KR20110079342A - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 소자분리막을 형성하고 픽셀 영역 및 로직 영역을 정의하는 단계; 상기 픽셀 영역 상에 제1 게이트를 형성하고, 상기 로직 영역에 제2 게이트를 형성하는 단계; 상기 제1 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 제1 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역 및 로직 영역을 포함하는 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 제2 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 제1 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트의 양측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
이미지센서, 포토다이오드

Description

이미지 센서의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING IMAGE SENSOR}
실시예는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스 이미지센서(CMOS Image Sensor: CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 반도체의 CMOS 공정을 적용하여 하나의 단위화소에 하나의 포토다이오드와 3개 또는 4개의 단위화소 구동을 위한 트랜지스터를 포함한다.
씨모스 이미지 센서는 제어 회로(Control circuit) 및 신호처리 회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하며, 화소 수만큼 구동을 위한 MOS 트랜지스터를 만들고, 이들을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 씨모스 이미지 센서의 제조시 핀드 포토다이오드(Pinned Photo Diode)를 형성하기 위해서는, 포토레지스트 패턴을 이용한 선택적 이온주입 공정을 채용하였다.
구체적으로, 픽셀영역의 포토다이오드 영역만을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 즉, 상기 포토레지스트 패턴은 포토다이오드 영역을 제외한 나머지 픽셀 영역 및 로직 영역의 반도체 기판 상에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하는 이온주입 공정을 진행하고 포토다이오드 영역에 p형 및 n형 불순물 영역으로 이루어진 포토다이오드를 형성할 수 있다.
이때, 상기 포토다이오드 영역에 포토레지스트 패턴을 형성하는 이유는 포토다이오드 영역 이외의 다른 영역(예를 들어, 로직영역)에 임플란트 블럭킹(implant blocking)하여 소자의 특성을 유지하기 위함이다.
하지만, p형 이온 주입 시 포토레지스트막 코팅, 노광 및 현상공정을 모두 진행하여야 하므로 공정 단계의 증가에 따라 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다.
실시예에서는 포토다이오드의 쉘로우 도핑층이 블랭크 이온주입 공정으로 형성하고, 픽셀 영역 및 로직 영역의 특성변화를 최소화 할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 소자분리막을 형성하고 픽셀 영역 및 로직 영역을 정의하는 단계; 상기 픽셀 영역 상에 제1 게이트를 형성하고, 상기 로직 영역에 제2 게이트를 형성하는 단계; 상기 제1 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 제1 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역 및 로직 영역을 포함하는 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 제2 도핑영역을 형성하는 단계; 상기 제1 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트의 양측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드의 제1 도핑층과 접하는 제2 도핑층 형성이 블랭크 이온주입 공정을 통해 형성되므로, 공정 단계를 감소시키고 공정마진을 극대화시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 도핑층 형성을 위한 포토공정을 생략할 수 있으므로 디펙 및 제소시간을 단축할 수 있고, 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 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.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10)에 소자분리막(20)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 및 n형 불순물 도핑된 기판 일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(10)은 p형(p+) 기판일 수 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도의 p형 에피층(p-epi)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(10)에 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하기 위한 소자분리막(20)이 형성된다.
상기 소자분리막(20)은 STI(Shallwo Trench Isolation) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 소자분리막(20)에 의하여 이미지 센서의 픽셀 영역(A) 및 주변 회로 영역(B)이 정의된다.
상기 픽셀 영역(A)은 입사광에 의하여 발생된 전하를 전기신호로 처리하도록 포토다이오드를 포함하는 픽셀 소자가 형성될 수 있다.
상기 로직 영역(B)은 Input/Output, 시그널 처리 및 데이터 저장 등의 역할을 하는 로직 소자가 형성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 상기 로직 영역(B)에 해당하는 반도체 기판(10)으로 이온주입 공정을 진행하여 엔월(n-well) 및 피웰(p-well)을 형성한다.
상기 픽셀 영역(A) 상에 제1 게이트(100)가 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 게이트(100)는 단위화소를 이루는 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transister)의 게이트 일 수 있다.
상기 로직 영역(B)의 엔웰에는 제2 게이트(200)가 형성되고, 상기 로직 영역(B)의 피웰(p-well)에는 제3 게이트(300)가 형성된다.
예를 들어, 상기 제2 게이트(200)는 피모스 트랜지스터(PMOS transistor)의 게이트이고, 상기 제3 게이트(300)는 엔모스 트랜지스터(NMOS) 게이트 일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 제1, 제2 및 제3 게이트(100,200,300)는 상기 반도체 기판(10)의 전면에 게이트 절연막과 게이트 전도막을 차례로 증착하고 사진 및 식각공정을 통해 동시에 패터닝 될 수 있다.
예를 들어, 상기 게이트 절연막은 산화막 계열로 형성되고, 게이트 전도막은 폴리실리콘 및 금속막일 수도 있다.
도 2를 참조하여, 상기 픽셀 영역(A)에 해당하는 상기 반도체 기판(10)에 포토다이오드의 제1 도핑영역(110)이 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 도핑영역(110)은 n형 불순물로 형성될 수 있다.
상기 제1 도핑영역(110)은 상기 제1 게이트(100)의 일측에 해당하는 상기 반도체 기판(10)의 깊은 영역에 선택적으로 n형 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)을 포함하는 상기 반도체 기판(10)의 얕은 영역에 제2 도핑영역(120)이 형성된다.
상기 제2 도핑영역(120)은 p형 불순물로 형성될 수 있다.
상기 제2 도핑영역(120)은 상기 제1 도핑영역(110)과 접하도록 형성되고, PNP 접합을 가지므로 포토다이오드로 사용될 수 있다.
상기 제2 도핑영역(120)은 블랭크 이온주입(Blank implantation) 공정을 통해 상기 반도체 기판(10) 전면의 얕은 영역에 형성될 수 있다.
상기 제2 도핑영역(120)은 상기 픽셀 영역(A) 뿐만 아니라 상기 로직 영역(B)의 반도체 기판(10) 표면에도 형성될 수 있다.
상기 제2 도핑영역(120)은 적정 임플란트 에너지(Implant) 및 도즈(Dose)가 한정(limitation)되도록 하여, 상기 포토다이오드 이외의 영역에서 소자의 특성 변화를 최소화할 수 있다.
이는 상기 제2 도핑영역(120)은 이후 로직 영역(B)에 형성되는 엘디디 영역(Lightly Doped Drain)과 오버랩(over-lap)되므로 엘디디 이온주입 도핑 조건에 비하여 특성에 영향을 미칠 정도의 조건 이상이 되면 소자 특성이 변화될 수 있기 때문에다.
즉, 상기 제2 도핑영역(120)은 제1 농도로 형성될 수 있다. 후속공정으로 형성되는 로직 영역(B)의 엘디디 영역(Lightly Doped Drain)은 상기 제1 농도보다 10~20배 높은 제2 농도로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도핑영역(120)은 보론(boron)을 도펀트로 사용하고, 2~20 keV의 에너지 및 1×1011~5×1013의 도즈량으로 이온주입될 수 있다.
또는, 상기 제2 도핑영역(120)은 BF3를 도펀트로 사용하고, 5~50 keV의 에너지 및 1×1011~5×1013의 도즈량으로 이온주입될 수 있다.
상기와 같이 포토다이오드의 제2 도핑영역(120)이 블랭크 이온주입 공정을 통해 형성되므로 별도의 포토공정이 생략되므로 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 제1 게이트(100)의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판(10)에 플로팅 확산영역(130)이 형성된다.
상기 플로팅 확산영역(130)은 이온주입 공정에 의해 고농도의 n+ 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다.
상기 제2 게이트(200) 및 제3 게이트(300)의 양측에 각각 엘디디 영역(230,330)이 형성된다.
예를 들어, 상기 제2 게이트(200)의 엘디디 영역(230)은 저농도의 p형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
상기 제3 게이트(300)의 엘디디 영역(33)은 저농도의 n형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
상기 제2 게이트(200) 및 제3 게이트(300)의 엘디디 영역(230,330)은 상기 제2 도핑영역(120) 보다 10~20배 정도 높은 제2 농도로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 플로팅 확산영역(130) 및 로직 영역(B) 상에 형성된 제2 도핑영역(120)은 소자의 특성에 전혀 영향을 주지 않을 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 제2 게이트(200) 및 제3 게이트(300)의 양측에 각각 스페이서(250,350)가 형성된다.
상기 스페이서(250,350)는 상기 제2 게이트(200) 및 제3 게이트(300)를 포함하는 로직 영역 상에 절연막을 증착한 후 전면식각 공정을 통해 형성할 수 있다.
상기 제2 게이트(200) 및 제3 게이트(300)의 양측에 소스/드레인 영역(240,340)이 각각 형성된다.
상기 소스/드레인 영역(240)은 상기 제2 게이트(200) 및 스페이서(250)를 이온주입 마스크로 사용하고, 고농도의 p형(p+) 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 소스/드레인 영역(340)은 상기 제3 게이트(300) 및 스페이서(350)를 이온주입 마스크로 사용하고, 고농도의 p형(p+) 불순물을 이온주입하여 형성할 수 있다.
이후, 도시되지는 않았지만, 금속배선 공정, 컬러필터 공정 및 마이크로 렌즈 형성공정을 진행할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드의 제1 도핑층과 접하는 제2 도핑층 형성이 블랭크 이온주입 공정을 통해 형성되므로, 공정 단계를 감소 시킬 수 있다.
즉, 상기 제2 도핑층 형성을 위한 포토공정을 생략할 수 있으므로 디펙 및 제소시간을 단축할 수 있고, 공정마진을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (5)

  1. 반도체 기판에 소자분리막을 형성하고 픽셀 영역 및 로직 영역을 정의하는 단계;
    상기 픽셀 영역 상에 제1 게이트를 형성하고, 상기 로직 영역에 제2 게이트를 형성하는 단계;
    상기 제1 게이트의 일측에 정렬되도록 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 제1 도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 픽셀 영역 및 로직 영역을 포함하는 상기 반도체 기판의 얕은 영역에 제2 도핑영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 게이트의 타측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 플로팅 확산영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 게이트의 양측에 정렬되도록 상기 반도체 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑영역은 블랭크 임플란트(Blank implantation) 공정으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑영역은 제1 농도로 형성되고, 상기 소스 영역 및 드레인 영역은 제1 농도보다 10~20배 큰 제2 농도로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑영역은 보론(boron)을 도펀트로 사용하고, 2~20 keV의 에너지 및 1×1011~5×1013의 도즈량으로 이온주입되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑영역은 BF3를 도펀트로 사용하고, 5~50 keV의 에너지 및 1×1011~5×1013의 도즈량으로 이온주입되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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