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JP2008166818A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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JP2008166818A JP2007339824A JP2007339824A JP2008166818A JP 2008166818 A JP2008166818 A JP 2008166818A JP 2007339824 A JP2007339824 A JP 2007339824A JP 2007339824 A JP2007339824 A JP 2007339824A JP 2008166818 A JP2008166818 A JP 2008166818A
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ワン、ジュン
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Dongbu HitekCo Ltd
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Abstract

【課題】本発明は、高解像度に適したイメージセンサ及びその製造方法を提供するためのものである。
【解決手段】本発明によるイメージセンサは、第１波長の光を感知できる深さの半導体基板に形成された第１フォトダイオードと、前記第１波長より短い第２波長の光を感知できる深さで前記第１フォトダイオードの上側の半導体基板に形成された第２フォトダイオードと、前記第２フォトダイオードの接した位置に配置される第３フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと電気的に連結されるプラグと、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フォトダイオードと電気的に連結されて前記半導体基板上に形成されるトランジスター領域と、前記トランジスター領域を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたマイクロレンズが含む。
【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、光学映像（optical image）を電気信号に変換させる半導体素子であって、個別ＭＯＳ（metal-oxide-silicon）キャパシタ（capacitor）が互いに非常に近接した位置にありながら、電荷キャリヤがキャパシタに格納され移送される二重結合素子（ＣＣＤ：charge coupled device）、制御回路（control circuit）、及び信号処理回路（signal processing circuit）を周辺回路に使用するＣＭＯＳ技術を利用して画素数だけＭＯＳトランジスタを作り、これを利用して徐々に出力を検出するスイッチング方式を採用したＣＭＯＳ（complementary MOS）イメージセンサがある。
ＣＭＯＳイメージセンサは、ピクセルアレイ（pixel array）の上部にカラーフィルタ層を形成して特定波長を選択的にフォトダイオードに伝達することによって、イメージを再現する方法を採択している。
しかしながら、前述した方法は、イメージを再現するにあって、一つのカラーを具現するにピクセルの面積をたくさん占める短所がある。例えば、自然光を光の三原色に分解するＲＧＢ型カラーフィルタの場合、赤色、緑色、青色を検出するために、３つのピクセルが要求され、したがって、高解像度イメージを生成するためのイメージセンサには適合しない。
本発明は、高解像度に適したイメージセンサ及びその製造方法を提供することをその目的とする。
本発明によるイメージセンサは、第１波長の光を感知できる深さの半導体基板に形成された第１フォトダイオードと、前記第１波長より短い第２波長の光を感知できる深さで前記第１フォトダイオードの上側の半導体基板に形成された第２フォトダイオードと、前記第２フォトダイオードの接した位置に配置される第３フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと電気的に連結されるプラグと、前記第１フォトダイオードと、第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードと電気的に連結されて前記半導体基板上に形成されるトランジスター領域と、前記トランジスター領域を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたマイクロレンズとを含む。
本発明によるイメージセンサの製造方法は、半導体基板に第１波長の光が感知されることができる深さに不純物イオンを注入して第１フォトダイオードを形成する段階と、前記第１波長より短い第２波長の光が感知されることができる深さで前記第１フォトダイオードの上側に不純物イオンを注入して第２フォトダイオードを形成する段階と、前記第２フォトダイオードに接した前記半導体基板に不純物イオンを注入して第３フォトダイオードを形成する段階と、前記第１フォトダイオードと電気的に連結されるプラグを形成する段階と、前記半導体基板上に前記第１フォトダイオード、第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードと電気的に連結されるトランジスター構造物等を形成する段階と、前記トランジスター構造物上等に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜上にマイクロレンズを形成する段階とを含む。
本発明によれば、イメージセンサの赤色フォトダイオード及び青色フォトダイオードを互いに異なるイオン注入エネルギーで半導体基板に注入して同一な位置に高さ差を有するように形成することによって、イメージの解像度を格段に向上させることができる効果が得られる。
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について詳細に説明する。
図１は実施例によるイメージセンサの平面図である。図２Ａは本発明の実施例による図１のＩ−Ｉ’線の断面図である。
図１及び図２Ａを参照し、イメージセンサ（１００）は半導体基板（５）、第１フォトダイオード（１０）、第２フォトダイオード（２０）、第３フォトダイオード（３０）、プラグ（４０）、トランジスター領域（５２、５４、５６）、絶縁膜（６０）を含む。前記第１フォトダイオード（１０）は赤色(Red)光を受光するためのフォトダイオードになることができ、前記第２フォトダイオード（２０）は青色(Blue)光を受光するためのフォトダイオードになることができるし、前記第３フォトダイオード（３０）は緑(Green)光を受光するためのフォトダイオードになることができる。そして、前記トランジスター領域（５２、５４、５６）はトランスファートランジスター(Tx: Transfer transistor)、リセットトランジスター(Rx: Reset Transistor)、セレクトトランジスター(Sx:Select Transistor)、アクセストランジスター(Ax:Access Transistor)を含む。他の例として、前記第１フォトダイオード（１０）、第２フォトダイオード（２０）、第３フォトダイオード（３０）はイエロー(yellow)光、シアン(cyan)光及びマゼンタ(magenta)光を受光するためのフォトダイオード等であってもよい。
前記第１フォトダイオード（１０）、第２フォトダイオード（２０）及び第３フォトダイオード（３０）は半導体基板（５）に配置されて、半導体基板（５）は素子分離パターン（３）を有する。
本実施例で、前記第１フォトダイオード（１０）、すなわちＮ−不純物が注入された第１フォトダイオード（１０）とＰ＋不純物注入層（１２）の界面(interface)の位置は半導体基板（５）の表面から赤色波長を有する赤色光が到達する深さに形成される。本実施例で、第１フォトダイオード（１０）は半導体基板（５）の表面から０．７μｍ乃至１．５μｍの深さに形成されることができる。
本実施例で、前記第１フォトダイオード（１０）はエピ層等を利用しないで、直接半導体基板（５）にイオン注入方法等を利用して形成される。
本実施例で、前記第２フォトダイオード（２０）の形成位置は前記第１フォトダイオード（１０）の位置と実質的に同一で、単に高さの差を有する。前記第２フォトダイオード（２０）、すなわち、Ｎ−不純物が注入された第２フォトダイオード（２０）とＰ＋不純物注入層（２２）の界面(interface)の位置は半導体基板（５）の表面から青色波長を有する青色光が到達する深さに形成されることができる。本実施例で、第２フォトダイオード（２０）は半導体基板（５）の表面から０．３μｍ乃至ないし０．５μｍの深さに形成されることができる。
本実施例で、前記第２フォトダイオード（２０）はエピ層等を利用しないで直接半導体基板（５）にイオン注入方法により形成される。
前記第３フォトダイオード（３０）は、例えば、半導体基板（５）上に配置される。本実施例で、第３フォトダイオード（３０）の形成位置は前記第２フォトダイオード（２０）に対して接した位置と配置される．本実施例で、前記第３フォトダイオード（３０）、すなわち、Ｎ−不純物が注入された第３フォトダイオード（３０）とＰ０不純物注入層（３２）の界面(interface)の位置は半導体基板（５）の表面から０．５μｍ乃至１．５μｍの深さに形成されることができる。
本実施例で、前記第３フォトダイオード（３０）はエピ層等を利用しないで直接半導体基板（５）にイオン注入方法により直接形成される。
本実施例で、前記第２フォトダイオード（２０）及び第３フォトダイオード（３０）は、例えば、半導体基板（５）の表面部分に配置されるから別途の接続手段なしに後述するトランジスター領域（５２、５４、５６）と電気的に連結される。
しかし、第１フォトダイオード（１０）の場合、半導体基板（５）の内部に配置されるため後述するトランジスター領域（５２、５４、５６）と直接電気的に連結されにくい。本実施例では第１フォトダイオード（１０）をトランジスター構造物と連結するためにプラグ（４０）が使われる。
前記プラグ（４０）は第１フォトダイオード（１０）と対応する部分の半導体基板（５）に高濃度／高エネルギーでイオン注入された不純物によって形成される。
図１をまた参照すれば、第１フォトダイオード（１０）、第２フォトダイオード（２０）及び第３フォトダイオード（３０）はそれぞれトランジスター領域（５２、５４、５６）と電気的に連結される。トランジスター領域（５２、５４、５６）はトランスファートランジスター(Tx)、リセットトランジスター(Rx)、セレクトトランジスター(Sx)及びアクセストランジスター(Ax)を含む。前記アクセストランジスター(Ax)は設計によって選択的に具備されることができる。
それぞれの第１、第２及び第３フォトダイオード（１０、２０、３０）にはトランスファートランジスター(Tx) 及びリセットトランジスター(Rx)が直列に接続される。トランスファートランジスター(Tx)のソースはそれぞれの第１、第２及び第３フォトダイオード（１０、２０、３０）等と接続して、トランスファートランジスター(Tx)のドレーンはリセットトランジスター(Rx)のソースと接続する。リセットトランジスター(Rx)のドレーンには電源電圧(Vdd)が印加される。
トランスファートランジスター(Tx)のドレーンは浮遊拡散層(FD、floating diffusion)に役割をする。浮遊拡散層(FD)はセレクトトランジスター(Sx)のゲートに接続される。セレクトトランジスター(Sx) 及びアクセストランジスター(Ax)は直列に接続される。即ち、セレクトトランジスター(Sx)のソースとアクセストランジスター(Ax)のドレーンは互いに接続する。アクセストランジスター(Ax)のドレーン及びリセットトランジスター(Rx)のソースには電源電圧(Vdd)が印加される。セレクトトランジスター(Sx)のドレーンは出力段(Out)に該当し、リセットトランジスター(Rx)のゲートにはリセット信号が周期的に(periodically)印加されて前記浮遊拡散層の電圧(viltage)または電荷(charge)をリセットされるようにする。
図２Ａをまた参照すれば、絶縁膜（６０）はトランジスター構造物（５２、５４、５６）を覆ってイメージセンサ（１００）が製造される。
図２Ｂを参照すれば、他の実施例によれば前記第２フォトダイオード（２０）及び第３フォトダイオード（３０）はエピ層（１６）に形成されることができる。この時、第１フォトダイオード（１０’）即ち、Ｎ−不純物が注入された第１フォトダイオード（１０’）とＰ＋不純物注入層（１２’）の界面(interface)の位置は単結晶シリコーン基板(a single-crystal silicon substrate)（１４）の表面近くに形成されることができる。この時、プラグ（４０）は前記基板（１４）にイオンを注入して形成された第１Ｎ＋部分（４０’）及び前記第１Ｎ＋部分（４０’）と電気的に連結されて前記エピ層（１６）にイオンを注入して形成された第２Ｎ＋部分（４０’’）が含まれる。
図３乃至図６は実施例によるイメージセンサの製造方法を図示した断面図である。
図３を参照すれば、前記半導体基板（５）上に公知された技術によって素子分離領域（３）及びトランジスター領域（５２、５４、５６）のゲートを形成する。半導体基板（５）上には第１フォトダイオード（１０）を形成するための開口を有するイオン注入マスク（７）が形成されて、イオン注入マスク（７）の開口を通じて相対的に低い濃度のＮ型不純物が第１イオン注入エネルギーで注入される。そして、前記イオン注入マスク（７）の開口を通じて相対的に高い濃度のＰ型不純物を前記第１イオン注入エネルギーより小さい第２イオン注入エネルギーで注入してＰ＋不純物注入層（１２）を形成する。したがって、半導体基板（５）の内部には半導体基板（５）の表面から第１深さ（Ｄ）に第１フォトダイオード（１０）が形成される。本実施例で、第１深さ（Ｄ）は約０．７μｍ乃至約１．５μｍであり得る。
図４を参照すれば、前記第１フォトダイオード（１０）が形成された後、半導体基板（５）には第３フォトダイオード（３０）を形成するための開口を有するイオン注入マスク（未図示）が形成される。そして、前記イオン注入マスクを通じて相対的に低い濃度のＮ型不純物が前記第１イオン注入エネルギーより小さい第３イオン注入エネルギーで注入される。
そして、半導体基板（５）には開口を有するイオン注入マスク（８）が形成される。
本実施例で、前記イオン注入マスク（８）の開口は実質的に第２フォトダイオード（２０）と対応する所に形成される。前記イオン注入マスク（８）の開口を通じて相対的に低い濃度のＮ型不純物が第１イオン注入エネルギー及び第２イオン注入エネルギーより小さな第４イオン注入エネルギーで注入されて半導体基板（５）の表面には第１深さ（Ｄ）より低い第２深さ（Ｄ１）で不純物が注入される。本実施例で、第２深さ（Ｄ１）は約０．３μｍ乃至０．５μｍであり得る。
本実施例で、第１フォトダイオード（１０）及び第２フォトダイオード（２０）の間には第１フォトダイオード（１０）及び第２フォトダイオード（２０）の干渉を防止するための高濃度のＰ＋不純物注入層（１２）が形成されることができる。
図５を参照すれば、第２フォトダイオード（２０）が形成された後、前記半導体基板（５）上に酸化膜(oxide)、窒化膜(nitride)、酸化膜と窒化膜の二重層(nitride-on-oxide bilayer)の中の何れか一つで成り立ったサイドウォールスペーサー(sidewall spacer)（５８）が形成される。
そして、イオン注入マスク（未図示）を通じて前記第３イオン注入エネルギーより小さい第５イオン注入エネルギーで相対的に高い濃度のＰ型不純物を注入してＰ０不純物注入層（３２）を形成して第３フォトダイオード（３０）を形成する。
そして、半導体基板（５）には第２フォトダイオード（２０）を形成するための開口を有するイオン注入マスク（９）が形成される。本実施例で、イオン注入マスク（９）の開口は実質的に第３フォトダイオード（３０）と接した位置及び前記第１フォトダイオード（１０）の上側に形成される。イオン注入マスク（９）の開口を通じて相対的に高い濃度のＰ型不純物が半導体基板（５）に注入されてＰ０不純物注入層（２２）が形成される。本実施例で、第３フォトダイオード（３０）は半導体基板（５）の表面から０．５μｍ乃至１．５μｍの深さに形成されることができる。
図６を参照すれば、半導体基板（５）に第１フォトダイオード（１０）、第２フォトダイオード（２０）及び第３フォトダイオード（３０）が形成された後、第１フォトダイオード（１０）の一部と対応する所にイオン注入マスク（１１）を形成して高エネルギー高濃度でＰ、Ａｓ、ＳｂのようなＮ型不純物イオンを注入して第１フォトダイオード（１０）と電気的に連結されたプラグ（４０）が形成される。
以後、図２Ａに図示されたところのようなトランジスター領域（５２、５４、５６）を覆う絶縁膜（６０）を形成してイメージセンサ（１００）を製造する。
図７を参照すれば、前記絶縁膜（６０）上に中間絶縁膜(a interlayer dielectric (ILD) layer)（７０）が形成される．そして、前記中間絶縁膜（７０）上に第２フォトダイオード（３０’）に対応される位置に緑カラーフィルターのようなカラーフィルター（８２）が形成される。そして、前記カラーフィルター（８２）上に平坦化層(a planarization layer)（８０）が形成されて、前記平坦化層（８０）上に前記第１フォトダイオード（１０）及び第２フォトダイオード（２０）に対応されるマイクロレンズ（９０）と前記第３フォトダイオード（３０）に対応されるマイクロレンズ（９２）が形成される。
他の実施例によれば、前記第２フォトダイオード（２０）と第２フォトダイオード（３０）は一つのマスクを使って不純物イオンを注入することで同時に形成されることができる。
また、前記Ｐ０不純物注入層（２２）及びＰ０不純物注入層（３２）は一つのマスクを使って不純物イオンを注入することで同時に形成されることができる。したがって、マスクの数を減少させることができる長所がある。
図８は単位ピクセル等(unit pixels)のレイアウト(layout)を例示した図面である。図８に図示された２ｘ２パターン(2x2 pattern)はチップ設計によってチップ全体面積に反復されて配置されることができる。赤色単位ピクセルと青色単位ピクセルを等しい領域に配置することでピクセルアレイの密度が２０〜２５％増加されることができる。
本発明によるイメージセンサの平面図である。 実施例等による図１の断面図である。 実施例等による図１の断面図である。 本発明によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 本発明によるイメージセンサの製造方法を示す断面図である。 図７は絶縁膜上に中間絶縁膜、カラーフィルター、平坦化層及びマイクロレンズを形成することを説明する図面。 図８は単位ピクセル等(unit pixels)のレイアウト(layout)を例示した図面である。
符号の説明
３ 素子分離パターン
５ 半導体基板
１０ 赤色フォトダイオード
２０ 青色フォトダイオード
３０ 緑色フォトダイオード
４０ プラグ
５２、５４、５６ トランジスタ構造物
６０ 絶縁膜
１００ イメージセンサ

Claims (9)

  1. 第１波長の光を感知できる深さの半導体基板に形成された第１フォトダイオードと、
    前記第１波長より短い第２波長の光を感知できる深さで前記第１フォトダイオードの上側の半導体基板に形成された第２フォトダイオードと、
    前記第２フォトダイオードの接した位置に配置される第３フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードと電気的に連結されるプラグと、
    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フォトダイオードと電気的に連結されて前記半導体基板上に形成されるトランジスター領域と、
    前記トランジスター領域を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成されたマイクロレンズと、
    を含むイメージセンサ。
  2. 前記第１フォトダイオードは前記半導体基板の表面から第１深さに形成されて、前記第２フォトダイオードは前記半導体基板の表面から前記第１深さより浅い第２深さに形成される請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 第２フォトダイオードは前記半導体基板の表面または表面近くに形成される請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 第３フォトダイオードは前記半導体基板の表面または表面近くに形成される請求項１に記載のイメージセンサ。
  5. 前記プラグは不純物イオンを含む請求項１に記載のイメージセンサ。
  6. 半導体基板に第１波長の光が感知されることができる深さに不純物イオンを注入して第１フォトダイオードを形成する段階と、
    前記第１波長より短い第２波長の光が感知されることができる深さで前記第１フォトダイオードの上側に不純物イオンを注入して第２フォトダイオードを形成する段階と、
    前記第２フォトダイオードに接した前記半導体基板に不純物イオンを注入して第３フォトダイオードを形成する段階と、
    前記第１フォトダイオードと電気的に連結されるプラグを形成する段階と、
    前記半導体基板上に前記第１フォトダイオード、第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードと電気的に連結されるトランジスター構造物等を形成する段階と、
    前記トランジスター構造物上等に絶縁膜を形成する段階と、
    前記絶縁膜上にマイクロレンズを形成する段階と、
    を含むイメージセンサ製造方法。
  7. 前記第１フォトダイオードを形成する段階は第１イオン注入エネルギーで不純物イオンを注入する段階を含んで、前記第２フォトダイオードを形成する段階は前記第１イオン注入エネルギーより低い第２イオン注入エネルギーで不純物イオンを注入する段階が含まれる請求項６に記載のイメージセンサ製造方法。
  8. 前記第１フォトダイオードと第２フォトダイオードの干渉を防止するために前記第１フォトダイオードと第２フォトダイオードの間に高濃度不純物領域を形成する段階が含まれる請求項６に記載のイメージセンサ製造方法。
  9. 前記高濃度不純物領域はＰ型不純物イオンを含んで、前記第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードはＮ型不純物イオンを含む請求項８に記載のイメージセンサ製造方法。
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