(57)【要約】【課題】微細技術を用いた低電力、高集積ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素で隣接ピクセル間の電気的、光的干渉を抑制し、光感度を向上させることができるＣＭＯＳイメージセンサを提供する。【解決手段】本発明は、相対的に長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて短波長の光を感知する第２フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記第１及び第２フォトダイオードは、不純物濃度を異なるように形成することを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサおよびその製造方法。【選択図】          図４
2004165589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて短波長の光を感知する第２フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、
前記第１及び第２フォトダイオードは、それぞれ
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面から前記基板内部に形成された第１導電型の第１イオン注入領域と、
前記第１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第２イオン注入領域と、
前記第２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第３イオン注入領域と、
前記第３イオン注入領域と接し、その下部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第４イオン注入領域を含んでおり、
前記第２フォトダイオードは、
前記第３イオン注入領域及び第４イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第４イオン注入領域より深く形成され、前記第３イオン注入領域及び前記第４イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第５イオン注入領域と
を含んでなることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２】
前記第２フォトダイオードの前記第４イオン注入領域は、前記第１フォトダイオードの前記第４イオン注入領域より浅く形成されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項３】
前記長波長の光は赤色光であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項４】
前記短波長の光は緑色光であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項５】
前記短波長の光は青色光であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項６】
相対的に長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて短波長の光を感知する第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成され、前記第２フォトダイオードが感知する光より短波長の光を感知する第３フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、
前記第１フォトダイオードは、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面から前記基板内部に形成された第１導電型の第１イオン注入領域と、
前記第１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第２イオン注入領域と、
前記第２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第３イオン注入領域と、
前記第３イオン注入領域と接し、その下部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第４イオン注入領域を含んでなり、
前記第２フォトダイオードは、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面から前記基板内部に拡張されて所定の深さに形成された第１導電型の第５イオン注入領域と、
前記第５イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第６イオン注入領域、
前記第６イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第６イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第７イオン注入領域と、
前記第７イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第６イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第８イオン注入領域と、
前記第７イオン注入領域及び第８イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第８イオン注入領域より深く形成され、前記第７イオン注入領域及び前記第８イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第９イオン注入領域を含んでなり、
前記第３フォトダイオードは、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面から前記基板内部に拡張されて所定の深さに形成された第１導電型の第１０イオン注入領域と、
前記第１０イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第１１イオン注入領域と、
前記第１１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第１１イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第１２イオン注入領域と、
前記第１２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第１２イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第１３イオン注入領域と、
前記第１２イオン注入領域及び第１３イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第１３イオン注入領域より深く形成され、前記第１２イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第１４イオン注入領域と
を含んでなることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項７】
前記第１フォトダイオードが感知する光は赤色光であり、前記第２フォトダイオードが感知する光は緑色光であり、前記第３フォトダイオードが感知する光は青色光であることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項８】
前記第１２イオン注入領域は、前記第７イオン注入領域より浅く形成されることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項９】
長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて相対的に短波長の光を感知する第２フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサの製造方法において、
半導体基板上に活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜を形成するステップと、
前記第２フォトダイオードが形成される前記半導体基板内部に第１導電型の第５イオン注入領域を形成するステップと、
熱工程を通して前記第５イオン注入領域を拡散させるステップと、
前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第１導電型の第１イオン注入領域を形成するステップと、
前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第４イオン注入領域を形成し、第４イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域よりは深く、前記第５イオン注入領域よりは浅く形成され、前記第５イオン注入領域より低濃度を有するように形成するステップと、
前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第３イオン注入領域を形成し、第３イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域よりは深く、前記第４イオン注入領域より浅く形成され、前記第５イオン注入領域より低濃度を有するように形成するステップと、
前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第２イオン注入領域を形成し、第２イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域と前記第３イオン注入領域との間に形成するステップと
を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１０】
前記第４イオン注入領域及び前記第３イオン注入領域は、前記第５イオン注入領域内に含まれて形成されることを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１１】
前記第５イオン注入領域は４００Ｋｅｖないし２ＭｅＶのイオン注入エネルギーを用いて形成されることを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１２】
前記第５イオン注入領域を拡散させるステップは、
ゲート電極を形成するための熱工程と界面安定のための熱工程を用いて行われ、また、前記第１フォトダイオードが感知する光は赤色光であり、前記第２フォトダイオードが感知する光は青色光、または緑色光であることを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１３】
青色光を感知する前記第２フォトダイオード領域に、前記第５イオン注入領域よりは浅い第１導電型の第６イオン注入領域を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１４】
前記第６イオン注入領域は、ゲート電極を形成するための熱工程を行う前に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１５】
前記第６イオン注入領域は、ゲート電極を形成するための熱工程の後、界面安定のための熱工程の前に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【請求項１６】
前記第６イオン注入領域は、界面安定のための熱工程を行った後に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサに関し、特に低電力／高密度のＣＭＯＳイメージセンサにおいて隣接したピクセルのフォトダイオードの不純物濃度を異なるように形成して、隣接ピクセル間の干渉現象やクロストーク（ｃｒｏｓｓ  ｔａｌｋ）現象などを減少させたＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、イメージセンサとは、光学画像（ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍａｇｅ）を電気信号に変換させる半導体素子であって、このうち電荷結合素子（ＣＣＤ  ：  ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）は個々のＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）キャパシタが互いに非常に近接した位置にありながら、電荷キャリアがキャパシタに格納され移送される素子であり、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ）イメージセンサは、制御回路及び信号処理回路を周辺回路に用いるＣＭＯＳ技術を用いて画素数のＭＯＳトランジスタを作り、これを用いて順に出力を検出するスイッチング方式を採用する素子である。
【０００３】
ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）は駆動方式が煩雑であり、電力消耗が大きいほか、マスク工程ステップの数が多く工程が煩雑であり、シグナルプロセシング回路をＣＣＤチップ内に搭載できないので、ワンチップ（Ｏｎｅ  Ｃｈｉｐ）化が困難であるなどの様々な短所があることから、最近はそうした短所を克服するためにサブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）ＣＭＯＳ製造技術を用いたＣＭＯＳイメージセンサの開発が盛んに研究されている。ＣＭＯＳイメージセンサは、単位画素（Ｐｉｘｅｌ）内にフォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを形成して、スイッチング方式で順に信号を検出することによって、イメージを具現できるが、ＣＭＯＳ製造技術を用いるので、電力消耗も少なくマスク数も２０個程度で３０〜４０個のマスクが必要なＣＣＤ工程に比べて工程が非常に単純であり、複数の信号処理回路とワンチップ化が可能であるので、次世代イメージセンサとして注目されている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００４】
図１は、従来の技術に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて、単位ピクセルごとに形成されているフォトダイオードの断面構造とそれによるイオン注入領域のドーピングプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す図面であり、これを参照して従来の技術を説明する。
【０００５】
通常、カラーイメージセンサは、赤色ピクセル、緑色ピクセル及び青色ピクセルが複数個アレイされて形成されているが、従来の技術に係る各ピクセルのフォトダイオードは、赤色ピクセル、緑色ピクセル及び青色ピクセルに対してすべて同一な構造を採用している。
すなわち、図１に示すフォトダイオードは、赤色ピクセル、緑色ピクセル及び青色ピクセルに対して同一に形成され、このようなフォトダイオードの上部に３種類のカラーフィルタ（図示せず）のうち、いずれか１つが形成されており、それぞれのピクセルは赤色、緑色、青色のうちいずれか１つの光を感知するようになる。
【０００６】
図１に示すように、赤色、緑色、青色の３色のうち、青色光の浸透深さが最も浅いし、赤色光の浸透深さが最も深い。このように浸透深さが最も深い赤色光は隣接ピクセルに浸透し、これによってノイズを誘発する可能性があるが、これについては後述する。
【０００７】
図１を参照して従来の技術に係るフォトダイオードの構造について説明すると、まず、ｐ型半導体基板１０上に活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜１１が形成されている。次に、フォトダイオードを構成するｐ型イオン注入領域１２が半導体基板表面から所定の深さに形成されている。
【０００８】
次に、ｐ型イオン注入領域１２の下部には前記ｐ型イオン注入領域１２と接し、所定の深さを有する高農度の第１ｎ型イオン注入領域１３が形成されており、第１ｎ型イオン注入領域１３の下部には第１ｎ型イオン注入領域１３と接し、低濃度の第２ｎ型イオン注入領域１４が所定の深さに形成されている。
通常、図１に示したフィールド酸化膜１１は通常０．３〜０．８μｍの厚さを有するように形成されており、第２ｎ型イオン注入領域の深さも概略的に０．３〜０．８μｍ程度の深さを有する。
このように、半導体基板表面の近くに形成されたｐ型イオン注入領域１２と、その下部に位置した第１ｎ型イオン注入領域１３と、第２ｎ型イオン注入領域１４、そしてｐ型半導体基板１０がｐｎ接合を形成し、ｐ／ｎ／ｐフォトダイオードを構成する。
【０００９】
図１に示すフォトダイオードの断面図の右側には、フォトダイオードの断面構造によるイオン注入領域のドーピングプロファイルをログ（ｌｏｇ）スケールで表した図面が示されているが、ｐ型イオン注入領域Ｐ０、１２と第１ｎ型イオン注入領域Ｎ＋、１３、第２ｎ型イオン注入領域Ｎ、１４、そしてｐ型半導体基板Ｐ−ｓｕｂ、１０のドーピング濃度が示されている。
【００１０】
また、図１には、このようなドーピングプロファイルを有するｐｎ接合に、所定の電圧を印加した場合に形成される空乏領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）の大きさが示されているが、空乏領域は基板深層部にまで深く形成されて数μｍほどの深さを有していることが分かる。
【００１１】
公知のようにフォトダイオード（ｐｈｏｔｏ  ｄｉｏｄｅ）は、ｐｎ接合に所定の電圧を印加して空乏領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）を作り、この空乏領域に光による光電荷を格納しておいて、イメージ再現に用いる素子である。
【００１２】
このように、従来の技術のような構造を有するフォトダイオードは、各色の光に対する浸透深さが異なるにもかかわらず、赤色ピクセル、青色ピクセル及び緑色ピクセルがすべて同一な深さ及び構造に形成されるので、青色ピクセル及び緑色ピクセルの基板深層部においても、空乏領域が形成されて、隣接した赤色ピクセルで浸透した赤色光が光干渉を起こす問題があった。
【００１３】
また、高集積、低電力の移動通信手段に搭載できるカラーイメージセンサに対する要求が増加している。しかし、高集積、低電力のカラーイメージセンサにおいては、単位ピクセルの大きさが従来の半分近く減少する（０．１８μｍ技術の適用時には、単位ピクセルの大きさは４．０μｍ×４．０μｍ以下である）。
このように単位ピクセルの大きさが減少することによって、透過深度（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）が深い赤色光（ｒｅｄ  ｌｉｇｈｔ）による青色ピクセルと緑色ピクセルに対する信号歪曲と隣接ピクセル間の電気的な干渉を解決することが最も大きな課題である。
【００１４】
従来に用いられていた０．５μｍまたは０．３５μｍ技術に比べて０．１８μｍ技術を用いる場合には、素子間の分離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）がさらに難しくなり、また許容されるノイズレベルも従来に比べて半分以下に低くなるので、これによる困難さがある。
その他にも０．１８μｍ技術を用いる場合には、０．３５μｍ技術と対比してフォトダイオードの面積は７０％以下に減少し、駆動電圧も７５％以下に減少するので、光電荷発生効率は０．３５μｍ技術と対比して５０％以下の水準になると予想される。
【００１５】
このように減少した光電荷発生効率を補償するためには、イオン注入エネルギーとイオン注入濃度を増加させて電子正孔対の生成率を高めることが不可欠である。しかし、イオン注入濃度の増加は、隣接したフォトダイオードのｐｎ接合間の絶縁距離を減少させるので、絶縁特性がさらに低下して隣接ピクセル間の電気的なノイズが発生するようになるので、これを防止するための絶縁特性の補強がさらに重要となる。
【００１６】
【非特許文献１】
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｄｏｓｅ、  Ｈｉｇｈ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｂｏｒｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ｉｎｔｏ  Ｃｚ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  Ｅｐ−Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ＣＭＯＳ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ、  ＶＯＬ．４８、  ＮＯ．９、  ＳＵＰＴＥＭＢＥＲ  ２００１、
ＰＡＧＥＳ  ２０４３−２０４９）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、前記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高集積／低電力ＣＭＯＳイメージセンサにおいて隣接ピクセル間の信号歪曲と電気的なノイズ及び光ノイズを減少させたイメージセンサとその製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、相対的に長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて短波長の光を感知する第２フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記第１及び第２フォトダイオードは、それぞれ第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板表面から前記基板内部に形成された第１導電型の第１イオン注入領域と、前記第１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第２イオン注入領域と、前記第２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第３イオン注入領域と、前記第３イオン注入領域と接し、その下部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第４イオン注入領域を含んでおり、前記第２フォトダイオードは、前記第３イオン注入領域及び第４イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第４イオン注入領域より深く形成され、前記第３イオン注入領域及び前記第４イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第５イオン注入領域とを含んでなることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサを提供する。
【００１９】
また、前記の目的を達成するため、本発明は、相対的に長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて短波長の光を感知する第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成され、前記第２フォトダイオードが感知する光より短波長の光を感知する第３フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記第１フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板表面から前記基板内部に形成された第１導電型の第１イオン注入領域と、前記第１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第２イオン注入領域と、前記第２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第３イオン注入領域と、前記第３イオン注入領域と接し、その下部に形成され、前記第２イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第４イオン注入領域を含んでなり、前記第２フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板表面から前記基板内部に拡張されて所定の深さに形成された第１導電型の第５イオン注入領域と、前記第５イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第６イオン注入領域、前記第６イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第６イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第７イオン注入領域と、前記第７イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第６イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第８イオン注入領域と、前記第７イオン注入領域及び第８イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第８イオン注入領域より深く形成され、前記第７イオン注入領域及び前記第８イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第９イオン注入領域を含んでなり、前記第３フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板表面から前記基板内部に拡散されて所定の深さに形成された第１導電型の第１０イオン注入領域と、前記第１０イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成された第２導電型の第１１イオン注入領域と、前記第１１イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第１１イオン注入領域より低濃度である第２導電型の第１２イオン注入領域と、前記第１２イオン注入領域と接し、その下部の前記基板内部に形成され、前記第１２イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第１３イオン注入領域と、前記第１２イオン注入領域及び第１３イオン注入領域の側面を覆って形成され、前記第１３イオン注入領域より深く形成され、前記第１２イオン注入領域より高農度を有する第１導電型の第１４イオン注入領域とを含んでなることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサを提供する。
【００２０】
また、前記の目的を達成するため、本発明は、長波長の光を感知する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと隣接形成されて相対的に短波長の光を感知する第２フォトダイオードが共に集積化されたＣＭＯＳイメージセンサの製造方法において、半導体基板上に活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜を形成するステップと、前記第２フォトダイオードが形成される前記半導体基板内部に第１導電型の第５イオン注入領域を形成するステップと、熱工程を通して前記第５イオン注入領域を拡散させるステップと、
前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第１導電型の第１イオン注入領域を形成するステップと、前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第４イオン注入領域を形成し、第４イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域よりは深く、前記第５イオン注入域よりは浅く形成され、前記第５イオン注入領域より低濃度を有するように形成するステップと、前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第３イオン注入領域を形成し、第３イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域よりは深く、前記第４イオン注入領域より浅く形成され、前記第５イオン注入領域より低濃度を有するように形成するステップと、前記第１及び第２フォトダイオードが形成される半導体基板内部に第２導電型の第２イオン注入領域を形成し、第２イオン注入領域は、前記第１イオン注入領域と前記第３イオン注入領域との間に形成するステップとを含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を提供する。
【００２１】
本発明の一実施例では低電力／高集積イメージセンサにおいて赤色ピクセルのフォトダイオード構造と青色ピクセル／緑色ピクセルのフォトダイオードの構造を異なるように形成することによって隣接ピクセル間の電気的なノイズと光ノイズを減少させると共に光感度を向上させる。
【００２２】
また、本発明の他の実施例では、赤色、緑色及び青色ピクセルのフォトダイオード構造をそれぞれ異なる構造に形成することによって、それぞれの色を有する光にフォトダイオード構造を最適化させて、光感度を向上させると共に隣接ピクセル間の信号干渉を減少させる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の最も好ましい実施例を図面を参照して説明する。
従来の技術において述べたように、イメージセンサが次第に微細化され、低電力化されることによって、単位ピクセルに入射する光量も減少するのみでなく、光信号を用いてこれをイメージデータに処理するための電圧レベルも次第に減少している。
このようにイメージセンサのフォトダイオードに流入する光量が減り、駆動電圧が減少する場合、光感度が低下することは当然であり、これを補償するためには、フォトダイオードを構成するｐ型またはｎ型イオン注入領域のイオン注入濃度を増加させて電子−正孔対の生成率を高めることが不可欠である。しかし、イオン注入濃度を高めることになると、高集積化されたイメージセンサで隣接ピクセル間の干渉現象が増加する短所があることは前述した通りである。
【００２４】
本発明ではこのような従来の技術の課題を解決するために、赤色（ｒｅｄ）、緑色（ｇｒｅｅｎ）、青色（ｂｌｕｅ）光の波長差による表皮深さ（ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ）の差を用いた。［ここで、ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ＝（屈折率／電気導電度）×（２π／波長）］
光の透過量は、深さに応じて指数的に減少するので、シリコン表面の近く（約０〜０．５μｍ）に存在するイオン注入領域のイオン濃度が増加すると、光感度もやはり増加する。
【００２５】
青色光（青色）の場合には、シリコン表面から０．５μｍ以上は透過できないことと知られており、緑色光（緑色）の場合は、１．５μｍ以上は透過できないことと知られている。従って、青色ピクセルと緑色ピクセルに備わったフォトダイオードで空乏領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）はシリコン表面から０〜１．５μｍ程度に形成することが好ましい。
それ以上の深さに空乏領域を拡張させても、青色光と緑色光は透過できないので、光感度の向上に役立たないのみでなく、むしろ空乏領域が拡張されることによって、電界の強さが減少して光感度が低下する短所をもたらす可能性もあるためである。
【００２６】
赤色光（赤色）の場合には、透過深さがシリコン表面から１．５〜３．０μｍ程度であると知られている。従って、入射された赤色光をすべて用いるためには、０〜３．０μｍ程度の深さに空乏領域を形成することが好ましいが、従来の技術では図１に示すように、数μｍ程度の深さに空乏領域を形成して赤色光、緑色光及び青色光をすべて感知していた。
【００２７】
図２は、本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて赤色ピクセルのフォトダイオード断面構造と、それによるドーピングプロファイルを示した図であり、これを参照して説明する。本発明の一実施例に係る赤色ピクセルのフォトダイオードは、既存のｎ型イオン注入領域のドーピング濃度を増加させ、また、新しいｎ型イオン注入領域を追加に形成することによって、空乏領域の深さを増加させて光感度を向上させた。
【００２８】
図２を参照すると、本発明の一実施例に係る赤色ピクセルのフォトダイオードは、ｐ型半導体基板２０上に形成されて、活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜２１と、半導体基板２０表面から所定の深さに拡散されて形成された高農度の第１ｐ型イオン注入領域２２と、前記第１ｐ型イオン注入領域２２と接し、第１ｐ型イオン注入領域２２の下部に所定の深さに形成された高農度の第１ｎ型イオン注入領域２３と、前記第１ｎ型イオン注入領域２３と接し、第１ｎ型イオン注入領域の下部に所定の深さに形成された低濃度の第２ｎ型イオン注入領域２４と、第２ｎ型イオン注入領域２４の下部に所定の深さに形成され、前記第２ｎ型イオン注入領域２４より大きい断面積を有するように拡張されて形成されて前記第２ｎ型イオン注入領域２４を覆って形成された低濃度の第３ｎ型イオン注入領域２５でなされている。
【００２９】
赤色光は、前述したように浸透深さが最も深いので、赤色ピクセルに入射する赤色光をすべて用いるためには、基板の深層部にまで空乏領域を拡張して赤色光から発生した光電荷を用いる。従って、本発明の一実施例では第３ｎ型イオン注入領域２５を追加に深く形成することによって、空乏領域の幅を拡張する。
【００３０】
また、従来はノイズ増加のような短所のため、イオン注入領域の濃度を増加させることができなかったが、本発明の一実施例ではノイズ減少のためのメカニズムが備わっているので、イオン注入領域の不純物の濃度を増加させて赤色光に対する光感度を向上させることができる。ノイズ減少のためのメカニズムについては緑色ピクセルと青色ピクセルに対する部分で説明する。
【００３１】
図２に示す赤色ピクセルのフォトダイオードの断面構造の右側には断面構造に従う各イオン注入領域のドーピングプロファイルが示されているが、追加に形成された第３ｎ型イオン注入領域２５のドーピング濃度は、半導体基板２０の濃度よりは高く、高農度の１ｎ型イオン注入領域２２のドーピング濃度よりは低いことが分かる。そして、第２ｎ型イオン注入領域２４のドーピング濃度と第３ｎ型イオン注入領域２５のドーピング濃度はそれほど差がないようにした。
【００３２】
次に、青色ピクセルまたは緑色ピクセルに形成されるフォトダイオードの構造について説明すると、本発明の一実施例ではイオン注入領域にドーピングされる不純物イオンの量を増し、また、ｎ型イオン注入領域を覆い、半導体基板の深層部にまで拡張される高農度のｐ＋イオン注入領域を追加に形成して隣接ピクセル間の電気的、光的干渉を減らした。
【００３３】
図３は本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて青色ピクセルまたは緑色ピクセルのフォトダイオード断面構造と、それに従うドーピングプロファイルを示す図面であり、これを参照して青色ピクセルまたは緑色ピクセルに形成されたフォトダイオードについて説明する。
【００３４】
図３に示すように、青色または緑色ピクセルに形成されるフォトダイオードは、ｐ型半導体基板３０上に形成されて活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜３１と、半導体基板３０表面から所定の深さに拡張されて形成された高農度の第１ｐ型イオン注入領域３２と、前記第１ｐ型イオン注入領域３２と接し、第１ｐ型イオン注入領域３２の下部に所定の深さに形成された高農度の第１ｎ型イオン注入領域３３と、前記第１ｎ型イオン注入領域３３と接し、第１ｎ型イオン注入領域の下部に所定の深さに形成された低濃度の第２ｎ型イオン注入領域３４と、第２ｎ型イオン注入領域３４の下部に所定の深さに形成され、前記第２ｎ型イオン注入領域３４より大きい断面積を有するように拡張されて形成された低濃度の第３ｎ型イオン注入領域３５と、前記第２ｎ型イオン注入領域３４と第３ｎ型イオン注入領域３５を覆って形成され、前記第３ｎ型イオン注入領域３５の下部の基板深層部まで拡張されて形成される高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６からで構成されている。
【００３５】
本発明の一実施例に係る緑色または青色ピクセルのフォトダイオードは、ｐ型イオン注入領域のドーピング濃度とｎ型イオン注入領域のドーピング濃度を増加させ、追加に高農度の第２ｐ型イオン注入領域を形成して緑色光の透過深さにまで空乏領域の深さを限定して光感度を向上させた。
【００３６】
即ち、本発明の一実施例に係る緑色、青色ピクセルのフォトダイオードにおいて最も大きい特徴は、イオン注入領域のドーピング濃度が増加した点以外にも高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６がその上部に存在する２つのｎ型イオン注入領域３４、３５を覆って形成されている点と、また高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６の存在によって空乏領域の大きさが減少したという点である。
【００３７】
本発明の一実施例に係る緑色／青色ピクセルにおいて高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６は、４００ＫｅＶ〜２ＭｅＶ程度のイオン注入エネルギーを用いて形成され、また本発明の一施例に用いられた半導体基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、またはＡｌＡｓウェーハを用いることができる。
【００３８】
図３を参照すると、高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６の存在のため、空乏領域の幅が減少していることを図３の右側に示すドーピングプロファイルを参照すると分かる。すなわち、青色ピクセルや緑色ピクセルにおいては赤色光を感知する必要がないので、赤色光の浸透深さに該当する半導体基板内部には空乏領域が存在しないで、緑色光の浸透深さまでのみ、空乏領域が形成されるようにした。
【００３９】
従って、赤色ピクセルに入射される赤色光が隣接した緑色ピクセルや青色ピクセルに浸透しても、緑色ピクセルや青色ピクセルにおいては赤色光の浸透深さに該当する領域には空乏領域が存在しないので、赤色光による光電荷が発生する余地を減少させることができる。このような構造によって、本発明では赤色光による光干渉現象を抑制できる。
【００４０】
そして、従来の技術と比較してみると、高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６の存在によって空乏領域の幅が減少したので、電界の強さが大きくなって光感度が向上する効果があり、イオン注入領域の濃度もやはり増加したので、光感度がさらに向上する。
【００４１】
また、高農度の第２ｐ型イオン注入領域３６がその上部に存在する２つのｎ型イオン注入領域３４、３５を覆って形成されているので、このように形成された緑色ピクセルと青色ピクセルが、赤色ピクセルを２次元的に覆うようにピクセルアレイを構成するようになると、隣接ピクセル間の電気的／光的干渉現象を減少させることができる。
【００４２】
図４は、本発明で隣接ピクセル間の電気的／光的干渉現象を減少させるメカニズムを説明するための概念図であり、図５は一般的なＣＭＯＳイメージセンサでピクセルアレイのパターンに通常、用いられているベイヤパターンを用いるピクセルアレイを示す平面図である。
【００４３】
図４を参照すると、赤色ピクセルは緑色ピクセルと青色ピクセルに取り囲まれており、図５に示すベイヤパターンのピクセルアレイを参照すると、赤色フィルタは２次元的に青色ピクセルまたは緑色ピクセルにより取り囲まれている。
即ち、緑色ピクセルと青色ピクセルの高農度の第２ｐ型イオン注入領域（図４の緑色または青色ピクセルでＰ＋に表示）が赤色ピクセルのｎ型イオン注入領域（図４の赤色ピクセルでＮ２、Ｎ３に表示）をすべて覆っているので、赤色ピクセルのｎ型イオン注入領域と緑色または青色ピクセルのｎ型イオン注入領域は電気的に絶縁される。
【００４４】
従って、イメージセンサの光感度を向上させるため、イオン注入濃度を増加させても、このような向上した絶縁特性のため、隣接ピクセルの間においてノイズが発生する現象を減少させることができる。
【００４５】
本発明の一実施例では、ベイヤパターンを有するピクセルアレイを例として説明したが、これ以外にも赤色ピクセルに隣接したピクセルは、緑色ピクセルまたは青色ピクセルのみとなるようにピクセルアレイを配置すると、前述したような本発明の効果を得ることができる。
【００４６】
図４に示す第３ｐ型イオン注入領域（図面符号１００）は、本発明の他の実施例に関し、青色ピクセルの構造に関する。本発明の一実施例では、青色ピクセルと緑色ピクセルにおいてすべて同一なフォトダイオードを用いたが、青色ピクセルと緑色ピクセルに用いられる同一なフォトダイオードは、厳密に言えば、緑色ピクセルにさらに最適化されたと言える。従って、本発明の他の実施例では青色光に最適化されたフォトダイオードを青色ピクセルに別に形成することによってさらに光感度を向上させた。
【００４７】
図４を参照すると、青色光は周知のように浸透深さが最も短い。このような青色光を捕獲（ｃａｐｔｕｒｅ）する青色ピクセルでは空乏領域の深さが青色光に合せて浅く形成されなければ、青色光に対する感度を高めることができない。
従って、図４に示したように、青色ピクセルにのみ第３ｐ型イオン注入領域１００を形成するためのイオン注入工程を追加に行うと、第２ｎ型イオン注入領域（図４の青色ピクセルでＮ２に表示）の大きさが減少するようになるので、空乏領域もやはり減少されて、浸透深さが最も短い青色光に最適化された青色ピクセルを得ることができるので、青色光に対する光感度を向上させることができる。
図４の青色ピクセルにおいて第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３を形成するためのイオン注入工程は、第３ｐ型イオン注入領域１００を形成するためのイオン注入工程が行われた以後に行われるが、第３ｐ型イオン注入領域１００の濃度を非常に高く設定すると、第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３を形成するためのイオン注入工程が行われた以後にも、第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋の濃度とほぼ同じか、または低い濃度を有する第３ｐ型イオン注入領域１００を得ることができる。
【００４８】
次に、本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を図４を参照して説明する。まず、活性領域とフィールド領域を定義するフィールド酸化膜を半導体基板上に形成した以後、青色ピクセルと緑色ピクセルに備わったフォトダイオード領域に高農度の第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋を形成する。第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋は４００Ｋｅｖないし２ＭｅＶのイオン注入エネルギーを用いて形成され、第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋は前述したように青色ピクセル及び緑色ピクセルに赤色光が浸透しても赤色光の有効浸透深さには空乏領域が形成されないようにする役割を果たす。
【００４９】
次に、ゲート電極（図４に図示せず）を形成する工程が行われるが、これは通常の方法を通して行われるので、ここで詳述しない。通常、ゲート電極を形成する工程には熱工程が行われ、ゲート電極が完成された以後にも界面の安定化のための熱工程が追加に行われる。第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋はこのような熱工程を通じて十分に広がって後続に形成されるｎ型イオン注入領域Ｎ２、Ｎ３を取り囲んで、形成される。
【００５０】
次にすべてのピクセルのフォトダイオード領域に第１ｐ型イオン注入領域Ｐ０を形成するが、第１ｐ型イオン注入領域Ｐ０は半導体基板表面から拡張されて所定の深さに形成される。次にすべてのピクセルのフォトダイオード領域に第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３を形成し、第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３は、第１ｐ型イオン注入領域Ｐ０よりは深く、第２ｎ型イオン注入領域Ｐ＋よりは浅く形成され、第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋より低濃度を有するように形成される。
【００５１】
次に、すべてのピクセルのフォトダイオード領域に第２ｎ型イオン注入領域Ｎ２を形成し、第２ｎ型イオン注入領域Ｎ２は第１ｐ型イオン注入領域Ｐ０よりは深く、第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３よりは浅く形成され、第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋より低濃度を有するように形成される。
【００５２】
次に、すべてのピクセルのフォトダイオード領域に第１ｎ型イオン注入領域Ｎ１を形成し、第１ｎ型イオン注入領域Ｎ１は第１ｐ型イオン注入領域Ｐ０と第２ｎ型イオン注入領域Ｎ２との間に形成される。
【００５３】
このような工程を通して３色のピクセルを形成すると、青色及び緑色ピクセルに備わった第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋が電気的／光的干渉を抑制するのみでなく、隣接ピクセル間のｎ型イオン注入領域を電気的に絶縁させるので、ドーピング濃度を増加させてもノイズが発生することを防止できる。
【００５４】
青色光は、前述したように浸透深さが最も浅いが、もし青色光においても最適化したピクセルを得ようとすると、青色ピクセルに第３ｐ型イオン注入領域１００を追加に形成して青色光に最適化された青色ピクセルを得ることができる。
このためには、図４に示したように、第３ｐ型イオン注入領域１００を追加に形成するが、第３ｐ型イオン注入領域１００は空乏領域の深さを減少させて浸透深さが浅い青色光に最適化されるように、第２ｎ型イオン注入領域Ｎ２の下部に形成されるが、第３ｐ型イオン注入領域１００は第２ｎ型イオン注入領域の大きさを減少させることによって空乏領域の深さを減少させる。
【００５５】
このように第３ｐ型イオン注入領域１００は、前述した２つのの熱工程を前後にして形成され得る。すなわち、第３ｐ型イオン注入領域１００は高農度の第２ｐ型イオン注入領域Ｐ＋が形成された後、ゲート電極が形成される前に形成できし、またはゲート電極が形成された後、界面安定のための熱工程が行われる前に形成できる。もう一つの方法として、界面安定のための熱工程が行われた後、第３ｎ型イオン注入領域Ｎ３が形成される前に第３ｐ型イオン注入領域１００を形成することもできる。
【００５６】
このようにそれぞれのピクセルに最適化されたフォトダイオードをすべて異なるようにして形成する場合には、コストは増加するが、光感度がさらに向上する効果がある。
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００５７】
【発明の効果】
上述したようになされる本発明によると、低電力／高密度のイメージセンサにおいて隣接ピクセル間の干渉現象や赤色光によるノイズを減少させることができる長所があり、また光感度を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいてフォトダイオードの断面構造と、それに従うドーピングプロファイルを示す図面である。
【図２】本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて赤色ピクセルのフォトダイオードの断面構造と、それに従うドーピングプロファイルを示す図面である。
【図３】本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて青色ピクセルまたは緑色ピクセルのフォトダイオードの断面構造と、それに従うドーピングプロファイルを示す図面である。
【図４】本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて赤色、青色及び緑色ピクセルのフォトダイオードの断面構造を示す断面図である。
【図５】通常のベイヤパターンを有するピクセルアレイを示す平面図である。
【符号の説明】
３０      ｐ型半導体基板
３１      フィールド酸化膜
３２      高農度の第１ｐ型イオン注入領域
３３      高農度の第１ｎ型イオン注入領域
３４      低濃度の第２ｎ型イオン注入領域
３５      低濃度の第３ｎ型イオン注入領域
３６      高農度の第２ｐ型イオン注入領域
１００      高農度の第３ｐ型イオン注入領域
【図１】
2004165589.tif 000003
【図２】
2004165589.tif 000004
【図３】
2004165589.tif 000005
【図４】
2004165589.tif 000006
【図５】
2004165589.tif 000007