KR100531940B1 - Method of manufacturing image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전송 게이트에서의 이온 채널링을 방지하고 게이트 형성공정을 단순화함과 동시에 전하전송 효율을 향상시킬 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing an image sensor that can prevent ion channeling in a transfer gate, simplify the gate forming process, and improve charge transfer efficiency.
본 발명은 포토다이오드 영역 및 전송 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판 상에 필드 산화막을 형성하는 단계; 전송 트랜지스터 영역의 기판 상부에 게이트 절연막과 전송 게이트를 형성하는 단계; 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 1 불순물 영역을 형성하는 단계; 기판 상에 전송 게이트를 둘러싸는 절연막 패턴을 형성하는 단계; 절연막 패턴을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판 내부에 전송 게이트와 인접한 부분에서 일부 표면농도가 내부 농도와 유사한 농도 프로파일을 가지는 제 2 도전형 불순물영역을 형성하는 단계; 절연막 패턴을 식각하여 게이트 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 2 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.The present invention provides a method for forming a semiconductor device, comprising: forming a field oxide film on a first conductive semiconductor substrate having a photodiode region and a transfer transistor region defined therein; Forming a gate insulating film and a transfer gate over the substrate in the transfer transistor region; Forming a first conductivity type first impurity region on the substrate surface of the photodiode region; Forming an insulating film pattern surrounding the transfer gate on the substrate; Forming a second conductivity type impurity region in the portion of the photodiode region adjacent to the transfer gate using the insulating layer pattern, the second conductive type impurity region having a concentration profile in which a portion of the surface concentration is similar to the internal concentration; Etching the insulating film pattern to form a spacer on the gate sidewall; And forming a first conductivity type second impurity region on the substrate surface of the photodiode region.
Description
본 발명은 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 PNP 구조의 포토다이오드를 구비한 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an image sensor, and more particularly, to a method of manufacturing an image sensor having a photodiode having a PNP structure.
일반적으로, 이미지센서는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서의 경우에는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is composed of an optical sensing part that senses light and a logic circuit part that processes the sensed light into an electrical signal to make data. (Complementary Metal Oxide Semiconductor) In the case of image sensor, CMOS technology is used to make MOS transistors by the number of pixels, and the switching method is used to detect the output sequentially.
이미지센서의 단위화소는 광감지 부분인 포토다이오드와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는데, 4개의 NMOS 트랜지스터 중 전송(Transfer) 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋(Reset) 트랜지스터는 신호검출을 위해 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 구동(Drive) 트랜지스터는 소스팔로워(Source Follower) 역할을 하며, 선택(Selective) 트랜지스터는 스위칭(Switching) 및 어드레싱 (Addressing) 역할을 한다.The unit pixel of the image sensor is composed of a photodiode, which is a light sensing part, and four NMOS transistors. The transfer transistor of the four NMOS transistors transports photocharges generated in the photodiode to a floating diffusion region. The reset transistor discharges the charge stored in the floating diffusion region for signal detection, the drive transistor serves as the source follower, and the selective transistor switches. ) And addressing.
이러한 종래 이미지센서의 제조방법을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.A conventional method of manufacturing the image sensor will be described with reference to FIGS. 1A and 1B.
도 1a를 참조하면, 포토다이오드 및 전송 트랜지스터 영역이 정의되고 P- 에피층이 형성된 P+ 반도체 기판(10) 상에 필드산화막(11)을 형성한다. 그 다음, 전송 트랜지스터 영역의 기판(10) 상에는 게이트 절연막(12)과 전송 게이트(13)를 형성하고, 전송 게이트(13) 상부에는 후속 딥 N- 이온주입공정 시 전송 게이트(13) 하부 채널링을 방지하기 위하여 약 1500Å 두께의 TEOS막으로 이루어진 캡층(14)을 형성한다. 그 후, 포토리소그라피 공정에 의해 포토다이오드 영역을 오픈시키는 마스크 패턴(15)을 형성하고, 마스크 패턴(15)을 이용하여 딥 N- 이온주입공정 및 제 1 P0 이온주입공정을 순차적으로 수행하여 딥 N- 영역(16) 및 제 1 P0 영역(17a)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a field oxide film 11 is formed on a P + semiconductor substrate 10 in which photodiode and transfer transistor regions are defined and a P − epitaxial layer is formed. Next, the gate insulating layer 12 and the transfer gate 13 are formed on the substrate 10 in the transfer transistor region, and the lower gate channeling of the transfer gate 13 is performed on the subsequent deep N − ion implantation process on the transfer gate 13. In order to prevent this, a cap layer 14 made of a TEOS film having a thickness of about 1500 mm 3 is formed. Thereafter, a mask pattern 15 for opening the photodiode region is formed by a photolithography process, and a deep N − ion implantation process and a first P 0 ion implantation process are sequentially performed using the mask pattern 15. The deep N − region 16 and the first P 0 region 17a are formed.
도 1b를 참조하면, 공지된 방법에 의해 마스크 패턴(15)을 제거하고, 전송 게이트(13) 측부에 스페이서(18)를 형성한다. 그 후, 제 2 P0 이온주입공정 및 N+ 이온주입공정을 순차적으로 수행하여, 포토다이오드 영역에는 제 1 및 제 2 P0 영역으로 이루어진 P0 영역(17)을 형성하여 PNP 구조의 포토다이오드를 형성하고, 전송 트랜지스터 영역에는 N+ 영역으로 이루어진 플로팅 확산영역(19)을 형성한다.Referring to FIG. 1B, the mask pattern 15 is removed by a known method, and the spacer 18 is formed on the side of the transfer gate 13. Thereafter, the second P 0 ion implantation process and the N + ion implantation process are sequentially performed to form a P 0 region 17 formed of the first and second P 0 regions in the photodiode region to form a photodiode having a PNP structure. And a floating diffusion region 19 consisting of N + regions is formed in the transfer transistor region.
그러나, 상술한 바와 같이 딥 N- 이온의 채널링 방지를 위해 전송 게이트(13) 상부에 캡층(14)을 형성하기 위해서는, 게이트 물질 및 캡물질 증착 후 게이트 마스크(미도시)를 이용하여 캡물질을 먼저 식각한 후 다시 게이트 물질을 식각하는 2단계 식각공정을 수행하여야 하므로, 게이트 형성공정이 복잡해질 뿐만 아니라 식각 타겟을 설정하기가 어려운 문제가 있다.However, as described above, in order to form the cap layer 14 on the transfer gate 13 to prevent channeling of the deep N − ions, the cap material may be formed using a gate mask (not shown) after deposition of the gate material and the cap material. Since the first step of etching and then again etching the gate material must be performed, not only the gate forming process is complicated but also it is difficult to set an etching target.
또한, 전송 게이트(16)에 자기정렬(self-align)되어 형성된 딥 N- 영역(16)의 농도 분포로 인해 P0 영역(17)의 불순물이 확산하여 포토다이오드에서 전송 게이트 하부를 지나 플로팅 확산영역에 이르는 전하운송 통로에 전위장벽을 생성하여 전하운송을 방해할 뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 딥 N- 영역(16)의 표면 농도로 인해 전송 게이트(13)에 인접한 딥 N- 영역(16)의 표면에서 내부보다 빨리 공핍이 발생하여 전송 게이트(13) 동작 시 프린징 필드(fringing field) 발달을 저하시켜 전하운송을 방해함으로써, 전하운송 효율을 저하시키게 된다.In addition, due to the concentration distribution of the deep N − region 16 formed by self-alignment in the transfer gate 16, impurities in the P 0 region 17 diffuse and float floating beyond the transfer gate in the photodiode. as well as to create a potential barrier to charge transport passage leading to the area to interfere with the charge transport, the relatively low dip N-in area 16-deep N adjacent to the transfer gate (13) due to a surface concentration of the region 16 Depletion occurs earlier on the surface than in the interior, thereby degrading the fringing field development during the operation of the transfer gate 13, thereby interfering with the charge transport, thereby lowering the charge transport efficiency.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전송 게이트에서의 이온 채널링을 방지하고 게이트 형성공정을 단순화함과 동시에 전하운송 효율을 향상시킬 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and provides a method of manufacturing an image sensor that can prevent ion channeling in a transfer gate, simplify the gate forming process, and at the same time improve charge transport efficiency. Its purpose is to.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 포토다이오드 영역 및 전송 트랜지스터 영역이 정의된 제 1 도전형 반도체 기판 상에 필드 산화막을 형성하는 단계; 전송 트랜지스터 영역의 기판 상부에 게이트 절연막과 전송 게이트를 형성하는 단계; 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 1 불순물 영역을 형성하는 단계; 기판 상에 전송 게이트를 둘러싸는 절연막 패턴을 형성하는 단계; 절연막 패턴을 이용하여 포토다이오드 영역의 기판 내부에 전송 게이트와 인접한 부분에서 일부 표면농도가 내부 농도와 유사한 농도 프로파일을 가지는 제 2 도전형 불순물영역을 형성하는 단계; 절연막 패턴을 식각하여 게이트 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 도전형 제 2 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, an object of the present invention comprises the steps of forming a field oxide film on the first conductivity type semiconductor substrate defined photodiode region and transfer transistor region; Forming a gate insulating film and a transfer gate over the substrate in the transfer transistor region; Forming a first conductivity type first impurity region on the substrate surface of the photodiode region; Forming an insulating film pattern surrounding the transfer gate on the substrate; Forming a second conductivity type impurity region in the portion of the photodiode region adjacent to the transfer gate using the insulating layer pattern, the second conductive type impurity region having a concentration profile in which a portion of the surface concentration is similar to the internal concentration; Etching the insulating film pattern to form a spacer on the gate sidewall; And forming a first conductivity type second impurity region on the substrate surface of the photodiode region.
바람직하게, 절연막 패턴은 약 1500Å 두께의 산화막으로 이루어진다.Preferably, the insulating film pattern is made of an oxide film having a thickness of about 1500 kPa.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.A method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
도 2a를 참조하면, 포토다이오드 및 전송 트랜지스터 영역이 정의되고 P- 에피층이 형성된 P+ 반도체 기판(20) 상에 필드산화막(21)을 형성한다. 그 다음, 기판(20) 상에 게이트 절연막(22) 및 게이트 물질막을 순차적으로 증착하고, 게이트 마스크(미도시)를 이용하여 게이트 물질막을 식각하여 전송 트랜지스터 영역의 기판(20) 상에 전송 게이트(23)를 형성한다. 그 후, 포토리소그라피 공정에 의해 포토다이오드 영역을 오픈시키는 제 1 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 제 1 마스크 패턴을 이용하여 제 1 P0 이온주입공정을 수행하여 포토다이오드 영역의 기판 표면에 제 1 P0 영역(24a)을 형성한 다음, 공지된 방법에 제 1 마스크 패턴을 제거한다.Referring to FIG. 2A, a field oxide film 21 is formed on a P + semiconductor substrate 20 in which photodiode and transfer transistor regions are defined and a P − epitaxial layer is formed. Next, the gate insulating film 22 and the gate material film are sequentially deposited on the substrate 20, and the gate material film is etched using a gate mask (not shown) to transfer the gate onto the substrate 20 in the transfer transistor region. 23). Thereafter, a first mask pattern (not shown) for opening the photodiode region is formed by a photolithography process, and a first P 0 ion implantation process is performed on the substrate surface of the photodiode region using the first mask pattern. After forming the first P 0 region 24a, the first mask pattern is removed by a known method.
그 후, 기판 전면에 절연막, 바람직하게 산화막을 약 1500Å의 두께로 증착하고, 포토리소그라피 공정에 의해 기판 상에 포토다이오드 영역을 오픈시키는 제 2 마스크 패턴(26)을 형성한 후, 제 2 마스크 패턴(26)을 이용하여 산화막을 식각하여 전송 게이트(23)를 둘러싸는 산화막 패턴(25)을 형성한다. 그 다음, 제 2 마스크 패턴(26) 및 산화막 패턴(25)을 이용하여 딥 N- 이온주입공정을 수행하여 포토다이오드 영역의 기판(20) 내부에 딥 N- 영역(27)을 형성한다. 이때, 산화막 패턴(25)에 의해 전송 게이트(23)에서의 딥 N- 이온의 채널링이 방지될 뿐만 아니라, 도시된 바와 같이 딥 N- 영역(27)이 전송 게이트(23)에 인접한 부분에서 표면농도가 내부 농도와 유사한 둥근 계단형상의 농도 프로파일을 가지게 된다.Thereafter, an insulating film, preferably an oxide film, is deposited on the entire surface of the substrate at a thickness of about 1500 GPa, and after forming a second mask pattern 26 for opening the photodiode region on the substrate by a photolithography process, the second mask pattern is formed. The oxide layer is etched using (26) to form an oxide layer pattern 25 surrounding the transfer gate 23. Next, a deep N − ion implantation process is performed using the second mask pattern 26 and the oxide layer pattern 25 to form the deep N − region 27 in the substrate 20 of the photodiode region. At this time, not only the channeling of the deep N − ions in the transfer gate 23 is prevented by the oxide layer pattern 25, but the surface of the deep N − region 27 is adjacent to the transfer gate 23 as illustrated. The concentration will have a rounded stepped concentration profile similar to the internal concentration.
도 2b를 참조하면, 공지된 방법에 의해 제 2 마스크 패턴(26)을 제거하고, 산화막 패턴(25)을 식각하여 전송 게이트(23) 측부에 스페이서(28)를 형성한다. 그 후, 제 2 P0 이온주입공정 및 N+ 이온주입공정을 순차적으로 수행하여, 포토다이오드 영역에는 제 1 및 제 2 P0 영역(24a, 24b)으로 이루어진 P0 영역(24)을 형성하여 PNP 구조의 포토다이오드를 형성하고, 전송 트랜지스터 영역에는 N+ 영역으로 이루어진 플로팅 확산영역(29)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, the second mask pattern 26 is removed by the known method, and the oxide layer pattern 25 is etched to form the spacer 28 on the side of the transfer gate 23. Thereafter, the second P 0 ion implantation process and the N + ion implantation process are sequentially performed to form a P 0 region 24 formed of the first and second P 0 regions 24a and 24b in the photodiode region. A photodiode having a PNP structure is formed, and a floating diffusion region 29 formed of an N + region is formed in the transfer transistor region.
상기 실시예에 의하면, 전송 게이트를 둘러싸도록 산화막 패턴을 형성한 후, 이 산화막 패턴을 이용하여 딥 N- 이온주입공정을 수행하므로, 전송 게이트에서의 딥 N- 이온채널링을 방지할 수 있게 된다. 또한, 전송 게이트와 인접한 부분에서 딥 N- 영역의 표면농도가 내부 농도와 유사한 농도를 가지게 되므로, P0 영역의 불순물확산으로 인한 전위장벽 생성을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전송 게이트 동작 시 프린징 필드 발달을 향상시킬 수 있으므로, 전하운송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.According to the above embodiment, after the oxide film pattern is formed to surround the transfer gate, a deep N - ion implantation process is performed using the oxide film pattern, thereby preventing deep N - ion channeling at the transfer gate. In addition, since the surface concentration of the deep N − region in the region adjacent to the transfer gate has a concentration similar to that of the internal concentration, it is not only possible to prevent the generation of potential barriers due to diffusion of impurities in the P 0 region, but also to the fringing field during operation of the transfer gate. Since the development can be improved, the charge transport efficiency can be improved.
또한, 게이트 형성 시 별도의 게이트 캡물질을 적용하는 것 없이 게이트 물질막만을 식각하기 때문에 식각이 용이해질 분만 아니라 게이트 형성공정을 단순화할 수 있게 된다.In addition, since only the gate material layer is etched without applying a separate gate cap material, the gate forming process may be simplified as well as the etching process may be simplified.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
본 발명은 전송 게이트에서의 이온 채널링을 방지하고 게이트 형성공정을 단순화할 수 있다. The present invention can prevent ion channeling in the transfer gate and simplify the gate forming process.
또한, 본 발명은 전하운송 효율을 향상시킬 수 있으므로 이미지센서의 저조도 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention can improve the charge transport efficiency, it is possible to improve the low light characteristics of the image sensor.
도 1a 및 도 1b는 종래 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional image sensor.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment of the present invention.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of symbols for main parts of drawing
20 : P+ 반도체 기판 21 : 필드산화막20: P + semiconductor substrate 21: field oxide film
22 : 게이트 절연막 23 : 게이트22: gate insulating film 23: gate
24a, 24b : 제 1 및 제 2 P0 영역24a, 24b: first and second P 0 regions
25 : 산화막 패턴 26 : 마스크 패턴25: oxide film pattern 26: mask pattern
27 : 딥 N- 영역 28 : 스페이서27: deep N - region 28: spacer
29 : 플로팅 확산영역29: floating diffusion region
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