KR20050011947A - 시모스 이미지센서의 플로팅 확산영역 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중 이온주입공정을 이용하여 플로팅 확산영역을 형성함으로써 게이트 중첩 마진을 확보함과 동시에 정션 캐패시턴스를 감소시켜 소자의 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극의 일측에 제 1 도즈와 제 1 이온주입 에너지를 이용하여 제 1 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 도즈보다 상대적으로 많은 제 2 도즈와 상기 제 1 이온주입 에너지 보다 상대적으로 적은 제 2 이온주입 에너지를 이용하여, 상기 제 1 플로팅 확산영역 상에 제 2 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 이중으로 이온주입을 수행하여 플로팅 확산영역을 형성함으로써 소자의 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서의 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, 시모스(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 이용하므로 전력 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(11)와, 게이트로 Tx 신호를 입력받아 포토다이오드(11)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(13)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(12)와, 게이트로 Rx 신호를 입력받아 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(13)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(14)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(15), 및 게이트로 Sx 신호를 입력받아 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(16)로 구성된다. 셀렉트 트랜지스터의 일측 단으로는 출력단(out)이 형성되어 있다.
이러한 단위 화소로부터 출력을 얻어내는 동작원리를 살펴보면 다음과 같다.
가. Tx, Rx, Sx를 턴-오프시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 완전한 공핍(Fully depletion) 상태이다.
나. 광전하(Photogenerated Charge)를 저전압 포토다이오드(PD)에 모은다.
다. 적정 인터그레이션(Integration) 시간 후에 Rx를 턴-온시켜 플로팅확산영역(FD)를 1차 리셋(Reset) 시킨다.
라. Sx를 턴-온시켜 단위화소를 온시킨다.
마. 소스 팔로워 버퍼(Source Follower Buffer)인 Dx의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 플로팅 확산영역(FD)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.
바. Tx를 턴-온 시킨다.
사. 모든 광전하는 플로팅확산영역(FD)로 운송된다.
아. Tx를 턴-오프 시킨다.
자. Dx의 출력전압(V2)을 측정한다.
차. 출력신호(V1-V2)는 V1과 V2 사이의 차이에서 얻어진 광전하 운송의 결과이며, 이느 노이즈(Noise)가 배제된 순수 시그날 값이 된다. 이러한 방법을 통해 출력을 얻는 방법을 상관이중샘플링 기법이라 하며, 잡음 성분을 배제한 순수한 이미지 정보만을 얻을 수 있기 때문에 시모스 이미지센서에서 통상적으로 많이 사용되고 있다.
도2는 이와같은 단위화소에서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 단면구조를 도시한 단면도로서, 포토다이오드를 p/n/p형 포토다이오드로 구성한 경우의 구조를 도시하고 있다.
도2를 참조하면 고농도의 p 기판(21) 상에 p형 에피층(22)이 에피택셜 성장되어 있고, p형 에피층(22)의 일정영역에는 필드영역과 활성영역을 정의하는 필드절연막(23)이 형성되어 있다.
그리고, p형 에피층(22) 내부에는 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)이 형성되어 있으며, 상기 n형 이온주입영역(25) 상부와 p형 에피층(22) 표면 하부에는, 포토다이오드용 p형 이온주입영역(27)이 형성되어, p/n/p 포토다이오드를 구성하고 있다.
또한, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(24)는 스페이서(26)를 구비하고 있으며, 상기 게이트의 일측면에는 n+ 이온주입영역으로 이루어진 플로팅 확산영역(Floating Diffusion : FD)(28)이 형성되어 있다.
상기한 구조의 시모스 이미지센서에서, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)과 p형 영역(포토다이오드용 p형 이온주입영역 및 p형 에피층) 간에 역바이어스가 걸리면, n형 이온주입영역(25)과 p형 영역의 불순물 농도가 적절히 배합되었을 때, n형 이온주입영역(25)이 완전공핍(Fully Depletion) 되면서, n형 이온주입영역(25) 하부에 존재하는 p형 에피층(21)과 n형 이온주입영역(25) 상부에 존재하는 p형 이온주입영역(27)으로 공핍영역이 확장되는 바, 이와같은 공핍영역은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적, 저장할 수 있어 이를 이용하여 이미지 재현에 사용할 수 있다.
이와같은 구조를 갖는 시모스 이미지센서의 제조방법을 간략히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 고농도의 p형 기판(21) 상에 p형 에피층(22)을 형성시킨 후, p형에피층(22)의 일정영역에 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드절연막(23)을 형성한다.
다음으로 트랜지스터의 게이트 전극(24)을 패터닝한 후, 적절한 이온주입 마스크를 이용하여 트랜지스터의 게이트 전극(24)의 일 측면에 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)과 포토다이오드용 p형 이온주입영역(27)을 연속적으로 형성한다.
또는, 트랜지스터의 게이트 전극(24)을 패터닝한 후, 적절한 이온주입 마스크를 이용하여 트랜지스터의 게이트 전극(24)의 일 측면에 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)을 형성한 후, 게이트 전극의 양 측면에 스페이서(26)를 형성하고, 상기 스페이서(26)에 정렬되는 포토다이오드용 p형 이온주입영역(27)을 형성할 수도 있다.
여기서, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)은 고 에너지를 이용하여 형성되는데, 이는 포토다이오드용 n형 이온주입영역(25)를 에피층(22) 깊숙히 형성하여 포토다이오드의 용량을 증가시키기 위해서이다. 이와같이 포토다이오드가 깊게 형성될수록 포토다이오드에서 생성되는 광전하의 양이 증가하기 때문에, 이미지센서의 세추레이션(saturation) 특성이 좋아진다.
이와같이 포토다이오드를 형성한 이후에, 플로팅 확산영역(28)을 형성하기 위한 이온주입 공정이 진행되는데, 플로팅 확산영역(28)은 As를 도판트로 이용하며, 30 ∼ 50 Kev의 이온주입 에너지와 2 ×E15 ∼ 5 ×E15 atom/㎤ 의 도즈를 사용하는 한번의 이온주입 공정을 통해 형성된다.
하지만, 도판트로 사용된 As는 추후 열 공정 여부에 따라, 게이트 전극과 중첩(overlap)되지 않는 경우도 있기 때문에, 트랜스퍼 트랜지스터의 동작특성을 최적화할 수 없었다.
또한, 전술한 방법으로 형성된 플로팅 확산영역의 정션 캐패시턴스(junction capacitance)의 크기 역시 작지 않기 때문에, 변환마진(conversion gain)을 최적화할 수 없었다.
여기서, 변환마진에 대해 설명하면 다음과 같다. 시모스 이미지센서는 포토다이오드에서 발생한 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하고, 이로 인한 플로팅 확산영역의 전하변위를 이용하여 이미지를 재현한다.
이때, 플로팅확산영역의 캐패시턴스가 작으면 작을 수록, 포토다이오드로부터 전달받은 광전하에 의해 변화하는 플로팅 확산영역의 전위변화량이 증가한다. 즉, 빛에 의해 생성된 광전하가 전기적인 신호로 변화하는 비율이 증가하는 것이다. 이를 변환마진(conversion margin)이라고도 하며, 변화마진은 시모스 이미지센서의 특성을 결정짓는 중요한 성능요소 중의 하나이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두번의 이온주입공정을 통해 플로팅확산영역을 형성함으로써 게이트 오버랩 특성과 변환마진을 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함으로 목적으로 한다.
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 회로도
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소에서 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 단면구조를 도시한 단면도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서, 트랜스퍼 트랜지스터와 플로팅확산영역의 단면을 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
30 : 기판
31 : 필드절연막
32 : 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트
33 : 포토다이오드용 p형 이온주입영역
34 : 포토다이오드용 n형 이온주입영역
35 : 스페이서
36 : 제 1 플로팅 확산영역
37 : 제 2 플로팅 확산영역
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극의 일측에 제 1 도즈와 제 1 이온주입 에너지를 이용하여 제 1 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 도즈보다 상대적으로 많은 제 2 도즈와 상기 제 1 이온주입 에너지 보다 상대적으로 적은 제 2 이온주입 에너지를 이용하여, 상기 제 1 플로팅 확산영역 상에 제 2 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 플로팅 확산영역을 형성하기 위한 이온주입 공정시, 이온주입 에너지와 이온주입량을 달리하여 두번의 이온주입공정을 진행함으로써 게이트 오버랩 마진(gate overlap margin)을 확보함과 동시에 정션 캐패시턴스(junction capacitance)를 감소시켰다.
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.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 플로팅 확산영역까지 형성된 모습을, 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
먼저, 반도체 기판(30) 상에 활성영역과 필드영역을 정의 하는필드절연막(31)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(30)은 고농도의 실리콘 기판에 상대적으로 저농도인 에피택셜 성장층을 구비한 반도체 기판이 사용될 수도 있다.
또한, 필드절연막으로는 통상적인 열산화법을 이용한 LOCOS(local oxidation of silicon) 소자분리막 이외에도 얕은 트렌치를 이용한 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)이 사용될 수도 있다.
다음으로 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(32)를 포함하는 복수개의 게이트 전극을 패터닝한다. 도3에는 트랜스터 트랜지스터의 게이트(32)만 도시되었으며, 리셋 트랜지스터나 또는 셀렉트 트랜지스터 등의 게이트는 도시되어 있지 않다.
다음으로, 적절한 이온주입 마스크를 이용하여 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 의 일측면에 포토다이오드용 n형 이온주입영역(33)을 형성한다. 포토다이오드용 n형 이온주입영역을 형성하기 위한 이온주입공정은 고 에너지를 이용하여 수행되며, 따라서, 포토다이오드용 n형 이온주입영역(33)은 에피층 내부에 깊숙히 형성된다.
다음으로, 동일한 마스크를 이용하여 포토다이오드용 n형 이온주입영역(33)과 에피층의 표면 사이에 포토다이오드용 p형 이온주입영역(34)을 형성한다.
다음으로 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서(35)를 형성하고 플로팅 확산영역을 형성하기 위한 이온주입 공정을 진행한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이온주입 공정은 2 단계로 진행된다. 즉, 먼저 제 1 이온주입 공정을 이용하여 제 1 플로팅 확산영역(36)을 형성하고, 그 이후에 종래와 동일한 이온주입 조건을 갖는 제 2 이온주입 공정을 이용하여 제 2 플로팅 확산영역(37)을 형성한다.
또한, 제 1 이온주입 공정과 제 2 이온주입 공정에서는 도판트(dopant)로 모두 As 가 사용된다.
먼저, 제 1 이온주입 공정에서는 도판트(dopant)로 As 가 사용되며, 또한 종래기술에서 사용된 이온주입 에너지보다 약 5 ∼ 10 kev 정도 높은 이온주입 에너지를 사용하여 수행된다.
즉, 종래에는 30 ∼ 50 kev의 이온주입 에너지를 사용한 반면에, 상기 제 1 이온주입 공정은 이 보다 5 ∼ 10 kev 정도 높은 이온주입 에너지를 사용하여 수행된다
또한, 제 1 이온주입 공정시 사용되는 도즈(doze)는, 종래에 사용되던 도즈의 10 ∼ 30％ 만을 이용하여 수행된다. 즉, 종래에는 2 ×E15 ∼ 5 ×E15 atom/㎤ 의 도즈를 사용하였으나, 제 1 이온주입 공정은 전술한 종래 도즈의 10 ∼ 30％ 만을 이용하여 수행된다.
따라서, 제 1 이온주입 공정에 의해 형성되는 제 1 플로팅 확산영역(36)은 종래의 플로팅확산 영역보다 더 깊게 형성되며, 후속으로 형성될 제 2 플로팅 확산영역을 감싸게 된다.
다음으로 동일한 이온주입 마스크를 이용하여 제 2 이온주입 공정이 진행되어 제 2 플로팅 확산영역(37)을 형성한다. 제 2 이온주입 공정의 공정조건은 종래의 이온주입 조건과 동일하다.
즉, As를 도판트로 이용하며, 30 ∼ 50 Kev의 이온주입 에너지와 2 ×E15 ∼ 5 ×E15 atom/㎤ 의 도즈를 사용하여 진행된다.
이와같이 본 발명의 일실시예에서는 플로팅 확산영역을 형성하기 위한 이온주입 공정을 두번에 걸쳐 수행함으로써, 트랜스터 게이트와 플로팅 확산영역간의 중첩마진(overlap margin)을 충분히 확보할 수 있으며, 정션(junction)의 농도가 낮아짐으로써 정션 캐패시턴스(junction capacitance)를 낮출 수 있었다.
본 발명의 일실시예에서 도판트로 사용된 As의 경우, 후속 열공정에 의해 확산되는 정도가 그리 크지 않으므로, 게이트 오버랩 마진만 확보활 뿐, 오버랩 캐패시턴스는 크게 증가시키지 않는다.
그리고, 제 1 이온주입 공정에 의해 형성된 제 1 플로 확산영역(36)은 농도가 낮으며, 이러한 제 1 플로팅 확산영역(36)이 기존의 제 2 플로팅 확산영역(37)을 감싸는 형태로 형성되므로, 전체적인 정션 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.
이와같이 전술한 본 발명에서는 플로팅 확산영역을 형성하기 위한 이온주입 공정을 2 단계로 진행함으로써 전하 전달효율 및 변환마진을 향상시킬 수 있었다.
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 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 이미지센서에 적용하게 되면, 트랜스퍼 게이트와의 오버랩 마진을향상시킬 수 있어 전하전달 효율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 플로팅 확산영역의 정션 캐패시턴스를 감소시켜 변환마진을 증가시킬 수 있어 소자의 특성이 향상되는 효과가 있다.
Claims (4)
- 기판 상에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극의 일측에 제 1 도즈와 제 1 이온주입 에너지를 이용하여 제 1 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및상기 제 1 도즈보다 상대적으로 많은 제 2 도즈와 상기 제 1 이온주입 에너지 보다 상대적으로 적은 제 2 이온주입 에너지를 이용하여, 상기 제 1 플로팅 확산영역 상에 제 2 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 플로팅 확산영역을 형성하는 단계와 상기 제 2 플로팅 확산영역을 형성하는 단계는,As를 도판트로 이용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 2 플로팅 확산영역을 형성하는 단계에서,상기 제 2 이온주입 에너지는 30 ∼ 50 Kev의 범위 내이며,상기 제 2 도즈는 2 ×E15 ∼ 5 ×E15 atom/㎤ 의 범위내 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 플로팅 확산영역을 형성하는 단계는,상기 제 1 이온주입 에너지는 상기 제 2 이온주입 에너지보다 5 ∼ 10 kev 정도 크며, 상기 제 1 도즈는 상기 제 2 도즈의 10 ∼ 30％ 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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| KR20050011947A true KR20050011947A (ko) | 2005-01-31 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020030051023A KR20050011947A (ko) | 2003-07-24 | 2003-07-24 | 시모스 이미지센서의 플로팅 확산영역 제조방법 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100752182B1 (ko) * | 2005-10-12 | 2007-08-24 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| US9825075B2 (en) | 2016-03-22 | 2017-11-21 | SK Hynix Inc. | Image sensor and method for fabricating the same |
| US10128288B2 (en) | 2015-08-07 | 2018-11-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and image processing devices including the same |
| KR20190064097A (ko) * | 2017-11-30 | 2019-06-10 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
-
2003
- 2003-07-24 KR KR1020030051023A patent/KR20050011947A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100752182B1 (ko) * | 2005-10-12 | 2007-08-24 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| US10128288B2 (en) | 2015-08-07 | 2018-11-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and image processing devices including the same |
| US9825075B2 (en) | 2016-03-22 | 2017-11-21 | SK Hynix Inc. | Image sensor and method for fabricating the same |
| KR20190064097A (ko) * | 2017-11-30 | 2019-06-10 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| US11417691B2 (en) | 2017-11-30 | 2022-08-16 | SK Hynix Inc. | Image sensor including dummy patterns positioned between adjacent transfer gates |
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