KR100867089B1 - CMOS image sensor with improved dark current characteristics - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 채널 필드스톱 이온주입영역을 필드절연막의 가장자리로부터 포토다이오드쪽을 확장시켜 형성함으로써 암전류 특성을 향상시킨 것이다. 이를 위한 본 발명은, 정방형 포토다이오드영역, 상기 포토다이오드영역보다 적은 면적을 갖는 플로팅확산영역 및 상기 포토다이오드영역과 상기 플로팅디퓨젼영역을 연결시키는 병목 구조의 채널영역으로 이루어진 활성영역; 상기 활성영역을 정의하는 필드절연막; 상기 필드절연막의 가장자리로부터 상기 포토다이오드영역쪽으로 일정거리 확장되어 상기 필드절연막 하부의 기판내에 형성되되, 상기 정방형의 각 모서리부분은 사선처리된 채널 필드스톱 이온주입영역; 및 상기 채널영역을 덮으며 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 포함하여 이루어진다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and in particular, to improve the dark current characteristics by forming a channel field stop ion implantation region extending from the edge of the field insulating film to the photodiode side. To this end, the present invention provides an active region comprising a square photodiode region, a floating diffusion region having an area smaller than the photodiode region, and a channel region having a bottleneck structure connecting the photodiode region and the floating diffusion region; A field insulating film defining the active region; A predetermined distance extending from the edge of the field insulating layer toward the photodiode region and formed in the substrate under the field insulating layer, wherein each corner portion of the square has an oblique channel field stop ion implantation region; And a gate of the transfer transistor formed covering the channel region.

이미지센서, 채널스톱 이온주입, 암전류, 포토다이오드Image sensor, channel stop ion implantation, dark current, photodiode

Description

암전류 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서{CMOS image sensor with improved dark current characteristics} CMOS image sensor with improved dark current characteristics             

도1a는 일반적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 구성하는 회로를 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing a circuit constituting a unit pixel of a general CMOS image sensor;

도1b는 종래의 시모스 이미지센서에 있어서 단위화소의 레이아웃을 도시한 회로도,1B is a circuit diagram showing the layout of unit pixels in a conventional CMOS image sensor;

도1c는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 부분의 N-채널 필드스톱 이온주입영역을 도시한 평면도,1C is a plan view showing an N-channel field stop ion implantation region of a photodiode and a transfer transistor portion in a unit pixel of a CMOS image sensor according to the prior art;

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 부분의 N-채널 필드스톱 이온주입영역을 도시한 평면도.
FIG. 2 is a plan view showing an N-channel field stop ion implantation region of a photodiode and a transfer transistor in a unit pixel of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention; FIG.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

101 : 포토다이오드101: photodiode

102 : 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(Tx)
102: gate Tx of the transfer transistor

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, N-채널 필드스톱 이온주입영역을 필드절연막의 가장자리로부터 포토다이오드쪽으로 확장시켜 형성하여 줌으로써 암전류 특성을 향상시킨 발명이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor. In particular, the present invention improves the dark current characteristics by extending the N-channel field stop ion implantation region from the edge of the field insulating layer toward the photodiode.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to each other. Complementary MOS image sensors use CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. A device employing a switching scheme that creates MOS transistors as many as pixels and sequentially detects outputs using the MOS transistors.

CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차 례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. CCD (charge coupled device) has many disadvantages such as complicated driving method, high power consumption, high number of mask process steps, complicated process, and difficult to implement signal processing circuit in CCD chip. In order to overcome such drawbacks, the development of a CMOS image sensor using a sub-micron CMOS manufacturing technology has been studied in recent years. CMOS image sensor realizes image by forming photodiode and MOS transistor in unit pixel and detects signal in turn by switching method.It uses CMOS manufacturing technology, which consumes less power and 30 to 20 masks. Compared to CCD process which requires 40 masks, the process is very simple, and it is possible to make various signal processing circuits and one chip, which is attracting attention as the next generation image sensor.

도1a는 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드와, 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor, and includes a photodiode for generating photocharges by receiving light and a photodiode ( A transfer transistor Tx for transporting the photocharges collected from the PD) to the floating diffusion region FD, and a reset for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging the electric charge to reset the floating diffusion region FD. A transistor Rx, a drive transistor Dx serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor Sx for addressing can be configured as a switching role. Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.

도1b는 이러한 회로를 갖는 단위화소의 레이아웃을 도시한 도면으로, 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션(isolation)과 각 트랜지스터들의 게이트를 구성하는 폴리실리콘이 도시되어 있다.FIG. 1B is a diagram showing the layout of unit pixels having such a circuit, in which isolation and polysilicon constituting the gates of the transistors are defined to define an active region in which a photodiode and a diffusion region are to be formed.

도1b를 참조하면, 포토다이오드(101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102)은 포토다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다. Referring to FIG. 1B, the photodiode 101 has a square shape, and the gate polysilicon 102 of the transfer transistor is configured to be in contact with one side of the photodiode 101.                         

플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 레이아웃되며, 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 일측과 접하게 된다.The floating diffusion region 103 is laid out in contact with the other side of the gate polysilicon 102 of the transfer transistor by being turned 90 ° in the X-axis direction in the Y-axis direction, and in contact with one side of the gate polysilicon 104 of the reset transistor.

리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 타측은 드레인영역(105)과 접하여 형성되고 드레인영역(105)은 X축 방향에서 Y축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)과 접하게 된다.The other side of the gate polysilicon 104 of the reset transistor is formed in contact with the drain region 105, and the drain region 105 is formed at an angle of 90 ° from the X-axis direction to the Y-axis direction, and then the gate polysilicon 106 of the drive transistor. It comes in contact with.

이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 사이 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107, 109)이 형성된다.Subsequently, the gate polysilicon 108 of the select transistor is formed in the same direction, between the other side of the gate polysilicon 106 of the drive transistor and the gate polysilicon 108 of the select transistor, and the other side of the gate polysilicon 108 of the select transistor. Source / drain regions 107 and 109 are formed in the substrate.

이와 같이 구성된 종래의 단위화소의 레이아웃에서 플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터(102)와 리셋 트랜지스터(104) 사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)은 배선을 통하여 전기적으로 연결되게 된다.In the layout of a conventional unit pixel configured as described above, the floating diffusion region 103 is formed in an active region between the transfer transistor 102 and the reset transistor 104 and the gate polysilicon of the floating diffusion region 103 and the drive transistor. 106 is electrically connected through wiring.

도1c는 도1b에 도시된 단위화소의 레이아웃 중에서 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 부분을 중심으로 N-채널 필드스톱 이온주입영역(200)이 형성된 모습을 보이고 있다.FIG. 1C illustrates an N-channel field stop ion implantation region 200 formed around the gate portions of the photodiode and the transfer transistor in the layout of the unit pixel illustrated in FIG. 1B.

한편, 이와 같이 형성된 이미지센서의 단위화소에서는 암전류가 소자의 수율을 저하시키는 중요한 요소로 작용하였는데 암전류에 대해 설명하면 다음과 같다. On the other hand, in the unit pixel of the image sensor formed as described above, the dark current acted as an important factor to reduce the yield of the device.

암전류란 빛이 전혀 없는 상태에서도 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로 이동하는 전자에 의해 생성되는데, 이러한 암전류는 주로 실리콘 표면 근저와 필드절연막의 가장자리에 분포하는 각종 결함들(line defect, point defect 등)이나 댕글링 본드(Dangling bond)에서 비롯된다고 보고되어 있다.The dark current is generated by electrons moving from the photodiode to the floating diffusion region even when there is no light. The dark current is mainly caused by various defects (line defects, point defects, etc.) distributed near the bottom of the silicon surface and the edge of the field insulating film. It is reported to originate from dangling bonds.

종래에는 도1c에 도시된 바와 같이 N-채널 필드스톱 이온주입영역(200)이 필드절연막의 가장자리(도1c의 굵은 사선부분)에 접하여 형성되기 때문에, 필드절연막의 가장자리에 존재하는 암전류 소스를 커버해주지 못하여 암전류가 증가하는 단점이 있었다.
Conventionally, as shown in FIG. 1C, the N-channel field stop ion implantation region 200 is formed in contact with the edge of the field insulating film (the thick diagonal line in FIG. 1C), thereby covering the dark current source existing at the edge of the field insulating film. There was a drawback that the dark current increases because it can not.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, N-채널 필드스톱 이온주입영역을 변경하여 암전류 특성을 향상시킨 시모스 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a CMOS image sensor having improved dark current characteristics by changing an N-channel field stop ion implantation region.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 정방형 포토다이오드영역, 상기 포토다이오드영역보다 적은 면적을 갖는 플로팅확산영역 및 상기 포토다이오드영역과 상기 플로팅디퓨젼영역을 연결시키는 병목 구조의 채널영역으로 이루어진 활성영역; 상기 활성영역을 정의하는 필드절연막; 상기 필드절연막의 가장자리로부터 상기 포토다이오드영역쪽으로 일정거리 확장되어 상기 필드절연막 하부의 기판내에 형성되되, 상기 정방형의 각 모서리부분은 사선처리된 채널 필드스톱 이온주입영 역; 및 상기 채널영역을 덮으며 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides an active device comprising a square photodiode region, a floating diffusion region having an area smaller than the photodiode region, and a channel region having a bottleneck structure connecting the photodiode region and the floating diffusion region. domain; A field insulating film defining the active region; A predetermined distance extending from the edge of the field insulating layer toward the photodiode region and formed in the substrate under the field insulating layer, wherein each corner portion of the square has a diagonal channel-treated field stop ion implantation region; And a gate of the transfer transistor formed covering the channel region.

본 발명은 이미지센서의 단위화소에 있어서, N-채널 필드스톱 이온주입영역을 필드절연막의 가장자리로부터 포토다이오드 쪽으로 확장시켜 형성함으로써, 필드절연막의 가장자리부분에 존재하는 암전류 소스를 N-채널 필드스톱 이온주입영역으로 커버(cover)하여 암전류 특성을 향상시킨 것이다.
According to the present invention, in a unit pixel of an image sensor, an N-channel field stop ion implantation region is formed by extending from an edge of a field insulating film toward a photodiode, whereby a dark current source existing at an edge portion of the field insulating film is N-channel field stop ion. It covers the injection area to improve the dark current characteristics.

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 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 부분을 중심으로 N-채널 필드스톱 이온주입영역이 형성된 모습을 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.2 is a view illustrating an N-channel field stop ion implantation region formed around a gate portion of a photodiode and a transfer transistor in a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. An embodiment of the invention will be described.

본 발명에서는 도2에 도시된 바와 같이 N-채널 필드스톱 이온주입 영역(300)이 필드절연막의 가장자리(도면의 굵은 사선부분)로부터 포토다이오드(101) 쪽으로 확장되어 형성된다. 이때, N-채널 필드스톱 이온주입영역(300)은 버즈비크(bird's beak)를 고려하여 바람직하게는 포토다이오드쪽으로 0.15 ∼ 0.20㎛ 정도 확장되어 형성된다.In the present invention, as shown in FIG. 2, the N-channel field stop ion implantation region 300 is formed extending from the edge of the field insulating film (thick diagonal line portion in the figure) toward the photodiode 101. In this case, the N-channel field stop ion implantation region 300 is preferably formed to extend about 0.15 to 0.20 µm toward the photodiode in consideration of bird's beak.

이와 같이 N-채널 필드스톱 이온주입영역(300)이 필드절연막의 가장자리에서 포토다이오드쪽으로 확장되어 형성되므로, 필드절연막의 가장자리에 존재하는 암전류 소스를 N-채널 필드스톱 이온주입영역에 의하여 격리시켜줄 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 필드절연막의 가장자리부분에서 유발되는 암전류를 원천적으로 방지할 수 있는 장점이 있다. As such, since the N-channel field stop ion implantation region 300 extends from the edge of the field insulation layer toward the photodiode, the dark current source existing at the edge of the field insulation layer can be isolated by the N-channel field stop ion implantation region. have. Therefore, according to the present invention, there is an advantage in that the dark current caused at the edge of the field insulating film can be prevented at the source.

또한, 본 발명에서는 정방형의 포토다이오드(101)의 각 모서리와 접하고 있는 필드절연막 영역(도2에서 a로 표시된 부분)에 대해서는 사선 모양으로 N-채널 필드스톱 이온주입을 실시하였다. Further, in the present invention, the field insulating film region (a portion indicated by a in FIG. 2) in contact with each corner of the square photodiode 101 was subjected to N-channel field stop ion implantation in a diagonal shape.

즉, N-채널 필드스톱 이온주입을 수행하기 위한 마스크 제작시에, 필드절연막의 뽀족한 모서리부분에서는, 사선모양을 갖는 N-채널 필드스톱 이온주입용 마스크를 제작하여 N-채널 필드스톱 이온주입을 실시하였다.That is, when fabricating a mask for performing N-channel field stop ion implantation, a N-channel field stop ion implantation mask having an oblique shape is formed at a sharp edge of the field insulating film to produce an N-channel field stop ion implantation. Was carried out.

필드절연막의 뽀족한 모서리부분은 특히 암전류 소스가 많이 존재하기 때문에, 이를 더욱 효과적으로 커버해 주기 위하여 사선모양의 이온주입영역을 형성한 것이다.The sharp edges of the field insulating film are formed with a diagonal ion implantation region in order to cover them more effectively, since there are many dark current sources.

또한, 본 발명에서는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 아래영역에 노출되어 있는 필드절연막의 가장자리 부분(도2에서 b로 표시된 부분)에 대해서도, N-채널 필드스톱 이온주입영역을 확장시켜 형성함으로써 이 부분에 존재하는 암전류소스도 N-채널 필드스톱 이온주입영역으로 커버하여 주었다.Further, in the present invention, the N-channel field stop ion implantation region is also formed in the edge portion of the field insulating film (the portion indicated by b in FIG. 2) exposed to the lower region of the transfer transistor Tx. The existing dark current source was also covered by the N-channel fieldstop ion implantation region.

이와 같이, N-채널 필드스톱 이온주입영역을 형성한 이후에, 통상적인 방법으로 Deep n- 이온주입영역, p0 이온주입영역, 게이트와 소오스/드레인 등을 형성하 여 이미지센서의 단위화소를 완성한다.As described above, after the N-channel field stop ion implantation region is formed, a deep n − ion implantation region, a p 0 ion implantation region, a gate and a source / drain, etc. are formed in a conventional manner to form the unit pixel of the image sensor. Complete

본 발명의 실시예에서는 N-채널 필드스톱 이온주입에 대해 설명되어 있으나, 트랜스퍼 트랜지스터가 PMOS로 구현되는 경우 필드스톱 이온주입은 P 타입으로 구현되는바, 이러한 P-채널 필드스톱 이온주입영역에 대해서도 본 발명이 적용된다.
In the embodiment of the present invention, the N-channel field stop ion implantation has been described. However, when the transfer transistor is implemented with a PMOS, the field stop ion implantation is implemented as a P type. The present invention applies.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

본 발명을 시모스 이미지센서의 제조에 적용하게 되면 포토다이오드와 접하는 필드절연막의 가장자리에 존재하는 암전류 소스를 격리시켜 줄 수 있어 제품의 암전류 특성이 현저하게 개선되므로 제품의 품질향상에 따른 제품경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.When the present invention is applied to the manufacture of CMOS image sensor, it is possible to isolate the dark current source existing at the edge of the field insulating layer in contact with the photodiode, so that the dark current characteristic of the product is remarkably improved, thereby enhancing the product competitiveness according to the improvement of the product quality. It can be effective.

Claims (2)

정방형으로 형성된 포토다이오드영역과, 상기 포토다이오드영역보다 적은 면적을 갖는 플로팅확산영역과, 상기 포토다이오드영역과 상기 플로팅확산영역을 연결시키는 병목 구조의 채널영역을 포함하는 활성영역;An active region including a square photodiode region, a floating diffusion region having an area smaller than that of the photodiode region, and a channel region having a bottleneck structure connecting the photodiode region and the floating diffusion region; 상기 활성영역을 정의하는 필드절연막;A field insulating film defining the active region; 상기 필드절연막의 가장자리로부터 상기 포토다이오드영역쪽으로 일정거리 확장되어 상기 필드절연막 하부의 기판내에 형성되되, 상기 포토다이오드영역의 각 모서리부분으로 확장된 부위는 사선모양으로 형성된 채널 필드스톱 이온주입영역; 및A channel field stop ion implantation region extending from the edge of the field insulation layer toward the photodiode region by a predetermined distance and formed in a substrate under the field insulation layer, wherein portions extending to corner portions of the photodiode region are diagonally shaped; And 상기 채널영역을 덮으며 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트A gate of a transfer transistor formed covering the channel region 를 포함하는 시모스 이미지센서.CMOS image sensor comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 채널 필드스톱 이온주입영역이 상기 정방형의 포토다이오드영역쪽으로 확장된 거리는 0.15 ∼ 0.2㎛ 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.And the channel field stop ion implantation region extends toward the square photodiode region in a range of 0.15 to 0.2 µm.
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