KR20040059532A - 중금속 이온의 유입을 차단하여 암전류를 감소시킨 시모스이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 금속배선 하부에 막질이 치밀한 질화막을 형성하여 금속배선으로부터 유입되는 중금속 이온들을 차단함으로써 암전류 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 수광소자를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판; 상기 관련소자들을 비롯한 상기 기판 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 및 상기 금속배선과 상기 층간절연막 사이에 형성된 질화막을 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 금속배선 하부에 막질이 우수한 질화막을 형성하여 금속배선들로부터 유입되는 중금속 이온들을 차단하여 암전류를 감소시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도1a는 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(103)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도1b는 이러한 단위화소와 칼라필터 및 마이크로렌즈들을 포함하여 구성된 시모스 이미지센서의 단면구조를 도시한 단면도로서 이를 참조하면, 종래의 시모스 이미지센서는 p형 기판(101) 상에 형성된 p형 에피층(102)과, 에피층(102) 내에 형성된 p형 웰(103)과, 에피층(102) 상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드절연막(104)과, 에피층 상에 형성된 4개의 트랜지스터(107a, 107b, 107c, 107d)와, 트랜스퍼 트랜지스터(107a)와 필드절연막(204) 사이의 에피층 내부에 형성된 포토다이오드용 n형 이온주입영역(105)과, n형 이온주입영역(105)과 에피층(102)의 표면사이에 형성된 포토다이오드용 p형 이온주입영역(106)과, 트랜지스터들의 측벽에 형성된 스페이서(108)와, 트랜지스터의 소오스/드레인영역(109)과, 트랜지스터들을 포함하여 에피층 상에 형성된 층간절연막(110)과, 층간절연막 상에 형성된 제1금속배선(111)과, 제1금속배선을 덮으며 형성된 금속층간절연막(112)과, 금속층간절연막(112) 상에 형성된 제2금속배선(113)과, 소자를 습기나 스크랫치로부터 보호하기 위해 제2금속배선(113)을 덮으며 형성된 페시베이션막(114)과, 페시베이션막 상에 형성된 칼라필터(115)와, 칼라필터 상에 형성된 평탄화막(116)과 평탄화막 상에 형성된 마이크로렌즈(117)를 포함하여 구성되어 있다.
도1b를 참조하면 암전류의 소스들을 도시하였는데, 암전류란 빛이 전혀 없는 상태에서도 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로 이동하는 전자에 기인하는 것으로, 이러한 암전류는 주로 활성영역의 엣지 부분에 존재하는 각종 결함들(linedefect, point defect, etc)이나 댕글링 본드(Dangling bond)에서 비롯된다고 보고되고 있으며, 암전류는 저조도 (low illumunation) 환경에서는 심각한 문제를 야기할 수도 있다.
이러한 암전류를 유발하는 소스로는 전술한 활성영역의 엣지에 발생한 결함(2) 이외에도, 실리콘 기판의 내부에서 발생한 결함(1), 에피층의 표면에서 발생한 결함(3), 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역에 발생한 결함(4), 플로팅확산영역의 접합에서 발생한 결함(5)등으로 대별 할 수 있다.
이중에서 에피층(102)의 표면에서 발생한 결함(3)을 도1c를 참조하여 살펴본다. 도1c는 도1b에 도시된 구조에서 트랜스퍼 트랜지스터(107a)와 리셋 트랜지스터(107b)를 중심으로 시모스 이미지센서를 도시한 도면이다.
에피층(102)의 표면에서 발생한 결함은 도1c에 도시된 바와같이 제 1 및 제 2 금속배선(111, 113)들로부터 유입된 중금속이온도 일조하는 것으로 알려져 있으나, 종래에는 이를 방지할 방지막이 없어 암전류를 감소시키지 못했다.
즉, 종래에서는 통상적인 논리회로 형성공정에서 사용되는 산화막만을 금속층간 절연막으로 사용하였는데, 산화막은 막질이 치밀하지 못하고 열악하여 금속배선의 밑부분으로부터 포토다이오드로 유입되는 중금속 이온들을 막지 못하였다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속배선 하부에 막질이 치밀한 질화막을 형성하여 중금속 이온의 유입을 차단함으로써 암전류를 감소시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
도1a는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소 구조를 도시한 회로도,
도1b 내지 도1c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 암전류 소스들을 도시한 단면도,
도2는 본 발명의 일실시예에 따라 금속배선 하부에 질화막을 구비한 시모스 이미지센서의 구성을 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
201 : 기판 202 : 에피층
204 : 필드전연막 205 : 깊은 n형 이온주입영역
206 : p형 이온주입영역 207a : 트랜스퍼 트랜지스터
207b : 리셋 트랜지스터 208 : 스페이서
209 : 소스/드레인 영역 210 : 층간절연막
211 : 질화막 212 : 제 1 금속배선
213 : 금속층간절연막 214 : 질화막
215 : 제 2 금속배선` 216 : 페시베이션막
217 : 칼라필터 218 : 평탄화막
219 : 마이크로렌즈
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광소자를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판; 상기 관련소자들을 비롯한 상기 기판 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 및 상기 금속배선과 상기 층간절연막 사이에 형성된 질화막을 포함하여 이루어진다.
또한 본 발명은, 기판 상에 수광소자를 비롯한 관련소자들을 형성하는 단계; 상기 관련소자들을 비롯한 상기 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 질화막을 형성하는 단계; 및 상기 질화막 상에 금속층을 형성하고 이를 패터닝하여 금속배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 금속배선 하부에 막질이 치밀한 질화막을 형성하여 중금속 이온의 유입을 방지함으로써 암전류를 감소시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의 구조를 트랜스퍼 트랜지스터(207a)와 리셋 트랜지스터(207b)를 중심으로 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서를 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서는 상대적으로 고농도인 p형 기판(201) 상에 형성된 저농도의 p형 에피층(202)과, 에피층(202) 상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드절연막(204)과, 에피층 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터(207a) 및 리셋 트랜지스터 (207b)와 트랜스퍼 트랜지스터(207a)와 필드절연막(204) 사이의 에피층 내부에 형성된 포토다이오드용 n형 이온주입영역(205)과, n형 이온주입영역(205)과 에피층(202)의 표면사이에 형성된 포토다이오드용 p형 이온주입영역(206)과, 트랜지스터들의 측벽에 형성된 스페이서(208)와, 트랜지스터의 소오스/드레인영역(209)과, 트랜지스터들을 포함하여 에피층 상에 형성된 층간절연막(210)과, 층간절연막 상의 일정영역에 형성된 질화막(211)과, 질화막 상에 형성된 제1금속배선(212)과, 제1금속배선을 덮으며 형성된 금속층간절연막(213)과, 금속층간절연막(213) 상의 일정영역에 형성된 질화막(214)과, 질화막(214) 상에 형성된 제2금속배선(215)과, 소자를 습기나 스크랫치로부터 보호하기 위해 제2금속배선(215)을 덮으며 형성된 페시베이션막(216)과, 페시베이션막 상에 형성된 칼라필터(217)와, 칼라필터 상에 형성된 평탄화막(218)과 평탄화막 상에 형성된 마이크로렌즈(219)를 포함하여 구성되어 있다.
도2에는 드라이브 트랜지스터나 리셋 트랜지스터 및 이러한 트랜지스터가 형성될 p형 웰은 도시하지 않았다. 또한, 도2에 도시된 필드절연막으로 트렌치 구조를 이용한 소자분리막이 사용될 수 도 있다.
도2에 도시된 질화막(211, 214)으로는 실리콘 질화막(SiXNY), 실리콘 산화질화막(SiON), 티타늄 질화막(TiN) 등이 사용될 수 있으며, 질화막은 금속배선(212, 215)의 하부에만 형성된다. 이와같은 질화막(211, 214)은 산화막에 비해 막질이 치밀하므로, 금속배선의 밑면으로부터 유입되는 중금속 이온들을 효율적으로 차단할 수 있어 암전류를 감소시킬 수 있다.
그리고 질화막(211, 214)은 빛에 대한 반사계수(Reflection Index)가 크기때문에, 포토다이오드로 입사하는 빛의 입사경로 상에 질화막이 위치하게 되면 광 투과율을 저하시켜 소자특성의 저하를 가져올 우려가 있기 때문에 금속배선의 하부에만 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 질화막(211, 214)은 질화막의 하부에 위치한 막의 종류에 따라 시모스 이미지센서의 광 특성을 향상시킬 수 있는 성질을 가지고 있으나, 이를 위해서는 질화막의 두께 조절이 매우 세밀하여야 하고, 또한 두께 차이에 의한 특성의 변화가 매우 critical 하기 때문에 정확한 제어가 어렵다.
이와같은 단점때문에 본 발명의 일실시예에서는 질화막을 금속배선의 하부에만 형성하였으나, 공정조건을 세밀하게 조절하여 질화막의 특성을 적절히 이용할 수 있다면, 상기한 바와같이 질화막을 제거하지 않아도 소자특성의 저하를 방지할 수 도 있다.
다음으로 도2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
먼저, 상대적으로 고농도인 p형 기판(201) 상에 저농도인 p형 에피층(202)을 형성한다. 이와 같이 저농도의 에피층을 사용하는 이유는 포토다이오드의 공핍층깊이를 증가시켜 특성을 향상시킬 수 있으며, 또한 고농도의 기판은 단위화소간의 크로스토크(cross talk)를 방지할 수 있기 때문이다.
다음으로 도2에는 도시되어 있지 않지만, 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터가 형성될 p형 웰을 형성한다. 다음으로, 에피층의 일정영역에 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드절연막(204)을 형성한다. 필드절연막(204)으로는 열산화막을 사용하거나 또는 트렌치(trench)구조의 소자분리막이 사용될 수 도 있다.
다음으로 에피층 상에 게이트 절연막(미도시)과 게이트 폴리실리콘을 증착하고 이를 패터닝하여 트랜지스터(207a, 207b)의 게이트를 형성한다. 다음으로 소정의 마스크 공정후, 고에너지 이온주입공정을 수행하여 포토다이오드용 n형 이온주입영역(205)을 트랜스퍼 트랜지스터(207a)와 필드절연막(204) 사이의 에피층(202) 내부에 형성한다. 연속적으로 저에너지 이온주입공정을 진행하여 포토다이오드용 p형 이온주입영역(206)을 상기 n형 이온주입영역(205)과 에피층의 표면 사이에 형성한다. 이와같은 공정을 통해 저전압 매몰 포토다이오드(Low Voltage Buried Photo Diode : LVBPD)가 완성된다.
이어서 트랜지스터의 게이트 전극의 양 측벽에 질화막 또는 산화막으로 구성된 스페이서(208)를 형성한다. 이어서 트랜지스터의 소오스/드레인(209) 및 플로팅 확산영역(209)을 형성하기 위한 이온주입공정을 실시한다.
다음으로 트랜지스터를 포함한 에피층(202) 상에 층간절연막(210)을 형성하고 층간절연막(210) 상에 질화막(211)을 형성한다. 질화막(211)으로는 실리콘 질화막(SiXNY), 실리콘 산화질화막(SiON), 티타늄 질화막(TiN) 등이 사용될 수 있으며, 질화막의 두께는 200 ∼ 2000Å 정도로 한다.
이와같이 층간절연막(210) 상에 질화막(211)을 형성한 이후에, 콘택(contact)이 필요한 부분에 콘택홀을 형성하는데, 콘택홀 형성을 위한 식각공정에서는 질화막(211)과 층간절연막(210)을 동시에 식각하여 콘택홀을 형성한다.
다음으로 질화막(211) 상에 제 1 금속배선용 금속층(212)을 형성하고, 이를 패터닝하여 제 1 금속배선(212)을 형성한다. 전술한 바와같이 질화막(211)은 반사계수 (Reflection index)가 높아서 빛을 잘 투과시키지 못하므로 제 1 금속배선(212) 하부를 제외한 나머지 영역에 존재하는 질화막은 제거하는 것이 바람직 하다. 이와같은 질화막(211) 제거는 제 1 금속배선(212)을 패터닝하는 공정에서, 과도식각(overetch)을 실시하여 제 1 금속배선(212) 하부 이외의 부분에 형성된 질화막을 제거한다.
다음으로 제 1 금속배선(212)을 포함한 층간절연막(210) 상에 금속층간절연막(213)을 형성하고 금속층간절연막(213) 상에 다시 질화막(214)을 형성한다. 이 질화막(214)은 제 2 금속배선의 하부에 형성되는 질화막이며, 제 2 금속배선에서 유출되는 중금속 이온이 포토다이오드로 유입되지 못하도록 차단한다.
제 2 금속배선(215)을 형성하는 공정은 제 1 금속배선(212)을 형성하는 공정과 동일하며, 전술한 바와 마찬가지로 질화막(214)은 반사계수가 크기 때문에 제 2 금속배선(215) 하부이외의 지역에 형성된 질화막(214)은 제 2 금속배선을 패터닝하는 공정에서 과도식각을 수행하여 제거한다.
본 발명의 일실시예에서는 금속배선을 두개만 사용하였지만 더 많은 금속배선을 사용할 경우에는 각 금속배선의 하부에 전술한 바와같은 공정을 이용하여 질화막을 형성한다면 중금속 이온이 포토다이오드로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로 소자를 습기나 스크래치(scratch)로 부터 보호할 목적으로 제 2 금속배선(215)을 포함하는 금속층간절연막(213) 상에 페시베이션막(216)을 형성한다.
다음으로 페시베이션막(216) 상부에 칼라필터(217), 평탄화막(218) 및 마이크로렌즈(219)를 적층 형성하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서가 완성된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 이미지센서에 적용하면, 중금속 이온이 포토다이오드로 유입되는 현상을 방지하여 제품의 품질이 향상되는 효과가 있으며 또한, 우수한 품질을 갖는 제품의 수율을 안정적으로 확보할 수 있어 시장경쟁력을 강화할 수 있다.
Claims (6)
- 수광소자를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판;상기 관련소자들을 비롯한 상기 기판 상에 형성된 층간절연막;상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 및상기 금속배선과 상기 층간절연막 사이에 형성된 질화막을 포함하는 이루어지는 시모스 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 질화막은 200 ∼ 2000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 질화막은 금속배선 하부에만 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 기판 상에 수광소자를 비롯한 관련소자들을 형성하는 단계;상기 관련소자들을 비롯한 상기 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;상기 층간절연막 상에 질화막을 형성하는 단계; 및상기 질화막 상에 금속층을 형성하고 이를 패터닝하여 금속배선을 형성하는 단계를 포함하는 이루어지는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 질화막 상에 금속배선을 형성하는 단계는상기 금속배선의 패턴하부에만 질화막을 남기고 나머지 질화막은 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 질화막은 200 ∼ 2000Å의 두께를 갖게 형성하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR10-2002-0085203A KR100461971B1 (ko) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | 중금속 이온의 유입을 차단하여 암전류를 감소시킨 시모스이미지센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0085203A KR100461971B1 (ko) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | 중금속 이온의 유입을 차단하여 암전류를 감소시킨 시모스이미지센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20040059532A true KR20040059532A (ko) | 2004-07-06 |
| KR100461971B1 KR100461971B1 (ko) | 2004-12-17 |
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ID=37351526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0085203A KR100461971B1 (ko) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | 중금속 이온의 유입을 차단하여 암전류를 감소시킨 시모스이미지센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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-
2002
- 2002-12-27 KR KR10-2002-0085203A patent/KR100461971B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100461971B1 (ko) | 2004-12-17 |
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