KR100637945B1 - 화상센서및고체화상감지디바이스제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일련의 행 및 열로 배열된 다수의 화소를 가진 화상 센서에 관한 것이다. 이 센서는 행들 및 열들 내에 형성된 다수의 화소를 가진 반도체 기판을 포함하는데, 이 기판 내에는 적어도 두 행 인접 화소 및 적어도 두 열 인접 화소가 형성된다. 또한, 센서는 인접 화소들 간에 공유되는 인접 화소 내에 집적된 적어도 하나의 전기적 기능 수단을 포함하는데, 이 전기적 기능 수단은 포토게이트, 전달 게이트, 리셋 게이트, 행 선택 게이트, 증폭기 드레인, 출력 노드, 부동 확산 컨택트, 리셋 드레인, 측방향 오버플로우 게이트, 오버플로우 드레인 또는 증폭기를 구현하는 데 사용되는 전자 회로 또는 컨택트 영역일 수 있다.

Description

화상 센서 및 고체 화상 감지 디바이스 제조 방법{ACTIVE PIXEL IMAGE SENSOR WITH SHARED AMPLIFIER READ-OUT}
본 발명은 고체 포토센서(photo sensor) 및 촬상기(imager)에 관한 것으로서, 특히, 능동 화소 센서(Active Pixel Sensors : APS)라고 하는 반도체 기반 촬상기에 관한 것이다.
본 출원은 로버트 엠. 가이다쉬(Robert M. Guidash)가 1997년 2월 28일에 출원한 "ACTIVE PIXEL SENSOR WITH INTER-PIXEL SHARING"란 명칭의 미국 출원 제 08/808,444호와 관련이 있다.
APS는 고체 촬상기로서, 이 촬상기의 각 화소는 감광(photo-sensing) 수단 및 그와 연관된 능동 회로 소자(active circuitry element)를 포함하고 있다. 이들 능동 회로 소자는 전형적으로 화소 리셋 기능(reset function)을 수행하기 위한 수단, 전하(charge)를 전달하기 위한 수단, 전압 변환을 수행하기 위한 수단 또는 증폭에 사용되는 회로 소자이다. APS는 촬상기의 각 라인 또는 행(line or row)이 선택되어 (제각기 메모리 디바이스의 워드 및 비트 라인(word and bit line)과 유사한) 열 선택 신호(column select signal)에 의해 판독되는 식으로 작동된다. 이들 모든 소자들이 전체적으로 단일 화소 경계 내에 위치되는 종래 디바이스가 알려져 있다.
이들 능동 회로 소자를 각 화소 내에 포함시키면 화소의 충진 계수(fill factor)가 감소되는데, 그 이유는 능동 회로 소자가 광검출기(photodetector)에 사용될 수도 있는 영역을 차지하기 때문이다. 이와 같은 충진 계수의 감소는 센서의 감도 및 포화 신호를 감소시키며, 이같은 센서의 감도 및 포화 신호의 감소는 다시 양호한 화질을 얻는데 중요한 센서 성능 파라미터의 동적 범위 및 포토그래픽 속도에 악영향을 끼친다. 또한, 화소 내에 그들 능동 회로 소자를 포함시키면 화소의 최소 크기를 제한하며, 이로 인해 화상 센서의 크기 및 단가에 악영향을 끼친다.
고해상도의 소형 화소 APS 디바이스를 얻기 위해서는, μm 미만의 CMOS 프로세스를 사용하여 행 선택 트랜지스터에 할당된 영역과 화소 내의 증폭기에 할당된 다른 영역들을 최소화하는 것이 필요하다. 기본적으로, APS 디바이스는 표준 전하 결합 소자(Charge Coupled Device : CCD) 센서와 비교할 때 그와 동일한 해상도 및 감도의 APS 디바이스를 구현하기 위해서는 더욱 기술적으로 발전되고 더욱 값비싼 프로세스를 필요로 한다. 그러나, APS 소자는 CCD 센서와 비교해 볼 때 단일의 5V 전원만으로도 동작가능하고, 전압 소모가 적으며, x-y 어드레싱 능력이 뛰어나고, 화상 윈도우잉(windowing)이 가능하며 칩(chip) 상에 신호 처리 전자회로를 효과적으로 집적할 수 있다는 이점을 가진다.
전형적인 종래 기술의 APS 화소는 도 1에 도시된다. 이 화소는 광다이오드(photodiode) 또는 포토게이트(photogate) 기술로 구성될 수 있는 광 검출기(14), 전달 게이트(transfer gate)(15), 부동 확산(floating diffusion) 컨택트(16), 리셋 게이트(reset gate)(19)를 가진 리셋 트랜지스터(reset transistor)(18), 행 선택 게이트(row select gate)(9)를 가지는 행 선택 트랜지스터(row select transistor)(8) 및 소스 폴로어 증폭기(source follower amplifier)인 신호 트랜지스터(7)를 포함한다. 하나의 화소 내에 이들 모든 요소들을 포함시키면, 화소의 충진 계수, 감도 및 최소 크기가 감소된다.
도 2b와 함께 도 2a를 참조하면, CCD의 감도와 APS 디바이스의 이점을 가진 화상 센서를 제공하기 위한 한가지 방법은 화소 구조의 기능성 및 원하는 특징(feature)을 유지하면서 단일 화소 내의 구성 요소들에 할당된 영역의 양을 줄임으로써 충진 계수 및 APS 소자의 감도를 향상시키고자 하는 것이다.
도 2b와 함께 도 2a를 참조하면, "ACTIVE PIXEL SENSOR WITH INTER-PIXEL FUNCTION SHARING"이란 명칭을 가진 가이다쉬(Guidash)의 미국 출원 제 08/808,444호는 APS 디바이스에 대한 충진 계수를 증가시킬 수 있는 방법을 설명하고 있다. 이 가이다쉬의 종래 기술은 APS 내에 전형적으로 사용되는 다양한 요소들을 공유하는 것에 대해 개시하고 있다. 이 기술에서는 화소 구조의 충진 계수의 증가를 돕기 위해 두 행 인접 광 검출기 및 전달 게이트 사이에 부동 확산 컨택트, 소스 폴로어 증폭기, 행 선택 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 공유시키는 기법을 개시한다. 충진 계수를 증가시키기 위해 가이다쉬가 이용한 기본 개념은 센서의 동작 중에 한 행을 동시에 판독한다는 사실에 기초한다. 따라서, 가이다쉬의 특허에서는 도 1에 도시한 APS 디바이스에서와 같이 매 화소마다 하나씩 제공하는 대신에 두 인접 행 내에 위치하는 화소들에 하나의 부동 확산 컨택트(26) 및 하나의 증폭기(27)를 제공할 수 있었다. 한 번에 오직 하나의 행만이 판독되므로, 하나의 부동 확산 컨택트(26), 리셋 트랜지스터(28), 행 선택 트랜지스터(29) 및 신호 트랜지스터(27)(전형적으로는 소스 폴로어 트랜지스터)는 개별 행들 내의 두 인접 화소에 대해 사용될 수 있다.
도 2에 도시한 디바이스는, 요소들을 공유하고 APS 내의 충진 계수를 증가시킬 수는 있으나, 행들 간의 또한 열들 간의 기능의 조합은 물론 그러한 구조로부터 얻어질 충진 계수의 증가는 불가능하다.
상기한 바로부터 명백하듯이, 당해 기술 분야에서는, 행들 간의 또한 열들 간의 전기적 기능의 조합뿐만 아니라 충진 계수의 증가가 가능한 APS 구조가 필요하다.
본 발명은 종래 기술의 APS 디바이스에서 전술한 문제점을 다루어 해결한다. 본 발명은 보다 높은 충진 계수의 화소 또는 보다 작은 화소를 제공하는 화소 및 열 회로 구조물을 포함한다. 인접한 열들과 인접한 행들 간에 요소들을 공유시킴으로써, 요소들은 두(2) 개의 개별적인 광 검출기 및 전달 게이트 대신에 네(4) 개의 개별적인 광 검출기 및 전달 게이트들에 의해 공유될 수 있다. 본 발명은 2 열의 인접한 광 검출기 및 전달 게이트들 간에 전술한 요소들을 추가적으로 공유시키는 것에 의해 충진 계수를 더욱 향상시키고 최소 화소 크기를 더욱 줄이는 수단을 제공함으로써, 그들 요소가 4개의 개별적인 광 검출기 및 전달 게이트에 의해 공유되게 하는 한편 APS 디바이스의 특정 화소들을 선택적으로 어드레싱할 수 있는 능력이 유지되게 한다.
간단히 요약컨대, 본 발명의 일 관점에 따르면, 일련의 행 및 열로 배열된 다수의 화소를 가진 화상 센서는 적어도 두 행 인접 화소 및 적어도 두 열 인접 화소가 내부에 형성된 제 1 도전형의 반도체 재료 기판과, 인접 화소들 간에 공유되는 인접 화소 내에 통합된 적어도 하나의 전기적 기능 수단을 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 관점, 목적, 특징 및 이점들은 상세히 후술하는 바람직한 실시예의 설명, 특허청구범위 및 도면을 참조함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
본 발명자들은 화소 구조를 발명하였으며, 인접한 화소들 간에 기능 수단을 공유 시키면 화소의 크기가 작아지게 됨으로써 전체적인 센서 디바이스가 작아지게 되는 한편 크기가 큰 센서 소자 만큼 큰 충진 계수를 계속 유지할 수 있는 화소 구조를 발명했다. 그 결과, 기존의 종래 기술 디바이스들 만큼 큰 화소 크기를 가지며 증가된 감도 및 포화 신호의 높은 충진 계수를 가지는 저렴한 가격의 디바이스가 얻어진다.
도 3b와 함께 도 3a를 참조하면, 새로운 화소 구조의 하나의 물리적인 실시예를 나타내는 본 발명의 바람직한 실시예를 이해할 수 있을 것이다. 다른 특정의 물리적인 실시예가 구현될 수 있는데 이는 당업자에게는 자명한 것이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 새로운 구조(30)에서는, 행 인접 화소(11, 12 및 21, 22)와 열 인접 열 화소(11, 21 및 12, 22)로서 배열된 화소들(11, 12, 21, 22) 간에 전기적 기능을 공유한다. 도 3a는 화소 구조(30)의 평면도이고, 한편, 도 3b는 도 3a에 도시된 디바이스의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 화소 구조(30)는 행 1에 있는 행 인접 화소(11, 12) 간에 공유 부동 확산 컨택트(41)를 제공하며, 행 인접 화소(21, 22) 간에 공유 부동 확산 컨택트(42)를 제공한다. 증폭기(32)는 바람직하게는 4개의 모든 공유 화소(11, 12, 21, 22) 간에 공유되는 소스 폴로어 트랜지스터 구성을 가지며, 행 선택 트랜지스터(34)와 리셋 트랜지스터(36)도 마찬가지이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 행 1, 2에 대한 행 선택 신호 버스(35)는 동일하며, 열 a, b에 대한 열 출력 버스(37)도 실제로 동일하다. 화상 신호 분리는 각각의 인접 화소(11, 12, 21, 22)에 대해 개별적인 전달 게이트(51, 52, 61, 62)를 제공하는 것에 의하여 이루어진다. 행에서 하나씩 걸러 배열되는 화소에 대해 개별적인 전달 게이트 버스가 제공되며, 각각의 열 쌍에 대해 1 : 2 열 버스 디멀티플랙싱 방안이 제공된다.
이제, 도 3a 및 도 3b와 함께 새로운 구조의 한가지 동작 모드를 상세화한 타이밍도인 도 4를 참조한다. 화상 센서(30)는 그의 리셋 상태에서 전원을 공급받으며 모든 전달 게이트, TG1b(51), TG1a(52), TG2b(61) 및 TG2a(62)과 리셋 게이트(37)는 턴 온된다. 행 1의 통합은 TG1a(52)의 턴 오프에 의해 시작되며, 이에 따라 화소(12)를 포함하는 행 1 내의 홀수 화소들의 통합이 시작된다. 사전설정된 시간 후, 전달 게이트 TG1b(51)가 턴 오프되며, 이에 따라 도시된 바와 같이 화소(12)를 포함하는 행 1 내의 짝수 화소들이 통합되기 시작한다. 일단 행 1이 원하는 시간 동안 통합되면, 행 선택 게이트(35)와 열 A 트랜지스터(81)가 턴 온된다(열 B 트랜지스터는 턴 오프된다.). 그 다음 부동 확산 컨택트(41)의 리셋 레벨은 리셋 게이트(37)를 턴 오프하고 SHR(82)을 스트로빙(82)하는 것에 의해서 판독된다. 그 다음 전달 게이트 TG1a(52)가 펄스에 의해 온되며, 광 검출기 PD1a(72)로부터의 신호 전하가 부동 확산 컨택트(41)로 전송된다. 신호 레벨은 그 다음 SHS(83)의 스트로빙에 의해 행 1 내의 홀수 행 광 검출기에 대해 판독된다. 화소(12)에 대한 통합된 전하가 전달되는 동안, 화소(11)는 여전히 광 검출기 PD1b(71)에 의한 통합을 가능하게 한다. 화소(11) 내의 통합된 전하의 전달은 열 A 트랜지스터(81)가 턴 오프되고 열 B 트랜지스터(91)가 턴 온된 경우에 발생한다. 리셋 게이트(37)는 다시 턴 온되어 부동 확산 컨택트(41)를 리셋팅한다. 리셋 레벨은 SHR의 스트로빙에 의해 판독된다. 다음에, 전달 게이트 TG1b(51)는 적당한 시간에 펄스에 의해서 온되는데, 이 적당한 시간은 PD1a(72)와 PD1b(71)가 동일한 통합 시간을 갖게 하는 시간으로 결정된다. 화소(11)의 광 검출기 PD2b 내의 신호 전하는 부동 확산 컨택트(41)로 전달된다(이는 행 1 내의 모든 짝수 열 광 검출기에 대한 경우임). 신호 레벨은 SHS(83)의 스트로빙에 의해서 판독된다. 이제, 행 1 내의 모든 화소들은 신호 뱅크(bank of signal) 및 리셋 캐패시터 내로 판독된다. 라인 판독은 그 다음 종래 기술의 CMOS 촬상기에서 설명한 표준적인 방식으로 행해진다. 이 시퀀스는 그 다음 열 2에 대해 행해지는데, 이 경우 전달 게이트 TG2a(62) 및 TG2b(61)가 사용되는 것을 제외하고는 모든 신호들이 동일하다. 이 과정은 그 다음 디바이스 상의 잔여 행 쌍들에 대해서 반복된다. 이 동작은 개념적으로 행당 열 인터레이스드 샘플 및 홀드 동작(column interlaced, sample and hold, per row operation)으로서 설명될 수 있다.
이 구조는 종래 기술 디바이스들에 비해서 높은 충진 계수 및 그 결과의 매우 작은 화소 크기를 제공하는데, 이는 능동 요소들이 4개의 광 검출기 간에 공유되기 때문이다. 행당 하나의 가외적인 금속 라인이 모든 필요한 전달 게이트들을 제공하는데 필요하지만, 가외적인 금속 라인은 이전에 논의한 1 화소 증폭기 구성(per pixel amplifier scheme) 및 2 화소 증폭기 구성(per 2 pixel amplifier scheme)에서 능동 소자가 점유하는 영역보다 휠씬 작은 영역을 차지한다. 3개의 가외적인 타이밍 및 제어 신호가 필요하며 열당 2개의 추가적인 트랜지스터가 필요하다. 그러나, 이들은 화소 또는 화상 어레이 영역에 영향을 끼치지 않는데, 이는 화상 어레이 영역의 외부에 있는 CMOS 로직 내에 통합되기 때문이다. 이 구조는, 행당 방식에 따른 화상 포착의 일시적인 변위 외에도, 주어진 행 내의 홀수 화소 및 짝수 화소의 화상 포착의 일시적인 변위를 갖는다. 그러나, 이 시간은 수백 나노초 정도로 특히 행 간의 일시적인 변위와 비교해 볼 때 매우 짧으므로, 어떠한 화상 포착 결함도 발생하지 않을 것이다. 가외적인 샘플 및 홀드 시퀀스(SHR 및 SHS 스트로브)가 있기 때문에, 최소 라인 시간은 그 새로운 구조의 경우에는 최소 라인 시간이 약간 더 길며, 이것은 비디오 응용시 최대 프레임 속도를 증분적으로 감소시킬 것이다.
본 발명에 의하면, 동일한 화소 크기에 대해 충진 계수, 감도 및 포화 신호가 높으며, 동일한 충진 계수에 대해 화소 및 디바이스 크기가 작아 디바이스의 가격이 저렴하게 된다.
도 1a는 종래 기술의 화소에 대한 평면도,
도 1b는 도 1a에 도시된 화소의 개략도,
도 2a는 기능 수단을 공유하는 종래 기술의 화소에 대한 평면도,
도 2b는 도 2a에 도시된 기능 수단을 공유하는 종래 기술의 화소에 대한 개략도,
도 3a는 본 발명에 따라 기능 수단을 공유하는 화소 구조의 평면도,
도 3b는 도 3a에 도시된 화소 구조의 개략도,
도 4는 본 발명의 동작을 도시한 타이밍 타이밍도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 행 1 2 : 행 2
3 : 행 3 4 : 행 4
7, 27 : 신호 트랜지스터 8, 34 : 행 선택 트랜지스터
9, 35 : 행 선택 게이트 11, 12, 21, 22 : 화소
14, 71, 72 : 광 검출기 16, 26, 41, 42 : 부동 확산 컨택트
18, 28, 36 : 리셋 트랜지스터 19, 37 : 리셋 게이트
29 : 선택 트랜지스터 30 : 공유 행 및 열 회로 화소
32 : 부동 확산 증폭기 38 : 열 선택 버스
51, 52, 61, 62 : 전달 게이트 80 : 열 샘플 홀드
81, 91 : 트랜지스터 82, 92 : 샘플 및 홀드 리셋
83 : 샘플 및 홀드 신호 90 : 열 샘플 홀드

Claims (3)

  1. 일련의 행과 열로 배열된 다수의 화소를 가진 화상 센서에 있어서,
    제 1 도전형의 반도체 재료와,
    기판 내에 형성된 적어도 두 행 인접 화소(at least two row adjacent pixels) 및 적어도 두 열 인접 화소(at least two column adjacent pixels)와,
    인접 화소들 간에 컨택트 영역이 공유되는 적어도 하나의 공유 컨택트의 영역을 포함하되,
    상기 공유 컨택트는 다음의 구성 요소들, 즉 포토게이트 컨택트, 리셋 게이트 컨택트, 행 선택 게이트 컨택트, 증폭기 드레인 컨택트, 출력 노드 컨택트, 부동 확산 컨택트, 리셋 드레인 컨택트, 횡형 오버플로우 게이트 컨택트 또는 증폭기 컨택트 중의 하나로부터 선택되는
    화상 센서.
  2. 행과 열로 배열된 다수의 화소를 가진 화상 센서에 있어서,
    두 행 인접 화소를 동시에 선택하도록 동작하는 행 선택 신호 및 두 행 인접 화소에 대해 동작가능한 행 선택 버스와,
    두 열 인접 화소에 대해 동작가능한 열 출력 버스와,
    각 화소에 대한 별도의 전달 게이트와,
    주어진 행 내의 하나씩 걸러 배열되는 화소에 대한 개별적인 전달 게이트 버스
    를 포함하는 화상 센서.
  3. 고체 화상 감지 디바이스 제조 방법에 있어서,
    열과 행으로 형성된 다수의 화소들을 가지는 반도체 기판을 제공하는 단계와,
    적어도 두 행 인접 및 적어도 두 열 인접 화소 내에 상기 인접 화소 간에 공유되는 하나의 전기적인 기능 수단을 더 제공하는 단계
    를 포함하는 고체 화상 감지 디바이스 제조 방법.
KR1019980032715A 1997-08-15 1998-08-12 화상센서및고체화상감지디바이스제조방법 KR100637945B1 (ko)

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US8/911,235 1997-08-15

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