KR20040036049A - CMOS Image sensor improved fill factor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 이미지센서의 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a manufacturing method of an image sensor.
일반적으로, CCD(Charge Couple Device) 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드(Photo Diode; PD)는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로서, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 집속하는 경우이기 때문에 이를 달성하기 위한 노력이 진행중이다.In general, a photo diode (PD) in a charge couple device (CCD) or a CMOS image sensor is an introduction part that converts incident light according to each wavelength into an electrical signal, and ideally, photocharge generation rate in all wavelength ranges. Since (Quantum Efficiency) is 1, all incident light is focused, and efforts are being made to achieve this.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)의 등가회로도로서, 하나의 포토다이오드(Photodiode; PD)와 네 개의 NMOS(Tx Tr, Rx Tr, Sx Tr, Dx Tr)로 구성된다.FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of a conventional CMOS image sensor, and includes one photodiode (PD) and four NMOSs (Tx Tr, Rx Tr, Sx Tr, and Dx Tr).
네 개의 NMOS는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅디퓨젼영역(Floating Diffusion; FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Transfer transistor; Tx Tr), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고전하(Cpd)를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋트랜지스터(Reset transistor; Rx Tr), 소오스팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Drive transistor; Dx Tr), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Select transistor; Sx Tr)로 구성된다.Four NMOS transistors are used to transfer the photo-generated charge from the photodiode (PD) to the floating diffusion region (FD). Reset transistor (Rx Tr), source follower buffer amplifier (Source Follower Buffer Amplif ier) to set the potential and discharge the charge (C pd ) to reset the floating diffusion region (FD) A drive transistor (Dx Tr), and a select transistor (Sx Tr) for addressing by switching.
도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소의 평면도이다.2 is a plan view of a unit pixel of a CMOS image sensor according to the related art.
도 2를 참조하면, 트랜스퍼트랜지스터(Tx Tr)의 게이트전극[이하, '트랜스퍼게이트(Tx)'라고 약칭함]이 그 일측이 포토다이오드(PD)가 형성될 활성영역에 소정폭 오버랩되면서 형성되고, 트랜스퍼게이트(Tx)의 타측 아래 활성영역에는 플로팅디퓨전영역(FD)이 형성된다. 여기서, 포토다이오드(PD)는 상대적으로 넓은 면적을 갖고 포토다이오드(PD)로부터 플로팅디퓨젼영역(FD)으로는 병목 효과(bottle neck effect)를 주면서 그 면적이 좁아진다.Referring to FIG. 2, a gate electrode of the transfer transistor Tx Tr (hereinafter, abbreviated as 'transfer gate Tx') is formed with a predetermined width overlapping an active region where a photodiode PD is to be formed. The floating diffusion region FD is formed in the active region below the other side of the transfer gate Tx. Here, the photodiode PD has a relatively large area, and the area of the photodiode PD becomes narrow while giving a bottle neck effect from the photodiode PD to the floating diffusion region FD.
그리고, 플로팅디퓨전영역(FD)을 중심으로 반시계 방향으로 리셋트랜지스터(Rx Tr)의 게이트전극[이하, '리셋게이트(Rx)'라고 약칭함], 드라이브트랜지스터(Dx Tr)의 게이트전극[이하, '드라이브게이트(Dx)'라고 약칭함], 셀렉트트랜지스터(Sx Tr)의 게이트전극[이하, '셀렉트게이트(Sx)'라고 약칭함]이 소정 간격을 두고 활성영역 상부를 가로지르면서 배열되고 있다.The gate electrode of the reset transistor Rx Tr in the counterclockwise direction with respect to the floating diffusion region FD (hereinafter, abbreviated as 'reset gate Rx') and the gate electrode of the drive transistor Dx Tr , Abbreviated as "drive gate (Dx)" and the gate electrode (hereinafter, abbreviated as "select gate (Sx)") of the select transistor (Sx Tr) are arranged while crossing the upper portion of the active region at predetermined intervals. have.
도 2와 같은 단위화소에서 콘택은, 트랜스퍼트랜지스터의 게이트 콘택(Tx CT), 출력단 콘택(Vout CT), 전원전압단 콘택(VDD CT), 플로팅디퓨젼영역 콘택(FD CT), 드라이브트랜지스터의 게이트 콘택(Dx CT) 등이 있고, 이중에서 필드산화막및 게이트에 에워싸여 공정 진행시 오버랩 마진이 부족한 콘택은 출력단 콘택(Output CT)과 플로팅디퓨젼영역 콘택(FD CT)이다. 상술한 콘택들은 통상적으로 M1 콘택이라고 한다.In the unit pixel as shown in FIG. 2, the contact includes a gate contact (Tx CT), an output terminal contact (Vout CT), a power supply voltage terminal contact (VDD CT), a floating diffusion region contact (FD CT), and a gate of a drive transistor. The contact (Dx CT) and the like, and the contact surrounded by the field oxide film and the gate, and the overlap margin is insufficient during the process, are the output contact (Output CT) and the floating diffusion region contact (FD CT). The aforementioned contacts are typically referred to as M1 contacts.
도 3은 종래기술에 따른 필팩터를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a fill factor according to the prior art.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술은 단위화소(Unit pixel)내 포토다이오드(PD)가 차지하는 면적비를 나타내는 필팩터(Fill factor)가 30%∼40%로 소자의 집적도가 증가할 경우 다이나믹레인지(dynamic range) 및 포토다이오드의 용량 증대에 한계가 있다.As shown in FIG. 3, the prior art has a fill factor that represents an area ratio occupied by the photodiode PD in a unit pixel, and the dynamic range is increased when the device density increases to 30% to 40%. (dynamic range) and photodiode capacity increase is limited.
도 4는 종래기술에 따른 전원전압단 콘택의 누설을 나타낸 도면이고, 도 5는 종래기술에 따른 포토다이오드의 공핍상태를 도시한 도면이다.4 is a view showing a leakage of the power supply voltage terminal contact according to the prior art, Figure 5 is a diagram showing a depletion state of the photodiode according to the prior art.
또한, 종래기술은, 도 4에 도시된 바와 같이, 전원전압단 콘택(VDD CT)이 인접 단위화소의 포토다이오드(PD)와 인접하여 전원전압단 콘택(VDD CT) 주변의 누설(Leakage, 'L') 등으로 인해 유발되는 다크배드픽셀(dark bad pixel)이 발생되는 문제가 있다.In addition, in the related art, as shown in FIG. 4, a leakage voltage around the power voltage terminal contact VDD CT is adjacent to the photodiode PD of an adjacent unit pixel. There is a problem that a dark bad pixel caused by L ').
또한, 종래기술은 도 5에 도시된 바와 같이, 전원전압(VDD)에 의해 광전자를 이동시키는 전원전압 구동력(VDD driving force)이 영향을 미치는 거리를 'r'이라 할 때, 트랜스퍼게이트(Tx)에서 물리적인 거리가 길어 포토다이오드(PD)로 유입되지 못한 전자들이 분포하는 영역(Y)이 존재함에 따라 트랜스퍼트랜지스터(Tx Tr) 턴온시 포토다이오드(PD)내의 광전자들이 완전공핍(Fully depletion)되지 않고 남아 후속 사이클 동작시 광데이터를 왜곡시키는 문제가 있다.In addition, the prior art, as shown in Figure 5, when the distance affected by the power supply voltage driving force (VDD driving force) for moving the photoelectron by the power supply voltage (VDD), 'r', the transfer gate (Tx) As the physical distance is long, there is a region (Y) where electrons that do not flow into the photodiode (PD) are distributed. There is a problem of distorting optical data during subsequent cycle operations.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 전원전압단 콘택(VDD CT)이 인접 단위화소의 포토다이오드(PD)와 인접하여 발생되는 누설을 억제하는데 적합한 씨모스 이미지센서를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the CMOS image sensor suitable for suppressing the leakage caused by the power supply voltage terminal contact (VDD CT) adjacent to the photodiode (PD) of the adjacent unit pixel To provide.
또한, 본 발명의 다른 목적은 포토다이오드의 완전공핍을 이룰 수 있는 씨모스 이미지센서를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention to provide a CMOS image sensor that can achieve a complete depletion of the photodiode.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 필팩터를 증대시킬 수 있는 씨모스 이미지센서를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a CMOS image sensor that can increase the fill factor.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)의 등가회로도,1 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of a conventional CMOS image sensor;
도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소의 평면도,2 is a plan view of a unit pixel of a CMOS image sensor according to the related art;
도 3은 종래기술에 따른 필팩터를 나타낸 도면,3 is a view showing a fill factor according to the prior art,
도 4는 종래기술에 따른 전원전압단 콘택의 누설을 나타낸 도면,4 is a view showing a leakage of a power supply voltage terminal contact according to the prior art;
도 5는 종래기술에 따른 포토다이오드의 공핍상태를 도시한 도면,5 is a view showing a depletion state of a photodiode according to the prior art,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소의 등가회로도,6 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 7은 도 6의 단위화소의 평면도,7 is a plan view of a unit pixel of FIG. 6;
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도,8 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 7;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 필팩터를 나타낸 도면,9 is a view showing a fill factor according to an embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전원전압단 콘택의 누설을 도시한 도면,10 is a view illustrating leakage of a power supply voltage terminal contact according to an embodiment of the present invention;
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 포토다이오드의 공핍상태를 도시한 도면,11 is a view showing a depletion state of a photodiode according to an embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위화소의 평면도.12 is a plan view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
PD : 포토다이오드 영역 FD : 플로팅디퓨젼영역PD: Photodiode area FD: Floating diffusion area
Rx : 리셋게이트 Tx : 트랜스퍼게이트Rx: Reset Gate Tx: Transfergate
Dx : 드라이브게이트 Sx : 셀렉트게이트Dx: Drivegate Sx: Selectgate
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지센서는 평면상으로 사각형태를 이루는 단위화소가 상부영역에 비해 상대적으로 큰 면적을 갖는 하부영역으로 구분되고, 상기 하부영역의 전영역에 포토다이오드가 할당되며, 상기 상부영역에 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터가 할당되며, 상기 하부영역의 중심부분의 상부에 띠 형태의 트랜스퍼게이트가 배치되는 것을 특징으로 한다.The CMOS image sensor of the present invention for achieving the above object is divided into a lower region having a relatively larger area than the upper region of the unit pixel forming a rectangular shape on a plane, the photodiode in the entire region of the lower region A reset transistor, a drive transistor, and a select transistor are allocated to the upper region, and a strip-shaped transfer gate is disposed above the central portion of the lower region.
그리고, 본 발명의 씨모스 이미지센서의 단위화소는 네 개의 변으로 이루어진 사각 형태의 포토다이오드 영역, 상기 포토다이오드 영역의 상부에 배치되어 플로팅디퓨젼영역이 상기 포토다이오드의 중심부분에 정의되도록 하는 띠형 트랜스퍼게이트, 상기 포토다이오드 영역의 네 변중 제1 변의 일측 끝단에 연결되며 상기제1 변에 접하는 상기 포토다이오드 영역의 제2 변에 자신의 일측이 정렬되어 전원전압이 공급되는 제1 활성영역, 및 상기 제1 활성영역의 타측에 연결되면서 상기 포토다이오드의 제1 변과 나란히 배치되고 자신의 끝단이 상기 제1 변에 접하는 제3 변에 정렬되어 상기 포토다이오드영역의 광전하가 전기 신호로 출력되는 제2 활성영역을 포함함을 특징으로 하고, 상기 제1 활성영역과 상기 포토다이오드영역의 제1 변이 접하는 경계부분 상부에 배치된 리셋게이트, 상기 제2 활성영역 상부에 상기 제2 활성영역과 교차하는 방향으로 나란히 배치되는 드라이브 게이트와 셀렉트게이트, 상기 셀렉트게이트에 의해 상기 제2 활성영역의 끝단에 연결되는 출력단콘택, 및 상기 제1 활성영역의 끝단에 연결되는 전원전압단콘택을 더 포함함을 특징으로 한다.In addition, the unit pixel of the CMOS image sensor of the present invention is a band-shaped photodiode region consisting of four sides, a band-shaped so that the floating diffusion region is defined in the center portion of the photodiode is disposed above the photodiode region A transfer gate, a first active region connected to one end of a first side of four sides of the photodiode region and having one side aligned with a second side of the photodiode region in contact with the first side and supplied with a power voltage; and The photodiode of the photodiode region is output as an electrical signal by being connected to the other side of the first active region and arranged side by side with the first side of the photodiode and having its end aligned with a third side that is in contact with the first side. And a second active region, wherein a boundary between the first active region and the first side of the photodiode region is in contact with each other. A reset gate disposed above the second active region, a drive gate and a select gate arranged side by side in a direction crossing the second active region, and an output terminal connected to an end of the second active region by the select gate; And a power supply voltage terminal contact connected to an end of the first active region.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소의 등가회로도이다.6 is an equivalent circuit diagram of a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 광을 집속하여 광전하를 생성 및 저장하는 포토다이오드(PD), 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(Rx Tr), 포토다이오드(PD)에 저장되어 있는 광전하를 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx Tr), 포토다이오드(PD)로부터 운송된 광전하가 저장되는플로팅디퓨젼영역(FD), 소스팔로워역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx Tr), 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx Tr)로 구성된다.Referring to FIG. 6, a photodiode PD for focusing light to generate and store a photocharge , a reset transistor Rx Tr for discharging a charge C pd to reset the floating diffusion region FD, and a photo A transfer transistor (Tx Tr) for transporting the photocharges stored in the diode (PD), a floating diffusion region (FD) in which the photocharges transported from the photodiode (PD) are stored, and a drive transistor acting as a source follower ( Dx Tr) and a select transistor Sx Tr for addressing by switching.
도 6에서, 리셋트랜지스터가 포토다이오드(PD)의 일측에 연결되고 있으며, 리셋트랜지스터와 드라이브트랜지스터는 전원전압(VDD)을 공급받는다.In FIG. 6, the reset transistor is connected to one side of the photodiode PD, and the reset transistor and the drive transistor are supplied with a power supply voltage VDD.
도 6의 단위화소의 구동 방법에 대해 설명하면, 먼저 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 셀렉트게이트(Sx)를 턴오프시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 완전공핍된 것으로 가정한다.Referring to the driving method of the unit pixel of FIG. 6, first, the transfer gate Tx, the reset gate Rx, and the select gate Sx are turned off. In this case, it is assumed that the photodiode PD is completely depleted.
다음에, 광전하(photogenerated charge)를 포토다이오드(PD)에 집속한 후, 리셋게이트(Rx)를 하이로 펄싱하여 플로팅디퓨젼영역(FD)을 1차 리셋시킨다.Next, after concentrating photogenerated charge to the photodiode PD, the reset gate Rx is pulsed high to reset the floating diffusion region FD first.
다음에, 셀렉트게이트(Sx)를 하이로 펄싱하여 단위화소를 턴온시키고, 소스팔로워버퍼의 출력전압(V1)을 측정한다. 이 값은 단지 플로팅디퓨젼영역(FD)의 DC 레벨 시프트를 의미한다.Next, the select gate Sx is pulsed high to turn on the unit pixel, and the output voltage V1 of the source follower buffer is measured. This value merely means a DC level shift of the floating diffusion region FD.
다음에, 트랜스퍼게이트(Tx)를 하이로 펄싱하여 턴온시키는데, 이때 모든 광전하는 플로팅디퓨젼영역(FD)으로 전송된다.Next, the transfer gate Tx is pulsed high and turned on, where all photoelectric charge is transferred to the floating diffusion region FD.
다음에, 트랜스퍼게이트(Tx)를 로우로 텅싱하여 턴오프시킨 후, 소스팔로워버퍼의 출력전압(V2)를 측정한다.Next, the transfer gate Tx is turned to low by turning it low, and then the output voltage V2 of the source follower buffer is measured.
결국, 출력신호(V1-V2)는 V1과 V2 사이의 차이에서 얻어진 광전하의 결과이며, 이는 노이즈가 배제된 순수신호값이 된다. 이러한 방법은 CDS(Correlated Double Sampling)라고 한다.As a result, the output signals V1-V2 are the result of photocharges obtained from the difference between V1 and V2, which are pure signal values without noise. This method is called correlated double sampling (CDS).
도 7은 도 6의 단위화소의 평면도이다.7 is a plan view of a unit pixel of FIG. 6.
도 7을 참조하면, 평면상으로 사각형태를 이루는 단위화소가 상부영역에 비해 상대적으로 큰 면적을 갖는 하부영역으로 구분되고, 하부영역의 전영역에 포토다이오드 영역(PD)이 할당되며, 단위화소의 상부영역에 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터가 할당되며, 하부영역의 중심부분의 상부에 띠 형태의 트랜스퍼게이트(Tx)가 배치된다.Referring to FIG. 7, a unit pixel having a rectangular shape on a plane is divided into a lower region having a relatively larger area than an upper region, a photodiode region PD is allocated to all regions of the lower region, and unit pixel. A reset transistor, a drive transistor, and a select transistor are allocated to the upper region of the circuit board, and a band-shaped transfer gate Tx is disposed above the central portion of the lower region.
자세히 살펴보면, 단위화소는 네 개의 변(pd1, pd2, pd3, pd4)으로 이루어진 사각 형태의 포토다이오드 영역(PD), 포토다이오드 영역(PD)의 상부에 배치되어 플로팅디퓨젼영역(FD)이 포토다이오드 영역(PD)의 중심부분에 정의되도록 하는 띠형 트랜스퍼게이트(Tx), 포토다이오드 영역(PD)의 네 변중 제1 변(pd1)의 일측 끝단에 연결되며 제1 변(pd1)에 접하는 포토다이오드 영역(PD)의 제2 변(pd2)에 자신의 일측이 정렬되어 전원전압(VDD)이 공급되는 제1 활성영역(ACT1), 제1 활성영역(ACT1)의 타측에 연결되면서 포토다이오드영역(PD)의 제1 변(pd1)과 나란히 배치되고 자신의 끝단이 제1 변(pd1)에 접하는 제3 변(pd3)에 정렬되어 포토다이오드영역(PD)의 광전하가 전기 신호로 출력되는 제2 활성영역(ACT2)로 구성된다.In detail, the unit pixel is disposed on the photodiode PD and the photodiode PD having four sides pd1, pd2, pd3, and pd4 so that the floating diffusion region FD is formed on the photopixel. A band-shaped transfer gate Tx to be defined at the center of the diode region PD, a photodiode connected to one end of the first side pd1 of the four sides of the photodiode region PD and in contact with the first side pd1. One side thereof is aligned with the second side pd2 of the region PD so as to be connected to the first active region ACT1 to which the power supply voltage VDD is supplied and the other side of the first active region ACT1, The photodiode of the photodiode region PD is output as an electrical signal by being arranged in parallel with the first side pd1 of the PD and having its end aligned with the third side pd3 which is in contact with the first side pd1. It consists of two active areas ACT2.
그리고, 제1 활성영역(ACT1)과 포토다이오드영역(PD)의 제1 변(pd1)이 접하는 경계부분 상부에 리셋게이트(Rx)가 배치되고, 제2 활성영역(ACT2) 상부에 제2 활성영역(ACT2)과 교차하는 방향으로 나란히 드라이브 게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)가 배치되며, 셀렉트게이트(Sx)에 의해 제2 활성영역(ACT2)의 끝단에 출력단콘택(Vout CT)이 연결된다. 그리고, 제1 활성영역(ACT1)의 끝단에 전원전압을 공급하기 위한 전원전압단콘택(VDD CT)이 연결된다.In addition, the reset gate Rx is disposed above the boundary portion where the first active region ACT1 and the first side pd1 of the photodiode region PD contact each other, and the second active region is disposed above the second active region ACT2. The drive gate Dx and the select gate Sx are arranged side by side in the direction crossing the region ACT2, and the output terminal contact Vout CT is connected to the end of the second active region ACT2 by the select gate Sx. do. A power supply voltage terminal contact VDD CT for supplying a power supply voltage to the end of the first active region ACT1 is connected.
도 7에서, 드라이브게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)는 제2 활성영역(ACT2) 상부만을 가로지르는 길이를 갖고 배치되며, 트랜스퍼게이트(Tx)에 의해 정의된 플로팅디퓨젼영역(FD)에 플로팅디퓨젼콘택(FD CT)이 연결되고, 플로팅디퓨젼콘택(FD CT)은 드라이브게이트(Dx)와 드라이브게이트 콘택(Dx CT)을 통해 연결된다.In FIG. 7, the drive gate Dx and the select gate Sx are disposed to have a length that crosses only the upper portion of the second active region ACT2, and are in the floating diffusion region FD defined by the transfer gate Tx. The floating diffusion contact FD CT is connected, and the floating diffusion contact FD CT is connected through the drive gate Dx and the drive gate contact Dx CT.
또한, 플로팅디퓨젼영역(FD)은 포토다이오드영역(PD) 상부에 위치하는 트랜스퍼 게이트(Tx)에 의해 그 영역의 크기가 결정되는데, 트랜스퍼게이트(Tx)는 폐곡선을 이루는 원형 형태의 띠형 게이트이고, 이에 따라 플로팅디퓨젼영역(FD)이 트랜스퍼게이트(Tx)의 폐곡선 내부에 위치한다.In addition, the size of the floating diffusion region FD is determined by a transfer gate Tx positioned above the photodiode region PD. The transfer gate Tx is a circular strip-shaped gate forming a closed curve. Accordingly, the floating diffusion region FD is positioned inside the closed curve of the transfer gate Tx.
전술한 단위화소에서, 단위화소를 이루는 포토다이오드영역(PD), 제1 활성영역(ACT1)과 제2 활성영역(ACT2)이 사각형 형태로 정의된다. 이는, 사각형으로 정의되는 단위화소의 하부영역을 모두 포토다이오드영역(PD)이 차지하고, 단위화소의 나머지 상부영역을 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터이 차지하고 있음을 보여주고 있다. 따라서, 단위화소내 포토다이오드영역(PD)이 차지하는 비율인 필팩터가 증가한다. 필팩터에 대해서는 후술하기로 한다.In the above-described unit pixel, the photodiode region PD, the first active region ACT1 and the second active region ACT2 constituting the unit pixel are defined in a quadrangular shape. This shows that the photodiode region PD occupies all the lower region of the unit pixel defined by the quadrangle, and the reset transistor, the drive transistor, and the select transistor occupy the remaining upper region of the unit pixel. Therefore, the fill factor, which is the ratio occupied by the photodiode region PD in the unit pixel, increases. The fill factor will be described later.
한편, 도시되지 않았지만, 도 6의 등가회로도에 따라 플로팅디퓨젼콘택(FD CT)과 드라이브게이트콘택(Dx CT)은 서로 연결된다.Although not shown, the floating diffusion contact FD CT and the drive gate contact Dx CT are connected to each other according to the equivalent circuit diagram of FIG. 6.
도 7과 같이 단위화소를 배치하면, 도 2의 종래기술에 비해 플로팅디퓨젼영역의 리셋효율은 감소되나 포토다이오드영역의 리셋효율이 증가되며 레이아웃상으로 많은 자유도가 확보된다.When the unit pixels are arranged as shown in FIG. 7, the reset efficiency of the floating diffusion region is reduced as compared with the related art of FIG. 2, but the reset efficiency of the photodiode region is increased and a lot of freedom is ensured in the layout.
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도이다.FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 7.
도 8에 도시된 바와 같이, 고농도의 p형 도펀트가 도핑된 p형 기판(31)상에 p형 에피층(32)이 성장되고, p형 에피층(32)의 소정 영역에 드라이브트랜지스터와 셀렉트트랜지스터를 구분하기 위한 p형 웰(33)이 형성되며, p형 에피층(32)의 소정영역에 소자분리막인 필드산화막(34)이 형성된다. 따라서, 필드산화막(34)에 의해 단위화소로 예정된 활성영역이 정의된다.As shown in FIG. 8, the p-type epitaxial layer 32 is grown on the p-type substrate 31 doped with a high concentration of p-type dopant, and the drive transistor and the selector are selected in a predetermined region of the p-type epitaxial layer 32. A p-type well 33 for dividing transistors is formed, and a field oxide film 34 as an element isolation film is formed in a predetermined region of the p-type epitaxial layer 32. Thus, the active region, which is intended to be a unit pixel, is defined by the field oxide film 34.
여기서, 활성영역은 포토다이오드영역, 리셋트랜지스터영역, 드라이브트랜지스터영역, 셀렉트트랜지스터영역으로 구분되는데, 이하 자세히 살펴보기로 한다.The active region is divided into a photodiode region, a reset transistor region, a drive transistor region, and a select transistor region, which will be described in detail below.
먼저 활성영역의 상부에 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(Dx), 셀렉트게이트(Sx)가 서로 일정 간격을 두고 배치되며, 각 게이트는 양측벽에 스페이서(45)가 구비된다. 여기서, 트랜스퍼게이트(Tx)는 도 7에 도시된 바와 같이 폐곡선의 띠형태이므로, 단면도상으로는 활성영역 상부에 두 개로 나뉘어 형성된다.First, the transfer gate Tx, the reset gate Rx, the drive gate Dx, and the select gate Sx are arranged at a predetermined interval on the active region, and each gate has spacers 45 on both side walls thereof. do. Here, since the transfer gate Tx is in the form of a band of closed curves as shown in FIG. 7, the transfer gate Tx is divided into two upper portions of the active region.
그리고, 폐곡선을 이루는 트랜스퍼게이트(Tx)의 내부에 노출된 활성영역내에 플로팅디퓨젼영역(FD)이 형성되고, 트랜스퍼게이트(Tx)의 외부에 노출된 활성영역내에 포토다이오드영역(PD)이 형성된다. 결국, 포토다이오드영역(PD)의 중심부분에 트랜스퍼게이트(Tx)에 의해 결정되는 거리를 두고 플로팅디퓨젼영역(FD)이 형성된다.In addition, the floating diffusion region FD is formed in the active region exposed inside the transfer gate Tx forming a closed curve, and the photodiode region PD is formed in the active region exposed outside the transfer gate Tx. do. As a result, the floating diffusion region FD is formed at a central portion of the photodiode region PD at a distance determined by the transfer gate Tx.
한편, 플로팅디퓨젼영역(FD)은 트랜스퍼게이트(Tx) 양측벽에 구비된 스페이서(35)의 에지에 정렬되고, 포토다이오드영역(PD)은 트랜스퍼게이트(Tx)의 에지에 정렬되며, 포토다이오드영역(PD)은 잘 알려진 바와 같이 얕은 p0영역과 깊은 n-영역으로 된 수직 pn 접합이다.Meanwhile, the floating diffusion region FD is aligned with the edge of the spacer 35 provided on both sidewalls of the transfer gate Tx, and the photodiode region PD is aligned with the edge of the transfergate Tx, and the photodiode The region PD is, as is well known, a vertical pn junction of shallow p 0 regions and deep n − regions.
그리고, 리셋게이트(Rx)는 포토다이오드영역(PD)의 일측 모서리에 정렬되고, 리셋게이트(Rx)와 리셋게이트(Rx)에 인접하는 드라이브게이트(Dx) 사이의 활성영역내에 전원전압이 공급되는 전원전압단영역(36)이 형성된다.In addition, the reset gate Rx is aligned at one edge of the photodiode region PD, and a power supply voltage is supplied in an active region between the reset gate Rx and the drive gate Dx adjacent to the reset gate Rx. The power supply voltage short region 36 is formed.
그리고, 드라이브게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx) 사이의 활성영역내에 드라이브트랜지스터와 셀렉트트랜지스터의 공통접합(37)이 형성되고, 셀렉트트랜지스터의 소스단 역할을 하는 출력단영역(38)이 셀렉트게이트(Sx)의 일측에 노출된 활성영역내에 형성된다.Then, a common junction 37 of the drive transistor and the select transistor is formed in the active region between the drive gate Dx and the select gate Sx, and the output terminal region 38 serving as the source terminal of the select transistor is formed as the select gate (S). It is formed in the active region exposed to one side of Sx).
그리고, 각 게이트 상부를 덮는 층간절연막(39)을 관통하여 플로팅디퓨젼영역(FD)에 콘택되는 플로팅디퓨젼콘택(FD CT), 전원전압단영역(36)에 콘택되는 전원전압단콘택(VDD CT), 출력단영역(38)에 콘택되는 출력단콘택(Vout CT)이 형성된다. 여기서, 플로팅디퓨젼콘택(FD CT), 전원전압단콘택(VDD CT), 출력단콘택(Vout CT)은 M1에 연결되는 'M1 콘택'이라 일컫는다.In addition, a floating diffusion contact FD CT contacting the floating diffusion region FD through the interlayer insulating layer 39 covering the upper portion of each gate, and a power supply voltage contact VDD contacting the power supply voltage end region 36. CT), an output terminal contact (Vout CT) which contacts the output terminal area 38 is formed. Here, the floating diffusion contact (FD CT), the power voltage terminal contact (VDD CT), and the output terminal contact (Vout CT) are referred to as 'M1 contacts' connected to M1.
도 8에서, 드라이브트랜지스터와 셀렉트트랜지스터는 LDD 구조를 갖는 일반적인 NMOSFET이고, 트랜스퍼트랜지스터와 리셋트랜지스터는 LDD 구조를 갖지 않는 네이티브 NMOSFET이다.In FIG. 8, the drive transistors and the select transistors are general NMOSFETs having an LDD structure, and the transfer transistors and reset transistors are native NMOSFETs having no LDD structure.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 필팩터를 나타낸 도면이다.9 is a view showing a fill factor according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 도 7과 같이 사각형으로 정의되는 단위화소에 있어 단위화소의 대부분의 하부영역을 포토다이오드영역(PD)이 차지하고, 단위화소의 나머지 상부영역을 리셋트랜지스터 영역, 드라이브트랜지스터 영역, 셀렉트트랜지스터영역이 차지한다.Referring to FIG. 9, a photodiode region PD occupies most of a lower region of a unit pixel in a unit pixel defined as a rectangle as shown in FIG. 7, and a reset transistor region, a drive transistor region, and the remaining upper region of the unit pixel. The select transistor area occupies.
정사각형태의 단위화소라고 가정하여 정사각형의 가로변과 세로변의 길이를 각각 '3a'라고 하면, 포토다이오드영역(PD)이 차지하는 하부영역의 가로변의 길이는 '3a'가 되고 세로변의 길이는 '2a'가 된다.If the length of the horizontal and vertical sides of the square is assumed to be '3a', the horizontal side of the lower region occupied by the photodiode region PD becomes '3a' and the length of the vertical side is '2a'. Becomes
따라서, 단위화소내 포토다이오드영역(PD)이 차지하는 비율인 필팩터는에 의해 66.7%가 된다. 이는 도 3에 도시된 종래기술의 필팩터가에 의해 44.4%인 점을 감안하면, 도 7과 같이 단위화소의 레이아웃을 바꿈으로써 필팩터를 증가시킬 수 있음을 의미한다.Therefore, the fill factor, which is the ratio of the photodiode region PD in the unit pixel, By 66.7%. This is a fill factor of the prior art shown in FIG. In view of 44.4%, it is possible to increase the fill factor by changing the layout of the unit pixels as shown in FIG.
결국, 필팩터를 증가시킴에 따라 다이나믹레인지를 확보하고, 포토다이오드의 용량을 충분히 확보할 수 있다.As a result, as the fill factor is increased, it is possible to secure the dynamic range and to sufficiently secure the capacity of the photodiode.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전원전압단 콘택의 누설을 도시한 도면이다.10 is a diagram illustrating leakage of a power supply voltage terminal contact according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 단위화소가 정사각형이므로 인접한 단위화소간 전원전압단 콘택(VDD CT)과 포토다이오드영역(PD)의 거리 x'이 단위화소간 최소 격리공간 x보다 길다. 이는 단위화소간 최소 격리공간 x에 대해 거리 x'이 대각선 방향이기 때문이며, 이와 같이 거리 x'이 대각선 방향을 갖는 것은 인접한 단위화소에서 포토다이오드영역(PD)이 전원전압단 콘택(VDD CT)에 비해 낮은 위치에 배치되기 때문이다.Referring to FIG. 10, since the unit pixels are square, the distance x 'between the power source voltage terminal contact VDD CT and the photodiode region PD between adjacent unit pixels is longer than the minimum isolation space x between unit pixels. This is because the distance x 'has a diagonal direction with respect to the minimum isolation space x between the unit pixels. Thus, the distance x' has a diagonal direction, so that the photodiode region PD is connected to the power voltage terminal contact VDD CT in the adjacent unit pixel. This is because it is placed in a lower position.
결국, 인접 단위화소내 포토다이오드영역(PD)으로의 전원전압 누설에 의한영향이 감소한다.As a result, the influence of leakage of the power supply voltage to the photodiode region PD in the adjacent unit pixel is reduced.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 포토다이오드의 공핍상태를 도시한 도면이다.11 illustrates a depletion state of a photodiode according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 트랜스퍼게이트(Tx)가 폐곡선의 띠 형태이고 포토다이오드영역(PD)의 중심부에 위치하므로, 전원전압으로부터 전달되는 전하운송을 위한 구동력이 영향을 미치는 임계거리(r')가 포토다이오드영역(PD)의 모든 영역을 포함한다.Referring to FIG. 11, since the transfer gate Tx is in the shape of a closed band and is located at the center of the photodiode region PD, the critical distance r 'affecting the driving force for the charge transport transmitted from the power supply voltage is determined. All areas of the photodiode area PD are included.
따라서, 트랜스퍼트랜지스터의 턴온시 포토다이오드의 완전공핍이 보다 용이해지고, 이로써 전하전송효율이 향상되어 이미지센서의 감도(sensitivity)를 개선시킨다.Therefore, the complete depletion of the photodiode at the turn-on of the transfer transistor becomes easier, thereby improving the charge transfer efficiency and improving the sensitivity of the image sensor.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위화소의 평면도이다.12 is a plan view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 평면상으로 사각형태를 이루는 단위화소가 상부영역에 비해 상대적으로 큰 면적을 갖는 하부영역으로 구분되고, 하부영역의 전영역에 포토다이오드 영역(PD)이 할당되며, 단위화소의 상부영역에 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터가 할당되며, 하부영역의 중심부분의 상부에 띠 형태의 트랜스퍼게이트(Tx)가 배치된다.Referring to FIG. 12, a unit pixel having a rectangular shape on a plane is divided into a lower region having a relatively larger area than an upper region, and a photodiode region PD is allocated to all regions of the lower region. A reset transistor, a drive transistor, and a select transistor are allocated to the upper region of the circuit board, and a band-shaped transfer gate Tx is disposed above the central portion of the lower region.
자세히 살펴보면, 단위화소는 네 개의 변(pd1, pd2, pd3, pd4)으로 이루어진 사각 형태의 포토다이오드 영역(PD), 포토다이오드 영역(PD)의 상부에 배치되어 플로팅디퓨젼영역(FD)이 포토다이오드 영역(PD)의 중심부분에 정의되도록 하는 띠형 트랜스퍼게이트(Tx), 포토다이오드 영역(PD)의 네 변중 제1 변(pd1)의 일측 끝단에연결되며 제1 변(pd1)에 접하는 포토다이오드 영역(PD)의 제2 변(pd2)에 자신의 일측이 정렬되어 전원전압(VDD)이 공급되는 제1 활성영역(ACT1), 제1 활성영역(ACT1)의 타측에 연결되면서 포토다이오드영역(PD)의 제1 변(pd1)과 나란히 배치되고 자신의 끝단이 제1 변(pd1)에 접하는 제3 변(pd3)에 정렬되어 포토다이오드영역(PD)의 광전하가 전기 신호로 출력되는 제2 활성영역(ACT2)로 구성된다.In detail, the unit pixel is disposed on the photodiode PD and the photodiode PD having four sides pd1, pd2, pd3, and pd4 so that the floating diffusion region FD is formed on the photopixel. A band-shaped transfer gate Tx to be defined at the central portion of the diode region PD, a photodiode connected to one end of the first side pd1 of the four sides of the photodiode region PD and in contact with the first side pd1. One side thereof is aligned with the second side pd2 of the region PD so as to be connected to the first active region ACT1 to which the power supply voltage VDD is supplied and the other side of the first active region ACT1, The photodiode of the photodiode region PD is output as an electrical signal by being arranged in parallel with the first side pd1 of the PD and having its end aligned with the third side pd3 which is in contact with the first side pd1. It consists of two active areas ACT2.
그리고, 제1 활성영역(ACT1)과 포토다이오드영역(PD)의 제1 변(pd1)이 접하는 경계부분 상부에 리셋게이트(Rx)가 배치되고, 제2 활성영역(ACT2) 상부에 제2 활성영역(ACT2)과 교차하는 방향으로 나란히 드라이브 게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)가 배치되며, 셀렉트게이트(Sx)에 의해 제2 활성영역(ACT2)의 끝단에 출력단콘택(Vout CT)이 연결된다. 그리고, 제1 활성영역(ACT1)의 끝단에 전원전압을 공급하기 위한 전원전압단콘택(VDD CT)이 연결된다.In addition, the reset gate Rx is disposed above the boundary portion where the first active region ACT1 and the first side pd1 of the photodiode region PD contact each other, and the second active region is disposed above the second active region ACT2. The drive gate Dx and the select gate Sx are arranged side by side in the direction crossing the region ACT2, and the output terminal contact Vout CT is connected to the end of the second active region ACT2 by the select gate Sx. do. A power supply voltage terminal contact VDD CT for supplying a power supply voltage to the end of the first active region ACT1 is connected.
도 12에서, 드라이브게이트(Dx)와 셀렉트게이트(Sx)는 제2 활성영역(ACT2) 상부만을 가로지르는 길이를 갖고 배치되며, 트랜스퍼게이트(Tx)에 의해 정의된 플로팅디퓨젼영역(FD)에 플로팅디퓨젼콘택(FD CT)이 연결되고, 플로팅디퓨젼콘택(FD CT)은 드라이브게이트(Dx)와 드라이브게이트 콘택(Dx CT)을 통해 연결된다.In FIG. 12, the drive gate Dx and the select gate Sx are disposed to have a length that crosses only the upper portion of the second active region ACT2, and are in the floating diffusion region FD defined by the transfer gate Tx. The floating diffusion contact FD CT is connected, and the floating diffusion contact FD CT is connected through the drive gate Dx and the drive gate contact Dx CT.
또한, 플로팅디퓨젼영역(FD)은 포토다이오드영역(PD) 상부에 위치하는 트랜스퍼 게이트(Tx)에 의해 그 영역의 크기가 결정되는데, 트랜스퍼게이트(Tx)는 폐곡선을 이루는 띠형태의 게이트이고, 이에 따라 플로팅디퓨젼영역(FD)이 트랜스퍼게이트(Tx)의 폐곡선 내부에 위치한다.In addition, the size of the floating diffusion region FD is determined by a transfer gate Tx positioned above the photodiode region PD, and the transfer gate Tx is a strip-shaped gate forming a closed curve. Accordingly, the floating diffusion region FD is positioned inside the closed curve of the transfer gate Tx.
전술한 단위화소에서, 단위화소를 이루는 포토다이오드영역(PD), 제1 활성영역(ACT1)과 제2 활성영역(ACT2)이 사각형 형태로 정의된다. 이는, 사각형으로 정의되는 단위화소의 하부영역을 모두 포토다이오드영역(PD)이 차지하고, 단위화소의 나머지 상부영역을 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터이 차지하고 있음을 보여주고 있다.In the above-described unit pixel, the photodiode region PD, the first active region ACT1 and the second active region ACT2 constituting the unit pixel are defined in a quadrangular shape. This shows that the photodiode region PD occupies all the lower region of the unit pixel defined by the quadrangle, and the reset transistor, the drive transistor, and the select transistor occupy the remaining upper region of the unit pixel.
도 12에서 트랜스퍼게이트(Tx)는 폐곡선의 띠형태를 갖는데, 도 7과 달리 직사각형 띠 형태를 갖는다.In FIG. 12, the transfer gate Tx has a closed curved band, and unlike FIG. 7, the transfer gate Tx has a rectangular band.
이와 같이, 트랜스퍼게이트(Tx)가 직사각형 띠 형태인 경우에는 도 7의 도우넛 형태에 비해 플로팅디퓨젼영역(FD)의 면적을 보다 감소시킬 수 있어 플로팅디퓨젼영역(FD)의 캐패시턴스가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.As described above, when the transfer gate Tx has a rectangular band shape, the area of the floating diffusion region FD may be further reduced compared to the doughnut shape of FIG. 7, thereby reducing the capacitance of the floating diffusion region FD. Can be obtained.
전술한 실시예들에서는 원형 띠형태와 사각형 띠 형태의 트랜스퍼게이트를 설명하였으나, 트랜스퍼게이트(Tx)는 다각형일 수도 있다.In the above-described embodiments, the transfer gate has a circular band shape and a rectangular band shape, but the transfer gate Tx may be a polygon.
전술한 본 발명은 0.25㎛, 0.18㎛ 및 그 이하의 기술에 의한 CMOS 이미지센서의 제조에 광범위하게 적용가능하고, CMOS 이미지센서와 유사한 광소자 및 CCD에도 동일하게 적용가능하다.The present invention described above is widely applicable to the manufacture of CMOS image sensors by the techniques of 0.25 mu m, 0.18 mu m and below, and equally applicable to optical elements and CCDs similar to CMOS image sensors.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 단위화소의 하부영역을 모두 포토다이오드가 차지하도록 레이아웃을 변경하므로써 필팩터를 향상시켜 다이나믹레인지 및 포토다이오드의 용량을 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.The present invention described above has the effect that the fill factor can be improved by sufficiently changing the layout such that the photodiode occupies all the lower regions of the unit pixels, thereby sufficiently securing the dynamic range and the capacity of the photodiode.
그리고, 전원전압단콘택과 인접한 단위화소의 포토다이오드영역간의 거리가 길어짐에 따라 전원전압 누설에 의한 다크배드필셀 오류를 억제하여 수율을 향상시키고 생산비용을 절감할 수 있다.In addition, as the distance between the power supply terminal contact and the photodiode region of the adjacent unit pixel becomes longer, the dark bad pill cell error caused by the leakage of the power supply voltage can be suppressed to improve the yield and reduce the production cost.
그리고, 트랜스퍼게이트를 포토다이오드영역의 중심부에 위치시키므로써 포토다이오드내의 광전자가 완전공핍되도록 하여 이미지센서의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the transfer gate is positioned at the center of the photodiode region, the photoelectron in the photodiode is completely depleted, thereby improving the sensitivity of the image sensor.
Claims (7)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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