KR100722690B1 - 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 관한 것으로, 특히 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 하나의 PMOS와 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하기 위한 하나의 NMOS를 구비하여 단위 픽셀을 구성함으로써 픽셀 자체의 피치 사이즈를 줄여 이미지 센서의 전체 구현 면적을 줄이고, 저조도에서 이미지 구현이 우수한 특성이 있으며, 종래의 이미지 센서와는 달리 인테그레이션 시간이 불필요하므로 고속의 동영상의 구현을 가능하며, 간단한 MOS공정만으로 이미지 센서의 단위 픽셀을 형성하여 공정단계를 대폭 축소하며, 이로 인하여 공정의 수율 향상 및 비용을 절감한다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀은 P형 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 있어서, N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 PMOS 및 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하기 위한 NMOS로 구성됨에 기술적 특징이 있다.
피모스(PMOS), 엔모스(NMOS), 2-트랜지스터 단위 픽셀, 이미지 센서
Description
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.
도 1b는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도이다.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.
도 2b는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도이다.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도이다.
도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.
도 3c는 종래의 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 단위 픽셀에서의 신호 전하의 전달 과정을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 씨모스 단위 픽셀의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 씨모스 단위 픽셀에서 빛의 세기 변화에 따른 PMOS 전류 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 씨모스 단위 픽셀의 단면을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: P형 반도체 기판 220: 엔-웰(N-well)
230: PMOS의 소스/드레인 240: 플로팅 게이트
250: 셀렉트 게이트 260:게이트 산화막
270: NMOS의 소스/드레인
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 PMOS와 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하기 위한 NMOS를 포함하는 2-트랜지스터 구조의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 빛 에너지)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 찍어(capture)내는 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.
즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛 에너지 등에 대응하여, 빛의 파장에 대응하는 전기적인 값을 발생한다. 이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 모스(MOS) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 CMOS 집적회로 제조기술을 이용하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 씨모스 이미지 센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인 휴대용 시스템에 매우 유용하다.
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(Photo-Diode)의 단면을 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도로 도 1a의 등가회로도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로 포토 다이오드의 캐패시스턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)에 의하여 생성되는 커패시터 성분의 합으로 된다.
따라서 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 단점을 보완하기 위한 것이 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도로 도 2a의 등가회로도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 전송제어신호(Tx)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(25)가 사용된다. 포토 다이오드의 한족 접합을 구성하는 N+형 불순물층(21)과 N+형 부유 확산층(23)이 서로 격리된다.
따라서, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 이미지 센서의 감도도 증가하고, 이미지 질도 향상될 수 있다. 그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 전송 트랜지스터가 추가됨으로 인하여 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도이다. 픽셀부(30)란 단위 픽셀들이 이루는 하나의 컬럼(column)을 의미한다. 픽셀부(30)는 컬럼의 수만큼 구비되는 것이고, 각 픽셀부(30)에 구비되는 단위 픽셀의 수는 로우(row)의 수만큼 구비되는 것이다.
일반적으로 '640×480 VGA', '1024×768 XGA, 1280×1024 SXGA'라 함은 각각 '640개의 컬럼×480개의 로우', '1024개의 컬럼×768개의 로우', '1280개의 컬럼×1024개의 로우'로 이루어지는 이미지 해상도를 의미하는 것이다. 실제 공정에서는 각 컬럼 및 로우의 갯수가 이보다 다소 많이 구비된다. 도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31, common)으로부터 CDS(36, Correlated Double Sampling)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.
다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 CDS(36)를 포함한 회로에 인가된 기준 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다.
도 3c는 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 3c에서는 설명의 편의상 세 가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.
도 3c의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호 전압의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호 전압의 강하가 발생하는 구간이다. 우선 로우인에이블 신호(R_en)가 디스에이블되는 동안 CDS(36)의 스위치b(32b)에 리셋 샘플링 구동신호(SR)가 리셋 샘플링 구간(A)동안 인가되어 리셋 전압을 커패시터b(33b) 에 저장한다.
이후, 도 3b의 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31)에 인가되면, CDS(36)의 스위치a(32a)가 외부에서 인가되는 데이터 샘플링 구동신호에 의해 'C' 구간 동안 데이터 샘플링(SD, data sampling)을 진행하여 커패시터a(33a)에 그 값을 저장하고 버퍼a(34a)를 거쳐 MUX(35)로 데이터 신호전압을 인가한다.
데이터 샘플링(SD)의 완료 후, 리셋(RST) 신호가 인가되고, 로우인에이블이 종료되면, 다음의 영상처리데이터를 처리하기 위한 CDS(36)의 스위치b(32b)가 외부에서 인가되는 리셋 샘플링 구동신호에 의해 'A' 구간 동안 리셋 샘플링(SR, reset sampling)을 진행하여 커패시터b(33b)에 리셋 전압을 저장하고 버퍼b(34b)를 거쳐 MUX(35)로 신호를 인가한다.
이러한 일련의 신호(R_en, SD, RST, SR)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 차등증폭기(37, SHA, Sample and Hold Amplifier), PGA(38, Programmable Gain Amplifier) 및 ADC(39, Analog-Digital Converter) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다.
결과적으로, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 감도가 낮은 단점을 가지며, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광 면적이 작은 문제점을 가진다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 하나의 PMOS와 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하는 하나의 NMOS로 단위 픽셀을 구성함으로써 픽셀 자체의 피치 사이즈(pitch size)를 줄일 수 있어, 구현 면적을 줄여 이미지 센서의 전체 구현 면적 또한 획기적으로 줄이는데 그 목적이 있다.
본 발명은 수광소자에 소량의 빛이 들어와도 소스와 드레인에 흐르는 전류의 양이 커 저조도에서 이미지 구현이 우수한 특성을 가지는 이미지 단위 픽셀을 제공하며, 종래의 씨모스 이미지 센서와 달리 인테그레이션 시간이 불필요하므로 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조공정 중 암전류를 억제하기 위하여 수광부 표면의 에피층을 형성 및 포토 다이오드 영역의 필 펙터(fill factor)를 높이기 위하여 이미지 센서의 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정등을 삭제하여 공정단계를 대폭 축소하며, 이로 인하여 공정의 수율 향상 및 비용을 절감하는데 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 제1불순물형 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 있어서, 제2불순물형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 PMOS 및 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하기 위한 NMOS를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 의해 달성된다.
상기 제1불순물형은 P형이며, 상기 제2불순물형은 N형이 바람직하다.
상기 PMOS는 상기 웰(well)내에 소스와 드레인이 형성되고, 상기 PMOS의 게이트는 플로팅되는 것이 바람직하다.
상기 NMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호를 인가 받는 것이 바람직하다.
상기 PMOS의 게이트와 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성된 연결부를 더 포함하며, 상기 연결부는 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하되 도핑농도는 웰의 도핑농도보다 고농도로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 연결부와 PMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 콘택이 형성된 것이 바람직하다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작을 개념적으로 나타내는 등가 회로도이다.
씨모스 픽셀 어레이는 외부 피사체 이미지를 촬상하여 개개의 단위픽셀에서 피사체의 이미지를 단위픽셀의 구성 개수만큼 균등히 분할하여서 서로 다른 밝기에 대응되는 전기적 신호를 생성한다. 각각의 단위픽셀에서는 흡수한 광량에 대응하는 전하를 PMOS의 N-well과, PMOS(40)의 소스와 드레인 각각에 해당되는 P형과 N-well의 N형과 접합하는 P-N 이종접합에 존재하는 공핍층의 EHP(Electron Hole Pair)가 광량에 따라 분리되어 전하 이동자(carrier)로 생성되어 전기적인 전류를 생성하고 상기 PMOS와 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS(41)를 통하여 선택적으로 이동하게 된다.
따라서, 본 발명은 수광소자로 사용된 PMOS부터 발생된 큰 광전류를 전하 축적 없이 전류 거울(current mirror)로 전달한다. 이 전류 거울(42)에서 전류가 증폭되고, 증폭된 전류가 대수적으로 변환되어 이 변환된 전압을 CDS(43), MUX(44), SHA(45)로 구현된 회로를 이용하여 읽어낸 후, PGA(46) 및 ACD(47)를 통하여 이미지 데이터로 출력하게 된다. 이를 능동 픽셀에 적용함으로써 전하 축적 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
[제 1 실시예]
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광 하는 부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS로 이루어지고 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진 1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조인 단위 픽셀 구조를 형성한다.
따라서, 본 발명은 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.
P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(well)(220)을 형성한다. 상기 N-well의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈(Open)한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다. 부 가적으로 PMOS 및 NMOS의 소스/드레인이 형성된 영역에 저항을 감소시키기 위하여 살리사이드 공정을 부가적으로 수행할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로써 빛이 PMOS의 상부에 형성된 플로팅 게이트를 투과하여야 하므로 상기 플로팅 게이트에는 살리사이드공정을 수행하지 않는 것이 필수적이다.
본 발명의 제1실시예의 단위 픽셀에 따른 구동원리를 설명하면 다음과 같다.
상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이후, 수광부인 PMOS로 빛을 받아 광자(photon)가 공핍 영역인 N-well에 입사되면 EHP(electron hole pair)가 분리되며 이로 인하여 PMOS 소자의 게이트 저면에 P채널이 형성된다. PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.
이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 본 발명의 PMOS로 구현된 이미지 센서 픽셀은 빛을 받는 즉시 전류가 흐르게 되는 구조로 이루어져 암전류가 없으며, 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기는 매우 급격한 양상을 알 수 있으며, B 영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 비교적 완만한 양상을 나타난다.
따라서, 본 발명의 제1실시예는 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽 셀의 레이아웃(layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있으며, 또한 종래의 씨모스 이미지 센서의 경우 하나의 광자가 하나의 전자-정공쌍을 생성시키는 반면, 본 발명의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성시키므로 광전류의 전류 이득이 100~1000에 달하여 소량의 빛이 입사되는 저 조도에서도 영상의 구현이 가능하며, 종래의 센서보다 전하 축적 시간을 100~1000배 줄일 수 있어 전하 축적 시간이 1프레임 또는 1라인이 아닌 수십 클락(clock) 지연만으로 충분하므로 인테그레이션 시간(integration time)이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.
부가적으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 일반적인 MOS공정으로 단위 픽셀을 구현하므로 기존의 씨모스이미지 센서의 전용공정이 불필요하다. 본 발명은 인테그레이션 시간없이 PMOS에서 빛을 받아 NMOS를 통하여 출력하므로 스위치용 NMOS의 누설전류에 의한 암전류를 제외하고 긴 인테그레이션으로 인한 센서의 암전류를 극소화할 수 있다. 따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서의 형성공정 시 암전류를 방지하기 위하여 수광부의 표면에 에피층을 형성하는 공정이 불필요하며, 본원의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성하므로 빛을 단위 픽셀의 수광부에 모으기 위하여 단위 픽셀의 상부에 마이크로 렌즈 형성공정이 불필요하다. 이러한 공정들을 모두 생략할 수 있으므로 단가가 저렴한 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.
[제 2 실시예]
본 발명의 제2실시예는 PMOS의 게이트와 PMOS의 N-well이 연결된 형태이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS와 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조이며, 상기 PMOS의 게이트와 N-well이 연결된 형태의 단위 픽셀을 형성한다.
따라서, 본 발명은 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위픽셀의 피치 사이즈가 작이지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.
P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(220)을 형성한다. 상기 N-well의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고 농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다.
상기 PMOS에 형성된 게이트(240)와 N-well(220)을 연결하기 위하여 N-well의 표면에 연결부(210)를 형성한다. N-well의 연결부(210)는 N-well의 형성 농도보다 높은 농도로 N형 이온을 주입하고, 고농도의 N형 이온이 주입된 영역에 금속콘택(280)을 형성하여 PMOS와 N-well을 전기적으로 연결한다.
이때, 제2실시예 또한, PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로써 빛은 PMOS의 상부에 형성된 게이트를 통과하여야 하므로 PMOS의 게이트는 살리사이드 공정을 하지 않는다.
본 발명의 제2실시예의 단위 픽셀에 따른 구동원리를 설명하면 다음과 같다.
상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이때 PMOS의 수광부로 빛을 받아 광자가 공핍 영역인 N-well에 입사하게 되어 EHP(electron hole pair)가 분리되며, 이때, 게이트에 전압을 인가하면 상기 게이트와 연결된 N-well에 남아있는 전자는 기판 바이어스(bias) 역할을 하게 되어 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압(threshold voltage)을 낮추는 역할을 하게 되어 P채널이 용이하게 형성된다. 그리고, 순차적으로 PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내 보내게 된다.
이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 본 발명 실시예2의 단위 픽셀은 게이트에 전압을 인가하면 상기 게이트와 연결된 N-well에 남아있는 전자는 기판 바이어스(bias) 역할을 하게 되어 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압을 낮추는 역할을 하게 되어 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 본 발명의 제1실시예에 나타난 변화보다 급격한 양상을 나타내는 것을 알 수 있으며, B영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 제1실시예에 나타난 변화 보다 완만한 양상을 나타난다.
따라서, 본 발명의 제2실시예 또한 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있고, PMOS에 소량의 빛이 입사되어도 많은 량의 전류가 흐를 수 있게 되어 저조도에서 명확한 상을 구현이 가능하며, 인테그레이션 시간이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.
그리고, 본 발명의 제2실시예는 일반적인 모스(MOS)공정으로 단위 픽셀을 구현하여 기존의 씨모스 이미지 센서의 전용공정이 불필요하므로 향후, 공정 수율의 증가 및 공정비용의 절감의 효과를 유도할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양 한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 하나의 NMOS와 하나의 PMOS 수광 소자를 구비하여 단위 픽셀을 구성함으로써 픽셀 자체의 피치 사이즈(pitch size)를 줄일 수 있어, 구현 면적을 줄여 이미지 센서의 전체 구현 면적 또한 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 수광소자에 소량의 빛이 들어와도 소스와 드레인에 흐르는 전류의 양이 커, 저조도에서 이미지 구현이 우수한 특성을 가지며, 종래의 이미지 센서와는 달리 인테그레이션 시간이 불필요하므로 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조공정 중 암전류를 억제하기 위하여 수광부 표면의 에피층의 형성 및 포토 다이오드 영역의 필 펙터(fill factor)를 높이기 위하여 이미지 센서의 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정등을 삭제하여 공정단계를 대폭 축소하며, 이로 인하여 공정의 수율 향상 및 비용을 절감하는 효과가 있다.
Claims (10)
- 제1불순물형 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 있어서,제2불순물형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 게이트로 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 하나의 PMOS; 및상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하기 위한 하나의 NMOS를 포함하며,상기 제1불순물형은 P형이고, 상기 제2불순물형은 N형인 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 PMOS의 상기 웰(well)내에는 소스와 드레인이 형성되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제1항에 있어서,상기 PMOS의 게이트는 플로팅 되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제1항에 있어서,상기 NMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호를 인가받는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제1항에 있어서,상기 PMOS의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제7항에 있어서,상기 연결부는 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하여 형성되는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제7 또는 제8항에 있어서,상기 연결부의 도핑농도는 웰의 도핑농도보다 고농도인 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
- 제7항에 있어서,상기 연결부와 상기 PMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 콘택이 형성된 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
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