KR100460760B1 - 암전류 특성과 필팩터를 향상시킨 시모스 이미지센서의단위화소 - Google Patents

암전류 특성과 필팩터를 향상시킨 시모스 이미지센서의단위화소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시모스 이미지센서의 단위화소에서 리셋 트랜지스터와 드라이브 트랜지스터를 변경하여 전자의 제거효율을 향상시킴과 동시에 필팩터를 크게 향상시킨 발명으로, 이를 위한 본 발명은 CMOS 이미지센서의 단위화소에 있어서, 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 전원전압단과 상기 포토다이오드 사이에 형성되어 상기 포토다이오드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅확산영역; 상기 포토다이오드와 상기 플로팅확산영역 사이에 형성되어 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 상기 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 플로팅확산영역으로부터 전기적 신호를 검출하기 위해, 상기 플로팅확산영역의 일측에 접하여 형성되되, 게이트단과 드레인단 및 상기 플로팅확산영역은 버팅콘택된 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터의 일측에 형성되되, 그 드레인단과 상기 드라이브 트랜지스터의 소오스단을 공유하며 형성된 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.

Description

암전류 특성과 필팩터를 향상시킨 시모스 이미지센서의 단위화소{Unit Pixel with improved fill factor and dark signal property in cmos image sensor}
본 발명은 시모스(CMOS) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 리셋 트랜지스터(Reset Transistor)와 드라이브 트랜지스터(Drive Transistor)를 변경하여 포토다이오드에 존재하는 전자의 제거효율을 높임과 동시에 필팩터(fill factor)를 향상시킨 발명이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.
도1a는 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된 단위 화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드와, 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터 (Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 포토다이오드에 전하축전(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역(FD)은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하축전된다.
그후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(OFF)시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 제1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼(미도시)에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드의 전하들을 플로팅 확산영역으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 제2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1- V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
이러한 구성을 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서, 포토다이오드에 축전된 광전하를 읽어내는 동작을 수행하기 전에, 리셋 트랜지스터를 이용하여 포토다이오드를 리셋시키는 동작을 수행하게 된다.
즉, 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터를 차례로 턴온시켜서 포토다이오드내에 존재하는 자유전자를 제거하는 리셋 동작을 수행하는데, 이는 잡음성분을 제거하여 보다 정확한 이미지 값을 얻기 위해서이다.
도1a에 도시된 종래구조의 단위화소에서 이러한 리셋 동작시에 포토다이오드에 존재하는 자유전자를 끌어당기는 힘은 전원전압(VDD) 에 의해 좌우되는데, 전원전압에서 소정의 전압을 감한 전압이 최종적으로 포토다이오드에 인가되는 전자를 제거하는데 사용된다.
즉, 포토다이오드에 최종적으로 인가되는 전압(VFD)은
VPD= VDD- ( VTX+ VFD+ VRX) = 3.3 - (i ×RTX+ i ×RFD+ i ×RRX) 이다.
여기서, RTX는 트랜스퍼 트랜지스터가 형성된 웰(well)의 저항이며, RFD는 플로팅확산영역의 저항, RRX는 리셋 트랜지스터가 형성된 웰(well)의 저항이다.
이와 같이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는데 사용되는 전압은 전원전압이 다 사용되지 못하고 전원전압에서 (VTX+ VFD+ VRX)만큼 감소된 전압이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는데 사용된다.
즉, 종래와 같은 단위회소 구조에서는 포토다이오드와 플로팅확산영역에 남아있는 잔여 전자를 제거하는데 사용되는 전압이 전원전압보다 감소함에 따라, 잔여전자로 인한 암신호가 유발될 가능성이 높아지는 문제가 있다.
도1b는 종래의 시모스 이미지센서의 단위화소에서 드라이브 트랜지스터의 게이트 입력전압(Vg)에 따른 출력전압(Vout)의 변화를 도시한 그래프로서, 드라이브 트랜지스터의 게이트 입력이 0.7volt 이상인 구간에서 드라이브 트랜지스터가 턴온되어 선형적인 기울기를 갖는 전압을 출력하고 있음을 도시하고 있다.
포토다이오드에서 생성된 광전하가 트랜스터 트랜지스터를 거쳐서 플로팅확산영역으로 전달되고, 이 전하가 드라이브 트랜지스터의 게이트에 입력되면, 이에 따라 드라이브 트랜지스터의 출력이 변화하게 된다. 즉, 포토다이오드에서 생성된 광전하에 의해 이미지에 대한 정보를 갖는 신호가 출력되는 것이다.
도1c는 종래의 드라이브 트랜지스터의 회로적인 연결상태와 이에 상응하는 단면구조를 도시한 도면으로, 기판(10)상에 형성된 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(11)과 게이트 폴리실리콘의 측벽에 형성된 스페이서(12)와 소오스/드레인 영역(13)과 게이트 폴리실리콘을 포함하는 기판 상에 형성된 층간절연막(14)과게이트를 상부 도전체와 콘택시켜 주는 텅스텐 플러그(16) 및 배리어 메탈(15)이 도시되어 있다.
도1c를 참조하면 종래에는 드라이브 트랜지스터의 게이트에 연결된 텅스텐 플러그(16)는 드라이브 트랜지스터의 드레인/소오스 영역(13)과는 절연되어 있는 일반적인 콘택구조를 적용하고 있는데, 이러한 구조는 점점 더 미세화되고 있는 단위화소에서 적지않은 면적을 차지하고 있다.
또한. 도1d는 종래의 구조를 갖는 단위화소의 레이아웃을 보인 도면으로 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리실리콘이 도시되어 있다. 이를 참조하면, 포토다이오드 (101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102)이 포토다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.
플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 레이아웃되며, 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 일측과 접하게 된다.
리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 타측은 드레인영역(105)과 접하여 형성되고 드레인영역(105)은 X축 방향에서 Y축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)과 접하게 된다.
이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 사이 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107, 109)이 형성된다.
이와 같이 구성된 종래의 단위화소의 레이아웃에서 플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터(102)와 리셋 트랜지스터(104) 사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)은 콘택을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.
필팩터는 단위화소의 전체면적중에서 포토다이오드가 차지하는 면적의 비율을 나타내는데 이 요소는 이미지센서의 성능에 관계되는 중요요소 중의 하나이다.
종래구조의 단위화소에서 필팩터를 계산하여 보면, 단위화소의 사이즈 = 7.85 ×8 = 62.8㎛2이고, 포토다이오드의 사이즈는 4.2 ×4.2 = 17.64㎛2로서 필팩터는 17.64 ÷62.8 = 0.281 (28.1％)로서 필팩터가 그리 크지않음을 알 수 있다.
필팩터가 크다는 것은 빛을 받아들여 전기적인 신호로 바꿀 수 있는 능력이 더 크다는 것으로, 필팩터가 크면 클수록 단위화소의 출력전압의 변화폭이 커진다는 것을 의미한다. 즉, 시모스 이미지센서의 다이내믹 레인지가 증가하는 것이다.
종래와 같은 구성을 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서는 필팩터가 작아서 보다 정확한 이미지 재현에 적합하지 않은 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토다이오드내의 전자의 제거효율을 높임과 동시에 필팩터를 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도1a는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,
도1b는 종래기술에 따른 드라이브 트랜지스터에서 입출력 전압관계를 도시한 그래프,
도1c는 종래기술에 따른 드라이브 트랜지스터의 구성과 콘택을 도시한 도면,
도1d는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서 단위화소의 레이아웃을 도시한 도면,
도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,
도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 트랜지스터에서 입출력 전압관계와 종래기술에 따른 드라이브 트랜지스터의 입출력 전압관계를 함께 도시한 그래프,
도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 트랜지스터의 회로와 버팅 콘택을 도시한 도면,
도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 단위화소의 레이아웃을 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20 : 기판
21 : 게이트전극
22 : 스페이서
23 : 소오스/드레인 영역
24 : 층간절연막
25 : 배리어 메탈
26 : 텅스텐플러그
201 : 포토다이오드
202 : 트랜스퍼 트랜지스터
203 : 플로팅확산영역
204 : 리셋 트랜지스터
206 : 드라이브 트랜지스터
208 : 셀렉트 트랜지스터
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, CMOS 이미지센서의 단위화소에 있어서, 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 전원전압단과 상기 포토다이오드 사이에 형성되어 상기 포토다이오드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅확산영역; 상기 포토다이오드와 상기 플로팅확산영역 사이에 형성되어 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 상기 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 플로팅확산영역으로부터 전기적 신호를 검출하기 위해, 상기 플로팅확산영역의 일측에 접하여 형성되되, 게이트단과 드레인단 및 상기 플로팅확산영역은 버팅콘택된 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터의 일측에 형성되되, 그 드레인단과 상기 드라이브 트랜지스터의 소오스단을 공유하며 형성된 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결하여 포토다이오드에 인가되는 전압이 감소되는 것을 방지하여 전자제거효율을 높임과 동시에 드라이브트랜지스터의 구조를 변경하여 필팩터를 향상시킨 발명이다.
보다 상세하게는, 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결하되, 리셋 트랜지스터에 연결되는 전원전압 콘택을 포토다이오드 내에 형성하여 필팩터를 크게 향상시키며 또한, 버팅콘택(Butting contact)을 이용하여 드라이브 트랜지스터의 게이트단과 드레인단을 연결하여 레이아웃 면적을 줄임으로써 필팩터 향상에 이바지 한 것이다.
드라이브 트랜지스터를 형성할 때, 전술한 바와 같이 게이트와 드레인을 서로 연결하는 버팅콘택을 이용하면, 드라이브 트랜지스터의 드레인에 연결되는 전원전압단이 필요치 않으므로 종래에 전원전압단을 콘택하기 위한 액티브 영역이 필요없게 되어 레이아웃 면적을 감소시킬 수 있다.
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 설명한다.
도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도로서 이를 참조하여 설명하면, 리셋 트랜지스터의 배치와 드라이브 트랜지스터의 구조가 종래기술과 상이하고 다른 부분은 종래기술과 유사하다.
즉, 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소는 빛을 받아 광전하를 생성, 축적하여 이미지재현에 사용하는 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 포토다이오드에 연결되어 포토다이오드와 플로팅확산영역의 전자를 배출하는 리셋동작을 수행하는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 플로팅확산영역의 전압에 따라 이미지 정보를 출력하되 게이트단과 드레인단이 연결된 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(부하저항)가 형성되어 있다.
이러한 구조를 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서 리셋동작에 대해 살펴보면, 리셋 트랜지스터만을 턴온시키면 포토다이오드에 존재하는 전자들은 전원전압()에 의해 제거되는데 최종적으로 포토다이오드에 인가되는 전압(VPD)은
VPD= VDD- ( VRX) = 3.3 - (i ×RRX) 이다.
즉, 종래기술에서 포토다이오드에 인가되는 전압 (VDD- ( VTX+ VFD+ VRX)) 보다 큰 전압 (VDD- ( VRX))이 포토다이오에 인가되고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 리셋 동작시에 포토다이오드(PD)로 인가되는 전압이 증가함에 따라 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는 효율이 증대하게 되며, 이는 암전류를 보다 효율적으로 제거하여 보다 정확한 이미지 데이터 처리가 가능해진다.
암전류란 빛이 전혀 없는 상태에서도 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로 이동하는 전자에 의해 생성되는데, 리셋동작시에 포토다이오드에 존재하는 전자를 많이 제거하여 잔여전자의 농도를 감소시킬수록 암전류는 감소한다.
도2b는 게이트단과 드레인단이 연결된 드라이브 트랜지스터에서 게이트 입력전압(Vg)에 따른 출력전압(Vout)의 변화를, 종래의 입출력 그래프와 함께 도시한 그래프로서, ①번 그래프는 종래의 드라이브 트랜지스터의 출력전압을 도시한 그래프이고 ②번 그래프는 본 발명의 일실시예 따른 드라이브 트랜지스터의 출력을 도시한 그래프이다.
본 발명의 일실시예에서는 드라이브 트랜지스터의 게이트와 드레인을 서로 연결하였기 때문에, 게이트 입력(Vg)에 따른 출력(Vout)은 ②번 그래프와 같다. 보다 상세히 설명하면, 입력전압이 작은 구간에서는 입력전압의 변화(ΔVg)에 따른 출력전압의 변화(ΔV')가 종래의 ①번 그래프(ΔV) 보다 작다.
본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 트랜지스터는, 게이트로 입력되는 입력전압에 대한 출력전압의 변화폭이 적은 단점이 있는데 이러한 단점은 외부 회로에 증폭기를 구비하면 이미지 재현에는 큰 문제는 없을것으로 예상된다.
즉, 버팅콘택을 사용함으로써 필팩터를 증가시킬 수 있는 반면에, 생길 수 있는 이러한 단점은 외부에 증폭기를 구비하면 해결할 수 있다.
도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 트랜지스터의 회로적인 연결상태와 이에 상응하는 단면구조를 도시한 도면으로, 기판(20)상에 형성된 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(21)과 게이트 폴리실리콘의 측벽에 형성된 스페이서(22)와 소오스/드레인 영역(23)과 게이트 폴리실리콘을 포함하는 기판 상에 형성된 층간절연막(24)과 게이트를 상부 도전체와 콘택시켜 주는 텅스텐 플러그(26) 및 배리어 메탈(25)이 도시되어 있다.
도2c를 참조하면 드라이브 트랜지스터의 게이트에 연결된 텅스텐 플러그(26)는 드라이브 트랜지스터의 드레인영역(23)과는 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 전원전압단과 드레인단을 연결하기 위한 액티브 영역이 따로 필요치 않아 레이아옷 면적을 감소시킬 수 있는데, 이러한 구조는 점점 더 미세화되고 있는 단위화소에서 필팩터 향상에 이바지 할 수 있다.
또한. 도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 단위화소의 레이아웃을 보인 도면으로 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리실리콘이 도시되어 있다. 이를 참조하면, 포토다이오드(201)는 정방형을 이루면서 단위화소의 아래부분에 크게 형성되어 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(202)이 포토다이오드(201)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.
트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(202)의 타 측면에는 드라이브 트랜지스터의 드레인영역(203)이 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 레이아웃되어 있으며, 버팅콘택(300)이 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(206)과 드레인영역(203)을 서로 전기적으로 연결하고 있다. 본 발명의 일실시예에서는 드라이브 트랜지스터의 드레인영역(203)이 전원전압단과 연결되어 있지 않으므로, 전원전압 콘택을 형성하기 위한 액티브 영역이 추가로 필요치 않음은 전술한 바와 같다.
이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(208)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(206)과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(208) 사이 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(207, 209)이 형성된다.
리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)은 포토다이오드(201)의 아래부분에 접하여 형성되되, 전원전압 콘택(205)을 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)이 둘러싸면서 형성된다.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 리셋 트랜지스터의 드레인에 연결되는 전원전압콘택을 별도의 액티브영역에 형성하지 않고 포토다이오드 내에 형성하고 폴리실리콘으로 상기 전원전압 콘택을 전기적으로 절연하였다.
도2d를 참조하면 종래의 레이아웃에 비하여 포토다이오드(201)가 단위화소의 아래부분 절반이상을 차지하고 있음 알 수 있다. 이렇게 포토다이오드의 크기를 크게 할 수 있는 것은, 리셋 트랜지스터의 일측단에 연결된는 전원전압 콘택을 포토다이오드내에 형성하였기 때문이다. 즉, 전원전압 콘택을 형성하기 위한 별도의 액티브 영역이 필요없기 때문에 그러한 잉여공간이 포토다이오드 면적 증가에 기여하는 것이다.
본 발명에서는 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)을 이용하여, 전원전압 콘택(205)과 포토다이오드(201)를 전기적으로 절연시키기는 했지만, 전원전압 콘택에 전원전압이 인가되었을 때, 포토다이오드내로 전자가 침투해 들어갈 수 있다.
이렇게 포토다이오드 내부로 침투한 전자는 암전류나 잡음을 유발하는 성분이 될 수도 있는데, 이와 같은 문제점은 공정상의 제어로 극복할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에서는 포토다이오드의 크기가 매우 크므로 포토다이오드의 n형 불순물영역을 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘과 이격시켜서 형성하면 전자의침투를 방지할 수 있다.
일반적으로 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드는 n형 불순물영역상에 형성된 p형 불순물영역이 서로 수직적 접합을 이루어 형성되는데, 본 발명의 일실시예에서는 n형 불순물영역을 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)과 거리를 두고 이격시켜서 형성함으로써 전자의 침투를 방지할 수 있다. 즉, 전자가 전원전압단에서 포토다이오드로 넘어오는 동안, 재결합(recombination)등이 일어나 전자가 소멸할 수 있도록 완충지대를 형성해 놓는 것이다.
n형 불순물영역을 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)과 거리를 두고 이격시켜서 형성하게 되면 포토다이오드의 면적이 감소하는데, 본 발명의 일실시예에서는 포토다이오드의 크기가 워낙 커졌기 때문에, 이와같은 포토다이오드 면적의 감소은 필팩터의 증가에 큰 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 일실시예에서 단위화소의 사이즈 = 9.15 ×8.65 = 79.1㎛2이고 포토다이오드의 사이즈는 8.35 ×5.0 = 41.75㎛2로서 필팩터는 41.75 ÷79.1 = 0.538 (53.8％) 이다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 레이아웃을 적용하면 종래에 비해 필팩터가 약 25％ 정도 증가하게 된다.( 28.1％ 에서 53.8％로 증가. )
본 발명은 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결하여 리셋 동작시에 자유전자을 제거효율을 높여 암전류 발생가능성을 감소시켰으며, 리셋 트랜지스터의 드레인영역에 접하는 전원전압콘택을 포토다이오드내에 형성함으로써 필팩터를비약적으로 증가시켰다. 또한, 드라이브 트랜지스터의 구조에 버팅콘택을 적용하여 필팩터 증가에 이바지하였다.
본 발명의 일실시에에서는 버팅콘택을 적용한 드라이브 트랜지스터를 사용하였자만 통상적인 드라이브 트랜지스터를 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하면 리셋동작에서 전자의 제거효율을 증대시켜 암전류를 감소시킴으로써 보다 정확한 이미지재현이 가능해지며, 또한 단위화소의 회로변경으로 레이아웃이 변경되어 종래보다 필팩터가 비약적으로 증가하므로 시모스 이미지센서의 다이내믹 레인지가 증가하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. CMOS 이미지센서의 단위화소에 있어서,
    외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드;
    전원전압단과 상기 포토다이오드 사이에 형성되어 상기 포토다이오드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터;
    상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅확산영역;
    상기 포토다이오드와 상기 플로팅확산영역 사이에 형성되어 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 상기 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 플로팅확산영역으로부터 전기적 신호를 검출하기 위해, 상기 플로팅확산영역의 일측에 접하여 형성되되, 게이트단과 드레인단 및 상기 플로팅확산영역은 버팅콘택된 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터의 일측에 형성되되, 그 드레인단과 상기 드라이브 트랜지스터의 소오스단을 공유하며 형성된 셀렉트 트랜지스터
    를 포함하여 이루어지는 시모스 이미지센서의 단위화소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리셋 트랜지스터에 연결된 전원전압단은 포토다이오드 내에 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 단위화소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포토다이오드내에 형성된 전원전압단은 상기 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘에 의해 전기적으로 절연된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 단위화소.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리셋트랜지스터의 소오스단과 상기 포토다이오드는 서로 공유되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 단위화소.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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