KR100790584B1 - 부분 완전 공핍 플로우팅 확산 노드를 갖는 이미지 센서 - Google Patents
부분 완전 공핍 플로우팅 확산 노드를 갖는 이미지 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 부분 완전 공핍 플로우팅 확산 노드를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 이미지 센서에 있어서, 제 1 도전형 제 1 확산 영역 및 제 2 도전형 제 2 확산 영역을 포함하는 포토 다이오드와, 제 1 도전형 제 3 확산 영역 및 제 1 도전형 제 3 확산 영역의 상부에 형성된 제 2 도전형 제 4 확산 영역을 포함하여 완전 공핍되며, 부분적으로 완전 공핍된 제 5 확산 영역을 포함하는 플로우팅 확산 노드, 및 전송 신호에 응답하여 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로우팅 확산 노드로 전송하는 전송 수단을 포함한다.
이미지 센서, 플로우팅 확산 노드, 픽셀, 오믹 콘택
Description
도 1은 일반적인 2×2 공유 구조의 이미지 센서의 픽셀들(10)을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 2×2 공유 구조의 픽셀들(20)을 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 블루 픽셀 및 그린 블루 픽셀의 전위를 나타낸 개념도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
10, 20 : 픽셀
11, 21 : 포토 다이오드
12, 22 : 전송 트랜지스터
13, 23 : 플로우팅 확산 노드
14, 24 : 리셋 트랜지스터
15, 25 : 구동 트랜지스터
16, 26 : 선택 트랜지스터
17 : 메탈 전선(metal wire)
27 : N- 형 확산 영역
28 : P+ 형 확산 영역
29 : 중립 영역(netural region)
31 : N-- 형 확산 영역
32 : P+ 형 확산 영역
33 : P+ 형 웰
GR : 그린 레드 픽셀(Green Red pixel)
RED : 레드 픽셀(Red pixel)
BLUE : 블루 픽셀(Blue pixel)
GB : 그린 블루 픽셀(Green Blue pixel)
P-SUB : P 형 기판
P-EPI : P 형 에피텍셜 층
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 부분 핀드 플로우팅 확산 노드(partially pinned floating diffusion node)을 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부의 광학 정보를 전기 신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 단위 픽셀(pixel)은 피사체에서 발생하는 빛 에너지에 대응하는 전기적 값 을 발생한다. 특히, CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환하는 장치로써, 각 단위 픽셀에 축적된 전하를 전압으로 출력하는 방식을 사용한다.
CMOS 이미지 센서의 디자인 규칙(design rule)이 점차 감소함에 따라 단위 픽셀의 크기가 감소한다. 이로 인해 외부로부터 입사되는 광량이 감소하고 있기 때문에, 포토 다이오드에서 광을 감지하는 것이 매우 어려워지고 있다.
포토 다이오드에서의 감광도를 증가시키기 위해 포토 다이오드의 면적을 넓게 형성해야 하는데, 이를 실현하기 위한 한가지 방법으로 미국특허등록번호 US 6,657,665 B1에 개시된 발명과 같이 플로우팅 확산 노드(floating diffusion node)를 로우(row) 인접 픽셀에 공유시키고, 선택 트랜지스터(select transistor), 리셋 트랜지스터(reset transistor) 및 구동 트랜지스터(drive transistor)를 로우 및 칼럼(column) 인접 픽셀에 공유시키는 구조가 사용된다.
도 1은 일반적인 2×2 공유 구조의 이미지 센서의 픽셀들(10)을 나타낸 평면도이다.
공유된 픽셀(10)들은 포토 다이오드들(11) PD1a, PD1b, PD2a, PD2b 및 전송 게이트들 TG1a, TG1b, TG2a, TG2b을 각각 갖는 전송 트랜지스터들(12)을 각각 포함한다.
플로우팅 확산 노드들(13) FDa, FDb은 로우(row) 인접 픽셀들(10)에 각각 공유된다.
리셋 게이트 RG를 갖는 리셋 트랜지스터(14), 소스 팔로워 입력 게이트 SIG 를 갖는 구동 트랜지스터(15) 및 로우 선택 게이트 RSG를 갖는 선택 트랜지스터(16)는 로우 및 칼럼 인접 픽셀들(10)에 공유된다.
여기서, 플로우팅 확산 노드(13)는 메탈 라인(17)(또는 확산(diffusion))에 의해 서로 연결되고, 구동 트랜지스터(15)에 연결되는 물리적으로 절연된 활성 영역(active region)이다.
플로우팅 확산 노드(13)는 메탈 라인(17)에 연결하는 오믹 콘택(ohmic contract)을 형성하기 위해 높은 N+ 불순물 농도(high doping)를 통해 중립 영역(neutral region)으로 형성된다. 이때, 오믹 콘택은 많은 잡음(noise)을 발생시켜 이미지 질이 나빠진다.
또한, 플로우팅 확산 노드(13)가 공유되어 있기 때문에 커패시턴스가 매우 커진다. 따라서, 신호 전하(signal charge)를 전기적 신호(voltage)로 변환하는 효율(conversion gain)이 매우 작아진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 다음과 같은 목적을 갖는다.
첫째, 공유 픽셀 구조에서 플로우팅 확산 노드의 면적 증가에 의한 감도 저하를 해결하는 것이다.
둘째, 플로우팅 확산 잡음을 줄이는 것이다.
셋째, 플로우팅 확산 커패시턴스를 줄여 변환 이득(conversion gain)을 향상시키는 것이다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 부분 완전 공핍 플로우팅 확산 노드를 갖는 이미지 센서를 제시한다.
이러한 견지에서, 본 발명에 따른 이미지 센서는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 이미지 센서에 있어서, 제 1 도전형 제 1 확산 영역 및 제 2 도전형 제 2 확산 영역을 포함하는 포토 다이오드; 제 1 도전형 제 3 확산 영역 및 제 1 도전형 제 3 확산 영역의 상부에 형성된 제 2 도전형 제 4 확산 영역을 포함하여 완전 공핍되며, 부분적으로 완전 공핍된 제 5 확산 영역을 포함하는 플로우팅 확산 노드; 및 전송 신호에 응답하여 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로우팅 확산 노드로 전송하는 전송 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 공유 픽셀 구조 및 비 공유 픽셀 구조에서 모두 적용 가능하다.
한편, 본 발명은 공유 픽셀 구조 및 비 공유 픽셀 구조에서 모두 적용 가능하다.
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이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 당업자에 의해 본 발명의 청구범위 내에서 다양한 형태로 구체화될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한, 각 불순물 영역의 플러스(+) 표기는 상대적으로 도핑 농도가 높은 것을 의미하고, (-) 표기는 상태적으로 도핑 농도가 낮은 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 2×2 공유 구조의 픽셀들(20)을 나타 낸 단면도이다. 여기서는 발명의 이해를 돕기 위해, 포토 다이오드(21), 전송 트랜지스터(22) 및 플로우팅 확산 노드(23)는 단면도로 나타내었으며, 리셋 트랜지스터(24), 구동 트랜지스터(25) 및 선택 트랜지스터(26)는 회로도로 나타내었다.
공유 구조 픽셀들(20) 각각은 P 형 기판 P-SUB 상에 형성된 P 형 에피텍셜 층 P-EPI 내에 형성되는 포토 다이오드(21) 및 전송 트랜지스터(22)를 포함한다.
포토 다이오드(21)는 P 웰(33)에 의해 완전 공핍(fully depletion)되는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode)이다.
플로우팅 확산 노드(23)는 그린 레드 픽셀(green red pixel) GR, 레드 픽셀 RED, 블루 픽셀 BLUE 및 그린 블루 픽셀(green blue pixel) GB에 공유된다.
여기서, 플로우팅 확산 노드(23)는 완전 공핍된 상태를 이루며, 부분적으로 완전 공핍된 중립 영역(29)을 포함한다. 중립 영역(29)을 포함하는 플로우팅 확산 노드(23)는 부분적으로 완전 공핍되기 때문에 부분 핀드 플로우팅 확산 노드(partially pinned floating diffusion)로 정의한다.
플로우팅 확산 노드(23)는 P 형 에피텍셜 층 P-EPI 내에 N- 형 확산 영역(27), P+ 확산 영역(28) 및 중립 영역(29)인 N+ 형 확산 영역을 포함한다. 이때, 포토 다이오드(21)의 핀치 오프(pinch-off) 전압은 플로우팅 확산 감지 노드(23)의 핀치 오프 전압보다 작아야 한다.
플로우팅 확산 노드(23)의 중립 영역(29)은 메탈 전선(metal wire)에 의해 구동 트랜지스터(25)의 게이트에 연결된다.
여기서, 포토 다이오드(21)의 N--형 확산 영역(31)과 플로우팅 확산 노드(23)의 N- 형 확산 영역(27)은 별도의 마스크(mask)에 의한 공정으로 형성하지 만, 포토다이오드(21)의 P+ 형 확산 영역(32)과 플로우팅 확산 노드(23)의 P+ 형 확산 영역(28)은 동일한 마스크와 이온 주입(implant) 공정 조건에 의해 형성될 수 있다. 이때, 포토 다이오드(21)는 P+ 형 확산 영역(32) 및 P 웰(well)(33)에 의해 완전 공핍(fully depletion)된다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 블루 픽셀 BLUE 및 그린 블루 픽셀 GB의 전위를 나타낸 개념도이다.
도 3a는 집광 시간(integration time) 동안의 전위 상태를 나타낸 개념도이다.
여기서, 플로우팅 확산 노드(23)는 부분적으로 완전 공핍된 중립 영역(29)을 제외하고는 완전 공핍 상태를 이룬다. 이에 따라, 완전 공핍된 플로우팅 확산 노드(23)의 핀치 오프 전위 Vfd는 포토다이오드(21)의 핀치 오프 전위 Vpd 보다 낮고, 플로우팅 확산 노드(23)의 N+ 형 확산 영역인 중립 영역(29)의 전위 Vnr는 완전 공핍된 다른 영역의 전위 Vfd보다 낮다.
도 3b는 전송 시간(transition time) 동안의 전위 상태를 나타낸 개념도이다.
전송 트랜지스터(22)가 턴 온 되면 포토 다이오드(21)에 저장된 광전하들이 플로우팅 확산 노드(23)에서 전위가 가장 낮은 중립 영역(29)에 모이고, 플로우팅 확산 노드(23)의 완전 공핍된 영역에는 전하가 저장되지 않는다. 따라서, 플로우팅 확산 노드(23)의 크기가 작아도 소스 팔로워 입력 캐패시턴스(source follower input capacitance)는 단지 중립 영역(29)에 한정되어 변환 이득(conversion gain)이 향상된다.
상기한 본 발명의 실시예는 이미지 센서의 2×2 공유 구조를 예를 들어 설명 하였지만, 2×4, 4×2, 4×4 등 공유 구조를 확대 적용하는 것이 가능할 뿐 아니라, 비 공유(non-shared) 구조에서도 적용 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 공유 픽셀 구조에서 플로우팅 확산 노드의 완전 공핍된 영역에는 전하가 저장되지 않고, 중립 영역에만 전하가 저장되기 때문에 플로우팅 확산 노드의 면적을 줄일 수 있어 감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 플로우팅 확산 노드의 일부를 완전 공핍시킴으로 잡음을 줄일 수 있다.
셋째, 작은 중립 영역에 신호 전자를 저장하기 때문에 플로우팅 확산 커패시턴스를 줄여 변환 이득(conversion gain)을 향상시킬 수 있다.
Claims (11)
- 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 이미지 센서에 있어서,제 1 도전형 제 1 확산 영역; 및 제 2 도전형 제 2 확산 영역을 포함하는 포토 다이오드;상기 제 1 도전형 제 3 확산 영역; 및 상기 제 1 도전형 제 3 확산 영역의 상부에 형성된 상기 제 2 도전형 제 4 확산 영역을 포함하여 완전 공핍되며, 부분적으로 완전 공핍된 제 5 확산 영역을 포함하는 플로우팅 확산 노드; 및전송 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 상기 플로우팅 확산 노드로 전송하는 전송 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형은 상기 제 2 도전형과 상반되는 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 확산 영역 및 제 3 확산 영역의 불순물 농도가 상기 제 2 확산 영역 및 제 4 확산 영역의 불순물 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,다음 영상 정보의 검출을 위해 리셋 신호에 응답하여 상기 플로우팅 확산 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하는 리셋 트랜지스터; 및소스 팔로워(source follower) 역할을 수행하는 구동 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 5 확산 영역은 상기 구동 트랜지스터의 게이트에 접속되며 제 2 도전형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 5 확산 영역은 오믹 콘택으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 5 확산 영역은 메탈 전선에 의해 상기 구동 트랜지스터의 게이트에 접속되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 확산 영역 및 상기 제 4 확산 영역은 완전 공핍(fully deplete) 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 플로우팅 확산 노드의 핀치 오프 전위는 상기 포토 다이오드의 핀치 오프 전위보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 플로우팅 확산 노드의 불순물 농도를 조절하여 상기 핀치 오프 전위를 조정하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토 다이오드의 제 2 확산 영역과 상기 플로우팅 확산 노드의 제 4 확산 영역은 별도의 마스크(mask)에 의한 공정으로 형성하고, 상기 포토 다이오드의 제 1 확산 영역과 상기 플로우팅 확산 노드의 제 3 확산 영역은 동일한 마스크와 이온 주입(implant) 공정 조건에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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