KR20040004902A - 청색광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 이미지센서의 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 이미지센서에 있어서, 청색광이 입사되는 포토다이오드영역이 필드절연막 하부의 반도체층에 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

또한 본 발명은, 청색광이 입사될 포토다이오드 영역의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계; 상기 필드절연막에 인접하는 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및 이온주입을 통해 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

Description

청색광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법{Image sensor with improved blue light sensitivity and method for fabricating of the same}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 청색광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 고농도의 P++기판(10)과 P-Epi층(11)이 적층된 기판(이하 반도체층이라 함) 내부에 P형 불순물영역(17, 이하 P0영역이라 함)과 N형 불순물영역(15, 이하 n-영역이라 함)을 구비하는 포토다이오드(PD)가 이온주입 등의 공정을 통해 형성되어 있으며, 포토다이오드(PD)의 일측에 접하는 필드절연막(12)이 반도체층에 국부적으로 형성되어 있으며, 포토다이오드의 타측에 그 일측이 접하는 반도체층 상에 게이트전극 패턴 즉, 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성되어 있으며, 게이트전극 패턴(Tx)의 타측에 접하는 고농도 N형(n+)의 센싱확산영역(18, FD)이 형성되어 있다.

여기서, 게이트전극 패턴(Tx)은 게이트절연막(13)과 폴리실리콘 또는 텅스텐 실리사이드 등이 단독 또는 적층된 구조의 게이트전극(14)과 그 측벽에 질화막, 산화막 또는 산화질화막 등을 포함하는 스페이서(16)가 형성되어 있다.

부연하자면, 이미지센서 소자의 단위 화소는 수광영역인 포토다이오드와 포토다이오드에서 생성된 전자를 센싱영역으로 전송할 수 있는 능력이 요구된다. 따라서, 종래의 이미지센서 소자는 포토다이오드의 N형 불순물영역(n-영역)을 트랜스퍼 게이트에 접하게 함으로써 트랜스퍼 게이트 전극에 전원전압을 가하여 전하를 전송하는 동작을 하는 경우에 포토다이오드의 n-영역에 미치는 전위(Fringing field)를 커지게 하여 n-영역의 전하를 잘 끌어내어 전송할 수 있도록 하고 있다.

이미지 센서는 적,녹,청(Red, Green, Blue)의 칼라필터 어레이(Colour Filter Array; 이하 CFA라 함)를 구비함으로써 각각의 색상을 혼합하여 색상을 구현하도록 한다.

한편, 전술한 도 1의 이미지센서는 칼라 특성에 있어서, 청책(B)광에 대한 감도 즉, 청색광의 특성이 적색 및 녹색에 비해 열악하다. 이는 포토다이오드의 표면 근처에서의 재결합(Recombination)되는 전하의 양이 상대적으로 청색 파장대역에서 크기 때문으로, 포토다이오드와 렌즈 사이에는 각종 절연막과 평탄화층 등이 있어 그 사이의 거리가 길어진다. 따라서, 청색광은 짧은 파장으로 인해 적색 및 녹색에 비해 그 투과 깊이가 얕아 구조적인 특성 상 가장 취약하다고 할 수 있다.

이는 청색광의 짧은 파장에도 불구하고 포토다이오드(PD)가 형성되는 깊이가 청색, 적색, 녹색이 모두 일정한 것도 그 원인중의 하나라 볼 수 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 이미지센서의 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 단면도.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 이미지센서를 도시한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 반도체층21 : 필드절연막

22 : 게이트산화막23 : 폴리실리콘막

24 : 텅스텐 실리사이드막25 : n-영역

26 : 스페이서27 : P0영역

28 : 센싱확산영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이미지센서에 있어서, 청색광이 입사되는 포토다이오드영역이 필드절연막 하부의 반도체층에 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 청색광이 입사될 포토다이오드 영역의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계; 상기 필드절연막에 인접하는 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및 이온주입을 통해 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조방법을 제공한다.

본 발명은 청색광이 도달하는 포토다이오드를 필드절연막이 형성된 영역에 형성되도록 하며 이 때 게이트전극과 액티브영역을 오버랩함으로써, 이온주입시 청색광영역의 포토다이오드는 기판 표면으로부터 얕게 형성되도록 함으로써, 단파장의 청색광의 투과 깊이일 얕게 하여 청색광의 광감도를 향상시키고자 한다.

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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명은 전술한 바와 같이, 청색광이 입사되는 포토다이오드영역이 필드절연막(21) 하부의 반도체층(20)에 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 바, 도 2b는 이러한 본 발명의 이미지센서를 개략적인 단면을 도시한다.

적색광 및 녹색광이 입사되는 포토다이오드는 필드절연막(21) 없이 반도체층(20)에 이온주입을 통해 형성된 것이며, 필드절연막(21)과 액티브영역이 만나는 영역에 형성된 게이트전극을 포함하며, 게이트전극은 액티브영역과 0.5㎛ ∼ 1㎛ 만큼 오버랩되도록 배치되어 있다.

도 3은 본 발명의 이미지센서를 도시한 평면도이며, 이를 참조하면 전술한 액티브영역(ACT)과 게이트전극(G) 및 포토다이오드용 이온주입 마스크(PD)의 배치를 확인할 수 있는 바, 게이트전극(G)이 형성되는 액티브영역(ACT)과 필드절연막의 경계는 둥근 형태로 이루어지며, 포토다이오드용 이온주입 마스크(PD)는 게이트전극(G)과 오버랩됨을 알 수 있다.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도인 바, 전술한 구조를 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 이를 참조하여 살펴본다.

먼저, P형의 반도체층(20)에 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 구조의 필드절연막(21)을 형성하는 바, 여기서 반도체층(20)은 고농도인 P++층 및 P-에피층이 적층된 것을 이용하는 바, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.

한편, 포토다이오드가 형성될 영역 중에 청색광이 입사될 영역은 부분적으로 액티브영역을 형성한다.

이어서, 반도체층(20) 상에 게이트산화막(22)과 게이트전극용 전도막 즉, 폴리실리콘막(23)과 텅스텐 실리사이드막(24)을 차례로 형성하는 바, 이외에도 텅스텐 등 다양한 금속 등을 단독 또는 적층하여 사용한다.

계속해서, 그 상부에 게이트전극 형성용 포토레지스트 패턴(도시하지 않음)을 이용하여 텅스텐 실리사이드막(24)과 폴리실리콘막(23) 및 게이트산화막(22)을 선택적으로 식각하여 게이트전극 예컨대, 트랜스퍼게이트을 형성한다.

다음으로, 포토다이오드용 n-영역 형성을 위한 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 형성한 다음, 게이트전극에 얼라인되도록 이온주입을 통해 포토다이오드용n-영역(25)을 형성한다.

이 때, 필드절연막(21)의 프로파일에 의해 필그절연막(25) 하부에서는 필드절연막(25)이 없는 부분 예컨대, 적생광 또는 녹색광 포토다이오드 영역에 비해 얇은 부분의 반도체층(20) 하부까지 n-영역(25)이 형성되며, 이온주입시 그 불순물 농도는 통상적인 농도에 준하여 실시하며, 그 이온주입 에너지 또한 전술한 바와 같은 도핑 프로파일을 갖도록 적절히 조절한다.

따라서, n-영역(25)은 도시된 바와 같이 반도체층(20) 표면에서 가까운 위치에 형성된다.

계속해서, 포토레지스트 패턴을 제거한 다음, 게이트전극 측벽에 스페이서(26)를 형성한 다음, n-영역(25) 상부의 반도체층(20) 표면의 스페이서(26)에 얼라인되는 P0영역(27)을 형성한 후, 고농도 N형 센싱확산영역(n+, 28)을 형성한다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 필드절연막 형성시 청색광이 입사될 포토다이오드가 형성될 영역에 필드절연막을 형성시킴으로써, 후속 이온주입 공정시 필드절연막이 주입되는 이온의 에너지를 감소시켜 실리콘 기판으로 낮게 형성하는 바, 필드절연막이 없는 경우는 주입되는 이온의 에너지가 그대로 유지되므로 실리콘 기판으로 깊게 형성되며, 청색광이 입사될 포토다이오드 영역은 기판에서 얕게 형성함으로써, 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있음을 실시옐르 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 포토다이오드의 n-영역을 트랜스퍼 게이트 하부까지 확장시켜 전하운송효율을 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 이미지센서에 있어서,

   청색광이 입사되는 포토다이오드영역이 필드절연막 하부의 반도체층에 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   적색광 및 녹색광이 입사되는 상기 포토다이오드는 상기 필드절연막 없이 반도체층에 이온주입을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 필드절연막과 액티브영역이 만나는 영역에 형성된 게이트전극을 더 포함하며, 상기 게이트전극은 상기 액티브영역과 0.5㎛ 내지 1㎛ 만큼 오버랩되도록 배치된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 청색광이 입사될 포토다이오드 영역의 반도체층에 필드절연막을 형성하는 단계;

   상기 필드절연막에 인접하는 반도체층 상에 게이트전극을 형성하는 단계; 및

   이온주입을 통해 상기 필드절연막 하부의 상기 반도체층에 포토다이오드를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 게이트전극을 형성하는 단계에서,

   상기 필드절연막과 액티브영역이 만나는 영역에 상기 게이트전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 게이트전극은 상기 액티브영역과 0.5㎛ 내지 1㎛ 만큼 오버랩되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.