KR20060136242A - Method for fabricating cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로 특히, 반도체 소자 제조 공정 중, 게이트 전극에 불순물이 주입되는 것을 방지하기 위해 형성된 하드마스크의 제거 공정시 결함이 발생되지 않는 씨모스 이미지 센서의 제조 공정에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 기판에 STI 공정을 통해 소자분리막을 형성하는 단계, 상기 소자분리막을 리세스 시켜 리세스부를 형성하는 단계, 상기 리세스부에 상기 소자분리막을 보호하기 위한 제1 보호막을 매립하는 단계, 상기 기판 상에 게이트 절연막, 게이트 전도막, 하드마스크 산화막을 순차적으로 증착한 후, 선택적 식각하여 게이트 패턴을 형성하는 단계, 상기 게이트 패턴을 마스크로한 이온주입에 의해 상기 기판 내에 포토다이오드를 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 보호를 위해 상기 게이트 패턴 측벽에 제2 보호막을 형성하는 단계 및 상기 하드마스크 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법이 제공된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a manufacturing process of a CMOS image sensor in which a defect does not occur during a removal process of a hard mask formed to prevent impurities from being injected into a gate electrode during a semiconductor device manufacturing process. . To this end, the present invention, forming a device isolation film on the substrate through an STI process, recessing the device isolation film to form a recess, filling the first protective film for protecting the device isolation film in the recess And depositing a gate insulating film, a gate conductive film, and a hard mask oxide film sequentially on the substrate, and then selectively etching to form a gate pattern. A photodiode in the substrate is formed by ion implantation using the gate pattern as a mask. And forming a second passivation layer on the sidewalls of the gate pattern to protect the gate insulating layer, and removing the hard mask oxide layer.
하드마스크 산화막, 포토다이오드, 포토레지스트 패턴, 소자분리막, 게이트 절연막, Hard mask oxide film, photodiode, photoresist pattern, device isolation film, gate insulating film,
Description
도 1은 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 모스(MOS) 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도.1 is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor.
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the prior art.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
201 : p+형 기판 202 : p에피층201: p + type substrate 202: p epi layer
203 : 반도체 기판 206 : 소자분리막203: semiconductor substrate 206: device isolation film
207 : 제1 보호막 208 : 게이트 절연막207: first protective film 208: gate insulating film
209 : 게이트 전도막 213 : 포토다이오드209: gate conductive film 213: photodiode
214a : 패드 산화막 215 : 패드 질화막214a: pad oxide film 215: pad nitride film
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로 특히, 반도체 소자 제조 공정 중, 씨모스(CMOS) 이미지 센서(Image Sensor) 형성 공정에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a process of forming a CMOS image sensor during a semiconductor device manufacturing process.
일반적으로, 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대폰 등의 가정용 제품이나, 병원에서 사용되는 내시경, 지구를 돌고 있는 인공위성의 망원경에 이르기까지 매우 광범위한 분야에서 사용되고 있으며, 다양한 이미지 센서중, 씨모스 제조 기술로 생산되는 씨모스(CMOS) 이미지 센서는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 모스(MOS)트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 씨모스 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 씨씨디(CCD) 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있어서 휴대폰, PC, 감시 카메라 등의 저가, 저전력을 요하는 분야에 쓰이고 있다. In general, image sensors are used in a wide range of fields, from home products such as digital cameras and mobile phones, to endoscopes used in hospitals, and to satellite telescopes around the earth. The CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal, and employs a switching method in which a MOS transistor is formed by the number of pixels and the output is sequentially detected using the MOS transistor. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, enables various scanning methods, and can integrate signal processing circuits onto a single chip. In addition to the use of compatible CMOS technology, the manufacturing cost can be lowered and the power consumption is significantly lower. Therefore, it is used in low cost and low power fields such as mobile phones, PCs and surveillance cameras.
도 1은 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 모스(MOS) 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(10)와, 포토다이오드(10)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(12)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(11)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(12)를 리셋 시키기 위한 리셋 트랜지스터 (13)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(14)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(15)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(16)가 형성된 모습을 도시하고 있다.FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor. And a
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the prior art.
도 2를 참조하여, p+형 기판(101) 상에 p에피층(102)이 형성된 반도체 기판(103)을 준비한다.Referring to FIG. 2, a
이때, 고농도의 p+형 기판(101) 상에 저농도의 p에피층(102)을 사용하는 이유는 첫째, 저농도의 p에피층(102)이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있고, 둘째, p형 에피층(102)의 하부에 고농도의 p+형 기판(101)을 갖게되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 이 전하가 빨리 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.In this case, the reason for using the low concentration
이어서, 상기 반도체 기판(103)에 활성영역과 소자분리영역을 정의하는 소자분리막(104)을 형성한다.Subsequently, an
이때, 상기 소자분리막(104)는 버즈 비크(Bird's Beak)가 거의 없어 소자의 고집적화에 따라 소자간에 전기적으로 분리시키는 영역을 축소시킬수 있는 STI 공정을 통하여 형성된다.In this case, the
이어서, 상기 기판 상에 게이트 절연막(105), 게이트 전도막(106) 및 하드마스크 산화막(107)을 순차적으로 증착한 후, 상기 하드마스크 산화막(107) 상에 포토레지스트 패턴(108)을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴(108)을 식각 장벽으로, 상기 하드마스크 산화막(107) 및 게이트 전도막(106)을 식각하여 게이트 전극을 형성한다.Subsequently, the
이어서, 상기 게이트 전극의 상부 중 일부를 덮는 이온주입 마스크를 형성한 후, 상기 게이트 전극 에지부분에 자동정렬되도록 이온주입 공정을 수행하여 n형 불순물영역(109)을 형성한다.Subsequently, after forming an ion implantation mask covering a portion of the upper portion of the gate electrode, an ion implantation process is performed to automatically align the edge portion of the gate electrode to form an n-
이어서, 상기 이온주입 마스크 및 상기 포토레지스트 패턴(108)을 제거한 후, 상기 하드마스크 산화막(107)을 제거한다.Subsequently, after removing the ion implantation mask and the
이때, 상기 하드마스크 산화막(107)은 HF 가스를 사용하여 제거된다.At this time, the hard
그런데, 상기 HF 가스를 사용하게 되면, 상기 게이트 절연막(105)에 데미지(Damage)를 가할뿐만 아니라, 상기 소자분리막(104)에도 어택(Attact)을 가하게 된다.However, when the HF gas is used, not only damage is applied to the
그리고, 상기 하드마스크 산화막(107)을 질화막으로도 형성할 수 있는데, 상술과 마찬가지로 상기 질화막을 제거하기 위한 인산(H3PO4)을 이용한 식각 공정시, 상기 반도체 기판(103)의 표면 및 게이트 전도막(107)에 어택을 가하여 유효 게이트 선폭을 얻기 힘들고, 단채널 효과(Short Channel Effect) 결함을 유발시키게 된다.The hard
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 게이트 전극에 불순물이 주입되는 것을 방지하기 위해 형성된 하드마스크의 제거 공정시 결함이 발생되지 않는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a method of manufacturing a CMOS image sensor in which a defect does not occur during a removal process of a hard mask formed to prevent impurities from being injected into a gate electrode. For that purpose.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 기판에 STI 공정을 통해 소자분리막을 형성하는 단계, 상기 소자분리막을 리세스 시켜 리세스부를 형성하는 단계, 상기 리세스부에 상기 소자분리막을 보호하기 위한 제1 보호막을 매립하는 단계, 상기 기판 상에 게이트 절연막, 게이트 전도막, 하드마스크 산화막을 순차적으로 증착한 후, 선택적 식각하여 게이트 패턴을 형성하는 단계, 상기 게이트 패턴을 마스크로한 이온주입에 의해 상기 기판 내에 포토다이오드를 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 보호를 위해 상기 게이트 패턴 측벽에 제2 보호막을 형성하는 단계 및 상기 하드마스크 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, forming a device isolation film on the substrate through an STI process, recessing the device isolation film to form a recess, the device isolation film in the recess Embedding a first passivation layer to protect the gate; sequentially depositing a gate insulating layer, a gate conductive layer, and a hard mask oxide layer on the substrate; forming a gate pattern by selectively etching the gate pattern; Forming a photodiode in the substrate by ion implantation, forming a second passivation layer on the sidewall of the gate pattern to protect the gate insulating layer, and removing the hard mask oxide layer. A method is provided.
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.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 공정은 우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, p+형 기판(201) 상에 p에피층(202)이 형성된 반도체 기판(203)을 준비한다.In the manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention, first, as shown in FIG. 3A, a
이때, 고농도의 p+형 기판(201) 상에 저농도의 p에피층(202)을 사용하는 이유는 첫째, 저농도의 p에피층(202)이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있고, 둘째, p형 에피층(202)의 하부에 고농도의 p+형 기판(201)을 갖게되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 이 전하가 빨리 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.In this case, the reason for using the low concentration
이어서, 상기 반도체 기판(203) 상에 패드 산화막(204)과 패드 질화막(205)를 순차적으로 증착하여 제1 패드층(204, 205)을 형성한 후, 선택적 식각하여 상기 반도체 기판(203)을 노출시킨다.Subsequently, the
이어서, 노출된 상기 반도체 기판(203)을 식각하여 트렌치를 형성한 후, 상 기 트렌치에 소자분리용 절연막을 매립하여 소자분리막(206)을 형성한다.Subsequently, the exposed
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 플라즈마(Plasma) 공정을 수행하여 상기 소자분리막(206)을 일부 리세스(Recess) 시킨다. Next, as shown in FIG. 3B, the
이때, 상기 리세스 공정은 C4F8, C5F8 가스에 O2 가스를 첨가하여 수행하는 것이 바람직하다.In this case, the recess process is preferably performed by adding O 2 gas to the C 4 F 8 , C 5 F 8 gas.
이어서, 상기 소자분리막(206)이 리세스된 기판 상에 상기 소자분리막을 보호하기 위한 제1 보호막(207)을 증착한다.Subsequently, a
이때, 상기 제1 보호막(207)은 질화막인 것이 바람직하다.In this case, the first
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 보호막(207)에 대해 화학적기계적연마(CMP) 공정을 수행하여 평탄화 시킨후, 인산을 식각 용액으로 상기 제1 보호막(207)의 일부 및 상기 제1 패드층(204, 205)을 제거한다.Next, as shown in FIG. 3C, after the chemical mechanical polishing (CMP) process is planarized on the
이때, 상기 제1 보호막(207)은 300~500Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.At this time, the first
이어서, 상기 기판 상에 게이트 절연막(208), 게이트 전도막(209) 및 하드마스크 산화막(210)을 순차적으로 증착한 후, 상기 하드마스크 산화막(210) 상에 포토레지스트 패턴(211)을 형성한다.Subsequently, a
이어서, 상기 포토레지스트 패턴(211)을 식각 장벽으로 상기 하드마스크 산화막(210) 및 게이트 전도막(209)를 식각하여 게이트 전극을 형성한다.Subsequently, the hard
이어서, 상기 게이트 전극 상부 중 일부를 덮는 이온주입 마스크(212)를 형성한 후, 상기 게이트 전극 에지부분과 자동정렬되도록 이온주입 공정을 수행하여 n형 불순물영역(213)을 형성한다.Subsequently, after forming an
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 이온주입 마스크(212) 및 상기 포토레지스트 패턴(211)을 제거한 후, 상기 기판 상에 제2 패드층으로써, 패드 산화막(214) 및 패드 질화막(215)을 순차적으로 증착한다.Next, as shown in FIG. 3D, after removing the
이때, 상기 패드 산화막(214)은 100~200Å의 두께를 갖고, 상기 패드 질화막(215)은 100~200Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.In this case, the pad oxide film 214 may have a thickness of 100 to 200 kPa, and the
다음으로, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 제2 패드층(214, 215)을 전면식각하여 상기 게이트 전극의 양측벽 중 일부와 상기 게이트 절연막(208) 상에게이트 절연막을 보호하기 위한 제2 보호막(214a, 215a)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3E, the
이때, 상기 제2 보호막(214a, 215a)은 CHFx 기체와 CxFy 기체를 혼합하여 전면(Blank) 식각하는 것이 바람직하다.In this case, the
또한, 상기 제2 보호막(214a, 215a)은 후속 하드마스크 산화막(210) 제거시, 상기 게이트 절연막(208)을 보호하는 역할을 한다.In addition, the
이어서, 상기 하드마스크 산화막(210)을 제거한다. Subsequently, the hard
이때, 상기 하드마스크 산화막(210)은 HF 가스를 사용하여 제거하는 것이 바람직하다.At this time, the hard
이어서, 상기 제2 보호막(214a, 215a)을 제거한다. Next, the
상술한 바와 같은 본 발명은, 포토다이오드를 형성하기 위한 불순물 이온주입 공정시, 상기 불순물이 게이트 전극에 유입되는 것을 방지하기 위하여 형성된 하드마스크 산화막(210)의 제거 공정시 발생하는 결함을 해결하기 위하여 상기 소자분리막(206) 상에 제1 보호막(207)을 형성하여 상기 소자분리막(206)을 보호하고, 상기 게이트 전극의 양측벽의 일부 및 상기 게이트 절연막(208) 상에 제2 보호막(214a, 215a)를 형성하여 상기 게이트 절연막(208)을 보호한다.The present invention as described above, in order to solve the defects generated during the removal process of the hard
따라서, 상기 하드마스크 산화막(210) 제거시 발생하는 결함을 해결하여 누설 전류(Junction Leakage Current) 및 소자 특성 열화를 방지한다.Therefore, the defect occurring when the hard
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 포토다이오드를 형성하기 위한 불순물 이온주입 공정시, 상기 불순물이 게이트 전극에 유입되는 것을 방지하기 위하여 형성된 하드마스크 산화막의 제거 공정시 발생하는 결함을 해결하기 위하여 상기 소자분리막 상에 제1 보호막을 형성하여 상기 소자분리막을 보호하고, 상기 게이트 전극의 양측벽의 일부 및 상기 게이트 절연막 상에 제2 보호막를 형성하여 상기 게이트 절연막을 보호한다.As described above, the present invention is to solve the defects generated during the removal process of the hard mask oxide film formed to prevent the impurities from entering the gate electrode during the impurity ion implantation process for forming the photodiode A first passivation layer is formed on the separator to protect the device isolation layer, and a second passivation layer is formed on a portion of both sidewalls of the gate electrode and the gate insulating layer to protect the gate insulating layer.
따라서, 상기 하드마스크 산화막 제거시 발생하는 결함을 해결하여 누설 전류(Junction Leakage Current) 및 소자 특성 열화를 방지한다.Therefore, the defect occurring during the removal of the hard mask oxide layer is solved to prevent leakage of current and deterioration of device characteristics.
또한, 0.15nm 기술에서도 적용 가능하여 지속적인 소자의 소형화가 가능하다.It is also applicable to 0.15nm technology, which enables continuous miniaturization of the device.
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