KR100647514B1 - 다중 기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서. - Google Patents

다중 기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서. Download PDF

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Abstract

본 발명은 씨모스(Complementary metal-oxide-silicon; CMOS) 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서 내에서 발생하는 암전류와 크로스토크(cross-talk)를 줄이는데 목적에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서는, 표면을 기준으로 상부는 단면이 원 또는 타원형인 다수 개의 기둥이 형성되고, 하부는 다수 개의 기둥과 인접하여 홈이 형성되는 기판; 기판의 하부에 형성된 홈에 증착된 플로팅 디퓨전; 기판의 상부에 형성된 다수 개의 기둥 위에 형성되는 수광소자; 및 플로팅 디퓨전 상단에 기판과 수직방향으로 형성되고 기판과 수광소자를 둘러싸도록 형성되는 트랜스퍼 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 이루어진다.
CMOS 이미지 센서, 수광소자, 트랜스퍼 게이트, 플로팅 디퓨젼, 암전류, 크로스토크(Cross-talk)

Description

다중 기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서.{Structure of CMOS Image Sensor with the Multi-Pillar Type Transistor}
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도 2는 종래 씨모스 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 수광소자
30 : 트랜스퍼 게이트 40 : 플로팅 디퓨전
50 : 소자 분리 산화막(STI; shallow Trench Isolation)
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서 내에서 발생하는 암전류와 크로스토크를 줄이는데 그 목적이 있다.
이미지 센서는 상대적으로 회로가 간단하고, 화질과 잡음 등에서 좋은 성능 을 갖는 등의 이유로 CCD(Charge-Coupled Device)가 많이 사용되어 왔다.
한편, 모바일 기기 등의 낮은 전력과 높은 집적도를 필요로 하는 응용 제품들이 많이 요구됨에 따라 낮은 전력 소모, 낮은 가격, 그리고 높은 수준의 집적화 등의 장점이 있는 CMOS 이미지 센서에 관심이 집중되고 있으며, CCD의 대안으로 기대되고 있다.
그러나, CMOS 이미지 센서는 CCD에 비해 암전류(dark current)가 10배 이상 크고 픽셀의 크기가 감소함에 따라 CMOS 이미지 센서의 신호 대 잡음의 비가 감소하며 이웃하는 픽셀 간의 크로스토크가 증가한다는 문제점이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래의 CMOS 이미지 센서를 설명하고 그에 따른 문제점을 설명한다.
도 1은 종래 COMS 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도 2는 종래 CMOS 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.
도시된 바와 같이, 종래 CMOS 이미지 센서는, 기판(1)과 기판에 형성되고 광학 에너지를 받기 위한 수광소자(2)와 수광소자에서 발생한 캐리어가 전달되는 플로팅 디퓨전(4)과 수광소자로부터 발생한 캐리어를 제어하여 플로팅 디퓨전에 전달시키는 트랜스퍼 게이트(3) 및 다른 소자와의 분리를 하기 위한 소자 분리 산화막(5)으로 이루어진다.
전술한 바와 같이 종래의 CMOS 이미지 센서는, 기판(1) 상에 수광소자(2), 트랜스퍼 게이트(3) 및 플로팅 디퓨젼(4)이 일렬로 나란히 존재하는 구조로 되어 있다.
그리고 이 구조를 소자 분리 산화막(5)이 둘러싸서 다른 영역과 분리시켜준다.
CMOS 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 소자 분리 산화막(5)의 결함이나 소자 분리 산화막(5)를 넘어서는 공핍 영역(depletion region) 등에 의하여 수광소자에서 소자 분리 산화막(5)쪽으로 캐리어의 이동이 존재하고, 이러한 캐리어의 이동이 암전류의 주요 요인이 되었다.
종래 CMOS 이미지 센서의 이웃하는 수광소자 간에 발생하는 크로스토크는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 하나는 픽셀간의 전자 디퓨젼에 의한 성분이고, 다른 하나는 비스듬히 입사하는 빛에 의한 성분이다.
픽셀간 전자 디퓨젼에 의한 크로스토크 성분은 긴 파장에 의해 생긴다. 픽셀간의 전자의 디퓨젼을 막기 위해 수광소자를 deep p-well 구조로 형성함으로써 기존 수광소자의 p-well 구조에 비해 인접한 픽셀로의 전자 디퓨젼을 상대적으로 줄일 수 있다.
비스듬히 입사하는 빛에 의해 발생하는 크로스토크 성분을 줄이는 한 방법은 이 빛이 수광소자 외의 다른 곳에 도달하는 것을 막는 것이다. 이를 위해서 두 층의 금속 photoshield를 사용한다. 하지만 금속층들의 수를 증가시키는 것은 전체적인 스택의 물리적인 높이를 증가시킨다.
종래 CMOS 이미지 센서의 수광소자에서 발생하는 암전류는 크게 두 종류로 나눌 수 있다.
하나는 수광소자(2) 자체의 접합에 관한 영역 성분이다.
수광소자(2)에서의 암전류의 영역 성분은 표면과 벌크 (bulk)에서의 p-n 접합의 공핍 영역에서 발생한 암전류이다.
이 중, 표면에서 발생하는 암전류의 경우, 수광소자(2)를 p+/n/p-의 구조로 형성함으로써 n+/p나 n+/n/p-등의 구조에 비해 상대적으로 암전류를 줄일 수 있다.
다른 하나는 수광소자(2)와 소자 분리 산화막(5)간의 관계에 관한 주변부 성분이다.
수광소자(2)에서의 암전류의 주변부 성분은 소자 분리 산화막(5)의 옆 벽과 테두리의 결함들에 크게 관련되어 있다. 소자 분리 산화막(5)의 옆 벽과 수광소자(2) 사이의 거리를 증가시킴으로써, 결함을 지닌 소자 분리 산화막(5)의 옆 벽과 테두리에 의해 야기된 암전류가 줄어들 수 있다.
하지만 수광 민감도(photo sensitivity)와 포화(saturation) 수준과 같은 CMOS 이미지 센서의 여러 특성이 거리의 증가와 함께 성능이 나빠지게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, CMOS 이미지 센서의 소자 분리 산화막 옆 벽과 테두리에 의해 야기되던 암전류와 크로스토크를 줄이는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 플로팅 디퓨전으로 전달되는 캐리어의 전달 특성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 표면을 기준으로 상부는 단면이 원 또는 타원형인 다수개의 기둥이 형성되고, 하부는 상기 다수개의 기둥과 인접하여 홈이 형성되는 기판, 상기 기판의 하부에 형성된 홈에 증착된 플로팅 디퓨전, 상기 기판의 상부에 형성된 상기 다수개의 기둥 위에 형성되는 수광소자 및 상기 플로팅 디퓨전 상단에 상기 기판과 수직방향으로 형성되고 상기 다수개의 기둥과 수광소자를 둘러싸도록 형성되는 트랜스퍼 게이트를 포함하는, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서이다.
여기서, 상기 수광소자와 인접 수광소자 간의 아이솔레이션을 위해 상기 기판의 최외면에 소자 분리 산화막(STI: shallow Trench Isolation)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기준을 단면으로 하여 상기 트랜스퍼 게이트의 단면적 보다 상기 플로팅 디퓨전의 단면적이 더 큰 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기판의 기둥보다 상기 트랜스퍼 게이트의 높이가 큰 것이 바람직하다.
여기서, 상기 수광소자의 기둥이 같은 간격인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 수광소자의 각 기둥 단면 지름은 각 기둥간의 간격보다 큰 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 a-a' 기준으로 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는, 표면을 기준으로 상부는 단면이 원 또는 타원형인 다수개의 기둥이 형성되고, 하부는 다수개의 기둥과 인접하여 홈이 형성되는 기판(10)과 기판(10)의 하부에 형성된 홈에 증착된 플로팅 디퓨전(40)과 기판(10)의 상부에 형성된 다수개의 기둥 위에 형성되는 수광소자(20) 및 플로팅 디퓨전(40) 상단에 기판(10)과 수직방향으로 형성되고 기판(10)과 수광소자(20)를 둘러싸도록 형성되는 트랜스퍼 게이트(30)를 포함한다.
소자 분리 산화막(50)은 다른 소자와의 전기적 분리를 위해 형성한다.
다음은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작 설명을 나타낸다.
표면을 기준으로 상부는 단면이 원 또는 타원형인 다수개의 기둥에 형성된 기판(10)의 상부에 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)는 단면이 원 또는 타원형인 다수개의 기둥 구조로 형성 되고, 트랜스퍼 게이트(30)가 기판(10)과 수광소자(20)와 수직방향으로 형성되어, 수광소자(20)에 입사된 광학 에너지에 의해 생성된 캐리어는 트랜스퍼 게이트(30)의 면을 통해 플로팅 디퓨전(40)으로 캐리어가 전달된다.
이에 따라, 수광소자(20)에 입사된 광학 에너지가 트랜스퍼 게이트(30)에 의하여 플로팅 디퓨전(40) 측의 모든면을 통해 확산되어 트랜스퍼 게이트(30)의 전송효율이 향상된다.
도 3과 도 4에 도시된 플로팅 디퓨전(40)의 구조에 의하면, 트랜스퍼 게이트(30)를 통해 플로팅 디퓨전(40)으로 확산된 캐리어가 소자 분리 산화막(50) 측으로 빠져나가 전에 플로팅 디퓨전(40)의 넓은 면으로 전달된다.
수광 된 광학에너지가 플로팅 디퓨전(40)의 넓은 면적으로 먼저 확산 됨으로써 소자 분리 산화막(50)으로 빠져나가는 암전류를 줄일 수 있다.
따라서, 수광된 광학 에너지가 플로팅 디퓨전(40) 또는 소자 분리 산화막(50)를 넘어서거나 인접한 수광소자 측에 근접할 수 없게 된다.
결국, 이러한 본 발명의 구성에 의해 상호 인접한 수광소자들 간에 끼치는 신호의 간섭을 줄이고, 암전류가 감소하여 씨모스 이미지 센서의 성능이 향상된다.
또한, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서에서는 기판(10) 상부에 수광소자(20)가 위치하고, 기판(10) 하부의 홈에 플로팅 디퓨전(40)을 수직으로 위치시키고, 기판(10) 상부의 기둥과 수광소자(20)를 트랜스퍼 게이트(30)가 감싸고 있어 미세 기둥들의 측면이 채널로 사용된다.
기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 CMOS 이미지 센서의 구조는 기존의 구조에 비해 암전류를 줄일 수 있고 수광 능력을 증대시킬 수 있으며 크로스토크에 의한 영향을 줄일 수 있는 다음과 같은 특징들을 가지고 있다.
첫째, 새로 제안한 구조에서는 대다수의 캐리어가 소자 분리 산화막(50)에 도달하기 전에 플로팅 디퓨젼(40)을 먼저 만나게 되기 때문에, 암전류가 많이 줄어들게 된다. 즉, 플로팅 디퓨젼(40)으로 전달되는 절대적인 캐리어의 양도 증가시키면서, 한편으로는 소자 분리 산화막(50)으로 빠져나가는 암전류를 줄일 수 있다.
둘째, 수광소자(20)가 기둥 구조로 존재하기 때문에, 기존 수광소자(20)의 2차원적인 수광면적을 3차원적인 공간으로 확대하였다. 이로 인해 감광 체적(photosensitive volume)이 증가하기 때문에, 광학적으로 사각구조(dead region)에 의해 생기는 흡수 손실을 기존의 구조에 비해 감소시킬 수 있다.
셋째, 기둥 구조의 수광소자(20)가 많이 존재하기 때문에, 비스듬히 입사하는 빛에 대해서도 수광소자(20)가 반응할 수 있는 구조를 갖추게 되었다. 이로 인해, 기존 소자에서 비스듬히 입사한 빛에 의한 크로스토크 현상을 줄일 수 있다.
넷째, 수광소자(20)가 실리콘 기판 위에 수직으로 위치하기 때문에, 수광소자(20)들 간의 거리가 기존의 구조에 비해 상대적으로 멀어지게 된다. 이로 인해, 소자 분리 산화막(50)을 넘어서서 수광소자(20)들 간에 서로 영향을 끼치는 효과가 기존의 구조에 비해 상대적으로 감소하여, 이 또한 암전류와 크로스토크가 줄어들게 되는 효과를 가져온다.
다섯째, 트랜스퍼 게이트(30)가 감싸는 기둥의 모든 측면이 트랜지스터의 채널 역할을 하므로, 본원 발명의 구조에서는 기존 구조가 차지하는 면적의 30% 정 도에서도 기존 구조와 동일한 전자 전달 능력을 가질 수 있다. 따라서 본원 발명의 구조를 이용하면 기존 구조보다 면적도 줄이면서 동시에 전자 전달 능력도 높일 수 있어 하나의 칩 안에 더 많은 픽셀 수를 가질 수 있고 그로 인해 해상도가 좋아진다.
여섯째, 한 픽셀의 감광 활성영역(photosensitive active region)이 여러 개의 미세 기둥의 수광소자(20)들로 이루어져 있기 때문에 일부 트랜지스터에 결함이 있더라도 하나의 트랜지스터로 이루어진 기존 구조에 비해 정확한 이미지 및 높은 수율을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제안한 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 CMOS 이미지 센서는 기존의 구조에 비해 암전류와 크로스토크를 줄일 수 있고 수광 능력을 증대시킬 수 있는 여러 특성을 지니고 있다.
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 수광소자가 기판 위에 수직으로 위치해, 수광소자들 간의 거리가 상대적으로 멀어짐에 따라 소자 분리 산화막을 넘어서서 수광소자들 간에 서로 영향을 끼치는 효과가 기존의 구조에 비해 상대적으로 감소하여, 크로스 토크와 암전류를 줄이는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 표면을 기준으로 상부는 단면이 원 또는 타원형인 다수개의 기둥이 형성되고, 하부는 상기 다수개의 기둥과 인접하여 홈이 형성되는 기판;
    상기 기판의 하부에 형성된 홈에 증착된 플로팅 디퓨전;
    상기 기판의 상부에 형성된 상기 다수개의 기둥 위에 형성되는 수광소자; 및
    상기 플로팅 디퓨전 상단에 상기 기판과 수직방향으로 형성되고 상기 다수개의 기둥과 수광소자를 둘러싸도록 형성되는 트랜스퍼 게이트;
    를 포함하는, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자와 인접 수광소자 간의 아이솔레이션을 위해 상기 기판의 최외면에 소자 분리 산화막(STI: shallow Trench Isolation)를 더 포함하는, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준을 단면으로 하여 상기 트랜스퍼 게이트의 단면적 보다 상기 플로팅 디퓨전의 단면적이 더 큰 , 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 기둥보다 상기 트랜스퍼 게이트의 높이가 큰, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자의 기둥이 같은 간격인, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지센서.
  6. 제6항에 있어서,
    상기 수광소자의 각 기둥 단면 지름은 각 기둥 간의 간격보다 큰, 다중기둥 구조의 트랜지스터를 갖는 씨모스 이미지센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107221539A (zh) * 2016-03-22 2017-09-29 爱思开海力士有限公司 图像传感器及制造其的方法
TWI660492B (zh) * 2015-06-09 2019-05-21 韓商愛思開海力士有限公司 具有垂直傳輸閘的圖像感測器及製造其的方法

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