KR20020058986A - 벌크웨이퍼를 사용한 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
벌크웨이퍼에 초고에너지 이온주입공정을 이용하여 에피웨이퍼에서와 같은 고농도 불순물층을 만들어줌으로써 제품의 원가상승없이 노이즈없는 양질의 이미지센서 제품을 제조할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법이 개시된다.
Description
본 발명의 반도체소자인 이미지센서 및 그 제조방법에 관련된 것이다.
화상 인식 소자로 사용되는 이미지센서의 단위화소 내부에는 그 구성 요소의 일부로써 포토다이오드를 사용하고 있다. 포토다이오드는 단위화소로 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하기 때문에 센서의 특성을 좌우하는 주요 부분이다. 통상 포토다이오드를 기판에 불순물 이온 주입 공정을 통하여 형성시킨 불순물 접합층으로 구성된다.
이렇게 구성된 불순물 접합층에 바이어스를 가함으로써 공핍층을 형성시키고, 일정 시간 동안 입사하는 빛에 의해 기판에서 생성된 전자를 공핍층에 모으고 이를 회로적으로 읽어내는 방식을 통하여 화상 신호를 구현한다.
따라서, 포토다이오드에 얼마나 많은 광전하를 모을 수 있는 가하는 문제와, 이와 더불어 노이즈없는 순수한 픽셀의 광전하를 읽어내는 것이 이미지센서의 화질을 결정하는 중요한 요소가 된다.
도 1은 종래기술의 이미지센서의 단위화소 일부 구조를 나타내는 단면도로서, 벌크(bulk) 웨이퍼(wafer)를 사용하는 이미지센서를 보여준다.
도 1을 참조하면, 필드산화막(102)이 형성된 P형의 실리콘기판(101) 상에 트랜스퍼트랜지스터의 게이트(103)가 형성되어 있고, 게이트(103) 일측면의 실리콘기판(101) 표면 아래에는 포토다이오드(104)가 형성되어 있으며, 게이트(103) 타측면의 실리콘기판(101) 표면 아래에는 고농도 N형 불순물층인 센싱노드(105)가 형성되어 있다.
이러한 구조하에서 포토다이오드(104)에 바이어스를 가하여 공핍층을 형성하고, 빛을 입사되면 전자-전공 쌍이 생성되고 생성된 전자-정공 쌍에서 전자는 포토다이오드(104)에 모였다가 센싱노드로 흘러가지만 정공은 쉽게 제거되지 않고 라이프 타임(Life Time)이 길어져 인접 픽셀로 흘러들 가능성이 높아지고 그렇게되면 그 픽셀의 실제 시그날과 합쳐져 노이즈로 작용하게 되고 이미지센서의 화질은 저하하게 되는 문제점이 노출된다.
도2는 다른 종래기술의 이미지센서의 단위화소 일부 구조를 나타내는 단면도로서, 에피(epi) 웨이퍼를 사용하는 이미지센서를 보여준다.
도2를 참조하면, 에피웨이퍼는 비저항이 0.01~0.02Ωcm 정도의 고농도 p+실리콘기판(200) 상에 저농도의 p에피층(250)을 갖는 기판으로서, 이를 이용해 도1과 동일하게 게이트(103), 포토다이오드(104) 및 센싱노드(105)를 포함하는 이미지센서를 제조하게되면, 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍에 전자는 포토다이오드(104)에 모였다가 센싱노드(105)로 흘러가고 정공은 저항이 낮은 p+실리콘기판(200)을 통해 제거되어 노이즈 발생을 크게 방지할 수 있다.
하지만 에피웨이퍼는 벌크웨이퍼에 비하여 단가가 2~3배 비싸기 때문에 제품원가를 증가시켜 가격경쟁력에서 문제가 되고 있다.
따라서 단가가 저렴한 벌크웨이퍼를 이용한 이미지센서 제조방법의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명 목적은 인접 픽셀로 전공(또는 전자)이 흘러 들어가 노이즈 발생되는 것을 억제하는 동시에 저가격의 벌크웨이퍼를 사용하여 가격 경쟁력이 우수한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래기술의 이미지센서의 단위화소 일부 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 다른 종래기술의 이미지센서의 단위화소 일부 구조를 나타내는 단면도.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에서 벌크웨이퍼에 초고에너지 이온주입공정을 적용한 시뮬레이션 및 그 결과를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
301 : p실리콘기판 302 : 희생절연막
303 : 이온주입층 304 : 필드산화막
305 : 게이트 306 : 포토다이오드
307 : 센싱노드
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 벌크웨이퍼인 기판; 상기 기판 내부에 매몰되어 포토다이오드에서 생성된 전하 또는 정공을 재결합하여 제거하기 위한 고농도 초고에너지 이온주입층; 및 상기 기판 상에 형성된 이미지센서의 소자들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 벌크웨이퍼인 기판 표면 상에 이온주입의 데미지 억제를 위한 희생절연막을 형성하는 단계: 고농도 초고에너지 이온주입에 의해 상기 기판 내에 매몰된 이온주입층을 형성하는 단계; 상기 희생절연막을 제거하는 단계; 어닐링에 의해 상기 이온주입층의 불순물을 확산 및 활성화시키는 단계; 및 상기 기판에 이미지센서의 소자들을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 보여주는 단면도이다.
도3a를 참조하면, 일반적인 반도체소자 제조에 이용되는 벌크웨이퍼인 p실리콘기판(301)에 초고에너지 이온주입공정으로 발생할 수 있는 실리콘 표면의 데미지(Damage)를 방지하기 위한 희생절연막(예컨대 산화막)(302)을 약 500~1000Å정도 도포한 후 약 3 MeV 이상의 고에너지로 초고에너지 고농도 이온주입층(303)을 형성시킨다.
이어서, 도3b와 같이 희생절연막(302)을 습식식각 등을 통해 제거한 후, 1000℃ 이상의 온도로 수십초동안 RTP(Rapid Thermal Process) 어닐(Anneal) 공정을 실시하여 이온주입층(303)의 불순물들을 확산 및 활성화시킨다.
이어서, 도3c와 같이 통상의 공정 순서에 의해 필드산화막(304), 게이트(305), 포토다이오드(306) 및 센싱노드(307) 등을 포함하는 이미지센서를 이루는 요소들을 형성한다.
이렇게 하여 제조된 이미지센서에서는 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍에서 전자는 포토다이오드에 모였다가 센싱노드로 흘러가도 정공은 저항이 낮은 이온주입층(303)을 통해 에피웨이퍼에서와 같이 제거되므로 제품의 원가상승없이 노이즈없는 양질의 이미지센서 제품을 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명에서의 벌크웨이퍼에 초고에너지 이온주입공정을 적용한 시뮬레이션(Simulation) 결과이다.
도4에서 알 수 있듯이 일반적인 반도체소자 제조에 이용되는 벌크웨이퍼에노이즈 감소를 위한 초고에너지 이온주입층을 형성하기 위해서는, 붕소(B11) 이온의 경우 적어도 3MeV 이상의 에너지와 1.0E13 이상의 불순물 도즈가 필요함을 알 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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서와 같은 방법을 적용함으로써 일반적인 반도체소자 제조에 사용되는 벌크웨이퍼를 이용하여 노이즈없는 양질의 이미지센서를 제조할 수 있으므로 제품의 원가절감에 기여할 수 있고 따라서 가격경쟁력에서 우위를 점할 수 있어 시장점유율을 증가시킬 수 있다.
Claims (5)
- 벌크웨이퍼인 기판;상기 기판 내부에 매몰되어 포토다이오드에서 생성된 전하 또는 정공을 재결합하여 제거하기 위한 고농도 초고에너지 이온주입층; 및상기 기판 상에 형성된 이미지센서의 소자들을 포함하는 이미지센서.
- 벌크웨이퍼인 기판 표면 상에 이온주입의 데미지 억제를 위한 희생절연막을 형성하는 단계:고농도 초고에너지 이온주입에 의해 상기 기판 내에 매몰된 이온주입층을 형성하는 단계;상기 희생절연막을 제거하는 단계;어닐링에 의해 상기 이온주입층의 불순물을 확산 및 활성화시키는 단계; 및상기 기판에 이미지센서의 소자들을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 이온주입을,붕소(B11) 이온을 적어도 3MeV의 에너지와 적어도 1.0E13의 도즈로 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 희생절연막은 500~1000Å의 두께를 갖는 산화막 임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 어닐링을,적어도 1000℃의 온도에서 이루어지는 RTP(Rapid Thermal Process)로 실시하는 것을 특징으로 이미지센서 제조 방법.
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