KR100657150B1 - 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, 반도체 기판 내에 입사되는 광에 의해 전하를 발생시키는 광감지 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 광감지 영역; 및 상기 반도체 기판에 상기 반도체 기판 보다 높은 전압을 인가하기 위한 전원공급선을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, 광감지 영역, 전원공급선, 전기장, 전하, 재결합
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서 구조를 개략적으로 보이는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃을 보이는 평면도,
도 4는 도 3의 A-A' 선을 따른 단면도,
도 5a 내지 도5c는 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 34: 전원공급선
35: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극
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 반도 체 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 형성이 완료된 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 감지하는 포토다이오드와 같은 광감지 영역을 통해 빛을 전기적 신호로 변환한다. 빛이 마이크로 렌즈(27)를 통과하고 칼라필터(R, G, B)를 통과한 후 전하를 생성하는 포토다이오드에 도달하기까지는 많은 빛이 손실된다. 그리고, 포토다이오드에서 전자-정공 쌍을 형성하였더라도 다시 재결합(recombination) 반응을 거치면서 생성된 전하가 사라지기도 하며, 남아있던 전하마저도 넓은 광감지 영역에 고루 퍼져있어 트랜지스터가 온(On) 상태가 되더라도 이동되지 않은 전자가 있음으로 인해서, 즉 생성된 전하 모두가 칩 동작에 쓰이지 못하게 되어 광감도 특성이 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 광감지 영역에서 생성된 전하의 재결합을 방지하여 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; 상기 반도체 기판 내에 형성되어 입사되는 광을 양전하와 음전하의 전기신호로 변환하는 광감지 영역; 상기 반도체 기판 상의 상기 광감지 영역과 인접되게 형성되어 상기 양전하를 센싱영역으로 전송하는 트랜스퍼 게이트; 상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막; 상기 층간절연막이 패터닝되어 상기 반도체 기판의 상기 광감지 영역과 인접하는 부분을 노출시키는 콘택홀; 및 상기 콘택홀 내에 형성되어 상기 트랜스퍼 게이트가 상기 양전하를 상기 센싱영역으로 전송할 때 상기 반도체 기판 보다 높은 전압을 인가하여 상기 반도체 기판의 상기 콘택홀이 형성된 부분 주변에 전기장을 발생하는 전원공급선을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
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 접할 수도 있다.
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 접할 수도 있다.
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 접할 수도 있다.
본 발명은 광감지 영역이 형성된 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판 보다 높은 전압을 인가하여 광감지 영역에서 생성된 보다 많은 전하를 칩 동작에 유효하게 쓸 수 있도록 할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 특징이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 레이아웃을 보이는 평면도로서, 필드산화막(31), 포토다이오드(32), 전원공급선(34), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(35)의 위치를 보이고 있다.
도 4는 도 3의 A-A' 선을 따른 단면도로서, 포토다이오드에 이웃한 반도체 기판(30)과 연결되어 반도체 기판 보다 높은 전압 예를 들어, 전원전압을 인가하는 전원공급선(34)에 의해 전기장이 발생되어 전자(e)와 정공(h)이 서로 반대 방향으로 즉, 전자(e)는 전원공급선(34)의 방향으로 이동하고 정공(h)은 센싱영역(도시하지 않음)으로 이동하는 것을 보이고 있다. 도 4에서 미설명 도면부호 '33'은 층간절연막을 나타낸다.
이와 같은 구조의 이미지 센서에서 전하를 발생시키는 집적 시간(integration time) 동안 전원공급선(34)에 반도체 기판(30) 보다 높은 전위의 전압을 인가하여 전기장을 형성시킴으로써 전자(e)는 전원공급선(34)의 방향으로 이동시키고 정공(h)은 센싱영역으로 이동시킨다. 이와 같이 음전하인 전자는 전원공급선(34) 쪽으로 끌어당겨지고, 양전하인 정공은 밀쳐짐으로써 음전하와 양전하가 만나 재결합하여 전하가 사라지는 현상이 억제된다. 원활한 전하전송을 위하여 트랜지스터를 온시킴과 동시에 전원공급선(34)을 통하여 인가되는 전원을 오프시킨다.
도 5a 내지 도5c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전원공급선과 반도체 기판의 콘택 형태를 보이는 단면도로서, 도 5a는 반도체 기판(30)이 직접 콘택하는 전원공급선(34)을 보이고, 도 5b는 층간절연막(33) 내에 형성된 콘택홀 저면 및 측벽에 절연막(36)을 구비하여 반도체 기판(30)과 전원공급선(34) 사이에 절연막(36)이 위치하는 것을 보이며, 도 5c는 층간절연막(33) 내에 형성된 콘택홀 저면에 절연막 패턴(37)을 구비하여 반도체 기판(30)과 전원공급선(34) 사이에 절연막 패턴(37)이 위치하는 것을 보이고 있다.
전술한 본 발명의 실시예에서는 상기 전원공급선(34)이 포토다이오드에 인접한 반도체 기판과 접하거나, 중첩되는 것을 설명하였지만, 상기 전원공급선(34)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 고전압을 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.
Claims (6)
- 반도체 기판 내에 입사되는 광에 의해 전하를 발생시키는 광감지 영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성되어 입사되는 광을 양전하와 음전하의 전기신호로 변환하는 광감지 영역;상기 반도체 기판 상의 상기 광감지 영역과 인접되게 형성되어 상기 양전하를 센싱영역으로 전송하는 트랜스퍼 게이트;상기 반도체 기판을 덮는 층간절연막;상기 층간절연막이 패터닝되어 상기 반도체 기판의 상기 광감지 영역과 인접하는 부분을 노출시키는 콘택홀; 및상기 콘택홀 내에 형성되어 상기 트랜스퍼 게이트가 상기 양전하를 상기 센싱영역으로 전송할 때 상기 반도체 기판 보다 높은 전압을 인가하여 상기 반도체 기판의 상기 콘택홀이 형성된 부분 주변에 전기장을 발생하는 전원공급선을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 전원공급선이 상기 반도체 기판과 접촉되게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 전원공급선은 상기 반도체 기판 상에 절연막을 개재시켜 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
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