KR20000010196A - 이미지센서의 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드 활성영역에서 광투과도를 높여 광전하의 생성 효율을 극대화 시키고, 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키기 위한 포토다이오드를 갖는 이미지센서를 제공하고자하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는, 포토다이오드와 트랜스퍼게이트를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 내부에 국부적으로 형성된 제2도전형의 제1확산영역; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 제1확산영역 상에 오버랩되어 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 적용되는 포토다이오드에 관한 것으로, 특히 입사되는 광에 대해 광전하를 생성 및 축적하는 능력, 즉 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 우수한 포토다이오드에 관한 것이다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip) 화가 곤란하는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(Sub- micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. 그러나 현재까지는 CCD에 비하여 화질이 떨어지므로 이를 개선하려는 노력이 진행중이다.
CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(MD), 및 셀렉트게이트(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도2은 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도3a 및 도3b는 도2의 A-A'에 따른 단면도이다. 도3a는 광감지영역의 포토다이오드를 N/P 접합형 포토다이오드로 구성한 경우이고, 도3b는 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우이다.
N/P 접합형 포토다이오드는 도3a에 도시된 바와 같이 P+기판(11)에 에피택셜 성장된 P-에피층(12)이 형성되고, 이 P-에피층(12) 표면에 N+확산영역(14)이 형성되어 구성된다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(13)이 형성되어 있다.
P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드는 도3b에 도시된 바와 같이 P+기판(21)에 에피택셜 성장된 P-에피층(22)이 형성되고, 이 P-에피층(22) 내부에 N-확산영역(24)이 형성되고, 이 N-확산영역(24) 상부와 P-에피층(22) 표면 하부에 P0확산영역(25)이 형성되어 구성된다.
그러나, 이러한 종래의 포토다이오드는 광감지영역의 P-에피층(22) 표면 전체가 확산층으로 구성되어 있어, P-에피층(22) 표면에서의 광학적 투과도가 제한된다. 그러므로 제한된 투과도를 갖는 종래의 포토다이오드 구조는 광학적 민감도가 낮아진 상태에서 전기적 신호로 변환되는 운송 효율도 작아지고 결과적으로 화질이 떨어지는 단점을 갖고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 포토다이오드의 활성영역에서의 광투과도를 높여 광전하의 생성 효율을 극대화 시키고, 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키기 위한 포토다이오드를 갖는 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소 회로도.
도2은 통상의 기술에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.
도3a 및 도3b는 도2의 A-A'에 따른 단면도.
도4는 본 발명의 일실시예에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.
도5는 도4의 A-A'에 따른 단면도.
도6은 본 발명의 다른실시예에 따라 핀드 포토다이오드의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
51 : P+기판 52 : P-에피층
53 : 필드산화막 54 : N+확산영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일특징적인 이미지센서는, 포토다이오드와 트랜스퍼게이트를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 표면 하부에 국부적으로 형성된 제2도전형의 제1확산영역을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 제1확산영역은 상기 트랜스퍼게이트와 근접한 부분으로부터 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분으로 여러갈래 확장된 핑거 형상을 갖는다.
또한, 본 발명의 다른 특징적인 이미지센서는 포토다이오드와 트랜스퍼게이트를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 내부에 국부적으로 형성된 제2도전형의 제1확산영역; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 제1확산영역 상에 오버랩되어 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진다. 여기서 역시 상기 제1 및 제2 확산영역은 상기 트랜스퍼게이트와 근접한 부분으로부터 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분으로 여러갈래 확장된 핑거 형상을 갖는다.
본 발명에서 바람직하게 상기 반도체층은 고농도의 실리콘기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층으로 구성할 수 있다.
상기 구성을 갖는 본 발명은 포토다이오드의 광학적 민감도(Optical sensitivity)를 높이는 방안으로, 접합 형성을 위한 확산영역의 이온주입을 전체 광감지영역(즉, 포토다이오드의 활성영역)에 걸쳐서 형성하지 않고 핑거(Finger)형으로 레이아웃하여 부분적으로 형성한 것이다. 그리고, 각 확산영역 간에 떨어진 거리는 확산영역이 없는 영역이 충분히 공핍되도록 최적화되어 있다.
이에 의해 부분적으로 확산영역이 없는 에피층으로 광이 직접 입사되기 때문에 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할수 있다. 또한, 확산영역 간의 에피층 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키고 포토다이오드 정전용량을 최적화 시킬 수가 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 광감지영역(Light Sensing Region)과 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도5는 도4의 A-A'에 따른 단면도이다.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드는, P+기판(51)에 에피택셜 성장된 P-에피층(52)이 형성되고, 이 P-에피층(52) 표면에 N+확산영역(54)이 형성되어 구성되되, 모든 광감지영역에 N+확산영역(54)이 형성된 것이 아니라 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 즉, 트래스퍼게이트(Tx)와 인접한 부분의 광감지영역에는 충분히 광전하가 모아지도록 큰 N+확산영역(54)이 형성되어 있고, 이곳에 연결되어 타 부위의 광감지영역에 N+확산영역(54)은 핑거 형상으로 확장되어 형성된다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(53)이 형성되어 있다.
광감지영역에서 핑거형상으로 확장된 N+확산영역(54) 간의 거리(x)는, 표면에 N+확산영역(54)이 없는 P-에피층(52)에서 충분히 공핍영역이 형성될수 있도록 최적화되어야 한다.
이에 의해 본 발명에서는 부분적으로 N+/P 접합이 없는 P-에피층으로 광이 직접 입사되기 때문에 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할 수 있다. 또한, N+확산영역 간에 형성된 P-에피층 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 대한 광감도를 증진시키고 포토다이오드 정전용량을 최적화 시킬 수가 있다.
도6은 P/N/P 접합을 갖는 핀드(Pinned) 포토다이오드에서의 본 발명의 실시예를 나타내는 단면도로서, P+기판(61)에 에피택셜 성장된 P-에피층(62)이 형성되고, 이 P-에피층(62) 내부에 N-확산영역(64)이 형성되어 구성되되, 모든 광감지영역에 N-확산영역(64)이 형성된 것이 아니라 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 또한, 이 N-확산영역(64) 상부와 P-에피층(62) 표면 하부에 P0확산영역(65)이 형성되며, 역시 P0확산영역(65)도 모든 광감지영역에 형성된 것이 아니라 N-확산영역(64) 상부에서 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(53)이 형성되어 있다.
여기서 설명된 실시예에서는 P-에피층을 사용하는 구성을 보여주고 있으나, P-에피층 없이 P-기판에 바로 N/P 또는 P/N/P 포토다이오드가 형성될 때에도 본 발명은 적용될 수 있다. 그리고, 이러한 형상을 제작하는 방법은 종래의 공정에서 이온주입시의 마스크 모양만을 달리하면 된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 이미지센서의 포토다이오드는, 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할 수 있고, 광감지영역의 일부 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시킨다. 이에 의해 이미지센서의 화질을 크게 개선할 수 있다.
Claims (6)
- 포토다이오드와 트랜스퍼게이트를 갖는 이미지센서에 있어서,상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 표면 하부에 국부적으로 형성된 제2도전형의 제1확산영역을 포함하여 이루어진 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1확산영역은 상기 트랜스퍼게이트와 근접한 부분으로부터 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분으로 여러갈래 확장된 핑거 형상을 갖는 이미지센서.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 반도체층은 고농도의 실리콘기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층으로 구성되는 이미지센서.
- 포토다이오드와 트랜스퍼게이트를 갖는 이미지센서에 있어서,상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층;상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 내부에 국부적으로 형성된 제2도전형의 제1확산영역; 및상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 제1확산영역 상에 오버랩되어 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진 이미지센서.
- 제4항에 있어서,상기 제1 및 제2 확산영역은 상기 트랜스퍼게이트와 근접한 부분으로부터 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분으로 여러갈래 확장된 핑거 형상을 갖는 이미지센서.
- 제4항 또는 제5항에 있어서,상기 반도체층은 고농도의 실리콘기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층으로 구성되는 이미지센서.
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Cited By (3)
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| KR100927417B1 (ko) * | 2007-09-27 | 2009-11-19 | 삼성전기주식회사 | 노이즈를 저감시키기 위한 핑거 타입 포토다이오드 및 그제조방법 |
| KR101148709B1 (ko) * | 2010-08-26 | 2012-05-23 | 주식회사 동부하이텍 | Cmos 이미지센서 |
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1998
- 1998-07-30 KR KR1019980030959A patent/KR100340059B1/ko not_active IP Right Cessation
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