KR20040008683A - 암신호 감소를 위한 이미지센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 게이트전극 측면 스페이서 하부에서의 OSF에 의한 포토다이오드 영역으로의 암신호의 유입을 억제하기에 적합한 이미지센서 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 게이트전극을 형성하는 단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 얼라인되는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물영역을 형성하는 단계; 상기 게이트전극 측벽에 제1도전형 물질을 포함한 스페이서를 형성하는 단계; 상기 스페이서 형성에 따른 상기 반도체층 표면의 데이지를 큐어링함과 동시에 상기 스페이서에 포함된 제1도전형 물질을 상기 반도체층 내부의 소정 깊이로 확산시켜 제1도전형의 결함포획영역을 형성하기 위해 열처리하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 반도체층과 접하는 상기 제1불순물영역에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

Description

암신호 감소를 위한 이미지센서 제조 방법{A fabricating method of image sensor with decreased dark signal}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 이미지센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암신호(Dark signal)를 감소시킬 수 있는 이미지센서 및 그제조방법에 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) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 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 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 통상적인 이미지센서에서 고농도인 P++층 및 P-Epi층이 적층된 반도체층을 이용하는 바, 이하 P++층 및 P-Epi층 반도체층으로 칭한다.

반도체층에 그 측면에 스페이서를 갖는 게이트전극 즉, 트랜스퍼게이트(Tx)가 형성되어 있고, 트랜스퍼 게이트(Tx)에 얼라인되는 이온주입을 통해 반도체층내부에 소정의 깊이로 형성된 포토다이오드용 N형 불순물 영역(이하 n-영역이라 함)과 스페이서에 얼라인되며 n-영역 상부의 반도체층과 접하는 계면에 얕은 포토다이오드용 P형 불순물 영역(이하 P0영역이라 함)이 배치되어 있다.

한편, 전술한 이미지센서에서 트랜스퍼 게이트(Tx) 패턴 형성을 위한 식각 공정시 플라즈마 식각을 이용하는 바, 이 때 플라즈마에 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.

즉, 암신호란 광전반응에 기인하지 않고 생성된 전하가 포토다이오드에 축적되어 나타나는 것으로 암신호 전하의 원천은 여러가지가 있을 수 있으며, 그 중 반도체층의 게이트전극 측면의 실리콘 계면 즉, 스페이서 하부의 n-영역에서의 디스로케이션(Dislocation) 등의 결정 불완전성에 의한 결함 성분 즉, OSF(Oxidation induced Stacking Faults) 등이 주원인으로 도시된 'X'와 같이 가장자리에서 그 밀도가 증가하며 포토다이오드(PD)의 영역으로 축적된 다음, 열적 생성된 전자를 포획 후 공급시킴으로써 암신호를 유발시킨다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 게이트전극 측면 스페이서 하부에서의 OSF에 의한 포토다이오드 영역으로의 암신호의 유입을 억제하기에 적합한 이미지센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

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

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 반도체층21 : 확산방지막

22 : 제1절연막23 : 제2절연막

24 : 결함포획영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 게이트전극을 형성하는 단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 얼라인되는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물영역을 형성하는 단계; 상기 게이트전극 측벽에 제1도전형 물질을 포함한 스페이서를 형성하는 단계; 상기 스페이서 형성에 따른 상기 반도체층 표면의 데이지를 큐어링함과 동시에 상기 스페이서에 포함된 제1도전형 물질을 상기 반도체층 내부의 소정 깊이로 확산시켜 제1도전형의 결함포획영역을 형성하기 위해 열처리하는 단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 반도체층과 접하는 상기 제1불순물영역에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

본 발명은, 게이트전극 스페이서 물질로 P형 불순물을 함유하는 예컨대, BSG(Boro Silicate Glass)를 스페이서 물질로 사용하여 열확산을 통해 P형 불순물영역을 형성하여 게이트전극 측면 하부에 집중된 OSF를 감싸도록 하여 스페이서 하부에서의 OSF에 의한 암신호 발생을 효과적으로 억제하고자 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 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명한다.

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

여기서, 통상적인 이미지센서에서 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 반도체층을 이용하는 바, 이하 반도체층(20)이라 칭한다.

먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 산화공정 예컨대, 열산화(Thermal oxidation) 공정을 통하여 반도체충에 국부적으로 필드절연막(도시하지 않음)을 형성시킨 다음, 산화막계열의 게이트절연막과 폴리실리콘과 텅스텐 등이 단독 또는 적층된 게이트전도막을 증착한 다음, 게이트전극 패턴 형성을 위한 마스크를 이용한 패턴 형성 공정을 통해 게이트절연막과 게이트전도막이 적층된 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Tx)를 형성한다.

이 때, 게이트전극(Tx) 패턴 형성시 플라즈마 노출에 따라 게이트전극 측면 하부의 반도체층(20)에 집중적으로 OSF 등의 결함(X)이 나타난다.

이어서, 포토다이오드 형성영역을 오픈시키는 이온주입마스크(도시하지 않음)를 이용하여 이온주입을 실시하는 바, 도시된 바와 같이 게이트전극의 일측에 얼리인되도록 반도체층(20) 내부에 N형의 포토다이오드용 불순물영역(이하 n-영역이라 함)을 형성한다. 이 때, 통상적인 이온주입과 열처리를 통한 열확산 방법을 이용하며, 저조도 특성을 향상시키기 위해 7°∼ 10°의 틸트(Tilt)를 주어 게이트전극 하부의 일정 깊이까지 n-영역이 확장되도록 한다.

이어서 도 2b에 도시된 바와 같이, 후속 P형 불순물의 확산에 의한 결함포획영역 형성시 이러한 불순물이 게이트전극(Tx)으로 확산되는 것을 방지하기 위해 게이트전극(Tx)에 질화 및 산화처리를 실시하여 확산방지막(21)을 형성한다.

이어서, 게이트전극(Tx)이 형성된 프로파일을 따라 P형 불순물을 포함하는 제1절연막(22)과 질화막 계열의 제2절연막을 차례로 증착한다.

여기서, 전술한 P형 불순물을 포함하는 제1절연막(22)으로 대표적인 것은 보론(Boron, B)을 포함하는 BSG막이며, 그 증착 두께는 500Å ∼ 1000Å 정도가 적당하다.

다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 전면식각을 통해 게이트전극(Tx) 측벽에 제1절연막(22)과 제2절연막(23)이 적층된 스페이서를 형성한다.

이어서, 스페이서 형성을 위한 전면식각 공정에서 데미지를 입은 반도체층(20)을 큐어링하는 열처리 공정을 실시하는 바, 800℃ ∼ 1000℃의 온도로 튜브 어닐(Tube anneal)을 실시한다.

이 때, 제1절연막(220의 보론과 같은 P형 불순물이 반도체층(20)의 소정 깊이로 확산되어 결함포획영역(24)을 형성하는 바, 결함포획영역(24)은 OSF 등의 결함(X)을 감싸게 되어 암신호 성분의 포토다이오드 영역으로의 유입을 방지하게 된다.

전술한 확산 과정에서 확산방지막(21)은 게이트전극(Tx)으로의 보론 등의 불순물 확산을 방지한다.

계속해서, 이온주입을 통해 스페이서에 얼라인되며, 포토다이오드의 n-영역의 반도체층(20)과 접하는 계면에 포토다이오드용 P형 불순물영역(이하 P0영역이라 함)을 형성한다.

P0영역의 이온주입시 종래에는 별도의 이온주입 마스크를 사용하였으나, 최근에는 별도의 마스크를 사용하지 않고 전면 이온주입(Blanket ion implantation)을 실시한다.

이어서, 도면에 도시되지는 않았지만, N형 불순물을 이온주입하여 게이트전의 타측과 필드절연막(22) 사이에 고농도 N형(n+)의 센싱확산노드(FD)를 형성한다.

전술한 본 발명은, 스페이서 물질로부터 P형 불순물 예컨대, 보론을 반도체층으로 확산시켜 게이트전극 패턴 형성에 따른 OSF 등의 결함을 감싸도록 하여 암신호의 포토다이오드 영역으로의 유입을 방지할 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, 게이트전극 형성에 따른 OSF에 의한 암신호 성분의 포토다이오드 영역으로의 유입을 방지할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (8)

1. 제1도전형의 반도체층에 게이트전극을 형성하는 단계;

   이온주입을 실시하여 상기 게이트전극의 일측에 얼라인되는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물영역을 형성하는 단계;

   상기 게이트전극 측벽에 제1도전형 물질을 포함한 스페이서를 형성하는 단계;

   상기 스페이서 형성에 따른 상기 반도체층 표면의 데이지를 큐어링함과 동시에 상기 스페이서에 포함된 제1도전형 물질을 상기 반도체층 내부의 소정 깊이로 확산시켜 제1도전형의 결함포획영역을 형성하기 위해 열처리하는 단계; 및

   이온주입을 실시하여 상기 반도체층과 접하는 상기 제1불순물영역에 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물영역을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 결함포획영역은 게이트전극 측면 하부의 반도체층에 집중된 OSF(Oxidation induced Stacking Faults)를 감싸도록 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1도전형 물질은 BSG(Boro Silicate Glass)막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 BSG막은 500Å 내지 1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 열처리는 800℃ 내지 1000℃의 온도 범위 내에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 스페이서 형성 전에, 상기 열처리에 따른 제1불순물의 상기 게이트전극으로의 확산을 방지하기 위해 상기 게이트전극 측벽에 산화 및 질화처리를 실시하여 확산방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1불순물영역 형성을 위한 이온주입시 7°내지 10°의 틸트를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형의 도전형이고, 상기 제2도전형은 N형의 도전형임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.