KR100645061B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 이미지 센서 및 그 제조 방법에 따르면, 포토 다이오드 영역에 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층이 적층된다. 이후 상기 포토 다이오드 영역 상에 N형 불순물을 이온 주입하여 반도체 기판 내에 N형의 불순물층을 형성하고, 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층에 P형 불순물을 주입하여 포토 다이오드를 형성한다. 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층은 밴드 갭이 낮기 때문에 전하 생성량이 증가하여 광감도가 향상된다.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 2a 와 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자이다. 이미지 센서는 픽셀 어레이(pixel array), 즉 이차원적으로 매트릭스 형태 로 배열된 복수 개의 픽셀들로 이루어지며, 각 픽셀은 광감지 수단과 전송 및 신호 출력(readout) 디바이스들을 포함한다. 전송 및 신호 출력 디바이스들의 구조에 따라 이미지 센서는 크게 씨씨디(Charge Coupled Device/CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor/CMOS) 이미지 센서로 나눌 수 있다. 씨씨디 이미지 센서는 씨모스 이미지 센서에 비하여 광감도(photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하지만, 고집적화에 어려움이 있고 전력 소모가 높다는 문제점이 있다. 따라서 최근 고집적, 저전력 이미지 센서에 대한 요구가 증가함에 따라 씨모스 이미지 센서에 대한 개발이 가속화되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)의 소정 영역에 N형 불순물층(11)과 P형 불순물층(13)이 접합된 포토 다이오드(21)가 형성된다. 그리고 포토 다이오드(21)에 인접한 활성 영역 상에는 게이트 절연막(16)이 개재된 도전층(17)으로 이루어진 전달 게이트(23)가 형성되며, 상기 전달 게이트(23)의 측벽에는 스페이서 구조(19)가 형성된다. 이후 포토 다이오드(21)와 대응되는 전달 게이트(23)의 타측에는 부유확산층(floating diffusion, 15)이 형성된다. 이때 전달 게이트(23)는 포토 다이오드(21)가 외부로부터 빛을 받아 생성한 신호 전하를 부유확산층(15)으로 전달하고, 이후 상기 신호 전하는 전압으로 변환되어 출력된다.
하지만, 상술한 종래의 이미지 센서는 반도체 기판 내에 형성된 P형 불순물층과 N형 불순물층이 접합되어 포토 다이오드로 사용되기 때문에, N형 불순물층과 채널 영역 사이에 거리가 비교적 멀다는 문제점이 있었다. 또한 상술한 바와 같이 이미지 센서에서는 외부로부터의 빛을 포토 다이오드에서 신호 전하로 변화시키므로, 이러한 변화 비율을 의미하는 광감도를 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 광감도가 향상된 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 N형 불순물층과 채널 영역 사이의 거리를 줄일 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서가 제공된다. 이 이미지 센서는 포토 다이오드 영역 상에 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층을 차례로 적층한다. 그리고 이온 주입 공정을 통하여 상기 포토 다이오드 영역 내에 N형 불순물층을 형성한다. 그리고 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층 및 실리콘 에피택시얼층에 P형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드를 형성한다. 이때 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층의 밴드 갭이 작기 때문에 포토 다이오드 영역의 전하 생성량이 증가하여 광감도가 향상된다. 또한 P형 불순물층이 채널 높이보다 높게 형성되기 때문에 N형 불순물층과 채널 영역 사이의 거리가 줄어들어 신호 전하의 전달 속도가 빨라진다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 이미지 센서 제조 방법이 제공된다. 이 방법 은 반도체 기판에 포토 다이오드 영역과 활성 영역을 정의한 후 상기 반도체 기판의 활성 영역 상에 전달 게이트를 형성한다. 그리고 반응 방지막을 증착한 후 상기 포토 다이오드 영역 상에 형성된 반응 방지막을 제거한다. 그리고 상기 포토 다이오드 영역 상에만 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층을 차례로 형성한다. 이후 이온 주입 공정을 통하여 반도체 기판 내에 정의된 상기 포토 다이오드 영역에 N형 불순물층을 형성하고, 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층에 P형 불순물을 주입하여 포토 다이오드를 형성한다. 따라서 종래와는 달리 P형 불순물층이 채널 높이에 비하여 높게 형성되므로, N형 불순물층과 채널 사이의 거리가 줄어들어 신호 전하의 전달 속도가 빨라진다. 그리고 실리콘 게르마늄 에피택시얼층의 밴드 갭이 작기 때문에 전하 생성량이 증가하여 광감도가 향상된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층은 포토 다이오드와 전달 게이트가 형성될 영역을 식각한 후, 상기 식각된 영역 상에 형성할 수도 있다.
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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제 공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 반도체 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 반도체 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2a 와 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막(101)과 도전층(103)을 증착한 후 패터닝하여 전달 게이트(121)를 형성한다. 이때 도시되지는 않았지만 상기 반도체 기판(100)은 통상적으로 실리콘 반도체 기판 상에 P형 또는 N형 에피택시얼층(epitaxial layer)을 적층하여 형성할 수 있다. 그리고 상기 P형 또는 N형 에피택시얼층내에 불순물을 주입함으로써 실리콘 반도체 기판과 상기 P형 또는 N형 에피택시얼층의 경계영역(boundary region)에 깊은 P 웰을 추가로 형성할 수도 있다.
이후 상기 구조 상에 반응 방지막(105)을 증착하고, 패터닝을 통하여 포토 다이오드 영역 상에 형성된 반응 방지막(105)은 제거한다. 반응 방지막(105)은 이후 공정에서 포토 다이오드 영역에만 선택적으로 에피택시얼층이 형성되도록 하는 역할을 한다. 따라서 반응 방지막(105)은 포토 다이오드 영역 이외의 영역에 에피택시얼층의 성장을 막을 수 있는 소정의 물질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 산화막으로 형성할 수 있다. 그리고 이렇게 형성된 반응 방지막(105)은 이후 이온 주입 공정에서 버퍼막(buffer layer)이 될 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 반응 방지막(105)이 제거된 포토 다이오드 영역의 반도체 기판(100) 상에는 실리콘 게르마늄(SiGe) 에피택시얼층(107)과 실리콘 에피택시얼층(109)이 차례로 형성된다. 게르마늄(Ge)은 밴드 갭(band gap)이 0.66 eV 내외이므로 실리콘의 밴드 갭 1.12 eV보다 작다. 따라서 본 발명과 같이 실리콘 게르마늄 에피택시얼층을 포토 다이오드 영역 상에 형성하게 되면 전하 생성량이 증가하여 광감도가 향상된다.
도 2c를 참조하면, 상기 포토 다이오드 영역 이외의 영역에는 포토 레지스트 패턴(photoresist pattern, 151)을 형성하고, 이온 주입을 통하여 상기 포토 다이오드 영역 내에 N형 불순물층(131)을 형성한다. 이후 상기 포토 다이오드 영역 상에 형성된 실리콘 에피택시얼층(109)과 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)에 P형 불순물을 이온 주입하여 상기 N형 불순물층(131)과 접합된 포토 다이오드를 형성한다. 그리고 포토 레지스트 패턴(151)은 제거된다. 즉, 포토 다이오드를 이루는 P형 불순물층이 반도체 기판 내에 형성되는 일반적인 이미지 센서와 달리, 본원 발명에 따르면 P형 불순물층이 채널 보다 높게 형성되므로 N형 불순물층과 채널 사이의 길이가 짧아져 신호 전하의 출력 속도가 증가되는 효과도 발생될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 포토 다이오드 영역에 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층을 형성하기 전에 N형의 불순물을 이온 주입하여 N형 불순물층을 형성한 후, 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층은 인시츄 도핑(in-situ doping)을 이용하여 P형으로 형성되도록 할 수도 있다.
도 2d를 참조하면, 포토 다이오드 영역 측에 포토 레지스트 패턴(153)을 형성하여 가린 뒤, 이온 주입을 통하여 부유확산층(floating diffusion, 133)을 형성한다. 그리고 상기 포토 레지스트 패턴(153)은 제거된다. 일반적으로 포토 다이오드 영역에서 형성된 신호 전하는 부유확산층으로 전달되고 이후 드라이버 트랜지스터(미도시) 및 로우 선택 트랜지스터(미도시)에 의하여 전압으로 전환되어 출력된다.
도 2e를 참조하면, 상기 구조상에 질화막을 일정한 두께로 증착한 후 전면 식각하여 상기 전달 트랜지스터의 게이트 전극(121)의 측벽에 스페이서 구조(111)를 형성한다.
즉, 본 발명에 따르면 포토 다이오드를 이루는 P형 불순물층과 N형 불순물층을 반도체 기판 내에 적층 구조로 형성하던 종래의 방식과 달리, P형 불순물층을 채널 보다 높게 형성함으로서, N형 불순물층과 채널 사이의 거리가 가까워져 신호 전하의 전달 속도가 빨라지는 효과가 있다. 또한 포토 다이오드 영역 상에 형성되는 실리콘 게르마늄 에피택시얼층은 밴드 갭 에너지가 낮아 전하 생성량을 증가시키므로 광감도가 향상된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 이미지 센서는 도 2a 그리고 도 2c 내지 도 2e에 도시된 제조 공정과 동일한 방법으로 제조된다. 하지만 도 2b에서 포토 다이오드 영역 상에 실리콘 에피택시얼층(109)과 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)의 적층구조를 형성 한 반면, 도 3에 도시된 이미지 센서는 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)과 반도체 기판(100) 사이에 실리콘 에피택시얼층(106)을 추가로 형성한다. 그리고 도 2c를 참조하여 상술한 이온 주입 공정 시 반도체 기판(100) 상에 N형 불순물층(131)을 형성한 후, P형 불순물 이온 주입 시 상기 실리콘 에피택시얼층(109) 실리콘 게리마늄 에피택시얼층(107) 및 실리콘 에피택시얼층(106) 모두에 P형 불순물이 주입되도록 한다.
일반적으로 게르마늄은 열적 여기(thermal excitation)에 의하여 상온에서도 많은 전자를 발생시킬 수 있으므로, 이로 인하여 암전류(dark current)가 발생할 수 있다. 따라서 반도체 기판(100)과 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107) 사이에 실리콘 에피택시얼층(106)을 추가로 형성하여 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)에서 여기된 열전자가 N형 불순물층(131)까지 이르지 못하도록 제어할 수 있다. 이때 암전류 발생을 방지하기 위하여 추가로 실리콘 에피택시얼층(106)을 형성하지 않고 실리콘 에피택시얼층(109) 및 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)에 P형 불순물 이온 주입 공정 시 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(107)과 접하는 반도체 기판(100)의 소정 영역 아래까지 P형 불순물을 주입하는 것도 가능하다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(300) 상에 하드 마스크(331)를 형성한 후 포토 다이오드 및 전달 게이트가 형성될 영역을 식각한다. 이때 하드 마스크(331)는 상기 반도체 기판(300)을 식각하기 위한 마스크로 사용되는 것과 동시에 후속 공정 에서 에피택시얼층이 형성되는 영역을 제한하는 기능을 한다. 그리고 상기 포토 다이오드 및 전달 게이트가 형성될 영역에 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301)과 실리콘 에피택시얼층(303)을 차례로 형성한다. 그리고 상기 하드 마스크(331)는 제거된다. 이후 도시되지는 않았지만 후속 공정에서 형성될 전달 게이트의 문턱 전압(threshold voltage) 조절을 위한 이온 주입 공정이 이루어진다. 본 도면에서는 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층이 형성될 영역을 식각하여 정의한 후 상기 에피택시얼층들을 형성하였으나, 식각 과정 없이 반도체 기판 상에 에피택시얼층들을 형성할 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301)과 실리콘 에피택시얼층(303)이 형성된 반도체 기판(300) 상에 실리콘 게이트 절연막(305)과 도전층(307)을 증착한 후 패터닝하여 전달 게이트(311)를 형성한다. 이후 포토 다이오드가 형성될 영역 이외에는 포토 레지스트 패턴(351)을 이용하여 가린 후, N형 불순물을 주입하여 N형 불순물층(321)을 형성한다. 그리고 P형 불순물을 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301)과 실리콘 에피택시얼층(303)에 주입하여 포토 다이오드를 형성한다. 이때 P형 불순물이 전달 게이트(311) 아래에 형성된 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301b)과 실리콘 에피택시얼층(303b)으로 전달되지 않고, 상기 N형 불순물층(321)상에 형성되어 있는 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301a)과 실리콘 에피택시얼층(303a)에만 제한적으로 주입되도록 적절한 농도와 에너지로 이온 주입 공정이 이루어진다. 그러므로 전달 게이트(311) 아래에 형성된 실리콘 게르마늄 에피택시얼층(301b)과 실리콘 에피택시얼층(303b)은 포토 다이오드에서 생성된 신호 전 하를 부유확산층(도 4c의 323)으로 전달하는 채널 영역으로 사용된다.
도 4c를 참조하면, 포토 다이오드가 형성된 영역을 포토 레지스트 패턴(352)으로 가린 후, 이온 주입 공정을 통하여 부유확산층(323)을 형성한다. 이후 도 4d에 도시된 바와 같이 전달 게이트(309)의 측벽에는 스페이서 구조(309)가 형성된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 포토 다이오드 영역에 실리콘 보다 밴드 갭이 낮은 실리콘 게르마늄 에피택시얼층을 형성하므로서, 전하 생성량이 증가되어 광감도가 향상되는 효과가 있다. 또한 포토 다이오드 영역의 반도체 기판 상에 실리콘 게르마늄 에피택시얼층과 실리콘 에피택시얼층을 형성하고 P형 불순물을 주입하여 포토 다이오드를 형성하면, P형 불순물층이 높이가 채널의 높이보다 높아져 N형 불순물층과 채널 사이의 거리가 짧아지므로 신호 전하 전달 속도가 빨라지는 효과가 있다.
Claims (10)
- 반도체 기판 상에 정의된 다이오드 영역에 형성된 제 1 도전형의 불순물층; 그리고상기 제 1 도전형의 불순물층이 형성된 반도체 기판 상에 차례로 형성되며 밴드 갭 에너지가 서로 다른 제 2 도전형의 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 에피택시얼층은 제 2 에피택시얼층 보다 밴드 갭 에너지가 작은 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 에피택시얼층과 상기 제 1 도전형의 불순물층이 형성된 반도체 기판 사이에 상기 제 2 에피택시얼층과 동일한 밴드 갭 에너지를 갖는 제 2 도전형의 제 3 에피택시얼층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 밴드 갭 에너지가 서로 다른 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층은 상기 반도체 기판 내에 형성된 제 1 도전형의 불순물층 상부에 형성되는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 이미지 센서는 상기 제 1 도전형의 불순물층에 이격되어 상기 반도체 기판 내에 형성된 부유확산층 및 상기 제 1 도전형의 불순물층과 상기 부유확산층 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성된 전달 게이트를 더 포함하며,상기 전달 게이트는 상기 제 1 도전형의 불순물층에서 형성된 신호 전하를 상기 부유확산층으로 전달하는 이미지 센서.
- 다이오드 영역이 정의된 반도체 기판 내에 제 1 도전형의 불순물층을 형성하는 단계; 그리고상기 제 1 도전형의 불순물층 상에 밴드 갭 에너지가 서로 다른 제 2 도전형의 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 차례로 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 제 1 도전형의 불순물층을 형성하는 단계 및 상기 제 2 도전형의 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 차례로 형성하는 단계는상기 다이오드 영역이 정의된 반도체 기판 상에 상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 형성하는 단계;제 1 도전형의 불순물을 주입하여 상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층 하부에 제 1 도전형의 불순물층을 형성하는 단계; 및상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층에 제 2 도전형의 불순물을 주입하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 제 1 도전형의 불순물층을 형성하는 단계 및 상기 제 2 도전형의 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 차례로 형성하는 단계는상기 다이오드 영역 내에 이온 주입을 통하여 제 1 도전형의 불순물층을 형성하는 단계; 및상기 제 1 도전형의 불순물층 상에 인시츄(in-situ)방식으로 상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 다이오드 영역이 정의된 반도체 기판 상에 상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 형성하는 단계 이전에반응 방지막을 증착한 후 상기 다이오드 영역 상에 형성된 반응 방지막을 제거하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 다이오드 영역이 정의된 반도체 기판 상에 밴드 갭 에너지가 서로 다른 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층을 차례로 형성하는 단계;상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층 하부에 제 1 도전형의 불순물물층을 형성하는 단계; 그리고상기 제 1 에피택시얼층 및 제 2 에피택시얼층에 제 2 도전형의 불순물을 주입하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
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