KR20060011453A - Method for enhancement in low illumination characteristics and reliabilty of cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 저조도 이미지 특성과 소자의 NBTI 특성을 동시에 개선한 발명이다. 이를 위한 본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트 폴리실리콘을 적층형성하는 단계; PMOS 소자가 형성될 영역만을 오픈시키는 제 1 마스크를 형성하는 단계; 상기 제 1 마스크를 이용하여 PMOS 소자가 형성될 영역에만 플로린을 선택적으로 이온주입하는 단계; 반도체 기판 상에 게이트 전극을 패터닝하고 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 층간절연막 및 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 실리콘 질화막을 포함하는 페시베이션막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 전면에 수소 열처리를 진행하는 단계; 및 칼라필터와 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a CMOS image sensor, and in particular, an invention in which low light image characteristics and NBTI characteristics of a device are simultaneously improved. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a CMOS image sensor, comprising: forming a gate oxide film and a gate polysilicon on a semiconductor substrate; Forming a first mask that opens only the region where the PMOS device is to be formed; Selectively implanting florin into a region where a PMOS device is to be formed using the first mask; Patterning a gate electrode on the semiconductor substrate and forming a photodiode; Forming an interlayer insulating film and a metal wiring on the semiconductor substrate; Forming a passivation film including a silicon nitride film on the metal wiring; Performing hydrogen heat treatment on the entire surface of the semiconductor substrate; And forming a color filter and a microlens.
시모스 이미지센서, NBTI, 저조도 특성, 플로린, 수소 열처리, 페시베이션막CMOS image sensor, NBTI, low light characteristics, florin, hydrogen heat treatment, passivation film
Description
도1a 내지 도1d는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정단면도,1A to 1D are process cross-sectional views illustrating a CMOS image sensor manufacturing process according to the prior art;
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정단면도.
Figures 2a to 2d is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
41 : 기판 42 : 소자분리막41
43 : 노말 소자용 웰 영역 44 : 픽셀 영역의 웰 영역43 well region for
45 : 게이트 절연막 46 : 게이트 폴리실리콘45 gate
47 : 제 1 마스크 48 : Deep-N 이온주입영역47: first mask 48: Deep-N ion implantation region
49 : LDD 영역 50 : 실리콘 산화막49: LDD region 50: silicon oxide film
51 : 실리콘 질화막 52 : 소스/드레인 영역51
53 : P0 이온주입영역 54 : 실리사이드53: P0 ion implantation region 54: silicide
55 : 제 1 절연막 56 : 금속배선 55: first insulating film 56: metal wiring
57 : 제 2 절연막 58 : 페시베이션막57 second
59 : 수소열처리
59: hydrogen heat treatment
본 발명은 시모스(CMOS) 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저조도 환경하에서 이미지 특성을 개선하는 동시에 신뢰성 있는 시모스 이미지센서를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a CMOS image sensor, and more particularly, to a method for manufacturing a reliable CMOS image sensor while improving image characteristics in a low light environment.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 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.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to each other. Complementary MOS image sensors use CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. A device employing a switching scheme that creates MOS transistors as many as pixels and sequentially detects outputs using the MOS transistors.
통상적으로 이러한 시모스 이미지센서는 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)가 수십 내지 수백만개 모여서 이루어지 픽셀 어레이(Pixel Array)에서 빛을 전기적인 신호로 변환하여 이미지 재현에 사용하고 있다.Typically, such CMOS image sensor converts light into an electrical signal in a pixel array, which is composed of tens or millions of unit pixels composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors. It is used to reproduce the image.
또한, 시모스 이미지센서는 전술한 픽셀 어레이에서 전기신호로 변환된 이미지 신호를 증폭하거나 제어처리하기 위한 일반 논리회로 영역이 함께 구성되어 있다. In addition, the CMOS image sensor includes a general logic circuit area for amplifying or controlling the image signal converted from the pixel array to an electrical signal.
도1a 내지 도1d는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도로서 이를 참조하여 종래기술을 설명하면 다음과 같다. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor according to the prior art.
먼저, 도1a에 도시된 바와같이 반도체 기판(11) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하기 위한 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)(12)을 형성한다. First, as shown in FIG. 1A, a trench trench isolation (STI) 12 is formed on the
이어서, 노말 소자용(normal device) 웰 이온주입을 실시하여 노말 소자용 웰 영역(13)을 형성한다. 다음으로 트랜지스터의 문턱전압조절을 위해 선택적으로 p형과 n형 불순물을 기판에 주입한다.Subsequently, normal device well ion implantation is performed to form a normal
다음으로, 포토다이오드 영역의 소자용 웰 이온주입을 실시하여 픽셀(pixel) 영역의 웰 영역(14)을 형성한 후, 문턱전압 조절을 위해 선택적으로 이온주입을 실시한다.Next, after forming the
다음으로 도1b에 도시된 바와같이 반도체 기판 상에 질화산화막(SiON)을 이용하여 게이트 절연막(15)을 형성하고 그 상부에 게이트 폴리실리콘(16)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 1B, a gate
다음으로 적절한 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 게이트 폴리실리콘과 게이트 절연막을 선택적으로 식각하여 반도체 기판 상에 게이트 전극 패턴을 형성한다.Next, a patterning process using an appropriate mask is performed to selectively etch the gate polysilicon and the gate insulating layer to form a gate electrode pattern on the semiconductor substrate.
이어서, 포토다이오드가 형성될 영역에 Deep N 이온주입을 실시하여 게이트 전극의 측면에 Deep N 이온주입영역(17)을 형성한다.Subsequently, Deep N ion implantation is performed in the region where the photodiode is to be formed to form the Deep N
다음으로 게이트 전극 중에서 일부 게이트 전극의 양 측면에 LDD(Lightly Doped Drain)영역(18)을 형성한다. 참고로 포토다이오드와 인접한 게이트 전극(이를 트랜스퍼 게이트라 칭하기도 한다.)에는 LDD 영역이 형성되지 않음은 도1b를 참조하면 알 수 있다.Next, LDDs (Lightly Doped Drain)
다음으로, 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서를 형성하는 공정이 진행된다. 즉, 패터닝된 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판 상에 실리콘 산화막(19)을 형성한 후, 연속적으로 실리콘 질화막(20)을 형성한다, 이후에 전면 에치벡 공정등을 적용하게 되면, 게이트 전극의 양 측벽에 산화막(19)과 질화막(20)이 적층된 구조의 스페이서가 형성된다. Next, a process of forming spacers on both sidewalls of the gate electrode is performed. That is, after the
다음으로, 전술한 스페이서 및 게이트 전극 패턴을 마스크로 하여 n형 불순문과 p형 불순물을 선택적으로 이온주입하게 되면, 게이트 전극의 양 측면으로 소스/드레인 영역(21)이 형성된다.Next, when ion implantation of n-type impurities and p-type impurities is selectively performed using the spacer and gate electrode patterns described above, source /
이어서, 포토다이오드가 형성될 영역의 Deep-N 영역(17) 상부에 P형 이온주입공정을 진행하여 반도체 기판의 표면과 Deep-N 영역(17) 사이에 얇은 두께의 P0 이온주입영역(22)을 형성한다. Subsequently, a P-type ion implantation process is performed on the deep-
다음으로 전기저항을 낮추기 위해, 노출된 소스/드레인 영역의 표면과 게이트 전극의 상부에 자기정렬 실리사이드(23)를 형성한다. 이상과 같은 공정을 통해 일련의 트랜지스터 및 포토다이오드가 완성된다.Next, to lower the electrical resistance, a self-aligned
다음으로, 도1d에 도시된 바와같이 전체 반도체 기판 상부에 전기적 절연을 위한 층간절연막(24)을 형성한 후, 층간절연막(24) 상부에 금속배선(25)이 형성된다. Next, as shown in FIG. 1D, after the
시모스 이미지센서에서는 통상 3개층 이상의 금속배선이 사용되나, 도1d에서는 2 개층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였다. 그리고 도1d에 도면부호로 표시되지는 않았지만, 금속배선의 상부에는 금속층간절연막이 형성되어 있음을 알 수 있으며 또한 비아(via) 식각공정도 진행된다. In the CMOS image sensor, three or more layers of metal wirings are generally used, but FIG. 1D illustrates a case in which two layers of metal wirings are used. Although not indicated by reference numerals in FIG. 1D, it can be seen that an interlayer insulating film is formed on the upper portion of the metal wiring, and a via etching process is also performed.
이와같은 금속배선 공정이 마무리된 후에는 그 상부에 절연막(26) 증착공정이 진행되며, 그 후에 도1d에 도시된 바와같이 수소 열처리 공정(27)이 진행된다.After the metal wiring process is completed, the
이때, 저조도 환경하에서의 이미지특성을 개선하기 위하여 수소 열처리 온도를 높이거나 열처리 시간을 증가시켜 수소 열처리 공정이 진행되게 된다.At this time, in order to improve the image characteristics under low light environment, the hydrogen heat treatment process is performed by increasing the hydrogen heat treatment temperature or increasing the heat treatment time.
이후에, 습기나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 실리콘 질화막 등으로 이루어진 페시베이션막(미도시) 형성공정이 진행되며, 이후 칼라필터, 마이크로렌즈 형성공정 등 일련의 공정이 진행되어 칩 레벨의 공정이 마무리된다.Subsequently, a passivation film (not shown) forming process made of a silicon nitride film or the like is performed to protect the device from moisture and scratches, and then a series of processes such as a color filter and a microlens forming process are performed to provide a chip level process. It is finished.
이러한 종래기술의 문제점을 설명해 보면 다음과 같다.Referring to the problems of the prior art as follows.
먼저, 종래기술에서는 게이트 절연막으로 실리콘 질화산화막(SiON)이 사용되는데, 이는 PMOS 소자로 보론(Boron)이 침투하는 것을 방지하기 위함이다. 하지만, 상기 실리콘 질화산화막의 질소이온은 고정전하함정(Fixed Trap Charge) 로 작용하여 PMOS 소자의 NBTI 신뢰성을 저하시키는 문제가 있으며, 이러한 전하함정(trap charge)으로 인하여 저조도 환경하에서 이미지 특성이 열화되었다. First, in the prior art, a silicon nitride oxide film (SiON) is used as the gate insulating film, in order to prevent boron from penetrating into the PMOS device. However, the nitrogen ion of the silicon nitride oxide film acts as a fixed trap charge to deteriorate the NBTI reliability of the PMOS device, and due to such a trap charge, image characteristics are degraded under low light conditions. .
여기서, NBTI(Negative Bias Temperature Instability) 특성에 대해 설명하면 다음과 같다. Here, the NBTI (Negative Bias Temperature Instability) characteristics will be described.
반도체 소자가 제품으로 출시되거나 시험적으로 제조되는 경우에, 기판이 반전되도록 네가티브 바이어스(negative bias)를 게이트에 가하는 동시에 온도를 올려서 스트레스 상태를 가속시키는 스트레스 시험이 행해지는데, NBTI 특성이란 이러한 스트레스 환경하에서 평가되는 신뢰성 항목을 말한다. When a semiconductor device is released into a product or manufactured as a test product, a stress test is performed to accelerate the stress state by applying a negative bias to the gate so that the substrate is inverted and raising the temperature. Refers to a reliability item that is evaluated under
NBTI 현상이란 주로 피모스 트랜지스터에서 발생하는 현상으로 소자가 동작하는 동안에 게이트 절연막과 실리콘 기판 사이의 계면에 양전하(positive charge)가 포획(trap)되어 소자의 특성이 저하되는 것을 말하며, 다른 용어로 피모스 핫 캐리어 효과라고 칭하기도 한다.The NBTI phenomenon is a phenomenon that occurs mainly in PMOS transistors, and when the device is in operation, positive charges are trapped at the interface between the gate insulating film and the silicon substrate, thereby degrading the characteristics of the device. It is also called the Mohs hot carrier effect.
또한, 포토다이오드에서 축적된 전하가 이미지신호로 변환되기 위해서는 최대한 많은 전하가 포토다이오드에서 센싱영역으로 이송되어야 하나, 전술한 전하함정의 영향으로 인해 전송율이 감소되는 문제가 있었다.In addition, in order for the charge accumulated in the photodiode to be converted into an image signal, as much charge as possible must be transferred from the photodiode to the sensing region. However, the transfer rate is reduced due to the influence of the above-described charge trap.
또한, 금속배선 공정을 마친 후 진행되는 수소 열처리는 반도체 기판에 형성된 실리콘 댕글링 본드(silicon dangling bond)를 치유하여 저조도 환경하에서의 이미지 특성향상에 도움을 주고 있지만, 수소 열처리 과정시 주입된 수소이온은 전술한 질소이온과 더불어 과도한 양성 고정전하(positive fixed charge) 역할을 수행하기 때문에 PMOS 소자의 NBTI 신뢰성 특성을 더욱 더 열화시키는 문제를 야기한다. In addition, the hydrogen heat treatment after the metallization process helps to improve the image characteristics under low light environment by curing the silicon dangling bond formed on the semiconductor substrate. In addition to the above-mentioned nitrogen ions, since it plays an excessive positive fixed charge role, it causes a problem of further deteriorating the NBTI reliability characteristics of the PMOS device.
또한, 게이트 절연막으로 실리콘 질화산화막(SiON)을 사용하는 문제를 해결하기 위하여, 게이트 절연막으로 산화막을 적용할 경우에는 다음과 같은 문제가 있다. In addition, in order to solve the problem of using a silicon nitride oxide film (SiON) as the gate insulating film, when the oxide film is applied as the gate insulating film has the following problems.
즉, 게이트 절연막으로 산화막을 적용할 경우에는, 질소이온에 의한 고정전하함정(fixed trap charge)은 감소시킬 수 있지만, 산화막 성장시 발생되는 실리콘 댕글링 본드를 치유하기 위해 고온에서 수행되는 장시간의 수소 열처리 공정이 필요하게 된다.That is, when the oxide film is applied as the gate insulating film, fixed trap charge due to nitrogen ion can be reduced, but a long time hydrogen is performed at high temperature to heal silicon dangling bonds generated during oxide film growth. A heat treatment process is necessary.
이와같이 수소 열처리 공정을 고온에서 장시간 수행하게 되면, 금속배선 및 실리사이드 층의 저항이 급격히 증가하는 문제가 발생하기 때문에 PMOS 소자의 NBTI 특성이 열화되는 문제가 발생한다.
As such, when the hydrogen heat treatment process is performed at a high temperature for a long time, a problem of rapid increase in resistance of the metallization and silicide layers may occur, which may cause deterioration of NBTI characteristics of the PMOS device.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선택적 플로린 이온주입공정 및 페시베이션막 증착후의 수소 열처리 적용으로 저조도 특성 및 NBTI 특성을 동시에 개선한 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a CMOS image sensor that simultaneously improves low light characteristics and NBTI characteristics by applying hydrogen heat treatment after a selective fluorine ion implantation process and a passivation film deposition. .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트 폴리실리콘을 적층형성하는 단계; PMOS 소자가 형성될 영역만을 오픈시키는 제 1 마스크를 형성하는 단계; 상기 제 1 마스크를 이용하여 PMOS 소자가 형성될 영역에만 플로린을 선택적으로 이온주입하는 단계; 반도체 기판 상에 게이트 전극을 패터닝하고 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 층간절연막 및 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 실리콘 질화막을 포함하는 페시베이션막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 전면에 수소 열처리를 진행하는 단계; 및 칼라필터와 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a CMOS image sensor, comprising: stacking a gate oxide film and a gate polysilicon on a semiconductor substrate; Forming a first mask that opens only the region where the PMOS device is to be formed; Selectively implanting florin into a region where a PMOS device is to be formed using the first mask; Patterning a gate electrode on the semiconductor substrate and forming a photodiode; Forming an interlayer insulating film and a metal wiring on the semiconductor substrate; Forming a passivation film including a silicon nitride film on the metal wiring; Performing hydrogen heat treatment on the entire surface of the semiconductor substrate; And forming a color filter and a microlens.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선택적인 플로린(Fluorine) 이온주입 공정 및 및 수소 열처리 공정을 페시베이션막 증착 후에 적용하였다. The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a selective fluorine ion implantation process and a hydrogen heat treatment process were applied after passivation film deposition.
즉, 본 발명에서는 NBTI 신뢰성을 향상시킬 수 있는 플로린 이온을 PMOS 영역에만 선택적으로 주입하였으며, 페시베이션막내에 함유된 수소 이온을 수소 열처리 공정에 의해 함께 침투하게 하여 낮은 열공정으로도 많은 양의 수소 이온이 실리콘 댕글링 본드를 치유할 수 있게 하여, 저조도 이미지 특성 및 NBTI 신뢰성 개선을 동시에 이룰 수 있게 하였다. That is, in the present invention, the fluorine ions, which can improve the NBTI reliability, are selectively implanted only in the PMOS region, and the hydrogen ions contained in the passivation film are penetrated together by the hydrogen heat treatment process, thereby allowing a large amount of hydrogen even in a low thermal process. The ions were able to heal the silicon dangling bonds, simultaneously improving low light image quality and NBTI reliability.
또한, 게이트 절연막으로 사용된 산화막이 성장할 때 발생되는 양성 고정전하함정(Positive fixed trap charge)을 개선하기 위해 게이트 절연막 성장 후, 고온 열처리 공정을 진행하여 NBTI 신뢰성을 개선하였다.
In addition, to improve the positive fixed trap charge generated when the oxide film used as the gate insulating film is grown, the NBTI reliability is improved by performing a high temperature heat treatment process after the gate insulating film is grown.
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.
Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정단면도로써 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.2A through 2D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 도2a에 도시된 바와같이 반도체 기판(41) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하기 위한 트렌치 소자분리막(Shallow Trench Isolation : STI)(42)을 형성한다. First, as shown in FIG. 2A, a trench trench isolation (STI) 42 is formed on the
이어서, 노말 소자용(normal device) 웰 이온주입을 실시하여 노말 소자용 웰 영역(43)을 형성한다. 다음으로 트랜지스터의 문턱전압조절을 위해 선택적으로 p형과 n형 불순물을 기판에 주입한다.Subsequently, normal device well ion implantation is performed to form a normal
또한, 포토다이오드 영역에서 웰 이온주입을 실시하여 픽셀영역의 웰 영역(44)을 형성한 후, 문턱전압 조절을 위해 선택적으로 이온주입을 실시한다.In addition, well ion implantation is performed in the photodiode region to form the
다음으로 반도체 기판(41) 상에 산화막을 이용하여 게이트 절연막(45)을 형성하고 그 상부에 게이트 폴리실리콘(46)을 형성한다.Next, a
본 발명의 일실시예에서는 게이트 절연막으로 실리콘 질화산화막 대신에 산화막을 사용하였으며, 이는 positive trap charge를 줄이기 위함이다.In an embodiment of the present invention, an oxide film is used instead of a silicon nitride oxide film as a gate insulating film, which is to reduce positive trap charge.
또한, 산화막을 게이트 절연막으로 사용하는 경우에 발생하였던 댕글링 본드 증가 문제를 해결하기 위하여 게이트 절연막 형성 후, 900 ∼ 1050℃, N2 또는 Ar 분위기에서 20 ∼30분 동안 후속열처리를 진행하였다.In addition, in order to solve the dangling bond increase problem that occurred when the oxide film was used as the gate insulating film, after the gate insulating film was formed, subsequent heat treatment was performed for 20 to 30 minutes at 900 to 1050 ° C, N2 or Ar atmosphere.
다음으로 도2a에 도시된 바와같이 PMOS 소자가 형성될 영역만을 오픈 시키는 제 1 마스크(47)를 형성한 후, 이를 이용하여 플로린(fluorine)을 선택적으로 이온주입한다. Next, as shown in FIG. 2A, after forming the first mask 47 that opens only the region where the PMOS device is to be formed, fluorine is selectively implanted using the first mask 47.
종래기술에서는 수소 열처리를 통하여 저조도 특성을 향상시키고자 하였으나, 이 경우 소자의 NBTI 특성이 매우 악화되는 문제가 있었다. 하지만, 본 발명에서는 NBTI 특성이 주로 문제가 되는 PMOS 소자 영역에만 플로린 이온을 선택적으로 주입함으로서 종래기술보다 월등한 NBTI 특성을 얻을 수 있었다.In the prior art, to improve the low light characteristics through hydrogen heat treatment, in this case, there was a problem that the NBTI characteristics of the device is very deteriorated. However, in the present invention, by selectively injecting fluorine ions only into the PMOS device region in which NBTI characteristics are a problem, superior NBTI characteristics can be obtained.
본 발명의 일실시예 따른 플로린 이온주입공정은 10 keV 의 이온주입 에너지와 5×1013 ∼ 1016 atom/cm2 의 도즈(doze)를 사용한다.Florin ion implantation process according to an embodiment of the present invention uses the ion implantation energy of 10 keV and the doze of 5 × 10 13 ~ 10 16 atom / cm 2 .
다음으로 제 1 마스크(47)를 제거한 후, 도2b에 도시된 바와같이 적절한 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 게이트 폴리실리콘(46)과 게이트 절연막(45)을 선택적으로 식각하여 반도체 기판 상에 게이트 전극 패턴을 형성한다.Next, after the first mask 47 is removed, the
이어서, 포토다이오드가 형성될 영역에 Deep N 이온주입을 실시하여 게이트 전극의 측면에 Deep N 이온주입영역(48)을 형성한다.Subsequently, Deep N ion implantation is performed in the region where the photodiode is to be formed to form the Deep N
다음으로 게이트 전극 중에서 일부 게이트 전극의 양 측면에 LDD(Lightly Doped Drain)영역(49)을 형성한다. 참고로 포토다이오드와 인접한 게이트 전극(이를 트랜스퍼 게이트라 칭하기도 한다.)에는 LDD 영역이 형성되지 않음은 도2b를 참조하면 알 수 있다.
Next, LDDs (Lightly Doped Drain)
다음으로, 도2c에 도시된 바와같이 게이트 전극의 양 측벽에 스페이서를 형성하는 공정이 진행된다. 즉, 패터닝된 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판 상에 실리콘 산화막(50)을 형성한 후, 연속적으로 실리콘 질화막(51)을 형성한다, 이후에 전면 에치벡 공정등을 적용하게 되면, 게이트 전극의 양 측벽에 산화막(50)과 질화막(51)이 적층된 구조의 스페이서가 형성된다.Next, as shown in FIG. 2C, a process of forming spacers on both sidewalls of the gate electrode is performed. That is, after the
다음으로, 전술한 스페이서 및 게이트 전극 패턴을 마스크로 하여 n형 불순문과 p형 불순물을 선택적으로 이온주입하게 되면, 게이트 전극의 양 측면으로 소스/드레인 영역(52)이 형성된다.Next, when ion implantation of n-type impurities and p-type impurities is selectively performed using the spacer and gate electrode patterns described above, source /
이어서, 포토다이오드가 형성될 영역의 Deep-N 영역(48) 상부에 P형 이온주입공정을 진행하여 반도체 기판의 표면과 Deep-N 영역(48) 사이에 얇은 두께의 P0 이온주입영역(53)을 형성한다. Subsequently, a P-type ion implantation process is performed on the Deep-
다음으로 전기저항을 낮추기 위해, 노출된 소스/드레인 영역의 표면과 게이트 전극의 상부에 자기정렬 실리사이드(54)를 형성한다. 이상과 같은 공정을 통해 일련의 트랜지스터 및 포토다이오드가 완성된다.Next, to lower the electrical resistance, a self-aligned
다음으로, 도2d에 도시된 바와같이 전체 반도체 기판 상부에 전기적 절연을 위한 제 1 절연막(55)을 형성한 후, 제 1 절연막(55) 상부에 금속배선(56)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 2D, the first insulating
시모스 이미지센서에서는 통상 3개층 이상의 금속배선이 사용되나, 도2d에서는 2 개층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였다. 그리고 도2d에 도면부호로 표시되지는 않았지만, 금속배선의 상부에는 금속층간절연막이 형성되어 있음을 알 수 있으며 또한 비아(via) 식각공정도 진행된다. In the CMOS image sensor, three or more layers of metal wirings are generally used, but FIG. 2D illustrates a case in which two layers of metal wirings are used. Although not indicated by reference numerals in FIG. 2D, it can be seen that an interlayer insulating film is formed on the upper portion of the metal wiring, and a via etching process is also performed.
이와같은 금속배선 공정이 마무리된 후에는 그 상부에 제 2 절연막(57) 증착공정이 진행되며, 그 후에 제 2 절연막(57) 상부에 페시베이션막(58) 형성공정이 진행된다. After the metallization process is completed, the deposition process of the second insulating
본 발명의 일실시예에서는 페시베이션막으로 플라즈마 여기(Plasma Enhanced) 실리콘 질화막을 사용하였다. 이러한 페시베이션막 형성공정은 200 ∼ 450℃ 의 온도, 1 ∼ 10 Torr의 압력, 300 ∼ 1000W의 파워, SiH4/NH3 분위기에서 진행되며, 특히 상술한 공정 조건 중에서 수소이온의 농도를 높일 수 있는 저온, 고압, 고 파워, 높은 가스유량하에서 진행됨이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, a plasma enhanced silicon nitride film is used as the passivation film. The passivation film forming process is performed at a temperature of 200 to 450 ° C., a pressure of 1 to 10 Torr, a power of 300 to 1000 W, and an SiH 4 / NH 3 atmosphere, and in particular, the concentration of hydrogen ions can be increased in the above-described process conditions. It is desirable to proceed under low temperature, high pressure, high power, and high gas flow.
종래기술에서는 페시베이션막 증착 전에 수소 열처리 공정을 적용하였으나, 본 발명의 일실시예에서는 페시베이션막 증착 후에 수소 열처리 공정을 진행하였다. 또한, 페시베이션막으로는 실리콘 질화막을 사용하였으며, 이러한 페시베이션막 증착 공정도, 막내에 수소이온이 되도록 많이 함유할 수 있도록 하였다.In the prior art, the hydrogen heat treatment process was applied before the passivation film deposition, but in one embodiment of the present invention, the hydrogen heat treatment process was performed after the passivation film deposition. In addition, a silicon nitride film was used as the passivation film, and such a passivation film deposition process was also made to contain a large amount of hydrogen ions in the film.
이는, 후속 수소 열처리시에 페시베이션막 내에 함유된 수소이온도 함께 침투시켜 낮은 열공정으로도 많은 양의 수소이온이 댕글링 본드를 치유할 수 있도록 하여 소자의 저조도 특성 및 NBTI 특성을 동시에 개선하기 위함이다.This allows the hydrogen contained in the passivation film to penetrate together with the temperature during subsequent hydrogen annealing so that a large amount of hydrogen ions can heal the dangling bond even with a low thermal process, thereby simultaneously improving the low light characteristics and NBTI characteristics of the device. For sake.
이와같은 페시베이션막 형성공정 이후에는 실리콘 반도체 기판에 발생한 댕글링 본드를 치유하기 위한 수소 열처리 공정(59)이 진행되며, 본 발명의 일실시예에 따른 수소 열처리 공정은 350 ∼ 450℃ 의 온도, N2/H2 분위기에서 진행된다.
After such a passivation film forming process, a hydrogen
이러한 수소 열처리시에는 페시베이션막 내에 함유된 수소이온 역시 댕글링 본드 치유에 사용됨은 전술한 바와같다. In the hydrogen heat treatment, as described above, hydrogen ions contained in the passivation film are also used for dangling bond healing.
다음으로, 칼라필터, 마이크로렌즈 형성같은 일련의 공정을 진행하여 칩 레벨의 시모스 이미지센서 제조를 마무리한다.Next, a series of processes such as color filter and microlens formation are performed to finish manufacturing chip-level CMOS image sensor.
본 발명의 일실시예에서는 플로린 이온주입공정을 게이트 전극 패터닝 전에 진행하였지만, 이외에도 게이트 전극이 패터닝된 다음에 선택적 플로린 이온주입공정을 진행할 수 있으며, 또는 소스/드레인 이온 주입시 함께 진행하거나 또는 제 1 절연막 형성 후 진행할 수도 있다.
In an embodiment of the present invention, the fluorine ion implantation process is performed before the gate electrode patterning, but in addition, the selective fluorine ion implantation process may be performed after the gate electrode is patterned, or may be performed together with the source / drain ion implantation or the first process. It may also proceed after the formation of the insulating film.
종래기술에서는 암전류 특성과 같은 저조도 특성을 개선하기 위하여 수소 열처리 온도를 높이거나 장시간의 수소 열처리를 적용하여야 하였지만, 그로 인해 금속배선 및 실리사이드의 저항이 급격히 증가하여 소자의 구동능력을 현저히 저하시키는 문제가 있었다.In the prior art, in order to improve low light characteristics such as dark current characteristics, it is necessary to increase the hydrogen heat treatment temperature or to apply hydrogen heat treatment for a long time. However, the resistance of the metal wiring and silicide increases rapidly, and the driving ability of the device is significantly reduced. there was.
하지만, 본 발명에서는 낮은 온도에서 수행되는 수소 열처리공정에서 페시베이션막 내에 함유된 수소이온도 함께 사용하므로, 금속배선 및 실리사이드의 저항이 증가하는 것을 막을 수 있었으며 동시에 소자의 저조도 특성을 개선할 수 있었다. However, in the present invention, since the hydrogen contained in the passivation film is used together in the hydrogen heat treatment process performed at a low temperature, the resistance of the metal wiring and the silicide can be prevented from increasing and at the same time, the low light characteristics of the device can be improved. .
또한, 종래의 방법으로 수소 열처리를 과도하게 진행할 경우, PMOS 소자의 NBTI 신뢰성이 저하되는 문제가 있었지만, 본 발명에서는 PMOS 소자 영역에만 플로린 이온을 선택적으로 이온주입함으로써 종래기술보다 NBTI 신뢰성을 월등히 향상 시킬 수 있었다.In addition, when the hydrogen heat treatment is excessively performed by the conventional method, there is a problem in that the NBTI reliability of the PMOS device is degraded. However, in the present invention, by selectively implanting fluorine ions into the PMOS device region, the NBTI reliability is significantly improved compared to the prior art. Could.
또한, 본 발명에서는 게이트 절연막으로 산화막을 사용하는 바, 산화막 성장시 발생하는 양성 고정전하함정(positive fixed trap charge)을 치유하기 위하여 게이트 절연막 형성후 고온에서 열처리하여 주었다.
In addition, in the present invention, since the oxide film is used as the gate insulating film, heat treatment is performed at high temperature after the gate insulating film is formed in order to cure the positive fixed trap charge generated during the oxide film growth.
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 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in Esau.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하면, 금속배선 및 실리사이드의 저항 증가 없이 소자의 저조도 특성을 향상시킬 수 있으며, 또한 선택적 플로린 이온주입을 통해 소자의 NBTI 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Applying the present invention to the CMOS image sensor, it is possible to improve the low light characteristics of the device without increasing the resistance of the metal wiring and silicide, and also has the advantage of improving the NBTI reliability of the device through selective fluorine ion implantation.
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