KR100718777B1 - 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

시모스 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 포토 다이오드 내에서 생성된 전하가 모두 균일한 전송효율을 갖고 플로팅 확산영역으로 전송되도록 하여 포토 다이오드의 균일한 전하 전송효율을 확보할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖도록 상기 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 기판 내에 형성된 포토 다이오드용 제1 및 제2 확산영역과, 상기 게이트 전극의 타측으로 노출된 상기 기판 내에 형성된 플로팅 확산영역을 포함하는 시모스 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, 포토 다이오드, 포텐셜, 프린징 필드, 전하 전송효율.

Description

시모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.
도 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 평면도.
도 3은 도 2에 도시된 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 이루는 각 구성 요소별 포텐셜 프로파일을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시한 단면도.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 이루는 각 구성 요소의 포텐셜 프로파일을 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판
111 : 제1 확산영역
111a : 제2 확산영역
PD : 포토 다이오드
FD, 112 : 플로팅 확산영역
110 : 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극
T : 트랜스퍼 트랜지스터
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 포토 다이오드와 플로팅 확산영역을 포함하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센 서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 게이트로 입력되는 4개의 NMOSFET으로 구성된다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(PD, 11)와, 포토 다이오드(11)의 광전하를 제어하기 위한 제어부로 구성된다. 이때, 제어부는 포토 다이오드(11)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion, 12)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(10), 플로팅 확산영역(12)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(14), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(15) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(16)로 구성된다. 여기서, 트랜스퍼 트랜지스터(10) 및 리셋 트랜지스터(14)는 문턱전압(Threshold voltage)이 낮은 네이티브(Native) NMOSFET을 이용하고, 드라이브 트랜지스터(15) 및 셀렉트 트랜지스터(16)는 일반적인(Normal) NMOSFET을 이용한다. 미도시된 나머지 트랜지스터는 바이어스 전압을 인가받는 로드(Load) 트랜지스터이다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 단위화소는 네이티브 NMOSFET을 사용하여 포 토다이오드(11)에서 가시광선 파장대역의 광을 감지한 후, 감지된 광전하를 플로팅 확산노드(12)로, 즉 드라이브 트랜지스터(15)의 게이트로 전달할 양을 출력단(Vout)에서 전기적 신호로 출력한다.
도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 평면도이다. 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드(PD, 11)와, 포토 다이오드(11)의 일측에 얼라인되어 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(10a; 이하, 트랜스퍼 게이트 전극이라 함) 및 트랜스퍼 게이트 전극(10a)의 일측에 얼라인되어 형성된 플로팅 확산영역(FD, 12)을 포함한다.
도 3은 도 2에 도시된 CMOS 이미지 센서를 이루는 각 구성요소의 포텐셜 프로파일(Potential profile)을 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 전하 전송 동작을 설명하기로 한다.
통상, 리셋 트랜지스터(14)가 턴온(turn-on)된 상태에서는 플로팅 확산영역(12)에 리셋 트랜지스터(14)의 문턱전압(Vth)만큼 강하된 전압이 걸리게 된다. 그리고, 포토 다이오드(11)에는 블루밍(Blooming)을 막아주기 위한 전압과 유사한 포화전압이 걸리게 된다. 이때, 발생되는 포토 다이오드(11)와 플로팅 확산영역(12)의 전압차로 인하여 포토 다이오드(11)에서 만들어진 광전하는 짧은 시간 안에 플로팅 확산영역(12)으로의 전송이 가능해진다.
그러나, 종래기술에 따르면 포토 다이오드(11)가 트랜스퍼 트랜지스터(10)의 일측에 얼라인되어 형성되기 때문에 트랜스퍼 트랜지스터(10)와 인접하지 않은 부 분의 포토 다이오드(11) 내에서 생성되는 전하들은 플로팅 확산영역(12)으로의 전송이 제대로 이루어지지 않게 된다. 즉, 트랜스퍼 트랜지스터(10)와 인접하지 않는 부분의 포토 다이오드(11) 내에서 생성된 전하의 전송효율은 트랜스퍼 트랜지스터(10)와 인접한 부분의 포토 다이오드(11) 내에서 생성된 전하의 전송효율에 비하여 현저히 저하되는 것이다.
이러한 포토 다이오드의 불균일한 전하 전송효율은 이미지 센서의 전하 전송효율을 감소시키고, 이는 노이즈(Noise)로 작용하여 이미지 센서의 광특성을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 포토 다이오드 내에서 생성된 전하가 모두 균일한 전송효율을 갖고 플로팅 확산영역으로 전송되도록 하여 포토 다이오드의 균일한 전하 전송효율을 확보할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖도록 상기 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 기판 내에 형성된 포토 다이오드용 제1 및 제2 확산영역과, 상기 게이트 전극의 타측으로 노출된 상기 기판 내 에 형성된 플로팅 확산영역을 포함하는 시모스 이미지 센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 기판 내에 포토 다이오드용 제1 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 일정 거리 이격된 상기 제1 확산영역 내에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 상기 게이트 전극과 일정 거리 이격된 상기 제1 확산영역 내에 상기 제1 확산영역보다 높은 포텐셜을 갖는 제2 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 타측으로 노출된 상기 기판 내에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
상기한 본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측으로 노출된 기판 내에 게이트 전극 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖는 포토 다이오드용 제1 및 제2 확산영역을 형성함으로써, 포토 다이오드 내에 프린징 필드(fringing field)를 형성하여 기존에 비해 게이트 전극과 일정 거리 이격된 부분의 포토 다이오드 내에 형성된 전하 전송 효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 포토 다이오드 내에서 생성된 전하가 모두 균일한 전송효율을 갖고 플로팅 확산영역으로 전송되도록 할 수 있는 것이다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있 어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 기판(100) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(110; 이하, 게이트 전극이라 함)과, 게이트 전극(110) 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖도록 게이트 전극(110)의 일측으로 노출된 기판(100) 내에 형성된 포토 다이오드용 제1 확산영역(111) 및 제2 확산영역(111a)과, 게이트 전극(110)의 타측으로 노출된 기판(100) 내에 형성된 플로팅 확산영역(113)을 포함한다.
여기서, 게이트 전극(110)의 일측에 인접하여 형성된 제1 확산영역(111)과 게이트 전극(110)과 일정 거리 이격되어 형성된 제2 확산영역(111a)은 서로 다른 포텐셜을 갖는데, 바람직하게는, 제1 확산영역(111)이 제2 확산영역(111a)보다 낮은 포텐셜을 갖는다.
이러한 포텐셜 프로파일을 갖기 위해, 제1 확산영역(111)은 제2 확산영역(111a)보다 낮은 불순물 농도를 갖는다.
또한, 제1 및 제2 확산영역(111, 111a)은 서로 동일한 도전형으로 형성된다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 포텐셜 프로파일을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 이루는 포토 다이오드(PD) 및 플로팅 확산영역(FD)은 서로 다른 포텐셜을 갖는다.
특히, 포토 다이오드(PD)를 구성하는 제1 확산영역(111)은 제2 확산영역(111a)보다 낮은 포텐셜을 갖게 되므로, 포토 다이오드(PD) 내에는 도면에 도시된 바와 같이 프린징 필드(fringing field)가 형성된다.
즉, 포토 다이오드(PD) 내에 형성된 프린징 필드에 의해 제2 확산영역(111a) 내에 형성된 전하가 제1 확산영역(111)으로 쉽게 전송이 되고, 제1 확산영역(111) 내에 집적된 전하는 다시 트랜스퍼 트랜지스터(T)에 의해 플로팅 확산영역(FD)으로 전송되게 되는 것이다.
전술한 바와 같이, 도 3에 도시된 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서는 포토 다이오드(PD)가 전체적으로 균일한 포텐셜을 갖고 있어 트랜스퍼 트랜지스터(T)와 인접한 영역과 트랜스퍼 트랜지스터(T)와 일정 거리 이격된 영역에서의 포토 다이오드(PD)의 전송효율이 각각 달라, 상대적으로 트랜스퍼 트랜지스터(T)와 이격된 영역에서의 포토 다이오드(PD) 전송효율이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 전체적으로 포토 다이오드(PD)의 전송효율이 균일해지도록, 포토 다이오드(PD) 내에 프린징 필드를 형성시킨다. 이를 위해, 트랜스퍼 트랜지스터(T)와 인접한 영역에서의 포텐셜이 트랜스터 트랜지스터(T)와 일정 거리 이격된 영역에서의 포텐셜보다 낮도록 포토 다이오드(PD)가 형성된다. 이를 통해, 전체적으로 포토 다이오드(PD)의 전하 전송효율을 균일하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 트랜스퍼 트랜지스터(T)가 턴오프(Turn-off) 될 때 플로팅 확산영역(FD)에서 포토 다이오드(PD)로 역방향 이동하는 전하에 포텐셜 베리어(barrier)가 형성됨에 따라 전하의 역류현상을 막아줄 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 일반적인 게이트 전극 형성공정을 기반으로 기판(100) 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 게이트 전극을 형성한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(110; 이하, 게이트 전극이라 함) 만을 도시하기로 한다.
이어서, 마스크 공정 및 불순물 이온주입공정을 실시하여 게이트 전극(110)의 일측으로 노출된 기판(100) 내에 포토 다이오드용 확산영역으로 제1 확산영역(111)을 형성한다.
이어서, 마스크 공정 및 불순물 이온주입공정을 실시하여 게이트 전극(110)과 일정거리 이격된 부분의 제1 확산영역(111) 내에 선택적으로 제1 확산영역(111)과 동일한 도전형의 불순물 이온을 주입하여 게이트 전극(110)과 일정 거리 이격된 부분의 제1 확산영역(111) 불순물 농도를 증가시킨다. 이로써, 게이트 전극(110)과 일정 거리 이격된 부분의 제1 확산영역(111) 내에 제2 확산영역(111a)이 형성되어 포토 다이오드가 완성된다.
즉, 제2 확산영역(111a)의 불순물 농도가 제1 확산영역(111)보다 높게 함으로써, 제2 확산영역(111a)의 포텐셜이 제1 확산영역(111)의 포텐셜보다 높아지게 되는 것이다.
이어서, 마스크 공정 및 불순물 이온주입공정을 실시하여 게이트 전극(110)의 타측으로 노출된 기판(100) 내에 플로팅 확산영역(112)을 형성한다.
이후에는, 일반적인 CMOS 이미지 센서 제조공정과 동일하게 진행한다.
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 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측으로 노출된 기판 내에 게이트 전극 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖는 포토 다이오드용 제1 및 제2 확산영역을 형성함으로써, 포토 다이오드 내에 프린징 필드(fringing field)를 형성하여 기존에 비해 게이트 전극과 일정 거리 이격된 부분의 포토 다이오드 내에 형성된 전하 전송 효율을 증가시킬 수 있다.
따라서, 포토 다이오드의 전하 전송 효율을 전체적으로 모두 균일하게 하여 이미지 센서의 전하 전송 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 이미지 센서의 광 특성을 개선시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 방향으로 서로 다른 포텐셜을 갖도록 상기 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 기판 내에 형성된 포토 다이오드용 제1 및 제2 확산영역; 및
    상기 게이트 전극의 타측으로 노출된 상기 기판 내에 형성된 플로팅 확산영역을 포함하되,
    상기 제1 확산영역은 상기 게이트 전극의 일측에 인접하여 형성되고, 상기 제2 확산영역은 상기 게이트 전극과 일정 거리 이격되어 형성된 시모스 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 확산영역은 상기 제2 확산영역보다 낮은 포텐셜을 갖는 시모스 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 확산영역은 상기 제2 확산영역보다 낮은 불순물 농도를 갖는 시모스 이미지 센서.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 확산영역은 서로 동일한 도전형으로 형성된 시모스 이미지 센서.
  6. 삭제
  7. 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극의 일측으로 노출된 상기 기판 내에 포토 다이오드용 제1 확산영역을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극과 일정 거리 이격된 상기 제1 확산영역 내에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 상기 게이트 전극과 일정 거리 이격된 상기 제1 확산영역 내에 상기 제1 확산영역보다 높은 포텐셜을 갖는 제2 확산영역을 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 전극의 타측으로 노출된 상기 기판 내에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 확산영역은 상기 제1 확산영역보다 높은 불순물 농도를 갖도록 상기 제1 확산영역과 동일한 도전형의 불순물 이온을 추가로 주입하여 형성하는 시모스 이미지 센서 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040093991A (ko) * 2003-04-30 2004-11-09 매그나칩 반도체 유한회사 이송효율이 개선된 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법

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