KR20030037871A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제한된 화소면적 내에서 포토다이오드의 캐패시터 용량을 증가시킴과 동시에 단파장의 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판; 포토 다이오드 영역의 기판 상부에 형성된 적어도 하나 이상의 필드 산화막; 및 포토 다이오드 영역의 기판 내에 형성된 제 2 도전형 불순물 영역을 포함하고, 제 2 도전형 불순물 영역이 상기 필드 산화막 하부에서 얕게 형성되어 단차를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 씨모스(complementary metal oxide semiconductor; CMOS) 이미지 센서(image sensor) 기술에 관한 것으로, 포토다이오드의 캐패시터 용량을 증가시킴과 동시에 단파장의 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, CMOS 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다. 또한, CMOS 이미지 센서의 단위화소는 1개의 포토다이오드와 4개의 MOS 트랜지스터, 즉 트랜스퍼트랜지스터, 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 및 셀렉트트랜지스터로 구성된다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단면도로서, 도 1에서는 포토다이오드 및 트랜스퍼트랜지스터 영역만을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, P형 반도체 기판(10) 상에 형성된 필드절연막(11)에 의해 포토다이오드 영역(P) 및 트랜스퍼트랜지스터 영역(T)이 정의되어 있고, 포토다이오드 영역(P)에는 딥 N- 불순물 영역(14)과 다크 전류 감소를 위한 P0 불순물 영역(16)으로 구성된 포토다이오드가 형성되어 있고, 트랜스퍼트랜지스터 영역(T)에는 게이트 절연막(12)과, 폴리실리콘막(13A) 및 텅스텐 실리사이드막(13B)이 적층된 폴리사이드 구조의 게이트(13)와, 전하 센싱노드인 N+ 플로팅 접합영역(17)이 형성되어 있으며, 게이트(13)의 측벽에는 절연막으로 이루어진 스페이서(15)가 형성되어 있다.
그러나, 상술한 종래의 CMOS 이미지 센서에 있어서는, 포토 다이오드의 적정 캐패시턴스를 확보하기 위하여 포토 다이오드의 면적을 증대시켜야 하지만, 불순물 영역(12)도 일정한 깊이에서 형성해야 하고 제한된 면적 내에서 화소를 형성해야 하므로, 포토 다이오드의 면적을 증대시키는 데에는 한계가 있었다.
또한, 도시되지는 않았지만, CMOS 이미지 센서에서는 3 가지 색, 즉 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue)의 칼라필터를 사용함에 따라 3 가지 파장을 가지는 입사광이 포토 다이오드에 도달하게 된다. 그러나, 도 2에 도시된 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 블루(B)와 같은 485㎚의 단파장의 입사광은 기판으로 입사되면서 흡수가 빠르게 진행되기 때문에, 딥 N-불순물 영역(12)에 도달하는 광입자(photon)의 양이 감소되어 전하(charg) 량이 감소됨으로써, 결국 광감도 특성이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제한된 화소면적 내에서 포토다이오드의 캐패시터 용량을 증가시킴과 동시에 단파장의 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 CMOS 이미지 센서에서 입사광의 파장에 따른 기판(실리콘)의 흡수 계수 및 침투깊이를 나타낸 그래프.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 도 3a의 필드 산화막(32)의 배열을 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
P : 포토 다이오드 영역 T : 트랜스퍼트랜지스터 영역
30, 50, 60 : 반도체 기판 31, 51, 61 : 제 1 필드 산화막
32, 52, 62 : 제 2 필드 산화막
33, 53, 63 : 게이트 절연막 34, 54, 64 : 게이트
35, 55, 65 : 딥 N- 불순물 영역
36, 56, 66 : 스페이서 37, 57, 67 : P0 불순물 영역
38, 58, 68 : N+ 플로팅 접합영역
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판; 포토 다이오드 영역의 기판 상부에 형성된 적어도 하나 이상의 필드 산화막; 및 포토 다이오드 영역의 기판 내에 형성된 제 2 도전형 불순물 영역을 포함하고, 제 2 도전형 불순물 영역이 상기 필드 산화막 하부에서 얕게 형성되어 단차를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 제 1 도전형 반도체 기판 상에 제 1 필드 산화막을 형성하여 포토 다이오드 영역 및 트랜스퍼트랜지스터 영역을 정의하는 단계; 포토 다이오드 영역의 기판 상에 소정 간격으로 이격된 적어도 하나 이상의 제 2 필드 산화막을 형성하는 단계; 트랜스퍼트랜지스터 영역에 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 단계; 및 포토 다이오드 영역의 상기 기판 내에 단차를 갖는 제 2 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로서, 본 실시예에서는 포토다이오드 영역 및 트랜스퍼트랜지스터 영역만을 나타낸다.
도 3a를 참조하면, P형 반도체 기판(30) 상에 제 1 필드 산화공정으로 소자간 절연을 위한 제 1 필드 산화막(31)을 형성하여, 포토 다이오드 영역(P) 및 트랜스퍼트랜지스터 영역(T)을 정의한다. 그 다음, 포토 다이오드 영역(P)의 기판(30) 상에 제 2 필드 산화공정으로 소정 간격으로 이격되고 서로 동일한 두께를 갖는 다수개의 제 2 필드 산화막(32)을 형성한다. 여기서, 제 2 필드 산화막(32)은 포토 다이오드 영역(P) 내에서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수개의 사각형의 패턴이 소정 간격을 두고 상하 및 좌우로 배열되도록 형성하거나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 내부에 소정 간격을 두고 이격된 사각 패턴이 형성되어 있는 사각 사진틀 형상으로 형성할 수 있다. 또한, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 소정 간격을 두고 배열된 다수개의 막대 형상으로 형성할 수도 있고, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 매트릭스 형상으로 배열할 수도 있다.
그 후, 트랜스퍼트랜지스터 영역(T)의 기판(30) 상에 게이트 절연막(33)과, 폴리실리콘막(34A) 및 텅스텐 실리사이드막(34B)이 적층된 폴리사이드 구조의 게이트(34)를 각각 형성한다.
도 3b를 참조하면, 마스크 공정 및 딥 N- 이온주입 공정을 이용하여 포토 다이오드 영역(P)으로 딥 N- 이온을 주입하여 포토다이오드 영역(P)의 기판(30) 내에단차를 갖는 딥 N- 불순물 영역(37)을 형성한다. 즉, 제 2 필드 산화막(32)에 의해 제 2 필드 산화막(32) 하부의 영역에서는 딥 N- 불순물 영역(37)이 얕게 형성됨에 따라 딥 N- 불순물 영역(37)에 단차가 형성된다. 이에 따라, 포토 다이오드의 면적이 증대되어 포토 다이오드의 캐패시터 용량이 증가될 뿐만 아니라, 단차로 인한 불순물 영역(37)의 깊이 차이에 의해 파장이 다른 입사광의 광감도, 특히 단파장의 광감도가 향상될 수 있다.
그리고 나서, 공지된 스페이서 공정으로 게이트(34)의 측벽에 절연막으로 이루어진 스페이서(36)를 형성하고, 마스크 공정 및 P0 이온주입공정을 이용하여, 포토 다이오드 영역(P)의 기판(30)의 표면에 다크 전류를 감소시키기 위하여 낮은 깊이로 P0 불순물 영역(37)을 형성한다. 그 다음, 마스크 공정 및 N+ 이온주입공정을 이용하여 트랜스퍼트랜지스터 영역(T)에 N+ 플로팅 접합영역(38)을 형성한 후, 도시되지는 않았지만 후속 공정을 수행한다.
상기 제 1 실시예에 의하면, 포토 다이오드 영역(P)에 형성된 다수개의 제 2 필드 산화막(32)에 의해 딥 N- 불순물 영역(35)에 단차가 형성됨에 따라, 포토 다이오드의 면적이 증대되어 포토 다이오드의 캐패시터 용량이 증가될 뿐만 아니라, 단차로 인한 불순물 영역(35)의 깊이차이에 의해 파장이 다른 입사광의 광감도, 특히 단파장의 광감도가 향상될 수 있다.
한편, 상기 제 1 실시예에서는 제 2 필드 산화막(32)을 다수개, 예컨대 3개로 서로 동일한 두께로 형성하였으나, 이 제 2 필드 산화막(32)의 개수 및 두께는 포토다이오드의 면적 및 후속 열처리 공정시 딥 N- 불순물 영역(35)의 단차가 유지될 수 있는 범위내에서는 조정이 가능하다.
즉, 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단면도로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 영역(P)에 제 2 필드 산화막(52)을 단지 하나만 형성하여 단차를 갖도록 딥 N- 불순물 영역(55)을 형성할 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단면도로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 영역(P)에 제 2 필드 산화막(62)을 다수개로 형성하되 서로 다른 두께를 갖도록 형성하여 딥 N- 불순물 영역(65)이 다양한 깊이로 분포하도록 조정함으로써, 여러 가지 파장대의 입사광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 포토 다이오드 영역에 적어도 하나 이상의 필드 산화막을 형성하여 딥 N- 불순물 영역에 단차를 형성함으로써, 포토 다이오드의 면적을 증대시켜 포토 다이오드의 캐패시터 용량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 단차로 인한 불순물 영역의 깊이 차이에 의해 파장이 다른 입사광의 광감도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (15)

  1. 포토 다이오드 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판;
    상기 포토 다이오드 영역의 기판 상부에 형성된 적어도 하나 이상의 필드 산화막; 및
    상기 포토 다이오드 영역의 기판 내에 형성된 제 2 도전형 불순물 영역을 포함하고,
    상기 제 2 도전형 불순물 영역이 상기 필드 산화막 하부에서 얕게 형성되어 단차를 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 산화막은 서로 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 산화막은 서로 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 산화막은 다수개의 사각형의 패턴이 소정 간격을 두고 상하 및 좌우로 배열된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 산화막은 내부에 소정 간격을 두고 이격된 사각 패턴이 형성되어 있는 사각 사진틀을 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 소정 간격을 두고 배열된 다수개의 막대 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 산화막은 매트릭스 형상으로 배열된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  8. 제 1 도전형 반도체 기판 상에 제 1 필드 산화막을 형성하여 포토 다이오드 영역 및 트랜스퍼트랜지스터 영역을 정의하는 단계;
    상기 포토 다이오드 영역의 상기 기판 상에 소정 간격으로 이격된 적어도 하나 이상의 제 2 필드 산화막을 형성하는 단계;
    상기 트랜스퍼트랜지스터 영역에 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 단계; 및
    상기 포토 다이오드 영역의 상기 기판 내에 단차를 갖는 제 2 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 영역의 상기 기판 표면에 제 1 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 트랜스퍼트랜지스터 영역에 제 2 도전형 플로팅 접합영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 서로 동일한 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 서로 다른 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 다수개의 사각형의 패턴이 소정 간격을 두고 상하 및 좌우로 배열되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 내부에 소정 간격을 두고 이격된 사각 패턴이 형성되어 있는 사각 사진틀 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 소정 간격을 두고 배열된 다수개의 막대 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 필드 산화막은 매트릭스 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
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