KR20040093295A - 시모스 이미지센서의 포토다이오드의 제조방법 - Google Patents

시모스 이미지센서의 포토다이오드의 제조방법 Download PDF

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KR20040093295A
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박재영
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Abstract

본 발명은 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로의 전하운송효율을 높인 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극에 인접한 에피층 내부의 일정영역에 제 1 에너지를 이용하여 제 1 n형 이온주입영역을 형성하는 단계; 상기 제 1 에너지보다 고 에너지를 이용하여 상기 제 1 이온주입영역을 감싸는 포토다이오드용 제 2 n형 이온주입영역을 게이트 전극에 인접한 에피층 내부에 형성하는 단계; 및 상기 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서를 형성하고, 상기 스페이서에 일측이 정렬하는 포토다이오드용 p형 이온주입영역을 상기 제 1 에너지보다 저 에너지를 이용하여 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

시모스 이미지센서의 포토다이오드의 제조방법{FABRICATING METHOD FOR PHOTO DIODE IN CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 시모스 이미지센서의 포토다이오드 제조방법에 관한 것으로 특히, 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer transistor:Tx)의 게이트와 인접한 에피층의 표면 부근에 고농도를 갖는 n형 이온주입영역을 추가로 형성하여 전하운송효율의 향상등 특성향상을 이룬 시모스 이미지센서의 포토다이오드 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.
도1은 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 단위화소의 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(103), 트랜스퍼 트랜지스터(101) 및 셀렉트 트랜지스터(105)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다.
이때 포토다이오드(100)는 공핍되기 시작하여 포토다이오드에 전하축적 (carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역(102)은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하축적된다.
그후, 트랜스퍼 트랜지스터(101)를 오프(OFF)시키고 셀렉트 트랜지스터(105)를 온시킨 다음 리셋 트랜지스터(103)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 제 1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼(미도시)에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(101)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드의 전하들을 플로팅 확산영역(102)으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 제 2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1 - V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도2는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 그 단면구조를 도시한 도면으로, 포토다이오드를 p/n/p형 포토다이오드로 구성한 경우를 도시하였다.
도2를 참조하면 단위화소는 p형 기판(10)에 에피택셜 성장된 p형 에피층(11)과 필드산화막(12)을 구비하고 있으며, 에피층(11)의 표면에는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(13)이 형성되어 있다. 또한, 상기 p형 에피층(11) 내부에는 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)이 형성되어 있으며, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)의 상부와 p형 에피층(11) 표면 하부에는 포토다이오드용 p형 이온주입영역(16)이 형성되어 있다.
포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)은 160 내지 180keV 정도의 고에너지 이온주입 공정을 이용하여 형성되며, 포토다이오드용 p형 이온주입영역(16)은 30 내지 40keV의 저 에너지 이온주입공정을 이용하여 형성된다.
그리고 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(13)는 그 측벽에 스페이서(15)를 구비하고 있으며, 상기 게이트(13)의 일측면에는 플로팅확산영역(Floating Diffusion :FD)(17)이 형성된다.
상기한 구조의 단위화소에서, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)과 p영역(포토다이오드용 p형 이온주입영역(16), p형 에피층(11)) 간에 역바이어스가 걸리면, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)과 포토다이오드용 p형 이온주입영역(16)의 이온주입 농도가 적절히 배합되었을 때 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)이 완전공핍(Fully Depletion) 되면서 p형 에피층(11)과 포토다이오드용 p형 이온주입영역(16)으로 공핍영역이 확장되는 바, 도펀트농도가 상대적으로 낮은 p형 에피층(11)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 이와같은 공핍영역은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적, 저장할 수 있어 이를 이용하여 이미지 재현에 사용하게 된다.
이와같은 종래의 시모스 이미지센서에서는, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(13)을 형성한 이후에, 고 에너지를 이용하여 포토다이오드용 n형 이온주입영역(14)을 형성하고, 이후에 게이트 스페이서(15)를 형성한 다음, 포토다이오드용 p형 이온주입영역(16)을 상기 스페이서(15)에 정렬하여 형성하였는데, 이러한 종래의 제조방법에 의할 경우 다음과 같은 문제점이 발생하였다.
먼저, n형 이온주입영역(14) 상부에 형성된 p형 이온주입영역(16)은 후속 열공정 등을 통해 게이트 스페이서(15) 아래로 확산되어 가는데, 이와같은 p형 이온주입영역(16)의 확산은 전위장벽을 형성하여 전하운송을 가로막는 요소로 작용하였다.
이를 도3c에 도시하였으며 도3c를 참조하면, 트랜스퍼 트랜지스터가턴온(turn on)되었을 경우에, 포토다이오드에 축전된 전하가 플로팅확산영역으로 전송되기 위해서는 'B'로 표시된 전위장벽을 넘어야 하는데, 이와같은 전위장벽은 스페이서(15) 하부로 확장된 p형 이온주입영역(16)에 의해서 만들어 진다.
도3a는 깊이에 따른 n형 이온주입영역의 농도변화를 도시한 그래프로서, n형 이온이 최고농도를 갖는 포토다이오드의 내부에 비해, 에피층의 표면에 가까운 영역에서는 n형 이온의 농도가 작음을 알 수 있다.
따라서, 포토다이오드의 내부에 비해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 가까운 에피층 표면의 n형 이온주입영역이 빨리 공핍되기 때문에, 전하운송을 위해 트랜스퍼 트랜지스터를 턴온(turn on)시킬 때, 전위구배가 발달하지 못하게 되어 완전한 전하운송에 방해가 된다.
도3b는 도3a에 도시된 바와같은 농도분포를 갖는 종래의 단위화소에서, 트랜스퍼 트랜지스터가 오프(off)된 경우에 포토다이오드와 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위를 도시한 도면으로, 트랜스퍼 트랜지스터에 가까운 에피층의 표면의 n형 이온주입영역(A)이 포토다이오드 내부보다 빨리 공핍되고 있음을 보여주고 있으며, 이는 곧, 전하운송에 유리한 전위구배가 형성되지 못함을 의미한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전하운송 효율을 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 종래의 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도,
도2는 종래의 시모스 이미지센서의 단위화소에서, 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 그 단면구조를 도시한 단면도,
도3a은 종래의 시모스 이미지센서에서, 포토다이오드의 깊이에 따른 n형 이온주입영역의 농도변화를 도시한 그래프,
도3b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서, 트랜스퍼 트랜지스터가 오프(off)된 경우에 포토다이오드와 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위를 도시한 도면,
도3c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서, 트랜스퍼 트랜지스터가 온(on) 된 경우에 포토다이오드와 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위를 도시한 도면,
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 공정단면도,
도5a는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드의깊이에 따른 n형 이온주입영역의 농도변화를 도시한 그래프,
도5b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터가 오프(off)된 경우에 포토다이오드와 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위를 도시한 도면,
도5c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터가 온(on) 된 경우에 포토다이오드와 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위를 도시한 도면,
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지 센서에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산영역의 레이아웃을 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20 : 기판 21 : p형 에피층
22 : 필드절연막 23 : 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트
24 : 제 1 마스크 25 : 제 1 n형 이온주입영역
26 : 제 2 마스크 27 : 제 2 n형 이온주입영역
28 : 스페이서 29 : p형 이온주입영역
30 : 플로팅확산영역
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극에 인접한 에피층 내부의 일정영역에 제 1 에너지를 이용하여 제 1 n형 이온주입영역을 형성하는 단계; 상기 제 1 에너지보다 고 에너지를 이용하여 상기 제 1 이온주입영역을 감싸는 포토다이오드용 제 2 n형 이온주입영역을 게이트 전극에 인접한 에피층 내부에 형성하는 단계; 및 상기 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서를 형성하고, 상기 스페이서에 일측이 정렬하는 포토다이오드용 p형 이온주입영역을 상기 제 1 에너지보다 저 에너지를 이용하여 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 포토다이오드의 n형 이온주입영역 형성시, 종래와 달리 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트와 인접한 영역에 저에너지를 이용한 n형 이온주입공정을 추가로 실시하여 포토다이오드 내부의 n형 이온의 농도와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트와 인접한 영역의 n형 이온의 농도를 거의 같게 만들어 줌으로써 장벽전위의 형성을 방지하고 전하운송에 유리한 전위구배를 형성하여 전하운송효율을 향상시켰다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 공정단면도로서 이를 참조하여 설명한다.
먼저, 도4a에 도시된 바와같이 고농도의 p형 기판(20)상에 저농도의 p형 에피층(21)을 형성한다. 다음으로 p형 에피층(21) 상의 일정영역에 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드절연막(22)을 형성하고 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(23)을 패터닝한다.
이어서 게이트 전극(23)과 인접한 일정영역을 오픈시키는 제 1 마스크(24)를 형성하고, 상기 제 1 마스크(24)를 이온주입마스크로 하고 80 내지 120keV 정도인 비교적 저 에너지 이온주입공정을 진행하여 제 1 n형 이온주입영역(25)을 p형 에피층의 내부에 형성한다.
이때, 제 1 마스크(24)가 노출하는 부분은 게이트 전극에 인접한 일정영역이며, 게이트 전극(23)의 끝부분인 엔드캡(end cap)부분은 노출시키지 않도록 제 1 마스크(24)를 제작한다.
이는 암전류(dark current)를 유발할 수 있는 엔드캡 부분에는 제 1 n형 이온주입영역(25)을 형성하지 않음으로서, 암전류를 감소시키기 위한 것이며 이에 대해서는 레이아웃(layout) 도면을 참조하여 후술한다.
본 발명의 일실시예에 따른 제 1 n형 이온주입영역(25)은 p형 이온주입영역의 확산으로 인한 전위장벽을 제거하고, 또한 전하운송에 유리한 전위구배를 형성하는 역할을 한다.
이와같이 제 1 n형 이온주입영역(25)을 형성한 이후의 공정은 종래기술과 동일하다.
즉, 도4b에 도시된 바와같이, 통상의 n형 이온주입영역(27)을 형성하기 위한 제 2 마스크(26)를 형성하고, 160 내지 180keV 정도의 고에너지를 이용한 이온주입공정을 진해하여 제 2 n형 이온주입영역(27)을 에피층 내부에 형성한다. 여기서, 제 2 마스크(26)는 종래기술에서 사용된 이온주입마스크와 동일한 마스크를 사용한다.
다음으로 도4c에 도시된 바와같이, 게이트전극(23)의 양 측벽에 스페이서(28)를 형성한 후, 포토다이오드용 p형 이온주입영역(29)을 에피층(21)의 표면과 제 2 n형 이온주입영역(27) 사이에 형성한다. 다음으로 게이트 전극의 타 측면에 플로팅확산영역(30)을 형성한다.
도5a는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드에서, n형 이온주입영역(25, 27)의 깊이에 따른 농도분포를 도시한 그래프로서, 특히 게이트 전극에 인접한 영역을 도시한 그래프이다.
도5a를 참조하면, 본 발명에서는 저 에너지를 이용하여 형성된 제 1 n형 이온주입영역(25)의 존재때문에, 포토다이오드 내부의 n형 이온의 농도와, 게이트 전극에 인접한 에피층 표면에서의 n형 이온의 농도가 비슷함을 알 수 있다.
도5b는 트랜스퍼 트랜지스터가 턴 오프된 경우에 포토다이오드 영역과 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위분포를 도시한 도면으로, 트랜스퍼 트랜지스터에 가까운 에피층의 표면의 n형 이온주입영역(C)이 포토다이오드 내부와 거의 동시에 공핍되고 있음을 보여주고 있다.
도5c는 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온된 경우에, 포토다이오드 영역과 채널영역 및 플로팅확산영역의 전위분포를 도시한 도면으로, 종래기술에 따른 전위장벽은 존재하지 않고 있으며 또한, 전하운송에 유리한 전위구배(D)가 생성되었음을 도시하고 있다.
본 발명의 일실시예에서는 얕은 깊이를 갖는 제 1 n형 이온주입영역이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극에 인접하여 형성되어 있으므로, p형 이온주입영역의 확산을 방지할 수 있어 이로인한 전위장벽을 제거할 수 있는 장점이 있으며, 또한 도5c에 도시된 바와같이 전하운송에 유리한 전위구배를 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 주위의 전계를 포토다이오드 영역의 다른 부분보다 높게 가져갈 수 있어, 포토다이오드에서 모아진 광전자들이 플로팅확산영역으로 전송될 때, 광전자들이 집중되어 플로팅확산영역으로 빠르게 전송되는 장점이 있다.
다음으로 도6에 도시된 레이아웃 도면을 참조하여 엔드캡(end cap) 부분에 대해 설명한다.
도6에는 정방형의 포토다이오드와 플로팅확산영역이 정의되어 있는 활성영역이 도시되어 있으며, 트랜스퍼 트랜지스터의 폴리실리콘 게이트전극 및 본 발명에 따른 저 에너지 제 1 n형 이온주입영역(25)이 도시되어 있다.
본 발명에서는 얕은 깊이의 제 1 n형 이온주입영역(25)을 게이트 전극과 인접한 영역에 형성하되, 게이트 전극의 엔드캡(E) 부분에는 제 1 n형 이온주입영역(25)을 형성하지 않는데, 이는 암전류를 감소시키기 위함이다.
도6에 도시된 엔드캡(E)부분은 제 1 n형 이온주입영역(25)을 형성하기 위한 저 에너지 이온주입공정으로 인해 암전류 소스화될 우려가 많은 영역으로, 제 1 마스크를 제작할 때에 엔드캡 부분은 노출시키지 않도록 제 1 마스크를 제작한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하게 되면 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로의 전하운송효율을 높일 수 있어 특성이 향상된 시모스 이미지센서를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 포토다이오드를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극에 인접한 에피층 내부의 일정영역에 제 1 에너지를 이용하여 제 1 n형 이온주입영역을 형성하는 단계;
    상기 제 1 에너지보다 고 에너지를 이용하여 상기 제 1 이온주입영역을 감싸는 포토다이오드용 제 2 n형 이온주입영역을 게이트 전극에 인접한 에피층 내부에 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서를 형성하고, 상기 스페이서에 일측이 정렬하는 포토다이오드용 p형 이온주입영역을 상기 제 1 에너지보다 저 에너지를 이용하여 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어 지는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 n형 이온주입영역을 형성하는 단계는,
    80 내지 120 keV 의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 n형 이온주입영역과 상기 제 2 n형 이온주입영역은 실질적으로 동일한 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 n형 이온주입영역은,
    게이트 전극에 인접하여 형성되되, 게이트 전극의 끝단에 대응하는 영역에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060058573A (ko) * 2004-11-25 2006-05-30 한국전자통신연구원 시모스 이미지센서
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