KR20110078880A - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 식각하여 기판의 활성 영역이 노출되도록 하는 단계; 상기의 노출된 기판 영역에 대하여 선택적인 에피텍시얼 성장을 수행하는 단계; 상기의 에피텍시얼 성장된 영역에 대하여 이온 주입을 하여 웰 영역을 형성하는 단계; 상기 기판 내에 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계; 및 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
이미지 센서

Description

이미지 센서의 제조 방법{Method for manufacturing an image sensor}
본 실시예는 이미지 센서의 제조 방법에 대해서 개시한다.
이미지 센서는 크게 CCD 센서와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있으며, 이 두 장치는 기본적으로 실리콘 밴드갭보다 큰 에너지의 빛에 의하여 생성된 전자-홀 쌍(pair)을 이용하는데, 일반적으로 어느 한쪽(전자 또는 홀)을 모음으로써 조사된 빛의 양을 추정하는 기법을 이용하고 있다.
CMOS 이미지 센서는 각각의 이미지 픽셀내부에서 일반적인 CMOS 소자의 경우와 유사하게 포토다이오드 및 트랜지스터를 구현함으로써, 기존의 CMOS 반도체 제조 공정을 거의 그대로 사용하고 있기 때문에, 반드시 별도의 칩에서 이미지 신호 처리부를 가져야 하는 CCD에 비해, 픽셀 외부 블럭에 이미지 신호 처리 및 검출을 위한 회로를 일체화하여 집적할 수 있고 저전압 동작이 가능하며 제조 단가가 낮은 장점이 있다.
최근 CMOS 이미지 센서 공정에서 픽셀내 암전류(dark leakage) 특성을 개선하는 여러가지 기술들이 사용되고 있다. 일반적인 CIS 공정은 STI 공정을 사용하여 포토다이오드 및 트랜지스터를 형성하게 된다.
즉, STI공정으로 포토다이오드 및 트랜지스터를 포함한 반도체 소자가 형성되는 활성영역(active region)과 각 소자들의 전기적 격리를 위해 소자분리막이 형성되는 소자분리영역(isolation or field region)이 구분된다. STI 공정순서는 기판위 패드 산화막과 질화막 형성후 식각공정을 통해 소자분리영역의 기판을 노출 및 기판의 트렌치를 형성하고 절연물질로 채운후 추가 CMP(chemical mechanical poishing) 공정으로 소자분리막을 형성하는 공정이다.
예전의 기술인 LOCOS(local oxidation of silicon)가 가진 버즈빅 문제가 없으며 소자분리특성이 좋은 장점이 있다. 그러나, 위의 트렌치 식각공정으로 인한 STI 모서리에 누설전류 및 집중된 전계(E-field)에 의한 암전류 특성이 좋지 않은 단점이 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서 기술에서 STI공정을 사용한 기본 픽셀(unit pixel) 단면구조를 보여준다.
도 1을 참조하면, 기판(1) 내에는 웰 임플란트(3)가 형성되고, 상기 웰 임플란트(3) 내에 포토다이오드로서 N타입 포토다이오드 영역(5)과, 그 위에 P타입 포토 다이오드 영역(8)이 형성되고, 플로팅 디퓨젼 영역(F/D)과, 소스/드레인 영역(9)이 형성된다.
그리고, 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 양측에는 LDD 임플란트(6)가 형성된다.
그리고, 기판(1)에는 소자 분리를 위한 STI(2)가 형성된다.
입사된 빛으로부터 전하로 변경되는 포토다이오드(PD)와 해당 전하를 처리하는 픽셀 트랜지스터들로 구성되어 있다. 포토다이오드는 PN 접합을 사용하는데 N형 을 매립하여 만드는 구조(depleted or pinned type)가 일반적이다. 그리고 픽셀 트랜지스터는 리셋(reset, RST), 소스 팔로워(source follower, S/F), 실렉트(select)로 구성된 3 Tr 구조와 3 Tr에 트랜스퍼 Tr (transfer gate, T/G) 및 플로팅 디퓨젼(floating diffusion, F/D)로 구성된 4 Tr 구조가 있다.
도 1에는 최근 많이 사용되는 4 Tr구성의 일부가 도시된다. 편의상 소스팔로워 및 실렉트 트랜지스터는 표시하지 않았으며 이후 컬러필터(color filter) 및 마이크로렌즈(micro lens)를 포함한 BEOL (back end of layers) 형성은 일반적인 CIS공정과 동일하다.
미설명된 도면부호 4는 게이트 폴리이고, 도면부호 7은 스페이서이며, 도면부호 10은 층간 절연막이다.
본 실시예는 선택적 에피텍시얼 성장(SEG:selective epitaxial growth) 공정을 이용하여 형성되는 픽셀(포토 다이오드 및 트랜지스터)을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법에 대한 것으로서, 기존의 STI 공정에 의해 형성된 픽셀 구조의 격리 특성 및 누설 전류를 포함한 암전류 특성을 개선할 수 있는 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 제안한다.
본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 식각하여 기판의 활성 영역이 노출되도록 하는 단계; 상기의 노출된 기판 영역에 대하여 선택적인 에피텍시얼 성장을 수행하는 단계; 상기의 에피텍시얼 성장된 영역에 대하여 이온 주입을 하여 웰 영역을 형성하는 단계; 상기 기판 내에 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계; 및 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 절연층을 식각하는 단계는 소자 분리막이 형성될 영역의 절연층을 제외한 나머지 절연층에 대하여 수행한다.
그리고, 상기 에피텍시얼 성장을 수행하는 단계 이전에, 노출된 상기 기판에 이온 주입을 하여 딥 웰 영역을 더 형성하는 단계를 포함한다.
제안되는 바와 같은 이미지 센서의 제조 방법에 의해서, 선택적 에피텍시얼 공정을 이용하여 소자 분리막 형성을 위한 기판 식각 공정이 필요없기 때문에, 픽셀의 격리 특성 및 누설 전류와 같은 암전류 특성을 개선할 수 있는 장점이 있으며, 이를 통해 고집적, 고해상도의 이미지 센서를 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 그리고, 첨부되는 도면에는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 그 두께가 확대되어 도시된다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 층, 막, 영역, 판등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에"있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 2는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면이다.
본 실시예의 소자 분리막(3)은 기판을 에피텍시얼 성장시킴으로써 형성되는 것으로서, 종래와 같이 소자 분리막 형성을 위한 기판 식각 공정이 수행되지 않는다.
도 2를 참조하여 본 실시예의 이미지 센서의 구성을 살펴보면, 기판(1)과, 상기 기판(100)으로부터 에피텍시얼 성장에 의하여 형성되는 웰 영역(140)과, 상기 웰 영역(140)의 일측에 형성되는 소자 분리막(130)과, 상기 웰 영역(140)에 대하여 임플란트 공정을 수행함으로써 형성되는 포토 다이오드 영역(160,190)과, 플로팅 디퓨젼 영역(F/D), 소스/드레인 영역(110)을 포함한다.
그리고, 이미지 센서는 트랜스퍼 게이트 전극(T/G)과, 리셋 게이트 전극(RST)을 포함하고, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(F/D) 및 소스/드레인 영역(110)에 각각 전기적으로 연결되는 메탈 플러그(112)를 포함하고, 각각의 컨택 메탈(112)은 소스/팔로워(S/F)와 VDD(113)와 같은 메탈에 연결된다. 도면부호 111은 층간 절연막이다.
이러한 구조를 갖는 이미지 센서는 상기 소자 분리막(130)을 형성하기 위하여 별도의 기판 식각 공정이 수행되지 않으며, 상기 기판(100) 상에 상기 소자 분리막이 되는 절연물을 형성한 다음, 상기 기판(100)을 에피텍시얼 성장시킴으로써 상기 웰 영역(140)이 형성된다. 그리고, 상기 웰 영역(140)을 형성하기 위하여 에피텍시얼 성장을 수행하기에 앞서 상기 기판(100)에 N형 불순물을 주입하여 딥 N웰 영역(120)을 더 형성할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 설명하여 본다.
도 3 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 실리콘 기판(100) 상에 딥 N웰 영역(120) 형성을 위한 이온 주입 공정을 수행하고, 적절한 활성 영역을 갖도록 3000Å ~5000Å 범위의 절연층(130)을 형성한다. 상기 딥 N웰 영역(120) 상에 형성되는 절연층(130)은 추후에 소자 분리막이 되는 것으로서, 산화막 또는 질화막이 될 수 있다.
그 다음, 도 4를 참조하면, 액티브 마스크(active mask)로 포토 레지스트 패턴(201)을 형성하고, 기판(100)의 활성 영역이 노출되도록 상기 절연층(130)을 건식 식각한다. 이로써, 도시된 바와 같이 기판(100)의 활성 영역이 노출된다.
그 다음, 도 5를 참조하면, 선택적 에피텍시얼 성장 공정을 수행하여, 남아있는 절연층(130)의 두께만큼 상기 기판(100)을 성장시킨다. 여기서, 에피텍시얼 성장 특성상 상기 절연층(130)은 성장되지 않으므로, 상기 기판(100)을 선택적으로 에피텍시얼 성장시키는 것에 의하여, 상기 절연층(130) 측면에 기판이 형성된다.
이로써, 상기 절연층(130)은 소자 분리막으로서 역할을 수행하는 구성요소가 된다. 이후에는, 상기 절연층(130)을 소자 분리막(130)으로 설명하기로 한다.
그 다음, 도 6을 참조하면, 에피텍시얼 성장된 기판에 대하여 웰 바디(140) 형성을 위한 이온 주입 공정을 실시한다.
그리고, 상기 기판(100) 상에 게이트 전극(T/G, RST)(150)들을 형성하고, N형 포토 다이오드 영역(160) 및 LDD(170) 영역 형성을 위한 이온 주입 공정들을 수행한다.
그 다음, 도 7을 참조하면, 형성된 게이트 전극들(T/G,RST)들 양측에 스페이서(180)를 형성하고, P형 포토 다이오드 영역(190) 및 소스/드레인 영역(110) 형성을 위한 이온 주입 공정을 실시한다.
그 다음, 도 8을 참조하면, 종래에 알려진 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 층간 절연막(111)을 형성하고, 컨택 플러그(120)와 메탈들(130)을 형성한다.
도 1은 종래의 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면.
도 3 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하는 도면.

Claims (4)

  1. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층을 식각하여 기판의 활성 영역이 노출되도록 하는 단계;
    상기의 노출된 기판 영역에 대하여 선택적인 에피텍시얼 성장을 수행하는 단계;
    상기의 에피텍시얼 성장된 영역에 대하여 이온 주입을 하여 웰 영역을 형성하는 단계;
    상기 기판 내에 포토 다이오드 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층을 식각하는 단계는 소자 분리막이 형성될 영역의 절연층을 제외한 나머지 절연층에 대하여 수행하는 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 형성하는 단계는 기판 상에 3000Å ~5000Å범위의 두께로 형서하는 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에피텍시얼 성장을 수행하는 단계 이전에, 노출된 상기 기판에 이온 주입을 하여 딥 웰 영역을 더 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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