KR20060114249A - 시모스 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드의 액티브영역에 모아진 전자는 전달 트랜지스터에 의해 생긴 채널을 통해서 플로팅노드로 전달될 수 있도록 펀치스루 현상을 방지한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자를 선택적으로 플로팅노드로 전달하기 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴에 생성된 채널에 의하지 않고, 상기 포토다이오드에서 상기 플로팅노드로 바로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위해, 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 포토다이오드가 접하는 측면의 끝단에 배치된 블럭킹 영역을 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
시모스 이미지센서, 포토다이오드, 전자, 전달 트랜지스터.
Description
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도5a 내지 도5c는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 단면도.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 평면도.
도7a 내지 도7f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
Tx : 전달 트랜지스터
STI : 소자분리막
PD : 포토다이도드
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드와 전달 트랜지스터의 접합특성을 향상시킨 시모스 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.
도1은 시모스 이미지센서에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 전달 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워 (Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다.
이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.
도2는 도1에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.
도3은 도2에 도시된 4개의 모스트랜지스터의 공정평면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(10)에서 전달된 빛에 의해 모아진 전자를 전자를 출력단(Output)으로 전달하기 위해 4개의 모스트랜지스터(11, 12, 13, 14)의 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)이 각각 배치되고, 액티브영역(101 ~ 104)이 게이트 패턴(Tx,Rx,Dx,Sx)의 좌우에 각각 배치된다.
여기서 액티브영역(101)이 포토다이오드에 의해 모아진 전자를 전달받는 센싱노드이다.
한 단위소자의 동작을 간단하게 살펴보면, 포토다이오드(10)에 전달된 빛에 의해 모아진 전자가 전달트랜지스터(11)를 통해 센싱노드(101)에 전달된다.
센싱노드(101)는 드라이빙 트랜지스터(13)의 게이트와 연결되어 있기 때문에, 드라이빙 트랜지스터(13)은 센싱노드(101)에 인가되는 전압에 따라 일측단에 접합된 액티브영역(103)의 전압레벨을 드라이빙하게 된다. 이어서 셀렉트 트랜지스터(104)가 턴온되어 액티브영역(103)에 인가된 전압을 출력단을 통해 출력하게 된다.
도4는 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도4를 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(10, PD)가 형성된 기판(20) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 24)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 25)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.
다층의 절연막(22) 사이에는 다층의 배선(23)이 형성되어 있으며, 배선(23)은 포토다이오드(10)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.
또한, 포토다이오드(10)에 인접한 기판(20) 상에는 복수의 모스트랜지스터(A영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4Tr 구조의 단위 화소의 경우 전술한 바와 같이 전달 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터가 배치된다.
마이크로렌즈(26) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(26)를 보호하기 위해 보호막(27)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 29는 소자분리막을 나타내는 것이다.
또한 여기서는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈의 상부에는 외부에서 입사된 빛을 직접적으로 입력받아 마이크로 렌즈로 전해주는 매크로 랜즈가 배치된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 포토다이오드에서 플로팅 노드(SD)로 전달된 전자에 의해 드라이빙 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 조절되고, 그 조절된 전압에 대응하여 드라이빙 트랜지스터의 소스단을 드라이빙하게 된다.
도5a 내지 도5c는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 단면도이다.
도5a에 도시된 바와 같이, 시모스 이미지 센서를 제조하기 위해서는 먼저 소자분리막(STI)을 형성하고, 도5b에 도시된 바와 같이 앤형 불순물영역(DEEP N+)과 피형 불순물영역(Po)으로 된 포토다이오드와 포토다이오드에 입사된 빛에 대응하는 광전자를 플로팅노드(FD)로 전달하기 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 형성한다.
도5c에 도시된 바와 같이, 전달 트랜지스터의 게이터 패턴에 전압이 인가되어 그 하단에 채널이 형성되면, 포토다이오드에 입사된 빛에 대응하는 광전자가 플로팅노드로 전달된다.
시모스 이미지 센서가 외부에 있는 이미지를 정확하게 표현하려면, 포토다이오드에 입사한 빛에 대응하여 축척된 광전자를 최대한 손실없이 플로팅 노드로 이동시켜야 한다.
하지만 기술이 발전함에 따라 전달 트랜지스터(Tx)의 길이는 점점 더 줄어들게 되고, 포토다이오드의 앤형 영역(DEEP N+) 공핍영역이 플로팅 노드(FD)와 근접함으로써, 전달 트랜지스터의 게이트 패턴 아래에 형성되는 채널로 전자가 운송되어야 하는데, 채널이외의 영역을 통해 전자가 전달되는 펀치스루현상이 발생된다.
즉, 액티브 영역으로부터 전달 트랜지스터에 의해 생긴 채널을 거치지 않고, 바로 플로팅 노드로 전자가 전달이 되는 펀치스루 현상이 발생되었다.
이렇게 전달 트랜지스터에 의해 생긴 채널을 거치지 않고 펀치스루 현상으로 전달되는 전자는 결국 노이즈로 나타나고, 이 때 발생되는 노이즈는 제대로 된 이미지를 구현하는데 큰 문제가 되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 포토다이오드의 액티브영역에 모아진 전자는 전달 트랜지스터에 의해 생긴 채널을 통해서 플로팅노드로 전달될 수 있도록 펀치스루 현상을 방지한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자를 선택적으로 플로팅노드로 전달하기 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴에 생성된 채널에 의하지 않고, 상기 포토다이오드에서 상 기 플로팅노드로 바로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위해, 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 포토다이오드가 접하는 측면의 끝단에 배치된 블럭킹 영역을 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
또한 본 발명은 기판상에 포토다이오드가 형성될 제1 영역과, 플로팅 노드가 형성될 제2 영역과, 상기 포토다이오드에 의해 축적된 전자가 상기 플로팅 노드로 전달될 수 있는 채널영역인 제3 영역을 정의하는 단계; 상기 제1 내지 제3 영역 이외의 영역에 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막이 형성된 영역중 상기 제2 영역과 상기 제3 영역이 접하는 소정영역에, 상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자가 상기 제3 영역을 거치지 않고 소자분리영역으로 침투하는 것을 방지하기 위한 블럭킹영역을 형성시키는 단계; 상기 채널을 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 이온주입 공정을 토해 상기 플로팅 노드를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
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.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 평면도이다.
도6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 한 픽셀에 서 전달 트랜지스터의 게이트 패턴의 일측에는 포토다이오드가 형성된 영역이 배치되고, 나머지 타측에는 플로팅노드가 될 액티브영역이 배치된다.
이 때 포토다이오드가 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴보다 상대적으로 크기 때문에 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴과 접하는 포토다이오드의 측면중 끝부분은 게이트 패턴에 접해지지 않고, 노출될 수 밖에 없다.
이 노출된 측면에서 전달 트랜지스터(Tx)에 의해 생성된 채널을 통하지 않고 바로 플로팅 노드로 펀치스루가 되는데, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 이 영역에 도6의 우측 확대도면에서 보듯이 불순물을 이온주입한 블럭킹 영역을 형성한다. 이 블럭킹영역(A)은 B을 사용하여 형성한다.
이 블럭킹 영역은 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴과 접하는 포토다이오드의 측면중 양쪽 다 형성시킬 수도 있으며, 본 실시예에서는 특히 펀치스루 현상이 발생되는 일측면에만 형성시켰다.
만약 블럭킹 영역(A)이 없다면, 포토다이오드에서 바로 전자가 블럭킹 영역이 있는 곳을 통해 플로팅 노드로 전자가 한꺼번에 흐르게 되어 펀치 전압이 생기는 에러가 생기게 된다.
그러나, 블럭킹 영역(A)으로 인해 포토다이오드에 축척된 전자는 모두 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 통해서 플로팅노드로 전달되어, 입사된 빛에 해당되는 정확한 정보를 픽셀이 출력할 수 있게 되는 것이다.
도7a 내지 도7e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.
도7a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저 기판상에 소자분리막(STI)를 형성한다. 이어서 NCST 이온주입공정을 한다.
이어서 도7b에 도시된 바와 같이, 블럭킹 영역(A)를 위한 감광막 패턴(Blocking PR)을 형성한다.
이어서 도7c에 도시된 바와 같이, B(Boron)를 이용하여 블럭킹 영역(A)에 이온주입공정을 진행한다. 이 때 B 도핑은 틸트(tilt)는 노 틸트(tilt)로 적용하는 것이 가장 바람직하다.
이어서 도7d에 도시된 바와 같이, 블럭킹 영역(A)를 위한 감광막 패턴(Blocking PR)을 제거한다.
이어서 도7e에 도시된 바와 같이, 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 형성하고, 앤형 불순물영역(DEEP N-)과 피형 불순물 영역(Po)을 형성시켜 포토다이오드를 형성하고, 플로팅노드(FD)를 형성한다.
이렇게 최종 형성된 시모스 이미지센서의 픽셀은 도7e의 우측도면과 도7f에서 보듯이 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴과 접하는 포토다이오드의 일측면에 블럭킹 영역(Blocking IMP)이 있기 때문에, 포토다이오드에서 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 패턴을 거치지 않고 바로 플로팅노드로 전자가 전달되는 펀치스루를 막을 수 있어, 이로 인한 노이즈의 발생을 크게 줄일 수 있다.
따라서 이는 시모스 이미지센서에서 가장 중요하다고 할 수 있는 색구현성과 새츄레이션(saturation)을 증가시켜, 이미지를 보다 잘 구현할 수 있게 하여 준다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의해서 시모스 이미지센서의 포토다이오드에서 전달 트랜지스터에 의해 생성된 채널을 거치지 않고 바로 플로팅 노드로 전자가 이동함으로서 발생하는 현상을 제거할 수 있고, 그로 인해 발생하였던 노이즈가 제거되어 시모스 이미지센서에서 이미지를 보다 더 잘 구현 할 수 있게 되었다.
Claims (6)
- 포토다이오드;상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자를 선택적으로 플로팅노드로 전달하기 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 및상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴에 생성된 채널에 의하지 않고, 상기 포토다이오드에서 상기 플로팅노드로 바로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위해, 상기 전달 트랜지스터의 게이트 패턴과 상기 포토다이오드가 접하는 측면의 끝단에 배치된 블럭킹 영역을 구비하는 시모스 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 블럭킹 영역은전달 트랜지스터의 게이트 패턴의 하단 영역중 상기 포토다이오드가 형성된 영역과, 채널이 생기는 영역을 제외한 나머지 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 블럭킹 영역은 B가 도핑된 영역인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 기판상에 포토다이오드가 형성될 제1 영역과, 플로팅 노드가 형성될 제2 영역과, 상기 포토다이오드에 의해 축적된 전자가 상기 플로팅 노드로 전달될 수 있는 채널영역인 제3 영역을 정의하는 단계;상기 제1 내지 제3 영역 이외의 영역에 소자분리막을 형성하는 단계;상기 소자분리막이 형성된 영역중 상기 제2 영역과 상기 제3 영역이 접하는 소정영역에, 상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자가 상기 제3 영역을 거치지 않고 소자분리영역으로 침투하는 것을 방지하기 위한 블럭킹영역을 형성시키는 단계;상기 채널을 위한 전달 트랜지스터의 게이트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토다이오드를 형성하는 단계; 및이온주입 공정을 토해 상기 플로팅 노드를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 블럭킹영역을 형성시키는 단계는상기 블럭킹영역을 위한 감광막 패턴을 형성하는 단계;상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 포토다이오드에 의해 축척된 전자가 상기 제3 영역을 거치지 않고 소자분리영역으로 침투하는 것을 방지하기 위한불순물을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 블럭킹 영역에 주입하는 불순물은 B인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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