KR20080058841A - 수직형 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 P+형 적색(Red)광 감지 포토 다이오드가 구비된 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에서 P+형 녹색(Green)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 1 실리콘 에피층; 상기 제 1 실리콘 에피층 상에서 P+형 청색(Blue)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 2 실리콘 에피층; 상기 P+형 녹색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 1 P+형 플러그; 상기 P+형 적색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 1 실리콘 에피층과 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 2 P+형 플러그를 포함하여 구성되는 수직형 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
수직형 시모스 이미지 센서, P+N형 포토다이오드, 노이즈
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서를 포함하는 회로도.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 반도체 기판 20,60: n형 주입영역
30: P+형 적색광 감지 포토 다이오드 40: 제 1 실리콘 에피층
50: 제 1 플러그 70: P+형 녹색광 감지 포토다이오드
80: 제 2 실리콘 에피층 90: 소자분리막
100: n-웰 110: 제 2 플러그
120: P+형 청색광 감지 포토 다이오드
본 발명은 씨모스 이미지센서 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 노이즈 발생을 방지할 수 있는 수직형 씨모스 이미지센서 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자로서, 이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다. 이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 공정들이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.
따라서, 최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 통상적으로, CMOS 이미지 센서의 화소(pixel)는 빛을 받아들이는 포토 다이오드들과 포토 다이오드들로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다. 포토 다이오드들에서는 칼라 필터를 통해 입사되는 적색(Red)광, 녹색(Green)광 및 청색(Blue)광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 발생하고, 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호가 변화됨으로써 이미지를 감지할 수 있다.
CMOS 이미지 센서와 같은 이미지 센서는 포토다이오드와 같은 광전변환부가 형성되는 화소 영역과 화소 영역에서 검출되는 신호들을 검출하기 위한 주변회로 영역을 구비하고, 주변회로 영역은 화소 영역을 둘러싸도록 위치한다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서 중 수직형 시모스 이미지 센서(Vertical-type CMOS image sensor)는 n+p형 포토다이오드를 이용한 화소 구조, 예를 들어 적색(Red) 포토다이오드, 녹색(Green) 포토다이오드, 청색(Blue) 포토다이오드를 한 화소 안에 수직으로 구현하는 구조로 이루어지며, 이와 같이 각 에피층에 구현된 각각의 수직형 포토다이오드와 해당 Tx(Transfer gate)에 의해 전하가 선택적으로 이동되어 화소 관련 트랜지스터 동작에 의해 최종 출력단으로 출력된다.
따라서, Tx, 리셋(reset) 트랜지스터, 소스 팔로어(source follower), 선택(select) 트랜지스터는 하나의 포토다이오드 입장에서 보면 전형적인 4-Tr 구조를 가지고 화소는 N+P 포토다이오드와 NMOS 트랜지스터로 구성되므로, 종래의 수직형 시모스 이미지 센서에서는 포토다이오드 다크 전류(photodiode dark current), 리셋 노이즈(reset noise), 랜덤 로 노이즈(random row noise), 플리커 노이즈(flicker noise) 등의 노이즈에 취약하다는 단점이 있어, 이로 인해 수직형 시모스 이미지 센서의 이미지 품질을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.
본 발명은 노이즈의 발생을 줄일 수 있는 수직형 시모스 이미지 센서를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 노이즈의 발생을 줄일 수 있는 수직형 시모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 P+형 적색(Red)광 감지 포토 다이오드가 구비된 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에서 P+형 녹색(Green)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 1 실리콘 에피층; 상기 제 1 실리콘 에피층 상에서 P+형 청색(Blue)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 2 실리콘 에피층; 상기 P+형 녹색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 1 P+형 플러그; 상기 P+형 적색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 1 실리콘 에피층과 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 2 P+형 플러그를 포함하여 구성되는 수직형 시모스 이미지 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 반도체 기판 전체(blanket)에 n형 도펀트를 주입(implant)하여 n형 주입영역을 전면에 형성하고, 상기 n형 주입영역에 도펀트를 주입하여 P+형 적색광 감지 포토다이오드를 구비하는 단계; 에피택셜 성장법을 이용하여 상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드가 형성된 반도체 기판상에 제 1 실리콘 에피층을 형성하는 단계; P+형 도펀트를 주입하여 상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드에 연결되어 상기 제 1 실리콘 에피층을 관통하는 P+형 제 1 플러그를 형성하는 단계; 상기 P+형 제 1 플러그가 구비된 상기 제 1 실리콘 에피층 전체(blanket)에 n형 도펀트를 주입하여 n형 주입영역을 형성하는 단계; 상기 n형 주입영역에 도펀트를 주입하여 P+형 녹색광 감지 포토다이오드를 형성하는 단계; 에피택셜 성장법을 이용하여 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드가 구비된 상기 제 1 실리콘 에피층 상에 제 2 실리콘 에피층을 형성하는 단계; 상기 제 2 실리콘 에피층에 대해 STI(Shallow Trench Isolation)공정을 수행하여 액티브 영역을 정의하고 필드 영역을 형성하기 위한 다수의 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막 사이의 액티브 영역에 n형 도펀트를 주입하여 n-웰(Well)을 형성하는 단계; 상기 제 2 실리콘 에피층에 P+도펀트를 주입하여 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드와 상기 P+형 제 1 플러그에 각각 연결되는 P+형 제 2 플러그를 구비하는 단계; 및 상기 소자분리막 사이의 n-웰 영역에 P+형 청색광 감지 포토다이오드를 형성하기 위한 도펀트를 주입하여 P+형 청색광 감지 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 수직형 시모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 반도체 기판과 제 1 실리콘 에피층은 각각 n형 도펀트가 주입(implant)된 n형 주입영역을 전면적으로 구비하고, 상기 P+형 청색광 감지 포토 다이오드는 상기 제 2 실리콘 에피층에 n형 도펀트가 주입된 n-웰에 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드, 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드 및 상기 P+형 청색광 감지 포토다이오드는 각각 P+N형 포토다이오드인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서를 포함한 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서는 P+N 포토다이오드에서 발생한 전자/정공 중에서 정공을 주 캐리어로 하여 PMOS 트랜지스터를 통해 이동시키는 화소(pixel) 구조로서, P+형 적색(Red)광 감지 포토 다이오드(30)가 구비된 반도체 기판(10)상에 적층된 n형 에피층, 즉 제 1 실리콘 에피층(40)과 제 2 실리콘 에피층(80)에 각각 P+형 녹색(Green)광 감지 포토 다이오드(70) 및 P+형 청색(Blue)광 감지 포토 다이오드(120)가 수직으로 구비되고, 포토다이오드 측면에서 종래의 N+P 형 포토다이오드를 P+N 형 포토다이오드로 적용하고 화소 트랜지스터 측면에서 수직형 씨모스 이미지센서에 PMOS 트랜지스터를 연결하여 적용한 형태로 구비된다.
이와 같은 구비된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서는 도 2에 도시된 바와 같이 수직형 씨모스 이미지센서에 연결되는 Tx, 리셋(reset) 트랜지스터, 소스 팔로어(source follower) 및 선택(select) 트랜지스터가 PMOS 트랜지스터를 사용하므로, 종래의 NMOS 트랜지스터를 이용한 수직형 씨모스 이미지센서보다 노이즈의 발생을 감소시키기 때문에 저잡음 구현 회로에 적용될 수 있다.
이하, 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서의 제조 방법을 도 3a 내지 도 3j를 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3j는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 N형 반도체 기판(10)을 준비하고 반도체 기판(10) 전체(blanket)에 n형 도펀트를 주입(implant)하여 n형 주입영역(20)을 반도체 기판(10) 전면에 형성한 후, P+형 적색광 감지 포토다이오드(30)가 구비될 영역 이외의 n형 주입영역(20) 상에 제 1 포토레지스트 패턴(21)을 구비하며, 이와 같은 제 1 포토레지스트 패턴(21)을 이용하여 P+형 적색광 감지 포토다이오드(30)를 형성하기 위한 도펀트를 n형 주입영역(20)에 주입한다.
도펀트를 n형 주입영역(20)에 주입하여 P+형 적색광 감지 포토다이오드(30)를 형성한 후, 도 3b에 도시된 바와 같이 에싱 공정을 수행하여 n형 주입영역(20) 상의 제 1 포토레지스트 패턴(21)을 제거하고, P+형 적색광 감지 포토다이오드(30)가 구비된 반도체 기판(10) 상에 제 1 실리콘 에피층(40)을 에피택셜 성장법, 예를 들어 TCS(SiHCl3)을 사용하여 MBE(Moecular Beam Epitaxy) 방법 및 VPE(Vapor Phase Epitaxy) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성한다.
제 1 실리콘 에피층(40)을 형성한 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 제 1 실리콘 에피층(40) 상에 P+형 제 1 플러그(Plug: 50)를 형성하기 위한 제 2 포토레지스트 패턴(41)을 구비하고, 이와 같은 제 2 포토레지스트 패턴(41)을 이용하여 P+형 도펀트를 제 1 실리콘 에피층(40)에 주입하여 P+형 제 1 플러그(50)를 형성한다. 여기서, P+형 제 1 플러그(50)는 선택적으로 금속 이온을 주입하여 형성할 수 있고, P+형 적색광 감지 포토다이오드(30)와 이후 형성되는 P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)를 전기적으로 연결한다.
P+형 제 1 플러그(50)를 형성한 후, 도 3d에 도시된 바와 같이 제 2 포토레지스트 패턴(41)을 제거하고 P+형 제 1 플러그(50)가 구비된 제 1 실리콘 에피층(40) 전체(blanket)에 대해 n형 도펀트를 주입하여 n형 주입영역(60)을 형성한다.
제 1 실리콘 에피층(40)의 n형 주입영역(60)을 형성한 후, 도 3e에 도시된 바와 같이 P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70) 영역과 P+형 제 1 플러그(50)를 오픈하는 제 3 포토레지스트 패턴(61)을 구비하고, 제 3 포토레지스트 패턴(61)을 통해 P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)를 형성하기 위한 도펀트를 n형 주입영역(60)과 P+형 제 1 플러그(50)에 주입하여 n형 주입영역(60)에 P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)를 형성한다.
P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)를 형성한 후, 에싱 공정을 수행하여 제 3 포토레지스트 패턴(61)을 제거하고, 도 3f에 도시된 바와 같이 n형 주입영역(60)이 구비된 제 1 실리콘 에피층(40) 상에 제 2 실리콘 에피층(80)을 형성한다. 물론, 제 2 실리콘 에피층(80)은 제 1 실리콘 에피층(40)과 동일하게 에피택셜 성장법을 이용하여 형성할 수 있다.
제 2 실리콘 에피층(80)을 형성한 후, 도 3g에 도시된 바와 같이 제 2 실리콘 에피층(80)에 대해 STI(Shallow Trench Isolation)공정을 수행하여 액티브 영역을 정의하고 필드 영역을 형성하기 위한 다수의 소자분리막(90)을 형성한다.
제 2 실리콘 에피층(80)에 다수의 소자분리막(90)을 형성한 후, 도 3h에 도시된 바와 같이 소자분리막(90) 사이의 액티브 영역을 오픈하는 제 4 포토레지스트 패턴(91)을 구비하고 제 4 포토레지스트 패턴(91)을 통해 n형 도펀트를 주입하여 n-웰(100)을 형성한다.
제 2 실리콘 에피층(80)에 n-웰(100)을 형성한 후, 도 3i에 도시된 바와 같이 제 4 포토레지스트 패턴(91)을 제거하고, P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)에 연결되거나 또는 P+형 제 1 플러그(50)에 연결되는 두 개의 P+형 제 2 플러그(110)를 각각 형성하기 위해 제 2 실리콘 에피층(80) 상에 제 5 포토레지스트 패턴(92)을 형성하며, 제 5 포토레지스트 패턴(92)을 이용하여 P+도펀트를 제 2 실리콘 에피층(80)에 주입 형성하여 P+형 녹색광 감지 포토다이오드(70)에 연결되거나 또는 P+형 제 1 플러그(50)에 연결되는 두 개의 P+형 제 2 플러그(110)를 구비한다.
두 개의 P+형 제 2 플러그(110)를 구비한 후, 도 3j에 도시된 바와 같이 제 5 포토레지스트 패턴(92)을 에싱 공정으로 제거하고 제 2 실리콘 에피층(80) 상에서 소자분리막(90) 사이의 n-웰(100) 영역을 오픈하는 제 6 포토레지스트 패턴(111)을 형성하며, 형성된 제 6 포토레지스트 패턴(111)을 이용하여 P+형 청색광 감지 포토다이오드(120)를 형성하기 위한 도펀트를 소자분리막(90) 사이의 n-웰(100) 영역에 주입하여 P+형 청색광 감지 포토다이오드(120)를 형성한다.
P+형 청색광 감지 포토다이오드(120)를 형성한 후에 제 6 포토레지스트 패턴(111)은 에싱 공정을 이용하여 제거되고, 이후 공정은 일반적인 수직형 씨모스 이미지센서의 제조 공정과 동일하게 수행한다. 즉, N+형 소스/드레인 영역을 형성하는 공정 및 P+형 소스/드레인 영역을 형성하는 공정을 수행한 후, 콘택(Contact)을 형성하는 공정 및 후속 BEOL(Back End Of Layers) 공정을 수행할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 실시예에 따른 수직형 씨모스 이미지센서는 도 2에 도시된 바와 같이 PMOS 트랜지스터로 이루어진 Tx, 리셋(RESET) 트랜지스터, 소스 팔로어(S/F) 및 선택(select) 트랜지스터에 연결되어 노이즈 발생을 방지할 수 있고, 이와 같이 P+N형 포토다이오드를 사용한 새로운 화소 구조의 수직형 씨모스 이미지센서를 구현함으로써 종래의 수직형 씨모스 이미지센서보다 노이즈 발생을 억제하여 이미지 품질을 개선할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 PMOS 트랜지스터와 P+N 형 포토다이오드를 사용한 새로운 구조의 수직형 씨모스 이미지센서를 구현하여, 종래의 수직형 씨모스 이미지센서보다 노이즈 발생을 억제하여 이미지 품질을 개선할 수 있다.
Claims (7)
- P+형 적색(Red)광 감지 포토 다이오드가 구비된 반도체 기판;상기 반도체 기판상에서 P+형 녹색(Green)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 1 실리콘 에피층;상기 제 1 실리콘 에피층 상에서 P+형 청색(Blue)광 감지 포토 다이오드를 구비하여 형성된 제 2 실리콘 에피층;상기 P+형 녹색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 1 P+형 플러그;상기 P+형 적색광 감지 포토 다이오드의 일측에 연결되어 상기 제 1 실리콘 에피층과 제 2 실리콘 에피층을 관통하여 구비된 제 2 P+형 플러그를 포함하여 구성되는 수직형 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판과 제 1 실리콘 에피층은 각각 n형 도펀트가 주입(implant)된 n형 주입영역을 전면적으로 구비하고,상기 P+형 청색광 감지 포토 다이오드는 상기 제 2 실리콘 에피층에 n형 도펀트가 주입된 n-웰에 구비되는 것을 특징으로 하는 수직형 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드, 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드 및 상기 P+형 청색광 감지 포토다이오드는 각각 P+N형 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 수직형 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,상기 수직형 시모스 이미지 센서에 연결되는 다수의 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 시모스 이미지 센서.
- 반도체 기판 전체(blanket)에 n형 도펀트를 주입(implant)하여 n형 주입영역을 전면에 형성하고, 상기 n형 주입영역에 도펀트를 주입하여 P+형 적색광 감지 포토다이오드를 구비하는 단계;에피택셜 성장법을 이용하여 상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드가 형성된 반도체 기판상에 제 1 실리콘 에피층을 형성하는 단계;P+형 도펀트를 주입하여 상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드에 연결되어 상기 제 1 실리콘 에피층을 관통하는 P+형 제 1 플러그를 형성하는 단계;상기 P+형 제 1 플러그가 구비된 상기 제 1 실리콘 에피층 전체(blanket)에 n형 도펀트를 주입하여 n형 주입영역을 형성하는 단계;상기 n형 주입영역에 도펀트를 주입하여 P+형 녹색광 감지 포토다이오드를 형성하는 단계;에피택셜 성장법을 이용하여 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드가 구비된 상기 제 1 실리콘 에피층 상에 제 2 실리콘 에피층을 형성하는 단계;상기 제 2 실리콘 에피층에 대해 STI(Shallow Trench Isolation)공정을 수행하여 액티브 영역을 정의하고 필드 영역을 형성하기 위한 다수의 소자분리막을 형성하는 단계;상기 소자분리막 사이의 액티브 영역에 n형 도펀트를 주입하여 n-웰(Well)을 형성하는 단계;상기 제 2 실리콘 에피층에 P+도펀트를 주입하여 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드와 상기 P+형 제 1 플러그에 각각 연결되는 P+형 제 2 플러그를 구비하는 단계; 및상기 소자분리막 사이의 n-웰 영역에 P+형 청색광 감지 포토다이오드를 형성하기 위한 도펀트를 주입하여 P+형 청색광 감지 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 수직형 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 P+형 적색광 감지 포토다이오드, 상기 P+형 녹색광 감지 포토다이오드 및 상기 P+형 청색광 감지 포토다이오드는 각각 P+N형 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 수직형 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 에피택셜 성장법은 MBE(Moecular Beam Epitaxy) 방법 또는 VPE(Vapor Phase Epitaxy) 방법인 것을 특징으로 하는 수직형 시모스 이미지 센서의 제조 방법.
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