KR20060000900A - 중수소 어닐링을 적용한 이미지센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중수소 또는 삼중수소를 이용한 어닐링 공정을 도입하여 이미지센서의 광특성과 신뢰성을 향상시킨 발명으로, 수소보다 결합력이 우수한 중수소 내지 삼중수소를 이용하여 이미지센서의 댕글링 본드를 보다 효과적으로 감소시킨 발명이다. 이를 위한 본 발명은, 이미지센서 제조방법에 있어서, 반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 절연막을 형성하고, 이를 선택적으로 제거하여 반도체 기판의 일정부분을 노출시키는 제 1 금속배선 콘택홀을 형성하는 단계; 및 중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계를 포함하여 이루어 진다.
이미지센서, 중수소, 삼중수소, 댕글링 본드, 트랩차지
Description
도1a은 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도,
도1b는 통상적인 시모스 이미지센서의 단면구조를 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 도시한 단면도면,
도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 기판 21 : 소자분리막
22 : 게이트 절연막 23 : 게이트 폴리실리콘
24 : 스페이서 25 : 포토다이오드
26 : 플로팅 확산영역 27 : 층간절연막
28 : M1 콘택 29 : 댕글링 본드와 결합한 중수소
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 중수소 또는 삼중수소를 이용한 어닐링 공정을 적용하여 광 특성을 향상시킨 발명이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 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 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도1a는 통상의 시모스 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 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라 이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도1b는 도1a에 도시된 단위화소에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 그 단면구조를 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도1b에 도시된 바와같이, 반도체 기판(10) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(11)을 형성한다. 소자분리막으로는 트렌치 소자분리막 또는 LOCOS 기법을 이용한 소자분리막이 사용된다.
이후에, 게이트 절연막(12)과 게이트 전도물질(13)을 적층하고, 이를 패터닝하여 트랜지스터의 게이트 전극을 형성한다. 참고로 도1b에는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트만 도시되어 있다. 이하에서는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 트랜스퍼 게이트라 칭하가로 한다.
이어서, 트랜스퍼 게이트의 일측면에 포토다이오드(15)를 형성한다. 여기서, 포토다이오드(15)로는 p형 기판과 더불어 p/n/p 구조를 갖는 포토다이오드가 주로 이용되고 있다.
다음으로 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서(14)를 형성하는데, 공정에 따라서는 포토다이오드(15) 형성전에 스페이서(14)를 먼저 형성할 수도 있다.
이이서, 트랜스퍼 게이트의 타 측면에 플로팅 확산영역(16)을 형성한다. 플로팅 확산영역(16)은 포토다이오드(15)에서 생성된 광 전하가 트랜스퍼 게이트를 통해 이송되어 오면, 이를 센싱하여 이미지재현에 사용하는 역할을 한다.
이후에, 수행되는 공정은 도1b에는 도시되어 있지는 않지만 이를 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 각종 게이트 전극을 덮는 층간절연막 형성공정이 진행되며, 그 이후에는 복수층의 금속배선 및 금속배선간 절연막 형성공정이 차례로 진행된다.
이후에는 최종금속배선을 덮으며, 소자를 보호하기 위한 페시베이션막 형성 공정이 진행되며, 그 다음으로는 칼라필터 및 마이크로렌즈 형성공정이 진행되어 이미지센서 제조공정을 마무리 하게 된다.
이러한 제조공정을 통해 형성된 종래의 시모스 이미지센서에서, 게이트 절연막 및 실리콘 기판의 표면에는 많은 결합손(댕글링 본드, dangling bond)이 존재하게 되며, 이러한 댕글링 본드는 이미지센서의 성능에 많은 제약을 주는 요소로 작용하고 있다.
특히, 소자분리막을 형성하는 과정에서, 소자분리막과 반도체 기판 사이의 계면에는 많은 결합손이 존재하게 되어 암전류 소스로 작용하고 있을 뿐만 아니라, 게이트 절연막 형성공정시에 생성된 댕글링 본드들은 광전자 이송시에 전자들을 포획하는 함정으로 작용하여 전하운송효율을 저하시키고 있다.
때문에, 종래기술에서는 수소를 이용한 어닐링 공정을 적용하여 댕글링 본드를 제거하는 방법을 사용하여 왔다.
즉, 수소을 이용한 어닐링 공정을 도입하게 되면, 수소가 실리콘 기판 표면에 존재하는 댕글링 본드와 결합하여 Si-H 결합을 형성하게 되며, 결국 댕글링 본 드로 인한 트랩차지(trap charge)를 감소시키는 방법을 사용하여 왔다.
하지만, 수소를 이용한 어닐링 공정을 적용하더라도, 모든 댕글링 본드들을 Si-H 결합으로 바꿔줄 수도 없는 노릇이며, 설사 Si-H 결합이 형성되었다 하더라도, Si-H 결합은 그 결합력이 매우 약하기 때문에 이미지 센서가 동작하는 도중에 많은 결합 손실이 발생하게 되므로, 댕글링 본드로 인한 소자특성의 저하는 피할 수 없었다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 수소보다 결합력이 우수한 중수소 또는 삼중수소를 이용한 어닐링 공정을 도입하여 광특성을 개선한 시모스 이미지센서 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이미지센서 제조방법에 있어서, 반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 절연막을 형성하고, 이를 선택적으로 제거하여 반도체 기판의 일정부분을 노출시키는 제 1 금속배선 콘택홀을 형성하는 단계; 및 중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 Si-H 결합보다 결합력이 2배 이상 큰 Si-Deuterium 결합을 형 성하여 줌으로써 소자의 광특성과 신뢰성을 향상시킬 수 있었다.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도로써 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에서는 플로팅 확산영역으로 고농도의 n형 이온주입영역을 사용하였으나, 이외에도 고농도의 p형 이온주입영역이 플로팅 확산영역으로 적용될 수도 있다.
이하에서는, p형의 기판을 사용하고, 플로팅 확산영역으로는 고농도의 n형 이온주입영역이 사용되는 경우를 상정하여 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다.
도2a는 시모스 이미지센서에서 제 1 금속배선 콘택(M1 contact)(28)까지 형성된 구조를 도시한 도면으로, 이를 참조하여 설명한다.
먼저, 도2a에 도시된 바와같이 p형 반도체 기판(20) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(21)을 형성한다. 이때, 반도체 기판(20)으로는 고농도의 p형 기판(substrate)과 저농도의 p형 에피층(epitaxial layer)이 적층된 구조를 사용할 수도 있다.
이와같이 고농도의 p형 기판 상에 저농도의 p형 에피층의 적층된 구조를 사 용하는 이유는 다음과 같다. 저농도의 p형 에피층에 포토다이오드를 형성하게 되면, 포토다이오드의 공핍영역을 확장시켜 포토다이오드의 용량을 확대시킬 수 있는 장점이 있기 때문이며, 또한 고농도의 p형 기판은 인접한 단위화소에서 발생하는 크로스 토크(cross talk) 현상을 억제하는 기능을 하기 때문이다.
그리고, 소자분리막(21)으로는 열산화막을 이용한 LOCOS 기법의 소자분리막이 적용되거나 또는 트렌치(trench)를 이용한 얕은 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)이 사용될 수도 있다.
다음으로 웰 형성공정 및 트랜지스터의 문턱전압을 조절하기 위한 이온주입공정이 진행된다. 참고로, 단위화소에 사용되는 트랜스퍼 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성된 전하를 손실없이 플로팅 확산영역으로 이송하는 역할을 수행하여야 하므로, 거의 0 volt에 가까운 문턱전압을 갖게 설정한다.
다음으로 도2a에 도시된 바와같이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 비롯한 각종 게이트 전극을 패터닝하는 공정이 진행된다. 즉, 반도체 기판(20) 상에 게이트 절연막(22)과 게이트 전도물질(23)을 차례로 적층한 후, 이를 적절히 패터닝하여 게이트 전극을 형성한다.
본 발명의 일실시예에서는 게이트 전도물질로, 폴리실리콘이 사용되었으나, 이외에도 전이금속과 폴리실리콘이 결합된 폴리사이드(polycide) 구조를 갖는 게이트 전극이 사용될 수도 있으며, 또는 텅스텐 실리사이드(WSi)를 구비한 게이트 전극이 사용될 수도 있다.
참고로 도2a에는 각종 트랜지스터 중에서 트랜스퍼 트랜지스터만이 도시되었 으며, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 트랜스퍼 게이트라 칭하기로 한다.
이어서, 적절한 이온주입 마스크를 이용하여 트랜스퍼 게이트의 일측에 정렬되는 포토다이오드(25)를 형성한다.
포토다이오드는 통상적으로 반도체 기판 깊숙히 형성된 n형 이온주입영역(통상적으로 'Deep N 영역' 이라고 표시됨)과 그 상부에 형성된 p형 이온주입영역(통상적으로 'P0 영역' 이라고 표시됨)으로 구성되며, p형의 기판(20)과 더불어 p/n/p 구조의 포토다이오드 구조가 많이 이용된다. 도2a에는 이러한 포토다이오드의 자세한 구조는 도시하지 않았으며 단순히 하나의 포토다이오드(25)로만 도시하였다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 트랜스퍼 게이트 형성 후에, 포토다이오드(25)가 형성되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 그 순서가 바뀔 수도 있으며, 이러한 공정순서는 스페이서(24) 형성공정과 더불어 여러가지 경우가 있을 수 있다.
즉, 트랜스퍼 게이트(22, 23)가 패터닝된 후에 'Deep N 영역' 이 형성되며 그후에 스페이서(24) 및 'P0 영역' 이 차례로 형성되어 포토다이오드가 완성될 수도 있으며, 또는 트랜스퍼 게이트(22, 23)가 패터닝된 후에 'Deep N 영역' 과 'P0 영역' 이 연속적으로 형성되어 포토다이오드(25)가 완성된 다음, 스페이서(24) 형성공정이 진행될 수 도 있다.
또는 포토다이오드(25)를 먼저 완성한 다음, 트랜스퍼 게이트(22, 23)가 패터닝될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와같은 다양한 방법을 이용하여 포토다이오드 및 트랜스퍼 게이트를 형성한 이후에는, 플로팅 확산영역(26)이 트랜스퍼 게이트의 타측에 형성된다.
플로팅 확산영역(26)은 여타 트랜지스터의 소스/드레인 형성공정에서 함께 형성되며, 본 발명의 일실시예에서는 고농도의 n형 이온주입영역으로 구성되었다.
다음으로, 트랜지스터의 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판(20) 상에 층간절연막(27)이 형성된다.
다음으로, 제 1 금속배선(Metal 1)과 전기적으로 연결될 M1 콘택을 형성하기 위해, 상기 층간절연막(27)의 일정부분을 제거하여 반도체 기판의 표면을 노출시키는 콘택홀(28) 형성공정이 진행된다.
즉, 도2a에는 이러한 M1 콘택까지 형성된 구조를 도시한 도면이다.
다음으로 도2b에 도시된 공정이 진행되는 바, 도2b에는 본 발명의 기술사상인 중수소 또는 삼중수소를 이용한 어닐링 공정이 도시되어 있다.
이러한 중소 어닐링 공정을 통해, 중수소는 콘택홀과 산화막, 폴리실리콘 등을 투과하여 실리콘 기판에 형성된 댕글링 본드와 결합한다.
여기서, 중수소(Deuterium)는 수소에 중성자가 하나 더 구비된 원소로, 상대적인 질량이 1 인 수소의 동위원소이다. 수소의 상대적인 질량이 1 인데 비하여, 중수소의 상대적인 질량은 2 또는 3이며, 특히 상대적인 질량이 3 인 경우에는 삼중수소(Threeterium)라고 부른다.
그리고, 댕글링 본드는 실리콘 표면에서 결합하지 못한 결합손을 일컫으며, 이 댕글링 본드는 수소나 OH 와 쉽게 결합하여 Si-H 또는 Si-OH 결합을 형성하는데, 그 결합력이 매우 취약함은 전술한 바와같다.
때문에, 이미지센서가 동작하는 동안 Si-H 또는 Si-OH 결합이 많이 손실되어 트랩차지(trap charge) 현상을 유발하여 소자의 특성을 저하시키고 있었다.
하지만, 본 발명에서는 수소보다 결합력이 2배 이상 큰 중수소 또는 삼중수소를 이용함으로써, 댕글링 본드에 의한 소자특성의 저하를 방지할 수 있었다.
그리고, 도2b에 도시된 중수소 어닐링시, 중수소는 확산이 잘 되지 않는 특성이 있으므로, 상압(Atmospheric Pressure)에서 중수소 어닐링이 적용될 경우, 어닐링 온도를 450 ∼ 600℃ 정도의 고온으로 함이 바람직하다.
또한, 상기 중수소 어닐링이 2 ∼ 10 atm 정도의 고압에서 진행될 경우에는, 어닐링 온도를 300 ∼ 500℃ 로 함이 바람직하다.
이와같은 중수소 어닐링을 수행하게 되면, 실리콘 기판에 형성된 댕글링 본드와 강한 결합력을 갖는 Si-D 결합이 생성되며, 이를 도2b에 도시하였다.(도2b에서 도면부호 '29'로 표시된 부분)
이후에 수행되는 공정은 통상적인 후속공정으로서, 도2b에는 도시되어 있지않지만 간략히 설명하면 다음과 같다.
즉, 제 1 금속배선 형성공정이 후속으로 진행되며, 이후에 복수층의 금속배선 및 금속배선간 절연막 형성공정이 더 진행된다. 이와같아. 최종금속배선까지 형성된 다음에는 소자를 습기나 스크래치로부터 보호하기 위하여 페시베이션막 형성공정이 진행되며, 이후에는 칼라필터 및 마이크로렌즈 형성공정이 진행되어 시모스 이미지센서 제조가 완료된다.
이와같은 후속공정에는 포밍가스(forming)를 이용한 어닐링 공정도 포함되어 있는 데, 포밍가스 어닐링에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
통상적으로 반도체 소자 제조시에는, 반도체 장치의 전기적 특성을 안정화시키기 위하여 포밍가스 분위기에서 어닐링 공정이 수행되어 왔는 바, 포밍가스는 수소를 포함한 혼합가스이다.
이러한 포밍가스 분위기에서 어닐링 처리를 수행하게 되면, 실리콘 기판과 기판 상에 형성된 게이트 절연막 사이의 계면, 그리고 소오스/드레인 확산층과 이 소오스/드레인 확산층 하부의 실리콘 기판 사이의 계면에 수소원자가 도입된다. 그 결과 결합손인 댕글링 본드가 해소되는 효과가 있다.
본 발명의 일실시예에서도 이러한, 포밍가스 어닐링 처리가 후속공정으로 진행되지만, 가스 분위기가 종래기술과 다르다.
즉, 종래에는 H2 포밍가스 어닐링을 적용하였으나, 본 발명의 일실시예에서는 이러한 H2 포밍가스 어닐링 대신에 N2 가스 어닐링을 실시하여 소자의 특성을 개선하였다.
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 지식 을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 본 발명을 적용할 경우, 트랩차지로 인한 소자특성의 저하를 상당부분 개선할 수 있기 때문에, 이미지센서의 성능 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
Claims (8)
- 이미지센서 제조방법에 있어서,반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 절연막을 형성하고, 이를 선택적으로 제거하여 반도체 기판의 일정부분을 노출시키는 제 1 금속배선 콘택홀을 형성하는 단계; 및중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계는,상압에서 진행되며, 450 ∼ 600℃ 의 공정온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계는,2 ∼ 10 atm 의 압력에서 진행되며, 300 ∼ 500℃ 의 공정온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이미지센서 제조방법은,포밍가스 어닐링을 진행하는 단계를 더 포함하되, 상기 포밍가스 어닐링은 N2 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 이미지센서 제조방법에 있어서,반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 절연막을 형성하고, 이를 선택적으로 제거하여 반도체 기판의 일정부분을 노출시키는 제 1 금속배선 콘택홀을 형성하는 단계; 및삼중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 삼중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계는,상압에서 진행되며, 450 ∼ 600℃ 의 공정온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 삼중수소를 이용한 어닐링을 수행하는 단계는,2 ∼ 10 atm 의 압력에서 진행되며, 300 ∼ 500℃ 의 공정온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 이미지센서 제조방법은,포밍가스 어닐링을 진행하는 단계를 더 포함하되, 상기 포밍가스 어닐링은 N2 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100731101B1 (ko) * | 2005-12-28 | 2007-06-22 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 시모스 이미지 센서의 제조 방법 |
| KR100949236B1 (ko) * | 2007-12-22 | 2010-03-24 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| US7883913B2 (en) * | 2008-12-18 | 2011-02-08 | Dongbu Hitek Co., Ltd. | Manufacturing method of image sensor of vertical type |
-
2004
- 2004-06-30 KR KR1020040049889A patent/KR20060000900A/ko not_active Application Discontinuation
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