KR100388474B1 - 포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역; 및 상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며, 상기 투명 캐패시터는, 상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및 상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.또한 본 발명은, 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역; 상기 수광영역을 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막을 통하여 상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며, 상기 투명 캐패시터는, 상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및 상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 이미지센서의 제조방법을 제공한다.

Description

포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor capable of increasing capacitance of photodiode and method for fabricating the same}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(V_DD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 화소 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 화소 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 2a는 종래 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역의 배치를 보이는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 단면도로서, p형 반도체 기판(20)에 형성된 소자분리막(21), 반도체 기판(20) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx), 그 측벽에 형성된 절연막 스페이서(22), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx) 일단의 반도체 기판(20) 내에 형성된 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx) 타단의 반도체 기판(20) 내에 플로팅 확산영역(floating diffusion, FD) 영역을 보이고 있다.

CMOS 이미지 센서를 이루는 단위 화소는 외부로부터 입사한 빛에 의해 전자가 발생 및 저장되는 포토다이오드 영역과, 포토다이오드에 저장된 전자를 꺼내어 전압, 전류의 전기적 신호로 변환하는 회로로 구성되어 있다. 최대 출력신호는 포토다이오드로부터 꺼낼 수 있는 전자의 수와 직접적으로 비례하기 때문에 포토다이오드의 전자수용능력 즉, 캐패시턴스가 클수록 최대 출력신호를 증가시킬 수 있다.

일반적으로 실리콘 기판 내에 형성되는 포토다이오드는 PN 접합 또는 PNP 접합, NPN 접합과 같은 이중접합 구조를 갖는데, 이들 접합이 전자를 수용할 수 있는 능력은 실리콘 기판의 농도 및 접합을 형성하기 위해 기판에 주입되는 도펀트(dopant)의 농도와 주입 깊이 등에 의해 변화된다. 포토다이오드의 캐패시턴스를 충분히 확보하지 못하는 경우 외부 광원에 의해 발생되는 전자의 수가 포토다이오드가 수용할 수 있는 양을 넘어서게 되면, 그 여분의 전자는 더 이상 포토다이오드 내에 저장되지 못하고 기판 쪽으로 새어나가게 되어 최대 출력신호가 감소할뿐만 아니라 새어나간 전자에 의한 노이즈가 발생하는 등의 문제가 있다.

따라서 포토다이오드의 캐패시턴스를 충분히 확보하는 것이 매우 중요한데, 전술한 바와 같이 포토다이오드의 캐패시턴스는 기판 농도 및 도펀트의 주입 농도, 주입 깊이 등에 의해 민감하에 변화하므로 공정상 임의로 조절하는 것이 쉽지 않다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 포토다이오드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2a는 종래 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역의 배치를 보이는 평면도,

도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 단면도,

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역의 배치를 보이는 평면도,

도 3b는 도 2a의 A-A'선을 따른 단면도,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

PD: 포토다이오드 FD: 플로팅 확산 영역

Tx: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 100: 투명 캐패시터

41: 제1 투명전극층 42: 투명 유전막

43: 제2 투명전극층

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역; 및 상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며, 상기 투명 캐패시터는, 상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및 상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역; 상기 수광영역을 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막을 통하여 상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며, 상기 투명 캐패시터는, 상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및 상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역을 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 수광영역 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 수광영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제2 단계; 및 상기 콘택홀을 통하여 상기 수광영역과 연결되는 투명캐패시터를 형성하는 제3 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

도 3a는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역을 보이는 평면도이고, 도 3b는도 3a의 A-A'선을 따른 단면도로서, p형 반도체 기판(30)에 형성된 소자분리막(31), 반도체 기판(30) 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx), 그 측벽에 형성된 절연막 스페이서(32), 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(Tx) 일단의 반도체 기판(30) 내에 형성된 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(22) 타단의 반도체 기판(30) 내에 플로팅 확산영역(FD) 영역, 상기 반도체 기판(30) 상부에 형성되어 상기 포토다이오드(PD)와 연결되며 상기 포토다이오드(PD) 상부에 상기 포토다이오드(PD)와 연결되는 투명 캐패시터(100)를 보이고 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 투명 캐패시터(100)가 상기 포토다이오드(PD)의 가장자리 즉, 포토다이오드(PD)와 소자분리막(31)의 경계와 중첩되도록 형성한다.

이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 일실시예 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, p형 반도체 기판(30)에 화소간 분리를 위한필드산화막(31)을 형성하고, 반도체 기판(30) 상에 게이트 절연막(도시하지 않음), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 형성한 다음, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx) 일단의 상기 반도체 기판(30) 내에 포토다이오드(PD)를 형성하고, 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극(Tx) 타단의 상기 반도체 기판(30) 내에 n형 플로팅 영역(FD)을 형성한다.

다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 층간절연막(33)을 형성하고, 층간절연막(33)을 선택적으로 식각하여 포토다이오드(PD) 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성한다.

이어서 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 층간절연막(33) 상에 제1 투명전극층(41)을 형성하여 상기 콘택홀을 통하여 상기 포토다이오드(PD)와 연결시키고, 상기 제1 투명전극층(41) 상에 투명 유전막(42) 및 제2 투명전극층(43)을 적층한 다음, 상기 제2 투명전극층(43), 상기 투명 유전막(42) 및 상기 제1 투명전극층(41)을 패터닝하여 상기 포토다이오드(PD)와 연결되는 투명 캐패시터(100)를 형성한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제1 투명전극층(41) 및 상기 제2 투명전극층(43) 각각을 ITO(indium tin oxide) 또는 RuO₂로 형성하고, 상기 투명 캐패시터(100)의 캐패시턴스를 증가시키기 위해 상기 투명 유전막(42)을 산화막/질화막/산화막의 적층 구조로 형성하거나 유전상수가 큰 Ta₂O₅로 형성한다.

이와 같은 구조의 이미지 센서는 외부로부터 포토다이오드(PD)로 빛이 입사되어 포토다이오드 내에 전자가 생성될 때 투명 캐패시터(100)의 상부전극 즉, 제2투명전극층(43)에 양의 전압을 인가하여 투명 캐패시터(100)로 전자를 모음으로써 포토다이오드의 전하저장능력을 향상시킬 수 있다. 한편, 포토다이오드로부터 전자를 꺼내고자 할 때에는 투명 캐패시터(100)의 상부전극 즉, 제2 투명전극층(43)에 음의 전압을 인가하면 된다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드와 연결되는 투명 캐패시터를 형성함으로서 포토다이오드의 전하저장능력을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기와 같이 전극과 유전막이 모두 투명한 물질로 이루어지는 투명전극을 포토다이오드 영역 상부에 구비함으로써 캐패시터 형성에 따른 수광면적의 감소는 발생하지 않는다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드에 연결된 투명 캐패시터에 의해 포토다이오드의 전하저장능력을 증가시킴으로써 그에 따라 최대출력의 증가를 기대할 수 있고, 구동 범위(dynamic range)를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 이미지 센서에 있어서,

   입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역; 및

   상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며,

   상기 투명 캐패시터는,

   상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극;

   상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및

   상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
2. 이미지 센서에 있어서,

   입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역;

   상기 수광영역을 덮는 층간절연막; 및

   상기 층간절연막을 통하여 상기 수광영역과 연결되는 투명 캐패시터를 구비하며,

   상기 투명 캐패시터는,

   상기 수광영역과 연결되는 제1 투명전극;

   상기 제1 투명전극을 덮는 투명 유전막; 및

   상기 투명 유전막을 덮는 제2 투명전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 투명전극 및 상기 제2 투명전극 각각은 ITO 또는 RuO₂로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 투명유전막은 적층된 산화막/질화막/산화막으로 이루어지거나,

   Ta₂O₅로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 투명 캐패시터는,

   상기 수광영역 가장자리와 중첩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
7. 입사된 광에 의해 그 내부에서 전자가 발생되는 수광영역을 구비하는 이미지센서 제조 방법에 있어서,

   상기 수광영역 형성이 완료된 반도체 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;

   상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 수광영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 제2 단계; 및

   상기 콘택홀을 통하여 상기 수광영역과 연결되는 투명캐패시터를 형성하는 제3 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제3 단계는,

   상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 제1 투명전극층을 형성하여 상기 콘택홀을 통해 상기 수광영역과 연결시키는 단계;

   상기 제1 투명전극층 상에 투명 유전막을 형성하는 단계;

   상기 투명 유전막 상에 제2 투명전극층을 형성하는 단계; 및

   상기 제2 투명전극층, 상기 투명 유전막 및 상기 제1 투명전극층을 패터닝하여 상기 투명 캐패시터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제1 투명전극 및 상기 제2 투명전극 각각을 ITO 또는 RuO₂으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 투명유전막은 산화막/질화막/산화막을 적층하여 형성하거나,

    또는 Ta₂O₅로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제3 단계에서,

    상기 수광영역 가장자리와 중첩되는 투명 캐패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.