KR20200071575A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 광전 변환된 전하의 흐름을 새로운 방법으로 제어할 수 있는 이미지 센싱 장치를 개시한다. 본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 반도체 기판에 형성된 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역의 상부에 위치하는 플로팅 디퓨전, 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전을 연결하는 수직 필라 및 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 상기 반도체 기판 내에 위치하며 불순물 영역을 포함하는 스위칭 소자를 포함하되, 상기 광전 변환 영역과 상기 스위칭 소자 사이의 공핍 영역이 상기 스위칭 소자에 인가되는 제어신호에 따라 확장 또는 축소되어 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 전하의 이동을 선택적으로 차단할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING DEVICE}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광전 변환된 전하의 흐름을 새로운 방법으로 제어할 수 있는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로봇 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센싱 장치의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 아날로그 및 디지털 제어회로를 하나의 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점으로 인하여 CMOS를 이용한 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
최근 고화소 이미지 센싱 장치에 대한 요구가 증가하고 있는데, 고화소 이미지를 제공하기 위해서는 픽셀 어레이 내에 집적되는 단위픽셀의 수를 필연적으로 증가시켜야만 한다. 즉, 제한된 면적 내에 더 많은 단위픽셀들을 집적시켜야 하며, 이를 위해 단위픽셀의 물리적 사이즈를 감소시켜야만 한다.
이러한 경우 광전 변환 소자의 크기도 작아지게 되어 단위픽셀의 특성이 열화될 수 있다.
따라서 같은 면적 내에서 광전 변환 소자의 크기를 최대화시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 광전 변환 소자에서 플로팅 디퓨전으로 전송되는 전하의 흐름을 제어하는 구조를 개선함으로써 광전 변환 소자의 크기를 최대화할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 반도체 기판에 형성된 광전 변환 영역; 상기 광전 변환 영역의 상부에 위치하는 플로팅 디퓨전; 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전을 연결하는 수직 필라; 및 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 상기 반도체 기판 내에 위치하며 불순물 영역을 포함하는 스위칭 소자를 포함하되, 상기 광전 변환 영역과 상기 스위칭 소자 사이의 공핍 영역이 상기 스위칭 소자에 인가되는 제어신호에 따라 확장 또는 축소되어 상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 디퓨전 사이의 전하의 이동을 선택적으로 차단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 상부 기판 내에 형성된 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역에서 변환된 전하를 임시 저장하는 플로팅 디퓨전, 및 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이에 위치하는 스위칭 소자를 포함하며, 상기 광전 변환 영역과 상기 스위칭 소자 사이의 공핍 영역의 확장 또는 축소에 의해 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 전하의 이동이 제어되는 상부기판영역; 하부 기판에 형성되며, 상기 플로팅 디퓨전에 저장된 전하를 상관 이중 샘플러로 전송하는 논리 소자들을 포함하는 하부기판영역; 및 외부로부터 입사되는 빛이 상기 광전 변환 영역으로 입사되도록 하는 광투과영역을 포함하며, 상기 하부기판영역은 상기 상부기판영역의 제 1 면에 적층되고, 상기 광투과영역은 상기 제 1 면과 대향되는 상기 상부기판영역의 제 2 면에 적층될 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 동일 면적 대비 광전 변환 소자의 크기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 누설 전류에 의한 암전류(dark current) 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 도 1에서의 픽셀 어레이의 일부를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 실시예에 따른 단위픽셀에서 광전 변환 영역 및 스위칭 소자의 구조를 보다 상세하게 보여주는 평면도.
도 4는 도 3에서 A-A’에 따른 단면의 모습을 보여주는 단면도.
도 5A는 스위칭 소자에 인가된 전압에 의해 스위칭 소자와 광전 변환 영역 사이의 공핍 영역이 확장되어 광전 변환 영역과 수직 필라 사이의 전류의 흐름이 오프(OFF) 된 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5B는 스위칭 소자에 인가된 전압에 의해 스위칭 소자와 광전 변환 영역 사이의 공핍 영역이 축소되어 광전 변환 영역과 수직 필라 사이의 전류의 흐름이 온(ON) 된 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 200), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 300), 버퍼(Buffer, 400), 로우 드라이버(row driver, 500), 타이밍 제너레이터(timing generator, 600), 제어 레지스터(control register, 700) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 800)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 매트릭스 구조로 배열된 복수의 단위픽셀(PX)들을 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 각각 광학적 이미지 정보를 전기적 이미지 신호로 변환하여 컬럼 라인들(column lines)을 통하여 상관 이중 샘플러(200)로 출력할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 로우 라인들(row lines) 중 하나 및 컬럼 라인들(column lines) 중 하나와 각각 연결될 수 있다.
상관 이중 샘플러(200)는 픽셀 어레이(100)의 픽셀(PX)들로부터 수신된 전기적 이미지 신호를 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(200)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공된 클럭 신호에 따라 기준 전압 레벨과 수신된 전기적 이미지 신호의 전압 레벨을 샘플링하여 그 차이에 해당하는 아날로그적 신호를 아날로그-디지털 컨버터(300)로 전송할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(300)는 램프 신호 제너레이터(800)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(300)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(400)로 출력할 수 있다.
버퍼(400)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(400)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀(PX)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
로우 드라이버(500)는 타이밍 제너레이터(600)의 신호에 따라 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(500)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 이러한 선택 신호는 후술되는 스위칭 정션의 온/오프 동작을 제어하기 위한 제어신호를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(600)는 로우 드라이버(500), 상관 이중 샘플링(200), 아날로그-디지털 컨버터(300) 및 램프 신호 제너레이터(800)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
제어 레지스터(700)는 램프 신호 제너레이터(800), 타이밍 제너레이터(600) 및 버퍼(400)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
램프 신호 제너레이터(800)는 타이밍 제너레이터(600)의 컨트롤에 따라 버퍼(400)로부터 출력되는 이미지 신호를 제어하기 위한 램프 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1에서의 픽셀 어레이의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 상부기판영역(110), 하부기판영역(120) 및 광투과영역(130)을 포함할 수 있다.
상부기판영역(110)은 상부 기판(111) 내에 형성된 광전 변환 영역(112)을 포함할 수 있다. 상부 기판(111)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(112)은 입사된 빛을 전기적 신호로 변환시킨다.
특히, 본 실시예의 상부기판영역(110)은 광전 변화 영역(112) 상부에 형성되는 스위칭 소자(114), 수직 필라(115) 및 플로팅 디퓨전(Floating Defusion, FD)(116)을 포함할 수 있다.
스위칭 소자(114)는 소자분리막(113)에 의해 정의된 각 단위픽셀의 활성영역에 고농도의 p형 불순물(P++)이 일정 깊이만큼 주입된 불순물 영역으로, 광전 변환 영역(112)과 플로팅 디퓨전(116) 사이에 위치할 수 있다. 스위칭 소자(114)는 상부 기판(111) 내에서 광전 변환 영역(112)을 커버하도록 광전 변환 영역(112)의 상부에 형성될 수 있다. 예컨대, 스위칭 소자(114)는 광전 변환 영역(112)의 상부면에서 수직 필라(115)와 연결된 부분을 제외한 영역을 전체적으로 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 스위칭 소자(114)는 바이어스 전압(스위칭 제어신호)을 인가 받으며, 인가된 바이어스 전압에 따라 스위칭 소자(114)와 광전 변환 영역(112) 사이의 공핍 영역을 확장 또는 축소시킴으로써 수직 필라(115)를 통해 전송되는 전하(charge)의 흐름을 온/오프할 수 있다. 즉, 본 실시예에서, 광전 변화 영역(112)에서 플로팅 디퓨전(116)쪽으로 전송되는 전하의 흐름은 NMOS 트랜지스터로 된 전송 트랜지스터(Transfer transistor, TX)가 아닌 불순물 주입 영역인 스위칭 소자(114)에 의해 선택적으로 차단될 수 있다. 이때, 스위칭 소자(114)에 인가되는 바이어스 전압은 로우 드라이버(500)로부터 인가될 수 있다.
수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)의 상부면 및 플로팅 디퓨전(116)의 하부면과 연결되며, 광전 변환 영역(112)의 상부면으로부터 수직한 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)의 중심부와 연결되도록 위치할 수 있다. 수직 필라(115)는 n형 불순물을 포함하되, 플로팅 디퓨전(FD)(116)과 가까워질수록 불순물의 농도가 점차 높아지는 도핑 프로파일(graded doping profile)을 가질 수 있다. 이러한 수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)에서 광전 변환되어 저장된 전하가 플로팅 디퓨전(116) 쪽으로 이동할 수 있도록 해주는 전하 전송 경로로 이용된다.
플로팅 디퓨전(116)은 수직 필라(115)를 통해 광전 변환 소자(112)로부터 전송되어 온 전하가 잠시 저장되는 영역으로, 수직 필라(115)와 연결되게 수직 필라(115)의 상부에 형성된다. 예컨대, 본 실시예에서는 상부 기판(111)에 플로팅 디퓨전(116)을 형성하지 않고, 광전 변환 영역(112)의 중심부의 수직 상부에 플로팅 디퓨전(116)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 종래에 상부 기판(111)에서 플로팅 디퓨전(116)을 형성하기 위해 할당된 영역까지 광전 변환 영역(112)이 형성되도록 할 수 있다. 플로팅 디퓨전(116)은 n형 에피택시층을 포함할 수 있다.
하부기판영역(120)은 상부기판영역(110)의 제 1 면과 접하도록 제 1 면 상에 적층되게 위치하며, 상부기판영역(110)의 플로팅 디퓨전(116)에 저장된 신호를 상관 이중 샘플러(200)로 전송하기 위한 논리 소자들(트랜지스터들)을 포함할 수 있다. 이러한 트랜지스터들은 하부 기판(122)에 형성된 리셋 트랜지스터(Reset transistor, RX)(미도시), 드라이버 트랜지스터(Driver transister, DX)(124) 및 선택 트랜지스터(Selection transistor, SX)(126)를 포함할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는 단위픽셀을 구성하는 요소들 즉 광전 변환 영역(112) 및 광전 변환 영역(112)에서 변환된 전기신호를 상관 이중 샘플러(200)로 리드아웃하기 위한 소자들이 모두 동일한 하나의 기판에 형성되지 않고, 서로 다른 2개의 기판들(111, 122)에 나뉘어 형성된 후 도전라인을 통해 연결되도록 본딩되어 적층되는 구조(pixel stacking structure)로 형성될 수 있다.
광투과영역(130)은 제 1 면과 대향되는 상부기판영역(110)의 제 2 면과 접하도록 제 2 면 상에 적층되게 위치하며, 컬러 필터층(132) 및 마이크로 렌즈들(134)을 포함할 수 있다.
컬러 필터층(132)은 적색 컬러 필터들, 녹색 컬러 필터들 및 청색 컬러 필터들을 포함하며, 마이크로 렌즈(134)를 통해 입사된 가시광에서 특정 색상의 광신호만이 광전 변환 영역(112)으로 입사되도록 한다. 마이크로 렌즈들(134)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광하여 컬러 필터층(132)으로 전달한다.
도 3은 본 실시예에 따른 단위픽셀에서 광전 변환 영역 및 스위칭 소자의 구조를 보다 상세하게 보여주는 평면도이며, 도 4는 도 3에서 A-A’에 따른 단면의 모습을 보여주는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 광전 변환 영역(112)은 상부 기판(111)에서 소자분리막(113)에 의해 정의된 활성영역 내에 형성될 수 있다. 광전 변환 영역(112)은 n형 불순물(N-)을 포함할 수 있다. 소자분리막(113)은 STI(Shallow Trench Isolation), DTI(Deep Trench Isolation) 또는 불순물 영역을 포함할 수 있다.
스위칭 소자(114)는 고농도 p형 불순물(P++)이 주입된 불순물 영역을 포함하며, 소자분리막(113)에 의해 정의된 활성영역 내에서 광전 변환 영역(112)의 상부에 형성될 수 있다. 예컨대, 스위칭 소자(114)는 띠 형태로 광전 변환 영역(112)과 수직 필라(115)가 접하는 영역을 둘러싸면서 광전 변환 영역(112)의 상부를 전체적으로 커버하도록 형성될 수 있다. 즉, 광전 변환 영역(112)의 상부면에서 수직 필라(115)와 연결된 부분을 제외한 나머지 영역이 모두 스위칭 소자(114)에 의해 커버될 수 있다. 이처럼, 본 실시예에서는 고농도의 p형 불순물(P++) 영역이 광전 변환 소자(112)의 상부면을 커버하도록 함으로써 누설전류에 의한 암전류(dark current) 특성을 개선할 수 있다.
스위칭 소자(114)는 수직 필라(115)와 광전 변환 영역(112)이 접하는 영역에서 수직 필라(115) 및 광전 변환 영역(112)과 중첩되게 형성될 수 있다.
스위칭 소자(114)는 콘택(118) 및 도전라인을 통해 로우 드라이버(500)와 연결되어 로우 드라이버(500)로부터 스위칭 제어신호를 인가받을 수 있다. 이러한 스위칭 소자(114)는 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 소자(114)와 광전 변환 영역(112) 사이 및 스위칭 소자(114)와 수직 필라(115) 사이의 공핍 영역을 확장시키거나 축소시킴으로써, 광전 변환 영역(112)과 플로팅 디퓨전(116) 사이의 전하 전송 경로를 선택적으로 차단할 수 있다. 즉, P형 불순물 영역인 스위칭 소자(114)와 N형 불순물 영역인 광전 변환 영역(112)의 접합면 및 P형 불순물 영역인 스위칭 소자(114)와 N형 불순물 영역인 수직 필라(115)의 접합면에 형성되는 공핍 영역이 스위칭 소자(114)에 인가되는 스위칭 제어신호에 따라 확장되거나 축소됨으로써, 광전 변환 영역(112)과 수직 필라(115) 사이의 전류의 흐름이 온 또는 오프된다.
도 3에서는, 4개의 콘택(118)들이 플로팅 디퓨전(116)을 둘러싸는 형태로 형성되는 경우를 보여주고 있으나, 이는 예시적인 것을 뿐 이에 한정되지는 않는다.
수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)으로부터 수직 방향으로 연장되게 형성되며, 광전 변환 영역(112)과 플로팅 디퓨전(116) 사이에 위치하여 광전 변환 영역(112)과 플로팅 디퓨전(116)을 전기적으로 연결시켜줄 수 있다. 수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)의 중심부와 연결될 수 있다. 수직 필라(115)는 스위칭 소자(114)와 접하는 영역의 일부가 스위칭 소자(114)와 중첩되도록 형성될 수 있다.
수직 필라(115)는 n형 불순물을 포함하되, 광전 변환 소자(112)로부터 플로팅 디퓨전(FD)(116) 쪽으로 진행할수록 불순물의 농도가 점차 높아지는 도핑 프로파일(graded doping profile)을 가질 수 있다. 이러한 수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)에 저장된 전하가 플로팅 디퓨전(116) 쪽으로 이동할 수 있도록 하는 전하 전송 경로로서의 기능을 수행할 수 있다.
플로팅 디퓨전(116)은 수직 필라(115)와 전기적으로 연결되게 수직 필라(115)의 상부에 위치할 수 있다. 즉, 플로팅 디퓨전(116)은 광전 변환 영역(112)의 수직 상부에 위치할 수 있다. 플로팅 디퓨전(116)은 고농도의 n형 불순물(N+)이 주입된 에피택시층(epitaxy layer)을 포함할 수 있다. 플로팅 디퓨전(116)은 리셋콘택(119)을 통해 하부기판영역(120)에 형성된 드라이버 트랜지스터(124) 및 리셋 트랜지스터와 연결될 수 있다. 수직 필라(115), 플로팅 디퓨전(116) 및 콘택들(118)은 층간 절연막(117) 내에 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자에 의한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면들로서, 도 5A는 스위칭 소자에 인가된 전압에 의해 스위칭 소자와 광전 변환 영역 사이의 공핍 영역이 확장되어 광전 변환 영역과 수직 필라 사이의 전류의 흐름이 오프(OFF)된 모습을 예시적으로 보여주는 도면이며, 도 5B는 스위칭 소자에 인가된 전압에 의해 스위칭 소자와 광전 변환 영역 사이의 공핍 영역이 축소되어 광전 변환 영역과 수직 필라 사이의 전류의 흐름이 온(ON) 된 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다.
먼저 도 5A를 참조하면, 외부에서 입사되는 광에 의해 생성된 광전하가 광전 변환 소자(112)에 축적되어야 하는 동안에는 콘택(118)을 통해 스위칭 소자(114)에 (-) 바이어스 전압(제어신호)이 인가됨으로써 스위칭 소자(114)를 오프 시킨다.
즉, 스위칭 소자(114)에 (-)바이어스 전압이 인가되면, p형 불순물 영역인 스위칭 소자(114)와 n형 불순물 영역인 광전 변환 영역(112)의 접합면에 형성된 공핍 영역이 확장된다. 또한, p형 불순물 영역인 스위칭 소자(114)와 n형 불순물 영역인 수직 필라(115)의 접합면에 형성된 공핍 영역이 확장된다.
이때, 스위칭 소자(114)가 수직 필라(115)를 둘러싸는 띠 형태로 광전 변환 소자(112)의 상부에 형성되어 있기 때문에, 광전 변환 소자(112) 측의 공핍 영역은 중심부를 향해 확장되어 서로 접촉됨으로써 광전 변환 소자(112)와 수직 필라(115) 사이의 전하 전송 경로가 폐쇄된다. 더욱이, 이온 주입을 통해 형성된 광전 변환 영역(112)의 불순물 농도는 광전 변환 영역(112)의 표면이 내부에 비해 낮다. 또한, 본 실시예에서 수직 필라(115)는 광전 변환 영역(112)과 접하는 하부 영역의 불순물 농도가 상부 영역의 불순물 농도보다 낮게 형성되는 도핑 프로파일을 가지고 있다.
따라서, 광전 변환 영역(112)과 수직 필라(115)의 경계 영역에서 공핍 영역의 확장이 더 빠르고 넓게 이루어짐으로써, N- 영역에서의 전하 이동에 도움을 주는 전위구배(Fringing field)가 발달하지 못하게 되어 전하의 이동이 보다 확실하게 차단될 수 있다.
다음에 도 5B를 참조하면, 광전 변환 소자(112)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전(116)으로 전송하고자 하는 경우에는, 콘택(118)을 통해 스위칭 소자(114)에 (+) 바이어스 전압(제어신호)을 인가함으로써 스위칭 소자(114)를 온 시킨다.즉, 스위칭 소자(114)에 (+) 바이어스 전압이 인가되면, 도 5A에서와 같이 확장되었던 공핍 영역이 도 5B에서와 같이 축소됨으로써, 광전 변환 소자(112)와 수직 필라(115) 사이의 전하 전송 경로가 개방된다. 이에 따라, 광전 변환 소자(112)에 축적된 광전하가 수직 필라(115)를 통해 플로팅 디퓨전(116)으로 전송된다.
이처럼, 본 실시예에서는 플로팅 디퓨전(116)을 광전 변환 소자(112)의 수직 상부에 위치시키고, 광전 변환 소자(112)의 상부에 p형 불순물 영역(스위칭 소자)을 형성하여 광전 변환 소자(112)와 스위칭 소자(114) 사이의 공핍 영역을 선택적으로 확장시키거나 축소시킴으로써 광전 변환 소자(112)와 플로팅 디퓨전(11) 사이의 전하의 이동을 선택적으로 차단시킬 수 있다. 이러한 구조를 통해, 본 실시에에서는 단위픽셀 영역 내에 NMOS 트랜지스터로 된 전송 트랜지스터를 형성할 필요가 없게 된다.
따라서, 종래에 반도체 기판에서 전송 트랜지스터를 형성하기 위해 사용되었던 영역까지 광전 변환 영역을 형성할 수 있어 동일 면적 대비 광전 변환 영역의 면적을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 광전 변환 영역(112)의 상부면에서 수직 필라(115)와 접하는 영역 이외의 영역이 고농도의 p형 불순물(P++) 영역으로 커버됨으로써, 암전류가 생성되더라도 그 암전류는 플로팅 디퓨전(116)을 통해 외부로 출력된다. 따라서, 본 실시예에서는 암전류 제거가 용이하게 된다.
상술한 실시예에서는 플로팅 디퓨전(116)이 광전 변환 영역(112)의 중심부의 수직 상부에 위치하는 경우만을 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 플로팅 디퓨전(116)은 광전 변환 영역(112)의 수직 상부 어느 곳이든 위치할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 픽셀 어레이 110 : 상부기판영역
111 : 상부 기판 112 : 광전 변환 영역
113 : 소자분리막 114 : 스위칭 소자
115 : 수직 필라 116 : 플로팅 디퓨전
117 : 절연막 118, 119 : 콘택
120 : 하부기판영역 122 : 하부 기판
124 : 드라이버 트랜지스터 126 : 선택 트랜지스터
130 : 광투과영역 132 : 컬러 필터층
134 : 마이크로 렌즈 200 : 상관 이중 샘플러
300 : 아날로그-디지털 컨버터 400 : 버퍼
500 : 로우 드라이버 600 : 타이밍 제너레이터
700 : 제어 레지스터 800 : 램프 신호 제너레이터

Claims (13)

  1. 반도체 기판에 형성된 광전 변환 영역;
    상기 광전 변환 영역의 상부에 위치하는 플로팅 디퓨전;
    상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전을 연결하는 수직 필라; 및
    상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 상기 반도체 기판 내에 위치하며 불순물 영역을 포함하는 스위칭 소자를 포함하되,
    상기 광전 변환 영역과 상기 스위칭 소자 사이의 공핍 영역이 상기 스위칭 소자에 인가되는 제어신호에 따라 확장 또는 축소되어 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 전하의 이동을 선택적으로 차단하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨전은
    상기 광전 변환 영역의 중심부의 수직 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨전은
    n형 에피택시층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 수직 필라는
    상기 광전 변환 영역으로부터 상기 플로팅 디퓨전 쪽으로 진행할수록 불순물의 농도가 점차 높아지는 도핑 프로파일(graded doping profile)을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    상기 불순물 영역이 상기 광전 변환 영역의 상부면에서 상기 수직 필라와 연결된 영역 이외의 영역을 전체적으로 커버하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    상기 수직 필라를 둘러싸는 띠 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    p형 불순물(P++)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. 상부 기판 내에 형성된 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역에서 변환된 전하를 임시 저장하는 플로팅 디퓨전, 및 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이에 위치하는 스위칭 소자를 포함하며, 상기 광전 변환 영역과 상기 스위칭 소자 사이의 공핍 영역의 확장 또는 축소에 의해 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 전하의 이동이 제어되는 상부기판영역;
    하부 기판에 형성되며, 상기 플로팅 디퓨전에 저장된 전하를 상관 이중 샘플러로 전송하는 논리 소자들을 포함하는 하부기판영역; 및
    외부로부터 입사되는 빛이 상기 광전 변환 영역으로 입사되도록 하는 광투과영역을 포함하며,
    상기 하부기판영역은 상기 상부기판영역의 제 1 면에 적층되고,
    상기 광투과영역은 상기 제 1 면과 대향되는 상기 상부기판영역의 제 2 면에 적층되는 이미지 센싱 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨전은
    상기 광전 변환 영역의 중심부의 수직 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨전은
    n형 에피택시층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 상부기판영역은
    상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전을 연결하는 수직 필라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 수직 필라는
    상기 광전 변환 영역으로부터 상기 플로팅 디퓨전 쪽으로 진행할수록 불순물의 농도가 점차 높아지는 도핑 프로파일(graded doping profile)을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 디퓨전 사이의 상기 상부 기판 내에 주입된 p형 불순물(P++) 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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