KR20020058457A - 포토다이오드와 필드산화막 계면의 반도체 기판 내에고농도 불순물 도핑영역을 구비하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드를 이루는 반도체 기판과 필드산화막 계면에서의 전류 발생을 방지할 수 있는 이미지 센서에 관한 것으로, 로코스 방법으로 형성되어 그 단부에 버즈비크와 같은 볼록부를 갖는 필드산화막과 포토다이오드 사이에 실리콘 기판 보다 농도가 높은 불순물 도핑영역을 구비하여 실리콘 기판과 실리콘 산화막의 경계면을 비공핍화 영역에 가둠으로써, 암전류 특성을 개선하고 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로 이동되는 전자의 양을 증가시키는데 그 특징이 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드와 필드산화막 계면에 고농도 불순물 영역을 구비하여 암전류를 억제할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 화소 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 화소 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2a는 도 1에 보이는 바와 같은 이미지 센서를 구현하기 위한 종래 이미지 센서 구조를 개략적으로 보이는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 2b에 보이는 바와 같이, p형의 Si 기판(10), n형 불순물 영역(13)과 p형의 불순물 영역(14)으로 이루어지는 PNP 다이오드를 구비하는 종래 이미지 센서에서는, 포토다이오드(PD)의 가장자리가 필드산화막(11)의 버즈비크(bird's beak)와 맞닿게 되고 그에 따라 Si 기판(10)과 필드산화막(11)을 이루는 SiO2경계면에 있는 표준 준위에서 발생하는 전류가 암전류 성분으로 유입되는 문제점이 있다. 도 2b에서 미설명 도면부호 '12'는 필드스탑 이온주입 영역을 나타낸다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 이루는 반도체 기판과 필드산화막 계면에서의 전류 발생을 방지할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2a 및 도 2b는 종래 이미지 센서 구조를 보이는 평면도 및 단면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 이미지 센서 구조를 보이는 평면도 및 단면도,
도 3c는 포토다이오드 영역에 따른 불순물 농도 분포를 보이는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
30: 반도체 기판 31: 필드산화막
33: n형 불순물 영역 34: p형 불순물 영역
35: 고농도 p형 불순물 영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드; 상기 반도체 기판에 형성되어 이웃하는 포토다이오드를 분리하는 절연막; 및 상기 포토다이오드와 상기 절연막의 경계면에 위치하며 상기 반도체 기판 보다 농도가 높은 불순물 도핑 영역을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
본 발명은 로코스(LoCal Oxidation of Silicon) 방법으로 형성되어 그 단부에 버즈비크와 같은 볼록부를 갖는 필드산화막과 포토다이오드 사이에 실리콘 기판 보다 농도가 높은 불순물 도핑영역을 구비하여 실리콘 기판과 실리콘 산화막의 경계면을 비공핍화 영역에 가둠으로써, 암전류 특성을 개선하고 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로 이동되는 전자의 양을 증가시키는데 그 특징이 있다.
이하, 첨부된 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 이미지 센서 구조를 보이는 평면도 및 단면도로서, 도 3b는 도 3a의 B-B' 선을 따른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 도전형의 반도체 기판(30), 상기 반도체 기판(30)에 형성되어 이웃하는 픽셀을 분리하는 필드산화막(31), 상기 필드산화막(31) 하부의 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 필드스탑 이온주입 영역(32), 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 n형의 불순물 영역(33), 그 상부의 상기 반도체 기판(30) 내에 형성된 p형의 불순물 영역(41)으로 이루어지는 포토다이오드(PD), 상기 포토다이오드(PD)와 상기 필드산화막(31)의 경계면에 형성된 고농도 p형 불순물 영역(35), 상기 포토다이오드(PD)와 이격되어 형성된 플로팅 확산영역(FD), 상기 포토다이오드(PD)와 상기 플로팅 확산영역(FD) 사이의 상기 반도체 기판(30) 상에 형성되어 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산영역(FD)으로 전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)과 함께 신호처리 및 전달을 위한 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(Rx)과 드라이버트랜지스터의 게이트 전극(Dx)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서 상기 반도체 기판(30)은 실리콘 기판이며, 상기 필드산화막(31)은 실리콘 산화막으로 이루어진다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 포토다이오드(PD)와 필드산화막(31) 사이의 반도체 기판 (30)내에 고농도 불순물 영역(35)을 구비함으로써 암전류의 원인을 제거함과 동시에 포토다이오드의 포텐셜 프로파일을 도 3c와 같이 플로팅 확산영역(FD) 쪽으로 경사지도록 할 수 있어 플로팅 확산영역으로 전하가 보다 용이하게 전송된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토다이오드와 필드산화막 사이의 반도체 기판 내에 고농도 불순물 영역을 구비함으로써 암전류의 원인을 제거함과 동시에 플로팅 확산영역으로 보다 용이하게 전하가 전송되도록 할 수 있다.
Claims (4)
- 이미지 센서에 있어서,제1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성된 포토다이오드;상기 반도체 기판에 형성되어 이웃하는 포토다이오드를 분리하는 절연막; 및상기 포토다이오드와 상기 절연막의 경계면에 위치하며 상기 반도체 기판 보다 농도가 높은 불순물 도핑 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토다이오드는,상기 반도체 기판 내에 형성된 제2 도전형의 불순물 영역; 및상기 제2 도전형의 불순물 도핑 영역 상부의 상기 반도체 기판 내에 형성된 제1 도전형의 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 절연막은 그 단부에 볼록부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,상기 절연막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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