KR100767588B1 - 수직형 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
수직형 이미지 센서의 제조 방법이 개시되어 있다. 수직형 이미지 센서의 제조 방법은 제1 및 제2 포토 다이오드들이 수직 하게 배치된 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계, 상기 포토 다이오드 구조물 상에 트랜치가 형성된 상부 에피층을 형성하는 단계, 상기 상부 에피층을 덮는 산화막을 형성하는 단계, 상기 산화막을 패터닝하여 상기 상부 에피층으로부터 돌출되며 플로팅 확산영역을 개구 하는 더미 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 더미 이온주입 마스크 패턴의 상면의 일부 및 상기 플로팅 확산 영역을 개구하는 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 플로팅 확산영역에 이온을 주입하여 플로팅 확산부를 형성하는 단계, 상기 더미 이온주입 마스크 패턴을 제거하여 상기 트랜치 내부에 소자분리패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
도 1은 종래 수직형 이미지 센서의 제조 공정 중 일부를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 수직형 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
본 발명은 수직형 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metaloxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD:charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 씨모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 씨모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
일반적인 CMOS 이미지 센서는 픽셀 어레이(pixel array) 상부에 칼라필터층을 형성하여 특정 파장을 선택적으로 포토 다이오드에 전달함으로써 이미지를 재현하는 방법을 채택하고 있다.
그러나, 이 상술한 방법은 이미지를 재현함에 있어서 하나의 색상을 구현하는데 픽셀의 면적을 많이 차지하는 단점이 있다. 예를 들어, 자연광을 빛의 3원색으로 분해하는 RGB형 칼라필터의 경우 적색, 녹색, 청색을 검출하기 위하여 3개의 픽셀이 요구된다.
최근에는 픽셀 영역 상에 칼라필터층이 배열된 수평형 칼라필터 구조와 달리 하나의 화소에서 다양한 색상을 구현할 수 있는 수직형 포토 다이오드를 갖는 수직형 이미지 센서가 제안되었다. 수직형 이미지 센서의 수직형 포토 다이오드는 콘택 플러그와 연결되어 있다.
도 1은 종래 수직형 이미지 센서의 제조 공정 중 일부를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 수직형 이미지 센서(20)를 제조하기 위해서는 반도체 기판(1)상에 제1 에피층(2)이 성장한다. 제1 에피층(2)이 성장한 후, 제1 에피층(2) 상에는 적색 포토 다이오드(3)가 형성된다.
이후, 제1 에피층(2) 상에는 제2 에피층(4)이 형성되고, 제2 에피층(4) 상에는 녹색 포토 다이오드(5)가 형성된다. 제2 에피층(4) 상에 녹색 포토 다이오드(5)가 형성된 후, 제2 에피층(4) 상에는 제1 플러그(6)가 형성된다.
이어서, 제2 에피층(4) 상에는 제3 에피층(7)이 형성된다. 제3 에피층(7)이 형성된 후, 제3 에피층(7)상에는 소자분리패턴(8), 블루 포토 다이오드(9) 및 제2 플러그(11)가 형성된다.
이어서, 제3 에피층(7) 상에는 게이트(12)들을 갖는 트랜지스터 구조물이 형성되고, 게이트들 사이에는 플로팅 확산 영역(13)이 형성된다.
이때, 플로팅 확산 영역(13)을 정확하게 형성하기 위해서는 게이트들 사이의 간격이 약 0.25㎛ 정도가 되어야 한다.
그러나, 약 0.25㎛에 불과한 플로팅 확산 영역(13)을 정의하기 위한 포토레지스트 패턴(14)의 두께는 약 0.95㎛ 이하이어야 한다. 반면, 플로팅 확산 영역에 이온을 주입하기 위해서는 약 130keV 이상의 이온주입에너지를 필요로 하고 따라서 주입되는 이온을 블록킹하기 위한 포토레지스트 패턴(14)의 최소 두께는 약 1.25㎛ 이상이 요구된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서 제3 에피층(7) 상에는 게이트(12)가 먼저 형성된다. 한편, 게이트(12)를 형성할 때 사용된 포토레지스트 패턴(15)은 제거하지 않고, 플로팅 확산 영역(13)을 선택적으로 개구하는 포토레지스트 패턴(14)을 게이트(12)의 상부에 배치된 포토레지스트 패턴(15)과 오버랩시킨 후, 플로팅 확산 영역(13)에 이온을 주입한다.
그러나, 상술한 기술을 포함하는 수직형 이미지 센서는 이중 포토레지스트 패턴(14, 15)를 이용하고 게이트(12) 상에 배치된 포토레지스트 패턴(14)은 다량의 이온을 포함하고 있기 때문에 경화되기 쉽고 후속 클리닝 공정에서 제거되지 않아 후속 공정 불량을 유발하는 문제점을 갖는다.
본 발명의 목적은 플로팅 확산 영역을 먼저 형성한 후 게이트를 형성하여 게이트 상에 잔류 포토레지스트 패턴이 형성되는 것을 방지 및 게이트가 이온주입공정에 의하여 영향받지 않도록 하여 이미지의 품질 저하를 방지한 수직형 이미지 센서의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적을 구현하기 위한 수직형 이미지 센서의 제조 방법은 제1 및 제2 포토 다이오드들이 수직 하게 배치된 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계, 상기 포토 다이오드 구조물 상에 트랜치가 형성된 상부 에피층을 형성하는 단계, 상기 상부 에피층을 덮는 산화막을 형성하는 단계, 상기 산화막을 패터닝하여 상기 상부 에피층으로부터 돌출되며 플로팅 확산영역을 개구 하는 더미 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 더미 이온주입 마스크 패턴의 상면의 일부 및 상기 플로팅 확산 영역을 개구하는 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 플로팅 확산영역에 이온을 주입하여 플로팅 확산부를 형성하는 단계, 상기 더미 이온주입 마스크 패턴을 제거하여 상기 트랜치 내부에 소자분리패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 수직형 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(200)상에는 제1 포토 다이오드(110)및 제2 포토 다이오드(120)들이 수직 하게 배치된 포토 다이오드 구조물(130)이 형성된다.
구체적으로, 포토 다이오드 구조물(130)을 형성하기 위해서는 먼저 반도체 기판(200) 상에 하부 에피층(105)을 형성한다. 이후, 제1 포토 다이오드(110)가 형성될 하부 에피층(105)을 노출하는 포토레지스트 패턴(미도시)이 형성되고, 이온 주입 공정에 의하여 하부 에피층(105)에 이온을 주입하여 제1 포토 다이오드(110)를 형성한다. 본 실시예에서, 제1 포토 다이오드(110)는 적색 포토 다이오드일 수 있다.
하부 에피층(105)에 제1 포토 다이오드(110)를 형성한 후, 하부 에피층(105)상에는 중간 에피층(115)이 형성된다.
중간 에피층(115)이 형성된 후, 중간 에피층(115) 중 제2 포토 다이오드(120)이 형성될 부분을 개구하는 포토레지스트 패턴(미도시)이 형성되고, 이온 주입 공정에 의하여 중간 에피층(115)에 이온을 주입하여 제2 포토 다이오드(120)를 형성한다. 본 실시예에서, 제2 포토 다이오드(120)는 녹색 포토 다이오드일 수 있다.
이어서, 중간 에피층(115) 중 제1 포토 다이오드(110)의 일부를 노출하는 개구를 갖는 포토레지스트 패턴(미도시)을 다시 형성한 후, 이온 주입 공정을 통해 이온을 주입하여 제1 포토 다이오드(110)와 전기적으로 연결된 하부 플러그(125)를 형성하여 포토 다이오드 구조물(130)을 형성한다.
도 3을 참조하면, 포토 다이오드 구조물(130)의 중간 에피층(115)의 상면에는 상부 에피층(140)이 성장한다.
상부 에피층(140)이 형성된 후, 상부 에피층(140)상에는 소자분리패턴이 형성될 부분을 노출하는 개구를 갖는 포토레지스트 패턴(미도시)이 형성된다. 이후, 상부 에피층(140)은 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 패터닝 되어 상부 에피층(140) 중 소자분리패턴이 형성될 부분에는 트랜치(145)가 형성된다.
도 4를 참조하면, 상부 에피층(140)에 트랜치(145)가 형성된 후, 상부 에피층(140)에는 산화막(150)이 형성된다. 본 실시예에서, 산화막(150)은 트랜치(145)를 채우면서 상부 에피층(140)을 덮는다.
이후, 산화막(150) 상에는 포토레지스트 패턴(155)이 형성된다. 포토레지스트 패턴(155)은 트랜치(145)와 대응하는 부분 및 후술될 트랜지스터 구조물의 게이트와 대응하는 곳에 각각 형성된다.
도 5를 참조하면, 포토레지스트 패턴(155)이 형성된 후, 산화막(150)은 포토레지스트 패턴(155)을 식각 마스크로 이용하여 패터닝되어 상부 에피층(140) 상에는 더미 이온주입 마스크 패턴(157)이 형성된다. 이때, 더미 이온주입 마스크 패턴(157)은 상부 에피층(140)으로부터 돌출된 형상을 갖는다.
도 6을 참조하면, 상부 에피층(140)의 상면에는 더미 이온주입 마스크 패턴(157)의 상면의 일부 및 더미 이온주입 마스크 패턴(157)에 의하여 정의된 플로팅 확산 영역(158)을 개구하는 이온주입 마스크 패턴(159)이 형성된다. 본 실시예 에서, 이온주입 마스크 패턴(159)은 좁은 플로팅 확산 영역(158)을 정의 및 플로팅 확산 영역(158)에 이온주입시 이온주입 블록킹을 수행하기에 적합한 두께를 갖는다.
도 7을 참조하면, 이온주입 마스크 패턴(159)가 형성된 후, 상부 에피층(140)에는 이온주입 마스크 패턴(159) 및 더미 이온 주입 마스크 패턴(157)을 이온주입 마스크로 이용하여 이온이 주입되어 플로팅 확산 영역(153)이 형성된다. 본 실시에에서 플로팅 확산 영역(153)을 형성하기 위한 이온주입 에너지는 약 120keV 내지 140keV이다.
도 8을 참조하면, 플로팅 확산 영역(153)이 형성된 후, 더미 이온주입 마스크 패턴(157) 및 이온 주입 마스크 패턴(159)는 화학적 기계적 연마 공정에 의하여 상부 에피층(140)으로부터 제거되어 상부 에피층(140)상에는 소자분리 패턴(160)이 형성된다.
도 9를 참조하면, 소자분리 패턴(160)이 형성된 후, 상부 에피층(140)에는 제3 포토 다이오드(170)이 형성된다. 본 실시예에서, 제3 포토 다이오드(170)는 청색 포토 다이오드일 수 있다.
이후, 상부 에피층(140)에는 하부 플러그(125)와 대응하는 부분을 노출 및 제2 포토 다이오드(120)의 일부를 노출하는 포토레지스트 패턴(미도시)이 형성되고, 포토레지스트 패턴을 이온주입 마스크로 이용하여 상부 에피층(140)에는 이온이 주입되어 하부 플러그(125) 및 제2 포토 다이오드(120)과 각각 전기적으로 연결된 상부 플러그(175)가 형성된다.
이후, 상부 에피층(140)에는 게이트(177)를 갖는 트랜지스터 구조물들이 형성되어 수직형 이미지 센서(200)가 제조된다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 플로팅 확산 영역을 먼저 형성한 후 게이트를 형성하여 게이트 상에 잔류 포토레지스트 패턴이 형성되는 것을 방지 및 게이트가 이온주입공정에 의하여 영향받지 않도록 하여 이미지의 품질 저하를 방지하는 효과를 갖는다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 제1 및 제2 포토 다이오드들이 수직 하게 배치된 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계;상기 포토 다이오드 구조물 상에 트랜치가 형성된 상부 에피층을 형성하는 단계;상기 상부 에피층을 덮는 산화막을 형성하는 단계;상기 산화막을 패터닝하여 상기 상부 에피층으로부터 돌출되며 플로팅 확산영역을 개구 하는 더미 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계;상기 더미 이온주입 마스크 패턴의 상면의 일부 및 상기 플로팅 확산 영역을 개구하는 이온주입 마스크 패턴을 형성하는 단계;상기 플로팅 확산영역에 이온을 주입하여 플로팅 확산부를 형성하는 단계;상기 더미 이온주입 마스크 패턴을 제거하여 상기 트랜치 내부에 소자분리패턴을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계는반도체 기판상에 배치된 상기 하부 에피층에 제1 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 하부 에피층을 덮는 상기 중간 에피층에 제2 포토 다이오드를 형성하는 단계; 및상기 중간 에피층에 이온을 주입하여 상기 제1 포토 다이오드와 연결된 하부 플러그를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 트랜치 내부에 소자분리패턴을 형성하는 단계에서, 상기 더미 이온 주입 마스크 패턴은 화학적 기계적 연마 공정에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 이온 주입 마스크 패턴은 상기 화학적 계적 연마 공정에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소자 분리 패턴을 형성하는 단계 이후에는상기 상부 에피층 상에 제3 포토 다이오드를 형성하는 단계;상기 상부 에피층 상에 상기 제1 및 제2 포토 다이오드들과 연결된 상부 플러그들을 형성하는 단계; 및상기 상부 에피층 상에 트랜지스터 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 포토 다이오드는 적색 포토 다이오드이고, 상기 제2 포토 다이오드는 녹색 포토 다이오드이고, 상기 제3 포토 다이오드는 청색 포 토 다이오드인 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플로팅 확산부를 형성하는 단계에서, 상기 이온의 이온주입 에너지는 120keV 내지 140keV인 것을 특징으로 하는 수직형 이미지 센서의 제조 방법.
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