KR20030001139A - 포토다이오드 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 P0 영역의 형성을 위한 이온주입을 스페이서 형성 전후에 각각 실시하여 n- 영역에 존재하는 중성 전하를 제거함으로써 암전류를 최소화할 수 있는 포토다이오드 형성 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 접하는 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 제4단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 제2불순물 영역 하부의 상기 제1불순물 영역 내에 제3불순물 영역을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 포토다이오드 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암전류 감소를 위한 포토다이오드 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
도 1은 종래기술에 따라 형성된 이미지센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)등이 형성되어 있으며, 여기서 반도체층(10)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(10)으로 칭한다.
반도체층(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)이 형성되어 있으며, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극(12, 13) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)이 형성되어 있는 바, 이는 포토다이오드(이하 PD라 함)에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다.
또한, 필드 절연막(11)과 게이트전극(12, 13)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)이 반도체층(10) 내부에 소정의 깊이로 형성되어 있으며, 이는 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도 N형 불순물을 이온주입을 통해 형성된 것이다. 게이트전극(12, 13) 측벽에는 질화막 등을 이용한 스페이서(14)가 형성되어 있으며, 이는 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하기 위한 것이다. 한편, FD 형성을 위한 n+ 영역이 게이트전극을 중심으로 n- 영역의 반대 영역에 형성되어 있으며, 이는 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 형성된다. n- 영역의 상부와 반도체층(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)이 형성되어 있는 바, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성되고 P/N 접합의 FD(n+)가 형성된다.
상기한 바와 같은 종래의 이미지센서의 P/N/P형 PD의 형성 공정 중, P0 이온주입과 n- 이온주입은 스페이서(14) 형성 전 동일한 단계(Step)에서 적용되어야 하나, 스페이서(14) 형성 전에 P0 이온주입을 실시할 경우 반도체층(10)과 P0 이온주입에 의하여 전하 장벽(Charge barrier)이 형성되기 때문에 통상적으로 P0 이온주입은 스페이서(14) 형성 이후에 진행하고 n- 이온주입은 스페이서(14) 형성 전에 실시한다.
한편, 상기와 같이 형성된 PD 구조에서 피닝(Pinning)을 위해 PD를 리셋(Reset)시킬때 스페이서(14) 이외의 부분은 피닝되나 스페이서(14) 하부에서는 피닝이 안되고 남아 있는 중성의(Neutral) N- 전하가 남아 있게 된다. 이러한 중성의 N- 전하는 스페이서(14) 하부에서 전위가 PD 중앙(Center)보다 낮게 하여 전하 전달(Charge transfer)이 잘 되는 전위 구배(Fringing field)를 발달시키는 역할을 하지만, 스페이서(14) 하부에서의 중성 전하는 피닝을 위한 전하 리셋시 리셋되지 않고 남아 있게 되며, 이는 암전류(Dark current)로서 트랜스퍼 게이트(12, 13) 턴-온(Turn-on)시 초기에 전하가 빠져 나가게 되어 암전류를 증가시키게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, P0 영역의 형성을 위한 이온주입을 스페이서 형성 전후에 각각 실시하여 n- 영역에 존재하는 중성 전하를 제거함으로써 암전류를 최소화할 수 있는 포토다이오드 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따라 형성된 이미지센서를 도시한 단면도,
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드 형성 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 반도체층
21 : 필드 절연막
22, 23 : 게이트전극
24 : 스페이서
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 접하는제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 제4단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 제2불순물 영역 하부의 상기 제1불순물 영역 내에 제3불순물 영역을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 포토다이오드 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 스페이서 형성 이전에 Po 이온주입을 실시하여 스페이서 하부에서의 중성 N- 전하를 제거하는데 그 목적이 있는 바, 이를 실제적으로 적용하기 위해서는 종래와 같은 데드존 특성을 유지하면서 암전류를 감소시켜야 한다. 즉, P0 이온주입을 스페이서 형성 전에 실시함에 따라 암전류는 감소하나 데드존이 줄어들면 이는 중성 N- 전하에 의한 암전류를 감소시키는 것이 아니라 트랜스퍼 게이트에 전위 장벽을 만들어 이에 따른 암신호(Dark signal)의 감소이므로 의미가 업기 때문이다. 따라서, 본 발명의 n- 이온주입과 같이 실시하는 P01 이온주입은 저농도의 도스로 이온주입하여 피닝 전압(Pinning voltage)은 높게 하고 스페이서 형성 이후에는 통상적인 이온주입을 적용하여 초기 PD 설계시 의도했던 피닝 전압을 PD 전체에서 형성하는 방법으로, 이에 따라 스페이서 하부에서의 중성 N- 전하는 제거하면서도 전위 분포는 종래와 동일하게 유지하게 되어 전위 장벽의 형성없이 즉, 데드존 특성의 열화없이 암전류를 감소시킬 수 있도록 한 것이다.
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 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드 형성 공정을 도시한 단면도이다.
이하, 도 2a 내지 도 2b를 참조하여 종래의 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.
먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다.
이어서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체층(20)에 국부적으로 필드 절연막(21)을 형성한 다음, 필드 절연막(21)과 떨어진 영역에 게이트전극(22, 23) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성하는 바, 이는 PD에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 이어서, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(21)과 게이트전극(22, 23)에 접하는 PD용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지 즉, 120KeV 내지 160KeV의 에너지를 이용하여1.0E16/㎤ 내지 1.0E17/㎤ 농도의 저농도 불순물을 이용한다.
이어서, 이온주입을 실시하여 상기 n- 영역 상부의 반도체층(20) 표면에 접하는 P01 영역을 형성하는 바, 20KeV 내지 40KeV의 에너지를 이용하여 1.0E16/㎤ 내지 1.0E17/㎤ 농도의 저농도 불순물을 이용한다.
한편, 후속 스페이서 형성 후의 스페이서 하부의 깊은 n- 영역의 프로파일은 게이트전극(22, 23) 예컨대, 폴리실리콘를 식각한 후 폴리실리콘을 장벽으로 하여 이온주입 하기 때문에 게이트전극(22, 23)의 직선 하부에는 PD 중앙부와 동일한 프로파일을 가지나, 게이트전극(22, 23)과 오버랩되는 부분의 도핑 프로파일은 측벽 확산(Side diffusion)에 의한 프로파일이므로 PD 중앙부와 비교하여 고농도의 프로파일을 갖지는 않는다.
따라서, 중성 N- 전하를 제거하기 위해 스페이서 형성 전에 얕은 저농도(Shallow low dose)의 P01 이온주입을 실시하면, 전위 장멱 형성을 최소화하며, 스페이서 하부의 피닝 전압을 PD 중앙부보다 낮게 하여 자연스러운 전위 구배의 발달을 유도할 수 있게 된다.
또한, 전위 장벽의 형성을 극소로 하기 위한 한가지 방법은 P0 이온주입을 스페이서 형성 전에 진행하더라도 깊은 n- 영역이 게이트전극(22, 23)과 오버랩되면 미미하게 줄일 수 있으므로 P0 이온주입을 스페이서 형성 후에 진행하면, n- 영역운 게이트전극(22, 23)과 오버랩을 확실하게 하고 스페이서 하부의 중성 N-가 제거되며 전위 장벽이 없는 PD 구조의 형성이 가능하다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(22, 23) 측벽에 스페이서(24)를 형성한다. 여기서, 스페이서(24)는 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하기 위한 것이다. 이어서, FD 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+(소스/드레인)를 형성한 후, 어닐(Anneal)공정을 실시하여 n+(소스/드레인)이 확산되도록 한다.
이어서, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 깊은 레벨로 형성된 불순물 영역(n-) 내에 불순물 영역(P02)을 형성하는 바, 20KeV 내지 40KeV의 에너지를 이용하여 5.0E16/㎤ 내지 5.0E17/㎤ 농도의 불순물을 이용한다.
이 때, P02 이온주입은 P01 이온주입 영역에 부가되어 스페이서(24) 하부보다 도스량은 많아지게 되고 이는 스페이서(24) 외부 PD의 피닝 전압은 스페이서 하부보다 낮아지게 되어 전위 구배가 자연스럽게 형성된다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 스페이서 형성 전에 저농도의 얕은 P0 이온주입 영역을 형성하여 스페이서가 형성될 하부의 중성 N- 전하를 제거하면서도 스페이서 형성 후 P0 이온주입을 추가로 실시하여 전위정벽 형성을 효과적으로 방지할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
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, 데드존 특성의 열화없이 암전류를 효과적으로 방지할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (9)
- 이미지센서 제조 방법에 있어서,제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계;이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 접하는 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계;이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계;상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 제4단계; 및이온주입을 실시하여 상기 제2불순물 영역 하부의 상기 제1불순물 영역 내에 제3불순물 영역을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제5단계의 이온주입은, 20KeV 내지 40KeV의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제5단계의 이온주입은, 5.0E16/㎤ 내지 5.0E17/㎤ 농도의 불순물을 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제3단계의 이온주입은, 20KeV 내지 40KeV의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제3단계의 이온주입은, 1.0E16/㎤ 내지 1.0E17/㎤의 불순물을 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2단계의 이온주입은, 120KeV 내지 160KeV의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2단계의 이온주입은 1.0E16/㎤ 내지 1.0E17/㎤ 농도의 불순물을 이용하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제4단계 후, 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 타측에 접하는 제2도전형의 소스/드레인을 형성하는 제6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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