KR20020058458A - 포토다이오드의 유효 면적을 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판에 형성되는 n형 불순물 영역과 그 상부에 형성되는 p형 불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 있어서, 상기 p형 불순물 영역은 그 전영역이 상기 n형 불순물 영역과 중첩되는 반도체 기판 내에 형성되며 상기 n형 불순물 영역 보다 작은 면적을 갖는데 그 특징이 있다. 또한, 감지 영역과 센싱 영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 구비하고, 반도체 기판에 형성되는 n형 불순물 영역과 그 상부에 형성되는 p형 불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 있어서, 상기 p형 불순물 영역은 그 전영역이 상기 n형 불순물 영역과 중첩되는 반도체 기판 내에 형성되고 상기 n형 불순물 영역 보다 작은 면적을 가지며, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극은 적어도 그 일부분이 상기 n형 불순물 영역(52)과 중첩되는데 그 다른 특징이 있다.

Description

포토다이오드의 유효 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor capable of increasing effective area of photodiode and method for fabricating the same}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 내에서 광감지 영역의 형성에 관한 것으로 광감지 영역을 상대적으로 넓고 깊게 형성하여 광감지 영역과 단위 화소의 크기를 줄일 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, 종래이미지센서로 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)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(V_DD) 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 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극, 플로팅 확산영역 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A'선을 따른 단면도로서, p형 반도체 기판(20)에 형성된 소자분리막(21), 반도체 기판(20) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(22B), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 일단의 반도체 기판(20) 내에 형성된 n형 불순물 영역(23A)과 p형 불순물 영역(23B)으로 이루어지는 포토다이오드(PD) 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 타단의 반도체 기판(20) 내에 형성된 n형 불순물 영역(24)으로 이루어지는 플로팅 영역을 보이고 있다.

이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.

먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(20)에 소자분리를 위한 필드산화막(21)을 형성하고, 반도체 기판(20) 상에 게이트 절연막(도시하지 않음), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(22B)을 형성한다.

다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 일단의 상기 반도체 기판(20) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(23)을 형성한다.

이어서 도 4c에 보이는 바와 같이, n 형 불순물 영역(23) 상의 반도체 기판(20) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(24)을 형성한다.

다음으로 도 4d에 도시한 바와 같이, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(22A) 타단의 상기 반도체 기판(20) 내에 n형 플로팅 영역(35)을 형성한다.

전술한 바와 같이 종래 이미지 센서 제조 공정은, 폴리실리콘막 등으로 게이트 전극을 형성하고, 게이트 전극을 기준으로 자기정렬 방식으로 이온을 주입하여 포토다이오드 및 플로팅 영역을 형성한다. 이러한 자기정렬 방식은 공정 진행 과정상의 수월함은 있지만, 소자의 설계시에도 이러한 자기정렬 공정을 고려하여야 하고, 포토다이오드의 영역이 게이트 전극과 중첩되지 않는 반도체 기판에 한정되므로 포토다이오드의 면적을 증가시키기 어렵다. 그에 따라 고감도 고화소를 구비하는 이미지 센서를 제조하기 쉽지 않은 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 단위화소의 면적증가 없이 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 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극, 플로팅 확산영역 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도,

도 3은 도 2의 A-A'선을 따른 단면도,

도 4a 내지 도 4d는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극, 플로팅 확산영역 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도,

도 6은 도 5a의 A-A'선을 따른 단면도,

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

52: n형 불순물 영역 54: n형 불순물 영역

53A: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역, 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 그 전영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며 상기 제1 불순물 영역보다 그 면적이 작은 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 감지 영역과 센싱 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 제1 도전형 반도체 기판 ; 상기 반도체 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극; 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역, 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 그 전영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며 상기 제1 불순물 영역보다 그 면적이 작은 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드; 및 상기 감지영역과 상기 센싱영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되며 적어도 그 일부분이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되는, 전하전송을 위한 트랜지스터의 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 영역 내에서 발생된 전하를 플로팅 영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 제1 도전형 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 선택적으로 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 제1 불순물 영역을 형성하는 제1 단계; 상기 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제2 단계; 및상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 그 전 영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며, 상기 제1 불순물 영역 보다 그 면적이 작은 제1 도전형 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극, 플로팅 확산영역 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도이고, 도 6은 도 5a의 A-A'선을 따른 단면도이다.

도 5a 및 도 5b 그리고 도 6에 보이는 바와 같이 본 발명은 반도체 기판에 형성되는 n형 불순물 영역(52)과 그 상부에 형성되는 p형 불순물 영역(54)을 포함하는 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 있어서, 상기 p형 불순물 영역(54)은 그 전영역이 상기 n형 불순물 영역(52)과 중첩되는 반도체 기판 내에 형성되며 상기 n형 불순물 영역(54) 보다 작은 면적을 갖는데 그 특징이 있다.

또한, 감지 영역과 센싱 영역 사이의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(53A)을 구비하고, 반도체 기판에 형성되는 n형 불순물 영역(52)과 그 상부에 형성되는 p형 불순물 영역(54)을 포함하는 포토다이오드를 구비하는 이미지 센서 있어서, 상기 p형 불순물 영역(54)은 그 전영역이 상기 n형 불순물 영역(52)과 중첩되는 반도체 기판 내에 형성되고 상기 n형 불순물 영역(54) 보다 작은 면적을 가지며, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(53A)은 적어도 그 일부분이 상기 n형 불순물 영역(52)과 중첩되는데 그 다른 특징이 있다.

이하, 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 본 발명의 일실시예 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 7a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(50)에 국부적으로 p-웰(도시하지 않음)을 형성하고, 화소간 분리를 위한 필드산화막(51)을 형성하고, 반도체 기판(50) 내에 선택적으로 n형 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 n형 불순물 영역(52)을 형성한다.

다음으로 도 7b에 도시한 바와 같이 반도체 기판(50) 상에 게이트 절연막(도시하지 않음), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(53A) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(53B)을 형성한다.

이어서 도 7c에 보이는 바와 같이, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(52A)을 이온주입 마스크로하여 일단의 상기 반도체 기판(50) 내에 그 전 영역이 상기 n형 불순물 영역(53)과 중첩되며, 상기 n형 불순물 영역(53) 보다 그 면적이 작은 p형 불순물 영역(54)을 형성한다. 이때, p형 불순물 영역(54)의 일부분은 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(52A)의 적어도 일부분과 중첩된다.

다음으로 도 7d에 도시한 바와 같이, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(52A) 타단의 상기 반도체 기판(50) 내에 n형 플로팅 영역(55)을 형성한다.

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. 그리고, 광감지 영역에서 발생하는 잡음을 효과적으로 제거할 수 있고 설계와 공정의 여유를 증가시킬 수 있다. 또한, 광감지 영역과 플로팅 영역 사이에 있는 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극 영역의 전위장벽을 제거하여 전하의 전달효율을 향상시킬 수 있고, 종래의 구조에 비하여 광감지 영역의 정전용량이 증가되므로 감도가 향상되어 저조도 특성 및 구동범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판; 및

   상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역, 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 그 전영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며 상기 제1 불순물 영역보다 그 면적이 작은 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드

   를 포함하는 이미지 센서.
2. 감지 영역과 센싱 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형 반도체 기판 ;

   상기 반도체 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극;

   상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역, 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 그 전영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며 상기 제1 불순물 영역보다 그 면적이 작은 제1 도전형의 제2 불순물 영역으로 이루어지는 포토다이오드; 및

   상기 감지영역과 상기 센싱영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되며 적어도 그 일부분이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되는, 전하전송을 위한 트랜지스터의 게이트 전극

   을 포함하는 이미지 센서.
3. 포토다이오드 영역 내에서 발생된 전하를 플로팅 영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   제1 도전형 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 선택적으로 제2 도전형의 불순물을 이온주입하여 제1 불순물 영역을 형성하는 제1 단계;

   상기 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제2 단계; 및

   상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 그 전 영역이 상기 제1 불순물 영역과 중첩되며, 상기 제1 불순물 영역 보다 그 면적이 작은 제1 도전형 제2 불순물 영역을 형성하는 제3 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제3 단계에서,

   그 일부분이 상기 게이트 전극의 적어도 일부분과 중첩되는 제2 불순물 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 단계 후,

   상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 불순물을 선택적으로 이온주입하여 상기 플로팅 영역을 형성하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.