KR100333723B1

KR100333723B1 - 온-트랜스퍼포토다이오드를갖는이미지센서의단위화소및그의데이터독출방법

Info

Publication number: KR100333723B1
Application number: KR1019980030962A
Authority: KR
Inventors: 권오봉; 박기남; 이도영; 엄재원
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2002-06-20
Also published as: KR20000010199A

Abstract

본 발명은 뛰어난 광감도와 해상도를 얻을 수 있고, 단위화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭, 즉 다이나믹 레인지(dynamic range)가 매우 큰 CMOS 이미지센서의 단위화소를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서 단위화소는, 제1전압을 인가받는 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제1확산영역; 상기 반도체층의 표면 하부와 상기 제1확산영역의 일부영역 상에 형성되는 제2도전형의 제2확산영역; 상기 제2확산영역이 형성되지 않은 상기 제1확산영역 상부와 상기 반도체층의 표면 하부에 형성된 제1도전형의 제3확산영역; 상기 반도체층 상에 형성되며 자신의 일측에지가 상기 제2확산영역과 수평적으로 떨어져 있고 리셋신호를 인가받는 리셋게이트; 및 상기 리셋게이트의 타측에지에 근접한 상기 반도체층의 표면 하부에 형성되며 제2전압을 인가받는 제2도전형의 제4확산영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

온-트랜스퍼 포토다이오드를 갖는 이미지센서의 단위화소 및 그의 데이터 독출 방법{image sensor having on-transfer photodiode and data read out method of the same}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 CMOS 회로와 온-트랜스퍼 포토다이오드(OT PD : ON Transfer Photodiode) 또는 온-트랜스퍼 핀드 포토다이오드(OT PPD : ON Transfer Pinned Photodiode)를 함께 집적화한 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 통상의 CCD(charge coupled device) 이미지센서는 CMOS 이미지센서와 달리 트랜지스터(Transistor)에 의한 스위칭(Switching) 방식이 아니라 전하 결합(Charge Coupling)에 의해서 신호를 검출한다. 그리고, 화소에 해당하고 광감지 역할을 하는 포토다이오드(Photodiode)는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정 시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호 전압을 누적 시간만큼 키울 수 있어 광감도(Sensitivity)가 좋고, 노이즈(Noise)를 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나, CCD 이미지센서는 광전하를 계속 운송해야 하므로 구동방식이 복잡하고, 약 8∼10 V의 고전압 및 약 1W 이상의 고전력 소모가 요구된다. 또한, CCD 기술은 서브마이크론(Submicron)급 CMOS 공정에서 사용되는 마스크 수(약 20개)에 비해 훨씬 많은 수(약 30∼40개)의 마스크가 필요하여 공정이 복잡하고 단가가 높을 수밖에 없다. 더욱이 CMOS 공정으로 진행되는 시그널 프로세싱 회로를 CCD 이미지센서 칩내에 구현할 수 없어 원칩화가 곤란하여 제품의 소형화가 어렵고, 그 기능의 다양성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, CMOS 제조 기술과 CCD 기술을 조합하여 트랜지스터(Transistor)에 의한 스위칭(Switching) 방식으로 신호를 검출하는 APS(active pixel sensor)가 많이 제안되고 있다. 이중 대표적인 것이, 미국특허 No. 5,625,210에서 Lee 등이 제안한 APS이다.

도1은 미국특허 No. 5,625,210에서 Lee 등이 제안한 APS의 단면도로서, 여기서는 잘 알려진 핀드 포토다이오드(Pinned photodiode)와 함께 집적화된 APS를 개시하고 있다. 도1의 APS는 광감지를 위해 핀드 포토다이오드(PPD)를 사용하고 있으며, 핀드 포토다이오드(PPD)에 의해 생성된 광전하를 출력노드인 플로팅 N⁺접합(17)으로 운송하기 위하여 채널영역에 저농도 도핑영역인 N^-영역(16)을 갖는 트랜스퍼게이트(Tx)(15a)를 사용하고 있다. 또한, 상기 N⁺접합(17)을 자신의 일측접합으로 가지며 전원전압 VDD가 접속된 N⁺접합(18)을 타측 접합으로 가지는 리셋게이트(15b)를 구비하고 있다. 핀드 포토다이오드(PPD)는 P형 기판(11) 상에 성장된 P-에피층(P-epi layer)(32)에 이온주입을 실시하여 N⁺확산영역(13)과 P⁺확산영역(14)을 형성하는 것에 의해 제조된다. 미설명 도면부호 19는 필드산화막(FOX)을 나타내고 15a, 15b, 15c는 각각 트랜지스터의 게이트를 나타낸다.

도1에 도시된 종래의 이미지센서 단위화소에서, 트랜스퍼게이트(Tx)(15a)와 리셋게이트(15b)를 도통시키게 되면, 핀드 포토다이오드(PPD)의 N⁺확산영역(13)과 P영역(P⁺확산영역, P-에피층) 간에 역바이어스가 걸려서 N⁺확산영역(13)과 P영역의 불순물 농도가 적절히 배합된 상태라면 N⁺확산영역(13)이 완전공핍(Fully Depletion)되게 되며, 이때의 N⁺확산영역(13)이 갖는 전압을 "피닝전압(Pinning voltage)"라 한다. 핀드 포토다이오드(PPD)는 넓은 공핍영역을 확보할 수 있어, 외부로부터 입사된 광에 의하여 많은 광전하를 생성 및 축적할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 도1에 도시된 종래의 핀드 포토다이오드 및 이미지센서 단위화소는 다음과 같은 문제점을 갖는다.

먼저, 종래 핀드포토다이오드가 갖는 문제점을 설명한다. 도2a 내지 도2c는도1의 종래 핀드 포토다이오드가 갖는 문제점을 설명하기 위한 개략적 단면도이다. 도2a를 참조시, 핀드 포토다이오드의 N⁺확산영역이 완전공핍(Fully Depletion)되면서 N⁺확산영역 하부에 존재하는 P-에피층과 N⁺확산영역 상부에 존재하는 P⁺확산영역으로 공핍영역이 확장되는바, 도펀트농도가 상대적으로 낮은 P-에피층으로 보다 많은 공핍층 확장이 일어난다. 따라서, 이 넓은 공핍층에 의해, 입사된 광으로부터 다량의 전자-홀 페어(electron-hole pair)를 생성할 수 있고, 이에 의해 N⁺확산영역에서 거의 100%에 가까운 광전하(전자)를 포획(capture)하고, 이 포획된 광전하가 트랜스퍼게이트(도1의 Tx)를 통해 플로팅확산영역(도1의 17)으로 전달되어 전기적인 신호로 출력됨으로써 우수한 광감도를 갖도록 한다.

그러나, 도2b 및 도2c에 도시된 바와 같이, N⁺확산영역이 광전자를 포획하면 할수록 PN접합에 걸리는 역바이어스 전압이 감소하므로 공핍영역이 줄어들면서, 광전하를 모을 수 있는 능력이 떨어진다. 또한 상대적으로 공핍이 풀려있는 P-에피층의 면적이 넓어지고, 이에 따라 P-에피층 깊은 곳에서 열적으로 생성되는 전자가 증가되고 때문에 다크전류(Dark Current)가 점차로 증가하게 된다. 더욱이 N⁺확산영역이 광전자를 포획하면 할수록 PN접합에 걸리는 역바이어스 전압이 감소하므로 N⁺확산영역이 광전자를 끌어당기는 힘이 약해져서, 밝은 빛을 표현하는 쪽으로 갈수록 포획되는 광전하에 의한 데이터가 선형성을 잃어버리고 포화상태(saturation)가된다. 그리고 밝은 빛쪽의 광감도(sensitivity)와 해상도(Resolution)가 떨어진다.

다음, 이러한 핀드 포토다이오드(PPD)를 가지며 또한 트랜스퍼게이트에 의해 광전하를 플로팅확산영역으로 스위칭 전달하는 종래의 이미지센서 단위화소(도1)가 갖는 문제점은 다음과 같다.

다시 도1을 참조하면, 트랜스퍼게이트(15a)의 스위칭 동작에 의해서 광전하를 전달받은 플로팅확산영역(17)(플로팅확산영역이 단위화소의 출력노드(센싱노드)이다)에 클럭 피드-쓰루(clock feed-through)에 의한 에러와 플로팅확산영역(17)의 면적에 해당하는 만큼 열적 노이즈가 발생하여 SNR(signal to noise ratio)이 좋지 못하다. 그리고, 트랜스퍼게이트에 의해 단위화소의 단위면적이 증가하여 이미지센서 고집적화가 저하된다. 또한, 트랜스퍼게이트의 공정상의 오차가 발생함에 의해 단위화소의 동작 특성에 영향을 줄 수 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 뛰어난 광감도와 해상도를 얻을 수 있고, 단위화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭, 즉 "다이나믹 레인지(dynamic range)"가 매우 큰 CMOS 이미지센서의 단위화소를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 CMOS 이미지센서 단위화소로부터 CDS(correlated double sampling) 방식으로 출력 데이터를 얻기 위한 방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래기술에 따른 APS의 단면도.

도2a 내지 도2c는 도1의 종래 핀드 포토다이오드가 갖는 문제점을 설명하기 위한 개략적 단면도.

도3은 OT PPD의 구조를 나타내는 개략도.

도4는 도3의 OT PPD 각 영역에서 발생하는 전위 변화를 나타내는 개략도.

도5는 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도.

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서 단위화소의 일부 구성을 나타내는 단면도.

도7은 도5의 단위화소로부터 CDS 방식으로 출력 데이터를 얻기 위한 제어신호의 타이밍도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

301 : P⁺기판 302 : P-에피층

303 : N^-확산영역 304 : N⁺확산영역

306 : P⁺확산영역 610 : 리셋게이트

620 : N⁺드레인확산영역 630 : P-웰영역

640 : 드라이브게이트 650 : 셀렉트게이트

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 단위화소는, 제1전압을 인가받는 제1도전형의 반도체층; 상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제1확산영역; 상기 반도체층의 표면 하부와 상기 제1확산영역의 일부영역 상에 형성되는 제2도전형의 제2확산영역; 상기 제2확산영역이 형성되지 않은 상기 제1확산영역 상부와 상기 반도체층의 표면 하부에 형성된 제1도전형의 제3확산영역; 상기 반도체층 상에 형성되며 자신의 일측에지가 상기 제2확산영역과 수평적으로 떨어져 있고 리셋신호를 인가받는 리셋게이트; 및 상기 리셋게이트의 타측에지에 근접한 상기 반도체층의 표면 하부에 형성되며 제2전압을 인가받는 제2도전형의 제4확산영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 반도체층 내에 형성된 제1도전형의 웰영역; 및 상기 웰영역에 형성된 소스/드레인을 가지며 상기 제2확산영역과 전기적 동작적으로 연결된 적어도 하나의 출력트랜지스터를 더 포함하는바, 상기 출력트랜지스터는, 상기 제2확산영역에 자신의 게이트가 전기적으로 접속되고, 자신의 일측접합이 상기 제4확산영역에 접속된 드라이버트랜지스터; 및 상기 드라이버트랜지스터의 타측접합에 자신의 일측접합이 접속되고, 자신의 타측접합이 단위화소의 출력단을 구성하며, 게이트로 단위화소의 어드레싱을 위한 셀렉트신호를 인가받는 셀렉트트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 이미지센서는 CMOS 제조 기술에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 이미지센서 단위화소는, 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 직접 연결되어 상기 포토다이오드로부터 광전하를 전달받는 센싱노드; 상기 센싱노드와 공급전원단간에 채널이 형성되고 게이트로 리셋신호를 인가받는 리셋트랜지스터; 상기 센싱노드에 게이트가 접속되고 상기 공급전원단에 소스가 접속되어 소스 팔로워 역할을 하는 드라이브트랜지스터; 및 상기 드라이브트랜지스터의 드레인과 단위화소 출력단에 채널이 형성되고 게이트로 어드레싱을 위한 셀렉트신호를 인가받는 셀렉트트랜지스터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 바람직하게 상기 리셋트랜지스터는 음의 문턱전압을 갖는 네이티브 엔모스트랜지스터이고, 상기 드라이브트랜지스터 및 셀렉트트랜지스터는 각각 양의 문턱전압을 갖는 엔모스트랜지스터로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 광전하를 포획하는 동시에 센싱노드로 광전하를 전달하는 온-트랜스퍼 포토다이오드(OT PPD)를 갖는 이미지센서의 단위화소로부터 데이터를 얻기 위한 방법에 있어서, 상기 포토다이오드에 공핍영역을 형성하고 광전하를 생성하는 동시에 상기 광전하를 상기 센싱노드로 전달시키는 제1단계; 상기 제1단계가 완료된 상기 센싱노드로부터 제1 전기적신호를 얻는 제2단계; 상기 제2단계가 완료된 상기 센싱노드를 리셋시키고, 리셋된 상기 센싱노드로부터 제2 전기적신호를 얻는 제3단계; 및 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 차이를 구하여 실질적인 광전하에 대한 데이터를 구하는 제4단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 출원인은 지난 1998년 6월 29일자에 온-트랜스퍼 핀드 포토다이오드(OT PPD : ON Transfer Pinned Photodiode)에 대한 기술을 출원(출원번호 : 98-24655)한 바 있는데, 여기서 상기 OT PPD의 구성과 작용을 살펴본 다음, 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 구체적으로 설명하도록 하겠다.

도3을 참조하면, OT PPD는 접지전압(Ground)을 인가받는 P-기판(301) 상에 에피택셜 성장된 P-에피층(302)과, 상기 P-에피층(302) 표면 하부에 형성되고 전원전압(VDD)을 스위치(305)에 의해 스위칭 전달받는 N⁺확산영역(304)과, 상기 N⁺확산영역(304) 하부의 상기 P-에피층(302) 내부 일정영역에 형성되고 상기 N⁺확산영역(304) 보다 더 큰 폭을 가지고 형성되며 상기 접지전압(Ground)과 상기 전원전압(VDD) 사이의 전압에서 완전 공핍되는 N^-확산영역(303), 및 상기 N⁺확산영역(304)이 형성되지 않은 상기 N^-확산영역(303) 상부와 상기 P-에피층(302) 표면 하부에 형성되는 P⁺확산영역(306)을 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 갖는 OT PPD는 스위치(305)가 온(ON) 되었을 때, N^-확산영역(303)은 완전공핍 상태로 되는데, 이때 N^-확산영역(303)이 갖는 전압, 즉 피닝전압(Pinning voltage, V_pinning)이 VDD/2 정도가 되도록, N^-확산영역(303)의 농도는 적절히 조절되어 있다. 따라서, 스위치(305)가 온 되었다가 다시 오프(OFF)되는 순간 N⁺확산영역(304), N^-확산영역(303) 및 P-에피층(302)의 전위는 각각 VDD, V_pinning, Ground가 될 것이며, 이때 VDD ＞ V_pinning＞ Ground가 될 것이다. 이에 의해 도면에 도시된 바와 같이, 공핍영역에서 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍중에서 전자는 N^-확산영역(303)을 거쳐 N⁺확산영역(304)에 포획된다. 결국, 종래에는 완전 공핍되는 확산영역(도1의 13)이 전자를 포획하기 때문에 전자를 포획하면 할수록 접합에 걸리는 역바이어스 전압이 감소하므로써 공핍영역 깊이가 줄어들었으나, 도3의 OT PPD는 완전공핍되는 N⁺확산영역(304)이 전자를 지속적으로 포획하여 갖고(Holding) 있는 것이 아니고, N⁺확산영역(304)으로 포획된 전자를 전달하고 있으므로, N⁺확산영역(304)의 전위 VDD만이 점차 감소하여 측면방향으로 공핍영역만이 감소할 뿐, 깊이방향으로 공핍영역의 변화는 전혀 없다.

도4는 도3의 포토다이오드 각 영역에서 발생하는 전위 변화를 나타내는 개략도이다. 도4의 (a)는 스위치(305)가 온 되었다가 다시 오프(OFF)되는 순간 N⁺확산영역(304), N^-확산영역(303) 및 P-에피층(302)의 전압이 각각 VDD-V_noise, V_pinning, Ground인 초기상태를 나타낸다. N⁺확산영역(304)이 초기상태에서 VDD가 아닌 VDD-V_noise값을 갖는 이유는 스위치소자로부터 발생되는 커플링노이즈(coupling noise)와 전하주입노이즈(charge injection noise)를 감안한 것으로, 이에 대한 설명은 이후에 구체적으로 언급될 것이다. 도4의 (b)는 광이 센싱되고 있는 상태로서, N⁺확산영역(304)에 전자가 포획됨에 따라 N⁺확산영역(304)이 Vp1 만큼 떨어지는 것을 보여준다. 도4의 (c)는 어느정도 센싱이 이루어져서 N⁺확산영역(304)이 최초의 VDD-V_noise에서 Vp2 만큼 떨어져 N^-확산영역(303)이 갖고 있던 V_pinning과 동일한 전압인 임계전압을 갖는 상태를 도시한 것이다. 이때부터 N^-확산영역(303)은 피닝(Pinning)이 풀리기 시작하기 때문에 도4의 (c)에 도시된 바와 같이 N⁺확산영역(304)은 N^-확산영역(303)과 함께 전위가 떨어진다.

따라서, 도4에서 설명한 바와 같이, 도3의 OT PPD는, N⁺확산영역(304)의 전위가 V_pinning이 될 때까지 많은 양의 광전하를 모을 수 있고, 이때까지 N^-확산영역(303)은 피닝이 풀리지 않기 때문에 공핍영역 깊이가 줄어들지 않아 생성된 광전하(전자)를 모두 N⁺확산영역(304)으로 전달할 수 있다.

결국, 이러한 본 발명의 원리를 갖는 포토다이오드를 이미지센서에 적용할 경우, 종래의 이미지센서에 비해 월등히 뛰어난 광감도와 해상도를 갖는 이미지센서를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 원리를 갖는 포토다이오드를 CMOS 회로와 함께 CMOS 제조 기술로 집적화하면, 종래의 CMOS 이미지센서 갖는 장점과 아울러광감도와 해상도를 개선할 뿐 아니라, CMOS 이미지센서 단위화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭, 즉 "다이나믹 레인지(dynamic range)"를 극대화 할 수 있다.

이제, 본 발명의 CMOS 이미지센서를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소는, 1개의 온-트랜스퍼 핀드 포토다이오드와(OT PPD)(510)와 3개의 NMOS 게이트(520, 530, 540)로 구성되어 있다. 3개의 NMOS 게이트는, OT PPD에서 생성된 광전하를 리셋시키기 위한 리셋게이트(520)와, 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브게이트(530), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트게이트(540)로 구성된다. 미설명 도면부호 550은 로드(load) 트랜지스터를 나타낸다. 여기서, 리셋게이트(520)는 양의 문턱 전압(Positive Threshold Voltage)으로 인한 전압 강하로 전자가 손실되어 전하 운송 효율이 저하되는 현상을 방지하기 위하여, 음의 문턱 전압을 갖는 네이티브(Native) 게이트로 구성할 수 있다.

도5에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 단위화소는 종래와 대비되어 트랜스퍼게이트를 사용하지 않기 때문에, 단위화소의 단위면적을 감소시켜 이미지센서 고집적화를 가능하게 한다. 또한, 트랜스퍼게이트의 공정상의 오차가 발생함에 의해 단위화소의 동작 특성에 영향을 줄 수 있는 것을 배제할 수 있다.

도6은 도5의 단위화소가 기판 상에 구현된 구성을 나타내는 단면도로이다.OT PPD에 대한 구성요소는 도3과 동일하게 도면부호를 인용하였다. 도6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 단위화소 구성을 살펴본다.

접지전압을 인가받는 P⁺기판(301) 상에 에피택셜 성장된 P-에피층(302)이 형성되어 있는바, P⁺기판(301)은 P-에피층(302) 보다 농도가 매우 높게 형성되어, 기판 깊은 곳에서 형성될 수 있는 광전하의 랜덤 드리프트(Random Drift)에 의한 단위화소간 크로스 토크(Cross Talk) 현상을 방지한다.

P-에피층(302) 내에는 N^-확산영역(303)이 형성되고, P-에피층(302)의 표면 하부와 N^-확산영역(303)의 일부영역 상에는 N⁺확산영역(304)이 형성되며, N⁺확산영역(304)이 형성되지 않은 N^-확산영역(303) 상부와 P-에피층(302)의 표면 하부에는 P⁺확산영역(306)이 형성된다. 또한, 리셋신호 RESET를 인가받는 스위치소자 리셋게이트(610)는 P-에피층(302) 상에 형성되며, 상기 리셋게이트(610)는 N^-확산영역(303)의 에지(303a)와 자신의 일측에지(610a)가 서로 동일한 가상수직선 상에 일치하고, 자신의 일측에지(610a)와 N⁺확산영역(304)과는 소정거리(x)를 두고 수평적으로 떨어져 있다. 리셋게이트(610)의 타측 부위의 P-에피층(302)에는 VDD가 인가되는 N⁺드레인확산영역(620)이 형성된다. N^-확산영역(303)은 리셋게이트가 턴온되었을 때 VDD와 접지전압 사이의 전압에서 완전공핍되고, 완전공핍상태에서 공핍영역에 생성된 광전하를 포획함과 동시에 N⁺확산영역(304)으로 이 포힉된 광전하를 전달한다.

한편, 드라이브게이트(640)와 셀렉트게이트(650)가 형성되는 P-에피층(302)에는 P-웰영역(630)이 형성되어, 이 P-웰영역(630) 내에 드라이브게이트(640)와 셀렉트게이트(650)의 각 소스/드레인이 형성되는바, 이 소스/드레인은 N^-및 N⁺로 구성된 LDD 소스/드레인이다. 또한, 드라이브게이트(640)와 셀렉트게이트(650)의 각 채널영역에는 문턱전압조절을 위한 이온주입등이 수행된다. 따라서, 드라이브게이트(640)와 셀렉트게이트(650)는 통상의 NMOS 트랜지스터로서 양의 문턱전압을 갖는 반면에, 리셋게이트(610)는 채널영역에 문턱전압조절을 위한 이온주입등이 수행되지 않아 음의 문턱전압을 갖는 네이티브 트랜지스터로 이루어지게 된다. 드라이브게이트(640)는 N⁺확산영역(304)에 게이트가 전기적으로 접속되며 자신의 일측접합이 N⁺드레인확산영역(620)에 접속된다. 셀렉트게이트는 드라이버게이트의 타측접합에 자신의 일측접합이 접속되고 자신의 타측접합이 단위화소의 출력단(Output)을 구성한다.

구체적으로, 도6의 작용을 살펴본다.

먼저, 리셋게이트(610)가 온 되면, N^-확산영역(303)은 VDD를 향해 서서히 증가하면서 공핍이 일어나기 시작하며 완전공핍 되었을 때 더 이상 전압이 증가하지 못하는 V_pinning전압을 갖게된다. 물론 V_pinning전압은 VDD와 Ground 사이의 값이 될것이다. 반면에 N⁺확산영역(304)은 리셋게이트가 온된 상태에서 충분히 VDD까지 승압되고, 이 상태에서 N^-확산영역(303)에 존재하던 모든 전하들이 N⁺드레인확산영역(620)으로 빠져나간다.

다음, 리셋게이트(610)가 오프된 상태에서, OT PPD는 광을 센싱하기 시작한다.

한편, 리셋게이트(610)가 오프될 때, 클럭 피드-쓰루(clock feed-through)와 커패시티브(capacitive) 커플링에 의해 N⁺확산영역(304)은 VDD를 유지하지 못하고 VDD-V_noise값을 가지게 되는데, 본 발명에서는 이 V_noise값을 최대한 줄이기 위하여 N⁺확산영역(304)과 리셋게이트(610)가 소정거리(x)를 두고 떨어지게 형성한 것이다. 따라서, 도4에서 설명한 바와 같이, N⁺확산영역(304)이 VDD-V_noise값에서부터 V_pinning전압으로 떨어질 때 까지의 시간을 보다 길게하여 주므로써, OT PPD가 광전하를 선형적으로 모을 수 있는 능력이 보다 커진다. 더욱이 이에 의해 이미지센서의 "다이나믹 레인지(dynamic range)"가 종래의 이미지센서보다 더욱 커져 보다 좋은 해상도를 얻을 수 있다.

이어서, 도7은 도5의 단위화소로부터 CDS(correlated double sampling) 방식으로 출력 데이터를 얻기 위한 제어신호의 타이밍도로서, 이를 통해 본 발명의 단위화소로부터 광전하에 대한 출력 데이터를 얻기 위한 방법을 살펴본다.

종래의 트랜스퍼 게이트를 사용하는 종래의 단위화소는, 트랜스퍼게이트를 오프시키고 리셋게이트를 온시켜 리셋레벨을 먼저 읽어내고, 다시 트랜스퍼게이트를 온시키고 리셋게이트를 오프시켜 센싱노드의 값을 읽는 다음, 이 두 값의 차 값을 구하므로써, 실질적인 광전하에 의한 데이터 값을 얻는 방법을 사용하였다.

그러나, 본 발명은 센싱노드의 값을 먼저 읽은 다음 리셋레벨의 값을 다음에 읽고, 이 두 값의 차를 구하여 광전하에 대한 데이터 값을 얻는 방식을 사용하고 있다.

이를 도7을 통해 구체적으로 살펴보면, 먼저, 완전공핍된 상태에서 OT PPD는 광을 센싱하다가(이때 리셋신호 RESET는 디스에이블된 '로우' 값을 갖는다) 셀렉트신호 Sx가 액티브 '하이'가 되면 해당되는 단위화소가 선택되고 그때까지 센싱된 결과가 단위화소의 출력단(도5의 Output)을 통해 출력되고 리셋신호 RESET가 액티브 '하이'가 되기까지(도7의 1) 센싱노드의 데이터 값을 구한다.

이어서, 단위화소를 어레이 시킬때 발생되는 각종 노이즈(예컨대 Fixed pattern noise 등) 값을 읽기 위하여 리셋신호 RESET를 한번 액티브 시켰다 다시 디스에이블시킨 뒤 리셋시 초기 노이즈 레벨을 구한다(도7의 2). 이후 리셋신호 RESET는 액티브된 상태에서 셀렉트신호 Sx가 디스에이블되면 디스에이블되어 다시 OT PPD가 센싱을 시작하게 된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 별도의 트랜스퍼게이트를 사용하지 않고 포토다이오드에 생성된 광전하로부터의 데이터를 직접 출력하므로, 종래의 이미지센서 보다 각종 노이즈면에서 월등한 잇점을 갖게되어 SNR(signal to noise ratio)에 있어서의 특성 향상을 가져온다. 또한, 하나의 포토다이오드와 3개의 NMOS게이트로 단위화소가 이루어지므로 칩(Chip) 사이즈를 줄일 수 있어 가격 경쟁력 있는 제품을 얻을 수 있고, 트랜스퍼게이트가 존재함에 의한 공정상의 오차에 의해 발생되는 단위화소의 동작 특성 변화를 방지할 수 있다.

그리고, 무엇보다도 이미지센서의 해상도를 결정하는 중요한 요소인 "다이나믹 레인지(dynamic range)"를 더 크게 가져갈 수 있다.

Claims

이미지센서의 단위화소에 있어서,

제1전압을 인가받는 제1도전형의 반도체층;

상기 반도체층 내부에 형성되는 제2도전형의 제1확산영역;

상기 반도체층의 표면 하부와 상기 제1확산영역의 일부영역 상에 형성되는 제2도전형의 제2확산영역;

상기 제2확산영역이 형성되지 않은 상기 제1확산영역 상부와 상기 반도체층의 표면 하부에 형성된 제1도전형의 제3확산영역;

상기 반도체층 상에 형성되며 자신의 일측에지가 상기 제2확산영역과 수평적으로 떨어져 있고 리셋신호를 인가받는 리셋게이트; 및

상기 리셋게이트의 타측에지에 근접한 상기 반도체층의 표면 하부에 형성되며 제2전압을 인가받는 제2도전형의 제4확산영역

을 포함하여 이루어진 이미지센서의 단위화소.
제1항에 있어서,

상기 반도체층 내에 형성된 제1도전형의 웰영역;

상기 웰영역에 형성된 소스/드레인을 가지며 상기 제2확산영역과 전기적 동작적으로 연결된 적어도 하나의 출력트랜지스터를 더 포함하는 이미지센서의 단위화소.
제2항에 있어서,

상기 출력트랜지스터는,

상기 제2확산영역에 자신의 게이트가 전기적으로 접속되고, 자신의 일측접합이 상기 제4확산영역에 접속된 드라이버트랜지스터; 및

상기 드라이버트랜지스터의 타측접합에 자신의 일측접합이 접속되고, 자신의 타측접합이 단위화소의 출력단을 구성하며, 게이트로 단위화소의 어드레싱을 위한 셀렉트신호를 인가받는 셀렉트트랜지스터를 포함하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 제1확산영역은 상기 제1전압과 제2전압 사이에서 완전공핍되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 제1확산영역은 광전하를 포획함과 동시에 상기 포획된 광전하를 상기 제2확산영역으로 트랜스퍼하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 제1확산영역은 상기 제2확산영역 보다 낮은 도펀트 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 반도체층은 자신보다 높은 도펀트 농도를 갖는 제1도전형의 반도체기판 상에 에피택셜 성장된 층인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 제1도전형과 상기 제2도전형은 서로 상보적인 N형 또는 P형인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

상기 이미지센서는 CMOS 제조 기술에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
이미지센서의 단위화소에 있어서,

포토다이오드;

상기 포토다이오드에 직접 연결되어 상기 포토다이오드로부터 광전하를 전달받는 센싱노드;

상기 센싱노드와 공급전원단간에 채널이 형성되고 게이트로 리셋신호를 인가받는 리셋트랜지스터;

상기 센싱노드에 게이트가 접속되고 상기 공급전원단에 소스가 접속되어 소스 팔로워 역할을 하는 드라이브트랜지스터; 및

상기 드라이브트랜지스터의 드레인과 단위화소 출력단에 채널이 형성되고 게이트로 어드레싱을 위한 셀렉트신호를 인가받는 셀렉트트랜지스터

를 포함하여 이루어진 이미지센서의 단위화소.
제10항에 있어서,

상기 포토다이오드는 상기 공급전원과 접지전원 사이의 전압에서 완전공핍되는 제1확산영역을 포함하며, 상기 센싱노드는 상기 제1확산영역에 직접 접속된 제2확산영역으로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
제10항 또는 제11항에 있어서,

상기 리셋트랜지스터는 음의 문턱전압을 갖는 네이티브 엔모스트랜지스터이고, 상기 드라이브트랜지스터 및 셀렉트트랜지스터는 양의 문턱전압을 갖는 엔모스트랜지스터로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
광전하를 포획하는 동시에 센싱노드로 광전하를 전달하는 온-트랜스퍼 포토다이오드를 갖는 이미지센서의 단위화소로부터 데이터를 독출하기 위한 방법에 있어서,

상기 포토다이오드에 공핍영역을 형성하고 광전하를 생성하는 동시에 상기 광전하를 상기 센싱노드로 전달시키는 제1단계;

상기 제1단계가 완료된 상기 센싱노드로부터 제1 전기적신호를 얻는 제2단계;

상기 제2단계가 완료된 상기 센싱노드를 리셋시키고, 리셋된 상기 센싱노드로부터 제2 전기적신호를 얻는 제3단계; 및

상기 제1 및 제2 전기적 신호의 차이를 구하여 실질적인 광전하에 대한 데이터를 구하는 제4단계

를 포함하여 이루어진 온-트랜스퍼 포토다이오드를 갖는 이미지센서 단위화소의 데이터 독출 방법.