KR20010061311A - Method for fabricating image sensor using bipolar junction transistor - Google Patents
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Abstract
플로우팅디퓨젼영역에서의 전하결합현상을 방지하고 출력단의 노이즈특성을 개선하는데 적합한 이미지센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 내부에 형성되며 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하기 위한 포토다이오드, 상기 포토다이오드에서 생성된 전하를 방출하기 위해 상기 반도체층 상에 형성된 트랜스퍼트랜지스터, 상기 포토다이오드 영역에 접하여 상기 제1도전형 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형 컬렉터영역, 상기 제2도전형 컬렉터영역 내부에 형성되며 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달하기 위한 제1도전형 베이스영역, 상기 제1베이스영역 내부에 형성되며 상기 포토다이오드로부터 전송된 전하를 저장하는 제2도전형 에미터영역을 포함하여 이루어진다.The present invention relates to an image sensor suitable for preventing charge coupling in a floating diffusion region and to improve noise characteristics of an output stage, and an image sensor of the present invention includes a first conductive semiconductor layer and a first conductive type. A photodiode formed inside the semiconductor layer and configured to sense light from the outside to generate photocharges; a transfer transistor formed on the semiconductor layer to emit charges generated by the photodiode; and the photodiode in contact with the photodiode region. A second conductive collector region formed in the first conductive semiconductor layer, a first conductive base region formed in the second conductive collector region and configured to transfer charges generated from the photodiode, and the first base region A second conductivity type emitter formed therein and storing charges transferred from the photodiode A comprise.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 전하결합 및 노이즈 특성을 개선시키도록 바이폴라트랜지스터를 이용한 이미지센서의 단위화소 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and to a method of manufacturing a unit pixel of an image sensor using a bipolar transistor to improve charge coupling and noise characteristics.
일반적으로 이미지센서(Image sensor)에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 CMOS 이미지센서를 이용하는데, 통상의 CCD 이미지센서는 외부의 피사체이미지를 촬상한 빛을 흡수하여 광전하를 모으고 축적하는 광전변환 및 전하축적부, 상기 광전변환 및 전하축적부에서 발생된 전하를 운송하기 위한 전하운송부 및 상기 전하운송부로부터 운송된 광전하를 전기적신호로 출력하는 신호변환부로 구성된다.Generally, a CCD (Charged Coupled Device) image sensor and a CMOS image sensor are used for an image sensor. A conventional CCD image sensor absorbs light captured by an external subject image to collect and accumulate photocharges. And a charge storage unit for transporting the charges generated by the photoelectric conversion and the charge storage unit, and a signal conversion unit for outputting the photocharges transported from the charge transport unit as electrical signals.
여기서 광전변환 및 전하축적부는 주로 포토다이오드(Photodiode;PD)를 사용하는데, 포토다이오드(PD)는 PN접합을 이용하여 포텐셜웰(Pontential well)을 형성시키고 빛(Light)에 의해 발생된 전하를 포텐셜웰에 축적해 두는 소자이다. 그리고 전하축적부에서 발생된 전하는 포토다이오드(PD)의 포텐셜웰에 갇혀있는데, 이 포텐셜웰을 움직임으로써 필요한 곳으로 전하를 운송할 수 있다. 또한 신호변환부는 운송된 전하로부터 전압을 발생시킨다. 한편, 신호검출이 끝나면 다음 차례를 기다리는 전하를 위하여 현재 포텐셜웰의 전하는 배출할 필요가 있는데, 이를 위하여 신호변환부의 포텐셜웰의 장벽을 제거하여 전하를 배출하는데 이를 리셋(Reset)이라고 한다.The photoelectric conversion and charge storage unit mainly uses a photodiode (PD). The photodiode (PD) forms a potential well by using a PN junction and potential of the charge generated by light. It is an element that accumulates in a well. The charge generated in the charge accumulator is trapped in the potential well of the photodiode (PD). By moving the potential well, the charge can be transported to the required place. The signal converter also generates a voltage from the transferred charges. On the other hand, after the signal detection is finished, it is necessary to discharge the charge of the current potential well for the charge waiting for the next turn, for this purpose, the charge is removed by removing the barrier of the potential well of the signal conversion unit, which is called a reset.
이처럼 CCD 이미지센서는 CMOS 이미지센서와 달리 트랜지스터에 의한 스위칭방식이 아니라 전하결합에 의해서 신호를 검출한다. 그리고, 단위화소(Unit pixel)에 해당하고 광감지역할을 하는 포토다이오드(PD)는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호전압을 누적시간만큼 증가시킬 수 있어 광감도(Sensitivity)가 좋고, 노이즈(Noise)를 감소시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 광전하를 계속 운송해야 하므로 구동방식이 복잡하고, 약 8∼10V의 고전압 및 1W이상의 고전력이 소모된다.As such, unlike the CMOS image sensor, the CCD image sensor detects signals by charge coupling rather than switching by a transistor. In addition, the photodiode (PD), which corresponds to a unit pixel and performs a photosensitive region, accumulates for a predetermined time instead of immediately extracting a photocurrent, and thus extracts the signal voltage so that the signal voltage can be increased by a cumulative time. While good, there is an advantage that can reduce noise, the driving method is complicated because the photoelectric charge must be transported continuously, high voltage of about 8-10V and high power of more than 1W is consumed.
반면 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비하여 전기광학적 특성에서 열세를 보이고 있으나, 저소비전력과 집적도 측면에서는 CMOS 이미지센서가 CCD 이미지센서보다 우수하다.On the other hand, CMOS image sensors are inferior in electro-optical characteristics to CCD image sensors, but CMOS image sensors are superior to CCD image sensors in terms of low power consumption and integration.
도 1은 통상의 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)를 나타낸 등가회로도로서, 하나의 포토다이오드(PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 상기 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 상기 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Light charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터 (Reset transistor; Rx), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다.FIG. 1 is an equivalent circuit diagram illustrating a unit pixel of a conventional CMOS image sensor, and includes one photodiode PD and four NMOSs (Tx, Rx, Sx, and Dx). Tx, Rx, Sx, and Dx are transfer transistors (Tx) for transporting light charges focused in the photodiode PD to a floating diffusion region (FD), a desired value. The drive transistor serves as a reset transistor (Rx) and a source follower buffer amplifier to reset the floating diffusion region (FD) by setting the potential of the node and discharging the electric charge. (Drive transistor; Dx), it is composed of a select transistor (Sx) for addressing (Addressing) as a switching role.
여기서 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)는 네이티브-NMOS(Native NMOS)를 이용하고 상기 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터 (Sx)는 일반적인 NMOS(Normal NMOS)를 이용한다.Here, the transfer transistor (Tx) and the reset transistor (Rx) use native-NMOS (Native NMOS), the drive transistor (Dx) and the select transistor (Sx) uses a common NMOS (Normal NMOS).
도 2 는 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소를 나타낸 구조단면도로서, P형 에피층(12)이 성장된 P형 기판(11)에 국부적으로 형성된 P형 웰(13)이 형성되고, 상기 P형 웰(13)에 접하고 단위화소간 분리를 위한 필드절연막(14)이 형성된다. 상기 P형 기판(11) 내부에 형성되며 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하기 위한 포토다이오드(15)가 형성되며, 상기 P형 기판(11)에 형성되어 상기 포토다이오드(15)로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅접합(16)과 상기 플로팅접합(16)으로부터 전기적 신호를 검출하기 위하여 P형 웰(13)에 형성되며 양의 문턱전압을 갖는 드라이브트랜지스터(Dx), 상기 플로팅접합(16)을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx), 포토다이오드(15)로부터 생성된 전하를 플로팅접합(16)으로 스위칭 전달하기 위하여 상기 P형 기판(11) 상에 형성되며 음의 문턱전압을 갖는 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 어드레싱을 위한 셀렉트트랜지스터(Sx)가 형성된다.FIG. 2 is a structural cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to the prior art, in which a P-type well 13 formed locally on a P-type substrate 11 on which a P-type epitaxial layer 12 is grown is formed. In contact with the type well 13, a field insulating film 14 for separation between unit pixels is formed. The photodiode 15 is formed inside the P-type substrate 11 to generate photocharges by sensing light from the outside. The photodiode 15 is formed on the P-type substrate 11 from the photodiode 15. The floating junction 16 for receiving and storing the generated charges and the drive transistor Dx formed in the P-type well 13 to detect electrical signals from the floating junction 16 and having a positive threshold voltage, the floating A reset transistor (Rx) for resetting the junction (16), formed on the P-type substrate (11) for switching transfer the charge generated from the photodiode 15 to the floating junction (16) and a negative threshold voltage The transfer transistor Tx having and the select transistor Sx for addressing are formed.
상기와 같이 종래기술에서 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브 NMOS(Native NMOS)를 사용하여 포토다이오드(15)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하를 플로우팅접합층(16)으로, 즉 드라이브트랜지스터(Dx)의게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.As described above, the unit pixel of the image sensor is a floating junction layer that detects light in the visible wavelength band in the photodiode 15 using native NMOS. 16, that is, the amount delivered to the gate of the drive transistor Dx is output as an electrical signal at the output terminal Vout.
그러나, 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx) 사이에 존재하는 플로우팅디퓨전캐패시터(Floating Diffusion Capacitor; CFD)는 트랜스퍼트랜지스터 (Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트에 인가되는 전압에 따라 캐패시터의 전위 (Potential)가 흔들리는 전하결합(Charge coupling) 현상이 나타난다. 또한 네이티브NMOS를 사용하므로 외부의 작은 변화에도 출력특성이 쉽게 변하게 되는 등 노이즈(Noise) 특성이 좋지 않다.However, the floating diffusion capacitor C FD existing between the transfer transistor Tx and the reset transistor Rx depends on the voltage applied to the gates of the transfer transistor Tx and the reset transistor Rx. Charge coupling phenomenon is shown in which the potential of. In addition, since the native NMOS is used, the noise characteristic is not good, such that the output characteristic is easily changed even by small external changes.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 플로우팅디퓨젼영역에서의 전하결합현상을 방지하고 출력단의 노이즈특성을 개선하는데 적합한 바이폴라트랜지스터를 이용한 이미지센서의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a method of manufacturing an image sensor using a bipolar transistor suitable for preventing charge coupling in a floating diffusion region and improving noise characteristics of an output stage. .
도 1 은 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도,1 is an equivalent circuit diagram showing a unit pixel of an image sensor according to the prior art;
도 2 는 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소를 나타낸 구조 단면도,2 is a cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to the prior art;
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도,3 is an equivalent circuit diagram illustrating a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 나타낸 구조 단면도,4 is a cross-sectional view illustrating a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
도 5a 내지 도 5f 는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 나타낸 도면.5A to 5F illustrate a method of manufacturing unit pixels of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
21 : P형 기판 22 : P형 에피층21: P type substrate 22: P type epi layer
23 : N형 컬렉터영역 24 : 필드절연막23 N-type collector region 24 Field insulating film
26 : P형 베이스영역 28 : 게이트전극26: P type base region 28: gate electrode
30 : N-도핑영역 31 : Po도핑영역30: N - doped region 31: P o doped region
33 : N형 에미터영역 35 : 베이스콘택33: N-type emitter area 35: base contact
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 내부에 형성되며 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하기 위한 포토다이오드, 상기 포토다이오드에서 생성된 전하를 방출하기 위해 상기 반도체층 상에 형성된 트랜스퍼트랜지스터, 상기 포토다이오드 영역에 접하여 상기 제1도전형 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형 컬렉터영역, 상기 제2도전형 컬렉터영역 내부에 형성되며 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달하기 위한 제1도전형 베이스영역, 상기 제1베이스영역 내부에 형성되며 상기 포토다이오드로부터 전송된 전하를 저장하는 제2도전형 에미터영역을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고 그의 제조 방법은 제1도전형 반도체층에 단위화소간 분리를 위한 필드절연막을 형성하는 제 1 단계, 상기 반도체층의 일측 표면내에 제2도전형 컬렉터영역을 형성하는 제 2 단계, 상기 컬렉터영역 내부에 제1도전형 베이스영역을 형성하는 제 3 단계, 상기 컬렉터영역과 수평으로 일정간격 이격되도록 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제 4 단계, 상기 컬렉터영역에 접하는 반도체층의 표면내에 포토다이오드영역을 형성하는 제 5 단계, 상기 베이스영역 내부에 상기 포토다이오드로부터 전송된 광전하를 저장하는 고농도 제1도전형 에미터영역을 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.The image sensor of the present invention for achieving the above object is formed in the first conductive semiconductor layer, the first conductive semiconductor layer and a photodiode for generating a photocharge by sensing light from the outside, the photodiode A transfer transistor formed on the semiconductor layer, a second conductive collector region formed in the first conductive semiconductor layer in contact with the photodiode region to emit charges generated in the semiconductor layer, and inside the second conductive collector region. And a first conductive base region formed therein for transferring charges generated from the photodiode, and a second conductive emitter region formed inside the first base region and storing charges transferred from the photodiode. And a method of manufacturing the same to form a field insulating film for separation between unit pixels in a first conductive semiconductor layer. A first step of forming a second conductive collector region in a surface of one side of the semiconductor layer, a third step of forming a first conductive base region in the collector region, and a horizontal horizontal constant with the collector region A fourth step of forming a gate electrode on the semiconductor layer so as to be spaced apart from each other, a fifth step of forming a photodiode region on a surface of the semiconductor layer in contact with the collector region, and a photocharge charged from the photodiode inside the base region And a sixth step of forming a high concentration first conductivity type emitter region for storing the same.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라트랜지스터를 이용한 이미지센서의 단위 화소를 나타낸 등가회로도로서, 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 셀렉트트랜지스터(Sx) 및 포토다이오드(PD)로 이루어진 단위화소(Unit Pixel)를 나타낸다.3 is an equivalent circuit diagram illustrating a unit pixel of an image sensor using a bipolar transistor according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein a unit pixel including a transfer transistor (Tx), a select transistor (Sx), and a photodiode (PD) is shown. Indicates.
도 3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(PD)로부터 집속된 광전하를 플로우팅디퓨전영역(FD)으로 전송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 상기 포토다이오드로부터 전송된 전하를 스위칭 전달하기 위한 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다. 여기서 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx)는 NMOS이고 셀렉트트랜지스터(Sx)는 수평 NPN바이폴라트랜지스터이다. 통상의 CMOS이미지센서의 단위화소와 달리 플로우팅노드 즉, 바이폴라트랜지스터의 에미터단(또는 출력단)의 전위를 세팅하고 광전하를 배출하여 에미터단을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx)는 단위화소의 주변소자부에 구성된다.As shown in FIG. 3, a transfer transistor Tx for transferring the photocharges focused from the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and a select transistor for switching transfer of the charge transferred from the photodiode. (Sx). The transfer transistor Tx is an NMOS and the select transistor Sx is a horizontal NPN bipolar transistor. Unlike the unit pixel of the conventional CMOS image sensor, the reset transistor Rx for setting the potential of the emitter terminal (or output terminal) of the floating node, that is, the bipolar transistor, and discharging the photocharge is used to reset the emitter terminal. It is comprised in an element part.
이 때 상기 리셋트랜지스터는 네이티브NMOS이고 소오스단이 상기 바이폴라트랜지스터의 에미터단에 연결된다. 또한 상기 포토다이오드(PD)는 NPN 바이폴라트랜지스터(Bipolar transistor)의 컬렉터영역(Collector)과 연결되고 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 드레인영역은 동작전원(VDD)이 인가된다.At this time, the reset transistor is a native NMOS and the source terminal is connected to the emitter terminal of the bipolar transistor. In addition, the photodiode PD is connected to a collector region of an NPN bipolar transistor, and an operating power source VDD is applied to a drain region of the transfer transistor Tx.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 NPN바이폴라트랜지스터를 이용한 이미지센서의 단위화소를 나타낸 구조 단면도로서, 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 포토다이오드 (PD) 및 NPN바이폴라트랜지스터를 이용한 셀렉트트랜지스터(Sx)로 이루어진 단위화소를 나타낸다.4 is a cross-sectional view illustrating a unit pixel of an image sensor using an NPN bipolar transistor according to an embodiment of the present invention, and includes a transfer transistor (Tx), a photodiode (PD), and a select transistor (Sx) using an NPN bipolar transistor. Unit pixels are shown.
도 4 에 도시된 바와 같이, 저농도 P형 에피층(22)이 성장된 P형 기판(21)에 단위화소간 분리를 위한 필드절연막(24)이 형성되고, 상기 P형 에피층(22)의 일측에 상기 필드절연막(24)에 접하는 웰 형태의 NPN 바이폴라트랜지스터(BJT)의 컬렉터영역(23)이 형성된다. 그리고 상기 P형 에피층(22)의 타측에 접하는 필드절연막 (24)에 접하여 트랜스퍼트랜지스터(Tx)가 형성되고, 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 일측 및 상기 N형 컬렉터영역(23)에 접하여 깊은 P형 에피층(22), N-도핑영역 (30) 및 얕은 Po도핑영역(31)으로 이루어진 포토다이오드영역(PD)이 형성된다. 그리고 상기 N형 컬렉터영역(23) 내부에 저농도 P형 베이스영역(26)이 형성되고 상기 P형 베이스영역(26) 내부에 고농도 N형 에미터영역(33)이 형성되며, 상기 P형 베이스영역(26)내에는 셀렉트트랜지스터의 신호전압이 인가되는 베이스콘택(35)이 형성된다.As shown in FIG. 4, a field insulating film 24 is formed on the P-type substrate 21 on which the low-concentration P-type epitaxial layer 22 is grown to separate the unit pixels, and the P-type epitaxial layer 22 is formed. A collector region 23 of an NPN bipolar transistor (BJT) having a well shape in contact with the field insulating film 24 is formed on one side. In addition, a transfer transistor Tx is formed in contact with the field insulating film 24 in contact with the other side of the P-type epitaxial layer 22, and deep P is in contact with one side of the transfer transistor Tx and the N-type collector region 23. A photodiode region PD consisting of the type epitaxial layer 22, the N − doped region 30 and the shallow PO doped region 31 is formed. A low concentration P-type base region 26 is formed in the N-type collector region 23, and a high concentration N-type emitter region 33 is formed in the P-type base region 26. A base contact 35 to which a signal voltage of the select transistor is applied is formed in 26.
이 때, 상기 P형 에피층(22) 상부에 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트산화막 (27)이 개재된 게이트전극(28)이 형성되며, 상기 게이트전극(28)의 일측 즉, 포토다이오드와 반대측 필드절연막(24)에 고농도 N형 불순물층(32)인 드레인영역이 형성된다. 이처럼 셀렉트트랜지스터로서 수평 NPN바이폴라트랜지스터(BJT)를 형성하여 이용함으로써 플로우팅노드 즉, 바이폴라트랜지스터의 N형 에미터영역(또는 출력단)(33)에서 출력신호의 노이즈현상을 방지할 수 있다. 또한 원하는 값으로 플로우팅노드의 전위를 세팅하고 광전하를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋 (Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx)를 단위화소의 주변소자부에 형성하므로써 이미지센서의 단위화소의 전체 면적을 감소시킨다.In this case, a gate electrode 28 is formed on the P-type epitaxial layer 22 with the gate oxide layer 27 of the transfer transistor Tx interposed therebetween, and one side of the gate electrode 28, that is, the opposite side to the photodiode. A drain region, which is a high concentration N-type impurity layer 32, is formed in the field insulating film 24. Thus, by forming and using a horizontal NPN bipolar transistor (BJT) as the select transistor, it is possible to prevent the noise phenomenon of the output signal in the N-type emitter region (or output terminal) 33 of the floating node, that is, the bipolar transistor. In addition, by setting the potential of the floating node to a desired value and discharging the photocharge to form a reset transistor (Rx) for resetting the floating diffusion region (FD) to the peripheral element of the unit pixel unit of the image sensor Reduce the total area of the pixel.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 NPN바이폴라트랜지스터를 이용한 이미지센서의 단위화소 제조 방법을 나타낸 도면이다.5A to 5F illustrate a method of manufacturing a unit pixel of an image sensor using an NPN bipolar transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5a에 도시된 바와 같이, 고농도 P형 기판(21)에 저농도의 P형 에피층(22)을 성장시키고 바이폴라트랜지스터(BJT)를 형성하기 위해 웰 형태의 N형 컬렉터영역(23)을 형성한다. 여기서 고농도의 P기판(21)에 저농도의 P형 에피층(22)이 형성된 웨이퍼를 사용함은 저농도의 P형 에피층(22)이 존재하므로 크고 깊게 포토다이오드(PD)에서의 공핍폭(Depletion width)을 증가시킬 수 있어 광전하(Photogenerated charge)를 모으기 위한 포토다이오드(PD)의 능력을 증가시킬 수 있기 때문에 광감도를 개선할 수 있다. 이어 상기 P형 에피층(22)에 단위화소간 분리를 위한 필드절연막(24)을 형성하는데, 이 때 상기 필드절연막(24)은 패드산화막 (Pad oxide)/버퍼폴리실리콘막 (Buffer polysilicon)/질화막(Nitride)이 적층된 마스크패턴을 사용한 PBL(Poly Buffered LOCOS) 공정에 의해 형성할 수 있으며, 상기 웰 형태인 N형 컬렉터영역(23)에 접하고 상기 P형 에피층(22)의 타측에 형성된다. 통상의 LOCOS공정 또는 트렌치격리공정(Trench isolation) 등 어떠한 방법으로도 단위화소간 분리가 가능하다는 것이 이해가능할 것이다.As shown in FIG. 5A, a well-type N-type collector region 23 is formed to grow a low-concentration P-type epitaxial layer 22 on the high-concentration P-type substrate 21 and form a bipolar transistor (BJT). . Here, the wafer having the low concentration of the P-type epi layer 22 formed on the high concentration P substrate 21 is used because the low concentration of the P-type epi layer 22 exists, and thus the depletion width of the photodiode PD is large and deep. ) Can improve photo-sensitivity because it can increase the photodiode (PD) 's ability to collect photogenerated charge. Subsequently, a field insulating layer 24 is formed on the P-type epitaxial layer 22 to separate the unit pixels, wherein the field insulating layer 24 is a pad oxide / buffer polysilicon / buffer polysilicon / It can be formed by a PBL (Poly Buffered LOCOS) process using a mask pattern in which a nitride film is stacked, and is formed on the other side of the P-type epitaxial layer 22 in contact with the N-type collector region 23 in the well form. do. It will be appreciated that separation between unit pixels can be accomplished by any method, such as a conventional LOCOS process or trench isolation process.
도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 N형 컬렉터영역(23) 상부에 저농도 P-불순물층을 위한 마스크패턴(25)을 형성하고 저농도 P형 불순물을 이온주입하여 일정깊이를 갖는 바이폴라트랜지스터(BJT)의 P형 베이스영역(Base region)(26)을 형성한다.As shown in FIG. 5B, a bipolar transistor (BJT) having a predetermined depth is formed by forming a mask pattern 25 for a low concentration P − impurity layer on the N type collector region 23 and implanting low concentration P type impurities. P-type base region 26 is formed.
도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 게이트산화막, 게이트전극용폴리실리콘을 증착하고 선택적으로 식각하여 게이트산화막(27) 및 게이트전극(28)을 형성한다. 이 때 상기 게이트전극(28)은 상기 N형 컬렉터영역(23)과 수평으로 일정간격 격리되어 상기 P형 에피층(22) 표면 상에 형성되고, 상기 게이트전극(28)은 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx)의 게이트전극이 된다.As shown in FIG. 5C, the gate oxide film and the polysilicon for the gate electrode are deposited and selectively etched on the entire surface of the resultant to form the gate oxide film 27 and the gate electrode 28. In this case, the gate electrode 28 is separated from the N-type collector region 23 horizontally by a predetermined interval, and is formed on the surface of the P-type epitaxial layer 22. The gate electrode 28 is a transfer transistor. A gate electrode of Tx).
이어 상기 결과물 상부에 포토다이오드(PD)의 저농도 N-도핑영역을 형성하기 위한 이온주입 마스크패턴(29)을 형성하고 고에너지 및 저농도의 N-이온주입을실시하여 N-도핑영역(30)을 형성한다. 이 때 상기 저농도 N-이온주입은 상기 트랜스퍼트랜지스터의 일측에 이루어지며, 상기 N형 컬렉터영역(23)과 접하게 된다.Subsequently, an ion implantation mask pattern 29 for forming a low concentration N − doped region of the photodiode PD is formed on the resultant product, and a high energy and low concentration N − ion implantation is performed to form the N − doped region 30. Form. At this time, the low concentration N − ion implantation is made on one side of the transfer transistor and is in contact with the N type collector region 23.
이어 상기 이온주입 마스크패턴(29)을 제거하고 다시 Po이온주입을 위한 마스크패턴(도시 생략)을 형성하고 저에너지 Po이온주입을 실시하여 상기 N-도핑영역(30)에 수직으로 연결되는 Po도핑영역(31)을 형성한다. 이 때, 상기 Po도핑영역 (31)이 상기 N-도핑영역(30)에 수직으로 형성되기 때문에, 상기 P형 에피층(22)과 Po도핑영역(31)이 전기적으로 충분히 연결될 수 있는 공간이 제공되므로써, 5V이하의 저전압에서 P형 에피층(22)과 Po도핑영역(31)은 서로 등전위를 갖게 되어 N-도핑영역(30)은 약 1.2V∼4.5V에서 완전 공핍이 가능하다. 만약 저에너지 Po도핑영역 (31)이 P형 에피층(22)과 전기적으로 연결되지 않으면, 포토다이오드는 정상적으로 동작하지 않고 단순한 PN접합(PN Junction)과 같이 동작할 것이다. 이처럼 Po/N-/P-에피층 구조(22,30,31)의 핀드포토다이오드(Pinned PD)를 적용하여 적정수준의 피닝전압(Pinning voltage)을 얻을 수 있고, 이러한 포토다이오드영역(PC)이 폴리실리콘으로 덮여 있지 않기 때문에 단파장의 청색광(Blue light)에 대한 감도가 우수할 뿐만아니라 N-/P-에피층 구조(30,31)는 큰 공핍폭(Depletion width)을 형성하여 장파장의 적색광(Red light) 또는 적외선에 대한 감도 또한 우수한 특성을 갖는다.P is vertically connected to the doped region (30) followed by the ion removing the implantation mask pattern 29 to form a mask pattern (not shown) for the P o ion implantation again subjected to a low-energy P o ion implantation of the N o the doped region 31 is formed. At this time, since the P o doped region 31 is formed perpendicular to the N − doped region 30, the P type epitaxial layer 22 and the P o doped region 31 may be electrically connected to each other. Since the space is provided, the P-type epitaxial layer 22 and the P o doped region 31 have an equipotential with each other at a low voltage of 5 V or less, and the N − doped region 30 can be fully depleted at about 1.2 V to 4.5 V. Do. If the low-energy P o doped region 31 is not electrically connected to the P-type epi layer 22, the photodiode will not operate normally but will act like a simple PN junction. Thus, P o / N - / P- applying a pinned photodiode (PD Pinned) of the epi-layer structure (22,30,31) can be obtained by a pinning voltage (Pinning voltage) of the right level, such a photodiode region (PC ) is not only sensitive to the blue light of short wavelength (blue light) excellent because poly N does not covered with the silicon-to form a / P- epi-layer (30,31) is larger ball pippok (Depletion width) of the long wavelength Sensitivity to red light or infrared light is also excellent.
또한 핀드포토다이오드 구조를 사용하면 광감지영역인 포토다이오드(PD)의 완전공핍(Fully Depletion)이 가능하므로 광자(Photon)에 의해 생성된 전자 (Electron)를 플로우팅노드(Floating node)로 완전히 전송할 수 있어 전송효율을 증가시킬 수 있다.In addition, the pinned photodiode structure allows fully depletion of the photodiode PD, which is a photosensitive region, so that the electrons generated by the photons are transmitted to the floating node. It can increase the transmission efficiency.
도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 포토다이오드영역(PD)에서 집속된 광전하를 전송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 소오스/드레인을 형성하기 위해 고농도 N형 불순물 이온주입을 위한 마스크패턴(도시 생략)을 형성한다. 이어 상기 마스크패턴을 마스크로 이용한 고농도 N형 불순물 이온주입으로 상기 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(28) 일측의 P형 에피층(22) 표면내에 드레인영역(또는 소오스영역) 으로서 고농도 N형 불순물층(32)을 형성함과 동시에 상기 바이폴라트랜지스터의 베이스영역인 P형 베이스영역(26) 표면내에 바이폴라트랜지스터의 N형 에미터영역 (33)을 형성한다.As shown in FIG. 5D, a mask pattern for implanting a high concentration of N-type impurity ions to form a source / drain of a transfer transistor Tx for transferring the concentrated photocharges in the photodiode region PD (not shown) ). Subsequently, a high concentration of N-type impurity layer 32 is formed as a drain region (or source region) in the surface of the P-type epitaxial layer 22 on one side of the gate electrode 28 of the transfer transistor by high concentration of N-type impurity ion implantation using the mask pattern as a mask. ), And the N-type emitter region 33 of the bipolar transistor is formed in the surface of the P-type base region 26 which is the base region of the bipolar transistor.
이 때, 상기 N형 컬렉터영역(23), P형 베이스영역(26), N형 에미터영역(33)은 수평으로 이루어진 NPN-바이폴라트랜지스터(BJT)를 이루며, 상기 N형 컬렉터영역(23)은 바이폴라트랜지스터의 컬렉터영역으로서 상기 포토다이오드를 이루는 N-도핑영역 (30)과 Po도핑영역(31)에 모두 접한다.At this time, the N-type collector region 23, the P-type base region 26, and the N-type emitter region 33 form an NPN-bipolar transistor (BJT) formed horizontally, and the N-type collector region 23 Is a collector region of the bipolar transistor and is in contact with both the N − doped region 30 and the P o doped region 31 constituting the photodiode.
도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 게이트산화막(27) 및 게이트전극(28)을 포함한 전면에 측벽용산화막을 증착하고 전면식각하여 상기 게이트산화막(27) 및 게이트전극(28)의 측벽에 접하는 측벽스페이서(34)를 형성한다.As shown in FIG. 5E, a sidewall oxide is deposited on the front surface including the gate oxide layer 27 and the gate electrode 28 and etched to form a sidewall contacting the sidewalls of the gate oxide layer 27 and the gate electrode 28. The spacer 34 is formed.
이어 상기 P형 베이스영역(26) 내에 베이스콘택(Base contact)을 형성하기 위한 마스크패턴(도시 생략)을 형성하고 상기 마스크패턴을 이용한 고농도 P형 불순물 이온주입으로 베이스콘택(35)을 형성한다. 이 때, 상기 베이스콘택(35)은 스위칭역할로 어드레싱을 위한 신호전압의 베이스입력단이 된다.Subsequently, a mask pattern (not shown) for forming a base contact is formed in the P-type base region 26, and a base contact 35 is formed by implanting a high concentration of P-type impurity ions using the mask pattern. At this time, the base contact 35 becomes a base input terminal of a signal voltage for addressing as a switching role.
도 5f에 도시된 바와 같이, 전술한 바와 같이 형성된 이미지센서의 단위화소 상부에 후속공정으로 제1층간절연막(36)과 바이폴라트랜지스터의 신호입력단을 위한 제1금속배선(37)이 형성하고, 상기 제1금속배선(37) 상부에 제2층간절연막(38) 및 제2금속배선(39)을 형성하고 습기 또는 스크래치(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는 질화막, 또는 산화막과 질화막의 적층막으로 이루어진 소자보호막(40)을 형성한다. 여기서 상기 제1층간절연막(36)과 포토다이오드(PD) 상부에 광투과를 위한 PMD(Pre-Metal Dielectric)층이 형성될 수 있다. 그리고 컬러이미지 구현을 위해서 상기 단위화소 상부에 적색(Red), 초록색 (Green) 및 청색(Blue), 또는 황색(Yellow), 자홍색(Margenta) 및 청록색(Cyan)으로 구성된 컬러필터배열(Color filter array; CFA)(41) 공정을 진행한다. 도면에 도시되지 않았지만, 이와 같은 공저이 모두 완료된 후 광감지영역인 포토다이오드(PD) 상부에는 제1,2절연막 (36,38), 소자보호막(40) 및 컬러필터(41)만이 위치하게 되므로써 입사되는 광 (Light)을 포토다이오드(PD)로 집속할 수 있다.As shown in FIG. 5F, the first interlayer insulating film 36 and the first metal wiring 37 for signal input of the bipolar transistor are formed in a subsequent process on the unit pixel of the image sensor formed as described above. In order to form the second interlayer insulating film 38 and the second metal wiring 39 on the first metal wiring 37 and to protect the device from moisture or scratch, an oxide film or a nitride film, or a laminated film of an oxide film and a nitride film An element protective film 40 is formed. The PMD layer may be formed on the first interlayer insulating layer 36 and the photodiode PD for light transmission. And a color filter array composed of red, green, and blue, or yellow, magenta, and cyan on the unit pixel to realize a color image. CFA) 41 is performed. Although not shown in the drawing, after all of these deductions are completed, only the first and second insulating films 36 and 38, the device protection film 40, and the color filter 41 are positioned on the photodiode PD, which is a light sensing area. The light may be focused onto the photodiode PD.
또한 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서는 NMOS로 이루어진 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 포토다이오드(PD), NPN바이폴라트랜지스터로 이루어진 단위화소를 구성하고 단위화소의 주변소자부에 리셋트랜지스터를 형성하기 때문에, 단위화소의면적을 현저히 감소시킬 수 있다.In addition, since the image sensor according to the embodiment of the present invention constitutes a unit pixel consisting of a transfer transistor (Tx), a photodiode (PD), and an NPN bipolar transistor made of NMOS, and forms a reset transistor in the peripheral element portion of the unit pixel, The area of the unit pixel can be significantly reduced.
그리고 NPN바이폴라트랜지스터의 에미터영역이 리셋트랜지스터의 소오스영역과 연결되어 있지만, 리셋트랜지스터가 단위화소를 제외한 주변소자에 형성되므로 리셋트랜지스터에 따른 전하결합현상을 방지할 수 있다. 또한 셀렉트트랜지스터로서 통상의 이미지센서에서 이용했던 네이티브트랜지스터 대신 바이폴라트랜지스터를 이용하기 때문에 출력단의 노이즈현상을 감소시킬 수 있다.In addition, although the emitter region of the NPN bipolar transistor is connected to the source region of the reset transistor, since the reset transistor is formed in the peripheral device except the unit pixel, the charge coupling phenomenon due to the reset transistor can be prevented. In addition, since the bipolar transistor is used as the select transistor instead of the native transistor used in the conventional image sensor, noise of the output stage can be reduced.
본 실시예에서 구체적으로 설명되지 않았지만, 광차단막 및 마이크로렌즈 형성과 같은 광집속 공정이 추가될 수 있는 등, 본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although not specifically described in the present embodiment, the technical concept of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, such as a light focusing process such as light blocking film and microlens formation may be added. Note that this is for illustration and not for the limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 바이폴라트랜지스터를 이용하여 단위화소의 출력단을 구성하므로써 출력단의 노이즈현상을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 또한 포토다이오드, 트랜스퍼트랜지스터 및 바이폴라트랜지스터로 이루어진 단위화소를 구성하기 때문에 이미지센서의 전체면적을 감소시킬 수 있다.The present invention described above has the effect of preventing the noise of the output stage by configuring the output terminal of the unit pixel by using the bipolar transistor, and also constitutes the unit pixel consisting of photodiode, transfer transistor and bipolar transistor of the image sensor The total area can be reduced.
그리고 플로우팅노드를 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터를 단위화소의 주변소자부에 형성하므로써 리셋트랜지스터에 따른 전하결합현상을 방지할 수 있다.In addition, since the reset transistor for resetting the floating node is formed in the peripheral element of the unit pixel, the charge coupling phenomenon due to the reset transistor can be prevented.
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| KR100752405B1 (en) * | 2005-12-27 | 2007-08-28 | 엠텍비젼 주식회사 | Pixel part of CMOS image sensor using photodiode for storage |
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| KR100752405B1 (en) * | 2005-12-27 | 2007-08-28 | 엠텍비젼 주식회사 | Pixel part of CMOS image sensor using photodiode for storage |
| US7902577B2 (en) | 2006-10-25 | 2011-03-08 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Image sensor having heterojunction bipolar transistor and method of fabricating the same |
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| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 19991228 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| PN2301 | Change of applicant |
Patent event date: 20041006 Comment text: Notification of Change of Applicant Patent event code: PN23011R01D |
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| 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 |