KR100907884B1 - 반도체 포토 다이오드 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
트랜치 영역에 픽셀을 갖는 반도체 포토 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 기판에 트랜치를 형성하는 단계와, 상기 트랜치에 이온 주입을 실시하여 상기 트랜치의 하부 영역에 이온을 주입시키는 단계와, 상기 이온이 주입된 영역에 역전압을 인가하여 공핍층을 형성하는 단계와, 상기 트랜치에 박막을 매립시키는 단계와, 상기 트랜치 박막을 갖는 기판 상에 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제조 방법에 의해 제조된 포토 다이오드는 기판에 형성되는 트랜치와, 상기 트랜치 하부에 형성되는 포토 다이오드용 이온 주입 영역과, 상기 이온 주입 영역 하부에 형성되는 공핍층과, 상기 기판 상에 형성된 포토 다이오드 스위칭용 트랜지스터를 포함한다. 이에 따라,
우수한 기능의 구현이 가능한 포토 다이오드를 제공할 수 있다.
Description
도 1은 종래의 방법에 따라 제조된 반도체 포토 다이오드를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 반도체 포토 다이오드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 제조된 반도체 포토 다이오드를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 5는 도 4의 A-A'선을 자른 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 종래의 반도체 포토 다이오드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
본 발명은 반도체 포토 다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트랜치(trench) 영역에 픽셀(pixel)을 갖는 반도체 포토 다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례 차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 종래의 방법에 따라 제조된 반도체 포토 다이오드를 나타내는 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A'선을 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 포토 다이오드의 픽셀은 활성 영역(2)에 형성된다. 그리고, 상기 활성 영역(2)은 트랜치와 같은 비활성 영역(1)에 의해 정의된다. 그리고, 상기 포토 다이오드는 포토 다이오드의 스위칭 기능을 갖는 트랜지스터(3) 즉, 게이트 전극과, 상기 포토 다이오드의 신호를 연결하는 배선 즉, 콘택 (4)과 금속 배선(5)을 갖는다. 여기서, 포토 다이오드를 형성할 때 원하지 않는 부위에 실리사이드막이 형성되는 것을 저지하기 위한 블록킹층(8)이 형성된다.
또한, 단면적 구조에서 포토 다이오드에서의 이온 주입 영역(9) 및 공핍층(7)이 나타난다. 그리고, 상기 콘택(4) 및 금속 배선(5)이 다른 구조물과 전기적으로 절연시키기 위한 절연막(6)을 갖는다.
상기 구조를 갖는 포토 다이오드는 광의 조사에 의해 전자홀쌍(EHP:electron hole pair)을 센싱하는 방식에 의해 발광하는 기능을 갖는다.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 반도체 포토 다이오드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 트랜지스터(3)를 갖는 활성 영역(2)과 트랜치 박막을 갖는 비활성 영역(1)으로 정의된 기판(10)을 마련한다. 그리고, 비활성 영역(1)과 접하는 부위만을 노출시키는 이온 주입 마스크층(15)을 형성한 후, 이온 주입을 실시한다. 이에 따라, 포토 다이오드의 구성 요소로서의 이온 주입 영역(9)을 형성한다. 이후에 공핑층(도시되지 않음)을 형성한다.
이어서, 상기 이온 주입 마스크층(15)을 제거한 후, 이온 주입을 실시하여 소스/드레인 영역이 완전하게 갖추어진 트랜지스터(3)를 형성한다.
그리고, 상기 기판(10) 상에 박막(8a)을 형성한 후, 포토레지스트 패턴과 같은 식각 마스층(16)을 사용하여 상기 박막(8a)을 식각한다. 이에 따라, 상기 기판(10) 상에는 실리사이드막(12a)이 형성되는 것을 부분적으로 저지하기 위한 블로킹층(8)이 형성된다.
이어서, 상기 블로킹층(8)을 갖는 기판(10) 상에 실리사이드막(12a)으로 형성하기 위한 박막(12)을 형성한다. 그리고, 상기 박막(12)을 살리사이데이션(salicidation) 반응을 통하여 실리사이드막(12a)으로 형성한다. 이때, 상기 트랜지스터(3)의 게이트 전극과 소스/드레인 영역의 표면 상에만 실리사이드막(12a)이 형성된다. 이에 따라, 상기 포토 다이오드를 갖는 반도체 장치의 제조가 완성된다.
그러나, 상기 종래의 포토 다이오드에서는 빛이 실리콘(si)층을 통과하여 전자홀쌍(EHP)를 발생시키기 때문에 파장이 짧은 블루(blue)신호는 산란이 많이 되어 데이터 손실이 많게 된다.
또한, 상기 종래의 포토 다이오드 제조 방법에 있어 블로킹층을 형성하기 위한 박막 적층 및 패터닝 공정을 요구하기 때문에 다소 복잡한 공정이 진행되며, 이러한 공정 중에 실리콘 표면이 손상된다.
또한, 상기 포토 다이오드를 상기 비활성 영역 즉, 트랜치와 접하는 부위에 형성하기 때문에 누설 전류와 같은 문제점을 갖는다. 따라서, 포토 다이오드의 기능을 저하시키는 원인으로 작용한다.
이와 같이, 종래의 포토 다이오드는 제조 방법에서의 문제와 그것의 기능적인 문제를 동시에 갖고 있다.
본 발명의 목적은, 트랜치의 하부에 포토다이오드를 형성하고, 살리사이드 블록킹층을 사용하지 않음으로써, 포토 다이오드의 광투과성을 개선하고 제조 공정이 간단해지는 반도체 포토 다이오드 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조 방법, 기판에 트랜치를 형성하는 단계와, 상기 트랜치에 이온 주입을 실시하여 상기 트랜치의 하부 영역에 이온을 주입시키는 단계와, 상기 이온이 주입된 영역에 역전압을 인가하여 공핍층을 형성 하는 단계와, 상기 트랜치에 박막을 매립시키는 단계와, 상기 트랜치 박막을 갖는 기판 상에 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 트랜지스터는 게이트 전극과 소스/드레인 영역을 구비하며, 상기 게이트 전극과 소스/드레인 영역의 상부에 실리사이드막이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 포토 다이오드는, 기판에 형성되는 트랜치와, 상기 트랜치 하부에 형성되는 포토 다이오드용 이온 주입 영역과, 상기 이온 주입 영역 하부에 형성되는 공핍층과, 상기 기판 상에 형성된 포토 다이오드 스위칭용 트랜지스터를 포함한다.
여기서, 별도의 블로킹층이 없어도 상기 실리사이드막의 형성이 충분히 가능하다. 그리고, 상기 포토 다이오드를 트랜치 하부에 형성함으로서 포토 다이오드의 광투과성이 개선 .
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 제조된 반도체 포토 다이오드를 나타내는 개략적인 평면도이고, 도 5는 도 4의 A-A'선을 자른 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 포토 다이오드의 픽셀은 비활성 영역 즉, 트랜치(41)의 하부에 형성된다. 즉, 상기 포토 다이오드는 트랜치(41) 및 그것의 하부에 포토 다이오드의 이온 주입 영역(43) 및 공핍층(47)이 형성되는 것이다.
그리고, 상기 포토 다이오드는 활성 영역에 포토 다이오드의 스위칭 기능을 갖는 트랜지스터(45) 즉, 게이트 전극과, 상기 포토 다이오드의 신호를 연결하는 배선 즉, 콘택 배선(44)과 금속 배선(46)을 갖는다.
또한, 단면적 구조에서 포토 다이오드에서의 이온 주입 영역(43) 및 공핍층(47)이 보다 구체적으로 나타난다. 그리고, 상기 콘택 배선(44) 및 금속 배선(46)이 다른 구조물과 전기적으로 절연시키기 위한 절연막(48)을 갖는다.
상기 구조를 갖는 포토 다이오드는 광의 조사에 의해 전자홀쌍(EHP: electron hole pair)을 센싱하는 방식에 의해 발광하는 기능을 갖는다.
그러나, 상기 포토 다이오드는 블로킹층과 같은 구성 요소를 포함하지 않는다. 또한, 비활성 영역에 상기 포토 다이오드를 형성함으로서 미세 패턴의 형성이 용이하다. 그리고, 상기 포토 다이오드가 상기 트랜치의 하부에 형성됨에도 불구하고 그것의 특성에는 영향을 끼치지 않는다. 오히여 더 우수한 특성을 갖는 포토 다이오드의 구현이 가능하다. 이는, 낮은 농도를 갖는 이온 주입 영역에 전계를 인가할 경우 더 넓은 공핍층이 발생하고, 이를 통하여 폭넓은 파장의 빛에 대한 반응을 기대할 수 있기 때문이다. 특히, 트랜치 하부의 깊은 영역까지 공핍층을 형성할 수 있기 때문에 블루(blue) 신호에 대한 센싱 특성을 기대할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 종래의 반도체 포토 다이오드를 제조하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 트랜치(41)에 의한 비활성 영역 및 활성 영역으로 정의된 기판(60)을 마련한다. 상기 트랜치(41)는 사진 식각 공정을 통하여 상기 기판(60)에 형성된다. 상기 트랜치(41)의 내부에 광투과성 산화막이 매립된다.
이어서, 상기 기판(60) 상에 상기 트랜치(41) 부위를 노출시키는 포토레지스 트 패턴(62)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(62)의 형성은 상기 기판(60) 상에 포토레지스트막을 형성한 후, 사진 식각 공정을 통하여 상기 트랜치(41) 부위에 형성된 상기 포토레지스트막을 제거함에 의해 달성된다.
그리고, 상기 포토레지스트 패턴(62)을 이온 주입 마스크층으로 사용한 이온 주입을 실시한다. 이때, 상기 기판(60)에 주입되는 이온의 예로서는 n 타입의 이온을 들 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜치(41)의 하부에는 포토 다이오드의 이온 주입 영역(43)으로서의 웰(well) 즉, n-웰이 형성된다. 구체적으로, 상기 트랜치(41) 하부의 표면을 따라 상기 이온 주입 영역(43)으로서의 웰이 형성된다.
계속해서, 상기 이온 주입 영역(43)의 하부에 공핍층을 형성할 수 있다. 상기 공핍층의 형성은 상기 이온이 주입된 영역에 역전압을 인가함에 의해 달성된다. 이어서, 상기 기판(60) 상에 형성되어 있는 포토레지스트 패턴(62)을 제거한다.
그리고, 상기 기판(60) 상에 트랜지스터(45)를 형성한다. 이때, 상기 트랜지스터(45)는 상기 포토 다이오드의 스위칭 소자의 기능을 갖는다.
다음에, 상기 기판(60) 상에 실리사이드막(65a)을 형성하기 위한 박막(65)을 형성한 후, 살리사이데이션(silicidation) 공정을 실시한다. 이에 따라, 상기 기판(60) 상에 부분적으로 실리사이드막(65a)이 형성된다. 즉, 상기 트랜지스터(45)의 게이트 전극 및 소스/드레인 영역의 상부에 상기 실리사이드막(65a)이 형성된다. 그리고, 상기 실리사이드막으로 형성되지 않은 박막(65)을 제거한다.
이와 같이, 상기 공정을 순차적으로 수행함에 따라 포토 다이오드의 형성이 완성된다.
여기서, 상기 포토 다이오드의 경우에는 종래의 블로킹막을 형성하는 공정을 생략할 수 있다. 이는, 상기 포토 다이오드를 상기 트랜치의 아래에 형성하기 때문이다. 또한, 상기 트랜치의 아래에 상기 포토 다이오드를 형성함으로서 광 투과성과 같은 특성을 향상시킬 수 있다. 이는, 상기 트랜치를 이루어지는 박막의 재질에 의해 가능한데, 상기 박막을 주로 산화막으로 형성하기 때문이다. 또한, 상기 이온 주입 영역과 기판이 수직적 접합 구조를 갖기 때문에 전압 인가시 수직 방향 즉, 양방향으로 공핍층이 존재하기 때문에 그 기능의 우수성을 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 트랜치의 하부에 포토 다이오드를 형성하고, 빛이 트랜치 내부의 투명한 산화막을 통과하도록 형성함으로써, 광투과성을 향상시킬 수 있으며, 블로킹막을 형성하는 공정을 사용하지 않음으로써 공정의 단순화를 달성할 수 있고, 또한 트랜치의 측벽에서 발생되는 누설 전류를 최소화하여 궁극적으로 암전류를 감소시키는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 반도체 다이오드의 신뢰도 및 생산성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있 음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (3)
- 기판에 트랜치를 형성하고 상기 트랜치 내부에 광투과성 산화막을 매립하는 단계;상기 트랜치에 이온 주입을 실시하여 상기 기판의 비활성 영역인 상기 트랜치의 하부에 이온 주입 영역을 형성하는 단계;상기 이온 주입 영역에 역전압을 인가하여 상기 이온 주입 영역 하부에 공핍층을 형성하는 단계; 및상기 기판의 활성 영역에 게이트 전극, 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하는 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 포토 다이오드의 제조 방법은,상기 트랜지스터가 형성된 기판 전면에 실리사이드막용 박막을 형성하는 단계; 및살리사이데이션(silicidation) 공정을 수행하여 상기 트랜지스터의 상기 게이트 전극, 상기 소스 영역 및 드레인 영역 각각의 상부에 실리사이드막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 포토 다이오드의 제조 방법.
- 기판에 형성되는 광투과성 산화막이 매립된 트랜치;상기 기판의 비활성 영역에 해당하는 상기 트랜치의 하부에 형성된 포토 다이오드용 이온 주입 영역;상기 이온 주입 영역의 하부에 형성된 공핍층; 및상기 기판의 활성 영역에 형성된 포토 다이오드 스위칭용 트랜지스터를 포함하는 반도체 포토 다이오드.
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