KR100730470B1 - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 내의 포텐셜 분포를 적절히 분포하도록 함으로써 크로스 토크를 방지할 수 있는 포토다이오드 형성 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 기판 상에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 필드 절연막 하부의 상기 기판 내에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성함과 동시에 수광 영역 내의 상기 기판 내에 전위 장벽 역할을 하는 제1도전형의 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 기판 내의 상기 제1불순물 영역 상부에 오버랩되는 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계; 및 상기 제2불순물 영역 상부 및 상기 기판 표면에 접하는 제1도전형의 제3불순물 영역을 형성하는 제4단계를 포함하여 이루어지는 포토다이오드 형성 방법을 제공한다.
포텐셜, 전위 장벽, FD, 크로스 토크, 이미지센서.
Description
도 1은 종래기술에 따른 포토다이오드를 도시한 단면측 개략도,
도 2a는 도 1을 A-A' 방향으로 절단한 불순물 농도 분포를 도시한 그래프,
도 2b는 도 1을 A-A'으로 절단한 불순물 영역의 포텐셜 분포를 도시한 그래프,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 도시한 단면도,
도 4a는 도 3b를 A-A' 방향으로 절단한 불순물 농도 분포를 도시한 그래프,
도 4b는 도 3b를 A-A'으로 절단한 불순물 영역의 포텐셜 분포를 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기판
11 : 필드 절연막
12a : 채널 스탑 영역
12b, 14 : P형 불순물 영역
13 : N형 불순물 영역
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화소(Pixel)간 크로스 토크(Cross talk)를 방지할 수 있는 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 따른 포토다이오드를 도시한 단면측 개략도이다.
도 1을 참조하면, P형의 기판(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)이 형성되어 있는 바, STI 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 등의 구조로 형성되어 있으며, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)가 형성되나 여기서는 생략하였으며, 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 필드 절연막(11)의 하부에는 P형의 채널 스탑 영역(12)이 기판(10) 내부로 형성되어 있으며, 필드 절연막(11)과 게이트전극(도시하지 않음)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-, 13)이 기판(10) 내부에 소정의 깊이로 형성되어 있으며, 이는 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도로 도핑된 것이다. n- 영역(13)의 상부와 기판(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0, 14)이 형성되어 있다.
즉, PNP 구조의 포토다이오드를 이루며 n- 영역(13)이 높은 포텐셜을 갖게 되어 입사광에 의해 기판(20) 내부에서 생성된 광전자가 n- 영역(13)으로 모이게 된다.
한편, 상기한 바와 같은 종래의 이미지센서에 있어서, 장파장의 빛이 비스듬히 입사하여 기판(10) 내부에서 광전자를 생성시키면, 이러한 광전자는 인접 단위 화소의 포토다이오드로 이동하는 현상인 크로스 토크를 발생시킨다.
도 2a는 도 1을 A-A' 방향으로 절단한 불순물 농도 분포를 도시한 그래프로서, n- 영역(13)으로 광전자가 모이게 되며, 도 2b은 도 1을 A-A'으로 절단한 불순물 영역의 포텐셜(Potential) 분포를 도시한 그래프로서, 장파장의 빛에 의해서 기판(10) 내부에서 생성되는 광전자의 경우 도시된 바와 같이 n- 영역(13)으로 이동하게 되며, 이때 비스듬히 입사하는 장파장의 빛에 의해 생성되는 광전자의 경우에는 인접 단위 화소의 포토다이오드로 이동하게 되어 크로스 토크를 발생시킨다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 포토다이오드 내의 포텐셜 분포를 적절히 분포하도록 함으로써 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 기판 상에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 단계와, 상기 필드 절연막 하부의 상기 기판 내에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성하는 동시에 수광 영역 내의 상기 기판 내에 전위 장벽 역할을 하는 제1도전형의 제1불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 기판의 상기 제1불순물 영역 상부에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 포토다이오드를 형성하는 단계는, 상기 기판 내의 상기 제1불순물 영역 상부에 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 제2불순물 영역 상부 및 상기 기판 표면에 접하는 제1도전형의 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
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 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도로서, 이하 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 상세하게 설명한다.
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 3a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 국부적으로 필드 절연막(11)을 형성한 다음, 이온주입을 실시하여 필드 절연막(11) 하부의 기판(10)내에 P형 채널 스탑 영역(12a)을 형성함과 동시에 수광 영역 내의 기판(10) 내에 전위 장벽 역할을 하는 P형 불순물 영역(12b)을 형성한다.
구체적으로, 다위 화소 이외의 주변 회로 영역의 필드절연막(11) 부분과 단위 화소 내에서 수광 영역과 수광 영역 주변의 필드 절연막(11) 영역에 동시에 이온주입을 실시하여 필드 절연막(11) 하부에는 P형 채널 스탑 영역(12a)이 형성되도록 하고 수광영역에는 후속 n- 영역 하부에 위치하도록 높은 에너지를 이용하여 깊은 레벨로 P형 불순물 영역(12b)을 형성하는 바, 필드 절연막(11)에 의해 도시된 바와 같은 프로파일을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 별도의 마스크 공정 추가없이 P형 불순물 영역(12b)이 형성되며, 이 P형 불순물 영역(12b)은 전위 장벽 역할을 하여 경사 입사하는 장파에 의해 생성된 광전자의 이동을 방지할 수 있도록 한다.
다음으로 도 3b에 도시된 바와 같이, 이온주입을 실시하여 기판(10) 내의 P형 불순물 영역(12b) 상부에 오버랩되는 포토다이오드용 N형 불순물 영역(13)을 형성한 다음, N형 불순물 영역(13) 상부 및 기판(10) 표면에 접하는 P형 불순물 영역(14)을 형성한다.
구체적으로, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(23)에 접하는 포토다이오드용 N형 불순물 영역(13)을 기판(10) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한 다음, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한다. 이 때, N형 불순물 영역(13) 형성시 상기 P형 불순물 영역(12b) 형성시의 에너지 보다 더 낮은 에너지를 이용하여 두층이 오버랩되도록 한다.
다음으로, 도면에 도시되지는 않았지만, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성한, 센싱노드 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+(소스/드레인)를 형성한 후, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 N형 불순물 영역(13)의 상부와 기판(10) 표면에 접하는 포토다이오드용 P형 불순물 영역(14)을 형성함으로써, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성되고 P/N 접합의 FD(n+)가 형성된다.
도 4a는 도 3b를 A-A' 방향으로 절단한 불순물 농도 분포를 도시한 그래프로서, 도시된 바와 같이 N형 불순물 영역(13)의 농도가 높아 광전자가 모이게 되며 'A'와 같이 P형 불순물 영역(12b)에 의해 그 프로파일이 변화됨을 알 수 있다. 도 4b은 도 3b를 A-A'으로 절단한 불순물 영역의 포텐셜 분포를 도시한 그래프로서, 도시된 'B'와 같이 P형 불순물 영역(12b)에 의해 전위 장벽이 형성되어 비스듬히 입사하는 장파장의 빛에 의해 생성된 광전자의 이동을 억제할 수 있게 된다. 따라서, 광전자의 이동에 따른 크로스 토크를 방지할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 포토다이오드의 저농도 N형 불순물 영역 하부에 별도의 마스크 형성 공정 없이 P형 불순물 영역을 형성하여 전위 장벽을 형성함으로써, 경사 입사하는 장파장 빛에 의해 생성된 광전자의 이동을 억제하여 크로스 토크를 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, 별도의 추가 공정 없이 포토다이오드의 크로스 토크를 방지할 수 있어, 궁극적으로 포토다이오드의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (2)
- 제1도전형의 기판 상에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 단계;상기 필드 절연막 하부의 상기 기판 내에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성하는 동시에 수광 영역 내의 상기 기판 내에 전위 장벽 역할을 하는 제1도전형의 제1불순물 영역을 형성하는 단계; 및상기 기판의 상기 제1불순물 영역 상부에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하되,상기 포토다이오드를 형성하는 단계는,상기 기판 내의 상기 제1불순물 영역 상부에 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계; 및상기 제2불순물 영역 상부 및 상기 기판 표면에 접하는 제1도전형의 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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