KR20040036087A - 광의 파장에 따라 포토다이오드의 깊이가 다른 씨모스이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토다이오드영역에서 적색광의 침투깊이가 깊고 흡수율이 낮음에 따른 크로스토크 현상을 억제하는데 적합한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명은 광을 집속하는 포토다이오드가 입사광의 파장마다 서로 다른 깊이를 갖되, 광의 파장이 긴 적색광인 경우 포토다이오드가 가장 깊고, 청색광인 경우 포토다이오드의 깊이가 가장 얕으며, 적색광과 청색광의 중간 파장길이인 녹색광인 경우에는 포토다이오드가 중간 깊이이다.

Description

광의 파장에 따라 포토다이오드의 깊이가 다른 씨모스 이미지센서 및 그 제조 방법{CMOS image sensor having different depth of photodiode by Wavelength of light}
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로, CCD(Charge Couple Device) 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드(Photo Diode; PD)는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로서, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 집속하는 경우이기 때문에 이를 달성하기 위한 노력이 진행중이다.
도 1a는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 구조 단면도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, p형 반도체 기판(11)상에 p형 에피층(12)이 성장되고, p형 에피층(12)에 녹색광, 적색광 및 청색광의 입력영역간 분리를 위한 필드산화막(13)이 형성되고, 각 칼라 입력영역의 p형 에피층(12)내에는 얕은 p0영역(Shallow p0region)과 깊은 n_영역(Deep n_region)으로 이루어진 포토다이오드(PD_G, PD_R, PD_B)가 구비된다.
그리고, 각 포토다이오드(PD_G, PD_R, PD_B)의 일측에 정렬되는 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극(14, 15, 16)이 각각 양측벽에 스페이서(14a, 15a, 16a)를 구비하면서 p형 에피층(12)상에 형성된다.
그리고, 게이트전극(14, 15, 16) 및 p형 에피층(12) 상부에 평탄화된 층간절연막(17)이 형성되고, 층간절연막(17)상에 각 포토다이오드 영역(PD_G, PD_R, PD_B)에 대응하는 녹적색필터(Green), 적색필터(Red), 청색필터(Blue)로 이루어진 칼라필터배열(Color Filter Array; CFA)이 구비된다.
도 1a와 같은 종래 이미지센서의 포토다이오드는 적색, 녹색, 청색에 관계없이 모두 동일한 Rp(range of projection)를 갖도록 형성된다.
도 1b는 광의 파장에 따른 실리콘층내 침투깊이 및 흡수계수를 도시한 도면이다.
도 1b를 참조하면, 광(light)의 파장(λ)이 증가할수록 광의 침투 깊이(penetration depth; x)는 증가되나 그만큼 실리콘층내 흡수계수(Absorption coefficient)는 감소한다.
따라서, 동일한 광(가시광선)이 입사되었을 경우에도 파장이 긴 적색광(red light)의 경우 흡수율이 떨어지고, 이는 이미지센서의 적색신호의 감소 및 칼라비의 불균형을 초래하는 문제로 작용한다.
도 1b에 근거하여 도 1a을 참조하면, 녹색광(LG)과 청색광(LB)의 경우, 각각침투 깊이가 대부분 포토다이오드 영역(PD_G, PD_B)내로 제한되어 안정적인 이미지신호의 출력이 가능하다.
그러나, 적색광(LR)의 경우 파장 및 침투깊이가 깊어 포토다이오드 영역(PD_R)을 벗어날 확률이 크기 때문에, 포토다이오드 영역(PD_R)을 벗어나는 전하들이 인접 포토다이오드 영역으로 이동하는 크로스토크(Crosstalk; C) 현상을 유발하는 문제가 있다. 이로 인해 적색신호 출력의 현저한 감소를 초래하고, 아울러 칼라비(color ration)의 불균일화를 초래한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 포토다이오드영역에서 적색광의 침투깊이가 깊고 흡수율이 낮음에 따른 크로스토크 현상을 억제하는데 적합한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 단면도,
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시된 이미지센서의 단위화소의 제1 제조 방법을 도시한 공정 단면도,
도 4a 내지 도 4h는 도 2에 도시된 이미지센서의 단위화소의 제2 제조 방법을 도시한 공정 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : p형 반도체 기판 22 : p형 에피층
23 : 필드산화막 24 : 게이트산화막
25 : 게이트전극 26a : 제1 블록킹층
28a : 제2 블록킹층 31 : 제1 n_영역
32 : 제1 n_영역 33 : 제3 n_영역
35a, 35b, 35c : p0영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는 광을 집속하는 포토다이오드를 구비한 이미지 센서에 있어서, 상기 광의 파장마다 서로 다른 깊이를 갖는 포토다이오드를 구비함을 특징으로 하고, 상기 광의 파장이 길수록 상기 포토다이오드의 깊이가 더 깊은 것을 특징으로 하며, 상기 광중에서 적색광이 입사되는제1 포토다이오드, 상기 광중에서 청색광이 입사되는 제2 포토다이오드, 상기 광중에서 녹색광이 입사되는 제3 포토다이오드를 구비하며, 상기 제1 포토다이오드의 깊이가 가장 깊고, 상기 제2 포토다이오드의 깊이가 가장 얕으며, 상기 제3 포토다이오드의 깊이는 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 중간 깊이인 것을 특징으로 하고, 상기 제1,2 및 제3 포토다이오드는 각각 p형 이온주입영역과 n형 이온주입영역을 구비하여 pn 접합을 이루며, 상기 제1 포토다이오드의 n형 이온주입영역이 가장 깊고, 상기 제2 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 깊이가 가장 얕으며, 상기 제3 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 깊이는 상기 제1 포토다이오드의 n형 이온주입영역과 상기 제2 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 중간 깊이인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 이미지 센서의 제조 방법은, 적색광 영역, 녹색광 영역 및 청색광 영역이 정의된 에피층의 상기 각 칼라영역상에 게이트전극을 형성하는 단계, 상기 에피층에 이온주입을 행하여 상기 각 칼라영역마다 깊이가 서로 다른 포토다이오드를 형성하는 단계, 상기 포토다이오드가 형성된 상기 에피층상에 절연막을 형성하는 단계, 및 상기 절연막상에 상기 각 칼라영역에 대응하는 칼라필터를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하고, 상기 포토다이오드를 형성하는 단계는, 상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계, 상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계, 상기 제2 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를 노출시키는 마스크를 형성하는 단계, 및 상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 이온주입을 행하는 단계를 포함함을 특징으로 하며, 또한 상기 포토다이오드를 형성하는 단계는, 상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계, 상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계, 상기 제2 이온주입블록킹층상에 상기 제1,2 이온주입블록킹층 및 상기 적색광영역을 덮는 제3 이온주입블록킹층을 형성하는 단계, 상기 제3 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를 노출시키는 마스크를 형성하는 단계, 및 상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 이온주입을 행하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 고농도 p형 도펀트가 도핑된 p형 기판(21)상에 저농도 p형 에피층(22)이 성장되고, p형 에피층(22)의 소정영역에 구비된 필드산화막(23)에 의해 청색영역(B), 녹색영역(G), 적색영역(R)이 분리된다.
그리고, 청색영역의 p형 에피층(22)내에 청색광을 받아들이며 Rp가 Rp(B)인 포토다이오드가 형성되고, 녹색영역의 p형 에피층(22)내에 녹색광을 받아들이며 Rp가 Rp(G)인 포토다이오드가 형성되고, 적색영역의 p형 에피층(22)내에 적색광을 받아들이며 Rp가 Rp(R)인 포토다이오드가 형성된다.
각 칼라영역의 포토다이오드를 살펴보면, 청색영역의 포토다이오드는 얕은 p0영역(35a)과 깊은 제1 n_영역(31)으로 이루어지고, 녹색영역의 포토다이오드는 얕은 p0영역(35b)과 깊은 제2 n_영역(32)으로 이루어지며, 적색영역의 포토다이오드는 얕은 p0영역(35c)과 깊은 제3 n_영역(33)으로 이루어진다.
여기서, p0영역은 모두 동일 깊이이고, 입력광중에서 파장이 가장 긴 적색광이 입력되는 제3 n_영역(33)의 깊이가 가장 깊고, 적색광보다 파장이 짧은 녹색광이 입력되는 제2 n_영역(32)이 파장이 가장 짧은 청색광이 입력되는 제1 n_영역(31)보다 깊다. 즉, Rp(R)은 Rp(G), Rp(G)보다 깊고, Rp(G)는 Rp(B)에 비해 깊다.
이는 포토다이오드에 입사되는 광의 파장이 길수록 Rp가 깊음을 의미한다.
그리고, 포토다이오드를 제외한 p형 에피층(22)상에 스페이서(34)를 구비한 트랜스퍼게이트(Tx)의 게이트전극(25)이 형성된다. 따라서, 각 칼라별 포토다이오드는 각각 p형 이온주입영역인 p0영역과 n형 이온주입영역인 n_영역을 구비하여 pn 접합을 이루며, 각 포토다이오드의 p0영역은 스페이서(34)의 에지에 정렬되고, 각 포토다이오드의 n_영역은 게이트전극(25)의 아래까지 그 일측이 확장된다.
도 2에서, 제3 n_영역(33)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(R)]가 가장 짧고, 제1 n_영역(31)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(B)]가 가장 길며, 제2 n_영역(32)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(G)]가 중간 길이이다.
결국, p형 반도체 기판(21)과 n형 영역간 거리(h), 특히 h(R)의 값이 감소할수록 적색광에 의한 인접 픽셀의 크로스토크 현상이 억제된다
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시된 이미지센서의 단위화소의 제조 방법의 제1 예를 도시한 공정 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 고농도 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체 기판(21)상에 p형 에피층(22)을 성장시킨다. 이와 같이, p형 에피층(22)이 포토다이오드(PD) 하부에 존재하면 포토다이오드(PD)의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 우수한 광감도특성을 얻을 수 있다.
다음으로, p형 에피층(22)에 필드산화막(23)을 형성하여 녹색 영역(G_region), 적색 영역(R_region) 및 청색 영역(B_region)을 정의한다.
이때, 필드산화막(23)은 도면에 도시된 것처럼 STI(Shallow Trench Isolation)법을 통해 형성하며, 다른 방법으로는 LOCOS(Local oxidation of silicon) 공정을 이용할 수 있다.
필드산화막(23)을 형성한 후, p형 에피층(22)상에 게이트산화막(24)과 게이트전극(25)의 적층구조를 형성한다. 이때, 게이트전극(25)은 폴리실리콘막 또는 폴리실리콘막과 텅스텐실리사이드막의 적층막을 이용하는데, 게이트전극(25)은 후속포토다이오드의 깊은 n_영역을 형성하기 위한 이온주입이 고에너지로 이루어지므로 2500Å∼3500Å 두께로 형성된다.
여기서, 게이트전극(25)은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극이며, 단위화소를 이루는 다른 트랜지스터의 게이트전극들도 동시에 형성된다.
다음에, 게이트전극(25)을 포함한 p형 에피층(22)상에 제1 산화막(26)을 형성한 후, 제1 산화막(26)상에 청색 영역을 덮는 제1 마스크(27)를 형성한다.
이때, 제1 마스크(27)시 레티클(reticle)은 칼라필터배열(CFA) 형성시 청색 필터를 형성하기 위한 청색필터 마스크의 레티클과 동일한 것으로, 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝한 감광막패턴이며, 파지티브 감광막(positive photoresist)을 이용한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 마스크(27)를 식각마스크로 제1 산화막(26)을 습식식각하여 제1 블록킹층(26a)을 형성한다. 이때, 제1 블록킹층(26a)은 청색 영역을 덮는 형태로 형성되며, 녹색 영역과 적색 영역상에는 형성되지 않는다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 마스크(27)를 제거한 후, 제1 블록킹층(26a)을 포함한 p형 에피층(22)상에 제2 산화막(28)을 형성한다. 그리고, 제2 산화막(28)상에 녹색 영역과 청색 영역을 덮는 제2 마스크(29)를 형성한다.
이때, 제2 마스크(28)시 레티클은 칼라필터배열(CFA) 형성시 녹색 필터를 형성하기 위한 녹색필터 마스크의 레티클과 동일한 것으로, 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝한 감광막패턴이다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 도 3c의 제2 마스크(29)를 식각마스크로 제2 산화막(28)을 습식식각하여 제2 블록킹층(28a)을 형성한다. 이때, 제2 블록킹층(28a)은 청색 영역과 녹색 영역을 덮는 형태로 형성되며, 적색 영역상에는 형성되지 않는다.
다음에, 제2 마스크(29)를 제거한다.
전술한 바와 같은 공정에 의해 청색영역에는 제1 블록킹층(26a)과 제2 블록킹층(28a)의 이중층이 잔류하고, 녹색영역에는 제2 블록킹층(28a)의 단일층이 잔류하며, 적색영역에는 블록킹층이 잔류하지 않는다.
이를 테면, 청색광이 입력되는 청색영역에 가장 두꺼운 블록킹층이 있고, 녹색광이 입력되는 녹색영역에는 중간 블록킹층이 있으며, 적색광이 입력되는 적색영역에는 블록킹층이 도입되고 있지 않다. 결과적으로, 광의 파장이 길어질수록 블록킹층의 두께가 얇아지고 있다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제2 블록킹층(28a)이 형성된 결과물 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 포토다이오드의 깊은 n_영역을 정의하는 제3 마스크(30)를 형성한다.
이때, 제3 마스크(30)는 게이트전극(25)의 일측 에지와 필드산화막(23)의 일측 에지에 정렬되고, 게이트전극(25)의 타측, 예컨대 플로팅디퓨젼영역이 형성될 부분은 덮는다.
다음에, 제3 마스크(30)를 이온주입마스크로 이용하여 고에너지(highenergy)로 틸트각(tilt angle) 및 회전(rotation)없이 n형 도펀트의 이온주입을 실시한다.
이때, 이온주입후 청색영역의 p형 에피층(22)내에는 Rp(range of projection)가 가장 얕은 제1 n형 영역(31a)이 형성되고, 적색영역에는 Rp가 가장 깊은 제3 n형 영역(33a)이 형성되며, 녹색영역에는 Rp가 중간 깊이인 제2 n형 영역(32a)이 형성된다.
이와 같이, 동일한 이온주입 조건하에서 이온주입을 하더라도 Rp가 서로 다른 이유는, 각 영역상에 구비된 블록킹층의 두께때문이다. 즉, 각 블록킹층이 이온주입시 마스크 역할을 수행하므로써 이온주입시의 Rp가 각 영역에 따라 다르게 나타난다.
전술한 이온주입에 의해, 제1,2 및 제3 n형 영역(31a, 32a, 33a)은 각각 그 Rp가 Rp(B), Rp(G), Rp(R)이며, 그 깊이 정도는 Rp(R)>Rp(G)>Rp(B)이다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 제3 마스크(30)를 남겨둔 상태에서 중간 에너지(medium energy)로 틸트각을 주고 아울러 회전하면서 이온주입을 실시한다.
이때, 이온주입이 틸트각을 주면서 실시되므로 제1,2 및 제3 n형 영역(31a, 32a, 33a)은 각각 게이트전극(25)의 아래쪽으로 도핑 프로파일(doping profile)이 확장된다. 즉, 제1 n형 확장영역(31b), 제2 n형 확장영역(32b), 제3 n형 확장영역(33b)이 형성된다
도 3g에 도시된 바와 같이, 제3 마스크(30)를 제거한다.
전술한 바와 같이, 두 번의 이온주입을 통해 포토다이오드의 n_영역을 이루는 제1,2 및 제3 n_영역(31, 32, 33)을 형성한다. 즉, 청색영역에는 Rp(B)인 제1 n_영역(31)이 형성되고, 녹색영역에는 Rp(G)인 제2 n_영역(32)이 형성되고, 적색영역에는 Rp(R)인 제3 n_영역(33)이 형성되며, 제3 n_영역(33)의 Rp(R)이 제1 n_영역(31)의 Rp(B)와 제2 n_영역(32)의 Rp(G)보다 깊다. 이는 포토다이오드에 입사되는 광의 파장이 길수록 Rp가 깊음을 의미한다.
제3 마스크(30) 제거후 노출된 전면에 절연막을 증착한 후 에치백하여 게이트전극(25)의 양측벽에 접하는 스페이서(34)를 형성한다. 이때, 스페이서(34)를 형성하기 위한 절연막은 질화막 또는 산화막을 이용하며, 제1,2 블록킹층(26a, 28a)이 산화막이므로 스페이서 형성을 위한 에치백시 제거된다.
다음에, 게이트전극(25) 및 스페이서(34)를 이온주입마스크로 이용하여 p형 도펀트를 이온주입하여 각 칼라영역에 얕은 p0영역(35a, 35b, 35c)을 형성한다. 이때, p0영역(35a, 35b, 35c)은 제1,2 블록킹층(26a, 28a)이 제거된 상태에서 이온주입하여 형성하므로 모든 영역에서 그 깊이가 동일하다.
결국, 청색영역에 제1 n_영역(31)과 p0영역(35a)으로 된 포토다이오드가 형성되고, 녹색영역에 제2 n_영역(32)과 p0영역(35b)으로 된 포토다이오드가 형성되며, 적색영역에 제3 n_영역(33)과 p0영역(35c)으로 된 포토다이오드가 형성된다.
여기서, 제3 n_영역(33)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(R)]가 가장 짧고, 제1 n_영역(31)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(B)]가 가장 길며, 제2 n_영역(32)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(G)]가 중간 길이이다.
한편, p형 반도체 기판(21)과 n형 영역간 거리(h), 특히 h(R)의 값이 감소할수록 적색광에 의한 인접 픽셀의 크로스토크 현상이 억제된다. 이는 p형 반도체 기판(21)과의 거리가 감소되므로 광전하 유입시 전자정공쌍(EHP)에 대한 재결합(Recombination)이 활발하여 드리프트 전자(drift electron)의 농도가 감소하기 때문이다.
도 4a 내지 도 4g는 도 2에 도시된 이미지센서의 단위화소의 제조 방법의 제2 예를 도시한 공정 단면도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 고농도 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체 기판(21)상에 p형 에피층(22)을 성장시킨다. 이와 같이, p형 에피층(22)이 포토다이오드(PD) 하부에 존재하면 포토다이오드(PD)의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 우수한 광감도특성을 얻을 수 있다.
다음으로, p형 에피층(22)에 필드산화막(23)을 형성하여 녹색 영역(G_region), 적색 영역(R_region) 및 청색 영역(B_region)을 정의한다.
이때, 필드산화막(23)은 STI법 또는 LOCOS 공정을 이용할 수 있다.
필드산화막(23)을 형성한 후, p형 에피층(22)상에 게이트산화막(24)과 게이트전극(25)의 적층구조를 형성한다. 이때, 게이트전극(25)은 폴리실리콘막 또는 폴리실리콘막과 텅스텐실리사이드막의 적층막을 이용하는데, 게이트전극(25)은 후속 포토다이오드의 깊은 n_영역을 형성하기 위한 이온주입이 고에너지로 이루어지므로 2500Å∼3500Å 두께로 형성된다.
여기서, 게이트전극(25)은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극이며, 단위화소를 이루는 다른 트랜지스터의 게이트전극들도 동시에 형성된다.
다음에, 게이트전극(25)을 포함한 p형 에피층(22)상에 제1 산화막(26)을 형성한 후, 제1 산화막(26)상에 청색 영역을 덮는 제1 마스크(27)를 형성한다.
이때, 제1 마스크(27)시 레티클은 칼라필터배열(CFA) 형성시 청색 필터를 형성하기 위한 청색필터 마스크의 레티클과 동일한 것으로, 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝한 감광막패턴이며, 파지티브 감광막을 이용한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 마스크(27)를 식각마스크로 제1 산화막(26)을 습식식각하여 제1 블록킹층(26a)을 형성한다. 이때, 제1 블록킹층(26a)은 청색 영역을 덮는 형태로 형성되며, 녹색 영역과 적색 영역상에는 형성되지 않는다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 마스크(27)를 제거한 후, 제1 블록킹층(26a)을 포함한 p형 에피층(22)상에 제2 산화막(28)을 형성한다. 그리고, 제2 산화막(28)상에 녹색 영역과 청색 영역을 덮는 제2 마스크(29)를 형성한다.
이때, 제2 마스크(28)시 레티클은 칼라필터배열(CFA) 형성시 녹색 필터를 형성하기 위한 녹색필터 마스크의 레티클과 동일한 것으로, 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝한 감광막패턴이다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 도 3c의 제2 마스크(29)를 식각마스크로 제2 산화막(28)을 습식식각하여 제2 블록킹층(28a)을 형성한다. 이때, 제2 블록킹층(28a)은 청색 영역과 녹색 영역을 덮는 형태로 형성되며, 적색 영역상에는 형성되지 않는다.
다음에, 제2 마스크(29)를 제거한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제2 블록킹층(28a)을 포함한 전면에 산화막 물질을 증착하여 전영역을 덮는 제3 블록킹층(36)을 형성한다.
전술한 바와 같은 제1,2 및 제3 블록킹층(26a, 28a, 36)을 도입하므로써 청색영역에는 제1 블록킹층(26a), 제2 블록킹층(28a) 및 제3 블록킹층(36)의 삼중층이 잔류하고, 녹색영역에는 제2 블록킹층(28a)과 제3 블록킹층(36)의 이중층이 잔류하며, 적색영역에는 제3 블록킹층(36)의 단일층이 잔류한다.
이를 테면, 청색광이 입력되는 청색영역에 가장 두꺼운 블록킹층이 있고, 녹색광이 입력되는 녹색영역에는 중간 블록킹층이 있으며, 적색광이 입력되는 적색영역에는 가장 얇은 블록킹층이 도입되고 있다. 결과적으로, 광의 파장이 길어질수록 블록킹층의 두께가 얇아지고 있다.
도 4f에 도시된 바와 같이, 제3 블록킹층(36)이 형성된 결과물 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 포토다이오드의 깊은 n_영역을 정의하는 제3 마스크(30)를 형성한다.
이때, 제3 마스크(30)는 게이트전극(25)의 일측 에지와 필드산화막(23)의 일측 에지에 정렬되고, 게이트전극(25)의 타측, 예컨대 플로팅디퓨젼영역이 형성될 부분은 덮는다.
다음에, 제3 마스크(30)를 이온주입마스크로 이용하여 고에너지로 틸트각 및 회전없이 n형 도펀트의 이온주입을 실시한다.
이때, 이온주입후 청색영역의 p형 에피층(22)내에는 Rp가 가장 얕은 제1 n형 영역(31a)이 형성되고, 적색영역에는 Rp가 가장 깊은 제3 n형 영역(33a)이 형성되며, 녹색영역에는 Rp가 중간 깊이인 제2 n형 영역(32a)이 형성된다.
이와 같이, 동일한 이온주입 조건하에서 이온주입을 하더라도 Rp가 서로 다른 이유는, 각 영역상에 구비된 블록킹층의 두께때문이다. 즉, 각 블록킹층이 이온주입시 마스크 역할을 수행하므로써 이온주입시의 Rp가 각 영역에 따라 다르게 나타난다.
전술한 이온주입에 의해, 제1,2 및 제3 n형 영역(31a, 32a, 33a)은 각각 그 Rp가 Rp(B), Rp(G), Rp(R)이며, 그 깊이 정도는 Rp(R)>Rp(G)>Rp(B)이다.
도 4g에 도시된 바와 같이, 제3 마스크(30)를 남겨둔 상태에서 중간 에너지(medium energy)로 틸트각을 주고 아울러 회전하면서 이온주입을 실시한다.
이때, 이온주입이 틸트각을 주면서 실시되므로 제1,2 및 제3 n형 영역(31a, 32a, 33a)은 각각 게이트전극(25)의 아래쪽으로 도핑 프로파일(doping profile)이 확장된다. 즉, 제1 n형 확장영역(31b), 제2 n형 확장영역(32b), 제3 n형확장영역(33b)이 형성된다.
도 4h에 도시된 바와 같이, 제3 마스크(30)를 제거한다.
전술한 바와 같이, 두 번의 이온주입을 통해 포토다이오드의 n_영역을 이루는 제1,2 및 제3 n_영역(31, 32, 33)을 형성한다. 즉, 청색영역에는 Rp(B)인 제1 n_영역(31)이 형성되고, 녹색영역에는 Rp(G)인 제2 n_영역(32)이 형성되고, 적색영역에는 Rp(R)인 제3 n_영역(33)이 형성되며, 제3 n_영역(33)의 Rp(R)이 제1 n_영역(31)의 Rp(B)와 제2 n_영역(32)의 Rp(G)보다 깊다. 이는 포토다이오드에 입사되는 광의 파장이 길수록 Rp가 깊음을 의미한다.
제3 마스크(30) 제거후 노출된 전면에 절연막을 증착한 후 에치백하여 게이트전극(25)의 양측벽에 접하는 스페이서(34)를 형성한다. 이때, 스페이서(34)를 형성하기 위한 절연막은 질화막 또는 산화막을 이용하며, 제1,2,3 블록킹층(26a, 28a, 36)이 산화막이므로 스페이서 형성을 위한 에치백시 제거된다.
다음에, 게이트전극(25) 및 스페이서(34)를 이온주입마스크로 이용하여 p형 도펀트를 이온주입하여 각 칼라영역에 얕은 p0영역(35a, 35b, 35c)을 형성한다. 이때, p0영역(35a, 35b, 35c)은 제1,2,3 블록킹층(26a, 28a, 36)이 제거된 상태에서 이온주입하여 형성하므로 모든 영역에서 그 깊이가 동일하다.
결국, 청색영역에 제1 n_영역(31)과 p0영역(35a)으로 된 포토다이오드가 형성되고, 녹색영역에 제2 n_영역(32)과 p0영역(35b)으로 된 포토다이오드가 형성되며, 적색영역에 제3 n_영역(33)과 p0영역(35c)으로 된 포토다이오드가 형성된다.
여기서, 제3 n_영역(33)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(R)]가 가장 짧고, 제1 n_영역(31)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(B)]가 가장 길며, 제2 n_영역(32)과 p형 반도체 기판(21) 사이의 거리[h(G)]가 중간 길이이다.
한편, p형 반도체 기판(21)과 n형 영역간 거리(h), 특히 h(R)의 값이 감소할수록 적색광에 의한 인접 픽셀의 크로스토크 현상이 억제된다. 이는 p형 반도체 기판(21)과의 거리가 감소되므로 광전하 유입시 전자정공쌍(EHP)에 대한 재결합이 활발하여 드리프트 전자의 농도가 감소하기 때문이다.
전술한 블록킹층들의 두께를 살펴보면, 청색영역에 도입된 블록킹층의 두께는 1500Å∼2000Å이고, 녹색영역에 도입된 블록킹층의 두께는 1000Å이며, 적색영역에 도입된 블록킹층의 두께는 500Å이다.
따라서, 칼라영역마다 각기 다른 두께의 블록킹층을 도입하므로써 동일한 이온주입 공정에 해 다양한 Rp를 구현할 수 있어 칼라비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 예컨대, 통상의 칼라비, 즉 적색/녹색, 청색/녹색 비율은 0.5∼0.6수준이나 본 발명의 경우 칼라비를 1에 근접시킬 수 있다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 도 1a와 같이, 각 포토다이오드가 형성된 p형 에피층상에 절연막을 형성한 후, 절연막상에 각 칼라영역에 대응하는 칼라필터를 형성한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 적색광이 입사되는 포토다이오드의 깊이를 증가시켜 적생광에 의해 유발되는 광전하들이 포토다이오드내에 분포하도록 적색신호 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 추가적인 레티클 제작없이 칼라필터배열 레티클을 이용하여 칼라 영역에 따라 다른 포토다이오드의 깊이를 형성하므로써 색재현성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 포토다이오드와 p형 기판간의 거리를 감소시키므로써 인접 픽셀의 크로스토크현상을 억제할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 칼라영역마다 각기 다른 두께의 블록킹층을 도입하므로써 동일한 이온주입 공정에 해 다양한 Rp를 구현할 수 있어 칼라비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 광을 집속하는 포토다이오드를 구비한 이미지 센서에 있어서,
    상기 광의 파장마다 서로 다른 깊이를 갖는 포토다이오드를 구비함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광의 파장이 길수록 상기 포토다이오드의 깊이가 더 깊은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광중에서 적색광이 입사되는 제1 포토다이오드;
    상기 광중에서 청색광이 입사되는 제2 포토다이오드;
    상기 광중에서 녹색광이 입사되는 제3 포토다이오드를 구비하며,
    상기 제1 포토다이오드의 깊이가 가장 깊고, 상기 제2 포토다이오드의 깊이가 가장 얕으며, 상기 제3 포토다이오드의 깊이는 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 중간 깊이인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1,2 및 제3 포토다이오드는 각각 p형 이온주입영역과 n형 이온주입영역을 구비하여 pn 접합을 이루며,
    상기 제1 포토다이오드의 n형 이온주입영역이 가장 깊고, 상기 제2 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 깊이가 가장 얕으며, 상기 제3 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 깊이는 상기 제1 포토다이오드의 n형 이온주입영역과 상기 제2 포토다이오드의 n형 이온주입영역의 중간 깊이인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1,2 및 제3 포토다이오드가 구비된 에피층;
    상기 에피층상에 구비된 게이트전극; 및
    상기 게이트전극 양측벽의 스페이서를 구비하며,
    상기 각 포토다이오드의 n형 이온주입영역은 상기 게이트전극의 에지 아래까지 그 일측이 확장되고, 상기 p형 이온주입영역은 상기 스페이서의 에지에 정렬되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 적색광 영역, 녹색광 영역 및 청색광 영역이 정의된 에피층의 상기 각 칼라영역상에 게이트전극을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 이온주입을 행하여 상기 각 칼라영역마다 깊이가 서로 다른 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드가 형성된 상기 에피층상에 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 절연막상에 상기 각 칼라영역에 대응하는 칼라필터를 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제2 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를 노출시키는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 이온주입을 행하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제2 이온주입블록킹층상에 상기 제1,2 이온주입블록킹층 및 상기 적색광영역을 덮는 제3 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제3 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를 노출시키는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 이온주입을 행하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  9. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 이온주입을 행하는 단계는,
    두 번의 이온주입과정을 통해 n형 이온주입영역을 형성하는 단계;
    상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 게이트전극을 포함한 전면에 스페이서용 절연막을 형성하는 단계;
    상기 스페이서용 절연막을 에치백하여 상기 게이트전극의 양측벽에 접하는스페이서를 형성하는 단계; 및
    상기 스페이서 및 상기 게이트전극을 마스크로 하여 상기 n형 이온주입영역상에 p형 이온주입영역을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 n형 이온주입영역을 형성하는 단계는,
    틸트각 및 회전없이 제1 이온주입하는 단계; 및
    상기 제1 이온주입보다 낮은 에너지로 틸트각을 줌과 동시에 회전시키면서 제2 이온주입하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  11. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계는,
    상기 게이트전극을 포함한 상기 에피층상에 제1 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제1 산화막상에 상기 청색광 영역을 덮는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 식각마스크로 상기 제1 산화막을 식각하여 상기 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 칼라필터중 청색칼라를 형성하기 위한 레티클을 이용함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 이온주입블록킹층상에 제2 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제2 산화막상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 식각마스크로 상기 제2 산화막을 식각하여 상기 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 칼라필터중 녹색칼라를 형성하기 위한 레티클을 이용함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 제1, 2 및 제3 이온주입블록킹층은 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 에피층내에 필드산화막을 형성하여 각 칼라영역을 정의하는 단계;
    동일 조건의 이온주입을 통해 상기 각 칼라영역의 에피층내에 상기 각 칼라영역에 입사되는 광의 파장에 따라 서로 다른 깊이를 갖는 n형 이온주입영역을 형성하는 단계; 및
    상기 n형 이온주입영역상에 p형 이온주입영역을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 n형 이온주입영역은,
    상기 각 칼라영역에 입사되는 입력광의 파장이 길수록 그 깊이가 깊은 것을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 n형 이온주입영역을 형성하는 단계는,
    틸트각 및 회전없이 제1 이온주입하는 단계; 및
    상기 제1 이온주입보다 낮은 에너지로 틸트각을 줌과 동시에 회전시키면서 제2 이온주입하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 n형 이온주입영역을 형성하는 단계는,
    상기 각 칼라영역이 청색광 영역, 녹색광 영역 및 적색광 영역으로 구분되고,
    상기 에피층상에 상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제2 이온주입블록킹층상에 상기 제1,2 이온주입블록킹층 및 상기 적색광영역을 덮는 제3 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제3 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를노출시키는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 n형 도펀트를 이온주입하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 n형 이온주입영역을 형성하는 단계는,
    상기 각 칼라영역이 청색광 영역, 녹색광 영역 및 적색광 영역으로 구분되고,
    상기 에피층상에 상기 청색광 영역을 덮는 제1 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제1 이온주입블록킹층상에 상기 청색광 영역과 상기 녹색광 영역을 덮는 제2 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제2 이온주입블록킹층상에 상기 제1,2 이온주입블록킹층 및 상기 적색광영역을 덮는 제3 이온주입블록킹층을 형성하는 단계;
    상기 제3 이온주입블록킹층상에 포토다이오드가 예정된 상기 에피층 상부를 노출시키는 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마스크를 이온주입마스크로 하여 상기 에피층내에 동일조건으로 n형 도펀트를 이온주입하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
  21. 제19 항 또는 제21 항에 있어서,
    상기 제1, 2 및 제3 이온주입블록킹층은 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 포토다이오드 형성 방법.
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