KR20030049162A - 이미지센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 고농도의 얕은 P0영역을 형성하여 암신호 발생을 억제하며 전하 운송 효율을 향상시키기에 적합한 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측 하부까지 확장된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 표면에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 상에 결합손제거용 소스제공막을 형성하는 제3단계; 열처리를 통해 상기 결합손제거용 소스제공막으로 부터 수소를 확산시켜 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 표면의 결합손을 제거하는 제4단계; 및 상기 결합손제거용 소스제공막을 관통하여 제2도전형의 불순물을 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역에 이온주입하는 제5단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 P형 불순물 이온주입을 2회로 분할실시 함으로써 포토다이오드의 암신호를 최소화할 수 있으며, 전하 운송 능력을 향상시킬 수 있는 이미지센서 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.
이하, 도 1a 내지 도 1b를 참조하여 종래의 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(10)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(10)이라 칭한다.
먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다.
이어서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체층(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)을 형성한 다음, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극(12, 13) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성하는 바, 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 이어서, 이온주입 마스크(14)를 이용하여 필드 절연막(11)과 게이트전극(12, 13)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(10) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한다.
다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(14)를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(12, 13) 측벽에 스페이서(15)를 형성한다. 여기서, 스페이서는 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하기 위한 것이다. 이어서, FD 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+를 형성한다.
이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 n- 영역의 상부와 반도체층(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)을 형성함으로써, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성되고 P/N 접합의 FD(n+)가 형성된다.
전술한 매립형(Buried) 포토다이오드에서 반도체층(10) 표면에 형성되는 P0영역의 전술한 바와 같이 이온주입을 통해 형성되며 그 형성 조건은 다음과 같다.
즉, 하부의 n-영역을 완전 공핍(Fully depletion)시켜 전하 운송 효율을 높일 수 있도록 비교적 고농도여야 하는 동시에, 단파장인 청색신호를 최대한 받아들일 수 있도록 그 깊이가 얕아야(Shallow) 한다
한편, 현재의 이온주입 장비는 30KeV까지 밖에 안정적으로 사용할 수 없도록 제한되어 있고, 후속 열 공정에 의해 도핑된 불순물이 확산되기 때문에 고농도이면서 얕게 P0영역을 형성하는 것이 어려우며, 현재의 공정 기술로 P0영역의 농도를 더 높일 경우 n-영역을 완전 공핍시킬 수는 있으나, 열공정에 의해 반도체층(10) 하부로 더 들어가게 되어 반도체층(20) 표면으로부터 멀어지게 된다. 이는 청색신호를 받아들이는 것을 어렵게 만들고, 이러한 과정에서 반도체층(10) 하부로의 종방향의 확산 뿐만이 아니라, 횡방향(Lateral)으로의 확산도 일어나게 되므로 P0영역이 PD에서 트랜스퍼 게이트(12, 13)를 지나 FD에 이르는 전하운송 통로에 P형에 의한 장벽인 전위장벽(Potential barrier)을 형성하여 전하 운송을 방해하게 되어 전하 운송 효율이 열화된다.
도 2는 종래기술에 따른 이미지센서의 다른 예를 도시한 단면도인 바, 여기서는 전술한 전위장벽에 의한 전하운송 효율의 열화를 방지하기 위해 저농도의 얕은 P0영역을 형성한 것으로서 도 1b와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며, 그 설명을 생략한다.
그러나, 이 경우에는 p0영역이 N-영역 보다 빨리 공핍되기 때문에 반도체층(10) 표면에 도시된 '16'과 같이 결합손(Dangling bond)이 발생하며, 이로부터 열생성된 전하(Thermally generated charge)가 n-영역으로 들어오게 되어 순수한 광전하가 아닌 노이즈 즉, 암신호가 발생하게 되고, n-영역을 완전 공핍시킬 수 없어 전하 운송 효율이 저하된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 고농도의 얕은 P0영역을 형성하여 암신호 발생을 억제하며 전하 운송 효율을 향상시키기에 적합한 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도,
도 2는 종래기술에 따른 이미지센서의 다른 예를 도시한 단면도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 반도체층
21 : 필드절연막
22, 23 : 게이트전극
24 : 스페이서
26 : 실리콘산화질화막
27 : 이온주입 마스크
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측 하부까지 확장된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 표면에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 상에 결합손제거용 소스제공막을 형성하는 제3단계; 열처리를 통해 상기 결합손제거용 소스제공막으로 부터 수소를 확산시켜 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 표면의 결합손을 제거하는 제4단계; 및 상기 결합손제거용 소스제공막을 관통하여 제2도전형의 불순물을 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역에 이온주입하는 제5단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, P0영역 형성을 위한 이온주입을 2회로 분할 실시하며, 이 때 1회의 경우 저농도의 저에너지를 이용하여 표면에 얕게 형성함으로써 청색신호에 대한 광감도를 향상시키며, 2회의 이온주입 전에 실리콘산화질화막 등을 증착한 후 열처리함으로써, 표면의 결합손을 제거하여 암신호 발생을 억제하며, 계속해서 실리콘산화질화막을 통해 반도체층 하부에 고농도 및 중에너지를 이용하여 이온주입함으로써, 전하 운송 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 기술적 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 첨부한 도면을 참조하여 설명하는 바, 도 3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 포토다이오드 형성 공정을 도시한 단면도이다.
이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명에 따른 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.
먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다.
이어서, 도 3a 도시된 바와 같이, 반도체층(20)에 국부적으로 필드 절연막(21)을 형성한 다음, 필드 절연막(21)과 떨어진 영역에 게이트전극(22, 23) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성하는 바, 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다.
이어서, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(21)과 게이트전극(22, 23)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한다.
계속해서, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크를 제거한 다음,질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(22, 23) 측벽에 스페이서(24)를 형성한다. 여기서, 스페이서는 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하기 위한 것이다. 이어서, FD 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+를 형성한다.
이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 n- 영역의 상부와 반도체층(20) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)을 형성하는 바, 이 때 10KeV ∼ 20KeV의 낮은 에너지로 저농도의 P형 불순물을 이용한다.
이러한 얕은 P0영역은 게이트전극(22,23) 하부에 형성되어 암신호가 넘어가는 것을 방지하는 배리어 역할을 하게 되며, 얕게 형성되므로 청색신호에 대한 광감도를 향상시킨다. 또한, 저농도의 저에너지를 사용하므로 별도의 마스크를 사용하지 않고 블랭킷(Blanket)으로 이온주입하여도 소자의 특성 저하를 유발하지 않는 다. 한편, 전술한 바와 같이 저농도인 P0영역의 공핍이 n-영역에 비해 빨리 일어나 그 표면에서 결합손(25)이 발생하게 된다.
다음으로, 도 3b 에 도시된 바와 같이 게이트전극을 포함한 전체 프로파일을 따라 1000Å ∼ 1500Å 정도의 실리콘산화질화막(26)을 증착한 다음, 전하를 활성화시키기 위한 열처리 공정을 실시하는 바, 이 때 실리콘산화질화막의 수소 이온기가 하부로 열에 의해 확산하여 결합손(25)과 결합함으로써, 이를 제거하게 된다.
따라서, 표면에서의 결합손(25)에 의한 암신호 발생을 예방할 수 있는 바, 실리콘산화질화막은 결합손제거용 소스제공막으로서의 역할을 한다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이 P0영역 형성을 위한 이온주입 마스크(27)를 형성한 다음, 40KeV ∼ 70KeV 정도의 중에너지 즉, 실리콘산화질화막을 통과하여 얕은 P0영역이 형성될 정도의 에너지를 이용하여 고농도의 P형 불순물을 도핑함으로써, n-영역을 완정 공핍시킬 수 있게 되며, 이는 전술한 소스/드레인열처리 이후에 진행함으로 횡방향으로의 확산이 방지되므로 게이트전극(22, 23) 하부에서의 전위장벽이 더이상 커지지 않게 하여 결과적으로 전하 운송 효율을 향상시키게 된다.
전술한 본 발명은, P0영역 형성시 먼저, 저농도의 저에너지를 이용하여 반도체층 표면에 얕게 형성함으로써 청색신호에 대한 광감도를 향상시키며, 실리콘산화질화막 등을 증착한 후 열처리함으로써, 표면의 결합손을 제거하여 암신호 발생을 억제하며, 계속해서 실리콘산화질화막을 통해 반도체층 하부에 고농도 및 중에너지를 이용하여 이온주입함으로써, 얕은 P0영역을 형성하여 청색광에 대한 광감도 및 전하 운송 효율을 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 포토다이오드의 암전류 및 전하 운송 효율 특성을 향상시킬 수 있으며, 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (7)
- 제1도전형의 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제1단계;이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측 하부까지 확장된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제2단계;이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 표면에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제3단계;상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 상에 결합손제거용 소스제공막을 형성하는 제3단계;열처리를 통해 상기 결합손제거용 소스제공막으로 부터 수소를 확산시켜 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역 표면의 결합손을 제거하는 제4단계; 및상기 결합손제거용 소스제공막을 관통하여 제2도전형의 불순물을 상기 포토다이오드용 제2불순물 영역에 이온주입하는 제5단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결합손제거용 소스제공막은 실리콘산화질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결합손제거용 소스제공막을 1000Å 내지 1500Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제3단계의 이온주입시, 10KeV 내지 20KeV의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제5단계의 이온주입시, 40KeV 내지 70KeV의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제5단계의 이온주입시 상기 제3단계의 이온주입에 비해 고농도의 불순물을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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| KR (1) | KR100700266B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100705214B1 (ko) * | 2005-09-21 | 2007-04-06 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3103064B2 (ja) * | 1998-04-23 | 2000-10-23 | 松下電子工業株式会社 | 固体撮像装置およびその製造方法 |
| KR100390822B1 (ko) * | 1999-12-28 | 2003-07-10 | 주식회사 하이닉스반도체 | 이미지센서에서의 암전류 감소 방법 |
| KR20010061355A (ko) * | 1999-12-28 | 2001-07-07 | 박종섭 | 씨모스 이미지센서 제조방법 |
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2001
- 2001-12-14 KR KR1020010079301A patent/KR100700266B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR100705214B1 (ko) * | 2005-09-21 | 2007-04-06 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 이미지센서의 핀드 포토다이오드 제조방법 |
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| Publication number | Publication date |
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| KR100700266B1 (ko) | 2007-03-26 |
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