KR100491862B1 - 이미지센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크와 게이트전극 패턴 형성용 포토레지스트 패턴 사이에서의 패턴 변형을 방지할 수 있는 이미지센서 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 반도체층 상에 게이트전극용 전도막과 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴을 차례로 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 식각배리어로 상기 전도막을 식각하여 게이트전극 패턴을 형성하는 단계; 잔류하는 상기 포토레지스트 패턴을 경화시키기 위해 자외선을 이용한 큐어링을 실시하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴 상에 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 이온주입마스크를 이용한 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극 패턴에 얼라인되는 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 이미지센서의 포토다이오드 형성을 위한 이온주입시 게이트전극의 채널링을 방지할 수 있는 이미지센서 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 고농도 P형 반도체층과 P형 에피층이 적층된 반도체층(10)에 100Å의 패드산화막(11)과 1450Å 두께의 질화막(12) 및 610Å 두께의 반사방지막(13, Bottom Anti Reflective Coating)이 적층되어 있고, 그 상부에 트렌치 형성을 위한 소자분리 마스크(14)가 형성되어 있다. 여기서, 소자분리 마스크(14)로 사용된 포토레지스트는 SR540-PB5이며 그 두께는 7600Å으로 하였다. 또한, 반사방지막(13)은 DUV-32용이 사용되었다.
도 1b는 소자분리 마스크(14)를 식각배리어로 반사방지막(13)과 질화막(12)과 패드산화막(11) 및 반도체층(10)을 차례로 식각하여 트렌치(15)를 형성한 다음, 포토레지스트 스트립 공정을 실시하여 소자분리 마스크(14)를 제거한 상태를 나타낸다.
도 1c는 HDP(High Density Plasma)산화막을 사용하여 트렌치(15)를 매립한 다음, 패드산화막(11)이 노출될 때까지 HDP산화막과 질화막(12)을 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함) 또는 전면식각을 통해 제거하여 평탄화된 STI(Shallow Trench Isolation) 구조의 필드절연막(16)을 형성한 다음, 반도체층(10) 하부에 이온주입을 통해 웰(17)을 형성한 공정 단면을 나타낸다.
도 1d는 폴리실리콘 등의 게이트전극용 전도막(17)을 증착하고 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴(18)을 형성하고, 포토레지스트 패턴(18)를 식각배리어로 전도막(17)을 식각하여 게이트전극 패턴을 형성한 다음, 게이트전극의 일측에 얼라인되는 베리드 포토다이오드의 깊은 레벨의 저농도 N형 불순물영역(21) 형성을 위한 9300Å의 두께로 이온주입 마스크(19)를 형성한 다음, 이온주입(20)과 열처리에 의한 측면 확산(Lateral diffusion)을 통해 게이트전극 패턴에 얼라인되는 포토다이오드용 N형 불순물영역(21)이 형성된 상태를 나타낸다.
도 1d에서 포토다이오드(21)는 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼 게이트와 얼라인되어 포토다이오드 형성 예정 영역만 이온주입되고, 게이트전극은 이온주입 마스크(19)에 의해 블록킹(Blocking)되어져야 게이트전극 하부에서 채널링이 일어나는 것을 방지하며, 마이크로렌즈와 칼라필터 어레이로부터 받아들인 광신호를 저장하였다가 전기적인 신호로 변환할 수 있다.통상적으로, 이온주입 마스크인 포토레지스트는 패턴 형성시 식각배리어로서의 역할을 하기에는 그 자체의 식각 특성이 약하기 때문에 포토레지스트를 경화시키는 실릴레이션(Silylation) 공정을 실시한다.
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여기서, 실릴레이션이란 포토레지스트를 Si를 포함하는 유기금속물질에 노출시켜 포토레지스트 내의 수산기(OH)의 H가 Si로 대치되도록 하는 것으로, 이 때 포토레지스트는 빛을 받는 부분과 받지 않은 부분의 염기성 현상액에 의한 용해도차에 의해 패턴이 형성되고, 실릴레이션 반응이 일어난 포토레지스트는 O2 플라즈마 내성을 갖는 Si을 포함하는 상부층이 형성되며, 고온에서 포토레지스트를 베이킹하여 경화(Hardening)시키거나 실릴레이션용 물질을 도포한 후 베이킹을 실시한다.
삭제
하지만, 이러한 열에 의한 경화처리 공정들은 일반적으로 하나의 포토레지스트 패턴을 사용하는 경우에서는 그 효과를 입증할 수 있으나, 전술한 도 1d의 게이트 패턴 형성용 포토레지스트 패턴과 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크와 같이 두개의 포토레지스트 패턴을 연속해서 사용할 때, 각각에 열에 의한 경화 공정을 사용하는 경우에는 다음과 같은 문제가 발생한다.
즉, 베이킹시에는 고온의 베이킹용 오븐(Oven)을 이용하므로 이로인해 공정 시간 지연이 발생하고, 심한 경우에는 포토레지스트의 리플로우(Reflow)와 옐로윙(Yellowing)이 발생한다. 또한 실릴레이션용 물질을 도포하는 경우는 파티클(Particle)에 취약하다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크와 게이트전극 패턴 형성용 포토레지스트 패턴 사이에서의 패턴 변형을 방지할 수 있는 이미지센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체층 상에 게이트전극용 전도막과 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴을 차례로 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 식각배리어로 상기 전도막을 식각하여 게이트전극 패턴을 형성하는 단계; 잔류하는 상기 포토레지스트 패턴을 경화시키기 위해 자외선을 이용한 큐어링을 실시하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴 상에 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 이온주입마스크를 이용한 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극 패턴에 얼라인되는 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.
본 발명은 게이트전극 패턴 형성 후 잔류하는 포토레지스트 패턴을 자외선 조사하여 경화시킨 후 그 상부에 포토다이오드 형성을 위한 포토레지스트의 이온주입 마스크를 형성함으로써, 이온주입시 포토레지스트 패턴의 블록킹 특성을 향상시키고 패턴 변형을 방지하여 포토다이오드 형성 공정의 안정성을 확보하고자 한다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c와 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도인 바, 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 사용한다.
도 1a를 참조하면, 고농도 P형 반도체층과 P형 에피층이 적층된 반도체층(10)에 100Å 정도의 패드산화막(11)과 1450Å 정도 두께의 질화막(12) 및 610Å 정도 두께의 반사방지막(13, 예컨대, DUV-32용 반사방지막)이 적층되어 있고, 그 상부에 트렌치 형성을 위한 포토레지스트의 소자분리 마스크(14)가 형성되어 있다. 여기서, 소자분리 마스크(14)로 사용된 포토레지스트는 SR540-PB5이며 그 두께는 7600Å 정도로 하였다.
도 1b는 소자분리 마스크(14)를 식각배리어로 반사방지막(13)과 질화막(12)과 패드산화막(11) 및 반도체층(10)을 차례로 식각하여 트렌치(15)를 형성한 다음, 포토레지스트 스트립 공정을 실시하여 소자분리 마스크(14)를 제거한 상태를 나타낸다.
도 1c는 HDP산화막을 사용하여 트렌치(15)를 매립한 다음, 패드산화막(11)이 노출될 때까지 HDP산화막과 질화막(12)을 CMP 또는 전면식각을 통해 제거하여 평탄화된 STI 구조의 필드절연막(16)을 형성한 다음, 반도체층(10) 하부에 이온주입을 통해 웰(17)이 형성된 상태를 나타낸다.
도 2a는 2500Å 정도 두께의 폴리실리콘 등의 게이트전극용 전도막(30)을 증착하고 810Å 정도 두께의 반사방지막(31)과 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴(32)을 형성한 상태를 나타낸다.
여기서, 포토레지스트 패턴(32)으로 사용된 포토레지스트는 SR540-PB5로 6000Å ∼ 8000Å의 두께로 도포한 것으로, 바람직하게는 7600Å의 두께로 도포한다. 포토레지스트로는 아세탈 타입, 에스켑 타입 또는 i-라인 타입 등을 사용할 수 있다.
도 2b는 포토레지스트 패턴(32)을 식각배리어로 반사방지막(31)과 전도막(30) 및 패드산화막(11)을 식각하여 게이트전극 패턴을 형성한 상태를 나타낸다.
여기서, 도면부호 '33'은 게이트전극 패턴 형성시 손실된 포토레지스트 패턴을 나타내는 바, 잔류하는 포토레지스트 패턴(32)은 3500Å ∼ 4000Å 정도의 두께이다.
도 2c는 잔류하는 포토레지스트 패턴(32)을 경화시키기 위해 UV(자외선)을 이용한 큐어링을 실시하는 상태를 나타낸다.
여기서, 도면부호 '34'는 램프 하우징(Lamp housing)을 나타내며, 도면부호 '35'은 자외선이 조사되는 상태를 나타낸다.
이 때, 사용되는 자외선은 254nm 파장이며, N2 분위기에서 실시한다. 이 때, 패턴 형성을 위한 노광과 현상 및 식각 공정에 의해 깨어진 PAG(PhotoAcid Generator)에서 PHS(PolyHydroxyStylene)에 크로스링킹(Crosslinking)을 일으켜 열적으로 안정되고(Thermal stability), 외부 케미컬에 대한 어택에도 강하게 되며, 물리적인 강도(Scratch resistance)에도 강하게 된다.
큐어링은 100℃ ∼ 170℃ 온도에서 60초 ∼ 120초 동안 실시한다. 바람직하게는, 150℃ 온도에서 90초 동안 실시한다.
도 2d는 게이트전극의 일측에 얼라인되는 베리드 포토다이오드의 깊은 레벨의 저농도 N형 불순물영역 형성을 위한 8000Å ∼ 10000Å 바람직하게는 9300Å 두께로 포토레지스트의 이온주입 마스크(36)를 형성하여 포토다이오드가 형성될 영역(37)을 오픈시킨 상태를 나타낸다.
여기서, 이온주입 마스크(36)용 포토레지스트는 아세탈 타입, 에스켑 타입 또는 i-라인 타입 등을 사용할 수 있다.
도 2e는 이온주입 마스크(36)를 이용한 이온주입(38)과 열처리를 통한 측면 확산(Lateral diffusion)을 통해 게이트전극 패턴에 얼라인되는 포토다이오드용 N형 불순물영역(39)이 형성된 상태를 나타낸다.
여기서, 포토다이오드 영역은 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼 게이트와 얼라인되어 포토다이오드 영역만 이온주입되고, 게이트전극은 이온주입 마스크(36)에 의해 블록킹(Blocking)되어져야 게이트전극 하부에서 채널링이 일어나는 것을 방지하며, 마이크로렌즈와 칼라필터 어레이로부터 받아들인 광신호를 저장하였다가 전기적인 신호로 변환할 수 있다.
이온주입시 N형 불순물인 예컨대, 2.2E12 Atoms/㎠ 도즈(Dose)의 인(P)을 180KeV의 이온주입에너지를 사용하는 바, 큐어링에 의해 경화된 포토레지스트 패턴(32)과 이온주입 마스크(36)에 의해 게이트전극의 채널링을 방지하며 게이트전극에 얼라인되는 양호한 프로파일의 포토다이오드 영역 구체적으로, 포토다이오드용 N형 불순물영역(39)을 형성한다.
도 3a는 본 발명의 자외선 조사를 이용한 포토레지스트 패턴 경화 후 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진이고, 도 3b는 이온주입 마스크 형성 후 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진이다.
도 3a를 참조하면, 포토레지스트 패턴(32)이 큐어링을 통해 경화된 상태를 도시하고, 도 3b를 참조하면, 도 3a에 이온주입 마스크(36)를 형성한 상태를 나타내고, 도면부호 '32'는 노출된 포토레지스트 패턴, 도면부호 '37'은 포토다이오드 형성 영역을 각각 나타낸다.
또한, 도 3c는 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 공정 후 이온주입 마스크를 제거한 후 티너 스트립(Thinner strip) 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진이고, 도 3d는 도 3c의 단면 SEM 사진이다.
전술한 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 다층 구조의 포토레지스트 패턴을 사용할 경우 상부에 위치하는 포토레지스트 패턴 형성시 하부의 포토레지스트 패턴의 변형에 의해 전체적인 패턴이 무너지는 현상이 자주 발생하며, 전술한 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크의 경우 특히 게이트전극 패턴에 얼라인되어야 하며, 이온주입에 따른 마스크로서의 역할을 위해서는 경화가 필수적이다. 따라서, 본 발명에서 적용한 자외선 조사를 이용한 포토레지스트 패턴의 경화는 베이킹 등의 고온 열공정에 의한 리플로우와 실릴레이션을 이용한 파티클의 오염 문제를 야기하지 않는다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 베이킹이나 실릴레이션용 물질을 통해 경화시키는 방식에서 야기도리 수 있는 리플로우와 파티클 문제를 야기시키지 않고, CMOS 이미지센서의 소자 형성에 있어서, 2개 이상의 포토레지스트를 사용하여 서로간 얼라인되어져야 할 경우 전술한 문제점없이 효과적으로 사용할 수 있고, 자외선 조사를 통한 큐어링을 통해 CD-SEM의 높은 운동에너지를 가진 전자에 의한 포토레지스트의 CD 슬리밍 현상도 제어할 수 있으며, 기존의 이온주입시 보다 블록킹 정도가 향상된다. 즉, 큐어링을 실시하지 않는 경우보다 동일한 이온 운동에너지에서 훨씬 낮은 포토레지스트의 두께로 이온주입 범위가 동일 내지 비슷한 정도로 효과를 가질 것이고, 포토레지스트 경계 부위에서 측면 확산되는 것도 현저히 줄어들 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 2개 이상의 얼라인 되는 포토레지스트 패턴을 사용하는 경우 안정적인 공정을 확보할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
도 3a는 본 발명의 자외선 조사를 이용한 포토레지스트 패턴 경화 후 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진.
도 3b는 이온주입 마스크 형성 후 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진.
도 3c는 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 공정 후 이온주입 마스크를 제거한 후 티너 스트립 케미컬 어택을 테스트한 SEM 평면 사진.
도 3d는 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 공정 후 이온주입 마스크를 제거한 후 티너 스트립 케미컬 어택을 테스트한 단면 SEM 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체층 11 : 패드산화막
16 : 필드절연막 17 : 웰
30 : 전도막 31 : 반사방지막
32 : 포토레지스트 패턴 34 : 램프 하우징
35 : 자외선 조사
Claims (7)
- 반도체층 상에 게이트전극용 전도막과 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴을 차례로 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 식각배리어로 상기 전도막을 식각하여 게이트전극 패턴을 형성하는 단계;잔류하는 상기 포토레지스트 패턴을 경화시키기 위해 자외선을 이용한 큐어링을 실시하는 단계;상기 포토레지스트 패턴 상에 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 마스크를 형성하는 단계; 및상기 이온주입마스크를 이용한 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극 패턴에 얼라인되는 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 큐어링하는 단계에서 254nm 파장의 자외선을 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 큐어링하는 단계는 N2 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 큐어링하는 단계는 100℃ 내지 170℃ 온도에서 30초 내지 90초 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 칼라필터 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토레지스트 패턴은 6000Å 내지 8000Å의 두께로 형성하고, 상기 잔류하는 포토레지스트 패턴은 3500Å 내지 4000Å의 두께인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온주입 마스크는 8000Å 내지 10000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토레지스트 패턴과 상기 이온주입 마스크는 각각 아세탈 타입, 에스켑 타입 및 i-라인 타입으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 포토레지스트를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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