KR100741933B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토 다이오드 영역의 표면을 보호하고 이미지 센서의 특성을 향상시키기 위한 것으로, 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서, 포토 다이오드 영역 및 복수의 트랜지스터들을 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 영역의 표면 내에 4족 원소들 중 어느 하나를 이온 주입하여 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키는 단계; 산화 공정을 진행하여 상기 격자 구조가 변화된 표면에 표면 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명은 각종 공정을 진행하면서 손상된 포토 다이오드의 실리콘 표면을 회복시킴으로서 추후 공정에서의 표면 결함을 최소화할 수 있으며, 포토 다이오드의 입사 광량을 증가시켜 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.
씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)/표면 손상(Surface Leakage)

Description

씨모스 이미지 센서의 제조 방법{Fabricating Method of CMOS Image Sensor}
도 1은 4개의 트랜지스터와 포토 다이오드로 구성된 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 도시한 회로도
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서에서 포토 다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 제조공정을 도시한 공정 단면도
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정을 도시한 공정 단면도
도 4는 본 발명의 제조 공정에 따라 포토 다이오드 영역에 형성된 표면 산화막을 나타낸 단면도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21: 반도체 기판 22: 게이트 전극
22a: 스페이서 23: 장벽 산화막
24: 포토 다이오드 25: 표면 산화막
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로, 보다 상 세하게는 포토 다이오드 영역의 표면을 보호하고 이미지 센서의 특성을 향상시킨 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로, 씨모스 이미지 센서라 함은 씨모스 제조 공정 상에서 얻을 수 있는 P-N 접합 포토 다이오드를 이용하여 광학적 이미지 즉, 입사 광량을 전기적 신호로 변환시키는 소자이다.
이러한 씨모스 이미지 센서는 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있으며, 씨모스 이미지 센서의 기술에서 중요하게 여겨지는 사항 중 하나는 입사된 광량에 대해 가능한 높은 감도를 가지도록 하는 것이다.
현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서에 비하여 씨모스 이미지센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고 전력 소모 또한 낮다는 장점을 지니고 있음은 주지의 사실이다.
일반적인 씨모스 이미지 센서는, 도 1에 도시한 바와 같이 1개의 포토 다이오드와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 갖게 되는데, 빛을 받아 광 전하를 생성하는 포토 다이오드(100)와, 포토 다이오드(100)에서 모아진 광 전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion)(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역(102)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(103)와, 소 스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 그리고, 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(Load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 4개의 트랜지스터와 1개의 포토 다이오드로 구성된 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도로서, 포토 다이오드 영역(PD; Photo Diode Area)과 이에 인접하는 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 반도체 기판(11) 상에 게이트 산화막을 개재시켜 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(12)을 형성하고, 기판(11) 상에서 이루어지는 각종 이온 주입시 반도체 기판(11)의 표면 결함(Surface Leakage)을 최소화하기 위해 장벽 산화막(Barrier Oxide)(13)을 형성한다.
이후, 도면에는 생략되었으나, 장벽 산화막(13)을 형성한 후 LDD(Lightly Doped Drain) 영역과 NSD(N형 소스/드레인) 영역의 반도체 기판을 노출시키는 패턴(PR)을 형성하고, 이를 이온 주입 마스크로 이용하여 LDD 영역과 NSD 영역을 형성한다.
다음으로, 도 2b에 도시한 바와 같이 포토 다이오드 영역의 반도체 기판을 노출시키는 패턴(PR)을 형성하고, 이를 이온주입 마스크로 이용하여 반도체 기판(11)상에 포토 다이오드 영역(PD)(14)을 형성한다.
이때, 상기 포토 다이오드 영역(14)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 에지(Edge)에 그 일측면이 얼라인되도록 형성된다.
이어서, 도 2c에 도시한 바와 같이 게이트 전극(12)의 양 측벽에 스페이서(12a)를 형성하는데, 스페이서용 절연막을 도포한 후 이를 전면 식각함으로써 스페이서(12a)를 형성한다. 이어서, 식각 공정(Wet Etch)을 통해 장벽 산화막(13)을 제거한다.
종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서는 게이트 전극(12)을 형성하고 장벽 산화막(13)을 형성한 후 이어 LDD 영역, NSD 영역 및 포토 다이오드 영역(14)을 형성하기 위한 이온 주입을 차례로 진행하게 된다.
그러나, 공정 중 반복되는 여러 차례의 포토레지스트 공정, 포토레지스트 제거 공정, 산화막 제거를 위한 식각 공정에 의해 단위화소의 포토 다이오드 표면이 손상(Damage)을 입게 되며, 이것은 추후 누설 소스로서 작용하게 된다.
이와 같이 포토 다이오드의 표면 특성이 악화됨에 따라 반도체 기판 상에 형성된 실리콘 격자 구조에 오정렬(Dislocation) 상태가 발생하게 된다.
더 나아가, 실리콘 격자구조의 오정렬된 부분은 전자들을 포획하는 전자 함정(Electron Trap) 역할을 하게 되고, 이러한 전자 함정에 포획된 전자들이 트랜스퍼 트랜지스터를 경유하여 이미지 재현에 영향을 주게 되므로 씨모스 이미지 센서의 특성을 악화시키는 원천적인 요인이 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 각종 후속 공정으로 인한 포토 다이오드 표면의 데미지(Damage)를 줄여 포토 다이오드의 표면 특성을 향상시키는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이미지 센서의 특성을 향상시킨 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서, 포토 다이오드 영역 및 복수의 트랜지스터들을 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 영역의 표면 내에 소정의 이온을 주입하여 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키는 단계; 산화 공정을 진행하여 상기 격자 구조가 변화된 표면에 표면 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 그 특징이 있다.
여기서, 상기 산화 공정으로 형성된 표면 산화막은 상기 포토 다이오드 영역상에 일정 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 표면 산화막은 후속 공정들에서 제거되지 않고 남아 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 소정의 이온 주입 공정은 상기 포토 다이오드 영역 및 상기 트랜지스터들을 형성하기 위한 이온 주입 공정시에 베리어층으로 사용되는 장벽 산화막을 제거한 이후에 진행하는 것이 바람직하다.
그리고, 격자 구조를 변화시키기 위한 이온 주입 공정은 포토 레지스트를 도 포하고 선택적으로 패터닝하여 상기 포토 다이오드 영역만 오픈시킨 후에 진행하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키기 위한 이온 주입 공정시에 4족 원소들 중 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키기 위한 이온 주입 공정시에 10KeV ~ 20KeV의 이온 주입 에너지를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 의하면, 공정 중에 손상된 포토 다이오드의 표면을 회복함과 동시에 이미지 센서의 특징을 향상시킬 수 있다.
이하 상기의 목적으로 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서는 4개의 트랜지스터와 1개의 포토 다이오드로 이루어진 단위화소로 구성되며, 종래와 동일한 구성 요소로 이루어지므로 씨모스 이미지 센서의 단위화소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도로서, 포토 다이오드 영역(PD; Photo Diode Region)과 이에 인접하는 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 도면이다.
반도체 기판(21) 상에 트랜지스터의 게이트 전극(22)을 형성한 후 장벽 산화막(23)을 형성하고, 이어 LDD(Lightly Doped Drain) 영역, NSD(N형 소스/드레인) 영역, 포토 다이오드 영역(24), 및 게이트 전극(22)의 스페이서(22a)를 차례로 형성하는 일련의 공정은 종래와 동일하므로 생략한다.
포토 다이오드 영역(24)과 게이트 전극(22)의 스페이서(22a)를 형성한 이후, 도 3a에 도시한 바와 같이, 먼저 식각 공정을 통해 장벽 산화막(23)을 기판(21)상에서 제거한다.
이때, 도 3b는 도 3a의 식각 공정을 통해 장벽 산화막(23)이 제거된 후의 단면을 도시한 것이다.
이어서, 게이트 전극(22)의 상부를 포함한 반도체 기판(21) 전면에 포토 레지스트(PR)를 도포한 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 포토 다이오드 영역(24)이 노출되도록 상기 포토 레지스트(PR)를 패터닝한다.
즉, 포토 다이오드 영역(24)을 제외한 영역은 포토 레지스트에 의해 마스킹(Masking)되게 된다.
그리고, 상기 패터닝된 포토 레지스트를 이온주입 마스크로 이용하여 포토 다이오드 영역(24)에 게르마늄(Ge, Germanium)을 주입하는데, 게르마늄뿐만 아니라 실리콘과 같은 4족 원소들 중에서 어느 하나를 선택하여 사용하여도 된다.
이때, 포토 다이오드 영역(24)에 실리콘과 같은 4족 원소인 게르마늄을 10~20keV 정도의 약한 에너지로 주입하여 반도체 기판(21) 즉, 실리콘 표면의 격자 구조를 분해시킨다. 여기서, 가장 바람직한 이온 주입 에너지는 15keV이면 양호하다.
이후, 게르마늄 주입 공정을 위한 포토 레지스트(PR)를 제거하고 이어서 산 화공정을 진행하게 되면, 도 3d에 도시한 바와 같이 실리콘 격자 구조가 깨진 포토 다이오드 영역(24)의 실리콘 표면에 표면 산화막(25)이 두껍게 형성된다.
즉, 상기 산화 공정으로 포토 다이오드 영역(24)상에 일정 곡률을 갖는 표면 산화막이 형성된다.
따라서, 게르마늄 주입을 통해 포토 다이오드 영역에 해당하는 실리콘 격자 구조를 변화시킨 후 산화 공정을 진행하게 되면 포토 다이오드의 실리콘 표면에 표면 산화막(25)이 형성되기 때문에, 이때 형성된 표면 산화막(25)으로 인해 공정 중에 손상된 포토 다이오드의 표면을 회복하고 추후 공정에서도 포토 다이오드의 표면 손실(Leakage)을 최소화할 수 있다.
또한, 포토 다이오드 영역(24)에 형성된 표면 산화막(25)은 제거하지 않고 후속 공정을 진행함으로써 제품 제조가 완료된 후 소자 구동시에 렌즈(Lens) 역할을 하여 외부에서 입사되는 빛의 손실을 줄임과 동시에 포토 다이오드로 입사되는 빛의 양을 증가시켜 이미지 센서의 이미지 구현 특성을 향상시킬 수 있다.
도 4를 통해, 포토 다이오드의 실리콘 표면에 형성된 표면 산화막(25)으로 인해 외부에서 입사되는 빛이 포토 다이오드로 집속되는 것을 알 수 있다.
본 발명을 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 각종 공정을 진행하면서 손상된 포토 다이오드의 실리콘 표면을 회복시키고 아울러 추후 공정에서 포토 다이오드의 표면 손실을 최소화할 수 있다.
둘째, 포토 다이오드의 입사 광량을 증가시켜 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서,
    포토 다이오드 영역 및 복수의 트랜지스터들을 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 영역의 표면 내에 4족 원소들 중 어느 하나를 이온 주입하여 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키는 단계;
    산화 공정을 진행하여 상기 격자 구조가 변화된 표면에 표면 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화 공정으로 형성된 표면 산화막은 상기 포토 다이오드 영역상에 일정 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 산화막은 후속 공정들에서 제거되지 않고 남아 있는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드 영역의 표면 내에 4족 원소들 중 어느 하나를 이온 주입하는 공정은 상기 포토 다이오드 영역 및 상기 트랜지스터들을 형성하기 위한 이온 주입 공정시에 베리어층으로 사용되는 장벽 산화막을 제거한 이후에 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 격자 구조를 변화시키기 위한 이온 주입 공정은 포토 레지스트를 도포하고 선택적으로 패터닝하여 상기 포토 다이오드 영역만 오픈시킨 후에 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 표면 측의 격자 구조를 변화시키기 위한 이온 주입 공정시에 10KeV ~ 20KeV의 이온 주입 에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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