KR100924047B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역; 상기 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 형성된 제2불순물 영역; 및 상기 제2불순물 영역 내부에 형성된 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 제1불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1불순물 영역을 포함하는 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 제2불순물 영역을 형성하여, 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역으로 이루어진 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 제2불순물 내부에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이미지 센서
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
실시예는 이미지 센서의 포토 다이오드의 p형 불순물의 확산을 억제하여, 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역; 상기 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 형성된 제2불순물 영역; 및 상기 제2불순물 영역 내부에 형성된 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 제1불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1불순물 영역을 포함하는 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 제2불순물 영역을 형성하여, 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역으로 이루어진 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 제2불순물 내부에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 포토다이오드에 p형 불순물 영역의 확산을 방지하기 위한 질소 불순물 영역을 형성하여, 노이즈 전자가 하부의 n형 불순물 영역으로 확산하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 포토다이오드의 p형 불순물 영역의 확산을 방지하여, 포화전류와 이미 지 센서의 감도를 증가시킬 수 있으므로 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 포토다이오드 상단부에서 신호전자를 발생시키는 단파장의 빛에 대한 광감도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역; 상기 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 형성된 제2불순물 영역; 및 상기 제2불순물 영역 내부에 형성된 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 제1불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1불순물 영역을 포함하는 반도체 기판에 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 제2불순물 영역을 형성하여, 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역으로 이루어진 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 제2불순물 내부에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시예에 다른 이미지 센서는 반도체 기판(10) 상에 형성된 게이트(15); 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10)에 형성된 제1불순물 영역(20); 상기 반도체 기판(10)에 상기 제1불순물 영역(20)보다 얕은 깊이로 형성된 제2불순물 영역(30); 및 상기 제2불순물(30) 영역 내부에 형성된 제3불순물 영역(40)을 포함한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 게이트(15)는 산화막 패턴 및 폴리실리콘 패턴으로 형성된다.
상기 제1불순물 영역(20)은 n형 불순물인 인(Phosphorus) 또는 아세닉(Arsenic)으로 형성되고, 상기 제2불순물 영역(30)은 p형 불순물인 보론(Boron) 또는 BF2 + 이온으로 형성된다.
상기 제3불순물 영역(40)은 n형 불순물인 질소(nitrogen) 이온으로 형성되며, 상기 제2불순물 영역(30)의 내부에 형성될 수 있다.
상기 질소 이온은 n형 불순물이나, 상기 반도체 기판(10)에서 용해도가 작고, 활성 도펀트(active dopant)로서 역할을 하지 않으므로, 상기 제2불순물 영역(30)에 형성된 p형 불순물의 성질을 감쇄시켜 정공을 줄이는 역할을 하지 않기 때문에 효율적이다.
상기 제3불순물 영역(40)은 상기 제2불순물 영역(30) 농도의 피크(peak)보다 깊게 형성될 수 있으며, 상기 제2불순물 영역(30) 형성을 위한 이온주입 공정으로발생한 인터스티셜 결함(interstitial defect)이 형성된 지점에 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 제3불순물 영역(40)을 상기 인터스티셜 결함이 형성된 영역에 형성시킴으로써, 상기 제3불순물 영역(40)을 이루는 질소(nitrogen) 이온이 상기 인터스티셜 결함에 포획(capture)되어, 상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 방지할 수 있다.
상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 방지하여 상기 포토다이오드의 포화전류를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막(5)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 게이트(15)를 형성한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 소자 분리막(5)은 상기 반도체 기판(10)에 트렌치를 형성한 후, 절연물질을 매립하여 형성할 수 있다.
상기 게이트(15)는 산화막 패턴 및 폴리실리콘 패턴으로 형성된다.
상기 게이트(15)는 상기 반도체 기판(10)에 산화막 및 폴리실리콘막을 형성한 후, 식각 공정을 진행함으로써 동시에 형성될 수 있다.
상기 게이트(15)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있다.
본 실시예에서 상기 게이트(15)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하 지 않고, 상기 게이트(15)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 게이트(15)가 형성된 상기 반도체 기판(10) 상에 포토레지스트 패턴(11)을 형성하고, 제1이온주입 공정 및 제2이온주입 공정을 진행하여 제1불순물 영역(20)을 형성한다.
상기 제1불순물 영역(20)은 상기 포토레지스트 패턴(11)을 마스크로, 상기 반도체 기판(10)에 n형 불순물인 인(Phosphorus) 또는 아세닉(Arsenic)을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 제1불순물 영역(20)은 상기 제1이온주입 공정 및 제2이온주입 공정으로 형성되는데, 상기 제1 및 제2이온주입 공정은 각각 160 Kev와 100 KeV의 에너지로 연속하여 진행할 수 있다.
이때, 에너지가 작은 이온주입 공정은 4~10 °로 이온주입을 진행하고, 에너지가 큰 이온주입 공정은 0 °로 이온주입을 진행할 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1불순물 영역(20)을 포함하는 상기 반도체 기판(10) 상에 제3이온주입 공정을 진행하여 제2불순물 영역(30)을 형성한다.
상기 제2불순물 영역(30)은 상기 포토레지스트 패턴(11)을 마스크로, 상기 반도체 기판(10)에 p형 불순물인 보론(Boron) 또는 BF2 + 이온을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 BF2 + 이온은 10KeV의 에너지로 이온 주입될 수 있다.
상기 제3이온주입 공정은 상기 포토레지스트 패턴(11)을 마스크로 p형 불순물인 보론(Boron) 또는 BF2 + 이온을 주입하여 형성될 수 있으며, 가스 분자를 이온화시켜 고전압에 의해 해당 이온을 가속시켜 웨이퍼에 주입시키는 방법 또는 플라즈마 방식에 의해 해당 이온을 웨이퍼에 주입시키는 방법으로 진행될 수 있다.
상기 제2불순물 영역(30)을 형성함으로써, 상기 제1불순물 영역(20) 및 제2불순물 영역(30)으로 이루어진 포토다이오드가 형성된다.
이때, 상기 제1불순물 영역(20), 제2불순물 영역(30) 및 반도체 기판(10)이 접하여 PNP 포토다이오드로 동작할 수 있다.
상기 제2불순물 영역(30)은 상기 반도체 기판(10) 계면에 존재하는 결함(defect)에 의해 발생하는 전자(electron)가 표면에서 제1불순물 영역(20)으로 움직여 원치않는 신호(signal)를 만들기 때문에, 상기 반도체 기판(10)의 표면에서 발생하는 전자를 정공(hole)과 결합시켜 제거하기 위해 형성된다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1불순물 영역(20) 및 제2불순물 영역(30)을 포함하는 상기 반도체 기판(10) 상에 제4이온주입 공정을 진행하여 제3불순물 영역(40)을 형성한다.
상기 제4이온주입 공정은 상기 포토레지스트 패턴(11)을 마스크로 질소(nitrogen) 이온을 주입하여 형성될 수 있으며, 가스 분자를 이온화시켜 고전압에 의해 해당 이온을 가속시켜 웨이퍼에 주입시키는 방법 또는 플라즈마 방식에 의해 해당 이온을 웨이퍼에 주입시키는 방법으로 진행될 수 있다.
상기 질소 이온은 10 KeV의 에너지로 주입될 수 있다.
상기 제3불순물 영역(40)에 주입되는 질소 이온은 n형 불순물이나, 상기 반도체 기판(10)에서 용해도가 작고, 활성 도펀트(active dopant)로서 역할을 하지 않으므로, 상기 제2불순물 영역(30)에 형성된 p형 불순물의 성질을 감쇄시켜 정공을 줄이는 역할을 하지 않기 때문에 효율적이다.
상기 제3불순물 영역(40)은 상기 제2불순물 영역(30)의 내부에 형성될 수 있다.
도 5는 실리콘 기판의 깊이에 따른 이온이 주입된 농도(C)를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2불순물 영역(30) 농도의 피크(peak)보다 깊게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2불순물 영역(30) 형성을 위한 제3이온주입 공정으로 상기 반도체 기판(10)에는 인터스티셜 결함(interstitial defect)이 발생하는데, 상기 제3불순물 영역(30)은 상기 인터스티셜 결함이 발생한 지점에 형성될 수 있다.
상기 인터스티셜 결함은 이후 상기 제1불순물 영역(20)과 제2불순물 영역(30)을 활성화시키기 위한 열처리 공정시, 상기 제2불순물 영역(30)의 보론(boron) 이온의 TED(Transient enhanced diffusion)를 야기하여, 상기 열처리 공정 후 보론(boron) 이온의 확산을 억제할 수 없다.
상기 보론 이온의 확산은 포토다이오드의 포화전류를 감소시키며, 이로 인해 이미지 센서의 감도 저하를 야기시킨다.
그러나, 본 실시예에서는 상기 제3불순물 영역(40)을 상기 인터스티셜 결함 이 형성된 영역에 형성시킴으로써, 상기 제3불순물 영역(40)을 이루는 질소(nitrogen) 이온이 상기 인터스티셜 결함에 포획(capture)되어, 상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 방지할 수 있다.
상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 방지하여 상기 반도체 기판(10)에서 형성된 노이즈 전자(noise electron)가 하부의 제1불순물 영역(20)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 방지하여, 상기 포토다이오드의 포화전류를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 포토다이오드 상단부에서 신호전자를 발생시키는 단파장의 빛에 대한 광감도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 포토레지스트 패턴(11)을 제거하고, 상기 반도체 기판(10)에 상기 제1, 제2 및 제3 불순물 영역(20, 30, 40)의 활성화를 위한 열처리 공정을 진행할 수 있다.
상기 열처리 공정을 진행하더라도, 상기 제3불순물 영역(40)이 상기 제2불순물 영역(30)의 확산을 차단하여, 상기 제2불순물 영역(30)이 상기 제1불순물 영역(20)으로 확산을 하지 못하므로, 포토다이오드의 포화전류를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)에 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역을 형성하고, 상기 반도체 기판(10) 상에 금속배선층, 컬러필터 어레이(color filter array) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 포토다이오드에 p형 불순물 영역의 확산을 방지하기 위한 질소 불순물 영역을 형성하여, 노이즈 전자가 하부의 n형 불순물 영역으로 확산하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 포토다이오드의 p형 불순물 영역의 확산을 방지하여, 포화전류와 이미지 센서의 감도를 증가시킬 수 있으므로 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 포토다이오드 상단부에서 신호전자를 발생시키는 단파장의 빛에 대한 광감도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.
Claims (6)
- 반도체 기판 상에 형성된 게이트;상기 게이트가 형성된 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역;상기 제1불순물 영역과 동일한 영역에 형성되며, 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 형성되어, 상기 반도체 기판에 노출되도록 형성된 제2불순물 영역; 및상기 제2불순물 영역 내부에 형성된 제3불순물 영역을 포함하며,상기 제1불순물 영역, 제2불순물 영역 및 제3불순물 영역은 모두 상기 게이트의 일측에 형성된 것을 포함하며,상기 제2불순물 영역은 상기 제1불순물 영역의 상부에 위치된 것을 포함하며,상기 제3불순물 영역은 상기 제2불순물 영역 농도의 피크(peak)보다 깊게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제3불순물 영역은 질소(nitrogen) 이온으로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제1불순물 영역 및 제3불순물 영역은 n형 불순물로 형성되고, 상기 제2불순물 영역은 p형 불순물로 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서.
- 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계;상기 게이트가 형성된 반도체 기판에 제1불순물 영역을 형성하는 단계;상기 제1불순물 영역과 동일한 영역에, 상기 제1불순물 영역보다 얕은 깊이로 상기 반도체 기판에 노출되도록 제2불순물 영역을 형성하여, 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역으로 이루어진 포토다이오드를 형성하는 단계; 및상기 제2불순물 내부에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하며,상기 제1불순물 영역, 제2불순물 영역 및 제3불순물 영역은 모두 상기 게이트의 일측에 형성되며,상기 제2불순물 영역은 상기 제1불순물 영역의 상부에 위치된 것을 포함하며,상기 제3불순물 영역은 상기 제2불순물 영역 농도의 피크(peak)보다 깊게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제3불순물 영역은 질소(nitrogen) 이온을 이온주입하여 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제1불순물 영역 및 제3불순물 영역은 n형 불순물로 형성되고, 상기 제2불순물 영역은 p형 불순물로 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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