KR100672712B1 - Method of manufacturing photo diode in semiconductor CMOS image sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색 광감지 소자 영역의 광감응도를 개선하여 청색광을 효과적으로 수광함으로써 이미지 품질을 개선하는 반도체 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관한 것으로, 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계; 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 완충막을 적층하는 단계; 상기 완충막을 통하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계; 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계를 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for fabricating a photosensitive device of a semiconductor CMOS image sensor that improves image quality by effectively receiving blue light by improving light sensitivity of a blue photosensitive device region. Forming an epitaxial layer of one conductivity type; Stacking a buffer film on the epitaxial layer of the blue photosensitive device region; Forming a first conductivity type diffusion region in the epi layer through the buffer layer; And forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the blue photosensitive device region.

시모스 이미지 센서, 청색 광감지 소자, 이온주입, 완충막CMOS image sensor, blue light sensing element, ion implantation, buffer film

Description

반도체 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법{Method of manufacturing photo diode in semiconductor CMOS image sensor}Method for manufacturing photosensitive device of semiconductor CMOS image sensor {Method of manufacturing photo diode in semiconductor CMOS image sensor}

도 1은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지소자의 단면도1 is a cross-sectional view of a photosensitive device of a CMOS image sensor of the prior art

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 공정단면도2 to 4 is a process cross-sectional view of the light sensing element of the CMOS image sensor according to the present invention

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

210 : 기판 211 : 에피층210: substrate 211: epi layer

213 : 저농도 N 형 확산영역 217 : 고농도 N 형 확산영역 213: low concentration N type diffusion region 217: high concentration N type diffusion region

219 : 완충막 220 : P 형 확산영역 219: buffer film 220: P-type diffusion region

221 : 감광막221 photosensitive film

본 발명은 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 청색 광감지 소자 영역의 광감응도를 개선하여 청색광을 효과적으로 수광함으로써 이미지 품질을 개선하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a photosensitive device of a CMOS image sensor, and more particularly, to a method of manufacturing a photosensitive device of a CMOS image sensor that improves image sensitivity by effectively receiving blue light by improving the light sensitivity of a blue photosensitive device region. .

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.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, in which charge carriers are stored in a capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other. By using CMOS technology, which uses a charged coupled device (CCD), a control circuit, and a signal processing circuit as peripheral circuits, a MOS transistor is made by the number of pixels, and this is There is a complementary MOS (CMOS) image sensor that employs a switching scheme that detects the output sequentially.

그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 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 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다. In addition, the CMOS image sensor that converts the information of the subject into an electrical signal is composed of signal processing chips containing a photodiode, and an amplifier, an analog / digital converter, and an internal voltage are included in one chip. Generators such as internal voltage generators, timing generators, and digital logic can also be combined, which greatly reduces space, power, and cost. Although double-coupled devices (CCDs) are manufactured through specialized processes, the CMOS image sensor can be mass-produced through etching process of silicon wafer (Wafer), which is cheaper than double-coupled devices, and has an advantage in integration degree.

시모스 이미지 센서는 청색, 적색, 그리고 녹색 중에서 가장 파장이 짧은 청색광은 실리콘 격자(silicon lattice)에 대한 실질적인 불과 0.5 um 이내로 침투력이 좋지 않고, 광전효과에 의해 전자-정공(electron-hole)의 생성이 원활하지 않아 입사광(incident light)에 대한 광감응도가 현저히 저하되는 문제가 있다.In the CMOS image sensor, blue light having the shortest wavelength among blue, red, and green has a poor penetrating power to within only about 0.5 um to the silicon lattice, and photoelectric effect prevents the generation of electron-holes. There is a problem that the light sensitivity to incident light (incident light) is significantly reduced because it is not smooth.

이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a light sensing device of a CMOS image sensor according to the related art will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a photosensitive device of a CMOS image sensor of the prior art.

일반적으로 청색, 녹색, 적색의 광감지소자(photo diode)는 동일한 구조와 방법으로 형성한다. 고농도 P 형 기판(110) 상에 저농도 P 형의 에피층(111)을 성장시키고, 에피층(111)에 소자간의 격리를 위하여 트렌치를 형성하고 절연막을 충신시키는 STI(shallow trench isolation)(118)을 형성한다. 그리고 에피층(111) 상에 게이트절연막(116)을 형성하고, 게이트절연막(116) 상에 게이트전극(114)을 형성한다. 광감지소자 영역의 에피층(111)에는 저농도 N 형 확산영역(113)을 형성하고, 게이트전극(114) 일측의 에피층(111)에 고농도 N 형 확산영역(117)을 형성한다. 광감지 소자영역의 에피층(111)에 형성되어 있는 저농도 N 형 확산영역(113) 상에 에피층(111)보다 낮고 기판(110) 보다 높은 농도의 P 형 확산영역(119)을 형성한다. 적색과 녹색픽셀의 경우 P 형 확산영역(119)의 접합깊이는 0.2 ~ 0.5 um이고, 청색픽셀의 접합깊이는 0.2 um 이하이다. 그리고 P 형 확산영역(119)의 접합깊이 이상에서 발생한 전자(electron)가 청색 신호에 기여한다. In general, blue, green, and red photodiodes are formed in the same structure and method. A shallow trench isolation (STI) 118 that grows a low-concentration P-type epitaxial layer 111 on the high-concentration P-type substrate 110, forms trenches for isolation between devices on the epitaxial layer 111, and fills an insulating film. To form. The gate insulating film 116 is formed on the epitaxial layer 111, and the gate electrode 114 is formed on the gate insulating film 116. A low concentration N type diffusion region 113 is formed in the epitaxial layer 111 of the photosensitive device region, and a high concentration N type diffusion region 117 is formed in the epitaxial layer 111 on one side of the gate electrode 114. The P type diffusion region 119 lower than the epi layer 111 and higher than the substrate 110 is formed on the low concentration N type diffusion region 113 formed in the epitaxial layer 111 of the photosensitive device region. In the case of red and green pixels, the junction depth of the P-type diffusion region 119 is 0.2 to 0.5 um, and the junction depth of the blue pixel is 0.2 um or less. Electrons generated above the junction depth of the P-type diffusion region 119 contribute to the blue signal.

이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자는 다음과 같은 문제가 있다. The photosensitive device of the CMOS image sensor of the prior art has the following problems.

시모스 이미지 센서의 적색, 청색, 녹색의 포토다이오드는 동일한 구조 및 방법에 의해 형성되어 가장 파장이 짧은 청색광은 실리콘 격자(silicon lattice)에 대한 실질적인 불과 0.5 um 이내로 침투력이 좋지 않고, 광전효과에 의해 전자-정공(electron-hole)의 생성이 원활하지 않아 입사광(incident light)에 대한 광감응도가 현저히 저하되는 문제가 있다.The red, blue, and green photodiodes of the CMOS image sensor are formed by the same structure and method, so that the shortest wavelength blue light has a poor penetrating power to within only 0.5 um to the silicon lattice, There is a problem in that the generation of holes (electron-holes) is not smooth and the photosensitivity to incident light is significantly reduced.

본 발명은 이와 같은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 문제를 해결하기 위한 것으로, 청색 광감지 소자 영역에 이온주입 완충막을 설치하여 얕은 접합의 P 형 확산영역을 형성하여 접합깊이를 줄이고 청색광을 효과적으로 수광하도록 하여 이미지 품질을 개선하는 시모스 이미지 센서의 청색 광감지 소자 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the problem of the optical sensing element of the CMOS image sensor of the prior art, by providing an ion implantation buffer film in the blue photosensitive device region to form a shallow junction P-type diffusion region to reduce the junction depth and blue light It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a blue light sensing element of a CMOS image sensor to improve the image quality by effectively receiving the light.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계; 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 완충막을 적층하는 단계; 상기 완충막을 통하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계; 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photosensitive device of a CMOS image sensor, the method including: forming an epitaxial layer having a low concentration first conductivity type on a semiconductor substrate having a high concentration first conductivity type; Stacking a buffer film on the epitaxial layer of the blue photosensitive device region; Forming a first conductivity type diffusion region in the epi layer through the buffer layer; And forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the blue photosensitive device region.

또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법에 있어서, 상기 완충막은 산화막 또는 감광막인 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing a light sensing element of the CMOS image sensor according to the present invention, the buffer film is characterized in that the oxide film or photosensitive film.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법은 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층 상에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하는 단계; 녹색 및 적색 광감지 소자영역의 상기 게이트절연막을 제거하고, 청색광감지 소자영역의 상기 게이트절연막은 잔류시키는 단계; 이온주입을 통하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계; 상기 녹색, 상기 적색, 그리고 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a photosensitive device of a CMOS image sensor for achieving the above object comprises the steps of: forming an epitaxial layer of a low concentration first conductivity type on a semiconductor substrate of a high concentration first conductivity type; Forming a gate insulating film and a gate electrode on the epi layer; Removing the gate insulating film in the green and red photosensitive device regions, and leaving the gate insulating film in the blue photosensitive device region; Forming a first conductivity type diffusion region in the epi layer through ion implantation; And forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the green, red, and blue photosensitive device regions.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법은 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계, 상기 에피층 상에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하는 단계, 녹색 및 적색 광감지 소자영역은 노출되고, 청색 광감지 소자영역을 차폐하는 상기 에피층 상에 감광막을 형성하는 단계, 상기 감광막을 통해 이온주입을 수행하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계, 상기 녹색, 상기 적색, 그리고 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계, 및 상기 감광막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a photosensitive device of a CMOS image sensor includes forming an epitaxial layer of a low concentration first conductivity type on a semiconductor substrate of a high concentration first conductivity type, and a gate insulating film and a gate on the epitaxial layer. Forming an electrode, forming a photoresist film on the epitaxial layer that exposes the green and red photosensitive device regions, and shields the blue photosensitive device region; Forming a first conductivity type diffusion region, forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the green, red, and blue photosensitive device regions, and removing the photosensitive film. It features.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the optical sensing device of the CMOS image sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 공정단면도이다.2 to 4 are process cross-sectional views of the light sensing element of the CMOS image sensor according to the present invention.

도 2는 이온주입 완충막(219)으로 산화막을 이용하여 P 형 확산영역을 형성하는 것으로, 고농도 P 형 기판(210) 상에 저농도 P 형의 에피층(211)을 성장시키고, 에피층(211)에 소자간의 격리를 위하여 트렌치를 형성하고 절연막을 충신시키는 STI(shallow trench isolation)(218)을 형성한다. 그리고 에피층(211) 상에 게이트절연막(216)을 형성하고, 게이트절연막(216) 상에 게이트전극(214)을 형성한다.
다음으로, 게이트전극(214) 양측면에 스페이서(spacer)(215)를 형성하며 이때, 청색 광감지 소자에서만 이온주입 완충막으로 게이트절연막(216)을 완충막(219)으로 잔류시킨다.
그리고 완충막(219)을 통하여 고농도 P 형 기판(210) 보다는 낮고 저농도 P 형의 에피층(211) 보다 높은 농도의 P 형 불순물을 에피층(211)에 이온주입하여 P 형 확산영역(220)을 형성한다. FIG. 2 illustrates the formation of a P-type diffusion region using an oxide film as an ion implantation buffer layer 219. A low-concentration P-type epitaxial layer 211 is grown on a high-concentration P-type substrate 210, and an epitaxial layer 211 is formed. In order to form isolation between devices, a shallow trench isolation (STI) 218 is formed to fill an insulating film. A gate insulating film 216 is formed on the epitaxial layer 211, and a gate electrode 214 is formed on the gate insulating film 216.
Next, spacers 215 are formed on both sides of the gate electrode 214, and the gate insulating layer 216 is left as the buffer layer 219 as the ion implantation buffer layer only in the blue light sensing element.
P-type impurities having a lower concentration than the high concentration P-type substrate 210 and higher than the low concentration P-type epitaxial layer 211 are ion-implanted into the epitaxial layer 211 through the buffer film 219 to form the P-type diffusion region 220. To form.

도 3 및 도 4는 이온주입 완충막으로 감광막(221)을 이용하여 P 형 확산영역을 형성하는 것으로, 고농도 P 형 기판(210) 상에 저농도 P 형의 에피층(211)을 성장시키고, 에피층(211)에 소자간의 격리를 위하여 트렌치를 형성하고 절연막을 충신시키는 STI(shallow trench isolation)(218)을 형성한다.
다음으로, 에피층(211) 상에 게이트절연막(216)을 형성하고, 게이트절연막(216) 상에 게이트전극(214)을 형성한다. 그리고 게이트전극(214) 양측면에 스페이서(spacer)(215)를 형성한다.
이 후, 청색 광감지 소자에서만 이온주입 완충막으로 감광막(221)을 형성한다. 그리고 감광막(221)을 통하여 광감지소자 영역의 에피층(211)에 저농도 N 형 불순물을 이온주입하여 N형 확산영역(213)을 형성한다.
이어, 감광막(221)을 통하여 N 형 확산영역(213)상에 고농도 P 형 기판(210) 보다는 낮고 저농도 P 형의 에피층(211) 보다는 높은 농도의 P 형 불순물을 에피층(211)에 이온주입하여 P 형 확산영역(220)을 형성한다.
여기서, 감광막(221)을 통하여 형성된 N 형 확산영역(213)은 P 형 확산영역(220)이 형성된 이후에 형성될 수도 있다. 3 and 4 form a P-type diffusion region using the photosensitive film 221 as an ion implantation buffer film, and grow a low-concentration P-type epitaxial layer 211 on the high-concentration P-type substrate 210, and epitaxially. A trench trench is formed in the layer 211 for isolation between the devices, and a shallow trench isolation (STI) 218 is formed to fill the insulating film.
Next, a gate insulating film 216 is formed on the epitaxial layer 211, and a gate electrode 214 is formed on the gate insulating film 216. Spacers 215 are formed on both sides of the gate electrode 214.
Thereafter, the photosensitive film 221 is formed of the ion implantation buffer film only in the blue photosensitive device. N-type diffusion regions 213 are formed by ion implanting low concentration N-type impurities into the epitaxial layer 211 of the photosensitive device region through the photosensitive film 221.
Subsequently, P-type impurities having a lower concentration than the high-concentration P-type substrate 210 and higher than the low-concentration P-type epitaxial layer 211 are formed on the N-type diffusion region 213 through the photosensitive film 221. Implantation to form a P-type diffusion region 220.
Here, the N-type diffusion region 213 formed through the photosensitive film 221 may be formed after the P-type diffusion region 220 is formed.

또한, 도 4와 같이 감광막(221) 통해 P 형 확산영역(220)이 형성된 후에 감광막(221)이 제거된 후 저농도 N 형 확산영역(213)이 형성되어 P-N 접합을 형성할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 4, after the P type diffusion region 220 is formed through the photoresist layer 221, the low concentration N type diffusion region 213 may be formed after the photoresist layer 221 is removed to form a P-N junction.

이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 광감지 소자 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. Such a photosensitive device manufacturing method of the CMOS image sensor according to the present invention has the following effects.                     

시모스 이미지 센서의 청색픽셀에서 완충막을 이용하여 얕은 접합의 P 형 확산영역을 형성하여 비교적 파장이 짧은 청색광의 광전효과를 효과적으로 이용하여 청색톤으로 이미지 재현이 개선되는 효과가 있다. In the blue pixel of the CMOS image sensor, a shallow junction P-type diffusion region is formed by using a buffer film, thereby effectively reproducing the image in blue tones by effectively utilizing the photoelectric effect of the relatively short wavelength blue light.

Claims (4)

고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계;Forming an epitaxial layer of a low concentration first conductivity type on a high concentration first conductivity type semiconductor substrate; 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 완충막을 적층하는 단계;Stacking a buffer film on the epitaxial layer of the blue photosensitive device region; 상기 완충막을 통하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계;Forming a first conductivity type diffusion region in the epi layer through the buffer layer; 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피 층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법.And forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the blue photosensitive device region. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 완충막은 산화막 또는 감광막인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법.The buffer film is a method of manufacturing a light sensing element of the CMOS image sensor, characterized in that the oxide film or photosensitive film. 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계; Forming an epitaxial layer of a low concentration first conductivity type on a high concentration first conductivity type semiconductor substrate; 상기 에피층 상에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하는 단계;Forming a gate insulating film and a gate electrode on the epi layer; 녹색 및 적색 광감지 소자영역의 상기 게이트절연막을 제거하고, 청색광감지 소자영역의 상기 게이트절연막은 잔류시키는 단계;Removing the gate insulating film in the green and red photosensitive device regions, and leaving the gate insulating film in the blue photosensitive device region; 이온주입을 통하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계;Forming a first conductivity type diffusion region in the epi layer through ion implantation; 상기 녹색, 상기 적색, 그리고 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법.And forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the green, red, and blue photosensitive device regions. 고농도 제 1 도전형의 반도체 기판 상에 저농도 제 1 도전형의 에피층을 형성하는 단계; Forming an epitaxial layer of a low concentration first conductivity type on a high concentration first conductivity type semiconductor substrate; 상기 에피층 상에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하는 단계;Forming a gate insulating film and a gate electrode on the epi layer; 녹색 및 적색 광감지 소자영역은 노출되고, 청색 광감지 소자영역을 차폐하는 상기 에피층 상에 감광막을 형성하는 단계; Forming a photoresist film on the epitaxial layer that exposes the green and red photosensitive device regions and shields the blue photosensitive device region; 상기 감광막을 통해 이온주입을 수행하여 상기 에피층에 제 1 도전형 확산영역을 형성하는 단계; Performing ion implantation through the photosensitive film to form a first conductivity type diffusion region in the epi layer; 상기 녹색, 상기 적색, 그리고 상기 청색 광감지 소자영역의 상기 에피층에 제 2 도전형 확산영역을 형성하는 단계; 및 Forming a second conductivity type diffusion region in the epi layer of the green, red, and blue photosensitive device regions; And 상기 감광막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 광감지 소자의 제조방법. And removing the photosensitive film.
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