KR100929741B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 포토다이오드와 제1불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제1게이트 및 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제2게이트; 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 형성된 절연막을 포함한다.
이미지 센서
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
실시예는 이미지 센서의 포토 다이오드 및 불순물 영역의 표면에 식각에 의한 결함(defect)의 발생을 최소화하여 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 포토다이오드와 제1불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제1게이트 및 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제2게이트; 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 형성된 절연막을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제1게이트 및 제2게이트를 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판에 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판 상에 제1산화막을 형성하고, 상기 제2불순물 영역의 상기 제1산화막 상에 제1질화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1질화막 패턴이 형성된 상기 제1산화막 상에 제2산화막을 형성하는 단계; 제1식각 공정을 진행하여 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 제1산화막 패턴 및 제2산화막 패턴을 형성하고, 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트의 측벽에는 스페이서 를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 포토다이오드 및 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역에 식각에 의한 손상(damage)을 방지하여, 다크(dark) 특성에 따른 소자의 열화를 방지할 수 있으므로 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 포토다이오드와 제1불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제1게이트 및 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제2게이트; 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 형성된 절연막을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제1게이트 및 제2게이트를 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판에 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판 상에 제1산화막을 형성하고, 상기 제2불순물 영역의 상기 제1산화막 상에 제1질화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1질화막 패턴이 형성된 상기 제1산화막 상에 제2산화막을 형성하는 단계; 제1식각 공정을 진행하여 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 제1산화막 패턴 및 제2산화막 패턴을 형성하고, 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트의 측벽에는 스페이서를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막(5)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)를 형성한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 소자 분리막(5)은 상기 반도체 기판(10)에 트렌치를 형성한 후, 절연물질을 매립하여 형성할 수 있다.
상기 제1게이트(25)는 제1산화막 패턴(21) 및 제1폴리실리콘 패턴(23)으로 형성되며, 상기 제2게이트(26)는 제2산화막 패턴(22) 및 제2폴리실리콘 패턴(24)으로 형성된다.
상기 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)는 상기 반도체 기판(10)에 제1산화막 및 제1폴리실리콘막을 형성한 후, 제1식각 공정을 진행함으로써 동시에 형성될 수 있다.
상기 제1게이트(25)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있으며, 상기 제2게이트(26)는 리셋게이트(reset gate)가 될 수 있다.
본 실시예에서 상기 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 상기 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)가 형성된 상기 반도체 기판(10) 상에 제1포토레지스트 패턴(19)을 형성하고, 제1이온주입 공정 및 제2이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(14)를 형성한다.
상기 포토다이오드(14)는 상기 제1포토레지스트 패턴(19)을 마스크로, 제1이온주입 공정을 진행하여 제1불순물 영역(12)을 형성한 후, 제2이온주입 공정을 진행하여 제2불순물 영역(13)을 형성하여 형성된다.
상기 제1불순물 영역(12)은 n형 불순물을 주입하여 형성될 수 있으며, 상기 제2불순물 영역(13)은 p형 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1불순물 영역(12), 제2불순물 영역(13) 및 반도체 기판(10)이 접하여 PNP 포토다이오드로 동작할 수 있다.
이어서, 상기 제1포토레지스트 패턴(19)을 제거한 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 제2포토레지스트 패턴(29)을 형성하고, 제3이온주입 공정을 진행하여 제3불순물 영역(16) 및 제4불순물 영역(18)을 형성한다.
상기 제3불순물 영역(16) 및 제4불순물 영역(18)은 n형 불순물을 주입하여 형성될 수 있으며, 상기 제3불순물 영역(16)은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역으로 동작할 수 있다.
상기 포토다이오드(14)에서 생성된 광전하는 상기 제1게이트(25)에 의해 상기 제3불순물 영역(16)으로 전송되어 회로부로 전송되며, 상기 제2게이트(26)는 다음 신호 검출을 위해 상기 제3불순물 영역(16)에 저장되어 있는 전하를 배출시킬 수 있다.
그리고, 상기 제2포토레지스트 패턴(29)을 제거한 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1게이트(25) 및 제2게이트(26)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제2산화막(31) 및 질화막(32)을 형성한다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 질화막(32)에 제2식각 공정을 진행하여 제1질화막 패턴(34)을 형성한다.
상기 제1질화막 패턴(34)은 상기 제4불순물 영역(18)상의 상기 질화막(32) 상에 제3포토레지스트 패턴(39)을 형성한 후, 제2식각 공정을 진행하여, 상기 제4불순물 영역(18)상의 상기 제2산화막(31) 상에 형성된다.
이때, 상기 포토다이오드(14), 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상의 상기 질화막(32)이 제거될 수 있으며, 상기 제2식각 공정은 건식식각(dry etch) 또는 습식식각(wet etch) 공정으로 진행될 수 있다.
상기 포토다이오드(14) 및 제3불순물 영역(16) 상의 상기 질화막(32)을 제거하는 것은, 후에 상기 제3불순물 영역(16)에 콘택(contact)을 형성할 때 용이하게 해주며, 또한 상기 질화막(32)에 의한 상기 포토다이오드(14)의 감도 저하를 방지할 수 있다.
그리고, 상기 제3포토레지스트 패턴(39)을 제거한 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1질화막 패턴(34)이 형성된 상기 제2산화막(31) 상에 제3산화막(36)을 형성한다.
이때, 상기 제4불순물 영역(18) 상에는 상기 제2산화막(31), 제1질화막 패턴(34) 및 제3산화막(36)이 적층된 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막이 형성된다.
그리고, 상기 포토다이오드, 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상에는 상기 제2산화막(31) 및 제3산화막(36)이 적층된다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제3식각 공정을 진행하여 상기 제4불순물 영역(18) 상의 제2게이트(26) 측벽에 스페이서(40)를 형성한다.
상기 스페이서(40)는 상기 포토다이오드(14), 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상에 제4포토레지스트 패턴(49)을 형성한 후, 제3식각 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
상기 제3식각 공정은 이방성 식각 공정으로 진행되며, 상기 제3식각 공정으로 제5산화막 패턴(51), 제6산화막 패턴(56) 및 스페이서(40)는 동시에 형성된다.
그리고, 상기 스페이서(40)는 상기 제3식각 공정으로 상기 제4불순물 영역(18) 상의 제2게이트(26) 측벽에는 제3산화막 패턴(41), 제2질화막 패턴(44) 및 제4산화막 패턴(46)으로 이루어진 스페이서(40)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 포토다이오드(14), 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상에는 상기 제5산화막 패턴(51) 및 제6산화막 패턴(56)만 남게된다.
이때, 상기 포토다이오드(14), 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상에 제4포토레지스트 패턴(49)이 형성되어, 상기 포토다이오드(14) 및 제3불순물 영역(16)이 식각이 되지 않아, 식각에 의한 손상(damage)을 방지할 수 있다.
상기 포토다이오드(14) 및 제3불순물 영역(16)이 식각에 의해 손상이 발생하면, 소자의 다크(dark) 특성에 큰 영향을 미쳐 소자가 열화된다.
실시예에서는 상기 포토다이오드(14) 및 제3불순물 영역(16)에 상기 제4포토레지스트 패턴(49)을 형성하여, 상기 포토다이오드(14) 및 제3불순물 영역(16)의 손상을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 제4포토레지스트 패턴(49)을 제거하여, 도 8에 도시된 바와 같 이, 상기 제1게이트(25)가 형성된 반도체 기판(10) 상에는 제5산화막 패턴(51) 및 제6산화막 패턴(56)이 형성되고, 상기 제4불순물 영역(18) 상의 제2게이트(26) 측벽에만 스페이서(40)를 형성할 수 있다.
이어서, 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에 금속배선층, 컬러필터 어레이(color filter array) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 그 제조 방법은 포토다이오드 및 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역에 식각에 의한 손상(damage)을 방지하여, 다크(dark) 특성에 따른 소자의 열화를 방지할 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드(14), 제3불순물 영역(16) 및 제4불순물 영역(18)이 형성된 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 제1게이트(25) 및 측벽에 스페이서(40)가 형성된 제2게이트(26); 및 상기 포토다이오드(14), 제1게이트(25) 및 제3불순물 영역(16) 상에 형성된 제5산화막 패턴(51) 및 제6산화막 패턴(56)을 포함한다.
상기 포토다이오드(14)는 제1불순물 영역(12) 및 제2불순물 영역(13)으로 형성된다.
그리고, 상기 제1게이트(25)는 제1산화막 패턴(21) 및 제1폴리실리콘 패턴(23)으로 형성되고, 상기 포토다이오드(14)와 제3불순물 영역(16) 사이의 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 제2게이트(26)는 제2산화막 패턴(22) 및 제2폴리실리콘 패턴(24)으로 형성되고, 상기 제3불순물 영역(16)과 제4불순물 영역(18) 사이의 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 제3불순물 영역(16)은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이 될 수 있다.
상기 스페이서(40)는 상기 제4불순물 영역(18) 상의 상기 제2게이트(26) 측벽에 형성되며, 제3산화막 패턴(41), 질화막 패턴(44) 및 제4산화막 패턴(46)으로 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 포토다이오드 및 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역에 식각에 의한 손상(damage)을 방지하여, 다크(dark) 특성에 따른 소자의 열화를 방지할 수 있으므로 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.
Claims (11)
- 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역이 형성된 반도체 기판;상기 포토다이오드와 제1불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제1게이트 및 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 제2게이트;상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트 측벽에 형성된 스페이서; 및상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 형성된 절연막을 포함하며,상기 스페이서는 상기 제2게이트의 한쪽 측벽에 형성되며,상기 제2게이트 측벽에 형성된 스페이서는 제3산화막, 질화막 및 제4산화막으로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 절연막은 제1산화막 및 제2산화막의 적층으로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제1불순물 영역은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역인 것을 포함하는 이미지 센서.
- 반도체 기판 상에 제1게이트 및 제2게이트를 형성하는 단계;상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판에 포토다이오드, 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 형성하는 단계;상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판 상에 제1산화막을 형성하고, 상기 제2불순물 영역의 상기 제1산화막 상에 제1질화막 패턴을 형성하는 단계;상기 제1질화막 패턴을 포함하는 상기 반도체 기판 전면에 제2산화막을 형성하는 단계;제1식각 공정을 진행하여 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 제1산화막 패턴 및 제2산화막 패턴을 형성하고, 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트의 측벽에는 스페이서를 형성하는 단계를 포함하며,상기 제1게이트는 상기 포토다이오드와 제1불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 제2게이트는 상기 제1불순물 영역과 제2불순물 영역 사이의 반도체 기판 상에 형성된 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판 상에 제1산화막을 형성하고, 상기 제2불순물 영역의 상기 제1산화막 상에 제1질화막 패턴을 형성하는 단계는,상기 제1 및 제2게이트가 형성된 반도체 기판 상에 제1산화막을 형성하는 단계;상기 제1산화막 상에 질화막을 형성하는 단계; 및상기 제2불순물 영역 상에 제1포토레지스트 패턴을 형성하고, 제2식각 공정을 진행하여 상기 제2불순물 영역 상에 제1질화막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 제2식각 공정은 건식 식각 또는 습식 식각 공정으로 진행되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,식각 공정을 진행하여 상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 제1산화막 패턴 및 제2산화막 패턴을 형성하고, 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트의 측벽에는 스페이서를 형성하는 단계는,상기 포토다이오드, 제1게이트 및 제1불순물 영역 상에 제2포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 반도체 기판에 제3식각 공정을 진행하여 상기 제2불순물 영역 상의 상기 제2게이트의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1산화막 패턴, 제2산화막 패턴 및 스페이서는 동시에 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 스페이서는 상기 제1산화막, 제1질화막 패턴 및 제2산화막을 패터닝하여 형성된 제3산화막 패턴, 제2질화막 패턴 및 제4산화막 패턴으로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1불순물 영역은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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