KR100671699B1 - 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 PMD 형성시 종래의 언도프드 절연막을 사용하지 않고 P형 불순물이 도핑된 절연막을 이용하여 후속 공정기 하부 반도체 층으로 확산되도록 함으로써, 얕은 P0 영역을 확보하여 청색광에 대한 감도를 증가시킴과 동시에 P0 형성을 위한 이온주입 공정을 생략할 수 있어 암전류를 최소화하며 공정의 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 형성된 필드 절연막; 상기 필드절연막과 떨어진 상기 반도체층 상에 형성된 게이트전극; 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하며 상기 반도체층 내부에 형성된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역; 상기 제1불순물 영역의 반대 영역에 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 제2도전형의 소스/드레인 영역; 상기 결과물 타폴로지를 따라 형성된 제1도전형 불순물을 함유한 제1절연막; 상기 제1도전형 불순물이 상기 제1절연막 내에서 부터 상기 제1불순물 영역 상의 상기 반도체층 표면까지 확장된 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역; 및 상기 제1절연막 상에 형성된 제2절연막을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 이이지센서 제조 방법을 제공한다.

암전류, 포토다이오드, 댕글링 본드, USG, BPSG.

Description

이미지센서 및 그 제조 방법{Image sensor and fabricating method of the same}

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도,

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 반도체층

21 : 필드 절연막

22, 23 : 게이트전극

25 : 스페이서

27, 28 : 절연막

29 : 금속층

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 청색 광감도(Blue light sensitivity)의 향상 및 암전류(Dark current)의 최소화를 기할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.

이하, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 종래의 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(10)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(10)으로 칭한다.

먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체층(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)을 형성한 다음, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극(12, 13) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성한 다음, 이온주입 마스크(14)를 이용하여 필드 절연막(11)과 게이트전극(12, 13)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(10) 내부에 소정의 깊이로 형성한다.

다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(14)를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(12, 13) 측벽에 스페이서(15)를 형성한다. 이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 n- 영역의 상부와 반도체층(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)을 형성한다.

다음으로 도 1c에 도시된 바와 같이, 소스/드레인 형성을 위한 이온주입을 실시하여 n+ 영역을 형성함으로써, 백엔드(Backend) 까지의 단위 화소 공정이 완성된다.

계속해서 도 1d에 도시된 바와 같이, 게이트전극(12, 13)과 제1금속층간의 절연을 위하여 PMD(Pre Metal Dielectric)를 형성하는 바, USG(Undoped Silicate Glass)막(16)과 BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)막(17)을 차례로 증착한 다음, 막균일도 향상 및 평탄화를 위해 열처리를 통해 BPSG막(17)을 플로우(Flow)시킨다. 이어서, 센싱 노드와의 콘택을 위한 제1금속층 형성을 위해 소스/드레인(n+) 상의 BPSG막(17) 및 USG막(16)을 선택적으로 식각하여 소스/드레인(n+)을 노출시킨 다음, 소스/드레인(n+)에 콘택된 제1금속층(18)을 형성한다.

이후의 공정으로 상부의 칼라 필터 어레이(Colour Filter Array; CFA)와 마이크로 렌즈(Microlens)를 형성함으로써 이미지센서의 제조 공정이 완료된다.

한편, 상기와 같은 종래와 같은 방법으로 이미지센서 제조 공정을 진행할 경우 도 1d에 도시된 바와 같이, 포토다이오드의 P형 불순물 영역(P0)의 깊이가 통상의 이온주입시 0.2㎛ 내지 0.5㎛로 비교적 깊어 파장이 짧은 청색(Blue)의 빛이 실리콘 계열의 반도체층(10) 표면에서 밖에 침투를 하지 못하게 되어 녹색 및 적색에 비해 얻어지는 이미지 데이타가 적게 되어 정확한 칼라 구현을 하지 못하게 되며, P0 영역 형성을 위한 이온주입에 따른 반도체층(10)의 어택에 의해 반도체층(10) 표면의 댕글링 본드(Dangling bond) 등이 증가하게 되어 암전류를 증가시킴으로 인해 이미지센서의 동작 특성을 열화시키는 주요인으로 작용하는 문제점이 발생하게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, PMD 형성시 종래의 언도프드 절연막을 사용하지 않고 P형 불순물이 도핑된 절연막을 이용 하여 후속 공정기 하부 반도체 층으로 확산되도록 함으로써, 얕은 P0 영역을 확보하여 청색광에 대한 감도를 증가시킴과 동시에 P0 형성을 위한 이온주입 공정을 생략할 수 있어 암전류를 최소화하며 공정의 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 제1단계; 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하는 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 제4단계; 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역의 반대 영역에 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 제2도전형의 소스/드레인 영역을 형성하는 제5단계; 상기 제5단계가 완료된 결과물 표면을 따라 제1도전형 불순물이 도핑된 제1절연막을 형성하여 상기 도핑된 제1도전형 불순물이 상기 제1불순물 영역 내의 상기 반도체층 표면으로 확산되어 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 이루도록 하는 제6단계; 상기 결과물상에 플로우된 제2절연막을 형성하는 제7단계; 및 상기 소스/드레인 영역에 콘택된 금속층을 형성하는 제8단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 형성된 필드 절연막; 상기 필드절연막과 떨어진 상기 반도체층 상에 형성된 게이트전극; 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하며 상기 반도체층 내부에 형성된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역; 상기 제1불순물 영역의 반대 영역에 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 제2도전형의 소스/드레인 영역; 상기 결과물 타폴로지를 따라 형성된 제1도전형 불순물을 함유한 제1절연막; 상기 제1도전형 불순물이 상기 제1절연막 내에서 부터 상기 제1불순물 영역 상의 상기 반도체층 표면까지 확장된 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역; 및 상기 제1절연막 상에 형성된 제2절연막을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.

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 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.

도 2c를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 P형의 반도체층(20)에 국부적으로 형성된 필드 절연막(21)과, 필드 절연막(21)과 떨어진 반도체층(20) 상에 형성된 게이트전극(22, 23)과, 게이트전극(22, 23)과 필드 절연막(21) 사이에 접하며 반도체층(20) 내부에 형성된 N형의 포토다이오드용 불순물 영역(n-)과, n- 영역의 반대 영역에 게이트전극(22, 23)과 필드 절연막(21)에 접하는 N형의 소스/드레인 영역(n+)과 상기 결과물 타폴로지를 따라 형성된 P형 불순물을 함유한 제1절연막(27)과, 상기 P형 불순물이 제1절연막(27) 내에서 부터 n- 영역 상의 반 도체층(20) 표면까지 확장된 P형의 포토다이오드용 불순물 영역(P0)과, 제1절연막(27) 상에 형성된 제2절연막(28)을 구비하여 구성된다.

이하, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.

이하, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.

먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체층(20)에 국부적으로 필드 절연막(21)을 형성한 다음, 필드 절연막(21)과 떨어진 영역에 게이트전극(22, 23) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성한 다음, 이온주입 마스크(24)를 이용하여 필드 절연막(21)과 게이트전극(22, 23)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성한다.

다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(25)를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 보호막(24)으로 덮힌 게이트전극(22, 23) 측벽에 스페이서(26)를 형성한다. 이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입 마스크(26)을 이용하여 이온주입을 실시하여 n- 영역의 반대 영역에 게이트전극(22, 23)과 필드 절연막(21)에 접하는 N 형의 소스/드레인 영역(n+)을 형성한다.

다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 게이트전극(22, 23)과 제1금속층간의 절연을 위하여 PMD(Pre Metal Dielectric)를 형성하는 바, 결과물 표면을 따라 P 형 불순물이 도핑된 절연막(27) 예컨대, BSG를 300Å 내지 1000Å의 두께로 형성하여 BSG 내의 P형 불순물인 보론(B)이 n- 영역 내의 반도체층(20) 표면으로 확산되어 P 형의 포토다이오드용 불순물 영역(P0)을 이루도록 하는 바, 상기 확산은 후속 공정 진행에 따라 자연적으로 이루어질 수도 있으며, 인위적인 열처리 공정을 실시할 수도 있으나, 전자의 경우가 더 바람직하다고 할 수 있다.

따라서, P0 영역은 반도체층(20) 표면에 얇게 형성되며, 절연막(27) 까지 확장된 형태를 이루어 그 두께가 감소하게 되므로 청색광에 대한 투과율을 증대시킬 수 있으며, P0 영역 형성을 위한 별도의 마스크 공정 및 이온주입 공정을 생략할 수 있게 된다. 이로 인해 반도체층(20) 표면의 어택을 감소시켜 댕글링 본드에 의한 암전류를 감소시킬 수 있다.

계속해서, 절연막(27) 상에 BPSG를 이용한 절연막(28)을 증착한 후, 막균일도 향상 및 평탄화를 위해 열처리를 통해 절연막(28)을 플로우시킨다. 이어서, 센싱 노드와의 콘택을 위한 제1금속층 형성을 위해 소스/드레인(n+) 상의 절연막(28) 및 절연막(27)을 선택적으로 식각하여 소스/드레인(n+)을 노출시킨 다음, 소스/드레인(n+)에 콘택된 제1금속층(29)을 형성한다.

이후의 공정으로 상부의 칼라 필터 어레이와 마이크로 렌즈를 형성함으로써 이미지센서의 제조 공정이 완료된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, PMD로 이용되는 절연막을 P형 불순물이 도핑된 BSG 등을 이용함으로써, P0 영역을 얇게 하여 청색광에 대한 투과율을 높일 수 있으며, P0 영역 형성을 위한 이온주입 공정을 생략할 수 있도록 함으로써, 반도체층 어택에 따른 암전류의 생성을 최소화하며, 공정 단순화를 기할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

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 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 청색광의 감도를 증대시켜 칼라 구현 능력을 향상시킬 수 있고, 암전류 및 반도체층의 어택을 최소화함으로써 이미지센서의 전기적 특성를 향상시킬 수 있으며, 공정 단순화를 기할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 수율 및 가격 경쟁력을 동시에 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (10)

1. 이미지센서 제조 방법에 있어서,

   제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 제1단계;

   상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제2단계;

   이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하는 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제3단계;

   상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 제4단계;

   이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역의 반대 영역에 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 제2도전형의 소스/드레인 영역을 형성하는 제5단계;

   상기 제5단계가 완료된 결과물 표면을 따라 제1도전형 불순물이 도핑된 제1절연막을 형성하여 상기 도핑된 제1도전형 불순물이 상기 제1불순물 영역 내의 상기 반도체층 표면으로 확산되어 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 이루도록 하는 제6단계;

   상기 결과물상에 플로우된 제2절연막을 형성하는 제7단계; 및

   상기 소스/드레인 영역에 콘택된 금속층을 형성하는 제8단계

   를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절연막은, BSG(Boro Silicate Glass)인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절연막은, 300Å 내지 1000Å의 두께인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2절연막은, BPSG(Boro Phospho SIlicate Glass)인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
6. 이미지센서에 있어서,

   제1도전형의 반도체층에 국부적으로 형성된 필드 절연막;

   상기 필드절연막과 떨어진 상기 반도체층 상에 형성된 게이트전극;

   상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하며 상기 반도체층 내부에 형성된 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역;

   상기 제1불순물 영역의 반대 영역에 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 제2도전형의 소스/드레인 영역;

   상기 결과물 타폴로지를 따라 형성된 제1도전형 불순물을 함유한 제1절연막;

   상기 제1도전형 불순물이 상기 제1절연막 내에서 부터 상기 제1불순물 영역 상의 상기 반도체층 표면까지 확장된 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역; 및

   상기 제1절연막 상에 형성된 제2절연막

   을 포함하여 이루어지는 이미지센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1절연막은, BSG(Boro Silicate Glass)인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1절연막은, 300Å 내지 1000Å의 두께인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제2절연막은, BPSG(Boro Phospho SIlicate Glass)인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서.

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