KR100822310B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서, 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고, 인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 포토다이오드는 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 전체 4개의 포도다이오드가 1개의 플로팅 확산영역을 공유할 수 있는 씨모스 이미지 센서을 제공하여, 씨모스 이미지 센서의 필 팩터를 증가시킴과 동시에 센서가 차지하는 면적을 최소화할 수 있어 고 감도의 집적화된 씨모스 이미지 센서를 용이하게 제공할 수 있는 이점이 있다.
씨모스 이미지 센서, 포토 다이오드, 플로팅 확산영역

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS image sensors}
도 1a는 종래 기술의 단위 화소에 대한 등가 회로도,
도 1b는 종래 기술의 단위 화소에 대한 레이아웃도,
도 2a는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 등가 회로도,
도 2b는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200a, 200b, 200c, 200d : 단위 화소 210 : 포토다이오드
220 : 전달 트랜지스터 230 : 플로팅 확산 영역
240 : 부동 확산 증폭기 250 : 행 선택 트랜지스터
260 : 리셋 트랜지스터
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인접한 4 개의 포토다이오드에 대하여 플로팅 확산영역을 공통으로 사용하는 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)에 관한 것이다.
일반적으로, CCD(Charge Couple Device) 또는 씨모스 이미지 센서에 있어서 포토다이오드(photo diode; PD)는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환 해주는 도입부로서, 이상적인 경우는 모든 파장 대에서 광전하생성율(quantum efficiency)이 1인 경우로 입사된 광을 모두 집속하는 경우이기 때문에 이를 달성하기 위한 노력이 진행중이다.
도 1a는 통상적인 씨모스 이미지센서의 단위 화소(unit pixel)의 등가회로도로서, 하나의 포토다이오드(photodiode; PD)와 네 개의 NMOS(Tx, Rx, Sx, Dx)로 구성된다.
네 개의 NMOS는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(photo-generated charge)를 플로팅 확산영역(floating diffusion; FD)으로 운송하기 위한 전달 트랜지스터(transfer transistor; Tx), 플로팅 확산영역(FD)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor; Rx), 소오스팔로워-버퍼증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(addressing)을 할 수 있도록 하는 선택 트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다.
도 1b는 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서 단위 화소의 레이아웃도이다.
도 1b를 참조하면, 전달 트랜지스터(Tx)의 게이트 전극(이하, '전달 게이트' 라고 약칭함)의 그 일측에 포토다이오드(PD)가 형성될 활성영역에 소정 폭 오버랩되면서 형성되고, 전달 게이트의 타측 아래 활성영역에는 플로팅 확산영역(FD)이 형성된다. 여기서, 포토다이오드(PD)는 상대적으로 넓은 면적을 갖고 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산영역(FD)으로는 병목 효과(bottle neck effect)를 주면서 그 면적이 좁아진다.
그리고, 플로팅 확산영역(FD)을 중심으로 반시계 방향으로 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트 전극(이하, '리셋게이트'라고 약칭함), 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 전극(이하, '드라이브 게이트'라고 약칭함), 선택 트랜지스터(Sx)의 게이트전극(이하, '선택 게이트'라고 약칭함)이 소정 간격을 두고 활성영역 상부를 가로지르면서 배열되고 있다.
도 1b와 같은 단위 화소에서 콘택은, 전달 트랜지스터의 게이트 콘택(Tx CT), 출력단 콘택(output CT), 전원 전압단 콘택(VDD CT),플로팅 확산 콘택(FD CT), 드라이브 트랜지스터의 게이트 콘택(Dx CT) 등이 있다. 상술한 콘택들은 통상적으로 M1 콘택이라고 한다.
그러나, 종래의 씨모스 이미지 센서는 단위 화소내 포토다이오드(PD)가 차지하는 면적비를 나타내는 필 팩터(Fill factor)가 약 44.4%이다. 이와 같이 필 팩터가 40% 수준으로 낮은 단위 화소를 채택하면, 소자의 집적도가 증가하는 경우 다이나믹레인지(dynamic range) 및 포토다이오드의 용량 증대에 한계가 있어 씨모스 이미지 센서의 감도가 저하되는 문제점이 존재한다.
본 발명은 전체 4개의 포도다이오드가 1개의 플로팅 확산영역을 공유할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 리셋 트랜지스터의 드레인을 플로팅 확산영역의 가운데에 위치시키고, 리셋 게이트와 플로팅 확산영역이 리셋 트랜지스터 드레인을 중심으로 정방형 또는 원형으로 배치된 씨모스 이미지 센서를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명은 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 게이트 및 플로팅 확산 영역 등이 완전한 대칭성을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 컬러 구현이 가능한 씨모스 이미지 센서를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서, 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고, 인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 포토다이오드는 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서, 빛을 집광하는 복수의 마이크로렌즈, 마이크로렌즈로부터 입사되는 상기 빛을 필터링하여 각각 해당 빛을 투과하는 복수의 컬러필터, 컬러필터 를 통해 각각 입사되는 빛을 이용하여 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고, 인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 상기 포토다이오드는 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 플로팅 확산영역은 정방형 또는 원형으로 배치되며, 그 중앙부에 리셋 트랜지스터의 드레인이 위치하도록 한다.
본 발명에 있어서, 플로팅 확산 영역, 리셋 트랜지스터 및 전달 트랜지스터는 대칭되도록 배치한다.
앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도 2a 및 2b를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 있어서, 포토다이오드의 면적을 증가시켜 이미지 센서의 필 팩터를 최대화시킴과 동시에 이미지 센서의 크기를 축소하여 소형화에 유리하도록 하기 위하여 도 2a 및 2b와 같은 형태의 레이아웃(layout)을 구현한다.
즉, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 광전하를 생성하는 포토다이오드(210)와 각각의 포토다이오드(210)의 일측면에 접하여 포토다이오드(210)로부터 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(230)으로 전달하는 전달 트랜지스터(220)를 포함하여 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소(200a, 200b, 200c, 200d)로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 하나의 플로팅 확산영역(230)이 인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 포토다이오드(210) 즉, 2×2형태의 단위 화소를 하나의 플로팅 확산영역(230)이 공유할 수 있도록 한다.
그리고, 전원전압(VDD)에 연결된 리셋 트랜지스터(260)의 드레인을 플로팅 확산영역(230)의 가운데에 위치시켜, 리셋 게이트(265)와 플로팅 확산영역(230)이 리셋 트랜지스터(260) 드레인을 중심으로 하는 정방형으로 배치하며, 원형으로 배치하여도 무방하다.
이와 같은 씨모스 이미지 센서는 최소한의 공유면적을 가지면서도 각 단위 화소에 대하여 리셋 트랜지스터(260), 전달 트랜지스터(220), 플로팅 확산영역(230) 등이 완전한 대칭성을 갖도록 하여 기하학적인 비대칭에 의한 단위 화소간의 고정 패턴 잡음의 발생을 방지할 수 있도록 한다.
한편, 리셋 트랜지스터(260)와 로우(row) 선택 트랜지스터(250) 또는 로우 선택 게이트(255), 부동 확산 증폭기(240) 등을 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 상하 또는 좌우로 대칭되도록 배치한다.
따라서, 이와 같은 방법을 적용한 씨모스 이미지 센서는 하나의 플로팅 확산영역(230)을 공유하는 4개의 단위 화소간의 기하학적 대칭성을 유지하면서도 공유하는 면적을 최소로 하여 단위 화소의 필 팩터를 최대한으로 확보할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명과 같은 씨모스 이미지 센서는 컬러를 구현하기 위한 씨모스 이미지 센서에도 적용가능하다.
이때, 컬러를 구현하기 위한 씨모스 이미지 센서는 빛을 집광하는 복수의 마이크로렌즈, 마이크로렌즈로부터 입사되는 상기 빛을 필터링하여 각각 해당 빛을 투과하는 복수의 컬러필터, 컬러필터를 통해 각각 입사되는 빛을 이용하여 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고, 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 적용하며, 이 경우도 상기와 마찬가지로, 인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 포토다이오드가 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유하도록 배치하는 것이 중요하다.
그리고, 이 경우도 상기와 같이 플로팅 확산영역은 정방형 또는 원형으로 배치 되며, 그 중앙부에 리셋 트랜지스터의 드레인이 위치하도록 한다.
또한, 플로팅 확산 영역, 리셋 트랜지스터 및 전달 트랜지스터는 대칭되도록 배치함이 바람직하다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 전체 4개의 포도다이오드가 1개의 플로팅 확산영역을 공유할 수 있는 씨모스 이미지 센서을 제공하여, 씨모스 이미지 센서의 필 팩터를 증가시킴과 동시에 센서가 차지하는 면적을 최소화할 수 있어 고 감도의 집적화된 씨모스 이미지 센서를 용이하게 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 게이트 및 플로팅 확산 영역 등이 완전한 대칭성을 갖는 씨모스 이미지 센서을 제공함으로써 기하학적인 비대칭에 의한 픽셀 간의 고정 패턴 잡음을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 컬러 구현을 위한 씨모스 이미지 센서에도 용이하게 적용가능하여 컬러 구현을 위한 씨모스 이미지 센서의 고감도화 및 최소화를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    광전하를 생성하는 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고,
    인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 상기 포토다이오드는 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유하도록 배치되고, 상기 플로팅 확산영역의 중앙부에 리셋 트랜지스터의 드레인이 위치하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 일련의 행과 열로 배열된 다수의 단위 화소로 이루어진 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    빛을 집광하는 복수의 마이크로렌즈;
    상기 마이크로렌즈로부터 입사되는 상기 빛을 필터링하여 각각 해당 빛을 투과하는 복수의 컬러필터;
    상기 컬러필터를 통해 각각 입사되는 빛을 이용하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드의 일측면에 접하여 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하는 전달 트랜지스터를 포함하고,
    인접한 두 행과 두 열에 존재하는 4개의 상기 포토다이오드는 1개의 플로팅 확산영역을 서로 공유도록 배치되고, 상기 플로팅 확산영역의 중앙부에 리셋 트랜지스터의 드레인이 위치하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플로팅 확산영역은 정방형 또는 원형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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