KR100731065B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 포토다이오드 영역의 안쪽에 형성하여 플로팅 확산 영역으로 전달되는 전자의 흐름을 원활하게 함과 동시에 플로팅 확산 영역의 크기를 넓혀 플로팅 확산 영역의 용량을 증대시키도록 한 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 포토다이오드 영역과 플로팅 확산 영역으로 정의된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 게이트 절연막을 개재하여 "ㄷ" 자 모양으로 형성되는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 일측의 포토 다이오드 영역에 형성되는 저농도 불순물 영역과, 상기 게이트 전극 타측의 플로팅 확산 영역 및 "ㄷ" 자 모양의 상기 게이트 전극의 안쪽까지 형성되는 고농도 불순물 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이미지 센서, 플로팅 확산 영역, 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS image sensor}
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 레이아웃
도 5는 도 4의 Ⅳ-Ⅳ'선에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200 : 단위화소 201 : 반도체 기판
203 : 게이트 절연막 205 : n+형 확산 영역
210 : n-형 확산 영역 221, 231, 241, 251 : 게이트 전극
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)의 용량을 증가시키도록 한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전 기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 엠프(Sense Amp)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소 의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(110)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(120), 리셋 트랜지스터(130), 드라이브 트랜지스터(140) 및 셀렉트 트랜지스터(150)이다.
그리고, 상기 각 단위 화소(100)의 출력단(OUT)에는 로드 트랜지스터(160)가 전기적으로 연결된다.
여기서, 미설명 부호 FD는 플로팅 확산 영역이고, Tx는 셀렉트 트랜지스터(120)의 게이트 전압이고, Rx는 리셋 트랜지스터(130)의 게이트 전압이고, Dx는 드라이브 트랜지스터(140)의 게이트 전압이고, Sx는 셀렉트 트랜지스터(150)의 게이트 전압이다.
일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10, 굵은 실선)이 정의되어 상기 액티브 영역(10)을 제외한 부분에 소자 분리막이 형성된다.
상기 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(PD)(110)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 4개의 트랜지스터의 게이트 전극(121, 131, 141, 151)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(121)에 의해 트랜스퍼 트랜지스터(120)가 형성되고, 상기 게이트 전극(131)에 의해 리셋 트랜지스터(130)가 형성되고, 상기 게이트 전극(141)에 의해 드라이브 트랜지스터(140)가 형성되며, 상기 게이트 전극(151)에 의해 셀렉트 트랜지스터(150)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(121, 131, 141, 151) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(S/D)이 형성된다.
상기와 같은 구성을 갖는 종래의 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 단면을 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 영역(PD)과 플로팅 확산 영역(FD)으로 정의된 반도체 기판(21)상에 게이트 절연막(22)을 개재하여 게이트 전극(23)이 형성되어 있다.
이때 상기 게이트 전극(23)은 상기 포토다이오드 영역(PD)의 끝단에 걸쳐 형성된다.
그리고 상기 게이트 전극(23) 일측의 포토다이오드 영역(PD)에는 저농도 n-형 확산 영역(24)이 형성되어 있고, 상기 게이트 전극(23) 타측의 플로팅 확산 영역(FD)에는 고농도 n+형 확산 영역(25)이 형성되어 있다.
상기와 같이 구성된 종래의 씨모스 이미지 센서 중 픽셀(pixel)당 4개의 트랜지스터를 갖는 4T 포토다이오드 기술은 포토다이오드(PD)에 빛이 들어옴으로 인해 생성되는 전자(ⓔ)를 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(23)을 턴온(turn on) 시킴으로써 전자(ⓔ)를 게이트 전극(23) 하부의 채널영역을 통해 플로팅 확산 영역(FD)에 저장한다.
이어, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 전자는 드라이브 트랜지스터(140)의 게이트 전압으로 작용하게 된다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극이 포토다이오드 영역의 끝단에 걸쳐 형성되기 때문에 전자가 이동하는 과정에서 재결합으로 인해 없어지는 경우가 발생할 뿐만 아니라 플로팅 확산 영역(FD)의 크기가 작아 전화 포화(saturation)가 쉽게 되어 반응할 수 있는 빛의 양이 제한적이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 포토다이오드 영역의 안쪽에 형성하여 플로팅 확산 영역으로 전달되는 전자의 흐름을 원활하게 함과 동시에 플로팅 확산 영역의 크기를 넓혀 플로팅 확산 영역의 용량을 증대시키도록 한 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드 영역과 플로팅 확산 영역으로 정의된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 게이트 절연막을 개재하여 "ㄷ" 자 모양으로 형성되는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 일측의 포토 다이오드 영역에 형성되는 저농도 불순물 영역과, 상기 게이트 전극 타측의 플로팅 확산 영역 및 "ㄷ" 자 모양의 상기 게이트 전극의 안쪽까지 형성되는 고농도 불순물 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 레이아웃이고, 도 5는 도 4의 Ⅳ-Ⅳ'선에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(200)는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode) 영역(PD)과, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터이다.
본 발명에 의한 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소(200)는, 액티브 영역이 정의되어 상기 액티브 영역을 제외한 부분에 소자 분리막이 형성된다.
상기 액티브 영역 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토 다이오드 영역(PD)이 형성되고, 상기 포토다이오드 영역(PD)과 인접한 액티브 영역은 플로팅 확산 영역(FD)이 형성되며, 상기 나머지 부분의 액티브 영역에 각각 오버랩되는 4개의 트랜지스터의 게이트 전극(221, 231, 241, 251)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(221)에 의해 트랜스퍼 트랜지스터가 형성되고, 상기 게이트 전극(231)에 의해 리셋 트랜지스터가 형성되고, 상기 게이트 전극(241)에 의해 드라이브 트랜지스터가 형성되며, 상기 게이트 전극(251)에 의해 셀렉트 트랜지스터가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역에는 각 게이트 전극(221, 231, 241, 251) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역(S/D)이 형성된다.
또한, 상기 포토다이오드 영역(PD)의 안쪽으로 "ㄷ' 형상을 갖고 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(221)이 게이트 절연막(203)을 개재하여 반도체 기판(201)상에 형성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 액티브 영역과 소자 분리 영역으로 정의된 반도체 기판(201)의 소자 분리 영역에 소자 분리막이 형성된다.
도 2의 트랜스퍼 트랜지스터(120)를 위한 반도체 기판(201) 상에 게이트 절연막(203)을 개재하여 포토다이오드 영역(PD) 안쪽에 "ㄷ"자 형태의 게이트 전극(221)이 형성되고, 상기 게이트 전극(221) 일측의 반도체 기판(201)의 표면내에는 상기 포토 다이오드 영역(PD)의 n-형 확산 영역(210)이 형성된다.
또한, 상기 게이트 전극(221)의 타측 액티브 영역 즉, 플로팅 확산 영역(FD)에는 n+형 확산 영역(205)이 형성된다.
여기서, 상기 "ㄷ"자 형태의 게이트 전극(221)의 안쪽까지 상기 n+형 확산 영역(205)은 형성된다.
즉, 상기 "ㄷ"자 형태의 게이트 전극(221)은 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 일측 끝단을 감싸는 형태로 형성되어 있다.
또한, 상기 게이트 전극(221)을 포함한 반도체 기판(201)의 전면에 층간 절연막(도시되지 않음)이 형성되고, 상기 층간 절연막을 관통하여 상기 플로팅 디퓨젼 영역(205)과 드라이브 트랜지스터의 소오스/드레인 영역을 연결하는 금속배선(도시되지 않음)이 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 중 픽셀(pixel)당 4개의 트랜지스터를 갖는 4T 포토다이오드 기술은 포토다이오드 영역(PD)에 빛이 들어옴으로 인해 생성되는 전자(ⓔ)를 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(221)을 턴온(turn on)시킴으로써 전자(ⓔ)를 게이트 전극(221) 하부의 채널영역을 통해 플로팅 디퓨젼 영역(FD)에 저장한다.
이어, 상기 플로팅 확산 영역에 저장된 전자는 드라이브 트랜지스터의 게이트 전압으로 작용하게 된다.
따라서 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(221)을 포토다이오드 영역(PD)의 안쪽에 형성하여 전자의 이동 경로를 작게 함으로써 전자의 손실을 줄임과 동시에 플로팅 확산 영역의 용량을 키워 더 많은 전자가 들어갈 수 있도록 하여 이미지 센서의 동작 범위를 증대시킬 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 포토다이오드 영역의 안쪽에 형성하여 전자의 이동 경로를 작게 함으로써 전자의 손실을 줄일 수 있다.
둘째, 플로팅 확산 영역의 용량을 키워 더 많은 전자가 들어갈 수 있도록 하여 이미지 센서의 동작 범위를 증대시킬 수 있다.
셋째, 전자의 손실 및 이미지 센서의 동작 범위를 증대시킴으로서 이미지 센서의 감도 및 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 포토다이오드 영역과 플로팅 확산 영역으로 정의된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 포토다이오드 영역 내에 게이트 절연막을 개재하여 "ㄷ" 자 모양으로 형성되는 게이트 전극과,
    상기 게이트 전극 일측의 포토 다이오드 영역에 형성되는 저농도 불순물 영역과,
    상기 게이트 전극 타측의 플로팅 확산 영역 및 "ㄷ" 자 모양의 상기 게이트 전극의 안쪽까지 형성되는 고농도 불순물 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 전극은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 플로팅 확산 영역의 일측을 감 싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  6. 삭제
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