KR20020058580A - 포토다이오드 표면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

그 상부에 포토게이트를 구비하는 포토다이오드의 표면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 동일 면적하에서 포토다이오드의 캐패시턴스를 극대화하기 위해서, 벌크 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역을 이루는 반도체 기판 표면에 요철을 형성하여 포토다이오드의 표면적을 증가시키고, 포토다이오드 상에 투명전극을 형성하여 출력신호를 증대시키는데 그 다른 특징이 있다.

Description

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

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 표 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. 4개의NMOS트랜지스터 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.

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 기술에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20)에 형성된 소자분리를 위한 필드산화막(21), 상기 반도체 기판(20) 내에 형성된 포토다이오드(PD), 상기 반도체 기판(20) 상에 게이트 절연막(22), 상기 게이트 절연막(22) 상에 형성되어 포토다이오드와 중첩되는 포토게이트(23A) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(23A), 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(23A) 일단의 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 플로팅 확산영역(FD)을 보이고 있다.

전술한 종래 이미지 센서는 폴리실리콘막으로 이루어지는 포토게이트(23A)를 통과하여 반도체 기판(30) 내의 포토다이오드(PD)에 입사된 빛에 의해 전자가 발생하고, 이와 같이 발생된 전자는 포토게이트(23A)에 인가된 양의 전압에 의해 포토게이트(23A) 하부의 반도체 기판(30)에 모이게 된다. 이후 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(23A)에 전압을 인가하여 반도체 기판(30) 내에 채널을 형성함과 동시에 포토게이트(23A)에 인가하였던 전압을 제거하면, 포토게이트(23A)의 밑에 모였던 전자들이 트랜스퍼 트랜지스터의 채널을 통과하여 이후 출력신호로 변환되는 회부회로로 전달된다.

포토게이트를 구비하는 이미지 센서는 전술한 작동 원리에 따라 구동되기 때문에 포토게이트가 빛에 의해 생성된 전자를 반도체 기판 표면으로부터 도망가지 못하도록 끌어당기고 있다가, 출력신호를 필요로 하는 순간에 외부 회로로 전자를 전달시키기 때문에 신호의 손실이 거의 없으며 읽어낼 때의 독출 잡음(readout noise)도 매우 작은 장점이 있다. 그러나, 빛이 포토게이트를 통과하여 포토다이오드 내부로 입사되기 때문에 상당량의 빛이 포토게이트에 흡수되어 포토다이오드만을 구비하는 이미지 센서의 경우보다 양자효율(quantum efficiency)이 저하되는 문제점이 있다.

빛의 파장이 작을수록 반도체 기판 내부로의 침투깊이(penetration depth)가작아 반도체 기판 표면에서 대부분 흡수된다. 파장이 작은 파란색의 빛의 경우는 빨간색이나 초록색에 비해 폴리실리콘 포토게이트를 통과하여 실리콘 기판에 도달하는 양이 현저히 감소되어 정확한 색을 구현해내기 어려운 단점이 있다. 또한 소자 제조 기술이 발전함에 따라 소자의 크기가 점점 작아져가는 추세인데 설계규칙(design rule)이 작아짐에 따라 포토다이오드의 크기도 함께 작아지므로 포토게이트 형의 이미지 센서에서는 출력신호의 저하가 더욱더 심각한 문제로 대두되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 그 상부에 포토게이트를 구비하는 포토다이오드의 표면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 4a 및 도 4b는 포토다이오드 영역의 반도체 기판 표면에 요철을 형성하기 위한 다양한 식각마스크 패턴을 보이는 평면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

30: 반도체 기판 33A: 포토게이트

33B: 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극

PD: 포토다이오드 FD: 플로팅 확산영역

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성되며 그 표면에 요철을 갖는 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상부에 형성된 투명 포토게이트를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 표면에 요철을 제1 단계; 및 상기 포토다이오드 상부에 투명 포토게이트를 형성하는 제2 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 동일 면적하에서 포토다이오드의 캐패시턴스를 극대화하기 위해서, 벌크 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역을 이루는 반도체 기판 표면에 요철을 형성하여 포토다이오드의 표면적을 증가시키고, 포토다이오드 상에 투명전극을 형성하여 출력신호를 증대시키는데 그 다른 특징이 있다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.

먼저, p형 반도체 기판(30)에 소자분리를 위한 필드산화막(31)을 형성하고, 반도체 기판(30)을 선택적으로 식각하여 포토다이오드 영역(PD)의 상기 반도체 기판(30) 표면에 요철을 형성한다.

이때, 도 4a에 보이는 바와 같이 다수의 사각 마스크 패턴(t)이 정의된 식각마스크를 이용하거나 도 4b에 보이는 바와 같이 다수의 사각 고리 형태의 마스크 패턴(t)이 정의된 식각마스크를 이용하거나 또는 도 4c에 보이는 바와 같이 나선 형상의 패턴(t)이 정의된 식각마스크를 이용하여 상기 반도체 기판(30)을 습식 식각 또는 건식식각해서 요철을 형성한다.

이후, 상기와 같이 그 표면에 요철이 형성된 포토다이오드 영역 상에 게이트 절연막(32)을 형성하고, 게이트 절연막(32) 상에 가시광선의 투과도가 높은 전도성 금속산화물 예로서, ITO(indium tin oxide) 또는 RuO₂를 증착하고 패터닝하여포토게이트(33)를 형성한다.

이후 신호전달 및 신호처리를 위한 각종 소자 제조 공정을 진행한다.

전술한 본 발명의 실시예에서는 포토다이오드는 상기 요철 형성 전 또는 요철 형성 이후에, 상기 반도체 기판 내에 적절한 조건의 도우즈 및 에너지로 도펀트(dopant)를 주입하여 형성할 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, 포토게이트를 구비하는 이미지 센서의 장점을 그대로 유지하면서 포토게이트에 의한 빛의 흡수 문제를 해결하고, 동시에 포토다이오드의 표면적을 증가시킴으로써 출력신호의 증가 및 낮은 독출잡음 특성을 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 이미지 센서에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판;

   상기 반도체 기판 내에 형성되며 그 표면에 요철을 갖는 포토다이오드; 및

   상기 포토다이오드 상부에 형성된 투명 포토게이트

   를 포함하는 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 포토게이트는 전도성 금속산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 포토게이트는, ITO 또는 RuO₂로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   제1 도전형의 반도체 기판을 선택적으로 식각하여 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판 표면에 요철을 제1 단계; 및

   상기 포토다이오드 상부에 투명 포토게이트를 형성하는 제2 단계

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

   상기 제1 단계에서,

   다수의 사각 마스크 패턴 정의된 식각마스크를 이용하거나,

   다수의 사각 고리 형태의 마스크 패턴이 정의된 식각마스크를 이용하거나 또는,

   나선 형상의 패턴이 정의된 식각마스크를 이용하여 상기 반도체 기판을 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제1 단계에서 상기 반도체 기판을,

   습식 식각 또는 건식식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 포토게이트를 ITO 또는 RuO₂으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.