KR20020052791A - Image sensor formation method capable of protecting surface of substrate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 기판 표면을 보호할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of image sensor manufacturing, and more particularly, to an image sensor manufacturing method capable of protecting a substrate 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 캐패시터 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 확산영역(floating diffusion)으로 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 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitors, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) and four NMOS transistors for optical sensing. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transports the photocharges generated by the photodiode PD to the floating diffusion, and the reset transistor Rx transmits the floating diffusion region for signal detection. The drive transistor Dx serves as a source follower, and the select transistor Sx serves for switching and addressing. In the drawing, "Cf" represents capacitance of the floating diffusion region, and "Cp" represents capacitance of the photodiode.
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 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 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 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.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, and the capacitance Cp generates carrier charging, and the capacitance Cf of the floating diffusion region is charged and stored 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 such an operating state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Out and stored in the buffer, and then the carrier 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 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도로서, 광감지를 위한 포토다이오드, 광전하전송을 위한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역의 형성과정을 보이고 있다. 이하, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.2A through 2C are cross-sectional views of a manufacturing process of a CMOS image sensor according to the related art, and illustrate a process of forming a photodiode for detecting a photoelectric sensor, a gate electrode of a transfer transistor for photocharge transfer, and a floating diffusion region. Hereinafter, a CMOS image sensor manufacturing method according to the prior art will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2C.
먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, p형 실리콘 기판(20)에 소자분리를 위한 필드산화막(21)을 형성하고, 게이트 절연막(22) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(23)을 형성한 다음, 선택적 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역(24)을 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, the field oxide film 21 for device isolation is formed on the p-type silicon substrate 20, the gate insulating film 22 and the gate electrode 23 of the transfer transistor are formed, and then selectively. An ion implantation process is performed to form the n-type impurity region 24 of the photodiode region.
다음으로 도 2b에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 스페이서 형성용 산화막(25)을 형성한다.Next, as shown in Fig. 2B, an oxide film 25 for forming a spacer is formed on the entire structure.
이어서 도 2c에 도시한 바와 같이, 산화막(25)을 전면식각하여 게이트 전극(23) 측벽에 산화막 스페이서(25A)를 형성하고, 상기 포토다이오드의 n형 불순물 영역 상에 p형 불순물 영역(26)을 형성한 다음, n+이온주입 공정을 실시하여 플로팅 확산영역(27)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, the oxide film 25 is completely etched to form an oxide film spacer 25A on the sidewall of the gate electrode 23, and the p-type impurity region 26 is formed on the n-type impurity region of the photodiode. Next, n + ion implantation process is performed to form the floating diffusion region 27.
전술한 과정을 포함하는 종래 이미지 센서 제조 방법은 반도체 기판 표면 또는 반도체 기판 상에 형성된 에피택셜층 표면이 계속적인 식각, 이온주입, 각종 화학제(chemical)를 이용한 세정(cleaning)에 의해 손상을 받는다. 따라서, 가장 완벽하게 구사되어야할 포토다이오드의 표면이 손상을 심하게 받아 광에너지에 대해 균일한 전자-정공쌍을 양산하지 못하는 문제점이 있어 CMOS 이미지 센서의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In the conventional image sensor manufacturing method including the above-described process, the surface of the semiconductor substrate or the surface of the epitaxial layer formed on the semiconductor substrate is damaged by continuous etching, ion implantation, and cleaning using various chemicals. . Therefore, since the surface of the photodiode to be used most perfectly is severely damaged, there is a problem in that it cannot produce a uniform electron-hole pair for light energy, thereby deteriorating the reliability of the CMOS image sensor.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 다양한 공정단계에서 반도체 기판 표면 또는 에피택셜층의 표면을 보호하여 포토다이오드의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems, to provide a method for manufacturing an image sensor that can prevent the surface of the photodiode to be damaged by protecting the surface of the semiconductor substrate surface or the epitaxial layer in various process steps. have.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1 is a circuit diagram schematically showing a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도,2A to 2C are cross-sectional views of a CMOS image sensor manufacturing process according to the prior art
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도.3A-3D 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 *
30: 반도체 기판 33: 게이트 전극30: semiconductor substrate 33: gate electrode
34: n형 불순물 영역 35: 질화막34: n-type impurity region 35: nitride film
36A: 산화막 스페이서 37: p형 불순물 영역36A: oxide film spacer 37: p-type impurity region
38: n형 플로팅 확산영역38: n-type floating diffusion region
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 도전형의 반도체 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 게이트 전극 일단의 상기 반도체 기판 내에 제2 도전형의 제1 불순물 영역을 형성하는 제2 단계; 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 질화막을 형성하는 제3 단계; 상기 질화막 상에 산화막을 형성하는 제4 단계; 상기 산화막을 전면식각하여 상기 게이트 전극 측벽을 덮는 질화막 상에 산화막 스페이서를 형성하는 제5 단계; 상기 제1 불순물 영역 상에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 상기 반도체 기판, 상기 제1 불순물 영역과 함께 포토다이오드를 이루는 제2 불순물 영역을 형성하는 제6 단계; 및 상기 게이트 전극 타단의 상기 반도체 기판 내에 제1 도전형의 불순물을 이온주입하여 플로팅 확산영역을 형성하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object is a first step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate of the first conductivity type; A second step of forming a first impurity region of a second conductivity type in the semiconductor substrate at one end of the gate electrode; A third step of forming a nitride film on the entire structure in which the second step is completed; Forming an oxide film on the nitride film; A fifth step of forming an oxide spacer on the nitride layer covering the gate electrode sidewall by etching the oxide layer on the entire surface; A sixth step of ion implanting impurities of a first conductivity type on the first impurity region to form a second impurity region forming a photodiode with the semiconductor substrate and the first impurity region; And a seventh step of forming a floating diffusion region by ion implanting impurities of a first conductivity type into the semiconductor substrate at the other end of the gate electrode.
본 발명은 반도체 기판 표면 또는 에피택셜층 상에 질화막을 형성하여 포토다이오드 표면을 여러가지 공정 단계로부터 보호하여 포토다이오드의 신뢰성을 향상시키는데 그 특징이 있다.The present invention is characterized in that a nitride film is formed on a semiconductor substrate surface or an epitaxial layer to protect the photodiode surface from various process steps, thereby improving the reliability of the photodiode.
이하 첨부된 도면 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.
먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, p형 실리콘 기판(30)에 소자분리를 위한 필드산화막(31)을 형성하고, 게이트 절연막(32) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(33)을 형성한 다음, 선택적 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역(34)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, the field oxide layer 31 for device isolation is formed on the p-type silicon substrate 30, and the gate insulating layer 32 and the gate electrode 33 of the transfer transistor are formed. An ion implantation process is performed to form an n-type impurity region 34 of the photodiode region.
다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 50 Å 내지 200 Å 두께의 질화막(35)을 형성하고, 질화막(35) 상에 스페이서 형성용 산화막(36)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3B, a nitride film 35 having a thickness of 50 GPa to 200 GPa is formed on the entire structure, and an oxide film 36 for forming a spacer is formed on the nitride film 35.
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 산화막(36)을 전면식각하여 게이트 전극(33) 측벽을 덮는 질화막(35) 상에 산화막 스페이서(36A)를 형성하고, 상기 포토다이오드의 n형 불순물 영역 상에 p형 불순물 영역(37)을 형성한 다음, n+이온주입 공정을 실시하여 플로팅 확산영역(38)을 형성하면서 트랜지스터의 소오스, 드레인도 함께 형성한다..Subsequently, as shown in FIG. 3C, the oxide film 36 is etched entirely to form an oxide spacer 36A on the nitride film 35 covering the sidewalls of the gate electrode 33, and then on the n-type impurity region of the photodiode. After forming the p-type impurity region 37, an n + ion implantation process is performed to form the floating diffusion region 38, which also forms the source and drain of the transistor.
다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 BPSG(borophospho silicate glass) 등으로 제1 층간절연막(39)을 형성하고, 금속배선(40), 제2 층간절연막(41) 및 칼라필터 어레이(42)를 형성한 다음, 전체 구조 상에 OCM(43)을 도포하고 칼라필터 어레이(42)와 중첩되는 마이크로 렌즈(44)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 3D, the first interlayer insulating film 39 is formed of BPSG (borophospho silicate glass) on the entire structure, and the metal wiring 40, the second interlayer insulating film 41, and the color filter array ( 42 is formed, and then the OCM 43 is applied on the entire structure and the microlens 44 is formed to overlap with the color filter array 42.
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 are possible 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 산화막 스페이서 형성을 위한 식각 공정시 질화막층이 식각정지층으로 역할함에 따라 식각 공정의 여유도를 증가시킬 수 있고, 잦은 식각, 세정, 이온주입 공정 등에서 포토다이오드의 표면을 이루는 반도체 기판 또는 에피택셜층을 보호할 수 있다.The present invention made as described above can increase the margin of the etching process as the nitride layer serves as an etch stop layer during the etching process for forming the oxide spacer, and the surface of the photodiode in the frequent etching, cleaning, ion implantation process, etc. It is possible to protect the semiconductor substrate or epitaxial layer.
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| CN103474442A (en) * | 2013-08-29 | 2013-12-25 | 上海宏力半导体制造有限公司 | COMS (complementary metal-oxide semiconductor) image sensor and manufacturing method thereof |
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