KR20020045867A - 암전류를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 포획된 전자에 의한 암전류를 감소시키기 위하여 실리콘 기판 표면을 수소로 페시베이션하는데 그 특징이 있다. 이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 그 내부에 수소를 포함하는 질화막을 실리콘 기판 상부에 형성하고 열처리를 실시하여 실리콘 기판 표면을 수소로 페시베이션하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서는 금속배선 형성 후 수소 분위기에서 열처리를 실시하여 실리콘 기판 표면을 페시베이션 하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 빛 에너지를 받지 않을 경우에도 받은 것으로 간주하여 흐르는 암전류(dark current)를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
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 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고다양한 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.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
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 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2a 내지 도 2d 그리고 도 3을 참조하여 종래 이미지 센서 제조 공정의 문제점을 설명한다.
도 2a는 소자분리막, 트랜지스터, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(21) 형성이 완료된 실리콘 기판(20) 상에 제1 금속배선(22)을 형성하고, 제1 IMO(inter metal oxide, 23)를 증착한 상태를 보이고 있다.
도 2b는 IMO(23) 상에 제1 SOG(spin on glass, 24)를 코팅(coating)하고, 제1 금속배선(22) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(22)가 노출될 때까지 제1 SOG(24)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제2 IMO(25)를 증착한 것을 도시하고 있다.
도 2c는 비아(도시하지 않음) 형성 공정을 진행하고, 제2 IMO(25) 상에 제2 금속배선(26)을 형성하고, 제3 IMO, 제2 SOG 및 제4 IMO의 적층구조로 이루어지는 평탄화층(27)을 형성한 상태를 보이고 있다.
도 2d는 평탄화층(27) 상에 블루 칼라필터(B), 그린 칼라필터(G) 및 레드 칼라필터(R) 각각을 칼라필터 어레이 마스크(color filter array mask)를 이용하여 형성하고, 칼라필터(R, G, B) 상에 OCM(over coating material, 28)을 증착하고, 각각의 칼라필터와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 29)를 형성한 것을 도시하고 있다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 공정은 도 3에 보이는 바와 같이 포토다이오드(도시하지 않음) 영역의 실리콘 기판(20) 표면의 댕글링 본드(dangling bond)에 의한 인터페이스 트랩(interface trap)에 전자(e-)가 포획(trap)되어 빛 에너지의 조사 없이도 포토다이오드 자체가 댕글링 본드에 포획된 전자들에 의해 암전류를 형성하여 센서의 기능 전체를 저하시키는 문제점이 대두되고 있으며, 이러한 문제는 소자의 집적도가 향상될수록 그 정도가 더욱 심해지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 전자가 포획됨에 따른 암전류를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 3은 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 중 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 전자가 포획되는 것을 보이기 위한 설명도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 공정 중 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 수소 이온이 결합되는 것을 보이기 위한 설명도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
42, 46, 52, 56: 금속배선 43: 질화막
44, 54: SOG 45, 53, 55: IMO
47, 57: 평탄화층 R, G, B: 칼라필터
48, 58: OCM 49, 59: 마이크로 렌즈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 실리콘 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 제1 단계; 상기 연결배선 패턴을 덮으며 그 내부에 수소 이온을 포함하는 질화막을 형성하는 제2 단계; 열처리를 실시하여 상기 질화막 내의 수소 이온을 상기 실리콘 기판 표면으로 확산시켜 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 상기 수소 이온을결합시키는 제3 단계; 상기 실리콘 기판 상부에 칼라필터를 형성하는 제4 단계; 및 상기 칼라필터 상부에 집광수단을 형성하는 제5 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 실리콘 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 제1 단계; 수소를 포함한 가스 분위기에서 열처리를 실시하여 상기 실리콘 기판 표면으로 수소 이온을 확산시켜 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 수소 이온을 결합시키는 제2 단계; 상기 실리콘 기판 상부에 칼라필터를 형성하는 제3 단계; 및 상기 칼라필터 상부에 집광수단을 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 포획된 전자에 의한 암전류를 감소시키기 위하여 실리콘 기판 표면을 수소로 페시베이션하는데 그 특징이 있다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 그 내부에 수소를 포함하는 질화막을 실리콘 기판 상부에 형성하고 열처리를 실시하여 실리콘 기판 표면을 수소로 페시베이션하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서는 금속배선 형성 후 수소 분위기에서 열처리를 실시하여 실리콘 기판 표면을 페시베이션 하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
반도체 메모리 소자 제조 공정에서는 질화막을 페시베이션(passivation)막으로 최종적인 공정단계에서 사용한다. 그러나, 질화막은 광투과율이 양호하지 않기때문에 CMOS 이미지 센서 제조 공정에 사용하지 못하고 있다. 본 발명은 질화막 형성에 따른 광투과율 저하를 방지하기 위하여, 수소 분위기에서 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)으로 상대적으로 얇은 두께의 질화막을 증착하여, 질화막 내부에 수소가 포함되도록 하고, 이후 열처리 공정을 실시하여 실리콘 기판 표면으로 수소 이온을 확산시켜 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 수소이온을 결합되도록 함으로써 댕글링 본드에 전자가 포획되는 것을 방지하는데 그 특징이 있다. 한편, 질화막 형성 공정에 따른 공정 단계의 증가를 방지하기 위하여 금속배선 형성 후 실시되는 IMO(inter metal oxide) 형성 공정을 대신하여 질화막을 형성한다.
이하, 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 도 4a에 도시한 바와 같이, 소자분리막, 트랜지스터, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(41) 형성이 완료된 실리콘 기판(40) 상에 제1 금속배선(42)을 형성한다.
다음으로 도 4b에 보이는 바와 같이, 수소 분위기에서 플라즈마 화학기상증착법으로 그 내부에 수소 원소를 포함하는 질화막(43)을 증착하고, 질화막(43) 상에 제1 SOG(44)를 코팅한다. 이때, 질화막(43)은 광투과율을 고려하여 200 Å 내지 2000 Å 두께로 증착한다.
이어서 도 4c에 도시한 바와 같이, 제1 금속배선(42) 상부를 덮고 있는 질화막(43)이 노출될 때까지 제1 SOG(44)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제1 IMO(45)를 증착한 다음, 열처리 공정을 실시하여 질화막(43) 내의 수소 이온을 실리콘 기판 표면으로 확산시킨다.
다음으로 도 4d에 보이는 바와 같이, 비아(도시하지 않음) 형성 공정을 진행하고, 제1 IMO(45) 상에 제2 금속배선(46)을 형성하고, 제2 IMO, 제2 SOG 및 제3 IMO의 적층구조로 이루어지는 평탄화층(47)을 형성한다.
이어서 도 4e에 도시한 바와 같이, 평탄화층(47) 상에 블루 칼라필터(B), 그린 칼라필터(G) 및 레드 칼라필터(R) 각각을 칼라필터 어레이 마스크를 이용하여 형성하고, 칼라필터(R, G, B) 상에 OCM(48)을 증착하고, 각각의 칼라필터와 중첩되는 마이크로 렌즈(49)를 형성한다.
이하, 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 5a에 도시한 바와 같이, 소자분리막, 트랜지스터, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(51) 형성이 완료된 실리콘 기판(50) 상에 제1 금속배선(52)을 형성하고, 수소 분위기에서 열처리를 실시하여 실리콘 기판(50) 표면으로 수소를 확산시켜 실리콘 기판(50) 표면의 댕글링 본드와 수소이온이 결합되도록 한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 열처리를 H2와 N2의 혼합가스 분위기의 관상로(furnace)에서 실시한다.
다음으로 도 5b에 보이는 바와 같이, 제1 IMO(53)를 증착한다.
이어서 도 5c에 도시한 바와 같이, IMO(53) 상에 제1 SOG(54)를 코팅하고, 제1 금속배선(52) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(52)가 노출될 때까지 제1 SOG(54)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제2 IMO(55)를 증착한다.
다음으로 도 5d에 보이는 바와 같이, 비아(도시하지 않음) 형성 공정을 진행하고, 제2 IMO(55) 상에 제2 금속배선(56)을 형성하고, 제3 IMO, 제2 SOG 및 제4 IMO의 적층구조로 이루어지는 평탄화층(57)을 형성한다.
이어서 도 5e에 도시한 바와 같이, 평탄화층(57) 상에 블루 칼라필터(B), 그린 칼라필터(G) 및 레드 칼라필터(R) 각각을 칼라필터 어레이 마스크를 이용하여 형성하고, 칼라필터(R, G, B) 상에 OCM(58)을 증착하고, 각각의 칼라필터와 중첩되는 마이크로 렌즈(59)를 형성한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 도 6에 보이는 바와 같이 포토다이오드(도시하지 않음)가 형성되는 실리콘 기판(60) 표면을 수소 이온으로 페시베이션시킴으로써 실리콘 기판(60) 표면에 전자가 포획되는 것을 방지할 수 있어, 암전류를 감소시킬 수 있다.
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.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 실리콘 기판 표면을 수소 이온으로 페시베이션 함으로써 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 전자가 결합되는 것을 억제하여 암전류를 감소시킬 수 있으며, 그에 따라 CMOS 이미지 센서의 특성 및 성능 향상을 기대할 수 있다. 본 발명과 같은 방법은 고집적 CMOS 이미지 센서 제조 공정에 활용될 수 있다.
Claims (6)
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 실리콘 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 제1 단계;상기 연결배선 패턴을 덮으며 그 내부에 수소 이온을 포함하는 질화막을 형성하는 제2 단계;열처리를 실시하여 상기 질화막 내의 수소 이온을 상기 실리콘 기판 표면으로 확산시켜 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 상기 수소 이온을 결합시키는 제3 단계;상기 실리콘 기판 상부에 칼라필터를 형성하는 제4 단계; 및상기 칼라필터 상부에 집광수단을 형성하는 제5 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 단계 후,상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 SOG막을 형성하는 제6 단계;상기 연결배선 패턴 상부를 덮고 있는 상기 질화막이 노출될 때까지 상기 SOG막을 에치백하여 평탄화시키는 제7 단계; 및상기 SOG막 상에 배선간 절연막을 형성하는 제8 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제2 단계에서,수소분위기에서 플라즈마 화학기상증착법으로 상기 질화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 질화막을 200 Å 내지 2000 Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,포토다이오드를 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 실리콘 기판 상부에 연결배선 패턴을 형성하는 제1 단계;수소를 포함한 가스 분위기에서 열처리를 실시하여 상기 실리콘 기판 표면으로 수소 이온을 확산시켜 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드와 수소 이온을 결합시키는 제2 단계;상기 실리콘 기판 상부에 칼라필터를 형성하는 제3 단계; 및상기 칼라필터 상부에 집광수단을 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제2 단계는,H2및 N2의 혼합가스 분위기에서 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2000
- 2000-12-11 KR KR1020000075284A patent/KR20020045867A/ko not_active Application Discontinuation
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