KR100667498B1 - 시모스 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각 픽셀에서 출력되는 신호의 특성에 큰 차이가 없는 시모스 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 의해 집광된 빛에 대응하는 전자를 플로팅노드로 전달하기 위한 전달트랜지스터; 및 상기 플로팅노드에 전달되는 전자에 대응하는 인가되는 전압에 대응하여 소스단을 드라이빙 하기 위한 정션 전계효과 트랜지스터를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
시모스 이미지센서, 픽셀, 전달트랜지스터, 리셋트랜지스터, 드라이빙 트랜지스터.

Description

시모스 이미지센서{CMOS IMAGE SENSOR}
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도5는 본 발명에 적용되는 정션 전계효과 트랜지스터를 나타내는 단면도.
도6은 도5에 도시된 정션 전계효과 트랜지스터의 동작특성을 나타내는 단면도와 그래프.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 정션 전계효과 트랜지스터를 적용한 구조를 나타내는 평면도.
도8은 도7에 도시된 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
Tx : 전달 트랜지스터
Dx : 드라이빙 트랜지스터
Rx : 리셋 트랜지스터
Sx : 선택 트랜지스터
PD : 포토다이오드
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 광 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터 (11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 전달 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다.
이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10)에서 전달된 빛에 의해 모아진 전자를 전자를 출력단(Output)으로 전달하기 위해 4개의 모스트랜지스터(11, 12, 13, 14)의 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)이 각각 배치되고, 액티브영역(101 ~ 104)이 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)의 좌우에 각각 배치된다.
여기서 액티브영역(101)이 포토다이오드에 의해 모아진 전자를 전달받는 센 싱노드이다.
한 단위소자의 동작을 간단하게 살펴보면, 포토다이오드(10)에 전달된 빛에 의해 모아진 전자가 전달트랜지스터(11)를 통해 센싱노드(101)에 전달된다.
센싱노드(101)는 드라이빙 트랜지스터(13)의 게이트와 연결되어 있기 때문에, 드라이빙 트랜지스터(13)은 센싱노드(101)에 인가되는 전압에 따라 일측단에 접합된 액티브영역(103)의 전압레벨을 드라이빙하게 된다. 이어서 셀렉트 트랜지스터(104)가 턴온되어 액티브영역(103)에 인가된 전압을 출력단을 통해 출력하게 된다.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도4를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(10, PD)가 형성된 기판(20) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 24)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 25)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.
다층의 절연막(22) 사이에는 다층의 배선(23)이 형성되어 있으며, 배선(23)은 포토다이오드(10)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.
또한, 포토다이오드(10)에 인접한 기판(20) 상에는 복수의 모스트랜지스터(A영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4Tr 구조의 단위 화소의 경우 전술한 바와 같이 전달 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터가 배치된다.
마이크로렌즈(26) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(26)를 보호하기 위해 보호막(27)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 29는 소자분리막을 나타내는 것이다.
또한 여기서는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈의 상부에는 외부에서 입사된 빛을 직접적으로 입력받아 마이크로 렌즈로 전해주는 매크로 랜즈가 배치된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 포토다이오드에서 플로팅 노드(SD)로 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 조절되고, 그 조절된 전압에 대응하여 드라이빙 트랜지스터의 소스단을 드라이빙하게 된다.
그러나 최근 들어 0.5,0.35um 기술에서 보다 미세 선폭인 0.18um 기술로 이전되면서 기존에는 보이지 않던 새로운 양상들이 시모스 이미지센서에서 나타나기 시작했는데, 이것은 시모스 이미지센서의 한 픽셀에 사용되는 4개의 트랜지스터의 특성이 각 픽셀마다 조금씩 달라짐으로서 인해 생기는 문제들인 것으로 해석되고 있다.
각 단위 픽셀에 배치된 드라이빙 트랜지스터의 특성에 따라서 각 픽셀에서 출력되는 신호의 변하가 발생하며, 이것은 시모스 이미지센서의 고정패턴 노이즈를 유발시키고, 결국 화질열화로 나타난다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 각 픽셀에서 출력되는 신호의 특성에 큰 차이가 없는 시모스 이미지센서를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 의해 집광된 빛에 대응하는 전자를 플로팅노드로 전달하기 위한 전달트랜지스터와, 상기 전달트랜지스터를 통해 상기 플로팅노드로 전달되는 전자에 응답하여 소스단을 드라이빙 하기 위한 정션 전계효과 트랜지스터와, 상기 정션 전계효과 트랜지스터의 소스단으로 출력되는 신호를 선택하기 위한 선택 트랜지스터를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
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.
본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 가장 큰 특징은 각 픽셀에 배치되는 드라이빙 트랜지스터를 일반 모스트랜지스터를 사용하지 않고, 정션 전계효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor)를 사용하는 것이다.
도5는 본 발명에 적용되는 정션 전계효과 트랜지스터를 나타내는 단면도다.
도5를 참조하여 살펴보면, 정션 전계효과 트랜지스터는 드레인과 소스단에 전류의 흐름을 정션형태의 게이트가 제어하게 된다. 게이트에 인가되는 전압에 따라 드레인에서 소스사이에 전류가 전달되도록 하거나 차단되되도록 되어 있다.
도6은 도5에 도시된 정션 전계효과 트랜지스터의 동작특성을 나타내는 단면 도와 그래프이다.
도6a에 도시된 바와 같이, Vgs의 전압이 0인 경우에는 드레인단에서 소스단으로 전류가 드레인단에 인가된 전압에 따라 흐르게 된다.
또한, 도6b에 도시된 바와 같이, Vgs의 전압이 0인 경우보다 더 낮은 경우에도 드레인단에서 소스단으로 전류가 드레인단에 인가된 전압에 따라 흐르게 되지만, 이 경우에는 흐르게 되는 전류의 양이 증가하는 정도가 더 작게 된다.
도6c에 도시된 바와 같이, Vgs에 인가된 전압이 일정전압 이하이면, 핀치오프가 일어나서 드레인에 전압을 인가하여도 소스단으로 전류가 흐르게 되지 않는다.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 정션 전계효과 트랜지스터를 적용한 구조를 나타내는 평면도이다.
도7은 시모스이미지센서에서 4개의 트랜지스터(Dx,Rx,Sx,Tx)와 포토다이오드(PD)가 배치된 것을 나타내며, 특히 드라이빙 트랜지스터는 정션 전계효과 트랜지스터로 배치하게 된다.
도8은 도7에 도시된 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도이다.
도8은 도7에 도시된 시모스 이미지센서를 나타내는 것으로 특히 A-A' 라인의 단면도를 나타내는 것이다.
본 실시예에 따른 시모스 이미지센서에 배치되는 드라이빙 트랜지스터(Dx)는 Vgs=0인 경우 핀치 오프가 되도록 정션 전계효과 트랜지스터를 제작한다.
포토다이오드에 모아진 전자가 전달트랜지스터(Tx)가 턴온되면, 플로팅노드 (FD)에 전달된다. 플로팅노드(FD)에 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터(Dx)인 정션 전계효과 트랜지스터의 게이트단에 전압이 인가되어 채널이 열리게 된다.
이 때 드라이빙 트랜지스터(Dx)가 모니터링하는 것은 전류이며, 채널은 베리드 채널(buried channel)의 형태로 형성된다.
베리드 채널(buried channel) 형태는 표면에 채널이 생기는 경우보다 표면의 상태에 영향을 더 적게 받게 되어 노이즈를 줄일 수 있고, 전류 모니터링 방식이므로 각 픽셀에 배치되는 트랜지스터의 동작 특성 변화를 줄일 수 있다.
각 드라이빙 트랜지스터의 특성변화를 줄이게 되면, 픽셀에서 출력되는 출력값의 특성차이도 줄이게 되며, 이것은 결국 픽셀과 픽셀간 출력 데이터의 특성변화를 감소시키게 되어, 광특성에 있어서 다크신호(Dark Signal), 다크 배드 픽셀(Dark Bad Pixel)을 개선시켜 화질 개선에 기여하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 시모스 이미지 센서의 각 픽셀에서 드라이빙 트랜지스터를 정션 전계효과 트랜지스터로 배치할 경우, 정션 변화가 작아져 픽셀과 픽셀간에 출력데이터의 특성변화가 줄어들게 되는 것이다.
정션 전계효과 트랜지스터를 드라이빙 트랜지스터로 이용하게 되면, 전류를모니터링하는 방법으로 드라이빙동작을 수행하기 때문에, 드라이버 트랜지스터가 드라이빙하게되는 전류를 안정화시키며, 이는 결국 픽셀 노이즈의 감소로 화질을 개선시키게 되는 것이다. 따라서 광특성에 있어서 다크 전류 특성의 향상을 기대할 수 있다.
또한 일반적인 모스트랜지스터를 사용하는 경우에는 실리콘 표면의 특성, 특 히 드라이빙 트랜지스터가 배치된 곳의 표면에 의해 많은 영향을 받았으나, 정션 전계효과 트랜지스터를 이용할 경우 표면의상태에 따라 영향을 받지 않으므로 공정제어면에서도 매우 유리하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의해 시모스 이미지센서의 각 픽셀에서 출력되는 출력값의 특성변화가 덜 심해져 보다 안정적으로 데이터를 처리할 수 있어, 시모스 이미지 센서의 동작상의 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.

Claims (4)

  1. 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에 의해 집광된 빛에 대응하는 전자를 플로팅노드로 전달하기 위한 전달트랜지스터;
    상기 전달트랜지스터를 통해 상기 플로팅노드로 전달되는 전자에 응답하여 소스단을 드라이빙 하기 위한 정션 전계효과 트랜지스터; 및
    상기 정션 전계효과 트랜지스터의 소스단으로 출력되는 신호를 선택하기 위한 선택 트랜지스터
    를 구비하는 시모스 이미지센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정션 전계효과 트랜지스터는
    게이트와 소스간에 전압이 0인 경우 핀치오프 특성을 가지도록 제조되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플로팅 노드에 인가된 전압을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  4. 삭제
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