KR20010061354A - 이미지센서의 포토다이오드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단파장 빛에 대해 높은 광감도를 가짐과 동시에 공핍영역을 증대시키기 위하여 굴곡진 접합을 갖도록 포토다이오드를 형성하되, 그 굴곡진 접합을 실질적인 이미지센서 제조 공정에 용이하게 응용할 수 있도록 하는 공정을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 포토다이오드 형성 방법은, 포토다이오드 형성 방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층 상에 포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈시키되 그 형상이 볼록한 반구 형상을 갖는 마스크패턴을 형성하는 제1단계; 이온주입에 의해 상기 반도체층 표면 하부에 제2도전형의 이온주입층을 형성하는 제2단계; 상기 마스크패턴을 제거하는 제3단계; 및 열공정에 의해 상기 이온주입층 내의 불순물을 확산시키는 제4단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 적용되는 핀드 포토다이오드(Pinned photodiode) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이기 때문에 이의 달성을 위한 노력이 진행중이다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(MD), 및 셀렉트게이트(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도2는 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 필드영역 및 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도로서, 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우이다. 도3을 참조하면 P/N/P형 핀드 포토다이오드는 P+기판(21)에 에피택셜 성장된 P-에피층(22)이 형성되고, 이 P-에피층(22) 내부에 N-확산영역(24)이 형성되고, 이 N-확산영역(24) 상부와 P-에피층(22) 표면 하부에 P0확산영역(25)이 형성되어 구성된다. 따라서, 핀드 포토다이오드의 N-확산영역(24)과 P영역(P0확산영역, P-에피층) 간에 역바이어스가 걸리면, N-확산영역(24)과 P영역의 불순물 농도가 적절히 조절되었을 때 N-확산영역(13)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되면서 N-확산영역(24) 하부에 존재하는 P-에피층(22)과 N-확산영역(24) 상부에 존재하는 P0확산영역(25)으로 공핍영역이 확장되는바, 도펀트농도가 상대적으로 낮은 P-에피층(22)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다.
이러한 포토다이오드를 갖는 이미지센서에서는 포토다이오드에 보관되었던 전자를 포토다이오드로부터 꺼내어 전기적 출력신호(전압 또는 전류)를 얻게 되는 바, 최대 출력신호는 포토다이오드로부터 꺼낼 수 있는 전자의 수와 직접적으로 비례하기 때문에, 출력신호를 증가시키기 위해서는 빛에 의해 포토다이오드 내에서 생성 및 보관되는 전자의 수를 증가시켜야 한다. 그리고, 열전자에 의한 영향을배제하고 빛의 조사에 의해 생성된 전자만을 전기적 신호로 이용하기 위해서는 전자의 생성 및 보관이 공핍 영역(depletion region)에서 이루어지도록 해야하므로 결국 포토다이오드에 전자를 많이 생성하기 위해서는 공핍층의 영역을 증가시켜야 한다.
상술한 바와 같이 핀드 포토다이오드의 공핍층에서 발생된 전자가 전기적 신호(전압 또는 전류)로 변환되는데, 표면으로부터 깊은 곳까지 폭넓게 공핍층이 형성될 수 있도록 표면층(P0확산영역)의 도판트 농도가 하부층(N-확산영역 및 P-에피층)의 도판트 농도보다 훨씬 높도록 이온주입을 하게 된다.
한편 가시광선의 경우 파장이 짧을수록 실리콘 표면으로부터 내부로의 침투깊이(penetration depth)가 감소하고 반대로 파장이 긴 빛일수록 침투깊이가 길어지기 때문에, 단파장 및 장파장 빛에 의한 신호를 모두 잘 잡아내기 위해서는 공핍층이 시작되는 부분이 표면에서 너무 멀리 떨어져있지 않으면서 동시에 공핍층 영역은 표면에서 충분히 깊은 곳까지 이르도록 해주어야 하고, 이를 위해서는 표면층(P0확산영역)의 이온주입시 주입 깊이가 너무 깊지 않으면서 도판트 농도가 하부에 존재하는 반대 도전형의 도판트 농도에 비해 충분히 높도록 세심하게 제어해 주어야 한다. 결국, 단파장 빛에 대한 광감도와 공핍영역의 증대를 동시에 만족하기에는 종래의 핀드 포토다이오드 구조에서는 매우 어려운 단점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 출원인은 지난 1999.12.22 일자에 '이미지센서의 포토다이오드 및 그 제조방법'이라는 명칭하에 PN 접합의 포토다이오드또는 PNP, NPN 다중접합 포토다이오드를 형성함에 있어 반대타입의 도전형 불순물이 서로 접하는 부위를 굴곡지게 형성하는 기술을 제안한 바 있다 (특허출원번호 98-57306). 즉, 포토다이오드의 표면층 형성을 위한 이온주입시 국부적으로 다수군데 오픈된 이온주입마스크를 사용하여 표면층과 그 하부층이 접하는 부위가 굴곡지게 형성하므로써 포토다이오드의 커패시턴스와 단파장 광감도를 개선한 기술을 제안한 바 있다.
본 발명에서는 상술한 굴곡진 접합을 얻기 위한 구체적인 공정 기술을 제공하고자 한다. 즉 본 발명의 목적은 단파장 빛에 대해 높은 광감도를 가짐과 동시에 공핍영역을 증대시키기 위하여 굴곡진 접합을 갖도록 포토다이오드를 형성하되, 그 굴곡진 접합을 실질적인 이미지센서 제조 공정에 용이하게 응용할 수 있도록 하는 공정 방법을 제공하는데 있다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소 회로도.
도2는 통상의 기술에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.
도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 공정 단면도.
도5는 P0이온주입영역을 형성하기 위한 일예시적인 이온주입 마스크의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
401 : P+실리콘기판 402 : P-에피층
403 : 필드절연막 404 : 게이트전극
405 : 제1포토레지스트패턴 406 : N-이온주입영역
407 : 제2포토레지스트패턴 408 : P0이온주입영역
408a : P0확산영역 406a : N-확산영역
410 : PN 접합
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 포토다이오드 형성 방법은, 포토다이오드 형성 방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층 상에 포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈시키되 그 형상이 볼록한 반구 형상을 갖는 마스크패턴을 형성하는 제1단계; 이온주입에 의해 상기 반도체층 표면 하부에 제2도전형의 이온주입층을 형성하는 제2단계; 상기 마스크패턴을 제거하는 제3단계; 및 열공정에 의해 상기 이온주입층 내의 불순물을 확산시키는 제4단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 일실시예에 따른 핀드 포토다이오드 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이다.
먼저, 도4a를 참조하면 P+실리콘기판(401) 상에 저농도의 P-에피층(402)이 성장된 웨이퍼를 준비한 다음, 필드절연막(403)과 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(404)을 형성한다. 이어서, 포토다이오드가 형성될 활성영역이 오픈된 이온주입마스크패턴인 제1포토레지스트패턴(405)을 형성한 다음, 고에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(402) 내에 N-이온주입영역(406)을 형성한다.
이어서, 도4b를 참조하면, 상기 이온주입마스크패턴(405)을 제거하고 포토다이오드가 형성될 활성영역이 국부적으로 다수군데 오픈된 이온주입마스크패턴인 제2포토레지스트패턴(407)을 형성한다.
이어서, 도4c에 도시된 바와 같이 150∼200℃의 온도에서 베이크(bake)를 실시하여 상기 제2포토레지스트 패턴을 플로우시킨다. 그러면 반구 형상을 갖는 제2포토레지스트패턴(407a)이 형성된다. 이렇게 반구형상으로 제2포토레지스트패턴(407a)을 형성하는 것에 의해 본 발명은 종래보다 용이하게 굴곡진 접합을 형성하는 것이 가능하다.
즉, 반구형상을 갖지 않으면 포토레지스트패턴(407a)가 있는 부분과 없는 부분에서 너무 크게 이온주입깊이 차이가 발생하기 때문에 후속 열공정을 거친다 하더라도 굴곡진 접합을 얻기 힘들다.
이어서, 저에너지 이온주입을 실시하여 포토다이오드 활성영역의 P-에피층(402) 표면 하부에 국부적으로 군데군데 형성된 P0이온주입영역(408)을 형성한다.
P0이온주입영역(408)을 형성하기 위한 일예시적인 이온주입 마스크(407)의 평면도가 도5에 도시되어 있는바, 도5에 도시된 바와 같이, P0이온주입영역(408)을 형성하기 위한 이온주입 마스크(407)는 그물 모양의 격자형 마스크를 채용 할 수 있다.
이어서, 도4d는 후속 열공정에 의해 P0이온주입영역(408)과 N-이온주입영역(406)들의 각 도펀트들이 확산되어 최종적인 P0확산영역(408a)과 N-확산영역(406a)이 완료된 상태이다.
도4d를 참조하면, 핀드 포토다이오드는 실리콘 표면 근처에서의 PN 접합(410)이 굴곡져있기 때문에 종래보다 PN 접합 면적이 커져 있음을 알 수 있고,이에 의해 포토다이오드의 커패시턴스는 증대되게 된다. 또한, PN 접합(410)이 굴곡져 있기 때문에, P0확산영역(408a)이 상대적으로 저농도의 불술물을 갖더라도 공핍층이 실리콘 표면 근처에 아주 근접하여 형성된다. 따라서, 블루 빛과 같은 단파장 빛에 대한 광감도를 높일 수 있다.
결국, 본 발명의 제조 공정에 따른 포토다이오드는 단파장 빛에 대해 높은 광감도를 가짐과 동시에 공핍영역을 증대시킬 수 있다.
한편, 이미지센서 트랜스퍼게이트의 특성은 포토다이오드를 형성하는 P0확산영역과 N-확산영역의 불순물 양 및 그 분포에 의해 변화할 수 있는 바, 본 발명은, 격자형 이온주입마스크와 트랜스퍼게이트 사이의 정렬 및 비정렬에 의해 트랜스퍼게이트 인접지역의 P0확산영역과 N-확산영역의 불순물 농도를 조절 가능하므로 트랜스퍼게이트의 특성을 조절할 수 있다. 예컨대, 트랜스퍼게이트의 에지 지역에서 P0확산영역의 불순물 농도가 낮을 경우 트랜스퍼게이트의 채널지역으로 확산되는 불순물 농도는 적어질 것이고, 이에 의해 트랜스퍼게이트의 전위장벽(barrier potential)을 낮출 수 있다. 이에 의해 포토다이오드로부터 센싱노드(트랜스퍼게이트의 타측 접합)로 전달되는 전하의 양을 증대시킬 수 있다. 즉 전하운송효율을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서는 P-에피층을 사용하는 구성을 보여주고 있으나, P-에피층 없이 P형 실리콘기판에 바로 PNP 구조의 포토다이오드가 형성될 때에도 본 발명은 적용될 수 있으며, 또한, PNP 접합 구조의 핀드 포토다이오드가 아닌 PN 접합 구조를 갖는 포토다이오드에도 본 발명은 적용될 수 있다.
또한, P0이온주입 마스크를 포토레지스트가 아닌 도핑된 산화막, 즉 PSG, BSG, BPSG 등을 사용할 수 있는 바, 이러한 도핑된 산화막은 마스크 및 식각 공정에 의해 패턴을 형성한 다음 열공정에 의해 플로우 시킬 수 있기 때문에, 반구형상으로 이온주입마스크패턴을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 보다 용이하게 굴곡진 접합을 형성하는 것이 가능하다.
이렇듯, 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 발명에 따른 포토다이오드는 단파장 빛에 대해 높은 광전하생성효율을 가짐과 동시에, 큰 커패시턴스를 가짐으로써, 이러한 포토다이오드가 적용된 이미지센서의 특성 및 신뢰성을 크게 개선하는 효과가 있다.
Claims (6)
- 포토다이오드 형성 방법에 있어서,제1도전형의 반도체층 상에 포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈시키되 그 형상이 볼록한 반구 형상을 갖는 마스크패턴을 형성하는 제1단계;이온주입에 의해 상기 반도체층 표면 하부에 제2도전형의 이온주입층을 형성하는 제2단계;상기 마스크패턴을 제거하는 제3단계; 및열공정에 의해 상기 이온주입층 내의 불순물을 확산시키는 제4단계를 포함하여 이루어진 포토다이오드 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1단계는,상기 반도체층 상에 포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈된 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및150∼200℃의 온도에서 베이크하여 상기 포토레지스트패턴을 플로우시켜 볼록한 반구 형상으로 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 마스크패턴은 도핑된 산화막임을 특징으로 하는 포토다이오드 형성 방법.
- 핀드 포토다이오드를 갖는 이미지센서 제조방법에 있어서,제1도전형의 반도체층 상에 포토다이오드가 형성될 영역이 전면 오픈된 제1마스크패턴을 형성하는 제1단계;이온주입을 실시하여 상기 반도체층 내에 제2도전형의 제1이온주입층을 형성하는 제2단계;상기 제1마스크패턴를 제거하는 제3단계;상기 포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈시키되 그 형상이 볼록한 반구 형상을 갖는 제2마스크패턴을 형성하는 제4단계;이온주입에 의해 상기 반도체층 표면 하부에 제1도전형의 제2이온주입층을 형성하는 제5단계;상기 제2마스크패턴을 제거하는 제6단계; 및열공정에 의해 상기 제1 및 제2 이온주입층 내의 불순물을 확산시키는 제7단계를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제4단계는,포토다이오드가 형성될 영역을 국부적으로 다수군데 오픈된 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및150∼200℃의 온도에서 베이크하여 상기 포토레지스트패턴을 플로우시켜 볼록한 반구 형상으로 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 마스크패턴은 도핑된 산화막임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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