깊은 필드스탑층을 갖는 씨모스이미지센서

본 발명은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 필드산화막 하부의 기판에 이온주입되어 형성되는 필드스탑층에 관련된 것이다.

CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip) 화가 곤란하는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(Sub- micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. 그러나 현재까지는 CCD에 비하여 화질이 떨어지므로 이를 개선하려는 노력이 진행중이다.

이미지센서를 이루는 구성요소 중 실제로 외부의 영상 입력을 받아들이는 기능은 핀드 포토다이오드이다. 도1은 CMOS 이미지센서에서 필드산화막에 격리된 핀드 포토다이오드의 어레이를 개략적으로 나타내고 있다.

도1을 참조하면, P기판(P-sub)(102) 내에서 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 서로 이웃하여 어레이되어 있으며, 각 핀드 포토다이오드는 필드산화막(FOX)(104)에 의해 전기적으로 분리를 이루고 있다. 그리고, 필드산화막(104) 하부에는 필드스탑층(150)이 형성되어 있다. 각 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 P기판(102)과, P기판(102) 내부에 형성되어 동작시 완전공핍되는 N ^_ 이온주입층(106)과, P기판(102) 표면 하부에 형성되는 피닝층(pinning layer)으로서의 P ⁰ 이온주입층(108)에 의해 PNP 접합 다이오드를 이루고 있다. 한편, 각 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 빛의 3원소인 빨강(Red), 파랑(Blue), 초록(Green) 중 하나의 색상을 가지는 칼라필터(110)에 의하여 덮여있다. 도면에서는 칼라필터(110)가 직접적으로 핀드 포토다이오드를 덮고 있으나, 실질적으로 CMOS 이미지센서에서는 그 사이에 층간절연막, 금속배선 등이 형성된다.

이상에서 살펴보았듯이, 이웃한 포토다이오드는 각기 다른 색상의 칼라필터를 가지고 있으며 우리가 최종적으로 얻는 영상정보는 이들 각각의 포토다이오드에서 얻어진 단일 색상 영상정보를 하나로 취합함으로써 실제 색상과 같은 영상을 얻게 된다. 그런데 지금까지 해오던 필드스탑층 형성 및 필드산화막 형성을 이용하여 소자간의 격리를 수행하면, 이웃한 포토 다이오드로부터 자신의 고유 색상정보와 다른 색상정보가 침범하게 될 확률이 높아져 최종 취합된 영상의 색도가 떨어지고 색상의 구분이 불명확하게 되는 문제가 발생한다. 즉, 픽셀 간에 크로스 토크(cross talk) 현상이 심해진다.

특히 빨강(Red)색과 같이 파장(λ)이 약 650nm 정도로 큰 색상의 광자는 P기판 깊숙이 약 3um까지 들어올 수 있기 때문에 종래의 소자간 격리기술에서 사용되는 필드스탑층만을 가지고는 빨강, 파랑, 초록의 3원색을 충분히 격리시키기 힘들다. 더욱이, 고집적화를 위하여 픽셀 사이즈가 적어지는 CMOS 이미지센서에서는 앞서 언급한 픽셀간의 크로스 토크(cross talk) 현상이 더욱 심해져 최종적인 영상출력의 화질개선이 더욱 어려워지게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 서로 이웃하는 픽셀 간의 크로스 토크 현상을 억제므로써, CMOS 이미지센서의 색상 구분성을 향상시키고 색도의 개선하여 최종적인 영상출력의 화질개선을 개선한 CMOS 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래의 CMOS 이미지센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

102 : P기판 104 : 필드산화막

106 : N ^_ 이온주입층 108 : P ⁰ 이온주입층

110 : 칼라필터 150 : 제1필드스탑층

250 : 제2필드스탑층

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 다수의 핀드 포토다이오드와 상기 핀드 포토다이오드들 간을 격리시키기 위한 필드산화막이 형성된 제1도전형의 반도체기판; 상기 필드산화막 저부와 접하는 부위의 상기 반도체기판에 형성된 제1도전형의 제1필드스탑층; 및 상기 제1필드스탑층 하부의 상기 반도체기판 내부에 형성되어, 상기 핀드 포토다이오드에서 포획되지 않은 잡음성 여기 전자가 인접한 타 부위의 포토다이오드로 확산되는 것을 방지하기 위한 제1도전형의 제2필드스탑층을 포함하여 이루어진다.

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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 인용하였다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도2를 참조하면, P기판(P-sub)(102) 내에서 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 서로 이웃하여 어레이되어 있으며, 각 핀드 포토다이오드는 필드산화막(FOX)(104)에 의해 전기적으로 분리를 이루고 있다. 각 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 P기판(102)과, P기판(102) 내부에 형성되어 동작시 완전공핍되는 N ^_ 이온주입층(106)과, P기판(102) 표면 하부에 형성되는 피닝층(pinning layer)으로서의 P ⁰ 이온주입층(108)에 의해 PNP 접합 다이오드를 이루고 있다. 한편, 각 핀드 포토다이오드(PPD1, PPD2, PPD3)는 빛의 3원소인 빨강(Red), 파랑(Blue), 초록(Green) 중 하나의 색상을 가지는 칼라필터(110)에 의하여 덮여있다. 도면에서는 칼라필터(110)가 직접적으로 핀드 포토다이오드를 덮고 있으나, 실질적으로 CMOS 이미지센서에서는 그 사이에 층간절연막, 금속배선 등이 형성된다.

그리고, 필드산화막(104) 저부와 접하는 부위의 P기판(102)에는 제1필드스탑층(150)이 형성되고, 그 하부로 제2필드스탑층(250)이 형성되어 있는바, 제2필드스탑층(250)은 N ^_ 이온주입층(106) 보다 더 깊은 깊이로 형성된다. 이때 제1필드스탑층(150)과 제2필드스탑층(250)을 형성하기 위한 공정조건은, N ^- 이온주입층(106)을 훨씬 넘어선 아래쪽 실리콘 기판에서 생성된 잡음성 여기 전자(200)가 인접한 타 부위의 포토다이오드로 지나가는 길목의 장벽역할을 수행 가능하도록 조절이 필요하다. 즉 종래에는 제1필드스탑층(150) 형성을 위한 이온주입 조건이 에너지가 30 keV였고 농도는 10 ¹³ 정도 였는데, 본 발명에서는 이와 더불어 제2필드스탑층(250)을 형성하기 위한 추가된 후속 필드 이온주입을 60-80 keV의 에너지와 10 ¹⁴ 정도의 농도를 가진 조건으로 진행하는게 바람직하다. 이때 주입되는 이온은 기판과 동일한 도전형의 p-타입이며 예컨대 BF2 이온을 사용한다.

상술한 바와 같은 본 실시예에 따른 이미지센서 구조가 갖는 작용효과를 구체적으로 살펴보도록 한다.

앞서 설명한 종래기술의 문제점은 배열된 포토 다이오드간의 격리를 목적으로 하는 필드 이온주입이 한번만 진행됨으로써 각각의 포토다이오드가 가지고 있는 단일 색상정보가 격리된 필드영역을 넘어 진행됨으로써 각각의 포토다이오드가 가지고 있는 단일 색상정보가 격리된 필드영역을 넘어 상호 영향을 미칠 확률이 커진다는 점에 기인하였다. 이러한 문제가 발생하는 원인은 자세히 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 빛은 빨강, 파랑, 초록의 3원색으로 이뤄져 있으며 이들은 각각의 색상에 따라 고유의 파장을 가지고 있음은 주지의 사실이다. 이러한 성질은 빨강색이 가장 긴 파장을 가지고 있으며 파란색이 가장 짧은 파장을 가지고 있다는 사실로 알려져 있다. 빛은 파장이 길수록 직진성이 강하며 짧을수록 굴절성이 강하다. 이는 일반적으로 영상이 포토다이오드에 수직으로 입력될 때 빨간색의 칼라필터를 가진 포토다이오드의 경우 파란색과 초록색의 칼라필터를 가진 포토다이오드보다 내부의 훨씬 더 깊은 부분까지 색상정보가 침범하게 된다. 이렇게 침범한 색상 정보인 빛은 N ^- 이온주입층(106) 내부에 뿐만 아니라 그 아래에도 여기된 전자를 생성시키며 이들은 제1필드스탑층(150)의 아래쪽 기판을 우회하여 이웃한 포토다이오드로 침범하는 경우가 발생한다. 결과적으로 순수 파란색이나 초록색만의 정보를 가지고 있어야 하는 이웃한 포토다이오드의 데이터에 영향을 미쳐 정확한 색 정보를 얻을 수 없게 되며, 이러한 현상들은 결과적으로 이미지센서의 전체적인 색 정보에 잡음의 일종으로 작용하여 최종 영상 출력에 있어서도 색도의 저하와 색상의 불명확성을 증가시키는 결과를 낳는다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 현상을 방지하는 방법으로, 앞서 언급된 이웃한 포토 다이오드로의 여기된 전자 침범을 막기 위하여, 공정상 필드 이온주입 공정을 이제까지 행해지던 단일 주입이 아닌 복수 주입으로 바꾸고 공정조건 또한 조절하는 것이다. 즉, 필드산화막(104) 생성공정 전에 행해지는 종래의 필드 이온주입 공정(제1채널스탑층 형성을 위한 공정)은 그대로 진행하되, 여기에 추가의 이온주입을 실시하여, 잡음성 여기 전자가 지나가는 길목에 제2필드스탑층(250)을 형성하는 것이다.

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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 복수 필드 이온주입을 사용하여 이미지센서의 구조 중, 배열된 포토 다이오드들간의 상호 소자격리를 더욱 견고히 함으로써, 빛의 파장차이에서 발생하는 잡음성 여기 전자들의 상호 침범을 미연에 방지한다. 본 발명은 전체적인 색상에 영향을 미치는 일종의 잡음문제를 감소시켜 더욱 선명한 색상과 향상된 색도를 유지하게 하고 결과적으로 우수한 영상출력을 이루는 이미지센서를 제공하게 된다.