KR101021094B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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신현택
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Abstract

이미지의 열화를 줄일 수 있는 이미지 센서가 개시된다. 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 전송 트랜지스터, 상기 전송 트랜지스터의 일측에 형성된 상위 이온주입영역과, 상기 상위 이온주입영역보다 작은 크기를 가지고 상기 상위 이온주입영역의 측면 에지에 연결된 하나 이상의 하위 이온주입영역을 포함하는 포토 다이오드 및 상기 전송 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산 노드를 포함하되, 상기 하위 이온주입영역은 n 계층의 자기 반복적인 프랙탈 구조로 이루어져 있으며, 상기 n은 2 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 이미지 센서에 의하면, 이미지 래깅을 줄일 수 있고, 전송 시간을 감소시켜 포토 다이오드의 노출 시간 제어가 용이한 효과가 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지의 열화를 줄일 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광신호를 전기적 신호로 변화시키는 디바이스로서, 전하 전송방식에 따라 크게 CCD(Charge Coupled Device)형과 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)형으로 구분된다.
CCD형 이미지 센서는 잡음이 출력 신호에 영향을 주지 않아 화질이 우수하지만, 특수한 공정을 이용하여 제작되므로 제작 단가가 높고 다양한 구동 IC를 필요로 하며 원칩(one-chip)화가 어려운 단점이 있다. 이에 비해 CMOS형 이미지 센서는 표준 공정을 이용하여 제작되고 단일 전원으로 구동 가능하며 칩 내에서 디지털로 변환이 가능하여 CCD형 이미지 센서에 비해 상대적으로 제작 비용이 저렴하고 전력 소모가 적으며 주변 회로부와의 집적이 가능하다는 등의 장점을 가지고 있다.
CMOS형 이미지 센서의 단위 픽셀은 빛을 받아들이는 포토 다이오드(photo diode, PD)와, 포토 다이오드에 의해 수광된 영상 신호를 제어하는 하나 이상의 트랜지스터로 구성된다. 트랜지스터의 수에 따라 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조로 구분된다. 1-트랜지스터 구조는 1개의 포토 다이오드와 1개의 트랜지스터를 가지며, 3-트랜지스터 구조는 1개의 포토 다이오드와 3개의 트랜지스터를 가지고, 4-트랜지스터 구조는 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터를 가진다.
4-트랜지스터 구조를 중심으로 설명하면, 포토 다이오드(PD)는 입사되는 광을 감지하고 광량에 따라 전하를 생성한다. 그리고 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 노드(Floating Diffusion Node, FD)로 운송하기 위한 전송 트랜지스터(Transfer Transistor, Tx)와, 원하는 값으로 노드의 전위를 셋팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Reset Transistor, Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Drive Transistor, Dx)와, 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Select Transistor, Sx)를 포함한다. 또한, 단위픽셀 밖에는 출력 신호(output signal)를 읽을 수 있도록 바이어스 전압(Vb)을 인가받는 로드 트랜지스터(LD)가 형성되어 있을 수 있다.
도 1은 기존 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃(lay-out)이고, 도 2는 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 1의 AB 선에 따른 전위(potential) 분포를 나타낸 그래프이다.
전송 트랜지스터(Tx)의 일측에 포토 다이오드(PD)가 형성되고 타측에 플로팅 확산 노드(PD)가 형성된다. 반도체 기판에 에피층이 형성되고, 에피층의 액티브 영역에 n형 불순물 이온을 주입하여 이온주입영역을 형성한다. 이러한 이온주입영역이 포토 다이오드(PD)가 되며, 일반적으로 포토 다이오드(PD)는 도 1에 도시된 것과 같이 직사각형 형상을 가진다.
도 2를 참조하면, 전송 트랜지스터(Tx)가 온인 경우에도 포토 다이오드(PD) 내에서 AB 선에 따른 전위 분포는 완전하게 펼쳐지지 못하고 전송 트랜지스터(Tx)에 인접한 부분에서 상대적으로 높은 전위를 가지는 언덕 부분(200)이 발생한다. 이로 인해 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 전송 트랜지스터(Tx)를 통해 플로팅 확산 노드(FD)로 다 넘어가지 못하고, 리셋 시간 동안에도 완전히 넘어가지 못함으로 인해 이미지 래깅(image lagging)이 발생하게 된다. 이미지 래깅은 이전 프레임(frame)에서 생성된 영상 신호에 관련된 전하가 다 넘어가지 못하고 다음 프레임에 영향을 주어 잔상이 나타나는 것을 의미한다.
이를 개선하기 위해 전송 시간(transfer time)을 연장시킬 수 있지만, 이 경우에는 타이밍(timing) 상 손해가 발생하게 되며, 전송 시간을 연장시킨다고 하더라도 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 완벽하게 전달되지 않을 수도 있다.
또한, 최근 이미지 센서의 감도를 높이기 위해 포토 다이오드(PD)의 크기를 증가시키고 있는 실정에서 이러한 문제점들은 더욱 크게 부각되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 이미지 래깅을 줄일 수 있고, 전송 시간을 감소시켜 포토 다이오드의 노출 시간 제어가 용이한 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 이미지 래깅으로 인해 남은 이전 신호 값에 의해 발생하는 데드존(dead zone)을 감소시켜 이미지 열화를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 한번의 이온주입에 의해서도 포토 다이오드의 전위 분포가 언덕 부분 없이 연속적인 경사를 가지도록 하여 제조 비용이 저렴하고 공정 시간이 짧은 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 포토 다이오드의 크기가 커지더라도 포토 다이오드에 생성된 모든 전하를 용이하게 전달하여 감도가 개선된 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 전송 트랜지스터; 상기 전송 트랜지스터의 일측에 형성된 상위 이온주입영역과, 상기 상위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 상기 상위 이온주입영역의 측면 에지에 연결된 하나 이상의 하위 이온주입영역을 포함하는 포토 다이오드; 및 상기 전송 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산 노드를 포함하되, 상기 하위 이온주입영역은 n 계층의 자기 반복적인 프랙탈 구조로 이루어져 있으며, 상기 n은 2 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 제공된다.
제1 하위 이온주입영역은 상기 상위 이온주입영역의 측면 에지에 연결되도록 형성되며, 제k 하위 이온주입영역은 제(k-1) 하위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역의 측면 에지에 연결되도록 형성되되, 상기 k는 2 이상 n 이하의 자연수일 수 있다.
상기 제k 하위 이온주입영역은 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역과 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼(taper) 형상을 가질 수 있다.
상기 제k 하위 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역과 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이할 수 있다.
상기 상위 이온주입영역은 상기 전송 트랜지스터에 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
상기 상위 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 전송 트랜지스터에 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 전송 트랜지스터; 상기 전송 트랜지스터의 일측에 형성된 제1 이온주입영역과, 상기 제1 이온주입영역으로부터 상기 반도체 기판의 액티브 영역의 가장자리를 향해 연장된 하나 이상의 제2 이온주입영역을 포함하는 포토 다이오드; 및 상기 전송 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산 노드를 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 제2 이온주입영역은 상기 제1 이온주입영역과 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 제1 이온주입영역과 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이할 수 있다.
상기 전송 트랜지스터는 p(2 이상인 임의의 자연수)개이고, 상기 플로팅 확산 노드는 q(1 이상인 임의의 자연수)개이며, 상기 전송 트랜지스터 각각에 하나 이상의 상기 플로팅 확산 노드가 인접하여 있을 수 있다.
복수의 상기 플로팅 확산 노드들은 서로 전기적으로 연결되어 있거나 개별적으로 분리되어 있을 수 있다.
복수의 상기 전송 트랜지스터들은 서로 전기적으로 연결되어 있거나 개별적으로 분리되어 있을 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이미지 래깅을 줄일 수 있고, 전송 시간을 감소시켜 포토 다이오드의 노출 시간 제어가 용이한 효과가 있다.
또한, 이미지 래깅으로 인해 남은 이전 신호 값에 의해 발생하는 데드존을 감소시켜 이미지 열화를 줄일 수 있다.
또한, 한번의 이온주입에 의해서도 포토 다이오드의 전위 분포가 언덕 부분 없이 연속적인 경사를 가지도록 하여 제조 비용이 저렴하고 공정 시간이 짧은 장점이 있다.
또한, 포토 다이오드의 크기가 커지더라도 포토 다이오드에 생성된 모든 전하를 용이하게 전달하여 감도가 개선되는 효과가 있다.
도 1은 기존 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃(lay-out).
도 2는 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 1의 AB 선에 따른 전위(potential) 분포를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃.
도 4는 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 3에 도시된 A'B' 선에 따른 전위 분포를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃.
도 6은 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 3에 도시된 A''B'' 선에 따른 전위 분포를 나타낸 그래프.
도 7은 도 5에 도시된 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에서의 전위 분포를 등고선으로 표시한 도면.
도 8은 종래 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에서의 전위 분포를 등고선으로 표시한 도면.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 영역의 형상을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃이고, 도 4는 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 3에 도시된 A'B' 선에 따른 전위 분포를 나타낸 그래프이다.
전송 트랜지스터(Tx)의 일측에 포토 다이오드(PD)가 형성되고, 타측에 플로팅 확산 노드(FD)가 형성되어 있다. 포토 다이오드는 입사되는 광을 감지하고 광량에 따른 전하를 생성하고, 전송 트랜지스터를 통해 플로팅 확산 노드로 생성된 전하가 전달되도록 한다.
반도체 기판 상에 액티브 영역과 필드 영역을 정의하는 소자 분리막이 형성된다. 이때 반도체 기판으로는 고농도의 기판(substrate)과 저농도의 에피층(epitaxial layer)이 적층된 구조가 사용될 수도 있다. 액티브 영역에 n형 분술물 이온을 주입함으로써 포토 다이오드 영역이 형성된다.
포토 다이오드 영역과 소자 분리막 사이에서 발생되는 다크 전류(dark current)를 방지하기 위하여 포토 다이오드 영역과 소자 분리막 사이에 p형 채널 스탑퍼(channel stopper)를 주입하여 채널 스탑 영역을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 포토 다이오드 영역은 테이퍼(taper) 형상을 가진다. 도 3에 도시된 것과 같이 포토 다이오드 영역은 전송 트랜지스터에 인접한 부분의 폭이 크고 전송 트랜지스터로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는, 예를 들면 삼각형(triangle), 사다리꼴 등과 같이 일측의 폭이 최대이고 마주 보는 타측의 폭이 최소이며 그 사이의 폭은 연속적으로 변화되는 형상을 가진다. 다만, 도 9c 및 도 9d에서 보여지는 바와 같이 일측과 타측 사이의 폭은 연속적으로 변화하되, 폭이 최대인 지점 및/또는 최소인 지점이 각각 어느 한 부분으로 고정되지 않을 수도 있다. 이에 대해서는 이후 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
여기서, 포토 다이오드 영역은 n형 불순물 이온을 주입한 후에 어닐링(annealing)을 통해 확산된다. 따라서, 포토 다이오드 영역은 중심 부분의 도핑(doping) 농도와 에지(edge) 부분의 도핑 농도가 서로 다르게 된다. 이로 인해 중심 부분의 도핑 농도는 높고 에지 부분의 도핑 농도는 낮아져, 중심 부분은 높은 전위, 에지 부분은 낮은 전위를 가지는 전위 분포가 발생한다.
포토 다이오드 영역이 테이퍼 형상을 가지는 경우의 전위 분포가 도 4에 도시되어 있다. 포토 다이오드 영역이 테이퍼 형상을 가지는 경우 A'B' 선에 따른 전위 분포가 연속적으로 변화하여 도 2에 도시된 것과 같은 언덕 부분(200)이 나타나지 않음으로, 전송 트랜지스터가 온(on)되는 경우에 전송 트랜지스터로부터 거리가 먼 에지(410)에서 생성된 전하도 전위 차이에 의해 용이하게 전송 트랜지스터를 지나 플로팅 확산 영역으로 전달될 수 있다.
따라서, 전하가 전달되지 못하고 포토 다이오드 영역에 남아 있음으로 인해 발생하는 이미지 래깅이 줄어들게 되고, 남아 있는 전하로 인해 발생하는 데드존을 감소시켜 이미지 열화를 줄일 수 있다. 또한, 전위가 연속적으로 경사지게 분포되어 언덕 부분(200)이 없음으로 인해 전하가 용이하게 전달될 수 있어 전송 시간을 연장시킬 필요가 없으므로 이미지를 입력받기 위한 포토 다이오드 영역의 노출 시간 제어가 용이해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 레이아웃이고, 도 6은 전송 트랜지스터가 온(on)인 경우 도 3에 도시된 A''B'' 선에 따른 전위 분포를 나타낸 그래프이며, 도 7은 도 5에 도시된 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에서의 전위 분포를 등고선으로 표시한 도면이고, 도 8은 종래 이미지 센서의 포토 다이오드 영역에서의 전위 분포를 등고선으로 표시한 도면이다.
전송 트랜지스터(Tx)의 일측에 포토 다이오드(PD)가 형성되고, 타측에 플로팅 확산 노드(FD)가 형성되어 있다. 포토 다이오드는 입사되는 광을 감지하고 광량에 따른 전하를 생성하고, 전송 트랜지스터를 통해 플로팅 확산 노드로 생성된 전하가 전달되도록 한다. 포토 다이오드 영역의 형성 및 채널 스탑 영역의 형성에 관해서는 앞서 도 3을 참조하여 이미 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에서, 포토 다이오드 영역은 포크(fork) 형상을 가진다. 도 5에 도시된 것과 같이 포토 다이오드 영역은 복수의 포크날 형상의 제1 이온주입영역(510a, 510b, 510c, 510d, 이하 510으로 통칭함)과, 각각의 제1 이온주입영역(510)이 연결되는 포크몸체 형상의 제2 이온주입영역(520)으로 이루어진다. 제1 이온주입영역(510)과 제2 이온주입영역(520)으로 구분하여 설명하지만, 제1 이온주입영역(510)과 제2 이온주입영역(520)은 포토 다이오드 영역의 제작 시 한번의 공정으로 동시에 형성되는 하나의 이온주입영역이거나, 독립된 공정에 의해 개별적으로 형성된 후 하나로 연결되는 이온주입영역일 수 있다.
포크날 형상의 제1 이온주입영역(510)은 포크몸체 형상의 제2 이온주입영역(520)에 인접한 부분의 폭이 크고 제2 이온주입영역(520)으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
포크날 형상의 제1 이온주입영역(510) 각각은 서로 동일한 길이 및/또는 폭을 가질 수도 있지만, 실시예에 따라 하나 이상이 다른 길이 및/또는 폭을 가질 수도 있다.
포토 다이오드 영역의 이온주입영역은 측면 확산(side diffusion)을 통해, 공핍영역에서 전계가 생긴다. 이로 인해 포토 다이오드 영역의 바깥쪽에서 생성된 전자도 포토 다이오드 영역으로 끌어당겨 신호 전하를 집적할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드 영역 내의 각 이온주입영역의 간격을 조절함으로써 단위픽셀의 거의 모든 액티브 영역에서 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)가 신호에 기여할 수 있다.
포토 다이오드 영역이 포크 형상을 가지는 경우의 전위 분포가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 포토 다이오드 영역에서의 전위 분포가 연속적으로 변화하여 도 2에 도시된 것과 같은 언덕 부분(200)이 나타나지 않음으로, 전송 트랜지스터가 온(on)되는 경우에 전송 트랜지스터로부터 거리가 먼 곳에서 생성된 전하도 전위 차이에 의해 용이하게 전송 트랜지스터를 지나 플로팅 확산 노드로 전달될 수 있다.
도 7을 참조하면, 포토 다이오드 영역에서 동일 전위를 연결한 등고선이 도시되어 있다. 여기서, 포크날 형상의 제1 등고선 영역(710a, 710b, 710c, 710d, 이하 710으로 통칭함)이 제1 이온주입영역(510)에 대응되며, 포크몸체 형상의 제2 등고선 영역(720)이 제2 이온주입영역(520)에 대응된다.
C 선을 참조하면, 포토 다이오드 영역을 형성하기 위해 n형 이온을 주입한 후 어닐링에 따른 확산에 의해 제1 이온주입영역(510)에서의 에지 부분과 중앙 부분의 도핑 농도가 차이가 난다. 즉, 중앙 부분에 높은 전위가 발생함으로써 에지 부분에서 빛에 의해 생성된 전하는 중앙 부분으로 모이게 된다.
D 선을 참조하면, 등고선이 테이퍼 형상으로 형성되고 폭이 넓은 쪽이 상대적으로 도핑 농도가 높아 폭이 좁은 쪽보다 넓은 쪽의 전위가 높아짐으로 빛에 의해 생성된 전하는 내부의 전기장(electric field)에 의해 전송 트랜지스터 쪽으로 빠르게 모이게 된다.
도 8을 참조하면, 종래 이미지 센서의 포토 다이오드 영역은 사각형 형상을 가진다. 따라서, 이미지 센서의 감도를 높이기 위해 포토 다이오드 영역의 크기가 커질수록 중앙 부분(810)에 넓은 공간이 생기게 되고, 전송 트랜지스터가 온(on) 되는 경우에 빛에 의해 생성된 전하 중 일부가 플로팅 확산 노드로 넘어가지 못하게 되고, 이로 인해 이미지 래깅 현상이 발생한다.
하지만, 본 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 영역은 테이퍼 형상을 가지는 포크날을 포함하는 포크 형상을 가진다. 따라서, 빛에 의해 생성된 전하가 각 포크날 형상의 중앙 부분으로 모이고(C 선 참조) 포크몸체 형상으로도 빠르게 모이게 되어(D 선 참조) 플로팅 확산 노드로 신속히 전달될 수 있다.
따라서, 전하가 전달되지 못하고 포토 다이오드 영역에 남아 있음으로 인해 발생하는 이미지 래깅이 줄어들게 되고, 남아 있는 전하로 인해 발생하는 데드존을 감소시켜 이미지 열화를 줄일 수 있다. 또한, 전위가 연속적으로 경사지게 분포되어 언덕 부분(200)이 없음으로 인해 전하가 용이하게 전달될 수 있어 전송 시간을 연장시킬 필요가 없으므로 이미지를 입력받기 위한 포토 다이오드 영역의 노출 시간 제어가 용이해질 수 있다.
본 실시예에서, 전송 트랜지스터로부터 포토 다이오드 영역의 에지까지의 거리는 전송 트랜지스터의 중심선(A''B'' 선) 상에서 최소일 수 있다.
도 8에 도시된 것과 같이 종래 포토 다이오드 영역은 중앙 부분(810)에서 넓은 동일 전위가 발생함으로 인해 전하 전송에 있어서 문제점이 발생한다. 따라서, 이를 해결하기 위해 넓은 동일 전위가 발생하지 않도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 포토 다이오드 영역 중 전송 트랜지스터에 인접한 부분이 좁은 것이 바람직하다. 즉, 전송 트랜지스터로부터 포토 다이오드 영역의 에지까지의 거리를 기준으로 볼 때 전송 트랜지스터의 중심선(A''B'' 선) 상에서 최소(L1 < L2)가 되도록 할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드 영역의 형상을 나타낸 도면이다.
도 9a를 참조하면, 포크날 형상의 2개의 제1 이온주입영역(910a, 910b, 이하 910이라 통칭함)이 포크몸체 형상의 제2 이온주입영역(920)에 연결되어 있다. 제1 이온주입영역(910)은 제2 이온주입영역(920)에 인접한 부분의 폭이 넓고 제2 이온주입영역(920)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가진다.
즉, 포크날 형상의 제1 이온주입영역(910)은 짝수 개가 형성될 수 있으며, 이 때 각각의 제1 이온주입영역(910)은 서로 대칭될 수 있다. 이 경우 대칭선(E 선)은 전송 트랜지스터의 중심선(도 5의 A''B'' 선)과 일치할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 포크날 형상의 3개의 제1 이온주입영역(930a, 930b, 930c)이 포크몸체 형상의 제2 이온주입영역(940)에 연결되어 있다. 제1 이온주입영역(930a, 930b, 930c)은 제2 이온주입영역(920)에 인접한 부분의 폭이 넓고 제2 이온주입영역(920)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가진다.
포크날 형상의 제1 이온주입영역(930a, 930b, 930c)은 홀수 개가 형성될 수 있으며, 이 때 중앙에 위치한 하나의 제1 이온주입영역(930b)을 중심으로 나머지 제1 이온주입영역(930a, 930c)이 서로 대칭될 수 있다. 이 경우 대칭선(F 선)이 중앙에 위치한 하나의 제1 이온주입영역(930b) 내를 지나갈 수 있으며, 전송 트랜지스터의 중심선(도 5의 A''B'' 선)과 일치할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 상위 이온주입영역(950)의 측면 에지에 보다 작은 크기의 하위 이온주입영역(960a, 960b, 이하 960으로 통칭함)이 연결되어 있다. 각 이온주입영역은 유사한 테이퍼 형상을 가지고 있는 바, 하위 이온주입영역(960)은 상위 이온주입영역(950)의 축소된 형상으로서 전체적으로 자기 반복적인 프랙탈(fractal) 구조임을 확인할 수 있다.
여기서, 상위 이온주입영역(950) 및 하위 이온주입영역(960) 중 하나 이상은 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 즉, 하위 이온주입영역(960)은 상위 이온주입영역(950)에 인접한 부분의 폭이 넓으며, 상위 이온주입영역(950)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
하위 이온주입영역(960)에서는 에지 부분에 생성된 전하가 중앙 부분으로 모이며, 각각의 하위 이온주입영역(960)에 모인 전하가 상위 이온주입영역(950)으로 다시 모여 플로팅 확산 영역으로 전달되게 된다.
도 9d를 참조하면, 상위 이온주입영역(950)의 측면 에지에 보다 작은 크기의 제1 하위 이온주입영역(960)이 연결되고, 각각의 제1 하위 이온주입영역(960)의 측면 에지에 보다 더 작은 크기의 제2 하위 이온주입영역(970a, 970b, 이하 970으로 통칭함)이 연결되어 있다. 이는 도 9c에 도시된 프랙탈 구조에서 보다 복잡하게 결합된 구조로, 단위픽셀의 액티브 영역 중 보다 넓은 공간을 포토 다이오드 영역으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
여기서, 상위 이온주입영역(950), 제1 하위 이온주입영역(960) 및 제2 하위 이온주입영역(970) 중 하나 이상은 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1 하위 이온주입영역(960)은 상위 이온주입영역(950)에 인접한 부분의 폭이 넓으며, 상위 이온주입영역(950)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 또한, 제2 하위 이온주입영역(970)은 제1 하위 이온주입영역(960)에 인접한 부분의 폭이 넓으며, 제1 하위 이온주입영역(960)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
제2 하위 이온주입영역(970)에서는 에지 부분에 생성된 전하가 중앙 부분으로 모이며, 각각의 제2 하위 이온주입영역(970)에 모인 전하가 제1 하위 이온주입영역(960)으로 모인다. 그리고 제1 하위 이온주입영역(960)에서는 에지 부분에 생성된 전하 및 제2 하위 이온주입영역(970)에서 전달된 전하가 중앙 부분으로 모이며, 각각의 제1 하위 이온주입영역(960)에 모인 전하가 상위 이온주입영역(950)으로 다시 모여 플로팅 확산 영역으로 전달되게 된다.
프랙탈 구조가 1계층 혹은 2계층 구조의 하위 이온주입영역을 가지는 것으로 설명하였지만, 상위 이온주입영역에 연결되는 하위 이온주입영역은 n계층 구조를 가질 수도 있다. 제1 하위 이온주입영역은 상위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 상위 이온주입영역에 연결된다. 그리고 제k 하위 이온주입영역은 제(k-1) 하위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 제(k-1) 하위 이온주입영역에 연결되는 구조가 반복된다. 여기서, k는 2 이상 n 이하의 자연수이다.
본 발명에서는 포토 다이오드 영역을 구성하는 이온주입영역의 형상을 설명함에 있어서 기본적으로 테이퍼 형상임을 가정하였다. 테이퍼 형상은 해당 이온주입영역이 전송 트랜지스터 혹은 상위의 이온주입영역에 연결된 부분으로부터 멀어짐에 따라 그 폭이 좁아지는 형상으로, 도면에서는 폭이 좁아지는 비율이 일정한 것으로 도시되어 있으나 실시예에 따라 폭이 좁아지는 비율이 일정하지 않을 수도 있다. 즉, 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 폭이 좁아지는 비율이 상이할 수 있다.
예를 들어, 연결 부분에 인접한 제1 구간에서는 그 폭이 a의 비율로 좁아지고 연결 부분과의 거리가 중간 정도인 제2 구간에서는 b의 비율로 좁아지며 연결 부분과의 거리가 가장 먼 제3 구간에서는 c의 비율로 좁아질 수도 있다. 여기서, a, b, c의 관계는 서로 동일하거나 혹은 하나 이상이 상이할 수 있으며, 순차적으로 증가하거나 감소할 수도 있다.
이와 같이 폭이 좁아지는 비율이 다양해짐에 따라 단위픽셀의 액티브 영역의 형상에 따라 가변적인 테이퍼 형상을 적용하여 소정 크기의 액티브 영역에 대하여 폭이 좁아지는 비율이 일정한 테이퍼 형상과 비교할 때 상대적으로 넓은 공간을 포토 다이오드 영역으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 단위픽셀 내에 전송 트랜지스터가 1개인 경우를 가정하여 설명하였지만, 포토 다이오드가 매우 큰 경우(예를 들어, 100 x 100 ㎛2) 전송 트랜지스터는 복수 개일 수도 있다. 하나의 단위픽셀에 대해서 전송 트랜지스터가 p(2 이상인 임의의 자연수)개이고, 플로팅 확산 노드가 q(1 이상인 임의의 자연수)개일 수 있다. 플로팅 확산 노드는 단위픽셀에 대하여 1개 있을 때의 크기와 비교할 때 1/q의 크기를 가지면서 인접한 전송 트랜지스터 중 하나 이상에 대응될 수 있다. 각각의 플로팅 확산 노드들은 서로 전기적으로 연결되거나 개별적으로 분리되어 형성될 수도 있다. 또한, 각각의 전송 트랜지스터들은 서로 전기적으로 연결되거나 전기적으로 분리되어 형성될 수도 있다. 이를 통해 감도 특성을 유지하면서도 상술한 것과 같이 이미지 래깅을 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
510a, 510b, 510c, 510d, 910a, 910b, 930a, 930b, 930c: 제1 이온주입영역
520, 920, 940: 제2 이온주입영역
950: 상위 이온주입영역
960a, 960b: 제1 하위 이온주입영역
970a, 970b: 제2 하위 이온주입영역

Claims (12)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 전송 트랜지스터;
    상기 전송 트랜지스터의 일측에 형성된 상위 이온주입영역과, 상기 상위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 상기 상위 이온주입영역의 측면 에지에 연결된 하나 이상의 하위 이온주입영역을 포함하는 포토 다이오드; 및
    상기 전송 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산 노드를 포함하되,
    상기 하위 이온주입영역은 n 계층의 자기 반복적인 프랙탈 구조로 이루어져 있으며, 상기 n은 2 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 하위 이온주입영역은 상기 상위 이온주입영역의 측면 에지에 연결되도록 형성되며, 제k 하위 이온주입영역은 제(k-1) 하위 이온주입영역이 축소된 형상으로서 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역의 측면 에지에 연결되도록 형성되되,
    상기 k는 2 이상 n 이하의 자연수인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제k 하위 이온주입영역은 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역과 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼(taper) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제k 하위 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 제(k-1) 하위 이온주입영역과 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상위 이온주입영역은 상기 전송 트랜지스터에 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상위 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 전송 트랜지스터에 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 전송 트랜지스터;
    상기 전송 트랜지스터의 일측에 형성된 제1 이온주입영역과, 상기 제1 이온주입영역으로부터 상기 반도체 기판의 액티브 영역의 가장자리를 향해 연장된 하나 이상의 제2 이온주입영역을 포함하는 포토 다이오드; 및
    상기 전송 트랜지스터의 타측에 형성된 플로팅 확산 노드를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 이온주입영역은 상기 제1 이온주입영역과 연결된 부분으로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 이온주입영역의 폭이 좁아지는 비율은 상기 제1 이온주입영역과 연결된 부분으로부터의 거리 구간 별로 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터는 p(2 이상인 임의의 자연수)개이고, 상기 플로팅 확산 노드는 q(1 이상인 임의의 자연수)개이며,
    상기 전송 트랜지스터 각각에 하나 이상의 상기 플로팅 확산 노드가 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    복수의 상기 플로팅 확산 노드들은 서로 전기적으로 연결되어 있거나 개별적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    복수의 상기 전송 트랜지스터들은 서로 전기적으로 연결되어 있거나 개별적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0136934B1 (ko) * 1994-02-23 1998-04-24 문정환 선형 고체영상소자
KR20020017794A (ko) * 2000-08-31 2002-03-07 박종섭 포토다이오드의 측면커패시터를 증대시키기 위한 이미지센서
KR100523664B1 (ko) 2000-08-17 2005-10-21 매그나칩 반도체 유한회사 전하 운송을 위해 단계적 전위 분포를 갖는 ｃｍｏｓ 이미지 센서
JP2008016542A (ja) 2006-07-04 2008-01-24 Nikon Corp 固体撮像装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0136934B1 (ko) * 1994-02-23 1998-04-24 문정환 선형 고체영상소자
KR100523664B1 (ko) 2000-08-17 2005-10-21 매그나칩 반도체 유한회사 전하 운송을 위해 단계적 전위 분포를 갖는 ｃｍｏｓ 이미지 센서
KR20020017794A (ko) * 2000-08-31 2002-03-07 박종섭 포토다이오드의 측면커패시터를 증대시키기 위한 이미지센서
JP2008016542A (ja) 2006-07-04 2008-01-24 Nikon Corp 固体撮像装置

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