KR20110005037A - 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 활성 영역과 필드영역을 갖는 반도체 기판을 마련하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 언도프트(undoped) 폴리실리콘막을 형성하는 단계, 상기 언도프트 폴리실리콘막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계, 상기 트랜스퍼 게이트의 일측의 상기 반도체 기판에 불순물을 주입하여 포토다이오드영역을 형성하는 단계, 상기 트랜스퍼 게이트의 타측 및 상기 트랜스퍼 게이트의 상면 일부에 불순물을 주입하여 플로팅확산영역 및 상기 트랜스퍼 게이트의 도프트영역을 형성하는 단계를 포함한다.
트랜스퍼 게이트
Description
실시예는 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metaloxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD:charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 씨모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 씨모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
상술한 종래의 씨모스 이미지 센서에서 각 트랜지스터들의 게이트는 풀리 도프트(fully doped)된 폴리실리콘 패턴으로 형성되는데, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 간의 패시베이션이 충분하지 못할 경우 도프트된 트랜스퍼 트랜지스터에서 전자가 방출되어 암전류가 쉽게 생성되는 문제가 있다.
실시예는 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터의 폴리 게이트의 도핑을 플로팅디퓨젼 영역의 임플란트 공정에서 동시에 수행하여 공정 수를 저감하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트의 일부는 도프트 영역, 다른 일부는 언도프트 영역을 갖도록 형성하는 이미지 센서를 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 활성 영역과 필드영역을 갖는 반도체 기판을 마련하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 언도프트(undoped) 폴리실리콘막을 형성하는 단계, 상기 언도프트 폴리실리콘막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계, 상기 트랜스퍼 게이트의 일측의 상기 반도체 기판에 불순물을 주입하여 포토다이오드영역을 형성하는 단계, 상기 트랜스퍼 게이트의 타측 및 상기 트랜스퍼 게이트의 상면 일부에 불순물을 주입하여 플로팅확산영역 및 상기 트랜스퍼 게이트의 도프트영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 일측에 포토다이오드 영역 및 타측에 플로팅확산영역이 형성되는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 플로팅확산영역과 인접하는 상기 트랜스퍼 게이트의 일부에 도프트 폴리실리콘 영역 및 상기 포토다이오드 영역과 인접하는 상기 트랜스퍼 게이트의 다른 일부에 언도 프트 폴리실리콘 영역이 형성된다.
실시예는 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터의 폴리 게이트의 도핑을 플로팅디퓨젼 영역의 임플란트 공정에서 동시에 수행함으로써 공정 수를 저감할 수 있는 효과가 있다.
실시예는 폴리실리콘막 전면에 임플란트를 수행하던 공정을 생략하고 폴리실리콘막을 패터닝하여 게이트를 형성한 후 XN 임플란트 공정에서 트랜스퍼 트랜지스터의 일부를 도핑함으로써 수율이 향상되는 효과가 있다.
실시예는 트랜스퍼 트랜지스터의 문턱 전압을 낮춤으로써 암전류가 개선되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
실시예에 따른 이미지 센서는 각 단위화소의 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등의 다양한 구조에 적용할 수 있다. 또한, 다수의 단위화소들이 포토다이오드를 공유하는 이미지 센서의 구조에도 적용될 수 있다.
도 1은 이미지 센서의 단위화소를 보여주는 등가회로도이다.
1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되고, 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터 (Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도 2 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 고농도 P++형 반도체 기판(10)에 에피택셜(Epitaxial) 공정을 실시하여 저농도 P-형 에피층(11)을 형성한다. 여기서, 상기 에피층(11)은 포토 다이오드에서 공핍 영역(Depletion region)을 크고 깊게 형성하여 광 전하를 모으기 위한 저전압 포토 다이오드의 능력을 증가시키고 나아가 광 감도를 향상시키기 위함이다.
이어, 상기 에피층(11)을 액티브 영역과 소자 분리 영역을 정의하고, STI 공정 또는 LOCOS 공정을 이용하여 상기 소자 분리 영역에 소자 분리막(12)을 형성한다.
그리고, 상기 소자 분리막(12)이 형성된 에피층(11) 전면에 게이트 절연막(21)과 폴리실리콘막(22)을 차례로 형성한다. 여기서, 상기 게이트 절연막(21)은 열산화 공정에 의해 형성하거나 CVD법으로 형성할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 폴리실리콘막(22) 및 상기 게이트 절연막(21)을 선택적으로 제거하여 4개의 NMOS 트랜지스터들의 게이트들(31, 32, 33, 34)을 형성한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 게이트들(31, 32, 33, 34)이 형성된 상기 반도체 기판(10) 상부에 제1포토레지스트 패턴(51)을 형성한다. 상기 제1포토레지스트 패턴(51)은 상기 포토다이오드 영역, 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 상기 셀렉트트랜지스터(Sx)를 덮도록 형성한다. 상기 제1포토레지스트 패턴(51)은 상기 리셋트랜지스터(Rx)를 덮도록 형성할 수도 있다.
상기 제1포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 드라이브트랜지스터(Dx) 및 상기 셀렉트트랜지스터(Sx)의 게이트 양측에 N- 불순물을 주입하여 엘디디(LDD)영역(41)을 형성한다. 상기 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트 양측에 엘디디(LDD)영역(41)을 형성할 수도 있다.
제1포토레지스트 패턴(51)을 제거한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 포토다이오드 영역만을 노출시키는 제2포토 레지스트 패턴(52)을 상기 반도체 기판(10) 상에 형성한다. 상기 제2포토레지스트 패턴(52)을 마스크로 N-불순물을 깊게 주입하여 포토다이오드(42)를 형성한다.
상기 포토다이오드(42)는 깊게 주입되어 형성된 N-불순물 영역 상에 P 불순물을 얕게 주입하여 P/N/P형 포토다이오드를 형성할 수도 있다.
제2포토레지스트 패턴(52)을 제거한다.
다음으로, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 게이트들(31, 32, 33, 34)이 형성된 상기 반도체 기판(10) 전면에 절연막을 형성하고 전면 식각하여 각 게이트 측벽에 스페이서들(35)을 형성한다.
이후, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 및 스페이서들(31, 32, 33, 34, 35)이 형성된 상기 반도체 기판(10) 상에 제3포토레지스트 패턴(53)을 형성한다.
상기 제3포토레지스트 패턴(53)은 포토다이오드(42) 및 트랜스퍼 게이트(31)의 상면 일부를 덮는다.
상기 트랜스퍼 게이트(31)의 상면 다른 일부 및 상기 리셋 게이트(32), 드라이브 게이트(33) 및 셀렉트 게이트(34)는 상기 제3포토레지스트 패턴(53)에 의해 노출된다.
상기 제3포토레지스트 패턴(53)을 마스크로 N+ 불순물을 주입하여 상기 트랜스퍼 게이트(31) 일측의 플로팅확산영역(43)을 형성하고, 상기 플로팅확산영역(43)과 인접한 트랜스퍼 게이트(31) 일부에 도프트 영역(31a)이 형성된다.
상기 제3포토레지스트 패턴(53)은 상기 트랜스퍼 게이트(31)의 상면의 적어 도 반을 덮을 수 있다. 이로써, 포토 마진을 확보할 수 있다.
또한, 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트 양측에 N+불순물이 주입되어 소스/드레인 영역이 각각 형성되며, 상기 리셋 게이트(32), 드라이브 게이트(33) 및 셀렉트 게이트(34)로 동작하는 폴리실리콘 패턴에 불순물이 주입되어 도프트 폴리실리콘을 형성하게 된다.
이로써, 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트(31)는 포토다이오드(42) 인근에는 언도프트(undoped)영역(31b)을 형성하고, 상기 플로팅확산영역(43) 인근에는 도프트(doped)영역(31a)을 형성한다.
상기 도프트 영역(31a)은 상기 플로팅확산영역(43)의 불순물 농도와 동일한 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제3포토레지스트 패턴(53)을 제거하면, 도 8에 도시한 바와 같이 씨모스 이미지 센서를 형성할 수 있다.
이로써, 도프트된 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)에서 전자가 방출되어 포토다이오드(42)에 암전류를 발생시키는 문제를 개선할 수 있다.
실시예는 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 폴리 게이트의 도핑을 플로팅확산영역(43)의 임플란트 공정에서 동시에 수행함으로써 공정 수를 저감할 수 있는 효과가 있다.
실시예는 폴리실리콘막 전면에 임플란트를 수행하던 공정을 생략하고 폴리실리콘막을 패터닝하여 게이트를 형성한 후 XN 임플란트 공정에서 트랜스퍼 트랜지스터의 일부를 도핑함으로써 수율이 향상되는 효과가 있다.
실시예는 트랜스퍼 트랜지스터의 문턱 전압을 낮춤으로써 암전류가 개선되는 효과가 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 이미지 센서의 단위화소를 보여주는 등가회로도이다.
도 2 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.
Claims (8)
- 활성 영역과 필드영역을 갖는 반도체 기판을 마련하는 단계;상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막 및 언도프트(undoped) 폴리실리콘막을 형성하는 단계;상기 언도프트 폴리실리콘막을 패터닝하여 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 게이트의 일측의 상기 반도체 기판에 불순물을 주입하여 포토다이오드영역을 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 게이트의 타측 및 상기 트랜스퍼 게이트의 상면 일부에 불순물을 주입하여 플로팅확산영역 및 상기 트랜스퍼 게이트의 도프트영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 도프트영역을 형성하는 단계에 있어서,상기 포토다이오드 영역 및 상기 포토다이오드 영역 인근의 상기 트랜스퍼 게이트의 상면 일부는 포토레지스트 패턴에 의해 마스킹되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계에 있어서,상기 반도체 기판 상의 활성 영역에 리셋 게이트, 드라이브 게이트, 셀렉트 게이트를 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 도프트 영역을 형성하는 단계에 있어서,상기 리셋 게이트, 상기 드라이브 게이트 및 상기 셀렉트 게이트 전체가 도프트되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 도프트 영역을 형성하는 단계에 있어서,상기 리셋 게이트, 상기 드라이브 게이트 및 상기 셀렉트 게이트의 각 측부에 소스 및 드레인 영역들이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 도프트 영역을 형성하는 단계에 있어서,상기 불순물은 N+형 불순물인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 일측에 포토다이오드 영역 및 타측에 플로팅확산영역이 형성되는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 이미지 센서에 있어서,상기 플로팅확산영역과 인접하는 상기 트랜스퍼 게이트의 일부에 도프트 폴리실리콘 영역 및 상기 포토다이오드 영역과 인접하는 상기 트랜스퍼 게이트의 다른 일부에 언도프트 폴리실리콘 영역이 형성된 이미지 센서.
- 제7항에 있어서,상기 도프트 폴리실리콘 영역은 상기 플로팅확산영역의 불순물 농도와 동일한 농도로 도핑된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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