KR100431749B1 - 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 전하운송 효율을 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 이격되는 위치의 상기 기판에 형성된 센싱확산영역; 및 상기 포토다이오드의 일단과 상기 센싱확산영역의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 상기 광신호를 상기 센싱확산영역으로 전달하는 게이트전극을 구비하며, 상기 게이트전극은 상기 센싱확산영역과 오버랩되는 부분에서 일부영역에 홈이 형성된 이미지센서를 제공한다.

Description

이미지센서{Image sensor}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

도 1(a)는 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 평면도이며, 도 1(b)는 단면도이다.

도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 종래의 이미지센서는 기판(도시하지 않음)에 포토다이오드(이하 PD라 함)가 형성되어 있으며, PD와 이격되는 위치의 기판(도시하지 않음)에 센싱확산영역(이하 FD라 함)이 형성되어 있으며, PD와 FD의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 PD로 부터의 광신호를 FD로 전달하는 게이트전극(트랜스퍼 게이트, 이하 Tx라 함)이 형성되어 있다.

PD는 P형의 기판 하부에 형성된 N형의 포토다이오드영역(이하 n-영역이라 함)과, 기판 표면으로부터 n-영역으로 확장되어 형성된 P형의 포토다이오드영역(이하 P0라 함)을 포함하며, FD는 기판 표면으로부터 하부로 확장되어 형성된 고농도의 N형(n+)이며, Tx는 주로 폴리실리콘 등을 포함한 전도성 물질을 이용하여 형성된다.

한편, 상기한 구성을 갖는 종래의 이미지센서는 PD에서 모아진 빛을 FD로 전달하는 Tx의 구조가 바(Bar) 형태로 되어 있어서 Tx 하부에서의 전기장이 골고루 퍼지게 된다. 따라서, Tx를 On시켰을 때 일정시간 데이타가 센싱영역으로 넘어가지 않는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기한 구조에서와 같이 PD와 FD 사이에 Tx가 위치하여 PD와 FD가 분리되는 경우, 고집적이나 저전압으로 갈수록 그 전원전압(VDD)는 점점 낮아져 Tx에 인가되는 전압도 낮아지게 된다. 따라서, PD에서 발생되는 전자들이 FD로 완전하게 이송되지 않아 저조도에서의 화상 특성이 열화된다.

즉, 도 1(b)의 하단에는 도 1(a)의 PD에서의 최대 전위영역(X)을 기준으로 PD와 Tx 및 FD에서의 전위 분포를 개략적으로 도시하는 바, Tx가 오프시 최대 전위영역이 Tx와 PD의 경계 지역에서 멀어 Tx의 온이 어렵게 된다.

상술한 바와 같은 종래의 이미지센서는 PD 상부에 있는 P0 영역이 확산으로 인해 PD에서 Tx를 지나 FD에 이르는 전하운송 통로에 P형에 의한 장벽인 전위장벽(Potential barrier)을 형성하여 전하 운송을 방해하게 되며, 이온주입을통해 형성되는 PD의 n-영역의 불순물 농도는 PD 표면에서의 농도가 내부에 비해 낮으므로 n-영역의 최고 농도를 갖는 지점에 비해 Tx에 가까운 표면의 n-영역이 PD의 내부보다 빨리 공핍되기 때문에 전하 운송을 위해 트랜스터 게이트를 동작시킬 때, n-영역에서의 전하 운송에 도움을 구는 전위구배(Fringing field)가 발달하지 못하게 되어 완전한 전하 운송에 방해가 된다. 따라서, PD의 용량을 충분히 확보하기 위해 n- 영역을 더욱 깊게 할 수 없게 된다.

한편, 상기와 같은 전하운송 효율을 향상시키기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, FD 영역에 저농도의 n-영역을 추가로 이온주입할 수도 있으나, 이 경우에는 Tx와 FD 간의 정전용량이 증가하게 되어 광신호를 전기적 신호로 변환하는 변환이득(Conversion gain)이 감소하게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 전하운송 효율을 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 도면,

도 2는 개선된 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

PD : 포토다이오드

Tx : 게이트전극(트랜스퍼 게이트)

FD : 센싱확산영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 이격되는 위치의 상기 기판에 형성된 센싱확산영역; 및 상기 포토다이오드의 일단과 상기 센싱확산영역의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 상기 광신호를 상기 센싱확산영역으로 전달하는 게이트전극을 구비하며, 상기게이트전극은 상기 센싱확산영역과 오버랩되는 부분에서 일부영역에 홈이 형성된 이미지센서를 제공한다.

바람직하게, 본 발명은 상기 일부영역과 오버랩되는 부위의 상기 반도체기판에 형성되며, 상기 센싱확산영역에 비해 저농도인 불순물영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하며,

상기 일부영역은 상기 센싱확산영역과 오버랩되는 부분의 중앙에 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 PD의 정전용량을 감소시키지 않으면서 전하운송 효율을 향상시키기 위해 PD 또는 FD와 오버랩되는 영역에서의 Tx의 형상을 변형하거나, 그 하부 영역의 불순물 농도에 변화를 주어 최대전위 지점의 변화 또는 숏채널 효과를 이용하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면으로서, 도 3(a)는 FD와 오버랩되는 부분에서 일부영역에 홈을 갖는 Tx를 포함하는 이미지센서를 도시한 평면도이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 단면도이며, 도 3(c)는 상기 홈에 별도의 이온주입이 이루어진 이미지센서의 구조를 도시한 단면도이다.

도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 기판에 PD가 형성되어 있으며, PD와 이격되는 위치의 기판에 FD가 형성되어 있으며, PD의 일단과 FD의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 PD로부터의 광신호를 FD로 전달하는 Tx가 형성되어 있는 바, Tx는 FD와 오버랩되는 부분에서 일부영역(A)에 홈이 형성되어 있다.

여기서, 일부영역(A)은 FD와 오버랩되는 부분의 중앙에 형성되는 것이 바람직하며, PD는 P형의 기판 하부에 형성된 N형의 포토다이오드영역(이하 n-영역이라 함)과, 기판 표면으로부터 n-영역으로 확장되어 형성된 P형의 포토다이오드영역(이하 P0영역이라 함)을 포함하며, FD는 기판 표면으로부터 하부로 확장되어 형성된 고농도의 N형 불순물 영역(n+)이며, Tx는 폴리실리콘 등의 전도성 물질을 포함한다.

상기한 구성을 갖는 이미지센서의 동작을 살펴본다.

이미지센서의 화소(Pixel) 구조에서 Tx(Tx의 게이트전극) 구조를 기존의 바 형상이 아닌 FD와 오버랩된 부분에서 일부를 홈(A) 형태로 형성함으로써, 이 부분(A)의 전기장을 다른 부분보다 높게 만든다. 따라서, PD에서 모아진 광신호들이 FD로 넘어갈 때 Tx의 전기장이 높은 부분(A)으로 데이타가 집중되어 FD로 바르게넘어가게 되는 것으로, 상기 홈(A)이 Tx의 FD와 오버랩되는 부분에서 그 중앙에 위치하는 것이 바람직하다. 이것은 Tx의 중심에서 전기장이 가장 세기 때문이다.

요컨대, 상기한 본 발명의 일실시예에서는 Tx의 게이트를 좁게 함으로써 전기장을 강하게 하는 것으로 숏채널효과(Short channel effect)를 이용하는 바, PD에서 집적된 전자(광신호)가 FD로 전달될 때 FD의 중심으로 보다 빠르게 집중적으로 전달되므로 전하운송효율을 높일 수 있게 되며, 이는 특히 저조도의 전달 특성에 탁월한 효과를 나타낸다.

한편, 도 3(a) 및 도 3(b)에서의 도면부호 'B'는 홈이 형성되지 않은 영역을 도시하는 바, 'B' 영역에서는 FD와 Tx가 오버랩 또는 접촉되어 있지만, 홈이 형성된 'A' 영역에서는 홈의 깊이 만큼 이격된 것처럼 배치되어 있다. 따라서, FD의 n+영역은 도 3(b)에서 점선과 실선으로 구분한 바와 같이 Tx에 의해 그 하부의 이온주입된 부분이 달라지게 되는 것이다.

한편, 상기 홈이 형성된 부분에만 저농도의 N형 불순물을 이온주입하여 전하운송효율을 더욱 개선시킬 수 있는 바, 도 3(c)는 상기 일부영역(A)과 오버랩되는 부위의 반도체기판에 형성되며, FD에 비해 저농도인 불순물영역(n-)을 더 포함하는 구조를 이룬다.

이 경우 Tx와 FD 간의 정전용량이 증가하더라도 홈의 크기를 작게하면 변환이득에 큰 영향을 주지 않고 제작 가능하며, 운송효율은 증가하기 때문에 변환이득은 감소하지 않게 된다.

도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면으로서, 도 4(a)는 PD와 오버랩되는 부분에서 일부영역에 돌출부를 갖는 Tx를 포함하는 이미지센서를 도시한 평면도이며, 도 4(b)는 도 4(a)의 단면도이다.

도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 기판에 PD가 형성되어 있으며, PD와 이격되는 위치의 기판에 FD가 형성되어 있으며, PD의 일단과 FD의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 PD로부터의 광신호를 FD로 전달하는 Tx가 형성되어 있는 바, Tx는 PD와 오버랩되는 부분에서 일부영역에 돌출부(C)가 형성되어 있다.

여기서, 돌출부(C)은 PD와 오버랩되는 부분의 중앙에 형성되는 것이 바람직하며, PD는 P형의 기판 하부에 형성된 N형의 포토다이오드영역(이하 n-영역이라 함)과, 기판 표면으로부터 n-영역으로 확장되어 형성된 P형의 포토다이오드영역(이하 P0영역이라 함)을 포함하며, FD는 기판 표면으로부터 하부로 확장되어 형성된 고농도의 N형 불순물 영역(n+)이며, Tx는 폴리실리콘 등의 전도성 물질을 포함한다.

상기한 구성을 갖는 이미지센서의 동작을 살펴본다.

Tx 하부에서는 상술한 바와 같이 그 중앙부(X)에서의 전기장의 가장 세게 나타난다. 따라서, 그 중앙부에 돌출부를 형성하는 것이 가장 바람직하며, 종래의 경우 최대전위가 위치하는 곳이 PD와 Tx의 경계에서 멀어 Tx를 구동시키기 위한 전압이 점차 작아질 수록 Tx의 온이 어렵게 되는 바, 최대전위 지점이 위치하는 중앙부에 Tx가 돌출부를 갖도록 하면, PD 최대 전위 지점과 돌출된 Tx 간의 거리가 가까워져 낮은 전압에서도 Tx 온이 더 쉬워지게 된다. 그 중앙부를 따르는 전위분포에서 도시 것처럼 PD 영역의 최대 전위 지점과 PD의 Tx의 경계부의 거리가 점차로 짧아 지면서 Tx의 온이 더 쉬워지게 된다.

'D'와 같이 Tx 하부의 최대 지점이 PD근처로 이동하게 되어 Tx의 온이 더 쉬워지게 된다.

또한, 돌출된 부분(C)에서의 전기장(E)은 돌출되지 않은 부분에 비해 더 세지게 되므로, PD에 모아진 전자는 돌출부(C)로 빠르게 모이게 되어 FD로 전송되게 되므로, PD에서 FD로의 전하운송효율이 증가하게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면으로서, 도 5(a)는 PD와 오버랩되는 부분에서 일부영역에 PD의 n-영역보다 상대적으로 고농도인 n+영역를 갖는 이미지센서를 도시한 평면도이며, 도 5(b)는 도 5(a)의 단면도이다.

도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, P형 기판 하부에 N형 PD영역(n-영역)이 형성되어 있으며, 기판 표면으로부터 n-영역으로 확장되어 P형 PD영역(P0영역)이 형성되어 PD를 이루고 있으며, PD와 이격되는 위치의 기판에 N형 FD(n+)가 형성되어 있으며, PD의 일단과 FD의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 PD로부터의 광신호를 FD로 전달하는 Tx가 형성되어 있으며, Tx와 PD가 오버랩되는 부분에서 n-영역의 일부영역에 n-영역보다 고농도인 n+영역(F)이 형성되어 있다.

여기서, n+영역(F)은 PD와 오버랩되는 부분의 중앙에 형성되는 것이 바람직하며, FD는 기판 표면으로부터 하부로 확장되어 형성된 고농도의 N형 불순물 영역(n+)이며, Tx는 폴리실리콘 등의 전도성 물질을 포함한다.

상기한 구성을 갖는 이미지센서의 동작을 살펴본다.

Tx 하부에서는 상술한 바와 같이 그 중앙부(X)에서의 전기장이 가장 세게 나타난다. 따라서, 그 중앙부에 돌출부를 형성하는 것이 가장 바람직하며, 종래의 경우 PD의 최대전위가 위치하는 곳이 PD와 Tx의 경계에서 멀어 Tx를 구동시키기 위한 전압이 점차 작아질 수록 Tx의 온이 어렵게 되는 바, 최대 전위 지점이 위치하는 Tx와 PD 경계부의 중앙부에 고농도의 n+영역을 갖도록 하면, 그 n+ 영역에서 최대 전위가 되어 Tx와 PD 최대 전위 지점과 거리가 가까워져 매우 쉽게 Tx의 턴 온이될 수 있다. 그 중앙부를 따르는 전위 분포에서 도시된 것처럼 PD 영역의 최대 전위 지점과 PD와 Tx의 경계부의 거리가 점차로 짧아 지면서 Tx의 온이 더 쉬워지게 된다.

또한, n+영역(F)에서의 전기장(E)은 돌출되지 않은 부분에 비해 더 세지게 되므로, PD에 모아진 전자는 n+영역(F)로 빠르게 모이게 되어 FD로 전송되게 되므로, PD에서 FD로의 전하운송효율이 증가하게 된다.

이는 PD와 Tx가 오버랩되는 부분에서 그 중앙에 n-영역 형성시 사용하는 이온주입 에너지 예컨대, 160KeV 내지 200KeV 정도의 이온주입 에너지 및 1.0E11/㎠ 내지 9.0E13/㎠ 농도의 N형 불순물을 이용하여 형성하는 것으로 n-영역에 추가의 이온주입이 가해지므로 'F' 영역은 n+농도를 갖게 된다.

이는 이미지센서 제조시 'F' 영역에 이온주입을 실시하기 위한 별도의 이온주입 마스크를 필요로 하나, 경사(Tilt) 이온주입를 통해 n-영역에서의 전위구배를 향상시키는 효과를 전위가 센 한 지점에 집중시킬 수 있도록 한 것으로 경사 이온주입에 비해 탁월한 효과를 기대할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, Tx의 구조 또는 Tx의 하부 기판 중 PD 또는 FD와 오버랩되는 경계에서의 전위를 변화시킴으로써, 전자를 한 곳으로 집중시켜 전하운송효율을 높일 수 있음을 실시예를 통해 알아보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 전하운송효율을 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (10)

1. 이미지센서에 있어서,

   기판에 형성된 포토다이오드;

   상기 포토다이오드와 이격되는 위치의 상기 기판에 형성된 센싱확산영역; 및

   상기 포토다이오드의 일단과 상기 센싱확산영역의 일단에 각각 오버랩되어 온-오프 동작을 통해 상기 광신호를 상기 센싱확산영역으로 전달하는 게이트전극을 구비하며,

   상기 게이트전극은 상기 센싱확산영역과 오버랩되는 부분에서 일부영역에 홈이 형성된 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 일부영역과 오버랩되는 부위의 상기 반도체기판에 형성되며, 상기 센싱확산영역에 비해 저농도인 불순물영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 일부영역은 상기 센싱확산영역과 오버랩되는 부분의 중앙에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 포토다이오드는,

   제1도전형의 상기 기판 하부에 형성된 제2도전형의 제1포토다이오드영역; 및

   상기 기판 표면으로부터 상기 제1포토다이오드영역으로 확장되어 형성된 제1도전형의 제2포토다이오드영역을 포함하며,

   상기 센싱확산영역은,

   상기 기판 표면으로부터 하부로 확장되어 형성된 고농도의 제2도전형이며,

   상기 게이트전극은,

   폴리실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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