트; 및상기 불순물 주입 영역과 상기 포토 다이오드의 P 형 영역을 연결하는 연결부로 이루어짐을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
- 제 7항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘 및 게이트 상부에 형성된 차광막을 더 포함함을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
- 제 8항에 있어서,상기 차광막의 재질은 알루미늄임을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘 단결정의 소오스 및 드레인 영역이 P 형으로 도핑되어 있음을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘 단결정의 소오스 및 드레인 영역을 제외한 두 끝단의 가장자리가 N 형으로 도핑되어 있음을 특징으로 하는 고감도 이미지 센서.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 십자형 활성 실리콘은 포토 다이오드의 정공이 이동하여 축적되어짐으로써 LBT를 형성함을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 포토 다이오드는 매립형 포토 다이오드임을 특징으로 하는 고감도 이미지센서.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR10-2003-0087286A KR100531234B1 (ko) | 2003-12-03 | 2003-12-03 | 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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| KR10-2003-0087286A KR100531234B1 (ko) | 2003-12-03 | 2003-12-03 | 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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|---|---|
| KR20050054014A KR20050054014A (ko) | 2005-06-10 |
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ID=37249396
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190080171A (ko) | 2017-12-28 | 2019-07-08 | 광주대학교산학협력단 | 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법 |
-
2003
- 2003-12-03 KR KR10-2003-0087286A patent/KR100531234B1/ko active IP Right Grant
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190080171A (ko) | 2017-12-28 | 2019-07-08 | 광주대학교산학협력단 | 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20050054014A (ko) | 2005-06-10 |
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