KR100922930B1 - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법이 개시되어 있다. 이중 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 트렌스퍼 트랜지스터의 게이트, 게이트의 일측에 형성되고 광 전하를 발생시키는 포토 다이오드, 포토 다이오드와 대향되는 게이트의 타측에 형성되고 광 전하를 저장하는 플로팅 확산부 및 포토 다이오드와 플로팅 확산부를 연결하고, 포토 다이오드와 연결된 고농도 이온 주입부 및 고농도 이온 주입부와 플로팅 확산부를 연결하는 저농도 이온 주입부로 구성된 채널부를 포함한다.
포토 다이오드, 플로팅 확산부, 저농도 이온 주입 및 고농도 이온 주입 채널
Description
도 1은 종래의 이미지 센서 중 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 이미지 센서의 화소를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2를 I-I´선으로 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 반도체 기판 내에 저농도 이온 주입부 채널을 형성한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 반도체 기판 상에 트랜스퍼 게이트를 형성한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 저농도 이온 주입부 채널에 고농도 이온을 주입하여 고농도 이온 주입부를 형성한 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 반도체 기판 내에 포토 다이오드를 형성하는 것을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 반도체 기판 내에 플로팅 확산부를 형성하는 것을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 포토 다이오드와 플로팅 확산부의 전위차를 도시한 도면이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 포토 다이오드와 플로팅 확산부 사이에 고농도 이온 주입영역 및 저농도 이온 주입 영역을 갖는 채널부를 형성하여 이미지의 질을 향상시킨 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지 센서로는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지 센서를 들 수 있다.
이 중에서 전하 결합 소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
시모스 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호 처리 회로(signal processing circuit)를 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한, 시모스 이미지 센서의 화소는 빛을 받아 광 전하를 생성하는 1개의 포토다이오드와 4개의 MOS 트랜지스터를 포함한다.
4개의 MOS 트랜지스터는 포토다이오드와 연결되어 모아진 광전하를 플로팅 확산부로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 플로팅 확산부의 전위를 세팅하고 전하를 배출시켜 플로팅 확산부를 리셋시키는 리셋 트랜지스터와, 플로팅 확산부의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 억세스 트랜지스터 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터로 구성된다.
도 1은 종래의 이미지 센서 중 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(1) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리 패턴(10)이 트렌치에 의해 형성되고, 소자분리 패턴(10)에 의해 정의된 영역의 중앙부분에는 문턱 전압을 조절하고 포토 다이오드에서 생성한 전하를 플로팅 확산부로 전달하는 채널부(20)가 형성된다. 채널부(20)는 반도체 기판(1) 상에 이온을 주입하여 형성하는데, 다크(dark) 특성을 향상시키기 위해서 고농도 이온 주입을 한다.
그리고, 채널부(20)의 상부에 게이트 절연막(32) 및 폴리 실리콘(34)으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(30; 이하, 트랜스퍼 게이트라 한다.)가 형성되며, 트랜스퍼 게이트(30)의 측면에는 게이트 스페이서(40)가 형성되는데, 게이트 스페이서(40)는 반도체 기판(1)의 상부면에서부터 게이트(30)의 상부면까지 형성되어 게이트(30)의 측면을 감싼다.
한편, 채널부(20)의 양쪽에는 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산부(FD)가 각 각 형성된다. 포토 다이오드(PD)는 반도체 기판(1) 상에 이온을 깊게 주입하여 형성하는 것으로, 포토 다이오드(PD)는 채널부(20)와 소자분리 패턴(10) 사이에 플로팅 확산부(FD)보다 더 깊게 형성된다. 플로팅 확산부(FD)도 반도체 기판(10) 상에 이온을 주입하여 형성하는데, 채널부(20), 즉 게이트 스페이서(40)와 대응되는 부분에서부터 소자분리 패턴(10)까지 형성된다.
그러나, 종래에서와 같이 다크 특성을 향상시키기 위해서 포토 다이오드와 플로팅 확산부 사이에 고농도의 채널부를 형성할 경우 트랜스퍼 게이트를 턴온시켰을 때 포토 다이오드와 채널부 사이의 전위 차가 작게 발생되어 포토 다이오드에서 생성된 전하가 플로팅 확산부로 잘 전달되지 않아 포토 다이오드에 광 전하가 잔류해 있다. 이로 인해 세추레이션 레벨(saturation level)이 저하되어 이미지의 질을 저하시키고 리셋 불량을 야기시키는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서, 채널부를 저농도 이온 주입할 경우 다크 신호가 커지게 되어 암 전류(dark current)가 높아지는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 채널부 중 포토 다이오드와 연결되는 일부분은 고농도로 이온 주입하고, 플로팅 확산부와 연결되는 나머지 부분은 저농도로 이온 주입하여 다크 특성 및 세추레이션 특성을 향상시킨 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 트렌스퍼 트랜지스터의 게이트, 상기 게이트의 일측에 형성되고 광 전하를 발생시키는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드와 대향되는 상기 게이트의 타측에 형성되고 상기 광 전하를 저장하는 플로팅 확산부 및 상기 포토 다이오드와 상기 플로팅 확산부를 연결하고, 상기 포토 다이오드와 연결된 고농도 이온 주입부 및 상기 고농도 이온 주입부와 플로팅 확산부를 연결하는 저농도 이온 주입부로 구성된 채널부를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구형하기 위한 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판의 상부면에 트렌스퍼 트랜지스터의 게이트를 형성하며, 상기 게이트와 대응되는 반도체 기판의 내부에 저농도 이온 주입부 및 고농도 이온 주입부를 포함한 채널부를 형성하는 단계, 상기 게이트의 일측에 상기 채널부 중 상기 고농도 이온 주입부와 연결되도록 포토 다이오드를 상기 반도체 기판 내에 형성하는 단계 및 상기 포토 다이오드와 마주보도록 상기 게이트의 타측에 상기 채널부의 저농도 이온 주입부와 연결되도록 플로팅 확산부를 상기 반도체 기판 내에 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 및이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 이미지 센서의 화소를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2를 I-I´선으로 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(200)의 각 화소는 빛을 받아 광 전하를 생성하는 포토 다이오드(PD), 포토 다이오드(PD)와 연결되어 모아진 광전하를 플로팅 확산부(FD)로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 원하는 값으로 플로팅 확산부(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출시켜 플로팅 확산부를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 플로팅 확산부의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함한다.
포토 다이오드(PD)에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)가 직렬로 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소오스는 포토 다이오드(PD)와 접속하고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 리셋 트랜지스터(Sx)의 소오스와 접속한다. 리셋 트랜지스터(Sx)의 드레인에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산층(FD, floating diffusion) 역할을 한다. 부유 확산층(FD)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에 접속된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)는 직렬로 접속된다. 즉, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소오스와 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인은 서로 접속한다. 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인 및 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인은 출력단에 해당하고, 셀렉트 트랜 지스터(Sx)의 게이트에는 선택 신호가 인가된다.
이와 같이 구성된 화소 중 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터에 대해 도 3을 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 반도체 기판(100) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리 패턴(110)이 트렌치에 의해 형성된다.
소자분리 패턴(110)에 의해 정의된 영역의 중앙부분에는 게이트 절연막(132) 및 폴리 실리콘(134)으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(130; 이하, 트랜스퍼 게이트라 한다.)가 형성되며, 트랜스퍼 게이트(130)의 측면에는 게이트 스페이서(140)가 형성되는데, 게이트 스페이서(140)는 반도체 기판(100)의 상부면에서부터 폴리 실리콘(134)의 상부면까지 형성되어 트랜스퍼 게이트(130)의 측면을 감싼다.
한편, 게이트(130)의 양쪽에는 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산부(FD)가 반도체 기판(100) 내에 각각 형성되는데, 포토 다이오드(PD) 및 플로팅 확산부(FD)는 반도체 기판(100) 내에 이온을 주입하여 형성한다. 포토 다이오드(PD)는 게이트(130)의 일측면과 대응되는 부분에서부터 소자분리 패턴(110)까지 형성되며, 플로팅 확산부(FD)보다 더 깊게 형성된다. 플로팅 확산부(FD)는 포토 다이오드(PD)와 마주보도록 게이트(130)의 타측면을 덮는 게이트 스페이서(140)와 대응되는 부분에서부터 소자분리 패턴(110)까지 형성된다.
포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산부(PD) 사이에는 전압을 조절하고 포토 다이오드에서 생성한 전하를 플로팅 확산부로 전달하는 채널부(120)가 형성된다. 채널부(120)는 반도체 기판(100) 내에 형성되고, 고농도 이온 주입부(122) 및 저농도 이온 주입부(124)로 구성된다. 고농도 이온 주입부(124)는 암 전류를 낮추기 위해서 채널부(120)에 고농도로 이온을 주입한 영역으로, 포토 다이오드(PD)와 연결되는 단부에서부터 일정부분까지 형성된다. 저농도 이온 주입부(124)는 트랜스퍼 게이트(130)를 턴온시켰을 때 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 플로팅 확산부(FD)로 완전히 전달되도록 전위 차를 낮추기 위해 채널부(120)에 저농도로 이온을 주입한 영역으로, 고농도 이온 주입부(122)에서부터 플로팅 확산부(FD)까지 형성된다.
바람직하게, 고농도 이온 주입부의 두께는 저농도 이온 주입부의 두께보다 두껍게 형성되어 채널부는 계단형상으로 형성된다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 화소 중 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 이미지 센서의 공정 단면도이고, 도 9는 본 발명에 의한 포토 다이오드와 플로팅 확산부의 전위차를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 반도체 기판 내에 저농도 이온 주입부 채널을 형성한 단면도이다.
도 4를 참조하면, p형 반도체 기판(100) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리 패턴(110)을 형성한다. 이때, 반도체 기판(100)으로는 고농도의 p형 기판(substrate)과 저농도의 p형 에피층(epitaxial layer)이 적층된 구조를 사용할 수도 있다.
그리고, 소자분리 패턴(110)은 일예로, 반도체 기판(100)에 트렌치를 형성하 고, 트렌치 내에 산화막을 채워 형성한다
이어서, 반도체 기판(100) 중 트랜스퍼 게이트(130) 및 플로팅 확산부(FD)로 사용되는 드레인이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 이온 주입 마스크(150)를 형성하고, 저농도 이온 주입 공정을 진행한다. 그러면, 이온 주입 마스크가 형성되지 않은 부분에 저농도 이온 주입부(124a)를 갖는 채널부가 형성된다.
도 5는 도 4에 도시된 반도체 기판 상에 트랜스퍼 게이트를 형성한 단면도이다.
다음으로 도 5를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막(132) 및 폴리 실리콘(134)을 차례대로 형성하고, 게이트 절연막(132) 및 폴리 실리콘(134)을 패터닝하여 반도체 기판 중 소자분리 패턴(110)에 의해 정의된 영역의 중앙부분에 트랜스퍼 게이트(130)를 형성한다.
도 6은 도 5에 도시된 저농도 이온 주입부 채널에 고농도 이온을 주입하여 고농도 이온 주입부를 형성한 단면도이다.
이후, 도 6을 참조하면, 이온주입 마스크(16)를 사용하지 않고, 포토 다이오드(PD)가 형성될 부분에서 반도체 기판(100)의 표면과 일정 각을 이루도록 고농도 이온을 주입하여 고농도 이온 주입부(122) 및 저농도 이온 주입부(124)를 갖는 채널부(120a)를 형성한다.
저농도 이온 주입부(124)에 고농도 이온을 주입하여 형성한 고농도 이온 주입부(122)의 두께와 저농도 이온 주입부(124)의 두께를 서로 동일하게 형성할 수도 있지만, 바람직하게, 고농도 이온을 저농도 이온보다 더 깊게 주입하여 고농도 이 온 주입부(122)의 두께를 저농도 이온 주입부(124)의 두께보다 더 두껍게 형성한다.
도 7은 도 6에 도시된 반도체 기판 내에 포토 다이오드를 형성하는 것을 도시한 단면도이다.
고농도 이온 주입부 및 저농도 이온 주입부를 포함한 채널부(120a)가 형성되면, 도 7에 도시된 바와 같이 트랜스퍼 게이트(130)의 양 측면에 게이트 스페이서(140)를 형성한 후, 반도체 기판(100) 중 포토 다이오드(PD)가 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 이온 주입 마스크(160)를 형성하고, 이온 주입 공정을 진행한다. 그러면, 이온 주입 마스크(160)가 형성되지 않은 부분에 이온이 주입되어 트랜스퍼 게이트(130)의 일측면과 대응되는 부분에서부터 소자분리 패턴(110)까지 포토 다이오드(PD)가 형성된다.
도 8은 도 7에 도시된 반도체 기판 내에 플로팅 확산부를 형성하는 것을 도시한 단면도이다.
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이 반도체 기판(100) 중 트랜스퍼 드레인, 즉 플로팅 확산부(FD)가 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 이온 주입 마스크(170)를 형성하고, 이온 주입 공정을 진행한다.
그러면, 도 3에 도시된 바와 같이 이온 주입 마스크(10)의 외부로 노출된 저농도 이온 주입부(124)에 다시 한번 이온이 주입되어 포토 다이오드(PD)와 마주보는 트랜스퍼 게이트(130)의 타측면을 덮는 게이트 스페이서(140)와 대응되는 부분에서부터 소자분리 패턴(110)까지 플로팅 확산부(FD)가 형성된다. 그리고, 플로팅 확산부(FD)와 포토 다이오드(PD) 사이에 고농도 이온 주입부(122) 및 저농도 이온 주입부(124)로 구성된 채널부(120)가 형성된다.
이와 같이 채널부(120) 중 포토 다이오드(PD)와 연결되는 부분을 고농도로 이온 주입하여 고농도 이온 주입부(122)를 형성하고, 플로팅 확산부(FD)와 연결되는 부분을 저농도로 이온 주입하여 저농도 이온 주입부(124)를 형성하면, 다크 시크널을 낮출 수 있어 암전류가 낮아진다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산부(FD) 사이의 전위 차가 크게 발생되어 포토 다이오드(PD)에 발생된 광 전하가 채널부(120)를 통해 완전히 플로팅 확산부(FD)로 전달된다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 포토 다이오드 쪽에 이온의 농도가 높은 채널이 형성되어 다크 특성을 향상시킬 수 있고, 플로팅 확산부 쪽에는 이온의 농도가 낮은 채널이 형성되기 때문에 세추레이션 레벨 및 리셋 특성이 향상되어 이미지 센서의 이미지 질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 반도체 기판 상에 형성된 트렌스퍼 트랜지스터의 게이트;상기 게이트의 일측에 형성되고 광 전하를 발생시키는 포토 다이오드;상기 포토 다이오드와 대향되는 상기 게이트의 타측에 형성되고 상기 광 전하를 저장하는 플로팅 확산부; 및상기 포토 다이오드와 상기 플로팅 확산부를 연결하며 상기 게이트 하부에 형성되고, 상기 플로팅 확산부와 연결된 저농도 이온 주입부 및 상기 저농도 이온 주입부 및 상기 포토 다이오드와 연결되어 상기 저농도 이온 주입부보다 깊게 형성된 고농도 이온 주입부로 구성된 채널부를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 포토 다이오드, 상기 고농도 이온 주입부, 상기 저농도 이온 주입부 및 상기 플로팅 확산부 순으로 전위 차가 발생되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판 상에 트렌스퍼 트랜지스터의 게이트 및 플로팅 확산부로 사용되는 드레인을 노출하는 이온 주입 마스크를 형성하고 저농도 이온 주입 공정을 진행하여 저농도 이온 주입부를 형성하는 단계;상기 저농도 이온 주입부 상에 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 형성하는 단계;상기 게이트의 일부분과 대응되는 상기 반도체 기판의 내부에 상기 저농도 이온 주입부보다 깊게 형성된 고농도 이온 주입부를 형성하여 상기 저농도 이온 주입부 및 상기 고농도 이온 주입부를 포함하는 채널부를 형성하는 단계;상기 게이트의 일측에 상기 채널부 중 상기 고농도 이온 주입부와 연결되도록 포토 다이오드를 상기 반도체 기판 내에 형성하는 단계; 및상기 포토 다이오드와 마주보도록 상기 게이트의 타측에 상기 채널부의 저농도 이온 주입부와 연결되도록 플로팅 확산부를 상기 반도체 기판 내에 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 채널부를 형성하는 단계는상기 포토 다이오드가 형성될 부분 쪽에서 상기 반도체 기판 표면으로부터 일정 각도로 고농도의 이온을 주입하여 상기 게이트의 일부와 대응하는 상기 저농도 이온 주입부에 상기 저농도 이온 주입부보다 깊게 고농도 이온 주입부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 포토 다이오드, 상기 고농도 이온 주입부, 상기 저농도 이온 주입부 및 상기 플로팅 확산부 순으로 전위 차가 발생되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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