KR100793609B1 - 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 STI 형성에 따른 STI의 단차를 극복하기에 적합한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 형성된 트렌치; 상기 트렌치를 매립하며 평탄화된 필드절연막; 및 상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 형성된 스페이서를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1도전형의 반도체층을 선택적으로 식각하여 필드절연막 형성을 위한 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립되며 그 상부가 평탄화된 필드절연막을 형성하는 단계; 및 상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
단차, 트렌치, 이미지센서, 포토다이오드, STI.
Description
도 1a는 통상적인 트렌치(Trench)형 필드 절연막을 갖는 이미지센서의 개략적인 평면도,
도 1b는 도 1a를 A-A' 방향으로 절단한 단면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도,
도 3은 도 2e의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 반도체층 21 : 필드절연막
22b : 제1스페이서 23b : 제2스페이서
24 : 전도막 패턴 25 : 포토다이오드 영역
26 : 센싱확산영역
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 트렌치 구조의 소자분리(Shallow Trench Isolation; 이하 STI라 함)를 이용한 이미지센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 트렌치 단차를 줄이기 위한 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
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 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
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.
도 1a는 통상적인 트렌치(Trench)형 필드 절연막을 갖는 이미지센서의 개략 적인 평면도를 도시한다.
도 1a를 참조하면, 고농도인 P++ 기판과 P-Epi층이 적층된 반도체층(도시하지 않음) 상에 국부적으로 STI형 필드절연막 패턴(11)이 배치되어 있으며, 필드절연막 패턴(11)과 그 일부가 중첩되는 폴리실리콘막 등의 게이트전극 형성용 전도막 패턴(12)이 배치되어 있으며, 전술한 전도막 패턴(12)에 접하는 양측에 포토다이오드 영역(14)과 센싱확산영역(11)이 액티브영역 상에 배치되어 있다.
도 1b는 도 1a를 A-A' 방향으로 절단한 단면도인 바, 도시된 바와 같은 단면 형성을 위한 공정을 간략히 살펴본다.
반도체층(10) 상에 버퍼질화막과 패드산화막이 적층된 트렌치 형성용 마스크를 형성한 다음, 이를 식각마스크로 하여 반도체층(10)을 식각하여 트렌치를 형성한 다음, 산화막 등을 이용하여 전술한 트렌치를 매립한 후, 반도체층(10) 표면이 노출될 때까지 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함) 또는 전면식각을 실시하여 STI 구조의 필드절연막(11)을 형성한다.
이어서, 게이트전극 형성을 위한 폴리실리콘 등의 전도막을 증착한 다음, 게이트전극을 정의하기 위해 전도막을 패터닝하여 전도막 패턴(12)을 형성한다.
한편, 전술한 STI 구조의 필드절연막(11)은 기존의 LOCOS 방식보다 고집적화에 적합하므로 현재는 이를 주로 이용하고 있다. 그러나, 전술한 평탄화 과정에서 산화막과 실리콘 등의 식각률의 차이에 기인하여 필드절연막(11) 상부가 돌출되는 등의 단차가 발생하게 되며, 전도막 패턴 형성시 그 단차를 따라 레지듀(13)가 남게 된다. 이러한 레지듀는 누설전류 발생원(Leakage source)으로 작용하게 되며, 특히 포토다이오드영역(14)을 보다 넓게 하기 위한 설계로 인해 도 1a의 'X'와 같이 전도막 패턴(12)의 엔드캡(Endcap) 마진이 열악하게 되고, 이 부분에서 누설전류가 발생하게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, STI 형성에 따른 STI의 단차를 극복하기에 적합한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 형성된 트렌치; 상기 트렌치를 매립하며 평탄화된 필드절연막; 및 상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 형성된 스페이서를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층을 선택적으로 식각하여 필드절연막 형성을 위한 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립되며 그 상부가 평탄화된 필드절연막을 형성하는 단계; 및 상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, STI의 단차를 극복하기 위해 STI 형성 이후 절연막의 증착 및 전면식각을 반복하여 STI 가장자리에 스페이서를 형성함으로써 단차를 극복하는 것을 기술적 특징으로 한다.
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 도면을 참조하여 설명하는 바, 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도인 바, 도 2e는 본 발명의 이미지센서를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2e의 평면도이다.
도 3과 도 2e를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 P형의 반도체층(20)에 형성된 트렌치(도시하지 않음)와 트렌치를 매립하며 평탄화된 필드절연막(21)과, 필드절연막(21)과 반도체층(20)의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막(21) 측벽에 형성된 스페이서(22b, 23b)를 구비하여 구성되며, 필드절연막(21)과 떨어진 반도체층(20)에 게이트전극, 구체적으로 게이트전극용 전도막 패턴(24)이 형성되어 있으며, 전도막 패턴(24)과 필드절연막(21) 사이에 포토다이오드 영역(24)이 배치되어 있으며, 게이트전극용 전도막 패턴(24)을 기준으로 포토다이오드 영역(24) 맞은편에 센싱확산영역(15)이 배치되어 있는 바, 필드절연막(21) 측벽에는 다층구조의 스페이서(22b, 23b)가 배치되어, 필드절연막(21)과 반도체층(20)의 단차를 보상한다.
전술한 바와 같은, 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 이후 필드 절연막 영역과 활성영역을 구분하기 위하여 패드산화막( 도시하지 않음)버퍼질화막(도시하지 않음)을 연속적으로 도포한 후 트렌치 형성을 위한 포토레지스트 패턴(도시하지 않음)을 형성한다.
여기서, 통상적인 이미지센서에서 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 반도체층을 이용하는 바, 도면부호 '20'은 이러한 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 반도체층을 나타낸다.
이어서, 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 버퍼질화막과 패드산화막을 식각하여 패드산화막/버퍼질화막이 적층된 STI 형성용 마스크를 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 패드산화막/버퍼질화막의 마스크를 이용하여 반도체층을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성한다.
계속해서, 트렌치 내에 절연막 예컨대, 산화막을 포함하는 물질막을 증착하여 매립한 다음, 반도체층(20) 표면이 노출될 때까지 전면식각 또는 CMP 공정을 실시하여 STI 구조의 필드절연막(21)을 형성한다.
이어서, 필드절연막(21)을 포함한 전면에 산화막 등을 이용하여 제1절연막(22a)을 형성한다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 반도체층(20) 표면이 노출될 때까지 전면식각을 실시하여 필드절연막(21) 측벽에 제1스페이서(22b)를 형성하여 필드절연막(21)과 반도체층(20) 사이의 단차를 보상한다.
다음으로, 도 2c 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 제2절연막(23a) 증착 및 전면식각을 통한 제2스페이서(23b) 형성 공정을 실시한다.
따라서, 전술한 필드절연막(21)과 반도체층(20) 사이의 단차를 극복할 수 있 으며, 경우에 따라서는 스페이서를 더 많이 즉, 다층으로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 2e에 도시된 바와 같이 전면에 게이트전극용 전도막을 증착한 다음, 게이트전극을 정의하기 위해 전도막을 선택적으로 식각하여 전도막 패턴(24)을 형성하는 바, 스페이서(22b, 23b)에 의해 단차가 보상되어 식각 잔류물이 존재하지 않게 된다.
또한, 포토다이오드영역(25)에서 형성된 전하를 센싱확산영역(26)으로 전달하는 게이트전극 즉, 트랜스퍼 게이트의 엔드캡 마진도 충분히 확보할 수 있으며 누설전류 발생을 차단할 수 있다.
요컨대, 넓은 포토다이오드영역을 확보하는 동시에 안정적인 STI 구조의 필드절연막을 형성할 수 있다.
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.
상술한 본 발명은, 필드절연막과 반도체층의 단차를 극복하여 누설전류 특성및 공정마진을 확보할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (9)
- 반도체층에 형성된 트렌치;상기 트렌치 내에 매립된 필드절연막;상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 형성된 절연막 스페이서;상기 필드절연막 상에 일부영역이 오버랩되는 앤드캡을 가지며, 상기 반도체층 상에 패턴된 게이트전극; 및상기 게이트전극과 상기 필드절연막 사이의 상기 반도체층 내에 배치된 포토다이오드 영역를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 스페이서는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 스페이서는 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 삭제
- 반도체층을 선택적으로 식각하여 필드절연막 형성을 위한 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치를 매립되며 그 상부가 평탄화된 필드절연막을 형성하는 단계;상기 필드절연막과 상기 반도체층의 단차를 보상하기 위해 상기 필드절연막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계;상기 필드절연막을 포함한 전체구조 상부에 게이트전극용 전도막을 형성하는 단계; 및상기 전도막을 선택적으로 식각하여, 상기 필드절연막 상에 일부영역이 오버랩된 앤드캡을 갖는 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 스페이서를 다층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 스페이서는 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 스페이서를 형성하는 단계는,상기 필드절연막을 포함한 전면에 스페이서용 절연막을 형성하는 단계; 및상기 스페이서용 절연막을 전면식각하여 상기 필드절연막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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