KR100521972B1 - 광감지 영역에 연결된 전원공급선을 구비하는 이미지 센서 - Google Patents
광감지 영역에 연결된 전원공급선을 구비하는 이미지 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광감지 영역에서 생성된 보다 많은 전하를 칩 동작에 쓸 수 있도록 광감지 영역이 형성되는 반도체 기판에 전압을 인가하는 전원공급선을 구비하는 이미지 센서에 관한 것으로, 광감지 영역이 형성된 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판 보다 낮은 전압을 인가하여 광감지 영역에서 생성된 보다 많은 전하를 칩 동작에 유효하게 쓸 수 있도록 할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 특징이 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서에 있어서 가장 중요한 특징인 광감도(light sensitivity)를 크게 향상시킬 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
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 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 21), 상기 에피택셜층(21) 내에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층(21) 내에 형성된 n형 불순물 영역(23)과 p형 불순물 영역(24)으로 이루어지는 포토다이오드, 트랜지스터(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조(25) 상부에 형성된 칼라필터(R, G, B), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(26), OCM 평탄화층(26) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 27)를 도시하고 있다.
이미지 센서에서는 마이크로 렌즈(27)를 통과한 빛을 블루, 레드, 그린 세가지 색의 칼라필터(R, G, B)를 통과시켜 각각의 빛의 양을 포토다이오드와 같은 광감지 영역을 통해 빛을 전기적 신호로 변환한다. 빛이 마이크로 렌즈(27)에 의해 집광되어 칼라필터(R, G, B)를 통과한 후 전하를 생성하는 포토다이오드에 도달하기까지는 많은 빛이 손실된다.
도 3a는 종래의 이미지센서에서 포토다이오드를 구성하는 p형 및 n형 불순물영역을 도시한 평면도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 A-A'라인에 따른 단면구조를 도시한 단면도이다. 도 3a에 보이는 바와 같이 종래 이미지 센서의 포토다이오드는 p형의 반도체 기판(10)상에 형성되어 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드산화막(11)과, p형 반도체 기판 내에 상대적으로 깊게 형성되는 n-형 불순물 영역(12)과 그 상부에 형성되는 p0형 불순물 영역(13)을 포함하는데, n-형 불순물 영역(12) 및 포토다이오드의 표면 영역에서 형성되는 정공(hole)을 제거하기 위해서 p0형 불순물 영역(13)과 p형의 반도체 기판(10)이 서로 연결되어야 한다. 이를 위하여 도 3a에 도시된 n-형 불순물 영역(12)은 그 한쪽 코너(corner)가 꺾여져 형성된다. 따라서, 도 3b를 참조하면 꺾여진 부분에 형성되는 p형 불순물영역(13)은 기판(10) 깊숙이 형성되어 기판(10)과 연결되고 있음을 알 수 있다. 그런데, 이와 같이 p형의 반도체 기판(10)과 연결된 p0형 불순물 영역(13) 부분이 제대로 역할을 발휘하지 않아 정공이 광감지 영역에 남아 있을 경우, 곧 전자와 결합하여 소멸하게 된다. 따라서 칩의 동작에 쓰일 전자가 감소됨으로 인하여 효과적인 칩 동작을 기대할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 광감지 영역인 포토다이오드에 도달하는 빛은 4000 Å 내지 7000 Å의 가시광선 파장대를 가지고 있어 파랑색 계통은 기판 가까운 쪽에 그리고 빨강색은 그 보다 더 깊은 곳에서 전자-정공쌍을 형성한다. 이미지 센서에서는 이렇게 생성된 전자-정공쌍들을 n-형 불순물 영역(12), p0형 불순물 영역(13) 및 p형 반도체 기판(10)이 도펀트 농도에 의해 형성된 공핍영역(depletion region)에서 홀은 버리고 전자는 포획하여 칩 동작에 이용한다. 전자-정공쌍은 입사한 빛에 대해 n-형 불순물 영역(13) 영역에서 형성되거나, 열처리 또는 다른 조건들에 의해 기판 내에서도 전자-정공쌍이 형성되지만 이것들은 노이즈(noise)로 분류되어 칩의 동작에 해를 끼치게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 광감지 영역에서 생성된 보다 많은 전하를 칩 동작에 쓸 수 있도록 광감지 영역이 형성되는 반도체 기판에 전압을 인가하는 전원공급선을 구비하는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 내에 입사되는 광에 의해 전하를 발생시키는 광감지 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 광감지 영역; 상기 광감지 영역에서 광에 의해 발생된 전하를 전달하는 전하운송수단; 및 상기 광감지 영역을 중심으로 상기 전하운송수단과 대칭되는 영역의 상기 반도체 기판 표면에 형성된 전원공급선을 포함하며, 상기 광감지 영역에 전하가 축적되는 동안에 상기 전원공급선을 통해 광감지영역에 접지전압이 인가되고 상기 전하운송수단에 의해 전하가 전달되는 동안에는 상기 접지전압이 인가되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 전원공급선은 상기 광감지 영역에 인접하는 상기 반도체 기판 표면에 전압을 인가하거나, 상기 광감지 영역을 이루는 반도체 기판 표면에 전압을 인가한다.
상기 이미지 센서는, 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면 부분을 노출시키는 콘택홀을 더 포함하고, 상기 전원공급선은 상기 반도체 기판과 접하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 이미지 센서는, 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면 부분을 노출시키는 콘택홀; 및 상기 콘택홀 저면 및 측벽을 덮는 절연막을 더 포함하고, 상기 전원공급선은 상기 절연막과 접하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 이미지 센서는, 상기 전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면을 덮는 절연막 패턴; 상기 절연막 패턴 및 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 및 상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 절연막 패턴 표면을 노출시키는 콘택홀을 더 포함하고, 상기 전원공급선은 상기 절연막 패턴과 접하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광감지 영역이 형성된 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판 보다 낮은 전압을 인가하여 광감지 영역에서 생성된 보다 많은 전하를 칩 동작에 유효하게 쓸 수 있도록 할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 특징이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃을 보이는 평면도로서, 반도체 기판(30) 상에 형성된 필드산화막(31), 포토다이오드(32) 및 접지전압 공급선(33)을 보이고 있다. 이와 같이 포토다이오드(32)가 형성되는 반도체 기판(30)과 연결되어 반도체 기판 보다 낮은 전압 예를 들어, 접지전압 공급선(33)에 의해 전기장이 발생되어 전자(e)와 정공(h)이 서로 반대 방향으로 즉, 정공(h)은 전원공급선(33)의 방향으로 이동하고 전자(e)는 센싱영역(도시하지 않음)으로 이동한다.
이와 같은 구조의 이미지 센서에서 전하를 발생시키는 집적 시간(integration time) 동안 접지전압 공급선(33)에 반도체 기판(30) 보다 낮은 전위의 전압을 인가하여 전기장을 형성시킴으로써 정공(h)은 접지전압 공급선(33)의 방향으로 이동시키고 전자(e)는 센싱영역으로 이동시킨다. 이와 같이 양전하인 전공은 접지전압 공급선(33) 쪽으로 끌어당겨져 접지전압 공급선 콘택을 통하여 제거되고, 음전하인 전자는 밀쳐져 접지전압 공급선(33)과 반대쪽으로 이동함으로써 음전하와 양전하가 만나 재결합하여 전하가 사라지는 현상이 억제된다. 원활한 전하전송을 위하여 트랜지스터를 온시킴과 동시에 접지전압 공급선(33)을 통하여 인가되는 전원을 오프시킨다.
도 5a 및 도5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전원공급선과 반도체 기판의 콘택 형태를 보이는 단면도로서, 도 5a는 층간절연막(46) 내에 형성된 콘택홀 저면 및 측벽에 절연막(44)을 구비하여 반도체 기판(40)과 접지 전압선(43) 사이에 절연막(44)이 위치하는 것을 보이며, 도 5b는 층간절연막(46) 내에 형성된 콘택홀 저면에 절연막 패턴(45)을 구비하여 반도체 기판(40)과 접지전압 공급선(43) 사이에 절연막 패턴(45)이 위치하는 것을 보이고 있다.
전술한 본 발명의 실시예에서는 상기 접지전압 공급선(43)이 포토다이오드에 인접한 반도체 기판과 접하거나, 중첩되는 것을 설명하였지만, 상기 접지 전압공급선(43)은 포토다이오드 영역과 직접 접하거나, 포토다이오드 영역과 중첩되어 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드 주변에 반도체 기판에 저전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 음전하와 양전하를 분리시켜 음전하와 양전하가 만나 소멸하는 재결합 현상을 억제할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 광감지 영역에 넓게 퍼져 있는 전하를 한곳으로 모아줌으로써 보다 많은 전하를 센싱영역으로 전송시켜 칩 동작에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서 구조를 개략적으로 보이는 단면도,
도 3a는 종래 포토다이오드의 n형 불순물 영역과 p형 불순물 영역의 레이아웃을 보이는 평면도,
도 3b는 도 3a의 A-A'선을 따른 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전원공급선과 반도체 기판의 콘택 형태를 보이는 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
30: 반도체 기판 31: 필드산화막
32: 포토다이오드 33: 전원공급선
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Claims (7)
- 반도체 기판 내에 입사되는 광에 의해 전하를 발생시키는 광감지 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성된 광감지 영역;상기 광감지 영역에서 광에 의해 발생된 전하를 전달하는 전하운송수단; 및상기 광감지 영역을 중심으로 상기 전하운송수단과 대칭되는 영역의 상기 반도체 기판 표면에 형성된 전원공급선을 포함하며,상기 광감지 영역에 전하가 축적되는 동안에 상기 전원공급선을 통해 광감지영역에 접지전압이 인가되고 상기 전하운송수단에 의해 전하가 전달되는 동안에는 상기 접지전압이 인가되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 접지전원공급선은 상기 광감지 영역에 인접하는 상기 반도체 기판 표면에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 접지전원공급선은 상기 광감지 영역을 이루는 반도체 기판 표면에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 및상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 접지전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면 부분을 노출시키는 콘택홀을 더 포함하고,상기 접지전원공급선은 상기 반도체 기판과 접하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막;상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 접지전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면 부분을 노출시키는 콘택홀; 및상기 콘택홀 저면 및 측벽을 덮는 절연막을 더 포함하고,상기 접지전원공급선은 상기 절연막과 접하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 접지전원공급선으로부터 전압을 인가받는 반도체 기판 표면을 덮는 절연막 패턴;상기 절연막 패턴 및 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 및상기 층간절연막 내에 형성되어 상기 절연막 패턴 표면을 노출시키는 콘택홀을 더 포함하고,상기 접지전원공급선은 상기 절연막 패턴과 접하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Also Published As
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| KR20020058495A (ko) | 2002-07-12 |
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