KR100728470B1 - 전하의 이동량을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드 영역에서 플로팅 확산영역으로 전하의 이동량을 증가시켜 칩 동작 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 광감지 영역인 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 내에 상기 포토다이오드보다 전위가 높고 상기 플로팅 확산영역 보다 전위가 낮은 전하전송 영역을 구비하는데 그 특징이 있다. 또한, 상기 전하전송 영역은 상기 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이에 상기 반도체 기판에 형성된 가이드 게이트에 의해 그 전위가 조절되며, 상기 가이드 게이트 하부의 게이트 절연막을 상기 플로팅 확산영역 상에 형성된 게이트 절연막보다 두껍게 형성함으로써 상기 전하전송 영역의 전위가 상기 포토다이오드 영역의 전위보다 높고 플로팅 확산영역의 전위보다 낮도록 하는데 그 다른 특징이 있다.

이미지 센서, 전하전송영역, 전위, 가이드 게이트, 게이트 절연막

Description

전하의 이동량을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor capable of increasing amount of charge transfer and method for forming the same}

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 개략적 구조를 보이는 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 및 가이드 게이트의 배치를 보이는 레이아웃,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 전하이동을 설명하기 위한 개략도,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

PD: 포토다이오드 Tx: 트랜스퍼 트랜지스터

GG: 가이드 게이트 FD: 플로팅 확산영역

50, 60: 반도체 기판 51, 52, 61, 64: 게이트 절연막

53, 65: 폴리실리콘막

53A, 62: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극

53B, 65A: 가이드 게이트 63: 절연막 스페이서

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 전하의 이동량을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

CMOS 이미지 센서(image sensor)는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 빛에 반응하여 생성된 신호전자를 전압으로 변환하고 신호처리 과정을 거쳐 화상정보를 재현한다. CMOS 이미지 센서는 각종 카메라, 의료장비, 감시용 카메라, 위치확인 및 감지를 위한 각종 산업 장비, 장난감 등 화상신호를 재현하는 모든 분야에 이용 가능하며, 저전압 구동과 단일 칩화가 가능하여 점점 활용범위가 확대되고 있는 추세이다.

CMOS 이미지 센서는 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종 래 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 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.

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 포토다이오드에 전하축전(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하축전된다.

그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온 시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 제1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드의 전하들을 플로팅 확산영역으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 제2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1 - V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 21), 상기 에피택셜층(21) 내에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층(21) 내에 형성된 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드(도시하지 않음), 트랜지스터(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조(23) 상부에 형성된 블루(blue), 레드(red), 그린 칼라필터(R, G, B), 칼라필터(R, G, B)를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(26), OCM 평탄화층(26) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 25)를 도시하고 있다.

이미지 센서에서는 마이크로 렌즈에 의해 집광된 빛이 세 가지 색의 칼라필터를 통과하도록 한 후 각 색의 빛의 양을 감지하는 감지영역을 통해 빛을 전기적 신호로 변환시킨다. 빛이 마이크로 렌즈, 칼라필터를 거쳐서 포토다이오드에 도달하기까지는 많은 빛의 손실을 수반한다. 또한 포토다이오드에서 전자-정공 쌍(electron hole-pair)이 형성되더라도 재결합(recombination) 반응을 거치면서 생성되었던 전하가 사라지기도 하며, 남아있던 전하마저도 넓은 광감지 영역에 고 루 퍼져있어 생성된 전하가 모두 칩 동작에 쓰이지 못하는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드 영역에서 플로팅 확산영역으로 전하의 이동량을 증가시켜 칩 동작 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

삭제

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 내에 서로 이격되어 형성된 광감지 영역 및 플로팅 확산영역; 상기 반도체 기판 상의 상기 전하전송영역과 상기 플로팅 확산영역 사이에 제 1 게이트 절연막을 개재시켜 형성되어 상기 광감지영역 내에 생성된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 이동시키는 스위치로서 역할하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극; 상기 반도체 기판 상의 상기 광감지 영역과 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 사이에 상기 제 1 게이트 절연막 보다 두껍게 형성된 제 2 게이트 절연막을 개재시켜 형성되는 가이드 게이트; 및 상기 반도체 기판 내의 상기 가이드 게이트 하부에 상기 가이드 게이트에 인가되는 전압에 의해 상기 광감지 영역 보다 높은 전위를 갖도록 생성되되 상기 가이드 게이트와 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극에 동일한 전압이 인가되어도 상기 플로팅 확산영역 보다 낮은 전위를 갖는 전하전송 영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 제1 게이트 절연막을 형성하는 단계; 플로팅 확산영역 상의 상기 제1 게이트 절연막을 선택적으로 식각하여 반도체 기판을 노출시키는 단계; 상기 제1 게이트 절연막 및 상기 반도체 기판 상에 상기 제1 게이트 절연막과 두께가 다른 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 제2 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 이룰 전도막을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 게이트 절연막을 포함하여 상기 전도막을 상기 반도체기판이 노출되도록 식각하여 상기 제1 및 제2 게이트 절연막을 개재시키는 가이드 게이트와 제2 게이트 절연막을 개재시키는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상기 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 제1 게이트 절연막을 개재시켜 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 상기 게이트 전극 및 상기 절연막 스페이서을 덮도록 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 제2 게이트 절연막 상에 전도막을 형성하는 단계; 및 상기 전도막 및 상기 제2 게이트 절연막을 선택적으로 식각하여 가이드 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 광감지 영역인 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이의 반도체 기판 내에 상기 포토다이오드보다 전위가 높고 상기 플로팅 확산영역 보다 전위가 낮은 전하전송 영역을 구비하는데 그 특징이 있다.

상기 전하전송 영역은 상기 포토다이오드와 플로팅 확산영역 사이에 상기 반도체 기판에 형성된 가이드 게이트에 의해 그 전위가 조절되며, 상기 가이드 게이트 하부의 게이트 절연막을 상기 플로팅 확산영역 상에 형성된 게이트 절연막 보다 두껍게 형성함으로써 상기 전하전송 영역의 전위가 상기 포토다이오드 영역의 전위보다 높고 플로팅 확산영역의 전위보다 낮도록 하는데 그 다른 특징이 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 가이드 게이트의 배치를 보이는 레이아웃이고, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 전하이동을 설명하기 위한 개략도이다.
상기에서 도 3은 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극 사이에 가이드 게이트(GG)를 구비하는 CMOS 이미지 센서를 보이고 있다.

포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극 사이에 이 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극 하부에 개재된 게이트 절연막(도시되지 않음) 보다 두꺼운 게이트 절연막(도시되지 않음)이 개재된 가이드 게이트(GG)를 구비한다. 상기에서 반도체 기판 내의 가이드 게이트(GG) 하부에 상기 포토다이오드 보다 전위가 높고 상기 플로팅 확산영역 보다 전위가 낮은 전하전송 영역이 구비되며, 이 전하전송 영역에 의해 포토다이오드(PD)에서 생성된 전자가 플로팅 확산영역(도시되지 않음)으로 원활하게 전달되므로써 이동 전하량이 증가된다.
상기에서 도 4a는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 온 상태이고 가이드 게이트 전극(GG)에 전압이 인가되었을 때 반도체 기판 내에 전위 상태를 나타내고 있다. 상기에서 가이드 게이트 전극(GG)는 하부의 게이트 절연막이 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 하부의 게이트 절연막 보다 두껍게 형성되어 있으므로 동일한 전압이 인가되어도 전위가 낮게 된다.
포토다이오드(PD)에서 생성된 전자는 가이드 게이트 전극(GG)에 전압이 인가되면 도 4b에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 전위를 갖는 가이드 게이트 전극(GG) 하부의 전하전송영역으로 모여든다. 이때 도 4c에 도시된 바와 같이 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시키면 전하가 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 플로팅 확산영역(FD)으로 전송되고, 도 4d에 도시된 바와 같이 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키면 칩 동작에 쓰일 수 있는 전하가 플로팅 확산영역(FD)으로 옮겨진다.

이하 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 5a에 보이는 바와 같이, 반도체 기판(50) 상에 제1 게이트 절연막(51)을 형성하고, 플로팅 확산영역 상의 제1 게이트 절연막(51)을 선택적으로 식각하여 반도체 기판(50)을 노출시킨다.

다음으로 도 5b에 도시한 바와 같이, 제1 게이트 절연막(51) 및 반도체 기판(50) 상에 제2 게이트 절연막(52)을 형성한다.

이어서 도 5c에 보이는 바와 같이, 제2 게이트 절연막(52) 상에 게이트 전극을 이룰 전도막의 예로서 폴리실리콘막(53)을 형성한다.

다음으로 도 5d에 보이는 바와 같이, 폴리실리콘막(53) 및 제2 게이트 절연막(52)을 선택적으로 식각하여 제2 게이트 절연막(52)과 접하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(53A)을 형성하면서, 제1 게이트 절연막(51)까지 함께 식각하여 제1 게이트 절연막(51) 상에 적층된 제2 게이트 절연막(52)과 접하는 가이드 게이트(53B)를 형성한다.

이하 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 6a에 보이는 바와 같이, 반도체 기판(60) 상에 제1 게이트 절연막(61) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(62)을 형성하고, 전체 구조 상에 제1 산화막을 형성한 다음 전면식각하여 게이트 전극(62) 측벽에 절연막 스페이서(63)를 형성하고, 전체 구조 상에 상기 제1 게이트 절연막(61) 보다 두꺼운 제2 게이트 절연막(64)을 형성한다.

다음으로 도 6b에 도시한 바와 같이, 제2 게이트 절연막(64) 상에 가이드 게이트를 이룰 전도막의 예로서 폴리실리콘막(65)을 형성한다.

이어서 폴리실리콘막(65)을 선택적으로 식각하여 도 6c에 보이는 바와 같이 제2 게이트 절연막(64) 상에 가이드 게이트(65A)를 형성한다.

전술한 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따라, 상기 가이드 게이트(53B, 65A) 하부의 게이트 절연막을 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(52, 62) 보다 상대적으로 두껍게 형성할 수 있다.

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 광감지 영역에서 생성된 전하를 효과적으로 칩 동작에 쓸 수 있다. 즉, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 사이의 반도체 기판 내에 상기 포토다이오드보다 전위가 높고 상기 플로팅 확산영역 보다 전위가 낮은 전하전송 영역을 구비함으로써 광감지 영역으로부터 전달된 전하를 모아 광효율을 증가시킬 수 있고 또한 짧은 시간에 전자를 플로팅 확산영역으로 전송 합으로써 칩의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 이미지 센서에 있어서,

   반도체 기판 내에 서로 이격되어 형성된 광감지 영역 및 플로팅 확산영역;

   상기 반도체 기판 상의 상기 전하전송영역과 상기 플로팅 확산영역 사이에 제 1 게이트 절연막을 개재시켜 형성되어 상기 광감지영역 내에 생성된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 이동시키는 스위치로서 역할하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극;

   상기 반도체 기판 상의 상기 광감지 영역과 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 사이에 상기 제 1 게이트 절연막 보다 두껍게 형성된 제 2 게이트 절연막을 개재시켜 형성되는 가이드 게이트; 및

   상기 반도체 기판 내의 상기 가이드 게이트 하부에 상기 가이드 게이트에 인가되는 전압에 의해 상기 광감지 영역 보다 높은 전위를 갖도록 생성되되 상기 가이드 게이트와 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극에 동일한 전압이 인가되어도 상기 플로팅 확산영역 보다 낮은 전위를 갖는 전하전송 영역

   을 포함하는 이미지 센서.
4. 삭제
5. 상기 제 3 항의 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서,

   반도체 기판 상에 제1 게이트 절연막을 형성하는 단계;

   플로팅 확산영역 상의 상기 제1 게이트 절연막을 선택적으로 식각하여 반도체 기판을 노출시키는 단계;

   상기 제1 게이트 절연막 및 상기 반도체 기판 상에 상기 제1 게이트 절연막과 두께가 다른 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계;

   상기 제2 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 이룰 전도막을 형성하는 단계; 및

   상기 제1 및 제2 게이트 절연막을 포함하여 상기 전도막을 상기 반도체기판이 노출되도록 식각하여 상기 제1 및 제2 게이트 절연막을 개재시키는 가이드 게이트와 제2 게이트 절연막을 개재시키는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
6. 상기 제 3 항의 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서,

   반도체 기판 상에 제1 게이트 절연막을 개재시켜 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계;

   상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 단계;

   상기 반도체 기판 상에 상기 게이트 전극 및 상기 절연막 스페이서을 덮도록 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계;

   상기 제2 게이트 절연막 상에 전도막을 형성하는 단계; 및

   상기 전도막 및 상기 제2 게이트 절연막을 선택적으로 식각하여 가이드 게이트를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.

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