KR20110079324A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판의 표면을 기준으로 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부, 제2 수광부 및 제3 수광부; 상기 제1, 제3 및 제3 수광부 중 적어도 어느 하나의 하부영역에 형성된 포텐셜 배리어 영역; 상기 제1, 제2 및 제3 수광부를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 및 상기 제1, 제2 및 제3 수광부에 각각 대응하도록 상기 금속배선층 상에 형성된 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 포함한다.
이미지 센서, 크로스 토크
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스 이미지센서(CMOS Image Sensor: CIS)로 구분된다.
씨모드 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
이러한 포토다이오드는 입사광의 광전 변화 과정을 통해 빛 신호를 전기로 바꿀 수 있다. 특히, 포토다이오드 상측에 위치한 컬러필터를 통해 포토다이오드로 들어가는 빛의 색을 조절하고, 각 해당 픽셀에 해당하는 컬러만 입사될 수 있다. 이에 따라 해당 컬러에 대한 전기신호만 검출되어 색상을 구분할 수 있다.
도 1은 일반적인 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 제1 포토다이오드(11), 제2 포 토다이오드(12) 및 제3 포토다이오드(13) 상측에는 레드 컬러필터(41), 블루 컬러필터(42) 및 그린 컬러필터(43)가 배치되어 있다. 상기 컬러필터들 상측에는 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다.
이러한 이미지 센서는 원하는 색상에 대한 파장만을 필터링하여 광전변환을 하여 해당 컬러에 대해 빛만 전기신호로 변환해야한다. 하지만, 이미지 센서는 서로 인접하는 픽셀의 빛이 들어와 전기신호로 변화되는 크로스 토크가 발생될 수 있다.
도 1은 레드 빛에 의한 크로스 토크를 나타내고 있다.
도 1에서 C1은 해당 컬러필터를 올바르게 통과한 빛이 가지고 있는 컬러 필터링(color filtering)의 불완전성에 의한 크로스 토크를 나타내는 것이다.
즉, 컬러필터 물질(color filiter material)의 투과도(transmittance) 한계, 컬러필터 패터닝 시 문제등에 의하여 통과되지 말아야할 레드 빛(R)이 블루 컬러필터(42)을 통과하여 제2 포토다이오드(12)으로 입사되어 크로스 토크가 발생될 수 있다.
도 1에서 C2는 이웃하는 픽셀인 레드 컬러필터(41)을 통과한 빛이 광학적 경로(optical path) 상의 문제나 반사등의 이유로 경로를 이탈해서 상기 제2 포토다이오드(12)로 입사되는 크로스 토크가 발생될 수 있다.
도 1에서 C3는 전기적 크로스 토크로서, 제1 포토다이오드(11)에서 포토-제너레이션(photo-gernation)된 전자가 해당 픽셀로 들어가지 않고 인접하는 제2 포토다이오드(12)로 넘어와서 크로스 토크가 발생될 수 있다.
즉, C1은 빛의 경로는 이상이 없으나 경로상에 컬러필터 등에 의하여 발생하는 크로스 토크로서 컬러필터 물질이 내재하고 있는 한계나 패티넝 레이 등에 의해 발생하는 광학적 크로스 토크일 수 있다.
C2는 입사인 빛이 포토다이오드로 들어갈때 굴절 및 반사등의 이유로 다른 픽셀에 침범하는 빛에 의한 광학적 크로스 토크이다.
C3는 해당픽셀의 컬러에 맞게 빛이 전자를 생성하였지만, 그 전자의 일부가 이웃하는 픽셀로 침범해서 생기는 전기적 크로스 토크이다. 전기적 크로스 토크는 주로 장파장 빛에 의해 발생될 수 있다.
이와 같은 크로스 토크는 이미지의 해상도를 감소시키고, 색 오류 및 색감을 떨어뜨려 전체적인 이미지 특성을 저하시킬 수 있다.
실시예에서는 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판의 표면을 기준으로 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부, 제2 수광부 및 제3 수광부; 상기 제1, 제3 및 제3 수광부 중 적어도 어느 하나의 하부영역에 형성된 포텐셜 배리어 영역; 상기 제1, 제2 및 제3 수광부를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 및 상기 제1, 제2 및 제3 수광부에 각각 대응하도록 상기 금속배선층 상에 형성된 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 소자분리막을 형성하고 제1 픽셀 영역, 제2 픽셀 영역 및 제3 픽셀 영역을 정의하는 단계; 상기 제1, 제2 및 제3 픽셀 영역 중 어느 하나에 해당하는 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 포텐셜 배리어 영역을 형성하는 단계; 상기 포텐셜 배리어 영역의 상부에 해당하도록 상기 제1, 제2 및 제3 픽셀 영역에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부, 제2 수광부 및 제3 수광부를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 및 상기 제1, 제2 및 제3 수광부에 각각 대응하도록 상기 금속배선층 상에 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에서는 단파장의 빛이 입사되는 픽셀에 선택적으로 포텐셜 배리어 영역을 형성할 수 있다.
이에 따라 광학적 크로스 토크 및 전기적 크로스 토크를 동시에 개선하고, 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
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.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판(100)의 표면을 기준으로 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부(131), 제2 수광부(132) 및 제3 수광부(133); 상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131,132,133) 중 적어도 어느 하나의 하부영역에 형성된 포텐셜 배리어 영역; 상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131, 132,133)를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층(140); 및 상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131, 132,133)에 각각 대응하도록 상기 금속배선층(140) 상에 형성된 제1 컬러필터(151), 제2 컬러필터(152) 및 제3 컬러필터(153)를 포함한다.
상기 제1, 제2 및 제3 컬러필터(151,152,153) 상에는 각각 마이크로 렌 즈(160)가 배치될 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131, 132,133)는 제1 도전형 불순물로 형성되고, 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 고농도의 제2 도전형 불순물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형은 n형 불순물이고, 제2 도전형은 p형 불순물이리 수 있다.
상기 제1 수광부(131)는 상기 반도체 기판(100)의 표면에 대하여 제1 깊이(T1)를 가지고, 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 상기 제1 깊이(T1)보다 얕은 제2 깊이를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 포텐셜 배리어 영역은 상기 제2 수광부(132)의 하부에 형성된 제2 포텐셜 배리어 영역(122) 및 제3 수광부(133)의 하부에 형성된 제3 포텐셜 배리어 영역(123)을 포함한다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 상기 제1 수광부(131)의 하부면과 동일한 표면 높이를 가질 수 있다. 또는 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 상기 제1 수광부(131)의 하부면 보다 높은 표면 높이를 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 수광부(131)의 양측에는 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)이 위치될 수 있다.
상기 제1 컬러필터(151)는 레드 컬러필터이고, 상기 제2 컬러필터(152)는 그린 컬러필터이고, 상기 제3 컬러필터(153)는 블루 컬러필터일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 수광부(131,132,133)가 서로 다른 깊이로 형성되므로, 상기 제1 수광부(131)로는 장파장의 빛이 입사되고, 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 단파장의 빛이 입사될 수 있다.
즉, 레드 빛이 입사되는 제1 수광부(131)는 포토다이오드의 공핍(depletion)이 반도체 기판의 깊은 영역에 형성되어 있다. 이를 통해서 상기 반도체 기판(100)의 깊은 곳에서 발생하는 장파장 빛에 의한 전자를 효과적으로 포토다이오드 영역으로 끌어들여 전기신호로 변환할 수 있다.
반면, 그린 및 블루 빛이 입사되는 제2 및 제3 수광부(132,133)는 공핍영역이 반도체 기판의 얕은 영역에 형성되어 있다. 즉, 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)의 하단부에 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)이 형성되어 있기 때문에 포토다이오드의 공핍 영역이 짧은 구조를 가질 수 있다. 이러한 그린 및 블루 픽셀 구조의 경우 빛의 흡수가 반도체 기판의 표면과 가까운 곳에서 일어나기 때문에 공핍 영역이 깊숙하게 들어가지 않아도 충분히 전자를 해당하는 포토다이오드로 모을 수 있다.
광학적 크로스 토크 중 장파장 성분, 즉, 블루 및 그린 픽셀에 해당하느 제2 및 제3 수광부로 입사되는 장파장 성분은 반도체 기판의 깊은 영역에서 전자-정공 쌍을 만들게 된다.
실시예에서는 제2 및 제3 수광부(132,133)로 입사된 레드 빛에 의해 전자는 해당하는 포토다이오드로 이동하지 못하게 되어 전기신호로 바뀔 수 없게 된다. 이에 따라 장파장 빛에 의한 광학적 크로스 토크를 방지하고 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 블루 및 그린 픽셀의 제2 및 제3 수광부(132,133)의 아래쪽에 각각 포텐셜 배리어 영역(122,123)이 형성되어 있으므로, 장파장 빛에 의해 생성된 전자 중 제2 및 제3 수광부(132,133)로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 포텐셜 배리어에 의하여 전기적 크로스 토크를 방지하고 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
실시예의 설명에 있어서, 전술된 도 4와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용할 수 있고, 동일한 기술적 특징을 채용할 수 있다.
다만, 실시예에서는 상기 제1 수광부(131), 제2 수광부(132) 및 제3 수광부(133)가 빛의 파장에 따라 다른 깊이를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 수광부(131)는 상기 제1 깊이(T1)로 형성되고, 상기 제2 수광부(132)는 제1 깊이(T1)보다 얕은 제2 깊이(T2)로 형성되고, 상기 제3 수광부(133)는 상기 제2 깊이(T2)보다 얕은 제3 깊이(T3)로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제1 내지 제3 수광부(131,132,133)로 입사되는 빛의 전자 발생영역을 제한적으로 형성함으로써 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2 및 3 수광부(132,133)의 깊이에 따라 상기 제2 포텐셜 배리어 영역(122)과 제3 포텐셜 배리어 영역(123)의 높이도 변경될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 포텐셜 배리어 영역(122)은 상기 반도체 기판(100)의 표면에 대하여 제1 높이(H1)로 이격되도록 상기 반도체 기판(100)의 깊은 영역에 형성될 수 있다.
상기 제3 포텐셜 배리어 영역(123)은 상기 반도체 기판(100)의 표면에 대하여 제1 높이(H1)보다 작은 제2 높이(H2)로 이격되도록 상기 반도체 기판(100)의 내부에 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)에 의하여 상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131,132,133)의 공핍영역은 서로 다른 위치에서 생성될 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2을 참조하여, 반도체 기판(100)에 소자분리막(110)이 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 고농도의 p형 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판(100)은 에피택셜 공정을 실시하여 저농도의 p형 에피층을 포함할 수 있다.
상기 소자분리막(110)은 상기 반도체 기판(100)의 액티브 영역 및 필드 영역을 정의할 수 있다.
상기 소자분리막(110)은 STI(shallow trench isolation) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 소자분리막(110)에 의하여 상기 반도체 기판(100)의 액티브 영역에 제1 픽셀 영역(P1), 제2 픽셀 영역(P2) 및 제3 픽셀 영역(P3)이 정의될 수 있다. 이때, 상기 제1 픽셀 영역(P1)의 일측에 제2 픽셀 영역(P2)이 위치되고, 상기 제1 픽셀 영역(P1)의 타측에 제3 픽셀 영역(P3)이 위치될 수 있다.
다시 도 2를 참조하여, 상기 반도체 기판(100) 상에 포토레지스트 패턴(500)이 형성된다.
상기 포토레지스트 패턴(500)은 상기 제1 픽셀 영역(P1)에 해당하는 상기 반도체 기판(100) 상에 선택적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 포토레지스트 패턴(500)은 제2 및 제3 픽셀 영역(P3)에 해당하는 상기 반도체 기판(100)을 노출시킬 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(500)을 이온주입 마스크로 사용하고 상기 반도체 기판(100)의 깊은 영역으로 이온주입 공정을 진행한다.
상기 이온주입 공정에 의하여 상기 제2 픽셀 영역(P2)의 깊은 영역에 제2 포텐셜 배리어 영역(122)이 형성된다. 또한, 상기 제2 픽셀 영역(P2)의 깊은 영역에 제3 포텐셜 배리어 영역(123)이 형성된다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 동일한 깊이를 가질 수 있다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 소자분리막(110)보다 깊은 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 포토다이오드를 이루는 불순물과 반대의 도전형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 고농도의 p형 불순물(p+)로 형성될 수 있다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)이 고농도의 p형 불순물로 형성되고, 이후 형성되는 포토다이오드 영역을 한정할 수 있다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)은 상기 반도체 기판(100)의 표면을 기준으로 제1 깊이(T1) 보다 깊은 깊이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 깊이(T1)는 제1 픽셀 영역(P1)에 형성되는 제1 수광부(131)의 깊이일 수 있다.
상기 제2 포텐셜 배리어 영역(122)에 의하여 상기 제2 픽셀 영역(P2)의 상부에 해당하는 반도체 기판(100)에 제2 수광부 예정 영역(PDN2)이 정의될 수 있다.
상기 제3 포텐셜 배리어 영역(123)에 의하여 상기 제3 픽셀 영역(P3) 상부에 해당하는 반도체 기판(100)에 제3 수광부 예정 영역(PDN3)이 정의될 수 있다.
즉, 상기 제2 수광부 예정 영역(PDN2) 및 제3 수광부 예정 영역(PDN3)은 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)에 의하여 그 깊이가 한정될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 제1 픽셀 영역(P1)에 제1 수광부(131)가 형성된다.
상기 제1 수광부(131)는 상기 제1 픽셀 영역(P1)에 의하여 정의된 제1 수광부 예정 영역(PDN1)에 형성될 수 있다.
상기 제1 수광부(131)는 상기 반도체 기판(100)의 표면을 기준으로 제1 깊이(T1)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 깊이(T1)는 1-3㎛일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 제1 수광부(131)는 상기 제1 픽셀 영역(P1)을 선택적으로 노출시키는 마스크 패턴에 의한 이온주입 공정을 통해 상기 제1 픽셀 영역(P1)에만 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 수광부(131)는 일정한 이온주입 에너지에 의하여 상기 제1 픽셀 영역(P1)에 해당하는 반도체 기판(100)으로 n형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
상기 제1 수광부(131)의 양측에는 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123) 이 위치될 수 있다.
상기 제2 픽셀 영역(P2)에 제2 수광부(132)가 형성되고, 상기 제3 픽셀 영역(P3)에 제3 수광부(133)가 형성된다.
상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 제1 깊이(T1)보다 얕은 제2 깊이(T2)로 형성될 수 있다. 상기 제2 수광부(132) 및 제3 수광부(133)는 동시에 형성될 수 있다.
상기 제2 수광부(132)는 상기 제2 포텐셜 배리어 영역(122)의 상부에 해당하는 제2 수광부 예정 영역(PDN2)에 형성된다.
상기 제3 수광부(133)는 상기 제3 포텐셜 배리어 영역(123)의 상부에 해당하는 제3 수광부 예정 영역(PDN3)에 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 상기 제2 및 제3 픽셀 영역(P3)만을 선택적으로 노출시키는 마스크 패턴에 의한 이온주입 공정을 통해 상기 제2 및 제3 수광부 예정 영역()에 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 일정한 이온주입 에너지에 의하여 n형 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)에 의하여 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 상기 제1 수광부(131) 보다 얕은 깊이를 가질 수 있다.
상기 제2 및 제3 수광부(132,133)는 상기 제1 수광부(131)보다 얕은 깊이로 형성되어, 단파장에 해당하는 그린 및 블루 빛이 입사될 수 있다.
상기 제1 수광부(131)는 상기 제2 및 제3 수광부(132,133)보다 상대적으로 깊은 깊이로 형성되어 장파장에 해당하는 레드 빛이 입사될 수 있다.
또한, 상기 제1,제2 및 제3 수광부(131,132,133)를 포함하는 상기 반도체 기판(100)의 표면으로 p형 불순물을 주입할 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 제1,제2 및 제3 수광부(131,132,133)를 포함하는 반도체 기판(100) 상에 금속배선층(140)이 형성된다.
상기 금속배선층(140)은 복수의 층간절연막 및 금속배선(M1,M2)들을 포함한다.
이러한 금속배선(M1,M2)들은 상기 제1, 제2 및 제3 수광부(131, 132,133)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃 되어 형성된다.
상기 금속배선층(140) 상에 컬러필터 어레이(150)가 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 컬러필터 어레이(150)의 하부에는 패시베이션층 또는 평탄화층이 형성될 수도 있다.
상기 컬러필터 어레이(150)는 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성될 수 있다. 상기 컬러필터 어레이는 염색된 포토레지스트를 사용하며, 각각의 단위화소마다 하나의 컬러필터가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낼 수 있다.
상기 컬러필터 어레이(150)는 상기 제1 픽셀 영역(P1)에 대응하는 제1 컬러필터(151), 제2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 제2 컬러필터(152) 및 제3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 제3 컬러필터(153)를 포함한다.
상기 제1 컬러필터(151)는 레드(red) 컬러이고, 상기 제2 컬러필터(152)는 그린(green) 컬러이고, 상기 제3 컬러필터(153)는 블루(blue) 컬러일 수 있다.
즉, 상기 제1 수광부(131)는 레드 빛이 입사되고, 상기 제2 컬러필터(152)는 그린 빛이 입사되고, 상기 제3 수광부(133)는 블루 빛이 입사될 수 있다.
상기 컬러필터 어레이(150)들은 서로 약간씩 오버랩되어 단차를 가질 수도 있다.
도시되지는 않았지만, 이러한 단차를 보완하기 위하여 상기 컬러필터 어레이 상에 평탄화층이 형성될 수 있다.
상기 컬러필터 어레이(150) 상에 각각의 단위화소에 대응하도록 마이크로 렌즈(160)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(160)는 제1, 제2 및 제3 컬러필터(151,152,153)에 각각 대응하도록 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(160)는 볼록 렌즈 형태로 형성되고, 해당하는 픽셀의 수광부로 빛을 집광시킬 수 있다.
이와 같이 형성된 이미지 센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.
우선, 일반적으로 가시광선 영역대인 400nm~800nm 파장의 경우, 파장이 길어질수록 실리콘에서 빛의 흡수가 늦어지고, 이 때문에 장파장의 빛일수록 실리콘 기판의 깊은 영역에서 흡수가 많이 될 수 있다.
예를 들어, 450nm를 가지는 단파장의 빛은 실리콘 기판에서 빨리 흡수되어 광전 변환을 일으키는데 비해 600nm를 가지는 장파장의 빛은 실리콘 기판에서 상대적으로 늦게 흡수된다.
이 때문에 단파장에 해당하는 블루 빛은 반도체 기판에 입사되면서 바로 흡수되고, 반도체 기판의 표면쪽에서 전자-전공 쌍(electron-hole pair)를 생성(generation)한다. 또한 장파장에 해당하는 레드 빛은 반도체 기판의 깊은 영역에서 전자-정공 쌍을 생성한다. 즉, 반도체 기판의 깊은 영역에서 장파장 빛에 의해 생성된 전자는 반도체 기판의 표면에서 생성된 전자에 대비하여 해당 픽셀의 포토다이오드로 바로 이동되지 않고, 인접하는 다른 픽셀의 포토다이오드로 침투할 가능성이 있다. 이러한 이유로 장파장 빛에 의하여 생긴 전자는 전기적 크로스 토크를 유발할 수 있다.
실시예에서는 장파장에 해당하는 레드 컬러를 제외한 다른 컬러의 픽셀에 대하여, 포토다이오드의 하부에 전자 포텐셜 배리어 영역(electron potential barrier)을 형성할 수 있다.
즉, 장파장의 레드 빛이 흡수되는 영역은 제1 수광부(131)이고, 중파장의 그린 빛이 흡수되는 영역은 제2 수광부(132)이고, 단파장의 블루 빛이 흡수되는 영역은 제3 수광부(133)일 수 있다.
상기 제2 및 제3 수광부(132,133)의 하부에 각각 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)이 형성되고, 전기적 크로스 토크와 광학적 크로스 토크를 동시에 방지할 수 있다.
구체적으로, 광학적 크로스 토크 성분 중 레드 빛에 의한 크로스 토크는, 레드 빛이 제2 및 제3 수광부(132,133)의 공핍 영역 하부 영역인 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)으로 흡수되고 생성된 전자-전공 쌍(electorn-hole pair)은 일렉트릭 필드(electric field)에 의해 분리되지 못하기 때문에 다시 재결합(recombination)되어 전기신호로 바뀌지 않는다. 따라서, 광학적 크로스 토크 중 장파장인 레드 빛에 의한 성분이 제거될 수 있다.
또한, 레드 픽셀에 해당하는 제1 수광부(131)에서 생성된 전자 중 전기적 크로스 토크로 작용할 만한 전자는 인접하는 제2 포텐셜 배리어 영역(122) 및 제3 포텐셜 배리어 영역(123) 때문에 상기 제2 수광부(132) 및 제3 수광부(133)로 침투되는 것이 방지될 수 있다.
즉, 상기 제2 및 제3 포텐셜 배리어 영역(122,123)에 의하여 전기적, 광학적 크로스 토크를 모두 개선하고, 이미지 특성이 향상될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 컬러 크로스 토크가 개선되고, 이미지 특성이 향상될 수 있다.
즉, 블루 및 그린 등의 단파장 픽셀 아래쪽에 위치한 포텐셜 배리어 영역에 의하여 장파장에 해당하는 픽셀 쪽에서 생성된 전자가 인접하는 픽셀로 침투하지 못하고 전기적 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 블루 및 그린에 입사된 레드 빛은 전자-정공 쌍의 생성을 실리콘 기판의 깊은 여역에서 하기 때문에 전기신호로 바뀌지 않는다. 따라서, 광학적 크로스 토크를 개선할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 일반적인 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
Claims (15)
- 반도체 기판의 표면을 기준으로 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부, 제2 수광부 및 제3 수광부;상기 제1, 제3 및 제3 수광부 중 적어도 어느 하나의 하부영역에 형성된 포텐셜 배리어 영역;상기 제1, 제2 및 제3 수광부를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 및상기 제1, 제2 및 제3 수광부에 각각 대응하도록 상기 금속배선층 상에 형성된 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 수광부는 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 제1 깊이를 가지고, 상기 제2 및 제3 수광부는 상기 제1 깊이보다 얕은 깊이로 형성되고,상기 포텐셜 배리어 영역은 상기 제2 및 제3 수광부 중 적어도 어느 하나의 하부 영역에 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 컬러필터는 레드 컬러필터이고, 상기 제2 컬러필터는 그린 컬러필터이고, 상기 제3 컬러필터는 블루 컬러필터인 것을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1, 제2 및 제3 수광부는 제1 도전형 불순물로 형성되고,상기 포텐셜 배리어 영역은 고농도의 제2 도전형 불순물로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 수광부는 상기 제1 깊이로 형성되고, 상기 제2 수광부는 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이로 형성되고, 상기 제3 수광부는 상기 제2 깊이보다 얕은 제3 깊이로 형성된 이미지 센서.
- 제5항에 있어서,상기 제2 수광부의 하부에는 형성되고, 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 제1 높이로 이격된 제2 포텐셜 배리어 영역; 및상기 제3 수광부의 하부에 형성되고, 상기 반도체 기판으 표면에 대하여 제1 높이보다 작은 제2 높이로 이격된 제3 포텐셜 배리어 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 수광부는 장파장의 빛이 입사되고, 상기 제2 및 제3 수광부는 단파 장의 빛이 입사되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판에 소자분리막을 형성하고 제1 픽셀 영역, 제2 픽셀 영역 및 제3 픽셀 영역을 정의하는 단계;상기 제1, 제2 및 제3 픽셀 영역 중 어느 하나에 해당하는 상기 반도체 기판의 깊은 영역에 포텐셜 배리어 영역을 형성하는 단계;상기 포텐셜 배리어 영역의 상부에 해당하도록 상기 제1, 제2 및 제3 픽셀 영역에 제1 도전형 불순물을 이온주입하여 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 서로 다른 깊이를 가지는 제1 수광부, 제2 수광부 및 제3 수광부를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 및상기 제1, 제2 및 제3 수광부에 각각 대응하도록 상기 금속배선층 상에 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 포텐셜 배리어 영역은 제2 도전형 불순물을 이온주입하여 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 제1 컬러필터는 레드 컬러이고, 제2 컬러필터는 그린 컬러필터이고, 상 기 제3 컬러필터는 블루 컬러필터로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 제1 수광부는 제1 깊이로 형성되고, 상기 제2 및 제3 수광부는 상기 제1 깊이보다 얕은 깊이로 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 포텐셜 배리어 영역은 상기 제2 및 제3 픽셀 영역에 해당하는 상기 반도체 기판 내부에 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 포텐셜 배리어 영역을 형성하는 단계는,상기 제1 픽셀 영역의 일측에 위치한 상기 제2 픽셀 영역에 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 제1 높이로 이격되도록 제2 포텐셜 배리어 영역을 형성하는 단계; 및상기 제1 픽셀 영역의 타측에 위치한 상기 제3 픽셀 영역에 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 제1 높이보다 작은 제2 높이로 이격되도록 제3 포텐셜 배리어 영역을 형성하는 단계를 포함하고,상기 제2 포텐셜 배리어 영역에 의하여 상기 제2 픽셀 영역에 제2 수광부 예정영역이 정의되고,상기 제3 포텐셜 배리어 영역에 의하여 상기 제3 픽셀 영역에 제3 수광부 예정영역이 정의되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제13항에 있어서,상기 제1, 제2 및 제3 수광부를 형성하는 단계는,상기 제1 픽셀 영역에 제1 깊이를 가지는 제1 수광부를 형성하는 단계;상기 제2 수광부 예정영역에 제2 깊이를 가지는 제2 수광부를 형성하는 단계; 및상기 제3 수광부 예정 영역에 제3 깊이를 가지는 제3 수광부를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 제1 수광부는 1~3㎛의 깊이로 형성되고, 상기 제2 수광부는 0.7~1.5㎛의 깊이로 형성되고, 제3 수광부는 0.5~1.0㎛의 깊이로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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| US8860167B2 (en) | 2011-08-02 | 2014-10-14 | Dongbu Hitek Co., Ltd. | Image sensor and method for manufacturing the same |
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2009
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