KR100658926B1 - 시모스 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드에 전달된 빛에 의해 생성된 전하가 효과적으로 전달될 수 있는 시모스 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토다이오드; 상기 제1 문턱전압을 가지며, 상기 포토다이오드에 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때, 여분의 전하량을 방전시키기 위한 제1 전달 트랜지스터; 상기 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 상기 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드에 여기된 전하량을 전달하기 위한 제2 전달 트랜지스터를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.

시모스 이미지센서, 포토다이오드, 전달 트랜지스터, 문턱전압.

Description

시모스 이미지센서{CMOS IMAGE SENSOR}

도1은 통상적인 시모스 이미지센서를 나타내는 블럭구성도.

도2는 도1에 도시된 픽셀 어레이에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도.

도3은 도2에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 회로도.

도5는 도4에 도시된 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 공정단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100, 200 : 전달 트랜지스터

10 : 포토다이오드

12 : 리셋 트랜지스터

13 : 드라이브 트랜지스터

14 : 셀렉트 트랜지스터

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 단위화소에 구비되는 모스트랜지스터의 수를 크게 줄여 고집적화에 용이한 시모스 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.

그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.

도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도이다.

도1을 참조하여 살펴보면, 통상적인 시모스 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 화소 어레이와, 상기 화소어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼와, 입력된 어드레스를 디코딩하여 화소어레이의 단위화소를 선택하기 위한 디코더/화소 드라이버와, 디코더/화소드라이버를 제어하기 위한 제어 레지스터 및 로직을 구비한다.

도2는 도1에 도시된 픽셀 어레이에서의 한 단위화소를 나타내는 회로도이다.

도2를 참조하여 살펴보면, 한 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(10)와 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)로 구성되어 있다. 4개의 앤모스트랜지스터(11,12,13,14)는 포토다이오드(10)에서 생성된 광전하를 전하감지노드(N)로 운송하기 위한 트랜스퍼 모스트랜지스터(11)와, 다음 신호검출을 위해 전하감지노드(11)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 모스트랜지스터(12)와, 소스 팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브 모스트랜지스터(13) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 모스트랜지스터(14)로 구성된다.

이렇게 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)와 하나의 포토다이오드(10)가 하나의 단위화소를 이루며, 시모스 이미지센서에 구비되는 단위화소의 수에 따라 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에 구비되는 포토다이오드(10)와 그에 대응하는 단위화소용 모스트랜지스터의 수가 정해지는 것이다.

도3은 도2에 도시된 단위회소를 이루는 4개의 모스트랜지스터의 공정단면도로서, 4개의 모스트랜지스터(11,12,13,14)가 각각 게이트로 신호(Tx,Rx,Dx,Sx)를 전달받아 포토다이오드(PD)에 전달된 빛이 출력단(Output)으로 전달되도록 구현되어 있다.

피형 기판(601)에 에피층(602)을 형성하고, 전달트랜지스터와 리셋트랜지스터가 형성되는 부분은 남겨두고 드라이빙 트랜지스터와 셀렉터 트랜지스터가 형성될 부분에는 피웰이 형성되어 있다. 이는 전달트랜지스터와 리셋트랜지스터의 문턱 전압을 드라이빙 트랜지스터와 셀렉터 트랜지스터 보다 상대적으로 낮게 해주기 위해서이다.

이하에서 도1 내지 도3을 참고하여 종래기술에 의한 시모스이미지 센서의 동작과 문제점을 살펴본다.

먼저 전달트랜지스터(11)와 리셋트랜지스터(12)를 턴온시켜 포토다이오드를 초기화하는데, 이 때 전하감지노드는 리셋전압으로 유지된다.

일정시간 동안 빛을 조사하면 이에 비례하는 전자가 포토다이오드 영역에서 발생되어 저장된다. 저장된 전하는 전하감지노드(N)로 전달된다. 이 때 리셋트랜지스터는 턴오프되어 있고, 전달트랜지스터는 턴온된 상태이다.

전하감지노드(N)로 전달된 전하의 양에 따라 전압이 인가되고, 인가된 전압에 따라 드라이빙 트랜지스터(13)의 드라이빙되어 셀렉트 트랜지스터로 전달된다. 마지막으로 셀렉트 트랜지스터를 턴온시켜 출력되는 전압을 시모스 이미지센서의 이미지 처리 회로로 전달하게 된다.

이 때 도3에 도시된 바와 같이 전달트랜지스터와 리셋트랜지스터는 피형웰이 형성되지 않는 영역에 형성시키는데, 이는 문턱전압을 낮게 하기 위해서이다.

전달 트랜지스터의 문턱전압을 낮게 만들어 주는 이유는 과도한 빛이 입사되어 포토다이오드의 용량을 초과하는 전자가 주변의 다른 화소로 번져나가는 것을 방지 하기 위한 것이다.

그러나, 전달 트랜지스터의 문턱전압이 낮게 됨으로서 오프상태에서도 서브전류를 유발시켜 포토다이오드에 저장된 전자가 전달 트랜지스터를 거쳐서 전하감 지노드로 전달되는 현상이 발생하고, 이로 인해 각 단위화소마다 불균일한 특성이 나타날 수 있다.

한편, 종래기술에 의한 시모스 이미지센서는 포토다이오드의 피형 영역이 포토다이오드에 저장된 전자가 전자감지노드로 전달되는데 있어서 전위장벽의 역할을 한다.

이는 암전류가 쉽게 전하감지노드로 전달되는 것을 방지하기 위한 것인데, 이로 인해 빛에 의해 생성된 이미지에 대응하는 전자의 전달까지 억제하는 역효과를 발생시킨다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토다이오드에 전달된 빛에 의해 생성된 전하가 효과적으로 전달될 수 있는 시모스 이미지센서를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 포토다이오드의 용량보다 많이 생성된 전하가 이웃한 단위화소로 전달되지 않는 단위화소를 구비한 시모스 이미지센서를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때 여분의 전하량을 방전시키는 제1 문턱전압을 가지는 제1 전달 트랜지스터; 및 상기 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 상기 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드에 여기된 전하량을 전달하기 위한 제2 전달 트랜지스터를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 반도체기판; 상기 반도체기판에 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때 여분의 전하량을 방전시키기 위해 상기 포토다이오드의 일측단에 접하도록 구비된 상기 제1 문턱전압을 가지는 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 및 상기 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 상기 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드에 여기된 전하량을 전달하기 위해 상기 포토다이오드의 타측단이 접하도록 구비된 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴을 구비하며, 상기 포토다이오드의 앤형 불순물영역 일부분이 상기 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴의 하단 일부분까지 겹치도록 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서를 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 회로도이다.

도4를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소는 포토다이오드(10)와, 제1 문턱전압을 가지며, 포토다이오드(10)에 입사된 빛에 의해 포토다이오드(10)의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때, 여분의 전하량을 방전시키기 위한 제1 전달 트랜지스터(100)와, 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 입사된 빛에 의해 포토다이오드(10)에 여기된 전하량을 전달하기 위한 제2 전달 트랜지스터(200)를 구비한다.

또한, 제1 및 제2 전달트랜지스터(100,200)는 일측단은 포토다이오드(10)에 접속되며 타측단은 공통으로 접속된 것을 특징으로 한다.

또한 제1 전달트랜지스터(100)의 타측단과 전원전압 공급단(VDD) 사이에 접속된 리셋 트랜지스터(12)를 더 구비한다.

또한, 일측단이 전원전압 공급단(VDD)에 접속되며, 제2 전달 트랜지스터(200)를 통해 전달된 전하량에 대응하여 타측단을 드라이빙하기 위한 드라이빙 트랜지스터(13)와, 드라이빙 트랜지스터(13)와 직렬로 연결된 셀렉트 트랜지스터(14)를 구비한다.

드라이빙 트랜지스터(13)와 셀렉트 트랜지스터(14)의 문턱전압은 제2 전달 트랜지스터(200)의 문턱전압과 같도록 한다.

도5는 도4에 도시된 시모스 이미지센서의 단위화소를 나타내는 공정단면도이다.

도5를 참조하여 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 포토다이오드(10)와, 제1 문턱전압을 가지며, 포토다이오드(10)에 입사된 빛에 의해 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때, 여분의 전하량을 방전시키기 위해 포토다이오드(10)의 일측단에 접하도록 구비된 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴(100a) 와, 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 입사된 빛에 의해 포토다이오드(10)에 여기된 전하량을 전달하기 위해 포토다이오드(10)의 타측단이 접하도록 구비된 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴(200a)을 구비하며, 포토다이오드의 앤형 불순물영역(DN) 일부분이 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴(200a)의 하단 일부분까지 겹치는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도4와 도5를 참조사여 본 실시예에 따른 이미지센서의 동작을 살펴본다.

본 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소는 포토다이오드에 입사된 빛에 의한 전하량을 전달하기 위한 전달트랜지스터를 2개 구비하고 있다. 제1 전달트랜지스터는 문턱전압이 낮게 형성하고, 제2 전달트랜지스터는 문턱전압을 높게 형성한다.

제1 전달 트랜지스터(100)는 포토다이오드에 적정용량이상의 전자가 모였을 때에, 남는 여분의 전자가 이웃한 단위화소로 전달되지 않고 리셋트랜지스터를 통해 전원전압 공급단으로 배출시키는 역할을 한다.

제2 전달 트랜지스터(200)는 제1 전달트랜지스터(100)보다 문턱전압이 높게 형성되어, 제1 및 제2 전달 트랜지스터(100,200)가 턴오프 상태일 때에는 암전류가 쉽게 전자감지노드(N)로 전달되지 못하도록 하게 된다.

또한 포토다이오드의 앤형 불순물영역이 제2 전달 트랜지스터의 게이터 패턴 하단 일부분까지 형성되도록 하였다. 이로 인해 입사된 빛에 의해 포토다이오드에 축척된 전하가 쉽게 전달될 수 있도록 하였다.

제2 전달 트랜지스터는 문턱전압이 높기 때문에 암전류에 의한 전자의 이동을 막을 수 있기 때문에 포토다이오드의 앤형 불순물영역이 제2 전달 트랜지스터의 게이터 패턴 하단 일부분까지 형성될 수 있는 것이다.

이렇게 함으로서 포토다이오드의 앤형 불순물영역의 면적이 증가되어 포토다이오드의 용량이 증가되는 효과도 기대할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 이미지센서의 단위화소를 제조하게 되면, 포토다이오드의 용량보다 많은 전자가 축적될 때에 남는 전자는 제1 전달트랜지스터를 통해 배출시킬 수 있으며, 포토다이오드에 축척된 전자를 전달할 때에는 포토다이오드의 앤형 불순물영역이 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴부분까지 확장되어 있기 때문에 보다 효과적으로 전자를 전달할 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의해서 종래에 쉽게 획득할 수 없었던 전하전달 효율 증대 및 균일성획득, 번짐 효과방지 및 포토다이오드의 용량증대를 기대할 수 있다. 이는 이미지센서의 화질 측면에서 우수할 뿐만 종래와 비교해 전달 트랜지스터를 하나 더 쓰는 구조이지만 포토다이오드가 칩에서 차지하는 면적대비 용량이 높아지기 때문 에 고집적 이미지 센서의 면적손실없이 구현할 수 있다.

Claims (7)

1. 포토다이오드;

   상기 포토다이오드에 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때 여분의 전하량을 방전시키는 제1 문턱전압을 가지는 제1 전달 트랜지스터; 및

   상기 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 상기 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드에 여기된 전하량을 전달하기 위한 제2 전달 트랜지스터

   를 구비하는 시모스 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전달트랜지스터는 일측단은 상기 포토다이오드에 접속되며 타측단은 공통으로 접속된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 전달트랜지스터의 타측단과 전원전압 공급단사이에 접속된 리셋 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   일측단이 전원전압 공급단에 접속되며, 상기 제2 전달 트랜지스터를 통해 전달된 전하량에 대응하여 타측단을 드라이빙하기 위한 드라이빙 트랜지스터; 및

   상기 드라이빙 트랜지스터와 직렬로 연결된 셀렉트 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
5. 제 4 항에 있어서

   상기 리셋트랜지스터와 상기 제1 전달트랜지스터는 같은 제1의 문턱전압을 가지는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 드라이빙 트랜지스터와 셀렉트 트랜지스터의 문턱전압은 상기 제2 전달 트랜지스터의 문턱전압과 같은 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
7. 반도체기판;

   상기 반도체기판에 형성된 포토다이오드;

   상기 포토다이오드에 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드의 용량보다 더 많은 전자가 생성되었을 때 여분의 전하량을 방전시키기 위해 상기 포토다이오드의 일측단에 접하도록 구비된 상기 제1 문턱전압을 가지는 제1 전달 트랜지스터의 게이트 패턴; 및

   상기 제1 문턱전압보다 더 높은 레벨의 제2 문턱전압을 가지며 상기 입사된 빛에 의해 상기 포토다이오드에 여기된 전하량을 전달하기 위해 상기 포토다이오드의 타측단이 접하도록 구비된 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴을 구비하며,

   상기 포토다이오드의 앤형 불순물영역 일부분이 상기 제2 전달트랜지스터의 게이트 패턴의 하단 일부분까지 겹치도록 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.

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