KR100640949B1 - 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광감지소자와 리셋 트랜지스터사이에 과전하를 방전하기 위한 전하조절 트랜지스터를 설치하여, 과전하에 의한 인접 트랜지스터의 간섭을 방지하는 반도체 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로에 관한 것으로, 광감지소자; 상기 광감지소자에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 광감지소자와 연결되며 리셋기능을 하는 리셋 트랜지스터; 상기 광감지소자로부터 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터; 상기 드라이브 트랜지스터와 연결되며, 어드레싱 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터; 상기 광감지소자와 상기 리셋트랜지스터사이에 설치되며, 상기 광감지소자의 과전하를 제거하는 전하조절 트랜지스터를 포함한다.
시모스 이미지 센서, 전하조절 트랜지스터, 노이즈

Description

시모스 이미지 센서의 단위화소 회로{Unit pixel circuit in CMOS image sensor}
도 1은 종래기술의 4 개의 트랜지터를 가지는 시모스 이미지 센서의 단위 화소 회로도이다
도 2는 종래기술의 시모스 이미지 센서의 오버플로우 현상의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 레이아웃이다.
도 5는 도 4를 A-A'로 절단한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 전위(potential) 프로파일(profile)이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200 : 광감지소자 201 : 트랜스퍼 트랜지스터
FD : 플로팅확산영역 203 : 드라이브 트랜지스터
204 : 드라이브 트랜지스터 205 : 셀렉트 트랜지스터
206 : 전하조절 트랜지스터
본 발명은 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로에 관한 것으로, 특히 광감지소자와 리셋 트랜지스터사이에 과전하를 방전하기 위한 전하조절 트랜지스터를 설치하여, 과전하에 의한 인접 트랜지스터의 간섭을 방지하는 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD:charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
시모스 이미지 센서에 있어서, 광에서 전기적인 신호로 신호를 변환하여 광감지소자에 전하를 저장하게 되는데 입사 광량이 많을 경우, 광감지소자에 축적된 전하가 인접한 전기적 접촉 지점으로 넘쳐서 실제 신호의 왜곡을 가져 오는 문제가 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술의 4 개의 트랜지스터를 가지는 시모스 이미지 센서의 단위 화소 회로도이다.
광전하를 생성하는 포토다이오드(photodiode)(100)와 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(101)와 게이트로 Rs 신호를 인가받아 원하는 값으로 플로팅확산영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transitor)(103)와, 게이트로 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(drive transistor)(104)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(105)로 구성된다.
도 2는 종래기술의 시모스 이미지 센서의 오버플로우 현상의 모식도이다.
P 형의 반도체 기판(110)에 P 웰(well)(111)이 형성되고, 반도체 기판(110) 을 식각하여 트렌치를 형성하고 트렌치에 절연막을 충진시킨 STI(shallow trench isolation)(112)가 형성된다. 그리고 P 웰(111)에 N 형 확산영역(113)과 P 형 확산영역(114)로 광감지 소자(115)를 형성하고, 광감지 소자(115)에서 생성되는 광전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(101)의 게이트전극(116)을 형성한다.
광감지소자(115)에 강한 빛이 입사되는 경우, 광감지소자(115)에만 모여 있어야 할 전하가 광에 의한 전하 발생속도가 매우 빠르고 많아서, STI(112)의 하부를 통과하여 인접한 트랜지스터 또는 광감지 소자에 전달되어 불필요한 신호가 되어 잡음으로 된다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로는 다음과 같은 문제가 있다.
광감지소자에 강한 빛이 입사되는 경우, 광감지소자에 축적되어야 하는 전하가 광에 의한 전하 발생속도가 매우 빠르고 많아서, STI의 하부를 통과하여 인접한 트랜지스터 또는 광감지 소자에 전달되어 불필요한 신호가 되어 잡음으로 되는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로에 대한 문제를 해결하기 위한 것으로, 광감지소자와 리셋 트랜지스터사이에 과전하를 방전하기 위한 전하조절 트랜지스터를 설치하여, 과전하에 의한 인접 트랜지스터의 간섭을 방지하는 반도체 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 반도체 시모스 이미지 센서의 단위화소는 광감지소자; 상기 광감지소자에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 광감지소자와 연결되며 리셋기능을 하는 리셋 트랜지스터; 상기 광감지소자로부터 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터; 상기 드라이브 트랜지스터와 연결되며, 어드레싱 역할을 하는 스위칭 트랜지스터; 상기 광감지소자와 상기 리셋 트랜지스터 사이에 설치되며, 상기 광감지소자의 과전하를 제거하는 전하조절 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 반도체 시모스 이미지 센서의 단위화소에 있어서, 상기 전하조절 트랜지스터의 일측단자는 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측단자와 상기 광감지소자의 일측단자와 공유하고, 상기 전하조절 트랜지스터의 타측단자는 상기 리셋 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터의 일측단자와 연결되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로도이다.
광전하를 생성하는 광감지소자(photodiode)(200)와 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(200)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(201)와 게이트로 Rs 신호를 인가받아 원하는 값으로 플로팅확산영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transitor)(203)와, 게이트로 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(drive transistor)(204)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(205)와, 광감지소자(200)에 발생한 과전하를 방전시키기 위해 광감지소자(200)와 리셋 트랜지스터(203)의 일측단자에 연결되는 전하조절 트랜지스터(206)로 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 레이아웃이다.
광전하를 생성하는 포토다이오드(photodiode)(200)와 포토다이오드(200)의 일측에 연결되며, 게이트전극(210)으로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(200)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(201)와 게이트전극(211)으로 Rs 신호를 인가받아 원하는 값으로 플로팅확산영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transitor)(203)와, 게이트전극(212)으로 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(drive transistor)(204)와, 게이트전극(213)으로부터 신호를 인가받아 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(205)와, 광감지소자(100)의 타측과 리셋 트랜지스터(203)의 일측에 설치되며, 게이트전극(214)으로부터 신호를 인가받아 광감지소자(200)에 발생한 과전하를 방전시키는 전하조절 트랜지스터(206)로 구성된다.
도 5는 도 4를 A-A'로 절단한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위화소 전위(potential) 프로파일(profile)이다.
P 웰(221)을 가진 반도체 기판(220)에 형성된 광감지소자(200)와 트랜스퍼 트랜지스터(201) 사이의 제 1 전위장벽(223)은 광감지소자(200)과 전하조절 트랜지스터(206)의 제 2 전위장벽(224)보다 높아 광감지소자(200)에 발생한 과전하들이 주로 전하조절 트랜지스터(206)로 플로우(flow)된다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단위회소 회로는 다음과 같은 효과가 있다.
광감지소자와 리셋 트랜지스터사이에 과전하를 방전하기 위한 전하조절 트랜지스터를 설치하여, 과전하가 인접한 트랜스퍼 트랜지스터로 이동하여 불필요한 신호가 되어 잡음이 되는 것을 방지하여 시모스 이미지 센서의 특성을 개선하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 광감지소자;
    상기 광감지소자에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 광감지소자와 연결되며 리셋기능을 하는 리셋 트랜지스터;
    상기 광감지소자로부터 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터;
    상기 드라이브 트랜지스터와 연결되며, 어드레싱 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터;
    상기 광감지소자와 상기 리셋 트랜지스터 사이에 설치되며, 상기 광감지소자의 과전하를 제거하는 전하조절 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전하조절 트랜지스터의 일측단자는 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측단자와 상기 광감지소자의 일측단자와 공유하고, 상기 전하조절 트랜지스터의 타측단자는 상기 리셋 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터의 일측단자와 연결되는 것을 특징으로 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로.
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