KR20070049412A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 블랙 시그날 특성을 개선시키도록 포토 다이오드로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단함과 동시에 기판의 에피층으로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 제1 도전형의 기판과, 상기 기판 상에 형성된 상기 제1 도전형의 에피층과, 상기 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, 포토 다이오드, 플로팅 확산영역, 확산영역, 전자유입.
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.
도 2는 리셋 트랜지스터의 오프(OFF) 동작과 트랜스퍼 트랜지스터의 온(ON) 동작 간의 시간 차인 △t 에 따른 플로팅 확산영역의 전압 변화를 나타낸 실험 결과도.
도 3은 통상적인 리셋 트랜지스터의 동작에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터의 동작을 나타낸 모식도.
도 4는 트랜지스터 영역과 포토 다이오드 및 플로팅 확산영역이 형성되는 영역별 위치 에너지를 도시한 모식도.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예2에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예3에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
13 : 트랜스퍼 트랜지스터
14 : 리셋 트랜지스터
15 : 드라이브 트랜지스터
16 : 셀렉트 트랜지스터
20, 120, 220 : 기판
21, 121, 221 : 에피층
22, 122, 222 ; 게이트 절연막
23, 123, 223 : 게이트 전도막
25a, 125a, 225a : 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극
25b, 125b, 225b : 리셋 트랜지스터용 게이트 전극
25c, 125c, 225c : 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극
26, 126, 226 : 스페이서
11, 27, 127, 227 : 포토 다이오드
28, 128, 228 : 채널스탑층
29, 129, 229 : 플로팅 확산영역
30, 130, 230 : 접합영역
32, 132, 232, 233 : 확산영역
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토 다이오드와 플로팅 확산영역을 포함하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 게이트로 입력되는 4개의 NMOSFET으로 구성된다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(PD, 11)와, 포토 다이오드(11)의 광전하를 제어하기 위 한 제어부로 구성된다. 이때, 제어부는 포토 다이오드(11)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산노드(Floating Diffusion, 12)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(13), 플로팅 확산노드(12)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(14), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(15) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(16)로 구성된다. 여기서, 트랜스퍼 트랜지스터(13) 및 리셋 트랜지스터(14)는 문턱전압(Threshold voltage)이 낮은 네이티브(Native) NMOSFET을 이용하고, 드라이브 트랜지스터(15) 및 셀렉트 트랜지스터(16)는 일반적인(Normal) NMOSFET을 이용한다. 미도시된 나머지 트랜지스터는 바이어스 전압을 인가받는 로드(Load) 트랜지스터이다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 단위화소는 네이티브 NMOSFET을 사용하여 포토다이오드(11)에서 가시광선 파장대역의 광을 감지한 후, 감지된 광전하를 플로팅 확산노드(12)로, 즉 드라이브 트랜지스터(15)의 게이트로 전달할 양을 출력단(Vout)에서 전기적 신호로 출력한다.
특히, 0.18㎛급 이하 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에 있어서, 블랙 시그날(Black Signal) 특성 및 BBP(Black Bad Pixel) 특성은 CMOS 이미지 센서의 수율 저하를 결정짓는 중요한 요소가 된다. 여기서, 블랙 시그날이란 빛이 전혀 없는 상태에서 인테그레이션 타임(Integration Time)을 매우 짧게 조정하여 픽셀의 출력전압(output-voltage)을 읽어내는 것을 말한다. 이는, CMOS 이미지 센서 제품의 초기 누설전류(Leakage current)와 동일한 의미로 볼 수 있다. 이하에서는, 도 2 및 도 3을 통해 블랙 시그날에 대한 의미를 정확히 살펴보기로 한다. 여기서, 도 2는 리셋 트랜지스터의 오프(OFF) 동작과 트랜스퍼 트랜지스터의 온(ON) 동작 간의 시간 차인 △t 에 따른 플로팅 확산영역(Floating Diffusion area, FD)의 전압 변화를 나타낸 실험 결과도이다.
도 2를 참조하자면, 통상 트랜스퍼 트랜지스터 온(ON) 동작시 플로팅 확산영역(FD)에서 감지하는 전압차는 D1이 되어야 하나, △t 동안의 시간 경과로 인해 전압이 D2만큼 감소하여 결국 플로팅 확산영역(FD)이 감지하는 전압차는 D1-D2가 된다. 따라서, D1-D2만큼 데이터가 왜곡되는데, 이때 D2에 해당하는 출력전압을 블랙 시그날이라 한다.
한편, 도 3에서와 같이, △t 값이 △t'로 증가하게 되면 블랙 시그날 특성이 현저히 열화된다. 즉, 플로팅 확산영역의 리셋 후 홀딩 타임(holding time)이 증가됨을 알 수 있다.
블랙 시그날 특성의 열화는 리셋 트랜지스터의 온/오프 상태에서 시간이 경과됨에 따라 플로팅 확산영역 내에 말끔히 제거되었던 전자들이 여러가지 다양한 경로를 통해 플로팅 확산영역으로 재유입되기 때문에 발생하는 것이다. 이러한 블랙 시그날 특성의 열화 원인으로는 크게 세 가지를 들 수 있다. 이는, 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 4는 트랜지스터 영역과 포토 다이오드 및 플로팅 확산영역이 형성되는 영역별 위치 에너지(Potential energy)를 도시한 모식도이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터 및 이와 이웃하는 리셋 트랜지 스터에 대해서만 언급하기로 한다. 또한, 도 4에서 'PD'는 포토 다이오드 형성영역이고 'T'는 트랜스퍼 트랜지스터 형성영역이고 'FD'는 플로팅 확산영역 형성영역이며, 'R'은 리셋 트랜지스터 형성영역이다.
첫째, 경로 ①과 같이 포토 다이오드로부터 재유입되는 전자가 있다. 이는, 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 장벽(Channel Barrier, 'C' 부위 참조)은 리셋 트랜지스터 대비 포토 다이오드 형성을 위한 딥엔(Deep N) 이온주입이 진행되는 비대칭(Non-symmetric)구조이므로 상대적으로 전자유입에 취약하기 때문에 발생된다. 참고로, 트랜스퍼 트랜지스터가 오프 상태에서도 포토 다이오드는 이미 인테그레이션 타임(Integration time)을 통해 광전자를 생성하고 있다.
둘째, 경로 ②와 같이 기판의 에피층으로부터 재유입되는 전자가 있다. 이는, 에피층, 예컨대 P타입 에피층(P- -epi)의 낮은 농도로 인해 공핍층 폭(Depletion width)이 증가되는데, 이로 인해 누설전류가 유입될 수 있기 때문이다.
셋째, 경로 ③과 같이 리셋 트랜지스터로부터 재유입되는 전자가 있다. 이는, 리셋 트랜지스터의 경우 트랜스퍼 트랜지스터 대비 채널 장벽('C' 부위 참조)이 현저히 높아 발생 가능성이 희박하다. 특히, VDD 단자를 통해서는 잉여전자가 제거되는 방향으므로 그 발생 가능성은 더욱 희박하다.
따라서, 현재에는 경로 ①과 ②를 통한 전자유입을 차단하는 방안이 시급한 실정이다.
한편, 현재에는 블랙 시그날의 스펙(Spec)이 5코드(code)이나, 롯트 투 롯트 (Lot-to-Lot)로 손실율(Fail late)이 높은 롯트가 드물게 관찰된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 블랙 시그날 특성을 개선시키도록 포토 다이오드로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 블랙 시그날 특성을 개선시키도록 기판의 에피층으로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 기판과, 상기 기판 상에 형성된 상기 제1 도전형의 에피층과, 상기 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 측면에 따른 본 발명에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제2 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 기판과, 상기 기판 상에 형성된 상기 제1 도전형의 에피층과, 상기 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극과, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제2 측면에 따른 본 발명에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제3 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 기판 표면 상에 상기 제1 도전형의 에피층을 형성하는 단계와, 상기 에피층 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 제2 도전형의 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제4 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 기판 표면 상에 상기 제1 도전형의 에피층을 형성하는 단계와, 상기 에피층 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 제2 도전형의 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
상기한 본 발명은, 에피층 내에 형성된 플로팅 확산영역을 감싸도록 에피층 내에 별도의 확산영역을 형성함으로써, 에피층으로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기한 본 발명은, 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 폭만큼 이격되어 에피층 내에 형성된 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 포토 다이오 드의 일측으로 노출된 에피층 내에 별도의 확산영역을 형성함으로써, 비대칭 구조를 갖는 포토 다이오드로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
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 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예1
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 여기서는 설명의 편의를 위해 이미지 센서의 단위화소를 이루는 트랜지스터 중 트랜스퍼, 리셋 및 드라이브 트랜지스터만을 도시하였다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 이미지 센서는 제1 도전형, 예컨대 P형 기판(P+_Sub, 20)과, 기판(20) 상에 형성된 제1 도전형, 예컨대 P형 에피층(P-_epi, 21)과, 에피층(21) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(25a, 25b, 25c)과, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a)의 일측과 얼라인(Align) 되도록 에피층(21) 내에 형성된 제2 도전형, 예컨대 N형 포토 다이오드(DN, 27)와, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a)의 타측과 얼라인 되도록 에피층(21) 내에 형성된 N형 플로팅 확산영역(N+, 29) 및 플로팅 확산영역을 감싸도록 에피층(21) 내에 에피층(21)보다 높은 농도로 형성된 제1 도전형, 즉 P형 확산영역(P++, 32)을 포함한다. 예컨대, 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(25a, 25b, 25c)은 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a), 리셋 트랜지스터용 게이트 전극(25b) 및 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(25c)을 포함한다. 이때, 리셋 트랜지스터와 드라이브 트랜지스터의 공통 접합영역(30)에는 전원전압(VDD, 2.5V)이 인가된다.
여기서, 확산영역(32)은 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠ 농도의 보론이온으로 도핑되어 형성된다. 또한, 에피층(21)은 기판(20)보다 저농도의 P형으로 형성되고 포토 다이오드(27)는 플로팅 확산영역(29)보다 저농도의 N형으로 형성된다.
또한, 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(25a, 25b, 25c)은 각각 게이트 절연막(22) 및 게이트 전도막(23)이 적층된 구조로 형성되고, 그 양측벽에는 각각 스페이서(26)가 구비되어져 있다. 그리고, 포토 다이오드(27) 상부 표면에는 P0 채널스탑층(28)이 형성되어 있다.
즉, 본 발명의 실시예1에 따른 이미지 센서는 N형 플로팅 확산영역(29)과 저 농도의 P형 에피층(21) 사이에 에피층(21)보다 고농도의 P형 확산영역(32)을 개재시킴으로써, 에피층(21)으로부터 플로팅 확산영역(29)으로 전자가 재유입되는 것을 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예1에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 제1 도전형, 예컨대 P형 기판(20) 표면 상에 기판(20)보다 낮은 농도의 P형 에피층(21)을 성장시킨 후, 에피층(21) 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(25a, 25b, 25c)을 형성한다. 예컨대, 에피층(21) 상에 게이트 절연막(22) 및 게이트 전도막(23)을 적층시킨 후 이를 패터닝하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a), 리셋 트랜지스터용 게이트 전극(25b) 및 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(25c)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 식각공정을 실시하여 포토 다이오드 영역을 오픈시키는 구조의 마스크 패턴(미도시)을 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(25a, 25b, 25c)을 덮도록 에피층(21) 상에 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a)의 일측에 얼라인되도록 에피층(21) 내에 제2 도전형, 예컨대 N형의 포토 다이오드(27, Deep N)를 형성한 후, 스트립(strip) 공정을 실시하여 마스크 패턴을 제거한다.
이어서, 게이트 전극(25a, 25b, 25c)의 양측벽에 각각 스페이서(26)를 형성한다. 그런 다음, 스페이서(26)를 마스크로 이용한 이온주입공정을 실시하여 포토 다이오드(27)의 표면 상부에 P0 채널스탑층(28)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 식각공정을 실시하여 플로팅 확산영역이 형성될 영역을 오픈시키는 구조의 마스크 패턴(미도시)을 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 이온주입 마스크로 이용한 이온주입공정을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(25a)의 타측에 얼라인되도록 에피층(21) 내에 제2 도전형, 예컨대 N형의 플로팅 확산영역(29)을 형성한다. 바람직하게는, 플로팅 확산영역(29)은 포토 다이오드(27)보다 고농도의 N형으로 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 제거한다.
이어서, 리셋 트랜지스터 및 드라이브 트랜지스터의 접합영역(30)을 형성한다.
이어서, 플로팅 확산영역(29)을 오픈시키는 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후 이온주입공정을 실시하여, 플로팅 확산영역(29)을 감싸는 확산영역(32)을 에피층(21)보다 높은 농도로 에피층(21) 내에 형성한다. 예컨대, 50~70KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입하여 확산영역(32)을 형성한다.
즉, 플로팅 확산영역(29) 주위에 에피층(21)보다 고농도로 에피층(21)과 동일한 도전형의 확산영역(32)을 형성함으로써, 저농도의 P형 에피층(21, P-_epi)으로부터 N형 플로팅 확산영역(29)으로 전자가 재유입되는 경로를 차단한다. 따라서, 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
실시예2
도 6은 본 발명의 실시예2에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 여기서는 설명의 편의를 위해 이미지 센서의 단위화소를 이루는 트랜지스터 중 트랜스퍼, 리셋 및 드라이브 트랜지스터만을 도시하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예2에 따른 이미지 센서는 제1 도전형, 예컨대 P형 기판(P+_Sub, 120)과, 기판(120) 상에 형성된 제1 도전형, 예컨대 P형 에피층(P-_epi, 121)과, 에피층(121) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)과, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(125a)의 일측과 얼라인 되도록 에피층(121) 내에 형성된 제2 도전형, 예컨대 N형 포토 다이오드(DN, 127)와, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(125a)의 타측과 얼라인 되도록 에피층(121) 내에 형성된 N형 플로팅 확산영역(N+, 129) 및 플로팅 확산영역(129)과 일정거리 이격되도록 포토 다이오드(127)의 일측으로 노출된 에피층(121) 내에 에피층(121)보다 높은 농도로 형성된 제1 도전형, 즉 P형 확산영역(P++, 132)을 포함한다. 예컨대, 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)은 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(15a), 리셋 트랜지스터용 게이트 전극(125b) 및 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(125c)을 포함한다. 이때, 리셋 트랜지스터와 드라이브 트랜지스터의 공통 접합영역(130)에는 전원전압(VDD, 2.5V)이 인가된다.
여기서, 확산영역(132)은 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠ 농도의 보론이온으로 도핑 되어 형성된다. 또한, 에피층(121)은 기판(120)보다 저농도의 P형으로 형성되고 포토 다이오드(127)는 플로팅 확산영역(129)보다 저농도의 N형으로 형성된다.
또한, 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)은 각각 게이트 절연막(122) 및 게이트 전도막(123)이 적층된 구조로 형성되고, 그 양측벽에는 각각 스페이서(126)가 구비되어져 있다. 그리고, 포토 다이오드(127) 상부 표면에는 P0 채널스탑층(128)이 형성되어 있다.
즉, 본 발명의 실시예2에 따른 이미지 센서는 N형 포토 다이오드(127)의 일측으로 노출된 저농도의 P형 에피층(121) 내에 에피층(121)보다 고농도의 P형 확산영역(132)을 개재시킴으로써, 실질적으로 비대칭 구조를 갖는(점선표시) 포토 다이오드(127)로부터 플로팅 확산영역(129)으로 전자가 재유입되는 것을 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예2에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 제1 도전형, 예컨대 P형 기판(120) 표면 상에 기판(120)보다 낮은 농도의 P형 에피층(121)을 성장시킨 후, 에피층(121) 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)을 형성한다. 예컨대, 에피층(121) 상에 게이트 절연막(122) 및 게이트 전도막(123)을 적층시킨 후 이를 패터닝하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(125a), 리셋 트랜지스터용 게이트 전극(125b) 및 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(125c)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 식각공정을 실시하여 포토 다이오드 영역을 오픈시키는 구조의 마스크 패턴(미도시)을 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)을 덮도록 에피층(121) 상에 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(125a)의 일측에 얼라인되도록 에피층(121) 내에 제2 도전형, 예컨대 N형의 포토 다이오드(127, DN)를 형성한 후, 스트립(strip) 공정을 실시하여 마스크 패턴을 제거한다.
이어서, 게이트 전극(125a, 125b, 125c)의 양측벽에 각각 스페이서(126)를 형성한다. 그런 다음, 스페이서(126)를 마스크로 이용한 이온주입공정을 실시하여 포토 다이오드(127)의 표면 상부에 P0 채널스탑층(128)을 형성한다.
이어서, 마스크공정 및 식각공정을 실시하여 플로팅 확산영역이 형성될 영역을 오픈시키는 구조의 마스크 패턴(미도시)을 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 이온주입 마스크로 이용한 이온주입공정을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(125a)의 타측에 얼라인되도록 에피층(121) 내에 제2 도전형, 예컨대 N형의 플로팅 확산영역(129)을 형성한다. 바람직하게는, 플로팅 확산영역(129)은 포토 다이오드(127)보다 고농도의 N형으로 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴을 제거한다.
이어서, 리셋 트랜지스터 및 드라이브 트랜지스터의 접합영역(130)을 형성한다.
이어서, N+ 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후 이온주입공정을 실시하여, 플로팅 확산영역(129)과 일정 거리 이격되도록 포토 다이오드(127)의 일측으로 노출 된 에피층(121) 내에 확산영역(132)을 에피층(121)보다 높은 농도로 형성한다. 여기서, N+ 마스크 패턴은 포토 다이오드(127)를 제외한 영역을 모두 오픈시키는 구조의 마스크 패턴을 말한다. 이러한 N+ 마스크 패턴은 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(125a, 125b, 125c)의 형성 전에 문턱전압 이온주입공정을 진행할 때 사용되는 마스크 패턴으로 대신할 수 있다.
예컨대, N+ 마스크 패턴을 이온주입 마스크로 이용하여 90~110KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입함으로써, 확산영역(132)을 형성한다.
즉, 포토 다이오드(127)의 일측으로 노출된 에피층(121) 내에 에피층(121)보다 고농도의 확산영역(132)을 형성함으로써, 실질적으로 점선과 같이 비대칭 구조를 갖는 포토 다이오드(127)로부터 플로팅 확산영역(129)으로 전자가 재유입되는 경로를 차단한다. 따라서, 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
실시예3
본 발명의 실시예3은 상기한 실시예1 및 2를 모두 적용한 것으로서, 실시예1에서의 확산영역(32)과 실시예2에서의 확산영역(132)을 모두 형성하는 것이다. 이를 통해, 저농도의 P형 에피층(221)으로부터 N형 플로팅 확산영역(229)으로 전자가 재유입되는 경로를 차단하는 동시에, 저농도의 N형 포토 다이오드(227)로부터 고농도의 N형 플로팅 확산영역(229)으로 전자가 재유입되는 경로 또한 차단할 수 있다. 따라서, 앞서 언급한 도 4에 도시된 경로 ① 및 ②에 따른 전자유입을 동시에 차단 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예3에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예3에 따른 이미지 센서는 제1 도전형, 예컨대 P형 기판(P+_Sub, 220)과, 기판(220) 상에 형성된 제1 도전형, 예컨대 P형 에피층(P-_epi, 121)과, 에피층(121) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(225a, 225b, 225c)과, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(225a)의 일측과 얼라인(Align) 되도록 에피층(221) 내에 형성된 제2 도전형, 예컨대 N형 포토 다이오드(DN, 227)와, 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(225a)의 타측과 얼라인 되도록 에피층(221) 내에 형성된 N형 플로팅 확산영역(N+, 229)과, 플로팅 확산영역을 감싸도록 에피층(221) 내에 에피층(221)보다 높은 농도로 형성된 제1 도전형, 즉 P형 확산영역(P++, 232; 이하, 제1 확산영역이라 함) 및 플로팅 확산영역(229)과 일정거리 이격되도록 포토 다이오드(227)의 일측으로 노출된 에피층(221) 내에 에피층(221)보다 높은 농도로 형성된 제1 도전형, 즉 P형 확산영역(P++, 233; 이하, 제2 확산영역이라 함)을 포함한다. 예컨대, 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(225a, 225b, 225c)은 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극(225a), 리셋 트랜지스터용 게이트 전극(225b) 및 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(225c)을 포함한다. 이때, 리셋 트랜지스터와 드라이브 트랜지스터의 공통 접합영역(230)에는 전원전압(VDD, 2.5V)이 인가된다.
본 발명의 실시예3에 따른 제1 및 제2 확산영역(232, 233)에 대한 농도 조건은 실시예1 및 2에서와 동일하게 적용되므로 이에 대한 언급은 생략하기로 한다.
이외, 본 발명의 실시예3에 따른 이미지 센서 제조방법은 실시예1 및 2에서와 동일하기 때문에 이에 대한 언급 또한 생략하기로 한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 에피층 내에 형성된 플로팅 확산영역을 감싸도록 에피층 내에 별도의 확산영역을 형성함으로써, 에피층으로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기한 본 발명에 의하면, 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 폭만큼 이격되어 에피층 내에 형성된 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 포토 다이오드의 일측으로 노출된 에피층 내에 별도의 확산영역을 형성함으로써, 비대칭 구조를 갖는 포토 다이오드로부터 플로팅 확산영역으로 재유입되는 전자를 차단하여 블랙 시그날 특성을 개선시킬 수 있다.
Claims (26)
- 제1 도전형의 기판;상기 기판 상에 형성된 상기 제1 도전형의 에피층;상기 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역; 및상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 확산영역은 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠의 농도로 형성된 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 에피층은 상기 기판보다 저농도로 형성되고 상기 포토 다이오드는 상기 플로팅 확산영역보다 저농도로 형성된 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 제2 확산영역은 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠의 농도로 형성된 이미지 센서.
- 제1 도전형의 기판;상기 기판 상에 형성된 상기 제1 도전형의 에피층;상기 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 형성된 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역; 및상기 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 제1 확산영역은 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠의 농도로 형성된 이미지 센서.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 에피층은 상기 기판보다 저농도로 형성되고 상기 포토 다이오드는 상기 플로팅 확산영역보다 저농도로 형성된 이미지 센서.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 제2 확산영역은 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠의 농도로 형성된 이미지 센서.
- 제1 도전형의 기판 표면 상에 상기 제1 도전형의 에피층을 형성하는 단계;상기 에피층 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 제2 도전형의 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제1 확산영역을 형성하는 단계는,상기 플로팅 확산영역을 오픈시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 이온주입공정을 실시하는 단계는 50~70KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 에피층은 상기 기판보다 저농도로 형성하고 상기 포토 다이오드는 상기 플로팅 확산영역보다 저농도로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 제1 확산영역을 형성한 후, 상기 제1 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 제2 확산영역을 형성하는 단계는,상기 포토 다이오드가 형성된 영역을 제외한 영역을 오픈시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는 문턱전압 이온주입공정 전에 이루어지거나 상기 제1 확산영역을 형성한 후 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 이온주입공정을 실시하는 단계는 90~110KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입하는 이미지 센서 제조방법.
- 제1 도전형의 기판 표면 상에 상기 제1 도전형의 에피층을 형성하는 단계;상기 에피층 상에 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한 복수의 트랜지스터용 게이 트 전극을 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 일측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 제2 도전형의 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 트랜지스터용 게이트 전극의 타측과 얼라인 되도록 상기 에피층 내에 상기 제2 도전형의 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및상기 플로팅 확산영역과 일정 거리 이격되도록 상기 포토 다이오드의 일측으로 노출된 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제1 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 제1 확산영역을 형성하는 단계는,상기 포토 다이오드가 형성된 영역을 제외한 영역을 오픈시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는 문턱전압 이온주입공정 전에 이루어지 거나 상기 제1 확산방지영역을 형성한 후 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 이온주입공정을 실시하는 단계는 90~110KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~4.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 에피층은 상기 기판보다 저농도로 형성하고 상기 포토 다이오드는 상기 플로팅 확산영역보다 저농도로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 제1 확산영역을 형성한 후, 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 상기 에피층 내에 상기 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제2 확산영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 제2 확산영역을 형성하는 단계는,상기 플로팅 확산영역을 오픈시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;상기 마스크 패턴을 이용한 이온주입공정을 실시하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 25 항에 있어서,상기 이온주입공정을 실시하는 단계는 50~70KeV의 이온주입 에너지로 5.0E12~1.0E13 atoms/㎠ 도즈량의 보론이온을 주입하는 이미지 센서 제조방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |