JP2000031455A - イメ―ジセンサのフォトダイオ―ド - Google Patents

イメ―ジセンサのフォトダイオ―ド

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JP2000031455A
JP2000031455A JP11184261A JP18426199A JP2000031455A JP 2000031455 A JP2000031455 A JP 2000031455A JP 11184261 A JP11184261 A JP 11184261A JP 18426199 A JP18426199 A JP 18426199A JP 2000031455 A JP2000031455 A JP 2000031455A
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trench
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Sang-Hoon Park
相 ▲ふん▼ 朴
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】フォトダイオードの単位面積を増大させ集積度
と光感度を増大させる。 【解決手段】本発明は、集積度が維持されながらフォト
ダイオードの単位面積を増大させ集積度と光感度を増加
させることのできるイメージセンサのフォトダイオード
を提供することを目的とし、外部からの光を感知するた
めのCMOS(ComＰlementary Metal Oxide Semiconductor)
イメージセンサのフォトダイオードにおいて、フォトダ
イオードのＰN 接合面積を増加させるための不均一な表
面を含み、増加されたＰN接合面積は上記フォトダイオ
ードの光感度を改善させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明はイメージセンサのフ
ォトダイオードに関し、特にピンドフォトダイオード(P
inned Photodiode) または、埋設フォトダイオード(Bur
ied Photodiode)と呼ばれるCMOS(Complementary Metal
Oxide Semiconductor)イメージセンサのフォトダイオー
ドに関するものである。
【０００２】
【従来技術】一般的に、CMOSイメージセンサは、CMOS製
造技術を利用して光学的イメージを電気的信号に変換さ
せる素子として、画素の数に対応するMOSトランジスタ
を作ることを利用して利用して次々出力を検出する、ス
イッチング方式を採用している。現在イメージセンサと
して広く使われているCCD(Charge Coupled Device)イメ
ージセンサに比べてCMOSイメージセンサは、駆動方式が
簡便かつ多様なスキャニング方式の実用化が可能であ
り、信号処理回路を単一のチップに集積できる為製品の
小型化が可能になるだけでなく、互換性のCMOS技術を使
用するために製造の単価をさげることができ、且つ電力
消耗も非常に少ないという長所をもっていることは周知
の事実である。
【０００３】図1に図示されるように、CMOSイメージセ
ンサの単位画素(Unit Pixel)は、1個のピンドフォトダ
イオード(PPD)と4個のNMOSトランジスタで構成されてい
る。
【０００４】４個のNMOSトランジスタは、ピンドフォト
ダイオード(PPD)から生成された光電荷をセンシングノ
ードに伝達するためのトランスファトランジスタ(10
2)、次の信号検出のためのセンシングノードをリセット
するためのリセットトランジスタ(104)、ソースフォロ
ア(Source Follower)の役割を遂行するためのドライブ
トランジスタ(106)、及びアドレス信号に応答して出力
端にデータを出力するためのセレクトトランジスタ(10
8)で構成される。ここで、電荷伝達効率が改善できるよ
うにリセットトランジスタ(104)及びトランスファトラ
ンジスタ(102)はネイティブ(native)NMOSトランジスタ
で構成される。すなわち、マイナスのしきい電圧を持つ
ネイティブNMOSトランジスタはプラスのしきい電圧によ
る電圧降下で発生した電子損失を防止できるので電荷伝
達の効率が改善できる。
【０００５】図2に図示されるように、従来のCMOSイメ
ージセンサの単位画素はＰ+シリコン基板(201)、Ｐ型―
エピタキシャル層(202),Ｐ型-ウェル(203),フィールド
酸化膜(204)、ゲート酸化膜(205)、ゲート電極(206)、N
-拡散領域(207)、Ｐ0拡散領域(208)、N+拡散領域(209)
及び酸化膜スペーサ(210)を含む。
【０００６】ピンドフォトダイオード(ＰＰD）はＰ型―
エピタキシャル層(202)、N-拡散領域(207)及びＰ0拡散
領域(208)が積層されたＰNＰ接合構造を備え、このよう
なピンドフォトダイオードは電源電圧3.3V以下(例え
ば、1.2Vないし2.8V)で二つのＰ型領域がお互いに等電
位にし、N-拡散領域(207）が安定的に完全に空乏され
る。
【０００７】また、トランスファゲート(Tx)を持つトラ
ンスファトランジスタがネイティブトランジスタで構成
されるために、トランスファゲート(Tx）の下部でチャ
ネルの役割をするＰ型-エピタキシャル層(202)にはトラ
ンジスタの特性＜しきい電圧及びパンチスルー(Punch-t
hrough)特性＞を調節するためのイオン注入工程が省略
されることができる。
【０００８】したがって、陰のしきい電圧を持つNMOSト
ランジスタ(ネイティブトランジスタ)は電荷伝達効率を
極大化することができ、トランスファゲート(Tx)とリセ
ットゲート(Rx)の間のＰ型−エピタキシャル層(202)表
面に形成されたN+拡散領域(センシングノード）は、LDD
領域なしに高濃度N+領域だけで生成されて伝達される電
荷量によるセンシングノードの電位量を増幅させるよう
に構成されている。一方、Ｐ型-エピタキシャル層(202)
はＰ+シリコン基板(201)に比べて基板ドーピング濃度が
低いために、Ｐ型-エピタキシャル層(202）がピンドフ
ォトダイオードの空乏層の深さを増加させ光感度(Photo
sensitivity)を高めることができ、Ｐ +シリコン基板(20
1)の存在のため空乏層下部の深い所から発生し得る光電
荷らが再結合されて、単位画素間のクロストーク(cross
talk)効果を減らすことができるためである。
【０００９】従来のピンドフォトダイオードは、フィー
ルド酸化膜(204)とトランスファゲート(Tx)間のＰ型-エ
ピタキシャル層(202)の一定の領域に形成されるため、
集積度を落とさなくてピンドフォトダイオードの単位面
積を増大させるということは不可能であった。また、従
来のピンドフォトダイオードはデザインのルールを超え
る単位面積を増加させることができないので、CMOSイメ
ージセンサのデザインのルールが0.25μm 以下になると
光感度が著しく低下され、イメージセンサの解像度が大
きく落ちる短所があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする技術的課題】上記従来からの
技術的な問題点を解決するために案出された本発明は、
集積度が維持された状態でフォトダイオードの単位面積
を増加させ、集積度と光感度を増加させることができる
イメージセンサのフォトダイオードを提供することを目
的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、外部からの光を感知するためのCMOS(Compl
ementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセン
サのフォトダイオードにおいて、上記フォトダイオード
のPN接合面積を増加させるための不均一な表面を含み、
上記増加されたPN接合面積は上記フォトダイオードの光
感度を改善し、上記フォトダイオードは、第1導電型の
半導体層、光感知領域の上記半導体層が一定の深さに蝕
刻された少なくとも一つのトレンチ、上記トレンチの側
面及び底面に形成された第1導電型の第1拡散領域及び上
記第1導電型の第1拡散領域下部に形成された第2導電型
の第2拡散領域を含み、上記第1拡散領域の一部が上記半
導体層と直接的に接触する。
【００１２】また、本発明は外部からの光を感知するた
めのCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)
イメージセンサのフォトダイオードにおいて、上記フォ
トダイオードのPN接合面積を増加させるための不均一な
表面を含み、上記の増加されたPN接合面積は上記フォト
ダイオードの光感度を改善させ、上記フォトダイオード
は、第1導電型の半導体層、光感知領域の上記半導体層
が突出された少なくとも一つの突出部、上記突出部の上
記半導体層表面の下部に形成された第1導電型の第1拡散
領域、及び上記第1導電型の第1拡散領域下部に形成され
た第2導電形の第2拡散領域を含み、上記第1拡散領域の
一部が上記半導体層と直接的に接触する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例を
添付された図面を参照して説明する。
【００１４】図3A及び図3Bに図示されるように、一定な
集積度を維持しながらピンドフォトダイオードの単位面
積を増加させ、光感度を増加させることができるよう
に、不均一な表面(uneven surface)であるトレンチ（tr
ench)(300)がＰ型―エピ層(302）の表面に形成される。
【００１５】光感知領域のＰ型―エピ層(302)にはその
表面から一部の厚さが蝕刻された少なくとも一つのトレ
ンチ(300)が形成され、トレンチ(300）のＰ型―エピタ
キシャル層(302)の側壁及び底面の下部にP0拡散領域(30
5)及びN-拡散領域(304）が形成されている。好ましい実
施形態では、N-拡散領域(304）がP0拡散領域(305)に拡
張する。この時、イオン注入はN-拡散領域(304）がP0拡
散領域(305）を完全に取り囲まないように制御されなけ
ればならない。すなわち、Ｐ型―エピ層(302)及びP0拡
散領域(305）が等電位を持つように、P0拡散領域(305）
の一部がＰ型―エピ層(302)と直接的に接触されなけれ
ばならない。このような直接的な接触は低電圧でN-拡散
領域(304）を完全に空乏させることにより３.３Vの電源
電圧の以下で低電圧の動作を可能にする。
【００１６】PNP接合がトレンチ(300）のＰ型―エピ層
(302）の側壁及びトレンチ(300）の底面の下部に形成さ
れることができ、ピンドフォトダイオードにおいてPNP
接合面積が増加される。したがって、本発明のピンドフ
ォトダイオードはPNP接合面積を増加させることにより
イメージセンサの光感度及び解像度を増加させることが
できる。
【００１７】通常Ｐ型―エピ層(302）は5〜10μm の厚
さで形成されるので、トレンチ(300）は約 0.5〜1.0μm
の深さを持つのが望ましく、トレンチ(300)の入口部位
が底面に対して広くなるようにトレンチ(300）の側壁は
約80〜87度程度の傾斜を持っているが、トレンチ(300）
の側壁を傾斜になるようにする理由は製造工程上で側壁
にも容易に拡散領域が形成されPNP接合が行われるよう
にするためである。
【００１８】図4に図示されるように、約10〜100Ω/cm
の比抵抗を持つＰ型―エピ層(412)が成長されたＰ+シリ
コン基板(411）を準備し、写真蝕刻法によりピンドフォ
トダイオードが形成される光感知領域のＰ型―エピ層(4
12）の一部の厚さを蝕刻させるが、等方性の蝕刻特性を
持つようにSF6及びCl2の混合ガスを使用してプラズマ蝕
刻を実施することによって傾斜したトレンチ(413)を形
成する。その深さは約0.5〜1.0μmを形成する。
【００１９】以後、図5に図示されるように、約50〜100
KeV範囲のエネルギー及び 7×1012〜9×1012/cm2範囲の
ドーズ(dose)条件でB(ほう素)原子をイオン注入して上
記Ｐ型―エピ層(412)内にＰ―ウェル(414）を形成した
後、フィールド酸化膜(415）を形成する。
【００２０】以後、図6に図示されるように、ゲート酸
化膜(416）を形成した後トレンチ(413）の他の側面に整
列するゲート電極(417）が形成されるが、ゲート電極(4
17)の中トランスファゲート(Tx)及びリセットゲート(R
x）は約1μm以上のチャネルの大きさを持っており、ド
ライブゲート(MD)とセレクトゲート(Sx）は約0.5μm以
下のチャネルの大きさを持つように各々パターンニング
される。
【００２１】以後、トレンチ(413）のＰ型―エピ層(41
2）が露出されるようにマスク(418)を形成し、イオン注
入によりN-拡散領域(419)とP0拡散領域(420）を各々形
成する。具体的には、 N-拡散領域(419）は約 150〜250
KeV範囲のエネルギーと1×10 12〜3×1012/cm2範囲のド
ーズ(dose)条件でＰ(燐)原子をイオン注入して形成し
て、P0拡散領域(420）は約20〜40KeV範囲のエネルギー
と1×1013〜3×1013/cm2範囲のドーズ条件でBF2イオン
を注入して形成する。これによりPNP接合構造を持つピ
ンドフォトダイオード(PPD)が形成される。この際、マ
スク(418）のエッジはフィールド酸化膜(415)に位置さ
れ、マスク(418）の他のエッジはトランスファトランジ
スタ(Tx）のゲートに位置される。P0拡散領域(420）が
Ｐ―エピ層(412)と直接的に接触されるように燐(Ｐ)イ
オンの加速エネルギーがBF2イオンの加速エネルギーよ
り大きい。
【００２２】以後、図7に図示されるように、マスク(41
8)を除去してＰ型―ウェル(414）がオープンされたマス
ク(421)を形成した後、約20〜60KeV範囲のエネルギーと
3×1012〜5×1012/cm2範囲のドーズ条件でＰ(燐)原子を
イオン注入し、LDD(LightlyDoped Drain)拡散領域(42
2）を形成する。
【００２３】以後、図8に図示されるように、マスク(42
1)を除去して、全体構造の上部に低圧化学気相蒸着法で
約 2,000〜2,500オングストロームのTEOS(Tetraethoxys
ilane)酸化膜を形成し、非等方性プラズマ蝕刻をするこ
とにより、露出されたゲート電極(417)及びトレンチ(41
3）の側壁にスペーサ(423)を形成する。
【００２４】以後、光感知領域（すなわち、ピンドフォ
トダイオード）を覆うマスク(424)を形成し、約60〜90K
eV 範囲のエネルギーと1×1015〜9×1015/cm2範囲のド
ーズ条件でAs(砒素)原子をイオン注入することによって
N+拡散領域(425）を形成する。
【００２５】図9及び図10に図示されるように、一定の
集積度を維持しながらピンドフォトダイオードの単位面
積を増加させ、光感度を増加させることができるように
不均一な表面である突出部(Protrusion)(500)がＰ型―
エピ層(502）の表面に形成される。
【００２６】P0拡散領域(505）はＰ型―エピ層(502)の
内部及び露出された突出部(500）の表面の下部に形成さ
れる。N-拡散領域(504）はＰ型―エピ層(502)の内部及
びP0拡散領域(505)下部に形成される。好ましい実施形
態では、N-拡散領域(504）はＰ型―エピ層(502)に拡張
する。Ｐ型―エピ層(502)及びP0拡散領域(505）が等電
位を持つように、P0拡散領域(505）の一部がＰ型―エピ
層(502)と直接的に接触されなければならない。図3A及
び図3Bと同様に、このような直接的な接触は低電圧でN-
拡散領域(504）を完全に空乏させることにより3.3Vの電
源電圧の以下で低電圧動作を可能にする。
【００２７】PNP接合が突出部(500）のＰ型―エピ層(50
2）の側壁及び突出部(300）のＰ型―エピ層(502)の底面
下部に形成されることができるのでピンドフォトダイオ
ードでPNP接合面積が増加される。したがって、本発明
のピンドフォトダイオードはPNP接合面積を増加させる
ことにより、イメージセンサの光感度及び解像度を増加
させることができる。一般的にＰ型―エピ層(502）は5
〜10μmの厚さで形成されるので、突出部(500）は約0.5
〜1.0μm の深さを持つのが望ましく、突出部(500）の
上部が突出部(500）の下部よりもっと狭くなるように突
出部(500）の側壁は約80〜87度程度の傾斜を持っている
が、突出部(500）の側壁を傾斜になるようにする理由
は、製造工程上で側壁にも容易に拡散領域が形成されて
PNP接合が行われるようにするためである。
【００２８】CMOS製造工程は多様に実施できる。特に、
Ｐ型―エピ層(502）が部分的に蝕刻される際突出部(50
0)が形成される。また、突出部(500）はエピタキシャル
成長により既存のＰ型―エピ層(502)に形成されること
ができる。
【００２９】本発明の技術思想は上記の好ましい実施例
にしたがって具体的に記述されたが、本発明は上記の実
施形態に制限されず、さまざまな改良・発展を加えるこ
とができる。また、本発明の技術分野で当業者ならば本
発明の技術思想の範囲内で多様な実施例が可能であるこ
とを十分に理解することができる。
【００３０】
【発明の効果】発明は高集積化CMOSイメージセンサに対
応してフォトダイオードの単位面積を増大させることに
より光感度を大きく向上させ、イメージセンサの解像度
を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術に係るCMOSイメージセンサの単位画素
の回路図である。
【図２】従来技術に係るCMOSイメージセンサの単位画素
の断面図である。
【図３】Ａ：本発明の一実施例に係るピンドフォトダイ
オードの断面図である。 Ｂ：本発明の一実施例に係るピンドフォトダイオードの
断面図である。
【図４】CMOS製造工程を利用した単位画素製造方法を説
明するための断面図である。
【図５】CMOS製造工程を利用した単位画素製造方法を説
明するための断面図である。
【図６】CMOS製造工程を利用した単位画素製造方法を説
明するための断面図である。
【図７】CMOS製造工程を利用した単位画素製造方法を説
明するための断面図である。
【図８】CMOS製造工程を利用した単位画素製造方法を説
明するための断面図である。
【図９】本発明の他の実施例に係るピンドフォトダイオ
ードの断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係るピンドフォトダイ
オードの断面図である。
【符号の説明】
301 P+シリコン基板 302 Ｐ型―エピタ
キシャル層 303 フィールド酸化膜 304 N-拡散領域 305 P0拡散領域 Tx トランスファ
ゲート

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項 1】外部からの光を感知するためのCMOSイメー
    ジセンサのフォトダイオードにおいて、PN接合面積を増
    加させるための不均一な表面を含み、増加されたPN接合
    面積によって光感度を改善させることを特徴とするCMOS
    イメージセンサのフォトダイオード。
  2. 【請求項 2】上記フォトダイオードは、第1導電型の半
    導体層、光感知領域である上記半導体層が一定の深さに
    蝕刻された少なくとも一つのトレンチ、上記トレンチの
    側面及び底面に形成された第1導電型の第1拡散領域、及
    び上記第1導電型の第1拡散領域下部に形成された第2導
    電型の第2拡散領域を含み、上記第1拡散領域の一部が上
    記半導体層と直接的に接触する請求項１に記載のフォト
    ダイオード。
  3. 【請求項 3】上記トレンチは、トレンチの入口部位が、
    底面に対してより広くなるように側壁が傾斜しているこ
    とを特徴とする請求項２に記載のフォトダイオード。
  4. 【請求項 4】上記半導体層は、半導体層の下部に半導体
    層よりも高い第１導電型のドーパント濃度を持つ半導体
    基板を含むことを特徴とする請求項３に記載のフォトダ
    イオード。
  5. 【請求項 5】上記半導体層は、上記半導体基板上にその
    厚さが5〜10μmに成長されたエピタキシャル層であるこ
    とを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオード。
  6. 【請求項 6】トレンチが、約0.5〜1.0μmの深さを持つ
    ことを特徴とする請求項３記載のフォトダイオード。
  7. 【請求項 7】上記フォトダイオードが、第1導電型の半
    導体層、光感知領域である上記半導体層が突出された少
    なくとも一つの突出部、上記突出部の上記半導体層表面
    の下部に形成された第1導電型の第1拡散領域、及び上記
    第1導電型の第1拡散領域下部に形成された第2導電型の
    第2拡散領域を含み、上記第1拡散領域の一部が上記半導
    体層と直接的に接触することを特徴とする請求項１に記
    載のフォトダイオード。
  8. 【請求項 8】上記突出部は、上記突出部の上段部が、そ
    の下段部に対して狭くなるように側壁が傾斜しているこ
    とを特徴とする請求項７に記載のフォトダイオード。
  9. 【請求項 9】上記半導体層は、上記半導体層の下部に、
    上記半導体層より高い第１導電型のドーパント濃度を持
    つ半導体基板を含むことを特徴とする請求項８に記載の
    フォトダイオード。
  10. 【請求項 10】 上記突出部が、約0.5〜1.0μmの深さを
    持つ請求項９に記載のフォトダイオード。
JP11184261A 1998-06-29 1999-06-29 イメ―ジセンサのフォトダイオ―ド Pending JP2000031455A (ja)

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