KR100654041B1 - Method for forming image sensor having nitride layer for protecting device - Google Patents
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Abstract
일반 반도체 소자에서 보호막으로 사용되는 질화막은 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하는 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서에 있어서는 질화막의 낮은 광투과성 때문에 질화막을 사용하지 않고 있다. 본 발명은 상대적으로 두께가 얇고 수소 함유량이 높은 질화막을 사용하여 소자의 보호막으로 이용함으로써 질화막의 사용에 따른 광투과성 저하를 방지하고 소자의 누설전류를 효과적으로 억제하는데 그 특징이 있다.
The nitride film used as a protective film in a general semiconductor device serves to protect the device from external physical and chemical shocks. In addition, the curing of the silicon substrate by the H + ions included in the nitride film (curing) can be obtained a stable operation of the device and the reduction of leakage current. However, in the CMOS image sensor, the nitride film is not used because of the low light transmittance of the nitride film. The present invention is characterized in that a nitride film having a relatively thin thickness and a high hydrogen content is used as the protective film of the device, thereby preventing light transmittance deterioration caused by the use of the nitride film and effectively suppressing leakage current of the device.
이미지 센서, 질화막, 수소이온, 확산, 소자보호막Image sensor, nitride film, hydrogen ion, diffusion, device protection film
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1 is a circuit diagram schematically showing a unit pixel structure of a CMOS image sensor according to the prior art;
도 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,2 is a cross-sectional view of an image sensor manufacturing process according to the prior art,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도, 3 is a cross-sectional view of an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
4 is a cross-sectional view of an image sensor manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
32, 42: 금속배선 33, 44: IMO32, 42:
34, 45: SOG 36, 43: 질화막
34, 45:
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to the field of image sensor manufacture. Specifically, It is related with the manufacturing method of an image sensor provided with the nitride film as a protective film of an element.
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 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centered on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of solid-state image sensors on the market: metal-oxide-semiconductor (MOS) type and charge coupled device (CCD) type.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 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.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이 브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitance structures, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) as an optical sensing means and four NMOS transistors. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transmits a signal for transferring the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx supplies the floating diffusion region FD. transmitting a signal to reset a voltage (V DD) level, and the drive transistor (Dx) is, and serves as a source follower (source follower), the select transistor (Sx) is received is an enable (pixel data enable) signal is the pixel data It sends the pixel data signal to the output.
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 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다. Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the unit pixel is reset by turning on the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx. At this time, the photodiode PD starts to deplete to generate charge charging, and the floating diffusion region is charged to the supply voltage VDD. The transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In this operation state, after reading the output voltage V1 from the unit pixel output terminal SO and storing it in the buffer, the transfer transistor Tx is turned on to move the carriers of the capacitance Cp changed according to the light intensity to the capacitance Cf. The output voltage (V2) is read from the output terminal (Out) again and the analog data for V1-V2 is converted into digital data, so one operation cycle for the unit pixel is completed.
도 2는 종래 이미지 센서 제조 공정 단면도로서, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(21) 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 금속배선(22)을 형성하고, 제1 IMO(inter metal oxide, 23)를 증착하고, 제1 IMO(23) 상에 SOG(spin on glass, 24)를 코팅(coating)하고 큐어링(curing)하고, 금속배선(22) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(22)가 노출될 때까지 SOG(24)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제2 IMO(25)를 증착하고, 제2 IMO(25) 상에 칼라필터 어레이(26)를 형성하고, OCM(over coating material, 27)층을 형성한 것을 도시하고 있다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a conventional image sensor, wherein a
이미지 센서는 외부로부터 소자에 조사된 빛을 전기적인 신호로 변환하는 장치이므로 소자의 성능은 외부에서 주입된 빛을 전기적인 신호로 변경하는 효율성에 의해 좌우된다. 또한 낮은 조도에서의 소자의 안정적인 동작을 위해서는 빛이 없거나 낮은 조도에서의 누설전류 성분이 작아야 하며, 이러한 특성은 암전류(dark current) 특성에 의해 표현된다.Since the image sensor is a device that converts light irradiated from the outside into an electrical signal, the performance of the device depends on the efficiency of converting light injected from the outside into an electrical signal. In addition, for stable operation of the device at low illuminance, there must be little leakage current at low light or low illuminance, and this characteristic is represented by a dark current characteristic.
일반 반도체 소자 제조 공정에서는 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하고, 소자의 누설전류의 원천이 되고 있는 댕글링 본드(dangling bond)를 그 내부의 수소로 큐어링하기 위하여 질화막을 형성한다. 즉, 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 질화막은 광투과성 특성이 낮아 CMOS 이미지 센서에 있어서는 적용되지 못하고 있는 실정이다.
In the general semiconductor device manufacturing process, a nitride film is formed to protect the device from external physical and chemical shocks and to cure a dangling bond, which is a source of leakage current, of the device with hydrogen therein. In other words, the curing of the silicon substrate by the H + ions included in the nitride film results in stable operation of the device and reduction of leakage current. However, the nitride film has a low light transmissive property and is not applicable to a CMOS image sensor.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor including a nitride film as a protective film of an element.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선을 포함하는 전체 구조 상부에 제1 산화막을 형성하는 단계와, 상기 제1 산화막 상에 수소 이온을 포함하는 질화막을 형성하는 단계와, 열처리 공정을 실시하여 상기 질화막 내에 포함된 수소 이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an image sensor, the method including: forming a metal wiring on a semiconductor substrate on which a predetermined substructure is completed, and an overall structure including the metal wiring Forming a first oxide film thereon, forming a nitride film containing hydrogen ions on the first oxide film, and performing a heat treatment process to diffuse the hydrogen ions contained in the nitride film to the semiconductor substrate. It provides an image sensor manufacturing method comprising.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속막 및 그 내부에 수소이온을 포함하는 질화막을 적층하는 단계와, 상기 질화막 및 상기 금속막을 동시에 패터닝하여 금속배선을 형성하면서, 상기 금속배선 상부 표면을 덮는 질화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 질화막 패턴을 포함하는 전체 구조 상부에 산화막을 형성하는 단계와, 상기 산화막 상에 SOG막을 도포하고, 열처리하면서 상기 질화막 내의 수소이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계와, 상기 금속배선 상부를 덮고 있는 상기 산화막이 노출될 때까지 상기 SOG막을 에치백하여 평탄화시키는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention according to another aspect for achieving the above object, in the image sensor manufacturing method, laminating a metal film and a nitride film containing hydrogen ions therein on a semiconductor substrate on which a predetermined substructure is completed; Forming a nitride layer pattern covering the upper surface of the metal interconnection while forming a metal interconnection by simultaneously patterning the nitride layer and the metal layer; and forming an oxide layer on the entire structure including the nitride layer pattern; And applying an SOG film on the oxide film, diffusing hydrogen ions in the nitride film to the semiconductor substrate while performing heat treatment, and etching and planarizing the SOG film until the oxide film covering the upper portion of the metal wiring is exposed. It provides an image sensor manufacturing method comprising a.
일반 반도체 소자에서 보호막으로 사용되는 질화막은 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하는 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서에 있어서는 질화막의 낮은 광투과성 때문에 질화막을 사용하지 않고 있다. 본 발명은 상대적으로 두께가 얇고 수소 함유량이 높은 질화막을 사용하여 소자의 보호막으로 이용함으로써 질화막의 사용에 따른 광투과성 저하를 방지하고 소자의 누설전류를 효과적으로 억제하는데 그 특징이 있다.The nitride film used as a protective film in a general semiconductor device serves to protect the device from external physical and chemical shocks. In addition, the curing of the silicon substrate by the H + ions included in the nitride film (curing) can be obtained a stable operation of the device and the reduction of leakage current. However, in the CMOS image sensor, the nitride film is not used because of the low light transmittance of the nitride film. The present invention is characterized in that a nitride film having a relatively thin thickness and a high hydrogen content is used as the protective film of the device, thereby preventing light transmittance deterioration caused by the use of the nitride film and effectively suppressing leakage current of the device.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, an image sensor manufacturing method according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
먼저, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(31) 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상에 금속배선(32)을 형성하고, IMO(33)를 증착하고, IMO(33) 상에 SOG(34)를 코팅하고 큐어링을 실시한 다음, 금속배선(32) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(33)가 노출될 때까지 SOG(34)를 에치백하여 평탄화시키고, 전체 구조 상에 산화막(35)을 형성하고, 산화막(35) 상에 100 Å 내지 3000 Å 두께를 가지며 그 내부에 수소이온을 포함하는 질화막(36)을 형성한 다음, 열처리 공정을 실시하여 질화막에 포함된 수소이온을 반도체 기판(30)으로 확산시켜 기판의 댕글링 본드와 수소이온을 결합시킨 다음, 질화막(36) 상에 칼라필터 어레이(37)를 형성하고, OCM(38)층을 형성한다. 전술한 본 발명의 일실시예에서 상기 산화막(35)은 질화막의 높은 스트레스(stress)를 완충시켜주는 역할을 한다.First, the
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
먼저, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(41) 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 금속막 및 그 내부에 수소 이온을 포함하는 질화막을 적층하고 동시에 패터닝하여 금속배선(42)을 형성하면서 금속배선(42)을 질화막(43)으로 덮고, IMO(33)를 증착하고 IMO(33) 상에 SOG(44)를 코팅하고 큐어링을 실시한 다음, 금속 배선(42) 상부를 덮고 있는 IMO(33)가 노출될 때까지 SOG(44)를 에치백하여 평탄화시키고, 전체 구조 상에 산화막(46)을 형성하고, 산화막(46) 상에 칼라필터 어레이(47)를 형성하고, OCM(48)층을 형성한다. 이와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는 금속배선 상에만 질화막(43)을 형성함으로써 수광영역인 포토다이오드 상부는 질화막으로 덮이지 않게 됨에 따라 질화막 형성에 따른 투과율 저하를 방지할 수 있다. 그리고, 상기 SOG(44)의 큐어링을 위한 열처리 과정에서 상기 질화막(43) 내의 수소를 반도체 기판(40)으로 확산시킬 수 있어, 수소 이온 확산을 위한 별도의 열처리 공정을 생략할 수 있다.First, a metal film and a nitride film including hydrogen ions are stacked on the
한편, 전술한 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에서 상기 질화막(36, 43)은 각각 NH3와 SiH4를 소스로 이용하여 형성한다.Meanwhile, in the above-described embodiments of the present invention and the other embodiments, the
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.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 소자보호막으로 고감도의 밀도가 높은 질화막을 사용함으로써 소자를 물리적 충격 및 외부에서 침투하는 불순물로부터 보호할 수 있다. 또한, 질화막에 포함된 수소이온에 의한 기판 큐어링 효과에 의해 암전류 특성을 향상시킬 수 있다.
The present invention made as described above can protect the device from physical impact and impurities penetrating from the outside by using a nitride film having a high sensitivity and density as the device protection film. In addition, the dark current characteristic can be improved by the substrate curing effect by the hydrogen ions contained in the nitride film.
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