KR100776320B1 - 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 ｍｏｓ 구조를포함하는 이미지 센서 - Google Patents

빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 ｍｏｓ 구조를포함하는 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 포토 다이오드를 포함하고, 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층이, 상기 포토 다이오드의 디퓨젼 영역에 인접하여 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트 위에 올려진 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 이미지 센서는, 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에서 감지할 수 있는 빛보다 더 약한 세기의 빛을 감지하고, 동시에 동일한 이미지 센서에 의하여 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에서 구분할 수 있는 빛보다 더 센 세기를 가지는 빛을 구분하는 측정값을 출력하므로 측정할 수 있는 빛의 세기의 영역이 커져서 결과적으로 동적 영역 특성이 개선된 효과를 달성한다.
포토 다이오드, 이미지 센서, 동적 영역

Description

빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 ＭＯＳ 구조를 포함하는 이미지 센서{Image Sensor comprising MOS structure with gate electrode which is transmitting light}
도1a는 종래 기술로서, pn 다이오드 구조의 이미지 센서, 도1b는 핀드 다이오드(pinned diode) 구조의 이미지 센서의 간략 단면도,
도2는 종래 기술로서 3T 이미지 센서 셀의 회로도,
도3은 도2에 도시된 3T 이미지 센서 셀에 대하여, 다양한 빛의 세기에서 시간이 경과함에 따른 노드 전압의 변화를 도시한 그래프,
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 MOS 구조를 포함하는 이미지 센서의 간략 단면도로서, 도4a는 pn 다이오드 구조에 해당하는 것이고, 도4b는 핀드 다이오드 구조에 해당하는 것이다.
도5는 본 발명에 따른 3T 이미지 센서 셀의 회로도,
도6은 도4a의 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서의 간략 단면도에서의 동작을 설명하기 위한 도면,
도7은 도1a에 도시된 종래 기술에 의한 이미지 센서와 도4a에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서를 동일한 규격으로 도시한 것,
도8은 도6의 구성에 반전층을 도시한 것이고, 도9는 도8에 도시된 반전층에 의하여 추가되는 캐패시터들을 표시한 것,
도10은 본 발명에 의한 이미지 센서 셀에서의 n 노드의 전압 강하를 도시한 것,
도11 내지 도14는 본 발명에 따른 이미지 센서의 다양한 구현예를 도시한 것.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서의 동적 영역 특성을 향상시킬 수 있도록 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 MOS 구조를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
종래의 CMOS 이미지 센서는 셀 트랜지스터 수에 따라서 3T 셀 또는 4T 셀이라고 불린다. 이미지 센서는 기본적으로 도1a와 같은 pn 다이오드 구조를 가지며, 실리콘 표면에서 발생할 수 있는 잡음 현상을 개선하기 위하여 도1b에서와 같은 핀드 다이오드(pinned diode) 구조를 주로 사용한다.
도1a 또는 도1b과 같은 이미지 센서에서, 역방향 전압이 걸린 다이오드의 공핍층 영역에 빛이 조사되면, 조사된 빛의 세기에 비례하여 전자-정공 쌍이 발생하여 pn 다이오드에 전류가 발생한다. 빛에 노출되어 있는 시간 동안 이 전류에 의하여 전하가 디퓨젼 노드(diffusion node)에 축적되면, 빛의 세기의 함수가 되는 노드 전압을 얻을 수 있다. 도1a 및 도1b와 같은 다이오드 구조는 빛에 의하여 전류 가 발생하여 전기가 도통되므로 포토 다이오드라고도 부른다.
도2는 3T 이미지 센서 셀의 회로도이고, 도3은 다양한 빛의 세기에서 시간이 경과함에 따른 노드 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도2에서, 리셋 스위치를 켜면, pn 다이오드의 n 영역의 노드에 Vdd-Vt의 전압이 인가되고, pn 다이오드에 역방향으로 Vdd-Vt의 전압이 인가된다. 여기서 Vt는 리셋 스위치를 구성하는 트랜지스터(365)의 역치 전압(threshold voltage)이다. 이후 리셋 스위치를 끄면, pn 다이오드는 역방향 전압이 걸린 채로 n 영역의 노드(361)는 플로팅(floating) 상태가 된다. 이 상태에서 빛이 조사되면 pn 다이오드 셀의 공핍층에서 전자-정공 쌍이 생성되어, 전자는 n 영역으로 정공은 p 영역으로 이동하여 전류가 발생한다. 이 전류를 광전류(photo current)라고 한다. 이 광전류에 의하여 전자가 n 영역에 쌓이므로 n 노드(361)의 전압이 하강된다. 빛이 조사되었을 때에, n 노드(361)의 전압이 하강하는 속도는, 다음의 수학식 1에서 보이는 바와 같이, 발생하는 광전류를 n 노드(361)의 캐패시턴스로 나눈 값이 된다.
Figure 112006046652373-pat00001
상기 수학식 1에서 ip는 광전류를 나타내고, C는 n 노드의 캐패시턴스으로서 대부분 pn 다이오드 접합의 캐패시턴스이다.
n 노드의 캐패시턴스인 C는 거의 일정하므로, 결국 n 노드의 전압이 하강되 는 속도는 결국 발생하는 광전류의 세기에 비례하게 된다. 다시 말해서, n 노드의 전압은, 빛의 세기가 세면 빠른 속도로 하강하고, 빛의 세기가 약하면 느린 속도로 하강하게 된다. 그런데, n 노드의 전압은 무한정 하강하는 것이 아니라 포화 전압(Vsat) 이하로는 더 이상 내려가지 않거나 또는 그 이하로 내려간다고 해도 읽어낼 수 없는 무의미한 전압값이 된다.
정리하면, 도3에서 보이는 바와 같이, n 노드의 전압은 Vdd-Vt로부터 Vsat까지 하강하되, 빛의 세기에 따라서, 빛의 세기가 셀수록 하강 속도가 빠르고 빛의 세기가 약할수록 하강 속도가 느리게 된다. 도3에서 tint는 이미지 센서가 빛에 노출된 시간(이하에서 '노출 시간'이라고 함)으로, tint에 n 노드의 전압을 측정하여 빛의 세기에 비례하는 전압 값을 출력한다.
도3의 그래프를 살펴보면, 빛의 세기가 I3 이상이면, 예컨대, 도3의 그래프에서 I4인 경우, tint 에서의 n 노드의 전압값의 변화량이 더 이상 빛이 세기에 비례하지 않고 모두 동일한 값을 출력하게 된다. 이는 빛의 세기가 세서 n 노드의 전압값이 tint에 이르기 전에 이미 Vsat로 강하하였기 때문이다. 반대로 빛의 세기가 너무 약한 경우, 예컨대, 도3의 그래프에서, I1인 경우, tint에서의 n 노드의 전압값의 변화는 잡음 레벨 수준 이하이므로 이러한 경우 이미지 센서로서 역할을 할 수 없다.
즉, 위에서 설명한 바에 따르면, 이미지 센서에서 의미 있는 측정을 달성하기 위한 빛의 세기의 범위가 존재한다. 이미지 센서 셀에서 의미 있는 측정을 달 성할 수 있는 빛의 세기의 최대값과 최소값의 비율을 dB로 나타낸 것을 동적 영역(Dynamic Range)이라고 한다. 종래의 이미지 센서 셀의 경우 동적 영역이 대략 50dB 정도인데, 이는 사람의 눈의 동적 영역, 즉, 사람의 눈으로 감지하여 구분하는 빛의 세기의 정도보다 크게 떨어지는 것이므로, 이미지 센서 셀에서 동적 영역을 크게 하는 것이 대단히 중요한 과제가 되고 있다.
본 발명은 이미지 센서에서 동적 영역 특성을 개선하기 위한 구조를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는, 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층이, 상기 포토 다이오드의 디퓨젼 영역에 인접하여 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트 위에 올려진 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 이미지 센서에서, 상기 포토 다이오드는 pn 접합 다이오드 또는 핀드 다이오드인 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 이미지 센서에서, 상기 빛을 투과하는 전도성 층은, 투명 또는 반투명한 전도성 물질인 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 이미지 센서에서, 상기 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층은, 복수 개인 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 이미지 센서를 상세하게 설명한다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 MOS 구조를 포함하는 이미지 센서의 간략 단면도로서, 도4a는 pn 다이오드 구조에 해당하는 것이고, 도4b는 핀드 다이오드 구조에 해당하는 것이다.
이하에서는, 도4a에서와 같은 pn 다이오드 구조에 대하여 본 발명을 설명하겠으나, pn 다이오드 구조에 대한 설명은 핀드 다이오드 구조에 대하여도 동일하게 적용된다.
본 발명에 의한 이미지 센서는, pn 다이오드 구조로만 되어 있던 도1a와 같은 종래의 구조와는 달리, 도4a에서 보이는 바와 같이, p 영역(42) 위에, 유전체층(44)을 사이에 두고 빛을 투과하는 전도성 층(41)을 더 구비한다. 도4a에서 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)은 n 영역과 인접되어 있고, 일부분이 겹칠 수 있다.
도4a에서 보이는 바와 같이, 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)은 반도체 위에 올려진 구조이므로 이는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 구조를 이루게 되고, 인접되어 있는 n 영역이 소스 역할을 하므로, 빛을 투과하는 전도성 층(41)은 MOSFET의 게이트 전극과 같은 역할을 하게 된다.
본 명세서에서, 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)이 반도체 위에 올려진 구조를 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 구조라고 지칭하지만, 본 발명에서 빛을 투과하는 전도성 층(41)은 반드시 금속(Metal)에 한정되는 것은 아니고 임의의 전도성 물질을 포함한다.
본 발명에서 빛을 투과하는 전도성 층(41)은, 빛을 투과하여야 하므로 투명 또는 반투명의 물질로 구성되고 또한 도전성 물질로 구성된다.
도5는 본 발명에 따른 3T 이미지 센서 셀의 회로도로서, 종래 기술인 도2에 대응되는 것이다.
도5의 회로도에서 노드(261)은 도4a의 n 영역(40)에 해당한다. 도5에서 263 부분은 도4a에서 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)에 의하여 구성된 MOS 캐패시터 구조를 표시한 것이다. 도4a에서 빛을 투과하는 전도성 층(41)은 게이트 전극에 해당되고, 도5에서 게이트 전극에 인가되는 전압을 GV로 표시하고 있다. 또한, pn 다이오드(260)은 도4a의 pn 접합을 나타내는 것이다. 이 밖에 도5의 회로도에서 리셋 스위치(265)를 포함하여 나머지 구성 요소들은 빛이 조사된 후 n 노드(261)의 전압을 출력하기 위한 구성이다.
도5를 참조하여 본 발명에 의한 이미지 센서 셀의 작동을 설명한다. 도5는 3T 이미지 센서 셀에 관한 것이지만, 도5에 도시된 3T 이미지 센서 셀의 작동에 관한 본 발명에 대한 설명은 4T 이미지 센서 셀에도 동일하게 적용된다. 도6은 도4a의 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서의 간략 단면도에서의 동작을 설명하기 위한 도면으로서 도5에서 점선 부분의 영역(268)에 대한 간략 단면도이다. 도5의 n 노드(261)은 도6에서 셀 디퓨전 영역인 n 영역(40)에 상응하고, 도5의 MOS 캐패시터 구조(263)는 도6에서 점선으로 표시된 부분(45)에 상응한다.
도5의 이미지 센서 셀에서 리셋 스위치(265)를 켜면, n 노드(261)에 Vdd-Vt의 전압이 인가된다. 이후 리셋 스위치를 끄고, n 노드(261)는 플로팅 상태가 된다. 여기에 빛이 인가되면 전자-정공 쌍에 의하여 전류가 발생한다. 전자-정공 쌍에 의해 전류가 발생하는 영역은 공핍층(도6의 43-1, 43-2)이 주된 영역이며 셀 디퓨젼 영역(40)(도5에서 n 노드(261)에 해당) 및 웰 영역(42)에서도 전류가 발생한다. 도6에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서는 도1a에 도시된 종래 기술에 의한 이미지 센서에 비하여 디퓨젼 영역의 면적이 줄었지만, 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)이 반도체 위에 올려진 게이트 전극을 가지는 MOS 구조(45)를 가지므로, 공핍층이 디퓨젼 영역(40)의 아래 쪽에 발생하고 또한, 게이트 전극(41)의 아래 쪽에도 발생하게 된다. 도6에서 디퓨젼 영역(40)의 아래 쪽에 발생하는 공핍층을 43-1로 표시하고, 게이트 전극(41,44)의 아래 쪽에 발생하는 공핍층을 43-2로 표시한다.
이와 같이 발생한 전자-정공 쌍 중 정공들은 p 영역(42)으로 이동하고, 전자들은 셀 디퓨젼 영역(40)으로 이동하여, 결과적으로 셀 디퓨전 영역(40)과 웰 영역(42) 사이에 전류가 발생하는 것이다. 이렇게 발생한 전류는 플로팅 상태인 셀 디퓨전 영역(40)에 전자를 집적하므로 n 노드(도5의 261)의 전압을 변화시키게 되고, 광전류에 의한 n 노드(261) 전압의 변화는 수학식 1에서와 같다. 즉 n 노드(261) 전압의 하강 속도는 빛에 의하여 발생하는 전류값을 전체 캐패시턴스 값으로 나눈 값이 된다.
수학식 1를 참조하여 앞서 살펴본 바와 같이, 종래의 CMOS 이미지 센서에서는, 전체 캐패시턴스가 대부분 pn 접합에 의한 캐패시턴스이고 이 값은 거의 일정 하므로, 빛이 약한 경우에는 n 노드의 전압 강하 속도가 매우 느리고, 반대로 빛이 강한 경우에는 n 노드의 전압 강하 속도가 매우 빨라서, 도3과 같은 특성을 보이므로, 동적 영역이 제한되는 문제가 있다.
본 발명에 의한 이미지 센서에서는, 디퓨젼 노드의 전압값에 따라서 전체 캐패시턴스의 크기가 변하는 구성을 도입하여, 빛이 약한 경우 전체 캐패시턴스(수학식 1에서 C)는 작은 값이 되어 n 노드의 전압 강하 속도를 크게 하고, 빛이 강한 경우에는 반대로 전체 캐패시턴스(수학식 1에서 C)가 커져서 n 노드 전압 강하의 속도를 작게 함으로써 동적 영역을 크게 한다.
본 발명에 의한 이미지 센서에서, 빛이 약한 경우 전체 캐패시턴스(수학식 1에서 C)가 작은 값을 가지고, 빛이 강한 경우에는 반대로 전체 캐패시턴스(수학식 1에서 C)가 커지는 것을 설명한다.
도7은 도1a에 도시된 종래 기술에 의한 이미지 센서와 도4a에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서를 동일한 규격으로 도시한 것이다.
도7에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 이미지 센서 셀(도4a)와 종래 기술에 의한 이미지 센서(도1a)에서 빛을 받는 면적은 동일하다. 그 이유는 본 발명에 의한 이미지 센서(도4a)에서 종래 기술에 비하여 디퓨젼 영역(40)이 줄어들었지만, 그 대신에 빛을 통과하는 빛을 투과하는 전도성 층(41) 및 유전체층(44)이 반도체 위에 올려진 구조이기 때문에 빛을 받는 면적은 동일하다. 따라서 빛에 의한 전류, 즉 광전류의 크기 역시 유사하다. 그 이유는, 도6에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 공핍층은 디퓨젼 영역(40)의 아래쪽(43-1)과 게이트 전극(41) 아래 쪽(43-2)에 모두 발생하기 때문이다.
도4a와 같은 본 발명에 의한 이미지 센서와 도1a와 같은 종래 기술에 의한 이미지 센서의 광전류가 유사한 반면에, pn 접합의 캐패시턴스은 크게 차이가 있다. pn 접합의 캐패시턴스은 pn 접합 부분의 면적에 비례하게 되고, 도4a와 같은 본 발명에 의한 이미지 센서는 pn 접합 부분의 면적이 감소하였으므로 pn 접합 캐패시턴스 값이 도1a와 같은 종래 기술에 의한 이미지 센서의 pn 접합 캐패시턴스 값보다 작게 된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 수학식 1에서, C값이 작아지게 되므로 n 노드 전압 강하 속도가 커지게 되고, 빛-전압 이득이 커지게 되어 잡음에 대한 신호 특성이 좋아진다. 그런데, 위와 같은 상황은 빛의 세기가 약한 경우에 발생한다. 빛의 세기가 세서, 광전류가 많이 발생하고 이에 따라서 n 노드 전압이 VGV-Vt보다 더 낮아지는 경우에는 다음과 같은 현상이 발생한다.
빛의 세기가 센 경우에는 광전류가 많이 발생하여 n 노드 전압이 금방 떨어지게 되어, 도6에서 n 노드(40)의 전압이 41, 44, 43-2, 42로 구성되는 MOS 캐패시터(45)의 표면 전위보다 더 낮아지게 되고, 그러한 경우 n 노드(40)의 전자들이 MOS 캐패시터(45)의 표면으로 이동하여 반전 전자층을 형성하게 된다. n 노드(40)를 MOS 캐패시터(45)의 소스 부분으로 본다면, 위와 같은 현상을 다른 관점에서 설명하면, 게이트(41)와 소스(40)의 전압 차이가 문턱 전압보다 크게 되어 MOS 캐패시터(45) 구조의 표면에 반전층(도 8의 46)이 형성되는 것이다.
도8은 도6의 구성에 반전층을 도시한 것이고, 도9는 도8에 도시된 반전층에 의하여 추가되는 캐패시터들을 표시한 것이다.
정리하면, MOS 캐패시터(45)의 문턱 전압을 Vt라고 하고, 게이트 전극에 인가되는 전압을 VGV라고 한다면, 센 빛에 의하여 발생한 광전류에 의하여 n 노드 전압이 VGV-Vt 이하로 내려가게 되면 MOS 캐패시터(75)의 표면에 반전층(76)이 생기게 된다. 이 반전층(76)은 게이트(71)와의 관계에서 게이트(71)-반전층(76) 캐패시턴스(Cox) 발생시키고, 또한 p 웰(72)과의 관계에서 반전층(76)-p 웰(72)와의 캐패시턴스(Cdep)를 더하게 된다.
따라서, 이러한 경우 n 노드의 전체 캐패시턴스은, pn 접합에 의한 캐패시턴스(Cjunc) 외에 상기한 두 가지의 캐패시턴스, 즉, 게이트(71)-반전층(76) 캐패시턴스(Cox) 및 반전층(76)-p 웰(72)와의 캐패시턴스(Cdep)가 더해지게 되어, 전체 캐패시턴스는 커진다. 상기 수학식 1에 따라서, 전체 캐패시턴스가 커지는 경우, n 노드 전압 강하의 속도가 줄게 된다. 이로 인하여, 센 빛의 경우에도 Vsat에 도달하는 시간이 오래 걸리게 되어, 노출 시간(tint)이 경과한 후 n 노드 전압을 측정하였을 때에 센 빛의 경우에도 구분되는 의미 있는 측정값을 줄 수 있다.
도10은 본 발명에 의한 이미지 센서 셀에서의 n 노드의 전압 강하를 도시한 것이다.
도10에서 보이는 바와 같이, 약한 빛에서는 n 노드의 전압 강하 속도가 종래 기술에 비하여 커지므로, 약한 빛의 경우에도 노출 시간(tint)이 경과된 후 측정이 가능한 의미있는 측정 값을 주게 된다. 종래 기술에 따르면 도3에서 보이는 바와 같이, 약한 빛의 경우에 n 노드의 전압 강하 속도가 작아서 노출 시간(tint)이 경과된 후의 전압의 차이가 잡음 레벨 수준으로 거의 없어서 의미가 없는 측정값이 되었던 것임에 비하여 본 발명에서는 노출 시간(tint)이 경과된 후의 전압의 차이가 상당하므로 이를 신호로서 측정할 수 있게 되는 것이다.
또한, 도10에서 보이는 바와 같이, 센 빛에 의하여 n 노드의 전압이 낮아지다가, VGV-Vt보다 낮아지면 반전층이 형성되어 위에서 설명한 바와 같이 전체 캐패시턴스가 커져서 n 노드의 전압 강하 속도가 줄어든다. 이로 인하여, tint가 경과한 후 측정하였을 때에 센 빛의 경우에도 구분되는 의미 있는 측정값을 줄 수 있다. 종래 기술에 따르면 도3에서 보이는 바와 같이, 빛의 세기가 센 경우, n 노드의 전압 강하 속도가 크므로, n 노드의 전압은 빠르게 Vsat에 이르게 되고, Vsat에 이르는 경우에는 아무리 센 빛이 조사되어도, 노출시간(tint) 이후의 n 노드의 전압이 일정하게 되므로, 빛의 세기에 비례하는 신호 출력값을 줄 수 없어서 센 빛을 구분할 수 없으므로 의미 없는 측정값이 되었던 것임에 비하여, 본 발명에서는 n 노드의 전압이 VGV-Vt 이하로 강하되는 경우 n 노드 전압 강하 속도가 줄어들어서 n 노드의 전압이 Vsat로 도달하는 시간이 지연되므로, 노출시간(tint) 이후의 n 노드 전압의 측 정값이 Vsat에 도달하지 않게 되어 센 빛을 구분할 수 있으므로 의미있는 측정값이 되는 것이다.
위와 같은 효과, 즉 약한 빛에서 전압 차이를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 센 빛에서도 전압 차이를 구분할 수 있으므로 의미있는 측정값을 주는 효과는, 바로 동적 영역을 크게 하는 효과가 되고, 바로 본 발명에 의한 효과이다.
도9에서 pn 접합에 의한 캐패시턴스(Cjunc), 게이트(41)-반전층(46) 캐패시턴스(Cox) 및 반전층(46)-p 웰(42)와의 캐패시턴스(Cdep)는 모두 영역의 차지하는 면적에 비례하므로, 설계에 따라서 조절될 수 있다. 예컨대 본 발명에 의한 게이트 전극(41)의 면적을 넓게 설계하는 경우 Cdep의 값은 Cjunc의 값보다 매우 커지게 되고, n 노드의 전체 캐패시턴스 역시 커지게 된다. 이러한 경우 n 노드의 전압 강하 속도가 현저하게 감소하게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 설계에 따라서 n 노드 전압 강하 속도를 조절할 수 있다.
도11 내지 도14는 본 발명에 따른 이미지 센서의 다양한 구현예를 도시한 것이다. 이 중에서 도12 내지 도14는 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 MOS 구조를 복수개로 구비하는 것이다. 도12 내지 도14에서 게이트 전극에 인가되는 전압을 각각 달리한 경우이다.
도12의 경우를 예를 들어서 설명한다. 도12의 경우, GV1과 GV2의 전압을 달리함으로써 각 MOS 구조에 반전층이 생기기 시작하는 전압의 두 값이 발생한다. 이 두 전압값을 각각 V1, V2라고 하고, V2가 V1보다 크다고 가정하여 보자. 이러한 구조에서 n 영역의 전압이 V2 이상인 경우 n 영역의 전체 캐패시턴스는 n 디퓨젼의 접합 캐패시턴스 만이 존재한다. 반면에, n 영역의 전압이 V2 보다는 낮고 V1 보다는 높은 경우에는 n 영역의 전체 캐패시턴스는 n 디퓨젼의 접합 캐패시턴스와 GV1 게이트의 MOS에 의한 반전층 캐패시턴스의 합이 된다. 또한, n 영역의 전압이 V1 이하인 경우 n 영역의 전체 캐패시턴스는 n 디퓨젼 영역의 접합 캐패시턴스와 GV1 게이트의 MOS에 의한 반전층 캐패시턴스 및 GV2 게이트의 MOS에 의한 반전층 캐패시턴스 전체의 합이 된다. 이로 인하여 도12의 경우, 시간이 경과함에 따른 n 노드의 전압 강하 그래프는, V1, V2, 지점에서 두 번 꺽이는 그래프가 된다.
위에서 살펴본 도12의 경우로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 이미지 센서는 게이트 전극의 개수, 위치, 크기 등의 설계에 따라서 n 노드의 전압 강하 특성을 조절할 수 있다. 이미지 센서에서 n 노드의 전압 강하 특성을 조절할 수 있다는 것은 바로 동적 영역 특성을 조절할 수 있다는 것에 해당한다.
본 명세서에 첨부된 도면 및 상기의 설명들은 p 타입과 n 타입이 서로 반전된 경우에도 동일하게 적용된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 빛을 투과하는 게이트 전극을 가지는 MOS 구조를 포함하는 이미지 센서는, 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에 서 감지할 수 있는 빛보다 더 약한 세기의 빛을 감지하고, 동시에 동일한 이미지 센서에 의하여 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서에서 구분할 수 있는 빛보다 더 센 세기를 가지는 빛을 구분하는 측정값을 출력하므로 측정할 수 있는 빛의 세기의 영역이 커져서 결과적으로 동적 영역 특성이 개선된 효과를 달성한다.

Claims (9)

  1. 포토 다이오드를 포함하고,
    빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층이, 상기 포토 다이오드의 디퓨젼 영역에 인접하여 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트 위에 올려진 구조를 포함하고, 상기 전도성 층에 인가되는 게이트 전압이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토 다이오드는 pn 접합 다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토 다이오드는 핀드 다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 빛을 투과하는 전도성 층은, 투명 또는 반투명한 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층은 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트와 MOS 캐패시터 구조를 이루고, 이러한 MOS 캐패시터 구조가 복수 개인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 이미지 센서를 포함하는 3T 이미지 센서 셀.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층은 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트와 MOS 캐패시터 구조를 이루고, 이러한 MOS 캐패시터의 개수, 위치 또는 면적을 가변하여 전체 캐패시턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 3T 이미지 센서 셀.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 이미지 센서를 포함하는 4T 이미지 센서 셀.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 빛을 투과하는 전도성 층 및 유전체 층은 상기 포토 다이오드의 서브스트레이트와 MOS 캐패시터 구조를 이루고, 이러한 MOS 캐패시터의 개수, 위치 또는 면적을 가변하여 전체 캐패시턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 4T 이미지 센서 셀.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5969337A (en) * 1997-04-29 1999-10-19 Lucent Technologies Inc. Integrated photosensing device for active pixel sensor imagers

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