(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的イメージを電気的信号に変換するためのカラーイメージセンサにおいて、
Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第１Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第１空乏領域を有するレッドフォトダイオードと、
前記Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第２Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第２空乏領域を有するグリーンフォトダイオードと、
前記Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第３Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第３空乏領域を有するブルーフォトダイオードとを備え、
前記第１、第２及び第３空乏領域は、ほぼ同じ深さを有し、
前記第２空乏領域は、前記第１空乏領域に比べ前記Ｐ型半導体層の表面により近接した状態で設けられており、
前記第３空乏領域は、前記第２空乏領域に比べ前記Ｐ型半導体層の表面により近接した状態で設けられていることを特徴とするカラーイメージセンサ。
【請求項２】
前記第１、第２及び第３空乏領域は、前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードのために互いに相異するマスクパターンを持つイオン注入マスクを利用した不純物イオン注入により形成される請求項１記載のカラーイメージセンサ。
【請求項３】
前記イオン注入マスクは、
前記第１Ｎ型拡散領域を形成するための第１マスク領域と、
前記第２Ｎ型拡散領域を形成するための第２マスク領域と、
前記第３Ｎ型拡散領域を形成するための第３マスク領域とを備え、
前記第２マスク領域は不純物イオン濃度を減少させるために多数の第１スクリーンパターンを有しており、前記第３マスク領域は前記第２マスク領域に比べ不純物イオン濃度をより減少させるための多数の第２スクリーンパターンを有していることを特徴とする請求項２記載のカラーイメージセンサ。
【請求項４】
前記第２スクリーンパターンの模様は前記第１スクリーンパターンの模様と同様であり、前記第２スクリーンパターンの数は前記第１スクリーンパターンの数より多いことを特徴とする請求項３記載のカラーイメージセンサ。
【請求項５】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、正方形である請求項３記載のカラーイメージセンサ。
【請求項６】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、長方形である請求項３記載のカラーイメージセンサ。
【請求項７】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、ストライプ形状である請求項３記載のカラーイメージセンサ。
【請求項８】
光学的イメージを電気的信号に変換するためのカラーイメージセンサの製造方法において、
基板上にＰ型半導体層を形成する第１段階と、
レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードの領域を画定するために前記Ｐ型半導体層にフィールド酸化膜を形成する第２段階と、
前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードのために互いに相異するマスクパターンを持つイオン注入マスクを提供する第３段階と、
前記Ｐ型半導体層にＮ型拡散領域を形成するために前記イオン注入マスクを利用して前記Ｐ型半導体層に不純物イオンを注入する第４段階と、
前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードに該当する互いに相異する第１、第２及び第３空乏領域を形成するために得られた構造体に熱的処理を遂行する第５段階とを含み、
前記第１、第２及び第３空乏領域は、ほぼ同じ深さを有し、
前記第２空乏領域は、前記第１空乏領域に比べて前記半導体層の表面により近接した状態で設けられ、
前記第３空乏領域は前記第２空乏領域に比べて前記半導体層の表面により近接した状態で設けられることを特徴とするカラーイメージセンサの製造方法。
【請求項９】
前記第３段階での前記イオン注入マスクは、
前記第１Ｎ型拡散領域を形成するための第１マスク領域と、
前記第２Ｎ型拡散領域を形成するための第２マスク領域と、
前記第３Ｎ型拡散領域を形成するための第３マスク領域とを有し、
前記第２マスク領域は不純物イオン濃度を減少させるために多数の第１スクリーンパターンを有しており、
前記第３マスク領域は前記第２マスク領域に比べ不純物イオン濃度をより減少させるために多数の第２スクリーンパターンを有していることを特徴とする請求項８記載のカラーイメージセンサの製造方法。
【請求項１０】
前記第２スクリーンパターンの模様は前記第１スクリーンパターンの模様と同様であり、前記第２スクリーンパターンの数は前記第１スクリーンパターンの数より多いことを特徴とする請求項９記載のカラーイメージセンサの製造方法。
【請求項１１】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、正方形である請求項９記載のカラーイメージセンサの製造方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、長方形である請求項９記載のカラーイメージセンサの製造方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、ストライプ形状である請求項９記載のカラー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】
本発明はイメージセンサに関し、特にカラー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】
従来より、例えば、ＣＣＤ(charge coupled device)イメージセンサまたはＣＭＯＳ(complementary metal oxide semiconductor)イメージセンサ等のイメージセンサが、光学的イメージを電気的信号に変換するために利用されている。
【０００３】
図１は、従来のイメージセンサのピクセルユニット(pixel unit)の回路図を示す。
【０００４】
図１に示すように、従来のイメージセンサの画素ユニット(Unit Pixel)は、１個のフォトダイオードＰＤと４個のＮＭＯＳトランジスタとを含む。４個のＮＭＯＳトランジスタはトランスファートランジスタ１２、リセットトランジスタ１４、ドライブトランジスタ１６及びセレクトトランジスタ１８とを含む。
【０００５】
トランスファートランジスタ１２は、フォトダイオードＰＤで生成された光電荷をセンシングノードに伝達する。リセットトランジスタ１４は、次の信号を感知するためにセンシングノードをリセットする。ドライブトランジスタ１６は、ソースフォロワとしての役割を果たす。セレクトトランジスタ１８は、アドレス信号に応答して出力端Ｏｕｔにデータを出力する。出力端Ｏｕｔと接地ＧＮＤとの間に位置されたロードトランジスタ(load transistor)はピクセルユニットをバイアシングするために外部からバイアシング信号を受信する。フローティング拡散によるキャパシタンスは”Ｃｆｄ”で表されている。
【０００６】
図２は、図１に示すフォトダイオードＰＤの断面図である。
【０００７】
図２に示すように、図１に示すピクセルユニットのフォトダイオードは、Ｐ+シリコン基板２１、Ｐ−エピタキシャル層２２、フィールド酸化膜２３、Ｎ-拡散領域２４及びＰ0拡散領域２５を備える。フォトダイオードＰＤは、Ｐ−エピタキシャル層２２、Ｎ-拡散領域２４及びＰ0拡散領域２５が積層されて構成されるＰＮＰ接合構造を有する。
【０００８】
図３は、従来のカラーイメージセンサの断面図である。
【０００９】
図３に示すように、従来のカラーイメージセンサは多数のピクセルユニットを備え、各ピクセルユニットはそれぞれフォトダイオードを備えている。また、フォトダイオード１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃは、カラーイメージセンサにおいて形成されている。非感光性領域(non-photosensing regions)１０３は、フォトダイオード１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃ間に形成される。層間絶縁層１０５ａは、フォトダイオード１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃ及び非感光性領域１０３上に形成される。遮光層１０４は、非感光性領域１０３に入射される光を遮蔽するために層間絶縁層１０５ａ上に形成される。また、層間絶縁層１０５ｂは、遮光層１０４を覆うようにして形成される。
【００１０】
さらに、レッド(赤色)、グリーン(緑色)及びブルー(青色)フィルタ１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃは、層間絶縁層１０５ｂ上に形成される。さらに、バッファ層１０７が、レッド、グリーン及びブルーフィルタ１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃの上部の平坦化及び光の透過度を改善させるためにレッド、グリーン及びブルーフィルタ１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃ上に形成される。
【００１１】
フォトダイオード１０２ａは、物体からの光を吸収して、マイクロレンズ１０８ａ及びレッドフィルタ１０６ａを通過した光からの光電荷を集積する。フォトダイオード１０２ｂは、物体からの光を吸収して、マイクロレンズ１０８ｂ及びグリーンフィルタ１０６ｂを通過した光からの光電荷を集積する。フォトダイオード１０２ｃは、物体からの光を吸収して、マイクロレンズ１０８ｃ及びブルーフィルタ１０６ｃを通過した光からの光電荷を集積する。ピクセルユニットは、物体からのレッド、グリーン及びブルー成分のカラー信号を出力するためにレッド、グリーン及びブルーピクセルユニットで構成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のカラーイメージセンサにおいて、レッド、グリーン及びブルーピクセルユニットは、各々同じ製造工程で形成されており、レッド、グリーン及びブルーピクセルユニットのフォトダイオード１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃは実質的に互いに同様の空乏領域を有する。この場合、光感度は光のレッド、グリーン及びブルー成分の波長によって変化し得るため、同じ空乏領域構造のフォトダイオードを有する従来のカラーイメージセンサでは、全ての色について光感度を改善させることができないという問題点があった。
【００１３】
図４は、多様な媒質での各波長別の光の吸収深さを表すグラフ図である。
【００１４】
図４には、光が媒質に入射される時、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）媒質での各波長別の吸収深さを表すグラフが図示されている。例えばシリコンの場合には、７７０ｎｍの波長の光の吸収深さが７μｍに達する反面、波長３９０ｎｍの光は吸収深さが０．１μｍにしかならない。このように、フォトダイオードの光感度は、媒質の種類及び光のレッド、グリーン及びブルー成分の波長によって異なる。
【００１５】
図５は、図３に示す従来のカラーイメージセンサの感知特性の曲線を表すグラフである。
【００１６】
図５には、図３に示した従来のカラーイメージセンサの光感度特性を表すグラフが図示されている。カラーイメージセンサのフォトダイオードは、物体からの光を吸収する。光は互いに異なる波長を有するレッド、グリーン及びブルー成分を有している。レッド成分はレッド、グリーン及びブルー成分のうちで最も長い波長を有する。グリーン成分はブルー成分に比べより長い波長を有する。従って、ブルー成分がレッドまたはグリーン成分より短い波長を有しているために、ブルー成分の一部は空乏領域に到達する前に消失される。したがって、フォトダイオードは、ブルー成分に対して低い光感度を有することになる。また、レッドピクセルユニットが飽和状態に到達する場合にも、ブルーピクセルユニットは飽和状態に到達することができない。
【００１７】
特に、画像処理(image processing)は、レッドピクセルユニットからのカラー信号に基づいて遂行される時、グリーン及びブルーピクセルユニットからのカラー信号が消失されることがあるので、従来のイメージセンサにより表現されるカラーが制限されることがあり、データを処理できる動的範囲(dynamic range)が減少されることがある。すなわち、レッド、グリーン及びブルーピクセルユニットが互いに異なる光感度特性を有するため、レッド、グリーン及びブルーピクセルユニットからのカラー信号が、物体の実際の色とは異なる色を表示するようになるという問題点がある。
【００１８】
本発明は上記従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、光の多様なカラー成分に対する光感度を改善させるために互いに異なる空乏領域構造を有する多数のフォトダイオードを具備するカラーイメージセンサを提供することをその目的とする。
【００１９】
また、本発明は上記従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、光の多様なカラー成分に対する光感度を改善させるために互いに異なる空乏領域の構造を有する多数のフォトダイオードを具備するカラーイメージセンサを製造する方法を提供することをその目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光学的イメージを電気的信号に変換するためのカラーイメージセンサにおいて、Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第１Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第１空乏領域を有するレッドフォトダイオードと、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第２Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第２空乏領域を有するグリーンフォトダイオードと、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第３Ｎ型拡散領域を含んで前記Ｐ型半導体層の表面下部に位置する第３空乏領域を有するブルーフォトダイオードとを備え、前記第１、第２及び第３空乏領域は、ほぼ同じ深さを有し、前記第２空乏領域は、前記第１空乏領域に比べ前記Ｐ型半導体層の表面により近接した状態で設けられており、前記第３空乏領域は、前記第２空乏領域に比べ前記Ｐ型半導体層の表面により近接した状態で設けられている。
【００２１】
前記第１、第２及び第３空乏領域は、前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードのために互いに相異するマスクパターンを持つイオン注入マスクを利用した不純物イオン注入により形成されてもよい。
【００２２】
前記イオン注入マスクは、前記第１Ｎ型拡散領域を形成するための第１マスク領域と、前記第２Ｎ型拡散領域を形成するための第２マスク領域と、前記第３Ｎ型拡散領域を形成するための第３マスク領域とを備え、前記第２マスク領域は不純物イオン濃度を減少させるために多数の第１スクリーンパターンを有しており、前記第３マスク領域は前記第２マスク領域に比べ不純物イオン濃度をより減少させるための多数の第２スクリーンパターンを有していてもよい。
【００２３】
前記第２スクリーンパターンの模様は前記第１スクリーンパターンの模様と同様であり、前記第２スクリーンパターンの数は前記第１スクリーンパターンの数より多いように構成されていてもよい。
【００２４】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、正方形、長方形、又はストライプ形状であってもよい。
【００２５】
或いは上記目的を達成するために、本発明は、光学的イメージを電気的信号に変換するためのカラーイメージセンサの製造方法において、基板上にＰ型半導体層を形成する第１段階と、レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードの領域を画定するために前記Ｐ型半導体層にフィールド酸化膜を形成する第２段階と、前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードのために互いに相異するマスクパターンを持つイオン注入マスクを提供する第３段階と、前記Ｐ型半導体層にＮ型拡散領域を形成するために前記イオン注入マスクを利用して前記Ｐ型半導体層に不純物イオンを注入する第４段階と、前記レッド、グリーン及びブルーフォトダイオードに該当する互いに相異する第１、第２及び第３空乏領域を形成するために得られた構造体に熱的処理を遂行する第５段階とを含み、前記第１、第２及び第３空乏領域は、ほぼ同じ深さを有し、前記第２空乏領域は、前記第１空乏領域に比べて前記半導体層の表面により近接した状態で設けられ、前記第３空乏領域は前記第２空乏領域に比べて前記半導体層の表面により近接した状態で設けられる。
【００２７】
前記第３段階での前記イオン注入マスクは、前記第１Ｎ型拡散領域を形成するための第１マスク領域と、前記第２Ｎ型拡散領域を形成するための第２マスク領域と、前記第３Ｎ型拡散領域を形成するための第３マスク領域とを有し、前記第２マスク領域は不純物イオン濃度を減少させるために多数の第１スクリーンパターンを有しており、前記第３マスク領域は前記第２マスク領域に比べ不純物イオン濃度をより減少させるために多数の第２スクリーンパターンを有していてもよい。
【００２８】
前記第２スクリーンパターンの模様は前記第１スクリーンパターンの模様と同様であり、前記第２スクリーンパターンの数は前記第１スクリーンパターンの数より多いように構成されていてもよい
【００２９】
前記第１及び第２スクリーンパターンは、正方形、長方形、又はストライプ形状であってもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の最も望ましい実施の形態を添付された図面を参照しつつ説明する。
【００３１】
図６は、本実施形態にかかるカラーイメージセンサのフォトダイオードの断面図である。
【００３２】
図６に示すように、本実施形態のカラーイメージセンサは、レッド、グリーン及びブルーピクセルユニットが光の多様な成分に対する光感度を改善させるために互いに異なる空乏領域構造を有している。
【００３３】
レッドピクセルユニット７１０のフォトダイオードは、光のレッド成分を受光して、このレッド成分から光電荷を生成する。レッドピクセルユニット７１０のフォトダイオードは、Ｐ−エピタキシャル層７０１の表面近くに設けられた空乏領域７０２を有する。
【００３４】
グリーンピクセルユニット７２０のフォトダイオードは、光のグリーン成分を受光して、グリーン成分から光電荷を生成する。光のグリーン成分はレッド成分に比べより短い波長を有するため、グリーンピクセルユニット７２０のフォトダイオードは、レッドピクセルユニット７１０のフォトダイオードよりＰ−エピタキシャル層７０１の表面により近接した状態で設けられた空乏領域７０３を有する。
【００３５】
ブルーピクセルユニット７３０のフォトダイオードは、光のブルー成分を受光して、ブルー成分から光電荷を生成する。光のブルー成分はグリーン成分に比べより短い波長を有するため、ブルーピクセルユニット７３０のフォトダイオードは、グリーンピクセルユニット７２０のフォトダイオードよりＰ−エピタキシャル層７０１の表面にさらに近接した状態で設けられた空乏領域７０４を有する。
【００３６】
レッド、グリーン及びブルーピクセルユニット７１０、７２０及び７３０の各々は、低濃度のＰ−エピタキシャル層７０１、Ｐ−エピタキシャル層７０１において形成されたＮ-拡散領域、及びＰ−エピタキシャル層７０１の表面とＮ-拡散領域との間に形成されたＰ0拡散領域を有する。なお、図６に示すように、形成される各空乏領域７０２、７０３、及び７０４はほぼ同じ深さを有する。
【００３７】
本発明にかかるカラーイメージセンサは、異なる色に関するピクセルユニット間の感光特性差を補償するためにＰ−エピタキシャル層の表面とＮ-拡散領域との間の距離を制御している。例えば、最も短い波長を有するブルー成分を受光するブルーピクセルユニットのフォトダイオードにおいて、ブルーピクセルユニットの空乏領域はレッド及びグリーンピクセルユニットの空乏領域よりＰ−エピタキシャル層の表面により近接した状態で形成されている。ブルーコンポーネントが最も短い波長を持っているにも拘わらず、ブルーピクセルユニットにおけるフォトダイオードの空乏領域は、レッド及びグリーンピクセルユニットにおけるフォトダイオードの空乏領域よりもＰ−エピタキシャル層の表面により近接した状態で形成されているため、ブルー成分は空乏領域に十分に到達し得る。これにより、ブルーピクセルユニットのフォトダイオードにおけるブルー成分の光感度を改善させることができる。
【００３８】
このようにＰ−エピタキシャル層の表面とＮ-拡散領域との間の距離を制御するため、すなわち、空乏領域に注入される不純物イオン濃度を制御するために、一つのイオン注入マスクが利用される。イオン注入マスクにおいて、レッド、グリーン及びブルーピクセルに対して互いに異なるマスクパターンが形成されている。したがって、不純物イオンがイオン注入マスクを通ってＰ−エピタキシャル層に注入される時、不純物イオン濃度はレッド、グリーン及びブルーピクセルユニットのマスクパターンにより決定される。
【００３９】
図７及び図８は、図６に示すフォトダイオードのためのイオン注入マスクを示す平面図である。
【００４０】
図７及び図８に示すように、イオン注入マスク８００及び８５０は、空乏領域に注入される不純物イオン濃度を制御するのに利用される。イオン注入マスク８００及び８５０はレッド、グリーン及びブルーピクセルユニットに対するマスク領域８１０、８２０、８３０、８６０、８７０及び８８０を含む。イオン注入マスク８００及び８５０は不純物イオン濃度を制御するためにスクリーンパターンを含んでいる。レッドピクセルユニットに対するマスク領域８１０は、スクリーンパターンを有していない。図７に示すマスク８００において、グリーン及びブルーピクセルユニットに対するマスク領域８２０及び８３０は、正方形のスクリーンパターン８４０及び８４５を有している。また、図８に示すマスク８５０において、グリーン及びブルーピクセルユニットに対するマスク領域８７０及び８８０は、長方形のスクリーンパターン８９０及び９００を有している。マスク領域８３０のスクリーンパターン８４５の数は、マスク領域８２０のスクリーンパターン８４０の数より多い。
【００４１】
同様に、マスク領域８８０のスクリーンパターン９００の数はマスク領域８７０のスクリーンパターン８９０の数より多い。望ましく、グリーンピクセルユニットに対する隣り合うスクリーンパターン間の距離”Ａ”はブルーピクセルユニットに対する隣り合うスクリーンパターン間の距離”Ｂ”より長い。また、グリーンピクセルユニットに対する各スクリーンパターンの大きさ”ａ”はブルーピクセルユニットに対する各スクリーンパターンの大きさ”ｂ”より小さい。
【００４２】
イオン注入マスクを通したイオン注入後に、得られた構造体に対して熱的処理が適用される。この時に、空乏領域の不均一な領域は、グリーン及びブルーピクセルユニットのフォトダイオードのＰ−エピタキシャル層の表面により近接した状態で形成される。本発明にかかるカラーイメージセンサは、従来のイオン注入マスクと異なるイオン注入マスクを用いることを除いては、従来の製造工程を利用することによって製造できる。
【００４３】
なお、本実施形態ではＰＮＰ接合を有するフォトダイオードを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＰＮ接合フォトダイオード等に適用されることができる。このように本発明の技術思想は上記望ましい実施形態によって具体的に記述されたが、上記一実施形態はその説明のためのものでありその制限のためのものでないことを注意するべきである。また、本発明の技術分野の通常の専門家ならば本発明の技術思想の範囲内で多様な実施形態が可能であることを理解できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、カラーイメージセンサを具現することにおいて、波長が異なる３原色（赤色、緑色、青色）の光に対する特性を一致させることにより、動作領域を増加させることができる。これによって以後画像処理の際のより広い自由度と解像度とを達成することができる。また、本発明によれば、従来ある１つの波長を基準とした場合に、他の波長帯では損失があった光感度を補償し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のイメージセンサのピクセルユニットの回路図である。
【図２】  図１に示すフォトダイオードの断面図である。
【図３】  従来のカラーイメージセンサの断面図である。
【図４】  多様な媒質での各波長別の光の吸収深さを表すグラフである。
【図５】  図３に示す従来のカラーイメージセンサの光感知特性曲線を表すグラフである。
【図６】  本発明にかかるカラーイメージセンサのフォトダイオードの断面図である。
【図７】  図６に示すフォトダイオードに対するイオン注入マスクの平面図である。
【図８】  図７に示すイオン注入マスクとは異なる形態のイオン注入マスクの平面図である。
【符号の説明】
７１０  レッドピクセルユニット
７２０  グリーンピクセルユニット
７３０  ブルーピクセルユニット
７０１  Ｐ−エピタキシャル層
７０２、７０３、７０４  空乏領域
【図１】
0003899432.tif 000002
【図２】
0003899432.tif 000003
【図３】
0003899432.tif 000004
【図４】
0003899432.tif 000005
【図５】
0003899432.tif 000006
【図６】
0003899432.tif 000007
【図７】
0003899432.tif 000008
【図８】
0003899432.tif 000009