KR20020017747A - Method for forming image sensor capable of improving characteristics of photodiode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 표면 손상 및 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of image sensor fabrication, and more particularly, to an image sensor fabrication method capable of shallowly forming a surface damage of a photodiode and an impurity ion implantation region of the photodiode surface.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.An image sensor is an apparatus that converts optical information of one or two dimensions or more into an electrical signal. The types of image sensors are broadly classified into imaging tubes and solid-state imaging devices. Imaging tubes are widely used in measurement, control, and recognition using image processing technology centered on televisions, and applied technologies have been developed. There are two types of solid-state image sensors on the market: metal-oxide-semiconductor (MOS) type and charge coupled device (CCD) type.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 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.CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS fabrication technology, and adopts a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor has a simpler driving method than the CCD image sensor which is widely used as a conventional image sensor, and can implement various scanning methods, and can integrate a signal processing circuit into a single chip, thereby miniaturizing the product. The use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 커패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지를 위한 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅확산영역이 갖는 커패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 커패시턴스를 각각 나타낸다.FIG. 1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor having four transistors and two capacitance structures, and a unit pixel of a CMOS image sensor including a photodiode (PD) and four NMOS transistors for optical sensing. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx serves to transport the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region, and the reset transistor Rx is stored in the floating diffusion region for signal detection. It serves to discharge the charge, the drive transistor (Dx) serves as a source follower (Source Follower), the select transistor (Sx) is for switching (Switching) and addressing (Addressing). In the drawing, "Cf" represents capacitance of the floating diffusion region, and "Cp" represents capacitance of the photodiode, respectively.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 커패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 커패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 커패시턴스 Cp의 캐리어들을 커패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the unit pixel is reset by turning on the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx. At this time, the photodiode PD starts to deplete, the capacitance Cp occurs in the carrier change, and the capacitance Cf of the floating diffusion region is charged up to the supply voltage VDD. The transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In this operation state, after reading the output voltage V1 from the unit pixel output terminal Out and storing it in the buffer, the transfer transistor Tx is turned on to move the carriers of the capacitance Cp changed according to the light intensity to the capacitance Cf. The output voltage (V2) is read from the output terminal (Out) again and the analog data for V1-V2 is converted into digital data, so one operation cycle for the unit pixel is completed.
도 2는 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하 이동을 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 단면도로서, 반도체 기판(20)에 필드산화막(21)을 형성하고, 포토다이오드(22)로 이루어지는 광감지 영역(A)과 트랜스퍼 트랜지스터(23), 절연막 스페이서(24), 활성영역(25) 등을 포함하는 광감지 이외의 영역(B)을 형성한 상태를 개략적으로 보이고 있다.2 is a cross-sectional view showing the formation of a photodiode region for photodetection and a transfer transistor for photocharge transfer, wherein a field oxide film 21 is formed on a semiconductor substrate 20, and a photodiode 22 is formed. A state in which a region B other than the light sensing including the region A, the transfer transistor 23, the insulating film spacer 24, the active region 25, and the like is formed is schematically shown.
이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법의 문제점을 설명한다. 도면에서 'A'는 광감지 영역, 'B'는 광감지 이외의 영역을 보이고 있다.Hereinafter, a problem of the conventional CMOS image sensor manufacturing method will be described with reference to FIGS. 3A to 3C. In the drawing, 'A' shows a light sensing area, and 'B' shows a region other than the light sensing area.
도 3a는 p형 실리콘 기판(30)에 필드산화막(31)을 형성한 다음, 폴리사이드 형성 공정, 마스크 공정, 식각 공정 등을 실시하여 게이트(32)를 형성한 다음, 포토다이오드의 n형 불순물 이온주입 영역(33) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n- 및 p- 소오스·드레인(34) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한 상태를 보이고 있다.3A illustrates forming a field oxide film 31 on a p-type silicon substrate 30 and then forming a gate 32 by performing a polyside forming process, a mask process, an etching process, and the like, and then n-type impurities of the photodiode. The ion implantation process for forming the ion implantation region 33 is carried out, and the ion implantation process for forming the n- and p- source and drain 34 in the region B other than the photodiode is shown.
도 3b는 전체 구조 상에 절연막을 형성하고 전면식각하여 게이트(32) 측벽에 절연막 스페이서(35)를 형성한 것을 나타내고 있다.3B illustrates that an insulating film spacer 35 is formed on the sidewall of the gate 32 by forming an insulating film over the entire structure and etching the entire surface thereof.
도 3c는 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n+ 및 p+ 소오스·드레인(36) 형성을 위한 이온주입 공정과, 포토다이오드의 p형 불순물 도핑 영역(37) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한 것을 보이고 있다.FIG. 3C shows that an ion implantation process for forming n + and p + source and drain 36 in a region B other than the photodiode and an ion implantation process for forming a p-type impurity doped region 37 of the photodiode are performed. have.
전술한 바와 같이 광감지 영역(A)은 포토다이오드 형성을 위한 이온주입 공정 이외의 공정에는 무관한 영역임에도 불구하고, 절연막 스페이서(35) 형성을 위한 식각 공정, 이온주입 마스크 형성 및 제거 공정과 같이 광감지 영역 형성에 기여하지 않는 공정 중에도 광감지 영역((A)이 열려있어 포토다이오드의 표면에 결함 및 오염이 발생할 가능성이 아주 높다. 향후 이미지 센서의 칩 크기 감소, 픽셀 수 증가를 고려할 때 광감지 영역의 특성 개선이 필수적으로 요구된다. 특히 암전류 특성에 큰 영향을 주는 광감지 영역의 표면 상태 저하를 간과해서는 안된다.As described above, although the photosensitive region A is a region irrelevant to a process other than an ion implantation process for forming a photodiode, the etching process for forming the insulating film spacer 35, an ion implantation mask formation, and a removal process may be performed. Even during a process that does not contribute to the formation of the photo-sensing area, the photo-sensing area (A) is open, which is very likely to cause defects and contamination on the surface of the photodiode. Improving the characteristics of the sensing area is essential, in particular, it should not be overlooked that the degradation of the surface state of the photosensitive region, which has a great influence on the dark current characteristics.
한편, 포토다이오드의 p형 불순물 도핑영역(37)의 깊이는 가능한 얕게 형성하여야 하는데, 현재 이용되는 이온주입 장비의 최소 에너지는 30 KeV에서 깊이 조절이 용이하지 않은 문제점이 있다.On the other hand, the depth of the p-type impurity doped region 37 of the photodiode should be formed as shallow as possible, the minimum energy of the ion implantation equipment currently used has a problem that the depth control is not easy at 30 KeV.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 포토다이오드의 표면 손상 및 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor capable of shallowly forming a surface damage of a photodiode and an impurity ion implantation region of the photodiode surface.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2는 광감지를 위한 포토다이오드 영역과 광전하 이동을 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 형성한 것을 보이는 단면도,2 is a cross-sectional view showing that a photodiode region for photodetection and a transfer transistor for photocharge transfer are formed;
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도,3A to 3C are cross-sectional views of a CMOS image sensor fabrication process according to the prior art;
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도.4A-4C are cross-sectional views of a CMOS image sensor fabrication process in accordance with an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
42: 게이트 43: n형 불순물 이온주입 영역42: gate 43: n-type impurity ion implantation region
44: n- 및 p- 소오스·드레인 45A: 절연막 스페이서44: n- and p- source drain 45A: insulating film spacer
45B: 절연막 패턴 47: p형 불순물 도핑 영역 45B: insulating film pattern 47: p-type impurity doped region
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드를 구비하는 제1 영역과 트랜지스터를 구비하는 제2 영역을 포함하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 제2 영역의 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 제1 단계; 상기 제1 영역의 반도체 기판 내에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제2 단계; 전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계; 상기 제1 영역을 덮는 식각마스크를 형성하는 제4 단계; 상기 식각마스크로 덮이지 않은 상기 절연막을 식각해서 상기 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하면서 상기 제1 영역을 덮는 절연막 패턴을 형성하는 제5 단계; 상기 식각마스크를 제거하는 제6 단계; 및 상기 절연막 패턴으로 덮인 상기 제1 영역의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 그 저면이 상기 포토다이오드의 제1 불순물 이온주입영역과 접하는 제2 불순물 이온주입 영역을 형성하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an image sensor including a first region including a photodiode and a second region including a transistor, the method including forming a gate on a semiconductor substrate of the second region. First step; A second step of forming a first impurity ion implantation region of a photodiode by implanting a first conductivity type impurity into the semiconductor substrate of the first region; A third step of forming an insulating film on the entire structure; A fourth step of forming an etching mask covering the first region; A fifth step of forming an insulating film pattern covering the first region by etching the insulating film not covered with the etching mask to form an insulating film spacer on the sidewall of the gate; A sixth step of removing the etching mask; And a seventh impurity ion implantation region in which a second conductivity type impurity is implanted into the semiconductor substrate of the first region covered with the insulating film pattern, the bottom surface of which is in contact with the first impurity ion implantation region of the photodiode. It provides an image sensor manufacturing method comprising the step.
본 발명은 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 과정에서 절연막 상에 포토다이오드 영역을 덮는 식각마스크를 형성하고 절연막을 전면식각함으로써, 전면식각 과정에서 포토다이오드 영역 표면이 노출되지 않도록 하는 절연막 패턴을 형성하고, 포토다이오드 영역이 상기 절연막 패턴으로 덮인 상태에서 이온주입을 실시함으로써 포토다이오드 표면의 불순물 이온주입 영역을 얕게 형성하는데 그 특징이 있다.According to the present invention, by forming an etching mask covering the photodiode region on the insulating layer in the process of forming the insulating layer spacer on the sidewall of the gate and etching the entire surface of the insulating layer, the insulating layer pattern is formed so that the surface of the photodiode region is not exposed in the entire etching process. In addition, the ion implantation is performed while the photodiode region is covered with the insulating film pattern, so that the impurity ion implantation region on the surface of the photodiode is formed to be shallow.
이하 첨부된 도면 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다. 도면에서 'A'는 광감지 영역, 'B'는 광감지 이외의 영역을 보이고 있다. 광감지 이외의 영역은 네이티브 트랜지스터(native transistor), 플로팅 확산영역, 드라이브 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 등이 형성되는 영역이다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4C. In the drawing, 'A' shows a light sensing area, and 'B' shows a region other than the light sensing area. Areas other than the photodetection are areas in which native transistors, floating diffusion regions, drive transistors, reset transistors, and the like are formed.
먼저 도 4a에 도시한 바와 같이 p형 실리콘 기판(40)에 필드산화막(41)을 형성한 다음, 폴리사이드 형성 공정, 마스크 공정, 식각 공정 등을 실시하여 게이트(42)를 형성한 다음, 포토다이오드의 n형 불순물 이온주입 영역(43) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n- 및 p- 소오스·드레인(44) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시한다.First, as shown in FIG. 4A, the field oxide film 41 is formed on the p-type silicon substrate 40, and then the gate 42 is formed by performing a polyside forming process, a mask process, an etching process, and the like. An ion implantation process is performed to form the n-type impurity ion implantation region 43 of the diode, and an ion implantation process is performed to form the n- and p- source and drain 44 in regions B other than the photodiode. .
다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이 전체 구조 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상에 포토다이오드 영역을 덮는 식각마스크(도시하지 않음)를 형성하고 식각공정을 실시해서, 게이트(42) 측벽에 절연막 스페이서(45A)를 형성하면서 포토다이오드 영역을 덮는 절연막 패턴(45B)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4B, an insulating film is formed over the entire structure, an etching mask (not shown) covering the photodiode region is formed on the insulating film, and an etching process is performed to form an insulating film on the sidewall of the gate 42. The insulating film pattern 45B covering the photodiode region is formed while forming the spacer 45A.
이어서 도 4c에 보이는 바와 같이 포토다이오드 이외의 영역(B)에 n+ 및 p+ 소오스·드레인(46) 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하고, 상기 절연막 패턴(45B)이 덮인 상태에서 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드의 p형 불순물 도핑 영역(47)을 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 4C, an ion implantation process for forming n + and p + source and drain 46 is performed in regions B other than the photodiode, and an ion implantation process is performed while the insulating film pattern 45B is covered. Thus, the p-type impurity doped region 47 of the photodiode is formed.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 게이트 측벽에 절연막 스페이서를 형성하는 과정에서 포토다이오드 영역을 보호하기 위한 절연막 패턴을 형성함으로써, 후속 공정에서 포토다이오드 표면에 결함 또는 오염이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 절연막 패턴이 덮인 상태에서 이온주입 공정을 실시함으로써 포토다이오드 표면의 불순물 주입 영역을 얕은 깊이로 형성할 수 있다. 이에 따라 광감지 영역의 특성을 개선하여 제품의 수율을 향상시킬 수 있고 광특성 향상으로 제품의 경쟁력을 강화시킬 수 있다.According to the present invention as described above, by forming an insulating film pattern for protecting the photodiode region in the process of forming the insulating film spacer on the gate sidewall, it is possible to effectively prevent the occurrence of defects or contamination on the surface of the photodiode in a subsequent process. Further, by performing the ion implantation process in a state where the insulating film pattern is covered, the impurity implantation region on the surface of the photodiode can be formed to a shallow depth. Accordingly, the yield of the product can be improved by improving the characteristics of the light sensing region, and the competitiveness of the product can be strengthened by improving the optical characteristics.
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