KR100935764B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 바텀 실리콘 기판, 절연막 및 탑 실리콘 기판이 적층된 기판을 준비하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판 및 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 바텀 실리콘 기판의 일부를 노출하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판 및 상기 바텀 실리콘 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 상에 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 상기 바텀 실리콘 기판 상에 형성된 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 실시예는 이미지 센서에서, 포토다이오드 영역을 이미지 센서를 구동하는 트랜지스터들과 다른 층에 형성하여 암전류 발생을 방지하여 이미지 화질을 향상시키는 효과가 있다.
포토 다이오드, 이미지 센서
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비 하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, P++형 반도체 기판(10) 상에 P-형 에피층(11)이 형성된다. 그리고, 액티브 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 상기 반도체 기판(10)의 소자 분리 영역에 소자 분리막(13)이 형성된다.
상기 에피층(11)의 부분 상에 게이트 절연막(21)을 개재하여 게이트(23)가 형성되고, 상기 게이트(23)의 양측면에 절연막 측벽(25)이 형성된다.
그리고, 상기 포토 다이오드 영역(PD)의 상기 에피층(11)에는 n-형 확산 영역(31) 및 P0형 확산 영역(32)이 형성된다.
여기서, 상기 P0형 확산 영역(32)은 상기 n-형 확산 영역(31) 상에 형성된다. 또한, 상기 소오스/드레인 영역(S/D)은 고농도 n형 확산 영역(n+)과 저농도 n형 확산영역(n-)이 형성된다.
그러나, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 씨모스 이미지 센서에서는 암전 류(dark current)의 증가로 인하여 소자의 성능 저하와 전하 저장능력 저하와 같은 문제점을 갖는다.
즉, 상기 암전류는 광이 포토 다이오드에 입사되지 않는 상태에서 상기 포토 다이오드에서 다른 영역으로 이동하는 전자에 의해 생성된다. 상기 암전류는 주로 반도체 기판의 표면 인접부, 소자 분리막과 P0형 확산 영역의 경계부, 소자 분리막과 n-형 확산 영역의 경계부, P0형 확산 영역과 n- 확산 영역의 경계부 및 P0형 확산 영역과 n- 확산 영역에 분포하는 각종 결함이나 댕글링 본드(dangling bond)등에서 비롯되는 것으로 보고되고 있다. 상기 암전류는 저조도(low illumination) 환경에서 씨모스 이미지 센서의 성능 저하와 전하저장 능력 저하와 같은 심각한 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서는 상기 암전류, 특히 실리콘 기판의 표면 인접부에서 발생하는 암전류를 감소시키기 위해 상기 포토 다이오드의 표면에 P0형 확산 영역을 형성하였다.
하지만, 종래의 씨모스 이미지 센서는 상기 소자 분리막(13)과 상기 포토 다이오드의 P0형 확산 영역 경계부 및 상기 소자분리막(13)과 상기 포토다이오드의 n-형 확산 영역 경계부에서 발생하는 암전류에 의해 큰 영향을 받는다.
이를 좀 더 상세히 언급하면, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)의 n-형 확산 영역(31) 및 P0형 확산 영역(32)을 형성하기 위한, 이온주입 마스크층으로서의 감광막 패턴(미도시)이 상기 반도체 기판(10)상에 형성될 때, 상기 포토 다이오드(PD)를 위한 액티브 영역 전체가 상기 감광막 패턴의 개구부 내에 서 노출된다. 이러한 상태에서 상기 포토 다이오드(PD)의 액티브 영역에 상기 n-형 확산 영역(31) 및 P0형 확산 영역(32)을 위한 불순물이 이온주입되면, 상기 포토 다이오드(PD)의 액티브 영역과 소자 분리막(13) 사이의 경계부에도 상기 n-형 확산 영역(31) 및 P0형 확산 영역(32)을 위한 불순물이 이온주입된다.
따라서, 상기 n-/P0형 확산 영역(31),(32)과 상기 소자 분리막(13) 사이의 경계부에서는 상기 불순물의 이온주입에 의한 손상이 유발되고 나아가 결함이 발생한다. 상기 결함은 전자 및 정공 캐리어의 발생을 야기하고, 또한 상기 전자 의 재결합을 제공한다. 그 결과, 상기 포토 다이오드의 누설 전류가 증가하고 나아가 씨모스 이미지 센서의 암전류(dark current)가 증가한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드의 확산 영역을 형성하기 위한 불순물의 이온주입 때에 소자 분리막과 포토 다이오드를 위한 액티브 영역 사이의 경계부에 상기 불순물이 이온주입되는 구조를 갖고 있다.
그 결과, 종래의 씨모스 이미지 센서는 소자 분리막과 포토 다이오드를 위한 액티브 영역 사이의 경계부에 발생하는 암전류의 증가를 억제하기가 어려워서 암전류 특성을 향상시키는데 한계가 있다.
실시예는 새로운 구조의 트랜지스터를 구성하여 암전류를 개선할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는,
트랜지스터 형성 영역과 포토 다이오드 형성 영역을 갖는 이미지 센서에서, 바텀 실리콘 기판에 형성된 트랜지스터들, 상기 바텀 실리콘 기판의 포토 다이오드 형성 영역에 적층된 탑 실리콘 기판, 상기 탑 실리콘 기판에 형성된 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 바텀 실리콘 기판, 절연막 및 탑 실리콘 기판이 적층된 기판을 준비하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판 및 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 바텀 실리콘 기판의 일부를 노출하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판 및 상기 바텀 실리콘 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 상에 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 상기 바텀 실리콘 기판 상에 형성된 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 탑 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예는 이미지 센서에서, 포토다이오드 영역을 이미지 센서를 구동하는 트랜지스터들과 다른 층에 형성하여 암전류 발생을 방지하여 이미지 화질을 향상시키는 효과가 있다.
실시예는 암전류 발생을 방지하여 색재현성을 향상시키고 이미지 센서의 해상도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 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.
도 2 내지 도 10은 실시예에 따른 이미지 센서를 제조하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 먼저, SOI(Silicon Oxide Insulator) 웨이퍼를 준비한다.
상기 SOI 웨이퍼는 바텀 실리콘 기판(bottom silicon substrate)(101)과 탑 실리콘 기판(top silicon substrate)(103)과, 상기 바텀 실리콘 기판(101)과 상기 탑 실리콘 기판(103) 사이에 개재된 절연막(102)을 포함한다. 상기 절연막은 예를 들어 산화막일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 탑 실리콘 기판(103) 상에 제 1 포토레지스트 패턴(151)을 형성한다.
상기 제 1 포토레지스트 패턴(151)은 이미지 센서의 단위 화소에서 포토 다이오드 형성 영역을 덮도록 형성할 수 있다.
상기 탑 실리콘 기판(103) 상에 광감성 물질은 포토레지스트를 도포하고, 선택적으로 노광한 후 현상하여 원하는 패턴의 제 1 포토레지스트 패턴(151)을 형성할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 포토레지스트 패턴(151)을 마스크로 상기 탑 실리콘 기판(103) 및 절연막(102)을 식각한다.
이로써, 상기 이미지 센서의 단위 화소에서 상기 포토 다이오드 영역에는 바텀 실리콘 기판(101), 절연막(102), 탑 실리콘 기판(103)이 적층되어 있는 반면에, 구동 트랜지스터들이 형성된 영역에는 바텀 실리콘 기판(101)이 노출되어 있다.
상기 바텀 실리콘 기판(101) 및 절연막(102)은 반응 이온 식각(RIE)과 같은 건식 식각 공정을 이용하여 식각할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 탑 실리콘 기판(103) 및 상기 노출된 바텀 실리콘 기판(101) 상에 게이트 절연막(110)을 형성한다.
예를 들어, 상기 게이트 절연막(110)은 산화막일 수 있다.
상기 게이트 절연막(110)은 열산화법(thermal oxidation)법 또는 CVD(chemical vapor deposition)법을 사용하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 게이트 절연막(110)을 열산화법으로 형성할 경우 산소 분위기, 900~1000℃ 온도에서 형성할 수 있다.
상기 게이트 절연막(110)은 200~300Å의 두께로 형성할 수 있다.
상기 탑 실리콘 기판(103) 상에 형성된 게이트 절연막(110)과 상기 바텀 실리콘 기판(101) 상에 형성된 게이트 절연막(110)은 서로 연결되지 않을 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 절연막(110) 상에 도핑된 폴리실리콘막(doped polysilicon layer)(120)을 형성한다.
상기 폴리실리콘막(120)은 1.0 ~ 1.5㎛의 두께로 증착할 수 있으며, SiH4, PH3 를 이용하여 500~600℃ 온도에서 CVD법을 이용하여 증착할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 상기 폴리실리콘막(120) 상에 제 2 포토레지스트 패턴(152)을 형성한다.
상기 폴리실리콘막(120) 상에 포토레지스트막을 형성하고, 상기 포토레지스트막을 노광 및 현상하여 트랜지스터들의 게이트가 형성될 부분을 덮도록 제 2 포토레지스트 패턴(152)을 형성한다.
상기 제 2 포토레지스트 패턴(152)은 상기 탑 실리콘 기판(103) 상부에도 형성될 수 있고, 상기 제 2 포토레지스트 패턴(152)은 상기 바텀 실리콘 기판(101) 상부에도 형성될 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 포토레지스트 패턴(152)을 마스크로 상기 폴리실리콘막(120)을 반응성 이온 식각하여 트랜지스터들의 게이트 전극(120a, 120b)을 형성한다.
상기 탑 실리콘 기판(103) 상부에 형성되는 게이트 전극(120a)은 포토다이오드 영역으로부터 광전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)의 게이트 전극일 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 탑 실리콘 기판(103)에 이온 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성한다.
상기 포토 다이오드 영역은 PF5를 주입하여 상기 탑 실리콘 기판(103)의 포토다이오드 영역에 n-형 확산 영역(141)을 형성한다.
이후, 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 포토다이오드 영역에 BF3를 주입하여 상기 n-형 확산 영역 상에 P°형 확산 영역(142)이 형성된다.
여기서, 상기 P°형 확산 영역(142)은 상기 n-형 확산 영역(141) 상에 형성된다.
도시하지 않았으나, 상기 게이트 전극(120a, 120b)의 양측 또는 일측에는 고농도의 불순물이 이온 주입되어 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역을 형성할 수 있다.
상기 소오스/드레인 영역(S/D)은 고농도 n형 확산 영역(n+)과 저농도 n형 확산영역(n-)이 형성된다.
상기 구동 트랜지스터들과 상기 포토다이오드 영역은 실리콘 기판이 적어도 2개가 적층된 웨이퍼에서 서로 다른 실리콘 기판에 형성시킴으로써 동일 실리콘 기판에서 인근에 배치될 경우 상기 포토다이오드의 암전류가 트랜지스터의 게이트에서 누설전류를 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예와 같이 상기 구동 트랜지스터와 상기 포토다이오드 영역에 단차를 두어 구조적으로 격리시킴으로써 반도체 소자가 집적화되고 초소형화된다 하더라도 상기 포토다이오드 영역과 상기 트랜지스터 사이에 암전류 발생을 방지할 수 있다.
실시예는 이미지 센서에서, 포토다이오드 영역을 이미지 센서를 구동하는 트랜지스터들과 다른 층에 형성하여 암전류 발생을 방지하여 이미지 화질을 개선할 수 있다.
실시예는 암전류 발생을 방지하여 색재현성을 향상시키고 이미지 센서의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 10은 실시예에 따른 이미지 센서를 제조하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
Claims (10)
- 트랜지스터 형성 영역과 포토 다이오드 형성 영역을 갖는 이미지 센서에서,상기 트랜지스터 형성 영역의 바텀 실리콘 기판에 형성된 트랜지스터들;상기 바텀 실리콘 기판의 포토 다이오드 형성 영역에 적층된 탑 실리콘 기판;상기 탑 실리콘 기판 상에 형성된 제 1 게이트 절연막;상기 제 1 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극; 및상기 게이트 전극의 일측에서 상기 탑 실리콘 기판에 형성된 포토 다이오드를 포함하며,상기 탑 실리콘 기판 상에 형성된 상기 게이트 전극은 상기 포토다이오드보다 상부에 위치한 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 바텀 실리콘 기판과 상기 탑 실리콘 기판 사이에 개재된 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 트랜지스터들은,상기 바텀 실리콘 기판 상에 형성된 상기 제 2 게이트 절연막;상기 제 2 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극;상기 게이트 전극 양측에 형성된 소스 및 드레인 영역을 포함하며, 상기 제 1 게이트 절연막 및 상기 제 2 게이트 절연막은 동일한 두께 및 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 4항에 있어서,상기 제 1 게이트 절연막과 상기 제 2 게이트 절연막은 서로 분리된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 바텀 실리콘 기판, 절연막 및 탑 실리콘 기판이 적층된 기판을 준비하는 단계;상기 탑 실리콘 기판 및 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 바텀 실리콘 기판의 일부를 노출하는 단계;상기 탑 실리콘 기판 및 상기 바텀 실리콘 기판 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계;상기 게이트 절연막 상에 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 상기 바텀 실리콘 기판 및 탑 실리콘 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및상기 탑 실리콘 기판에 불순물을 주입하여, 상기 탑 실리콘 기판에 형성된 게이트 전극의 일측에 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계를 포함하며,상기 탑 실리콘 기판 상에 형성된 상기 게이트 전극은 상기 포토다이오드보다 상부에 위치한 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 게이트 절연막을 형성하는 단계에 있어서, 상기 게이트 절연막은 열산화법 및 CVD(chemical vapor deposition)법 중 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 게이트 절연막은,상기 탑 실리콘 기판 상에 형성된 제 1 게이트 절연막, 상기 바텀 실리콘 기판 상에 형성된 제 2 게이트 절연막을 포함하며,상기 제 1 게이트 절연막과 상기 제 2 게이트 절연막은 분리된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제 6항에 있어서,상기 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계에 있어서,상기 탑 실리콘 기판의 일부에 n형 불순물을 주입하여 n형 확산 영역을 형성하는 단계: 및상기 n형 확산 영역 상부에 p형 불순물을 주입하여 상기 n형 확산 영역 상에 p형 확산 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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