KR20100076261A - 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자를 제공하는 데 있다. 이 소자는, 입출력단자와 코어 사이에 연결되는 패드 및 패드와 코어가 연결된 부분에 연결된 양극 및 제1 정전기 유출 단자에 연결된 음극을 가지며, 서로 직렬 연결된 복수개의 제1 다이오드들을 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 쉽고 간단하게 구현될 수 있고, 칩의 전체 면적을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.
이미지 센서, 반도체 소자, 정전지 방전 보호(ESD), 다이오드

Description

이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자{Electro Static Discharge device of image sensor}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서등과 같은 반도체 소자의 정전기 방전 보호(ESD:Electro Static Discharge) 소자에 관한 것이다.
일반적으로 내부의 반도체 소자를 보호하기 위한 ESD 소자가 있다. 이러한 ESD소자는 정전기 전압이 2000V이상으로 입/출력 단자의 패드(pad)로 들어왔을 때, 정전기를 빠르게 접지(GND:Ground) 단자로 빼주는 역할을 한다.
이하, GG(Gate Ground) N형 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 채용하여 정전기로부터 보호를 받는 일반적인 이미지 센서의 정전기 방전 보호(ESD:Electro Static Discharge) 소자의 회로 구성 및 그의 단면도에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 ESD 소자의 회로도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 패드(120)를 통해 유입된 이미지 센서를 위한 전원이 CMOS(Complementary) 트랜지스터들(Q3 및 Q4)를 통해 이미지 센서의 회로가 집중적으로 배치된 코어(Core)(20)로 전달됨을 알 수 있다. 이때, 정전기로부터 이미지 센서를 보호하기 위해, GGNMOS형 트랜지스터들(Q2)는 패드(10)를 통해 유입된 정전기를 접지단자[VSS(GND)]로 유출시키는 역할을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 트랜지스터(GGNMOS)(Q2)의 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(30)에 소자 분리막(34)이 형성되어 있고, 반도체 기판(30)에 P형 웰(well)(P-WELL)(32)이 형성되어 있다. P형 웰(32)에 불순물이 도핑된 영역들(40 내지 46)이 형성되어 있고. 이러한 영역들(40 내지 46)의 상부에 실리사이드층들(48)이 형성되어 있다. 실리사이드층(48)과 접촉하며 절연층(50)을 관통하여 각 금속층(70)과 접촉하는 콘텍들(70)이 형성되어 있다. 또한, 반도체 기판(30)의 상부에 게이트 절연막(62), 게이트 전극(64) 및 스페이서(spacer)(60)가 형성되어 있다.
전술한 ESD 소자에서, GGNMOS 트랜지스터는 게이트 전극(64), 소스(source) 및 픽업(pick-up) 영역들이 모두 하나의 금속층(72)으로 연결되어 있다. 따라서, 하나의 패드 당 하나의 ESD 소자를 채택할 수 밖에 없다. 따라서, 패드의 개수만큼 ESD 소자가 필요하므로 이미지 센서의 전체 칩 크기가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비교적 간단한 구조로 하부가 아닌 상부측의 비활용 공간에 형성되는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 코어를 갖는 이미지 센서의 본 발명에 의한 정전기 방전 보호 소자는, 입출력단자와 상기 코어 사이에 연결되는 패드 및 상기 패드와 상기 코어가 연결된 부분에 연결된 양극 및 제1 정전기 유출 단자에 연결된 음극을 가지며, 서로 직렬 연결된 복수개의 제1 다이오드들로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자는 일반적인 이미지 센서의 ESD 소자와 비교할 때 다이오드들의 순방향 특성만을 이용하기 때문에 쉽고 간단하게 구현될 수 있고, 칩 내의 여러 개의 패드들을 위해 공통적으로 사용되기 때문에 이미지 센서 칩의 전체 면적을 줄일 수 있고, 이미지 센서에서 화소 영역 이외에 주변 회로부에서 금속층의 상부의 비활용 공간에서 실리콘 영역을 사용하여 구현될 수 있으므로 일반적인 ESD 소자가 차지하는 영역만큼을 줄일 수 있어 이미지 센서의 칩의 전체 면적을 더욱 줄일 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자의 회로도를 나타낸다.
도 3에 도시된 정전기 방전 보호(ESD:Electro Static Discharge) 소자는 코어를 갖는 이미지 센서를 ESD로부터 보호하는 역할을 한다.
이를 위해, 정전기 방전 보호 소자는 패드(100), 제1 및 제2 다이오드들(110 및 120)로 구성된다. 트랜지스터들(Q3 및 Q4)은 패드(100)를 통해 인가된 전압을 코어(core)로 전달하는 역할을 한다. 여기서 코어는 도 1에 도시된 코어(20)에 해당하며, 이미지 센서의 고유한 기능을 수행하기 위한 회로들이 집중적으로 배치된 곳이다.
먼저, 패드(PAD)(100)는 입출력단자와 코어(20) 사이에 연결된다.
제1 다이오드들(110)은 패드(100)와 코어측이 연결된 부분(101)에 연결된 양극 및 제1 정전기 유출 단자(N1)에 연결된 음극을 가지며, 서로 직렬 연결된 복수개의 다이오드들로 구성된다. 구체적으로, 제1 다이오드들(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 정전기 유출 단자(N1)을 향하는 음극과 부분(101)으로 향하는 양극을 갖는 다수개의 다이오드들이 직렬로 연결된 형태를 취한다.
제1 다이오드들(110)은 패드(100)를 통해 외부로부터 양(positive)의 정전기가 유입될 경우 이를 제1 정전기 유출 단자(N1)를 통해 빼주는 역할을 한다.
제2 다이오드들(120)은 패드(100)와 코아(20)가 연결되는 부분(101)에 연결 된 음극 및 제2 정전기 유출 단자(N2)에 연결된 양극을 가지며, 서로 직렬 연결되는 복수개의 다이오드들로 구성된다. 구체적으로는, 제2 다이오드들(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 제2 정전기 유출 단자(N1)을 향하는 양극과 부분(101)으로 향하는 음극을 갖는 다수개의 다이오드들이 직렬로 연결된 형태를 취한다.
제2 다이오드들(120)은 패드(100)를 통해 외부로부터 음(negative)의 정전기가 유입될 경우 이를 제2 정전기 유출 단자(N2)를 통해 빼주는 역할을 한다.
예를 들어, 도 3에 도시된 제1 정전기 유출 단자(N1)는 공급 전압(VDD) 단자이고, 제2 정전기 유출 단자(N2)는 접지 단자[VSS(GND)]일 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 정전기 방전 보호 소자는 외부로부터 이미지 센서로 정전기가 유입되지 않을 경우에는 이미지 센서의 동작에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서, 동작하면 않된다. 이를 위해서, 제1 다이오드들(110)과 제2 다이오드들의 순방향 동작 전압은 이미지 센서의 센서 동작 전압보다 높은 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들면, 제1 다이오드들(110)에 포함된 각 다이오드의 동작 전압이 Vd이고, 제1 다이오드들(110)에 포함된 다이오드의 개수가 n1이고, 이미지 센서의 센서 동작 전압이 Vs인 경우 n1은 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112008089162930-PAT00001
즉, 제1 다이오드들(110)에 포함된 다이오드의 개수(n1)와 다이오드 각각의 동작 전압(Vd)의 곱은 순방향 동작 전압에 해당하며, 이 값이 센서 동작 전압(Vs) 보다 크도록, n1이 결정됨을 알 수 있다. 예를 들어, 순방향 동작 전압(n1Vd)은 센서 동작 전압(Vs)보다 1.5배 이상 높을 수 있다. 이와 비슷한 방법으로, 제2 다이오드들(110)에 포함되는 다이오드들의 개수가 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 이미지 센서의 ESD 소자가 이미지 센서의 전체 칩에 적용될 때의 도면을 나타낸다.
도 4에 도시된 다이오드들(110A 및 110B)은 도 3에 도시된 제1 다이오드들(110)에 해당하고, 다이오드들(120A 및 120B)은 도 3에 도시된 제2 다이오드들(120)에 해당한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 다이오드들(110A 및 120A)는 복수 개의 패드들(100)에 의해 공유되고, 다른 제1 및 제2 다이오드들(110B 및 120B)은 복수 개의 패드들(100)에 의해 공유됨을 알 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 이미지 센서의 ESD 소자의 본 발명에 의한 단면도를 나타낸다.
일반적으로, 이미지 센서는 수광부가 형성된 화소 영역(미도시)과 화소 영역에서 수광된 광을 영상의 형태로 처리하는 회로들을 갖는 주변 회로부(미도시)를 갖는다. 이때, 본 발명에 의한 도 5에 도시된 정전기 방전 보호 소자는 이미지 센서의 주변 회로부에서 형성된다. 이미지 센서의 성능을 높이기 위해서는 화소부가 차지하는 면적을 키워야 하는데, 본 발명에 의한 ESD 소자는 주변 회로부에 형성되기 때문에 화소부의 영역을 침범하지 않는다.
도 5를 참조하면, 반도체 기판(미도시)의 상부에 제1 층간 절연막(240)이 형성되고, 제1 층간 절연막(240)의 내부 및 상부에 복수 개의 제1 내지 제3 금속층들(METAL 1, 2 및 3)(200, 202, 206 및 208)과 공급 전압(VDD)이 인가되는 금속층(204)이 형성되어 있다. 이때, 금속층들(204, 206 및 208)의 상부에 다른 제2 층간 절연막(242)이 형성된다. 제2 층간 절연막(242)을 관통하여 콘텍홀(230)이 형성되어 있다. 콘텍홀(230)은 층간 절연막(242)의 상부에 형성된 패드 금속층(214), 제4 금속층들(210 및 212)를 층간 절연막(240)의 상부에 형성된 제3 금속층(206) 및 금속층들(204 및 208)과 각각 연결하는 역할을 한다.
여기서, 제2 층간 절연막(242)에서 금속층들(214, 212, 210)과 금속층들(206, 208 및 204)의 사이에는 복수 개의 서로 다른 도전형의 실리콘층들이 번갈아서 적층되어 형성되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 패드(100)에 해당하는 패드 금속층(214)과 제3 금속층(206)의 사이에는 PN 접합을 이루는 다수 개의 실리콘층들(220, 222 및 224)이 서로 적층되어 형성될 수 있다. 이러한 구조를 통해, 도 3에 도시된 제1 다이오드들(100)이 PN 접합을 이루는 다수개의 실리콘층들(220, 222 및 224)에 의해 구현될 수 있음을 알 수 있다.
비록 도시되지는 않았지만, 이와 비슷한 구조로, 제2 다이오드들(120)이 형성될 수 있다.
결국, 이미지 센서의 주변 회로부에서, 금속층들의 상부에 교대로 형성된 P형 실리콘층 및 N형 실리콘층들에 의해 제1 및 제2 다이오드들(110 및 120)이 구현될 수 있음을 알 수 있다. 일반적으로, 금속층들(204, 206 및 208)의 상부는 이미지 센서의 고유한 기능을 위해서는 활용되지 않는 즉, 필요하지 않은 공간이다. 따라서, 이러한 공간에 ESD 소자를 형성하기 때문에, 기존의 ESD 소자가 차지했던 면 적만큼 이미지 센서의 전체 칩 사이즈가 줄어들 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 ESD 소자의 회로도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 트랜지스터의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자의 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 의한 이미지 센서의 ESD 소자가 이미지 센서의 전체 칩에 적용될 때의 도면을 나타낸다.
도 5는 도 3에 도시된 이미지 센서의 ESD 소자의 본 발명에 의한 단면도를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110 : 제1 다이오드들 120 : 제2 다이오드들
200 ~ 214 : 금속층들

Claims (8)

  1. 코어를 갖는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자에 있어서,
    입출력단자와 상기 코어 사이에 연결되는 패드; 및
    상기 패드와 상기 코어가 연결된 부분에 연결된 양극 및 제1 정전기 유출 단자에 연결된 음극을 가지며, 서로 직렬 연결된 복수개의 제1 다이오드들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 패드와 상기 코아가 연결되는 부분에 연결된 음극 및 제2 정전기 유출 단자에 연결된 양극을 가지며, 서로 직렬 연결되는 복수개의 제2 다이오드들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 다이오드들은 상기 이미지 센서에 포함된 복수 개의 상기 패드에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 정전기 방전 보호 소자는 상기 이미지 센서의 주변 회로부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 제1 다이오드들과 상기 제2 다이오드들의 순방향 동작 전압은 상기 이미지 센서의 센서 동작 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 순방향 동작 전압은 상기 센서 동작 전압보다 1.5배 이상 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 다이오드들은 상기 이미지 센서의 금속층 상부에 교대로 형성된 P형 실리콘층 및 N형 실리콘층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
  8. 제2 항에 있어서, 상기 제1 정전기 유출 단자는 공급 전압 단자이고, 상기 제2 정전기 유출 단자는 접지 단자인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 정전기 방전 보호 소자.
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