KR100649009B1 - 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자분리막 주변에 주입된 이온이 광감지소자 영역으로 침범하는 것을 방지하여 암전류를 억제하는 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 고농도 P 형 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 저농도 P 형 에피층; 상기 에피층에 형성된 소자격리막과 N 형의 광감지 소자 영역; 상기 에피층 상에 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이 및 게이트 전극 영역이 개구된 절연막; 상기 절연막에 형성된 게이트 전극 영역의 개구내에 형성된 게이트전극; 상기 절연막의 개구에 매립되어 형성된 매립층; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 에피층에 형성된 고농도 P 형 확산영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
시모스 이미지 센서, 암전류, 소자격리영역
Description
도 1은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 단위회로에 대한 레이아웃(layout)이다.
도 2는 도 1의 종래기술의 시모스 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃을 A-A'로 절단한 단면도이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 공정단면도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 반도체 기판 111 : 에피층
113 : 소자격리막 114 : 제 1 절연막
117 : 고농도 P 형 확산영역 118 : 제 2 절연막
122 : 게이트 전극
본 발명은 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소자 분리막 주변에 주입된 이온이 광감지소자 영역으로 침범하는 것을 방지하여 암전류를 억제하는 시모스 이미지 센서 및 그의 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 처리 칩들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 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 실리콘웨이퍼(silicon Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
시모스 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 광감지 소자와 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하며, 시모스제 조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20 개 정도로 30??40 개의 마스크가 필요한 이중결합소자의 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원 칩(one chip)화가 가능하여 차세대 이미지 센서로 각광을 받고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 단위회로에 대한 레이아웃(layout)이다.
도 1에서와 같이, 시모스 이미지 센서의 단위 회로는 1 개의 광감지 소자와 3 개의 모오스 트랜지스터(MOS transistor)로 구성된다. 빛을 받아 광전하를 생성하는 광감지 소자(1)와 광감지 소자(10)에서 모아진 광전하를 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(2)와, 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(3)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(4)로 구성된다.
도 2는 도 1의 종래기술의 시모스 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃을 A-A'로 절단한 단면도이다.
도 2에서와 같이, 고농도 P 형 기판(10) 상에 저농도 P 형의 에피층(P-EPI)(11)을 성장시키고, 상기 에피층(11)에 저농도 N 형의 광감지 소자 영역(13)과 소자사이를 격리시키는 소자격리막(12)이 형성된다. 또한 에피층(11) 상에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 절연막(14)과 게이트 전극(15)을 형성한다. 그리고 소자격 리막(12)의 양측에 암전류 방지하는 고농도 P 형 확산영역(13)을 형성한다.
상기와 같은 방법으로 시모스 이미지 센서를 제조하면, 이미지 센서의 성능저하와 전하 저능력이 문제로 지적되는 암전류가 발생하게 된다. 암전류는 빛이 전혀 없는 상태에서도 광감지 소자(photo diode)에서 플로팅 확산영역(floating diffusion region)으로 이동하는 전자에 의해 생성되며, 암전류는 주로 반도체 기판의 표면근처, 소자격리막과 에피층사이, 소자격리막과 광감지 소자사이, 또는 P형 영역과 N 형 영역에 분포하는 각종 결함, 즉 선결함(line defect), 점결함(point defect), 미결합수(dangling bond) 등에 의해 발생한다. 그리고 이러한 암전류는 저조도(low illumination) 환경에서 심각한 문제를 야기할 수 있다.
이러한 암전류 감소를 위해 특히 반도체 기판의 표면근처에서 발생하는 암전류를 감소시키기 위하여 저농도 P 형 에피층, 저농도 N 형 영역, 고농도 P 형 기판으로 적층되는 구조와 소자격리막의 경사(tilt) 이온주입하는 방법을 사용한다.
그러나 이러한 방법을 사용하여도, 이온주입한 불순물이 웰(well)을 형성할 때 진행하는 열공정에 의해 추가 확산되어 광감지 소자의 영역을 과도하게 침범하는 문제가 있다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.
암전류 감소를 위해 저농도 P 형 에피층, 저농도 N 형 영역, 고농도 P 형 기판으로 적층되는 구조와 소자격리막의 경사 이온주입하는 방법을 사용하지만, 이온 주입한 불순물이 웰(well)을 형성할 때 진행하는 열공정에 의해 추가 확산되어 광감지 소자의 영역을 과도하게 침범하는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 소자분리막 주변에 주입된 이온이 광감지소자 영역으로 침범하는 것을 방지하여 암전류를 억제하는 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자는 고농도 P 형 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 저농도 P 형 에피층; 상기 에피층에 형성된 소자격리막과 N 형의 광감지 소자 영역; 상기 에피층 상에 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이 및 게이트 전극 영역이 개구된 절연막; 상기 절연막에 형성된 게이트 전극 영역의 개구내에 형성된 게이트전극; 상기 절연막의 개구에 매립되어 형성된 매립층; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 에피층에 형성된 고농도 P 형 확산영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 반도체 기판에 소자격리막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 광감지 소자영역을 형성하는 단계; 상기 광감지 소자영역을 포함하는 상기 반도체 기판에 제 1 절연막을 형성하는 단계; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이 및 게이트 전극 영역이 개구되도록 상기 제 1 절연막을 선택적으로 패터닝하는 단계; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 반도체 기판에 확산영역을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면에 제 2 절연막을 형성하고 이방성 식각하여 상기 소자 격리막과 광감지 소자영역 사이의 개구에 매립층을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막에 형성된 상기 게이트 전극 영역의 개구내에 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 고농도 P 형 반도체 기판 상에 저농도 P 형 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층에 상기 소자격리막과 N 형의 상기 광감지 소자영역을 형성하는 단계; 상기 광감지 소자영역을 포함하는 상기 반도체 기판에 제 1 절연막을 형성하는 단계; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이와 게이트전극 영역이 개구되도록 상기 제 1 절연막을 선택적으로 패터닝하는 단계; 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 에피층에 고농도 P 형 확산영역을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면에 제 2 절연막을 형성하고 이방성 식각하여 상기 소자 격리막과 광감지 소자영역 사이의 개구에 매립층을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막에 형성된 게이트 전극 영역의 개구내에 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 10은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 공정단면도이다.
도 3과 같이, 고농도 P 형 반도체 기판(110) 상에 저농도 P 형 에피층(111)을 성장시키고, 에피층(111)에 저농도 N 형의 광감지 소자 영역(112)과 소자사이를 격리하는 소자격리막(113)을 형성한다. 소자격리막(113)과 광감지 소자 영역(112)을 포함하는 에피층(111) 상에 제 1 절연막(114)을 형성한다.
도 4와 같이, 제 1 절연막(114) 상에 제 1 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 게이트 전극 형성영역과, 소자격리막(113)과 광감지 소자영역(112) 사이의 영역을 개구하는 제 1 감광막 패턴(115)을 형성하고, 상기 제 1 감광막 패턴(115)을 마스크로 제 1 절연막(114)을 선택식각한다.
도 5와 같이, 상기 제 1 감광막 패턴(115)을 제거하고, 상기 제 1 절연막(114) 상에 제 2 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 게이트 형성영역을 피복하는 제 2 감광막 패턴(116)을 형성한다.
도 6과 같이, 상기 제 2 감광막 패턴(116)을 마스크로 P 형 이온으로 B, 또는 BF2를 소자격리막(113)과 광감지 소자영역(112) 사이의 영역에 주입하여 고농도 P 형 확산영역(117)을 형성한다.
도 7과 같이, 상기 제 2 감광막 패턴(116)을 제거하고, 제 1 절연막(114)을 포함한 에피층(111) 상에 제 2 절연막(118)을 형성한다.
도 8과 같이, 상기 제 1 절연막(114)의 표면이 노출될 때까지 제 2 절연막(118)을 이방성 식각하면, 폭이 넓은 게이트 형성 영역의 측면에는 제 2 절연막(118)에 의해 스페이서(spacer)(119)가 형성되고, 폭이 좁은 소자격리막(113)과 광감지 소자영역(112) 사이는 제 2 절연막(118)에 의해 매립층(120)이 형성된다.
도 9와 같이, 제 1 절연막(114)을 포함하는 에피층(111) 상에 다결정실리콘막(121)을 적층한다.
도 10과 같이, 상기 다결정실리콘막(121)을 화학적기계적 연마(chemical mechanical polishing) 방법을 사용하여 제 1 절연막(114)의 표면이 노출될 때까지 연마하여, 게이트전극(122)을 형성한다.
상기와 같은 방법으로 시모스 이미지 센서를 제조하면, 소자격리막 영역에 암전류를 방지하기 위하여 주입하는 고농도 P 형 이온주입을 소자격리막과 광감지소자의 사이의 필수적인 영역에만 실시하여, 웰공정 진행시 추가적인 열확산에 의해, 광감지 소자영역이 침범되는 일을 방지할 수 있다.
이로 인해 암전류가 감소하고, 픽셀(pixel)간 소자특성을 균일하게 조정할 수 있어 이미지 센서의 특성을 개선할 수 있으며, 열확산을 최소화하므로 픽셀간격을 조밀하게 조정할 수 있어 집적도 향상에 기여할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
소자격리막 영역에 암전류를 방지하기 위하여 주입하는 고농도 P 형 이온주입을 소자격리막과 광감지소자의 사이의 필수적인 영역에만 실시하여, 웰공정 진행시 추가적인 열확산에 의해, 광감지 소자영역이 침범되는 일을 방지할 수 있어, 암전류가 감소하고, 픽셀(pixel)간 소자특성을 균일하게 조정할 수 있어 이미지 센서의 특성을 개선할 수 있으며, 열확산을 최소화하므로 픽셀간격을 조밀하게 조정할 수 있어 집적도 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 고농도 P 형 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 저농도 P 형 에피층;상기 에피층에 형성된 소자격리막과 N 형의 광감지 소자 영역;상기 에피층 상에 상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이 및 게이트 전극 영역이 개구된 절연막;상기 절연막에 형성된 게이트 전극 영역의 개구내에 형성된 게이트전극;상기 절연막의 개구에 매립되어 형성된 매립층;상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 에피층에 형성된 고농도 P 형 확산영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자.
- 반도체 기판에 소자격리막을 형성하는 단계;상기 반도체 기판에 광감지 소자영역을 형성하는 단계;상기 광감지 소자영역을 포함하는 상기 반도체 기판에 제 1 절연막을 형성하는 단계;상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이 및 게이트 전극 영역이 개구되도록 상기 제 1 절연막을 선택적으로 패터닝하는 단계;상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 반도체 기판에 확산영역을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 전면에 제 2 절연막을 형성하고 이방성 식각하여 상기 소자 격리막과 광감지 소자영역 사이의 개구에 매립층을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막에 형성된 상기 게이트 전극 영역의 개구내에 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법.
- 고농도 P 형 반도체 기판 상에 저농도 P 형 에피층을 형성하는 단계;상기 에피층에 상기 소자격리막과 N 형의 상기 광감지 소자영역을 형성하는 단계;상기 광감지 소자영역을 포함하는 상기 반도체 기판에 제 1 절연막을 형성하는 단계;상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이와 게이트전극 영역이 개구되도록 상기 제 1 절연막을 선택적으로 패터닝하는 단계;상기 소자격리막과 상기 광감지 소자영역 사이의 상기 에피층에 고농도 P 형 확산영역을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 전면에 제 2 절연막을 형성하고 이방성 식각하여 상기 소자 격리막과 광감지 소자영역 사이의 개구에 매립층을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막에 형성된 게이트 전극 영역의 개구내에 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법.
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