KR20060114417A - 시모스 이미지센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드의 표면에 잔류하는 디펙트를 제거하여, 효율적으로 포토다이오드가 동작할 수 있도록 하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 기판에 포토다이오드가 형성될 제1 영역과 전달 트랜지스터가 형성될 제2 영역에 게이트용 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트용 절연막상에 제1 게이트용 도전막을 형성하는 단계; 염소이온을 주입시켜, 상기 제1 영역과 제2 영역의 기판표면에 보충시키는 단계; 상기 제1 게이트용 도전막상에 제2 게이트용 폴리실리콘막을 형성하는 단계;상기 제1 및 제2 게이트용 도전막과 상기 게이트용 절연막을 패터닝하여 상기 제2 영역에 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 앤형영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 피형영역을 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.

시모스 이미지센서, 포토다이오드, 디펙트, 전달 트랜지스터.

Description

시모스 이미지센서의 제조방법{THE METHOD FOR FABRICATING CMOS IMAGE SENSOR}

도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.

도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.

도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도.

도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

도5a 내지 도5g는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.

도6a 내지 도6h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 기판 31 : 소자분리막

32 : 감광막 패턴 33 : 게이트용 절연막

34 : 게이트용 폴리실리콘막 35 : 게이트 패턴

36 : 감광막 패턴 37 : 포토다이오드의 앤형영역

38 : 플로팅 노드 39 : 감광막 패턴

40 : 감광막 패턴

본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 시모스 이미지센서의 포토다이오드의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치중 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 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.

도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.

도1을 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터 (11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 전달 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다.

이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.

도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.

도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도이다.

도3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10)에서 전달된 빛에 의해 모아진 전자를 전자를 출력단(Output)으로 전달하기 위해 4개의 모스트랜지스터(11, 12, 13, 14)의 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)이 각각 배치되고, 액티브영역(101 ~ 104)이 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)의 좌우에 각각 배치된다.

여기서 액티브영역(101)이 포토다이오드에 의해 모아진 전자를 전달받는 센 싱노드이다.

한 단위소자의 동작을 간단하게 살펴보면, 포토다이오드(10)에 전달된 빛에 의해 모아진 전자가 전달트랜지스터(11)를 통해 센싱노드(101)에 전달된다.

센싱노드(101)는 드라이빙 트랜지스터(13)의 게이트와 연결되어 있기 때문에, 드라이빙 트랜지스터(13)은 센싱노드(101)에 인가되는 전압에 따라 일측단에 접합된 액티브영역(103)의 전압레벨을 드라이빙하게 된다. 이어서 셀렉트 트랜지스터(104)가 턴온되어 액티브영역(103)에 인가된 전압을 출력단을 통해 출력하게 된다.

도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도4를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(10, PD)가 형성된 기판(20) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 24)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 25)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.

다층의 절연막(22) 사이에는 다층의 배선(23)이 형성되어 있으며, 배선(23)은 포토다이오드(10)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.

또한, 포토다이오드(10)에 인접한 기판(20) 상에는 복수의 모스트랜지스터(A영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4Tr 구조의 단위 화소의 경우 전술한 바와 같이 전달 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터가 배치된다.

마이크로렌즈(26) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(26)를 보호하기 위해 보호막(27)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 29는 소자분리막을 나타내는 것이다.

또한 여기서는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈의 상부에는 외부에서 입사된 빛을 직접적으로 입력받아 마이크로 렌즈로 전해주는 매크로 랜즈가 배치된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 포토다이오드에서 플로팅 노드(SD)로 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 조절되고, 그 조절된 전압에 대응하여 드라이빙 트랜지스터의 소스단을 드라이빙하게 된다.

도5a 내지 도5g는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.

도5a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저, 기판(20)에 매립된 형태의 소자분리막(21)을 형성한다.

이어서 도5b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(22)을 형성하고, 형성된 감광막 패턴(22)을 이용해서, 포토다이오드와 인접소자간의 펀치스루 특성을 개선하기 위한 이온주입을 진행한다. 이 때 인접소자는 문턱전압이 ~ 0V가 될 수 있도록 매우 낮은 도핑을 실시하게 된다.

이어서 도5c에 도시된 바와 같이, 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(23)을 형성한다.

이어서 도5d에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(24)을 형성하고, 형성된 감광막 턴(24)을 이용하여 이온주입공정을 진행하여 포토다이오드의 앤형영역(25)을 형성한다. 이어서 감광막 패턴(24)을 제거한다.

이어서 도5e에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(27)을 형성하고, 형성된 감광막 패턴(27)을 이용하여 이온주입 공정을 진행하여 플로팅노드(26)을 형성한다.

이어서 감광막 패턴(27)을 제거한다.

이어서 도5f에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(28)을 형성하고, 형성된 감광막 패턴(28)을 이용하여 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드의 피형영역(29)을 형성한다.

이어서 도5g에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(28)을 제거한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 시모스 이미지센서를 제조하고 있는데, 최근에 매우 작은 이온주입으로도 포토다이오드가 형성된 지역에 디펙트(defect)가 존재하는 것이 관찰되고 있다. 이 디펙트는 빛의 조사에 의해 생성되는 전하의 손실을 가져올 수 있는 치명적인 문제점을 갖게 된다.

따라서 이의 해결책이 시급히 필요한 실정이다.

본 발명은 포토다이오드의 표면에 잔류하는 디펙트를 제거하여, 효율적으로 포토다이오드가 동작할 수 있도록 하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 기판에 포토다이오드가 형성될 제1 영역과 전달 트랜지스터가 형성될 제2 영역에 게이트용 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트용 절연막상에 제1 게이트용 도전막을 형성하는 단계; 염소이온을 주입시켜, 상기 제1 영역과 제2 영역의 기판표면에 보충시키는 단계; 상기 제1 게이트용 도전막상에 제2 게이트용 폴리실리콘막을 형성하는 단계;상기 제1 및 제2 게이트용 도전막과 상기 게이트용 절연막을 패터닝하여 상기 제2 영역에 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 앤형영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 피형영역을 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 시모스 이미지센서의 집적도를 높이기 위해 진행하는 STI형태의 소자분리막이 형성되는 영역과 포토다이오드가 형성되는 영역의 기판표면에서 문제시되는 전하 손실을 개선하기 위한 것이다. 광소자에서 발생하는 전하의 효율을 개선시키기 위해 게이트 패턴을 위한 폴리실리콘을 형성한 후 클로린(Chlorine)이온을 주입하여 게이트 절연막과 액티브간의 경계면의 결합특성을 향상시켜 불완전한 게이트 절연막과 액티브간에 존재하는 디펙트에 의한 전하손실을 억제하게 된다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도6a 내지 도6g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.

도6a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저, 기판(30)에 매립된 형태의 소자분리막(31)을 형성한다.

소자분리막(31)은 소자가 형성될 지역을 확보하고자, 소자가 생성되지 않은 나머지 영역에 형성시키게 되는데, STI 형태의 소자분리막(31)을 형성하는 과정에서 기판 표면에 많은 데미지 층을 남기게 된다. 이 때 생기는 데미지 층이 후속 포토다이오드가 형성된 영역의 디펙트로 작용하기도 한다.

이어서 도6b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(32)을 형성하고, 형성된 감광막 패턴(32)을 이용해서, 포토다이오드와 인접소자간의 펀치스루 특성을 개선하기 위한 피형 이온주입을 진행한다. 이 때 인접소자는 문턱전압이 ~ 0V가 될 수 있도록 매우 낮은 도핑을 실시하게 된다.

이어서 도6c에 도시된 바와 같이, 게이트용 절연막(33)을 형성하고, 게이트용 폴리실리콘(34)을 500 ~ 1000Å범위로 형성한다. 게이트용 절연막(33)으로 실리콘산화막을 형성한다.

이어서 클로린(Chlorine) 이온을 주입하여 게이트용 절연막(33)에 염소 이온을 보충해준다.

이렇게 보충해주면, 보충된 염소이온은 게이트절연막(33)과 액티브영역(포토다이오드가 형성될 영역)의 경계부위의 불안전한 실리콘 원자와 결합함으로서 게이 트 절연막(33)의 특성을 개선시킴과 동시에 생성된 전하의 손실을 억제시킬 수 있다.

이 때 클로인 이온주입공정은 에너지는 1 ~ 20KeV범위로, 도우즈(Dose)는 1.0E10 ~ 1.0E14 atom/cm²의 범위로 하며, 틸트(tilt)는 0 ~ 60도 범위로 하며, 트위스트(twist)는 0 ~ 360의 범위로 한다.

이어서 RTP 또는 로를 이용하여 100% N₂ 분위기에서 열공정을 진행하는데, RTP를 이용하는 경우에는 800 ~ 1000 범위로 하며, 시간은 10초 ~ 30초 범위로 진행한다. 열공정시 승온속도는 30 ~ 50도/초 범위로 진행한다.

로를 이용하는 경우에는 750 ~ 850도 범위로 하며, 시간은 10 ~ 30분 범위로 진행한다.

이어서 추가로 1000 ~ 1500Å범위로 게이트용 폴리실리콘막(34)을 형성하여 총 두께는 2000Å 정도가 되도록 한다.

이어서 도6d에 도시된 바와 같이, 게이트용절연막(32)과 게이트용 폴리실리콘막(34)을 패터닝하여 트랜지스터의 게이트 패턴(35)을 형성한다.

이어서 이어서 도6e에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(36)을 형성하고, 형성된 감광막 턴(36)을 이용하여 이온주입공정을 진행하여 포토다이오드의 앤형영역(37)을 형성한다. 앤형영역을 형성할 때에 넓은 영역을 확보하고자 높은 에너지와 전하를 용이하게 잘 생성될 수 있도록 저농도로 도핑하게 된다. 또한 푸른색 계통의 빛에 대한효율을 증가시킬 수 있도록 약 1um 이하의 범위로 형성하도록 한다.

이어서 감광막 패턴(36)을 제거한다.

이어서 도6f에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(39)을 형성하고, 형성된 감광막 패턴(39)을 이용하여 이온주입 공정을 진행하여 플로팅노드(38)을 형성한다.

이 때 주입되는 이온은 게이트패턴(35)과 플로팅노드(38)에 모두 주입된다. 이온주입 공정을 진행한 이후에는 RTP 열공정을 진행한다.

이어서 감광막 패턴(39)을 제거한다.

이어서 도6g에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(40)을 형성하고, 감광막패턴(40)을 이용하여, 카본(Carbon)이온을 주입한다. 이렇게 하면 쉽게 포토다이오드의 표면에 생기는 디펙트를 최대한 억제할 수있으며, 매우 얇고 균일하게 표면 부근에 피타입의 영역을 국부적으로 도핑시킬 수 있게 된다.

이어서, 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드의 피형영역(41)을 형성한다.

피형 이온을 주입하는 공정은 BF₂를 이용하여 에너지는 20 ~ 50KeV의 범위로 1.0E12 ~ 1.0E13 atoms/cm₂의 범위로 틸트는 0 ~ 60도로 진행한다.

이어서 도6h에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(40)을 제거한다.

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.

본 발명에 의해서 시모스 이미지센서의 포토다이오드 영역내에서 디펙트가 제거되어 입사된 빛에 대응하는 광전자를 전달하는 효율을 증가시킬 수 있다. 이로 인해 보다 선명한 이미지를 구현할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 기판에 포토다이오드가 형성될 제1 영역과 전달 트랜지스터가 형성될 제2 영역에 게이트용 절연막을 형성하는 단계;

   상기 게이트용 절연막상에 제1 게이트용 도전막을 형성하는 단계;

   염소이온을 주입시켜, 상기 제1 영역과 제2 영역의 기판표면에 보충시키는 단계;

   상기 제1 게이트용 도전막상에 제2 게이트용 폴리실리콘막을 형성하는 단계;

   상기 제1 및 제2 게이트용 도전막과 상기 게이트용 절연막을 패터닝하여 상기 제2 영역에 게이트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 앤형영역을 형성하는 단계; 및

   상기 제1 영역에 이온을 주입하여 포토다이오드의 피형영역을 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 포토다이오드의 피형영역을 형성하기 전에 카본이온을 상기 제1 영역에 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 염소이온을 주입한 이후에 열처리 공정을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 염소이온 주입공정은

   에너지는 1 ~ 20KeV범위로, 도우즈(Dose)는 1.0E10 ~ 1.0E14 atom/cm²의 범위로 하며, 틸트(tilt)는 0 ~ 60도 범위로 하며, 트위스트(twist)는 0 ~ 360의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 열처리 공정은

   질소분위기에서 급속열처리 또는 로열처리 공정으로 진행하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 급속열처리는

   800 ~ 1000 범위로 하며, 시간은 10초 ~ 30초 범위로 진행한다. 열공정시 승온속도는 30 ~ 50도/초 범위로 진행하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 로열처리 공정은

   750 ~ 850도 범위로 하며, 시간은 10 ~ 30분 범위로 진행하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 게이트용 도전막은

   500 ~ 1000Å 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제2 게이트용 도전막은

   1000 ~ 1500Å 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.

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