KR20000003345A - 이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공핍층 깊이와 정전용량이 증대되어, 고 화질의 이미지센서에서 요구되는 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있는 이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법을 제공하고자하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 핀드포토다이오드는, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되고, 수직적으로 적어도 하나의 제1도전형의 제1도핑영역을 개재하면서 그 일측 에지가 서로 연결되며 그 타측 에지가 상기 제1도핑영역에 의해 분리된 적어도 두층의 제2도전형의 제2도핑영역; 및 상기 적어도 두층의 제2도핑영역중 최상부의 제2도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면하부 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제2도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 제1도핑영역 상에 형성된 제1도전형의 제3도핑영역을 포함하여, 상기 적어도 두층의 제2도핑영역과 상기 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어진다.

Description

이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 이미지센서(Image sensor)의 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 씨모스(CMOS) 공정에 의해 제조되는 이미지센서(이하 간단히 "CMOS 이미지센서"라 칭함)의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode)는 CCD(charge coupled device) 이미지센서 또는 CMOS 이미지센서에서 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성 및 집적하는 소자로 사용되며, 기판 내부에서 매립된 PNP(또는 NPN) 접합 구조를 갖고 있어 베리드 포토다이오드(Buried Photodiode)라 불리우기도 한다. 이러한, 핀드 포토다이오드는 소스/드레인 PN 접합(Junction) 구조나 모스캐패시터 구조 등 다른 구조의 포토다이오드에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있으며, 그 중 하나가 공핍층의 깊이를 증가시킬 수 있어 입사된 광자(Photon)를 전자(Electron)로 바꾸어 주는 능력이 우수하다는 것이다(High Quantum Efficiency). 즉, PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 N영역이 완전공핍되면서 N영역을 개재하고 있는 두 개의 P영역으로 공핍층이 형성되므로 그 만큼 공핍층 깊이를 증가시켜 "Quantum Efficiency"를 증가시킬 수 있다. 이에 의해 광감도(Light Sensitivity)가 우수하다.
한편, 3.3V 이하의 전원전압을 사용하는 CMOS 이미지센서에 적용된 PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 전원전압 이하(예컨대 1.2V 내지 2.8V)에서 두 개의 P영역이 서로 등전위를 가져야만 N영역이 안정적으로 완전공핍되고, 이에 의해 "Quantum Efficiency"를 증가시킬 수 있기 때문에, 본 출원인은 이를 위한 기술을 지난 1998년 2월 28일자에 출원(출원번호: 98-6687)한 바 있다.
도1에는 본 출원인에 의해 제안되었던 핀드 포토다이오드의 구조가 도시되어 있다. 도1을 참조하면, 핀드 포토다이오드(PPD)는 P-에피층(P-epi)에 N도핑영역(Deep N-)과 P도핑영역(P0)이 형성된 PNP 구조를 갖고 있는 바, 이때 N도핑영역(Deep N-)을 형성하기 위한 N-이온주입마스크와 P도핑영역(P0)을 형성하기 위한 P0이온주입마스크를 달리 사용하면서, N-이온주입마스크의 오픈영역보다 P0이온주입마스크의 오픈영역이 더 크도록하여, P-에피층(P-epi)과 P도핑영역(P0)이 N도핑영역(deep N-)에 의해 차단되지 않고 저전압에서 쉽게 등전위를 갖도록 하므로써, 3.3V 이하의 저전압에서 안정적으로 N도핑영역(deep N-)이 완전공핍 가능하도록 하였다.
그러나, 제안된 도1의 종래기술은 저전압에서 완전공핍이 가능하여 "Quantum Efficiency"를 어느정도 개선하는 효과를 가져오나, 그리고 저농도의 P-에피층을 사용하므로써 어느정도 공핍층 깊이(Depletion Depth)를 증가시킬 수 있으나, 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있을 만큼, 즉 일정수준의 높은 광감도를 얻을 수 있을 만큼 충분한 공핍층 깊이를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
또한 포토다이오드의 정전용량(Charge Capacity)이 또한 작은 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공핍층 깊이와 정전용량이 증대되어, 고 화질의 이미지센서에서 요구되는 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있는 이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도1은 종래기술에 따른 핀드 포토다이오드 구조를 나타내는 단면도.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드의 구조를 나타내는 단면도.
도3a 내지 도3e는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 단면도.
도4a 내지 도4c는 이온주입마스크의 형상을 나타내는 평면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
PPD : 핀드 포토다이오드 FOX : 필드산화막
P-epi : P-에피층 Tx : 트랜스퍼게이트
deep N-: 제1N도핑영역 shallow N-: 제2N도핑영역
medium P-: 제1P도핑영역 shallow P0: 제2P도핑영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핀드포토다이오드는, 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되고, 수직적으로 적어도 하나의 제1도전형의 제1도핑영역을 개재하면서 그 일측 에지가 서로 연결되며 그 타측 에지가 상기 제1도핑영역에 의해 분리된 적어도 두층의 제2도전형의 제2도핑영역; 및 상기 적어도 두층의 제2도핑영역중 최상부의 제2도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면하부 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제2도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 제1도핑영역 상에 형성된 제1도전형의 제3도핑영역을 포함하여, 상기 적어도 두층의 제2도핑영역과 상기 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어진다.
또한 본 발명의 핀드포토다이오드는, 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서, 반도체층; 및 상기 반도체층 내부에 수직적으로 적층 형성되어, 적어도 네 개의 PN 접합을 구성하는 다수의 도핑영역을 포함하여, 상기 다수의 도핑영역에서 완전공핍이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핀드 포도다이오드 제조방법은, 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계; 필드영역과 활성영역을 분리하기 위하여 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 트랜스퍼게이트를 패터닝하는 단계; 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에 제1이온주입마스크를 사용하여 제2도전형의 제1도핑영역을 형성하되, 상기 필드영역과 상기 활성영역의 경계에서 상기 활성영역의 일부를 덮는 상기 제1이온주입마스크를 사용하여 상기 제1도핑영역을 형성하는 단계; 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제1도핑영역 상에 제2이온주입마스크를 사용하여 제1도전형의 제2도핑영역을 형성하되, 상기 트랜스퍼게이트를 덮는 상기 제2이온주입마스크를 사용하여 상기 제2도핑영역을 형성하는 단계; 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제2도핑영역 상에 제3이온주입마스크를 사용하여 제2도전형의 제3도핑영역을 형성하되, 상기 필드영역과 상기 활성영역의 경계에서 상기 활성영역의 일부를 덮는 상기 제3이온주입마스크를 사용하여 상기 제3도핑영역을 형성하는 단계; 및 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제3도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 하부 사이에 제4이온주입마스크를 사용하여 제1도전형의 제4도핑영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도2에는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드포토다이오드의 구조가 도시되어 있다. 도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 핀드포토다이오드(PPD)는 P+기판(P+SUB) 상에 5∼10㎛으로 성장된 P-에피층(P-epi)과, 상기 P-에피층(P-epi) 내부에 형성되며 수직적으로 제1P도핑영역(Medium P-)을 개재하면서 트랜스퍼게이트(Tx)의 에지 하부에서 상호 연결된 제1 및 제2 N도핑영역(Deep N-)(Shallow N-)과, 제2 N도핑영역(Shallow N-) 상부와 상기 P-에피층(P-epi) 표면 사이에 형성되며 상기 필드산화막(FOX)의 에지 하부에서 상기 제1P도핑영역(Medium P-)과 연결된 제2P도핑영역(Shallow P0)을 포함한다. 상기 제1P도핑영역(Medium P-)과 상기 P-에피층(P-epi) 역시 필드산화막(FOX)의 에지 하부에서 상호 연결된다. 여기서, P-에피층(P-epi)은 약 E14/㎤의 도펀트 농도를 갖고, 제1 및 제2 N도핑영역(deep N-)(shallow N-)과 제1P도핑영역(Medium P-)은 각각 약 E17/㎤의 도펀트 농도를 가지며, 제2P도핑영역(shallow P0)은 약 E18/㎤의 도펀트 농도를 갖도록 실시 구성되었다.
결국, 도2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드는 P-에피층(P-epi) 내부에서 네 개의 PN 접합을 구성하게 되며, 이에 의해 핀드포토다이오드의 정전용량은 두 개만의 PN 접합을 갖는 도1의 종래기술에 비해 더 커지게 된다. 즉, 광전하를 저장할 수 있는 양이 증가되어 이미지센서가 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있다.
또한, P-에피층(P-epi)과 제1P도핑영역(Medium P-) 및 제2P도핑영역(Shallow P0)은 필드영역의 에지 하부에서 상호 연결되어 있고, 트랜스퍼게이트(Tx)의 에지 하부에서 제1N도핑영역(Deep N-)과 제2N도핑영역(Shallow N-)이 상호 연결되어 있으므로, 3.3V 이하의 전원전압을 사용하는 CMOS 이미지센서에도 제1P도핑영역(Medium P-)과 제1N도핑영역(Deep N-) 및 제2N도핑영역(Shallow N-)이 안정적으로 완전공핍 가능하게 된다.
더욱이, 제1P도핑영역(Medium P-)과 제1N도핑영역(Deep N-) 및 제2N도핑영역(Shallow N-)이 모두 완전공핍되므로 종래에 비해 더 깊은 공핍층 깊이를 얻을 수 있고, 이에 의해 역시 광전하를 집적할 수 있는 면적이 증가되어 이미지센서가 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있다.
도3a 내지 도5e는 도2의 구조를 제조하기 위한 공정 단면도로서, 이를 통해 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조방법을 살펴본다.
먼저, 도3a를 참조하면, P+기판(P+SUB)(301) 상에 5∼10㎛의 두께를 갖는 P-에피층(P-epi)(302)을 성장시키고, P-에피층(302)에 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)(303)을 형성한 다음, 폴리실리콘막(304a)과 텅스텐실리사이드막(304b)을 연속적으로 도포하고 마스크 및 식각 공정을 통해 트랜스퍼게이트(Tx) 및 리셋게이트(Rx)를 형성한다.
이어서, 도3b에 도시된 바와 같이, N-이온주입마스크(305)를 형성하고, 약 200keV의 고에너지로 N-이온주입을 실시하여 제1N도핑영역(deep N-)(306)을 형성한다. N-이온주입마스크(305)의 평면도가 도4a에 도시되어 있는바, N-이온주입마스크(305)는 그 에지가 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역과 필드영역(필드산화막이 형성된 영역)간의 경계면(도면의 점선)에 실질적으로 정렬되되 활성영역의 일부(410)를 덮는 패턴 형상을 갖는다. 즉, 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역의 에지 일부(410)는 N형 불순물이 이온주입되지 않아 제1N도핑영역(306)이 형성되지 않는다.
이어서, 도3c에 도시된 바와 같이, 상기 N-이온주입마스크(305)를 제거하고, P-이온주입마스크(307)를 형성한 다음, 약 150keV 정도의 중에너지로 P-이온주입을 실시하여 상기 제1N도핑영역(306) 상에 제1P도핑영역(Medium P-)을 형성한다. P-이온주입마스크(307)의 평면도가 도4b에 도시되어 있는바, P-이온주입마스크(307)는 그 에지가 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역과 필드영역(필드산화막이 형성된 영역)간의 경계면(도면의 점선)에 실질적으로 정렬되되, 트랜스퍼게이트(Tx)를 완전히 덮는 패턴 형상을 갖는다. 즉, 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역에서 트랜스퍼게이트(Tx) 에지의 하부에서 일부 활성영역(420)에는 P-불순물이 이온주입되지 않아 제1P도핑영역(306)이 형성되지 않는다.
이어서, 도3d에 도시된 바와 같이, P-이온주입마스크(307)를 제거한 다음 다시 N-이온주입마스크(309)를 형성하고, 약 100keV 정도의 저에너지로 N-이온주입을 실시하므로써 제2N도핑영역(shallow N-)(310)을 형성한다. N-이온주입마스크(309)는 도4a에 도시된 N-이온주입마스크(305)와 동일한 형상을 가지므로, 마찬가지로, 도4a에서 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역의 에지 일부(410)는 N형 불순물이 이온주입되지 않아 제2N도핑영역(310)이 형성되지 않는다.
끝으로, 도3e와 같이, 상기 N-이온주입마스크(309)를 제거하고 P0이온주입마스크(311)를 형성하고 약 50KeV 이하의 저에너지로 P0이온주입을 실시하여 제2P도핑영역(shallow P0)(312)을 형성한다. 도4c에 도시된 바와 같이, P0이온주입마스크(311)는 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역을 모두 오픈시키도록 패턴된다.
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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 이미지센서의 광감지영역으로 입사된 광자에 의해 발생하는 광전하를 모을 수 있는 공핍층 깊이(Depletion Depth)를 증가시켜 광감도(Light Sensitivity)를 향상시키고, PN 접합(Junction)의 수를 늘려 핀드 포토다이오드의 정전용량(Charge Capacity) 또한 증가시킴으로써 이미지센서 제품의 화질을 개선할 수 있다.

Claims (10)

  1. 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서,
    제1도전형의 반도체층;
    상기 반도체층 내부에 형성되고, 수직적으로 적어도 하나의 제1도전형의 제1도핑영역을 개재하면서 그 일측 에지가 서로 연결되며 그 타측 에지가 상기 제1도핑영역에 의해 분리된 적어도 두층의 제2도전형의 제2도핑영역; 및
    상기 적어도 두층의 제2도핑영역중 최상부의 제2도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제2도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 제1도핑영역 상에 형성된 제1도전형의 제3도핑영역을 포함하여,
    상기 적어도 두층의 제2도핑영역과 상기 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어지는 이미지센서의 핀드 포토다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층과 상기 적어도 하나의 제1도핑영역 및 상기 제3도핑영역은 5V 이하의 저전압에서 서로 등전위를 갖는 이미지센서의 핀드 포토다이오드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체층의 하부에 상기 반도체층보다 높은 제1도전형의 도펀트 농도를 갖는 반도체기판을 더 포함하며, 상기 반도체층은 상기 반도체기판상에 그 두께가 5∼10㎛으로 성장된 에피택셜층인 핀드 포토다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 약 E14/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖고,
    상기 제1 및 제2 도핑영역은 약 E17/㎤의 도펀트 농도를 가지며,
    상기 제3도핑영역은 약 E18/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖는 핀드 포토다이오드.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 서로 상보적인 P형 또는 N형인 핀드 포토다이오드.
  6. 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서,
    반도체층; 및
    상기 반도체층 내부에 수직적으로 적층 형성되어, 적어도 네 개의 PN 접합을 구성하는 다수의 도핑영역을 포함하여,
    상기 다수의 도핑영역에서 완전공핍이 이루어지는 이미지센서의 핀드 포토다이오드.
  7. 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법에 있어서,
    제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계;
    필드영역과 활성영역을 분리하기 위하여 소자분리막을 형성하는 단계;
    상기 반도체층 상에 트랜스퍼게이트를 패터닝하는 단계;
    상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에 제1이온주입마스크를 사용하여 제2도전형의 제1도핑영역을 형성하되, 상기 필드영역과 상기 활성영역의 경계에서 상기 활성영역의 일부를 덮는 상기 제1이온주입마스크를 사용하여 상기 제1도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제1도핑영역 상에 제2이온주입마스크를 사용하여 제1도전형의 제2도핑영역을 형성하되, 상기 트랜스퍼게이트를 덮는 상기 제2이온주입마스크를 사용하여 상기 제2도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제2도핑영역 상에 제3이온주입마스크를 사용하여 제2도전형의 제3도핑영역을 형성하되, 상기 필드영역과 상기 활성영역의 경계에서 상기 활성영역의 일부를 덮는 상기 제3이온주입마스크를 사용하여 상기 제3도핑영역을 형성하는 단계; 및
    상기 핀드 포토다이오드가 형성될 상기 활성영역에서 상기 제3도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 제4이온주입마스크를 사용하여 제1도전형의 제4도핑영역을 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반도체층과 상기 제2도핑영역 및 상기 제4도핑영역은 상기 활성영역과 필드영역의 경계 하부에서 상호 연결되는 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 도핑영역은 상기 트랜스퍼게이트의 에지 하부에서 상호 연결되는 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법.
  10. 제7항 내지 제9항중 어느한 항에 있어서,
    상기 제1도전형 및 제2도전형은 서로 상보적인 P형 또는 N형인 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법.
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