KR20110070075A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20110070075A
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이주현
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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는, 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도체 기판에 형성된 소자분리 영역; 상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역과 이격되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑영역; 상기 제1 도핑영역과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 형성된 제1 도전형의 제2 도핑영역; 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산영역; 및 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 형성된 제1 도전형의 배리어층을 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
실시예는 이미지센서에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)를 포함한다.
일반적으로 이미지센서는 빛에 의해 생성된 전하(전자 또는 정공)을 픽셀 내에서 전압 신호로 변화하여 이미지(Image)에 대한 정보를 읽어내는 것이다.
이미지센서가 고집적화, 초소형화 됨에 따라 이미지 정보를 읽어내는 단위인 픽셀의 크기가 점점 작아지고 있다.
도 1은 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 레이아웃이다.
단위픽셀은 빛을 받아서 저장하는 포토다이오드(PD), 상기 포토다이오드에 의해 생성된 전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 전달받은 전하를 전압신호로 변화하여 빛에 의해 생성된 신호의 크기를 검출하는 플로팅 확산부(Floating Diffusion:FD), 상기 플로팅 확산부를 기준전압으로 초기화시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 픽셀의 출력 라인(Output line)의 플로팅 확산부의 전압신호에 따라 구동시키기 위해 소오스 팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 출력신호를 읽기 위해 필요로 하는 픽셀을 선택하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다.
이미지 센서의 성능을 평가하는 중요한 요소로서 다크 시그널(dark signal) 특성이 있다.
다크 시그널은 빛이 전혀 없는 상태에서 포토다이오드에서 플로팅 확산부로 이동하는 전자에 의해 생성된다.
이러한 다크 시그널은 포토다이오드의 주변부, pn 정션(junction)의 공핍(depletion)영역, 플로팅 확산부 및 포토다이오드 상부 표면 분포하는 각종 결합이나 댕글링 본드에 의하여 발생될 수 있다.
예를 들어, 포토다이오드의 주변부는 주요한 다크 커런트(dark current)의 소스(source)이며, 포토다이오드의 n형 영역과 소자분리막(Shallow Trench Isolation)간의 거리에 민감하므로 이미지 센서의 설계시 고려되어야 한다.
또한, 반도체 기판인 실리콘(Si)과 표면 산화막(SiO2) 간의 계면 손상(interface defect)도 다크 커런트의 소스가 될 수 있다.
또한, 플로팅 확산부 형성 공정에 의한 손상(demage) 및 오염(contamination)에 의하여 다크 커런트가 발생될 수 있다.
실시예에서는 다크 커런트를 억제하고 이미지 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도체 기판에 형성된 소자분리 영역; 상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역과 이격되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑영역; 상기 제1 도핑영역과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 형성된 제1 도전형의 제2 도핑영역; 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산영역; 및 상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 형성된 제1 도전형의 배리어층을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도체 기판에 소자분리 영역을 형성하는 단계; 상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역과 이격되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 제2 도전형의 제1 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑영역과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 제1 도전형의 제2 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 게이트의 타측에 해당하는 상기 반도체 기판에 제1 도전형의 배리어층을 형성하는 단계; 및 상 기 배리어층에 의하여 둘러쌓이도록 상기 게이트의 타측에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 플로팅 확산영역의 주변에 형성된 배리어층에 의하여 다크 커런트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드와 소자분리막이 이격된 구조에 의하여 다크 커런트를 방지하고, 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 단면도이다. 여기서, 단위픽셀은 빛을 수광하여 광전하를 발생시키는 포토다이오드, 광전하를 플로팅 확산영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터, 플로팅 확산영역을 기준전압으로 초기화시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 소오스 팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 출력신호를 읽기 위해 필요로 하는 픽셀을 선택하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도 체 기판(10)에 형성된 소자분리 영역(20); 상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 게이트; 상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역(20)과 이격되도록 상기 반도체 기판(10)의 깊은 영역에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑영역(60); 상기 제1 도핑영역(60)과 접하도록 상기 반도체 기판(10)의 얕은 영역에 형성된 제1 도전형의 제2 도핑영역(70); 상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판(10)에 형성된 플로팅 확산영역(90); 및 상기 플로팅 확산영역(90)을 감싸도록 형성된 제1 도전형의 배리어층(80)을 포함한다.
실시예에서 상기 제1 도전형은 p형이고, 제2 도전형은 n형 일 수 있다. 이와는 반대로 상기 제1 도전형은 n형이고, 제2 도전형은 p형 일 수도 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 게이트는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트일 수 있다.
상기 게이트는 게이트 절연막(40) 및 게이트 전극(50)이 적층된 구조를 가진다.
상기 게이트 전극(50)의 일측에 정렬된 포토다이오드는 상기 반도체 기판(10)의 p형 에피층, n형의 제1 도핑영역(60) 및 p형의 제2 도핑영역(70)이 적층된 pnp 접합 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 도핑영역(70)은 고농도의 p형 불순물(P+)로 형성되고, 상기 포토다이오드의 댕글링 본드를 방지할 수 있다. 즉, 상기 제2 도핑영역(70)은 포토 다이오드 영역에서는 암전류 감소를 위한 표면 전압 고정(surface voltage Pinning)을 위한 용도로 사용될 수도 있다.
상기 배리어층(80)은 p형 불순물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어층(80)은 보론(B)을 포함하는 5족 원소로 형성될 수 있다.
상기 배리어층(80)은 상기 플로팅 확산영역(90)의 주변을 감싸도록 형성되고, 상기 플로팅 확산영역(90)의 다크 커런트 발생을 방지할 수 있다.
즉, 상기 반도체 기판(10)의 에피층(p-epi)에서 생성된 전하들이 재결합으로 소멸되지 않더라도, 상기 배리어층(80)에 의하여 전자가 플로팅 확산영역(90)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 플로팅 확산영역(90)의 측면과 인접하는 상기 배리어층(80)은 제1 농도를 가지고, 상기 플로팅 확산영역(90)의 바닥면과 접하는 상기 배리어층(80)은 제1 농도 보다 높은 제2 농도를 가질 수 있다.
또한, 상기 배리어층(80)의 피크 포인트(peak point)(A)가 플로팅 확산영역(90) 바닥면과 위치와 일치하도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 고온공정 및 실리사이드 공정에서의 오염에 의하여 발생되는 다크 커런트의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 소자분리 영역(20)의 주변에는 제1 도전형의 제1 딥웰(31)이 배치될 수 있다.
상기 제1 딥웰(31)에 의하여 상기 소자분리 영역(20)과 상기 제1 도핑영역(60)은 제1 너비(D)의 갭을 가질 수 있다.
상기 게이트 전극(50)의 하부, 플로팅 확산영역(90) 및 배리어층(80)의 하부에는 제1 도전형의 제2 딥웰(32)이 배치될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 플로팅 확산영역의 주변에 형성된 배리어층에 의하여 다크 커런트의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드와 소자분리막이 이격된 구조에 의하여 다크 커런트를 방지하고, 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 구체적으로 설명한다.
도 2를 참조하여, 반도체 기판(10)에 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하도록 소자분리 영역(20)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)은 고농도의 p형 기판(P++) 일 수 있다. 상기 반도체 기판(10)은 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도의 p형 에피층(P-epi)이 형성될 수 있다.
상기 소자분리 영역(20)은 STI 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(10)에서 포토다이오드 예정영역(PDA)을 제외한 나머지 영역에 제1 도전형의 제1 딥웰(31) 및 제2 딥웰(32)이 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 딥웰(31) 및 제2 딥웰(32)은 p형 불순물을 이온주입하여 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 딥웰(31)은 상기 소자분리 영역(20)의 주변을 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 제2 딥웰(32)은 상기 제1 딥웰(31)과 일정거리 이격되고, 상기 액티브 영역에 형성될 수 있다.
상기 제1 딥웰(31) 및 제2 딥웰(32)에 의하여 포토다이오드 예정영역(PDA)이 정의될 수도 있다.
한편, 상기 제1 딥웰(31) 및 제2 딥웰(32)은 상기 소자분리 영역(20)을 형성하기 전에 형성될 수도 있다.
상기 제2 딥웰(32)에 해당하는 상기 반도체 기판(10) 상에 게이트가 형성된다.
상기 게이트는 게이트 절연막(40)과 게이트 전극(50)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 게이트는 게이트 절연막(40)과 게이트 전도막을 증착한 다음 선택적으로 패터닝하여 형성될 수 있다.
상기 게이트는 상기 제2 딥웰(32)에 해당하는 상기 반도체 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 게이트 절연막(40)은 산화막 또는 질화막으로 형성되고, 상기 게이트 전극(50)은 폴리실리콘, 텅스텐과 같은 금속, 금속 실리사이드가 단층 또는 복층으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 게이트의 일측에 정렬되도록 포토다이오드용 제1 도핑영역(60)이 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 도핑영역(60)은 상기 포토다이오드 예정영역(PDA)을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 포토다이오드 예정영역(PDA)으로 n형 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다. 상기 제1 도핑영역(60)은 상기 반도체 기판(10)의 깊은 영역에 형성될 수 있다.
특히, 이온주입 공정 시 틸트 각도를 조절함으로써 상기 제1 도핑영역(60)의 상부영역은 넓은 폭을 가지고, 하부영역은 작은 폭을 가지도록 형성할 수도 있다. 이에 따라, 상기 제1 도핑영역(60)은 길이방향으로 단차를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 도핑영역(60)은 상기 소자분리 영역(20)과 제1 너비(D)의 갭을 가지도록 형성할 수도 있다.
상기 제1 도핑영역(60)이 상기 소자분리 영역(20)과 이격되어 있으므로, 상기 소자분리 영역(20)의 계면에서 발생될 수 있는 손상으로부터 상기 제1 도핑영역(60)이 보호될 수 있다.
또한, 상기 제1 도핑영역(60)이 상기 제1 딥웰(31) 및 제2 딥웰(32)에 의하여 격리될 수 있으므로 크로스 토크 특성을 개선할 수 있다.
상기 제1 도핑영역(60)과 접하도록 상기 반도체 기판(10)의 얕은 영역에 제2 도핑영역(70)이 형성된다.
상기 제2 도핑영역(70)은 포토레지스트 패턴(미도시)을 이온주입 마스크로 사용하고, 고농도의 p형 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 제2 도핑영역(70)은 상기 제1 도핑영역(60)을 형성할 때 사용했던 포토레지스트 패턴을 동일하게 사용할 수 있다.
따라서, 상기 게이트 일측에 해당하는 상기 반도체 기판(10)에 p형 에피층(P-epi), 제1 도핑영역(60) 및 제2 도핑영역(70)에 의하여 포토다이오드가 형성된다. 즉, 상기 p형 에피층(P-epi), 제1 도핑영역(60) 및 제2 도핑영역(70)의 pnp 접합에 의하여 공핍영역이 형성될 수 있다.
특히, 상기 제2 도핑영역(70)의 형성시 p형 불순물의 도핑농도를 증가시켜 포토다이오드 계면의 다크 커런트 특성을 향상시킬 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 게이트 타측에 정렬되도록 상기 제2 딥웰(32)에 배리어층(80)이 형성된다.
상기 배리어층(80)은 p형 불순물로 형성될 수 있다. 상기 배리어층(80)은 상기 제2 딥웰(32)보다 고농도의 p형 불순물로 형성될 수 있다.
상기 배리어층(80)을 형성하기 위해서 상기 반도체 기판(10) 상에 포토레지스트 패턴(100)을 형성한다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 제2 딥웰(32) 내부로 p형 불순물을 이온주입한다.
예를 들어, 상기 배리어층(80)은 보론(B) 이온을 도펀트로 사용하고, 도즈(Dose)는 1×1012~1×1013이고, 에너지는 30~40KeV이고, 이온주입 각도(Angle)는 30~40 degree으로 이온주입 공정을 진행할 수 있다. 특히, 상기 이온주입 공정시 상기 배리어층(80)의 바닥면의 이온주입 농도는 나머지 영역보다 높을 수 있다. 즉, 상기 배리어층의 피크 포인트(peak point)는 바닥면일 수 있다.
추가적으로, 상기 배리어층(80)에 대한 열확산 공정을 진행할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 게이트 타측에 정렬되도록 상기 배리어층(80)의 내부에 플로팅 확산영역(90)이 형성된다.
상기 플로팅 확산영역(90)은 상기 배리어층(80)의 내측영역에 형성되고, 상기 배리어층(80)에 의하여 둘러쌓인 구조로 형성될 수 있다.
상기 플로팅 확산영역(90)은 상기 포토레지스트 패턴(100)을 이온주입 마스 크로 사용하고 고농도의 n형 불순물(N++)을 이온주입하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 플로팅 확산영역(90)의 이온주입 공정시 이온주입 각도는 0~5°이고, 이온주입 에너지는 상기 배리어층(80)의 이온주입 에너지보다 작은 에너지로 이온주입 될 수 있다.
따라서, 상기 플로팅 확산영역(90)은 상기 배리어층(80)의 내측에 형성될 수 있다. 특히, 상기 플로팅 확산영역(90)의 바닥면은 상기 배리어층(80)의 피크 포인트(A)와 일치될 수 있다.
이로 인하여, 상기 에피층(p-epi)에서 생성된 전하들이 재결합으로 소멸되지 않더라도, 상기 배리어층(80)에 의하여 전자가 플로팅 확산영역(90)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편 도시되지는 않았지만, 광전하를 처리하기 위한 회로영역에서의 실리사이드 공정시 코발트 또는 니켈과 같은 오염(contamination)을 상기 배리어층(80)에 의하여 효과적으로 억제할 수도 있다.
이후, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(100)은 일반적인 스트립 공정을 통해 제거되고, 상기 반도체 기판(10) 상에 포토다이오드를 포함하는 단위픽셀이 형성될 수 있다.
참고로, 단위픽셀을 이루는 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 형성할 때 동시에 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는, 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아 니고 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 레이아웃이다.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (10)

  1. 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도체 기판에 형성된 소자분리 영역;
    상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트;
    상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역과 이격되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 형성된 제2 도전형의 제1 도핑영역;
    상기 제1 도핑영역과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 형성된 제1 도전형의 제2 도핑영역;
    상기 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산영역; 및
    상기 플로팅 확산영역을 감싸도록 형성된 제1 도전형의 배리어층을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 확산영역의 측면과 인접하는 상기 배리어층은 제1 농도를 가지고, 상기 플로팅 확산영역의 바닥면과 접하는 상기 배리어층은 제1 농도 보다 높은 제2 농도를 가지는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소자분리 영역의 주변을 둘러쌓도록 형성된 제1 도전형의 제1 딥웰; 및
    상기 게이트 및 플로팅 확산영역부 하부에 형성된 제1 도전형의 제2 딥웰을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 p형이고, 상기 제2 도전형은 n형 인 것을 포함하는 이미지 센서.
  5. 액티브 영역을 정의하도록 제1 도전형의 반도체 기판에 소자분리 영역을 형성하는 단계;
    상기 액티브 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계;
    상기 게이트의 일측에 정렬되고 상기 소자분리 영역과 이격되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 제2 도전형의 제1 도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 도핑영역과 접하도록 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 제1 도전형의 제2 도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 게이트의 타측에 해당하는 상기 반도체 기판에 제1 도전형의 배리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 배리어층에 의하여 둘러쌓이도록 상기 게이트의 타측에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배리어층을 형성하는 단계는,
    상기 게이트 타측에 해당하는 반도체 기판을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 p형 불순물을 도펀트로 사용하는 이온주입 공정을 진행하는 단계를 포함하고,
    상기 이온주입 공정의 이온주입 각도는 30~40°인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플로팅 확산영역은 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 n형 불순물을 도펀트로 사용하는 이온주입 공정을 통해 형성되고,
    상기 플로팅 확산영역의 이온주입 공정시 이온주입 각도는 0~5°이고, 이온주입 에너지는 상기 배리어층의 이온주입 에너지인 제1 에너지 보다 작은 제2 에너지인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 플로팅 확산영역의 측면과 인접하는 상기 배리어층은 제1 농도로 형성되고, 상기 플로팅 확산영역의 바닥면과 접하는 상기 배리어층은 제1 농도 보다 높 은 제2 농도로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 소자분리 영역을 형성한 다음, 상기 소자분리 영역을 감싸도록 제1 도전형의 제1 딥웰을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 딥웰의 형성할 때 상기 게이트 및 플로팅 확산영역의 하부에 해당하는 영역에 제1 도전형의 제2 딥웰을 동시에 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 배리어층의 피크 포인트(peak point)는 상기 플로팅 확산영역의 바닥면과 일치하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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CN116207120A (zh) * 2023-05-04 2023-06-02 合肥晶合集成电路股份有限公司 一种图像传感器及其制作方法

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