KR20000040461A - Charge coupled device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 플로우팅 디퓨전(Floating Diffusion)영역에서 검출이 끝난 전하를 효율적으로 리셋 시킬 수 있도록한 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly, to a solid-state image pickup device and a method for manufacturing the same, capable of efficiently resetting a detected charge in a floating diffusion region.
일반적으로 고체 촬상 소자는 광전 변환 소자와 전하 결합 소자를 사용하여 피사체를 촬상하여 전기적인 신호로 출력하는 장치를 말한다.In general, a solid-state imaging device refers to a device that photographs a subject using an photoelectric conversion device and a charge coupling device to output an electrical signal.
전하 결합 소자는 마이크로렌즈를 통하여 칼라필터층을 거처 광전 변환 소자(포토다이오드)에서 생성되어진 신호 전하를 기판내에서 전위의 변동을 이용하여 특정 방향으로 전송하는데 사용된다.The charge coupling device is used to transfer signal charges generated in a photoelectric conversion device (photodiode) via a color filter layer through a microlens in a specific direction by using a change in potential in the substrate.
고체 촬상 소자는 복수개의 광전 변환 영역과, 그 광전 변환 영역들의 사이에 구성되어 상기의 광전 변환 영역에서 생성되어진 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)과, 상기 수직 전하 전송 영역에 의해 수직 방향으로 전송된 전하를 다시 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(HCCD)과, 그리고 상기 수평 전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변 회로로 출력하는 플로우팅 디퓨전 영역으로 크게 구성된다.The solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion regions, a vertical charge transfer region (VCCD) configured between the photoelectric conversion regions, and configured to transfer charges generated in the photoelectric conversion regions in a vertical direction, and to the vertical charge transfer region. And a horizontal charge transfer region HCCD for transferring the charges transferred in the vertical direction back to the horizontal direction, and a floating diffusion region for sensing, amplifying, and outputting the horizontally transferred charges to a peripheral circuit.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 고체 촬상 소자를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a solid state image pickup device according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 고체 촬상 소자의 플로우팅 디퓨전 영역의 레이 아웃도이다.1 is a layout view of a floating diffusion region of a general solid state image pickup device.
플로우팅 디퓨전은 수평 전하 전송 영역(HCCD)의 최종단에 구성되는 것으로 그 구조는 다음과 같다.The floating diffusion is configured at the end of the horizontal charge transfer region HCCD, and its structure is as follows.
먼저, 광전 변환 영역(도시되지 않음)에서 생성되어진 전하를 수평 방향으로 전송하는 HCCD(11)과, 상기 HCCD(11)의 최종단에 수직한 방향으로 가로질러 구성되어 HCCD(11)의 최종단으로 이동되어진 전하를 트랜스퍼시키는 오프셋 게이트(OG)(12)와, 상기 HCCD(11)의 최종단에 구성되어 상기 오프셋 게이트(12)를 통해 전송되어진 전하량을 센싱하는 플로우팅 디퓨전 영역(13)과, 상기 플로우팅 디퓨전 영역(13)의 일측면에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 리셋시키는 리셋 드레인 영역(RD)(14)과, 상기 플로우팅 디퓨전 영역(13)과 리셋 드레인 영역(14) 사이의 상측에 상기 오프셋 게이트(12)와 수평한 방향으로 구성되어 센싱이 끝난 전하를 상기 리셋 드레인 영역(14)으로 이동시키는 리셋 게이트(15)와, 상기 플로우팅 디퓨전 영역(13)에 콘택되고 상기 오프셋 게이트(12)와 리셋 게이트(15)의 사이에 구성되는 플로우팅 게이트(16)와, 상기 플로우팅 게이트(16)에 연결되어 전하를 센싱하는 트랜지스터(TR)들로 구성되어진 전하 검출부(17)를 포함하여 구성된다.First, the HCCD 11 which transfers the charge generated in the photoelectric conversion region (not shown) in the horizontal direction, and the final end of the HCCD 11 is configured to cross in a direction perpendicular to the final end of the HCCD 11 An offset gate (OG) 12 for transferring charges transferred to the floating diffusion region 13 configured at a final end of the HCCD 11 and sensing an amount of charge transferred through the offset gate 12; A reset drain region (RD) 14 formed on one side of the floating diffusion region 13 to reset the sensed charge, and between the floating diffusion region 13 and the reset drain region 14. A reset gate 15 configured to be in a direction parallel to the offset gate 12 to move the sensed charges to the reset drain region 14, and to the floating diffusion region 13. Gate 12 and reset It includes a floating gate 16 configured between the gate 15 and a charge detector 17 composed of transistors TR connected to the floating gate 16 to sense charge.
상기와 같이 구성된 종래의 플로우팅 디퓨전의 동작은 수평 전하 전송 영역(HCCD)에서 넘어온 전하는 플로우팅 디퓨전 영역(13)에 모이게 된다.In the operation of the conventional floating diffusion configured as described above, charges transferred from the horizontal charge transfer region HCCD are collected in the floating diffusion region 13.
상기 플로우팅 디퓨젼 영역(13)에 모인 전하는 전하 검출부(17)에 의하여 그 양을 검출한 다음 리셋 게이트(15)에 의하여 신호 전하를 리셋 드레인 영역(14)으로 리셋시킨다.The charge collected in the floating diffusion region 13 detects the amount by the charge detector 17 and then resets the signal charge to the reset drain region 14 by the reset gate 15.
그런 다음에 전하 검출부(17)에서 다른 신호 전하를 또 검출하고 리셋 드레인 영역(14)으로 검출이 끝난 전하를 리셋시키는 과정을 반복한다.Then, the charge detection unit 17 detects another signal charge again and repeats the process of resetting the detected charge to the reset drain region 14.
이와 같은 구조를 갖는 종래 기술의 리셋 게이트 구조 및 리셋 동작에 관하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the reset gate structure and the reset operation of the prior art having such a structure as follows.
도 2는 종래 기술의 리셋 게이트의 단면 구성도이고, 도 3a와 도 3b는 종래 기술의 리셋 게이트의 리셋 동작을 나타낸 포텐셜 프로파일이다.2 is a cross-sectional configuration diagram of a reset gate of the prior art, and FIGS. 3A and 3B are potential profiles illustrating a reset operation of the reset gate of the prior art.
리셋 게이트의 단면 구조는 먼저, 반도체 기판(21)상에 리셋 게이트(24)가 구성되고 그 일측에 전하 전송 채널을 통하여 전송되어진 영상 전하를 센싱하는 플로우팅 디퓨전 영역(22) 그리고 그 타측에 센싱이 끝난 영상 전하를 배출하는 리셋 드레인 영역(23)이 구성된다.The cross-sectional structure of the reset gate is first a floating diffusion region 22 for sensing an image charge transferred through a charge transfer channel on the semiconductor substrate 21 and having a reset gate 24 on one side thereof, and on the other side thereof. The reset drain region 23 for discharging the completed image charge is formed.
이와 같이 구성된 플로우팅 디퓨전 영역(22)에는 항상 15V의 전압이 인가되어 있고 리셋 게이트(24)에는 전하 센싱 전후를 구분하여 서로 다른 레벨의 전압이 인가되어 플로우팅 디퓨전 영역(22)과 리셋 드레인 영역(23) 사이에 전위 장벽을 형성하여 두 영역을 분리한다.The floating diffusion region 22 configured as described above is always applied with a voltage of 15 V and the reset gate 24 is applied with different levels of voltages before and after the charge sensing so that the floating diffusion region 22 and the reset drain region are provided. A potential barrier is formed between the 23 to separate the two regions.
그리고 플로우팅 디퓨전 영역(22)에서 센싱이 끝나면 리셋 게이트(24)에 도 3a에서와 같이, 5V의 전압을 인가하여 플로우팅 디퓨전 영역(22)과 리셋 드레인 영역(23) 사이에 전위 장벽을 없애서 센싱이 끝난 영상 전하를 리셋 드레인 영역(23)으로 트랜스퍼시킨다.After sensing in the floating diffusion region 22, a voltage of 5V is applied to the reset gate 24 to remove the potential barrier between the floating diffusion region 22 and the reset drain region 23, as shown in FIG. 3A. The sensed image charge is transferred to the reset drain region 23.
그리고 전하의 리셋 드레인 동작이 끝나면 다시 리셋 게이트(24)에 도 3b에서와 같이, 0V의 전압을 인가하여 플로우팅 디퓨전 영역(22)과 리셋 드레인 영역(23) 사이에 전위 장벽을 형성하여 두 영역을 분리한다.After the reset drain operation of the charge is completed, a potential barrier is formed between the floating diffusion region 22 and the reset drain region 23 by applying a voltage of 0 V to the reset gate 24 as shown in FIG. 3B. To separate.
이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자는 다음과 같은 문제가 있다.Such a solid-state imaging device of the prior art has the following problems.
센싱이 끝난 전하의 리셋이 끝난후 리셋 게이트에 인가되는 전압을 5V에서 0V로 변화시켜 인가하는 경우 리셋 게이트 바로 하측에 있던 전하가 리셋 드레인 영역뿐만 아니라 플로우팅 디퓨전 영역으로 다시 넘어 갈 수 있다.When the voltage applied to the reset gate is changed from 5V to 0V after the reset of the sensed charge is completed, the charge immediately below the reset gate may be transferred back to the floating diffusion region as well as the reset drain region.
이는 플로우팅 디퓨전 영역에서 다음 신호 전하에 더해져 센싱되어 노이즈로 작용하여 화질을 저하시키게 된다.This is added to the next signal charge in the floating diffusion region and sensed to act as noise to degrade image quality.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 플로우팅 디퓨전(Floating Diffusion)영역에서 검출이 끝난 전하를 효율적으로 리셋 시킬 수 있도록한 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem of the conventional solid-state image pickup device, and a solid-state image pickup device and a method for manufacturing the same, which enable efficient reset of the detected charge in a floating diffusion region. The purpose is to provide.
도 1은 일반적인 고체 촬상 소자의 플로우팅 디퓨전 영역의 레이 아웃도1 is a layout view of a floating diffusion region of a general solid state image pickup device.
도 2는 종래 기술의 리셋 게이트의 단면 구성도2 is a cross-sectional configuration diagram of a prior art reset gate
도 3a와 도 3b는 종래 기술의 리셋 게이트의 리셋 동작을 나타낸 포텐셜 프로파일3A and 3B are potential profiles showing the reset operation of the reset gate of the prior art.
도 4는 본 발명에 따른 리셋 게이트의 단면 구성도4 is a cross-sectional configuration of a reset gate according to the present invention
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 리셋 게이트의 리셋 동작을 나타낸 포텐셜 프로파일5A and 5B are potential profiles illustrating the reset operation of the reset gate according to the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
41. 반도체 기판 42. 플로우팅 디퓨전 영역41. Semiconductor substrate 42. Floating diffusion region
43. 리셋 드레인 영역 44. 리셋 게이트43. Reset Drain Area 44. Reset Gate
플로우팅 디퓨전(Floating Diffusion)영역에서 검출이 끝난 전하를 효율적으로 리셋 시킬 수 있도록한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 반도체 기판상에 두 영역으로 분리되어 어느 한 영역에 고농도 n형 불순물이 도핑된 리셋 게이트와, 그 일측에 전하 전송 채널을 통하여 전송되어진 영상 전하를 센싱하는 플로우팅 디퓨전 영역 그리고 그 타측에 센싱이 끝난 영상 전하를 배출하는 리셋 드레인 영역이 구성되는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법은 반도체 기판에 리셋 게이트를 형성하고 그 양측에 플로우팅 디퓨전 영역,리셋 드레인 영역을 형성한후에;리셋 게이트를 채널 폭에 수직한 방향으로 두 영역으로 나누어 리셋 드레인 영역쪽의 리셋 게이트에 고농도 n형 불순물을 주입하는 공정을 더 실시하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The solid-state imaging device according to the present invention, which enables efficient reset of detected charges in a floating diffusion region, is divided into two regions on a semiconductor substrate, and reset with a high concentration of n-type impurities doped in any one region. A gate, a floating diffusion region for sensing the image charge transferred through the charge transfer channel on one side thereof, and a reset drain region for discharging the sensed image charge on the other side thereof; In the manufacturing method of the imaging device, after the reset gate is formed on the semiconductor substrate and the floating diffusion region and the reset drain region are formed on both sides thereof, the reset gate is divided into two regions in the direction perpendicular to the channel width, and the reset gate toward the reset drain region. Further comprising the step of injecting a high concentration of n-type impurities into the It is characterized by falling.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the solid-state image sensor and its manufacturing method according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 리셋 게이트의 단면 구성도이고, 도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 리셋 게이트의 리셋 동작을 나타낸 포텐셜 프로파일이다.4 is a cross-sectional configuration diagram of a reset gate according to the present invention, and FIGS. 5A and 5B are potential profiles illustrating a reset operation of the reset gate according to the present invention.
리셋 게이트의 단면 구조는 먼저, 반도체 기판(41)상에 두 영역으로 분리되어 어느 한 영역에 고농도 n형 불순물이 도핑된 리셋 게이트(44)가 구성되고 그 일측에 전하 전송 채널을 통하여 전송되어진 영상 전하를 센싱하는 플로우팅 디퓨전 영역(42) 그리고 그 타측에 센싱이 끝난 영상 전하를 배출하는 리셋 드레인 영역(43)이 구성된다.The cross-sectional structure of the reset gate is first divided into two regions on the semiconductor substrate 41, and the reset gate 44 doped with a high concentration of n-type impurities is formed in one region, and the image is transmitted through the charge transfer channel on one side thereof. The floating diffusion region 42 for sensing the charge and the reset drain region 43 for discharging the sensed image charge are formed on the other side thereof.
여기서, 고농도 n형 불순물이 도핑되는 영역은 리셋 게이트(44)를 두 영역으로 나누어 리셋 드레인 영역(43)쪽의 리셋 게이트(44)에 형성된다.Here, the region doped with the high concentration n-type impurity is formed in the reset gate 44 toward the reset drain region 43 by dividing the reset gate 44 into two regions.
이와 같이 구성된 플로우팅 디퓨전 영역(42)에는 항상 15V의 전압이 인가되어 있고 리셋 게이트(44)에는 전하 센싱 전후를 구분하여 서로 다른 레벨의 전압이 인가되어 플로우팅 디퓨전 영역(42)과 리셋 드레인 영역(43) 사이에 전위 장벽을 형성하여 두 영역을 분리한다.A voltage of 15 V is always applied to the floating diffusion region 42 configured as described above, and voltages of different levels are applied to the reset gate 44 separately from before and after the charge sensing, thereby providing a floating diffusion region 42 and a reset drain region. A potential barrier is formed between the 43 to separate the two regions.
이와 같은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정은 반도체 기판(41)에 리셋 게이트(44)를 형성하고 그 양측에 플로우팅 디퓨전 영역(42),리셋 드레인 영역(43)을 형성한후에 리셋 게이트(44)를 채널 폭에 수직한 방향으로 두 영역으로 나누어 리셋 드레인 영역(43) 쪽의 리셋 게이트(44)에 고농도 n형 불순물을 주입한다.In the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present invention, after the reset gate 44 is formed on the semiconductor substrate 41 and the floating diffusion region 42 and the reset drain region 43 are formed on both sides thereof, the reset gate ( 44 is divided into two regions in a direction perpendicular to the channel width, and high concentration n-type impurities are injected into the reset gate 44 toward the reset drain region 43.
이와 같은 공정으로 형성된 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 플로우팅 디퓨전 영역(42)에서 센싱이 끝나면 리셋 게이트(44)에 도 5a에서와 같이, 5V의 전압을 인가하여 플로우팅 디퓨전 영역(42)과 리셋 드레인 영역(43) 사이에 전위 장벽을 없애서 센싱이 끝난 영상 전하를 리셋 드레인 영역(43)으로 트랜스퍼시킨다.After the sensing in the floating diffusion region 42 is completed, the solid-state imaging device according to the present invention is applied with a voltage of 5V to the reset gate 44 as shown in FIG. The potential barrier is removed between the reset drain region 43 to transfer the sensed image charge to the reset drain region 43.
이때, 포텐셜 프로파일은 플로우팅 디퓨전 영역(42)에서 리셋 드레인 영역(43)쪽으로 슬로프한 형태를 갖게 된다.At this time, the potential profile has a shape sloped from the floating diffusion region 42 toward the reset drain region 43.
그리고 전하의 리셋 드레인 동작이 끝나면 다시 리셋 게이트(44)에 도 5b에서와 같이, 0V의 전압을 인가하여 플로우팅 디퓨전 영역(42)과 리셋 드레인 영역(43) 사이에 전위 장벽을 형성하여 두 영역을 분리한다.After the reset drain operation of the charge is completed, a potential barrier is formed between the floating diffusion region 42 and the reset drain region 43 by applying a voltage of 0V to the reset gate 44 as shown in FIG. 5B. To separate.
이때의 포텐셜 프로파일 역시 경사를 갖고 형성되어 리셋 드레인 시켜야할 영상 전하가 다시 플로우팅 디퓨전 영역(42)으로 이동되지 않는다.At this time, the potential profile is also formed to have an inclination so that the image charge to be reset and drained is not moved back to the floating diffusion region 42.
이와 같은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 다음과 같은 효과가 있다.Such a solid-state imaging device according to the present invention has the following effects.
리셋 게이트 하측의 포텐셜 프로파일을 경사지도록하여 센싱이 끝난 영상 전하가 다시 플로우팅 디퓨전 영역으로 이동되는 것을 막아 노이즈 발생을 막는다.The potential profile under the reset gate is inclined to prevent the sensed image charge from moving back to the floating diffusion region, thereby preventing noise.
이는 화질의 저하를 막아 소자의 특성을 향상시키는 효과가 있다.This has the effect of preventing the deterioration of image quality and improving the characteristics of the device.
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