KR100783791B1 - 넓은 동적범위를 갖는 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 수광 소자의 구조를 달리하여 동적범위(dynamic range)를 확장할 수 있는 CCD이미지센서에 관한 것이다.
본 발명의 CCD이미지센서는 동일한 노출시간동안 다량의 광을 광전 변환하는 고감도 수광 소자들과, 소량의 광을 광전 변환하는 저감도 수광 소자들을 하나의 반도체 기판에 형성함으로써, 한 이미지에 어두운 영상과 밝은 영상을 명확하게 검출할 수 있다.
동적범위, 다이나믹 레인지, 수광부, 포토다이오드, 차광막, 시시디

Description

넓은 동적범위를 갖는 이미지센서{Image sensor with high dynamic rage}
도 1은 일반적인 CCD이미지센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 3은 일반적인 CCD이미지센서의 동적범위를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원발명의 제1 실시 예에 따른 A-A'단면도이다.
도 5는 본원발명의 제2 실시 예에 따른 A-A'단면도이다.
도 6은 본원발명의 제3 실시 예에 따른 A-A'단면도이다.
도 7은 본원발명에 따른 CCD이미지센서의 동적범위를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 수광 소자 110: 포토다이오드(PD)
120: 트랜스퍼게이트(TG) 130: 채널스톱영역(CS)
140: 제1 절연층 150: 제2 절연층
160: 제1 폴리전극(PO1) 170: 제2 폴리전극(PO2)
180: 광 차폐층 190: 차광막
210: 수직전송채널(VCCD) 220: 수평전송채널(HCCD)
300: 출력부
본원발명은 CCD이미지센서에 관한 것으로서, 특히 동적범위(dynamic range)를 확장하기 위해 다량의 광을 광전 변환하고 축적하는 고감도 수광 소자(100)들과, 소량의 광을 광전 변환하고 축적하는 저감도 수광 소자(100)들의 두 분류로 나누어 하나의 반도체 기판에 구비하는 CCD이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이차원적 매트릭스 형태로 배열된 복수 개의 픽셀들로 이루어지며, 각 픽셀은 수광 소자(100)들과 전송 및 신호출력 디바이스들을 포함한다. 그리고 이미지센서는 전송 및 신호 출력 디바이스들의 구조에 따라 크게 전하결합형(Charge Coupled Device:이하 CCD라한다.)과 씨모스형(Complementary Metal Oxide Semiconductor:이하 CMOS라 한다.)으로 나눌 수 있다. 이중에서 CCD이미지센서는 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 수직 및 수평전송채널의 전위차를 이용하여 신호출력부까지 전송하여 최종 전압으로 출력하는 반면, CMOS는 단위 화소 내에 수광 소자(100)와 모스 트랜지스터를 형성시켜 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 모스 트랜지스터 스위치를 통해 출력하는 스위칭 방식을 사용한다.
이러한 이미지센서는 전통적인 필름 방식으로 촬영된 영상이 수천만 개의 화소로 고해상도와 넓은 동적범위(dynamic range)를 갖는 반면, 통상 몇 백만 화소의 저해상도와 좁은 동적범위를 가지고 있다.
여기서 동적범위(dynamic range)는 이미지센서의 성능을 결정짓는 중요한 항목 중 하나로, 어두운(소량)빛과 밝은(다량)빛을 영상으로 처리해 낼 수 있는 범위를 나타내는 지수를 말하며, 어떤 장면의 가장 높은 휘도 대 가장 낮은 휘도의 비율 즉, DR = 20Log(최대광량/최저광량)과 같이 표현한다. 보통 인간의 눈이 약 80~120dB의 동적범위를 가지고 있으나, 이미지센서는 약 50dB의 좁은 동적범위를 가지기 때문에, 촬영된 영상이 부자연스러워 보이게 된다. 여기서 좁은 동적범위란 한 화면의 영상에 어두운 부분과 밝은 부분이 혼재해 있을 때 각각의 구별이 어려운 것을 말한다.
특히 CMOS센서는 CCD센서에 비하여 더 좁은 동적범위를 가지기 때문에, 동적범위를 향상시키기 위한 판독 방식이나 구조 및 회로에 관한 연구가 CCD센서보다 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로 포화되는 시간을 출력하는 방식과, 신호전하의 증가율을 출력하는 방식과, 화소별로 노출 시간을 다르게 하는 방식과, 부동 확산 층을 다단계로 하는 방식이 있다.
그리고 상기에서 언급한 바와 같이, CCD센서와 CMOS센서는 그 전송 및 출력 디바이스들의 구조상 차이가 있기 때문에, CCD센서가 상기한 방식을 사용하여 동적범위를 개선하는 데에는 한계가 있으며, 통상적으로 CCD센서에서 동적범위를 넓이기 위해 사용하는 방법으로는, 하나의 영상이 수회에 걸쳐 서로 다른 노출 시간에서 포착되도록 하여 이를 결합하는 다중 샘플링 방식이 사용되고 있다.
하지만 상기 다중 샘플링 방법은 적절한 영상 포착시간을 얻기 위한 수광부의 노출시간에 비해 수직, 수평전송채널(220)을 통한 전달 속도가 몹시 빨라져야 하기 때문에, 각 채널의 구동 회로가 복잡해지고 그에 따른 제조비용이 높아지는 단점이 있다.
더욱이 여러 번 촬영하고 그때마다 촬영된 영상을 출력하는 반복되는 시간은 고화소의 이미지센서일수록 읽어 들여야 할 데이터의 양이 지나치게 많아지게 되기 때문에, 전체 영상을 하나의 이미지로 출력하는 시간이 길어지게 되는 문제점이 있다.
이하 도 1을 참고하여 일반적인 CCD이미지센서의 구조를 살펴본다.
도 1은 일반적인 CCD이미지센서의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 각 화소마다 입사된 빛을 광전 변환하는 수광 소자(100)와, 각 수광 소자(100)에서 형성된 전하를 받아서 수직 방향으로 신호를 전달하는 수직전송채널(210)과, 상기 수직전송채널(210)로 받은 전하를 수평 방향으로 전달하는 수평전송채널(220)로 구성된 전송부와, 이 신호를 증폭하여 외부로 전달하는 출력부(300)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 CCD이미지센서에서 수광 소자(100)의 구성을 도 2를 참고하여 살펴본다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 2와 같이 상기 수광 소자(100)는, 광전 변환영역인 포토다이오드(110)와, 상기 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 수직전송채널(210)로 전송하는 트랜스퍼게이트(120)와, 수직전송채널(210)의 전하가 인접 영역으로 누설되지 않도록 차단하는 채널스톱영역(130)과, 절연층(140)위에 형성되고 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 수직 전송하는 폴리전극(160, 170)과, 상기 수직전송채널(210)로 투과되는 빛을 차단하기 위해 폴리전극(160, 170)위에 형성되는 광 차폐층(180)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 CCD이미지센서는 내부의 수광 소자(100)들이 동일한 크기로 형성되기 때문에, 모든 수광 소자(100)들이 광전 변환에 의해 포화되는 광량이 일정하여 동적범위를 높이는데 한계가 있다.
이하 종래 수광 소자(100)의 동적범위를 도 3을 참고하여 살펴본다.
도 3에서와 같이, 상기 포토다이오드(110) 면적이 동일하게 형성되기 때문에 일정한 조도 하에서는 같은 양의 신호전하만을 축적할 수 있어 포토다이오드(110)의 포화레벨도 모두 일정하고, 동적범위 또한 일정하게 된다.
따라서 위와 같은 문제점을 극복할 수 있으며, 특히 넓은 동적 영역을 가지는 영상 데이터를 출력하는 CCD이미지센서가 강력히 요구된다.
본원발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광전 변환된 전하를 축적하는 수광 소자(100)들의 포화도를 서로 다르도록 설계함으로써, 동적범위가 확장된 CCD이미지센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원발명은 기존의 각 채널 구동회로에 변화를 주지 않고, 단지 소자의 면적을 축소하거나 차광막을 형성하는 방법으로 동적범위를 확장함으로써, 다중 샘플링 방법에 비해 제조비용은 적게 들면서도 넓은 동적범위를 갖는 CCD이미지센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본원발명은, 다량의 광을 광전 변환하 는 고감도와 소량의 광을 광전 변환하는 저감도의 두 분류로 형성되는 수광 소자(100)들과, 발생한 전자를 출력부(300)까지 이동시키는 전송부와, 전달된 전자를 전압으로 변환해서 출력하는 출력부(300)로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하기는, 상기 저감도 수광 소자(100)는 빛이 투과되는 수광 소자(100)의 표면층을 차광막(190)또는 광 차폐층(180)을 더 구비하여 입사되는 빛을 부분적으로 차단시킬 수 있도록 구성한다.
바람직하기는 또한, 상기 저감도 수광 소자(100)는 장시간 노출시간에도 최대 포화도가 고감도 수광 소자(100)보다 작은 값을 갖을 수 있도록 소자의 크기를 작게 형성한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본원발명을 상세히 설명한다.
도 4는 본원발명의 제1 실시예에 따른 A-A'단면도이다.
도 4와 같이 광전 변환영역인 포토다이오드(110)와, 상기 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 수직전송채널(210)로 전송하는 트랜스퍼게이트(120)와, 수직전송채널(210)의 전하가 인접 영역으로 누설되지 않도록 차단하는 채널스톱영역(130)과, 절연층(140)위에 형성되고 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 수직 전송하 는 폴리전극(160, 170)과, 상기 수직전송채널(210)로 투과되는 빛을 차단하기 위해 폴리전극(160, 170)위에 형성된 광 차폐층(180)으로 구성된다.
여기서 상기 광 차폐층(180)은 포토다이오드(110) 표면위에 개구면을 좁게(B) 형성한 화소 열들과 개구면을 넓게(A) 형성한 화소 열들이 하나씩 교차적으로 배열된다.
상기와 같이 구성되는 제1 실시예의 CCD이미지센서는 빛을 전하로 변환하는 포토다이오드(110)의 개구면이 서로 다른 두 개로 형성되므로, 일정한 조도 하에서 같은 시간동안 서로 다른 양의 신호전하를 축적할 수 있다. 그래서 넓은(A) 크기의 개구면으로 입사된 빛은 종래와 같은 동적범위를 갖고, 좁은(B) 크기의 개구면으로 입사된 빛은 종래보다 낮은 동적범위를 갖기 때문에, 이 수광 소자(100)들로 촬영한 전체 영상은 종래보다 넓은 동적 범위를 표현할 수 있게 된다.
그러나 상기와 같은 제1 실시예는 단시간 노출시간으로 촬영할 때는 동적범위를 넓게 확장한 영상을 얻을 수 있지만, 노출시간을 아주 오랜 시간동안 갖는 경우에는 포토다이오드(110)의 면적이 모두 같기 때문에, 좁은(B) 개구면의 포토다이오드(110)가 포화되어 결국 넓은(A) 개구면의 포토다이오드(110)와 동일한 포화도를 가질 수 있다.
따라서 장시간 노출시간을 갖는 경우에도 넓은 동적 범위를 갖는 CCD이미지센서를 제2 실시예로 설명한다.
도 5는 본원발명의 제2 실시예에 따른 A-A'단면도이다.
먼저, 상기 제1 실시예와 동일하게 반도체 웨이퍼상에 트랜스퍼게이트(120), 채널스톱영역(130), 절연층(140, 150), 폴리전극(160, 170)과, 두 종류의 개구면을 갖는 광 차폐층(180)을 각각 형성하고, 상기 개구면을 좁게(B) 형성한 광 차폐층(180)을 갖는 포토다이오드(110)는 면적을 작게 형성하여 구성한다.
상기와 같은 제2 실시예에 따르면, 좁은(B) 개구면을 갖는 포토다이오드(110)의 면적이 작게 형성되기 때문에, 개구면의 면적만 다르게 형성한 제1 실시예보다 단시간 또는 장시간 노출시간에 영향을 받지 않고, 넓은 동적범위를 갖는 영상을 촬영할 수 있게 된다.
마지막으로 본원발명에 따른 가장 바람직한 실시 예를 도 6을 참고하여 설명한다. 도 6은 본원발명의 제3 실시예에 따른 A-A'단면도이다.
제3 실시예는 상기 제2 실시예와 동일하게 반도체 웨이퍼상에 트랜스퍼게이트(120), 채널스톱영역(130), 절연층(140, 150), 폴리전극(160, 170)과, 서로 다른 두 종류의 크기로 형성되는 포토다이오드(110)와, 상기 좁은 면적의 포토다이오 드(110)에는 개구면이 좁아지게 형성되는 광 차폐층(180)과, 상기 좁은 면적의 포토다이오드(110)상에 빛을 부분적으로 차단시키는 차광막(190)을 포함하여 구성한다.
상기와 같이 구성된 제3 실시예에 따른 CCD이미지센서는 면적이 작은 포토다이오드(110)의 상부에 빛의 투과율을 감소시키는 차광막(190)을 더 포함하기 때문에, 제2 실시예의 면적이 좁은 포토다이오드(110)보다 더 낮은 동적범위까지 표현할 수 있음으로, 상기 각 수광 소자(100)들로 구성된 CCD이미지센서는 제2 실시예의 경우보다 더 넓은 동적범위를 가질 수 있다.
이하 도 7을 참조하여 종래와 비교하여 본원발명에 의한 CCD이미지센서가 더 넓은 동적범위를 가지는 것을 그래프를 통해 설명한다. 도 7은 본원발명에 따른 CCD이미지센서의 동적범위를 나타낸 그래프이다.
상기한 바와 같이 본원에 따른 CCD이미지센서에서, 하나의 화소 열은 종래와 동일한 면적의 포토다이오드(110)에 광 차폐층(180)사이에 넓은(A) 개구면을 갖는 고감도의 수광 소자(100)가 형성되고, 다른 화소 열에는 좁은 면적의 포토다이오드(110)에 광 차폐층(180)사이에 좁은(B) 개구면을 갖는 저감도의 수광 소자(100)가 형성된다.
여기서 고감도의 수광 소자(100)들은 도 7의 PD-A 그래프와 같이 종래와 같은 포화레벨과 동적범위를 갖는 반면, 저감도의 수광 소자(100)들은 PD-B 그래프와 같이 낮은 포화레벨과 동적범위를 가지게 된다. 결과적으로, 두 수광 소자(100)로 촬영된 영상은 두 동적범위가 합쳐진 400%의 넓은 동적범위를 가지게 된다.
특히 상기 제3 실시 예는 가장 넓은 동적범위를 구현할 수 있으므로, 본원발명에 따른 가장 바람직한 실시 예라 할 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 예는 종래의 수광 소자(100)들과 동일한 동적범위를 갖는 포토다이오드(110)를 고감도 수광 소자(100)로 하고, 단지 저감도 수광 소자(100)를 구현하기 위해 포토다이오드의 면적을 줄이거나, 빛의 투과를 일부분 차단하여 포화도를 떨어뜨리게 함으로, 결과적으로 종래와 비교하여 낮은 동적범위로만 확장하였으나, 동시에 고감도 수광 소자(100)의 면적을 넓혀 종래와 배교해 높은 동적범위까지 확장할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원발명은 동일한 노출시간동안 다량의 광을 광전 변환하는 고감도 수광 소자(100)들과, 소량의 광을 광전 변환하는 저감도 수광 소자(100)들로 분류하여 하나의 반도체 기판에 형성함으로써, 넓은 동적범위를 구현하여 주위 환경이 밝거나 어두운 것에 상관없이 이미지를 명확하게 검출할 수 있 는 이점이 있다.
또한, 기존의 각 채널 구동회로에 변화를 주지 않고 단지 수광 소자(100)의 면적을 서로 다르게 하거나 차광막(190)을 형성하여 동적범위를 확장함으로써, 다중 샘플링 방법에 비해 제조비를 대폭 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 서로 다른 크기의 포토다이오드(110)를 형성함으로써, 줄어든 포토다이오드(110) 영역에 채널스톱영역(130)을 반도체 기판까지 깊게 형성할 수 있고, 인접 영역으로 누설되는 전하를 완벽하게 차단하여 검출된 영상의 감도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 서로 다른 두 종류의 크기로 형성되는 포토다이오드와; 상기 포토다이오드에서 생성된 전하를 수직전송채널로 전송하는 트랜스퍼게이트와; 수직전송채널의 전하가 인접 영역으로 누설되지 않도록 차단하는 채널스톱영역과; 절연층위에 형성되고 포토다이오드에서 생성된 전하를 수직 전송하는 폴리전극과; 상기 좁은 면적의 포토다이오드에는 개구면이 좁아지게 형성되는 광 차폐층로 이루어진 통상의 CCD이미지센서 수광 소자 구조에 있어서,
    상기 포토다이오드 종류 중에서 좁은 면적의 포토다이오드는 표면층에 빛을 부분적으로 차단시키는 차광막(190)이 더 구성된 것을 특징으로 하는 넓은 동적범위를 갖는 CCD이미지센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
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