KR100815937B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소정의 포토다이오드 영역을 구비한 기판상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 포함한 상기 기판 전면에 제 1 산화막, 질화막 및 제 2 산화막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 기준으로 상기 포토다이오드 영역이 오픈되도록 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 상기 게이트 전극을 기준으로 포토다이오드 영역 상에 형성된 상기 제 2 산화막에 대해 선택적으로 질화(nitridation) 공정을 수행하여 변형 질화막을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 세정하는 포토레지스트 제거단계와, 상기 제 1 산화막, 상기 질화막 및 상기 제 2 산화막에 대해 전면 에칭(blank etch) 공정을 수행하여 상기 게이트 전극의 일측에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서, 포토다이오드, 스페이서, 질화(nitridation) 공정
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2c는 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서 발생하는 포토다이오드 영역의 결함을 나타낸 예시도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
300 : 기판 310 : 포토다이오드 영역
320 : 게이트 전극 330 : 제 1 산화막
340 : 질화막 341 : 변형 질화막
350 : 제 2 산화막 360 : 포토레지스트 패턴
370 : 스페이서
본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 포토다이오드 영역에 대한 결함(damage)을 방지할 수 있는 게이트 스페이서를 구비한 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)의 개수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 배열되어 있으며, 칼라필터어레이(Color Filter Array; CFA)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다. 또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지센서의 단위화소(점선부분)를 나타낸 등가회로도이다.
도 1을 참조하면, 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅 디퓨젼 영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅 디퓨젼 영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소오스 팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)의 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다.
여기서, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)는 네이티브 트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋 트랜지스터(Rx)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다.
도 1에 도시된 바와 같은 CMOS 이미지센서의 단위화소는 네이티브트랜지스 터(Native Transistor)를 사용하여 포토다이오드영역(PD)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅 디퓨전영역(FD)으로, 즉 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적 신호로 출력한다.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도로서, 포토다이오드와 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하를 플로팅 디퓨젼 영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)만을 도시하고 있다. 도면을 참조하여 종래의 이미지센서 제조 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 고농도의 p형 불순물이 도핑된 p + -기판(200)상에 저농도 p형 불순물이 도핑된 p-에피층(미도시), p-에피층의 소정 부분에 LOCOS(Local oxidation of silicon)법으로 단위 화소간 격리를 위한 필드산화막(미도시) 및 소정의 이온주입법으로 포토다이오드 영역(210) 등을 형성할 수 있다.
이어서, p-에피층상에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트전극(220)을 형성한다. 또한, 도면에 도시되지 않았지만, 드라이브 트랜지스터(Dx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 셀렉 트랜지스터(Sx)의 게이트 전극도 동시에 형성될 수 있다.
다음으로, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(220)의 일측벽에 접하는 스페이서를 형성하기 위해 전면에 스페이서용 절연막 예컨데, ONO(Oxide-Nitride-Oxide)(230, 240, 250)막을 증착한다.
이어서, ONO(230, 240, 250)막이 형성된 전면에 포토레지스트막을 형성한 후, 포토다이오드 영역(210)을 보호하기 위하여 포토다이오드 영역(210)의 상부에 포토레지스트 패턴(260)을 형성한다.
계속해서, 도 2b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(260)을 마스크로 사용하여 ONO(230, 240, 250)막에 대해 RIE(Reactive Ion Etching)공정을 수행하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(220)의 일측벽에 접하는 스페이서(270)를 형성한다.
하지만, 이때, 도 2b에 도시된 바와 같이, 스페이서(270)를 형성하기 위한 RIE 공정 과정에서 RIE에 대한 포토레지스트의 선택비가 높지 않기 때문에 포토다이오드 영역(210)을 보호하기 위해 형성된 포토레지스트 패턴(260)은 대부분 식각이 되고, 포토레지스트 패턴(260) 하부에 있던 ONO(230, 240, 250)막도 식각될 수 있다.
따라서, 이와 같은 종래의 포토다이오드 영역(210)을 구비한 이미지 센서에서 ONO막을 RIE하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(220)의 일측벽에 접하는 스페이서(270)를 형성하는 경우, 도 2c에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 영역에 대해 과도한 침식이 발생하여 포토다이오드를 오픈시킴으로써 이미지 센서에 대해 결함(damage)(A)이 발생할 수 있고, 따라서 이미지센서의 성능 저하를 초래할 수 있다.
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 이미지 센서의 포토다이오드 영역에 대한 결함(damage)을 방지할 수 있는 게이트 스페이서를 구비한 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 소정의 포토다이오드 영역을 구비 한 기판상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 포함한 상기 기판 전면에 제 1 산화막, 질화막 및 제 2 산화막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 기준으로 상기 포토다이오드 영역이 오픈되도록 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 상기 게이트 전극을 기준으로 포토다이오드 영역 상에 형성된 상기 제 2 산화막에 대해 선택적으로 질화( nitridation) 공정을 수행하여 변형 질화막을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 세정하는 포토레지스트 제거단계와, 상기 제 1 산화막, 상기 질화막 및 상기 제 2 산화막에 대해 전면 에칭(blank etch) 공정을 수행하여 상기 게이트 전극의 일측에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 포토다이오드 영역을 구비한 기판과, 상기 포토다이오드 영역에 접하는 기판상에 구비된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 기준으로 상기 포토다이오드 영역상에 형성된 제 1 산화막 및 변형 질화막과, 상기 제 1 산화막 및 상기 변형 질화막에 대응하여 상기 게이트 전극의 일측에 구비된 스페이서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 자세히 설명한다.
본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 소정의 포토다이오드 영역(310)을 구비한 기판(300)상에 구동 전원이 인가되는 게이트 전극(320)을 형성한다. 여기서, 기판(300)은 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
이어서, 게이트 전극(320)을 포함하고 포토다이오드 영역(310)이 형성된 기판(300) 전면에 제 1 산화막(Oxide)(330), 질화막(Nitride)(340) 및 제 2 산화막(Oxide)(350)을 순차적으로 증착하여 적층구조의 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막을 형성한다. 이때, 제 1 산화막(330)은 180 ~ 220Å의 두께, 질화막(340)은 180 ~ 220Å의 두께 그리고 제 2 산화막(350)은 720 ~ 880Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, 위와 같이 ONO막이 형성된 게이트 전극(320)을 포함한 기판(300) 전면에 소정 두께로 포토레지스트를 도포한 후, 도 3a에 도시된 바와 같이 포토다이오드 영역(310)이 오픈되도록 소정 두께의 포토레지스트 패턴(360)을 형성한다. 이러한 포토레지스트 패턴(360)은 포토다이오드 영역(310)의 타측에 구비된 ONO막의 제 2 산화막(350)에 대해 선택적으로 질화 공정을 수행하기 위한 마스크로 이용하기 위함이다.
따라서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(360)을 형성한 후, 포토레지스트 패턴(360)을 마스크로 사용하여 포토레지스트 패턴(360)을 제외한 영역 예컨데, 포토다이오드 영역(310)상에 구비된 ONO막 중 제 2 산화막(350)에 대해 선택적으로 질화(Nitridation) 공정을 수행한다. 이러한 질화 공정은 15 ~ 25mtorr의 분위기 압력과 1000 ~ 1500W의 RF 파워를 인가한 상태에서 150 ~ 250sccm의 N2 가스를 유입하여 플라즈마를 이용한 질화 공정을 1분 내지 10분의 시간동안 수행할 수 있다. 따라서, 포토다이오드 영역(310)상에 구비된 제 2 산화막(350)에 대해 전술한 바와 같은 질화 공정을 수행함으로써 제 2 산화막(350)은 선택적으로 두꺼운 변형 질화막(341)으로 형성된다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 에싱(asher) 및 세정(cleaning) 처리를 수행하여 포토레지스트 패턴(360)을 제거한다. 이렇게 하여, 포토다이오드 영역(310)의 타측에는 최초 형성할 때와 마찬가지로 ONO의 적층구조로 된 절연막이 구비되고, 포토다이오드 영역(310)에는 제 1 산화막(330)과 질화 공정에 의해 선택적으로 두껍게 형성된 변형 질화막(341)의 적층막이 구비될 수 있다. 구체적으로는, 게이트 전극(320)을 기준으로 질화 공정에 의해 선택적으로 두껍게 형성된 변형 질화막(341)과 스페이서내에 구비된 질화막은 5 ~ 10 : 1의 비율로 형성될 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 영역(310) 타측에 구비된 제 1 산화막(330), 질화막(340) 및 제 2 산화막(350)의 적층구조에 대해 RIE(R eactive Ion Etching) 방법을 이용한 전면 에칭(blank etch)을 수행하여 게이트 전극(320)의 왼쪽 편, 즉 포토다이오드 영역(310) 타측의 기판(300)상에 스페이서(370)를 형성한다. 따라서, 기판(300)상에 스페이서(370)를 형성함과 동시에 포토다이오드 영역(310) 상에는 질화 공정에 의해 선택적으로 두껍게 형성된 변형 질 화막(341)이 소정 형태로 에칭되어 남게 되므로, 종래에 게이트 전극에 대한 스페이서를 형성하는 과정에서 발생하는 포토다이오드 영역의 침식에 의한 노출을 방지하여 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 게이트 전극에 대한 스페이서를 형성하는 과정에서 에칭에 의해 발생하는 포토다이오드 영역에 대한 침식을 방지하여, 종래에 포토다이오드 영역이 노출되는 문제점을 해소함으로써 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 소정의 포토다이오드 영역을 구비한 기판상에 게이트 전극을 형성하는 단계와,상기 게이트 전극을 포함한 상기 기판 전면에 제 1 산화막, 질화막 및 제 2 산화막을 형성하는 단계와,상기 게이트 전극의 일측에 상기 포토다이오드 영역이 오픈되도록 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 상기 게이트 전극의 일측에 상기 포토다이오드 영역 상에 형성된 상기 제 2 산화막에 대해 선택적으로 질화(nitridation) 공정을 수행하여 변형 질화막을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 세정하는 포토레지스트 제거단계와,상기 제 1 산화막, 상기 질화막 및 상기 제 2 산화막에 대해 전면 에칭(blank etch) 공정을 수행하여 상기 게이트 전극의 타측에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에서,상기 제 1 산화막은 180 ~ 220Å의 두께, 상기 질화막은 180 ~ 220Å의 두께, 상기 제 2 산화막은 720 ~ 880Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에서,상기 변형 질화막을 형성하는 단계는 15 ~ 25mtorr의 분위기 압력과 1000 ~ 1500W의 RF 파워를 인가한 상태에서 150 ~ 250sccm의 N2 가스를 유입하여 플라즈마를 이용한 질화 공정을 1분 내지 10분의 시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에서,상기 스페이서 형성 단계에서, 상기 전면 에칭은 RIE(Reactive Ion Etching) 방법을 이용하여 상기 게이트 전극의 일측에 스페이서를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 소정의 포토다이오드 영역을 구비한 기판과,상기 포토다이오드 영역에 접하는 기판상에 구비된 게이트 전극과,상기 게이트 전극의 일측에 제1 산화막, 질화막 및 제2 산화막으로 적층 형성된 스페이서와,상기 포토다이오드 영역상의 상기 게이트 전극 타측에 형성된 상기 제1 산화막과,상기 제2 산화막에 선택적으로 질화공정을 수행하여 상기 제1 산화막 상에 형성된 변형 질화막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 5 항에서,상기 변형 질화막과 상기 스페이서내에 구비된 질화막은 5 ~ 10 : 1의 비율로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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