KR100598035B1 - 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전하 전송 이미지 소자의 제조 방법이 제공된다. 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법은, 주변 회로 영역과 픽셀 영역을 갖는 기판 전면에 감광막을 형성하는 단계, 주변 회로 영역 기판 상부의 감광막은 제거하고, 픽셀 영역 상부에는 일정한 피치의 개구부가 반복되어 형성되도록 하여, 주변 회로 영역은 완전히 노출하고 픽셀 영역은 반복 배열된 일정 피치의 개구부를 통해 노출하는 감광막 패턴을 형성하는 단계, 감광막 패턴을 도핑 마스크로하여 기판 전면에 동일한 농도의 이온을 주입하는 단계 및 열처리 공정을 수행하여 주변 회로 영역의 기판에 고농도의 웰 영역과 픽셀 영역의 기판에 저농도의 웰 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
전하 전송 이미지 소자, 웰, 감광막, 피치

Description

전하 전송 이미지 소자의 제조 방법{Manufacturing method of charge transfer image element}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 개략적 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 단위 셀을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자를 제조하기 위하여 서브 기판상에 감광막을 증착하는 첫번째 단계의 공정 단면도이다.
도 5는 서브 기판상에 감광막 마스크 패턴을 이용하여 이온 주입을 실시하는 도 4 다음 단계의 공정 단면도이다.
도 6은 주입된 이온이 어닐링을 통해 적절히 확산되어 웰 영역을 형성한 것을 나타내는 도 5 다음 단계의 공정 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
본 발명은 도핑 마스크와 이를 이용한 전하 전송 이미지 소자 및 미세 전자 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
전하 전송 이미지 소자는 입사된 빛에 의하여 수광부에서 생성되고 축전된 광 여기 전하를 출력부로 이송시켜 신호를 전압형태로 변환하여 화상 정보를 출력시키는 장치이다.
상기 전하 전송 이미지 소자는 이미지 센서의 한 종류인 CCD(Charge Coupled Device)로서, 각 화소의 신호를 일시에 아날로그적으로 화소 이외의 소자에 전송해 놓고, 그 후에 그 신호를 차례로 읽어내는 신호 전송 방식을 채택하고 있다.
이때, 상기 CCD는 전송 방식에 따라 프레임 전송(Framie Transfer) 방식과 인터라인 전송(Interline Transfer) 방식으로 구분된다.
상기 CCD는 복수의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 다이오드나 P/N 접합 포토 다이오드를 일정한 배열로 형성시켜준 구조로서, 상기 프레임 전송 방식의 CCD는 입사광을 신호 전하로 변환하는 촬영부, 신호 전하를 축적하는 축적부 및 신호 전하를 수평 전송하는 수평 전송부 및 출력 증폭기를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 인터라인 전송 방식의 CCD는 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하를 발생하는 포토 다이오드, 신호 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전송 채널, 상기 수직전송 채널에서 전송된 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전 송 채널, 상기 수평 전송 채널에서 전송된 신호 전하를 검출하는 출력 회로부를 포함하여 구성된다.
한편, 전하 전송 이미지 소자는 상기 포토 다이오드, 수직 전송 채널, 수평 전송 채널 등을 포함하는 픽셀 영역 이외에, 입출력 회로부, 증폭 회로부 등이 집적되는 주변 회로 영역을 갖는다.
이때, 하나의 서브 기판 상에 상기 픽셀 영역과 상기 픽셀 영역을 둘러싸는 주변 회로 영역이 형성된다.
구체적으로, 전칩에 걸쳐 있는 N형 서브 기판에 일정한 동작 전압이 인가되기 때문에, 상기 N형 서브 기판에 웰을 형성하는 P웰 형성 공정시에, 상기 주변 회로 영역의 P웰 부분은 그라운드로 연결될 수 있도록 상기 픽셀 영역보다 고농도의 P웰을 형성하여야 한다.
따라서, 종래에는 마스크를 두장 사용하여, 1회차는 전면에 2회차는 주변 회로 영역 부분에 추가하여 P타입 이온 주입을 진행하였다.
이와 같이, 두회의 도핑 공정과 마스크의 사용은 제조 공정이 번거롭고 비용이 많이 소모되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 마스크 패턴을 사용한 동일 농도의 이온 주입을 실시하여 소정 형태의 마스크 패턴에 따라 서로 다른 농도의 도핑 영역을 형성시킬 수 있는 도핑 마스크를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 도핑 마스크를 이용한 전 하 전송 이미지 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 도핑 마스크를 이용한 미세 전자 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법은, 주변 회로 영역과 픽셀 영역을 갖는 기판 전면에 감광막을 형성하는 단계, 주변 회로 영역 기판 상부의 감광막은 제거하고, 픽셀 영역 상부에는 일정한 피치의 개구부가 반복되어 형성되도록 하여, 주변 회로 영역은 완전히 노출하고 픽셀 영역은 반복 배열된 일정 피치의 개구부를 통해 노출하는 감광막 패턴을 형성하는 단계, 감광막 패턴을 도핑 마스크로하여 기판 전면에 동일한 농도의 이온을 주입하는 단계 및 열처리 공정을 수행하여 주변 회로 영역의 기판에 고농도의 웰 영역과 픽셀 영역의 기판에 저농도의 웰 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
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기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명 세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 구조를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 개략적 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선을 따라 잘라 도시한 단면도로서, 이미자 소자를 구성하는 포토 다이오드, 모스 구조 등을 생략하고, 서브 기판 및 서브 기판 상에 형성된 웰 영역이 간략하게 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자는, 메트릭스 배열을 이루도록 형성된 다수의 수광부(100)와, 상기 수광부(100)의 매트릭스 배열 가운데 개개의 열과 평행하게 형성된 수직 전송 채널(200)과, 상기 수직 전송 채널(200)의 한쪽 끝단에 상기 수직 전송 채널(200)들과 수직되게 형성된 수평 전송 채널(300)을 포함하는 픽셀 영역(A)과 상기 픽셀 영역(A) 주변에 형성된 주변 회로 영역(B)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수광부(100)는 외부에서 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하를 발생하는 포토 다이오드(PD: Photo Diode)를 포함하여 구성된다.
상기 수직 전송 채널(200)은 상기 포토 다이오드에 수광 및 축적된 신호 전하를 수직 방향으로 전송하도록 구성된다.
상기 수평 전송 채널(300)은 상기 수직 전송 채널(200)로부터 전송된 신호 전하를 수평 방향으로 전송하여 후술하는 신호 검출 회로로 전송하도록 구성된다.
또한, 상기 주변 회로 영역(B)은 상기 수광부(100)로부터 축적된 전하가 상기 수직 전송 채널(200)을 통해 아래로 차례로 전송되고 이어 수평 전송 채널(300)을 통해 수평 이동된 전하를 증폭하여 출력하도록 하는 신호 검출 회로와, 그 밖의 입출력 회로, 보호 회로 등이 집적될 수 있는 영역으로 정의된다.
상기 하나의 수광부(100)와 수광부 주위 채널 영역을 포함하여 하나의 단위 셀(unit cell)을 구성한다.
한편, 상기 수광부(100)는 각 포토 다이오드에 대응하는 전위우물(potential well)에 축적될 수 있는 신호 전하량에 한계가 있기 때문에, 상기 수광부(100) 일부분에 강한 조도의 가시광선이 입사되면 그에 비례하여 발생된 신호 전하는 상기 전위우물의 용량을 넘어 주위로 유출될 수 있다.
이때 유출되어진 신호 전하가 주변 단위셀에 들어가게 되면 하이라이트부의 상이 몇배로 확장되어 나타나는 블루밍(Blooming) 현상을 유발하게 되며, 유출되어진 전하가 인접 채널로 흘러 들어 연속상으로 나타나는 스미어(Smear) 현상을 초래한다. 이러한 현상을 막고자 후술하는 오버-플로우 드레인(이하, OFD) 구조를 이룬다.
그러면, 도 3을 참조하여 상기 OFD 구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 단위 셀을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 단위 셀을 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, N형 반도체 서브 기판(10)의 표면 영역에는 종형 오버-플로우 장벽으로서 블루밍억제를 위한 P형 웰(11)이 형성되며, 상기 P형 웰(11) 내에 N형 포토 다이오드(12)가 형성된다.
상기 N형 포토 다이오드(12)의 표면 영역은 고농도로 주입된 P형 홀 포집층(13)이 형성되어 있다. 또한, 상기 포토 다이오드(12)의 수직열 사이에 수직 전송 채널(14)이 P형 제2 웰(15)상에 형성되며, 양자의 사이에는 전송전극(16)이 연장되어 형성된 전달게이트의 하부에 P형 전달채널(17)이 형성된다.
상기 반도체 기판 위에는 절연층(18)을 개제하여 전송 전극(16)이 형성되며 상기 포토 다이오드(12)를 제외한 전지역에 차광층(19)이 형성된다.
이러한, 구조에서 상기 서브 기판(10)에 가해지는 OFD 동작 전압에 따라, 상기 포토 다이오드(12)내에 광 여기된 전자 등이 축적되다가 전위우물의 축적용량을 넘어서게 되면 과잉의 신호전하는 P형 웰(11) 전위장벽을 넘어서 상기 서브 기판(10)쪽으로 빠지게 된다.
한편, 상기와 같은 구성으로 전칩에 걸쳐 있는 N형 서브 기판에 일정한 OFD 동작 전압이 인가되기 때문에, 상기 주변 회로 영역(B)의 P웰 부분은 그라운드로 연결될 수 있도록 상기 픽셀 영역(A)보다 고농도의 P웰을 형성하는 것이 일반적이다.
그러므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전하 전송 이미지 소자의 초반 웰 형성 공정시에, 상기 서브 기판(10)의 픽셀 영역(A)과 주변 회로 영역(B)에 서로 다른 도핑 농도를 갖도록 각각 저농도의 P웰(21)과 상대적으로 고농도의 P웰(22)을 형성한다.
그러면, 상기한 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자를 제조하기 위한 초반 웰 형성 공정에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자를 제조하기 위하여 서브 기판상에 감광막을 증착하는 첫번째 단계의 공정 단면도이다.
도 5는 서브 기판상에 감광막 마스크 패턴을 이용하여 이온 주입을 실시하는 도 4 다음 단계의 공정 단면도이다.
도 6은 주입된 이온이 어닐링을 통해 적절히 확산되어 웰 영역을 형성한 것을 나타내는 도 5 다음 단계의 공정 단면도이다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 전하 전송 이미지 소자의 픽셀 영역(A)과 주변 회로 영역(B)을 갖는 서브 기판(10) 전면에 감광막을 형성한다.
다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 감광막을 사진 식각 공정에 의해 패터닝하여, 상기 픽셀 영역(A)에는 일정한 피치(Pitch)(a)를 갖는 라인 형태의 감광막 패턴(PR)을 형성하고, 주변 회로 영역(B)에는 감광막이 모두 제거되도록 한다. 이때, 상기 감광막 패턴(PR)은 격자 형태 또는 지그재그 형태로 형성할 수 있으며, 이에 대하여 후술하기로 한다.
이어, 상기 감광막 패턴(PR)을 도핑 마스크로 이용하여, 상기 주변 회로 영역(B)과 픽셀 영역(A)을 포함하는 서브 기판(10) 상에 P타입 이온(P-type)을 동일한 농도로 주입한다. 도 5의 도면부호 21은 픽셀 영역(A)에 주입된 이온의 분포를 도식적으로 나타낸 것이고, 도면부호 22는 주변 회로 영역(B)에 주입된 이온의 분 포를 도식적으로 나타낸 것이다.
다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 감광막 패턴(PR)을 제거하고, 상기 도핑된 P타입 이온(P-type)(21, 22)이 적절하게 확산되는 조건을 찾아 열처리(annealing)를 진행한다. 즉, 열처리를 통하여 P타입 이온(21)이 확산되어, 각 P타입 이온(21)의 농도 프로파일이 중첩되어 균일한 농도를 갖는 웰 영역(Pwell)을 형성하도록 한다.
그러므로, 상술한 바와 같이, 하나의 마스크 패턴으로 서로 다른 도핑 농도를 갖는 저농도 P웰(21) 및 상대적으로 고농도의 P웰(22)이 각각 형성될 수 있다.
그러면, 도 7 내지 도 9를 참조하여 상기 감광막 패턴(PR)으로 이루어진 제1 내지 제3 실시예에 따른 도핑 마스크에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도핑 마스크는 라인형 개구부(50)가 일정한 피치(a)를 가지며 반복되어 형성된 구조이다.
이때, 상기 도핑 마스크의 피치(a)는 어닐링을 통하여 상기 개구부로 주입된 이온과 그에 이웃하는 개구부로 주입된 이온이 확산되어 서로 연결되어 웰을 형성할 수 있을 정도의 너비로 형성된 것이 바람직하다.
그러므로, 상기 제1 실시예에 따른 도핑 마스크를 사용하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 서브 기판(10) 상에 같은 농도의 이온 주입을 실시한 후 열처리를 하게 되면, 라인형 개구부가 일정한 피치로 반복되어 형성된 마스크 패턴 하부의 상기 픽셀 영역(A)에는 상기 주변 회로 영역(B)의 P웰(22) 보다 1/2 가량 낮은 농도로 P웰(21)이 형성된다.
이때, 상기 개구부의 너비를 조절하여 P웰(21)의 농도를 조절할 수 있다. 예를들어, 동일한 피치내에서 개구부의 너비를 넓게 조정하면 1/2보다 좀더 높은 농도의 P웰(21)을 형성시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 도핑 마스크는 소정 형태의 개구부(60)가 상하 좌우 일정한 피치(b, a)를 가지며 격자 형태로 반복되어 형성된 구조이다. 이때, 상기 상하 피치(b) 및 좌우 피치(a)는 서로 다른 수치일 수 있으며, 동일한 수치일 수도 있다.
또한, 상기 개구부(60)는 다양한 형태로 형성될 수 있으며 예를들어, 정방형 형태일 수 있다.
한편, 상기 도핑 마스크의 피치(b, a)는 어닐링을 통하여 상기 개구부로 주입된 이온과 그에 이웃하는 개구부로 주입된 이온이 확산되어 서로 연결되어 웰을 형성할 수 있을 정도의 너비로 형성된 것이 바람직하다.
그러므로, 상기 제2 실시예에 따른 도핑 마스크를 사용하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 서브 기판(10) 상에 같은 농도의 이온 주입을 실시한 후 열처리를 하게 되면, 정방형 개구부가 일정한 피치로 격자 구조를 이루는 마스크 패턴 하부의 상기 픽셀 영역(A)에는 상기 주변 회로 영역(B)의 P웰(22)보다 1/4 가량 낮은 농도로 P웰(21)이 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 도핑 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 도핑 마스크는 소정 형태의 개구부가 상하 좌우 일정한 피치(b, a)를 가지며 지그재그 형태로 엇갈려 반복되어 형성된 구조이다. 이때, 상기 상하 피치(b) 및 좌우 피치(a)는 서로 다른 수치일 수 있으며, 동일한 수치일 수도 있다.
또한, 상기 개구부는 다양한 형태로 형성될 수 있으며 예를들어, 정방형 형태일 수 있다.
한편, 상기 도핑 마스크의 피치(b, a)는 어닐링을 통하여 상기 개구부로 주입된 이온과 그에 이웃하는 개구부로 주입된 이온이 확산되어 서로 연결되어 웰을 형성할 수 있을 정도의 너비로 형성된 것이 바람직하다.
그러므로, 상기 제3 실시예에 따른 도핑 마스크를 사용하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전하 전송 이미지 소자의 서브 기판(10) 상에 같은 농도의 이온 주입을 실시한 후 열처리를 하게 되면, 소정 형태의 개구부가 상하 좌우 일정한 피치(b, a)를 가지며 지그재그 형태로 엇갈려 반복되어 형성된 마스크 패턴 하부의 상기 픽셀 영역(A)에는 상기 주변 회로 영역(B)의 P웰(22)보다 낮은 농도로 P웰(21)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 하나의 도핑 마스크를 사용하여 영역별로 서로 다른 도핑 농도를 갖도록 제조하는 전하 전송 이미지 소자를 예로 들어 설명하였으나, 상기 전하 전송 이미지 소자 뿐만 아니라, 영역별로 서로 다른 도핑 농도를 갖는 모든 미세 전자 소자의 제조에도 상기 도핑 마스크가 이용될 수 있음은 물론이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반복된 라인 형태, 격자 형태 또는 지그재그 형태의 패턴을 포함하는 도핑 마스크로 동일한 농도의 이온주입을 한번에 실시하여 서로 다른 농도를 갖는 웰 영역을 동시에 형성시킬 수 있다.
또한, 미세 전자 소자 또는 전하 전송 이미지 소자 제조시에 서로 다른 농도를 갖는 웰 영역을 하나의 도핑 마스크를 이용하여 제조함으로서, 공정 과정을 단순화할 수 있다.

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  8. 주변 회로 영역과 픽셀 영역을 갖는 기판 전면에 감광막을 형성하는 단계;
    상기 주변 회로 영역 기판 상부의 감광막은 제거하고, 상기 픽셀 영역 상부에는 일정한 피치의 개구부가 반복되어 형성되도록 하여, 상기 주변 회로 영역은 완전히 노출하고 상기 픽셀 영역은 반복 배열된 일정 피치의 개구부를 통해 노출하는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 도핑 마스크로하여 상기 기판 전면에 동일한 농도의 이온을 주입하는 단계; 및
    열처리 공정을 수행하여 상기 주변 회로 영역의 기판에 고농도의 웰 영역과 상기 픽셀 영역의 기판에 저농도의 웰 영역을 형성하는 단계를 포함하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 감광막 패턴은,
    상기 픽셀 영역에서, 라인형 개구부가 일정한 피치를 가지며 반복되어 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 감광막 패턴은,
    상기 픽셀 영역에서, 상기 개구부가 상하 좌우 각각 일정한 피치를 가지고 반복적으로 형성되어, 격자 형태의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 감광막 패턴은,
    상기 상하 피치 및 상기 좌우 피치가 동일한 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 감광막 패턴은 정방 격자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  13. 제8항에서,
    상기 감광막 패턴은,
    상기 픽셀 영역에서, 상기 개구부가 상하 좌우 각각 일정한 피치를 가지고 지그재그 형태로 엇갈려 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  14. 제9항, 제10항 및 제13항 중 어느 한항에서,
    상기 일정한 피치내에서, 상기 개구부의 너비를 조정하여 도핑 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
  15. 제8항 내지 제13항 중 어느 한항에서,
    상기 피치는 상기 감광막 패턴을 통해 주입된 이온이 확산되어 서로 이웃하는 상기 개구부를 통해 주입된 이온이 서로 이어져 웰을 형성할 수 있는 너비인 것을 특징으로 하는 전하 전송 이미지 소자의 제조 방법.
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