KR100642753B1 - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서(image sensor)가 제공된다. 이미지 센서는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부, 축적된 전하를 전하 검출부로 전송하는 제1 전하 전송부, 광전 변환부에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역, 과잉 전하를 상기 오버플로우 드레인 영역으로 전송하며, 폭이 상기 광전 변환부의 일변의 1/2 이상인 제2 전하 전송부를 포함한다.
이미지 센서, 싱글 프레임 캡쳐 모드, 오버플로우 드레인 영역
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′를 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 13는 도12의 XIII- XIII′를 따라 절단한 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 타이밍도(timing diagram)이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도와 포텐셜도(potential diagram)를 함께 도시한 도면이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : 이미지 센서 10 : 화소 배열부
20 : 타이밍 제너레이터 30 : 로우 디코더
40 : 로우 드라이버 50 : 상관 이중 샘플러
60 : 아날로그 디지털 컨버터 70 : 래치부
80 : 컬럼 디코더 100 : 단위 화소
110 : 광전 변환부 120 : 전하 검출부
130 : 제1 전하 전송부 140 : 리셋부
150 : 증폭부 160 : 선택부
170 : 제2 전하 전송부 180 : 오버플로우 드레인 영역
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지 재현 특성이 향상된 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 입사광을 광전 변환하여 전기 신호로 제공하는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 화소 배열부와, 단위 화소를 제어하거나 단위 화소의 전기 신호를 처리하는 주변 회로부를 포함한다. 주변 회로부는 화소 배열부에 입력된 광학 영상을 여러가지 방식으로 처리한다. 예를 들어, 동영상을 처리하기 위한 롤링 셔터 모드(rolling shutter mode)와, 정지 영상을 처리하기 위한 싱글 프레임 캡쳐 모드(Single Frame Capture Mode; SFCM) 등이 있다.
여기서, 롤링 셔터 모드는 화소 배열부에 실시간으로 입력되는 광학 영상을 행(row) 단위로 순차적으로 읽어 나가기 때문에, 화소 배열부의 각 행이 서로 다른 순간에 노출된다. 반면, 싱글 프레임 캡쳐 모드는 전기적 셔터(electrical shutter) 동작을 통해서 입력된 광학 영상을 동시간에 화소 배열부의 전하 검출부로 전달하고, 전하 검출부에 저장된 신호를 행 단위로 읽어 나간다.
그런데, 싱글 프레임 캡쳐 모드에서 매우 높은 조도의 광이 계속적으로 입사되는 경우, 광전 변환부에서 발생한 과잉 전하가 전하 검출부로 오버플로우 (overflow)되어 이미지를 왜곡한다. 특히, 행 단위로 리드아웃(readout)하는 동안 오버플로우되는 과잉 전하가 늘어나기 때문에, 예를 들어 첫번째 행과 마지막 행간의 리드 아웃 시간차에 따른 이미지 왜곡이 심각하다.
또한, 전하 검출부를 공유하는 다수의 단위 화소의 경우에는, 전하 검출부의 사용 시간을 시분할하여 사용한다. 따라서, 전하 검출부를 공유하는 단위 화소간에는 리드아웃(readout) 시간의 차이가 발생하고, 이러한 경우 단위 화소간에 시간차에 따른 이미지 왜곡이 발생되기 쉽다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이미지 재현 특성이 향상된 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부, 축적된 전하를 전하 검출부로 전송하는 제1 전하 전송부, 광전 변환부에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역, 과잉 전하를 상기 오버플로우 드레인 영역으로 전송하며, 폭이 상기 광전 변환부의 일변의 1/2 이상인 제2 전하 전송부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소가 2차원적으로 배열된 화소 배열부를 포함하되, 각 단위 화소는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부, 축적된 전하를 전하 검출부로 전송하는 제1 전하 전송부, 광전 변환부에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역, 과잉 전하를 상기 오버플로우 드레인 영역으로 전송하며 폭이 광전 변환부의 일변의 1/2 이상인 제2 전하 전송부를 포함하고, 다수의 광전 변환부는 각 제2 전하 전송부를 통해서 오버플로우 드레인 영역을 공유한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 나아가, n형 또는 p형은 예시적인 것이며, 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참고 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 1 내지 도 17를 참조함으로써 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 화소 배열부(10), 타이밍 제너레이터(timing generator; 20), 로우 디코더(row decoder; 30), 로우 드라이버(row driver; 40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS; 50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC; 60), 래치부(latch; 70), 컬럼 디코더(column decoder; 80) 등을 포함한다.
화소 배열부(10)은 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소를 포함한다. 다수의 단위 화소들은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 화소 배열부(10)는 로우 드라이버(40)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 제1 및 제 2 전하 전송 신호(TG1, TG2) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.
타이밍 제너레이터(20)는 로우 디코더(30) 및 컬럼 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
로우 드라이버(40)는 로우 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 화소 배열부(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(50)는 화소 배열부(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, ‘잡음 레벨(noise level)’)과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, ‘신호 레벨’)을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
래치부(70)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 컬럼 디코더(80)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다. 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이 다. 도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′를 따라 절단한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 제1 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160), 제2 전하 전송부(170)을 포함한다.
광전 변환부(110)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.
제1 전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 제1 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 제1 전하 전송 신호(TG1)에 의해 제어된다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조 합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.
제2 전하 전송부(170)는 광전 변환부(110)에서 생성된 과잉 전하를 오버플로우 드레인 영역(180)으로 전송하는 역할을 한다. 제2 전하 전송부(170)는 게이트가 제2 전하 전송 신호(TG2)에 의해 제어되고, 소스는 광전 변환부(110)과 연결되고 드레인은 양전압과 연결된 MOS 트랜지스터일 수 있다. 여기서, 제2 전하 전송 신호(TG2)는 소정의 양전압일 수도 있고, 제1 전하 전송 신호(TG1)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변한 후(high-to-low transition) 하이 레벨이 되는 클럭 신호일 수 있다. 다만, 제2 전하 전송 신호(TG2)는 제2 전하 전송부(170)의 포텐셜 베리어 피크 (potential barrier peak)가 제1 전하 전송부(130)의 포텐셜 베리어 피크 보다 낮도록 조절되는 것이 바람직하다. 광전 변환부(110)에서 발생한 과잉 전하가 제1 전하 전송부(130)를 통해서 전하 검출부(120)로 오버플로우되기 전에, 제2 전하 전송부(170)를 통해서 오버플로우 드레인 영역(180)으로 배출되도록 하기 위함이다.
특히, 제2 전하 전송부(170)는 광전 변환부(110)의 일변(L)과 인접하여 형성되고, 제2 전하 전송부(170)의 폭(W)은 광전 변환부(110)의 일변(L)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 전하 전송부(170)의 폭(W)이 클수록 과잉 전하가 통과할 수 있는 영역이 커지므로, 드레인 특성은 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 싱글 프레임 캡쳐 모드에서 매우 높은 조도의 광이 계속적으로 입사되는 경우, 광전 변환부(110)에서 발생되는 과잉 전하가 전하 검출부(120)로 오버플로우되어 이미지를 왜곡하는 것을 방지한다. 또한, 과잉 전하에 의한 블루밍 현상을 방지할 수도 있다.
또한, 제1 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160), 제2 전하 전송부(170)의 구동 신호 라인(131, 141, 161, 171)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장되어 형성된다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 반도체 기판(102), 소자 분리 영역(106), 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 제1 전하 전송부(130), 제2 전하 전송부(170), 오버플로우 드레인 영역(180)을 포함한다. 광전 변환부(110)는 설명의 편의상 핀드 포토 다이오드(PPD)를 예로 든다.
반도체 기판(102)는 주로 P형 기판을 사용하고, 활성 영역과 소자 분리 영역이 형성된다. 도면에는 표시하지 않았으나, 반도체 기판(102) 상부에 P형 에피층(epitaxial layer)을 성장시키거나 별도의 웰(well)영역을 만들어, P형 에피층 및/또는 웰 영역 상에 광전 변환부(110), 제1 및 제2 전하 전송부(130, 170) 등을 형성시킬 수 있다.
소자 분리 영역(106)은 반도체 기판(102) 상의 활성 영역을 정의하고, 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다.
광전 변환부(110)는 빛 에너지를 흡수하여 발생한 전하를 축적하며, N형의 포토 다이오드(112)와 P+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함한다. 일반적으로, 포토 다이오드(112)와 피닝층(114)은 2번의 서로 다른 이온 주입 공정을 통해서 형성된다. 즉, 우선 주변의 소스, 드레인보다 더 깊게 N 도펀트를 이온 주입하여 포토 다이오드(112)를 형성하고, 포토 다이오드(112) 상부에 P+ 도펀트를 낮은 에너지, 높은 도즈(dose)를 이용하여 이온 주입하여 피닝층(114)을 형성한다. 물론, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.
이미지 센서에서, 암전류의 원인으로는 포토 다이오드(112)의 표면 손상을 들 수 있다. 표면 손상은 주로 댕글링 실리콘 결합(dangling silicon bonds)의 형성에 의할 수도 있고, 게이트(gate), 스페이서(spacer) 등의 제조 과정 중에 에칭 스트레스(etching stress)와 관련된 결점에 의해 이루어 질 수도 있다. 따라서, 포토 다이오드(112)를 반도체 기판(102) 내부에 깊게 형성하고 피닝층(114)을 형성함으로써, 이러한 암전류의 생성을 방지하고 빛 에너지에 의해 생성된 전하의 전송이 더 수월하게 이루어 질 수 있다.
전하 검출부(120)는 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전하 전송부(130)를 통해서 전송받으며, 주로 N+ 도펀트를 이온 주입하여 형성한다.
제1 전하 전송부(130)는 과도한 빛 에너지가 조사되었을 때 발생할 수 있는 광전 변환부(110)에서의 오버플로우 및 블루밍 현상을 막기 위해 공핍형(depletion type) 트랜지스터를 사용할 수 있다.
공핍형 트랜지스터를 사용하는 전하 전송부(130)는 비활성시에도 채널이 형성되어 있으므로, 광전 변환부(110)에서 일정량 이상의 전하가 생성되었을 때에는 제1 전하 전송부(130)를 통해서 전하 검출부(120)로 일부의 전하가 빠져나갈 수 있도록 한다. 제1 전하 전송부(130) 하부의 N-이온 주입 영역(130D)은 이와 같은 채널 역할을 한다.
그런데, 이와 같은 공핍형 트랜지스터는 롤링 셔터 모드 등 다른 모드에서는 오버플로우 및 블루밍 현상을 방지하는 역할을 할 수 있으나, 싱글 프레임 캡쳐 모드에서는 오히려 광전 변환부에서 발생한 과잉 전하가 전하 검출부로 오버플로우되어 이미지를 왜곡을 일으키기 쉽다.
제2 전하 전송부(170)는 싱글 프레임 캡쳐 모드에서 과잉 전하가 제1 전하 전송부(130)를 통해서 오버플로우되기 전에 오버플로우 드레인 영역(180)으로 배출하는 역할을 한다. 따라서, 제2 전하 전송 신호(TG2)는 제2 전하 전송부(170)의 포텐셜 베리어 피크(potential barrier peak)가 제1 전하 전송부(130)의 포텐셜 베리어 피크보다 낮도록 조절되는 것이 바람직하다.
제2 전하 전송부(170)는 제2 전하 전송 신호(TG2)와 연결된 게이트 전극과 광전 변환부(110), 오버플로우 드레인 영역(180)과 각각 전기적으로 연결된 소스/드레인 영역을 포함하는 MOS 트랜지스터일 수 있다. 전술하였듯이, 제2 전하 전송 신호(TG2)는 소정의 양전압일 수도 있고, 제1 전하 전송 신호(TG1)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변한 후(high-to-low transition) 하이 레벨이 되는 것과 같이 클럭 신호일 수 있다.
또한, 제2 전하 전송부(170)는 게이트 전극 하부에 형성된 이온 주입 영역(170D)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 이온 주입 영역(170D)은 N형 도펀트, P형 도펀트 또는 이들의 조합을 이온 주입하여 형성한다. 즉, 도 4에서와 같이 N-형일 경우에는 포텐셜 베리어를 낮추는 역할을 하고, 도면에서는 표시하지 않았으나 P+형일 경우에는 포텐셜 베리어를 높이는 역할을 한다. 따라서, 이온 주입 영역(170D)의 도전형은 게이트 전극에 인가되는 제2 전하 전송 신호(TG2)의 전압 레벨을 고려하여 결정될 수 있다.
오버플로우 드레인 영역(180)은 제2 전하 전송부(170)를 통해서 전송된 과잉 전하를 외부로 배출하는 역할을 한다. 따라서, 오버플로우 드레인 영역(180)은 전원 전압(Vdd)와 같은 소정의 양전압과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다. 도 4와 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5의 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 화소(101)의 제2 전하 전송부(171)는 광전 변환부(110)와 오버플로우 드레인 영역(180) 사이에 형성된 이온 주 입 영역일 수 있다. 별도의 MOS 트랜지스터를 구비하지 않아도, 이온 주입 농도에 따라 포텐셜 베리어를 조절할 수 있다.
도 6의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 화소(102)의 제2 전하 전송부(172)는 리세스(recess)형 MOS 트랜지스터일 수 있다. 해상도가 높아짐에 따라 좁은 영역에서 다수의 단위 화소를 형성하게 된다. 따라서, 단위 화소에서 사용되는 MOS 트랜지스터의 크기도 점차 작아지게 된다. 이러한 경우, 채널의 길이가 점차 감소하여 소스/드레인 영역의 공핍 영역이 채널 속으로 침투하여 유효 채널 길이가 줄어들고 문턱 전압(threshold voltage)가 감소하는 단채널 효과(short channel effect)가 발생된다. 또한, 짧은 채널의 MOS 트랜지스터에 고전압이 인가되면 핫 캐리어(hot carrier)가 산화막으로 침투할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 반도체 기판(102)내에 게이트를 형성하여, 벌크 채널(bulk channel)을 갖는 트랜치형 트랜지스터를 사용할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다. 도 3과 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 화소(103)의 제2 전하 전송부(173)는 광전 변환부(110)의 일변(L)과 인접하여 형성되고, 폭(W)은 광전 변환부의 1/2 이상인 것이 바람직하다. 제2 전하 전송부(173)의 폭(W)은 크면 클수록 과잉 전하가 통과할 수 있는 영역이 커지므로, 드레인 특성은 향상될 수 있다.
도 8의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 화소(104)는 제2 전하 전송부 (174)는 광전 변환부(110)의 적어도 일변과 인접하여 형성한다. 예를 들어, 도 7에서와 같이 인접한 두 변과 인접하여 형성될 수 있다. 제2 전하 전송부(174)가 광전 변환부(110)의 다수의 면에 형성될수록 드레인 특성은 향상될 수 있다. 다만, 필 팩터(fill factor)를 고려하여 제2 전하 전송부(174)가 형성될 영역과 폭을 고려할 필요가 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 단면도이다. 도 3과 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 화소(105)의 제2 전하 전송부(175)는 다수의 서브 제2 전하 전송부들(175a, 175b, 175c)을 포함한다. 여기서, 다수의 서브 제2 전하 전송부들(175a, 175b, 175c)은 광전 변환부(110)의 일변(L)에 인접하여 형성되고, 전체 폭(W1+W2+W3)은 광전 변환부(110)의 일변(L)의 1/2 이상일 수 있다. 또한, 도 9와 같이 광전 변환부(110)의 일변(L)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 화소(106)의 제2 전하 전송부(176)는 다수의 서브 제2 전하 전송부들(176a, 176b)을 포함한다. 여기서, 다수의 서브 제2 전하 전송부들(176a, 176b)은 광전 변환부(110)의 두변에 인접하여 형성되고, 전체 폭(W4+W5)은 광전 변환부(110)의 일변(L)의 1/2 이상일 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다. 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 평면도이다. 도 13는 도12의 XIII- XIII′를 따라 절단한 단면도이다.
도 11 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소(200, 205)가 2차원적으로 배열된 화소 배열부(도 1의 10 참조)를 포함한다. 여기서, 단위 화소(200, 205)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)와 실질적으로 동일하다. 즉, 단위 화소(200, 205)는 반도체 기판(202) 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부(210, 215), 축적된 전하를 전하 검출부(220, 225)로 전송하는 제1 전하 전송부(230, 235) 등을 포함한다. 특히, 단위 화소(200, 205)는 광전 변환부(210, 215)에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역(280)를 공유한다. 따라서, 광전 변환부(210, 215) 사이의 영역은 소자 분리 영역(206)으로 분리되지 않고, 제2 전하 전송부(270, 275), 오버플로우 드레인 영역(280)이 형성된 액티브 영역이 된다.
제2 전하 전송부(270, 275)는 광전 변환부(210, 215)의 적어도 일변과 인접하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 전하 전송부(270, 275)는 광전 변환부(210, 215)의 일변의 1/2 이상일 수 있다. 도 12에서와 같이 광전 변환부(210, 215)의 일변과 실질적으로 동일할 수 있다.
여기서, 제2 전하 전송부(270, 275)는 제2 전하 전송 신호(TG2)와 연결된 게이트 전극과 광전 변환부(210, 215), 오버플로우 드레인 영역(280)과 각각 전기적으로 연결된 소스/드레인 영역을 포함하는 MOS 트랜지스터일 수 있다. 또한, 게이트 전극 하부에는 형성된 이온 주입 영역(270D, 275D)을 더 포함할 수 있다. 게이 트 전극에 인가되는 제2 전하 전송 신호(TG2)의 전압 레벨과 이온 주입 영역(270D, 275D)의 이온 주입 농도로 포텐셜 베리어를 조절할 수 있다.
도면에는 표시하지 않았으나, 도 5 내지 도 10에서 설명한 이미지 센서의 단위 화소의 경우에도, 오버플로우 드레인 영역이 공유될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소, 예를 들어 4개의 단위 화소(200a, 200b, 200c, 200d)는 전하 검출부(220)를 공유한다. 여기서, 각 단위 화소(200a, 200b, 200c, 200d)는 각 제1 전하 전송부(230a, 230b, 230c, 230d)의 턴온 여부를 조절하여 사용 시간을 시분할하므로, 공통의 전하 검출부(220)를 사용할 수 있게 된다. 종래에는, 예를 들어 도면 부호 200a, 200b, 200c, 200d 순으로 차례대로 사용된다고 할 때, 단위 화소(200a)를 리드아웃(readout)하는 동안, 단위 화소(200d)의 광전 변환부(210a)에서는 전하가 더 발생될 수 있다. 따라서, 시간차에 따른 이미지 왜곡이 발생되기 쉽다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 인접한 단위 화소(200a, 205a)는 제2 전하 전송부(270a, 275a)를 통해서 오버플로우 드레인 영역(280)을 공유한다. 따라서, 이러한 리드 아웃 시간차에 따른 이미지 왜곡을 줄일 수 있다. 도 14와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 전하 검출부(220)를 공유하지 않는 다른 단위 화소(200a, 205a)간에 오버플로우 드레인 영역(280)을 공유하고 있으나, 이에 제한되지 않는 다. 즉, 도면에는 표시하지 않았으나, 도 5 내지 도 10에서 설명한 이미지 센서의 단위 화소와 같이, 오버플로우 드레인 영역이 공유될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 2개의 단위 화소(201a, 201b)는 전하 검출부(221)를 공통으로 사용한다. 여기서, 각 단위 화소(201a, 201b)는 각 제1 전하 전송부(231a, 231b)의 턴온 여부를 조절하여 사용 시간을 시분할한다. 여기서, 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 인접한 단위 화소(201a, 206a)는 제2 전하 전송부(271a, 276a)를 통해서 오버플로우 드레인 영역(281)을 공유한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 타이밍도(timing diagram)이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도와 포텐셜도(potential diagram)를 함께 도시한 도면이다. 여기서, 동작 전의 포텐셜 레벨은 점선으로, 동작 후의 포텐셜 레벨은 실선으로 표시한다. 포텐셜도는 아래 방향이 포텐셜의 증가 방향이다.
도 16 및 도 17을 참조하여 광전자 변환부(110)를 핀드 포토 다이오드로 사용한 이미지 센서의 구동(operation)을 설명한다. 일반적으로, 화소 배열부(도 1의 10 참조)에 위치하는 모든 단위 화소들은 공통적으로 전하를 축적(integration)하게 된다. 여기서, 제1 및 제2 전하 전송 신호(TG1, TG2)는 화소 배열부의 모든 행에 위치하는 단위 화소들에 공통된 신호이다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 제2 전하 전송 신호(TG2)는 소정의 양전압이 인가되는 경우를 예로 든다. 반면, 리셋 신호(RST), 화소 선택 신호(ROW)는 화소 배열부(10)의 특정한 행에 위치하는 단위 화소들에 공통된(common) 신호이다. 다른 말로 하면, 특정한 행에 위치하는 단위 화소들은 고유한 리셋 신호(RST), 화소 선택 신호(ROW)를 제공받는다.
화소 배열부(10)에는 N개의 행으로 이루어져 있고, 각 행들은 ROW(1), ……, ROW(i), ROW(i+1), ……, ROW(N)의 순서로 순차적으로 읽혀진다. 또한, 설명의 편의상 ROW(i)을 위주로 설명하기로 한다. 전술하였듯이, 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 제1 및 제2 전하 전송 신호(TG1, TG2)는 타이밍 제너레이터(도 1의 20 참조)에 의해서 제어되는 로우 드라이버(도 1의 40 참조)가 화소 배열부(10)에 제공한다. 화소 배열부(10)는 이러한 다수 개의 신호들(ROW, RST, TG1, TG2)를 제공받아 전하를 축적하고(integration period), 축적된 전하를 동시간에 전하 검출부(120)에 전송하고, 전하 검출부(120)에서 잡음 레벨과 신호 레벨이 이중으로 샘플링된다(double sampling).
시간 t1 이전에서 i번째 행은 화소 선택 신호(ROW(i))가 하이가 되는 동안, 전하 검출부(120)에 전에 저장된 이미지 프레임이 한 번에 한 라인씩 수직 신호 라인(162)을 통해서 외부로 제공된다. 그 후, 리셋 신호(RST)가 하이가 되어, 전하 검출부(120)는 리셋된다.
시간 t1에서, 각 화소마다 다른 오프셋(offset) 레벨, 즉 잡음 레벨이 수직 신호 라인(162)을 통해서 읽혀진다. 도면에는 표시하지 않았으나, 수직 신호 라인(162) 상의 잡음 레벨은 샘플 홀드 펄스(SHP)에 의해 상관 이중 샘플러(도 1의 50 참조)에 보유된다. 그 동안, 광전 변환부(110)는 입사광에 노출되어 있으므로, 입 사광에 대응되는 전하가 생성되어 축적된다.
또한, 제2 전하 전송부(170)에는 소정의 양전압이 일정하게 인가되고 있다. 여기서 제2 전하 전송부(170)의 포텐셜 베리어 피크는 제1 전하 전송부(130)의 포텐셜 베리어 피크 보다 소정의 차이(h)만큼 낮게 형성되어 있다.
시간 t2에서 제1 전하 전송 신호(TG1)이 하이가 되면, 화소 배열부(10)의 모든 행들의 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 축적된 전하를 전송한다. 이 때, 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있으므로 전하가 누적적으로 저장되고, 이에 따라서 전하 검출부(120)의 포텐셜은 변화된다.
시간 t3에서 제1 전하 전송 신호(TG1)는 로우가 된다. 그 후, 화소 배열부(10)의 1번째 행부터 차례대로 전하 검출부(120)에 저장된 포텐셜, 즉 신호 레벨이 수직 신호 라인(162)을 통해서 읽혀진다. 도면에는 표시하지 않았으나, 수직 신호 라인(162) 상의 신호 레벨은 샘플 홀드 펄스(SHD)에 의해 상관 이중 샘플러(50)에 보유된다. 즉, 하나의 단위 화소(100)에서 잡음 레벨과 신호 레벨이 각각 순차적으로 샘플링된다.
이와 같은 동작은 우선 잡음 레벨과 신호 레벨의 출력이 소정의 스위치를 이용하여 제어되기 때문에, 동일한 경로를 사용하더라도 고정적인 잡음 레벨이 이론상 발생하지 않게 한다. 또한, 순차적으로 출력되기 때문에, 별도의 메모리를 이용하지 않고도 차등 회로인 상관 이중 샘플러(50)에 의해 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이를 획득할 수 있어 시스템이 단순화될 수 있다.
시간 t4에서 i번째 행의 전하 검출부(120)에 저장된 포텐셜은 아직 읽혀지지 않는다. 그럼에도 불구하고, 입사광에 광전 변환부(110)가 노출되어 있으므로 과잉 전하가 계속해서 생성될 수 있다. 반면, 제2 전하 전송부(170)의 포텐셜 베리어는 제1 전하 전송부(130)의 최대 포텐셜 베리어보다 낮게 형성되어 있으므로, 과잉 전하가 전하 검출부(120)로 오버플로우되지 않고 오버플로우 드레인 영역(180)으로 배출된다. 따라서, 싱글 프레임 캡쳐 모드에서도 안정적인 전기적 셔터 동작이 가능하게 되어, 전하 검출부(120)에 저장된 프레임 이미지가 왜곡되지 않는다.
이후에는 영상 신호 처리부(도면 미도시)가 화면을 표시하기까지, 다수 개의 처리 과정을 거친다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(50)는 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이 레벨을 출력하게 된다. 따라서, 단위 화소(100) 및 수직 신호 라인(162)의 특성 분산으로 인한 고정적인 잡음 레벨이 억제된다. 또한, 아날로그 디지털 컨버터(60)는 상관 이중 샘플러(50)에서 출력되는 아날로그 신호를 수신하여 디지털 신호로 출력한다.
설명의 편의상, 모든 단위 화소(100)의 신호가 독립적으로 읽혀지는 전화소 독립 읽기 모드(all pixel independent reading mode)에 대해 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 물론, 홀수(짝수) 선의 신호가 제1 필드에서 읽혀지고, 짝수(홀수) 선의 신호가 제2 필드에서 읽혀지는 프레임 읽기 모드(frame reading mode)도 가능하다. 또한, 2개의 인접선의 신호가 동시에 읽혀져 전압이 가산되고, 필드마다 가산된 2개의 선 조합을 변경시키는 필드 읽기 모드(field reading mode)도 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 이미지 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 싱글 프레임 캡쳐 모드에서의 이미지 왜곡을 방지할 수 있다.
둘째, 블루밍 현상을 방지할 수 있다.
셋째, 전하 검출부를 공유하는 다수의 단위 화소의 경우에 발생되는 단위 화소간 이미지 처리 시간차에 따른 이미지 왜곡을 줄일 수 있다.
Claims (25)
- 반도체 기판 내에 서로 이격되어 배치된 다수의 단위 화소 액티브로, 상기 단위 화소 액티브는 광전 변환 액티브, 독출 액티브 및 오버플로우 드레인 액티브를 포함하는 다수의 단위 화소 액티브;상기 광전 변환 액티브 내에 형성되어, 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부;상기 광전 변환 액티브와 상기 독출 액티브 사이에 형성되어, 상기 축적된 전하를 전하 검출부로 전송하는 제1 전하 전송부;상기 오버플로우 드레인 액티브 내에 형성되어, 상기 광전 변환부에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역; 및상기 광전 변환 액티브와 상기 오버플로우 드레인 액티브 사이에 형성되어, 상기 과잉 전하를 상기 오버플로우 드레인 영역으로 전송하는 제2 전하 전송부로, 상기 제2 전하 전송부의 폭은 상기 오버플로우 드레인 영역의 폭보다 같거나 큰 제2 전하 전송부를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부의 폭은 상기 광전 변환부의 일변과 동일한 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부는 상기 광전 변환부의 적어도 일변과 인접하여 형성되는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부는 다수의 서브 제2 전하 전송부들을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 5항에 있어서, 상기 다수의 서브 제2 전하 전송부들의 전체 폭은 상기 광전 변환부의 일변과 동일한 이미지 센서.
- 제 4항에 있어서, 상기 다수의 서브 제2 전하 전송부는 적어도 일변과 인접하여 형성되는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부의 포텐셜 베리어 피크는 상기 제1 전하 전송부의 포텐셜 베리어 피크 보다 낮은 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부는 전하 전송 신호와 전기적으로 연결된 게이트 전극과 상기 광전 변환부 및 상기 오버플로우 드레인 영역과 각각 전기적으로 연결된 소스/드레인 영역을 포함하는 MOS 트랜지스터인 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 상기 게이트 전극 하부에 형성되어 포텐셜 베리어를 조절하는 이온 주입 영역을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,상기 MOS 트랜지스터는 트랜치(trench)형 MOS 트랜지스터인 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 전하 전송부는 상기 반도체 기판 내에 형성된 이온 주입 영역인 이미지 센서.
- 다수의 단위 화소가 2차원적으로 배열된 화소 배열부를 포함하되,상기 각 단위 화소는 반도체 기판 내에 형성되어 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적하는 광전 변환부, 상기 축적된 전하를 전하 검출부로 전송하는 제1 전하 전송부, 상기 광전 변환부에서 생성된 과잉 전하를 외부로 배출하는 오버플로우 드레인 영역, 상기 과잉 전하를 상기 오버플로우 드레인 영역으로 전송하는 제2 전하 전송부를 포함하고,상기 다수의 광전 변환부는 상기 각 제2 전하 전송부를 통해서 상기 오버플로우 드레인 영역을 공유하는 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 다수의 광전 변환부는 상기 각 제1 전하 전송부를 통해서 상기 전하 검출부를 공유하는 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부의 폭은 상기 광전 변환부의 일변과 동일한 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 상기 광전 변환부의 적어도 일변과 인접하여 형성되는 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 다수의 서브 제2 전하 전송부들을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 18항에 있어서,상기 다수의 서브 제2 전하 전송부들의 전체 폭은 상기 광전 변환부의 일변과 동일한 이미지 센서.
- 제 17항에 있어서,상기 다수의 서브 제2 전하 전송부는 적어도 일변과 인접하여 형성되는 이미 지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부의 포텐셜 베리어 피크는 상기 제1 전하 전송부의 포텐셜 베리어 피크 보다 낮은 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 전하 전송 신호와 전기적으로 연결된 게이트 전극과 상기 광전 변환부 및 상기 오버플로우 드레인 영역과 각각 전기적으로 연결된 소스/드레인 영역을 포함하는 MOS 트랜지스터인 이미지 센서.
- 제 22항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 상기 게이트 전극 하부에 형성되어 포텐셜 베리어를 조절하는 이온 주입 영역을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 22항에 있어서,상기 MOS 트랜지스터는 트랜치(trench)형 MOS 트랜지스터인 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 전하 전송부는 상기 반도체 기판 내에 형성된 이온 주입 영역인 이 미지 센서.
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