KR20130106978A - 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환부, 전송 게이트 및 억제 게이트를 포함한다. 광전 변환부는 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판 내에 형성된다. 전송 게이트는 반도체 기판 내의 플로팅 확산 영역에 광전하를 전달하기 위하여 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된다. 억제 게이트는 반도체 기판의 제1 면 상에 광전 변환부에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트와 동시에 형성되며, 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류의 발생을 억제하기 위하여 음의 전압이 인가된다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지 센서의 단위 픽셀 및 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 후면 수광 방식의 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부에서 입사하는 광(이하, 입사광)을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이며, CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다. 최근에는 이미지 센서에 포함되는 픽셀들이 향상된 수광 효율 및 광 감도(sensitivity)를 가지도록 반도체 기판의 후면을 통하여 입사광을 수신하고 광전 변환을 수행하는 후면 수광 방식(backside illumination)의 이미지 센서가 사용되고 있다.
본 발명의 일 목적은 암 전류(dark current)의 발생을 억제할 수 있는 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환부, 전송 게이트 및 억제 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환부는 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판 내의 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된다. 상기 억제 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 상기 전송 게이트와 동시에 형성되며, 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류(dark current)의 발생을 억제하기 위하여 음의 전압이 인가된다.
상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 다른 타입의 제1 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 제1 불순물 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역은 상기 반도체 기판에서 상기 광전 변환부보다 상부 영역에 형성되고, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제2 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 제1 불순물 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역은 상기 반도체 기판에서 상기 광전 변환부보다 하부 영역에 형성되고, 상기 제1 불순물이 상기 광전 변환부보다 낮은 농도로 도핑될 수 있다.
상기 억제 게이트의 두께는 상기 전송 게이트의 두께와 동일할 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터는 상기 반도체 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈는 상기 컬러 필터 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성될 수 있다.
상기 입사광은 상기 마이크로 렌즈 및 상기 컬러 필터를 거쳐 상기 반도체 기판의 제2 면으로 입사될 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 상기 반도체 기판의 제2 면과 상기 컬러 필터 사이에 형성되고, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 절연층은 상기 반도체 기판의 제2 면과 상기 컬러 필터 사이에 형성될 수 있다.
상기 절연층은 음의 고정 전하(negative fixed charge)를 가질 수 있다.
상기 컬러 필터는 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터 중 하나일 수 있다.
상기 컬러 필터는 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터 중 하나일 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 상기 단위 픽셀을 둘러싸는 소자 분리부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이 및 신호 처리부를 포함한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생한다. 상기 신호 처리부는 상기 전기 신호를 처리하여 이미지 데이터를 발생한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 광전 변환부, 전송 게이트 및 억제 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환부는 상기 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판 내의 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된다. 상기 억제 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 상기 전송 게이트와 동시에 형성되며, 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류(dark current)의 발생을 억제하기 위하여 음의 전압이 인가된다.
상기 이미지 센서는 음 전압 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 음 전압 발생기는 상기 억제 게이트에 인가되는 상기 음의 전압을 제공할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은, 반도체 기판의 제1 면 상에 광전 변환부에 대응하여 형성되고 음의 전압이 인가되는 억제 게이트를 포함한다. 이에 따라 상기 광전 변환부에 대응하는 상기 반도체 기판의 제1 면 부근에는 정공의 축적이 발생하며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 상기 축적된 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류(dark current) 및 백점(white spot)의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다. 또한 상기 억제 게이트가 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트와 동시에 형성됨으로써, 상기 억제 게이트를 형성하기 위한 추가적인 공정 없이 암 전류 및 백점의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g 및 2h는 도 1의 단위 픽셀의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3, 4, 5 및 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7의 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g 및 2h는 도 1의 단위 픽셀의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3, 4, 5 및 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7의 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 반도체 기판(110) 내에 형성되는 광전 변환부(PD)(115), 반도체 기판(110) 상에 형성되는 전송 게이트(TG)(145) 및 억제 게이트(SG)(150)를 포함한다. 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 플로팅 확산 영역(FD)(120), 리셋 드레인 영역(RD)(125), 제1 불순물 영역(130), 소자 분리부(STI)(135), 제1 절연층(140), 리셋 게이트(RG)(155), 보호층(160), 컬러 필터(CF)(165) 및 마이크로 렌즈(ML)(170)를 더 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)은 전면(110a) 및 후면(110b)을 가진다. 단위 픽셀(100)은 반도체 기판(110)의 후면(110b)을 통해 입사되는 입사광에 응답하여 이미지 데이터를 생성하는 후면 수광 방식의 이미지 센서(backside illuminated image sensor; BIS)에 포함될 수 있다. 반도체 기판(110)은 에피택셜(epitaxial) 공정을 통해 형성된 반도체층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 p형 불순물들이 도핑된 반도체 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀(100)을 포함하는 후면 수광 방식의 이미지 센서에 있어서, 상기 입사광에 상응하는 전기 신호(예를 들어, 광전하)를 전송 및 증폭하는 복수의 게이트 구조물들(145, 150, 155)이 반도체 기판(110)의 전면(110a) 상에 형성된다. 또한, 상기 입사광을 광전 변환부(115)에 제공하기 위한 컬러 필터(165) 및 마이크로 렌즈(170)가 반도체 기판(110)의 후면(110b) 상에 형성된다. 이에 따라, 상기 후면 수광 방식의 이미지 센서는 마이크로 렌즈(170)로부터 광전 변환부(115)까지의 거리가 상대적으로 짧으며, 복수의 게이트 구조물들(145, 150, 155) 및 복수의 배선들(미도시)에 기인하는 광의 난반사 또는 가려짐이 없기 때문에 상대적으로 향상된 수광 효율 및 광 감도를 가질 수 있다.
광전 변환부(115)는 상기 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판(110) 내에 형성된다. 예를 들어, 광전 변환부(115)에서는 상기 입사광에 상응하는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되며, 광전 변환부(115)는 이러한 전자 또는 정공을 각각 수집할 수 있다. 광전 변환부(115)는 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 다른 타입의 제1 불순물(예를 들어, n형 불순물)이 도핑되어 형성될 수 있다.
설명의 편의상, 도 1에서는 광전 변환부(115)를 포토 다이오드(photo diode)로 도시하였으나, 광전 변환부(115)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode; PPD), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
광전 변환부(115)에서 생성된 상기 광전하를 반도체 기판(110) 내의 플로팅 확산 영역(120)에 전달하기 위한 전송 게이트(145)는, 반도체 기판(110)의 제1 면(예를 들어, 전면(110a)) 상에 형성된다. 전송 게이트(145)는 전송 신호(TX)를 수신할 수 있다. 전송 신호(TX)가 활성화된 경우에 상기 광전하가 플로팅 확산 영역(120)에 전달될 수 있다.
반도체 기판(110)의 제1 면(예를 들어, 전면(110a)) 부근의 암 전류(dark current)의 발생을 억제하기 위한 억제 게이트(150)는, 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 광전 변환부(115)에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트(145)와 동시에 형성되며, 음의 전압(VN)이 인가된다. 상기와 같이 억제 게이트(150)에 음의 전압(VN)이 인가되는 경우에, 반도체 기판(110)의 상부 영역에는, 즉 광전 변환부(115)에 대응하는 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 부근에는, 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 어두운 상태에서 발생된 전자(즉, 암 전류)가 상기 축적된 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 암 전류의 발생이 억제될 수 있다.
플로팅 확산 영역(120)은 전송 게이트(145)를 통하여 상기 광전하를 전달받으며, 플로팅 확산 영역(120)에 전달된 광전하의 전하량에 기초하여 상기 이미지 센서의 이미지 데이터가 생성될 수 있다.
리셋 게이트(155)는 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 형성되고, 리셋 신호(RST)를 수신할 수 있다. 리셋 드레인 영역(125)은 반도체 기판(110) 내에 형성되고, 플로팅 확산 영역(120)을 리셋하기 위한 전압(예를 들어, 전원 전압(미도시))을 수신할 수 있다. 예를 들어, 리셋 신호(RST)가 활성화된 경우에 상기 전원 전압에 기초하여 플로팅 확산 영역(120)에 축적된 전하들이 방전됨으로써 플로팅 확산 영역(120)이 리셋될 수 있다.
제1 불순물 영역(130)은 반도체 기판(110)에서 광전 변환부(115)보다 상부 영역에 형성되며, 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제2 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 제1 불순물 영역(130) 또한 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 부근의 암 전류의 발생을 억제하기 위하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 불순물 영역(130)은 p형 불순물이 상대적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있으며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 제1 불순물 영역(130) 내의 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 암 전류의 발생이 억제될 수 있다. 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 실시예에 따라서 제1 불순물 영역(130)은 생략될 수 있다.
소자 분리부(135)는 절연 물질을 포함할 수 있으며, 단위 픽셀(100)을 둘러싸도록 형성되어 단위 픽셀(100)과 인접한 단위 픽셀들을 구분시킬 수 있다. 제1 절연층(140)은 게이트 구조물들(145, 150, 155)과 반도체 기판(110)을 전기적으로 절연시킬 수 있으며, 게이트 절연층으로 명명될 수 있다.
보호층(160)은 반도체 기판(110)의 제1 면(110a)에 대향하는 제2 면(예를 들어, 후면(110b)) 상에 형성되며, 상기 제2 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 제1 불순물 영역(130)과 유사하게, 보호층(160)은 반도체 기판(110)의 제2 면(110b) 부근의 암 전류의 발생을 억제하기 위하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(160)은 p형 불순물이 상대적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있으며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 보호층(160) 내의 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 암 전류의 발생이 억제될 수 있다.
컬러 필터(165)는 반도체 기판(110)의 제2 면(110b) 상에, 즉 보호층(160) 상에 광전 변환부(115)에 대응하여 형성될 수 있다. 컬러 필터(160)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 레드 필터(red filter), 그린 필터(green filter) 및 블루 필터(blue filter)를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 즉, 컬러 필터(165)는 상기 레드 필터, 상기 그린 필터 및 상기 블루 필터 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter) 및 시안 필터(cyan filter)를 포함할 수 있다. 즉, 컬러 필터(165)는 상기 옐로우 필터, 상기 마젠타 필터 및 상기 시안 필터 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터 어레이는 화이트 필터를 추가적으로 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(170)는 컬러 필터(165) 상에 광전 변환부(115)에 대응하여 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(170)는 마이크로 렌즈(170)에 입사되는 입사광이 광전 변환부(115)에 집광될 수 있도록 상기 입사광의 경로를 조절할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(170)는 매트릭스 형태로 배열된 마이크로 렌즈 어레이에 포함될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 보호층(160)과 컬러 필터(165) 사이에 반사 방지층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 반사 방지층은 상기 입사광이 반도체 기판(110)의 후면(110b)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 반사 방지층은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층함으로써 형성될 수 있으며, 이러한 경우에 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록 상기 반사 방지층의 투과율이 향상될 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 복수의 게이트 구조물들(145, 150, 155) 상에는 제2 절연층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 제2 절연층은 복수의 배선들(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 배선들은 콘택이나 플러그를 통해 게이트 구조물들(145, 150, 155)에 전기적으로 연결되거나, 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
일반적으로 이미지 센서가 제조됨에 있어서, 반도체 기판의 표면에 표면 결함(surface defect)이 발생할 수 있다. 이러한 표면 결함은 입사광이 없어도 열적으로 전하를 발생시키는 것이 가능하기 때문에, 어두운 상태에서도 전자가 이동하는 암 전류가 발생될 수 있고, 이러한 암 전류는 화면상의 백점(white spot)과 같은 노이즈로 나타날 수 있다. 종래에는 상기와 같은 표면 결함을 패시베이션(passivation)하기 위하여 상기 반도체 기판 내의 상부 영역(특히, 광전 변환부에 상응하는 상부 영역) 및 하부 영역에 p형 불순물이 도핑된 불순물 영역 및/또는 보호층을 형성하였다. 하지만 종래의 방법으로 암 전류 및 백점을 감소시키는 것은 일정한 한계가 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은, 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 광전 변환부(115)에 대응하여 형성되고 음의 전압(VN)이 인가되는 억제 게이트(150)를 포함한다. 상기와 같이 음의 전압(VN)이 인가되는 억제 게이트(150)가 형성됨에 따라, 광전 변환부(115)에 대응하는 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 부근에는 정공의 축적이 발생하며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 상기 축적된 정공들과 결합하여 소멸됨으로써 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 부근의 암 전류 및 백점의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다. 또한 억제 게이트(150)는 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트(145)와 동시에 형성될 수 있다. 따라서 억제 게이트(150)를 형성하기 위한 추가적인 공정 없이 반도체 기판(110)의 제1 면(110a) 부근의 암 전류 및 백점의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다.
도 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g 및 2h는 도 1의 단위 픽셀의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, p형 벌크(bulk) 실리콘 기판(101) 상에 p형 에피택셜층(102)을 형성한다. 에피택셜층(102)은 실리콘 소스 가스 등을 이용하여 벌크 실리콘 기판(101)과 실질적으로 동일한 결정 구조로 성장될 수 있다. 예를 들어, 에피택셜층(102)을 형성하기 위한 실리콘 소스 가스는 실란(silane), DCS(dichlorosilane), TCS(trichlorosilane), HCS(hexachlorosilane), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 에피택셜층(102)의 형성에 따라 반도체 기판(도 2e의 110)은 전면(110a)과 후면(110b)을 가지게 된다.
도 2b를 참조하면, 에피택셜층(102)에 광전 변환부(115), 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125), 제1 불순물 영역(130) 및 소자 분리부(135)를 형성한다. 예를 들어, 이온 주입(ion implantation) 공정을 이용하여 에피텍셜층(102) 내에 n형 영역을 형성함으로써 광전 변환부(115)를 마련할 수 있고, 이온 주입 공정을 이용하여 에피텍셜층(102) 내의 광전 변환부(115)보다 상부 영역에 (p+)형 영역을 형성함으로써 제1 불순물 영역(130)을 마련할 수 있으며, 이온 주입 공정을 이용하여 에피텍셜층(102) 내에 (n+)형 영역들을 형성함으로써 플로팅 확산 영역(120) 및 리셋 드레인 영역(125)을 마련할 수 있다. STI(shallow trench isolation) 공정 또는 LOCOS(local oxidation of silicon) 공정을 이용하여 에피택셜층(102)의 전면에서부터 절연 물질(예를 들어, 필드 산화물(field oxide))을 형성함으로써 소자 분리부(135)를 마련할 수 있다.
일 실시예에서, 광전 변환부(115)는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환부(115)의 상부 도핑 영역은 (n+)형 영역일 수 있고, 하부 도핑 영역은 (n-)형 영역일 수 있다.
일 실시예에서, 소자 분리부(135)는 상기 절연 물질이 서로 다른 에너지를 가지고 복수의 횟수만큼 주입되어 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기와 같이 주입이 여러 차례 수행됨에 따라 소자 분리부(135)는 표면이 올록볼록한 구조를 가질 수 있다. 소자 분리부(135)의 깊이는 실시예에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 도시하지는 않았지만, 소자 분리부(120)는 에피텍셜층(102)의 전면부터 후면까지 형성되어 종래의 단위 픽셀에 포함되는 소자 분리부보다 깊게 형성되는 딥 트렌치(deep trench) 구조를 가질 수 있다.
실시예에 따라서, 소자 분리부(135)가 형성된 이후에 광전 변환부(115), 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125) 및 제1 불순물 영역(130)이 형성될 수도 있고, 광전 변환부(115), 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125) 및 제1 불순물 영역(130)이 형성된 이후에 소자 분리부(135)가 형성될 수도 있다.
도 2c를 참조하면, 에피택셜층(102)의 전면 상에 제1 절연층(140)을 형성한다. 예를 들어, 제1 절연층(140)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 이러한 고유전율 물질로는 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 실리케이트(HfSix), 지르코늄 실리케이트(ZrSix) 등을 들 수 있다. 또한, 제1 절연층(140)은 전술한 물질들 중에서 2 이상의 선택된 물질로 이루어진 다층 구조로 형성될 수도 있다.
도 2d를 참조하면, 제1 절연층(140) 상에 전송 게이트(145), 억제 게이트(150) 및 리셋 게이트(155)를 형성한다. 예를 들어, 게이트들(145, 150, 155)은 제1 절연층(140) 상에 게이트 도전막을 적층한 후, 적층된 게이트 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀에 포함되는 억제 게이트(150)는 전송 게이트(145) 및 리셋 게이트(155)와 동시에(즉, 동일한 공정을 이용하여) 형성될 수 있으며, 따라서 억제 게이트(150)의 두께와 전송 게이트(145)의 두께는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 게이트들(145, 150, 155)은 폴리실리콘만을 포함하여 형성될 수 있으며, 금속 및/또는 금속 화합물을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘(예를 들어, 게이트 폴리(Gpoly))만을 사용하여 형성될 수 있다.
한편, 게이트들(145, 150, 155) 상에 다층의 금속 배선들(미도시)을 포함하는 제2 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 금속 배선들은 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속을 포함하는 도전물질을 적층하고 패터닝하는 방식을 통해 형성될 수 있다.
도 2e를 참조하면, 에피택셜층(102)이 형성된 벌크 실리콘 기판(101)을 그라인딩(grinding)하여 반도체 기판(110)을 형성한다. 일반적으로, 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 대한 그라인딩 공정은 기계적인 방식 및/또는 화학적인 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 기계적인 방식은 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 폴리싱 패드를 접촉시켜 마찰을 일으키는 방식으로 수행될 수 있고, 화학적인 방식은 슬러리(slurry)라는 화학 물질을 폴리싱 패드와 반도체 기판(110)의 후면(110b) 사이에 투입하여 반응시키는 방식으로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(110)은 에피택셜층(102)이 형성된 벌크 실리콘 기판(101)에서 벌크 실리콘 기판(101)을 제거함으로써, 에피택셜층(102)만을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체 기판(110)은 상기 제2 절연층 상에 형성된 추가적인 반도체 기판(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 대하여 오염을 제거하기 위하여 습식 식각 공정이 수행될 수 있다.
도 2f를 참조하면, 반도체 기판(110)의 후면(110b) 상에 보호층(160)을 형성한다. 예를 들어, 이온 주입 공정을 이용하여 반도체 기판(110)의 후면(110b) 상에 (p+)형 영역을 형성함으로써 보호층(160)을 마련할 수 있다. 도 2e를 참조하여 상술한 것처럼, 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 그라인딩 공정이 수행되는 경우에, 반도체 기판(110)의 후면(110b) 부근에는 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 표면 결함이 발생할 수 있다. 상기와 같은 반도체 기판(110)의 후면(110b) 부근의 표면 결함을 패시베이션하기 위하여, p형 불순물이 상대적으로 높은 농도로 도핑된 보호층(160)이 형성될 수 있다.
도 2g를 참조하면, 보호층(160) 상에 광전 변환부(115)에 대응하도록 컬러 필터(165)를 형성한다. 컬러 필터(165)는 염색 공정, 안료 분산 공정, 인쇄 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 컬러 필터(165)는 염색된 포토레지스트 등의 감광성 물질을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터(165)와 마이크로 렌즈(도 2h의 170) 사이에는 오버 코팅 레이어(over-coating layer; OCL)와 같은 평탄화층이 형성될 수 있다.
도 2h를 참조하면, 컬러 필터(165) 상에 광전 변환부(115)에 대응하도록 마이크로 렌즈(170)를 형성한다. 예를 들어, 광 투과성 포토레지스트를 이용하여 광전 변환부(115)에 대응하는 패턴들을 형성하고, 상기 패턴을 리플로우 시켜 일정한 곡률을 가지고 상기 입사광이 제공되는 방향을 향해 볼록한 형태를 갖는 마이크로 렌즈(170)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 렌즈(170)가 포토 레지스트를 포함하는 경우에, 마이크로 렌즈(170)가 그 형상을 유지하도록 베이킹 공정을 수행할 수 있다.
도 3, 4, 5 및 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100a)은 반도체 기판(110) 내에 형성되는 광전 변환부(115a), 반도체 기판(110) 상에 형성되는 전송 게이트(145) 및 억제 게이트(150)를 포함하며, 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125), 소자 분리부(135), 제1 절연층(140), 리셋 게이트(155), 보호층(160), 컬러 필터(165) 및 마이크로 렌즈(170)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 단위 픽셀(100)과 비교하였을 때, 도 3의 단위 픽셀(100a)은 제1 불순물 영역(130)이 생략된 구조를 가질 수 있다. 억제 게이트(150)와 제1 불순물 영역(130)이 실질적으로 동일한 역할을 수행하므로, 제1 불순물 영역(130)이 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 2b를 참조하여 상술한 단위 픽셀의 제조 과정에서 광전 변환부(115a)보다 상부 영역에 p형 불순물을 주입하여 (p+) 영역을 형성하는 공정이 생략될 수 있다. 상기와 같이 p형 불순물을 주입하는 공정이 생략되는 경우에, n형 불순물을 주입하여 광전 변환부(115a)에 상응하는 n형 영역을 마련하는 공정에서 상기 n형 불순물의 주입(dose)량을 감소시킬 수 있다. 따라서 도 3의 실시예에서는, 광전 변환부(115a)가 상대적으로 낮은 전기장(electric field)을 가질 수 있으며, 단위 픽셀(100a)의 크기가 감소되더라도 광전 변환부(115a)가 상대적으로 높은 전하 저장 능력(well capacity)을 가질 수 있고 백점과 같은 노이즈가 감소될 수 있다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100b)은 반도체 기판(110) 내에 형성되는 광전 변환부(115b), 반도체 기판(110) 상에 형성되는 전송 게이트(145) 및 억제 게이트(150)를 포함하며, 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125), 제1 불순물 영역(130), 소자 분리부(135), 제1 절연층(140), 리셋 게이트(155), 보호층(160), 컬러 필터(165), 마이크로 렌즈(170) 및 제2 불순물 영역(175)을 더 포함할 수 있다.
도 1의 단위 픽셀(100)과 비교하였을 때, 도 4의 단위 픽셀(100b)은 반도체 기판(110)에서 광전 변환부(115b)보다 하부 영역에 형성되는 제2 불순물 영역(175)을 더 포함할 수 있다. 제2 불순물 영역(175)은 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 다른 타입의, 즉 광전 변환부(115b)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제1 불순물이 광전 변환부(115b)보다 낮은 농도로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 이온 주입 공정을 이용하여 광전 변환부(115b)의 하부에 (n-)형 영역을 형성함으로써 제2 불순물 영역(175)을 마련할 수 있다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100c)은 반도체 기판(110) 내에 형성되는 광전 변환부(115), 반도체 기판(110) 상에 형성되는 전송 게이트(145) 및 억제 게이트(150)를 포함하며, 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125), 제1 불순물 영역(130), 소자 분리부(135), 제1 절연층(140), 리셋 게이트(155), 제2 절연층(162), 컬러 필터(165) 및 마이크로 렌즈(170)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 단위 픽셀(100)과 비교하였을 때, 도 5의 단위 픽셀(100c)은 보호층(160)이 제2 절연층(162)으로 변경되는 구조를 가질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(100c)은 반도체 기판(110)의 후면(110b)과 컬러 필터(165) 사이에 형성되는 제2 절연층(162)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 절연층(162)은 음의 고정 전하(negative fixed charge)를 가질 수 있으며, 이에 따라 단위 픽셀(100c)을 포함하는 이미지 센서는 암 전류를 효율적으로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(162)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y) 및 란타노이드 등의 금속 원소들이 산화된 금속 산화물(metal oxide)을 사용하여 형성될 수 있으며, 막 내에 적어도 일부가 결정화된 영역을 가질 수 있다.
제2 절연층(162)이 음의 고정 전하를 가지는 경우에, 반도체 기판(110)의 하부 영역에는 정공의 축적이 발생할 수 있다. 후면 수광 방식의 이미지 센서는 제조 공정상 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 존재하는 표면 결함에 의하여 노이즈가 발생될 수 있으며, 상기와 같이 제2 절연층(162)에 의해 축적된 정공들을 이용하여 상기와 같은 표면 결함을 패시베이션할 수 있다. 예를 들어, 어두운 상태에서 발생된 전자가 상기 축적된 정공들과 결합함으로써, 암 전류의 발생이 감소될 수 있다. 따라서 도 5의 실시예에서는, 반도체 기판(110)의 후면(110b)에 패시베이션을 위한 보호층(160)(예를 들어, (p+)형 영역)을 형성하지 않더라도 단위 픽셀(100c)이 향상된 수광 효율 및 광 감도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제2 절연층(162)은 반도체 기판(110) 내에 광전 변환이 일어나지 않는 영역인 차광 영역(optical black area, 미도시)으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광막(optical shielding layer, 미도시)을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100d)은 반도체 기판(110) 내에 형성되는 광전 변환부(115), 반도체 기판(110) 상에 형성되는 전송 게이트(145) 및 억제 게이트(150)를 포함하며, 플로팅 확산 영역(120), 리셋 드레인 영역(125), 제1 불순물 영역(130), 소자 분리부(135a), 표면 도핑막(137), 제1 절연층(140), 리셋 게이트(155), 보호층(160), 컬러 필터(165) 및 마이크로 렌즈(170)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 단위 픽셀(100)과 비교하였을 때, 도 6의 단위 픽셀(100d)은 소자 분리부(135a)의 표면에 형성되는 표면 도핑막(137)을 더 포함할 수 있다. 표면 도핑막(137)은 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제2 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연 물질을 형성하여 소자 분리부(135a)를 마련한 이후에, 플라즈마 도핑(PLAsma Doping; PLAD)과 같은 이온 주입 공정을 이용하여 소자 분리부(135a)의 표면을 둘러싸도록 (p+)형 영역을 형성함으로써 표면 도핑막(137)을 마련할 수 있다.
소자 분리부(135a)가 형성됨에 있어서, 반도체 기판(110) 내의 소자 분리부(135a)와 인접하는 영역에 표면 결함이 발생할 수 있다. 도 6의 실시예에서는, 소자 분리부(135a)의 표면에 표면 도핑막(137)을 형성함으로써, 어두운 상태에서 발생된 전자가 표면 도핑막(137) 내의 정공과 결합되어 소멸되며, 이에 따라 암 전류가 감소되고 표면 결함을 패시베이션할 수 있다.
한편, 소자 분리부의 형성에 의한 표면 결함을 패시베이션하기 위하여, 도 6의 실시예와 같이 표면 도핑막(137)을 형성하지 않고 도 1의 소자 분리부(135)를 음의 고정 전하를 가지는 절연 물질로 형성할 수도 있다. 소자 분리부(135)가 음의 고정 전하를 가지는 경우에, 반도체 기판(110) 내의 소자 분리부(135)와 인접하는 영역에는 정공의 축적이 발생할 수 있으며, 상기와 같이 축적된 정공들을 이용하여 표면 결함을 패시베이션할 수 있다.
도 1, 3, 4, 5 및 6을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들의 구조를 설명하였지만, 본 발명의 이미지 센서의 단위 픽셀의 구조는 상기의 다양한 실시예들, 즉 제1 불순물 영역(130)이 생략되는(도 3) 실시예, 제2 불순물 영역(175)을 더 포함하는(도 4) 실시예, 보호층(160)이 제2 절연층(162)으로 변경되는(도 5) 실시예, 및 소자 분리부가 표면 도핑막을 더 포함하는(도 6) 실시예 중 적어도 두 개 이상을 조합하여 구현될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(200)는 픽셀 어레이(210) 및 신호 처리부(220)를 포함한다. 이미지 센서(200)는 음 전압 발생기(230)를 더 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(210)는 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생한다. 픽셀 어레이(210)는 매트릭스 형태로 배치된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 도 1, 3, 4, 5 및 6을 참조하여 상술한 구조를 가질 수 있으며, 반도체 기판의 제1 면 상에 광전 변환부에 대응하여 형성되고 음의 전압(VN)이 인가되는 억제 게이트를 포함하고 상기 억제 게이트를 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트와 동시에 형성함으로써, 상기 억제 게이트를 형성하기 위한 추가적인 공정 없이 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류 및 백점의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다. 상기 단위 픽셀의 회로적인 구조에 대해서는 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.
신호 처리부(220)는 상기 전기 신호를 처리하여 이미지 데이터를 발생한다. 신호 처리부(220)는 로우 드라이버(221), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)부(222), 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital converting; ADC)부(223) 및 타이밍 컨트롤러(229)를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(221)는 픽셀 어레이(210)의 각 로우(row)에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 로우 드라이버(221)는 픽셀 어레이(210)에 포함된 상기 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.
CDS부(222)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 상기 단위 픽셀들의 리셋 상태를 나타내는 기준 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 출력 전압의 차이를 구하여 상관 이중 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 출력한다. CDS부(222)는 픽셀 어레이(210)의 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 각 컬럼마다 출력할 수 있다.
ADC부(223)는 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 이미지 신호를 디지털 이미지 신호로 변환한다. ADC부(223)는 기준 신호 생성기(224), 비교부(225), 카운터(226) 및 버퍼부(227)를 포함한다. 기준 신호 생성기(224)는 기준 신호 예컨대, 일정한 기울기를 갖는 램프 신호를 생성하고, 상기 램프 신호를 비교부(225)에 기준 신호로서 제공한다. 비교부(225)는 CDS부(222)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 샘플링 신호와 기준 신호 생성기(224)로부터 발생되는 램프 신호를 비교하여 유효한 신호 성분에 따른 각각의 천이 시점을 갖는 비교 신호들을 출력한다. 카운터(226)는 카운팅 동작을 수행하여 카운팅 신호를 생성하고, 상기 카운팅 신호를 버퍼부(227)에 제공한다. 버퍼부(227)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 래치 회로들을 포함하고, 각 비교 신호의 천이에 응답하여 카운터(226)로부터 출력되는 카운팅 신호를 각 컬럼마다 래치하며, 래치된 카운팅 신호를 상기 이미지 데이터로서 출력한다.
타이밍 컨트롤러(229)는 로우 드라이버(221), CDS부(222), 및 ADC부(223)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(229)는 로우 드라이버(221), CDS부(222), ADC부(223)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하여 이미지 센서(200)가 아날로그 더블 샘플링을 수행하는 것을 설명하였으나, 실시예에 따라서 이미지 센서(200)는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling; DDS)을 수행할 수 있다. 디지털 더블 샘플링은 픽셀을 초기화하였을 때의 리셋 성분에 대한 아날로그 신호 및 신호 성분에 대한 아날로그 신호를 각각 디지털 신호로 변환한 후에 두 개의 디지털 신호의 차이를 유효한 신호 성분으로 추출하는 것을 말한다.
음 전압 발생기(230)는 상기 억제 게이트에 인가되는 음의 전압(VN)을 제공할 수 있다. 일반적으로 이미지 센서(200)는 양의 전원 전압을 공급받아 전압 분배 방식으로 다양한 레벨의 전압을 제공할 수 있으나, 음의 전압은 전압 분배 방식으로 발생시킬 수 없다. 음 전압 발생기(230)는 전하 펌프 또는 DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 양의 전원 전압으로부터 음의 전압(VN)을 발생하고, 음의 전압(VN)을 상기 단위 픽셀의 억제 게이트에 제공할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 음의 전압(VN)은 외부로부터 제공될 수도 있다.
실시예에 따라서, 타이밍 컨트롤러(229)는 상기 단위 픽셀의 억제 게이트에 음의 전압(VN)이 제공되는 타이밍을 조절할 수 있다. 예를 들어, 음의 전압(VN)은 이미지 센서가 동작하는 경우에 항상 상기 억제 게이트에 제공될 수 있다. 다른 예에서, 음의 전압(VN)은 이미지 센서의 특정 동작 구간(예를 들어, 광 집적 모드 또는 독출 모드)에서만 상기 억제 게이트에 제공될 수 있다.
도 8은 도 7의 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 8을 참조하면, 단위 픽셀(300)은 광전 변환부(310) 및 신호 생성 회로(312)를 포함할 수 있다.
광전 변환부(310)는 광전 변환을 수행한다. 즉, 광전 변환부(310)는 광 집적 모드(integration mode)에서 입사광을 변환하여 광전하들을 발생한다. 단위 픽셀(300)을 포함하는 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서인 경우에, 상기 광 집적 모드에서 CMOS 이미지 센서의 셔터가 개방되어 입사광에 의해 전자-전공 쌍과 같은 전하 캐리어가 광전 변환부(310)에 생성되어 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집된다.
신호 생성 회로(312)는 독출 모드(readout mode) 동안 광전 변환에 의해 생성된 광전하들에 기초하여 전기 신호를 발생한다. 단위 픽셀(300)을 포함하는 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서인 경우에, 상기 광 집적 모드 후의 독출 모드에서 상기 셔터가 폐쇄되고, 전하 캐리어의 형태로 수집된 상기 피사체의 이미지에 관한 정보에 기초하여 전기 신호가 발생되며 상기 전기 신호에 기초하여 이미지 데이터가 발생된다.
단위 픽셀(300)은 신호 생성 회로(312)에 포함되는 트랜지스터들의 개수에 따라 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조 및 5-트랜지스터 구조 등으로 구분될 수 있으며, 복수의 픽셀들이 일부 트랜지스터를 공유하는 구조를 가질 수도 있다. 도 13에는 하나의 예시로서 4-트랜지스터 구조가 도시되어 있다. 즉, 신호 생성 회로(312)는 전송 트랜지스터(320), 리셋 트랜지스터(340), 드라이브 트랜지스터(350) 및 선택 트랜지스터(360)를 포함할 수 있으며, 플로팅 확산 노드(330)를 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(320)는 광전 변환부(310)와 연결된 제1 단자, 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 제2 단자 및 전송 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(340)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(350)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터(360)는 상기 드라이브 트랜지스터(350)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 출력 신호(VOUT)를 제공하는 제2 단자를 포함할 수 있다.
이하, 도 7 및 8을 참조하여 이미지 센서의 동작을 설명한다.
리셋 트랜지스터(340)의 게이트 전압(RST)이 상승하여 리셋 트랜지스터(340)가 턴온(turn-on)되면 센싱 노드인 플로팅 확산 노드(330)의 전위가 전원 전압(VDD)으로 리셋된다.
상기 광 집적 모드 동안에 외부에서 수광된 빛이 광전 변환부(310)에 입사되면 이에 비례하여 전자-전공 쌍들이 생성된다.
상기 광 집적 모드 후의 독출 모드에서, 전송 트랜지스터(320)의 게이트 전압(TX)이 상승하면 광전 변환부(310)에 축적된 전하는 플로팅 확산 노드(330)로 전달되며 전달된 신호 전하량에 비례하여 플로팅 확산 노드(330)의 전위가 하강하면 드라이브 트랜지스터(350)의 소스 전위가 변화된다.
이후 선택 트랜지스터(360)의 게이트 전압(SEL)이 상승하여 선택 트랜지스터(360)가 턴온되면 드라이브 트랜지스터(350)의 소스 전위가 출력된다. 단위 픽셀(300)은 피사체의 이미지에 관한 정보가 변환된 전기 신호인 출력 신호(VOUT)를 제공하며, 신호 처리부(220)는 출력 신호(VOUT)를 처리하여 이미지 데이터를 제공한다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(400)은 프로세서(410), 메모리 장치(420), 저장 장치(430), 이미지 센서(440), 입출력 장치(450) 및 전원 장치(460)를 포함할 수 있다. 한편, 도 9에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(400)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 시스템들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(410)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(410)는 마이크로프로세서(micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(410)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus) 등을 통하여 메모리 장치(420), 저장 장치(430) 및 입출력 장치(450)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(410)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
메모리 장치(420)는 컴퓨팅 시스템(400)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(420)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
저장 장치(430)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive) 및 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(450)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치(460)는 컴퓨팅 시스템(400)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(440)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(410)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(440)는 도 12의 이미지 센서(200)일 수 있으며, 도 1, 3, 4, 5 및 6을 참조하여 상술한 구조를 가지는 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 즉, 이미지 센서(440)의 단위 픽셀은, 반도체 기판의 제1 면 상에 광전 변환부에 대응하여 형성되고 음의 전압이 인가되는 억제 게이트를 포함하고 상기 억제 게이트를 폴리실리콘을 사용하여 전송 게이트와 동시에 형성함으로써, 상기 억제 게이트를 형성하기 위한 추가적인 공정 없이 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류 및 백점의 발생이 효율적으로 억제될 수 있다.
이미지 센서(440)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(440)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.
실시예에 따라서, 이미지 센서(440)는 프로세서(410)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(400)은 이미지 센서를 이용하는 임의의 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(400)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등을 포함할 수 있다.
도 10은 도 9의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있고, RF 칩(1160)은 DigRF MASTER(1114)를 통하여 제어되는 DigRF SLAVE(1162)를 더 포함할 수 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
이상, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 대하여 설명의 편의상 후면 수광 방식의 이미지 센서를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 전면 수광 방식의 이미지 센서에도 적용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 대하여 설명의 편의상 CMOS 이미지 센서를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 CCD 이미지 센서와 같은 임의의 이미지 센서에도 적용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 기기에 이용될 수 있으며, 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (10)
- 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부;
상기 반도체 기판 내의 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된 전송 게이트; 및
상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 상기 전송 게이트와 동시에 형성되며, 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류(dark current)의 발생을 억제하기 위하여 음의 전압이 인가되는 억제 게이트를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 다른 타입의 제1 불순물이 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 반도체 기판에서 상기 광전 변환부보다 상부 영역에 형성되고, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제2 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된 제1 불순물 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 반도체 기판에서 상기 광전 변환부보다 하부 영역에 형성되고, 상기 제1 불순물이 상기 광전 변환부보다 낮은 농도로 도핑된 제1 불순물 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 억제 게이트의 두께는 상기 전송 게이트의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되는 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 6 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제2 면과 상기 컬러 필터 사이에 형성되고, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제 6 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제2 면과 상기 컬러 필터 사이에 형성되는 절연층을 더 포함하며,
상기 절연층은 음의 고정 전하(negative fixed charge)를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생하는 픽셀 어레이; 및
상기 전기 신호를 처리하여 이미지 데이터를 발생하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
상기 입사광에 상응하는 광전하를 발생하도록 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부;
상기 반도체 기판 내의 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된 전송 게이트; 및
상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 광전 변환부에 대응하여 형성되고, 폴리실리콘을 사용하여 상기 전송 게이트와 동시에 형성되며, 상기 반도체 기판의 제1 면 부근의 암 전류(dark current)의 발생을 억제하기 위하여 음의 전압이 인가되는 억제 게이트를 포함하는 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 억제 게이트에 인가되는 상기 음의 전압을 제공하기 위한 음 전압 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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