KR100649008B1 - 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광감지 소자 영역을 삼각형 형태로 형성하여 소자격리막과 접하는 계면의 최소화 및 계면의 미결합수를 제거하여 열처리를 실시하여, 집적도 및 누설전류를 방지하는 반도체 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판에 삼각형 형태의 영역을 가지는 광감지 소자를 형성하는 단계; 상기 광감지 소자와 접하여 소자를 격리하기 위하여 소자절연막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판을 중수소와 질소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
시모스 이미지 센서, 광감지 소자, 집적도, 배열
Description
도 1은 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 단위 화소회로의 레이아웃이다.
도 2는 도 1의 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소회로의 레이아웃의 A-A'를 절단한 단면도이다.
도 3은 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 단위 화소회로의 레이아웃이다.
도 4는 도 3의 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소회로의 레이아웃의 A-A'를 절단한 단면도이다.
도 5는 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
도 6은 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
도 7은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
도 8은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 레이아웃(layout)이다.
도 9는 도 8의 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 레이아웃(layout)의 A-A'을 절단한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자에서 STI와 반도체 기판의 결합구조이다
도 11은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 배열(array)이다.
도 12는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
도 13은 본 발명에 따른 중수소 열처리 공정과 종래기술의 열처리방법을 적용한 광감지 소자의 누설전류의 특성을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 중수소 열처리 공정과 종래기술의 열처리방법을 적용한 광감지 소자의 전류 특성을 비교한 그래프이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 광감지 소자 32 : 반도체 기판
33 : STI 35 : 녹색픽셀
36 : 적색픽셀 37 : 청색픽셀
본 발명은 반도체 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 광감지 소자 영역을 삼각형 형태로 형성하여 소자격리막과 접하는 계면의 최소화 및 계면의 미결합수를 제거하여 열처리를 실시하여, 집적도 및 누설전류를 방지하는 반도체 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS : metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD : charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS : complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그널 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지털 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
그런데 종래의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자는 사각형 형태로 집적도를 개선하는 데 한계를 가지고 있으며 광감지 소자의 사면이 소자격리막과 접하여 있어 소자격리막과 광감지소자의 계면의 결함으로 인해 누설전류가 증가하는 문제가 있었다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서 회로와 시모스 이미지 센서의 광감지 소자에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 단위 화소회로의 레이아웃이다.
빛을 받아 광전하를 생성하는 사각형 형태(rectangular type)의 광감지 소자(10)와 게이트 전극으로 Rx 신호를 인가받아 광감지 소자(10)에서 생성된 광전하를 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(11)와, 게이트로 Dx 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(12)와 그리고 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(13)로 구성된다. 또한 소자사이를 격리하는 STI(14)이 형성된다.
도 2는 도 1의 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소회로의 레이아웃의 A-A'를 절단한 단면도이다.
고농도 P 형 기판(15) 상에 저농도 P 형의 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 에피층에 저농도 N 형의 광감지 소자(10)와 광감지 소자와 접하여 트렌치를 형성하고 트렌치에 절연막을 충진시키는 STI(shallow trench isolation)(16)이 형 성되고, 에피층 상에 리셋 트랜지스터의 게이트절연막(17)과 게이트절연막(17) 상에 게이트전극(18)과 게이트전극(18)의 양측면에 스페이서(spacer)(19)가 형성된다.
그리고 STI(16)는 트렌치를 형성하고 반응성 이온식각(reactive ion etch)을 한 상태이므로 결함(defect)이 다량으로 존재하여, STI(16)과 광감지 소자(10)의 계면(20)은 누설전류(leakage current)의 소오스(source)가 된다.
도 3은 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 단위 화소회로의 레이아웃이다.
빛을 받아 광전하를 생성하는 사각형 형태(rectangular type)의 광감지 소자(10)와 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(10)에서 모아진 광전하를 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(21)와 게이트로 Rx 신호를 인가받아 광전하를 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(11)와, 게이트로 Dx 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(12)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(13)로 구성된다. 또한 소자사이를 격리하는 STI(14)이 형성된다.
도 4는 도 3의 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소회로의 레이아웃의 A-A'를 절단한 단면도이다.
고농도 P 형 기판(15) 상에 저농도 P 형의 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 에피층에 저농도 N 형의 광감지 소자(10)와 광감지 소자와 접하여 트렌치를 형성하고 트렌치에 절연막을 충진시키는 STI(shallow trench isolation)(16)이 형성되고, 에피층 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트절연막(22)과 게이트절연막(22) 상에 게이트전극(23)과 게이트전극(23)의 양측면에 스페이서(spacer)(24)가 형성된다. 그리고 게이트전극(23) 측면의 에피층에 고농도 N형의 확산영역(25)이 형성된다. STI(16)과 광감지 소자(10)의 계면(20)은 누설전류(leakage current)의 소오스(source)가 된다.
도 5는 종래기술의 3 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
단위화소와 단위화소는 STI(14)로 격리되고, 각각의 단위화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 사각형 형태(rectangular type)의 광감지 소자(10)와 게이트 전극으로 Rx 신호를 인가받아 광감지 소자(10)에서 생성된 광전하를 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(11)와, 게이트로 Dx 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(12)와 그리고 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(13)로 구성된다. 여기서 동일열의 단위화소는 셀렉트 트랜지터(13)의 게이트전극(26)을 공유한다.
도 6은 종래기술의 4 개의 트랜지스터와 광감지 소자로 구성되는 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
단위화소와 단위화소는 STI(14)로 격리되고, 각각의 단위화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 사각형 형태(rectangular type)의 광감지 소자(10)와 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(10)에서 모아진 광전하를 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(21)와 게이트로 Rx 신호를 인가받아 광전하를 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(11)와, 게이트로 Dx 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(12)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(13)로 구성된다. 또한 소자사이를 격리하는 STI(14)이 형성된다.
도 7은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
녹색픽셀(27)과 접하여 적색픽셀(28)이 교번하여 배열되고, 다음 열은 청색픽셀(29)과 접하여 녹색픽셀(27)이 교번하여 배열된다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.
시모스 이미지 센서의 광감지 소자는 사각형 형태로 집적도를 개선하는 데 한계을 가지고 있으며 광감지 소자의 사면이 소자격리막과 접하여 있어 소자격리막과 광감지소자의 계면의 결함으로 인해 누설전류가 증가하는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 광감지 소자 영역을 삼각형 형태로 형성하여 소자격리막과 접하는 계면의 최소화 및 계면의 미결합수를 제거하여 열처리를 실시하여, 집적도 및 누설전류를 방지하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자제조방법에 관한 것이다.
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이와 같은 목적을 달성하기 위한 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 반도체 기판에 삼각형 형태의 영역을 가지는 광감지 소자를 형성하는 단계; 상기 광감지 소자와 접하여 소자를 격리하기 위하여 소자절연막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판을 중수소와 질소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 있어서, 중수소와 질소는 각각 20 % 및 80 % 이고, 400℃의 온도로 30 분간 열처리하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 레이아웃(layout)이다.
광감지 소자(30)는 삼각형 형태(triangular type)로 형성하고, 트랜스퍼 트랜지스터(도시하지 않음), 리셋 트랜지스터(도시하지 않음), 드라이버 트랜지스터(도시하지 않음), 셀렉트 트랜지스터(도시하지 않음)가 형성되는 부분(31)은 광감지 소자(30)의 측면을 따라 배열하였다.
도 9는 도 8의 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 레이아웃(layout)의 A-A'을 절단한 단면도이다.
고농도 P 형 반도체 기판(32) 상에 저농도 P 형의 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 에피층에 저농도 N 형의 광감지 소자(30)와 광감지 소자와 접하여 트렌치를 형성하고 트렌치에 절연막을 충진시키는 STI(shallow trench isolation)(33)이 형성된다. 그리고 광감자 소자(30)와 STI(33)사이에 계면(35)이 형성된다.
그리고 누설전류를 감소시키기 위해, 광감지 소자(30)와 STI(33)을 형성한 후, 중수소 열처리(deuterium annealing) 공정을 진행한다. 중수소 열처리는 종래의 수소 열처리에 비하여 누설전류를 줄이는 효과가 높다. 그 이유는 수소는 중수소의 질량보다 작기 때문에 실리콘과 수소 결합이 실리콘과 중수소 결합보다 더 큰 진동주기(vibration frequency)를 가지고 있으며, 실리콘과 중수소 결합의 진동주기는 실리콘의 공명주기(phonon frequency)와 유사하므로 중수소가 수소보다 실리콘과 결합을 구성할 확률이 높아진다.
중수소 열처리의 조건은 중수소(deuterium) 20 % 및 질소 80 %의 분위기에서400℃의 온도로 30 분간 열처리한다.
도 10은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자에서 STI와 반도체 기판의 결합구조이다
STI와 광감지 소자가 형성되어 있는 계면의 미결합수(dangling bond)와 중수소가 결합되어 있는 것을 보여준다.
도 11은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 배열(array)이다.
단위화소는 삼각형 형태(triangular type)로 형성된 광감지 소자(30)와 광감지 소자(30)의 측면을 따라 위치하는 트랜스퍼 트랜지스터(도시하지 않음), 리셋 트랜지스터(도시하지 않음), 드라이버 트랜지스터(도시하지 않음), 셀렉트 트랜지 스터(도시하지 않음)가 형성되는 부분(31)으로 구성되고, 삼각형 형태의 광감지 소자(30)를 꼭지점이 위로 가는 순위치와 꼭지점이 아래로 가는 역위치를 교번하여 배열한다.
도 12는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 화소 배열(pixel array)이다.
녹색픽셀(35)과 접하여 적색픽셀(36)이 교번하여 배열되고, 다음 열은 청색픽셀(37)과 접하여 녹색픽셀(35)이 교번하여 배열된다.
도 13은 본 발명에 따른 중수소 열처리 공정과 종래기술의 열처리방법을 적용한 광감지 소자의 누설전류의 특성을 비교한 그래프이다.
중수소(deuterium) 20 % 및 질소 80 %의 분위기에서 열처리한 본 발명이 수소 20% 와 질소 80 % 의 분위기에서 열처리한 종래기술에 비해 누설전류의 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 중수소 열처리 공정과 종래기술의 열처리방법을 적용한 광감지 소자의 전류 특성을 비교한 그래프이다.
중수소 열처리를 적용한 본 발명은 수소 열처리를 하는 종래기술보다 패시배이션(passivation)이 잘되어 STI 계면에 존재하는 결함들이 PN 접합(junction) 즉 광감지 소자쪽으로 침투가 작아지고 이로 인해 누설전류가 감소한다.
따라서 본 발명의 전류특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
광감지 소자를 삼각형 형태로 형성하여, 종래의 사각형 형태보다 2 배 이상의 픽셀을 수용할 수 있어 집적도가 개선되고, STI와 광감지 소자가 접하는 계면을 최소화하여 누설전류를 감소시킬 수 있다.
또한 중수소 열처리 공정을 진행하여 PPID(Plasma Process Induced Damage)에 의한 손상(damage)에 대한 효과적인 치유(curing) 이외에도 전기적 스트레스(stress)에 대한 신뢰성을 증가시키고, 계면의 미결합수에 결합되는 중수소가 수소에 비해 이탈될 가능성이 적어지기 때문에 STI킬 수 있다. 일반적으로 deuterium의 질량이 hydrogen에 비해 무겁기 때문에, 일단 실리콘의 dangling bond와 결합하면 hydrogen에 비해 stress에 의해 다시 떨어져 나갈 확률이 줄어든다. 따라서 계면특성이 개선되어 누설전류를 더욱 감소시키는 효과가 있다.
Claims (7)
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- 반도체 기판에 삼각형 형태의 영역을 가지는 광감지 소자를 형성하는 단계;상기 광감지 소자와 접하여 소자를 격리하기 위하여 소자절연막을 형성하는 단계;상기 반도체 기판을 중수소와 질소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서, 상기 중수소와 질소는 각각 20 % 및 80 % 이고, 400℃의 온도로 30 분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법.
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