KR102433575B1 - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서는, 액티브 영역을 정의하는 소자 분리막을 포함하는 기판 내에 형성되는 광전 변환층과, 액티브 영역의 일 측에 형성된 플로팅 확산 영역과, 액티브 영역에 배치되며 액티브 영역과 인접한 소자 분리막에 접하는 전송 게이트를 포함한다. 전송 게이트의 일 측이 소자 분리막과 접하여 광전 변환층에서 생성되고 축적된 광전하들이 플로팅 확산 영역으로 하나의 통로를 통하여 이동한다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관련된 것으로. 더욱 상세하게는 CIS(CMOS image sensor)에 관련된 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 이미지 센서도 고집적화고 있다. 이에 따라 각각의 화소의 크기들도 작아져 포토다이오드의 면적도 작아지고 있다. 이에 의해 하나의 포토다이오드에 입사되는 수광량도 적어진다. 수광량이 적어지면 광감도가 떨어지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 제한된 면적 내에서 광감도가 우수한 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 이미지 센서를 제공한다. 상기 이미지 센서는: 액티브 영역을 정의하는 소자 분리막을 포함하는 기판; 상기 기판 내에 형성되는 광전 변환층; 상기 액티브 영역의 일 측에 형성된 플로팅 확산 영역; 및 상기 액티브 영역에 배치되며, 상기 액티브 영역과 인접한 소자 분리막에 접하는 전송 게이트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서는: 상기 기판은 상기 플로팅 확산 영역 및 상기 전송 게이트가 배치되는 웰 불순물층을 더 포함하되, 상기 전송 게이트는 상기 웰 불순물층 내로 삽입된 하부 부분과, 상기 하부 부분과 연결되며 상기 기판 위로 돌출된 상부 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액티브 영역은 제1 내지 제3 액티브 영역들을 포함하고, 상기 제1 액티브 영역은 상기 제2 및 제3 액티브 영역들 사이에 배치되되, 상기 제1 액티브 영역은, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제1 부분과, 상기 제1 부분과 연결되며 상기 전송 게이트가 형성되는 제2 부분을 포함하되, 상기 제1 액티브 영역의 제2 부분은 상기 제1 부분에 대향하는 제1 단부, 상기 제2 액티브 영역에 인접한 제2 단부 및 상기 제3 액티브 영역에 인접한 제3 단부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 단부에 접하는 소자 분리막과 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 및 제3 단부들에 접하는 소자 분리막과 각각 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 내지 제3 단부들과 접하는 소자 분리막과 각각 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 단부와 접하며, 상기 제1 부분에 마주하는 면이 상기 제1 부분으로 기울어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 및 제3 액티브 영역들 각각은 서로 동일한 폭 및 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액티브 영역은, 평면적 관점에서, 일 측으로 돌출된 제1 부분과, 상기 제1 부분으로부터 연장되며, 상기 제1 부분보다 넓은 폭을 갖는 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분에 상기 플로팅 확산 영역이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액티브 영역은, 평면적 관점에서 L자 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 이미지 센서를 제공한다. 상기 이미지 센서는: 다수의 픽셀 영역들을 정의하는 제1 소자 분리막을 포함하는 기판; 상기 기판의 제1 면에 형성된 로직 트랜지스터들; 및 상기 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 배치되는 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈를 포함하되, 하나의 픽셀 영역은: 제1 액티브 영역, 제2 액티브 영역 및 제3 액티브 영역을 정의하는 제2 소자 분리막; 상기 기판 내에 형성된 광전 변환층; 상기 기판의 제1 면에 인접하게 형성되는 웰 불순물층; 상기 제1 액티브 영역의 제1 부분에 형성된 플로팅 확산 영역; 및 상기 제1 액티브 영역의 제2 부분에 형성된 전송 게이트를 포함하되, 상기 전송 게이트는 상기 제2 부분에 접하는 소자 분리막과 접한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 및 제3 액티브 영역들에 상기 로직 트랜지스터들의 게이트 전극들이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 액티브 영역은 상기 제2 및 제3 액티브 영역들 사이에 배치되고, 상기 제1 액티브 영역의 제1 부분의 폭이 상기 제2 부분의 폭보다 작으며, 상기 제1 및 제2 부분들 각각의 일 측면이 동일 평면일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 액티브 영역의 제2 부분은 상기 제1 부분과 마주하는 제1 단부, 상기 제2 액티브 영역에 인접한 제2 단부 및 상기 제3 액티브 영역에 인접한 제3 단부를 포함하되, 상기 전송 게이트는 상기 제1 단부에 접하는 제2 소자 분리막과 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제3 단부에 접하는 제2 소자 분리막과 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트는 상기 제2 및 제3 단부들에 접하는 제2 소자 분리막과 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 부분과 마주하는 전송 게이트의 일면은 상기 제1 부분으로 기울어진 면일 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들에 의하면, 전송 게이트의 일측이 소자 분리막과 접함으로써 광전 변환층의 광전하들이 플로팅 확산 영역으로 이동 시 하나의 경로로 이동할 수 있다. 따라서, 광전하들의 로스를 감소시킬 수 있으며 적은 양의 광으로도 고 감도의 이미지를 센싱할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 5는 일반적인 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 도 5의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8은 도 7의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 5는 일반적인 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 도 5의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8은 도 7의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(10; Active Pixel Sensor array), 행 디코더(row decoder; 20), 행 드라이버(row driver; 30), 열 디코더(column decoder; 40), 타이밍 발생기(timing generator; 50), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 60), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 70) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 80)를 포함한다.
상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 상기 행 드라이버(30)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 변환된 전기적 신호는 상기 상관 이중 샘플러(60)에 제공된다.
상기 행 드라이버(30)는 상기 행 디코더(20)에서 디코딩된 결과에 따라 상기 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(10)로 제공한다. 상기 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
상기 타이밍 발생기(50)는 상기 행 디코더(20) 및 상기 열 디코더(40)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
상기 상관 이중 샘플러(CDS; 60)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 상기 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
상기 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 70)는 상기 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
상기 입출력 버퍼(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 상기 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하며, 단위 픽셀들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이 실시예에서, 단위 픽셀(PX)은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다.
여기서, 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX; reset transistor), 선택 트랜지스터(SX; selection transistor), 및 드라이브 트랜지스터(DX; drive transistor or source follower transistor)를 포함할 수 있다.
상기 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트 (TG), 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(floating diffusion region, FD)를 포함할 수 있다.
상기 광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다.
상기 전송 게이트(TG)는 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송한다.
상기 플로팅 확산 영역(FD)는 상기 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장한다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 상기 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터(RX)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 상기 플로팅 확산 영역(FD)와 연결되며 소오스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결된다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)되면, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 소오스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온 시 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 상기 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(DX)는 단위 픽셀(PX) 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(Vout)으로 출력한다.
상기 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 상기 단위 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 전원 전압(VDD)이 드라이브 트랜지스터(DX)의 소오스 전극으로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 평면도이고, 도 4는 도 3의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판(100)은 다수의 픽셀 영역들(PX)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 영역들(PX)은 x축 및 y축 방향을 따라 배열될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 픽셀 영역(PX)은 제1 액티브 영역(AC1), 제2 액티브 영역(AC2) 및 제3 액티브 영역(AC3)을 포함할 수 있다. 평면적 관점에서, 상기 제1 액티브 영역(AC1)은 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 상기 제3 액티브 영역(AC3) 사이에 배치될 수 있다.
상기 기판(100)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘/게르마늄을 포함하는 반도체 기판(100)이거나, SOI(silicon on insulator) 기판, GOI(germanium on insulator) 기판 또는 반도체 에피택시얼층(epitaxial layer)을 포함하는 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 서로 대향하는 제1 면(102a) 및 제2 면(102b)을 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에는 배선 구조체(WRS)가 배치될 수 있다. 상기 배선 구조체(WRS)는 로직 트랜지스터들(도시되지 않음) 및 이와 연결되는 배선층(155, 160)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 제2 면(102b) 상에는 컬러 필터층(210) 및 마이크로 렌즈들(220)이 배치될 수 있다. 상세하게, 상기 컬러 필터층(210) 및 상기 마이크로 렌즈(220)는 각각의 픽셀 영역(PX)에 대응되어 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터층(210)은 단위 픽셀에 따라 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(220)는 볼록한 형태를 가지며 소정의 곡률 반경을 가질 수 있으며, 각각의 픽셀 영역들(PX)로 입사광을 집광시킬 수 있다. 한편 선택적으로, 상기 기판(100)의 제2 면(102b)의 컬러 필터층(210) 사이에 평탄막(200)이 더 배치될 수 있다.
상기 픽셀 영역들(PX) 각각은 광전 변환층(115) 및 웰 불순물층(120)이 형성될 수 있다. 상기 광전 변환층(115)은 입사광의 세기에 비례하여 광전하를 생성한다. 상기 광전 변환층(115)은 상기 기판(100)과 반대의 도전형을 갖는 불순물이 상기 기판(100) 내에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(100)의 제1 면(102a)과 제2 면(102b) 사이에 포텐셜 기울기를 가질 수 있도록 상기 광전 변환층(115)은 상기 제1 면(102a)에 인접한 영역과 상기 제2 면(102b)에 인접한 영역 간에 불순물 농도 차이를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환층(115)은 복수 개의 불순물 영역들이 적층된 형태로 형성될 수도 있다. 상기 웰 불순물층(120)은 상기 광전 변환층(115) 상에서 상기 기판(100)의 제1 면(102a)과 인접하며, 상기 광전 변환층(115)과 반대의 도전형을 갖는 불순물이 도핑될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 광전 변환층(115)은 n형 불순물이 도핑될 수 있으며, 상기 웰 불순물층(120)은 p형 불순물이 도핑될 수 있다.
제1 소자 분리막(105)이 상기 기판(100)의 제1 면(102a)에서 상기 제2 면(102b)으로 수직적으로 연장될 수 있으며, 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 기판(100)의 픽셀 영역들(PX) 사이를 정의하며, 상기 광전 변환층(115)을 둘러쌀 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 기판(100)보다 굴절률이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소자 분리막(105)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 언도프트 폴리실리콘(undoped polysilicon), 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 및/또는 제2 면(102b)을 패터닝하여 깊은 트렌치를 형성한 후, 상기 깊은 트렌치 내에 절연 물질을 매립하여 형성될 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 상기 광전 변환층(115)으로 비스듬히 입사되는 입사광을 굴절시킬 수 있다. 상기 제1 소자 분리막(105)은 입사광에 의해 생성된 광전하들이 랜덤 드리프트(random drift)에 의해 인접한 픽셀 영역들(PX)로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
제2 소자 분리막(110)은 상기 픽셀 영역(PX) 내 제1 액티브 영역(AC1), 제2 액티브 영역(AC2) 및 제3 액티브 영역(AC3)을 정의할 수 있다. 상기 제1 액티브 영역(AC1), 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 제3 액티브 영역(AC3)은 서로 이격되어 배치되며, 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 상기 제1 액티브 영역(AC1)은, 평면적 관점에서 상기 픽셀 영역(PX)의 중앙부에 배치되고, 일 측이 돌출된 제1 부분(AC1_1)과 상기 제1 부분(AC1_1)보다 x 방향으로 큰 폭을 갖는 제2 부분(AC1_2)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 액티브 영역(AC1)은 평면적 관점에서 'L'자 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 액티브 영역(AC1)은 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 상기 제3 액티브 영역(AC3) 사이에 배치되며, 평면적 관점에서, 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 상기 제3 액티브 영역(AC3)은 상기 픽셀 영역(PX)의 가장자리 부위에 배치될 수 있다. 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 상기 제3 액티브 영역(AC3)은 서로 마주하며, 그 폭 및 길이가 서로 실질적으로 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 소자 분리막(110)은 웰 불순물층(120) 내에 형성될 수 있다. 상기 기판(100)의 제1 면(102a)으로부터 상기 제2 소자 분리막(110)의 수직적 깊이는, 상기 제1 소자 분리막(105)의 수직적 깊이보다 작을 수 있다. 일 예로, 상기 제2 소자 분리막(110)의 하부면은 상기 웰 불순물층(120) 내에 위치할 수 있으며, 상기 광전 변화층(115)과 이격될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 소자 분리막(110)은 상기 기판(100)의 제1 면(102a)을 패터닝하여 얕은 트렌치를 형성한 후, 얕은 트렌치 내에 실리콘 질화 라이너(silicon nitride liner)를 컨포멀하게 형성하고 상기 실리콘 질화 라이너가 형성된 얕은 트렌치를 HDP(high density plasma) 산화물 및 USG(undoped silicon glass)와 같은 절연 물질을 매립하여 형성할 수 있다.
상기 픽셀 영역(PX)의 제1 액티브 영역(AC1)에 전송 게이트(132)와 플로팅 확산 영역(125)이 형성될 수 있다. 상기 전송 게이트(132)는 전송 게이트 전극(130)을 포함하되, 상기 전송 게이트 전극(130) 웰 불순물층(120) 내로 삽입된 하부 부분(130L)과, 상기 하부 부분(130L)과 연결되며 상기 기판(100)의 제1 면(102a) 위로 돌출된 상부 부분(130U)을 포함할 수 있다. 상기 전송 게이트 전극(130)의 하부 부분(130L)은 상기 웰 불순물층(120)의 일부를 관통할 수 있다. 상기 전송 게이트 전극(130)의 하부 부분(130L)의 깊이는 상기 전송 게이트 전극(130)과 상기 광전 변환층(115) 사이의 포텐셜 배리어(potential barrier)를 광전하들이 넘어올 수 있는 정도일 수 있다. 상기 전송 게이트(132)는 상기 전송 게이트 전극(130)과 상기 기판(100) 사이에 개재되는 게이트 절연막(127)을 더 포함할 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 상기 전송 게이트 전극(130)를 형성하는 공정을 간략하게 설명하기로 한다. 상기 제1 액티브 영역(AC1)에 마스크 패턴(도시되지 않음)을 형성할 수 있다. 상기 마스크 패턴은 상기 실리콘 및 산화물에 대하여 식각 선택비를 가지며 제거가 용이한 포토레지스트(photoresist) 또는 실리콘 산질화물(SiON)을 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴을 식각 선택비로 하여 상기 노출된 웰 불순물층(120)에 트렌치(도시되지 않음)를 형성하고, 상기 트렌치를 등방성 식각으로 확장시킴으로써, 상기 확장된 트렌치가 상기 제2 소자 분리막(110)의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다. 상기 확장된 트렌치 내에 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 차례로 형성하여 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴을, 상기 제1 액티브 영역(AC1) 및 상기 제1 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a, 도 7 참조)에 인접한 제2 소자 분리막(110)의 적어도 일부를 노출시키도록 형성한 후, 식각 공정을 수행하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치 내부에 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 차례로 형성하여 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전송 게이트(132)는 평면적 관점에서, 상기 제1 액티브 영역(AC1)의 일 측으로 쉬프트되어 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 전송 게이트(132)는 상기 제1 액티브 영역(AC1)의 제2 부분(AC1_2)과 접하는 상기 제2 소자 분리막(110)와 접하도록 배치될 수 있다. 이에 대한 설명은 후속하여 더욱 상세하게 하기로 한다.
상기 전송 게이트(132) 일 측의 웰 불순물층(120) 내에 플로팅 확산 영역(125)이 형성될 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(125)은 상기 제1 액티브 영역(AC1)의 돌출된 제1 부분(AC1_1)에 형성될 수 있다. 또한, 상기 플로팅 확산 영역(125)은 상기 웰 불순물층(120)과 반대의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 플로팅 확산 영역(125)은 n형 불순물 영역일 수 있다.
상기 픽셀 영역(PX)의 제2 액티브 영역(AC2)에 리셋 게이트(140) 및 선택 게이트(135)가 배치될 수 있다. 상기 픽셀 영역(PX)의 제3 액티브 영역(AC3)에 소스 팔로워 게이트(145)가 배치될 수 있다. 상기 리셋 게이트(140), 상기 선택 게이트(135) 및 상기 소스 팔로워 게이트(145)는 상기 게이트 절연막(도시되지 않음)을 개재하여 상기 웰 불순물층(120) 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 액티브 영역(AC2) 및 상기 제3 액티브 영역(AC3)은 실질적으로 동일한 폭 및 깊이를 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 제1 층간 절연막(150)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 층간 절연막(150)은 상기 전송 게이트(132), 상기 리셋 게이트(140), 상기 선택 게이트(135) 및 상기 소스 팔로워 게이트(145)를 덮을 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(150) 내에는 복수 개의 콘택 플러그들(155)이 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 콘택 플러그들(155) 각각은 상기 플로팅 확산 영역(125)에 전기적으로 접속할 수 있다. 상세하게 도시되지 않았으나, 상기 리셋 게이트(140), 상기 선택 게이트(135) 및 상기 소스 팔로워 게이트(145) 양측에 불순물 영역들이 형성될 수 있으며, 상기 콘택 플러그들(155)은 상기 불순물 영역들과 전기적으로 연결되는 콘택 플러그들(155)을 포함할 수 있다. 상기 콘택 플러그들(155) 각각은 배리어 금속막 및 금속막을 포함할 수 있다. 상기 배리어 금속막은 예를 들어, 티타늄질화물(TixNy), 타탄륨질화물(TaxNy), 텅스텐질화물(WxNy), 하프늄질화물(HfxNy) 및 지르코늄질화물(ZrxNy)과 같은 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 상기 금속막은 텅스텐(W), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 도전성 금속 질화물들 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 콘택 플러그들(155)과 불순물 영역들 사이에 실리사이드막(silicide layer)이 더 형성될 수 있다.
상기 콘택 플러그들(155)을 덮는 제2 층간 절연막(165)을 더 형성하고, 상기 제2 층간 절연막(165)에는 상기 콘택 플러그들(155)과 전기적으로 연결되는 연결 배선들(160)이 형성될 수 있다. 상기 연결 배선들(160) 각각은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 티타늄질화물(TixNy), 타탄륨질화물(TaxNy), 텅스텐질화물(WxNy), 하프늄질화물(HfxNy) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금으로 형성될 수 있다.
상기 제2 층간 절연막(165) 상에 제3 층간 절연막(170) 및 패시베이션막(175)이 배치될 수 있다.
도 5는 일반적인 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 6은 도 5의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 8은 도 7의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
설명의 용이함을 위하여, 액티브 영역(AC1)은 평면적 관점에서, 일 측이 돌출된 제1 부분(AC1_1)과, 상기 제1 부분(AC1_1)과 연결되며 상기 제1 부분(AC1_1)보다 큰 폭을 갖는 제2 부분(AC1_2)을 포함한다. 상기 제1 부분(AC1_1)의 일 면과 상기 제2 부분(AC1_2)의 일 면은 서로 동일한 평면일 수 있다. 상기 제2 부분(AC1_2)은, 상기 제1 부분(AC1_1)에 대향하며 인접한 픽셀 영역(PX)을 마주하는 제1 단부(112a)와, 상기 제2 액티브 영역(AC2)에 인접한 제2 단부(112b)와, 상기 제3 액티브 영역(AC3)에 인접한 제3 단부(112c)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 액티브 영역(AC1)은 소자 분리막 (110)에 의해 둘러싸여 정의된다. 도 5 내지 도 8의 액티브 영역(AC1) 및 소자 분리막(110) 각각은 도 3 및 4의 제1 액티브 영역(AC1) 및 제2 소자 분리막(110)에 각각 대응될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전송 게이트 전극(130')이 액티브 영역(AC1)의 제2 부분(AC1_2) 내부에 배치되며, 상기 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a), 제2 단부(112b) 및 제3 단부(112c)와 이격되어 배치된다. 이와는 다르게, 도 7 및 도 8을 참조하면, 전송 게이트 전극(130)이 액티브 영역(AC1)의 제2 부분(AC1_2)의 일 측으로 쉬프트되어 배치된다. 일 실시예에서, 상기 전송 게이트 전극(130)이 상기 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a) 방향으로 쉬프트되어, 상기 전송 게이트(132)가 상기 제1 단부(112a)와 인접한 소자 분리막(110)와 접할 수 있다.
광전 변환층(115)은 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 상기 전송 게이트 전극(130, 130')은 상기 광전 변환층(115) 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역(125)으로 전송한다. 전술한 바와 같이 상기 플로팅 확산 영역(125)은 상기 액티브 영역(AC1)의 제1 부분(AC1_1)에 형성된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 광전하들은 상기 플로팅 확산 영역(125)을 향하는 제1 경로(PT1)와 상기 제2 부분(AC1_2)의 제1 단부(112a)를 향하는 제2 경로(PT2)를 통해 이동하게 된다.
이와는 다르게, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 상기 전송 게이트(132)를 상기 소자 분리막(110)과 접하도록 형성함으로써, 상기 제2 경로(PT2)을 차단할 수 있다. 즉, 상기 전송 게이트 전극(130)을 쉬프트하여 위치시킴으로써 상기 제2 경로(PT2)를 차단시키는 동시에, 상기 제1 경로(PT1)의 면적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 광전하들이 제2 경로(PT2)로 이동함으로써 발생되는 로스(loss)를 방지할 수 있으며, 낮은 광량으로도 고 감도의 이미지를 센싱할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 9의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도는 도 8을 참조한다. 도 9에 도시된 실시예에서, 도 3 및 도 4, 도 7 및 도 8에 도시된 참조 번호와 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소들을 나타내며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전송 게이트 전극(130)을 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a) 및 제3 단부(112c) 방향으로 쉬프트하여 위치시킨다. 즉, 상기 전송 게이트(132)는 상기 제1 및 제3 단부들(112a, 112c)에 접하는 소자 분리막(110)과 접하며 배치될 수 있다. 이로써, 광전하들이 제2 경로(PT2)로 이동함으로써 발생되는 로스(loss)를 방지할 수 있으며, 상기 제1 경로(PT1)의 폭이 더욱 넓어질 수 있어, 광전하들의 이동 경로 폭을 증가시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 10의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도는 도 8을 참조한다. 도 11에 도시된 실시예에서, 도 3 및 도 4, 도 7 및 도 8에 도시된 참조 번호와 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소들을 나타내며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8 및 도 10을 참조하면, 평면적 관점에서, 전송 게이트 전극(130)의 면적을 증가시켜, 상기 전송 게이트(132)가 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a), 제2 단부(112b) 및 제3 단부(112c)를 오버랩하고, 상기 제1 단부(112a), 상기 제2 단부(112b) 및 상기 제3 단부(112c)와 접하는 소자 분리막(110)과 접하며 배치된다. 이로써, 광전하들이 제2 경로(PT2)로 이동함으로써 발생되는 로스(loss)를 방지할 수 있으며, 제1 경로(PT1)의 길이를 단축시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 영역 및 전송 게이트의 위치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 11의 이미지 센서를 I-I'으로 절단한 단면도는 도 8을 참조한다. 도 11에 도시된 실시예에서, 도 3 및 도 4, 도 7 및 도 8에 도시된 참조 번호와 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소들을 나타내며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 평면적 관점에서, 전송 게이트 전극(130)을 액티브 영역(AC1)의 제1 단부(112a) 방향으로 쉬프트함과 동시에, 상기 전송 게이트(132)의 형태를 변형한다. 일 실시예에 따르면, 제1 부분(AC1_1)에 대응되는 전송 게이트 전극(130)의 측면이, 평면적 관점으로 상기 제1 부분(AC1_1)으로 기울어진 면일 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 전송 게이트 전극(130)은 평면적으로 'L'자 형상을 가질 수 있다. 전송 게이트 전극(130)을 제1 단부(112a) 방향으로 쉬프트시킴으로써 제2 경로(PT2)를 차단하고, 전송 게이트 전극(130)의 측면이 상기 제1 부분(AC1_1)으로 기울어짐으로써, 제1 경로(PT1)의 폭을 증가시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 기판
105: 제1 소자 분리막
110: 제2 소자 분리막
115: 광전 변환층
120: 웰 불순물층
125: 플로팅 확산 영역
130: 전송 게이트
AC1, AC2, AC3: 액티브 영역
105: 제1 소자 분리막
110: 제2 소자 분리막
115: 광전 변환층
120: 웰 불순물층
125: 플로팅 확산 영역
130: 전송 게이트
AC1, AC2, AC3: 액티브 영역
Claims (10)
- 액티브 영역을 정의하는 소자 분리막을 포함하는 기판;
상기 기판 내에 형성되는 광전 변환층;
상기 액티브 영역의 일 측에 형성된 플로팅 확산 영역; 및
상기 액티브 영역에 배치되며, 상기 액티브 영역과 인접한 소자 분리막에 접하는 전송 게이트를 포함하되,
상기 액티브 영역은 제1 내지 제3 액티브 영역들을 포함하고,
상기 제1 액티브 영역은 상기 제2 및 제3 액티브 영역들 사이에 배치되되,
상기 제1 액티브 영역은, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제1 부분과, 상기 제1 부분과 연결되며 상기 전송 게이트가 형성되는 제2 부분을 포함하되,
상기 제1 액티브 영역의 제2 부분은 상기 제1 부분에 대향하는 제1 단부, 상기 제2 액티브 영역에 인접한 제2 단부 및 상기 제3 액티브 영역에 인접한 제3 단부를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 플로팅 확산 영역 및 상기 전송 게이트가 배치되는 웰 불순물층을 더 포함하되,
상기 전송 게이트는 상기 웰 불순물층 내로 삽입된 하부 부분과, 상기 하부 부분과 연결되며 상기 기판 위로 돌출된 상부 부분을 포함하는 이미지 센서. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 단부에 접하는 소자 분리막과 접하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 및 제3 단부들에 접하는 소자 분리막과 각각 접하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 내지 제3 단부들과 접하는 소자 분리막과 각각 접하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 전송 게이트는 상기 제2 부분의 제1 단부와 접하며, 상기 제1 부분에 마주하는 면이 상기 제1 부분으로 기울어진 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제2 및 제3 액티브 영역들 각각은 서로 동일한 폭 및 길이를 갖는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 액티브 영역은,
평면적 관점에서, 일 측으로 돌출된 제1 부분과,
상기 제1 부분으로부터 연장되며, 상기 제1 부분보다 넓은 폭을 갖는 제2 부분을 포함하며,
상기 제1 부분에 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 액티브 영역은, 평면적 관점에서 L자 형상을 갖는 이미지 센서.
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