KR20060090515A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서(image sensor)이 제공된다. 이미지 센서는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 축적하는 광전자 변환부를 포함하는 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 활성 화소 영역, 활성 화소 영역과 인접하여 형성되고 차광된 단위 화소가 배열된 제1 옵티컬 블랙 영역, 제1 옵티컬 블랙 영역과 적어도 일면이 인접하고, 상기 활성 화소 영역에서 생성된 과잉 전자를 배출하는 드레인 영역, 드레인 영역과 인접하여 형성되고 차광된 단위 화소가 배열된 제2 옵티컬 블랙 영역을 포함한다.
이미지 센서, 드레인 영역, 옵티컬 블랙 영역
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 일부 레이아웃도이다.
도 5는 도 4의 이미지 센서를 V - V′로 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 일부 레이아웃도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부를 나타낸 도면이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1, 2, 3 : 화소 배열부 10 : 활성 화소 영역
11 : 단위 화소 20 : 제1 옵티컬 블랙 영역
30 : 드레인 영역 40 : 제2 옵티컬 블랙 영역
110 : 광전자 변환부
113a, 113b, 113c : 제1 내지 제3 하부 드레인 영역
120 : 전하 검출부 130 : 전하 전송부
140 : 리셋부 150 : 증폭부
160 : 선택부 190 : 차광막
310, 311 : 양전압 라인 320, 321 : 메탈 컨택
330, 331: 오믹 컨택층
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정적인 레퍼런스 신호를 제공할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 입사광을 광전 변환하여 영상 신호를 제공하는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 활성 화소(active pixel) 영역과, 활성 화소 영역과 인접하여 입사광과 무관하게 일정한 레퍼런스(reference) 신호를 제공하는 차광된 단위 화소가 배열된 옵티컬 블랙(OPtical Black; OPB) 영역을 포함한다. 특히, 옵티컬 블랙 영역은 온도 변화에 따라 영상 신호의 신호 레벨이 변동되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 레퍼런스 신호의 전압 레벨은 주위 온도에 의해 발생된 것으로 간주하여, 영상 신호와 레퍼런스 신호의 전압 레벨 차이가 입사광에 의해 생성된 신호로 계산된다.
그런데, 활성 화소 영역(특히, 옵티컬 블랙 영역 주변의 활성 화소 영역)에 매우 높은 조도의 광이 입사될 때, 단위 화소의 광전자 변환부에서 발생된 과잉 전자는 옵티컬 블랙 영역의 차광된 단위 화소로 넘쳐 흘러 레퍼런스 신호를 왜곡한 다. 또한, 왜곡된 레퍼런스 신호를 사용하는 경우에는 정상적인 레퍼런스 신호를 사용하는 경우보다, 영상 신호와 레퍼런스 신호와의 전압 레벨 차이가 작아지므로 재생 화상의 화질이 현저하게 열화하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 안정적인 레퍼런스 신호를 제공할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 축적하는 광전자 변환부를 포함하는 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 활성 화소 영역, 활성 화소 영역과 인접하여 형성되고 차광된 단위 화소가 배열된 제1 옵티컬 블랙 영역, 제1 옵티컬 블랙 영역과 적어도 일면이 인접하고 활성 화소 영역에서 생성된 과잉 전자를 배출하는 드레인 영역, 드레인 영역과 인접하여 형성되고 차광된 단위 화소가 배열된 제2 옵티컬 블랙 영역을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 나아가, n형 또는 p형은 예시적인 것이며, 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참고 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 1 내지 도 14b를 참조함으로써 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부의 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부(1)는 활성 화소 영역(10), 제1 옵티컬 블랙 영역(20), 드레인 영역(30), 제2 옵티컬 블랙 영역(30)을 포함한다.
활성 화소 영역(10)은 입사광을 광전 변환하여 영상 신호(Vout)를 제공하는 단위 화소(11)가 도 2와 같이 매트릭스 형태로 배열된다. 단위 화소(11)는 행 구동부(row driver; 도면 미도시)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수 개의 구동 신호를 수신하여 구동된다.
단위 화소(11)는 도 3에서와 같이 광전자 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(11)가 도 3에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 3개 또는 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수 있다.
광전자 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전자 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전자 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.
전하 전송부(130)는 광전자 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(111)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(111)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 옵티컬 블랙 영역(20)은 활성 화소 영역(10)과 인접하여 형성되고, 차광된 단위 화소(21)가 배열된다. 제1 옵티컬 블랙 영역(20)은 활성 화소 영역(10)을 써라운딩(surrounding)할 수 있다. 차광된 단위 화소(21)는 상술한 활성 화소 영역(10)의 단위 화소(11)와 대체적으로 구성이 동일하나, 광전자 변환부에 광이 입사되지 않도록 광전자 변환부 상부에 메탈 또는 폴리 실리콘으로 형성된 차광막이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 옵티컬 블랙 영역(20)은 활성 화소 영역(10)에 매우 높은 조도의 광이 입사되어 활성 화소 영역(10)의 광전자 변환부(110)에서 발생된 과잉 전자가 활성 화소 영역(10)에 가장 인접한 제1 옵티컬 블랙 영역(20)의 첫번째 화소부터 드레인 영역(30)의 화소까지 차게 된다. 이때 제1 옵티컬 블랙 영역(20)의 출력 신호를 분석하여, 이미지 센서의 특성을 평가할 수 있다. 예를 들어 입사광의 조도와 발생되는 과잉 전자의 상관 관계를 분석할 수 있으며, 입사광의 조도에 따라 영향을 받는 제1 옵티컬 블랙 영역(20)의 영역의 분석을 통해 크로스토크와 같은 화소간 간섭 영향 또는 블루밍 등의 특성을 평가 할 수 있다. 또한, 활성 화소 영역(10)과 제2 옵티컬 블랙 영역(40)을 일정 간격 이격시키고 그 사이에 제1 옵티컬 블랙 영역(20)과 드레인 영역(20)이 있기 때문에, 활성 화소 영역(10)에서 발생한 과잉 전자가 제1 옵티컬 블랙 영역(20)을 경유하여 드레인 영역(30)에 도달하면 과잉전자는 양전압 또는 전원전압(Vdd)를 통해 배출되어 제2 옵티컬 블랙 영역(40)으로 도달할 가능성이 낮아진다.
드레인 영역(30)은 제1 옵티컬 블랙 영역(20)에 적어도 일면이 인접하여 형 성되고, 활성 화소 영역(10)에 매우 높은 조도의 광이 입사되어 발생된 과잉 전자가 제2 옵티컬 블랙 영역(40)에 유입되는 것을 방지한다. 드레인 영역(30)은 활성 화소 영역(10)을 써라운딩하는 제1 옵티컬 블랙 영역(20)을 써라운딩할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 드레인 영역(30)은 활성 화소 영역(10)의 매트릭스 형태의 제1 방향과 평행하고 활성 화소 영역(10)의 양측에 위치하는 제1 드레인 영역(30a), 제1 방향과 수직인 제2 방향과 평행하며 활성 화소 영역(10)의 양측에 위치하여 제1 드레인 영역(30a)의 말단과 연결된 제2 드레인 영역(30b)를 포함한다.
특히, 드레인 영역(30)은 활성 화소 영역(10), 제1 및 제2 옵티컬 블랙 영역(20, 40)보다 깊은 위치까지 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 활성 화소 영역(10)에서 발생된 과잉 전자뿐만 아니라, 이미지 센서가 형성되어 있는 반도체 기판 내부에서 형성된 전자도 차광된 단위 화소(41)의 광전자 변환부로 유입되지 않고 드레인 영역(30)에 모이게 된다. 드레인 영역(30)의 다양한 구성에 대해서는 이하 도 4 내지 도 13를 참조하여 자세히 설명한다.
제2 옵티컬 블랙 영역(40)은 입사광과 무관하게 일정한 레퍼런스 신호를 제공하여, 제2 옵티컬 블랙 영역(40)은 온도 변화에 따라 영상 신호(Vout)의 신호 레벨이 변동하는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 정상 동작시 레퍼런스 신호의 전압 레벨은 주위 온도에 의해 발생된 것으로 간주하여, 영상 신호(Vout)와 레퍼런스 신호의 전압 레벨 차이가 입사광에 의해 생성된 신호로 계산되어 이후 이미지 신호처리를 통해 더 정확한 영상 신호를 생성하게 된다.
제2 옵티컬 블랙 영역(40)은 드레인 영역(30)과 인접하여 형성되고, 차광된 단위 화소(41)가 배열된다. 여기서, 제2 옵티컬 블랙 영역(40) 내에 형성된 차광된 단위 화소(41)는 제1 옵티컬 블랙 영역(20) 내에 형성된 차광된 단위 화소(21)와 구성이 동일하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 일부 레이아웃도이다. 도 5는 도 4의 이미지 센서를 V - V′로 절단한 단면도이다.
우선 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 옵티컬 블랙 영역(20), 드레인 영역(30), 제2 옵티컬 블랙 영역(40)은 차광된 단위 화소(21, 31, 41)가 배열되어 있다. 특히, 드레인 영역(30)의 차광된 단위 화소(31)가 다른 차광된 단위 화소(21, 41)와 다른 점은 광전자 변환부(110)를 전기적으로 연결하는 양전압 라인(310)이 더 포함되어 있다는 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 드레인 영역(30)의 차광된 단위 화소(31)를 설명한다. 반도체 기판(102) 상에 소자 분리 영역(106)이 형성되어 다수개의 차광된 단위 화소(31)가 형성될 영역을 정의한다. 소자 분리 영역(106)은 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다. 단위 화소(31)는 광전자 변환부(110)의 전하를 전하 검출부(120)로 전달하기 위한 전하 전송부(130), 전하 전송부(130)로부터 소정 거리 이격되고 전하 검출부(120)를 전원 전압(Vdd)으로 리셋하기 위한 리셋부(140) 등을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 차광된 단위 화소(31)는 p형 반도체 기판(102)내에 형성시켰으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, p형(또는 n형) 반도체 기판(102) 상에 형성된 p웰 또는 p형 에피층 내에 형성될 수도 있다.
특히, 광전자 변환부(110)는 광전자 변환부(110)는 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 형태로, 입사광에 대응하는 전하를 축적하는 N형의 포토 다이오드(112), 암전류를 방지하기 위한 P+형의 피닝층(pinning layer; 114), 양전압 라인(310)과 광전자 변환부(110) 사이의 접촉 특성을 좋게 하기 위한 N+ 오믹 컨택층(ohmic contact layer; 330)을 포함한다.
반도체 기판(102) 내에 N형 도펀트를 이온 주입하여 포토 다이오드(112)를 형성하고, 포토 다이오드(112) 상부에 P+ 도펀트를 낮은 에너지, 높은 도즈(dose)를 이용하여 이온 주입하여 피닝층(114)을 형성한다. 그 후, N+ 도펀트를 이온 주입하여 피닝층(114)을 관통하여 포토 다이오드(112)와 연결된 오믹 컨택층(330)을 형성한다. 접촉 특성을 좋게 하기 위해 오믹 컨택층(330)의 도핑 농도는 높을수록 좋기 때문에, 1013 내지 1017 원자/cm2 정도의 농도 범위 내에서 조절할 수 있다. 물론, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.
또한, 양전압 라인(310)은 활성 화소 영역(도 1의 10 참조)의 매트릭스 형태의 일 방향으로 다수 개의 차광된 단위 화소(31)를 가로 질러 형성되고, 오믹 컨택층(330), 메탈 컨택(320)을 경유하여 광전자 변환부(110)와 연결된다. 여기서, 양 전압 라인에 흐르는 전압은 전원 전압(Vdd)일 수 있다.
드레인 동작을 살펴보면, 활성 화소 영역(10)에서 높은 조도의 입사광에 의해 발생된 과잉 전자가, 차광된 단위 화소(31)의 광전자 변환부(110)에 유입된다. 유입된 과잉 전자는 오믹 컨택층(330), 메탈 컨택(320)을 거쳐 외부로 방출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 단순한 공정 변경을 통해서 드레인 영역(30)을 구비함으로써, 제2 옵티컬 블랙 영역(40)이 안정적인 레퍼런스 신호를 제공할 수 있다. 따라서, 활성 화소 영역(10)에서 제공되는 영상 신호와 제2 옵티컬 블랙 영역(40)에서 제공되는 레퍼런스 신호와의 차이가 충분히 커져 재생 화상의 화질이 개선될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6의 이미지 센서의 차광된 단위 화소(32)는 광전자 변환부(110)로 피닝층(도 5의 330 참조)이 없는 포토 다이오드(112)를 사용한다. 따라서, 포토 다이오드(112)를 N- 또는 N형으로 형성한 경우에는 접촉 특성을 높이기 위해 N+ 형의 오믹 컨택층(330)을 더 형성할 수 있다. 또한, 공정 및 설계에 따라 포토 다이오드(112)를 N+ 형으로 형성한 경우에는, 오믹 컨택층(330) 없이 직접 양전압 라인(도 4의 310 참조)과 전기적으로 연결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명 하기 위한 단면도이다.
도 7의 이미지 센서의 차광된 단위 화소(33)는 전하 전송부(130)와 전하 검출부(120)가 양전압과 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 양전압은 전원 전압(Vdd)이 바람직하나, 일정한 레벨의 양전압도 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 전하 전송부(130)가 구비된 4개의 트랜지스터로 이루어진 이미지 센서를 설명하고 있으나, 전하 전송부가 구비되지 않는 3개의 트랜지스터로 이루어진 이미지 센서의 경우에는 전하 검출부(120)만 양전압과 전기적으로 연결될 수 있다.
드레인 동작을 살펴보면, 활성 화소 영역(10)에서 높은 조도의 입사광에 의해 발생된 과잉 전자가, 차광된 단위 화소(33)의 광전자 변환부(110) 또는 전하 검출부(120)에 유입된다. 전하 전송부(130)가 턴온되어 n형 채널(131)이 형성되어 있으므로, 광전자 변환부(110)에 유입된 과잉 전자는 전하 검출부(120)로 이동되어 외부로 방출된다. 전하 검출부(120)로 바로 유입된 과잉 전자는 그대로 외부로 방출될 수 있다.
도 8a은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 8의 이미지 센서의 차광된 단위 화소(34)는 전하 전송부(130), 증폭부(150)가 문턱 전압(Vth) 이상의 양전압과 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 양전압은 전원 전압(Vdd)일 수 있다. 도 7에서 설명하였듯이, 3개의 트랜지스터로 이루어진 이미지 센서의 경우에는 증폭부(150) 또는 전하 검출부(120)가 양전압과 전기 적으로 연결될 수 있다.
드레인 동작을 살펴보면, 활성 화소 영역(10)에서 높은 조도의 입사광에 의해 발생된 과잉 전자가, 차광된 단위 화소(34)의 광전자 변환부(110) 또는 전하 검출부(120)에 유입된다. 광전자 변환부(110)에 유입된 과잉 전자는 양전압 또는 전원전압(Vdd)과 연결된 전하 전송부(130) 하부의 n형 채널(132)를 통해서 전하검출부(120)으로 이동하고 전하 검출부(120)로 유입된 과잉 전자는 n형 채널(142)을 통해서 외부로 방출된다. 증폭부(150)에 연결된 양전압으로 인해 선택부(160)의 드레인에는 옵티칼 블랙 신호 전압으로 잡혀 선택 신호에 의해 선택되면 수직 신호 라인에 옵티칼 블랙 신호가 출력된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 일부 레이아웃도이다. 도 4와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부는 제1 옵티컬 블랙 영역(20), 드레인 영역(30), 제2 옵티컬 블랙 영역(40)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 옵티컬 블랙 영역(20, 40)은 차광된 단위 화소(21, 41)가 배열되어 있으나, 드레인 영역(30)은 과잉 전하를 포획할 수 있도록 n형 불순물 영역(36)이 형성된다. n형 불순물 영역(36)은 양전압 라인(311)과 전기적으로 연결되고, 메탈 컨택(321)과 접촉 특성을 좋게 하기 위해서 n형 불순물 영역(36) 내에 N+형의 오믹 컨택층(331)을 형성할 수 있다.
이와 같이 드레인 영역(30)을 형성할 경우, 차광된 단위 화소(31)를 이용할 경우에 비해 과잉 전자를 포획할 수 있는 단위 면적이 증가하므로 드레인 능력이 증가될 수 있다. 또한, 공정을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 함으로써 제2 옵티컬 블랙 영역(40)이 안정적인 레퍼런스 신호를 제공할 수 있으므로, 활성 화소 영역(10)에서 제공되는 영상 신호와 제2 옵티컬 블랙 영역(40)에서 제공되는 레퍼런스 신호와의 차이가 충분히 커져 재생 화상의 화질이 개선될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(102) 상에 활성 화소 영역(도 1의 10 참조), 제1 옵티컬 블랙 영역(20), 드레인 영역(30), 제2 옵티컬 블랙 영역(40)이 형성된다. 설명의 편의상, 전하 전송부, 리셋부 등을 구성하는 다수 개의 트랜지스터는 도면에 표시 하지 않고, 차광된 단위 화소의 포토 다이오드(112, 112a)만을 표시한다. 차광된 단위 화소의 포토 다이오드(112, 112a) 상에는 표면 보호층(180)이 형성되고, 표면 보호층(180) 상에는 광이 입사되지 않도록 메탈 또는 폴리 실리콘으로 형성된 차광막(190)이 형성된다.
특히, 본 발명의 또 다른 실시예에서 드레인 영역(30)은 활성 화소 영역(10), 제1 또는 제2 옵티컬 블랙 영역(20, 40)의 포토 다이오드(112)보다 깊은 위치(112a)까지 형성되어 있다. 이러한 경우, 활성 화소 영역(10)에서 발생된 과잉 전자뿐만 아니라, 반도체 기판(102) 내부에서 형성된 전자도 드레인 영역(30)에 포획할 수 있다.
제조 방법을 살펴보면, 우선 포토 다이오드(112)는 주변의 활성 화소 영역(10), 제1 및 제2 옵티컬 블랙(20, 40)보다 더 깊게 N 도펀트를 이온 주입하여 형성한다. 예를 들어, 서로 다른 에너지를 이용하여 다수 회 이온 주입함으로써 형성할 수 있다. 순서대로 1MeV, 700KeV, 500KeV, 300KeV 에너지를 이용하여 이온 주입함으로써, 깊게 연결된 포토 다이오드(112a)를 만들 수 있다.
도면에서는 드레인 영역(30)의 일 예로서 도 5 또는 도 6의 양전압과 전기적으로 연결된 포토 다이오드(112a)를 깊게 형성하는 경우를 제시한다. 그러나, 도 7 내지 도 9의 본 발명의 또 다른 실시예에도 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 드레인 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
우선 도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서 주변의 활성 화소 영역(도 1의 10 참조) 등 보다 깊게 형성된 드레인 영역(112a)은 활성 화소 영역(10), 제1 및 제2 옵티컬 블랙 영역(20, 40) 하부에 형성된 제1 하부 드레인 영역(113a)과 연결된다. 따라서, 활성 화소 영역(10)에서 형성된 과잉 전자가 드레인 영역(112a)의 하부로 돌아서 제2 옵티컬 블랙 영역(40)에 도달할 수 있는 경로를 완전히 차단할 수 있다. 따라서, 제1 하부 드레인 영역(113a)를 구비함으로써 드레인 능력이 더 향상되어, 제2 옵티컬 블랙 영역(40)은 안정적인 레퍼런스 신호를 제 공할 수 있다. 따라서, 활성 화소 영역(10)에서 제공되는 영상 신호와 제2 옵티컬 블랙 영역(40)에서 제공되는 레퍼런스 신호와의 차이가 충분히 커지므로, 재생 화상의 화질이 개선될 수 있다.
제1 하부 드레인 영역(113a)은 P형 반도체 기판(102)내에 N형 도펀트를 이온 주입하여 형성할 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이와 같은 N형의 하부 드레인 영역의 형태는 다음과 같이 다양하게 변형 가능하다. 즉, 도 12에서와 같이 드레인 영역(112a)은 활성 화소 영역(10), 제1 옵티컬 블랙 영역(20) 하부에 형성된 제2 하부 드레인 영역(113b)과 연결될 수 있다. 또한, 도 13에서와 같이 드레인 영역(112a)은 제2 옵티컬 블랙 영역(40) 하부에 형성된 제3 하부 드레인 영역(113c)과 연결될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부를 나타낸 도면이다. 도 1과 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 14a 및 도 14b에서와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 배열부(2, 3)의 드레인 영역(30c, 30d)은 도 1에서와 같이 활성 화소 영역을 써라운딩하도록 형성되지 않고, 매트릭스 형태의 일 방향과 평행하게 활성 화소 영역(10)의 양측에 위치한다. 일반적으로 이미지 센서는 설계 및 공정에 따라 과잉 전자가 넘치는 방향이 다르기 때문에 드레인 영역(30c, 30d)의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어, 활성 화소 영역(10)의 양측으로만 넘치는 경우에는 도 14a 및 도 14b에서와 같은 형태를 적용할 수 있다.
이와 같은 경우에도 드레인 영역(30c, 30d)의 구조는 도 4 내지 도 13의 구조를 그대로 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 이미지 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 매우 높은 조도의 광이 입사되더라도 옵티컬 블랙 영역에 과잉 전자가 유입되지 않기 때문에, 안정적인 레퍼런스 신호를 제공할 수 있다.
둘째, 영상 신호와 레퍼런스 신호와의 전압 레벨 차이를 충분히 커져서, 재생 화상의 화질이 개선될 수 있다.
셋째, 활성 화소 영역에서 발생하는 과잉 전자뿐만 아니라, 반도체 기판 내부에서 발생되는 과잉 전자가 옵티컬 블랙 영역에 유입되는 것을 방지할 수 있다.
넷째, 활성 화소 영역에서 발생하는 과잉 전자의 특성을 제 1 옵티컬 블록 영역을 분석하여 분석할 수 있다.
Claims (30)
- 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 축적하는 광전자 변환부를 포함하는 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 활성 화소 영역;상기 활성 화소 영역과 인접하여 형성되고, 차광된 단위 화소가 배열된 제1 옵티컬 블랙 영역;상기 제1 옵티컬 블랙 영역과 적어도 일면이 인접하고, 상기 활성 화소 영역에서 생성된 과잉 전자를 배출하는 드레인 영역; 및상기 드레인 영역과 인접하여 형성되고, 상기 차광된 단위 화소가 배열된 제2 옵티컬 블랙 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제1 옵티컬 블랙 영역은 상기 활성 화소 영역을 써라운딩하고, 상기 드레인 영역은 상기 제1 옵티컬 블랙 영역을 써라운딩하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 매트릭스 형태의 제1 방향과 평행하고 상기 활성 화소 영역의 양측에 위치하는 제1 드레인 영역과, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향과 평행하며 상기 활성 화소 영역의 양측에 위치하고 상기 제1 드레인 영역의 말단과 연결된 제2 드레인 영역을 포함하는 이미지 센서.
- 제 3항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 4항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 n형의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 상에 형성된 p형의 피닝층(pinning layer), 상기 피닝층을 관통하여 상기 포토 다이오드와 연결된 오믹 컨택층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 4항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 n형의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 내에 형성되어 접촉 특성을 향상시키는 오믹 컨택층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 3항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 전하 검출부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 7항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 전하 전송부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 3항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 증폭부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 전하 전송부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 3항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 반도체 기판의 액티브 영역 상에 형성되고, 양전압과 전기적으로 연결된 n형 불순물 영역인 이미지 센서.
- 제 4항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 양전압은 전원 전압인 이미지 센서.
- 제 3항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역, 상기 제1 또는 제2 옵티컬 블랙 영역의 광전자 변환부보다 깊은 위치까지 형성된 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역, 제1 및 제2 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제1 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역 및 제1 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제2 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 제2 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제3 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 매트릭스 형태의 일 방향과 평행하고 상기 활성 화소 영역의 양측에 위치하는 이미지 센서.
- 제 17항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 18항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 n형의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 상에 형성된 p형의 피닝층(pinning layer), 상기 피닝층을 관통하여 상기 포토 다이오드와 연결된 오믹 컨택층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 18항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 광전자 변환부는 n형의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 내에 형성되어 접촉 특성을 향상시키는 오믹 컨택층을 포함하는 이미지 센서.
- 제 17항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 전하 검출부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 21항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 전하 전송부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 17항에 있어서,상기 드레인 영역은 다수 개의 차광된 단위 화소를 포함하되, 상기 차광된 단위 화소의 리셋부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 23항에 있어서,상기 차광된 단위 화소의 전하 전송부는 양전압과 전기적으로 연결된 이미지 센서.
- 제 17항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 반도체 기판의 액티브 영역 상에 형성되고, 양전압과 전기적으로 연결된 n형 불순물 영역인 이미지 센서.
- 제 18항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서,상기 양전압은 전원 전압인 이미지 센서.
- 제 26항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역, 상기 제1 또는 제2 옵티컬 블랙 영역보다 깊은 위치까지 형성된 이미지 센서.
- 제 27항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역, 제1 및 제2 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제1 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
- 제 27항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 활성 화소 영역 및 제1 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제2 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
- 제 27항에 있어서,상기 드레인 영역은 상기 제2 옵티컬 블랙 영역 하부에 형성된 제3 하부 드레인 영역과 연결된 이미지 센서.
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| KR1020050011455A KR100654342B1 (ko) | 2005-02-07 | 2005-02-07 | 이미지 센서 |
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| KR1020050011455A KR100654342B1 (ko) | 2005-02-07 | 2005-02-07 | 이미지 센서 |
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