KR20020032708A - Method of manufacturing an image sensor in a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 저농도 불순물 확산 영역에 트렌치를 형성한 후 2차 저농도 불순물 주입 공정을 실시하여 트렌치를 통해 하부로만 저농도 불순물 영역을 깊게 형성하고, 트렌치에 에피층을 형성한 후 저농도 불순물 영역의 상부에 전도층을 형성하여 트렌치에 형성된 에피층이 전도층의 역할을 함으로써 저농도 불순물 영역과 전도층 사이의 경계면이 증가하여 캐패시턴스를 증가킬 수 있어 감도를 향상시킬 수 있고, 긴 파장의 빛을 용이하게 검출할 수 있으며, 암류(dark current)를 감소시킬 수 있어 이미지 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 이미지 센서(image sensor)의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. In particular, a trench is formed in a low concentration impurity diffusion region, and a second low concentration impurity implantation process is performed to deeply form a low concentration impurity region only through the trench, and to form an epi layer in the trench. After the formation, the conductive layer is formed on the upper portion of the low concentration impurity region, and the epi layer formed in the trench serves as the conductive layer, thereby increasing the interface between the low concentration impurity region and the conductive layer, thereby increasing the capacitance, thereby improving sensitivity. The present invention relates to a method for manufacturing an image sensor of a semiconductor device capable of easily detecting light having a long wavelength and reducing dark current, thereby improving performance of an image device.
모든 물질은 각기 고유의 빛을 발산하고 있다. 발산하고 있는 빛의 파장에 따라 여러가지 색깔로 구분이 되며, 우리 눈에 보이는 가시광선은 각각의 색깔마다 파장이 다른데, 빨간색이 파장이 가장 길며 자주색이 가장 짧다. 빛은 파장에 따라 물체 투과(penetration) 깊이가 달라진다. 즉, 파장이 길면 물체 투과 깊이도 증가하며 파장이 짧으면 물체 투과 깊이가 짧아진다.Every substance emits its own light. It is divided into various colors according to the wavelength of emitted light, and the visible rays visible to our eyes have different wavelengths for each color, with red having the longest wavelength and shortest purple. Light varies in depth of object penetration depending on the wavelength. In other words, a longer wavelength increases the depth of transmission of the object, while a shorter wavelength shortens the depth of transmission of the object.
이를 응용한 것이 이미지 센서(Image Sensor) 소자이다. 이미지 센서는 예전에는 대부분 CCD(Chage Coupled Device) 소자를 많이 사용하였으나 공정이 복잡하고 수율도 낮을뿐 아니라 제조단가도 비싸기 때문에 이를 개선하고자 CMOS 공정을 이용하여 이미지 센서를 제작하는 CMOS 이미지 센서 제품이 등장하게 되었다. CMOS 이미지 센서는 대략 다음과 같이 구성된다. 빛을 감지하는 포토 다이오드(Photo Diode) 부분, 감지된 빛에 의해 발생된 전자(Electron)를 전송하여 이를 임시 저장하는 기생 캐패시터(Parastic Capacitor) 및 이에 대한 전압 레벨을 감지하는 부분 등으로 크게 나뉘어 질 수 있다.The application of this is an image sensor device. In the past, most of the image sensors used CCD (Chage Coupled Device) devices, but because the process is complicated, the yield is low, and the manufacturing cost is expensive, a CMOS image sensor product that uses the CMOS process to manufacture the image sensor has emerged. Was done. The CMOS image sensor is roughly constructed as follows. It is divided into a photo diode part that senses light, a parasitic capacitor that transmits and temporarily stores electrons generated by the detected light, and a part that senses a voltage level thereof. Can be.
빛은 각기 고유의 파장을 가지고 있어서 이를 항상 발산하고 있다 따라서 이렇게 빛을 받으면 EHP(electron hole pair)가 발생되고 발생된 캐리어 농도 차이에 의해 전류가 발생하게 되는 것을 포토 다이오드라 한다. 빛의 강도가 세면 더 많은 EHP가 발생하게 되고 빛이 약하면 EHP가 적게 발생한다. 전류는 단위 면적당 지나가는 EHP 수량에 종속적이므로 수량이 많으면 전류가 증가하는 것이고, 수량이 작으면 전류가 감소하는 것이다. 그래서 빛이 세면 그만큼 더 많은 전류가 흐르게 된다.Each light has its own wavelength and always emits light. Thus, when light is received, an electron hole pair (EHP) is generated and a current is generated by a difference in carrier concentration. The stronger the light, the more EHP is produced, and the weaker the light, the less EHP. The current is dependent on the amount of EHP passing per unit area, so the higher the quantity, the smaller the current. So when the light is strong, more current flows.
비교적 파장이 긴 빨간색의 경우 물체 투과 깊이도 커서 검출이 용이한 반면 청색등은 파장이 짧아서 물체 투과 깊이가 짧아 빨간색에 비해 상대적으로 검출이 어렵다고 할 수 있다. 센싱(Sensing) 부분의 깊이가 깊으면 유리한데, 센싱 부분의 깊이는 기존 공정 기술로는 수직 확산(Lateral Diffusion) 때문에 원하는 만큼 깊게 할 수 없으며 수직 확산(Lateral Diffusion)의 고려 없이 깊게 하면 그만큼 포토 다이오드가 차지하는 면적이 크게 되여 생산성이 저하된다.In the case of red, which has a relatively long wavelength, the object penetration depth is also large, so that it is easy to detect, whereas the blue light has a short wavelength, which is relatively difficult to detect compared to red. It is advantageous if the depth of the sensing part is deep, but the depth of the sensing part cannot be as deep as desired due to the vertical diffusion in the existing process technology, and the depth of the photodiode is as deep as it is without considering the vertical diffusion. Area becomes large, and productivity falls.
그럼, 도 1을 참조하여 종래의 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.Next, referring to FIG. 1, a conventional method of manufacturing an image sensor of a semiconductor device will be described.
반도체 기판(11)의 소정 영역에 LOCOS 공정을 이용하여 소자 분리막(12)을 형성한다. 반도체 기판(11)의 선택된 영역에 저농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 저농도 불순물 영역(13)을 형성한다. 전체 구조 상부에 게이트 산화막(14) 및 폴리실리콘막(15)을 형성한 후 패터닝하여 게이트 패턴을 형성한다. 게이트 패턴 측벽에 스페이서(16)를 형성한다. 저농도 불순물 영역(13)에 1차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 전도층(17)을 형성한다. 2차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 반도체 기판(11)상에 소오스 및 드레인으로 작용하는 접합부(18)를 형성한다.The device isolation layer 12 is formed in a predetermined region of the semiconductor substrate 11 by using a LOCOS process. A low concentration impurity ion implantation process is performed in the selected region of the semiconductor substrate 11 to form the low concentration impurity region 13. The gate oxide layer 14 and the polysilicon layer 15 are formed on the entire structure and then patterned to form a gate pattern. The spacer 16 is formed on the sidewall of the gate pattern. The conductive layer 17 is formed by performing a first high concentration impurity ion implantation process on the low concentration impurity region 13. A second high concentration impurity ion implantation process is performed to form a junction 18 acting as a source and a drain on the semiconductor substrate 11.
상술한 종래의 이미지 센서 제조 방법은 저농도 불순물 영역상에 전도층을 형성한다. 이 방법은 전도층이 저농도 불순물 영역의 표면을 따라 일직선으로 형성되기 때문에 저농도 불순물 영역과 전도층의 경계면 캐패시턴스가 크지 않아 감도 (sensitivity)를 증가시키는데 한계가 있다. 그리고, 긴 파장의 빛을 감지하기 위해서는 저농도 불순물 영역이 깊게 형성되어야 한다. 이를 위해서는 이온 주입 에너지를 크게 하거나 열처리 공정으로 이온을 확산시키는 방법이 있다. 그러나, 에너지를 증가시키는데에는 소자의 제조 공정상 한계가 있고, 열처리 공정으로 이온을 확산시키면 하부 확산 뿐만 아니라 측면 확산이 발생되어 인접한 트랜지스터에 영향을 미치게 된다. 결과적으로 저농도 불순물 영역을 깊게 형성하는데 제약이 있어 파장이 긴 빛을 감지하는 능력이 저하되는 단점이 있다.The conventional image sensor manufacturing method described above forms a conductive layer on a low concentration impurity region. This method has a limitation in increasing sensitivity because the interface capacitance of the low concentration impurity region and the conductive layer is not large because the conductive layer is formed along the surface of the low concentration impurity region. In order to detect light having a long wavelength, a low concentration impurity region should be deeply formed. To this end, there is a method of increasing ion implantation energy or diffusing ions in a heat treatment process. However, there is a limit in the manufacturing process of the device to increase the energy, and diffusion of ions in the heat treatment process causes side diffusion as well as bottom diffusion affects adjacent transistors. As a result, there is a disadvantage in that the low concentration impurity region is deeply formed, which degrades the ability to detect light having a long wavelength.
본 발명의 목적은 캐패시턴스를 증가시켜 감도를 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an image sensor of a semiconductor device that can improve the sensitivity by increasing the capacitance.
본 발명의 다른 목적은 저농도 불순물 영역을 깊게 형성하여 파장이 긴 빛을 감지하는 능력을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an image sensor of a semiconductor device capable of improving the ability to detect light having a long wavelength by deeply forming a low concentration impurity region.
본 발명에서는 저농도 불순물 확산 영역에 트렌치를 형성한 후 2차 저농도 불순물 주입 공정을 실시하여 트렌치를 통해 하부로만 저농도 불순물 영역을 깊게 형성하고, 트렌치에 에피층을 형성한 후 저농도 불순물 영역의 상부에 전도층을 형성하여 트렌치에 형성된 에피층이 전도층의 역할을 함으로써 저농도 불순물 영역과 전도층 사이의 경계면이 증가하여 캐패시턴스를 증가킬 수 있어 감도를 향상시킬 수 있고, 긴 파장의 빛을 용이하게 검출할 수 있으며, 암류(dark current)를 감소시킬 수 있어 전체적으로 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.In the present invention, a trench is formed in the low concentration impurity diffusion region, and then a second low concentration impurity implantation process is performed to form a low concentration impurity region only deeply through the trench, and an epitaxial layer is formed in the trench to conduct the upper portion of the low concentration impurity region. By forming a layer, the epi layer formed in the trench serves as a conductive layer, thereby increasing the interface between the low concentration impurity region and the conductive layer to increase capacitance, thereby improving sensitivity, and easily detecting long wavelength light. It is possible to reduce the dark current and to improve the performance of the device as a whole.
도 1은 종래의 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of an element for explaining a method of manufacturing a conventional image sensor.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views of elements sequentially shown for explaining a method of manufacturing an image sensor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11 및 21 : 반도체 기판12 및 22 : 소자 분리막11 and 21: semiconductor substrate 12 and 22: device isolation film
13 및 24 : 저농도 불순물 영역14 및 29 : 게이트 산화막13 and 24: low concentration impurity regions 14 and 29: gate oxide film
15 및 30 : 폴리실리콘막16 및 31 : 스페이서15 and 30: polysilicon film 16 and 31: spacer
17 및 32 : 전도층18 및 33 : 접합부17 and 32: conductive layer 18 and 33: junction
23 : 감광막25 : 제 1 산화막23 photosensitive film 25 first oxide film
26 : 트렌치27 : 에피층26: trench 27: epi layer
28 : 제 2 산화막28: second oxide film
본 발명에 따른 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법은 소자 분리막이 형성된 반도체 기판의 소정 영역에 1차 저농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 저농도 불순물 영역을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 제 1 산화막을 형성한 후 상기 저농도 불순물 영역 상부에 형성된 상기 제 1 산화막 및 상기 저농도 불순물 영역의 반도체 기판의 소정 영역을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 통해 2차 저농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 상기 저농도 불순물 영역의 소정 부분을 깊게 형성하는 단계와, 에피택셜 성장 공정을 실시하여 상기 트렌치 내부에 에피층을 형성한 후 상기 에피층과 상기 트렌치 측벽 사이에 제 2 산화막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 산화막을 제거한 후 상기 반도체 기판 상부의 소정 영역에 게이트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 저농도 불순물 영역에 1차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 상기 저농도 불순물 영역의 표면에 전도층을 형성하는 단계와, 2차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 반도체 기판의 소정 영역에 접합부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing an image sensor of a semiconductor device according to the present invention, a method for forming a low concentration impurity region is performed by performing a first low concentration impurity ion implantation process on a predetermined region of a semiconductor substrate on which a device isolation film is formed, and forming a first oxide layer on the entire structure. Thereafter, a trench is formed by etching a predetermined region of the first oxide film and the low concentration impurity region semiconductor substrate on the low concentration impurity region to a predetermined depth, and performing a second low concentration impurity ion implantation process through the trench. Forming a portion of the low concentration impurity region deeply, forming an epitaxial layer inside the trench by forming an epitaxial growth process, and then forming a second oxide film between the epitaxial layer and the trench sidewalls; After removing the first oxide film, a predetermined region on the semiconductor substrate is removed. Forming a conductive pattern, forming a conductive layer on the surface of the low concentration impurity region by performing a first high concentration impurity ion implantation process on the low concentration impurity region, and performing a second high concentration impurity ion implantation process Forming a junction in a predetermined region of the characterized in that made.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing an image sensor of a semiconductor device according to the present invention.
도 2(a)를 참조하면, 반도체 기판(21)의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성한 후 산화막등으로 매립하여 트렌치형 소자 분리막(22)을 형성한다. 반도체 기판(21) 상부의 소정 영역에 감광막(23)을 형성한 후 1차 저농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 반도체 기판(21)상에 저농도 불순물 영역(24)을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a trench is formed by etching a predetermined region of the semiconductor substrate 21, and then a trench type isolation layer 22 is formed by filling an oxide film or the like. After the photoresist film 23 is formed in a predetermined region above the semiconductor substrate 21, the first low concentration impurity ion implantation process is performed to form the low concentration impurity region 24 on the semiconductor substrate 21.
도 2(b)를 참조하면, 감광막(23)을 제거한 후 전체 구조 상부에 제 1 산화막 (25)을 2500Å 정도의 두께로 형성한다. 저농도 불순물 영역(24) 상부에 형성된 제 1 산화막(25)의 소정 영역 및 저농도 불순물 영역(24)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(26)를 형성한다. 트렌치(26)는 0.5∼0.7㎛의 깊이와 0.4∼0.6㎛의 폭으로 형성한다. 2차 저농도 불순물 이온 주입 공정을 실시한다. 이때, 트렌치(26)를 통해 저농도 불순물 이온이 주입되어 저농도 불순물 영역(24)이 더욱 깊게 형성된다.Referring to FIG. 2B, after removing the photosensitive film 23, a first oxide film 25 is formed on the entire structure to a thickness of about 2500 kV. The trench 26 is formed by etching the predetermined region of the first oxide film 25 and the low concentration impurity region 24 formed on the low concentration impurity region 24 to a predetermined depth. The trench 26 is formed to a depth of 0.5 to 0.7 mu m and a width of 0.4 to 0.6 mu m. A second low concentration impurity ion implantation process is performed. At this time, low concentration impurity ions are implanted through the trench 26 to form the deep concentration impurity region 24 more deeply.
도 2(c)를 참조하면, 에피택셜 성장 공정을 실시하여 트렌치(26) 내부에 에피층(27)을 형성한다. 에피층(27)은 트렌치(26)의 측벽에는 성장되지 않고 트렌치 (26) 하부에서 성장된다. 이는 트렌치(26)를 중심으로 트렌치(26) 하부의 저농도 불순물 영역(24)이 트렌치(26)의 측부보다 불순물 농도가 더 높기 때문이다. 산화막을 증착하여 에피층(27)이 성장되지 않은 트렌치(26) 측부에 제 2 산화막(28)을 형성한다.Referring to FIG. 2C, an epitaxial growth process is performed to form an epitaxial layer 27 in the trench 26. The epi layer 27 is not grown on the sidewalls of the trench 26 but is grown below the trench 26. This is because the low concentration impurity region 24 below the trench 26 with respect to the trench 26 has a higher impurity concentration than the side of the trench 26. An oxide film is deposited to form a second oxide film 28 on the side of the trench 26 where the epitaxial layer 27 is not grown.
도 2(d)를 참조하면, 제 1 산화막(25)를 제거하고, 게이트 산화막(29) 및 폴리실리콘막(30)를 형성한 후 패터닝하여 게이트 패턴을 형성한다. 게이트 패턴 측벽에 절연막등으로 스페이서(31)를 형성한다. 저농도 불순물 영역(24)이 형성된 부분에만 1차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 저농도 불순물 영역(24)의 표면에 전도층(32)을 형성한다. 전도층(32)은 저농도 불순물 영역(24)의 표면에서 500∼1500Å의 깊이로 형성한다. 2차 고농도 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 반도체 기판(21)상에 소오스 및 드레인 영역으로 작용하는 접합부(33)을 형성한다.Referring to FIG. 2D, the first oxide film 25 is removed, the gate oxide film 29 and the polysilicon film 30 are formed, and then patterned to form a gate pattern. The spacer 31 is formed on the sidewall of the gate pattern by an insulating film or the like. The conductive layer 32 is formed on the surface of the low concentration impurity region 24 by performing a first high concentration impurity ion implantation process only on the portion where the low concentration impurity region 24 is formed. The conductive layer 32 is formed to a depth of 500-1500 에서 on the surface of the low concentration impurity region 24. A second high concentration impurity ion implantation process is performed to form a junction 33 serving as a source and a drain region on the semiconductor substrate 21.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 저농도 불순물 확산 영역에 트렌치를 형성한 후 2차 저농도 불순물 주입 공정을 실시하여 트렌치를 통해 하부로만 저농도 불순물 영역을 깊게 형성하여 긴 파장의 빛을 용이하게 검출할 수 있다. 또한, 트렌치에 에피층을 형성한 후 저농도 불순물 영역의 표면부에 전도층을 형성하여 트렌치에 형성된 에피층이 전도층의 역할을 함으로써 저농도 불순물 영역과 전도층 사이의 경계면이 증가하여 캐패시턴스를 증가킬 수 있어 감도를 향상시킬 수 있고, 암류(dark current)를 감소시킬 수 있어 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, after forming a trench in the low concentration impurity diffusion region, a second low concentration impurity implantation process is performed to form a low concentration impurity region deep only through the trench to easily detect light having a long wavelength. . In addition, after the epi layer is formed in the trench, a conductive layer is formed on the surface of the low concentration impurity region, and the epi layer formed in the trench serves as a conductive layer, thereby increasing the interface between the low concentration impurity region and the conductive layer, thereby increasing capacitance. The sensitivity can be improved, and the dark current can be reduced, thereby improving the performance of the device.
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| KR1020000063160A KR100607796B1 (en) | 2000-10-26 | 2000-10-26 | Method of manufacturing an image sensor in a semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100607796B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100871798B1 (en) * | 2007-09-07 | 2008-12-02 | 주식회사 동부하이텍 | Image sensor and method for manufacturing thereof |
| KR100924045B1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-10-27 | 주식회사 동부하이텍 | Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof |
-
2000
- 2000-10-26 KR KR1020000063160A patent/KR100607796B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100871798B1 (en) * | 2007-09-07 | 2008-12-02 | 주식회사 동부하이텍 | Image sensor and method for manufacturing thereof |
| KR100924045B1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-10-27 | 주식회사 동부하이텍 | Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100607796B1 (en) | 2006-08-02 |
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