이미지센서 및 그 제조방법

본 발명은 이미지센서(image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 단파장에 대한 광감도가 증대된 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학적 이미지(optical image)를 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로써, 크게 CCD(charge coupled device) 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 구분된다. CCD 이미지센서는 광전하가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자인 반면에, CMOS 이미지센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다.

도1은 종래의 CMOS 또는 CCD 이미지센서 일부 구조를 나타내는 단면도로서, 이미지센서를 구성하는 여러 요소 중에서, 핀드 포토다이오드(PPD : Pinned Photodiode)와 트랜스퍼게이트(Tx) 및 플로팅확산(8)만이 도시되어 있다.

도1을 참조하면, 핀드 포토다이오드(PPD)는 P ⁰ 확산영역(6), N ^- 확산영역(7) 및 P-에피층(2)에 의해 P/N/P 접합을 가지며 N ^- 확산영역(7)은 공핍시 완전공핍되게 된다. 도핑농도는 P ⁰ 확산영역(6)이 N ^- 확산영역(7)보다 크고, N ^- 확산영역(7)이 P-에피층(2) 보다 크다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이 완전공핍시 공핍영역은 P-에피층(2) 깊숙히 형성되게 된다. 공핍영역이 깊어야만 광전하를 보다 많아 모아서 플로팅확산(8)으로 전달할 수 있다. 피닝층(Pinning layer)인 P ⁰ 확산영역(6)은 공핍시 P-에피층(2)과 서로 등전위를 가져야 하기 때문에, P ⁰ 확산영역(6)과 P-에피층(2)이 전기적으로 충분히 연결되도록, N ^- 확산영역(7)은 그 일부영역이 필드산화막(FOX)(3)으로부터 이격되어 있다. 트랜스퍼게이트(Tx)는 핀드 포토다이오드에 모아진 광전하를 플로팅확산(8)으로 스위칭 전달하여주는 역할을 하는 것으로, 게이트산화막(4)을 개재하여 P-에피층(2) 상에 형성된 게이트전극(5)을 포함한다. P-에피층(2)은 P ⁺ 기판(1) 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층이다.

한편, 피닝층(Pinning layer)인 P ⁰ 확산영역(6)이 두꺼워질수록, 단파장의 청색 빛이 P ⁰ 확산영역(6)에 흡수되어 청색에 대한 감도가 떨어지기 때문에 P ⁰ 확산영역(6) 형성시 약 30 keV이하의 낮은 에너지를 사용하여 약 0.15 ㎛ 이하의 얕은 접합(shallow junction)을 갖도록 하는 방법을 사용하고 있다.

그럼에도 불구하고, 상기 P ⁰ 확산영역(6) 형성 이후의 여러 열공정을 거치는 동안 P ⁰ 확산영역(6)이 이온주입시에 비하여 더 확산되어 접합 깊이가 깊어짐에 따라, 결국에는 단파장의 청색 빛이 P ⁰ 확산영역(6)에 흡수되어 청색을 구현하기가 어렵게 되는 문제점이 여전히 상존하였다.

본 발명은 목적은 핀드 포토다이오드의 피닝층에서 단파장의 빛이 흡수되어 단파장에 대한 이미지 구현이 저하되는 것을 방지하여, 단파장에 대한 광감도가 증대된 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 단파장에 대한 광감도를 증대시키기 위한 이미지센서의 핀드 포토다이오드를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 CMOS 또는 CCD 이미지센서 일부 구조를 나타내는 단면도.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 구조를 나타내는 단면도.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타내는 공정 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

PPD : 핀드 포토다이오드 Tx : 트랜스퍼게이트

201 : P ⁺ 기판 202 : P-에피층

203 : 게이트산화막 204 : 게이트전극

205 : 절연막스페이서 206 : P ⁰ 확산영역

207 : N ^- 확산영역 200 : 리세스(recess)부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핀드 포토다이오드는, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층의 표면 하부에 형성되되, 자신의 일부 표면이 소정깊이 식각된 리세스부를 갖는 제1도전형의 제1확산영역; 및 상기 제1확산영역 하부의 상기 반도체층 내에 형성된 제2도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 이미지센서는, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층의 일부영역 상부에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트전극의 에지에 근접한 상기 반도체층 내부에 형성된 제2도전형의 제1확산영역; 상기 반도체층의 표면 하부에서 상기 제1확산영역 상에 형성된 제1도전형의 제2확산영역; 상기 게이트전극의 측벽과 상기 제2확산영역의 일부영역상에 형성된 스페이서; 및 상기 스페이서에 의해 오픈된 부위의 상기 제2확산영역에 형성된 리세스부를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 제1도전형의 반도체층을 준비하는 제1단계; 상기 반도체층의 일부영역 상부에 게이트 전극을 형성하는 제2단계; 상기 게이트전극의 에지에 근접한 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 제1확산영역을 형성하는 제3단계; 상기 반도체층의 표면 하부에서 상기 제1확산영역 상에 제1도전형의 제2확산영역을 형성하는 제4단계; 상기 게이트전극의 측벽과 상기 제2확산영역의 일부영역 상에 절연막스페이서를 형성하는 제5단계; 및 상기 스페이서에 의해 오픈된 부위의 상기 제2확산영역 일부두께를 식각하여 리세스부를 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 제5단계는, 상기 제4단계가 완료된 기판 전면에 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막을 비등방성 전면식각하여 상기 절연막 스페이서를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 리세스부는 상기 비등방성 전면식각시 과도식각하여 형성한다. 그리고, 바람직하게, 상기 과도식각시 발생된 폴리머를 제거하기 위하여 NF ₃ + Ar 또는 CF ₄ + O ₂ 플라즈마 처리를 실시하거나 HF + NH ₄ F 또는 NH ₄ OH + H ₂ O ₂ 화학용액 처리를 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 핀드 포토다이오드 또는 이미지센서 또는 이미지센서 제조방법에서, 바람직하게 상기 제1확산영역과 상기 반도체층이 공핍시 서로 등전위를 갖도록, 상기 제2확산영역은 자신의 에지 일부가 오픈되어 있고, 상기 오픈된 부위를 통해 상기 제1확산영역의 일부가 상기 반도체층 상에 직접 형성된다. 또한, 바람직하게 상기 반도체층은 제1도전형의 반도체기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층을 사용한다. 바람직하게 상기 제1확산영역은 약 0.15㎛의 깊이를 가지며, 상기 리세스부는 200∼1,000Å의 깊이를 갖는다.

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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 구조를 나타내는 단면도로서, 도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서는, 핀드 포토다이오드(PPD)와, 트랜스퍼게이트(Tx)를 포함하는데, 트랜스퍼게이트(Tx)는 P-에피층(P-epi)(202) 상에 게이트산화막(203)을 개재하여 형성된 게이트전극(204)을 포함하고, 게이트전극(204) 측벽에는 절연막스페이서(205)가 형성되어 있다. 핀드 포토다이오드(PPD)는 게이트전극(205)에 근접한 P-에피층(202) 내에 적층된 P ⁰ 확산영역(206)과 N ^- 확산영역(207)에 의해 형성되는데, 주목할 점은 피닝층인 P ⁰ 확산영역(206)이 본래 P-에피층(202)의 표면으로부터 식각되어 형성된 리세스(recess)부(200)를 갖는다는 것이다. 이 리세스부(200)에 의해 본 발명의 핀드 포토다이오드(PPD)는 피닝층(Pinning layer)에서 단파장의 빛이 흡수되어 단파장에 대한 이미지 구현이 저하되는 것을 방지하여, 단파장에 대한 광감도가 증대시키게 된다.

한편, P ⁰ 확산영역(206)은 공핍시 P-에피층(202)과 서로 등전위를 가져야 하기 때문에, P ⁰ 확산영역(206)과 P-에피층(202)이 전기적으로 충분히 연결되도록, N ^- 확산영역(207)은 그 일부영역이 필드산화막(FOX)(208)으로부터 이격되어 있다. P-에피층(202)은 P ⁺ 기판(P ⁺ -sub.)(201) 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층이다.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.

먼저, 도3a와 같이 붕소(boron)와 같은 P형 불순물을 함유하여 약 10 ∼ 50 Ω/?의 면저항을 갖는 P-에피층(12)이 형성된 P ⁺ 기판(11)을 준비한 다음, P-에피층(12) 상에 국부적선택산화법(LOCOS; Local Oxidation of Silicon) 또는 트렌치 격리법(Trench Isolation)을 이용하여 필드산화막(13)을 형성한다. 이어서, 게이트산화막(14) 및 게이트전극(15)을 형성하고, P형 불순물의 선택적 이온주입에 의해 약 0.15 ㎛ 이하의 얕은 깊이을 갖는 P ⁰ 확산영역(16)을 형성한 다음, P형 불순물의 선택적 이온주입에 의해 N ^- 확산영역(18)을 형성한다. 여기서, N ^- 확산영역(18)은 그 일부영역이 필드산화막(13)으로부터 약 0.1 ∼ 0.3 ㎛ 정도 이격되도록 형성한다. 그리고, 게이트전극(15)은 트랜스퍼게이트의 게이트전극으로써 도핑된 폴리실리콘막, 금속실리사이드막 및 난반사방지막을 차례로 적층시켜 형성할 수 있다.

이어서, 도3b와 같이 전체 구조의 상부에 약 1,500 ∼ 2,500 Å의 두께를 갖는 스페이서용 절연막(19)을 증착한다. 상기 스페이서용 절연막(19)은 화학기상증착법에 의한 산화막 또는 질화막을 사용할 수 있다.

이어서, 도3c에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서용 절연막(19)을 비등방성 전면식각하되 과도식각하여 게이트전극(15)의 측벽에 절연막스페이서(20)를 형성하되, 과도식각에 의해 노출된 P ⁰ 확산영역(16)이 약 200 ∼ 1,000 Å 정도 식각되도록 하여 리세스부(200)를 형성한다. 물론 플로팅확산이 형성될 영역의 P-에피층(12) 표면도 동시에 식각되어 진다. 이때, 상기 비등방성 과도식각시 발생하는 하이드로카본(-CH _x ) 성분을 함유한 폴리머가 P ⁰ 확산영역(16)을 포함한 전체의 표면에 흡착되어 이후의 열공정시 탄화됨으로써, 빛을 흡수하는 흑체(black body)의 역할을 하게 되어, 이는 결국 흰색의 구현이 어렵게 할 수 있으므로, 이와 같은 문제점을 효과적으로 방지하기 위하여 비등방성 과도식각한 후에, NF ₃ + Ar 또는 CF ₄ + O ₂ 플라즈마를 추가로 처리하거나, HF + NH ₄ F 또는 NH ₄ OH + H ₂ O ₂ 화학용액 처리를 실시할 수도 있다.

이어서, 도3d에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 영역 및 게이트 전극(15)의 일측을 포함한 특정 부위에 감광막 패턴(21)을 형성하고, 노출된 게이트전극(15)의 타측벽에 형성된 절연막스페이서(20)를 제거하되, 상기 절연막스페이서(20)가 산화막일 경우에는 HF 용액으로, 질화막일 경우에는 인산 용액으로 제거한 다음, N형 불순물을 이온주입하여 N ⁺ 플로팅확산(22)을 형성한다.

마지막으로, 도3e에 도시된 바와 같이, 상기 감광막 패턴(21)을 제거함으로써, P형 불순물의 이온주입시에 비하여 더욱 얇아진 P ⁰ 확산영역(16)을 갖는 포토다이오우드를 형성한다.

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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 얕은 피닝층을 갖고 있으므로, 단파장인 청색광에 대한 광감도를 증대시키므로써 이미지센서의 해상도를 향상케 한다.