KR20030056071A - 고집적 이미지센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 필드절연막 형성에 따른 실리콘 격자 디스로케이션에 따른 암신호 발생을 억제하기에 적합한 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 화소어레이영역과 주변회로영역을 구비하는 이미지센서 제조 방법에 있어서, O2 +이온주입을 통해 상기 화소어레이영역의 반도체층 하부에 국부적으로 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및 상기 게이트전극과 상기 필드절연막 사이의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 O2 +이온주입에 의한 이미지센서의 소자분리(Isolation) 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 통상적인 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)형 필드절연막을 갖는 이미지센서의 개략도를 도시하는 바, 여기서 A-A'은 화소어레이영역을 도시하며, B-B'은 주변회로영역을 도시한다.
도 1을 참조하면, 통상적인 이미지센서에서 고농도인 P++ 층(10) 및 P-Epi층(11)이 적층된 반도체층을 이용하는 바, 이하 P++ 층(10) 및 P-Epi층(11)을 반도체층으로 칭한다.
반도체층에 국부적으로 LOCOS형 필드절연막(12a, Fox)이 형성되어 있으며, 필드절연막(12a)과 떨어진 영역에 게이트절연막(13)과 게이트전극용 전도막(14) 및 스페이서(15)로 이루어진 게이트전극 예컨대, 화소어레이영역(A-A')에서는 트랜스퍼 게이트(Transfer gate, 이하 Tx라 함), 주변회로영역(B-B')에서는 P웰(21, P-Well)과 N웰(22, N-Well) 상에 각각 엔모스 트랜지스터(NMOS, 이하 NMOS라 함)와 피모스 트랜지스터(PMOS, 이하 PMOS라 함)가 형성되어 있다.
Tx와 필드절연막(12a)에 접하면서 반도체층 내부에 소정의 깊이로 형성된 포토다이오드용 N형 불순물 영역(이하 n-영역이라 함, 16)과 n-영역(16) 상부의 반도체층과 접하는 계면에 얕은 포토다이오드용 P형 불순물 영역(이하 P0영역이라 함, 17)이 배치되어 있으며, 고농도 N형 불순물 영역인 센싱확산영역(이하 FD라 함, 18)이 배치되어 있으며, NMOS와 PMOS는 각각 n+(19)와 P+(20)의 소스/드레인 불순물 영역을 구비하고 있다.
한편, 전술한 LOCOS형 소자분리 기술은 누설전류의 등의 특성 열화라는 전기적인 측면 및 버즈비크(Bird's beak)와 결함 생성(Defect generation) 및 화이트리본(White ribbon) 등 다양한 문제점이 야기되고 있어 고집적화된 소자 형성시에는 그 사용이 점차 줄어들고 있다.
도 2는 통상적인 STI(Shallow Trench Isolation)형 필드절연막을 갖는 이미지센서의 개략도를 도시하는 바, 전술한 도 1과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 그 설명은 생략한다.
여기서는 필드절연막(12b)을 STI형으로 형성하였는 바, 필드절연막(12b)이 단순 트렌치 형으로 되어 있어 LOCOS 방법에서의 버즈비크 부분만 확장하는 포토다이오드 형태를 취하고 있으며, 고집적화를 위해 종래의 LOCOS 방법보다는 STI로 필트절연막(12b)을 형성하고 있다.
그러나, STI의 경우 트렌치의 깊이가 0.5㎛ 이하로 얕고, 종래의 LOCOS 방식보다 STI 계면에서의 트렌치 식각에 의해 실리콘 격자가 많은 데미지를 받는 공정 상의 특징으로 인해, 데미지를 받은 실리콘 격자의 결함으로부터 잉여 전자가 포획(Trap)되어 이미지센서의 특성 열화의 대표적인 암신호를 발생시키게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 필드절연막 형성에 따른 실리콘 격자 디스로케이션(Dislocation)에 따른 이미지센서의 특성 열화를 방지하기에 적합한 고집적 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 통상적인 LOCOS형 필드절연막을 갖는 이미지센서의 개략도,
도 2는 통상적인 STI형 필드절연막을 갖는 이미지센서의 개략도
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 반도체층31 : 필드절연막
33 : 소자분리영역34a : P웰
34b : N웰35 : 게이트절연막
36 : 게이트전극용 전도막37 : 포토다이오드용 n-영역
38 : 스페이서39 : 포토다이오드용 P0영역
40 : 센싱확산영역41, 42 : 소스/드레인
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 화소어레이영역과 주변회로영역을 구비하는 이미지센서 제조 방법에 있어서, O2 +이온주입을 통해 상기 화소어레이영역의 반도체층 하부에 국부적으로 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및 상기 게이트전극과 상기 필드절연막 사이의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 전술한 바와 같이 원하지 않는 전자들이 STI 계면의 실리콘 격자의 결함부분에 포획되는 것을 원천적으로 방지하기 위해 주변회로영역은 필드절연막 형성은 종래와 동일하게 하고, 화소어레이영역은 O2 +이온주입 및 재결정화 열처리(Recrystallization annealing)를 통해 실리콘 산화막의 소자분리영역을 형성함으로써, 실리콘 격자의 디스로케이션 발생을 근본적으로 방지하는 것을 기술적 특징으로 한다.
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 설명하는 바, 도 3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.
먼저 도 3a에 도시된 바와 같이, 화소어레이영역(A-A')과 주변회로영역(B-B')으로 구분되는 반도체층(30)의 주변회로영역(B-B')에 필드절연막(31)을 형성하는 바, 도면에 도시된 바와 같이 STI 구조 또는 LOCOS 구조로 형성한다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 화소어레이영역(A-A')에서의 소자분리를 위한 이온주입마스크(32)를 형성한 다음, 이온주입 마스크(32)에 얼라인되도록 반도체층(30) 내부에 O2 +를 이온주입한 다음 재결정화 열처리를 통해 국부적으로 SiO2(실리콘산화막)의 소자분리영역(33)을 형성한다.
여기서, 상부에서의 반도체층(30)과의 접촉 계면을 줄이기 위해 좁고 깊은 소자분리영역(33)을 형성하기 위해 도즈량과 이온주입 에너지를 적절히 조절한느 바, 소자분리영역(33)의 폭(w)은 0.25㎛ ∼ 0.6㎛, 그 깊이는 3.0㎛ ∼ 5.0㎛이 되도록 한다.
따라서, 화소어레이영역에서의 소자분리영역을 이온주입을 통해 형성함으로써 더 좁고 깊게 형성할 수 있으며, 트렌치 식각 등에 따른 반도체층(30)과의 계면에서의 디스로케이션을 근본적으로 방지할 수 있어, 전술한 암신호 발생을 억제할 수 있으며, 고직접화에 부응할 수 있음과 동시에 크로스토크(Crosstalk) 방지 및 저조도 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 이온주입 마스크(32) 형성 전에 반도체층(30) 표면에 이온주입에 따른 반도체층(30) 표면을 보호하기 위한 얇은 실리콘 희생산화막을 성장시키는 바, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.
이어서, 일련의 포토다이오드(PD)와 주변회로영역에서의 엔모스 트랜지스터(NMOS) 등의 형성 공정을 실시하는 바, 이는 통상적인 공정을 통해 형성한다.
따라서, 3c에 도시된 바와 같은 이미지센서가 형성되는바, 도 2c를 참조하면, 주변회로영역의 반도체층(30)에 국부적으로 트렌치형 필드절연막(31)이 형성되어 있으며, 화소어레이영역에는 이온주입에 위한 P형의 소자분리영역(33)이 국부적으로 형성되어 있으며, 소자분리영역(33)과 떨어진 영역에 게이트절연막(35)과 게이트전극용 전도막(36) 및 스페이서(38)로 이루어진 게이트전극 예컨대, 화소어레이영역(A-A')에서는 트랜스퍼 게이트(Tx), 주변회로영역(B-B')에서는 P웰(34a, P-Well)과 N웰(234b, N-Well) 상에 각각 엔모스 트랜지스터(NMOS)와 피모스 트랜지스터(PMOS)가 형성되어 있다.
Tx와 소자분리영역(33)에 접하면서 반도체층(30) 내부에 소정의 깊이로 형성된 포토다이오드용 N형 불순물 영역(n-영역, 137)과 n-영역(37) 상부의 반도체층(30)과 접하는 계면에 얕은 포토다이오드용 P형 불순물 영역(P0영역, 39)이 배치되어 있으며, 고농도 N형 불순물 영역인 센싱확산영역(FD, 40)이 배치되어 있으며, NMOS와 PMOS는 각각 n+(41)와 P+(42)의 소스/드레인 불순물 영역을 구비하고 있다.
전술한 본 발명은, 화소어레이영역에서의 소자분리영역을 O2 +이온주입을 통해 형성함으로써 LOCOS 또는 STI에 의한 필드절연막에 비해 더 좁고 깊게 형성할 수 있어, 암신호 발생을 억제할 수 있으며, 고직접화에 부응할 수 있음과 동시에 크로스토크 방지 및 저조도 특성을 향상시킬 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, 암신호 발생을 억제할 수 있으며, 고직접화에 부응할 수 있음과 동시에 크로스토크 방지 및 저조도 특성을 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 수율을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (6)
- 화소어레이영역과 주변회로영역을 구비하는 이미지센서 제조 방법에 있어서,O2 +이온주입을 통해 상기 화소어레이영역의 반도체층 하부에 국부적으로 소자분리영역을 형성하는 단계;상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및상기 게이트전극과 상기 필드절연막 사이의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소자분리영역 형성하는 단계 전에 상기 주변회로영역에 필드절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 필드절연막을 LOCOS 또는 STI로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소자분리영역을 형성하는 단계는,이온주입 마스크를 통해 상기 O2 +이온을 이온주입하는 단계; 및상기 이온주입된 O2 +이온과 상기 반도체층의 실리콘 원자를 재결정화시켜 실리콘산화막을 형성하기 위해 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소자분리영역을 상기 반도체층 표면으로부터 3.0㎛ ∼ 5.0㎛ 정도의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소자분리영역을 0.25㎛ ∼ 0.6㎛ 정도의 폭으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| N231 | Notification of change of applicant | ||
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20111028 Year of fee payment: 5 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |