Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

KR20150107547A - Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor - Google Patents

Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor Download PDF

Info

Publication number
KR20150107547A
KR20150107547A KR1020140046109A KR20140046109A KR20150107547A KR 20150107547 A KR20150107547 A KR 20150107547A KR 1020140046109 A KR1020140046109 A KR 1020140046109A KR 20140046109 A KR20140046109 A KR 20140046109A KR 20150107547 A KR20150107547 A KR 20150107547A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
region
floating diffusion
semiconductor substrate
gate
conversion gain
Prior art date
Application number
KR1020140046109A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102215822B1 (en
Inventor
김영찬
김승식
심은섭
임무섭
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to US14/660,570 priority Critical patent/US9929204B2/en
Publication of KR20150107547A publication Critical patent/KR20150107547A/en
Priority to US15/905,007 priority patent/US10396119B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102215822B1 publication Critical patent/KR102215822B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H01L27/14614Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor having a special gate structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463Pixel isolation structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14683Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689MOS based technologies
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

A unit pixel of an image sensor includes a photoelectric conversion region, a first floating expansion region, a transfer gate, a second floating expansion region, and a dual conversion gain gate. The photoelectric conversion region is formed within a semiconductor substrate and collects photo-charges based on incidence rays. The first floating expansion region is formed within the semiconductor substrate while being separated from the photoelectric conversion region. The transfer gate is formed on the semiconductor substrate and transfers the photo-charges to the first floating expansion region based on a transfer control signal. The second floating expansion region is formed within the semiconductor substrate while being separated from the first floating expansion region. The dual conversion gain gate is formed in the vertical direction from a first side of the semiconductor substrate to be adjacent to the first and second floating expansion regions, and selectively transfers the photo-charges to the second floating expansion region based on a dual conversion gain control signal.

Description

이미지 센서의 단위 픽셀, 이를 포함하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법{UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR, IMAGE SENSOR INCLUDING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING IMAGE SENSOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a unit pixel of an image sensor, an image sensor including the unit pixel, and a manufacturing method of the image sensor. [0002]

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지 센서의 단위 픽셀, 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor including a unit pixel of an image sensor, at least one unit pixel, and a method of manufacturing the image sensor.

이미지 센서는 외부에서 입사하는 입사광을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 상기 입사광에 상응하는 영상 정보를 제공하고 있다. 일반적으로 이미지 센서의 단위 픽셀은 상기 입사광을 상기 전기 신호로 변환하기 위한 광전 변환 영역을 포함한다. 이미지 센서의 성능을 나타내는 다양한 파라미터들 중에서 변환 이득(conversion gain)은 광전 변환 영역에서 수집되는 전하들을 출력 전압으로 변환하는 효율을 나타낸다. 이미지 센서의 변환 이득은 이미지 센서의 단위 픽셀에 포함되는 플로팅 확산 영역과 관련된 커패시턴스에 의해 결정될 수 있다.The image sensor is a semiconductor device that converts incident light incident from the outside into an electric signal, and provides image information corresponding to the incident light. Generally, a unit pixel of an image sensor includes a photoelectric conversion region for converting the incident light into the electric signal. Among various parameters indicating the performance of the image sensor, the conversion gain represents the efficiency of converting the charges collected in the photoelectric conversion region to the output voltage. The conversion gain of the image sensor may be determined by the capacitance associated with the floating diffusion region included in the unit pixel of the image sensor.

본 발명의 일 목적은 변환 이득을 효과적으로 조절할 수 있는 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a unit pixel of an image sensor capable of effectively controlling a conversion gain.

본 발명의 다른 목적은 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an image sensor including the unit pixel.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the image sensor.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환 영역, 제1 플로팅 확산 영역, 전송 게이트, 제2 플로팅 확산 영역 및 이중 변환 이득 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 반도체 기판 내에 형성되고, 입사광에 기초하여 광전하들을 수집한다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 광전 변환 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 전송 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송한다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 이중 변환 이득 게이트는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 형성되고, 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 선택적으로 전송한다.To achieve the above object, a unit pixel of an image sensor according to embodiments of the present invention includes a photoelectric conversion region, a first floating diffusion region, a transfer gate, a second floating diffusion region, and a double conversion gain gate. The photoelectric conversion region is formed in the semiconductor substrate, and collects the photo charges based on the incident light. And the first floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate away from the photoelectric conversion region. The transfer gate is formed on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region and transfers the photo charges to the first floating diffusion region based on a transfer control signal. And the second floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate away from the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region. Wherein the double conversion gain gate is formed vertically from a first side of the semiconductor substrate to be adjacent to the first and second floating diffusion regions, As shown in FIG.

상기 이중 변환 이득 게이트는 적어도 하나의 하부 영역 및 상부 영역을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 하부 영역은 상기 반도체 기판의 내부에 형성되며, 적어도 일부가 상기 반도체 기판에 포함되고 상기 반도체 기판에 의해 둘러싸일 수 있다. 상기 상부 영역은 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성되어 상기 적어도 하나의 하부 영역과 연결될 수 있다.The dual conversion gain gate may include at least one lower region and an upper region. The at least one lower region is formed inside the semiconductor substrate, and at least a part of the at least one lower region is included in the semiconductor substrate and surrounded by the semiconductor substrate. The upper region may be formed on a first side of the semiconductor substrate and connected to the at least one lower region.

상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들의 깊이보다 얕을 수 있다.The depth of the at least one lower region of the double conversion gain gate may be shallower than the depth of the first and second floating diffusion regions.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 깊이가 깊어질수록 상기 단위 픽셀의 변환 이득이 감소할 수 있다.In one embodiment, the conversion gain of the unit pixel may decrease as the depth of the at least one lower region of the double conversion gain gate is deeper.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 개수가 증가할수록 상기 단위 픽셀의 변환 이득이 감소 감소할 수 있다.In one embodiment, the conversion gain of the unit pixel may decrease and decrease as the number of the at least one lower region of the double conversion gain gate increases.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부면은 평탄하고, 상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부 모서리는 둥글 수 있다.In one embodiment, the lower surface of the at least one lower region of the double conversion gain gate is planar, and the lower edge of the at least one lower region of the double conversion gain gate may be round.

상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부 모서리의 곡률 반지름은 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있다.The radius of curvature of the lower edge of the at least one lower region of the dual conversion gain gate may have a value between 10 nm and 100 nm.

상기 단위 픽셀은 리셋 게이트를 더 포함할 수 있다. 상기 리셋 게이트는 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 리셋 신호에 기초하여 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 리셋시킬 수 있다.The unit pixel may further include a reset gate. The reset gate is formed on the semiconductor substrate and can reset the first and second floating diffusion regions based on a reset signal.

일 실시예에서, 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트와 상기 이중 변환 이득 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성되며, 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 이중 변환 이득 게이트와 상기 리셋 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성될 수 있다.In one embodiment, the first floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate between the transfer gate and the double conversion gain gate, and the second floating diffusion region is formed between the double conversion gain gate and the reset gate, Can be formed in the substrate.

일 실시예에서, 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트와 상기 이중 변환 이득 게이트 사이 및 상기 전송 게이트와 상기 리셋 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성될 수 있다.In one embodiment, the first floating diffusion region may be formed in the semiconductor substrate between the transfer gate and the double conversion gain gate and between the transfer gate and the reset gate.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 제어 신호는 상기 입사광의 조도에 따라 선택적으로 활성화될 수 있다.In one embodiment, the double conversion gain control signal may be selectively activated according to the illuminance of the incident light.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 제어 신호는 외부에서 인가되는 사용자 설정 신호에 기초하여 선택적으로 활성화될 수 있다.In one embodiment, the dual conversion gain control signal may be selectively activated based on an externally applied user setting signal.

상기 단위 픽셀은 출력부를 더 포함할 수 있다. 상기 출력부는 상기 제1 플로팅 확산 영역과 연결되고, 상기 광전하들에 기초하여 상기 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 발생할 수 있다.The unit pixel may further include an output unit. The output may be coupled to the first floating diffusion region and generate a pixel signal corresponding to the incident light based on the photo charges.

상기 출력부는 드라이브 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 상기 드라이브 트랜지스터는 전원 전압과 연결되는 제1 단자, 상기 제1 플로팅 확산 영역과 연결되는 제어 단자, 및 제2 단자를 구비할 수 있다. 상기 선택 트랜지스터는 상기 구동 트랜지스터의 제2 단자와 연결되는 제1 단자, 선택 신호가 인가되는 제어 단자, 및 상기 픽셀 신호를 출력하는 제2 단자를 구비할 수 있다.The output section may include a drive transistor and a selection transistor. The drive transistor may include a first terminal coupled to a power supply voltage, a control terminal coupled to the first floating diffusion region, and a second terminal. The selection transistor may include a first terminal connected to a second terminal of the driving transistor, a control terminal applied with a selection signal, and a second terminal outputting the pixel signal.

상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이 및 신호 처리부를 포함한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광에 기초하여 복수의 픽셀 신호들을 발생한다. 상기 신호 처리부는 상기 복수의 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터를 발생한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 광전 변환 영역, 제1 플로팅 확산 영역, 전송 게이트, 제2 플로팅 확산 영역 및 이중 변환 이득 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 입사광에 기초하여 광전하들을 수집한다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 광전 변환 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 전송 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송한다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성된다. 상기 이중 변환 이득 게이트는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 형성되고, 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 선택적으로 전송한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image sensor including a pixel array and a signal processing unit. The pixel array includes a plurality of unit pixels, and generates a plurality of pixel signals based on the incident light. The signal processing unit generates image data based on the plurality of pixel signals. Each of the plurality of unit pixels includes a photoelectric conversion region, a first floating diffusion region, a transfer gate, a second floating diffusion region, and a double conversion gain gate. The photoelectric conversion region is formed in the semiconductor substrate, and collects the photo charges based on the incident light. And the first floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate away from the photoelectric conversion region. The transfer gate is formed on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region and transfers the photo charges to the first floating diffusion region based on a transfer control signal. And the second floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate away from the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region. Wherein the double conversion gain gate is formed vertically from a first side of the semiconductor substrate to be adjacent to the first and second floating diffusion regions, As shown in FIG.

일 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 입사광의 조도 및 기준 조도에 기초하여 상기 이미지 센서의 동작 모드를 자동으로 결정하는 동작 모드 검출부를 포함할 수 있다. 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시키며, 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 낮거나 같은 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킬 수 있다.In one embodiment, the signal processing unit may include an operation mode detection unit that automatically determines the operation mode of the image sensor based on the illuminance and the reference illuminance of the incident light. Wherein the signal processing unit activates the double conversion gain control signal when the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance and when the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance, Can be deactivated.

일 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 이미지 센서의 동작 모드를 설정하는 사용자 설정 신호를 수신할 수 있다. 상기 사용자 설정 신호가 고조도 동작 모드에 상응하는 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시키며, 상기 사용자 설정 신호가 저조도 동작 모드에 상응하는 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킬 수 있다.In one embodiment, the signal processing unit may receive a user setting signal for setting an operation mode of the image sensor. Wherein the signal processing unit activates the double conversion gain control signal when the user setting signal corresponds to the high contrast operation mode, and when the user setting signal corresponds to the low light operation mode, the signal processing unit performs the double conversion gain control The signal can be deactivated.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법에서는, 반도체 기판 내에 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역과 이격하는 제1 플로팅 확산 영역, 및 상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하는 제2 플로팅 확산 영역을 형성한다. 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판의 일부를 제거하여 리세스(recess)를 형성한다. 상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 전송 게이트를 형성한다. 상기 리세스를 채워 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 이중 변환 이득 게이트를 형성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an image sensor, including: forming a photoelectric conversion region in a semiconductor substrate, a first floating diffusion region spaced apart from the photoelectric conversion region, And a second floating diffusion region spaced apart from the first floating diffusion region. A portion of the semiconductor substrate between the first floating diffusion region and the second floating diffusion region is removed to form a recess. A transfer gate is formed on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region. A dual conversion gain gate is formed vertically from the first side of the semiconductor substrate to fill the recess and adjacent the first and second floating diffusion regions.

일 실시예에서, 상기 리세스의 하부면은 평탄하고, 상기 리세스의 하부 모서리는 둥글 수 있다.In one embodiment, the bottom surface of the recess is flat, and the bottom edge of the recess is round.

상기 리세스의 하부 모서리의 곡률 반지름은 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있다.The radius of curvature of the bottom edge of the recess may have a value between 10 nm and 100 nm.

일 실시예에서, 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 제1 절연층을 더 형성할 수 있다.In one embodiment, a first insulating layer may be further formed on the first surface of the semiconductor substrate.

일 실시예에서, 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 소자 분리 영역을 더 형성하여 단위 화소 영역을 정의할 수 있다. 상기 광전 변환 영역, 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들, 상기 전송 게이트 및 상기 이중 변환 이득 게이트는 상기 단위 화소 영역 내에 형성될 수 있다.In one embodiment, a unit pixel region may be defined by further forming an element isolation region perpendicularly from the first surface of the semiconductor substrate. The photoelectric conversion region, the first and second floating diffusion regions, the transfer gate, and the double conversion gain gate may be formed in the unit pixel region.

상기 소자 분리 영역은 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 상기 반도체 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면까지 형성될 수 있다.The element isolation region may be formed from a first surface of the semiconductor substrate to a second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate.

일 실시예에서, 상기 반도체 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 컬러 필터를 더 형성할 수 있다. 상기 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 더 형성할 수 있다.In one embodiment, a color filter may be further formed on the second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate. A microlens may further be formed on the color filter.

일 실시예에서, 상기 반도체 기판의 제2 면과 상기 컬러 필터 사이에 제1 절연층을 더 형성할 수 있다.In one embodiment, a first insulating layer may be further formed between the second surface of the semiconductor substrate and the color filter.

일 실시예에서, 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 컬러 필터를 더 형성할 수 있다. 상기 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 더 형성할 수 있다.In one embodiment, a color filter may be further formed on the first side of the semiconductor substrate. A microlens may further be formed on the color filter.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에 인접하도록 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 형성되는(즉, 수직형 구조의) 이중 변환 이득 게이트를 포함하고, 상기 이중 변환 이득 게이트에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호가 동작 모드 또는 사용 환경에 따라서 선택적으로 활성화됨으로써, 광전 변환 영역의 면적 손실 없이 상기 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다.The unit pixel of the image sensor according to the above-described embodiments of the present invention may include a plurality of pixels (for example, a vertical structure) formed vertically from the first surface of the semiconductor substrate so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions And a double conversion gain control signal applied to the double conversion gain gate is selectively activated in accordance with an operation mode or a usage environment so that the unit pixel and the image sensor including the unit pixel The conversion gain can be effectively controlled.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4의 단위 픽셀의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6a 및 6b는 도 5의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 1의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 8 및 9는 도 7의 단위 픽셀의 구조를 나타내는 단면도들이다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.
도 12a, 12b, 12c, 12d, 12e 및 12f는 도 11의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.
도 14는 도 13의 A부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 15a, 15b, 15c 및 15d는 도 13의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16, 17, 18, 19, 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 23은 도 22의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 25는 도 24의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 27은 도 26의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
1 is a cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to embodiments of the present invention.
2 and 3 are cross-sectional views showing unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention.
4 is a circuit diagram showing an example of the unit pixel of FIG.
5 is a cross-sectional view showing the structure of the unit pixel of FIG.
6A and 6B are views for explaining the operation of the unit pixel of FIG.
7 is a circuit diagram showing another example of the unit pixel of FIG.
8 and 9 are sectional views showing the structure of the unit pixel of FIG.
10A and 10B are views for explaining the operation of a unit pixel according to the embodiments of the present invention.
11 is a cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to embodiments of the present invention.
12A, 12B, 12C, 12D, 12E and 12F are cross-sectional views for explaining an example of a method of manufacturing the unit pixel and the image sensor including the unit pixel of FIG.
13 is a cross-sectional view illustrating unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention.
Fig. 14 is an enlarged cross-sectional view of part A of Fig.
15A, 15B, 15C, and 15D are cross-sectional views for explaining an example of a method of manufacturing a unit pixel and an image sensor including the unit pixel of FIG.
16, 17, 18, 19, 20 and 21 are sectional views showing unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention.
22 is a block diagram illustrating an image sensor including unit pixels according to embodiments of the present invention.
23 is a flowchart for explaining the operation of the image sensor of FIG.
24 is a block diagram illustrating an image sensor including unit pixels according to embodiments of the present invention.
25 is a flowchart for explaining the operation of the image sensor of FIG.
26 is a block diagram illustrating a computing system including an image sensor in accordance with embodiments of the present invention.
27 is a block diagram illustrating an example of an interface used in the computing system of Fig.

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.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.

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.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

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.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

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.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

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.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .

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.On the other hand, if an embodiment is otherwise feasible, the functions or operations specified in a particular block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be performed at substantially the same time, and depending on the associated function or operation, the blocks may be performed backwards.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

이미지 센서는 외부에서 입사하는 광(이하, 입사광)을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이며, CCD(charge coupled device) 이미지 센서, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서 등으로 분류될 수 있다. 이하에서는 CMOS 이미지 센서를 중심으로 본 발명의 실시예들을 설명하지만, 본 발명의 실시예들은 CCD 이미지 센서와 같은 임의의 이미지 센서에도 동일하게 적용될 수 있다.An image sensor is a semiconductor device that converts light incident from the outside (hereinafter, incident light) into an electric signal, and can be classified into a charge coupled device (CCD) image sensor, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, and the like. Embodiments of the present invention will be described below with reference to a CMOS image sensor, but the embodiments of the present invention can be equally applied to any image sensor such as a CCD image sensor.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 반도체 기판(101)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(100)은 출력부(170)를 더 포함할 수 있다.1, a unit pixel 100 of an image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in a semiconductor substrate 101, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG). The unit pixel 100 may further include an output unit 170.

반도체 기판(101)은 제1 면(101a) 및 제1 면(101a)에 대향하는 제2 면(101b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(101)은 에피택셜(epitaxial) 공정을 통해 형성된 반도체층을 포함할 수 있다.The semiconductor substrate 101 may include a first surface 101a and a second surface 101b opposite to the first surface 101a. For example, the semiconductor substrate 101 may comprise a semiconductor layer formed through an epitaxial process.

광전 변환 영역(PD)은 반도체 기판(101) 내에 형성되고, 입사광에 기초하여 생성되는 광전하들을 수집한다. 예를 들어, 상기 입사광에 상응하는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들이 생성되며, 광전 변환 영역(PD)은 이러한 전자들 또는 정공들을 수집할 수 있다.The photoelectric conversion region PD is formed in the semiconductor substrate 101 and collects the photo charges generated based on the incident light. For example, electron-hole pairs corresponding to the incident light are generated, and the photoelectric conversion region PD can collect such electrons or holes.

설명의 편의상, 도 1에서는 광전 변환 영역(PD)을 포토 다이오드(photo diode)로 도시하였으나, 광전 변환 영역(PD)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode; PPD), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.1, the photoelectric conversion region PD is shown as a photo diode, but the photoelectric conversion region PD may be a photodiode, a photo transistor, a photo gate, A pinned photo diode (PPD), or a combination thereof.

제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 광전 변환 영역(PD)과 이격하여 반도체 기판(101) 내에 형성된다. 전송 게이트(TG)는 광전 변환 영역(PD)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이의 반도체 기판(101) 상에 형성된다.The first floating diffusion region FD1 is formed in the semiconductor substrate 101 away from the photoelectric conversion region PD. A transfer gate TG is formed on the semiconductor substrate 101 between the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1.

전송 게이트(TG)에 인가되는 전송 제어 신호(TX)에 기초하여 광전 변환 영역(PD)에서 수집되는 상기 광전하들이 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전송된다. 다시 말하면, 전송 게이트(TG)는 상기 광전하들을 광전 변환 영역(PD)에서 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전송하기 위한 구조를 가진다. 구체적으로, 전송 제어 신호(TX)에 응답하여 광전 변환 영역(PD)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적인 연결은 두 개의 영역들(PD, FD1) 사이의 반도체 기판(101) 내에 형성되는 채널일 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 채널은 표면 채널(surface channel) 또는 매립 채널(buried channel)일 수 있다.The photo charges collected in the photoelectric conversion region PD are transferred to the first floating diffusion region FD1 based on the transfer control signal TX applied to the transfer gate TG. In other words, the transfer gate TG has a structure for transferring the photo-charges from the photoelectric conversion region PD to the first floating diffusion region FD1. Specifically, the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1 can be electrically connected in response to the transmission control signal TX. Such an electrical connection may be a channel formed in the semiconductor substrate 101 between the two regions PD and FD1. According to an embodiment, the channel may be a surface channel or a buried channel.

제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 광전 변환 영역(PD) 및 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 이격하여 반도체 기판(101) 내에 형성된다. 이중 변환 이득 게이트(DG)는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 인접하도록 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 수직으로 형성된다. 다시 말하면, 이중 변환 이득 게이트(DG)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이에 형성되는 수직형(vertical) 게이트 구조를 가질 수 있다.The second floating diffusion region FD2 is formed in the semiconductor substrate 101 away from the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1. The dual conversion gain gate DG is formed vertically from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. In other words, the double conversion gain gate DG may have a vertical gate structure formed between the first floating diffusion region FD1 and the second floating diffusion region FD2.

이중 변환 이득 게이트(DG)에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(DX)에 기초하여 상기 광전하들이 제2 플로팅 확산 영역(FD2)으로 선택적으로 전송된다. 다시 말하면, 이중 변환 이득 게이트(DG)는 상기 광전하들을 광전 변환 영역(PD)에서 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 거쳐서 제2 플로팅 확산 영역(FD2)으로 전송하기 위한 구조를 가진다. 구체적으로, 상술한 것처럼 전송 제어 신호(TX)에 응답하여 광전 변환 영역(PD)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 전기적으로 연결되고, 또한 이중 변환 이득 제어 신호(DX)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적인 연결은 두 개의 영역들(FD1, FD2) 사이의 반도체 기판(101) 내에 형성되는 채널일 수 있다.The photo-charges are selectively transferred to the second floating diffusion region FD2 based on the double conversion gain control signal DX applied to the double conversion gain gate DG. In other words, the double conversion gain gate DG has a structure for transferring the photo-charges from the photoelectric conversion region PD to the second floating diffusion region FD2 via the first floating diffusion region FD1. Specifically, as described above, the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1 are electrically connected in response to the transmission control signal TX, and in response to the double conversion gain control signal DX, The floating diffusion region FD1 and the second floating diffusion region FD2 may be electrically connected. Such an electrical connection may be a channel formed in the semiconductor substrate 101 between the two regions FD1 and FD2.

출력부(170)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 연결되고, 상기 광전하들에 기초하여 상기 입사광에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)를 발생할 수 있다. 상술한 것처럼, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 전송 게이트(TG)를 통하여 상기 광전하들을 전달받으며, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 통하여 상기 광전하들을 전달받을 수 있다. 출력부(170)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 전송된 광전하들의 전하량 또는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 전송된 광전하들의 전하량에 기초하여 이미지 데이터에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)를 발생할 수 있다.The output unit 170 is connected to the first floating diffusion region FD1 and can generate a pixel signal VPIX corresponding to the incident light based on the photo charges. As described above, the first floating diffusion region FD1 receives the photo charges through the transfer gate TG and the second floating diffusion region FD2 receives the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG Lt; / RTI > The output section 170 corresponds to the image data based on the amount of charges of the photo charges transferred to the first floating diffusion region FD1 or the amount of charges of the photo charges transferred to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 The pixel signal VPIX can be generated.

도시하지는 않았지만, 단위 픽셀(100)은 게이트 구조물들(TG, DG)의 상부면을 덮는 절연 캡핑층(미도시) 및/또는 게이트 구조물들(TG, DG)의 측벽을 덮는 절연 스페이서(미도시)를 더 포함할 수 있다.Although not shown, the unit pixel 100 includes an insulating capping layer (not shown) covering an upper surface of the gate structures TG and DG and / or an insulating spacer (not shown) covering the sidewalls of the gate structures TG and DG ).

실시예에 따라서, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 상기 입사광의 조도에 따라 또는 외부에서 인가되는 사용자 설정 신호에 기초하여 선택적으로 활성화될 수 있다. 단위 픽셀이 독출 모드로 동작하는데 있어서, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 비활성화된 경우에는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)만이 상기 광전하들의 저장 영역으로서 이용되고, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화된 경우에는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 모두 상기 광전하들의 저장 영역으로서 이용될 수 있다. 이중 변환 이득 제어 신호(DX)의 활성화 여부에 따라 상기 독출 모드에서의 상기 광전하들의 저장 영역(예를 들어, 상기 플로팅 확산 영역)에 대한 커패시턴스가 조절되며, 따라서 단위 픽셀에서 상기 광전하들을 픽셀 신호(VPIX)로 변환하는 효율을 나타내는 변환 이득(conversion gain)이 효과적으로 조절될 수 있다. 이중 변환 이득 제어 신호(DX)의 활성화 여부에 따른 단위 픽셀의 동작에 대해서는 도 6a, 6b, 10a 및 10b를 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.Depending on the embodiment, the double conversion gain control signal DX may be selectively activated based on the illuminance of the incident light or based on a user-set signal applied externally. When the unit pixel is operated in the read mode, only the first floating diffusion region FD1 is used as the storage region of the photo charges when the double conversion gain control signal DX is inactivated, The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 may all be used as the storage regions of the light charges. The capacitance for the storage region (for example, the floating diffusion region) of the photo charges in the read mode is adjusted according to whether or not the double conversion gain control signal DX is activated, so that the photo- The conversion gain indicating the efficiency of conversion into the signal VPIX can be effectively adjusted. The operation of the unit pixel according to whether the dual conversion gain control signal DX is activated will be described later in more detail with reference to FIGS. 6A, 6B, 10A, and 10B.

일 실시예에서, 이중 변환 이득 게이트(DG)는 도 1의 점선으로 도시된 것처럼 적어도 하나의 하부 영역(bottom portion, BP) 및 상부 영역(top portion, TP)으로 구분될 수 있다. 적어도 하나의 하부 영역(BP)은 반도체 기판(101)의 내부에 형성되어 반도체 기판(101)에 의해 둘러싸이는 부분일 수 있다. 다시 말하면, 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 적어도 일부분이 반도체 기판(101)에 포함될 수 있다. 상부 영역(TP)은 반도체 기판(101)의 제1 면(101a) 상에 형성되어 적어도 하나의 하부 영역(BP)과 연결되는 부분일 수 있다. 적어도 하나의 하부 영역(BP) 및 상부 영역(TP)은 동일한 공정(예를 들어, 증착 및/또는 패터닝 공정)을 이용하여 실질적으로 동시에 형성될 수 있다. 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 구조는 실시예에 따라서 다양하게 변경될 수 있으며, 이에 대해서는 도 2 및 3을 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.In one embodiment, the dual conversion gain gate DG can be divided into at least one bottom portion (BP) and a top portion (TP) as shown by the dashed line in FIG. At least one lower region (BP) may be a portion formed inside the semiconductor substrate 101 and surrounded by the semiconductor substrate 101. In other words, at least a part of at least one lower region BP may be included in the semiconductor substrate 101. [ The upper region TP may be a portion formed on the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 and connected to at least one lower region BP. At least one lower region BP and upper region TP may be formed substantially simultaneously using the same process (e.g., a deposition and / or patterning process). The structure of the at least one lower region BP can be variously changed according to the embodiment, which will be described later in detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.

일 실시예에서, 이중 변환 이득 게이트(DG)의 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 깊이는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 얕을 수 있다. 구체적으로, 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 종단면(end surface)까지의 거리를 나타내는 깊이(D1)는 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 종단면까지의 거리를 나타내는 깊이(D2)보다 얕을 수 있다. 이 경우, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)에 응답하여 반도체 기판(101) 내의 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 하단 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2) 사이의 영역에 상기 채널이 형성될 수 있다.In one embodiment, the depth of at least one lower region BP of the dual conversion gain gate DG may be shallower than the depth of the first and second floating diffusion regions FD1, FD2. Specifically, a depth D1, which indicates the distance from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 to the end surface of at least one lower region BP, is greater than the depth D1 of the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 (D2) indicating the distance from the first floating diffusion regions (101a) to the longitudinal sides of the first and second floating diffusion regions (FD1, FD2). In this case, in the region between the lower end of at least one lower region BP and the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 in the semiconductor substrate 101 in response to the double conversion gain control signal DX, A channel can be formed.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 인접하도록 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 수직으로 형성되는 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 이중 변환 이득 게이트(DG)가 수직형 게이트 구조를 가짐으로써, 이중 변환 이득 게이트(DG)와 반도체 기판(101)이 접촉하는 표면적이 증가한다. 따라서 이중 변환 이득 게이트가 평면형(planar) 게이트 구조를 가지는 경우와 비교하였을 때, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 독출 모드에서의 상기 광전하들의 저장 영역(예를 들어, 상기 단위 픽셀(100)의 플로팅 확산 영역)에 대한 커패시턴스가 더 많이 증가할 수 있다. 결과적으로, 광전 변환 영역(PD)의 면적 손실 없이(즉, 필 팩터(fill factor)의 감소 없이) 단위 픽셀(100)의 변환 이득이 이중 변환 이득 제어 신호(DX)에 기초하여 효과적으로 조절될 수 있다.The unit pixel 100 of the image sensor according to the embodiments of the present invention is formed so as to extend vertically from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 And a dual conversion gain gate (DG) formed. The double conversion gain gate (DG) has a vertical gate structure, thereby increasing the surface area at which the double conversion gain gate (DG) and the semiconductor substrate (101) are in contact. Therefore, when the double conversion gain control signal DX is activated when compared with the case where the double conversion gain gate has a planar gate structure, the storage region of the photo charges in the reading mode (for example, The floating diffusion region of the pixel 100) can be increased more. As a result, the conversion gain of the unit pixel 100 can be effectively adjusted based on the double conversion gain control signal DX without loss of area of the photoelectric conversion region PD (i.e., without decreasing the fill factor) have.

도 2 및 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.2 and 3 are cross-sectional views showing unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100a)은 반도체 기판(101)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG')를 포함하며, 출력부(170)를 더 포함할 수 있다.2, the unit pixel 100a of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 101, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG '), and may further include an output section (170).

도 2의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 출력부(170)는 도 1의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 출력부(170)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The photoelectric conversion region PD, first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, transfer gate TG and output portion 170 of FIG. 2 correspond to the photoelectric conversion regions PD, The second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, and the output portion 170, respectively.

이중 변환 이득 게이트(DG')는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 인접하도록 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 수직으로 형성된다. 이중 변환 이득 게이트(DG')는 적어도 하나의 하부 영역(BP') 및 상부 영역(TP)으로 구분되며, 적어도 하나의 하부 영역(BP')이 상대적으로 깊게 형성될 수 있다. 다시 말하면, 도 2의 이중 변환 이득 게이트(DG')의 적어도 하나의 하부 영역(BP')의 깊이는 도 1의 이중 변환 이득 게이트(DG)의 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 깊이보다 깊을 수 있다.The dual conversion gain gate DG 'is formed vertically from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. The dual conversion gain gate DG 'is divided into at least one lower region BP' and an upper region TP, and at least one lower region BP 'may be formed relatively deeply. In other words, the depth of at least one lower region BP 'of the double conversion gain gate DG' of FIG. 2 is greater than the depth of at least one lower region BP of the double conversion gain gate DG of FIG. .

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트의 적어도 하나의 하부 영역의 깊이가 깊어질수록 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀의 변환 이득이 감소할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 도 2의 적어도 하나의 하부 영역(BP')의 종단면까지의 거리를 나타내는 깊이(D1')는 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 도 1의 적어도 하나의 하부 영역(BP)의 종단면까지의 거리를 나타내는 깊이(D1)보다 깊을 수 있다. 이 경우, 도 2의 이중 변환 이득 게이트(DG')와 반도체 기판(101)이 접촉하는 표면적이 도 1의 이중 변환 이득 게이트(DG)와 반도체 기판(101)이 접촉하는 표면적보다 넓으며, 따라서 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 도 2의 단위 픽셀(100a)의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스가 도 1의 단위 픽셀(100)의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스보다 더 많이 증가할 수 있다. 도 6a 및 6b를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 단위 픽셀의 변환 이득은 상기 단위 픽셀의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스에 반비례하므로, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 도 2의 단위 픽셀(100a)의 변환 이득은 도 1의 단위 픽셀(100)의 변환 이득보다 작을 수 있다.In one embodiment, as the depth of at least one lower region of the double conversion gain gate is deeper, the conversion gain of a unit pixel according to embodiments of the present invention may be reduced. For example, the depth D1 ', which represents the distance from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 to the longitudinal side of at least one lower region BP' of FIG. 2, May be deeper than the depth D1 that represents the distance from the surface 101a to the longitudinal section of at least one lower region BP of Fig. In this case, the surface area at which the double conversion gain gate DG 'in FIG. 2 contacts the semiconductor substrate 101 is wider than the surface area at which the double conversion gain gate DG in FIG. 1 contacts the semiconductor substrate 101, When the double conversion gain control signal DX is activated, the capacitance for the floating diffusion region of the unit pixel 100a of FIG. 2 may increase more than the capacitance for the floating diffusion region of the unit pixel 100 of FIG. have. 6A and 6B, since the conversion gain of the unit pixel is inversely proportional to the capacitance of the unit pixel with respect to the floating diffusion region, when the double conversion gain control signal DX is activated, The conversion gain of the unit pixel 100a may be smaller than the conversion gain of the unit pixel 100 of FIG.

도 1 및 2를 참조하여 상술한 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀에 포함되는 수직형 이중 변환 이득 게이트(DG')의 깊이는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 얕은 범위에서 다양하게 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트(DG')의 적어도 하나의 하부 영역(BP')의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이의 절반보다 얕을 수 있다. 다시 말하면, 깊이(D1')는 0보다 크고 깊이(D2)의 절반, 즉 D2/2보다 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트(DG')의 적어도 하나의 하부 영역(BP')의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이의 절반보다 깊거나 같고 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 얕을 수 있다. 다시 말하면, 깊이(D1')는 깊이(D2)의 절반, 즉 D2/2보다 크거나 같고 깊이(D2)보다 작을 수 있다. 실시예에 따라서, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 깊이와 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 깊이가 상이할 수 있으며, 이 경우 상기 이중 변환 이득 게이트(DG')의 적어도 하나의 하부 영역(BP')의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이 중에서 얕은 것보다 얕을 수 있다.As described above with reference to FIGS. 1 and 2, the depth of the vertical dual conversion gain gate DG 'included in the unit pixel according to the embodiments of the present invention is smaller than the depth of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 In the range of depth that is less than the depth of the trench. In one embodiment, the depth of at least one lower region BP 'of the double conversion gain gate DG' may be less than half the depth of the first and second floating diffusion regions FD1, FD2 have. In other words, the depth D1 'may be greater than zero and less than half of the depth D2, i.e., D2 / 2. In another embodiment, the depth of at least one lower region BP 'of the double conversion gain gate DG' is greater than or equal to half the depth of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 May be shallower than the depth of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. In other words, the depth D1 'may be greater than or equal to half of the depth D2, i.e., D2 / 2, and less than the depth D2. Depending on the embodiment, the depth of the first floating diffusion region FD1 and the depth of the second floating diffusion region FD2 may be different, in which case at least one lower region of the double conversion gain gate DG ' BP 'may be shallower than the shallow depth of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2.

한편 도시하지는 않았지만, 상기 이중 변환 이득 게이트의 적어도 하나의 하부 영역의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 깊거나 같도록 구현될 수도 있다.Although not shown, the depth of at least one lower region of the double conversion gain gate may be implemented to be deeper than or equal to the depth of the first and second floating diffusion regions FD1, FD2.

도 3을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(100b)은 반도체 기판(101)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG")를 포함하며, 출력부(170)를 더 포함할 수 있다.3, the unit pixel 100b of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 101, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG "), and may further include an output section (170).

도 3의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 출력부(170)는 도 1의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 출력부(170)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG and the output portion 170 of FIG. 3 correspond to the photoelectric conversion regions PD, The second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, and the output portion 170, respectively.

이중 변환 이득 게이트(DG")는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 인접하도록 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 수직으로 형성된다. 이중 변환 이득 게이트(DG")는 복수의 하부 영역들(BP1, BP2) 및 상부 영역(TP)으로 구분될 수 있다.The double conversion gain gate DG is formed vertically from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. "May be divided into a plurality of lower regions BP1, BP2 and an upper region TP.

일 실시예에서, 상기 이중 변환 이득 게이트의 하부 영역들의 개수가 증가할수록 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀의 변환 이득이 감소할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 이중 변환 이득 게이트(DG")는 두 개의 하부 영역들(BP1, BP2)을 포함하고, 도 1의 이중 변환 이득 게이트(DG)는 하나의 하부 영역(BP)을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 3의 이중 변환 이득 게이트(DG")와 반도체 기판(101)이 접촉하는 표면적이 도 1의 이중 변환 이득 게이트(DG)와 반도체 기판(101)이 접촉하는 표면적보다 넓으며, 따라서 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 도 3의 단위 픽셀(100b)의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스가 도 1의 단위 픽셀(100)의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스보다 더 많이 증가할 수 있다. 도 6a 및 6b를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 단위 픽셀의 변환 이득은 상기 단위 픽셀의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스에 반비례하므로, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 도 3의 단위 픽셀(100b)의 변환 이득은 도 1의 단위 픽셀(100)의 변환 이득보다 작을 수 있다.In one embodiment, the conversion gain of a unit pixel according to embodiments of the present invention may decrease as the number of lower regions of the double conversion gain gate increases. For example, the double conversion gain gate DG "of FIG. 3 includes two lower regions BP1 and BP2, and the dual conversion gain gate DG of FIG. 1 includes one lower region BP The surface area at which the dual conversion gain gate DG "in FIG. 3 contacts the semiconductor substrate 101 is larger than the surface area at which the double conversion gain gate DG in FIG. 1 contacts the semiconductor substrate 101. [ When the double conversion gain control signal DX is activated, the capacitance of the unit pixel 100b of FIG. 3 with respect to the floating diffusion region is larger than the capacitance of the unit pixel 100 of the unit pixel 100 with respect to the floating diffusion region It can increase a lot. 6A and 6B, since the conversion gain of the unit pixel is inversely proportional to the capacitance of the unit pixel with respect to the floating diffusion region, when the double conversion gain control signal DX is activated, The conversion gain of the unit pixel 100b may be smaller than the conversion gain of the unit pixel 100 of FIG.

도 1 및 3을 참조하여 상술한 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀에 포함되는 수직형 이중 변환 이득 게이트(DG")의 하부 영역들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 실시예에 따라서, 이중 변환 이득 게이트(DG")는 세 개 이상의 하부 영역들을 포함하도록 구현될 수 있다. 실시예에 따라서, 하부 영역(BP1)의 깊이와 하부 영역(BP2)의 깊이가 상이할 수 있다. 또한, 하부 영역들(BP1, BP2)의 깊이는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 얕을 수도 있다. 한편 도시하지는 않았지만, 하부 영역들(BP1, BP2)의 깊이는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 깊이보다 깊거나 같을 수도 있다.As described above with reference to Figs. 1 and 3, the number of the lower regions of the vertical double conversion gain gate DG "included in the unit pixel according to the embodiments of the present invention can be variously changed. Thus, the double conversion gain gate DG "may be implemented to include three or more sub regions. According to the embodiment, the depth of the lower region BP1 and the depth of the lower region BP2 may be different. Also, the depths of the lower regions BP1 and BP2 may be shallower than the depths of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. Although not shown, the depths of the lower regions BP1 and BP2 may be deeper than or equal to the depths of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)에서, 반도체 기판(101)에 포함된 불순물들은 광전 변환 영역(PD) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 포함된 불순물과 다른 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(101)은 p형 불순물들이 도핑된 반도체 기판일 수 있다. 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 n형 불순물들이 도핑된 광전 변환 영역(PD) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 마련될 수 있다. 이 경우, 광전 변환 영역(PD)은 전자-정공 쌍들 중에서 전자들을 수집할 수 있다.In the unit pixel 100 of the image sensor according to the embodiments of the present invention, impurities contained in the semiconductor substrate 101 are transferred to the photoelectric conversion region PD and the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 It can have a different conductivity type from the contained impurity. For example, the semiconductor substrate 101 may be a semiconductor substrate doped with p-type impurities. A photoelectric conversion region PD and first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 doped with n-type impurities may be provided through an ion implantation process. In this case, the photoelectric conversion region PD can collect electrons from the electron-hole pairs.

도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 반도체 기판(101)과 게이트 구조물들(TG, DG) 사이에 형성되는 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)는 상기 절연층 상에 게이트 도전막을 적층한 후, 적층된 게이트 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 전송 게이트(TG)와 이중 변환 이득 게이트(DG)는 동시에(즉, 동일한 공정을 이용하여) 형성될 수도 있고 순차적으로(즉, 다른 공정을 이용하여) 형성될 수도 있다. 실시예에 따라서, 이중 변환 이득 게이트(DG)는 필라(pillar) 형상 또는 컵(cup) 형상을 가질 수 있다. 실시예에 따라서, 전송 게이트(TG) 또한 수직형 게이트 구조를 가질 수도 있다.Although not shown, the unit pixel 100 of the image sensor according to embodiments of the present invention may further include an insulating layer (not shown) formed between the semiconductor substrate 101 and the gate structures TG and DG have. In this case, the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG may be formed by laminating a gate conductive film on the insulating layer, and then patterning the stacked gate conductive film. The gate conductive film may be formed using polysilicon, a metal, and / or a metal compound. Depending on the embodiment, the transfer gate TG and the dual conversion gain gate DG may be formed simultaneously (i. E., Using the same process) and sequentially (i. Depending on the embodiment, the dual conversion gain gate (DG) may have a pillar shape or a cup shape. Depending on the embodiment, the transfer gate TG may also have a vertical gate structure.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 전면 수광 방식의 이미지 센서(frontside illuminated image sensor; FIS) 또는 후면 수광 방식의 이미지 센서(backside illuminated image sensor; BIS)에 포함될 수 있다. 구체적으로, 게이트 구조물들(TG, DG)이 형성되는 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)이 반도체 기판(101)의 전면이며, 제1 면(101a)에 대향하는 제2 면(101b)이 반도체 기판(101)의 후면일 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것처럼 상기 반도체 기판(101)의 전면을 통해 입사되는 입사광에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 생성하는 경우에 상기 단위 픽셀은 상기 FIS에 포함될 수 있다. 다른 예에서, 도시하지는 않았지만 상기 반도체 기판(101)의 후면을 통해 입사되는 입사광에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 생성하는 경우에 상기 단위 픽셀은 상기 BIS에 포함될 수 있다.The unit pixel 100 of the image sensor according to embodiments of the present invention may be included in a frontside illuminated image sensor (FIS) or a backside illuminated image sensor (BIS) . Specifically, the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 on which the gate structures TG and DG are formed is the front surface of the semiconductor substrate 101 and the second surface 101b opposite to the first surface 101a May be the rear surface of the semiconductor substrate 101. [ For example, when the pixel signal VPIX is generated based on the incident light incident through the front surface of the semiconductor substrate 101 as shown in FIG. 1, the unit pixel may be included in the FIS. In another example, the unit pixel may be included in the BIS when generating the pixel signal VPIX based on the incident light incident through the rear surface of the semiconductor substrate 101, though not shown.

도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 입사광을 광전 변환 영역(PD)에 제공하기 위한 컬러 필터(미도시) 및 마이크로 렌즈(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 단위 픽셀이 상기 FIS에 포함되는 경우에 상기 컬러 필터 및 상기 마이크로 렌즈는 상기 반도체 기판(101)의 전면 상에 형성되며, 상기 단위 픽셀이 상기 BIS에 포함되는 경우에 상기 컬러 필터 및 상기 마이크로 렌즈는 상기 반도체 기판(101)의 후면 상에 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 단위 픽셀(100)을 둘러싸도록 반도체 기판(101)의 제1 면(101a)으로부터 수직으로 형성되는 소자 분리 영역(미도시)(예를 들어, STI(shallow trench isolation) 영역 또는 DTI(deep trench isolation) 영역)을 더 포함할 수도 있다.Although not shown, the unit pixel 100 of the image sensor according to the embodiments of the present invention further includes a color filter (not shown) and a microlens (not shown) for providing incident light to the photoelectric conversion region PD . When the unit pixel is included in the FIS, the color filter and the microlens are formed on the front surface of the semiconductor substrate 101, and when the unit pixel is included in the BIS, May be formed on the rear surface of the semiconductor substrate 101. The unit pixel 100 of the image sensor according to the embodiments of the present invention includes an element isolation region (not shown) formed vertically from the first surface 101a of the semiconductor substrate 101 so as to surround the unit pixel 100 (For example, a shallow trench isolation (STI) region or a deep trench isolation (DTI) region).

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 리셋 트랜지스터, 전송 트랜지스터, 플로팅 확산 노드 및 이중 변환 이득 트랜지스터 등을 포함하는 5-트랜지스터 구조를 가질 수 있으며, 실시예에 따라서 인접한 단위 픽셀들이 일부 트랜지스터들을 공유하는 구조를 가질 수도 있다. 단위 픽셀의 회로적인 구조 및 이에 따른 구체적인 실시예에 대해서는 도 4 및 7을 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.Meanwhile, the unit pixel 100 of the image sensor according to embodiments of the present invention may have a 5-transistor structure including a reset transistor, a transfer transistor, a floating diffusion node, and a dual conversion gain transistor, Adjacent unit pixels may have a structure in which some transistors are shared. The circuit structure of the unit pixel and the specific embodiment therefor will be described later in detail with reference to FIGS. 4 and 7. FIG.

도 4는 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.4 is a circuit diagram showing an example of the unit pixel of FIG.

도 4를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(200)은 광전 변환부(210) 및 신호 발생 회로(212)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the unit pixel 200 of the image sensor may include a photoelectric conversion unit 210 and a signal generation circuit 212.

광전 변환부(210)는 입사광에 기초하여 광전 변환을 수행할 수 있다. 신호 발생 회로(212)는 상기 광전 변환에 의해 생성된 광전하들에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 발생할 수 있다. 신호 발생 회로(212)는 전송 트랜지스터(220), 제1 플로팅 확산 노드(230), 이중 변환 이득 트랜지스터(240), 제2 플로팅 확산 노드(250), 리셋 트랜지스터(260) 및 출력부(270)를 포함할 수 있다.The photoelectric conversion unit 210 can perform photoelectric conversion based on the incident light. The signal generating circuit 212 can generate the pixel signal VPIX based on the photo charges generated by the photoelectric conversion. The signal generating circuit 212 includes a transfer transistor 220, a first floating diffusion node 230, a dual conversion gain transistor 240, a second floating diffusion node 250, a reset transistor 260, . ≪ / RTI >

전송 트랜지스터(220)는 광전 변환부(210)와 연결된 제1 단자, 제1 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제2 단자 및 전송 제어 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 이중 변환 이득 트랜지스터(240)는 제1 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제1 단자, 제2 플로팅 확산 노드(250)와 연결된 제2 단자 및 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(260)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 제2 플로팅 확산 노드(250)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 출력부(270)는 제1 플로팅 확산 노드(230)와 연결되고, 상기 광전하들에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 발생하며, 드라이브 트랜지스터(280)(예를 들어, 소스 팔로워(source follower) 트랜지스터) 및 선택 트랜지스터(290)를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(280)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 제1 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터(290)는 상기 드라이브 트랜지스터(280)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 픽셀 신호(VPIX)를 출력하는 제2 단자를 포함할 수 있다.The transfer transistor 220 may include a first terminal coupled to the photoelectric conversion unit 210, a second terminal coupled to the first floating diffusion node 230, and a gate to which the transfer control signal TX is applied. The dual conversion gain transistor 240 includes a first terminal coupled to the first floating diffusion node 230, a second terminal coupled to the second floating diffusion node 250 and a gate to which the dual conversion gain control signal DX is applied can do. The reset transistor 260 may include a first terminal to which the power supply voltage VDD is applied, a second terminal coupled to the second floating diffusion node 250, and a gate to which the reset signal RST is applied. The output 270 is coupled to the first floating diffusion node 230 and generates a pixel signal VPIX based on the photo charges and includes a drive transistor 280 (e.g., a source follower) Transistors) and a selection transistor 290. The drive transistor 280 may include a first terminal to which a power supply voltage VDD is applied, a gate connected to the first floating diffusion node 230, and a second terminal. The selection transistor 290 may include a first terminal connected to the second terminal of the drive transistor 280, a gate to which the selection signal SEL is applied, and a second terminal for outputting the pixel signal VPIX.

도 5는 도 4의 단위 픽셀의 구조를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the structure of the unit pixel of FIG.

도 4 및 5를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(200)은 반도체 기판(201)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 리셋 드레인 영역(RD), 리셋 게이트(RG) 및 출력부(270)를 포함할 수 있다.4 and 5, the unit pixel 200 of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 201, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, A reset diffusion region FD2, a double conversion gain gate DG, a reset drain region RD, a reset gate RG and an output portion 270. [

도 5의 광전 변환 영역(PD), 전송 게이트(TG), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2), 리셋 게이트(RG) 및 출력부(270)는 각각 도 4의 광전 변환부(210), 전송 트랜지스터(220), 제1 플로팅 확산 노드(230), 이중 변환 이득 트랜지스터(240), 제2 플로팅 확산 노드(250), 리셋 트랜지스터(260) 및 출력부(270)에 상응하는 구조일 수 있다. 도 5의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG) 및 출력부(270)는 도 1의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG) 및 출력부(170)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The second photoelectric conversion region PD, the transfer gate TG, the first floating diffusion region FD1, the double conversion gain gate DG, the second floating diffusion region FD2, the reset gate RG, The first floating diffusion node 230, the second conversion gain transistor 240, the second floating diffusion node 250, the reset transistor (not shown) 260 and the output unit 270 of FIG. The photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG and the output portion 270 of FIG. 5 correspond to the photoelectric conversion The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG, and the output unit 170, respectively.

리셋 드레인 영역(RD)은 광전 변환 영역(PD) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 이격하여 반도체 기판(201) 내에 형성될 수 있다. 전원 전압(VDD)이 리셋 드레인 영역(RD)에 인가될 수 있다.The reset drain region RD may be formed in the semiconductor substrate 201 away from the photoelectric conversion region PD and the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. The power supply voltage VDD can be applied to the reset drain region RD.

리셋 게이트(RG)는 제2 플로팅 확산 영역(FD2)과 리셋 드레인 영역(RD) 사이의 반도체 기판(201) 상에 형성된다. 리셋 게이트(RG)에 인가되는 리셋 신호(RST)에 기초하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 리셋될 수 있다. 예를 들어, 리셋 신호(RST)에 응답하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다.A reset gate RG is formed on the semiconductor substrate 201 between the second floating diffusion region FD2 and the reset drain region RD. The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 can be reset based on the reset signal RST applied to the reset gate RG. For example, by discharging the charges accumulated in the first and second floating diffusion regions FD1, FD2 in response to the reset signal RST, the first and second floating diffusion regions FD1, It can be initialized to the level of the voltage VDD.

도 4 및 5의 실시예에서, 제1 플로팅 확산 노드(230), 이중 변환 이득 트랜지스터(240) 및 제2 플로팅 확산 노드(250)가 전송 트랜지스터(220)와 리셋 트랜지스터(260) 사이에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 단위 픽셀(200)에서, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 전송 게이트(TG)와 이중 변환 이득 게이트(DG) 사이의 반도체 기판(201) 내에 형성되며, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 이중 변환 이득 게이트(DG)와 리셋 게이트(RG) 사이의 반도체 기판(201) 내에 형성될 수 있다.4 and 5, a first floating diffusion node 230, a dual conversion gain transistor 240 and a second floating diffusion node 250 are formed between the transfer transistor 220 and the reset transistor 260 . In other words, in the unit pixel 200, the first floating diffusion region FD1 is formed in the semiconductor substrate 201 between the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG, and the second floating diffusion region FD2 May be formed in the semiconductor substrate 201 between the double conversion gain gate DG and the reset gate RG.

도 6a 및 6b는 도 5의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 도 6a는 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 비활성화된 경우에 도 5의 단위 픽셀(200)의 변환 이득을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6a는 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화된 경우에 도 5의 단위 픽셀(200)의 변환 이득을 설명하기 위한 단면도이다. 설명의 편의상, 도 6a 및 6b에서 출력부(도 5의 270)에 포함되는 선택 트랜지스터(도 5의 290)의 도시가 생략되었다.6A and 6B are views for explaining the operation of the unit pixel of FIG. 6A is a cross-sectional view for explaining a conversion gain of the unit pixel 200 of FIG. 5 when the double conversion gain control signal DX is inactivated. FIG. 6A is a diagram illustrating a case where the double conversion gain control signal DX is activated 5 is a cross-sectional view for explaining the conversion gain of the unit pixel 200 of FIG. For convenience of description, the illustration of the selection transistor (290 in Fig. 5) included in the output portion (270 in Fig. 5) in Figs. 6A and 6B is omitted.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀에서, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 입사광의 조도에 따라 또는 외부에서 인가되는 사용자 설정 신호에 기초하여 선택적으로 활성화될 수 있다. 상기 입사광의 조도에 따라 이중 변환 이득 제어 신호(DX)의 활성화 여부가 자동적으로 결정되는 구성 및 상기 사용자 설정 신호에 기초하여 이중 변환 이득 제어 신호(DX)의 활성화 여부가 수동적으로 결정되는 구성에 대해서는 도 22, 23, 24 및 25를 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.In the unit pixel of the image sensor according to the embodiments of the present invention, the double conversion gain control signal DX can be selectively activated based on the illuminance of the incident light or based on the externally applied user setting signal. A configuration in which the activation of the dual conversion gain control signal DX is automatically determined according to the illuminance of the incident light and a configuration in which the activation of the double conversion gain control signal DX is manually determined based on the user setting signal Will be described later in more detail with reference to FIGS. 22, 23, 24, and 25.

도 6a를 참조하면, 예를 들어 상기 입사광의 조도가 기준 조도보다 낮거나 같은 경우에 또는 상기 사용자 설정 신호에 기초하여 상기 이미지 센서가 저조도 동작 모드에서 구동하도록 설정된 경우에, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 비활성화될 수 있다. 이 경우, 단위 픽셀(200)이 광 집적 모드 이후의 독출 모드로 동작하는데 있어서, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)만이 광전하들의 저장 영역으로서 이용될 수 있다. 도 6a의 예에서, 상기 독출 모드에서의 상기 광전하들의 저장 영역인 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 대한 커패시턴스(CFD)는 하기의 [수학식 1]과 같이 획득되며, 단위 픽셀(200)의 제1 변환 이득(CG1)은 하기의 [수학식 2]와 같이 획득될 수 있다.6A, for example, when the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance, or when the image sensor is set to operate in the low-illuminance operation mode based on the user setting signal, the double conversion gain control signal DX) may be deactivated. In this case, only the first floating diffusion region FD1 can be used as the storage region of the photo charges when the unit pixel 200 operates in the read mode after the light integration mode. In the example of FIG. 6A, the capacitance CFD for the first floating diffusion region FD1, which is the storage region of the photo charges in the read mode, is obtained as shown in Equation 1 below, The first conversion gain CG1 of the output signal of the second comparator 22 can be obtained as shown in the following equation (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

상기의 [수학식 1]에서, Cj는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 반도체 기판(201) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내고, CT는 전송 게이트(TG)와 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내고, CDG1은 이중 변환 이득 게이트(DG)의 상부 영역(TP)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내고, CDG2는 이중 변환 이득 게이트(DG)의 하부 영역(BP)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내고, CD는 드라이브 트랜지스터(280)의 제1 단자와 게이트 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내며, CS는 드라이브 트랜지스터(280)의 게이트와 제2 단자 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타낸다. Gsf는 드라이브 트랜지스터(280)의 이득을 나타내며, 드라이브 트랜지스터(280)의 입력 신호(즉, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압)에 대한 출력 신호(즉, 픽셀 신호(VPIX))의 비율에 상응할 수 있다. 상기의 [수학식 2]에서, Q는 광 집적 모드에서 광전 변환 영역(PD)에서 수집되어 독출 모드에서 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 전송된 광전하들의 전하량에 상응할 수 있다.Cj denotes a capacitance existing between the first floating diffusion region FD1 and the semiconductor substrate 201 and CT denotes a capacitance between the transfer gate TG and the first floating diffusion region FD1. CDG1 represents a capacitance existing between the upper region TP of the double conversion gain gate DG and the first floating diffusion region FD1 and CDG2 represents the capacitance existing between the lower portion of the double conversion gain gate DG CD represents the capacitance existing between the first terminal of the drive transistor 280 and the gate and CS represents the capacitance existing between the first transistor and the first floating diffusion region FD1. And the capacitance existing between the gate and the second terminal. Gsf represents the gain of the drive transistor 280 and is a ratio of the output signal to the input signal of the drive transistor 280 (that is, the voltage of the first floating diffusion region FD1) (that is, the pixel signal VPIX) Can be corresponding. In Equation (2) above, Q may correspond to the amount of charge of the photo charges collected in the photoelectric conversion region PD in the photo integration mode and transferred to the first floating diffusion region FD1 in the readout mode.

도 6b를 참조하면, 예를 들어 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우에 또는 상기 사용자 설정 신호에 기초하여 상기 이미지 센서가 고조도 동작 모드에서 구동하도록 설정된 경우에, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화될 수 있다. 이 경우, 단위 픽셀(200)이 광 집적 모드 이후의 독출 모드로 동작하는데 있어서, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 광전하들의 저장 영역으로 이용될 수 있다. 도 6b의 예에서, 상기 독출 모드에서의 상기 광전하들의 저장 영역인 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 대한 커패시턴스(CFD')는 하기의 [수학식 3]과 같이 획득되며, 단위 픽셀(200)의 제2 변환 이득(CG2)은 하기의 [수학식 4]와 같이 획득될 수 있다.6B, for example, when the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance or when the image sensor is set to operate in the high contrast operation mode based on the user setting signal, the double conversion gain control signal DX) can be activated. In this case, when the unit pixel 200 operates in the read mode after the light integration mode, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 can be used as the storage regions of the light charges. In the example of FIG. 6B, the capacitance CFD 'for the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, which are the storage regions of the photo charges in the read mode, is obtained as Equation (3) , And the second conversion gain CG2 of the unit pixel 200 can be obtained as shown in Equation (4) below.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00003
Figure pat00003

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00004
Figure pat00004

상기의 [수학식 3]에서, CDG3은 이중 변환 이득 게이트(DG)의 상부 영역(TP)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내고, CDG4는 이중 변환 이득 게이트(DG)의 하부 영역(BP)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타내며, CR은 제2 플로팅 확산 영역(FD2)과 리셋 게이트(RG) 사이에 존재하는 커패시턴스를 나타낸다. 상기의 [수학식 2]에서, Q'는 광 집적 모드에서 광전 변환 영역(PD)에서 수집되어 독출 모드에서 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)에 전송된 광전하들의 전하량에 상응할 수 있다.CDG3 represents the capacitance existing between the upper region TP of the double conversion gain gate DG and the second floating diffusion region FD2 and CDG4 represents the capacitance existing between the double conversion gain gate DG and the second floating diffusion region FD2, And CR represents the capacitance existing between the second floating diffusion region FD2 and the reset gate RG. In the figure, the capacitance between the lower floating diffusion region FD2 and the second floating diffusion region FD2 is shown. In the above formula (2), Q 'is the charge amount of the photo charges collected in the photoelectric conversion region PD in the light integration mode and transferred to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 in the readout mode Can be corresponding.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은, 이중 변환 이득 게이트(DG)를 추가적으로 구비하고 이중 변환 이득 게이트(DG)에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(DX)를 선택적으로 활성화함으로써, 이미지 센서의 동작 모드 또는 사용 환경에 따라서 단위 픽셀의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다. 또한, 이중 변환 이득 게이트(DG)와 반도체 기판(201)이 접촉하는 표면적이 증가하도록 이중 변환 이득 게이트(DG)를 수직형 게이트 구조로 형성함으로써, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되는 경우에 단위 픽셀의 플로팅 확산 영역에 대한 커패시턴스가 상대적으로 많이(예를 들어, 도 6b의 CDG2 및 CDG4 만큼) 증가할 수 있으며, 따라서 단위 픽셀의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다.The unit pixel of the image sensor according to embodiments of the present invention further includes a double conversion gain gate DG and selectively activates the double conversion gain control signal DX applied to the double conversion gain gate DG, The conversion gain of the unit pixel can be effectively controlled according to the operation mode or the use environment of the image sensor. In addition, when the double conversion gain control signal DX is activated by forming the double conversion gain gate DG into a vertical gate structure so that the surface area in which the double conversion gain gate DG and the semiconductor substrate 201 contact each other increases, The capacitance for the floating diffusion region of the unit pixel can be increased relatively (e.g., by CDG2 and CDG4 in Fig. 6B), and thus the conversion gain of the unit pixel can be effectively adjusted.

도 7은 도 1의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.7 is a circuit diagram showing another example of the unit pixel of FIG.

도 7을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(300)은 광전 변환부(310) 및 신호 발생 회로(312)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the unit pixel 300 of the image sensor may include a photoelectric conversion unit 310 and a signal generation circuit 312.

광전 변환부(310)는 입사광에 기초하여 광전 변환을 수행할 수 있다. 신호 발생 회로(312)는 상기 광전 변환에 의해 생성된 광전하들에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 발생할 수 있다. 신호 발생 회로(312)는 전송 트랜지스터(320), 제1 플로팅 확산 노드(330), 이중 변환 이득 트랜지스터(340), 제2 플로팅 확산 노드(350), 리셋 트랜지스터(360) 및 출력부(370)를 포함할 수 있다.The photoelectric conversion unit 310 can perform photoelectric conversion based on the incident light. The signal generating circuit 312 can generate the pixel signal VPIX based on the photo charges generated by the photoelectric conversion. The signal generating circuit 312 includes a transfer transistor 320, a first floating diffusion node 330, a dual conversion gain transistor 340, a second floating diffusion node 350, a reset transistor 360 and an output 370, . ≪ / RTI >

전송 트랜지스터(320)는 광전 변환부(310)와 연결된 제1 단자, 제1 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 제2 단자 및 전송 제어 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 이중 변환 이득 트랜지스터(340)는 제1 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 제1 단자, 제2 플로팅 확산 노드(350)와 연결된 제2 단자 및 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(360)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 제1 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 출력부(370)는 제1 플로팅 확산 노드(330)와 연결되고, 상기 광전하들에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)를 발생하며, 드라이브 트랜지스터(380) 및 선택 트랜지스터(390)를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(380)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 제1 플로팅 확산 노드(330)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터(390)는 상기 드라이브 트랜지스터(380)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 픽셀 신호(VPIX)를 출력하는 제2 단자를 포함할 수 있다.The transfer transistor 320 may include a first terminal coupled to the photoelectric conversion unit 310, a second terminal coupled to the first floating diffusion node 330, and a gate to which the transfer control signal TX is applied. The dual conversion gain transistor 340 includes a first terminal coupled to the first floating diffusion node 330, a second terminal coupled to the second floating diffusion node 350 and a gate to which the dual conversion gain control signal DX is applied can do. The reset transistor 360 may include a first terminal to which the power supply voltage VDD is applied, a second terminal coupled to the first floating diffusion node 330, and a gate to which the reset signal RST is applied. The output 370 is coupled to the first floating diffusion node 330 and generates a pixel signal VPIX based on the photo charges and may include a drive transistor 380 and a selection transistor 390 . The drive transistor 380 may include a first terminal to which a power supply voltage VDD is applied, a gate connected to the first floating diffusion node 330, and a second terminal. The selection transistor 390 may include a first terminal connected to the second terminal of the drive transistor 380, a gate to which the selection signal SEL is applied, and a second terminal for outputting the pixel signal VPIX.

도 8 및 9는 도 7의 단위 픽셀의 구조를 나타내는 단면도들이다.8 and 9 are sectional views showing the structure of the unit pixel of FIG.

도 7, 8 및 9를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(300)은 반도체 기판(301)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 리셋 드레인 영역(RD), 리셋 게이트(RG) 및 출력부(370)를 포함할 수 있다.7, 8 and 9, the unit pixel 300 of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 301, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, 2 floating diffusion region FD2, a double conversion gain gate DG, a reset drain region RD, a reset gate RG and an output portion 370. [

도 8 및 9의 광전 변환 영역(PD), 전송 게이트(TG), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2), 리셋 게이트(RG) 및 출력부(370)는 각각 도 7의 광전 변환부(310), 전송 트랜지스터(320), 제1 플로팅 확산 노드(330), 이중 변환 이득 트랜지스터(340), 제2 플로팅 확산 노드(350), 리셋 트랜지스터(360) 및 출력부(370)에 상응하는 구조일 수 있다. 도 8 및 9의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG) 및 출력부(370)는 도 1의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG) 및 출력부(170)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The transfer gate TG, the first floating diffusion region FD1, the double conversion gain gate DG, the second floating diffusion region FD2, the reset gate RG, and the second floating diffusion region FD shown in Figs. 8 and 9, The output unit 370 includes the photoelectric conversion unit 310, the transfer transistor 320, the first floating diffusion node 330, the double conversion gain transistor 340, the second floating diffusion node 350, The transistor 360 and the output portion 370 of FIG. The photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG and the output portion 370 of FIGS. The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG, and the output portion 170, respectively.

리셋 드레인 영역(RD)은 광전 변환 영역(PD) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 이격하여 반도체 기판(301) 내에 형성될 수 있다. 전원 전압(VDD)이 리셋 드레인 영역(RD)에 인가될 수 있다. 리셋 게이트(RG)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 리셋 드레인 영역(RD) 사이의 반도체 기판(301) 상에 형성된다. 리셋 게이트(RG)에 인가되는 리셋 신호(RST)에 기초하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 리셋될 수 있다.The reset drain region RD may be formed in the semiconductor substrate 301 away from the photoelectric conversion region PD and the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. The power supply voltage VDD can be applied to the reset drain region RD. A reset gate RG is formed on the semiconductor substrate 301 between the first floating diffusion region FD1 and the reset drain region RD. The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 can be reset based on the reset signal RST applied to the reset gate RG.

도 7, 8 및 9의 실시예에서, 제1 플로팅 확산 노드(330)는 전송 트랜지스터(320)와 리셋 트랜지스터(360) 사이에 형성되고 또한 전송 트랜지스터(320)와 이중 변환 이득 트랜지스터(340) 사이에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 단위 픽셀(300)에서, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 전송 게이트(TG)와 이중 변환 이득 게이트(DG) 사이의 반도체 기판(301) 내에 형성되며, 또한 전송 게이트(TG)와 리셋 게이트(RG) 사이의 반도체 기판(301) 내에 형성될 수 있다.The first floating diffusion node 330 is formed between the transfer transistor 320 and the reset transistor 360 and also between the transfer transistor 320 and the dual conversion gain transistor 340. In the embodiment of Figures 7, As shown in FIG. In other words, in the unit pixel 300, the first floating diffusion region FD1 is formed in the semiconductor substrate 301 between the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG, and also the transfer gate TG And may be formed in the semiconductor substrate 301 between the reset gates RG.

도 7, 8 및 9의 단위 픽셀(300)은 도 4 및 5의 단위 픽셀(200)과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다. 따라서, 도 6a 및 6b를 참조하여 상술한 것처럼, 이중 변환 이득 게이트(DG)에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(DX)를 선택적으로 활성화함으로써 단위 픽셀의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다. 또한, 이중 변환 이득 게이트(DG)와 반도체 기판(301)이 접촉하는 표면적이 증가하도록 이중 변환 이득 게이트(DG)를 수직형 게이트 구조로 형성함으로써 단위 픽셀의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다.The unit pixel 300 of Figures 7, 8, and 9 may operate substantially the same as the unit pixel 200 of Figures 4 and 5. Thus, as described above with reference to Figs. 6A and 6B, the conversion gain of the unit pixel can be effectively adjusted by selectively activating the double conversion gain control signal DX applied to the double conversion gain gate DG. In addition, the conversion gain of the unit pixel can be effectively controlled by forming the double conversion gain gate (DG) into the vertical gate structure so that the surface area in which the double conversion gain gate (DG) and the semiconductor substrate 301 contact each other increases.

도 10a 및 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 도 10a는 입사광의 조도가 기준 조도보다 낮거나 같은 경우 또는 사용자 설정 신호에 기초하여 저조도 동작 모드에서 구동하도록 설정된 경우에 단위 픽셀의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 도 10b는 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우 또는 상기 사용자 설정 신호에 기초하여 고조도 동작 모드에서 구동하도록 설정된 경우에 단위 픽셀의 동작을 나타내는 타이밍도이다.10A and 10B are views for explaining the operation of a unit pixel according to the embodiments of the present invention. 10A is a timing chart showing the operation of the unit pixel when the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance or when the illuminance is set to be driven in the low-illuminance operation mode based on the user setting signal. 10B is a timing chart showing the operation of the unit pixel when the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance or when the illuminance is set to be driven in the high contrast operation mode based on the user setting signal.

도 10a를 참조하면, 시간 t1에서 광 집적 모드(TINT)가 시작된다. 시간 t1에서 리셋 신호(RST)가 활성화되고 시간 t1 내지 t2의 구간에서 전송 제어 신호(TX)가 활성화되어 광전 변환 영역(PD) 및 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 리셋된다. 리셋 신호(RST)는 광 집적 모드(TINT)에서 활성화 상태를 유지한다.Referring to FIG. 10A, the light integration mode (TINT) starts at time t1. The reset signal RST is activated at time t1 and the transfer control signal TX is activated in the interval of time t1 to t2 to reset the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1. The reset signal RST remains active in the light integration mode (TINT).

시간 t2 이후의 광 집적 모드(TINT)에서 입사광에 기초하여 광전 변환이 수행된다. 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서인 경우에, 광 집적 모드(TINT) 동안에는 CMOS 이미지 센서의 셔터가 개방되어 상기 입사광에 의해 전자-정공 쌍과 같은 전하 캐리어가 생성 및 수집되어 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집된다.Photoelectric conversion is performed based on the incident light in the light integration mode (TINT) after time t2. When the image sensor including the unit pixel is a CMOS image sensor, the shutter of the CMOS image sensor is opened during the light integration mode (TINT) so that the charge carrier such as electron-hole pairs is generated and collected by the incident light, Is collected.

시간 t3에서 광 집적 모드(TINT)가 종료되고 독출 모드(TRD)가 시작된다. 시간 t3에서 선택 신호(SEL)가 활성화되어 픽셀 신호를 출력하고자 하는 단위 픽셀이 선택된다. 활성화 상태를 유지하던 리셋 신호(RST)는 시간 t4에서 비활성화된다. 시간 t4 이후의 구간 TA에서, 샘플링 신호(SMPL)가 활성화되어 리셋된 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)의 리셋 성분이 샘플링된다.At time t3, the light integration mode (TINT) is ended and the read mode (TRD) is started. At time t3, the selection signal SEL is activated to select a unit pixel for outputting the pixel signal. The reset signal RST that has been kept in the activated state is inactivated at time t4. In the interval TA after the time t4, the reset signal of the pixel signal VPIX corresponding to the voltage of the first floating diffusion region FD1 whose sampling signal SMPL is activated and reset is sampled.

구간 TA 이후의 구간 TB에서, 전송 제어 신호(TX)가 활성화되어 광전하들이 광전 변환 영역(PD)에서 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전송된다. 구간 TB 이후의 구간 TC에서, 샘플링 신호(SMPL)가 활성화되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)의 이미지 성분이 샘플링된다. 상기 픽셀 신호(VPIX)의 리셋 성분 및 상기 픽셀 신호(VPIX)의 이미지 성분에 기초하여 픽셀 신호(VPIX)의 유효 이미지 성분이 발생될 수 있다.In the interval TB after the interval TA, the transmission control signal TX is activated to transfer the photo charges from the photoelectric conversion region PD to the first floating diffusion region FD1. In the interval TC after the section TB, the sampling signal SMPL is activated and the image component of the pixel signal VPIX corresponding to the voltage of the first floating diffusion area FD1 is sampled. The effective image component of the pixel signal VPIX can be generated based on the reset component of the pixel signal VPIX and the image component of the pixel signal VPIX.

구간 TC 이후의 구간 TD에서, 리셋 신호(RST)가 활성화되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 리셋된다. 구간 TD 이후의 시간 t5에서, 선택 신호(SEL)가 비활성화되어 독출 모드(TRD)가 종료된다.In the section TD after the section TC, the reset signal RST is activated and the first floating diffusion region FD1 is reset. At time t5 after the period TD, the selection signal SEL is inactivated and the read mode TRD is ended.

도 10a의 실시예에서, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD) 동안에 비활성화 상태를 유지한다. 다시 말하면, 독출 모드(TRD) 동안에 제1 플로팅 확산 영역(FD1)만이 상기 광전하들의 저장 영역으로서 사용되며 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 사용되지 않는다. 따라서, 단위 픽셀은 상대적으로 큰 변환 이득을 가질 수 있다. 다만, 도 4 및 5에 도시된 것처럼 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)가 리셋 게이트(RG)와 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 배치되는 경우에는, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 리셋시키기 위하여 리셋 신호(RST)가 활성화되는 구간과 동일한 구간(예를 들어, 시간 t1 내지 t4 및 구간 TD) 동안에 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화될 수도 있다.In the embodiment of FIG. 10A, the dual conversion gain control signal DX remains inactive during the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD). In other words, during the read mode TRD, only the first floating diffusion region FD1 is used as the storage region of the photo charges and the second floating diffusion region FD2 is not used. Thus, a unit pixel can have a relatively large conversion gain. However, when the second floating diffusion region FD2 and the double conversion gain gate DG are disposed between the reset gate RG and the first floating diffusion region FD1 as shown in FIGS. 4 and 5, The double conversion gain control signal DX may be activated during the same period (for example, from time t1 to t4 and period TD) as the period during which the reset signal RST is activated to reset the floating diffusion region FD1.

도 10b를 참조하면, 시간 t6에서 광 집적 모드(TINT)가 시작된다. 시간 t6에서 리셋 신호(RST) 및 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 활성화되고 시간 t6 내지 t7의 구간에서 전송 제어 신호(TX)가 활성화되어 광전 변환 영역(PD) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 리셋된다. 리셋 신호(RST) 및 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 광 집적 모드(TINT)에서 활성화 상태를 유지한다. 시간 t7 이후의 광 집적 모드(TINT)에서 입사광에 기초하여 광전 변환이 수행된다.Referring to FIG. 10B, the light integration mode (TINT) starts at time t6. The reset signal RST and the double conversion gain control signal DX are activated at the time t6 and the transmission control signal TX is activated in the interval of the time t6 to t7 to make the photoelectric conversion region PD and the first and second floating diffusion The regions FD1 and FD2 are reset. The reset signal RST and the double conversion gain control signal DX remain active in the light integration mode TINT. Photoelectric conversion is performed based on the incident light in the light integration mode (TINT) after time t7.

시간 t8에서 광 집적 모드(TINT)가 종료되고 독출 모드(TRD)가 시작된다. 시간 t8에서 선택 신호(SEL)가 활성화되어 픽셀 신호를 출력하고자 하는 단위 픽셀이 선택된다. 활성화 상태를 유지하던 리셋 신호(RST)는 시간 t9에서 비활성화된다. 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 독출 모드(TRD)에서도 활성화 상태를 유지한다. 시간 t9 이후의 구간 TE에서, 샘플링 신호(SMPL)가 활성화되어 리셋된 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 전압에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)의 리셋 성분이 샘플링된다.At time t8, the light integration mode (TINT) is ended and the read mode (TRD) is started. At time t8, the selection signal SEL is activated to select a unit pixel to output the pixel signal. The reset signal RST that has been kept in the activated state is inactivated at time t9. The dual conversion gain control signal DX remains active even in the read mode TRD. In the interval TE after time t9, the reset component of the pixel signal VPIX corresponding to the voltage of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 whose sampling signal SMPL is activated and reset is sampled.

구간 TE 이후의 구간 TF에서, 전송 제어 신호(TX)가 활성화되어 광전하들이 광전 변환 영역(PD)에서 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)로 전송된다. 구간 TF 이후의 구간 TH에서, 샘플링 신호(SMPL)가 활성화되어 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)의 전압에 상응하는 픽셀 신호(VPIX)의 이미지 성분이 샘플링된다.In the interval TF after the interval TE, the transmission control signal TX is activated to transfer the photo charges to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 in the photoelectric conversion region PD. In the section TH after the section TF, the sampling signal SMPL is activated and the image component of the pixel signal VPIX corresponding to the voltages of the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 is sampled.

구간 TH 이후의 구간 TI에서, 리셋 신호(RST)가 활성화되어 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 리셋된다. 구간 TI 이후의 시간 t10에서, 선택 신호(SEL) 및 이중 변환 이득 제어 신호(DX)가 비활성화되어 독출 모드(TRD)가 종료된다.In the section TI after the section TH, the reset signal RST is activated to reset the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2. At time t10 after the interval TI, the selection signal SEL and the double conversion gain control signal DX are inactivated and the read mode TRD is ended.

도 10b의 실시예에서, 이중 변환 이득 제어 신호(DX)는 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD) 동안에 활성화 상태를 유지한다. 다시 말하면, 독출 모드(TRD) 동안에 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)이 모두 상기 광전하들의 저장 영역으로서 사용된다. 따라서, 단위 픽셀은 상대적으로 작은 변환 이득을 가질 수 있다.In the embodiment of FIG. 10B, the dual conversion gain control signal DX remains active during the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD). In other words, during the read mode TRD, both the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 are used as the storage regions of the light charges. Thus, a unit pixel can have a relatively small conversion gain.

한편, 도 10a 및 10b에서는 리셋 신호(RST)가 광 집적 모드(TINT)가 시작되는 경우에 활성화되고 광 집적 모드(TINT)에서 활성화 상태를 유지하는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 리셋 신호(RST)는 광 집적 모드(TINT)의 초기 동작 구간(예를 들어, 도 10a의 시간 t1 내지 t2의 구간 또는 도 10b의 시간 t6 내지 t7의 구간) 및 독출 모드(TRD)의 초기 동작 구간(예를 들어, 도 10a의 시간 t3 내지 t4의 구간 또는 도 10b의 시간 t8 내지 t9의 구간)에만 활성화될 수도 있다.10A and 10B, the reset signal RST is activated when the light integration mode (TINT) is started and maintained in the light integration mode (TINT), but the reset signal RST (For example, a period from time t1 to t2 in FIG. 10A or a period from time t6 to t7 in FIG. 10B) and an initial operation period (for example, from time t6 to t7 in FIG. 10B) of the light integration mode For example, a period from time t3 to t4 in Fig. 10A or a period from time t8 to t9 in Fig. 10B).

이하에서는 도 11 내지 21을 참조하여, 단위 픽셀의 다양한 실시예들과, 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, various embodiments of unit pixels and a method of manufacturing unit pixels and an image sensor including the unit pixels will be described in detail with reference to FIGS. 11 to 21. FIG.

도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다.11 is a cross-sectional view showing a unit pixel of an image sensor according to embodiments of the present invention.

도 11을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400)은 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11의 단위 픽셀(400)은 BIS에 포함될 수 있다.11, the unit pixel 400 of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG). The unit pixel 400 may further include an isolation region 410, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF, and a microlens ML. For example, the unit pixel 400 of FIG. 11 may be included in the BIS.

반도체 기판(401)은 제1 면(401a) 및 제1 면(401a)에 대향하는 제2 면(401b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)은 반도체 기판(401)의 전면이며, 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)은 반도체 기판(401)의 후면일 수 있다.The semiconductor substrate 401 may include a first surface 401a and a second surface 401b opposite to the first surface 401a. For example, the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 may be the front surface of the semiconductor substrate 401, and the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 may be the rear surface of the semiconductor substrate 401.

도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)는 도 1의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG in Fig. 11 correspond to the photoelectric conversion region PD in Fig. 1, 1 and the second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, and the double conversion gain gate DG, respectively.

소자 분리 영역(410)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 형성될 수 있다. 도 12a를 참조하여 후술하는 것처럼, 소자 분리 영역(410)에 기초하여 단위 화소 영역이 정의될 수 있다. 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)는 상기 단위 화소 영역 내에 형성될 수 있다. 소자 분리 영역(410)은 절연 물질을 포함할 수 있다.The element isolation region 410 may be formed vertically from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401. [ The unit pixel region can be defined based on the element isolation region 410, as described below with reference to FIG. 12A. The photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transmission gate TG and the double conversion gain gate DG may be formed in the unit pixel region. The element isolation region 410 may include an insulating material.

실시예에 따라서, 단위 픽셀(400)은 소자 분리 영역(410)의 내부에 형성되는 폴리실리콘 영역(미도시)을 더 포함하거나 또는 소자 분리 영역(410)의 표면에 형성되는 표면 도핑막(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 상기 폴리실리콘 영역은 소자 분리 영역(410)에 의해 둘러싸이며, 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 플라즈마 도핑(PLAsma Doping; PLAD)과 같은 이온 주입 공정을 이용하여 소자 분리 영역(410)의 표면을 둘러싸도록 불순물 영역(예를 들어, p형 영역)을 형성함으로써, 암전류(dark current)를 감소시키기 위한 상기 표면 도핑막을 마련할 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 도핑막은 반도체 기판(401)에 포함되는 불순물과 동일한 타입의 불순물이 반도체 기판(401)보다 높은 농도로 도핑되거나, 광전 변환 영역(PD)에 포함되는 불순물과 다른 타입의 불순물이 광전 변환 영역(PD)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다.The unit pixel 400 may further include a polysilicon region (not shown) formed in the element isolation region 410 or may include a surface doping film (not shown) formed on the surface of the element isolation region 410 Time). The polysilicon region is surrounded by an element isolation region 410 and may include polysilicon, a metal, and / or a metal compound. A dark current is reduced by forming an impurity region (for example, a p-type region) so as to surround the surface of the element isolation region 410 by using an ion implantation process such as plasma doping (PLAD) doping The surface doping film may be provided. For example, the surface doping layer may be formed by doping impurities of the same type as the impurities contained in the semiconductor substrate 401 at a higher concentration than that of the semiconductor substrate 401, or impurities contained in the photoelectric conversion region PD, Can be doped with a higher concentration than the photoelectric conversion region PD.

제1 절연층(420)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(420)은 게이트 구조물들(TG, DG)과 반도체 기판(401)을 전기적으로 절연시킬 수 있으며, 게이트 절연층으로 명명될 수 있다.The first insulating layer 420 may be formed on the first surface 401 a of the semiconductor substrate 401. For example, the first insulating layer 420 may electrically isolate the gate structures TG and DG from the semiconductor substrate 401, and may be referred to as a gate insulating layer.

제2 절연층(430)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 상에, 예를 들어 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG) 상에 형성될 수 있다. 제2 절연층(430)은 복수의 금속 배선들(WL)을 포함할 수 있다. 복수의 금속 배선들(WL)은 콘택이나 플러그를 통해 게이트 구조물들(TG, DG)에 전기적으로 연결되거나, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 금속 배선들(WL)은 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속을 포함하는 도전물질을 적층하고 패터닝하는 방식을 통해 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제2 절연층(430)은 복수의 절연층들이 적층된 멀티 레이어 구조로 형성될 수도 있다.The second insulating layer 430 may be formed on the first surface 401a of the semiconductor substrate 401, for example, on the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG. The second insulating layer 430 may include a plurality of metal wirings WL. The plurality of metal wirings WL may be electrically connected to the gate structures TG and DG through contacts or plugs, or may be electrically connected to each other. For example, the plurality of metal wirings WL may be formed by a method of stacking and patterning a conductive material including a metal such as copper, tungsten, titanium, aluminum, or the like. Although not shown, the second insulating layer 430 may have a multi-layer structure in which a plurality of insulating layers are stacked.

실시예에 따라서, 제2 절연층(430)은 추가적인 게이트 구조물들(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 추가적인 게이트 구조물들 및 복수의 금속 배선들(WL)의 연결 및 배치에 따라서 도 4의 신호 발생 회로(212) 및 도 7의 신호 발생 회로(312)가 구현될 수 있다.Depending on the embodiment, the second insulating layer 430 may further include additional gate structures (not shown), and depending on the connection and arrangement of the additional gate structures and the plurality of metal wirings WL, The signal generating circuit 212 of FIG. 7 and the signal generating circuit 312 of FIG. 7 can be implemented.

컬러 필터(CF)는 반도체 기판(401)의 제2 면(401b) 상에 형성될 수 있다. 컬러 필터(CF)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터 어레이는 화이트 필터를 추가적으로 구비할 수 있다.The color filter CF may be formed on the second surface 401b of the semiconductor substrate 401. [ The color filters CF may be included in a color filter array arranged in a matrix form. In one embodiment, the color filter array may have a Bayer pattern including a red filter, a green filter, and a blue filter. In another embodiment, the color filter array may include a yellow filter, a magenta filter, and a cyan filter. The color filter array may further include a white filter.

마이크로 렌즈(ML)는 컬러 필터(CF) 상에 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)는 마이크로 렌즈(ML)에 입사되는 입사광이 광전 변환 영역(PD)에 집광될 수 있도록 상기 입사광의 경로를 조절할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(ML)는 매트릭스 형태로 배열된 마이크로 렌즈 어레이에 포함될 수 있다.The microlens ML may be formed on the color filter CF. The microlens ML can adjust the path of the incident light so that the incident light incident on the microlens ML can be converged on the photoelectric conversion region PD. In addition, the microlenses ML may be included in a microlens array arranged in a matrix form.

실시예에 따라서, 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)과 컬러 필터(CF) 사이에 반사 방지층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 반사 방지층은 상기 입사광이 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.According to the embodiment, an anti-reflection layer (not shown) may be further formed between the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 and the color filter CF. The anti-reflection layer may prevent the incident light from being reflected. According to an embodiment, the anti-reflection layer may be formed by alternately stacking materials having different refractive indexes. In this case, the transmittance of the anti-reflection layer may be improved as the materials having different refractive indexes are alternately stacked.

도 12a, 12b, 12c, 12d, 12e 및 12f는 도 11의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.12A, 12B, 12C, 12D, 12E and 12F are cross-sectional views for explaining an example of a method of manufacturing the unit pixel and the image sensor including the unit pixel of FIG.

도 12a를 참조하면, 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 소자 분리 영역(410)을 형성하여 전체 영역(UPT) 중에서 단위 화소 영역(UPA)을 정의한다. 예를 들어, 반도체 기판(401)은 p형 에피택셜층일 수 있다. p형 벌크(bulk) 실리콘 기판(미도시) 상에 상기 p형 에피택셜층을 형성하고, 기계적인 방식 및/또는 화학적인 방식으로 상기 p형 벌크 실리콘 기판을 그라인딩함으로써, 반도체 기판(401)을 마련할 수 있다. 또한, 반도체 기판(401)을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치를 절연 물질로 채움으로써, 소자 분리 영역(410)을 마련할 수 있다.12A, an element isolation region 410 is vertically formed from a first surface 401a of a semiconductor substrate 401 to define a unit pixel region UPA in the entire region UPT. For example, the semiconductor substrate 401 may be a p-type epitaxial layer. the p-type epitaxial layer is formed on a p-type bulk silicon substrate (not shown), and the p-type bulk silicon substrate is ground by a mechanical method and / or a chemical method to form a semiconductor substrate 401 . In addition, the element isolation region 410 can be provided by etching the semiconductor substrate 401 to form a trench and filling the trench with an insulating material.

도시하지는 않았지만, 상기 절연 물질이 서로 다른 에너지를 가지고 복수의 횟수만큼 주입되어 소자 분리 영역(410)이 형성될 수 있으며, 상기와 같이 주입이 여러 차례 수행됨에 따라 소자 분리 영역(410)은 표면이 올록볼록한 구조를 가질 수 있다.Although not shown, the insulating material may have a different energy and may be implanted a plurality of times to form the element isolation region 410. As the implantation is performed a plurality of times as described above, the element isolation region 410 has a surface It can have an oval convex structure.

도 12b를 참조하면, 반도체 기판(401) 내에 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 형성한다. 예를 들어, 이온 주입(ion implantation) 공정을 이용하여 반도체 기판(401) 내에 n형 불순물들을 도핑함으로써, 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)을 마련할 수 있다.Referring to FIG. 12B, a photoelectric conversion region PD, a first floating diffusion region FD1, and a second floating diffusion region FD2 are formed in a semiconductor substrate 401. FIG. For example, the photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 are formed by doping n-type impurities into the semiconductor substrate 401 using an ion implantation process can do.

도시하지는 않았지만, 광전 변환 영역(PD)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다.Although not shown, the photoelectric conversion region PD may be formed by stacking a plurality of doped regions.

실시예에 따라서, 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)은 순차적으로 형성될 수도 있고 실질적으로 동시에 형성될 수도 있다. 또한, 도 12a 및 12b에서는 소자 분리 영역(410)이 형성된 이후에 영역들(PD, FD1, FD2)이 형성되는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 영역들(PD, FD1, FD2)이 형성된 이후에 소자 분리 영역(410)이 형성될 수도 있다.According to the embodiment, the photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 may be formed sequentially or substantially simultaneously. 12A and 12B illustrate that the regions PD, FD1 and FD2 are formed after the element isolation region 410 is formed. However, after the regions PD, FD1 and FD2 are formed according to the embodiment An element isolation region 410 may be formed.

도 12c를 참조하면, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이의 반도체 기판(401)의 일부를 제거하여, 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)에 리세스(recess)(405)를 형성한다. 예를 들어, 건식 및/또는 습식 식각 공정을 이용하여, 이중 변환 이득 게이트(도 12d의 DG)가 형성될 반도체 기판(401)의 일부분을 일정한 깊이만큼 식각하여 리세스(405)를 형성할 수 있다. 리세스(405)의 형상 및 깊이는 다양하게 변경될 수 있다.12C, a part of the semiconductor substrate 401 between the first floating diffusion region FD1 and the second floating diffusion region FD2 is removed so as to be electrically connected to the first surface 401a of the semiconductor substrate 401, A recess 405 is formed. For example, a dry and / or wet etch process may be used to etch a portion of the semiconductor substrate 401 on which the double conversion gain gate (DG of FIG. 12D) is to be formed by a certain depth to form the recess 405 have. The shape and depth of the recess 405 can be varied variously.

도시하지는 않았지만, 리세스(405)의 측벽 및 하부면에 p형 불순물들을 도핑하여 채널 불순물 영역(미도시)을 마련할 수도 있다.Although not shown, a channel impurity region (not shown) may be provided by doping p-type impurities on the side wall and the bottom surface of the recess 405.

도 12d를 참조하면, 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 상에 제1 절연층(420)을 형성하고, 제1 절연층(420) 상에 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 형성한다. 예를 들어, 제1 절연층(420)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성되거나, 전술한 물질들 중에서 2 이상의 선택된 물질로 이루어진 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 제1 절연층(420) 상에 게이트 도전막을 적층한 후 적층된 게이트 도전막을 패터닝함으로써, 게이트 구조물들(TG, DG)을 마련할 수 있다. 광전 변환 영역(PD)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이의 반도체 기판(401) 상에 전송 게이트(TG)가 형성되고, 리세스(도 12c의 405)를 채워 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 인접하도록 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 이중 변환 이득 게이트(DG)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 리세스(도 12c의 405) 내부를 채우도록 도전층을 형성함으로써 수직형 이중 변환 이득 게이트(DG)를 마련할 수 있으며, 상기 도전층은 도핑된 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물 또는 금속 실리사이드 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.12D, a first insulating layer 420 is formed on a first surface 401a of a semiconductor substrate 401 and a transfer gate TG and a double conversion gain gate (DG). For example, the first insulating layer 420 may be formed of a material selected from the group consisting of silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride (SiNx), germanium oxynitride (GeOxNy), germanium silicon oxide (GeSixOy) Or may be formed with a multi-layer structure composed of two or more selected materials among the above-mentioned materials. In addition, the gate structures TG and DG can be provided by laminating a gate conductive film on the first insulating layer 420 and then patterning the stacked gate conductive film. A transfer gate TG is formed on the semiconductor substrate 401 between the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1 to fill the recess 405 in Figure 12C to form first and second floating diffusion A double conversion gain gate DG may be formed vertically from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 so as to be adjacent to the regions FD1 and FD2. For example, a vertical dual conversion gain gate (DG) may be provided by forming a conductive layer to fill the interior of the recess (405 in FIG. 12C), which may be doped polysilicon, metal, And at least one material selected from metal silicides.

실시예에 따라서, 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)는 순차적으로 형성될 수도 있고 실질적으로 동시에 형성될 수도 있다.Depending on the embodiment, the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG may be formed sequentially or substantially simultaneously.

도 12e를 참조하면, 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG) 상에 복수의 금속 배선들(WL)을 포함하는 제2 절연층(430)을 형성한다. 도 12f를 참조하면, 반도체 기판(401)의 제2 면(401b) 상에 컬러 필터(CF)를 형성하고, 컬러 필터(CF) 상에 마이크로 렌즈(ML)를 형성한다.Referring to FIG. 12E, a second insulating layer 430 including a plurality of metal wirings WL is formed on the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG. 12F, a color filter CF is formed on the second surface 401b of the semiconductor substrate 401, and a microlens ML is formed on the color filter CF.

예를 들어, 컬러 필터(CF)는 염색 공정, 안료 분산 공정, 인쇄 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 컬러 필터(CF)는 염색된 포토레지스트 등의 감광성 물질을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 또한, 광 투과성 포토 레지스트를 이용하여 패턴들을 형성하고, 상기 패턴을 리플로우 시켜 일정한 곡률을 가지고 상기 입사광이 제공되는 방향을 향해 볼록한 형태를 갖는 마이크로 렌즈(ML)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 렌즈(ML)가 포토 레지스트를 포함하는 경우에, 마이크로 렌즈(ML)가 그 형상을 유지하도록 베이킹 공정을 수행할 수 있다.For example, the color filter CF may be formed using a dyeing process, a pigment dispersion process, a printing process, or the like. The color filter CF may be formed by applying a photosensitive material such as a dyed photoresist, and performing an exposure and development process. In addition, it is possible to form patterns using a light-transmissive photoresist, reflow the pattern, and form a microlens ML having a certain curvature and having a convex shape toward a direction in which the incident light is provided. In one embodiment, in the case where the microlens ML includes a photoresist, a baking process may be performed so that the microlens ML maintains its shape.

도시하지는 않았지만, 컬러 필터(CF)와 마이크로 렌즈(ML) 사이에는 오버 코팅 레이어(over-coating layer; OCL)와 같은 평탄화층(미도시)이 형성될 수도 있다.Although not shown, a planarization layer (not shown) such as an over-coating layer (OCL) may be formed between the color filter CF and the microlens ML.

도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도이다. 도 14는 도 13의 A부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.13 is a cross-sectional view illustrating unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention. Fig. 14 is an enlarged cross-sectional view of part A of Fig.

도 13 및 14를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400a)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DGR)를 포함한다. 단위 픽셀(400a)은 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.13 and 14, the unit pixel 400a of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, A diffusion region FD2 and a double conversion gain gate (DGR). The unit pixel 400a may further include an isolation region 410, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF, and a microlens ML.

도 13의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The first photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the element isolation region 410, the first insulation layer 420, The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the element isolating region 430, the color filter CF, and the microlens ML, The first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF, and the microlens ML, respectively.

이중 변환 이득 게이트(DGR)는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)과 인접하도록 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 형성되며, 적어도 하나의 하부 영역(BPR) 및 상부 영역(TP)으로 구분될 수 있다.The dual conversion gain gate DGR is vertically formed from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 so as to be adjacent to the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 and has at least one lower region BPR And an upper region TP.

일 실시예에서, 도 14에 도시된 것처럼 적어도 하나의 하부 영역(BPR)의 하부면(S1)은 평탄하고, 적어도 하나의 하부 영역(BPR)의 하부면(S1)과 측면이 만나는 하부 모서리(S2)는 둥글 수 있다. 이 경우, 이중 변환 이득 게이트(DGR)에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(도 1의 DX)가 활성화되는 경우에, 하부면(S1)과 인접한 반도체 기판(401) 내의 제1 지점(P1) 및 하부 모서리(S2)와 인접한 반도체 기판(401) 내의 제2 지점(P2) 모두에서 전계 분포가 고르게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2) 사이의 채널이 용이하게 형성되며, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2) 사이의 전하 전송의 원활하게 이루어질 수 있다. 또한, 적어도 하나의 하부 영역(BPR)의 상단의 제1 폭(W1)은 하부면(S1)의 제2 폭(W2) 보다 클 수 있으며, 예를 들어 제2 폭(W2)은 제1 폭(W1)의 약 1/2 정도일 수 있다.14, the lower surface S1 of the at least one lower region BPR is flat and the lower surface S1R of the at least one lower region BPR is in contact with the lower edge S2) may be round. In this case, when the double conversion gain control signal (DX in Fig. 1) applied to the double conversion gain gate (DGR) is activated, the first point P1 in the semiconductor substrate 401 adjacent to the lower surface S1 and The electric field distribution can be uniformly formed at both the lower edge S2 and the second point P2 in the semiconductor substrate 401 adjacent thereto. Therefore, the channel between the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 is easily formed, and the charge transfer between the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 can be smoothly performed. The first width W1 of the upper end of the at least one lower region BPR may be greater than the second width W2 of the lower surface S1. For example, the second width W2 may be greater than the first width W2, Half of the width W1.

일 실시예에서, 반도체 기판(401) 내의 제2 지점(P2)에서 전계 분포를 고르게 형성시키기 위하여, 적어도 하나의 하부 영역(BPR)의 하부 모서리(S2)의 곡률 반지름(radius of curvature)(R)은 일정한 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 하부 모서리(S2)의 곡률 반지름(R)은 약 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 약 60nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있다. 여기서, 하부 모서리(S2)의 곡률 반지름(R)은 하부 모서리(S2)를 공유하는 원(예를 들어, 도 14의 점선)의 반지름을 나타낼 수 있다. 하부 모서리(S2)의 곡률 반지름(R)이 10nm보다 작은 경우에는 전계 장벽(barrier)에 의해 전하 전송 특성이 열화될 수 있고, 하부 모서리(S2)의 곡률 반지름(R)이 100nm보다 큰 경우에는 제조 공정 상의 문제가 야기될 수 있다.The radius of curvature R of the bottom edge S2 of the at least one bottom region BPR may be greater than the radius of curvature R of at least one of the bottom regions BPR in order to evenly form the electric field distribution at the second point P2 in the semiconductor substrate 401. [ ) May have a certain range. For example, the radius of curvature R of the bottom edge S2 may have a value between about 10 nm and 100 nm, and preferably between about 60 nm and 100 nm. Here, the radius of curvature R of the bottom edge S2 may indicate the radius of a circle that shares the bottom edge S2 (e.g., the dotted line in FIG. 14). When the curvature radius R of the lower edge S2 is less than 10 nm, the charge transfer characteristic may be deteriorated by the electric field barrier. When the curvature radius R of the lower edge S2 is greater than 100 nm Which can cause problems in the manufacturing process.

도 15a, 15b, 15c 및 15d는 도 13의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.15A, 15B, 15C, and 15D are cross-sectional views for explaining an example of a method of manufacturing a unit pixel and an image sensor including the unit pixel of FIG.

도 13의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제조하는데 있어서, 소자 분리 영역을 형성하는 단계, 및 광전 변환 영역 및 플로팅 확산 영역들을 형성하는 단계는 각각 도 12a 및 12b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일하다. 또한 도 13의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제조하는 실시예는, 이중 변환 이득 게이트(DGR)의 구조가 상이한 것을 제외하면 도 11의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제조하는 실시예와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.In the fabrication of the unit pixels and the image sensor including the same in Fig. 13, the step of forming the element isolation region and the step of forming the photoelectric conversion region and the floating diffusion regions are substantially the same as those described with reference to Figs. 12A and 12B, respectively Do. The embodiment of manufacturing the unit pixel of FIG. 13 and the image sensor including the unit pixel of FIG. 13 includes the embodiment of manufacturing the unit pixel of FIG. 11 and the image sensor including the same, except that the structure of the double conversion gain gate (DGR) So that redundant description will be omitted.

도 15a를 참조하면, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이의 반도체 기판(401)의 일부를 제거하여 리세스(406)를 형성한다. 예를 들어, 이중 변환 이득 게이트(도 15b의 DGR)가 형성될 반도체 기판(401)의 일부분을 일정한 깊이만큼 식각하여 리세스(406)를 형성할 수 있다. 리세스(406)의 바닥면(C1)은 평평하며, 하부 모서리(C2)는 둥글게 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15A, a portion of the semiconductor substrate 401 between the first floating diffusion region FD 1 and the second floating diffusion region FD 2 is removed to form a recess 406. For example, a recess 406 can be formed by etching a portion of the semiconductor substrate 401 on which a double conversion gain gate (DGR in FIG. 15B) is to be formed, by a predetermined depth. The bottom surface C1 of the recess 406 may be flat and the bottom edge C2 may be rounded.

실시예에 따라서, 이방성 식각 공정으로 각진 모서리를 가지는 리세스를 형성한 후에 등방성 식각 공정을 진행하거나, 또는 이방성 식각 공정으로 각진 모서리를 가지는 리세스를 형성한 후에 열산화 공정을 진행하여 열산화막(미도시)을 형성하고 상기 열산화막을 제거함으로써, 평평한 바닥면(C1)과 둥근 모서리(C2)를 가지는 리세스(406)를 형성할 수 있다.According to the embodiment, the isotropic etching process is performed after forming the recess having the angled edge by the anisotropic etching process, or the recess having the angled edge is formed by the anisotropic etching process, and then the thermal oxidation process is performed, A recess 406 having a flat bottom surface C1 and a rounded corner C2 can be formed by removing the thermal oxide film.

일 실시예에서, 리세스(406)의 하부 모서리(C2)의 곡률 반지름은 일정한 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 모서리(C2)의 곡률 반지름은 약 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 약 60nm 내지 100nm 사이의 값을 가질 수 있다.In one embodiment, the radius of curvature of the bottom edge C2 of the recess 406 may have a constant range. For example, the radius of curvature of the lower edge C2 may have a value between about 10 nm and 100 nm, and preferably between about 60 nm and 100 nm.

도 15b를 참조하면, 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 상에 제1 절연층(420)을 형성하고, 제1 절연층(420) 상에 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DGR)를 형성한다. 도 15c를 참조하면, 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DGR) 상에 복수의 금속 배선들(WL)을 포함하는 제2 절연층(430)을 형성한다. 도 15d를 참조하면, 반도체 기판(401)의 제2 면(401b) 상에 컬러 필터(CF)를 형성하고, 컬러 필터(CF) 상에 마이크로 렌즈(ML)를 형성한다.15B, a first insulating layer 420 is formed on a first surface 401a of a semiconductor substrate 401 and a transfer gate TG and a double conversion gain gate (DGR). Referring to FIG. 15C, a second insulating layer 430 including a plurality of metal wirings WL is formed on the transfer gate TG and the double conversion gain gate DGR. 15D, a color filter CF is formed on the second surface 401b of the semiconductor substrate 401, and a microlens ML is formed on the color filter CF.

도 16, 17, 18, 19, 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 단면도들이다.16, 17, 18, 19, 20 and 21 are sectional views showing unit pixels of an image sensor according to embodiments of the present invention.

도 16을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400b)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400b)은 소자 분리 영역(410a), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.16, the unit pixel 400b of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG). The unit pixel 400b may further include an isolation region 410a, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF, and a microlens ML.

도 16의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The first photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG, the first insulation layer 420, The layer 430, the color filter CF and the microlenses ML are formed in the same manner as the photoelectric conversion region PD of FIG. 11, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, The first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF, and the microlens ML, as shown in FIG.

도 16의 소자 분리 영역(410a)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 광전 변환 영역(PD)보다 깊게 수직으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 소자 분리 영역(410a)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)부터 제2 면(401b)까지 형성되는 DTI 영역일 수 있으며, 소자 분리 영역(410a)의 종단면이 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)과 맞닿을 수 있다.The element isolation region 410a of FIG. 16 may be formed so as to be deeper than the photoelectric conversion region PD from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401. For example, the element isolation region 410a may be a DTI region formed from the first surface 401a to the second surface 401b of the semiconductor substrate 401, and a longitudinal section of the element isolation region 410a may be a DTI region, And the second surface 401b of the base 401.

일 실시예에서, 소자 분리 영역(410a)은 반도체 기판(401)보다 입사광에 대하여 작은 굴절률을 가지는 절연 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 마이크로 렌즈(ML)에 의해 생성되는 상기 입사광의 누설 성분(L1)이 소자 분리 영역(410a)의 표면에서 전반사되고, 누설 성분(L1)이 인접한 단위 픽셀들(미도시)에 도달하는 것이 차단되며, 누설 성분(L1)이 소자 분리 영역(410a)에 의해 반사된 반사 성분(L2)은 광전 변환 영역(PD)에 도달할 수 있다. 또한 소자 분리 영역(410a)이 상기 절연 물질로 형성됨에 따라, 상기 입사광에 의해 발생된 전하 캐리어들이 확산에 의해 상기 인접한 단위 픽셀들에 도달하는 것이 차단될 수 있다. 따라서 인접한 단위 픽셀들 사이의 크로스토크가 감소되고 단위 픽셀(400b)을 포함하는 이미지 센서의 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 특성이 개선될 수 있다.In one embodiment, the element isolation region 410a may be formed of an insulating material having a refractive index smaller than that of the semiconductor substrate 401 with respect to incident light. In this case, the leakage component L1 of the incident light generated by the microlens ML is totally reflected on the surface of the element isolation region 410a, and the leakage component L1 reaches the adjacent unit pixels (not shown) And the reflection component L2 whose leakage component L1 is reflected by the element isolation region 410a can reach the photoelectric conversion region PD. Also, since the element isolation region 410a is formed of the insulating material, the charge carriers generated by the incident light can be prevented from reaching the adjacent unit pixels by diffusion. Therefore, the crosstalk between adjacent unit pixels is reduced and the SNR (Signal-to-Noise Ratio) characteristic of the image sensor including the unit pixel 400b can be improved.

도 17을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400c)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD'), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400c)은 소자 분리 영역(410a), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 17, the unit pixel 400c of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD 'formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, Region FD2 and a dual conversion gain gate DG. The unit pixel 400c may further include an isolation region 410a, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF, and a microlens ML.

도 17의 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 도 17의 소자 분리 영역(410a)은 도 16의 소자 분리 영역(410a)과 실질적으로 동일할 수 있다.The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transmission gate TG, the double conversion gain gate DG, the first insulation layer 420, the second insulation layer 430, The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transmission gate TG, the double conversion gain gate DG, the first insulation layer 420, The second insulating layer 430, the color filter CF, and the microlens ML, respectively. The element isolation region 410a of FIG. 17 may be substantially the same as the element isolation region 410a of FIG.

도 17의 광전 변환 영역(PD')은 반도체 기판(401) 내에 형성되고, 예를 들어 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)에 접촉하도록 형성될 수 있다. 다시 말하면, 도 16의 광전 변환 영역(PD)은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)에만 접촉하지만, 도 17의 광전 변환 영역(PD')은 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 및 제2 면(401b)에 모두 접촉할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)에만 접촉하도록 상기 광전 변환 영역이 형성될 수도 있다.The photoelectric conversion region PD 'of FIG. 17 is formed in the semiconductor substrate 401 and may be formed to contact the second surface 401b of the semiconductor substrate 401, for example. In other words, the photoelectric conversion region PD of FIG. 16 contacts only the first surface 401a of the semiconductor substrate 401, but the photoelectric conversion region PD 'of FIG. 17 corresponds to the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 401a and the second surface 401b. Although not shown, the photoelectric conversion region may be formed so as to contact only the second surface 401b of the semiconductor substrate 401. [

한편, 실시예에 따라서, 도 16 및 도 17의 이중 변환 이득 게이트(DG)는 도 13 및 14를 참조하여 상술한 것처럼 적어도 하나의 하부 영역의 하부면이 평탄하고 하부 모서리가 둥글도록 형성될 수도 있다.On the other hand, according to the embodiment, the double conversion gain gate DG of Figs. 16 and 17 may be formed such that the lower surface of at least one lower region is flat and the lower edge is rounded as described above with reference to Figs. 13 and 14 have.

도 18을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400d)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400d)은 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 제3 절연층(440), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 18, the unit pixel 400d of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, (FD2) and a dual conversion gain gate (DG). The unit pixel 400d may further include an element isolation region 410, a first insulating layer 420, a second insulating layer 430, a third insulating layer 440, a color filter CF, and a microlens ML .

도 18의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The first photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG, the element isolation region 410, The first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF and the microlens ML are formed in the same manner as the photoelectric conversion region PD of FIG. 11, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, The first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF, and the microlenses ML, and the gate electrode TG, the double conversion gain gate DG, the element isolation region 410, . ≪ / RTI >

도 18의 제3 절연층(440)은 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)과 컬러 필터(CF) 사이에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제3 절연층(440)은 음의 고정 전하를 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 절연층(440)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.The third insulating layer 440 of FIG. 18 may be formed between the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 and the color filter CF. In one embodiment, the third insulating layer 440 may have a negative fixed charge. For example, the third insulating layer 440 may be formed by oxidizing metal elements such as hafnium (Hf), zirconium (Zr), aluminum (Al), tantalum (Ta), titanium (Ti), yttrium (Y) And may have at least a partially crystallized region in the film.

제3 절연층(440)이 음의 고정 전하를 가지는 경우에, 반도체 기판(401)의 하부 영역에는 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 후면 수광 방식의 이미지 센서는 제조 공정상 반도체 기판(401)의 후면(401b)에 존재하는 표면 결함(surface defect)에 의하여 노이즈가 발생될 수 있으며, 상기와 같이 제3 절연층(440)에 의해 축적된 정공들을 이용하여 상기와 같은 표면 결함을 패시베이션(passivation)할 수 있다. 예를 들어, 어두운 상태에서 발생된 전자(즉, 암전류)가 상기 축적된 정공들과 결합함으로써, 암전류의 발생이 감소될 수 있다.Hole accumulation may occur in the lower region of the semiconductor substrate 401 when the third insulating layer 440 has a negative fixed charge. Noises may be generated by surface defects present on the rear surface 401b of the semiconductor substrate 401 in the manufacturing process of the image sensor of the rear light receiving type. As described above, by the third insulating layer 440 The accumulated holes can be used to passivate such surface defects. For example, electrons generated in a dark state (i.e., dark current) are combined with the accumulated holes, so that occurrence of dark current can be reduced.

일 실시예에서, 제3 절연층(440)은 반도체 기판(401) 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.The third insulating layer 440 may include an optical shielding layer (not shown) for preventing light from entering the optical black area (not shown) which is a region where photoelectric conversion does not occur in the semiconductor substrate 401, , Not shown).

한편, 실시예에 따라서, 도 18의 이중 변환 이득 게이트(DG)는 도 13 및 14를 참조하여 상술한 것처럼 적어도 하나의 하부 영역의 하부면이 평탄하고 하부 모서리가 둥글도록 형성될 수도 있고, 도 18의 소자 분리 영역(410)은 도 16을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)부터 제2 면(401b)까지 형성될 수도 있으며, 도 18의 광전 변환 영역(PD)은 도 17을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)에 접촉하도록 형성될 수도 있다.On the other hand, according to the embodiment, the double conversion gain gate DG of Fig. 18 may be formed such that the lower surface of at least one lower region is flat and the lower edge is rounded as described with reference to Figs. 13 and 14, 18 may be formed from the first surface 401a to the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to FIG. 16, and the photoelectric conversion regions PD May be formed to contact the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to Fig.

도 19를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400e)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG'), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400e)은 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.19, the unit pixel 400e of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in the semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG ', a second floating diffusion Region FD2 and a dual conversion gain gate DG. The unit pixel 400e may further include an element isolation region 410, a first insulating layer 420, a second insulating layer 430, a color filter CF, and a microlens ML.

도 19의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the double conversion gain gate DG, the element isolation region 410, the first insulation layer 420, the second photoelectric conversion region PD, The insulating layer 430, the color filter CF and the microlens ML are formed by the photoelectric conversion region PD of FIG. 11, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the double conversion gain gate DG, The device isolation region 410, the first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF, and the microlens ML, respectively.

도 19의 전송 게이트(TG')는 광전 변환 영역(PD) 및 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 인접하도록 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 전송 게이트(TG') 및 이중 변환 이득 게이트(DG) 모두 수직형 게이트 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 전송 게이트(TG')는 반도체 기판(401)의 내부에 형성되어 반도체 기판(401)에 의해 둘러싸이는 하부 영역 및 반도체 기판(401)의 제1 면(401a) 상에 형성되어 상기 하부 영역과 연결되는 상부 영역을 포함할 수 있다.The transfer gate TG 'in FIG. 19 may be formed vertically from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 so as to be adjacent to the photoelectric conversion region PD and the first floating diffusion region FD1. In other words, both the transfer gate TG 'and the dual conversion gain gate DG can have a vertical gate structure. For example, the transfer gate TG 'is formed on the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 and the lower region formed inside the semiconductor substrate 401 and surrounded by the semiconductor substrate 401, And an upper region connected to the lower region.

한편, 실시예에 따라서, 도 19의 이중 변환 이득 게이트(DG) 및/또는 전송 게이트(TG')는 도 13 및 14를 참조하여 상술한 것처럼 적어도 하나의 하부 영역의 하부면이 평탄하고 하부 모서리가 둥글도록 형성될 수도 있고, 도 19의 소자 분리 영역(410)은 도 16을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)부터 제2 면(401b)까지 형성될 수도 있으며, 도 19의 광전 변환 영역(PD)은 도 17을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)에 접촉하도록 형성될 수도 있다. 또한 도 19의 단위 픽셀(400e)은 도 18을 참조하여 상술한 것처럼 제3 절연층(440)을 더 포함할 수도 있다.On the other hand, according to the embodiment, the double conversion gain gate (DG) and / or the transmission gate TG 'of FIG. 19 are formed such that the lower surface of at least one lower region is flat, The element isolation region 410 of FIG. 19 may be formed from the first surface 401a to the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to FIG. 16 , The photoelectric conversion region PD of FIG. 19 may be formed to contact the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to FIG. The unit pixel 400e of FIG. 19 may further include a third insulating layer 440 as described above with reference to FIG.

도 20을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400f)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD"), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG"), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400f)은 소자 분리 영역(410a), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 20, the unit pixel 400f of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD ", a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG" A diffusion region FD2 and a dual conversion gain gate DG. The unit pixel 400f may further include an element isolation region 410a, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF, and a microlens ML.

도 20의 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)는 도 11의 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 이중 변환 이득 게이트(DG), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 도 20의 소자 분리 영역(410a)은 도 16의 소자 분리 영역(410a)과 실질적으로 동일할 수 있다.The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the double conversion gain gate DG, the first insulating layer 420, the second insulating layer 430, the color filter CF, The first insulating layer 420 and the second insulating layer 430 are formed on the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the double conversion gain gate DG, the first insulating layer 420, the color filter CF And the microlenses ML, respectively. The element isolation region 410a of FIG. 20 may be substantially the same as the element isolation region 410a of FIG.

도 20의 광전 변환 영역(PD")은 도 11의 광전 변환 영역(PD)보다 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 멀리 떨어진 영역에(즉, 상대적으로 깊게) 형성될 수 있으며, 단위 화소 영역에 전체적으로 형성되어 상대적으로 넓은 면적을 가질 수 있다. 도 20의 전송 게이트(TG")는 도 19의 전송 게이트(TG')와 유사하게 광전 변환 영역(PD") 및 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 인접하도록 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)으로부터 수직으로 형성될 수 있다. 도 20에서는 전송 게이트(TG") 하부의 제1 절연층(420)의 일부와 광전 변환 영역(PD")이 맞닿는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 상기 전송 게이트(TG") 하부의 제1 절연층(420)의 일부와 광전 변환 영역(PD")은 서로 이격될 수도 있다.The photoelectric conversion region PD "in Fig. 20 can be formed in a region (i.e., relatively deep) farther from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 than the photoelectric conversion region PD in Fig. 11, The transfer gate TG "in FIG. 20 is formed in the unit pixel region as a whole and has a relatively large area. The transfer gate TG " in FIG. 20 includes the photoelectric conversion region PD & The first insulating layer 420 may be formed vertically from the first surface 401a of the semiconductor substrate 401 so as to be adjacent to the region FD1 of the transfer gate TG. The portion of the first insulating layer 420 under the transfer gate TG "and the photoelectric conversion region PD" may be spaced apart from each other, according to the embodiment.

한편, 실시예에 따라서, 도 20의 이중 변환 이득 게이트(DG) 및/또는 전송 게이트(TG")는 도 13 및 14를 참조하여 상술한 것처럼 적어도 하나의 하부 영역의 하부면이 평탄하고 하부 모서리가 둥글도록 형성될 수도 있다. 또한 도 20의 단위 픽셀(400f)은 도 18을 참조하여 상술한 것처럼 제3 절연층(440)을 더 포함할 수도 있다.On the other hand, according to the embodiment, the double conversion gain gate (DG) and / or the transmission gate TG "in Fig. 20 are formed such that the lower surface of at least one lower region is flat, The unit pixel 400f of FIG. 20 may further include a third insulating layer 440 as described above with reference to FIG.

도 21을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400g)은 반도체 기판(401)에 형성되는 광전 변환 영역(PD), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 전송 게이트(TG), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 이중 변환 이득 게이트(DG)를 포함한다. 단위 픽셀(400g)은 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420), 제2 절연층(430), 컬러 필터(CF') 및 마이크로 렌즈(ML')를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 단위 픽셀(400g)은 FIS에 포함될 수 있다.21, a unit pixel 400g of the image sensor includes a photoelectric conversion region PD formed in a semiconductor substrate 401, a first floating diffusion region FD1, a transfer gate TG, a second floating diffusion region (FD2) and a dual conversion gain gate (DG). The unit pixel 400g may further include an element isolation region 410, a first insulation layer 420, a second insulation layer 430, a color filter CF ', and a microlens ML'. For example, the unit pixel 400g may be included in the FIS.

도 21의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420) 및 제2 절연층(430)은 도 11의 광전 변환 영역(PD), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2), 전송 게이트(TG), 이중 변환 이득 게이트(DG), 소자 분리 영역(410), 제1 절연층(420) 및 제2 절연층(430)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The first photoelectric conversion region PD, the first and second floating diffusion regions FD1 and FD2, the transfer gate TG, the double conversion gain gate DG, the element isolation region 410, The first and second floating diffusion regions FD1 and FD2 and the transfer gate TG and the double conversion gain gate DG of FIG. The device isolation region 410, the first insulating layer 420, and the second insulating layer 430, respectively.

도 21의 컬러 필터(CF')는 반도체 기판(401)의 제1 면(401b) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(CF')는 전송 게이트(TG) 및 이중 변환 이득 게이트(DG) 상에, 또는 제2 절연층(430) 상에 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML')는 컬러 필터(CF') 상에 형성될 수 있다.The color filter CF 'of FIG. 21 may be formed on the first surface 401b of the semiconductor substrate 401. FIG. For example, a color filter CF 'may be formed on the transfer gate TG and the dual conversion gain gate DG, or on the second insulating layer 430. The microlens ML 'may be formed on the color filter CF'.

한편, 실시예에 따라서, 도 21의 이중 변환 이득 게이트(DG)는 도 13 및 14를 참조하여 상술한 것처럼 적어도 하나의 하부 영역의 하부면이 평탄하고 하부 모서리가 둥글도록 형성될 수도 있고, 도 21의 소자 분리 영역(410)은 도 16을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제1 면(401a)부터 제2 면(401b)까지 형성될 수도 있고, 도 21의 광전 변환 영역(PD)은 도 17을 참조하여 상술한 것처럼 반도체 기판(401)의 제2 면(401b)에 접촉하도록 형성될 수도 있으며, 도 21의 전송 게이트(TG)는 도 19 및 20을 참조하여 상술한 것처럼 수직형 게이트 구조를 가질 수도 있다. 또한 도 21의 단위 픽셀(400G)은 도 18을 참조하여 상술한 것처럼 제3 절연층(440)을 더 포함할 수도 있다.On the other hand, according to the embodiment, the double conversion gain gate DG of FIG. 21 may be formed such that the lower surface of at least one lower region is flat and the lower edge is rounded, as described above with reference to FIGS. 13 and 14, 21 may be formed from the first surface 401a to the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to FIG. 16, or may be formed in the photoelectric conversion region PD May be formed to contact the second surface 401b of the semiconductor substrate 401 as described above with reference to FIG. 17, and the transfer gate TG of FIG. 21 may be formed to contact the second surface 401b of the semiconductor substrate 401, Type gate structure. In addition, the unit pixel 400G of FIG. 21 may further include a third insulating layer 440 as described above with reference to FIG.

도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.22 is a block diagram illustrating an image sensor including unit pixels according to embodiments of the present invention.

도 22를 참조하면, 이미지 센서(500)는 픽셀 어레이(510) 및 신호 처리부(520)를 포함한다.Referring to FIG. 22, the image sensor 500 includes a pixel array 510 and a signal processing unit 520.

픽셀 어레이(510)는 입사광에 기초하여 복수의 픽셀 신호들(예를 들어, 아날로그 픽셀 신호들)을 발생한다. 픽셀 어레이(510)는 복수의 행들과 복수의 열들로 이루어진 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 도 1의 단위 픽셀(100)일 수 있으며, 도 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 17, 18, 19, 20 및 21을 참조하여 상술한 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 반도체 기판과 접촉하는 표면적이 증가하도록 수직형 게이트 구조를 가지는 이중 변환 이득 게이트를 포함하고, 상기 이중 변환 이득 게이트에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호가 선택적으로 활성화됨으로써, 필 팩터의 감소 없이 상기 복수의 단위 픽셀들 및 이를 포함하는 이미지 센서(500)의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다.The pixel array 510 generates a plurality of pixel signals (e.g., analog pixel signals) based on the incident light. The pixel array 510 may include a plurality of unit pixels arranged in a matrix of a plurality of rows and a plurality of columns. 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 17, 18, 19, 20 and 21 may be used as the unit pixel 100 of FIG. The above structure can be obtained. That is, each of the plurality of unit pixels includes a double conversion gain gate having a vertical gate structure such that the surface area in contact with the semiconductor substrate is increased, and the double conversion gain control signal applied to the double conversion gain gate is selectively activated The conversion gain of the plurality of unit pixels and the image sensor 500 including the plurality of unit pixels can be effectively adjusted without reducing the fill factor.

신호 처리부(520)는 상기 복수의 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터(예를 들어, 디지털 유효 이미지 데이터)를 발생한다. 신호 처리부(520)는 로우 구동부(530), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(540), 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing; DSP)부(550) 및 제어부(560)를 포함할 수 있다.The signal processing unit 520 generates image data (for example, digital effective image data) based on the plurality of pixel signals. The signal processing unit 520 includes a row driving unit 530, an analog-to-digital conversion (ADC) unit 540, a digital signal processing (DSP) unit 550, . ≪ / RTI >

로우 구동부(530)는 픽셀 어레이(510)의 각 로우에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 로우 구동부(530)는 픽셀 어레이(510)에 포함되는 상기 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.The row driver 530 is connected to each row of the pixel array 510 and may generate a driving signal for driving the respective row. For example, the row driver 530 may drive the plurality of unit pixels included in the pixel array 510 in a row unit.

ADC부(540)는 픽셀 어레이(510)의 각 컬럼에 연결되고, 픽셀 어레이(510)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, ADC부(540)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하며, 각 컬럼 라인마다 출력되는 아날로그 신호들을 병렬로(즉, 동시에) 디지털 신호들로 변환하는 컬럼 ADC를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, ADC부(540)는 단일의 아날로그-디지털 변환기를 포함하며, 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 디지털 신호들로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.The ADC unit 540 is connected to each column of the pixel array 510 and can convert an analog signal output from the pixel array 510 into a digital signal. In one embodiment, the ADC portion 540 may include a plurality of analog-to-digital converters and may perform column ADCs that convert the analog signals output for each column line in parallel (i.e., concurrently) to digital signals . In another embodiment, the ADC portion 540 includes a single analog-to-digital converter and can perform a single ADC that sequentially converts the analog signals into digital signals.

실시예에 따라서, ADC부(540)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 적어도 하나의 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부(미도시)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 이미지 성분을 나타내는 아날로그 이미지 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 이미지 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 이미지 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 이미지 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.According to an embodiment, the ADC unit 540 may include at least one correlated double sampling (CDS) unit (not shown) for extracting a valid signal component. In one embodiment, the CDS unit may perform analog double sampling to extract the effective image component based on a difference between an analog reset signal representative of a reset component and an analog image signal representative of an image component. In another embodiment, the CDS unit performs digital double sampling, which converts the analog reset signal and the analog image signal into digital signals and then extracts the difference between the two digital signals as the effective image component can do. In yet another embodiment, the CDS unit may perform dual correlated double sampling that performs both the analog double sampling and the digital double sampling.

DSP부(550)는 ADC부(540)로부터 출력된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP부(550)는 이미지 보간(Image Interpolation), 색 보정(Color Correction), 화이트 밸런스(White Balance), 감마 보정(Gamma Correction), 색 변환(Color Conversion) 등을 수행할 수 있다.The DSP unit 550 may receive the digital signal output from the ADC unit 540 and may perform image data processing on the digital signal. For example, the DSP unit 550 may perform image interpolation, color correction, white balance, gamma correction, color conversion, and the like .

제어부(560)는 로우 구동부(530), ADC부(540) 및 DSP부(550)를 제어할 수 있다. 제어부(560)는 로우 구동부(530), ADC부(540) 및 DSP부(550)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(560)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.The control unit 560 may control the row driver 530, the ADC unit 540, and the DSP unit 550. The controller 560 may supply control signals such as a clock signal, a timing control signal, and the like required for the operations of the row driver 530, the ADC 540, and the DSP 550. In one embodiment, the control unit 560 may include a logic control circuit, a phase locked loop (PLL) circuit, a timing control circuit, and a communication interface circuit.

일 실시예에서, 제어부(560)는 이미지 센서(500)의 동작 모드를 설정하는 사용자 설정 신호(USS)를 수신할 수 있다. 사용자 설정 신호(USS)는 사용자로부터 입력되는 신호를 나타내며, 사용자 설정 신호(USS)에 기초하여 상기 픽셀 어레이(510)의 단위 픽셀에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(도 1의 DX)가 선택적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 사용자 설정 신호(USS)가 고조도 동작 모드에 상응하는 제1 값을 가지는 경우에, 제어부(560)는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시킬 수 있으며, 상기 단위 픽셀 및 이미지 센서(500)는 상기 활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10b에 도시된 예처럼 동작할 수 있다. 사용자 설정 신호(USS)가 저조도 동작 모드에 상응하는 제2 값을 가지는 경우에, 제어부(560)는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킬 수 있으며, 상기 단위 픽셀 및 이미지 센서(500)는 상기 비활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10a에 도시된 예처럼 동작할 수 있다. 이미지 센서(500)에서는 상기 사용자로부터 입력되는 사용자 설정 신호(USS)에 기초하여 상기 이중 변환 이득 제어 신호의 활성화 여부가 수동적으로 결정될 수 있다.In one embodiment, the control unit 560 may receive a user setting signal USS to set the operating mode of the image sensor 500. [ The user setting signal USS indicates a signal input from the user and the double conversion gain control signal (DX in FIG. 1) applied to the unit pixel of the pixel array 510 based on the user setting signal USS is selectively Can be activated. For example, when the user setting signal USS has a first value corresponding to the high contrast operation mode, the control unit 560 can activate the double conversion gain control signal, and the unit pixel and the image sensor 500 may operate as the example shown in FIG. 10B based on the activated dual conversion gain control signal. If the user setting signal USS has a second value corresponding to the low light intensity operation mode, the controller 560 may deactivate the double conversion gain control signal, and the unit pixel and the image sensor 500 may be deactivated Lt; RTI ID = 0.0 > 10A, < / RTI > In the image sensor 500, whether to activate the double conversion gain control signal may be manually determined based on a user setting signal USS input from the user.

도 23은 도 22의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.23 is a flowchart for explaining the operation of the image sensor of FIG.

도 22 및 23을 참조하면, 신호 처리부(520)에 포함되는 제어부(560)는 사용자 설정 신호(USS)가 상기 제1 값을 가지는지 또는 상기 제2 값을 가지는지 판단한다(단계 S110).Referring to FIGS. 22 and 23, the controller 560 included in the signal processor 520 determines whether the user setting signal USS has the first value or the second value (step S110).

사용자 설정 신호(USS)가 상기 제1 값을 가지는 경우에(S110: 예), 신호 처리부(520)에 포함되는 제어부(560)는 이미지 센서(500)가 상기 고조도 동작 모드로 설정된 것으로 판단하고 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시킨다(단계 S130). 이미지 센서(500)는 상기 활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10b에 도시된 예처럼 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD)로 동작한다(단계 S170).If the user setting signal USS has the first value (S110: YES), the controller 560 included in the signal processor 520 determines that the image sensor 500 is set to the high-illuminance operation mode And activates the double conversion gain control signal (step S130). The image sensor 500 operates in the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD) as shown in FIG. 10B based on the activated double conversion gain control signal (step S170).

사용자 설정 신호(USS)가 상기 제2 값을 가지는 경우에(S110: 아니오), 신호 처리부(520)에 포함되는 제어부(560)는 이미지 센서(500)가 상기 저조도 동작 모드로 설정된 것으로 판단하고 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킨다(단계 S150). 이미지 센서(500)는 상기 비활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10a에 도시된 예처럼 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD)로 동작한다(단계 S170).The control unit 560 included in the signal processing unit 520 determines that the image sensor 500 is set to the low-illuminance operation mode, if the user setting signal USS has the second value (S110: NO) The dual conversion gain control signal is deactivated (step S150). The image sensor 500 operates in the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD) as shown in FIG. 10A based on the deactivated dual conversion gain control signal (step S170).

도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.24 is a block diagram illustrating an image sensor including unit pixels according to embodiments of the present invention.

도 24를 참조하면, 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610) 및 신호 처리부(620)를 포함한다.Referring to FIG. 24, the image sensor 600 includes a pixel array 610 and a signal processing unit 620.

픽셀 어레이(610)는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광에 기초하여 복수의 픽셀 신호들을 발생한다. 신호 처리부(620)는 상기 복수의 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터를 발생한다. 신호 처리부(620)는 로우 구동부(630), ADC부(640), DSP부(650), 제어부(660) 및 동작 모드 검출부(670)를 포함할 수 있다. 도 24의 픽셀 어레이(610), 로우 구동부(630), ADC부(640) 및 DSP부(650)는 도 22의 픽셀 어레이(510), 로우 구동부(530), ADC부(540) 및 DSP부(550)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.The pixel array 610 includes a plurality of unit pixels, and generates a plurality of pixel signals based on the incident light. A signal processing unit 620 generates image data based on the plurality of pixel signals. The signal processing unit 620 may include a row driving unit 630, an ADC unit 640, a DSP unit 650, a control unit 660, and an operation mode detecting unit 670. The pixel array 610, the row driver 630, the ADC unit 640 and the DSP unit 650 of FIG. 24 correspond to the pixel array 510, the row driver 530, the ADC unit 540, (550), respectively.

동작 모드 검출부(670)는 상기 입사광의 조도 및 기준 조도에 기초하여 상기 이미지 센서의 동작 모드를 자동으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우에 동작 모드 검출부(670)는 고조도 동작 모드에 상응하는 제1 값을 가지는 모드 신호(MS)를 발생할 수 있다. 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 낮거나 같은 경우에 동작 모드 검출부(670)는 저조도 동작 모드에 상응하는 제2 값을 가지는 모드 신호(MS)를 발생할 수 있다.The operation mode detection unit 670 can automatically determine the operation mode of the image sensor based on the illuminance of the incident light and the reference illuminance. For example, when the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance, the operation mode detector 670 may generate a mode signal MS having a first value corresponding to the high contrast operation mode. When the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance, the operation mode detector 670 may generate a mode signal MS having a second value corresponding to the low-illuminance operation mode.

제어부(660)는 로우 구동부(630), ADC부(640) 및 DSP부(650)를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(660)는 모드 신호(MS)를 수신하며, 모드 신호(MS)에 기초하여 상기 픽셀 어레이(610)의 단위 픽셀에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호(도 1의 DX)가 선택적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 사용자 설정 신호(USS)가 상기 제1 값을 가지는 경우에, 제어부(660)는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시킬 수 있으며, 상기 단위 픽셀 및 이미지 센서(600)는 상기 활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10b에 도시된 예처럼 동작할 수 있다. 사용자 설정 신호(USS)가 상기 제2 값을 가지는 경우에, 제어부(660)는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킬 수 있으며, 상기 단위 픽셀 및 이미지 센서(600)는 상기 비활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10a에 도시된 예처럼 동작할 수 있다. 이미지 센서(600)에서는 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 이중 변환 이득 제어 신호의 활성화 여부가 자동적으로 결정될 수 있다.The control unit 660 may control the row driving unit 630, the ADC unit 640, and the DSP unit 650. In one embodiment, the control unit 660 receives the mode signal MS and generates a double conversion gain control signal (DX in FIG. 1) applied to a unit pixel of the pixel array 610 based on the mode signal MS. Can be selectively activated. For example, when the user setting signal USS has the first value, the controller 660 may activate the double conversion gain control signal, and the unit pixel and the image sensor 600 may be activated And can operate as the example shown in Fig. 10B based on the double conversion gain control signal. When the user setting signal USS has the second value, the controller 660 may deactivate the double conversion gain control signal, and the unit pixel and the image sensor 600 may control the deactivated dual conversion gain control Based on the signal shown in Fig. 10A. In the image sensor 600, whether to activate the double conversion gain control signal may be automatically determined based on the illuminance of the incident light.

도 25는 도 24의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.25 is a flowchart for explaining the operation of the image sensor of FIG.

도 24 및 25를 참조하면, 신호 처리부(620)에 포함되는 동작 모드 검출부(670)는 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은지 또는 낮거나 같은지를 판단한다(단계 S210).Referring to FIGS. 24 and 25, the operation mode detector 670 included in the signal processor 620 determines whether the illuminance of the incident light is higher or lower than or equal to the reference illuminance (step S210).

상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우에(S210: 예), 신호 처리부(620)에 포함되는 동작 모드 검출부(670)는 상기 고조도 동작 모드에 상응하는 상기 제1 값을 가지는 모드 신호(MS)를 발생하고, 신호 처리부(620)에 포함되는 제어부(660)는 모드 신호(MS)에 기초하여 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시킨다(단계 S230). 이미지 센서(600)는 상기 활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10b에 도시된 예처럼 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD)로 동작한다(단계 S270).If the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance (S210: YES), the operation mode detector 670 included in the signal processor 620 outputs the mode signal having the first value corresponding to the high- MS), and the control unit 660 included in the signal processing unit 620 activates the double conversion gain control signal based on the mode signal MS (step S230). The image sensor 600 operates in the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD) as shown in FIG. 10B based on the activated double conversion gain control signal (step S270).

상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 낮거나 같은 경우에(S210: 아니오), 신호 처리부(620)에 포함되는 동작 모드 검출부(670)는 상기 저조도 동작 모드에 상응하는 상기 제2 값을 가지는 모드 신호(MS)를 발생하고, 신호 처리부(620)에 포함되는 제어부(660)는 모드 신호(MS)에 기초하여 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시킨다(단계 S250). 이미지 센서(600)는 상기 비활성화된 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 도 10a에 도시된 예처럼 광 집적 모드(TINT) 및 독출 모드(TRD)로 동작한다(단계 S270).If the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance (S210: NO), the operation mode detector 670 included in the signal processor 620 detects the mode signal having the second value corresponding to the low- And the control unit 660 included in the signal processing unit 620 deactivates the double conversion gain control signal based on the mode signal MS (step S250). The image sensor 600 operates in the light integration mode (TINT) and the read mode (TRD) as shown in FIG. 10A based on the deactivated dual conversion gain control signal (step S270).

도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.26 is a block diagram illustrating a computing system including an image sensor in accordance with embodiments of the present invention.

도 26을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(900)은 프로세서(910), 메모리 장치(920), 저장 장치(930), 이미지 센서(940), 입출력 장치(950) 및 전원 장치(960)를 포함할 수 있다. 한편, 도 26에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(900)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.Referring to Figure 26, a computing system 900 may include a processor 910, a memory device 920, a storage device 930, an image sensor 940, an input / output device 950, and a power supply 960 have. 26, the computing system 900 may further include ports capable of communicating with, or communicating with, video cards, sound cards, memory cards, USB devices, and the like .

프로세서(910)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(910)는 마이크로프로세서(micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(910)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus) 등을 통하여 메모리 장치(920), 저장 장치(930) 및 입출력 장치(950)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(910)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.Processor 910 may perform certain calculations or tasks. In accordance with an embodiment, the processor 910 may be a micro-processor or a central processing unit (CPU). The processor 910 is connected to the memory device 920, the storage device 930, and the input / output device 950 via an address bus, a control bus, and a data bus, Can be performed. In accordance with an embodiment, the processor 910 may also be coupled to an expansion bus, such as a Peripheral Component Interconnect (PCI) bus.

메모리 장치(920)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(920)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), 플래시 메모리(flash memory), 상변화 랜덤 액세스 메모리(Phase change Random Access Memory; PRAM), 강유전체 랜덤 액세스 메모리(Ferroelectric Random Access Memory; FRAM), 저항 랜덤 액세스 메모리(Resistive Random Access Memory; RRAM), 강자성 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.The memory device 920 may store data necessary for operation of the computing system 900. For example, the memory device 920 may be a volatile memory device such as a dynamic random access memory (DRAM), a static random access memory (SRAM), or the like, and an erasable programmable read-only memory (EPROM), an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), a flash memory, a phase change random access memory (PRAM), a ferroelectric random access memory A non-volatile memory device such as a FRAM, a Resistive Random Access Memory (RRAM), a Ferromagnetic Random Access Memory (MRAM), and the like.

저장 장치(930)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive) 및 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(950)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치(960)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.The storage device 930 may include a solid state drive, a hard disk drive, and a CD-ROM. The input / output device 950 may include input means such as a keyboard, a keypad, a mouse, etc., and output means such as a printer, a display, and the like. The power supply 960 may supply the operating voltage required for operation of the computing system 900.

이미지 센서(940)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(910)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(940)는 도 22 및 24의 이미지 센서들(500, 600) 중 하나일 수 있으며, 도 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 17, 18, 19, 20 및 21을 참조하여 상술한 단위 픽셀을 포함할 수 있다. 즉, 상기 단위 픽셀은 반도체 기판과 접촉하는 표면적이 증가하도록 수직형 게이트 구조를 가지는 이중 변환 이득 게이트를 포함하고, 상기 이중 변환 이득 게이트에 인가되는 이중 변환 이득 제어 신호가 선택적으로 활성화됨으로써, 필 팩터의 감소 없이 상기 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서(940)의 변환 이득이 효과적으로 조절될 수 있다.The image sensor 940 may be in communication with the processor 910 through the buses or other communication links. The image sensor 940 may be one of the image sensors 500 and 600 of Figures 22 and 24 and may be any of the image sensors 910 and 920 of Figures 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 18, 19, 20, and 21 described above. That is, the unit pixel includes a double conversion gain gate having a vertical gate structure to increase the surface area in contact with the semiconductor substrate, and the double conversion gain control signal applied to the double conversion gain gate is selectively activated, The conversion gain of the unit pixel and the image sensor 940 including the unit pixel can be effectively controlled.

이미지 센서(940)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(940)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.The image sensor 940 may be implemented in various types of packages. For example, at least some of the configurations of the image sensor 940 may include Package on Package (PoP), Ball grid arrays (BGAs), Chip scale packages (CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier (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) 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 Level Processed Stack Package (WSP) and the like.

실시예에 따라서, 이미지 센서(940)는 프로세서(910)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서를 이용하는 임의의 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(900)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트 폰 등을 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the image sensor 940 may be integrated on one chip with the processor 910, or may be integrated on different chips, respectively. On the other hand, the computing system 900 may be interpreted as any computing system that utilizes an image sensor. For example, the computing system 900 may include a digital camera, a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), a smart phone, and the like.

도 27은 도 26의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.27 is a block diagram illustrating an example of an interface used in the computing system of Fig.

도 27을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, PDA, PMP, 스마트 폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 적층형 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.27, the computing system 1000 may be implemented as a data processing device (e.g., a mobile phone, PDA, PMP, smart phone, etc.) capable of using or supporting a MIPI interface, A stacked image sensor 1140, a display 1150, and the like.

어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 적층형 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.The CSI host 1112 of the application processor 1110 can perform serial communication with the CSI device 1141 of the stacked image sensor 1140 through a camera serial interface (CSI). In one embodiment, the CSI host 1112 may include an optical deserializer (DES), and the CSI device 1141 may include an optical serializer (SER). The DSI host 1111 of the application processor 1110 can perform serial communication with the DSI device 1151 of the display 1150 through a display serial interface (DSI). In one embodiment, the DSI host 1111 may include an optical serializer (SER), and the DSI device 1151 may include an optical deserializer (DES).

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.In addition, the computing system 1000 may further include a Radio Frequency (RF) chip 1160 capable of communicating with the application processor 1110. The PHY 1113 of the computing system 1000 and the PHY 1161 of the RF chip 1160 can perform data transmission and reception according to a Mobile Industry Processor Interface (MIPI) DigRF. The application processor 1110 may further include a DigRF MASTER 1114 for controlling data transmission and reception according to the MIPI DigRF of the PHY 1161. The RF chip 1160 may include a DigRF MASTER 1114, SLAVE < / RTI >

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.Meanwhile, the computing system 1000 includes a Global Positioning System (GPS) 1120, a storage 1170, a microphone 1180, a Dynamic Random Access Memory (DRAM) 1185 and a speaker 1190 . In addition, the computing system 1000 may utilize an Ultra Wide Band (UWB) 1210, a Wireless Local Area Network (WLAN) 1220, and a Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) So that communication can be performed. However, the structure and the interface of the computing system 1000 are not limited thereto.

본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 임의의 장치 및 전자 기기에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명은 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.The present invention can be applied to an image sensor and any device and electronic device including the same. In particular, the present invention can be applied to a computer, a digital camera, a three-dimensional camera, a mobile phone, a PDA, a scanner, a navigation system for a vehicle, a video phone, a surveillance system, an autofocus system,

상기에서는 본 발명의 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood.

Claims (20)

반도체 기판 내에 형성되고, 입사광에 기초하여 광전하들을 수집하는 광전 변환 영역;
상기 광전 변환 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성되는 제1 플로팅 확산 영역;
상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 전송 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송하는 전송 게이트;
상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성되는 제2 플로팅 확산 영역; 및
상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 형성되고, 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 선택적으로 전송하는 이중 변환 이득 게이트를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
A photoelectric conversion region formed in the semiconductor substrate and collecting photo charges based on the incident light;
A first floating diffusion region formed in the semiconductor substrate apart from the photoelectric conversion region;
A transfer gate formed on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region, the transfer gate transferring the photo charges to the first floating diffusion region based on a transfer control signal;
A second floating diffusion region formed in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region; And
A second floating diffusion region formed vertically from a first side of the semiconductor substrate to be adjacent to the first and second floating diffusion regions and selectively transferring the light charges to the second floating diffusion region based on a double conversion gain control signal; A unit pixel of an image sensor comprising a conversion gain gate.
제 1 항에 있어서, 상기 이중 변환 이득 게이트는,
상기 반도체 기판의 내부에 형성되며, 적어도 일부가 상기 반도체 기판에 포함되고 상기 반도체 기판에 의해 둘러싸이는 적어도 하나의 하부 영역; 및
상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성되어 상기 적어도 하나의 하부 영역과 연결되는 상부 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
2. The dual conversion gain gate of claim 1,
At least one lower region formed within the semiconductor substrate, at least a portion of which is included in the semiconductor substrate and is surrounded by the semiconductor substrate; And
And an upper region formed on the first surface of the semiconductor substrate and connected to the at least one lower region.
제 2 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 깊이는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들의 깊이보다 얕은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
3. The method of claim 2,
Wherein a depth of the at least one lower region of the dual conversion gain gate is shallower than a depth of the first and second floating diffusion regions.
제 2 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 깊이가 깊어질수록 상기 단위 픽셀의 변환 이득이 감소하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
3. The method of claim 2,
And the conversion gain of the unit pixel decreases as the depth of the at least one lower region of the double conversion gain gate becomes deeper.
제 2 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 개수가 증가할수록 상기 단위 픽셀의 변환 이득이 감소하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
3. The method of claim 2,
And the conversion gain of the unit pixel decreases as the number of the at least one lower region of the double conversion gain gate increases.
제 2 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부면은 평탄하고, 상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부 모서리는 둥근 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
3. The method of claim 2,
Wherein the lower surface of the at least one lower region of the double conversion gain gate is planar and the lower edge of the at least one lower region of the double conversion gain gate is rounded.
제 6 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 게이트의 상기 적어도 하나의 하부 영역의 하부 모서리의 곡률 반지름은 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
The method according to claim 6,
Wherein the curvature radius of the lower edge of the at least one lower region of the double conversion gain gate has a value between 10 nm and 100 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판 상에 형성되며, 리셋 신호에 기초하여 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 리셋시키는 리셋 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
The method according to claim 1,
Further comprising a reset gate formed on the semiconductor substrate and resetting the first and second floating diffusion regions based on a reset signal.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트와 상기 이중 변환 이득 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성되며, 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 이중 변환 이득 게이트와 상기 리셋 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
9. The method of claim 8,
Wherein the first floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate between the transfer gate and the double conversion gain gate and the second floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate between the double conversion gain gate and the reset gate A unit pixel of an image sensor characterized by:
제 8 항에 있어서,
상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 전송 게이트와 상기 이중 변환 이득 게이트 사이 및 상기 전송 게이트와 상기 리셋 게이트 사이의 상기 반도체 기판 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
9. The method of claim 8,
Wherein the first floating diffusion region is formed in the semiconductor substrate between the transfer gate and the double conversion gain gate and between the transfer gate and the reset gate.
제 1 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 제어 신호는 상기 입사광의 조도에 따라 선택적으로 활성화되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
The method according to claim 1,
Wherein the dual conversion gain control signal is selectively activated according to the illuminance of the incident light.
제 1 항에 있어서,
상기 이중 변환 이득 제어 신호는 외부에서 인가되는 사용자 설정 신호에 기초하여 선택적으로 활성화되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
The method according to claim 1,
Wherein the double conversion gain control signal is selectively activated based on an externally applied user setting signal.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 플로팅 확산 영역과 연결되고, 상기 광전하들에 기초하여 상기 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 발생하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
The method according to claim 1,
And an output unit connected to the first floating diffusion region and generating an image signal corresponding to the incident light based on the photo charges.
복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광에 기초하여 복수의 픽셀 신호들을 발생하는 픽셀 어레이; 및
상기 복수의 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터를 발생하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
반도체 기판 내에 형성되고, 상기 입사광에 기초하여 광전하들을 수집하는 광전 변환 영역;
상기 광전 변환 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성되는 제1 플로팅 확산 영역;
상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 전송 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송하는 전송 게이트;
상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하여 상기 반도체 기판 내에 형성되는 제2 플로팅 확산 영역; 및
상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 형성되고, 이중 변환 이득 제어 신호에 기초하여 상기 광전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 선택적으로 전송하는 이중 변환 이득 게이트를 포함하는 이미지 센서.
A pixel array including a plurality of unit pixels and generating a plurality of pixel signals based on incident light; And
And a signal processing unit for generating image data based on the plurality of pixel signals,
Wherein each of the plurality of unit pixels comprises:
A photoelectric conversion region formed in the semiconductor substrate and collecting photo charges based on the incident light;
A first floating diffusion region formed in the semiconductor substrate apart from the photoelectric conversion region;
A transfer gate formed on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region, the transfer gate transferring the photo charges to the first floating diffusion region based on a transfer control signal;
A second floating diffusion region formed in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region; And
A second floating diffusion region formed vertically from a first side of the semiconductor substrate to be adjacent to the first and second floating diffusion regions and selectively transferring the light charges to the second floating diffusion region based on a double conversion gain control signal; An image sensor comprising a conversion gain gate.
제 14 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 입사광의 조도 및 기준 조도에 기초하여 상기 이미지 센서의 동작 모드를 자동으로 결정하는 동작 모드 검출부를 포함하고,
상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 높은 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시키며, 상기 입사광의 조도가 상기 기준 조도보다 낮거나 같은 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
15. The method of claim 14,
Wherein the signal processing unit includes an operation mode detection unit that automatically determines an operation mode of the image sensor based on the illuminance of the incident light and the reference illuminance,
Wherein the signal processing unit activates the double conversion gain control signal when the illuminance of the incident light is higher than the reference illuminance and when the illuminance of the incident light is lower than or equal to the reference illuminance, Inactivates the image sensor.
제 14 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 이미지 센서의 동작 모드를 설정하는 사용자 설정 신호를 수신하고,
상기 사용자 설정 신호가 고조도 동작 모드에 상응하는 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 활성화시키며, 상기 사용자 설정 신호가 저조도 동작 모드에 상응하는 경우에 상기 신호 처리부는 상기 이중 변환 이득 제어 신호를 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
15. The method of claim 14,
Wherein the signal processing unit receives a user setting signal for setting an operation mode of the image sensor,
Wherein the signal processing unit activates the double conversion gain control signal when the user setting signal corresponds to the high contrast operation mode, and when the user setting signal corresponds to the low light operation mode, the signal processing unit performs the double conversion gain control Wherein the signal is deactivated.
반도체 기판 내에 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역과 이격하는 제1 플로팅 확산 영역, 및 상기 광전 변환 영역 및 상기 제1 플로팅 확산 영역과 이격하는 제2 플로팅 확산 영역을 형성하는 단계;
상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판의 일부를 제거하여 리세스(recess)를 형성하는 단계;
상기 광전 변환 영역과 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 상기 반도체 기판 상에 전송 게이트를 형성하는 단계; 및
상기 리세스를 채워 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들과 인접하도록 상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 이중 변환 이득 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
Forming a photoelectric conversion region in the semiconductor substrate, a first floating diffusion region spaced apart from the photoelectric conversion region, and a second floating diffusion region spaced apart from the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region;
Removing a portion of the semiconductor substrate between the first floating diffusion region and the second floating diffusion region to form a recess;
Forming a transfer gate on the semiconductor substrate between the photoelectric conversion region and the first floating diffusion region; And
And forming a double conversion gain gate vertically from the first side of the semiconductor substrate to fill the recess and adjacent the first and second floating diffusion regions.
제 17 항에 있어서,
상기 리세스의 하부면은 평탄하고, 상기 리세스의 하부 모서리는 둥근 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the lower surface of the recess is flat and the lower edge of the recess is rounded.
제 18 항에 있어서,
상기 리세스의 하부 모서리의 곡률 반지름은 10nm 내지 100nm 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
19. The method of claim 18,
Wherein the curvature radius of the bottom edge of the recess has a value between 10 nm and 100 nm.
제 17 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제1 면으로부터 수직으로 소자 분리 영역을 형성하여 단위 화소 영역을 정의하는 단계를 더 포함하고,
상기 광전 변환 영역, 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들, 상기 전송 게이트 및 상기 이중 변환 이득 게이트는 상기 단위 화소 영역 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
Further comprising the step of forming a device isolation region vertically from the first surface of the semiconductor substrate to define a unit pixel region,
Wherein the photoelectric conversion region, the first and second floating diffusion regions, the transfer gate, and the double conversion gain gate are formed in the unit pixel region.
KR1020140046109A 2014-03-13 2014-04-17 Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor KR102215822B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/660,570 US9929204B2 (en) 2014-03-13 2015-03-17 Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor
US15/905,007 US10396119B2 (en) 2014-03-13 2018-02-26 Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140029839 2014-03-13
KR1020140029839 2014-03-13
KR20140035348 2014-03-26
KR1020140035348 2014-03-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150107547A true KR20150107547A (en) 2015-09-23
KR102215822B1 KR102215822B1 (en) 2021-02-16

Family

ID=54246032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140046109A KR102215822B1 (en) 2014-03-13 2014-04-17 Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102215822B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095829A (en) * 2019-02-01 2020-08-11 삼성전자주식회사 Semiconductor device including floating diffusion and extension pattern
KR20200098764A (en) * 2019-02-11 2020-08-21 삼성전자주식회사 Image sensor and driving method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080030091A (en) * 2005-07-12 2008-04-03 마이크론 테크놀로지, 인크 Dual conversion gain gate and capacitor and hdr combination
KR20080038398A (en) * 2005-08-10 2008-05-06 마이크론 테크놀로지, 인크 Image pixel reset through dual conversion gain gate
JP2011082330A (en) * 2009-10-07 2011-04-21 Sony Corp Solid-state image pickup device, image pickup device and method for manufacturing the solid-state image pickup device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080030091A (en) * 2005-07-12 2008-04-03 마이크론 테크놀로지, 인크 Dual conversion gain gate and capacitor and hdr combination
KR20080038398A (en) * 2005-08-10 2008-05-06 마이크론 테크놀로지, 인크 Image pixel reset through dual conversion gain gate
JP2011082330A (en) * 2009-10-07 2011-04-21 Sony Corp Solid-state image pickup device, image pickup device and method for manufacturing the solid-state image pickup device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095829A (en) * 2019-02-01 2020-08-11 삼성전자주식회사 Semiconductor device including floating diffusion and extension pattern
KR20200098764A (en) * 2019-02-11 2020-08-21 삼성전자주식회사 Image sensor and driving method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR102215822B1 (en) 2021-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10396119B2 (en) Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor
KR101931658B1 (en) Unit pixel of image sensor and image sensor including the same
US9385157B2 (en) Pixel of an image sensor, and image sensor
US9159751B2 (en) Unit pixel of image sensor and image sensor including the same
US9893123B2 (en) Image sensor including photoelectric conversion devices
US10032819B2 (en) Image sensors and methods of forming the same
US9609250B2 (en) Unit pixels for image sensors and pixel arrays comprising the same
US9305947B2 (en) Image sensors having deep trenches including negative charge material
US9190440B2 (en) Image sensor and method for fabricating the same
KR101853333B1 (en) Image Sensor of Stabilizing Black Level
KR101967835B1 (en) A unit pixel of a image sensor and a pixel array including thereof
US8941199B2 (en) Image sensors
US9420209B2 (en) Method of generating pixel array layout for image sensor and layout generating system using the method
US20150155328A1 (en) Image sensor
US20130248954A1 (en) Unit Pixel of Image Sensor and Image Sensor Including the Same
KR102215822B1 (en) Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor
KR20120107755A (en) Pixel array of an image sensor and method of manufacturing a pixel array of an image sensor
US20220208808A1 (en) Image sensing device
US20210143206A1 (en) Image sensor
US20230133670A1 (en) Image sensing device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant