KR20070027109A - 금속 오염을 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 오염으로 인한 광 특성 열화를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극의 측면에 얼라인되어 상기 기판 내부에 형성된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드와 격리된 상기 기판 내부에 형성되며, 금속 원자를 포획하기 위한 금속 원자 포획 영역을 포함하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은, 기판 내부에 금속 원자를 포획하기 위한 금속 원자 포획 영역을 형성하는 단계; 및 상기 기판에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

CMOS 이미지센서, 금속 오염, 금속 실리사이드, 금속 이온 포획 영역, 카본 이온주입.

Description

금속 오염을 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법{IMAGE SENSOR FOR PREVENTING METAL CONTAMINATION AND METHOD FOR FABRICATION OF THE SAME}

도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 메탈 콘택 형성 이전까지의 공정을 도시한 단면도.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일실시 예에 따른 CMOS 이미지센서의 메탈 콘택 형성 이전까지의 공정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

200 : 기판 201 : 필드 산화막

203 : 금속 이온 포획 영역 206 : 게이트 산화막

207 : 폴리실리콘막 210 : n-영역

211 : 스페이서 214 : 플로팅 확산영역

217 : P0 영역

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히, 금속 오염으로 인한 광 특성 열화를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자이며, 이미지센서는 크게 전하결합소자(Charge Coupled Device; 이하 CCD라 함)와 CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지센서로 이루어진다.

CCD는 개개의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 캐패시터가 서로 매우 근접하도록 배치되어 있고, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 방식의 소자이다.

반면, CMOS 이미지센서는 반도체의 CMOS 공정을 적용하여 하나의 단위 화소에 하나의 포토다이오드와 3개 또는 4개 등의 단위 화소 구동을 위한 트랜지스터를 포함한다. CMOS 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하며, 화소 수만큼 구동을 위한 MOS 트랜지스터들을 만들고, 이들을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 메탈 콘택 형성 이전까지의 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 종래의 이미지센서 제조 공정을 살펴본다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100)에 소자간 절연을 위한 필드산화막(101)을 형성한 다음, 이온주입을 통해 웰(도시하지 않음)을 형성한다.

기판(100)은 하부의 P형 영역과 상부의 P형 에피층이 적층된 구조를 갖는 바, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(102)를 이용한 문턱전압 조절용 이온주입 공정(103)을 실시한다. 이어서, 이온주입 마스크(102)를 제거한다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 전면에 게이트 산화막(104)과 폴리실리콘막(105)을 차례로 증착한 다음, 패터닝하여 게이트 전극 구조를 형성한다. 도시된 게이트 전극 구조는 CMOS 이미지센서의 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(106)를 형성한 다음, 게이트 전극 구조의 일측에 얼라인되도록 이온주입 공정(107)을 실시하여 포토다이오드의 깊은 n-영역(108)을 형성한다.

이어서, 이온주입 마스크(106)를 제거한다.

도 1e에 도시된 바와 같이, 게이트 전극 구조의 측면에 스페이서(109)를 형성한다.

이온주입 마스크(110)을 형성한 다음, 이온주입 공정(111)을 실시하여 게이트 전극 구조의 타측면에 얼라인된 기판(100)에 고농도 N형(n+)의 플로팅 확산영역(112)을 형성한다. 이때, 다른 트랜지스터의 소스/드레인도 이온주입 공정을 이용하여 형성한다. 이어서, 이온주입 마스크(110)를 제거한다.

도 1f에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(113)을 형성한 다음, 이온주입 공정(114)을 실시하여 n-영역(108) 상부의 표면 하부에 포토다이오드의 얕은 P형 불순물 영역(115, 이하 P0 영역 이라 함)을 형성한다.

도 1g에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(113)를 제거한다.

후속 공정으로 실리사이드 공정을 실시하여 게이트 전극 또는 로직 영역의 콘택 형성 영역에 금속 실리사이드를 형성한다.

상기한 바와 같이, 빛의 조사로 생성된 전하를 모으는 포토다이오드 및 인접 소자를 구현하기 위해 다양한 이온주입을 포함한 열처리 공정이 진행된다.

한편, 전술한 이온주입 공정의 경우 Fe, Ni, Co 등의 금속 원자들에 의한 실리콘 기판의 오염을 야기하는 문제점이 있으며, 이후 주변 로직 소자를 구현하는데 있어 진행되는 실리사이드 형성 공정은 치명적인 금속 오염원이 될 수 있다.

금속 오염은, 빛이 없는 상태에서도 포토다이오드 내에 전하를 생성시켜 마치 밝은 빛이 조사되어 나타나는 결과처럼 이미지의 왜곡 현상을 발생시킨다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 금속 오염으로 인한 광 특성 열화를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극의 측면에 얼라인되어 상기 기판 내부에 형성된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드와 격리된 상기 기판 내부에 형성되며, 금속 원자를 포획하기 위 한 금속 원자 포획 영역을 포함하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 내부에 금속 원자를 포획하기 위한 금속 원자 포획 영역을 형성하는 단계; 및 상기 기판에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은, 여러 가지 이온주입 공정 및 실리사이드 형성 공정에 의해 발생되는 금속 오염 및 다양한 공정에서 발생하는 금속 오염원에 의한 문제점을 최소화시키기 위해 포토다이오드 및 소자와 떨어진 기판에 금속 원자를 모을(Gettering) 수 있는 금속 원자 포집 영역을 형성한다.

금속 원자 포집 영역은 포토다이오드 하부의 기판 내부에 형성하며, 그 형성 공정은 필드 산화막 형성 후 카본 이온주입 공정과 열처리 공정으로 이루어진다.

이렇게 되면, 카본으로 이루어진 금속 원자 포집 영역으로 모을 수 있으므로, 포토다이오드 및 소자 영역에서 금속 오염원의 양을 최소화시켜 왜곡되지 않고 선명한 이미지를 얻을 수 있게 된다.

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 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일실시 예에 따른 CMOS 이미지센서의 메탈 콘 택 형성 이전까지의 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 본 발명의 CMOS 이미지센서 제조 공정을 살펴본다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(200)에 소자간 절연을 위한 필드산화막(201)을 형성한다.

필드산화막(201)은 광소자가 형성되지 않는 영역으로, 각 소자 간의 격리를 위해 사용한다.

필드산화막(201) 형성시 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 방식을 이용할 수도 있으나, LOCOS 방식은 버즈(Bird's beak)와 집적도의 문제가 있어 STI(Shallow Trench Isolation) 방식을 사용한다.

STI 방식의 필드산화막(201)은 식각을 통한 트랜치의 형성과 트랜치를 매립하는 산화막의 증착 및 평탄화 공정으로 이루어진다.

한편, 필드산화막(201)의 트렌치 하부에는 포토다이오드의 N형 불순물 영역(이하 n-영역이라 함)과 필드산화막(201) 측면을 격리하기 위한 채널 스탑 영역이 형성되며, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.

기판(200)은 하부의 P형 영역과 상부의 P형 에피층이 적층된 구조를 갖는 바, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 카본 이온주입 공정(202)과 열처리 공정을 실시하여 포토다이오드 형성 깊이 보다 깊도록 기판(200) 내부에 금속 원자 포집 영역(203)을 형성한다.

카본 이온주입시 2.0MeV ∼ 4.0MeV의 에너지를 사용하며, 총 도즈는 1.0E12 atoms/㎠ ∼ 5.0E15 atoms/㎠로 하며, 이온주입시 틸트(Tilt)는 0°∼ 10°로 한다.

열처리 공정은 급속 열처리(Rapid Thermal Process; 이하 RTP라 함) 또는 노 열처리 방식을 이용한다. RTP 방식의 경우 900℃ ∼ 1100℃의 온도에서 10초 ∼ 60초 동안 실시하며, 노 열처리 방식의 경우 400℃ ∼ 600℃의 온도에서 2시간 ∼ 24시간초 동안 실시하거나, 700℃ ∼ 1000℃의 온도에서 10분 ∼ 30분 동안 실시한다. 열처리시 챔버는 100% N₂ 분위기를 유지하는 것이 바람직하다.

이어서, 이온주입을 통해 웰(도시하지 않음)을 형성한다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(204)를 이용한 문턱전압 조절용 이온주입 공정(205)을 실시한다. 이어서, 이온주입 마스크(204)를 제거한다.

트랜스퍼 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성된 전하를 손실없이 전달하는 역할을 하는 소자이므로, 문턱전압이 거의 "0"에 가깝도록 한다. 트랜스퍼 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터인 반면, 이렇게 문턱전압을 줄이기 위해서 P웰 또는 문턱전압 조절용 이온주입 공정(205)을 실시하게 된다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 전면에 게이트 산화막(206)과 폴리실리콘막(207)을 차례로 증착한 다음, 패터닝하여 게이트 전극 구조를 형성한다. 도시된 게이트 전극 구조는 CMOS 이미지센서의 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이다.

게이트 전극을 이루는 폴리실리콘막(207)이 N형 불순물이 갖도록 함에 있어서, 패터닝 전에 이온주입을 실시하거나 후속 소스/드레인 형성 공정에서의 이온주 입을 이용할 수 있다.

도 2e에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(208)를 형성한 다음, 게이트 전극 구조의 일측에 얼라인되도록 이온주입 공정(209)을 실시하여 포토다이오드의 깊은 n-영역(210)을 형성한다.

이온주입 공정(209)은 넓은 영역을 확보하고자 높은 에너지와 전하가 용이하게 잘 생성될 수 있도록 저농도로 실시한다. n-영역(210)은 빛의 조사에 의해 생성되는 전하를 집적시키는 역할을 하므로, 그 깊이는 청색 계통의 빛에 대한 효율을 증가시킬 수 있도록 약 1㎛ 이하의 범위를 갖도록 한다.

n-영역(210)의 하부 즉, P형 에피층은 포토다이오드의 P형 접합이 형성될 부분으로써, 빛에 조사에 의해 생성되는 전하를 집적시키는 역할을 하며, 그 깊이는 적색 계통의 빛에 대한 효율을 증가시킬 수 있도록 약 0.5㎛ ∼ 수 ㎛의 범위를 갖도록 한다.

이어서, 이온주입 마스크(208)를 제거한다.

도 2f에 도시된 바와 같이, 게이트 전극 구조의 측면에 스페이서(211)를 형성한다.

이온주입 마스크(212)을 형성한 다음, 이온주입 공정(213)을 실시하여 게이트 전극 구조의 타측면에 얼라인된 기판(200)에 고농도 N형(n+)의 플로팅 확산영역(214)을 형성한다. 이때, 다른 트랜지스터의 소스/드레인도 이온주입 공정을 이용하여 형성한다. 이어서, 이온주입 마스크(212)를 제거한다.

이어서, n-영역(210)과 플로팅 확산영역(214) 등의 도펀트가 확산될 수 있도 록 RTP 방식을 통한 열처리 공정을 실시한다.

폴리실리콘막(207)과 플로팅 확산영역(214)은 금속과 접촉함으로써 동작 전압이 걸리며, 이로 인해 캐리어들의 흐름을 선택적으로 조절하는 역할을 한다.

도 2g에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(215)을 형성한 다음, 이온주입 공정(216)을 실시하여 n-영역(210) 상부의 표면 하부에 포토다이오드의 얕은 P형 불순물 영역(217, 이하 P0 영역 이라 함)을 형성한다.

P0 영역(217)은 기판(200) 표면의 데미지로 인한 전하의 손실을 방지하고, 청 광감도 향상을 위한 것이다.

도 2h에 도시된 바와 같이, 이온주입 마스크(213)를 제거한다.

후속 공정으로 실리사이드 공정을 실시하여 게이트 전극 또는 로직 영역의 콘택 형성 영역에 금속 실리사이드를 형성한다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 필드산화막 형성 공정 후 포토다이오드 보다 깊은 기판 내부에 카본 이온주입 및 열처리 공정을 통한 금속 원자 포획 영역을 형성함으로써, 금속 이온에 의한 기판의 오염을 방지함으로써, 암전류 등에 의한 이미지 왜곡을 방지할 수 있음을 실시 예를 통해 알아보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

예컨대, 상술한 본 발명의 실시 예에서는 트랜스퍼 트랜지스터를 갖는 CMOS 이미지센서를 그 예로 하였으나, 실리사이드 공정을 적용하는 모든 이미지센서 제조 공정에 적용이 가능할 것이다.

상술한 본 발명은, 이미지센서의 이미지 왜곡을 방지할 수 있어, 이미지센서의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 기판 상에 형성된 게이트 전극;

   상기 게이트 전극의 측면에 얼라인되어 상기 기판 내부에 형성된 포토다이오드; 및

   상기 포토다이오드와 격리된 상기 기판 내부에 형성되며, 금속 원자를 포획하기 위한 금속 원자 포획 영역

   을 포함하는 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 원자 포획 영역은 상기 포토다이오드 보다 깊은 상기 기판 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 원자 포획 영역은 카본 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 기판 내부에 금속 원자를 포획하기 위한 금속 원자 포획 영역을 형성하는 단계; 및

   상기 기판에 포토다이오드와 게이트 전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 금속 원자 포획 영역을 상기 포토다이오드 보다 깊은 상기 기판 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 금속 원자 포획 영역을 형성하는 단계는,

   카본 이온주입을 실시하는 단계와, 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 이온주입시, 총 도즈는 1.0E12 atoms/㎠ 내지 5.0E15 atoms/㎠로 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 이온주입시 2MeV 내지 4MeV의 에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 열처리시, 900℃ 내지 1100℃의 온도의 급속열처리 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 열처리시, 400℃ 내지 600℃의 온도의 노 열처리 또는 700℃ 내지 1000℃의 온도의 노 열처리 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 열처리를 N₂ 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.

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