KR20020058477A - 포토다이오드의 공핍층 면적을 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판 내의 포토다이오드의 면적을 증가시키지 않고 포토다이오드의 공핍층 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 제1 도전형의 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역과 상기 제2 불순물 영역의 접합면이 굴곡을 갖는 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

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

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 칩 크기의 증가없이포토다이오드의 공핍층 면적을 증가시킬 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(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 센서 제조 공정을 설명하기 위한 단면도로서, p형 반도체 기판(20)에 소자분리막(21)을 형성하고, 상기 반도체 기판(20) 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(23)을 형성한 다음, 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(24) 일단의 상기 반도체 기판(20) 내에 n형 불순물 영역(23)을 형성하고, 상기 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(24)를 형성한 다음, 상기 n형 불순물영역(23) 상의 상기 반도체 기판(20) 내에 p형 불순물 영역(25)을 형성하고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(24) 타단에 n형 불순물을 이온주입하여 상기 포토다이오드와 이격되어 형성된 n형 플로팅 확산영역(28)을 포함하는 이미지 센서를 형성한 것을 보이고 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로 광전자를 이동시키는 역할을 한다.

단위 화소의 포화수준(saturation level)은 포토다이오드의 정전용량과 플로팅 확산영역의 정전용량의 비에 의해 결정되는데, 포화수준을 향상시키기 위해서는 포토다이오드의 정전용량이 플로팅 확산영역의 정전용량보다 커야한다. 플로팅 확산영역의 정전용량은 여러 트랜지스터의 특성에도 영향을 미치므로 그 크기를 변화시키는 것이 용이하지 않다. 한편, 포토다이오드의 정전용량을 증가시키기 위해서는 전체적으로 칩 크기가 증가하여야 하기 때문에 이 경우 역시 한계가 있기 때문에 포화수준이 낮아지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내의 포토다이오드의 면적을 증가시키지 않고 포토다이오드의 공핍층 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 3c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

33: n형 불순물 영역 36: 제1 p형 불순물 영역

37: 제2 p형 불순물 영역 38: 제3 p형 불순물 영역

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판;및 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역과 상기 제2 불순물 영역의 접합면이 굴곡을 갖는 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역과 상기 제2 불순물 영역의 접합면이 굴곡을 갖는 포토다이오드; 및 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 불순물 영역으로 이루어지는 플로팅 확산영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 영역의 제1 도전형의 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 상기 개구부 저면에 노출된 상기 반도체 기판 내에 제1 이온주입 조건으로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 적어도 하나의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 이온주입 마스크를 제거하는 단계; 및 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판에 상기 제1 이온주입 조건 보다 낮은 에너지로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 그 일부가 상기 제2 불순물 영역과 중첩되는 제3 불순물 영역을 형성하여, 상기 제2 불순물 영역과 제3불순물 영역으로 이루어져 상기 제1 불순물 영역과의 계면에 굴곡을 갖는 제4 불순물 영역이 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다..

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 영역의 제1 도전형의 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판에 제1 이온주입 조건으로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 제2 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제2 불순물 영역의 상기 반도체 기판 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 상기 개구부 저면에 노출된 상기 반도체 기판 내에 제1 이온주입 조건 보다 높은 에너지로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 그 각각이 상기 제2 불순물 영역과 중첩되는 제3 불순물 영역을 형성하여, 상기 제2 불순물 영역과 제3 불순물 영역으로 이루어져 상기 제1 불순물 영역과의 계면에 굴곡을 갖는 제4 불순물 영역을 형성하는 단계; 및 상기 이온주입 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 3a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(30)에 소자분리를 위한 필드산화막(31)을 형성하고, 반도체 기판(30) 상에 게이트 절연막(도시하지 않음) 및 게이트 전극(32)을 형성하고, 게이트 전극(32) 일단의 상기 반도체 기판(30) 내에 포토다이오드의 n형 불순물 영역(33)을 형성하고, 게이트 전극(32)의 양측벽에 절연막 스페이서(34)를 형성하고, 게이트 전극(32) 타단의 상기 반도체 기판(30) 내에 n형 플로팅 확산영역(46)을 형성한 다음, 상기 n형 불순물 영역(33) 상부의 반도체 기판(30) 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 형성하고, 상기 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 이온주입 마스크로 이용한 제1 p형 불순물 이온주입 공정을 실시하여 상기 반도체 기판(30) 내에 적어도 하나의 제1 p형 불순물 영역(36)을 형성한다.

다음으로 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 제거하고 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 n형 불순물 영역(33) 상부의 반도체 기판(30) 전영역을 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴(PR2)을 형성하고, 상기 제1 p형 불순물 이온주입 공정 단계 보다 상대적으로 낮은 에너지 조건으로 제2 p형 불순물 이온주입 공정을 실시하여, 상기 n형 불순물 영역(33) 상부의 상기 반도체 기판(30) 내에 그 일부가 상기 제1 p형 불순물 영역(36)과 중첩되는 제2 p형 불순물 영역(37)을 형성한다. 이에 따라 제1 p형 불순물 영역(36)과 제2 p형 불순물 영역(37)으로 이루어져 n형 불순물 영역(33)과의 계면에 굴곡을 갖는 제3 p형 불순물 영역(38)이 형성된다.

이후 제2 포토레지스트 패턴(PR2)을 제거하고 도 3c에 보이는 바와 같이, 열처리 공정을 실시한다.

상기 본 발명의 일실시예에서는 제1 p형 불순물 영역(36)을 먼저 형성하는 것을 설명하였지만, 상기 제2 p형 불순물 영역을 먼저 형성할 수도 있다. 즉, 포토다이오드 영역의 반도체 기판(30) 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역(33)을 형성하고, 상기 제1 불순물 영역(33) 상부의 상기 반도체 기판(30)에 제1 이온주입 조건으로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 제3 불순물 영역(37)을 먼저 형성하고, 상기 제3 불순물 영역(37)의 상기 반도체 기판(30) 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 이온주입 마스크를 형성하고, 상기 개구부 저면에 노출된 상기 반도체 기판(30) 내에 제1 이온주입 조건 보다 높은 에너지로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 그 각각이 상기 제3 불순물 영역(37)과 중첩되는 제2 불순물 영역(36)을 형성하여, 상기 제2 불순물 영역(36)과 제3 불순물 영역(37)으로 이루어져 상기 제1 불순물 영역과의 계면에 굴곡을 갖는 제4 불순물 영역(38)을 형성할 수도 있다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 동일한 포토다이오드 면적을 사용하면서도 p형 불순물 영역과 n형 불순물 영역의 계면면적을 증가시켜 두 불순물 영역이 접하여 형성되는 공핍영역의 표면적을 향상시킬 수 있고, 포토다이오드의 정전용량 증가를 기대할 수 있다. 이에 따라 최대 광전자량이 증가되고 플로팅 확산영역에서의 최대 전위 변화량도 증가하며, 단위화소의 포화수준이 높아지게 된다.

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 광감지 소자인 CCD(charge coupleddevice) 또는 CMOS 이미지 센서에서 종래 포토다이오드의 면적을 그대로 사용하면서 포토다이오드의 공핍층 표면적을 확장시킬 수 있어, 칩 크기의 증가없이 포토다이오드의 정전용량을 증가시킬 수 있다. 따라서 단위화소의 광특성은 포화수준을 칩 크기의 증가없이 효과적으로 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판; 및

   상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역과 상기 제2 불순물 영역의 접합면이 굴곡을 갖는 포토다이오드

   를 포함하는 이미지 센서.
2. 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판;

   상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극;

   상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 영역을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역과 상기 제2 불순물 영역의 접합면이 굴곡을 갖는 포토다이오드; 및

   상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 불순물 영역으로 이루어지는 플로팅 확산영역

   을 포함하는 이미지 센서.
3. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   포토다이오드 영역의 제1 도전형의 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 이온주입 마스크를 형성하는 단계;

   상기 개구부 저면에 노출된 상기 반도체 기판 내에 제1 이온주입 조건으로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 적어도 하나의 제2 불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 이온주입 마스크를 제거하는 단계; 및

   상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판에 상기 제1 이온주입 조건 보다 낮은 에너지로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 그 일부가 상기 제2 불순물 영역과 중첩되는 제3 불순물 영역을 형성하여, 상기 제2 불순물 영역과 제3 불순물 영역으로 이루어져 상기 제1 불순물 영역과의 계면에 굴곡을 갖는 제4 불순물 영역이 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
4. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   포토다이오드 영역의 제1 도전형의 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 제1 불순물 영역 상부의 상기 반도체 기판에 제1 이온주입 조건으로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 제2 불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 제2 불순물 영역의 상기 반도체 기판 표면을 노출시키기 위한 적어도 하나의 개구부를 포함하는 이온주입 마스크를 형성하는 단계;

   상기 개구부 저면에 노출된 상기 반도체 기판 내에 제1 이온주입 조건 보다 높은 에너지로 제1 도전형의 불순물을 이온주입해서 그 각각이 상기 제2 불순물 영역과 중첩되는 제3 불순물 영역을 형성하여, 상기 제2 불순물 영역과 제3 불순물 영역으로 이루어져 상기 제1 불순물 영역과의 계면에 굴곡을 갖는 제4 불순물 영역을 형성하는 단계; 및

   상기 이온주입 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.