KR100318447B1 - 이미지센서의핀드포토다이오드및그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단파장 빛에 대해 높은 광전하생성효율을 가짐과 동시에 큰 커패시턴스를 갖는 핀드 포토다이오드를 포함하는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 핀드 포토다이오드는, 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및 상기 반도체층 표면과 근접한 상기 반도체층 내에서 굴곡진 PN 접합을 형성하는 제2도전형의 제1확산영역 및 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 적용되는 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip) 화가 곤란하는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을극복하기 위하여 서브-마이크론(Sub- micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. 그러나 현재까지는 CCD에 비하여 화질이 떨어지므로 이를 개선하려는 노력이 진행중이다. 즉, CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이기 때문에 이를 위한 노력이 진행중이다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(MD), 및 셀렉트게이트(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도2는 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 필드영역 및 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도로서, 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우이다. 도3을 참조하면 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드는P+기판(21)에 에피택셜 성장된 P-에피층(22)이 형성되고, 이 P-에피층(22) 내부에 N-확산영역(24)이 형성되고, 이 N-확산영역(24) 상부와 P-에피층(22) 표면 하부에 P0확산영역(25)이 형성되어 구성된다. 따라서, 핀드 포토다이오드의 N-확산영역(24)과 P영역(P0확산영역, P-에피층) 간에 역바이어스가 걸리면, N-확산영역(24)과 P영역의 불순물 농도가 적절히 배합되었을 때 N-확산영역(13)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되면서 N-확산영역(24) 하부에 존재하는 P-에피층(22)과 N-확산영역(24) 상부에 존재하는 P0확산영역(25)으로 공핍영역이 확장되는바, 도펀트농도가 상대적으로 낮은 P-에피층(22)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 이때의 N-확산영역(13)이 갖는 전압을 "피닝전압(Pinning voltage)"라 한다. 이렇듯, 핀드 포토다이오드는 기판 깊숙히 넓은 공핍영역을 확보할 수 있어, 외부로부터 입사된 광에 대하여 많은 광전하를 생성 및 축적할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 구조를 갖는 종래의 포토다이오드는, 충분한 커패시턴스(capacitance) 및 가시광선 영역대의 빛에 대해 충분한 광전하생성율(Quantum Efficiency)을 갖어야 하지만, 이두가지를 동시에 만족하기 힘든 구조적 한계를 갖고 있다. 즉, 단파장의 블루 빛과 같은 가시광선 영역대의 빛에 대해 충분한 광전하생성율를 갖기 위해서는, 실리콘층 표면 근처의P0확산영역(25)이 될 수 있으면 저농도를 가져서 실리콘 표면 근처에서 공핍층이 크게 존재하여야 하는데, 반면에 P0확산영역(25)이 저농도를 갖게되면 P0확산영역(25)과 N-확산영역(24) 간의 충분한 PN 접합 커패시턴스를 갖지 못하여 생성된 광전하는 축적할 수 있는 능력이 떨어진다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 단파장 빛에 대해 높은 광전하생성효율을 가짐과 동시에 큰 커패시턴스를 갖는 이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소 회로도.
도2는 통상의 기술에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.
도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 공정 단면도.
도5는 P0이온주입영역을 형성하기 위한 이온주입마스크의 일실시예 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
401 : P+실리콘기판
402 : P-에피층
403 : 필드절연막
404 : 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극
405 : N-이온주입용 이온주입마스크패턴
406 : N-이온주입영역
407 : P0이온주입용 이온주입마스크패턴
408 : P0이온주입영역
408a : P0확산영역
406a : N-확산영역
410 : PN 접합
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 핀드 포토다이오드는, 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및 상기 반도체층 표면과 근접한 상기 반도체층 내에서 굴곡진 PN 접합을 형성하는 제2도전형의 제1확산영역 및 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 상기 이미지센서는, 상기 핀드포토다이오드에 근접한 트랜스퍼게이트를 더 포함하며, 상기 트랜스퍼게이트에 인접한 상기 제1도전형의 확산영역은 타 지역에 비해 상대적으로 저농도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서 제조방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계; 상기 핀드 포토다이오드가 형성될 영역이 오픈된 제1마스크패턴을 사용한 이온주입을 실시하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 단계; 상기 활성영역을 국부적으로 다수군데 오픈된 제2마스크패턴을 사용한 이온주입을 실시하여 상기 반도체층 표면 하부에 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 단계; 및 열공정에 의해 상기 제1 및 제2 이온주입층 내의 불순물을 확산시켜 상기 제1 및 제2 이온주입층에 의한 굴곡진 PN 접합을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 바람직하게 상기 반도체층은 고농도의 실리콘기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층으로 구성할 수 있다.
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.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이다.
먼저, 도4a를 참조하면, P+실리콘기판(401) 상에 저농도의 P-에피층(402)이 성장된 웨이퍼를 준비한 다음, 필드절연막(403)과 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(404)을 형성한다. 이어서, 포토다이오드가 형성될 활성영역이 오픈된 이온주입마스크패턴(405)을 형성한 다음, 저농도 고에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(402) 내에 N-이온주입영역(406)을 형성한다.
이어서, 도4b를 참조하면, 상기 이온주입마스크패턴(405)을 제거하고 포토다이오드가 형성될 활성영역이 국부적으로 다수군데 오픈된 이온주입마스크패턴(407)을 형성한 다음, 저농도 저에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(402) 표면 하부에 국부적으로 다수군데 P0이온주입영역(408)을 형성한다.
P0이온주입영역(408)을 형성하기 위한 일예시적인 이온주입마스크(407)의 평면도가 도5에 도시되어 있는바, 도5에 도시된 바와 같이, P0이온주입영역(408)을 형성하기 위한 이온주입마스크(407)는 가로세로 방향으로 투광부 및 비투광부가 반복되는 그물 모양의 격자형 마스크를 채용 할 수 있다.
이어서, 도4c는 후속 열공정에 의해 P0이온주입영역(408)과 N-이온주입영역(406)들의 각 도펀트들이 확산되어 최종적인 P0확산영역(408a)과 N-확산영역(406a)이 완료된 상태이다.
도4c를 참조하면, 본 발명에 따른 포토다이오드는 실리콘 표면 근처에서의 PN 접합(410)이 굴곡져 있기 때문에 종래보다 PN 접합 면적이 커져 있음을 알 수 있고, 이에 의해 포토다이오드의 커패시턴스는 증대되게 된다. 또한, PN 접합(410)이 굴곡져 있기 때문에, P0확산영역(408a)이 상대적으로 저농도의 불술물을 갖더라도 공핍층이 실리콘 표면 근처에 아주 근접하여 형성된다. 따라서, 블루 빛과 같은 단파장 빛에 대하여 광전하생성효율을 높일 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 포토다이오드는 단파장 빛에 대해 높은 광전하생성효율을 가짐과 동시에, 큰 커패시턴스를 가지게 된다.
한편, 이미지센서 트랜스퍼게이트의 특성은 포토다이오드를 형성하는 P0확산영역과 N-확산영역의 불순물 양 및 그 분포에 의해 변화할 수 있는 바, 본 발명은, 격자형 이온주입마스크와 트랜스퍼게이트 사이의 정렬 및 비정렬에 의해 트랜스퍼게이트 인접지역의 P0확산영역과 N-확산영역의 불순물 농도를 조절가능하므로 트랜스퍼게이트의 특성을 조절할 수 있다.
예컨대, 트랜스퍼게이트의 에지 지역에서 P0확산영역의 불순물 농도가 낮을 경우 트랜스퍼게이트의 채널지역으로 확산되는 불순물 농도는 적어질 것이고, 이에 의해 트랜스퍼게이트의 전위장벽(barrier potential)을 낮출 수 있다. 이에 의해 포토다이오드로부터 센싱노드(트랜스퍼게이트의 타측 접합)로 전달되는 전하의 양을 증대시킬 수 있다. 즉 전하운송효율을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서는 P-에피층을 사용하는 구성을 보여주고 있으나, P-에피층 없이 P형실리콘기판에 바로 P/N/P 구조의 포토다이오드가 형성될 때에도 본 발명은 적용될 수 있으며, 또한, PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드가 아닌 PN 접합 구조를 갖는 포토다이오드에도 본 발명은 적용될 수 있다.
이렇듯, 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 발명에 따른 포토다이오드는 단파장 빛에 대해 높은 광전하생성효율을 가짐과 동시에, 큰 커패시턴스를 가지므로써, 이러한 포토다이오드가 적용된 이미지센서의 특성 및 신뢰성을 크게 개선하는 효과가 있다.
Claims (4)
- 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서,상기 핀드 포토다이오드는,상기 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및상기 반도체층 표면과 근접한 상기 반도체층 내에서 굴곡진 PN 접합을 형성하는 제2도전형의 제1확산영역 및 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 이미지센서는,상기 핀드포토다이오드에 근접한 트랜스퍼게이트를 더 포함하며, 상기 트랜스퍼게이트에 인접한 상기 제1도전형의 확산영역은 타 지역에 비해 상대적으로 저농도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서 제조방법에 있어서,제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계;상기 핀드 포토다이오드가 형성될 영역이 오픈된 제1마스크패턴을 사용한 이온주입을 실시하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 단계;상기 활성영역을 국부적으로 다수군데 오픈된 제2마스크패턴을 사용한 이온주입을 실시하여 상기 반도체층 표면 하부에 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 단계; 및열공정에 의해 상기 제1 및 제2 이온주입층 내의 불순물을 확산시켜 상기 제1 및 제2 이온주입층에 의한 굴곡진 PN 접합을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 제2마스크패턴은 격자형마스크패턴임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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