Pinned photodiode of image sensor, and its manufacture
专利汇可以提供Pinned photodiode of image sensor, and its manufacture专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pinned photodiode which can increase the depth of a depletion layer further more as compared with a prior art so as to get very high photosensitivity.
SOLUTION: The pinned photodiode of an image sensor includes a first conductivity type of semiconductor layer, an at least two layers of first doping regions which are made within the above semiconductor layer and are stacked, with the ions of second conductivity type of impurities implanted two times at least with mutually different energy, and a first conductivity type of second doping region which is made between the top of the uppermost first doping region in the two layers of first doping regions and the surface of the above semiconductor layer and is made with its area larger than the area of the above doping region and whose one region is made on the above semiconductor layer.
COPYRIGHT: (C)2000,JPO，下面是Pinned photodiode of image sensor, and its manufacture专利的具体信息内容。
m 3の第2導電型ドーパント濃度であり、上記第2ドーピング領域は約E18/cm 3の第1導電型ドーパント濃度である請求項2記載のピンドフォトダイオード。
ドーピング領域の上部と上記半導体層の表面間に第2ドーピング領域を形成する段階と、を含んでなるピンドフォトダイオード製造方法。
1ドーピング領域及び上記第3ドーピング領域は5V以下の低電圧で互いに等電位である請求項9記載のイメージセンサのピンドフォトダイオード。
9または10記載のピンドフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明はイメージセンサのピンドフォトダイオード及びその製造方法に関し、特にCM
OS工程により製造されるイメージセンサ(以下、単に"CM
OSイメージセンサ"という)のピンドフォトダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】周知の通り、ピンドフォトダイオードはCC
D(charge coupled device)イメージセンサまたはCMOSイメージセンサで外部からの光を感知して光電荷を生成及び集積する素子として使われ、基板内部で埋めたてされたPNP(またはNPN)接合構造を持っているのでベリードフォトダイオード(Buried Photodiode)とも呼ばれる。
【０００３】このような、ピンドフォトダイオードはソース/ドレーンPN接合構造またはモスキャパシター構造等の他の構造のフォトダイオードに比べて色々な長所を持っており、その長所の内の一つは、空乏層の深さを増加させることができるので入射された光子を電子に変える能力が優秀なことである。
【０００４】すなわち、PNP接合構造のピンドフォトダイオードはN領域が完全空乏されながら空乏層がN領域を介在している二つのP領域で形成されるので、そのつど空乏層の深さを増加させて"量子効率(Quantum Efficien
cy)"を増加させることができる。これにより光感度が優秀である。
【０００５】一方、5Vまたは3.3V以下の電源電圧を使用するCMOSイメージセンサに適用されたPNP接合構造のピンドフォトダイオードは、電源電圧以下(例えば1.2Vないし2.8V)で二つのP領域が互いに等電位でなければN領域が安定的に完全空乏されず"量子効率"を増加させることができない。
【０００６】図1には従来のピンドフォトダイオードの構造が図示されている。
【０００７】図1を参照すれば、ピンドフォトダイオード(PPD)はP-エピ層(P-epi)にNドーピング領域(Deep N-)
とPドーピング領域(P0)が形成されたPNP構造を持っている。 この時Nドーピング領域(Deep N-)を形成するための
N-イオン注入マスクとPドーピング領域(P0)を形成するためのP0イオン注入マスクを異ならせて使用しながら、
N-イオン注入マスクのオープン領域よりP0イオン注入マスクのオープン領域がより大きくなるようにすると、P-
エピ層(P-epi)とPドーピング領域(P0)がNドーピング領域(deep N-)により遮断されることなく低電圧で容易に等電位になることにより、3.3V以下の低電圧で互いに等電位になり安定的にNドーピング領域(deep N-)が完全空乏可能になるようにした。
【０００８】しかし、図1の従来技術は低電圧で完全空乏が可能であるので"量子効率"をある程度改善する効果があり、そして低濃度のP-エピ層を使用することによりある程度の空乏層の深さを増加させることができるが、
望みの"量子効率"を得ることができる程度に、すなわち一定水準の高い光感度を得ることができる程度の充分の空乏層の深さを得ることができないという問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非常に高い光感度を得るために、空乏層の深さを従来技術に比べてより一層増加させることができるピンドフォトダイオード及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】本発明の他の目的は、フォトダイオードの静電容量を増大させることができるピンドフォトダイオード及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための本発明のピンドフォトダイオードは、第1導電型の半導体層と、上記半導体層の内部に形成されていて、第2
導電型不純物が互異のエネルギーを持って少なくとも二回イオン注入されて積層形成された少なくとも二層の第
1ドーピング領域と、上記少なくとも二層の第1ドーピング領域中の最上部の第1ドーピング領域の上部と上記半導体層の表面間に形成されて、その面積が上記第1ドーピング領域の面積より広く形成され且つその一部領域が上記半導体層上に形成された第1導電型の第2ドーピング領域とを含んでなる。
【００１２】また、本発明のピンドフォトダイオード製造方法は、第1導電型の半導体層を準備する段階と、フィールド領域と活性領域を分離するために素子分離膜を形成する段階と、そのエッジが上記活性領域と上記フィールド領域間の境界に整列されて、そのエッジの一部が上記活性領域を覆う第1イオン注入マスクパターンを形成する段階と、上記第1イオン注入マスクパターンによりオープンされた上記活性領域に第2導電型不純物を互異のエネルギーで少なくとも二回イオン注入して少なくとも二層で積層された第1ドーピング領域を形成する段階と、上記第1イオン注入マスクパターンを除去する段階と、そのエッジが上記活性領域と上記フィールド領域間の境界に整列されて上記第1イオン注入マスクパターンより広く上記活性領域をオープンさせた第2イオン注入マスクパターンを形成する段階と、上記第2イオン注入マスクパターンによりオープンされた上記活性領域に第1導電型不純物をイオン注入して、上記少なくとも二層の第1ドーピング領域中の最上部の第1ドーピング領域の上部と上記半導体層の表面間に第2ドーピング領域を形成する段階とを含んでなる。
【００１３】また、本発明のピンドフォトダイオードは、第1導電型の半導体層と、上記半導体層の内部に形成されていて、垂直的に少なくとも一つの第1導電型の第1ドーピング領域を介在しながらその一側エッジが互いに連結され且つその他側エッジが上記第1ドーピング領域により分離された少なくとも二層の第2導電型の第2
ドーピング領域と、上記少なくとも二層の第2ドーピング領域中の最上部の第2ドーピング領域の上部と上記半導体層の表面間に形成されていて、その面積が上記第2
ドーピング領域の面積より広く形成され且つその一部領域が上記第1ドーピング領域上に形成された第1導電型の第3ドーピング領域とを含んでなる。
【００１４】また、本発明のピンドフォトダイオードは、半導体層と、上記半導体層の内部に垂直的に積層形成されていて、少なくとも4個のPN接合を構成する多数のドーピング領域を含み、電源供給により上記多数のドーピング領域で完全空乏になる。
【００１５】また、本発明のピンドフォトダイオード製造方法は、第1導電型の半導体層を準備する段階と、フィールド領域と活性領域を分離するために素子分離膜を形成する段階と、上記半導体層上にトランスファーゲートをパタニーングする段階と、上記ピンドフォトダイオードが形成される上記活性領域に第1イオン注入マスクを使用して第2導電型の第1ドーピング領域を形成するものであって、上記フィールド領域と上記活性領域の境界で上記活性領域の一部を覆う上記第1イオン注入マスクを使用して上記第1ドーピング領域を形成する段階と、
上記ピンドフォトダイオードが形成される上記活性領域で上記第1ドーピング領域上に第2イオン注入マスクを使用して第1導電型の第2ドーピング領域を形成するものであって、上記トランスファーゲートを覆う上記第2イオン注入マスクを使用して上記第2ドーピング領域を形成する段階と、上記ピンドフォトダイオードが形成される上記活性領域で上記第2ドーピング領域上に第3イオン注入マスクを使用して第2導電型の第3ドーピング領域を形成するものであって、上記フィールド領域と上記活性領域の境界で上記活性領域の一部を覆う上記第3イオン注入マスクを使用して上記第3ドーピング領域を形成する段階と、上記ピンドフォトダイオードが形成される上記活性領域で上記第3ドーピング領域の上部と上記半導体層の表面間に第4イオン注入マスクを使用して第1導電型の第4ドーピング領域を形成する段階とを含んでなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づき説明する。 図2には本発明の一実施例に係るピンドフォトダイオードの構造が図示されている。
【００１７】図2を参照すれば、本発明の一実施形態に係るピンドフォトダイオード(PPD)はP+基板上に5〜10μ
mで成長されたP-エピ層(P-epi)と、上記P-エピ層(P-ep
i)の内部に形成されてN型不純物が互異のエネルギーを有し、二回イオン注入されて積層形成された第1及び第2
Nドーピング領域(deep N-)(shallow N-)と、上記第2Nドーピング領域(shallow N-)の上部と上記P-エピ層(P-ep
i)の表面間に形成されてその幅が上記第1及び第2Nドーピング領域(deep N-)(shallow N-)の幅より広く形成されてその一部領域が上記P-エピ層(P-epi)上に形成されたPドーピング領域(P0)を含んで構成される。
【００１８】ここで、P-エピ層(P-epi)は約E14/cm 3のドーパント濃度で、第1及び第2Nドーピング領域(deep N-)
(shallow N-)は約E17/cm 3のドーパント濃度で、Pドーピング領域(P0)は約E18/cm 3のドーパント濃度になるように実施構成されている。 周知のようにこのようなドーパント濃度の構成はP-エピ層(P-epi)の深いところに空乏領域が形成されるようにするためである。
【００１９】図3及び図4は各々図2の本発明と図1の従来技術間の作用を比較説明するための断面図として、これを通じて本発明の特徴的作用効果を説明する。
【００２０】図3を参照すれば、トランスファーゲート
(Tx)とリセットゲート(図示せず)がターンオンされると、第1及び第2Nドーピング領域(deep N-)(shallow N-)
に電源電圧からの電圧が印加され空乏が開始されて第1
及び第2Nドーピング領域(deep N-)(shallow N-)が完全空乏状態になれば、空乏層の深さは"h1"になる。
【００２１】これに対し、従来の図4を参照すれば、単一のNドーピング領域(deep N-)だけが存在するので、N
ドーピング領域(deep N-)が完全空乏状態になった時空乏層の深さは"h2"となる。
【００２２】ここで"h1"は"h2"より大きいものの、これは第1及び第2Nドーピング領域(deepN-)(shallow N-)を合せたNドーピング領域の厚さが従来のNドーピング領域
(deep N-)単独の場合より厚いためである。
【００２３】結局、本発明の一実施形態は一定面積で厚くNドーピング領域を構成するために互異のエネルギーの多数回のイオン注入によりNドーピング領域を形成することにより空乏層の深さを増加させようとすることにその特徴がある。
【００２４】図5ないし図８は、図2の構造を製造するための工程断面図として、これを通じて本発明の一実施形態に係るピンドフォトダイオード製造方法を説明する。
【００２５】まず、図5を参照すれば、P+基板(501)上に
5〜10μmの厚さのP-エピ層(502)を成長させて、P-エピ層(P-epi)(502)に素子分離のためのフィールド酸化膜(F
OX)(503)を形成した後、ポリシリコン膜(504a)とタングステンシリサイド膜(504b)を連続的に塗布してマスク及びエッチング工程を通じてトランスファーゲート(Tx)及びリセットゲート(Rx)を形成する。
【００２６】次いで、図６に図示された通り、Nドーピング領域を形成するためのN-イオン注入マスク(505)を形成して、約200keV以上の高エネルギーでN-イオン注入を実施して第1Nドーピング領域(deep N-)(506)を形成する。
【００２７】この時N-イオン注入マスク(505)の平面図が図９に図示されているように、N-イオン注入マスク(5
05)はそのエッジがピンドフォトダイオードが形成される活性領域とフィールド領域(フィールド酸化膜が形成された領域)間の境界面(図面の点線)に実質的に整列されるものの活性領域の一部(600)を覆うパターン形状である。 すなわち、ピンドフォトダイオードが形成される活性領域のエッジ一部(600)はN型不純物がイオン注入されないため第1Nドーピング領域(506)が形成されない。
【００２８】次いで、図７に図示された通り、上記N-イオン注入マスク(505)をそのまま使用して、約100keV以下の低エネルギーでN-イオン注入を実施することにより第2Nドーピング領域(shallow N-)(507)を形成する。
【００２９】同様に、図９でピンドフォトダイオードが形成される活性領域のエッジの一部(600)はN型不純物がイオン注入されないため第2Nドーピング領域(507)が形成されない。
【００３０】続き、図８に図示したことのように上記N-
イオン注入マスク(505)を除去してPドーピング領域を形成するためのP0イオン注入マスク(508)を形成してP0イオン注入を実施してPドーピング領域(P0)(509)を形成する。
【００３１】図９に図示された通り、P0イオン注入マスク(508)はピンドフォトダイオードが形成される活性領域を全部オープンさせるようにパター二ングされる。
【００３２】図１０には本発明の他の実施形態に係るピンドフォトダイオードの構造が図示されている。
【００３３】図１０を参照すれば、本発明の他の実施形態に係るピンドフォトダイオード(PPD)はP+基板上に5〜
10μmで成長されたP-エピ層(P-epi)と、上記P-エピ層(P
-epi)の内部に形成されて垂直的に第1Pドーピング領域
(Middle P-)を介在しながらトランスファーゲートのエッジ下部で相互連結された第1及び第2Nドーピング領域
(Deep N-)(Shallow N-)と、第2Nドーピング領域(Shallo
w N-)の上部と上記P-エピ層(P-epi)の表面間に形成されて上記フィールド酸化膜(FOX)のエッジ下部で上記第1P
ドーピング領域(Middle P-)と連結された第2Pドーピング領域(Shallow P0)を含む。
【００３４】上記第1Pドーピング領域(Middle P-)と上記P-エピ層(P-epi)もやはりフィールド酸化膜(FOX)のエッジ下部で相互連結される。
【００３５】一方、本発明の一実施形態と同様にP-エピ層(P-epi)は約E14/cm 3のドーパント濃度で、第1及び第2
Nドーピング領域(deep N-)(shallow N-)と第1Pドーピング領域(Middle P-)は各々約E17/cm 3のドーパント濃度で、第2Pドーピング領域(shallow P0)は約E18/cm 3のドーパント濃度になるように実施構成された。
【００３６】結局、図１０に示された本発明の一実施例に係るピンドフォトダイオードはP-エピ層(P-epi)の内部で4個のPN接合を構成するようになり、これによりピンドフォトダイオードの静電容量は二つだけのPN接合を持つ図1の従来技術に比べてより大きくなるようになる。 すなわち、光電荷を貯蔵することができる量が増加されてイメージセンサの望みの"量子効率"を得ることができる。
【００３７】また、P-エピ層(P-epi)と第1Pドーピング領域(Middle P-)及び第2Pドーピング領域(Shallow P0)
はフィールド領域のエッジ下部で相互連結されていて、
トランスファーゲート(Tx)のエッジ下部で第1Nドーピング領域(Deep N-)と第2Nドーピング領域(Shallow N-)が相互連結されているので、3.3V以下の電源電圧を使用するCMOSイメージセンサにも第1Pドーピング領域(Middle
P-)と第1Nドーピング領域(Deep N-)及び第2Nドーピング領域(Shallow N-)が互いに等電位になることにより安定的に完全空乏可能になる。
【００３８】さらに、第1Pドーピング領域(Middle P-)
と第1Nドーピング領域(Deep N-)及び第2Nドーピング領域(Shallow N-)が全部完全空乏されるので従来に比べてより深い空乏層の深さを得ることができ、これにより光電荷を集積できる面積が増加されてイメージセンサの望みの"量子効率"を得ることができる。
【００３９】図１１ないし図１５は上記図１０の構造を製造するための工程断面図であり、これを通じて本発明の他の実施形態に係るピンドフォトダイオード製造方法を説明する。
【００４０】まず、図１１を参照すれば、P+基板(801)
上に5〜10μmの厚さのP-エピ層(P-epi)(802)を成長させて、P-エピ層(802)に素子分離のためのフィールド酸化膜(FOX)(803)を形成した後、ポリシリコン膜(804a)とタングステンシリサイド膜(804b)を連続的に塗布してマスク及びエッチング工程を通じてトランスファートランジスタ及びリセットトランジスタの各ゲートを形成する。
【００４１】次いで、図１１に図示された通り、N-イオン注入マスク(805)を形成して、約200keVの高エネルギーでN-イオン注入を実施して第1Nドーピング領域(deep
N-)(806)を形成する。
【００４２】N-イオン注入マスク(805)の平面図が図１
６に図示されているように、N-イオン注入マスク(805)
はそのエッジがピンドフォトダイオードが形成される活性領域とフィールド領域(フィールド酸化膜が形成された領域)間の境界面(図面の点線)に実質的に整列されるものの、活性領域の一部(910)を覆うパターン形状を持つ。
【００４３】すなわち、ピンドフォトダイオードが形成される活性領域のエッジ一部(910)はN型不純物がイオン注入されないため第1Nドーピング領域(806)が形成されない。
【００４４】次いで、図１３に図示された通り、上記N-
イオン注入マスク(805)を除去して、P-イオン注入マスク(807)を形成した後、約150keV程度の中エネルギーでP
-イオン注入を実施して上記第1Nドーピング領域(306)上に第1Pドーピング領域(Middle P-)(808)を形成する。
【００４５】P-イオン注入マスク(307)の平面図が図１
６に示されているように、P-イオン注入マスク(807)はそのエッジがピンドフォトダイオードが形成される活性領域とフィールド領域(フィールド酸化膜が形成された領域)間の境界面(図面の点線)に実質的に整列されるものの、トランスファーゲートを完全に覆うパターン形状を持つ。
【００４６】すなわち、ピンドフォトダイオードが形成される活性領域でトランスファーゲートエッジの下部で一部活性領域(920)にはP-不純物がイオン注入されないため第1Pドーピング領域(806)が形成されない。
【００４７】次いで、図１４に図示された通り、P-イオン注入マスク(807)を除去してからまたN-イオン注入マスク(809)を形成して、約100keV程度の低エネルギーでN
-イオン注入を実施することにより第2Nドーピング領域
(shallow N-)(810)を形成する。
【００４８】N-イオン注入マスク(809)は図１６に示されたN-イオン注入マスク(805)と同じ形状であるので、
同様に、図１６でピンドフォトダイオードが形成される活性領域のエッジ一部(910)はN型不純物がイオン注入されないため第2Nドーピング領域(810)が形成されない。
【００４９】終わりに、図１５に示されているように、
上記N-イオン注入マスク(809)を除去してP0イオン注入マスク(811)を形成し約50KeV以下の低エネルギーでP0イオン注入を実施して第2Pドーピング領域(shallow P0)(8
12)を形成する。
【００５０】図１８に図示された通り、P0イオン注入マスク(811)はピンドフォトダイオードが形成される活性領域を全部オープンさせるようにパター二ングされる。
【００５１】本発明の技術思想は上記望ましい実施形態によって具体的に記述されたが、上記一実施形態はその説明のためのものでありその制限のためのものでないことを注意するべきである。
【００５２】また、本発明の技術分野の通常の専門家ならば本発明の技術思想の範囲内で多様な実施形態が可能さを理解することができることである。
【００５３】
【発明の効果】本発明はイメージセンサの光感知領域に入射された光子により発生する光電荷を集めることができる空乏層の深さ(Depletion Depth)を増加させ光感度を向上させて、PN接合の数を増やしてピンドフォトダイオードの静電容量を増加させることによってイメージセンサ製品の画質を改善できる。
【図1】 従来技術に係るピンドフォトダイオード構造を示す断面図。
【図2】 本発明の一実施例に係るピンドフォトダイオードの構造を示す断面図。
【図3】図2の作用を説明するための図面。
【図4】 図1の作用を説明するための図面。
【図5】 本発明の一実施形態に係るピンドフォトダイオード製造工程を示す断面図。
【図６】 同上
【図７】 同上
【図８】 同上
【図９】 各々N-イオン注入マスクとP0イオン注入マスクの平面図。
【図１０】 同上
【図１１】 本発明の他の実施例に係るピンドフォトダイオードの構造を示す断面図。
【図１２】 本発明の他の実施例に係るピンドフォトダイオード製造工程を示す断面図。
【図１３】 同上
【図１４】 同上
【図１５】 同上
【図１６】 イオン注入マスクの形状を示す平面図。
【図１７】 同上
【図１８】 同上
PPD:ピンドフォトダイオード FOX:フィールド酸化膜 P-epi:P-エピ層 Tx:トランスファーゲート deep N-:第1Nドーピング領域 shallow N-:第2Nドーピング領域 P0:Pドーピング領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 車 明 煥 大韓民国京畿道利川市夫鉢邑牙美里山136 −１ 現代電子産業株式会社内
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