KR20080084475A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
충분한 광전 변환 용량이 부여되고, 신뢰성이 제고된 이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는 베어 기판, 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층, 에피택시층 내에 형성되고, 제2 도전형의 제3 불순물이 적어도 부분적으로 도핑되어 있는 전하 수집홀을 포함하되, 전하 수집홀은 제1 불순물 분포 영역 및 제2 불순물 분포 영역을 점유하고, 전체로서 제2 도전형을 나타낸다.
이미지 센서, 에피택시 기판, 전하 수집홀
Description
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 레이아웃이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 소자 분리를 위한 다양한 채용예를 설명하기 도면이다.
도 9 및 도 11 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 에피택시 기판의 영역별 불순물 농도의 상대적인 값을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 6의 이미지 센서를 제조하는데 적용되는 에피택시 기판의 단면도이다.
도 18은 도 7의 이미지 센서를 제조하는데 적용되는 에피택시 기판의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
101: 반도체 기판 107: 깊은 웰
108: 분리 웰 110: 광전 변환부
112: 피닝층 120: 전하 검출부
130: 전하 전송부 132: 전송 게이트 전극
134: 게이트 절연막 136: 문턱 전압 제어 영역
138: 스페이서
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충분한 광전 변환 용량이 부여되고, 신뢰성이 제고된 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
MOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, MOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, MOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
그런데, 증대된 해상도를 충족시키기 위해서 픽셀의 집적도를 증가시킬수록 단위 픽셀당 광전 변환부의 면적이 작아져서 감도(sensitivity) 및 포화 신호량이 떨어진다. 동일 면적당 충분한 광전 변환 용량을 부여하기 위하여, 광전 변환부의 깊이를 더욱 증가시키는 방안이 제기되지만, 이를 위해서는 과도한 이온 주입 에너지가 요구되어 주변 구조물을 어택할 뿐만 아니라, 불순물 이온을 정확한 농도로 주입하기 어렵다. 또, 레드 감도가 지나치게 증가하는 반면, 취약한 신호인 그린 감도 개선에는 큰 효과가 없다. 나아가, 화소간 크로스토크에도 취약하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 충분한 광전 변환 용량이 부여되고, 신뢰성이 제고된 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 충분한 광전 변환 용량이 부여 되고, 신뢰성이 제고된 이미지 센서의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 충분한 광전 변환 용량이 부여되고, 신뢰성이 제고된 이미지 센서를 제조하기 위한 이미지 센서용 에피택시 기판을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 베어 기판, 상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층, 상기 에피택시층 내에 형성되고, 제2 도전형의 제3 불순물이 적어도 부분적으로 도핑되어 있는 전하 수집홀을 포함하되, 상기 전하 수집홀은 제1 불순물 분포 영역 및 제2 불순물 분포 영역을 점유하고, 전체로서 제2 도전형을 나타낸다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 베어 기판, 및 상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층을 포함하는 이미지 센서용 에피택시 기판을 제공하고, 상기 에피택시층 내에 제2 도전형의 제3 불순물이 적어도 부분적으로 이온 도핑되어 있는 전하 수집홀을 형성하는 것을 포함하되, 상기 전하 수집홀은 제1 불순물 분포 영역 및 제2 불순물 분포 영역을 점유하고, 전체로서 제2 도전형을 나타낸다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서용 에피택시 기판은 베어 기판, 및 상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 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 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, ″및/또는″은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러 나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광전 변환부를 포함하는 액티브 픽셀 센서(APS) 어레이(10), 타이밍 발생기(timing generator; 20), 행 디코더(row decoder; 30), 행 드라이버(row driver; 40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS; 50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC; 60), 래치부(latch; 70), 및 열 디코더(column decoder; 80) 등을 포함한다.
APS 어레이(10)는 예컨대, 행열 방향으로 어레이된 복수의 픽셀을 포함한다. 각 픽셀은 광학 신호를 수신하여 이를 전기적 신호로 변환한다. APS 어레이(10)는 행 드라이버(40)로부터 픽셀 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RX), 전하 전송 신호(TX) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.
타이밍 발생기(20)는 행 디코더(30) 및 열 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
행 드라이버(40)는 행 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 제공한다. 예를 들어, 행렬 형태로 단위 픽셀이 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(50)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 잡음 레벨(noise level)과 형성된 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 등가회로도이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 레이아웃이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 및 선택부(160)를 포함한다. 각 단위 화소(100)는 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시에 불과하며, 단위 화소당 3개, 또는 5개의 트랜지스터를 포함할 수 있는 등, 필요에 따라 트랜지스터의 수에는 가감이 가능하다.
광전 변환부(100)는 입사광을 흡수하여 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전 변환부(100)는 예를 들어, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전하 검출부(120)는 예를 들어, 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region) 등으로 이루어질 수 있으며, 광전 변환부(120)에 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장될 수 있다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 증폭부(150)를 제어한다.
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부는 1개의 트랜지스터(전송 트랜지스터)로 이루어질 수 있으며, 전송 트랜지스터의 게이트단은 전하 전송 신호(TG)에 커플링되어 있다. 또, 전송 트랜지스터의 소오스단은 광전 변환부(100)에, 전송 트랜지스터의 드레인단은 전하 검출부(120)에 각각 커플링되어 있다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소오스단은 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인단은 Vdd에 연결된다. 리셋부(140)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)로서의 역할을 한다. 증폭부(150)에서는 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변동되는 전압을 수직 신호 라인(111)으로 출력한다. 증폭부(150)의 소오스단은 선택부(160)의 드레인단에 연결되고, 증폭부(150)의 드레인단은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소를 선택한다. 선택부(160)는 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되며, 선택부(160)의 소오스단은 수직 신호 라인(111)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향으로 연장된다.
상기한 바와 같은 단위 화소의 단면 구조를 설명하기 위해 도 4가 참조된다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 단위(100_1)는 베어 기판(101), 에피택시층(102), 광전 변환부(110), 전송 게이트 전극(132), 및 전하 검출부(120)를 포함한다.
베어 기판(101)은 Si, Ge, SiGe, GaP, GaAs, SiC, SiGeC, InAs, InP 또는 상기 열거된 물질들이 선택적으로 조합된 혼합물로 이루어진 반도체 기판일 수 있다. 또, 베어 기판(101)은 제1 도전형(예컨대 P형) 기판, 또는 제2 도전형(예컨대 N형) 기판일 수 있다. 예시적으로, 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1022 atom/cm3 의 농도로 제1 도전형(P형) 불순물이 도핑되어 있는 고농도 제1 도전형(P형) 기판이 적용될 수 있다.
베어 기판(101) 상에는 베어 기판의 전면(whole surface)에 실리콘 등이 에피택시 성장되어 이루어진 에피택시층(102)이 형성되어 있다. 에피택시층(102)은 분포하는 불순물의 도전형에 따라 적어도 2개의 분포 영역으로 구분될 수 있다. 도 4는 하부에 제1 도전형(P형)의 제1 불순물이 분포하는 제1 불순물 분포 영역(102a)이 배치되고, 제1 불순물 분포 영역(102a) 위에 제2 도전형(N형)의 제2 불순물이 분포하는 제2 불순물 분포 영역(102b)이 배치된 경우를 예시한다. 상기 P형의 제1 불순물은 예컨대 붕소(B) 또는 인듐(In)일 수 있고, N형의 제2 불순물은 인(P) 또 는 비소(As)일 수 있다.
여기서, "불순물 분포 영역"이라 함은 특정 불순물이 적어도 소정의 확률로 발견되는 영역을 의미할 뿐이며, 그 영역 내에서 상기 특정 불순물이 우세할 것까지 요하는 개념은 아니다. 예를 들어, 제1 불순물 분포 영역 내에 제3 불순물이 고농도로 도핑되어 제1 불순물보다 제3 불순물의 농도가 더 높다고 하더라도, 그 영역 내에서 제1 불순물이 소정 확률로 발견되는 한 제1 불순물 분포 영역으로 지칭될 수 있다. 상기 관점에서, 특정 영역에 제1 및 제2 불순물이 모두 분포할 경우, 그 영역은 제1 불순물 분포 영역인 동시에 제2 불순물 분포 영역이 될 수 있다. 따라서, 제1 불순물 분포 영역과 제2 불순물 분포 영역은 몇몇 영역에서 오버랩될 수 있다.
한편, 상기한 특정 불순물이 발견될 확률은 영역 내에 함유된 불순물의 농도에 좌우된다. 즉, 불순물의 농도가 증가하면, 발견될 확률도 함께 증가한다. 여기서, 특정 불순물이 발견될 확률이 지나치게 낮은 경우-불순물 농도가 지나치게 낮은 경우-까지 특정 불순물 분포 영역으로 포함시키면, 분포 영역간 오버랩되는 구간이 너무 넓어질 뿐만 아니라, 각 분포 영역의 경계를 설정하는 것도 모호해진다. 따라서, 이러한 영역을 "특정 불순물 분포 영역"으로 지칭하는 것은 부적합하다. 이와 같은 기준을 명확히 하기 위하여 특정 불순물 분포 영역은 상기한 바와 같이 특정 불순물이 "적어도 소정 확률 이상" 발견되는 경우로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 소정 확률은 예컨대, 불순물이 영역 내에서 약 1×1011 atom/cm3 이상의 농도를 가질 경우에 발견되는 확률일 수 있다.
이러한 관점에서 제1 불순물 분포 영역(102a)은 제1 불순물이 적어도 약 1×1011 atom/cm3 이상의 농도를 갖는 영역이고, 제2 불순물 분포 영역(102b)은 제2 불순물이 적어도 약 1×1011 atom/cm3 이상의 농도를 갖는 영역일 수 있다. 이러한 농도 조건의 전제 내에서, 제1 및 제2 불순물 분포 영역(102a, 102b)에는 소자 특성 향상을 위한 다양한 농도가 선택된다.
제1 불순물 분포 영역(102a)은 다시 고농도 영역(102c) 및 저농도 영역(102d)으로 구분될 수 있다.
고농도 영역(102c)은 예컨대, 에피택시층(102)의 최하부에 위치한다. 즉, 고농도 영역(102c)은 베어 기판(101)의 바로 위에 배치된다. 고농도 영역(102c)은 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1019 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖는 영역일 수 있다. 고농도 영역(102c)은 약 1 내지 5㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 하부의 베어 기판(101)에서 생성된 전하들이 전하 수집웰(111)로 유입되지 않고, 홀과 재결합(recombination)할 수 있도록 하는 다수의 홀들을 제공한다. 따라서, 전하들의 랜덤 드리프트(random drift)에 의한 화소간 크로스토크를 감소시킨다. 특히, 베어 기판(101)으로 저농도 제1 도전형(P형) 기판이나, 제2 도전형(N형) 기판을 적용할 경우, 고농도 영역(102c)은 깊은 웰(deep well)로서 작용할 수 있다.
고농도 영역(102c)은 또한, 광전 변환에 따른 전하 데이터를 수집할 수 있는 영역을 한정한다. 즉, 데이터로서 수집되는 전하는 고농도 영역(102c)의 상면으로 부터 그 위쪽에 위치하는 에피택시층(102)의 구간에서 발생된 전하로 한정된다. 따라서, 광전 변환 효율은 에피택시층(102)의 표면으로부터 고농도 영역(102c)의 표면까지의 거리와 비례 관계가 있게 된다.
저농도 영역(102d)은 고농도 영역(102c) 위에 위치한다. 저농도 영역(102d)은 약 1×1013 atom/cm3 내지 약 1×1016 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖는 영역일 수 있다. 저농도 영역(102d)은 상술한 바와 같이 광전 변환에 기여하는 영역이기 때문에, 충분한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 에피택시층(102)의 표면으로부터 고농도 영역(102c)의 표면까지의 거리가 과도하게 길게 되면, 레드(RED) 파장에 대한 감도가 지나치게 증가할 뿐만 아니라, 픽셀간 크로스토크가 발생할 수 있으므로, 이를 감안하여 상기 거리가 조절되고, 그에 따라 저농도 영역(102d)의 두께가 결정된다. 예를 들어, 저농도 영역(102d)의 두께는 약 1 내지 5㎛의 범위를 가질 수 있다.
제2 불순물 분포 영역(102b)은 약 1×1013 atom/cm3 내지 약 1×1016 atom/cm3 의 제2 불순물 농도를 갖는 영역일 수 있다. 제2 불순물 분포 영역(102b)은 에피택시층(102)의 최상부에 위치한다. 즉, 제2 불순물 분포 영역(102b)의 상면은 에피택시층(102)의 표면이 된다. 제2 불순물 분포 영역(102b)은 광전 변환부(110)의 전하 수집 용량을 증가시키는데 기여한다. 제2 불순물 분포 영역(102b)에는 전하 수집웰(111)에 도핑되는 불순물과 동일한 도전형(N형)의 제2 불순물이 분포하므로, 전하 수집웰(111)의 도핑 농도를 조절함으로써 일렉트릭 웰의 깊이를 증가시키고, 전 하 수집웰(111)의 체적(깊이)을 증가시킴으로써 전하 수집 용량을 증가시킬 수 있다. 제2 불순물 분포 영역(102b)은 상술한 제1 불순물 분포 영역(102a)의 저농도 영역(102c)과 함께 광전 변환 효율에 기여하는 영역이므로, 이를 감안하여 두께가 조절된다. 특히, 제2 불순물 분포 영역(102b)은 그린(Green) 감도를 증가시키는데 기여하므로, 충분한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 적용될 수 있는 제2 불순물 분포 영역(102b)의 두께의 예는 약 0.5 내지 1.5㎛일 수 있다.
상기한 바와 같은 에피택시층(102)의 총두께와 각 영역(고농도 영역, 저농도 영역, 제2 불순물 분포 영역)별 두께는 에피택시 성장 공정에서 용이하게 조절될 수 있다. 그리고, 각 영역별 불순물의 농도도 에피택시층(102)의 성장 과정에서 용이하게 조절될 수 있다. 따라서, 설계에 따른 정확한 두께 및 농도 조절이 가능하다. 특히, 최하부의 고농도 영역의 형성을 위한 추가적인 이온 주입 공정이 불필요하기 때문에, 이온 주입 공정에 따른 에피택시층(102)의 어택을 감소시킬 수 있다. 따라서, 소자 신뢰성이 개선될 수 있다.
에피택시층(102) 상에는 전송 게이트 전극(132)을 포함하는 전송 게이트 구조물이 형성되어 있다. 전송 게이트 구조물은 전송 게이트 전극(132) 이외에도 게이트 절연막(134)을 더 포함한다. 게이트 절연막(134)으로는 예컨대, SiO2, SiOn, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질막이 사용될 수 있다. 상기 고유전율 물질막으로는 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합막 등이 예시될 수 있다.
선택적으로, 전송 게이트 구조물은 전송 게이트 전극(132) 및 게이트 절연 막(134)의 측벽에 형성된 스페이서(138)를 더 포함할 수 있다. 스페이서(138)는 예컨대, SiN으로 이루어질 수 있다.
에피택시층(102) 내에는 전송 게이트 전극(132)을 중심으로 서로 대향하는 전하 수집웰(111) 및 전하 검출부(120)가 형성되어 있다. 나아가, 에피택시층(102) 내에는 문턱 전압 제어 영역(136) 및 분리 웰(108)이 더 형성될 수 있다. 전하 수집웰(111), 전하 검출부(120), 문턱 전압 제어 영역(138) 및 분리 웰(108)은 각각 에피택시층(102) 내에 별도의 불순물을 도핑함으로써 정의된다. 즉, 도핑된 불순물의 종류 및 농도에 따라 주변의 에피택시층(102)과 구별된다.
전하 수집웰(111)은 전송 게이트 전극(132)의 일측으로부터 외측 방향으로 연장되어 형성된다. 또한, 전하 수집웰(111)은 부분적으로 전송 게이트 전극(132)과 오버랩될 수 있다. 전하 수집웰(111)은 에피택시층(102)의 표면으로부터 고농도 영역(102c)의 표면에 이르기까지의 구간에서 광전 변환된 전하를 수집하고 저장하는 역할을 하도록 제2 도전형(N형)을 나타낸다. 이를 위하여 전하 수집웰(111)에는 제3 불순물이 고농도로 도핑된다. 전하 수집웰(111)에 도핑되는 제3 불순물은 제2 불순물 분포 영역(102b)에서와 같이 인(P) 또는 비소(As)일 수 있다. 그러나, 제2 불순물과 동일해야 하는 것은 아니며, 예컨대 제2 불순물이 인(P)이고, 전하 수집웰(111)에 도핑되는 제3 불순물은 비소(As)일 수 있다.
전하 수집웰(111)은 제2 불순물 분포 영역(102b) 및 제1 불순물 분포 영역(102a)의 저농도 영역(102d)을 점유한다. 따라서, 전하 수집웰(111)에는 상술한 도핑된 제3 불순물 뿐만 아니라, 제1 불순물 및 제2 불순물이 함께 혼재한다. 그러 나, 이중에서 농도 측면에서 우세한 것은 도핑된 제3 불순물이다. 상기 관점에서 도핑된 제3 불순물의 농도는 예컨대, 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1018 atom/cm3 일 수 있다. 따라서, 전하 수집웰(111)의 전기적 특성은 도핑된 제3 불순물의 농도에 의해 주로 지배된다.
한편, 제3 불순물은 전하 수집웰(111) 전체에 걸쳐 고르게 도핑되어 있을 필요는 없다. 다만, 전하 수집웰(111)을 충분한 일렉트릭 포텐셜을 갖는 제2 도전형(N형)으로 유지하기 위해서는, 적어도 제1 도전형(P형)의 제1 불순물이 분포되어 있는 저농도 영역(102d)에서는 제3 불순물이 충분히 고농도로 분포될 것이 요구된다. 다시 말하면, 제3 불순물이 저농도 영역(102d)의 제1 도전형(P형)을 상쇄하고도 남아서 전체 도전형을 제2 도전형(N형)으로 바꿀 수 있을 정도, 나아가, 충분한 일렉트릭 포텐셜을 가질 정도의 농도로 분포되어야 한다. 그러나, 제2 불순물 분포 영역(102b)은 제2 불순물에 의해 이미 제2 도전형(N형)을 나타내므로, 상기 영역에까지 제3 불순물이 반드시 분포하여야 하는 것은 아니다.
따라서, 전하 수집웰(111)은 제3 불순물이 도핑되어 있는 영역 뿐만 아니라, 제1 불순물 분포 영역(102a)을 포함하여 이루어진다. 그 결과, 제3 불순물만으로 전하 수집웰(111)이 이루어지는 경우에 비해 전하 수집웰(111)의 두께 및 체적이 증가하는 효과가 있다. 전하 수집웰(111)의 체적 증가는 광전 저장 용량 증대와 관계된다. 즉, 광전 전하 데이터의 수집 효율이 증대된다. 또, 전하 수집웰(111)의 두께 증가는 그린(Green) 감도를 개선하는 효과가 있다.
또한, 이와 같이 전하 수집웰(111)의 용량이 증가함에 따라 전하 수집웰(111)의 제3 불순물 도핑 농도는 상대적으로 감소할 수 있는 여지가 있다. 제3 불순물 도핑 농도가 상대적으로 감소하면, 제2 도전형(N형)의 전하 수집웰(111)과 제1 도전형(P형)의 주변 영역간에 P-N 정션의 전계가 감소할 수 있다. 따라서, 이들 경계 영역에서의 전하 트랩 현상이 감소된다. 이로 인하여 전송 트랜지스터의 턴온(turn on)에도 불구하고 트랩되어 잔류하는 전하가 줄어들게 되어, 신호 왜곡이나, 화상 지연 현상이 방지될 수 있다.
전하 수집웰(111) 상에는 피닝층(112)이 형성되어 있다. 피닝층(112)은 에피택시층(102)의 표면에 제2 불순물 분포 영역(102b)의 두께보다 얇은 두께로 형성된다. 따라서, 피닝층(112)은 제2 불순물 분포 영역(102b) 내에 위치한다.
피닝층(112)은 전하 수집웰(111)과 함께 광전 변환부(110)를 구성하는 일 요소가 된다. 피닝층(112)은 에피택시층(102)의 표면에 형성될 수 있는 댕글링 본드(dangling bond)로부터 노이즈가 생성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 에피택시층(102)의 표면의 댕글링 본드는 열에너지 등의 자극에 의하여 전하-홀 페어를 쉽게 다량으로 생성하는데, 이렇게 생성된 전하는 신호 노이즈로 작용할 수 있다. 따라서, 피닝층(112)에 의해 이를 소멸시킴으로써, 전하 노이즈가 전하 수집웰(111)로 유입되는 것을 방지한다. 이를 위하여 피닝층(112)에는 제1 도전형(P형)의 불순물이 고농도, 예컨대 약 1×1017 내지 1×1020 atom/cm3 로 도핑되어 있다. 따라서, 피닝층(112)에서는 제2 불순물도 소량 발견될 것이지만, 주로 제1 도전형(P 형)의 불순물이 우세하므로, 제1 도전형(P형)을 나타내게 된다. 한편, 도면에 구체적으로 예시되지는 않았지만, 피닝층(112)의 도입은 선택적이며, 경우에 따라 생략될 수도 있다.
전하 검출부(120)는 전송 게이트 전극(132)의 타측으로부터 외측 방향으로 연장되어 형성된다. 즉, 전하 검출부(120)는 전송 게이트 전극(132)을 중심으로 전하 수집웰(111)과 이격되어 대향한다.
전하 검출부(120)는 전하 수집웰(111)과 마찬가지로, 제2 도전형(N형)의 제4 불순물이 도핑되어 있으며, 제2 불순물 분포 영역(102b)과 저농도 영역(102d)을 점유한다. 제4 불순물은 제3 불순물과 동일할 수 있다. 전하 수집웰(111)에 수집된 전하들이 용이하게 전하 검출부(120)로 이동하도록 하기 위해서는, 일렉트릭 포텐셜에 경사를 부여하는 것이 바람직하고, 이를 위하여 전하 검출부(120)의 도핑 농도는 전하 수집웰(111)보다 높을 수 있다. 도핑 농도의 예를 들면, 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1019 atom/cm3 일 수 있다.
문턱 전압 제어 영역(136)은 전하 수집웰(111)과 전하 검출부(136) 사이에 개재되며, 전송 게이트 전극(132)과 오버랩되도록 형성된다. 문턱 전압 제어 영역(136)은 제2 불순물 분포 영역(102b) 내에 위치한다. 문턱 전압 제어 영역(136)에는 또한, 제1 도전형(P형) 불순물이 도핑되어 있으며, 상기 도핑 불순물의 농도와 제2 불순물의 농도에 따라 도전형 및 일렉트릭 포텐셜을 조절함으로써, 전송 트랜지스터의 문턱 전압을 제어한다. 예를 들면, 문턱 전압 제어 영역(136)은 제1 도 전형(P형)을 갖도록 상기 불순물들의 농도가 조절됨으로써, 전송 트랜지스터의 문턱 전압을 높여 누설 전류 발생을 방지하는 역할을 할 수 있다.
문턱 전압 제어 영역(136)은 전송 게이트 전극(132), 및 게이트 절연막(134)과 함께 전하 전송부의 일 구성 요소가 된다. 문턱 전압 제어 영역(136)은 필요에 따라 생략될 수도 있다.
분리 웰(108)은 이미지 센서의 각 화소 단위를 정의하고, 화소 단위간 크로스토크를 방지하는 역할을 한다. 이를 위하여 분리 웰(102)에는 제1 도전형(P형)의 불순물이 예컨대, 약 1×1015 atom/cm3 내지 약 1×1022 atom/cm3 정도의 고농도로 도핑되어 있다. 분리 웰(108)은 제2 불순물 분포 영역(102b) 및 저농도 영역(102d)을 점유하되, 저농도 영역(102d)의 깊은 부분에까지 형성될 수 있다. 나아가, 분리 웰은(108)은 저농도 영역(102d)의 최하부까지 형성되어 고농도 영역(102c)과 맞닿거나, 고농도 영역(102c) 내에까지 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 도 5의 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 단위(100_2)는 에피택시층(102_2)의 제1 불순물 분포 영역(102a)의 저농도 영역(102d)과 제2 불순물 분포 영역(102b_2)의 일부가 오버랩된 경우(OR 참조)를 예시한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제2 불순물 분포 영역(102b_2)은 전하 수집웰(111) 및/또는 전하 수집웰(111)의 아래에까지 확장될 수 있다. 제2 불순물 분포 영역(102b_2)의 확장은, 에피택시층(102_2)의 생성시부터 형성된 것일 수도 있지만, 시간의 경과 및/또는 후속 공정에 따라 제2 불순물 이 아래쪽으로 확산됨으로써 이루어진 것일 수 있다. 특히, 제2 불순물이 인(P)이고, 전하 수집웰(111)에 새로이 도핑된 제3 불순물이 비소(As)인 경우, 인(P)의 확산 속도가 비소(As)의 확산 속도보다 빠르기 때문에, 제2 불순물은 전하 수집웰(111)을 지나 그 아래에까지 확산될 수 있다.
확산된 영역(OR)에서의 제2 불순물의 농도가 전하 수집웰(111)에서 요구하는 만큼의 고농도가 아닐 경우, 상기 영역은 전하 수집웰(111)에 편입되지는 않는다. 그러나, 이들 확산 영역(OR)은 전하 수집웰(111)과 일렉트릭 포텐셜 경사를 이루기 때문에, 전하의 이동도를 증가시킨다. 또, 확산 영역(OR)에서는 제2 도전형(N형)의 제2 불순물로 인해, 광전 변환된 전하가 홀과 재결합할 확률이 낮아지므로, 전하의 수집 효율이 우수해진다. 또, 확산된 영역(OR)은 전하 수집웰(111)의 용량을 실질적으로 증가시킨다. 나아가, 제2 도전형(N형)의 전하 수집웰(111)은 주변에 제2 도전형(N형)의 확산 영역(OR)으로 둘러싸여 있으므로, 경계면에서 P-N 정션을 이루지 않는다. 따라서, 이들 경계 영역에서의 전하 트랩 현상이 발생하지 않으므로, 신호 왜곡이나, 화상 지연 현상이 방지될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 본 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 단위(100_3)는 에피택시층(102_3)의 제1 불순물 분포 영역(102a_3)이 3개의 영역으로 분할되는 경우를 예시한다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 에피택시층(102_3)은 제1 저농도 영역(102f), 고농도 영역(102c) 및 제2 저농도 영역(102d)을 포함한다. 고농도 영역(102c)과 제2 저농도 영역(102d)은 도 4의 고농도 영역 및 저농도 영역과 실질적으로 동일하다. 고농도 영역(102c)과 베어 기판(101) 사이에는 제1 저농도 영역(102f)이 개재한다.
제1 저농도 영역(102f)은 제2 저농도 영역(102d)과 실질적으로 동일한 영역일 수 있다. 즉, 분포하는 불순물의 종류가 동일하고, 그 농도가 동일한 범위를 가질 수 있다. 다시 말하면, 본 실시예에서 고농도 영역(102c)은 다소 넓은 저농도 영역의 중간에 개재된 것으로 이해될 수 있다. 그러나, 본 실시예의 경우에도 데이터로서 수집되는 전하는 고농도 영역(102c)의 표면으로부터 그 위쪽에 위치하는 에피택시층(102_3)의 구간에서 발생된 전하로 한정된다. 즉, 광전 변환 효율에 기여하는 영역은 제2 저농도 영역(102d), 및 제2 불순물 분포 영역(102b)이 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 단위(100_4)는 에피택시층(102_4)의 제1 불순물 분포 영역(102a_4)이 고농도 영역을 포함하지 않고, 오직 저농도 영역만으로 이루어진다. 즉, 도 7의 실시예는 깊은 웰이 배제된 구조를 갖는다. 따라서, 본 실시예에서는 제1 불순물 분포 영역(102a_4)의 하부에 위치하는 베어 기판(101)이 고농도의 제1 도전형(P형) 기판일 것이 요구된다. 예를 들면, 베어 기판(101)으로는 깊은 웰이 배제되어 있기 때문에, 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1022 atom/cm3 의 제1 불순물을 포함하는 고농도 제1 도전형 기판이 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 소자 분리를 위한 다양한 채용예를 설명하기 도면이다. 크로스토크 방지를 위한 소자의 분리는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 분리 웰(108) 단독으로 구현될 수도 있지만, 도 8에 도시된 이미지 센서(100_5)에서와 같이 소자 분리막(106)을 더 포함하여 구현될 수도 있다. 또 다른 예는 분리 웰(108)을 배제하고, 소자 분리막(106)만으로 소자 분리가 이루어지는 것이다. 소자 분리막(106)으로는 예컨대, LOCOS 막이나, STI막이 적용될 수 있다. 소자 분리막(106)은 댕글링 본드의 생성 관점에서는 취약할 수 있지만, 절연막으로 이루어지기 때문에, 분리 웰(108)보다 오히려 더 높은 소자 분리 특성을 나타낼 수 있다. 소자 분리막(106)은 때때로, 제조 공정시 적용되는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)의 균일성을 담보하기 위한 목적으로 제공될 수도 있다.
한편, 소자 분리막(106)으로서 STI막을 적용할 경우, STI막 형성 영역은 제1 불순물 분포 영역(102a) 및 제2 불순물 분포 영역(102b)과 중복되지 않는다. 즉, STI막은 에피택시층(102)의 일부를 제거한 후, 절연막을 매립하여 이루어지므로, 이미 에피택시층(102)이 아니어서, 상기와 같은 분포 영역을 기대하기 어렵다. 물론, 후속 공정에서 새로이 불순물을 도핑하였을 경우에는 상기 분포 영역에 편입될 수도 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 서로 다양하게 조합될 수 있음은 물론이다.
계속해서, 상기한 바와 같은 이미지 센서를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 이하의 설명되는 제조 방법의 실시예들에서, 상술한 구조 실시예와 동일하거나 용이하게 유추할 수 있는 구조, 재질, 치수, 농도, 위치 관계 등에 대해서는 중복 설명을 생략하거나 간략화한다.
도 9, 및 도 11 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 10은 에피택시 기판의 영역별 불순물 농도의 상대적인 값을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 먼저, 제1 불순물 분포 영역(102a) 및 제2 불순물 분포 영역(102b)을 포함하는 에피택시 기판을 제공한다.
에피택시 기판은 베어 기판(101) 상에 실리콘 등을 에피택시 성장시킴으로써 형성할 수 있다.
구체적으로, 베어 기판(101)을 제공한다. 도 10은 베어 기판(101)이 에피택시 기판의 각 영역 중에서 가장 불순물 도핑 농도가 높은 경우를 예시한다. 즉, 예시되어 있는 베어 기판(101)은 예컨대 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1022 atom/cm3 의 농도를 갖는 고농도 제1 도전형(P형) 기판일 수 있다.
다음, 베어 기판(101) 상에 소오스 가스와 불순물 가스를 동시에 공급하면서 에피택시 성장시킨다. 에피택시층의 최하부는 제1 불순물 분포 영역(102a)의 고농도 영역(102c)이므로, 우선 제1 불순물 가스를 고농도로 공급하면서 에피택시 성장을 수행한다. 제1 불순물 가스의 농도는 성장하는 에피택시층(102)이 약 1×1014 atom/cm3 내지 약 1×1019 atom/cm3 농도의 제1 불순물을 갖도록 하는 범위 내에서 조절된다.
목표로 하는 두께의 고농도 영역(102c)이 성장되면, 저농도 영역(102d)을 형성하기 위하여, 제1 불순물 가스의 농도를 낮추어 공급하면서 에피택시 성장을 수 행한다. 제1 불순물 가스의 농도는 성장하는 에피택시층(102)에서 제1 불순물이 약 1×1013 atom/cm3 내지 약 1×1016 atom/cm3 의 농도를 갖도록 하는 범위 내에서 조절된다.
계속해서, 목표로 하는 두께의 저농도 영역(102d)이 성장되면, 소오스 가스는 공급하는 상태에서 제1 불순물 가스의 공급을 중단하고, 제2 불순물 가스를 공급하면서 에피택시 성장을 수행한다. 제2 불순물 가스의 농도는 성장하는 에피택시층(102)에서 제2 불순물이 약 1×1013 atom/cm3 내지 약 1×1016 atom/cm3 의 농도를 갖도록 하는 범위 내에서 조절된다.
목표로 하는 제2 불순물 분포 영역(102b)의 두께가 확보되면, 에피택시 성장이 완료된다.
이와 같은 에피택시 성장에 의한 에피택시층(102)의 형성은 별도의 이온 도핑 공정을 배제하고 이루어진다. 따라서, 에피택시층(102)은 이온 주입 공정에 따른 어택없이 형성될 수 있다. 또, 성장과 동시에 불순물이 함께 주입되므로, 불순물의 농도 조절이 용이할 뿐만 아니라, 설계치에 근접하는 정확한 농도 조절이 가능하다. 나아가, 각 영역의 두께를 자유롭게, 그리고 정확하게 조절할 수 있다. 따라서, 설계에 따른 정확한 일렉트로 포텐셜을 구현하기 용이하다. 특히, 광전 변환부의 전하 수집 용량을 조절하기 유리하다.
도 11을 참조하면, 에피택시층(102) 내에 제1 도전형(P형) 불순물 이온들을 주입하여 분리 웰(108)을 형성한다. 이때, 도핑 농도는 주변의 제1 불순물 분포 영 역(102a)의 저농도 영역(102d)보다 높게 되도록 조절한다. 또, 제2 불순물 분포 영역(102b)과 제1 불순물 분포 영역(102a)의 저농도 영역(102d)의 소정 깊이에까지 분리 웰(108)이 형성되도록 도핑 에너지를 조절한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 분리 웰(108) 형성을 위해서는 포토레지스트와 같은 도핑 마스크가 이용될 수 있다. 이는 이하에서 수행되는 이온 주입 공정에서도 동일하다. 분리 웰(108)의 형성으로 이미지 센서의 각 화소 단위들이 정의된다.
도 12를 참조하면, 분리 웰(108)에 의해 정의된 각 화소 단위의 에피택시층(102)의 상부 표면에, 제1 도전형(P형) 불순물을 이온 주입하여, 문턱 전압 조절용 불순물 영역(136a)을 형성한다. 이때, 문턱 전압 조절용 불순물 영역(136a)은 제2 불순물 분포 영역(102b)에만 형성되도록 얇은 두께로 형성할 수 있다.
도 13을 참조하면, 문턱 전압 조절용 불순물 영역(136a) 상에 본 기술분야에서 통상적으로 적용되는 열산화 공정, 증착 공정, 패터닝 공정 등을 수행하여 게이트 절연막(134) 및 전송 게이트 전극(132)을 형성한다.
도 14를 참조하면, 전송 게이트 전극(132)의 일측에 제3 불순물을 이온 주입하여 전하 수집웰(111)을 형성한다. 이때, 전송 게이트 전극(132)의 내측으로 전하 수집웰(111)을 오버랩시키기 위해서는 제3 불순물의 이온 주입은 소정 각도, 예컨대 약 10°의 틸트(tilt) 각도로 주입될 수 있다. 제3 불순물 이온의 주입 결과, 전송 게이트 전극(132)의 일측에 위치하던 문턱 전압 조절용 불순물 영역(136a)은 실질적으로 사라지고(도 14의 '136b' 참조), 전하 수집웰(111)에 편입될 수 있다. 그러나, 상기 영역은 후술하는 피닝층(112)의 형성으로 다시 전하 수집웰(111)로부 터 배제될 수 있다.
제3 불순물은 제2 불순물 분포 영역(102b) 뿐만 아니라 하부의 저농도 영역(102d)에까지 일부 확장되어 이온 주입된다. 따라서, 전하 수집웰(111)에는 제1 불순물, 제2 불순물, 및 제3 불순물이 혼재되어 있게 된다.
한편, 이온 주입 공정 중, 또는 후속 공정 중에 열처리 공정들이 포함되면, 주입된 이온들이 확산되어 나가기 때문에, 각 영역의 체적이 증가할 수 있다. 따라서, 전하 수집웰(111)의 체적이 증가하여 광전 변환 용량이 증가할 수 있다. 나아가, 제2 불순물이 인(P)이고, 제3 불순물이 비소(As)일 경우, 인(P)은 비소(As)에 비하여 확산 속도가 빠르기 때문에, 확산되는 정도에 따라서는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 불순물은 전하 수집웰(111) 아래쪽까지 확산될 수 있다. 이와 같은 제2 불순물 분포 영역의 증가는 광전 변환 용량 및 광전 변환 효율을 증가시키는 데 이바지하며, 특히 그린 감도를 개선하는 효과가 있다.
도 15를 참조하면, 전하 수집웰(111)의 표면에 제1 도전형(P형)의 불순물을 고농도로 이온 주입하여, 피닝층(112)을 형성한다.
도 16을 참조하면, 전송 게이트 전극(132)을 중심으로 전하 수집웰(111)의 반대편에 제4 불순물을 고농도로 이온 주입하여 전하 검출부(120)를 형성한다. 전하 검출부(120)의 경우에도 전하 수집웰(111)에서와 같이 제2 불순물 분포 영역(102b) 및 저농도 영역(102d)을 점유하도록 형성할 수 있다.
계속해서, 도 16의 결과물의 전면에 게이트 질화막을 증착하고, 에치백하여 스페이서(138)를 형성함으로써, 도 4의 이미지 센서를 완성한다. 스페이서(138)의 형성은 이전 단계에서도 진행될 수 있으며, 그에 따라서는 각 영역 간 위치 관계, 정렬 관계 등이 변형될 수 있음은 자명하다.
도 17 및 도 18은 각각 도 6 및 도 7의 이미지 센서를 제조하는데 적용되는 에피택시 기판의 단면도들이다. 도 6 및 도 7의 이미지 센서들을 제조하기 위해서 제공되는 에피택시층의 구조는 도 9의 에피택시층과 차이가 있다.
즉, 도 6의 이미지 센서를 제공하기 위해서는 도 17에 도시된 바와 같이 에피택시층(102_3)의 제1 불순물 분포 영역(102a_3)이 3개의 영역(102f, 102c, 102d)으로 분할된 에피택시 기판이 제공된다. 도 7의 이미지 센서를 제공하기 위해서는 도 18에 도시된 바와 같이, 에피택시층(102_4)의 제1 불순물 분포 영역(102a_4)이 고농도 영역을 포함하지 않고, 베어 기판(101) 상에 바로 저농도 영역이 형성된 에피택시 기판이 제공된다. 각 에피택시 기판에서의 각 영역을 성장하는 방법은 에피택시 성장시의 제1 불순물의 농도 조절에 의함은 자명하다. 후속 공정은 도 11 내지 도 16을 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명을 생략한다.
한편, 도 8의 이미지 센서를 제조하기 위해서는 도 11의 단계에서 소자 분리막을 형성하는 단계를 더 수행한다. 소자 분리막은 예컨대 LOCOS 공정이나, STI 공정으로 형성된다. 소자 분리막의 형성 공정은 분리 웰의 형성 전 또는 후에 수행될 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기판 시스템에 대해 개시한다. 도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 19를 참조하면, 프로세서 기반 시스템(201)은 CMOS 이미지 센서(210)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 시스템(201)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(201)은 버스(205)를 통해 입출력(I/O) 소자(230)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(220)를 포함한다. CMOS 이미지 센서(210)는 버스(205) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(201)은 버스(205)를 통해 CPU(220)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(240), 플로피디스크 드라이브(250) 및/또는 CD ROM 드라이브(255), 및 포트(260)을 더 포함할 수 있다. 포트(260)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. CMOS 이미지 센서(210)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 것이 며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 의하면, 에피택시 성장의 의해 다수개의 농도별 영역을 구비하기 때문에, 각 영역별 두께를 자유로이 결정할 수 있고, 설계에 따른 정확한 두께 및 농도 조절이 가능하다. 따라서, 충분한 광전 변환 용량을 부여할 수 있다. 또, 이온 주입 공정에 따른 소자 어택을 방지할 수 있기 때문에, 소자 신뢰성이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 의하면 실질적으로 전하 수집웰의 깊이가 증가하므로, 전하 수집 효율이 증대되고, 레드 감도를 증가시키지 않으면서도, 그린 감도를 개선할 수 있다.
Claims (29)
- 베어 기판;상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층;상기 에피택시층 내에 형성되고, 제2 도전형의 제3 불순물이 적어도 부분적으로 도핑되어 있는 전하 수집홀을 포함하되,상기 전하 수집홀은 제1 불순물 분포 영역 및 제2 불순물 분포 영역을 점유하고, 전체로서 제2 도전형을 나타내는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형인 이미지 센서.
- 제2 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 하부의 고농도 영역 및 상부의 저농도 영역을 포함하며,상기 전하 수집홀이 점유하는 상기 제1 불순물 분포 영역은 상기 저농도 영역인 이미지 센서.
- 제3 항에 있어서,상기 고농도 영역은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1019 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 저농도 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제2 불순물 농도를 갖는 이미지 센서.
- 제4 항에 있어서,상기 베어 기판은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1022 atom/cm3 의 농도를 갖는 제1 도전형 기판인 이미지 센서.
- 제4 항에 있어서,상기 제3 불순물의 도핑 농도는 1×1014 atom/cm3 내지 1×1018 atom/cm3 인 이미지 센서.
- 제3 항에 있어서,상기 제2 불순물 분포 영역은 상기 저농도 영역과 일부 오버랩되어 있는 이 미지 센서.
- 제7 항에 있어서,상기 제2 불순물 분포 영역은 상기 전하 수집웰 하부에까지 연장되어 있는 이미지 센서.
- 제8 항에 있어서,상기 제2 불순물은 인(P)이고, 상기 제3 불순물은 비소(As)인 이미지 센서.
- 제3 항에 있어서,상기 저농도 영역의 두께는 1 내지 5㎛의 범위를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역의 두께는 0.5 내지 1.5㎛의 범위를 갖는 이미지 센서.
- 제2 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 순차적으로 형성된 제1 저농도 영역, 고농도 영역 및 제2 저농도 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제2 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 저농도 영역으로 이루어지는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 상기 제1 불순물이 1×1011 atom/cm3 이상의 농도로 분포하는 영역이고, 상기 제2 불순물 분포 영역은 상기 제2 불순물이 1×1011 atom/cm3 이상의 농도로 분포하는 영역인 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 에피택시층 상에 형성된 전송 게이트 전극; 및상기 에피택시층 내에 형성되며, 상기 전송 게이트 전극을 중심으로 상기 전하 수집부와 대향하는 전하 검출부를 더 포함하는 이미지 센서.
- 베어 기판, 및 상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층을 포함하는 이미지 센서용 에피택시 기판을 제공하고,상기 에피택시층 내에 제2 도전형의 제3 불순물이 적어도 부분적으로 이온 도핑되어 있는 전하 수집홀을 형성하는 것을 포함하되,상기 전하 수집홀은 제1 불순물 분포 영역 및 제2 불순물 분포 영역을 점유하고, 전체로서 제2 도전형을 나타내는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제16 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 하부의 고농도 영역 및 상부의 저농도 영역을 포함하며,상기 전하 수집홀이 점유하는 상기 제1 불순물 분포 영역은 상기 저농도 영역인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제17 항에 있어서,상기 고농도 영역은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1019 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 저농도 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제2 불순물 농도를 갖는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제18 항에 있어서,상기 베어 기판은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1022 atom/cm3 의 농도를 갖는 제1 도전형 기판인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제18 항에 있어서,상기 제3 불순물의 도핑 농도는 1×1014 atom/cm3 내지 1×1018 atom/cm3 인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제17 항에 있어서,상기 제2 불순물은 인(P)이고, 상기 제3 불순물은 비소(As)인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제17 항에 있어서,상기 저농도 영역의 두께는 1 내지 5㎛의 범위를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역의 두께는 0.5 내지 1.5㎛의 범위를 갖는 이미지 센서의 제조 방법.
- 베어 기판; 및상기 베어 기판 상의 에피택시층으로서, 상기 베어 기판 상에 형성된 제1 도 전형의 제1 불순물 분포 영역, 및 상기 제1 불순물 분포 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 불순물 분포 영역을 포함하는 에피택시층을 포함하는 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제23 항에 있어서,상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형인 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제24 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 하부의 고농도 영역 및 상부의 저농도 영역을 포함하는 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제25 항에 있어서,상기 고농도 영역은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1019 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 저농도 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제1 불순물 농도를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역은 1×1013 atom/cm3 내지 1×1016 atom/cm3 의 제2 불순물 농도를 갖는 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제26 항에 있어서,상기 베어 기판은 1×1014 atom/cm3 내지 1×1022 atom/cm3 의 농도를 갖는 제1 도전형 기판인 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제25 항에 있어서,상기 저농도 영역의 두께는 1 내지 5㎛의 범위를 갖고,상기 제2 불순물 분포 영역의 두께는 0.5 내지 1.5㎛의 범위를 갖는 이미지 센서용 에피택시 기판.
- 제23 항에 있어서,상기 제1 불순물 분포 영역은 상기 제1 불순물이 1×1011 atom/cm3 이상의 농도로 분포하는 영역이고, 상기 제2 불순물 분포 영역은 상기 제2 불순물이 1×1011 atom/cm3 이상의 농도로 분포하는 영역인 이미지 센서용 에피택시 기판.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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