KR20110000959A - Image sensor and fabricating method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An image sensor and a manufacturing method thereof are provided to improve picture quality by discharging electrons, which are overcharged in a photo diode, into a floating diffusion region. CONSTITUTION: A gate electrode(111) is formed on a semiconductor substrate(101). A photodiode region is formed on the semiconductor substrate in one side of the gate electrode. A floating diffusion region is formed on the semiconductor substrate in the other side of the gate electrode. A buried channel layer(120) interlinks the photodiode region and the floating diffusion region. A diffusion blocking layer(121) and a lower part diffusion blocking layer(122) are formed to be spaced apart from the semiconductor substrate surface.

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{image sensor and fabricating method thereof}Image sensor and fabrication method thereof

실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.An embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same.

CMOS 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀(Pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 CCD에 비해 크게 낮은 장점이 있어 광범위한 제품에서 사용되고 있다.CMOS image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits to make as many MOS transistors as the number of pixels and uses this to switch the outputs sequentially. It is an element employing a system. These CMOS image sensors can be easily driven, implemented in a variety of scanning methods, and can be integrated in a single chip, enabling miniaturization of products, and using compatible CMOS technology to reduce manufacturing costs. In addition, power consumption is significantly lower than that of CCDs, which are used in a wide range of products.

일반적으로, 씨모스 이미지센서의 단위 화소(Pixel)는 1개의 포토다이오드(Photo Diode)와 4개의 트랜지스터로 구성되는데, 각각 포토 다이오드에 축적된 전자를 플로팅확산(Floating Diffusion) 영역으로 옮기는 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer Transistor), 포토다이오드 및 플로팅확산 영역 에 리셋 신호를 전달 하는 리셋 트랜지스터(Reset Transistor), 소스 팔로워(source follower) 증폭기 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(Driver Transitor), 스위칭(switching) 및 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(Select Transistor) 로 이루어진다. 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터는 트랜지스터의 전압 전달 효율을 최대화하기 위해, 일반적으로 낮은 문턱전압을 가지는 네거티브 NMOS 트랜지스터로 제작할 수도 있다. 그리고, 드라이버 트랜지스터와 셀렉트 트랜지스터는 보통의 문턱전압을 가지는 트랜지스터로 제작된다. 또한 일반적으로 상기 4개의 트랜지스터가 모두 면채널(Surface Channel)로 제작된다. 이때 트랜스퍼 트랜지스터의 경우에는 면채널이 형성되는 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온(Turn on) 상태 이전에 광전하를 집속하는 과정에서 포토다이오드에 모아지는 전자의 양이 많으면, 일부 전자가 기판으로 흘러 넘쳐 이웃 단위 화소까지 도달하여 해당 단위 화소의 특성을 나빠지게 만드는 블루밍(Blooming) 현상이 발생하게 된다.In general, the pixel unit of the CMOS image sensor is composed of one photo diode and four transistors, each of which transfers electrons accumulated in the photo diode to a floating diffusion region. Reset Transistors that transfer reset signals to the Transfer Transistor, Photodiode and Floating Diffusion areas, Driver Transistors acting as source follower amplifiers, switching and addressing roles. It consists of a select transistor. Transfer and reset transistors can also be fabricated as negative NMOS transistors, which typically have low threshold voltages, to maximize the transistor's voltage transfer efficiency. The driver transistor and the select transistor are made of a transistor having a normal threshold voltage. In general, all four transistors are manufactured in a surface channel. In the case of the transfer transistor, if a large amount of electrons are collected in the photodiode in the process of focusing photocharges before the turn-on state of the transfer transistor in which the surface channel is formed, some electrons flow into the substrate and neighbor unit pixels. In this case, a blooming phenomenon occurs that deteriorates the characteristics of the corresponding unit pixel.

실시예는 블루밍 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same that can effectively control the blooming phenomenon.

실시예는 포토다이오드에 전자를 축적하는 동안 트랜스퍼 트랜지스터가 턴 오프 상태를 유지하는데, 포토다이오드에 초과 축적된 전자들은 플로팅확산 영역으로 빼냄으로써 리셋 트랜지스터를 통해 제거하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.An embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same, in which a transfer transistor maintains a turn-off state while accumulating electrons in a photodiode, wherein electrons accumulated in the photodiode are removed through a reset transistor by drawing out the floating diffusion region. .

실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판에 형성된 포토다이오드영역, 상기 게이트 전극 타측의 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅확산영역, 상기 게이트 전극 하부에서 상기 반도체 기판 표면과 이격하여 형성되며, 상기 포토다이오드영역 및 상기 플로팅확산영역을 연결하는 매립채널층 및 상기 반도체 기판 표면과 이격하여 형성되며, 상기 매립채널층의 상, 하에 형성된 상부 확산방지층 및 하부 확산방지층을 포함한다.The image sensor may include a gate electrode formed on a semiconductor substrate, a photodiode region formed on the semiconductor substrate on one side of the gate electrode, a floating diffusion region formed on the semiconductor substrate on the other side of the gate electrode, and a lower portion of the gate electrode. A buried channel layer spaced apart from a semiconductor substrate surface, the buried channel layer connecting the photodiode region and the floating diffusion region, and formed to be spaced apart from the surface of the semiconductor substrate, an upper diffusion barrier layer and a lower diffusion layer formed above and below the buried channel layer. And a prevention layer.

실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판 내에 블루밍 제어를 위한 매립채널층을 형성하는 단계, 상기 매립채널층 위에 상부 확산방지층 및 상기 매립채널층 아래에 각각 상부 확산방지층 및 하부 확산방지층을 형성하는 단계, 상 기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층 상부의 상기 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판에 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층과 연결되도록 포토다이오드 영역을 형성하는 단계 및 상기 게이트 전극 타측의 상기 반도체 기판에 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층과 연결되도록 플로팅확산영역을 형성하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method of manufacturing an image sensor may include forming a buried channel layer for blooming control in a semiconductor substrate, and forming an upper diffusion barrier layer and a lower diffusion barrier layer below the buried channel layer, respectively. Forming a gate electrode of a transfer transistor on the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer, and the semiconductor substrate above the lower diffusion barrier layer, the buried channel layer on the semiconductor substrate on one side of the gate electrode; Forming a photodiode region to be connected to the upper diffusion barrier layer and the lower diffusion barrier layer and a floating diffusion region to be connected to the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer and the lower diffusion barrier layer on the semiconductor substrate on the other side of the gate electrode Forming a step.

실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드에 전자를 축적하는 동안 트랜스퍼 트랜지스터가 턴 오프 상태를 유지하는데, 포토다이오드에 초과 축적된 전자들은 플로팅확산 영역으로 빼냄으로써 블루밍을 제어하고 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In the image sensor according to the embodiment, the transfer transistor is turned off while accumulating electrons in the photodiode, and the electrons accumulated in the photodiode are removed to the floating diffusion region to control blooming and improve image quality. There is.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

씨모스(CMOS) 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 하기 실시예에서 4T형으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors. In the following Examples, but described as 4T type, the present invention is not limited thereto.

도 1은 일 실시예에 다른 이미지 센서를 보여주는 회로도이고, 도 2는 도 1 의 회로도에 따른 이미지 센서의 일부를 보여주는 단면도이다. 여기서, 도 2는 이미지 센서의 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 플로팅확산 영역(FD)을 보여준다.1 is a circuit diagram illustrating another image sensor in an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a part of the image sensor according to the circuit diagram of FIG. 1. 2 illustrates a photodiode PD, a transfer transistor Tx, and a floating diffusion region FD of an image sensor.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소는 반도체 기판(101)에 액티브 영역(active area)이 정의되며, 액티브 영역을 제외한 부분은 소자분리 영역이 형성된다. 1 and 2, in the unit pixel of the image sensor according to the exemplary embodiment, an active area is defined in the semiconductor substrate 101, and a device isolation area is formed in portions except the active area.

액티브 영역에서 가장 넓은 면적을 가지는 부분에 형성되는 포토 다이오드 영역(PD)과, 포토 다이오드 영역(PD) 이외의 액티브 영역과 오버랩되도록 형성되는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 있다.The photodiode region PD formed in the region having the largest area in the active region, the transfer transistor Tx, the reset transistor Rx, and the drive transistor formed to overlap the active region other than the photodiode region PD. Dx) and select transistor Sx.

즉, 액티브 영역 상에 각 트랜지스터들의 게이트 전극들이 배치되고, 상기 게이트 전극들 양측의 반도체 기판에 불순물이 주입되어 소스 영역 및 드레인 영역이 형성된다.That is, gate electrodes of the transistors are disposed on the active region, and impurities are implanted into the semiconductor substrates on both sides of the gate electrodes to form a source region and a drain region.

포토 다이오드(PD)는 입사되는 광을 감지하여 광량에 따라 전하를 생성한다.The photodiode PD detects incident light and generates electric charges according to the amount of light.

트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 턴온 동작시에 플로팅 확산 영역(FD)으로 운송하는 역할을 한다. 운송 전에 플로팅 확산 영역(FD)은 포토 다이오드(PD)로부터의 전자들을 리셋 트랜지스터(Rx)를 온 시킴으로써 소정의 저 전하 상태(low charge state)로 설정된다. The transfer transistor Tx serves to transport charges generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD during the turn-on operation. Before transport, the floating diffusion region FD is set to a predetermined low charge state by turning on the reset transistor Rx for electrons from the photodiode PD.

트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 게이트 전극(111) 하부의 채널 아래에 포토다이오드(PD)와 플로팅확산 영역(FD)을 연결시켜주는 PNP층이 형성되어 있어, 이 PNP층 을 통해 포토다이오드(FD)에서 발생된 과잉전자가 빠져나가 턴온 상태의 리셋 트랜지스터(Rx)를 통해서 제거된다.In the transfer transistor Tx, a PNP layer connecting the photodiode PD and the floating diffusion region FD is formed under the channel under the gate electrode 111, so that the photodiode FD is formed through the PNP layer. The generated excess electrons escape and are removed through the turn-on reset transistor Rx.

상기 PNP층은 매립채널층(buried channel layer, 120) 및 상기 매립 채널층(120)의 위, 아래에 각각 형성된 확산방지층(diffusion blocking layer, 121, 122)으로 이루어진다.The PNP layer includes a buried channel layer 120 and a diffusion blocking layer 121 and 122 formed above and below the buried channel layer 120, respectively.

상기 매립채널층(120)은 N형 불순물이 주입되어 형성되며, 상기 포토다이오드(PD) 및 상기 플로팅확산 영역(FD)과 연결된다.The buried channel layer 120 is formed by implanting N-type impurities and is connected to the photodiode PD and the floating diffusion region FD.

상기 확산방지층(121, 122)은 상기 매립채널층(120)과 인접하여 위, 아래에 각각 형성되며, P형 불순물이 주입되어 형성된다. 상기 확산방지층(121, 122)은 상기 매립채널층(120)과 반대 형의 불순물을 주입함으로써 상기 매립채널층(120)의 도펀트(dopant)가 에피택셜층(103) 표면의 채널층 또는 에피택셜층(103) 아래로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.The diffusion barrier layers 121 and 122 are formed above and below the buried channel layer 120, respectively, and are formed by implanting P-type impurities. The diffusion barrier layers 121 and 122 inject impurities of the opposite type to the buried channel layer 120 so that the dopant of the buried channel layer 120 has a channel layer or epitaxial surface on the epitaxial layer 103. It serves to prevent the diffusion below the shir layer 103.

상기 채널층은 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극(111)과 에피택셜층(103) 사이의 계면을 따라 형성된 영역으로, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴온(turn on)되면 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 상기 채널층을 통해 플로팅확산영역(FD)으로 이동한다.The channel layer is a region formed along an interface between the gate electrode 111 and the epitaxial layer 103 of the transfer transistor Tx. The photodiode PD is turned on when the transfer transistor Tx is turned on. The charge accumulated in the film moves to the floating diffusion region FD through the channel layer.

리셋 트랜지스터(Rx)는 신호 검출을 위해 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 한다.The reset transistor Rx serves to discharge charge stored in the floating diffusion region FD for signal detection.

드라이브 트랜지스터(Dx)는 포토 다이오드(PD)로부터의 전하들을 전압 신호로 변환시키는 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행한다.The drive transistor Dx serves as a source follower for converting charges from the photodiode PD into a voltage signal.

도 2를 참조하여 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터를 살펴보면, 포토 다이오드 영역(PD) 및 액티브 영역과 소자분리 영역으로 정의된 P++형 반도체 기판(101)과, 상기 반도체 기판(101) 상에 형성되는 P-형 에피택셜층(103)과, 상기 소자 분리 영역에 형성되는 소자 분리막(105)과, 에피택셜층(103) 상에 게이트 절연막(113)을 개재하여 형성되는 게이트 전극(111)과, 상기 포토 다이오드 영역(PD)의 에피택셜층(103)에 형성되는 N-형 확산 영역(133)과, 게이트 전극(111) 양 측벽에 형성되는 게이트 스페이서(115)와, 상기 게이트 스페이서(115) 아래의 액티브 영역에 형성된 각 트랜지스터(Tx, Rx, Dx) 사이의 액티브 영역에 형성된 LDD 영역(131)과, 플로팅 확산 영역(FD)의 에피택셜층(103)에 n+형 불순물 이온을 주입하여 형성되는 n+형 확산 영역(137)을 구비한다.Referring to the transfer transistor of the CMOS image sensor according to the embodiment with reference to Figure 2, the photodiode region PD and the P ++ type semiconductor substrate 101 defined as the active region and the device isolation region, and on the semiconductor substrate 101 A gate electrode 111 formed on the P-type epitaxial layer 103, the isolation layer 105 formed in the device isolation region, and the gate insulating layer 113 on the epitaxial layer 103. ), An N-type diffusion region 133 formed in the epitaxial layer 103 of the photodiode region PD, a gate spacer 115 formed on both sidewalls of the gate electrode 111, and the gate spacer N + type impurity ions are formed in the LDD region 131 formed in the active region between the transistors Tx, Rx, and Dx formed in the active region below the 115 and the epitaxial layer 103 of the floating diffusion region FD. And an n + type diffusion region 137 formed by implantation.

트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 게이트 전극(111) 하부의 채널 아래에 포토다이오드(PD)와 플로팅확산 영역(FD)을 연결시켜주는 PNP층이 형성되어 있어, 이 PNP층을 통해 포토다이오드(FD)에서 발생된 과잉전자가 빠져나가 턴 온 상태의 리셋 트랜지스터(Rx)를 통해서 제거된다.In the transfer transistor Tx, a PNP layer connecting the photodiode PD and the floating diffusion region FD is formed under the channel under the gate electrode 111, so that the photodiode FD is formed through the PNP layer. The generated excess electrons escape and are removed through the turn-on reset transistor Rx.

상기 PNP층은 매립채널층(buried channel layer, 120) 및 상기 매립 채널층(120)의 위, 아래에 각각 형성된 확산방지층(diffusion blocking layer, 121, 122)으로 이루어진다.The PNP layer includes a buried channel layer 120 and a diffusion blocking layer 121 and 122 formed above and below the buried channel layer 120, respectively.

상기 매립채널층(120)은 N형 불순물이 주입되어 형성되며, 상기 포토다이오드(PD) 및 상기 플로팅확산 영역(FD)과 연결된다.The buried channel layer 120 is formed by implanting N-type impurities and is connected to the photodiode PD and the floating diffusion region FD.

상기 확산방지층(121, 122)은 상기 매립채널층(120)과 인접하여 위, 아래에 각각 형성되며, P형 불순물이 주입되어 형성된다. 상기 확산방지층(121, 122)은 상기 매립채널층(120)과 반대 형의 불순물을 주입함으로써 상기 매립채널층(120)의 도펀트가 에피택셜층(103) 표면의 채널층 또는 에피택셜층 아래로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.The diffusion barrier layers 121 and 122 are formed above and below the buried channel layer 120, respectively, and are formed by implanting P-type impurities. The diffusion barrier layers 121 and 122 inject impurities of a type opposite to the buried channel layer 120 so that the dopant of the buried channel layer 120 is below the channel layer or epitaxial layer on the surface of the epitaxial layer 103. It serves to prevent the spread.

이로써, 실시예는 이미지 센서에서 포토다이오드(PD)와 연결된 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴 오프(turn off) 상태에서 전자를 포토다이오드(PD)에 축적하는 동안 블루밍 현상을 효과적으로 개선할 수 있다.As a result, the embodiment may effectively improve the blooming phenomenon while the electrons accumulate in the photodiode PD while the transfer transistor Tx connected to the photodiode PD in the image sensor is turned off.

도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an image sensor according to an exemplary embodiment.

먼저, P++형 반도체 기판(101)에 에피택셜 공정을 실시하여 P-형 에피택셜층(103)을 형성한다(S100).First, an epitaxial process is performed on the P ++ type semiconductor substrate 101 to form a P-type epitaxial layer 103 (S100).

상기 에피택셜층(103)에 액티브 영역 및 소자분리 영역을 정의하기 위하여 소자분리막(105)을 형성한다(S110).An isolation layer 105 is formed in the epitaxial layer 103 to define an active region and an isolation region (S110).

상기 소자분리막(105)은 상기 에피택셜층(103)에 소정 깊이의 트렌치(trench)를 형성하고, 트렌치 내에 절연막을 매립시켜 형성할 수 있다.The device isolation layer 105 may be formed by forming a trench having a predetermined depth in the epitaxial layer 103 and filling an insulating layer in the trench.

소자분리막(105)이 형성된 에피택셜층(103)에 임플란트 공정을 통해 웰 영역을 형성한다(S120).A well region is formed in the epitaxial layer 103 on which the device isolation layer 105 is formed through an implant process (S120).

예를 들면, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 위한 웰 영역을 형성하기 위하여 선택적으로 P형 임플란트 공정을 실시할 수 있다.For example, a P-type implant process may be selectively performed to form well regions for the drive transistor Dx and the select transistor Sx.

이후, 포토다이오드 영역(PD) 및 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 아래의 일부 영역에 실리콘 기판 표면의 다크 소스(dark source)를 제거하기 위한 P형 임플란트 공 정을 진행할 수 있다.Subsequently, a P-type implant process for removing a dark source on the surface of the silicon substrate may be performed in some regions under the photodiode region PD and the transfer transistor Tx.

이와 같은 P형 임플란트 공정은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극(111) 하부의 게이트 절연막(113)과 에피택셜층(103) 사이의 계면에서 게이트 전극(111) 하부의 게이트 절연막(113)과 에피택셜층(103) 사이의 계면에는 다크 전류 최소화를 위해 적합한 P형 도핑영역이 형성될 수 있다. 상기 p형 도핑영역은 포토다이오드 쪽에 치우쳐 게이트 길이의 일부분에 대응하는 영역에만 형성될 수 있다. 상기 P형 도핑영역은 에피택셜층(103)과 게이트절연막(113)의 경계면에서 발생된 다크 전류 대부분을 플로팅확산영역(FD) 쪽으로 빠져나가도록 한다.In the P-type implant process, the gate insulating film 113 and the epitaxial layer below the gate electrode 111 are formed at the interface between the gate insulating film 113 and the epitaxial layer 103 under the gate electrode 111 of the transfer transistor Tx. P-type doped regions suitable for minimizing dark current may be formed at the interface between the tactic layers 103. The p-type doped region may be formed only in an area corresponding to a portion of the gate length, which is biased toward the photodiode. The P-type doped region allows most of the dark current generated at the interface between the epitaxial layer 103 and the gate insulating layer 113 to escape toward the floating diffusion region FD.

이후, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극(111) 하부에서 포토다이오드 영역(PD)과 플로팅확산 영역(FD) 사이를 연결하는 매립채널층(120)을 형성하도록 N형 임플란트 공정을 진행한다(S130).Thereafter, an N-type implant process is performed to form the buried channel layer 120 connecting the photodiode region PD and the floating diffusion region FD under the gate electrode 111 of the transfer transistor Tx ( S130).

상기 매립채널층(120)은 상기 에피택셜층(103) 표면으로부터 소정 이격하여 에피택셜층(103) 내부에 형성된다. The buried channel layer 120 is formed inside the epitaxial layer 103 at a predetermined distance from the surface of the epitaxial layer 103.

상기 매립 채널층(120)은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴온되어 포토다이오드(PD)에 축적된 전자들이 플로팅확산영역(FD)으로 전달되는 채널층 하부에 형성될 수 있다.The buried channel layer 120 may be formed under the channel layer where the transfer transistor Tx is turned on and electrons accumulated in the photodiode PD are transferred to the floating diffusion region FD.

상기 N형 임플란트 공정은 이온주입에너지는 10~200KeV이다. In the N-type implant process, ion implantation energy is 10 to 200 KeV.

상기 매립채널층(120)을 형성하기 위한 임플란트 공정에서 사용하는 도펀트는 P, As을 포함하는 5족 원소 중에서 선택될 수 있다.The dopant used in the implant process for forming the buried channel layer 120 may be selected from Group 5 elements including P and As.

이후, 상기 매립채널층(120)의 위 아래에 각각 상기 매립채널층(120)의 도펀 트와 반대 타입의 도펀트를 사용하여 상부 확산방지층(121) 및 하부 확산방지층(122)을 형성할 수 있다(S140).Subsequently, an upper diffusion barrier layer 121 and a lower diffusion barrier layer 122 may be formed on the buried channel layer 120 by using a dopant of a type opposite to that of the buried channel layer 120, respectively. (S140).

상기 매립채널층(120)과 상기 상부 확산방지층(121)이 계면을 이루며 접할 수 있고, 상기 매립채널층(120)과 상기 하부 확산방지층(122)이 계면을 이루며 접할 수 있다.The buried channel layer 120 may be in contact with the upper diffusion barrier layer 121, and the buried channel layer 120 may be in contact with the lower diffusion barrier layer 122.

상기 상부 확산방지층(121)은 상기 매립채널층(120)에 주입된 N형 도펀트가 상기 에피택셜층(103) 표면 방향을 향해 불필요하게 확산되는 것을 방지한다.The upper diffusion barrier layer 121 prevents the N-type dopant injected into the buried channel layer 120 from being unnecessarily diffused toward the surface of the epitaxial layer 103.

상기 하부 확산방지층(122)은 상기 매립채널층(120)에 주입된 N형 도펀트가 상기 에피택셜층(103) 바닥 방향으로 불필요하게 확산되는 것을 방지한다.The lower diffusion barrier layer 122 prevents the N-type dopant injected into the buried channel layer 120 from being unnecessarily diffused toward the bottom of the epitaxial layer 103.

상기 상부, 하부 확산방지층(121, 122)은 B(Boron)을 포함하는 3족 원소 중에서 선택되며, 이온주입에너지는 10~200KeV이다.The upper and lower diffusion barrier layers 121 and 122 are selected from Group III elements including B (Boron), and ion implantation energy is 10 to 200 KeV.

상기 상부 확산방지층(121) 및 상기 하부 확산방지층(122)은 포토다이오드 영역(PD) 및 플로팅확산영역(FD)과 연결될 수 있다.The upper diffusion barrier layer 121 and the lower diffusion barrier layer 122 may be connected to the photodiode region PD and the floating diffusion region FD.

즉, 상기 상부 확산방지층(121), 상기 매립채널층(120) 및 상기 하부 확산방지층(122)은 포토다이오드영역(PD)의 N-형 확산 영역(133)과 플로팅확산영역(FD)의 n+형 확산 영역(137)과 연결될 수 있다.That is, the upper diffusion barrier layer 121, the buried channel layer 120, and the lower diffusion barrier layer 122 are n + of the N-type diffusion region 133 of the photodiode region PD and the floating diffusion region FD. It may be connected to the type diffusion region 137.

상기 상부 확산방지층(121), 상기 매립채널층(120) 및 상기 하부 확산방지층(122)은 PNP층으로 이루어질 수 있다.The upper diffusion barrier layer 121, the buried channel layer 120, and the lower diffusion barrier layer 122 may be formed of a PNP layer.

상기 매립채널층(120)은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴 오프(turn off)상태일 때 포토다이오드 영역(PD)에서 불필요한 과잉전자를 플로팅확산 영역(FD)으로 빼주는 역할을 한다. 플로팅확산 영역(FD)으로 전달된 과잉전자들은 리셋트랜지스터(Rx)를 통해서 제거된다.The buried channel layer 120 serves to remove unnecessary excess electrons from the photodiode region PD to the floating diffusion region FD when the transfer transistor Tx is turned off. Excess electrons transferred to the floating diffusion region FD are removed through the reset transistor Rx.

트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트에 소정의 게이트 전압이 인가되어 턴온(turn on) 상태일 때는 에피택셜층(103) 표면의 채널층을 따라 포토다이오드에 축적된 전자가 포토다이오드영역(PD)로부터 플로팅확산영역(FD)으로 전달된다.When a predetermined gate voltage is applied to the gate of the transfer transistor Tx and turned on, electrons accumulated in the photodiode along the channel layer on the epitaxial layer 103 surface float from the photodiode region PD. It is transferred to the diffusion region FD.

이때, 플로팅확산영역(FD)으로 전달된 전자들은 드라이브 트랜지스터(Dx)로 전달된다.In this case, electrons transferred to the floating diffusion region FD are transferred to the drive transistor Dx.

이와 같이, 상부 및 하부 확산방지층들(121, 122)을 형성하기 위한 임플란트 공정이 완료된 후, 에피택셜층(103) 상에 실리콘산화막 및 폴리실리콘층을 형성하고 패터닝하여 각 트랜지스터들의 게이트를 형성할 수 있다(S150).As such, after the implant process for forming the upper and lower diffusion barrier layers 121 and 122 is completed, a silicon oxide film and a polysilicon layer are formed and patterned on the epitaxial layer 103 to form gates of the respective transistors. It may be (S150).

이후, LDD 영역(131)을 형성하고, 상기 게이트 전극(111)의 측벽에 게이트 스페이서(115)를 형성한다.Thereafter, an LDD region 131 is formed, and a gate spacer 115 is formed on sidewalls of the gate electrode 111.

상기 에피택셜층(103)에 N형 도펀트를 임플란트하여 각 단위 화소의 포토다이오드 영역(PD) 및 플로팅확산영역(FD)을 형성하고, 각 트랜지스터들의 소스 및 드레인 영역을 형성할 수 있다(S160).An n-type dopant may be implanted into the epitaxial layer 103 to form a photodiode region PD and a floating diffusion region FD of each unit pixel, and form source and drain regions of the respective transistors (S160). .

실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 게이트 전극(111) 하부의 채널 아래에 포토다이오드 영역(PD)과 플로팅확산 영역(FD)을 연결시켜주는 매립채널층(120)이 형성되어 있어, 이 매립채널층(120)을 통해 포토다이오드 영역(PD)에서 발생된 과잉전자가 빠져나가 턴온 상태의 리셋 트랜지스터(Rx)를 통해서 제거된다.In the transfer transistor Tx according to the embodiment, the buried channel layer 120 connecting the photodiode region PD and the floating diffusion region FD is formed under the channel under the gate electrode 111. Excess electrons generated in the photodiode region PD exit through the channel layer 120 and are removed through the turn-on reset transistor Rx.

실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 오프 전류(Off Current) 제어를 용이하게 하면서 전자의 축적량(Full Well)을 늘리기 위해 네거티브 챠지 펌프(Nagative Charge Pump)를 사용할 수 있다. 이 기술분야의 당업자에게는 이러한 회로가 잘 알려져 있다.The transfer transistor Tx according to the exemplary embodiment may use a negative charge pump to increase the full well of electrons while facilitating off current control. Such circuits are well known to those skilled in the art.

실시예를 설명함에 있어서, N형, P형의 도펀트로 언급한 것은 반도체 소자에 따라 서로 다른 도펀트를 사용할 수 있는 것이다. 예를 들면, PNP층은 NPN층으로 형성될 수도 있으며, N형 도펀트를 주입하여 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역을 형성하는 대신, P형 도펀트를 주입하여 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역을 형성할 수도 있다.In describing the embodiments, what is referred to as N-type or P-type dopants may be different dopants according to semiconductor devices. For example, the PNP layer may be formed of an NPN layer, and instead of implanting an N-type dopant to form source and drain regions of the transistor, the PNP layer may be implanted to form a source and drain region of the transistor.

이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described above with reference to the embodiments are only examples and are not intended to limit the invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention does not exemplify the above within the scope without departing from the essential characteristics of the present invention It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.

도 1은 일 실시예에 다른 이미지 센서를 보여주는 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating another image sensor in an embodiment.

도 2는 도 1의 회로도에 따른 이미지 센서의 일부를 보여주는 단면도이다. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a part of the image sensor according to the circuit diagram of FIG. 1.

도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an image sensor according to an exemplary embodiment.

Claims (10)

반도체 기판 상에 형성된 게이트 전극;A gate electrode formed on the semiconductor substrate; 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판에 형성된 포토다이오드영역;A photodiode region formed on the semiconductor substrate on one side of the gate electrode; 상기 게이트 전극 타측의 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅확산영역;A floating diffusion region formed on the semiconductor substrate on the other side of the gate electrode; 상기 게이트 전극 하부에서 상기 반도체 기판 표면과 이격하여 형성되며, 상기 포토다이오드영역 및 상기 플로팅확산영역을 연결하는 매립채널층; 및A buried channel layer formed below the gate electrode to be spaced apart from the surface of the semiconductor substrate and connecting the photodiode region and the floating diffusion region; And 상기 반도체 기판 표면과 이격하여 형성되며, 상기 매립채널층의 상, 하에 형성된 상부 확산방지층 및 하부 확산방지층을 포함하는 이미지 센서.And an upper diffusion barrier layer and a lower diffusion barrier layer formed above and below the buried channel layer. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 전극 하부에서 상기 반도체 기판 표면에 채널이 형성되어 상기 포토다이오드에 집적된 전자들이 상기 채널을 통해 상기 플로팅확산영역으로 전달되는 이미지 센서.And a channel formed on a surface of the semiconductor substrate under the gate electrode, and electrons integrated in the photodiode are transferred to the floating diffusion region through the channel. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 매립채널층은 제1도전형 도펀트가 이온주입되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The buried channel layer is an image sensor, characterized in that the first conductive dopant is formed by ion implantation. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산방지층은 제2도전형 도펀트가 이온주입되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The diffusion barrier layer is an image sensor, characterized in that the second conductive dopant is formed by ion implantation. 제 3항 또는 제4항에 있어서,The method according to claim 3 or 4, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 및 P형 중 하나이고, 상기 제2도전형 도펀트는 다른 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.And the first conductive dopant is one of N-type and P-type, and the second conductive dopant is the other. 반도체 기판 내에 블루밍 제어를 위한 매립채널층을 형성하는 단계;Forming a buried channel layer for blooming control in the semiconductor substrate; 상기 매립채널층 위에 상부 확산방지층 및 상기 매립채널층 아래에 각각 상부 확산방지층 및 하부 확산방지층을 형성하는 단계;Forming an upper diffusion barrier layer and a lower diffusion barrier layer on the buried channel layer and below the buried channel layer, respectively; 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층 상부의 상기 반도체 기판 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성하는 단계;Forming a gate electrode of a transfer transistor on the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer, and the semiconductor substrate on the lower diffusion barrier layer; 상기 게이트 전극 일측의 상기 반도체 기판에 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층과 연결되도록 포토다이오드 영역을 형성하는 단계; 및Forming a photodiode region on the semiconductor substrate at one side of the gate electrode to be connected to the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer and the lower diffusion barrier layer; And 상기 게이트 전극 타측의 상기 반도체 기판에 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층과 연결되도록 플로팅확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.And forming a floating diffusion region on the semiconductor substrate on the other side of the gate electrode so as to be connected to the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer, and the lower diffusion barrier layer. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 매립채널층을 형성하는 단계에 있어서,In the step of forming the buried channel layer, 상기 매립채널층은 상기 반도체 기판에 제1도전형 도펀트를 10~200KeV 에너지로 이온주입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.The buried channel layer is a method of manufacturing an image sensor, characterized in that formed by ion implanting a first conductive dopant with 10 ~ 200 KeV energy on the semiconductor substrate. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 상부 및 하부 확산방지층을 형성하는 단계에 있어서,In the forming of the upper and lower diffusion barrier layer, 상기 상부 및 하부 확산방지층은 상기 반도체 기판에 제2도전형 도펀트를 10~200KeV 에너지로 이온주입하여 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.The upper and lower diffusion barrier layers are formed by ion implanting a second conductive dopant into the semiconductor substrate with 10 to 200 KeV energy, respectively. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 및 P형 중 하나이고, 상기 제2도전형 도펀트는 다른 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.And the first conductive dopant is one of N type and P type, and the second conductive dopant is the other. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 매립채널층, 상기 상부 확산방지층 및 상기 하부 확산방지층은 상기 반도체 기판 표면으로부터 소정 간격 이격하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.And the buried channel layer, the upper diffusion barrier layer and the lower diffusion barrier layer are formed spaced apart from the surface of the semiconductor substrate by a predetermined distance.
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