KR100592619B1 - 반도체기반의이미지센서및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 기반 화상 센서에 관한 것으로서, 이 반도체 기반 화상 센서는 반도체 기판의 주 표면(major surface) 상에 형성된 복수의 픽셀(pixel)과, 제 2 다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러의 복수의 컬러 필터를 가지는 광 검출기를 갖는 제 1 다수의 픽셀과, 각 픽셀 내에 형성되고 CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 제어 회로에 동작가능하게 연결된 감지 노드와, 적어도 하나의 유일한 버스가 각 컬러에 대한 픽셀들에 연결된 복수의 버스와, 타이밍 회로에 전기적인 접속을 제공하는 인터페이스 수단을 포함하며, 상기 인터페이스 수단은 각각의 버스들에 개별적으로 연결되며, 원하는 시간에 사전설정된 전압을 버스 상에 인가할 수 있다.

Description

반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서{ACTIVE PIXEL SENSOR WITH PROGRAMMABLE COLOR BALANCE}
본 발명은 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor : APS)로 지칭되는 반도체 광 센서(solid state photo-sensor) 및 촬상기(imager)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio : SNR)를 유지하면서, 한편으로는, 컬러 이미지 센서(color image sensor)에 프로그램 가능한(programmable) 컬러 밸런스(color balance)를 제공하는 수단에 관한 것이다.
APS 디바이스들은 반도체 촬상기로서, 촬상기 내의 각각의 픽셀은 전형적으로 감광(photo sensing) 수단, 리셋(reset) 수단, 전하 전송(charge transfer) 수단, 전하를 전압으로 변환하는 수단 및 증폭기(amplifier)의 일부분 또는 전부를 포함한다. APS 디바이스는 촬상기 내에서 (메모리 소자들 내의 각각의 워드 또는 비트 라인과 유사한) 각 라인 또는 행을 행 및 열 선택 신호(row and column select signal)로 선택하여 판독하는 방법으로 동작한다.
전형적인 종래 기술의 APS 픽셀(pixel)들이 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 도 1a에 도시된 픽셀은 포토다이오드(photodiode(PD)) 또는 포토게이트(photogate(PG))일 수 있는 광 검출기(photodetector(PDET)), 전송 게이트(transfer gate(TG)), 플로팅 확산부(floating diffusion(FD)), 리셋 게이트(reset gate(RG))를 갖는 리셋 트랜지스터(reset transistor), 행 선택 게이트(row select gate(RSG))를 갖는 행 선택 트랜지스터(row select transistor) 및 신호 트랜지스터(signal transistor(SIG))를 포함한다. 도 1b에 도시된 픽셀은 광 검출기(PDET)(통상적으로 포토다이오드(PD)임), 리셋 게이트(RG)를 갖는 리셋 트랜지스터, 행 선택 게이트(RSG)를 갖는 행 선택 트랜지스터 및 신호 트랜지스터(SIG)를 포함한다. 모든 종래 기술의 픽셀에서, 소정의 픽셀 내에 있는 TG, RG 및 RSG 노드들은 픽셀들의 행당 단일 버스(bus)들에 의해 서로 연결되어 상술한 바와 같은 행당 센서 판독 모드(per row sensor readout mode)를 용이하게 한다. 도 1a에 도시된 픽셀의 축적 시간(integration time)은 TG가 축적을 개시하기 위해 턴 오프(turn off)될 때부터 다음 전하를 FD로 전송하기 위해 턴 온(turn on)될 때까지의 시간에 의해 결정되기 때문에, 각 행 내의 각 픽셀에 대한 축적 시간은 동일하다. 이는 또한 도 1b의 픽셀에도 적용되며, 이때의 축적 시간은 RG가 PD를 리셋하기 위해 턴 온되어 PD 내의 전하를 판독하기 위한 판독 신호가 인가될 때까지의 시간에 의해 결정된다.
종래 기술의 디바이스에서는, 각 행에 있어서의 촬상은 통상 각 행의 촬상이 다른 행으로 일시적으로 치환되고, 순차 실행된다. 따라서, 각 행은 동일한 축적 시간을 갖는다. 컬러 촬상 응용예에서는, 컬러 필터 어레이(color filter array : CFA)가 이미지 센서 위에 마련된다. 통상, 이들 개별적인 컬러 필터들은 상이한 양의 광학 에너지가 필터를 통과시켜 센서에 입사되도록 한다. 본래, 컬러 필터들은 컬러 밸런스 또는 디스플레이 용도에 요구되는 광학 에너지를 필요양은 투과시키지 않는다.
따라서, 아날로그 또는 디지털이던 간에 센서 출력 상에서 신호 처리가 수행되어 각 컬러 채널에 적절한 이득을 제공하고 바람직한 컬러 밸런스를 이룰 수 있도록 해야 한다. APS 디바이스인 경우, 이 전압 의존 신호 처리(voltage domain signal processing)가 칩(chip) 상에서 수행될 수 있지만, 이는 다음과 같은 결함, 즉, (1) 센서 내부에 잡음이 유도되며, (2) 실리콘 영역을 보다 많이 차지하고, 보다 많은 전력을 소비하며, 프레임 속도(frame rate)를 떨어뜨리는 복잡한 회로를 필요로 하는 결과를 낳는다.
전술한 관점에서, APS 디바이스에 대한 종래 기술에서도 컬러 밸런스를 향상시킬 필요가 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 결점들을 발생시키지 않고도 컬러 이미지 센서의 컬러 밸런스를 프로그램 가능하도록 함으로써, 전술한 문제들을 해결하고 있다. 전압 의존 신호 처리 없이도 프로그램 가능한 컬러 밸런스 수단을 제공하는 한가지 방법은 각 컬러의 축적 시간을 조절하는 것이다. 이 방법에서, 픽셀 내에서 발생된 결과의 신호 전하는 소정의 컬러 밸런스에 비례하며, 후처리(post processing)는 필요하지 않다. 본 발명은 소정의 컬러에 대해서도 개별적으로 축적을 제어하는 방법을 제공하는 한편, 동일한 센서 판독 체계를 유지하며, 종래 기술의 디바이스에서 필요로 하는 추가의 전압 의존 컬러 밸런스의 신호 처리를 필요로 하지 않는다. 이는 소정의 행 내의 각 컬러에 대해 개별적인 전송 게이트 버스들 또는 리셋 게이트 버스들을 제공함으로써 수행된다. 이와 같이 함으로써, 소정의 행에서의 각 컬러에 대한 축적 시간이 개별적으로 제어될 수 있다.
본 발명은 상술한 하나 또는 그 이상의 문제들을 극복하는 방법에 관한 것이다. 간단하게 요약하면, 본 발명의 한 특징에 따르면, 반도체 기반 이미지 센서를 제공하되, 이는 반도체 기판의 주 표면(major surface) 상에 형성되어 각각이 하나의 광 검출기를 갖는 복수의 픽셀들과, 상기 픽셀들 상에 배열된 적어도 2 가지 상이한 컬러를 갖는 복수의 컬러 필터들과, 광 검출기에 인접하여 있고, 복수의 전극 중 하나의 전극에 의해 제어되며, 광 검출기에서 감지 노드로 전하를 전송하는 전송 게이트용 전극에 사전설정된 전압을 인가함에 따라 광 검출기에 인접한 정전 전위(electrostatic potential)를 변조(modulation)시키는 복수의 전송 게이트와, 상이한 컬러들 중 각각의 컬러에 대한 적어도 하나의 컬러 버스(color bus)가 있도록 배열되며, 전극들 중 하나의 전극을 통하여 상이한 컬러들 중 단지 하나의 컬러에만 관련되는 전송 게이트들에 동작가능하게 접속된 복수의 버스와, 각각의 컬러 버스에 대해 적어도 하나의 접속점을 가지며, 사전설정된 시간에 상기 버스 상에 사전설정된 전압을 발생시킬 수 있는 타이밍 회로를 포함한다. 이에 따라, 상이한 컬러들 각각은 그 외 다른 상이한 컬러들과는 무관하게 타이밍 회로에 의해 제어되는 축적 기간(integration period)을 가질 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면, 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 바람직한 실시예의 설명과 첨부된 특허청구범위로부터 보다 명확히 이해될 것이다.
본 발명은 후술하는 장점 즉, 실리콘 영역을 사용하는 데에 있어서 효율적이고, 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 제공하며, 프로그램 가능한 컬러 밸런스를 제공하는 장점이 있다.
이해를 돕기 위하여, 도면에서 공통되는 동일 요소들을 나타내는 데 동일 참조 부호를 사용하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의해 도시된 이 새로운 픽셀 구조는 도 2, 도 3 및 도 4로부터 알 수 있다. 다른 특별한 물리적인 실시예들이 실현 가능하다. 본 발명자가 이 실시예들이 본 발명을 실현시키기에 가장 바람직하다고 알고 있기 때문에 이들 실시예들이 선택되었다.
도 2 및 도 3에 도시된 각각의 도면들은 행(row) 및 열(column)에 따라 배열되어 있는 픽셀(pixel)들을 갖는 센서(sensor) 내에서 본 발명을 구현한 4 개의 픽셀들의 소정의 배열을 도시한다. 각각의 도 2 및 도 3에서, 도시된 소정의 픽셀들은 픽셀에 인접한 각 2 쌍의 행을 형성하는 2 개 행의 2 개 픽셀을 갖는 쿼드런트(quadrant) 내에 배열된다. 도시된 CFA 패턴은 Bayer CFA 패턴에 기초하여 도시되고, 패턴 내의 하나의 행은 적색(red) 픽셀과 녹색(green) 픽셀이 교호하며, 다음 행은 연속적인 행 내의 녹색 픽셀들이 인접하지 않도록 패턴이 배열되도록 하면서, 교호하는 녹색 및 청색(blue) 픽셀들을 갖는다. 각 도면 내에서의 각각의 픽셀에 대한 이 구조적인 레이아웃(layout)은 동일하며, 동일한 위치에 동일한 요소들을 포함하고 있다.
도 2 및 도 3 내에서의 개별적인 픽셀들의 레이아웃은 각각 도 1a 및 도 1b에 도시된 픽셀과 유사하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 이는 종래 기술 보다 나은 본 발명의 개념을 나타내고자 의도적으로 도시된다.
도 2에 대해 참조하면, 픽셀 구조(20)는 포토다이오드 또는, 포토게이트 중 하나일 수 있는 광 검출기(PD)(22), 전송 게이트(TG)(24), 플로팅 확산부(FD)(25), 리셋 게이트(RG)(27)를 갖는 리셋 트랜지스터(26), 행 선택 게이트(RSG)(29)를 갖는 행 선택 트랜지스터(28) 및 신호 트랜지스터(SIG))(21)를 포함한다. 종래 기술의 디바이스에서, 픽셀 내에 있는 전송 게이트, 리셋 게이트 및 행 선택 노드들은 픽셀의 모든 행에 대한 버스에 의해 각각 연결되어 센서의 행 기반 판독을 돕는다. 도 1a에서의 종래 기술 픽셀에 대한 축적 기간(integration period)은 전송 게이트가 턴 오프(turn off)된 때에 시작해서 전송 게이트가 턴 온(turn on)되어 전하가 플로팅 확산부로 전송되는 시점에서 종료하며, 전송 게이트들이 단일 버스에 연결되어 있기 때문에 그 행에서의 각 픽셀에 대한 축적 기간은 본래 동일하다.
도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 전송 게이트(24)의 배치는 각 행에 대해 두 개의 별개의 전송 게이트 신호 버스(1, 2 또는 3, 4)에 의해 배선할 수 있도록 설계된다. 본 경우에 있어서는, 행 A에 대해 녹색 전송 게이트(TGg) 버스(1) 및 적색 전송 게이트(TGr) 버스(2)가 있으며, 행 B에 대해 TGg 버스(3)와, 청색 전송 게이트(TGb) 버스(4)가 있다. 행 A 내의 TGr 버스(2)는 행 A 내의 적색 픽셀의 각 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉한다. 행 A 내의 TGg 버스(1)는 행 A 내의 녹색 픽셀의 모든 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉한다. 행 B에 있는 TGg 버스(3)는 행 B에 대한 녹색 픽셀의 각 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉하며, 반면에, 행 B에 있는 TGb 버스(4)는 행 B에 있는 청색 픽셀의 각 전송 게이트(24)들과 전기적으로 연결된다.
이 새로운 구조 설계의 소정의 동작 모드는 도 8과 관련하여 도 2를 참조하여 하기에 설명한다. 도 2의 소정의 동작 모드는 초점면 셔터 모드(focal plane shutter mode)로서 언급될 것이다. 도 2에 도시된 구조를 사용한 다른 모드들의 설계도 가능하지만, 도시된 도 2는 발명자가 구상한 바와 같이 이 특별한 구조를 위한 최상의 모드이다. 도 2에 도시된 바와 같이 픽셀 구조(20) 내에 사용된 컬러에 관해서 설명하면, 적색은 가장 높은 감광도를 가지며, 청색은 가장 낮은 감광도를 갖는 것으로 추정할 수 있다. 이미지 센서는 도 8에 도시된 바와 같이 모든 전송 게이트(24) 및 리셋 게이트(27)가 이전 시간 의 이전에 턴 온되는 것에 의해 초기화된다. 행 A의 축적 기간을 시작하기 위하여, TGg 버스(1)가 턴 오프 되어 전하가 광 검출기(22) 내에 축적된다. 이는 행 A 내의 모든 녹색 픽셀에 대해서도 동시에 발생하게 될 것이다. 사전설정된 시간 이후에, TGr 버스(2)가 턴 오프되어 행 A 내에 있는 모든 적색 픽셀들이 전하를 축적하기 시작한다. 이 시점에서 행 A는 모든 픽셀이 축적 기간으로 된다. 행 A는 소정 시간 축적이 실시된다. 그 동안, FD는 리셋되며, 리셋 레벨이 샘플링되어 유지되고, TGr 및 TGg는 둘 다 동시에 턴 온되어 신호 전하를 플로팅 확산부로 전송한다. 그 후, 신호 레벨이 샘플링되어 유지된다. 행 B에서도 축적이 이루어지는데, TGb가 TGg보다 라인 타임 먼저 턴 오프되고, 그 다음에 TGr이 턴 오프된다. 이 과정이 이미지 센서 내의 모든 행에 대해 행해지는데 동일한 TG 타이밍, 즉 행 B는 행 A에서와 같은 방법으로 판독된다. 이들 방법은 홀수 행은 행 A와 같이, 그리고, 짝수 행은 행 B와 같이 행해진다. 행 시간에서의 TG 턴 오프의 상대적인 위치에 의해 결정되는 이 상대적인 축적 시간은 바람직한 컬러 균형을 제공하도록 조절된다. 최저의 감도의 컬러가 최대의 축적 시간을 갖는다. 즉, 그렇게 프로그램되어 있다. 다른 컬러의 축적 시간은 이것에 비해 적절히 짧게 설정되고, 프로그램된 축적 시간의 비율에 따라 지정될 수도 있다. 도 9는 도 2 디바이스의 다른 동작 모드를 도시하며, 여기서, 모든 축적 기간은 동일한 시간 범위에서 발생한다.
이제 도 3을 참조하면, 픽셀(3)은 전형적으로 포토다이오드인 광 검출기(PD)(32), 리셋 게이트(RG)(37)를 갖는 리셋 트랜지스터(36), 행 선택 게이트(RSG)(39)를 갖는 행 선택 트랜지스터(38) 및 신호 트랜지스터(SIG)(31)를 포함한다. 이는 도 1b에 도시된 종래 기술의 디바이스와 유사한 배열이며, 소정 행에서의 각 픽셀에 대한 축적 시간은 동일하다. 여기에서, 축적 기간은 광 검출기를 리셋팅한 이후에 리셋 게이트가 턴 오프된 시간으로부터 판독 신호가 광 검출기 내에 있는 전하를 판독하는 데에 적용되는 시간까지로 결정된다. 다시 말하면, 이 행에 있어서의 각 픽셀에 대한 축적 기간은 본래는 동일한데, 이는 리셋 게이트들이 단일 버스에 연결되어 있기 때문이다.
도 3에 도시된 실시예는 각 행에 대해 2개의 개별적인 리셋 게이트 신호 버스(6, 7 또는 8, 9)들에게 배선을 제공하도록 설계된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 행 1에 대해서는 적색 리셋 게이트(RGr) 버스(7) 및 녹색 리셋 게이트(RGg) 버스(6)가 있으며, 행 2에 대해서는 RGg 버스(8) 및 청색 리셋 게이트(RGb) 버스(9)가 있다. 행 1에 있는 RGr버스(7)는 그 행에서의 모든 적색 픽셀에 대한 리셋 게이트(37)에 대한 전기적 접속을 갖는다. 행 1에 있는 RGg 버스는 그 행에서의 모든 녹색 픽셀에 대한 리셋 게이트(37)에 대한 전기적 접속을 갖는다. 행 2에 있는 RGg 버스(8)는 그 행에서의 모든 녹색 픽셀에 대한 리셋 게이트(37)에 대한 전기적 접속을 갖는 반면에, 행 2에 있는 RGb버스(9)는 그 행에서의 모든 적색 픽셀에 대한 리셋 게이트(37)에 대한 전기적 접속 접촉을 갖는다.
도 3의 실시예는 도 2에 도시된 형상과 유사한 형상을 제공하되, 다만, 도 3에 도시된 구조에서는 전송 게이트가 없으며, 리셋 게이트(37)가 축적 기간을 결정하는 데에 사용된다. 픽셀 구조(30)는 축적 기간을 결정하는 데에 리셋 게이트(37)를 채용하는데, 이는 광 검출기(32)가 채용되었기 때문이다. 광 검출기(32)는 표준 포토다이오드 또는 핀(pin)을 갖는 부분(33)과 핀을 갖지 않는 부분(34)을 갖는 부분적 핀형 포토다이오드 중 하나일 수 있다. 핀을 갖는 부분(33)은 핀을 갖는 포토다이오드인 광 검출기의 넓은 영역을 형성한다. 핀을 갖지 않는 부분(34)은 신호 트랜지스터(31)에 대한 입력 노드로서 이용되는 플로팅 영역으로서 작용할 수 있다.
이 픽셀 구조(30)의 동작은 도 3을 참조하여 하기에 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조 내에서 사용된 컬러를 예로 들면, 다음 설명에서는 도 2에서 설명된 것과 동일하며, 여기서, 적색은 가장 높은 광감도를 가지며, 청색은 가장 낮은 광감도를 갖는다고 가정할 수 있다. 이미지 센서는 모든 리셋 게이트(37)가 턴 온되는 것에 의해 초기화된다. 행 1의 축적 기간을 시작하기 위하여, RGg 버스(6)는 턴 오프되어 전하가 광 검출기(32) 내에 축적되도록 한다. 이는 행 1 내의 모든 녹색 픽셀에 대해서도 동시적으로 발생할 것이다. 사전설정된 시간 이후에, RGr 버스(7)가 턴 오프되어 행 1 내에 있는 모든 적색 픽셀들이 전하를 축적하기 시작한다. 이 시점에서 행 1의 모든 픽셀이 축적 기간으로 된다. 행 1은 소정 시간 동안 축적되며, 샘플링되어 유지된다. 두 개의 컬러를 가진 픽셀들에 대한 리셋 게이트들은 턴 온된 다음 리셋 레벨은 샘플링된다. 행 2에서 축적이 이루어지는 동안, RGb(9)가 RGg(8)보다 라인 시간 먼저 턴 오프된다. 그 후, 행 2는 행 1에서와 동일한 방법으로 판독된다. 이는 이미지 센서에 있는 모든 행들에 대해, 홀수 행은 행 1처럼, 그리고, 짝수 행은 행 2처럼, 동일한 타이밍으로 진행된다. 행 시간에서의 리셋 게이트(37)의 턴 오프에 의해 결정되는 상대적인 축적 시간은 바람직한 컬러 밸런스를 제공하도록 조정된다. 최저의 감광 컬러는 최대의 축적 시간을 갖는다. 즉, 그렇게 프로그램되어 있다. 다른 컬러의 축적 시간은 그것에 비해 적절히 짧게 설정되며, 프로그램된 축적 시간의 비율에 따라 지정될 수도 있다.
컬러 밸런스를 제공하는 이 전하 의존 방법을 이용하면 잡음 전자의 축적이 최소화되기 때문에 SNR이 우수한데, 그리고, 회로 잡음을 증가시키고, 픽셀 전자 잡음을 발생시키는 기판 진동(substrate fluctuation)을 야기시킬 수 있는 신호 처리의 필요량이 저감된다.
이 구조는 효율적인 면적의 이용과 높은 SNR 비를 특징으로 하는 프로그램 가능한 컬러 밸런스를 달성 수단을 제공한다. 도시된 Bayer CFA 패턴에서는 행마다 하나의 여분의 금속 라인이 필요하다. 다른 CFA 패턴에서는 행마다 1 개보다 많은 여분의 버스가 필요할 수도 있다. 그러나, CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정에서는 많은 금속 레벨이 마련되므로, 금속 레벨들이 서로 라우팅될 수 있고, 픽셀 내에서 여분의 트랜지스터 또는 게이트는 필요하지 않기 때문에 하나의 추가적인 금속 라인이 충진율(fill factor)에 악영향을 미치지는 않는다. 또한, 이 구조는 현재의 단일 증폭기 판독 구조와 함께 사용할 수 있으며, 동일한 픽셀들을 사용하고 있기 때문에 상이한 이미지 샘플링 개구(image sampling aperture)에 기인하는 이미지 인위 구조가 발생하지 않도록 한다. 행마다 여분의 로직 디코드 회로가 필요하다. 그러나, 이들은 이미지 어레이 외의 CMOS 로직에 포함되기 때문에, 픽셀 또는 이미지 배열 영역에 영향을 미치지 않는다. 또한 로직 디코드 회로는 행당비(per row rate)로 동작하기 때문에, 이미지 처리 신호 체인(chain)에서 추가적인 잡음을 만들어 내지 않는다.
주목할 것은 컬러당 개별적인 전송 게이트 또는 리셋 게이트 신호 버스가를 설치한다고 하는 개념은 상술한 행마다 뿐만 아니라 이미지 어레이 전체에도 적용된다는 것이다. 이는 판독되는 동안 기계적인 셔터가 폐쇄되어 프레임 촬상 모드에서의 동작이 용이하게 되는 경우에 바람직하다.
도 4a는 3-선형 디바이스(40)에서의 본 발명의 선형 실시예를 도시한다. 이 디바이스의 동작에 대한 타이밍도가 도 10 및 도 11에 도시된다. 3-선형 디바이스(40)는 세 개의 선형 센서(41a, 41b, 41c)를 가지며, 각 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 포토다이오드(42), 전송 게이트(43) 및 플로팅 확산부(44)를 포함하는 광 검출기를 갖는다. 또한, 각 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 행 선택 트랜지스터(RSG), 리셋 게이트(RG) 및 신호 트랜지스터(SIG)를 포함하는 제어 회로(45)를 갖는다. 여기서, 세 개의 선형 디바이스(41a, 41b, 41c)에는 각각의 컬러 필터가 마련되며, 선형 센서(41a, 41b, 41c)가 적색, 녹색 및 청색 파장 중 하나에 감광하도록 설정되어 있다. 더 중요하게는 각각의 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 각각의 개별적인 전송 게이트 버스(TGr, TGg, TGb)를 가지며, 이와 같이, 각 센서(41a, 41b, 41c)는 개별적으로 전송 게이트 버스에 의해 제어된 축적 기간을 가질 수 있다.
도 4b는 개별적인 선형 센서(46a, 46b, 46c)를 갖는 능동 픽셀 센서의 다른 선형 실시예이며, 각각은 신호 트랜지스터(SIG) 및 행 선택 게이트(RSG)를 포함하는 제어 회로(49)를 갖는 리셋 게이트(48)에 인접한 포토다이오드(47)를 포함한다. 상술한 이전의 선형 디바이스 실시예에서와 같이, 도 4b에 도시된 각 선형 센서(46a, 46b, 46c)는 서로간에 독립적으로 제어되는 전위를 가진 개별적인 리셋 게이트 버스(RGr, RGg, RGb)를 갖는다. 리셋 게이트 버스(RGr, RGg, RGb)는 각각의 상이한 선형 센서(46a, 46b, 46c)에 대한 리셋의 독립적인 제어를 가능하게 한다. 도 4b 내의 선형 센서에 대한 축적 기간은 픽셀의 리셋 이후에 시작하여 SIG에 의해 감지된 포토다이오드 내에서 전하가 저장되기까지 계속된다. 따라서, 개별적인 리셋 게이트 버스(RGr, RGg, RGb)가 각각의 선형 센서(46a, 46b, 46c)의 개별적인 제어를 허용한다.
도 5a는 포토게이트(52)에서부터 플로팅 확산부(54)로 전송 게이트(53)를 통하여 전하를 전송하는 포토게이트(52) 기반 픽셀을 갖는 종래 기술의 능동 픽셀 센서(50)이다. 포토게이트(52)가 축적으로부터 끄집어내져 공핍(depletion) 영역으로 입력되어 축적을 시작하는 때와 포토게이트가 축적으로 순차적으로 뒤로 배열되어 신호 전하를 플로팅 확산부(54)로 전송하는 때 사이의 시간에 의해 축적 기간이 결정된다. 전하가 플로팅 확산부(54)로 전송되면, 전하는 리셋 게이트(RG), 행 선택 게이트(RSG), 신호(SIG) 트랜지스터를 포함하는 제어 회로(55)에 의해 감지된다. 플로팅 확산부는 SIG 트랜지스터로의 입력으로서 동작한다. 도 5a의 종래 기술 디바이스는 모든 이미지 센서에 대한 포토게이트(52)를 제어하는 데에 사용되는 단일 버스를 갖는다.
도 5b는 제어 회로(59)의 직접적인 제어 하에 포토게이트(57)로부터 SIG 트랜지스터까지 전하를 전송하는 포토게이트(57)에 기초한 또 다른 종래 기술의 능동 픽셀 센서이다. 이 동작은 도 5a에서 종래 기술 디바이스에 대해 상술한 것과 유사지만, 여기에서의 축적 기간은 포토게이트(57)를 축적 안에 배치함에 따라 결정되어 신호 레벨을 판독한 이후에 리셋을 용이하게 한다. 따라서, 축적 기간은 리셋 게이트(58)를 통해 픽셀(56)을 리셋하는 것에서부터 SIG 트랜지스터가 포토게이트(57) 상의 전하 레벨을 판독하는 때까지의 주기이다.
도 6은 본 발명에 따라 전하를 전송 게이트(63)를 통하여 플로팅 확산부(64)로 전송하는 포토게이트(62)를 채용한 픽셀 구조(60)에 기초한 능동 픽셀 센서를 도시한다. 축적 기간은 포토게이트(62)가 공핍 영역으로 배치되어 축적을 시작하는 시간과 포토게이트가 축적으로 순차적으로 뒤로 위치하여 신호 전하를 플로팅 확산부(64)로 전송하는 시간 사이의 시간에 의해 결정된다. 전하가 플로팅 확산부(64)로 전송되면, 이는 리셋 게이트(RG), 행 선택 게이트(RSG), 신호(SIG) 트랜지스터를 포함하는 제어 회로(65)에 의해 감지된다. 플로팅 확산부는 SIG 트랜지스터로의 입력으로서 작용한다. 도 5에 도시된 종래 기술의 픽셀과 도 6에 도시된 픽셀과의 차이는 상술한 바와 같다.
도 7은 포토게이트(72)가 공핍 영역에서 바이어싱되는 한은 포토게이트(72)가 축적하는 포토게이트 기반 픽셀(71)에 기초한 능동 픽셀 센서(70)를 갖는 본 발명의 실시예이다. 여기에서의 축적 기간은 포토게이트(72)를 축적 안에 배치함에 의해 결정되어, 신호 레벨을 판독한 이후에 리셋을 용이하게 한다. 따라서, 축적 기간은 센서(70) 내에서 리셋 게이트(73)상에서 전하를 축적하고 전송하는 동안 포토게이트(72)를 바이어싱함으로써 센서(70) 내의 픽셀들을 리셋하고, 다음으로 공핍 모드 내에서 포토게이트를 바이어싱하는 과정에서부터 SIG 트랜지스터가 포토게이트(72) 상의 전하 레벨을 판독하는 시간까지의 주기이다. 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명은 도 5에 도시된 종래 기술의 픽셀과는 상이하며, 게다가, 각각의 적색, 녹색, 청색에 대한 개별적인 버스(PGr, PGg, PGb)들과도 상이하여 포토게이트(72)를 독립적으로 제어한다.
도 8을 참조하여 보면, 도 8은 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 영역 배열에 사용되는 초점면 셔터 모드에 대한 타이밍도이다. 각각의 축적 기간의 길이는 올바른 컬러 밸런스를 획득할 수 있도록 조정된다. 는 녹색 픽셀에 대한 축적 시간을 나타내며, 각각 행 A 및 행 B에서 발생한다. 은 적색 픽셀에 대한 축적 시간을 나타내며, 가장 짧은 축적 기간을 갖는다. 는 청색 픽셀에 대한 축적 시간을 나타내며, 가장 긴 축적 기간을 갖는다.
도 9는 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 영역 배열에 사용되는 범용 셔터 모드(global shutter mode)에 대한 타이밍도이다. 축적 기간에 사용된 기호들은 도 8에 도시된 기호들과 동일하다. 이로부터 모든 축적 기간은 동시에 종료됨을 알 수 있다. 그럼으로써, 이미지는 모든 픽셀들에 따라 동시에 포착된다. 상이한 컬러들을 나타내는 이 픽셀들은 상이한 축적 길이를 갖지만, 이 픽셀들은 동시에 축적된다. 가장 짧은 컬러(예, 적색)에 대한 축적 기간은 각각의 연속적으로 더 긴 채널의 축적 기간 내에 포함된다.
도 10은 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 선형 디바이스에 대한 초점면 셔터 모드의 타이밍도이다. 적색 채널에 대한 축적 기간은 녹색 채널보다 매우 짧으며, 그리고, 녹색 채널은 청색 채널보다 짧은 것으로 도시된다.
도 11은 도 4a에 도시된 바와 같은 본 발명의 선형 디바이스에 대한 범용 셔터 모드의 타이밍도이며, 여기서, 축적은 소정의 컬러 채널 내에서 각 픽셀 소자에 대해 동시에 수행된다. 상이한 컬러들에 대해 채널들은 상이한 축적 길이를 갖지만, 채널들은 동시에 축적된다. 이 축적 기간은 각 연속적으로 더 긴 채널의 축적 기간 내에 포함된다. 여기에서, 각 축적 기간의 중심은 동일한 시점에 있도록 하기 위하여, 각 컬러 채널에 대한 축적 기간은 상이한 시점에서 시작하고 종료된다. 축적 기간이 서로에 대해 반드시 중심에 위치하여야 하는 것은 아님을 쉽게 알 것이다.
상술한 설명은 본 발명을 실시하는 데에 있어서 본 발명자가 알고 있는 가장 최선의 모드를 설명한다. 본 기술 분야의 당업자라면, 이 모드들의 명백한 변형 실시예를 이해할 것이며, 따라서, 본 발명의 범위는 후술하는 특허 청구 범위에 의해 측정되어야만 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 영역을 사용하는 데에 있어서 효율적이고, 높은 신호 대 잡음비를 제공하며, 프로그램 가능한 컬러 밸런스를 제공하는 효과가 있다.
도 1a는 종래 기술의 APS 픽셀을 도시한 도면,
도 1b는 종래 기술의 APS 픽셀을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예를 도시한 도면,
도 4a는 세 개의 선형 센서를 갖는 본 발명의 선형 실시예를 도시한 도면,
도 4b는 능동 픽셀 센서를 갖는 다른 선형 실시예를 도시한 도면,
도 5a는 포토게이트 기반 픽셀(photogate based pixel)에 기초한 종래 기술의 능동 픽셀 센서를 도시한 도면,
도 5b는 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 종래 기술의 다른 능동 픽셀 센서를 도시한 도면,
도 6은 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 능동 픽셀 센서를 갖는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 7은 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 능동 픽셀 센서를 갖는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 소정의 영역 배열의 초점면 셔터 모드(focal plane shutter mode)에 대한 타이밍도,
도 9는 본 발명의 소정의 영역 배열의 범용 셔터 모드(global shutter mode)에 대한 타이밍도,
도 10은 본 발명의 선형 디바이스의 초점면 셔터 모드에 대한 타이밍도,
도 11은 본 발명의 선형 디바이스의 다른 범용 셔터 모드에 대한 타이밍도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 전송 게이트 버스(녹색)TGg 2 : 전송 게이트 버스(적색)TGr
3 : 전송 게이트 버스(녹색)TGr 4 : 리셋 게이트 버스(청색)RGb
6 : 리셋 게이트 버스(녹색)RGg 7 : 리셋 게이트 버스(적색)RGr
8 : 리셋 게이트 버스(녹색)RGg 9 : 리셋 게이트 버스(청색)RGb
20, 30, 60 : 픽셀 구조 21, 31 : 신호 트랜지스터
22, 32 : 광 검출기 24, 43, 53, 63 : 전송 게이트
25, 35, 44, 54, 64 : 플로팅 확산부 26, 36 : 리셋 트랜지스터
27, 37, 48, 58, 73 : 리셋 게이트 28, 38 : 행 선택 트랜지스터
29, 39 : 행 선택 게이트 33 : 핀을 갖는 부분
34 : 핀을 갖지 않는 부분 40 : 3-선형 디바이스
41a : 적색 선형 센서 41b : 녹색 선형 센서
41c : 청색 선형 센서 42, 47, 52 : 포토다이오드
45, 49, 55, 59, 65 : 제어 회로 46a : 적색 선형 센서
46b : 녹색 선형 센서 46c : 청색 선형 센서
56, 71 : 픽셀 52, 57, 62, 72 : 포토게이트
50, 70 : 능동 픽셀 센서

Claims (25)

  1. 반도체 기반의 능동 픽셀 이미지 센서에 있어서,
    능동 픽셀 센서를 포함하고,
    상기 능동 픽셀 센서는
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되고, 광 검출기를 포함하며, 복수의 행 및 열로 배열되어 2차원 어레이를 형성하고, 전하 패킷을 전압 신호로 변환시키는 복수의 능동 픽셀과,
    적어도 두 개의 상이한 컬러의 픽셀이 하나의 행에 위치하는 컬러 픽셀들을 형성하는 다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러로 이루어진 복수의 컬러 필터들과,
    복수의 전송 게이트―상기 전송 게이트는 상기 광 검출기에 인접하고, 복수의 전극들 중 하나에 의해 제어되며, 해당 전송 게이트에 대한 전극에 사전 설정된 전압이 인가된 경우 상기 광 검출기로부터 전하를 이동시키기 위해 상기 광 검출기에 인접한 정전 전위(electrostatic potential)를 변조할 수 있음―와,
    각 행마다의 적어도 두 개의 버스 -상기 버스는 행 내의 상기 상이한 컬러들의 각각에 대한 적어도 하나의 컬러 버스(color bus)가 존재하도록 배열되며, 상기 버스 각각은 상기 전극들 중 하나를 통해 상기 상이한 컬러들 중 단지 하나와 관련된 상기 전송 게이트에 동작 가능하게 접속되고, 단일 행 내의 픽셀들로부터의 모든 신호가 대응하는 버스로 실질적으로 동시에 판독됨- 와,
    상기 컬러 버스 각각에 대해 적어도 하나의 접속을 갖는 타이밍 회로(timing circuit)를 포함하고,
    상기 상이한 각각의 컬러들은 상기 상이한 컬러들 중 다른 컬러와는 독립적인 상기 타이밍 회로에 의해 제어되는 축적 기간(integration period)을 가질 수 있고, 상기 전체 2차원 어레이 내의 실질적으로 모든 컬러의 축적 시간은 실질적으로 동시에 종료되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들은 행 및 열로 배열되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 세 개의 컬러를 갖되, 소정의 행 내에 단지 두 개의 컬러가 제공되고, 인접한 행의 픽셀들은 컬러가 동일하지 않은
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 게이트들 각각은 신호 트랜지스터에 입력으로서 접속되는 감지 노드로서 플로팅 확산 영역(floating diffusion area)을 가지며, 상기 신호 트랜지스터는 CMOS 내에 형성되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 각각의 센서 채널이 상이한 파장의 광에 감응하는 적어도 두 개의 선형 센서 채널을 갖는 다수의 컬러 선형 센서인
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 각각의 선형 센서에 대해 상기 타이밍 회로를 통해 제어되는 각각의 전송 게이트 상의 전압에 의해 결정되는 개별적으로 제어 가능한 축적 시간을 갖는 3-선형(tri-linear) 센서인
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    감지 노드에 인접하며 적어도 행 단위로(on at least a row by row basis) 버스에 전기적으로 접속되는 리셋 게이트(reset gate)를 더 포함하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 축적 기간은 상기 전송 게이트를 펄스화함으로써 제어되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  9. 반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서에 있어서,
    능동 픽셀 센서를 포함하고,
    상기 능동 픽셀 센서는
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되고, 광 검출기를 각각 포함하며, 복수의 행 및 열로 배열되어 2차원 어레이를 형성하고, 전하 패킷을 전압 신호로 변환시키는 복수의 능동 픽셀과,
    적어도 두 개의 상이한 컬러의 픽셀이 하나의 행에 위치하는 컬러 픽셀들을 형성하는 다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러의 복수의 컬러 필터들과,
    상기 광 검출기에 인접하고, 복수의 전극들 중 하나에 의해 제어되며, 해당 게이트에 대한 전극에 사전설정된 전압이 인가되는 경우, 상기 광 검출기로부터 전하를 드레이닝(draining)할 수 있는 복수의 게이트와,
    상기 픽셀 내에 형성된 플로팅 확산부와,
    각 행마다 적어도 두 개의 버스 -상기 버스는 행 내의 상기 컬러들의 각각에 대해 적어도 하나의 버스가 존재하도록 배열되며, 상기 버스 각각은 상기 전극들 중 하나를 통해 상기 컬러들 중 단지 하나와 관련된 상기 게이트에 동작 가능하게 접속되고, 단일 행 내의 픽셀들로부터의 모든 신호가 대응하는 버스로 실질적으로 동시에 판독됨- 와,
    상기 버스 각각에 대한 개별적인 접속을 가지며, 원하는 시간에 사전설정된 전압을 상기 버스상에 제공할 수 있는 타이밍 회로를 포함하고,
    각각의 컬러는 다른 컬러에 대한 동등한 축적과는 독립적인 상기 타이밍 회로에 의해 제어되고, 상기 전체 2차원 어레이 내의 실질적으로 모든 컬러의 축적 시간은 실질적으로 동시에 종료되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 게이트는 리셋 게이트인
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들은 행 및 열로 배열되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 세 개의 컬러를 갖되, 소정의 행 내에 단지 두 개의 컬러가 제공되고, 인접한 행의 픽셀들은 컬러가 동일하지 않은
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 핀을 갖는 부분(pinned portion)과 핀을 갖지 않는 부분(unpinned portion)을 가지며, 상기 감지 노드는 상기 핀을 갖지 않는 부분 상에 형성되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서는 복수의 선형 센서를 갖되, 상기 선형 센서 상에 적어도 2 개의 컬러가 나타나는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 선형 센서는 각각의 상이한 컬러에 대해 개별적인 선형 센서를 더 포함하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 개별적인 선형 센서들 각각은 축적 시간을 제어하는 단일 버스를 갖는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 검출기와 상기 감지 노드 사이에 전송 게이트를 더 포함하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  18. 반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서에 있어서,
    능동 픽셀 센서를 포함하고,
    상기 능동 픽셀 센서는
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되고, 광 검출기를 포함하며, 복수의 행 및 열로 배열되어 2차원 어레이를 형성하고, 전하 패킷을 전압 신호로 변환시키는 복수의 능동 픽셀과,
    적어도 두 개의 상이한 컬러의 픽셀이 하나의 행에 위치하는 컬러 픽셀들을 형성하는 제 2의 다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러의 복수의 컬러 필터들과,
    각각의 상기 픽셀 내에 형성된 플로팅 확산부와,
    각 행마다 적어도 두 개의 버스 -상기 버스는 행 내의 상기 각각의 컬러에 대한 픽셀에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 고유한 버스가 존재하도록 배열되며, 단일 행 내의 픽셀들로부터의 모든 신호가 대응하는 버스로 실질적으로 동시에 판독됨- 와,
    상기 버스 각각에 대한 개별적인 접속을 가지며, 원하는 시간에 사전설정된 전압을 상기 버스상에 제공할 수 있는 타이밍 회로를 포함하고,
    각각의 컬러는 다른 컬러에 대한 동등한 축적과는 독립적인 상기 타이밍 회로에 의해 제어되고, 상기 전체 2차원 어레이 내의 실질적으로 모든 컬러의 축적 시간은 실질적으로 동시에 종료되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 포토게이트 내에 존재하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 버스는 상기 포토게이트에 접속되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 포토게이트에 접속된 상기 버스들은 상기 포토게이트의 축적 타이밍을 제어하도록 동작하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  22. 제 19 항에 있어서,
    각각의 픽셀 내에 리셋 게이트를 더 포함하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  23. 제 18 항에 있어서,
    각각의 픽셀 내에 전송 게이트를 더 포함하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  24. 제 18 항에 있어서,
    더욱 짧은 축적 시간을 갖는 컬러에 대한 축적 기간은 더욱 긴 축적 기간을 갖는 컬러의 축적 기간 내에 포함되는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
  25. 제 24 항에 있어서,
    각각의 컬러에 대한 상기 축적 기간은 다른 컬러의 축적 기간에 대해 중심에 위치하는
    반도체 기반 능동 픽셀 이미지 센서.
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