KR100855282B1 - 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드 영역 내에 트렌치를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 관해 개시한 것으로서, 제 1도전형의 반도체기판에 상기 기판의 일부분을 식각하여 트렌치 및 트렌치를 매립시키는 소자격리막을 형성하는 단계와, 소자격리막을 포함한 기판에 각각의 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계와, 기판에 선택적으로 제 1도전형 이온주입을 실시하여 포토다이오드 제 1영역을 형성하는 단계와, 트랜스퍼 게이트 측면에 각각의 버퍼 산화막 및 절연 스페이서를 형성하는 단계와, 포토다이오드 제 1도전영역을 덮고 상기 구조의 트랜스퍼 게이트를 마스크로 하여 제 2도전형 이온을 1차로 주입하여 플로팅확산 제 1영역을 형성하는 단계와, 결과물에 제 2도전형 이온을 2차로 주입하여 플로팅 확산 제 1영역 하부에 플로팅 확산 제 2영역을 형성하는 단계와, 플로팅 확산 제 1및 제 2영역을 덮고 상기 구조의 트랜스퍼 게이트를 마스크로 하여 제 2도전형 이온주입을 실시하여 상기 포토다이오드 제 1영역 상부에 포토다이오드 제 2영역을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정단면도.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100. 반도체기판 106. 트렌치
112. 소자격리막 120. 게이트 절연막
122. 트랜스퍼 게이트 124. 버퍼 산화막
126. 절연 스페이서 130. 포토다이오드 P영역
132. 제 1N영역 134. 포토다이오드 N영역
136. 제 2N영역 142, 144, 146. 이온주입 공정
150, 152, 154. 감광막 패턴
본 발명은 이미지 센서(image sensor) 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세 하게는 포토다이오드(photodiode) 영역 내에 트렌치(trench)를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치로서, 크게는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
상기 CMOS 이미지 센서는 CMOS를 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정단면도로서, 단위 화소 중에서 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산 부분만이 도시되어 있다.
종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, P형의 반도체기판(10) 상에 이온주입 공정에 의해 P형 웰(well)(11)을 형성하고 나서, STI(Shallow Trench Isilation) 공정에 의해 트렌치(trench)(16)를 형성한다. 이때, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 반도체기판(10)에는 포토다이오드 형성영역과 플로팅 확산 형성영역이 정의되어 있다. 이어, 상기 트렌치(16)를 포함한 기 판 전면에 갭필옥사이드막(gap-filled oxide layer)(미도시)을 증착 및 에치백(etch back) 공정을 진행하여 소자격리막(18)을 형성한다. 그런 다음, 상기 소자격리막(18)을 포함한 기판에 웰 형성용 이온주입 및 문턱전압 조절용 이온주입 공정을 실시한다.(미도시)
이 후, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 이온주입 공정이 완료된 기판 전면에 실리콘 산화막(미도시) 및 다결정 실리콘막(미도시)을 차례로 형성한 후, 포토리쏘그라피(photolithography) 공정에 의해 다결정 실리콘막 및 실리콘 산화막의 일부를 식각하여 게이트 절연막(20) 및 트랜스퍼 게이트(22)를 각각 형성한다. 이어, 상기 트랜스퍼 게이트(22)를 포함한 기판 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 포토다이오드 형성영역을 노출시키는 제 1감광막 패턴(50)을 형성한다. 그런 다음, 제 1감광막 패턴(50)을 마스크로 하고 N형 이온주입 공정(40)을 실시하여 포토다이오드 N영역(30)를 형성한다.
이후, 제 1감광막 패턴을 제거하고 나서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 트랜스퍼 게이트(22) 측면에 버퍼 산화막(24) 및 절연 스페이서(26)를 차례로 형성한다. 그런 다음, 상기 버퍼 산화막(24) 및 절연 스페이서(26)을 포함한 기판 전면에 플로팅 확산 형성영역을 노출시키는 제 2감광막 패턴(52)을 형성한다. 이 후, 제 2감광막 패턴(52)을 마스크로 하고 N형 이온주입 공정(42)을 실시하여 절연 스페이서(26)를 포함한 트랜스퍼 게이트(22) 일측 하부 기판에 영상 전하의 센싱을 위한 플로팅 확산영역으로 사용되는 N영역(32)을 형성한다.
이 후, 제 2감광막 패턴을 제거하고 나서, 도 1d에 도시된 바와 같이, N 영역(32)을 포함한 기판에 포토다이오드 형성영역을 노출시키는 제 3감광막 패턴(54)을 형성한다. 이어, 제 3감광막 패턴(54)을 마스크로 하고 기판 전면에 P형 이온주입 공정(44)을 실시하여 절연 스페이서(26)를 포함한 트랜스퍼 게이트(22) 타측 하부 기판 표면에 포토다이오드 P영역(34)를 형성한다. 이때, 상기 포토다이오드 P영역(34)은 포토다이오드 N영역(30)보다 얕게 형성되며, 실리콘 표면에서 발생하는 전자가 하부의 포토다이오드 N영역(30)으로 이동하지 못하도록 전자에 대하여 전위 장벽의 역할을 한다.
그런 다음, 도 1e에 도시된 바와 같이, 제 3감광막 패턴을 제거한다.
그러나, 종래의 기술에서는 플로팅 확산영역인 N영역의 경우 하나의 정션에 의해 파생적으로 발생하는 정션 캐패시턴스를 갖게 되는데, 상기 정션 캐패시턴스의 크기가 크면 포토다이오드 내에 빛의 조사 여부에 의해 생성되거나 소멸된 상태에 따른 전하의 변화, 즉 포토다이오드의 캐패시턴스의 변화를 작게 해주어 최종적인 이미지의 선명도를 저하시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 플로팅 확산영역의 정션 캐패시턴스의 크기를 줄여 이미지의 선명도를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서 제조 방법은, 제 1도전형의 반도체기판의 일부분을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 내에 갭필옥사이드막을 매립하여 소자격리막을 형성하는 단계; 상기 소자격리막을 포함한 반도체기판에 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 반도체기판에 선택적으로 제 1도전형 이온주입을 실시하여 포토다이오드 제 1영역을 형성하는 단계; 상기 트랜스퍼 게이트 측면에 버퍼 산화막 및 절연 스페이서를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 제 1도전영역을 덮은 상태에서 상기 트랜스퍼 게이트를 마스크로 해서 제 2도전형 이온을 1차로 주입하여 플로팅 확산 제 1영역을 형성하는 단계; 상기 플로팅 확산 제 1영역이 형성된 반도체기판의 결과물에 제 2도전형 이온을 2차로 주입하여 상기 플로팅 확산 제 1영역 하부에 플로팅 확산 제 2영역을 형성하는 단계; 및 상기 플로팅 확산 제 1 및 제 2영역을 덮은 상태에서 상기 트랜스퍼 게이트를 마스크로 해서 제 2도전형 이온주입을 실시하여 상기 포토다이오드 제 1영역 상부에 포토다이오드 제 2영역을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2도전형 이온을 1차로 주입하는 단계에서, 제 2도전형 이온으로, 바람직하게는, 아세닉 및 안티몬 중 어느 하나를 사용한다.
상기 제 2도전형 이온을 1차로 주입하는 단계에서, 제 2도전형 이온은, 바람직하게는, 2.0E15∼5.0E15 atom/Cm3 의 도우즈를 가지고 30∼60KeV의 에너지를 공급한다.
상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서, 제 2도전형 이온은, 바람직하게는, 인 및 아세닉 중 어느 하나를 사용한다.
상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서, 제 2도전형 이온은, 바람직하게는, 2.0E13∼6.0E13 atom/Cm3 의 도우즈로 공급한다.
상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서, 바람직하게는, 제 2도전형 이온으로 인을 사용하며, 30∼40KeV 의 에너지를 가한다.
상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서, 바람직하게는, 제 2도전형 이온으로 아세닉을 사용하며, 150∼250KeV 의 에너지를 공급한다.
상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입한 후에, 상기 플로팅 확산 제 1, 2영역을 포함한 기판에 열처리를 진행하는 단계를 추가하며, 열처리는, 바람직하게는, 질소분위기 하에서 800∼1150℃ 온도와 10∼30초 동안 진행한다.
(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도로서, 단위 화소 중에서 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산 부분만이 도시되어 있다.
본 발명의 이미지 센서 제조 방법은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 먼저, P형의 반도체 기판(100) 상에 이온주입 공정에 의해 P형 웰(101)을 형성하고 나서, STI 공정에 의해 트렌치(106)를 형성한다. 이때, 상기 반도체기판(100)은, 도면에 도시되지 않았지만, 포토다이오드 형성영역과 플로팅 확산 형성영역이 정의되어져 있다. 이어, 상기 트렌치(106)를 포함한 기판 전면에 갭필옥사이드막(미도시)을 증착하고 상기 갭필옥사이드막을 에치백하는 것에 의해 상기 트렌치(106) 내에 갭필옥사이드막을 매립하여 소자격리막(112)을 형성한다.
그런 다음, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 소자격리막(112)을 포함한 반도체기판(100) 내에 웰 형성용 이온주입 및 문턱전압 조절용 이온주입 공정을 실시하고 나서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 웰 형성용 이온주입 및 문턱전압 조절용 이온주입 공정이 실시된 반도체기판(100) 상에 게이트 절연막(120) 및 트랜스퍼 게이트(122)를 각각 형성한다. 이 후, 상기 트랜스퍼 게이트(122)를 포함한 반도체기판(100) 상에 포토다이오드 형성영역을 노출시키는 제 1감광막 패턴(150)을 형성하고 나서, 상기 1감광막 패턴(150)을 마스크로 하고 N형 이온주입 공정(140)을 실시하여 포토다이오드 N영역(130)을 형성한다.
이어, 제 1감광막 패턴을 제거하고 나서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 트랜스퍼 게이트(122) 측면에 버퍼 산화막(124) 및 절연 스페이서(126)를 차례로 형성한다. 그런 다음, 상기 구조의 기판 전면에 상기 포토다이오드 N영역(130)은 덮고 플로팅 확산 형성영역을 노출시키는 제 2감광막 패턴(152)을 형성하고 나서, 제 2감광막 패턴(154) 및 트랜스퍼 게이트(122)를 마스크로 해서 1차 N형 이온주입 공정(142)을 실시하여 영상 전하의 센싱을 위한 플로팅 확산 영역으로 사용되는 제 1N영역(132)을 형성한다. 이때, 상기 1차 N형 이온으로는 아세닉(As) 또는 안티몬(Sb)이온 중 어느 하나를 이용한다. 또한, 1차 N형 이온주입 공정(142)에서, 이온 도우즈 (dose)는 2.0E15∼5.0E15 atom/Cm3 범위를 가지고, 30∼60KeV범위의 에너지를 가지고 주입하며, 이온 주입 경사각은 0도로 한다.
이 후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 제 2감광막 패턴을 마스크로 하고 상기 제 1N영역(132)을 포함한 기판 전면에 2차 N형 이온주입 공정(144)을 실시하여 상기 플로팅 확산영역인 제 1N영역(132) 하부에 제 2N영역(134)을 형성한다. 이때, 상기 N형 이온으로는 인(P) 및 아세닉(As)이온 중 어느 하나를 이용한다. 또한, N형 이온주입 공정(144)에서, 이온 도우즈는 2.0E13∼6.0E13 atom/Cm3 범위로 하고, 상기 주입되는 이온을 인(P)으로 하는 경우에는 30∼40KeV 범위의 에너지를 가하며, 상기 주입되는 아세닉(As)으로 하는 경우에는 150∼250KeV 범위의 에너지를 가한다. 한편, N형 이온주입 공정(144)은 이온주입 경사각을 0도로 한다. 즉, 상기 2차 N형 이온주입 공정(144)은 1차 N형 이온주입 공정(142)에 비해 적은 양의 이온 및 큰 에너지를 가지고 진행되며, 제 2N영역(134)은 제 1N영역(132) 하부에 형성된다.
따라서, 본 발명에서는 플로팅 확산영역으로 제 1N영역 및 제 1N영역(132) 하부에 상기 제 1N영역 보다 적은 이온양 및 큰 에너지 공급에 의한 제 2N영역(134)을 형성함으로써, 정션의 깊이를 증가시키고 또한 정션 농도 변화가 완만하게 되어 정션 캐패시턴스를 줄일 수 있다.
이어, 제 2감광막 패턴을 제거하고 나서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 제 1및 제 2N영역(132)(134)을 포함한 기판에 상기 제 1및 제 2N영역(132)(134)은 덮고 상기 포토다이오드 N영역(130)을 포함한 포토다이오드 영역을 노출시키는 제 3감광막 패턴(154)을 형성한다. 그런 다음, 상기 제 3감광막 패턴(154) 및 트랜스퍼 게이트(122)를 마스크로 해서 기판 전면에 P형 이온주입 공정(146)을 실시하여 포토다이오드 N영역(130)의 상부 방향에 포토다이오드 P영역(136)을 형성한다.
그런 다음, 제 3감광막 패턴을 제거한 후, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 포토다이오드 P영역(136)이 형성된 반도체기판(100)의 결과물에 열처리 공정(160)을 진행한다. 이때, 상기 열처리 공정(160)은 질소분위기 하에서 900∼1150℃ 온도와 10∼30초 동안 진행한다. 또한, 상기 열처리 공정(160)에서, 열처리 온도 증가를 위한 속도는 30∼150℃/초 범위를 가지며, 열처리 온도 감소를 위한 속도는 20∼100℃/초 범위를 가진다.
이상에서와 같이, 본 발명은 플로팅 확산영역으로 제 1N영역 및 제 1N영역 하부에 상기 제 1N영역 보다 적은 이온양 및 큰 에너지 공급에 의해 제 2N영역을 형성함으로써, 정션의 깊이를 증가시키고 또한 정션 농도 변화가 완만하게 하여 정션 캐패시턴스를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명은 정션 캐패시턴스가 감소됨에 따라, 포토다이오드의 캐패시턴스의 변화 크기가 감소되는 것이 방지되어 최종적인 이미지의 선명도를 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (9)
- 제 1도전형의 반도체기판의 일부분을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 내에 갭필옥사이드막을 매립하여 소자격리막을 형성하는 단계;상기 소자격리막을 포함한 반도체기판에 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트를 형성하는 단계;상기 게이트 절연막 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 반도체기판에 선택적으로 제 1도전형 이온주입을 실시하여 포토다이오드 제 1영역을 형성하는 단계;상기 트랜스퍼 게이트 측면에 버퍼 산화막 및 절연 스페이서를 형성하는 단계;상기 포토다이오드 제 1도전영역을 덮은 상태에서 상기 트랜스퍼 게이트를 마스크로 해서 제 2도전형 이온을 1차로 주입하여 플로팅 확산 제 1영역을 형성하는 단계;상기 플로팅 확산 제 1영역이 형성된 반도체기판의 결과물에 제 2도전형 이온을 2차로 주입하여 상기 플로팅 확산 제 1영역 하부에 플로팅 확산 제 2영역을 형성하는 단계; 및상기 플로팅 확산 제 1 및 제 2영역을 덮은 상태에서 상기 트랜스퍼 게이트를 마스크로 해서 제 2도전형 이온주입을 실시하여 상기 포토다이오드 제 1영역 상부에 포토다이오드 제 2영역을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 1차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온은 아세닉 및 안티몬 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 1차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온은 30∼60KeV의 에너지를 가지고, 2.0E15∼5.0E15 atom/Cm3 의 도우즈를 가진 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온은 인 및 아세닉 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온은 2.0E13∼6.0E13 atom/Cm3 의 도우즈로 공급하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온으로 인을 사용하며, 30∼40KeV 의 에너지를 가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2도전형 이온을 2차로 주입하는 단계에서 상기 제 2도전형 이온으로 아세닉을 사용하며, 150∼250KeV 의 에너지를 가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2도전형 이온을 2차로 주입한 후에, 상기 플로팅 확산 제 1, 2영역을 포함한 기판에 열처리를 진행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 열처리는 질소분위기 하에서 800∼1150℃ 온도와 10∼30초 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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