JP4157886B2 - Cmosイメージセンサの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はCMOSイメージセンサに関し、より詳細には、フォトダイオード領域の表面を保護し、イメージセンサの感度特性を向上させたCMOSイメージセンサの製造方法に関するものである。
通常、CMOSイメージセンサとは、CMOS製造工程上で得られるP−N接合フォトダイオードを用いて、光学的なイメージ、つまり入射光量を電気的な信号に変換させる素子である。
このようなCMOSイメージセンサは、画素数だけフォトダイオードを形成し、前記フォトダイオードで生成された光電荷を、多数のMOSトランジスタを用いて順次出力して、光電荷から光信号を検出する方式を採用しており、CMOSイメージセンサの技術において重要事項の一つは、フォトダイオードが入射された光量に対してできる限り高い感度を有するようにすることである。
現在、イメージセンサとして広く用いられているCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに比べて、CMOSイメージセンサは、その駆動方式が簡便で多様なスキャニング方式の実現が可能であり、信号処理回路を単一のチップに集積することができるため、製品の小型化が可能であるばかりでなく、互換性のCMOS技術を用いるので、製造単価を低めることができ、電力の消耗も低いという長所を有していることは周知のことである。
一般的なCMOSイメージセンサの単位セルは、1つのフォトダイオードと3つのトランジスタで構成されるか、1つのフォトダイオードと4つのトランジスタで構成されている。
図1は、従来の4つのトランジスタとフォトダイオードで構成されたCMOSイメージセンサの単位画素を示す回路図である。
従来のCMOSイメージセンサの単位画素は、図1に示したように、1つのフォトダイオードと4つのMOSトランジスタで構成される。即ち、光を受けて光電荷を生成するフォトダイオード100と、フォトダイオード100で集められた光電荷をフローティング拡散領域102に運送するためのトランスファトランジスタ101と、所望値でフローティング拡散領域102の電位をセッティングし、電荷を排出してフローティング拡散領域102をリセットさせるためのリセットトランジスタ103と、ソースファロウァバッファ増幅器の役割をするドライブトランジスタ104と、スイッチングの役割でアドレッシングができるようにするセレクトトランジスタ105とで構成されている。
そして、単位画素の外には、出力信号を読みとれるように、ロードトランジスタ106が形成されている。
以下、添付の図面を参照して、従来技術に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明する。
図2a乃至図2cは、4つのトランジスタと1つのフォトダイオードとで構成されたCMOSイメージセンサの製造工程を示す断面図であり、フォトダイオード領域と、これに隣接したトランスファトランジスタを中心に示した図面である。
まず、図2aに示したように、半導体基板11にフィールド領域と活性領域を定義して、前記フィールド領域に素子隔離膜(図示せず)を形成する。そして、前記活性領域の半導体基板11上にゲート酸化膜(図示せず)を介在させ、トランスファトランジスタのゲート電極12を形成し、基板11上で行われる各種のイオン注入時に半導体基板11の表面欠陥を最小化するために障壁酸化膜13を形成する。
その後、図面には示していないが、障壁酸化膜13を形成した後、LDD(Lightly Doped Drain)領域と、NSD(N型ソース/ドレイン)領域の半導体基板を露出させるパターン(PR)を形成し、これをイオン注入マスクに用いて、LDD領域とNSD領域を形成する。
次に、図2bに示したように、フォトダイオード領域の半導体基板を露出させるパターン(PR)を形成し、これをイオン注入マスクに用いて、半導体基板11上にフォトダイオード領域(PD)14を形成する。この際、前記フォトダイオード領域14は、トランスファトランジスタのゲート電極12のエッジにその一側面が整列されるように形成される。
次いで、図2cに示したように、前記ゲート電極12を含む基板の全面に絶縁膜を蒸着し、これを異方性エッチングして、前記ゲート電極12の側壁にスペーサ12aを形成する。それから、ウエットエッチング工程によって障壁酸化膜13を除去する。
従来技術に係るCMOSイメージセンサは、ゲート電極12を形成し、障壁酸化膜13を形成した後、続いてLDD領域、NSD領域、およびフォトダイオード領域14を形成するためのイオンの注入を順次行う。
しかしながら、工程中に繰り返される数回のフォトレジスト工程、フォトレジスト除去工程、酸化膜の除去のためのエッチング工程によって単位画素のフォトダイオードの表面が損傷を受け、これは後に漏洩ソースとして作用する。
このようにフォトダイオードの表面特性が悪化することで、半導体基板上に形成されたシリコン格子構造に誤整列の状態が発生する。
更に、シリコン格子構造の誤整列した部分は、電子を捕獲する電子トラップの役割を果たし、このような電子トラップに捕獲された電子がトランスファトランジスタを経由して、イメージの再現に影響を与えるようになるので、CMOSイメージセンサの特性を悪化させる根本的な要因となった。
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、その目的は、各種の後続する工程によるフォトダイオードの表面のダメージを減らして、フォトダイオードの表面特性を向上させるCMOSイメージセンサの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法は、半導体基板にフォトダイオード領域を形成する段階と、格子構造を変化させるためのイオンを前記フォトダイオード領域に注入する段階と、前記イオン注入による格子構造の変化を復旧するのに十分な条件で、前記フォトダイオード領域に酸化膜を形成する段階とを備えることを特徴とする。
ここで、前記酸化膜を形成する段階は、前記フォトダイオード領域の表面を熱酸化することを特徴とする。
前記酸化膜は不均一な厚さを有することを特徴とする。
前記酸化膜の表面は膨らんでいることを特徴とする。
前記酸化膜は、入射光を前記フォトダイオード領域にフォーカシングすることを特徴とする。
前記半導体基板は、前記フォトダイオード領域を形成する段階で障壁層を有し、前記格子構造を変化させるためのイオン注入段階の前に前記障壁層を除去する段階を更に備えることを特徴とする。
前記格子構造を変化させるためのイオンは、4族元素グループを含むことを特徴とする。
前記格子構造を変化させるためのイオンは、10keV〜20keVのエネルギーで注入されることを特徴とする。
本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法によれば、第一に、各種の工程中に損傷を受けたフォトダイオードのシリコン表面を回復させ、更に以後の工程でフォトダイオードの表面の損失を最小化することができる。
第二に、フォトダイオードの入射光量を増加させ、イメージセンサの特性を向上させることができる。
以下、本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の好適な実施例について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
本発明のCMOSイメージセンサは、4つのトランジスタと1つのフォトダイオードからなる単位画素で構成され、従来と同一の構成要素からなるので、CMOSイメージセンサの単位画素についての詳細な説明は省略する。
図3a乃至図3dを参照して、本発明に係るCMOSイメージセンサの製造方法の実施例を説明する。
図3a乃至図3dは、本発明に係るCMOSイメージセンサの製造工程を示す断面図で、フォトダイオード領域と、これに隣接したトランスファトランジスタを中心に示した図面である。
図3aに示したように、半導体基板21上にトランジスタのゲート電極22を形成する。そして、前記ゲート電極22を含む基板の全面に障壁酸化膜23を形成する。次いで、LDD領域、NSD(N型ソース/ドレイン)領域、フォトダイオード領域24、およびゲート電極22のスペーサ22aを順に形成する一連の工程は従来と同一なので省略する。
フォトダイオード領域24とゲート電極22のスペーサ22aを形成した後、図3bに示したように、まず、エッチング工程を介して障壁酸化膜23を基板21上で除去する。
次いで、トランジスタのゲート電極22の上部を含む半導体基板21の全面にフォトレジストPRを塗布した後、図3cに示したように、前記フォトダイオード領域24が露出するように、前記フォトレジストPRをパターニングする。即ち、フォトダイオード領域24を除いた領域は、フォトレジストによってマスキングされる。
そして、前記パターニングされたフォトレジストをイオン注入マスクに用いて、前記フォトダイオード領域24にゲルマニウム(Ge)を注入する。ここで、前記ゲルマニウムだけでなく、シリコンのような4族元素のうち、何れか一つを選択して用いてもよい。
この際、前記フォトダイオード領域24にシリコンのような4族元素のゲルマニウムを10〜20keV程度の弱いエネルギーで注入して、半導体基板21、つまりシリコン表面の格子構造を分解させる。ここで、最も好ましいイオン注入エネルギーは15keV程度であれば良好である。
図3dに示したように、前記ゲルマニウム注入工程のためのフォトレジスト(PR)を除去する。そして、酸化工程を進行して、前記シリコン格子構造が崩れた前記フォトダイオード領域24のシリコンの表面に表面酸化膜25を厚く形成する。この際、酸化工程は、湿式、または乾式熱酸化工程を用いる。しかし、酸化工程だけでなく、例えば、TEOSまたはシラン(SiH4)などのようなシリコンソース、そしてオゾン(O3)又は酸素(O2)などのような酸素ソースなどを用いたブランケット蒸着、又はCVD(PE−CVD、HDP−CVD)で形成できる。
そして、前記酸化膜25は、前記フォトダイオード領域24のシリコン表面に厚く形成され、前記酸化膜25の表面は不均一な厚さを有して一定の曲率をもつ。即ち、前記酸化膜25は膨らんでいる上部の表面を有してレンズの役割を果たす。
したがって、ゲルマニウムの注入によってフォトダイオード領域に当たるシリコン格子の構造を変化させた後、酸化工程を進行させると、フォトダイオードのシリコン表面に表面酸化膜25が形成されるので、この際に形成された表面酸化膜25によって工程中に損傷を受けたフォトダイオードの表面を回復し、以後の工程でもフォトダイオードの表面の損失を最小化することができる。
また、フォトダイオード領域24に形成された表面酸化膜25は除去せずに、以後の工程を進行させることで、製品の製造工程が完了した後、素子駆動時にレンズの役割をして、外部から入射する光の損失を減らすと共に、フォトダイオードに入射する光の量を増加させ、イメージセンサのイメージ実現の特性を向上させることができる。
図4から分かるように、フォトダイオードのシリコンの表面に形成された表面酸化膜25によって外部から入射する光がフォトダイオードに集束する。
本発明は上述した実施例に限定せず、添付の請求範囲で分かるように、本発明の属する分野の通常の知識を有するものによって変形が可能であり、勿論、このような変形は本発明の範囲内に属する。
4つのトランジスタとフォトダイオードで構成されたCMOSイメージセンサの単位画素を示す回路図である。 従来技術に係るCMOSイメージセンサでフォトダイオードとトランスファトランジスタを中心に製造工程を示す工程断面図である。 従来技術に係るCMOSイメージセンサでフォトダイオードとトランスファトランジスタを中心に製造工程を示す工程断面図である。 従来技術に係るCMOSイメージセンサでフォトダイオードとトランスファトランジスタを中心に製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例によるCMOSイメージセンサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例によるCMOSイメージセンサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例によるCMOSイメージセンサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例によるCMOSイメージセンサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の製造工程によってフォトダイオード領域に形成された表面酸化膜を示す断面図である。
符号の説明
21 半導体基板
22 ゲート電極
22a スペーサ
23 障壁酸化膜
24 フォトダイオード
25 表面酸化膜

Claims (4)

  1. 半導体基板にフォトダイオード領域を形成する段階と、
    4族元素グループのイオンを前記フォトダイオード領域に注入して格子構造を分解する段階と、
    格子構造が分解された前記フォトダイオード領域の表面に酸化膜を形成する段階と
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサの製造方法。
  2. 前記酸化膜を形成する段階は、前記フォトダイオード領域の表面を熱酸化することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  3. 前記半導体基板は、前記フォトダイオード領域を形成する段階で障壁酸化膜を有し、前記イオン注入段階の前に前記障壁酸化膜を除去する段階を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  4. 前記イオンは、10keV〜20keVのエネルギーで注入されることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
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