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ＣＭＯＳ 이미지 소자 및 그 제조방법 document_id A220623047198

분류
의약학
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문맥 (context)
이미지 센서는 일반적으로 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 의미한다. 이러한 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)로 구분될 수 있다. CCD와 CMOS 이미지 센서는 빛을 전하로 바꾸어주는 포토다이오드(광센서)의 역할은 같으나 생성된 전하의 전달방식에서 차이가 난다. 즉, CCD는 포토다이오드에 발생한 전하를 일종의 양자우물을 사용하여 출력 앰프까지 그대로 전송하여 최종적인 디지탈 신호로 읽어 낸다. 반면, CMOS 이미지 센서는 전하를 전류나 전압과 같은 아날로그 신호로 변환하여 전송한다. CCD는 이른바 '비증폭형 센서(passive pixel sensor)', CMOS 이미지 센서는 '증폭형 센서(active pixel sensor)'라고도 일컫는다. CCD는 예전부터 고화질 이미지 센서로 널리 사용되어 왔기 때문에 기술 축적이 풍부한 장점이 있지만, 소비 전력이 크며 빛 정보 입력을 고속화하기 어렵고, 또한 주변 회로를 원칩(one chip)화 하기 힘든 단점이 있다. CMOS 이미지 센서는 회로 구조가 단순하며 원칩화가 용이하고 전력 소비가 적고 고속화가 가능하며 가격이 싸기 때문에 대형 이미지 센서를 만들기에도 용이하다. 반면, CMOS 이미지 센서는 앰프를 각 포토다이오드에 탑재하기 때문에 화소마다 신호의 격차가 나올 수 있으며 설계상 랜덤 노이즈(random noise)가 발생할 수 있다. 도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 등가회로도이다. 도 1을 참조하면 단위 화소는 포토다이오드(PD)와 전달 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)의 4개의 트랜지스터를 포함하여 구성된다. 포토다이오드(PD)는 광을 인가받아 전하를 생성하며, 전달 트랜지스터(TX)는 전하를 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD: floating diffusion region)으로 전달한다. 리셋 트랜지스터(RX)는 전달된 전하를 저장하는 플로팅 확산 영역(FD)을 주기적으로 리셋시킨다. 직렬로 연결된 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링하는 소스 팔로워를 구성한다. CMOS 이미지 센서에서는 포토다이오드 영역에 축적된 전하를 플로팅 확산영역으로 전송시켜 리셋시의 포텐셜과의 변화를 소스 폴로어를 통하여 신호선으로 추출한다. 도 2는 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소에서 포토다이오드와 전달 트랜지스터(TX)의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 전달 트랜지스터(TX)는 게이트 전극(22), 스페이서(23, 24)의 게이트 구조(25)와 게이트 구조(25)의 일 측면으로 기판(10) 내의 소스/드레인 영역(12)을 포함한다. 게이트 구조(25)의 다른 측면으로 기판 내(10)에 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다. 포토다이오드(PD)는 소스/드레인 영역(12)과 같은 도전형을 갖는 확산 영역(14)과 반대 도전형을 갖는 확산 영역(16)을 포함한다. 참조번호 21은 게이트 산화막이다. 포토다이오드(PD)는 빛을 받아 전하를 생성하는 영역이므로 금속 오염과 같은 포토다이오드(PD)의 확산 영역(14, 16)의 결함은 포토다이오드의 누설 전류(leakage current)를 야기시켜서 화이트 스팟(white spot)과 같은 이미지의 왜곡을 가져올 수 있다. 한편, CMOS 이미지 센서는 위에서 설명한 단위 화소들의 배열인 APS(active pixel sensor: 액티브 화소 센서) 영역 이외에 화소에서 생성한 신호를 처리하는 로직(LOGIC) 영역 등을 포함한다. 로직 영역은 신호의 처리 속도가 중요하므로 로직 영역 내의 트랜지스터의 소스/드레인 영역은 보통 금속 실리사이드로 형성한다. 로직 영역 내의 트랜지스터에 금속 실리사이드를 형성할 때 APS 영역 내의 포토다이오드에 금속 실리사이드가 형성되는 것을 방지하기 위하여 포토다이오드 영역 위로 실리사이드 정지막을 형성한다. 그런데 이러한 실리사이드 정지막이 공정 과정에서 부분적으로 손상될 수 있고 손상된 부분을 통하여 금속 실리사이드 형성 시 포토다이오드에 금속 오염이 발생할 수 있다. 포토다이오드에 금속 오염이 발생하면 누설 전류가 발생하여 이미지 상의 화이트 스팟의 원인이 될 수 있다.
지시문 (instruction)
주어진 원문을 읽고 필요한 정보를 파악하여, 원문에 근거해 질문에 답하라.
질문 (question)
CMOS 이미지 센서의 단위 화소 내에서 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 신호선으로 추출되는 과정은 어떻게 이루어지는가?
추론 과정 (compact_reasoning)
  1. 1과제 해석task_interpretation

    CMOS 이미지 센서 단위 화소에서 전하가 신호로 추출되는 작동 메커니즘을 설명해야 한다.

  2. 2정보 추출information_extraction

    단위 화소의 구성 요소와 각 구성 요소의 역할을 추출한다.

    • 단위 화소는 포토다이오드(PD)와 전달 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)의 4개의 트랜지스터를 포함하여 구성된다.
    • 포토다이오드(PD)는 광을 인가받아 전하를 생성하며, 전달 트랜지스터(TX)는 전하를 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD: floating diffusion region)으로 전달한다.
  3. 3근거 선택evidence_selection

    전하의 이동 경로와 최종 추출 방식에 관한 구절을 선별한다.

    • CMOS 이미지 센서에서는 포토다이오드 영역에 축적된 전하를 플로팅 확산영역으로 전송시켜 리셋시의 포텐셜과의 변화를 소스 폴로어를 통하여 신호선으로 추출한다.
  4. 4논리 통합logical_integration

    전하 생성 -> FD로 전송 -> 리셋 포텐셜과의 변화 측정 -> 소스 팔로워를 통한 추출 순서로 논리적으로 연결한다.

    • 전달 트랜지스터(TX)는 전하를 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD: floating diffusion region)으로 전달한다.
    • 직렬로 연결된 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링하는 소스 팔로워를 구성한다.
  5. 5결론 도출conclusion_formulation

    추출 과정을 단계별로 정리하여 결론을 도출한다.

    • 포토다이오드 영역에 축적된 전하를 플로팅 확산영역으로 전송시켜 리셋시의 포텐셜과의 변화를 소스 폴로어를 통하여 신호선으로 추출한다.
  6. 6답변 생성answer_generation

    질문에 대해 기술적 작동 순서에 따라 답변을 작성한다.

    • 포토다이오드 영역에 축적된 전하를 플로팅 확산영역으로 전송시켜 리셋시의 포텐셜과의 변화를 소스 폴로어를 통하여 신호선으로 추출한다.
최종 답변 (final_answer)
포토다이오드 영역에 축적된 전하를 플로팅 확산영역으로 전송시킨 후, 리셋 시의 포텐셜과의 변화를 소스 팔로워(드라이브 트랜지스터와 선택 트랜지스터로 구성)를 통하여 신호선으로 추출한다.
핵심 해석 (core_interpretation)
CMOS 이미지 센서 단위 화소에서 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동한 뒤, 리셋 포텐셜과의 차이를 소스 팔로워를 통해 전기적 신호로 변환하는 과정이다.