KR100821469B1 - 개선된 컬러 크로스토크를 갖는 소형 ｃｍｏｓ 이미지 센서및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형의 크기, 우수한 적색 응답 및 작은 컬러 크로스토크(color cross talk)를 갖는 고체 상태 CMOS 이미지 센서에 관하여 상세히 설명하고 있다. p형 도핑층을 녹색 및 청색 포토다이오드 아래에 포함시키고 적색 포토다이오드 아래에는 포함시키지 않음으로써, 성능의 향상이 달성된다.
이미지센서, 칼라필터, 픽셀, 적색, 도핑

Description

개선된 컬러 크로스토크를 갖는 소형 ＣＭＯＳ 이미지 센서 및 그 제조 방법{Small Size CMOS Image Sensor Pixel with Improved Color Cross Talk and Method for Fabricating the Same}
도 1은 상부에 배치된 컬러 광흡수 필터(color light absorbing filter)를 갖는 종래의 픽셀을 간략히 도시하고 있고, 또한 실리콘 에피택셜(epitaxial) 영역, 공핍(depletion) 영역, 및 컬러 크로스토크를 야기하는 캐리어(carriers)를 포함하여 광자 발생 캐리어(photon generated carriers)의 대응하는 포토다이오드 포텐셜 웰(photodiode potential wells)로의 흐름을 도시한 단면도.
도 2는 상부에 배치된 컬러 광흡수 필터를 갖는 본 발명의 픽셀을 간략히 도시하고 있고, 또한 작은 전위 장벽(potential barrier)을 형성하는 깊은 보론 임플란트(implant)의 위치, 및 적색 포토다이오드 포텐셜 웰로만 흐르도록 전환되어 그에 따라 컬러 크로스토크를 최소화하는, 실리콘 벌크 내의 깊이의 광자 발생 캐리어의 흐름을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201 : 청색 필터 202 ; 녹색 필터
203 : 적색 필터 208 : 트랜스퍼 게이트
209 : FD 노드 211: 공핍 영역
212: P형 도핑층 218 : P+ 기판
본 발명은 고체 상태 이미지 센서, 구체적으로, 작은 크기를 갖고 광흡수 컬러 필터로 덮여 있는 CMOS 이미지 센서 픽셀에 관한 것이다.
현대 CMOS 이미지 센서의 통상의 픽셀은 포토다이오드 - 보다 정확하게 핀드 포토다이오드(pinned photodiode) - 와, 4개의 트랜지스터로 구성된다. 포토다이오드는 나중에 전하 전송 트랜지스터에 의해 적절한 순간에 플로팅 확산(Floating Diffusion, FD) 노드(FD 노드는 전하 검출 노드 임)로 전송될 광 생성 전하를 수집한다. 한편, 전하 전송 이전에, FD 노드는 적절한 기준 전압으로 리셋되어야 한다. 리셋은 kTC 노이즈를 야기하며, 이는 보통 FD 노드가 나타내는 신호에 부가되게 된다. 따라서, FD 노드의 전압을, 전하 전송 이전에 한 번, 전하 전송 후에 한 번, 즉 두 번 읽어낼 필요가 있다. 이 동작은 CDS(Correlated Double Sampling)으로 불리고, 이는 포토다이오드로부터 전송된 전하에 의해 야기되는 노드 전압차 만을 감지하도록 한다. 소스 팔로워(SF) 트랜지스터는 FD 노드에 접속된 게이트, Vdd에 접속된 드레인 및 어드레싱(addressing) 트랜지스터를 통하여 공통 칼럼 감지선에 접 속된 소스에 의해 FD 노드전압 감지를 수행한다. 이러한 이유로, 표준 CMOS 이미지 센서의 각각의 픽셀에 4개의 트랜지스터를 포함시킬 필요가 있다. 핀드 포토다이오드를 갖는 4T 픽셀 회로의 일례는 Lee의 미국특허 제5,625,210호에서 찾을 수 있다.
현대 CMOS 센서 설계에서, Guidash의 미국특허 6,667,665 B1의 일례에서 찾을 수 있는 바와 같이, 여러 포토다이오드를 위한 회로는 공유될 수 있다. 이 특허에서, 듀얼 픽셀은 센서 이미지 어레이의 이웃하는 행에 위치하여 동일한 회로를 공유하는 2개의 포토다이오드로 구성된다.
대부분의 현대 CMOS 센서에서의 컬러 감지는 도 1에 도시된 바와 같이, 적절한 컬러 필터를 포토다이오드 위에 배치함으로써 달성된다. 청색 필터(101)는 녹색광 및 적색광을 흡수하고, 청색광 광자만이 포토다이오드 영역 아래로 들어가도록 한다. 이와 마찬가지로, 녹색 필터(102)는 청색광 및 적색광을 흡수하고, 녹색광 광자만이 실리콘 벌크 아래로 들어가도록 한다. 청색광 및 녹색광 광자는 높은 에너지를 가지며, 그에 따라, 실리콘 깊이 Xg(104) 내로 빠르게 흡수된다. 반면, 적색 광자는 낮은 에너지를 가지며, 실리콘 벌크 내로 보다 깊이 침투한다. 적색 광자는 어떠한 광전자를 발생시키기 전에, 깊이 Xepi에 위치하는 에피택셜 기판과 높게 p+ 도핑된 기판(106) 사이의 인터페이스 Xr(105)까지 항상 침투한다. p+ 기판(106)에서 전자(107)가 발생하면, 전자는 그곳에 위치한 홀(holes)과 매우 빠르게 재결합하고 "적색" 포토다이오드에서 수집될 수 없다. 반면, 공핍되지 않은 에피택셜층(109)에서 발생한 전자(108)는 훨씬 긴 수명을 갖고, 공핍 영역 경계(110) 에 도달할 때까지 가로 및 세로로 자유롭게 확산된다. 공핍층 경계는 실리콘 표면으로부터 깊에 Xd1에 위치하고 있다. 전자(111)가 공핍 영역으로 들어가면, 전자는 n형 영역(112)에 위치한, 대응하는 포토다이오드 포텐셜 웰 내로 빠르게 퍼진다. n형 층(112)과 p+형 피닝층(pinning layer)(113)에 의하여, 포토다이오드는 실리콘 표면 가까이에 형성된다. 이러한 구조는 핀드 포토다이오드로 불린다. 또한, p+형 피닝층(113)은, 실리콘 표면 내로 에칭되어, 포토 사이트(photo sites)를 분리하고 대응하는 전기 회로를 서로 고립시키는 STI 영역(114)의 측면 및 바닥을 따라 연장된다. STI 영역(114)은 실리콘 이산화물(115)로 채워져 있다. 또한, 실리콘 이산화물(116)은 포토다이오드 표면 영역 전체를 덮고, 전송 게이트(117) 아래로 연장된다. 전송 게이트(117)는 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)으로부터 형성된다. 적절한 바이어스가 접속(118)(개략적으로만 도시되어 있음)을 통하여 전송 게이트(117)에 인가되면, 포토다이오드 포텐셜 웰에 저장된 전자 전하는, n+ 도핑에 의해 형성되어 전압 변화를 야기하는 FD 노드(119) 상으로 전송된다. 그리고 나서, 이 전압 변화는 와이어(120)(개략적으로만 도시되어 있음)에 의해 FD에 접속된 적절한 증폭기(SF)에 의해 감지된다. 전압 변화는 원하는 신호를 나타낸다. 포토다이오드 및 폴리실리콘 게이트는 통상적으로 실리콘 이산화물 또는 실리콘 이산화물의 다중층(multiple layers)에 의해 형성되는 다른 층(121)에 의해 덮이고, 컬러 필터 배치 전에 다른 투명막이 그 위에 배치된다. 그리고 나서, 마이크로 렌즈가 필터 위에 배치되어(도시되어 있지 않음), 포토다이오드의 표면 영역 상에 빛을 집중시킨다.
도 1로부터 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 공핍되지 않은 영역(109)에서의 적색광 발생 전자도 가로로 확산하여 이웃하는 포토다이오드의 공핍 영역으로 들어갈 수 있다. 적색광 발생 전자가 녹색 또는 청색의 잘못된 포토다이오드 웰에 있게 되기 때문에, 이는 원하지 않는 컬러 크로스토크를 야기한다. 이러한 문제는 픽셀의 세로 치수는 5um 정도이고 가로 치수는 2um 이하인 소형 픽셀에서 훨씬 더 뚜렷하다. 이러한 문제를 방지하게 위하여, 에피택셜층 두께 Xr(105)을 감소시키고, 그에 따라 공핍되지 않은 에피택셜 두께(109)를 감소시키거나, 또는 공핍 영역 경계 Xd1(110)을 깊이 Xd2까지 연장하는 것이 가능하다. 그러나, 이 2가지 접근법은 관련된 문제점을 갖는다. 얇은 에피택셜 두께는, 너무 많은 적색광 전자가 p+ 도핑 기판(106)에서 발생하고 그에 따라 그곳의 홀과 재결합하여 신호에 기여하지 못하도록 한다. 좋은 적색 응답을 갖기 위하여, 5.0um 정도 또는 그 이상의 에피택셜 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 항상 인터페이스(105)까지 연장되는 두꺼운 공핍도, 문제점을 야기한다. 이를 달성하는데 필요한 에피택셜 층의 낮은 도핑은 암전류(dark current) 발생을 증가시킬 수 있고, 이는 p+ 도핑 기판(106)으로부터 실리콘 표면 근방에 위치한 p+형 중간 영역(113)의 불연속 및 분리를 야기한다. 이러한 문제가 발생하면, 픽셀 상부에 위치한 금속 와이어와 같은 다른 수단에 의하여 다른 전기 접속을 p+층 표면에 제공해야할 필요가 있다. 이는 불행하게도 픽셀 개구 효율(pixel aperture efficiency), 결과적으로, 최종 픽셀 양자 효율(quantum efficiency)을 감소시킨다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 한계를 극복하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 개선된 컬러 크로스토크를 갖는 소형 ＣＭＯＳ 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 소형 픽셀 센서의 향상된 성능을 제공하여 결과적으로 보다 작은 컬러 크로스토크를 초래한다. 이는 청색광 및/또는 녹색광을 수신하는 픽셀의 아래에서는 크로스토크 차단을 위해 전위 장벽을 구비시키고, 적색광을 수신하는 픽셀 아래에서는 전위 장벽을 구비시키지 않음으로써 달성된다.
전위 장벽은 p형 에피층 내에 높은 에너지의 깊은 보론 임플란트를 수행하는 것에 의해 형성하거나, p형 에피층의 성장 과정중에 낮은 에너지 이온주입에 의해 형성하는 것도 가능하다.
임플란트된 도핑은 기판에서 작은 전위 장벽을 생성하며, 이는 실리콘 벌크 내의 깊이에서 적색광에 의해 발생하는 캐리어가 "적색" 포토다이오드(적색 필터 아래의 포토다이오드)로만 흘러들어가도록 유도하고 그곳에 모이도록 집중시킨다. 또한, 깊은 보론 임플란트는, 불완전한 청색 및 녹색 필터를 관통하는 나머지 적색광에 의해 발생하는 캐리어를 재유도하고, "청색" 및 "녹색" 포토다이오드 아래의 실리콘 벌크 내의 깊이에서 발생된 캐리어 또한 "적색" 포토다이오드로 흘러들어가도록 한다.
따라서, 본 발명은 적색광 발생 캐리어의 컬러 크로스토크를 방지하는 것 이 외에, 불완전한 청색 및 녹색 컬러 필터에 의해 야기되는 컬러 크로스토크도 개선한다.
그 결과, 매우 작은 크기를 가지며, 고성능 및 작은 컬러 크로스토크를 갖는 CMOS 센서 어레이를 만드는 것이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 주요 실시예를 도시하고 있다. 도 2는 몇몇 포토다이오드와 대응하는 전하 전송 트랜지스터(208)의 단면도를 포함하는 간략화된 장치의 단면도이다. 포토다이오드 영역 위에 배치된 층간 투명 유전막(204) 위에, 청색(201), 녹색(202) 및 적색(203)의 광흡수 컬러 필터가 배치되어 있다. p+형 도핑층(217)은 n형 도핑층(210)과 함께 핀드 포토다이오드를 구성한다. p+형 도핑층(217)은 STI 영역(206)의 측면 및 STI 바닥 영역을 포함하여 실리콘의 노출된 표면 전체에 걸쳐 연장된다. STI 영역(206)은 산화물(207)로 채워져 있다. 또한, 다른 산화물층(205)은 실리콘 표면 전체를 덮고, 폴리실리콘 게이트(208) 아래로 연장된다. n+형 도핑(209)은 SF(도시되어 있지 않음)에 접속된 FD 노드를 형성한다.
핀드 포토다이오드에서 모든 전하가 공핍되면 공핍 영역(21)이 형성된다. 높은 에너지의 보론 이온 임플란트에 의해 형성된 p형 도핑층(212)은 전위 장벽으로서 기능한다. 이 층은 공핍영역(211) 아래의 깊이 Xg에서 "청색" 및 "녹색" 포토다 이오드 아래에만 위치하고, 여기서, 대부분의 녹색광 및 청색광 광자는 이미 전자로 전환되어 있다. 이 전자(215)는 공핍 영역(211)의 에지로부터 단거리에 있어서는 위로 이동하며, n형 도핑층(210)에 위치한 포토다이오드 포텐셜 웰 내로 빠르게 퍼진다. 세로 확산 거리가 매우 짧아질 수 있게 때문에, 가로 확산(spread) 및 그에 따른 컬러 크로스토크의 가능성이 적다. 또한, p형 도핑층(212)이 전자에 대해 작은 전위 장벽을 형성하고 전자의 가로 확산을 방지함에 따라, 적색광 발생 전자(216)도 위로 유도된다. 그리고, p형 도핑층(212) 아래의 적색광 발생 전자(214)도 전위 장벽을 극복할 수 없으며, p형 도핑층(212) 주변으로 확산되어 적색 포토다이오드 포텐셜 웰에 도달하여야 한다. 이는 불완전한 컬러 필터에 의해 야기되는 컬러 크로스토크를 더욱 개선한다.
따라서, 에피택셜층(p-epi)은, 잘못된 포토다이오드로의 가로 확산을 감소시키도록 타협할 필요없이, 적색광의 전자로의 효율적 변환을 위한 적절하고 충분한 깊이 Xr을 가질 수 있다. 이제 에피택셜층-기판의 경계(213)는 적색광 전자로의 변환을 더 향상시키기 위하여 일반적인 경우보다 실리콘 내에서 더 깊이 배치되어 있을 수 있다. 또한, 에피택셜층의 도핑은 최소 암전류 및 표면 p+ 도핑층(217)과 p+ 도핑 기판(218)의 우수한 도전성 접속을 위하여 최적화될 수 있다. 상기 설명으로부터, 이 분야의 현재 기술 상태와 비교하여, 실리콘 벌크 픽셀 가로세로비(aspect ratio), 즉, 픽셀 가로 치수에 대한 효과적 픽셀 실리콘 두께가 컬러 크로스토그에 대한 부정적 영향없이, 현저하게 증가될 수 있다는 것이 명백하다.
잘 알려진 바와 같이 적색광의 파장이 가장 크고, 그 다음 녹색광과 청색광 의 순서로 파장은 작아진다. 따라서 적색광에 의한 광 생성 전하는 p형 에피층(p-epi)의 보다 깊은 깊이에서 발생될 수 있다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 적절한 깊이 Xg로 p형 도핑층(212)이 형성된다.
상기 설명이 픽셀 회로를 다루지 않고 포토다이오드에만 초점을 맞춤에 따라, 공유되는 픽셀 회로가 본 발명에서 이용될 수도 있다는 것을 이해할 수 있다. 즉, 각 픽셀은 광생성전하를 전기적신호로 읽기 위한 공유되는 회로를 갖을 수 있고, 공유되는 회로는 공유되는 플로팅확산을 통해 광생성전하를 읽을 수 있다.
또한, 본 발명이 3T 픽셀 구조에 쉽게 적용될 수 있다는 것이, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하며, 이는 본 발명의 다른 실시예를 의미한다.
또한, p형 도핑층(212)이 높은 에너지의 임플란트에 의해 임플란트되어야 하는 것은 아니며 p형 도핑층(212)이 에피택셜층의 성장 동안 형성될 수 있다는 것이, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 에피택셜 성장은 두께 Xr와 Xg 사이에서 멈출 수 있고, 보론은 낮은 에너지의 이온 임플란트에 의해 임플란트되거나 또한 다른 수단에 의해 배치될 수 있다. 그리고 나서, 에피택셜 성장은 원래의 두께 Xr을 완성하도록 계속될 수 있다. 이는 본 발명의 또다른 실시예를 의미한다.
마지막으로, p형 도핑층(212)이 깊이 Xg에서 녹색 포토다이오드 아래에만 배치될 수 있고 다른 유사한 p형 도핑층이 깊이 Xg 보다 얕은 깊이 Xb(도시되어 있지 않음)에서 "청색" 포토다이오드 아래에만 배치될 수 있다는 것이, 이 기술 분야에 서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 이는 본 발명의 또다른 실시예를 의미한다.
따라서, 보다 작은 픽셀 크기에 있어서 개선된 크로스토크를 갖는 새로운 픽셀의 바람직한 실시예들을 설명하였으며, 이는 깊은 p형층을 녹색 및 청색 포토다이오드 아래에 포함시키고 적색 포토다이오드 아래에는 포함시키지 않음으로써 달성되고, 이러한 개선 및 혁신은 예시적인 것이며 제한적이지 않고, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상기 설명에 비추어서 변형예를 만들어낼 수 있다는 것이 주목된다. 따라서, 기재된 본 발명의 특정한 실시예에서 변화가 있을 수도 있다는 것을 이해할 수 있으며, 이는 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.
특허법에 의해 요구되는 바와 같이 상세하고 자세히 본 발명을 설명하였으며, 청구되는 사항 및 특허에 의해 보호되도록 요구하는 사항이, 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.
본 발명은 녹색 또는/및 청색 포토다이오드 아래에 전위장벽인 p형 도핑층을 포함시키고 적색 포토다이오드 아래에는 포함시키지 않음으로써, 소형의 크기, 우수한 적색 응답 및 작은 컬러 크로스토크(color cross talk)를 갖는 고체 상태 CMOS 이미지 센서를 제공한다.

Claims (14)

  1. 제1도전형의 기판;
    상기 제1도전형의 기판에 어레이되며, 각각 포토다이오드를 갖는 제1픽셀 및 제2픽셀;
    상기 제2픽셀에 대응하는 영역의 상기 제1도전형의 기판 내에 배치됨 없이, 상기 제1픽셀에 대응하는 영역의 상기 제1도전형의 기판 내에 배치되어 컬러 크로스토크를 방지하기 위한 전위장벽을 포함하고,
    상기 전위장벽은 상기 제1픽셀의 포토다이오드에 의해 생성되는 공핍영역 하부의 상기 제1도전형의 기판 내에 형성되는
    이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전위 장벽은 제1도전형 도핑층인 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2픽셀은 상기 제1픽셀보다 상대적으로 장파장을 갖는 컬러에 대응하는 픽셀인 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2픽셀은 적색 칼러를 감지하기 위한 제1 광흡수컬러필터를 갖으며,
    상기 제1픽셀은 녹색 또는 청색 칼러를 감지하기 위한 제2 광흡수칼러필터를 갖는 이미지센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1픽셀과 제2픽셀은 광생성전하를 전기적신호로 읽기 위한 공유되는 회로를 갖는 이미지센서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1픽셀과 제2픽셀은 광생성전하를 검출하기 위해 플로팅확산을 구비하는 이미지센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1픽셀과 제2픽셀의 플로팅확산은 공유되는 이미지센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1픽셀과 제2픽셀은 각각, 상기 공유된 플로팅 확산으로 광생성전하를 전달하기 위하여 트랜스퍼게이트를 구비하는 이미지센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 핀드 포토다이오드인 이미지센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형의 기판은,
    p+ 기판 상에 성장된 p-에피택셜층으로 구성되는 이미지센서.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전위 장벽은 고에너지 이온 주입에 의한 제1도전형의 도펀트를 갖는 이미지센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전위 장벽은 상기 p-에피택셜층의 에피택셜 성장 과정 중에 이온주입 또는 확산에 의해 형성된 p형의 도펀트를 갖는 이미지센서.
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