KR102456530B1 - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서는 광전 변환부, 상기 광전 변환부 상의 리세스부에 배치되는 트랜스퍼 게이트 및 상기 트랜스퍼 게이트와 인접하는 부유확산 영역을 포함하되, 상기 트랜스퍼 게이트는 상기 리세스부의 하부에 제공된 제 1 영역과, 상기 리세스부의 상부에 제공된 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 서로 다른 도전형을 갖는다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 구체적으로 2가지 타입으로 도핑된 트랜스퍼 게이트를 가지는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
이미지 센서의 종류는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서가 있다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
본 발명의 기술적 과제는 도핑된 타입이 서로 다른 두가지 영역들을 가지는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 도핑된 농도가 서로 다른 두가지 영역들을 가지는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서는 광전 변환부, 상기 광전 변환부 상의 리세스부에 배치되는 트랜스퍼 게이트 및 상기 트랜스퍼 게이트와 인접하는 부유확산 영역을 포함하되, 상기 트랜스퍼 게이트는 상기 리세스부의 하부에 제공된 제 1 영역과, 상기 리세스부의 상부에 제공된 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 서로 다른 도전형을 갖는다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역의 도전형은 p형 또는 진성(intrinsic) 중 하나이고, 상기 제 2 영역의 도전형은 n형이다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역의 도전형은 n형 또는 진성(intrinsic) 중 하나이고, 상기 제 2 영역의 도전형은 p형이다.
일 예에 따르면, 상기 제 2 영역은 상기 부유확산 영역과 동일 도전형을 갖는다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역으로부터 아래를 향하는 제 1 방향으로 연장되고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 큰 너비를 가진다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 방향으로 이격되어 복수개로 제공된다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역으로부터 아래를 향하는 제 1 방향으로 연장되고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 제 1 방향으로 길이가 길다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역은 상기 리세스부의 측면 및 하면 상에 배치되고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역이 제공하는 내부 공간에 배치된다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 사이에 제공된 절연층을 더 포함한다.
본 발명의 실시예는 이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서는 적어도 하나의 제 1 불순물 영역, 및 상기 제 1 불순물 영역 상에 배치되고 적어도 하나의 리세스부를 제공하는 제 2 불순물 영역을 포함하는 광전 변환부, 상기 리세스부에 배치되는 트랜스퍼 게이트 및 상기 트랜스퍼 게이트와 인접하는 부유확산 영역을 포함하되, 상기 트랜스퍼 게이트는 상기 리세스부의 하부에 배치되는 제 1 영역과, 상기 리세스부의 상부에 배치되는 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 동일 도전형을 갖고, 도핑농도가 서로 다르다.
일 예에 따르면, 상기 트랜스퍼 게이트는 복수개로, 상기 제 1 불순물 영역을 향해 연장되는 길이가 서로 상이하다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역의 도핑농도는 상기 제 2 영역의 도핑농도보다 작다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역은 각각 상기 제 2 영역에서 상기 제 1 영역을 향하는 방향으로 연장될수록 도핑농도가 달라진다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 사이에 제공되는 절연층을 더 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 제 2 영역과 상기 부유확산 영역은 동일한 도전형을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도핑된 타입 또는 농도가 서로 다른 제 1 영역과 제 2 영역을 가지는 트랜스퍼 게이트를 통해 트랜스퍼 게이트 하부의 전자 또는 정공을 부유 확산 영역으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 트랜스퍼 게이트의 제 1 영역과 제 2 영역 사이에의 포텐셜 차이에 의해 트랜스퍼 게이트 하부의 전자 또는 정공의 전송속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 회로도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 이미지 센서의 단위 화소들 각각은 광전 변환 영역(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)를 포함할 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)는 각각 트랜스퍼 게이트(TG), 소스 팔로워 게이트(SF), 리셋 게이트(RG) 및 선택 게이트(SEL)을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(PD)에 광전 변환부가 제공될 수 있다. 광전 변환부는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유확산 영역(FD)으로 이해될 수 있다. 부유확산 영역(FD)은 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor)의 소오스일 수 있다. 부유확산 영역(FD)은 소스 팔로워 트랜지스터(Sx, source follower transistor)의 소스 팔로워 게이트(SF)와 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)는 선택 트랜지스터(Ax, selection transistor)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx) 및 선택 트랜지스터(Ax)는 이웃하는 화소들에 의해 서로 공유될 수 있으며, 이에 의해 집적도가 향상될 수 있다.
이미지 센서의 동작을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 외부로부터의 빛을 광전 변환 영역(PD)에 입사시키면, 광전 변환 영역(PD)에서 전자-정공 쌍이 생성될 수 있다. 정공은 P형 불순물 주입 영역쪽으로, 전자는 N형 불순물 주입 영역으로 이동하여 축적될 수 있다. 그리고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(ON) 시키면, 이러한 광전자는 부유확산 영역(FD)으로 전달되어 축적될 수 있다. 축적된 전자량에 비례하여 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)의 게이트 바이어스가 변하여, 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)의 소오스 전위의 변화를 초래하게 된다. 이때, 선택 트랜지스터(Ax)를 온(ON) 시키면, 칼럼 라인으로 광전자에 의한 신호가 읽히게 된다. 부유확산 영역(FD)의 리셋 상태는, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(ON) 시키기 직전에 리셋 트랜지스터(Rx)를 온(ON) 시켜 만들게 되며, 선택 트랜지스터(Ax)를 온(ON) 시켜 칼럼 라인으로 신호를 출력한다. 이러한 리셋 상태의 신호는 광전자에 의한 신호의 레퍼런스(Reference)로서 사용하게 된다.
도 3은 도 2의 A-A'를 절단한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(1)는 광전 변환 영역(PD), 트랜스퍼 게이트(TG) 및 부유 확산 영역(FD)을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(PD)에 빛을 입사시키면, 광전 변환 영역(PD)에서 전자-정공 쌍이 생성될 수 있다. 정공은 p형 불순물 주입 영역쪽으로, 전자는 n형 불순물 주입 영역으로 이동하여 축적될 수 있다. 본 실시예에서는 이미지 센서(1)가 엔모스(NMOS)인 경우를 중심으로 설명한다.
광전 변환 영역(PD)은 제 1 불순물 영역(110) 및 제 2 불순물 영역(130)을 포함할 수 있다. 제 1 불순물 영역(110)은 부유 확산 영역(FD)과 같은 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 1 불순물 영역(110)은 n형의 불순물로 도핑될 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)은 제 1 불순물 영역(110) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 불순물 영역(130)은 p형의 불순물로 도핑될 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에는 제 2 불순물 영역(130)의 상면에서 제 1 불순물 영역(110)을 향하는 제 1 방향(x)으로 리세스된 리세스부(150)가 제공될 수 있다. 리세스부(150)는 제 1 불순물 영역(110)과 이격되도록 제공될 수 있다. 광전 변환 영역(PD)의 상부에 차단 영역(170)이 제공될 수 있다. 차단 영역(170)은 p형의 불순물로 도핑될 수 있다. 차단 영역(170)은 제 2 불순물 영역(130)보다 고농도로 도핑될 수 있다. 차단 영역(170)은 광전 변환 영역(PD)의 표면에 전하(charge)가 발생되는 것을 방지할 수 있어 이미지 센서(1)에 노이즈가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우에는 제 1 불순물 영역(110)은 p형의 불순물로 도핑될 수 있고, 제 2 불순물 영역(130)은 n형의 불순물로 도핑될 수 있다. 차단 영역(170)은 n형의 불순물로 도핑될 수 있다. 차단 영역(170)은 제 2 불순물 영역(130)보다 고농도로 도핑될 수 있다.
트랜스퍼 게이트(TG)는 리세스부(150)에 위치할 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 수직적으로 광전 변환 영역(PD)과 중첩될 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 필라(Pillar) 형상을 가질 수 있다. 다만, 트랜스퍼 게이트(TG)의 형상에는 특별한 제한이 없을 수 있다. 트렌스퍼 게이트(TG)는 폴리실리콘(Polysilicon)일 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 리세스부(150)의 하부에 위치하는 제 1 영역(210) 및 리세스부(150)의 상부에 위치하는 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 1 영역(210)과 제 1 불순물 영역(110) 간의 거리는 0.5μm 미만으로 매우 좁을 수 있다. 제 1 영역(210)과 제 1 불순물 영역(110) 간의 거리를 좁게 하여 제 1 불순물 영역(110)에 존재하는 전자를 부유 확산 영역(FD)로 신속히 이동시킬 수 있다. 일 예로, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)은 도전형이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(210)은 p형으로 도핑되거나 진성(intrinsic) 상태일 수 있고, 제 2 영역(230)은 n형으로 도핑될 수 있다. 다른 예로, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)은 도핑된 농도가 서로 다를 수 있다. 제 1 영역(210)은 저농도의 n형으로 도핑될 수 있고, 제 2 영역(230)은 고농도의 n형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 저농도는 1016/cm3 이하로 도핑된 것을 의미하고, 고농도는 1018/cm3 이상으로 도핑된 것을 의미할 수 있다. 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)의 도핑된 타입 또는 농도가 서로 다름에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG)에 전압을 인가하면 트랜스퍼 게이트(TG)의 에너지 준위가 달라질 수 있다. n형으로 도핑된 농도가 높을수록 페르미 준위가 높고, p형으로 도핑된 것보다 n형으로 도핑된 영역이 페르미 준위가 높을 수 있다. 이에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG) 주위의 제 2 불순문 영역(130)은 간접적으로 영향을 받을 수 있다. 구체적으로, 제 2 불순물 영역(130)에서 제 2 영역(230)과 인접한 부분은 제 1 영역(210)에 인접한 부분보다 높은 전압이 걸리는 것과 같은 효과를 가질 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에서 제 1 영역(210)과 인접한 부분과 제 2 영역(230)과 인접한 부분 간의 전위차가 발생하여 드리프트 필드(drift field)가 발생할 수 있다. 일반적인 트랜스퍼 게이트(TG)의 구조에 의하면, 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 전자는 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 포획(capture)될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 전자가 부유 확산 영역(FD)으로 용이하게 이동하기 어려울 수 있다. 반면에, 본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 불순물 영역(130)에 유발된 드리프트 필드(drift field)에 의해 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 존재하는 전자는 정전기적 힘을 받아 전위가 높은 쪽으로 이동할 수 있고, 이에 따라 트랜스퍼 게이트(TG) 하부의 전자가 포획(capture)되지 않고 트랜스퍼 게이트(TG)의 측면을 따라 용이하게 이동할 수 있다. 따라서, 광전 변환 영역(PD)에서 부유 확산 영역(FD)으로 이동하는 전자의 전송속도가 향상될 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우, 제 1 영역(210)은 n형으로 도핑되거나 진성(intrinsic) 상태일 수 있고, 제 2 영역(230)은 p형으로 도핑될 수 있다. 다른 예로, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)은 도핑된 농도가 서로 다를 수 있다. 제 1 영역(210)은 저농도의 p형으로 도핑될 수 있고, 제 2 영역(230)은 고농도의 p형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 저농도는 1016/cm3 이하로 도핑된 것을 의미하고, 고농도는 1018/cm3 이상으로 도핑된 것을 의미할 수 있다. 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)의 도핑된 타입 또는 농도가 서로 다름에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG)에 전압을 인가하면 트랜스퍼 게이트(TG)의 에너지 준위가 달라질 수 있다. p형으로 도핑된 농도가 높을수록 페르미 준위가 낮고, n형으로 도핑된 것보다 p형으로 도핑된 영역이 페르미 준위가 낮을 수 있다. 이에 따라, 제 2 불순물 영역(130)에서 제 2 영역(230)과 인접한 부분은 제 1 영역(210)에 인접한 부분보다 낮은 전압이 걸리는 것과 같은 효과를 가질 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에서 제 1 영역(210)과 인접한 부분과 제 2 영역(230)과 인접한 부분 간의 전위차가 발생하여 드리프트 필드(drift field)가 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 불순물 영역(130)에 유발된 드리프트 필드(drift field)에 의해 정공은 전위가 낮은 쪽으로 정전기적 힘을 받을 수 있고, 트랜스퍼 게이트(TG) 하부의 정공은 트랜스퍼 게이트(TG)의 하부에 포획(capture)되지 않고 트랜스퍼 게이트(TG)의 측면을 따라 용이하게 이동할 수 있다.
트랜스퍼 게이트(TG)와 리세스부(150) 사이에는 게이트 절연층(250)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(250)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON), 실리콘 질화물(SiN), 게르마늄 산질화물(GeON), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSiO) 또는 고유전율을 갖는 물질 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 고유전율을 갖는 물질은 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 알루미늄 산화물(AlO), 탄탈륨 산화물(TaO), 하프늄 실리케이트(HfSi) 및 지르코늄 실리케이트(ZrSi) 등을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(250)은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수도 있다.
부유 확산 영역(FD)은 트랜스퍼 게이트(TG)와 인접할 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)의 측면을 따라 이동하는 전자는 부유 확산 영역(FD)에 제공될 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 제 1 불순물 영역(110) 및 제 2 영역(230)과 도전형이 동일할 수 있다. 예를 들어, 부유 확산 영역(FD)은 n형의 불순물로 도핑될 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)의 측면을 따라 이동한 전자는 부유확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우에는 부유 확산 영역(FD)은 p형의 불순물로 도핑될 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)의 측면을 따라 이동된 전공은 부유확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(미도시) 상에 p형으로 도핑된 에피택셜층을 형성할 수 있다. 에피택셜층은 제 2 불순물 영역(130)일 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에 이온 주입(ion implantation) 공정을 이용하여 제 1 불순물 영역(110), 부유 확산 영역(FD) 및 차단 영역(170)을 형성할 수 있다. 제 2 불순물 영역(130) 내에 n형 불순물을 주입하여 제 1 불순물 영역(110)을 형성할 수 있고, 제 2 불순물 영역(130) 상부에 n형 불순물을 주입하여 부유 확산 영역(FD)을 형성할 수 있다. n형 불순물은 비소(As) 또는 인(P)을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 불순물 영역(130) 상부에 p형 불순물을 주입하여 차단 영역(170)을 형성할 수 있다. 차단 영역(170)은 제 2 불순물 영역(130)보다 고농도로 도핑될 수 있다. p형 불순물은 붕소(B), 불화붕소(BF2) 또는 인듐(In)을 포함할 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우에는 n형으로 도핑된 제 2 불순물 영역(130)을 형성할 수 있다. 제 2 불순물 영역(130) 내에 p형 불순물을 주입하여 제 1 불순물 영역(110)을 형성할 수 있고, 제 2 불순물 영역(130) 상부에 p형 불순물을 주입하여 부유 확산 영역(FD)을 형성할 수 있다. 또한, 제 2 불순물 영역(130) 상부에 n형 불순물을 주입하여 차단 영역(170)을 형성할 수 있다. 차단 영역(170)은 제 2 불순물 영역(130)보다 고농도로 도핑될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제 2 불순물 영역(130)에 리세스부(150)를 형성할 수 있다. 식각 공정을 이용하여 제 2 불순물 영역(130)의 상면에서 제 1 불순물 영역(110)을 향하는 제 1 방향(x)으로 제 2 불순물 영역(130)을 식각할 수 있다. 리세스부(150)는 제 1 불순물 영역(110)과 접촉하지 않도록 일정 깊이까지 식각될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 리세스부(150)에 게이트 절연층(250)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(250)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON), 실리콘 질화물(SiN), 게르마늄 산질화물(GeON), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSiO) 또는 고유전율을 갖는 물질 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 고유전율을 갖는 물질은 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 알루미늄 산화물(AlO), 탄탈륨 산화물(TaO), 하프늄 실리케이트(HfSi) 및 지르코늄 실리케이트(ZrSi) 등을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(250)은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수도 있다.
도 4d를 참조하면, 게이트 절연층(250) 상에 제 1 영역(210)을 형성할 수 있다. 제 1 영역(210)은 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다. 일 예로, 게이트 절연층(250) 상에 예비 제 1 영역을 제공할 수 있다. 예비 제 1 영역은 진성(intrinsic) 상태의 폴리실리콘(Polysilicon)일 수 있다. 예비 제 1 영역에 p형 불순물 또는 저농도의 n형 불순물을 주입하여 제 1 영역(210)을 형성할 수 있다. 일 예로, p형 또는 저농도의 n형으로 도핑된 폴리실리콘(Polysilicon)을 도포하여 제 1 영역(210)을 형성할 수 있다. 일 예로, 진성(intrinsic) 상태의 폴리실리콘(Polysilicon)을 증착하여 진성(intrinsic) 상태의 제 1 영역(210)을 형성할 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우에는 제 1 영역(210)은 n형 또는 저농도의 p형의 도전형을 가지거나 진성(intrinsic) 상태일 수 있다. 제 1 영역(210)을 형성하는 방법은 이미지 센서(1)가 엔모스(NMOS)인 경우와 유사하다.
도 4e를 참조하면, 제 1 영역(210) 상에 제 2 영역(230)을 배치하여 트랜스퍼 게이트(TG)를 형성할 수 있다. 제 2 영역(230)은 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다. 일 예로, 제 1 영역(210) 상에 예비 제 2 영역을 제공할 수 있다. 예비 제 2 영역은 진성(intrinsic) 상태의 폴리실리콘(Polysilicon)일 수 있다. 예비 제 2 영역에 n형 불순물을 주입하여 제 2 영역(230)을 형성할 수 있다. 이 때, 제 1 영역(210)이 저농도의 n형으로 도핑된 경우, 제 2 영역(230)은 제 1 영역(210)보다 고농도의 n형으로 도핑될 수 있다. 일 예로, n형으로 도핑된 폴리실리콘(Polysilicon)을 도포하여 제 2 영역(230)을 형성할 수 있다. 페이스트는 폴리실리콘(Polysilicon)일 수 있다. 이 때, 제 1 영역(210)이 저농도의 n형으로 도핑된 경우, 제 2 영역(230)은 제 1 영역(210)보다 고농도의 n형으로 도핑된 폴리실리콘(Polysilicon)을 도포하여 형성될 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(1)가 피모스(PMOS)인 경우에는 제 2 영역(230)의 도전형은 p형일 수 있다. 이 때, 제 1 영역(210)이 저농도의 p형으로 도핑된 경우, 제 2 영역(230)은 제 1 영역(210)보다 고농도의 p형으로 도핑될 수 있다. 제 2 영역(230)을 형성하는 방법은 이미지 센서(1)가 엔모스(NMOS)인 경우와 유사하다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 일 예를 나타내는 단면도들이다. 도 5a 내지 도 5c는 도 4a 내지 도 4c 이후의 공정을 설명하는 도면들이다. 본 실시예에서는 이미지 센서(2)가 엔모스(NMOS)인 경우를 중심으로 설명한다. 설명의 간략을 위해 중복되는 내용의 기재를 생략한다.
도 5a를 참조하면, n형의 불순물로 도핑된 제 1 불순물 영역(110)과 p형의 불순물로 도핑된 제 2 불순물 영역(130)을 포함하는 광전 변환 영역(PD)을 형성할 수 있다. n형 불순물은 비소(As) 또는 인(P)을 포함할 수 있고, p형 불순물은 붕소(B), 불화붕소(BF2) 또는 인듐(In)을 포함할 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에 리세스부(150)를 형성하고, 리세스부(150) 상에 게이트 절연층(250)이 제공될 수 있다. 게이트 절연층(250)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON), 실리콘 질화물(SiN), 게르마늄 산질화물(GeON), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSiO) 또는 고유전율을 갖는 물질 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 고유전율을 갖는 물질은 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 알루미늄 산화물(AlO), 탄탈륨 산화물(TaO), 하프늄 실리케이트(HfSi) 및 지르코늄 실리케이트(ZrSi) 등을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(250)은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 리세스부(150)에 예비 트랜스퍼 게이트(245)를 형성할 수 있다. 예비 트랜스퍼 게이트(245)는 게이트 절연층(250) 상에 배치될 수 있다. 예비 트랜스퍼 게이트(245)는 p형 또는 저농도의 n형으로 도핑된 폴리실리콘 (Polysilicon)이거나 진성(intrinsic) 상태의 폴리실리콘(Polysilicon) 일 수 있다. n형 불순물은 비소(As) 또는 인(P)을 포함할 수 있고, p형 불순물은 붕소(B), 불화붕소(BF2) 또는 인듐(In)을 포함할 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(2)가 피모스(PMOS)인 경우에는 예비 트랜스퍼 게이트(245)는 n형 또는 저농도의 p형으로 도핑된 폴리실리콘(Polysilicon)이거나 진성(intrinsic) 상태의 폴리실리콘(Polysilicon) 일 수 있다.
도 5c를 참조하면, 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 예비 트랜스퍼 게이트(245)의 상부에 고농도의 n형의 불순물을 주입하여 트랜스퍼 게이트(TG)를 형성할 수 있다. n형 불순물은 비소(As) 또는 인(P)을 포함할 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 p형 또는 저농도의 n형으로 되거나 진성(intrinsic) 상태인 제 1 영역(210)과 고농도의 n형으로 된 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 1 영역(210)의 상부에서 하부를 향할수록 제 1 영역(210)은 p형의 도전형 농도가 증가하거나, 또는 n형의 도전형 농도가 낮아질 수 있고, 제 2 영역(230)의 상부에서 하부를 향할수록 제 2 영역(230)은 n형의 도전형 농도가 낮아질 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG)의 상부는 고농도의 n형의 도전형을 가질 수 있고, 트랜스퍼 게이트(TG)의 하부는 저농도의 n형 또는 p형의 도전형을 가지거나 진성(intrinsic) 상태일 수 있다.
이와 달리, 이미지 센서(2)가 피모스(PMOS)인 경우, 예비 트랜스퍼 게이트(245)는 n형 또는 저농도의 p형으로 도핑될 수 있다. 예비 트랜스퍼 게이트(245)의 상부에 고농도의 p형의 불순물을 주입하여 트랜스퍼 게이트(TG)를 형성할 수 있다. p형 불순물은 붕소(B), 불화붕소(BF2) 또는 인듐(In)을 포함할 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 n형 또는 저농도의 p형으로 도핑되거나 진성(intrinsic) 상태인 제 1 영역(210)과 고농도의 p형으로 된 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 1 영역(210)의 상부에서 하부를 향할수록 p형의 도전형 농도가 증가하거나 또는 n형의 도전형 농도가 낮아질 수 있고, 제 2 영역(230)의 상부에서 하부를 향할수록 p형의 도전형 농도가 낮아질 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG)의 상부는 고농도의 p형의 도전형을 가질 수 있고, 트랜스퍼 게이트(TG)의 하부는 저농도의 p형 또는 n형의 도전형을 가지거나 진성(intrinsic) 상태일 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 예들을 나타내는 단면도들이다. 본 실시예에서는 이미지 센서(3, 4, 5)가 엔모스(NMOS)인 경우를 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 제 1 영역(210)은 리세스부(150)의 측면 및 하면 상에 제공될 수 있고, 제 2 영역(230)은 제 1 영역(210) 상에 제공될 수 있다. 제 1 영역(210)과 리세스부(150) 사이에는 게이트 절연층(250)이 제공될 수 있다. 제 1 영역(210)은 “U” 자의 단면을 가질 수 있다. 제 2 영역(230)은 제 1 영역(210)이 제공하는 내부 공간에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제 2 영역(230)에 비해 제 1 영역(210)은 제 1 방향(x)으로 연장되는 길이가 짧을 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에서 제 2 영역(230)과 인접한 부분은 제 1 영역(210)에 인접한 부분보다 높은 전압이 걸리는 것과 같은 효과를 가질 수 있다. 제 2 불순물 영역(130)에서 제 1 영역(210)과 인접한 부분과 제 2 영역(230)과 인접한 부분 간의 전위차에 의해 드리프트 필드(drift field)가 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 영역(210)이 상대적으로 짧게 제공되어 제 2 불순물 영역(130)에 유발된 드리프트 필드(drift field)의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. 다만, 드리프트 필드(drift field)가 상대적으로 트랜스퍼 게이트(TG)의 하부에 형성되어 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 포획(capture)되는 전자가 트랜스퍼 게이트(TG) 측면으로 빨리 이동할 수 있다. 따라서, 전자가 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 포획(capture)되는 것을 방지할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230) 사이에 절연층(220)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 절연층(220)의 두께는 수십nm 이하로 얇을 수 있다. 절연층(220)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 실리콘 질화물(SiN) 중 어느 하나일 수 있다. 절연층(220)은 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230) 사이에서 전자 또는 전공의 확산이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 절연층(220)에 의해 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)은 일정한 농도를 유지할 수 있다. 제 1 영역(210)과 제 2 영역(230)의 농도 차이가 클수록 세기가 드리프트 필드(drift field) 세기의 차이가 커질 수 있다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도들이다. 본 실시예에서는 이미지 센서(6, 7, 8, 9, 10)가 엔모스(NMOS)인 경우를 중심으로 설명한다. 설명의 간략을 위해 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
도 9를 참조하면, 트랜스퍼 게이트(TG)는 리세스부(150) 하부에 위치하는 제 1 영역(210) 및 리세스부(150) 상부에 위치하는 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 1 영역(210)은 제 2 영역(230)으로부터 아래를 향하는 제 1 방향(x)으로 연장될 수 있다. 제 1 방향(x)에 수직한 제 2 방향(y)으로 제 2 영역(230)의 너비(d2)는 제 1 영역(210)의 너비(d1)보다 클 수 있다. 제 1 영역(210)은 제 1 방향(x)으로 연장될수록 그 너비가 감소할 수 있다. 제 1 영역(210)의 너비(d1)가 제 2 영역(230)의 너비(d2)보다 좁아짐에 따라, 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 전자가 포획(capture)될 가능성이 낮아질 수 있다. 따라서, 광전 변환 영역(PD)에서 부유 확산 영역(FD)으로 이동하는 전자의 전송속도가 향상될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제 1 영역(210)은 제 2 영역(230)에서 제 2 방향(y)으로 이격되어 복수개로 제공될 수 있다. 제 1 영역(210)의 개수가 두 개 이상이므로 각각의 제 1 영역(210)의 너비(d3)가 좁아질 수 있고, 이로써 전자가 트랜스퍼 게이트(TG) 하부에 포획(capture)될 가능성도 매우 낮아질 수 있다. 따라서, 광전 변환 영역(PD)에서 부유 확산 영역(FD)으로 이동하는 전자의 전송속도가 향상될 수 있다.
도 11을 참조하면, 트랜스퍼 게이트(TG)는 너비가 일정한 제 1 영역(210)과 너비가 일정하지 않은 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 2 영역(230)은 제 1 방향(x)의 반대 방향(-x)으로 제 1 영역(210)과 동일한 너비로 연장되다가, 제 1 영역(210)의 너비보다 좁은 너비로 연장될 수 있다. 또한, 제 2 영역(230)은 리세스부(150) 밖으로 돌출되도록 제공될 수 있다. 이에 따라, 제 2 영역(230)의 측벽의 일부는 노출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 트랜스퍼 게이트(TG)는 너비가 일정한 제 1 영역(210)과 너비가 일정하지 않은 제 2 영역(230)을 포함할 수 있다. 제 2 영역(230)의 일부는 리세스부(150) 밖으로 돌출될 수 있고, 돌출된 제 2 영역(230)은 돌출되지 않은 제 2 영역(230)보다 너비가 넓을 수 있다. 이에 따라, 제 2 영역(230)의 일부는 게이트 절연막(250) 상에 배치될 수 있고, 제 2 영역(230)의 측벽의 일부는 노출될 수 있다.
도 13을 참조하면, 하나의 부유 확산 영역(FD)을 공유하는 복수개의 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)과 제 1 불순물 영역들(110a, 110b)이 제공될 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)은 제 1 트랜스퍼 게이트(TG1) 및 제 2 트랜스퍼 게이트(TG2)를 포함할 수 있다. 제 1 트랜스퍼 게이트(TG1)는 제 1 하부 영역(210a) 및 제 1 상부 영역(230a)을 포함할 수 있고, 제 2 트랜스퍼 게이트(TG2)는 제 2 하부 영역(210b) 및 제 2 상부 영역(230b)을 포함할 수 있다. 복수개의 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)은 서로 제 1 방향(x)으로 연장되는 길이가 상이할 수 있다. 이에 따라, 제 2 불순물 영역(130)에 제공되는 제 1 불순물 영역들(110a, 110b)이 제공되는 위치가 서로 상이할 수 있다. 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 전자 또는 정공은 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)의 측면을 따라 이동하여 하나의 부유 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다. 제 1 방향(x)으로 연장되는 길이가 긴 제 2 트랜스퍼 게이트(TG2)에는 제 1 방향(x)으로 연장되는 길이가 긴 제 2 하부 영역(210b)이 제공될 수 있다.
상술한 예와 달리, 각각의 트랜스퍼 게이트(TG1, TG2)에 인접하여 부유 확산 영역들(FD)이 별도로 제공될 수 있다.
Claims (10)
- 광전 변환부;
상기 광전 변환부 상의 리세스부에 배치되는 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트, 상기 트랜스퍼 게이트는 상기 게이트 절연막 상에 제공되고; 및
상기 트랜스퍼 게이트와 인접하는 부유확산 영역을 포함하되,
상기 트랜스퍼 게이트는 상기 리세스부의 하부에 제공된 제 1 영역과, 상기 리세스부의 상부에 제공된 제 2 영역을 포함하고,
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 서로 다른 도전형을 갖고,
상기 게이트 절연막은 상기 트랜스퍼 게이트의 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 접촉하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 도전형은 p형 또는 진성(intrinsic) 중 하나이고,
상기 제 2 영역의 도전형은 n형인 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 도전형은 n형 또는 진성(intrinsic) 중 하나이고,
상기 제 2 영역의 도전형은 p형인 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 영역은 상기 부유확산 영역과 동일 도전형을 갖는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역으로부터 아래를 향하는 제 1 방향으로 연장되고,
상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 큰 너비를 가지는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역으로부터 아래를 향하는 제 1 방향으로 연장되고,
상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 제 1 방향으로 길이가 긴 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역은 상기 리세스부의 측면 및 하면 상에 배치되고,
상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역이 제공하는 내부 공간에 배치되는 이미지 센서. - 적어도 하나의 제 1 불순물 영역, 및 상기 제 1 불순물 영역 상에 배치되고 적어도 하나의 리세스부를 제공하는 제 2 불순물 영역을 포함하는 광전 변환부;
상기 리세스부에 배치되는 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트, 상기 트랜스퍼 게이트는 상기 게이트 절연막 상에 제공되고; 및
상기 트랜스퍼 게이트와 인접하는 부유확산 영역을 포함하되,
상기 트랜스퍼 게이트는 상기 리세스부의 하부에 배치되는 제 1 영역과, 상기 리세스부의 상부에 배치되는 제 2 영역을 포함하고,
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 동일 도전형을 갖고, 도핑농도가 서로 다르고,
상기 게이트 절연막은 상기 트랜스퍼 게이트의 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 접촉하는 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 트랜스퍼 게이트는 복수개로, 상기 제 1 불순물 영역을 향해 연장되는 길이가 서로 상이한 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 도핑농도는 상기 제 2 영역의 도핑농도보다 작은 이미지 센서.
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