KR20050097157A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전송트랜지스터의 전하전송 효율을 향상시킴과 동시에 구동 및 선택 트랜지스터의 포화 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 포토다이오드 영역, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의되고 필드 산화막에 의해 액티브 영역이 정의된 P형 반도체 기판; 필드 산화막 주변에만 형성되고 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층; 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판 표면에 비교적 얕은 깊이로 형성된 미니 P웰을 포함하는 이미지센서에 의해 달성될 수 있다.
Description
본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 N 채널스톱층을 적용한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법에 관하 것이다.
일반적으로, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 단위화소는 수광소자인 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 포토다이오드(PD)에 집속된 광전하를 플로팅노드(FD)로 운송하는 전송트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 플로팅노드(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하여 리셋시키는 리셋트랜지스터 (Reset tranxistor; Rx), 소오스팔로워버퍼증폭기(source follower buffer amplifier)로서 작용하는 구동트랜지스터(Drive transistor; Dx) 및 스위칭 (switching) 및 어드레싱(addressing) 역할을 하는 선택트랜지스터(Select transistor; Sx)로 이루어진다. 또한, 포토다이오드(PD) 및 플로팅노드(FD)에는 캐패시턴스(Cp, Cf)가 각각 존재하며, 단위화소 외부에는 출력신호를 읽을 수 있도록 로드트랜지스터가 형성되어 있다.
도 2는 종래 CMOS 이미지센서의 단면도로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 포토다이오드, 네이티브(native) NMOS 트랜지스터 및 노멀(normal) NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의된 P형 반도체 기판(10)에 필드산화막(14)이 형성되어 액티브 영역이 정의되고, 필드산화막(14) 주변 및 액티브 영역의 기판(10) 표면에는 N 채널스톱층(13a)이 형성된다. 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판(10) 내부에는 미니 P웰(15)이 형성되며, 모든 트랜지스터 영역의 기판(10) 내부에는 블랭킷 이온주입층(16)이 형성된다. 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역의 기판(10) 상부에는 게이트 절연막(17)의 개재 하에 측부에 스페이서(22)가 구비된 전송트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트(18a, 18b)가 각각 형성되고, 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판(10) 상부에는 게이트 절연막(17)의 개재 하에 측부에 스페이서(22)가 구비된 구동트랜지스터(Dx) 및 선택트랜지스터(Sx)의 게이트(18c, 18d)가 각각 형성되며, 각각의 트랜지스터 영역에는 할로우(halo) 영역(24a, 24b), LDD 영역(25) 및 N＋ 불순물영역(26)으로 이루어진 접합영역이 형성되는데, 전송트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트(18a, 18b) 사이에 형성된 N＋ 불순물영역(26)은 플로팅노드(FD)로서 작용한다. 또한, 포토다이오드 영역의 기판(10) 내부에는 공핍(depletion)층(19), 딥 N- 불순물영역(20) 및 P0 불순물영역 (21)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 형성된다.
여기서, N 채널스톱층(13a)은 이미지센서의 다크(dark) 특성과 네이티브 NMOS 트랜지스터의 전기적 특성을 개선하기 위하여 형성하는데, 통상적으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 트렌치 형성 후 화소영역만을 오픈시키는 N 채널스톱 마스크를 이용하여 보론(Boron; B) 또는 BF2 등의 N 채널스톱이온을 기판(10)에 수직으로 이온주입(13)하여 형성한다. 이때, 이온주입 에너지는 네이티브 트랜지스터의 펀치쓰루(punch-through) 특성을 고려하여 N 채널스톱이온이 질화막(12)을 투과할 정도로 설정한다. 또한, 블랭킷 이온주입층(16)도 트랜지스터들의 펀치쓰루 특성 저하를 방지하기 위해 통상적으로 B 이온을 이용하여 형성한다.
그러나, 이러한 방법에 의해 N 채널 스톱층(13a)을 형성하게 되면, 도 2와 같이 N 채널스톱층(13a)이 전송트랜지스터(Tx)의 게이트(18a) 하부에도 존재하게 되면서 할로우 영역(24a, 24b)과 함께 포토다이오드로부터 플로팅노드로의 전하운송을 방해하는 요인으로 작용하여 전하운송 효율을 저하시키게 된다.
또한, 블랭킷 이온주입층(16)이 포토다이오드(PD)의 딥 N- 불순물영역(20) 내부에 형성되어 상호 이온상쇄를 유발하여 포화(saturation) 및 광감도 (sensitivity) 특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 미니 P웰(15)이 노멀 NMOS 트랜지스터인 구동 및 선택 트랜지스터(Dx, Sx)의 기판 내부에 깊게 형성되어 공핍영역(Depletion region)을 축소시킴으로서 포화 특성을 더욱더 저하시키게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전송트랜지스터의 전하전송 효율을 향상시킴과 동시에 구동 및 선택 트랜지스터의 포화 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 포토다이오드 영역, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의되고 필드 산화막에 의해 액티브 영역이 정의된 P형 반도체 기판; 필드 산화막 주변에만 형성되고 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층; 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판 표면에 비교적 얕은 깊이로 형성된 미니 P웰을 포함하는 이미지센서에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기의 본 발명의 목적은 포토다이오드 영역, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의된 P형 반도체 기판 상에 기판의 일부를 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 노출된 기판을 식각하여 소정 깊이의 트렌치를 형성하는 단계; 마스크 패턴을 투과하지 못할 정도의 비교적 낮은 에너지와 소정의 경사각으로 N 채널스톱이온을 이온주입하여 트렌치 주변에만 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층을 형성하는 단계; 트렌치에만 산화막을 매립하여 필드산화막을 형성하는 단계; 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판 표면에 비교적 얕은 깊이로 미니 P웰을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, N 채널스톱층을 형성하는 단계에서, 이온주입은 B 이온을 이용하여 10 내지 30 KeV의 에너지와 1E12 ×4 내지 5E13 ×4 ions/㎠의 농도 및 15 내지 50 도 정도의 경사각으로 수행한다.
또한, 미니 P웰은 B 이온을 이용하여 10 내지 50KeV의 에너지와 1E11 내지 5E13 ions/㎠ 의 농도로 이온주입을 수행하여 형성한다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 포토다이오드, 네이티브 NMOS 트랜지스터 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의된 P형 반도체 기판(40) 상에 50 내지 200Å 두께의 패드 산화막(41)과 1000 내지 2000Å 두께의 질화막(42)을 순차적으로 증착한다. 그 다음, 기판(40)의 일부가 노출되도록 질화막(42)과 패드 산화막(41)을 패터닝한 다음, 노출된 기판(40)을 3000 내지 6000Å 정도 식각하여 트렌치를 형성한다.
그 후, 화소영역만을 오픈시키는 N 채널스톱 마스크를 이용하여 질화막(42)을 투과하지 못할 정도의 비교적 낮은 에너지와 소정의 경사(tilt)각으로 N 채널스톱이온을 이온주입(43)하여 트렌치 주변에만 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층(43a)을 형성한다. 바람직하게, 이온주입(43)은 B 이온을 이용하여 10 내지 30 KeV의 에너지와 1E12 ×4 내지 5E13 ×4 ions/㎠의 농도 및 15 내지 50 도 정도의 경사각으로 수행한다.
그 다음, 트렌치를 매립하도록 기판 전면 상에 4000 내지 7000Å 두께로 산화막을 증착하고, 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정에 의해 표면을 평탄화한 후, 질화막(42)과 패드 산화막(41)을 제거하여 STI(Shallow Trench Isolation) 구조의 필드산화막(44)을 형성하여 액티브 영역을 정의한다.
그 후, 화소영역의 노멀 NMOS 트랜지스터 영역을 오픈시키는 마스크를 이용하여 비교적 낮은 에너지로 이온주입을 수행하여 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판(40) 표면에 비교적 얕은 깊이로 미니 P웰(45)을 형성한다. 바람직하게, 이온주입은 B 이온을 이용하여 10 내지 50KeV의 에너지와 1E11 내지 5E13 ions/㎠ 의 농도로 수행한다.
그 다음, 블랭킷 이온주입공정을 생략하고, 각각의 트랜지스터 영역의 기판(40) 상부에 게이트 절연막(46)의 개재하에 측부에 스페이서(51)가 구비된 게이트(47a, 47b, 47c, 47d)를 각각 형성하는데, 도시된 바와 같이, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역에는 전송트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트(47a, 47b)를 형성하고, 노멀 NMOS 트랜지스터 영역에는 구동트랜지스터(Dx) 및 선택트랜지스터(Sx)의 게이트(47c, 47d)를 각각 형성한다.
그 후, 포토다이오드 영역의 기판(40) 내부에 공핍층(48), 딥 N- 불순물영역(49) 및 P0 불순물영역(50)으로 이루어진 포토다이오드(PD)를 형성하고, 화소영역의 각각의 트랜지스터 영역에 할로우 영역(52a, 52b), LDD 영역(53) 및 N＋ 불순물영역(54)으로 이루어진 접합영역을 형성한다. 여기서, 전송트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트(47a, 47b) 사이에 형성된 N＋ 불순물영역은 플로팅노드(FD)로서 작용한다.
상기 실시예에 의하면, N 채널스톱층을 비교적 넓은 폭으로 필드산화막(44) 주변에만 형성함으로써 전송트랜지스터의 전하운송 효율 저하를 방지할 수 있으므로 저조도 이미지의 데드존(deadzone) 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 낮은 문턱전압의 트랜지스터 구현이 가능해진다.
또한, N 채널스톱층에 의해 포토다이오드와 트랜지스터들 사이의 절연특성이 강화되므로 다크 조건 불량을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 트랜지스터의 누설전류를 감소시킬 수 있다.
또한, 블랭킷 이온주입을 생략하고 미니 P웰의 영역을 축소시켜 형성함으로써 구동 및 선택트랜지스터의 공핍영역을 확장시킬 수 있어 포화 및 광감도(sensitivity)를 증가시킬 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.
전술한 본 발명은 전송트랜지스터의 전하전송 효율을 향상시킴과 동시에 구동 및 선택 트랜지스터의 포화 특성을 향상시킬 수 있으므로, 이미지센서의 저조도 및 광감도 등의 광특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도.
도 2는 종래 CMOS 이미지센서의 단면도.
도 3은 종래 CMOS 이미지센서의 N 채널스톱층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 N 채널스톱층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
40 : P형 반도체 기판 41 : 패드 산화막
42 : 패드 질화막 43 : 이온주입
43a : N 채널스톱층 44 : 필드산화막
45 : 미니 P웰 46 : 게이트 절연막
47a, 47b, 47c, 47d : 게이트
48 : 공핍층 49 : 딥 N- 불순물영역
50 : P0 불순물영역 51 : 스페이서
52a, 52b : 할로우 영역 53 : LDD 영역
54 : N＋ 불순물영역 Tx : 전송트랜지스터
Rx : 리셋트랜지스터 Dx : 구동트랜지스터
Sx : 선택트랜지스터 PD : 포토다이오드
Claims (4)
- 포토다이오드 영역, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의되고 필드 산화막에 의해 액티브 영역이 정의된 P형 반도체 기판;상기 필드 산화막 주변에만 형성되고 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층; 및상기 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판 표면에 비교적 얕은 깊이로 형성된 미니 P웰을 포함하는 이미지센서.
- 포토다이오드 영역, 네이티브 NMOS 트랜지스터 영역 및 노멀 NMOS 트랜지스터 영역으로 이루어진 화소영역이 정의된 P형 반도체 기판 상에 기판의 일부를 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;상기 노출된 기판을 식각하여 소정 깊이의 트렌치를 형성하는 단계;상기 마스크 패턴을 투과하지 못할 정도의 비교적 낮은 에너지와 소정의 경사각으로 N 채널스톱이온을 이온주입하여 상기 트렌치 주변에만 수평방향으로 비교적 넓은 폭을 가지는 N 채널스톱층을 형성하는 단계;상기 트렌치에만 산화막을 매립하여 필드산화막을 형성하는 단계;상기 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및상기 노멀 NMOS 트랜지스터 영역의 기판 표면에 비교적 얕은 깊이로 미니 P웰을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 N 채널스톱층을 형성하는 단계에서,상기 이온주입은 B 이온을 이용하여 10 내지 30 KeV의 에너지와 1E12 ×4 내지 5E13 ×4 ions/㎠의 농도 및 15 내지 50 도 정도의 경사각으로 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 미니 P웰은 B 이온을 이용하여 10 내지 50KeV의 에너지와 1E11 내지 5E13 ions/㎠ 의 농도로 이온주입을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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