JP2024016837A - イメージセンサー及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードで生成された電荷を損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動させることができるイメージセンサー及び駆動方法を提供する。【解決手段】イメージセンサーにおいて、少なくとも１つの単位ピクセル１１２は、入射する光に反応して電荷を生成するフォトダイオードＰＤと、生成された電荷を格納する第１フローティング拡散領域ＦＤ１と、第１伝送信号ＴＳ１に応答してフォトダイオードを第１フローティング拡散領域に連結し、水平方向から見た時にゲート電極の一部が第１フローティング拡散領域に重畳する第１伝送トランジスタＴＸ１と、第１フローティング拡散領域から離隔されて配置され、一端が駆動トランジスタＤＸのゲートに連結された第２フローティング拡散領域ＦＤ２と、第２伝送信号に応答して第１フローティング拡散領域を第２フローティング拡散領域に電気的に連結する第２伝送トランジスタＴＸ２を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、イメージセンサー及びその駆動方法に関する。

イメージセンサー（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ）は光学映像を電気信号に変換する素子である。最近になって、コンピュータ産業及び通信産業の発達につれて、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、ゲーム機器、警備用カメラ、医療用マイクロカメラ、ロボット等の様々な分野で性能を向上させたイメージセンサーの需要が増大している。

イメージセンサーは複数のピクセルを含む。複数のピクセルは行方向及び列方向に沿ってマトリックス形状に整列される。イメージセンサーモジュールの複数のピクセルの各々から生成されたデータを組み合わせて１つのイメージフレームが生成される。イメージセンサーモジュールに含まれる複数のピクセルは数十～数千万個であるため、このようなピクセルから効率的にデータを受信し、受信されたデータに基づいてイメージフレームを生成するための様々な感知技法が開発されている。感知技法の一例として、複数のピクセル全体が同時に感知されるグローバルシャッター方式、複数のピクセル全体が同時に感知され、露出時間（ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｉｍｅ）を調節するフラッターシャッター方式、行単位にピクセルを制御するローリングシャッター方式、又はコーデッドローリングシャッター方式等が提供されている。

高画質のイメージセンサーを具現するためには、フォトダイオードで生成された電荷が損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動可能でなければならず、これに対する技術が要求される実情である。

米国特許第１０６０８０２５号明細書

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、フォトダイオードで生成された電荷を損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動させることができるイメージセンサー及びその駆動方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサーは、第１行に沿って配列され、第１時点に露出されて電荷を生成する複数の第１ピクセルと、前記第１行とは異なる第２行に沿って配列され、前記第１時点とは異なる第２時点に露出されて電荷を生成する複数の第２ピクセルと、を備え、前記複数の第１ピクセル及び前記複数の第２ピクセルの中の少なくとも１つのピクセルは、入射する光に反応して電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を格納する第１フローティング拡散領域と、第１伝送信号に応答して前記フォトダイオードを前記第１フローティング拡散領域に電気的に連結し、水平方向から見た時にゲート電極の一部が前記第１フローティング拡散領域に重畳する第１伝送トランジスタと、前記第１フローティング拡散領域から離隔されて配置され、一端が駆動トランジスタのゲートに連結された第２フローティング拡散領域と、第２伝送信号に応答して前記第１フローティング拡散領域を前記第２フローティング拡散領域に電気的に連結する第２伝送トランジスタと、を含む。

前記第１伝送トランジスタは、前記第２伝送トランジスタよりも先にターンオフされ得る。
前記第１伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第２伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域に格納された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域で共有されて格納され得る。
前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域で共有された電荷は、前記第２伝送トランジスタ及び第２フローティング拡散領域方向に移動し得る。
前記第１伝送トランジスタがターンオフされた状態で、前記第２伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第２伝送トランジスタのチャンネルに存在する電荷は、前記第２フローティング拡散領域に移動し得る。
前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記フォトダイオードで生成された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に移動し得る。
前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移され、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行され得る。
前記第１伝送トランジスタがターンオフされた状態で、前記第２伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域と前記第２フローティング拡散領域とが電気的に連結され、その後、前記第１伝送信号がローレベルからハイレベルに遷移されて、前記フォトダイオードで生成された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納され、その後、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行され得る。
前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行された後に、前記第２伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納された電荷は、前記第２フローティング拡散領域に移動し、その後、前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行され得る。
前記第１フローティング拡散領域と前記第２フローティング拡散領域との間に離隔されて配置された第３フローティング拡散領域と、前記第１フローティング拡散領域と前記第３フローティング拡散領域とを電気的に連結する第３伝送トランジスタと、を更に含み、前記第３伝送トランジスタのゲート電極は、水平方向から見た時に前記第３フローティング拡散領域に重畳し得る。
前記第１フローティング拡散領域に連結されたブースティングキャパシタを更に含み得る。
前記第１伝送信号がローレベルからハイレベルに遷移される時に、前記ブースティングキャパシタには、正の電圧が提供され得る。
前記第１伝送信号がハイレベルからローレベルに遷移される時に、前記ブースティングキャパシタには、負の電圧が提供され得る。
前記第１伝送トランジスタのゲート電極は、物理的に離隔された第１サブゲート電極及び第２サブゲート電極を含み、前記第１サブゲート電極は、水平方向から見た時に前記フォトダイオードに重畳し、前記第２サブゲート電極は、水平方向から見た時に前記第１フローティング拡散領域に重畳し得る。
前記第１伝送トランジスタのゲート電極は、前記フォトダイオードに対応する第１領域及び前記第１フローティング拡散領域に対応する第２領域を含み、前記第２領域は、凹凸構造を有し得る。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるローリングシャッター方式で駆動されるイメージセンサーの駆動方法は、第１伝送トランジスタをターンオンさせて、フォトダイオードに生成された電荷を前記第１伝送トランジスタのゲート電極に水平方向から見た時に重畳される第１フローティング拡散領域に伝達する段階と、前記第１伝送トランジスタがターンオンされた状態で、第２伝送トランジスタをターンオンさせて、前記第１フローティング拡散領域に格納された電荷を第２フローティング拡散領域と共有させる段階と、前記第１伝送トランジスタをターンオフさせて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納された電荷を前記第２伝送トランジスタ及び前記第２フローティング拡散領域に移動させる段階と、前記第２伝送トランジスタをターンオフさせて、前記第２伝送トランジスタ及び第２フローティング拡散領域に格納された電荷を前記第２フローティング拡散領域に移動させる段階と、前記第２フローティング拡散領域の電圧レベルをサンプリングする段階と、を有する。

前記第１フローティング拡散領域には、ブースティングキャパシタが連結され、前記第１伝送トランジスタをターンオンさせる時に、前記ブースティングキャパシタには、正の電圧が提供され得る。
前記第１フローティング拡散領域には、ブースティングキャパシタが連結され、前記第１伝送トランジスタをターンオフさせる時に、前記ブースティングキャパシタには、負の電圧が提供され得る。
前記第１伝送トランジスタは、前記第２伝送トランジスタよりも先にターンオフされ得る。

上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様によるローリングシャッター方式で駆動されるイメージセンサーの駆動方法は、第２伝送トランジスタをターンオンさせて、第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域とを電気的に連結する段階と、前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、第１伝送トランジスタをターンオンさせて、フォトダイオードで生成された電荷を電気的に連結された前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に伝達する段階と、第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送トランジスタをターンオフさせる段階と、前記電気的に連結された第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域の電圧レベルをサンプリングする段階と、を含む。

本発明のイメージセンサーによれば、フォトダイオードで生成された電荷を損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動させることができる。従って、高画質イメージを生成することができる。

本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示すブロック図である。 本発明の一実施形態による単位ピクセルの一例を示す回路図である。 図２のＡ領域の一例を示す平面図である。 図３のＡ領域をＩ－Ｉ’ラインに沿って切開した一例を示す断面図である。 図１の単位ピクセルの駆動方法の一例を示すタイミング図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第１例を示すタイミング図である。 図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第２例を示すタイミング図である。 図８の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図８の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第３例を示すタイミング図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第４例を示すタイミング図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第５例を示すタイミング図である。 図１２の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図１２の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図１２の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図２の単位ピクセルの読出し動作の第６例を示すタイミング図である。 図１４の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図１４の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。 図２のＡ領域の様々な例を示す断面図である。 図２のＡ領域の様々な例を示す断面図である。 図２のＡ領域の様々な例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による単位ピクセルを説明するための図である。 本発明の他の実施形態による単位ピクセルを説明するための図である。 本発明の他の実施形態による単位ピクセルを説明するための図である。 本発明の更に他の実施形態による単位ピクセルを示す回路図である。 本発明の一実施形態による単位ピクセルの他の例を示す回路図である。 本発明の一実施形態による単位ピクセルの他の例を示す回路図である。

以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示すブロック図である。

図１を参照すると、イメージセンサー１００は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダー１２０、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３０、出力バッファ１４０、及びタイミングコントローラ１５０を含む。

ピクセルアレイ１１０は複数の単位ピクセル（Ｕｎｉｔ Ｐｉｘｅｌ）１１２を含む。複数の単位ピクセル１１２は、例えばマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）形状に配列される。ピクセルアレイ１１０は行デコーダー１２０から選択信号ＳＥＬ、リセット信号ＲＳ、及び伝送ゲート信号（ＴＳ１、ＴＳ２）のようなピクセル駆動信号を受信する。ピクセルアレイ１１０は受信されたピクセル駆動信号の制御に応じて動作し、各々の単位ピクセル１１２は光信号を電気的信号に変換する。また、各々の単位ピクセル１１２によって生成された電気的信号は複数のカラムラインＣＬｍを通じてアナログ－デジタルコンバータ１３０に提供される。

ピクセルアレイ１１０に含まれる複数の単位ピクセル１１２の各々は互いに離隔された第１及び第２フローティング拡散領域を含む。第１伝送トランジスタは、フォトダイオードと第１フローティング拡散領域との間に配置され、第１伝送信号ＴＳ１に応答してフォトダイオードと第１フローティング拡散領域とを互いに連結するか又は遮断する。第２伝送トランジスタは、第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域との間に配置され、第２伝送信号ＴＳ２に応答して第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域とを互いに連結するか又は遮断する。

本発明の一実施形態において、第１伝送トランジスタのゲート電極は水平方向から見た時に第１フローティング拡散領域に重畳するように形成される。第１伝送トランジスタのゲート電極と第１フローティング拡散領域との間にはオーバーラップキャパシタ（ｏｖｅｒｌａｐ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が生成され、第１伝送トランジスタのゲート電極と第１フローティング拡散領域とは強くカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）される。従って、第１伝送トランジスタのゲート電極の電圧レベルが変化すると、第１フローティング拡散領域の電圧レベルもやはり変化する。

特に、フォトダイオードで生成された電荷をセンシング動作が遂行されるノード方向に移動させる時に、本発明の実施形態による第１伝送トランジスタは第２伝送トランジスタよりも先にターンオフされる。従って、センシング動作が遂行されるノードの電圧レベルが相対的に高い非対称的なポテンシャル（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）構造が形成されて、電荷が損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動することができる。本発明の実施形態による単位ピクセル１１２の各々の構造及び動作は後述する図面を通じて詳細に説明する。

続いて、図１を参照すると、行デコーダー１２０はタイミングコントローラ１５０の制御に応じてピクセルアレイ１１０のいずれか１つの行を選択する。行デコーダー１２０は複数の行の中のいずれか１つの行を選択するために選択信号ＳＥＬを生成する。そして、行デコーダー１２０は選択された行に対応する単位ピクセルに対してリセット信号ＲＳ及び第１及び第２伝送ゲート信号（ＴＳ１、ＴＳ２）を定められた順序に応じて活性化させる。その後、選択された行の単位ピクセル１１２の各々から生成されるリセットレベル信号及びセンシング信号等がアナログ－デジタルコンバータ１３０に伝達される。

アナログ－デジタルコンバータ１３０はリセットレベル信号及びセンシング信号をデジタル信号に変換して出力する。例えば、アナログ－デジタルコンバータ１３０は相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）方式でリセットレベル信号及びセンシング信号をサンプリングした後に、これをデジタル信号に変換する。このために、アナログ－デジタルコンバータ１３０の前段には相関二重サンプラー（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｅｒ：ＣＤＳ）が更に配置される。

出力バッファ１４０はアナログ－デジタルコンバータ１３０によって提供される各々のカラム単位のイメージデータをラッチして出力する。出力バッファ１４０はタイミングコントローラ１５０の制御に応じてアナログ－デジタルコンバータ１３０で出力されるイメージデータを一時的に格納し、その後カラムデコーダーによって順次的にラッチされたイメージデータを出力する。

タイミングコントローラ１５０は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダー１２０、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３０、出力バッファ１４０等を制御する。タイミングコントローラ１５０は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダー１２０、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３０、出力バッファ１４０等の動作にクロック信号（ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ）、タイミングコントロール信号（ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ）等のような制御信号を供給する。タイミングコントローラ１５０は、ロジック制御回路（ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）、位相固定ループ（ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ：ＰＬＬ）回路、タイミングコントロール回路（ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）、通信インターフェイス回路（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）等を含む。

以上、本発明の一実施形態によるイメージセンサー１００の構成を簡略に説明した。本発明の実施形態によると、ピクセルアレイ１１０を構成する単位ピクセル１１２の各々は互いに離隔された第１及び第２フローティング拡散領域を含み、第１伝送トランジスタはフォトダイオードと第１フローティング拡散領域とを電気的に連結し、第２伝送トランジスタは第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域とを電気的に連結する。特に、第１伝送トランジスタのゲート電極は第１フローティング拡散領域に水平方向から見た時に重畳し、従って電荷がセンシング動作が遂行されるノードに移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。結果的に、フォトダイオードで生成された電荷が損失無しにセンシング動作が遂行されるノード方向に移動することができるため、イメージセンサー１００の画質を改善することができる。

［高い変換利得を支援するイメージセンサー］

図２は、本発明の一実施形態による単位ピクセル１１２の一例を示す回路図である。

本実施形態による単位ピクセル１１２は高い変換利得（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ：ＨＣＧ）を提供する。即ち、低照度モードの時に、本実施形態による単位ピクセル１１２は第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１との間のカップリングを通じて非対称的なポテンシャル構造を形成する。従って、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。このために、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とは水平方向から見た時に互いに重畳する。

図２を参照すると、単位ピクセル１１２は１つのフォトダイオードＰＤ及び５つのＮＭＯＳトランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２、ＲＸ、ＤＸ、ＳＸ）を含む。

フォトダイオードＰＤは入射光の光量や光の強さに応じて電荷を生成及び蓄積する光感知素子である。フォトダイオードＰＤは、フォトトランジスタ（Ｐｈｏｔｏ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、フォトゲート（Ｐｈｏｔｏ Ｇａｔｅ）、ピンドフォトダイオード（Ｐｉｎｎｅｄ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＰＤ）、有機フォトダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＯＰＤ）、クォンタムドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）等でも具現される。

第１伝送トランジスタＴＸ１は、行デコーダー１２０から提供される第１伝送信号ＴＳ１に応答してターンオン又はターンオフされ、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷を第１フローティング拡散領域ＦＤ１に伝送する。

第２伝送トランジスタＴＸ２は第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２との間に配置される。第２伝送トランジスタＴＸ２は第２伝送信号ＴＳ２に応答して第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とを電気的に連結するか又は遮断する。

フローティング拡散領域は互いに分離された第１フローティング拡散領域ＦＤ１及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２を含む。第１フローティング拡散領域ＦＤ１の一端は第１伝送トランジスタＴＸ１のドレーンに対応し、他端は第２伝送トランジスタＴＸ２のソースに対応する。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の一端は第２伝送トランジスタＴＸ２のドレーンに対応し、他端はソースフォロワー（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）増幅器で駆動されるドライブトランジスタＤＸのゲートに連結される。

第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１とは水平方向から見た時に互いに重畳する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１は第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１にカップリングされる。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１の電圧レベルが上昇するか又は下降することによって、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルもやはり共に上昇するか又は下降する。即ち、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルを制御することによって、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を損失無しにサンプリング動作が遂行される第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動させる非対称的なポテンシャル構造が形成される。

一例として、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１にハイ（ｈｉｇｈ）レベルの電圧が提供されて第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンされると、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に上昇する。この場合、フォトダイオードＰＤに格納された電荷が損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。

一例として、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１にロー（ｌｏｗ）レベルの電圧が提供されて第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされると、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。この場合、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルよりも相対的に低くなる。従って、電荷が損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１から第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。

リセットトランジスタＲＸはリセット信号ＲＳに応答して第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）をリセットする。例えば、図２に示したように、リセットトランジスタＲＸのソース（Ｓｏｕｒｃｅ）は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に連結される。第２伝送信号ＴＳ２が活性化された状態でリセット信号ＲＳが活性化され、リセットトランジスタＲＸがターンオンすると、電源電圧Ｖｐｉｘが第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に伝達される。この場合、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に集積された電荷は電源電圧Ｖｐｉｘ端子にドレーンされ、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧は電源電圧Ｖｐｉｘレベルにリセットされる。

一方、図２でリセットトランジスタＲＸは第２フローティング拡散領域ＦＤ２に連結されたものとして図示したが、これに限定されるものではなく、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に連結されてもよい。

ドライブトランジスタＤＸのゲートは、第２フローティング拡散領域ＦＤ２に連結され、ソースフォロワー増幅器（Ｓｏｕｒｃｅ Ｆｏｌｌｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の役割を提供する。例えば、ドライブトランジスタＤＸは第２フローティング拡散領域ＦＤ２のポテンシャルの変化を増幅し、これを、選択トランジスタＳＸを経由してカラムラインＣＬｉ（Ｖｏｕｔ）に伝達する。

選択トランジスタＳＸは行単位に読み出す単位ピクセルを選択する時に使用される。選択トランジスタＳＸは行単位に提供される選択信号ＳＥＬによって駆動される。選択トランジスタＳＸがターンオンされると、ドライブトランジスタＤＸを通じて第２フローティング拡散領域ＦＤ２のポテンシャル又は電気的に互いに連結された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）のポテンシャルが選択トランジスタＳＸのドレーンに増幅されて伝達される。

本実施形態において、低照度モードの時に、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動することができる。このために、第１伝送ゲートＴＸ１のゲート電極ＴＧ１の電圧レベル変化を通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが適切に制御される。

より詳細に説明すると、イメージセンサー１００が露出（ｅｘｐｏｓｕｒｅ）してフォトダイオードＰＤで電荷が生成される。その後、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１にハイレベルの電圧が提供されて第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンする。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とがオーバーラップキャパシタによって互いにカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に上昇する。従って、フォトダイオードＰＤに格納された電荷が損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する非対称的なポテンシャル構造が形成されて、電荷が損失無しにフォトダイオードＰＤから第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動することができる。例えば、電荷は第１フローティング拡散領域ＦＤ１のストレージダイオードＳＤに格納される。

その後、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１にロー（ｌｏｗ）レベルの電圧が提供されて第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とがオーバーラップキャパシタによって互いにカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルよりも相対的に低くなり、電荷が損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１から第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。第２伝送トランジスタＴＸがターンオン状態であると、第１フローティング拡散領域ＦＤ１のストレージダイオードＳＤに格納された電荷は第２フローティング拡散領域ＦＤ２のキャパシタＣに移動する。

その後、第２伝送トランジスタＴＸがターンオフされ、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２によって提供される容量Ｃに格納された電荷のみを利用してサンプリングを遂行するため、相対的に高い変換利得（ＨＣＧ）が提供される。

図３は、図２のＡ領域の一例を示す平面図であり、図４は、図３のＡ領域をＩ－Ｉ’ラインに沿って切開した一例を示す断面図である。

図３及び図４を参照すると、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１は第１方向（Ｘ方向）に沿って延長され、第３方向（Ｚ方向）に沿ってその一部がフォトダイオードＰＤに埋め込まれる。即ち、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１は垂直伝送ゲート（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｇａｔｅ）である。第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第１方向（Ｘ方向）に沿って延長される。

第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）のそれぞれのゲート電極（ＴＧ１、ＴＧ２）の下部にはゲート絶縁膜ＧＤが具備される。例えば、ゲート絶縁膜ＧＤは、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、ゲルマニウム酸窒化物（ＧｅＯｘＮｙ）、ゲルマニウムシリコン酸化物（ＧｅＳｉｘＯｙ）、又は高誘電率を有する物質を含む。高誘電率を有する物質は、ハフニウム酸化物（ＨｆＯｘ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯｘ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、タンタル酸化物（ＴａＯｘ）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘ）、ジルコニウムシリケート（ＺｒＳｉｘ）の中の少なくとも１つを含む。

第１フローティング拡散領域ＦＤ１は水平方向から見た時にその一部が第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１に重畳される。特に、本実施形態において、第１フローティング拡散領域ＦＤ１は第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１に広い領域で重畳されて、大きい容量のオーバーラップキャパシタが形成される。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１とは相対的に強くカップリングされる。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１の電圧レベルの変化を通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが制御される。

第２フローティング拡散領域ＦＤ２は水平方向から見た時にその一部が第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２に重畳される。例えば、第２フローティング拡散領域ＦＤ２は第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２に狭い領域で重畳され、小さい容量のオーバーラップキャパシタが形成される。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１とは相対的に弱くカップリングされる。但し、これは例示的なものであり、第２フローティング拡散領域ＦＤ２は水平方向から見た時にその一部が第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２に重畳されないこともある。

第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）はイオン注入工程によってｎ^＋でドーピングされた領域である。

不純物領域ＩＲはイオン注入工程を利用してｐ形不純物を注入することによって形成される。例えば、不純物領域ＩＲは第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）に対するｐ－ＷＥＬＬ領域に提供される。

以上で説明したように、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とは水平方向から見た時に互いに重畳してオーバーラップキャパシタを形成し、オーバーラップキャパシタを通じて互いに強くカップリングされる。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１の電圧レベル調節を通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが制御される。従って、損失無しに電荷を移動させるための非対称的なポテンシャル構造が形成される。

図５は、図１の単位ピクセルの駆動方法の一例を示すタイミング図である。

図５を参照すると、本実施形態によるピクセルアレイ１１０はローリングシャッター（Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｈｕｔｔｅｒ）方式によって駆動される。例えば、移動時間に応じて、リセット（ｒｅｓｅｔ）又は読出し（ｒｅａｄｏｕｔ）動作が遂行される行は異なる。ローリングシャッター方式によって駆動されることによって、本実施形態によるイメージセンサーは、静的又は低速で動いている物体に対して優れた感度を提供することができる。

図６は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第１例を示すタイミング図であり、図７Ａ～図７Ｅは、図６の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。

図６を参照すると、Ｔ１時点で、リセット信号ＲＳ、第１及び第２伝送信号（ＴＳ１、ＴＳ２）がローレベルである。従って、リセットトランジスタＲＸ、第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）がターンオフ状態であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に遮断されてそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）状態を維持する。例えば、図７Ａに示したように、第２フローティング拡散領域ＦＤ２は第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電位障壁によって第１フローティング拡散領域ＦＤ１から遮断される。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルはサンプリングされて基準電圧（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とがオーバーラップキャパシタによって強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に上昇する。従って、フォトダイオードＰＤから第１フローティング拡散領域ＦＤ１に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。従って、図７Ｂに示したように、Ｔ３時点で、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は全て損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する。

Ｔ４時点で、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオンされ、第２フローティング拡散領域ＦＤ２と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが電気的に連結される。従って、電荷を収容することができる全体的な容量が第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２との和で増加する。一方、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に弱くカップリングされているため、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電圧レベルの変化は第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルに大きな影響を及ぼさない。従って、図７Ｃに示したように、Ｔ５時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）によって共有される。

Ｔ６時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は、フォトダイオードＰＤ方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。従って、図７Ｄに示したように、Ｔ７時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は全て損失無しに第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネル及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。

Ｔ８時点で、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフされる。この時、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが弱くカップリングされているため、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電圧レベルの変化は第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルに大きな影響を及ぼさない。従って、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルが第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルよりも高い非対称的なポテンシャル構造を維持することができる。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。従って、図７Ｅに示したように、Ｔ９時点で、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷も全て損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。

Ｔ９時点で、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは第１信号電圧（１ｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義される。第１信号電圧をＴ１時点でサンプリングされた基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。このように、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が損失無しに全て第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動することによって、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供する高感度サンプリングを遂行することができる。

一方、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供するための図２の単位ピクセル１１２の読出し動作は多様に変形される。特に、第１伝送トランジスタＴＸ１を第２伝送トランジスタＴＸ２よりも先にターンオフする駆動方法を通じて、高い変換利得（ＨＣＧ）を得るための非対称的なポテンシャル構造が形成される。以下では、高い変換利得（ＨＣＧ）を得るための本発明の一実施形態の他の例による単位ピクセル１１２の駆動方法をより詳しく説明する。

図８は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第２例を示すタイミング図であり、図９Ａ及び図９Ｂは、図８の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。図８及び図９の読出し動作及びこれに応じた単位ピクセルのポテンシャル状態は図６及び図７と類似である。従って、重複する説明は以下で省略する。

図８を参照すると、Ｔ１時点で、リセットトランジスタＲＸ、第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）がターンオフ状態であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に遮断されてそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）状態を維持する。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルはサンプリングされて低照度モードにおける基準電圧（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移される。従って、フォトダイオードＰＤから第１フローティング拡散領域ＦＤ１に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。

Ｔ３時点で、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は全て損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する。

Ｔ４時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフ状態であるため、図９Ａに示したように、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷はＴ５時点で第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）のそれぞれのゲート電極（ＴＧ１、ＴＧ２）のチャンネル障壁によって第１フローティング拡散領域ＦＤ１で損失無しに維持される。

Ｔ６時点で、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオンされる。第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に弱くカップリングされているため、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電圧レベルが上昇することによって、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルもやはり少し上昇する。この時、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルよりも低いため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷が第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。従って、図９Ｂに示したように、Ｔ７時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に損失無しに移動する。

Ｔ８時点で、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルに遷移され、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフされる。この時、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが弱くカップリングされているため、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルが第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルよりも高い非対称的なポテンシャル構造を維持することができる。従って第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。

Ｔ９時点で、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは、第１信号電圧（１ｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義され、第１信号電圧をＴ１時点でサンプリングされた基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。

以上で説明したように、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供するための単位ピクセルの読出し動作は、第１伝送トランジスタＴＸ１が先にターンオン及びターンオフされ、その後に第２伝送トランジスタＴＸ１がターンオン及びターンオフされる方式でも遂行することができる。

図１０は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第３例を示すタイミング図である。図１０の読出し動作は図８と類似である。従って、重複する説明は以下で省略する。

図１０の読出し動作はＴ４時点で第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移されると同時に第２伝送信号ＴＳ２はハイレベルに遷移される点を除くと、図８の読出し動作と同一である。

即ち、図８の読出し動作が第１伝送トランジスタＴＸ１のターンオン、第１伝送トランジスタＴＸ１のターンオフ、第２伝送トランジスタＴＸ２のターンオン、第２伝送トランジスタＴＸ２のターンオフの順序で遂行されることに反して、図１０の読出し動作は、第１伝送トランジスタＴＸ１のターンオン、第１伝送トランジスタＴＸ１のターンオフ及びこれと同時の第２伝送トランジスタＴＸ２のターンオン、第２伝送トランジスタＴＸ２のターンオフの順序で遂行される。

具体的に、図１０を参照すると、Ｔ４時点で第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされると同時に第２伝送トランジスタＴＸ２はターンオンされる。この場合、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移されることによって第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルは下降し、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移されることで第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは一定部分上昇する。従って、図８と同様に、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は損失無しに第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。

図１１は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第４例を示すタイミング図である。図１１の読出し動作は図６、図８、及び図１０と類似である。従って、重複する説明は以下で省略する。

図１１を参照すると、Ｔ１時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に遮断されてそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）状態である。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルはサンプリングされ、低照度モードでの基準電圧（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオンされ、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが電気的に連結される。従って、電荷を収容することができる全体容量が第１フローティング拡散領域ＦＤ１の容量と第２フローティング拡散領域ＦＤ２の容量との和（ＳＤ＋Ｃ）で提供される。

Ｔ３時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移される。第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＸ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、電気的に連結された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルも共に上昇する。従って、フォトダイオードＰＤから第１フローティング拡散領域ＦＤ１に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。

Ｔ４時点で、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は全て損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する。

Ｔ５時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。一方、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオン状態であるため、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは相対的に高い状態を維持する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷が損失無しに第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動するポテンシャル構造が形成される。

Ｔ６時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に損失無しに移動する。

Ｔ７時点で、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフされる。この時、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが弱くカップリングされているため、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電圧レベルの変化は第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルに大きな影響を及ぼさない。従って、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルが第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルよりも高い非対称的なポテンシャル構造を維持することができる。従って第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。

Ｔ８時点で、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷も全て損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動した状態であり、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。

以上で説明したように、本発明の実施形態による単位ピクセル１１２の第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とは水平方向から見た時に互いに重畳されて強くカップリングされる。そして、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１の電圧レベル調節を通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルを制御することによって、損失無しに電荷を移動させるための非対称的なポテンシャル構造を容易に形成することができる。特に、図６～図１１で検討したように、第１伝送トランジスタＴＸ１を第２伝送トランジスタＴＸ２よりも先にターンオフする駆動方法を通じて高い変換利得（ＨＣＧ）を得るための非対称的なポテンシャル構造を容易に形成することができる。

［低い変換利得を支援するイメージセンサー］

図１２は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第５例を示すタイミング図であり、図１３Ａ～図１３Ｃは、図１２の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。

図１２及び図１３で、図２の単位ピクセル１１２は高照度モードにおける低い変換利得（Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ：ＬＣＧ）を提供するように具現される。

例えば、高照度モードの時に、フォトダイオードＰＤ内に格納することができる最大容量値を超える電荷が生成されて、電荷が伝送トランジスタＴＸのチャンネル電位障壁を超えるオーバーフロー（ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）が発生することがある。或いは、高照度モードの時に、第２フローティング拡散領域ＦＤ２に格納することができる容量値を超える電荷が発生して、余る電荷は捨てられることがある。

本実施形態による単位ピクセル１１２は読出し動作の時に第２伝送トランジスタＴＸ２が継続してターンオン状態を維持する。この場合、電荷を格納することができる全体容量は第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２との容量の和（即ち、ＳＤ＋Ｃ）に拡張される、オーバーフローするか又は余る電荷が捨てられずに、サンプリングするのに使用される。

図１２及び図１３Ａ～図１３Ｃを参照してより詳細に説明すると、Ｔ１時点で、第１伝送信号ＴＳ１はハイレベルである。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２はターンオン状態であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に連結される。また、リセット信号ＲＳ及び第２伝送信号ＴＳ２はローレベルである。従って、電気的に連結された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）は、図１３Ａに示したように、フローティング状態である。電気的に連結された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルはサンプリングされて基準電圧（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に移動する。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とがオーバーラップキャパシタによって強くカップリングされているため、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルも共に上昇する。従って、フォトダイオードＰＤから第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が形成される。従って、図１３Ｂに示したように、Ｔ３時点で、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は全て損失無しに第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に移動する。特に、電荷を格納することができる全体的な容量が第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の和で増加したため、オーバーフローする電荷も捨てられずに全て格納される。

Ｔ４時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移され、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルも共に低くなるが、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１はより早く低くなる。即ち、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１による電位障壁がより早く形成される。従って、図１３Ｃに示したように、Ｔ５時点で、電荷は第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）で漏洩無しに安定的に維持される。その後、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルがサンプリングされ、これは第２信号電圧（２ｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義される。第２信号電圧をＴ１時点でサンプリングされた基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。

このように、高照度モードで、電荷を格納することができる全体容量は第１フローティング拡散領域ＦＤ１及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２の和で拡張される。従って、オーバーフローするか又は余る電荷が捨てられずにサンプリングするのに使用されるため、正確な低い変換利得（ＬＣＧ）を提供することができる。

［デュアル変換利得モードを提供するイメージセンサー］

図１４は、図２の単位ピクセルの読出し動作の第６例を示すタイミング図であり、図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１４の読出し動作に応じた単位ピクセルのポテンシャル状態の一例を示す図である。

図１４及び図１５で、図２の単位ピクセル１１２は高い変換利得（ＨＣＧ）と低い変換利得（ＬＣＧ）の両方を提供するデュアル変換利得モードを支援する。

例えば、低照度モードの時に、本実施形態による単位ピクセル１１２は第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１との間のカップリングを通じて非対称的なポテンシャル構造を形成する。従って、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動することができる。また、高照度モードの時に、単位ピクセル１１２は電荷を格納することができる全体容量を第１フローティング拡散領域ＦＤ１及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２の和で拡張する。従って、オーバーフローするか又は余る電荷が捨てられずにサンプリングするのに使用される。

図１４及び図１５を参照してより詳細に説明すると、Ｔ１時点で、リセット信号ＲＳ、第１及び第２伝送信号ＴＳ１、及びＴＳ２がローレベルである。従って、リセットトランジスタＲＸ、第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）がターンオフ状態であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に遮断されてそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）状態を維持する。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルはサンプリングされて高い変換利得（ＨＣＧ）のための第１基準電圧（１ｓｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移される。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが電気的に互いに連結される。

Ｔ３時点で、電気的に連結された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルがサンプリングされる。サンプリングされた第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルは低い変換利得（ＬＣＧ）のための第２基準電圧（２ｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ４時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）に移動する。

Ｔ５時点で、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の電圧レベルがサンプリングされ、これは第２信号電圧（２ｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義される。例えば、図１５Ａに示したように、全体容量は第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の容量の和（ＳＤ＋Ｃ）で拡張された状態である。従って、多くの量の電荷が収容される。第２信号電圧をＴ３時点でサンプリングされた第２基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。このように、第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）の容量を全て利用することによって、低い変換利得（ＬＣＧ）が提供される。

Ｔ６時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移される。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオフされる。この時、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は、フォトダイオードＰＤ方向に移動せずに、第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。

Ｔ７時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は全て損失無しに第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に格納される。

Ｔ８時点で、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフされる。この時、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とが弱くカップリングされているため、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の電圧レベルの変化は第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルに大きな影響を及ぼさない。従って、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルが第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルよりも高い非対称的なポテンシャル構造が維持される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。従って、図１５Ｂに示したように、Ｔ９時点で、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷も全て損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。

Ｔ９時点で、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは第１信号電圧（１ｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義される。第１信号電圧をＴ１時点でサンプリングされた第１基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。このように、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の容量Ｃのみを使用することによって、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供して高感度サンプリングを遂行することができる。

上述したように、本実施形態による単位ピクセル１１２は高い変換利得（ＨＣＧ）及び低い変換利得（ＬＣＧ）の両方を提供するデュアル変換利得（ＤＣＧ）モードを提供することができる。更に、第１伝送トランジスタＴＸ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１との重畳によるオーバーラップキャパシタを通じて非対称的なポテンシャル構造を形成することによって、電荷の損失無しに高感度サンプリングを遂行することができる。

一方、本実施形態による単位ピクセルの構造は多様に変形される。以下では、このような様々な変形例をより詳細に説明する。

［ゲート電極の様々な変形例］

図１６～図１８は、図２のＡ領域の様々な例を示す断面図である。図１６～図１８は図４と類似である。従って、重複する説明は以下で省略する。

図１６を参照すると、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第１方向（Ｘ方向）に沿って延長されるが、水平方向から見た時にその一部が第２フローティング拡散領域ＦＤ２に重畳しない。即ち、図４の第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２の一部が第２フローティング拡散領域ＦＤ２に水平方向から見た時に重畳する場合に比べて、図１６の第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に重畳しない。

この場合、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２との間には寄生キャパシタが存在する。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは弱くカップリングされる。結果的に、図１６の構造を採用しても、本実施形態による単位ピクセルは、図５～図１５で説明した高い変換利得（ＨＣＧ）、低い変換利得（ＬＣＧ）、又はデュアル変換利得（ＤＣＧ）を提供するように駆動され得る。

図１７を参照すると、第１伝送トランジスタのゲート電極ＴＧ１は第１サブゲート電極ＴＧ１＿１及び第２サブゲート電極ＴＧ１＿２に物理的に分割される。この場合、第１メタルラインＭＬ１を通じて第１伝送信号ＴＳ１が第１サブゲート電極ＴＧ１＿１及び第２サブゲート電極ＴＧ１＿２に同時に提供される。結果的に、図１７の構造を採用しても、本実施形態による単位ピクセルは、図５～図１５で説明した高い変換利得（ＨＣＧ）、低い変換利得（ＬＣＧ）、又はデュアル変換利得（ＤＣＧ）を提供するように駆動され得る。

図１８を参照すると、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に水平方向から見た時に重畳し、重畳する領域で凹凸構造を有する。従って、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１との間に更に大きい容量のオーバーラップキャパシタが形成され、第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とは更に強くカップリングされる。結果的に、フォトダイオードＰＤから第２フローティング拡散領域ＦＤ２に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が更に容易に形成される。

図１９Ａ～図１９Ｃは、本発明の他の実施形態による単位ピクセル１１２＿１を説明するための図である。具体的に、図１９Ａは本発明の他の実施形態による単位ピクセル１１２＿１の回路図であり、図１９Ｂは単位ピクセル１１２＿１のＡ領域に対する断面図であり、図１９Ｃは単位ピクセル１１２＿１の動作を説明するためのタイミング図である。図１９Ａ～図１９Ｃの単位ピクセルの構成及び動作は図２～図７の単位ピクセルの構成及び動作と類似である。従って、重複する説明は以下で省略する。

図１９Ａを参照すると、単位ピクセル１１２＿１は、１つのフォトダイオードＰＤ、５つのＮＭＯＳトランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２、ＲＸ、ＤＸ、ＳＸ）、及び１つのブースティングキャパシタＣｂｓｔを含む。

ブースティングキャパシタＣｂｓｔは第１フローティング拡散領域ＦＤ１に連結される。ブースティングキャパシタＣｂｓｔは、第１フローティング拡散領域ＦＤ１にカップリングされて、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルを上昇させるか又は下降させる。例えば、ブースティング信号ＦＤＢに正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の電圧が提供されると、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが上昇する。他の例として、ブースティング信号ＦＤＢに負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）の電圧が提供されると、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルが下降する。従って、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が第２フローティング拡散領域ＦＤ２に損失無しに移動する非対称的なポテンシャル構造が更に強く形成される。

ブースティングキャパシタＣｂｓｔは様々な方式で形成される。例えば、図１９Ｂに示したように、ブースティングキャパシタＣｂｓｔを形成するために、ブースティングメタル（Ｂｏｏｓｔｉｎｇ Ｍｅｔａｌ）が具備される。ブースティングメタルは第１フローティング拡散領域ＦＤ１を構成するメタル（以下、第１ＦＤメタル）に第２方向（Ｙ方向）に沿って平行に配置される。従って、ブースティングメタルと第１ＦＤメタルとの間にブースティングキャパシタＣｂｓｔが形成される。他の例として、ブースティングキャパシタＣｂｓｔは第１フローティング拡散領域ＦＤ１の上部の絶縁体上にメタルを形成する方法で具現される。一般的にフローティング拡散領域の上部には絶縁体が塗布される。従って、フローティング拡散領域の上部の絶縁体上にメタルを形成することで、メタルはブースティングキャパシタの一電極を構成することになる。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の上部の絶縁体上にブースティングメタルを形成することによって、ブースティングキャパシタＣｂｓｔを形成することができる。この場合、ブースティングキャパシタＣｂｓｔの値はブースティングキャパシタが定義される領域の絶縁体の厚さ又は材質を調節することによって制御される。

図１９Ｃを参照して単位ピクセル１１２＿１の低照度モードにおける動作を説明すると、Ｔ１時点で、リセット信号ＲＳ、第１及び第２伝送信号（ＴＳ１、ＴＳ２）がローレベルである。従って、リセットトランジスタＲＸ、第１及び第２伝送トランジスタ（ＴＸ１、ＴＸ２）がターンオフ状態であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２とは互いに電気的に遮断されてそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）状態を維持する。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルはサンプリングされて基準電圧（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ）として使用される。

Ｔ２時点で、第１伝送信号ＴＳ１がハイレベルに遷移され、ブースティング信号ＦＤＢに正の電圧が提供される。第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とがオーバーラップキャパシタによって強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に上昇する。更に、ブースティング信号ＦＤＢに正の電圧が提供されるため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルは更に上昇する。従って、フォトダイオードＰＤから第１フローティング拡散領域ＦＤ１に損失無しに電荷が移動する非対称的なポテンシャル構造が更に強く形成される。

Ｔ３時点で、フォトダイオードＰＤで生成された電荷は全て損失無しに第１フローティング拡散領域ＦＤ１に移動する。

Ｔ４時点で、第２伝送信号ＴＳ２がハイレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオンされ、第２フローティング拡散領域ＦＤ２と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが電気的に連結される。従って、電荷を収容することができる全体的な容量が第１フローティング拡散領域ＦＤ１と第２フローティング拡散領域ＦＤ２との和で増加する。

Ｔ５時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）によって共有される。

Ｔ６時点で、第１伝送信号ＴＳ１がローレベルに遷移され、ブースティング信号ＦＤＢに負の電圧が提供される。第１伝送トランジスタＴＸ１のゲート電極ＴＧ１と第１フローティング拡散領域ＦＤ１とが強くカップリングされているため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルも共に下降する。更に、ブースティング信号ＦＤＢに負の電圧が提供されるため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルは更に下降する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は、フォトダイオードＰＤ方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の方向に更に容易に移動する。

Ｔ７時点で、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷は全て損失無しに第２伝送トランジスタＴＸ２及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。

Ｔ８時点で、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルに遷移される。従って、第２伝送トランジスタＴＸ２がターンオフされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルが第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルよりも高い非対称的なポテンシャル構造を維持するため、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１方向に移動せずに、第２フローティング拡散領域ＦＤ２方向に移動する。

Ｔ９時点で、第２伝送トランジスタＴＸ２のチャンネルに位置する電荷も全て損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。その後、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルがサンプリングされる。第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは信号電圧（ｓｉｇｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ）として定義される。信号電圧をＴ１時点でサンプリングされた基準電圧と比較することによって、デジタルコードが出力される。

このように、ブースティングキャパシタを通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルを制御することによって、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が更に安全に全て第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。従って、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供する高感度サンプリングが遂行される。

［３つ以上のフローティング拡散領域を具備するイメージセンサー］

図２０は、本発明の更に他の実施形態による単位ピクセル１１２＿２を示す回路図である。図２０の単位ピクセル１１２＿２の構造は図２の単位ピクセル１１２の構造と類似である。従って、同一であるか又はは類似な構成要素は、同一であるか又は類似な参照符号を使用して表記され、繰り返される説明は以下省略する。

図２で、単位ピクセル１１２は２つのフローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）を含むものとして図示して説明した。但し、これは例示的なものであり、本発明の技術的思想はこれに限定されない。例えば、図２０に示したように、単位ピクセル１１２＿２は第３フローティング拡散領域ＦＤ３を更に含む。これに加えて、第３フローティング拡散領域ＦＤ３を第２フローティング拡散領域ＦＤ２に連結するための第３伝送トランジスタＴＸ３が更に具備される。この時、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が第３フローティング拡散領域ＦＤ３に移動する非対称的なポテンシャル構造を形成するために、第２伝送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＴＧ２は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に水平方向から見た時に重畳する。このように、追加的なフローティング拡散領域及び伝送トランジスタを具備することによって、図２０の単位ピクセル１１２＿２は更に広いダイナミックレンジ（Ｗｉｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ）を提供することができる。なお、〔特許請求の範囲〕では、第３フローティング拡散領域が、第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域との間に具備されるように記載していることに留意されたい。

一実施形態において、第１モードの時に、第２及び第３伝送トランジスタ（ＴＸ２、ＴＸ３）の両方がターンオンされた状態で第１伝送トランジスタＴＸ１がターンオンされる。この場合、第１～第３フローティング拡散領域（ＦＤ１～ＦＤ３）は互いに電気的に連結された状態であり、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は第１～第３フローティング拡散領域（ＦＤ１～ＦＤ３）に移動する。その後、第１～第３フローティング拡散領域（ＦＤ１～ＦＤ３）の電圧レベルがサンプリングされる。第１～第３フローティング拡散領域（ＦＤ１～ＦＤ３）によって提供される容量（即ち、ＳＤ１＋ＳＤ２＋Ｃ）に電荷が格納されるため、相対的に低い変換利得（ＬＣＧ）が提供される。

一実施形態において、第２モードの時に、第１～第３フローティング拡散領域（ＦＤ１～ＦＤ３）に格納された電荷の中の第１フローティング拡散領域ＦＤ１に格納された電荷が第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）に移動する。例えば、第１伝送信号ＴＳ１はローレベルであり、第２伝送信号ＴＳ２はハイレベルである。従って、オーバーラップキャパシタによって第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電圧レベルは下降し、第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）の電圧レベルは上昇する。従って、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電荷が第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）に損失無しに移動する非対称的なポテンシャル構造が形成され、第１フローティング拡散領域ＦＤ１の電荷が第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）に移動する。その後、第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）の電圧レベルがサンプリングされる。第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）によって提供される容量（即ち、ＳＤ２＋Ｃ）に電荷が格納されるため、中間程度の変換利得（ＭＣＧ）が提供される。

一実施形態において、第３モードの時に、第２及び第３フローティング拡散領域（ＦＤ２、ＦＤ３）に集積された電荷の中の第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電荷が第３フローティング拡散領域ＦＤ３に移動する。例えば、第２伝送信号ＴＳ２がローレベルである。従って、オーバーラップキャパシタによって第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電圧レベルは下降し、第２フローティング拡散領域ＦＤ２の電荷が第３フローティング拡散領域ＦＤ３に移動する。その後、第３フローティング拡散領域ＦＤ３の電圧レベルがサンプリングされる。第３フローティング拡散領域ＦＤ３によって提供される容量（即ち、Ｃ）に格納された電荷のみを利用してサンプリングを遂行するため、相対的に高い変換利得（ＨＣＧ）が提供される。

上述したように、本発実施形態による単位ピクセル１１２＿２は追加的なフローティング拡散領域及びフローティング拡散トランジスタを具備することによって、更に広いダイナミックレンジを提供することができる。

一方、上述した説明は例示的なものであり、単位ピクセル１１２＿２はｋ個（ｋは２以上の整数）のフローティング拡散領域を具備してもよい。この場合、単位ピクセル１１２＿２はｋ個の伝送トランジスタを具備し、この中の第１～第ｋ－１伝送トランジスタのゲート電極はそれぞれ第１～第ｋ－１フローティング拡散領域に水平方向から見た時に重畳するように形成される。従って、提供されるダイナミックレンジの範囲が更に広くなる。

［フローティング拡散領域共有構造のイメージセンサー］

図２１及び図２２は、本発明の一実施形態による単位ピクセル１１２＿３、１１２＿４の他の例を示す回路図である。図２１及び図２２の単位ピクセル１１２＿３、１１２＿４の構造は図２の単位ピクセル１１２の構造と類似である。従って、同一であるか又は類似な構成要素は、同一であるか又は類似な参照符号を使用して表記され、繰り返される説明は以下省略する。

図２１を参照すると、単位ピクセル１１２＿３は２つのフォトダイオード（ＰＤ１、ＰＤ２）及び複数のＮＭＯＳトランジスタ（ＴＸ１＿１、ＴＸ１－２、ＴＸ２、ＲＸ、ＤＸ、ＳＸ）を含む。

図２の単位ピクセル１１２と比較すると、図２１の単位ピクセル１１２＿３は２つのフォトダイオードが同一のフローティング拡散領域を共有する構造を有する。一例として、図２２では８つのフォトダイオード（ＰＤ１～ＰＤ８）がフローティング拡散領域を共有する例を図示する。

一般的なフローティング拡散領域共有構造の場合、複数のフォトダイオードは各々対応する伝送トランジスタを通じて同一のフローティング拡散領域に連結される。言い換えると、フローティング拡散領域は複数の伝送トランジスタＴＸのドレーンに連結され、その一端は駆動トランジスタＤＸのゲートに連結される。この場合、複数の伝送トランジスタＴＸのゲート電極とフローティング拡散領域との間には寄生キャパシタが生成される。寄生キャパシタの容量は共有するフォトダイオードが多いほど大きくなり、これは高い変換利得（ＨＣＧ）及び高感度のサンプリングを遂行するのに障害物として作用する。

このような寄生キャパシタによるノイズが最小化されるように、本発明の実施形態による単位ピクセル１１２＿２は高い変換利得（ＨＣＧ）を提供するサンプリング動作の時にサンプリングの対象になるフローティング拡散領域を伝送トランジスタのゲート電極から完全に遮断させる。このため、本実施形態による単位ピクセル１１２＿３は物理的に互いに離隔された第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）、及びその間に配置された第２伝送トランジスタＴＸ２を含む構造を有する。

先に説明したように、本実施形態による単位ピクセル１１２＿３は第１フローティング拡散領域ＦＤ１に集積された電荷を全て第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動させた後に、第２フローティング拡散領域ＦＤ２に対してのみにサンプリング動作を遂行する。第２伝送トランジスタＴＳ２を通じて第１フローティング拡散領域ＦＤ１を第２フローティング拡散領域ＦＤ２から分離させた後にサンプリング動作が遂行されるため、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と伝送トランジスタ（ＴＸ１＿１、ＴＸ１＿２）のゲートとの間の寄生キャパシタによるノイズが最小化される。

共に、先に説明したような第１伝送トランジスタ（ＴＸ１＿１、ＴＸ１＿２）のゲート電極と第１フローティング拡散領域ＦＤ１との間のオーバーラップキャパシタを利用した非対称的なポテンシャル構造を通じて電荷が損失無しに第２フローティング拡散領域ＦＤ２に移動する。結果的に、本実施形態による単位ピクセル１１２＿３はフォトダイオード（ＰＤ１、ＰＤ２）で生成された電荷を損失無しにセンシング動作が遂行されるノードに移動させることができ、高い変換利得（ＨＣＧ）を有する高感度サンプリングを提供することができる。

一方、同一のフローティング拡散領域を共有するフォトダイオードの数は制限されない。例えば、図２２に示したように、８つのフォトダイオード（ＰＤ１～ＰＤ８）が同一のフローティング拡散領域を具備する。この場合、先に説明したように、第１フローティング拡散領域ＦＤ１と伝送トランジスタ（ＴＸ１＿１～ＴＸ１＿８）のゲートとの間の寄生キャパシタによるノイズが最小化されることのみならず、高い変換利得（ＨＣＧ）も提供することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

１００ イメージセンサー
１１０ ピクセルアレイ
１１２、１１２＿１、１１２＿２、１１２＿３、１１２＿４ 単位ピクセル（Ｕｎｉｔ Ｐｉｘｅｌ）
１２０ 行デコーダー
１３０ アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）
１４０ 出力バッファ
１５０ タイミングコントローラ
Ｃ キャパシタ
Ｃｂｓｔ ブースティングキャパシタ
ＣＬｍ カラムライン
ＤＸ 駆動トランジスタ
ＦＤ フローティング拡散領域
ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３ 第１～第３フローティング拡散領域
ＦＤＢ ブースティング信号
ＧＤ ゲート絶縁膜
ＩＲ 不純物領域
ＭＬ１ 第１メタルライン
ＰＤ フォトダイオード
ＰＤ１～ＰＤ８ フォトダイオード
ＲＳ リセット信号
ＲＸ リセットトランジスタ
ＳＤ、ＳＤ１、ＳＤ２ ストレージダイオード
ＳＥＬ 選択信号
ＳＸ 選択トランジスタ
ＴＧ１、ＴＧ２ ゲート電極
ＴＧ１＿１、ＴＧ１＿２ 第１、第２サブゲート電極
ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３ 第１～第３伝送信号
ＴＳ１＿１～ＴＳ１＿８ 伝送信号
ＴＸ 伝送トランジスタ
ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３ 第１～第３伝送トランジスタ
ＴＸ１＿１～ＴＸ１＿８ 伝送トランジスタ
Ｖｐｉｘ 電源電圧

Claims (20)

1. 第１行に沿って配列され、第１時点に露出されて電荷を生成する複数の第１ピクセルと、
   前記第１行とは異なる第２行に沿って配列され、前記第１時点とは異なる第２時点に露出されて電荷を生成する複数の第２ピクセルと、を備え、
   前記複数の第１ピクセル及び前記複数の第２ピクセルの中の少なくとも１つのピクセルは、
   入射する光に反応して電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードで生成された電荷を格納する第１フローティング拡散領域と、
   第１伝送信号に応答して前記フォトダイオードを前記第１フローティング拡散領域に電気的に連結し、水平方向から見た時にゲート電極の一部が前記第１フローティング拡散領域に重畳する第１伝送トランジスタと、
   前記第１フローティング拡散領域から離隔されて配置され、一端が駆動トランジスタのゲートに連結された第２フローティング拡散領域と、
   第２伝送信号に応答して前記第１フローティング拡散領域を前記第２フローティング拡散領域に電気的に連結する第２伝送トランジスタと、を含むことを特徴とするイメージセンサー。
2. 前記第１伝送トランジスタは、前記第２伝送トランジスタよりも先にターンオフされることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
3. 前記第１伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第２伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域に格納された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域で共有されて格納されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
4. 前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域で共有された電荷は、前記第２伝送トランジスタ及び第２フローティング拡散領域方向に移動することを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサー。
5. 前記第１伝送トランジスタがターンオフされた状態で、前記第２伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第２伝送トランジスタのチャンネルに存在する電荷は、前記第２フローティング拡散領域に移動することを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
6. 前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記フォトダイオードで生成された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に移動することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
7. 前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移され、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行されることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサー。
8. 前記第１伝送トランジスタがターンオフされた状態で、前記第２伝送信号は、ローレベルからハイレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域と前記第２フローティング拡散領域とが電気的に連結され、
   その後、前記第１伝送信号がローレベルからハイレベルに遷移されて、前記フォトダイオードで生成された電荷は、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納され、
   その後、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
9. 前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行された後に、前記第２伝送信号は、ハイレベルからローレベルに遷移されて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納された電荷は、前記第２フローティング拡散領域に移動し、
   その後、前記第２フローティング拡散領域に対するサンプリング動作が遂行されることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサー。
10. 前記第１フローティング拡散領域と前記第２フローティング拡散領域との間に離隔されて配置された第３フローティング拡散領域と、
    前記第１フローティング拡散領域と前記第３フローティング拡散領域とを電気的に連結する第３伝送トランジスタと、を更に含み、
    前記第３伝送トランジスタのゲート電極は、水平方向から見た時に前記第３フローティング拡散領域に重畳することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
11. 前記第１フローティング拡散領域に連結されたブースティングキャパシタを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
12. 前記第１伝送信号がローレベルからハイレベルに遷移される時に、前記ブースティングキャパシタには、正の電圧が提供されることを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサー。
13. 前記第１伝送信号がハイレベルからローレベルに遷移される時に、前記ブースティングキャパシタには、負の電圧が提供されることを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサー。
14. 前記第１伝送トランジスタのゲート電極は、物理的に離隔された第１サブゲート電極及び第２サブゲート電極を含み、
    前記第１サブゲート電極は、水平方向から見た時に前記フォトダイオードに重畳し、
    前記第２サブゲート電極は、水平方向から見た時に前記第１フローティング拡散領域に重畳することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
15. 前記第１伝送トランジスタのゲート電極は、前記フォトダイオードに対応する第１領域及び前記第１フローティング拡散領域に対応する第２領域を含み、
    前記第２領域は、凹凸構造を有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
16. ローリングシャッター方式で駆動されるイメージセンサーの駆動方法であって、
    第１伝送トランジスタをターンオンさせて、フォトダイオードに生成された電荷を前記第１伝送トランジスタのゲート電極に水平方向から見た時に重畳される第１フローティング拡散領域に伝達する段階と、
    前記第１伝送トランジスタがターンオンされた状態で、第２伝送トランジスタをターンオンさせて、前記第１フローティング拡散領域に格納された電荷を第２フローティング拡散領域と共有させる段階と、
    前記第１伝送トランジスタをターンオフさせて、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に格納された電荷を前記第２伝送トランジスタ及び前記第２フローティング拡散領域に移動させる段階と、
    前記第２伝送トランジスタをターンオフさせて、前記第２伝送トランジスタ及び第２フローティング拡散領域に格納された電荷を前記第２フローティング拡散領域に移動させる段階と、
    前記第２フローティング拡散領域の電圧レベルをサンプリングする段階と、を有することを特徴とするイメージセンサーの駆動方法。
17. 前記第１フローティング拡散領域には、ブースティングキャパシタが連結され、
    前記第１伝送トランジスタをターンオンさせる時に、前記ブースティングキャパシタには、正の電圧が提供されることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサーの駆動方法。
18. 前記第１フローティング拡散領域には、ブースティングキャパシタが連結され、
    前記第１伝送トランジスタをターンオフさせる時に、前記ブースティングキャパシタには、負の電圧が提供されることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサーの駆動方法。
19. 前記第１伝送トランジスタは、前記第２伝送トランジスタよりも先にターンオフされることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサーの駆動方法。
20. ローリングシャッター方式で駆動されるイメージセンサーの駆動方法であって、
    第２伝送トランジスタをターンオンさせて、第１フローティング拡散領域と第２フローティング拡散領域とを電気的に連結する段階と、
    前記第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、第１伝送トランジスタをターンオンさせて、フォトダイオードで生成された電荷を電気的に連結された前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域に伝達する段階と、
    第２伝送トランジスタがターンオンされた状態で、前記第１伝送トランジスタをターンオフさせる段階と、
    前記電気的に連結された第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域の電圧レベルをサンプリングする段階と、を含むことを特徴とするイメージセンサーの駆動方法。
    
    

Images