KR100760913B1 - 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 회로부의 접합 영역을 형성하는 마스크와 단위 화소의 플로팅 확산 노드 형성을 위한 마스크를 분리하여 진행하는 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 소자 격리막이 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 포토 다이오드 및 상기 포토 다이오드 이격하여 형성된 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터들의 복수개의 게이트 폴리와, 상기 게이트 폴리들 각각의 측부에 형성된 스페이서와, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 상기 반도체 기판 내의 일정한 깊이로 형성되며, n형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 영역 및 상기 플로팅 확산 영역의 표면에 p형의 불순물 이온이 주입된 p형 불순물층과, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 플로팅 확산 영역 중 일부에 n+형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 노드 영역을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
플로팅 확산 영역, 폴로팅 확산 노드, 이미지 센서, 4T
Description
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 3은 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 5는 본 발명의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 반도체 기판 110 : 포토 다이오드
120 : 전송 트랜지스터 130 : 리셋 트랜지스터
140 : 구동 트랜지스터 150 : 선택 트랜지스터
160 : 플로팅 확산 영역 161 : n형 불순물 영역
162 : N+ 불순물 영역 163 : p형 불순물 영역
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로 특히, 회로부의 접합 영역을 형성하는 마스크와 단위 화소의 플로팅 확산 노드 형성을 위한 마스크를 분리하여 진행하는 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
한편, 씨모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호 처리 회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
상기 CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30～40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있으며, DSC(Digital Still Camera), PC 카메라, 모빌카메라 등의 많은 응용부분에 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이며, 도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
도 1 및 도 2와 같이, 일반적인 4T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(PD)(10)와, 4개의 트랜지스터들(Tx, Rx, Dx, Sx)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 전송 트랜지스터(Tx)(20), 리셋 트랜지스터(Rx)(30), 드라이브 트랜지스터(Dx)(40) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)(50)이다. 그리고, 상기 각 단위 화소의 출력단이 되는 셀렉트 트랜지스터의 드레인단에는 로드 트랜지스터(미도시)가 전기적으로 연결된다.
도 3은 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 이러한 종래의 4T형 CMOS 이미지 센서는, 액티브 영역 및 소자 격리 영역이 정의된 P- 형 반도체 기판(1)과, 상기 소자 격리 영역에 형성된 소자 격리막(5)과, 상기 반도체 기판(1) 표면내에 형성된 웰 영역과, 상기 반도체 기판(10)의 액티브 영역 중 소정 영역 상에 차례로 적층되어 형성된 게이트 절연막(미도시) 및 게이트 전극(20, 30) 및 상기 게이트 절연막과 게이트 전극의 양측에 형성된 스페이서(125)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 스페이서(125) 하측의 반도체 기판(10)의 표면에 N-형의 LDD(Lightly Doped Drain) 영역(미도시)이 더 형성된다.
또한, 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 각 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)의 게이트가 게이트 전극(20, 30, 40, 50)의 형상으로 형성되며, 상기 게이트 전극(20, 30, 40, 50) 양측의 반도체 기판(10) 표면에 형성된 N+형 웰 영역이 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역으로 작용한다.
그리고, 각 트랜지스터의 게이트 전극(20, 30, 40, 50) 사이의 N+형 웰 영역의 소정 부위는 플로팅 확산 노드(60)로 정의된다.
여기서, 상기 로직부의 접합 영역 형성 과정을 위한 마스크 오픈시 플로팅 노드(Floating Node)까지 동시에 오픈된다. 따라서 로직부 접합 영역의 형성을 위한 이온주입과 동일하게 상기 플로팅 노드에도 이온 주입되어 플로팅 확산 영역의 캐패시턴스(FD Capacitance) 값의 조절이 불가능할 뿐만 아니라 플로팅 확산 노드의 접합 누설를 감소시키기 위한 공정 변수도 줄어들게 된다.
그러나 상기와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
종래의 씨모스 이미지 센서의 제조 공정은 포토 다이오드(Photodiode)의 형성 후 로직부의 접합 영역(Junction) 형성을 위한 마스크 오픈시 플로팅 확산 노드가 같이 오픈되어 플로팅 확산 노드의 독립적인 조절이 불가능하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 회로부의 접합 영역을 형성하는 마스크와 단위 화소의 플로팅 확산 노드 형성을 위한 마스크를 분리하여 진행하는 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 소자 격리막이 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 포토 다이오드 및 상기 포토 다이오드 이격하여 형성된 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터들의 복수개의 게이트 폴리와, 상기 게이트 폴리들 각각의 측부에 형성된 스페이서와, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 상기 반도체 기판 내의 일정한 깊이로 형성되며, n형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 영역 및 상기 플로팅 확산 영역의 표면에 p형의 불순물 이온이 주입된 p형 불순물층과, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 플로팅 확산 영역 중 일부에 n+형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 노드 영역을 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
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또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 소자 격리 영역과 액티브 영역이 정의된 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 액티브 영역에 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터들의 복수개의 게이트 폴리를 형성하는 단계와, 상기 복수개의 게이트 폴리들 일측의 상기 반도체 기판에 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 게이트 폴리들 각각의 측벽에 위치하는 스페이서를 형성하는 단계와, 상기 포토 다이오드는 가리며, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 영역을 오픈하는 제 1 마스크를 이용하여, 오픈된 영역에 n0형 불순물 이온을 주입하여, 상기 반도체 기판 내의 일정한 깊이의 플로팅 확산 영역을 정의하는 단계와, 상기 제 1 마스크를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 플로팅 확산 영역의 표면에 p0이온을 주입하는 단계와, 상기 플로팅 확산 영역을 오픈하는 제 2 마스크를 이용하여, 오픈된 영역에 n+ 형 불순물 이온을 주입하여 접합 노드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이며, 도 5는 본 발명의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5와 같이, 본 발명의 4T형 CMOS 이미지 센서는, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 소자 격리막(105)이 형성된 반도체 기판(100)과, 상기 반도체 기판(100) 상의 소정 부위에 형성된 포토 다이오드(110)와 이와 이격하여 형성된 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 복수개의 게이트 폴리(120, 130)와, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들(120, 130) 각각의 측부에 형성된 스페이서(125)와, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리(120, 130)들 사이의 반도체 기판 내의 일정한 깊이로 형성된 플로팅 확산 영역(160) 및 상기 플로팅 확산 영역 중 소정 부위에 형성된 플로팅 확산 노드 영역(162)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 플로팅 확산 영역(160)은 그 전체가 n형(n0)의 불순물 이온이 주입되어 이루어지며(161), 상기 플로팅 확산 노드 영역(162)은 n+형 불순물 이온이 주입되어 이루어지며, 상기 플로팅 확산 노드 영역(162)을 제외한 나머지 영역의 표면에 p형의 불순물 이온이 주입된 층(163)이 형성된다.
그리고, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 다음의 순서로 이루어진다.
즉, 먼저 소자 격리 영역과 액티브 영역이 정의된 반도체 기판(100)을 준비한다.
여기서, 소자 격리 영역은 소자 격리막(105)이 형성된 부위이고 나머지 부위는 액티브 영역이다.
이러한 상기 반도체 기판(100)은 p-형의 불순물 이온이 도핑된 p-웰을 포함하고, 이후의 형성되는 소자들은 상기 p-웰 영역에 형성된다.
이어, 반도체 기판(100)의 상기 액티브 영역 중 소정 부위에 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 복수개의 게이트 폴리(120, 130)를 형성한다.
이어, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리(120, 130) 일측의 상기 반도체 기판(100)에 포토 다이오드(110)를 형성한다. 먼저 n형 불순물 도핑하여 영역의 정의한 후, 그 표면에 p형 불순물 이온을 도핑한다.
이어, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들(120, 130) 각각의 측벽에 위치하는 스페이서(125)를 형성한다.
이어, 상기 포토 다이오드(110)는 가리며, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들(120, 130) 사이의 영역을 오픈하는 제 1 마스크(도 4에서 FD 개구부를 포함하는 마스크)를 이용하여, 오픈된 영역에 n0형 불순물 이온을 주입하여, 반도체 기판 내의 일정한 깊이로 플로팅 확산 영역(160)을 정의한다.
이어, 상기 제 1 마스크를 이용하여, 상기 플로팅 확산 영역의 표면에 p0이온을 주입한다. 이를 통해 상기 플로팅 확산 영역(160)의 표면에 p형 불순물 영역을 정의한다.
이어, 상기 플로팅 확산 영역(160) 중 소정 부위만을 오픈하는 제 2 마스크(도 4에서, 정크션 개구부 포함하는 마스크)를 이용하여, 오픈된 영역에 n+ 형 불순물 이온을 주입하여 접합 노드 영역(162)을 형성한다.
여기서, 상기 접합 노드 영역(162)의 상부 또는 타 영역에 형성되는 소자들과 콘택이 되는 콘택층이 형성되는 부위이다.
이와 같이, 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법에서는 플로팅 확산 노드의 형성을 위한 마스크를 추가함으로써 플로팅 확산 노드의 도핑 농도를 독립적으로 조절하여 플로팅 확산 노드의 접합 누설(Jnction Leakage)을 감소시켜 이미지 센서의 저조도 특성 향상 및 픽셀 변화(Pixel Variation)을 감소시키는 방안을 제시한다.
이와 같이, 종래와는 달리 플로팅 확산 노드 도핑을 독립적으로 진행할 수 있도록 별도의 마스크를 사용함으로써, P형 기판(100)과 N형 Junction(162)간에 발생하는 접합 누설(Junction Leakage)을 조절할 수 있다. 접합 누설(Junction Leakage) 감소를 위한 제어 요소로써 P형 기판과 N형 접합(Junction)간에 존재하는 디플리션(Depletion) 구간의 전계 제어를 들 수 있다.
통상 P형 기판의 도핑 농도는 기판(Wafer)의 선택과 함께 결정되므로 N형 도핑농도 조절을 통해 접합 누설(Junction Leakage)의 제어는 가능하게 된다.
또한 n0 도핑 형성 후 연속적인 이온 주입 공정을 통해 실리콘 기판 표면에 p0형 도핑을 수행하는 것이 가능하므로, 실리콘 기판 표면에 존재하는 결정결함으로 인한 누설(Leakage)를 감소시킴으로써 씨모스 이미지 센서의 저조도 특성 향상이 가능하게 된다.
플로팅 확산 영역의 노드에는 통상 금속 콘택 형성이 이루어지므로 오믹 콘택층 형성을 위해 콘택 형성부는 최소한의 딥 소오스/드레인 형성용 이온주입만 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 임플런트 데미지에 의해 플로팅 확산 노드e에 접합 누설이 증가할 소지가 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 레이아웃을 통해 오믹 콘택층 형성에 필요한 최소한의 면적만을 로직부 접합 형성시 오픈하여 씨모스 이미지 센서의 저조도 특성 향상이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 로직부의 접합 영역(Junction) 형성과, 독립적으로 단위 화소의 플로팅 확산 노드(Floating Diffusion Node)의 도핑(Dopoing)을 통해 한번의 마스크(Mask) 공정 이후 플로팅 확산 노드(Floating Diffusion Node)에 p형 및 n형 도핑을 연속적으로 진행할 수 있다.
둘째, 플로팅 확산 영역의 형성을 위한 마스크를 통한 플로팅 확산 노드의 다중 임플런트(Multi Implant) 공정을 통해 로직(Logic)부의 접합 영역(Junction) 형성과는 별도로 p형 및 n형 도핑 농도를 조절함으로써 플로팅 확산 노드의 정크셥 누설(Junction Leakage) 감소를 위한 공정이 가능하게 된다.
셋째, 로직부 정크션(Junction) 형성을 위한 마스크 오픈(Mask Open)시 플로팅 확산 노드(FD Node)의 콘택(Contact) 형성부만 최소한의 면적을 동시에 오픈(Open)시킴으로써 플로팅 확산 노드(FD Node)의 임플런트 데미지(Implant Damage)를 최소화하여 정크션 누설(Junction Leakage)을 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 공정을 통해 씨모스 이미지 센서의 저조도 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (5)
- 소자 격리막이 형성된 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성된 포토 다이오드 및 상기 포토 다이오드 이격하여 형성된 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터들의 복수개의 게이트 폴리;상기 게이트 폴리들 각각의 측부에 형성된 스페이서;상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 상기 반도체 기판 내의 일정한 깊이로 형성되며, n형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 영역 및 상기 플로팅 확산 영역의 표면에 p형의 불순물 이온이 주입된 p형 불순물층;및상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 플로팅 확산 영역 중 일부에 n+형의 불순물 이온이 주입된 플로팅 확산 노드 영역을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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- 소자 격리 영역과 액티브 영역이 정의된 반도체 기판을 준비하는 단계;상기 액티브 영역에 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터들의 복수개의 게이트 폴리를 형성하는 단계;상기 복수개의 게이트 폴리들 일측의 상기 반도체 기판에 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 게이트 폴리들 각각의 측벽에 위치하는 스페이서를 형성하는 단계;상기 포토 다이오드는 가리며, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 영역을 오픈하는 제 1 마스크를 이용하여, 오픈된 영역에 n0형 불순물 이온을 주입하여, 상기 반도체 기판 내의 일정한 깊이의 플로팅 확산 영역을 정의하는 단계;상기 제 1 마스크를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리들 사이의 플로팅 확산 영역의 표면에 p0이온을 주입하는 단계; 및상기 플로팅 확산 영역을 오픈하는 제 2 마스크를 이용하여, 오픈된 영역에 n+ 형 불순물 이온을 주입하여 접합 노드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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