KR100731125B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자의 전송(transfer)를 향상시키고, 노이즈를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 기판 상의 액티브 영역에 포토 다이오드와, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터 및 선택 트랜지스터가 형성된 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 전송 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터 사이의 플로팅 확산 영역에, 포토 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 영역의 사이의 액티브 영역의 폭을 타 액티브 영역에 비해 넓힌 것을 특징으로 한다.
전송 트랜지스터(Transfer Transistor), 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역, 4T 이미지 센서

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS Image Sensor}
도 1은 종래의 4T형 씨모스(CMOS) 이미지 센서를 나탄낸 레이아웃도
도 2a 및 도 2b 는 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서의 전송 트랜지스터 온/오프시 포텐셜을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 레이아웃도
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 전송 트랜지스터 온/오프시 포텐셜을 나타낸 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 포토 다이오드 120 : 전송 트랜지스터
130 : 리셋 트랜지스터 140 : 구동 트랜지스터
150 : 선택 트랜지스터 160 : 플로팅 확산 영역
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 전자의 전송(transfer)를 향상시키고, 노이즈를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로,　이미지 센서라　함은　광학　영상(optical　image)을　전기　 신호로　변환시키는　반도체소자로서,　이중에서　전하결합소자(CCD　:　charge　coupled　device)는　개개의　MOS(Metal-Oxide-Silicon)　커패시터가　서로　매우　근접한　위치에　있으면서　전하　캐리어가　커패시터에　저장되고　이송되는　소자이다.
한편, 씨모스　이미지센서는　제어회로(control　circuit)　및　신호 처리 회로(signal　processing　circuit)를　주변회로로　사용하는　CMOS　기술을　이용하여　화소 수　만큼의 MOS트랜지스터를　만들고　이것을　이용하여　차례차례　출력(output)을　검출하는　스위칭　방식을　채용하는　소자이다.
CCD(charge　coupled　device)는　구동　방식이　복잡하고　전력소모가　많으며,　마스크　공정　스텝　수가　많아서　공정이　복잡하고　시그날　프로세싱　회로를　CCD　칩내에　구현　할　수　없어　원칩(One　Chip)화가　곤란하다는　등의　여러　단점이　있는　바,　최근에　그러한　단점을　극복하기　위하여　서브-마이크론(sub-micron)　CMOS　제조기술을　이용한　CMOS　이미지센서의　개발이　많이　연구되고　있다.
상기 CMOS　이미지센서는　단위　화소(Pixel)　내에　포토다이오드와　모스　트랜지스터를　형성시켜　스위칭　방식으로　차례로　신호를　검출함으로써　이미지를　구현하게　되는데,　CMOS　제조기술을　이용하므로　전력　소모도　적고　마스크　수도　20개　정도로　30～40개의　마스크가　필요한　CCD　공정에　비해　공정이　매우　단순하며　여러　신호　처리　회로와　원칩화가　가능하여　차세대　이미지센서로　각광을　받고　있으며,　DSC(Digital　Still　Camera),　PC　카메 라,　모빌카메라　등의　많은　응용부분에　사용되고　있다.　
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 4T형 씨모스(CMOS) 이미지 센서를 나탄낸 레이아웃도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(PD)(1)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 전송 트랜지스터(Tx)(20), 리셋 트랜지스터(Rx)(30), 드라이브 트랜지스터(Dx)(40) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)(50)이다. 그리고, 상기 각 단위 화소의 출력단이 되는 셀렉트 트랜지스터(Sx)(50)의 드레인단에는 로드 트랜지스터(미도시)가 전기적으로 연결된다.
한편, 미설명된 부호 FD(60)는 플로팅 확산(Floating Diffusion) 영역이며, 25는 액티브 영역을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b 는 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서의 전송 트랜지스터 온/오프시 포텐셜을 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b와 같이, 종래의 4T형 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드에 서 플로팅 확산 영역(60)으로 넘어가는 액티브 영역이 좁고, 전송 트랜지스터(Tx)(20)의 폭(width)이 좁아서, 전자(5)의 전송(transfer)과 노이즈(noise)측면에서 열악한 특성을 보이고 있다.
또한, 전송 트랜지스터가 온(ON)/오프(OFF) 됨에 따라, 전송 트랜지스터 밑에 존재하던 전자(5)들이 포토 다이오드(10) 쪽으로 역류하면서, 노이즈(noise) 및 이미지 래깅(image lagging)을 유발할 수 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 상기 플로팅 확산 영역의 고유 역할은 포토다이오드로부터 넘어온 소량의 전자를 그대로 보관하여야 하는 것인데, 이를 상기 플로팅 확산 영역의 PN 접합 부위(기판과 기판 표면의 웰 영역 경계부위)에서 기생 캐패시턴스로 인해 누설됨으로써, 상기 플로팅 확산 영역의 고유의 역할을 수행할 수가 없어 이미지 센서의 특성이 저하되었다.
또한, 상기 전송 트랜지스터의 온,오프 동작에 따라, 전송 트랜지스터 하측에 존재하던 전자들이 포토 다이오드 쪽으로 역류하면서, 노이즈 및 이미지 래깅을 유발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전자의 전송(transfer)를 향상시키고, 노이즈를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 기판 상의 액티브 영역에 포토 다이오드와, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터 및 선택 트랜지스터가 형성된 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 전송 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터 사이의 플로팅 확산 영역에, 포토 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 영역의 사이의 액티브 영역의 폭을 타 액티브 영역에 비해 넓힌 것에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 전송 트랜지스터의 폭은 나머지 트랜지스터들의 폭에 비해 늘린다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 씨모스 이미지 센서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 레이아웃도이며, 도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 전송 트랜지스터 온/오프시 포텐셜을 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(PD)(110)와, 4개의 트랜지스터들(120, 130, 140, 150)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 4개의 트랜지스터들(120, 130, 140, 150)의 각각은 전송 트랜지스터(Tx)(120), 리셋 트랜지스터(Rx)(130), 드라이브 트랜지스터(Dx)(440) 및 셀 렉트 트랜지스터(Sx)(150)이다. 그리고, 상기 각 단위 화소의 출력단이 되는 셀렉트 트랜지스터(Sx)(150)의 드레인단에는 로드 트랜지스터(미도시)가 전기적으로 연결된다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서는 기판 상의 소자 격리 영역과 액티브 영역(115)이 정의되며, 상기 액티브 영역의 소정 부위에 포토 다이오드(110)와, 전송 트랜지스터(120), 리셋 트랜지스터(130), 구동 트랜지스터(140) 및 선택 트랜지스터(150)가 형성된다. 이 때, 각 트랜지스터(120, 130, 140, 150)들은 서로 이격되어 형성되어, 상기 전송 트랜지스터(120)와 리셋 트랜지스터 사이의 영역에 플로팅 확산 영역(160)이 형성된다.
이러한 구조에서 상기 전송 트랜지스터(120)와 상기 리셋 트랜지스터(130) 사이의 플로팅 확산 영역(160)에, 상기 포토 다이오드(120)로부터 상기 플로팅 확산 영역(160)의 사이의 액티브 영역의 폭을 타 액티브 영역(105)에 비해 넓힌다. 또한, 상기 전송 트랜지스터의 폭은 나머지 트랜지스터들의 폭에 비해 늘린다.
이 때, 상기 전송 트랜지스터의 폭과 상기 전송 트랜지스터가 지나는 액티브 영역의 폭이 늘어났기 때문에, 전자의 전송율이 향상된다.
이에 따라, 특히, 도 4b와 같이, 전송 트랜지스터 오프시 전송 트랜지스터의 하측에 위치하는 전자(115)가 플로팅 영역에서 포토 다이오드측으로 역류함을 차단하여, 노이즈의 발생을 줄일 수 있다. 따라서, 노이즈 등에 유발되는 이미지 래깅(image lagging) 현상을 방지할 수 있다.
또한, 이러한 본 발명의 씨모스 이미지 센서에 있어서는, 도 4a와 같이, 온 (ON) 동작에서는 상기 포토 다이오드(100)로부터 전송 트랜지스터(120)를 거쳐 상기 플로팅 확산 영역(160)으로 순차적으로 전자(115)가 이동됨을 보여주고 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
포토 다이오드에서, 전송 트랜지스터(Transfer Transistor)에서 플로팅 확산(FD: Floating Diffusion) 영역으로 넘어가는 액티브 영역을 키워, 전송 트랜지스터의 폭을 늘림으로써, 전자의 전송시 노이즈 및 신호의 지연을 감소시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 기판 상의 액티브 영역에 포토 다이오드와, 이와 연결되어 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터 및 선택 트랜지스터가 형성된 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터 사이에 플로팅 확산 영역을 구비하고, 상기 포토 다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 상기 전송 트랜지스터가 위치하며,
    상기 포토 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 영역의 사이의 액티브 영역의 폭을 타 액티브 영역에 비해 넓히도록, 상기 전송 트랜지스터에 대응되는 상기 포토 다이오드에서 플로팅 확산 영역으로 넘어가는 부위에서 상기 액티브 영역을 점차 늘려 형성하고, 상기 전송 트랜지스터에 대응되지 않는 나머지 액티브 영역의 폭을 상기 전송 트랜지스터에 대응되는 액티브 영역의 최소폭보다 같거나 작게 형성한 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역의 진행 방향에 대응되는 상기 전송 트랜지스터의 폭(W: 상기 전송 트랜지스터의 소오스 및 드레인 영역 폭)을 나머지 트랜지스터들의 폭에 비해 늘린 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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