JP2008166735A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】イメージクォリティーが向上したイメージセンサを提供する。
【解決手段】イメージセンサは、第１フォトダイオード（Ｒ）が形成された第１エピ層２と、上記第１エピ層２の上に形成され、第２フォトダイオード（Ｇ）と第１プラグ５が形成された第２エピ層３と、上記第２エピ層３の上に形成され、第３フォトダイオード（Ｂ）、第２プラグ８、及び素子分離膜６が形成された第３エピ層４が含まれ、上記第３フォトダイオード（Ｂ）は、上記第３エピ層４に埋め込まれて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関するものである。

イメージセンサは映像を電気的に変換させる代表的な半導体素子である。代表的なイメージセンサとしては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子及びＣＭＯＳイメージ素子が挙げられる。

ＣＣＤ素子は、複数個のＭＯＳキャパシタを含み、ＭＯＳキャパシタ（コンデンサ）は光により生成されたキャリヤを移動させることによって動作される。一方、ＣＭＯＳイメージ素子は多数の単位ピクセル及び単位ピクセルの出力信号を制御するＣＭＯＳロジック回路を含む。

近来、赤色−緑色−青色（Red-Green-Blue）を感知できる受光領域を水平方向に配列していた既存の方式から外れて、一つのピクセルに赤色−緑色−青色（Red-Green-Blue）を感知できる受光領域を垂直に配列して水平構造のイメージセンサより略３倍水準の高画質を具現できるバーティカル（vertical）イメージセンサが開発されたことがある。

上記バーティカルイメージセンサは別途のカラーフィルタ工程なしに多様な色彩を表現できるので、生産性を高めて、生産費用を低減できる長所がある。

本発明の目的は、イメージセンサを提供することにある。

本発明の他の目的は、イメージクォリティーが向上したイメージセンサを提供することにある。

本発明によるイメージセンサは、第１フォトダイオードが形成された第１エピ層と、上記第１エピ層の上に形成され、第２フォトダイオードと第１プラグが形成された第２エピ層と、上記第２エピ層の上に形成され、第３フォトダイオード、第２プラグ、及び素子分離膜が形成された第３エピ層が含まれ、上記第３フォトダイオードは、上記第３エピ層に埋め込まれて形成されたことを特徴とする。

本発明によるイメージセンサは、第１エピ層と、上記第１エピ層の上に形成された第１フォトダイオードと、上記第１フォトダイオードの上に形成された第２エピ層と、上記第２エピ層の上に形成された第２フォトダイオードと、上記第２フォトダイオードの上側に形成された第３フォトダイオードと、上記第２フォトダイオードと上記第３フォトダイオードとの間、及び上記第３フォトダイオードの上に形成された第３エピ層とを含む。

本発明によるイメージセンサの製造方法は、半導体基板の上に第１エピ層を形成する段階と、上記第１エピ層に第１フォトダイオードを形成する段階と、上記第１エピ層及び第１フォトダイオードの上に第２エピ層を形成する段階と、上記第２エピ層に第２フォトダイオードを形成する段階と、上記第２エピ層、及び第２フォトダイオードの上に第３エピ層を形成する段階と、上記第３エピ層に埋め込まれた第３フォトダイオードを形成する段階とを含む。

本発明によれば、イメージクォリティーが向上したイメージセンサが得られる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明によるイメージセンサ及びその製造方法を詳細に説明する。

また、本発明による実施形態の説明において、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on/above/over/upper）”に、または、“下（down/below/under/lower）”に形成されることと記載される場合において、その意味は、各層（膜）、領域、パッド、パターン、または構造物が直接、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンに接触して形成される場合と解釈されることができ、他の層（膜）、他の領域、他のパッド、他のパターン、または他の構造物がその間に追加的に形成される場合と解釈されることもできる。したがって、その意味は発明の技術的思想により判断されるべきである。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態によるイメージセンサを説明する図である。

図１を参照すれば、Ｐ型半導体基板１の上に第１エピ層２を形成した後、第１エピ層２に砒素（Ａｓ）のようなＮ型不純物イオンを注入してレッドフォトダイオード（Ｒ）を形成する。次に、上記レッドフォトダイオード等の間に硼素イオンを注入して絶縁領域（図示せず）を形成する。

次に、第１エピ層２の上に第２エピ層３を形成した後、上記第２エピ層３にまたＮ型不純物イオンを注入してグリーンフォトダイオード（Ｇ）を形成し、上記グリーンフォトダイオード等の間に硼素イオンを注入して絶縁領域を形成する。この際、上記第２エピ層に高エネルギーのイオンを注入して第１プラグ５を形成する。

次に、第２エピ層３の上に第３エピ層４を形成した後、第３エピ層に素子分離領域とアクティブ領域を区分するための素子分離膜６を形成する。この際、上記素子分離膜６はＳＴＩ工程により形成することができる。

次に、ゲート構造物７を形成し、Ｎ型不純物イオンを注入してブルーフォトダイオード（Ｂ）を形成する。この際、上記第３エピ層４に高エネルギーのイオンを注入して第２プラグ８を形成する。

このような方法により製造されたバーティカルイメージセンサにおいて、ブルーフォトダイオード（Ｂ）は、短い波長の光を受光するために、第３エピ層４の表面に形成される。
上記レッドフォトダイオード（Ｒ）、グリーンフォトダイオード（Ｇ）及びブルーフォトダイオード（Ｂ）は少なくとも一部分が同一垂直線上に配置される。このような垂直構造のイメージセンサーは水平構造のイメージセンサーより高画質を具現することができる長所があるが、漏洩電流（leakage current）による影響を受ける問題がある。

一方、第３エピ層４の表面に形成されたブルーフォトダイオード（Ｂ）がイメージクォリティー（image quality）に及ぼす影響を実験を通じて分析した結果、表面に形成されたブルーフォトダイオード（Ｂ）により漏洩電流が増加してイメージクォリティーが低下する場合がある。ここで、イメージクォリティーは、出力される映像の精度を意味する。

また、図１に図示されたイメージセンサは、上記第２プラグ８が素子分離膜６と接触したり、接触する程度に近接するように形成されている。

このような第２プラグ８と素子分離膜６の近接位置がイメージクォリティーに及ぼす効果に対して、上記第２プラグ８と素子分離膜６との間の距離が０．０８μｍである場合と１．１０μｍである場合とを比較した実験を通じて分析した結果、その距離が近いほど素子分離膜６を通じた漏洩電流（leakage current）が増加してイメージクォリティーが低下する場合がある。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態によるバーティカルイメージセンサを示す断面図である。

図２を参照すれば、半導体基板１０の上には第１エピ層２０が形成され、上記第１エピ層２０には不純物イオン、例えば、砒素（Ａｓ）イオンが注入されたレッドフォトダイオード（Ｒ）が形成される。この際、半導体基板１０は、例えば、Ｐ型不純物イオンが注入されたＰ型半導体基板である。

第１エピ層２０の上には第２エピ層３０が形成される。この際、第２エピ層３０には不純物イオン、例えば、砒素（Ａｓ）イオンが注入されたグリーンフォトダイオード（Ｇ）が形成される。また、第２エピ層３０には、第１プラグ５０が形成される。

第２エピ層３０の上には第３エピ層４０が形成される。第３エピ層３０には、アクティブ領域と素子分離領域を区分する複数の素子分離膜６０等が形成される。この際、素子分離膜６０は、例えば、ＳＴＩ（浅いトレンチ型絶縁膜）であり得る。

素子分離膜６０を除外したアクティブ領域には、ブルーフォトダイオード（Ｂ）と第２プラグ８０が形成される。

ブルーフォトダイオード（Ｂ）は、ゲート構造物７０の下段（下側）から素子分離膜６０との間の第３エピ層４０に形成される。この際、第２プラグ８０は、第１プラグ５０と電気的に連結されている。

ここで、ブルーフォトダイオード（Ｂ）は、第３エピ層４０の表面に表れないで、第３エピ層４０に埋め込まれて形成されるが、例えば、ブルーフォトダイオード（Ｂ）は、第３エピ層４０表面から０．０１０乃至０．２００μｍ深さで埋め込まれて形成されることができ、具体的にはブルーフォトダイオード（Ｂ）は、第３エピ層４０の表面から０．０８μｍ深さで埋め込まれて形成されることができる。上記ブルーフォトダイオード（Ｂ）が上記エピ層（４０）に埋没されて形成されることによって漏洩電流が減少されてイメージクオリティーが向上することができる。

また、第２プラグ８０は、素子分離膜６０と隔離されて第３エピ層４０に形成されるが、例えば、第２プラグ８０は、素子分離膜６０から少なくとも０．０８μｍ以上に隔離されて形成されることができ、具体的には、第２プラグ８０は、素子分離膜６０から１．１０μｍ間隔で離隔して形成されることができる。上記第２プラグ（８０）が上記素子分離膜（６０）から離隔され形成されることによって漏洩電流が減少されてイメージクオリティーが向上することができる。

第３エピ層４０の上には、酸化膜及びドーピングされたポリシリコンで構成されたゲート構造物７０が形成される。

図３乃至図７は、第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。なお、以下の工程におけるイオン注入の際には、適宜マスキングを行い所望の領域にイオン注入できるようにしている。

図３を参照すれば、Ｐ型半導体基板１０の上に第１エピ層２０を形成した後、上記第１エピ層に砒素（Ａｓ）のようなＮ型不純物イオンを注入してレッドフォトダイオード（Ｒ）を形成する。次に、上記レッドフォトダイオード（Ｒ）の間に硼素イオンを注入して絶縁領域（図示せず）を形成する。

次に、図４を参照すれば、第１エピ層２０の上に第２エピ層３０を形成した後、第２エピ層３０にまたＮ型不純物イオンを注入してグリーンフォトダイオード（Ｇ）を形成し、グリーンフォトダイオード（Ｇ）の間に硼素イオンを注入して絶縁領域（図示せず）を形成する。次に、第２エピ層３０に高エネルギーのイオンを注入して、第１プラグ５０を形成する。

次に、図５を参照すれば、第２エピ層３０の上に第３エピ層４０を形成した後、第３エピ層４０に素子分離領域とアクティブ領域を区分するための素子分離領域形成工程を進行して素子分離膜６０を形成する。この際、素子分離膜６０は、ＳＴＩ工程で形成することができる。次に、酸化膜（図示せず）を形成し、その上にドーピングされたポリシリコン７１を積層した後、フォト工程を進行しエッチングして、酸化膜とポリシリコン７１で形成されたゲート構造物７０を形成する。

次に、Ｎ型不純物イオンを注入して第３エピ層４０の内部（または所定深さ）にブルーフォトダイオード（Ｂ）を形成する。

次に、図６を参照すれば、第３エピ層４０の表面にＰ型不純物イオンを注入し、ブルーフォトダイオード（Ｂ）の上にＰ型不純物イオンが注入されたＰ型カバー層４１を形成して、結果的にブルーフォトダイオード（Ｂ）が第３エピ層４０の表面から埋め込まれたブルーフォトダイオード（Ｂ）を形成する。

この際、Ｐ型カバー層４１が第３エピ層４０の表面から０．０１０乃至０．２００μｍ深さになるように形成することができ、具体的には、Ｐ型カバー層４１が第３エピ層４０の表面から０．０８μｍ深さになるように形成されることができる。

または、ブルーフォトダイオード（Ｂ）を形成するための工程で、Ｎ型不純物イオンを高エネルギーで注入して第３エピ層４０の表面から０．０１０μｍ乃至０．２００μｍの深さでブルーフォトダイオード（Ｂ）が形成されるようにすることができる。また、０．０８μｍの深さでブルーフォトダイオード（Ｂ）が形成されるようにすることができる。

次に、図７を参照すれば、素子分離膜６０とその周辺領域の一定部分をカバーするマスクをイオン注入マスクとして使用して、高エネルギーのイオンを注入して素子分離膜６０と隔離される第２プラグ８０を形成する。

この際、上記マスクは、素子分離膜６０の枠より少なくとも０．０８μｍだけ大きいマスクを使用することができ、本実施形態では１．１０μｍだけ大きいマスクを使用する。

次に、後続工程を進行してバーティカルイメージセンサを製造する。

第１実施形態によるバーティカルイメージセンサを示す断面図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサを示す断面図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。 第２実施形態によるバーティカルイメージセンサの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１、１０ 半導体基板、 ２、２０ 第１エピ層、 ３、３０ 第２エピ層、 ５、５０ 第１プラグ、 ４、４０ 第３エピ層、 ６、６０ 素子分離膜、 ７、７０ ゲート構造物、 ８、８０ 第２プラグ。

Claims (19)

1. 第１フォトダイオードが形成された第１エピ層と、
   前記第１エピ層の上に形成され、第２フォトダイオードと第１プラグが形成された第２エピ層と、
   前記第２エピ層の上に形成され、第３フォトダイオード、第２プラグ、及び素子分離膜が形成された第３エピ層が含まれ、
   前記第３フォトダイオードは、前記第３エピ層に埋め込まれて形成されたことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記第２プラグは、前記素子分離膜と離隔して形成されたことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
3. 前記第３フォトダイオードは、前記第３エピ層の表面から０．０１０乃至０．２００μｍ深さで埋め込まれて形成されることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
4. 前記第２プラグは、前記素子分離膜から０．０８μｍ以上隔離されて形成されることを特徴とする請求項２記載のイメージセンサ。
5. 前記第３フォトダイオードは、ブルーカラーを感知するブルーフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
6. 第１エピ層と、
   前記第１エピ層の上に形成された第１フォトダイオードと、
   前記第１フォトダイオードの上に形成された第２エピ層と、
   前記第２エピ層の上に形成された第２フォトダイオードと、
   前記第２フォトダイオードの上側に形成された第３フォトダイオードと、
   前記第２フォトダイオードと前記第３フォトダイオードとの間及び前記第３フォトダイオードの上に形成された第３エピ層と、
   を含むことを特徴とするイメージセンサ。
7. 前記第３フォトダイオードには第１導電型の不純物イオンが注入され、前記第３フォトダイオードの上に形成された前記第３エピ層には第２導電型の不純物イオンが注入されたことを特徴とする請求項６記載のイメージセンサ。
8. 前記第３フォトダイオードの上に形成された前記第３エピ層は、０．０１０乃至０．２００μｍの厚みで形成されることを特徴とする請求項６記載のイメージセンサ。
9. 前記第３フォトダイオードは、ブルーカラーを感知するブルーフォトダイオードであることを特徴とする請求項６記載のイメージセンサ。
10. 前記第３エピ層には、前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードを電気的に連結するためのプラグと、アクティブ領域と素子分離領域を区分するための素子分離膜が形成され、前記素子分離膜とプラグは離隔して形成されたことを特徴とする請求項６記載のイメージセンサ。
11. 前記プラグは、前記素子分離膜から０．０８μｍ以上隔離されて形成されることを特徴とする請求項１０記載のイメージセンサ。
12. 前記第１フォトダイオード、第２フォトダイオード、及び第３フォトダイオードは、少なくとも一部分が同一垂直線上に配置されることを特徴とする請求項６記載のイメージセンサ。
13. 半導体基板の上に第１エピ層を形成する段階と、
    前記第１エピ層に第１フォトダイオードを形成する段階と、
    前記第１エピ層及び第１フォトダイオードの上に第２エピ層を形成する段階と、
    前記第２エピ層に第２フォトダイオードを形成する段階と、
    前記第２エピ層及び第２フォトダイオードの上に第３エピ層を形成する段階と、
    前記第３エピ層に埋め込まれた第３フォトダイオードを形成する段階と、
    を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
14. 前記第３フォトダイオードを形成する段階は、前記第３エピ層の表面に第１導電型の不純物イオンを注入して、前記第３フォトダイオードを形成する段階と、前記第３フォトダイオードの上方に第２導電型の不純物イオンを注入する段階とを含むことを特徴とする請求項１３記載のイメージセンサの製造方法。
15. 前記第２導電型の不純物イオンは、前記第１導電型の不純物イオンが注入された領域の上方で０．０１０乃至０．２００μｍ厚みの領域に注入されることを特徴とする請求項１４記載のイメージセンサの製造方法。
16. 前記第３エピ層に素子分離膜とプラグを形成する段階が更に含まれ、前記素子分離膜とプラグは離隔して形成されることを特徴とする請求項１３記載のイメージセンサの製造方法。
17. 前記プラグは、前記素子分離膜から０．０８μｍ以上隔離されて形成されることを特徴とする請求項１６記載のイメージセンサの製造方法。
18. 前記プラグを形成する段階は、前記素子分離膜の上に前記素子分離膜より広い面積のマスクを形成し、不純物イオンを注入することを特徴とする請求項１６記載のイメージセンサの製造方法。
19. 前記第３フォトダイオードは、ブルーカラーを感知するブルーフォトダイオードであることを特徴とする請求項１３記載のイメージセンサの製造方法。

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