KR20200131423A - 포토다이오드 및 이를 포함하는 엑스레이 센서 - Google Patents

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KR20200131423A
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Abstract

엑스레이 센서가 개시된다. 상기 엑스레이 센서는, 기판과, 상기 기판 내에 형성된 포토다이오드와, 상기 포토다이오드와 연결된 리셋 트랜지스터와, 상기 포토다이오드와 연결된 소스팔로워 트랜지스터와, 상기 소스팔로워 트랜지스터와 연결된 선택 트랜지스터를 포함하며, 상기 포토다이오드는, 상기 기판 내에 배치되며 상기 기판의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들과, 상기 전하 저장층들 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들과, 상기 전하 저장층들을 상기 리셋 트랜지스터와 상기 소스팔로워 트랜지스터에 전기적으로 연결하는 웰 영역을 포함한다.

Description

포토다이오드 및 이를 포함하는 엑스레이 센서{Photodiode and X-ray sensor including the same}
본 발명의 실시예들은 포토다이오드 및 이를 포함하는 엑스레이 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 증가된 전하 저장 용량 및 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 포토다이오드 및 이를 포함하는 엑스레이 센서에 관한 것이다.
엑스레이 센서는 엑스레이를 별도의 변환과정 없이 바로 전기적인 신호로 변환하는 직접 변환 방식과 신틸레이터를 이용하여 엑스레이를 가시광선으로 변환하고 상기 가시광선을 전기적인 신호로 변환하는 간접 변환 방식으로 구분될 수 있다. 상기 직접 변환 방식의 엑스레이 센서는 엑스레이 광자를 전기적인 신호로 직접 변환하기 위한 광도전체(photo-conductor)를 포함할 수 있으며, 상기 간접 변환 방식의 엑스레인 센서는 상기 가시광선을 검출하기 위한 포토다이오드를 포함할 수 있다. 상기 포토다이오드로는 전하 저장 영역과 피닝 영역을 포함하는 핀드 포토다이오드가 사용될 수 있다.
상기 포토다이오드의 전하 저장 용량은 상기 전하 저장 영역의 피닝 전압에 의해 결정될 수 있다. 상기 전하 저장 영역의 피닝 전압은 상기 전하 저장 영역의 불순물 농도에 의해 결정될 수 있으나, 상기 전하 저장 영역의 피닝 전압을 증가시키는 데에는 한계가 있으며, 이에 따라 상기 포토다이오드의 다이나믹 레인지의 확장에도 제한이 있다.
본 발명의 실시예들은 증가된 전하 저장 영역과 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 포토다이오드와 이를 포함하는 엑스레이 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 포토다이오드는, 기판 내에 형성된 복수의 전하 저장 영역들과, 상기 전하 저장 영역들에 각각 인접하게 형성된 복수의 피닝 영역들과, 상기 전하 저장 영역들과 연결된 웰 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장 영역들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장 영역들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장 영역과 다른 피닝 전압을 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 포토다이오드는, 제1 도전형을 갖고 기판 내에 배치되며 상기 기판의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들과, 제2 도전형을 갖고 상기 전하 저장층들 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들과, 상기 제1 도전형을 갖고 상기 전하 저장층들과 연결된 웰 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들을 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장층과 다른 피닝 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 불순물 농도들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들보다 높은 피닝 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 포토다이오드는, 상기 제2 도전형을 갖고 상기 피닝층들과 연결된 제2 웰 영역을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 제2 웰 영역은 상기 피닝층들을 감싸는 링 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 포토다이오드는, 상기 제2 도전형을 갖고 상기 기판 내에 형성된 제3 웰 영역을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 전하 저장층들과 상기 피닝층들 및 상기 웰 영역과 상기 제2 웰 영역은 상기 제3 웰 영역 상에 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 엑스레이 센서는, 기판과, 상기 기판 내에 형성된 포토다이오드와, 상기 포토다이오드와 연결된 리셋 트랜지스터와, 상기 포토다이오드와 연결된 소스팔로워 트랜지스터와, 상기 소스팔로워 트랜지스터와 연결된 선택 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 상기 포토다이오드는, 상기 기판 내에 배치되며 상기 기판의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들과, 상기 전하 저장층들 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들과, 상기 전하 저장층들을 상기 리셋 트랜지스터와 상기 소스팔로워 트랜지스터에 전기적으로 연결하는 웰 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들을 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 포토 다이오드는 상기 웰 영역 상에 형성된 웰 콘택 영역을 더 포함할 수 있으며, 상기 전하 저장층들과 상기 웰 영역 및 상기 웰 콘택 영역은 제1 도전형을 갖고, 상기 기판과 상기 피닝층들은 제2 도전형을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장층과 다른 피닝 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 전하 저장층들의 피닝 전압들은 상기 기판의 표면으로부터 깊이 방향으로 감소될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 포토다이오드는, 상기 피닝층들과 연결된 제2 웰 영역과, 상기 제2 웰 영역 상에 형성된 제2 웰 콘택 영역을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 제2 웰 영역은 상기 피닝층들을 감싸는 링 형태를 가질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 포토다이오드는 복수의 전하 저장 영역들을 포함할 수 있으며, 상기 전하 저장 영역들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다. 포토다이오드 전압은 상기 포토다이오드 내부에서 생성된 전자들에 의해 강하될 수 있으며, 상기 포토다이오드 전압이 강하됨에 따라 상기 전자들이 축적되는 영역이 증가될 수 있다. 결과적으로, 상기 포토다이오드의 전하 저장 용량이 크게 증가될 수 있으며, 이에 따라 상기 포토다이오드의 다이나믹 레인지가 크게 넓어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 포토다이오드를 포함하는 엑스레이 센서를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 포토다이오드에 축적되는 전자들의 개수와 포토다이오드 전압(Vpd)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
본 발명의 실시예들에서 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결되는 것으로 설명되는 경우 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화는 충분히 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차를 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 요소들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상은 요소들의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 포토다이오드를 포함하는 엑스레이 센서를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 센서(10)는 기판(102) 및 상기 기판(102) 내에 형성된 포토다이오드(100)를 포함할 수 있다. 상기 포토다이오드(100)는 상기 기판(102) 내에 형성된 복수의 전하 저장 영역들(110, 112, 114)과, 상기 전하 저장 영역들(110, 112, 114)에 각각 인접하게 형성된 복수의 피닝 영역들(120, 122, 124)과, 상기 전하 저장 영역들(110, 112, 114)에 연결된 웰 영역(130)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102) 내에는 제1 도전형을 갖고 상기 기판(102)의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들(110, 112, 114)이 형성될 수 있으며, 상기 전하 저장층들(110, 112, 114) 상에는 제2 도전형을 갖는 복수의 피닝층들(120, 122, 124)이 각각 형성될 수 있다.
일 예로서, 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 N형 불순물 층들일 수 있으며, 상기 피닝층들(120, 122, 124)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 P형 불순물 층들일 수 있다. 아울러, 상기 피닝층들(120, 122, 124)과 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)은 상기 기판(102)의 표면으로부터 깊이 방향으로 교대로 배치될 수 있으며, 상기 포토다이오드(100)는 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)과 상기 피닝층들(120, 122, 124) 사이의 PN 접합층들을 포함할 수 있다.
상기 기판(102)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(102)으로는 P형 기판이 사용될 수 있다. 다른 예로서, 상기 기판(102) 상에는 P형 에피택시얼 층(미도시)이 형성될 수 있으며, 이 경우, 상기 포토다이오드(100)는 상기 에피택시얼층 내에 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드(100)는 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)과 연결되며 상기 제1 도전형을 갖는 웰 영역(130)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 웰 영역(130)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 N형 불순물 영역일 수 있으며, 도시된 바와 같이 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)을 관통하여 형성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 포토다이오드(100)는 상기 피닝층들(120, 122, 124)과 연결되며 상기 제2 도전형을 갖는 제2 웰 영역(140)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 웰 영역(140)은 상기 피닝층들(120, 122, 124)을 감싸도록 링 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 웰 영역(140)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 P형 불순물 영역일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 엑스레이 센서(10)는 상기 포토다이오드(100)와 연결된 리셋 트랜지스터(20)와, 상기 포토다이오드(100)와 연결된 소스팔로워 트랜지스터(22), 및 상기 소스팔로워 트랜지스터(22)와 연결된 선택 트랜지스터(24)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 상기 리셋 트랜지스터(20)와 소스팔로워 트랜지스터(22) 및 리셋 트랜지스터(24)는 상기 포토다이오드(100)와 인접한 트랜지스터 영역 상에 형성될 수 있으며, 각각 게이트 전극과 게이트 절연막 및 소스/드레인 영역들을 포함할 수 있다.
특히, 상기 포토다이오드(100)는 상기 리셋 트랜지스터(20)의 소스 영역 및 상기 소스팔로워 트랜지스터(22)의 게이트 전극과 연결될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(20)의 드레인 영역에는 리셋 전압(Vrst)이 인가될 수 있으며, 상기 소스팔로워 트랜지스터(22)의 드레인 영역에는 드레인 전압(Vdd)이 인가될 수 있다. 상기 소스팔로워 트랜지스터(22)의 소스 영역은 상기 선택 트랜지스터(24)의 드레인 영역과 연결될 수 있다. 상기 선택 트랜지스터(24)의 게이트 전극은 로우 신호 라인에 연결될 수 있으며, 상기 선택 트랜지스터(24)의 소스 영역은 컬럼 신호 라인에 연결될 수 있다. 한편, 상기 리셋 트랜지스터(20)의 게이트 전극은 리셋 신호 라인에 연결될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 웰 영역(130) 상에는 상기 제1 도전형을 갖는 웰 콘택 영역(132)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 웰 영역(140) 상에는 상기 제2 도전형을 갖는 제2 웰 콘택 영역(142)이 형성될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(20)와 상기 소스팔로워 트랜지스터(22)는 상기 웰 콘택 영역(132)을 통해 상기 웰 영역(130)과 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)에 연결될 수 있으며, 상기 제2 웰 영역(140)은 상기 제2 웰 콘택 영역(142)을 통해 접지될 수 있다. 한편, 상기 제2 웰 영역(140) 내에는 소자 분리 영역(104)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 웰 콘택 영역(142)은 상기 소자 분리 영역(104)의 외측에 배치될 수 있다. 일 예로서, 상기 소자 분리 영역(104)은 실리콘 산화물과 같은 절연 물질로 이루어진 얕은 트렌치 소자 분리 영역일 수 있다.
상기 전하 저장층들(110, 112, 114)은 제1 전하 저장층(110)과 상기 제1 전하 저장층(110)의 상부에 배치된 제2 전하 저장층(112) 및 상기 제2 전하 저장층(112)의 상부에 배치된 제3 전하 저장층(114)을 포함할 수 있다. 상기 피닝층들(120, 122, 124)은 상기 제1 전하 저장층(110) 상에 형성된 제1 피닝층(120)과, 상기 제2 전하 저장층(112) 상에 형성된 제2 피닝층(122)과, 상기 제3 전하 저장층(114) 상에 형성된 제3 피닝층(124)을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)은 서로 다른 피닝 전압들을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전하 저장층(110)은 제1 피닝 전압을 가질 수 있고, 상기 제2 전하 저장층(112)은 상기 제1 피닝 전압보다 높은 제2 피닝 전압을 가질 수 있으며, 상기 제3 전하 저장층(114)은 상기 제2 피닝 전압보다 높은 제3 피닝 전압을 가질 수 있다. 즉, 상기 제1, 제2 및 제3 전하 저장층들(110, 112, 114)은 상기 기판(102)의 표면으로부터 깊이 방향으로 점차 감소되는 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 전하 저장층들(110, 112, 114)의 피닝 전압들은 불순물 농도에 의해 조절될 수 있다. 즉, 상기 제1, 제2 및 제3 전하 저장층들(110, 112, 114)은 서로 다른 불순물 농도들을 각각 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전하 저장층(110)은 제1 불순물 농도를 가질 수 있고, 상기 제2 전하 저장층(114)은 상기 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 가질 수 있으며, 상기 제3 전하 저장층(114)은 상기 제2 불순물 농도보다 높은 제3 불순물 농도를 가질 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 엑스레이 센서(10)는 엑스레이를 가시광선으로 변환하기 위한 신틸레이터 층(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 신틸레이터 층에 의해 변환된 가시광선이 상기 포토다이오드(100)로 입사될 수 있다. 한편, 상기 포토다이오드(100)는 상기 리셋 트랜지스터(20)의 동작에 의해 리셋 전압(Vrst)으로 리셋될 수 있다. 이때, 상기 리셋 전압(Vrst)은 상기 드레인 전압(Vdd)과 동일할 수 있으며, 상기 제3 피닝 전압은 상기 제1, 제2 및 제3 전하 저장층들(110, 112, 114)이 완전히 또는 충분히 공핍될 수 있도록 상기 리셋 전압(Vrst)과 동일하거나 상기 리셋 전압(Vrst)보다 낮게 설정될 수 있다. 한편, 상기 웰 영역(130)은 상기 제3 불순물 농도보다 높은 제4 불순물 농도를 가질 수 있으며, 아울러 상기 리셋 전압(Vrst)보다 높은 제4 피닝 전압을 가질 수 있다.
상기와 같이 포토다이오드(100)가 리셋된 후 상기 포토다이오드(100)로 상기 가시광선이 입사될 수 있으며, 상기 가시광선에 의해 생성된 전자들이 상기 포토다이오드(100)에 축적될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 포토다이오드에 축적되는 전자들의 개수와 포토다이오드 전압(Vpd)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 포토다이오드(100)가 약 3.3V 정도의 리셋 전압(Vrst)으로 리셋된 후 가시광선의 입사에 의해 생성된 전자들이 상기 포토다이오드(100)에 축적될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 피닝 전압(Vpin1)이 약 1V 정도이고, 상기 제2 피닝 전압(Vpin2)이 약 2V 정도이며, 상기 제3 피닝 전압(Vpin3)이 약 3V 정도인 경우, 상기 포토다이오드 전압(Vpd)이 약 3.3V로부터 상기 제3 피닝 전압(Vpin3)으로 강하되는 동안 상기 전자들은 상기 웰 영역(130)에 축적될 수 있으며, 상기 제3 피닝 전압(Vpin3)으로부터 상기 제2 피닝 전압(Vpin2)으로 강하되는 동안 상기 전자들은 상기 웰 영역(130)과 상기 제3 전하 저장 영역(114)에 축적될 수 있다. 또한, 상기 포토다이오드 전압(Vpd)이 상기 제2 피닝 전압(Vpin2)으로부터 상기 제1 피닝 전압(Vpin1)으로 강하되는 동안 상기 전자들은 상기 웰 영역(130)과 상기 제3 전하 저장 영역(114) 및 상기 제2 전하 저장 영역(112)에 축적될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 상기 포토다이오드 전압(Vpd)이 상기 제1 피닝 전압(Vpin1) 아래로 강하되는 경우 상기 전자들은 상기 웰 영역(130)과 상기 제3 전하 저장 영역(114) 그리고 상기 제2 전하 저장 영역(112) 및 상기 제1 전하 저장 영역(110)에 축적될 수 있다.
상기와 같이 포토다이오드 전압(Vpd)이 강하됨에 따라 상기 전자들의 축적 공간이 크게 증가될 수 있으며, 이에 따라 상기 제1, 제2 및 제3 전하 저장층들(110, 112, 114)에 축적되는 전자들의 개수가 크게 증가될 수 있다. 즉, 종래 기술과 비교하여 상기 포토다이오드(100)의 전하 저장 용량이 크게 증가될 수 있으며, 이에 따라 상기 포토다이오드(100)의 다이나믹 레인지가 크게 넓어질 수 있다.
상기한 바에 따르면, 상기 포토다이오드(100)가 3개의 전하 저장층들(110, 112, 114)과 3개의 피닝층들(120, 122, 124)을 포함하고 있으나, 상기 전하 저장층들(110, 112, 114)의 개수와 상기 피닝층들(120, 122, 124)의 개수는 다양하게 변경 가능하다. 예를 들면, 상기 포토다이오드(100)는 2개 또는 4개의 전하 저장층들과 2개 또는 4개의 피닝층들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전하 저장층들(110, 112, 114) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장층과 다른 피닝 전압을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전하 저장층(110)은 제1 피닝 전압을 가질 수 있으며, 상기 제2 및 제3 전하 저장층들(112, 114)은 상기 제1 피닝 전압보다 높은 제2 피닝 전압을 가질 수 있다. 또한, 상기 포토다이오드(100)가 4개의 전하 저장층들을 포함하는 경우, 제1 및 제2 전하 저장층들은 제1 피닝 전압을 가질 수 있으며, 제3 및 제4 전하 저장층들은 상기 제1 피닝 전압보다 높은 제2 피닝 전압을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토다이오드(200)는, 기판(202) 내에 형성된 복수의 전하 저장층들(210, 212, 214)과, 상기 전하 저장층들(210, 212, 214) 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들(220, 222, 224)과, 상기 전하 저장층들(210, 212, 214)과 연결된 웰 영역(230)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전하 저장층들(210, 212, 214)과 상기 웰 영역들(230)은 P형 불순물 영역들일 수 있으며, 상기 피닝층들(220, 222, 224)은 N형 불순물 영역들일 수 있다.
상기 포토다이오드(200)는 상기 피닝층들(220, 222, 224)과 연결된 제2 웰 영역(240)과 상기 기판(202) 내에 형성된 제3 웰 영역(250)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전하 저장층들(210, 212, 214)과 상기 피닝층들(220, 222, 224) 및 상기 웰 영역(230)과 상기 제2 웰 영역(240)은 상기 제3 웰 영역(250) 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 웰 영역(240)과 상기 제3 웰 영역(250)은 N형 불순물 영역들일 수 있다. 또한, 상기 웰 영역(230) 상에는 웰 콘택 영역(232)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 웰 영역(240) 상에는 제2 웰 콘택 영역(242)이 형성될 수 있다. 상기 제2 웰 영역(240) 내에는 소자 분리 영역(204)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 웰 콘택 영역(242)은 상기 소자 분리 영역(204)의 외측에 배치될 수 있다.
상기 기판(202)은 P형 기판일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(202) 상에는 P형 에피택시얼 층(미도시)이 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제3 웰 영역(250)은 상기 P형 에피택시얼 층 내에 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 포토다이오드는 복수의 전하 저장 영역들을 포함할 수 있으며, 상기 전하 저장 영역들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 가질 수 있다. 포토다이오드 전압은 상기 포토다이오드 내부에서 생성된 전자들에 의해 강하될 수 있으며, 상기 포토다이오드 전압이 강하됨에 따라 상기 전자들이 축적되는 영역이 증가될 수 있다. 결과적으로, 상기 포토다이오드의 전하 저장 용량이 크게 증가될 수 있으며, 이에 따라 상기 포토다이오드의 다이나믹 레인지가 크게 넓어질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 엑스레이 센서 20 : 리셋 트랜지스터
22 : 소스팔로워 트랜지스터 24 : 선택 트랜지스터
100 : 포토다이오드 102 : 기판
104 : 소자 분리 영역 110 : 제1 전하 저장층
112 : 제2 전하 저장층 114 : 제3 전하 저장층
120 : 제1 피닝층 122 : 제2 피닝층
124 : 제3 피닝층 130 : 웰 영역
132 : 웰 콘택 영역 140 : 제2 웰 영역
142 : 제2 웰 콘택 영역

Claims (20)

  1. 기판 내에 형성된 복수의 전하 저장 영역들;
    상기 전하 저장 영역들에 각각 인접하게 형성된 복수의 피닝 영역들; 및
    상기 전하 저장 영역들과 연결된 웰 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전하 저장 영역들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전하 저장 영역들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장 영역과 다른 피닝 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  4. 제1 도전형을 갖고 기판 내에 배치되며 상기 기판의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들;
    제2 도전형을 갖고 상기 전하 저장층들 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들; 및
    상기 제1 도전형을 갖고 상기 전하 저장층들과 연결된 웰 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들을 관통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  7. 제4항에 있어서, 상기 전하 저장층들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장층과 다른 피닝 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  8. 제4항에 있어서, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 불순물 농도들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  9. 제4항에 있어서, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들보다 높은 피닝 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제2 도전형을 갖고 상기 피닝층들과 연결된 제2 웰 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 웰 영역은 상기 피닝층들을 감싸는 링 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2 도전형을 갖고 상기 기판 내에 형성된 제3 웰 영역을 더 포함하며,
    상기 전하 저장층들과 상기 피닝층들 및 상기 웰 영역과 상기 제2 웰 영역은 상기 제3 웰 영역 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  13. 기판;
    상기 기판 내에 형성된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드와 연결된 리셋 트랜지스터;
    상기 포토다이오드와 연결된 소스팔로워 트랜지스터; 및
    상기 소스팔로워 트랜지스터와 연결된 선택 트랜지스터를 포함하되,
    상기 포토다이오드는,
    상기 기판 내에 배치되며 상기 기판의 표면에 대하여 수직하는 방향으로 배열된 복수의 전하 저장층들과,
    상기 전하 저장층들 상에 각각 배치된 복수의 피닝층들과,
    상기 전하 저장층들을 상기 리셋 트랜지스터와 상기 소스팔로워 트랜지스터에 전기적으로 연결하는 웰 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 웰 영역은 상기 전하 저장층들을 관통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 포토 다이오드는 상기 웰 영역 상에 형성된 웰 콘택 영역을 더 포함하며,
    상기 전하 저장층들과 상기 웰 영역 및 상기 웰 콘택 영역은 제1 도전형을 갖고,
    상기 기판과 상기 피닝층들은 제2 도전형을 갖는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  16. 제13항에 있어서, 상기 전하 저장층들은 서로 다른 피닝 전압들을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  17. 제13항에 있어서, 상기 전하 저장층들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 나머지 전하 저장층과 다른 피닝 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  18. 제13항에 있어서, 상기 전하 저장층들의 피닝 전압들은 상기 기판의 표면으로부터 깊이 방향으로 감소되는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  19. 제13항에 있어서, 상기 포토다이오드는,
    상기 피닝층들과 연결된 제2 웰 영역과,
    상기 제2 웰 영역 상에 형성된 제2 웰 콘택 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 웰 영역은 상기 피닝층들을 감싸는 링 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 엑스레이 센서.
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