KR100549385B1 - Cmos 촬상소자 - Google Patents

Abstract

CMOS 촬상 소자는 감광성 영역에 인접하게 위치한 FET에 결합된 감지 노드를 구비한 포토다이오드 또는 포토게이트 등의 감광성 장치를 포함한다. 연산 증폭기의 차동 입력쌍을 형성하는 또다른 FET가 픽셀 어레이의 외부에 배치된다. 연산 증폭기는 단일 이득을 갖도록 구성되어 입력 FET의 로우나 컬럼이 병렬로 연결된다. 상관 이중 샘플러는 연산 증폭기의 출력에 연결되어 고정 패턴 잡음이 없는 신호를 제공한다.

Description

ＣＭＯＳ 촬상 소자{A CMOS IMAGING DEVICE}

본 발명은 개괄적으로 고체 촬상 소자(imager)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 소형의 고성능 픽셀을 포함하는 CMOS 촬상 소자에 관한 것이다.

능동 픽셀은 광화상(optical image)을 전자 신호로 변환시킬 수 있는 반도체 소자이다. 능동 픽셀은 매트릭스로 배치되어, 비디오 카메라용 비디오 신호를 발생시키는데 이용될 수 있고 입사 광선을 정량화할 필요가 있는 경우나 정지 사진에도 이용될 수 있다. 입사 광선이 포토사이트(photosite)와 상호 작용할 경우, 전하 캐리어가 해방되고 또한 감지를 위해 수집될 수 있다. 포토사이트에서 수집된 캐리어의 수는 소정의 시간 안에 포토사이트에 충돌하는 입사광의 양을 나타낸다.

포토사이트에서 전하 캐리어를 수집하고 감지하는데 사용되는 2개의 기본적인 소자가 있으며, 그 소자에는 많은 변종이 있다. 이 2개의 기본적인 소자는 포토다이오드와 포토게이트이다. 포토다이오드의 변종에는 핀형, P-I-N, 금속반도체, 헤테로접합 및 애발란치(Avalanche)가 있으며, 이것에 한정되지는 않는다. 포토게이트 구조에는 전하 결합 소자(Charge Couple Devices, CCD), 전하 주입형 소자(Charge Injection Devices, CID) 및 이들의 변종이 있으며, 이 변종에는 가상 위상, 매설 채널, 및 선택적 도펀트를 이용한 기타 변형이 포함된다. 선택적 도펀트는 전하 수집과, 포토게이트와 감지 노드의 하방과 그 사이로의 전하 이동을 제어하기 위해 사용된다.

지금까지 고체 촬상 소자로서 주로 CCD를 사용하고 있는데, 그 이유는 CCD가 포토다이오드와 CID에 비해서 잡음이 적기 때문이다. CCD 촬상 소자의 저잡음 특성에 의해, 픽셀 사이트에서 빛에 의해 발생된 전하를 수집한 후, 실제 전하를 어레이 주변부에 있는 증폭기에 결합시키거나 시프트시킬 수 있다. 따라서, 연관된 저항성 및 용량성으로 신호를 열화시키는 길이가 긴 폴리실리콘과 금속 버스가 필요없게 된다. 그러나, CCD의 저잡음성을 얻기 위해서, 촬상 소자는 고정 포맷으로 판독되어야 하며, 일단 판독된 전하는 파괴된다. 픽셀로부터 수집된 광자 전하를 주변 증폭기(CTE라고도 부름)에 결합시키기 위해서는 CMOS 또는 BiCMOS의 산업 표준 공정에 맞지 않는 독자적인 공정 단계가 필요하다.

고체 촬상 소자는 CMOS 기술과 병행하여 개발되었고, 그 결과 대부분의 촬상 소자 제조업자들은 촬상 소자의 성능 특성과 웨이퍼 생산을 최대화하기 위해 그들 자신의 독자 공정을 개발하였다. 전문화된 실리콘 웨이퍼 처리로 인해 촬상 소자의 가격은 비교적 높은 편이다. 선형 능동 픽셀 센서는 1985년부터 상업적으로 생산되고 있다. 90년대 초부터, 독자 공정을 산업 표준 CMOS 공정으로 전환하려는 움직임이 시작되었다. 산업 표준 공정을 사용함으로써 경쟁적인 웨이퍼 처리 가격 및 칩 타이밍에 맞춰서 전자 소자를 제어하고 처리하는 특성을 비롯한 잇점들을 얻을 수 있다. 1992년 말부터, 컬럼마다 전치 증폭기와 CDS를 구비하는 512 ×512 CMOS 호환성의 CID 촬상 소자가 제조되고 있다. 촬상 소자는 랜덤 액세스 512 ×512 CMOS로서 동작될 수도 있지만, 모든 컬럼을 종합하여 선형 능동 픽셀 센서로서도 동작될 수 있다.

미국 특허 제5,471,515호에 개시되어 있는 능동 픽셀을 이용하는 영역 어레이에 있어서, 포토다이오드 또는 포토게이트가 출력 소스 팔로워(follower) 증폭기에 결합되고, 이 출력 소스 팔로워 증폭기가 CDS(Correlated Double Sampling) 회로를 구동시키고, CDS 셀의 2개의 출력이 2개 이상의 소스 팔로워를 구동하고 이어서 차동 증폭기에 공급된다. 이 어레이는 소스 팔로워 증폭기를 사용하는데, 소스 팔로워는 통상적으로 이득이 1 미만이며 소스 팔로워마다 이득이 다르다. 소스 팔로워의 이득 변동은 FET의 임계값의 변화에 기인한다. 소스 팔로워의 이득 변동은 픽셀간의 이득 부정합을 초래한다. 또한 CDS가 소스 팔로워쌍을 사용하여 그 출력을 구동할 경우, 능동 픽셀 센서는 컬럼마다 존재하는 CDS 회로에 의해 이득 변동의 영향을 받는다. 그 결과 형성된 CDS 신호와 그 대응 오프셋은 차동 증폭기에 의해 정정이 불가능한 상이한 이득을 초래한다. 또한, 능동 픽셀의 소스 팔로워 구성은 픽셀의 비닝(binning)을 고려하지 않는다.

종래 기술의 동작의 전압 모드는 한번에 2개 이상의 픽셀 신호를 가산하는 비닝을 고려하지 않는다.

따라서, CCD의 잡음이 적고, 랜덤 액세스가 가능하고, CID의 비닝이 가능하며, 모든 픽셀로부터 일정한 이득과 응답을 갖는 촬상 소자가 필요하다.

도 1은 종래의 이중 폴리 실리콘 능동 픽셀 센서를 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 능동 컬럼 센서를 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 픽셀의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는 능동 컬럼 센서를 구성하는 픽셀마다의 완전 연산 증폭기를 결합하도록 연결된 픽셀 매트릭스를 도시하는 도면이다.

도 2에 도시하는 본 발명의 능동 컬럼 센서(Active Column Sensor, ACS) 회로를 이하에서 설명하겠지만, 그 전에 도 1에 도시하는 종래 기술의 전형적인 이중 폴리실리콘 능동 픽셀 센서 구조를 설명하겠다.

본 명세서에서 설명하는 픽셀과 픽셀 어레이는 모노리식 반도체 기판에 형성된다는 것을 명심해야 한다. 픽셀과 픽셀 어레이는 또한 초점면(focal plane) 어레이이다.
도 1에 있어서, 각 픽셀(50)은 소스 팔로워로 구성된 출력 FET를 구비한 포토사이트(60)를 포함한다. 소스 팔로워(53)는 CDS(Double Sampled Circuit, 55)와 같은 연속적인 신호 처리기를 구동시키기 위해 사용된다. 소스 팔로워(53)의 이득은 1 미만이다. 픽셀 사이트(50)에 위치하는 소스 팔로워가 소정의 이득을 갖는 경우에, 동일한 컬럼에 있는 다른 픽셀 및 이들 각각의 소스 팔로워는 동일한 이득을 가질 수도 혹은 안 가질 수도 있다. 이 기술은 어레이 내의 모든 FET가 동일한 임계값을 갖게 하는 웨이퍼 처리에 의존한다. 동작 중에, 선형 능동 픽셀 어레이에서 FET 임계값이 100 ㎷씩 변하는 것은 드문 경우가 아니다.

종래 기술의 능동 픽셀(50)은 빛에 의해 생성된 전하를 소스 팔로워(53)의 게이트(56)에 연결되어 있는 부동 확산 노드(52)로 결합시키는데 사용되는 트랜스퍼 게이트(62)와 포토게이트(60)를 포함한다. 출력 FET(53)의 드레인은 전원 공급 레일(VDD)에 직접 연결된다. 소스 팔로워 출력 FET는 로우(row) 액세스 FET(58)의 소스(56)에 연결된다. 로우 액세스 FET(58)가 선택되어 판독될 경우, FET(58)가 턴온되고, 출력 FET(53)가 부하(18)에 연결되어 CDS 회로(55)를 직접 구동한다.

도 2는 종래 기술에서의 픽셀간 임계값의 변동을 없애는 본 발명에 따른 픽셀(12)을 도시하고 있다. 로우 또는 컬럼에 있는 모든 픽셀(12)은 평행하게 배치되지만, 도면에는 간단하게 단 하나의 FET만 도시하고 있다. 소정의 감광성 소자(10)로 구성될 수 있는 픽셀(12)은 FET(15)에 결합되어 판독 회로로부터 픽셀을 격리시킨다. FET 15는 FET 24를 포함하는 연산 증폭기(30)의 차동 입력쌍 중 하나의 FET이다. 간단히 하기 위해, 도 2의 증폭기 회로(30)는 정피드백 단위 이득 증폭기로서 구성하였다. 피드백 경로(32)는 증폭기(30)의 출력을, 도 2의 경우에서 FET(24)의 게이트인 입력(17)에 연결한다. 증폭기(30)는 필요한 응용 분야에 따라, 완전 차동 입력 또는 소정의 연산 증폭기 구성과 이득을 갖도록 구성될 수 있다. 증폭기(30)의 고정 이득에 의해 종래의 이득 변동이 없어진다. 단위 이득 증폭기의 출력은 비디오내의 임의의 고정 패턴을 제거하기 위해 사용되는 CDS에 연결된다.

FET(22)를 포함하는 전류원(20)의 소스는 전원(VDD)에 연결되고, 드레인은 차동 입력 FET(15, 24)의 소스에 연결된다.

입력 FET(15, 24)의 드레인은 FET(26, 28)로부터 형성된 전류 미러(mirror)에 연결된다. FET(26, 28)의 게이트는 서로 연결되어 입력 FET(15)의 소스에 연결된다. FET(26, 28)의 소스는 부전원(VCC)에 연결된다.

FET(24)의 소스(30)는 차동쌍의 출력이고 CDS(34)에 연결된다.

입력 FET(15)는 필요한 응용 분야에 따라 N채널 FET 또는 P채널 FET일 수 있다. 픽셀(10)은 포토게이트 또는 포토다이오드가 될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시하는 능동 컬럼 센서의 픽셀(12)을 상세하게 도시하고 있다. 이 구성에는 포토게이트(70)를 사용한다. 감지 노드(72)의 선택 및 리셋은 FET(76)에 의해 제어된다. 포토게이트와 감지 노드는 모두 폴리실리콘층을 포함하는 것이 좋다. 이 능동 컬럼 감지 픽셀은 도 1의 종래 기술에 있어 개별적인 선택/액세스 FET(58)를 필요로 하지 않는다. 전체 바이어스 신호 및 제어 신호는 픽셀 어레이의 주변부에서 공급된다.

픽셀은 다음과 같이 동작할 수 있다. N형 기판을 사용하며, 기판은 최대 정전위, 예컨대 5.0 V로 바이어스된다. 폴리실리콘층이면 좋은 포토게이트(70)는 집적 레벨(예컨대, 0.0 V)로 바이어스된다. 포토게이트(70)의 아래에 있는 영역(80)은 공핍 상태가 되고 빛이 중간 부분에 충돌할 때, 빛에 의해 발생된 캐리어를 수집한다(집적한다). 포토게이트(72)는 5.0 V로 바이어스되는데, 기판에서와 동일한 전위로 바이어스되기 때문에 집적 중에는 빛에 의해 발생된 캐리어를 수집할 수 없을 것이다. 포토게이트(72)는 리셋/선택 제어 신호로 제어 FET(76)를 선택함으로써 바이어스된다. 이러한 구성에서, 제어 FET(76)는 기판에 대해 부신호, 예컨대 0.0 V에서 결정되는 P채널 FET이다. 집적 FET(76)가 선택되는 동안에, 포토게이트는 5.0 V의 리셋/선택 바이어스로 바이어스된다. 소정의 집적 시간 후에, 픽셀이 판독된다.

픽셀 판독은 다음과 같은 방식으로 이루어지는 것이 좋다. 리셋/선택 제어는 2.5 V에서 변화되어 포토게이트(72) 아래의 영역을 공핍 상태가 되게 하여 배경 레벨이 판독된다. 리셋/선택 FET(76)는 리셋/선택 제어를 5.0 V로 설정함으로써 턴오프된다. 포토게이트(70)는 그 전위, 이 예에서는 5.00 V가 제거된다. 신호 판독은 빛에 의해 발생되어 수집된 전하가 포토게이트(70)의 아래에 있는 영역에서 포토게이트(72)의 아래에 있는 영역으로 이동할 때 일어날 것이다. 빛에 의해 발생되어 이동한 전하는 수집된 양에 따라 입력 FET(15)의 게이트를 변조한다.

고정 패턴 잡음(FPN, Fixed Pattern Noise)은 CDS 회로(34)를 사용하여 비디오 정보로부터 제거될 수 있다. CDS 회로에 인가되는 첫번째 샘플링은 배경 레벨이다. 이어서 신호 정보가 CDS에 인가된다. 2개 신호의 차는 고정 패턴 잡음이 없는 신호를 제공한다.

도 4는 본 발명에 따른 픽셀 어레이를 개략적으로 도시하는 도면이다. 복수개의 픽셀(90a, 90b, 90c)은 어레이의 제1 컬럼을 구성하고, 유사한 컬럼(92a∼92c, 94a∼94c)들이 어레이를 완성한다. 각 컬럼내에서, 픽셀은 그 출력 FET와 병렬로 연결되고, 그 조합은 연산 증폭기(30)의 차동 입력쌍 중 제1 입력을 형성한다. 나머지 부분에 있어서, 증폭기(30a, 30b, 30c)는 도 2와 동일하다. 각 증폭기(30)는 각 CDS(34a, 34b, 34c)에 연결된다. CDS(34a, 34b, 34c)의 출력은 컬럼 선택 스위치(96a, 96b, 96c)를 통해 연결되고, 그 공통 단자는 출력 버퍼(98)에 연결되며, 출력 버퍼는 소스 팔로워가 되거나 특정 응용 분야에서 필요로 하는 훨씬 더 복잡한 신호 처리기가 될 수 있다.

삭제

Claims (21)

1. 로우축과 컬럼축으로 된 초점면 촬상 픽셀(12) 어레이가 주변부내에 형성된 촬상 소자로서, 상기 픽셀(12)의 각각은 입사 광선을 전하로 변환시키는 영역을 포함하는 것인 상기 촬상 소자에 있어서,

   복수개의 단일 차동 입력 증폭기(30)를 포함하며, 각 증폭기(30)는 상기 주변부내에 있는 복수개의 픽셀(12) 각각에 하나씩 위치하는 복수개의 제1 입력 트랜지스터(15)와, 상기 어레이의 주변부 외부에 위치하고 상기 제1 입력 트랜지스터(15)에 연결되어 피드백 루프를 형성하는 제2 입력 트랜지스터(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 증폭기(30)는 로우(row) 증폭기인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 증폭기(30)는 컬럼(column) 증폭기인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
4. 제1항에 있어서, 컬럼에 있는 픽셀(12)의 상기 복수개의 제1 입력 트랜지스터(15)는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 제1 입력 트랜지스터(15)는 FET인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
6. 제1항에 있어서. 각 픽셀(12)에 있는 선택 트랜지스터와, 상기 어레이의 주변부 외부에 위치하고 상기 선택 트랜지스터에 연결되며 상기 증폭기와의 연결을 위해 상기 픽셀(12)을 선택하거나 또는 선택 해제하기 위한 제어 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 제어 신호 발생기는 상기 증폭기와의 연결을 위해 컬럼내에서 2개 이상의 픽셀(12)을 동시에 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
8. 제1항에 있어서, 상기 픽셀(12) 어레이는 모노리식 반도체 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
9. 제1항에 있어서, 상기 증폭기(30)는 피드백 루프가 폐루프 이득을 제어하고, 그 결과의 폐루프 이득이 상기 제1 입력 트랜지스터(15)의 특성 변동으로 인해 현저히 변경되지 않도록 충분히 큰 개방 루프 이득을 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
10. 제1항에 있어서, 상기 증폭기(30)는 단위 이득을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 입력 트랜지스터(15)와 상기 제2 입력 트랜지스터(24)에 연결된 전류원(20)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 입력 트랜지스터(15)와 상기 제2 입력 트랜지스터(24)에 연결된 전류 미러(26, 28)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
13. 제1항에 있어서, 상기 증폭기의 출력에 연결된 신호 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
14. 제13항에 있어서, 상기 신호 처리기는 상관 이중 샘플러(Correlated Doubling Sampler)(55)를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
15. 제1항에 있어서, 상기 입사 광선을 전하로 변환시키는 영역은 포토게이트(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
16. 제15항에 있어서, 상기 포토게이트(70)에 인접한 감지 노드(72)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
17. 제16항에 있어서, 상기 포토게이트(70)와 상기 감지 노드(72)는 실질적으로 빛이 투과되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
18. 제17항에 있어서, 상기 포토게이트(70)와 상기 감지 노드(72)는 폴리실리콘 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
19. 제16항에 있어서, 전하 수집을 제어하고 전하를 감지하기 위해 감지 노드(72)에 연결된 제어 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
20. 제1항에 있어서, 상기 입사 광선을 전하로 변환시키는 영역은 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
21. 제20항에 있어서, 전하 수집을 제어하고 전하를 감지하기 위해 상기 포토다이오드에 연결된 제어 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.

Images