KR100494132B1 - 이미지센서의 단위 화소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성영역과 필드영역의 경계면에서의 소자 특성을 개선시키도록 한 이미지센서의 단위 화소에 관한 것으로, 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 내에 형성된 포토다이오드영역, 상기 포토다이오드영역과 소정 간격을 두고 상기 제1도전형 반도체층내에 형성된 트랜지스터의 제2도전형 소스/드레인 영역, 및 상기 포토다이오드영역과 상기 제2도전형 소스/드레인영역의 접속을 방지하며 상기 제1도전형 반도체층과 동일한 제1도전형의 불순물이 이온주입된 상기 제1반도체층 내의 소자분리용 이온주입영역을 포함한다.

Description

이미지센서의 단위 화소{UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지센서(Image sensor)에 관한 것으로서, 특히 활성영역과 필드영역이 경계면에서 발생하는 스트레스로 인한 실리콘결함을 개선시키도록 한 이미지센서의 단위 화소(Unit pixel)에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image sensor)는 반도체 물질이 빛에 반응하는 성질을 이용하여 영상정보를 캡쳐하는 장치로서, 빛의 밝기 및 파장 등이 다른 피사체를 감지하는 각 화소(Pixel)에서 다르게 나타나는 전기적 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 장치를 일컫는다.
이러한 이미지센서에는 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서와 CMOS 이미지센서가 있으며, 외부의 피사체영상을 촬상한 빛을 흡수하여 광전하를 모으고 축적하는 수광소자로 포토다이오드(Photodiode)를 이용한다.
특히 CCD 이미지센서는 CMOS 이미지센서와 달리 트랜지스터에 의한 스위칭방식이 아니라 전하결합에 의해서 신호를 검출하며, 단위화소(Unit pixel)에 해당하고 광감지 역할을 하는 포토다이오드(PD)는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호전압을 누적시간만큼 증가시킬 수 있어 광감도 (Sensitivity)가 좋고, 노이즈(Noise)를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고 CMOS 이미지센서의 단위셀은 포토다이오드(PD) 및 4개의 NMOS 트랜지스터를 포함하는 단위화소로 이루어지며, 특히 640*480, 800*600모드의 셀어레이 또는 메가화소(Mega pixel)로 갈수록 좁은 단면적을 가지는 단위셀의 설계와 이에 적절하게 영상정보를 정확하고 빠르게 읽을 수 있는 칩을 설계해야만 한다.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)를 나타낸 등가회로도로서, 하나의 포토다이오드(PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 상기 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 상기 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하 (Photgenerated charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다.
여기서 상기 트랜스퍼트랜지스터(Tx) 및 리셋트랜지스터(Rx)는 네이티브트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 상기 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋트랜지스터(Rx)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다.
상기와 같은 종래기술의 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브트랜지스터(Native Transistor)를 사용하여 포토다이오드영역(PD)에서 가시광선파장대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅디퓨전영역 (FD)으로, 즉 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.
이러한 CMOS 이미지센서에서는, 소자 격리(Isolation)를 위해 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 방법을 사용한다.
도 2는 도 1의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소는 반도체 기판(11)에 형성된 포토다이오드(PD)와 트랜지스터의 n+ 소스/드레인 영역(14)을 분리하는 소자분리막(12), 소자분리막(12)상에 형성된 게이트 전극(13)으로 이루어지고, 소자분리막(12) 하부의 반도체기판(11)에는 p형 필드스톱층(15)이 형성되고, 포토다이오드(PD)는 n형 불순물 영역(16a)과 p형 불순물 영역(16b)이 수직으로 형성된다. 여기서, 게이트전극(13)은 단위화소를 구성하는 각 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트전극이며, 예컨대 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트전극이다. 그리고, 소자분리막(12)은 LOCOS 방법을 이용한다.
상술한 LOCOS 방법을 사용하면 게이트전극(13) 하부의 산화막 두께가 두꺼워지고, n형 불순물 영역간의 수평거리가 길어져 소자 격리의 효과가 크다.
그러나, LOCOS 공정시 소자분리막과 활성영역의 경계면에서 스트레스 (Stress)에 의해 발생하는 실리콘 결함(Silicon)에 의한 치명적인 화상 불량이 발생하거나, 암(Dark) 상태에서의 신호 레벨이 커져 동적 범위(Dynamic range)가 작아진다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 소자분리막과 활성영역의 경계면에서 스트레스에 의해 발생되는 실리콘결함을 방지하는데 적합한 이미지센서의 단위화소를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서의 단위 화소는 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 내에 형성된 포토다이오드영역, 상기 포토다이오드영역과 소정 간격을 두고 상기 제1도전형 반도체층내에 형성된 트랜지스터의 제2도전형 소스/드레인 영역, 및 상기 포토다이오드영역과 상기 제2도전형 소스/드레인영역의 접속을 방지하며 상기 제1도전형 반도체층과 동일한 제1도전형의 불순물이 이온주입된 상기 제1반도체층 내의 소자분리용 이온주입영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, p형 반도체 기판(21) 또는 p형 웰에 형성된 포토다이오드(PD)와 트랜지스터의 n+ 소스/드레인 영역(24)을 분리하는 소자분리영역 (22), 소자분리영역(22)상에 형성된 게이트 전극(23)으로 이루어지고, 포토다이오드(PD)는 n형 불순물 영역(이하 'PDN 영역'이라 약칭함)(25a)과 p형 불순물 영역(이하 'PDP 영역'이라 약칭함)(25b)이 수직으로 형성된다. 여기서, 게이트전극(23)은 단위화소를 구성하는 각 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트전극이며, 예컨대 소오스팔로워-버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트전극이다.
그리고, 소자분리영역(22)은 p형 불순물이 이온주입된 영역이며, 게이트전극(23)의 바이어스에 의해 표면에 n형 반전층이 발생하지 않도록 표면 농도를 높게 하면서 벌크(Bulk)로 턴온되는 것을 방지하기 위해 주변의 n+ 소스/드레인영역(24)과 포토다이오드의 PDN 영역(25a) 사이의 접속을 방지한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도로서, p형 반도체 기판(21)에 형성된 포토다이오드(PD)와 트랜지스터의 n+ 소스/드레인 영역(24)을 분리하는 소자분리영역(22a, 22b), 소자분리영역(22a, 22b)상에 형성된 게이트 전극(23)으로 이루어지고, 포토다이오드(PD)는 PDN 영역 (25a)과 PDP 영역(25b)이 수직으로 형성된다. 여기서, 게이트전극(23)은 단위화소를 구성하는 각 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트전극이며, 예컨대 소오스팔로워-버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트전극이다.
그리고, 소자분리영역(22a, 22b) 중 제 1 영역(22a)은 포토다이오드의 PDN 영역(25a)과 n+ 소스/드레인 영역(24)이 벌크로 턴온되는 것을 방지하기 위해 깊게 이온주입되고, 제 2 영역(22b)은 게이트전극(23)의 바이어스에 의해 표면에 n형 반전층이 발생하는 것을 방지하기 위해 얕게 이온주입된다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도로서, p형 반도체 기판(21)에 형성된 포토다이오드(PD)와 트랜지스터의 n+ 소스/드레인 영역(24)을 분리하는 소자분리영역(22), 소자분리영역(22)상에 수직으로 형성된 더미 게이트 전극(23b)과 게이트전극(23a), 포토다이오드(PD)는 PDN 영역(25a)과 PDP 영역(25b)이 수직으로 형성된다. 여기서, 게이트전극(23a)은 단위화소를 구성하는 각 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트전극이며, 예컨대 소오스팔로워-버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트전극이다. 그리고, 더미게이트전극(23b)은 접지되며 소자분리영역(22)과 더불어 표면에 n형 반전층이 형성되는 것을 방지한다.
그리고, 소자분리영역(22)은 포토다이오드의 PDN 영역(25a)과 n+ 소스/드레인 영역(24)이 벌크로 턴온되는 것을 방지하기 위해 깊게 이온주입된다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도로서, p형 반도체 기판(21)에 형성된 포토다이오드(PD)와 트랜지스터의 n+ 소스/드레인 영역(24)을 분리하는 소자분리영역(22a, 22b), 소자분리영역(22a, 22b)상에 수직으로 형성된 더미게이트전극(23b)과 게이트 전극(23a)으로 이루어지고, 포토다이오드(PD)는 PDN 영역(25a)과 PDP 영역(25b)이 수직으로 형성된다. 여기서, 게이트전극(23a)은 단위화소를 구성하는 각 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트전극이고, 에컨대 소오스팔로워-버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트전극이다. 그리고, 더미게이트전극(23b)은 접지되며 소자분리영역(22)의 표면에 n형 반전층이 형성되는 것을 방지한다.
그리고, 소자분리영역(22a, 22b) 중 제 1 영역(22a)은 포토다이오드의 PDN 영역(25a)과 n+ 소스/드레인 영역(24)이 벌크로 턴온되는 것을 방지하기 위해 깊게 이온주입되고, 제 2 영역(22b)은 더미게이트전극(23b)과 더불어 게이트전극(23a)의 바이어스에 의해 표면에 n형 반전층이 발생하는 것을 방지하기 위해 얕게 이온주입된다.
상술한 실시예에서 게이트전극 하부에 절연 및 접지되는 더미게이트전극을 형성하면 이온주입영역인 소자분리영역에 전계가 집중되는 것을 방지하여 포토다이오드의 전위 변화를 억제할 수 있다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 이미지센서의 단위화소는 이온주입방법을 이용하여 소자분리막을 형성하므로써 통상 LOCOS에 의한 실리콘결함을 억제하여 암 특성이 증대되며 동적범위도 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소를 도시한 등가회로도,
도 2는 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도,
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소를 도시한 소자 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : p형 반도체 기판 22 : 소자분리영역
23 : 게이트전극 24 : n+ 소스/드레인 영역
25a : PDN 영역 25b : PDP 영역

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 이미지센서에 있어서,
    제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 내에 형성된 포토다이오드영역;
    상기 포토다이오드영역과 소정 간격을 두고 상기 제1도전형 반도체층내에 형성된 트랜지스터의 제2도전형 소스/드레인 영역;
    상기 포토다이오드영역과 상기 제2도전형 소스/드레인영역의 접속을 방지하며 상기 제1도전형 반도체층과 동일한 제1도전형의 불순물이 이온주입된 상기 제1반도체층 내의 소자분리용 이온주입영역;
    상기 소자분리용 이온주입영역 상에 절연된 상기 트랜지스터의 게이트 전극; 및
    상기 게이트전극 하부에 접지된 더미게이트전극
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 화소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소자분리용 이온주입영역은 깊게 이온주입된 제 1 영역과 얕게 이온주입된 제 2 영역의 수직구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 화소.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형은 p형 도전형이고, 제 2 도전형은 n형 도전형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 화소.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 p형 반도체기판 또는 p형 웰 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 화소.
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