KR100817201B1 - 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
서로 인접하는 수직 전송 채널 및 판독 게이트의 영역에서 반도체 기판의 표면에 제 1 산화 실리콘막을 형성하고, 이 제 1 산화 실리콘막에 질화 실리콘막을 형성한다. 질화 실리콘막 상에 형성된 레지스트 패턴을 마스크로서 사용하여 질화 실리콘막을 등방성 에칭한다. 에칭된 질화 실리콘막의 표면상에 제 2 산화 실리콘막을 형성하여 산화 실리콘막과 질화 실리콘막을 포함하는 절연막을 형성한다. 수직 전송 채널의 반대측 상에 판독 게이트와 인접하는 광전 변환 소자를 형성한다. 등방성 에칭은 질화 실리콘막이 수직 전송 채널을 커버링하고 판독 게이트의 상방으로 연장되어 테이퍼진 측벽을 갖게 한다. 테이퍼진 측벽은 다른 전송 전극이 회로를 쇼트시킬 수 있는 언더컷(undercut)이 발생하지 않게 한다. 고품질의 고체 촬상 장치가 제조될 수 있다.
고체 촬상 소자
Description
본 발명은 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 특히, 게이트 절연막 중에 질화막을 포함하는 구조의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 4(A) ~ 도 4(D)는 통상적인 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 도 4(A)는 고체 촬상 소자를 조립한 고체 촬상 장치의 주요부를 나타내는 블록도이며, 도 4(B) 및 도 4(C)는 고체 촬상 소자의 구성을 나타내는 개략적인 평면도이다. 또한,도 4(D)는 고체 촬상 소자의 화소 배열부의 일부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4(A)를 참조하여 고체 촬상 장치의 구조를 상세히 설명한다. 고체 촬상 소자(51)는 각 화소에 입사된 광량에 따라서 신호 전하를 발생하고, 발생한 신호 전하에 의거한 화상 신호를 공급한다. 구동 신호 발생 장치(52)는 고체 촬상 소자(51)를 구동하기 위한 구동 신호(전송 전압 등)를 발생하고, 고체 촬상 소자(51)에 공급한다. 아날로그 전단 처리 장치(AFE)(53)는 고체 촬상 소자(51)의 출력 신호를 상관 이중 샘플링한 다음, 외부에서 설정된 게인으로 샘플 신호를 증폭한 후에 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 디지털 신호 처리 장치(DSP)(54)는 아날로그 전단 처리 장치(53)로부터 공급되는 화상 신호의 인식 처리, 데이타 압축, 네트워크 컨트롤 등의 처리를 행하여 처리된 화상 데이타를 출력한다. 타이밍 제너레이터(TG)(55)는 고체 촬상 소자(51), 구동 신호 발생 장치(52), 및 아날로그 전단 처리 장치(53)에 타이밍 신호를 발생시키고 그 동작을 제어한다.
구동 신호 발생 장치(52)는 예컨대, 수직 CCD 구동 신호를 발생하는 V 드라이버를 포함한다. 구동 신호 발생 장치(52)로부터 고체 촬상 소자(51)로 공급되는 신호는 수평 CCD 구동 신호, 수직 CCD 구동 신호, 출력 앰프 구동 신호, 및 기판 바이어스 신호이다.
도 4(B)에 도시된 바와 같이, 고체 촬상 소자는 예컨대, 행렬상으로 배치된 복수의 감광부(62), 감광부(62)의 각 열에 근접해서 형성된 복수의 수직 CCD부(64), 복수의 수직 CCD부(64)에 전기적으로 결합된 수평 CCD부(66), 및 수평 CCD부(66)의 출력 단부에 연결되어 수평 CCD부(66)로부터의 출력 전하 신호를 증폭하는 증폭 회로부(67)를 포함해서 구성된다. 또한, 화소 배열부(61)는 감광부(62) 및 수직 CCD부(64)를 포함해서 구성된다.
감광부(62)는 감광 소자, 예컨대, 광전 변환 소자(포토다이오드) 및 판독 게이트를 포함해서 구성된다. 광전 변환 소자는 입사된 광량에 따라서 신호 전하를 발생, 축적한다. 축적된 신호 전하의 수직 CCD부(64)로의 판독은 판독 게이트에 인가되는 전압에 의해 제어된다. 수직 CCD부(64)로 판독된 신호 전하는 수직 CCD부(64)내(수직 전송 채널)에서 수평 CCD부(66)를 향하는 방향(수직방향)으로 전송된다. 수직 CCD부(64)의 말단까지 전송된 신호 전하는 수평 CCD부(66)내(수평전송 채널)에서 수평 방향으로 전송되어 증폭 회로부(67)로 증폭되어서 외부로 출력된다.
또한, 감광부(62)의 배열은, 도 4(B)에 도시된 바와 같이, 행방향 및 열방향으로 각각 일정 피치로 정방 행렬 레이아웃으로 배열되거나, 행방향 및 열방향으로모든 감광부를, 예컨대, 1/2 피치씩 위치를 이동시켜서 허니코움(honeycomb) 레이아웃으로 배열된다.
도 4(C)는 허니코움 레이아웃으로 배열된 고체 촬상 소자의 개략적인 평면도이다. 허니코움 레이아웃은 제 1 정방 행렬 레이아웃으로 배열된 감광부(62)와, 제 1 정방 행렬 레이아웃의 격자간 위치에 제 2 정방 행렬 레이아웃으로 배열된 감광부(62)를 갖는다. 수직 CCD부(64)(수직 전송 채널)는 감광부(62)의 사이에 지그재그로 형성된다. 또한, 이러한 레이아웃을 소위 허니코움 레이아웃이라고 하지만 대부분의 허니코움 레이아웃의 감광부(62)는 팔각 형상이다.
도 4(D)에 도시된 바와 같이, 예컨대, n형 실리콘 기판인 반도체 기판(81)에 형성된 p형 웰층(82)에 n형 불순물 첨가 영역으로 구성된 광전 변환 소자(71)와 이 광전 변환 소자 다음에 배치된 p형 판독 게이트(72), 및 이 판독 게이트 다음에 배치된 n형 영역으로 구성된 수직 전송 채널(73)이 형성되어 있다. p+형 매립 또는 커버링 영역(71a)은 광전 변환 소자(71) 상에 형성되어 있다. 수직 전송 채널(73) 상방에는 게이트 절연막(74)을 개재하여 수직 전송 전극(75)이 형성되어 있다. p형 채널 스톱 영역(76)은 인접한 광전 변환 소자(71)의 사이에 형성되어 있다.
채널 스톱 영역(76)은 광전 변환 소자(71), 수직 전송 채널(73) 등의 전기적 인 분리를 행하기 위한 영역이다. 절연막(74)은 반도체 기판(81) 표면상에, 예컨대, 열산화에 의해 형성된 산화 실리콘막을 포함한다. 수직 전송 전극(75)은, 예컨대, 폴리실리콘으로 형성되는 제 1 층 수직 전송 전극 및 제 2 층 수직 전송 전극을 포함한다. 제 1 층 수직 전송 전극 및 제 2 층 수직 전송 전극은 어모퍼스실리콘으로 형성하는 것도 가능하다. 수직 전송 전극(75)에 인가되는 전압(구동 신호)에 의해 수직 전송 채널(73)의 포텐셜(potential)을 제어하여 신호 전하를 수직 전송 채널(73)내로 전송한다. 판독 게이트(72)의 포텐셜은 이 판독 게이트(72) 상방의 수직 전송 전극(75)에 인가되는 전압(구동 신호)에 의해 제어되어 광전 변환 소자(71)에 생성, 축적된 신호 전하를 수직 전송 채널(73)로 판독한다. 수직 전송 전극(75) 상에는 예컨대, 폴리실리콘의 열산화에 의해 절연성 산화 실리콘막(77)이 형성되어 있다. 수직 CCD부(64)는 수직 전송 채널(73), 게이트 절연막(74), 및 수직 전송 전극(75)을 포함하여 구성된다.
수직 전송 전극(75) 상방에는 절연성의 산화 실리콘막(77)을 개재하여, 예컨대, 텅스텐에 의해 차광막(79)이 형성되어 있다. 차광막(79)에는 광전 변환 소자(71)의 상방에 개구부(79a)가 형성되어 있다. 차광막(79) 상에는 질화 실리콘막(78)이 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 차광막(79)은 각 광전 변환 소자(71) 상방에 개구부(79a)를 가지고, 화소 배열부(61)에 입사되는 광이 광전 변환 소자(71) 이외의 영역에 입사되는 것을 방지한다.
차광막(79) 상방에는 예컨대, BPSG(borophosphosilicate glass)로 만들어진 평탄화층(83a)가 형성되어 있다. 그 평탄한 표면상에 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3원색의 컬러 필터층(84)이 형성된다.이 컬러 필터층(84) 상에 다른 평탄화층(83b)이 형성된다. 표면이 평탄한 평탄화층(83b) 상에는 예컨대, 마이크로 렌즈용의 포토 레지스트 패턴을 용융, 고착화하여 마이크로 렌즈(85)가 형성된다. 마이크로 렌즈(85)는 각 광전 변환 소자(71)의 상방에 미소한 반구상의 볼록 렌즈가 배열된 것이다. 마이크로 렌즈(85)는 광전 변환 소자(71)에 입사광을 집광한다. 1개의 마이크로 렌즈(85)로 수렴되는 광은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 중 어느 한 하나의 컬러 필터층(84)을 통해서 1개의 광전 변환 소자(71)에 입사된다. 따라서, 복수의 광전 변환 소자는 적색(R)의 컬러 필터층(84)을 투과한 광이 입사하는 광전 변환 소자, 녹색(G)의 컬러 필터층(84)을 투과한 광이 입사하는 광전 변환 소자, 청색(B)의 컬러 필터층(84)을 투과한 광이 입사하는 광전 변환 소자의 3종류의 광전 변환 소자를 포함한다.
도 5(A) 및 도 5(B)는 통상적인 고체 촬상 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5(A)를 참조하면, 예컨대, n형 실리콘 기판인 반도체 기판(81)을 준비하고, p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 p형 웰층(82)을 형성한다.
웰층(82)의 표면 근방에 n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소를 이온 주입하여 수직 전송 채널(73)을 형성한다. 또한, p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 판독 게이트(72), 채널 스톱 영역(76)을 형성한다. 반도체 기판(81) 상에 열산화에 의한 산화 실리콘막, CVD(Chemical Vapor Deposit, 화학기상성장법)에 의한 질화 실리콘막, 질화 실리콘막 표면의 열산화에 의한 산화 실리콘막을 포함하는 ONO막(oxide-nitride-oxide film)인 절연막(74)을 형성한다.
수직 전송 채널(73) 상방을 커버링하도록, 예컨대, 폴리실리콘으로 수직 전송 전극(75)을 형성한다. 수직 전송 전극(75)은, 예컨대, 수직방향으로 교대로 형성되는 제 1 층과 제 2 층의 전송 전극을 포함해서 구성된다. 수직 전송 전극(75)은 절연막(74) 상에 예컨대, CVD로 폴리실리콘을 퇴적하고, 포토리소그래피와 에칭으로 폴리실리콘을 패터닝함으로써 제작된다.
수직 전송 전극(75)을 마스크로서 사용하거나 수직 전송 전극(75) 또는 절연막(74) 상에 레지스트를 코팅하여 형성된 레지스트 패턴을 사용함으로써 레지스트를 노광, 현상하고, n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소를 이온 주입하여 광전 변환 소자(71)를 형성한다. 또한, p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 매립 영역(71a)를 형성한다. 수직 전송 전극(75)을 열산화하여 그 표면상에 산화 실리콘막(77)을 형성한다.
상기 공정에 의해 반도체 기판(81)에 수평 CCD부(66)도 형성한다. 또한, 증폭 회로부(67) 등을 형성한다.
도 5(B)에 도시된 바와 같이, 산화 실리콘막(77)의 상방에 예컨대, 텅스텐으로 차광막(79)을 형성한다. 차광막(79) 상에 레지스트를 코팅하고, 노광, 현상을 행하여 소정 위치에만 레지스트를 남긴다. 레지스트를 마스크로서 사용함으로써 차광막(79)을 에칭하여 광전 변환 소자(71)의 상방에 개구부(79a)를 형성한다.
차광막(79)의 상방을 커버링하도록 질화 실리콘막(78)을 형성한 후, 예컨대, CVD에 의해 BPSG로 평탄화층(83a)을 형성한다. 예컨대, 퇴적된 BPSG막을 850℃로 리플로잉(reflowing)함으로써 평탄화층(83a)을 형성한다. 또한, 리플로잉 이외에 평탄화에는 예컨대, 화학 기계 연마(CMP)가 수행될 수 있다. BPSG를 대신하여 불순물을 첨가해서 융점을 내린 산화 실리콘을 사용하는 것도 가능하다.
평탄화층(83a)의 평탄한 표면에, 예컨대, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3원색의 컬러 필터층(84)을 형성한다. 컬러 필터층(84)은 예컨대, 포토레지스트 액에 입상의 색소가 섞인 액(안료분산 레지스트)을 평탄화층(83a)의 표면상에 코팅하고, 노광, 현상을 행하고, 경화 온도 220℃로 열경화시킴으로써 형성한다. 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3색의 필터층을 순서대로 형성한다.
컬러 필터층(84)은 표면에 요철을 갖기 때문에 컬러 필터층(84) 상에 평탄화층(83b)을 형성한다. 예컨대, 평탄화층(83b)은 투명한 레지스트와 같은 조성을 가지는 재료를 코팅하고, 220℃의 경화 온도로 열경화시킴으로써 형성한다. 이어서, 평탄화층(83b) 상에 마이크로 렌즈(85)를 형성한다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 판독 게이트(72) 근방의 절연막(74)을 나타낸 개략적인 단면도로서, 특히 도 6(B)는 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 6(A)를 참조하면, 상기한 바와 같이 절연막(74)은 산소 차폐막인 질화 실리콘막(74b)을 산화 실리콘막(74a ,74c) 사이에 샌드위칭한 ONO 구조를 채용하고 있는 경우가 많다. 판독 전압에 의해 생성된 전계에 의해 가속되어, 일부가 핫 일렉트론(hot electron)이 된 신호 전하는 질화 실리콘막(74b)과 산화 실리콘막(74a)의 계면에 트래핑(trapping)되어 판독 전압의 경시 변화를 초래할 수 있다.
핫 일렉트론에 의한 전압의 경시 변화의 발생을 억제하고, 안정적이고, 신뢰성 높은 박형의 고내압 고체 촬상 소자의 제공을 목적으로 하는 발명이 개시되어 있다.(예컨대, 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보)
도 6(B)는 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분을 나타낸 개략적인 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 이 발명에 의한 고체 촬상 소자는 반도체 기판(81)에 형성된 광전 변환 소자(71)와, 이 광전 변환 소자(71)에 근접한 수직 전송 채널(73) 상방의 절연막(74)을 포함한다. 절연막(74)은 산화 실리콘막(74a, 74c)과 질화 실리콘막(74b)의 적층구조로 구성된다. 적어도 절연막(74)의 질화 실리콘막(74b)이 광전 변환 소자(71)의 상방측 단부에 근접하게 연장되지 않는다.
도 7(A) ∼도 7(E)는 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7(A)를 참조하면, n형 실리콘 기판인 반도체 기판(81) 표면에 형성된 p형 웰층(82) 상에 두께 15㎚의 산화 실리콘막(74a), 두께 50㎚의 질화 실리콘막(74b), 두께 10㎚의 산화 실리콘막(74c)을 바닥으로부터 이 순서대로 형성하여 3층 구조의 절연막을 형성한다. 이어서, 수직 전송 전극(30) 형성을 위한 두께 0.4㎛의 고농도 도핑의 폴리실리콘막을 형성한다.
도 7(B)에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피로 형성한 레지스트 패턴을 마스크로 사용함으로써 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 폴리실리콘막을 패터닝하여 전 극(30)을 형성한다. 이 전극(30)을 마스크로서 사용하여 산화 실리콘막(74c)을 에칭한다.
도 7(C)에 도시된 바와 같이, 열산화에 의해 전극(30)의 표면에 열산화막(31)을 형성한다. 열산화막(31)은 질화 실리콘막(74b) 상에는 대부분 형성되지 않는다. 질화 실리콘막(74b) 상에 열산화막(31)이 존재한다 하더라도 산계 처리에 의해 용이하게 제거될 수 있다.
도 7(D)에 도시된 바와 같이, 질화 실리콘막(74b) 상의 열산화막(31)을 산계 처리로 제거하고, 열인산을 사용한 웨트 에칭에 의해 전극(30) 단부 아래로 0.2㎛ 정도의 폭으로 질화 실리콘막(74b)을 선택적으로 에칭한다.
도 7(E)에 도시된 바와 같이, 열산화를 행하여 질화 실리콘막(74b)이 제거된 전극 단부 아래 영역을 메운다.
이러한 방식으로 형성된 고체 촬상 소자에 있어서, 광전 변환 소자(71)에 근접한 전극(30) 아래의 절연막은 단부에서 질화 실리콘막(74b)을 함유하지 않는 산화 실리콘막의 단층 구조를 갖는다. 따라서, 판독 전압의 경시 변화를 초래하지 않고 양호한 판독 특성을 유지하는 것이 가능하다.
새로운 포토리소그래피 공정을 필요로 하지 않고, 등방성 에칭을 통해 이러한 단층 구조를 형성할 수 있다. 양호한 특성을 갖는 고체 촬상 소자를 매우 용이하게 양호한 작업성으로 제조할 수 있다.
본 발명의 목적은 고품질의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 관점에 의하면, 반도체 기판내에 행렬상으로 배치되어 입사광을 광전 변환해서 신호 전하를 생성하는 복수의 광전 변환 소자; 상기 광전 변환 소자의 각 열에 근접하고 상기 반도체 기판내에 형성된 복수의 수직 전송 채널; 상기 광전 변환 소자와 상기 수직 전송 채널의 사이에 형성되어 상기 광전 변환 소자에 생성된 신호 전하의 상기 수직 전송 채널로의 판독을 제어하는 판독 게이트; 상기 광전 변환 소자, 상기 판독 게이트, 및 상기 수직 전송 채널을 커버링하도록 상기 반도체 기판상에 형성된 산화 실리콘막과, 이 산화 실리콘막을 통해 상기 수직 전송 채널을 커버링하고, 또한, 상기 판독 게이트 상방으로 연장되어 형성되어 있고, 테이퍼진 형상의 측벽을 갖는 질화 실리콘막을 포함하는 절연막; 열방향으로 교대로 형성되는 복수층으로 이루어지는 수직 전송 전극으로서 상기 절연막 상방에 형성되어 상기 판독 게이트의 포텐셜을 제어함으로써 상기 광전 변환 소자 각각에 생성된 신호 전하를 대응하는 상기 수직 전송 채널 하나로 판독하고, 또한, 상기 수직 전송 채널의 포텐셜을 제어함으로써 상기 수직 전송 채널로 판독된 신호 전하를 열방향으로 전송하는 수직 전송 전극; 및 상기 수직 전송 채널로부터 전송되는 신호 전하를 행방향으로 전송하는 수평 CCD부를 갖는 고체 촬상 소자가 제공된다.
전하 판독 전압의 경시 변화, 제 1 층 수직 전송 전극과 제 2 층 수직 전송 전극 사이의 내압의 부족, 및 전송 효율의 열화를 억제할 수 있는 고품질의 고체 촬상 소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, (a) 반도체 기판에 불순물을 첨가하고, 서로 인접하는 수직 전송 채널 및 판독 게이트를 형성하는 공정; (b) 상기 수직 전송 채널 및 상기 판독 게이트 영역의 상기 반도체 기판 표면에 제 1 산화 실리콘막을 형성하고, 상기 제 1 산화 실리콘막의 표면에 질화 실리콘막을 형성하는 공정; (c) 상기 질화 실리콘막상에 레지스트 패턴을 형성하고, 상기 레지스트 패턴을 마스크로서 사용함으로써 상기 질화 실리콘막을 등방성 에칭한 후 상기 레지스트 패턴을 제거하는 공정; (d) 상기 에칭된 질화 실리콘막 표면에 제 2 산화 실리콘막을 형성하여 산화 실리콘과 질화 실리콘막을 포함하는 절연막을 형성하는 공정; (e) 상기 수직 전송 채널 상방에 수직 전송 전극을 형성하는 공정; 및 (f) 상기 반도체 기판에 불순물을 첨가하여 상기 수직 전송 채널의 반대측에서 상기 판독 게이트와 인접하는 광전 변환 소자를 형성하는 공정을 포함하고, 상기 공정 (c)에 있어서, 상기 질화 실리콘막이 상기 수직 전송 채널을 커버링하고, 상기 판독 게이트 상방으로 연장되도록 등방성 에칭을 행하는 고체 촬상 소자의 제조 방법이 제공된다.
이 고체 촬상 소자의 제조 방법에 의하면, 전하 판독 전압의 경시 변화, 제 1 층 수직 전송 전극과 제 2 층 수직 전송 전극의 사이의 내압의 부족, 및 전송 효율의 열화를 억제할 수 있는 고품질의 고체 촬상 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고품질의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1(A) ∼ 도 1(E)는, 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 관한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2(A) ∼ 도 2(E)는 도 1(A) ∼ 도 1(E)를 참조해서 설명한 제조 방법에 의해 제조된 고체 촬상 소자에 대해서 본원 발명자들이 새롭게 발견한 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(A) ∼ 도 3(J)는 본원발명의 실시예에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4(A) ~ 도 4(D)는 통상적인 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 도 4(A)는 고체 촬상 소자를 조립한 고체 촬상 장치의 주요부를 나타내는 블록도이며, 도 4(B) 및 도 4(C)는 고체 촬상 소자의 구성을 나타낸 개략적인 평면도이며, 도 4(D)는 고체 촬상 소자의 화소 배열부의 일부를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 5(A) 및 도 5(B)는 통상적인 고체 촬상 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 판독 게이트 근방 게이트 절연막을 나타낸 개략적인 단면도로서, 특히 도 6(B)는 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 7(A) ∼ 도 7(E)는 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
본원 발명자들은 고체 촬상 소자의 특징 부분을 이하의 제조 방법으로 제작했다. 고체 촬상 소자의 그 밖의 부분의 제조 방법은 도 5(A) 및 도 5(B)를 참조하여 설명한 바와 같다.
도 1(A) ∼ 도 1(E)는, 일본 특허 공개 제2003-332556호 공보에 기재된 발명에 관한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1(A)를 참조하면 보면, 예컨대, n형 실리콘 기판인 반도체 기판(81)에 p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 p형 웰층(82)을 형성한다. 웰층(82)의 표면 근방에 n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소를 이온 주입하여 수직 전송 채널(73)을 형성한다. p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 판독 게이트(72) 등을 형성한다. p형 웰층(82) 표면에 열산화에 의한 두께 25㎚의 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a), CVD에 의한 두께 50㎚의 질화 실리콘막(74b), 그 열산화에 의한 두께 5㎚의 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)을 바닥으로부터 이 순서대로 형성하여 절연막(74)을 형성한다.
도 1(B)에 도시된 바와 같이, 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)상에 포토리소그래피로 소정 형상으로 패터닝한 레지스트 패턴(90)을 형성한다.
도 1(C)에 도시된 바와 같이, 레지스트 패턴(90)을 마스크로 사용함으로써 등방성 에칭(등방성 케미컬 드라이 에칭 또는 웨트 에칭 등)에 의해 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c) 및 질화 실리콘막(74b)을 제거한다. 예컨대, 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)은 플루오르화 수소산에 의해 에칭되고, 질화 실리콘막(74b)은 열인산에 의해 에칭된다. 등방성 에칭을 함으로써 질화 실리콘막(74b) 에칭시의 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a)과의 선택비를 높게 설정할 수 있다.
레지스트 패턴(90)을 제거함으로써 질화 실리콘막(74b) 및 산화 실리콘막(74c)(탑 산화막)이 부분적으로 남는다. 질화 실리콘막(74b)은 수직 측벽을 갖 고, 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)는 질화 실리콘막(74b)의 단부로부터 돌출된 오버행(overhang)(74d)을 갖는다.
도 1(D)에 도시된 바와 같이, 게이트 절연막(74)상에 고농도의 인으로 도핑된 폴리실리콘막을 두께 0.3㎛로 퇴적한다. 포토리소그래피로 형성한 레지스트 패턴을 마스크로서 사용하여 반응성 이온 에칭에 의해 이 폴리실리콘막을 패터닝하여 제 1 층 수직 전송 전극(75b)을 형성한다.
도 1(E)에 도시된 바와 같이, 제 2 층 수직 전송 전극의 절연성을 확보하기 위해서 제 1 층 수직 전송 전극(75b) 표면을 열산화하여 층간 절연막(80)을 형성한다. 그 후, 다른 폴리실리콘막을 퇴적, 패터닝하여 제 2 층 수직 전송 전극을 형성한다. 그리고, 제 1 층 및 제 2 층 수직 전송 전극을 마스크로서 사용하여 n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소, 또는 p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 광전 변환 소자(71), 매립 영역(71a) 등의 불순물 첨가 영역을 형성한다.
도 2(A) ∼ 도 2(E)는 도 1(A) ∼ 도 1(E)를 참조해서 설명한 제조 방법에 의해 제조된 고체 촬상 소자에 대해서, 본원 발명자들이 새롭게 발견한 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2(A)는 광전 변환 소자(71), 수직 전송 전극(75)[제 1 층 수직 전송 전극(75b), 제 2 층 수직 전송 전극(75c)], 및 수직 전송 채널(73)을 나타낸 개략적인 평면도이다. 판독 게이트(72) 근방의 영역을 2점 쇄선으로 둘러싸서 나타내었다.
도 2(B)는 도 2(A)의 2B-2B선 단면도이다.
열산화에 의해 층간 절연막(80)이 표면에 형성된 제 1 층 수직 전송 전극(75b)은 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a), 및 오버행(74d)을 갖는 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)상에 형성된다. 상기한 바와 같이, 질화 실리콘막(74b)은 수직으로 에칭되어 있으므로, 제 1 층 수직 전송 전극(75b)은 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)의 오버행(74d)의 주위를 열쇠 형태로 둘러싸서 형성된다.
도 2(C)는 반응성 이온 에칭에 의해 폴리실리콘막을 패터닝해서 제 1 층 수직 전송 전극(75b)을 형성한 이후의 상태에서 제 1 층 수직 전송 전극(75b)이 형성되지 않은 판독 게이트(72) 근방 영역을 나타낸 개략적인 단면도이다. 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)의 오버행(74d) 아래에는 제 1 층 수직 전송 전극(75b)의 폴리실리콘막이 잠입(潛入)된다. 폴리실리콘층을 패터닝한 후의 열산화 중에 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)의 오버행(74d) 아래의 산화는 제한되는 경우가 있다.
도 2(C)에 도시된 상태에서, 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a) 및 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)상에 제 2 층 수직 전송 전극(75c)이 형성된다.
도 2(D)는 도 2(A)의 2D-2D선 단면도이며, 도 2(C)에 도시된 단면에 제 2 층 수직 전송 전극(75c) 및 산화 실리콘막(77)이 형성된 후의 도면이다.
게이트 판독 전극을 겸하는 제 2 층 수직 전송 전극(75c)도, 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a), 및 오버행(74d)을 갖는 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)상에 형성된다. 그러나, 제 1 층 수직 전송 전극(75b)의 폴리실리콘이 산화 실리콘막(탑 산화막)(74a)의 오버행(74d) 아래에 남게 되는 경우가 있다. 이 결과 제 1 층 수직 전송 전극(75b)과 제 2 층 수직 전송 전극(75c) 사이의 내압이 부족하게 되고, 수 직 전송 채널(73)에 있어서의 전하의 전송 효율이 열화되는 경우가 발생한다. 이러한 문제는 전하 판독 전압의 경시 변화를 억제할 수 있는 구조의 고체 촬상 소자에 있어서도 큰 문제이다.
도 2(E)는 도 2(A)의 부분적인 확대도이다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 제 1 층 수직 전송 전극(75b)의 폴리실리콘이 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)의 오버행(74d) 아래에 남는 영역을 사선으로 나타내었다.
본원 발명자들은 이 새로운 문제의 해결과 고품질의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법의 제공을 목적으로 하여 이하와 같은 구조를 갖는 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법의 발명을 하였다.
도 3(A) ∼ 도 3(J)는 본원발명의 실시예에 의한 고체 촬상 소자의 특징 부분의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 고체 촬상 소자의 그 밖의 부분의 제조 방법은 도 5(A) 및 도 5(B)을 참조하여 설명한 바와 같다.
도 3(A)를 참조하면, 예컨대, n형 실리콘 기판인 반도체 기판(81)에 p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 p형 웰층(82)을 형성한다. 웰층(82)의 표면 근방에 n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소를 이온 주입하여 수직 전송 채널(73)을 형성한다. p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 수직 전송 채널(73)과 서로 인접하는 판독 게이트(72) 등을 형성한다. 반도체 기판(81)[웰층(82)] 표면에 이 영역을 커버링하는 절연막이 형성되며, 열산화에 의한 두께 25㎚의 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a), CVD에 의한 두께 50㎚의 질화 실리콘막(74b), 질화 실리콘 표면의 열산화에 의한 두께 5㎚의 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)을 포함하는 절연막 은 바닥으로부터 이 순서대로 형성하여 절연막을 형성한다. 질화 실리콘막(74b)을 열산화함으로써 질화 실리콘막(74b)을 치밀화할 수 있다.
도 3(B)에 도시된 바와 같이, 산화 실리콘막(탑 산화막)(74c)을 플루오르화 수소산 약액에 의해 제거한다. 기초가 되는 질화 실리콘막(74b)으로의 데미지가 적은 케미컬 드라이 에칭(CDE)으로 제거해도 좋다.
도 3(A)를 참조해서 설명한 공정에 있어서, 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a) 및 질화 실리콘막(74b)만을 형성하고, 도 3(B)에 도시된 공정을 생략하는 것도 가능하다.
도 3(C)에 도시된 바와 같이, 질화 실리콘막(74b)상에 포토리소그래피로 소정 형상으로 패터닝한 레지스트 패턴(90)을 형성한다. 레지스트 패턴(90)을 마스크로서 사용한 등방성 에칭, 예컨대, 열인산에 의한 웨트 에칭에 의해 질화 실리콘막(74b)을 에칭한다.
도 3(D)에 도시된 바와 같이, 등방성 에칭을 행하기 때문에, 질화 실리콘막(74b)은 두께 방향뿐만 아니라, 면내 방향으로도 에칭된다. 약액은 질화 실리콘막(74b)과 레지스트 패턴(90)의 계면에도 스며들고, 그 결과, 에칭후의 질화 실리콘막(74b)에는 하면으로부터 상면을 향하는 방향으로 수렴하는 테이퍼진 측벽이 형성된다. 도 3(D)에 있어서, 에칭되는 질화 실리콘막(74b)의 부분을 파선으로 둘러싸서 나타내었다.
수직 전송 채널(73)을 커버링하고, 판독 게이트(72) 표면으로 연장되도록 질화 실리콘막(74b)을 에칭한다. 에칭 후, 레지스트 패턴(90)을 제거한다.
도 3(E)에 도시된 바와 같이, 등방성 에칭으로서 등방성 케미컬 드라이 에칭을 사용할 수도 있다. 드라이 에칭을 사용한 경우 웨트 에칭을 행한 경우에 비해 질화 실리콘막(74b)과 레지스트 패턴(90)의 계면의 에칭을 행하기가 어렵다. 따라서, 에칭된 질화 실리콘막(74b)의 측벽은 상면이 하면보다 가파른 테이퍼진 형상이 된다.
도 3(F)에 도시된 바와 같이, 등방성 에칭을 행하여 레지스트 패턴(90)을 제거한 후, 수직 전송 채널(73)을 커버링하고, 판독 게이트(72)의 표면으로 연장되고, 테이퍼진 측벽을 갖는 형상의 질화 실리콘막(74b)이 형성된다.
도 3(G)에 도시된 바와 같이, 노출된 산화 실리콘막(74a) 및 에칭된 질화 실리콘막(74b)상에 CVD에 의해 두께 5㎚의 산화 실리콘막을 퇴적하여 산화 실리콘과 질화 실리콘을 포함하는 절연막을 형성한다. 도 3(G)에 있어서, 질화 실리콘막(74b)상의 절연막을 74c로 나타내고, 산화 실리콘막(보텀 산화막)(74a)상의 절연막을 74a로 나타낸다. 산화 실리콘막(74c)은 도 1(C) ∼ 도 1(E) 또는 도 2(B)와 도 2(C)에 도시된 오버행을 갖지 않는다.
도 3(H)에 도시된 바와 같이, 산화 실리콘막(74a ,74c)상에 고농도의 인으로 도핑된 폴리실리콘막을 두께 0.3㎛로 퇴적한다. 포토리소그래피로 형성한 레지스트 패턴을 마스크로서 사용하여 이방성의 반응성 이온 에칭에 의해 폴리실리콘막을 에칭하여 수직 전송 채널(73) 상방에 제 1 층 수직 전송 전극(75b)을 형성한다. 산화 실리콘막(74)은 오버행을 갖지 않으므로 불필요한 영역에 폴리실리콘이 남지 않게 된다.
도 3(I)에 도시된 바와 같이, 제 2 층 수직 전송 전극의 절연성을 확보하기 위해서 제 1 층 수직 전송 전극(75b) 표면을 열산화하여 층간 절연막(80)을 형성한다.
도 3(J)에 도시된 바와 같이, 다른 폴리실리콘막을 퇴적, 패터닝하여 수직 전송 채널 상방에 판독 게이트 전극도 겸하는 제 2 층 수직 전송 전극(75c)을 형성하고, 그 표면을 열산화한다.
그 후, 제 1 층 및 제 2 층 수직 전송 전극을 마스크로서 사용하여 n형 불순물, 예컨대, 인 또는 비소를 이온 주입하여 수직 전송 채널(73)의 반대측 상에 판독 게이트(72)에 인접한 광전 변환 소자(71)를 형성한다. p형 불순물, 예컨대, 붕소를 이온 주입하여 광전 변환 소자(71) 상방에 매립 영역(71a)을 형성한다.
도 5(B)에 도시된 바와 같이, 차광막(79), 컬러 필터층(84), 마이크로 렌즈(85) 등을 형성하는 공정을 수행하여 도 4(B)에 도시된 바와 같은 고체 촬상 소자를 형성한다. 도 4(B)에 도시된 고체 촬상 소자는 감광부(62), 이 감광부(62)의 각 열에 인접하여 배치된 복수의 수직 CCD부(64), 이 복수의 수직 CCD부(64)의 일단에 전기적으로 연결된 수평 CCD부(66), 및 이 수평 CCD부(66)의 출력단에 접속된 증폭 회로부(67)를 포함한다.
고체 촬상 소자를 사용함으로써 도 4(A)에 도시된 바와 같은 고체 촬상 장치를 형성할 수 있다. 도 4(A)에 도시된 고체 촬상 장치는 고체 촬상 소자(51), 고체 촬상 소자(51) 구동신호를 공급하는 구동 신호 발생 장치(52), 고체 촬상 소자(51)로부터 입력된 화상 신호의 A/D 변환 등을 수행하는 아날로그 전단 처리 장 치(AFE)(53), 아날로그 전단 처리 장치(53)로부터 입력되는 화상 신호의 인식 처리, 데이타 압축 등의 처리를 행하는 디지털 신호 처리 장치(DSP)(54), 및 고체 촬상 소자(51), 구동 신호 발생 장치(52), 및 아날로그 전단 처리 장치(53)에 타이밍 신호를 공급하는 타이밍 제너레이터(TG)(55)를 포함하여 이루어진다.
이러한 공정에 의해 제조되는 고체 촬상 소자는 광전 변환 소자, 판독 게이트, 및 수직 전송 채널 상방의 절연막이 산화 실리콘막과 질화 실리콘막을 포함해서 구성된다. 또한, 이 절연막 내의 질화 실리콘막은 테이퍼진 측벽을 구비하고, 수직 전송 채널 상방을 커버링하고, 판독 게이트 표면으로 연장되어 형성된다. 질화 실리콘막 상의 산화 실리콘막은 오버행을 갖지 않는다. 질화 실리콘막의 측벽이 테이퍼진 형상이고 산화 실리콘막이 오버행을 갖지 않기 때문에 폴리실리콘이 불필요한 영역에 남는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제 1 층 수직 전송 채널과 제 2 층 수직 전송 채널 사이의 내압의 부족을 억제할 수 있다. 또한, 판독 게이트의 광전 변환 소자측 상방에 질화 실리콘막이 형성되어 있지 않기 때문에 전하 판독 전압의 경시 변화, 및 전송 효율의 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 고품질의 고체 촬상 소자를 제조할 수 있다.
실시예에 있어서, 제 1 층 및 제 2 층 수직 전송 전극을 갖는 고체 촬상 소자에 대해서 설명하였다. 그러나, 이 실시예는 단층 또는 3개 층의 수직 전송 전극을 갖는 고체 촬상 소자에도 적용될 수 있다.
이상, 실시예에 따라 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 다양한 변경, 개량, 조합이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
상기한 고체 촬상 소자는 일반적인 디지탈 카메라, 휴대전화기 등의 디지탈 카메라의 기능을 갖춘 기기 등에도 사용될 수 있다.
Claims (8)
- 반도체 기판내에 행렬상으로 배치되어 입사광을 광전 변환해서 신호 전하를 생성하는 복수의 광전 변환 소자;상기 광전 변환 소자의 각 열에 근접하고 상기 반도체 기판내에 형성된 복수의 수직 전송 채널;상기 광전 변환 소자와 상기 수직 전송 채널의 사이에 형성되어 상기 광전 변환 소자에 생성된 신호 전하의 상기 수직 전송 채널로의 판독을 제어하는 판독 게이트;상기 광전 변환 소자, 상기 판독 게이트, 및 상기 수직 전송 채널을 커버링하도록 상기 반도체 기판상에 형성된 산화 실리콘막과, 이 산화 실리콘막을 통해 상기 수직 전송 채널을 커버링하고, 또한, 상기 판독 게이트 상방으로 연장되어 있고, 테이퍼진 형상의 측벽을 갖는 질화 실리콘막을 포함하는 절연막;열방향으로 교대로 형성되는 복수층으로 이루어지는 수직 전송 전극으로서, 상기 절연막 상방에 형성되어 상기 판독 게이트의 포텐셜을 제어함으로써 상기 광전 변환 소자 각각에 생성된 신호 전하를 대응하는 상기 수직 전송 채널 하나로 판독하고, 또한, 상기 수직 전송 채널의 포텐셜을 제어함으로써 상기 수직 전송 채널로 판독된 신호 전하를 열방향으로 전송하는 수직 전송 전극; 및상기 수직 전송 채널로부터 전송되는 신호 전하를 행방향으로 전송하는 수평 CCD부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- (a) 반도체 기판에 불순물을 첨가하고, 서로 인접하는 수직 전송 채널 및 판독 게이트를 형성하는 공정;(b) 상기 수직 전송 채널 및 상기 판독 게이트 영역의 상기 반도체 기판 표면에 제 1 산화 실리콘막을 형성하고, 상기 제 1 산화 실리콘막의 표면에 질화 실리콘막을 형성하는 공정;(c) 상기 질화 실리콘막상에 레지스트 패턴을 형성하고, 상기 레지스트 패턴을 마스크로서 사용함으로써 상기 질화 실리콘막을 등방성 에칭한 후 상기 레지스트 패턴을 제거하는 공정;(d) 상기 에칭된 질화 실리콘막 표면에 제 2 산화 실리콘막을 형성하여 산화 실리콘막과 질화 실리콘막을 포함하는 절연막을 형성하는 공정;(e) 상기 수직 전송 채널 상방에 수직 전송 전극을 형성하는 공정; 및(f) 상기 반도체 기판에 불순물을 첨가하여 상기 수직 전송 채널의 반대측에서 상기 판독 게이트와 인접하는 광전 변환 소자를 형성하는 공정을 포함하고:상기 공정 (c)에 있어서, 상기 질화 실리콘막이 상기 수직 전송 채널을 커버링하고, 상기 판독 게이트 상방으로 연장되도록 등방성 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 공정 (b)는 상기 질화 실리콘막 표면을 열산화해서 제 3 산화 실리콘막 을 형성하고, 상기 제 3 산화 실리콘막을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 공정 (c)에 있어서의 등방성 에칭은 등방성 웨트 에칭 또는 등방성 케미컬 드라이 에칭인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 공정 (c)에 있어서의 등방성 에칭은 등방성 웨트 에칭 또는 등방성 케미컬 드라이 에칭인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 광전 변환 소자는 정방 행렬상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연막은 상기 질화 실리콘막 상에 형성된 산화 실리콘막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 수직 전송 전극은 이중 폴리실리콘층을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
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2005
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