KR100298201B1 - 이미지센서의 저전압 포토다이오드 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전압에서 안정적인 동작을 수행함은 물론, 단일 마스크 공정이 적용되어 비용 및 시간적인 면에서 손실을 방지하는 이미지센서의 저전압 포토다이오드 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서 제조 방법은, 제1도전형의 제1반도체층을 준비하는 단계; 상기 반도체층 상에 필드절연막과 게이트전극을 형성하는 단계; 자신의 일측 에지가 상기 필드산화막 에지에 실질적으로 정렬되되, 포토다이오드가 형성될 활성영역의 일부분를 덮는 마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 불순물을 주입하여 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 단계; 상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 제1이온주입층 상부의 상기 반도체층내에 제1도전형의 불순물을 주입하여 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 단계; 및 열공정에 의해 상기 제2이온주입층의 도펀트를 상기 필드절연막 쪽으로 확산시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

이미지센서의 저전압 포토다이오드 형성방법
본 발명은 이미지센서(Image sensor)의 저전압 포토다이오드(Photodiode) 제조방법에 관한 것으로, 특히 씨모스(CMOS) 공정에 의해 제조되는 이미지센서(이하 간단히 "CMOS 이미지센서"라 칭함)의 포토다이오드 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 광전하생성효율(Quantum Efficiency)을 증가시킬 수 있다. 또한 이에 의해 광감도(Light Sensitivity)가 매우 우수하다.
도1a 내지 도1c에는 단일 마스크를 적용한 핀드 포토다이오드의 형성 공정을 나타내는 단면도로서, 이를 통해 종래기술을 살펴본다.
먼저 도1a를 참조하면, 고농도의 P+실리콘기판(1)에 저농도의 P-에피층(2)을 키운 웨이퍼를 준비한 후, 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(3)을 형성하고 트랜스퍼게이트의 폴리실리콘전극(4)을 형성한 다음 핀드 포토다이오드 형성용 마스크(5)를 사용하여 저농도 고에너지 N-타입 이온주입을 실시하여 N-이온주입층(6)을 형성한다. 이때 제1마스크(5)의 한쪽 면은 폴리실리콘전극(4)의 중앙에 정렬되고, 다른 한쪽 면은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에 정렬된다. 이어서, 도1b를 참조하면, 상기 마스크(5)를 그대로 놔둔 상태에서 저농도 저에너지 P-타입 이온주입을 실시하여 N-이온주입층(6) 상부의 기판 표면에 P-이온주입층(7)을 형성시킨다. 이후 도1c와 같이 플로팅센싱노드 부위에 N+활성영역(8)을 형성하고 열공정을 진행하여 도펀트들을 확산시킴으로써 PN 접합들을 완성한다.
그런데, 이러한 열공정이 진행되면, N-이온주입층(6)과 P-이온주입층(7)은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서 도면에서와 같이 정렬(도면부호 9)된다. 즉, 열공정 진행으로 인해 P-이온주입층(7)의 도펀트인 보론이 실리콘 에피층 밖으로 확산(Out diffusion)되거나 필드절연막(3) 쪽으로 편석(Segregation)되어 N-이온주입층(6)에 의해 분리됨으로써 P-이온주입층(7)과 P-에피층(2)사이에 전기적으로 불안정한 연결이 형성된다. 이와 같은 현상은 핀드 포토다이오드에 모인 광전하를 플로팅센싱노드(Sensing Node)로 운송하는 전하운송효율(Charge Transfer Efficiency)을 높이기 위한 핀드 포토다이오드의 고유특성인 완전공핍(Fully Depletion) 상태로의 전환을 불안정하게 함으로써 핀드 포토다이오드는 정상적으로 동작하지 않고 단순한 PN 접합과 같이 동작하게 되어 전하운송효율을 감소시키는 원인이 된다. 특히 5V 또는 3.3V 이하의 전원전압을 사용하는 CMOS 이미지센서에 적용된 핀드 포토다이오드는 이러한 문제점이 매우 심각하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 즉, 5V 또는 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 광전하생성효율을 증가시킬 수 있기 때문에, 본 출원인은 이를 위한 기술을 지난 1998년 2월 28일자에 출원(출원번호: 98-6687)한 바 있다.
도2a 내지 도2c는 본 출원인에 의해 출원(출원번호: 98-6687) 되었던 저전압 포토다이오드(앞서서는 핀드 포토다이오드라 언급하였으나, 지금부터는 저전압에서 안정적 동작을 수행하는 포토다이오드가 언급되기 때문에 이를 저전압 포토다이오드라 언급한다) 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 도면에서 도1과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호가 부여 되었다.
먼저, 도2a를 참조하면, 고농도의 P+실리콘기판(1) 위에 저농도의 P-에피층(2)을 키운 웨이퍼를 준비한 다음, 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(3)을 형성하고 폴리실리콘전극(4)을 형성한 다음 저전압 포토다이오드 형성용 첫 번째 마스크(10)를 사용하여 저농도 고에너지 N-이온주입을 실시하므로써 N-이온주입층(6)을 형성시킨다. 이때 첫 번째 마스크(10)의 한쪽 면은 폴리실리콘전극(4)의 중앙에 정렬되고, 다른 한쪽 면은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서 정렬되되 적어도 일부분이 활성영역 안쪽으로 치우쳐 정렬되어 있다. 이어서, 도2b를 참조하면 두 번째 마스크(5)를 사용하여 저농도 저에너지 P-이온주입을 실시하여 P-이온주입층(7)을 형성시킨다. 이때 두 번째 마스크(5)의 한쪽 면은 폴리실리콘전극(4)의 중앙에 정렬되고, 다른 한쪽 면은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에 정렬된다. 이후 도2c에 도시된 바와 같이, 플로팅센싱노드인 N+활성영역(8)을 형성하고 열공정을 진행하여 도펀트들을 확산시킴으로써 PN 접합들을 완성한다.
이때 N-이온주입층(6)과 P-이온주입층(7)은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서 그림에서와 같이 정렬(도면부호 11)된다. 즉, 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서 적어도 일부분은 P-이온주입층(7)만 존재하고 N-이온주입층(6)은 존재하지 않는 부분이 있어 P-이온주입층(7)과 P-에피층(2)사이에 전기적으로 안정한 수직적인 연결이 형성된다.
그러나, 이러한 개선된 종래기술의 포토다이오드는, 3.3V 이하의 저전압에서 안정적으로 N-이온주입층이 완전공핍 가능하도록 되어 있으나, 앞서 언급한 도1의 종래기술에 비해 추가의 레티클과 마스크 공정이 필요하다는 단점이 있다. 즉, 통상 반도체소자 제조 공정에서 마스크 공정이 한번 추가되면, 그 만큼 공정 스텝이 많아져서 비용 및 시간적인 면에서 많은 손실을 가져오는 바, 개선된 종래기술은 이러한 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 저전압에서 안정적인 동작을 수행함은 물론, 단일 마스크 공정이 적용되어 비용 및 시간적인 면에서 손실을 방지하는 이미지센서의 저전압 포토다이오드 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1a 내지 도1c에는 단일 마스크 적용한 종래의 포토다이오드의 형성 공정을 나타내는 단면도,
도2a 내지 도2c는 두 개의 마스크를 적용한 개선된 종래의 포토다이오드 형성 공정도,
도3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : P+실리콘 기판 2 : P-에피층
3 : 필드절연막 4 : 폴리실리콘전극
5, 10 : 이온주입 마스크 6 : N-이온주입층
7 : P-이온주입층 8 : N+활성영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 제조 방법은, 제1도전형의 제1반도체층을 준비하는 단계; 상기 반도체층 상에 필드절연막과 게이트전극을 형성하는 단계; 자신의 일측 에지가 상기 필드산화막 에지에 실질적으로 정렬되되, 포토다이오드가 형성될 활성영역의 일부분를 덮는 마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 불순물을 주입하여 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 단계; 상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 제1이온주입층 상부의 상기 반도체층내에 제1도전형의 불순물을 주입하여 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 단계; 및 열공정에 의해 상기 제2이온주입층의 도펀트를 상기 필드절연막 쪽으로 확산시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
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. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 인용하였다.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도이다.
먼저, 도3a를 참조하면, 고농도의 P+실리콘기판(1) 상에 저농도의 P-에피층(2)을 키운 웨이퍼를 준비하고, 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(3)을 형성한 후 트랜스퍼게이트의 폴리실리콘 전극(4)을 형성한다. 이어서, 마스크(10)를 형성하고 저농도 고에너지의 N-이온주입을 실시하여 N-이온주입층(6)을 형성시킨다. 이때 마스크(10)의 오픈부는 일측 면이 폴리실리콘전극(4)의 중앙에 정렬되고, 다른 한쪽 면은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에 정렬되되, 적어도 일부분이 활성영역 안쪽으로 치우쳐 정렬된다.
이어서, 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 마스크(10)를 그대로 사용하여 저농도 저에너지 P-이온주입을 연속적으로 실시하여 N-이온주입층(6) 상에 그리고 P-에피층(1) 표면에 P-이온주입층(7)을 형성시킨다.
이어서, 도3c에 도시된 바와 같이, 상기 마스크(10)를 제거한 다음, 플로팅센싱노드의 N+활성영역(8)을 형성하고 열공정을 진행하여 도펀트들을 확산시킨다.
그러면, N-이온주입층(6)과 P-이온주입층(7)은 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서도3c에 도시된 바와 같이 정렬(도면의 12)된다. 즉, N-이온주입층(6)과 P-이온주입층(7)은 각각 필드절연막(3)과 활성영역의 경계면에서 적어도 일부분이 활성영역 안쪽으로 치우쳐 정렬되어 있다가, 열공정 진행으로 인해 P-이온주입층(7)의 도펀트(예컨대 보론)가 필드절연막(3) 쪽으로 편석(Segregation)되는 일이 없어, N-이온주입층(6)에 의해 P-이온주입층(7)과 P-에피층(2) 사이에 분리가 일어나지 않고 전기적으로 안정한 연결이 형성된다. 또한 이러한 본 발명은 두 개의 마스크를 사용하는 것이 아니고 단일 마스크만을 사용하기 때문에, 추가의 레티클( Reticle)과 마스크 공정이 필요없다. 그리고, 두 번의 마스크를 사용하게 되면 마스크 정렬시 오정렬이 발생되는 문제가 있을 수 있는바, 이러한 문제도 미연에 예방 가능하다.
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 발명에서의 저전압 포토다이오드 형성방법을 적용하면, 단일 마스크를 사용하여 안정한 저전압 포토다이오드를 형성할 수 있으므로, 제품의 원가를 절감할 수 있고, 안정한 포토다이오드 동작 특성 구현으로 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 포토다이오드를 갖는 이미지센서 제조 방법에 있어서,
    제1도전형의 제1반도체층을 준비하는 단계;
    상기 반도체층 상에 필드절연막과 게이트전극을 형성하는 단계;
    자신의 일측 에지가 상기 필드산화막 에지에 실질적으로 정렬되되, 포토다이오드가 형성될 활성영역의 일부분를 덮는 마스크패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 불순물을 주입하여 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 단계;
    상기 마스크패턴을 이온주입마스크로하여 제1이온주입층 상부의 상기 반도체층 내에 제1도전형의 불순물을 주입하여 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 단계; 및
    열공정에 의해 상기 제2이온주입층의 도펀트를 상기 필드절연막 쪽으로 확산시키는 단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 패턴은 상기 게이트전극의 중앙에 자신의 타측 에지가 정렬되는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형의 반도체층은 고농도의 P형 실리콘기판 상에 에피택셜 성장된 저농도의 P형 에피층인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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