KR100654056B1 - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a portion of a unit pixel of a CMOS image sensor according to the prior art.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정 단면도.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the related art shown in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a portion of a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정 단면도.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10, 110 : 기판10, 110: substrate
111 : 제1 P- 에피층111: first P - epi layer
12, 112 : 패드 산화막12, 112: pad oxide film
13, 113 : 패드 질화막13, 113: pad nitride film
14, 114 : 트렌치14, 114: trench
15, 115 : 라운딩 산화막15, 115: rounding oxide film
117 : 제2 P- 에피층117: 2nd P - epi layer
118 : P+ 에피층118: P + epi layer
20, 119 : 게이트 절연막20, 119: gate insulating film
21, 120 : 게이트 도전막21, 120: gate conductive film
22, 121 : 게이트 전극22, 121: gate electrode
23, 123 : 스페이서23, 123: spacer
125 : N- 확산층125: N - diffusion layer
27, 127 : P+ 확산층27, 127: P + diffusion layer
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an image sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensor and a method for manufacturing the same.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)는 개개의 MOS(Metal Oxide Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and a charge coupled device (CCD) is a charge in which individual metal oxide silicon (MOS) capacitors are in close proximity to each other. A carrier is a device in which a carrier is stored and transferred to a capacitor. A CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) image sensor uses a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. It is a device that adopts switching method that makes MOS transistor as many as (pixel) number and uses it to detect output sequentially.
통상적으로, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 하나의 포토 다이오드(Photo Diode)와 복수의 MOS 트랜지스터로 구성되며, MOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 제어하는 역할을 한다. 이러한 CMOS 이미지 센서에서는, 포토 다이오드로 입사된 빛을 통해 생성된 전자들이 모두 전자 신호로 변환되어야 좋은 이미지 특성을 갖을 수 있다.In general, a unit pixel of a CMOS image sensor includes one photo diode and a plurality of MOS transistors, and the MOS transistors control photo-generated charges focused on the photo diodes PD. Do it. In such a CMOS image sensor, all electrons generated through light incident on a photodiode have to be converted into an electronic signal to have good image characteristics.
그러나, 이러한 CMOS 이미지 센서의 제조시 액티브 영역과 필드 영역을 정의하기 위한 소자분리막 형성시 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 적용할 경우에는, 트렌치에 고립된 소자분리막의 측벽에 발생된 다량의 결함(Defect)에 의해 포토 다이오드에서 생성된 전자들이 일부 소비되어 이미지 센서의 광효율을 저하시키게 된다. However, when the STI (Shallow Trench Isolation) process is applied in forming the isolation layer for defining the active region and the field region in manufacturing the CMOS image sensor, a large amount of defects generated in the sidewall of the isolation layer isolated from the trench ( Defect) consumes some of the electrons generated in the photodiode, reducing the light efficiency of the image sensor.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 소자분리막의 측벽과의 경계면에 채널 스탑층(CST; Channel STop layer)을 형성하여 전자가 소자분리막의 측벽을 통해 손실되는 것을 방지하였으나, 이러한 경우에는 상대적으로 포토 다이오드의 면적이 감소되는 문제가 발생한다. 따라서, 이미지 센서의 광특성을 저하시킨다.Accordingly, in order to solve this problem, in the related art, a channel stop layer (CST) is formed on the interface with the sidewall of the device isolation layer to prevent electrons from being lost through the sidewall of the device isolation layer. The problem is that the area of the photodiode is reduced. Therefore, the optical characteristic of the image sensor is lowered.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 단면도이다. 여기서는, 일례로 PN 접합 구조를 갖는 포토 다이오드를 설명하기로 한다.1 is a cross-sectional view illustrating a portion of a unit pixel of a CMOS image sensor according to the related art. Here, as an example, a photodiode having a PN junction structure will be described.
먼저, 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 P- 에피층(11)이 성장된 P형 반도체 기판(10, P_Sub) 내에 국부적으로 형성된 소자분리막(19)과, 소자분리막(19)을 둘러싸도록 형성된 N 채널스탑층(17)과, N 채널스탑층(17)의 일측에 얼라인(Align)되어 기판(10) 내에 형성된 포토 다이오드용 N- 확산층(25)과, N- 확산층(25) 상부 표면에 형성된 P+ 확산층(27)을 포함한다. P+ 확산층(27)은 포토 다이오드로 유입되는 암전류를 방지하기 위해 형성된다.First, Referring to Figure 1, CMOS image sensor according to the prior art P - epitaxial
이에 따라, 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드는 N- 확산층(25)의 너비(W)와 같은 면적을 갖게 된다. 결국, 포토 다이오드는 N 채널스탑층(17)의 너비만큼 면적 손실이 발생하는 것이다.Accordingly, the photodiode of the CMOS image sensor according to the prior art has an area equal to the width W of the N − diffusion layer 25. As a result, the area loss occurs as much as the width of the N-
특히, 소자분리막(19)은 STI 공정을 적용하여 형성된 것으로, 트렌치 내에 고립된 형태를 갖는다. In particular, the
또한, 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 N- 확산층(25)의 일측으로 노출 된 P- 에피층(11) 상에 형성된 트랜지스터용 게이트 전극(22)을 더 포함한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극만을 도시하였고, 게이트 전극(22)은 일반적인 트랜지스터의 게이트 전극과 동일하게 게이트 절연막(20) 및 게이드 도전막(21)이 적층된 구조를 갖고 그 양측벽에는 스페이서(23)가 형성된다.In addition, the CMOS image sensor according to the related art further includes a
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 도시한 공정 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the related art shown in FIG. 1.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, P형 기판(10) 상에 P- 에피층(11)을 에피택셜 성장시킨 후, P- 에피층(11) 내에 STI 구조의 트렌치(14)를 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, after epitaxially growing a P −
예컨대, P- 에피층(11) 상에 패드 산화막(12) 및 패드 질화막(13)을 차례로 증착한 후, STI 식각공정을 실시하여 패드 질화막(13) 및 패드 산화막(12)의 일부를 식각하여 트렌치(14)를 형성한다.For example, P - and then in turn deposit the
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 열산화공정(Thermal Oxidation)을 실시하여 트렌치(14)의 내부면을 따라 라운딩(Rounding) 산화막(15)을 형성한다. 이는, 트렌치(14) 형성을 위한 STI 식각공정시 기판(10)의 결함을 큐어링(Curing)하기 위함이다. Next, as shown in FIG. 2B, a thermal oxidation process is performed to form a
이어서, 이온주입공정(16)을 실시하여 트렌치(14)와 P- 에피층(11)의 경계면을 따라 일정 두께로 N 채널스탑층(17)을 형성한다.Subsequently, an
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 트렌치(14, 도 2b 참조)가 매립되도록 소자분리용 HDP(High Density Plasma) 산화막(미도시)을 증착한다. Subsequently, as shown in FIG. 2C, an HDP (High Density Plasma) oxide film (not shown) for device isolation is deposited to fill the trench 14 (see FIG. 2B).
이어서, 인산용액(H3PO4)을 이용한 습식식각공정을 통해 패드 질화막(13, 도 2b 참조)을 제거하고, 불산용액을 이용한 습식식각공정을 통해 패드 산화막(12, 도 2b 참조)을 제거한다.Subsequently, the pad nitride layer 13 (see FIG. 2B) is removed through a wet etching process using a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ), and the pad oxide layer 12 (see FIG. 2B) is removed through a wet etching process using a hydrofluoric acid solution. do.
이어서, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해, HDP 산화막을 평탄화하여 트렌치(14) 내에 고립되는 소자분리막(19)을 형성한다.Subsequently, the HDP oxide film is planarized through a chemical mechanical polishing (CMP) process to form an
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 소자분리막(19)이 형성된 P- 에피층(11) 상에 소자분리막(19)과 일정 거리 이격되도록 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(22)을 형성한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극만을 도시하였다. 예컨대, 게이트 전극(22)은 게이트 절연막(20) 및 게이트 도전막(21)을 차례로 증착한 후, 이를 식각하여 형성한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2D, a plurality of
이어서, 게이트 전극(22)을 포함한 P- 에피층(11) 상부의 단차를 따라 스페이서용 절연막을 증착한 후, 이를 건식식각하여 게이트 전극(22)의 양측벽에 스페이서(23)를 형성한다.Subsequently, an insulating film for a spacer is deposited along the stepped portion of the P − epi layer 11 including the
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 마스크 공정 및 이온주입공정을 실시하여 N 채널스탑층(17)과 게이트 전극(22) 간의 P- 에피층(11) 내에 포토 다이오드용 N- 확산층(25)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2E, a mask process and an ion implantation process are performed to form a photodiode N - diffusion layer 25 in the P - epi layer 11 between the N
이어서, 마스크 공정 및 이온주입공정을 실시하여 N- 확산층(25) 상부 표면에 P+ 확산층(27)을 형성한다.Subsequently, a mask process and an ion implantation process are performed to form a P + diffusion layer 27 on the upper surface of the N − diffusion layer 25.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 트렌치 내에 고립된 구조를 갖는 소자분리막의 측벽을 통해 전자가 손실되는 것을 방지하면서, 포토 다이오드의 전체 면적이 감소되는 것을 억제할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, while preventing electrons from being lost through the sidewall of the device isolation film having an isolated structure in the trench, while reducing the total area of the photodiode. An object thereof is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 상부에 형성된 제1 도전형의 제1 에피층과, 상기 제1 에피층 내에 일정 깊이로 형성된 상기 제1 도전형의 제2 에피층과, 상기 제2 에피층을 둘러싸도록 상기 제1 에피층 내에 상기 제2 에피층보다 낮은 농도로 형성된 상기 제1 도전형의 제3 에피층과, 상기 제2 에피층의 일측에 얼라인되도록 상기 제1 및 제3 에피층 내에 형성된 제2 도전형의 포토 다이오드용 제1 확산층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a first epitaxial layer of a first conductivity type formed on an upper surface of a substrate, and a second epitaxial layer of the first conductivity type formed at a predetermined depth in the first epitaxial layer. And a third epi layer of the first conductivity type formed at a concentration lower than the second epi layer in the first epi layer to surround the second epi layer, and the first epi layer to be aligned with one side of the second epi layer. An image sensor including a first diffusion layer for a photoconductor of a second conductivity type formed in a first and a third epitaxial layer is provided.
바람직하게, 상기 제2 에피층은 적어도 1019 atoms/㎤ 이상의 도핑 농도를 갖도록 형성된다. Preferably, the second epitaxial layer is formed to have a doping concentration of at least 10 19 atoms / cm 3 or more.
바람직하게, 상기 제2 에피층은 STI 구조의 트렌치 내에 고립된 형태를 갖는 다. Preferably, the second epilayer has an isolated form in the trench of the STI structure.
바람직하게, 상기 제3 에피층은 상기 제1 에피층과 동일한 도핑 농도를 갖는다. Preferably, the third epi layer has the same doping concentration as the first epi layer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 제1 도전형의 제1 에피층이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 제1 에피층을 일정 깊이 식각하여 상기 제1 에피층 내에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 내부면을 따라 상기 제1 도전형의 제2 에피층을 성장시키는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 제2 에피층 상에 상기 제2 에피층보다 높은 농도로 상기 제1 도전형의 제3 에피층을 성장시키는 단계와, 상기 제3 에피층과 일정 거리 이격되도록 상기 제1 에피층 상에 트랜지스터용 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 상기 제3 에피층 사이의 상기 제1 및 제2 에피층 내에 포토 다이오드용 제1 확산층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a substrate on which a first epitaxial layer of a first conductivity type is formed, and etching the first epitaxial layer to a predetermined depth in the first epitaxial layer. Forming a trench, growing a second epitaxial layer of the first conductivity type along an inner surface of the trench, and having a higher concentration than the second epitaxial layer on the second epitaxial layer so that the trench is embedded Growing a third epitaxial layer of the first conductivity type, forming a gate electrode for the transistor on the first epitaxial layer to be spaced apart from the third epitaxial layer, and And forming a first diffusion layer for the photodiode in the first and second epitaxial layers between the three epitaxial layers.
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 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타 낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and in the case where the layers are said to be "on" another layer or substrate, they may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the same reference numerals throughout the specification represent the same components.
실시예Example
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 일부를 도시한 단면도이다. 여기서는, 일례로 PN 접합 구조를 갖는 포토 다이오드를 설명하기로 한다.3 is a cross-sectional view illustrating a portion of a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Here, as an example, a photodiode having a PN junction structure will be described.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 P형 반도체 기판(110, P_Sub) 상부에 형성된 P- 에피층(111; 이하, 제1 P- 에피층이라 함)과, 제1 P- 에피층(111) 내에 일정 깊이로 형성된 P+ 에피층(118)과, P+ 에피층(118)을 둘러싸도록 제1 P- 에피층(111) 내에 P+ 에피층(118)보다 낮은 농도로 형성된 P- 에피층(117; 이하, 제2 P- 에피층이라 함)과, P+ 에피층(118)의 일측에 얼라인되도록 상기 제1 및 제2 P- 에피층(111, 117) 내에 형성된 포토 다이오드용 N- 확산층(125)을 포함한다. 이로써, 제1 P- 에피층(111)/N- 확산층(125)의 적층 구조를 갖는 PN 접합 포토 다이오드가 형성된다.First, referring to FIG. 3, a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a P − epi layer 111 (hereinafter, referred to as a first P − epi layer) formed on a P - type semiconductor substrate 110 (P_Sub). , the 1 P-epi layer is formed to a predetermined depth in a (111) P + epitaxial layer 118, and the 1 P so as to surround the P + epitaxial layer (118) in the epitaxial layer (111) P + epitaxial layer (118 ) formed at a lower concentration than the P - epitaxial layer (117; hereinafter, a 2 P-epi layer quot;) and, P + epitaxial layer 118, the first and the 2 P to be aligned to one side of-the epilayer ( N - diffusion layer 125 for photodiodes formed in 111 and 117. As a result, a PN junction photodiode having a laminated structure of the first P - epitaxial layer 111 / N - diffusion layer 125 is formed.
또한, N- 확산층(125) 상부 표면에 형성된 P+ 확산층(127)을 더 포함한다. P+ 확산층(127)은 포토 다이오드로 유입되는 암전류를 방지하기 위해 형성되는데, 제2 P- 에피층(117)보다 고농도로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the N − diffusion layer 125 further includes a P + diffusion layer 127 formed on the upper surface. The P + diffusion layer 127 is formed to prevent dark current flowing into the photodiode, and is preferably formed at a higher concentration than the second P − epi layer 117.
특히, P+ 에피층(118)은 적어도 1019 atoms/㎤ 이상의 보론(Boron) 도핑 농도를 갖도록 B2H6, SiH4 및 HCl을 주입함으로써 형성된다. In particular, the P + epi layer 118 is formed by injecting B 2 H 6 , SiH 4 and HCl to have a Boron doping concentration of at least 10 19 atoms / cm 3 or more.
P+ 에피층(118)은 STI 구조의 트렌치 내에 고립된 형태를 갖는다. 여기서, P+ 에피층(118)이 매립된 트렌치는 기존의 도 2a에서와 같이 소자분리막 형성을 위해 형성되는 트렌치(14)보다 깊게 형성된다. 이는, P+ 에피층(118)으로 소자분리 특성을 향상시키기 위함이다.P + epi layer 118 has an isolated shape within the trench of the STI structure. Here, the trench in which the P + epi layer 118 is embedded is formed deeper than the
여기서, 제2 P- 에피층(117)은 제1 P- 에피층(111)과 동일한 보론 도핑 농도를 갖도록 형성된다. 따라서, 포토 다이오드, 즉 N- 확산층(125)이 제2 P- 에피층(117)에까지 확산되어 형성되므로 기존보다 포토 다이오드의 전체 면적을 증가시킬 수 있다. Here, the second P − epi layer 117 is formed to have the same boron doping concentration as the first P − epi layer 111. Therefore, since the photodiode, that is, the N - diffusion layer 125 is formed to be diffused to the second P - epi layer 117, the total area of the photodiode can be increased.
전술한 바와 같이, 기존에는 STI 트렌치 내에 고립된 소자분리막(19, 도 1 참조)의 측벽을 통해 전자가 손실되는 것을 방지하기 위해 N 채널스탑층(17, 도 1 참조)을 형성하는데, 이러한 N 채널스탑층(17) 형성으로 인해 포토 다이오드의 전체 면적이 감소하였다.As described above, conventionally, an N channel stop layer 17 (see FIG. 1) is formed to prevent electrons from being lost through the sidewall of the isolation layer 19 (see FIG. 1) isolated in the STI trench. The total area of the photodiode is reduced due to the formation of the
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 P+ 에피층(118)이 소자분리막과 N 채털스탑층의 기능을 동시에 수행하도록 하고, P+ 에피층(118)을 둘러싸도록 제1 P- 에 피층(111)과 동일한 농도로 제2 P- 에피층(117)을 형성하여 N- 확산층(125)이 제2 P- 에피층(117)에까지 확산되어 형성되도록 한다. Accordingly, in the embodiment of the present invention, the P + epi layer 118 simultaneously performs the functions of the device isolation layer and the N chatty stop layer, and the first P − epitaxial layer 111 to surround the P + epi layer 118. The second P − epitaxial layer 117 is formed at the same concentration as) so that the N − diffusion layer 125 is diffused to the second P − epitaxial layer 117.
이를 통해, 전체적인 포토 다이오드의 너비(W')는 기존의 포토 다이오드 너비(W)에 P+ 에피층(118)의 일측에 대응되는 제2 P- 에피층(117)의 너비(W1)가 더해진 값을 갖는다. 따라서, 트렌치 측벽을 통해 전자가 손실되는 것을 방지하면서 포토 다이오드의 전체 면적을 증가시킬 수 있다.Through this, the width W ′ of the overall photodiode is equal to the width W 1 of the second P − epilayer 117 corresponding to one side of the P + epilayer 118 to the existing photodiode width W. Has an added value. Thus, the total area of the photodiode can be increased while preventing electrons from being lost through the trench sidewalls.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 N- 확산층(125)의 일측으로 노출된 제1 P- 에피층(111) 상에 형성된 트랜지스터용 게이트 전극(121)을 더 포함한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극만을 도시하였고, 게이트 전극(121)은 일반적인 트랜지스터의 게이트 전극과 동일하게 게이트 절연막(119) 및 게이드 도전막(120)이 적층된 구조를 갖고 그 양측벽에는 스페이서(123)가 형성된다.In addition, the CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention further includes a
이하에서는, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4F.
도 4a 내지 도 4f는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정 단면도로서, 도 3에서와 같이 일례로 PN 접합 구조를 갖는 포토 다이오드를 설명하기로 한다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3, and a photo diode having a PN junction structure will be described as an example, as illustrated in FIG. 3.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, P형 기판(110, P_Sub) 상에 P- 에피층(111)을 에피택셜 성장시킨 후, STI 공정을 적용하여 P- 에피층(111; 이하, 제1 P- 에피층이라 함) 내에 STI 구조의 트렌치(114)를 형성한다.First, as shown in FIG. 4A, after epitaxially growing the P − epitaxial layer 111 on the P - type substrate 110 (P_Sub), the P − epitaxial layer 111 may be applied to the P − epitaxial layer 111 (hereinafter, referred to as a first step). P - forming the
예컨대, 제1 P- 에피층(111) 상에 패드 산화막(112) 및 패드 질화막(113)을 차례로 증착한 후, STI 식각공정을 실시하여 패드 질화막(113) 및 패드 산화막(112)의 일부를 식각하여 트렌치(114)를 형성한다. For example, after the
바람직하게는, STI 식각공정시 Cl2, HBr 및 F 계열의 식각가스 중 어느 하나를 사용하여 트렌치(114)의 너비 방향보다 깊이 방향으로 식각이 많이 이루어지게 한다. 이로써, 트렌치(114)는 기존의 도 1a에서보다 일정 깊이(h) 더 깊게 형성된다. 이는, 트렌치(114)의 깊이를 깊게 하여 소자분리 특성을 더욱 향상시키기 위함이다.Preferably, during the STI etching process, any one of Cl 2 , HBr, and F-based etching gases is used to etch more deeply in the depth direction than the width of the
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 열산화공정을 실시하여 트렌치(114)의 내부면을 따라 라운딩 산화막(115)을 형성한다. 이는, 트렌치(114) 형성을 위한 STI 식각공정시 기판(110)에 형성된 결함을 큐어링(Curing) 하기 위한 것이다. Subsequently, as shown in FIG. 4B, a thermal oxidation process is performed to form a
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 불산용액을 이용한 습식식각공정을 실시하여 라운딩 산화막(115, 도 4b 참조)을 제거한다. 이는, 후속으로 진행될 에피택시 공정시 실리콘(Si)이 노출되도록 하기 위함이다.Subsequently, as shown in FIG. 4C, a wet etching process using a hydrofluoric acid solution is performed to remove the rounding oxide film 115 (see FIG. 4B). This is to expose silicon (Si) in the subsequent epitaxy process.
이어서, 제1 에피택시 공정으로 선택적 에피택셜 성장법(SEG; Selective Epitaxial Growth)을 이용하여 트렌치(114, 도 4b 참조)의 내부면을 따라 일정 두께로 P- 에피층(117; 이하, 제2 P- 에피층이라 함)을 성장시킨다. 예컨대, 제2 P- 에피층(117)은 700~1100℃의 온도에서 B2H6, SiH4 및 HCl을 주입하여 형성한다. 바람직하게는, 제2 P- 에피층(117)은 제1 P- 에피층(111)과 동일한 보론 농도를 갖도록 형성한다.Subsequently, the P - epitaxial layer 117 (hereinafter, referred to as a second thickness) has a predetermined thickness along the inner surface of the trench 114 (see FIG. 4B) using a selective epitaxial growth (SEG) process as a first epitaxy process. P - epilayer). For example, the 2 P - epitaxial layer 117 is formed by implanting B 2 H 6, SiH 4 and HCl at a temperature of 700 ~ 1100 ℃. Preferably, the second P − epi layer 117 is formed to have the same boron concentration as the first P − epi layer 111.
이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제2 에피택시 공정으로 SEG를 이용하여 트렌치(114, 도 4b 참조)가 매립되도록 제2 P- 에피층(117) 상에 제2 P- 에피층(117)보다 고농도의 P+ 에피층(118)을 성장시킨다. 예컨대, P+ 에피층(118)은 700~1100℃의 온도에서 B2H6, SiH4 및 HCl을 주입하여 형성한다. 바람직하게는, P+ 에피층(118)은 적어도 1019atoms/㎤ 이상의 보론 농도를 갖도록 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 4D, the second P − epi layer 117 on the second P − epi layer 117 so that the trench 114 (see FIG. 4 b) is embedded using the SEG in the second epitaxy process. To grow a higher concentration of P + epilayer 118). For example, P + epi layer 118 is formed by injecting B 2 H 6 , SiH 4 and HCl at a temperature of 700 ~ 1100 ℃. Preferably, the P + epi layer 118 is formed to have a boron concentration of at least 10 19 atoms / cm 3 or more.
여기서, P+ 에피층(118)은 기존의 도 2c에 도시된 소자분리막(19)의 기능을 하는 동시에 N 채널스탑층(17)으로도 기능하게 된다. 이에 따라, 전술한 바와 같이 N 채널스탑층(17) 형성을 위한 이온주입공정, 소자분리막(19) 형성을 위한 HDP 산화막 증착공정 및 CMP 공정 등을 생략할 수 있게 된다. Here, the P + epi layer 118 functions as the
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 인산용액(H3PO4)을 이용한 습식식각공정을 통해 패드 질화막(113, 도 4d 참조)을 제거하고, 불산용액을 이용한 습식식각공 정을 통해 패드 산화막(112, 도 4d 참조)을 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 4E, the pad nitride layer 113 (refer to FIG. 4D) is removed through a wet etching process using a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ), and the pad oxide layer is wetted through a wet etching process using a hydrofluoric acid solution. (112, see FIG. 4D).
이어서, 제1 P- 에피층(111) 상에 제2 P- 에피층(117)과 일정 거리 이격되도록 복수의 트랜지스터용 게이트 전극(121)을 형성한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극만을 도시하였다. 예컨대, 게이트 전극(121)은 게이트 절연막(119) 및 게이트 도전막(120)을 차례로 증착한 후, 이를 건식식각하여 형성한다. Subsequently, the plurality of
이어서, 게이트 전극(121)을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 스페이서용 절연막을 증착한 후, 이를 건식식각하여 게이트 전극(121)의 양측벽에 스페이서(123)를 형성한다.Subsequently, an insulating film for a spacer is deposited along the step of the upper part of the entire structure including the
이어서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 마스크 공정 및 이온주입공정을 실시하여 P+ 에피층(118)과 게이트 전극(121) 간의 제1 및 제2 P- 에피층(111, 117) 내에 포토 다이오드용 N- 확산층(125)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 4F, a mask process and an ion implantation process are performed to form photodiodes in the first and second P − epi layers 111 and 117 between the P + epi layer 118 and the
이때, N- 확산층(125)은 P+ 에피층(118)과 제1 P- 에피층(111) 사이의 제2 P- 에피층(117)에까지 확산되어 형성된다. 이에 따라, 포토 다이오드는 기존보다 P+ 에피층(118)과 제1 P- 에피층(111) 사이의 제2 P- 에피층(117) 너비만큼 증가된 면적을 확보하게 된다. 따라서, 포토 다이오드의 전체 면적이 증가하여 이미지 센서의 광특성을 개선시킬 수 있다.In this case, the N − diffusion layer 125 is formed to diffuse to the second P − epi layer 117 between the P + epi layer 118 and the first P − epi layer 111. Accordingly, the photodiode secures an area increased by the width of the second P − epi layer 117 between the P + epi layer 118 and the first P − epi layer 111. Therefore, the total area of the photodiode can be increased to improve the optical characteristics of the image sensor.
이어서, 마스크 공정 및 이온주입공정을 실시하여 N- 확산층(125) 상부 표면에 P+ 확산층(127)을 형성한다. 이때, P+ 확산층(127)은 외부로부터 포토 다이오드로 입사되는 빛에 의해 형성되는 암전류의 흐름을 차단하기 위해 형성한다.Subsequently, a mask process and an ion implantation process are performed to form a P + diffusion layer 127 on the top surface of the N − diffusion layer 125. At this time, the P + diffusion layer 127 is formed to block the flow of the dark current formed by the light incident to the photodiode from the outside.
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 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, P+ 에피층을 트렌치 내에 고립된 형태로 형성하고, 이를 소자분리막과 N 채털스탑층의 기능을 동시에 수행하도록 하여 P+ 에피층을 둘러싸도록 제1 P- 에피층과 동일한 농도로 제2 P- 에피층을 형성하여 포토 다이오드용 N- 확산층이 제2 P- 에피층에까지 확산되어 형성되도록 함으로써, 트렌치 측벽을 통해 전자가 손실되는 것을 방지하면서 포토 다이오드의 전체 면적이 감소하는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the P + epi layer is formed in an isolated form in the trench, and the first P is formed so as to surround the P + epi layer by simultaneously performing the functions of the device isolation layer and the N chatty stop layer. - the photodiode while preventing the electrons are lost by the trench side wall by making formed diffuses far epitaxial layer is diffused claim 2 P-N for forming an epi-layer photodiode - Part 2 P at the same concentration and epitaxial layer The total area can be prevented from decreasing.
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