KR20130141984A - 이미지 센서 - Google Patents
이미지 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20130141984A KR20130141984A KR1020120065164A KR20120065164A KR20130141984A KR 20130141984 A KR20130141984 A KR 20130141984A KR 1020120065164 A KR1020120065164 A KR 1020120065164A KR 20120065164 A KR20120065164 A KR 20120065164A KR 20130141984 A KR20130141984 A KR 20130141984A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- region
- semiconductor layer
- light
- image sensor
- photoelectric conversion
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 104
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 74
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 36
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 36
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 26
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000878 H alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 tungsten nitride Chemical class 0.000 description 1
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/148—Charge coupled imagers
- H01L27/14806—Structural or functional details thereof
- H01L27/14812—Special geometry or disposition of pixel-elements, address lines or gate-electrodes
- H01L27/14818—Optical shielding
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
- H01L27/14623—Optical shielding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1464—Back illuminated imager structures
Abstract
이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는, 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 구비하는 다수의 단위 픽셀들을 포함하는 반도체 층; 및 상기 반도체 층 내에 수광 영역 및 차광 영역을 정의하는 차광 패턴을 포함하고, 상기 반도체 층의 일면을 덮는 절연층;을 포함하되, 상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 반도체 층과 상기 절연층 사이의 계면에 인접하게 형성되며 상기 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들이 축적(accumulate)되는 포텐셜 드레인 영역을 더 구비하고, 상기 차광 영역의 단위 픽셀들 중 적어도 하나는, 상기 포텐셜 드레인 영역에 축적된 전자들의 유출 경로(drain path)를 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히, 수광 영역과 차광 영역의 다크 레벨(dark level) 차이가 개선된 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품으로서, 예를 들어, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device: CCD)와 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다. 이 중 CMOS 이미지 센서는, 단위 픽셀들이 배치되는 기판의 전면으로 광이 입사되는 전면 조사형(Front Side Illumination: FSI) CMOS 이미지 센서와 상기 기판의 후면으로 광이 입사되는 배면 조사형(Back Side Illumination: BSI) CMOS 이미지 센서로 분류 될 수 있다.
CMOS 이미지 센서의 고화질 확보 및 화상 결함의 방지를 위해, 기판의 댕글링 본드, 계면 결함 등을 치유하는 수소 얼로이(alloy) 공정 또는 UV 공정이 CMOS 이미지 센서의 제조 공정에서 채용된다. 그러나 BSI CMOS 이미지 센서의 경우, 차광 패턴으로 인해 특히 차광 영역에서 상기 공정들의 효율이 저하되어 수광 영역과 차광 영역에서 다크 레벨의 차이가 커지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수광 영역과 차광 영역의 다크 레벨 차이가 개선된 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 구비하는 다수의 단위 픽셀들을 포함하는 반도체 층; 및 상기 반도체 층 내에 수광 영역 및 차광 영역을 정의하는 차광 패턴을 포함하고, 상기 반도체 층의 일면을 덮는 절연층;을 포함하되, 상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 반도체 층과 상기 절연층 사이의 계면에 인접하게 형성되며 상기 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들이 축적(accumulate)되는 포텐셜 드레인 영역을 더 구비하고, 상기 차광 영역의 단위 픽셀들 중 적어도 하나는, 상기 포텐셜 드레인 영역에 축적된 전자들의 유출 경로(drain path)를 제공하는 것을 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 상기 포텐셜 드레인 영역은, 상기 차광 영역의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 광전 변환 소자일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 차광 영역의 단위 픽셀들 중 적어도 하나는, 상기 광전 변환 소자 내에 전원 전압이 인가되는 콘택 영역을 구비할 수 있고, 상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 콘택 영역일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 독출 소자들은, 리셋 소자를 포함할 수 있고, 상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 리셋 소자일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 독출 소자들은, 트랜스퍼 소자 및 선택 소자를 더 포함할 수 있고, 상기 트랜스퍼 소자 및 상기 리셋 소자는, 상기 선택 소자가 턴 온되지 않는 경우에 턴 온될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 포텐셜 드레인 영역에 인접하게 형성되며 상기 전자들을 소멸시키는 배리어 영역을 더 구비할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 반도체 층은, 상기 다수의 단위 픽셀들 각각의 광전 변환 소자로의 전자 이동 경로를 제공하는 다수의 전자 조정 경로 영역(electron adjustment path region)들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 구비하는 다수의 단위 픽셀들을 포함하는 반도체 층; 및 상기 반도체 층 내에 수광 영역 및 차광 영역을 정의하는 차광 패턴을 포함하고, 상기 반도체 층의 하면을 덮는 절연층;을 포함하되, 상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 반도체 층과 상기 절연층 사이의 계면에 인접하게 형성되며 상기 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들을 소멸시키는 배리어 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 상기 배리어 영역은, 상기 차광 영역의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 이미지 센서에 따르면, 수광 영역과 차광 영역의 다크 레벨 차이의 원인인 계면 결함 등에 기인한 전자들을 유출시키거나 소멸시킴으로써, 용이하게 수광 영역과 차광 영역의 다크 레벨 차이를 줄일 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 이미지 센서는, 다크 레벨 차이로 인한 화상 결함을 방지할 수 있어, 고화질의 확보를 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 개략적인 회로도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 수광 영역과 차광 영역을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 6의 VII-VII 선을 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예들을 설명하기 위한 측단도면들이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다.
도 12 및 도 13은 도 11의 단위 픽셀들을 구동하는 구동 신호들의 타이밍 도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 15는 도 11 및 도 14의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 14의 XV-XV를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 17은 도 16의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 16의 XVI-XVI를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예를 설명하기 위한 측단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 개략적인 회로도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 수광 영역과 차광 영역을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 6의 VII-VII 선을 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예들을 설명하기 위한 측단도면들이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다.
도 12 및 도 13은 도 11의 단위 픽셀들을 구동하는 구동 신호들의 타이밍 도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 15는 도 11 및 도 14의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 14의 XV-XV를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다.
도 17은 도 16의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 16의 XVI-XVI를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예를 설명하기 위한 측단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다. 도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예에 따른 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(Active Pixel Sensor(APS) Array; 10), 행 디코더(row decoder; 20), 행 드라이버(row driver; 30), 열 디코더(column decoder; 40), 타이밍 발생기(timing generator; 50), 상관 이중 샘플러(CDS; Correlated Double Sampler; 60), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 70) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 80)를 포함할 수 있다.
APS 어레이(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 빛이 입사되는 수광 영역(a; light receiving region)과 빛이 입사되지 않는 차광 영역(b; light shielding region)을 포함할 수 있으며, 다수의 단위 픽셀들이 2차원적으로 배열될 수 있다. 수광 영역(a)의 단위 픽셀들(즉, 액티브 픽셀 센서들(10a))은 입사광(incident light)을 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 차광 영역(b)의 단위 픽셀들(즉, 기준 픽셀 센서들(10b))은 빛이 입사되지 않는 단위 픽셀에서 발생되는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한, 수광 영역(a) 및 차광 영역(b)의 단위 픽셀들은, 행 디코더(20)를 통해 행 드라이버(30)로부터 제공되는 행 선택 신호(SEL), 리셋 신호(Rx) 및 전하 전송 신호(Tx)와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, APS 어레이(10)에서 생성되는 전기적 신호는 열 디코더(40)에 의해 디코딩되어 상관 이중 샘플러(60)에 제공될 수 있다.
행 드라이버(30)는 단위 픽셀들을 구동하기 위한 복수의 구동 신호들을 행 디코더(20)로 제공할 수 있다. 행 디코더(20)는 디코딩된 결과에 따라 상기 구동 신호들을 APS 어레이(10)로 제공할 수 있다. 즉, 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우, 구동 신호들은 각 행별로 단위 픽셀들에 제공될 수 있다.
타이밍 발생기(50)는 행 드라이버(30), 행 디코더(20), 열 디코더(40), 및 상관 이중 샘플러(60)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
상관 이중 샘플러(60)는 APS 어레이(10)에서 생성된 전기적 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(70)는 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
입출력 버퍼(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 래치된 상기 디지털 신호를 순차적으로 영상 신호 처리부(미도시)로 출력할 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1의 이미지 센서에 포함된 APS 어레이의 수광 영역과 차광 영역을 설명하기 위한 평면도들이다. APS 어레이(10)는 도 2를 참조하여 설명한 것처럼 매트릭스 형태로 배열된 다수의 단위 픽셀들을 포함하며, 상기 단위 픽셀들에 의해 생성되는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 한편, 도 3 및 도 4에 도시되지는 않았으나, 이미지 센서에는 APS 어레이(10)의 다수의 도전성 패드들이 구비되는 패드 영역을 포함할 수 있다. 상기 패드 영역은, 외부 소자들과의 전기적 접속이 용이하도록 APS 어레이(10)의 둘레에 형성될 수 있다. 즉, 상기 패드 영역은 이미지 센서의 가장 자리 부분(edge portion)에 형성될 수 있다. 상기 도전성 패드들은, APS 어레이(10)로부터 구동 신호들 및 광전 신호 등을 입출력하는데 이용될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이미지 센서의 APS 어레이(10)는 입사광을 수광하는 수광 영역(a)과, 입사광을 수광하지 않는 차광 영역(b)을 포함할 수 있다. 수광 영역(a)과 차광 영역(b)은 이미지 센서에 구비되는 차광 패턴(미도시)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 상기 차광 패턴은 APS 어레이(10)에서 입사광이 조사되는 영역과 조사되지 않는 영역을 구분한다.
일부 실시예에서, 이미지 센서에서 APS 어레이(10)의 둘레 부분에 대응되도록 구비되는 차광 패턴에 의해, 차광 영역(b)은 도 3에 도시된 바와 같이 수광 영역(a)의 둘레에 정의될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 이미지 센서에서 APS 어레이(10)의 일측 부분에 대응하여 구비되는 차광 패턴에 의해, 차광 영역(b)은 도 4에 도시된 바와 같이 수광 영역(a)의 일측 부분에 배치될 수도 있다.
이미지 센서로 빛이 조사되는 경우, 수광 영역(a)에서는 단위 픽셀들(즉, 액티브 픽셀 센서들)에 입사되는 입사광에 의해 발생된 전기적 신호가 출력될 수 있다. 한편, 수광 영역(a)에서는 입사광에 의해 발생된 전기적 신호뿐만 아니라, 다양한 결함들에 기인하여 생성된 전자들에 의해 발생된 전기적 신호(즉, 노이즈 신호)들도 출력될 수 있다. 즉, 수광 영역(a)에서 출력되는 전기적 신호는 광전 신호뿐만 아니라 노이즈 신호를 포함할 수 있다.
차광 영역(b)의 단위 픽셀들(즉, 기준 픽셀 센서들)에는 차광 패턴에 의해 빛이 입사되지 않기 때문에, 다양한 결함들에 기인하여 생성된 전자들에 의해 발생된 전기적 신호들(노이즈 신호)만이 출력될 수 있다. 차광 영역(b)에서 발생되는 전기적 신호를 기준(reference) 신호로 이용하면, 이미지 센서에서는 수광 영역(a)에서 출력된 전기적 신호에서 노이즈 신호가 제거된 광전 신호가 출력될 수 있다. 또한, 차광 영역(b)에서 발생된 기준 신호는 정확성을 위하여 차광 영역(b)의 단위 픽셀들에서 출력된 전기적 신호들의 평균값일 수 있다.
한편, 수광 영역(a)과 차광 영역(b)에서 입사 광에 의하지 않고 출력되는 노이즈 신호들의 레벨에 차이(즉, 다크 레벨 차이)가 발생하는 경우 고화질의 영상 구현이 어려워 진다. 이에 따라, 이들의 원인이 되는 결함들을 치유하여 수광 영역(a)과 차광 영역(b) 사이의 다크 레벨 차이를 줄이기 위하여, 제조 단계에서 이미지 센서에 수소 가스를 제공하고 이미지 센서를 열처리하는 수소 얼로이(alloy) 공정이 수행된다. 그러나, 차광 영역(b)의 경우는 금속 물질과 같은 물질로 이루어지는 차광 패턴으로 인해 상기 얼로이 공정이 수행되더라도 수소의 이동이 제한되며, 다양한 결함들이 적절히 치유되지 않을 수 있다. 특히, 차광 패턴이 구비되는 절연층과 단위 픽셀들이 구비되는 반도체 층의 계면 근처 결함들에 기인하여 생성되는 전자들이 치유되지 않아, 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이가 커지는 문제점이 발생할 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다.
도 5를 참조하면, 단위 픽셀(10a_1)은 수광 영역(a)의 단위 픽셀의 일 예를 나타내고, 단위 픽셀(10b_1)은 차광 영역(b)의 단위 픽셀의 일 예를 나타낸다(도 2 참조). 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)은, 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전 변환 소자(PD)와, 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전기적 신호를 독출하는 독출 소자들을 포함할 수 있다. 상기 독출 소자들로는 전하 전송(transfer) 소자(TD), 리셋(reset) 소자(RD), 드라이브(drive) 소자(DD), 선택(select) 소자(SD) 등이 포함될 수 있다. 또한, 전하 전송 소자(TD), 리셋 소자(RD), 선택 소자(SD)의 구동 신호(Tx, Rx) 라인들과 행 선택 신호(SEL) 라인은 동일한 행에 포함된 단위 픽셀들에 공통으로 연결될 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 광전 변환 소자(PD)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합일 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 축적된 전하들을 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)으로 전달하는 전하 전송 소자(TD)와 연결될 수 있다.
플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자(PD)에서 축적된 전하를 전송받을 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 기생 커패시턴스를 갖기 때문에, 전하가 누적적으로 저장될 수 있다. 또한, 플로팅 확산 영역(FD)은 드라이브 소자(DD)와 전기적으로 연결되어, 드라이브 소자(DD)를 제어할 수 있다.
전하 전송 소자(TD)는 광전 변환 소자(PD)에서 플로팅 확산 영역(FD)으로 전하를 전송할 수 있다. 전하 전송 소자(TD)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(Tx)에 의해 제어될 수 있다.
리셋 소자(RD)는 플로팅 확산 영역(FD)을 주기적으로 리셋시키며, 리셋 신호(Rx)에 의해 제어될 수 있다. 그리고, 리셋 소자(RD)의 소스는 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되며, 드레인은 전원 전압(Vdd)에 연결될 수 있다. 따라서, 리셋 신호(Rx)에 의해 리셋 소자(RD)가 턴 온되면, 리셋 소자(RD)의 드레인과 연결된 전원 전압(Vdd)이 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달될 수 있다.
드라이브 소자(DD)는 정전류원(미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 광전하를 전달받은 플로팅 확산 영역(FD)의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭하여 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
선택 소자(SD)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀들을 선택하는 역할을 할 수 있다. 선택 소자(SD)는 픽셀 선택 신호(SEL)에 의해 구동되며, 선택 소자(SD)가 턴 온되면 선택 소자(SD)의 드레인과 연결된 전원 전압(Vdd)이 드라이브 소자(DD)의 드레인으로 전달될 수 있다.
계속해서 도 5를 참조하면, 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)은 수광 영역(a)의 단위 픽셀(10a_1)과 유사한 구성을 가지지만, 광전 변환 소자(PD)의 구성이 상이하다. 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)에서 광전 변환 소자(PD)에는 전원 전압(Vdd)이 인가될 수 있다. 즉, 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)에서 광전 변환 소자(PD)는 전원 전압(Vdd)에 대응되는 전기적 포텐셜을 가질 수 있다.
이로 인해, 수광 영역(a)의 단위 픽셀(10a_1)이 전하 전송 소자(TD)와 리셋 소자(RD)가 턴 온 되어 전원 전압(Vdd)이 플로팅 확산 영역(FD)에 인가되는 경우에만 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전자를 플로팅 확산 영역(FD)으로 유출(drain)시킬 수 있는 반면, 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)은 전원 전압(Vdd)이 인가되는 광전 변환 소자(PD) 측으로 전자의 유출 경로를 확보할 수 있다. 따라서, 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)은 후술되는 포텐셜 드레인 영역(미도시)에 축적된 전자를 유출 시킬 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 도 6 및 도 7을 참조하여 더 자세히 설명한다.
한편 도 5에 도시된 실시예에 따르면, 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)은 3개의 트랜지스터 구조, 5개의 트랜지스터 구조 또는 4개의 트랜지스터 구조와 유사한 포토 게이트 구조로 구성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다. 도 6에는 단위 픽셀들이 형성되는 반도체 층 상의 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 경계에서 상호 인접한 2개의 단위 픽셀들을 도시하였으며, 상기 단위 픽셀들은 각기 도 5의 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)에 대응한다.
도 6을 참조하면, 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)은 각기 반도체 층 상에서 소정 형상으로 정의되어 있는 활성 영역들(ACT, ACT')을 구비할 수 있다. 활성 영역들(ACT, ACT')은 광전 변환 소자(PD)가 형성되는 광전 변환 소자 영역(ACT_P) 및 독출 소자들이 형성되는 독출 소자 영역(ACT_T)으로 구분될 수 있다. 활성 영역들(ACT, ACT') 중 수광 영역인 광전 변환 소자 영역(ACT_P)은 단위 픽셀 내에서 반도체 층의 소정 영역을 점유하도록 소정 형상, 예컨대, 평면 상에서 볼 때 사각형으로 형성될 수 있다. 독출 소자 영역(ACT_T)은 광전 변환 소자 영역(ACT_P)의 일부와 접하면서, 적어도 한 부분 이상 절곡된 라인 형태로 형성될 수 있다.
전하 전송 소자(TD)의 게이트(TG)는 활성 영역들(ACT, ACT') 중 광전 변환 소자 영역(ACT_P)과 독출 소자 영역(ACT_T)과의 경계면 부근에 형성될 수 있으며, 콘택(CON1)을 통해 행 드라이버(30)(도 1 참조)로부터 전하 전송 신호(Tx)(도 5 참조)를 제공 받을 수 있다. 리셋 소자(RD)의 게이트(RG), 드라이브 소자(DD)의 게이트(DG) 및 선택 소자(SD)의 게이트(SG)가 독출 소자 영역(ACT_T)에 상호 소정 간격을 두고 형성될 수 있다. 도 6에 도시되어 있는 각 소자들의 배치 순서는 단지 예시에 불과하며, 경우에 따라 그 배치 순서가 달라질 수도 있다. 예컨대, 앞서 설명된 바와 같이 단위 픽셀들이 3개의 트랜지스터, 5개의 트랜지스터, 또는 4개의 트랜지스터와 유사한 포토 게이트 구조로 구성되는 경우에 각 소자들의 배치 순서가 달라질 수도 있다.
리셋 소자(RD)의 소스는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결될 수 있고, 드레인에는 전원 공급 단자(Vdd)가 연결될 수 있다. 리셋 소자(RD)의 게이트(RG)에 콘택(CON3)을 통해 행 드라이버(30)(도 1 참조)로부터 리셋 신호(Rx)(도 5 참조)가 제공되면, 리셋 소자(RD)가 턴 온되면서 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
플로팅 확산 영역(FD)의 전하는 콘택(CON2) 및 콘택(CON4)을 상호 연결시키는 배선(미도시)을 통하여 드라이브 소자(DD)의 게이트(DG)에 인가되어, 선택 소자(SD)의 게이트(SG)에 콘택(CON5)을 통해 행 드라이버(30)(도 1 참조)로부터 제공되는 선택 신호(SEL)(도 5 참조)에 의해 턴 온되는 선택 소자(SD)를 통해 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 콘택(CON2) 및 콘택(CON4)을 상호 연결시키는 배선은 그 경로가 짧은 것이 유리한데, 이는 상기 배선을 구성하는 도전층에서의 커패시턴스 증가에 따른 변환효율(conversion efficiency) 저하를 방지하기 위함이다. 상기 배선을 구성하는데 있어서, 콘택(CON2)은 반드시 동일한 활성 역역(ACT) 내에 있는 콘택(CON4)과 연결될 필요는 없으며, 필요에 따라 상기 배선의 단거리 경로 선택(routing)이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 콘택(CON2)이 인접한 다른 활성 영역(ACT)에 있는 다른 콘택(CON4)과 연결될 수도 있다. 선택 소자(SD)를 통해 흐르는 전류는 단위 픽셀의 출력단(Vout)에서 단위 픽셀의 출력 신호로서 출력되며, 이는 단위 픽셀의 출력단(Vout)에 연결되어 있는 부하 트랜지스터(미도시)에서 독출될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 단위 픽셀(10b_1)의 레이 아웃은 단위 픽셀(10a_1)의 레이 아웃과 유사하지만, 단위 픽셀(10b_1)이 배치되는 반도체 층에는 포텐셜 드레인 영역(140)이 형성될 수 있다. 즉, 단위 픽셀(10b_1)이 배치되는 반도체 층의 차광 영역에는 포텐셜 드레인 영역(140)이 구비될 수 있다. 또한, 단위 픽셀(10b)의 활성 영역(ACT')의 광전 변환 소자 영역(ACT_P)에는 콘택 영역(112)이 형성될 수 있다. 단위 픽셀(10b_1)의 광전 변환 소자 영역(ACT_P)에서 콘택 영역(112) 상에 전원 공급 단자(Vdd)가 연결될 수 있다. 포텐셜 드레인 영역(140) 및 콘택 영역(112)은 이하에서 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 도 5 및 도 6의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 6의 VII-VII 선을 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 배선층(170), 반도체 층(100), 절연층(150) 및 광 투과층(160)을 포함할 수 있다.
배선층(170)은 반도체 층(100)의 상면(1) 상에 형성될 수 있다. 배선층(170)은 수직적으로 적층된 복수의 금속 배선들, 예컨대 전원 전압 배선(174) 등을 포함할 수 있다. 배선층(170)은 반도체 층(100)의 차광 영역(b)에서 광전 변환 소자(110b) 내에 형성된 콘택 영역(112)과 전원 전압 배선(174)을 전기적으로 연결하는 콘택(172)을 포함할 수 있다. 콘택(172)이 연결되는 광전 변환 소자(110b)는 후술되는 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 전자들이 유출되는 경로로 이용될 수 있다.
배선층(170)은 단위 픽셀의 독출 소자들 중 전하 전송 소자(TD)의 전하 전송 게이트(120)들을 포함할 수 있다. 전하 전송 게이트(120)들은 순차적으로 적층되는 절연막(120b)과 전극층(120a), 및 절연막(120b)과 전극층(120a)의 측벽에 형성되는 스페이서(120c)를 포함할 수 있다. 전하 전송 게이트(120)들은 전극층(120a)과 소정의 금속 배선들 사이에 위치하는 콘택(미도시)을 통해 전하 전송 신호(Tx)를 제공받을 수 있다. 한편, 일부 실시예에서, 전하 전송 게이트(120)들은 전극층(120a)이 반도체 층(100)의 깊이 방향으로 연장되는 구조를 가질 수도 있다. 다시 말해, 전하 전송 게이트(120)들은 반도체 층(100)의 리세스 영역에 형성될 수 있다. 배선층(170)은 전하 전송 소자(TD) 이외의 독출 소자들을 포함할 수 있다. 즉, 배선층(170)은 도 5 및 도 6을 참조하여 설명된 단위 픽셀을 구성하는 독출 소자들, 예컨대, 리셋 소자(RD), 드라이브 소자(DD), 선택 소자(SD)를 포함할 수 있다. 또한, 배선층(170)은 각 독출소자에 구동 신호를 제공하는 콘택들(미도시)을 포함할 수 있다. 배선층(170)은 도 1을 참조하여 설명된 제어 소자들을 포함할 수 있다. 즉, 배선층(170)은 도 1에 도시된 행 디코더(20), 행 드라이버(30), 열 디코더(40), 타이밍 발생기(50), 상관 이중 샘플러(60), 아날로그 디지털 컨버터(70) 및 입출력 버퍼(80)를 포함할 수 있다.
반도체 층(100)은 차광 패턴(152)에 의하여 정의되는 수광 영역(a) 및 차광 영역(b)으로 구분되며, 각 영역에서 단위 픽셀들의 광전 변환 소자들(110a, 110b)과 플로팅 확산 영역(130)들, 및 포텐셜 드레인 영역(140)을 포함할 수 있다.
반도체 층(100)은 p형 에피텍셜층 일 수 있으며, p형 웰을 포함하는 벌크 반도체 기판일 수 있다. 본 발명의 반도체 층(100)은 p형 에피텍셜층인 경우를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 층(100)은 n형 에피텍셜층, 벌크 실리콘 기판, SOI 기판 등 다양한 형태의 반도체 층이 적용될 수도 있다. 반도체 층(100)의 두께는, 수광 영역(a)에 입사되는 빛의 파장 범위에 따라 결정될 수 있다. 외부에서 입사되는 빛이 파장 범위에 따라 반도체 층(100)으로의 투과 깊이(penetration depth)가 달라질 수 있기 때문이다.
반도체 층(100)에서 활성 영역들을 정의하는 소자분리 영역(101)에 의해 단위 픽셀들이 상호 분리될 수 있다. 소자분리 영역(101)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 반도체 층(100)에는 소자분리 영역(101)의 측벽 및 저면을 포위하는 불순물 영역(102)이 형성될 수 있다. 불순물 영역(102)은 p형 웰일 수 있다. 불순물 영역(102)의 도핑 농도는 반도체 층(100)에서의 도핑 농도보다 더 높을 수 있다. 불순물 영역(102)은 크로스토크(cross-talk)를 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 활성 영역에는 반도체 층(100)의 상면(1)에 인접하게 광전 변환 소자들(110a, 110b) 및 플로팅 확산 영역(130)들이 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 광전 변환 소자들(110a, 110b)로서, p형 에피텍셜층인 반도체 층(100)과, 반도체 층(100) 내에 n형 불순물이 도핑된 n형 불순물 영역의 접합에 의해 형성된 포토다이오드들이 형성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 광전 변환 소자들(110a, 110b)로서, p형 에피텍셜층인 반도체 층(100)과, 반도체 층(100)의 상면(1)에 인접한 p형 불순물 영역, 반도체 층(100)과 상기 p형 불순물 영역 사이에 개재된 n형 불순물 영역으로 구성되는 pnp 접합 구조의 핀드(pinned) 포토다이오드가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 p형 불순물 영역의 도핑 농도는 반도체 층(100)에서의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 또한, 상기 n형 불순물 영역은 고농도로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 상기 n형 불순물 영역은 반도체 층(100)과 상기 p형 불순물 영역에 비하여 높은 전기적 포텐셜을 가지므로, 전자들이 축적될 수 있는 웰을 형성할 수 있다. 이하에서는 광전 변환 소자들(110a, 110b)이 핀드 포토다이오드인 경우를 예로 들어 설명한다.
한편, 차광 영역(b)의 광전 변환 소자(110b)에는 콘택 영역(112)이 형성될 수 있다. 콘택 영역(112)은 n형 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 콘택 영역(112)의 상기 n형 불순물 영역은 광전 변환 소자(110b)의 n형 불순물 영역과 마찬가지로 고농도로 도핑될 수 있다. 콘택 영역(112)은 광전 변환 소자(110b)의 폭보다 좁게 형성될 수 있다. 또한, 콘택 영역(112)은 광전 변환 소자(110b)의 p형 불순물 영역과 n형 불순물 영역에 오버랩되도록 형성될 수 있다. 콘택 영역(112)은 콘택(172)을 통해 전원 전압 배선(174)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 콘택 영역(112)이 형성된 차광 영역(b)의 광전 변환 소자(110b)는 후술되는 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 전자들의 유출 경로를 제공할 수 있다. 플로팅 확산 영역(130)들은 각기 전하 전송 소자(TD)의 게이트(TG)의 폭에 대응되는 간격으로 광전 변환 소자들(110a, 110b)과 수평 방향으로 이격되어 형성될 수 있다. 플로팅 확산 영역(130)들은 LDD(Lightly Doped Drain) 구조를 갖거나, DDD(Doubled Doped Drain) 구조를 가질 수 있다. 한편, 도 7에서는 차광 영역(b) 내에 하나의 단위 픽셀만이 도시되고 있으나 차광 영역(b)에는 다수의 단위 픽셀들이 포함되며, 상기와 같이 광전 변환 소자 내에 콘택 영역이 형성되는 단위 픽셀은 적어도 하나 이상일 수 있다.
포텐셜 드레인 영역(140)은 반도체 층(100)의 차광 영역(b)에서 반도체 층(100)의 하면(2)에 인접하게 형성될 수 있다. 포텐셜 드레인 영역(140)은 차광 영역(b)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 즉, 포텐셜 드레인 영역(140)은 차광 영역(b)을 정의하는 차광 패턴(152)의 면적과 실질적으로 동일한 면적으로 형성될 수 있다. 포텐셜 드레인 영역(140)은 반도체 층(100)의 하면(2)과 절연층(150)이 접하는 계면으로부터 소정의 간격으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 또한, 포텐셜 드레인 영역(140)은 광전 변환 소자(PD, 110)의 상기 n형 불순물 영역과 수직 방향으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 한편, 포텐셜 드레인 영역(140)은 얕은 두께를 가지고 소정의 간격으로 이격되는 복수의 서브 포텐셜 드레인 영역으로 구성될 수도 있다.
포텐셜 드레인 영역(140)은 n형 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 일부 실시예에서, 포텐셜 드레인 영역(140)의 도핑 농도는 광전 변환 소자(110b)의 상기 n형 불순물 영역보다 낮은 농도로 도핑될 수 있다. 포텐셜 드레인 영역(140)이 n형 불순물로 도핑됨으로써, 포텐셜 드레인 영역(140)은 p형 불순물로 도핑되는 반도체 층(100)에 비하여 높은 전기적 포텐셜을 가질 수 있다. 이에 따라, 포텐셜 드레인 영역(140)은 반도체 층(100)과 절연층(150) 사이의 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들을 축적할 수 있다. 예컨대, 포텐셜 드레인 영역(140)은 상기 계면 근처의 결정 결함(crystal defect), 댕글링 본드(dangling bond), 플라즈마 손상(plasma damage), 오염(contamination)에 기인하여 생성된 전자들을 축적할 수 있다. 전술된 바와 같이 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 상기 전자들은, 전원 전압(Vdd)에 대응되는 높은 전기적 포텐셜을 갖는 차광 영역(b)의 단위 픽셀을 통해 유출될 수 있다.
절연층(150)은 반도체 층(100)의 하면(2) 상에 컨포말하게 형성될 수 있다. 또한, 절연층(150) 상에 광 투과층(160)이 형성되므로, 이미지 센서(1000)는 반도체 층(100)의 하면(2)으로 입사광이 조사되는 BSI 형 이미지 센서일 수 있다.
절연층(150)은 열 산화 공정에 의해 형성된 열 산화막이거나, CVD 방법에 의해 형성된 CVD 산화막이거나, 케미컬 용액이 반도체 층(100)의 하면(2)과 반응하여 형성된 케미컬 산화막일 수 있다. 절연층(150)은 반도체 층(100)의 하면(2)에 존재하는 결함들을 일부 제거할 수 있고, 반사 방지막으로 이용되어 반도체 층(100)의 하면(2)으로 빛이 입사될 때 빛이 반사되어 입사량이 감소되는 것을 억제할 수도 있다.
절연층(150)은 반도체 층(100)의 수광 영역(a) 및 차광 영역(b)을 정의하는 차광 패턴(152)을 포함할 수 있다. 차광 패턴(152)은 금속 물질, 예컨대 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 티타늄 질화막(TiN), 탄탈륨 질화막(TaN), 지르코늄 질화막(ZrN), 텅스텐 질화막(TiN) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금 등과 같은 금속 물질로 형성될 수 있다. 차광 패턴(152)은 입사광을 완전히 차단할 수 있을 정도의 두께를 가질 수 있다. 그리고, 차광 패턴(152)은 구성 물질에 따라 빛을 흡수 및 차단하는 능력이 다르므로, 상기 구성 물질에 따라 두께가 달라질 수 있다.
광 투과층(160)은 절연층(150) 상에 형성될 수 있다. 광 투과층(160)은 컬러 필터(162)들 및 마이크로 렌즈(164)들을 포함할 수 있다. 컬러 필터(162)들은 반도체 층(100)에 형성된 광전 변환 소자들(110a, 110b) 각각에 대응될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 컬러 필터(162)들은 수광 영역(a)뿐만 아니라 차광 영역(b)에도 배치될 수 있다. 이 경우 차광 영역(b)에 배치된 컬러 필터(162)들은 더미 패턴으로 이용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에 따라, 절연층(150) 상에는 단위 픽셀에 따라 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터(162)가 2차원 적으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 컬러 필터(162)들은 시안(cyan), 마젠타(magenta), 또는 황색(yellow) 등과 같은 다른 컬러를 가질 수도 있다.
마이크로 렌즈(164)들은 각각의 컬러 필터(162)들의 상부에 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈(164)들 또한 컬러 필터(162)들과 같이 수광 영역(a)뿐만 아니라 차광 영역(b)에도 배치될 수 있다. 이 경우 이 경우 차광 영역(b)에 배치된 마이크로 렌즈(164)들은 더미 패턴으로 이용될 수 있다. 마이크로 렌즈(164)들은 각기 광전 변환 소자들(110a, 110b) 이외의 영역으로 입사하는 입사광의 경로를 변경시켜 광전 변환 소자들(110a, 110b)로 입사광을 집광시킬 수 있다. 마이크로 렌즈(164)들은 위로 볼록한 형태를 가지며, 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(164)들은 광투과성 수지로 형성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 일반적인 이미지 센서에서는 수소 얼로이 공정이 수행되더라도 차광 패턴으로 인해 수광 영역과 차광 영역의 다크 레벨 차이가 커지는 문제점이 존재하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는, 반도체 층(100)의 차광 영역(b)에 존재하는 결함들에 기인하여 생성된 전자들이 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적되고, 차광 영역(b)에서 광전 변환 소자(110b)에 전원 전압(Vdd)이 인가되는 단위 픽셀을 통해 상기 전자들이 유출될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(1000)는 수소 얼로이 공정 시 상기 결함들이 치유되지 않더라도, 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이를 줄일 수 있다. 또한, 이미지 센서(1000)는 다크 레벨 차이로 인한 노이즈와 같은 화상 결함을 방지할 수 있어, 고화질의 확보가 가능하다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예들을 설명하기 위한 측단도면들이다. 도 8 내지 도 10에서는, 설명의 편의를 위해 도 7의 반도체 층(100)에서 수광 영역(a)과 차광 영역(b)에 단위 픽셀들을 더 도시하였다. 그리고, 도 8 내지 도 10을 설명함에 있어서, 도 7을 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 7에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 이미지 센서(2000)는 반도체 층(100)의 차광 영역(b)에서 포텐셜 드레인 영역(140)에 인접하게 형성되는 배리어 영역(180)을 더 포함할 수 있다.
배리어 영역(180)은 차광 영역(b)을 정의하는 차광 패턴(152)의 면적과 실질적으로 동일한 면적으로 형성될 수 있다. 또한, 배리어 영역(180)은 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 전자들의 유출 경로를 제공하는 단위 픽셀을 제외한 영역에 걸쳐 형성될 수도 있다. 배리어 영역(180)은 반도체 층(100)의 하면(2) 측에서 포텐셜 드레인 영역(140)과 접하거나, 포텐셜 드레인 영역(140)으로부터 소정의 간격으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 배리어 영역(180)은 소정의 두께를 가지고 광전 변환 소자(110b)의 상기 n형 불순물 영역과 수직 방향으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 한편, 배리어 영역(180)은 얕은 두께를 가지고 소정의 간격으로 이격되는 복수의 서브 배리어 영역들(미도시)로 구성될 수도 있다.
배리어 영역(180)은 p형 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 일부 실시예에서, 배리어 영역(180)의 도핑 농도는 p형 불순물로 도핑되는 반도체 층(100)의 도핑 농도보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 고농도의 p형 불순물로 도핑되는 배리어 영역(180)은, 반도체 층(100)과 절연층(150) 사이의 계면 근처 결함들에 기인하여 생성된 전자들 중 일부가 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적되지 못하고 광전 변환 소자들(110b_1, 110b_2)로 이동하는 경우, 또는 상기 전자들 중 일부가 포텐셜 드레인 영역(140)으로부터 광전 변환 소자(110b)로 유출되지 못하는 경우, 상기 일부 전자들을 정공들과 재결합(recombination)시켜 소멸시킬 수 있다. 또한, 배리어 영역(180)은 반도체 층(100)에서 광전 변환 소자들(110b_1, 110b_2)과 포텐셜 드레인 영역(140) 사이에 존재하는 결함들에 기인하여 생성된 전자들도 정공들과 재결합시켜 소멸시킬 수도 있다. 이에 따라 이미지 센서(2000)는 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이 개선이 보장될 수 있다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 이미지 센서(3000)는 반도체 층(100)에서 단위 픽셀들 각각의 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)로의 전자 이동 경로를 제공하는 다수의 전자 조정 경로 영역(electron adjustment path region; 190a, 190b)들을 더 포함할 수 있다.
수광 영역(a)의 전자 조정 경로 영역(190a)들은, 각기 반도체 층(100)의 하면(2)으로부터 이격된 위치에서 반도체 층(100)의 깊이 방향으로 연장되어 대응되는 광전 변환 소자(110a)들에 인접하게 형성될 수 있다. 차광 영역(b)의 전자 조정 경로 영역(190b)들은, 각기 반도체 층(100)의 수직 방향으로 연장되며 포텐셜 드레인 영역(140)과 광전 변환 소자들(110b_1, 110b_2) 사이에서 형성될 수 있다.
전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)은 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)의 폭과 동일하거나 좁은 폭을 가질 수 있다. 또한, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)은 상호간에 상이한 폭을 가질 수도 있다. 한편, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)이 균일하게 대략 일자형 기둥 형상을 가지는 것으로 도시되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)은 각기 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)이 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2) 각각에 대응하여 하나씩 형성되는 것으로 도시되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 둘 이상의 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)이 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2) 각각에 대응하도록 형성될 수도 있다.
전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)은 n형 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)의 도핑 농도는 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)의 상기 n형 불순물 영역의 도핑 농도보다 낮은 농도로 도핑될 수 있다. 이로 인해, 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b)은 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)의 n형 불순물 영역과 반도체 층(100)의 p형 불순물 영역 사이의 전기적 포텐셜 변화를 완화시킬 수 있어, 대응되는 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)로의 전자 이동 경로를 제공함과 동시에 인접한 광전 변환 소자들로의 전자 이동을 방지할 수도 있다. 이에 따라, 수광 영역(a)의 전자 조정 경로 영역들(190a)은 입사광에 의해 생성된 전자들의 이동 경로를 확보하는 역할과 인접 픽셀 상호 간의 크로스 토크를 방지하는 역할을 할 수 있고, 차광 영역(b)의 전자 조정 경로 영역들(190b)은 포텐셜 드레인(140)에 축적된 전자들의 유출 경로를 보장하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(3000)는 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 감도 및 색 품질을 제공할 수 있다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(4000)는 배리어 영역(180) 및 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b_1, 190b_2)을 포함할 수 있다. 도 8에서 설명된 바와 같이 배리어 영역(180)은 차광 영역(b)에서 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 전자들의 유출 경로를 제공하는 단위 픽셀을 제외한 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 그리고, 도 9에서 설명된 바와 같이 수광 영역(a)에서 전자 조정 경로 영역들(190a)은 대응되는 광전 변환 소자들(110a, 110b_1, 110b_2)에 접하도록 형성될 수 있다. 차광 영역(b)의 전자 조정 경로 영역들(190b_1)은 포텐셜 드레인 영역(140)과 광전 변환 소자(110b_1) 사이에서 형성될 수 있고, 전자 조정 경로 영역(190b_2)들은 배리어 영역(180)과 광전 변환 소자(110b_2) 사이에서 형성될 수 있다. 도 8 및 도 9에서 설명된 바와 같이, 이미지 센서(4000)는 배리어 영역(180) 및 전자 조정 경로 영역들(190a, 190b_1, 190b_2)을 포함함으로써 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이 개선, 우수한 감도 및 색 품질의 제공을 보장할 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 등가 회로도이다. 도 12 및 도 13은 도 11의 단위 픽셀들을 구동하는 구동 신호들의 타이밍 도이다. 도 11 내지 도 13을 설명함에 있어서, 도 5를 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 5에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 도 5에 도시된 단위 픽셀들(10a_1, 10b_1)의 실시예들과 달리, 수광 영역(a)의 단위 픽셀(10a_2)과 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_2)은 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 그리고, 도 5에 도시된 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_1)은 광전 변환 소자(PD)에 전원 전압(Vdd)이 인가되어 포텐셜 드레인 영역(미도시)에 축적된 전자를 상기 광전 변환 소자(PD)를 통해 유출시키는 반면, 도 11에서 차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_2)은 후술되는 도 12에서와 같은 전하 전송 소자(TD) 및 리셋 소자(SD)의 제어를 통해 상기 포텐셜 드레인 영역에 축적된 전자를 유출 시키는 경로를 제공할 수 있다.
수광 영역(a)의 단위 픽셀(10a_2)을 구동하는 구동 신호의 타이밍도를 나타내는 도 12를 참조하면, 단위 픽셀(10a_2)은 행 선택 신호(SEL)가 독출 주기에 따라 일정시간 논리 하이로 활성화되면, 리셋 신호(Rx)가 활성화되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋되고, 리셋된 플로팅 확산 영역(FD)에 대응하는 전기적 신호를 출력한다. 이어서, 전하 전송 신호(Tx)가 논리 하이로 활성화되는 동안 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하가 리셋된 플로팅 확산 영역(FD)에 전달되며, 단위 픽셀(10a_2)은 플로팅 확산 영역(FD)의 변화된 전하의 양에 대응하는 전기적 신호를 출력한다. 즉, 수광 영역(a)의 단위 픽셀(10a_2)은 일반적인 이미지 센서의 단위 픽셀들과 같이 구동되어, 입사 광에 대응하는 전기적 신호를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
차광 영역(b)의 단위 픽셀(10b_2)을 구동하는 구동 신호의 타이밍도를 나타내는 도 13을 참조하면, 단위 픽셀(10b_2)은 행 선택 신호(SEL)가 독출 주기에 따라 일정시간 논리 하이로 활성화되지 않는 경우에, 전하 전송 신호(Tx) 및 리셋 신호(Rx)가 논리 하이로 활성화된다. 즉, 단위 픽셀(10b_2)에서는 선택 소자(SD)가 턴 온되지 않는 경우에 전하 전송 소자(TD) 및 리셋 소자(RD)가 턴 온 되어, 플로팅 확산 영역(FD)을 거쳐 전원 전압(Vdd)이 인가되는 리셋 소자(RD)의 드레인 측으로 전자의 유출 경로를 확보할 수 있다. 이에 따라, 단위 픽셀(10b_2)은 포텐셜 드레인 영역(미도시)에 축적된 전자들을 유출시킬 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 한편, 이와 같은 단위 픽셀(10b_2)의 제어는 도 1에서 설명된 타이밍 발생기(50)와 행 드라이버(30)들을 통해 구현될 수 있으며, 차광 영역(b)의 단위 픽셀들 중 적어도 하나의 단위 픽셀을 상기와 같이 제어할 수 있다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다. 도 14에는 반도체 층 상의 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 경계에서 상호 인접한 2개의 단위 픽셀들을 도시하였으며, 상기 단위 픽셀들은 각각 도 13의 단위 픽셀들(10a_2, 10b_2)에 대응한다. 도 6을 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 6에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 14를 참조하면, 단위 픽셀들(10a_2, 10b_2)은 실질적으로 동일한 레이 아웃을 가질 수 있다. 그리고, 단위 픽셀(10b_2)이 배치되는 반도체 층에는 포텐셜 드레인 영역(140)이 형성될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 단위 픽셀(10b_2)이 배치되는 반도체 층에는 전술된 배리어 영역 및/또는 전자 조정 경로 영역이 더 형성될 수도 있다. 마찬가지로, 단위 픽셀(10a_2)이 배치되는 반도체 층에는 전자 조정 경로 영역이 더 형성될 수도 있다.
도 15는 도 11 및 도 14의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 14의 XV-XV를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다. 도 15를 설명함에 있어서, 도 7을 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 6에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
이미지 센서(5000)의 배선층(170)은 리셋 소자(RD)의 게이트(220)들을 포함할 수 있다. 리셋 소자(RD)의 게이트(220)는 전술된 전송 소자(TD)의 게이트(120)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 배선층(170)은 리셋 소자(RD)의 드레인(210)과 전원 전압 배선(174)을 전기적으로 연결하는 콘택(272)을 포함할 수 있다. 콘택(272)이 연결되는 리셋 소자(RD)의 드레인(210)은 후술되는 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적된 전자들이 유출되는 경로로 이용될 수 있다. 도 15에서는 차광 영역(b) 내에 하나의 단위 픽셀이 도시되고 있으나 차광 영역(b) 내에 다수의 단위 픽셀들이 포함될 수 있고, 상기와 같이 전자 유출 경로를 제공하는 단위 픽셀은 적어도 하나 이상일 수 있다.
이미지 센서(5000)의 반도체 층(100)은 리셋 소자(RD)의 드레인(210)을 포함할 수 있다. 리셋 소자(RD)의 드레인(210)은 전술된 플로팅 확산 영역과 같이 LDD 구조를 갖거나, DDD 구조를 가질 수 있다. 또한, 반도체 층(100)은 차광 영역(b)에 대응하여 형성되는 배리어 영역(미도시) 및/또는 수광 영역(a)과 차광 영역(b)에서 각 단위 픽셀의 광전 변환 소자에 대응하여 형성되는 전자 조정 경로 영역(미도시)들을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서(5000)는, 포텐셜 드레인 영역(140)에 축적되는 계면 결함에 기인하여 생성된 전자들을 광전 변환 소자(110)로 유출 시키지 않고, 구동 신호들의 제어를 통해 전송 소자(TD)와 리셋 소자(RD)를 턴 온 시킴으로써 상기 전자들을 전원 전압(Vdd)이 인가되는 리셋 소자(RD)의 드레인(130)으로 유출 시킬 수 있다. 이에 따라, 전술된 일반적인 이미지 센서와 달리, 이미지 센서(5000)도 또한 수소 얼로이 공정 시 상기 결함들이 치유되지 않더라도, 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이를 줄일 수 있다. 또한, 이미지 센서(5000)는 다크 레벨 차이로 인한 노이즈와 같은 화상 결함을 방지할 수 있어, 고화질의 확보가 가능하다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 개략적인 레이아웃이다. 도 14에는 반도체 층 상의 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 경계에서 상호 인접한 2개의 단위 픽셀들을 도시하였다. 도 16을 설명함에 있어서, 도 6 및 도 14를 함께 참조하여 설명하되, 도 7 및 도 14에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 16을 참조하면, 단위 픽셀들(10a_3, 10b_3)은 실질적으로 동일한 레이 아웃을 가질 수 있다. 단위 픽셀들(10a_3, 10b_3)은 예컨대, 도 6에 도시된 단위 픽셀들(10a_2, 10b_2)의 레이 아웃과 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 단위 픽셀(10b_3)이 배치되는 반도체 층에는 배리어 영역(180)이 형성될 수 있다.
도 17은 도 16의 이미지 센서의 측단면도로서, 도 16의 XVI-XVI를 따라 이미지 센서를 자른 단면을 나타낸다. 도 17을 설명함에 있어서, 도 7 및 도 15를 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 7 및 도 15에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 17을 참조하면, 이미지 센서(6000)는 반도체 층(100)의 수광 영역(a)과 차광 영역(b)에서 동일한 구조로 형성된 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 반도체 층(100)은 차광 영역(b)에서 반도체 층(100)의 하면(2)과 절연층(150)의 계면에 인접하게 형성되는 배리어 영역(280)을 포함할 수 있다.
배리어 영역(280)은 차광 영역(b)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 배리어 영역(280)은 반도체 층(100)의 하면(2)과 절연층(150)이 접하는 계면으로부터 소정의 간격으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 단, 배리어 영역(280)은 소정의 두께를 가지고 광전 변환 소자(110)의 n형 불순물 영역과 수직 방향으로 이격된 위치에서 형성될 수 있다. 한편, 도 17에서는 하나의 배리어 영역(280)만이 반도체 층(100)에 포함되는 것을 도시하고 있으나, 배리어 영역(280)은 얕은 두께를 가지고 소정의 간격으로 이격되는 복수의 서브 배리어 영역들로 구성될 수도 있다.
배리어 영역(280)은 도 8에서 설명된 배리어 영역(180)과 같이, 고농도의 p형 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 이에 따라, 배리어 영역(280)은 반도체 층(100)과 절연층(150) 사이의 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들을 정공들과 재결합시켜 소멸시킬 수 있다. 전술된 바와 같이 배리어 영역(280)이 복수의 서브 배리어 영역들로 구성되는 경우, 상기 서브 배리어 영역들은 균일하거나 서로 다른 도핑 농도를 가질 수도 있다. 한편, 이미지 센서(6000)는 반도체 층(100)의 수광 영역(a) 및 차광 영역(b)에 전술된 전자 조정 경로 영역(미도시)들을 포함할 수도 있다.
이와 같이, 이미지 센서(6000)는 차광 영역(b)에서 반도체 층(100)과 절연 층(150) 사이의 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들의 이동, 즉 확산을 방지하고 상기 전자들을 소멸시킬 수 있어, 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이가 개선될 수 있다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 변형예를 설명하기 위한 측단면도이다. 도 18을 설명함에 있어서, 도 17을 함께 참조하여 차이점을 중심으로 설명하되, 도 17에서와 동일 또는 유사한 구성들에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 이들에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 이미지 센서(7000)는 반도체 층(100)의 차광 영역(b)에서 포텐셜 드레인 영역(240)을 더 포함할 수 있다. 도 17에 도시된 이미지 센서(6000)와 달리, 이미지 센서(7000)에서는 포텐셜 드레인 영역(240)이 반도체 층(100)의 하면(2)과 절연층(150)이 접하는 계면에 인접하게 형성될 수 있고, 배리어 영역(280)은 포텐셜 드레인 영역(240)에 인접하게 형성될 수 있다. 포텐셜 드레인 영역(240)은 차광 영역(b)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있으며, 도 18에서는 하나의 포텐셜 드레인 영역(240)만이 반도체 층(100)에 포함되는 것을 도시하고 있으나, 포텐셜 드레인 영역(240)은 얕은 두께를 가지고 소정의 간격으로 이격되는 복수의 서브 포텐셜 드레인 영역으로 구성될 수도 있다.
포텐셜 드레인 영역(240)은 전술된 바와 같이(도 7 등 참조), 반도체 층(100)과 절연층(150) 사이의 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들을 축적할 수 있다. 도 18의 포텐셜 드레인 영역(240)에 축적된 상기 전자들이 단위 픽셀을 통해 유출되지는 않지만, 상기 전자들이 포텐셜 드레인 영역(240)에 축적됨으로써 광전 변환 소자(110b)로 확산되는 것이 차단될 수 있으며, 상기 전자들이 포텐셜 드레인 영역(240)에 축적되지 않고 확산되는 경우에도 배리어 영역(280)에서 정공들과 재결합되어 소멸될 수 있다. 이에 따라, 이미 센서(7000)는 수광 영역(a)과 차광 영역(b)의 다크 레벨 차이가 개선될 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 19를 참조하면, 프로세서 기반 시스템(8000)은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(310)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다.
프로세서 기반 시스템(8000)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오 폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(8000)은 버스(300)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션 할 수 있는 마이크로 프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU; 320)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(310)는 버스(300) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(8000)은 버스(300)를 통해 CPU(320)와 커뮤니케이션 할 수 있는 RAM(340) 및/또는 포트(350)를 더 포함할 수 있다.
포트(350)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. 이미지 센서(310)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 이미지 센서(310)는 메모리와 함께 집적될 수도 있다. 또한, 이미지 센서(310)는 경우에 따라서 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
프로세서 기반 시스템(8000)은, 수광 영역과 다크 영역의 다크 레벨 차이를 줄일 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비함으로써, 화상 결함이 저감된 고화질의 출력 이미지를 처리할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(400)는 모바일 폰(mobile phone; 9000)에 구비될 수 있다. 또한, 이미지 센서(400)는 카메라(camera), 캠코더(camcorder), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant: PDA), 무선폰(wireless phone), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 광 마우스(optical mouse), 팩시밀리(facsimile) 및 복사기(coping machine) 등과 같은 전자 장치에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서는 망원경, 모바일 폰 핸드셋, 스캐너, 내시경, 지문인식장치, 장난감, 게임기, 가정용 로봇, 그리고 자동차 등과 같은 장치에도 구비될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서가 채용된 상기 전자 장치들은, 화상 결함이 저감된 고화질의 영상 이미지를 확보할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000: 이미지 센서
8000: 프로세서 기반 시스템 9000: 모바일 폰
8000: 프로세서 기반 시스템 9000: 모바일 폰
Claims (10)
- 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 구비하는 다수의 단위 픽셀들을 포함하는 반도체 층; 및
상기 반도체 층 내에 수광 영역 및 차광 영역을 정의하는 차광 패턴을 포함하고, 상기 반도체 층의 하면을 덮는 절연층;을 포함하되,
상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 반도체 층과 상기 절연층 사이의 계면에 인접하게 형성되며 상기 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들이 축적(accumulate)되는 포텐셜 드레인 영역을 더 구비하고,
상기 차광 영역의 단위 픽셀들 중 적어도 하나는, 상기 포텐셜 드레인 영역에 축적된 전자들의 유출 경로(drain path)를 제공하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 포텐셜 드레인 영역은, 상기 차광 영역의 전 영역에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 광전 변환 소자인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제3 항에 있어서,
상기 차광 영역의 단위 픽셀들 중 적어도 하나는, 상기 광전 변환 소자 내에 전원 전압이 인가되는 콘택 영역을 구비하고,
상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 콘택 영역인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 독출 소자들은, 리셋 소자를 포함하고,
상기 유출 경로는, 상기 포텐셜 드레인 영역으로부터 상기 리셋 소자인 것을차광 특징으로 하는 이미지 센서. - 제5 항에 있어서,
상기 독출 소자들은, 트랜스퍼 소자 및 선택 소자를 더 포함하고,
상기 트랜스퍼 소자 및 상기 리셋 소자는, 상기 선택 소자가 턴 온되지 않는 경우에 턴 온 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 포텐셜 드레인 영역에 인접하게 형성되며 상기 전자들을 소멸시키는 배리어 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 반도체 층은, 상기 다수의 단위 픽셀들 각각의 광전 변환 소자로의 전자 이동 경로를 제공하는 다수의 전자 조정 경로 영역(electron adjustment path region)들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 구비하는 다수의 단위 픽셀들을 포함하는 반도체 층; 및
상기 반도체 층 내에 수광 영역 및 차광 영역을 정의하는 차광 패턴을 포함하고, 상기 반도체 층의 하면을 덮는 절연층;을 포함하되,
상기 반도체 층은, 상기 차광 영역에서 상기 반도체 층과 상기 절연층 사이의 계면에 인접하게 형성되며 상기 계면 근처의 결함들에 기인하여 생성된 전자들을 소멸시키는 배리어 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제9 항에 있어서,
상기 배리어 영역은, 상기 차광 영역의 전 영역에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120065164A KR101975028B1 (ko) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | 이미지 센서 |
| US13/766,803 US8946783B2 (en) | 2012-06-18 | 2013-02-14 | Image sensors having reduced dark level differences |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120065164A KR101975028B1 (ko) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | 이미지 센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130141984A true KR20130141984A (ko) | 2013-12-27 |
| KR101975028B1 KR101975028B1 (ko) | 2019-08-23 |
Family
ID=49755085
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120065164A KR101975028B1 (ko) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | 이미지 센서 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8946783B2 (ko) |
| KR (1) | KR101975028B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200011689A (ko) * | 2018-07-25 | 2020-02-04 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014199898A (ja) * | 2013-03-11 | 2014-10-23 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子および製造方法、並びに、電子機器 |
| US9337225B2 (en) * | 2013-09-13 | 2016-05-10 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US10952600B2 (en) * | 2014-07-10 | 2021-03-23 | Covidien Lp | Endoscope system |
| KR102410019B1 (ko) | 2015-01-08 | 2022-06-16 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
| KR102545170B1 (ko) | 2015-12-09 | 2023-06-19 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| WO2018170903A1 (en) | 2017-03-24 | 2018-09-27 | Covidien Lp | Endoscopes and methods of treatment |
| US11244978B2 (en) * | 2018-10-17 | 2022-02-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion apparatus and equipment including the same |
| CN110164896B (zh) * | 2019-06-05 | 2021-06-25 | 芯盟科技有限公司 | 内窥镜探头以及制造方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060040065A (ko) * | 2004-11-04 | 2006-05-10 | 삼성전자주식회사 | Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| KR20060090515A (ko) * | 2005-02-07 | 2006-08-11 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030040865A (ko) | 2001-11-16 | 2003-05-23 | 주식회사 하이닉스반도체 | 암전류를 감소시키기 위한 이미지센서의 제조 방법 |
| KR100748318B1 (ko) | 2001-12-31 | 2007-08-09 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 이미지센서 및 그 제조 방법 |
| KR100538069B1 (ko) | 2003-12-16 | 2005-12-20 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 암신호 감소를 위한 이미지센서의 소자분리 방법 |
| US7701493B2 (en) | 2005-02-28 | 2010-04-20 | Micron Technology, Inc. | Imager row-wise noise correction |
| KR100801447B1 (ko) | 2006-06-19 | 2008-02-11 | (주)실리콘화일 | 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조방법 |
| JP5151375B2 (ja) | 2007-10-03 | 2013-02-27 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置およびその製造方法および撮像装置 |
| KR101458052B1 (ko) | 2008-06-12 | 2014-11-06 | 삼성전자주식회사 | 혼색 방지 구조를 갖는 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| KR100882991B1 (ko) | 2008-08-06 | 2009-02-12 | 주식회사 동부하이텍 | 후면 수광 이미지센서의 제조방법 |
| KR20100025873A (ko) | 2008-08-28 | 2010-03-10 | 삼성전자주식회사 | 혼색 방지 불순물 격리 구조를 갖는 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| JP5375142B2 (ja) | 2009-02-05 | 2013-12-25 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 |
| JP5347999B2 (ja) | 2009-03-12 | 2013-11-20 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子及びその製造方法、撮像装置 |
| US8233066B2 (en) * | 2010-02-18 | 2012-07-31 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor with improved black level calibration |
| US8278690B2 (en) | 2010-04-27 | 2012-10-02 | Omnivision Technologies, Inc. | Laser anneal for image sensors |
| US8405748B2 (en) * | 2010-07-16 | 2013-03-26 | Omnivision Technologies, Inc. | CMOS image sensor with improved photodiode area allocation |
-
2012
- 2012-06-18 KR KR1020120065164A patent/KR101975028B1/ko active IP Right Grant
-
2013
- 2013-02-14 US US13/766,803 patent/US8946783B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060040065A (ko) * | 2004-11-04 | 2006-05-10 | 삼성전자주식회사 | Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| KR20060090515A (ko) * | 2005-02-07 | 2006-08-11 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200011689A (ko) * | 2018-07-25 | 2020-02-04 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101975028B1 (ko) | 2019-08-23 |
| US8946783B2 (en) | 2015-02-03 |
| US20130334577A1 (en) | 2013-12-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101975028B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| US8716769B2 (en) | Image sensors including color adjustment path | |
| KR102586247B1 (ko) | 고체 촬상 장치, 촬상 장치 | |
| US7420231B2 (en) | Solid state imaging pick-up device and method of manufacturing the same | |
| US7541628B2 (en) | Image sensors including active pixel sensor arrays | |
| US7687837B2 (en) | Image sensor and fabrication method thereof | |
| KR101688084B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 포함하는 패키지 | |
| US8916917B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| US8593553B2 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
| KR100827445B1 (ko) | Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 그 제조 방법 | |
| US20080170149A1 (en) | Solid-state imager and solid-state imaging device | |
| US10192910B2 (en) | Image sensor | |
| US10616513B2 (en) | Image sensors including shielding structures | |
| KR102519343B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| KR20080037554A (ko) | 고체 촬상 장치 및 전자 장치 | |
| US20100103288A1 (en) | Image sensor | |
| WO2017057278A1 (ja) | 撮像素子および撮像装置 | |
| US20220360730A1 (en) | Image sensor | |
| US11183526B2 (en) | Image sensor | |
| US20220199670A1 (en) | Image sensor | |
| KR20090065980A (ko) | 이미지 센서의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 이미지 센서 | |
| US20220149088A1 (en) | Image sensor and method for fabricating the same | |
| KR102632485B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| JP2010045083A (ja) | 固体撮像素子 | |
| KR100822310B1 (ko) | 씨모스 이미지 센서 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |