KR20020058876A - Image sensor capable of improving capacitance of photodiode and charge transport and method for forming the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A fabrication method of image sensors is provided to increase a capacity of a photodiode and to simultaneously improve an electric charge transfer by forming an n-type dopant doped region partially overlapped with a gate insulating layer. CONSTITUTION: After sequentially forming a p-type epitaxial layer(41) and isolation layers(42) on a p-type semiconductor substrate(40), a gate insulating layer(43) and a gate electrode(44) on the p-type epitaxial layer(41). Then, a photoresist pattern is formed on the resultant structure to expose a photodiode region and a partial portion of the gate electrode(44). By implanting doped dopants with a high energy so as to penetrate the gate electrode(44), an n-type dopant doped region(47) partially overlapped with the gate insulating layer(43) is formed. Then, a p-type dopant doped region(48) is formed on the n-type dopant doped region(47), so that a voltage barrier formation is previously prevented.

Description

포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법{Image sensor capable of improving capacitance of photodiode and charge transport and method for forming the same}Image sensor capable of improving capacitance of photodiode and charge transport and method for forming the same}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and more particularly, to an image sensor manufacturing method capable of improving charge transport while increasing the capacity of a photodiode.

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.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centered on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of commercially available solid-state image sensors, a metal-oxide-semiconductor (MOS) type and a charge coupled device (CCD) type.

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.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.

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(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.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitance structures, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) as an optical sensing means and four NMOS transistors. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transmits a signal for transferring the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx supplies the floating diffusion region FD. The drive transistor Dx serves as a source follower, and the select transistor Sx receives a pixel data enable signal and receives the pixel data reset signal to the voltage VDD level. It sends a signal to the output.

도 2a 및 도2b는 종래 이미지 센서 단위 화소의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극과 플로팅 확산영역 형성 과정을 보이는 단면도이다.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a process of forming a photodiode and a gate electrode and a floating diffusion region of a pixel of a conventional image sensor unit.

도 2a는 p형 반도체 기판(20) 상에 p형 에피택셜층(21)을 형성하고, 에피택셜층(21)에 소자분리막(22), 게이트 절연막(23) 및 게이트 전극(24)을 형성하고, 포토다이오드 영역의 상기 에피택셜층(21)을 노출시키는 제1 감광막 패턴(PR1)을 형성하고 이를 이온주입 마스크로 이용하여 포토다이오드의 n형 불순물 영역(25)을 형성하는 상태를 보이고 있다. 도2a에서 A-A'선은 n형 불순물 영역(25)의 최고 농도 지점을 나타낸다.FIG. 2A shows a p-type epitaxial layer 21 formed on a p-type semiconductor substrate 20, and an isolation layer 22, a gate insulating film 23, and a gate electrode 24 formed on the epitaxial layer 21. The first photoresist layer pattern PR1 exposing the epitaxial layer 21 of the photodiode region is formed and the n-type impurity region 25 of the photodiode is formed using the photoresist layer as an ion implantation mask. . Line A-A 'in Fig. 2A shows the highest concentration point of the n-type impurity region 25. Figs.

도 2b는 상기 제1 감광막 패턴(PR)을 제거하고 상기 게이트 전극(24) 측벽에 절연막 스페이서(26)를 형성한 다음, 게이트 전극(24) 타단의 에피택셜층(21) 내에n형 불순물을 이온주입하여 플로팅 확산영역(27)을 형성하고, 포토다이오드 영역의 상기 에피택셜층(21)을 노출시키는 제2 감광막 패턴(PR2)을 형성하고 이를 이온주입 마스크로 이용하여 n형 불순물 영역(22) 상부의 에피택셜층(21) 내에 포토다이오드의 p형 불순물 영역(28)을 형성한 것을 보이고 있다. 도2a에서 B-B'선은 n형 불순물 영역(25)의 농도분포를 나타낸다. 도 2b에서 도면부호 'A'는 포토다이오드(PD) 영역에서 플로팅 확산영역(27)으로의 확산에 의한 장벽(barrier) 형성을 보이고, 'B'는 공핍 영역을 나타낸다.2B illustrates removing the first photoresist layer pattern PR, forming an insulating layer spacer 26 on the sidewall of the gate electrode 24, and then removing n-type impurities in the epitaxial layer 21 at the other end of the gate electrode 24. Ion implantation forms a floating diffusion region 27, and a second photoresist layer pattern PR2 exposing the epitaxial layer 21 of the photodiode region is formed and used as an ion implantation mask to form the n-type impurity region 22. The p-type impurity region 28 of the photodiode is formed in the epitaxial layer 21 on the upper side. In Fig. 2A, the B-B 'line shows the concentration distribution of the n-type impurity region 25. Figs. In FIG. 2B, reference numeral 'A' indicates barrier formation by diffusion from the photodiode (PD) region to the floating diffusion region 27, and 'B' denotes a depletion region.

전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 방법은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트전극(24) 일단 즉, 포토다이오드 영역에 자기정렬(self align)된 n형 불순물 영역(25)을 형성하고, 절연막 스페이서(26)를 형성한 후, p형 불순물 영역(28)을 형성함으로써 PNP 구조의 포토다이오드를 형성한다. 이러한 과정에 따라 형성된 포토다이오드의 p형 불순물 영역(28)은 확산으로 인해 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 아래를 지나서 센싱영역인 플로팅 확산에 이르는 전하운송 통로에 도 3에 보이는 바와 같이 전위 장벽(C)을 형성하여 전하운송을 방해한다. 또한, 포토다이오드 표면에서의 농도가 내부에 비해 작으므로 n형 불순물 영역의 최고 농도를 갖는 지점에 비해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 가까운 표면의 n형 불순물층이 포토다이오드 보다 빨리 공핍되기 때문에 전하운송을 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 동작시킬 때 n형 불순물 영역에서의 전하운송에 도움을 주는 전위구배(fringing field) 발달되지 못하여 완전한 전하운송에 방해가 되고 이와 같은 문제 때문에 n형을 보다 깊게 형성할 수 없어 포토다이오드의 용량을 충분히 확보하지 못하는 문제점이 있다.The conventional image sensor manufacturing method as described above forms an n-type impurity region 25 self-aligned at one end of the gate electrode 24 of the transfer transistor, that is, the photodiode region, and the insulating film spacer 26 is formed. After the formation, the p-type impurity region 28 is formed to form a photodiode having a PNP structure. The p-type impurity region 28 of the photodiode formed according to this process has a potential barrier (C) as shown in FIG. 3 in the charge transport path from the photodiode through the gate of the transfer transistor to the floating diffusion, which is a sensing region, due to diffusion. To interfere with charge transport. In addition, since the concentration on the surface of the photodiode is smaller than that inside, the n-type impurity layer on the surface close to the gate of the transfer transistor depletes faster than the photodiode compared to the point having the highest concentration of the n-type impurity region for charge transport. When operating the gate of the transfer transistor, a potential field that assists charge transport in the n-type impurity region is not developed, which hinders full charge transport, and because of this problem, the n-type cannot be formed deeper. There is a problem that the capacity of the diode is not sufficiently secured.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드의 용량을 증가시키면서 전하운송을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is to provide an image sensor manufacturing method that can improve the charge transport while increasing the capacity of the photodiode.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1 is a circuit diagram schematically showing a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,2A and 2B are cross-sectional views of an image sensor manufacturing process according to the prior art

도 3은 종래 이미지 센서에서 포토다이오드로부터 플로팅 확산영역으로의 전하 이동을 보이는 설명도,3 is an explanatory diagram showing charge transfer from a photodiode to a floating diffusion region in a conventional image sensor;

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,4A and 4B are cross-sectional views of an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에서 포토다이오드로부터 플로팅 확산영역으로의 전하 이동을 보이는 설명도.5 is an explanatory diagram showing charge transfer from a photodiode to a floating diffusion region in the image sensor according to the present invention;

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *

40: 반도체 기판 41: p형 에피택셜층40: semiconductor substrate 41: p-type epitaxial layer

46: n형 불순물 영역 47: n형 플로팅 확산 영역46: n-type impurity region 47: n-type floating diffusion region

48: p형 불순물 영역48: p-type impurity region

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드에서 발생된 전자를 플로팅 확산영역으로 전송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 주입된 이온이 상기 게이트 전극을 통과할 수 있는 크기의 에너지로 이온주입 공정을 실시하여 상기 포토다이오드 영역 내에 그 일단부가 상기 게이트 전극과 중첩되는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 및 상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 제3 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object is a method of manufacturing an image sensor having a transfer transistor for transmitting electrons generated in the photodiode to the floating diffusion region, the gate of the transfer transistor on a semiconductor substrate of the first conductivity type Forming a electrode; A second implantation process in which the implanted ions are implanted with energy having a magnitude sufficient to pass through the gate electrode to form a first impurity region of a second conductivity type in which one end thereof overlaps with the gate electrode in the photodiode region step; And implanting a second impurity region of a second conductivity type deeper than the first impurity region into the semiconductor substrate at one end of the gate electrode by performing ion implantation under a higher energy condition than the second stage. Provide a method.

본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 양측면에 스페이서를 형성한 후, 포토다이오드 영역 및 상기 포토다이오드 영역에 인접합 게이트 전극의 일부분을 노출시키는 형성하기 위한 이온주입 마스크를 형성하고, 게이트 전극을 뚫을 수 있는 고에너지로 이온주입 공정을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극과 중첩되는 n형 불순물 영역을 형성한다. 이에 따라 포토다이오드 표면의 n형 불순물 도핑 농도가 포토다이오드 내부와 유사하게 되도록 할 수 있고, p형 불순물층의 확산에 의한 전위 장벽 형성을 예방할 수 있고, 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극에 유리한 전위구배(fringing field)가 발달되어 전하운송 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, after forming spacers on both sides of a gate electrode of a transfer transistor, an ion implantation mask for forming a photodiode region and a portion of an adjacent junction gate electrode in the photodiode region is formed, and the gate electrode can be drilled. An ion implantation process is performed at high energy to form an n-type impurity region whose end portion overlaps with the gate electrode. Accordingly, the n-type impurity doping concentration on the surface of the photodiode can be made similar to the inside of the photodiode, the potential barrier can be prevented from being formed by the diffusion of the p-type impurity layer, and the potential gradient favoring the transfer transistor gate electrode. Can be developed to improve the efficiency of charge transport.

이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, an image sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.

먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(40)에 p형 에피택셜층(41) 및 소자분리막(42)을 형성하고, 상기 에피택셜층(41) 상에 게이트 절연막(42) 및 게이트 전극(43)을 형성하고, 포토다이오드 영역 및 그 주변의 게이트 전극(45) 일부를 노출시키는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고, 주입되는 이온이 상기 게이트 전극(45)을 투과할 만큼 높은 에너지를 가하여 그 단부가 상기 게이트 전극(43)과 중첩되는 n형 불순물 영역(47)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 게이트 전극(43)을 3500 Å 내지 4500 Å 두께로 형성하고, 상기 이온주입 공정시 인(P)을 200 KeV 보다 높은 에너지로 주입한다. 이러한 공정에 따라 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(44)까지 n형 불순물 영역(47)이 확장됨에 따라 그 후 n형 불순물 영역(47) 상에 p형 불순물 영역을 형성함에 따른 전위 장벽 형성을 예방할 수 있다. 또한, 도 5에 보이는 바와 같이 포토다이오드(PD) 내의 전자를 센싱영역인 플로팅 확산영역(FD)으로 전달하는데 유리한 전위구배가 발달되어 전하 운송 효율을향상시킬 수 있다.First, as shown in FIG. 4A, the p-type epitaxial layer 41 and the device isolation layer 42 are formed on the p-type semiconductor substrate 40, and the gate insulating layer 42 and the gate are formed on the epitaxial layer 41. Forming an electrode 43, forming a photoresist pattern PR exposing the photodiode region and a portion of the gate electrode 45 around the photodiode region, and having high energy such that the implanted ions pass through the gate electrode 45 Is added to form an n-type impurity region 47 whose end portion overlaps with the gate electrode 43. In the embodiment of the present invention, the gate electrode 43 is formed to have a thickness of 3500 kW to 4500 kW, and phosphorus (P) is implanted at an energy higher than 200 KeV during the ion implantation process. According to this process, as the n-type impurity region 47 is extended to the gate electrode 44 of the transfer transistor, it is possible to prevent the formation of a potential barrier by forming a p-type impurity region on the n-type impurity region 47 thereafter. . In addition, as shown in FIG. 5, a potential gradient developed to transfer electrons in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, which is a sensing region, may be developed to improve charge transport efficiency.

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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드의 n형 불순물 영역을 형성하기 위한 이온주입 공정시 게이트 전극을 뚫을 수 있는 고에너지로 이온주입 공정을 실시하여 그 단부가 상기 게이트 전극과 중첩되는 n형 불순물 영역을 형성함으로써 포토다이오드 표면의 n형 불순물 도핑 농도가 포토다이오드 내부와 유사하게 되도록 할 수 있고, p형 불순물층의 확산에 의한 전위 장벽 형성을 예방할 수 있고, 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극에 유리한 전위구배(fringing field)가 발달되어 전하운송 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the ion implantation process is performed at a high energy to penetrate the gate electrode during the ion implantation process for forming the n-type impurity region of the photodiode, and the n-type impurity region of which the end overlaps with the gate electrode. It is possible to make the n-type impurity doping concentration on the surface of the photodiode similar to the inside of the photodiode, prevent the formation of a potential barrier due to diffusion of the p-type impurity layer, and advantageous potential fringing for the transfer transistor gate electrode. field) can be developed to improve the charge transport efficiency.

Claims (1)

포토다이오드에서 발생된 전자를 플로팅 확산영역으로 전송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,An image sensor manufacturing method comprising a transfer transistor for transferring electrons generated from a photodiode to a floating diffusion region, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 제1 단계;A first step of forming a gate electrode of a transfer transistor on a first conductive semiconductor substrate; 주입된 이온이 상기 게이트 전극을 통과할 수 있는 크기의 에너지로 이온주입 공정을 실시하여 상기 포토다이오드 영역 내에 그 일단부가 상기 게이트 전극과 중첩되는 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 및A second implantation process in which the implanted ions are implanted with energy having a magnitude sufficient to pass through the gate electrode to form a first impurity region of a second conductivity type in which one end thereof overlaps with the gate electrode in the photodiode region step; And 상기 제2 단계보다 높은 에너지 조건으로 이온주입을 실시하여 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 불순물 영역 보다 깊은 제2 도전형의 제2 불순물 영역을 제3 단계Implanting a second impurity region of a second conductivity type deeper than the first impurity region in the semiconductor substrate at one end of the gate electrode by performing ion implantation under a higher energy condition than the second step 를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.Image sensor manufacturing method comprising a.
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