KR19990045198A - 능동 픽셀 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

능동 픽셀 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서브미크론(sub-micron) CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 나타내는 PMOS(P-type metal oxide semiconductor) 및 NMOS(N-type metal oxide semiconductor) 주입물을 포함하는 표면을 갖는 제 1 전도형의 기판과, 상기 표면 상의 제 1 전도형과는 반대되는 제 2 전도형의 주입물로부터 제 1 깊이에 형성된 광 검출기(photodetector)와, 상기 광 검출기에 인접한 표면 상의 게이트로 구성되는 능동 픽셀 센서(active pixel sensor)에 관한 것으로, 상기 광 검출기는 서브미크론 CMOS 공정 내에서 사용되는 주입물보다 더 깊게 그리고 보다 더 약하게 도핑된 제 2 전도형의 주입물에 의해 형성된다. 이 센서는 게이트에 대하여 소정의 각도로 주입된 주입물에 의하여 형성된 광 검출기를 갖는다. 또한, 본 발명의 능동 픽셀 센서의 바람직한 실시예는 광 검출기보다 상기 표면에 더 인접한 제 1 전도형의 주입물로부터 제 1 깊이보다는 얕은 제 2 깊이에 형성된 핀층을 사용하고 있다.

Description

능동 픽셀 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 전반적으로 반도체 이미지 센서에 관한 것으로, 특히, CMOS 기반 이미지 센서에 관한 것이다.
종래, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 디바이스를 갖는 기판 상에 반도체 이미지 센서(sensor)를 제조하는 데에 다양한 방법이 사용되었다. 전형적으로, 센서의 광 수신부(optical receiving portion)는 종종 포토 게이트(photo-gate)라고 지칭되는 대규모 트랜지스터(large area transistor)의 게이트로서 형성되거나, 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터의 소스-드레인 접합부(source-drain junction)로서 형성된다. 포토 게이트 트랜지스터를 구현하기 위해서는 광을 전기적인 에너지로 변환시키도록 광이 트랜지스터의 실리콘 게이트(silicon gate)를 통과할 수 있어야 한다는 것이다. 이러한 포토 게이트의 구현은 결과적으로 감도(sensitivity)를 감소시켰으며, 또한, 공핍 영역(depletion region)이 일반적으로 적어(1미크론 미만), 적색광 흡수에 의해 발생된 캐리어 수집율(collection efficiency of carrier)이 감소되었다. 또한, 통상적인 포토 게이트 구현물은 표면 재결합(surface recombination)에 의해 생성된 노이즈에 영향을 받기 쉽다.
일반적으로, 소스-드레인 접합 구현물은 트랜지스터 동작에 대하여 최적화된 접합을 가지게 되며, 이에 따라 접합 영역이 얕아서 적색광에 의해 발생된 캐리어들의 수집율을 감소시키고 있다. 또 다른 소스 드레인 접합 구현물의 결점은 전형적으로 접합의 공핍 영역 폭을 제한하는 접합이 고농도로 도핑된(highly doped)(1016원자/㎤ 초과) 영역에 형성됨으로써, 적색광 흡수에 의해 발생된 캐리어들의 수집율(collection efficiency)이 보다 더 감소된다는 것이다. 또한, 이와 같이 고 농도로 도핑된 영역에서 이러한 접합을 형성하는 것은 광 센서 소자(light sensing element)로부터 전송될 수 있는 전하(charge)의 양을 줄이는 대용량의 캐패시턴스(capacitance)를 유발하여 이미지를 지연시키는 결과를 초래한다. 또한, 이와 같이 고농도로 도핑된 영역에서는 전형적으로, 높은 암 노이즈(dark noise)를 유발하는 높은 암전류(dark current)가 흐르게 된다. 서브미크론(sub-micron) CMOS 공정에서 포토 다이오드로서 사용될 수 있는 다른 저농도 도핑 주입물들은 그 깊이가 매우 얕다. 그 깊이가 매우 깊은 주입물들은 강하게 도핑된 것이다.
따라서, 포토 게이트를 사용하지 않음으로써 보다 높은 효율을 가지며, 접합 깊이를 얕게 하지 않음으로써 효율을 증가시키며, 표면 재결합으로부터의 노이즈를 최소화하며, 보다 약하게 도핑된 프로파일(profile)을 갖는 이미지 센서를 갖는 것이 바람직하다.
종래 기술의 결점은 본 발명의 바람직한 실시예에서 제공되는 능동 픽셀 센서에 의해 해결되는 데, 그 능동 픽셀 센서는, 서브미크론 CMOS 공정을 나타내는 PMOS(P-type metal oxide semiconductor) 및 NMOS(N-type metal oxide semiconductor) 주입물을 포함하는 표면을 갖는 제 1 전도형의 기판과, 상기 표면 상의 제 1 전도형과는 반대되는 제 2 전도형의 주입물로부터 제 1 깊이에 형성된 광 검출기(photodetector)와, 상기 광 검출기에 인접한 표면 상의 게이트를 포함하며, 상기 광 검출기는 서브미크론 CMOS 공정 내에서 사용되는 주입물보다 더 깊게 그리고 보다 더 약하게 도핑된 제 2 전도형의 주입물에 의해 형성된다. 이 센서는 게이트에 대하여 소정의 각도로 주입된 주입물에 의하여 형성된 광 검출기를 갖는다. 또한, 본 발명의 능동 픽셀 센서의 바람직한 실시예는 상기 표면에 더 인접한 제 1 전도형 주입물로부터 제 1 깊이보다는 얕은 제 2 깊이에 형성된 핀층을 포함하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 확대 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 센서 11 : 기판
26 : 전도 영역 31 : 리셋 MOS 트랜지스터
32 : 전송 트랜지스터 37 : 핀층
41 : 접속 영역
도 1에는 반도체 이미지 센서(semiconductor image sensor)(10)의 확대 단면도가 도시되고 있다. 센서(sensor)(10)는 통상의 CMOS 주입물이 아닌 포토 다이오드를 생성하기 위하여 추가적인 N형 주입물(N-type implant)을 갖는 통상의 CMOS 공정을 사용하여 형성된 P형 하부 기판(underlying P-type substrate)(11)을 포함한다. 이들 N형 주입물은 전형적으로 CMOS 공정에 의하여 채용된 주입물보다 깊게 그리고 보다 더 약하게 저농도로 도핑된다. 전형적으로, 서브미크론(sub-micron) CMOS 공정 내에서, 얕은 주입물(1/2-1/4 미크론)들은 분순물 입자가 ㎤당 1018개를 초과하는 불순물 농도로 도핑된다. 또한, 얕은 주입물은 서브미크론 CMOS 공정 내에서 불순물 입자가 ㎤당 1015개 미만의 불순물 농도로 매우 약하게 도핑될 수도 있다. 깊은 주입물은 서브미크론 CMOS 공정(주입물이 1 미크론 이상임) 내에서, 전형적으로 불순물 입자가 ㎤당 1017개인 불순물 농도로 도핑된다. 본 발명에 따른 서브미크론 CMOS 공정에서 전형적으로 사용되는 주입물보다 더 깊게 그리고 보다 더 약하게 도핑되는 적어도 하나의 주입물(바람직한 실시예에서는 N형 주입물)이 생성될 것으로 예상하고 있다. 본 발명은 ㎤당 도핑 불순물(impurity)이 1015-1016개인 도핑 농도를 갖는 적어도 1 미크론 깊이의 주입물을 채용할 것을 예상하고 있다. 본 발명은 CMOS 환경에서 이들 형태의 주입물을 사용하여, 변형된 CMOS 공정으로 광 검출기를 생성할 것을 예상하고 있다.
센서(10)의 이미지 포착(capturing) 또는 광 감지 소자(light sensing element)는 기판(11) 내에 형성된 N형 전도 영역(conduction region)(26)을 포함한다. 전도 영역(26)은 P형 물질의 기판(11)에 대해 P-N 접합을 형성한다. 이 P-N 접합은 광 스펙트럼(light spectrum)의 녹색 및 적색 파장에서 광 전자(photoelectron)를 효율적으로 수집하도록 전도 영역(26)의 소정의 깊이(29)에 위치하며, CMOS 소자 제조에 전형적으로 사용되는 주입물보다 깊은 깊이에 존재한다. 실제의 깊이는 채용된 특정 CMOS 기술에 좌우된다. 또한, N형 전도 영역은 주입물 손상(implant damage)을 완전히 없앰으로써 낮은 암전류를 제공하도록 전형적으로 CMOS 제조 공정에 채용된 주입물보다 훨씬 약하게 도핑된다. 바람직한 실시예에서, P형 핀층(37)은 전도 영역(26) 내에 형성되며 전도 영역(26)으로부터 기판(11) 내로 연장되어 그 위에 전기적인 접속이 형성된다. 보다 약하게 도핑된 N형 영역은 핀층의 생성을 단순화한다. 바람직한 실시예에서 P형 핀층(37)이 사용되었지만, 당업자라면 포토 다이오드(photodiode)를 생성하는 N형 전도 영역(26)이 핀층 없이도 사용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 표면 전위와 이미지 센서의 기판의 전위를 연결하는 핀층에 의해 전기적인 접속(connection)이 형성된다. 그 결과, 포토 다이오드는 종종 핀형 포토 다이오드로 지칭된다. 핀층(37)에 의해 생성된 제 2 P-N 접합은 핀층(37)과 전도 영역(26)의 교차점(interconnection)을 따라 생성된다. 전형적으로 핀층(37)은 기판(11) 상의 그외 다른 P-채널 MOS 트랜지스터(도시되지 않음)의 저농도 도핑된 드레인 및 소스(drain and source) 영역의 생성과 동시에 생성된다. 제 2 P-N 접합의 깊이는 제 1 P-N 접합(29)의 깊이보다 얕다. 이 깊이는 청색(blue) 파장의 광을 흡수(absorption) 또는 감지(sensing)하기에 최적화되도록 선택된다. 핀층(37)이 얕게 그리고 매우 강하게 도핑되기 때문에, 주입과는 다른 방법에 의해 형성될 수도 있다. 전송 트랜지스터, 즉 제 1 MOS 트랜지스터(32)는 전도 영역(26)의 일부가 트랜지스터(32)의 소스를 형성하도록 전도 영역(26)에 인접하게 형성된다. 제 2, 즉 리셋 MOS 트랜지스터(31)는 기판(11) 내에 형성된다. 트랜지스터(31)는 접속 영역(41)에 의해 트랜지스터(32)에 전기 접속되는 소스를 갖는다.
전도 영역(26)은 기판(11)의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크(mask)를 트랜지스터(32) 또는 게이트(gate)(22)의 일부에까지 적용함으로써 형성된다. 다음, 도펀트가 게이트(22)에 대하여 소정의 각도로 주입되어 전도 영역(26)이 게이트(22) 하부로 연장되며, 이에 따라 전도 영역(26) 및 트랜지스터(32)의 소스를 형성할 경우에 필요한 마스킹(masking) 및 다른 처리 공정을 생략할 수 있다. 단시간의 저온 서브미크론 CMOS 공정이 제공되면, 충분한 깊이와 원하는 도핑 레벨을 갖는 영역을 제조하는 주입에 의해 전도 영역(26)이 형성될 것이라는 것을 예상할 수 있다.
지금까지, 새로운 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 살펴보았다. 깊은 전도 영역 및 얕은 핀층은 두 개의 P-N 접합을 형성하는 데, 여기에서, 하나의 P-N 접합은 적색 및 녹색 파장의 광을 포착하기 용이하게 깊은 공핍 영역을 가지며, 나머지 제 2 P-N 접합은 청색 파장의 광을 포착하기 용이하게 얕은 공핍 영역을 가진다. 또한, 이 구조는 표면 재결합은 물론이고 벌크 암전류(bulk dark current)를 최소화시키며, 전하 전송은 최대화시킨다. 주입물을 소정의 각도로 주입하여 전도 영역을 생성하면, 전도 영역은 전하 전송 트랜지스터의 소스로서 사용되어 제조 공정을 최소화시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 능동 픽셀 센서에 있어서,
    서브미크론 CMOS 공정을 나타내는 PMOS 및 NMOS 주입물을 포함하는 표면을 갖는 제 1 전도형의 기판과,
    상기 표면 상의 상기 제 1 전도형과 반대인 제 2 전도형의 주입물로부터 제 1 깊이에 형성된 광 검출기와,
    상기 광 검출기에 인접한 표면 상의 게이트를 포함하되,
    상기 광 검출기는 서브미크론 CMOS 공정에서 사용되는 주입물보다 더 깊게 그리고 보다 더 약하게 도핑된 상기 제 2 전도형의 주입물에 의해 형성되는 능동 픽셀 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 상기 게이트에 대하여 소정의 각도로 주입되는 주입물에 의하여 형성되는 능동 픽셀 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 검출기보다 상기 표면에 더 인접한 상기 제 1 전도형으로부터의 상기 제 1 깊이보다 얕은 제 2 깊이에 형성된 핀층을 더 포함하는 능동 픽셀 센서.
  4. 능동 픽셀 센서 제조 방법에 있어서,
    서브미크론 CMOS 공정을 나타내는 주입물로부터 형성된 PMOS 및 NMOS 주입물을 포함하는 표면을 갖는 제 1 전도형의 기판을 제공하는 단계와,
    상기 표면 상의 제 1 전도형과는 반대인 제 2 전도형의 주입물로부터 제 1 깊이에 광 검출기를 형성하되, 상기 광 검출기가 서브미크론 CMOS 공정에서 사용되는 주입물보다 더 깊게 그리고 보다 더 약하게 도핑된 상기 제 2 전도형의 주입물에 의해 형성되도록 광검출기를 형성하는 단계와,
    상기 광 검출기에 인접한 상기 표면 상에 소정의 게이트를 위치시키는 단계를 포함하는 능동 픽셀 센서 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 검출기 형성 단계는 상기 게이트에 대하여 소정의 각도로 주입되는 주입물에 의해 상기 광 검출기를 형성하는 단계를 더 포함하는 능동 픽셀 센서 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 검출기보다 상기 표면에 더 인접한 상기 제 1 전도형으로부터의 상기 제 1 깊이보다 더 얕은 제 2 깊이에 형성된 핀층을 추가적으로 형성하는 단계를 더 포함하는 능동 픽셀 센서 제조 방법.
  7. 능동 픽셀 센서에 있어서,
    제 1 전도형의 기판과,
    상기 기판의 표면 상의 게이트와,
    상기 게이트 하부로 연장되도록 상기 게이트에 대하여 소정의 각도로 주입된 주입물을 통해 형성된 상기 제 1 전도형과는 반대인 제 2 전도형으로부터 형성된 광 검출기를 포함하는 능동 픽셀 센서.
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