KR100809322B1 - 이미지 센서 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 래그를 개선시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법 및 이에 따른 이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 제 1 도전형 불순물이 도핑된 게이트 도전막을 형성하고, 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 패턴을 형성하고, 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 내에 제 1 도전형 포토다이오드와 제 1 도전형 포토다이오드 표면에 제 2 도전형 포토다이오드를, 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 내에 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하여 트랜스퍼 게이트 전극을 완성하는 것을 포함한다.
이미지 래그, 트랜스퍼 게이트 전극, 농도
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'를 따라 절단한 단면이다
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 포텐셜 프로파일을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 단위 화소 102: n형 기판
104: p형 에피층 106: p웰
108: 소자 분리막 110: 포토다이오드
112: n 형 포토 다이오드 114: p형 포토다이오드
120: 전하 검출부, 플로팅 확산 영역
130: 전하 전송부, 트랜스퍼 게이트 전극
132: 게이트 절연막 134: 게이트 도전막
136: 스페이서 140: 리셋부, 리셋 게이트 전극
150: 증폭부 160: 선택부
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지 래그를 개선시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)란, 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이러한 이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있다.
여기서, 전하 결합 소자란 개개의 모스 캐패시터(MOS Capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 그리고 CMOS 이미지 센서는 제어 회로 및 신호처리 회로를 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 모스 트랜지스터(MOS Transistor)를 만들고 이것을 이용하여 차례 차례로 출력을 검출하는 스위칭(Switching) 방식을 이용하는 소자이다.
이 중, CMOS 이미지 센서는 일반적으로 액티브 픽셀 센서(APS: Active Pixel Sensor) 영역, 리셋(reset) 영역, 소스 팔로워(source follower) 영역 및 주변 회로 영역으로 구분될 수 있다. 이 중, 액티브 픽셀 센서 영역에 포함된 트랜스퍼 게이트 전극 양측에는 포토 다이오드(photo diode)와 플로팅 확산(floating diffusion) 영역이 위치하며, 트랜스퍼 게이트 전극은 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같은 액티브 픽셀 센서 영역을 형성할 때, 포토 다이오드와 인접한 트랜스퍼 게이트 전극의 일부분에는 저농도의 n- 이온이 주입된다. 그리고 포토 다이오드 표면에는 암전류를 감소시키기 위한 핀드 포토 다이오드(PPD: Pinned Photo Diode)가 형성되는데, 이 때 포토 다이오드와 인접한 트랜스퍼 게이트의 일부분에 p- 불순물이 주입된다. 따라서 포토 다이오드와 인접한 일부분의 트랜스퍼 게이트는 n- 불순물 농도가 낮아진다.
그리고, 플로팅 확산 영역 형성시 플로팅 확산 영역과 인접한 트랜스퍼 게이트의 일부분에는 고농도의 n+ 불순물이 주입된다. 따라서 트랜스퍼 게이트는 위치별로 불순물 농도가 다르게 된다.
이와 같이, 위치별로 농도 차이를 갖는 트랜스퍼 게이트는 페르미 레벨(fermi level)의 차이를 가져와 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송할 때 전위 장벽(potential barrier) 역할을 하게 된다.
따라서 포토 다이오드에서 플로팅 확산 영역으로 광전하가 완전히 전송되지 못해 이미지 래그(image lag)를 발생시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이미지 래그를 개선시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 제조 방법에 따른 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 제 1 도전형 불순물이 제 1 도우즈로 도핑된 게이트 도전막을 형성하고, 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 패턴을 형성하고, 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 내에 상기 제 1 도전형 불순물이 상기 제 1 도우즈보다 낮은 제 2 도우즈로 도핑된 제 1 도전형 포토다이오드와 제 1 도전형 포토다이오드 표면에 제 2 도전형 불순물이 상기 제 2 도우즈로 도핑된 제 2 도전형 포토다이오드를, 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 내에 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하여 트랜스퍼 게이트 전극을 완성하는 것을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 언도우프된 게이트 도전막을 형성하고, 게이트 도전막에 제 1 도우즈로 제 1 도전형 불순물을 도핑하고, 게이트 절연막 및 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 패턴을 형성하고, 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 트랜스퍼 게이트 패턴의 일부를 노출시키는 제 1 마스크를 형성하고, 제 1 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 제 1 도우즈보다 낮은 제 2 도우즈로 제 1 도전형 불순물을 주입하여 반도체 기판 내에 제 1 도전형 포토다이오드를 형성하고, 제 1 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 제 1 도전형 포토다이오드 표면과 이와 접하는 노출된 트랜스퍼 게이트 패턴 일부에 제 2 도우즈로 제 2 도전형 불순물을 주입하여 제 2 도전형 포토다이오드를 형성하고, 제 1 마스크를 제거하고, 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 트랜스퍼 게이트 패턴의 타부를 노출시키는 제 2 마스크를 형성하고, 제 2 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 내에 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판, 반도체 기판 내에 형성된 제 1 도전형 포토다이오드와 제 1 도전형 포토다이오드 상에 형성된 제 2 도전형 포토다이오드를 포함하여 광전하를 축적하는 포토 다이오드, 포토 다이오드에 축적된 광전하를 전달받아 검출하는 제 1 도전형 플로팅 확산 영역 및 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하며, 포토 다이오드와 인접하는 일측에는 제 1 도전형 불순물과 제 2 도전형 불순물이 혼재하되 제 1 도전형 불순물의 농도가 제 2 도전형 불순물의 농도보다 크고, 플로팅 확산 영역과 인접하는 타측에는 제 1 도전형 불순물이 존재하는 트랜스퍼 게이트 전극을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
먼저, 도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에서 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 전하 결합 소자에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(100)가 도 1에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수 있다.
광전 변환부(110)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적한다. 광전 변환 부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'를 따라 절단한 단면이다
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 n형 실리콘 기판(102) 상에 p형 에피층(104)이 형성되어 있으며, p형 에피층(104) 내에는 PMOS 및 NMOS를 형성하기 위한 p-웰(106) 및 n-웰(미도시)이 형성되어 있다. 그리고 p형 에피층(104) 내에는 활성 영역과 필드 영역을 구분하기 위한 소자 분리막(108)이 형성되어 있다.
포토다이오드는(110) 빛 에너지를 흡수하여 발생된 광전하를 축적하며, 2번의 이온 주입을 통해 형성된 n형 포토다이오드(112)와 p형 포토다이오드(114)를 포함한다. 즉, n형 포토다이오드(112)는 p형 에피층(104) 내에 깊게 형성되어 있으며, p형 포토다이오드(114)는 n형 포토다이오드(112)의 표면에 얕게 형성되어 있다. 이에 따라 포토다이오드(110)는 p형 에피층(104), n형 포토다이오드(112) 및 p형 포토다이오드(114)가 적층된 pnp 접합 구조를 갖는다. 이 때, n형 포토다이오드(112) 표면에 얕게 형성된 p형 포토다이오드(114)는 n형 포토다이오드(112)의 표면 손상으로 인해 암전류가 발생하는 것을 방지한다.
그리고, 포토다이오드(110)와 이격되어 p형 에피층(104) 내에 형성된 n형 플로팅 확산 영역(120)은 포토다이오드(110)에 축적된 광전하를 트랜스퍼 게이트 전극(130)을 통해 전송 받는다. 이러한 n형 플로팅 확산 영역(120)은 저농도 n형 불 순물과 고농도 n형 불순물을 이온 주입한 LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 형성되어 있다.
이와 같으 포토다이오드(110)와 n형 플로팅 확산 영역(120) 사이의 p형 에피층(104) 상에는 포토다이오드(110) 내에 축적된 광전하를 n형 플로팅 확산 영역(120)으로 전달하는 트랜스퍼 게이트 전극(130)이 위치한다.
이 때, 포토다이오드(110)와 인접한 트랜스퍼 게이트 전극(134a) 내에는 게이트 패턴 형성 전 전면에 도핑된 n형 불순물과 포토다이오드(110) 형성시 도핑된 n형 및 p형 불순물이 도핑되어 있다. 이 때, 게이트 패턴 형성 전 전면에 도핑된 n형 불순물의 도우즈가 높게 형성되어 있어 A 영역의 트랜스퍼 게이트 전극(134a) 내에 포함된 p형 불순물을 반전시킬 수 있다.
그리고 n형 플로팅 확산 영역(120)과 인접한 트랜스퍼 게이트 전극(134b) 내에는 게이트 패턴 형성 전 전면에 도핑된 n형 불순물과 LDD 구조의 n형 플로팅 확산 영역(120) 형성시 도핑된 저농도 및 고농도의 n형 불순물이 도핑되어 있다.
따라서 A 영역과 B 영역의 트랜스퍼 게이트 전극(130) 내의 불순물 농도가 비교적 비슷하게 형성되어 있으므로, 트랜스퍼 게이트 전극(130) 내의 불순물 농도의 영역별 차이로 인한 이미지 래그 현상을 개선할 수 있다..
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대해 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 순서대로 나타낸 도면이며, 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'를 따라 절단한 단면이다
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형(예를 들어, n형) 실리콘 기판(102) 상에 제 2 도전형(예를 들어, p형) 에피층(104)을 형성한다. 이 때, 실리콘 기판은 제 1 도전형으로 설명하였으나 제 2 도전형 실리콘 기판일 수도 있다.
그리고 나서, p형 에피층(104) 내에 p-웰(106) 및 n-웰을 각각 형성한다. 즉, p-웰(106)이 형성될 영역을 노출시키는 이온 주입 마스크를 형성한 다음 보론(B)과 같은 p형 불순물을 주입하여 p-웰(106)을 형성한다. 그리고 이온 주입 마스크를 제거한 다음, n-웰(미도시)이 형성된 영역을 노출시키는 이온 주입 마스크를 형성하고, 인(P)과 같은 n형 불순물을 주입하여 n-웰을 형성한다.
다음으로, LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 공정 또는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 수행하여 필드 영역과 확성 영역을 구분하는 소자 분리막(108)을 형성한다.
이 후, 도 4에 도시된 바와 같이, p형 에피층(104) 상에 게이트 절연막(132) 및 언도우프된 게이트 도전막을 순차적으로 적층한다. 이 때, 게이트 절연막(132)으로는 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질 등이 사용될 수 있다. 여기서, 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합막 등을 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(132)은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수도 있다. 게이트 절연막(132)은 두께는 5 내지 100Å으로 형성할 수 있다. 그리고, 언도우프된 게이트 도전막으로는 불순물이 도 핑되지 않은 폴리실리콘막을 증착하여 형성할 수 있다.
그리고 나서, 언도우프된 게이트 도전막 전면으로 n형 불순물을 도핑하여 게이트 도전막(134)을 형성한다. 이 때, 언도우프된 게이트 도전막으로 n형 불순물을 인시츄(in-situ) 또는 이온 주입 공정을 수행하여 도핑시킨다.
그리고 언도우프된 게이트 도전막으로 도핑되는 n형 불순물의 도우즈(dose)는 후속 공정에서 형성될 p형 포토다이오드(114) 형성시 주입되는 p형 불순물을 반전시킬 수 있을 만큼의 도우즈로 도핑한다. 즉, 이온 주입될 p형 불순물의 약 2배 이상(대략 1.0E13 ~ 1.0E14 ions/cm2)으로 n형 불순물을 도핑하여 게이트 도전막(134)을 형성한다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 도전막(134) 및 게이트 절연막(132)을 패터닝하여 게이트 패턴들(130, 140 및 도 2의 150, 160 참조)을 형성한다. 그리고 나서, 결과물 전면에 포토다이오드를 형성하기 위한 제 1 마스크(171)를 형성한다. 제 1 마스크(171)는 전면에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 이와 같은 제 1 마스크(171)는 트랜스퍼 게이트 패턴(134a) 일측의 p형 에피층(104) 상면을 노출시키며, 이와 동시에 노출된 p형 에피층(104) 상면과 인접한 트랜스퍼 게이트 패턴의 일부(134a)도 함께 노출시킨다.
그리고 나서, 제 1 마스크(171)를 이온 주입 마스크로 이용하여 n형 불순물을 p형 에피층(104)으로 주입함으로써 n형 포토다이오드(112)를 형성한다. 이 때, n형 불순물은 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 p형 에피층(104) 내부에 깊게 도핑한다. 그리고 n형 불순물을 도핑할 때는 트랜스퍼 게이트 패턴(134a) 방향으로 0° 내지 15°의 틸트를 주어 경사지게 형성한다. 따라서, n형 포토다이오드(112)는 트랜스퍼 게이트 패턴(134a)과 일부 오버랩되도록 형성될 수 있다.
n형 포토 다이오드(112)를 형성한 다음에는 다시 제 1 마스크(171)를 이온 주입 마스크로 이용하여 p형 불순물을 이온 주입함으로써 n형 포토 다이오드(112) 상에 p형 포토다이오드(114)를 형성한다. 이 때, p형 불순물은 소자 분리막(108) 방향으로 0° 이상의 틸트를 주어 경사지게 이온 주입할 수 있으며, 1.0E11 ~ 1.0 E12ions/cm2 도우즈로 n형 포토다이오드(112) 내에 얕게 형성한다.
이와 같이 형성된 p형 포토다이오드(114)는 p형 에피층(104)(100b) 표면에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 방지하는 역할을 한다. 자세히 설명하면, 이미지 센서에서 암전류의 원인 중 하나로 포토 다이오드(110)의 표면 손상을 들 수 있다. 표면 손상은 주로 댕글링 실리콘 결합(dangling silicon bonds)의 형성에 의할 수도 있고, 제조 과정 중에 에칭 스트레스(etching stress)와 관련된 결점에 의해 이루어 질 수도 있다. 따라서, n형포토 다이오드(112)를 p형 에피층(104) 내부에 깊게 형성하고 p형 포토다이오드(114)를 형성함으로써, p형 에피층(104)의 표면에서 열적으로 생성된(thermally generated) EHP 중에서, 양전하는 p형 포토다이오드(114)를 통해서 접지된 기판으로 확산되고, 음전하는 p형 포토다이오드(114)를 형성하는 과정에서 양전하와 재결합하여 소멸시킬 수 있다.
이와 같이, n형 포토다이오드(112)와 p형 포토다이오드(114)로 형성된 포토다이오드(110)를 형성하는 과정에서 트랜스퍼 게이트 패턴의 일부(134a)가 노출되어 있으므로 노출된 트랜스퍼 게이트 패턴 일부(134a)에도 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 마스크(171)를 제거한 다음, 전면에 포토레지스트를 도포하고 사진 및 현상 공정을 수행하여 플로팅 확산 영역(120)을 형성하기 위한 제 2 마스크(172)를 형성한다. 이 때, 제 2 마스크(172)는 트랜스퍼 게이트 패턴 타측(134b)의 p형 에피층(104) 상면을 노출시키며, 이와 동시에 노출된 p형 에피층(104) 상면과 인접한 트랜스퍼 게이트 패턴의 타부(134b)도 함께 노출시킨다.
그리고 나서, 제 2 마스크(172)를 이용하여 저농도의 n형 불순물을 이온 주입하여 저농도의 n형 플로팅 확산 영역(120a)을 형성한다. 이 때, 저농도의 n형 불순물은 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 p형 에피층(104) 내에 얕게 도핑한다. 이와 같이 저농도의 n형 불순물을 도핑할 때, 제 2 마스크(172)에 의해 노출된 트랜스퍼 게이트 패턴의 타부(134b)에도 저농도의 n형 불순물이 도핑된다.
다음으로, 제 2 마스크(172)를 제거한 뒤, 도 7에 도시된 바와 같이, 전면에 게이트 스페이서용 절연막을 증착한 후, 이방성 식각하여 게이트 패턴들(130, 140 및 도 2의 150, 160 참조) 양측에 스페이서(136)를 형성한다. 그리고 나서, 포토다 이오드(110) 및 이와 인접한 트랜스퍼 게이트 일부(134a)를 덮는 제 3 마스크(173)를 형성하고, 제 3 마스크(173)를 이용하여 전면에 고농도의 n형 불순물을 이온 주입하여 LDD(Lightly Doped Drain) 구조의 n형 플로팅 확산 영역(120)을 완성한다. 이 때, 고농도의 n형 불순물은 1.0E14 ~ 1.0E15ions/cm2 도우즈로 이온 주입되며, 제 3 마스크(173)에 의해 노출된 트랜스퍼 게이트 패턴의 타부(134b)에도 고농도의 n형 불순물이 주입된다.
본 발명의 일 실시예에서 스페이서(136)는 트랜스퍼 게이트 패턴(134a, 134b) 양측에 형성된 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 결과물 전면에 게이트 스페이서용 절연막을 증착한 다음, 포토다이오드(110)와 트랜스퍼 게이트 패턴 일부(134a)의 상면을 덮는 마스크를 형성하고 마스크를 이용하여 이방성 식각함으로써 트랜스퍼 게이트 패턴의 타측(134b)에만 스페이서를 형성할 수 있다. 즉, 게이트 스페이서용 절연막을 이용하여 포토다이오드를 보호할 수 있다.
다음으로, 제 3 마스크(173)를 제거하고 나면 도 3에 도시된 바와 같은 이미지 센서가 완성된다. 이와 같이 완성된 이미지 센서는 트랜스퍼 게이트 전극(130)의 영역간 불순물 농도 차이가 감소되어 있다.
상세히 설명하면, 공정상 트랜스퍼 게이트 패턴(134a, 134b) 형성 전 언도우프된 폴리실리콘막에 n형 불순물을 도핑하므로, 트랜스퍼 게이트 패턴의 A 영역(134a) 및 B 영역(134b) 모두에 1.0E13 ~ 1.0E14ions/cm2 도우즈로 도핑된 n형 불순 물이 포함된다.
그리고 포토다이오드(110) 형성시, 트랜스퍼 게이트 패턴의 A 영역(134a)에 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑된 n형 불순물과 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑된 p형 불순물이 포함된다. 이 때, 트랜스퍼 게이트 패턴의 A 영역(134a)에는 이전에 도핑된 p형 불순물의 도우즈 보다 높은 n형 불순물이 포함되어 있으므로 p형 불순물이 n형 불순물로 반전될 수 있다.
이 후, n형 플로팅 확산 영역(120) 형성시 트랜스퍼 게이트 패턴의 B 영역(134b)에 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑된 저농도의 n형 불순물과 1.0E14 ~ 1.0E15ions/cm2 도우즈로 도핑된 고농도의 n형 불순물이 도핑된다.
따라서, 트랜스퍼 게이트 패턴의 A 영역(134a)과 B 영역(134b) 내의 불순물 농도 차이가 감소된다.
이하, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작(operation)에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 포텐셜 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 트랜스퍼 게이트 전극(130)에는 전하 전송 신호(TG)가 입력되며, n형 플로팅 확산 영역(120)은 증폭부(150)의 드라이버 게이트 전극과 연결된다. 그리고 리셋 게이트 전극(140)에는 리셋 신호(RTS)가 입력된다.
이와 같은 이미지 센서에서 트랜스퍼 게이트 전극(130, TX)이 턴 오프(turn off) 상태인 경우 트랜스퍼 게이트 전극(130, TX) 하부의 포텐셜 프로파일이 높아 포토다이오드(110, PD) 내에 광전하가 축적된다.
그리고 나서 트랜스퍼 게이트 전극(130, TX)을 턴 온시키면, 트랜스퍼 게이트 전극(130, TX) 하부의 포텐셜 프로파일이 낮아져 포토다이오드(110, PD) 내의 광전하가 플로팅 확산 영역(120, FD)으로 전송된다. 이 때, 트랜스퍼 게이트 전극(130, TX)의 불순물 농도가 영역별로 차이가 크지 않아 포토다이오드(110), PD)의 포텐셜 프로파일보다 포텐셜이 높은 포텐셜 배리어를 형성하지 않으므로 광전하의 전송 효율이 높아지며 포토다이오드(110, PD) 내에 광전하가 잔류하지 않게 된다. 따라서 이미지 센서 동작시 이미지의 잔상이 남는 이미지 래그 현상을 개선시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 이미지 센서 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서에 따르면 트랜스퍼 게이트 패턴 형성 전 트랜스퍼 게이트 패턴 내에 제 1 도전형 불순물을 도핑시킨 후 이미지 센서를 형성함으로써, 포토 다이오드 형성시 트랜스퍼 게이트 패턴 일부에는 제 2 도전형 불순물이 도핑되고, 제 1 도전형 플로팅 확산 영역 형성시 트랜스퍼 게이트 패턴 타부에는 고농도의 제 1 도전형 불순물이 도핑되어 발생하는 트랜스퍼 게이트 패턴의 영역간 불순물 농도 차이를 줄일 수 있다.
따라서, 트랜스퍼 게이트 패턴의 영역간 불순물 농도 차이로 인해 발생되는 포텐셜 배리어가 감소된다. 그러므로 포토다이오드의 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하는 전하 전송 효율이 향상되며, 광전하가 완전히 플로팅 확산 영역으로 전달되지 못해 이미지 센서 동작시 이미지의 잔상을 남기는 이미지 래그 현상을 개선시킬 수 있다.
Claims (26)
- 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 제 1 도전형 불순물이 제 1 도우즈로 도핑된 게이트 도전막을 형성하고,상기 게이트 절연막 및 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 패턴을 형성하고,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 상기 반도체 기판 내에 상기 제 1 도전형 불순물이 상기 제 1 도우즈보다 낮은 제 2 도우즈로 도핑된 제 1 도전형 포토다이오드와 상기 제 1 도전형 포토다이오드 표면에 제 2 도전형 불순물이 상기 제 2 도우즈로 도핑된 제 2 도전형 포토다이오드를, 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 상기 반도체 기판 내에 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하여 트랜스퍼 게이트 전극을 완성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형은 n형이고, 상기 제 2 도전형은 p형인 이미지 센서 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 게이트 도전막을 형성하는 것은 제 1 도전형 불순물을 1.0E13 ~ 1.0E14 ions/cm2의 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 도전막을 형성하는 것은,상기 게이트 절연막 상에 언도우프된 게이트 도전막을 형성하고,상기 게이트 도전막 전면에 제 1 도전형 불순물을 1.0E13 ~ 1.0E14ions/cm2 도우즈로 도핑하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도전형 포토 다이오드를 형성하는 것은,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 트랜스퍼 게이트 패턴 일부에 상기 제 1 도전형 불순물을 상기 제 2 도우즈로 이온 주입하여 상기 반도체 기판 내에 제 1 도전형 포토다이오드를 형성하고,상기 제 1 도전형 포토다이오드가 형성된 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 트랜스퍼 게이트 패턴 일부에 상기 제 2 도전형 불순물을 상기 제 2 도우즈로 이온 주입하여 상기 제 1 도전형 포토다이오드 상에 제 2 도전형 포토다이오드를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 도전형 포토다이오드는 제 1 도전형 불순물을 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 도전형 포토다이오드를 형성하는 것은, 상기 제 2 도전형 불순물을 1.0E11 ~1.0 E12 ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것은 LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것은,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타부에 저농도의 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하고,상기 트랜스퍼 게이트 패턴의 양측에 스페이서를 형성하고,상기 저농도의 제 1 도전형 불순물이 이온 주입된 상기 트랜스퍼 게이트 패턴의 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타부에 고농도의 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역 및 트랜스퍼 게이트 전극을 완성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 저농도의 제 1 도전형 불순물을 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 고농도의 제 1 도전형 불순물을 1.0E14 ~ 1.0E15ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 언도우프된 게이트 도전막을 형성하고,상기 게이트 도전막에 제 1 도우즈로 제 1 도전형 불순물을 도핑하고,상기 게이트 절연막 및 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 패턴을 형성하고,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 일측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴의 일부를 노출시키는 제 1 마스크를 형성하고,상기 제 1 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 제 1 도우즈보다 낮은 제 2 도우즈로 제1 도전형 불순물을 주입하여 상기 반도체 기판 내에 제 1 도전형 포토다이오드를 형성하고,상기 제 1 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 제 1 도전형 포토다이오드 표면과 이와 접하는 상기 노출된 트랜스퍼 게이트 패턴 일부에 상기 제 2 도우즈로 제 2 도전형 불순물을 주입하여 제 2 도전형 포토다이오드를 형성하고,상기 제 1 마스크를 제거하고,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴의 타부를 노출시키는 제 2 마스크를 형성하고,상기 제 2 마스크를 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 상기 반도체 기판 내에 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 도전형은 n형이고, 상기 제 2 도전형은 p형인 이미지 센서 제조 방법.
- 삭제
- 제 13 항에 있어서,상기 게이트 도전막을 형성하는 것은 상기 제 1 도전형 불순물을 1.0E13 ~ 1.0E14 ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 도전형 포토다이오드를 형성하는 것은 제 1 도전형 불순물을 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 2 도전형 포토다이오드를 형성하는 것은 상기 제 2 도전형 불순물을 1.0E11 ~1.0 E12 ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것은 LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것은,상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타부에 저농도의 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하고,상기 트랜스퍼 게이트 패턴의 양측에 스페이서를 형성하고,상기 저농도의 제 1 도전형 불순물이 이온 주입된 상기 트랜스퍼 게이트 패 턴의 타측의 반도체 기판 상면과 이와 접하는 상기 트랜스퍼 게이트 패턴 타부에 고농도의 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 저농도의 제 1 도전형 불순물을 1.0E11 ~ 1.0E12ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 고농도의 제 1 도전형 불순물을 1.0E14 ~ 1.0E15ions/cm2 도우즈로 도핑하는 이미지 센서 제조 방법.
- 반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성된 제 1 도전형 포토다이오드와 상기 제 1 도전형 포토다이오드 상에 형성된 제 2 도전형 포토다이오드를 포함하여 광전하를 축적하는 포토 다이오드;상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 전달받아 검출하는 제 1 도전형 플로팅 확산 영역; 및상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전 달하며, 상기 포토 다이오드와 인접하는 일측에는 상기 제 1 도전형 불순물과 제 2 도전형 불순물이 혼재하되 상기 제 1 도전형 불순물의 농도가 상기 제 2 도전형 불순물의 농도보다 크고, 상기 플로팅 확산 영역과 인접하는 타측에는 제 1 도전형 불순물이 존재하는 트랜스퍼 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서.
- 제 23 항에 있어서,상기 제 1 도전형은 n형이고, 상기 제 2 도전형은 p형인 이미지 센서.
- 삭제
- 제 23 항에 있어서,상기 제 1 도전형 플로팅 확산 영역은 LDD 구조로 형성된 이미지 센서.
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