KR100949236B1 - Image sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.In another embodiment, an image sensor includes: a gate formed on a semiconductor substrate including an isolation layer; A photodiode including a first impurity region and a second impurity region formed in the semiconductor substrate; A dielectric film pattern formed on the photodiode of the semiconductor substrate; And a third impurity region formed in the dielectric layer pattern and the second impurity region.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a gate on a semiconductor substrate including an isolation layer; Forming a photodiode including a first impurity region and a second impurity region in the semiconductor substrate; Forming a dielectric film on the semiconductor substrate including the gate and photodiode; And forming a third impurity region in the dielectric film and the second impurity region.
중수소 이온 주입 Deuterium ion implantation
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an image sensor and a method of manufacturing the same.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is largely a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. (CIS).
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.In the CMOS image sensor, a photo diode and a MOS transistor are formed in a unit pixel to sequentially detect an electrical signal of each unit pixel in a switching manner to implement an image.
실시예는 포토다이오드의 실리콘 계면과 산화막 사이에 발생하는 댕글링 본드를 최소화시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same, which can improve the characteristics of the device by minimizing dangling bonds generated between the silicon interface of the photodiode and the oxide film.
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.In another embodiment, an image sensor includes: a gate formed on a semiconductor substrate including an isolation layer; A photodiode including a first impurity region and a second impurity region formed in the semiconductor substrate; A dielectric film pattern formed on the photodiode of the semiconductor substrate; And a third impurity region formed in the dielectric layer pattern and the second impurity region.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a gate on a semiconductor substrate including an isolation layer; Forming a photodiode including a first impurity region and a second impurity region in the semiconductor substrate; Forming a dielectric film on the semiconductor substrate including the gate and photodiode; And forming a third impurity region in the dielectric film and the second impurity region.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 반도체 기판과 유전체막에 중수소 이온층을 형성하여, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합된다.In an image sensor and a method of manufacturing the same, a deuterium ion layer is formed on a semiconductor substrate and a dielectric film, and deuterium ions are bonded to a dangling bond existing at an interface between the semiconductor substrate and the dielectric film.
즉, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.That is, deuterium ions are bonded to dangling bonds present at the interface between the semiconductor substrate and the dielectric film, whereby electron-hole pairs are trapped in the dangling bonds formed on the semiconductor substrate. to prevent trapping.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Preventing trapping of electron-hole pairs in dangling bonds increases the saturation current of the photodiode and improves the lag characteristics to ensure the reliability of the image sensor Can improve.
실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 게이트; 상기 반도체 기판에 형성된 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드; 상기 반도체 기판의 상기 포토다이오드 상에 형성된 유전체막 패턴; 및 상기 유전체막 패턴과 제2불순물 영역에 형성되는 제3불순물 영역을 포함한다.In another embodiment, an image sensor includes: a gate formed on a semiconductor substrate including an isolation layer; A photodiode including a first impurity region and a second impurity region formed in the semiconductor substrate; A dielectric film pattern formed on the photodiode of the semiconductor substrate; And a third impurity region formed in the dielectric layer pattern and the second impurity region.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 소자분리막을 포함하는 반도체 기판 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판에 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역을 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 게이트 및 포토다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판에 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 유전체막과 제2불순물 영역에 제3불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a gate on a semiconductor substrate including an isolation layer; Forming a photodiode including a first impurity region and a second impurity region in the semiconductor substrate; Forming a dielectric film on the semiconductor substrate including the gate and photodiode; And forming a third impurity region in the dielectric film and the second impurity region.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, an image sensor and a method of manufacturing the same according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.In the description of the embodiments, where it is described as being formed "on / under" of each layer, it is understood that the phase is formed directly or indirectly through another layer. It includes everything.
실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.In the description of the embodiment will be described with reference to the structure of the CMOS image sensor (CIS), the present invention is not limited to the CMOS image sensor, it is applicable to all image sensors, such as CCD image sensor.
도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 소자분리막(5)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 형성된 게이트(15); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 유전체막 패턴(23); 상기 반도체 기판(10)에 형성된 제1불순물 영역(50) 및 제2불순물 영역(40)을 포함하는 포토다이오드(55) 및 제3불순물 영역(60); 및 상기 유전체막 패턴(23)과 제2불순물 영역(40)에 형성되는 제4불순물 영역(30)을 포함한다.As shown in FIG. 5, an image sensor according to the embodiment includes a
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.The
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.This may increase the depth of the depletion region of the photodiode due to the low concentration of p epitaxial layer, thereby increasing the photodiode's ability to collect photocharges.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단 위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.In addition, when a high concentration of p ++ substrate is provided under the p-type epilayer, the charge is recombined before charge is diffused to neighboring unit pixels, thereby causing random diffusion of photocharges. This is because the reduction in the transfer function of the photocharge can be reduced.
상기 게이트(15)는 산화막 패턴 및 폴리실리콘 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 게이트(15)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있다.The
본 실시예에서 상기 게이트(15)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 상기 게이트(15)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.In the present embodiment, the
상기 제1불순물 영역(40)은 n형 불순물로 형성되고, 상기 제2불순물 영역(50)은 p형 불순물로 형성되어, 상기 제1불순물 영역(40)과 제2불순물 영역(50)으로 이루어진 포토다이오드(55)를 형성한다.The
상기 제3불순물 영역(60)을 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이 될 수 있다.The
상기 유전체막(20)은 산화막, 질화막 및 산화막이 순차적으로 형성된 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막으로 형성된다.The dielectric film 20 is formed of an oxide-nitride-oxide (ONO) film in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are sequentially formed.
상기 유전체막(20)에 형성된 상기 산화막은 TEOS(tetraethly orthosilicate)로 형성될 수 있다.The oxide film formed on the dielectric film 20 may be formed of tetraethly orthosilicate (TEOS).
그리고, 상기 제4불순물 영역(30)은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)으로 형성될 수 있다.The
상기 제4불순물 영역(30)이 중수소 이온층으로 형성되어, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중 수소 이온이 결합된다.The
즉, 상기 포토다이오드(55)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판(10)에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.That is, deuterium ions are bonded to dangling bonds present at the interface between the
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드(55)의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Prevents trapping of electron-hole pairs in the dangling bonds, thereby increasing the saturation current of the
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따른 공정 단면도이다.1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the image sensor according to the embodiment.
도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막(5)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 게이트(15)를 형성하고, 상기 반도체 기판(10)에 포토다이오드(55)를 형성한다.As shown in FIG. 1, the
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.The
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.This may increase the depth of the depletion region of the photodiode due to the low concentration of p epitaxial layer, thereby increasing the photodiode's ability to collect photocharges.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때 문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.In addition, having a high concentration of p ++ type substrate under the p type epitaxial layer causes random diffusion of photocharges because the charge is recombined before the charge is diffused to neighboring pixel units. This is because it is possible to reduce the change in the transfer function of the photocharges.
상기 소자 분리막(5)은 상기 반도체 기판(10)에 트렌치를 형성한 후, 절연물질을 매립하여 형성할 수 있다.The
상기 게이트(15)는 상기 반도체 기판(10)에 산화막 및 폴리실리콘을 형성하고, 패터닝하여 형성할 수 있다.The
상기 게이트(15)는 트랜스퍼게이트(transfer gate)가 될 수 있다.The
본 실시예에서 상기 게이트(15)는 폴리실리콘으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 상기 게이트(15)는 금속실리사이드막을 포함하여 형성될 수 있다.In the present embodiment, the
그리고, 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 제1포토레지스트 패턴(100)을 형성하고, 제1이온주입 공정 및 제2이온주입 공정을 진행하여, 제1불순물 영역(40) 및 제2불순물 영역(50)을 포함하는 포토다이오드(55)를 형성한다.The first
상기 제1불순물 영역(40)은 상기 반도체 기판(10)에 n형 불순물로 상기 제1이온주입 공정을 진행하여 형성되며, 상기 제2불순물 영역(50)은 상기 반도체 기판(10)에 p형 불순물로 제2이온주입 공정을 진행하여 형성된다.The
그리고, 상기 제1포토레지스트 패턴(100)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.In addition, the
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 제2포토레지스트 패턴(200)을 형성하고, 제3이온주입 공정을 진행하여 제3불순물 영역(60)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2, the second
상기 제3불순물 영역(60)은 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이 될 수 있다.The
그리고, 상기 제2포토레지스트 패턴(200)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.The
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 유전체막(20)을 형성하고, 제4이온주입 공정을 진행하여 제4불순물 영역(30)을 형성한다.3, the dielectric film 20 is formed on the
상기 유전체막(20)은 상기 게이트(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 산화막, 질화막 및 산화막을 순차적으로 형성한 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막으로 형성된다.The dielectric film 20 is formed of an oxide-nitride-oxide (ONO) film in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are sequentially formed on the
상기 유전체막(20)은 LP-CVD(low Pressure-Chemical Vapor Deposition)로 형성될 수 있으며, 상기 유전체막(20)에 형성된 상기 산화막은 TEOS(tetraethly orthosilicate)로 형성될 수 있다.The dielectric layer 20 may be formed by low pressure-chemical vapor deposition (LP-CVD), and the oxide layer formed on the dielectric layer 20 may be formed by tetraethly orthosilicate (TEOS).
상기 제4이온주입 공정은 중수소 이온(Deuterium Ion, D+)을 0.1~10 KeV의 에너지에서 1×1015~1×1016 atoms/cm2의 농도로 주입하여 진행되며, 상기 제4이온주입 공정으로 제4불순물 영역(30)이 형성된다.The fourth ion implantation process is performed by injecting deuterium ions (D + ) at a concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 16 atoms / cm 2 at an energy of 0.1 to 10 KeV. The
상기 제4불순물 영역(30)은 상기 유전체막(20)과 제2불순물 영역(50)에 형성될 수 있다.The
상기 제4불순물 영역(30)을 형성한 뒤, 급속 열처리(Rapid Thermal Anneal) 방식으로 열처리 공정을 진행한다.After the
상기 열처리 공정은 질소(N2) 분위기에서 1000~1100 ℃의 온도로 10초 동안 진행될 수 있다.The heat treatment process may be performed for 10 seconds at a temperature of 1000 ~ 1100 ℃ in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.
이때, 상기 열처리 공정을 통하여, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온을 결합시킨다.At this time, through the heat treatment process, deuterium ions are bonded to dangling bonds present at the interface between the
즉, 상기 반도체 기판(10)과 유전체막(20) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온을 결합시킴으로써, 상기 반도체 기판(10)에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.That is, electron-hole pairs are formed on dangling bonds formed on the
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지함으로써, 상기 포토다이오드(55)의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.By preventing electron-hole pairs from trapping in the dangling bonds, the saturation current of the
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유전체막(20) 상에 제3포토레지스트 패턴(300)을 형성하고, 상기 유전체막(20)에 식각 공정을 진행하여, 유전체막 패턴(23) 및 상기 게이트(15)의 측벽에 스페이서(25)를 형성한다.As shown in FIG. 4, a
상기 스페이서(25)는 상기 제3불순물 영역(60) 상에 형성될 수 있다.The
그리고, 상기 제3포토레지스트 패턴(300)을 애싱공정을 진행하여 제거할 수 있다.The
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(35)을 형성할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 5, an
그리고, 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10) 상에 금속배선층, 컬러필터 어레이(color filter array) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성할 수 있다.Although not shown, a metal wiring layer, a color filter array, and a micro lens may be formed on the
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 반도체 기판과 유전체막에 중수소 이온층을 형성하여, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합된다.As described above, the image sensor and the method of manufacturing the same according to the embodiment form a deuterium ion layer on the semiconductor substrate and the dielectric film, and deuterium at the dangling bond present at the interface between the semiconductor substrate and the dielectric film. Ions are bound.
즉, 상기 반도체 기판과 유전체막 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)에 중수소 이온이 결합됨으로써, 상기 반도체 기판에 형성된 댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지할 수 있다.That is, deuterium ions are bonded to dangling bonds present at the interface between the semiconductor substrate and the dielectric film, whereby electron-hole pairs are trapped in the dangling bonds formed on the semiconductor substrate. to prevent trapping.
댕글링 본드에 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 트랩(trap)되는 것을 방지하여, 상기 포토다이오드의 포화 전류(saturation current)를 증가시키고, 래그(lag) 특성을 향상시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Preventing trapping of electron-hole pairs in dangling bonds increases the saturation current of the photodiode and improves the lag characteristics to ensure the reliability of the image sensor Can improve.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응 용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the above description has been made based on the embodiments, these are merely examples and are not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains may not have been exemplified above without departing from the essential characteristics of the present embodiments. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to these modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정 단면도이다.1 to 5 are cross-sectional views of a method of manufacturing the image sensor according to the embodiment.
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