KR100724257B1 - 이미지 센서의 포토 다이오드 및 그 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토 다이오드 형성공정시 기판의 손상에 의한 결함을 최소화하여 암전류 발생을 억제하고, 포토 다이오드의 정전용량을 증대시켜 소자의 성능을 개선시킬 수 있는 이미지 센서의 포토 다이오드 및 그 형성방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 제1 도전형 에피층이 형성된 기판과, 상기 제1 도전형 에피층 내에 형성된 제2 도전형 도핑영역과, 상기 제2 도전형 도핑영역 상부에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상에 형성된 제1 도전형 도핑영역을 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드를 제공한다.
이미지 센서, CMOS, CCD, 포토 다이오드
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.
도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 도시한 공정 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 110 : P++ 기판 11, 111 : P-에피층
12, 112 : 소자 분리막 13, 113 : 게이트 절연막
14, 114 : 폴리 실리콘막 15, 115 : n- 도핑영역
16, 116 : 스페이서 17, 118 : P°도핑영역
18, 119 : n+ 도핑영역 117 : 절연막
20 : 하부 평탄화막 21 : 상부 평탄화막
23 : 마이크로 렌즈 24 : 패시베이션층
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서의 포토 다이오드(photo diode) 및 그 형성방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다. 이미지 센서는 칼라 이미지를 구현하기 위하여 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부 상부에 칼라필터가 정렬되어 있다. 이러한 칼라필터 어레이(Color Filter Array, CFA)는 레드(Red; R), 그린(Green; G) 및 블루(Blue; B) 또는, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다. 통상적으로, CMOS 이미지 센 서의 칼라필터 어레이에는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라가 많이 사용된다.
이러한 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전술한 바와 같이 CCD와 CMOS 이미지 센서가 개발되어 널리 상용화되어 있다. CCD는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 반면, CMOS 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고, 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
그러나, CCD는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 수가 많이 필요하여 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱(signal processing) 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없어 원칩(one chip)화가 곤란하다는 여러 단점이 있는 바, 최근에는 이러한 CCD의 단점을 극복하기 위하여 서브 마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발에 대한 연구가 열정적으로 이루어지고 있다.
CMOS 이미지 센서는 단위 화소(pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고, 마스크 수도 대략 2O개 정도로 30~40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하 며, 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지 센서로 각광을 받고 있다.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지부와, 광감지부를 통해 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로부로 구성되어 있으며, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(Fill Facter)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다. 하지만, 근본적으로 로직회로부를 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높이기 위하여 광감지부 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 칼라필터 상에 마이크로 렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(pixel)를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 하나의 포토 다이오드(Photo Diode, PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 이루어지며, 4개의 MOS 트랜지스터는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(MD) 및 셀렉터 트랜지스터(Sx)로 이루어진다. 단위 화소 외부에는 출력신호를 독출할 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성된다. 미설명된 도면부호 'Cfd'는 플로팅 확산의 캐패시턴스를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 중에서 하부 구조로 포토 다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극만을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, p++ 실리콘 기판(10) 상에 저농도의 P-에피층(P-epi, 11)을 성장시킨 후 소정 영역에 소자 분리막(12)을 형성한다. 그런 다음, 기판(10) 상에 게이트 산화막(13) 및 폴리 실리콘막(14)을 순차적으로 증착한 후 식각하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 형성한다. 그런 다음, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 정의하기 위해 식각 마스크로 사용된 게이트 패턴 마스크를 제거하지 않고 그 상부에 n-이온주입 마스크를 형성한 후 n-이온주입 마스크를 이용한 저농도 n-이온주입공정을 실시하여 p-에피층(11) 내에 n- 도핑영역(15)을 형성한다.
이어서, 게이트 패턴 마스크와 n-이온주입 마스크를 제거한 후 P0 이온주입 마스크를 형성한 후 PO 이온주입 마스크를 이용한 P0 이온주입공정을 실시하여 소자 분리막(12)과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx) 사이의 웨이퍼 상부면에 P0 도핑영역(17)을 형성한다. 그런 다음, 스트립 공정을 실시하여 P0 이온주입 마스크를 제거한 후 n+ 이온주입 마스크를 이용한 n+ 이온주입공정을 실시하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 구조(Tx)와 소자 분리막(12) 사이에 n+ 도핑영역(18)을 형성한다.
이어서, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 구조(Tx)를 포함하는 전체 구조 상부에 복수의 층간 절연막(19)과, 각 층간 절연막(19) 간에 회로 배선으로 복수의 금속배선을 형성한다.
이하에서는 층간 절연막과 금속배선까지 완료된 구조를 하부구조로 나타낸다.
이어서, 하부구조 상부에 OCL(Over Coating Layer)로 하부 평탄화막(20)을 형성한 후 포토 다이오드 영역(PD)과 대응되는 하부 평탄화막(20) 상부에 칼라 이미지 구현을 위한 3가지 색의 칼라필터(21)를 형성한다. 그런 다음, 칼라필터(21)를 덮도록 상부 평탄화막(22)을 형성한 후 그 상부에 칼라필터(21)와 대응되도록 마이크로 렌즈(23)를 형성한다. 그런 다음, 그 상부에 최종 패시베이션층(24)을 형성한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 종래기술에 따른 이미지 센서의 제조공정 중 포토 다이오드(PD)는 n- 이온주입공정과 p0 이온주입공정을 실시하여 형성한다. 이때, 기판(10)이 손상되는 것을 방지하기 위하여 기판(10) 상부 표면에 스크린 산화막(screen oxide)을 형성하고 있다. 그러나, 스크린 산화막을 형성한다 하더라도, 포토 다이오드(PD)를 형성하기 위한 이온주입공정시 기판(10)의 손상은 피할 수 없다.
이러한 기판(10)의 손상에 의한 결함은 포토 다이오드(PD)의 암전류(dark current)를 증가시키는 원인이 된다. 여기서, 암전류란 빛이 전혀 없는 상태에서도 포토 다이오드(PD)에서 플로팅 확산영역(FD)으로 이동하는 전자에 기인한 것으로서, 이러한 암전류는 주로 활성영역의 엣지(edge) 부분이나 기판 표면에 존재하는 각종 결함들(line defect, point defect, etc)이나 댕글링 본드(dangling bond)에서 비롯된다고 보고되고 있으며, 암전류는 저조도(low illumination) 환경에서 심각한 문제를 야기할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 포토 다이오드 형성공정시 기판의 손상에 의한 결함을 최소화하여 암전류 발생을 억제할 수 있는 이미지 센서의 포토 다이오드 및 그 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 포토 다이오드의 정전용량을 증대시켜 소자의 성능을 개선시킬 수 있는 이미지 센서의 포토 다이오드 및 그 형성방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형 에피층이 형성된 기판과, 상기 제1 도전형 에피층 내에 형성된 제2 도전형 도핑영역과, 상기 제2 도전형 도핑영역 상부에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상에 형성된 제1 도전형 도핑영역을 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드을 제공한다.
바람직하게, 상기 절연막은 증착공정에 의해 SiO2막으로 형성된다.
바람직하게, 상기 제1 도전형 도핑영역은 인-시튜 도프트 방식으로 형성된다.
바람직하게, 상기 제1 도전형 도핑영역은 상기 절연막을 성장시켜 성장층을 형성한 후 상기 성장층 내에 불순물 이온을 이용한 이온주입공정에 의해 형성된다.
바람직하게, 상기 제1 도전형 도핑영역은 p형 불순물 이온으로 도핑된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형 에피층이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 제1 도전형 에피층 내에 제2 도전형 도핑영역을 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 도핑영역 상부에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막 상에 제1 도전형 도핑영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 절연막은 증착공정을 이용하여 SiO2막으로 형성한다.
바람직하게, 상기 제1 도전형 도핑영역은 인-시튜 도프트 방식으로 형성한다.
바람직하게, 상기 제1 도전형 도핑영역은 상기 절연막을 성장시켜 성장층을 형성한 후 상기 성장층 내에 불순물 이온을 이용한 이온주입공정을 실시하여 형성한다.
바람직하게, 상기 이온주입공정은 BF2 또는 B를 이용하여 1.0E11~9.0E13atoms/cm2의 도즈량으로 10~100KeV 이온주입에너지에서 실시한다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 중에서 포토 다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극만을 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드는 기판(110)의 p-에피층(111) 내에 형성된 n- 도핑영역(115)과, n-도핑영역(115) 상에 형성된 절연막(117)과, 절연막(117) 상에 형성된 p0 도핑영역(118)을 포함한다.
이처럼 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드는 절연막(117)이 하부에 형성된 n- 도핑영역(115)과, 상부에 형성된 p0 도핑영역(118)에 의해 하부와 상부가 둘러싸이도록 핀드형(pinned type) 포토 다이오드로 형성한다. 이 경우, 포토 다이오드가 리셋(reset)되었을 때, n-도핑영역(115)에 의해 형성되는 공핍층이 절연막(117)에 의해 증가되고, 이러한 공핍층은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적 및 저장하여 결국 전체 포토 다이오드의 정전용량을 증가시키게 된다.
한편, n-도핑영역(115)은 이온주입공정에 의해 기판(110) 내에서 비교적 깊게 형성된다. 이때, 이온주입공정은 인(Phosphorus; P) 또는 비소(Arsenic, As) 불순물 이온을 이용하여 50~200KeV의 이온주입에너지에서 실시한다.
또한, 절연막(117)은 SiO2막으로 1~500nm의 두께로 형성된다. 이러한 절연막(117)은 증착공정을 이용하여 n-도핑영역(115)을 덮도록 기판(110) 상부에 형성한다.
또한, p0 도핑영역(118)은 SiO2 절연막(117)을 성장시킨 후 BF2 또는 보론(Boron, B) 불순물 이온을 성장된 부위에 이온주입하여 형성한다. 이때, 이온주입공정은 1.0E11~9.0E13atoms/cm2의 도즈량으로 10~100KeV의 이온주입에너지에서 실시한다.
이하, 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드의 형성공정을 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4a 내지 도 4c는 공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, p++ 실리콘 기판(110) 상에 저농도의 P-에피층(P-epi, 111)을 성장시킨 후 소정 영역에 소자 분리막(112)을 형성한다. 이때, 소자 분리막(112)은 반도체 분야에서 널리 사용되는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 피복성이 높은 HDP(High Density Plasma) 산화막으로 형성한다.
이어서, 기판(110) 상에 게이트 산화막(113) 및 폴리 실리콘막(114)을 순차적으로 증착한 후 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 게이트 산화막(113) 및 폴리 실리콘막(114)을 식각한다. 이로써, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)이 형성된다.
이어서, 마스크 공정을 통해 n-이온주입 마스크를 형성한 후 n-이온주입 마스크를 이용한 저농도 n-이온주입공정을 실시하여 p-에피층(111) 내에 n- 도핑영역(115)을 형성한다. 이때, 저농도 n-이온주입공정은 인 또는 비소를 이용하여 50~200KeV의 이온주입에너지로 실시한다.
이어서, 게이트 전극(Tx)의 양측벽에 LDD(Lightly Doped Drain)용 스페이서(116)를 형성할 수도 있다. 이때, 스페이서(116)는 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 질화막(SiON) 중 적어도 어느 하나의 막으로 단층 또는 적층 구조로 형성할 수 있다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, n-도핑영역(115) 상부에 절연막(117)을 증착한다. 이때, 절연막(117)은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스핀공정과 같은 증착공정을 이용하여 SiO2막으로 1~500nm의 두께로 증착한다.
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 절연막(117) 상에 p0 도핑영역(118)을 형성한다. 이때, p0 도핑영역(118)은 절연막(117)을 성장시키는 동시에 인-시튜(in-situ)로 p형 불순물 이온을 주입하는 인-시튜 도프트(doped) 방식으로 형성하거나, 절연막(117)을 성장시킨 후 이 성장층에 p형 불순물 이온을 주입하여 형성할 수도 있다. 이때, 성장층에 이온주입공정을 실시하는 경우, 이온주입공정은 BF2 또는 B를 이용하여 1.0E11~9.0E13atoms/cm2의 도즈량으로 10~100KeV의 이온주입에너지에서 실시한다.
이어서, 게이트 전극(Tx)의 일측으로 노출되는 p-에피층(111) 내에 n+ 도핑영역, 즉 플로팅 확산영역(119)을 형성한다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.
먼저, 본 발명은 n-도핑영역과 p0 도핑영역 사이에 절연막을 개재시킴으로써 기존 p0 도핑영역을 형성하기 위한 이온주입공정시 기판이 손상되어 결함이 발생되는 것을 원천적으로 방지하여 기판의 표면의 결함에 의한 암전류의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 절연막이 하부에 형성된 n- 도핑영역과, 상부에 형성된 p0 도핑영역에 의해 하부와 상부가 둘러싸이도록 핀드형(pinned type) 포토 다이오드로 형성함으로써 상기 n-도핑영역에 의해 형성되는 공핍층이 상기 절연막에 의해 증가되고, 이러한 공핍층은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적 및 저장하여 결국 전체 포토 다이오드의 정전용량을 증가시켜 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- p-에피층이 형성된 기판;상기 p-에피층 내에 형성된 n- 도핑영역;상기 n- 도핑영역 상에 형성된 절연막; 및상기 절연막 상에 형성된 p0 도핑영역;을 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연막은 증착공정에 의해 SiO2막으로 형성된 이미지 센서의 포토 다이오드.
- 제 2 항에 있어서,상기 p0 도핑영역은 인-시튜 도프트 방식으로 형성된 이미지 센서의 포토 다이오드.
- 제 2 항에 있어서,상기 p0 도핑영역은 상기 절연막을 성장시켜 성장층을 형성한 후 상기 성장층 내에 불순물 이온을 이용한 이온주입공정에 의해 형성된 이미지 센서의 포토 다이오드.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 p0 도핑영역은 p형 불순물 이온으로 도핑된 이미지 센서의 포토 다이오드.
- 기판 상에 제1 도전형으로 에피층을 형성하는 단계;상기 에피층 내에 제2 도전형으로 제1 도핑영역을 형성하는 단계;상기 제1 도핑영역 상부에 절연막을 형성하는 단계; 및상기 절연막 상에 상기 제1 도전형으로 제2 도핑영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 절연막은 증착공정을 이용하여 SiO2막으로 형성하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제2 도핑영역은 인-시튜 도프트 방식으로 형성하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제2 도핑영역은 상기 절연막을 성장시켜 성장층을 형성한 후 상기 성장층 내에 불순물 이온을 이용한 이온주입공정을 실시하여 형성하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 이온주입공정은 BF2 또는 B를 이용하여 1.0E11~9.0E13atoms/cm2의 도즈량으로 10~100KeV 이온주입에너지에서 실시하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조방법.
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| KR20050060653A (ko) * | 2003-12-17 | 2005-06-22 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 이미지센서 및 그 제조방법 |
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