KR20100070800A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 다른 이미지 센서는, 제1 기판에 형성된 리드아웃 회로(Readout Circuitry), 상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되어 상기 제1 기판상에 형성된 배선, 상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과 이격되며 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 포함한다. 실시예는 수직 구조의 3차원 이미지 센서에 관한 것으로서, 하나의 픽셀에 대응하여 여러 개의 작은 포토다이오드 영역을 형성하며, 포토다이오드 영역들은 하부 전극과 전기적으로 연결되지 않아 포토다이오드의 공핍영역과 절연막 및 실리콘 기판의 계면에서 발생되는 누설 전류를 최소화할 수 있으며, 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하여 포텐셜 배리어를 형성함으로써 인접 픽셀 간에 전자 이동을 막아줌으로써 노이즈를 효과적으로 방지할 수 있다.
이미지 감지부, 아이솔레이션

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{image sensor and method for fabrication the same}
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(CMOS) 이미지센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
종래의 기술에서는 기판에 포토다이오드(Photodiode)를 이온주입 방식으로 형성시킨다. 그런데, 칩사이즈(Chip Size) 증가 없이 픽셀(Pixel) 수 증가를 위한 목적으로 포토다이오드의 사이즈가 점점 감소함에 따라 수광부 면적 축소로 이미지 특성(Image Quality)이 감소하는 경향을 보이고 있다.
또한, 포토다이오드의 커패시턴스를 증가시켜 전자 생성율을 증가시키는 방법이 고려되고 있으나, 커패시턴스를 증가시키기 위하여 포토다이오드의 공핍영역을 확장하는데 한계가 있으며, 포토다이오드의 후속 공정(back end process)에 의하여 형성되는 구조물에 의하여 광개구율이 저하된다.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 포토다이오드를 비정질 실리 콘(amorphous Si)으로 증착하거나, 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding) 등의 방법으로 리드아웃 회로(Readout Circuitry)은 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키고, 포토다이오드는 리드아웃 회로 상부의 다른 기판에 형성시키는 구조(참고로, "3차원 이미지센서", "PD-up CIS" 라고 지칭됨)가 시도되고 있다.
이러한 구조는, 소자분리막으로 정의된 상기 다른 기판의 포토 다이오드 영역에 p+ 영역, n- 영역, n+ 영역을 순서대로 형성함으로써 이루어진다.
이러한 구조에 의하면 광개구율을 향상시킬 수 있고, 포토다이오드의 공핍영역(n- 영역)이 확장됨에 따라 큰 수치의 커패시턴스를 구현함으로써 높은 전자 생성율을 얻을 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 상기 공핍 영역(n- 영역)이, 가령 SiO2 로 이루어진 절연막 및 실리콘 기판과 넓은 계면을 이루게 되면, 누설전류가 증가할 수 있고 이것에 기인하여 핫픽셀(hot pixel) 특성이 열화되거나 다크 노이즈(dark noise)가 증가하여 이미지 센서의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
실시예는 수직 구조의 3차원 이미지 센서에 관한 것으로서, 하나의 픽셀에 대응하여 여러 개의 작은 포토다이오드 영역을 형성하며, 포토다이오드 영역들은 하부 전극과 전기적으로 연결되지 않아 포토다이오드의 공핍영역과 절연막 및 실리콘 기판의 계면에서 발생되는 누설 전류를 최소화하고, 다크 노이즈 및 핫픽셀 열화를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예는 두 웨이퍼를 본딩한 후 픽셀 간 STI 공정을 이용한 아이솔레이션 공정이 필요 없는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예는 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하여 포텐셜 배리어를 형성함으로써 인접 픽셀 간에 전자 이동을 막아줌으로써 노이즈를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 다른 이미지 센서는, 제1 기판에 형성된 리드아웃 회로(Readout Circuitry), 상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되어 상기 제1 기판상에 형성된 배선, 상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과 이격되며 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 제1 기판에 리드아웃 회 로(Readout Circuitry)를 형성하는 단계, 상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되는 배선을 형성하는 단계, 상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 픽셀별로 형성하는 단계 및 상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 기판에 형성된 리드아웃 회로(Readout Circuitry), 상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되어 상기 제1 기판상에 형성된 배선, 상기 배선과 전기적으로 연결되며 픽셀별로 형성된 하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역 및 상기 제1도전형 이온주입영역들 사이에 형성된 제2도전형 이온주입분리영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 제1 기판에 리드아웃 회로(Readout Circuitry)를 형성하는 단계, 상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되는 배선을 형성하는 단계, 상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 픽셀별로 형성하는 단계 및 상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역 및 상기 제1도전형 이온주입영역들 사이에 제2도전형 이온주입분리영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예는 수직 구조의 3차원 이미지 센서에 관한 것으로서, 하나의 픽셀에 대응하여 여러 개의 작은 포토다이오드 영역을 형성하며, 포토다이오드 영역들은 하부 전극과 전기적으로 연결되지 않아 포토다이오드의 공핍영역과 절연막 및 실리콘 기판의 계면에서 발생되는 누설 전류를 최소화하고, 다크 노이즈 및 핫픽셀 열화를 방지할 수 있어 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예는 두 웨이퍼를 본딩한 후 픽셀 간 아이솔레이션 공정이 필요 없으므로 공정이 간단하고 제조 수율이 향상되는 효과가 있다.
실시예는 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하여 포텐셜 배리어를 형성함으로써 인접 픽셀 간에 전자 이동을 막아줌으로써 노이즈를 방지하는 효과가 있다.
또한, 실시예는 이미지 감지부에서 공핍영역을 넓게 유지하여 감도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, 포토다이오드가 필요한 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 실시예에 따른 이미지센서에서 이미지 감지부를 갖는 제 2 기판의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다. 또한, 도 4는 도 3에서 사용하는 이온주입 마스크를 보여주는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 제2 기판(200)에 이미지감지부(Image Sensing Device)(210)를 형성한다. 예를 들어, 결정형 반도체층에 이온주입에 의해 p+형 전도층(231)과 p-형 전도층(232)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 p-형 전도층(232)에 도 4의 마스크(190)를 이용하여 n형 불순물을 주입하여 제1도전형 이온주입영역(240)들을 형성한다.
상기 제1도전형 이온주입영역(240)들은 p-형 전도층(232) 내에 형성된다.
도 4는 하나의 픽셀에 대응하는 이온주입 마스크(190)를 보여준다. 즉, 하나의 픽셀에 대하여 다수의 제1도전형 이온주입영역(240)들이 형성되며, 다수의 제1도전형 이온주입영역(240)들에 저장된 전자들이 리드아웃 회로로 전달된다.
상기 제1도전형 이온주입영역(240)은 각 픽셀에 대하여 m×n(m, n은 2이상의 자연수) 행렬로 배치될 수 있다.
상기 제1도전형 이온주입영역(240)에서 p+형 전도층(231)과 가까운 하부의 도핑 레벨은 하부 도핑 레벨보다 높으며, 상기 제1도전형 이온주입영역(240)의 하부는 빌트-인 포텐셜(built-in potential)에서 공핍이 이루어지며, 1×1014~1017/cm3으로 이루어진다.
또한 제1도전형 이온주입영역(240)에서 상부의 도핑 레벨은 전자가 축적되어 야 하므로 하부의 도핑 레벨보다 높은 1×1016~1018/cm3으로 이루어진다.
도 3을 참조하면, 상기 p-형 전도층(232) 상에 n-형 전도층(233)을 형성한다.
상기 n-형 전도층(233)과 상기 제1도전형 이온주입영역(240)들은 서로 이격되어 있다.
상기 n-형 전도층(233)은 이후 설명될 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역을 상부 전극으로부터 격리시키는 역할을 한다.
이로써, p-형 전도층(232) 내에 플로팅된 작은 n형 우물들이 마련된 이미지 감지부(2300가 형성된다.
이때, 상기 p-형 전도층(232)과 작은 포토 다이오드를 형성하는 제1도전형 이온주입영역(240) 사이에는 빌트-인 포텐셜 차이가 존재하여 접합이 이루어지면 외부에서 전압을 인가하지 않더라도 열평형 상태에서 그 포텐셜 차이가 p-n접합을 이루게 된다.
이 빌트-인 포텐셜에 의해 p-n접합에서 일정거리까지 공핍 영역이 형성된다.
상기 제1도전형 이온주입영역(240)의 주변은 p-형 전도층(232)으로 둘러쌓여 있고, 상기 제1도전형 이온주입영역(240)의 중심으로부터 둘러싸고 있는 접합 경계면까지의 거리가 빌트-인 포텐셜에 의해 공핍되는 제1도전형 이온주입영역(240)은 전부 공핍이 된다. 이와 같이, 빌트-인 포텐셜에서 공핍되는 조건은 제1도전형 이온주입영역(240)의 폭과 도핑 레벨에 의해 결정되는데, 도핑 레벨이 낮은 제1도전형 이온주입영역(240)의 하부는 공핍영역이 넓어지고 상대적으로 도핑 레벨이 높은 제1도전형 이온주입영역(240)의 상부는 공핍영역이 좁아지게 된다.
하나의 픽셀에 대하여 다수의 제1도전형 이온주입영역(240)이 매트릭스 형태로 배치되며, 상기 제1도전형 이온주입영역(240) 사이의 p-형 전도층(232)에 의하여 전기적인 분리영역(isolation area)이 형성된다.
도 5 내지 도 8은 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다. 도 6은 실시예에 따른 비아 금속 및 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하기 위한 마스크를 보여주는 평면도이다.
도 1 내지 도 3의 제조 공정을 따라 제조된 이미지 감지부를 준비한다.
도 5를 참조하면, 배선(150)과 리드아웃 회로(Circuitry)(120)가 형성된 제1 기판(100)을 준비한다.
상기 제1기판(100)은 상기 배선(150)과 연결된 비아 금속(151b)을 더 포함하며, 상기 비아 금속(151b)과 동일층에서 동일재질로 형성된 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)을 더 포함한다.
상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)은 픽셀 경계에 대응하여 형성된다.
상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)은 상기 비아 금속 형성 공정에서 형성할 수 있다.
상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)은 NIPPIE(nested pixel to pixel isolation electrode)라고 할 수 있다.
앞서, 상기 n-형 전도층(233)은 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)을 상부 전극(180)으로부터 격리시키는 역할을 한다고 설명한 바 있다.
이때, 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)은 그물망처럼 상기 픽셀 주변에 형성되어 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)의 최저 전압(그라운드 전압)보다 낮은 전압을 인가하여 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)과 상부 전극(180) 사이의 전압에 의하여 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c) 상부 영역의 n-형 전도층(233)이 공핍되고 이로써 포텐셜 배리어가 형성될 수 있도록 한다. 이러한 포텐셜 배리어는 픽셀과 픽셀 사이에 전자의 이동을 막아줌으로써 노이즈 발생을 감소시킨다.
따라서, 픽셀 주변에 그물망처럼 형성된 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)을 형성하기 위하여 도 6에 도시한 바와 같은 마스크(195)를 이용하여 비아 금속(151b)과 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)을 동시에 형성할 수 있다.
여기서, 도 7은 배선(150)과 리드아웃 회로(Circuitry)(120)가 형성된 제1 기판(100)의 상세도로서 이하 도 7을 상세히 설명한다.
도 7과 같이 배선(150)과 리드아웃 회로(Circuitry)(120)가 형성된 제1 기판(100)을 준비한다. 예를 들어, 제2 도전형 제1 기판(100)에 소자분리막(110)을 형성하여 액티브영역을 정의하고, 상기 액티브영역에 트랜지스터를 포함하는 리드아웃 회로(120)를 형성한다. 예를 들어, 리드아웃 회로(120)는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)(121), 리셋트랜지스터(Rx)(123), 드라이브트랜지스터(Dx)(125), 실렉트랜지스터(Sx)(127)를 포함하여 형성할 수 있다. 이후, 플로팅디퓨젼영역(FD)(131), 상기 각 트랜지스터에 대한 소스/드레인영역(133, 135, 137)을 포함하는 이온주입영역(130)을 형성할 수 있다.
상기 제1 기판(100)에 리드아웃 회로(120)를 형성하는 단계는 상기 제1 기 판(100)에 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(TFD)(140)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)은 PN 졍션(junction)(140) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)은 제2 도전형 웰(141) 또는 제2 도전형 에피층 상에 형성된 제1 도전형 이온주입층(143), 상기 제1 도전형 이온주입층(143) 상에 형성된 제2 도전형 이온주입층(145)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 PN 졍션(junction)(140)은 도 6과 같이 P0(145)/N-(143)/P-(141) Junction 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(100)은 제2 도전형으로 도전되어 있을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도시하지는 않았으나 이미지감지부와 리드아웃 회로 사이에 제1 도전형 연결영역을 형성하여 포토차지(Photo Charge)의 원할한 이동통로를 만들어 줌으로써 암전류소스를 최소화하고, 새츄레이션(Saturation) 저하 및 감도의 하락을 방지할 수 있다. 이를 위해, 실시예는 P0/N-/P- 졍션(140)의 표면에 오믹컨택(Ohmic Contact)을 위한 제1 도전형 연결영역을 더 형성할 수 있다.
그 다음으로, 상기 제1 기판(100) 상에 층간절연층(160)을 형성하고, 배선(150)을 형성할 수 있다. 상기 배선(150)은 제1 메탈컨택(151a), 제1 메탈(151), 제2 메탈(152), 제3 메탈(153), 비아금속(151b) 및 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제3 메탈(153)은 이미지 감지부의 하부 전극인 픽셀 전극으로 작용될 수 있으며, 상기 제3메탈(153)은 각 픽셀에 대응하여 각 픽셀의 면적 정도를 가지며 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)과 전기적으로 연결된다. 이하, 제3메탈을 하부 전극으로 지칭하기로 한다.
다음으로, 도 8과 같이 상기 배선(150) 상에 이미지감지부(Image Sensing Device)(210)가 형성된 제2 기판(200)을 본딩하고, 이미지감지부(210)를 남기고 제2 기판(200)을 제거한다.
이로써, 제1도전형 이온주입영역에서 하부와 상부가 반전되므로, p+형 전도층(231)에 근접한 부분의 제1도전형 이온주입영역(240)은 도핑 레벨이 낮아 빌트-인 포텐셜에서 공핍이 이루어지며, n-형 전도층(233)에 근접한 부분의 제1도전형 이온주입영역(240)의 도핑 레벨은 높아서 전자를 축적한다.
하부 전극(153)과 제1도전형 이온주입영역(240)은 서로 떨어져 있으며, 하부 전극(153)에 전압이 인가되면 하부전극(153)과 제1도전형 이온주입영역(240) 사이에 n-형 전도층(233)에 의해 형성된 포텐셜 배리어가 낮아져 제1도전형 이온주입영역(240)에 축적되어 있는 전자가 전달되는 것이다. 예를 들면, 그 원리는 CIS 픽셀의 핀드 포토다이오드(pinned photodiode) 또는 CCD의 전하 전송 원리가 적용될 수 있다.
이후, 상기 이미지 감지부(230)의 p+형 전도층(231) 상에 그라운드 바이어스(ground bias)가 인가되는 상부전극(180)을 형성한다.
상기 상부전극(180)은 투명전극으로서, ITO(Indium Tin Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예는 두 웨이퍼를 본딩한 후 픽셀 간 아이솔레이션 공정이 필요 없으므로 공정이 간단하고 제조 수율이 향상되는 효과가 있다.
실시예는 수직 구조의 3차원 이미지 센서에 관한 것으로서, 하나의 픽셀에 대응하여 여러 개의 작은 포토다이오드 영역을 형성하며, 포토다이오드 영역들은 하부 전극과 전기적으로 연결되지 않아 포토다이오드의 공핍영역과 절연막 및 실리콘 기판의 계면에서 발생되는 누설 전류를 최소화하고, 다크 노이즈 및 핫픽셀 열화를 방지할 수 있어 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예는 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)을 형성하여 포텐셜 배리어를 형성함으로써 인접 픽셀 간에 전자 이동을 막아줌으로써 노이즈를 방지하는 효과가 있다.
또한, 실시예는 이미지 감지부에서 공핍영역을 넓게 유지하여 감도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 앞서 언급된 제 1 실시예와 동일하게 제작된 제 1 기판이 적용되며 구체적인 설명은 생략한다. 도 8에서 사용하는 참조 번호는 도 7을 참조하여 이해될 수 있다.
이미지를 감지부(230)는 제2도전형 이온주입분리영역(235)을 포함한다.
상기 제2도전형 이온주입분리영역(235)은 상기 제1도전형 이온주입영역(240) 형성시에 사용된 마스크의 반전 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
상기 제2도전형 이온주입분리영역(235)은 상기 다수의 제1도전형 이온주입영 역(240)들을 서로 격리시키는 역할을 할 수 있다.
상기 제1도전형 이온주입영역(240)이 형성된 다음 제2도전형 이온주입분리영역(235)이 형성될 수 있다. 또는, 상기 제1도전형 이온주입영역(240)이 형성되기 전에 제2도전형 이온주입분리영역(235)을 형성할 수도 있다.
일반적으로 제2도전형 이온주입분리영역(235)은 픽셀들의 경계에 형성되는 것이나, 실시예는 하나의 픽셀에 다수의 제1도전형 이온주입영역(240)들이 서로 이격되어 매립된 형태로 형성된 것이다. 따라서, 상기 제1도전형 이온주입영역(240)들 사이에 상기 제2도전형 이온주입분리영역(235)이 형성되어 있어 상기 제1도전형 이온주입영역들은 상기 제 2도전형 이온주입분리영역(235)에 의해 전기적으로 확실히 격리될 수 있다.
한편, 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)은 그물망처럼 상기 픽셀 주변에 형성되어 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역(140)의 최저 전압(그라운드 전압)보다 낮은 전압을 인가하여 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c)과 상부 전극(180) 사이의 전압에 의하여 상기 픽셀 아이솔레이션 전극(151c) 상부 영역의 n-형 전도층(233)이 공핍되고 이로써 포텐셜 배리어가 형성될 수 있도록 한다. 이러한 포텐셜 배리어는 픽셀과 픽셀 사이에 전자의 이동을 막아줌으로써 노이즈 발생을 감소시킨다.
이하, 상기와 같은 구조를 구조를 가지는 이미지 센서의 동작 원리를 도 10의 타이밍도를 참조로 하여 설명한다.
여기서, (1)에서부터 (7)을 하나의 프레임으로 본다.
먼저, 픽셀 아이솔레이션 전극에는 그라운드 전압보다 낮은 네거티브 바이어 스(negative bias)를 일정하게 인가한다. 예를 들어, -1~-2.5V를 인가할 수 있다.
(1)구간에서, 제1도전형 이온주입영역을 리셋한다. 이것은 상부전극을 그라운드 바이어스로부터 일정 전압의 네거티브 바이어스(negative bias)를 인가하여 제1도전형 이온주입영역에 존재하는 전자를 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로 전자를 이동시키며, 제1도전형 이온주입영역을 리셋하는 것이다. 이때, 상기 제1도전형 이온주입영역의 전자는 가장 가까이 있는 하부 전극으로 이동한다. 왜냐하면 상부전극(도 10에서 ITO)에 인가된 네거티브 바이어스는 제1도전형 이온주입영역과 하부 전극 사이에 존재하는 p-형 전도층의 배리어를 낮추어 전자가 제1도전형 이온주입영역에서 하부 전극으로 잘 전송될 수 있도록 하기 때문이다.
(2)구간을 보면, 상기 제1도전형 이온주입영역이 리셋된 다음, 광전자는 상기 제1도전형 이온주입영역에 축적된다. 이때, 상기 트랜스퍼트랜지스터 및 상기 리셋트랜지스터는 턴온되고, 상기 하부 전극 상부의 상기 n-형 전도층과 p-형 전도층 사이의 접합에 의한 공핍영역에서 생성된 전자는 트랜스퍼트랜지스터와 리셋트랜지스터를 턴온 상태로 두어서 VDD로 흘러가게 한다.
상기 제1도전형 이온주입영역의 주변에 형성된 공핍 영역에서 생성된 전자는 상기 제1도전형 이온주입영역에 저장되고 홀(hole)은 전압이 상부전극보다 높거나 전류 패쓰(path)가 블락킹(blocking)되어 있는 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로 가지 않고 상부 전극을 통해 사라질 수 있다.
다음, (3)구간을 보면, 상기 플로팅디퓨젼영역과 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역을 리셋한다. 이때 인터그레이션(intergration)하는 동시에 트랜스퍼트랜지스터와 리셋트랜지스터를 턴온(turn-on) 하면 플로팅디퓨젼영역과 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역을 동시에 리셋할 수 있다.
이후, (4)구간을 보면, 상기 제1도전형 이온주입영역에서 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로 전자가 전송된다. 즉, 트랜스퍼트랜지스터 및 리셋트랜지스터를 턴오프(turn-off)하고 상부 전극에 전압을 인가함으로써 상기 제1도전형 이온주입영역에서 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로 전자 전송하고 상기 제1도전형 이온주입영역은 리셋된다.
이후, (5)구간을 보면, 상기 트랜스퍼트랜지스터는 턴오프를 유지하고 리셋트랜지스터만 구동하여 플로팅디퓨젼영역을 리셋한다. 이때, CDS(coupled double sampling)을 위하여 레퍼런스 전압(reference voltage) 측정이 가능하다.
이후, (6)구간을 보면, 상기 트랜스퍼트랜지스터를 구동하여 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역에서 플로팅디퓨젼영역으로 전자를 전송한다.
이후, (7)구간을 보면, 셀렉트트랜지스터를 구동하여 플로팅디퓨젼영역의 전압신호를 리드아웃한다.
상기와 같이 각 컬럼별로 리드아웃한 후 위의 동작 순서를 반복한다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1 내지 도 3은 실시예에 따른 이미지센서에서 이미지 감지부를 갖는 제 2 기판의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.
도 4는 도 3에서 사용하는 이온주입 마스크를 보여주는 평면도이다.
도 5 내지 도 8은 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 이미지 센서의 구동을 보여주는 타이밍도이다.

Claims (30)

  1. 제1 기판에 형성된 리드아웃 회로(Readout Circuitry);
    상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되어 상기 제1 기판상에 형성된 배선;
    상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극; 및
    상기 하부 전극 상에 형성되며, 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 감지부 상에 형성되며, 상기 제1도전형 이온주입영역과 이격된 상부 전극이 형성된 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 감지부는, 상기 하부 전극 상에 형성된 n형 전도층;
    상기 n형 전도층 상에 형성된 p형 전도층;
    상기 p형 전도층 상에 형성되며, 상기 p형 전도층보다 고농도의 불순물이 도핑된 p+형 전도층을 포함하며,
    상기 제1도전형 이온주입영역은 상기 p형 전도층 내에서 상기 n형 전도층 및 상기 p+형 전도층과 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판에 형성되며, 상기 배선과 접속된 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역;
    상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로부터 전자가 전달되는 플로팅디퓨젼영역;
    상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역과 상기 플로팅디퓨젼영역 사이에 배치된 트랜스퍼트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 각 픽셀에 대응하여 배치되며, 각 픽셀에 대응하여 상기 제1도전형 이온주입영역은 m×n(m, n은 2이상의 자연수) 행렬로 서로 이격하며 배치된 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 이온주입영역은 상기 하부 전극에 가까운 하부의 도핑 레벨이 상부의 도핑 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 상부전극에 일정 전압의 네거티브 바이어스(negative bias)를 인가하여 상기 제1도전형 이온주입영역을 리셋한 다음 상기 제1도전형 이온주입영역은 광전자를 축적하고, 상기 제1도전형 이온주입영역을 리셋한 다음, 트랜스퍼트랜지스터를 온 상태로 하여 플로팅디퓨젼영역 또는 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역을 리셋하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부전극에 네거티브 바이어스(negative bias)를 인가하여 상기 제1도전형 이온주입영역에 축적된 광전자를 상기 하부 전극으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배선과 상기 하부 전극 사이에 형성된 비아금속; 및
    상기 픽셀 경계에 형성되며 상기 비아금속과 동일층에 동일재질로 형성된 픽셀 아이솔레이션 전극을 더 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 픽셀 아이솔레이션 전극은 그라운드 전압보다 낮은 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제1 기판에 리드아웃 회로(Readout Circuitry)를 형성하는 단계;
    상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되는 배선을 형성하는 단계;
    상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 픽셀별로 형성하는 단계; 및
    상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역을 포함 하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 이미지 감지부를 형성하는 단계에 있어서,
    제 2 기판에 이온주입으로 p+형 전도층과 상기 P+형 전도층 상에 p-형 전도층을 형성하는 단계;
    상기 p-형 전도층 내에 n형 불순물을 이온주입하여 하나의 픽셀에 대하여 서로 이격된 다수의 상기 제1도전형 이온주입영역들을 형성하는 단계; 및
    상기 p-형 전도층 상에 상기 제1도전형 이온주입영역들과 격리된 n형 전도층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제1도전형 이온주입영역은 p+형 전도층 인근의 도핑레벨은 1×1014~1017/cm3이며, 상기 n형 전도층 인근의 도핑레벨은 1×1016~1018/cm3인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 이미지 감지부 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 기판에 형성되며, 상기 배선과 접속된 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역 및 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로부터 전자가 전달되는 플로팅디퓨젼영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 배선을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 배선 및 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 비아 금속 및 상기 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 픽셀 아이솔레이션 전극에 그라운드 전압보다 낮은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  18. 제1 기판에 형성된 리드아웃 회로(Readout Circuitry);
    상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되어 상기 제1 기판상에 형성된 배선;
    상기 배선과 전기적으로 연결되며 픽셀별로 형성된 하부 전극; 및
    상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 다수의 제1도전형 이온주입영역 및 상기 제1도전형 이온주입영역들 사이에 형성된 제2도전형 이온주입분리영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 이미지 감지부 상에 형성되며, 상기 제1도전형 이온주입영역과 이격된 상부 전극이 형성된 이미지 센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1도전형 이온주입영역과 상기 하부 전극 사이에 n형 전도층이 형성되며, 상기 제1도전형 이온주입영역과 상기 상부 전극 사이에 p형 전도층이 형성된 이미지 센서.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기판에 형성되며, 상기 배선과 접속된 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역;
    상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로부터 전자가 전달되는 플로팅디퓨젼영역; 및
    상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역과 상기 플로팅디퓨젼영역 사이에 배치된 트랜스퍼트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제1도전형 이온주입영역은 상기 하부 전극에 가까운 하부의 도핑 레벨이 상부의 도핑 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 배선과 상기 하부 전극 사이에 형성된 비아금속; 및
    상기 픽셀 경계에 형성되며 상기 비아금속과 동일층에 동일재질로 형성된 픽셀 아이솔레이션 전극을 더 포함하는 이미지 센서.
  24. 제1 기판에 리드아웃 회로(Readout Circuitry)를 형성하는 단계;
    상기 리드아웃 회로와 전기적으로 연결되는 배선을 형성하는 단계;
    상기 배선과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 픽셀별로 형성하는 단계; 및
    상기 하부 전극과 이격되어 픽셀별로 형성된 다수의 제1도전형 이온주입영역 및 상기 제1도전형 이온주입영역들 사이에 제2도전형 이온주입분리영역을 포함하는 이미지감지부(Image Sensing Device)를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 이미지 감지부를 형성하는 단계에 있어서,
    제 2 기판에 이온주입으로 p+형 전도층과 상기 P+형 전도층 상에 p-형 전도 층을 형성하는 단계;
    상기 p-형 전도층 내에 n형 불순물을 이온주입하여 하나의 픽셀에 대하여 서로 이격된 다수의 상기 제1도전형 이온주입영역들을 형성하는 단계; 및
    상기 p-형 전도층 상에 이온주입으로 n형 전도층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 p-형 전도층에 p형 불순물을 이온주입하여 상기 제1도전형 이온주입영역들을 서로 격리시키기 위한 상기 제2도전형 이온주입분리영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 제1도전형 이온주입영역을 형성하기 위하여 사용되는 마스크와 상기 제2도전형 이온주입분리영역을 형성하기 위해 사용되는 마스크는 서로 반전된 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  28. 제 24항에 있어서,
    상기 이미지 감지부 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  29. 제 24항에 있어서,
    상기 제1 기판에 형성되며, 상기 배선과 접속된 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역 및 상기 트랜스퍼플로팅디퓨젼영역으로부터 전자가 전달되는 플로팅디퓨젼영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  30. 제24항에 있어서,
    상기 배선을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 배선 및 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 비아 금속 및 상기 픽셀 경계에 픽셀 아이솔레이션 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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