KR100616741B1 - CMOS image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 색재현 특성을 향상시키면서 공정을 단순화시킬 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공한다.The present invention provides a CMOS image sensor that can simplify the process while improving color reproduction characteristics.
본 발명은 기판의 일 측에 서로 이격되어 나란히 형성된 제 1 및 제 2 포토다이오드; 기판의 다른 측에 형성된 플로팅노드; 플로팅노드와 제 1 및 제 2 포토다이오드 사이의 기판에서 상기 제 1 및 제 2 포토다이오드와 교차하도록 형성된 전송트랜지스터의 게이트; 및 게이트 하부의 기판에서 제 1 및 제 2 포토다이오드와 플로팅노드를 각각 서로 연결하도록 서로 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 채널영역을 포함하는 씨모스 이미지센서에 의해 달성될 수 있다. The present invention includes a first photodiode and a second photodiode spaced apart from each other on one side of the substrate; A floating node formed on the other side of the substrate; A gate of the transfer transistor formed to intersect the first and second photodiodes in a substrate between the floating node and the first and second photodiodes; And first and second channel regions spaced apart from each other to connect the first and second photodiodes and the floating node to each other in the substrate under the gate, respectively.
포토다이오드, 이미지센서, 전송트랜지스터, 플로팅노드, 색재현Photodiode, image sensor, transmission transistor, floating node, color reproduction
Description
도 1은 통상의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a conventional CMOS image sensor.
도 2는 종래 CMOS 이미지센서의 레이아웃 평면도.2 is a layout plan view of a conventional CMOS image sensor.
도 3은 종래 CMOS 이미지센서의 단면도.3 is a cross-sectional view of a conventional CMOS image sensor.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 레이아웃 평면도.4 is a layout plan view of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단면도로서, 5 and 6 are cross-sectional views of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ' 선에 따른 단면도이고, 5 is a cross-sectional view taken along the line VV ′ of FIG. 4;
도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ' 선에 따른 단면도.6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI 'of FIG. 4.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of symbols for main parts of drawing
10 : P＋ 반도체 기판 11 : P- 에피층10: P + semiconductor substrate 11: P - epitaxial layer
12 : 게이트 절연막 13 : 전송트랜지스터의 게이트12 gate
15 : 스페이서 20 : P＋ 불순물영역15 spacer 20 P + impurity region
30A, 30B : N- LDD 영역 PD1, PD2 : 포토다이오드30A, 30B: N - LDD region PD1, PD2: photodiode
F : 플로팅노드F: floating node
본 발명은 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 특히 단위화소에 2 개의 포토다이오드를 구비한 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor having two photodiodes in a unit pixel.
일반적으로, 이미지센서(image sensor)는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서의 경우에는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 광감지 부분 상에 레드(Red; R), 그린(Green; G), 블루(Blue; B)의 3가지 칼라필터로 이루어진 칼라필터 어레이(Color Filter Array; CFA)가 구비된다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes an optical sensing part that detects light and a logic circuit part that processes the detected light into an electrical signal to make data. In the case of a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensor, a switching method is used in which a MOS transistor is made by the number of pixels using CMOS technology, and the output is sequentially detected using the same. In addition, the image sensor for implementing a color image is a color filter array consisting of three color filters (Red, R, Green, G, Blue; B) on the light sensing portion CFA).
도 1은 통상의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광전하를 집속하는 광감지수단으로서의 포토다이오드(PD), 포토다이오드(PD)에서 집속된 전하를 운송하는 전송트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 전송트랜지스터(Tx)에서 운송된 전하를 저장하는 플로팅노드(F), 플로팅노드(F)에 저장된 전하를 배출하여 리셋시키는 리셋트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소오스팔로워버퍼증폭기(source follower buffer amplifier)로서 작용하는 구동트랜지스터(Drive transistor; Dx), 및 스위칭(switching)과 어드레 싱(addressing) 역할을 하는 선택트랜지스터(Select transistor; Sx)로 이루어지며, 각각의 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터로 이루어진다. 또한, 플로팅노드(F) 및 포토다이오드(PD)에는 캐패시턴스(C1, C2)가 각각 존재하며, 단위화소 외부에는 출력신호를 읽을 수 있도록 로드트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a conventional CMOS image sensor. As shown in FIG. 1, a photodiode PD and photocharge PD as a light sensing means for focusing photocharges are transported. Transfer transistor (Tx), floating node (F) for storing charges transferred from transfer transistor (Tx), reset transistor (Rx), source for discharging and resetting charges stored in floating node (F) Each transistor consists of a drive transistor (Dx) that acts as a source follower buffer amplifier and a select transistor (Sx) that serves as switching and addressing. Is composed of NMOS transistors. In addition, capacitances C1 and C2 are present in the floating node F and the photodiode PD, respectively, and a load transistor is formed outside the unit pixel to read an output signal.
도 2 및 도 3은 종래의 CMOS 이미지센서의 레이아웃(layout) 평면도 및 단면도이다.2 and 3 are layout plan views and cross-sectional views of a conventional CMOS image sensor.
도 2에 나타낸 바와 같이, 기판(미도시)의 일측에는 포토다이오드(PD)가 형성되고, 다른 측에는 플로팅노드(F)가 형성되며, 플로팅노드(F)와 포토다이오드 (PD) 사이의 기판에는 전송트랜지스터의 게이트(13)가 형성되고, 게이트(13) 하부의 기판에는 포토다이오드(PD)와 플로팅노드(F)를 서로 연결하는 채널영역이 형성된다.As shown in FIG. 2, a photodiode PD is formed on one side of the substrate (not shown), a floating node F is formed on the other side, and a substrate between the floating node F and the photodiode PD is formed on the substrate. A
도 3에 도시된 바와 같이, 기판은 P＋ 반도체 기판(10) 상에 P- 에피층(11)이 형성된 구조로 이루어지고, 포토다이오드(PD)는 P- 에피층(11)에 순차적으로 형성된 딥 N－ 불순물영역(14A)과 P0 불순물영역(14B)으로 이루어지고, 플로팅노드(F)는 N
＋ 불순물영역으로 이루어지며, 게이트(13) 하부 및 측부에는 게이트 절연막(12)과 스페이서(15)가 각각 형성되어 있다.As shown in FIG. 3, the substrate has a structure in which a P −
이와 같이 종래의 CMOS 이미지센서에서는 가시광선영역 파장대의 광자를 광자의 파장에 따른 통과깊이(penetration depth)를 고려하여 각 파장대의 응답 (response)을 균일하게 하기 위한 목적으로, 포토다이오드(PD)를 각각의 이온주입 에 의해 딥 N- 불순물영역(14A)과 P0 불순물영역(14B)으로 이루어진 구조로 형성하고 있다.As described above, in the conventional CMOS image sensor, a photodiode (PD) is used for the purpose of uniformizing the response of each wavelength band in consideration of the penetration depth according to the wavelength of the photons. Each ion implantation forms a deep N − impurity region 14A and a P 0 impurity region 14B.
그러나, 이러한 구조의 포토다이오드(PD)는 가시광선의 넓은 전 파장영역의 응답을 커버(cover)하는데 한계가 있어, R, G, B 응답상의 근본적인 차이를 초래하여 이미지센서의 색재현 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 공정이 복잡하고 마진 확보에 어려움이 있다.However, the photodiode PD of such a structure has a limitation in covering the response of a wide full wavelength range of visible light, resulting in a fundamental difference in R, G, and B response, thereby degrading the color reproduction characteristics of the image sensor. In addition, the process is complex and there is difficulty in securing margins.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 색재현 특성을 향상시키면서 공정을 단순화시킬 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a CMOS image sensor that can simplify the process while improving color reproduction characteristics.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 내에 서로 분리된 상태로 일정 간격으로 이격되어 나란히 형성된 제 1 및 제 2 포토다이오드와, 상기 제1 및 제2 포토다이오드의 일측을 가로지르는 방향으로 중첩되도록 형성된 전송트랜지스터의 게이트와, 상기 전송트랜지스터의 게이트를 경계로 상기 제1 및 제2 포토다이오드와 분리된 플로팅노드와, 상기 제1 및 제2 포토다이오드와 상기 플로팅노드 사이의 상기 전송트랜지스터의 게이트 하부에 서로 이격되도록 각각 형성된 제 1 및 제 2 채널영역을 포함하는 씨모스 이미지센서를 제공한다. According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the first and second photodiodes formed side by side spaced apart at regular intervals in a state separated from each other in the substrate and one side of the first and second photodiode A gate of a transfer transistor formed so as to overlap in a transverse direction, a floating node separated from the first and second photodiodes at a boundary of the gate of the transfer transistor, and between the first and second photodiodes and the floating node. A CMOS image sensor including first and second channel regions respectively formed to be spaced apart from each other under a gate of the transmission transistor is provided.
여기서, 기판은 P＋ 반도체 기판 상에 P- 에피층이 형성된 구조로 이루어지고, 제 1 포토다이오드는 P- 에피층 표면에 형성된 N- LDD 영역을 포함하며, 제 2 포토다이오드는 P- 에피층에 순차적으로 형성된 N- LDD 영역과 P＋ 불순물영역을 포함한다.Here, the substrate has a structure in which a P - epi layer is formed on a P + semiconductor substrate, the first photodiode includes an N - LDD region formed on the surface of the P - epi layer, and the second photodiode is a P - epi layer N - LDD regions and P + impurity regions sequentially formed in the substrate.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서를 설명하기 위한 도면으로서, 도 4 내지 도 6에서 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여한다.4 to 6 are diagrams for describing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIGS. 4 to 6, the same reference numerals are given to the same components as in the prior art.
도 4에 도시된 바와 같이, 기판(미도시)의 일 측에는 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2)가 서로 이격되어 나란히 형성되고, 다른 측에는 플로팅노드(F)가 형성되며, 플로팅노드(F)와 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2) 사이의 기판에는 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2)와 교차하도록 전송트랜지스터의 게이트(13)가 형성되고, 게이트(13) 하부의 기판에는 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2)와 플로팅노드(F)를 각각 서로 연결하도록 서로 이격되어 제 1 및 제 2 채널영역이 형성된다.As shown in FIG. 4, the first and second photodiodes PD1 and PD2 are formed side by side to be spaced apart from each other on one side of the substrate (not shown), and the floating node F is formed on the other side of the substrate (not shown). The
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기판은 P＋ 반도체 기판(10) 상에 P- 에피층(11)이 형성된 구조로 이루어지고, 제 1 포토다이오드(PD1)는 P- 에피층(11) 표면에 형성된 제 1 N- LDD 영역(30A)을 포함하고, 제 2 포토다이오드(PD2)는 P- 에피층(11)에 순차적으로 형성된 제 2 N- LDD 영역(30B)과 P＋ 불순물영역(20)을 포함한다. 또한, 플로팅노드(F)는 N＋ 불순물영역으로 이루어지고, 게이트(13) 하부 및 측부에는 게이트 절연막(12)과 스페이서(15)가 각각 형성되어 있다.5 and 6, the substrate has a structure in which a P − epi layer 11 is formed on a P + semiconductor substrate 10, and the first photodiode PD1 has a P − epi layer 11. ) of claim 1 N formed on the surface including an LDD region (30A) and the second photodiode (PD2) is a P-LDD regions (30B) and the P + impurity region, the second N sequentially formed on the
상기 실시예에 의하면, 단위화소에 서로 다른 구조를 가지는 2 개의 포토다이오드를 형성하여, 제 1 포토다이오드(PD1)에서는 G부터 R까지 장파장대역의 응답을 커버하고, 제 2 포토다이오드(PD2)에서는 B부터 G까지 단파장대역의 응답을 커버하도록 하여, R, G, B 응답상의 차이가 발생하지 않도록 함으로써 이미지센서의 색재현 특성을 향상시킬 수 있다. According to the above embodiment, two photodiodes having different structures are formed in the unit pixel, and the first photodiode PD1 covers the long wavelength response from G to R, and the second photodiode PD2 It is possible to improve the color reproduction characteristics of the image sensor by covering the response of the short wavelength band from B to G so that a difference in R, G, and B response does not occur.
또한, 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2)를 각각 N- LDD 영역을 적용하여 형성하기 때문에 종래에 비해 포토다이오드 형성공정을 단순화시킬 수 있다. In addition, since the first and second photodiodes PD1 and PD2 are formed by applying the N - LDD regions, the photodiode forming process can be simplified as compared with the related art.
또한, 전송트랜지스터를 2 개의 채널영역을 갖도록 형성하여 제 1 및 제 2 포토다이오드(PD1, PD2)에 집속된 광전하를 각각 운송함으로써 전하전송 특성을 개선할 수 있다.In addition, the transfer transistor may be formed to have two channel regions, thereby transporting photocharges focused on the first and second photodiodes PD1 and PD2, respectively, thereby improving charge transfer characteristics.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
전술한 본 발명은 CMOS 이미지센서에서 색재현 특성을 향상시키면서 공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 전하전송 특성을 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.The present invention described above can not only simplify the process while improving the color reproduction characteristics in the CMOS image sensor, but also can obtain the effect of improving the charge transfer characteristics.
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