KR100625944B1 - 씨모스 이미지 센서의 포토다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

씨모스 이미지 센서의 포토다이오드 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토다이오드의 전자홀쌍 생성률을 증가시켜 노이즈에 대한 저항성이 높은 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 실리콘기판 상에 에피택시 공정을 통해 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계, 상기 실리콘저마늄에피층 상에 에피택시 공정을 통해 언도우프드 실리콘에피층을 성장시키는 단계, 및 이온주입을 통해 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 실리콘저마늄에피층의 일부까지의 소정 깊이로 포토다이오드영역을 형성하는 단계를 포함하고, 이와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드영역이 형성되는 부분이 실리콘저마늄에피층이므로 실리콘에피층에 형성된 포토다이오드보다 높은 양자효율(Quantum efficiency)이 확보되어 동일한 광자에 대해서 더 많은 전자홀쌍이 생성되어 높은 감도를 구현할 수 있다.
씨모스 이미지 센서, 포토다이오드, 감도, 실리콘저마늄에피층, 실리콘에피층

Description

씨모스 이미지 센서의 포토다이오드 및 그의 제조 방법{PHOTODIODE IN CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 실리콘기판 22 : 제1실리콘저마늄에피층
23 : 제2실리콘저마늄에피층 24 : 제3실리콘저마늄에피층
25 : 언도우프드 실리콘에피층 30 : 포토다이오드 영역
100 : 실리콘저마늄에피층
본 발명은 이미지 센서에 관하 것으로, 특히 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image sensor)는 반도체 물질이 빛에 반응하는 성질을 이용하여 영상정보를 캡쳐하는 장치로서, 빛의 밝기 및 파장 등이 다른 피사체를 감지하는 각 화소(Pixel)에서 다르게 나타나는 전기적 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 장치를 일컫는다.
이러한 이미지센서에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 씨모스이미지센서(CMOS Image sensor)가 있으며, 외부의 피사체영상을 촬상한 빛을 흡수하여 광전하를 모으고 축적하는 수광소자로 포토다이오드(Photodiode; PD)를 이용한다.
통상적인 씨모스 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다. 여기서 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)는 네이티브트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋트랜지스터(Rx)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다.
상기와 같은 씨모스이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브트랜지스터(Native Transistor)를 사용하여 포토다이오드(PD)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅디퓨전영역(FD)으로, 즉 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면으로서, 포토다이오드와 트랜스퍼트랜지스터만을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, p형 불순물이 고농도로 도핑된 p++ 기판(11)에 p형 불순물이 인시튜로 도핑되어 에피택셜 성장된 p형 에피층(12)이 형성되고, p형 에피층(12)의 일부분에에 소자간 격리를 위한 필드산화막(13)이 형성된다.
그리고, p형 에피층(12)의 일측 표면 상에 게이트산화막(14)이 형성되고, 게이트산화막(14) 상에 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극(15)이 형성되며, 게이트산화막(14)과 게이트전극(15)의 양측벽에 스페이서(16)가 형성되어 있다.
그리고, 게이트전극(15)의 일측벽의 스페이서(16) 에지에 정렬되면서 p 형 에피층(12) 내부에 소정 깊이를 갖는 n형 불순물영역(17)이 형성되고, n형 불순물 영역(17) 상부와 p형 에피층(12)의 표면 하부에 스페이서(17)에 정렬되는 p형 불순물영역(18)이 형성된다. 여기서, n형 불순물 영역(17)은 깊은 n- 영역이라 일컫고, p형 불순물 영역(18)은 p0 영역이라고 일컫는다.
도 1의 종래기술은 n형 불순물영역(17)과 p형 에피층(12)으로 이루어진 PN 접합 부근에서 광에 의한 전자-홀 페어(Electron-Hole Pair; EHP) 캐리어들이 발생하고, 이 캐리어들이 인가된 바이어스에 의해 트랜지스퍼트랜지스터(Tx)로 이동하여 전류를 발생하므로서 광에너지를 전류로 전환한다.
결국, n형 불순물 영역(17)과 p형 에피층(12)으로 이루어진 pn 접합이 포토다이오드가 된다.
그러가, 종래기술의 포토다이오드는 기본적으로 실리콘(p형 에피층과 n형 불순물영역이 모두 실리콘물질)을 매질로 하기 때문에 광에너지 입사시 전자홀쌍(EHP) 생성률(Generation rate)이 떨어져 낮은 전류를 발생한다. 이러한 특성은 노이즈(Noise)에 대한 저항성을 저하시킨다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토다이오드의 전자홀쌍 생성률을 증가시켜 노이즈에 대한 저항성이 높은 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 실리콘기판, 상기 실리콘기판 상에 에피택시 공정을 통해 성장되고 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층, 상기 실리콘저마늄에피층 상에 에피택시 공정을 통해 성장된 언도우프드 실리콘에피층, 및 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 실리콘저마늄에피층의 일부까지의 소정 깊이로 형성된 포토다이오드영역을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 실리콘저마늄에피층은 저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖는 제1실리콘저마늄에피층, 상기 제1실리콘저마늄에피층 상에 성장되며 고농도의 p형 불순물이 도핑된 제2실리콘저마늄에피층, 및 상기 제2실리콘저마늄에피층 상에 성장되며 저농도의 p형 불순물이 도핑된 제3실리콘저마늄에피층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1실리콘저마늄에피층은 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가되고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층의 저마늄농도는 20% 수준으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층에 도핑된 p형 불순물은 보론이고, 상기 제2실리콘저마늄에피층에 도핑된 보론의 농도는 1E15/cm3∼1E18/cm3이며, 상기 제3실리콘저마늄에피층에 도핑된 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 실리콘기판 상에 에피택시 공정을 통해 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계, 상기 실리콘저마늄에피층 상에 에피택시 공정을 통해 언도우프드 실리콘에피 층을 성장시키는 단계, 및 이온주입을 통해 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 실리콘저마늄에피층의 일부까지의 소정 깊이로 포토다이오드영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계는 저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖는 제1실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계, 어닐을 실시하여 상기 제1실리콘저마늄에피층에 생성된 스트레스를 해소시키는 단계, 상기 어닐이 실시된 제1실리콘저마늄에피층 상에 고농도의 p형 불순물이 도핑된 제2실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계, 및 상기 제2실리콘저마늄에피층 상에 저농도의 p형 불순물이 도핑된 제3실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 포토다이오드영역은 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 제3실리콘저마늄에피층의 일부까지의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1실리콘저마늄에피층은 성장도중에 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가되고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층의 저마늄농도는 20% 수준으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층에 도핑되는 p형 불순물은 보론을 인시튜로 도핑하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2실리콘저마늄에피층에 도핑되는 보론의 농도는 1E15/cm3∼1E18/cm3인 것을 특징으로 하고, 상기 제3실리콘저마늄에피층에 도핑되는 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 하며, 상기 제1실리콘저마늄에피층에 생성된 스트레스를 해소시키기 위한 어닐은 퍼니스어닐로 진행하는 것을 특징으로 하 고, 상기 퍼니스어닐은, 질소(N2) 분위기 또는 수소(H2) 분위기에서 800℃∼1100℃ 온도에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, p형 불순물이 도핑된 실리콘기판(21), 실리콘기판(21) 상에 에피택시 공정을 통해 성장되고 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층(100), 실리콘저마늄에피층(100) 상에 에피택시 공정을 통해 성장된 언도우프드 실리콘에피층(25), 및 언도우프드 실리콘에피층(25)의 표면으로부터 실리콘저마늄에피층(100)의 일부까지의 소정 깊이로 형성된 포토다이오드영역(30)을 포함하고, 언도우프드 실리콘에피층(25)의 소정 표면 상에 게이트산화막(27), 게이트전극(28) 및 스페이서(29)로 이루어지는 게이트패턴이 형성되고, 언도우프드 실리콘에피층(25)과 실리콘저마늄에피층(100)의 일부를 관통하는 필드산화막(26)이 포토다이오드 영역(30)에 인접하여 형성된다. 따라서, 포토다이오드영역(30)은 필드산화막(26)과 게이트패턴 사이에 형성된다.
자세히 살펴보면, 실리콘저마늄에피층(100)은 저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖는 제1실리콘저마늄에피층(22), 제1실리콘저마늄에피층(22) 상에 성장되며 고농도의 p형 불순물이 도핑된 제2실리콘저마늄에피층(23), 및 제2실리콘저마늄에피층(23) 상에 성장되며 저농도의 p형 불순물이 도핑된 제3실리콘저마늄에피층(24)을 포함한다.
위와 같은 실리콘저마늄에피층(100)에서, 제1실리콘저마늄에피층(22)은 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가되며 변위가 생성된 것이고, 제2 및 제3실리콘저마늄에피층(23, 24)의 저마늄농도는 20% 수준으로 일정하게 유지된다.
그리고, 제2 및 제3실리콘저마늄에피층(23, 24)에 도핑된 p형 불순물은 보론이며, 제2실리콘저마늄에피층(23)에 도핑된 보론의 농도는 1E15/cm3∼1E18/cm3가 되어 제2실리콘저마늄에피층(23)이 p++도전형이 되고, 제3실리콘저마늄에피층(24)에 도핑된 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3가 되어 제3실리콘저마늄에피층(24)이 p- 도전형이 된다.
그리고, 제1 및 제2실리콘저마늄에피층(22, 23)의 두께는 1㎛∼5㎛ 두께이고, 제3실리콘저마늄에피층(24)의 두께는 3㎛∼8㎛ 두께이다.
그리고, 실리콘기판(21)은 p형 불순물이 도핑되어 있는데, 보론이 1E14/cm3∼1E17/cm3의 저농도로 도핑되어 실리콘기판(21)이 p- 도전형이 된다.
그리고, 언도우프드 실리콘에피층(25)은 게이트전극(28) 아래에서 채널영역이 된다.
그리고, 포토다이오드영역(30)은 깊은 n- 불순물영역(30a)과 얕은 p0 불순물 영역(30b)으로 이루어지고, 포토다이오드영역(30)은 언도우프드 실리콘에피층(25)의 표면으로부터 제3실리콘저마늄에피층(25)의 일부까지의 깊이로 형성된다.
도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드영역(30)이 형성되는 부분이 실리콘저마늄에피층(100)이므로 실리콘에피층에 형성된 포토다이오드보다 높은 양자효율(Quantum efficiency)이 확보되어 동일한 광자에 대해서 더 많은 전자홀쌍이 생성되어 높은 감도를 구현할 수 있다.
또한, 언도우프드 실리콘에피층(25)은 텐실 스트레스(Tensile stress)가 인가되어 있는데, 이 구조에 트랜지스터를 제조할 경우, 전자와 홀의 이동도(mobility)가 증가하여 소자의 속도를 크게 개선할 수 있어 고속소자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 노이즈 특성을 크게 개선할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 저농도 p형 불순물(보론)이 도핑된 p형 실리콘기판(21) 상에 에피택시 공정을 이용하여 제1실리콘저마늄에피층(SiGe epitaxy layer, 22)을 성장시킨다.
이때, 제1실리콘저마늄에피층(22)은 저마늄을 도핑하기 위한 저마늄소스로 GeH4를 사용하여 1㎛∼5㎛ 두께로 성장시키며, 제1실리콘저마늄에피층(22) 내부의 저마늄 농도(Ge concentration)는 0%∼20%까지 점진적으로 증가시킨다. 즉, 제1실 리콘저마늄에피층(22) 성장시 성장초기에는 저마늄 농도를 0%로 하고, 성장이 진행될수록 저마늄 농도를 점진적으로 20% 수준까지 증가시켜 제1실리콘저마늄에피층(22) 내부에서 에피택시 성장 도중에 저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖도록 한다.
한편, 제1실리콘저마늄에피층(22) 내부의 저마늄농도는 성장초기부터 점진적으로 증가시키는 것이 아니라 10% 수준부터 점진적으로 증가시킬 수도 있으며, 최대 50% 수준까지 증가시킬 수도 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제1실리콘저마늄에피층(22) 성장후에 퍼니스어닐을 진행한다. 이때, 퍼니스어닐은 질소(N2) 분위기 또는 수소(H2) 분위기에서 800℃∼1100℃ 온도에서 진행한다.
이러한 퍼니스어닐을 진행하면 저마늄의 큰 격자상수에 의해 발생한 스트레스로 인해 변위(Dislocation)가 생성된다. 저마늄은 실리콘보다 격자상수가 크기 때문에 실리콘 상부에 에피택시공정을 통해 성장시킬 때 스트레스가 유발된다. 저마늄의 농도가 높을수록 제1실리콘저마늄에피층(22)의 두께가 두꺼울수록 스트레스의 세기는 커진다.
도 3a에 도시된 것처럼 1㎛∼5㎛ 두께로 제1실리콘저마늄에피층(22)을 성장시킬 경우 성장 도중에 이미 변위가 생성된다. 그후, 퍼니스어닐을 1000℃에서 1시간정도 실시하면 변위가 충분히 생성되고 이러한 변위에 의해 제1실리콘저마늄에피층(22)에 인가되어 있던 스트레스가 모두 해소(Release)된다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 에피택시 공정을 이용하여 보론이 고농도(1E15/cm3∼1E18/cm3)로 인시튜 도핑된 제2실리콘저마늄에피층(23)을 1㎛∼5㎛ 두께로 성장시킨다.
이때, 제2실리콘저마늄에피층(23)의 저마늄 농도는 제1실리콘저마늄에피층(22)의 표면 저마늄농도와 동일하게 20% 정도로 하고, 전영역에 걸쳐서 20% 수준으로 일정하게 한다.
여기서, 저마늄을 도핑하기 위한 저마늄소스로 GeH4를 사용하며, 보론을 도핑하기 위한 보론소스로는 B2H6를 이용하고, 보론이 고농도(1E15/cm3∼1E18/cm3)로 도핑되므로 p++ 도전형의 제2실리콘저마늄에피층(p++ doped SiGe epitaxy, 23)이 된다.
위와 같이, 제2실리콘저마늄에피층(23)의 성장시에는 하부의 제1실리콘저마늄에피층(22)의 스트레스가 모두 해소되어 실리콘저마늄의 정상적인 격자상수를 회복한 상태이므로 스트레스가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 제2실리콘저마늄에피층(23)의 성장시에는 두께를 두껍게 하여도 변위가 생성되지 않는 완벽한 단결정층을 성장시킬 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 제2실리콘저마늄에피층(23) 상에 보론이 저농도(1E14/cm3∼1E17/cm3)로 도핑된 제3실리콘저마늄에피층(24)을 3㎛∼8㎛ 두께로 성장시킨다. 여기서, 제3실리콘저마늄에피층(24)의 보론 농도는 제2실리콘저마늄에피층 (23)의 보론농도보다 1오더 정도 작은 저농도를 갖는다. 그리고, 제3실리콘저마늄에피층(24)의 저마늄 농도는 제2실리콘저마늄에피층(23)의 저마늄농도와 동일하게 20% 정도로 하고, 전영역에 걸쳐서 20% 수준으로 일정하게 한다. 이와 같이 저마늄을 도핑하기 위한 저마늄소스로 GeH4를 사용하며, 보론을 도핑하기 위한 보론소스로는 B2H6를 이용하고, 보론이 제2실리콘저마늄에피층(23)에 비해 상대적으로 저농도(1E14/cm3∼1E17/cm3)로 도핑되므로 p- 도전형의 제3실리콘저마늄에피층(p- doped SiGe epitaxy, 24)이 된다. 참고로, p형 실리콘기판(21)은 보론이 저농도(1E14/cm3∼1E17/cm3)로 도핑된 p- 도전형의 실리콘기판(p- doped Si substrate)이다.
이때, 제3실리콘저마늄에피층(24)도 스트레스가 발생되지 않은 제2실리콘저마늄에피층(23) 상에 성장되므로 변위가 생성되지 않는 완벽한 단결정층으로 성장된다.
전술한 바에 따르면, 본 발명은 포토다이오드가 형성될 에피층을 실리콘에피층으로 형성하는 것이 아니라, 실리콘저마늄에피층(100)으로 형성하되, 제1실리콘저마늄에피층(22), 제2실리콘저마늄에피층(23) 및 제3실리콘저마늄에피층(24)으로 형성한다.
여기서, 제1실리콘저마늄에피층(22)은 에피택시 성장 도중에 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가하는 도핑 프로파일을 갖고, 제2실리콘저마늄에피층(23)은 일정한 수준(20%)의 저마늄농도를 가지면서 보론이 고농도(1E15/cm3∼ 1E18/cm3)로 도핑되어 있으며, 제3실리콘저마늄에피층(24)은 일정한 수준(20%)의 저마늄농도를 가지면서 보론이 저농도(1E14/cm3∼1E17/cm3)로 도핑되어 있다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제3실리콘저마늄에피층(24) 상에 에피택시 공정을 이용하여 불순물이 도핑되어 있지 않은 언도우프드 실리콘에피층(25)을 150Å∼500Å 두께로 성장시킨다. 이때, 언도우프드 실리콘에피층(25)을 형성하기 위한 실리콘소스로는 DCS(SiH2Cl2, Dichloro-silane) 또는 SiH4를 사용한다.
여기서, 언도우프드 실리콘에피층(25)은 단위화소를 구성하는 트랜지스터의 채널이 형성될 지역이며, 그 하부층이 제3실리콘저마늄에피층(24)이기 때문에 언도우프드 실리콘에피층(25)에는 스트레스, 특히 텐실스트레스(Tensile stress)가 인가되게 된다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 언도우프드 실리콘에피층(25)과 제3실리콘저마늄에피층(24)의 일부를 식각하여 트렌치를 형성하고, 이 트렌치에 필드산화막(26)을 매립시킨다.
이어서, 언도우프드 실리콘에피층(25)의 선택된 표면 상에 게이트산화막(27)을 형성한 후, 게이트산화막(27) 상에 단위화소의 4개의 트랜지스터의 게이트전극(28)을 형성한다. 여기서, 게이트전극(28)은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극이라 한다.
이어서, 게이트전극(28)의 양측벽에 접하는 스페이서(29)를 형성한다. 이때, 스페이서(29)는 질화막 증착 및 에치백을 통해 형성한다.
위와 같이, 단위화소를 구성하는 트랜지스터의 게이트전극(28)을 형성한 후에, 포토다이오드영역을 형성하기 위한 공정을 진행한다.
즉, 게이트전극(28) 일측(필드산화막과 게이트전극 사이)의 언도우프드 실리콘에피층과 제3실리콘저마늄에피층(22)의 일부까지 걸치는 깊이로 스페이서(29) 에지에 정렬되는 포토다이오드 영역(30)을 형성한다. 이때, 포토다이오드영역(30)은 깊은 n- 불순물영역(30a)과 얕은 p0 불순물 영역(30b)으로 이루어지고, 포토다이오드영역(30)은 언도우프드 실리콘에피층(25)의 표면으로부터 제3실리콘저마늄에피층(25)의 일부까지의 깊이로 형성한다.
위와 같은 n형 불순물영역(30a) 형성을 통해 p형 에피층들과 n형 불순물영역(30a)으로 이루어지는 PN 접합이 형성되고, 이 PN 접합은 포토다이오드를 구성한다.
이와 같이 포토다이오드가 형성되는 부분이 기존 실리콘에피층에서 실리콘저마늄에피층으로 교체되게 된다. 이 경우 실리콘에피층에 형성된 포토다이오드보다 높은 양자효율(Quantum efficiency)이 확보되어 동일한 광자에 대해서 더 많은 전자홀쌍이 생성되어 높은 감도를 구현할 수 있다.
또한, 상부의 언도우프드 실리콘에피층(25)은 텐실 스트레스(Tensile stress)가 인가되어 있는데, 이 구조에 트랜지스터를 제조할 경우, 전자와 홀의 이동도(mobility)가 증가하여 소자의 속도를 크게 개선할 수 있어 고속소자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 노이즈 특성을 크게 개선할 수 있다.
그리고, 본 발명은 포토다이오드를 에피택시 공정을 통해 성장시킨 실리콘저마늄에피층, 즉 단결정의 실리콘저마늄에피층을 사용하므로써 결함이 발생하지 않는다. 참고로, 실리콘저마늄을 에피택시 공정이 아닌 단순한 증착법을 통해 형성하는 경우에는 단결정이 아닌 다결정 특성을 가져 다량의 결함이 존재하는 것을 피할 수 없다. 또한, 본 발명은 제1 내지 제3실리콘저마늄에피층을 서로 다른 농도로 형성하므로써 충분한 두께의 실리콘저마늄에피층을 성장시킬 수 있고, 그 도핑농도또한 고농도로 구현할 수 있다. 이처럼, 고농도로 형성하면, 블루계열의 파장은 물론 그린계열의 파장에 대해서도 광특성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 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.
상술한 본 발명은 포토다이오드영역을 실리콘저마늄에피층에 형성하여 높은 양자효율(Quantum efficiency)이 확보하므로써 실리콘에피층보다 더 많은 전자홀쌍이 생성되어 포토다이오드의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실리콘저마늄에피층 상에 형성되어 텐실스트레스를 갖는 언도우프드 실리콘에피층에 트랜지스터를 제조하므로써 전자와 홀의 이동도를 증가시켜 고속소자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 노이즈 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 실리콘기판;
    상기 실리콘기판 상에 에피택시 공정을 통해 성장되고 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층;
    상기 실리콘저마늄에피층 상에 에피택시 공정을 통해 성장된 언도우프드 실리콘에피층; 및
    상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 실리콘저마늄에피층의 일부까지의 소정 깊이로 형성된 포토다이오드영역
    을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘저마늄에피층은,
    저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖는 제1실리콘저마늄에피층;
    상기 제1실리콘저마늄에피층 상에 성장되며 고농도의 p형 불순물이 도핑된 제2실리콘저마늄에피층; 및
    상기 제2실리콘저마늄에피층 상에 성장되며 저농도의 p형 불순물이 도핑된 제3실리콘저마늄에피층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1실리콘저마늄에피층은 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가되고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층의 저마늄농도는 20% 수준으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층에 도핑된 p형 불순물은,
    보론인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2실리콘저마늄에피층에 도핑된 보론의 농도는 1E15/cm3∼1E18/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제3실리콘저마늄에피층에 도핑된 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2실리콘저마늄에피층의 두께는 1㎛∼5㎛ 두께이고, 상기 제3실리콘저마늄에피층의 두께는 3㎛∼8㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘기판은 p형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘기판은 보론이 도핑된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘기판에 도핑된 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  11. 실리콘기판 상에 에피택시 공정을 통해 소정 농도의 불순물이 도핑된 실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계;
    상기 실리콘저마늄에피층 상에 에피택시 공정을 통해 언도우프드 실리콘에피층을 성장시키는 단계; 및
    이온주입을 통해 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 실리콘저마늄에피층의 일부까지의 소정 깊이로 포토다이오드영역을 형성하는 단계
    를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계는,
    저마늄농도가 점진적으로 증가하는 도핑프로파일을 갖는 제1실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계;
    어닐을 실시하여 상기 제1실리콘저마늄에피층에 생성된 스트레스를 해소시키는 단계;
    상기 어닐이 실시된 제1실리콘저마늄에피층 상에 고농도의 p형 불순물이 도핑된 제2실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계; 및
    상기 제2실리콘저마늄에피층 상에 저농도의 p형 불순물이 도핑된 제3실리콘저마늄에피층을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 포토다이오드영역은 상기 언도우프드 실리콘에피층의 표면으로부터 상기 제3실리콘저마늄에피층의 일부까지의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1실리콘저마늄에피층은 성장도중에 저마늄농도가 0%∼20%까지 점진적으로 증가되고, 상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층의 저마늄농도는 20% 수준으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 및 제3실리콘저마늄에피층에 도핑되는 p형 불순물은,
    보론을 인시튜로 도핑하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2실리콘저마늄에피층에 도핑되는 보론의 농도는 1E15/cm3∼1E18/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제3실리콘저마늄에피층에 도핑되는 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2실리콘저마늄에피층은 1㎛∼5㎛ 두께로 성장시키고, 상기 제3실리콘저마늄에피층은 3㎛∼8㎛ 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1실리콘저마늄에피층에 생성된 스트레스를 해소시키기 위한 어닐은,
    퍼니스어닐로 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 퍼니스어닐은, 질소(N2) 분위기 또는 수소(H2) 분위기에서 800℃∼1100℃ 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘기판은, p형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 실리콘기판은, 보론이 도핑된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 실리콘기판에 도핑된 보론의 농도는 1E14/cm3∼1E17/cm3인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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