KR20070059234A - 암전류를 감소시키기 위한 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
포토다이오드 표면에 발생된 댕글링 본드로 인한 암전류 발생을 억제하기 위한 이미지 센서의 제조 방법은 기판 상에 형성된 포토다이오드 및 주변 소자의 전면에 절연막을 형성한 후, 수소 플라즈마 처리를 통해 수소 이온을 포토다이오드의 표면으로 확산시켜 댕글링 본드를 제거한다. 수소 이온이 절연막의 상방으로 확산되는 것을 방지하기 위해 절연막 상에 캡핑막을 형성한다.
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도이다.
도 2는 종래기술에 따라 제조된 CMOS 이미지센서의 소자 단면도이다.
도 3은 종래기술에 따른 암전류 발생을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a 내지 4e는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
111 : P+ 기판 112 : P 에피층
113 : 필드절연막 115 : 트랜지스터
116 : N 확산층 119 : P0 에피층
120a : 플로팅센싱노드 121 : 층간절연막
122 : 제1금속배선 123 : 금속층간절연막
124 : 제2금속배선 125 : 보호막
126 : 캡핑막
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암전류를 감소시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image Sensor)에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 CMOS 이미지센서가 있다.
상기 CCD 이미지센서는 CMOS 이미지센서와 달리 트랜지스터에 의한 스위칭방식이 아니라 전하결합에 의해서 신호를 검출한다. 그리고, 화소에 해당하고 광감 지역할을 하는 포토다이오드는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호전압을 누적시간만큼 증가시킬 수 있어 광감도가 좋고, 노이즈를 감소시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 광전하를 계속 운송해야 하므로 구동방식이 복잡하고, 약 8∼10V의 고전압 및 1W이상의 고전력이 소모된다.
반면 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비하여 전기광학적 특성에서 열세를 보이고 있으나, 저소비전력과 집적도 측면에서는 CMOS 이미지센서가 CCD 이미지센서보다 우수하다. 이러한 전기광학적 특성 중 암전류(Dark current) 특성은 이미지센서의 품질 및 신뢰성을 저하시킨다.
이하 첨부도면을 참조하여 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 인반적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 등가회로도이다.
도 1을 참조하면, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx,Rx,Sx,Lx)로 구성되며, 상기 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx,Rx,Sx,Lx)는 포토다이 오드(PD)에서 집속된 광전하를 플로팅노드(Floating node; X)로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅노드를 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx), 소오스팔로워 버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx), 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다.
도 2는 도 1에 도시된 CMOS 이미지센서 단위화소의 단면도이다.
도 2를 참조하여 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 고농도의 P형 불순물이 도핑된 P+ 기판(11) 상에 저농도 P형 불순물이 도핑된 P형 에피층(12)을 성장시킨 다음, P형 에피층(12)의 소정 부분에 LOCOS(Local oxidation of silicon) 법으로 단위화소간 격리를 위한 필드절연막(13)을 형성한다.
다음으로, 후속 열공정에 의한 측면확산을 통해 드라이브게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)를 내포할 수 있도록 P형 웰(14)을 P형 에피층(12)의 소정 영역에 형성한다.
다음으로, P형 웰(14)상에 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 게이트전극(15a, 15b)을 형성하고, P형 에피층(12)상에 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트전극(15c, 15d)을 형성한다.
다음으로, 게이트전극(15a, 15b, 15c, 15d) 중 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게 이트전극(15c)의 일측 P형 에피층(12)에 고에너지로 저농도 N형 불순물(N-)을 이온주입하여 N-형 확산층(16)을 형성한다.
다음으로, 불순물의 이온주입공정을 실시하여 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 LDD(Lightly Doped Drain) 구조(17)를 형성 후, 4개 게이트 전극(15a, 15b, 15c, 15d)의 양측벽에 접하는 스페이서(18)를 형성한다.
계속해서, 블랭킷(blanket) 이온주입법으로 저에너지 P형 불순물(P0)을 이온주입하여 P형 에피층(12)의 표면근처와 N-형 확산층(16)의 상부에 P0 확산층(19)을 형성한다. 상기 저에너지 P형 불순물의 이온주입을 통해 P0 확산층(19)과 N-형 확산층(16)으로 이루어지는 얕은(shallow) PN접합을 형성하고, P형 에피층(12)/N-형 확산층(16)/P0 확산층(19)으로 이루어지는 PNP형 포토다이오드가 형성된다.
다음으로, 소스/드레인 영역(20, 20a)을 형성하기 위한 이온주입공정을 실시한다. 즉, N형 불순물(N+)이 도핑된 단위화소 내에 2개의 일반적인 NMOS 트랜지스터인 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 소스/드레인 영역(20)과 2개의 네이티브 NMOS 트랜지스터인 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 공통접속단인 플로팅센싱노드(20a)와 리셋트랜지스터의 일측 소스/드레인 영역(20)을 형성한다.
다음으로, 전면에 주로 산화막계인 층간절연막(Pre-Metal Dielectric; PMD, 21)을 증착한 후 평탄화한다. 이후, 제1 금속배선(M1, 22)을 위한 금속콘택(미도시) 및 제1금속배선(22)을 형성하고, 제1금속배선(22)상에 금속층간절연막(Inter-Metal-Dielectric; IMD)(23)을 형성한다.
다음으로, 금속층간절연막(23)상에 제2금속배선(M2, 24)을 형성한 후, 제2금속배선을 포함한 전면에 보호막(25)을 형성한다. 상기 보호막(25)의 상부에 칼라이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(26) 형성 공정이 진행되고 평탄화를 위한 평탄화층으로서 OCL(Over Coating Layer)층(27)을 형성한 후, 광집속도를 향상시키기 위한 마이크로렌즈(28) 형성 공정을 진행한다.
그러나, 상기와 같은 공정 수행시 여러번의 식각공정, 예컨대 LOCOS법에 의한 필드절연막 공정, 게이트전극 식각 공정, 이온주입마스크 공정 등에 의해 포토다이오드 영역의 P0 확산층(19) 표면에서 댕글링 본드(dangling bond; DB)가 발생한다.
이를 도시한 도 3을 참조하면, 실리콘층인 P0 확산층(19)과 산화막계인 층간절연막(21)의 경계면에서는 실리콘(Si) 하나에 산소(O) 두개가 붙어있어야(O-Si-O) 안정적인 상태를 유지할 수 있는데, 여러번의 식각 공정으로 P0 확산층(19) 표면의 결합이 손상되어 (-Si-O)나 (-Si-)의 댕글링본드(DB)가 발생된다.
결국, 광이 입사되지 않은 상태에서 P0 확산층(19) 표면의 댕글링본드(DB)에 의해 전자(e)가 생성되어 N- 확산층(16)에 저장됨에 따라 포토다이오드(PD)로부터 플로팅센싱노드(FD, 20)로 암전류(Dark current; D)가 흐르는 문제점이 있다.
다시 말하면, 광이 입사되는 경우에만 포토다이오드의 공핍층(N- 확산층)에서 전자가 생성 및 저장된 후 플로팅센싱노드로 전자가 이동되어 전류가 흘러야 하나, 실리콘층인 P0 확산층(19) 표면의 댕글링 본드(-Si-O 또는 -Si-)(DB)는 광에 의한 입력이 없어도 열적으로 전하를 발생시키기 쉬운 상태에 있으므로 댕글링본드 (DB)가 다수 존재하면 빛이 없는 어두운 상태에서도 이미지센서가 마치 광이 들어오는 듯한 반응을 보이는 비정상상태를 보인다.
더욱이, 종래기술에서는 CMOS 로직 공정의 마지막 공정인 보호막 공정시 보호막(도 2의 25)으로서 산화막만을 이용하기 때문에 댕글링본드(DB)를 제거할 수 있는 방법이 없어 댕글링본드(DB)에 의한 과다한 암전류(D) 발생을 억제하기가 곤란하며, 결국 암전류(D)가 플로팅센싱노드(FD)로 전달되는 경우 이미지센서의 화질 을 저하시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 암전류에 의한 화질 저하를 억제하기 위한 이미지센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 바람직한 일실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 상기 이미지 센서의 제조 방법은 기판 상에 형성된 포토다이오드 및 주변 소자의 전면에 절연막을 형성한다. 다음으로, 수소 플라즈마 처리를 통해 수소 이온을 상기 포토다이오드의 표면으로 확산시켜 댕글링 본드를 제거한다. 이후, 상기 수소 이온이 후속하여 상기 절연막의 상부에 형성되는 막들로 확산되는 것을 방지하기 위해 상기 절연막 상에 캡핑막을 형성한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대해 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 리세스, 패드, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되거나 또는 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들이 "제1" 및/또는 "제2"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1" 및/또는 "제2"는 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제1실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 고농도의 P형 불순물이 도핑된 P+ 기판(111)상에 저농도 P형 불순물이 도핑된 P형 에피층(112)을 성장시킨 다음, P형 에피층(112)의 소정 부분에 LOCOS(Local oxidation of silicon)법으로 단위화소간 격리를 위한 필드절연막(113)을 형성한다.
다음으로, 후속 열공정에 의한 측면확산을 통해 드라이브게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)를 내포할 수 있도록 P형 웰(114)을 P형 에피층(112)의 소정 영역에 형성한다.
다음으로, P형 웰(114)상에 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 게이트전극(115a, 15b)을 형성하고, 및 P형 에피층(112)상에 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트전극(115c, 15d)을 형성한다. 이 때, 4개 트랜지스터의 게이트전극(115a, 15b, 15c, 15d)은 폴리실리콘과 텅스텐실리사이드막으로 이루어진 폴리사이드전극 형태이다.
다음으로, 게이트전극(115a, 15b, 15c, 15d) 중 트랜스퍼트랜지스터(Tx)의 게 이트전극(115c)의 일측 P형 에피층(112)에 고에너지로 저농도 N형 불순물(N-)을 이온주입하여 N- 확산층(116)을 형성한다.
다음으로, 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 LDD(Lightly Doped Drain) 구조(117)를 형성하기 위한 불순물의 이온주입공정을 실시한 후, 전면에 스페이서용 절연막을 증착한 후, 절연막을 전면식각하여 4개 게이트 전극(115a, 15b, 15c, 15d)의 양측벽에 접하는 스페이서(118)를 형성한다.
계속해서, 블랭킷(blanket) 이온주입법으로 저에너지 P형 불순물(P0)을 이온주입하여 P형 에피층(112)의 표면근처와 N- 확산층(116)의 상부에 P0 확산층(119)을 형성한다. 이때, N- 확산층(116) 내에 형성되는 P0 확산층(119)은 스페이서(117)의 두께만큼 격리된다.
상술한 저에너지 P형 불순물의 이온주입을 통해 P0 확산층(119)과 N- 확산층 (116)으로 이루어지는 얕은(shallow) PN접합을 형성하고, P형 에피층(112)/N- 확산층(116)/P0 확산층(119)으로 이루어지는 PNP형 포토다이오드가 형성된다.
다음으로, 소스/드레인 영역(120, 120a)을 형성하기 위한 이온주입공정을 실시한다. 즉, N형 불순물(N+)이 도핑된 단위화소 내에 2개의 일반적인 NMOS 트랜지스터인 드라이브트랜지스터(Dx)와 셀렉트트랜지스터(Sx)의 소스/드레인 영역(120)과 2개의 네이티브 NMOS 트랜지스터인 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 공통접속단인 플로팅센싱노드(120a)와 리셋트랜지스터의 일측 소스/드레인 영역(120)을 형성한다.
도 4b를 참조하면, 전면에 주로 산화막계인 층간절연막(Pre-Metal Dielectric; PMD, 121)을 증착한 후 평탄화한다. 이후, 제1 금속배선(M1, 122)을 위한 금속콘택(미도시) 및 제1금속배선(122)을 형성하고, 제1금속배선(122)상에 금속층간절연막(Inter-Metal-Dielectric; IMD)(123)을 형성한다.
다음으로, 금속층간절연막(123) 상에 제2금속배선(M2, 124)을 형성한 후, 제2금속배선을 포함한 전면에 보호막(125)을 형성한다. 상기 보호막(125)으로는 주로 산화막이 사용된다. 상기 산화막의 예로는 Peox(Plasma enhanced oxide)를 들 수 있다. 상기 Peox는 약 600Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1금속배선(122)과 제2금속배선(124)은 포토다이오드로의 광투과를 위해 포토다이오드 상부에는 형성되지 않는다.
한편, 상기 보호막(125)까지 형성된 후에도 포토다이오드의 PO 확산층(119) 표면에 댕글링본드가 발생된다.
도 4c를 참조하면, 상기 보호막(125)의 표면에 수소(H2) 플라즈마 처리를 수행한다. 상기 수소 플라즈마 처리는 고밀도 플라즈마 챔버에서 수행된다.
구체적으로, 우선 상기 고밀도 플라즈마 챔버로 수소 가스와 아르곤 가스를 제공한다. 상기 수소 가스는 수소 플라즈마 처리를 위한 공정 가스이고, 상기 아르곤 가스는 상기 수소 가스를 이송하며, 플라즈마 형성을 돕기 위한 보조 가스이다. 상기 수소 가스와 아르곤 가스는 약 4:1의 유량비로 제공될 수 있다. 바람직하게는 상기 수소 가스가 상기 챔버의 상방 및 측면에서 각각 100sccm이 공급되고, 아르곤 가스는 50sccm이 공급된다.
다음으로, 상기 고밀도 플라즈마 챔버에 전압을 인가하여 상기 가스들을 플라즈마 상태로 여기시킨다. 일예로, 상부 소스전압 및 측면 소스전압으로 각각 1000W, 바이어스 고주파 전압으로 100W가 인가될 수 있다.
상기 수소 플라즈마 처리의 공정 온도는 300 내지 400 ℃이며, 약 60초간 수행되는 것이 바람직하다.
상기 공정 온도가 300℃ 이하인 경우에는 상기 수소 플라즈마 처리에 의한 수소이온의 확산 효과가 저하될 수 있다. 상기 공정 온도가 400℃ 이상인 경우에는 기 형성된 금속배선에 영향을 미칠 수 있다.
상기 수소 플라즈마 처리에 의해 여기된 수소 이온이 상기 보호막(125)으로 침투하고, 침투한 수소 이온은 보호막(125), 금속층간절연막(123)과 층간절연막(121)을 관통한 후 포토다이오드 영역의 P0 확산층(119) 표면까지 확산된다. 상기 수소 이온에 의해 상기 포토다이오드 표면에 발생한 불안정한 댕글링본드를 제거한다. 따라서 댕글링 본드에 의한 포토다이오드(PD)의 암전류를 감소시킬 수 있다
한편, 포토다이오드를 벗어난 지역(Tx, Rx, Dx, Sx)으로 확산되는 수소 이온은 제1금속배선(122) 및 제2금속배선(124)에 막혀 더 이상 확산되지 않는다.
도 4d를 참조하면, 상기 보호막(125)의 표면에는 캡핑막(126)이 형성된다. 상기 캡핑막(126) 형성 공정은 상기 수소 플라즈마 처리 공정이 수행되는 챔버에서 인시튜(in-situ)로 진행된다. 상기 캡핑막 형성 공정은 상기 댕글링 본드 제거 공정에 동일한 공정온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 캡핑막 형성 공정은 약 300 내지 400℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 캡핑막(126)은 보호 효과가 좋은 질화물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 캡핑막(126)은 상기 보호막(125)으로 확산된 수소 이온이 상방으로 확산되는 것을 방지한다.
이후 상기 캡핑막(126)을 열처리한다. 상기 열처리에 의해 상기 보호막(125)의 수소 이온이 완전하게 가둔다. 따라서 상기 확산된 수소 이온이 손실되지 않고 온전하게 상기 댕글링 본드를 제거하는데 사용될 수 있다.
상기와 같이 캡핑막을 형성함으로써 일반적인 CMOS 로직 공정을 완료한다.
도 4e를 참조하면, 상기 CMOS 로직 상에 칼라이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(127) 형성 공정이 진행되고 평탄화를 위한 평탄화층으로서 OCL층(128)을 형성한 후, 광집속도를 향상시키기 위한 마이크로렌즈(129) 형성 공정을 진행한다.
상술한 공정에 따르면, 비록 여러 번의 식각 공정으로 P0 확산층(119) 표면 에 다수의 댕글링본드가 발생되더라도 후속 보호막 공정 후 수소 플라즈마 처리를 통해 P0 확산층(119) 표면으로 수소 이온(H+)을 확산시키면, 확산된 수소 이온(H+)이 P0 확산층(119)과 층간절연막(121)의 경계면, 즉 실리콘과 산화막의 경계면에 발생된 댕글링본드(DB)와 결합하여 댕글링본드의 수를 감소시킨다.
다시 말하면, 실리콘과 산화막 경계지역에서 발생된 (-Si-O)나 (-Si-)와 같 은 댕글링본드에 수소이온을 결합시켜 P0 확산층(119)과 층간절연막(121)의 경계지역의 댕글링본드를 감소시켜 플로팅센싱노드(20a)로 전달되는 암전류를 최대한 억제시킨다.
상술한 바와 같은 본 발명은 수소 플라즈마 처리를 통해 포토 다이오드 표면에 형성된 댕글링 본드를 제거할 수 있다. 따라서 상기 댕들링 본드에 의한 암전류를 최대한 억제시킬 수 있다. 그러므로 이미지센서의 화질을 향상시킬 수 있으며, 암전류 발생에 의한 수율 저하를 방지하여 수율 향상을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 기판 상에 형성된 포토다이오드 및 주변 소자의 전면에 절연막을 형성하는 단계;수소 플라즈마 처리를 통해 수소 이온을 상기 포토다이오드의 표면으로 확산시켜 댕글링 본드(dangling bond)를 제거하는 단계; 및상기 수소 이온이 후속하여 상기 절연막의 상부에 형성되는 막들로 확산되는 것을 방지하기 위해 상기 절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 댕글링 본드 제거 단계는,공정 가스인 수소 가스와 캐리어 가스인 아르곤 가스를 제공하는 단계;상기 가스들을 플라즈마 상태로 여기시키는 단계; 및여기된 수소 이온을 상기 포토 다이오드의 표면으로 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 댕글링 본드 제거 단계 및 캡핑막 형성 공정은 인시튜로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 댕글링 본드 제거 단계 및 캡핑막 형성 공정은 동일한 공정 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 온도는 300 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 캡핑막은 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 캡핑막을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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