KR100748316B1

KR100748316B1 - Fabricating method of image sensor

Info

Publication number: KR100748316B1
Application number: KR1020010037426A
Authority: KR
Inventors: 고호순
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2007-08-09
Also published as: KR20030001093A

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 스페이서 영역에만 얇은 질화막을 형성한 후 스페이서 하단과 포토다이오드 영역의 이온주입시 확산거리가 다르도록 조절하여 두번의 이온주입 효과를 한번의 이온주입으로 얻게 할 수 있으므로 공정을 단순화함과 동시에 프로파일의 조절을 용이하도록 하여 공정 마진을 높일 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 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 제3단계가 완료된 결과물 표면을 따라 제1절연막 및 제2절연막을 차례로 형성하는 제4단계; 전면식각을 통해 상기 게이트전극 상에 제1 및 제2 절연막이 적층된 스페이서를 형성하는 제5단계; 상기 제2절연막을 제거하는 제6단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제7단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
The present invention relates to an image sensor, and in particular, after forming a thin nitride film only in the spacer region, the ionization distance of the spacer and the photodiode region may be adjusted so that the diffusion distance is different to obtain two ion implantation effects with one ion implantation. Therefore, to simplify the process and at the same time to facilitate the adjustment of the profile to provide an image sensor manufacturing method that can increase the process margin, to this end, the present invention, to form a field insulating film locally on the first conductive semiconductor layer The first step to do; Forming a gate electrode on the semiconductor layer; Performing a ion implantation to form a first impurity region for a photodiode of a second conductivity type in a semiconductor layer between the gate electrode and the field insulating film; A fourth step of sequentially forming a first insulating film and a second insulating film along the resultant surface of the third step; Forming a spacer on which the first and second insulating layers are stacked on the gate electrode through surface etching; A sixth step of removing the second insulating film; And a seventh step of performing ion implantation to form a second impurity region for a photodiode of a first conductivity type in contact with the surface of the semiconductor layer on the first impurity region.

Charge capacitance, 포토다이오드, 확산거리, 스페이서, 이온주입.Charge capacitance, photodiode, diffusion distance, spacer, ion implantation.

Description

Fabrication method of image sensor

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
1A to 1B are cross-sectional views illustrating an image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

20 : 반도체층20: semiconductor layer

21 : 필드 절연막21: field insulating film

22, 23 : 게이트전극22, 23: gate electrode

24 : 절연막
24: insulating film

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스페이서를 갖는 게이트전극을 구비한 이미지센서에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to an image sensor manufacturing method, and more particularly to an image sensor having a gate electrode having a spacer.

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 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. In a double charge coupled device (CCD), individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are very different from each other. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being located in close proximity, and CMOS (Complementary MOS) image sensor is a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. Is a device that employs a switching method that creates MOS transistors by the number of pixels and sequentially detects the output using them.

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.In the manufacture of such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor, one of which is a condensing technology. For example, a CMOS image sensor is composed of a photodiode for detecting light and a portion of a CMOS logic circuit for processing the detected light into an electrical signal to make data. To increase light sensitivity, the ratio of the photodiode to the total image sensor area is increased. Efforts have been made to increase (usually referred to as Fill Factor).

여기서 특히, 포토다이오드(Photodiode; 이하 PD라 함)의 역할은 외부의 빛을 받아 전기적 형태로 전환 및 보관하는 것으로, PD의 성능은 외부의 빛을 받아 전기적 형태로 전환하는 효율과 총 보관 가능 전기량(Charge capacitance)에 따라 결정된다. PD는 PN, NP, NPN, PNP 등의 접합 구조 또는 굳이 접합이 아니더라도 가능하지만 이종 접합시 생성되는 공핍영역(Depletion region)이 전하의 생성 보관에 유리하기 때문에 이러한 접합 구조를 주로 사용하게 되며, 이중 PNP 구조에서의 n- 영역은 빛을 전기적 신호로 전환해 주는 가장 중요한 역할을 하므로 깊은 이온주입(Deep ion implantation)에 따른 확산거리(Rp)의 적절한 조절이 중요하다.Here, in particular, the role of the photodiode (hereinafter referred to as PD) is to convert the external light into an electrical form and store it. It depends on (Charge capacitance). PD can be used even if it is not a junction structure of PN, NP, NPN, PNP or the like, but the depletion region generated during heterojunction is advantageous for the generation and storage of charge. Since the n- region of the PNP structure plays the most important role in converting light into an electrical signal, it is important to properly control the diffusion distance (Rp) due to deep ion implantation.

PD에 보관된 전하(Charge)는 게이트전극(트랜스퍼 게이트)를 통해 플로팅 확산 영역으로 이동하게 되며, 게이트전극의 양편으로 P0 영역과 PD의 n- 영역을 각각 소스/드레인으로 하는 구조로 되어 있으므로 채널과 n-의 전기적 연결이 트랜스퍼 게이트의 전송 효율에 영향을 미치게 되는 바, 전송 효율 개선을 위해 n- 이온주입을 스페이서 하단과 거의 정확히 얼라인(Align)되도록 스페이서 형성 이전에 진행한다. 한편, 이 때에도 채널과 n-의 Rp가 너무 멀지 않아야 하므로 n-의 Rp에 따라 트랜스퍼 게이트의 전송효율이 변한다.The charge stored in the PD moves to the floating diffusion region through the gate electrode (transfer gate), and both sides of the gate electrode have a structure in which the P0 region and the n- region of the PD are source / drain, respectively. Since the electrical connection between n and n- affects the transfer efficiency of the transfer gate, n-ion implantation is performed before the spacer formation so that the n- ion implantation is almost exactly aligned with the bottom of the spacer to improve the transfer efficiency. On the other hand, since the channel and n-Rp should not be too far, the transfer efficiency of the transfer gate changes according to the Rp of n-.

따라서, 상기 두가지의 요소는 서로 교환(Tradeoff) 관계에 있으므로 이의 개선을 위해 n- 이온주입 공정을 두번에 걸쳐 진행하여야 보관 가능 전기량 및 전송 효율 모두를 만족시킬 수 있다.
Therefore, since the two elements are in a trade-off relationship with each other, the n-ion implantation process must be performed twice to improve both of the storage capacity and the transmission efficiency.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 스페이서 영역에만 얇은 질화막을 형성한 후 스페이서 하단과 포토다이오드 영역의 이온주입시 확산거리가 다르도록 조절하여 두번의 이온주입 효과를 한번의 이온주입으로 얻게 할 수 있으므로 공정을 단순화함과 동시에 프로파일의 조절을 용이하도록 하여 공정 마진을 높일 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention proposed to solve the problems of the prior art as described above, after forming a thin nitride film only in the spacer region, the ion implantation effect of the ion implantation of two times by adjusting the diffusion distance at the bottom of the spacer and the photodiode region is different. The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor that can increase the process margin by simplifying the process and facilitating the adjustment of the profile as it can be obtained by ion implantation.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트전극의 일측과 접하는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 상부 표면을 따라 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막 상에 상기 제1 절연막과 다른 물질로 이루어진 제2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 절연막을 식각하여 상기 게이트전극 양측벽에 스페이서를 형성하되, 상기 제1 절연막은 상기 반도체층의 상부면을 따라 형성된 굴곡부를 갖고, 상기 굴곡부에 의해 상기 제2 절연막이 상기 반도체층의 상부면과 분리되도록 형성하는 단계와, 상기 제1불순물 영역이 형성되지 않은 상기 게이트전극의 타측과 접하는 상기 반도체층 내부에 상기 제1불순물 영역보다 높은 농도를 갖는 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 제2절연막을 제거하는 단계와, 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 포토다이오드용 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 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 1a 내지 도 1b를 참조하여 설명하기로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, the method comprising: forming a field insulating film on a semiconductor layer of a first conductivity type, forming a gate electrode on the semiconductor layer, and contacting one side of the gate electrode. Forming a first impurity region for a photodiode of a second conductivity type in the layer, forming a first insulating film along an upper surface of the gate electrode, and different from the first insulating film on the first insulating film Forming a second insulating film made of a material, and etching the first and second insulating films to form spacers on both sidewalls of the gate electrode, wherein the first insulating film has a bent portion formed along an upper surface of the semiconductor layer. And forming the second insulating layer so as to be separated from the upper surface of the semiconductor layer by the bent portion, and wherein the first impurity region is not formed. Forming a second impurity region of a second conductivity type having a higher concentration than the first impurity region in the semiconductor layer in contact with the other side of a bit electrode, removing the second insulating film, and removing the first impurity And forming a third impurity region for a photodiode of a first conductivity type in contact with the surface of the semiconductor layer above the region.
Hereinafter, in order to explain in detail enough that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention, refer to FIGS. 1A to 1B to which the most preferred embodiment of the present invention is attached. This will be described.

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도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.1A to 1B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 도 1a 내지 도 1b를 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. 1A to 1B, the image sensor manufacturing process of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1B, where the semiconductor layer 20 uses a high concentration of a P ++ layer and a P-Epi layer. The semiconductor layer 20 is referred to for this purpose.

먼저 도 1a에 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(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(21)과 게이트전극(22, 23)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, a field insulating film 21 is locally formed in the semiconductor layer 20, and then gate electrodes 22 and 23, eg, a transfer gate, are formed in a region away from the field insulating film 21. ), And then an impurity region n- for photodiode contacting the field insulating film 21 and the gate electrodes 22 and 23 is formed in the semiconductor layer 20 by using an ion implantation mask (not shown). To the depth of.

이어서, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한 다음, 결과물 표면을 따라 질화막 계열의 절연막(24)과 산화막 계열의 절연막(25)을 차례로 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(22, 23) 측벽에 절연막(24, 25)이 적층된 스페이서를 형성한다. 이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입 마스크(도시하지 않음)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.Subsequently, the ion implantation mask (not shown) is removed through a PR strip, and then a nitride film-based insulating film 24 and an oxide film-based insulating film 25 are sequentially deposited along the surface of the resultant and then subjected to full etching. Spacers having insulating layers 24 and 25 stacked on sidewalls of the gate electrodes 22 and 23 are formed. Subsequently, ion implantation is performed using an ion implantation mask (not shown) for forming a P-type electrode for a photodiode, and the N in contact with the gate electrodes 22 and 23 and the field insulating film 21 in the region opposite to the n− region. A source / drain region n + of the type is formed.

다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 절연막(25)를 제거한 후, 게이트전극(22, 23)과 이온주입을 통해 P 형의 포토다이오드용 불순물 영역(P0)을 이루도록 하는 바, 절연막(24, 25)의 두께에 따라 확산거리의 변화가 생기며, 스페이서 하부로의 확산을 적절히 조절할 수 있게 된다.Next, as illustrated in FIG. 1B, after the insulating film 25 is removed, an impurity region P0 of a P-type photodiode is formed through ion implantation with the gate electrodes 22 and 23. According to the thickness of 25), the diffusion distance is changed, and the diffusion to the lower portion of the spacer can be controlled appropriately.

즉, 종래의 경우 스페이서 하부로의 확산은 별도의 열공정에 의한 열확산에 기인하였는 바, 본 발명에서는 질화막 계열의 절연막(24)의 막 두께에 따라 원하는 최적의 프로파일을 얻을 수 있게 되며, 채널과 가까운 접합을 이루도록 하여 전송 효율을 높일 수 있으며, n- 영역의 깊은 도핑 프로파일을 이룰 수 있어 총 보관 가 능 전기량을 증가시킬 수 있게 된다.That is, in the related art, diffusion to the lower portion of the spacer is caused by thermal diffusion by a separate thermal process. In the present invention, a desired optimum profile can be obtained according to the thickness of the nitride film-based insulating film 24. By achieving close junctions, transmission efficiency can be increased, and deep doping profiles in the n- region can be achieved, increasing the total amount of electricity available for storage.

PD의 P0 영역의 이온주입은 스페이서 형성 후 진행되기 때문에 전하의 이동 경로에 해당하는 스페이서 하단에는 P0가 거의 존재하지 않는다. 따라서, 암신호의 개선을 위해서는 스페이서 하부에 어느 정도 P0 이온주입을 실시하여야 한다. 그러나 상술한 바와 같은 본 발명은 소스/드레인 형성 후 스페이서의 산화막 부분의 선택적 식각이 가능하므로 P0 이온주입을 스페이서 하부에 실시하는 것이 가능하여 스페이서 하부는 다른 부분에 비해 질화막에 의한 이온주입 배리어 역할로 인해 적은 양의 도핑만 됨으로써, 질화막의 두께에 따라 스페이서 하부의 P0 부분을 변화시키는 것이 가능하게 된다.Since ion implantation in the P0 region of the PD proceeds after formation of the spacer, there is almost no P0 at the bottom of the spacer corresponding to the movement path of the charge. Therefore, in order to improve the dark signal, P0 ion implantation should be applied to the lower part of the spacer. However, in the present invention as described above, since the oxide layer portion of the spacer can be selectively etched after the source / drain formation, the P0 ion implantation can be performed under the spacer, so that the spacer portion serves as an ion implantation barrier by the nitride layer compared to other portions. Due to only a small amount of doping, it is possible to change the P0 portion under the spacer according to the thickness of the nitride film.

따라서, 한 번의 이온주입으로 스페이서 하부와 그 이외의 PD 영역에 대한 각각 다른 농도의 도핑이 가능하므로 공정을 단순화할 수 있게 된다.Therefore, different concentrations of doping into the spacer bottom and the other PD regions can be simplified by a single ion implantation.

한편, 절연막(24)을 제거한 후 P0 이온주입을 실시할 수도 있는 바, 이에 따라 P0 이온주입시 스페이서 하부까지 도핑이 가능하며 적절한 이온주입 조건을 맞춤으로써 최적의 트랜스퍼 효율을 얻을 수 있어 전위 장벽 및 불투명 신호/불투명 영역(Dark signal/Dark zone) 문제 또한 해결할 수 있게 된다.
On the other hand, the P0 ion implantation may be performed after the insulating film 24 is removed. Accordingly, when the P0 ion implantation is performed, doping is possible to the lower portion of the spacer. Opaque signal / dark zone problem can also be solved.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, n- 영역의 깊은 프로파일을 얻을 수 있음과 동시에 P0의 확산거리를 절연막의 두께를 통해 적절히 조절할 수 있어, 공정을 단순화할 수 있으며, 이미지센서의 전기적 특성을 개선할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다. According to the present invention, the deep profile of the n-region can be obtained and the diffusion distance of P0 can be appropriately adjusted through the thickness of the insulating film, thereby simplifying the process and improving the electrical characteristics of the image sensor. It can be seen through the examples that it can be done.

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.
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.

상술한 본 발명은, 소자 특성을 향상시킬 수 있음과 동시에 공정의 단순화를 기할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 수율 및 가격 경쟁력을 동시에 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
The present invention described above can improve the device characteristics and simplify the process, and ultimately, it can be expected to have an excellent effect of improving the yield and price competitiveness of the image sensor at the same time.

Claims

Forming a field insulating film locally on the first conductive semiconductor layer;

Forming a gate electrode on the semiconductor layer;

Forming a first impurity region for a photodiode of a second conductivity type in the semiconductor layer in contact with one side of the gate electrode;

Forming a first insulating film along an upper surface of the gate electrode;

Forming a second insulating film formed of a material different from the first insulating film on the first insulating film;

The first and second insulating layers are etched to form spacers on both side walls of the gate electrode, wherein the first insulating layer has a bent portion formed along an upper surface of the semiconductor layer, and the second insulating layer is formed by the bent portion. Forming a separation from the top surface of the layer;

Forming a second impurity region of a second conductivity type in the semiconductor layer in contact with the other side of the gate electrode where the first impurity region is not formed and having a higher concentration than the first impurity region;

Removing the second insulating layer; And

Forming a third impurity region for a photodiode of a first conductivity type in contact with a surface of the semiconductor layer on the first impurity region;

Image sensor manufacturing method comprising a.

The method of claim 1,

The first insulating film is a nitride film-based, the second insulating film is an oxide film-based manufacturing method characterized in that the.

The method of claim 1,

The first conductive type is a P-type, the second conductive type is an image sensor manufacturing method, characterized in that the N-type.

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