KR100436060B1 - 전하운송효율을 높인 시모스 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로의 전하이송효율을 높이고 잡음 특성을 개선한 시모스 이미지센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산영역을 구비한 시모스 이미지센서에 있어서, 상기 플로팅 확산영역에 가까운 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 영역의 전위가 상기 포토다이오드에 가까운 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 영역의 전위보다 높은 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.

Description

전하운송효율을 높인 시모스 이미지센서{CMOS image sensor with effective charge transfer}
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 트랜스퍼 트랜지스터 (Transfer transistor:Tx)의 게이트에 포텐셜 차이를 갖는 구조를 적용하여 포토다이오드(PhotoDiode:PD)에서 플로팅 확산영역(Floating Diffusion:FD)으로의 전하이송 효율을 높이고 잡음특성을 개선한 발명이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정의 단계수가 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 모스 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.
도1은 통상의 CMOS 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되고, 4개의 NMOS 트랜지스터는 각각 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion :FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터 (Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 포토다이오드에 전하축전(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역 (FD)은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하축전된다.
그후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(OFF)시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 제1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼(미도시)에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드의 전하들을 플로팅 확산영역으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 제2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1 - V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도2는 종래기술에 따라 형성된 시모스 이미지센서에서 포토다이오드 영역과트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 플로팅 확산영역(26)의 단면구조를 도시한 도면으로, 포토다이오드를 p/n/p형 포토다이오드로 구성한 경우이다. 도2를 참조하면 p/n/p형 포토다이오드는 p+기판(21)에 에피택셜 성장된 p형 에피층(22)이 형성되고, p형 에피층(22) 내부에 n-불순물영역(23)이 형성되고, 이 n-불순물영역(23) 상부와 p형 에피층(22) 표면 하부에 p0불순물영역(24)이 형성되어 구성된다. 게이트(27)의 타측단 기판에는 플로팅 확산영역(Floating Diffusion : FD)(26)이 형성되며 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 표면채널 (surface channel)을 갖는다.
이러한 구조를 갖는 포토다이오드의 n-불순물영역(23)과 p영역(p0불순물영역, p 에피층) 간에 역바이어스가 걸리면, n-불순물영역(23)과 p영역의 불순물 농도가 적절히 배합되었을 때 n-불순물영역(23)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되면서 n-불순물영역(23) 하부에 존재하는 p형 에피층(22)과 n-불순물영역(23) 상부에 존재하는 p0불순물영역(24)으로 공핍영역이 확장되는바, 도펀트농도가 상대적으로 낮은 p형 에피층(22)으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 이와같은 공핍영역은 입사하는 빛에 의해 생성된 광전하를 축적, 저장할 수 있어 이를 이용하여 이미지 재현에 사용하게 된다.
현재의 고집적화, 저전압 경향에 따라 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트에 인가되는 전압도 점점 낮아지고 있는 추세이다. 이와 같이 게이트에 인가되는 전압이 낮아지면서 포토다이오드(PD)에서 발생한 전자들이 플로팅 확산영역(FD)으로 완전하게 이송되지 않는 현상이 발생하며 따라서, 저조도(Low illumination) 환경에서는 화상특성이 나빠지게 되는 단점이 있었다.
그리고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 온-오프(On-Off) 시에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 아래에 있던 일부의 전자는 포토다이오드(PD) 영역으로 전달되게 되어 포토다이오드의 신호량의 커지게 되며 또한, 이러한 신호는 균일하지 않아 잡음(noise)으로 작용하게 된다. 특히, 저조도에서 이러한 신호의 양은 무시할 수 없어 저조도에서의 잡음특성이 나빠지는 단점이 있었다.
도3은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 온-오프 동작을 통하여 포토다이오드(PD)에 축전된 전하들을 플로팅 확산영역(FD)으로 이송할 때의 포텐셜 변화를 도시한 도면으로, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 오프되는 경우에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 아래에 잔존해 있는 전자들이 포토다이오드(PD)로 다시 유입되는 현상이 일어나고 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전하운송 효율을 높여 저조도에서 이미지센서의 특성을 향상시키고 잡음 특성을 개선한 시모스 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 종래의 시모스 이미지센서의 단위화소 회로도
도2는 종래의 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드와 플로팅 확산영역을 단면을 도시한 도면
도3은 종래의 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터의 온-오프시에 전하이송을 보인 도면
도3은 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터의 온-오프시에 전하이송을 보인 도면
도4a 내지 도4b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 포토다이오드와 플로팅 확산영역의 단면을 도시한 도면
도5는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터의 온-오프시에 전하이송을 보인 도면
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지 센서에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산영역의 레이아웃을 도시한 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
41 : 반도체 기판
42 : 포토다이오드 n-불순물 영역
43 : p0불순물 영역
44 : 플로팅 확산영역
45 : n-불순물 영역
46 : p-불순물 영역
47 : 스페이서
48 : 트랜스퍼 트랜지스터 게이트
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측에 형성된 포토다이오드 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산영역을 구비한 시모스 이미지센서에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역 중에서 상기 플로팅확산영역에 인접한 기판 내부에 n형 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측에 형성된 포토다이오드 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산영역을 구비한 시모스 이미지센서에 있어서,상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역 중에서 상기 포토다이오드에 인접한 기판 내부에 p형 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 포토다이오드(PD)에서 플로팅 확산영역(FD)으로 전하의 이송을 잘 할 수 있고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 온-오프시에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 아래에 잔존해 있던 전자를 모두 플로팅 확산영역(FD)으로 이송하기 위해서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트영역에서 포텐셜차이를 갖게 한 것이다.
즉, 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산영역(FD)사이에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 영역에 있어서, 플로팅 확산영역(FD)에 가까운 게이트 영역의 전위(potential)를 포토다이오드(PD)에 가까운 게이트영역의 전위보다 더 크게 한 것이다.
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 설명한다.
도4a 내지 도4b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소 모습을 보인 도면으로 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 플로팅 확산영역(FD)을 중심으로 단위화소 영역을 도시한 도면이고 도5는 이러한 구조를 갖는 시모스 이미지센서에 있어서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 온-오프 동작시에 포텐셜 변화를 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지센서에 있어서, 포토다이오드 영역과 트랜스퍼 트랜지스터 및 플로팅 확산영역의 레이아웃을 도시한 평면도이다.
도4a 내지 도4b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(48) 영역에서 포텐셜의 차이를 갖게 하기위해 n- 불순물 영역(45) 또는 p- 불순물 영역(46)을 게이트(48) 아래에 형성하였다.
트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역중에서 플로팅 확산영역(44)에 가까운 채널영역의 전위를 크게하기 위해서는 도4a에 도시된 바와 같이 플로팅 확산영역(44)에 가까운 채널영역에 n- 불순물 영역(45)을 형성하던가 도4b에 도시된 바와 같이 포토다이오드(PD)에 가까운 채널영역에 p- 불순물 영역(46)을 형성한다.
도4a 내지 도4b와 같이 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 영역을 형성하게 되면, 트랜스퍼 트랜지스터의 온(on) 동작시 n- 불순물 영역(45)의 전압이 순간적으로 전원전압(Vdd) 보다 커져서 포토다이오드에서 발생한 전하를 n- 불순물 영역(45)으로 이송할 수 있으며 또한,ㅡ 트랜스퍼 트랜지스터의 오프(off) 동작시 n- 불순물 영역(45)의 전압이 전원전압(Vdd) 보다 훨씬 낮아지기 때문에 n- 불순물 영역(45)의 전하가 플로팅 확산영역(44)으로 이송이 잘 이루어지도록 한다.
도4a 내지 도4b의 도면부호(47)은 게이트 스페이서를 나타낸다.
도5는 이와 같이 형성된 시모스 이미지센서에서 트랜스퍼 트랜지스터의 온-오프 동작시에 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 플로팅 확산영역(FD)의 포텐셜 변화를 도시한 도면으로 n- 불순물영역(45) 혹은 p- 불순물영역(46)을 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 영역아래에 형성함으로써, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 아래에 잔존해 있던 전하가 트랜스퍼 트랜지스터의 오프시에 포토다이오드로 재유입되는 현상을 없앴으며 포토다이오드에서 생성된 광전하가 플로팅 확산영역으로 이송되는 효율을 높이고 포토다이오드 영역에서 빛에 의해 생성되지 않은 전자의 유입을 제거한 것이다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 영역 및 플로팅 확산영역의 레이아웃을 도시한 도면이다.
도6에 도시된 바와 같이 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트를 형성함에 있어서, 포토다이오드 영역에 가까운 게이트 채널 폭(Channel width)을 플로팅 확산영역에 가까운 게이트 채널 폭(Channel width)보다 좁게 만듬으로써도 같은 효과를 얻을 수 있다. 도6을 참조하면 플로팅 확산영역(FD)에 가까운 채널의 폭은 포토다이오드쪽으로 갈수록 좁아지는 것을 알 수있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하게 되면 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로의 전하이송 효울을 높일 수 있어 저조도에서의 화상특성을 향상시킬 수 있으며 잡음 특성을 개선한 시모스 이미지센서를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측에 형성된 포토다이오드 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산영역을 구비한 시모스 이미지센서에 있어서,
    상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역 중에서 상기 플로팅확산영역에 인접한 기판 내부에 n형 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  3. 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측에 형성된 포토다이오드 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산영역을 구비한 시모스 이미지센서에 있어서,
    상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역 중에서 상기 포토다이오드에 인접한 기판 내부에 p형 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  4. 삭제
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