KR100638260B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서 내에서 발생하는 암전류를 효과적으로 줄이기 위한 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 소정의 형상으로 기판에 형성되는 수광소자; 수광소자와 수평 방향으로 소정 이격되며, 수광소자를 둘러싸도록 기판에 형성되는 플로팅 디퓨전; 및 수광소자 및 플로팅 디퓨전과 수직 방향으로 소정 이격되어 형성되고, 수광소자 및 플로팅 디퓨전의 인접 경계영역에서 각각 중첩되도록 형성되며 중공(中空)의 형상을 갖는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 것을 특징으로 이루어진다.
씨모스, CMOS, 씨모스 이미지 센서, 링구조, 트랜스퍼 게이트, 암전류,

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS Image Sensor}
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래 씨모스 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 A-A' 기준으로 절단한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 수광소자
30 : 트랜스퍼 게이트 40 : 플로팅 디퓨전
50 : STI(Shallow Trench Isolation)
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서 내에서 발생하는 암전류를 효과적으로 줄이기 위한 것이다. 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 소정의 형상으로 기판에 형성되는 수광소자; 수광소자와 수평 방향으로 소정 이격되며, 수광소자를 둘러싸도록 기판에 형성되는 플로팅 디 퓨전; 및 수광소자 및 플로팅 디퓨전과 수직 방향으로 소정 이격되어 형성되고, 수광소자 및 플로팅 디퓨전의 인접 경계영역에서 각각 중첩되도록 형성되며 중공(中空)의 형상을 갖는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 것을 특징으로 이루어진다.
씨모스 이미지 센서는 종래의 씨모스 트랜지스터 공정을 이용하여 제작한다. 씨모스 트랜지스터는 낮은 전력 소모, 낮은 가격, 그리고 높은 수준의 집적화 등의 장점이 있다. 이와 같은 장점으로, 종래 씨모스 이미지 센서는 많은 응용 분야에서 CCD(Charge-Coupled Device)의 대안으로 기대되고 있었다. 하지만, 씨모스 이미지 센서에서 보고된 암전류(dark current)의 정도가 최적화 공정을 거친 CCD 센서의 암전류에 비해 10배 이상 큰 상태이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래의 씨모스 이미지 센서를 설명하고 그에 따른 문제점을 설명한다.
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래 씨모스 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도시된 도 1 및 도 2와 같이, 종래 씨모스 이미지 센서는, 기판(1); 기판에 형성되고 광학 에너지를 받기 위한 수광소자(2); 수광소자에서 발생한 캐리어가 전달되는 플로팅 디퓨전(4); 수광소자로부터 발생한 캐리어를 제어하여 플로팅 디퓨전에 전달시키는 트랜스퍼 게이트(3); 다른 소자와의 분리를 하기 위한 STI(5)로 이루어진다.
전술한 바와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서는, 기판(1) 상에 수광소자(2), 트랜스퍼 게이트(3) 및 플로팅 디퓨젼(4)이 일렬로 나란히 존재하는 구조로 되어 있다. 그리고 이 구조를 STI(5)가 둘러싸서 다른 영역과 분리시켜준다.
상기 전술한 구조에 의한 씨모스 이미지 센서는, 광학에너지가 수광소자(2)를 통해 들어와 캐리어를 발생시키고, 트랜스퍼 게이트(3)의 제어에 의해 캐리어가 수광소자(2)에서 플로팅 디퓨전(4)으로 전달이 된다.
그러나 이 구조에서는 STI(5)의 결함이나 STI(5)를 넘어서는 공핍 영역(depletion region) 등에 의하여 수광소자에서 STI(5)쪽으로 캐리어의 이동이 존재하고, 이러한 캐리어의 이동이 암전류의 주요 요인이 되었다.
종래 씨모스 이미지 센서에서 발생하는 암전류는 크게 두 종류로 나눌 수 있다.
하나는 수광소자(2) 자체의 접합에 관한 영역 성분으로 다음과 같다.
수광소자(2)에서 암전류의 영역 성분은 표면과 벌크에서의 p-n 접합의 공핍 영역에서 발생한다. 이 중, 표면에서 발생하는 암전류의 경우, 수광소자를 p+/n/p- 의 구조로 형성함으로써 n+/p 또는 n+/n/p- 등의 구조에 비해 상대적으로 암전류를 줄일 수 있다.
다른 하나는 수광소자(2)와 STI(5)간의 주변 성분에 의해 발생하는 것으로, STI(5)의 옆 벽과 테두리의 결함에 크게 관련된다.
암전류의 주변 성분이 전술한 암전류의 영역 성분에 비해 상대적으로 크기 때문에, 암전류의 주요 요인으로 고려할 수 있다.
이러한 결함을 지닌 STI(5)의 옆 벽과 수광소자 사이의 거리를 증가시킴으로써, 수광소자(2)에서 STI(5)로 발생하는 암전류를 줄일 수 있다. 그러나 수광 민감 도 및 포화 수준과 같은 씨모스 이미지 센서의 여러 특성들이 거리의 증가와 함께 나빠진다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래 씨모스 이미지 센서의 STI 옆 벽과 테두리에 의해 야기되던 암전류를 줄이는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 플로팅 디퓨전으로 전달되는 캐리어의 전달 특성을 향상시키기는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 소정의 형상으로 기판에 형성되는 수광소자; 수광소자와 수평 방향으로 소정 이격되며, 수광소자를 둘러싸도록 기판에 형성되는 플로팅 디퓨전; 및 수광소자 및 플로팅 디퓨전과 수직 방향으로 소정 이격되어 형성되고, 수광소자 및 플로팅 디퓨전의 인접 경계영역에서 각각 중첩되도록 형성되며 중공(中空)의 형상을 갖는 트랜스퍼 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 수광소자의 평면은 원 또는 타원 형상이고, 트랜스퍼 게이트의 평면은 링 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 수광소자로 들어온 광학에너지에 의해 생성된 캐리어가 트랜스퍼 게이트를 통해 플로팅 디퓨전 측의 모든 방향으로 전달이 가능해짐으로써 STI 쪽으로 전달되는 암전류를 줄이는 효과가 있다.
여기서, 수광소자와 인접 수광소자간의 아이솔레이션을 위해 플로팅 디퓨전 과 수평방향으로 소정 이격되어 형성되는 소자 분리 산화막(STI; Shallow Trench Isolation)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 수광소자의 수직 단면의 중심선을 기준으로 수광소자, 트랜스퍼 게이트, 플로팅 디퓨전 및 STI가 각각 대칭되도록 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 플로팅 디퓨전의 평면은 사각 형상이고, 중심부에 원형의 중공(中空)을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 수광소자로 들어온 광학에너지에 의해 생성된 캐리어가 트랜스퍼 게이트를 통해 플로팅 디퓨전 측으로 전달되는 과정에서, STI쪽으로 전달 되는 현상을 줄일 수가 있다. 즉, 암전류가 줄어드는 효과가 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이하, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명 하자면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 A-A' 기준으로 절단한 단면도이다.
도시된 도 3 및 도 4와 같이, 씨모스 이미지 센서는, 기판(10); 기판 중앙부에 형성되고 광학 에너지를 받기 위한 수광소자(20); 수광소자로부터 발생한 캐리어를 제어하여 플로팅 디퓨전에 전달시키는 트랜스퍼 게이트(30); 트랜스퍼 게이트(30)에 의해 캐리어가 전달 또는 확산 되는 플로팅 디퓨전(40); 다른 소자와의 간 섭을 분리하기 위한 STI(50)를 포함한다.
여기서, 수광소자(20)의 수직 단면의 중심선을 기준으로 수광소자(20), 트랜스퍼 게이트(30), 플로팅 디퓨전(40) 및 STI(50)가 각각 대칭되도록 형성된다.
수광소자(20)의 평면은 원형이고, 트랜스퍼 게이트(30)는 링 구조로 형성된다.
플로팅 디퓨전(40)은 수광소자(20)와 수평 방향으로 소정의 거리를 두고 수광소자(20)를 둘러싸도록 기판에 형성된다.
트랜스퍼 게이트(30)는 수광소자(20) 및 플로팅 디퓨전(40)과 수직 방향으로 소정의 공간을 두고 이격되어 형성되며 수광소자(20) 및 플로팅 디퓨전(40)의 인접 경계영역에 각각 중첩되는 중공(中空)의 형상을 갖도록 한다.
트랜스퍼 게이트(30)와 인접 경계영역에 중첩되는 플로팅 디퓨전(40)의 평면은 사각형으로 기판(10)에 형성된 수광소자(20)를 둘러싸도록 중심부에 원형의 중공(中空)을 갖는다.
씨모스 이미지 센서 소자간의 아이솔레이션을 하는 STI(50)가 플로팅 디퓨전(40)을 둘러싸도록 기판에 형성한다.
다음은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작 설명을 나타낸다.
기판(10) 상에 형성된 수광소자(20)가 외부로부터 광학 에너지를 받는다.
수광된 광학 에너지에 의해 생성된 캐리어는 트랜스퍼 게이트(30)에 의해 제어되어 플로팅 디퓨전(40) 측으로 캐리어가 전달된다.
이때, 수광소자(20)가 원형의 구조로 형성되고, 트랜스퍼 게이트(30)가 링 구조로 형성되어, 수광소자(20)에 입사된 광학 에너지에 의해 생성된 캐리어는 링 구조의 모든 면을 통해 플로팅 디퓨전(40) 측으로 캐리어가 전달 된다.
이에 따라, 수광소자(20)에 입사된 광학 에너지가 트랜스퍼 게이트(30)의 링 구조에 의하여 플로팅 디퓨전(40) 측의 모든 면을 통해 확산 된다는 것은 트랜스퍼 게이트(30)의 전송효율이 향상된 것을 나타낸다.
여기서, 플로팅 디퓨전(40)의 구조에 의하면, 트랜스퍼 게이트(30)를 통해 플로팅 디퓨전(40)으로 확산된 캐리어가 STI(50) 측으로 빠져나가기 전에 플로팅 디퓨전(40) 측의 넓은 면으로 전달된다.
이는 수광 된 광학에너지가 플로팅 디퓨전(40)의 넓은 면적으로 먼저 확산이 되는 구조를 갖춤으로써 STI(50)로 빠져나가는 암전류를 줄일 수 있다.
다시 말하자면, 수광된 광학 에너지가 플로팅 디퓨전(40) 또는 STI(50)를 넘어서거나 인접한 수광소자 측에 다다를 수 없다는 것이다.
이로 인해 상호 인접한 수광소자들 간에 끼치는 신호의 간섭 또는 암전류가 감소하여 씨모스 이미지 센서의 성능이 향상된다.
전술한 씨모스 이미지 센서가 링구조를 갖게 되어 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 플로팅 디퓨젼(40)이 수광소자(20)를 둘러싸고 있는 구조, 즉 수광소자(20)를 기준으로 플로팅 디퓨젼(40)이 모든 방향으로 존재하고 있다. 따라서 수광소자(20)에 발생된 캐리어가 모든 방향으로 형성된 플로팅 디퓨젼(40)으로 전달된다. 또한, 대다수의 캐리어가 STI(50)에 도달하기 전에 플로팅 디퓨젼(40)에 먼저 전달되기 때문에, 암전류의 발생을 최대한 줄일 수 있게 된다.
결국, 플로팅 디퓨젼(40)으로 전달되는 절대적인 캐리어의 양도 증가시키면서 한편으로는 STI(50)로 빠져나가는 암전류를 줄일 수 있게 된다.
둘째, 트랜스퍼 게이트(30)와 플로팅 디퓨전(40)이 수광소자를 둘러싸는 형태를 가짐으로써, 수광소자(20)들 간의 거리가 종래의 구조에 비해 상대적으로 멀어지게 된다. 이에 따라, STI(50)를 넘어 수광소자(20)들 간에 서로 영향을 끼칠 수 있는 수광소자(20)들 간의 간섭을 줄일 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 수광소자로 입사된 광학 에너지에 의해 생성된 캐리어를 효과적으로 플로팅 디퓨전 측에 전달하여 씨모스 이미지 센서의 성능을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 종래의 구조에 비해 STI로 흐르는 암전류를 상대적으로 줄이는 효과가 있다.
또한, 트랜스퍼 게이트가 수광소자와 중첩되고 모든 방향을 둘러싸도록 형성되어 모든 방향으로 플로팅 디퓨전이 존재함으로써, 플로팅 디퓨전으로 전달되는 캐리어의 양을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따라 암전류를 효과적으로 줄여 씨모스 이미지 센서의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    소정의 형상으로 기판에 형성되는 수광소자;
    상기 수광소자와 수평 방향으로 소정 이격되며, 상기 수광소자를 둘러싸도록 기판에 형성되는 플로팅 디퓨전; 및
    상기 수광소자 및 상기 플로팅 디퓨전과 수직 방향으로 소정 이격되어 형성되고, 상기 수광소자 및 상기 플로팅 디퓨전의 인접 경계영역에서 각각 중첩되도록 형성되며 중공(中空)의 형상을 갖는 트랜스퍼 게이트;
    를 포함하는, 씨모스 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자의 평면은 원 또는 타원 형상인, 씨모스 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트랜스퍼 게이트의 평면은 링 구조로 형성되는, 씨모스 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자와 인접 수광소자간의 아이솔레이션을 위해 상기 플로팅 디퓨전과 수평방향으로 소정 이격되어 형성되는 소자 분리 산화막(STI; Shallow Trench Isolation)를 더 포함하는, 씨모스 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수광소자의 수직 단면의 중심선을 기준으로 상기 수광소자, 상기 트랜스퍼 게이트, 상기 플로팅 디퓨전 및 상기 STI가 각각 대칭되도록 형성되는, 씨모스 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 디퓨전의 평면은 사각 형상인, 씨모스 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플로팅 디퓨전은 중심부에 원형의 중공(中空)을 갖는, 씨모스 이미지 센서.
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