KR20110079330A - Image sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
실시예에 의한 이미지 센서는 기판; 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 일부 중첩되는 게이트 절연층; 및 게이트 절연층 상에 위치하며 투명물질로 이루어진 게이트 전극을 갖는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한다.An image sensor according to the embodiment includes a substrate; A photodiode formed on the substrate; A gate insulating layer partially overlapping the photodiode; And a transfer transistor on the gate insulating layer and having a gate electrode made of a transparent material.
이미지 센서, 게이트 전극 Image sensor, gate electrode
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same.
이미지 센서는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중에서 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어(Carrier)가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.An image sensor is a semiconductor device that detects light and converts it into an electrical signal. Among these, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other.
CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS기술을 이용하며, 화소 수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.CMOS (Complementary MOS) image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits, and creates MOS transistors as many as the number of pixels and uses them sequentially to output Is a device that adopts a switching method for detecting.
종래 이미지 센서는 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터가 겹치는 영역에서 포토다이오드로 입사되는 빛이 트랜스퍼 트랜지스터에 의해 차단 및 반사되어 입사 광량이 감소되는 문제가 있어 이의 개선이 요구된다.In the conventional image sensor, the light incident on the photodiode in the region where the photodiode and the transfer transistor overlap is blocked and reflected by the transfer transistor, thereby reducing the amount of incident light.
실시예는 투명전극을 이용하여 트랜스퍼 트랜지스터를 제작함으로써 포토다이오드 영역의 전체에 입사 광이 흡수되도록 하여 광감도 개선, 쉐이딩 현상 개선 및 Gr/Gb 시그널 유의차를 개선함과 더불어 고속동작을 할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.According to the embodiment, a transparent transistor is used to fabricate a transfer transistor so that incident light is absorbed in the entire photodiode region, thereby improving light sensitivity, shading phenomenon, and significant difference in Gr / Gb signal, and capable of high-speed operation. It provides a sensor and a method of manufacturing the same.
실시예에 의한 이미지 센서는 기판; 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 일부 중첩되는 게이트 절연층; 및 게이트 절연층 상에 위치하며 투명물질로 이루어진 게이트 전극을 갖는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한다.An image sensor according to the embodiment includes a substrate; A photodiode formed on the substrate; A gate insulating layer partially overlapping the photodiode; And a transfer transistor on the gate insulating layer and having a gate electrode made of a transparent material.
또한, 실시예에 의한 이미지 센서의 제조방법은 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드와 일부 중첩되는 게이트 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연층 상에 투명물질로 이루어진 게이트 전극을 갖는 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함한다.In addition, the manufacturing method of the image sensor according to the embodiment comprises the steps of forming a photodiode on the substrate; Forming a gate insulating layer partially overlapping the photodiode; And forming a transfer transistor having a gate electrode made of a transparent material on the gate insulating layer.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the embodiment, the following effects are obtained.
첫째, 포토다이오드 전체 영역에 대하여 입사광이 촬상되므로 이미지 센서의 광감도 및 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있다. 둘째, 트랜스퍼 트랜지스터의 전극이 투명물질로 형성되어 있으므로 2 x 1 시메트리컬 픽셀(symmetrical pixel), 2 x 2 어시메트리컬 픽셀(Asymmetrical pixel), 4 x 1 어시메트리컬 픽셀 구조에서 발생되는 Gr시그널과 Gb시그널의 유의차를 개선할 수 있다. 셋째, 트랜스퍼 트랜지스터의 전극이 포토다이오드를 일부 차단하여 발생되는 쉐이딩 현상을 개선할 수 있다. 넷째, 게이트 전극을 투명물질의 금속으로 대체하여 사용함으로써 고속동작이 구현이 가능하다. 다섯째, 투명물질의 게이트 전극의 경우 ILD 두께를 줄일 수 있으므로 이미지 센서를 로우 스택 하이트(Low stack height)로 제작할 수 있어 광감도를 개선할 수 있다.First, since incident light is imaged over the entire photodiode area, the light sensitivity and dynamic range of the image sensor may be increased. Second, since the electrode of the transfer transistor is formed of a transparent material, the Gr signal generated in the 2 x 1 symmetrical pixel, the 2 x 2 symmetrical pixel, and the 4 x 1 symmetric pixel structure Significant difference in Gb signal can be improved. Third, it is possible to improve the shading caused by the electrodes of the transfer transistor blocking some of the photodiodes. Fourth, high-speed operation can be implemented by replacing the gate electrode with a metal of transparent material. Fifth, in the case of a gate electrode made of a transparent material, the ILD thickness can be reduced, so that an image sensor can be manufactured at a low stack height, thereby improving light sensitivity.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.Hereinafter, an image sensor and a manufacturing method thereof according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of an embodiment, each layer (film), region, pattern, or structure is formed “on” or “under” a substrate, each layer (film), region, pad, or pattern. In the case where it is described as "to", "on" and "under" include both "directly" or "indirectly" formed. Also, the criteria for top, bottom, or bottom of each layer will be described with reference to the drawings. In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
실시예에서 설명되는 이미지 센서는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중에서 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐 리어(Carrier)가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.The image sensor described in the embodiment is a semiconductor device that detects light and converts it into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other.
CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS기술을 이용하며, 화소 수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.CMOS (Complementary MOS) image sensor uses CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits, and creates MOS transistors as many as the number of pixels and uses them sequentially to output Is a device that adopts a switching method for detecting.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 회로 구성을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a circuit configuration of an image sensor according to an embodiment.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함하는 4T(Transistor) 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.As shown in FIG. 1, the image sensor is formed in a 4T structure including a photodiode PD, a transfer transistor TX, a reset transistor RX, a drive transistor DX, and a selection transistor SX. It may be, but is not limited to such.
포토다이오드(photo diode)(PD)는 광전 변환을 담당한다. 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(TX)는 플로팅 확산영역(floating diffusion region)(FD)의 전압을 포토다이오드(PD)에 전달하여 포토다이오드(PD)를 리셋(Reset)하거나, 포토다이오드(PD)에 입사된 광신호를 전기신호로 바꾸어 플로팅 확산영역(FD)에 전달하는 스위치의 역할을 한다. 리셋 트랜지스터(reset transistor)(RX)는 전원배선(PVDD)으로부터 공급되는 전압을 받아 이를 플로팅 확산영역(FD)을 통해 포토다이오드(PD)에 전달하여 포토다이오드(PD)를 초기화한다. 드라이브 트랜지스터(drive transistor)(DX)는 플로팅 확산영역(FD)의 전압신호를 증폭한다. 선택 트랜지스터(selection transistor)(SX)는 바이어스(BIAS)부에 연결된 출력단(Vout)을 통해 출력되는 전압신호를 외부 신호처리기에 전달하는 역할을 한다.Photodiode PD is responsible for photoelectric conversion. The transfer transistor TX transmits the voltage of the floating diffusion region FD to the photodiode PD to reset the photodiode PD or to the photodiode PD. It acts as a switch for converting the incident optical signal into an electrical signal and transferring it to the floating diffusion region (FD). The reset transistor RX receives the voltage supplied from the power supply wiring PVDD and transfers the voltage to the photodiode PD through the floating diffusion region FD to initialize the photodiode PD. The drive transistor DX amplifies the voltage signal of the floating diffusion region FD. The selection transistor SX transfers the voltage signal output through the output terminal Vout connected to the bias unit to an external signal processor.
도 2는 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A'영역의 단면도이다.2 is a plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view of an AA ′ region of FIG. 2.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)에 정의된 단위 화소 영역 내에는 포토다이오드(PD)와 캐패시터(CST)가 형성되며 소자 간의 분리를 위한 분리막(FOX)이 형성된다. 기판(100)에 형성된 포토다이오드(PD)의 상부에는 프린팅층(105)이 형성될 수 있다. 프린팅층(105) 또는 포토다이오드(PD)와 일부 중첩되는 기판(100) 상에는 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 형성된다. 그리고 트랜지스터 트랜지스터(TX)와 인접하는 영역에는 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)가 형성된다.As illustrated in FIGS. 2 and 3, a photodiode PD and a capacitor CST are formed in a unit pixel area defined in the
트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)는 기판(100) 상에 형성된 게이트 절연층(111 ~ 141)과 게이트 절연층(111 ~ 141) 상에 위치하는 게이트 전극(115 ~ 145)을 각각 포함한다. 트랜스퍼 트랜지스터(TX)와 리셋 트랜지스터(RX) 사이에는 플로팅 확산영역(FD)(106)이 형성되고, 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)들의 사이에는 소오스/드레인영역(107, 108, 109)을 포함하는 이온주입영역(106 ~ 109)이 형성된다.The transfer transistor TX, the reset transistor RX, the drive transistor DX, and the select transistor SX are disposed on the
트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX) 상에는 보호막(150)이 형성된다. 보호막(150)은 보론(B)을 포함하는 BPSG로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 보호막(150) 상에는 트 랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)에 연결되는 금속전극들(M1)(170)이 형성된다. 금속전극들(M1)(170)은 콘택전극들(160)에 의해 전극들(115 ~ 145) 및 영역들(106 ~ 109)에 연결된다.The
보호막(150) 상에는 층간절연층(180)이 형성된다.An
실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 경우, 게이트 전극(115)이 투명물질로 이루어진다. 투명물질은 SnO, ZnO, ITO(indium tin oxide), InO, Graphene 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.In the case of the transfer transistor TX according to the embodiment, the
실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 투명물질로 제작하기 위해서는 기판(100)에 포토다이오드(PD)를 형성하고, 포토다이오드(PD)와 일부 중첩되는 게이트 절연층(111)을 열산화법 등으로 형성한다. 이후, SnO, ZnO, ITO, InO, Graphene와 같은 투명물질로 게이트 전극(115)을 형성하고 사진 식각 공정을 거쳐 트랜스퍼 트랜지스터(TX)로 작용하도록 제작한다. 이와 달리, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 제외한 트랜지스터(RX, DX, SX)에 대해서는 게이트 전극(125 ~ 145)을 폴리 실리콘(Poly silicon), 금속, 금속의 실리사이드(silicide) 등으로 형성한 후 사진 식각 공정을 거쳐 트랜지스터(RX, DX, SX)로 작용하도록 제작한다.In order to fabricate the transfer transistor TX according to the embodiment, the photodiode PD is formed on the
위의 설명과 같이, 투명물질로 이루어진 게이트 전극(115)으로 제작된 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 포함하는 이미지 센서는 도 1과 같이 4T 구조로 형성될 수 있으며 기본적인 동작 방법 또한 동일하게 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는 다.As described above, the image sensor including the transfer transistor TX made of the
트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트 전극(115)을 투명물질로 형성할 경우, 도 2의 B 영역에서처럼 포토다이오드(PD)가 트랜스퍼 트랜지스터(TX)에 의해 입사되는 광에 의해 차단되는 영역이 제거되어, 도 3에서처럼 포토다이오드(PD) 영역 전체에 빛이 입사되므로 광감도가 증가하게 된다.When the
한편, 단위 화소의 면적 감소 등으로 인하여 전체 이미지 센서 면적에서 포토다이오드(PD)의 면적이 차지하는 비율 필팩터(Fill Factor)를 높이기 위해 리셋 트랜지스터(RX), 드라이버 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)는 공통으로 사용할 수 있다. 그리고 여러 개의 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 구성하는 이른바 쉐어드(Shared)구조에서 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 포토다이오드(PD)를 차단하여 각각의 포토다이오드(PD)에서 생성되는 시그널 유의차 및 쉐이딩(shading)현상을 개선할 수 있다.Meanwhile, the reset transistor RX, the driver transistor DX, and the selection transistor SX are increased in order to increase the fill factor of the area of the photodiode PD in the overall image sensor area due to the reduction of the area of the unit pixel. ) Can be used in common. In a so-called shared structure that forms a plurality of photodiodes (PD) and transfer transistors (TX), a signal is generated in each photodiode (PD) by blocking the photodiode (PD) from the transfer transistor (TX). Significant differences and shading can be improved.
트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트 전극(115)을 투명물질로 구성함으로써 폴리(Poly)의 기생 캡(Parasitic Cap)과 저항을 줄여서 특정 분야에서 요구되고 있는 고속 동작용 CMOS이미지 센서를 구성할 수 있다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트 전극(115)을 투명물질로 구성함에 따라 추가적으로는 절연막의 두께를 종래기술보다 낮게 형성함으로써, 포토다이오드(PD)로부터 빛이 유입되는 경로의 길이를 줄일 수 있어 추가적인 광감도 향상을 기대할 수 있다.By configuring the
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나 의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 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.In addition, the above description has been made with reference to the embodiment, which is merely an example, and is not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be illustrated as above without departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. 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 실시예에 따른 이미지 센서의 회로 구성을 설명하기 위한 도면.1 is a diagram for explaining a circuit configuration of an image sensor according to an embodiment.
도 2는 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도.2 is a plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 3은 도 2의 A-A'영역의 단면도.3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2;
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| CN114784030A (en) * | 2022-04-20 | 2022-07-22 | 上海华力微电子有限公司 | Method for manufacturing image sensor |
| WO2024111995A1 (en) * | 2022-11-25 | 2024-05-30 | 주식회사 엘엑스세미콘 | Image sensing device, electronic device comprising same, and image sensing method |
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2009
- 2009-12-31 KR KR1020090136348A patent/KR20110079330A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20091231 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |