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KR101989567B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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KR101989567B1
KR101989567B1 KR1020120058315A KR20120058315A KR101989567B1 KR 101989567 B1 KR101989567 B1 KR 101989567B1 KR 1020120058315 A KR1020120058315 A KR 1020120058315A KR 20120058315 A KR20120058315 A KR 20120058315A KR 101989567 B1 KR101989567 B1 KR 101989567B1
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gate
ground
transistor
image sensor
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안정착
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서는 복수의 화소들을 분리하는 제 1 소자 분리막, 상기 제 1 소자 분리막의 내측에 접하도록 형성되며 반도체 기판의 활성 영역을 정의하는 제 2 소자 분리막, 상기 활성 영역에 서로 이격되어 형성된 부유 확산 영역 및 그라운드 영역, 상기 활성 영역에 형성되고, 상기 반도체 기판의 내부로 리세스된 영역으로 연장된 게이트를 포함하는 전송 트랜지스터, 및 상기 게이트와 이격되어 상기 반도체 기판 내부에 형성된 광전 변환부를 포함하고, 상기 그라운드 영역은 접지 전압 단자에 전기적으로 연결된다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 이미지 센서는 씨씨디 방식의 이미지 센서(Charge-Coupled Device; 이하, 'CCD'라 칭함)와 씨아이에스 방식의 이미지 센서(CMOS Image Sensor; 이하, 'CIS'라 칭함)로 분류될 수 있다. CCD는 비디오 카메라 등에 이용되고, CIS는 디지털 스틸 카메라 등에 이용된다.
CIS는 복수의 화소들을 포함한다. 각 화소들은 입사되는 광을 감지하기 위한 포토 다이오드(photodiode, PD) 및 포토 다이오드에서 감지된 신호를 신호 처리 회로에 전달하기 위한 트랜지스터들을 포함한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 누설 전류를 최소화할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 화소들을 분리하는 제 1 소자 분리막, 상기 제 1 소자 분리막의 내측에 접하도록 형성되며 반도체 기판의 활성 영역을 정의하는 제 2 소자 분리막, 상기 활성 영역에 서로 이격되어 형성된 부유 확산 영역 및 그라운드 영역, 상기 활성 영역에 형성되고, 상기 반도체 기판의 내부로 리세스된 영역으로 연장된 게이트를 포함하는 전송 트랜지스터, 및 상기 게이트와 이격되어 상기 반도체 기판 내부에 형성된 광전 변환부를 포함하고, 상기 그라운드 영역은 접지 전압 단자에 전기적으로 연결된다.
상기 부유 확산 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 일측에 형성되고, 상기 그라운드 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 타측에 형성된다.
상기 제 1 소자 분리막은 상기 반도체 기판의 전면에서 하면까지 연장되는 제 1 깊이를 가지고, 상기 제 2 소자 분리막은 상기 제 1 깊이보다 작은 제 2 깊이를 가진다.
상기 게이트는 상기 제 2 소자 분리막보다 아래로 연장된다.
상기 제 1 및 상기 제 2 소자 분리막은 동일한 절연물질로 구성된다.
상기 반도체 기판은 제 1 도전형을 갖고 상기 광전 변환부는 제 2 도전형을 갖는다.
상기 부유 확산 영역은 상기 제 2 도전형을 갖고 상기 그라운드 영역은 상기 제 1 도전형을 갖는다.
상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하는 상기 게이트의 측면 및 아래에 형성되는 채널을 통해 상기 부유 확산 영역으로 전송된다.
상기 부유 확산 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 일측에 형성되고, 상기 그라운드 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 타측과 이격되어 형성된다.
상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트와 상기 그라운드 영역은 상기 제 2 소자 분리막에 의해 서로 절연되어 분리된다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 광전 변환부의 면적을 최대로 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 각 화소는 접지 전압 단자에 전기적으로 연결된 그라운드 영역을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 누설 전류를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소들의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 단위 화소의 등가 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 A영역의 확대도로서 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다.
도 4는 도 3의 I-I'선에 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다.
도 6은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다.
도 8은 도 7의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따라 자른 단면도이다.
도 9는 도 2 내지 도 8에 도시된 단위 화소를 포함하는 이미지 센서의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대한 실시 예를 보다 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소들의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 화소들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있으며, 제 1 소자 분리막(11)에 의해 서로 절연된다. 즉, 화소들(PX)은 제 1 소자 분리막(11)에 의해 서로 분리된다. 제 1 소자 분리막(11)은 절연물질로 구성될 수 있다. 제 1 소자 분리막(11)은 트렌치형 소자 분리막으로서 DTI(Deep Trench Isolation) 공정으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 이미지 센서는 씨모드 이미지 센서(CMOS Image Sensor)일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 단위 화소의 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서의 단위 화소(PX)는 광전 변환부(PD), 부유 확산 노드(FD: floating diffusion node) 및 복수의 트랜지스터들(M1~M4)을 포함한다.
광전 변환부(PD)는 외부로부터 광을 제공받아 광 전하를 생성할 수 있는 광전 변환 소자일 수 있다. 예를 들어, 광전 변환부(PD)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드포토 다이오드(pinned photo diode) 및 이들의 조합으로 구성된 소자일 수 있다.
트랜지스터들(M1~M4)은 전송 트랜지스터(transfer transistor,M1), 리셋 트랜지스터(reset transistor,M2), 구동 트랜지스터(driver transistor,M3) 및 선택 트랜지스터(select transistor,M4)를 포함할 수 있다.
광전 변환부(PD)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적한다. 전송 트랜지스터(M1)는 전송 제어신호(TX)에 응답하여 광전 변환부(PD)에 축적된 전하(또는 광전류)를 부유 확산 노드(FD)로 전송한다.
부유 확산 노드(FD)는 부유 확산 영역(Floating Diffusion region)으로 형성되며 전송 트랜지스터(M1)를 통해 광전 변환부(PD)로부터 생성된 전하를 수신하고 축적한다.
리셋 트랜지스터(M2)는 전원 전압(VDD)과 부유 확산 노드(FD) 사이에 접속된다. 리셋 트랜지스터(M2)는 리셋 제어신호(RX)에 응답하여 부유 확산 노드(FD)의 전위를 소정의 전원전압(VDD) 레벨로 리셋시켜 부유 확산 노드(FD)에 저장된 광 전하를 배출하는 역할을 한다.
구동 트랜지스터(M3)는 소스 팔로워-버퍼 증폭기의 역할을 하며, 부유 확산 노드(FD)에 저장된 전하에 대응되는 전기 신호를 생성한다. 구동 트랜지스터(M3)는 소스 팔로워(source follower) 트랜지스터로 정의될 수도 있다.
선택 트랜지스터(M4)는 선택 제어신호(SEL)에 응답하여 구동 트랜지스터(M3)로부터 생성된 전기 신호를 출력 단자(OUT)로 전달한다.
도 3은 도 1에 도시된 A 영역의 확대도로서 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다. 도 4는 도 3의 절단선 I-I'를 따라 자른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 기판(10)이 제공된다. 반도체 기판(10)은 제 1 도전형 벌크(bulk) 실리콘 기판상에 제 1 도전형 에피택셜층이 형성된 기판일 수 있다. 제 1 도전형은 P형일 수 있다. 반도체 기판(10)은 이미지 센서의 제조 공정에서 벌크 실리콘 기판이 제거되어 P형 에피택셜층만 잔류하는 기판일 수 있다.
이미지 센서의 단위 화소(PX)는 반도체 기판(10)에 형성된 광전 변환부(PD), 트랜지스터들(M1~M4) 및 그라운드 영역(22)을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(PX)는 실질적으로 수직 하게 중첩된 수광 영역(A1)과 회로 영역(A2)을 포함할 수 있다. 수광 영역(A1)은 반도체 기판(10)의 내부에 형성되어 광전 변환부(PD)를 포함할 수 있다. 회로 영역(A2)은 트랜지스터들(M1~M4) 및 그라운드 영역(22)을 포함할 수 있다. 수광 영역(A1)에 형성되는 광전 변환부(PD)는 회로 영역(A2)에 형성되는 트랜지스터들(M1~M4) 및 그라운드 영역(22)과 오버랩되도록 형성될 수 있다.
광전 변환부(PD)는 반도체 기판(10)의 내부에 형성되며, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 제 2 도전형은 N형일 수 있다. 구체적으로, 광전 변환부(PD)는 N형 불순물 도핑 농도를 갖는 N형 반도체 일 수 있다. 이러한 경우, N형의 광전 변환부(PD)는 P형의 반도체 기판(10)과 PN 접합을 형성하여 포토 다이오드를 구성할 수 있다. 광전 변환부(PD)는 입사광을 수신하여 전하를 생성하고 축적할 수 있다. 광전 변환부(PD)는 제 1 소자 분리막(11)의 측벽과 이격되어 형성될 수 있다.
반도체 기판(10)에는 활성 영역을 정의하는 제 2 소자 분리막(12)이 형성된다. 제 2 소자 분리막(12)은 제 1 소자 분리막(11)의 내측에서 제 1 소자 분리막(11)과 접하도록 형성될 수 있다. 제 1 소자 분리막(11)은 반도체 기판(10)의 전면에서 하면까지 연장되는 제 1 깊이(d1)를 가질 수 있다. 제 2 소자 분리막(12)은 제 1 깊이(d1)보다 작은 제 2 깊이(d2)를 가질 수 있다. 제 2 소자 분리막(12)은 제 1 소자 분리막(11)과 동일한 절연물질로 구성될 수 있다. 제 2 소자 분리막(12)은 트렌치형 소자 분리막으로서 STI(Shallow Trench Isolation) 공정 또는 LOCOS(Local Oxidation of silicon) 공정으로 형성될 수 있다.
활성영역은 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리된 제 1 활성 영역(20) 및 제 2 활성 영역(30)을 포함할 수 있다. 제 1 활성 영역(20)에는 부유 확산 영역(21), 그라운드 영역(22) 및 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)가 형성될 수 있다. 제 2 활성 영역(30)에는 리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)가 형성될 수 있다.
제 1 활성 영역(20)에는 부유 확산 영역(21) 및 그라운드 영역(22)이 서로 이격되어 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 부유 확산 영역(21)은 상기 전송 트랜지스터(M1)의 게이트(TG)의 일측에 형성되고, 상기 그라운드 영역(22)은 상기 전송 트랜지스터(M1)의 게이트(TG)의 타측에 형성될 수 있다.
부유 확산 영역(21)은 제 2 도전형을 가질 수 있다. 구체적으로 부유 확산 영역(21)은 N+형 불순물 도핑 농도를 갖는 N+형 반도체 영역일 수 있다. 부유 확산 영역(21)은 도 2에 도시된 부유 확산 노드(FD)에 대응된다. 그라운드 영역(22)은 제 1 도전형을 가질 수 있다. 구체적으로 그라운드 영역(22)은 P+형 불순물 도핑 농도를 갖는 P+형 반도체 영역일 수 있다.
부유 확산 영역(21) 및 그라운드 영역(22) 사이의 제 1 활성 영역(20)에는 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)가 형성될 수 있다. 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 폴리 실리콘(poly silicon)으로 형성될 수 있다. 전송 트랜지스터(M1)는 광전 변환부(PD), 부유 확산 영역(21) 및 전송 트랜지스터(M1)를 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 반도체 기판(10)상에 제공되는 제 1 게이트(23) 및 반도체 기판(10)의 내부로 리세스(recess)된 영역(R)으로 연장된 제 2 게이트(24)를 포함할 수 있다. 리세스된 영역(R)은 반도체 기판(10)의 상부면으로부터 광전 변환부(PD)로 연장될 수 있으며, 광전 변환부(PD)와 이격되어 형성될 수 있다. 제 1 게이트(23)는 반도체 기판(10)의 위로 돌출되고, 제 2 게이트(24)는 제 2 소자 분리막(12)보다 아래로 연장되도록 형성될 수 있다. 제 2 게이트(24)는 경사진 측벽을 가질 수 있다. 제 2 게이트(24)는 리세스된 영역(R)에 형성되므로 제 2 게이트(24)의 아래에 형성되는 채널(미 도시됨)의 길이가 증가될 수 있다. 제 1 게이트(23)와 제 2 게이트(24)는 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 게이트(23)의 폭은 제 2 게이트(24)의 폭 보다 넓게 형성될 수 있다.
반도체 기판(10)과 전송 게이트(TG) 사이에 게이트 절연막(25)이 형성된다. 게이트 절연막(25)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)는 전송 트랜지스터(M1)로부터 떨어져 제 2 활성 영역(30)에 형성될 수 있다.
구체적으로, 리셋 트랜지스터(M2)의 게이트(RG), 구동 트랜지스터(M3)의 게이트(DG), 선택 트랜지스터(M4)의 게이트(ST) 및 트랜지스터들(M2~M4)의 소스 및 드레인을 형성하는 제 1 내지 제 4 반도체 영역들(31,32,33,34)이 제 2 활성 영역(30)에 형성될 수 있다.
리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)의 게이트들(RG,DG,SG)은 반도체 기판(10)상에 형성될 수 있다. 리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)의 게이트들(RG,DG,SG)은 폴리 실리콘(poly silicon)으로 형성될 수 있다.
단면구성을 도시하지 않았으나, 도 1에 도시된 제 1 내지 제 4 반도체 영역들(31,32,33,34)은 제 2 도전형을 가질 수 있다. 구체적으로, 제 1 내지 제 4 반도체 영역들(31,32,33,34)은 N+형 반도체 영역일 수 있다. 제 1 반도체 영역(31)은 리셋 트랜지스터(M2)의 소스이고, 제 2 반도체 영역(32)은 리셋 트랜지스터(M2)의 드레인일 수 있다. 리셋 트랜지스터(M2) 및 구동 트랜지스터(M3)는 제 2 반도체 영역(32)을 공유한다. 제 2 반도체 영역(32)은 구동 트랜지스터(M3)의 드레인이고, 제 3 반도체 영역(33)은 구동 트랜지스터(M3)의 소스일 수 있다. 구동 트랜지스터(M3)와 선택 트랜지스터(M4)는 제 3 반도체 영역(33)을 공유한다. 제 3 반도체 영역(33)은 선택 트랜지스터(M4)의 드레인이고, 제 4 반도체 영역(54)은 선택 트랜지스터(M4)의 소스일 수 있다.
반도체 기판(10) 상에는 트랜지스터들(M1~M4)의 게이트들(TG,RG,DG,SG)을 덮도록 층간 절연막(40)이 형성될 수 있다. 제 1 컨택부(41) 및 제 2 컨택부(42)는 층간 절연막(40)을 관통하여 반도체 기판(10)에 연결될 수 있다. 도 4에 도시되지 않았으나, 제 3 컨택부(43), 제 4 컨택부(44), 제 5 컨택부(45) 및 제 6 컨택부(46) 역시 층간 절연막(40)을 관통하여 반도체 기판(10)에 연결될 수 있다.
부유 확산 영역(21)은 제 1 컨택부(41) 및 제 3 컨택부(43)에 의해 리셋 트랜지스터(M2)의 소스인 제 1 반도체 영역(31)에 전기적으로 연결될 수 있다. 부유 확산 영역(21)은 제 1 컨택부(41), 제 3 컨택부(43) 및 제 5 컨택부(45)에 의해 구동 트랜지스터(M3)의 게이트(DG)에 전기적으로 연결될 수 있다.
그라운드 영역(22)은 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
리셋 트랜지스터(M2)와 구동 트랜지스터(M3)의 드레인인 제 2 반도체 영역(32)은 제 4 컨택부(44)에 의해 전원 단자(VDD)에 전기적으로 연결될 수 있다.
선택 트랜지스터(M4)의 소스인 제 4 반도체 영역(34)은 제 6 컨택부(46)에 의해 출력 단자(OUT)에 전기적으로 연결될 수 있다.
광전 변환부(PD)는 외부광을 수신하여 전하를 생성하고 축적한다. 광전 변환부(PD)에 의해 축적된 전하는 도 4에 도시된 점선 화살표와 같이, 제 2 게이트(24)의 측면 및 아래에 형성된 채널(미 도시됨)을 통해 부유 확산 영역(21)으로 전송될 수 있다. 화소(PX)의 기타 동작은 앞서, 도 2를 참조하여 상세히 설명되었으므로, 설명을 생략한다.
광전 변환부(PD)는 트랜지스터들(M1~M4) 및 그라운드 영역(22)이 형성되지 않는 반도체 기판(10) 내부의 수광 영역(A1)에 형성될 수 있다. 따라서, 화소(PX)에서 광전 변환부(PD)의 면적이 최대로 설정될 수 있다.
화소들(PX) 각각은 제 1 소자 분리막(11)에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 화소들(PX) 각각은 접지 전압 단자(GND)에 연결되는 영역을 필요로 한다. 이미지 센서의 단위 화소(PX)는 그라운드 영역(22)을 포함하고, 그라운드 영역(22)은 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소(PX)들 각각은 광전 변환부(PD)의 면적을 최대로 설정할 수 있고, 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다. 도 6은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따라 자른 단면도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 이미지 센서의 단위 화소의 구성은 그라운드 영역의 구성이 다른 것을 제외하면 도 3 및 도 4에 도시된 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 구성과 동일하다. 따라서, 이하, 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 구성과 다른 구성이 설명될 것이며, 동일한 구성은 동일한 부호를 사용하여 도시하였다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 활성영역은 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리된 제 1 활성 영역(20), 제 2 활성 영역(30) 및 제 3 활성 영역(50)을 포함할 수 있다.
제 1 활성 영역(20)에는 부유 확산 영역(21) 및 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)가 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(21)은 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)의 일측에 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(21)은 제 2 도전형을 가지며, N+형 반도체 영역일 수 있다.
제 2 활성 영역(30)에는 그라운드 영역(22)이 형성될 수 있다. 그라운드 영역(22)은 제 1 도전형을 가지며, P+형 반도체 영역일 수 있다. 제 2 활성 영역(30)에 형성되는 그라운드 영역(22)은 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)의 타측과 이격되어 형성될 수 있다. 그라운드 영역(22)과 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 절연될 수 있다. 즉, 그라운드 영역(22)과 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리되어 형성될 수 있다.
제 3 활성 영역(50)에는 리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)가 형성될 수 있다.
반도체 기판(10) 상에는 층간 절연막(40)이 형성되고, 그라운드 영역(22)은 층간 절연막(40)을 관통하여 형성된 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
화소들(PX) 각각은 제 1 소자 분리막(11)에 의해 분리된다. 따라서, 화소들(PX) 각각은 접지 전압 단자(GND)에 연결되는 영역을 필요로 한다. 이미지 센서의 단위 화소(PX)는 그라운드 영역(22)을 포함하고, 그라운드 영역(22)은 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있다.
전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)의 타측과 그라운드 영역(22)은 제2 소자 분리막(12)에 의해 서로 절연되어 분리된다. 따라서, 전송 게이트(TG)에 게이트 전압 인가시 전송 게이트(TG)와 그라운드 영역(22) 사이에 형성될 수 있는 전계의 세기가 완화될 수 있다. 그 결과 전송 게이트(TG)와 그라운드 영역(22) 사이에 형성된 전계로 인해 발생 될 수 있는 누설 전류가 최소화될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소(PX)들 각각은 광전 변환부(PD)의 면적을 최대로 설정할 수 있고, 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소(PX)들 각각은 누설 전류를 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 평면도이다. 도 8은 도 7의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따라 자른 단면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 이미지 센서의 단위 화소의 구성은 그라운드 영역 및 광전 변환부의 구성이 다른 것을 제외하면 도 5 및 도 6에 도시된 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 구성과 동일하다. 따라서, 이하, 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 구성과 다른 구성이 설명될 것이며, 동일한 구성은 동일한 부호를 사용하여 도시하였다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 활성영역은 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리된 제 1 활성 영역(20), 제 2 활성 영역(30) 및 제 3 활성 영역(50)을 포함할 수 있다.
제 1 활성 영역(20)에는 부유 확산 영역(21), 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG) 및 광전 변환부(PD)가 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(21) 및 광전 변환부(PD)는 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)를 사이에 두고 제 1 활성 영역(20)에 형성된다. 부유 확산 영역(21)은 N+형의 반도체 영역일 수 있다.
광전 변환부(PD)는 P형 반도체 영역(26) 및 P형 반도체 영역(26)의 하부에 접하도록 형성되는 N형 반도체 영역(27)을 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 부유 확산 영역(21) 및 광전 변환부(PD) 사이에 형성될 수 있다. 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 제 1 게이트(23) 및 제 2 게이트(24)를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 반도체 기판(10) 위로 돌출되도록 형성된 제 1 게이트(23)를 포함할 수도 있다. 광전 변환부(PD)에서 생성된 전하는 전송 게이트(TG) 아래에 형성된 채널(미 도시됨)을 통해 부유 확산 영역(21)으로 전송될 수 있다.
제 2 활성 영역(30)에는 그라운드 영역(22)이 형성될 수 있다. 그라운드 영역(22)은 P+형의 반도체 영역일 수 있다. 제 2 활성 영역(30)에 형성되는 그라운드 영역(22)은 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)의 타측과 이격되어 형성될 수 있다. 그라운드 영역(22)과 전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)는 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 절연될 수 있다. 즉, 그라운드 영역(22)과 전송 게이트(TG)는 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리되어 형성될 수 있다. 부유 확산 영역(21) 및 그라운드 영역(22)은 제 2 소자 분리막(12)에 의해 서로 분리되어 형성될 수 있다.
제 3 활성 영역(50)에는 리셋 트랜지스터(M2), 구동 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)가 형성될 수 있다.
반도체 기판(10) 상에는 층간 절연막(40)이 형성되고, 그라운드 영역(22)은 층간 절연막(40)을 관통하여 형성된 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
화소들(PX) 각각은 제 1 소자 분리막(11)에 의해 분리된다. 따라서, 각 화소들(PX)은 접지 전압 단자(GND)에 연결되는 영역을 필요로 한다. 이미지 센서의 단위 화소(PX)는 그라운드 영역(22)을 포함하고, 그라운드 영역(22)은 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있다.
전송 트랜지스터(M1)의 전송 게이트(TG)의 타측과 그라운드 영역(22)은 제2 소자 분리막(12)에 의해 서로 절연되어 분리된다. 따라서, 전송 게이트(TG)에 게이트 전압 인가시 전송 게이트(TG)와 그라운드 영역(22) 사이에 형성될 수 있는 전계의 세기가 완화될 수 있다. 그 결과 전송 게이트(TG)와 그라운드 영역(22) 사이에 형성된 전계로 인해 발생 될 수 있는 누설 전류가 최소화될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소(PX)들 각각은 제 2 컨택부(42)에 의해 접지 전압 단자(GND)에 연결될 수 있고, 누설 전류를 최소화할 수 있다.
도 9는 도 3 내지 도 8에 도시된 단위 화소를 포함하는 이미지 센서의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서(100)는 액티브 픽셀 센서(APS: Active Pixel Sencor) 어레이(110)(이하, APS 어레이라 칭함), 로우 드라이버(120) 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC: Analog-Digital Converter)(130)(이하 ADC라 칭함)를 포함할 수 있다.
APS 어레이(110)는 도 1에 도시된 바와 같은 형태인 매트릭스 형태로 배열된 복수의 화소들을 포함한다. 단위 화소는 도 3 내지 도 8에 도시된 단위 화소들 중 어느 하나의 구성을 가질 수 있다.
APS 어레이(110)는 광전 변환부를 이용하여 외부로부터 제공되는 광을 감지하고, 감지된 광을 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 APS 어레이(110)의 화소들을 구동하기 위한 제어 신호들로서 선택 제어신호(SEL), 리셋 제어신호(RX) 및 전송 제어신호들(TX)을 화소들에 제공한다. 로우 드라이버(120)는 APS 어레이(110)를 행 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(120)는 행 선택 신호를 생성하고, APS 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 제공된 행 선택 신호에 의해 선택된 행으로부터 리셋 신호와 영상 신호를 아날로그-디지털 컨버터(130)로 출력할 수 있다. 리셋 신호는 부유 확산 노드(FD)가 리셋된 상태에 대응되는 신호이며, 영상 신호는 광전 변환부로부터 전달된 전하가 부유 확산 노드(FD)에 축적된 상태에 대응되는 신호이다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 발생기(미도시)로부터 제공된 램프 신호(Vramp)를 이용하여 APS 어레이(110)로부터 출력된 영상 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호를 이용하여 APS 어레이(110)로부터 출력되는 리셋 신호와 영상 신호를 상호 연관 이중 샘플링(correlated double sampling)하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다. 도 10에 도시된 전자 장치(600)는 디지털 카메라 또는 모바일 장치일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10을 참조하면, 전자 장치(600)는 이미지 센서(100), 프로세서(200), 메모리(300), 표시 장치(400) 및 버스(500)를 포함한다.
프로세서(200)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어할 수 있는 제어신호를 생성하고, 버스(500)를 통해 제어 신호를 이미지 센서(100)에 제공한다. 이미지 센서(100)는 프로세서(200)로부터 제공된 제어 신호에 응답하여 외부의 영상 정보를 캡쳐(Capture) 한다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 이미지 센서(100)는 광을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성할 수 있다.
프로세서(200)는 이미지 센서(100)에 의해 캡쳐된 영상 정보를 버스(500)를 통해 메모리(300)에 저장한다. 프로세서(200)는 메모리(300)에 저장된 영상정보를 표시 장치(400)로 출력하고, 표시 장치(400)는 영상 정보를 표시한다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는, 도 11에 도시된 바와 같이 모바일 폰 또는 스마트 폰(1000)에 적용될 수 있고, 도 12에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(2000)에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 13에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(3000)에 적용될 수 있고, 도 14에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(4000)에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 15에 도시된 바와 같이 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더(5000)에 적용될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 반도체 기판 11: 제 1 소자 분리막
12: 제 2 소자 분리막 20: 제 1 활성 영역
30: 제 2 활성 영역 40: 층간 절연막
50: 제 3 활성 영역 21: 부유 확산 영역
22: 그라운드 영역 23: 제 1 게이트
24: 제 2 게이트 31,32,33,34: 제 1 내지 제 4 반도체 영역
41,42,43,44,45,46: 제 1 내지 제 6 컨택부
100: 이미지 센서 110: APS 어레이
120: 로우 드라이버 130: 아날로그-디지털 컨버터
200: 프로세서 300: 메모리
400: 표시 장치 500: 버스

Claims (10)

  1. 복수의 화소들을 분리하는 제 1 소자 분리막; 및
    상기 제 1 소자 분리막의 내측에 접하도록 형성되며 반도체 기판의 복수의 활성 영역들을 분리하는 제 2 소자 분리막을 포함하되,
    상기 복수의 화소들 중 제 1 화소는:
    상기 복수의 활성 영역들 중 제 1 활성 영역에 서로 이격되어 형성된 부유 확산 영역 및 그라운드 영역;
    상기 제 1 활성 영역에 형성되고, 상기 반도체 기판의 내부로 리세스된 영역으로 연장된 게이트를 포함하는 전송 트랜지스터;
    상기 게이트와 이격되어 상기 반도체 기판 내부에 형성된 광전 변환부; 및
    상기 전송 트랜지스터와 구분되고, 상기 전송 트랜지스터와 함께 회로에 집적되고, 그리고 소스 및 드레인 영역들을 포함하는 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하고,
    상기 그라운드 영역은 접지 전압 단자에 전기적으로 연결되고, 그리고
    상기 적어도 하나의 트랜지스터의 상기 소스 및 드레인 영역들은 상기 복수의 활성 영역들 중 제 2 활성 영역에 형성되는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부유 확산 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 일측에 형성되고, 상기 그라운드 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 타측에 형성되는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 소자 분리막은 상기 반도체 기판의 전면에서 하면까지 연장되는 제 1 깊이를 가지고, 상기 제 2 소자 분리막은 상기 제 1 깊이보다 작은 제 2 깊이를 가지는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 게이트는 상기 제 2 소자 분리막보다 아래로 연장되는 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서
    상기 제 1 및 상기 제 2 소자 분리막은 동일한 절연물질로 구성되는 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제 1 도전형을 갖고 상기 광전 변환부는 제 2 도전형을 갖는 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부유 확산 영역은 상기 제 2 도전형을 갖고 상기 그라운드 영역은 상기 제 1 도전형을 갖는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하는 상기 게이트의 측면 및 아래에 형성되는 채널을 통해 상기 부유 확산 영역으로 전송되는 이미지 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부유 확산 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 일측에 형성되고, 상기 그라운드 영역은 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트의 타측과 이격되어 형성되는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트와 상기 그라운드 영역은 상기 제 2 소자 분리막에 의해 서로 절연되어 분리되는 이미지 센서.
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