KR101738532B1 - 상부 고농도 ｐ 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
상부 고농도 ｐ 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
N 영역의 상부 및 하부에 형성된 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서가 제안된다. 후면 조사형 이미지 센서는 상부 표면 및 하부 표면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드들, 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 금속 배선들을 포함하고, 상기 포토 다이오드들은, 각각, N 영역, 상기 N 영역의 하부에 형성된 하부 P 영역, 및 상기 N 영역의 상부에 형성된 상부 P 영역을 포함한다.
Description
본 발명은 후면 조사형 이미지 센서와 그 제조 방법 및 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템 및 전자 시스템에 관한 것이다.
빛의 양자 효율 등을 높이기 위하여 포토 다이오드를 반도체 기판의 내부에 형성한 후면 조사형 이미지 센서가 제안되었다.
본 발명이 해결하려는 과제는 상부 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상부 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상부 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상부 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하려는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서는, 상부 표면 및 하부 표면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드들, 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 금속 배선들을 포함하고, 상기 포토 다이오드들은, 각각, N 영역, 상기 N 영역의 하부에 형성된 하부 P 영역, 및 상기 N 영역의 상부에 형성된 상부 P 영역을 포함한다.
상기 해결하려는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법은, 제1 표면 및 제2 표면을 가진 반도체 기판을 준비하고, 상기 반도체 기판 내에 N 영역들을 형성하고, 상기 반도체 기판의 제1 표면에 인접하게 하부 P 영역들을 형성하고, 상기 P 영역 상에 금속 배선층들을 형성하고, 상기 반도체 기판의 제2 표면에 인접하게 상부 P 영역을 형성하고, 및 상기 반도체 기판의 제2 표면 상에 칼라 필터들 및 마이크로 렌즈들을 형성하는 것을 포함한다.
상기 해결하려는 또 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 의한 카메라 시스템은, 이미지 센싱부, 이미지 신호 처리부 및 이미지 표시부를 포함하고, 상기 이미지 센싱부는, 상부 표면 및 하부 표면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드들, 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 금속 배선들을 포함하고, 상기 포토 다이오드들은, 각각, N 영역, 상기 N 영역의 하부에 형성된 하부 P 영역, 및 상기 N 영역의 상부에 형성된 상부 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서를 포함한다.
상기 해결하려는 또 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 의한 전자 시스템은, 버스, 상기 버스를 통해 입출력(I/O, input/output) 하여 통신할 수 있는 이미지 센싱부(520), 중앙 처리 장치(530), 및 입/출력부(540)를 포함하고, 상기 이미지 센싱부는, 상부 표면 및 하부 표면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드들, 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 금속 배선들을 포함하고, 상기 포토 다이오드들은, 각각, N 영역, 상기 N 영역의 하부에 형성된 하부 P 영역, 및 상기 N 영역의 상부에 형성된 상부 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서는 양자 효율의 저하는 최소화하면서 백점 결함 및 암 전류 등을 개선할 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서들을 개략적으로 도시한 종단면도들이다.
도 2a 내지 2g는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서들을 제조하는 단계들을 개략적으로 도시한 종단면도들이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서에 포함된 상기 상부 고농도 P 영역의 SIMS 측정 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.
도 2a 내지 2g는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서들을 제조하는 단계들을 개략적으로 도시한 종단면도들이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서에 포함된 상기 상부 고농도 P 영역의 SIMS 측정 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 명세서에서, 농도라 함은 반도체 기판 내에 존재하는 P형 불순물 이온의 농도로 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서(100a)는, 상반부에 형성된 포토 다이오드들(110) 및 하반부에 형성된 금속 배선들(120)을 포함한다.
상기 반도체 기판(101)은 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, P형 불순물이 상대적으로 낮은 농도로 주입된 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드들(110)의 사이에 형성된 공간들도 P형 불순물이 낮은 농도로 주입된 영역일 수 있다.
상기 포토 다이오드들(110)은 각각 하나의 N 영역(113)과 둘 이상의 하부 및 상부 고농도 P 영역들(111, 130a)을 포함한다. 상기 하부 및 상부 고농도 P 영역들(111, 130a)은 상기 N 영역(113)의 하부와 상부에 각각 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 N 영역(113)의 하부에 하부 고농도 P 영역(111)이 형성될 수 있고, 상기 N 영역(113)의 상부에 상부 고농도 P 영역(130)이 형성될 수 있다. 상기 하부 및 상부 고농도 P 영역들(111, 130a)은 상기 반도체 기판(101)보다 상대적으로 높은 농도로 P형 불순물이 주입된 영역들이라는 의미로 이해될 수 있다. 상기 상부 고농도 P 영역(130a)은 상기 하부 고농도 P 영역(111)보다 높은 농도로 P형 불순물이 주입된 영역을 포함할 수 있다.
상기 하부 고농도 P 영역(111)은 상기 반도체 기판(101)의 하부 표면에 인접하거나 밀접하게 형성될 수 있고, 상기 N 영역(113)과 함께 포토 다이오드(110)의 PN 접합을 구성할 수 있다.
상기 상부 고농도 P 영역(130a)은 상기 반도체 기판(101)의 상부 표면에 인접하거나 밀접하게 형성될 수 있고, 제1 고농도 P 영역(131a) 및 제2 고농도 P 영역(136a)을 포함한다. 상기 상부 고농도 P 영역(130a)은 상기 포토 다이오드들(110)의 사이에도 연속적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(131a)은 상기 반도체 기판(101)의 표면으로부터 약 50nm의 깊이까지 형성될 수 있다. 상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 상기 반도체 기판(101)의 표면으로부터 약 200nm의 깊이까지 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 상기 제1 고농도 P 영역(131a)보다 깊게 형성될 수 있다. 또는, 상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 상기 제1 고농도 P 영역(131a)의 하부에 형성될 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(131a)은 상기 제2 고농도 P 영역(136a)보다 높은 농도로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 고농도 P 영역(131a)은 단위 체적 당, 약 1.0E18 내지 1.0E21개 정도의 보론 등의 P형 불순물 이온을 포함할 수 있고, 상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 단위 체적 당, 1.0E14 내지 5.0E19개 정도의 보론 등의 P형 불순물 이온을 포함할 수 있다. 상기 단위 체적은 1 입방 센티 미터(1 cm3)를 의미할 수 있다.
상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 형성될 경우, 상기 포토 다이오드(110)의 다양한 성능들이 개선될 수 있다. 예를 들어, 상기 포토 다이오드(110)의 양자 효율(QE, quantum efficiency)의 저하를 방지 또는 최소화 시키면서, 암 전류(dark current)와 백점 결함(white pixel defect)을 감소시킬 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(131a)은 상기 포토 다이오드(110)의 양자 효율의 저하를 방지 또는 최소화 시키고 암 전류를 감소시키는데 상대적으로 크게 기여할 수 있다. 상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 상기 포토 다이오드(110)의 N 영역(113)을 축소 시킬 경우, 양자 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 제1 고농도 P 영역(131a)은 상대적으로 얕게 형성되어 상기 반도체 기판(101)의 표면 부위의 P형 불순물의 농도를 높이면서 상기 포토 다이오드(110)의 N 영역(113)의 축소를 최소화시킬 수 있다.
상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 상기 포토 다이오드(110)의 백점 결함을 감소시키는데 상대적으로 크게 기여할 수 있다. 상기 포토 다이오드(110)의 상기 N 영역(113)이 커질수록 백점 결함이 증가할 수 있다. 그러므로, 상기 제2 고농도 P 영역(136a)은 상기 포토 다이오드의 상기 N 영역(113)의 체적을 조절하여 백점 결함을 감소시킬 수 있다.
결론적으로, 상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 다층으로 형성될수록 양자 효율의 저하를 최소화시키면서 암 전류 및 백점 결함을 감소시키는데 유리할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 기술적 사상은 상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 다층으로 형성되는 것을 포함한다. 다만, 상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 다층으로 형성될수록 그 형성 공정이 복잡해 질 것이다. 따라서, 본 명세서에는 상기 상부 고농도 P 영역(130)이 두 층 및 세 층으로 형성되는 것이 예시 및 설명되나, 본 발명의 기술적 사상이 상기 상부 고농도 P 영역(130a)이 네 층 이상의 다층 고농도 P 영역들을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100)는 상기 포토 다이오드들(110)의 상부, 즉 상기 반도체 기판(101)의 상부 표면 상에 형성된 칼라 필터들(150), 마이크로 렌즈들(155)을 더 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100a)는 상기 포토 다이오드들(110)과 상기 칼라 필터들(150) 사이에 형성된 반사 방지층(140) 및/또는 절연층(145)을 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지층(140) 및 상기 절연층(145)은 후면 반사 방지층(140) 및 후면 절연층(145)으로 불릴 수도 있다. 상기 반사 방지층(140)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화 질화물을 포함할 수 있다. 상기 절연층(145)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100a)는 상기 포토 다이오드들(110)의 사이에 형성된 분리 영역들(105, isolation regions)을 더 포함할 수 있다. 상기 분리 영역들(105)은 상기 반도체 기판(101)의 하부 표면에 인접하게 형성될 수 있고, 예를 들어 STI(shallow trench isolation) 형태로 형성될 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100a)는 상기 포토 다이오드들(110)의 하부, 즉 상기 반도체 기판(101)의 하부 표면에 형성된 스토퍼층(115), 층간 절연층(117)이 형성될 수 있다. 상기 스토퍼층(115)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화 질화물을 포함할 수 있다. 상기 층간 절연층(117)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100a)는 상기 층간 절연층(117)의 하부에 형성된 상기 금속 배선층(120)을 더 포함할 수 있다. 상기 금속 배선층(120)은 상부 금속 배선층(121) 및 하부 금속 배선층(123)을 포함할 수 있다. 상기 포토 다이오드(110)와 정렬된 상기 상부 금속 배선층(121a)은 후면 반사층으로 사용될 수 있다. 상기 상부 금속 배선층(121)은 상부 금속 층간 절연층(122)로 감싸질 수 있고, 상기 하부 금속 배선층(123)은 하부 금속 층간 절연층(124)으로 감싸질 수 있다. 상기 상부 금속 층간 절연층(122) 및 하부 금속 층간 절연층(124)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 후면 조사형 이미지 센서(100a)는 상기 금속 배선층(120)의 하부에 형성된 지지층(125)을 더 포함할수 있다. 상기 지지층(125)은 지지 웨이퍼를 부착시켜 형성될 수 있다. 즉, 상기 지지층(125)은 별개의 웨이퍼, 즉 반도체 기판을 의미할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 1b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 의한 후면 조사형 이미지 센서(100b)는, 3층 이상으로 형성된 상부 고농도 P 영역(130b)을 포함한다. 상기 상부 고농도 P 영역(130b)은 제1 고농도 P 영역(131b), 제2 고농도 P 영역(136b), 및 제3 고농도 P 영역(133)을 포함한다. 상기 제3 고농도 P 영역(133)은 상기 제1 고농도 P 영역(131b)과 상기 제2 고농도 P 영역(136b)의 중간 농도로 형성될 수 있다. 또는, 상기 제3 고농도 P 영역(133)이 도 1a의 제1 고농도 P 영역(131a)과 같은 농도로 형성되고, 상기 제1 고농도 P 영역(131b)이 도 1a의 상기 제1 고농도 P 영역(131a)보다 높은 농도로 형성될 수 있다. 결론적으로, 도 1a 및 1b에 도시된 상기 상부 고농도 P 영역(130a, 130b)들은 계단형으로 분포되는 다층 고농도 P 영역들(131a, 131b, 133, 136a, 136b)을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법이 설명된다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(201)에 분리 영역들(205, isolation regions) 및 포토 다이오드들(210)이 형성된다. 상기 분리 영역들(205)은 STI(shallow trench isolation)를 형성하는 방법이 이용될 수 있다. 상기 포토 다이오드들(210)은 P 영역(211) 및 N 영역(213)을 포함한다. 상기 P 영역(211)은 상기 반도체 기판(201)의 표면에 가까운 위치에 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 상기 P 영역(211)은 제1 농도로 도핑될 수 있다. 상기 N 영역(213)은 상기 반도체 기판(201)의 내부에 상대적으로 깊게 형성될 수 있다. 상기 반도체 기판(201)은 P형 기판일 수 있다. 상세하게, 상기 반도체 기판(201)은 전체적으로 낮은 농도로 도핑된 P형 불순물을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드들(210)의 N형 도핑 영역들(213)의 사이 영역은 P형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 상기 P 영역(211)은 상기 반도체 기판(201)보다 P형 불순물이 고농도로 도핑된 영역일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 반도체 기판(201)의 표면에 스토퍼층(215) 및 층간 절연층(217)이 형성될 수 있다. 상기 스토퍼층(215)은 실리콘 질화물로 상대적으로 얇게 형성될 수 있고, 상기 층간 절연층(217)은 실리콘 산화물로 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 상기 층간 절연층(217)과 같은 레벨에는 예를 들어, 전달 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 등, 다양한 트랜지스터들이 형성될 수 있다. 상기 스토퍼층(215)은 상기 층간 절연층(217) 내에 여러 패턴들이 형성될 때, 패터닝의 편의를 제공해줄 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 층간 절연층(217) 상에 금속 배선층들(220)이 형성된다. 상기 금속 배선층들(220)은 하부 금속 배선층(221a, 221b), 하부 절연층(222), 상부 금속 배선층(223), 및 상부 절연층(224)을 포함할 수 있다. 하부 금속 배선층(221) 중, 특히 상기 포토 다이오드(210)과 정렬된 하부 금속 배선층(221a)은 상기 포토 다이오드(210)을 통과한 빛을 반사하는 기능을 가질 수 있다. 즉, 상기 포토 다이오드(210)과 정렬된 하부 금속 배선층(221a)은 후면 반사층(back reflective layer)일 수 있다. 상기 하부 절연층(222) 및 상기 상부 절연층(224)은 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 상기 하부 절연층(222) 및 상기 상부 절연층(224)의 사이에는 실리콘 질화물이 더 형성될 수도 있다. 이후, 지지 웨이퍼(225, sustain wafer)가 부착될 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 반도체 기판(201)의 후면의 일부가 제거된다. 다른 표현으로, 상기 반도체 기판(201)이 얇아 진다. (thinned) 이 공정은 그라인딩 공정 또는 식각 공정 등을 포함할 수 있다. 이 공정에서, 상기 반도체 기판(201)의 뒤 표면은 제1 표면 위치(S1)로부터 제2 표면 위치(S2)로 변화한다. 도면은 도 2c에 도시된 가공물이 거꾸로 뒤집힌 것이다.
도 2e를 참조하면, 상기 반도체 기판(201) 내에 상부 P 영역(230)이 형성된다. 상기 상부 P 영역(230)은 적어도 제1 고농도 P 영역(231) 및 제2 고농도 P 영역(236)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 고농도 P영역들(231, 236)을 형성하는 방법이 보다 상세하게 설명된다.
먼저, 상기 반도체 기판(201) 내에 불순물 이온들이 주입된다. 상기 불순물 이온들은 보론 이온을 포함할 수 있다.
상기 불순물 이온을 주입하는 방법은 이온 임플란트 공정 또는 펄스 플라즈마 도핑(pulsed plasma doping) 공정이 이용될 수 있다. 상기 이온 임플란트 공정은 불순물 이온을 전계(electric field)에 의해 가속시켜 상기 반도체 기판(201) 내로 주입하는 공정이고, 펄스 플라즈마 도핑 공정은 상기 불순물 이온을 플라즈마 상태로 여기시켜 상기 반도체 기판(201) 내로 주입하는 방법이다. 펄스 플라즈마 도핑 공정은 상기 반도체 기판(201)의 표면에 불순물층이 형성되고, 상기 불순물 층의 불순물 이온이 상기 반도체 기판(201) 내부로 확산 주입되는 것을 포함할 수 있다. 펄스 플라즈마 도핑 공정에서 상기 불순물 이온의 소스 가스는 보론 플로라이드(BF3, boron fluoride), 다이보레인(B2H6, di-borane), 그 외 보론과 수소를 함유한 화합물(B and H containing compounds) 등이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 펄스 플라즈마 도핑 공정은 약 1kv 내지 7 kv의 전계(electric field), 1.0E13 내지 1.0E18 atom/cm2)의 도즈로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 고농도 P 영역(231)은 상기 반도체 기판(201)의 표면으로부터 깊지 않으므로 상대적으로 약한 에너지로 불순물 이온이 주입될 수 있다. 따라서, 상기 제1 고농도 P 영역(231)은 이온 임플란트 공정을 이용하여 불순물 이온이 상기 반도체 기판(201)의 내부로 주입될 수 있다. 반면에, 상기 제2 고농도 P 영역(236)은 상기 반도체 기판(201)의 표면으로부터 깊이 확장되므로 상대적으로 높은 에너지로 주입되어야 한다. 따라서, 따라서 상기 제2 고농도 P 영역(236)은 펄스 플라즈마 도핑 공정을 이용하여 불순물 이온이 상기 반도체 기판(201)의 내부로 주입될 수 있다. 높은 에너지의 이온 임플란트 공정은 상기 반도체 기판(201)의 표면을 손상시킬 수 있기 때문이다.
상기 주입된 불순물 이온이 분포된 영역은 레이저를 이용하여 어닐될 수 있다. 이때 이용되는 레이저는 제논 클로라이드(XeCl)를 이용한 블루 가스 레이저 또는 DPSS 레이저인 Nd:YAG, Nd:YVO4 등을 이용한 그린 레이저 등이 이용될 수 있다. 레이저 어닐 공정은 각각 제1 및 제2 고농도 P 영역들(231, 236) 별로 각각 수행될 수 있다. 예를 들어, 실리콘의 멜팅 온도 이상으로 펄스 형태의 순간적인 에너지를 가하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 실리콘이 순간적으로 멜팅됨으로써, 어닐되는 효과가 얻어 질 수 있다. 통상적으로, 불순물 이온을 주입한 후, 주입된 불순물 이온이 확산할 수 있도록 어닐 공정이 수반된다. 일반적으로 수행되는 열적 어닐(thermal anneal) 공정은 어닐 공정 시간이 상대적으로 길어 지므로 상기 불순물 주입 영역이 필요 이상으로 커지게 된다. 이에 반하여, 본 발명의 기술적 사상에 의한 레이저 어닐 공정은 어닐 공정 시간이 상대적으로 매우 짧아 상기 불순물 주입 영역이 필요 이상으로 커지지 않는다. 따라서, 상기 불순물 이온이 주입된 영역이 적절한 농도와 원하는 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(231) 및 상기 제2 고농도 P 영역(236)은 모두 보론 같은 P형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
상기 제2 고농도 P 영역(236)은 상기 제1 고농도 P 영역(231)보다 상기 반도체 기판(201)의 표면으로부터 더 깊게 확장될 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(231)은 상기 제2 고농도 P 영역(236)보다 상기 반도체 기판(201)의 표면에 가깝게 형성될 수 있다.
상기 제1 고농도 P 영역(231)은 상기 제2 고농도 P 영역(236)보다 고농도로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 고농도 P 영역(236)은 P형 불순물이 단위 체적당 약 1.0E14 내지 1.0E19개 정도로 주입(injected)될 수 있고, 상기 제1 고농도 P 영역(231)은 P형 불순물이 단위 체적당 약 1.0E18 내지 5.0E21개 정도로 주입될 수 있다. 상기 단위 체적은 1 입방 센티미터(1cm3)로 간주될 수 있다. 상기 농도들이 중복되는 범위에서는 상기 제1 고농도 P 영역(231)이 상기 제2 고농도 P 영역(236)보다 고농도로 도핑된다는 것만 유효하다.
도 2f를 참조하면, 후면 반사 방지층(240) 및 후면 절연층(245)이 형성된다. 상기 후면 반사 방지층(240)은 빛이 상기 포토 다이오드(210)로부터 역반사되는 것을 방지, 완화시킬 수 있고, 스토퍼 기능을 포함할 수 있다. 상기 후면 반사 방지층(240)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 상기 후면 절연층(245)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 후면 절연층(245)와 동일한 레벨에 후면 패드들(미도시)이 형성될 수 있다.
도 2g를 참조하면, 상기 후면 절연층(245) 상에 칼라 필터들(250) 및 마이크로 렌즈들(255)이 형성될 수 있다. 상기 칼라 필터들(250)은 R(red), G(green), B(blue) 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(255)은 유기물 등으로 형성될 수 있다. 이로써, 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서가 완성될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서에 포함된 상기 상부 고농도 P 영역을 형성하는 것을 보충적으로 설명하기 위한 SIMS 측정 그래프이다. 가로축은 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 깊이를 의미하고, 세로축은 불순물 이온의 농도를 의미한다. 도 3a를 참조하면, A 커브는 P 형 불순물 이온 주입 공정 후의 분포 그래프이고, B 커브는 어닐 공정 후의 분포 그래프이다. 즉, 이온 임플란트 또는 펄스 플라즈마 도핑 등의 공정을 이용하여 P형 불순물 이온을 주입하여 A 커브 모양이 형성된다. 이후, 레이저 어닐 공정 등을 이용하여 B 커브 모양으로 주입된 P형 불순물 이온들을 반도체 기판 내로 확산 시킨다. 보다 구체적으로, A 커브를 참조하면, 반도체 기판의 표면으로부터 약 10nm 정도 되는 곳에 주입된 P형 불순물 이온의 최고 농도점이 형성되도록 이온 주입 공정이 수행될 수 있다. B 커브를 참조하면, 반도체 기판의 표면으로부터 약 30nm 내지 170nm 정도가 고농도 영역 또는 평균적인 농도 영역으로 설정되도록 어닐 공정이 수행될 수 있다. 본 그래프는 본 발명의 기술적 사상을 쉽게 설명하기 위하여 예시된 것으로서, 어닐 공정의 조건에 따라 B 커브는 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보다 A 커브에 가까운 모양으로 형성될 수도 있고, B 커브보다 더 심하게 변화된 것으로 형성될 수도 있다. 이러한 것들은 본 발명의 기술적 사상을 실시하고자 하는 자의 의도에 따라 다양하게 변동될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 결과 측정 그래프이다. 가로축은 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 깊이를 의미하고, 세로축은 불순물 이온의 농도를 의미한다. 도 3b을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 상부 고농도 P 영역은, C 영역에서, 상기 반도체 기판의 표면으로부터 50nm 이내에 불순물이 제1 고농도로 분포되고, D 영역에서, 상기 반도체 기판의 50 내지 100nm 정도에 불순물이 제2 고농도로 분포된 것이 보인다. 구체적으로, 상기 제1 고농도는 약 1.0E20 내지 1.0E21 정도이고, 상기 제2 고농도는 약 1.0E19 정도 이하인 것이 보인다. 상기 C 영역 및 D 영역들의 깊이는 각 소자의 특성에 따라 매우 다양하게 설정될 수 있다. 즉, 3a와 3b를 함께 참조하면, 상부 고농도 P 영역은 매우 다양한 모양, 예를 들어, 다양한 P 형 불순물 이온 농도, 다양한 P 형 불순물 이온의 분포, 다양한 P 형 불순물 이온의 형성 깊이 및/또는 넓이, 등으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 카메라 시스템(400)은, 이미지 센싱부(410, image sensing part), 이미지 신호 처리부(420, image signal processing part), 및 이미지 표시부(430, image display part)를 포함한다. 상기 이미지 센싱부(410)는 컨트롤 레지스터 블록(411), 타이밍 제네레이터(412), 램프 제네레이터(413), 버퍼부(414), 액티브 픽셀 센서 어레이(415), 로우 드라이버(416), 상관 이중 샘플러(417), 비교부(418), 및 아날로그-디지털 변환부(419)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤 레지스터 블록(411)은 상기 이미지 센서(400)의 동작을 전체적으로 제어할 수 있다. 특히, 상기 타이밍 제네레이터(412), 상기 램프 제네레이터(413), 및 상기 버퍼부(414)에는 직접적으로 동작 신호를 전송할 수 있다. 상기 타이밍 제네레이터(412)는 상기 이미지 센싱부(410)의 여러 구성 요소들의 동작 타이밍의 기준이 되는 신호를 발생할 수 있다. 상기 타이밍 제네레이터(412)에서 발생된 동작 타이밍 기준 신호는 상기 로우 드라이버(416), 상기 상관 이중 샘플러(417), 상기 비교부(418), 및/또는 상기 아날로그-디지털 변환부(419) 등에 전달될 수 있다. 상기 램프 제네레이터(413)는 상기 상관 이중 샘플러(417) 및/또는 상기 비교기(418) 등에 사용되는 램프 신호를 생성, 전송할 수 있다. 상기 버퍼부(414)는 래치부를 포함할 수 있다. 상기 버퍼부(414)는 외부로 송신할 이미지 신호를 임시적으로 저장할 수 있다. 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(415)는 외부 이미지를 센싱할 수 있다. 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(415)는 다수 개의 액티브 픽셀 센서들을 포함하며, 상기 각 액티브 픽셀 센서들은 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함할 수 있다. 상기 로우 드라이버(416)는 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(415)의 로우를 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 상기 상관 이중 샘플러(417)는 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(415)로부터 발생된 아날로그 신호를 샘플링하고 출력할 수 있다. 상기 비교부(418)는 상기 상관 이중 샘플러(417)에서 전송된 데이터와 그 아날로그 기준 전압들에 따라 피드백된 램프 시그널의 기울기 등을 비교하여 다양한 참조 신호를 발생할 수 있다. 상기 아날로그-디지털 변환부(419)는 아날로그 이미지 데이터를 디지털 이미지 데이터로 변환할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 전자 시스템은(500), 버스(510), 상기 버스(510)를 통해 입출력(I/O, input/output) 하여 통신할 수 있는 이미지 센싱부(520), 중앙 처리 장치(530), 및 입/출력부(540)를 포함할 수 있다. 상기 전자 시스템(500)은 메모리 드라이브(550)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 시스템(500)은 광학 디스크 드라이브(560, ODD: optical disk drive)를 더 포함할 수 있다. 상기 전자 시스템(500)은 외부 통신부(570)를 더 포함할 수 있다. 상기 이미지 센싱부(520)는 본 발명의 기술적 사상에 의한 후면 조사형 이미지 센서를 포함할 수 있다. 상기 중앙 처리 장치(530)는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 입/출력부(540)는 동작 버튼(button), 스위치, 키보드, 마우스, 키패드, 터치 패드, 스캐너, 카메라, 광센서 등을 포함하는 다양한 입력 장치들 중 하나를 포함하거나, LCD, LED 및/또는 CRT 모니터, 프린터, 및/또는 각종 시각적 정보를 보이는 표시 장치 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 메모리 드라이브(550)는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory), PRAM(phase changeable random access memory), RRAM(resistive random access memory), MRAM(magnetic random access memory), NVM(non-volatile memory), FLASH, SSD(solid state disk), HD(hard disk) 및/또는 다양한 메모리 장치 또는 그 드라이브를 포함할 수 있다. 상기 광학적 디스크 드라이브(560)은 예를 들어, CD-ROM 드라이브, DVD 드라이브 등을 포함할 수 있다. 상기 외부 통신부(570)는 모뎀, 랜 카드, 또는 USB(universal serial bus)등을 포함하며, 외장형 메모리, 와이브로 통신장치, 적외선 통신 장치 등을 포함할 수 있다.
그 외, 도면에 참조 부호가 표시되지 않았거나, 참조 부호만 표시된 구성 요소들은 본 명세서의 다른 도면들 및 그 설명들로부터 그 이름과 기능 등이 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 개략적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다.
100: 후면 조사형 이미지 센서
110, 210: 포토 다이오드
111, 211: 하부 P 영역
113, 213: N 영역
115, 215: 스토퍼층
117, 217: 층간 절연층
120, 220: 금속 배선층
121, 221: 하부 금속 배선층
121a, 221a: 후면 반사층
122, 222: 하부 절연층
123, 223: 상부 금속 배선층
124, 224: 상부 절연층
125, 225: 지지층, 지지 웨이퍼
130, 230: 상부 P 영역
131a, 131b, 231: 제1 고농도 P 영역
136a, 136b, 236: 제2 고농도 P 영역
133: 제3 고농도 P 영역
140, 240: 후면 반사 방지층
145, 245: 후면 절연층
150, 250: 칼라 필터
155, 255: 마이크로 렌즈
400: 카메라 시스템 410: 이미지 센싱부
411: 컨트롤 레지스터 블록 412: 타이밍 제네레이터
413: 램프 제네레이터 414: 버퍼부
415: 액티브 픽셀 센서 어레이 416: 로우 드라이버
417: 상관 이중 샘플러 418: 비교부
419: 아날로그-디지털 변환부 420: 이미지 신호 처리부
430: 표시부 500: 전자 시스템
510: 버스 520: 이미지 센서
530: 중앙 처리 장치 540: 입/출력부
550: 메모리 드라이브 560: 광학 디스크 드라이브
570: 외부 통신부
110, 210: 포토 다이오드
111, 211: 하부 P 영역
113, 213: N 영역
115, 215: 스토퍼층
117, 217: 층간 절연층
120, 220: 금속 배선층
121, 221: 하부 금속 배선층
121a, 221a: 후면 반사층
122, 222: 하부 절연층
123, 223: 상부 금속 배선층
124, 224: 상부 절연층
125, 225: 지지층, 지지 웨이퍼
130, 230: 상부 P 영역
131a, 131b, 231: 제1 고농도 P 영역
136a, 136b, 236: 제2 고농도 P 영역
133: 제3 고농도 P 영역
140, 240: 후면 반사 방지층
145, 245: 후면 절연층
150, 250: 칼라 필터
155, 255: 마이크로 렌즈
400: 카메라 시스템 410: 이미지 센싱부
411: 컨트롤 레지스터 블록 412: 타이밍 제네레이터
413: 램프 제네레이터 414: 버퍼부
415: 액티브 픽셀 센서 어레이 416: 로우 드라이버
417: 상관 이중 샘플러 418: 비교부
419: 아날로그-디지털 변환부 420: 이미지 신호 처리부
430: 표시부 500: 전자 시스템
510: 버스 520: 이미지 센서
530: 중앙 처리 장치 540: 입/출력부
550: 메모리 드라이브 560: 광학 디스크 드라이브
570: 외부 통신부
Claims (10)
- 상부 표면 및 하부 표면을 가진 반도체 기판,
상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드들, 및
상기 반도체 기판의 하부에 형성된 금속 배선들을 포함하고,
상기 포토 다이오드들은, 각각,
N 영역,
상기 N 영역의 하부에 형성된 하부 P 영역, 및
상기 N 영역의 상부에 형성된 상부 P 영역을 포함하되, 상기 상부 P 영역은 상기 상부 표면에 인접하게 형성되는 제1 고농도 P 영역 및 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 N 영역 사이에 형성되는 제2 고농도 P 영역을 포함하고, 상기 제1 고농도 P 영역의 P형 불순물의 농도는 상기 제2 고농도 P 영역의 P형 불순물의 농도보다 높으며, 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 제2 고농도 P 영역 사이의 P형 불순물 농도 분포가 계단 분포를 따르고, 상기 제1 고농도 P 영역의 상기 상부 표면에 수직한 제1 방향에 따른 길이는 상기 제2 고농도 P 영역의 상기 제1 방향에 따른 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 상부 P 영역은 상기 상부 표면에 인접하게 형성되고, 상기 하부 P 영역은 상기 하부 표면에 인접하게 형성되는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 상부 P 영역은 상기 포토 다이오드들의 상부 및 상기 포토 다이오드들의 사이에도 연속적으로 형성되는 후면 조사형 이미지 센서. - 제3항에 있어서,
상기 상부 P 영역은 상기 하부 P 영역보다 고농도 도핑된 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 고농도 P 영역은 상기 상부 표면으로부터 상기 제1 방향으로 50nm 깊이 내에 형성되고, 상기 제2 고농도 P 영역은 상기 상부 표면으로부터 상기 제1 방향으로 200nm 깊이 내에 형성된 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 고농도 P 영역과 상기 제2 고농도 P 영역의 사이에 형성된 제3 고농도 P 영역을 포함하는 후면 조사형 이미지 센서. - 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 반도체 기판을 준비하고,
상기 반도체 기판 내에 N 영역들을 형성하고,
상기 반도체 기판의 제1 표면에 인접하게 하부 P 영역들을 형성하고,
상기 하부 P 영역 하에 금속 배선층들을 형성하고,
상기 N 영역의 상부에 상부 P 영역을 형성하고,
상기 반도체 기판의 제2 표면 상에 칼라 필터들 및 마이크로 렌즈들을 형성하되, 상기 상부 P 영역은 상기 제2 표면에 인접하게 형성되는 제1 고농도 P 영역 및 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 N 영역 사이에 형성되는 제2 고농도 P 영역을 포함하고, 상기 제1 고농도 P 영역의 P형 불순물의 농도는 상기 제2 고농도 P 영역의 P형 불순물의 농도보다 높으며, 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 제2 고농도 P 영역 사이의 P형 불순물 농도 분포가 계단 분포를 따르고, 상기 제1 고농도 P 영역의 상기 제2 표면에 수직한 제1 방향에 따른 길이는 상기 제2 고농도 P 영역의 상기 제1 방향에 따른 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 제2 고농도 P 영역 중 적어도 하나를 레이저 어닐(laser aneal)하는 것을 더 포함하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 레이저 어닐은 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 제2 고농도 P 영역 중 적어도 하나에 펄스(pulse) 형태로 에너지를 가하여 상기 제1 고농도 P 영역 및 상기 제2 고농도 P 영역 중 적어도 하나의 온도를 실리콘(Si)의 녹는점 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 고농도 P 영역은 이온 임플란트 공정에 의해, 상기 제2 고농도 P 영역은 펄스 플라즈마 도핑 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조사형 이미지 센서의 제조 방법.
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