KR20150111299A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

(과제) Si 기판의 깊은 위치에 발생한 캐리어의 횡방향 확산에 의한, 인접하는 포토 다이오드로의 기여(화소간 크로스토크)를 억제하는 반도체 수광 소자를 갖는 이미지 센서를 제공한다.
(해결 수단) 인접하는 포토 다이오드 사이에 레이저로 개질층을 만들고, 재결합 준위를 발생시켜, 화소간 크로스토크를 억제한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}

본 발명은, 반도체 수광 소자를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 일반적으로 반도체 수광 소자를 갖는 수광부 화소 어레이로 구성되어 있다. 수광부 화소 어레이를 구성하고 있는 각 화소의 반도체 수광 소자에는 PN 접합을 갖는 포토 다이오드형 광 검출기가 널리 이용되고 있다. 각 화소로의 입사광이 반도체 기판 내부에 흡수되고, 발생한 캐리어는 상기 포토 다이오드의 공핍층부에서 재결합되고, 전압 또는 전류로서 반도체 수광 소자의 출력을 얻을 수 있다.

취득하는 화상 데이터의 고해상도의 요구에 따라, 화소 사이즈의 축소가 진행되어, 원하는 특성을 얻는 것이 곤란하게 되었다. 특히 화소간의 크로스토크에 의한 특성 열화가 현저해진다. 어느 한 화소의 직하에서 발생하는 캐리어가, 횡방향으로 확산되어, 인접하는 화소의 공핍층부에서 수집되어 재결합되어 여분의 신호가 됨으로써 출력 신호가 불안정해진다. 통상의 화소에서는 인접 영역으로부터의 크로스토크 성분은 상쇄되므로, 출력 신호의 저하는 일어나기 어렵지만, 특히 가장 외측에 배치되어 있는 화소에 있어서는, 인접 영역으로부터의 크로스토크 성분이 없기 때문에, 출력 신호가 저하된다.

이 개선책으로서 광 검출기의 공핍층 깊이를 증대시켜, 캐리어의 수집 효율을 올리는 방법이 있다. 또, 공핍층 하에 반사 절연막을 구성해, 공핍층으로의 캐리어 수집 효율을 올려 크로스토크를 억제하는 방법도 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

일본국 특허 공개 평 5-206495호 공보

그러나 공핍층 깊이의 증대에는 한계가 있어(약 1.2μm), 파장이 긴 광(적~적외광)은, Si 기판 깊게까지 도달하여, 인접 화소로의 횡방향 확산에 의한 화소간 크로스토크를 억제할 수는 없다. 또, 공핍층 하에 반사 절연막을 형성한 화소 구조에서는, 완전하게 입사광을 절연하는 것은 불가능하고, 투과광에 의해 생성된 캐리어에 의한 크로스토크가 문제가 된다. 그래서, 본원에 따른 발명은, 크로스토크를 억제하는 것이 가능한 이미지 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 이미지 센서를 이하와 같이 구성했다. 이미지 센서는, 제1 도전형 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 접합에 의해 포토 다이오드를 구성하는 제2 도전형 반도체 영역을 구비한 반도체 수광 소자로 이루어지고, 복수의 포토 다이오드가 어레이형상으로 배치되고, 인접하는 상기 포토 다이오드 사이에, 레이저광 조사에 의한 개질층을 갖고, 개질층이 배치된 깊이가, 입사광의 파장에 의해 임의로 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 반도체 기판의 깊은 위치에 발생한 캐리어는, 개질층에 의해 트랩되고, 재결합 후에 소멸됨으로써, 횡방향 확산에 의한 수광부 화소간의 크로스토크를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 반도체 수광 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 반도체 수광 소자의 제1의 실시예에 있어서의 A-A선 단면도이다.
도 3은 각 파장에 대한 Si의 광의 흡수를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 반도체 수광 소자의 제2의 실시예에 있어서의 A-A선 단면도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 반도체 수광 소자의 제3의 실시예에 있어서의 A-A선 단면도이다.

이하에서는 복수의 실시예에 대해, 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 이용하여 설명한다.

[실시예 1]

도 1은, 본 발명의 제1의 실시예에 따른 이미지 센서의 반도체 수광 소자의 평면도이며, 도 2는, 제1의 실시예에 따른 이미지 센서의 반도체 수광 소자의 단면도이다.

반도체 수광 소자(1)는, P형의 반도체 기판(2)과, N형 층영역(3)과, P형 반도체 영역(4)과, N형 반도체 영역(5)과, 캐소드 전극(6)과, 애노드 전극(7)과, 소자 분리 영역(8)과, 절연막(9)을 구비하고 있고, 본 실시예에서는 다이오드로 이루어져 있다.

반도체 기판(2)은, 예를 들면 실리콘의 단결정을 재료로 형성된 것이며, 내부 소정의 위치에 개질층(10)을 갖는다. 절연막(9)은 예를 들면, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어지고, 반도체 표면의 보호막으로서 기능한다. N형 층영역(3)은, 반도체 기판(2)과의 PN 접합에 의해, 포토 다이오드(11)를 형성하고 있다. 포토 다이오드(11)는, 캐소드 전극(6)에 바이어스를 인가함으로써, 반도체 기판(2)에 공핍층이 확산되어, 전하를 도입하기 위한 광 감지 영역으로서 기능한다. P형 반도체 영역(4)은, N형 반도체 영역(3)을 둘러싸도록 형성되어 있다. 캐소드 전극(6) 및 애노드 전극(7)은, 금속 재료로 이루어지고, 예를 들면 스퍼터법 등에 의해 직사각형상으로 형성되고, 각각 N형 층영역(3), P형 반도체 영역(4)과 전기적으로 접속되어 있다.

반도체 수광 소자(1)에 광(L1)이 입사하면, 광(L1)은 절연막(9), 및 소자 분리 영역(8)을 투과해, 조사광(L1)의 각 파장 성분은 파장에 따라, 반도체 기판(2)의 내부에 도달해, 캐리어를 발생시킨다. 캐리어는 확산되어, PN 접합의 공핍층 영역까지 도달하면, 전압 또는 전류로서 출력을 얻는다.

조사광(L1)의 Si에 있어서의 광 흡수는 람베르트 비어의 법칙(Lambert-Beer law) log10(I1/I0)=-αL에 따라, (I0:매질에 입사하기 전의 광의 강도, I1:매질을 이동시켰을 때의 광의 강도, α:흡수 계수), 파장이 긴 광은, 반도체 기판(2)의 깊이까지 도달한다. 도 3은, 각 파장에 대한 광의 흡수를 나타내는 도면이다. 예를 들면, 파장 1000nm의 적외광은 반도체 기판(2)의 깊이 70μm에 있어서 대략 반분이 흡수된다.

반도체 기판(2)의 깊은 위치에 발생한 캐리어는, 확산되어, PN 접합의 공핍층 영역까지 도달하는데, 이 때, 본 실시예에 있어서는 횡방향 확산에 의해 캐리어가 인접하는 포토 다이오드에 도달하는 것을 억제하기 위해서, 인접하는 포토 다이오드 사이에 레이저 조사에 의한 개질층(10)을 형성한다. 개질층(10)은, 반도체 기판을 투과하는 파장의 레이저광을 집광 렌즈에 의해 집광점이 웨이퍼의 내부의 소정의 깊이에 형성되도록 조정하고, 그 레이저광으로 웨이퍼의 표면을 따라서 주사함으로써, 웨이퍼의 내부의 일정한 깊이의 영역에 캐리어를 트랩하는 면형상의 개질층으로서 형성한다. 그 배치되는 깊이는 포토 다이오드(11)보다도 깊은 것이 바람직하다.

반도체 기판(2)의 깊은 위치에 발생한 캐리어는, 가장 가까운 개질층(10)에 의해 트랩되어 재결합 후에 소멸된다. 개질층이 배치되는 깊이는, 입사광(L1)의 파장에 따라 임의로 설정한다. 예를 들면, 파장 1000nm의 적외광에 대해, 도 3을 참고로, 개질층의 깊이는 흡수 효율이 큰 10~100μm로 형성한다.

반도체 수광 소자가 1차원으로 배치되는 이미지 센서에서는 인접하는 포토 다이오드 사이에 1차원적으로 배치하는 것도 가능하다. 반도체 수광 소자가 2차원으로 배치되는 이미지 센서에서는 각 포토 다이오드를 둘러싸도록, 인접하는 포토 다이오드 사이에 개질층을 배치하므로, 개질층은 격자형상으로 배치된다. 이렇게 함으로써, 인접 화소로의 횡방향 확산에 의한 화소간 크로스토크를 억제하는 것이 가능해진다.

[실시예 2]

도 4는, 본 발명에 의한 이미지 센서의 반도체 수광 소자의 제2의 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 2와 대응하는 부분에는 같은 번호가 부여되어 있다. 도 2에 나타낸 제1의 실시예와 상이한 점은, 개질층(10)을 깊이 방향으로 다층화시켰다는 점이다. 입사되는 상이한 파장에 따른 깊이에 발생한 캐리어의 횡방향 확산을 막기 위해, 개질층(10)을 다층화했다.

[실시예 3]

도 5는, 본 발명에 의한 이미지 센서의 반도체 수광 소자의 제3의 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 2와 대응하는 부분에는 같은 번호가 부여되어 있다. 도 2에 나타낸 제1의 실시예와 상이한 점은, 개질층(10)을 수직 방향으로 두껍게 한 점이다. 입사되는 상이한 파장에 따른 깊이에 발생한 캐리어의 횡방향 확산을 막기 위해, 레이저광을 집광하는 대물 렌즈의 개구 수 NA를 크게 함으로써, 개질층(10)을 두껍게 하는 것이 가능하다.

1:반도체 수광 소자
2:P형 반도체 기판
3:N형 층영역
4:P형 반도체 영역
5:N형 반도체 영역
6:캐소드 전극
7:애노드 전극
8:소자 분리 영역
9:절연막
10:개질층
11:포토 다이오드
L1:입사광

Claims (6)

1. 반도체 기판에 설치된 복수의 반도체 수광 소자를 갖는 이미지 센서로서,
   상기 복수의 반도체 수광 소자 중 인접하는 반도체 수광 소자 사이의 상기 반도체 기판의 내부의 영역에는, 캐리어를 트랩하는 개질층이 설치되어 있고, 상기 개질층이 설치되는 깊이는, 광의 입사에 의해서 상기 반도체 기판에 발생하는 캐리어의 깊이에 따라 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 개질층은, 상기 반도체 기판을 투과하는 파장의 레이저광을 집광 렌즈에 의해 집광점이 상기 반도체 기판의 내부의 소정의 깊이에 형성되도록 조정하고, 그 레이저광으로 상기 반도체 기판의 표면을 따라서 주사함으로써, 상기 반도체 기판의 내부의 일정한 깊이의 영역에 캐리어를 트랩하는 면형상의 층으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 개질층이, 깊이 방향으로 복수의 층으로서 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 제1 도전형의 반도체 기판과,
   상기 반도체 기판과 접합되고, 복수의 포토 다이오드를 형성하는 제2 도전형의 반도체 영역과,
   인접하는 상기 포토 다이오드의 영역 사이에 레이저광 조사에 의해 설치된 개질층을 갖고,
   상기 개질층의 깊이는, 광의 입사에 의해서 상기 반도체 기판에 발생하는 캐리어의 깊이에 따라 설정되어 있는 것을 특징으로 한 이미지 센서.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 개질층이, 깊이 방향으로 다층화되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 개질층이, 후막화되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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