KR20020052792A - 포토다이오드의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판 내의 포토다이오드의 면적을 증가시키지 않고 유효 포토다이오드의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드를 덮는 층간절연막을 통하여 포토다이오드와 연결되는 반도체층을 형성함으로써 광감도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 즉, 정해진 화소 면적 내에서 포토다이오드가 차지하는 면적을 넓히기 위해 단위 화소 내의 필드산화막과 게이트 전극을 덮는 p형의 비정질 실리콘층을 형성하여 포토다이오드와 연결시킨다. 이에 따라, 포토다이오드의 유효 면적을 증가시키고 입사된 광에 대해 전자-전공쌍의 발생빈도 즉, 광감도를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서에 있어서 가장 중요한 특징인 광감도(light sensitivity)를 크게 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 화소 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 화소 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 21), 상기 에피택셜층(21) 내에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층(21) 내에 형성된 n형 불순물 영역(26)과 p형 불순물 영역(27)으로 이루어지는 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(24)을 사이에 두고 상기 포토다이오드와 이격되어 형성된 n형 플로팅 확산영역(28) 그리고 금속배선 및 평탄화층을 포함하는 하부구조(29) 상부에 형성된 칼라필터(30), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(31), OCM 평탄화층(31) 상에 형성되어 칼라필터(30)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 32)를 도시하고 있다. 도 2에서 미설명 도면부호 '23'은 게이트 절연막, '25'는 절연막 스페이서를 각각 나타낸다.
포토다이오드의 광감도 특성을 향상시키기 위해서는 포토다이오 영역의 면적을 넓히는 것이나, 이러한 방법은 소자의 집적도 향상에 저해가 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내의 포토다이오드의 면적을 증가시키지 않고 유효 포토다이오드의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도,
도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
44: n형 불순물 영역 47: p형 불순물 영역
49: 비정질 실리콘막 패턴
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막의 일부를 덮으며 상기 층간절연막을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성된 소자분리막; 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 소자분리막, 상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극을 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막 상에 형성되어 상기 소자분리막 및 상기 게이트 전극과 중첩되며 상기 층간절연막을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 콘택홀을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소자분리막, 포토다이오드 및 게이트 전극을 포함한 소정의 하부구조 형성이 완료된 제1 도전형의 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 층간절연막 상에 형성되어 상기 소자분리막 및 상기 게이트 전극을 덮으며 상기 콘택홀을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드를 덮는 층간절연막을 통하여 포토다이오드와 연결되는 반도체층을 형성함으로써 광감도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 즉, 정해진 화소 면적 내에서 포토다이오드가 차지하는 면적을 넓히기 위해 단위 화소 내의 필드산화막과 게이트 전극을 덮는 p형의 비정질 실리콘층을 형성하여 포토다이오드와 연결시킨다. 이에 따라, 포토다이오드의 유효 면적을 증가시키고 입사된 광에 대해 전자-전공쌍의 발생빈도 즉, 광감도를 향상시킬 수 있다.
이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(40)에 소자분리를 위한 필드산화막(41)을 형성하고, 반도체 기판(40) 상에 게이트 절연막(42) 및 게이트 전극(43)을 형성하고, 게이트 전극(43) 일단의 상기 반도체 기판(40) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(44)을 형성하고, 게이트 전극(43)의 양측벽에 절연막 스페이서(45)를 형성한 다음, 게이트 전극(43) 타단의 상기 반도체 기판(40) 내에 n형 플로팅 확산영역(46)을 형성하면서 소오스, 드레인을 형성하고, n 형 불순물 영역(34) 상의 반도체 기판(30) 내에 p형 불순물 영역(47)을 형성한다.
다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 층간절연막의 예로서 산화막(48)을 형성하고, 포토다이오드를 이루는 p형 불순물 영역(47)을 노출시키는 콘택홀을 형성한 다음, LPCVD(low pressure deposition) 방법을 이용하여 전체 구조 상에 p형의 비정질 실리콘막을 500 Å 내지 2000 Å 두께로 증착한 후, 패터닝하여 콘택홀을 통해서 p형 불순물 영역(47)과 연결되는 비정질 실리콘막 패턴(49)을 형성한다. 상기 콘택홀은 포토다이오드의 일단부를 노출시키며, 상기 비정질 실리콘막 패턴(49)은 그 주변의 필드산화막(41) 및 인접한 단위 화소의 게이트 전극(43) 상부를 덮도록 형성한다. 상기와 같이 비정질 실리콘막 패턴(49)을 p형으로 형성함으로써 보다 많은 전자-정공쌍을 발생시킬 수 있다.
이어서 도 3c에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 PMD(pre metal deposition)층을 형성하고 제1 금속배선(51), 금속배선간 절연막(52), 제2 금속배선(53)을 형성한다
다음으로 도 3d에 도시한 바와 같이, 평탄화층(55), 칼라필터(55), OCM(over coating material, 56)을 도포하고 마이크로 렌즈(57)를 감광막으로 형성한다.
상기 비정질 실리콘막 패턴(49)을 반사율이 큰 금속배선과 중첩시킬 필요는 없고, 산화막, 주로 폴리실리콘막으로 이루어지는 게이트 전극 또는 빈 공간과 중첩시키면 된다. 금속배선은 비정질 실리콘막 패턴(49) 상에 형성될 뿐만 아니라, 금속배선은 반사율이 좋아 입사된 광자를 모두 반사하기 때문에 금속배선과 비정질 실리콘막 패턴과 중첩시킬 필요까지는 없기 때문이다. 한편, 전술한 본 발명의 실시예에서 상기 반도체 기판은 그 상부에 에피택셜층을 구비하여 상기 포토다이오드와 플로팅 확산영역 등이 상기 에피택셜층 내에 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드의 면적을 확장시킬 수 있어 이미지 센서의 광감도 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (11)
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드;상기 포토다이오드를 덮는 층간절연막; 및상기 층간절연막의 일부를 덮으며 상기 층간절연막을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판에 형성된 소자분리막;상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드;상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극;상기 소자분리막, 상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극을 덮는 층간절연막; 및상기 층간절연막 상에 형성되어 상기 소자분리막 및 상기 게이트 전극과 중첩되며 상기 층간절연막을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서역할하는 반도체층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 포토다이오드는,상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역; 및상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 반도체 기판은, 그 상부에 형성된 에피택셜층을 포함하며,상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역 각각은 상기 에피택셜층 내에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 반도체층은 제1 도전형의 비정질 실리콘막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계;상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및상기 콘택홀을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,소자분리막, 포토다이오드 및 게이트 전극을 포함한 소정의 하부구조 형성이 완료된 제1 도전형의 반도체 기판을 마련하는 단계;상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및상기 층간절연막 상에 형성되어 상기 소자분리막 및 상기 게이트 전극을 덮으며 상기 콘택홀을 통하여 상기 포토다이오드와 연결되며 수광수단으로서 역할하는 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 반도체층을 500 Å 내지 200 Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 반도체층을 제1 도전형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 포토다이오드는,상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역; 및상기 제1 불순물 영역 상의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 반도체 기판은, 그 상부에 형성된 에피택셜층을 포함하며,상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역 각각은 상기 에피택셜층 내에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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| KR100755629B1 (ko) * | 2001-11-14 | 2007-09-04 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 포토다이오드의 제조 방법 |
| KR100600957B1 (ko) * | 2004-12-30 | 2006-07-13 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 광 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 |
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