KR100919998B1 - 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법에 관한 것으로, 제 1 도전형 반도체 기판 내에 제 2 도전형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계와, 제 1 도전형 반도체 기판에 대해 레이저 어닐을 수행하는 단계와, 제 1 도전형 반도체 기판에 소자 격리 영역을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 단계와, 제 1 도전형 반도체 기판의 액티브 영역 중에서 게이트 전극을 형성할 영역에 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드 영역에 주입된 제 2 도전형 불순물에 대한 확산 차단 영역을 형성하는 단계와, 확산 차단 영역의 상측에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 포토 다이오드 영역의 표면에 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 제 1 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하며, 소자 격리 영역을 형성하기 전에 포토 다이오드 영역에 불순물을 이온 주입한 후에 레이저 어닐을 수행함으로써, 포토 다이오드 영역에 대한 이온 주입에 의한 결함의 제거 효능 및 주입 이온의 활성화를 극대화하여 포화전류, 암전류, 래깅 등의 씨모스 이미지 센서의 전기적 특성이 개선되는 이점이 있다.
레이저 어닐, 이온 주입 결함, 주입 이온 활성화
Description
본 발명은 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온 주입에 의한 결함의 제거 효능 및 주입 이온의 활성화를 극대화한 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 씨씨디(CCD: Charged Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.
씨모스 이미지 센서라 함은 씨모스 제조 공정 상에서 얻을 수 있는 P-N 접합 포토 다이오드를 이용하여 광학적 이미지 즉, 입사 광량을 전기적 신호로 변환시키는 소자이다.
이러한 씨모스 이미지 센서는 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있으며, 씨모스 이미지 센서의 기술에서 중요하게 여겨지는 사항 중 하나는 입사된 광량에 대해 가능한 높은 감도를 가지도록 하는 것이다.
현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서에 비하여 씨모스 이미지센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고 전력 소모 또한 낮다는 장점을 지니고 있음은 주지의 사실이다.
일반적인 씨모스 이미지 센서는, 1개의 포토 다이오드와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위 화소(Unit Pixel)를 갖게 되는데, 빛을 받아 광 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드에서 모아진 광 전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터와, 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터로 구성된다. 그리고, 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(Load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, p형 불순물이 고농도로 도핑된 p++ 기판에 저농도 p형 불순물을 도핑하여 에피택셜 성장시킨 p형 에피층(11)을 형성한다.
이어서, p형 에피층(11)의 소정 영역에 소자 격리 영역(13)을 형성한다. 이 러한 공정으로 소자 격리 영역(13)을 제외한 영역에 액티브 영역이 정의된다.
그리고, p형 에피층(11) 상에 게이트 산화막(15) 및 폴리 실리콘을 적층하여 증착한 후에 패터닝하여 액티브 영역 중 소정 부위에 복수의 게이트 전극(17)을 형성한다. 즉 단위 화소를 이루는 4개의 트랜지스터를 위한 게이트 전극을 형성하는 것이다. 여기서, 설명의 이해를 돕기 위하여 게이트 전극(17)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이라 정의한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 영역이 개방된 제 1 감광막 패턴(19)을 형성한 후에 제 1 감광막 패턴(19)을 마스크로 이용하여 개방된 p형 에피층(11)에 n형 불순물 이온을 주입(21)하여 소정 깊이의 포토 다이오드 영역(23)을 형성한다. 이때, 포토 다이오드 영역(23)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(17)의 에지(Edge)에 그 일측면이 정렬되도록 형성하며, n형 불순물은 예컨대, 인(P) 또는 비소(As) 이온을 주입(21)한다. 그리고 RTP(Rapid Thermal Processing) 어닐 등의 열처리 공정을 통해 포토 다이오드 영역(23)의 전기적인 활성화를 꾀한다.
위와 같이 n형 불순물이 이온 주입된 포토 다이오드 영역(23)의 형성을 통해 p형 에피층(11)과 n형 불순물 영역으로 이루어지는 PN 접합이 형성되고, 이 PN 접합은 포토 다이오드를 구성한다.
도면에서는 도시 생략하였으나, 제 1 감광막 패턴(19)을 제거한 후에 게이트 전극(17)을 포함한 p형 에피층(11)의 전면에 질화막을 증착한 후에 전면 식각을 통해 게이트 전극(17)의 측벽에 스페이서(도시 생략됨)를 형성할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 영역(23)을 개방하는 형상의 제 1 감광막 패턴(19)을 마스크로 이용하거나 또는 제 1 감광막 패턴(19)이 제거된 경우에는 역시 포토 다이오드 영역(23)을 개방하는 형상의 제 2 감광막 패턴(도시 생략됨)을 형성하여 이를 마스크로 이용하는 이온 주입을 통해 p형 불순물 이온을 주입(25)하여 포토 다이오드 영역(23)의 표면에 p형 불순물 영역(27)을 형성한다. 여기서, n형 불순물 영역인 포토 다이오드 영역(23)은 깊은 n- 영역이라 일컫고, p형 불순물 영역(27)은 p0 영역이라고 일컫는다.
앞서 설명한 바와 같이 종래 기술에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법에 의하면, 포토 다이오드 영역에 n형 불순물을 이온 주입한 후에 RTP 어닐을 통해 전기적인 활성화를 꾀하나 이온 주입에 의한 결함의 제거 및 전기적인 활성화에 있어서 만족할만한 결과를 얻지 못한다. 이렇게 남겨진 이온 주입 결함과 주입 이온의 불완전한 활성화는 포화전류(saturation current), 암전류(dark current), 래깅(lagging) 등의 씨모스 이미지 센서의 전기적 특성을 열화시키는 원인으로 작용하는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 소자 격리 영역을 형성하기 전에 포토 다이오드 영역에 n형 불순물을 이온 주입한 후에 레이저 어닐을 수행함으로써, 포토 다이오드 영역에 대한 이온 주입에 의한 결함의 제거 효능 및 주입 이온의 활성화를 극대화한다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법은, 제 1 도전형 반도체 기판 내에 제 2 도전형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체 기판에 대해 레이저 어닐을 수행하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체 기판에 소자 격리 영역을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 상기 액티브 영역 중에서 게이트 전극을 형성할 영역에 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 상기 포토 다이오드 영역에 주입된 상기 제 2 도전형 불순물에 대한 확산 차단 영역을 형성하는 단계와, 상기 확산 차단 영역의 상측에 상기 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 포토 다이오드 영역의 표면에 상기 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 제 1 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 소자 격리 영역을 형성하기 전에 포토 다이오드 영역에 n형 불순물을 이온 주입한 후에 레이저 어닐을 수행함으로써, 포토 다이오드 영역에 대한 이온 주입에 의한 결함의 제거 효능 및 주입 이온의 활성화를 극대화하여 포화전류, 암전류, 래깅 등의 씨모스 이미지 센서의 전기적 특성이 개선되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면 포토 다이오드 제조 방법은, p형 반도체 기판 상에 포토 다이오드 영역을 개방하는 제 1 감광막 패턴을 형성한 후에 이를 마스크로 n형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계(S101)와, 제 1 감광막 패턴을 제거한 후에 p형 반도체 기판에 대해 레이저 어닐을 수행하는 단계(S103)와, p형 반도체 기판에 소자 격리 영역을 형성한 후에 게이트 형성 영역이 개방된 제 2 감광막 패턴을 형성하는 단계(S105)와, 제 2 감광막 패턴을 마스크로 하여 게이트 전극을 형성할 영역에 p형 불순물을 이온 주입하여 n형 불순물에 대한 확산 차단 영역을 형성하는 단계(S107)와, 확산 차단 영역 상에 복수의 게이트 전극을 형성하는 단계(S109)와, 포토 다이오드 영역의 표면에 p형 불순물 영역을 형성하는 단계(S111)를 포함한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, p형 불순물이 고농도로 도핑된 p++ 기판에 저농도 p형 불순물을 도핑하여 에피택셜 성장시킨 p형 에피층(201)을 형성한다. 여기서, p형 에피층(201)을 성장시키는 이유는 저농도 p형 에피층이 존재하므로 포토 다이오드(PD)의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 우수한 광감도 특성을 얻을 수 있고, 포토 다이오드(PD)의 공핍층이 도달하지 않는 p++ 기판의 깊은 곳에서 발생될 수 있는 광전하들의 불규칙한 이동에 의한 단위화소간 크로스토크 현상을 고농도의 p++ 기판의 존재로 광전하들을 재결합시킴으로써 방지할 수 있기 때문이다. 그러므로 생략될 경우에는 이하의 설명에서 기재된 p형 에피층(201)은 p형 반도체 기판이라 할 수 있다.
이어서, 포토 다이오드 영역이 개방된 제 1 감광막 패턴(203)을 형성한 후에 제 1 감광막 패턴(203)을 마스크로 이용하여 개방된 p형 에피층(201)에 n형 불순물 이온을 주입(205)하여 소정 깊이의 포토 다이오드 영역(207)을 형성한다. 이때, n형 불순물은 예컨대, 인(P) 또는 비소(As) 이온을 주입(205)하며, 이온 주입 에너지는 150∼250keV를 사용하고, 이온 주입량은 2E12∼3E12 범위 내에서 이온 주입한다.
위와 같이 n형 불순물이 이온 주입된 포토 다이오드 영역(207)의 형성을 통해 p형 에피층(201)과 n형 불순물 영역으로 이루어지는 PN 접합이 형성되고, 이 PN 접합은 포토 다이오드를 구성한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 감광막 패턴(205)을 제거한 후에 p형 에피층(201) 전면에 대해 레이저 어닐(209)을 수행한다. 표면 영역이 멜트 리글로우(melt-regrowth)하도록 질소(N2) 분위기에서 250∼2000mJ/cm2의 에너지로 p형 에피층(201) 전면에 고르게 스캔(scan)하여 어닐링 함으로써, 이온 주입에 의한 결함을 제거함과 아울러 주입된 이온의 활성화를 도모한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, p형 에피층(201)의 소정 영역에 소자 격리 영역(211)을 형성한다. 이러한 공정으로 소자 격리 영역(211)을 제외한 영역에 액티브 영역이 정의된다.
이어서, 게이트 전극을 형성할 영역만 개방하는 제 2 감광막 패턴(213)을 형성하며, 이전의 레이저 어닐에 의한 포토 다이오드 영역(207)에 주입된 n형 불순물의 수평 방향 확산을 고려하여 제 2 감광막 패턴(213)을 마스크로 하여 게이트 전 극을 형성할 영역에 p형 불순물을 이용한 이온 주입(215)을 수행함으로써 확산 차단 영역(217)을 형성한다. 확산 차단 영역(217)은 펀치 스루(punch-through) 방지 및 Vt 조절(adjust)의 기능을 발휘하며, p형 불순물은 예컨대 붕소 이온(B+) 또는 붕소 디플로라이드 이온(BF2+)을 주입하며, 이온 주입 에너지는 10∼50keV를 사용하고, 이온 주입량은 1E12∼1E13 범위 내에서 이온 주입한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 제 2 감광막 패턴(213)을 제거한 후에 p형 에피층(201) 상에 게이트 산화막(219) 및 폴리 실리콘을 적층하여 증착한 후에 패터닝하여 액티브 영역 중 소정 부위, 즉 확산 차단 영역(217) 상에 복수의 게이트 전극(221)을 형성한다. 즉 단위 화소를 이루는 4개의 트랜지스터를 위한 게이트 전극을 형성하는 것이다. 여기서, 설명의 이해를 돕기 위하여 게이트 전극(221)을 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이라 정의하면 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(221)은 그 에지에 포토 다이오드 영역(207)의 일측면이 정렬되도록 형성한다.
이어서, 도면에서는 도시 생략하였으나, 게이트 전극(221)을 포함한 p형 에피층(201)의 전면에 질화막을 증착한 후에 전면 식각을 통해 게이트 전극(221)의 측벽에 스페이서(도시 생략됨)를 형성할 수 있다.
그리고, 포토 다이오드 영역(207)을 개방하는 형상의 제 3 감광막 패턴(223)을 형성한다. 이어, 제 3 감광막 패턴(223)을 마스크로 이용하여 p형 불순물 이온을 주입(225)하여 포토 다이오드 영역(207)의 표면에 p형 불순물 영역(226)을 형성한다. 여기서, n형 불순물 영역인 포토 다이오드 영역(207)은 깊은 n- 영역이라 일컫고, p형 불순물 영역(226)은 p0 영역이라고 일컫는다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들,
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : p형 에피층 207 : 포토 다이오드 영역
211 : 소자 격리 영역 217 : 확산 차단 영역
221 : 게이트 전극 226 : p형 불순물 영역
Claims (3)
- 제 1 도전형 반도체 기판 내에 제 2 도전형 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계와,상기 제 1 도전형 반도체 기판에 대해 레이저 어닐을 수행하는 단계와,상기 제 1 도전형 반도체 기판에 소자 격리 영역을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 단계와,상기 제 1 도전형 반도체 기판의 상기 액티브 영역 중에서 게이트 전극을 형성할 영역에 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 상기 포토 다이오드 영역에 주입된 상기 제 2 도전형 불순물에 대한 확산 차단 영역을 형성하는 단계와,상기 확산 차단 영역의 상측에 상기 게이트 전극을 형성하는 단계와,상기 포토 다이오드 영역의 표면에 상기 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 제 1 도전형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 어닐을 수행하는 단계는, 질소(N2) 분위기에서 250∼2000mJ/cm2의 에너지로 수행하는이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 차단 영역을 형성하는 단계는, 이온 주입 에너지는 10∼50keV를 사용하고, 이온 주입량은 1E12∼1E13 범위 내에서 이온 주입하는이미지 센서의 포토 다이오드 제조 방법.
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