KR20110019556A - Complementary metal-oxide semiconductor image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a CMOS image sensor.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)는 광학적 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, CCD)와 CMOS 이미지 센서가 있다. 상기 CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력 소비가 커서 상기 CMOS 이미지 센서가 널리 이용된다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor. The CCD has a complicated driving scheme and a large power consumption, so that the CMOS image sensor is widely used.
상기 CMOS 이미지 센서는 단위 화소를 구성하는 트랜지스터의 개수에 따라 여러 종류가 있으나, 4-TR(transistor) 구조의 CMOS 이미지 센서가 많이 사용되고 있다.There are various kinds of CMOS image sensors according to the number of transistors constituting a unit pixel, but a CMOS image sensor having a 4-TR (transistor) structure is widely used.
도 1은 일반적인 4-TR 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소의 레이 아웃(100)을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 단위 화소의 레이 아웃(100)은 1개의 포토 다이오드(PD)와 전송 트랜지스터(Transfer transistor, Tx; 25), 리셋 트랜지스터(Reset transistor, Rx; 30), 구동 트랜지스터(Drive transistor, Dx; 40), 및 선택 트랜지스터(Select transistor, Sx; 50)를 포함한다.1 illustrates a
상기 포토 다이오드(PD)는 활성 영역(active region, 10) 중 폭이 넓은 부분에 형성되며, 빛을 받아 광전하를 생성한다. 상기 전송 트랜지스터(Tx)는 상기 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확상 영역(Floating Diffusion, FD)으로 전달한다. 상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 세팅 또는 리셋시킨다. 게이트를 가지는 소스 팔로어 트랜지스터(Driver Transistor, Dx)는 게이트를 가지는 선택 트랜지스터(Sx)에 연결된다. 도판트가 도핑된 소스/드레인 영역들이 게이트들 주변에 제공된다. The photodiode PD is formed in a wide portion of the active region 10 and receives light to generate photocharges. The transfer transistor Tx transfers the photocharges collected by the photodiode PD to a floating diffusion region (FD). The reset transistor Rx sets or resets the potential of the floating diffusion region FD. A source follower transistor (Dx) having a gate is connected to the selection transistor Sx having a gate. Source / drain regions doped with dopants are provided around the gates.
한편, 포토 다이오드(PD)에서 많은 빛을 받아 생성된 전자들이 플로팅 확산 영역(FD)으로 넘어 올때, 이를 모두 수용하지 못하는 문제점이 있다. On the other hand, when electrons generated by receiving a lot of light from the photodiode PD cross over to the floating diffusion region FD, there is a problem in that they cannot accommodate all of them.
또한, 상기 전송 트랜지스터(Tx)가 턴 온/오프됨에 따라 상기 전송 트랜지스터 내에 존재하던 전자들이 상기 포토 다이오드로 역류하거나 또는 상기 플로팅 확산 영역으로 전달됨에 따라 노이즈 및 이미지 래깅(image lagging)을 유발될 수 있다.In addition, as the transfer transistor Tx is turned on / off, noise and image lagging may be induced as electrons existing in the transfer transistor are reversed to the photodiode or transferred to the floating diffusion region. have.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가변 캐패시터를 활용하여 FD 캐패시터 용량을 늘림으로써 포토 다이오드로부터 플로팅 확산 영역으로의 전자를 모두 저장하고, 신호 지연 현상 및 노이즈를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an image sensor capable of storing all electrons from a photodiode to a floating diffusion region and reducing signal delay and noise by increasing an FD capacitor capacity by using a variable capacitor.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판상의 활성 영역에 형성된 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 포토 다이오드와 이격되어 형성된 N형 액티브 영역과, N형 액티브 영역 내에 서로 이격되어 형성된 플로팅 확산 영역과 P형 불순물 영역 및 P형 불순물 영역 상에 형성되고, 가변 전압이 인가되는 메탈 콘택을 포함하는 것을 특징으로 한다.An image sensor comprising a photodiode, a transfer transistor, a reset transistor, a driving transistor, and a selection transistor formed in an active region on a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention, comprising: an N-type active region formed spaced apart from a photodiode; And a metal contact formed on the floating diffusion region, the P-type impurity region, and the P-type impurity region which are formed to be spaced apart from each other in the N-type active region, and to which a variable voltage is applied.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 기판상의 활성 영역에 형성된 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서 포토 다이오드와 이격되어 형성된 N형 액티브 영역과, N형 액티브 영역 내에 형성된 플로팅 확산 영역 및 N형 액티브 영역 상에 형성되고, 가변 전압이 인가되는 P형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘 콘택을 포함하는 것을 특징으로 한다. In an image sensor including a photodiode, a transfer transistor, a reset transistor, a driving transistor, and a selection transistor formed in an active region on a semiconductor substrate according to another embodiment of the present invention, an N-type active region formed spaced apart from a photodiode, and N And a polysilicon contact formed on the floating diffusion region and the N-type active region formed in the type active region and doped with a P-type impurity to which a variable voltage is applied.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 가변 캐패시터를 활용하여 플로팅 확산 노드의 캐패시터 용량을 늘림으로써, 포토 다이오드로부터 플로팅 확상 영역으로 넘어오는 많은 양의 전자를 모두 저장할 수 있고, 노이즈 및 이미지 레깅을 줄일 수 있는 효과가 있다.The image sensor according to an embodiment of the present invention utilizes a variable capacitor to increase the capacitance of the floating diffusion node, thereby storing a large amount of electrons from the photodiode to the floating expansion region, and reducing noise and image legging. It can be effective.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the technical objects and features of the present invention will be apparent from the description of the accompanying drawings and the embodiments. Looking at the present invention in detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 공정 단면도로서, 도 3에 도시된 CMOS 이미지 센서를 A-A'로 자른 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment, taken along line AA ′ of the CMOS image sensor illustrated in FIG. 3.
도 2를 참조하면, CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)와 전송 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 구동 트랜지스터(Dx), 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the CMOS image sensor includes a photodiode PD, a transfer transistor Tx, a reset transistor Rx, a driving transistor Dx, and a selection transistor Sx.
반도체 기판(100) 내에 포토 다이오드 영역(110) 및 N타입 액티브 영역(120)을 형성한다. N타입 액티브 영역(120) 내에 N+형 플로팅 확산 영역(130)을 형성한다. The
그리고, 일반적인 액티브 영역보다 액티브 영역(120)의 범위를 확장하여 액티브 영역(120) 내의 플로팅 확산 영역(130)과 이격된 영역에 P 타입 불순물 영역(140)을 도핑함으로써, N타입 액티브 영역(120)과 P타입 불순물 영역(140)이 접하는 영역에 PN접합이 형성되게 한다. The P-
P타입 불순물 영역(140) 상의 메탈 콘택(150)을 통하여 NCP(Negative Charge Pumping)로 -1V 내지 0V 사이의 전압을 인가함으로써, PN접합이 가변 캐패시터(160)가 되도록하고, NCP 조절로 가변 캐패시터(160)의 용량을 조절한다.By applying a voltage between -1V and 0V to NCP (Negative Charge Pumping) through the
플로팅 확산 영역의 총 캐패시터 CFD는 다음과 같은 수식1에서 보듯이 고정적인 CJ, CR, CD, Cparastic 및 FD 캐패시터를 조절하기 위해 형성된 정션 캐패시터 Cvariable에 영향을 받는다. The total capacitor C FD of the floating diffusion region is influenced by the junction capacitor C variable formed to adjust the fixed C J , C R , C D , C parastic and FD capacitors, as shown in Equation 1 below.
이와 같이 본 발명은 NCP 가변 전압 및 PN접합으로 형성된 가변 캐패시터(160)의 용량 조절에 의해 포토 다이오드(110)로부터 넘어오는 많은 양의 전자를 플로팅 확산 영역(130)에 저장할 수 있다.As such, the present invention can store a large amount of electrons from the
따라서, 포토 다이오드(110)에서 전자들이 남아 발생하는 신호지연(Lag effect)을 방지할 수 있다.Therefore, a signal delay (Lag effect) in which electrons remain in the
도 3은 도 2의 CMOS 이미지 센서의 픽셀 평면도로서, 액티브 영역(120)을 확장하여 가변 캐패시터를 형성함을 알 수 있다. 3 is a plan view of a pixel of the CMOS image sensor of FIG. 2, in which the
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 설명하기로 한다.Next, a CMOS image sensor according to another embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서로서, 도 5에 도시된 CMOS 이미지 센서를 B-B'로 자른 공정 단면도이다. 4 is a CMOS image sensor according to another embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view taken along the line B-B 'of the CMOS image sensor shown in FIG.
도 4를 참조하면, CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)와 전송 트랜지스 터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 구동 트랜지스터(Dx), 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함한다.Referring to FIG. 4, a CMOS image sensor includes a photodiode PD, a transfer transistor Tx, a reset transistor Rx, a driving transistor Dx, and a selection transistor Sx.
반도체 기판(200) 내에 포토 다이오드(210) 및 N-형 불순물 액티브 영역(220)을 형성하고, N-형 불순물 액티브 영역(220) 내에 N+형 플로팅 확산 영역(230)을 형성한다. The
N-형 불순물 액티브 영역(220) 상에 메탈 콘택 대신 P형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘으로 콘택 영역(240)을 형성한다. The
콘택 영역(240)은 N-형 불순물 액티브 영역(220)에 접하게 형성되고, 접하는 영역에 PN접합 영역이 형성된다. The
이에 콘택 영역(240)에 NCP(Negative Charge Pumping)로 -1V 내지 0V 사이의 전압을 인가함으로써, 상기 PN접합이 가변 캐패시터(250)가 되도록하고, NCP 조절로 가변 캐패시터(250)의 용량을 조절한다. Accordingly, by applying a voltage between -1V and 0V to NCP (Negative Charge Pumping) to the
플로팅 확산 영역의 총 캐패시터 CFD는 다음과 같은 수식2에서 보듯이 고정적인 CJ, CR, CD, Cparastic 및 FD 캐패시터를 조절하기 위해 형성된 정션 캐패시터 Cvariable에 영향을 받는다. The total capacitor C FD of the floating diffusion region is influenced by the junction capacitor C variable formed to adjust the fixed C J , C R , C D , C parastic and FD capacitors, as shown in Equation 2 below.
이와 같이 본 발명은 NCP 가변 전압 및 PN접합으로 형성된 가변 캐패시터(250)의 용량 조절에 의해 포토 다이오드(210)로부터 넘어오는 많은 양의 전자를 플로팅 확산 영역(230)에 저장할 수 있다.As such, the present invention may store a large amount of electrons from the
따라서, 포토 다이오드(210)에서 전자들이 남아 발생하는 신호지연(Lag effect)을 방지할 수 있다.Therefore, a signal delay (Lag effect) in which electrons remain in the
또한, N-형 불순물 액티브 영역(220)을 확장하지 않고, 메탈 콘택 대신 P형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘을 콘택으로 형성하여 포인트 정션(point junction)을 형성함으로써, 칩의 면적을 줄일 수 있는 효과가 있다. In addition, a point junction is formed by forming a polysilicon doped with a P-type impurity instead of a metal contact as a contact without expanding the N-type impurity
도 5는 도 4의 CMOS 이미지 센서의 픽셀 평면도로서, N형 불순물 액티브 영역(220) 상에 P형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘을 콘택(240)으로 형성하여 가변 캐패시터를 형성함을 알 수 있다. FIG. 5 is a plan view of a pixel of the CMOS image sensor of FIG. 4, and it can be seen that a variable capacitor is formed by forming a
도 6은 포토 다이오드와 전송 트랜지스터 및 플로팅 확산 영역의 퍼텐셜(potential) 변화를 보여주는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a potential change of a photodiode, a transfer transistor, and a floating diffusion region.
도 4를 참조하여 살펴보면, 전하가 포토 다이오드에서 플로팅 확산 영역으로 전달시 가변 캐패시터로 인하여 낮아진 에너지 장벽에 의해 모두 전송된 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the charges are all transferred by the energy barrier lowered by the variable capacitor when transferring from the photodiode to the floating diffusion region.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 화소의 레이 아웃.1 is a layout of unit pixels of a typical image sensor.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 센서의 공정 단면도.2 is a process cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 센서의 평면도. 3 is a plan view of an image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 센서의 공정 단면도. 4 is a process cross-sectional view of an image sensor according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 센서의 평면도. 5 is a plan view of an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 포토 다이오드와 전송 트랜지스터 및 플로팅 확산 영역의 에너지 밴드 다이어그램.6 is an energy band diagram of a photodiode, a transfer transistor, and a floating diffusion region in accordance with an embodiment of the present invention.
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2009
- 2009-08-20 KR KR1020090077134A patent/KR20110019556A/en not_active Application Discontinuation
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