KR20020058473A - 플로팅 확산영역의 노드 캐패시턴스를 감소시킬 수 있는이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상기 게이트 전극 측벽에 형성된 스페이서로부터 소정간격 이격되어 형성된 플로팅 확산영역을 구비하여, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 간의 중첩면적을 감소시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 따라서, 포토다이오드에 집적된 광에너지에 의해 발생된 전자를 트랜스퍼 트랜지스터를 통하여 효과적으로 플로팅 확산영역으로 전달시켜 셀렉트 트랜지스터를 통해 신호 출력을 증대시키기 위해 정해진 설계규칙 이내에서 플로팅 확산영역을 최소로 유지시킬 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 플로팅 확산영역의 노드 캐패시턴스를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 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 4개의NMOS트랜지스터로 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(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
도 2는 도 1과 같은 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 p형 에피택셜층(21), 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)을 형성하고, 에피택셜층(21) 상에 게이트 절연막(22) 및 게이트 전극(23)을 형성하고, 게이트 전극(23) 일단의 상기 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(24)을 형성하고, 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(25)를 형성한 다음, n형 불순물 영역(22) 상부의 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(26)을 형성하고, 게이트 전극(24)을 사이에 두고 포토다이오드와 이격되는 플로팅 확산영역(27)을 형성한 상태를 보이고 있다.
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 공핍되기시작하여 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.
CMOS 이미지 센서의 집적도가 높아짐에 따라 포토다이오드 영역과 플로팅 확산영역이 동시에 작아지고 그에 따라 트랜스퍼 게이트를 통과하여 플로팅 확산영역으로 이동하는 전자의 양이 작아짐으로써 이미지 센서의 감도(sensitivity)가 저하되는 문제점이 있다.
CMOS 이미지 센서의 제조에 있어서 포토다이오드 영역의 면적은 가능한 최대로 확보하고, 플로팅 확산영역은 가능한 작게 하는 것에 의해 설계규칙(design rule)은 물론, 가능한 칩 크기가 결정되며, 동일한 입사량의 광에너지를 이용하여 보다 정확한 이미지를 구현할 수 있느냐가 결정된다. 양호한 이미지 센서는 정확한 설계규칙을 지키면 광감도가 우수하다. 이러한 광감도를 효과적으로 증대시키려면 주어진 규격 내에서 포토다이오드의 면적을 최대로 또는 플로팅 확산영역의 면적을 최소로 작게 형성하여야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 고집적 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서의 포토다이오드 영역 및 그 주변을 보이는 단면도,
도 3은 플로팅 확산영역의 노드 캐패시턴스 구성 요소를 보이는 설명도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
40: 반도체 기판 42: 게이트 절연막
43: 게이트 전극 44: n형 불순물 영역
45: 산화막 45A, 45B: 산화막 스페이서
46: p형 불순물 영역 47: 플로팅 확산영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 절연막을 전면 경사 식각하여 상기 게이트 전극의 양측벽에 절연막 스페이서를 형성하면서, 플로팅 확산영역에 가까운 일측벽에 상대적으로 폭이 넓은 제1 절연막 스페이서를 형성하고, 포토다이오드 영역에 가까운 타측벽에 상대적으로 폭이 좁은 제2 절연막 스페이서를 형성하는 제4 단계; 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제5 단계; 및 경사이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 절연막 스페이서와 소정간격 이격된 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 절연막을 전면식각하여 상기 게이트 전극의 양측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 제4 단계; 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제5 단계; 및 경사이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 절연막 스페이서와 소정간격 이격된 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 CMOS를 이용한 이미지 센서에 있어서 전하감지(charge sensing) 노드(node) 구조로 쓰이는 n-형 플로팅 확산영역 노드의 캐패시턴스를 줄여 전압변화를 크게하여 이미지 센서의 감도를 향상시키는데 그 특징이 있다. 즉, 포토다이오드에서 광 에너지에 의해 발생한 전자를 매우 효과적으로 플로팅 확산영역으로 이동시키기 위하여 수학식1에 보이는 바와 같이 전압변화(ΔV)가 매우 크도록 하기 위해서 플로팅 노드의 캐패시턴스(Cf)를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제시한다.
상기 수학식1에서 q는 전하량, N은 이동하는 전자의 수를 나타낸다.
도 3은 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(30) 상에 p형 에피택셜층(31), 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)을 형성하고, 에피택셜층(31) 상에 게이트 절연막(32) 및 게이트 전극(33)을 형성하고, 게이트 전극(33) 일단의 상기 에피택셜층(31) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(34)을 형성하고, 게이트 전극(34) 측벽에 절연막 스페이서(35)를 형성한 다음, n형 불순물 영역(32) 상부의 에피택셜층(31) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(36)을 형성하고, 게이트 전극(34)을 사이에 두고 포토다이오드와 이격되는 플로팅 확산영역(37)을 형성한 상태와 함께 플로팅 확산영역의 캐패시턴스에 기여하는 여러 캐패시턴스 성분(A, B, C, D)을 보이고 있다.
플로팅 확산영역의 캐패시턴스에 기여하는 여러 캐패시턴스 성분(A, B, C, D) 중 종래 이미지 센서의 구조 변경없이 그 크기를 줄일 수 있는 것은 게이트 중첩 캐패시턴스(A) 뿐이다.
이에, 본 발명은 상기 게이트 전극 측벽에 형성된 스페이서로부터 소정간격 이격되어 형성된 플로팅 확산영역을 구비하여, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 간의 중첩면적을 감소시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 따라서, 포토다이오드에 집적된 광에너지에 의해 발생된 전자를 트랜스퍼 트랜지스터를 통하여 효과적으로 플로팅 확산영역으로 전달시켜 셀렉트 트랜지스터를 통해 신호 출력을 증대시키기 위해 정해진 설계규칙 이내에서 플로팅 확산영역을 최소로 유지시킬 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(40)에 소자분리를 위한 필드산화막(41)을 형성한다.
이어서 도 4b에 도시한 바와 같이, 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 형성한다.
다음으로 도 4c에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 절연막의 예로써 2000 Å 내지 3000 Å 두께의 산화막(45)을 형성한다.
이어서 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 산화막(45)을 전면 경사 식각하여 게이트 전극(43)의 양측벽에 절연막 스페이서(45A, 45B)를 형성하면서, 플로팅 확산영역에 가까운 일측벽에 상대적으로 폭(A)이 넓은 제1 산화막 스페이서(45A)를 형성하고, 포토다이오드 영역에 가까운 타측벽에 상대적으로 폭(B)이 좁은 제2 산화막 스페이서(45B)를 형성한 다음, 상기 n형 불순물 영역(44) 상부의 상기 반도체 기판(40) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(46)을 형성한다. 상기 산화막(45) 식각시 포토다이오드 영역에서 플로팅 확산영역 방향으로 경사식각을 실시하며 경사 각도는 45 °가 넘지 않도록 한다. 이러한 식각 공정에 의해 제1 절연막 스페이서(45A)는 2500 Å 내지 4000 Å의 폭(A)을 갖도록 하고, 제2 절연막 스페이서(45B)는 1500 Å 내지 2000 Å의 폭(B)을 갖도록 한다. 이와 같이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(43) 측벽에 각기 다른 폭의 절연막 스페이서를 형성하여도 그에 따른 트랜지스터의 특성변화는 일어나지 않는다.
다음으로 도 4e에 보이는 바와 같이, 플로팅 확산영역을 노출시키는 감광막 패턴(PR)을 형성하고, 상대적으로 폭이 넓은 제1 산화막 스페이서(45A) 일단의 상기 반도체 기판(40) 내에 45 °를 넘지 않는 경사각도로 고농도 불순물 이온주입을 실시하여 n형의 플로팅 확산영역(47)을 형성한다.
이후, 상기 감광막 패턴(PR)을 제거하는 등의 후속 공정을 진행한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따라 플로팅 확산영역에 가까운 트랜스퍼 게이트 전극의 측벽에 산화막 스페이서를 보다 폭 넓게 형성하고, 경사이온주입을 실시하여 플로팅 확산영역을 형성함으로써 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 측벽에 형성된 절연막 스페이서와 플로팅 확산영역 간의 오프셋 거리(X)를 증가시킴으로써 게이트 중첩 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예에서는 경사식각을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 일측벽 및 타측벽에 각기 다른 폭을 갖는 절연막 스페이서를 형성하고 경사 이온주입을 실시하는 것을 설명하였지만, 절연막 스페이서 형성시는 수직으로 식각을 실시하고 경사이온주입만을 실시하는 것으로서도 본 발명이 이루고자하는 소기의 목적을 달성할 수 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 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 일측벽 및 타측벽에 각기 다른 폭을 갖는 절연막 스페이서를 형성하여 포토다이오드 영역은 절연막 스페이서에 의해 영역이 감소되지 않으면서 플로팅 확산영역은 절연막 스페이서에 의해 면적이 감소된다. 그에 따라 플로팅 확산영역의 노드 캐패시턴스가 감소되어 광에너지에 의한 이미지 센서의 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (5)
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 제1 단계;상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계;전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계;상기 절연막을 전면 경사 식각하여 상기 게이트 전극의 양측벽에 절연막 스페이서를 형성하면서, 플로팅 확산영역에 가까운 일측벽에 상대적으로 폭이 넓은 제1 절연막 스페이서를 형성하고, 포토다이오드 영역에 가까운 타측벽에 상대적으로 폭이 좁은 제2 절연막 스페이서를 형성하는 제4 단계;상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제5 단계; 및경사이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 절연막 스페이서와 소정간격 이격된 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성하는 제1 단계;상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계;전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계;상기 절연막을 전면식각하여 상기 게이트 전극의 양측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 제4 단계;상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 포토다이오드를 이룰 제1 도전형의 제2 불순물 영역을 형성하는 제5 단계; 및경사이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 절연막 스페이서와 소정간격 이격된 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항이 있어서,상기 제4 단계는,상기 포토다이오드 영역에서 상기 플로팅 확산영역 방향으로 경사식각을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제4 단계에서,45 °를 넘지 않는 경사각으로 식각을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제4 단계에서,45 °를 넘지 않는 경사각으로 이온주입을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20040008923A (ko) * | 2002-07-19 | 2004-01-31 | 주식회사 하이닉스반도체 | 데드존 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법 |
| WO2022067661A1 (en) * | 2020-09-30 | 2022-04-07 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Solid state imaging device with low fixed pattern noise |
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2000
- 2000-12-30 KR KR1020000086579A patent/KR20020058473A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040008923A (ko) * | 2002-07-19 | 2004-01-31 | 주식회사 하이닉스반도체 | 데드존 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법 |
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