KR100748316B1 - 이미지센서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 스페이서 영역에만 얇은 질화막을 형성한 후 스페이서 하단과 포토다이오드 영역의 이온주입시 확산거리가 다르도록 조절하여 두번의 이온주입 효과를 한번의 이온주입으로 얻게 할 수 있으므로 공정을 단순화함과 동시에 프로파일의 조절을 용이하도록 하여 공정 마진을 높일 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 제1단계; 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 제2단계; 이온주입을 실시하여 상기 게이트전극과 상기 필드 절연막 사이에 접하는 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 제3단계; 상기 제3단계가 완료된 결과물 표면을 따라 제1절연막 및 제2절연막을 차례로 형성하는 제4단계; 전면식각을 통해 상기 게이트전극 상에 제1 및 제2 절연막이 적층된 스페이서를 형성하는 제5단계; 상기 제2절연막을 제거하는 제6단계; 및 이온주입을 실시하여 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 포토다이오드용 제2불순물 영역을 형성하는 제7단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.

Charge capacitance, 포토다이오드, 확산거리, 스페이서, 이온주입.

Description

이미지센서 제조 방법{Fabricating method of image sensor}

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 반도체층

21 : 필드 절연막

22, 23 : 게이트전극

24 : 절연막

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스페이서를 갖는 게이트전극을 구비한 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

여기서 특히, 포토다이오드(Photodiode; 이하 PD라 함)의 역할은 외부의 빛을 받아 전기적 형태로 전환 및 보관하는 것으로, PD의 성능은 외부의 빛을 받아 전기적 형태로 전환하는 효율과 총 보관 가능 전기량(Charge capacitance)에 따라 결정된다. PD는 PN, NP, NPN, PNP 등의 접합 구조 또는 굳이 접합이 아니더라도 가능하지만 이종 접합시 생성되는 공핍영역(Depletion region)이 전하의 생성 보관에 유리하기 때문에 이러한 접합 구조를 주로 사용하게 되며, 이중 PNP 구조에서의 n- 영역은 빛을 전기적 신호로 전환해 주는 가장 중요한 역할을 하므로 깊은 이온주입(Deep ion implantation)에 따른 확산거리(Rp)의 적절한 조절이 중요하다.

PD에 보관된 전하(Charge)는 게이트전극(트랜스퍼 게이트)를 통해 플로팅 확산 영역으로 이동하게 되며, 게이트전극의 양편으로 P0 영역과 PD의 n- 영역을 각각 소스/드레인으로 하는 구조로 되어 있으므로 채널과 n-의 전기적 연결이 트랜스퍼 게이트의 전송 효율에 영향을 미치게 되는 바, 전송 효율 개선을 위해 n- 이온주입을 스페이서 하단과 거의 정확히 얼라인(Align)되도록 스페이서 형성 이전에 진행한다. 한편, 이 때에도 채널과 n-의 Rp가 너무 멀지 않아야 하므로 n-의 Rp에 따라 트랜스퍼 게이트의 전송효율이 변한다.

따라서, 상기 두가지의 요소는 서로 교환(Tradeoff) 관계에 있으므로 이의 개선을 위해 n- 이온주입 공정을 두번에 걸쳐 진행하여야 보관 가능 전기량 및 전송 효율 모두를 만족시킬 수 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 스페이서 영역에만 얇은 질화막을 형성한 후 스페이서 하단과 포토다이오드 영역의 이온주입시 확산거리가 다르도록 조절하여 두번의 이온주입 효과를 한번의 이온주입으로 얻게 할 수 있으므로 공정을 단순화함과 동시에 프로파일의 조절을 용이하도록 하여 공정 마진을 높일 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트전극의 일측과 접하는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 상부 표면을 따라 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막 상에 상기 제1 절연막과 다른 물질로 이루어진 제2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 절연막을 식각하여 상기 게이트전극 양측벽에 스페이서를 형성하되, 상기 제1 절연막은 상기 반도체층의 상부면을 따라 형성된 굴곡부를 갖고, 상기 굴곡부에 의해 상기 제2 절연막이 상기 반도체층의 상부면과 분리되도록 형성하는 단계와, 상기 제1불순물 영역이 형성되지 않은 상기 게이트전극의 타측과 접하는 상기 반도체층 내부에 상기 제1불순물 영역보다 높은 농도를 갖는 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 제2절연막을 제거하는 단계와, 상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 포토다이오드용 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도 1a 내지 도 1b를 참조하여 설명하기로 한다.

삭제

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.

이하, 도 1a 내지 도 1b를 참조하여 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 살펴보는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++ 층 및 P-Epi층이 적층된 것을 이용하는 바, 이하 도면의 간략화를 위해 반도체층(20)으로 칭한다.

먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체층(20)에 국부적으로 필드 절연막(21)을 형성한 다음, 필드 절연막(21)과 떨어진 영역에 게이트전극(22, 23) 예컨대, 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)를 형성한 다음, 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 이용하여 필드 절연막(21)과 게이트전극(22, 23)에 접하는 포토다이오드용 불순물 영역(n-)을 반도체층(20) 내부에 소정의 깊이로 형성한다.

이어서, 피알 스트립(PR strip)을 통해 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 제거한 다음, 결과물 표면을 따라 질화막 계열의 절연막(24)과 산화막 계열의 절연막(25)을 차례로 증착한 후 전면식각을 통해 게이트전극(22, 23) 측벽에 절연막(24, 25)이 적층된 스페이서를 형성한다. 이어서, 포토다이오드용 P형 전극 형성을 위한 이온주입 마스크(도시하지 않음)을 이용하여 이온주입을 실시하여 n- 영역의 반대 영역에 게이트전극(22, 23)과 필드 절연막(21)에 접하는 N 형의 소스/드레인 영역(n+)을 형성한다.

다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 절연막(25)를 제거한 후, 게이트전극(22, 23)과 이온주입을 통해 P 형의 포토다이오드용 불순물 영역(P0)을 이루도록 하는 바, 절연막(24, 25)의 두께에 따라 확산거리의 변화가 생기며, 스페이서 하부로의 확산을 적절히 조절할 수 있게 된다.

즉, 종래의 경우 스페이서 하부로의 확산은 별도의 열공정에 의한 열확산에 기인하였는 바, 본 발명에서는 질화막 계열의 절연막(24)의 막 두께에 따라 원하는 최적의 프로파일을 얻을 수 있게 되며, 채널과 가까운 접합을 이루도록 하여 전송 효율을 높일 수 있으며, n- 영역의 깊은 도핑 프로파일을 이룰 수 있어 총 보관 가 능 전기량을 증가시킬 수 있게 된다.

PD의 P0 영역의 이온주입은 스페이서 형성 후 진행되기 때문에 전하의 이동 경로에 해당하는 스페이서 하단에는 P0가 거의 존재하지 않는다. 따라서, 암신호의 개선을 위해서는 스페이서 하부에 어느 정도 P0 이온주입을 실시하여야 한다. 그러나 상술한 바와 같은 본 발명은 소스/드레인 형성 후 스페이서의 산화막 부분의 선택적 식각이 가능하므로 P0 이온주입을 스페이서 하부에 실시하는 것이 가능하여 스페이서 하부는 다른 부분에 비해 질화막에 의한 이온주입 배리어 역할로 인해 적은 양의 도핑만 됨으로써, 질화막의 두께에 따라 스페이서 하부의 P0 부분을 변화시키는 것이 가능하게 된다.

따라서, 한 번의 이온주입으로 스페이서 하부와 그 이외의 PD 영역에 대한 각각 다른 농도의 도핑이 가능하므로 공정을 단순화할 수 있게 된다.

한편, 절연막(24)을 제거한 후 P0 이온주입을 실시할 수도 있는 바, 이에 따라 P0 이온주입시 스페이서 하부까지 도핑이 가능하며 적절한 이온주입 조건을 맞춤으로써 최적의 트랜스퍼 효율을 얻을 수 있어 전위 장벽 및 불투명 신호/불투명 영역(Dark signal/Dark zone) 문제 또한 해결할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, n- 영역의 깊은 프로파일을 얻을 수 있음과 동시에 P0의 확산거리를 절연막의 두께를 통해 적절히 조절할 수 있어, 공정을 단순화할 수 있으며, 이미지센서의 전기적 특성을 개선할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 소자 특성을 향상시킬 수 있음과 동시에 공정의 단순화를 기할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 수율 및 가격 경쟁력을 동시에 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 제1도전형의 반도체층에 국부적으로 필드 절연막을 형성하는 단계;

   상기 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계;

   상기 게이트전극의 일측과 접하는 상기 반도체층 내부에 제2도전형의 포토다이오드용 제1불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 게이트 전극의 상부 표면을 따라 제1 절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1 절연막 상에 상기 제1 절연막과 다른 물질로 이루어진 제2 절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1 및 제2 절연막을 식각하여 상기 게이트전극 양측벽에 스페이서를 형성하되, 상기 제1 절연막은 상기 반도체층의 상부면을 따라 형성된 굴곡부를 갖고, 상기 굴곡부에 의해 상기 제2 절연막이 상기 반도체층의 상부면과 분리되도록 형성하는 단계;

   상기 제1불순물 영역이 형성되지 않은 상기 게이트전극의 타측과 접하는 상기 반도체층 내부에 상기 제1불순물 영역보다 높은 농도를 갖는 제2도전형의 제2불순물 영역을 형성하는 단계;

   상기 제2절연막을 제거하는 단계; 및

   상기 제1불순물 영역 상부의 상기 반도체층 표면에 접하는 제1도전형의 포토다이오드용 제3불순물 영역을 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절연막은 질화막 계열이며, 상기 제2절연막은 산화막 계열인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1도전형은 P형이며, 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
4. 삭제

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