KR20060114438A - Method for fabricating cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 레이아웃도.1 is a layout showing unit pixels of a conventional CMOS image sensor.
도2a 내지 도2d는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art.
도3a 내지 도3h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20 : 기판 21 : 폴리실리콘막20: substrate 21: polysilicon film
22 : 완충막 23 : 하드마스크막22: buffer film 23: hard mask film
24a, 24b : 감광막 25 : 딥 임플란트용 감광막24a, 24b: Photosensitive film 25: Photosensitive film for deep implants
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드를 형성하는 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly to a process for forming a photodiode.
일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.In general, an image sensor of a semiconductor device is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Representative image sensor devices include a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.Among them, the charge-coupled device is a device in which charge carriers are stored and transported in the capacitor while individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are located very close to each other, and the CMOS image sensor is a control circuit and a signal processing circuit. It is a device that adopts a switching method of making MOS transistors by the number of pixels by using CMOS technology using a signal processing circuit as a peripheral circuit and sequentially detecting the output using the MOS transistors.
통상적인 시모스 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 픽셀 어레이와, 상기 픽셀어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼와, 입력된 어드레스를 디코딩하여 픽셀어레이의 단위화소를 선택하기 위한 디코더/픽셀 드라이버와, 디코더/픽셀드라이버를 제어하기 위한 제어 레지스터 및 로직을 구비한다.A typical CMOS image sensor includes a pixel array in which a plurality of unit pixels are arrayed, an ADC block for converting an analog signal output from the pixel array into a digital signal, a line buffer for storing digital values output from the ADC block, and an input. And a control register and logic for controlling the decoder / pixel driver and the decoder / pixel driver to decode the address and select the unit pixel of the pixel array.
통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드와, 포토다이오드에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 하는 로드트랜지스터가 형성된다.A circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor. A photodiode that receives light to generate photocharges and a photocharge collected from the photodiode A transfer transistor for transporting to the floating diffusion region, a reset transistor for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging the charge to reset the floating diffusion region, and a voltage of the floating diffusion region is applied to the source follower buffer A drive transistor serves as an amplifier (Source Follower Buffer Amplifier) and a select transistor serving as an addressing role as a switching role. Outside the unit pixel, a load transistor for reading an output signal is formed.
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 레이아웃도이다.1 is a layout showing unit pixels of a conventional CMOS image sensor.
도1을 참조하여 살펴보면, 시모스 이미지센서의 단위화소는 포토다이오드(PD)가 크게 배치되고, 전달트랜지스터(Tx)와, 드라이버 트랜지스터(Dx)의 게이트가 액티브영역(Active)을 가로지르며 형성된다.Referring to FIG. 1, in the unit pixel of the CMOS image sensor, a photodiode PD is largely disposed, and a transfer transistor Tx and a gate of the driver transistor Dx cross the active region Active.
포토다이오드는 도1의 도시된 영역을 기준으로 수직으로 형성이 되기 때문에 위부분에 P영역이 형성되고, 아랫부분에 N영역이 형성이 된다.Since the photodiode is formed vertically based on the region shown in FIG. 1, a P region is formed at an upper portion and an N region is formed at a lower portion.
따라서 N영역은 기판의 깊은 영역에 형성되기 때문에 높은 에너지로 임플란트공정으로 형성시킨다.Therefore, since the N region is formed in the deep region of the substrate, it is formed by the implant process with high energy.
그러나, 포토다이오드의 N 영역은 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴의 하단에는 형성되면 않되기 때문에, 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 마스크로 하여 포토다이오드의 N 영역을 위한 임플란트 공정을 진행하게 된다.However, since the N region of the photodiode should not be formed at the lower end of the gate pattern of the transfer transistor Tx, an implant process for the N region of the photodiode is performed using the gate pattern of the transfer transistor Tx as a mask. .
도2a 내지 도2d는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art.
도2a에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 게이트 형성을 위한 폴리실리콘막(11)을 형성하고, 그 상부에 하드마스크막(12)을 형성한다.As shown in FIG. 2A, a
이어서 게이트 패턴을 형성하기 위한 감광막 패턴(13a, 13b)을 형성한다.Subsequently,
여기서 감광막 패턴(13a)은 전달트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 형성하기 위한 것이고, 감광막 패턴(13b)은 나머지 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 형성하기 위한 것이다.Here, the
이어서 도2b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(13a, 13b)을 식각마스크로 하여 하드마스크막(12)과 폴리실리콘막(10)을 패터닝한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
이어서 도2c에 도시된 바와 같이, 포토다이오드의 N영역을 형성하기 위한 감광막 패턴(15)를 형성하고 임플란트 공정을 진행한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, a
이어서 도2d에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴과 하드마스크막 패턴(14a,14b)을 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, the photosensitive film pattern and the hard
이어서 도시하지는 않았지만, 게이트 패턴을 형성하는 나머지 공정을 진행한다.Next, although not shown, the remaining process of forming the gate pattern is performed.
시모스 이미지센서를 제조하는 데 있어서는 포토다이오드를 형성하여야 하고, 이 포토다이오드에서 형성된 광전자를 외부회로에 전달해 주는 전달트랜지스터가 필요하게 된다.In manufacturing the CMOS image sensor, a photodiode must be formed, and a transfer transistor for transmitting the photoelectrons formed in the photodiode to an external circuit is required.
포토다이오드를 형성하는 중요 공정중의 하나는 딥 n 임플란트 공정인데, 이것은 포토다이오드영역 부분에 고에너지로 n+ 이온을 주입하는 공정이다.One of the important processes for forming a photodiode is a deep n implant process, in which n + ions are implanted with high energy into the photodiode region.
이 때 n+ 이온은 포토다이오드가 형성될 영역에만 침투하여야 하고, 포토다이오드와 접한 전달트랜지스터의 게이트 패턴이 형성될 영역에는 침투하면 안된다.At this time, n + ions must penetrate only the region where the photodiode is to be formed and must not penetrate the region where the gate pattern of the transfer transistor in contact with the photodiode is to be formed.
따라서 이를 해결하기 위해 전달 트랜지스터의 게이트 패턴이 될 폴리실리콘 을 마스크로, 즉 셀프얼라인 공정으로 포토다이오드를 위한 n+ 이온을 주입하는 공정을 진행하게 된다. 이를 보여주는 것이 도2c의 도면이다.Therefore, in order to solve this problem, polysilicon, which will be a gate pattern of the transfer transistor, is used as a mask, that is, a process of injecting n + ions for photodiodes in a self-aligned process. This is shown in Figure 2c.
이 때의 셀프얼라인을 위한 방법으로는 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 위해 폴리실리콘을 패터닝한 후, 감광막을 제거하기 않고, 이 감광막을 블럭킹 레이어로 사용하거나, 실리콘질화막 또는 실리콘 산화막등의 하드마스크막을 형성하는 방법이 있다.As a method for self-alignment at this time, after polysilicon is patterned for the gate pattern of the transfer transistor, the photoresist film is used as a blocking layer without removing the photoresist film, or a hard mask film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is used. There is a way to form.
그러나, 감광막을 제거하지 않고 블럭킹 레이어로 사용하는 방법은 파티클 문제로 인하여 적용하기 힘들고, 현재는 전술한 바와 같이 폴리실리콘 패턴상에 하드마스크막을 형성시키고, 포토다이오드영역 부분에 고에너지로 n+ 이온을 주입하는 공정을 진행한 다음 하드마스크막을 제거하는 방법을 사용하고 있다.However, the method of using the blocking layer without removing the photoresist layer is difficult to apply due to particle problems. At present, as described above, a hard mask layer is formed on the polysilicon pattern, and n + ions are applied to the photodiode region with high energy. After the injection process, a method of removing the hard mask layer is used.
그러나 일반적으로 하드마스크막을 제거시 습식식각방법을 사용하게 되는데, 이 때의 공정에서 남겨지는 폴리실리콘패턴 부분과 후에 액티브영역이 될 부분에 어택이 가해지고, 그로 인해 트랜지스터의 특성이 변하게 되는 문제점이 생긴다.In general, however, a wet etching method is used to remove the hard mask layer. At this time, an attack is applied to a portion of the polysilicon pattern remaining in the process and a portion to be an active region later, thereby changing the characteristics of the transistor. Occurs.
전달 트랜지스터는 전하를 전달하는 기능만 하기 때문에 하드마스크막 제거시 받는 어택이 그다지 중요하지 않지만, 나머지 트랜지스터는 시모스 이미지센서의 동작에 관혀하는 로직부분이기 때문에 이와 같은 트랜지스터의 특성변화는 심각한 악영향을 끼치게 된다.Because the transfer transistor only functions to transfer charges, the attack received when removing the hard mask layer is not very important. However, since the remaining transistors are logic parts related to the operation of the CMOS image sensor, such a change in the characteristics of the transistors has a serious adverse effect. do.
본 발명은 시모스이미지 센서의 포토다이오드 제작을 위해 셀프얼라인을 진 행하는 공정에서 로직 트랜지스터의 특성이 변하지 않는 제조공정을 제공함을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a manufacturing process that does not change the characteristics of the logic transistor in the process of self-aligning for the production of the photodiode of the CMOS image sensor.
본 발명은 기판상에 전달트랜지스터의 게이트용 제1 도전막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 도전막 패턴상에 하드마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판상에 전달트랜지스터 이외의 트랜지스터의 게이트용 제2 도전막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 도전막 패턴과 접하는 영역에 형성될 포토다이오드를 위한 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 감광막 패턴을 마스크로 상기 포토다이오드를 위한 임플란트 공정을 진행하는 단계를 포함하며, 상기 임플란트 공정시 상기 하드마스크 패턴이 그 하부물의 베리어막 역할을 하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.The present invention includes forming a first conductive film pattern for a gate of a transfer transistor on a substrate; Forming a hard mask pattern on the first conductive layer pattern; Forming a second conductive film pattern for a gate of a transistor other than a transfer transistor on the substrate; Forming a photoresist pattern for the photodiode to be formed in a region in contact with the first conductive layer pattern; And performing an implant process for the photodiode using the photoresist pattern as a mask, wherein the hard mask pattern serves as a barrier film of the lower portion of the implant during the implant process.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도3a 내지 도3h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도3a를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저 기판(20)상에 게이트 패턴용 폴리실리콘막(21)을 형성하고, 버퍼층(22)을 형성하고, 그 상부에 하드마스크(23)을 형성한다.Referring to FIG. 3A, in the method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present embodiment, a
이어서 그 상부에 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트패턴을 위한 감광막 패턴(24a)을 형성한다.Subsequently, a
여기서 버퍼층(22)은 하드마스크막(23)을 형성하고, 제거할 때에 그 하단에 폴리실리콘막(21)이 받는 데미지를 줄이기 위한 것이다.The
이어서 도3b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(24a)을 식각마스크로 하여 하드마스크막(23)과 버퍼층(22)을 패터닝한다. 버퍼층(22)은 실리콘질화막, 실리콘산화막, 실리콘 탄화물 합금(silicon carbide)등을 이용하며, 그 두께는 200 ~ 4000Å 범위로 한다.3B, the
하드마스크막(23)은 실리콘질화막, 실리콘산화막, 실리콘 탄화물 합금(silicon carbide)등을 이용하며, 그 두께는 200 ~ 4000Å 범위로 한다.The
이어서 도3c에 도시된 바와 같이, 유기물(organic barc) 또는 무기물(inorgnic)로 된 감광막 패턴(24b)을 형성한다. 감광막 패턴(24b)은 전달 트랜지스터 이외의 나머지 트랜지스터의 게이트 패터닝을 위한 것이다.Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
이어서 도3d에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(24b)와 하드마스크 패턴(23a)을 식각마스크로 하여 폴리실리콘막(21)을 패터닝한다.3D, the
이어서 도3e에 도시된 바와 같이, 포토다이오드의 형성을 위한 감광막 패턴(25)을 형성하고, 고에너지로 임플란트 공정을 진행하여 포토다이오드의 N영역을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 3E, the
이어서 도3f에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(25)를 제거하고, 하드마스크막(25)을 제거하고, 버퍼층을 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 3F, the
시모스 이미지 센서에서 전달 트랜지스터는 나머지 부분의 트랜지스터보다 사이즈가 크기 때문에 다른 부분보다 CD 가 그다지 중요하지 않다.In CMOS image sensors, the transfer transistor is larger than the rest of the transistor, so CD is less important than the rest.
그러므로 전술한 바와 같이, 전달 트랜지스터의 게이트 패턴 부분만 하드마스크를 형성하고, 이를 베리어로 하여 포토다이오드의 형성공정을 진행하고, 하드마스크를 제거함으로서, 하드마스크막을 형성하고, 제거하는 과정에서 다른 트랜지스터의 특성에 악영향을 기치지 않게 된다.Therefore, as described above, only the gate pattern portion of the transfer transistor forms a hard mask, and as a barrier, the photodiode is formed, and the hard mask is removed to form a hard mask film, thereby removing other transistors. Will not adversely affect the characteristics of the.
본 발명에서는 하드마스크를 제겅하는 방법을 2가지를 제시하는데, 각각에 대해 도3g와, 도3h에 나타나 있다.In the present invention, two methods for producing a hard mask are presented, which are shown in FIGS. 3G and 3H, respectively.
먼저 도3g를 참조하여 살펴보면, 첫번째로 하드마스크를 제거하는 방법은 포토다이오드의 n 임플란트 공정을 한 후 감광막 패턴(25)을 제거하지 않은 상태에서 하드마스크를 제거하는 방법이다.First, referring to FIG. 3G, the first method of removing the hard mask is a method of removing the hard mask without performing the n-implant process of the photodiode and removing the
포토다이오드의 n 임플란트 공정은 포토다이오드가 형성될 영역에만 적용되기 때문에 포토다이오드 부분만 감광막 패턴이 없고, 나머지 부분은 전부분이 감광막 패턴이 덮여 있다.Since the n-implant process of the photodiode is applied only to the region where the photodiode is to be formed, only the photodiode portion has no photoresist pattern, and the rest of the photodiode is covered with the photoresist pattern.
그러므로 이 상태에서 습식식각공정을 진행하게 되면, 전달 트랜지스터의 게이트 패턴 상에 있는 하드마스크막만 일정부분 제거된다.Therefore, when the wet etching process is performed in this state, only a hard mask layer on the gate pattern of the transfer transistor is partially removed.
일반적으로 포토다이오드의 n 임플란트 공정을 위한 마스크는 포토다이오드 영역이외의 부분에 포토다이오드가 형성되는 것을 방지하기 위해 전달트랜지스터 영역과 어느 정도 오버랩을 가지게 되는데, 이 값을 50nm ~ 150nm 정도로 만들면 습식식각에서의 등방성 특성 때문에 감광막 밑의 하드마스크도 어느정도 제거된다.In general, the mask for the n-implant process of the photodiode has some overlap with the transfer transistor region in order to prevent the formation of the photodiode in the portion other than the photodiode region. If this value is set to about 50 nm to 150 nm, the wet etching process Due to the isotropic properties of the hard mask underneath the photoresist film is removed to some extent.
도3h를 참조하여 살펴보면, 두번째로 하드마스크를 제거하는 방법은 포토다이오드의 n 임플란트 공정을 한 후 감광막 패턴(25)을 제거한 후에, 새로운 포토 공정을 통해 전달 트랜지스터의 게이트 부분을 노출시킨다. 이어서 하드마스크와 버퍼층을 제거하고, 추가된 감광막을 포함한 전 감광막을 제거한다.Referring to FIG. 3H, the second method of removing the hard mask is to remove the
전술한 실시예에서 하드마스크와 버퍼층의 제거는 습식식각공정만을 이용할 수도 있고, 습식식각과 건식식각을 함께 사용할 수 있다. 제거공정에서는 인산을 이용하여 공정을 진행한다.In the above-described embodiment, the hard mask and the buffer layer may be removed using only a wet etching process, or a wet etching process and a dry etching process may be used together. In the removal process, the process is performed using phosphoric acid.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in Esau.
본 발명에 의해서 시모스 이미지센서의 포토다이오드를 제조하는 데 있어서, 셀프얼라인을 위해 형성하는 하드마스크를 형성시키고, 제거하는 과정에서 전달트랜지스터이외의 다른 트랜지스터의 특성변화에 영향을 미치지 않게 되므로, 보다 신뢰성있는 시모스 이미지센서의 제조가 가능하다.In manufacturing the photodiode of the CMOS image sensor according to the present invention, since the hard mask formed for self-alignment is formed and removed, the change of the characteristics of the transistors other than the transfer transistor is not affected. It is possible to manufacture reliable CMOS image sensor.
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- 2005-04-29 KR KR1020050036375A patent/KR100667499B1/en not_active IP Right Cessation
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KR100988778B1 (en) * | 2007-12-31 | 2010-10-20 | 주식회사 동부하이텍 | CMOS image sensor and method of manufacturing the same |
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