칼라이미지 센서 및 그 제조방법

본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빛의 3원색에 대응되는 포토다이오드들을 구비하고 있는 칼라이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

CCD는 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 곤란하다는 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. 즉, CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이기 때문에 이를 위한 노력이 진행중이다.

도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(MD), 및 셀렉트게이트(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.

도2는 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 필드영역 및 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도로서, 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우이다. 도3을 참조하면 P/N/P형 핀드 포토다이오드는 P ⁺ 기판(21)에 에피택셜 성장된 저농도의 P-에피층(22)이 형성되고, 이 P-에피층(22) 내부에 N ^- 확산영역(24)이 형성되고, 이 N ^- 확산영역(24) 상부와 P-에피층(22) 표면 하부에 P ⁰ 확산영역(25)이 형성되어 구성된다. 따라서, 핀드 포토다이오드의 N ^- 확산영역(24)과 P영역(P ⁰ 확산영역, P-에피층) 간에 역바이어스가 걸리면, N ^- 확산영역(24)과 P영역의 불순물 농도가 적절히 배합되었을 때 N ^- 확산영역(13)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되면서 N ^- 확산영역(24) 하부에 존재하는 P-에피층(22)과 N ^- 확산영역(24) 상부에 존재하는 P ⁰ 확산영역(25)으로 공핍영역이 확장되는바, 도펀트 농도가 상대적으로 낮은 P-에피층(22)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 이때의 N ^- 확산영역(13)이 갖는 전압을 "피닝전압(Pinning voltage)"라 한다. 이렇듯, 핀드 포토다이오드는 기판 깊숙이 넓은 공핍영역을 확보할 수 있어, 외부로부터 입사된 광에 대하여 많은 광전하를 생성 및 축적할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 종래에는 칼라 이미지 구현을 위하여 각 단위화소어레이영역 상에 칼라필터어레이를 구현하는 바, 도4에는 이에 관련된 이미지센서의 주요부분만이 개략적으로 도시되어 있다.

도4를 참조하면, 이미지센서는 각 단위화소의 포토다이오드(102a, 102b, 102c) 이외의 영역(103)으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 층간절연막(105a, 105b) 내에 광차폐층(light shield layer)(104)이 형성되어 있으며, 그 위로 칼라필터(106a, 106b, 106c)가 어레이되어 있고, 그 상부에 평탄화 또는 광투과도 향상을 목적으로 하는 버퍼층(107)이 형성되고 그 상부에 마이크로렌즈(108a, 108b, 108c)가 형성되어 있다.

포토다이오드 102a는 레드(Red)칼라필터 106a를 통과한 빛을 입사 받으며, 입사되는 빛은 마이크로렌즈 108a를 통해 광감지소자 102a에 집광된다. 마찬가지로 그린(Green)칼라필터 106b 및 블루(Blue) 칼라필터 106c를 통과하는 빛은 그 상부에 형성된 마이크로렌즈 108b 및 108c에 의해 각각 집광되어 광감지소자 102b 및 102c에 입사된다.

이와 같이, 단위화소어레이들은 레드, 그린 및 블루에 해당하는 단위화소(이하에서는 간단히 레드화소, 그린화소, 및 블루화소라고 칭한다.)들로 구성되는바, 종래에는 레드화소, 그린화소 및 블루화소가 공히 같은 공정을 통해 형성되어지고 이후에 다른 색의 칼라필터를 씌워 주는 것으로 구분되게 된다. 때문에 종래의 이미지센서에서는 레드화소, 그린화소 및 블루화소의 각 포토다이오드가 모두 동일한 공핍영역을 가지게 된다.

한편, 빛이 어떤 매질에 입사해서 진행하게 되면 차차 빛이 가지고 있는 에너지가 매질에 흡수되게 된다. 이때 빛의 플럭스(flux)가 63%까지 흡수되는 깊이를 흡수깊이(absorption length)라고 하는데, 이 깊이는 빛이 지나게 되는 매질과 빛이 가지는 파장에 의해서 결정되어 진다.

도5는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 게르마늄(Ge) 매질에서의 각 파장별 흡수깊이를 나타내는 그래프로서, 도4를 참조하면, 실리콘의 경우에는 770nm의 파장 빛이 흡수깊이가 7um에 달하는 반면, 파장 390nm인 빛은 흡수깊이가 0.1um밖에 되지 않는다. 이러한 빛의 특성은 같은 공핍영역을 가지는 포토다이오드를 사용해 R화소, G화소 및 B화소를 만들었을 경우 서로 다른 감지 특성곡선을 가지게 된다는 것을 알게 해준다.

도6은 종래 이미지센서의 감지 특성 곡선을 나타내는 것이다. 포토다이오드의 공핍영역에서 형성된 광전하에 의한 전류를 출력으로 나타내게 되는데, 블루파장의 경우는 공핍영역에 빛이 도달하기도 전에 많은 양을 그 위의 영역에서 잃어버리게 되고 상대적으로 다른 빛(Green 이나 Red)에 비해 낮은 광감도를 가지게 된다. 결국, 도6에 도시된 바와 같이, 레드화소는 이미 포화 상태에 도달해 있지만 블루화소는 아직 포화상태에 이르지 못하고 있는 상태가 생기게 되면, 이후의 이미지 프로세싱 작업을 수행할 때에는 그 기준을 레드화소에 맞추어 져야만 하고 결과적으로 다른 픽셀로부터의 데이터는 손실되는 것처럼 보여지게 된다. 이러한 영향은 이미지센서가 표현할 수 있는 색상에도 제한을 주게 된다.

이렇듯, 레드, 그린 및 블루화소가 특성곡선에서 차이를 보이기 때문에, 각 화소를 통해 나오는 각각의 데이터를 가지고 그대로 화면으로 출력할 경우는 실제와는 다른 색상의 화면을 보이게된다. 따라서, 종래에는 이 문제를 해결하기 위해 출력단 앞에 이미지 프로세싱(Image processing) 단계를 거치는 방법으로 보다 실제와 가까운 화면을 만들어 내는 방법을 쓰고 있다. 그러나, 그 차이가 심할 경우에는 데이터를 처리할 수 있는 동작영역(dynamic range)이 줄어들기 때문에 이미지 프로세싱의 효과가 줄어들게 된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 빛의 3원색에 대응되는 각 단위화소에서 유사한 광감도를 가지므로써, 이미지 프로세싱이 단순화된 칼라이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도,

도2는 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 필드영역 및 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도,

도3은 도2의 A-A'에 따른 단면도로서, 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우의 단면도,

도4는 종래 칼라이미지센서의 주요부분을 나타내는 단면도,

도5는 여러 매질에서의 각 파장별 흡수깊이를 나타내는 그래프,

도6은 종래 칼라이미지센서의 감지 특성 곡선을 나타내는 그래프,

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도,

도8a 및 도8b는 도7의 구조를 구현하기 위한 본 발명의 이온주입 마스크 평면도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칼라이미지센서는, 제1칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제1포토다이오드와, 상기 제1칼라 보다 짧은 파장의 제2칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제2포토다이오드 및 상기 제2칼라 보다 짧은 파장의 제3칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제3포토다이오드를 구비하는 칼라이미지센서에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 포토다이오드는 반도체층 표면 하부에 PN 접합을 형성하는 불순물층에 의해 구성되고, 상기 제2포토다이오드는 상기 제1포토다이오드에 비해 상대적으로 상기 반도체층 표면에 가까운 공핍층을 가지며, 상기 제3포토다이오드는 상기 제2포토다이오드에 비해 상대적으로 상기 반도체층 표면에 가까운 공핍층을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칼라이미지센서 제조방법은, 제1칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제1포토다이오드와, 상기 제1칼라 보다 짧은 파장의 제2칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제2포토다이오드 및 상기 제2칼라 보다 짧은 파장의 제3칼라의 빛을 인가받아 광전하를 생성하는 제3포토다이오드를 구비하는 칼라이미지센서 제조방법에 있어서, 제1도전형의 반도체층에 제2도전형의 불순물을 이온주입하여 PN 접합을 가지는 상기 제1, 제2 및 제3 포토다이오드를 형성하되, 상기 제1, 제2 및 제3 포토다이오드들의 형성 영역에서 서로 다른 마스크패턴을 갖는 상기 이온주입마스크를 사용하여, 상기 제2도전형의 불순물이 상기 제1, 제2 및 제3 포토다이오드의 영역에서 각각 다른 도핑농도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하� �, 상기 제2포토다이오드는 상기 제1포토다이오드에 비해 상대적으로 적은 도핑농도의 상기 제2도전형 불순물을 가지도록 하고, 상기 제3포토다이오드는 상기 제3포토다이오드에 비해 상대적으로 적은 도핑농도의 상기 제2도전형 불순물을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상의 구성에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 포토다이오드가 빛의 파장에 따라 다른 감지 특성곡선을 보이는 문제를 해결하기 위해, 3원색 예컨대 레드, 그린 및 블루 각각에 대한 포토다이오드의 구조를 바꾸어 주므로써 레드, 그린 블루의 각 파장에 따른 포토다이오드의 특성을 일치시키는 것에 그 특징이 있다. 즉, 종래에는 레드화소, 그린화소, 및 블루화소 모두에서 각 포토다이오드가 동일한 구조를 갖고 있었으나, 본 발명의 이미지센서는 레드화소, 그린화소, 및 블루화소의 각 포토다이오드가 그 특성이 일치되는 서로 다른 구조를 갖는다.

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.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도7을 참조하면, 레드화소의 포토다이오드, 그린화소의 포토다이오드, 및 블루화소의 포토다이오드가 각각 다른 구조를 갖고 있음을 알 수 있다.

먼저, 레드화소는 파장이 가장 긴 레드 빛을 입사받아 광전하를 생성하는 부위이기 때문에 다른 칼라의 화소들에 비해 상대적으로 공핍층이 실리콘층(701)표면으로부터 떨어져 있다.

다음, 그린화소는 레드화소 보다는 공핍층이 실리콘표면 보다 가까이 있지만, 파장이 가장 짧은 블루 빛을 입사받는 블루화소 보다는 공핍층이 실리콘층(701) 표면으로부터 더 떨어져 있다.

마지막으로, 블루화소는 레드화소는 물론 그린화소 보다도 실리콘층(701) 표면에 가까이 공핍층이 형성되어 있다.

그리고, 레드화소, 그린화소 및 블루화소 각각의 포토다이오드는, 저농도의 실리콘층(701), 상기 실리콘층 내부에 형성된 N ^- 확산영역(702), 및 N ^- 확산영역(703) 상부와 실리콘층(701) 표면 하부에 형성된 P ⁰ 확산영역(703)에 의해 P/N/P형 핀드 포토다이오드를 구성하고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 파장이 서로 다른 각 빛에 대해서 흡수 깊이가 다른 문제로 인해 야기되는 각 화소간의 특성 차이를 보상해 주는 것으로서, 블루 파장을 예로 들자면 이전에는 공핍영역에 도달하지 못해서 감지 못했던 빛들을 공핍영역을 실리콘층 표면 가까이 붙여줌으로써 감지할 수 있게 한 것이다.

한편, 본 발명은 이러한 본 발명의 이미지센서 구조를 얻기 위한 방법으로서, 포토다이오드의 P ⁰ 확산영역(703)을 만들 때 사용되는 이온주입 마스크(implant mask)를 각각의 단위화소 패턴마다 다르게 하여 포토다이오드가 빛을 감지하는 영역을 변화시켰다. 즉, 본 발명은 공핍층 조절을 위하여 포토다이오드의 도핑농도를 조절하는데 있어서, 이온주입의 도즈량을 조절하는 것이 아니라 이온주입 마스크를 변형시켜 도핑농도를 조절한다.

도8a 및 도8b는 이러한 이온주입 마스크(800)(850)의 평면도를 보여준다. 도8a 및 도8b를 참조하면, 레드화소 영역의 마스크패턴(810)(860)은 종래와 동일하지만, 그린화소 영역의 마스크패턴(820)(870) 및 블루화소 영역의 마스크패턴(830)(880)은 아일랜드형 또는 라인형 패턴을 이루고 있고, 이들 중에서 단파장의 빛을 입사받아 빛의 흡수길이가 상대적으로 큰 블루화소가 국부적으로 더 많은 부위에서 아일랜드 또는 라인형 패턴으로 덮어 있다.

즉, 도8a 및 도8b에 도시된 바와 같이, 그린화소 마스크패턴(820)(870)에서의 패턴간의 간격을 A라하고 패턴 크기를 a라 하며, 블루화소 마스크패턴(830)(880)에서의 패턴간 간격을 B라하고 패턴 크기를 b라 할 때, A≥B 및 a≤b를 만족하여야 한다.

따라서, 이러한 이온주입마스크(800)(850)를 사용하여 P ⁰ 이온주입을 행한 뒤 열공정을 거치게 되면, 도7에 도시된 바와 같은 굴곡진 PN 접합을 갖는 포토다이오드를 형성할 수 있다. 이 방법은 단지 마스크패턴에만 변형을 주면 되기 때문에 종래와 동일한 공정 스텝을 가져가면서 본 발명의 이미지센서를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이때 주의할 것은 패턴의 크기가 너무 크거나 그 수가 너무 많은 경우에는 주입된 P ⁰ 이온의 확산이 충분히 이루어지지 않거나 그 양이 적은 경우가 발생한다. 이러한 경우에는 공핍영역이 실리콘층 표면으로 붙어 버리거나 공핍영역을 유지하기 위해 인가하는 전압이 제대로 전달되지 않을 수가 있기 때문에, 크기나 수를 적당히 조절해 주어야 한다는 것이다. 공핍영역이 표면에 붙어 버리는 경우는 노이즈 문제가 심각해 질 수가 있으므로 이를 피하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 PNP 접합을 갖는 핀드 포토다이오드를 예로써 설명하였으나, 본 발명은 이뿐 아니라 PN접합 포토다이오드 등에 적용될 수 있는 바, 이렇듯 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 칼라 이미지센서를 구현함에 있어, 파장이 다른 3원색 빛에 대한 특성을 일치시켜 주므로써, 동작영역을 증가시킬 수 있으며 이로 인해 이후 이미지 프로세싱시의 보다 넓은 자유도와 해상도를 가질 수 있다. 또한 이전에 어느한 파장을 기준으로 다른 파장대에서는 손실을 보아야 했던 광감도를 보상해줄 수 있다.