KR20050038849A - 이미지 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명은 포토다이오드 영역에 매스가 큰 불순물 이온을 주입을 통해 소자 분리 이온층을 형성하여 이미지 소자를 전기적으로 고립 할 수 있고, 소자 분리 이온층을 형성함으로써, 식각에 의한 이종물질간의 손상을 방지할 수 있고, 광소자에서 생성된 전하의 손실을 방지할 수 있는 이미지 소자의 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이미지 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 이미지 소자와 인접한 영역의 소자 분리막 형성 방법에 관한 것이다.
종래의 이미지 센서의 제조 공정에서 게이트 전극을 형성한 다음 포토다이오드(Photodiode)가 형성될 영역에 낮은 주입량의 N타입 이온주입을 실시하게 된다. 이러한 CMOS 소자 기술을 이용한 CMOS 이미지 센서(Image Sensor)를 개발하는데 있어서 중용한 항목은 광소자에서 생성된 전하를 얼마나 손실 없이 영상으로 재현하는 가이다. 그러나 소자의 크기가 감소할수록 소자의 집적도를 높이기 위해 셀로우 트렌치 아이솔레이션(Shallow Trench Isolation; STI) 공정을 이용하여 소자 분리막을 형성하게 되는데 이로 인해 많은 전하의 손실을 갖게 된다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 이미지 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 포토다이오드 영역(A)과 트랜지스터 영역(B)이 정의된 반도체 기판(10)에 셀로우 트렌치 아이솔레이션 공정을 실시하여 소자 분리막(12)을 형성한다. 셀로우 트렌치 아이솔레이션 공정은 트렌치용 식각 마스크(미도시)를 이용한 식각공정을 실시하여 반도체 기판(10)의 일부를 식각하여 소자 분리용 트렌치(미도시)를 형성한다. 트렌치를 산화막으로 매립 평탄화 하여 소자 분리막(12)을 형성한다. 웰 형성을 위한 이온주입 공정을 실시하여 트랜지스터 영역(B)에 웰(미도시)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 전체 구조상에 게이트 산화막(14)과 폴리 실리콘막(16)을 증착한 다음, 폴리 실리콘막(16)과 게이트 산화막(14)을 패터닝 하여 게이트 전극(18)을 형성한다. 감광막을 이용한 사진 식각공정을 실시하여 포토다이오드 영역(A)을 개방하는 감광막 패턴(20)을 형성한다. 감광막 패턴(20)을 이온주입 마스크로 하는 이온주입을 실시하여 게이트 전극(18) 옆의 포토다이오드 영역(A)에 저농도의 N타입 이온을 주입하여 N타입 정션층(22)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 소정의 스트립 공정을 통해 감광막 패턴(20)을 제거한 다음, 게이트 전극(18) 측벽에 스페이서(28)를 형성한다. 스페이서(28)는 산화막(24)과 질화막(26) 두층으로 형성한다. 트렌지스터 영역(B)의 반도체 기판(10)에 이온주입을 실시하여 소스/드레인(30)을 형성한 다음, 포토다이오드 영역(A)의 반도체 기판(10)에 이온주입을 실시하여 P타입 정션층(32)을 형성한다.
상술한바와 같이 이미지 소자를 형성할 경우, 포토다이오드 영역(A)에 형성된 소자 분리막(12)에 의해 실리콘 기판에는 식각에 의한 손상이 잔류하게 되어 포토다이오드에서 생성된 전하의 일부가 손실되는 문제가 발생한다. 즉, STI를 형성시키기 위해서는 필연적으로 실리콘 기판을 식각하여야 하기 때문에 SiO2와 Si의 계면에 데미지가 항상 잔류하게 된다. 이로인해 이미지 소자의 신뢰성과 수율 저하와 같은 문제점들이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 포토다이오드 영역의 반도체 기판에 소자 분리이온층을 형성하여 소자 분리막에 의한 SiO2와 Si의 계면을 획기적으로 개선시킬 수 있는 이미지 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 포토다이오드 영역과 트랜지스터 영역이 정의된 반도체 기판이 제공되는 단계와, 상기 트랜지스터 영역의 상기 반도체 기판에 소자 분리막을 형성하는 단계와, 제 1 이온주입을 통해 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판에 소자 분리 이온층을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 영역과 인접한 상기 트랜지스터 영역에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 제 2 이온주입을 통해 상기 소자 분리 이온층과 상기 게이트 전극 사이의 상기 포토다이오드 영역에 N타입 정션을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극 측벽에 스페이서를 형성하는 단계 및 상기 트랜지스터 영역에 소스/드레인을 형성하고, 상기 포토다이오드 영역에 상기 N타입 정션보다 얕은 P타입 정션을 형성하는 이미지 소자의 제조 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 이미지 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 포토다이오드 영역(A)과 트랜지스터 영역(B)이 정의된 반도체 기판(110)의 트랜지스터 영역(B)에 소자 분리막(112)을 형성한다.
소자 분리막(112)은 반도체 기판(110) 상에 패드 산화막(미도시)과 패드 질화막(미도시)을 순차적으로 형성한다. 전체 구조 상부에 감광막(Photoresist)을 증착한 후 감광막 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 감광막 패턴과 패드 질화막을 식각 마스크로 이용한 STI(Sallow Trench Isolation) 식각공정을 실시하여 트렌치(미도시)를 형성하고 이를 절연막을 이용하여 매립함으로서 형성하는 것이 바람직하다. 이로써 새부리 현상(Bird's Beak)이 발생하지 않게 되어 소자의 고집적화에 따라 소자간을 전기적으로 분리시키는 영역을 축소할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 포토다이오드 영역(A)의 반도체 기판(110)에 소자 분리를 위한 이온주입을 실시하여 소자 분리 이온층(116)을 형성한다.
상기에서 소자 분리 이온층(116) 형성을 위해 전체 구조상에 감광막을 증착한 다음, 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 포토다이오드 영역(A)의 소자 분리지역을 개방하는 감광막 패턴(114)을 형성하는 것이 바람직하다. 감광막 패턴(114)을 이온주입 마스크로 하는 이온주입공정을 실시하여 소자 분리 이온층(116)을 형성하는 것이 바람직하다.
소자 분리를 위한 이온주입은 후속 공정에 의해 형성된 포토다이오드 영역(A)을 전기적으로 분리시키기 위함뿐 아니라, 매우 국부적으로 분리이온주입층을 형성시키기 위해 이온주입시 얇게 이온주입되며, 후속열처리 후 확산이 적게 진행될 수 있도록 매스(Mass)가 큰 이온들을 이용하여 실시하는 것이 바람직하다. 매스가 큰 이온으로 인듐(Indium; In) 및/또는 BF2를 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 소자 분리를 위한 이온주입 공정으로 두 번의 이온주입을 실시한 다음 열처리를 실시하여 소자 분리 이온층(116)을 형성하는 것이 효과적이다. 물론 한번의 이온주입을 통해 형성할 수도 있고, 다수의 이온주입과 열처리를 병행하여 소자 분리 이온층을 형성할 수도 있다.
본 실시예에 따른 두 번의 이온주입 공정은 150 내지 250KeV의 이온주입 에너지로 1.0E12 내지 1.0E14 atoms/㎠의 인듐 이온을 주입한 다음, 50 내지 150KeV의 이온주입 에너지로 1.0E11 내지 1.0E13 atoms/㎠의 BF2 이온을 주입하는 것이 바람직하다. 이때 틸트를 주지않고 이온주입을 하는 것이 효과적이다. 틸트를 주지 않음으로써 목표로 하는 형상으 소자 분리 이온층을 형성할 수 있다.
열처리 공정은 RTP 장비를 이용하여 반도체 기판(10)의 온도를 상온에서 시작하여 수초간 열을 가하여 약 800 내지 1050℃까지 승온시킨 후 약 5 내지 15초 동안 온도를 유지시켜 실시하는 것이 바람직하다. 승온 속도는 초당 30 내지 50℃로 진행하는 것이 바람직하다. 열처리 공정은 N2 가스 분위기에서 실시하는 것이 효과적이다.
소정의 스트립 공정을 실시하여 감광막 패턴(114)을 제거한다.
도 2c를 참조하면, 트랜지스터 영역(B)에 웰 및 문턱 전압 이온층(미도시)을 형성한다. 전체 구조상에 게이트 산화막(118)과 폴리 실리콘막(120)을 증착한 다음, 게이트 산화막(118)과 폴리 실리콘막(120)을 패터닝 하여 게이트 전극(122)을 형성한다.
웰은 P 타입의 웰을 형성하되, 웰 상부에 형성되는 소자는 포토다이오드에서 생성된 전하를 손실없이 전달하는 역할을 하는 소자이기 때문에 문턱전압이 거의 '0'의 값을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 포토다이오드의 P 졍션이 형성될 부분으로써 빛의 조사에 의해 생성되는 전하를 집적시키는 역할을 하고, 붉은색 계통의 빛에 대한 효율을 증가시킬 수 있도록 약 0.5 내지 10㎛ 깊이의 범위를 갖도록 웰을 형성하는 것이 바람직하다. 웰 및 문턱 전압 이온층을 형성하기위해 트랜지스터 영역(B)을 개방하는 감광막 패턴(미도시)을 형성한 다음 상기 감광막 패턴을 이온주입 마스크로 하는 이온주입 공정을 실시하여 형성하는 것이 바람직하다.
소정이 세정 공정을 실시하여 반도체 기판(110)상에 잔류하는 자연 산화막을 제거한 후, 게이트 산화막(118)과 폴리 실리콘막(120)을 순차적으로 형성한다. 게이트 전극(122)을 형성하기 위한 감광막 패턴(미도시)을 형성한 다음, 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 실시하여 게이트 전극(122)을 형성한다. 게이트 전극(122)은 전기적 활성화를 위해 후속 이온주입 공정시 함께 불순물을 주입하거나 별도의 이온주입 공정을 실시하여 도핑한다. 소정의 스트립공정을 통해 상기 감광막 패턴을 제거한다.
도 2d를 참조하면, 소자 분리 이온층(116)과 게이트 전극(122) 사이의 포토다이오드 영역(A)의 반도체 기판(110)에 N타입 이온을 주입하여 N타입 정션층(126)을 형성한다.
전체 구조상에 감광막을 도포한 다음, 사진 식각공정을 실시하여 포토다이오드 영역을 개방하는 감광막 패턴(124)을 형성한다. 감광막 패턴(124)을 이온주입 마스크로 하는 이온주입을 실시하여 N타입 정션층(126)을 형성하는 것이 바람직하다.
N타입 이온주입은 넓은 영역의 N타입 정션층(126) 확보를 위해 높은 에너지와 전하가 용이하게 잘 생성될 수 있도록 저농도로 도핑하는 것이 바람직하다. 또한, N타입 정션층(126)은 빛의 조사에 의해 생성되는 전하를 집적시키는 역할을 하기 때문에 푸른색 계통의 빛에 대한 효율을 증가시킬 수 있도록 약 0.1 내지 1㎛ 깊이의 범위를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 2e를 참조하면, 게이트 전극(122) 양측벽에 스페이서(132)를 형성한 다음, 트랜지스터 영역(B)의 반도체 기판(110)에 소스/드레인(134)을 형성한다. 포토다이오드 영역(A)의 반도체 기판(110)에 P타입 정션층(136)을 형성한다.
스페이서(132)는 전체 구조상에 산화막(128)과 질화막(130)을 순차적으로 형성한 다음 전면식각을 실시하여 게이트 전극(122) 측벽을 제외한 영역의 산화막(128)과 질화막(130)을 제거하여 형성하는 것이 바람직하다. 소스/드레인(134)은 트랜지스터 영역(B)을 개방하는 감광막 패턴(미도시)을 형성한 다음, 고농도의 도판트를 이용한 이온주입 및 RTP 열처리 공정을 실시하여 형성하는 것이 바람직하다. 소스/드레인(134) 형성을 위한 이온주입시 게이트 전극(122)도 함께 이온주입되는 것이 바람직하다. P타입 정션층(136)은 포토다이오드가 형성되는 영역의 표면의 데미지 층에 의한 전하의 손실분을 개선시키기 위해 표면의 일부를 P 타입으로 이온주입하여 형성하는 것이 효과적이다. 또한, P타입 정션층(136)과 게이트 전극(122)은 후속 공정을 통해 금속과 접촉함으로써 동작전압이 걸리게 됨으로 케리어의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 포토다이오드 영역 인접 지역에 매스가 큰 불순물 이온을 주입을 통해 소자 분리 이온층을 형성하여 이미지 소자를 전기적으로 고립 할 수 있다.
또한, 소자 분리 이온층을 형성함으로써, 식각에 의한 이종물질간의 손상을 방지할 수 있고, 광소자에서 생성된 전하의 손실을 방지할 수 있다.
또한, 이미지 소자의 전하의 효율을 증가시켜 저전력 이미지 센서의 개발을 이룰 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 이미지 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 이미지 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 110 : 반도체 기판 12, 112 : 소자 분리막
14, 118 : 게이트 산화막 16, 120 : 폴리 실리콘막
18, 122 : 게이트 전극 20, 114, 124 : 감광막 패턴
22, 126 : N타입 정션층 24, 128 : 산화막
26, 130 : 질화막 28, 132 : 스페이서
30, 134 : 소스/드레인 32, 136 : P타입 정션층
116 : 소자 분리 이온층
Claims (4)
- 포토다이오드 영역과 트랜지스터 영역이 정의된 반도체 기판이 제공되는 단계;상기 트랜지스터 영역의 상기 반도체 기판에 소자 분리막을 형성하는 단계;제 1 이온주입을 통해 상기 포토다이오드 영역의 상기 반도체 기판에 소자 분리 이온층을 형성하는 단계:상기 포토다이오드 영역과 인접한 상기 트랜지스터 영역에 게이트 전극을 형성하는 단계;제 2 이온주입을 통해 상기 소자 분리 이온층과 상기 게이트 전극 사이의 상기 포토다이오드 영역에 N타입 정션을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 및상기 트랜지스터 영역에 소스/드레인을 형성하고, 상기 포토다이오드 영역에 상기 N타입 정션보다 얕은 P타입 정션을 형성하는 이미지 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소자 분리 이온층은 매스가 큰 인듐(Indium; In) 및/또는 BF2 이온을 이용하여 형성하는 이미지 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 이온주입은,150 내지 250KeV의 이온주입 에너지로 1.0E12 내지 1.0E14 atoms/㎠의 인듐 이온을 주입하는 단계;50 내지 150KeV의 이온주입 에너지로 1.0E11 내지 1.0E13 atoms/㎠의 BF2 이온을 주입하는 단계; 및800 내지 1050℃의 온도에서 약 5 내지 15초 동안 열처리하는 단계를 포함하는 이미지 소자의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 제 1 이온주입은 틸트를 주지않고 이온주입을 실시하는 이미지 소자의 제조 방법.
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