KR20140093029A - 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 시모스 이미지 센서 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 전송이 잘 되는 CMOS 이미지 센서는, 포도 다이오드가 형성된 반도체 기판, 상기 포도 다이오드가 형성된 반도체 기판에 계단 모양으로 채널을 갖는 전송 게이트 전극, 상기 전송 게이트 전극 좌우측면 반도체 기판에 형성된 소자 분리 구조, 상기 소자 분리 구조 상부 및 전송 게이트 전극 상부를 감싸는 절연막을 포함한다.
상기와 같이 포토다이오드와 접하는 전송 게이트 전극 채널이 계단형으로 형성되어 접촉면이 넓으면 이미지 전송이 우수하고 노이즈 신호가 없어서 특성이 좋은 이미지 센서를 얻을 수 있다.
상기와 같이 포토다이오드와 접하는 전송 게이트 전극 채널이 계단형으로 형성되어 접촉면이 넓으면 이미지 전송이 우수하고 노이즈 신호가 없어서 특성이 좋은 이미지 센서를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 수직구조 전송 게이트 전극이 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극이 있는 반도체 CMOS 이미지 센서 및 반도체 CMOS 이미지 센서를 만드는 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 산업의 추세는 지속적으로 반도체 제품을 소형화, 박형화, 경량화하고 고집적화, 고밀도화하는 것이다. 반도체 CMOD 이미지 센서 또한 고밀도를 실현하는 필요성이 점점 커지고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서가 초소형화, 고집적화 됨에 따라 포토다이오드와 접하는 전송게이트 사이즈는 점점 작아져야 하는데 포토다이오드와 접하는 전송 게이트 전극이 작아지면서 이미지 전송 및 신호 노이즈 문제가 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 면적이 넓은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 및 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송 및 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송 및 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상술한 기술적인 과제들을 해결하기 위한 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서 소자를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되는 CMOS 이미지 센서는, 제 1 도전형 불순물층 및 제 2 도전형 불순물층으로 구성된 포토다이오드가 형성된 반도체 기판, 상기 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판에 계단 모양으로 채널을 갖는 전송 게이트 전극, 상기 전송 게이트 전극 좌우측면 반도체 기판에 형성된 소자 분리 구조, 상기 소자 분리 구조 상부 및 전송 게이트 전극 상부를 감싸는 절연막을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트 전극은 계단 형태로 상단 전극 및 하단 전극으로 형성된 것을 포함 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트 전극은 L자 형태로 형성된 것을 포함 할 수 있다.
상술한 기술적인 과제들을 해결하기 위한 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되는 CMOS 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계, 상기 포토다이오드가 형성되어 있는 기판에 소자 분리 구조를 형성하는 단계, 상기 소자 분리 구조 일부를 식각하는 단계, 상기 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 계단형으로 수직 전송 게이트 전극 홀을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판에 형성된 계단형 전송 수직 게이트 홀에 전송 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 소자 분리 구조 상부 수직 전송 게이트 전극 좌우 일부를 식각 제거하여 절연막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 포토다이오드는 불순물을 이용하여 반도체 기판에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 소자 분리 구조는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정 또는 분순물을 이용하여 형성 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이지 신호가 없는 CMOS 이미지 센서 반도체 소자를 얻을 수 있다.
또한 포토다이오드와 접촉하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서 반도체 소자를 제조하는 방법을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이지 신호가 없는 CMOS 이미지 센서 반도체 소자의 개념을 보여주는 평면도이다.
도 2 내지 도 7은 도 1에서 A-A' 방향으로 절단하였을 때 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
도 8 내지 도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
도 2 내지 도 7은 도 1에서 A-A' 방향으로 절단하였을 때 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
도 8 내지 도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은, 본 발명의 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 가지고 있어 이미지 전송이 잘 되고 노이즈 신호가 없는 CMOS 이미지 센서 단위 픽셀 반도체 소자의 개념을 보여주는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 CMOS 이미지 센서 단위 픽셀은 광을 인가 받아 광전하를 생성 축적하는 포토다이오드(PD). 상기 포토다이오드에서 생성된 전하를 플로팅 확산영역(FD:floating diffusion region)에 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 상기 플로팅 확산 영역에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋(reset) 시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 등을 포함 한다.
본 발명은 포토다이오드 상에 수직 구조의 전송(transfer) 트랜지스터(Tx)를 만드는 것으로 A-A' 방향으로 절단하였을 때 포토다이오드 면과 접촉하는 면적이 넓도록 전송 트랜지스터 게이트 전극 구조를 형성하는 방법 및 구조를 제공한다. 도면에 표시된 것처럼 소자 분리 구조 에지(110A) 영역에서 하단 전송 게이트 전극(135B)이 확장이 되어서 접촉 면적이 증가되는 것을 보여주고 있다.
도 2 내지 도 7은 도 1에서 A-A' 방향으로 절단하였을 때 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판에 제 1 도전형 불순물층(100)을 형성하고, 상기 제 1 도전형 불순물층(100) 상에는 제 2 도전형 불순물층(105)을 형성하여서 광을 인가 받아 광전하를 발생 축적하는 포토다이오드(100, 105)를 형성한다. 광은 도시되지 않았지만 백사이드(backside)에서 공급되는 형태의 이미지 센서의 구조이다.
상기 반도체 기판 제 2 도전형 불순물층(105)에 소자 분리막(110)을 형성한다. 상기 소자 분리막(110)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 깊고 넓게 형성한다. 도면에는 제2 도전형 불순물층(105) 안에 있지만 소자 분리막(110) 하부가 제 1 도전형 불순물층(100)과 접하도록 깊게 형성 할 수 있다. 소자 분리막(110) 형성 후 반도체 기판 평면을 평탄화하고 감광액 마스크(115)를 이용하여 전송 게이트 전극 패턴을 형성한다. 상기 감광막 마스크(115)는 일부분이 소자 분리막(110) 일부를 커버하는 형태가 된다.
도 3을 참조하면, 감광막 마스크(115) 및 소자 분리막(110)과 반도체 기판 제 2 도전형 불순물층(105)의 식각율 차이를 이용하여 선택 식각하여 감광막 마스크(115)가 없는 소자 분리막(110) 일부를 식각 제거하여 제 1 전송 게이트 전극 홀(120)을 형성한다. 상기 제 1 전송 게이트 전극 홀 (120)은 소자 분리막(110) 일부가 제거되어 계단 형태의 평면을 갖는다. 즉 소자 분리막(110) 일부분이 깎이어 새로운 소자 분리막 에지(110A)가 형성된다. 상기 소자 분리막 에지(110A)가 형성되면서 생긴 계단 형태의 평면은 포토다이오드와 전송 게이트 전극이 접촉하는 면적을 크게 해주는 구조가 된다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 전송 게이트 전극 홀(120)에 이방성 식각을 하여 제 2 전송 게이트 홀(125)을 형성한다. 상기 제 2 전송 게이트 전극 홀(125)은 제 1 도전형 불순물층(100)과 일부분이 접하고 나머지 부분은 제 2 도전형 분순물층(105)과 접하는 계단 형태의 표면을 갖는다. 앞에서도 언급 했듯이 상기와 같은 계단 형태의 평면은 포토다이오드와 전송 게이트 전극이 접촉하는 면적을 넓게 해주는 구조가 된다. 이러한 구조는 포토다이오드 내에 축적되어있는 광전하가 전송 게이트 전극으로 빠르고 다량으로 전송될 수 있는 형태가 된다.
도 5를 참조하면, 상기 제 2 전송 게이트 전극 홀(125) 및 소자 분리막(110) 상에 전송 게이트 유전막(130)을 형성한다. 상기 전송 게이트 유전막(130)은 전송 게이트 전극의 물질에 따라서 다르게 형성 할 수 있지만 본 발명에서는 실리콘 산화막으로 형성한다. 단 전송 게이트 전극을 금속으로 사용할 경우는 전송 게이트 유전막(130)을 금속화합물 산화막으로 형성할 수 있다.
상기 전송 게이트 유전막(130) 상에 전송 게이트 전극막(135)을 형성한다. 전송 게이트 전극막(135)은 폴리 실리콘 데포 후 평탄화하여 형성한다. 그러면 포토다이오드와 접촉되는 공간이 매우 넓은 수직 및 계단 구조를 갖는 전송 게이트 전극막(135)이 형성된다. 단 필요에 따라서 전송 게이트 전극막(135)을 금속막으로 형성 할 수 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 감광액 전송 게이트 전극 마스크(140)를 이용하여 전송 게이트 전극(135A, 135B) 패턴을 형성한다. 이 때 전송 게이트 전극(135A, 135B) 패턴을 격리시키기 위한 절연막 형성용 홀(145)이 형성 된다. 또한 이 때 전송 게이트 전극(135A, 135B)은 상단 전송 게이트 전극(135A)과 하단 전송 게이트 전극(135B)으로 모양이 형성 된다.
상기 절연막 형성용 홀(145)안에 절연막(150)을 형성한다. 그러면 포토다이오드가 되는 반도체 기판(100, 105)과는 수직 및 수평면을 가지면서 접촉 면적이 넓은 수직형 전송 게이트 전극(135A, 135B)을 갖는 CMOS 이미지 센서가 형성 된다. 이러한 포토다이오드와의 접촉면 증가는 포토다이오드에서 많은 광전하가 전송 될 수 있어서 디바이스 특성이 매우 좋다.
상기와 같은 수직형 전송 게이트 전극(135A, 135B)을 형성 후 도면에는 게시되어 있지 않지만 포토다이오드가 형성된 반도체 기판(100) 하부에 광이 인가되는 구조를 완성시키면 CMOS 이미지 센서가 완성된다.
상기와 같은 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서는 다량의 광전하 전송이 잘되어서 이미지 지연이 없고 신호와 잡음 성분 비율이 낮아져 디바이스의 전기적인 특성이 더욱 좋아진다.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토다이오드와 접하는 면이 넓고 깊은 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 단면도 이다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 반도체 기판에 제 1 도전형 불순물층(200)을 형성하고, 상기 제 1 도전형 불순물층(200) 상에는 제 2 도전형 불순물층(205)을 형성하여서 광을 인가 받아 광전하를 발생하는 포토다이오드(200, 205)를 형성한다. 광은 도시되지 않았지만 백사이드(backside)에서 공급되는 형태의 이미지 센서의 구조이다.
상기 반도체 기판 제 2 도전형 불순물층(205)에 소자 분리층(210)을 형성한다. 상기 소자분리층(210)은 붕소(B)를 주입시켜 불순물을 이용하여 형성한다. 소자 분리층 (210) 형성 후 반도체 기판 평면에 절연막을 형성하고 식각하여 메사분리 구조(215)를 형성한다. 상기 메사 분리구조(215) 상에 감광 마스크를 이용하여 전송 게이트 전극 패턴(220)마스크를 형성한다. 상기 전송 게이트 전극 패턴(220) 마스크를 이용하여 메사 분리구조(215) 일부를 선택 식각한다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 전송 게이트 전극 패턴(220) 마스크를 이용하여 전송 게이트 전극 형성용 홀(225)을 형성한다. 상기 전송 게이트 전극 형성용 홀(225) 안에 전송 게이트 유전막(230)을 형성하고, 전송 게이트 유전막(230)상에 전송 게이트 전극막(235)을 형성 한다.
상기 전송 게이트 유전막(230) 및 전송 게이트 전극막(235)은 이전 실시예에서 설명한 같은 물질을 사용한다. 추후 공정 또한 앞 실시예에서 사용한 같은 개념을 사용함으로 중복된 설명은 하지 않고 마지막 도면만을 가지고 설명하려고 한다.
도 13을 참조하면, 절연막 형성용 홀(242)안에 절연막(245)을 형성한다. 그러면 포토다이오드가 되는 반도체 기판(200, 205)과는 수직 및 수평면을 가지면서 접촉 면적이 넓은 수직형 전송 게이트 전극(235A, 235B)을 갖는 CMOS 이미지 센서가 형성 된다. 도면에서 보여주는 것과 같이 앞 실시예처럼 계단 형태는 아니지만 L자 면을 가지는 포토다이오드와 전송 게이트 전극 접촉면에서 포토다이오드(200, 205)와 전송 게이트 전극(235A, 235B)이 접촉되어 접촉면이 넓어 다량의 광전하 전송이 잘되어서 이미지 지연이 없고 신호와 잡음 성분 비율이 낮아져 노이즈 신호가 없는 특성이 더욱 좋아진다.
상기와 같은 수직형 전송 게이트 전극(235A, 235B)을 형성 후 도면에는 게시되어 있지 않지만 포토다이오드가 형성된 반도체 기판(200) 하부에 광이 인가되는 구조를 완성시키면 CMOS 이미지 센서가 완성된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 전송 게이트 전극 및 포토다이오드 위치나 모양을 다양하게 배치하거나 만들어 상기의 효과를 얻을 수 있고, 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 제 1 도전형 불순물층 105, 205: 제2 도전형 불순물층
110: 소자 분리막 210:소자 분리층
130, 230: 전송 게이트 유전막
135A, 135B, 235A, 235B: 전송 게이트 전극
150, 245: 절연막
110: 소자 분리막 210:소자 분리층
130, 230: 전송 게이트 유전막
135A, 135B, 235A, 235B: 전송 게이트 전극
150, 245: 절연막
Claims (10)
- 제 1 도전형 불순물층 및 제 2 도전형 불순물층으로 구성된 포토다이오드가 형성된 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 제 1 도전형 불순물층과 일부 접하고 나머지는 제 2 도전형 불순물층과 접하여 계단 형상의 접촉면을 갖는 전송 게이트 전극; 및
상기 제 2 도전형 불순물층에 형성되고 전송 게이트 전극 좌우에 소자 분리 구조가 형성 된 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판 상부 전송 게이트 전극 좌우에는 절연막이 형성된 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전송 게이트 전극 접촉면은 L자 형상을 갖는 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소자 분리구조는 STI(Shallow Trench Isolation) 구조인 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소자 분리 구조는 메사 구조를 포함하는 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 소자 분리 구조는 채널 스토퍼(channel stopper) 불순물 구조인 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 전송 게이트 전극은 폴리 실리콘으로 형성된 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 전송 게이트 전극은 금속으로 형성된 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 포토다이오드가 형성된 반도체 기판 하부에 광이 인가되는 구조가 있는 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자.
- 반도체 기판에 제 1 도전형 불순물층 및 제 2 도전형 불순물층으로 구성된 포토다이오드를 형성하는 단계;
상기 반도체 기판 제 2 도전형 불순물층 안에 제 1 도전형 불순물층과 인접하도록 소자 분리 구조를 형성하는 단계;
상기 소자 분리 구조 일부를 식각하여 제1 도전형 불순물층과 접하고 나머지는 제 1 도전형 불순물층과 접하여 계단형상의 반도체 기판을 형성하는 단계; 및
상기 계단형상의 반도체 기판에 전송 게이트 전극을 형성하는 것이 특징인 CMOS 이미지 센서 반도체 소자 제조방법.
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