KR101024728B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀; 및 제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하여 상기 제1 픽셀 일측에 형성된 제2 픽셀;을 포함하며, 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적이 다르게 형성된 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 이미지성능(image quality), 아웃풋(output)

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
종래기술에 의한 CIS소자는 빛 신호를 받아서 전기신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역과, 이 전기신호를 처리하는 트랜지스터 영역으로 구분할 수 있다.
종래의 기술에 의한 이미지센서는 4개의 동일한 사이즈(size)로 된 픽셀(pixel)에서 각각 G/B/R를 얻어내어 색을 재현한다.
하지만 이때 포토다이오드(photodiode)의 졍션프로파일(junction profile)과 빛의 파장, 전체적인 구조 등의 영향으로 각 G/R/B 별로 아웃풋(output_감도 관점)이 달라지게 되는데 아웃풋(output)이 작은 색의 경우 게인(gain)을 많이 주어 아웃풋(output)을 키우게 되므로 컬러별로 증폭을 달리하게 되며 이에 따라 노이즈(noise) 성분도 함께 증가하게 되어 전체적으로 이미지성능(image quality)을 떨어뜨리는 현상이 생긴다.
실시예는 각 컬러(color) 별로 게인(gain)을 다르게 컨트롤(control)하면서도 픽셀(pixel) 별 컬러 아웃풋(color output)을 고르게 하여 이미지성능(image quality) 개선에 효과적인 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀; 및 제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하여 상기 제1 픽셀 일측에 형성된 제2 픽셀;을 포함하며, 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적이 다르게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀을 형성하는 단계; 및 제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하는 제2 픽셀을 상기 제1 픽셀 일측에 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적을 다르게 형성하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 각 컬러(color) 별로 픽셀(pixel)의 포토다이오드(photodiode) 수광 면적을 다르게 함으로써, 아웃풋(Output)이 작게 나오는 색의 수광부는 크게 하고 반대로 아웃풋이 크게 나오는 픽셀(pixel)의 수광부는 작게하여 결과적으로 R/G/B 간 아웃풋 레벨(output level) 이 유사한 수준으로 나오게 할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 픽셀(pixel)의 아웃풋(output)을 증폭시키는 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Vth)을 조절하기 위해 채널길이(channel length)를 선택적으로 크거나 작게 하여 결과적으로 각 컬러(color) 별로 게인(gain)을 다르게 컨트롤(control)하여 픽셀(pixel) 별 컬러 아웃풋(color output)을 고르게 할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 픽셀(pixel)의 아웃풋(output)을 증폭시키는 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Vth)을 조절하기 위해 별도의 채널이온주입(chanel implantation)을 주입하여 각 컬러(color) 별로 게인(gain)을 다르게 컨트롤(control)하여 픽셀(pixel) 별 컬러 아웃풋(color output)을 고르게 할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 컬러별로 아웃풋이 균일하게 나오므로 컬러별로 증폭을 달리하지 않아도 되며 결과적으로 노이즈(noise)에 대한 컬러(color)별 유의차가 적어 이미지성능(image quality) 개선에 유리하다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
(제1 실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 평면도이다.
제1 실시예에 따른 이미지센서는 제1 포토다이오드(110)와 제1 리드아웃 회로(120)를 포함하는 제1 픽셀(100); 및 제2 포토다이오드(210)와 제2 리드아웃 회로(220)를 포함하며 상기 제1 픽셀(100) 일측에 형성된 제2 픽셀(200);을 포함하며, 상기 제1 포토다이오드(110)와 상기 제2 포토다이오드(210)의 수광면적이 다르게 형성될 수 있다.
또한, 제1 실시예는 상기 제1 리드아웃 회로(120)의 제1 드라이브트랜지스터(125)의 문턱전압과 상기 제2 리드아웃 회로(220)의 제2 드라이브트랜지스터(225)의 문턱전압이 서로 다를 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서에 의하면, 각 컬러(color) 별로 픽셀(pixel)의 포토다이오드(photodiode) 수광 면적을 다르게 함으로써, 아웃풋(Output)이 작게 나오는 색의 수광부는 크게 하고 반대로 아웃풋이 크게 나오는 픽셀(pixel)의 수광부는 작게하여 결과적으로 R/G/B 간 아웃풋 레벨(output level)이 유사한 수준으로 나오게 할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 컬러별로 아웃풋이 균일하게 나오므로 컬러별로 증폭을 달리하지 않아도 되며 결과적으로 노이즈(noise)에 대한 컬러(color)별 유의차가 적어 이미지성능(image quality) 개선에 유리하다.
이하, 도 1을 참조하여 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 제1 포토다이오드(110)와 제1 리드아웃 회로(120)를 포함하는 제1 픽 셀(100)을 액티브 영역(미도시)에 형성한다. 예를 들어, 이온주입에 의해 제1 포토다이오드(110)를 형성할 수 있으며, 상기 제1 포토다이오드(110)는 그린컬러에 대한 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 소정의 드레인 또는 소스를 형성하기 위한 채널이온주입 공정을 진행하고, 폴리실리콘을 형성한 후 사진공정 및 식각에 의해 제1 리드아웃 회로(120)를 형성할 수 있다. 상기 제1 리드아웃 회로(120)는 제1 트랜스퍼트랜지스터 게이트(121), 제1 리셋트랜지스터 게이트(123), 제1 드라이브트랜지스터 게이트(125) 및 제1 실렉트랜지스터 게이트(127)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 제1 픽셀(100) 일측에 제2 픽셀(200), 제3 픽셀(300) 및 제4 픽셀(400)이 형성될 수 있다. 상기 제2 픽셀(200)은 레드컬러에 대한 픽셀, 제3 픽셀(300)은 블루컬러에 대한 픽셀, 상기 제4 픽셀(400)은 그린컬러에 대한 픽셀일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 픽셀(200)는 상기 제1 픽셀(100)과 유사하게 제2 트랜스퍼트랜지스터 게이트(221), 제2 리셋트랜지스터 게이트(223), 제2 드라이브트랜지스터 게이트(225) 및 제2 실렉트랜지스터 게이트(227)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3 픽셀(300), 제4 픽셀(400)도 상기 제1 픽셀(100)에 대한 제1 리드아웃 회로(120)와 유사한 구성을 포함할 수 있다.
이때, 제1 실시예는 각 컬러(color) 별로 픽셀(pixel)의 포토다이오드(photodiode) 수광 면적을 다르게 함으로써, 아웃풋(Output)이 작게 나오는 색의 수광부는 크게 하고 반대로 아웃풋이 크게 나오는 픽셀(pixel)의 수광부는 작게하 여 결과적으로 R/G/B 간 아웃풋 레벨(output level)이 유사한 수준으로 나오게 할 수 있다.
예를 들어, 레이아웃(layout) 시 제품별 성향에 따라 레드(Red) 픽셀인 제2 픽셀(200) 혹은 블루(Blue) 픽셀인 제3 픽셀(300)의 레이아웃(layout)을 키우거나 줄일 수 있다. 또는, 필요에 따라 화면을 전체적으로 레디쉬(reddish)하게 또는 블루쉬(bluish)하게 조절할 필요가 있을 경우 레이아웃(layout)을 달리할 수 있다.
도 1은 레드(Red)의 아웃풋이 클 경우 또는 레드의 값을 작게 조절해야 할 필요가 있을 경우에 대해 레드 픽셀(Red pixel)인 제2 픽셀(200)의 제2 포토다이오드(210)의 수광부를 작게 형성한 예이다.
(제2 실시예)
도 2는 제2 실시예에 따른 이미지센서의 평면도이다.
제2 실시예는 상기 제1 실시예와 달리 블루(Blue)의 아웃풋(output)이 다른 픽셀(pixel)의 아웃풋(output level) 보다 작아서 키워야 할 경우 또는 전체적으로 블루쉬(bluish)하게 이미지(image)를 만들어 낼 경우 아래와 같이 그린픽셀인 제1 픽셀(100), 제4 픽셀(400)의 수광부를 줄여 주고 블루픽셀인 제3 픽셀(300)의 제3 포토다이오드(310)를 크게 형성할 수 있다. 일반적으로 그린픽셀은 2개의 픽셀(pixel)에서 데이터를 뽑고 있으므로 영향이 상대적으로 적다.
제2 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 각 컬러(color) 별로 픽셀(pixel)의 포토다이오드(photodiode) 수광 면적을 다르게 함으로써, 아웃풋(Output)이 작게 나오는 색의 수광부는 크게 하고 반대로 아웃풋이 크게 나오는 픽셀(pixel)의 수광부는 작게하여 결과적으로 R/G/B 간 아웃풋 레벨(output level)이 유사한 수준으로 나오게 할 수 있다.
(제3 실시예)
도 3은 제3 실시예에 따른 이미지센서의 평면도이다.
제3 실시예는 상기 제1 실시예의 특징과 더불어 제1 리드아웃 회로(120)의 제1 드라이브트랜지스터(125)의 문턱전압과 제2 리드아웃 회로(220)의 제2 드라이브트랜지스터(225)의 문턱전압이 서로 다르게 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 리드아웃 회로(120)의 제1 드라이브트랜지스터(125a)의 CD(Critical Dimension)와 상기 제2 리드아웃 회로(220)의 제2 드라이브트랜지스터(225)의 CD를 서로 다르게 형성할 수 있다.
구체적으로, 픽셀(Pixel)의 아웃풋(output)은 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Dx 의 Vth)에 반비례하며, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게인(gain)은 드라이브 트랜지스터의 문턱전압에 반비례 하게된다.
상기 원리에 따라 드라이브 트랜지스터(Dx)의 문턱전압(Vth)이 클 경우 게인(gain)이 감소하여 결과적으로 아웃풋(Output)이 작아지는 것을 이용하여 R/G/B 의 컬러(color) 별 아웃풋(output)을 조절하여 감도를 키우거나 작게 할 수 있다.
제3 실시예에 따른 이미지센서에 의하면, 픽셀(pixel)의 아웃풋(output)을 증폭시키는 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Vth)을 조절하기 위해 채널길이(channel length)를 선택적으로 크거나 작게 하여 결과적으로 각 컬러(color) 별로 게인(gain)을 다르게 컨트롤(control)하여 픽셀(pixel) 별 컬러 아웃풋(color output)을 고르게 할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 각 컬러별로 아웃풋이 균일하게 나오므로 컬러별로 증폭을 달리하지 않아도 되며 결과적으로 노이즈(noise)에 대한 컬러(color)별 유의차가 적어 이미지성능(image quality) 개선에 유리하다.
구체적으로 제3 실시예는 도 3과 같이 그린(Green)의 감도를 키우기 위해 예를 들어 그린(Green)에 해당하는 제1 픽셀(100)의 제1 드라이브트랜지스터(125a)의 CD를 작게 형성(drawing) 함으로 Vth를 작게 만들어 줄 수 있다.
(제4 실시예)
도 4는 제4 실시예에 따른 이미지센서의 평면도이다.
제4 실시예에 의하면, 픽셀(pixel)의 아웃풋(output)을 증폭시키는 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Vth)을 조절하기 위해 별도의 채널이온주입(chanel implantation)을 주입하여 각 컬러(color) 별로 게인(gain)을 다르게 컨트롤(control)하여 픽셀(pixel) 별 컬러 아웃풋(color output)을 고르게 할 수 있다. 이에 따라, 제4 실시예에 의하면 각 컬러별로 아웃풋이 균일하게 나오므로 컬러별로 증폭을 달리하지 않아도 되며 결과적으로 노이즈(noise)에 대한 컬러(color)별 유의차가 적어 이미지성능(image quality) 개선에 유리하다.
구체적으로, 제4 실시예는 상기 제1 실시예의 특징에 더불어 도 4와 같이 레드(Red)의 감도를 작게 하기 위해 레드(Red)에 해당하는 제2 픽셀(200)의 제2 드라이브트랜지스터(225) 영역(도 1 참조)에 별도의 추가 이온주입 영역(230)을 진행함으로써 제2 드라이브트랜지스터(225)의 문턱전압을 높일 수 있다. 이러한 추가 이온주입 영역(230)은 채널이온주입(chanel implantation)이므로 게이트(gate) 형성 이전에 진행할 수 있다.
예를 들어, 제2 픽셀(200)의 제2 드라이브트랜지스터(225)가 형성될 영역에 추가 이온주입 영역(230)을 형성할 수 있다. 예를 들어, NMOS인 경우 P-type으로 추가 이온주입 영역(230)을 형성할 수 있다.
또한, 다른 실시예로 본래의 채널이온주입 영역과 반대 타입으로 추가 이온주입을 함으로써 채널 폭을 좁혀서 문턱전압을 낮출 수도 있다. 예를 들어, 제2 드라이브트랜지스터(225)에 대한 채널이온주입 영역(미도시)의 중심부분을 이온주입 마스크(미도시)로 가리고 그 양측면에 채널이온주입 영역과 반대 타입으로 추가 이온주입을 진행함으로써 채널영역의 폭을 줄일수도 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 평면도.
도 2는 제2 실시예에 따른 이미지센서의 평면도.
도 3은 제3 실시예에 따른 이미지센서의 평면도.
도 4는 제4 실시예에 따른 이미지센서의 평면도.

Claims (13)

  1. 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀; 및
    제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하여 상기 제1 픽셀 일측에 형성된 제2 픽셀;을 포함하며,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적이 다르게 형성되며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 문턱전압과 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 문턱전압이 서로 다르며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 CD(Critical Dimension)와 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 CD가 서로 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀; 및
    제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하여 상기 제1 픽셀 일측에 형성된 제2 픽셀;을 포함하며,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적이 다르게 형성되며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 문턱전압과 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 문턱전압이 서로 다르며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터에 대한 드레인 또는 소스를 형성하기 위한 채널이온주입과 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터에 대한 드레인 또는 소스를 형성하기 위한 채널이온주입이 서로 다른 폭으로 진행된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  5. 제1 항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 채널길이와 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 채널길이를 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  6. 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀을 형성하는 단계; 및
    제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하는 제2 픽셀을 상기 제1 픽셀 일측에 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적을 다르게 형성하며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 채널길이와 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 채널길이를 서로 다르게 형성하고,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 CD(Critical Dimension)와 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 CD를 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 문턱전압과 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 문턱전압이 서로 다른 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1 포토다이오드와 제1 리드아웃 회로를 포함하는 제1 픽셀을 형성하는 단계; 및
    제2 포토다이오드와 제2 리드아웃 회로를 포함하는 제2 픽셀을 상기 제1 픽셀 일측에 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드의 수광면적을 다르게 형성하며,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터의 채널길이와 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터의 채널길이를 서로 다르게 형성하고,
    상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터에 대한 드레인 또는 소스를 형성하기 위한 채널이온주입과 상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터에 대한 드레인 또는 소스를 형성하기 위한 채널이온주입이 서로 다른 폭으로 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 리드아웃 회로의 제2 드라이브 트랜지스터에 대한 채널이온주입이 상기 제1 리드아웃 회로의 제1 드라이브 트랜지스터에 대한 채널이온주입 공정 후 추가로 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 추가로 진행되는 채널이온주입공정은
    상기 제2 드라이브 트랜지스터에 대한 채널이온주입과 같은 타입의 이온으로 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 추가로 진행되는 채널이온주입공정은
    상기 제2 드라이브 트랜지스터에 대한 채널이온주입과 반대 타입의 이온으로 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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