KR100823172B1 - 이미지 센서 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 형성 방법이 제공된다. 상기 이미지 센서는 제1 방향 및 제2 방향으로 배열되는 수광 소자들을 포함하는 기판, 상기 수광 소자들 아래에 위치하고 상기 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역, 상기 수광 소자들 및 상기 제1 도전 영역 사이에 위치하는 제2 도전 영역, 상기 제1 도전 영역에 연결되는 콘택, 및 상기 콘택에 연결되는 도전 라인을 포함한다.
수직형 오버플로우(vertical overflow), 글로벌 전자 셔터링(global electronic shuttering), 블루밍(blooming)
Description
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위해 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인, Ⅱ-Ⅱ'라인 및 Ⅲ-Ⅲ'라인을 따라 취해진 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위해 도 1의 Ⅲ-Ⅲ'라인을 따라 취해진 단면도이다.
도 4a 내지 도 10a, 도 4b 내지 도 10b, 및 도 4c 내지 도 10c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위해 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인, Ⅱ-Ⅱ'라인 및 Ⅲ-Ⅲ'라인을 따라 취해진 단면도들이다.
도 11a 내지 도 12a, 도 11b 내지 도 12b, 및 도 11c 내지 도 12c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위해 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인, Ⅱ-Ⅱ'라인 및 Ⅲ-Ⅲ'라인을 따라 취해진 단면도들이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위해 도 1의 Ⅲ-Ⅲ'라인을 따라 취해진 단면도들이다.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지(optical image)를 전자적 신호(electronic signal)로 변환시키는 장치로서, 디지털 카메라를 포함하여 실생활에 다양하게 사용되고 있다.
상기 이미지 센서는 픽셀 어레이 즉, 행렬로 배열된 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 픽셀들 각각은 입사되는 빛(photon)에 의해 신호 전하들을 발생하는 수광 소자와 상기 수광 소자에서 발생한 신호 전하들을 이송 및 출력하기 위한 트랜지스터들을 포함한다. 상기 픽셀은 상기 트랜지스터의 개수에 따라, 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조 및 4-트랜지스터 구조로 구분될 수 있다. 1-트랜지스터 구조는 전체 면적에서 수광 소자 면적이 차지하는 비율을 나타내는 필 팩터(fill factor)가 크다. 필 팩터가 클수록 빛에 대한 감도가 우수하지만, 1-트랜지스터 구조는 노이즈가 큰 단점이 있어 최근에는 4-트랜지스터 구조가 일반적으로 사용된다. 그러나 4-트랜지스터 구조는 이미지 센서의 고집적화를 어렵게 한다.
따라서 필 팩터가 크면서 개선된 특성을 가질 수 있는 고집적 이미지 센서 및 그 형성 방법이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 종형 오버플로우 드레인(vertical overflow drain) 구조를 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 개선된 특성 및 간단한 구조를 갖는 이미지 센서 및 그 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 공정이 단순화된 이미지 센서의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 방향 및 제2 방향으로 배열되는 수광 소자들을 포함하는 기판; 상기 수광 소자들 아래에 위치하고, 상기 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역; 상기 수광 소자들 및 상기 제1 도전 영역 사이에 위치하는 제2 도전 영역; 상기 제1 도전 영역에 연결되는 콘택; 및 상기 콘택에 연결되는 도전 라인을 포함한다.
상기 제2 도전 영역은 상기 제1 도전 영역의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 상기 제2 도전 영역은, 상기 제1 도전 영역 상에 위치하는 제1 부분, 상기 제1 도전 영역의 양측에 위치하고 상기 제1 도전 영역의 상부면보다 낮은 하부면을 갖는 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하고 상기 제1 도전 영역의 측벽의 적어도 일부와 중첩되는 제3 부분을 포함할 수 있다. 상기 제2 부분의 일부는 상기 수광 소자와 중첩될 수 있다.
상기 콘택은 상기 제1 도전 영역과 접촉하는 하부 콘택과 상기 도전 라인과 접촉하는 상부 콘택을 포함할 수 있다. 상기 하부 콘택은 상기 제2 도전 영역을 관통할 수 있다. 상기 하부 콘택은 그 측벽에 상기 제2 도전 영역과 다른 도전형의 불순물 확산층을 포함할 수 있다. 상기 하부 콘택은 상기 제2 방향으로 신장하여 둘 이상의 제1 도전 영역들과 접촉할 수 있다.
상기 기판, 상기 제1 도전 영역, 및 상기 제2 도전 영역의 도전형은 각각 p형, n+형, p+형일 수 있다. 상기 이미지 센서는 상기 수광 소자들을 포함하는 화소 영역을 둘러싸고, 상기 제2 도전 영역과 같은 도전형을 갖는 제3 도전 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 콘택은 상기 제3 도전 영역의 외측에 위치할 수 있다. 상기 수광 소자를 포함하는 픽셀은 1-트랜지스터 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법은 기판 내에 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 도전 영역 상에 제2 도전 영역을 형성하는 단계; 상기 제2 도전 영역 상에, 상기 제1 도전 영역과 중첩되고 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 배열되는 수광 소자들을 형성하는 단계; 상기 제1 도전 영역에 연결되는 콘택을 형성하는 단계; 및 상기 콘택에 연결되는 도전 라인을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2 도전 영역은 상기 제1 도전 영역의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기 제2 도전 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 제1 포토레지스트막을 형성하는 단계, 상기 제1 포토레지스트막에 제1 포토마스크를 사용하는 사진 공정을 수행하여 상기 제1 도전 영역에 대응하는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 제1 포토레지스트 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 제2 도전형의 제2 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제2 불순물 이 온은 상기 제1 포토레지스트 패턴을 투과할 수 있다. 상기 제1 포토레지스트 패턴은 경사진 측벽을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 제1 포토마스크는 반투광부를 포함하고, 상기 반투광부는 상기 경사진 측벽에 대응할 수 있다. 상기 제2 도전 영역은, 상기 제1 도전 영역 상에 위치하는 제1 부분, 상기 제1 도전 영역의 양측에 위치하고, 상기 제1 도전 영역의 상부면보다 낮은 하부면을 갖는 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하고 상기 제1 도전 영역의 측벽의 적어도 일부와 중첩되는 제3 부분을 포함할 수 있다. 상기 제3 부분은 상기 경사진 측벽에 대응할 수 있다.
상기 제1 도전 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 제2 포토레지스트막을 형성하는 단계, 상기 제2 포토레지스트막에 제2 포토마스크를 사용하는 사진 공정을 수행하여 상기 제1 도전 영역에 대응하는 개구부를 갖는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 제2 포토레지스트 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 제1 도전형의 제1 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 포토마스크는 상기 제1 포토마스크와 같을 수 있다. 상기 제1 포토레지스트막 및 상기 제2 포토레지스트막 중 어느 하나는 포지티브형(positive type)이고, 다른 하나는 네거티브형(negative type)일 수 있다.
상기 콘택을 형성하는 단계는, 상기 기판을 식각하여 상기 제1 도전 영역의 적어도 일단을 노출시키는 개구부를 형성하는 단계, 상기 개구부 내에 상기 제1 도전 영역과 접촉하는 하부 콘택을 형성하는 단계, 상기 하부 콘택 상에 상부 콘택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 개구부는 상기 제2 도전 영역을 관통할 수 있다. 상기 하부 콘택을 형성하는 단계는, 상기 개구부의 측벽에 상기 제1 도전형의 제3 불순물 이온을 주입하는 단계, 및 상기 개구부를 상기 도전 물질로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 하부 콘택을 형성하는 단계는, 상기 개구부를 상기 제1 도전형의 제4 불순물 이온이 주입된 폴리실리콘으로 채워 콘택 플러그를 형성하는 단계, 및 열처리 공정을 수행하여 상기 콘택 플러그의 측벽에 불순물 확산층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 개구부는 상기 제2 방향으로 신장하여 둘 이상의 제1 도전 영역들을 노출시킬 수 있다.
상기 형성 방법은 상기 수광 소자들을 포함하는 화소 영역을 둘러싸고, 상기 제2 도전 영역과 같은 도전형의 제3 도전 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도 시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1, 도 2a, 도 2b, 및 도 2c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서가 설명된다. 이미지 센서(100)는 이미지를 감지하고 표시하는 화소 영역(PA)을 갖는 기판(110)을 포함한다. 수광 소자들(115)이 화소 영역(PA) 내에서 제1 방향(DR) 및 제2 방향(DC)으로 배열된다. 예컨대, 기판(110)은 p형 실리콘 기판일 수 있으며, 수광 소자들(115)은 n형 불순물 영역(116)과 p형 불순물 영역(117)을 포함하는 포토다이오드(photodiode)일 수 있다. 수광 소자들(115)은 입사되는 빛을 신호 전하들로 변환시켜 아날로그 신호를 발생시키는 광전변환 영역으로 기능한다. 수광 소자들(115)은 수광 소자들(115) 사이의 기판(110)에 배치된 소자분리막(미도시)에 의해 서로 절연될 수 있다. 수광 소자(115) 내에서 발생된 광전변환 신호를 출력하기 위한 전송 게이트(118)가 수광 소자(115) 일측에 위치할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀은 1-트랜지스터 구조를 가질 수 있다. 상기 1-트랜지스터는 전송 게이트(118)를 포함하는 전송 트랜지스터일 수 있다.
제1 방향(DR)으로 신장하는 제1 도전 영역(120)이 수광 소자들(115) 아래에 위치한다. 제1 도전 영역(120)은 제1 방향(DR)으로 배열되는 수광 소자들(115)과 중첩될 수 있다. 예컨대, 제1 도전 영역(120)은 제1 방향(DR)으로 배열되는 수광 소자들(115)의 중앙부를 가로지를 수 있다. 제1 도전 영역(120)의 폭은 수광 소자들(115)의 폭보다 작을 수 있다. 제1 도전 영역(120)의 도전형은 n+형일 수 있다.
제2 도전 영역(150)이 수광 소자들(115)과 제1 도전 영역(120) 사이에 위치한다. 제2 도전 영역(150)은 제1 부분(151), 제2 부분(152), 및 제3 부분(153)을 포함할 수 있다. 제1 부분(151)은 제1 도전 영역(120) 상에 위치하고, 제2 부분(152)은 제1 도전 영역(120)의 양측에 위치한다. 제3 부분(153)은 제1 부분(151)과 제2 부분(152)을 서로 연결시키며, 제1 부분(151)(또는 제2 부분(152))에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 또, 제2 부분(152)의 일부는 수광 소자(115)와 중첩될 수 있다. 제2 부분(152)의 하부면은 제1 도전 영역(120)의 상부면보다 낮고, 제3 부분(153)의 적어도 일부는 제1 도전 영역(120)의 측벽과 중첩될 수 있다. 즉, 제2 도전 영역(150)은 제1 도전 영역(120)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 제2 도전 영역(150)은 화소 영역(PA)을 포함하는 기판(110) 전 영역에 배치될 수 있다. 제2 도전 영역(150)의 도전형은 p+형일 수 있다.
제3 도전 영역(170)이 화소 영역(PA) 외측에 위치할 수 있다. 제3 도전 영역(170)은 화소 영역(PA)을 둘러쌀 수 있다. 제3 도전 영역(170)은 화소 영역(PA)과 콘택들(190) 사이에 배치되어, 콘택들(190)로부터 화소 영역(PA)을 전기적으로 격리시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 제3 도전 영역(170)은 제2 도전 영역(150)과 접촉할 수 있다. 제3 도전 영역(170)의 도전형은 제2 도전 영역(150)의 도전형과 같을 수 있다. 제3 도전 영역(170)의 도전형은 p+형일 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 p형의 기판 상에 배치된 n+형의 제1 도전 영역, p+형의 제2 도전 영역, 및 수광 소자의 n형의 불순물 영역을 포함하는 npn 구조를 가질 수 있다.
콘택들(190)이 제1 도전 영역(120)의 양단에 위치한다. 본 발명의 다른 실시예에서 콘택은 제1 도전 영역(120)의 일단에만 위치할 수 있다. 콘택(190)은 하부 콘택(185)과 상부 콘택(188)을 포함할 수 있다. 하부 콘택(185)은 제2 도전 영역(150)을 관통하여 제1 도전 영역(120)과 접촉할 수 있다. 하부 콘택(185)은 콘택 플러그(186)와 불순물 확산층(187)을 포함할 수 있다. 콘택 플러그(186)는 폴리실리콘 또는 금속일 수 있다. 불순물 확산층(187)의 도전형은 제1 도전 영역(120)의 도전형과 같고, 제2 도전 영역(150)의 도전형과 다르다. 예컨대, 불순물 확산층(187)의 도전형은 n형일 수 있다. 상부 콘택(188)은 하부 콘택(188) 상에 위치하고, 그 상부의 도전 라인(195)과 접촉할 수 있다.
도전 라인(195)이 콘택(190) 상에 위치한다. 도전 라인(195)은 콘택(190)을 통해 제1 도전 영역(120)에 전기적으로 연결된다. 즉, 외부 전원으로부터 도전 라인(195)에 제공되는 전압은 콘택(190)을 통해 제1 도전 영역(120)에 제공될 수 있다. 또, 제1 도전 영역들(120)은 도전 라인(195)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있기 때문에, 상기 전압이 제1 도전 영역들(120) 각각에 동시에 제공될 수 있다. 상기 전압은 리셋 전압 및 블루밍 제어 전압을 포함할 수 있다.
높은 리셋 전압이 도전 라인(195)을 통해 제1 도전 영역(120)에 제공되면 제2 도전 영역(150)의 전위 장벽이 파괴되어, 수광 소자들(115) 내의 전자들이 제1 도전 영역(120)으로 방출될 수 있다. 즉, 수광 소자들(115)은 글로벌 전자 셔터 링(global electronic shuttering)에 의해 동시에 리셋될 수 있다. 또, 상기 리셋 전압보다 낮은 블루밍 제어 전압이 도전 라인(195)을 통해 제1 도전 영역(120)에 제공되면, 수광 소자들(115) 내에 필요 이상으로 축적되는 여분의 전자들이 제1 도전 영역(120)으로 방출될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 여분의 전자들을 제거하기 위한 오버플로우 드레인 영역 및 트랜지스터 없이 블루밍 특성을 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서는 오버플로우 영역으로 인해 필 팩터(fill factor)가 감소하는 문제점이 방지될 수 있고, 간단한 구조로 블루밍 특성이 개선될 수 있다. 또, 트랜지스터 수의 감소로 픽셀 구조가 간단해져 필 팩터, 감도, 및 출력(saturation) 등이 개선될 수 있고, 제조 공정이 단순해진다. 또, 이미지 센서가 고집적화될 수 있으며, 특성이 개선된 1-트랜지스터 씨모스 이미지 센서가 구현될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서가 설명된다. 전술한 실시예와 중복되는 부분의 설명은 생략될 수 있다. 본 실시예에서 하부 콘택(185)은 제2 방향(DC)으로 신장할 수 있다. 이에 의해, 제1 도전 영역들(120)이 하나의 하부 콘택(185)을 공유할 수 있다. 제1 도전 영역들(120)이 하부 콘택(185)에 의해 서로 전기적으로 연결되기 때문에 상부 콘택(188)의 수와 상관없이 제1 도전 영역들(120)은 도전 라인(195)에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서 상부 콘택(188)의 수는 제1 도전 영역들(120) 및 도전 라인(195) 사이의 전기적 저항 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
도 1, 도 4a 내지 도 10a, 도 4b 내지 도 10b, 및 도 4c 내지 도 10c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법이 설명된다.
도 1, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하면, 기판(110) 상에 포토레지스트막(125)이 형성된다. 기판(110)은 p형 실리콘 기판일 수 있다. 포토레지스트막(125)은 네거티브형(negative type)일 수 있다. 포토마스크(130)가 기판(110) 상에 포토레지스트막(125)과 이격되어 배치된다. 포토마스크(130)는 투광부(131) 및 차광부(132)를 포함할 수 있다. 포토마스크(130)를 사용하여 노광 공정이 수행된다. 상기 노광 공정에 의해 네거티브형 포토레지스트막(125) 중 포토마스크(130)의 투광부(131)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출된 부분)은 현상액에 녹지 않는 성질로 변하게 된다. 본 발명의 다른 실시예에서 포토레지스트막(125)은 포지티브형(positive type)일 수 있다. 이 경우 포토마스크의 투광부와 차광부는 서로 바뀔 수 있다.
도 1, 도 5a, 도 5b, 및 도 5c를 참조하면, 노광된 포토레지스트막(125)을 현상하여 포토레지스트 패턴(126)이 형성된다. 상기 현상에 의해 포토레지스트막(125) 중 빛에 노출되지 않은 부분이 제거되고, 제1 방향으로 신장하는 개구부(127)가 형성된다.
포토레지스트 패턴(126)을 이온주입 마스크로 사용하는 이온주입 공정을 수행하여 기판(110) 내에 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역(120)이 형성된다. 불순물 이온이 상기 이온 주입 공정에 의해 제1 도전 영역(120)에 주입된다. 상기 불순물 이온은 이온주입 조건의 적절한 선택에 의해 개구부(127)를 통해서만 주입 되고, 포토레지스트 패턴(125)을 통과하지 못한다. 따라서 제1 도전 영역(120)은 포토레지스트 패턴의 개구부(127)에 대응할 수 있다. 제1 도전 영역(120)의 도전형은 n+형일 수 있다.
도 1, 도 6a, 도 6b, 및 도 6c를 참조하면, 기판(110) 상에 포토레지스트막(135)이 형성된다. 포토레지스트막(135)은 포지티브형일 수 있다. 포토마스크(140)가 기판(110) 상에 포토레지스트막(135)과 이격되어 배치된다. 포토마스크(140)는 투광부(141), 차광부(142), 및 반투광부(143)를 포함할 수 있다. 반투광부(143)는 빛을 투과시키지만, 투과되는 양은 투광부(141)보다 작다. 포토마스크(140)를 사용하여 노광 공정이 수행된다. 상기 노광 공정에 의해 포지티브형 포토레지스트막(135) 중 포토마스크(140)의 투광부(141)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출된 부분)은 현상액에 녹는 성질로 변하게 된다. 포토마스크(140)의 반투광부(143)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출되지만 투광부보다는 적게 노출되는 부분)은 현상액에 녹는 성질로 변하지만, 투광부(141)에 대응하는 부분보다는 상기 녹는 성질이 약하다. 본 발명의 다른 실시예에서 포토레지스트막(135)은 네거티브형일 수 있다. 이 경우 포토마스크의 투광부와 차광부는 서로 바뀔 수 있다.
도 1, 도 7a, 도 7b, 및 도 7c를 참조하면, 노광된 포토레지스트막(135)을 현상하여 제1 방향(DR)으로 신장하는 포토레지스트 패턴(136)이 형성된다. 상기 현상에 의해 포토레지스트막(125) 중 포토마스크의 투광부(141)에 대응하는 부분은 완전히 제거되고, 반투광부(143)에 대응하는 부분은 부분적으로 제거된다. 따라서 반투광부(143)에 대응하는 포토레지스트 패턴의 측벽(136s)은 경사지게 형성되거 나, 투광부(141)에 대응하는 부분보다 얇게 형성될 수 있다. 포토레지스트 패턴(136)은 제1 도전 영역(120)에 대응한다.
포토레지스트 패턴(136)을 이온주입 마스크로 사용하는 이온주입 공정을 수행하여 제1 도전 영역(120)의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 도전 영역(150)이 형성된다. 불순물 이온이 상기 이온 주입 공정에 의해 제2 도전 영역(150)에 주입된다. 제2 도전 영역(150)은 화소 영역(PA)을 포함하는 기판(110) 전 영역에 형성될 수 있다. 상기 불순물 이온은 이온주입 조건의 적절한 선택에 의해 포토레지스트 패턴(136)을 통과할 수 있다. 그리고 포토레지스트 패턴(136)이 있는 곳에서는 불순물 이온이 얕게 주입될 수 있다. 따라서 불순물 이온은 위치에 따라 다른 깊이로 주입될 수 있다. 즉, 제2 도전 영역(150)은 주입 깊이가 서로 다른 제1 부분(151), 제2 부분(152), 및 제3 부분(153)을 포함할 수 있다. 포토레지스트 패턴(136)의 중앙부를 통과하는 불순물 이온에 의해 제1 부분(151)이 제1 도전 영역(120) 상에 얕게 형성된다. 포토레지스트 패턴(136)이 없는 곳으로 주입되는 불순물 이온에 의해 제2 부분(152)이 제1 도전 영역(120) 양측에 깊게 형성된다. 예컨대 제2 부분(152)의 하부면이 제1 도전 영역(120)의 상부면보다 낮을 수 있다. 포토레지스트 패턴(136)의 경사진 측벽(136s)을 통과하는 불순물 이온에 의해 제3 부분(153)이 제1 부분(151)과 제2 부분(152) 사이에서 경사지도록 형성된다. 또, 제3 부분(153)은 제1 부분(151)과 제2 부분(152)을 연결한다. 제2 도전 영역(150)의 도전형은 p+형일 수 있다.
본 발명의 실시예들과 달리 제1 도전 영역이 깊게 형성되는 경우 불순물 이 온은 높은 주입 에너지로 주입되어야 하며, 이를 위해 포토레지스트 패턴이 두껍게 형성되어야 한다. 포토레지스트막이 두껍게 형성되는 경우 사진 공정에서 과도한 노광에 의해 포토레지스트 패턴이 제대로 형성되지 않을 수 있다. 또, 높은 주입 에너지를 갖는 불순물 이온이 포토레지스트 패턴과 충돌하여 여러 가지 문제점들을 발생시킬 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 제2 도전 영역(150)은 제1 도전 영역(120)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 이는 제1 도전 영역(120)이 제2 도전 영역(150)과 비슷한 깊이에서 형성된다는 것을 의미한다. 즉, 제1 도전 영역(120)을 형성하기 위해 불순물 이온이 보다 낮은 에너지로 주입될 수 있다. 따라서 제1 도전 영역(120)을 형성하기 위한 이온주입 공정에서 사용되는 포토레지스트 패턴(125)이 두껍게 형성될 필요가 없다.
도 1, 도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 기판(110) 상에 이온주입 마스크(155)를 형성한 후 이온주입 공정을 수행하여 화소 영역(PA) 외측에 제3 도전 영역(170)이 형성된다. 이온주입 마스크(155)는 예컨대, 포토레지스트 패턴일 수 있다. 제3 도전 영역(170)은 화소 영역(PA)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 제3 도전 영역(170)은 제2 도전 영역(150)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 제3 도전 영역(170)의 도전형은 제2 도전 영역(150)의 도전형과 같다. 예컨대, 제3 도전 영역(170)의 도전형은 p+형일 수 있다.
도 1, 도 9a, 도 9b, 및 도 9c를 참조하면, 기판(110) 상에 마스크 패턴(175)을 형성한 후 식각 공정을 수행하여 제1 도전 영역(120)을 노출하는 개구부들(180)이 형성된다. 개구부(180)는 제2 도전 영역(150)을 관통할 수 있다. 마스 크 패턴(175)은 포토레지스트 패턴 또는 하드마스크 패턴일 수 있다. 개구부들(180)은 제1 도전 영역(120)의 양단에 형성될 수도 있고, 일단에만 형성될 수도 있다.
도 1, 도 10a, 도 10b, 및 도 10c를 참조하면, 개구부(180) 내에 하부 콘택(185)이 형성된다. 하부 콘택(185)은 콘택 플러그(186)와 불순물 확산층(187)을 포함할 수 있다. 불순물 확산층(187)은 콘택 플러그(186)를 둘러싸고, 제2 도전 영역(150)과 다른 도전형, 예컨대, n+형을 가질 수 있다.
일 실시에에서, 불순물 확산층(187)이 콘택 플러그(186)보다 먼저 형성될 수 있다. 개구부(180)의 측벽에 불순물 이온을 주입하여 불순물 확산층(187)이 형성된다. 불순물 확산층(187)이 형성된 개구부(180)를 도전 물질로 채운 후 평탄화 공정을 수행하여 콘택 플러그(186)가 형성된다. 상기 평탄화 공정에 의해 마스크 패턴(175)이 제거되고, 기판(110)이 노출될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘택 플러그(186)가 불순물 확산층(187)보다 먼저 형성될 수 있다. 개구부(180)를 불순물 이온이 도핑된 폴리실리콘으로 채운 후 평탄화 공정을 수행하여 콘택 플러그(186)가 형성된다. 열처리 공정을 수행하는 것에 의해 콘택 플러그(186) 내 상기 불순물 이온이 확산하여 콘택 플러그(186)를 둘러싸는 불순물 확산층(186)이 형성된다.
다시 도 1, 도 2a, 도 2b, 및 도 2c를 참조하면, 이온주입 공정을 수행하여 화소 영역(PA) 내에 제1 방향(DR) 및 제2 방향(DC)으로 배열되는 수광 소자들(115)이 형성된다. 수광 소자(115)는 n형 불순물 영역(116)과 p형 불순물 영역(117)을 포함할 수 있다.
상부 콘택(188)이 하부 콘택(185) 상에 형성되고, 도전 라인(195)이 상부 콘택(188) 상에 형성된다. 도전 라인(195)은 제2 방향(DC)으로 신장할 수 있으며, 콘택(190)에 의해 제1 도전 영역(120)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 도전 영역들(120)은 도전 라인(195)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1, 도 11a 내지 도 12a, 도 11b 내지 도 12b, 및 도 11c 내지 도 12c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법이 설명된다.
도 1, 도 11a, 도 11b, 및 도 11c를 참조하면, 기판(110) 상에 포토레지스트막(125)이 형성된다. 포토레지스트막(125)은 네거티브형(negative type)일 수 있다. 포토마스크(130)가 기판(110) 상에 포토레지스트막(125)과 이격되어 배치된다. 포토마스크(130)는 투광부(131), 차광부(132), 및 반투광부(133)를 포함할 수 있다. 반투광부(133)는 빛을 투과시키지만, 투과되는 양은 투광부(131)보다 작다. 포토마스크(130)를 사용하여 노광 공정이 수행된다. 상기 노광 공정에 의해 네거티브형 포토레지스트막(125) 중 포토마스크(130)의 투광부(131)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출된 부분)은 현상액에 녹지 않는 성질로 변하게 된다. 포토마스크(130)의 반투광부(133)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출되지만 투광부보다는 적게 노출되는 부분)은 현상액에 녹지 않는 성질로 변하지만, 투광부(131)에 대응하는 부분보다는 상기 녹지 않는 성질이 약하다.
도 1, 도 12a, 도 12b, 및 도 12c를 참조하면, 노광된 포토레지스트막(125)을 현상하여 포토레지스트 패턴(126)이 형성된다. 상기 현상에 의해 포토레지스트막(125) 중 포토마스크의 차광부(132)에 대응하는 부분(즉, 빛에 노출되지 않은 부 분)은 완전히 제거되고, 반투광부(133)에 대응하는 부분은 부분적으로 제거된다. 따라서 반투광부(133)에 대응하는 포토레지스트 패턴의 측벽(126s)은 경사지게 형성되거나, 투광부(131)에 대응하는 부분보다 얇게 형성될 수 있다. 이에 의해, 제1 방향으로 신장하고, 상부보다 하부의 폭이 좁은 개구부(127)가 형성된다.
포토레지스트 패턴(126)을 이온주입 마스크로 사용하는 이온주입 공정을 수행하여 기판(110) 내에 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역(120)이 형성된다. 불순물 이온이 상기 이온 주입 공정에 의해 제1 도전 영역(120)에 주입된다. 상기 불순물 이온은 이온주입 조건의 적절한 선택에 의해 개구부(127)를 통해서만 주입되고, 포토레지스트 패턴(125)을 통과하지 못한다. 따라서 제1 도전 영역(120)은 포토레지스트 패턴의 개구부(127)에 대응할 수 있다. 또, 제1 도전 영역(120)의 폭은 개구부(127)의 하부 폭과 실질적으로 같을 수 있다. 제1 도전 영역(120)의 도전형은 n+형일 수 있다. 이후의 공정은 전술한 실시예에서 설명된 부분이 동일하게 적용될 수 있다. 본 실시예에서 제1 도전 영역(120)을 형성하기 위해 사용되는 포토마스크는 전술한 실시예에서 제2 도전 영역(150)을 형성하기 위한 포토마스크와 같다. 즉, 본 실시예에서는 제1 도전 영역(120) 및 제2 도전 영역(150)이 하나의 포토마스크를 사용하여 형성될 수 있다. 이와 같이, 하나의 포토마스크로 두 번의 사진 공정을 수행함으로써 공정 비용이 절감될 수 있다.
도 1, 도 13, 및 도 14를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법이 설명된다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 기판(110) 상에 마스크 패턴(175)을 형성한 후 식각 공정을 수행하여 제2 방향(DC)으로 신장하는 개구부들(180)이 형성된다. 개구부(180)는 제2 도전 영역(150)을 관통할 수 있고, 제1 도전 영역들(120)을 노출시킬 수 있다. 전술한 실시예에서는 하나의 개구부가 하나의 제1 도전 영역을 노출시키지만, 본 실시예에서는 하나의 개구부가 둘 이상의 제1 도전 영역들을 노출시킬 수 있다. 개구부(180)는 제1 도전 영역(120)의 양단에 형성될 수도 있고, 일단에만 형성될 수도 있다.
도 1 및 도 14를 참조하면, 개구부(180) 내에 제2 방향(DC)으로 신장하는 하부 콘택(185)이 형성된다. 하부 콘택(185)은 콘택 플러그(186)와 불순물 확산층(187)을 포함할 수 있다. 불순물 확산층(187)은 콘택 플러그(186)를 둘러싸고, 제2 도전 영역(150)과 다른 도전형, 예컨대, n+형을 가질 수 있다.
하부 콘택(185)은 제1 도전 영역들(120)과 접촉할 수 있다. 제1 도전 영역들(120)은 하부 콘택(185)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이후의 공정은 전술한 실시예에서 설명한 부분이 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 하부 콘택(185) 상에 형성되는 상부 콘택의 수는 달라질 수 있다. 즉, 상부 콘택은 하나 또는 그 이상 형성될 수 있으며, 그 수는 상부 콘택과 하부 콘택의 전기적 저항 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
또, 상술한 실시예들에서 요소들의 형성 순서는 바뀔 수 있다. 예컨대, 제1 도전 영역과 제2 도전 영역의 형성 순서가 바뀔 수 있으며, 제3 도전 영역, 하부 콘택, 및 수광 소자의 형성 순서가 바뀔 수 있다. 따라서 본 발명이 상기 요소들의 형성 순서에 의해 제한되어서는 안 된다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단순한 제조 공정으로 종형 오버플로우 드레인 구조를 갖는 씨모스 이미지 센서가 형성될 수 있다. 간단한 구조를 갖는 고집적 이미지 센서가 형성될 수 있다. 이미지 센서의 특성이 개선될 수 있다.
Claims (26)
- 제1 방향 및 제2 방향으로 배열되는 수광 소자들을 포함하는 기판;상기 수광 소자들 아래에 위치하고, 상기 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역;상기 수광 소자들 및 상기 제1 도전 영역 사이에 위치하는 제2 도전 영역;상기 제1 도전 영역에 연결되는 콘택; 및상기 콘택에 연결되는 도전 라인을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 도전 영역은 상기 제1 도전 영역의 적어도 일부를 둘러싸는 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 제2 도전 영역은,상기 제1 도전 영역 상에 위치하는 제1 부분;상기 제1 도전 영역의 양측에 위치하고, 상기 제1 도전 영역의 상부면보다 낮은 하부면을 갖는 제2 부분; 및상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하고, 상기 제1 도전 영역의 측벽의 적어도 일부와 중첩되는 제3 부분을 포함하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 제2 부분의 일부는 상기 수광 소자와 중첩되는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 콘택은 상기 제1 도전 영역과 접촉하는 하부 콘택과 상기 도전 라인과 접촉하는 상부 콘택을 포함하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 하부 콘택은 상기 제2 도전 영역을 관통하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 하부 콘택은 그 측벽에 상기 제2 도전 영역과 다른 도전형의 불순물 확산층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 하부 콘택은 상기 제2 방향으로 신장하여 둘 이상의 제1 도전 영역들과 접촉하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판, 상기 제1 도전 영역, 및 상기 제2 도전 영역의 도전형은 각각 p형, n+형, p+형인 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 소자들을 포함하는 화소 영역을 둘러싸고, 상기 제2 도전 영역과 같은 도전형을 갖는 제3 도전 영역을 더 포함하고,상기 콘택은 상기 제3 도전 영역의 외측에 위치하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 소자를 포함하는 픽셀은 1-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서.
- 기판 내에 제1 방향으로 신장하는 제1 도전 영역을 형성하는 단계;상기 제1 도전 영역 상에 제2 도전 영역을 형성하는 단계;상기 제2 도전 영역 상에, 상기 제1 도전 영역과 중첩되고 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열되는 수광 소자들을 형성하는 단계;상기 제1 도전 영역에 연결되는 콘택을 형성하는 단계; 및상기 콘택에 연결되는 도전 라인을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제2 도전 영역은 상기 제1 도전 영역의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제2 도전 영역을 형성하는 단계는,상기 기판 상에 제1 포토레지스트막을 형성하는 단계;상기 제1 포토레지스트막에 제1 포토마스크를 사용하는 사진 공정을 수행하여 상기 제1 도전 영역에 대응하는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제1 포토레지스트 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 제2 도전형의 제2 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함하되,상기 제2 불순물 이온은 상기 제1 포토레지스트 패턴을 투과하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제1 포토레지스트 패턴은 경사진 측벽을 갖도록 형성되는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제1 포토마스크는 반투광부를 포함하고,상기 반투광부는 상기 경사진 측벽에 대응하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제2 도전 영역은,상기 제1 도전 영역 상에 위치하는 제1 부분;상기 제1 도전 영역의 양측에 위치하고, 상기 제1 도전 영역의 상부면보다 낮은 하부면을 갖는 제2 부분; 및상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하고, 상기 제1 도전 영역의 측벽의 적어도 일부와 중첩되는 제3 부분을 포함하고,상기 제3 부분은 상기 경사진 측벽에 대응하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제1 도전 영역을 형성하는 단계는,상기 기판 상에 제2 포토레지스트막을 형성하는 단계;상기 제2 포토레지스트막에 제2 포토마스크를 사용하는 사진 공정을 수행하여 상기 제1 도전 영역에 대응하는 개구부를 갖는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제2 포토레지스트 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 제1 도전형의 제1 불순물 이온을 주입하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 제2 포토마스크는 상기 제1 포토마스크와 같은 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 제1 포토레지스트막 및 상기 제2 포토레지스트막 중 어느 하나는 포지티브형(positive type)이고, 다른 하나는 네거티브형(negative type)인 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 콘택을 형성하는 단계는,상기 기판을 식각하여 상기 제1 도전 영역의 적어도 일단을 노출시키는 개구부를 형성하는 단계;상기 개구부 내에 상기 제1 도전 영역과 접촉하는 하부 콘택을 형성하는 단계;상기 하부 콘택 상에 상부 콘택을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 개구부는 상기 제2 도전 영역을 관통하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 하부 콘택을 형성하는 단계는,상기 개구부의 측벽에 상기 제1 도전 영역과 같은 도전형을 갖는 불순물 이온을 주입하는 단계; 및상기 개구부를 도전 물질로 채우는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 하부 콘택을 형성하는 단계는,상기 개구부를 상기 제1 도전 영역과 같은 도전형을 갖는 불순물 이온이 주입된 폴리실리콘으로 채워 콘택 플러그를 형성하는 단계; 및열처리 공정을 수행하여 상기 콘택 플러그의 측벽에 불순물 확산층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 개구부는 상기 제2 방향으로 신장하여 둘 이상의 제1 도전 영역들을 노출시키는 이미지 센서의 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 수광 소자들을 포함하는 화소 영역을 둘러싸고, 상기 제2 도전 영역과 같은 도전형의 제3 도전 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 형성 방법.
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