KR100749253B1 - 청색감쇠가 개선된 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색광의 감쇠를 방지한 이미지센서에 관한 것으로 이를 위한 본 발명은, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 도핑영역; 및 상기 제2 도전형의 도핑영역 상부와 상기 반도체층의 표면하부 사이에 형성되되, 평면적으로 상기 제2 도전형의 도핑영역의 중앙부를 제외한 가장자리 영역과 오버랩되어 형성된 제1 도전형의 도핑영역을 포함하는 이미지센서의 포토다이오드를 제공한다.
핀드포토다이오드, 청색광, 전자전위, 피닝층

Description

청색감쇠가 개선된 이미지센서{Image sensor with improved blue attenuation}
도1a은 일반적인 pn 접합 다이오드의 구조를 도시한 단면도,
도1b는 pnp 구조를 갖는 핀드포토다이오드의 구조를 도시한 단면도,
도2는 실리콘에 대한 빛의 파장에 따른 통과깊이를 도시한 그래프,
도3a는 종래의 핀드포토다이오드의 상면을 도시한 평면도,
도3b는 종래의 핀드포토다이오드의 구조를 도시한 단면도,
도3c는 종래의 핀드포토다이오드에서 표면으로부터의 깊이에 따른 전자전위를 도시한 그래프,
도4a는 본 발명에 따른 핀드포토다이오드의 상면을 도시한 평면도,
도4b는 본 발명에 따른 핀드포토다이오드의 구조를 도시한 단면도,
도4c는 본 발명에 따른 핀드포토다이오드에서 표면으로부터의 깊이에 따른 전자전위를 도시한 그래프,
도5a 내지 도5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핀드포토다이오드의 상면을 도시한 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 기판
2 : 필드절연막
3 : n- 영역
4 : p0 영역
본 발명은 청색광에 대한 특성을 향상시킨 이미지센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode)의 구조를 변경하여 청색광에 대한 집적도를 향상시킨 발명이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있으며, DSC(Digital Still Camera), PC Camera, 모빌카메라 등의 많은 응용부분에 사용되고 있다.
시모스 이미지센서 및 전하결합소자(Charge Couple Device)에서는 수광부로 주로 pn 접합 포토다이오드를 사용하는데, 그 중에서도 최대포화전하량을 증가시키는데 매우 효과적인 핀드 포토다이오드(pinned photodiode)가 많이 사용되고 있다.
도1a와 1b는 일반적인 pn 접합 포토다이오드와 pnp 접합 핀드 포토다이오드를 도시하고 있는데, 핀드 포토다이오드(Pinned Photodiode)는 p형 기판(1) 내부에 매립된 pnp(또는 npn) 접합 구조를 갖고 있어 베리드 포토다이오드(Buried Photodiode)라 불리우기도 한다.
이러한, 핀드 포토다이오드는 pn 접합 구조나 모스캐패시터 구조 등 다른 구 조의 포토다이오드에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있으며, 그 중 하나가 공핍층의 깊이를 증가시킬 수 있어 입사된 광자(Photon)를 전자(Electron)로 바꾸어 주는 능력이 우수하다(High Quantum Efficiency).
즉, pnp 접합 구조의 핀드 포토다이오드는 n형 영역(3)이 완전공핍되면서 n형 영역(3)을 개재하고 있는 두 개의 p형 영역(1, 4)으로 공핍층이 형성되므로 그 만큼 공핍층 깊이를 증가시켜 "Quantum Efficiency" 를 증가시킬 수 있으며, 이에 의해 광감도(Light Sensitivity)가 우수한 장점을 가지고 있다.
이때, n형 영역(3) 상부에 위치한 p형 영역(4)은 n형 영역(3)의 전위를 일정하게 잡아주어(pinned) 포화전하량을 최대로 하는 역할을 하기 때문에 n형 영역(3) 상부에 위치한 p형 영역(4)을 피닝층(pinning layer)이라 하기도 한다.
한편, 칼라 이미지센서를 제작하기 위해서는 칼라필터를 이용하여 색의 각 성분을 추출해 내야하는데, 적색광(Red), 녹색광(Green), 청색광(Blue)은 서로 파장이 다르기 때문에, 같은 핀드포토다이오드를 사용하더라도 핀드포토다이오드의 구조에 따라서 수광특성이 다르게 나타난다.
빛은 파장에 따라서 반도체 표면으로부터의 깊이에 따라 흡수되는 정도가 다르며, 이러한 현상을 기술하는 것 중 하나로, 도2에 도시된 통과깊이(penetration depth)를 들 수 있는데, 통과깊이는 광자(photon)가 전자-정공쌍을 발생시키면서 소멸하는 깊이를 의미한다.
실리콘에 대한 빛의 파장별 통과깊이는 도2에 도시된 바와 같이, 파장이 짧아질수록 통과깊이는 작아지며, 반대로 파장이 길수록 통과깊이가 커진다.
도3a 내지 도3c는 종래의 핀드포토다이오드의 상면도와 단면도 및 표면으로부터의 깊이에 따른 전자전위분포를 각각 도시한 도면으로, 전술한 바와 같은 점을 고려해 보면, 침투깊이가 비교적 깊은 적색광이나 녹색광에 대해서는, 핀드 포토다이오드의 단면구조에서 나타나는 전위분포가, 이미지센서의 성능을 저하시키는 요소로 작용하지 않지만, 상부에 위치한 p0 영역(4)은 표면으로부터 일정거리에 위치한 전자에 대해서 전압 장벽을 형성하기 때문에, 통과깊이가 매우 짧은 청색광의 집적에는 매우 불리한 구조이다.
이에 대해 상세히 설명한다. 도3b에 도시된 핀드포토다이오드는 필드절연막(2)이 형성된 p형 기판(1) 내부에 n- 영역(3)이 형성되어 있고, 상기 n- 영역(3) 상부에 p0 영역(4)이 형성되어 있다.
도3c는 pnp 구조의 핀드포토다이오드 내부에서 기판 표면으로부터의 거리에 따른 전자전위의 변화를 도시한 도면으로, p0 영역(4)과 n- 영역(3)의 경계에서 가장전위가 낮고, n- 영역(3)과 p형 기판(1)사이의 경계에서 가장 전위가 높은 것을 알 수 있다. (전자전위)
핀드포토다이오드로 빛이 입사하면 전자-정공쌍이 생성되는데, 그중에서 전자는 최대전위 위치(n- 영역(3)과 p형 기판(1)사이의 경계) 로 이동, 집적되어 이미지 재현에 사용된다.
하지만, 청색광의 경우에는 침투깊이가 얕기 때문에, 청색광에 의한 전자-정공쌍은 도3c의 A 영역에서 생성되는데, A 영역에는 p0 영역(4)에 의한 전압장벽이 형성되어 있다. 따라서, 청색광에 의해 생성된 전자들이 최대전위 위치로 이동하는데 제한을 받게 되어, 청색의 순도가 저하되며 전체 이미지센서에서 색도가 저하되는 요소로 작용하게 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 피닝층의 역할을 수행하면서도 청색광의 특성을 저하시키지 않는 p형 영역을 구비한 핀드포토다이오드를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 도핑영역; 및 상기 제2 도전형의 도핑영역 상부와 상기 반도체층의 표면하부 사이에 형성되되, 평면적으로 상기 제2 도전형의 도핑영역의 중앙부를 제외한 가장자리 영역과 오버랩되어 형성된 제1 도전형의 도핑영역을 포함하는 이미지센서의 포토다이오드를 제공한다.
본 발명은 핀드포토다이오드에서 n형 영역 상부에 위치한 p형 영역의 구조를 변경하여, 종래와 같은 피닝층으로서의 역할을 수행하는 동시에, 청색광의 집적에 영향을 미치지 않게 한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도4a 내지 도4c는 본 발명에 따른 핀드포토다이오드의 상면도와 단면도 및 표면으로부터의 깊이에 따른 전자전위분포를 각각 도시한 도면으로, 먼저 도4a 내지 도4b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 핀드포토다이오드는, p형 기판(1)에 n- 영역(3)이 형성되어 있고 n- 영역(3)의 상부에 p0 영역(4)이 형성되어 있되, n- 영역(3) 전체에 걸쳐서 p0 영역(4)이 형성되는 것이 아니라, n- 영역(3)의 일부에만 p0 영역(4)이 형성되어 있다.
특히, 도 4a에 도시된 바와 같이, 평면적으로 보았을 때 n- 영역(3)의 중앙부를 제외한 가장자리 영역를 따라 오버랩되도록 p0 영역(4)이 형성된다.
p0 영역(4)을 이렇게 형성하는 이유는, n- 영역(3)에 접속되어 피닝층의 역할을 수행하는 동시에, p0 영역(4)에 의한 전압장벽이 없는 부분을 형성하여, 청색광에 의해 생성된 전자가 최대전위 위치로 쉽게 이동할 수 있게 하기 위해서이다.
p형 기판(1) 대신에 고농도의 p+기판에 저농도의 p에피층이 형성된 웨이퍼를 사용할 수도 있다. 구체적으로, p 에피 웨이퍼를 사용하는 이유는 다음과 같다. 첫째, 저농도의 p에피층이 존재하므로 크고 깊게 저전압 포토다이오드에서의 공핍영 역(Depletion region)을 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 저전압 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있기 때문에 광감도를 개선할 수 있다.
도4c는 본 발명에 따른 pnp 구조의 핀드포토다이오드에서 기판 표면으로부터의 거리에 따른 전자전위의 변화를 도시한 도면으로, 특히, n- 영역(3) 상부에 p0 영역(4)이 형성되어 있지 않은 부분은, 종래와 같은 장벽전위를 형성하지 않고 있음을 알 수 있다.
n- 영역(3)의 일부에만 p0 영역(4)이 형성하는 방법은 도4a에 도시된 방법이외에도 도5a 내지 도5c에 도시된 방법으로 형성하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 피닝층의 역할을 하기위하여 n- 영역(3)에 접속되되, 상기 n- 영역(3)의 일부에만 p0 영역(4)을 형성해 주면, 청색광에 대한 순도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 이미지센서에 적용하게 되면, 청색에 대한 순도를 높일 수 있을 뿐만아니라 전체적인 색도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 제1도전형의 반도체층;
    상기 반도체층 내에 형성된 제2 도전형의 도핑영역; 및
    상기 제2 도전형의 도핑영역 상부와 상기 반도체층의 표면하부 사이에 형성되되, 평면적으로 상기 제2 도전형의 도핑영역의 중앙부를 제외한 가장자리 영역과 오버랩되어 형성된 제1 도전형의 도핑영역
    을 포함하는 이미지센서의 포토다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층의 하부에 상기 반도체층의 도펀트 보다 높은 농도의 도펀트를 갖는 제1 도전형의 반도체기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 및 제2도전형은 각각 서로 상보적인 p형 또는 n형인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형의 도핑영역의 도핑농도는 상기 제1 도전형의 도핑영역의 도핑농보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드.
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