KR20070000817A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로 특히, 반도체 소자 제조 공정 중, 광흡수율과 광전변환 효율을 올리는 씨모스 이미지 센서의 제조 공정에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 포토다이오드가 형성될 광감지영역에 트렌치가 형성된 반도체 기판, 상기 트렌치 내벽의 측면에 형성된 스페이서, 상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 성장시킨 SiGe 에피층, 상기 SiGe 에피층 내에 형성되는 포토다이오드 불순물영역 및 상기 포토다이오드 불순물영역의 일측과 정렬되게 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극을 구비하는 씨모스 이미지 센서가 제공된다.
또한, 포토다이오드가 형성될 광감지영역을 갖는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 광감지영역에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내벽의 측면에 스페이서를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 SiGe 에피층을 성장시키는 단계, 상기 스페이서의 상부 에지부분의 일정영역을 제거하는 단계, 상기 스페이서가 제거된 영역에 상기 SiGe 에피층을 성장시키는 단계 및 상기 SiGe 에피층 내에 포토다이오드 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법이 제공된다.
SiGe 에피층, Si 에피층, 포토다이오드, 광감지영역, 스페이서
Description
도 1은 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 모스(MOS) 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도.
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
201 : p+형 기판 202 : p에피층
203 : p형 웨이퍼 204 : 소자분리막
206 : 스페이서 207 : SiGe 에피층
208 : 게이트 절연막 209 : 게이트 전도막
210 : 게이트 전극 211 : n형 불순물영역
212 : 게이트 전극용 스페이서 213 : 플로팅 확산영역
214 : p형 불순물영역
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로 특히, 반도체 소자 제조 공정 중, 씨모스 이미지 센서의 제조 공정에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대폰 등의 가정용 제품이나, 병원에서 사용되는 내시경, 지구를 돌고 있는 인공위성의 망원경에 이르기까지 매우 광범위한 분야에서 사용되고 있으며, 다양한 이미지 센서중, 씨모스 제조 기술로 생산되는 씨모스(CMOS) 이미지 센서는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 모스(MOS)트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 씨모스 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 씨씨디(CCD) 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있어서 휴대폰, PC, 감시 카메라 등의 저가, 저전력을 요하는 분야에 쓰이고 있다.
도 1은 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 모스(MOS) 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(10)와, 포토다이오드(10)에서 모아진 광전하를 플 로팅확산영역(12)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(11)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(12)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (13)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(14)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(15)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(16)가 형성된 모습을 도시하고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, p+형 기판(101)에 p에피층(102)이 형성된 p형 웨이퍼(103)에 활성영역과 소자분리영역을 분리하는 소자분리막(104)을 형성한다.
이때, 고농도의 p+형 기판(101) 상에 저농도의 p에피층(102)을 사용하는 이유는 첫째, 저농도의 p에피층(102)이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있고, 둘째, p형 에피층(102)의 하부에 고농도의 p+형 기판(101)을 갖게되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 이 전하가 빨리 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 소자분리막(104)는 버즈 비크(Bird's Beak)가 거의 없어 소자의 고집적화에 따라 소자간에 전기적으로 분리시키는 영역을 축소시킬수 있는 STI 공정을 통하여 형성된다.
이어서, 상기 소자분리막(104)이 형성된 p형 웨이퍼(103) 상에 게이트 절연막(105)과 게이트 전도막(106)을 순차적으로 증착한후, 선택적으로 식각하여 게이트 전극(107)을 형성한다.
이어서, 게이트 전극(107)의 에지와 자기 정렬(Self Alignment)되도록 n형 불순물을 주입하여 포토다이오드가 형성될 광감지영역에 제1 불순물영역(108)을 형성한다.
이때, 상기 제1 불순물영역(108)은 인(P)을 이온주입한 것으로, 상기 p형 웨이퍼(103)의 실리콘(Si)은 최외각 전자가 4개이고, 상기 인은 최외각 전자가 5개이므로, 상기 실리콘과 인의 결합에 의해 발생하는 한개의 전자 즉, 자유전자로 가득찬 영역을 뜻한다.
이어서, 상기 게이트 전극(107)의 양측벽에 스페이서(109)를 형성한다.
상기 스페이서(109)는 버퍼산화막과 스페이서용 질화막을 순차적으로 상기 게이트 전극(107)을 포함하는 상기 p형 웨이퍼(103) 상에 증착후, 건식 식각을 통하여 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제1 불순물영역(108)과 상기 게이트 전극(107) 상부의 일부를 포함하는 이온주입 방지막을 형성시키고, 고농도의 p형 불순물을 주입시켜 상기 p형 웨이퍼(103)에 플로팅 확산영역(110)을 형성한다.
이어서, 상기 게이트 전극(107)의 양측벽에 형성된 상기 스페이서(109)의 일측 에지와 자기 정렬(Self Alignment)되도록 p형 불순물을 주입하여 제1 불순물영역(108)이 형성된 상기 p형 웨이퍼(103) 내에 제2 불순물영역(111)을 형성한다.
이때, 상기 제2 불순물영역(111)은 붕소(B)를 이온주입한 것으로, 상기 p형 웨이퍼(103)의 실리콘(Si)은 최외각 전자가 4개이고, 상기 붕소는 최외각 전자가 3개이므로, 상기 실리콘과 인의 결합에 의해 발생하는 한개의 정공으로 가득찬 영역을 뜻한다.
현재 차세대 씨모스 이미지 센서를 구현함에 있어서 가장 큰 문제점의 하나는 좁은 면적의 포토다이오드가 좋은 광특성을 가져야 한다는 점이다. 그러나 종래 기술인 Si 에피층에 구현되는 포토다이오드는 임계면적 이하의 영역에 형성될 경우 절대적인 광량의 부족으로 흡수된 빛이 광전류로 변환을 하지 못한채 암전류(Dark Current)로만 남게되어 정상적인 센서의 역할을 수행하기 어렵다.
한편, 종래의 반도체 소자의 형성 방법을 그대로 유지하면서 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 포토다이오드를 웨이퍼의 뒷면이나 다른 웨이퍼 상에 형성하여 필 팩터(Fill Factor)를 증가시키는 새로운 형태의 방법이 제시되고 있으나, 이 또한 여러 문제점이 남아 있어서 추가 기술이 필요하며 현재의 제조 공정과 함께 집적화를 구현하기가 어렵다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광 흡수율과 광전변환 효율을 올리는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 포토다이오드가 형성될 광감지영역에 트렌치가 형성된 반도체 기판, 상기 트렌치 내벽의 측면에 형성된 스페이서, 상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 성장시킨 SiGe 에피층, 상기 SiGe 에피층 내에 형성되는 포토다이오드 불순물영역 및 상기 포토다이오드 불순물영역의 일측과 정렬되게 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극을 구비하는 씨모스 이미지 센서가 제공된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타측면에 따르면, 포토다이오드가 형성될 광감지영역을 갖는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 광감지영역에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내벽의 측면에 스페이서를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 SiGe 에피층을 성장시키는 단계, 상기 스페이서의 상부 에지부분의 일정영역을 제거하는 단계, 상기 스페이서가 제거된 영역에 상기 SiGe 에피층을 성장시키는 단계 및 상기 SiGe 에피층 내에 포토다이오드 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법이 제공된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정은 우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, p+형 기판(201)에 p에피층(202)이 형성된 p형 웨이퍼(203)에 활성영역과 소자분리영역을 분리하는 소자분리막(204)을 형성한다.
이때, 고농도의 p+형 기판(201) 상에 저농도의 p에피층(202)을 사용하는 이유는 첫째, 저농도의 p에피층(202)이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있고, 둘째, p형 에피층(202)의 하부에 고농도의 p+형 기판(201)을 갖게되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 이 전하가 빨리 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 소자분리막(204)는 버즈 비크(Bird's Beak)가 거의 없어 소자의 고집적화에 따라 소자간에 전기적으로 분리시키는 영역을 축소시킬수 있는 STI 공정을 통하여 형성된다.
이어서, 상기 소자분리막(204)이 형성된 기판 상에 질화막(205)을 증착한다. 상기 질화막(205)은 후속 트렌치 형성 공정시 식각장벽으로 사용하기 위해 증착되는 막이다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드가 형성될 광감지영역이 오픈되도록 상기 질화막(205)을 식각한 후, 상기 질화막(205)을 식각장벽으로 하여 상기 p형 웨이퍼(203)을 식각하여 트렌치를 형성한다.
이어서, 상기 트렌치가 형성된 기판 상에 스페이서 형성용 질화막을 증착한다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서 형성용 질화막을 등방 건식 식각 공정을 수행하여 상기 트렌치의 내부 측벽에 스페이서(206)을 형성한다.
이때, 상기 스페이서(206)가 없을 경우 후속 SiGe 에피층의 성장 공정시 상기 트랜치 내부 하단 뿐만아니라 상기 트랜치 내부 측벽에서도 성장이 이루어져 평탄화가 이루어지지 않는다.
따라서, 상기 스페이서(206)를 형성함으로써, 후속 SiGe 에피층 성장에 의한 포토다이오드영역에 대해 평탄화를 이룰 수 있다.
이어서, 상기 스페이서(206)가 형성된 트렌치 내부에 광흡수율과 광전변환 효율이 우수한 SiGe 에피층(207)을 성장시킨다.
이때, 상기 SiGe 에피층(207)은 SEG 방식으로 성장시키고, 성장 온도는 450~900℃이며, Si의 소스는 SiN4, SiH2Cl2, Si2H6 중 어느 하나를 선택하여 사용하고, Ge 소스는 GeH4를 사용하며, 상기 Ge의 농도는 1~20%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 SiGe 에피층(207) 상에 Si 에피층을 더 형성할 수 있는데, 상기 Si 에피층은 상기 SiGe 에피층(207) 상에 산화막을 증착할 수 없기 때문에 형성되는 층이다. 그리고, 상기 SiGe 에피층(207)과 Si 에피층은 상기 트렌치 내에 다층 구조로도 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치 내의 측벽에 형성된 스페이서(206)를 상기 트렌치 상부 지역에서 리세스 시킨다. 따라서, 상기 리세스 영역에서 SiGe 에피층과 상기 p형 웨이퍼(203)이 접촉된다.
이어서, 상기 스페이서(206)의 리세스로 인해서 생긴 공백을 메우기 위해 SiGe 에피층(207)을 더 성장시킨다.
이어서, 상기 광감지영역에 SiGe 에피층(207)이 성장된 기판 상에 게이트 절연막(208)과 게이트 전도막(209)을 순차적으로 증착한 후, 선택적 식각 공정을 수행하여 게이트 전극(210)을 형성한다.
이때, 상기 게이트 전극(210)은 상기 SiGe 에피층(207)의 일측과 정렬되게 형성되는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 게이트 전극(210)의 에지 부분과 자동 정렬되고, 상기 SiGe 에피층(207)이 성장된 상기 광감지영역에 n형 불순물 이온주입 공정을 수행하여 n형 불순물영역(211)을 형성한다.
이어서, 상기 게이트 전극(210)의 양측벽에 게이트 전극용 스페이서(212)를 형성한 후, 상기 게이트 전극용 스페이서(212)의 에지부분과 자동정렬되고 상기 게이트 전극(210)을 중심으로 상기 광감지영역과 반대되는 방향에 p형 불순물 이온주입 공정을 수행하여 플로팅 확산영역(213)을 형성한다.
이어서, 상기 광감지영역의 p형 웨이퍼(203) 내에 형성되고, 상기 n형 불순물영역(211) 상에 형성되게 p형 불순물 이온주입 공정을 수행하여 p형 불순물영역 (214)을 형성한다.
즉, 본 발명에서는 광감지영역에 SiGe 에피층(207)을 성장시켜 단위면적당 광흡수율이 종래의 포토다이오드와 비교하여, 보다 높고, 흡수된 광량을 광전류로 변환할 수 있는 양자 효과(Quantum Efficiency)도 높은 새로운 형태의 포토다이오드를 제조한다.
특히, 가시광 영역에서 문제가 되고 있는 블루(Blue) 영역의 광전 변환 효율을 설계 변경하여 레이아웃(Layout)의 추가 변경 없이 구현 가능하여 구현 용이성이 우수하다.
또한 SiGe 에피층(207)은 종래 기술의 Si 에피층 보다 낮게 형성되어 에너지 밴드갭에 의해 결정되는 광전 변환 효율이 뛰어나고, 가시광 영역을 대상으로 하는 빛의 파장범위를 갖으며, 광흡수율도 상기 종래기술인 Si 에피층보다 우수하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 포토다이오드가 형성될 광감지영역에 기존 실리콘이 아닌 SiGe 에피층을 사용한다.
따라서, 빛을 받아들여 전류로 변환하는 포토다이오드의 광흡수와 양자 효과 가 우수하여 고화질의 영상을 얻을 수 있다.
특히, 파장이 짧은 블루 영역의 화질이 뛰어나다.
또한, 단위면적당 받아들이는 광량의 증가로 인하여 암전류가 낮아지고 광전류는 증가하여 SNR(Signal to Noise Ratio)를 높여 준다. 상기의 SNR의 증대로 인해 이미지를 왜곡 없이 재구성하거나 재현할 수 있어 메가급 이상의 고화질 이미지 센서의 구현이 가능하다.
Claims (9)
- 포토다이오드가 형성될 광감지영역에 트렌치가 형성된 반도체 기판;상기 트렌치 내벽의 측면에 형성된 스페이서;상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 성장시킨 SiGe 에피층;상기 SiGe 에피층 내에 형성되는 포토다이오드 불순물영역; 및상기 포토다이오드 불순물영역의 일측과 정렬되게 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극을 구비하는 씨모스 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 스페이서는 상기 트렌치 상부 지역에서 리세스 되고, 상기 리세스 영역에서 SiGe 에피층과 상기 반도체 기판이 접촉되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 SiGe 에피층 상에 형성된 Si 에피층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 SiGe 에피층과 Si 에피층은 상기 트렌치 내에 다층 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 포토다이오드가 형성될 광감지영역을 갖는 반도체 기판을 준비하는 단계;상기 광감지영역에 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 내벽의 측면에 스페이서를 형성하는 단계;상기 트렌치 내에 광감응도를 높이기 위해 SiGe 에피층을 성장시키는 단계;상기 스페이서의 상부 에지부분의 일정영역을 제거하는 단계;상기 스페이서가 제거된 영역에 상기 SiGe 에피층을 성장시키는 단계; 및상기 SiGe 에피층 내에 포토다이오드 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 스페이서는 상기 트렌치 상부 지역에서 리세스 되고, 상기 리세스 영역에서 SiGe 에피층과 상기 반도체 기판이 접촉되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미 지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 SiGe 에피층 상에 Si 에피층을 상기 트렌치 내에 더 성장시키는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,상기 SiGe 에피층과 Si 에피층은 상기 트렌치 내에 다층으로 형성되는 것을 더 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 SiGe 에피층은 SEG 방식으로 성장시키고, 성장 온도는 450~900℃이며, Si의 소스는 SiN4, SiH2Cl2, Si2H6 중 어느 하나를 선택하여 사용하고, Ge 소스는 GeH4를 사용하며, 상기 Ge의 농도는 1~20%인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020050056451A KR20070000817A (ko) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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| KR (1) | KR20070000817A (ko) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104078472A (zh) * | 2013-03-27 | 2014-10-01 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Cmos图像传感器及其制造方法 |
| CN104517976A (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-15 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | Cmos图像传感器的像素结构及其形成方法 |
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2005
- 2005-06-28 KR KR1020050056451A patent/KR20070000817A/ko not_active Application Discontinuation
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