KR100642760B1

KR100642760B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100642760B1
Application number: KR1020050025482A
Authority: KR
Inventors: 남정현; 정종완
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-11-10
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: KR20060103660A; CN100563016C; JP5207594B2; US7579637B2; US20060214249A1; CN1848443A; JP2006279048A

Abstract

이미지 센서(image sensor)가 제공된다. 이미지 센서는 제1 도전형의 반도체 기판, 기판의 소정 깊이에 형성되어 반도체 기판을 제1 도전형의 상부 기판 영역 및 하부 기판 영역으로 분리하는 제2 도전형의 깊은 웰, 다수의 단위 화소들로, 각 단위 화소는 입사광에 대응하여 전하를 축적하며 각 단위 화소별로 분리된 제1 도전형의 이온 주입 영역을 각각 포함하고, 적어도 하나의 단위 화소는 제1 도전형의 이온 주입 영역 하부에 위치하고 제1 도전형의 이온 주입 영역 외측으로 연장되며 인접화소의 제1 도전형의 이온 주입 영역과 전기적으로 분리된 제1 도전형의 상부 기판 영역을 포함한다. 또한, 이미지 센서의 제조 방법이 제공된다.

이미지 센서, 크로스토크, 분리웰, 입사광, 장파장

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor and fabricating method for the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 광전 변환부와 제2 분리웰의 위치 관계를 개략적으로 설명한 레이아웃도이다. 도 5a는 도 4의 A-A′를 따라 절단한 단면도이다. 도 5b는 도 4의 B-B′를 따라 절단한 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 설명하기 위한 단면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 광전 변환부와 제2 분리웰의 위치 관계를 개략적으로 설명한 레이아웃도이다. 도 8a는 도 7의 A-A'를 절단한 단면도이다. 도 8b는 도 7의 B-B′를 따라 절단한 단면도이다.

도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 광전 변환부와 제2 분리웰의 위치 관계를 개략적으로 설명한 레이아웃도이다. 도 10a는 도 9의 A-A'를 절단한 단면도이다. 도 10b는 도 9의 B-B′를 따라 절단한 단면도이다.

도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 각 제조 공정 중간 단계별 단면도들이다.

도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 이미지 센서를 제조하여 측정한 분광 감도 특성을 나타낸 도면이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 : 이미지 센서 10 : 화소 배열부

20 : 타이밍 제너레이터 30 : 로우 디코더

40 : 로우 드라이버 50 : 상관 이중 샘플러

60 : 아날로그 디지털 컨버터 70 : 래치부

80 : 컬럼 디코더 100 : 단위 화소

101 : 하부 기판 영역 102 : 깊은 웰

103 : 상부 기판 영역 104 : 제1 분리웰

106 : 소자 분리 영역 108 : 제2 분리웰

110 : 광전 변환부 110R : 레드 광전 변환부

110G : 그린 광전 변환부 110B : 블루 광전 변환부

120 : 전하 검출부 130 : 전하 전송부

140 : 리셋부 150 : 증폭부

160 : 선택부

본 발명은 이미지 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화소간 크로스토크를 개선한 이미지 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.

이미지 센서의 단위 화소는 입사광을 광전 변환하여 광량에 대응하는 전하를 광전 변환부에 축적한 후, 읽기 동작(read-out operation)을 통해서 영상 신호를 재생하게 된다. 그러나, 입사광은 입사된 해당 단위 화소의 광전 변환부에 축적되지 않는 전하가 형성될 수 있다. 예를 들어, CCD(Charge Coupled Device)의 경우에는 포토 다이오드의 하부 및 측부에서 생성된 전하가 수직 전송 CCD 채널로 주입되어 스미어(smear) 현상이 발생될 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서의 경우에는 생성된 전하가 인접 화소의 광전 변환부로 이동, 축적되어 화소간 크로스토크(pixel crosstalk)가 유발될 수 있다.

화소간 크로스토크는 도 1에서와 같이 마이크로 렌즈 및/또는 컬러 필터(도 면 미도시)를 통과하여 입사된 광이 서로 다른 굴절율을 갖는 층간 절연막(3, 4, 5)으로 이루어진 다층 구조 또는 불균일한 막의 표면에서 굴절되어 형성되는 굴절광, 금속 배선(M1, M2, M3)의 상면 또는 측면에서 반사되어 형성된 반사광(6)에 의해 해당 단위 화소가 아닌 인접한 단위 화소의 광전 변환부(2)로 전달되는 광학적 크로스토크(optical crosstalk; A)와, 파장이 긴 입사광(7)에 의해 광전 변환부의 하부나 측부에서 생성된 전하가 인접한 단위 화소의 광전 변환부(2)로 전달되는 전기적 크로스토크(electrical crosstalk; B)로 구분할 수 있다.

크로스토크가 발생하면, 흑백 이미지 센서의 경우에는 해상도가 떨어지므로 화상의 왜곡이 발생될 수 있다. 또한, 레드(red), 그린(green), 블루(blue)에 의한 컬러 필터 어레이(Color Filter Array; CFA)를 사용하는 컬러 이미지 센서의 경우에는, 파장이 긴 레드 입사광에 의한 크로스토크의 가능성이 크고, 이에 따라 색조(tint) 불량이 나타날 수 있다. 또한, 화면상의 인접 화소가 뿌옇게 번지는 블루밍(blooming) 현상이 나타날 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 화소간 크로스토크를 개선한 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 화소간 크로스토크를 개선한 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하 게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 도전형의 반도체 기판, 기판의 소정 깊이에 형성되어 반도체 기판을 제1 도전형의 상부 기판 영역 및 하부 기판 영역으로 분리하는 제2 도전형의 깊은 웰, 다수의 단위 화소들로, 각 단위 화소는 입사광에 대응하여 전하를 축적하며 각 단위 화소별로 분리된 제1 도전형의 이온 주입 영역을 각각 포함하고, 적어도 하나의 단위 화소는 제1 도전형의 이온 주입 영역 하부에 위치하고 제1 도전형의 이온 주입 영역 외측으로 연장되며 인접화소의 제1 도전형의 이온 주입 영역과 전기적으로 분리된 제1 도전형의 상부 기판 영역을 포함한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 도전형의 반도체 기판을 제공하는 단계, 반도체 기판을 제1 도전형의 상부 기판 영역 및 하부 기판 영역으로 분리하는 제2 도전형의 깊은 웰을 반도체 기판의 소정 깊이에 형성하는 단계, 다수의 단위 화소들을 형성하는 단계로, 각 단위 화소는 입사광에 대응하여 전하를 축적하며 각 단위 화소별로 분리된 제1 도전형의 이온 주입 영역을 각각 포함하고, 적어도 하나의 단위 화소는 제1 도전형의 이온 주입 영역 하부에 위치하고 제1 도전형의 이온 주입 영역 외측으로 연장되며 인접화소의 제1 도전형의 이온 주입 영역과 전기적으로 분리된 제1 도전형의 상부 기판 영역을 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 나아가, n형 또는 p형은 예시적인 것이며, 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참고 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 2 내지 도 10b를 참조함으로써 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 화소 배열부(10), 타이밍 제너레이터(timing generator; 20), 로우 디코더(row decoder; 30), 로우 드라이버(row driver; 40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS; 50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC; 60), 래치부(latch; 70), 컬럼 디코더(column decoder; 80) 등을 포함한다.

화소 배열부(10)은 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소를 포함한다. 다수의 단위 화소들은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 화소 배열부(10)는 로우 드라이버(40)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.

도 3을 참조하여 단위 화소(100)를 설명하면, 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(100)가 도 3에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 3개 또는 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수 있다.

광전 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.

전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.

전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.

리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.

증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(111)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.

선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(111)에 연결된다.

또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.

다시 도 2를 참조하면, 타이밍 제너레이터(20)는 로우 디코더(30) 및 컬럼 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.

로우 드라이버(40)는 로우 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 화소 배열부(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.

상관 이중 샘플러(50)는 화소 배열부(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, ‘잡음 레벨(noise level)’)과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, ‘신호 레벨’)을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.

아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

래치부(70)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 컬럼 디코더(80)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 광전 변환부 와 제2 분리웰의 위치 관계를 개략적으로 설명한 레이아웃도이다. 도 5a는 도 4의 A-A′를 따라 절단한 단면도이다. 도 5b는 도 4의 B-B′를 따라 절단한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열되어 광학 영상을 전기 신호로 변환한다. 도면에는 표시하지 않았으나, 입사광은 마이크로 렌즈 및 컬러 필터를 통과하여 광전 변환부에 도달하므로, 소정 영역의 파장에 해당하는 입사광에 대응하여 전하가 축적된다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서는 베이어(Bayer) 형으로 컬러 필터를 배치하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 베이어형 컬러 필터 어레이(Color Filter Array; CFA)는 그린(green)이 전체 필터의 반 이상을 차지한다. 사람의 눈은 그린에 대해 더 민감하게 반응하므로, 그린의 정확도가 더 중요하기 때문이다.

도 4 내지 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(101, 103), 깊은 웰(deep well; 102), 제1 분리웰(104), 소자 분리 영역(106), 제2 분리웰(108), 광전 변환부(110R, 110G, 110B)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 광전 변환부(110R, 110G, 110B)로 핀드 포토다이오드(Pinned Photo Diode; PPD)를 사용하여 설명한다.

반도체 기판(101, 103)은 제1 도전형(예를 들어, N형)이고, 하부 및 상부 기판 영역(101, 103)을 포함한다. 즉, 하부 및 상부 기판 영역(101, 103)은 반도체 기판(101, 103) 내의 소정 깊이에 형성되는 제2 도전형(예를 들어, P형)의 깊은 웰(102)에 의해 정의된다.

깊은 웰(102)은 하부 기판 영역(101)의 깊은 곳에서 생성된 전하들이 광전 변환부(110R, 110G, 110B)로 흘러 들어오지 않도록 포텐셜 베리어(potential barrier)를 형성하고, 전하와 홀의 재결합(recommbination) 현상을 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 전하들의 랜덤 드리프트(random drift)에 의한 화소간 크로스토크 현상을 줄일 수 있다.

깊은 웰(102)은 예를 들어, 반도체 기판(101, 103)의 표면으로부터 3 내지 12㎛ 깊이에 최고 농도를 가지며 1 내지 5㎛의 층 두께를 형성하도록 형성될 수 있다. 여기서, 3 내지 12㎛는 실리콘 내에서 적외선 또는 근적외선의 흡수 파장의 길이(absorption length of red or near infrared region light)와 실질적으로 동일하다. 여기서, 깊은 웰(102)의 깊이는 반도체 기판(101, 103)의 표면으로부터 얕을수록 확산 방지 효과가 크므로 크로스토크가 작아지나, 광전자 변환부(110R, 110G, 110B)의 영역 또한 얕아지므로 깊은 곳에서 광전 변환 비율이 상대적으로 큰 장파장(예를 들어, 레드 파장)을 갖는 입사광에 대한 감도가 낮아질 수 있다. 따라서, 입사광의 파장 영역에 따라 깊은 웰(102)의 형성 위치는 조절될 수 있다.

소자 분리 영역(106)은 상부 기판 영역(103) 내에 형성되어 활성 영역을 정의한다. 소자 분리 영역(106)은 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다.

또한, 소자 분리 영역(106)의 하부에는 제2 도전형(예를 들어, P⁺형)의 제1 분리웰(isolation well; 104)이 형성될 수 있다. 제1 분리웰(104)은 다수의 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)를 서로 분리하는 역할을 한다. 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)간 수평 방향의 크로스토크를 줄이기 위해, 제1 분리웰(104)은 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)의 생성 깊이와 실질적으로 동일하거나 보다 더 깊게 생성될 수 있다.

광전 변환부(110R, 110G, 110B)는 N⁺형의 포토 다이오드(112R, 112G, 112B), P⁺⁺⁺형의 피닝층(pinning layer; 114R, 114G, 114B), 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 포함한다.

포토 다이오드(112R, 112G, 112B)는 입사광에 대응하여 생성된 전하가 축적되고, 피닝층(114R, 114G, 114B)은 상부 기판 영역(103)의 영역에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 방지하는 역할을 한다. 즉, 상부 기판 영역(103)의 표면의 댕글링 본드에서 열적으로 생성된(thermally generated) EHP 중에서, 양전하는 P⁺⁺⁺형의 피닝층(114R, 114G, 114B)을 통해서 접지된 기판으로 확산되고, 음전하는 피닝층(114R, 114G, 114B)을 확산하는 과정에서 양전하와 재결합하여 소멸된다.

포토 다이오드(112R, 112G, 112B)는 깊은 웰(102)로부터 소정 거리 이격되어 형성되므로, 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 광전 변환하는 영역으로 사용할 수 있다. 자세히 설명하면, 광전 변환부(110R, 110G, 110B)는 제1 도전형의 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)와, 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부에 위치하며 입사광 파장에 따라 서로 다른 면적을 가지는 제1 도 전형의 상부 기판 영역(103)을 포함한다. 여기서, 서로 다른 면적을 가진다는 의미는 경우에 따라서는 상부 기판 영역(103)이 포함되지 않을 수도 있음을 포함한다.

특히, 본 발명의 일 실시예에서는 도 5a에서와 같이 다수의 광전 변환부(110R, 110G, 110B) 중 적어도 하나의 광전 변환부(110R)는 포토 다이오드(112R) 하부의 상부 기판 영역(103)은 포토 다이오드(112R) 외측으로 연장되어 형성되고, 인접한 광전 변환부(110G)의 포토 다이오드(112G)와는 전기적 및/또는 물리적으로 분리된다. 특히, 포토 다이오드 하부(112R)의 상부 기판 영역(103)은 적어도 일부가 제1 분리웰(104)과 오버랩된다. 이와 같이 포토 다이오드(112R) 외측으로 연장되어 형성된 포토 다이오드(112G) 하부의 상부 기판 영역(103)은, 레드 파장의 입사광과 같이 다수의 광전 변환부(110R, 110G, 110B)에 입사되는 입사광 중 가장 긴 파장의 입사광에 대응하여 전하를 축적할 수 있다.

포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부에 위치하는 상부 기판 영역(103)은 파장이 긴 입사광에 대응하여 전하를 축적할수록 면적(S1)가 넓다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 레드 영역의 파장의 입사광에 대응하는 광전 변환부(이하, '레드 광전 변환부')에 포함되는 포토 다이오드(112R) 하부의 상부 기판 영역(103)은 제1 분리웰(104) 하부 영역까지 연장되어 형성된다. 반면, 그린 및 블루 파장의 입사광에 대응하는 광전 변환부(이하, '그린 광전 변환부', '블루 광전 변환부')는 상부 기판 영역은 포함하지 않고, 포토 다이오드(112G, 112B)만을 포함한다.

자세히 설명하면, 다수의 광전 변환부(110R, 110G, 110B)에서 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)는 제1 분리웰(104)에 의해 서로 분리되고, 포토 다이오드 (112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)은 제2 분리웰(108)에 의해 서로 분리된다. 제2 분리웰(108)은 입사광 파장이 단파장일수록 면적이 넓다. 자세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에서는 레드 포토 다이오드(112R) 하부에는 제2 분리웰(108)이 형성되지 않고, 그린 및 블루 포토 다이오드(112G, 112B) 하부에는 제2 분리웰(108)이 형성된다. 즉, 도 4에서와 같이 레드 광전 변환부(110R) 및 그 주변 영역을 제외한 다른 영역을 이온 주입하여 제2 분리웰(108)을 형성한다.

파장이 긴 레드 영역의 파장은 실리콘에서의 침투 깊이(penentration depth)가 크기 때문에 상부 기판 영역(103)에서 전하가 생성되기 쉽기 때문에, 이로 인한 크로스토크의 가능성이 크다. 특히, 도 5a에서와 같이 소정의 경사를 가진 입사광에 의해 전하가 상부 기판 영역(103)에서 생성되더라도, 상부 기판 영역이 충분히 넓기 때문에 화살표 c와 같이 포토 다이오드(112R)에 축적될 수 있다. 따라서, 레드 포토다이오드(112R)의 감도가 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 반면, 그린 또는 블루 영역의 파장은 레드 영역의 파장에 비해 실리콘에서의 침투 깊이가 크지 않기 때문에 포토 다이오드(112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)의 면적은 이미지 센서의 동작 특성이나 공정 조건 등에 따라 조절할 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서와 같이 포토 다이오드(112G, 112B) 하부 및 제1 분리웰(104) 하부에 연장되어 제2 분리웰(108)이 형성된 경우, 외부에서 생성된 전하들이 포토 다이오드(112G, 112B)로 유입되는 것을 차단할 수 있고, 화살표 d와 e와 같이 그린 및 블루 파장의 입사광에 의해 생성된 전하들은 포토 다이오드(112G, 112B)에 축적될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 고에너지를 이용하여 제1 분리웰을 깊게 형성 하여 다수의 광전 변환부를 분리하게 되는 경우(즉, 포토 다이오드와 포토 다이오드 하부의 상부 기판 영역을 제1 분리웰에 의해 동시에 분리하는 경우)에 비해 크로스토크의 가능성을 크게 줄일 수 있다. 자세히 설명하면, 제1 분리웰을 깊게 형성하여 레드, 그린, 블루 광전 변환부가 모두 동일한 크기의 포토 다이오드 하부의 상부 기판 영역을 구비하게 되면, 소정의 경사를 가진 입사광에 의해 제1 분리웰에서 광전 변환할 수 있으므로 크로스토크의 가능성이 여전히 존재하기 때문이다. 또한, 제조 공정상으로 비교하더라도, 제1 분리웰을 깊게 형성하려면 포토 레지스트의 두께가 두꺼워져 공정상 미세한 패턴 형성이 어렵다. 따라서, 도 4에서와 같이 광전 변환부(110R, 110G, 110B)와 제2 분리웰(108)을 형성하면 포토 공정의 패턴 폭이 충분히 크기 때문에 공정이 용이하다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5a 및 도 5b와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6a 및 도 6b에서와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)이 본 발명의 일 실시예에 비해 깊다. 따라서, 장파장에 의해 상부 기판 영역(103)에서 생성될 수 있는 전하의 축적 능력이 향상시킬 수 있고, 색 감도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서가 일 실시예에 따른 이미지 센서와 다른 점은, 제2 분리웰(108)이 형성되는 영역을 최소화하여 광전 변환부(110R, 110G, 110B)의 영역을 최대화하였다는 점이다. 즉, 그린 및 블루 광전 변환부(110G, 110B)도 포토 다이오드(112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)이 각각 소정 면적(S2, S3)으로 형성된다는 점이다. 특히, 파장의 길이는 레드, 그린, 블루 순이므로 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)의 면적 역시 레드, 그린, 블루 순인 것이 바람직하다(S1 ≥ S2 ≥ S3). 따라서, 도 7에서와 같이 레드 광전 변환부(110R)는 일 실시예와 동일하게 형성하고, 그린 포토 광전 변환부(110G) 하부의 상부 기판 영역(103)은 일방향으로 연장되어 형성하고, 블루 포토 광전 변환부(110B) 하부의 상부 기판 영역(103)은 블루 포토 광전 변환부(110B)와 오버랩되도록 할 수 있다. 그린 및 블루 광전 변환부(110G, 110B)도 포토 다이오드(112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 구비하므로, 포토 다이오드(112G, 112B) 하부에서 생성된 전하들도 포토 다이오드(112G, 112B)에 축적할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 영역을 중심으로 소정 면적의 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 확보한다. 역시, 파장의 길이는 레드, 그린, 블루 순이므로 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)의 면적 역시 레드, 그린, 블루 순인 것이 바람직하다(S1 ≥ S2 ≥ S3). 특히, 블루 파장의 경우에는 도면에는 표시하지 않았으나 단파장을 주로 광전 변환하므로 포토 다이오드(112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 확보하지 않고, 포토 다이오드(112B) 하부의 전영역에 제2 분리웰(108)을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서는 장파장에 의해 형성될 수 있는 전기적 크로스토크 현상을 줄일 수 있다. 따라서, 화상 왜곡, 색조 불량, 블루밍 현상 등이 감소되므로, 화상 재현 특성이 개선된다. 또한, 장파장에 의해 생성된 전하들이 포토 다이오드 영역에 축적될 수 있으므로, 장파장에 의한 감도가 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

이하 도 11a 내지 도 11d을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명한다. 도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 각 제조 공정 중간 단계별 단면도들이다.

도 11a를 참조하면, 우선, 제1 도전형의 반도체 기판(101, 103)의 소정 영역에 불순물을 이온 주입하여, 깊은 웰(102)을 형성한다. 예를 들어, 깊은 웰(102)은 n형의 기판을 사용하는 경우 반도체 기판(101, 103)과 다른 제2 도전형의 이온인 붕소이온을 2MeV 이상의 주입 에너지, 1 * 10¹¹ 내지 1 * 10¹⁶ 이온/cm²의 주입량(dose)으로 주입하여 형성할 수 있다. 여기서, 깊은 웰(102)의 형성 깊이는 반도체 기판(101, 103)의 표면으로부터 3 내지 12㎛ 이고 최고 농도는 1 * 10¹⁵ 내지 1 * 10²⁰ 원자/cm³일 수 있다.

도 11b를 참조하면, 깊은 웰(102)이 형성된 반도체 기판(101, 103)의 상부 기판 영역(103)에 소자 분리 영역(106)을 형성하여 화소와 주변 회로들이 형성될 활성 영역(도면 미도시)을 정의한다.

이어서, 소자 분리 영역(106) 하부에 불순물을 이온 주입하여 수평 방향의 크로스토크를 줄이기 위한 제2 도전형의 제1 분리웰(104)을 형성한다. 여기서, 제1 분리웰(104)은 불순물의 농도가 1* 10¹⁶ 내지 1 * 10¹⁸ 원자/cm³ 이고, 생성 깊이는 포토 다이오드의 생성 깊이와 실질적으로 동일하거나, 더 깊게 생성될 수 있다.

도 11c를 참조하면, 활성 영역(도면 미도시) 상에 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)와 피닝층(114R, 114G, 114B)를 형성한다. 여기서, 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)와 피닝층(114R, 114G, 114B)은 2번의 서로 다른 이온 주입 공정을 통해서 형성된다. 즉, 주변의 소스, 드레인보다 더 깊게 제1 도전형의 불순물을 이온 주입하여 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)를 형성하고, 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 상부에 제2 도전형의 불순물을 낮은 에너지, 높은 도즈(dose)를 이용하여 이온 주입하여 반도체 기판(101, 103)의 표면 근처에 피 닝층(114R, 114G, 114B)을 형성한다. 다만, 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)는 깊은 웰(102)로부터 소정 거리 이격되어 형성되어 형성된다. 포토 다이오드(112R, 112G, 112B)의 불순물 농도는 1*10¹⁵내지 1*10¹⁸ 원자/cm³일 수 있고, 피닝층(114R, 114G, 114B)의 불순물 농도는 1*10¹⁸내지 1*10²² 원자/cm³일 수 있다. 여기서, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.

도 11d를 참조하면, 이어서, 포토 다이오드의 하부에 위치하는 상부 기판 영역을 단위 화소별로 분리하되, 입사광 파장에 따라 서로 다른 면적을 가지도록 제2 분리웰(108)을 형성한다. 제2 분리웰(108)은 전 단계의 결과물에 제2 도전형의 불순물을 1내지 3MeV의 에너지로, 1*10¹²내지 1*10¹⁵ 이온/cm²의 도즈로 이온 주입하여 형성한다. 고에너지를 이용하는 이온 주입 공정이라도, 도 4에서와 같이 비교적 단순한 포토 레지스트 패턴을 이용하므로 공정이 용이하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 깊은 웰(102), 제1 분리웰(104), 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 및 피닝층(114R, 114G, 114B) 순으로 형성하였으나, 이는 제조 공정 및 설계 방식에 따라 달라질 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 깊은 웰(102)을 일 실시예에 보다 깊게 형성하고, 제2 분리웰(108)을 다수 회의 이온 주입하여 형성하여 포토 다이오드(112R, 112G, 112B) 하부의 상부 기판 영역(103)을 분리함으로써 제조할 수 있다. 예를 들어, 순서대로 3MeV, 2MeV, 1MeV의 에너지를 이용하여 이온 주입함 으로써, 깊게 연결된 제2 분리웰(108)을 형성할 수 있다.

이상 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법만을 설명하였으나, 당업자라면 일 실시예의 제조 방법으로부터 또 다른 실시예에 따른 제조 방법을 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.

본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.

<실험예 1>

N형 반도체 기판 내에 P형의 깊은 웰을 형성하여 P형 깊은 웰 하부를 하부 기판 영역으로, 상부를 상부 기판 영역으로 정의하였다. P형의 깊은 웰로부터 소정 거리 이격시켜 상부 기판 영역 내에 다수의 핀드 포토 다이오드(PPD)를 형성하였다. 그 후, 핀드 포토 다이오드 하부의 상부 기판 영역을 분리하도록, 도 4에서와 같이 제2 분리웰을 형성한다. 이어서, 파장에 따른 컬러 이미지 센서의 분광 감도 특성을 측정하였다. 그 결과가 도 12에 도시되어 있다.

도 12의 x축은 파장을 나타내고, y축은 분광 감도(spectral response)를 나타내고, 실선은 본 발명의 실험예에 따른 결과이고, 점선은 종래 기술에 따른 결과를 나타낸다. 여기서, 분광 감도는 표준화된 값을 사용한다. 우선 종래 기술의 경우에는 파장이 길어질수록 크로스토크가 생겨 해당 영역 외의 다른 영역의 분광 특성을 나타냈다. 예를 들어 설명하면, 약 600nm 이상의 파장에서 레드 화소의 출력 (R1)만 나타나고, 그린 화소의 출력(G1), 블루 화소의 출력(B1)은 거의 없어야 한다. 그런데, 종래 기술의 경우에는 600nm 이상의 파장에서 그린 및 블루 화소의 출력(G1, B1)이 상당히 커서, 크로스토크에 의해 색순도가 떨어짐을 알 수 있었다. 한편, 본 발명의 실험예의 경우에는 600nm 이상의 파장에서 레드 화소의 출력(R2)이 주로 나타나고, 그린 및 블루 화소의 출력(G2, B2)은 상당히 작아 크로스토크 특성이 개선되었음을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상기한 바와 같은 이미지 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다. 장파장에 의해 형성될 수 있는 전기적 크로스토크 현상을 줄일 수 있다. 따라서, 화상 왜곡, 색조 불량, 블루밍 현상이 감소되므로, 화상 재현 특성이 개선된다. 또한, 장파장에 의해 생성된 전하들이 포토 다이오드 영역에 축적될 수 있으므로, 장파장에 의한 감도가 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 분리웰을 형성하기 위한 포토 레지스트 패턴이 비교적 간단하기 때문에, 고에너지를 이용한 이온 주입 공정을 무리없이 적용할 수 있다.

Claims

제1 도전형의 반도체 기판;

상기 기판의 소정 깊이에 형성되어 상기 반도체 기판을 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역 및 하부 기판 영역으로 분리하는 제2 도전형의 깊은 웰; 및

다수의 단위 화소들로, 각 단위 화소는 입사광에 대응하여 전하를 축적하며 상기 각 단위 화소별로 분리된 제1 도전형의 이온 주입 영역을 각각 포함하고, 적어도 하나의 단위 화소는 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역 하부에 위치하고 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역 외측으로 연장되며 인접화소의 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역과 전기적으로 분리된 제1 도전형의 상부 기판 영역을 포함하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 단위 화소는 상기 다수의 단위 화소들에 입사되는 입사광 중 가장 긴 파장의 입사광에 대응하여 전하를 축적하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 제1 도전형의 상부 기판 영역은 제2 도전형의 제1 분리웰에 의해 정의되는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 다수의 단위 화소들은 레드 영역의 파장, 그린 영역의 파장 및 블루 영역의 파장의 입사광에 대응하여 전하를 축적하는 레드 단위 화소, 그린 단위 화소 및 블루 단위 화소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 단위 화소는 레드 단위 화소인 이미지 센서.
제 4항에 있어서,

상기 그린 및 블루 단위 화소는 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역만을 포함하는 이미지 센서.
제 4항에 있어서,

상기 레드 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적이, 상기 그린 및 블루 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적보다 넓은 이미지 센서.
제 6항에 있어서,

상기 그린 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적은, 상기 블루 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 상부 기판 영역의 면적보다 넓은 이미지 센서.
제 4항에 있어서,

상기 레드, 그린 및 블루 단위 화소는 베이어(Bayer)형으로 배열된 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 제1 도전형의 이온 주입 영역은 제2 도전형의 제2 분리웰에 의해 상기 각 단위 화소별로 분리되는 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 제2 도전형의 제2 분리웰은 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역과 실질적으로 같거나 더 깊은 위치까지 형성되는 이미지 센서.
제 9항에 있어서,

상기 제1 도전형의 상부 기판 영역은 적어도 일부가 상기 제2 분리웰과 오버랩되는 이미지 센서.
제1 도전형의 반도체 기판을 제공하는 단계;

상기 반도체 기판을 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역 및 하부 기판 영역으로 분리하는 제2 도전형의 깊은 웰을 상기 반도체 기판의 소정 깊이에 형성하는 단계; 및

다수의 단위 화소들을 형성하는 단계로, 각 단위 화소는 입사광에 대응하여 전하를 축적하며 상기 각 단위 화소별로 분리된 제1 도전형의 이온 주입 영역을 각각 포함하고, 적어도 하나의 단위 화소는 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역 하부에 위치하고 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역 외측으로 연장되며 인접화소의 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역과 전기적으로 분리된 제1 도전형의 상부 기판 영역을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
제 12항에 있어서,

상기 적어도 하나의 단위 화소는 상기 다수의 단위 화소들에 입사되는 입사광 중 가장 긴 파장의 입사광에 대응하여 전하를 축적하는 이미지 센서의 제조 방법.
제 12항에 있어서,

상기 제1 도전형의 상부 기판 영역은 제2 도전형의 제1 분리웰에 의해 정의되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 12항에 있어서,

상기 다수의 단위 화소들은 레드 영역의 파장, 그린 영역의 파장 및 블루 영역의 파장의 입사광에 대응하여 전하를 축적하는 레드 단위 화소, 그린 단위 화소 및 블루 단위 화소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 단위 화소는 레드 단위 화소인 이미지 센서의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 그린 및 블루 단위 화소는 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역만을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 레드 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적이, 상기 그린 및 블루 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적보다 넓은 이미지 센서의 제조 방법.
제 17항에 있어서,

상기 그린 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 면적은, 상기 블루 단위 화소에 포함되는 상기 제1 도전형의 상부 기판 영역의 상부 기판 영역의 면적보다 넓은 이미지 센서의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 레드, 그린 및 블루 단위 화소는 베이어(Bayer)형으로 배열된 이미지 센서의 제조 방법.
제 12항에 있어서,

상기 제1 도전형의 이온 주입 영역은 제2 도전형의 제2 분리웰에 의해 상기 각 단위 화소별로 분리되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 20항에 있어서,

상기 제2 도전형의 제2 분리웰은 상기 제1 도전형의 이온 주입 영역과 실질적으로 같거나 더 깊은 위치까지 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
제 20항에 있어서,

상기 제1 도전형의 상부 기판 영역은 적어도 일부가 상기 제2 분리웰과 오버랩되는 이미지 센서의 제조 방법.