KR100492720B1 - 씨모스 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법 - Google Patents

씨모스 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법에 관한 것으로, 3개의 트랜지스터에서 과잉 전자를 저장하는 N+의 포텐셜 웰을 핀 포토다이오드 영역 주위를 둘러싸는 형태로 만듬으로써, 빛에 의해 핀 포토다이오드에서 만들어진 과잉 전자가 저장될 포텐셜 웰까지 이동할 때 바로 옆에 있는 포텐셜 셀로 이동하기 때문에 거리가 아주 짧아지게 되고 따라서 빛에 의해 생기는 과잉 전자의 재결합에 의한 손실이 적어지게 되기 때문에 핀 포토 다이오드 동작을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다. 이를 구현하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법은 P형 기판 위에 포토 다이오드를 형성하며, 상기 P형 기판과 포토 다이오드 사이에는 제 1 N+ 포텐셜 웰을 형성하고, 상기 포토 다이오드의 외곽부위를 둘러싸는 형태로 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰보다 깊게 형성된 제 2 N+ 포텐셜 웰을 형성하여, 빛에 의해 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰에서 생성된 과잉 전자가 가까이 있는 제 2 N+ 포텐셜 웰로 이동하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

씨모스 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법{METHOD OF MAKING PINNED PHOTO DIODE OF CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 CMOS 이미지 센서(Image Sensor)의 핀 포토 다이오드(pinned photo diode) 형성 방법에 관한 것으로, 특히 추가적인 비용 없이 성능이 향상된 핀 포토 다이오드를 형성할 수 있는 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법에 관한 것이다.도 1은 종래의 3개의 트랜지스터를 구비한 포토 다이오드의 레이아웃 도면으로, 빛에 의해 형성된 과잉 전자가 어떤 경로로 이동해 가는지를 나타내고 있다.
한편, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 절취한 단면도로서, 종래의 방법에 의한 핀 포토 다이오드의 단면을 나타낸 것으로서, 핀 포토 다이오드(1)에서 빛에 의해 생성된 과잉 전자가 깊게 형성된 제 2 N+ 포텐셜 웰(7a)로 이동하는 것을 나타내고 있다. CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는, 도 1및 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 NMOS로 구성되며, 네 개의 NMOS는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)(미도시)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer transistor)(미도시), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Reset transistor)(6), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Drive transistor)(3), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 선택 트랜지스터(Select transistor)(2)로 구성된다. 또한, 전원전압 라인(5), 제 1및 제 2N+ 포텐셜 웰(potential well) 영역(7b)(7a)를 구비하고 있으며, 도면부호 4는 콘택을 나타낸다. 여기서 트랜스퍼 트랜지스터 및 리셋트랜지스터(6)는 네이티브 트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 드라이브 트랜지스터(3) 및 선택 트랜지스터(2)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋 트랜지스터(6)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다. 상기와 같은 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브 트랜지스터(Native Transistor)를 사용하여 포토다이오드영역(1)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅디퓨전영역(FD)으로, 즉 드라이브 트랜지스터(3)의 게이트(미도시)로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.여기서, 상기 감지된 광전하의 생성 및 저장되는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 핀 포토 다이오드(도전형은 P형 기판인 경우 P형에 해당됨)는 화소 영역에 빛을 받으면 포토 다이오드 영역에 과잉 전자(e)가 생성되고, 이 과잉 전자(e)는　 제 1N+포텐셜 웰(7b) 을 거쳐 제 2N+포텐셜 웰(7a) 에 저장된다. 즉,　 3 개의 트랜지스터를 구비한 핀 포토다이오드에서는 포토 다이오드 영역의 제 1포텐셜 웰(7b)보다 더 깊은 제 2포텐셜 웰(7a)을 리셋 트랜지스터 바로 옆에 만들어 놓아서 과잉 전자가 생성되는 곳으로 안정(stable)한 상태로 가려고 하는 전자의 성질을 이용하며,　 이와 같이 더 깊은 제 2N+포텐셜 웰(7a)에 저장했다가 콘택을 이용해 선택 트랜지스터(2)의 게이트로 전달한다. 이때, 전자를 끌어 당겨 저장하게 되는 포텐셜 웰(potential well)은 포토 다이오드 영역 한쪽에 형성시키며, 빛에 의해 생성된 전자가 생성된 위치에서 드라이브 트랜지스터를 통해 끌려 가는 포텐셜 웰까지 거리가 멀기 때문에 이동하는 과정에 재결합(recombination) 될 가능성이 높아 트랜지스터의 동작 특성이 상당이 떨어지게 된다. 따라서, 소자의 동작 특성에도 안 좋은 영향을 미치게 된다. 그러면, 이러한 문제점들을 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 2에서, 종래의 포토 다이오드는 P형 기판(8)과 포토 다이오드 영역(1) 사이에 N형 불순물 영역인 제 1 N+ 포텐셜 웰(potential well) 영역(7b)이 형성되어 있으며, 상기 P형 기판(8)을 기준으로 하여 상기 포토 다이오드 영역(1)이 형성되어 있지 않은 리셋 트랜지스터(6)가 형성된 쪽의 P형 기판(8) 위에 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰(7b)보다 깊은 제 2 N+ 포텐셜 웰(potential well)(7a)이 형성되어 있다.
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이와 같이, 종래에 사용하고 있는 핀 포토 다이오드(pinned photo diode)는 화소 영역에 빛을 받으면 포토 다이오드 영역에 과잉 전자(e)가 생성되고, 이 과잉 전자(e)는 또다른 포텐셜 웰(제 1 및 제 2N+ 포텐셜 웰(7b)(7a))에 저장된다. 즉, 3 개의 트랜지스터를 구비한 핀 포토다이오드에서는 포토 다이오드 영역의 제 1포텐셜 웰(7b)보다 더 깊은 제 2포텐셜 웰(7a)을 리셋 트랜지스터 바로 옆에 만들어 놓아서 과잉 전자가 생성되는 곳으로 안정(stable)한 상태로 가려고 하는 전자의 성질을 이용하며, 이와 같이 더 깊은 제 2N+포텐셜 웰(7a)에 저장했다가 콘택을 이용해 흘려보내는 방식으로 작동한다.
그러나, 이 깊은 포텐셜 웰을 핀 포토다이오드 한쪽 모서리에 위치한 리셋 트랜지스터 옆에 만들어 놓았기 때문에 핀 포토다이오드에서 빛에 의해 만들어진 과잉 전자들이 저장될 포텐셜 웰까지 이동하는 과정에서 재결합 될 가능성이 상당히 높은 단점이 있었다. 이것은 포토다이오드의 포토 커런트(photo current)가 줄어들어 트랜지스터의 동작 특성에 나쁜 영향을 미치게 되어 많은 문제점을 야기시킨다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 3개의 트랜지스터에서 과잉 전자를 저장하는 제 2N+의 포텐셜 웰을 핀 포토다이오드 영역의 외곽부위를 둘러싸는 형태로 만듬으로써, 빛에 의해 핀 포토다이오드에서 만들어진 과잉 전자가 저장될 포텐셜 웰까지의 평균 이동거리를 최소화시켜 핀 포토 다이오드 동작을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법은, P형 기판에 핀 포토 다이오드를 형성하는 단계와, P형 기판과 상기 핀 포토 다이오드 사이에 제 1 N+ 포텐셜 웰을 형성하는 단계와, 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰과 연결되고, 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰 보다 깊게 형성되며, 상기 기판의 상기 핀 포토 다이오드의 외곽부위를 둘러싸는 형태로 형성된 제 2 N+ 포텐셜 웰을 형성하는 단계를 포함하며, 빛에 의해 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰에서 생성된 과잉 전자가 상기 제 2 N+ 포텐셜 웰로 이동하도록 하는 것을 특징으로 한다.
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이하, 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
또, 실시예를 설명하기 위한 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 사용하고 그 반복적인 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 의한 3개의 트랜지스터를 구비한 포토 다이오드의 레이아웃 도면으로, 빛에 의해 형성된 과잉 전자가 어떤 경로로 이동해 가는지를 나타내고 있다.또한, 도 4는 도 3의 B-B' 선을 절취한 단면도로서, 본 발명의 방법에 의한 핀 포토 다이오드의 단면을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법은, 도 3및 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 P형 기판(18)에 P형 불순물층인 핀 포토 다이오드(11)를 형성한다.이어, P형 기판(18)과 상기 핀 포토 다이오드(11) 사이에 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)을 형성한다.
그런다음, 상기 기판의 핀 포토 다이오드의 양측 외곽부위를 둘러싸는 형태로 형성하되, 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)과 연결되어 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)의 깊이보다도 깊게 제 2 N+ 포텐셜 웰(17b)을 형성한다. 따라서, 빛에 의해 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)에서 생성된 과잉 전자(ⓔ로 표시됨)(excess electron)가 제 2 N+ 포텐셜 웰(17b)로 이동하게 되며, 기존의 경우에 비해 과잉 전자(e)의 평균 이동거리가 훨씬 짧아져 과잉 전자들끼리 재결합할 확률은 훨씬 줄어들게 된다.즉, 본 발명은, 도 3에 도시된 바와 같이, 과잉 전자(excess electron)를 저장하는 제 2N+ 포텐셜 웰 영역(17b)은 핀 포토 다이오드(11)의 외곽에 형성되어 있으며, 상기 제 2N+ 포텐셜 웰 영역(17b)의 전위에 의해 제 2N+ 포텐셜 웰 영역(17b)과 연결된 드라이브 트랜지스터(13)가 동작되며, 콘택(14)을 통해 전원전압라인(15)의 전원전압을 전송한다. 한편, 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서는, 공지의 것과 마찬가지로, 도 3및 도 4에 도시된 바와 같이, P형기판(18)의 단위화소 내에 1개의 P형 핀 포토 다이오드(11)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되며, 상기 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(미도시), 리셋게이트(16), 드라이브게이트(13), 및 셀렉트게이트(13)로 이루어져 있다. 그리고, 상기 전원전압 라인(15)에는 선택 트랜지스터(12)와 리셋 트랜지스터(16)가 연결되어 있다.상술한 바와 같이, 발명에서는 P형 기판(18)과 포토 다이오드 (11) 사이에 N형 불순물 영역인 제 1 N+ 포텐셜 웰(potential well) 영역(17a)이 형성되어 있으며, 상기 포토 다이오드(11)의 외곽에 해당되는 P형 기판(18) 에는 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)보다 깊게 제 2 N+ 포텐셜 웰(potential well)(17b)이 형성되어 있다. 그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 빛에 의해 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰(17a)에서 생성된 과잉 전자(e)가 가까이 있는 제 2 N+ 포텐셜 웰(17b)로 이동하는 것을 볼 수 있다.따라서, 종래의 경우(도 2)보다 과잉 전자(e)의 평균 이동거리가 훨씬 짧기 때문에 이들 과잉 전자가 재결합 할 확률은 훨씬 줄어들게 된다. 결과적으로, 본 발명은 빛에 의해 생기는 과잉 전자의 재결합에 의한 손실이 적어지게 되고 핀 포토 다이오드 동작을 향상시킬 수 있다.
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이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법은, 3개의 트랜지스터에서 과잉 전자를 저장하는 제 1N+ 포텐셜 웰을 핀 포토 다이오드 주위를 둘러싸는 형태로 제 2N+ 포텐셜 웰을 형성함으로써, 빛에 의해 핀 포토 다이오드에서 만들어진 과잉 전자(e)가 저장될 제 1포텐셜 웰까지 이동할 때 바로 옆에 있는 제 2포텐셜 웰로 이동하기 때문에 거리가 아주 짧아지게 된다. 이로써 과잉전자들 끼리의 재결합 확률이 훨씬 줄어들게 된다. 그러므로, 빛에 의해 생기는 과잉 전자의 재결합에 의한 손실이 적어지게 되고 핀 포토 다이오드 동작을 향상시킬 수 있다.아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법을 설명하기 위한 레이아웃 도면
도 2는 도 1의 A-A' 선을 절취한 단면도
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법을 설명하기 위한 레이아웃 도면
도 4는 도 3의 B-B' 선을 절취한 단면도
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
11 : 포토 다이오드 12 : 선택 트랜지스터
13 : 드라이브 트랜지스터 14 : 콘택
15 : 전원전압 라인 16 : 리셋 트랜지스터
17a : 제 1 N+ 포텐셜 웰 영역 17b : 제 2 N+ 포텐셜 웰 영역
18 : P형 기판

Claims (1)

  1. P형 기판에 핀 포토 다이오드를 형성하는 단계와,
    상기 P형 기판과 상기 핀 포토 다이오드 사이에 제 1 N+ 포텐셜 웰을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 N+ 포텐셜 웰과 연결되고, 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰 보다 깊게 형성되며, 상기 기판의 상기 핀 포토 다이오드의 외곽부위를 둘러싸는 형태로 형성된 제 2 N+ 포텐셜 웰을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 핀 포토 다이오드에서 빛에 의해 상기 제 1 N+ 포텐셜 웰에서 생성된 과잉 전자가 상기 제 2 N+ 포텐셜 웰로 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 핀 포토 다이오드 형성 방법.
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