KR100755970B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역과, 광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터와, 상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터와, 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력 노드의 전압을 변경시키는 소오스 팔로어 트랜지스터와, 리셋 신호에 의해 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함한다.

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS IMAGE SENSOR}
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 등가회로도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 등가회로도이다.
도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 등가회로도이다.
도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 싱글 프레임 캡쳐 모드(SFCM; Single Frame Capture Mode)가 가능한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
이미징 기술은 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 주변에 집중되어 있었다. 그러나, CCD 이미지 센서는 허용 가능한 전하 전달 효율을 달성하기 위하여, 외부 제어 신호 및 큰 클럭 스윙이 필요하여 상당한 전력량이 소모된다. 또한, CCD 이미지 센서는 장치의 동작, 이미지 신호의 조정 및 표준 비디오 출력을 생성하기 위한 부가적인 지원 회로가 필요하다. 따라서, 최근에는 CCD 이미징 기술의 대안으로 씨모스 이미징 기술이 제안되고 있다. 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조공정에 의하여 고집화가 가능하고, 간단한 구조를 가지므로 인해 전력소모가 적다. 또한, CCD 이미지 센서와는 달리 씨모스 이미지 센서는 표준 씨모스 제조 설비에서 제조할 수 있다.
이러한 이점에도 불구하고 씨모스 이미지 센서는 신호 전하가 축적된 부유 확산층의 형성공정으로 인해서, 또는 표면 오염과 물리적 스트레스에 의해 암전류 및 노이즈가 발생하는 문제를 지니고 있다. 또한, 이미지 센서의 모든 픽셀들의 데이타가 순차적으로 출력되어 영상이 구성되기 때문에 이미지 오프셋이 발생할 수 있고, 포토다이오드의 과도한 노출로 인하여 오버 플로우가 발생할 수 있다. CCD 이미지 센서의 경우 싱글 프레임 캡쳐 모드의 구현이 가능하여 픽셀의 위치에 따른 데이타의 출력시간차로 인한 이미지 오프셋을 방지할 수 있으나, 현재까지 소개된 액티브 픽셀 구조의 픽셀 셀은 싱글 프레임 캡쳐 모드를 구현하는데 적합하지 않은 구조이다. 싱글 프레임 캡쳐 모드는 픽셀 신호를 대기하는 동안 변화된 영상이 출력되지 않고, 픽셀 어레이의 전체 셀에 동일 시간에 입사되는 빛을 신호 전하로 변환하여 한 프레임에 출력하는 것이다.
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 이미지 센서의 픽셀 셀은 입사되는 빛에 의해 신호전하를 발생하는 포토다이오드 영역(10)과, 상기 포토다이오드 영역(10)에 축적된 신호전하를 플로팅 노드인 부유확산층(14)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(12)와, 상기 부유확산층(14)에 축적되는 신호전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압을 변화시키는 소오스 팔로어 트랜지스터(20)와, 상기 부유확산층(14)과 VDD 사이에 연결되어 상기 부유확산층(14)에 축적된 신호전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(16)와, 열 선택 신호에 의해 데이타를 출력하는 열 선택 트랜지스터(18)로 구성된다.
종래의 씨모스 이미지 센서는 행 선택 신호, 즉 픽셀 선택 신호에 의해 트랜스퍼 트랜지스터(12)가 턴온되면 포토다이오드 영역(10)에 축적된 신호전하가 부유 확산층(14)으로 전달되고, 부유 확산층(14)에 축적되는 신호 전하에 의해 소오스 팔로어 트랜지스터(20)의 게이트 전압이 변화되고, 소오스 팔로어 트랜지스터(20)의 게이트 전압 변화에 의한 데이타 출력단(Vout)의 전압을 감지한다.
종래의 씨모스 이미지 센서의 픽셀 셀은 소오스 팔로어 트랜지스터(20)의 게이트와 부유 확산층(14)을 전기적으로 연결하기 위한 콘택 구조가 부유 확산층(14)에 형성되고, 부유 확산층(14)의 표면 오염 및 스트레스 등으로 인하여 암전류 및 노이즈의 발생이 포토다이오드 영역(10)에 비해 높아진다.
또한, 4-트랜지스터 픽셀 셀 구조는 싱글 프레임 캡쳐 모드에 적합하지 않다. SFCM을 구현하기 위해서는 이미지 센서의 모든 픽셀에 입사되는 빛을 동시에 감지하여 출력하여야 하는데, 픽셀 선택 신호에 의해 트랜스퍼 트랜지스터(12)가 턴온되고 부유 확산층(14)에 축적되는 신호전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압이 변하는 종래의 4-트랜지스터 픽셀 셀 구조에서는 SFCM 구현이 어렵다. 또한, 모든 화소의 데이타가 출력되는 동안 데이타 출력 시기가 늦어질 수록 부유 확산층(14)에서 발생하는 암전류 및 노이즈가 증가되어 고품질의 화질을 얻을 수 없는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 싱글 프레임 캡쳐 모드의 구현이 가능한 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다.
싱글 프레임 캡쳐 모드를 구현하기 위해서는 전체 픽셀에서 동시에 변환된 신호전하가 출력 대기 시간 동안 손실 없이 유지되어야 한다. 따라서, 본 발명의 다른 기술적 과제는 출력 대기 시간 동안 픽셀의 신호전하가 손실없이 유지될 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 기술적 과제는 프레임과 프레임 사이의 시간 동안 포토다이오드 영역에 입사되는 빛에 의한 오버플로우 또한 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 신호전하를 임시로 저장할 수 있는 버퍼를 가지는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다. 이 이미지 센서는 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역과, 광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터와, 상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터와, 리셋 신호에 의해 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하는 소오스 팔로어 트랜지스터의 게이트에 전달되어 데이타 출력 노드의 전압을 변경시킬 수 있다. 상기 제 1 부유 확산층 상부에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층의 포텐셜을 변화시키는 리텐션 게이트를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 부유 확산층 상부에 형성된 리텐션 게이트는 구조적으로는 상기 제 1 부유 확산층을 보호하고, 동작시에는 데이타의 전달, 축적 및 유지를 도와주는 기능을 수행한다. 예컨대, 상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트에 신호 전하의 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하여 신호 전하의 축적 능력을 향상시킬 수 있고, 상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층으로 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트에 신호 전하와 동일 극성의 전압을 인가하여 신호 전하의 전달 능력을 향상시킬 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터는 상기 제 2 부유 확산층과 VDD 사이에 연결되거나, 포토다이오드 영역과 VDD 사이에 연결될 수 있다. 제 2 부유 확산층에 리셋 트랜지 스터가 연결되는 경우, 데이타 출력 이후 상기 리셋 신호에 의해 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온시키어 포토 다이오드, 제 1 부유 확산층 및 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 리셋시킬 수 있다. 또한, 상기 포토다이오드 영역에 리셋 트랜지스터가 연결되는 경우, 광역 트랜스퍼 신호에 의해 상기 포토다이오드 영역에 축적된 신호전하가 상기 제 1 부유 확산층으로 전달된 이후 다음 광역 트랜스퍼 신호가 입력될 때까지 상기 리셋 트랜지스터가 턴온시키어 포토다이오드 영역의 오버 플로우를 방지하고, 데이타 출력 이후에는 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온시키어 제 1 부유 확산층 및 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 포토다이오드 영역에 축적된 신호 전하와 함께 리셋시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 SFCM을 구현하기 위하여 광역 트랜스퍼 트랜지스터와 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하여 전체 픽셀의 광역 트랜스퍼 트랜지스터에 광역 트랜스퍼 신호가 동시에 전달되고, 전체 픽셀의 포도다이오드 영역에 동기간에 축적된 신호전하는 상기 광역 트랜스퍼 신호에 의해 동시에 각 픽셀의 제 1 부유 확산층으로 전달된 이후, 픽셀 선택 신호에 의해 각 픽셀의 데이타가 순차적으로 출력된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달 될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 등가회로도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 픽셀 셀은 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생시키는 포토다이오드 영역(50)과, 신호 전하를 축적하는 제 1 부유 확산층(54) 및 제 2 부유 확산층(58)을 포함한다. 또한, 상기 포토다이오드 영역(50)에 축적된 신호 전하를 상기 제 1 부유 확산층(54)으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터(52)와, 상기 제 1 부유 확산층(54)에 축적된 신호 전하를 상기 제 2 부유 확산층(58)으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(56)와, 상기 제 2 부유 확산층(58)에 축적되는 신호 전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압을 변화시키는 소오스-팔로어 트랜지스터(64)를 포함한다. 또한, 상기 제 2 부유 확산층(58)에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(60)와, 열 선택 신호에 의해 상기 소오스-팔로어 트랜지스터(64)에 VDD를 공급하는 열 선택 트랜지스터(62)를 더 포함한다.
본 발명에서, 픽셀 셀 어레이의 모든 포토다이오드 영역의 신호 전하는 동시에 제 1 부유 확산층으로 전달되어 픽셀이 선택될 때까지 임시로 저장된다. 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터(52)는 광역 트랜스퍼 신호에 의해 턴온되어 상기 포토다이오드 영역(50)에 축적된 전하를 상기 제 1 부유 확산층(54)으로 전달한다. 광역 트랜스퍼 신호는 셀 어레이의 모든 광역 트랜스퍼 트랜지스터(52)에 동시에 전달된다.
상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(56)는 픽셀 선택 신호에 의해 턴온되어 제 1 부유 확산층(54)에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층(58)으로 전달한다. 상기 제 2 부유 확산층(58)은 종래 4-트랜지스터 픽셀 셀의 부유 확산층과 동일한 기능을 수행한다. 상기 제 2 부유 확산층(58)에 축적된 신호 전하에 의해 상기 소오스-팔로어 트랜지스터(64)의 게이트 전압이 변화되고, 이에 따라 소오스-팔로어 트랜지스터(64)의 소오스에 해당하는 데이타 출력단(Vout)의 전압이 변경된다.
본 발명에 따르면, 이미지 센서의 모든 포토다이오드 영역에서 동시에 축적된 신호전하는 픽셀 선택을 대기하는 시간동안 상기 제 1 부유 확산층(54)에 임시로 저장되고, 픽셀 선택 신호가 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(56)에 전달될 때 신호 전하를 제 2 부유 확산층(58)으로 전달하여 데이타를 출력한다.
본 발명의 이미지 센서는 상기 제 1 부유 확산층(54) 상에 형성된 리텐션 게이트(66)를 더 포함한다. 상기 리텐션 게이트(66)는 상기 제 1 부유 확산층(54) 상에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층(54)을 보호하고, 신호 전하의 전달, 축적 및 유지 기능을 향상시킨다. 상기 제 1 부유 확산층(54)에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트(66)는 상기 제 1 부유 확산층(54)의 포텐셜을 낮추기 위하여 신호전하와 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하고, 상기 제 1 부유 확산층 (54)에 축적된 신호 전하를 상기 제 2 부유 확산층(58)에 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트(66)는 상기 제 1 부유 확산층(54)의 포텐셜을 높이기 위하여 신호전하와 동일한 극성의 전압을 인가한다. 상기 제 1 부유 확산층(54)에 신호전하가 축적된 시간, 픽셀 선택을 대기하는 시간 동안에는, 상기 리텐션 게이트(66)에 신호전하와 반대극성의 전압을 인가하여 신호 전하 유지 효과를 높일 수도 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 상기 리셋 트랜지스터는 종래의 4-트랜지스터 픽셀 셀과 마찬가지로 소오스-팔로어 트랜지스터에 연결된 부유 확산층에 연결된다. 따라서, 데이타가 출력된 이후 픽셀을 리셋시키는 리셋 신호가 상기 리셋 트랜지스터에 전달될 때, 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터(52) 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(56)를 턴온시키어 상기 포토다이오드 영역(50), 상기 제 1 부유 확산층(54) 및 상기 제 2 부유 확산층(58)의 전위를 VDD로 리셋시킬 수 있다.
도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 종래의 4-트랜지스터 픽셀 셀의 트랜스퍼 트랜지스터와 포토다이오드 영역 사이에 광역 트랜스퍼 트랜지스터가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 도시된 것과 같이, 반도체 기판(200)에 포토 다이오드 영역(50)과, 제 1 부유 확산층(54) 및 제 2 부유 확산층(58)이 형성되고, 상기 포토 다이오드 영역(50)과 상기 제 1 부유 확산층(54) 사이에 채널을 정의하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(252)이 형성되고, 상기 제 1 부유 확산층(54)과 상기 제 2 부유 확산층(58) 사이에 채널을 정의하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(256)이 형성되어 있다. 상기 제 1 부유 확산층(54) 상에는 리텐션 게이트(66)가 형성되어 있다. 상기 리텐션 게이트(66)는 상기 제 1 부유 확산층(54)의 상부를 덮어 제조공정에서 상기 제 1 부유 확산층(54)이 손상을 입는 것을 방지하고, 제 1 부유 확산층(54)에 입사되는 빛을 차단하는 기능도 가질 수 있다. 상기 리텐션 게이트(66)는 양측의 게이트들과 전기적으로 절연되어 형성된다.
도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 2c를 참조하면, 리셋 단계(①)에서 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg), 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(Tp), 리텐션 게이트(Gd) 및 리셋 트랜지스터(Reset)에 하이 신호를 입력하여 이미지 센서의 모든 픽셀을 VDD로 리셋시킨다. 이 때 데이타 출력단(Vout)에서 레퍼런스 전압이 출력된다. 이미지 센싱 단계(②)에서 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg), 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(Tp), 리텐션 게이트(Gd) 및 리셋 트랜지스터(Reset)에 로우 신호를 입력하여, 포토다이오드 영역에 입사되는 빛에 의해 발생한 신호 전하를 축적한다. 프레임 캡쳐 단계(③)에서 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg)에 하이 신호가 입력되면 이미지 센서의 모든 픽셀의 신호 전하가 제 1 부유 확산층으로 전달되어 임시로 저장된다. 제 1 부유 확산층에 신호 전하가 축적되는 동안 리텐션 게이트(Gd)에 하이 신호가 입력되어 신호 전하의 축적으로 도와준다. 픽셀 선택 대기 단계(④)에서 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg)에 로우 신호을 입력하여 턴오프 시키고, 리텐션 게이트(Gd)에 하이 신호가 지속적으로 입력되어 신호 전 하의 유지시키며 자신의 픽셀이 선택될 때까지 대기한다. 데이타 출력 단계(⑤)에서 픽셀 선택 신호에 의해 상기 픽셀 선택 트랜지스터(Tp)에 하이 신호가 입력되어 제 2 부유 확산층에 신호 전하를 전달한다. 이 때, 상기 리텐션 게이트(Gd)에 로우 신호를 입력하여 전하의 전달 능력을 높인다. 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압이 변화된다. 상기 레퍼런스 전압과 출력전압의 차이(Vs)에 의해 영상신호가 출력된다.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 등가회로도이다.
도 3a를 참조하면, 제 1 실시예와 마찬가지로 씨모스 이미지 센서의 픽셀 셀은 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생시키는 포토다이오드 영역(150)과, 신호 전하를 축적하는 제 1 부유 확산층(154) 및 제 2 부유 확산층(158)을 포함한다. 또한, 상기 포토다이오드 영역(150)에 축적된 신호 전하를 상기 제 1 부유 확산층(154)으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터(152)와, 상기 제 1 부유 확산층(154)에 축적된 신호 전하를 상기 제 2 부유 확산층(158)으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(156)와, 상기 제 2 부유 확산층(158)에 축적되는 신호 전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압을 변화시키는 소오스-팔로어 트랜지스터(164)를 포함한다. 또한, 상기 제 2 부유 확산층(158)에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(160)와, 열 선택 신호에 의해 상기 소오스-팔로어 트랜지스터(164)에 VDD를 공급하는 열 선택 트랜지스터(162)를 더 포함한다.
본 발명에서, 픽셀 셀 어레이의 모든 포토다이오드 영역의 신호 전하는 동시 에 제 1 부유 확산층으로 전달되어 픽셀이 선택될 때까지 임시로 저장된다. 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터(152)는 광역 트랜스퍼 신호에 의해 턴온되어 상기 포토다이오드 영역(150)에 축적된 전하를 상기 제 1 부유 확산층(154)으로 전달한다. 광역 트랜스퍼 신호는 셀 어레이의 모든 광역 트랜스퍼 트랜지스터(152)에 동시에 전달된다.
상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(156)는 픽셀 선택 신호에 의해 턴온되어 제 1 부유 확산층(154)에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층(158)으로 전달한다. 상기 제 2 부유 확산층(158)은 종래 4-트랜지스터 픽셀 셀의 부유 확산층과 동일한 기능을 수행한다. 상기 제 2 부유 확산층(158)에 축적된 신호 전하에 의해 상기 소오스-팔로어 트랜지스터(164)의 게이트 전압이 변화되고, 이에 따라 소오스-팔로어 트랜지스터(164)의 소오스에 해당하는 데이타 출력단(Vout)의 전압이 변경된다.
본 발명에 따르면, 이미지 센서의 모든 포토다이오드 영역에서 동시에 축적된 신호전하는 상기 제 1 부유 확산층(154)에 임시로 저장되어 픽셀 선택 신호를 대기하고, 픽셀 선택 신호가 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(156)에 전달될 때 신호 전하를 제 2 부유 확산층(158)으로 전달하여 데이타를 출력한다.
본 발명의 이미지 센서는 상기 제 1 부유 확산층(154) 상에 형성된 리텐션 게이트(166)를 더 포함한다. 상기 리텐션 게이트(166)는 상기 제 1 부유 확산층(154) 상에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층(154)을 보호하고, 신호 전하의 전달, 축적 및 유지 기능을 향상시킨다. 상기 제 1 부유 확산층(154)에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트(166)는 상기 제 1 부유 확산층(154)의 포텐셜 을 낮추기 위하여 신호전하와 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하고, 상기 제 1 부유 확산층(154)에 축적된 신호 전하를 상기 제 2 부유 확산층(158)에 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트(166)는 상기 제 1 부유 확산층(154)의 포텐셜을 높이기 위하여 신호전하와 동일한 극성을 인가한다. 상기 제 1 부유 확산층(154)에 신호전하가 축적된 시간, 픽셀 선택을 대기하는 시간 동안에는, 상기 리텐션 게이트(166)에 신호전하와 반대극성의 전압을 인가하여 신호 전하 유지 효과를 높일 수도 있다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 상기 리셋 트랜지스터는 제 1 실시예와 달리 상기 포토다이오드 영역(150)에 연결된다. 제 1 실시예의 구조는 SFCM에서 프레임과 프레임 사이의 시간이 길어지는 경우 포토다이오드 영역에 신호전하가 과도하게 축적되는 오버플로우 현상이 일어날 수 있다. 포토다이오드 영역의 오버플로우는 리셋시간을 증가시켜 제거할 수 있으나, 제 2 실시예는 포토다이오드 영역(150)에 리셋 트랜지스터(160)를 연결하여 오버플로우 현상이 일어나는 것을 방지한다.
즉, 상기 포토다이오드 영역(150)에 축적된 신호전하를 상기 제 1 부유 확산층(154)으로 전달한 후 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터(152)를 턴온프시켜 픽셀 선택신호를 대기하는 동안, 상기 리셋 트랜지스터(160)는 턴온시키어 상기 포토다이오드 영역(150)에 VDD를 공급한다. 따라서, 프레임이 캡쳐된 이후 다음 프레임이 캡쳐될 때까지 포토다이오드 영역(150)에 발생된 신호전하는 리셋되어 오버플로우 현상이 일어나지 않는다. 또한, 빛이 입사되지 않는 픽셀에서 암전류가 발생하더라도 상기 포토다이오드 영역(150)에 연결된 리셋 트랜지스터(160)에 의해 제거될 수 있다.
데이타가 출력된 이후에는 상기 리셋 트랜지스터(160)와 함께 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터(152) 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(156)를 턴온시키어 상기 포토다이오드 영역(150), 상기 제 1 부유 확산층(154) 및 상기 제 2 부유 확산층(158)의 전위를 VDD로 리셋시킬 수 있다.
도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 종래의 4-트랜지스터 픽셀 셀의 트랜스퍼 트랜지스터와 포토다이오드 영역 사이에 광역 트랜스퍼 트랜지스터가 직렬로 연결된 구조를 가지고, 리셋 트랜지스터가 부유 확산층이 아닌 포토다이오드 영역에 연결된 구조를 가진다. 도시된 것과 같이, 반도체 기판(300)에 포토 다이오드 영역(150)과, 제 1 부유 확산층(154) 및 제 2 부유 확산층(158)이 형성되고, 상기 포토 다이오드 영역(150)과 상기 제 1 부유 확산층(154) 사이에 채널을 정의하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(352)이 형성되고, 상기 제 1 부유 확산층(154)과 상기 제 2 부유 확산층(158) 사이에 채널을 정의하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(356)이 형성되어 있다. 상기 제 1 부유 확산층(154) 상에는 리텐션 게이트(166)가 형성되어 있다. 상기 리텐션 게이트(166)는 상기 제 1 부유 확산층(154)의 상부를 덮어 제조공정에서 상기 제 1 부유 확산층(154)이 손상을 입는 것을 방지하고, 제 1 부유 확산층(154)에 입사되는 빛을 차단하는 기능도 가질 수 있다. 상기 리텐션 게이트(166)는 양측의 게이트들과 전기적으로 절연되어 형성된다.
도 3c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3c를 참조하면, 리셋 단계(①)에서 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg), 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터(Tp), 및 리셋 트랜지스터(Reset)에 하이 신호를 입력하여 이미지 센서의 모든 픽셀을 VDD로 리셋시킨다. 이 때 데이타 출력단(Vout)에서 레퍼런스 전압이 출력된다. 이미지 센싱 단계(②)에서 포토다이오드 영역에 입사되는 빛에 의해 신호 전하가 발생하다. 프레임 캡쳐 단계(③)에서, 광역 트랜스퍼 트랜지스터(Tg)에 하이 신호가 입력되면 이미지 센서의 모든 픽셀의 신호 전하가 제 1 부유 확산층으로 전달되어 임시로 저장된다. 제 1 부유 확산층에 신호 전하가 축적되는 동안 리텐션 게이트(Gd)에 하이 신호가 입력되어 신호 전하의 축적으로 도와준다. 픽셀 선택 대기 단계(④)에서 리텐션 게이트(Gd)에 하이 신호가 지속적으로 입력되어 신호 전하의 유지시키며 자신의 픽셀이 선택될 때까지 대기한다. 또한, 리셋 트랜지스터(Reset)에 하이 신호가 입력되어 포토다이오드 영역에 축적되는 신호전하를 리셋시킨다. 리셋 트랜지스터(Reset)에는 다음 프레임의 리셋 단계까지 지속적으로 하이 신호가 입력되어 포토다이오드 영역에 입력되는 신호전하를 지속적으로 리셋시킬 수 있다. 데이타 출력 단계(⑤)에서 픽셀 선택 신호에 의해 상기 픽셀 선택 트랜지스터(Tp)에 하이 신호가 입력되어 제 2 부유 확산층에 신호 전하를 전달하고, 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력단(Vout)의 전압이 변화된다. 상기 레퍼런스 전압과 출력전압의 차이(Vs)에 의해 영상신호가 출력된다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 소오스-팔로어 트랜지스터의 게이트 전압을 변화시키는 부유 확산층과 포토 다이오드 영역과의 사이에 신호 전하를 임시 저장하는 다른 부유 확산층을 형성함으로써 싱글 프레임 캡쳐 모드의 구현이 가능하다.
또한, 신호 전하가 임시로 저장되는 부유 확산층 상에 리텐션 게이트를 형성함으로써 프레임의 이미지를 캡쳐한 후 출력 대기 시간 동안 신호 전하의 손실을 방지할 수 있고, 신호 전하의 전달 및 축적시에 리텐션 게이트에 전압을 인가하여 신호 전하 전달 및 축적 능력을 향상시킬 수 있다.
더 나아가서, 픽셀을 리셋시키는 리셋트랜지스터를 포토다이오드에 접속시킴으로써 싱글 프레임 캡쳐 모드에서 프레임과 프레임 사이의 시간동안 포토다이오드 영역에 오버플로우가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (27)

  1. 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역;
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터; 및
    상기 제 2 부유 확산층과 VDD 사이에 연결되어 리셋 신호에 의해 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함하되,
    데이터 출력 이후 상기 리셋 신호에 의해 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜지스퍼 트랜지스터가 턴온되어 포토 다이오드, 제 1 부유 확산층 및 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하가 리셋되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역;
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드 영역과 VDD 사이에 연결되어 리셋 신호에 의해 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함하되,
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 상기 포토다이오드 영역에 축적된 신호전하가 상기 제 1 부유 확산층으로 전달된 이후 다음 광역 트랜스퍼 신호가 입력될 때까지 상기 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 포토다이오드에 축적되는 신호전하가 리셋되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력 노드의 전압을 변경시키는 소오스 팔로어 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층 상부에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층의 포텐셜을 변화시키는 리텐션 게이트를 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트는 상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하의 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층으로 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트는 상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하와 동일 극성의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서,
    데이타 출력 이후 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온되어 제 1 부유 확산층 및 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광역 트랜스퍼 신호는 픽셀 어레이를 구성하는 전체 픽셀의 광역 트랜스퍼 트랜지스터에 동시에 전달되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전체 픽셀의 포도다이오드 영역에 동기간에 축적된 신호전하는 상기 광역 트랜스퍼 신호에 의해 동시에 각 픽셀의 제 1 부유 확산층으로 전달되고,
    픽셀 선택 신호에 의해 각 픽셀의 데이타가 순차적으로 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역;
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터;
    제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력 노드의 전압을 변경시키는 소오스 팔로어 트랜지스터; 및
    상기 제 2 부유 확산층과 VDD 사이에 연결되어 리셋 신호에 의해 상기 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함되,
    데이타 출력 이후 상기 리셋 신호에 의해 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온되어, 상기 포토 다이오드 영역 및 상기 제 1 부유 확산층에 축적된 전하를 상기 제 2 부유 확산층에 축적된 전하와 함께 리셋시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층 상부에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층의 포텐셜을 변화시키는 리텐션 게이트를 더 포함하는 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게 이트에 신호 전하의 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층으로 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트에 신호 전하와 동일 극성의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 삭제
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 광역 트랜스퍼 신호는 픽셀 어레이를 구성하는 전체 픽셀의 광역 트랜스퍼 트랜지스터에 동시에 전달되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    전체 픽셀의 포도다이오드 영역에 동기간에 축적된 신호전하는 상기 광역 트 랜스퍼 신호에 의해 동시에 각 픽셀의 제 1 부유 확산층으로 전달되고,
    픽셀 선택 신호에 의해 각 픽셀의 데이타가 순차적으로 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 발생하는 포토다이오드 영역;
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 신호 전하를 제 1 부유 확산층으로 전달하는 광역 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 픽셀 선택 신호에 의해 제 2 부유 확산층으로 전달하는 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터;
    제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하에 의해 데이타 출력 노드의 전압을 변경시키는 소오스 팔로어 트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드 영역과 VDD 사이에 연결되어 리셋 신호에 의해 포토다이오드 영역에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 포함하되,
    광역 트랜스퍼 신호에 의해 상기 포토다이오드 영역에 축적된 신호전하가 상기 제 1 부유 확산층으로 전달된 이후 다음 광역 트랜스퍼 신호가 입력될 때까지 상기 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 포토다이오드에 축적되는 신호전하를 리셋시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층 상부에 형성되어 상기 제 1 부유 확산층의 포텐셜을 변화시키는 리텐션 게이트를 더 포함하는 이미지 센서.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 신호 전하를 축적하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트에 신호 전하의 반대 극성 또는 접지 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 제 2 부유 확산층으로 전달하는 단계에서는 상기 리텐션 게이트에 신호 전하와 동일 극성의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  24. 삭제
  25. 제 20 항에 있어서,
    데이타 출력 이후 상기 광역 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 픽셀 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온되어 제 1 부유 확산층 및 제 2 부유 확산층에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 광역 트랜스퍼 신호는 픽셀 어레이를 구성하는 전체 픽셀의 광역 트랜스퍼 트랜지스터에 동시에 전달되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  27. 제 26 항에 있어서,
    전체 픽셀의 포도다이오드 영역에 동기간에 축적된 신호전하는 상기 광역 트랜스퍼 신호에 의해 동시에 각 픽셀의 제 1 부유 확산층으로 전달되고,
    픽셀 선택 신호에 의해 각 픽셀의 데이타가 순차적으로 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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