KR100531243B1 - High sensitivity image sensor using nano size channel and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 단위 화소 내의 효율적인 광여기 전하 발생 및 전달 구조 형성에 관한 것으로, 광검출 트랜지스터에 나노 사이즈의 전자채널을 적어도 두 개 이상 형성하여 각 나노 채널 사이에 형성된 홀포켓(hole pocket)을 이용함으로써 신호 전달 트랜지스터의 효율적인 문턱전압 변조로 광전변환 효율을 높일 수 있는 단위 화소로 이루어진 고감도의 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the formation of an efficient photoexcitation charge generation and transfer structure within an image sensor unit pixel, wherein at least two nano-sized electron channels are formed in a photodetector transistor to form a hole pocket formed between each nanochannel. The present invention relates to a high-sensitivity image sensor composed of unit pixels capable of increasing photoelectric conversion efficiency by efficient threshold voltage modulation of a signal transfer transistor, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 나노 사이즈의 전자채널을 이용한 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법은 Si 기판; 상기 Si 기판에 이온주입 공정으로 P형 도핑된 제 1 도전 영역; 상기 제 1 도전 영역의 표면층 양측에 소정의 간격으로 이격되어 고농도 n형 도핑된 소오스와 드레인 영역; 상기 소오스와 드레인 영역 사이의 채널영역; 상기 채널영역의 타측 양측면 표면층에 소정의 간격으로 이격되고 고농도 n형 도핑되어 형성된 제 2 도전 영역; 상기 채널영역에 형성된 제 2 도전 영역과 채널영역의 중심부 사이에 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 적어도 두 개 이상의 나노 전자채널; 및 상기 채널영역 상부에 게이트 절연막을 개재하여 형성되는 고농도 n형 도핑된 게이트로 이루어진 단위 화소를 포함하는 고감도 이미지 센서로서, Si 기판에 포토마스크를 이용하여 나노 전자채널을 형성하는 제 1단계; 상기의 포토마스크를 제거하고 이온주입 공정으로 나노 전자채널을 포함하는 영역에 p형 도핑된 제 1 도전 영역을 형성하는 제 2단계; 상기 제 1 도전 영역 표면층에 소정 간격 이격되도록 고농도 n형의 제 2 도전 영역을 형성하는 제 3단계; 상기 나노 전자채널과 제 2 도전 영역을 모두 포함하도록 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 제 4단계; 이온 주입 공정으로 상기 게이트를 고농도 n형 영역으로 도핑하는 제 5단계; 상기 게이트 양측의 제 1 도전 영역 표면층에 고농도 n형의 소오스와 드레인 영역을 형성하는 제 5단계; 및 상기 소오스, 드레인과 게이트의 콘택을 형성하는 제 6단계를 포함하여 이루어짐에 기술적 특징이 있다.A high sensitivity image sensor using the nano-sized electron channel of the present invention and a method of manufacturing the same are Si substrate; A first conductive region doped with P-type in the Si substrate by an ion implantation process; A high concentration n-type doped source and drain region spaced at predetermined intervals on both sides of the surface layer of the first conductive region; A channel region between the source and drain regions; Second conductive regions spaced at predetermined intervals from each other on both side surface layers of the channel region and formed by high concentration n-type doping; At least two nanoelectronic channels spaced apart at predetermined intervals between a second conductive region formed in the channel region and a central portion of the channel region; And a unit pixel comprising a high concentration n-type doped gate formed over the channel region through a gate insulating film, the first step of forming a nanoelectronic channel on a Si substrate using a photomask; A second step of removing the photomask and forming a p-type doped first conductive region in a region including a nanoelectronic channel by an ion implantation process; A third step of forming a high concentration n-type second conductive region on the surface of the first conductive region surface layer so as to be spaced apart from each other by a predetermined interval; Forming a gate insulating film and a gate to include both the nanoelectronic channel and the second conductive region; A fifth step of doping the gate to a high concentration n-type region by an ion implantation process; A fifth step of forming a high concentration n-type source and drain regions in the first conductive region surface layers on both sides of the gate; And a sixth step of forming a contact between the source, the drain and the gate.
따라서, 본 발명의 나노 사이즈의 전자채널을 이용한 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법은 이격되어 형성된 나노 사이즈의 전자채널 사이에 임의의 도핑과 바이어스에 의해 홀포켓이 형성되도록 하여 빛에 의해 여기된 정공이 축적되기 때문에 광검출 트랜지스터 채널의 전자의 흐름을 증폭시키는 역할을 하므로 적은 양의 빛이 조사되더라도 효율적인 광전변환 특성을 얻을 수 있다. 또한, 빛의 세기가 강해지는 영역에서는 상기 홀포켓의 측면 바이폴라 트랜지스터(Lateral Bipolar Transistor) 효과에 의해 큰 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 확보할 수 있고, 단위 화소의 최소화로 고화소 이미지 센서 어레이를 제조할 수 있다.Therefore, the high sensitivity image sensor using the nano-sized electron channel of the present invention and a method of manufacturing the same are provided so that hole holes are formed by random doping and bias between the nano-sized electron channels formed by the separation. Because it accumulates, it serves to amplify the flow of electrons in the photodetector transistor channel, so that even if a small amount of light is irradiated, efficient photoelectric conversion characteristics can be obtained. In addition, in a region where light intensity is increased, a large dynamic range can be secured by a side bipolar transistor effect of the hole pocket, and a high pixel image sensor array can be manufactured with a minimum of unit pixels. Can be.
Description
본 발명은 나노 사이즈의 전자채널을 이용한 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 채널에 나노 와이어를 형성하여 별도의 증폭장치 없이도 광전변환 효율을 높일 수 있는 고감도의 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a high-sensitivity image sensor using a nano-sized electron channel and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a high-sensitivity image sensor that can increase the photoelectric conversion efficiency without a separate amplification device by forming a nanowire in the channel. .
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체장치로서, CCD(전하결합소자:Charge Coupled Device, 이하 CCD라 함)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon, 이하 MOS라 함) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 이하 CMOS라 함) 이미지센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and a CCD (Charge Coupled Device) is an individual MOS (Metal-Oxide-Silicon). The capacitors are located in close proximity to each other, and charge carriers are stored and transported in the capacitors. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, or CMOS) image sensors use control circuits and signal processing circuits as peripheral circuits. It is a device that adopts a switching method of making MOS transistors by the number of pixels using CMOS technology and sequentially detecting outputs using the same.
특히, CMOS형 이미지 센서는 CCD형 이미지 센서에 비해 소비전력이 작고, 센서소자와 주변회로 소자를 같은 CMOS 기술에 의해 제조할 수 있기 때문에 양산성이 우수한 이점이 있으나, 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위 화소(Unit Pixel)는 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 MOS 트랜지스터(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되므로 단위 화소가 CCD 소자에 비해 크고, 각 단위 화소에서 신호가 증폭되어 전달되므로, 암전류 및 노이즈가 큰 문제점을 안고 있다.In particular, the CMOS image sensor has a lower power consumption than the CCD image sensor, and can be manufactured by the same CMOS technology, so that the sensor element and the peripheral circuit element have excellent mass productivity. The unit pixel is composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors (Tx, Rx, Sx, Dx), so the unit pixel is larger than the CCD element, and the signal is amplified and transmitted from each unit pixel. Therefore, the dark current and the noise have a big problem.
이에 따라, 한국 등록특허 제0377598호, 한국공개특허 특2001-0062028호 등에서는 고농도 매립층(캐리어 포켓)을 형성하여 광여기된 정공이 캐리어 포켓의 전위우물에 축적되어 광여기된 정공의 축적량에 비례한 광신호를 검출하는 이미지 센서를 제공하였으나 상기의 MOS형 이미지 센서는 고농도 매립층을 형성하기 위한 제조방법이 복잡한 문제점이 있다.Accordingly, in Korean Registered Patent No. 0377598, Korean Laid-Open Patent Publication No. 2001-0062028, and the like, a highly-filled buried layer (carrier pocket) is formed to accumulate holes in the potential well of the carrier pocket, which is proportional to the accumulation amount of the holes. Although an image sensor for detecting an optical signal is provided, the MOS type image sensor has a complicated problem in manufacturing a method for forming a high concentration buried layer.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광검출 트랜지스터에 나노 사이즈의 전자채널을 적어도 두 개 이상 형성하고 각 나노 채널 사이에 형성된 홀포켓(hole pocket)을 이용함으로써 빛에 의해 여기된 정공이 홀포켓에 축적되어 전자의 흐름을 증폭시키는 역할을 하여 신호 전달 트랜지스터의 효율적인 문턱전압 변조로 광전변환 효율을 높인 포토 트랜지스터를 제공한다. 따라서, 비교적 간단한 제조 공정으로 제조가 가능하고, 이미지 센서의 단위 화소 사이즈를 최소화 할 수 있어 고화소 이미지 센서 어레이를 가능하게 하는 고감도의 이미지 센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by forming at least two nano-sized electron channels in the photodetector transistor and by using a hole pocket formed between each nano channel (light pocket) Holes excited by the electrons are accumulated in the hole pockets to amplify the flow of electrons, thereby providing a phototransistor having high photoelectric conversion efficiency by efficient threshold voltage modulation of the signal transfer transistor. Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly sensitive image sensor that can be manufactured by a relatively simple manufacturing process, and can minimize the unit pixel size of the image sensor, thereby enabling a high pixel image sensor array.
본 발명의 상기 목적은 Si 기판; 상기 Si 기판에 이온주입 공정으로 P형 도핑된 제 1 도전 영역; 상기 제 1 도전 영역의 표면층 양측에 소정의 간격으로 이격되어 고농도 n형 도핑된 소오스와 드레인 영역; 상기 소오스와 드레인 영역 사이의 채널영역; 상기 채널영역의 타측 양측면 표면층에 소정의 간격으로 이격되고 고농도 n형 도핑되어 형성된 제 2 도전 영역; 상기 채널영역에 형성된 제 2 도전 영역과 채널영역의 중심부 사이에 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 적어도 두 개 이상의 나노 전자채널; 및 상기 채널영역 상부에 게이트 절연막을 개재하여 형성되는 고농도 n형 도핑된 게이트로 이루어진 단위 화소를 포함하는 고감도 이미지 센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is a Si substrate; A first conductive region doped with P-type in the Si substrate by an ion implantation process; A high concentration n-type doped source and drain region spaced at predetermined intervals on both sides of the surface layer of the first conductive region; A channel region between the source and drain regions; Second conductive regions spaced at predetermined intervals from each other on both side surface layers of the channel region and formed by high concentration n-type doping; At least two nanoelectronic channels spaced apart at predetermined intervals between a second conductive region formed in the channel region and a central portion of the channel region; And a unit pixel comprising a high concentration n-type doped gate formed on the channel region through a gate insulating layer.
본 발명의 또 다른 목적은 Si 기판에 포토마스크를 이용하여 나노 전자채널을 형성하는 제 1단계; 상기의 포토마스크를 제거하고 이온주입 공정으로 나노 전자채널을 포함하는 영역에 p형 도핑된 제 1 도전 영역을 형성하는 제 2단계; 상기 제 1 도전 영역 표면층에 소정 간격 이격되도록 고농도 n형의 제 2 도전 영역을 형성하는 제 3단계; 상기 나노 전자채널과 제 2 도전 영역을 모두 포함하도록 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 제 4단계; 이온 주입 공정으로 상기 게이트를 고농도 n형 영역으로 도핑하는 제 5단계; 상기 게이트 양측의 제 1 도전 영역 표면층에 고농도 n형의 소오스와 드레인 영역을 형성하는 제 5단계; 및 상기 소오스, 드레인과 게이트의 콘택을 형성하는 제 6단계를 포함하여 이루어진 고감도 이미지 센서의 제조방법에 의해 달성된다.Still another object of the present invention is a first step of forming a nano electronic channel using a photomask on a Si substrate; A second step of removing the photomask and forming a p-type doped first conductive region in a region including a nanoelectronic channel by an ion implantation process; A third step of forming a high concentration n-type second conductive region on the surface of the first conductive region surface layer so as to be spaced apart from each other by a predetermined interval; Forming a gate insulating film and a gate to include both the nanoelectronic channel and the second conductive region; A fifth step of doping the gate to a high concentration n-type region by an ion implantation process; A fifth step of forming a high concentration n-type source and drain regions in the first conductive region surface layers on both sides of the gate; And a sixth step of forming a contact between the source, the drain, and the gate.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
먼저, 도 1은 본 발명에 의한 이미지 센서 단위 화소의 단면도이고, 도 2는 도 1의 평면도이다. 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 이미지 센서의 구조를 설명한다.First, FIG. 1 is a cross-sectional view of an image sensor unit pixel according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and 2 will be described the structure of the image sensor according to the present invention.
본 발명의 이미지 센서 단위 화소는 Si 기판(11) 상부에 이온주입 공정으로 P형 도핑된 제 1 도전 영역(12)이 형성되고, 상기 제 1 도전 영역의 표면층 양측에 소정의 간격으로 이격되어 고농도 n형으로 도핑된 소오스(13)와 드레인(14) 영역이 형성된다. 상기 소오스와 드레인 영역 사이에는 채널 영역이 형성되는데, 이 채널영역의 중심부에는 소정의 간격으로 이격되어 적어도 두 개 이상의 나노 전자채널(15)이 형성된다. 이 때 나노 사이즈의 전자채널은 V자형 홈 형태를 가지며, 상기 나노 채널에 의해 이격되는 영역인 상기 채널영역의 타측 양측면 표면층에는 고농도 n형으로 도핑된 제 2 도전 영역(16)이 형성된다. 상기 채널영역 상부에 게이트 절연막(미도시)을 개재하여 고농도 n형 도핑된 게이트(17)가 형성된다.In the image sensor unit pixel of the present invention, a P-type doped first conductive region 12 is formed on the Si substrate 11 by an ion implantation process, and is spaced apart at predetermined intervals on both sides of the surface layer of the first conductive region to have a high concentration. The n-type doped source 13 and drain 14 regions are formed. A channel region is formed between the source and drain regions, and at least two nanoelectronic channels 15 are formed at the center of the channel region at predetermined intervals. At this time, the nano-sized electron channel has a V-shaped groove shape, and the second conductive region 16 doped with a high concentration n-type is formed on both side surface layers of the channel region, which are spaced apart by the nanochannel. A high concentration n-type doped gate 17 is formed on the channel region through a gate insulating layer (not shown).
상기 적어도 두 개 이상의 나노 전자채널 사이에는 광여기된 정공이 축적되어 임의적으로 홀포켓이 형성되어 광여기된 정공이 축적되면 고농도 n형 도핑된 제 2 도전 영역과 함께 npn형 측면 바이폴라 트랜지스터가 형성된다. Photoexcited holes accumulate between the at least two nanoelectronic channels to form hole holes arbitrarily, and when photoexcited holes accumulate, an npn type side bipolar transistor is formed along with a high concentration n-type doped second conductive region. .
상기 구조를 가진 본 발명에 의한 광전변환 방법은 다음과 같다.The photoelectric conversion method according to the present invention having the above structure is as follows.
먼저 빛이 조사되면 제 2 도전 영역의 PN 접합에 의한 공핍영역에서 전자-정공쌍이 발생하게 되고, 생성된 정공은 게이트 하부의 나노 전자채널 사이에 임의적으로 형성된 홀포켓에 축적된다. 이 축적된 전하에 의해 소오스에서 드레인으로 흐르는 전자의 흐름을 선형적으로 증가시킬 수 있게 된다. 또한 축적된 정공은 이격되어 형성된 고농도 n형의 제 2 도전 영역과 npn형 측면 바이폴라 트랜지스터를 구동하여 광전류를 더욱 증폭시키는 역할을 한다.First, when light is irradiated, electron-hole pairs are generated in the depletion region by the PN junction of the second conductive region, and the generated holes are accumulated in a hole pocket arbitrarily formed between the nano electron channels under the gate. This accumulated charge can linearly increase the flow of electrons flowing from the source to the drain. In addition, the accumulated holes drive the high-concentration n-type second conductive region and the npn-type side bipolar transistor formed apart from each other to further amplify the photocurrent.
상기와 같은 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조방법은 도 3a 내지 3f에 나타낸 공정도를 참조하여 설명한다. The manufacturing method of the image sensor according to the present invention as described above will be described with reference to the process diagram shown in Figs.
본 발명에 의한 이미지 센서는 도 3a에서와 같이 Si 기판(21)에 포토마스크를 이용하여 나노 와이어용 패턴(29)을 형성한 다음, 미세 리소그라피 공정 또는 식각공정을 통해 (111)면을 식각하여 V자형 홈으로 100 내지 200nm의 깊이로 적어도 두 개 이상의 나노 사이즈의 전자채널(25)를 형성한다(도 3b). 그리고 도 3c에서와 같이 포토마스크를 제거하고 필드산화막(28)을 형성하여 소자를 분리한다. In the image sensor according to the present invention, as shown in FIG. 3A, the nanowire pattern 29 is formed on the Si substrate 21 using a photomask, and then the (111) plane is etched through a microlithography process or an etching process. The V-shaped grooves form at least two or more nano-sized electron channels 25 at depths of 100 to 200 nm (FIG. 3B). 3C, the photomask is removed and a field oxide film 28 is formed to separate the devices.
다음 도 3d에 나타낸 것과 같이 상기 필드산화막에 의해 분리된 바디에 p형 도핑된 제 1 도전 영역(24)을 형성하고, 상기 제 1 도전 영역의 표면층에 나노 전자채널에 의해 소정 간격 이격된 영역에 고농도 n형으로 도핑하여 제 2 도전 영역(30)을 형성한다(도 3e). 그 다음 상기 나노 전자채널과 제 2 도전 영역을 모두 포함하는 상부에 게이트 절연막 및 게이트(27)를 형성한다(도 3f). 마지막으로, 상기 게이트 양측의 제 1 도전 영역 표면층에 고농도 n형의 소오스와 드레인 영역을 형성하고, 상기 소오스, 드레인과 게이트의 콘택을 형성함(미도시)으로써 본 발명에 의한 이미지 센서의 단위 화소를 이루는 포토 트랜지스터를 제조한다.Next, as shown in FIG. 3D, a p-type doped first conductive region 24 is formed in the body separated by the field oxide film, and the surface layer of the first conductive region is spaced at a predetermined interval by a nano electron channel. The second conductive region 30 is formed by doping with a high concentration n-type (FIG. 3E). Next, a gate insulating film and a gate 27 are formed on the top including both the nanoelectronic channel and the second conductive region (FIG. 3F). Finally, a high concentration n-type source and drain region are formed in the surface layers of the first conductive region on both sides of the gate, and the contact between the source, drain and gate is formed (not shown). A photo transistor is formed.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.It will be apparent that changes and modifications incorporating features of the invention will be readily apparent to those skilled in the art by the invention described in detail. It is intended that the scope of such modifications of the invention be within the scope of those of ordinary skill in the art including the features of the invention, and such modifications are considered to be within the scope of the claims of the invention.
따라서, 본 발명의 나노 사이즈의 전자채널을 이용한 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법은 광검출 트랜지스터에 나노 사이즈의 전자채널을 적어도 두 개 이상 형성하고 각 나노 채널 사이에 형성된 홀포켓(hole pocket)을 이용함으로써 빛에 의해 여기된 정공이 홀포켓에 축적되어 전자의 흐름을 증폭시키는 역할을 하여 신호 전달 트랜지스터의 효율적인 문턱전압 변조로 광전변환 효율을 높인 포토 트랜지스터를 제공한다. 따라서, 비교적 간단한 제조 공정으로 제조가 가능하고, 이미지 센서의 단위 화소 사이즈를 최소화할 수 있어 고화소 이미지 센서 어레이를 가능하게 한다.Therefore, the high-sensitivity image sensor using the nano-sized electron channel of the present invention and a method of manufacturing the same have at least two nano-sized electron channels formed in the photodetector transistor and use a hole pocket formed between each nano channel. As a result, holes excited by light accumulate in the hole pockets, thereby amplifying the flow of electrons, thereby providing a phototransistor having high photoelectric conversion efficiency through efficient threshold voltage modulation of a signal transfer transistor. Therefore, it is possible to manufacture in a relatively simple manufacturing process, it is possible to minimize the unit pixel size of the image sensor to enable a high pixel image sensor array.
도 1은 본 발명에 의한 이미지 센서의 단면도.1 is a cross-sectional view of an image sensor according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 이미지 센서의 평면도.2 is a plan view of an image sensor according to the present invention;
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정도.3A to 3F are process drawings showing a manufacturing method of an image sensor according to the present invention;
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