KR100625945B1 - 씨모스 이미지 센서의 포토다이오드 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드와 실리콘기판 표면간 격리를 위해 도입되는 p형 불순물영역의 깊이를 얕게 하여 블루계열 광의 광효율을 개선시키고, 이온주입시 발생하는 결정결함을 억제하며, 고농도로 p형 불순물영역을 형성하여 광특성을 개선시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 제1도전형의 반도체층의 포토다이오드가 형성될 영역에 이온주입을 실시하여 제2도전형의 제1불순물영역을 형성하는 단계, 및 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스 분위기(B2H6)에서 어닐을 실시하여 상기 제1불순물영역 내의 상기 반도체층 표면에 상기 제1도전형의 불순물원자(보론)가 확산하여 도핑된 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 이와 같은 본 발명은 포토다이오드 상부에 위치하는 p형 불순물영역을 B2H6 분위기의 어닐을 통해 형성하므로써, 이온주입에 의해 발생하는 결정결함을 근본적으로 억제할 수 있고, 또한 어닐을 통해 고농도로 얕게 형성하므로 암전류를 줄이면서 블루계열의 파장 및 그린계열의 파장에 대한 광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
씨모스 이미지 센서, 포토다이오드, p형 불순물영역, 암전류, 결정결함
Description
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 포토다이오드 제조 방법을 도시한 공정 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : p++ 기판 22 : p형 에피층
23 : 필드산화막 24 : 게이트산화막
25 : 게이트전극 26 : 스페이서
27 : n- 층 28 : 배리어층
29 : 마스크패턴 30 : p+ 층
본 발명은 이미지 센서에 관하 것으로, 특히 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image sensor)는 반도체 물질이 빛에 반응하는 성질을 이용하여 영상정보를 캡쳐하는 장치로서, 빛의 밝기 및 파장 등이 다른 피사체를 감지하는 각 화소(Pixel)에서 다르게 나타나는 전기적 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 장치를 일컫는다.
이러한 이미지센서에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 씨모스이미지센서(CMOS Image sensor)가 있으며, 외부의 피사체영상을 촬상한 빛을 흡수하여 광전하를 모으고 축적하는 수광소자로 포토다이오드(Photodiode; PD)를 이용한다.
통상적인 씨모스 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다. 여기서 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)는 네이티브트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋트랜지스터(Rx)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다.
상기와 같은 씨모스이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브트랜지스터(Native Transistor)를 사용하여 포토다이오드(PD)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅디퓨전영역(FD)으로, 즉 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.
도 1은 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면으로서, 포토다이오드와 트랜스퍼트랜지스터만을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, p형 불순물이 고농도로 도핑된 p++ 기판(11)에 p형 불순물이 인시튜로 도핑되어 에피택셜 성장된 p형 에피층(12)이 형성되고, p형 에피층(12)의 일부분에에 소자간 격리를 위한 필드산화막(13)이 형성된다.
그리고, p형 에피층(12)의 일측 표면 상에 게이트산화막(14)이 형성되고, 게이트산화막(14) 상에 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게이트전극(15)이 형성되며, 게이트산화막(14)과 게이트전극(15)의 양측벽에 스페이서(16)가 형성되어 있다.
그리고, 게이트전극(15)의 일측벽의 스페이서(16) 에지에 정렬되면서 p 형 에피층(12) 내부에 소정 깊이를 갖는 n형 불순물영역(17)이 형성되고, n형 불순물영역(17) 상부와 p형 에피층(12)의 표면 하부에 스페이서(17)에 정렬되는 p형 불순물영역(18)이 형성된다. 여기서, n형 불순물 영역(17)은 깊은 n- 영역이라 일컫고, p형 불순물 영역(18)은 p0 영역이라고 일컫는다.
도 1의 종래기술은 n형 불순물영역(17)과 p형 에피층(12)으로 이루어진 PN 접합 부근에서 광에 의한 전자-홀 페어(Electron-Hole Pair; EHP) 캐리어들이 발생하고, 이 캐리어들이 인가된 바이어스에 의해 트랜지스퍼트랜지스터(Tx)로 이동하여 전류를 발생하므로서 광에너지를 전류로 전환한다.
결국, n형 불순물 영역(17)과 p형 에피층(12)으로 이루어진 PN 접합이 포토다이오드가 된다.
그리고, n형 불순물영역(17) 위에 위치하는 즉 포토다이오드의 최상부에 위치하는 p형 불순물영역(18)은 포토다이오드와 실리콘기판(p형 에피층)의 표면을 격리시켜 주어 실리콘기판 표면의 실리콘댕글링본드(Silicon dangling bond)에 의한 암전류(Dark current)의 유입을 억제시켜 준다.
그러나, 종래기술은 p형 불순물영역(18)을 형성할 때 다음과 같은 문제점을 갖는다.
첫째, p형 불순물영역(18)을 이온주입에 의해 형성하므로 이온주입에 의한 결정결함이 발생한다. 이온주입의 특성(이온충돌)에 기인해 결정결함의 발생은 피할 수 없고, 이러한 결정결함은 암전류의 원인이 된다.
둘째, 이온주입 특성상 보론이 주입되는 깊이를 얕게 제한하기가 어렵다. 따라서, 이온주입후 전기적으로 활성화시키기 위한 열공정을 거치면 표면에서 1000Å까지 확산하게 되는데, 이로 인해 표면의 1000Å가 포토다이오드에서 제외되게 된다. 400nm 부근의 파장을 갖는 블루계열의 광은 실리콘에서의 침투깊이가 400Å정도밖에 되지 않는다. 따라서, p형 불순물영역(18)의 깊이가 1000Å로 깊어지면, 400nm∼500nm 파장대역의 광에 대한 광효율이 크게 열화된다. 즉, 파장이 400nm 대역인 블루(Blue) 계열의 광은 실리콘층을 400Å 이상 투과하지 못하는 특성을 갖는데, 상기 p형 불순물영역(18)의 깊이가 깊어지면 블루 계열의 광은 캐리어 생성 효율(Carrier generation efficiency)이 크게 떨어지게 된다.
셋째, 위에서 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 p형 불순물영역(18)의 깊이를 낮춰야 하기 때문에 p형 불순물영역(18)의 도핑을 충분히 할 수 없어 p형 불순물영역(18)의 역할을 제대로 수행하지 못하므로 광특성이 제약을 받게 된다.
위와 같은 이온주입법에 의한 p형 불순물영역(18) 형성시 발생하는 결정결함을 방지하기 위해 BSG(Boron Silicate Galss) 증착을 통해 BSG에 도핑되어 있는 보론을 확산시켜 p형 불순물영역(18)을 형성하는 방법이 제안되었다.
그러나, BSG 증착을 통한 방법으로는 고농도로 도핑된 p형 불순물영역(18)을 형성하기가 어렵고, 그 깊이또한 얕게 형성하기 어렵다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토 다이오드와 실리콘기판 표면간 격리를 위해 도입되는 p형 불순물영역의 깊이를 얕게 하여 블루계열 광의 광효율을 개선시키고, 이온주입시 발생하는 결정결함을 억제하며, 고농도로 p형 불순물영역을 형성하여 광특성을 개선시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 제1도전형의 반도체층의 포토다이오드가 형성될 영역에 이온주입을 실시하여 제2도전형의 제1불순물영역을 형성하는 단계, 및 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐을 실시하여 상기 제1불순물영역 내의 상기 반도체층 표면에 상기 제1도전형의 불순물원자가 확산하여 도핑된 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은, 퍼니스공정 또는 급속열처리공정을 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은 500℃∼1000℃ 1000의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은 보론원자가 함유된 가스(B2H6) 분위기에서 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 B2H6 가스를 희석시키기 위해 H2 또는 N2 가스를 첨가하는 것을 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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 고농도 p형 불순물이 도핑된 p++ 기판(21) 상에 저농도 p형 불순물이 도핑된 p형 에피층(22)을 성장시킨 후, p형 에피층(22)의 소정영역에 필드산화막(23)을 형성한다. 여기서, p형 에피층(22)을 성장시키는 이유는, 저농도 p형 에피층(22)이 존재하므로 포토다이오드(PD)의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 우수한 광감도특성을 얻을 수 있고, 포토다이오드(PD)의 공핍층이 도달하지 않는 p++ 기판(21)의 깊은 곳에서 발생될 수 있는 광전하들의 불규칙한 이동에 의한 단위화소간 크로스토크 현상을 고농도의 p++ 기판(21)의 존재로 광전하들을 재결합시키므로써 방지할 수 있기 때문이다.
위와 같은, p++ 기판(21)과 p형 에피층(22)은 p형 불순물이 도핑된 것이므로, 편의상 p형 반도체층(20)이라 약칭한다.
다음으로, p형 에피층(22) 상에 게이트산화막(24)을 형성한 후, 게이트산화막(24) 상에 단위화소의 4개의 트랜지스터의 게이트전극(25)을 형성한다. 여기서, 게이트전극(25)은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극이라 한다.
이어서, 게이트전극의 양측벽에 접하는 스페이서(26)를 형성한다. 이때, 스 페이서(26)는 질화막 증착 및 에치백을 통해 형성한다.
위와 같이, 단위화소를 구성하는 트랜지스터의 게이트전극을 형성한 후에, 포토다이오드영역을 형성하기 위한 공정을 진행한다.
먼저, 게이트전극(25) 일측(필드산화막과 게이트전극 사이)의 p형 에피층(22) 내에 스페이서(26) 에지에 정렬되는 n형 불순물영역(26)을 형성한다. 이때, n형 불순물영역(26)은 n형 불순물을 이온주입하여 형성하는데, 예컨대 인(P) 또는 비소(As)를 이온주입한다.
위와 같은 n형 불순물영역(26) 형성을 통해 p형 반도체층(20)의 p형 에피층(22)과 n형 불순물영역(26)으로 이루어지는 PN 접합이 형성되고, 이 PN 접합은 포토다이오드를 구성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 게이트전극 및 스페이서를 포함한 전면에 배리어층(27)을 형성한다. 이때, 배리어층(27)은 저압화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD)을 이용하여 200Å∼300Å 두께로 증착한 산화막, 특히 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)이다. 이상의 저압화학기상증착법을 '저압퍼니스화학기상증착법'이라고 일컫는다.
한편, 배리어층(27) 형성시 저압퍼니스화학기상증착법이 아닌 매엽식화학기상증착법을 이용할 수 있는데, 이처럼 매엽식화학기상증착법을 이용하여 배리어층(27)을 형성하면 저압퍼니스화학기상증착법으로 형성할 때 발생하는 써멀버짓(Thermal budget)을 억제할 수 있다.
상기 배리어층(27)은 후속 어닐 공정시 보론이 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 영역으로 확산하는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 배리어층(27)을 포함한 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 포토다이오드 영역의 상부를 오픈시키는 마스크패턴(28)을 형성한다.
이어서, 마스크패턴(28)을 식각장벽으로 하여 BOE(Buffered Oxide Etcher)를 이용하여 배리어층(27)을 습식식각한다. 이로써, 배리어층(27)은 포토다이오드 영역에서는 존재하지 않고, 나머지 영역에만 잔류한다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 마스크패턴(28)을 제거한다. 위와 같이 마스크패턴(28) 제거후의 결과를 살펴보면, 포토다이오드 영역의 p형 에피층(22) 표면이 노출된다.
이어서, p형 불순물 원자가 함유된 가스를 흘려주면서, 예컨대 B2H6 가스분위기에서 어닐을 실시하여 n형 불순물영역(27)의 p형 에피층(22) 표면에 보론이 확산하도록 하여 고농도의 보론이 도핑된 p형 불순물영역(p+, 30)을 형성한다. 이때, B2H6 분위기에서 어닐을 진행할 때, 배리어층(27)이 덮고 있는 포토다이오드영역 이외의 영역에서는 B2H6 분위기에 노출되지 않으므로 보론의 도핑이 진행되지 않고, n형 불순물영역(27)의 표면층만 고농도로 보론이 도핑된다.
상기 B2H6 가스분위기에서 어닐은 500℃∼1000℃ 범위에서 퍼니스 공정을 이용하여 진행한다. 또한, 써멀버짓을 줄이기 위해 급속열처리공정(Rapid Thermal Process)을 이용할 수도 있다.
그리고, 어닐시 B2H6 가스를 희석시키기 위해 H2 또는 N2를 첨가하여 어닐을 진행하고, 어닐 분위기가스로 B2H6 외에 다른 보론소스가스를 사용할 수 있다. 일예로, 보론소스가스는 BH3를 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 n형 불순물영역(27) 위에 위치하여 포토다이오드와 p형 에피층(22)의 표면을 격리시켜 주어 p형 에피층(22) 표면의 실리콘댕글링본드에 의한 암전류의 유입을 억제시켜 주기 위해 도입되는 p형 불순물영역(30)을 이온주입법이 아닌 어닐을 통해 고농도의 보론이 도핑되도록 하여 p0형의 불순물영역이 아닌 p+ 형의 불순물영역을 형성하고 있다.
이처럼, B2H6 분위기의 어닐을 통해 p형 불순물영역(30)을 형성하면, p형 에피층(22) 표면의 이온 충돌이 없으므로(B2H6 가스에서 분해된 보론이 확산하여 형성됨) 결정결함이 근본적으로 방지되고, 또한 이온주입법이 아닌 어닐을 통해 형성하므로 B2H6 가스의 유량 조절을 통해 충분히 고농도로 보론을 얕게 도핑할 수 있다. 이처럼, 얕고 고농도로 p형 불순물영역을 형성하면, 블루계열의 파장은 물론 그린계열의 파장에 대해서도 광특성을 개선시킬 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 불산(HF) 수용액을 이용한 습식식각으로 배리어층(28)을 제거한다. 이때, 배리어층(28) 제거시 건식식각을 이용하게 되면, 건식식 각시 발생하는 이온충돌에 의해 결정결함이 발생할 수 있으므로, 습식식각으로 제거하는 것이 바람직하다.
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 포토다이오드 상부에 위치하는 p형 불순물영역을 P형 불순물원자가 함유된 가스(B2H6) 분위기의 어닐을 통해 형성하므로써, 이온주입에 의해 발생하는 결정결함을 근본적으로 억제할 수 있고, 또한 어닐을 통해 고농도로 얕게 형성하므로 암전류를 줄이면서 블루계열의 파장 및 그린계열의 파장에 대한 광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (15)
- 제1도전형의 반도체층의 포토다이오드가 형성될 영역에 이온주입을 실시하여 제2도전형의 제1불순물영역을 형성하는 단계; 및제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐을 실시하여 상기 제1불순물영역 내의 상기 반도체층 표면에 상기 제1도전형의 불순물원자가 확산하여 도핑된 제1도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2불순물영역을 형성하는 단계는,상기 반도체층 상부에 배리어층을 형성하는 단계;상기 배리어층을 선택적으로 식각하여 상기 제1불순물영역의 상기 반도체층 표면을 오픈시키는 단계;상기 배리어층에 의해 오픈된 상기 제1불순물영역의 상기 반도체층 표면에 대해 상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐을 실시하여 상기 제2불순물영역을 형성하는 단계; 및상기 배리어층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은,퍼니스공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은,급속열처리공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은,500℃∼1000℃의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1도전형의 불순물원자가 함유된 가스분위기에서 어닐은,보론원자가 함유된 가스분위기에서 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,상기 보론원자가 함유된 가스분위기는 B2H6 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 B2H6 가스를 희석시키기 위해 H2 또는 N2 가스를 첨가하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 배리어층은, 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 산화막은, 저압퍼니스화학기상증착법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 산화막은, 매엽식화학기상증착법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 산화막은, TEOS로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 배리어층을 제거하는 단계는,습식식각으로 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방 법.
- 제13항에 있어서,상기 배리어층을 제거하는 단계는,불산 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1도전형은 p형이고, 제2도전형은 n형인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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