KR100608105B1 - Cmos 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 이루어진 트랜지스터부 및 포토 다이오드로 픽셀 회로를 구성하며, 상기 트랜지스터부가 인접 픽셀 회로의 트랜지스터부와 대칭적으로 배치되어 active 영역 및 contact를 공유한다. 그 결과 포토 다이오드의 면적을 넓혀 이미지 센서의 감광 성능의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

CMOS 이미지 센서, 픽셀, 트랜지스터

Description

CMOS 이미지 센서{CMOS image sensor}

도 1은 CMOS 이미지 센서 중 단위 픽셀의 일반적인 3-T(3-transistor) 구조의 회로도.

도 2는 종래의 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀의 회로도.

도 3a는 종래의 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀에서 픽셀 구조의 개략적인 배치도.

도 3b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀에서 픽셀 구조의 개략적인 배치도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀의 회로도.

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 인접 픽셀 회로의 트랜지스터부와 active 영역 및 contact를 공유하여 포토 다이오드의 면적을 키울 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.

최근에는 디지털 카메라 또는 카메라폰이 급속도로 발달되고 상용화되어 가고 있다. 이러한 디지털 카메라 또는 카메라폰은 반도체 센서를 이용하여 감광을 하게 되는데 반도체 센서로 많이 쓰이는 것으로는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor:상보성금속산화물반도체) 이미지 센서와 CCD(Charged Coupled Device:고체촬상소자) 이미지 센서 등이 있다.

CMOS 이미지 센서라 함은 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 비하여 CMOS 이미지 센서는, 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다.

CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀은 여러 종류가 있으나 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는 3개의 기본 트랜지스터와 1개의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀과 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀들이 있다.

도 1은 CMOS 이미지 센서 중 단위 픽셀의 일반적인 3-T(3-transistor) 구조의 회로도이다.

도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀의 회로도는 광(Photon)을 전자(electron)로 바꾸어 주는 1개 포토 다이오드(Photo Diode, PD)와 3개의 NMOS 트랜지스터로 구성되어 있다. 3개의 NMOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)의 전위를 리셋하는 리셋 트랜지스터(Rx), 플로팅 확산(Floating Diffusion;FD)의 전극 전압 변화에 따라 Dx, Sel, DC 게이트로 구성된 소스 팔로워(source follower) 회로의 전류를 변화시켜 단위 픽셀의 출력 전압을 바꾸어주는 드라이브 트랜지스터(Dx), 픽셀 어레이 중 로우(row) 번지를 선택해주는 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 구성된다.

여기서, DC 게이트는 트랜지스터의 게이트 전위를 항상 일정한 전압으로 인가하여 일정 전류만을 해주도록 하는 부하 트랜지스터, Vcc는 구동 전압 전원, Vss는 그라운드 전압, Output은 단위 픽셀의 출력 전압을 나타낸다.

즉, CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀은 포토 다이오드와 이를 리셋시키주는 트랜지스터와 3개의 소스 팔로워 회로로 구성되는데, 리셋 트랜지스터(Rx)에 의해 Vcc 전원으로 포토 다이오드(PD)를 리셋시키고, 리셋된 포토 다이오드(PD)에 빛을 조사하면 포토 다이오드(PD)의 접합 영역에서 전자와 홀이 형성되어 홀은 실리콘 기판으로 확산해 가고 전자들이 접합 영역에 축적되며, 이 축적된 전하가 소스 팔로워 회로의 드라이브 트랜지스터(Dx)가 온되고 셀렉션 트랜지스터(Sel)가 선택되면 FD 전극의 전압 변화에 따라 단위 픽셀의 출력 전압이 발생되어 픽셀의 정보를 아날로그적으로 출력시키게 된다.

이 때 센서의 감광 성능은 양자화 효율이나 픽셀 요소에 의해 영향을 받는다. 양자화 효율은 수학식 1과 같으며, 입사된 빛이 얼마나 전하로 바뀌었는가를 나타낸다고 할 수 있다. 물론 센서의 성능을 향상시키기 위해서는 양자화 효율이 높을수록 좋고 양자화 효율을 높이기 위해서는 픽셀 요소를 높여야 한다. 픽셀 요소는 수학식 2와 같다.

양자화 효율 = 축적된 캐리어의 수 / 입사된 광자의 수

픽셀 요소 = 포토 다이오드의 면적 / 픽셀의 면적

결국, 센서의 감광 성능을 높이기 위해서는 같은 픽셀 면적을 기준으로 포토 다이오드의 면적을 높여야 한다.

도 2는 종래의 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀의 회로도이다. 도 2를 참조하면, CMOS 이미지 센서는 단위 픽셀 당 3 개의 트랜지스터를 필요로 하며 트랜지스터가 다른 인접 픽셀의 트랜지스터와 active 영역 및 contact를 공유하지 않기 때문에 포토 다이오드(PD)의 면적이 제약을 받아 센서의 감광 기능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 인접 픽셀 회로의 트랜지스터부와 active 영역 및 contact를 공유하여 포토 다이오드의 면적을 키울 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 목적은 인접 픽셀 회로와 트랜지스터부의 active 영역을 공유함으로써 단위 픽셀당 2.5개의 트랜지스터 또는 3.5 트랜지스터 등의 구조를 갖는 이미지 센서를 구현하려는 데 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor)에 있어서, 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 이루어진 트랜지스터부 및 포토 다이오드로 픽셀 회로를 구성하며, 상기 트랜지스터부가 인접 픽셀 회로의 트랜지스터부와 대칭적으로 배치되어 active 영역 및 contact를 공유하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서가 제공된다.

여기서, 상기 트랜지스터부는 구동 전원 전압, 그라운드 전압 및 상기 리셋 트랜지스터의 enable 회선 중 적어도 어느 하나를 공유할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조에 관한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 3a는 종래의 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀에서 픽셀 구조의 개략적인 배치도이고, 도 3b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀에서 픽셀 구조의 개략적인 배치도이다.

픽셀을 포토 다이오드(11a 내지 11d, 21a 내지 21d)와 트랜지스터부(13a 내지 13d, 23a 내지 23d)로 나누어 살펴볼 때 도 3a와 같은 종래의 픽셀 구조의 배치는 트랜지스터부(13a)를 이격적으로 배치하였기 때문에 인접 픽셀 회로의 트랜지스터부(13b 내지 13d)와 active 영역 및 contact를 공유하지 못한다. 그러나 본 발명은 픽셀 구조를 도 3b와 같이 인접 픽셀의 트랜지스터부(23a 내지 23d)를 서로 접하도록 대칭적으로 배치함으로써 트랜지스터부(23a)가 인접 픽셀의 트랜지스터부(23b 내지 23d)와 contact 및 active 영역을 공유할 수 있다. 그 결과 트랜지스터부(23a 내지 23d)의 면적을 줄일 수 있기 때문에 상대적으로 포토 다이오드의 면적을 키울 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서를 구성하는 픽셀 중 4개의 픽셀의 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 4개의 인접 픽셀이 구동 전압 전원인 Vcc(41)와 그라운드 전압은 Vss(43, 45)를 공유한다.

한편, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 포토 다이오드(PD)의 전위를 개별적으로 리셋할 필요가 없는 경우에는 리셋 트랜지스터(Rx)의 enable 회선을 공유할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 인접 픽셀 회로와 트랜지스터의 active 영역 및 contact를 공유함으로써 포토 다이오드의 면적을 넓혀 이미지 센서의 감광 성능의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 동일한 포토 다이오드의 면적을 가진 이미지 센서의 전체적인 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 일 예로 이미지 센서의 단위 픽셀을 0.18 공정의 디자인 룰(Design Rule)로 배치하였을 때 포토 다이오드의 면적이 약 60% 증가하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor)에 있어서,

   상기 CMOS 이미지 센서는 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 이루어진 트랜지스터부 및 포토 다이오드를 포함하는 단위 픽셀 회로가 복수개로 배열된 픽셀 회로로 구성되며,

   상기 복수개로 배열된 픽셀 회로의 각 단위 픽셀 회로의 트랜지스터부는 인접하는 단위 픽셀 회로들의 트랜지스터부와 서로 접하도록 대칭적으로 배치되어 구동 전원 전압 및 그라운드 전압 중 적어도 어느 하나를 공유하여, 인접하는 단위 픽셀 회로들의 트랜지스터부와 active 영역 및 contact를 공유하는 것

   을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수개로 배열된 픽셀 회로의 각 단위 픽셀 회로의 트랜지스터부는 인접하는 단위 픽셀 회로의 트랜지스터부들과 리셋 트랜지스터의 enable 회선을 공유하는 것

   을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.

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