KR20090068081A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
중수소 이온 주입
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
실시예는 포토다이오드의 실리콘 계면과 산화막 사이에 발생하는 댕글링 본드를 최소화시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 반도체 기판과 유전체막에 중수소 이온층을 형성하여, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합된다.
즉, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막(5)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 형성된 게이트(15); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 유전체막 패턴(23); 상기 반도체 기판(10)에 형성된 제1불순물 영역(50) 및 제2불순물 영역(40)을 포함하는 포토다이오드(55) 및 제3불순물 영역(60); 및 상기 유전체막 패턴(23)과 제2불순물 영역(40)에 형성되는 제4불순물 영역(30)을 포함한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단 위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 게이트(15)는 산화막 패턴 및 폴리실리콘 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 게이트(15)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있다.
본 실시예에서 상기 게이트(15)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 상기 게이트(15)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 제1불순물 영역(40)은 n형 불순물로 형성되고, 상기 제2불순물 영역(50)은 p형 불순물로 형성되어, 상기 제1불순물 영역(40)과 제2불순물 영역(50)으로 이루어진 포토다이오드(55)를 형성한다.
상기 제3불순물 영역(60)을 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이 될 수 있다.
상기 유전체막(20)은 산화막, 질화막 및 산화막이 순차적으로 형성된 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막으로 형성된다.
상기 유전체막(20)에 형성된 상기 산화막은 TEOS(tetraethly orthosilicate)로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제4불순물 영역(30)은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)으로 형성될 수 있다.
상기 제4불순물 영역(30)이 중수소 이온층으로 형성되어, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중 수소 이온이 결합된다.
즉, 상기 포토다이오드(55)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판(10)에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드(55)의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따른 공정 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막(5)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 게이트(15)를 형성하고, 상기 반도체 기판(10)에 포토다이오드(55)를 형성한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때 문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 소자 분리막(5)은 상기 반도체 기판(10)에 트렌치를 형성한 후, 절연물질을 매립하여 형성할 수 있다.
상기 게이트(15)는 상기 반도체 기판(10)에 산화막 및 폴리실리콘을 형성하고, 패터닝하여 형성할 수 있다.
상기 게이트(15)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있다.
본 실시예에서 상기 게이트(15)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 상기 게이트(15)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 제1포토레지스트 패턴(100)을 형성하고, 제1이온주입 공정 및 제2이온주입 공정을 진행하여, 제1불순물 영역(40) 및 제2불순물 영역(50)을 포함하는 포토다이오드(55)를 형성한다.
상기 제1불순물 영역(40)은 상기 반도체 기판(10)에 n형 불순물로 상기 제1이온주입 공정을 진행하여 형성되며, 상기 제2불순물 영역(50)은 상기 반도체 기판(10)에 p형 불순물로 제2이온주입 공정을 진행하여 형성된다.
그리고, 상기 제1포토레지스트 패턴(100)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 제2포토레지스트 패턴(200)을 형성하고, 제3이온주입 공정을 진행하여 제3불순물 영역(60)을 형성한다.
상기 제3불순물 영역(60)은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이 될 수 있다.
그리고, 상기 제2포토레지스트 패턴(200)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 유전체막(20)을 형성하고, 제4이온주입 공정을 진행하여 제4불순물 영역(30)을 형성한다.
상기 유전체막(20)은 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 산화막, 질화막 및 산화막을 순차적으로 형성한 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막으로 형성된다.
상기 유전체막(20)은 LP-CVD(low Pressure-Chemical Vapor Deposition)로 형성될 수 있으며, 상기 유전체막(20)에 형성된 상기 산화막은 TEOS(tetraethly orthosilicate)로 형성될 수 있다.
상기 제4이온주입 공정은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)을 0.1~10 KeV의 에너지에서 1×1015~1×1016 atoms/cm2의 농도로 주입하여 진행되며, 상기 제4이온주입 공정으로 제4불순물 영역(30)이 형성된다.
상기 제4불순물 영역(30)은 상기 유전체막(20)과 제2불순물 영역(50)에 형성될 수 있다.
상기 제4불순물 영역(30)을 형성한 뒤, 급속 열처리(Rapid Thermal Anneal) 방식으로 열처리 공정을 진행한다.
상기 열처리 공정은 질소(N2) 분위기에서 1000~1100 ℃의 온도로 10초 동안 진행될 수 있다.
이때, 상기 열처리 공정을 통하여, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온을 결합시킨다.
즉, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온을 결합시킴으로써, 상기 반도체 기판(10)에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지함으로써, 상기 포토다이오드(55)의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유전체막(20) 상에 제3포토레지스트 패턴(300)을 형성하고, 상기 유전체막(20)에 식각 공정을 진행하여, 유전체막 패턴(23) 및 상기 게이트(15)의 측벽에 스페이서(25)를 형성한다.
상기 스페이서(25)는 상기 제3불순물 영역(60) 상에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제3포토레지스트 패턴(300)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(35)을 형성할 수 있다.
그리고, 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에 금속배선층, 컬러필터 어레이(color filter array) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 반도체 기판과 유전체막에 중수소 이온층을 형성하여, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합된다.
즉, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응 용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정 단면도이다.
Claims (7)
- 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트;상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드;상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,제3불순물 영역은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)층인 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제1불순물 영역은 n형 불순물로 형성되며, 상기 제2불순물 영역은 p형 불순물로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계;상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제3불순물 영역은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)을 상기 반도체 기판에 이온주입하여 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제1불순물 영역은 n형 불순물을 이온주입하여 형성되며, 상기 제2불순물 영역은 p형 불순물을 이온주입하여 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제3불순물 영역을 형성한 후, 상기 반도체 기판에 열처리 공정을 진행하는 것을 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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