KR20100038630A - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛에 의해 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 전달되지 못하고 소멸되는 것을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판 상에 패드 산화막, 패드 질화막 및 패드 TEOS를 차례로 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 소자 분리 영역에 해당하는 부분을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 포토다이오드가 형성될 액티브 영역 방향의 측벽 및 트랜지스터의 채널 영역의 액티브 영역 방향의 측면에 이온주입공정을 통해 제 1 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와, 상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트렌치 사이 및 상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트랜지스터 하부의 채널 영역의 측면 사이에 이온주입공정을 통해 제 2 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 포토다이오드를 위한 액티브 영역에 이온주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
포토다이오드, N-Type 이온주입영역
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 빛에 의해 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 전달되지 못하고 소멸되는 것을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하 결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)로 구분된다. 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 각각의 모스(MOS) 커패시터가 서로 인접하여 배치된 구조를 가지며, 전하 캐리어가 임의의 모스 커패시터에 저장된 후 그 후단의 모스 커패시터로 전송되는 방식의 소자이다. 상기 전하 결합 소자는 복잡한 구동 방식, 많은 전력 소모, 많은 포토공정 스텝으로 인한 복잡한 제조공정 등의 단점을 갖는다. 또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다. 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
하지만, 종래의 씨모스 이미지 센서는 빛에 의해 생성된 전자들의 수명이 짧아져서 소멸하기 쉬우며, 포토다이오드의 깊은 내부에서 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트까지 도달하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 빛에 의해 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 전달되지 못하고 소멸되는 것을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판 상에 패드 산화막, 패드 질화막 및 패드 TEOS를 차례로 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 소자 분리 영역에 해당하는 부분을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 포토다이오드가 형성될 액티브 영역 방향의 측벽 및 트랜지스터의 채널 영역의 액티브 영역 방향의 측면에 이온주입공정을 통해 제 1 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와, 상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트렌치 사이 및 상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트랜지스터 하부의 채널 영역의 측면 사이에 이온주입공정을 통해 제 2 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 포토다이오드를 위한 액티브 영역에 이온주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드의 가장자리 부분의 저항을 낮추어 포토다이오드의 깊은 내부 및 트랜스퍼 게이트에서 멀리 떨어진 영역에서 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 쉽게 도달하는 시간을 줄임으로써 전자의 짧은 수명으로 인하여 빛에 의해 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 전달되지 못하고 소멸되는 것을 최소화하여 채도(saturation) 및 지체(Lag) 특성을 향상시키는 효과를 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)을 준비한다. 여기서, 반도체 기판(100)은 고농도의 제 1 도전형, 예를 들어 P+형 단결정 실리콘 기판을 사용할 수가 있다. 그리고, 반도체 기판(100)의 일 표면, 예를 들어 소자를 형성하기 위한 표면 상에는 에피택셜(epitaxial) 공정에 의해 성장된 저농도의 제 1 도전형, P-형 에피층(미도시)이 성장되는데, 이는 포토 다이오드에서의 공핍 영역(depletion region)을 크고 깊게 형성시킴으로써 광전하를 모으기 위한 저전압 포토 다이오드의 능력을 증가시키고 광감도를 개선시키기 위한 것이다.
이후, 반도체 기판(100) 상에 패드 산화막(Oxide)(110), 패드 질화 막(SiN)(120) 및 패드 TEOS막(130)을 차례대로 형성하고, 트랜지스터를 위한 액티브 영역을 정의하기 위해 소자 분리 영역을 위한 에피층의 부분에 RIE(Reactive ion etching)를 통한 STI 공정에 의해 소자 분리막을 위한 트렌치(140)를 형성한다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드가 형성될 액티브 영역 방향의 트렌치(140) 측벽 및 후속 공정에서 형성될 트랜지스터 하부의 채널 영역 의 액티브 영역 방향의 측면에 N-type 이온 주입을 하여 N-type 이온주입영역(150)을 형성한다. 여기서 이온 주입 조건은 P+ 이온을 50~100KeV의 에너지로 1E12~5E13 atom/cm2의 이온주입양을 소정의 각도를 갖는 기울기(Tilt)로 4단계에 걸쳐 이온주입한다. 여기서, 4단계의 이온주입은 반도체 기판(100)을 회전하며 4가지 방향으로, 예를 들어, 0도, 90도, 180도, 270도 방향에서 총 도즈량(Dose)의 1/4씩 4번에 걸쳐 주입하는 것을 의미한다.
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 트렌치(140)의 측벽 및 트랜지스터 하부의 채널 영역의 측면에 PN접합을 형성할 수 있도록 P-Type 이온 주입을 하여 N-Type 이온주입영역(150)과 트렌치(140) 사이 및 N-Type 이온주입영역(150)과 트랜지스터 하부의 채널 영역의 측면 사이에 P-Type 이온주입영역(160)을 형성한다. 이때, P-Type 이온주입영역(160)은 N-Type 이온주입영역(150)보다 깊게 형성된다. 여기서, 이온주입 조건은 BF2+ 이온을 50~100KeV의 에너지로 5E12~5E13 atoms/cm2의 이온 주입양을 소정의 각도를 갖는 기울기(Tilt)로 4단계에 걸쳐 이온주입한다.
다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이, 트렌치(140)을 포함한 반도체 기판(100) 상부면에 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition:CVD)에 의해 산화막인 절연막을 두껍게 증착하여 트렌치(140) 내부를 채운 후, 트렌치(140) 상부에만 절연막이 남도록 식각하고, 기계 화학적 연마(Chemical Mechanical Polishing:CMP) 공정을 통해 평탄화하여 소자분리막(140a)를 형성한다.
그리고나서, 패드 산화막(110) 상에 도전층을 증착시키고 식각 공정을 이용하여 게이트 전극(170)을 위한 부분의 도전층 및 패드 산화막(110)을 남기고 나머지 불필요한 부분의 도전층 및 패드 산화막(110)을 제거시킴으로써 트랜지스터의 게이트 전극(170)을 형성시키고 포토 다이오드 영역(PD)을 위한 액티브 영역의 표면을 노출시킨다. 이후, 게이트 측벽 스페이서(180)을 형성하는 공정을 실시할 수도 있다.
이어서, 반도체 기판(100) 상에 포토 다이오드를 위한 액티브 영역의 에피층을 노출시키고 플로팅 확산 영역을 마스킹하는 감광막의 패턴을 형성시킨다. 그리고, 감광막의 패턴을 이온주입 마스크층으로 이용하여 포토 다이오드를 위한 액티브 영역의 에피층에 이온주입을 하여 포토다이오드(200)를 형성한다. 이때, 포토다이오드(200)는 N-Type 이온주입영역(150) 사이에 형성된다.
이후, 공지된 후속 공정을 실시하여 씨모스 이미지 센서를 완성한다.
따라서, 본원 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드(200)의 가장자리 영역의 N-Type 도핑 농도를 높여 포토다이오드(200)의 저항을 낮춤으로써 포토다이오드(200)의 깊은 내부 및 트랜스퍼 게이트에서 멀리 떨어진 영역에서 생성된 전자들이 트랜스퍼 게이트로 쉽게 도달하는 시간을 줄임으로써 전자의 짧은 수명으로 인하여 빛에 의해 생성된 전자들이 게이트로 전달되지 못하고 소멸되는 것을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
100: 반도체 기판 110: 패드 산화막
120: 패드 질화막 130: 패드 TEOS막
140: 트렌치 140a: 소자분리막
150: N-type 이온주입영역 160: P-Type 이온주입영역
170: 게이트 전극 180: 게이트 측벽 스페이서
200: 포토다이오드
Claims (10)
- 반도체 기판 상에 패드 산화막, 패드 질화막 및 패드 TEOS를 차례로 형성하는 단계와,상기 반도체 기판의 소자 분리 영역에 해당하는 부분을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와,상기 트렌치의 포토다이오드가 형성될 액티브 영역 방향의 측벽 및 트랜지스터의 채널 영역의 액티브 영역 방향의 측면에 이온주입공정을 통해 제 1 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와,상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트렌치 사이 및 상기 제 1 도전형 이온주입영역과 트랜지스터 하부의 채널 영역의 측면 사이에 이온주입공정을 통해 제 2 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계와,상기 반도체 기판의 포토다이오드를 위한 액티브 영역에 이온주입하여 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 도전형 이온주입영역 및 제 2 도전형 이온주입영역은 N-type 이온주입영역 및 P-type 이온주입영역인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 N-Type 이온주입영역은 P+ 이온을 틸트(tilt)로 이온주입하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 이온주입은 4단계로 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 이온주입은 상기 P+ 이온을 50~100KeV의 에너지로 1E12~5E13 atoms/cm2의 이온 주입양을 이용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 P-Type 이온주입영역은 BF2+ 이온을 틸트(tilt)로 이온주입하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 이온주입은 4단계로 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 이온주입은 상기 BF2+ 이온을 50~100KeV의 에너지로 5E12~5E13 atoms/cm2의 이온 주입양을 4단계로 이온주입하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2도전형 이온주입영역은 상기 제 1 도전형 이온주입영역보다 깊게 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 포토다이오드는 상기 제 1 도전형 이온주입영역 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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