KR101024825B1 - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판에 소자분리영역을 형성하고, 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 다수의 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 상기 소자분리영역 사이의 상기 반도체 기판 영역에 포토 다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 위에 질화막을 형성하여 상기 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 인장 응력을 가하는 단계: 상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 부유확산층이 형성되는 단계; 상기 포토 다이오드 위의 질화막이 제거되고, 상기 포토 다이오드 위에 산화막이 형성되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 포토 다이오드에서 생성된 전자가 트랜스퍼 트랜지스터를 경유하여 부유확산층으로 전달되는 과정에서 전자의 이동도를 높일 수 있으므로, 이미지 센서의 동작 전압을 낮출 수 있고, 동작 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이미지 센서, 트랜스퍼 트랜지스터, 부유확산층, 포토 다이오드
Description
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 반도체 영역은 크게 포토 다이오드 영역과 트랜지스터 영역으로 구분되는데, 포토 다이오드 영역은 광을 전자로 변환하고, 트랜지스터 영역은 이미지 센서를 구동시키는 회로를 구성한다.
포토 다이오드 영역은 이미지 센서의 핵심되는 영역으로서, 일반적으로 As 이온이 주입되어 N형 영역으로 형성되며, 외부로부터 입사된 빛을 전기신호로 변환한다.
포토 다이오드에서 생성된 전자들은 전기신호가 축적되는 트랜스퍼 트랜지스터를 경유하여 부유확산층으로 흐르는데, 트랜스퍼 트랜지스터를 통과하는 속도, 채널 통과량이 충분하지 못하면 이미지 센서의 동작이 저하되는 문제점이 있다.
가령, 게이트 전극은 자체 저항 성분에 의한 정전 용량을 가지며, 저항 및 정전 용량의 영향에 의하여 트랜지스터의 동작 속도가 저하되고, 높은 전력이 소모된다.
즉, 트랜스퍼 트랜지스터의 저항 성분 및 정전용량은 포토 다이오드에서 생성된 전자들이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 의하여 형성된 채널을 통과하는 시간 및 통과량에 영향을 주므로, 이미지 센서의 동작 특성을 향상시키는데 한계적인 요인으로 작용된다.
실시예는 포토 다이오드에서 생성된 전자가 트랜스퍼 트랜지스터를 경유하여 부유확산층으로 전달되는 과정에서 전자의 이동도를 높임으로써 이미지 센서의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리영역이 형성된 반도체 기판; 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 형성된 다수의 게이트; 상기 게이트 및 상기 소자분리영역 사이의 상기 반도체 기판 영역에 형성된 포토 다이오드; 상기 다수의 게이트 사이에 형성된 부유확산층; 및 상기 게이트, 상기 부유확산층을 포함한 상기 반도체 기판의 트랜지스터 영역에 형성되어 인장 응력을 가하는 질화막을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판에 소자분리영역을 형성하고, 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 다수의 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 상기 소자분리영역 사이의 상기 반도체 기판 영역에 포토 다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 위에 질화막을 형성하여 상기 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 인장 응력을 가하는 단계: 상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 부유확산층이 형성되는 단계; 상기 포토 다이오드 위의 질화막이 제거되고, 상기 포토 다이오드 위에 산화막이 형 성되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 포토 다이오드에서 생성된 전자가 트랜스퍼 트랜지스터를 경유하여 부유확산층으로 전달되는 과정에서 전자의 이동도를 높일 수 있으므로, 이미지 센서의 동작 전압을 낮출 수 있고, 동작 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 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 포토 다이오드(120) 및 트랜지스터(140, 150)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
상기 트랜지스터 영역은 다수의 트랜지스터를 포함하는데, 포토 다이오드에서 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), 부유확산층(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 1에는 포토 다이오드(120), 트랜스퍼 트랜지스터(140) 및 리셋 트랜지스터(150)가 도시되어 있으며, 이하 트랜지스터 영역을 설명함에 있어서, 상기 두개의 트랜지스터(140, 150)를 예로 들어 설명한다.
상기 셀렉트 트랜지스터(Sx), 상기 억세스 트랜지스터(Ax), 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
반도체 기판(100)에 트렌치(trench)를 형성하고, 트렌치 내부에 산화물을 매립하여 다수의 소자분리영역(110)을 형성한다.
상기 소자분리영역(110)이 형성된 상기 반도체 기판(100) 위에 절연층과 폴리실리콘층을 순서대로 적층하고, 트랜스퍼 트랜지스터(140) 및 리셋 트랜지스터(150) 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴을 형성한다.
상기 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 절연층 및 상기 폴리실리콘층을 식각함으로써 상기 트랜스퍼 트랜지스터(140)를 구성하는 제1 게이트 절연막(144), 제1 게이트(142)를 형성하고, 상기 리셋 트랜지스터(150)를 구성하는 제2 게이트 절연막(154), 제2 게이트(152)를 형성한다.
이어서, 상기 제1 게이트(142)까지를 포함한 트랜지스터 영역에 포토레지스트 패턴을 형성하고, N형 도전성 불순물을 저농도로 도핑하여 포토 다이오드(120)를 형성한다.
상기 포토 다이오드(120)가 형성되면, P형 도전성 불순물을 도핑하여 이온주입층(130)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다.
상기 제1 게이트(142)와 상기 제2 게이트(152)의 양측벽에 스페이서(146, 156)를 형성하고, 상기 소자분리영역(110), 상기 포토 다이오드(120), 상기 제1 게이트(142), 상기 제2 게이트(152)를 포함한 상기 반도체 기판(100) 전면에 질화막(160)을 형성한다.
상기 질화막(160)은 이후 형성될 부유확산층(도 2 참조; 170) 및 트랜지스터 영역, 특히 트랜스퍼 트랜지스터 영역에 인장 응력(Tensile Stress)을 가하기 위하여 적층되며, 가령 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 기술을 이용하고, 200Å 내지 500Å의 두께로 증착될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 부유확산층(170)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
이어서, 상기 제1 게이트(142)와 상기 제2 게이트(152) 사이가 개구된 포토레지스트 패턴(180)을 형성하고, P형 불순물 이온, 가령 P+ 이온을 주입하여 상기 부유확산층(170)을 형성한다.
이때, 상기 부유확산층(170)은 10keV 내지 20keV의 이온 주입 에너지가 공급 된 상태에서, 1E15 dose/cm2 내지 5E15 dose/cm2의 양으로 주입될 수 있다.
상기 부유확산층(170)이 형성되면, 상기 포토레지스트 패턴(180)을 제거한다.
도 3은 실시예에 따른 포토 다이오드(120) 위의 질화막(160)이 제거된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
이어서, 상기 포토 다이오드(120) 영역을 개방시키는 포토레지스트 패턴(182)을 형성하고, 식각 공정을 처리하여 상기 포토 다이오드(120) 위에 형성된 상기 질화막(160)을 제거한다.
상기 포토 다이오드(120) 위에 형성된 상기 질화막(160)이 제거되는 것은 상기 포토 다이오드(120)로 입사되는 빛의 손실을 최소화하기 위함이다.
도 4는 실시예에 따른 포토 다이오드(120) 위에 산화막(190)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(182)을 제거하고, 상기 반도체 기판(100)을 열처리하여, 상기 포토 다이오드(120)의 상측 일부에 산화막(190)을 형성한다.
상기 열처리 공정은 RTO(rapid thermal oxidation) 기술에 의하여 처리될 수 있으며, 상기 산화막(190)은 20Å 내지 40Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 산화막(190)은 포토 다이오드 상부에 발생된 격자 결함을 제거하는 역할을 한다.
이후, 상기 부유확산층(170), 상기 제1 게이트(142) 또는 상기 제2 게이트(152) 부분의 상기 질화막(160) 일부가 제거되고, 이 부분을 통하여 상기 부 유확산층(170), 상기 제1 게이트(142) 또는 상기 제2 게이트(152)와 전기적으로 연결되는 컨택 플러그을 포함하는 층간 절연막이 형성된다.
또한, 상기 층간 절연막은 다수의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 컨택 플러그와 연결되는 금속 배선이 형성된다.
상기 층간 절연막 위에 컬러필터층, 보호층이 순서대로 형성되고, 상기 포토 다이오드(120)에 수직하게 대응되는 상기 보호층 위에 마이크로 렌즈가 형성됨으로써 실시예에 따른 이미지 센서가 완성될 수 있다.
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 포토 다이오드 및 트랜지스터가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
도 2는 실시예에 따른 부유확산층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 포토 다이오드 위의 질화막이 제거된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
도 4는 실시예에 따른 포토 다이오드 위에 산화막이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
Claims (14)
- 반도체 기판에 소자분리영역을 형성하고, 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 다수의 게이트 절연막 및 게이트를 형성하는 단계;상기 게이트 및 상기 소자분리영역 사이의 상기 반도체 기판 영역에 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 포토 다이오드 상부에 이온주입층을 형성하는 단계;상기 게이트 양측벽에 스페이서를 형성하는 단계;상기 이온주입층, 상기 게이트 및 상기 스페이서를 포함한 상기 반도체 기판 위에 질화막을 형성하여 상기 트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 인장 응력을 가하는 단계;상기 게이트 사이의 상기 반도체 기판 영역에 부유확산층이 형성되는 단계;상기 포토 다이오드 위의 질화막이 제거되고, 상기 포토 다이오드 위에 격자 결함을 제거하기 위한 산화막이 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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- 제1항에 있어서, 상기 질화막은200Å 내지 500Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 부유확산층은P+ 이온을 주입하는 조건, 10keV 내지 20keV의 이온 주입 에너지를 공급하는 조건, 1E15 dose/cm2 내지 5E15 dose/cm2의 이온 주입량 조건 중 하나 이상의 조건을 충족하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 부유확산층이 형성되는 단계는상기 포토 다이오드 위에 포토레지스트 패턴이 형성되는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 이온 주입 마스크로 하여 불순물 이온이 주입됨으로써 상기 부유확산층이 형성되는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴이 제거되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산화막이 형성되는 단계는상기 포토 다이오드를 개방시키는 포토레지스트 패턴을 상기 반도체 기판 위에 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 포토 다이오드 위의 질화막을 제거하는 단계;상기 포토레지스트 패턴이 제거되는 단계;상기 포토 다이오드 위에 상기 산화막이 형성되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산화막은열처리 공정에 의하여 형성되며, 20Å 내지 40Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 소자분리영역이 형성된 반도체 기판;트랜지스터가 형성될 상기 반도체 기판 영역에 형성된 다수의 게이트;상기 게이트 및 상기 소자분리영역 사이의 상기 반도체 기판 영역에 형성된 포토 다이오드;상기 포토 다이오드 상부에 형성된 이온주입영역;상기 게이트 양측벽에 형성된 스페이서;상기 다수의 게이트 사이에 형성된 부유확산층;상기 게이트, 상기 스페이서, 상기 부유확산층을 포함한 상기 반도체 기판의 트랜지스터 영역에 형성되어 인장 응력을 가하는 질화막; 및상기 스페이서 옆의 상기 이온주입영역 위에 형성되어 격자 결함을 제거하는 산화막을 포함하는 이미지 센서.
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- 제9항에 있어서, 상기 질화막은200Å 내지 500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제9항에 있어서, 상기 산화막은20Å 내지 40Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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