KR100728648B1 - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막이 순차 적층되어 소자분리 영역을 정의하는 패드 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패드 패턴을 식각 마스크로 상기 반도체 기판을 식각하여 소정 깊이를 가지는 트렌치를 형성하는 단계 및 상기 트렌치가 형성된 결과물을 보론를 포함하는 가스를 사용하여 어닐링 처리하여 NCST 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.

이미지센서, NCST 불순물영역, 이온주입

Description

이미지 센서의 제조방법{Manufacturing method for image sensor}

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : 패드 패턴

120 : 트렌치 130 : 소자분리막

140 : 이온 주입 마스크 150 : NCST 불순물 영역

160 : 포토다이오드

본 발명은 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 제조 공정 중 소자분리막과 포토다이오드를 격리하는 NCST 불순물 영역 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor, CIS)는 입사하는 광에 대하여 포토다이오드 내에 최대한 광전하를 충전하였다가 최소한의 손실로 전자들을 플로팅 센싱 노드로 전달하는 구조를 가지고 있다.

그러나, 픽셀과 픽셀 간 또는 포토 다이오드와 액티브 영역 사이의 분리 구조인 소자분리막이 역할을 제대로 수행하지 못하면 빛에 의해 발생되는 포톤(photon)이 아닌 소자분리막에 의해 분리되지 못한 전자들에 의해 이미지 센싱 오류가 발생할 수 있다.

이러한 포토 다이오드 이외의 영역에서 생성된 전자들은 빛이 전혀 없는 다크(DARK) 상태에서 일부 포토 다이오드가 시그널을 갖도록 하는 불량 픽셀로 오인될 수 있으며, 이와 같은 판단은 전체 이미지 센서의 수율을 저하시키는 문제점이 있다.

그러면, 이하 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.

먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100) 상에 소자 분리 영역을 정의하는 패드 패턴(110)을 형성한다. 상기 패드 패턴(110)은, 패드 산화막(113)과 패드 질화막(116)이 순차 적층되어 있는 구조를 가진다.

그런 다음, 상기 패드 패턴(110)을 식각 마스크로 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 진행하여 상기 반도체 기판(100) 내에 소정 깊이를 가지는 트렌치(120)를 형성한다.

그 다음, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(120)을 갭필 산화막으로 매립한 다음, 평탄화 공정을 진행하여 소자분리막(130)을 형성한다.

그러나, 상기 반도체 기판(100)을 식각하여 트렌치(120)를 형성할 때, 상기 트렌치(120)의 내측벽은 식각시의 데미지(Damage)에 의해 미세 결함이 다량 발생하게 된다. 이와 같은, 미세 결함은 트랩 싸이트(Trap Site)로 작용하며, 이러한 트랩 싸이트가 존재하는 상태에서 포토 다이오드를 형성하여 빛에 의한 광전자를 만들어주게 되면, 전자의 일부는 상기 트랩 싸이트에 잡혀서 광손실의 원인이 된다.

따라서, 종래에는 이를 보완하기 위하여 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 소자분리막(130)의 내측벽 및 바닥부에 보론(Boron)을 이온주입 하여 NCST 불순물영역(150, N Channel STop Implant)을 형성한다.

그런 다음, 도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 소자분리막(130) 일측의 위치하는 반도체 기판(100) 내에 포토다이오드(160)를 형성한다. 여기서 미설명한 도면 부호 140은 이온 주입 마스크이다.

즉, 종래에는 상기 NCST 불순물 영역(150)을 통해 상기 포토다이오드(160)와 소자분리막(130)을 서로 격리시킴으로써, 전자가 트랩 싸이트에 잡혀 광손실을 유발하는 것을 막을 수 있었다.

그러나, 종래 기술에 따른 상기 NCST 불순물 영역(150)은 소자분리막(130)의 내측벽 및 바닥부에 이온 주입 공정을 통해 형성되기 때문에 이온 주입 공정시, 이온주입결함이 발생하며, 이는 추후 디스로케이션(dislocation)을 유발하여 이미지센서의 특성 및 신뢰성을 저하시키는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 소자분리막과 포토다이오드를 격리시키는 NCST 불순물 영역을 이온 주입 공정이 아닌 어닐링 공정을 사용하여 형성함으로써, 이온 주입 공정으로 인해 발생하던 종래의 문제점을 방지할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적은 달성하기 위해 본 발명은, 반도체 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막이 순차 적층되어 소자분리 영역을 정의하는 패드 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패드 패턴을 식각 마스크로 상기 반도체 기판을 식각하여 소정 깊이를 가지는 트렌치를 형성하는 단계 및 상기 트렌치가 형성된 결과물을 보론를 포함하는 가스를 사용하여 어닐링 처리하여 NCST 불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 NCST 불순물영역은, 상기 트렌치의 내벽을 둘러싸도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 트렌치가 형성 된 결과물을 보론를 포함하는 가스를 사용하여 어닐링 처리하여 NCST 불순물영역을 형성하는 단계 이전에, 상기 트렌치가 형성된 결과물에 라운딩 열산화 공정을 진행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 트렌치가 형성된 결과물에 라운딩 열산화 공정을 진행하는 단계 이전에, 상기 트렌치와 인접한 패드 산화막의 일부분을 식각하여 제거하는 단계를 더 포함한다. 이에 따라, 상기 트렌치 형성을 위한 식각 공정시, 트렌치 내벽에 형성된 결함을 이완시키는 동시에 트렌치의 상부 모서리를 라운딩지게 형성할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 보론를 포함하는 가스는, B₂H₆ 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 보론를 포함하는 가스를 사용하여 어닐링 처리하는 단계는, 500℃ 내지 1100℃의 온도에서 10Torr 내지 100Torr의 압력으로 진행하고, N₂ 가스 또는 H₂ 가스를 분위기 가스로 사용하는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기 하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 고농도 p형 서브층 상에 p 에피층이 형성되어 이루어진 반도체 기판(100) 상에 소자분리영역을 정의하는 패드 패턴(110)을 형성한다.

보다 상세하게, 상기 패드 패턴(110)은, 반도체 기판(100) 상에 패드 산화막(113)과 패드 질화막(116)을 순차적으로 형성한 다음, 소자분리 영역을 정의하는 마스크를 통해 순차 식각하여 형성한다.

이때, 상기 패드 산화막(113)은 약 100Å 정도의 두께로 증착하여 반도체 기판(100)과 패드 질화막(116)의 스트레스를 완화시키는 역할 및 후속 패드 질화막(116) 제거 시, 식각정지막 역할을 한다. 또한, 상기 패드 질화막(116)은 약 1000Å 두께로 증착하여 후속 트렌치 식각공정에서 식각 마스크로 사용할 수 있으며, 혹은 후속 화학기계적연마(CMP) 공정에서 식각정지막으로 사용할 수 있다.

그런 다음, 상기 패드 패턴(110)을 식각 마스크로 상기 반도체 기판(100)을 식각하여 반도체 기판(100) 내에 소정 깊이를 가지는 트렌치(120)를 형성한다.

그 다음, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(120)가 형성된 결과물을 보론를 포함한 가스를 사용하여 어닐링 처리하여 상기 트렌치(120)의 내벽을 둘러 싸는 NCST 불순물영역(150)을 형성한다.

보다 상세하게, 상기 어닐링 처리시, 보론를 포함한 가스로는 B₂H₆ 가스를 사용하여 500℃ 내지 1100℃의 온도에서 10Torr 내지 100Torr의 압력으로 진행한다. 이때, 상기 어닐링 처리시, 분위기 가스로 N₂ 가스 또는 H₂ 가스를 더 포함하여 진행하는 것이 바람직하며, 상기 어닐링 처리를 통해 트렌치(120)의 모서리 라운딩 효과를 얻기 위해서는 온도 조건을 850℃ 내지 1100℃로 진행하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명은 상기 NCST 불순물영역(150)을 이온주입 공정이 아닌 어닐링 공정을 통해 형성하는 것이 가능하며, 그에 따라 종래 이온주입 공정으로 인한 이온주입 결함의 발생을 방지하여 이미지 센서의 특성 및 신뢰성을 개선할 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명은 상기 트렌치 형성을 위한 식각 공정시, 트렌치 내벽에 형성된 결함을 이완시키는 동시에 트렌치의 상부 모서리를 라운딩시키기 위하여, 상기 트렌치가 형성된 결과물을 어닐링 처리하기 전에 상기 트렌치가 형성된 결과물에 라운딩 열산화 공정을 진행할 수 있다.

또한, 상기 트렌치가 형성된 결과물에 라운딩 열산화 공정을 진행하는 단계 이전에, 상기 트렌치와 인접한 패드 산화막의 일부분 즉, 라운딩시킬 부분을 식각하여 제거하여 상기 트렌치 상부 모서리의 라운딩 효과를 더욱 우수하게 얻을 수 있다.

그런 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 소자분리막(130) 일측의 위치하는 반도체 기판(100) 내에 포토다이오드(160)를 형성한다.

이에 따라, 본 발명은 종래 기술에 따른 문제점인 이온주입 결함 없이 상기 NCST 불순물 영역(150)을 안전하게 형성하여 상기 포토다이오드(160)와 소자분리막(130)을 서로 격리시킴으로써, 이온주입 결함으로 인해 추후 디스로케이션(dislocation)과 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명 이미지 센서 제조방법은 소자 분리막의 주변에 전자를 포획하여 접지시킬 수 있는 NCST 불순물영역을 어닐링 공정을 통해 형성함으로써, 종래 이온주입 공정을 통해 형성시, 발생하던 이온주입 결함을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 반도체 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막이 순차 적층되어 소자분리 영역을 정의하는 패드 패턴을 형성하는 단계;

   상기 패드 패턴을 식각 마스크로 상기 반도체 기판을 식각하여 소정 깊이를 가지는 트렌치를 형성하는 단계;

   상기 트렌치가 형성된 결과물에 라운딩 열산화 공정을 진행하는 단계; 및

   상기 트렌치가 형성된 결과물을 보론를 포함하는 N₂ 또는 H₂ 분위기 가스하에서 500℃ 내지 1100℃의 온도에서 10Torr 내지 100Torr의 압력으로 어닐링 처리하여 상기 트렌치의 내벽을 둘러싸도록 NCST 불순물영역을 형성하는 단계;

   를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
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