KR100982604B1 - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 위에 소자분리부, 게이트가 형성되는 단계; 상기 소자분리부 및 상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 N형 불순물 영역이 형성되는 단계; 상기 소자분리부, 상기 게이트, 상기 N형 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판 전체 영역에 희생산화막을 형성하는 단계; 상기 N형 불순물 영역의 표면에 소정 깊이로 P형 불순물 영역을 형성하는 단계; 및 상기 P형 불순물 영역을 어닐링처리하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, P형 불순물 영역이 확산되어 접합 깊이가 확장되는 현상을 방지하고, P형 불순물 영역의 도핑 농도를 높임으로써 전자 이동도 및 빛 투과율을 향상시킬 수 있으므로, 포토 다이오드의 전기적, 광학적 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
이미지 센서, 포토 다이오드, P형/N형 불순물 영역, 확산 현상

Description

이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법{Image sensor and manufacturing method of image sensor}
실시예는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
CMOS 이미지 센서의 경우 포토 다이오드가 형성된 기판, 상기 기판 위에 형성되고, 컨택 플러그, 금속 배선 등을 포함하는 다수의 절연층, 질화막층, 컬러필터층, 마이크로 렌즈 등을 포함하여 이루어진다.
포토 다이오드 영역을 형성함에 있어서, BF2+ 이온을 주입하여 기판의 N형 불순물 영역의 상측 표면에 P형 불순물 영역을 얕게 형성하는데, 이는 외부로부터 입사된 빛에 의하여 형성된 전자들이 기판 표면의 결함에 의하여 손실되는 것을 방지하기 위함이다.
그러나, 얕은 깊이로 상기 P형 불순물 영역을 형성하기 위하여 BF2+ 이온을 낮은 에너지로 주입한다고 하여도, 이온 주입 공정 후의 열처리 과정에서 P형 불순물 영역의 접합 깊이가 깊어지고 측면으로도 확산된다.
이러한 현상은 보론 이온이 매우 높은 확산 속도를 가지기 때문이며, P형 불순물 영역의 접합 깊이는 N형 불순물 영역의 면적을 감소시켜 공핍(depletion) 영역에 영향을 주게 되므로 포토 다이오드의 전기적 특성이 저해되는 요인이 된다.
실시예는 포토 다이오드의 N형 불순물 영역의 표면에 P형 불순물 영역을 형성시킴으로써 전자들이 기판 표면의 결함에 의하여 손실되는 것을 방지할 수 있고, P형 불순물 영역이 확산되어 접합 깊이가 확장되는 현상을 방지함으로써 포토 다이오드의 전기적, 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 의한 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 소자분리부; 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 소자분리부 및 상기 게이트 사이에 형성된 N형 불순물 영역; 상기 N형 불순물 영역 표면에 소정 깊이로 형성된 P형 불순물 영역; 상기 소자분리부, 게이트, N형 불순물 영역, P형 불순물 영역 위에 형성된 희생산화막을 포함한다.
실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 위에 소자분리부, 게이트가 형성되는 단계; 상기 소자분리부 및 상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 N형 불순물 영역이 형성되는 단계; 상기 소자분리부, 상기 게이트, 상기 N형 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판 전체 영역에 희생산화막을 형성하는 단계; 상기 N형 불순물 영역의 표면에 소정 깊이로 P형 불순물 영역을 형성하는 단계; 및 상기 P형 불순물 영역을 어닐링처리하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실시예는 포토 다이오드의 N형 불순물 영역의 표면에 P형 불순물 영역을 형성시킴으로써 전자들이 기판 표면의 결함에 의하여 손실되는 것을 방지할 수 있다.
둘째, P형 불순물 영역이 확산되어 접합 깊이가 확장되는 현상을 방지하고, P형 불순물 영역의 도핑 농도를 높임으로써 전자 이동도 및 빛 투과율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 포토 다이오드의 전기적, 광학적 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관하여 상세히 설명한다.
이하, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되므로 본 발명의 기술적 사상과 직접적인 관련이 있는 핵심적인 구성부만을 언급하기로 한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 N형 불순물 영역(120)이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100)의 소정 부분에 트렌치가 형성되고, 상기 트렌치가 매립되도록 하여 상기 반도체 기판(100) 위에 산화막을 형성한다.
이후, 상기 반도체 기판(100)의 표면이 노출되도록 산화막을 평탄화하여 소자분리부(115)를 형성한다.
상기 소자분리부(115)가 형성된 후, 상기 반도체 기판(100)의 영역 중 트랜지스터들이 형성될 예정인 구동 영역에 P형 이온이 저농도 도핑되어 P형 웰(110)을 형성한다.
이어서, 반도체 기판(100)의 전체 영역에 걸쳐 게이트 절연막 및 게이트 실리콘막이 순차적으로 형성된 후, 게이트 절연막 및 게이트 실리콘막은 패터닝 되어 게이트 절연막 패턴(132) 및 상기 게이트 절연막 패턴(132) 상에 형성된 게이트(134)가 형성된다.
이어서, 구동 영역은 포토레지스트 패턴(PR)에 의하여 덮인 상태에서 포토 다이오드 영역에 선택적으로 N형 불순물이 저농도 이온 주입되어, 포토 다이오드 영역(A)에 N형 불순물 영역(120)을 형성한다.
상기 N형 불순물 영역(120), 즉 포토 다이오드(A)가 형성된 후, 구동 영역을 덮고 있던 포토레지스트 패턴(PR)은 제거되고, 포토다이오드 영역을 선택적으로 덮는 포토레지스트 패턴(PR)이 형성된 후, 구동 영역에 N형 불순물이 저농도 이온 주입되어 일측에 포토 다이오드(A)가 형성된 게이트(134)의 타측에는 저농도 드레인(122)이 형성된다.
이때, 반도체 기판(100) 상면에는 포토 다이오드(A) 및 게이트(134)를 덮는 절연막이 형성되고, 에치 백(etch back) 등의 공정에 의하여 식각됨으로써 상기 게이트(134)의 양측면에는 게이트 스페이서(도시되지 않음)가 형성될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 희생산화막(140)이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도이다.
이후, RTO(Rapid Thermal Oxidation) 공정 또는 퍼니스 열처리 공정을 통하여 N형 불순물 영역(120), 저농도 드레인(122), 상기 게이트(134), 상기 게이트 절연막 패턴(132), 상기 소자분리부(115)를 포함하는 상기 반도체 기판(100) 전체 영역에 희생산화막(140)을 형성한다.
예를 들어, 상기 희생산화막(140)은 약 20Å 내지 60Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 P형 불순물 영역(160)이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도이다.
상기 희생산화막(140)이 형성되면, 상기 소자분리부(115)와 상기 게이트(134) 사이의 기판 영역을 노출시키는 포토 레지스트 패턴(150)을 형성하고, 상기 포토 레지스트 패턴(150)을 마스크로 이용하여 이온 주입 공정을 처리한다.
이때 주입되는 이온으로는 In+ 이온이 이용될 수 있으며, 약 512dose/cm2 내지 112dose/cm2의 양으로 이온을 주입한다. 또한, 약 10 keV 내지 20 KeV의 이온 주 입 에너지를 공급한다.
따라서, 상기 소자분리부(115)와 상기 게이트(134) 사이의 기판 영역, 즉 상기 N형 불순물 영역(120)의 표면을 따라 P형 불순물 영역(160)이 형성될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 P형 불순물 영역(160)에 어닐링 공정이 처리되는 형태를 모식화한 도면이다.
상기 P형 불순물 영역(160)이 형성되면, 상기 포토 레지스트 패턴(150)을 제거하고, 상기 반도체 기판(100) 전면에 약 10초 내지 30초 동안 약 1000℃ 내지 1100℃의 온도로 RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정을 처리한다.
이처럼, 실시예는 첫째, P형 불순물 영역(160)을 형성하기 전에 얇은 희생산화막(140)을 형성하고, 둘째, 기존보다 높은 농도의 P형 불순물을 주입하며, 셋째, RTA 공정을 통하여 후속 열처리 과정에서 P형 불순물 영역(160)의 접합 깊이가 두꺼워지는 것을 억제한다.
따라서, 실시예에 의하면, P형 불순물 영역(160)의 도핑 농도를 높일 수 있고, 확산에 의하여 접합 깊이가 두꺼워지는 것을 억제할 수 있으므로 광투과율이 향상되고, 포화 전류(Saturaion Current) 특성과 같은 포토 다이오드의 동작 특성을 개선시킬 수 있다.
참고로, 상기 게이트(134)를 포함한 트랜지스터 영역은 포토 다이오드(A)에서 발생된 전기신호를 축적하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)에 축적된 전기신호를 저장하는 부유 확산(FD; Floating Diffusion)층, 부유 확산층(FD)으로 전원을 인가하는 리셋 트랜지스터(Rx), 부유 확산층(FD) 에 전기신호가 저장됨에 따라 게이트 전위가 변화되고, 전기신호를 인가하는 억세스 트랜지스터(Ax), 억세스 트랜지스터(Ax)에 의하여 인가된 전기신호를 출력하는 셀렉터 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 이미지 센서가 완성된 후의 형태를 예시한 측단면도이다.
상기 P형 불순물 영역(160)의 열처리 공정이 끝나면, 컨택 플러그(220), 금속 배선(210) 등이 포함된 다수의 절연층(200, 300, 400)을 형성하고, 상기 절연층(200, 300, 400) 위에 컬러필터층(500)을 형성한다.
이때, 상기 컬러필터층(500)과 절연층(400) 사이에 나이트라이드(Nitride)층(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 포토 다이오드(A)의 영역에 대응되도록 하여 상기 컬러필터층(500) 위에 마이크로 렌즈(600)가 형성된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 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 1은 실시예에 따른 N형 불순물 영역이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도.
도 2는 실시예에 따른 희생산화막이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 P형 불순물 영역이 형성된 후의 이미지 센서의 구조를 도시한 측단면도.
도 4는 실시예에 따른 P형 불순물 영역에 어닐링 공정이 처리되는 형태를 모식화한 도면.
도 5는 실시예에 따른 이미지 센서가 완성된 후의 형태를 예시한 측단면도.

Claims (8)

  1. 반도체 기판 위에 소자분리부, 게이트 절연막, 게이트가 형성되는 단계;
    상기 소자분리부 및 상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 N형 불순물 영역이 형성되는 단계;
    상기 소자분리부, 상기 게이트, 상기 N형 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판 전체 영역 위에 희생산화막을 형성하는 단계;
    상기 N형 불순물 영역의 표면에 소정 깊이로 P형 불순물 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 P형 불순물 영역을 어닐링처리하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 희생산화막은
    RTO(Rapid Thermal Oxidation) 공정 또는 퍼니스 열처리 공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 희생산화막은
    20Å 내지 60Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 P형 불순물 영역은
    첫째, In+ 이온을 이용하는 조건, 둘째, 512dose/cm2 내지 112dose/cm2의 양의 이온을 주입하는 조건, 셋째, 10 keV 내지 20 KeV의 이온 주입 에너지를 공급하는 조건 중 하나 이상의 조건을 만족하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 P형 불순물 영역은
    상기 반도체 기판의 전면에 약 10초 내지 30초 동안 약 1000℃ 내지 1100℃의 온도로 RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정이 처리되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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KR20040057936A (ko) * 2002-12-25 2004-07-02 토레센티 테크노로지즈 가부시키가이샤 포토다이오드 및 이미지 센서
KR100797278B1 (ko) * 2003-07-07 2008-01-23 마이크론 테크놀로지, 인크 캐리어 이동성 및 이미져의 청색 반응을 향상시키기 위한스트레인드 실리콘층을 가지는 픽셀

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