(57)【要約】【課題】本発明はイメージセンサー及びその製造方法に関し、フォトダイオードがその波長の長い光は勿論、その波長の短い光までも自分の空乏領域で正常に受光できるように誘導することを可能とする。【解決手段】本発明ではフォトダイオード用不純物を形成する際に、不純物層の占有領域を一部縮小し、フォトダイオード領域の表面一部が大きく露出されることができるようにし、これらを通して、センサー動作時拡張形成される空乏領域がフォトダイオードの内側地域は勿論、フォトダイオードの表面地域まで自分の有効領域に幅広く拡充できるようにガイドすることにより、最終完成されるフォトダイオードがその波長の長い光は勿論、その波長の短い光までも自分の空乏領域で正常に受光できるように誘導することができる。また、各色相別光電荷の生成均一性また自然に最適化されることができるようになり、結局、最終完成されるイメージセンサーはその色再現品質が一定水準以上に向上されることができるようになる。【選択図】図２
2004214660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離層により活性領域が画定された半導体基板；
前記活性領域のフォトダイオード予定領域の第―領域が露出されるよう該フォトダイオード予定領域の第二領域を占有しながら、前記半導体基板の表面から下方に延びて光電荷生成/蓄積用フォトダイオードを形成する不純物層；
前記フォトダイオードに蓄積された光電荷を運搬/排出するための信号処理トランジスターを含んで構成されたイメージセンサー。
【請求項２】
前記第二領域は前記フォトダイオード予定領域の中央の領域であり、前記第―領域は前記第二領域を除外した残りの領域であることを特徴とする、第1項に記載のイメージセンサー 。
【請求項３】
前記不純物層を形成する不純物はＮ型不純物であることを特徴とする、第１項に記載のイメージセンサー 。
【請求項４】
前記不純物層を形成する不純物の濃度は前記半導体基板の自体濃度より高濃度を維持することを特徴とする、第１項に記載のイメージセンサー 。
【請求項５】
前記不純物層を形成する不純物の濃度は１×1017イオン数/cm３〜１×1018イオン数/cm３であることを特徴とする、第４項に記載のイメージセンサー 。
【請求項６】
前記不純物層の占有面積は0.25μm２〜4.0μm２であることを特徴とする、第１項に記載のイメージセンサー 。
【請求項７】
素子分離層を通して、半導体基板の活性領域を画定する段階；
前記活性領域のフォトダイオード予定領域の第二領域をターゲットに不純物を選択的にイオン注入し、前記フォトダイオード予定領域の第―領域を露出させながら、半導体基板の表面から下方に延びてフォトダイオード用不純物層を形成する段階；
前記フォトダイオードに蓄積された光電荷を運搬/排出するための信号処理トランジスターを形成する段階からなることを特徴とする、イメージセンサーの製造方法
【請求項８】
前記第二領域は前記フォトダイオード予定領域の中央の領域であり、前記第―領域は前記 第二領域を除外した残りの領域であることを特徴とする、第７項に記載のイメージセンサーの製造方法 。
【請求項９】
前記不純物層を形成する不純物はＮ型不純物であることを特徴とする、第７項に記載のイメージセンサーの製造方法 。
【請求項１０】
前記不純物層を形成する前記不純物の濃度は前記半導体基板の自体濃度より高濃度を維持することを特徴とする、第７項に記載のイメージセンサーの製造方法 。
【請求項１１】
前記不純物層を形成する前記不純物の濃度は１×1017イオン数/cm３〜１×1018イオン数/cm３
であることを特徴とする、第１０項に記載のイメージセンサーの製造方法 。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージセンサーに関わり、さらに詳細にはフォトダイオード用不純物層を形成する際に、不純物層の占有領域を一部縮小し、フォトダイオード領域の表面一部が大きく露出されることができるようにし、これらを通して、センサー動作時拡張形成される空乏領域がフォトダイオードの内側地域は勿論、フォトダイオードの表面地域まで自分の有効領域に幅広く拡充できるようにガイドすることにより、最終完成されるフォトダイオードがその波長の長い光は勿論、その波長の短い光までも自分の空乏領域で正常に受光できるように誘導することができるイメージセンサに関するものである。
また、本発明はこのようなイメージセンサーを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、電気・電子技術が急激な発展を成し遂げながら、イメージセンサー技術を採用した多用な電子製品、例えば、ビデオカメラ、ディジタルカメラ、小型カメラ装着型ＰＣ、小型カメラ装着型携帯電話等が幅広く開発・普及されている。
伝統的に、上述した従来のイメージセンサーとしては電荷結合素子（CCD:Charge Coupled Device; 以下、“CCD”と呼ぶ）が主に用いられたが、このようなＣＣＤの場合、高い駆動電圧が要求される点、追加の支援回路が別途に要求される点、工程単価が高い点等の色々な短所を持っているので、現在その利用が大幅減少されつつある趨勢にある。
【０００３】
近来に、上述したCCDに変えることのできるイメージセンサーとして、言わば、相補形-モス（CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor；以下、“CMOS”と呼ぶ）イメージセンサー大きく脚光を浴びていた。このようなCMOSイメージセンサーは一連のCMOS回路技術を背景に製造されるので、既存のCCDとは異なり、低電圧駆動が可能な長所、追加支援回路が必要ない長所、工程単価が安価な長所等を幅広く有している。
【０００４】
例えば、特許文献１である米国特許第6191409号“Image sensor having means for changing predetermined voltage", 特許文献２である米国特許第5710446号"Active pixel senor cell that utilizes a parasitic transistor to reset the photodiode of the cell"等では従来の技術によるCMOSイメージセンサーの一例が詳細に開示されている。
【０００５】
図1に示されたように、このような従来のイメージセンサー、例えば、CMOSイメージセンサーは素子分離層(2)により画定された半導体基板(1)の活性領域上で形成された状態で、外部から入力される光をうけて一連の光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオード(3)と、このフォトダイオード(3)に隣接配置された状態で、フォトダイオード(3)により生成蓄積された光電荷を映像処理回路(図示されず)側に運搬/排出する信号処理トランジスター(10)が組み合された構成をとる。この場合、信号処理トランジスター(10)は例えば、ゲート絶縁膜パターン(11)、ゲート電極パターン(12)、スペーサ(13)、不純物層(14)等の組合からなる。
【０００６】
この際、図面に示されたように、従来においてはフォトダイオード(3)の形成のための不純物層(3a)を半導体基板(1)のフォトダイオード予定領域前面に隙間なく幅広く形成し、これらを通して、センサー動作時形成される空乏領域(DR:Depletion Region) が半導体基板(1)の内部方向に偏って拡張されるよう誘導する。この場合、不純物層は例えば、高濃度のＮ型不純物からなる（図面ではN+で表した）。
【０００７】
このような従来のイメージセンサー体制化で、上述したように、フォトダイオード予定領域前面には一連の不純物層(3a)が隙間なく幅広く形成されているので、センサー動作時形成される空乏領域(DR)は半導体基板(1)表面との連繋なく単に、半導体基板(1)の内部方向にのみ深く拡張されているしかなかったし、その余波で、フォトダイオード(3)側に入射する光のうち、その波長が長くて、半導体基板(1)の内部に深く浸透できる光(L1)、例えば、赤色光(Red light)、緑色光(Green light)等は 空乏領域(DR)(L2) に正常に到達できるようになるが、その波長が短くて、半導体基板(1)の内部に深く浸透できない光(L2)、例えば、青色光は空乏領域(DR)に正常に到達することができなくなる。
【０００８】
したがって、この状況において、 別途の措置が取れない限り、フォトダイオード(3)はその波長がながくて、自分の空乏領域(DR)に正常に到達した光(L1)、即ち、赤色光、緑色光等についてのみ一連の光電荷(e)を正常に生成蓄積できるだけで、その波長が短くて自分の空乏領域(DR)に正常に到達しなかった光(L1)、即ち、青色光については一連の光電荷を正常に生成蓄積できなくなる。その結果、最終完成されるイメージセンサーは全体的な色再現性が大きく落ちる問題点が発生せざるを得ないようになる。
【特許文献１】米国特許第6191409号明細書
【特許文献２】米国特許第5710446号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的はフォトダイオード用不純物層を形成する際に、不純物層の占有領域を一部縮小し、フォトダイオード領域の表面一部が大きく露出されることができるようにし、これらを通して、センサー動作時拡張形成される空乏領域がフォトダイオードの内側地域は勿論、フォトダイオードの表面地域まで自分の有効領域に幅広く拡充できるようにガイドすることにより、最終完成されるフォトダイオードが波長の長い光は勿論、波長の短い光も自分の空乏領域で正常に受光できるように誘導することにある。
【００１０】
本発明の一つの目的はフォトダイオード用不純物層の形成位置改善を通して、フォトダイオードの受光幅が極大化し、これに基づいて、各色相別光電荷の生成均一性を最適化することにより、最終完成されるイメージセンサーの色再現品質を一定水準以上に向上させることにある。
本発明のもう一つの目的は次の詳細な説明と添付された図面からさらに明確になるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記したような目的を達成するために本発明では素子分離層により活性領域が画定された半導体基板、活性領域のフォトダイオード予定領域一部が露出されるよう該フォトダイオード予定領域の露出部分とは異なる一部を占有しながら、半導体基板の表面から下方に延びて光電荷生成/蓄積用フォトダイオードを形成する不純物層、フォトダイオードに蓄積された光電荷を運搬/排出するための信号処理トランジスターが組合されたイメージセンサーを開示する。この場合、前の不純物層は好ましくは、フォトダイオード予定領域の両側表面が露出されるよう該フォトダイオード予定領域の中央部分を好ましくは、0.25μm２〜4.0μm２程度の面積だけ占有する。      
この際、不純物層をなす不純物、例えば、Ｎ型不純物は半導体基板の自体濃度より高濃度、好ましくは、１×1017イオン数/cm３〜１×1018イオン数/cm３の濃度を維持する。
【００１２】
また、本発明の他の側面では素子分離層を通して、半導体基板の活性領域を画定する段階、活性領域のフォトダイオード予定領域一部をターゲットに不純物を選択的にイオン注入し、フォトダイオード予定領域の他の一部を露出させながら、半導体基板の表面から下方に延びてフォトダイオード用不純物層を形成する段階、フォトダイオードに蓄積された光電荷を運搬/排出するための信号処理トランジスターを形成する段階の組合からなるイメージセンサーの製造方法を開示する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明ではフォトダイオード用不純物層を形成する際に、不純物層の占有領域を一部縮小し、フォトダイオード領域の表面一部が大きく露出されることができるようにし、これらを通して、センサー動作時拡張形成される空乏領域がフォトダイオードの内側地域は勿論、フォトダイオードの表面地域まで自分の有効領域に幅広く拡充できるようにガイドすることにより、最終完成されるフォトダイオードがその波長の長い光は勿論、その波長の短い光までも自分の空乏領域で正常に受光できるように誘導することができる。
【００１４】
また、各色相別光電荷の生成均一性また自然に最適化されることができるようになり、結局、最終完成されるイメージセンサーはその色再現品質が一定水準以上に向上されることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付された図面を参照しながら、本発明によるイメージセンサー及びその製造方法をさらに詳細に説明すると次の通りである。
図２に示されたように、本発明によるイメージセンサーは素子分離層(22)により画定された半導体基板(21)の活性領域上で形成された状態で、外部から入力される光をうけて一連の光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオード(23)と、このフォトダイオード(23)に隣接配置された状態で、フォトダイオード(23)により生成蓄積された光電荷を映像処理回路(図示されず)側に運搬/排出する信号処理トランジスター(30)が組合された構成をとる。この場合、信号処理トランジスター(30)は例えば、ゲート絶縁膜パターン(31)、ゲート電極パターン(32)、スペーサ(33)、不純物層(34)の組合からなる。
【００１６】
このような本発明のイメージセンサーで、図面に図示されたように、不純物層(23a)は活性領域のフォトダイオード予定領域(PDR)一部、例えば、フォトダイオード予定領域(PDR)の両側表面(23b,23c)が露出されるよう該フォトダイオード予定領域(PDR)の中央部分を選択的に占有しながら、半導体基板(21)の表面から下方に広がった構造を形成する。この場合、フォトダイオード予定領域(PDR)の両側表面(23b,23c)が露出されるので、本格的なセンサー動作時形成される空乏領域(DR)は自然に半導体基板の該両側表面(23b,23c)を自分の有効領域に拡充できるようになる。
【００１７】
勿論、このような不純物層(23a)の形成構造は本発明固有のものとして、従来の不純物層はこれと全く異なる構造を形成していた。
本発明の体制化で、不純物層(23a)は従来に比べ、その占有範囲が大幅縮小され、フォトダイオード予定領域(PDR) の両側表面(23b,23c)を露出させた状態で、該フォトダイオード予定領域(PDR)の中央部分だけを選択的に占有しているので、本発明の具現環境下で、センサー動作時形成される空乏領域(DR)は自然に半導体基板の両側表面(23b,23c；フォトダイオードの両側表面)を自分の有効領域に拡充できるようになり、結局、フォトダイオード(23)側に入射する光のうち、その波長が長くて、半導体基板(21)の内部に深く浸透できる光(L1；赤色光、緑色光)は勿論、半導体基板(21)の 内部に深く浸透できない光(L2；青色光)も空乏領域(DR)に正常に到達できるようになる。
【００１８】
勿論、この状況においても、フォトダイオード(23)はその波長の長い光(L1；赤色光、緑色光)は勿論、その波長の短い光(L2；青色光)に対しても、一連の光電荷(e1,e2,e3)を正常に生成蓄積できるようになり、結局、最終完成されるイメージセンサーは全体的な色再現性が大きく向上される利点を容易に獲得することができるようになる。
【００１９】
この際、不純物層(23a)を形成する不純物、例えば、Ｎ型不純物は半導体基板(21)の自体濃度より高濃度、好ましくは、１×1017イオン数/cm３〜１×1018イオン数/cm３の濃度を維持しながら、フォトダイオード予定領域(PDR)の中央部分を好ましくは、0.25μm２〜4.0μm２程度の面積だけ占有する。  
【００２０】
以下、上述した構成を形成する本発明によるイメージセンサーの製造方法を詳細に説明する。
このような本発明によるイメージセンサーの製造方法は図3a乃至図3eに示されたように、素子分離層(22)を通して半導体基板(21)の活性領域(AR)を画定する段階、活性領域(AR)のフォトダイオード予定領域(PDR)の一部をターゲットに不純物を選択的にイオン注入し、フォトダイオード予定領域(PDR)の他の一部を露出させながら、半導体基板(21)の表面から下方に延びてフォトダイオード用不純物層(23a)を形成する段階、フォトダイオード(23)に蓄積された光電荷を運搬/排出するための信号処理トランジスター(30)を形成する段階の組合からなる。
【００２１】
まず、図3aに示されたように、本発明では一連の犠牲膜パターン、例えば、犠牲窒化膜パターン、犠牲酸化膜パターン等を適切に活用し、半導体基板(21)の素子分離領域（FR）にトレンチ（Trench:溝）を形成させた後、一連の絶縁膜ギャップフィーリング工程、パタニング工程等を追加進行し、トレンチ（Trench）の内部を補い/詰めながら、活性領域(AR)を画定する素子分離層(22)を形成させる。
【００２２】
勿論、このようなSTI工程(Shallow Trench Isolation Process)による素子分離層(22)形成手順は状況により、LOCOS工程(Local Oxidation of Silicon)による素子分離層形成手順に代替されることもできる。
【００２３】
上述した手順を通して、活性領域(AR)の画定が完了すると、図3bに示されたように、本発明では半導体基板(21)の活性領域(AR)の一部、例えば、フォトダイオード予定領域(PDR)の両側側部領域(PDR1,PDR2)を除いた中央の領域(PDR3)に感光膜の開口部が位置するよう一連の感光膜パターン(100)を半導体基板(21)上に形成させた後、図3cに示されたように、この感光膜パターン(100)をマスクで、一連の不純物イオン注入工程を進行させ、フォトダイオード予定領域(PDR)の両側表面を露出させた状態で、該フォトダイオード予定領域(PDR)の中央部分だけを選択的に占有しながら、半導体基板(21)の表面から下方に広がった不純物層(23a)を形成した後、前記の感光膜パターン(100)を除去する。
【００２４】
次に、本発明では図3d に示されたように、一連の熱酸化工程、低圧化学気相増着工程等を選択的に進行させ、半導体基板(21)の前面に一連のゲート絶縁膜を形成させた後、低圧化学気相増着工程を追加進行させ、ゲート絶縁膜の上部に多結晶シリコン層を形成させた後、一連の写真蝕刻工程を通して、ゲート絶縁膜及び多結晶シリコン層を一括的にパタニングし、図 3eに示されたように、半導体基板(21)の活性領域、即ち、フォトダイオード(23)の隣接部にゲート絶縁膜パターン(31)及び、ゲート電極パターン(32)を形成させる。
【００２５】
次ぎに、本発明では一連の低圧化学気相増着工程を進行させ、ゲート電極パターン(32)をカバーするスペーサ用絶縁膜を半導体基板(21)の前面に形成させた後、一連の二方性蝕刻特性を有する乾式蝕刻工程、例えば、反応性イオン蝕刻工程を進行させ、ゲート電極パターン(32)の側壁にスペーサ(33)を形成させる。
【００２６】
続いて、本発明では前記のスペーサ(33)をバッファマスクにして、一連の高濃度イオン注入工程を進行させ、これらを通して、ゲート電極パターン(32)の側部に不純物層(34)を形成させ、フォトダイオード(23)に蓄積された光電荷を運搬/排出するための完成された形態の信号処理トランジスター(30)を製造完了する。
勿論、便宜上図面に図示はしなかったが、半導体基板(21)の色々な地域に図面に図示されたような信号処理トランジスター(30)が同一に形成されたことは当然であろう。
【００２７】
図3eに示されたように、センサー動作時形成される空乏領域(DR)は自然にフォトダイオード(23)の両側表面(23b,23c)を自分の有効領域に拡充できるようになり、結局、フォトダイオード(23)側に入射する光のうち、その波長が長くて、半導体基板(21)の内部に深く浸透できる光(L1；赤色光、緑色光)は勿論、半導体基板(21)の 内部に深く浸透できない光(L2；青色光)も空乏領域(DR)に正常に到達できるようになる。
【００２８】
以後、本発明では金属全絶縁膜形成工程、コンタクホール(Contact Hole)形成工程、金属配線形成工程、層間絶縁膜形成工程、カラーパターン形成工程、平坦化膜形成工程、マイクロレンズアレイ形成工程等のような一連の後続工程を追加進行させることにより、最終のイメージセンサーを製造完了する。
前述したように、本発明の特定な実施例が説明され図示されたが、本発明が当業者により多様に変形され実施される可能性があることは自明なことである。このような変形された実施例は本発明の技術的思想や観点から個別的に理解されてはいけないし、このような変形された実施例は本発明の添付された特許請求の範囲内に属すると見なすべきであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術によるイメージセンサーを図示した例示図。
【図２】本発明によるイメージセンサーを図示した例示図。
【図３ａ】本発明によるイメージセンサー製造方法を順次的に図示した工程図。
【図３ｂ】本発明によるイメージセンサー製造方法を順次的に図示した工程図。
【図３ｃ】本発明によるイメージセンサー製造方法を順次的に図示した工程図。
【図３ｄ】本発明によるイメージセンサー製造方法を順次的に図示した工程図。
【図３ｅ】本発明によるイメージセンサー製造方法を順次的に図示した工程図。
【符号の説明】
【００３０】
１    半導体基板
２    素子分離層
３    フォトダイオード
２３ａ  不純物層
３０    信号処理トランジスター
【図１】
2004214660.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
2004214660.tif 000008
【図３ｅ】
2004214660.tif 000009