KR100749097B1 - 커플링 캐패시터를 사용하는 포토다이오드를 포함하는이미지 센서 픽셀 및 그의 신호 감지 방법 - Google Patents
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Abstract
플로우팅 층(floating layer)과 커플링 캐패시터(coupling capacitor; CC)를 포함하는 포토다이오드를 이용한 이미지 센서 픽셀은 제 1도전형 에피층; 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드; 포토다이오드의 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치; 커플링 캐패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 출력단자에 가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및 커플링 캐패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 액티브 픽셀, 포토다이오드, 커플링 캐패시터
Description
도 1은 일반적인 3-트랜지스터 이미지 센서 픽셀을 나타낸 회로 도이다.
도 2는 일반적인 3-트랜지스터 이미지 센서 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도 및 회로도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 캐패시터 결합 포토다이오드(capacitor combined photodiode; CCPD)를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD와 리셋 스위치 RSW가 연결된 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD 및 리셋 스위치 RSW, 다기능 스위치(24) 및 신호 증폭기(25)를 이용하여 이미지 센서 픽셀을 구현한 실시예를 나타낸 단면도 및 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시 예에서 신호 증폭기(25)를 소스팔로워(source follower; SF)(26) 및 정전류원(27)으로 구현한 실시 예를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 실시예에서 별도의 리셋 전압원 VR을 사용하지 않고, 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 드레인에 인가되는 구동전압 VDD를 리셋 전 압으로 사용하는 실시예를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1: 포토다이오드(photodiode)
2, RSW: 리셋 스위치(reset switch)
3: 플로우팅 확산 감지노드(floating diffusion sensing node; FDSN)
4: 플로우팅 확산 감지노드 캐패시터(floating diffusion sensing node capacitor; CFD)
5, 25: 신호 증폭기(signal amplifier; AMP)
6, 26; 소스팔로워(source follower; SF)
7: 어드레싱 스위치(addressing switch; ASW)
8, 27: 정전류원
9: p 형 에피층(또는 p 형 기판)
10: n 형 확산영역
11: 플로우팅 p+ 형 확산영역
12, 14, 21: n+ 확산영역
13,15, 20: p 형 웰
18: 절연층
19: 제 2 전극
22: 산화막
23: 게이트 전극
24: 다기능 스위치(multi-functional switch)
VR: 리셋 전압원(reset voltage source)
PPPD: 부분 핀드 포토다이오드(partially pinned photodiode)
FLPD: 플로우팅 층 포토다이오드(floating layer photodiode)
CC: 커플링 캐패시터(coupling capacitor)
VC: 가변 전압원(variable voltage source)
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 오믹 접촉 노드를 사용하지 않고 플로우팅 층(floating layer)과 커플링 캐패시터(coupling capacitor; CC)를 포함하는 캐패시터 결합 포토다이오드(capacitor combined photodiode; CCPD) 및 이를 이용한 이미지 센서 픽셀에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 외부의 광학 영상 신호를 전기 영상 신호로 변환하는 장치이다. CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 구현한 이미지 센서이다. CMOS 이미지 센서에서 각 픽셀은 피사체의 대응 부분에서 복사되는 빛을 포토다이오드를 이용하여 전자로 바꾼 후에 축적하고, 축적된 전하 량을 전압 신호로 바꾸어서 출력하는 방식을 사용한다.
도 1은 일반적인 3-트랜지스터 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 구조를 나타낸 회로 도이다.
CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀은 포토다이오드(photodiode; PD)(1), 리셋 스위치(reset switch; RSW)(2), 플로우팅 확산 감지노드(floating diffusion sensing node)(3)의 캐패시터 CFD(4) 및 신호 증폭기(5)를 포함한다.
상기와 같은 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 리셋 스위치(2)는 플로우팅 확산 감지노드(floating diffusion sensing node; FDSN)(3)를 초기값인 리셋 전압 VR로 리셋 시킨다.
이어서, 포토다이오드(1)에 입사되는 빛에 대응하여 생성된 신호 전자들이 플로우팅 확산 감지노드(3)에서의 캐패시터 CFD(4)에 축적된다. 여기서 캐패시터 CFD(4)는 포토다이오드(1)의 접합 캐패시터, 신호 증폭기(5)의 입력 쪽의 캐패시터 및 주변의 기생 캐패시터가 병렬로 연결되어 이루어진 캐패시터이다.
캐패시터 CFD(4)에 신호 전자들이 축적됨에 따라서 변화하는 신호 전압이 신호 증폭기(5)의 입력단자에 인가 된다.
또한, 신호 증폭기(5)의 출력 신호는 픽셀 어레이(pixel array)의 신호선(signal line)에 연결된다.
도 1에 도시된 일반적인 CMOS 이미지 센서 픽셀은 포토다이오드(1)의 신호를 신호 증폭기(5)의 입력으로 전달하기 위하여 오믹 접촉(ohmic contacting)된 플로우팅 확산 감지노드(3)를 이용한다.
이때, 오믹 접촉을 형성하는 과정에서 물질적 결함이 많이 발생 하고, 이러 한 물질적 결함으로 인하여 플로우팅 확산 감지노드(3)에서 매우 큰 암전류(dark current)가 발생한다.
3-트랜지스터 픽셀 구조 및 동작에서는 포토다이오드(1)가 빛을 입력 받아 신호 전자를 축적하는 시간 동안 오믹 접촉에서 발생한 암전류에 의한 전자들이 그대로 신호 전자에 합해진다.
따라서, 3-트랜지스터 픽셀 구조에서는 플로우팅 확산 감지노드(3) 부근에서 발생하는 암전류에 의한 잡음이 영상의 화질을 크게 떨어뜨린다.
또한, 리셋 스위치(2)를 이용하여 포토 다이오드(1)를 리셋 전압 VR으로 리셋할 때 리셋 잡음(kTC)이 발생한다. 왜냐하면, 3-트랜지스터 픽셀 구조에서는 4 트랜지스터 픽셀에서 리셋 잡음을 제거하기 위하여 사용하는 CDS(correlated double sampling) 기법을 사용할 수 없기 때문이다.
그리고, 포도다이오드(1)가 직접 플로우팅 확산 감지노드(3)에 연결되어 있는 구조이기 때문에 둘 이상의 픽셀에서 포토다이오드(1) 이외의 구조들을 공유함으로써 픽셀당 소자의 개수를 줄이는 픽셀 공유구조(shared structure)의 구현이 근본적으로 불가능하다. 왜냐하면, 공유된 픽셀들의 모든 포토다이오드(1)들에서 생성된 전자들이 서로 섞이기 때문이다.
도 2는 일반적인 3-트랜지스터 CMOS 이미지 센서 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도 및 회로도이다. 여기서는 발명의 이해를 돕기 위해, 핀드 포토다이오드 부분(D1) 및 리셋 스위치 부분(D2)은 단면도로 나타내었으며, 소스팔로워(6) 및 어드레싱 스위치(7)는 회로도로 나타내었다.
CMOS 이미지 센서 픽셀은 부분 핀드 포토다이오드(partially pinned photodiode; PPPD), 리셋 스위치(reset switch; RSW), 소스팔로워(source follower; SF)(6), 어드레싱 스위치(addressing switch; ASW)(7) 및 정전류원(8)을 포함한다.
신호증폭기(5)는 소스팔로워(6), 어드레싱 스위치(7) 및 정전류원(8)으로 구성된다.
여기서, 리셋 스위치 RSW 및 어드레싱 스위치(7)는 FET(field effect transistor)로 구현된다. 또한, 리셋 스위치 RSW는 소스팔로워(6)와 공통 드레인을 형성하여 구동전압 VDD에 연결된다. 따라서, 별도의 리셋 전압 VR을 사용하지 않고 구동전압 VDD을 리셋 전압으로 사용한다.
부분 핀드 포토다이오드 PPPD는 오믹 접촉 플로우팅 확산 감지노드를 포함하는 핀드 포토다이오드(pinned photodiode; PPD)로 구현된다. 도 2를 참조하면, 부분 핀드 포토다이오드 부분(D1)은 p 형 에피층(또는 p 형 기판)(9) 내에 n 형 확산영역(10) 및 p+ 형 확산 영역(11)이 형성되고, n 형 확산영역(10) 내에 오믹 접촉된 감지노드의 구현을 위하여 n+ 형 확산 영역(12)이 형성된다.
리셋 스위치 부분(D2)은 p 형 에피층(또는 p 형 기판)(9) 내에 p 형 웰(13)을 형성하고, p 형 웰(13) 내에 리셋 전압 인가 단자로 사용되는 n+ 형 확산 영역(14)을 형성하고, 부분 포토다이오드 부분(D1)의 n+ 형 확산영역(12)과 리셋 전압 인가 단자로 동작하는 n+ 형 확산 영역(14) 사이의 채널이 형성되는 영역 상부에 절연 층 및 게이트 단자가 순차적으로 적층되어 형성된다.
또한, p 형 웰(15)은 부분 핀드 포토다이오드 부분(D1)의 둘레에 형성된다.
부분 핀드 포토다이오드 PPPD는 일반적인 포토다이오드보다 실리콘 표면에서 발생하는 암전류가 매우 작다. 그러나, 오믹 접촉 확산 감지노드를 구현하는 n+형 확산영역(12)에서 발생하는 암전류 및 리셋 스위치 RSW에 의해 발생하는 리셋 잡음은 여전히 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 다음의 목적들을 갖는다.
첫째, 플로팅 확산 감지노드의 오믹 접촉에서 발생하는 암전류를 줄일 수 있는 포토다이오드 및 픽셀 구조를 제공하는 것이다.
둘째, 리셋 잡음을 줄일 수 있는 포토다이오드 및 픽셀 구조를 제공하는 것이다.
셋째, 포토다이오드와 감지노드 사이에 트랜스퍼 게이트가 없이도 공유 구조(shared structure)를 구현하는 것이 가능한 포토다이오드 및 픽셀 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 커플링 캐패시터가 결합된 형태의 포토다이오드와 그것을 이용한 액티브 픽셀의 구조 및 동작 원리를 제시한다.
이러한 견지에서, 본 발명은 먼저, 하기 구조의 포토다이오드를 제공한다.
본 발명의 포토다이오드는
제 1도전형 에피층;
상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역;
상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및
상기 제 2확산영역으로 형성된 제 1전극, 상기 제 1전극 상부에 형성된 절연층 및 상기 절연층 상부에 형성된 제 2전극을 구비하며, 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀은
제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;
상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;
상기 커플링 커패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및
상기 커플링 커패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법은
제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역;
상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;
상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;
상기 커플링 커패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및
상기 커플링 커패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법에 있어서,
상기 다기능 스위치를 온하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 커플링 캐패시터의 출력단자를 제 1전압으로 고정시키는 제 1단계,
상기 리셋 스위치를 온 하여 상기 제 1확산영역을 리셋하는 제 2단계;
상기 가변 전압원을 이용하여 상기 신호 증폭기 입력단자의 전압을 상기 제 1전압보다 높은 제 2전압으로 설정하고 상기 신호 증폭기의 출력전압 값을 읽는 제 3단계;
상기 리셋 스위치를 오프하고, 상기 다기능 스위치를 오프한 후에 빛을 흡수하여 생성되는 전자를 상기 제 1확산영역에 저장하는 제 4단계; 및
상기 제 4단계에서 저장된 전자들에 의하여 상기 신호 증폭기의 출력전압 값이 상기 제 3단계에서 읽은 출력전압 값으로부터 낮아지는 변화를 읽어내는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법은
제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;
상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;
상기 커플링 캐패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기 가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및
상기 커플링 캐패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법에 있어서,
상기 다기능 스위치를 온하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 커플링 캐패시터의 출력단자를 제 1전압으로 고정시키는 제 1단계,
상기 리셋 스위치를 온 하여 상기 제 1확산영역을 리셋하는 제 2단계;
상기 리셋 스위치를 오프하고, 상기 다기능 스위치를 오프한 후에 빛을 흡수하여 생성되는 전자를 상기 제 1확산영역에 저장하는 제 3단계;
상기 다기능 스위치를 온 하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 신호 증폭기 입력단자의 전압을 신호 증폭기의 입력 문턱 전압보다 높은 제 2전압으로 설 정하고, 상기 다기능 스위치를 오프하고 상기 신호증폭기의 출력전압 값을 읽는 제 4단계;
상기 리셋 스위치를 온으로 하여 상기 3단계에서 상기 제 1확산영역에 저장된 전자를 배출시키는 제 5단계; 및
상기 5단계로 인하여 상기 신호 증폭기의 출력전압이 상기 제 4단계에서 읽은 출력전압 값으로부터 상승하는 값을 읽어 내는 제 6단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 당업자에 의해 본 발명의 청구범위 내에서 다양한 형태로 구체화될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한, 각 불순물 영역의 플러스(+) 표기는 상대적으로 도핑 농도가 높은 것을 의미한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 캐패시터 결합 포토다이오드(capacitor combined photodiode; CCPD)를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a는 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD에서 플로우팅 층을 포함하는 포토다이오드 영역 FLPD 및 커플링 캐패시터 영역 CC를 나타낸 개념도이다.
포토다이오드 영역 FLPD는 커플링 캐패시터 영역 CC를 포함한다. 여기서, 포토다이오드 영역 FLPD 및 커플링 캐패시터 영역 CC의 기하학적 모양은 필요에 따라 다양하게 변화시켜 설계할 수 있다.
도 3b는 도 3a의 A-A' 부분의 단면도이고, 도 3c는 도 3a의 B-B' 부분의 단 면도이다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 포토다이오드 영역 FLPD은 p 형 에피층(또는 p형 기판)(9) 내에 n 형 확산영역(10) 및 n 형 확산영역(10) 내에 형성된 p+ 형 플로우팅 층(floating layer)(11)을 포함한다. 플로우팅 층(11)은 p 형 에피층(또는 p형 기판)(9) 또는 p 형 웰(15)에 접하지 않도록 완전히 플로우팅 되도록 형성하여야 한다.
또한, p 형 웰(15)은 포토다이오드 영역 FLPD의 둘레(periphery)에 형성된다.
도 3d는 도 3a의 C-C' 부분의 단면도이다.
도 3d를 참조하면, 포토다이오드 영역 FLPD는 p 형 에피층(또는 p 형 기판)(9) 내에 형성된 n 형 확산영역(10) 및 n 형 확산영역(10) 내에 형성된 p+ 형 플로우팅 층(floating layer)(11)을 포함한다. 커플링 캐패시터 CC는 p+ 형 플로우팅 층(11)을 제1 전극으로 사용하고, p+ 형 플로우팅 층(11) 상부에 유전체 층으로 사용되는 산화막 절연 층(18) 및 제2 전극(19)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
커플링 캐패시터 CC는 플로우팅 층(11)을 통하여 오믹 접촉 없이 포토다이오드 영역 FLPD의 n 형 확산영역(10)과 전기적으로 연결되고, n 형 확산영역(10)의 전압변화를 외부로 전달한다. 커플링 캐패시터 CC는 플로우팅 층(11)과 n 형 확산영역(10) 사이에 형성되는 pn 접합 캐패시터 CFP와 회로적으로 직렬 연결되어 있는 구조이다.
즉, 빛이 흡수되어 생성된 신호 전자들에 의해 n 형 확산영역(10)의 전압 변 화가 발생하면, 그 전압변화는 접합 캐패시터 CFP를 통해 커플링 캐패시터 CC에 전달되고, 커플링 캐패시터 CC의 제2 전극(19)을 통하여 외부로 전달된다. 즉, 커플링 캐패시터 CC의 제2 전극(19)이 신호 증폭기의 입력 단자에 연결되어 n 형 확산영역(10)의 신호 전압 변화에 비례하는 전압이 신호 증폭기의 입력 단자에 전달된다.
본 발명이 제시한 커플링 캐패시터 CC를 이용하는 감지노드는 일반적인 오믹 접촉 확산 감지노드에 비해 감지노드에서 발생하는 암전류를 줄일 수 있다. 왜냐하면, 오믹 접촉을 형성하기 위한 공정에서 발생하는 확산 감지노드의 물질적 결함을 제거할 수 있기 때문이다. 이러한 물질적 결함이 확산 감지노드에서 발생하는 암전류의 주요 원인이다.
p+ 형 플로우팅 층(11)이 n 형 확산영역(10) 내에 플로우팅 되어 있더라도, 커플링 캐패시터 CC를 통해 외부와 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 플로우팅 층(11)과 n 형 확산영역(10) 사이에 역방향 바이어스(reverse bias) 전압이 인가될 수 있다. 따라서, n 형 확산영역(10)의 도핑 농도, 깊이 및 폭을 조절하면 리셋동작에 의해 n형 확산영역(10)은 완전 공핍(fully depleted)될 수 있다.
이와 같이, n 형 확산영역(10)이 완전히 공핍되므로, 본 발명의 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD를 이용하는 픽셀에서는 이미지 래그(image lag) 및 리셋 잡음을 제거할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD와 리셋 스위치 RSW가 연결된 실시예를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4a는 포토다이오드 영역 FLPD에 리셋 스위치 영역(D3)이 연결된 실시예를 나타낸 개념도이다. 포토다이오드 영역 FLPD는 커플링 캐패시터 CC 영역을 포함하고 있고, 리셋 스위치 영역(D3)이 연결되어 있다.
여기서, 플로우팅 포토다이오드 영역 FLPD, 커플링 캐패시터 CC 영역 및 리셋 스위치 영역(D3)의 기하학적 모양은 필요에 따라 다양하게 변화시켜 설계할 수 있다.
도 4b는 도 4a의 D-D' 부분의 단면도이다.
도 4b를 참조하면, 포토다이오드 영역 FLPD는 p 형 에피층(또는 p 형 기판)(9) 내에 형성된 n 형 확산영역(10) 및 n 형 확산영역(10) 내에 플로우팅 되도록 형성된 p+ 형 플로우팅 층(floating layer)(11)을 포함한다. 커플링 캐패시터 CC는 플로우팅 층(11)을 제 1 전극으로 사용하고, 플로우팅 층(11) 상부에 산화막 절연층(18) 및 제2 전극(19)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
리셋 스위치 영역(D3)는 p 형 에피층(또는 p 형 기판)(9) 내에 p 웰(20)을 형성하고, p 형 웰(20) 내에 리셋 전압 인가 단자로 사용되는 n+ 형 확산 영역(21)을 형성하고, n 형 확산 영역(10)과 n+ 형 확산 영역(21) 사이의 채널이 형성되는 영역 상부에 산화막 절연층(22) 및 게이트 단자(23)가 순차적으로 적층되어 형성된다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD 및 리셋 스위치 RSW, 다기능 스위치(24) 및 신호 증폭기(25)를 이용하여 이미지 센서 픽셀을 구현한 실시예를 나타낸 단면도 및 회로도이다. 여기서는 발명의 이해를 돕기 위해, 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD 및 리셋 스위치 RSW 영역은 단면도로 나타내었으며, 다기능 스위치(24) 및 신호 증폭기(25)는 회로도로 나타내었다.
먼저, 포토다이오드 영역 FLPD는 피사체로부터 복사되는 빛을 흡수하여 대응하는 신호 전자들로 바꾼다. 이때, 신호 전자들은 n 형 확산영역(10)에 저장된다.
커플링 캐패시터 CC는 n 형 확산영역(10)에 신호 전자들이 유입 또는 방출될 때 발생하는 전압 변화를 신호 증폭기(25)의 입력 단자로 전달한다.
리셋 스위치 RSW는 n 형 확산영역(10)에 저장된 전자들을 리셋 전압원 VR과 연결된 n+ 형 확산 영역(21)을 통해 리셋 전압원 VR로 방출시킴으로써 n 형 확산 영역(10)의 전압을 초기 값으로 리셋한다.
다기능 스위치(24)는 본 발명이 제시한 새로운 구조의 픽셀의 동작에 있어서 다음과 같은 필수적인 기능을 갖는다.
먼저, 다기능 스위치(24)는 신호 증폭기(25)의 입력 단자가 플로우팅 되어 있는 경우, 이러한 플로우팅 구조의 방전 통로를 형성한다.
따라서, 다기능 스위치(24)는 신호증폭기 및 커플링 캐패시터 CC를 포함하여 관련 소자들이 오류동작을 하거나 손상되는 것을 방지한다.
또한, 다기능 스위치(24)는 가변 전압원 VC를 사용하여 신호 증폭기(25)의 입력 단자 및 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)의 초기 전압을 특정한 값으로 설정한다.
신호 증폭기(25)의 출력 단자는 픽셀 어레이(pixel array)의 신호선(signal line)에 직접 연결되거나, 신호 증폭기(25)의 출력 신호를 온/오프하는 어드레 싱(addressing) 스위치를 통해 신호선에 연결된다. 여기서, 어드레싱 스위치가 없이 신호 증폭기(25)의 출력 단자가 픽셀 어레이의 신호선에 직접 연결되는 경우에는 신호 증폭기(25)가 자체의 온/오프 상태를 조절할 수 있는 구조로 구현되어야 한다.
도 5에 도시된 단위 픽셀의 동작은 크게 두 가지 방법이 있다.
첫 번째 동작 방법은, 가변 전압원 VC의 전압을 제 1전압 VL(예를 들어 0V)로 설정하고 다기능 스위치(24)를 온하여 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)의 전압을 제 1전압 VL로 고정한다. 이어서, 리셋 스위치 RSW를 온하여 n 형 확산영역(10)을 리셋한다. 이어서, 가변 전압원 VC의 전압을 제 1전압 VL보다 높은 제 2전압 VH로 설정한다. 제 2전압 VH는 후술 될 빛 신호에 의한 신호 전압의 강하 폭을 고려하여 충분하게 높은 값(예를 들어 신호 증폭기(25) 구동전압 VDD)으로 설정한다. 이어서, 리셋 스위치 RSW를 오프하고, 다기능 스위치(24)를 오프하여 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 리셋 동작을 완료한다.
캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 리셋 후에 입사되는 빛에 대응하는 신호 전자가 n 형 확산영역(10)에 축적됨에 따라서 n 형 확산영역(10)의 전압이 내려가고, 이러한 전압의 강하가 접합 캐패시터 CFP 및 커플링 캐패시터 CC를 통하여 신호 증폭기(25)에 전달된다. 즉, 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)과 신호증폭기(25)의 입력 단자의 전압이 초기값 VH로부터 내려간다. 이러한 신호 증폭기(25)의 입력단자의 신호 전압의 변화를 이용하여 픽셀에 입사하는 빛의 양을 축출한다.
두 번째 동작 방법은, 가변 전압원 VC의 전압을 제 1전압 VL(예를 들어 0V) 로 설정하고, 다기능 스위치(24)를 온하여 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)의 전압을 제 1전압 VL로 고정한다. 이어서 리셋 스위치 RSW를 온하여 n 형 확산영역(10)을 리셋한다. 이어서, 리셋 스위치 RSW를 오프하여 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 리셋 동작을 완료한다. 이때, 다기능 스위치(24)는 온 상태로 유지하거나 또는, 오프 하는 방법 두 가지가 모두 가능하다.
이어서, 입사되는 빛 신호에 의하여 n 형 확산영역(10)에 신호 전자들이 누적되는데, 누적된 신호 전자들의 양을 읽어내고자 할 때 다음의 동작을 실행한다.
먼저, 가변 전압원 VC의 값을 신호증폭기(25)의 입력 문턱전압(input threshold voltage; VT)보다 큰 값인 VL1 전압으로 설정한다. 이어서, 다기능 스위치(24)를 온하여 커플링 캐패시터 CC의 제2 전극과 신호 증폭기(25)의 입력단자의 초기값을 VL1 전압으로 설정한다. 이어서, 다기능 스위치(24)를 오프 하고, 리셋 스위치 RSW를 온하여 n 형 확산영역(10)으로부터 신호 전자들을 배출한다. 이때, 플로우팅 포토다이오드 FPD의 n 형 확산영역(10)의 전압이 올라간다. 이러한 전압 상승이 커플링 캐패시터 CC에 전달되고, 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)을 통하여 신호 증폭기(25)의 입력 단자에 전달된다.
즉, 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD에 누적되어 있는 신호 전자들이 리셋될 때 신호 증폭기(25)의 입력 단자의 전압 값이 초기값 VL1으로부터 상승한다. 이러한 전압의 상승 값으로부터 신호 전자의 양, 즉 입사된 빛의 양에 대한 정보를 축출한다.
여기서, 두 번째 동작 방법은 일반적인 4-트랜지스터 픽셀의 동작과 대략적 으로 반대되는 개념의 동작 방법이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시 예에서 신호 증폭기(25)를 소스팔로워(source follower; SF)(26) 및 정전류원(27)으로 구현한 실시 예를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 실시 예에서 별도의 리셋 전압원 VR을 사용하지 않고, 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 드레인에 인가되는 구동전압 VDD을 리셋 전압으로 사용하는 실시 예를 나타낸다.
도 6 및 도 7에 도시된 실시예의 동작 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가변 전압원 VC의 전압을 제 1전압 VL(예를 들어 0V)로 설정하고 다기능 스위치(24)를 온하여 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)의 전압을 제 1전압 VL으로 고정한다. 이때, 제 1전압 VL은 리셋 동작에 의해서 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)가 자동으로 꺼질 수 있도록 설정된다. 리셋 스위치 RSW를 온하여 n 형 확산영역(10)을 리셋한다. 이어서, 리셋 스위치 RSW를 오프하여 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 리셋 동작을 완료한다. 이때, 다기능 스위치(24)는 온 상태로 유지하거나 또는, 오프 하는 방법 두 가지가 모두 가능하다.
이어서, 입사된 빛 신호에 의하여 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 n 형 확산영역(10)에 신호 전자들이 누적된다. 이때, 누적된 신호 전자들의 양을 읽어내고자 할 때 다음의 동작을 실행한다.
먼저, 가변 전압원 VC의 값을 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 문턱전압(threshold voltage; VTn)보다 큰 값인 VL1 전압으로 설정한다.
다기능 스위치(24)를 온하여 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)과 소스팔로 워의 액티브 트랜지스터(26)의 게이트 단자의 초기값을 VL1 전압으로 설정한다.
이어서, 다기능 스위치(24)를 오프하고, 리셋 스위치 RSW를 온하여 n 형 확산영역(10)으로부터 신호 전자들을 배출한다. 이때, n 형 확산영역(10)의 전압이 올라간다. 이러한 전압 상승이 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)을 통하여 소스 팔로워F의 액티브 트랜지스터(26)의 게이트 단자에 전달된다.
즉, 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD에 누적되어 있는 신호 전자들이 리셋될 때 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 게이트 단자의 전압 값이 초기값인 VL1 전압으로부터 상승한다. 이러한 전압의 상승 값으로부터 신호 전자의 양을 축출한다.
이와 같은 픽셀 구조와 동작 방법에서는 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)가 게이트 입력 단자의 전압 설정 값에 의하여 온/오프 상태가 조정되므로 출력전압을 픽셀 어레이의 신호선에 선택적으로 전달하기 위한 어드레싱 스위치(addressing switch)가 별도로 필요하지 않게 된다.
여기서, 다기능 스위치(24)는 픽셀의 동작에 있어서 다음과 같은 필수적인 기능을 갖는다.
다기능 스위치(24)는 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 게이트 및 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)이 전기적으로 플로우팅 된 구조에서 외부로부터 유입되는 알전하(net charge)가 방전될 수 있는 통로를 제공한다. 따라서, 다기능 스위치(24)는 커플링 캐패시터 CC 및 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)가 오류동작 하거나 손상되는 것을 방지한다.
또한, 다기능 스위치(24)는 가변 전압원 VC를 사용하여 소스팔로워의 액티브 트랜지스터(26)의 게이트 단자 및 커플링 캐패시터 CC의 제 2전극(19)의 초기 전압을 원하는 값으로 설정한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서 픽셀은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 오믹 접촉된 확산 감지노드를 사용하지 않고 커플링 캐패시터를 사용하여 신호 전압변화를 신호 증폭기에 전달하기 때문에 오믹 접촉에서 발생하는 감지노드의 암전류를 줄일 수 있다.
둘째, 리셋에 의하여 캐패시터 결합 포토다이오드 CCPD의 n형 확산영역이 완전 공핍(fully depleted)되기 때문에 이미지 래그 및 리셋 잡음을 제거할 수 있다.
셋째, 오믹 접촉된 확산 감지노드를 사용하지 않고 커플링 캐패시터를 사용하기 때문에 공유 구조(shared structure)를 구현하는 것이 가능하다.
Claims (20)
- 제 1도전형 에피층;상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역;상기 제 1확산영역 내에 형성되어 상기 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및상기 제 2확산영역으로 형성된 제 1전극, 상기 제 1전극 상부에 형성된 절연층 및 상기 절연층 상부에 형성된 제 2전극을 구비하며, 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2도전형은 상기 제 1도전형과 상반되는 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 커플링 캐패시터는 상기 제 2확산영역 일부 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;상기 커플링 캐패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및상기 커플링 캐패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 제 2도전형은 상기 제 1도전형과 상반되는 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 커플링 캐패시터는상기 제 2확산영역으로 형성된 제 1전극;상기 제 2확산영역 상부에 형성된 절연층; 및상기 절연층 상부에 형성된 제 2전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 커플링 캐패시터는 상기 제 2확산영역 일부 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 제 1확산영역은 리셋 동작 시 완전 공핍(fully deplete) 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 리셋 스위치는 상기 제 1확산영역과 리셋 전압원 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 리셋 스위치는 FET(Field Effect Transistor) 또는 트랜스퍼 게이트 구 조(Transfer Gate Structure)로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 다기능 스위치는 상기 커플링 캐패시터의 출력단자 및 상기 신호 증폭기의 입력단자가 전기적으로 플로팅 구조가 되는 것을 방지하기 위하여 방전 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 다기능 스위치는 상기 커플링 캐패시터의 출력단자 또는 상기 신호 증폭기의 입력단자의 전압을 특정한 값으로 설정하는 것을 특징으로 포함하는 이미지센서의 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 신호 증폭기의 출력단자를 픽셀 어레이의 신호선에 연결하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 픽셀.
- 제 5항에 있어서,상기 신호 증폭기는 소스팔로워(Source Follower) 구조의 증폭기인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
- 제 5항 또는 제 15항에 있어서,상기 리셋 전압 원은 상기 신호 증폭기의 구동전압원인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀.
- 제 5 항에 있어서,상기 다기능 스위치 및 상기 신호 증폭기를 적어도 2개 이상의 픽셀이 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀.
- 제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 상기 제 1확산영역 내에 형성되어 상기 제 1확산영역에 대해 플로팅된 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;상기 커플링 캐패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기 가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및상기 커플링 캐패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법에 있어서,상기 다기능 스위치를 온하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 커플링 캐 패시터의 출력단자를 제 1전압으로 고정시키는 제 1단계,상기 리셋 스위치를 온 하여 상기 제 1확산영역을 리셋하는 제 2단계;상기 가변 전압원을 이용하여 상기 신호 증폭기 입력단자의 전압을 상기 제 1전압보다 높은 제 2전압으로 설정하고 상기 신호 증폭기의 출력전압 값을 읽는 제 3단계;상기 리셋 스위치를 오프하고, 상기 다기능 스위치를 오프한 후에 빛을 흡수하여 생성되는 전자를 상기 제 1확산영역에 저장하는 제 4단계; 및상기 제 4단계에서 저장된 전자들에 의하여 상기 신호 증폭기의 출력전압 값이 상기 제 3단계에서 읽은 출력전압 값으로부터 낮아지는 변화를 읽어내는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법.
- 제 1도전형 에피층; 상기 에피층 내에 형성된 제 2도전형 제 1확산영역; 상기 제 1확산영역 내에 형성되어 플로팅되어 있는 제 1도전형 제 2확산영역; 및 상기 제 1확산영역의 전압 변화를 외부로 전달하는 커플링 캐패시터를 포함하여 이루어진 포토다이오드;상기 포토다이오드의 상기 제 1확산영역을 리셋 전압원을 이용하여 리셋하는 리셋 스위치;상기 커플링 캐패시터의 출력단자와 가변 전압원 사이에 연결되어서 상기 출력단자에 상기 가변 전압원의 전압을 인가하는 다기능 스위치; 및상기 커플링 캐패시터에 의해 전달된 전압 변화에 대응하는 전압 신호를 픽 셀 어레이의 신호선으로 전달하는 신호 증폭기를 포함하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법에 있어서,상기 다기능 스위치를 온하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 커플링 캐패시터의 출력단자를 제 1전압으로 고정시키는 제 1단계,상기 리셋 스위치를 온 하여 상기 제 1확산영역을 리셋하는 제 2단계;상기 리셋 스위치를 오프하고, 상기 다기능 스위치를 오프한 후에 빛을 흡수하여 생성되는 전자를 상기 제 1확산영역에 저장하는 제 3단계;상기 다기능 스위치를 온 하고 상기 가변 전압원을 이용하여 상기 신호 증폭기 입력단자의 전압을 신호 증폭기의 입력 문턱 전압보다 높은 제 2전압으로 설정하고, 상기 다기능 스위치를 오프하고 상기 신호증폭기의 출력전압 값을 읽는 제 4단계;상기 리셋 스위치를 온으로 하여 상기 3단계에서 상기 제 1확산영역에 저장된 전자를 배출시키는 제 5단계; 및상기 5단계로 인하여 상기 신호 증폭기의 출력전압이 상기 제 4단계에서 읽은 출력전압 값으로부터 상승하는 값을 읽어 내는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법.
- 제 19 항에 있어서,상기 제 3단계 동작에서, 상기 다기능 스위치를 오프하지 않고 온 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 픽셀의 신호 감지 방법.
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2006
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