KR20000003401A - 이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원하는 높은 광감도를 얻기 위하여 공핍층 깊이를 종래기술에 비해 더욱 증가시킬 수 있는 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 핀드 포토다이오드는, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되며, 제2도전형 불순물이 서로다른 에너지를 갖고 적어도 두번 이온주입되어 적층 형성된 적어도 두층의 제1도핑영역; 상기 적어도 두층의 제1도핑영역중 최상부의 제1도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제1도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 반도체층 상에 형성된 제1도전형의 제2도핑영역을 포함하여, 상기 적어도 두층의 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어지며, 이에 의해 본 발명의 핀드 포토다이오드는 공핍층 깊이를 증가시키고, 또한 이를 채용한 저전압 이미지센서에서 안정적으로 완전공핍이 가능하도록 하여, 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있고, 이에 의해 일정수준의 높은 광감도를 얻을 수 있는 이미지센서를 제공한다.

Description

이미지센서의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법

본 발명은 이미지센서(Image sensor)의 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 씨모스(CMOS) 공정에 의해 제조되는 이미지센서(이하 간단히 "CMOS 이미지센서"라 칭함)의 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode)는 CCD(charge coupled device) 이미지센서 또는 CMOS 이미지센서에서 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성 및 집적하는 소자로 사용되며, 기판 내부에서 매립된 PNP(또는 NPN) 접합 구조를 갖고 있어 베리드 포토다이오드(Buried Photodiode)라 불리우기도 한다. 이러한, 핀드 포토다이오드는 소스/드레인 PN 접합(Junction) 구조나 모스캐패시터 구조 등 다른 구조의 포토다이오드에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있으며, 그 중 하나가 공핍층의 깊이를 증가시킬 수 있어 입사된 광자(Photon)를 전자(Electron)로 바꾸어 주는 능력이 우수하다는 것이다(High Quantum Efficiency). 즉, PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 N영역이 완전공핍되면서 N영역을 개재하고 있는 두 개의 P영역으로 공핍층이 형성되므로 그 만큼 공핍층 깊이를 증가시켜 "Quantum Efficiency"를 증가시킬 수 있다. 이에 의해 광감도(Light Sensitivity)가 우수하다.

한편, 5V 또는 3.3V 이하의 전원전압을 사용하는 CMOS 이미지센서에 적용된 PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 전원전압 이하(예컨대 1.2V 내지 2.8V)에서 두 개의 P영역이 서로 등전위를 가져야만 N영역이 안정적으로 완전공핍되고, 이에 의해 "Quantum Efficiency"를 증가시킬 수 있기 때문에, 본 출원인은 이를 위한 기술을 지난 1998년 2월 28일자에 출원(출원번호: 98-6687)한 바 있다.

도1에는 본 출원인에 의해 제안되었던 핀드 포토다이오드의 구조가 도시되어 있다. 도1을 참조하면, 핀드 포토다이오드(PPD)는 P-에피층(P-epi)에 N도핑영역(Deep N^-)과 P도핑영역(P⁰)이 형성된 PNP 구조를 갖고 있는 바, 이때 N도핑영역(Deep N^-)을 형성하기 위한 N^-이온주입마스크와 P도핑영역(P⁰)을 형성하기 위한 P⁰이온주입마스크를 달리 사용하면서, N^-이온주입마스크의 오픈영역보다 P⁰이온주입마스크의 오픈영역이 더 크도록하여, P-에피층(P-epi)과 P도핑영역(P⁰)이 N도핑영역(deep N^-)에 의해 차단되지 않고 저전압에서 쉽게 등전위를 갖도록 하므로써, 3.3V 이하의 저전압에서 안정적으로 N도핑영역(deep N^-)이 완전공핍 가능하도록 하였다.

그러나, 제안된 도1의 종래기술은 저전압에서 완전공핍이 가능하여 "Quantum Efficiency"를 어느정도 개선하는 효과를 가져오나, 그리고 저농도의 P-에피층을 사용하므로써 어느정도 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있으나, 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있을 만큼, 즉 일정수준의 높은 광감도를 얻을 수 있을 만큼 충분한 공핍층 깊이를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 매우 높은 광감도를 얻기 위하여, 공핍층 깊이를 종래기술에 비해 더욱 증가시킬 수 있는 핀드 포토다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래기술에 따른 핀드 포토다이오드 구조를 나타내는 단면도.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드의 구조를 나타내는 단면도.

도3은 도2의 작용효과를 설명하기 위한 단면도.

도4는 도1의 작용효과를 설명하기 위한 단면도.

도5a 내지 도5d는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 단면도.

도6a및 도6b는 각각 N^-이온주입마스크와 P⁰이온주입마스크의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

PPD : 핀드 포토다이오드 FOX : 필드산화막

P-epi : P-에피층 Tx : 트랜스퍼게이트

deep N^-: 제1N도핑영역 shallow N^-: 제2N도핑영역

P⁰: P도핑영역

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핀드 포토다이오드는, 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되며, 제2도전형 불순물이 서로다른 에너지를 갖고 적어도 두번 이온주입되어 적층 형성된 적어도 두층의 제1도핑영역; 상기 적어도 두층의 제1도핑영역중 최상부의 제1도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제1도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 반도체층 상에 형성된 제1도전형의 제2도핑영역을 포함하여, 상기 적어도 두층의 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어진다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핀드 포토다이오드 제조방법은, 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계; 필드영역과 활성영역을 분리하기 위하여 소자분리막을 형성하는 단계; 그 에지가 상기 활성영역과 상기 필드영역 간의 경계에 정렬되고, 그 에지의 일부가 상기 활성영역을 덮는 제1이온주입마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 제1이온주입마스크패턴에 의해 오픈된 상기 활성영역에 제2도전형 불순물을 서로다른 에너지로 적어도 두번 이온주입하여 적어도 두층으로 적층된 제1도핑영역을 형성하는 단계; 상기 제1이온주입마스크패턴을 제거하는 단계; 그 에지가 상기 활성영역과 상기 필드영역 간의 경계에 정렬되며 상기 제1이온주입마스크 패턴보다 더 넓게 상기 활성영역을 오픈시킨 제2이온주입마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 제2이온주입마스크패턴에 의해 오픈된 상기 활성영역에 제1도전형 불순물을 이온주입하여, 상기 적어도 두층의 제1도핑영역중 최상부의 제1도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 제2도핑영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2에는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드포토다이오드의 구조가 도시되어 있다. 도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 핀드포토다이오드(PPD)는 P⁺기판(P⁺SUB) 상에 5∼10㎛으로 성장된 P-에피층(P-epi)과, 상기 P-에피층(P-epi) 내부에 형성되며 N형 불순물이 서로다른 에너지를 갖고 두번 이온주입되어 적층 형성된 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)과, 상기 제2 N도핑영역(shallow N^-) 상부와 상기 P-에피층(P-epi) 표면 사이에 형성되며 그 폭이 상기 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)의 폭보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 P-에피층(P-epi) 상에 형성된 P도핑영역(P⁰)을 포함하여 구성된다.

여기서, P-에피층(P-epi)은 약 E14/㎤의 도펀트 농도를 갖고, 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)은 약 E17/㎤의 도펀트 농도를 가지며, P도핑영역(P⁰)은 약 E18/㎤의 도펀트 농도를 갖도록 실시 구성되었다.

도3 및 도4는 각각 도2의 본 발명과 도1의 종래기술 간의 작용을 비교 설명하기 위한 단면도로서, 이를 통해 본 발명의 특징적 작용효과를 살펴본다.

도3을 참조하면, 트랜스퍼게이트(Tx)와 리셋게이트(도면에 도시되지 않음)가 턴온되면 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)에 전원전압으로부터의 전압이 인가되어 공핍이 일어나기 시작하며 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)이 완전공핍 상태가 되면, 공핍층 깊이는 "h1"이 된다. 반면에 종래의 도4를 참조하면, 단일의 N도핑영역(deep N^-)만이 존재하므로, N도핑영역(deep N^-)이 완전공핍 상태가 되었을 때 공핍층 깊이는 "h2"가 된다. 여기서 "h1"은 "h2"보다 더 큰 크기를 갖는 바, 이는 제1 및 제2 N도핑영역(deep N^-)(shallow N^-)을 합한 N도핑영역의 두께가 종래의 N도핑영역(deep N^-)만이 존재할 때보다 더 두껍기 때문이다. 결국, 본 발명은 일정면적에서 두꺼운 두께로 N도핑영역을 구성하기 위하여 서로다른 에너지를 갖는 다수번의 이온주입으로 N도핑영역을 형성하므로써 공핍층 깊이를 증가시키고자 하는 것에 그 특징이 있다 하겠다.

도5a 내지 도5d는 도2의 구조를 제조하기 위한 공정 단면도로서, 이를 통해 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조방법을 살펴본다.

먼저, 도5a를 참조하면, P⁺기판(501) 상에 5∼10㎛의 두께를 갖는 P-에피층(502)을 성장시키고, P-에피층(P-epi)(502)에 소자분리를 위한 필드산화막(FOX)(503)을 형성한 다음, 폴리실리콘막(504a)과 텅스텐실리사이드막(504b)을 연속적으로 도포하고 마스크 및 식각 공정을 통해 트랜스퍼게이트(Tx) 및 리셋게이트(Rx)를 형성한다.

이어서, 도5b에 도시된 바와 같이, N도핑영역을 형성하기 위한 N^-이온주입마스크(505)를 형성하고, 약 200keV 이상의 고에너지로 N^-이온주입을 실시하여 제1N도핑영역(deep N^-)(506)을 형성한다. 이때 N^-이온주입마스크(505)의 평면도가 도6a에 도시되어 있는바, N^-이온주입마스크(505)는 그 에지가 핀드 포토다이오드가 형성될 활성영역과 필드영역(필드산화막이 형성된 영역)간의 경계면(도면의 점선)에 실질적으로 정렬되되 활성영역의 일부(600)를 덮는 패턴 형상을 갖는다. 즉, 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역의 에지 일부(600)는 N형 불순물이 이온주입되지 않아 제1N도핑영역(506)이 형성되지 않는다.

이어서, 도5c에 도시된 바와 같이, 상기 N^-이온주입마스크(505)를 그대로 사용하여, 약 100keV 이하의 저에너지로 N^-이온주입을 실시하므로써 제2N도핑영역(shallow N^-)(507)을 형성한다. 마찬가지로, 도6a에서 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역의 에지 일부(600)는 N형 불순물이 이온주입되지 않아 제2N도핑영역(507)이 형성되지 않는다.

계속해서, 도5d는 상기 N^-이온주입마스크(505)를 제거하고 P도핑영역을 형성하기 위한 P⁰이온주입마스크(508)를 형성하고 P⁰이온주입을 실시하여 P도핑영역(P⁰)(509)을 형성한다. 도6b에 도시된 바와 같이, P⁰이온주입마스크(508)는 핀드포토다이오드가 형성될 활성영역을 모두 오픈시키도록 패턴된다.

이상에서 설명한 본 발명은 일정면적에서 두꺼운 두께로 N도핑영역을 구성하기 위하여 서로다른 에너지를 갖는 다수번의 이온주입으로 N도핑영역을 형성하므로써 공핍층 깊이를 증가시키고자 하는 것에 그 특징이 있다. 또한 N^-이온주입마스크와 P⁰이온주입마스크를 달리 사용하면서, N^-이온주입마스크의 오픈영역보다 P⁰이온주입마스크의 오픈영역이 더 크도록하여, P-에피층(P-epi)과 P도핑영역(P⁰)이 제1 및 제2 N도핑영역에 의해 차단되지 않고 저전압에서 쉽게 등전위를 갖도록 하므로써, 3.3V 이하의 저전압에서 안정적으로 제1 및 제2 N도핑영역이 완전공핍 가능하도록 하는데 그 특징이 있다.

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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 핀드 포토다이오드는 공핍층 깊이를 증가시키고, 또한 이를 채용한 저전압 이미지센서에서 안정적으로 완전공핍이 가능하도록 하여, 원하는 "Quantum Efficiency"를 얻을 수 있고, 이에 의해 일정수준의 높은 광감도를 얻을 수 있는 이미지센서를 제공한다.

Claims (8)

1. 이미지센서의 핀드 포토다이오드에 있어서,

   제1도전형의 반도체층;

   상기 반도체층 내부에 형성되며, 제2도전형 불순물이 서로다른 에너지를 갖고 적어도 두번 이온주입되어 적층 형성된 적어도 두층의 제1도핑영역; 및

   상기 적어도 두층의 제1도핑영역중 최상부의 제1도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 형성되며, 그 면적이 상기 제1도핑영역의 면적보다 더 넓게 형성되어 그 일부영역이 상기 반도체층 상에 형성된 제1도전형의 제2도핑영역을 포함하여,

   상기 적어도 두층의 제1도핑영역에서 완전공핍이 이루어지는 핀드 포토다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반도체층의 하부에 상기 반도체층보다 높은 제1도전형의 도펀트 농도를 갖는 반도체기판을 더 포함하며, 상기 반도체층은 상기 반도체기판상에 그 두께가 5∼10㎛으로 성장된 에피택셜층인 핀드 포토다이오드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 반도체층은 약 E14/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖고,

   상기 제1도핑영역은 약 E17/㎤의 제2도전형 도펀트 농도를 갖으며,

   상기 제2도핑영역은 약 E18/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖는 핀드 포토다이오드.
4. 제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

   상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 서로 상보적인 P형 또는 N형인 핀드 포토다이오드.
5. 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법에 있어서,

   제1도전형의 반도체층을 준비하는 단계;

   필드영역과 활성영역을 분리하기 위하여 소자분리막을 형성하는 단계;

   그 에지가 상기 활성영역과 상기 필드영역 간의 경계에 정렬되고, 그 에지의 일부가 상기 활성영역을 덮는 제1이온주입마스크패턴을 형성하는 단계;

   상기 제1이온주입마스크패턴에 의해 오픈된 상기 활성영역에 제2도전형 불순물을 서로다른 에너지로 적어도 두번 이온주입하여 적어도 두층으로 적층된 제1도핑영역을 형성하는 단계;

   상기 제1이온주입마스크패턴을 제거하는 단계;

   그 에지가 상기 활성영역과 상기 필드영역 간의 경계에 정렬되며 상기 제1이온주입마스크 패턴보다 더 넓게 상기 활성영역을 오픈시킨 제2이온주입마스크패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 제2이온주입마스크패턴에 의해 오픈된 상기 활성영역에 제1도전형 불순물을 이온주입하여, 상기 적어도 두층의 제1도핑영역중 최상부의 제1도핑영역 상부와 상기 반도체층 표면 사이에 제2도핑영역을 형성하는 단계

   를 포함하여 이루어진 핀드 포토다이오드 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 반도체층은 제1도전형의 반도체기판 상에 성장된 에피택셜층인 핀드 포토다이오드 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 반도체층은 약 E14/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖도록 형성하고,

   상기 제1도핑영역은 약 E17/㎤의 제2도전형 도펀트 농도를 갖도록 이온주입하며,

   상기 제2도핑영역은 약 E18/㎤의 제1도전형 도펀트 농도를 갖도록 이온주입하는 핀드 포토다이오드 제조방법.
8. 제5항 내지 제7항중 어느한 항에 있어서,

   상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 서로 상보적인 P형 또는 N형인 핀드 포토다이오드 제조방법.