KR20090025944A - Image sensor and a method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 생산성 및 신뢰성이 향상된 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a manufacturing method of an image sensor with improved productivity and reliability.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로봇 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.An image sensor is an element that converts an optical image into an electrical signal. Recently, with the development of the computer industry and the communication industry, the demand for improved image sensors in various fields such as digital cameras, camcorders, personal communication systems (PCS), gaming devices, security cameras, medical micro cameras, robots, etc. is increasing. have.
이미지 센서의 단위 화소는 입사광을 광전 변환하는 광전 변환부, 전하를 전송 받는 전하 검출부 및 광전 변환부에서 생성된 전하를 전하 검출부로 전송하는 전하 전송부를 포함한다. 상기 전하 전송부는 게이트 절연막, 게이트 전극 및 스페이서 등을 포함할 수 있으며, 상기 스페이서는 이온 주입 공정시 이온 주입 영역을 자가 정렬(self-align)시키는 역할을 한다. 그런데, 최근 이미지 센서의 크기가 소형화됨으로써 단채널 효과(short channel effect)가 발생하고 있으며, 단채널 효과를 줄이기 위하여 이중 스페이서 구조를 형성하고 있다.The unit pixel of the image sensor may include a photoelectric converter configured to photoelectrically convert incident light, a charge detector configured to receive charge, and a charge transmitter configured to transfer charges generated by the photoelectric converter to the charge detector. The charge transfer unit may include a gate insulating layer, a gate electrode, and a spacer, and the spacer may self-align the ion implantation region during an ion implantation process. However, in recent years, as the size of an image sensor is reduced in size, a short channel effect is generated, and a double spacer structure is formed to reduce the short channel effect.
이 때, 이중 스페이서를 형성하는 동안에는 광전 변환부가 손상되는 것을 막기 위해 각 스페이서를 형성할 때마다 광전 변환부 상에 식각 마스크를 형성하여 광전 변환부를 보호한다. 따라서, 두 번의 식각 마스크 형성 및 제거 공정을 진행하기 때문에 공정이 복잡해진다. 이에 따라 공정 비용이 증가하고 공정 수율이 감소하는 등의 어려움이 있었다.At this time, during formation of the double spacer, an etching mask is formed on the photoelectric conversion unit to protect the photoelectric conversion unit every time each spacer is formed in order to prevent the photoelectric conversion unit from being damaged. Therefore, the process is complicated because two etching mask formation and removal processes are performed. As a result, there was a difficulty in increasing the process cost and decreasing the process yield.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생산성이 향상된 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an image sensor with improved productivity.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 생산성이 향상된 이미지 센서의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor having improved productivity.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. Problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 전하 전송부, 상기 전하 전송부의 일측의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 전하를 축적하는 광전 변환부, 상기 전하 전송부의 타측의 상기 반도체 기판 내에 형성되어 상기 광전 변환부에 축적된 상기 전하를 전송 받아 전기 신호로 변환하는 전하 검출부, 상기 전하 전송부의 측벽 및 상기 광전 변환부 상에 형성된 제1 스페이서, 상기 제1 스페이서 및 상기 전하 전송부를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 컨포멀하게 형성된 블로킹막, 및 상기 블로킹막이 형성된 상기 전하 전송부의 측벽에 형성된 제2 스페이서를 포함한다.An image sensor according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a semiconductor substrate, a charge transfer unit formed on the semiconductor substrate, a photoelectric conversion unit formed in the semiconductor substrate on one side of the charge transfer unit to accumulate charge; A charge detector formed in the semiconductor substrate on the other side of the charge transfer unit to receive the charge accumulated in the photoelectric conversion unit and convert the charge into an electrical signal, a first spacer formed on the sidewall of the charge transfer unit, and the photoelectric conversion unit; A blocking film conformally formed on the semiconductor substrate including the first spacer and the charge transfer unit, and a second spacer formed on a sidewall of the charge transfer unit in which the blocking layer is formed.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 전하 전송부를 형성하고, 상기 전하 전송부의 일측에 이온 주입 공정을 진행하여 상기 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고, 상기 전하 전송부의 측벽 및 상기 광전 변환부 상에 제1 스페이서를 형성하고, 상기 제1 스페이서에 정렬된 저농도 불순물 영역을 형성하고, 상기 전하 전송부 및 상기 제1 스페이서 상에 블로킹막을 형성하고, 상기 블로킹막이 형성된 상기 전하 전송부의 측벽에 제2 스페이서를 형성하고, 상기 제2 스페이서에 정렬된 고농도 불순물 영역을 형성하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an image sensor, in which a charge transfer part is formed on a semiconductor substrate, and an ion implantation process is performed on one side of the charge transfer part to form a photoelectric conversion part in the semiconductor substrate. A first spacer is formed on sidewalls of the charge transfer part and the photoelectric conversion part, a low concentration impurity region aligned with the first spacer is formed, and a blocking film is formed on the charge transfer part and the first spacer; And forming a second spacer on a sidewall of the charge transfer part in which the blocking film is formed, and forming a high concentration impurity region aligned with the second spacer.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 의하면, 블로킹막을 제2 스페이서 보다 먼저 형성함으로써 식각 공정시 발생할 수 있는 광전 변환부의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 습식 식각 공정시 발생할 수 있는 언더 컷(under cut)에 의해 반도체 기판이 노출되는 것을 막아 원치 않는 반도체 기판의 실리사이드화를 방지할 수 있어, 이미지 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 제2 스페이서를 형성하기 위한 식각 공정시 블로킹막이 광전 변환부가 손상되지 않도록 보호해주므로 별도로 식각 마스크를 형성하지 않아도 되어 식각 마스크 형성에 따른 일련에 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 공정 비용이 감소되고 공정 수율이 증가하여, 생산성이 향상되는 장점이 있다.According to the image sensor and the manufacturing method thereof according to the embodiments of the present invention, by forming the blocking film before the second spacer, it is possible to prevent damage to the photoelectric conversion portion that may occur during the etching process. In addition, the semiconductor substrate may be prevented from being exposed by under cut that may occur during the wet etching process, thereby preventing silicide of the semiconductor substrate, thereby improving reliability of the image sensor. In addition, since the blocking layer protects the photoelectric conversion unit from being damaged during the etching process for forming the second spacer, the etching mask does not need to be separately formed, and thus the process may be omitted in the series according to the etching mask formation. Therefore, the process cost is reduced and the process yield is increased, there is an advantage that the productivity is improved.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 나아가, n형 또는 p형은 예시적인 것이며, 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참고 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, and the general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Thus, well-known device structures and well-known techniques in some embodiments are not described in detail in order to avoid obscuring the present invention. Furthermore, n-type or p-type is exemplary, and each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. Like reference numerals refer to like elements throughout.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.An image sensor according to embodiments of the present invention includes a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor. Here, the CCD has less noise and better image quality than the CMOS image sensor, but requires a high voltage and a high process cost. CMOS image sensors are simple to drive and can be implemented in a variety of scanning methods. In addition, the signal processing circuit can be integrated into a single chip, which enables the miniaturization of the product, and the CMOS processing technology can be used interchangeably to reduce the manufacturing cost. Its low power consumption makes it easy to apply to products with limited battery capacity. Therefore, hereinafter, a CMOS image sensor will be described as an image sensor of the present invention. However, the technical idea of the present invention can be applied to the CCD as it is.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 상세히 설명한다.Hereinafter, an image sensor according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.1 is a block diagram of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(active pixel sensor array, APS array)(10), 타이밍 발생기(timing generator)(20), 행 디코더(row decoder)(30), 행 드라이버(row driver)(40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)(50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC)(60), 래치부(latch)(70) 및 열 디코더(column decoder)(80) 등을 포함한다.Referring to FIG. 1, an image sensor according to an embodiment of the present invention may include an active pixel sensor array (APS array) 10, a
액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소를 포함한다. 다수의 단위 화소들은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 행 드라이버(40)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다. The active
타이밍 발생기(20)는 행 디코더(30) 및 열 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.The
행 드라이버(40)는 행 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행 별로 구동 신호를 제공한다. The
상관 이중 샘플러(50)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, '잡음 레벨(noise level)')과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, '신호 레벨')을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.The correlated
아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.The analog-to-
래치부(70)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(80)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(미도시)로 출력된다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 등가회로도이다. 2 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(100)가 도 2에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수도 있다.Referring to FIG. 2, the
광전 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.The
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송 받는다. 전하 검출부(120) 는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.As the
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다. The
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.The
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.The
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.The
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.In addition, the driving
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다. 도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′선을 따라 자른 단면도이다.3 is a schematic plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV 'of FIG. 3.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(101), 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 제1 스페이서(210), 블로킹막(220) 및 제2 스페이서(230)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 광전 변환부(110)가 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD)인 경우를 도시하였으나, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등의 경우에도 적용할 수 있음은 물론이다. 3 and 4, an image sensor according to an exemplary embodiment may include a
반도체 기판(101)은 제1 도전형(예를 들어, N형)이고, 반도체 기판(101) 내의 소정 깊이에 형성되는 제2 도전형(예를 들어, P형)의 깊은 웰(107)에 의해 하부 기판 영역(101a) 및 상부 기판 영역(101b)으로 정의될 수 있다. 여기서, 반도체 기판(101)은 N형을 예로 들어 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다.The
깊은 웰(107)은 하부 기판 영역(101a)의 깊은 곳에서 생성된 전하들이 광전 변환부(110)로 흘러 들어오지 못하도록 포텐셜 배리어(potential barrier)를 형성하고, 전하와 홀의 재결합(recombination) 현상을 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 전하들의 랜덤 드리프트(random drift)에 의한 화소간 크로스 토크(cross talk)를 줄일 수 있다.The deep well 107 forms a potential barrier to prevent charges generated deep in the
깊은 웰(107)은 예를 들어, 반도체 기판(101)의 표면으로부터 약 3 내지 12㎛ 깊이에서 최고 농도를 가지며, 약 1 내지 5㎛의 층 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 3 내지 12㎛는 실리콘 내에서 적외선 또는 근적외선의 흡수 파장의 길이(absorption length of red or near infrared region light)와 실질적으로 동일하다. 깊은 웰(107)의 깊이는 반도체 기판(101)의 표면으로부터 얕을수록 확산 방 지 효과가 크므로 크로스 토크의 발생이 줄어드나, 광전 변환부(110)의 깊이도 함께 얕아져서 깊은 곳에서 광전 변환 비율이 상대적으로 큰 장파장(예를 들어, 레드 파장)을 갖는 입사광에 대한 감도가 낮아질 수 있다. 따라서, 입사광의 파장 영역에 따라 깊은 웰(107)의 형성 위치는 조절될 수 있다.The deep well 107 may be formed to have a highest concentration, for example, at a depth of about 3-12 μm from the surface of the
반도체 기판(101)의 상부 기판 영역(101a) 내에는 소자 분리 영역(109)이 형성되어 활성 영역을 정의할 수 있다. 소자 분리 영역(109)은 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 방법을 이용한 FOX(Field Oxide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다.An
또한, 소자 분리 영역(109)의 하부에는 제2 도전형(예를 들어, P형)의 분리 웰(108)이 형성될 수 있다. 분리 웰(108)은 이미지 센서의 각 화소 단위를 정의한다. 분리 웰(108)은 예를 들어, 주변 상부 기판 영역(101a) 보다 고농도의 P형 불순물을 포함할 수 있다. 분리 웰(108)은 하나의 화소로부터 다른 화소로 전하가 이동하는 것을 저지함으로써, 이미지 센서의 각 화소 단위간 수평 방향의 크로스 토크를 줄일 수 있다. 또한, 분리 웰(108)은 크로스 토크를 줄이기 위해 포토 다이오드(112)의 형성 깊이보다 더 깊게 형성될 수 있고, 도 4에 예시된 바와 같이 깊은 웰(107)과 연결되어 형성될 수도 있다.In addition, a separation well 108 of a second conductivity type (eg, P-type) may be formed under the
전하 전송부(130)는 반도체 기판(101) 상에 형성되며, 게이트 절연막(131) 및 게이트 전극(132)을 포함한다.The
게이트 절연막(131)은 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질 등이 사용될 수 있다. 여기서, 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합막 등을 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(134)은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수도 있다. 게이트 절연막(131)은 두께가 약 5 내지 100Å으로 형성될 수 있다.The
게이트 전극(132)은 게이트 절연막(131) 상에 적층되어 형성된다. 게이트 전극(132)은 도전성 폴리실리콘막, W, Pt, 또는 Al과 같은 금속막, TiN과 같은 금속 질화물막, 또는 Co, Ni, Ti, Hf, Pt와 같은 내화성 금속(refractory metal)으로부터 얻어지는 금속 실리사이드막, 또는 이들의 조합막으로 이루어질 수 있다. 또, 게이트 전극(132)은 도전성 폴리실리콘막과 금속 실리사이드막을 차례대로 적층하여 형성되거나, 도전성 폴리실리콘막과 금속막을 차례대로 적층하여 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.The
광전 변환부(110)는 상기 전하 전송부(130)의 일측에 형성되며, 반도체 기판(101) 내에 형성된 N형의 포토 다이오드(112) 및 P+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함한다.The
포토 다이오드(112)는 입사광에 대응하여 생성된 전하가 축적되고, 피닝층(114)은 상부 기판 영역(101b)에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 줄이는 역할을 한다. 또한, 포토 다이오드(112)는 깊은 웰(107)로부터 소정 거리 이격되어 형성되므로, 포토 다이오드(112) 하부의 상부 기판 영역(101b)을 광전 변환하는 영역으로 사용할 수 있다. 따라서, 실리콘에서의 침투 깊이(penetration depth)가 큰 장파장(예를 들어, 레드 파장)에 대한 색감도가 향상될 수 있다.Charges generated in response to incident light are accumulated in the
포토 다이오드(112)의 최대 불순물 농도는 1×1015 내지 1×1018 원자/cm3일 수 있고, 피닝층(114)의 불순물 농도는 1×1017 내지 1×1020 원자/cm3 일 수 있다. 다만, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.The maximum impurity concentration of the
전하 검출부(120)는 상기 전하 전송부(130)의 타측에 형성된다. 전하 검출부(120)는 예를 들어 N형 불순물이 도핑된 영역으로, 피닝층(114)에 축적된 전하를 전하 전송부(130)를 통해 전송 받는다. 전하 검출부(120)는 저농도 불순물 영역(121) 및 고농도 불순물 영역(122)을 포함한다. 즉, 전하 검출부(120)는 LDD(Lightly Doped Drain) 구조를 갖거나, DDD(Doubled Doped Drain) 구조를 가질 수 있다. 이 때, 저농도 불순물 영역(121)은 후술할 제1 스페이서(210)에 정렬되어 형성되며, 고농도 불순물 영역(122)은 제2 스페이서에 정렬되어 형성된다.The
상술한 바와 같이, 전하 전송부(130)를 중심으로 광전 변환부(110)는 전하 전송부(130)의 일측에 위치하고, 전하 검출부(120)는 전하 전송부(130)의 타측에 위치한다. 여기서 "일측" 및 "타측"은 서로 뒤바뀔 수 있는 상대적인 방향을 의미하며, 도면에 도시된 위치에 제한되지 않음은 물론이다.As described above, the
제1 스페이서(210)는 전하 전송부(130)의 측벽 및 광전 변환부(110) 상에 형 성되며 예를 들어, 산화막일 수 있다. 제1 스페이서(210)를 형성하기 위해 식각 공정, 예를 들어 이방성 식각 공정을 수행함으로써 전하 전송부(130)의 측벽에 제1 스페이서(210)가 형성된다. 또한, 제1 스페이서(210) 형성시 식각 공정에 의한 광전 변환부(110)의 손상이 최소화되도록 식각 마스크로 광전 변환부(110)를 덮은 후 식각 공정을 수행하기 때문에 제1 스페이서(210)는 광전 변환부(110) 상에도 형성된다. 이 때, 상기 식각 마스크가 광전 변환부(110)를 포함한 전하 전송부(130)의 일부 상에 형성될 수 있다. 따라서, 제1 스페이서(210)는 광전 변환부(110)와 인접한 전하 전송부(130)의 측벽 및 광전 변환부(110) 상에 연장되어 형성될 수 있다.The
블로킹막(220)은 제1 스페이서(210) 및 전하 전송부(130)를 포함하는 반도체 기판(101) 상에 컨포멀하게 형성된다. 이 때, 블로킹막(220)은 제1 블로킹막(221) 및 제2 블로킹막(222)의 이중막 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 제1 블로킹막(221)은 산화막으로 식각 정지막일 수 있으며, 제2 블로킹막(222)은 질화막일 수 있다. 물론 블로킹막(220)은 질화막 또는 산화막으로 이루어진 단일막일 수도 있다.The
블로킹막(220)은 후속될 실리사이드막 형성 공정에서 원치 않는 영역에 반도체 기판(101)과 예를 들어, Co, Ti, Ni, W 등을 포함한 금속막(미도시)이 접하여 실리사이드막이 형성되는 것을 방지하는 실리사이드 보호막의 역할을 할 수 있다. 또한, 블로킹막(220)이 제1 스페이서(210) 상에 형성됨으로써 후술할 제2 스페이서(230) 형성 과정에서 발생할 수 있는 광전 변환부(110)의 손상을 방지할 수 있어 이미지 센서의 신뢰성이 향상되는 장점이 있다.In the
제2 스페이서(230)는 블로킹막(220)이 형성된 전하 전송부(130)의 측벽에 형 성된다. 제2 스페이서(230)는 예를 들어, 질화막일 수 있다. 제2 스페이서(230)는 제1 스페이서(210)와는 다르게 제2 스페이서(230)를 형성하기 위한 식각 공정시 블로킹막(220)에 의해 광전 변환부(110)가 보호된다. 즉, 제2 스페이서(230)는 별도의 식각 마스크 없이 반도체 기판(101)의 전면에 식각 공정, 예를 들어 이방성 식각을 수행함으로써 형성된다. 따라서, 식각 마스크 패턴 형성 및 제거 공정을 수행이 생략 가능하므로 이미지 센서의 제조 공정이 보다 간소화되어 공정 비용이 훨씬 감소하고, 공정 효율이 증가하는 등의 장점이 있다. 즉, 생산성이 훨씬 향상될 수 있다. 또한, 도면에 예시되어 있지는 않으나, 제2 스페이서(230) 및 블로킹막(220) 사이에는 제2 스페이서(230)의 식각 방지막, 예를 들어 산화막 등이 더 형성될 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 따르면, 블로킹막(220)이 제2 스페이서(230) 하부에 형성됨으로써 제2 스페이서(230)의 식각 공정시 발생할 수 있는 광전 변환부(110)의 손상을 방지하여 이미지 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 스페이서(230) 하부에 형성된 블로킹막(220)은 제2 스페이서(230)를 형성하기 위한 식각 공정시 광전 변환부(110)를 보호하기 위한 별도의 식각 마스크를 형성하지 않아도 되어 이미지 센서의 생산성을 훨씬 증가시킬 수 있다. 아울러, 블로킹막(220)이 반도체 기판(101) 및 제2 스페이서(230) 사이에 형성됨으로써 후속되는 습식 공정에서 발생할 수 있는 언더 컷(under cut)에 의해 반도체 기판(101)이 노출되는 것을 방지하여 원치 않는 영엿에서 반도체 기판(101)이 실리사이드화 되는 것을 막을 수도 있다.According to the image sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, the blocking
이하에서는 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 동일한 도면 부호에 대한 상세한 설명은 생략하거나 간략화한다.Hereinafter, a manufacturing method of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 10. The same reference numerals are used for constituent elements substantially the same as those of the image sensor according to the exemplary embodiment, and detailed descriptions of the same reference numerals will be omitted or simplified.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 구조물의 단면도들이다.5 to 10 are cross-sectional views of intermediate structures for explaining a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하여 반도체 기판(101) 상에 전하 전송부(130)를 형성하고, 상기 전하 전송부(130)의 일측에는 광전 변환부(110)를 형성하고, 상기 반도체 기판(101) 상에 제1 스페이서층(210a)을 형성한다.Referring to FIG. 5, the
먼저, 제1 도전형(예를 들어, N형) 반도체 기판(101)을 제공하고, 반도체 기판(101) 내의 소정 깊이에 제2 도전형(예를 들어, P형)의 깊은 웰(107)을 형성하여 하부 기판 영역(101b) 및 상부 기판 영역(101a)을 정의할 수 있다. 반도체 기판(101)의 상부 기판 영역(101a) 내에는 소자 분리 영역(109)을 형성하여 활성 영역을 정의할 수 있으며, 일반적으로 LOCOS 방법을 이용한 FOX 또는 STI를 형성할 수 있다. 소자 분리 영역(109)의 하부에는 제2 도전형의 분리 웰(108)을 형성하여 이미지 센서의 각 화소 단위를 정의할 수 있다.First, a first conductive type (eg, N-type)
이어서, 게이트 절연막(131) 및 게이트 전극(132)을 적층하여 전하 전송부(130)를 형성한다. 이 때, 게이트 절연막(131)은 산화막, 질화막 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학 기상 증착) 또는 PVD(Physical Vapor Deposition; 물리 기상 증착) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 게이트 전극(132)은 게이트 절연막(131) 상에 형성하며 도전성 폴리실리콘막, W, Pt, 또는 Al과 같은 금속막, TiN과 같은 금속 질화물막, 또는 Co, Ni, Ti, Hf, Pt와 같은 내화성 금속(refractory metal)으로부터 얻어지는 금속 실리사이드막, 또는 이들의 조합막일 수 있다. 또한 게이트 전극(132)은 예를 들어, CVD 또는 PVD 등의 방법으로 형성할 수 있다.Subsequently, the
이어서, 전하 전송부(130)의 일측에 광전 변환부(110)를 형성한다. 광전 변환부(110)는 활성 영역(미도시) 상에 불순물을 이온 주입하여, 포토 다이오드(112) 및 피닝층(114)을 형성한다. 이 때, 포토 다이오드(112)는 N형, 피닝층(114)은 P+형 불순물로 이온 주입 공정을 진행할 수 있다.Subsequently, the
이어서, 전하 전송부(130)를 포함한 반도체 기판(101) 상에 컨포멀하게 제1 스페이서층(210a)을 형성한다. 제1 스페이서층(210a)은 예를 들어, 산화막 또는 질화막일 수 있으며, CVD 또는 PVD 등의 방법으로 형성할 수 있다.Subsequently, the
이어서, 도 6을 참조하면, 광전 변환부(110)를 덮는 식각 마스크(250)를 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 6, an
식각 마스크(250)는 예를 들어, 포토레지스트일 수 있다. 식각 마스크(250)는 후속될 식각 공정에서 광전 변환부(110)가 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이 때, 광전 변환부(110)의 손상을 최소화하기 위해 소정의 마진(margin)을 두어 식각 마스크(250)를 형성할 수 있다. 즉, 전하 전송부(130)의 일부를 포함하여 식각 마스크(250)를 형성할 수 있다.The
이어서, 도 7을 참조하면, 제1 스페이서(210)를 형성하고, 이온 주입 공정을 수행하여 제1 스페이서(210)에 정렬된 저농도 불순물 영역(121)을 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 7, the
제1 스페이서(210)는 상술한 식각 마스크(도 6의 250 참조)에 대해 식각 공정을 수행함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 식각 공정은 예를 들어 이방성 식각 공정을 수행할 수 있다. 또한, 저농도 불순물 영역(121)은 제1 스페이서(210)에 정렬되도록 형성한다.The
이어서, 도 8을 참조하면, 블로킹막(220)을 제1 스페이서(210) 및 전하 전송부(130)를 포함하는 반도체 기판(101) 상에 컨포멀하게 형성한다. 8, a blocking
블로킹막(220)은 제1 블로킹막(221) 및 제2 블로킹막(222)을 차례로 적층하여 형성할 수 있다. 이 때, 제1 블로킹막(221)은 산화막, 제2 블로킹막(222)은 질화막일 수 있으며, 제1 블로킹막(221) 및 제2 블로킹막(222)은 CVD 또는 PVD 등의 방법으로 형성할 수 있다. 물론, 블로킹막(220)은 질화막 또는 산화막의 단일막으로 형성할 수도 있다.The blocking
블로킹막(220)을 제1 스페이서(210) 상에 형성함으로써 후속될 제2 스페이서 형성 공정 중 광전 변환부(110)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 이미지 센서의 신뢰도가 향상될 수 있다.By forming the
이어서, 도 9를 참조하면, 블로킹막(220) 상에 제2 스페이서층(230a)을 형성한다. 제2 스페이서층(230a)은 예를 들어, 질화막일 수 있다. 또한, 제2 스페이서층(230a)은 CVD 또는 PVD 등의 방법으로 형성할 수 있다. 이 때, 도면에는 도시하지 않았으나, 블로킹막(220) 상에 식각 정지막으로 예를 들어, 산화막을 더 형성할 수 있다. 특히, 블로킹막(220)의 제2 블로킹막(222) 및 제2 스페이서층(230a)이 모두 질화막인 경우에는 식각 방지막으로 산화막을 더 형성하는 것이 바람직하다.9, a
이어서, 도 10을 참조하면, 블로킹막(220)이 형성된 전하 전송부(130)의 측벽에 제2 스페이서(230)를 형성하고, 제2 스페이서(230)에 정렬된 고농도 불순물 영역(122)을 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 10, a
제2 스페이서(230)는 상술한 제2 스페이서층(도 9의 230a 참조)에 예를 들어, 이방성 식각 공정을 진행하여 형성할 수 있다. 이 때, 제2 스페이서층(230a) 하부에는 블로킹막(220)이 존재하여 광전 변환부(110)가 식각 공정에 의해 손상될 염려가 없어 별도의 식각 마스크를 형성하지 않아도 된다. 따라서, 식각 마스크층 및 식각 마스크 패턴을 형성하고, 식각 마스크 패턴을 제거하는 등의 일련의 공정을 거치지 않아도 되므로 공정 과정이 훨씬 간소화될 수 있다. 즉, 생산성이 향상되는 장점이 있다.The
또한, 고농도 불순물 영역(122)은 예를 들어, N형 불순물을 이온 주입하여 형성할 수 있으며, 저농도 불순물 영역(121) 보다 높은 농도의 불순물을 사용한다. 고농도 불순물 영역(122)은 제2 스페이서(130)에 정렬되도록 형성하여 LDD 또는 DDD 구조의 전하 검출부(120)를 형성할 수 있다. In addition, the high
이 때, 이온 주입 에너지는 저농도 불순물 영역(121)을 형성할 때 보다 높은 에너지를 사용한다. 저농도 불순물 영역(121)을 형성할 때에는 반도체 기판(101) 상에 직접 이온 주입 공정을 진행하지만, 고농도 불순물 영역(122)의 경우에는 반도체 기판(101) 상에 블로킹막(220)이 형성되어 있기 때문이다.At this time, the ion implantation energy uses higher energy when the low
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따르면, 블로킹막(220)을 제2 스페이서(230) 하부에 형성함으로써 제2 스페이서(230)의 식각 공정시 발생할 수 있는 광전 변환부(110)의 손상을 방지하여 이미지 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 스페이서(230)를 형성하기 위한 식각 공정시 광전 변환부(110)를 덮는 별도의 식각 마스크(250)를 형성하지 않아도 되어 이미지 센서의 생산성을 훨씬 증가시킬 수 있다. 아울러, 블로킹막(220)이 후속되는 습식 공정에서 발생할 수 있는 언더 컷(under cut)에 의해 반도체 기판(101)이 노출되는 것을 방지하여 원치 않는 영역에 반도체 기판(101)이 실리사이드화 되는 것을 막을 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 이미지 센서의 신뢰도 및 생산성을 모두 향상시키는 장점이 있다.According to the manufacturing method of the image sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, the blocking
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다. 11 is a schematic diagram illustrating a processor-based system including an image sensor according to embodiments of the present disclosure.
도 11을 참조하면, 프로세서 기반 시스템(300)은 CMOS 이미지 센서(310)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 시스템(300)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Referring to FIG. 11, the processor-based
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션 할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(320)를 포함한다. CMOS 이미지 센서(310)는 버스(305) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션 할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 CPU(320)와 커뮤니케이션 할 수 있는 RAM(340), 플로피디스크 드라이브(350) 및/또는 CD ROM 드라이브(355), 및 포트(360)을 더 포함할 수 있다. 포트(360)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. CMOS 이미지 센서(310)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다. Processor-based
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다. 1 is a block diagram of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 등가회로도이다. 2 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다. 3 is a schematic plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′선을 따라 자른 단면도이다.4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV 'of FIG. 3.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 구조물의 단면도들이다.5 to 10 are cross-sectional views of intermediate structures for explaining a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.11 is a schematic diagram illustrating a processor-based system including an image sensor according to an embodiment of the present invention.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
10: 액티브 픽셀 센서 어레이 20: 타이밍 발생부10: active pixel sensor array 20: timing generator
30: 행 디코더 40: 행 드라이버30: row decoder 40: row driver
50: 상관 이중 샘플러 60: 아날로그 디지털 컨버터50: correlated double sampler 60: analog-to-digital converter
70: 래치부 80: 열 디코더70: latch portion 80: thermal decoder
100: 단위 화소 101: 반도체 기판100: unit pixel 101: semiconductor substrate
101a: 하부 기판 영역 101b: 상부 기판 영역101a:
107: 깊은 웰 108: 분리웰107: deep well 108: separation well
109: 소자 분리 영역 110: 광전 변환부109: device isolation region 110: photoelectric conversion section
112: 포토 다이오드 114: 피닝층112: photodiode 114: pinning layer
120: 전하 검출부 121: 저농도 불순물 영역120: charge detector 121: low concentration impurity region
122: 고농도 불순물 영역 130: 전하 전송부122: high concentration impurity region 130: charge transfer portion
131: 게이트 절연막 132: 게이트 전극131: gate insulating film 132: gate electrode
140: 리셋부 150: 증폭부140: reset unit 150: amplification unit
160: 선택부 210: 제1 스페이서160: selection unit 210: first spacer
220: 블로킹막 221: 제1 블로킹막220: blocking film 221: first blocking film
222: 제2 블로킹막 230: 제2 스페이서222: second blocking film 230: second spacer
250: 식각 마스크 300: 프로세서 기반 시스템250: etching mask 300: processor-based system
305: 버스 310: CMOS 이미지 센서305: bus 310: CMOS image sensor
320: 중앙 정보 처리 장치 330: I/O 소자320: central information processing unit 330: I / O element
340: RAM 350: 플로피디스크 드라이브340: RAM 350: floppy disk drive
355: CD ROM 드라이브 360: 포트355: CD ROM Drive 360: Port
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2007
- 2007-09-07 KR KR1020070091166A patent/KR20090025944A/en not_active Application Discontinuation
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