KR20020058418A - 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 포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판 표면을 수소, 산소 또는 질소 중 적어도 어느 하나의 가스 분위기에서 열처리를 실시하여 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드를 제거하는데 그 특징이 있다.
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 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.
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 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.
종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정은 다음과 같은 과정을 포함한다. 즉, p형 실리콘 기판에 형성된 p형 에피택셜층에 화소간 분리를 위한 필드산화막을 형성하고, 게이트 절연막 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 형성한 다음, 선택적 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드 영역 및 플로팅 확산영역을 ㅎ셩성하는 과정을 포함한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 공정은 도 2에 보이는 바와 같이 포토다이오드 영역의 실리콘 기판 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 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 중 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 전자가 포획되는 것을 보이기 위한 설명도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
35: n형 불순물 영역 37: p형 불순물 영역
38: 플로팅 확산영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판을 마련하는 제1 단계; 및 수소, 산소 또는 질소 중 적어도 어느 하나의 가스 분위기에서 열처리하여 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 상기 수소, 산소 또는 질소 중 어느 하나를 결합시키는 제2 단계를 포함하는 이미지 센서제조 방법을 제공한다.
본 발명은 포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판 표면을 수소, 질소 또는 산소 중 어느 하나의 가스 분위기에서 열처리하여 실리콘 기판 표면의 계면 트랩을 제거할 수 있다. 또한, 수소 이온이 실리콘 기판의 댕글링 본드와 공유결합하도록 하여 전자가 트랩되는 것을 억제할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 공정 단면도로서, 광감지를 위한 포토다이오드, 광전하전송을 위한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 플로팅 확산영역의 형성과정을 보이고 있다. 이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, p형 실리콘 기판(30)에 형성된 p형 에피택셜층(31)에 화소간 분리를 위한 필드산화막(32)을 형성하고, 게이트 절연막(33) 및 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(34)을 형성한 다음, 선택적 이온주입 공정을 실시하여 포토다이오드 영역의 n형 불순물 영역(35)을 형성한다.
다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 게이트 전극(34) 측벽에 절연막 스페이서(36)를 형성하고, 상기 포토다이오드의 n형 불순물 영역(35) 상에 p형 불순물 영역(37)을 형성하고, 게이트 전극(34) 타단의 상기 실리콘 기판(30) 내에 n형 불순물 영역 주입하여 플로팅 확산영역(38)을 형성한다. 이후, 포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판을 수소 분위기에서 열처리 한다. 본 발명의 실시예에서는 상기열처리를 H2및 N2의 혼합가스 분위기에서 300 ℃ 내지 500 ℃ 1시간 내지 4시간 동안 열처리를 실시한다. 상기 열처리를 세정 공정을 진행한 후에 실시할 수도 있다.
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 PMD(per metal dielectric)층(39)을 형성한다.
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 포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판을 수소 분위기에서 열처리 함으로로써 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 (4)
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,포토다이오드 형성이 완료된 실리콘 기판을 마련하는 제1 단계; 및수소, 산소 또는 질소 중 적어도 어느 하나의 가스 분위기에서 열처리하여 상기 실리콘 기판 표면의 댕글링 본드에 상기 수소, 산소 또는 질소 중 어느 하나를 결합시키는 제2 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 단계 후,상기 제2 단계는 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제2 단계 후,전체 구조 상에 절연막을 형성하는 제3 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제1 단계에서,세정공정이 완료된 실리콘 기판을 마련하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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