KR20110000853A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀영역이 정의된 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 픽셀영역에서 수광영역을 정의하기 위해 반도체 기판에 형성되고, 제1 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰; 상기 픽셀분리웰 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들; 상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 형성된 포토다이오드; 및 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역을 포함한다.
이미지센서, 포토다이오드, 픽셀분리
Description
실시예는 이미지센서에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)를 포함한다.
일반적으로 이미지센서는 빛에 의해 생성된 전하(전자 또는 정공)을 픽셀 자체 내에서 전압 신호로 변환하여 이미지(Image)에 대한 정보를 읽어내는 것이다.
이미지센서는 점점 고집적화, 초소형화 됨에 따라 이미지 정보를 읽어내는 단위인 픽셀의 크기가 점점 작아지고 있는 상황이다.
통상적으로 픽셀은 빛을 받아서 전하를 저장하는 포토다이오드와 빛에 노출되는 시간조절 및 빛에 의해 생성된 전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 전달받은 전하를 전압신호로 변화하여 빛에 의해 생성된 신호의 크기를 검출하는 플로팅 디퓨전영역(Floating Diffusion:FD), 상기 플로팅 디퓨전 영역을 기준전압으 로 초기화시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 픽셀의 출력 라인(Output line)의 플로팅 디퓨전영역의 전압신호에 따라 구동시키기 위해 소오스 팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 출력신호를 읽기 위해 필요로 하는 픽셀을 선택하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다.
이미지 센서를 제조함에 있어서 이미지센서의 광감도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있다. 이미지 센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 씨모스 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서의 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율인 필팩터(fill factor)가 높아져야 한다.
하지만 이미지센서의 초소형화에 따라 점점 고해상도 구현을 위해 필요로 하는 단위픽셀의 면적이 작아지고 있고 이에 따라 포토다이오드도 작아지는 문제가 있다.
이미지 센서에서는 각 소자들을 상호 격리시키는 아이솔레이션(Isolation) 영역(STI 기술 또는 LOCOS 기술등에 의해 구현된 필드영역)이 추가적으로 필요하므로 상기 포토다이오드 영역이 감소되는 문제가 있다.
상기 필드 영역은 STI 또는 LOCOS와 같은 공정에 의하여 형성되므로 실리콘 격자에 디펙트(Defect) 및 스트레스(Stress)를 유발함으로써 다크특성이 불량하다. 따라서, 상기 필드 영역 좌우에 다크특성을 확보하기 위해 포토다이오드와 일정한 이격거리를 두도록 하는 디자인 룰(Design Rule)등으로 인하여 픽셀 내의 유효면적이 감소되는 문제가 있다.
상기 트랜스퍼 트랜지스터의 경우, 트랜지스터의 안정적인 동작을 보장하기 위해 필드 영역의 위에 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트가 확장되어야 한다.
이로 인하여 상기 필드 영역 위에 형성된 상기 게이트와 인접하는 다른 액티브 영역 간의 거리 유지 등의 추가적인 디자인 룰로 인하여 픽셀 내의 유효면적이 감소되는 문제가 있다. 특히, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 하단부에 채널영역에서 다크 특성을 향상시키기 위하여 필드영역의 양측벽에 고농도의 p형 불순물을 이온주입이 진행되는데, 이로 인하여 트랜지스터의 길이가 줄어드는 현상이 유발되어 트랜지스터의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
실시예에서는 픽셀분리웰에 의하여 단위픽셀을 분리할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 픽셀분리웰에 단위픽셀의 트랜지스터 회로들이 형성되어 포토다이오드 면적을 확장시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀영역이 정의된 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 픽셀영역에서 수광영역을 정의하기 위해 반도체 기판에 형성되고, 제1 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰; 상기 픽셀분리웰 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들; 상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 형성된 포토다이오드; 및 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역을 포함한다.
다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀영역이 정의된 제2 도전형의 반도체 기판; 상기 픽셀영역에서 수광영역을 정의하기 위해 반도체 기판에 형성되고, 제2 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰; 상기 픽셀분리웰 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들; 상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 형성된 포토다이오드; 및 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 픽셀영역 및 주변회로 영역을 포 함하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 픽셀영역에 단위픽셀의 수광영역이 정의되도록 도전형 불순물을 이온주입하여 픽셀분리웰를 형성하는 단계; 상기 픽셀분리웰 상에 단위픽셀의 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 플로팅 디퓨전 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 픽셀분리웰에 의하여 단위픽셀이 분리될 수 있다.
상기 픽셀분리웰에 의하여 포토다이오드의 수광면적이 확장되어 필팩터를 향상시킬 수 있다.
상기 픽셀분리웰이 이온주입공정에 의하여 형성되므로 다크 소스를 제거하여 이미지 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 필드 영역 측벽에 필요한 사이드 월 도핑 공정등이 필요없게 됨으로 인하여 공정을 단순화시킬 수 있다.
상기 픽셀분리웰 상에 단위픽셀의 트랜지스터 및 플로팅 확산영역이 형성됨으로써 액티브 필 팩터를 극대화할 수 있다 이에 다라 감도 열화 없이 고해상도의 이미지센서를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재 되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 9는 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다. 도 10은 도 9의 레이아웃을 나타내는 도면이다. 도 9는 도 10의 X3-X3'선 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀영역이 정의된 제1 도전형의 반도체 기판(100), 상기 픽셀영역에서 수광영역(PDA)을 정의하기 위해 반도체 기판(100)에 형성되고, 제1 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰(110), 상기 픽셀분리웰(110) 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터, 상기 트랜지스터의 게이트(130)의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역(PDA)에 형성된 포토다이오드(170), 및 상기 게이트(130)의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰(110) 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역(150)을 포함한다.
상기 픽셀분리웰(110)은 p형 도펀트에 의한 이온주입에 의하여 형성되어 다크커런트를 억제할 수 있다.
상기 단위픽셀은 엔모스 픽셀(NMOS pixel)일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(100)은 p형 기판이고, 상기 포토다이오드(170)는 제1 도핑층(n-)(140) 및 제2 도핑층(p-)(160)이 적층된 구조이다. 또한, 상기 플로팅 디퓨전 영역(150)은 고농도의 n형 불순물(n+)로 형성될 수 있다.
상기 게이트(130)의 하부에는 채널부(120)가 형성되어 있다. 예를 들어, 상기 채널부(120)는 p형 불순물(p0)로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드(170)는 인접하는 상기 픽셀분리웰(110)의 내측으로 연장 형성될 수 있다. 따라서, 상기 포토다이오드(100)의 면적 증가에 따라 필팩터가 향상될 수 있다.
상기 픽셀영역에는 복수개의 단위픽셀이 형성될 수 있다. 상기 단위픽셀은 포토다이오드(170), 플로팅 디퓨전 영역(150), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다.
상기 포토다이오드(170)는 상기 단위픽셀의 수광영역(PDA)에 형성된다. 상기 플로팅 디퓨전 영역(150), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(미도시)는 상기 픽셀분리웰(110) 상부에 형성될 수 있다.
도 10은 픽셀영역의 단위픽셀들을 나타내는 레이아웃이다. 특히, 도 10은 두개의 단위픽셀이 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)를 공유하는 로우 쉐어드 픽셀(Low shared pixel) 레이아웃의 일예이다.
상기 픽셀영역에는 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3) 및 제4 픽셀(P4)이 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)에는 각각 포토다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4), 플로팅 디퓨전 영역(FD1, FD2, FD3, FD4) 및 트랜지스터(Tx, Rx, Dx)들이 형성되어 있다.
상기 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)은 격자형태로 형성된 상기 픽셀분리웰(110)에 의하여 단위픽셀 별로 분리될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)의 포토다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)는 상기 픽셀분리웰(110)에 의하여 수광영역(PDA)으로 정의된 상기 반도체 기판(100)에 형성될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)의 트랜지스터들(Tx, Rx, Dx) 및 플로팅 디퓨전 영역(FD)들은 상기 픽셀분리웰(100)에 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 제1 픽셀(P1)의 포토다이오드(PD1)의 일측 모서리와 인접하는 픽셀분리웰(110) 상에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1)의 게이트(130)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1)의 게이트(130)와 접하도록 상기 픽셀분리웰(110) 내부에 플로팅 디퓨전 영역(FD1)이 형성되어 있다. 상기 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 연결되도록 상기 제1 픽셀(P1)과 인접하는 제3 픽셀(P3)의 픽셀분리웰(110) 상에 리셋 트랜지스터(Rx1)의 게이트가 형성되어 있다. 상기 제1 픽셀(P1)의 포토다이오드(PD1) 하측부에 해당하는 상기 픽셀분리웰(110) 상에는 드라이브 트랜지스터(Dx1)가 형성되어 있다. 상기 제2 픽셀(P2)의 플로팅 디퓨전 영역(FD2)은 상기 제1 픽셀(P1)과 연결된 리셋 트랜지스터(Rx1)와 금속컨택에 의하여 연결될 수 있다. 즉, 제1 픽셀(P1)과 제2 픽셀(P2)이 리셋 트랜지스터(Rx1) 및 드라이브 트랜지스터(Dx1)를 공유할 수 있다.
상기와 같이 픽셀분리웰(110)에 단위픽셀의 트랜지스터들(Tx, Dx, Rx) 및 플로팅 디퓨전 영역((FD))이 형성됨으로써 단위픽셀에서 포토다이오드(170)의 면적이 확장되어 필팩터를 향상시킬 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃을 나타내는 도면이다. 도 12는 도 11의 Y-Y'선 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀영역이 정의 된 제2 도전형의 반도체 기판(200)과, 상기 픽셀영역에서 수광영역(PDA)을 정의하기 위해 반도체 기판(200)에 형성되고, 제2 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰(210)와, 상기 픽셀분리웰(210) 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들과, 상기 트랜지스터의 게이트의(230) 일측에 정렬되도록 상기 수광영역(PDA)에 형성된 포토다이오드(270) 및 상기 게이트(230)의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰(210) 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역을(250) 포함한다.
상기 단위픽셀은 피모스 픽셀(PMOS pixel)로 형성될 수 있다. 즉, 상기 반도체 기판(200)은 n형 반도체 기판(n++)이고, 상기 포토다이오드(270)는 상기 반도체 기판(200)의 깊은 영역에 형성된 p형의 제1 도핑층(p-)(240) 및 상기 제1 도핑층(240)과 접하도록 상기 반도체 기판(200)의 얕은 영역에 형성된 n형의 제2 도핑층(n-)(260)을 포함하고, 상기 플로팅 확산영역(250)은 p형 불순물(p+)로 형성될 수 있다. 상기 게이트(230) 하부에 형성된 채널부(220)은 n형 불순물로 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 픽셀분리웰(210)에 단위픽셀(P1,P2,P3,P4)의 트랜지스터(Tx, Dx, Rx)들 및 플로팅 확산영역(FD)이 형성되어 있다. 따라서, 상기 포토다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)의 필팩터를 향상시킬 수 있다.
또한 상기 포토다이오드(270)의 제2 도핑층(160)이 n형 불순물에 의해 형성되므로 세그리게이션(Segregation)특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 p형 도핑층 상에 피닝 도핑(Pinning doping)되는 n형 불순물이 인(P) 또는 아세닉(As) 이온과 같은 5족 불순물로 형성되기 때문이다. 상기 n형 불순물은 중량 및 크기가 p형 불순 물 보다 크기 때문에 포토다이오드의 공핍영역을 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 세그리게이션 특성을 개선하여 포토다이오드의 광감도를 향상시킬 수 있다.
도 9 및 도 10의 도면 부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 상세히 설명하도록 한다.
도 1을 참조하여, 픽셀영역이 정의된 반도체 기판(100) 상에 에피층(p-epi)이 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(100)은 고농도의 p형 기판(p++)일 수 있다.
상기 반도체 기판(100)은 에피층(p-epi)을 포함한다. 상기 에피층(p-epi)은 상기 반도체 기판(100)에 대한 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도의 p 에피층(p-epi)으로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 반도체 기판(100)에 단위픽셀을 분리하기 위한 픽셀분리웰(110)이 형성된다. 상기 픽셀분리웰(110)은 p형(p+) 또는 n형(n+) 불순물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 기판(100)이 p형 기판일 경우 상기 픽셀분리웰(110)은 p형 불순물로 형성될 수 있다. 또는, 상기 반도체 기판(100)이 n형 기판일 경우 상기 픽셀분리웰(110)은 n형 불순물로 형성될 수 있다. 이하 설명에 있어서, 상기 픽셀분리웰(110)은 p형 불순물로 형성된 것을 예로 한다.
도 4는 도 2의 레이아웃을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(100)에 픽셀분리웰(110)이 형성되어 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)의 수광영역(PDA)이 정의될 수 있다.
다시 도 2를 참조하여, 상기 픽셀분리웰(110)은 이온주입공정에 의하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 픽셀분리웰(110)은 단위픽셀의 수광영역(PDA)을 선택적으로 가리는 제1 포토레지스트 패턴(10)을 형성한 후 상기 반도체 기판(100)으로 p형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다. 상기 픽셀분리웰(110)은 적어도 1회 이상의 이온주입 공정을 통해 형성될 수도 있다.
상기 픽셀분리웰(110)은 p형 불순물의 블랭킷(Blanket) 이온주입 공정에 의하여 상기 반도체 기판(100)의 픽셀영역 전체로 이온주입하여 형성될 수도 있다.
또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 픽셀분리웰(110)은 주변회로 영역(B)의 웰영역(p-well)이 형성될 때 함께 형성될 수도 있다. 즉, 상기 반도체 기판(100) 상에 포토레지스트막을 형성한 후, 상기 주변회로영역(B)의 피웰(p-well) 및 픽셀영역(A)의 픽셀분리영역이 선택적으로 노출되도록 포토리소그라피 공정에 의하여 제2 포토레지스트 패턴(20)을 형성한다. 그리고, 상기 제2 포토레지스트 패턴(20)을 이온주입 마스크로 하는 이온주입 공정에 의하여 상기 픽셀분리웰(110) 및 피웰(p-well)을 동시에 형성할 수 있다.
상기와 같이 픽셀영역(A)에서 단위픽셀을 분리하기 위한 픽셀분리웰(110)이 고농도 불순물 이온주입 공정에 의하여 형성되므로 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 격자결함에 의한 다크 커런트(dark current) 발생을 방지할 수 있다.
일반적으로 단위픽셀의 분리는 STI 및 로코스 공정에 의하여 반도체 기판을 일정깊이 식각한 후 절연막을 갭필하여 형성한다. 하지만, 이러한 식각공정은 반도체 기판의 실리콘 격자에 결함을 발생시키게 되어 다크커런트가 유발되는 문제가 있었다.
실시예에서는, 상기 픽셀분리웰(110)이 이온주입공정에 의하여 형성되므로 식각결함에 의한 다크커런트의 발생을 차단할 수 있다.
상기 픽셀분리웰(110)은 이온주입 공정에 의하여 형성되므로 원하는 영역에만 깊은 깊이를 가지도록 형성할 수 있다. 즉, 이온주입 에너지를 조절함으로써 상기 픽셀분리웰(110)을 좁고 깊은 형태로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 픽셀분리웰(110)은 기존의 STI 필드절연막에 비하여 10~100배 정도 깊은 깊이로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 픽셀분리웰(110)에 의하여 다크 커런트 발생을 억제할 수 있고 고집적화에 부응할 수 있음과 동시에 크로스 토크 방지 및 저조도 특성을 향상시킬 수 있다.
다시 도 4를 참조하여, 상기 반도체 기판(100)에서 상기 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3) 및 제4 픽셀(P4)의 수광영역(PDA)이 상기 픽셀분리웰(110)에 의하여 정의될 수 있다. 상기 픽셀분리웰(110)이 좁고 깊은 형태로 상기 반도체 기판(100)에 형성되므로 상기 제1 내지 제4 픽셀(P1,P2,P3,P4)의 수광면적을 충분 히 확보할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 반도체 기판(100)의 표면에 채널부(120)가 형성된다. 예를 들어, 상기 채널부(120)는 반도체 기판(100)의 표면에 p형 불순물(p0)을 이온주입하여 형성될 수 있다. 상기 채널부(120)는 상기 반도체 기판(100)의 에피층(p-epi) 및 픽셀분리웰(110) 표면에 형성되어 문턱전압을 조절하고 전하를 이동시킬 수 있다.
상기 채널부(120) 상에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트(130)가 형성된다.상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트(130)는 상기 수광영역(PDA)과 인접하는 상기 픽셀분리웰(110) 상부로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트(130))는 상기 수광영역(PDA)의 일부에서 상기 픽셀분리웰(110) 상부까지 연장되도록 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 게이트(130)는 상기 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막 및 폴리실리콘을 증착하고 패터닝하여 형성될 수 있다. 특히, 상기 게이트(130)가 상기 픽셀분리웰(110) 위에 패터닝됨으로써 상기 포토다이오드의 수광영역(PDA)을 최대한 확보할 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 단위픽셀의 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1)의 게이트(130)가 형성될 때 리셋 트랜지스터(Rx1) 및 드라이브 트랜지스터(Dx1)의 게이트가 동시에 형성될 수 있다. 특히, 상기 리셋 트랜지스터(Rx1) 및 드라이브 트랜지스터(Dx1)는 상기 픽셀분리웰(110) 상에 형성되어 상기 포토다이오드의 수광영역(PDA)에 영향을 주지 않게 된다.
예를 들어, 상기 드라이브 트랜지스터(Dx1)의 게이트는 제1 픽셀(P1)과 제2 픽셀(P2) 사이에 해당하는 상기 픽셀분리웰(110) 상에 형성될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(Rx1)는 상기 제3 픽셀(P3) 상측부에 해당하는 상기 픽셀분리웰(110) 상부에 형성될 수 있다.
도 7을 참조하여, 상기 게이트(130) 일측에 해당하는 상기 수광영역(PDA)의 내부에 제1 도핑층(140)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 도핑층(140)은 상기 반도체 기판(100)에서 깊은 영역에 해당하는 제1 깊이(D1)를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1 도핑층(140)은 p형 불순물(p-)로 형성될 수 있다. 상기 제1 도핑층(140)은 상기 게이트(130) 일측을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)에 의한 이온주입 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 도핑층(130)은 인접하는 상기 픽셀분리웰(110) 내측으로 연장될 수도 있다. 상기 픽셀분리웰(110)이 p형 불순물(p+)로 형성되어 있으므로, 상기 제1 도핑층(140)은 단위픽셀 별로 분리된 상태가 될 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 게이트(130) 타측에 해당하는 상기 픽셀분리웰(110) 내부에 플로팅 디퓨전 영역(150)이 형성된다.
상기 플로팅 디퓨전 영역(150)은 n형 불순물(n+)로 형성될 수 있다. 상기 플로팅 디퓨전 영역(150)은 상기 게이트(130) 타측에 해당하는 상기 픽셀분리웰(110)을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)에 의한 이온주입 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 포토레지스트 패턴은 인접하는 단위픽셀의 포토다 이오드 영역 주변이 노출되지 않도록 형성된다.
상기 플로팅 디퓨전 영역(150)을 형성할 때 상기 리셋 트랜지스터(Rx) 및 드라이브 트랜지스터(Dx)의 소스/드레인 영역이 상기 픽셀분리웰(110) 내부에 형성될 수 있다.
상기 단위픽셀을 분리하기 위한 상기 픽셀분리웰(110)이 도전성 도펀트의 이온주입공정에 의하여 형성됨으로써 상기 픽셀영역 전체를 액티브 영역으로 활용할 수 있다. 또한, 상기 포토다이오드(PD)를 제외한 소자들이 상기 픽셀분리웰(110)에 형성되어 수광영역(PDA)을 최대한 확보할 수 있다.
도 9를 참조하여, 상기 수광영역(PDA)의 제1 도핑층(140) 상에 제2 도핑층(160)이 형성된다. 상기 제2 도핑층(160)은 p형 불순물(p0)로 형성될 수 있다. 상기 제2 도핑층(160)은 상기 제1 깊이(D1)보다 얕은 제2 깊이(D2)를 가지도록 형성될 수 있다. 상기 제2 도핑층(160)은 상기 수광영역(PDA)에 해당하는 상기 반도체 기판(100)의 표면에 형성될 수 있다.
상기 수광영역(PDA) 전면에 피닝 도핑(Pinning doping)(p+)을 하여 핀드 포토다이오드(Pinned photodiode)(170)가 형성된다. 이때 상기 제1 도핑층(140)의 사이사이까지 상기 p형 이온주입 영역을 확장하게 되면 표면 리키지(surface leakage)도 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 픽셀분리웰(110)의 도핑농도를 조절하여 상기 반도체 기판(100)에서의 상호 정션 사이의 리키지를 방지할 수도 있다. 또한, 상기 픽셀분리웰(110)의 깊이가 상기 포토다이오드(170) 보다 깊은 깊이를 가지도록 형성되어 크로스 토 크 및 노이즈를 방지할 수도 있다.
상기 픽셀분리웰(110)과 포토다이오드(170)의 정션영역(junction)이 직접 닿지 않으므로 기존의 필드영역(예를 들어, STI)에서의 스트레스 및 디펙트에 의한 정션 리키지(junction leakage)를 개선할 수 있다.
상기 픽셀분리웰(110)이 이온주입 공정에 의하여 형성되므로 보다 단순화된 공정으로 픽셀을 구현할 수 있다. 또한, 기존의 필드영역(예를 들어, STI)은 스트레스 유도 결함(Stress Induced Ddefect:SID)에 심각하게 취약한 상황이지만, 상기 픽셀분리웰은 이온주입 공정에 의하여 형성되므로 SID와 같은 픽셀 열화를 방지할 수 있다.
도 10은 도 9의 레이아웃 도면이다.
상기 반도체 기판(100)에 격자 형태로 형성된 픽셀분리웰(110)에 의하여 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3) 및 제4 픽셀(P4)의 포토다이오드(170)가 단위픽셀 별로 형성되어 있다. 상기 포토다이오드(170)의 일측 상부와 인접하는 상기 픽셀분리웰(110)에 게이트(130) 및 플로팅 확산영역(150)이 형성되어 있다. 상기 제1 픽셀(P1)과 인접하는 제2 픽셀(P2) 사이에 해당하는 픽셀분리웰(110)에 드라이브 트랜지스터(Dx1)가 형성되어 있다. 그리고 상기 플로팅 확산영역(150)과 연결되도록 상기 제3 픽셀(P3) 상측부의 픽셀분리웰(110) 상에 리셋 트랜지스터(Rx1)가 형성되어 있다. 이후, 상기 제2 픽셀(P2)의 플로팅 확산영역(FD)은 금속컨택에 의하여 상기 리셋 트랜지스터(Rx1)와 연결될 수 있다.
즉, 상기 제1 픽셀(P1)과 제2 픽셀(P2)은 하나의 리셋 트랜지스터(Rx) 및 드 라이브 트랜지스터(Dx)와 연결되어 동작될 수 있다.
상기와 같이 픽셀영역의 단위픽셀을 분리하는 픽셀분리웰이 이온주입에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 픽셀영역에 절연막으로 형성된 필드영역이 제거되어 픽셀영역 전체를 액티브 영역으로 활용할 수 있으므로 이미지 센서의 초소형화, 고집적화를 달성할 수 있다.
상기 픽셀분리웰에 의하여 포토다이오드의 수광면적이 확장되어 필팩터를 향상시킬 수 있다.
상기 픽셀분리웰이 이온주입공정에 의하여 형성되므로 다크 소스를 제거하여 이미지 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 필드 영역 측벽에 필요한 사이드 월 도핑 공정등이 필요없게 됨으로 인하여 공정을 단순화시킬 수 있다.
상기 픽셀분리웰 상에 단위픽셀의 트랜지스터 및 플로팅 확산영역이 형성됨으로써 액티브 필 팩터를 극대화할 수 있다 이에 따라 감도 열화 없이 고해상도의 이미지센서를 구현할 수 있다.
한편, 도 11 및 도 12에 도시된 이미지 센서의 제조방법에 대해서는 설명되지 않았지만, 도 1 내지 도 10의 제조방법과 동일한 방법에 의하여 제조공정이 진행될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는, 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 10은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 11 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 Y-Y'선 단면도이다.
Claims (17)
- 픽셀영역이 정의된 제1 도전형의 반도체 기판;상기 픽셀영역에서 수광영역을 정의하기 위해 반도체 기판에 형성되고, 제1 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰;상기 픽셀분리웰 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들;상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 형성된 포토다이오드; 및상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 포토다이오드는 인접하는 상기 픽셀분리웰의 내측으로 연장형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 단위픽셀의 트랜지스터는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 단위픽셀은 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 플로팅 확산영역을 포함하고, 인접하는 두개의 단위픽셀은 리셋 트랜지스터를 및 드라이브 트랜지스터를 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 도전형은 p형 불순물로 형성된 것을 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 단위픽셀은 엔모스 픽셀(NMOS pixel)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 픽셀영역이 정의된 제2 도전형의 반도체 기판;상기 픽셀영역에서 수광영역을 정의하기 위해 반도체 기판에 형성되고, 제2 도전형 도펀트의 이온주입에 의하여 형성된 픽셀분리웰;상기 픽셀분리웰 상에 형성된 단위픽셀의 트랜지스터들;상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 형성된 포토다이오드; 및상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 형성된 플로팅 디 퓨전 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서,상기 반도체 기판은 n형 반도체 기판이고,상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 형성된 p형의 제1 도핑층 및 상기 제1 도핑층과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 형성된 n형의 제2 도핑층을 포함하고,상기 플로팅 확산영역은 p형 불순물로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서,상기 단위픽셀은 피모스 픽셀(PMOS pixel)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 픽셀영역 및 주변회로 영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;상기 픽셀영역에 단위픽셀의 수광영역이 정의되도록 도전형 불순물을 이온주입하여 픽셀분리웰를 형성하는 단계;상기 픽셀분리웰 상에 단위픽셀의 트랜지스터를 형성하는 단계;상기 트랜지스터의 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 수광영역에 포토다이오드를 형성하는 단계; 및상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 픽셀분리웰 내부에 플로팅 디퓨전 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 픽셀분리웰는 n형 또는 p형 불순물로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 픽셀분리웰를 형성하는 단계는,상기 픽셀영역에 대한 블랭킷(blanket) 이온주입공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 픽셀분리웰는 상기 주변회로 영역의 웰영역을 형성을 위한 이온주입 공정시 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 단위픽셀의 트랜지스터들은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 단위픽셀은 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 플로팅 확산영역을 포함하고, 인접하는 두개의 단위픽셀과 리셋 트랜지스터 및 드라이브 트랜지스터를 함께 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 포토다이오드를 형성하는 단계는,상기 수광영역에 해당하는 상기 반도체 기판의 내부로 제1 깊이를 가지도록 제1 도핑층을 형성하는 단계; 및상기 제1 도핑층과 접하고 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이를 가지도록 제2 도핑층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 포토다이오드는 인접하는 상기 픽셀분리웰 내측으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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