JP4340201B2 - Ｃｍｏｓイメージセンサの光カラー感度感知方法 - Google Patents

Ｃｍｏｓイメージセンサの光カラー感度感知方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4340201B2
JP4340201B2 JP2004215749A JP2004215749A JP4340201B2 JP 4340201 B2 JP4340201 B2 JP 4340201B2 JP 2004215749 A JP2004215749 A JP 2004215749A JP 2004215749 A JP2004215749 A JP 2004215749A JP 4340201 B2 JP4340201 B2 JP 4340201B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photodiode
back bias
light
image sensor
cmos image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004215749A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2005197647A (ja
Inventor
閔偉植
Original Assignee
東部エレクトロニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 東部エレクトロニクス株式会社 filed Critical 東部エレクトロニクス株式会社
Publication of JP2005197647A publication Critical patent/JP2005197647A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4340201B2 publication Critical patent/JP4340201B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H01L27/14647—Multicolour imagers having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14632—Wafer-level processed structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本発明はＣＭＯＳイメージセンサーに関し、特にカラーフィルター層を使用せずとも赤、緑、青色の光カラー感度を感知できるようにしたＣＭＯＳイメージセンサー、及びカラー感度感知方法に関する。
一般に、イメージセンサーは、光学的映像を電気信号に変換する半導体素子であり、大別して電荷結合素子（charge coupled device；ＣＣＤ）と、ＣＭＯＳイメージセンサー（ＣＭＯＳ image sensor；ＣＩＳ）とに区分される。
前記電荷結合素子ＣＣＤは、光信号を電気信号に変換する複数個のフォトダイオードＰＤがマトリックス形態で配列され、前記マトリックス形態で配列された各垂直方向のフォトダイオードの間に形成され、前記各フォトダイオードで生成された電荷を垂直方向に伝送する複数個の垂直方向電荷伝送領域（Vertical charge coupled device；ＶＣＣＤ）と、前記各垂直方向伝送領域によって伝送された電荷を水平方向に伝送する水平方向電荷伝送領域（horizontal charge coupled device;ＨＣＣＤ）、及び前記水平方向に伝送された電荷をセンシングして、電気信号を出力するセンスアンプとを備えて構成される。
しかしながら、このようなＣＣＤは駆動方式が複雑で、電力消費が大きいばかりでなく、多段階のフォト工程が要求されるので、製造工程が複雑であるという短所がある。また、前記電荷結合素子は、制御回路、信号処理回路、アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄコンバーター）などを電荷結合素子チップに集積させにくく、製品の小型化が困難であるという短所がある。
最近は、前記電荷結合素子の短所を克服するための次世代イメージセンサーとして、ＣＭＯＳイメージセンサーが注目を浴びている。前記ＣＭＯＳイメージセンサーは、制御回路及び信号処理回路などを周辺回路として使用するＣＭＯＳ技術を用いて、単位画素の数量に当たるＭＯＳトランジスターを半導体基板に形成することで、前記ＭＯＳトランジスターによって各単位画素の出力を順次に検出するスイッチング方式を採用した素子である。
即ち、前記ＣＭＯＳイメージセンサーは、単位画素内にフォトダイオードと、ＭＯＳトランジスターとを形成することで、スイッチング方式で各単位画素の電気信号を順次に検出して、映像を実現する。
前記ＣＭＯＳイメージセンサーは、ＣＭＯＳ製造技術を用いるので、わずかな電力消費、わずかなフォト工程ステップによる単純な製造工程などのような長所を有する。また、前記ＣＭＯＳイメージセンサーは、制御回路、信号処理回路、アナログ／デジタル変換回路などをＣＭＯＳイメージセンサーチップに集積することができるので、製品の小型化が容易であるという長所がある。したがって、前記ＣＭＯＳイメージセンサーは、現在、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどのような多様な応用部分に広く使用されている。
一般的なＣＭＯＳイメージセンサーを添付の図面に基づいて説明する。
図１は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサーの単位画素の等価回路図であり、図２は、従来のＣＭＯＳイメージセンサーの構造断面図である。
一般的なＣＭＯＳイメージセンサーの単位画素は、図１に示すように、一つのフォトダイオードＰＤと、３つのｎＭＯＳトランジスターＴ１，Ｔ２，Ｔ３とで構成される。前記フォトダイオードＰＤのカソードは、第１ｎＭＯＳトランジスターＴ１のドレイン、及び第２ｎＭＯＳトランジスターＴ２のゲートに接続されている。そして、前記第１、第２ｎＭＯＳトランジスターＴ１，Ｔ２のソースは、共に基準電圧ＶＲが供給される電源線に接続されており、第１ｎＭＯＳトランジスターＴ１のゲートには、リセット信号（ＲＳＴ）が供給されるリセット線が接続されている。
また、第３ｎＭＯＳトランジスターＴ３のソースは、前記第２ｎＭＯＳトランジスターのドレインに接続され、前記第３ｎＭＯＳトランジスターＴ３のドレインは、信号線を介して判読回路（図示せず）に接続され、前記第３ｎＭＯＳトランジスターＴ３のゲートは、選択信号ＳＬＣＴが供給される熱選択線に接続されている。したがって、前記第１ｎＭＯＳトランジスターＴ１はリセットトランジスターと称し、第２ｎＭＯＳトランジスターＴ２はドライブ用トランジスター、第３ｎＭＯＳトランジスターＴ３は選択用トランジスターと称する。
以下、このようなＣＭＯＳイメージセンサーの構造について説明する。
図２はフォトダイオード領域を示すもので、Ｐ型半導体基板１０上にアクティブ領域と、フィールド領域とが定義され、前記フィールド領域に素子分離膜１１が形成される。そして、前記アクティブ領域のフォトダイオード形成領域にＮ型不純物イオン注入によってフォトダイオードアレイ１３のためのフォトダイオードＰＤ１３ａ、１３ｂ、１３ｃが形成される。
そして、前記フォトダイオードアレイ１３を含み、前記半導体基板１０の全面に透明な
層間絶縁膜１５が形成され、前記フォトダイオード１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応する前記層間絶縁膜１５上にカラーフィルターアレイ１７のための赤、緑、青色のカラーフィルター層１７ａ、１７ｂ、１７ｃが形成され、前記カラーフィルター層１７ａ、１７ｂ、１７ｃを含む前記層間絶縁膜１５上に平坦化層１９が形成される。
前記平坦化層１９の上側の前記カラーフィルター層１７ａ，１７ｂ、１７ｃが対応される位置に光をフォーカシングするためのマイクロレンズ２１が形成される。
ここで、前記半導体基板１０は、Ｐ型単結晶シリコン基板で形成され、前記フォトダイオード１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、Ｎ型拡散領域で形成することができる。前記フォトダイオードアレイ１３は、フォトゲートを用いたフォトゲートアレイで代置しえる。
前記層間絶縁膜１５は、主に酸化膜で形成することができる。前記カラーフィルター１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、それぞれ赤、緑、青色の染料を使用した減光膜で形成することができる。
韓国公開特許公報２００３−００５６０９６号
このような構造を有するＣＭＯＳイメージセンサーの場合、前記層間絶縁膜１５上で前記カラーフィルター層１７ａ、１７ｂ、１７ｃを順次に形成することが一般的である。これをより詳細に説明すると、前記層間絶縁膜１７上にスピンコーティング工程によって赤色の染料を使用した減光膜をコーティングした後、路光及び現像工程を用いて前記減光膜を前記フォトダイオード１３ａの真上に位置する層間絶縁膜１５のカラーフィルター層形成領域上に残すと共に、残り領域の減光膜を全て除去することで、前記カラーフィルター層１７ａを形成する。
このような方式で、前記フォトダイオード１３ｂの真上に位置した、層間絶縁膜１５のカラーフィルター形成領域上に前記カラーフィルター層１７ｂを形成してから、前記フォトダイオード１３ｃの垂直線上に位置した層間絶縁膜１５のカラーフィルター形成領域上に前記カラーフィルター層１７ｃを形成する。
したがって、従来は、赤、緑、青色のカラーフィルター層１７ａ、１７ｂ、１７ｃを有するカラーフィルターアレイを形成するために、コーティング、露光、現像工程を３回繰り返して進めなければならないので、カラーフィルターアレイの製造工程が複雑であるばかりでなく、前記カラーフィルター層１７ａ、１７ｂ、１７ｃをそれぞれ透過する赤、緑、青色光の透過度を均一に維持しにくい。
最近は、かかるカラーフィルターアレイの問題点を解消するために、カラーフィルターを使用せずとも赤、緑、青色の光をそれぞれ感知する方法が提案された。その方法のうち一つはマイクロプリズムを用いる方法として、韓国公開特許公報２００３−００５６０９６号に開示されている。また、他の一つは多重スリットを用いる方法として、韓国公開特許公報２００２−００３９４５４号に開示されている。しかし、このような方法は、前記マイクロプリズムや多重スリットを形成する工程が非常に複雑であるので、ＣＭＯＳイメージセンサーの複雑な製造工程を根本的に解決するのに限界がある。
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、カラーフィルター層を使用せず、フォトダイオードの幅と光電荷の電流値から前記空乏領域内における光波長による赤、緑、青色光のカラー感度を演算する方法を用いて、赤、緑、青色の光を容易に感知できる、ＣＭＯＳイメージセンサー、及びその駆動方法を提供することにその目的がある。
また、本発明は、カラーフィルター層の製造工程を省略することで、ＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程を単純化することに他の目的がある。
上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、アクティブ領域を有する半導体基板と、前記半導体基板のアクティブ領域に形成され、光の照射によって光電荷（電子及び正孔）を生成するフォトダイオードと、前記半導体基板の全面に形成された層間絶縁膜と、
前記フォトダイオードの真上に位置するように前記層間絶縁膜上に形成されたマイクロレンズを備え、前記半導体基板には前記フォトダイオードの空乏領域の幅を変えるためのバックバイアス電圧が印加されることを特徴とする。
ここで、前記バックバイアス電圧値は青、緑、及び赤色の光波長に対応することを特徴とする。
前記バックバイアス電圧を多数個の相違値で発生させるバックバイアス電圧発生部と、前記半導体基板のアクティブ領域に形成され、前記フォトダイオードに生成された光電荷を伝送する光電荷伝送部と、前記半導体基板のアクティブ領域に形成され、前記バックバイアス電圧による前記フォトダイオードの空乏領域の幅と、前記光電荷の電流値から前記空乏領域内での光波長による赤、緑、青色光のカラー感度を演算する光カラー感度演算部をさらに含むことを特徴とする。
前記層間絶縁膜と、前記マイクロレンズとの間に平坦化層がさらに形成されることを特徴とする。
また、上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、複数個のアクティブ領域を備えたｐ型半導体基板と、前記ｐ型半導体基板の各アクティブ領域に形成され、光信号を電気信号に変換する複数個のフォトダイオードと、前記各フォトダイオードの一方の前記ｐ型半導体基板に形成される複数個のｐ型不純物領域と、前記ｐ型半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、前記各フォトダイオードの上側の層間絶縁膜上に形成される複数個のマイクロレンズとを備え、前記各ｐ型不純物領域には、前記各フォトダイオードの空乏領域の幅を変えられるようにするための互いに異なるバックバイアス電圧が印加されることを特徴とする。
ここで、前記各ｐ型不純物領域に印加される各バックバイアス電圧は赤、緑、赤色の光波長に対応することを特徴とする。
前記層間絶縁膜と、前記マイクロレンズとの間に平坦化層がさらに形成されることを特徴とする。
一方、上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感知方法は、カラーフィルター層が形成されず、半導体基板のアクティブ領域にフォトダイオードが形成されたＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感度感知方法において、前記フォトダイオードの空乏領域が第１幅を有するように前記半導体基板に第１バックバイアス電圧を印加するステップと、前記印加された第１バックバイアス電圧によって前記フォトダイオードで生成された光電荷の第１電流値を測定するステップと、前記フォトダイオードの空乏領域が第２幅を有するように前記半導体基板に第２バックバイアス電圧を印加するステップと、前記印加された第２バックバイアス電圧によって前記フォトダイオードで生成された光電圧の第２電流値を測定するステップと、前記フォトダイオードの空乏領域が第３幅を有するように、前記半導体基板に第３バックバイアス電圧を印加するステップと、前記印加された第３バックバイアス電圧によって前記フォトダイオードで生成された光電荷の第３電流値を測定するステップと、前記測定された第１、第２、第３電流値を演算して、光のカラー感度を演算するステップとを含むことを特徴とする。
ここで、前記第１、第２、第３バックバイアス電圧は、青、緑、赤色の光波長に対応することを特徴とする。
前記第１、第２、第３バックバイアス電圧のうち一つは０Ｖであることを特徴とする。
また、上記目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感知方法は、カラーフィルター層が形成されず、半導体基板に少なくとも第１、第２、第３フォトダイオードと、各フォトダイオードにバックバイアスを印加するための少なくとも第１、第２、第３不純物領域が形成されたＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感知方法において、前記第１、第２、第３不純物領域に互いに異なる第１、第２、第３バックバイアス電圧を印加するステップと、前記印加された第１、第２、第３バックバイアス電圧によって前記第１、第２、第３フォトダイオードで生成された光電荷の第１、第２、第３電流値を測定するステップと、前記測定された第１、第２、第３電流値を演算して、光のカラー感度を演算するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサー、及びその光カラー感度感知方法においては次のような効果がある。
第一に、カラーフィルターを形成せず、前記フォトダイオードに照射された光に対して赤、緑、青色の光カラー感度を感知できるので、赤、緑、青色のカラーフィルターを製造するための製造工程が省略可能であり、ひいてはＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程を単純化することができる。
第二に、カラーフィルターを使用しないので、赤、緑、青色光の透過度を均一に維持できる。
第三に、カラーフィルターを使用せず、半導体基板に印加されるバックバイアス電圧を調節して、フォトダイオードの空乏領域の幅を変えるようにし、一つのフォトダイオードで青、緑、及び赤色光を検出できるので、集積度を向上させることができる。
第四に、前記各フォトダイオードに前記赤、緑、及び青色の波長が浸透可能な深さに対応するように、互いに異なるバックバイアス電圧を印加して空乏領域の幅が異なるようにするので、赤、緑、青色フォトダイオードにそれぞれのカラーフィルターを形成せずともカラーを検出できる。
以下、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサー、及びその光カラー感度感知方法を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーのフォトダイオード領域を示す断面構造図である。
図３に示すように、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、Ｐ型半導体基板３０にアクティブ領域とフィールド領域とを形成して、該フィールド領域に素子分離膜３１を形成し、前記半導体基板３０のアクティブ領域にｎ型不純物イオン注入によって光信号を電気信号に変換するためのフォトダイオードＰＤ３３が形成される。
前記フォトダイオード３３を含む前記半導体基板３０の全面に透明な層間絶縁膜３５が形成され、該層間絶縁膜３５上に表面の平坦化のための平坦化層３９が形成される。
前記フォトダイオード３３に対応する位置の前記平坦化層３９上に外部光を前記フォトダイオード３３に集光させるための集光部、例えば、マイクロレンズ４１が形成される。
この際、前記半導体基板３０にはバックバイアス電圧Ｖｂが印加される。ここで、前記層間絶縁膜３５は、透明度の優秀な酸化膜系統の絶縁膜で形成することができ、前記層間絶縁膜３５は、説明の便宜上一層で構成されているように示されているが、実際には複数層で構成することができる。
また、前記半導体基板３０は、Ｐ型単結晶シリコン層で構成されているが、前記Ｐ型単結晶シリコン層と、その上のＰ＋型エピタキシャル層（図示せず）とで構成されることも可能である。
また、前記フォトダイオード３３の変わりにフォトゲート（図示せず）などが使用できることは勿論である。
一方、説明の便宜上図示してはいないが、前記半導体基板３０のアクティブ領域には、前記フォトダイオード３３と共に、光電荷伝送部、バックバイアス電圧Ｖｂ発生部、光カラー感度演算部、及び補間回路部などが形成されることは自明なことである。
図４は、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの信号処理部を示すブロック回路図である。
図４を参照すると、前記フォトダイオード１３３は、外部光（図示せず）が前記フォトダイオード１３３の照射によって所定の電流値に当たる多数の光電荷を生成する。
光電荷伝送部１３５は、通常、３つのトランジスターまたは４つのトランジスターで構成され、前記光電荷を光カラー感度演算部１３９に伝送する。バックバイアス電圧Ｖｂ発生部１３７は、前記フォトダイオード１３３が形成された図３の半導体基板３０にバックバイアス電圧Ｖｂを印加する。
光カラー感度演算部１３９は、前記伝送された光電荷による電流値と、前記バックバイアス電圧Ｖｂの変化によるフォトダイオード３３の空乏領域の可変幅を用いて、赤、緑、青色の光カラー感度を演算する。補間回路部１４１は、通常的な補間回路部として、前記演算された赤、緑、青色の光カラー感度に当たる信号を公知の方法によって補間処理することで、カラーイメージに当たるカラー信号を実現する。
以下、前記光カラー感度演算部１３９の光カラー感度演算過程をより詳細に説明する。
図５ａは、赤、緑、青色光の各波長による光吸収率を示すグラフで、図５ｂは、赤、緑、青色光を合算した光の波長によるカラー感度を示すグラフで、図６は、光の波長によるシリコン基板の浸透の深さを示すグラフである。
まず、赤、緑、青色光の各波長による光吸収率は、図５ａに示すとおりである。
即ち、波長が４４０〜４８０ｎｍの帯域を有する青色光は相対的に光吸収率が低く、波長が５２０〜５６０ｎｍの帯域を有する前記緑色光と、波長が６６０〜７７０ｎｍの帯域を有する前記赤色光は、相対的に光吸収率が高い。そして、前記赤、緑、青色光を合算した光の波長による感度は、図５ｂのような分布を有する。
また、光波長によるシリコン基板の浸透の深さは、図６に示す通りである。即ち、短波長の青色光はシリコン基板に浅く浸透し、長波長の緑色及び赤色光は、相対的に深く浸透することが分かる。
したがって、光の波長によってシリコン基板への浸透度が異なるので、前記フォトダイオードのＰＮ接合の深さによって各波長別に異なって感知されることを類推できる。
しかし、各フォトダイオードのＰＮ接合の深さがそれぞれ異なるようにするためには工程が複雑であるので、本発明では、本導体基板に印加されるバックバイアス電圧を調節して前記フォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域を調節し、これによって各波長別に光を感知する方法を用いる。
即ち、図３に示すように、前記フォトダイオード３３のＰＮ接合が形成された半導体基板３０にバックバイアス電圧を印加すると、前記フォトダイオード３３のＰＮ接合部に空乏領域３２が形成され、該空乏領域３２の幅Ｗは、前記半導体基板３０に印加されるバックバイアス電圧に影響を受ける。これを公知の（数学式１）によって表す。
（数学式１）
Ｗ＝ [{２Ｋｓε0（ΦB±|Ｖb|）} /ｑＮA]1/2
ここで、Ｋｓは、半導体層の誘電体常数で、ε0は、自由空間の誘電率で、ΦBは、金属−半導体のエネルギー障壁で、ｑは、単位電荷量で、ＮAは、アクセプター不純物濃度で、Ｖbは、バックバイアス電圧である。
このように、バックバイアス電圧ＶｂによってフォトダイオードのＰＮ接合に形成される空乏領域の幅が変わる。また、前記空乏領域で発生した光電荷による電流値Ａは、公知の（数学式２）によって表すことができる。
（数学式２）
Ａ＝１/２ｑ(ｎ1/τ）ＷＡｊ
ここで、Ａｊは、前記フォトダイオードのＰＮ接合断面積で、Ｗは、前記空乏領域の幅で、ｎ1は、固有キャリア濃度で、ｑは、単位電荷量である。
したがって、バックバイアス電圧で特定の電圧を半導体基板に加え、前記（数学式１）、及び（数学式２）で前記空乏領域内における赤、緑、青色光の波長値による光の感度を求められる。
即ち、図４の前記バックバイアス電圧Ｖｂ発生部１３７によって、互いに異なる第１、第２、第３バックバイアス電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３を図３の半導体基板３０に印加すると、前記空乏領域の幅は、第１バックバイアス電圧Ｖｂ１による第１幅Ｗ１、第２バックバイアス電圧Ｖｂ２による第２幅Ｗ２、第３バックバイアス電圧Ｖｂ３による第３幅Ｗ３を形成することができる。ここで、前記各バックバイアス電圧によって空乏領域の幅が調節され、空乏領域の幅によって感知される光の波長が異なるので、前記第１、第２、第３バックバイアス電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３は、青、緑、及び赤色の光波長に対応する値で調節する。
このようにバックバイアス電圧によって空乏領域の幅が異なるので、前記青、緑、赤色光の波長によるカラー感度ＩＲ、ＩＧ、ＩＢを演算することができる。
この際、前記第１、第２、第３バックバイアス電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３のうち一つを０Ｖに決定し、残りの二つのバックバイアス電圧を所定の値に決定できる。
前記（数学式１）及び（数学式２）から誘導して、（数学式３）のように、光の波長によるカラー感度ＩＲ、ＩＧ、ＩＢを演算することができる。
（数学式３）
I(W1) = A(W1) = IR exp(-λRW1) + IB exp(-λBW1) + IG exp(-λGW1)
I(W2) = A(W2) = IR exp(-λRW2) + IB exp(-λBW2) + IG exp(-λGW2)
I(W3) = A(W3) = IR exp(-λRW3) + IB exp(-λBW3) + IG exp(-λGW3)
ここで、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、前記第１、第２、第３バックバイアス電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３の印加による空乏領域の幅で、Ｒ、Ｇ、Ｂは、赤、緑、青色光の波長で、Ｉ(Ｗ１)、Ｉ(Ｗ２)、Ｉ(Ｗ３)は、前記空乏領域の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３によるカラー感度の測定値である。したがって、半導体基板３０に第１バックバイアス電圧Ｖｂ１を印加して、各フォトダイオード３３から感度Ｉ(Ｗ１)を測定し、前記半導体基板３０に第２バックバイアス電圧Ｖｂ２を印加して、各フォトダイオード３３から感度Ｉ(Ｗ２)を測定し、前記半導体基板３０に第３バックバイアス電圧Ｖｂ３を印加して、各フォトダイオード３３から感度Ｉ(Ｗ３)を測定する。
そして、前記各フォトダイオード３３で測定された感度を合算すると、各フォトダイオードで検出されたカラー感度を測定できる。
上記で説明したような前記光カラー感度演算部１３９は、赤、緑、青色のカラーフィルターを使用しないながらも、前記フォトダイオード１３３に照射された光に対して赤、緑、青色の光カラー感度を一連の計算式で演算することで感知できるので、赤、緑、青色のカラーフィルターを製造するための製造工程を省略可能であり、ひいてはＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程を単純化させることができる。また、前記赤、緑、青色のカラーフィルターを使用しないので、赤、緑、青色光の透過度を均一に維持できる。
また、本発明の第１実施形態によるフォトダイオードの構造では、一つのフォトダイオードで赤、緑、青の光カラー感度を全て検出するので、集積度を向上させることができる。即ち、従来のＣＭＯＳイメージセンサーでは、赤，緑，青の３つのフォトダイオードが一つのピクセルをなして光を感知するのに対し、本発明の第１実施形態では、一つのフォトダイオードで赤，緑，青の３つの光を検出するので、従来より集積度を３倍増加させることができる。
一方、カラーフィルター層を形成せず、赤、緑、青色のフォトダイオードにそれぞれ互いに異なるバックバイアス電圧を印加して、空乏領域の幅がそれぞれ異なるように構成して光を検出できる。このような方法を図７に基づいて説明すると次の通りである。
図７は、本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーの構造断面図である。
図７はフォトダイオード領域のみ示すもので、本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーは、Ｐ型半導体基板３００にアクティブ領域と、フィールド領域とを形成して、該フィールド領域に素子分離膜３１０を形成し、前記半導体基板３００のアクティブ領域のうち所定の部分に高濃度ｎ型不純物イオン注入によって光信号を電気信号に変換するための複数個（少なくとも３つ）のフォトダイオードＰＤ３３１、３３２、３３３が形成される。
前記アクティブ領域のうち前記フォトダイオード３３１，３３２，３３３が形成されていない半導体基板３００に高濃度Ｐ型不純物イオン注入によって各フォトダイオード３３１、３３２、３３３にバックバイアスを印加するためのＰ型不純物層３４１、３４２、３４３が形成される。
図示してはいないが、前記各フォトダイオード３３１、３３２、３３３、及びＰ型不純物領域３４１、３４２、３４３を含む前記半導体基板３０の全面に透明な層間絶縁膜（図３の３５参照）、及び平坦化層（図３の３９参照）が形成される。
そして、前記各フォトダイオード３３１、３３２、３３３に対応する位置の前記平坦化層上に外部光を各フォトダイオードに集光させるための集光部、例えば、マイクロレンズ（図３の４１参照）が形成される。ここで、前記各Ｐ型不純物領域３４１、３４２、３４３には互いに異なるバックバイアス電圧が印加される。即ち、前記第１Ｐ型不純物領域３４１には第１バックバイアス電圧Ｖｂ１が印加され、前記第２Ｐ型不純物領域３４２には第２バックバイアス電圧Ｖｂ２が印加され、前記第３Ｐ型不純物領域３４３には第３バックバイアス電圧Ｖｂ３が印加されるようにする。
このように各フォトダイオードに互いに異なるバックバイアス電圧が印加されると、上述したように、各フォトダイオードのＰＮ接合部には互いに異なる幅で空乏領域が形成される。即ち、前記バックバイアス電圧により、前記第１フォトダイオード３３１には前記青色光への感度に優れた空乏領域が形成され、第２フォトダイオード３３２には前記緑色光への感度に優れた空乏領域が形成され、第３フォトダイオード３３３には前記赤色光への感度に優れた空乏領域が形成される。
このように、各フォトダイオードで青色、緑色、及び赤色の光が検出されるので、従来のような方法によって光を検出することができる。
本発明は、図面及び発明の詳細な説明に記載の内容に限定されず、本発明の思想を外れない範囲内で多様な形態の変形が可能であることは、この分野に通常の知識を有する者には自明なことであろう。
一般的なＣＭＯＳイメージセンサーの単位画素の等価回路図である。である。 従来のＣＭＯＳイメージセンサーのフォトダイオード領域を示す断面構造図である。 本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーのフォトダイオード領域を示す断面構造図である。 本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーの信号処理部を示す等価回路図である。 本発明による赤、緑、青色光の波長による光吸収率を示すグラフである。 本発明による赤、緑、青色光を合算した光の波長によるカラー感度を示すグラフである。 本発明による光波長によるシリコン基板の浸透の深さを示すグラフである。 本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーのフォトダイオード領域を示す断面構造図である。
符号の説明
３０、３００ 半導体基板
３３、１３３、３３１、３３２、３３３ フォトダイオード
３５ 層間絶縁膜
３９ 平坦化層
１３５ 光電荷伝送部
１３７ バックバイアス電圧発生部
１３９ 光カラー感度演算部
１４１ 補間回路部
３４１、３４２、３４３ Ｐ型不純物領域

Claims (1)

  1. カラーフィルター層が形成されず、半導体基板に少なくとも第１、第２、第３フォトダイオードと、各フォトダイオードにバックバイアスを印加するための前記半導体基板と同一導電型の少なくとも第１、第２、第３高濃度不純物領域が形成されたＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感知方法において、
    前記第１、第２、第３高濃度不純物領域に互いに異なる第１、第２、第３バックバイアス電圧を印加するステップと、
    前記印加された第１、第２、第３バックバイアス電圧によって前記第１、第２、第３フォトダイオードで生成された光電荷の第１、第２、第３電流値を測定するステップと、
    前記測定された第１、第２、第３電流値を演算して、光のカラー感度を演算するステップとを含み、
    前記第１、第２、第３バックバイアス電圧によって、フォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域の幅が、青色、緑色及び赤色の各光波長に対応するように制御される、
    ことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーの光カラー感度感知方法。
JP2004215749A 2003-12-31 2004-07-23 Ｃｍｏｓイメージセンサの光カラー感度感知方法 Expired - Fee Related JP4340201B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030101663A KR100560309B1 (ko) 2003-12-31 2003-12-31 씨모스 이미지 센서 및 그 광 칼라 감도 감지 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005197647A JP2005197647A (ja) 2005-07-21
JP4340201B2 true JP4340201B2 (ja) 2009-10-07

Family

ID=34567868

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004215749A Expired - Fee Related JP4340201B2 (ja) 2003-12-31 2004-07-23 Ｃｍｏｓイメージセンサの光カラー感度感知方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7180150B2 (ja)
EP (1) EP1551061A3 (ja)
JP (1) JP4340201B2 (ja)
KR (1) KR100560309B1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100561004B1 (ko) * 2003-12-30 2006-03-16 동부아남반도체 주식회사 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법
KR100649012B1 (ko) * 2004-12-30 2006-11-27 동부일렉트로닉스 주식회사 색재현성 향상을 위한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법
US20060193356A1 (en) * 2005-01-18 2006-08-31 Robert Osiander Die level optical transduction systems
KR100710207B1 (ko) * 2005-09-22 2007-04-20 동부일렉트로닉스 주식회사 씨모스 이미지 센서의 제조방법
US7569804B2 (en) * 2006-08-30 2009-08-04 Dongbu Hitek Co., Ltd. Image sensor having exposed dielectric layer in a region corresponding to a first color filter by a passivation layer
ATE485701T1 (de) 2006-10-27 2010-11-15 Koninkl Philips Electronics Nv Farbgesteuerte lichtquelle und verfahren zur steuerung der farberzeugung in einer lichtquelle
KR100827447B1 (ko) 2007-01-24 2008-05-06 삼성전자주식회사 이미지 센서와 그 제조 방법 및 이미지 센싱 방법
KR100896876B1 (ko) * 2007-11-16 2009-05-12 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그 제조방법
CN101459184B (zh) * 2007-12-13 2011-03-23 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 在cmos上感测图像的系统和方法
KR101003939B1 (ko) 2008-09-04 2010-12-30 주식회사 동부하이텍 이미지 센서의 크로스토크 측정방법
US8138531B2 (en) * 2009-09-17 2012-03-20 International Business Machines Corporation Structures, design structures and methods of fabricating global shutter pixel sensor cells
DE102010043822B4 (de) * 2010-11-12 2014-02-13 Namlab Ggmbh Fotodiode und Fotodiodenfeld sowie Verfahren zu deren Betrieb
TWI438889B (zh) * 2010-12-01 2014-05-21 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 發光二極體封裝結構
FR3008230B1 (fr) * 2013-07-03 2016-11-11 E2V Semiconductors Capteur d'image couleur matriciel, sans filtres colores
US9621864B2 (en) * 2014-01-14 2017-04-11 Microsoft Technology Licensing, Llc Spectral imaging system

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1003938A (en) * 1974-09-17 1977-01-18 Northern Electric Company, Limited Photodiode detector with selective frequency response
US3976361A (en) * 1974-11-18 1976-08-24 Hughes Aircraft Company Charge storage diode with graded defect density photocapacitive layer
JPS5795769A (en) * 1980-12-05 1982-06-14 Fuji Photo Film Co Ltd Semiconductor image pickup device
JPS60257559A (ja) * 1984-06-04 1985-12-19 Nec Corp Ｃｍｏｓ集積回路装置
US4749851A (en) * 1986-08-29 1988-06-07 Technische Universiteit Delft Method and circuit for determining the wave-length of light
US5321249A (en) * 1991-10-31 1994-06-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state imaging device and method of manufacturing the same
JP3308880B2 (ja) * 1997-11-07 2002-07-29 キヤノン株式会社 液晶表示装置と投写型液晶表示装置
JP3159171B2 (ja) * 1998-06-05 2001-04-23 日本電気株式会社 固体撮像装置
US6566151B2 (en) * 2001-06-21 2003-05-20 United Microelectronics Corp. Method of forming a color filter
KR100561004B1 (ko) * 2003-12-30 2006-03-16 동부아남반도체 주식회사 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP1551061A2 (en) 2005-07-06
JP2005197647A (ja) 2005-07-21
US20050145904A1 (en) 2005-07-07
EP1551061A3 (en) 2007-09-26
KR20050069521A (ko) 2005-07-05
US7180150B2 (en) 2007-02-20
KR100560309B1 (ko) 2006-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7531857B2 (en) Image sensor with buried barrier layer having different thickness according to wavelength of light and method of forming the same
US20070246745A1 (en) Complementary metal oxide semiconductor image sensor and method for fabricating the same
JP4340201B2 (ja) Ｃｍｏｓイメージセンサの光カラー感度感知方法
US6841816B2 (en) Vertical color filter sensor group with non-sensor filter and method for fabricating such a sensor group
CN100530671C (zh) Cmos图像传感器及其制造方法
US7675100B2 (en) CMOS image sensor and method for fabricating the same
CN101271911B (zh) 固体摄像元件、单板彩色固体摄像元件及电子设备
US6707080B2 (en) Method for making spectrally efficient photodiode structures for CMOS color imagers
US20050087829A1 (en) Vertical color filter sensor group with carrier-collection elements of different size and method for fabricating such a sensor group
US20040178466A1 (en) Vertical color filter sensor group and semiconductor integrated circuit fabrication method for fabricating same
US8035714B2 (en) Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera
US6852565B1 (en) CMOS image sensor with substrate noise barrier
US10153313B2 (en) Unit pixel for image sensor comprising contact pad connected to light receiving portion
CN100466283C (zh) Cmos图像传感器及其制造方法
JP2008300835A (ja) 垂直型ｃｍｏｓイメージセンサ及びその製造方法
US7545020B2 (en) CMOS image sensor and method for manufacturing the same
US7812381B2 (en) Image sensor with light receiving region having different potential energy according to wavelength of light and electronic product employing the same
US20220157879A1 (en) Cmos rgb-ir sensor with quadruple-well stack structure
JPH0472664A (ja) 固体撮像素子
KR20090022357A (ko) 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법
JPS59130467A (ja) 固体撮像装置
JPH02106070A (ja) 固体撮像装置

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060608

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080317

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080617

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080730

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20080730

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20081014

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090109

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090406

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20090415

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090622

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090703

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120710

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120710

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130710

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees