KR20180080931A - 이미지 센서 - Google Patents

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장동영
오성훈
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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대되는 제2 면을 포함하고, 네 변을 갖는 단위 화소로 구분된 기판; 상기 단위 화소 내에 형성된 광전 변환 소자; 상기 단위 화소 내에서 상기 제1 면과 접하여 형성되고, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 상기 광전 변환 소자의 중심부와 오버랩되는 플로팅 디퓨전; 상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 적어도 하나의 변을 포함하는 제1 변 그룹을 따라 형성되는 게이트 전극; 및 상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 상기 제1 변 그룹과는 다른 적어도 두 개의 변을 포함하는 제2 변 그룹을 따라 형성되는 트랜지스터 그룹;을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하 전달 효율을 향상시킨 이미지 센서에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 어레이(pixel array)는 각 픽셀마다 광전 변환 소자를 포함한다. 상기 광전 변환 소자는 입사되는 빛의 양에 따라 가변되는 전기 신호를 생성하고 CMOS 이미지 센서는 상기 전기 신호를 처리하여 영상을 합성해낼 수 있다.
최근 고해상도 이미지에 대한 요구에 따라 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀은 보다 소형화될 것이 요구되고 있다. 그러나, 소형화된 픽셀 내에 구비되는 소자들은 전하 전달 효율이 저감되어 이미지의 정확도를 저해하므로, 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 소형화된 픽셀에서의 전하 전달 효율을 향상시켜 이미지 정확도를 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대되는 제2 면을 포함하고, 네 변을 갖는 단위 화소로 구분된 기판; 상기 단위 화소 내에 형성된 광전 변환 소자; 상기 단위 화소 내에서 상기 제1 면과 접하여 형성되고, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 상기 광전 변환 소자의 중심부와 오버랩되는 플로팅 디퓨전; 상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 적어도 하나의 변을 포함하는 제1 변 그룹을 따라 형성되는 게이트 전극; 및 상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 상기 제1 변 그룹과는 다른 적어도 두 개의 변을 포함하는 제2 변 그룹을 따라 형성되는 트랜지스터 그룹;을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대되는 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판 내에 형성되는 광전 변환 소자; 상기 기판 내에서 상기 제1 면과 접하여 형성되고, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 상기 광전 변환 소자의 중심부와 오버랩되는 플로팅 디퓨전; 상기 기판 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 일부 측면인 제1 측면 그룹과 오버랩되는 게이트 전극; 및 상기 기판 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 상기 제1 측면 그룹과 적어도 일부가 다른 제2 측면 그룹과 오버랩되는 트랜지스터 그룹;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 측면 그룹은 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 절반 이상일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자로부터 플로팅 디퓨젼으로의 전하 이동 경로에 있어서 수평 방향 경로를 제거하고 수직 방향 경로를 최대화할 수 있다. 이에 따라, 전하 이동 경로를 단축시켜 전하 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 수평 방향으로의 전하 이동 경로에 해당하는 영역을 트랜스퍼 게이트의 면적 확장 또는 트랜지스터의 면적 확장에 이용함으로써, 전하 전달 효율을 향상시키고 센싱된 이미지의 노이즈를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(pixel)를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소의 단면도로서, 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소의 일부 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 9a 내지 도 9g는 도 2에 예시된 단위 화소의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 9a 내지 도 9g는 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도 이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 단위 화소들 각각은 광전 변환 소자(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(TX, transfer transistor), 소스 팔로워 트랜지스터(SX, source follower transistor), 리셋 트랜지스터(RX, reset transistor), 및 선택 트랜지스터(AX, selection transistor)를 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX), 상기 리셋 트랜지스터(RX), 및 상기 선택 트랜지스터(AX)는 각각 트랜스퍼 게이트 전극(TG), 소스 팔로워 게이트 전극(SF), 리셋 게이트 전극(RG) 및 선택 게이트 전극(SEL)을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환 소자(PD)는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역을 포함하는 포토 다이오드일 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)는 역방향 바이어스 상태에서 입력되는 빛의 세기에 따라서 광전류(photocurrent)가 선형적으로 증가하는 특징을 가지는 광 감지 소자일 수 있다. 즉, 상기 광전 변환 소자(PD)가 빛에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는(floating) 경우 상기 광전 변환 소자(PD)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 정공은 상기 P형 불순물 주입 영역쪽으로, 전자는 상기 N형 불순물 주입 영역으로 이동하여 축적된다.
상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)의 전압에 따라 상기 광전 변환 소자(PD)를 상기 플로팅 디퓨전(FD)과 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)가 빛에 응답하여 전자를 축적하는 동안, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-오프(turn-off)되어 상기 광전 변환 소자(PD)와 상기 플로팅 디퓨전(FD)을 전기적으로 차단시킬 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)가 빛의 흡수를 종료하면, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-온(turn-on)되어 상기 광전 변환 소자(PD)의 축적된 전하를 상기 플로팅 디퓨전(FD)으로 전달할 수 있다. 축적된 전하량에 비례하여 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX)의 게이트 바이어스가 변하여, 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX)의 소오스 전위의 변화를 초래하게 된다. 이때 상기 선택 트랜지스터(AX)를 온(ON) 시키면, 칼럼 라인으로 전하에 의한 신호가 읽히게 된다.
구체적으로, 상기 광전 변환 소자(PD)의 변화된 전압이 상기 플로팅 디퓨전(FD)에 전달되기 전에, 상기 플로팅 디퓨전(FD)은 리셋될 수 있다. 즉, 빛이 차단된 상태에서 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인과 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX)의 드레인에 전원 전압(VDD)을 인가하고 상기 리셋 트랜지스터(RX)를 턴-온시켜 상기 플로팅 디퓨전(FD)에 잔류하는 전하들을 방출시킬 수 있다. 상기 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압은 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX)를 거쳐 증폭되고, 상기 선택 트랜지스터(AX)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압에 대응되는 아날로그 전압은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
이후 상기 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압의 출력이 완료되면, 상기 리셋 트랜지스터(RX)는 턴-오프되고, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 턴-온되면서 상기 광전 변환 소자(PD)가 축적한 전하는 상기 플로팅 디퓨전(FD)으로 전달될 수 있다. 상기 플로팅 디퓨전(FD)의 변화된 전압은 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX) 및 상기 선택 트랜지스터(AX)를 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 출력된 상기 플로팅 디퓨전(FD)의 전압 변화에 대응되는 아날로그 전압(Vout)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다. 이 때, 리셋 전압과 상기 광전 변환 소자(PD)로 인한 전압을 수신하는 순서는 변경될 수 있다.
리드 회로는 상기 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압과 상기 광전 변환 소자(PD)로 인한 전압을 수신하여 양 전압의 차이를 통해서 상기 광전 변환 소자(PD)가 감지한 빛의 양을 계산할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 광전 변환 소자(PD)는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)의 턴-온에 의해 상기 플로팅 디퓨전(FD)으로 전하가 전달될 수 있다. 이 때, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)에 의해 상기 광전 변환 소자(PD) 및 상기 플로팅 디퓨전(FD) 사이에 형성되는 전하 전달 경로는, 상기 광전 변환 소자(PD), 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 및 플로팅 디퓨전(FD)의 구체적인 구조에 따라 변경될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 상기 광전 변환 소자(PD)로부터 상기 플로팅 디퓨젼(FD)까지의 전하 이동 경로에 있어서 수평 방향 경로를 제거하고 수직 방향 경로를 최대화하는 구조를 포함할 수 있다. 이에 따라, 전하 이동 경로를 단축시켜 전하 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 수평 방향으로의 전하 이동 경로에 해당하는 영역을 상기 소스 팔로워 트랜지스터(SX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 선택 트랜지스터(AX)의 면적 확장에 이용함으로써, 전하 전달 효율을 향상시키고 센싱된 이미지의 노이즈를 개선할 수 있다. 상세한 구조에 대해서는 도 2 내지 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.
상기 광전 변환 소자(PD)는 도 1 내지 도 9g의 광전 변환 소자(103)이고, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)은 도 1 내지 도 9g의 트랜스퍼 게이트 전극(111, 411, 511)이고, 소스 팔로워 트랜지스터(SX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 선택 트랜지스터(AX)는 각각 도 1 내지 도 9g의 트랜지스터(115A, 115B, 415A, 415B)에 대응할 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(100)에 포함되는 단위 화소(PX1)를 나타내는 레이아웃이다. 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(100)에 포함되는 단위 화소(PX1)의 단면도로서, 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 예시한 것이다. 도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(100)에 포함되는 단위 화소(PX1)의 일부 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이미지 센서(100)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 형성되는 광전 변환 소자(103), 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되는 플로팅 디퓨전(113), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 일부 측면과 오버랩되는 트랜스퍼 게이트 전극(111), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 다른 측면과 오버랩되는 트랜지스터 그룹(115)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판(101)은 제1 면(101S1) 및 상기 제1 면(101S1)과 반대되는 제2 면(101S2)을 포함할 수 있다. 상기 기판(101)은 실리콘 등의 반도체 웨이퍼, 벌크(bulk) 기판, 에피택시얼(epitaxial) 기판, SOI(Silicon on insulator) 기판 등일 수 있다. 상기 기판(101)의 상기 제1 면(101S1) 상에는 화소 회로층(117)이 형성될 수 있고, 상기 제2 면(101S2) 상으로는 빛이 입사할 수 있다. 상기 기판(101)은 소자 분리막(105, 107)에 의해 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 및 네 변(S1, S2, S3, S4)을 갖는 네모 형상의 단위 화소(PX1)로 구분될 수 있다. 즉, 상기 기판(101)은 평면상 그물망 구조를 갖는 소자 분리막(105, 107)을 포함하고, 복수의 단위 화소(PX1)들을 포함할 수 있다.
상기 소자 분리막(105, 107)은 상기 제1 면(101S1)으로부터 제2 면(101S2)까지 연장될 수 있다. 상기 소자 분리막(105, 107)은 상기 제1 면(101S1)으로부터 연장되는 얕은 소자 분리막(107)과, 상기 제2 면(101S2)으로부터 상기 얕은 소자 분리막(107)까지 연장되는 깊은 소자 분리막(105)을 포함할 수 있다.
상기 기판(101) 내에는 광전 변환 소자(103)가 형성될 수 있다. 상기 광전 변환 소자(103)는 상기 제2 면(S2)을 통해 입사된 빛을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있다. 상기 기판(101)은 제1 형 불순물들이 도핑된 반도체 기판일 수 있으며, 상기 광전 변환 소자(103)는 이온 주입 공정을 기초로 상기 기판(101)에 도핑된 불순물과 다른 타입의 제2 형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 광전 변환 소자(103)는 포토 다이오드일 수 있다.
일부 실시예들에서, P형 기판(101)에 N형 불순물이 도핑되어 상기 광전 변환 소자(103)가 형성된 경우에, 상기 광전 변환 소자(103)는 전자-정공 쌍 중에서 전자를 수집할 수 있다. 다른 실시예들에서, N형 기판(101)에 P형 불순물이 도핑되어 상기 광전 변환 소자(103)가 형성된 경우에, 상기 광전 변환 소자(103)는 전자-정공 쌍 중에서 정공을 수집할 수 있다.
한편, 상기 플로팅 디퓨전(113)은 상기 기판(101) 내에서 상기 제1 면(101S1)과 접하여 형성되고, 상기 제1 면(101S1)과 수직한 제1 방향(Z방향)으로 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되도록 형성될 수 있다.
일반적으로, 광전 변환 소자에 축전된 전하들을 플로팅 디퓨전으로 용이하게 전달하기 위하여 트랜스퍼 게이트 전극을 상기 광전 변환 소자에 인접하도록 형성하고 있다. 이에 따라 트랜스퍼 게이트 전극이 광전 변환 소자의 중심부 부근에 형성되고, 상기 플로팅 디퓨전은 상기 단위 화소의 가장자리에 치우쳐 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 광전 변환 소자에서 최대 전압이 발생하는 지점이 상기 광전 변환 소자의 중심부이므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극에 의해 형성되는 채널 영역은 상기 광전 변환 소자의 중심부로부터 상기 트랜스퍼 게이트 전극의 표면을 따라 수직 방향으로 형성되는 영역일 수 있다. 이에 따라 상기 광전 변환 소자 내에 축적된 전하는 수직 방향 경로를 갖는 상기 채널 영역을 따라 제1 면까지 전달될 수 있다. 그러나, 상기 플로팅 디퓨전이 가장 자리에 치우쳐 있으므로, 상기 전하는 상기 제1 면을 따라 추가적인 수평 방향 경로를 이동해야 할 수 있다. 이 경우, 전하 이동 경로가 길어지게 되므로 전하 전달 효율이 감소할 수 있으며, 전하의 지연 전달로 인한 이미지 왜곡이 발생할 수 있다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는, 상기 플로팅 디퓨전(113)이 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 4를 함께 참조하면, 상기 광전 변환 소자(103)로부터 상기 플로팅 디퓨전(113)으로의 전하 이동 경로(CTP)에 있어서 수평 방향 경로가 제거되고 수직 방향 경로를 최대화할 수 있다. 이에 따라, 전하 이동 경로(CTP)를 단축시켜 전하 전달 효율을 향상시키고 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 3에서는 상기 플로팅 디퓨전(113)이 사각 형상인 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 플로팅 디퓨전(113)은 원 형상 등 공정에 의해 초래되는 다양한 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 방향(Z방향)으로 상기 플로팅 디퓨전(113)의 중심부(C113)와 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)가 오버랩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 방향(Z방향)으로 상기 플로팅 디퓨전(113)과 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)가 오버랩되되, 상기 플로팅 디퓨전(113)의 중심부(C113)와 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)가 오버랩되지 않을 수 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은, 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(101S1)과 상기 광전 변환 소자(103) 사이에서, 상기 제1 면(S1)으로부터 상기 제1 면(S1)과 수직한 제1 방향(Z방향)으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 광전 변환 소자(103)와 상기 제1 방향(Z방향)으로 오버랩될 수 있다.
또한, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 플로팅 디퓨전(113)의 전체 측면(113S) 중 일부 측면인 제1 측면 그룹(113SA)과 으로 오버랩되면서, 상기 단위 화소(PX1)의 네 변(S1, S2, S3, S4) 중 제4 변(S4)을 따라 연장될 수 있다.
구체적으로, 상기 플로팅 디퓨전(113)은 제1 내지 제4 측면(113S1, 113S2, 113S3, 113S4)을 포함하는 사각 형상을 가질 수 있다. 이 때, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 플로팅 디퓨전(113)의 일부 측면인 제1 측면(113S1)과 오버랩되도록 형성될 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(113)은 상기 플로팅 디퓨전(113)과 매우 인접하게 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)에의 전압 인가에 따라 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 상기 플로팅 디퓨전(113) 사이에 수직 방향으로만 구성된 전하 전달 경로가 형성될 수 있다.
도 2에서는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)과 오버랩되는 상기 제1 측면 그룹(113SA)이 하나의 제1 측면(113S1)만을 포함하는 것으로 예시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 측면 그룹(113SA)은 상기 제1 내지 제4 측면(113S1, 113S2, 113S3, 113S4) 중 적어도 두 개를 포함할 수 있다. 또한, 도 2에서는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)이 상기 제4 변(S4)을 따라 형성된 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 네 변(S1, S2, S3, S4) 중 적어도 두 개의 변을 따라 형성되거나, 상기 네 변(S1, S2, S3, S4) 이 각각 형성하는 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 중 적어도 하나를 점유하도록 확장될 수 있다. 즉, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 단위 화소(PX1)내의 가장자리 영역에 자유롭게 확장되어 형성될 수 있다.
도 7을 간략히 참조하면, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)은 상기 네 변(S1, S2, S3, S4)이 각각 형성하는 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 중 하나인 제1 꼭지점(V1)과 인접한 영역을 점유하도록 확장될 수 있다. 마찬가지로, 도 8을 간략히 참조하면, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(511)은 상기 네 변(S1, S2, S3, S4)이 각각 형성하는 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 중 하나인 제4 꼭지점(V4)과 인접한 영역을 점유하도록 확장될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는, 상기 플로팅 디퓨전(113)이 상기 단위 화소(PX1)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 상기 단위 화소(PX1)의 가장자리 영역에, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)을 확장하여 형성할 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 수평 면적이 확장됨에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 제조 공정이 용이하게 되므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 안정된 프로파일을 확보할 수 있다. 또한, 전하 전달력이 강화되어 전하 전달 지연에 따른 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 플로팅 디퓨전(113)의 제1 측면(113S1)으로부터 상기 소자 분리막(105, 107)의 제4 변(S4)까지의 최단 거리 방향에 있어서, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 너비(D1)는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)으로부터 상기 소자 분리막(105, 107)까지의 거리(D2)보다 넓을 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 수평 면적 확장 효과를 극대화할 수 있다.
한편, 도 4를 함께 참조하면, 상기 기판(101) 내에 형성된 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)이 상기 제1 방향(Z방향)으로 연장되는 제1 길이(111L1)는, 상기 제1 방향(Z방향)과 수직한 제2 방향(X방향)으로의 제2 길이(111L2) 또는 제3 방향(Y방향)으로의 제3 길이(111L3)보다 길 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 제2 및 제3 길이(111L2, 111L3) 중 어느 하나는 상기 제1 길이(111L1)보다 클 수 있다.
일반적으로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극은 상기 광전 변환 소자의 수광면 방향(X방향 및 Y방향)과 나란히 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 광전 변환 소자의 수광 면적을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 광전 변환 소자(103)의 수광면 방향(X방향 및 Y방향)과 수직한 제1 방향(Z방향)으로 연장하므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)이 상기 광전 변환 소자(103)의 수광면 방향(X방향 및 Y방향)으로 점유하는 면적이 없어, 상기 광전 변환 소자(103)가 수광 면적을 넓게 확보할 수 있다.
상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 외면은 게이트 유전막(109)에 감싸지도록 형성될 수 있다. 상기 게이트 유전막(109)은 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)에의 전압 인가에 의해 상기 기판(101)으로의 직접적인 전위 인가가 되지 않도록 절연시키는 역할을 할 수 있다. 한편, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)에 전위 인가시, 상기 게이트 유전막(109)과 인접하여 채널 영역이 형성될 수 있다.
한편, 상기 트랜지스터 그룹(115)은, 소스 팔로워 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터, 및 상기 선택 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 트랜지스터 그룹(115)은 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(101S1)과 상기 광전 변환 소자(103) 사이에 형성될 수 있다. 상기 트랜지스터 그룹(115)은 상기 플로팅 디퓨전(113)의 전체 측면(113S) 중 제1 측면 그룹(113SA)과는 적어도 일부가 다른 제2 측면 그룹(113SB)과 오버랩되면서, 상기 단위 화소(PX1)의 네 변(S1, S2, S3, S4) 중 제1 변(S1) 및 제2 변(S2)을 따라 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜지스터 그룹(115)은, 상기 네 변(S1, S2, S3, S4)이 각각 형성하는 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 중 제1 꼭지점(V1), 제2 꼭지점(V2), 및 제3 꼭지점(V3)과 인접한 영역을 점유하도록 확장될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는, 상기 플로팅 디퓨전(113)이 상기 단위 화소(PX1)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 상기 단위 화소(PX1)의 가장자리 영역에, 상기 트랜지스터 그룹(115)을 확장하여 형성할 수 있다. 상기 트랜지스터 그룹(115)의 수평 면적이 확장됨에 따라, 상기 트랜지스터 그룹(115)의 제조 공정이 용이하게 되므로, 센싱된 이미지의 노이즈를 개선하여 이미지의 화질을 개선할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 플로팅 디퓨전(113)의 제2 측면(113S2)으로부터 상기 소자 분리막(105, 107)의 제1 변(S1)까지의 최단 거리 방향에 있어서, 상기 트랜지스터 그룹(115)의 너비(D3)는 상기 플로팅 디퓨전(113)의 제2 측면(113S2)으로부터 상기 트랜지스터 그룹(115)까지의 거리(D4)보다 넓을 수 있다.
이에 따라, 상기 상기 트랜지스터 그룹(115)의 수평 면적 확장 효과를 극대화할 수 있다.
한편, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111), 상기 플로팅 디퓨전(113), 및 상기 트랜지스터 그룹(107)은 각각 얕은 소자 분리막(105, 107)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 기판(101)의 상기 제2 면(101S2) 상에는 절연층(123)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(123)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 절연층(123)의 내부에는 컬러 필터층(125)이 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터층(125)은 입사하는 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있다. 상기 컬러 필터층(125)은 녹색, 적색, 청색 중 어느 하나의 빛만을 통과시킬 수 있다. 상기 컬러 필터층(125)의 하부에 배치된 상기 광전 변환 소자(103)는 상기 컬러 필터층(125)이 통과시킨 특정 파장 대역의 빛을 감지하여 전기 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 절연층(123) 및 상기 컬러 필터층(125) 상에는 마이크로 렌즈(127)가 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(127)는 상기 단위 화소(PX1)로 입사하는 빛이 상기 광전 변환 소자(103)에 집광될 수 있도록 빛의 경로를 조절할 수 있다.
한편, 상기 기판(101)의 상기 제1 면(101S1) 상에 화소 회로층(117)이 형성될 수 있다. 상기 화소 회로층(117)은 상기 광전 변환 소자(103)를 제어할 수 있는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111), 상기 플로팅 디퓨전(113), 및 상기 트랜지스터 그룹(107) 각각과 전기적으로 연결되는 컨택(121)과, 이에 연결된 배선(119)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(200)에 포함되는 단위 화소(PX2)를 나타내는 레이아웃이다. 상기 이미지 센서(200)는 도 2 내지 도 4의 이미지 센서(100)와 유사하나, 플로팅 디퓨전(213)의 형상에 차이가 있다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(200)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 형성되는 광전 변환 소자(103), 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되면서 원 형상을 가지는 플로팅 디퓨전(213), 상기 플로팅 디퓨전(213)의 일부 측면과 오버랩되는 트랜스퍼 게이트 전극(111), 상기 플로팅 디퓨전(213)의 다른 측면과 오버랩되는 트랜지스터 그룹(115)을 포함할 수 있다. 상기 기판(101)은 소자 분리막(105, 107)에 의해 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 및 네 변(S1, S2, S3, S4)을 갖는 네모 형상의 단위 화소(PX2)로 구분될 수 있다.
상기 기판(101) 내에는 단면이 둥근 형상을 가지는 플로팅 디퓨전(213)가 형성될 수 있다. 상기 플로팅 디퓨전(213)은 불순물 주입 공정에 의해 형성될 수 있으므로, 공정에 의해 초래되는 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 플로팅 디퓨전(213)은 상기 기판(101) 내에서 상기 제1 면(101S1)과 접하여 형성되고, 상기 제1 면(101S1)과 수직한 제1 방향(Z방향)으로 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 상기 광전 변환 소자(103)로부터 상기 플로팅 디퓨전(213)으로의 전하 이동 경로에 있어서 수평 방향 경로가 제거되고 수직 방향 경로를 최대화할 수 있다. 이에 따라, 전하 이동 경로를 단축시켜 전하 전달 효율을 향상시키고 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
한편, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)은 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 일부 측면인 제1 측면 그룹(213SA)와 오버랩되도록 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 측면 그룹(213SA)은 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S)의 4분의 1 이상일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(200)는, 상기 플로팅 디퓨전(213)이 상기 단위 화소(PX2)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 상기 단위 화소(PX2)의 가장자리 영역에, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)을 확장하여 형성할 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 수평 면적이 확장됨에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 제조 공정이 용이하게 되므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 안정된 프로파일을 확보할 수 있다. 또한, 전하 전달력이 강화되어 전하 전달 지연에 따른 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
상기 트랜지스터 그룹(115)은 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 제1 측면 그룹(213SA)과는 적어도 일부가 다른 제2 측면 그룹(213SB)과 오버랩되도록 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2 측면 그룹(213SB)은 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 절반 이상일 수 있다. 즉, 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 절반 이상이 상기 트랜지스터 그룹(115)에 의해 에워싸여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 트랜지스터 그룹(115)은 제1 및 제2 트랜지스터(115A, 115B)를 포함할 수 있다. 상기 제1 트랜지스터(115A)는 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 상기 제2-1 측면(213S2)과 오버랩되도록 형성되고, 상기 제2 트랜지스터(115B)는 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 상기 제2-2 측면(213S3)과 오버랩되도록 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 트랜지스터(115A)는 상기 플로팅 디퓨전(213)의 전체 측면(213S) 중 4분의 1 이상과 오버랩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 트랜지스터(115A)는 소스 팔로워 트랜지스터일 수 있다. 상기 소스 팔로워 트랜지스터의 면적 증가는 이미지 노이즈 개선에 효과적일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(200)는, 상기 플로팅 디퓨전(213)이 상기 단위 화소(PX2)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 상기 단위 화소(PX2)의 가장자리 영역에, 상기 트랜지스터 그룹(115)을 확장하여 형성할 수 있다. 상기 트랜지스터 그룹(115)의 수평 면적이 확장됨에 따라, 상기 트랜지스터 그룹(115)의 제조 공정이 용이하게 되므로, 센싱된 이미지의 노이즈를 개선하여 이미지의 화질을 개선할 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(300)에 포함되는 단위 화소(PX3)를 나타내는 레이아웃이다. 상기 이미지 센서(300)는 도 2 내지 도 4의 이미지 센서(100)와 유사하나, 플로팅 디퓨전(313)의 형상과 위치에 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(300)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 형성되는 광전 변환 소자(103), 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되는 플로팅 디퓨전(313), 상기 플로팅 디퓨전(313)의 일부 측면과 오버랩되는 트랜스퍼 게이트 전극(111), 상기 플로팅 디퓨전(313)의 다른 측면과 오버랩되는 트랜지스터 그룹(115)을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4의 플로팅 디퓨전(113) 및 도 5의 플로팅 디퓨전(113)은 각각의 중심부(C103)가 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)가 오버랩되는 것으로 예시되었으나, 상기 이미지 센서(300)에 따르면, 상기 플로팅 디퓨전(313)의 중심부(C313)는 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 제1 방향(Z방향)으로 일치하지 않을 수 있다.
이 경우에도, 상기 광전 변환 소자(103)에서 최대 전압이 발생하는 지점이 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)이므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)에 의해 형성되는 채널 영역은 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)로부터 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)의 표면을 따라 수직 방향으로 형성되는 영역일 수 있다.
따라서, 상기 플로팅 디퓨전(313)의 중심부(C313)가 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)가 일치하지 않더라도, 상기 플로팅 디퓨전(313)이 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 정렬되어 있으면, 상기 광전 변환 소자(103)로부터 상기 플로팅 디퓨전(313)으로의 전하 이동 경로에 있어서 수평 방향 경로가 제거될 수 있다. 이에 따라, 전하 이동 경로를 단축시켜 전하 전달 효율을 향상시키고 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(400)에 포함되는 단위 화소(PX4)를 나타내는 레이아웃이다. 상기 이미지 센서(400)는 도 2 내지 도 4의 이미지 센서(100)와 유사하나, 트랜스퍼 게이트 전극(411) 및 트랜지스터 그룹(415)의 형상과 위치에 차이가 있다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(400)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 형성되는 광전 변환 소자(103), 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되는 플로팅 디퓨전(113), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 일부 측면과 오버랩되는 트랜스퍼 게이트 전극(411), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 다른 측면과 오버랩되는 트랜지스터 그룹(415)을 포함할 수 있다. 상기 기판(101)은 소자 분리막(105, 107)에 의해 네 꼭지점(V1, V2, V3, V4) 및 네 변(S1, S2, S3, S4)을 갖는 네모 형상의 단위 화소(PX4)로 구분될 수 있다.
상기 플로팅 디퓨전(113)이 상기 단위 화소(PX1)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 영역은 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411) 또는 상기 트랜지스터 그룹(415) 중 어느 하나가 점유할 수 있다.
상기 이미지 센서(400)의 경우, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)은 상기 제4 변(S4)을 따라 형성되고, 상기 제1 꼭지점(V1)과 인접한 영역을 점유하도록 확장될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(400)는, 상기 단위 화소(PX4)의 가장자리 영역에 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)을 확장하여 형성할 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)의 수평 면적이 확장됨에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)의 제조 공정이 용이하게 되므로, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(411)의 안정된 프로파일을 확보할 수 있다. 또한, 전하 전달력이 강화되어 전하 전달 지연에 따른 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
한편, 상기 트랜지스터 그룹(415)은 제1 변(S1) 및 제2 변(S2)을 따라 형성되고, 상기 제2 꼭지점(V2) 및 상기 제3 꼭지점(V3)을 점유하도록 확장될 수 있다. 이에 따라, 센싱된 이미지의 노이즈를 개선하여 이미지의 화질을 개선할 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(500)에 포함되는 단위 화소(PX5)를 나타내는 레이아웃이다. 상기 이미지 센서(500)는 도 2 내지 도 4의 이미지 센서(100)와 유사하나, 트랜스퍼 게이트 전극(511) 및 트랜지스터 그룹(515)의 형상과 위치에 차이가 있다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서(500)는 기판(101) 내에 형성되는 광전 변환 소자(103), 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부(C103)와 오버랩되는 플로팅 디퓨전(113), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 일부 측면과 오버랩되는 트랜스퍼 게이트 전극(511), 상기 플로팅 디퓨전(113)의 다른 측면과 오버랩되는 트랜지스터 그룹(515)을 포함할 수 있다.
상기 플로팅 디퓨전(113)이 상기 단위 화소(PX5)의 중심 영역에 형성됨에 따라 확보된 영역은 상기 트랜스퍼 게이트 전극(511) 또는 상기 트랜지스터 그룹(515) 중 어느 하나가 점유할 수 있다.
상기 이미지 센서(500)의 경우, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(511)은 상기 제4 변(S4)을 따라 형성되고, 상기 제4 꼭지점(V4)과 인접한 영역을 점유하도록 확장될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(500)는, 상기 단위 화소(PX5)의 가장자리 영역에 상기 트랜스퍼 게이트 전극(511)을 확장하여 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(511)의 안정된 프로파일을 확보할 수 있다. 또한, 전하 전달력이 강화되어 전하 전달 지연에 따른 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
한편, 상기 트랜지스터 그룹(515)은 제1 변(S1) 및 제2 변(S2)을 따라 형성되고, 상기 제1 꼭지점(V1), 상기 제2 꼭지점(V2) 및 상기 제3 꼭지점(V3)을 점유하도록 확장될 수 있다. 이에 따라, 센싱된 이미지의 노이즈를 개선하여 이미지의 화질을 개선할 수 있다.
도 9a 내지 도 9g는 도 2에 예시된 단위 화소의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 9a 내지 도 9g는 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 9a를 참조하면, 제1 면(101S1)과 예비 제2 면(101S2P)을 가지는 기판(101)을 준비할 수 있다. 상기 기판(101)에는 P형의 불순물이 도핑될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(101)에 이온 주입 공정을 진행하여 광전 변환 소자(103)와 웰 영역(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 광전 변환 소자(103)는 N형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 광전 변환 소자(103)는 후속 공정에서 소자 분리막(105, 107)을 형성한 후에 진행될 수도 있다.
이후, 상기 제1 면(S1) 상에 단위 화소를 정의하는 마스크 패턴(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 면(S1)에 인접한 상기 기판(101)을 식각하여 제 1 트렌치(T1)를 형성할 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)은 깊은 소자 분리막을 형성하기 위한 것일 수 있다.
도 9b를 참조하면, 상기 제1 트렌치(T1)를 채우는 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 깊은 소자 분리막(105)을 형성할 수 있다. 이후, 상기 제1 면(S1) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 면(S1)에 인접한 상기 기판(101)을 식각하여 제2 트렌치(T2)를 형성할 수 있다. 상기 제2 트렌치(T2)은 얕은 소자 분리막을 형성하기 위한 것일 수 있다.
이 ?, 후술하는 플로팅 디퓨전은 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부에 형성되어야 하므로, 상기 제2 트렌치(T2)는 상기 광전 변환 소자(103)의 중심부가 아닌 영역에 형성될 수 있다.
도 9c를 참조하면, 상기 제2 트렌치(T2)를 채우는 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 얕은 소자 분리막(107)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 제1 면(S1)의 얕은 소자 분리막(107) 사이에, 트랜스퍼 게이트 전극이 형성될 제3 트렌치(T3)를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제3 트렌치(T3)은 가장자리 영역으로 확장하여 형성될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 상기 제3 트렌치(T3)의 측벽과 바닥을 덮도록 게이트 절연막(109)과 트랜스퍼 게이트 전극 물질(111)을 형성할 수 있다.
도 9e를 참조하면, 트랜스퍼 게이트 전극(111)이 형성되도록 상기 게이트 절연막(109)과 상기 트랜스퍼 게이트 전극 물질(111)을 식각할 수 있다. 이후, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(111)과 인접한 영역에 플로팅 디퓨전(113) 및 트랜지스터 그룹(115)을 형성하기 위한 이온 주입 공정을 수행할 수 있다.
도 9f를 참조하면, 상기 제1 면(S1) 상에 컨택(121) 및 배선(119)을 포함하는 화소 회로층(117)을 형성할 수 있다.
도 9i를 참조하면, 상기 기판(101)을 뒤집어 상기 예비 제2 면(101S2P)이 위를 향하도록 한다. 이어서, 그라인딩 또는 CMP(chemicla mechanical polishing) 공정을 진행하여 상기 예비 제2 면(101S2P)에 인접한 상기 기판(101)을 일정한 두께만큼 제거하여 도 2의 제2 면(101S2)을 노출시킬 수 있다.
이후, 도 2를 참조하면, 상기 제2 면(101S2) 상에 절연층(123), 컬러 필터층(125), 및 마이크로 렌즈층(125)를 형성하여 이미지 센서(100)를 제조할 수 있다.
도 9a 내지 도 9g는 도 2 내지 도 4의 이미지 센서(100)를 제조하는 방법을 예시하였으나, 상기 방법을 참조하여 도 5 내지 도 8의 이미지 센서(200, 300, 400, 500)를 제조할 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(2100)를 나타내는 블록도 이다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(2100)는 화소 어레이(2110), 컨트롤러(2130), 로우 드라이버(2120) 및 픽셀 신호 처리부(2140)를 포함할 수 있다. 화소 어레이(2110)는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 도 2 내지 도 8의 이미지 센서(100, 200, 300, 400, 500)를 포함할 수 있다.
화소 어레이(2110)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 화소들을 포함할 수 있고, 각 단위 화소는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(2140)로 제공될 수 있다. 화소 어레이(2110) 가 포함하는 단위 화소들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 화소 어레이(2110)의 하나의 로우에 속하는 단위 화소들은 로우 드라이버(2120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 단위 화소는 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 화소 어레이(2110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(2120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(2140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(2140)는 상관 이중 샘플러(CDS)(2142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(2144) 및 버퍼(2146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 화소 어레이(2110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(2142)는 램프 신호 생성기(2148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(2144)는 상관 이중 샘플러(2142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(2146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고,래치된 신호는 순차적으로 이미지 센서(2100)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(미도시)로 전달될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면과 반대되는 제2 면을 포함하고, 네 변을 갖는 단위 화소로 구분된 기판;
    상기 단위 화소 내에 형성된 광전 변환 소자;
    상기 단위 화소 내에서 상기 제1 면과 접하여 형성되고, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 상기 광전 변환 소자의 중심부와 오버랩되는 플로팅 디퓨전;
    상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 적어도 하나의 변을 포함하는 제1 변 그룹을 따라 형성되는 게이트 전극; 및
    상기 단위 화소 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 일부 측면과 오버랩되면서, 상기 네 변 중 상기 제1 변 그룹과는 다른 적어도 두 개의 변을 포함하는 제2 변 그룹을 따라 형성되는 트랜지스터 그룹;을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜지스터 그룹은 상기 네 변이 각각 형성하는 네 꼭지점 중 적어도 두 개의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하고,
    상기 게이트 전극 및 상기 트랜지스터 그룹은 상기 네 꼭지점 중 적어도 세 개의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 트랜지스터 그룹은 두 개의 변을 따라 형성되면서 세 개의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 하나의 변을 따라 형성되면서 하나의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 트랜지스터 그룹은 두 개의 변을 따라 형성되면서 두 개의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하고,
    상기 게이트 전극은 하나의 변을 따라 형성되면서 적어도 하나의 꼭지점과 인접한 영역을 점유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 화소는 소자 분리막에 의해 정의되고,
    상기 플로팅 디퓨전의 측면으로부터 상기 소자 분리막의 내측면까지의 최단 거리 방향에 있어서, 상기 게이트 전극의 너비는 상기 게이트 전극으로부터 상기 소자 분리막까지의 거리보다 넓은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 화소는 소자 분리막에 의해 정의되고,
    상기 플로팅 디퓨전의 측면으로부터 상기 소자 분리막의 내측면까지의 최단 거리 방향에 있어서, 상기 트랜지스터 그룹의 너비는 상기 플로팅 디퓨전의 측면으로부터 상기 트랜지스터 그룹까지의 거리보다 넓은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1 면 및 상기 제1 면과 반대되는 제2 면을 포함하는 기판;
    상기 기판 내에 형성되는 광전 변환 소자;
    상기 기판 내에서 상기 제1 면과 접하여 형성되고, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 상기 광전 변환 소자의 중심부와 오버랩되는 플로팅 디퓨전;
    상기 기판 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 일부 측면인 제1 측면 그룹과 오버랩되는 게이트 전극; 및
    상기 기판 내에서 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 상기 제1 측면 그룹과 적어도 일부가 다른 제2 측면 그룹과 오버랩되는 트랜지스터 그룹;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 측면 그룹은 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 절반 이상인 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 측면 그룹은 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면 중 절반 이상인 이미지 센서.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 측면 그룹은 상기 플로팅 디퓨전의 전체 측면의 4분의 1 이상인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10134791B1 (en) * 2017-12-20 2018-11-20 Novatek Microelectronics Corp. Backside illumination global shutter sensor and pixel thereof
KR20230153861A (ko) * 2022-04-29 2023-11-07 삼성전자주식회사 이미지 센서

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2133918B1 (en) 2008-06-09 2015-01-28 Sony Corporation Solid-state imaging device, drive method thereof and electronic apparatus
US20110169991A1 (en) * 2010-01-08 2011-07-14 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with epitaxially self-aligned photo sensors
KR101845257B1 (ko) 2011-02-07 2018-04-04 삼성전자주식회사 이미지 센서
JP6006514B2 (ja) 2012-03-27 2016-10-12 浜松ホトニクス株式会社 距離センサ及び距離画像センサ
KR102087233B1 (ko) 2013-01-17 2020-03-10 삼성전자주식회사 수직 구조 전송 게이트 전극을 갖는 시모스 이미지 센서 및 제조방법
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
JP2015153772A (ja) * 2014-02-10 2015-08-24 株式会社東芝 固体撮像装置
JP2015162603A (ja) 2014-02-27 2015-09-07 株式会社東芝 半導体装置
FR3019379A1 (fr) * 2014-03-31 2015-10-02 St Microelectronics Crolles 2 Transistor a grille verticale et structure de pixel comprenant un tel transistor
KR102268712B1 (ko) * 2014-06-23 2021-06-28 삼성전자주식회사 자동 초점 이미지 센서 및 이를 포함하는 디지털 영상 처리 장치
KR102252647B1 (ko) 2014-07-11 2021-05-17 삼성전자주식회사 이미지 센서의 픽셀 및 이미지 센서
KR102225787B1 (ko) * 2014-10-10 2021-03-10 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 제조 방법
JP2016136584A (ja) 2015-01-23 2016-07-28 株式会社東芝 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法
FR3043250A1 (fr) * 2015-10-30 2017-05-05 St Microelectronics Crolles 2 Sas Capteur d'image

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