KR100832721B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관해 개시된다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 액티브 영역을 정의하는 소자 격리막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 액티브 영역에 트랜스퍼 및 리셋 트랜지스터의 제 1, 제 2 게이트 전극을 각각 형성하는 단계; 상기 제 1 게이트 전극 일측의 반도체 기판 표면내에 포토다이오드 영역을 형성하는 단계; 상기 제 1, 제 2 게이트 전극 사이 및 제 2 게이트 전극 타측의 반도체 기판 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제 1, 제 2 게이트 전극을 포함한 반도체 기판의 액티브 영역에 대하여 산화공정을 진행하여, 상기 액티브 영역 상에 제 1 산화막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역 상부에 형성된 제 1 산화막을 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 포토다이오드 영역 상부의 반도체 기판상에 제 2 산화막을 형성하는 단계;가 포함된다.
이미지 센서, 포토다이오드, 게이트 산화막, 열산화
Description
도 1a는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃.
도 1b는 도 1a의 A-A'선에 따른 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 3a 및 도 3f는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
본 발명에서는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관해 개시된다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되 고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 전력 소모, 비교적 적은 포토공정 스텝 수에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 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 비디오카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다.
여기서, 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1a는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'선에 따른 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(10)는 액티브 영역이 정의되어 상기 액티브 영역을 제외한 반도체 기판(11)에 소자 분리막(12)이 형성된다.
상기 액티브 영역 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(PD)(16)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역에 각각 오버랩되는 4개의 트랜지스터의 게이트 전극(13,14,20,30)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(13)에 의해 트랜스퍼 트랜지스터가 형성되고, 상기 게이트 전극(14)에 의해 리셋 트랜지스터가 형성되고, 상기 게이트 전극(20)에 의해 드라이브 트랜지스터가 형성되며, 상기 게이트 전극(30)에 의해 셀렉트 트랜지스터가 형성된다.
그리고 상기 게이트 전극(13,14) 양측의 반도체 기판(11) 표면내에 형성되는 소오스/드레인 불순물 영역(18)과, 상기 게이트 전극(13,14)을 포함한 반도체 기판(11)의 액티브 영역상에 형성되는 게이트 산화막(19)을 포함하여 구성되어 있다.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)을 액티브 영역과 소자 분리 영역을 정의하고, STI 공정을 이용하여 상기 소자 분리 영역에 소자 분리막(102)을 형성한다.
이어서, 상기 반도체 기판(11)상에 도전층(예를들면, 고농도 다결정 실리콘층)을 증착한다.
이어서, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 도전층을 선택적으로 제거하여 상기 반도체 기판(11)의 액티브 영역에 일정한 간격을 갖는 제 1, 제 2 게이트 전극(13,14)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 게이트 전극(13)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이고, 상기 제 2 게이트 전극(14)은 리셋 트랜지스터의 게이트 전극이다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2 게이트 전극(13,14)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 제 1 포토레지스트(15)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 상기 제 1 포토레지스트(15)를 패터닝하여 포토다이오드 영역을 정의한다.
이어서, 상기 패터닝된 제 1 포토레지스트(15)를 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(11)에 저농도 n-형 불순물 이온을 주입하여 상기 반도체 기판(11)의 표면내에 포토다이오드 영역(16)을 형성한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 포토레지스트(15)를 제거하고, 상기 제 1, 제 2 게이트 전극(13,14)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 제 2 포토레지스트(17)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 각 포토다이오드 영역(16)을 커버하고 상기 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 노출되도록 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트(17)를 마스크로 이용하여 상기 노출된 상기 소오스/드레인 영역에 고농도 n+형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드레인 불순물 영역(18)을 형성한다.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 포토레지스트(17)를 제거하고, 상기 반도체 기판(11)에 열처리 공정을 실시하여 각 불순물 확산영역을 확산시킨다.
이어서, 상기 반도체 기판(11)을 열산화하여 노출된 제 1, 제 2 게이트 전극(13,14) 및 포토다이오드 영역(16) 그리고 소오스/드레인 불순물 영역(18)상에 게이트 산화막(19)을 형성한다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 제 1, 제 2 게이트 전극(13,14)을 형성하기 위한 식각 공정 중 포토다이오드 영역(16)이 형성된 부분의 반도체 기판(11) 표면에 이온 데미지(damage)가 발생하게 된다.
이에 반도체 기판(11)에 열산화 공정을 통해 포토다이오드 영역(16) 상부에 산화(oxidation)가 발생하면 손상된 실리콘 표면이 SiO2화 되어 제거되고 또한 고온 열처리 효과가 있다.
따라서 포토다이오드 표면의 누설 소스(leakage source)가 감소되어 이미지 센서의 암 신호 및 암 디펙트 등의 저조도 특성이 향상될 수 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 포토다이오드 표면의 누설 전류를 줄이기 위해 게이트 산화막을 두껍게 형성하기 위해 산화 타겟 두께를 증가시키게 되면 포토다이오드 표면뿐만 아니라 게이트 전극 측벽의 산화막 두께 또한 증가되므로 MOSFET의 채널 길이가 증가하게 되어 트랜지스터 동작 특성이 감소되어 로직 동작 시 시간 마진(timing margin)이 부족해지는 문제가 발생하게 된다.
따라서 이미지 센서의 저조도 특성 향상을 위해 게이트 전극을 형성한 후 산화량을 증가시키는데 제약이 발생하게 된다.
본 발명은 포토다이오드 상부의 이온 데미지로 인한 픽셀의 암 신호, 암 디 펙트 등의 증가로 인한 저조도 특성 열화를 최소화하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 액티브 영역을 정의하는 소자 격리막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 액티브 영역에 트랜스퍼 및 리셋 트랜지스터의 제 1, 제 2 게이트 전극을 각각 형성하는 단계; 상기 제 1 게이트 전극 일측의 반도체 기판 표면내에 포토다이오드 영역을 형성하는 단계; 상기 제 1, 제 2 게이트 전극 사이 및 제 2 게이트 전극 타측의 반도체 기판 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 제 1, 제 2 게이트 전극을 포함한 반도체 기판의 액티브 영역에 대하여 산화공정을 진행하여, 상기 액티브 영역 상에 제 1 산화막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 영역 상부에 형성된 제 1 산화막을 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 포토다이오드 영역 상부의 반도체 기판상에 제 2 산화막을 형성하는 단계;가 포함된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 개략적인 공정 단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(101)을 액티브 영역과 소자 분리 영역을 정의하고, STI 공정을 이용하여 상기 소자 분리 영역에 소자 분리막(102)을 형성한다.
이어서, 상기 반도체 기판(101)상에 도전층(예를들면, 고농도 다결정 실리콘층)을 증착한다.
이어서, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 도전층을 선택적으로 제거하여 상기 반도체 기판(101)의 액티브 영역에 일정한 간격을 갖는 제 1, 제 2 게이트 전극(103,104)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 게이트 전극(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이고, 상기 제 2 게이트 전극(104)은 리셋 트랜지스터의 게이트 전극이다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2 게이트 전극(103,104)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 제 1 포토레지스트(105)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 상기 제 1 포토레지스트(105)를 패터닝하여 포토다이오드 영역을 정의한다.
이어서, 상기 패터닝된 제 1 포토레지스트(105)를 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(101)에 저농도 n-형 불순물 이온을 주입하여 상기 반도체 기판(101)의 표면내에 포토다이오드 영역(106)을 형성한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 포토레지스트(105)를 제거하고, 상기 제 1, 제 2 게이트 전극(103,104)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 제 2 포토레지스트(107)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 각 포토다이오드 영역(106)을 커버하고 상기 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 노출되도록 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트(107)를 마스크로 이용하여 상기 노출된 상기 소오스/드레인 영역에 고농도 n+형 불순물 이온을 주입하여 소오스/드 레인 불순물 영역(108)을 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 포토레지스트(107)를 제거하고, 상기 반도체 기판(101)에 열처리 공정을 실시하여 각 불순물 확산영역을 확산시킨다.
이어서, 상기 반도체 기판(101)을 열산화하여 노출된 제 1, 제 2 게이트 전극(103,104) 및 포토다이오드 영역(106) 그리고 소오스/드레인 불순물 영역(108)상에 제 1 산화막(109)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 게이트 전극(103,104)을 형성하기 위한 식각 공정 중 포토다이오드 영역(106)이 형성된 부분의 반도체 기판(101) 표면에 이온 데미지(damage)가 발생하게 되는데, 상기 열산화 공정을 통해 포토다이오드 영역(106)에 산화(oxidation)가 발생하면 손상된 실리콘 표면이 SiO2화 되어 데미지를 보상하는 효과가 있다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 산화막(109)이 형성된 반도체 기판(101)상에 제 3 포토레지스트(110)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 통해 상기 제 3 포토레지스트(110)를 선택적으로 패터닝하여 포토다이오드 영역(106) 상부를 오픈한다.
이어서, 상기 패터닝된 제 3 포토레지스트(110)를 마스크로 이용하여 상기 노출된 제 1 산화막(109)을 습식 식각으로 제거한다.
도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 산화막(109)이 제거된 반도체 기판(101)에 열산화 공정을 실시하여 상기 포토다이오드 영역(106) 상부의 반도체 기판(101)상에 제 2 산화막(111)을 형성한다.
이후 공정은 도면에 도시하지 않았지만 상기 제 3 포토레지스트(110)를 제거하고, 전면에 다수의 층간 절연막의 금속배선을 형성한 후 칼라 필터층과 마이크로렌즈를 형성하여 이미지 센서를 완성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 게이트 전극을 형성할 때 발생하는 포토다이오드 상부의 누설 소스를 2번의 열산화 공정을 통해 보상함으로써 MOSFET 특성변화없이 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (4)
- 반도체 기판에 액티브 영역을 정의하는 소자 격리막을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 액티브 영역에 트랜스퍼 및 리셋 트랜지스터의 제 1, 제 2 게이트 전극을 각각 형성하는 단계;상기 제 1 게이트 전극 일측의 반도체 기판 표면내에 포토다이오드 영역을 형성하는 단계;상기 제 1, 제 2 게이트 전극 사이 및 제 2 게이트 전극 타측의 반도체 기판 표면내에 소오스/드레인 불순물 영역을 형성하는 단계;상기 제 1, 제 2 게이트 전극을 포함한 반도체 기판의 액티브 영역에 대하여 산화공정을 진행하여, 상기 액티브 영역 상에 제 1 산화막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드 영역 상부에 형성된 제 1 산화막을 선택적으로 제거하는 단계; 및상기 포토다이오드 영역 상부의 반도체 기판상에 제 2 산화막을 형성하는 단계;가 포함되는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 산화막은 습식 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 산화막과 제 2 산화막은 열산화 공정에 의하여 형성되고,상기 제 1 산화막과 제 2 산화막은 상기 포토다이오드 영역의 상부에 형성되는지 여부에 의하여 구분되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 제 1 산화막과 제 2 산화막은 상기 열산화 공정이 수행되는 시간의 순서에 의해서도 구분되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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