KR20030001797A - 이미지센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 트렌치를 이용한 적절한 이온주입을 통해 채널 스탑 영역을 형성함으로써, 정전 용량을 증가시킬 수 있으며, 인접 화소간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 소정의 깊이로 트렌치를 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성하는 제2단계; 상기 트렌치에 매립된 필드 절연막을 형성하는 제3단계; 상기 반도체층 상에 상기 필드 절연막과 간격을 두고 게이트전극을 형성하는 제4단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 포토다이오드를 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

Description

이미지센서 제조 방법{Fabricating method of image sensor}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 샬로우 트렌치 소자분리(Shallow Trench Isolation; 이하 STI라 함)구조의 이미지센서 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 반도체층(10)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(10)으로 칭한다.

반도체층(10)에 국부적으로 필드 절연막(11)이 형성되어 있는 바, STI 구조로 되어 있으며, 필드 절연막(11)과 떨어진 영역에 게이트전극(12, 13) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)가 형성되어 있다. 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 필드 절연막(11)과 게이트전극(12, 13)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)이 반도체층(10) 내부에 소정의 깊이로 형성되어 있으며, 이는 높은 에너지 예컨대, 160KeV 내지 180KeV의 에너지를 이용하여 저농도로 도핑된 것이다.

게이트전극(12, 13) 측벽에 스페이서(15)가 형성되어 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하하도록 하며, FD 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입에 의한 n+ 영역(소스/드레인)이 형성되어 있으며, n- 영역의 상부와 반도체층(10) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)이 형성되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 이미지센서는 PD 상부에 있는 P0 영역이 확산으로 인해 PD에서 트랜스터 게이트(12, 13)를 지나 FD에 이르는 전하운송 통로에 P형에 의한 장벽인 전위장벽(Potential barrier)을 형성하여 전하 운송을 방해하게 되며, 이온주입을 통해 형성되는 PD의 n- 영역의 불순물 농도는 PD 표면에서의 농도가 내부에 비해 낮으므로 n- 영역의 최고 농도를 갖는 지점에 비해 트랜스퍼 게이트(12, 13)에 가까운 표면의 n- 영역이 PD의 내부보다 빨리 공핍되기 때문에 전하 운송을 위해 트랜스터 게이트를 동작시킬 때, n- 영역에서의 전하 운송에 도움을 구는 전위구배(Fringing field)가 발달하지 못하게 되어 완전한 전하 운송에 방해가 된다. 따라서, PD의 용량을 충분히 확보하기 위해 n- 영역을 더욱 깊게 할 수 없게 되며, 크로스 토크(Cross talk)에 의한 동작 특성 열화가 발생하게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 트렌치를 이용한 적절한 이온주입을 통해 채널 스탑 영역을 형성함으로써, 정전 용량을 증가시킬 수 있으며, 인접 화소간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 단면도,

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 반도체층

23 : 필드 절연막

24, 25 : 게이트전극

26 : 스페이서

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층 상에 소정의 깊이로 트렌치를 형성하는 제1단계; 이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성하는 제2단계; 상기 트렌치에 매립된 필드 절연막을 형성하는 제3단계; 상기 반도체층 상에 상기 필드 절연막과 간격을 두고 게이트전극을 형성하는 제4단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 포토다이오드를 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.

이하, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명에 따른 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.

먼저, 이후 열공정에 의한 측면 확산(Lateral Diffusion)을 통해 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 게이트(Drive Gate, Dx)와 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 게이트(Select Gate, Sx)를 내포할 수 있도록 P-well(도시하지 않음)을 형성시키는 공정을 실시한다.

이어서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체층(20) 상에 패드산화막(21)을 증착한 다음, 패드산화막(21) 상에 트렌치 형성용 감광막 패턴(22)을 형성한다.

다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(22)을 마스크로 하여 패드산화막(21) 및 반도체층(20)을 선택적으로 식각하여 트렌치(t)를 형성한다.

이 때, 0.2㎛ 내지 0.5㎛의 깊이로 트렌치(t)를 형성함으로써, STI 구조가 되도록 한다.

이어서, 감광막 패턴(22) 및 패드산화막(21)을 이온주입 마스크로 하여 저농도의 P형 불순물을 트렌치(t) 하부에 이온주입함으로써, P01 영역을 형성하는 바, 트렌치(t) 내부는 물론 하부를 뚫고 반도체층(20) 내부로 깊은 P01 영역을 형성한다. 따라서, P01 영역은 채널 스탑 영역으로서의 역할을 함과 동시에 포토다이오드P/N/P 간의 PN 접합에 의한 공핍(Depletion) 영역을 형성하여 포토다이오드의 전극 역할도 겸하게 되며, 입사광(Incident light)에 의해 전자-정공쌍(Electron-Hole Pair; 이하 EHP라 함)을 유용하게 형성할 수 있게 할 뿐만 아니라, 상기와 같이 깊은 P01 형성에 의해 이웃하는 화소간의 소자 분리가 거의 완벽하게 이루어진다.

다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 산화막 또는 질화막 계열의 물질을 증착하여 트렌치(t)를 충분히 매립하도록 한 다음, 반도체층(20) 표면이 노출될 때까지 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함) 등을 이용하여 평탄화함으로써, 반도체층(20)에 국부적으로 STI 구조의 필드 절연막(23)을 형성한다.

이어서, 필드 절연막(21)과 떨어진 영역에 게이트전극(24, 25) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성하는 바, 이는 포토다이오드에서 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node; 이하 FD라 함)로 광전자를 운반하기 위한 역할을 한다. 이어서, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(23)과 게이트전극(24, 25)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성하는 바, 높은 에너지를 이용하여 저농도로 도핑한 다음, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한 다음, 질화막 등을 전면에 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(24, 25) 측벽에 스페이서(26)를 형성한다. 여기서, 스페이서(26)는 후속 이온주입을 통한 얕은 드레인 접합(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 함)을 형성하여 핫 캐리어(Hot carrier) 효과 등을 억제하기 위한 것이다. 이어서, FD 형성을 위한 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 n+(소스/드레인)를 형성한다.

계속해서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입을 실시하여 n- 영역의 상부와 반도체층(20) 표면에 접하는 불순물 영역(P0)을 형성함으로써, P/N/P 접합에 의해 공핍영역이 형성되면서 포토다이오드가 형성되고 P/N 접합의 FD(n+)가 형성된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, STI 구조의 포토다이오드 형성시 트레치 하부로 포토다이오드의 P0 영역과 동일한 채널 스탑 영역을 깊게 형성함으로써, 이웃하는 화소와의 소자 분리 특성을 향상시켜 크로스 토크를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 채널 스탑 영역이 포토다이오드의 전극으로서의 역할을 겸할 수 있어 포토다이오드의 전극 용량을 증가시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 별도의 추가 공정 없이 포토다이오드의 정전 용량을 증가시키며, 크로스 토크를 방지할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (3)

1. 이미지센서 제조 방법에 있어서,

   제1도전형의 반도체층 상에 소정의 깊이로 트렌치를 형성하는 제1단계;

   이온주입을 실시하여 상기 트렌치 하부의 상기 반도체층 내부에 제1도전형의 채널 스탑 영역을 형성하는 제2단계;

   상기 트렌치에 매립된 필드 절연막을 형성하는 제3단계;

   상기 반도체층 상에 상기 필드 절연막과 간격을 두고 게이트전극을 형성하는 제4단계; 및

   이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막에 접하는 포토다이오드를 형성하는 제5단계

   를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 트렌치는, 0.2㎛ 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.