KR100340059B1 - image sensor with finger type photodiode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드 활성영역에서 광투과도를 높여 광전하의 생성 효율을 극대화 시키고, 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키기 위한 포토다이오드를 갖는 이미지센서를 제공하고자하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는, 트랜스퍼게이트와, 상기 트랜스퍼트랜지스터와 일측이 인접하여 형성되는 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 내부에 국부적으로 형성되되, 상기 트랜스퍼게이트와 인접한 부위에서 연결되고 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분에서 여러 갈래 분리되어 확장된 핑거 형상을 갖는 제2도전형의 제1확산영역; 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 제1확산영역과 상기 반도체층 표면 하부 사이에 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention is to provide an image sensor having a photodiode to increase the light transmittance in the photodiode active region to maximize the efficiency of generating photocharges, and to enhance the light sensitivity in the short wavelength region blue, the image sensor of the present invention for And a photodiode having a transfer gate and a photodiode adjacent to one side of the transfer transistor, the image sensor comprising: a first conductive semiconductor layer providing an active region of the photodiode and an active region of the transfer gate; And a second conductive type formed locally in the semiconductor layer in the active region of the photodiode, the second conductive type having a finger shape which is connected to a portion adjacent to the transfer gate and separated into several portions at a portion separated from the transfer gate. 1 diffusion area; And a second diffusion region of a first conductivity type formed between the first diffusion region and the lower surface of the semiconductor layer in an active region of the photodiode.
Description
본 발명은 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서에 적용되는 포토다이오드에 관한 것으로, 특히 입사되는 광에 대해 광전하를 생성 및 축적하는 능력, 즉 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 우수한 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photodiode applied to a charge coupled device (CCD) or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, and in particular, the ability to generate and accumulate photocharges for incident light, that is, photoelectric efficiency. The present invention relates to an image sensor having an excellent photodiode.
CCD는 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 곤란하는 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 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. 그러나 현재까지는 CCD에 비하여 화질이 떨어지므로 이를 개선하려는 노력이 진행중이다.CCD 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 a lot. The CMOS image sensor forms an image by forming a photodiode and a MOS transistor in a unit pixel and sequentially detects signals in a switching method, and implements an image by using a CMOS manufacturing technology, which consumes less power and uses 30 to 40 masks as many as 20 masks. Compared to CCDs requiring two masks, the process is much simpler, and it is possible to make various signal processing circuits and one chip, which is attracting attention as the next generation image sensor. However, until now, since image quality is lower than CCD, efforts are being made to improve this.
CCD 또는 CMOS 이미지센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로써, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(Quantum Efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 모으는 경우이다.In a CCD or CMOS image sensor, a photodiode is an introduction part that converts incident light according to each wavelength into an electrical signal. Ideally, all incident light has a quantum efficiency of 1 at all wavelengths. It is a case of collecting.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 트랜스퍼게이트(Tx), 리셋게이트(Rx), 드라이브게이트(MD), 및 셀렉트게이트(Sx)로 이루어져 있다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.1 is a circuit diagram of a unit pixel of a conventional image sensor, and includes one photodiode (PD) and four NMOS transistors, and four transistors include a transfer gate (Tx), a reset gate (Rx), and a drive gate. (MD), and the select gate Sx. Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.
도2은 종래의 포토다이오드로 구성된 광감지영역(Light Sensing Region)과 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도3a 및 도3b는 도2의 A-A'에 따른 단면도이다. 도3a는 광감지영역의 포토다이오드를 N/P 접합형 포토다이오드로 구성한 경우이고, 도3b는 광감지영역의 포토다이오드를 P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드로 구성한 경우이다.FIG. 2 is a plan view of a light sensing region and a transfer gate Tx formed of a conventional photodiode, and FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 2. FIG. 3A shows a case in which the photodiode of the photosensitive region is composed of an N / P junction type photodiode, and FIG. 3B illustrates a case in which the photodiode of the photosensitive region is composed of a P / N / P type pinned photodiode.
N/P 접합형 포토다이오드는 도3a에 도시된 바와 같이 P+기판(11)에 에피택셜 성장된 P-에피층(12)이 형성되고, 이 P-에피층(12) 표면에 N+확산영역(14)이 형성되어 구성된다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(13)이 형성되어 있다.The N / P junction photodiode is epitaxially grown on the P + substrate 11, as shown in FIG. 3A, to form a P-epitaxial layer 12, and the N + diffusion on the surface of the P-epitaxial layer 12. The region 14 is formed and configured. Of course, a field oxide film (FOX) 13 is formed in the field region.
P/N/P형 핀드(Pinned) 포토다이오드는 도3b에 도시된 바와 같이 P+기판(21)에 에피택셜 성장된 P-에피층(22)이 형성되고, 이 P-에피층(22) 내부에 N-확산영역(24)이 형성되고, 이 N-확산영역(24) 상부와 P-에피층(22) 표면 하부에P0확산영역(25)이 형성되어 구성된다.In the P / N / P type pinned photodiode, as shown in FIG. 3B, a P- epitaxial layer 22 epitaxially grown on the P + substrate 21 is formed, and the P-epitaxial layer 22 is formed. An N − diffusion region 24 is formed therein, and a P 0 diffusion region 25 is formed above the N − diffusion region 24 and below the surface of the P- epi layer 22.
그러나, 이러한 종래의 포토다이오드는 광감지영역의 P-에피층(22) 표면 전체가 확산층으로 구성되어 있어, P-에피층(22) 표면에서의 광학적 투과도가 제한된다. 그러므로 제한된 투과도를 갖는 종래의 포토다이오드 구조는 광학적 민감도가 낮아진 상태에서 전기적 신호로 변환되는 운송 효율도 작아지고 결과적으로 화질이 떨어지는 단점을 갖고 있다.However, such a conventional photodiode is composed of the entire diffusion surface of the P-epilayer 22 of the light sensing region, so that the optical transmittance at the surface of the P-epi layer 22 is limited. Therefore, the conventional photodiode structure having a limited transmittance has a disadvantage in that the transport efficiency converted into an electrical signal in a state where the optical sensitivity is lowered and the image quality is lowered as a result.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 포토다이오드의 활성영역에서의 광투과도를 높여 광전하의 생성 효율을 극대화 시키고, 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키기 위한 포토다이오드를 갖는 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, by increasing the light transmittance in the active region of the photodiode to maximize the efficiency of the generation of photocharges, an image sensor having a photodiode for improving the light sensitivity in the short wavelength region blue The purpose is to provide.
도1은 통상의 이미지센서 단위 화소 회로도.1 is a circuit diagram of a conventional image sensor unit pixel;
도2은 통상의 기술에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.2 is a plan view in which a light sensing region and a transfer gate are laid out according to a conventional technique;
도3a 및 도3b는 도2의 A-A'에 따른 단면도.3A and 3B are cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 2.
도4는 본 발명의 일실시예에 따라 광감지영역과 트랜스퍼게이트가 레이아웃된 평면도.4 is a plan view of a light sensing area and a transfer gate laid out according to one embodiment of the present invention;
도5는 도4의 A-A'에 따른 단면도.5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4;
도6은 본 발명의 다른실시예에 따라 핀드 포토다이오드의 단면도.6 is a cross-sectional view of a pinned photodiode according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
51 : P+기판 52 : P-에피층51: P + substrate 52: P- epi layer
53 : 필드산화막 54 : N+확산영역53: field oxide film 54: N + diffusion region
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일특징적인 이미지센서는, 트랜스퍼게이트와, 상기 트랜스퍼트랜지스터와 일측이 인접하여 형성되는 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 표면 하부에 국부적으로 형성되되, 상기 트랜스퍼게이트와 인접한 부위에서 연결되고 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분에서 여러 갈래 분리되어 확장된 핑거 형상을 갖는 제2도전형의 확산영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.One characteristic image sensor of the present invention for achieving the above object, in the image sensor having a transfer gate, and a photodiode formed on one side adjacent to the transfer transistor, the active region of the photodiode and the transfer gate A first conductive semiconductor layer providing an active region; And a second conductive type formed locally under the surface of the semiconductor layer in the active region of the photodiode, the second conductive type having a finger shape that is connected to a portion adjacent to the transfer gate and separated into several portions at a portion separated from the transfer gate. It is characterized by comprising a diffusion region.
또한, 본 발명의 다른 특징적인 이미지센서는 트랜스퍼게이트와, 상기 트랜스퍼트랜지스터와 일측이 인접하여 형성되는 포토다이오드를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 포토다이오드의 활성영역과 상기 트랜스퍼게이트의 활성영역을 제공하는 제1도전형의 반도체층; 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 반도체층 내부에 국부적으로 형성되되, 상기 트랜스퍼게이트와 인접한 부위에서 연결되고 상기 트랜스퍼게이트와 떨어진 부분에서 여러 갈래 분리되어 확장된 핑거 형상을 갖는 제2도전형의 제1확산영역; 및 상기 포토다이오드의 활성영역에서 상기 제1확산영역과 상기 반도체층 표면 사이에 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서.In addition, another characteristic image sensor of the present invention is an image sensor having a transfer gate, and a photodiode having one side adjacent to the transfer transistor, providing an active region of the photodiode and an active region of the transfer gate A first conductive semiconductor layer; A second conductive type first locally formed in the semiconductor layer in the active region of the photodiode, the second conductive type having a finger shape which is connected to a portion adjacent to the transfer gate and separated into several portions at a portion separated from the transfer gate Diffusion region; And a second diffusion region of a first conductivity type formed between the first diffusion region and the surface of the semiconductor layer in an active region of the photodiode.
본 발명에서 바람직하게 상기 반도체층은 고농도의 실리콘기판 상에 저농도로 에피택셜 성장된 층으로 구성할 수 있다.In the present invention, the semiconductor layer may be composed of a layer epitaxially grown at low concentration on a silicon substrate having a high concentration.
상기 구성을 갖는 본 발명은 포토다이오드의 광학적 민감도(Optical sensitivity)를 높이는 방안으로, 접합 형성을 위한 확산영역의 이온주입을 전체 광감지영역(즉, 포토다이오드의 활성영역)에 걸쳐서 형성하지 않고 핑거(Finger)형으로 레이아웃하여 부분적으로 형성한 것이다. 그리고, 각 확산영역 간에 떨어진 거리는 확산영역이 없는 영역이 충분히 공핍되도록 최적화되어 있다.The present invention having the above-described configuration is a method for increasing the optical sensitivity of the photodiode, wherein the ion implantation of the diffusion region for forming the junction does not form over the entire photosensitive region (ie, the active region of the photodiode) and the finger. It is laid out in a (Finger) shape and partially formed. The distance between the diffusion regions is optimized so that the region without the diffusion region is sufficiently depleted.
이에 의해 부분적으로 확산영역이 없는 에피층으로 광이 직접 입사되기 때문에 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할수 있다. 또한, 확산영역 간의 에피층 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시키고 포토다이오드 정전용량을 최적화 시킬 수가 있다.As a result, since light is directly incident on the epitaxial layer partially having no diffusion region, light transmittance is increased compared to the prior art, thereby generating more photocharges. In addition, since the epitaxial surface between the diffusion regions is depleted, it is possible to improve the light sensitivity and optimize the photodiode capacitance in the blue wavelength region.
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 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 광감지영역(Light Sensing Region)과 트랜스퍼게이트(Tx)가 레이아웃된 평면도이고, 도5는 도4의 A-A'에 따른 단면도이다.FIG. 4 is a plan view showing a light sensing region and a transfer gate Tx according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드는, P+기판(51)에 에피택셜 성장된 P-에피층(52)이 형성되고, 이 P-에피층(52) 표면에 N+확산영역(54)이 형성되어 구성되되, 모든 광감지영역에 N+확산영역(54)이 형성된 것이 아니라 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 즉, 트래스퍼게이트(Tx)와 인접한 부분의 광감지영역에는 충분히 광전하가 모아지도록 큰 N+확산영역(54)이 형성되어 있고, 이곳에 연결되어 타 부위의 광감지영역에 N+확산영역(54)은 핑거 형상으로 확장되어 형성된다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(53)이 형성되어 있다.As shown in Figs. 4 and 5, in the photodiode according to the embodiment of the present invention, a P- epi layer 52 epitaxially grown on a P + substrate 51 is formed, and this P- epi layer is formed. 52 doedoe surface of N + diffusion region 54 is formed in this configuration, are not all the photo-sensing area having a N + diffusion region 54 forming part of the finger-shaped parts. That is, a large N + diffused region 54 is formed in the photosensitive region of the portion adjacent to the trapper gate Tx so as to sufficiently collect photocharges, and is connected to the N + diffused region in the other photosensitive region. 54 is formed to extend in a finger shape. Of course, a field oxide film (FOX) 53 is formed in the field region.
광감지영역에서 핑거형상으로 확장된 N+확산영역(54) 간의 거리(x)는, 표면에 N+확산영역(54)이 없는 P-에피층(52)에서 충분히 공핍영역이 형성될수 있도록 최적화되어야 한다.The distance (x) between the N + diffusion regions 54 extended in the shape of a finger in the light sensing region is optimized so that a sufficient depletion region can be formed in the P-epi layer 52 without the N + diffusion region 54 on the surface. Should be.
이에 의해 본 발명에서는 부분적으로 N+/P 접합이 없는 P-에피층으로 광이 직접 입사되기 때문에 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할 수 있다. 또한, N+확산영역 간에 형성된 P-에피층 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 대한 광감도를 증진시키고 포토다이오드 정전용량을 최적화 시킬 수가 있다.As a result, in the present invention, since light is directly incident to the P-epit layer partially having no N + / P junction, the light transmittance is increased, and thus, a large amount of photocharges can be generated. In addition, since the surface of the P-epitaxial layer formed between the N + diffusion regions is depleted, the photosensitivity can be enhanced and the photodiode capacitance can be optimized for the short wavelength region blue.
도6은 P/N/P 접합을 갖는 핀드(Pinned) 포토다이오드에서의 본 발명의 실시예를 나타내는 단면도로서, P+기판(61)에 에피택셜 성장된 P-에피층(62)이 형성되고, 이 P-에피층(62) 내부에 N-확산영역(64)이 형성되어 구성되되, 모든 광감지영역에 N-확산영역(64)이 형성된 것이 아니라 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 또한, 이 N-확산영역(64) 상부와 P-에피층(62) 표면 하부에 P0확산영역(65)이 형성되며, 역시 P0확산영역(65)도 모든 광감지영역에 형성된 것이 아니라 N-확산영역(64) 상부에서 핑거 형상으로 부분부분 형성되어 있다. 물론 필드영역에는 필드산화막(FOX)(53)이 형성되어 있다.6 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention in a pinned photodiode with a P / N / P junction, in which a P- epitaxial layer 62 epitaxially grown on a P + substrate 61 is formed. , inside the P- epitaxial layer (62) N - doedoe diffusion region 64 is formed in this configuration, all the photo-sensing area N - is not diffused region 64 is formed as a finger-like portion forming part. In addition, the N - diffusion region 64 is P 0 diffusion region 65 is formed on the upper surface and the lower P- epitaxial layer 62, also not also formed on all of the photo-sensing area P 0 diffusion region 65 A portion is formed in the shape of a finger on the N - diffusion region 64. Of course, a field oxide film (FOX) 53 is formed in the field region.
여기서 설명된 실시예에서는 P-에피층을 사용하는 구성을 보여주고 있으나,P-에피층 없이 P-기판에 바로 N/P 또는 P/N/P 포토다이오드가 형성될 때에도 본 발명은 적용될 수 있다. 그리고, 이러한 형상을 제작하는 방법은 종래의 공정에서 이온주입시의 마스크 모양만을 달리하면 된다.Although the embodiment described herein shows a configuration using a P-epi layer, the present invention can be applied even when an N / P or P / N / P photodiode is formed directly on a P-substrate without the P-epi layer. . In addition, the method of manufacturing such a shape only needs to change the mask shape at the time of ion implantation in a conventional process.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명에 따른 이미지센서의 포토다이오드는, 종래보다 광 투과도가 증가되어 광전하를 많이 생성할 수 있고, 광감지영역의 일부 표면이 공핍되어 있기 때문에 단파장 영역인 청색에 광감도를 증진시킨다. 이에 의해 이미지센서의 화질을 크게 개선할 수 있다.The photodiode of the image sensor according to the present invention has increased light transmittance than the conventional art, and thus generates a lot of photocharges, and since a part of the surface of the light sensing region is depleted, blue light, which is a short wavelength region, is enhanced. As a result, the image quality of the image sensor can be greatly improved.
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