KR20140047499A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20140047499A
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김민호
김태찬
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Abstract

이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는, 제1 도전형의 불순물층 상에 형성된 제2 도전형의 웰, 웰 내에 서로 이격되어 형성된 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역, 웰 내에 소오스 영역 및 드레인 영역과 중첩(overlap)되어 형성된 제1 도전형의 제1 포토 다이오드, 소오스 영역 및 드레인 영역과 비중첩(non-overlap)되며, 제1 포토 다이오드에 인접하여 형성된 제1 도전형의 제2 포토 다이오드 및 제1 및 제2 포토 다이오드 상에 형성된 게이트 전극을 포함한다.

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{Image Sensor and method for fabricating the same}
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 정보를 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자 중 하나이다. 이러한 이미지 센서의 예로는, 전하 결합형(CCD; Charge Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스형(CMOS; Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서 및 최근에 많이 연구가 진행되고 있는 단전자(single electron) 이미지 센서 등을 들 수 있다.
이미지 센서는 패키지(package) 형태로 구성될 수 있는데, 이 때 패키지는 이미지 센서를 보호하는 동시에, 이미지 센서의 수광면(photo receiving surface) 또는 센싱 영역(sensing area)에 광이 입사될 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광전 변환 성능과 센싱 감도가 향상되고, 포토 다이오드의 풀 웰 용량(full well capacity)이 증가된 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 암전류(dark current)가 저감된 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 광전 변환 성능과 센싱 감도가 향상되고, 포토 다이오드의 풀 웰 용량이 증가되며, 암전류가 저감된 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 도전형의 불순물층 상에 형성된 제2 도전형의 웰, 웰 내에 서로 이격되어 형성된 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역, 웰 내에 소오스 영역 및 드레인 영역과 중첩(overlap)되어 형성된 제1 도전형의 제1 포토 다이오드, 소오스 영역 및 드레인 영역과 비중첩(non-overlap)되며, 제1 포토 다이오드에 인접하여 형성된 제1 도전형의 제2 포토 다이오드 및 제1 및 제2 포토 다이오드 상에 형성된 게이트 전극을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 웰의 상면으로부터 측정한 상기 제1 포토 다이오드의 제1 깊이와, 상기 제2 포토 다이오드의 제2 깊이는 서로 다를 수 있다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이보다 클 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 포토 다이오드의 제1 폭과 상기 제2 포토 다이오드의 제2 폭은 서로 다를 수 있다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 폭은 상기 제2 폭보다 클 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 게이트 전극은 상기 웰 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 게이트 전극은 상기 웰 내에 형성될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이미지 센서는, 상기 소오스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 형성된 상기 제2 도전형의 채널 영역을 더 포함하되, 상기 제1 도전형의 불순물층은 상기 제1 도전형의 에피층을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 도전형의 불순물층은 상기 에피층 하부에 배치된 상기 제1 도전형의 반도체 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 도전형은 p형을 포함하고, 상기 제2 도전형은 n형을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이미지 센서는, 상기 제1 포토 다이오드와 접촉하며 형성된 상기 제1 도전형의 바디 영역과, 상기 웰을 관통하고 상기 바디 영역과 접촉하는 상기 제1 도전형의 연결 영역과, 상기 연결 영역의 일 단에 형성된 상기 제1 도전형의 패드 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 도전형의 불순물층 상에 형성된 제2 도전형의 웰, 웰 내에 서로 이격되어 형성된 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역, 웰 내에 형성된 제1 도전형의 포토 다이오드, 포토 다이오드와 접촉하며 형성된 제1 도전형의 바디 영역, 웰을 관통하고 바디 영역과 접촉하는 제1 도전형의 연결 영역, 연결 영역의 일 단에 형성된 제1 도전형의 패드 영역, 및 포토 다이오드 상에 형성된 게이트 전극을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 포토 다이오드는, 상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 중첩(overlap)되어 형성된 제1 포토 다이오드와, 상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 비중첩(non-overlap)되며, 상기 제1 포토 다이오드에 인접하여 형성된 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 바디 영역은 상기 제1 포토 다이오드와 접촉하며 형성될 수 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 제1 도전형의 불순물층 상에 제2 도전형의 웰을 형성하고, 웰 내에 제1 폭을 갖는 제1 도전형의 제1 포토 다이오드를 제1 깊이로 형성하고, 웰 내에 제1 폭보다 작은 제2 폭을 갖는 제1 도전형의 제2 포토 다이오드를 제1 깊이보다 작은 제2 깊이로 형성하고, 웰 내에 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역을 서로 이격되도록 형성하고, 제2 포토 다이오드 상에 게이트 전극을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이미지 센서의 제조 방법은, 상기 웰 내에 상기 제1 포토 다이오드와 접촉하는 상기 제1 도전형을 바디 영역을 형성하는 것과, 상기 웰을 관통하고 상기 바디 영역과 접촉하는 상기 제1 도전형의 연결 영역을 형성하는 것과, 상기 연결 영역의 일 단에 상기 제1 도전형의 패드 영역을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 때, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 바디 영역은 상기 제1 포토 다이오드가 형성되기 전에 형성되고, 상기 연결 영역과 상기 패드 영역은 상기 게이트 전극이 형성된 후 형성될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 A-A′선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 2의 Q-Q'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서를 B-B′선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 이미지 센서를 C-C′선을 따라 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 이미지 센서를 D-D′선을 따라 절단한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서를 E-E′선을 따라 절단한 단면도이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 채용한 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 A-A′선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1과 도 2는 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서는 p형 불순물층(10, 20), 웰(30), 포토 다이오드(42, 44), 소오스 영역(50), 드레인 영역(60), 채널 영역(70), 게이트 절연막(80), 및 게이트 전극(90)을 포함한다.
p형 불순물층(10, 20)은 도시된 것과 같이, p형 기판(10)과 p형 에피층(20)을 포함할 수 있다. 비록 상세하게 도시하지는 않았으나 기판(10) 내에는 각 단위 픽셀을 구분하기 위한 소자 분리막이 형성될 수 있다. 기판(10) 상에 형성된 p형 에피층(20)은 예를 들어, 에피택셜 성장(epitaxial growth) 공정을 통해 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 이러한 에피층(20)은 이미지 센서의 센싱 감도를 증가시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, p형 기판(10)은 필요에 따라 생략될 수도 있다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예에서, p형 불순물층(10, 20)은 p형 에피층(20) 만을 포함하도록 변형될 수도 있다.
웰(30)은 p형 불순물층(10, 20) 상에 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 이러한 웰(30)은 예를 들어 n형 웰(30)일 수 있다. 이 때, n형 웰(30)의 불순물 농도는 후술할 포토 다이오드(40)보다 낮을 수 있다. 예를 들어, n형 웰(30)의 불순물 농도는 예를 들어, 1×1014 내지 1×1017 원자/cm3일 수 있다. 다만, 이러한 n형 웰(30)의 불순물는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
포토 다이오드(40)의 하부에 형성된 n형 웰(30)은 포토 다이오드(40)와 함께 광전 변환 영역으로 기능할 수 있다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.
소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)은, 웰(30) 내에서, 서로 이격되어 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)의 도전형은 도시된 것과 같이 각각 p형일 수 있다. 이 때, p형 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)의 불순물 농도는 p형 기판(10) 또는 p형 에피층(20)보다 높을 수 있다. 이러한 p형 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)의 불순물 농도는 예를 들어, 1×1018 내지 1×1022 원자/cm3일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
웰(30) 내에서 서로 이격되어 형성된 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60) 사이에는 채널 영역(70)이 형성될 수 있다. 즉, 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)은 채널 영역(70)을 통해 서로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 채널 영역(70)은 도시된 것과 같이 p형일 수 있다. 이러한 채널 영역(70)의 불순물 농도는 예를 들어, 2×1016 내지 1×1019 원자/cm3일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 이러한 채널 영역(70)은 도 1 및 도 2에 도시된 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 정션 트랜지스터(junction transistor)(1)의 문턱 전압(threshold voltage)를 조절하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 이러한 채널 영역(70)은 필요에 따라 생략될 수도 있다.
웰(30) 내의 채널 영역(70) 하부에는 포토 다이오드(40)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 포토 다이오드(40)는 제1 포토 다이오드(42)와 제2 포토 다이오드(44)를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 포토 다이오드(42)는 도시된 것과 같이 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)과 중첩(overlap)되어 형성될 수 있다. 반면, 제2 포토 다이오드(44)는 도시된 것과 같이 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)과 비중첩(non-overlap)된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 포토 다이오드(42)는 도시된 것과 같이 웰(30)의 상면으로부터 제1 깊이(d1)에 형성될 수 있다. 반면, 제2 포토 다이오드(44)는 도시된 것과 같이 웰(30)의 상면으로부터 제2 깊이(d2)에 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 깊이(d1)와 제2 깊이(d2)는 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 도시된 것과 같이 제1 깊이(d1)는 제2 깊이(d2) 보다 클 수 있다. 즉, 제2 포토 다이오드(44)는 제1 포토 다이오드(42) 상에 제1 포토 다이오드(42)와 접촉하며 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 포토 다이오드(42)는 도시된 것과 같은 제1 폭(w1)으로 형성될 수 있다. 반면, 제2 포토 다이오드(44)는 도시된 것과 제2 폭(w2)으로 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 이러한 제1 폭(w1)과 제2 폭(w2)은 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 도시된 것과 같이 제1 폭(w1)은 제2 폭(w2) 보다 클 수 있다. 제1 포토 다이오드(42)와 제2 포토 다이오드(44)의 이러한 구조에 따라, 제1 포토 다이오드(42)는 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)과 중첩(overlap)되어 형성되고, 제2 포토 다이오드(44)는 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)과 비중첩되어 형성되는 것이 가능할 수 있다.
포토 다이오드 영역(40)은 채널 영역(70) 하부에 형성된 n형 불순물 영역일 수 있다. 이러한 포토 다이오드 영역(40)은 도시된 것과 같이 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)과 연결되지 않도록, 고립되어 형성될 수 있다. 한편, 포토 다이오드 영역(40)은 콘택 등과 연결되지 않도록 형성되므로, 웰(30) 내에 플로팅(floating)되어 형성된 것으로 이해할 수 있다.
포토 다이오드 영역(40)은 입사광에 대응하여 생성된 전자가 수집(collecting)되는 영역으로, 광전 변환 영역으로 기능할 수 있다. 본 실시예에서, 포토 다이오드 영역(40)은 도시된 것과 같이 n형일 수 있다. 이 때, 포토 다이오드 영역(40)의 불순물의 농도는 예를 들어, 1×1016 내지 1×1019 원자/cm3일 수 있으며, 이는 n형 웰(30)의 불순물의 농도보다 클 수 있다. 하지만, 본 발명이 이러한 예시에 제한되는 것은 아니다.
포토 다이오드(40) 및 채널 영역(70) 상에는 게이트 절연막(80)과 게이트 전극(90)이 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에서, 게이트 전극(90)은 웰(30) 상에 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 웰(30), 포토 다이오드(40), 소오스 영역(50), 드레인 영역(60), 채널 영역(70) 및 게이트 전극(90)은 하나의 정션 트랜지스터(1)를 구성할 수 있다. 이러한 정션 트랜지스터(1)는 포토 다이오드(40)에 수집된 전자의 양에 의해 동작할 수 있다. 이러한 정션 트랜지스터(1)는 이미지 센서의 각 픽셀을 구성하며, 광전 변환 소자와 센싱 소자의 기능을 수행할 수 있다. 즉, 정션 트랜지스터(1)는 광전 변환 소자의 기능과 센싱 소자의 기능을 모두 수행할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 앞서 설명한 정션 트랜지스터의 광전 변환 소자 기능에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 Q-Q'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 것과 같이, 도 2의 채널 영역(70), 포토 다이오드(40), 웰(30), 에피층(20) 및 기판(10)은 포텐셜 우물을 구성할 수 있다. 따라서, 이미지 센서 또는 웰(30)로 입사된 광에 의하여 전자가 생성되며, 포토 다이오드(40)가 구성하는 포텐셜 우물에 전자가 갇힐 수 있게 된다. 이에 따라, 도 1 및 도 2에 도시된 포토 다이오드(40)와 웰(30)은 광전 변환 소자로 기능할 수 있게 된다.
다음, 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여, 앞서 설명한 정션 트랜지스터의 센싱 소자 기능에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 등가 회로도이다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서는 정션 트랜지스터(1) 및 선택 트랜지스터(S)가 커플링되어 형성되고, 선택 트랜지스터(S)는 소오스 팔로우 트랜지스터(F)와 연결된다. 즉, 본 실시예에 따른 이미지 센서에서는 정션 트랜지스터(1), 선택 트랜지스터(S) 및 소오스 팔로우 트랜지스터(F)가 하나의 픽셀을 구성할 수 있다.
정션 트랜지스터(1)는 광에 의해 형성된 전자를 센싱한다. 정션 트랜지스터의 소오스로는 소오스 전압(Vs)이 인가되며, 정션 트랜지스터(1)는 입사된 광의 양에 따라 문턱 전압이 결정된다.
선택 트랜지스터(S)는 행 선택 라인(SEL)에 의해 제공되는 바이어스에 의해 턴온된다. 선택 트랜지스터(S)가 턴온되면, 정션 트랜지스터(1)와 소오스 팔로우 트랜지스터(F)가 전기적으로 연결될 수 있다. 소오스 팔로우 트랜지스터(F)는 선택 트랜지스터(S)에 의해 정션 트랜지스터(1)와 커플링된다.
우선, 리셋 동작을 설명한다. 여기서 리셋 동작이란 광전 변환에 의해 포토 다이오드(40)에 수집된 전자를 모두 소거하는 것이다. 포토 다이오드(40)에 수집된 전자를 모두 소거하기 위하여는, 기판(10)에 예를 들어, 제1 전압 이상의 전압을 가할 수 있다. 그러면, 포토 다이오드(40)에 수집된 전자는 기판(10)으로 빠져나가게 된다. 또한, 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)에 제1 전압과 다른 제2 전압을 인가할 수도 있다. 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)에 제2 전압을 가하면, 전자는 채널 영역(70)을 경유하여, 소오스 영역(50) 및 드레인 영역(60)으로 빠져나갈 수도 있다.
다음 센싱 동작을 설명한다. 소오스 팔로우 트랜지스터(F)와 정션 트랜지스터(1)를 포화 영역에서 동작시키면, 각 트랜지스터들은 게이트와 소오스 사이의 전압에 의해서만 제어된다. 한편, 정션 트랜지스터(1)의 문턱 전압은 앞서 설명한 것과 같이 포토 다이오드(40)에 수집된 전자의 양에 따라 변하게 된다.
정션 트랜지스터(1)의 게이트에 인가되는 전압(Vsl)에 비례하는 출력 전압(Vout)은 정션 트랜지스터(1)의 드레인 영역과 연결된 소오스 팔로우 트랜지스터(F)의 소오스에서 출력된다. 따라서, 정션 트랜지스터(1)의 게이트에 인가되는 전압(Vsl)에 따라 출력되는 출력 전압(Vout)의 변화를 센싱하게 되면, 포토 다이오드(40)에 수집된 전자의 양 즉, 단위 픽셀에 입사된 광의 양을 센싱할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 이미지 센서에서는, 이러한 광전 변환 기능과 센싱 기능을 수행하는 정션 트랜지스터(1)의 포토 다이오드(40)가 앞서 설명한 서로 다른 구조로 형성된 제1 포토 다이오드(42)와 제2 포토 다이오드(44)를 포함한다. 본 실시예에 따른 이러한 포토 다이오드(40)의 구성에 따라, 전자를 저장할 수 있는 용량을 의미하는 포토 다이오드(40)의 풀 웰 용량(full well capacity)이 증가될 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 이미지 센서가 점차 소형화됨에 따라 그 안에 포함된 포토 다이오드의 크기도 점차 소형화되고 있다. 따라서, 만약, 본 실시예와 달리 포토 다이오드가 예를 들어, 제1 포토 다이오드(42)나, 또는 제2 포토 다이오드(44) 만을 포함하게 될 경우, 포토 다이오드의 소형화 추세에 따라 포토 다이오드에 저장될 수 있는 전자의 양 또한 작아질 수 밖에 없다. 하지만, 본 실시예에서는, 포토 다이오드(40)가 서로 다른 구조로 형성된 제1 포토 다이오드(42)와 제2 포토 다이오드(44)를 포함하게 됨으로써, 포토 다이오드(40)의 전자 저장 용량이 향상될 수 있다. 그리고 이는 정션 트랜지스터(1)의 광전 변환 성능과 센싱 성능을 동시에 향상시킬 수 있으므로, 결과적으로 이미지 센서의 성능이 향상되게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서를 B-B′선을 따라 절단한 단면도이다. 도 5와 도 6 역시 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 도면들이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 동일한 설명에 대해서는 중복된 설명을 생략하고, 그 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 정션 트랜지스터(2)는 바디 영역(25)과, 연결 영역(27)과, 패드 영역(29)을 더 포함할 수 있다.
바디 영역(25)은 제1 포토 다이오드(42)와 접촉하며 형성될 수 있다. 구체적으로, 바디 영역(25)은 에피층(20) 상에 제1 포토 다이오드(42)의 하면과 첩촉하며 형성될 수 있다. 이러한 바디 영역(25)은 예를 들어 p형일 수 있다. 그리고, 바디 영역(25)의 불순물 농도는 기판(10) 및 에피층(20)의 불순물 농도보다 높을 수 있다.
연결 영역(27)은 바디 영역(25)과 접촉하며 형성될 수 있다. 구체적으로, 연결 영역(27)은 웰(30)을 관통하여 바디 영역(25)과 접촉하며 형성될 수 있다. 이러한 연결 영역(27)은 예를 들어 p형일 수 있다. 그리고, 연결 영역(27)의 불순물 농도는 바디 영역(25)의 불순물 농도보다 낮을 수 있다.
연결 영역(27)의 일 단에는 패드 영역(29)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 연결 영역(27)의 상 단에는 패드 영역(29)이 형성될 수 있다. 이러한 패드 영역(29)은 패드 영역(29) 상에 형성되는 컨택 배선과 전기적으로 연결되어 외부로부터 전압을 제공받는 역할을 할 수 있다. 패드 영역(29)은 예를 들어 p형일 수 있다. 그리고, 패드 영역(29)의 불순물 농도는 연결 영역(27)의 불순물 농도보다 높을 수 있다.
앞서 설명한 이미지 센서의 리셋 동작 시, 본 실시예에 따른 정션 트랜지스터(2)의 패드 영역(29)에는 양의 전압이 인가될 수 있다. 이렇게 패드 영역(29)에 양의 전압이 인가되면, 기판(10) 또는 에피층(20)에 포함된 결함(defect) 등에 의해 생성된 전자가 바디 영역(25), 연결 영역(27), 및 패드 영역(29)을 통해 외부로 빠져나갈 수 있게 된다. 또한, 포토 다이오드(40) 내에 제거되어야 하는 잔여 전자들도 바디 영역(25), 연결 영역(27), 및 패드 영역(29)을 통해 외부로 빠져나갈 수 있게 된다.
일반적으로 기판(10) 또는 에피층(20)에 포함된 결함에 의해 광전 변환 동작과 관계 없이 생성된 전자들은 암전류(dark current)를 발생시켜, 이미지 센서의 신뢰성에 악영향을 주게된다. 본 실시에에서는, 이러한 구성을 통해 암전류를 저감시킬 수 있고, 포토 다이오드(40)의 리셋 기능도 향상시킬 수 있으므로, 이미지 센서의 신뢰성이 향상되게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 8은 도 7에 도시된 이미지 센서를 C-C′선을 따라 절단한 단면도이다. 도 7과 도 8 역시 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 도면들이다. 이하에서도 앞서 설명한 실시예들과 동일한 설명에 대해서는 중복된 설명을 생략하고, 그 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 정션 트랜지스터(3)에서는 앞서 설명한 정션 트랜지스터(도 6의 2)와, 포토 다이오드(44) 구성 면에서 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 정션 트랜지스터(도 6의 2)에서는 포토 다이오드(40)가 제1 포토 다이오드(42)와 제2 포토 다이오드(44)를 포함하나, 본 실시예에 따른 정션 트랜지스터(3)에서는 그 중 제2 포토 다이오드(44) 만이 광전 변환 기능을 수행할 수 있다.
본 실시예에서도, 이러한 구성을 통해, 기판(10) 또는 에피층(20)에 포함된 결함 등에 의해 광전 변환 동작과 관계 없이 생성된 전자들을 제거할 수 있게 된다. 또한, 포토 다이오드(44)의 리셋 기능도 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 암전류를 저감되고, 포토 다이오드(44)의 리셋 성능이 향상되므로 이미지 센서의 신뢰성이 향상되게 된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 10은 도 9에 도시된 이미지 센서를 D-D′선을 따라 절단한 단면도이다. 도 9와 도 10 역시 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 도면들이다. 이하에서도 앞서 설명한 실시예들과 동일한 설명에 대해서는 중복된 설명을 생략하고, 그 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 정션 트랜지스터(4)에서는 게이트 전극(92)이 리세스 게이트(recess gate) 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 게이트 전극(92)은 웰(30) 내에 형성될 수 있으며, 게이트 절연막(82)과 채널 영역(72)도 게이트 전극(92)을 둘러싼 형태로 웰(30) 내에 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 12는 도 11에 도시된 이미지 센서를 E-E′선을 따라 절단한 단면도이다. 도 11과 도 12 역시 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 도면들이다. 이하에서도 앞서 설명한 실시예들과 동일한 설명에 대해서는 중복된 설명을 생략하고, 그 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 정션 트랜지스터(5)는 앞서 설명한 정션 트랜지스터(도 10의 4)에 비해, 바디 영역(25)과, 연결 영역(27)과, 패드 영역(29)을 더 포함할 수 있다. 이러한, 바디 영역(25), 연결 영역(27), 및 패드 영역(29)에 대해서는 앞서 설명한 실시예에서 충분히 설명한바 중복된 설명을 생략한다.
다은 도 13 내지 도 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.
먼저, 도 13을 참조하면, p형 기판(10) 상에 p형 에피층(20)을 예를 들어, 에피택셜 성장 공정을 통해 형성한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, p형 기판(10)은 필요에 따라 생략될 수도 있다. 이어서, 에피층(20) 상에 n형 웰(30)을 형성한다. 이러한 웰(30)을 형성하는 데에도, 예를 들어, 에피택셜 성장 공정이 이용될 수 있다. 이어서, 웰(30) 내에 예를 들어, 이온 주입 등의 공정을 통해 p형 바디 영역(25)을 형성한다. 이 때, 바디 영역(25)은 도시된 것과 같이 웰(30)의 가장 깊은 영역에 형성될 수 있다.
다음, 도 14를 참조하면, 웰(30) 상에 제1 폭(도 2의 w1)만큼 이격된 제1 마스크(95)를 형성한다. 그리고 이어서, 예를 들어, 이온 주입 등의 공정을 통해 n형 제1 포토 다이오드(42)를 형성한다. 이 때, 제1 포토 다이오드(42)는 웰(30) 내의 제1 깊이(도 2의 d1)에 위치하며 바디 영역(25)과 접촉하도록 형성될 수 있다.
다음, 도 15를 참조하면, 웰(30) 상에 제1 폭(도 2의 w1)보다 작은 제2 폭(도 2의 w2)만큼 이격된 제2 마스크(96)를 형성한다. 그리고 이어서, 예를 들어, 이온 주입 등의 공정을 통해 n형 제2 포토 다이오드(44)를 형성한다. 이 때, 제2 포토 다이오드(44)는 웰(30) 내의 제2 깊이(도 2의 d2)에 위치하며 제1 포토 다이오드(42)와 접촉하도록 형성될 수 있다. 또한, 이러한 제조 공정에 따라 형성된 제2 포토 다이오드(44)의 폭은 제1 포토 다이오드(42)의 폭보다 작을 수 있다.
다음, 도 16을 참조하면, 웰(30) 내에 서로 이격되어 배치된 p형 소오스 영역(50)과 p형 드레인 영역(60), 및 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60) 사이에 배치된 p형 채널 영역(70)을 형성한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 이러한 채널 영역(70)의 형성 공정은 생략될 수도 있다. 소오스 영역(50)과 드레인 영역(60)은 도시된 것과 같이, 제1 포토 다이오드(42)와는 중첩되고, 제2 포토 다이오드(44)와는 미중첩되도록 형성될 수 있다. 이어서, 웰(30) 상에 게이트 절연막(80)과 게이트 전극(90)을 순차적으로 형성한다. 본 실시예에서, 게이트 전극(90)은 도시된 것과 같이 제2 포토 다이오드(44) 상에 형성될 수 있다.
다음, 도 17을 참조하면, 웰 상에 소오스 영역(50), 게이트 전극(90), 및 드레인 영역(60)을 덮는 제3 마스크(97)를 형성한다. 그리고 이어서, 노출된 웰(30) 상면에 예를 들어, 이온 주입 등의 공정을 수행함으로써 웰(30)을 관통하는 p형 연결 영역(27)을 형성한다. 이 때, 연결 영역(27)은 바디 영역(25)과 접촉하도록 형성한다.
다음, 도 18을 참조하면, 연결 영역(27)의 상 단에 p형 패드 영역(29)을 예를 들어, 이온 주입 등의 공정을 수행함으로써 형성한다. 이러한 패드 영역(29)은 외부 전압이 인가되는 컨택 패드 기능을 수행할 수 있다.
이상에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법으로써, 도 5 및 도 6에 도시된 이미지 센서를 제조하는 방법을 예시적으로 설명하였다. 여기서 설명하지 않은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서도, 이상에서 설명한 제조 방법과 유사한 제조 방법을 통해 제조하는 것이 가능하므로, 중복된 설명은 생략하도록 한다.
이하, 도 19를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 채용한 프로세서 기반 시스템에 대해 설명한다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 채용한 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 19를 참조하면, 프로세서 기반 시스템(300)은 예를 들어, 이미지 센서(310)의 출력 이미지를 처리하는 시스템일 수 있다. 시스템(300)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템, 태블릿 PC, 노트북, 휴대폰 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(320)를 포함한다. 이미지 센서(310)는 버스(305) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 이 때, 이미지 센서(310)로는 앞서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(1~5)가 채용될 수 있다.
한편, 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 CPU(320)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(340) 및/또는 포트(360)을 더 포함할 수 있다. 포트(360)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. 이미지 센서(310)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 이미지 센서(310)는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
이러한 프로세서 기반 시스템(300)이 무선 통신을 수행할 수 있는 장비인 경우에, 프로세서 기반 시스템(300)은 CDMA(Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile communication), NADC(North American Digital Cellular), E-TDMA(Enhanced-Time Division Multiple Access), WCDAM(Wideband Code Division Multiple Access), CDMA2000과 같은 통신 시스템에서 사용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판 20: 에피층
30: 웰 40: 포토 다이오드
50: 소오스 영역 60: 드레인 영역
70: 채널 영역 80: 게이트 절연막
90: 게이트 전극

Claims (10)

  1. 제1 도전형의 불순물층 상에 형성된 제2 도전형의 웰;
    상기 웰 내에 서로 이격되어 형성된 상기 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역;
    상기 웰 내에 상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 중첩(overlap)되어 형성된 상기 제1 도전형의 제1 포토 다이오드;
    상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 비중첩(non-overlap)되며, 상기 제1 포토 다이오드에 인접하여 형성된 상기 제1 도전형의 제2 포토 다이오드; 및
    상기 제1 및 제2 포토 다이오드 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 웰의 상면으로부터 측정한 상기 제1 포토 다이오드의 제1 깊이와, 상기 제2 포토 다이오드의 제2 깊이는 서로 다른 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이보다 큰 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 웰 상에 형성되는 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 웰 내에 형성되는 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 p형을 포함하고,
    상기 제2 도전형은 n형을 포함하는 이미지 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드와 접촉하며 형성된 상기 제1 도전형의 바디 영역과,
    상기 웰을 관통하고 상기 바디 영역과 접촉하는 상기 제1 도전형의 연결 영역과,
    상기 연결 영역의 일 단에 형성된 상기 제1 도전형의 패드 영역을 더 포함하는 이미지 센서.
  8. 제1 도전형의 불순물층 상에 형성된 제2 도전형의 웰;
    상기 웰 내에 서로 이격되어 형성된 상기 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역;
    상기 웰 내에 형성된 상기 제1 도전형의 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드와 접촉하며 형성된 상기 제1 도전형의 바디 영역;
    상기 웰을 관통하고 상기 바디 영역과 접촉하는 상기 제1 도전형의 연결 영역;
    상기 연결 영역의 일 단에 형성된 상기 제1 도전형의 패드 영역; 및
    상기 포토 다이오드 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 포토 다이오드는, 상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 중첩(overlap)되어 형성된 제1 포토 다이오드와, 상기 소오스 영역 및 드레인 영역과 비중첩(non-overlap)되며, 상기 제1 포토 다이오드에 인접하여 형성된 제2 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제1 도전형의 불순물층 상에 제2 도전형의 웰을 형성하고,
    상기 웰 내에 제1 폭을 갖는 상기 제1 도전형의 제1 포토 다이오드를 제1 깊이로 형성하고,
    상기 웰 내에 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 갖는 상기 제1 도전형의 제2 포토 다이오드를 상기 제1 깊이보다 작은 제2 깊이로 형성하고,
    상기 웰 내에 상기 제1 도전형의 소오스 영역 및 드레인 영역을 서로 이격되도록 형성하고,
    상기 제2 포토 다이오드 상에 게이트 전극을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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