KR100934054B1 - Ｃｍｏｓ 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 암전류를 제어하기 위해 PMD에 액상의 HSQ를 적용한 CMOS 이미지 센서 제조방법을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 포토 다이오드와 하부구조 및 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 반도체 기판 준비 단계, 상기 반도체 기판 상부에 BPSG를 증착하는 BPSG 형성 단계, 상기 BPSG가 형성된 상기 반도체 기판을 열처리하는 어닐링 단계, 상기 BPSG 상부에 액상의 HSQ를 코팅하는 HSQ 코팅 단계, 코팅된 상기 HSQ를 큐어링하는 HSQ 큐어링 단계, 상기 HSQ 및 상기 BPSG를 패터닝하여 콘택홀을 형성하는 패터닝 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명을 통해, 실리콘 표면의 댕글링 본드에 의해 발생되는 암전류를 효과적으로 제어하고, 공정을 단순화하는 효과가 있다.
HSQ, BPSG, 댕글링 본드, 암전류, CMOS 이미지 센서
Description
본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암전류를 제어하기 위해 PMD에 액상의 HSQ를 적용한 CMOS 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변화시키는 반도체 소자로써, 특히 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼 MOS 트랜지스터(Transistor)를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 CMOS 이미지 센서의 동작특성을 저하시키는 원인으로 암전류(Dark Currents) 발생을 들 수 있다.
암전류는 빛이 없는 곳에서 아주 미약하게 흐르는 전류 즉, 무신호시에 흐르는 전류로써, 발생원인으로는 포토 다이오드(Photo Diode)와 인접한 셀로우 트랜치 격리영역(Shallow Trench Isolation ; STI) 계면 및 부근의 결정 결함(Defect), 포토 다이오드 계면의 댕글링 본드(Dangling Bond), 게이트(Gate) 하부 실리콘(Si) 계면의 댕글링 본드, 포토 다이오드 공핍(Depletion) 영역내의 결정결함 또는 금속오염(Metal Contamination), p++층과 p- epi층 경계의 결정결함에 의하여 포토 다이오드로 유입된 전자 등이 있다.
이러한 암전류를 제어하기 위해, 종래 CMOS 이미지 센서는 실란(SiH4) 계열의 PMD(Pre-Metal Dielectric), IMD(Inter Metal Dielectric) 재료를 사용하거나 최종 금속배선 형성(Metallization)이 완료된 후, 수소(Hydrogen) 분위기에서의 어닐링(Annealing)를 통해 수소를 실리콘 기판의 댕글링 본드에 확산 및 결합(Diffusion & Bonding)시켜 결정결함, 특히, 게이트 산화막과 실리콘 계면의 계면상태로부터 생기는 양전하(Interface Trap Charge)의 전하밀도를 줄임으로써, 암전류와 노이즈(Noise)를 감소시켜왔다.
그러나 상기 수소 어닐링 공정의 경우, 400℃ 내지 450℃의 온도 범위, 10분 내지 2시간 범위의 유지시간에 따라 공정을 진행해야 하는 바, 이러한 공정 조건으로 인해 여러 가지 문제를 유발하게 된다.
상기 수소 어닐링 조건에서 발생되는 가장 대표적인 결함으로는 도 4에 도시한 바와 같은 서클결함(Circle Defect)이 있다.
상기 서클결함은 420℃ 이상의 수소분위기 하의 어닐링 온도에서 유지시간이 20분이 경과하게 되면, 층간 점착력(Adhesion)이 스트레스(Stress)등의 이유로 약 화되어 필링(Peeling)이 일어나 발생되는 결함이다.
상술한 바와 같이, 종래의 CMOS 이미지 센서에서는 암전류를 제어하기 위해 수소 어닐링 공정을 추가하게 되는데, 이는 이전 공정에서는 발생되지 않는 새로운 결함인 서클결함을 동반하게 된다.
따라서 종래의 CMOS 이미지 센서 제조 공정으로는 암전류를 제어하는데 한계가 있다.
상기한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 기술적 과제는 암전류를 제어하기 위해 PMD에 액상의 HSQ를 적용한 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법은 포토 다이오드와 하부구조 및 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 반도체 기판 준비 단계, 상기 반도체 기판 상부에 BPSG를 증착하는 BPSG 형성 단계, 상기 BPSG가 형성된 상기 반도체 기판을 열처리하는 어닐링 단계, 상기 BPSG 상부에 액상의 HSQ를 코팅하는 HSQ 코팅 단계, 코팅된 상기 HSQ를 큐어링하는 HSQ 큐어링 단계, 상기 HSQ 및 상기 BPSG를 패터닝하여 콘택홀을 형성하는 패터닝 단계를 포함한다.
여기서, 상기 HSQ는 2000Å 내지 4000Å의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 HSQ 큐어링 단계는 상기 HSQ를 실리콘 산화막으로 변환시키기 위하여 질소 분위기에서, 처리온도는 400℃ 내지 700℃, 처리시간은 1분 내지 120분의 조건으로 큐어링하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 HSQ 큐어링 단계는 HSQ의 적어도 하나 이상의 - H가 포토 다이오드용 불순물 영역의 표면으로 확산하여 상기 표면의 댕글링 본드와 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 BPSG는 플라즈마를 이용한 화학기상증착법으로 3000Å 내지 3500Å의 두께로 증착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 통해 실리콘 표면의 댕글링 본드에 의해 발생되는 암전류를 효과적으로 제어 할 수 있다.
또한, 액상의 HSQ를 적용함으로써, 화학기계연마 및 어닐링 공정을 생략할 수 있어 공정을 단순화하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다. 이하의 실시예들에서는 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 사용하기로 하며, 동일한 구성요소의 중복되는 설명은 가능한 하지 않기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2a 내지 2f는 도 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 HSQ의 분자 구조식이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 제조하기 위해서는 먼저, 반도체 기판(100)을 준비한다.
반도체 기판 준비 단계(S1)는 고농도인 p++층과 p-epi층이 적층되고, 상기 p-epi층에 국부적으로 소자분리막(110) 형성이 완료된 p형 반도체 기판(100) 상에 상기 소자분리막(110)과 이격된 영역에 게이트 절연막(120) 및 게이트 전극(130)을 순차적으로 형성한다.
다음으로, 상기 반도체 기판(100) 전면에 감광막(미도시)을 도포한 다음, 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 포토다이오드용 불순물 영역(p0)을 정의하는 감광막 패턴(미도시)을 형성하는데, 이때, 상기 감광막 패턴(미도시)은 상기 게이트 전극(130)을 노출시키지 않는다.
다음으로, 상기 감광막 패턴(미도시)을 이온주입 마스크로 이용하여 n형의 불순물 이온을 주입하여, 상기 소자분리막(110)과 상기 게이트 전극(130)에 접하는 저농도의 불순물 영역(n-)을 상기 반도체 기판(100) 내부에 소정의 깊이로 형성한다.
다음으로, 스트립(Strip) 공정으로 상기 감광막 패턴(미도시)을 제거한 후, 실리콘 질화막(미도시)을 상기 반도체 기판(100) 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 상기 게이트 절연막(120) 및 게이트 전극(130)의 측벽에 스페이서(Spacer)(140)를 형성한다.
다음으로, 이온주입을 실시하여 상기 저농도 불순물 영역(n-)의 상부와 상기 반도체 기판(100) 표면에 접하는 포토 다이오드용 불순물 영역(p0)을 형성한다.
다음으로, 소스 및 드레인 형성을 위해 상기 게이트 전극(130)의 드레인 영역에 고농도의 불순물 이온을 선택적으로 주입하여 고농도의 불순물 영역(n+)을 형성한다.
상기와 같은 공정을 통해, 반도체 기판 준비 단계(S1)가 완료되면, 상기 게 이트 전극(130)과 후속 공정에 의해 형성되는 금속층(미도시) 간의 전기적 절연을 위하여 PMD(Pre Metal Dielectric)를 형성하는 공정을 진행한다.
여기서, 상기 PMD는 BPSG(150), HSQ(160)로 구성된다.
먼저, 도 2b에 도시한 바와 같이, PMD 형성을 위한 BPSG 형성 단계(S2)는 상기 반도체 기판(100) 전면에 플라즈마(Plasma)를 이용한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방법으로 BPSG(Boro Phosphorous Silicate Glass)(150)를 증착한다.
이때, 상기 BPSG(150)는 3000 Å 내지 3500 Å 두께가 되도록 증착하는 것이 바람직하다.
종래에는 상기 BPSG(150)를 6000 Å 내외로 증착한 후 화학기계연마를 통해 3000 Å 내지 3500 Å 두께로 연마하였지만 본 발명에서는 상기 화학기계연마 공정이 생략되므로, 처음부터 형성될 최종 두께만큼 증착한 것이다.
즉, 설계된 CMOS 이미지 센서의 전체 높이와, 후속 공정으로 형성될 HSQ(160)의 형성 두께 등과의 상관관계를 고려한 것이다.
이어, 도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(100) 전면에 상기 BPSG (150)를 증착하는 공정이 완료되면, 어닐링(Annealing)을 진행한다.
어닐링 단계(S3)는 전열처리 공정으로, 소자의 저항 특성(Resistance Property)을 안정화하고, 유기물과 같은 불순물을 제거하여, 후속 공정의 원활한 진행을 위한 공정이다.
이어, 도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 어닐링 단계(S3)가 완료되면, 상기 BPSG(150) 전면에 HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)(160)를 스핀 코팅(Spin Coating) 방법으로 코팅하는 HSQ 코팅 단계(S4)를 진행한다.
이때, 상기 HSQ(160)는 2000Å 내지 4000Å의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 HSQ(160)의 두께 또한 상기 BPSG(150)와 마찬가지로 최종 형성될 두께를 코팅하여 형성한 것으로, 설계된 CMOS 이미지 센서의 최종 높이에 대한 상기 BPSG(150)의 증착 두께를 고려하여 형성한 것이다.
여기서, 종래에는 상기 도 2c의 어닐링 단계(S3) 다음에 상기 BPSG(150)를 평탄화하기 위해 화학기계연마 공정으로 상기 BPSG(150)의 일부를 제거했으며, 또한, 상기 화학기계연마 공정 후에 다시 재 어닐링 공정을 진행하였다.
그러나 실리콘층인 포토다이오드용 불순물 영역(p0)의 표면(Surface)은 실리콘(Si) 하나에 산소(O) 두 개가 붙어있어야(O-Si-O) 안정적인 상태(Stable State)를 유지할 수 있는데, 상기 화학기계연마 공정이나 패턴 형성을 위한 포토리소그래피 공정 등의 식각 공정으로 인해, 상기 포토다이오드용 불순물 영역(p0) 표면의 결합이 손상(Damage)되어 (-Si-O)나 (-Si-)와 같은 결합 불포화 상태인 댕글링 본드가 발생하게 된다.
여기서, 상기 댕글링 본드는 광에 의한 입력이 없어도 열적으로(Thermal) 전하를 발생시키기 쉬운 상태에 있으므로, 상기 댕글링 본드가 다수 존재하면 빛이 없는 어두운 상태에서도 이미지 센서가 마치 광이 들어오는 듯한 반응을 보이는 비 정상적인 상태를 보이는 바, 이때 흐르는 전류가 암전류(Dark Current)인 것이다.
따라서, PMD 형성에 있어서, 종래에 캡핑막(Capping Layer)으로 사용하던 실란(SiH4) 계열의 산화막 대신 도 3에 도시한 분자 구조식과 같이, -H가 풍부한 HSQ(160)를 PMD에 적용하여 암전류를 제어하는 것이 본 발명의 핵심이다.
이어, 도 2e에 도시한 바와 같이, HSQ 큐어링 단계(S5)는 먼저, 코팅된 상기 HSQ(160)에 대해 베이크(Bake) 공정을 실시한다.
상기 베이크 공정은 큐어링(Curing) 공정을 진행하기 전에 전열처리하는 공정으로 상기 HSQ(160)를 평탄화시키고, 안정화시키기 위해 먼저 진행한다.
다음으로, 큐어링 공정은 상기 HSQ(160)를 실리콘 산화막으로 변화시키기 위하여 질소(N2) 분위기에서 열처리한다.
이때, 열처리 온도는 400℃ 내지 700℃, 처리시간은 1분 내지 120분의 조건으로 큐어링 공정을 진행한다.
즉, 상기 HSQ(160)에 대한 큐어링 공정을 통해, HSQ(160)의 - H가 포토다이오드용 불순물 영역(p0)의 표면으로 확산(Diffusion)하여 댕글링 본드와 결합함으로써, 댕글링 본드를 없애고, 이로 인해 암전류를 제어하게 되는 것이다.
또한, 액상(Liquid Phase)의 상기 HSQ (160)를 적용하면, BPSG(150)에 대한 화학기계연마 공정 및 어닐링 공정을 생략할 수 있게 되어 제조 공정을 단순화할 수 있다.
한편, 도 2f에 도시한 바와 같이, 패터닝 단계(S6)는 소스 및 드레인 영 역(n+)에 콘택되는 금속층을 후속 공정으로 형성하기 위하여 상기 HSQ(160) 및 상기 BPSG(150)를 패터닝하여 콘택홀(170)을 형성한다.
또한, 도시하지는 않았지만, 후속 공정으로 상부의 칼라 필터 어레이(Color Filter Array)와 마이크로 렌즈(Micro-lens)를 형성함으로써, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 완료하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경할 수 있다는 것은 이 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2a 내지 2f는 도 1에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 HSQ의 분자 구조식.
도 4는 종래기술에 따른 수소 어닐링 공정으로 인해 발생된 서클결함 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 ; 반도체 기판 110 ; 소자분리막
120 ; 게이트 절연막 130 ; 게이트 전극
140 ; 스페이서 150 ; BPSG
160 ; HSQ 170 ; 콘택홀
Claims (5)
- 포토 다이오드와 하부구조 및 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 반도체 기판 준비 단계;상기 반도체 기판 상부에 BPSG를 증착하는 BPSG 형성 단계;상기 BPSG가 형성된 상기 반도체 기판을 열처리하는 어닐링 단계;상기 BPSG 상부에 액상의 HSQ를 코팅하는 HSQ 코팅 단계;코팅된 상기 HSQ를 큐어링하는 HSQ 큐어링 단계; 및상기 HSQ 및 상기 BPSG를 패터닝하여 콘택홀을 형성하는 패터닝 단계;를 포함하고,상기 HSQ 큐어링 단계는 HSQ의 적어도 하나 이상의 - H가 포토 다이오드용 불순물 영역의 표면으로 확산하여 상기 표면의 댕글링 본드와 결합하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 HSQ는 2000Å 내지 4000Å의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 HSQ 큐어링 단계는 상기 HSQ를 실리콘 산화막으로 변환시키기 위하여 질소 분위기에서, 처리온도는 400℃ 내지 700℃, 처리시간은 1분 내지 120분의 조건으로 큐어링하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 BPSG는 플라즈마를 이용한 화학기상증착법으로 3000Å 내지 3500Å의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
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