KR100790212B1 - 시모스 이미지센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 채널스톱 영역의 측면확산을 억제하여 포토다이오드의 전하저장 능력을 증가시킨 것으로 이를 위한 본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 활성영역과 필드절연막을 갖는 기판을 준비하는 단계; 상기 필드절연막 하부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계; 상기 활성영역상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트의 일측에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
시모스 이미지센서, 포토다이오드, 채널스톱 영역
Description
도1은 시모스 이미지센서의 단위화소 회로도
도2는 포토다이오드와 플로팅확산영역을 포함하는 단면을 도시한 단면도
도3a 내지 도3c는 종래의 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
40 : P+ 기판 41 : P 에피층
42 : P형 웰 43 : 소자분리마스크
44 : 필드절연막 45 : 채널스톱 영역 형성용 마스크
46 : 채널스톱 영역 47 : N- 불순물영역
48 : P0 불순물영역
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 포토다이오드의 전하저장능력(Q saturation)를 증가시킨 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개 의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.
도1은 포토다이오드를 사용한 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel) 회로도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되어 있다. 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터 (Tx)와, 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역 (FD)을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위화소 밖에 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도2는 종래의 시모스 이미지센서에서 포토다이오드(PD) 영역과 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 플로팅확산영역(FD)의 단면구조를 도시한 도면으로, 포토다이오드 (PD)를 P/N/P형 포토다이오드로 구성한 경우이다.
도2를 참조하면 P/N/P형 포토다이오드는 P+ 기판(30)에 에피택셜 성장된 P형 에피층(31)이 형성되고, 활성영여과 필드산화막(35)이 정의된 다음, P형 에피층(31) 내부에 N- 불순물영역(36)이 형성되고, 이 N- 불순물영역(36) 상부와 P형 에피층(31) 표면 하부에 P0 불순물영역(37)이 형성되어 구성된다. 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 게이트의 타측단 기판에는 플로팅확산영역 (Floating Diffusion:FD)이 형성되며 트랜스퍼트랜지스터(Tx)는 표면채널(surface channel)을 갖게 형성된다.
상기한 구조를 갖는 포토다이오드의 N- 불순물영역(36)과 P영역(P0 불순물영역, P 형 에피층)간에 역바이어스가 걸리면, N- 불순물영역(36)과 P영역의 불순물 농도가 적절히 배합되었을 때 N- 불순물영역(36)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되면서 N- 불순물영역(36) 하부에 존재하는 P형 에피층(31)과 N- 불순물영역(36) 상부에 존재하는 P0 불순물영역(37)으로 공핍영역이 확장되는 바, 도펀트 농도가 상대적으로 낮은 P형 에피층(20)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 이와같은 공핍영역은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적, 저장할 수 있어 이를 이용하여 이미지 재현에 사용하게 된다.
도3a 내지 도3c는 이와 같이 구성된 종래의 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면으로 이를 참조하여 종래의 시모스 이미지센서의 제조공정에 대해 설명한다.
먼저, 도3a에 도시된 것과 같이 P+ 기판(30)에 에피택셜 성장된 P형 에피층(31)이 형성되고 나서 P형 웰(32)을 형성한다. P형 웰(32)에는 후속공정으로 드라이버트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)가 형성되며 P형 웰은 후속 열공정 (1000℃, 1시간)을 통해 측면확산된다. 다음으로 필드절연막 (Fox)을 형성하기 위한 소자분리 마스크(ISO mask)(33)를 형성한다.
필드절연막을 형성하기 전에 , 채널스톱 이온주입을 실시하는데 필드절연막이 형성될 영역 아래에도 채널스톱 영역(34)이 형성된다. 채널스톱 영역(34)을 형성하기 위한 이온주입은 소자분리 마스크(ISO mask)에 의한 자기정렬(self align)을 위하여 소자분리 마스크(ISO mask) 형성 후, 필드절연막 형성전에 소자분리 마스크(ISO Mask)를 이온주입 배리어(implant barrier)로 하여 실시된다.
다음으로 도3b에 도시된 바와 같이, 소자분리 마스크를 이용하여 필드절연막(35)을 형성하게 되는데 일반적으로 1100℃에서 3시간 가량의 열공정을 통하여 필드절연막(35)을 형성한다. 필드절연막을 형성하기 위한 상기한 바와 같은 열공정을 통하여 채널스톱 영역은(34) 도3b에서처럼 측면확산하게 된다. 즉, 도3a에 도시된 채널스톱영역(34) 보다 도3b에 도시된 채널스톱 영역(34)의 폭이 더 넓은 것을 알 수 있다.
도3c는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 비롯한 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx), 셀렉트트랜지스터(Sx)의 게이트를 형성한 후에, PNP 포토다이오드를 구성하는 N- 불순물 영역(36)과 P0 불순물 영역(37), 트랜지스터의 소오스/드레인 영역 및 플로팅확산영역(FD)이 형성되어 있는 것을 도시한 도면이다.
이와같이 구성된 시모스 이미지센서에 있어서, 포토다이오드의 전하저장능력 (Q saturation)을 결정하는 요소들은 여러가지가 있는데 그중에서 첫째, PNP 포토다이오드의 형성조건(이온주입 상태등)이다. PNP 포토다이오드의 형성조건은 포토다이오드의 캐패시턴스값을 결정하는 요소이기 때문이다. 여기서 포토다이오드의 전하저장능력이란 포토다이오드가 저장, 축적할 수 있는 광전하의 양을 말한다.
둘째로, 포토다이오드의 전하저장능력을 결정하는 요소는 채널스톱 이온주입 영역의 측면확산으로 인한 포토다이오드 면적의 감소이다. 전술한 바와같은 종래의 공정에 따르면 채널스톱 이온주입은 웰 형성공정(1000℃, 1시간)과 필드절연막 형성공정(1100℃, 3시간)에 의한 서멀 버짓(thermal budget)을 받게 된다.
도3c에 도시된 바와 같이, 서멀 버짓을 받은 채널스톱 영역(34)에서 붕소(Boron)가 포토다이오드가 형성될 활성영역으로 측면확산되기 때문에 실제로 포토다이오드가 형성되는 면적은 디파인(define)된 면적보다 훨씬 줄어들게 된다.
정사각형 모양의 포토다이오드에서 트랜스퍼트랜지스터가 형성되는 면을 제외한 3면에서 채널스톱영역의 측면확산으로 인한 포토다이오드의 전하저장능력(Q saturation)의 감소는 통상적으로 40％ 정도로 추정되고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토다이오드의 전하저장능력 감소를 억제한 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 활성영역과 필드절연막을 갖는 기판을 준비하는 단계; 상기 필드절연막 하 부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계; 상기 활성영역상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트의 일측에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 포토다이오드의 전하저장능력을 확보하기 하기 위하여, 채널스톱 이온주입 공정을 필드절연막 형성공정 이후로 변경함으로써 써멀버짓(thermal budget)에 의한 채널스톱 영역의 측면확산을 줄였으며 또한, 필드절연막 두께이상의 침투깊이(Penetration range : Rp)를 갖도록 높은 에너지를 갖는 이온주입장비를 이용하여 필드절연막 아래에 이온주입을 실시하여 채널스톱 영역을 형성하였다.
또한, 채널스톱 영역을 형성하기 위하여 사용되는 마스크는 소자분리(ISO) 마스크보다 작은 마스크를 사용하고, 포토다이오드가 형성될 활성영역의 엣지부분과 격리하여 채널스톱 영역을 형성함으로써 포토다이오드의 면적저하를 한층 더 방지하였다.
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 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면으로 시모스 이미지센서있어서 단위화소 내에서의 웰의 형성은 포토다이오드에 영향을 미칠 수 있는 P 웰의 영향을 최소화하기 위해 미니 P웰이 적용되므로 이를 가정하여 도시한 도면이다.
먼저, 도4a에서 처럼 P+ 기판(40)에 에피택셜 성장된 P형 에피층(41)이 형성되고 나서 P형 웰(42)을 형성한다. P형 웰(42)에는 후속공정으로 드라이버트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)가 형성되며 P형 웰(42)은 후속 열공정 (1000℃, 1시간)을 통해 측면확산된다. 다음으로 필드절연막 (44)을 형성하기 위한 소자분리 마스크(ISO mask)(43)를 형성한다.
본 발명에서는 반도체 소자의 제조공정에서 대표적인 열공정을 수반하는 필드절연막 형성공정을 채널스톱 영역 형성 전에 먼저 형성함으로써 서멀 버짓에 의한 채널스톱 영역의 측면확산을 최소화 하였다.
도4b는 필드절연막(44)를 형성하고 난뒤, 채널스톱 영역(46)을 형성하기까지의 공정을 도시한 도면으로 필드절연막(44) 하부에 채널스톱 영역(46)을 고에너지 이온주입장비를 이용하여 형성한 모습이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 채널스톱 영역(46)을 형성하기 위한 마스크는 종래와 달리 소자분리마스크(43)보다 더 작은 채널스톱 영역 형성용 마스크(45)를 사용한다. 시모스 이미지센서의 단위화소 영역에선 주변영역보다 디자인룰 (design rule)을 여유있게 설정하므로 소자분리마스크(43) 보다 채널스톱 이온주입을 위한 마스크(45)를 작게 설정하여도 소자분리(Isolation) 역할에는 영향이 없다.
이와 같이 채널스톱 영역(46)의 형성은 필드산화막 형성공정과 웰 어닐 공정 이후에 진행되기 때문에 이온주입된 도핑 프로파일이 공정의 완료단계까지 거의 그대로 유지된다.
도4b내지 도4c에 도시된 바와 같이, 채널스톱 영역(46)이 필드산화막(44) 보다 좁은 영역을 차지하도록 형성할 수 있으므로 도4c에 도시된 것처럼 포토다이오드가 형성될 활성영역과 채널스톱 영역을 한층 더 격리시켜줄 수 있기 때문에 채널스톱 영역(46)의 측면확산으로 인한 포토다이오드의 면적저하를 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
전술한 바와 같은 채널스톱 이온주입공정을 수행하고 난 뒤에, 이온주입에 따른 데미지(damage)를 치유하기 위한 산화막(Pre Oxide) 형성공정이 850℃ 내지 950 ℃에서 5분 내지 15분 동안 수행될 수도 있다.
도4c에 도시된 바와 같이 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 비롯한 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx), 셀렉트트랜지스터(Sx)의 각 게이트가 기판(즉 에피층 14) 상부에 형성되고, PNP 포토다이오드를 구성하는 N- 불순물 영역(47)과 P0 불순물 영역(48)이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 일측의 기판(즉 에피층 41)에 형성된다. 그 밖에 트랜지스터의 소오스/드레인 영역 및 플로팅확산영역(FD)이 형성된다.
도4a 내지 도4c에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 채널스톱 영역(46)은 서멀 버짓(thermal budget)의 영향을 최소화하여 측면확산을 억제하였으며 또한, 소자분리마스크(43)보다 작은 마스크(45)를 사용하여 필드절연막(44)보다 좁은 영역을 차지하도록 형성함으로써 포토다이오드의 면적을 감소시키는 것을 방지하였다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서의 제조에 적용하게 되면 동일한 픽셀구조 및 동일한 포토다이오드 형성조건에서 포토다이오드의 전하저장능력을 증대시켜 시모스 이미지센서의 제품 특성을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (5)
- 삭제
- 활성영역을 정의하기 위해 반도체기판 상에 필드절연막을 형성하는 단계;상기 필드절연막 하부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상부에 게이트를 형성하는 단계; 및상기 게이트의 일측의 상기 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하고,상기 필드절연막 하부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계는상기 필드절연막을 형성하기 위한 마스크보다 작은 크기의 마스크를 사용하여 상기 채널스톱 영역이 상기 포토다이오드가 형성될 활성영역의 엣지와 격리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 필드절연막 하부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계는고에너지 이온주입을 이용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 필드절연막 하부에 채널스톱 영역을 형성하는 단계는 이온주입에 따른 손상을 보상하기 위한 산화막 형성공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 산화막 형성공정은 850℃ 내지 950 ℃에서 5분 내지 15분동안 수행하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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