KR100464949B1 - 포토다이오드의 표면 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드의 표면 손상 및 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 과정에서 절연막 상에 포토다이오드 영역을 덮는 식각마스크를 형성하고 절연막을 전면식각함으로써, 전면식각 과정에서 포토다이오드 영역 표면이 노출되지 않도록 하는 절연막 패턴을 형성하고, 포토다이오드 영역이 상기 절연막 패턴으로 덮인 상태에서 이온주입을 실시함으로써 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성하는데 그 특징이 있다.

Description

포토다이오드의 표면 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법{Method for forming image sensor capable of improving characteristics of photodiode}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 표면 손상 및 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 커패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지를 위한 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅확산영역이 갖는 커패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 커패시턴스를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 커패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 커패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 커패시턴스 Cp의 캐리어들을 커패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 2는 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하 이동을 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 단면도로서, 반도체 기판(20)에 필드산화막(21)을 형성하고, 포토다이오드(22)로 이루어지는 광감지 영역(A)과 트랜스퍼 트랜지스터(23), 절연막 스페이서(24), 활성영역(25) 등을 포함하는 광감지 이외의 영역(B)을 형성한 상태를 개략적으로 보이고 있다.

이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법의 문제점을 설명한다. 도면에서 'A'는 광감지 영역, 'B'는 광감지 이외의 영역을 보이고 있다.

도 3a는 p형 실리콘 기판(30)에 필드산화막(31)을 형성한 다음, 폴리사이드 형성 공정, 마스크 공정, 식각 공정 등을 실시하여 게이트(32)를 형성한 다음, 포토다이오드의 n형 불순물 이온주입 영역(33) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n- 및 p- 소오스·드레인(34) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한 상태를 보이고 있다.

도 3b는 전체 구조 상에 절연막을 형성하고 전면식각하여 게이트(32) 측벽에 절연막 스페이서(35)를 형성한 것을 나타내고 있다.

도 3c는 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n+ 및 p+ 소오스·드레인(36) 형성을 위한 이온주입 공정과, 포토다이오드의 p형 불순물 도핑 영역(37) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한 것을 보이고 있다.

전술한 바와 같이 광감지 영역(A)은 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 공정 이외의 공정에는 무관한 영역임에도 불구하고, 절연막 스페이서(35) 형성을 위한 식각 공정, 이온주입 마스크 형성 및 제거 공정과 같이 광감지 영역 형성에 기여하지 않는 공정 중에도 광감지 영역((A)이 열려있어 포토다이오드의 표면에 결함 및 오염이 발생할 가능성이 아주 높다. 향후 이미지 센서의 칩 크기 감소, 픽셀 수 증가를 고려할 때 광감지 영역의 특성 개선이 필수적으로 요구된다. 특히 암전류 특성에 큰 영향을 주는 광감지 영역의 표면 상태 저하를 간과해서는 안된다.

한편, 포토다이오드의 p형 불순물 도핑영역(37)의 깊이는 가능한 얕게 형성하여야 하는데, 현재 이용되는 이온주입 장비의 최소 에너지는 30 KeV에서 깊이 조절이 용이하지 않은 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드의 표면 손상 및 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도,

도 2는 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하 이동을 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 단면도,

도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

42: 게이트 43: n형 불순물 이온주입 영역

44: n- 및 p- 소오스·드레인 45A: 절연막 스페이서

45B: 절연막 패턴 47: p형 불순물 도핑 영역

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드를 구비하는 제1 영역과 트랜지스터를 구비하는 제2 영역을 포함하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 제2 영역의 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 제1 단계; 상기 제1 영역의 반도체 기판 내에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제2 단계; 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 제1 영역을 덮는 식각마스크를 형성하는 제4 단계; 상기 식각마스크로 덮이지 않은 상기 절연막을 식각해서 상기 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하면서 상기 제1 영역을 덮는 절연막 패턴을 형성하는 제5 단계; 상기 식각마스크를 제거하는 제6 단계; 및 상기 절연막 패턴으로 덮인 상기 제1 영역의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 그 저면이 상기 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입영역과 접하는 제2 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 과정에서 절연막 상에 포토다이오드 영역을 덮는 식각마스크를 형성하고 절연막을 전면식각함으로써, 전면식각 과정에서 포토다이오드 영역 표면이 노출되지 않도록 하는 절연막 패턴을 형성하고, 포토다이오드 영역이 상기 절연막 패턴으로 덮인 상태에서 이온주입을 실시함으로써 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성하는데 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다. 도면에서 'A'는 광감지 영역, 'B'는 광감지 이외의 영역을 보이고 있다. 광감지 이외의 영역은 네이티브 트랜지스터(native transistor), 플로팅 확산영역, 드라이브 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 등이 형성되는 영역이다.

먼저 도 4a에 도시한 바와 같이 p형 실리콘 기판(40)에 필드산화막(41)을 형성한 다음, 폴리사이드 형성 공정, 마스크 공정, 식각 공정 등을 실시하여 게이트(42)를 형성한 다음, 포토다이오드의 n형 불순물 이온주입 영역(43) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n- 및 p- 소오스·드레인(44) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한다.

다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이 전체 구조 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상에 포토다이오드 영역을 덮는 식각마스크(도시하지 않음)를 형성하고 식각공정을 실시해서, 게이트(42) 측벽에 절연막 스페이서(45A)를 형성하면서 포토다이오드 영역을 덮는 절연막 패턴(45B)을 형성한다.

이어서 도 4c에 보이는 바와 같이 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n+ 및 p+ 소오스·드레인(46) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 상기 절연막 패턴(45B)이 덮인 상태에서 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드의 p형 불순물 도핑 영역(47)을 형성한다.

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.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 과정에서 포토다이오드 영역을 보호하기 위한 절연막 패턴을 형성함으로써, 후속 공정에서 포토다이오드 표면에 결함 또는 오염이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 절연막 패턴이 덮인 상태에서 이온주입 공정을 실시함으로써 포토다이오드 표면의 불순물 주입 영역을 얕은 깊이로 형성할 수 있다. 이에 따라 광감지 영역의 특성을 개선하여 제품의 수율을 향상시킬 수 있고 광특성 향상으로 제품의 경쟁력을 강화시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 포토다이오드를 구비하는 제1 영역과 트랜지스터를 구비하는 제2 영역을 포함하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   상기 제2 영역의 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 제1 단계;

   상기 제1 영역의 반도체 기판 내에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제2 단계;

   전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계;

   상기 제1 영역을 덮는 식각마스크를 형성하는 제4 단계;

   상기 식각마스크로 덮이지 않은 상기 절연막을 식각해서 상기 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하면서 상기 제1 영역을 덮는 절연막 패턴을 형성하는 제5 단계;

   상기 식각마스크를 제거하는 제6 단계; 및

   상기 절연막 패턴으로 덮인 상기 제1 영역의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 그 저면이 상기 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입영역과 접하는 제2 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제7 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 단계 후,

   상기 제2 영역의 상기 반도체 기판 내에 저농도 소오스·드레인 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함하고,

   상기 제7 단계 후,

   상기 제2 영역의 상기 반도체 기판 내에 고농도 소오스·드레인 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.