KR100690169B1 - 시모스 이미지센서 - Google Patents

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KR100690169B1
KR100690169B1 KR1020050100741A KR20050100741A KR100690169B1 KR 100690169 B1 KR100690169 B1 KR 100690169B1 KR 1020050100741 A KR1020050100741 A KR 1020050100741A KR 20050100741 A KR20050100741 A KR 20050100741A KR 100690169 B1 KR100690169 B1 KR 100690169B1
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gate pattern
floating node
driving transistor
substrate
photodiode
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박동혁
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매그나칩 반도체 유한회사
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Abstract

본 발명은 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 연결을 안정적으로 제공할 수 있는 시모스 센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드의 일측면에 접한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 소정간격 떨어져 배치된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴의 사이에 배치된 플로팅노드를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
시모스 이미지센서, 콘택, 전달 트랜지스터, 플로팅노드, 드라이빙 트랜지스터.

Description

시모스 이미지센서{CMOS IMAGE SENSOR}
도1은 통상적인에 의한 시모스 이미지센서의 회로도.
도2는 도1에 도시된 회로도의 레이아웃도.
도3a와 도3b는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 단면도와 평면도.
도4는 본 발명의 제1 아이디어에 따라 간략화된 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도.
도5a와 도5b는 본 발명의 제2 아이디어에 따라 간략화된 시모스 이미지센서를 나타내는 평면도와 단면도.
도6과 도7은 도4와 도5a에 도시된 본 발명의 아이디어를 적용하기 위한 바람직한 제1 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 레이아웃도.
도8은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 레이아웃도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
PD1, PD2 : 포토다이오드
Tx1,Tx2 : 전달트랜지스터의 게이트 패턴
Rx : 전달트랜지스터의 게이트 패턴
Sx : 선택트랜지스터의 게이트 패턴
CT1 ~ CT4 : 액티브영역에 접속되는 콘택
CNT1 ~ CNT6 : 게이트 패턴에 접속되는 콘택
M1a ~ M1c : 금속배선
Active1, Active2 : 액티브영역
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 시모스 이미지센서의 픽셀영역에 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 통상적인에 의한 시모스 이미지센서의 회로도로서, 특히 한 픽셀의 회로도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 통상적인 시모스 이미지센서의 한 픽셀은 입사된 빛에 대응하는 광전하를 발생시켜 전달하기 위한 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)에 의해 제공되는 전하를 플로팅노드(FD)에 전달하기 위한 전달트랜지스터(Tx)와, 플로팅노드(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 플로팅노드(FD)에 인가된 전압에 응답하여 소스단을 드라이빙 하기 위한 드라이빙 트랜지스터(Dx)와, 드라이빙 트랜지스터(Dx)의 소스단에 접속되어 드라이빙 트랜지스터(Dx)의 의해 소스단을 출력단과 선택적으로 연결하기 위한 선택트랜지스터(Sx)를 구비한다.
여기서 특히 전달 트랜지스터(Tx)와 드라이빙 트랜지스터(Dx)가 공통으로 접속되는 플로팅노드가 있는 영역(A)이 시모스 이미지센서의 동작에 매우 중요한 역할을 하게 된다.
도2는 도1에 도시된 회로도의 레이아웃도이다. 여기서는 편의상 픽셀을 구성하는 트랜지스터의 게이트 패턴을 트랜지스터와 같은 표기로 하였다.
도2에 도시된 바와 같이, 포토다이오드와 액티브영역이 형성되고 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx), 리셋 트랜지스터의 게이트 패턴(Rx)와, 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)와 선택 트랜지스터의 게이트 패턴(Sx)이 순차적으로 배 치된다.
또한, 각 게이트 패턴(Tx, Dx, Sx)와 접속되는 콘택(CT2,CT3,CT6)과 액티브영역과 접속된는 콘택(CT1,CT4,CT5)이 도시된 바와 같이 배치된다.
여기서 액티브영역중 플로팅노드와 접속되는 콘택(CT1)과 드라이빙 트랜지스터의 게이트패턴(Dx)와 접속되는 콘택(CT2)는 금속배선(M1a)을 통해 서로 연결된다. 금속배선(M1b)은 전달트랜지스터의 게이트 패턴과 접속되는 콘택(CT6)과 연결되는 배선이다.
도3a와 도3b는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 단면도와 평면도이다.
도3a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 시모스 이미지센서는 소자분리막(STI)을 형성하고, 난 이후 앤형영역(DN)과 피형영역(Po)으로 구성되는 포토다이오드와 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx), 리셋 트랜지스터의 게이트 패턴(Rx)와, 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)와 선택 트랜지스터의 게이트 패턴(Sx)이 순차적으로 형성된다.
도3b에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 픽셀의 평면을 살펴보면, 포토다이오드에 인접하게 전달 트랜지스터(Tx)가 배치되고, 그와 이웃하여 리셋 트랜지스터의 게이트 패턴(Rx)와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)이 배치된다.
따라서 도2에도 나와 있듯이 플로팅영역(FD)과 드라이빙 트랜지스터의 게이터 패턴(Dx)과 서로 연결시키기 위해서는 각각의 영역에 콘택을 형성하고, 이들 콘택을 연결하기 위한 금속배선을 형성해야만 한다.
시모스 이미지센서에서 플로팅 노드(FD)는 픽셀에 조사된 빛에 의해 생성된 전자에 의한 신호를 읽어내기 위한 기능을 담당하며, 플로팅노드에 인가되는 전압은 드라이빙 트랜지스터의 드라이빙 능력을 결정하게 된다.
그러므로 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴간의 배선은 정밀한 신호의 전달을 위해 매우 중요한 부분이다.
0.18um 기술을 이용하는 시모스 이미지센서에서는 보다 정확한 신호의 전달을 위해 플로팅노드에 알루니늄으로 형성된 두개의 콘택을 배치하기도 한다.
그러나, 시모스 이미지센서가 휴대용 제품에 적용되는 경우, 시모스 이미지 센서가 소형화, 고화소되면서 플로팅노드에 2개의 콘택을 배치하는 것이 부담이 되고 있다.
시모스 이미지센서를 소형화시키고, 고화소로 만들기 위해서는 한 픽셀에서 플로팅노드에 1개보다 더 많은 콘택을 배치하는 것은 거의 어려운 일이며, 더구나 한개의 콘택도 플로팅노드의 회로면적이 점점 줄어들면서 안정적으로 형성하기 매우 어려워지고 있다.
플로팅노드에 배치될 콘택의 형성시 오버레이 마진이 점점 줄어들고 있기 때문이다.
플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴간의 안정적인 연결은 이미시 센서의 동작에 핵심적인 기능이며, 이 연결이 안정적으로 되어 있어야 신호 전달의 불안정을 제거할 수 있는 것이다.
본 발명은 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 연결을 안정적으로 제공할 수 있는 시모스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 기판상의 상기 포토다이오드의 일측면에 형성된 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 기판상의 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 이격되게 배치된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 기판 내의 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴의 이격된 사이에 형성되며 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 콘택 플러그에 의해 버팅 콘택되는 플로팅노드를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판에 상기 포토다이오드와 이격되게 플로팅노드를 형성하는 단계; 상기 기판상의 상기 포토다이오드와 상기 플로팅노드 일측면 사이에 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판상에 상기 플로팅노드의 타측면과 접하는 드라이빙 트랜지스터 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴을 덮을 수 있도록 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 선택적으로 제거하여 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 플로팅 노드를 노출하는 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 콘택홀을 도전성물질로 매립하여 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 플로팅 노드를 버팅 콘택하는 콘택플러그를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드; 상기 제1 및 제2 포토다이오드의 사이에 배치된 플로팅노드; 상기 제1 포토다이오드와 상기 플로팅노드의 사이에 배치된 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅노드의 사이에 배치된 제2 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 플로팅노드와 소정간격 떨어져 배치된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 플로팅노드에 접속된 제1 콘택; 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴에 접속된 제2 콘택; 및 상기 제1 콘택과 제2 콘택을 연결하기 위한 배선을 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 내에 이격되게 형성된 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드; 상기 기판 내의 상기 제1 및 제2 포토다이오드의 사이에 형성된 플로팅노드; 상기 기판상의 상기 제1 포토다이오드와 상기 플로팅노드의 사이에 배치된 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 기판상의 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅노드의 사이에 배치된 제2 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 상기 기판상에 상기 플로팅노드와 이격되게 형성된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 플로팅노드와 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴을 버팅 콘택시켜 콘택 플러그를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
본 발명은 드라이빙 트랜지스터와 플로팅 노드를 연결하는 배선공정시 한번에 콘택을 이용하여 플로팅노드의 콘택 미스얼라인 문제와 플로팅노드에서 드라이빙 트랜지스터의 게이트단으로의 안정적인 신호전달에 대한 취약성을 해결하기 위한 발명이다.
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.
도4는 본 발명의 제1 아이디어에 따라 간략화된 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도이다.
도4는 본 발명의 제1 아이디어가 제시된 도면으로서, 본 발명에 의한 시모스 이미지 센서의 한 픽셀은 포토다이오드(PD)와, 플로팅노드(FD)의 일측면과 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx)를 배치하고, 플로팅노드(FD)의 타측면에 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)를 배치한다.
도5a와 도5b는 본 발명의 제2 아이디어에 따라 간략화된 시모스 이미지센서를 나타내는 평면도와 단면도이다.
도5a와 도5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 아이디어는 플로팅노드에 접속되는 콘택은 드라이빙 트랜지스터(Dx)의 게이트 패턴에도 접하게 되는 버팅 콘택형태로 배치하는 것이다.
도5b에 도시된 바와 같이, 플로팅노드(FD)와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)이 형성된 상태에서 플로팅노드에 접속되는 콘택을 형성할 때에 플로팅노드(FD)와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)이 모두 노출되도록 절연막(ILD)을 패터닝한 다음 콘택을 형성한다.
따라서 플로팅노드에 접속되는 콘택(X)는 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)에도 접속된다.
이를 자세히 살펴보면, 먼저 포토다이오드(PD)와 플로팅노드(FD)를 형성한다. 이어서 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx)과 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)을 형성한다.
이어서 그 상부에 절연막(ILD)을 형성하고, 플로팅노드(FD)와 드라이빙 트래지스터(Dx)가 노출되도록 절연막(ILD)을 선택적으로 제거하여 콘택홀을 형성하고, 형성된 콘택홀에 도전성물질을 매립한다.
이상과 같이 제조된 시모스 이미지센서는 플로팅노드(FD)와 드라이빙 트랜지스터는 하나의 콘택으로 바로 접속되기 때문에, 플로팅노드(FD)와 드라이빙 트랜지스터간에 배선연결이 잘 되지 않아 생겼던 종래의 모든 문제를 해결할 수 있게 된다.
도6과 도7은 도4와 도5a에 도시된 본 발명의 아이디어를 적용하기 위한 바람직한 제1 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 레이아웃도이다. 특히 제1 실시예는 전달트랜지스터의 다음에 드라이빙 트랜지스터가 배치되도록 한 아이디어를 실현하기 위한 레이아웃도이다.
도6을 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 픽셀 레이이아웃은 포토다이오드(PD1,PD2)에 각각 접하여 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx1 , Tx2)이 배치된다.
또한, 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx1,Tx2)이 마주보고 있는 영역에 플로팅노드가 배치되고, 리셋 트랜지스터의 게이트 패턴(Rx), 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx) 및 선택 트랜지스터의 게이트 패턴(Sx)과 액티브영역(Active1,Active2)을 배치시킨다.
도7을 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 픽셀에서 각 게이트 패턴과 액티브영역에 배치되는 콘택과, 금속배선에 대한 레이아웃이 도시되어 있다.
액티브영역에는 콘택(CT1 ~ CT5)이 도시된 바와 같이 배치되고, 게이트 패턴에는 콘택(CNT1 ~ CNT6)이 배치된다.
특히 플로팅노드에 접속되는 콘택(CT1)과 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx)에 접속되는 콘택(CNT6)은 금속배선(M1a)를 통해 연결이 되도록 배치된다.
여기서 금속배선(M1b,M1c)는 각각 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx1,Tx2)에 접속되는 콘택과 연결되는 금속배선이다.
시모스 이미지센서가 고화소로 개발되면서 한 픽셀의 사이즈가 매우 작아지면서 플로팅노드에 접속되는 콘택(CT1)과 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx)에 접속되는 콘택(CNT6) 및 금속배선(M1a)을 안정적으로 형성하는 것이 쉽지 않게 되었다. 이를 해결하기 위한 방법을 도9에 제시하였다.
도8은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 레이아웃도이다.
도8을 참조하여 살펴보면, 제2 실시예에 다른 시모스 이미지센서는 제1 실시예에서아 같이 레이이웃을 하되, 플로팅노드에 접속되는 콘택(CT1)과 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Tx)에 접속되는 콘택(CNT6) 및 금속배선(M1a)을 각각 형성 하는 것이 아니라 버팅 콘택형태로 도5a 및 도5b에 도시하였듯이 하나의 콘택(CTx)이 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)에 동시 접속되도록 한다.
특히 콘택(CTx)이 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)에 동시 접속되도록 하기 위해 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)을 플로팅노드와 일정부분 오버랩하여 형성되도록 한다.
이렇게 함으로서 별다른 공정적 비용을 추가하지 않아도 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)에 접속되는 콘택마진을 크게 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴(Dx)이 안정적으로 접속되어, 시모스 이미지 센서가 동작할 때에 신호의 전달에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
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 고집적화된 시모스 이미지센서에서 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴간의 배선공정시 발생할 수 있는 콘택 얼라인 문제를 해결하였다. 또한, 플로팅노드와 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴간의 접촉불량이 사라져 신호의 전달이 안정적으로 된다.
또한 본 발명에 의해 플로팅노드를 포함하는 픽셀의 배치를 효과적으로 함으로서, 공정상의 얼라인 마진이 확보되어 이미지 센서를 보다 더 효과적으로 고집적화시킬 수 있게 되었다.

Claims (5)

  1. 기판 내에 형성된 포토다이오드;
    상기 기판상의 상기 포토다이오드의 일측면에 형성된 전달 트랜지스터의 게이트 패턴;
    상기 기판상의 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 이격되게 배치된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 및
    상기 기판 내의 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴의 이격된 사이에 형성되며 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 콘택 플러그에 의해 버팅 콘택되는 플로팅노드
    를 구비하는 시모스 이미지센서.
  2. 삭제
  3. 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 기판에 상기 포토다이오드와 이격되게 플로팅노드를 형성하는 단계;
    상기 기판상의 상기 포토다이오드와 상기 플로팅노드 일측면 사이에 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판상에 상기 플로팅노드의 타측면과 접하는 드라이빙 트랜지스터 게이트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴을 덮을 수 있도록 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막을 선택적으로 제거하여 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 플로팅 노드를 노출하는 콘택홀을 형성하는 단계; 및
    상기 콘택홀을 도전성물질로 매립하여 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 플로팅 노드를 버팅 콘택하는 콘택플러그를 형성하는 단계
    를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 기판 내에 이격되게 형성된 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드;
    상기 기판 내의 상기 제1 및 제2 포토다이오드 사이에 형성된 플로팅노드;
    상기 기판상의 상기 제1 포토다이오드와 상기 플로팅노드 사이에 배치된 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴;
    상기 기판상의 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅노드 사이에 배치된 제2 전달 트랜지스터의 게이트 패턴;
    상기 기판상에 상기 플로팅노드와 이격되게 형성된 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴; 및
    상기 플로팅노드와 상기 드라이빙 트랜지스터의 게이트 패턴을 버팅 콘택시켜 콘택 플러그
    를 구비하는 시모스 이미지센서.
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