KR100835381B1

KR100835381B1 - 저전압용 이미지 센서 및 이미지 센서의 트랜스퍼트랜지스터 구동 방법

Info

Publication number: KR100835381B1
Application number: KR1020070022980A
Authority: KR
Inventors: 김미진; 민봉기; 송영주; 박성수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-06-04
Also published as: KR20080035941A

Abstract

본 발명은 일반적인 4-트랜지스터 씨모스 이미지센서의 구조에 있어서 기존의 트랜스퍼 트랜지스터의 구조와 구동방식을 변경하여, 확산노드의 전압이나 물리적 구조 등에 따라 확산노드가 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼 과정에 미치는 영향을 제거함으로써, 저전압 동작환경에서 포토다이오드의 리셋 전압 감소 및 트랜스퍼 트랜지스터의 동작조건 변화 및 픽셀간 특성의 불일치에 의해 발생하는 암전류 및 고정 패턴(fixed pattern) 잡음 이미지 래그(image lag)를 감소시키고 포토다이오드의 웰 캐패시티(well capacity)를 증가시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는, 광을 감지하는 수광소자와 수광소자에서 생성된 광 유발 전하를 외부회로로 독출하기 위한 신호변환부를 포함하는 이미지 센서에서, 2개 이상의 게이트 전극으로 구성된 트랜스퍼 트랜지스터를 특징으로 하여, 포토다이오드와 가장 인접한 게이트 전극 하부의 채널로 광전하가 이동할 때 확산노드와 인접한 트랜스퍼 게이트 전극을 턴오프 상태로 유지하여포토다이오드에서 광전하가 방출될 때 확산노드가 광전하의 방출 정도에 미치는 영향을 제거함을 구동 특징으로 하고, 상기 게이트 전극 구조에 대한 인가전압의 크기, 전압 인가의 방법, 턴온 전압의 유지 시간 등의 구동조건을 특징으로 하며, 이러한 요소들을 이용하여 포토다이오드내 전하의 효과적인 방출과 확산노드로의 이동을 용이하게 함을 또 다른 특징으로 한다.

또한 상기 감광 픽셀에서 확산노드와 인접한 게이트 전극을 턴오프하여 포토 다이오드에 가까운 게이트 전극이 딥 디플리션(deep depletion)상태로 동작하여, 웰 캐패시티와 다이나믹 레인지를 증가시키고 광 전하의 독출 시간을 단축하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

CMOS, CIS, 이미지 센서, 전송게이트(transfer transistor), 암전류(dark current), 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise), 웰 캐패시티(well capacity)

Description

저전압용 이미지 센서 및 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법{Low Operating Voltage Image Sensor and Driving Method Transfer Transistor of it}

도 1은 일반적인 4-트랜지스터 CMOS 이미지 센서의 구조를 도시한 회로도.

도 2a는 일반적인 4-트랜지스터 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 단면도.

도 2b는 일반적인 4-트랜지스터 CMOS 이미지 센서에서 포토다이오드의 트랜스퍼와 리셋 구동방법을 도시한 타이밍도.

도 3a 내지 3c는 본 발명이 구현될 수 있는 CMOS 이미지 센서의 일실시예의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명이 구현될 수 있는 CMOS 이미지 센서의 일실시예의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 사시도.

도 5a 내지 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법을 도시한 타이밍도.

도 6a 및 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법을 도시한 타이밍도.

도 7a 내지 7e는 본 발명이 구현될 수 있는 CMOS 이미지 센서의 일실시예의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 단면도.

도 8a 내지 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법을 도시한 타이밍도.

본 발명은 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포토다이오드의 리셋과 포토다이오드 내의 전하 트랜스퍼시 사용되는 트랜스퍼 트랜지스터에 관한 것이다.

이미지센서는 크게 CCD 센서와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있으며, 이 두 장치는 기본적으로 실리콘 밴드갭보다 큰 에너지의 빛에 의하여 생성된 전자-홀 쌍(pair)을 이용하는데, 일반적으로 어느 한쪽(전자 또는 홀)을 모음으로써 조사된 빛의 양을 추정하는 기법을 이용하고 있다.

CMOS 이미지 센서는 각각의 감광 픽셀 내부에서 일반적인 CMOS 소자의 경우와 유사하게 포토다이오드 및 트랜지스터를 구현함으로써, 기존의 CMOS 반도체 제조 공정을 거의 그대로 사용하고 있기 때문에, 반드시 별도의 칩에서 이미지 신호 처리부를 가져야 하는 CCD에 비해 픽셀 외부 블럭에 이미지 신호 처리 및 검출을 위한 회로를 일체화하여 집적할 수 있고 저전압 동작이 가능하며 제조 단가가 낮은 장점이 있다.

일반적으로 사용되는 CMOS 이미지 센서는 하나의 감광 픽셀을 이루는 트랜지스터의 수에 의해 4-트랜지스터 픽셀 구조와 3-트랜지스터 픽셀 구조로 나눠진다. 필팩터(fill factor)와 제조 단가의 측면에서 3-트랜지스터 픽셀 구조가 장점을 가짐에도 불구하고 수광부와 검출부를 분리시키고 표면을 제외한 실리콘 벌크로 수광부를 만듦으로써 빛에 대한 응답성, 민감도가 높고, 암전류, 잡음 등에 강한 4-트랜지스터 픽셀 구조가 일반적으로 사용되고 있다.

일반적인 4-트랜지스터 픽셀 구조를 도 1에 도시하였다. 상기 4-트랜지스터 픽셀 구조는 4개의 트랜지스터로 이루어진 구조로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터가 하나의 단위 감광 픽셀을 구성한다. 4개의 NMOS 트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 확산노드 영역(FD)으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 확산노드 영역(FD) 또는 포토다이오드(PD)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower) 트랜지스터로서 역할을 하며, 스위치 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching)/어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.

포토다이오드 영역(PD)과 이와 병행적으로 존재하는 커패시턴스(capacitance, 118)는 수광부를 이루고, 수광된 전자를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 광자(photon)에 의하여 발생된 전자를 확산노드(131)로 전달하는 역할을 한다. 2차원의 이미지를 얻기 위해서 하나의 열을 선택하기 위해 스위치 트랜지스터(Sx)의 게이트(141)을 통해 전위를 가하는 방식을 취한다. 특히 각 감광 픽 셀은 전류원(150)에 의하여 바이어스 되는데, 상기 전류원(150)은 드라이브 트랜지스터(Dx)와 스위치 트랜지스터(Sx)를 동작시켜 확산노드(131)의 전위를 출력 노드(142)로 읽어낼 수 있도록 한다.

도 2a는 일반적인 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터와 확산노드의 단면도를 도시한 예이며, 일반적으로 p형 기판(201)위에 특정한 농도의 n도핑 영역(202)과 표면 피닝을 위한 p+영역(203)이 수광소자인 포토다이오드를 구성하고, 기판(201)표면에 형성된 게이트 절연막(205)와 게이트 전극물질(206), 제어라인(210)과 측벽 절연막(207)로 구성된 트랜스퍼 트랜지스터는 광전하의 생성과 축적이 일어나는 n도핑 영역(202)의 리셋과 광전하의 이송에 관여하게 된다. 이때, 광전하를 전압으로 변환시키는 역할을 하는 확산노드(204(a), 204(b))는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극물질(206)과 셀프 얼라인(self align)을 위해 통상적으로 측벽 절연막을 형성하기 전 n형 도핑물질을 주입한 확장영역(204(a))를 가지게 된다.

일반적인 4 트랜지스터 이미지 센서에서 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 동작을 수행하기 위한 일반적인 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 구동방법을 도시한 타이밍 다이어그램을 도 2(b)에 도시하였다. 통상적으로 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 턴온전압으로 전원전위(Vdd)를 사용하고, 턴오프 전압으로 그라운드전압을 사용한다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴온되어 있는 상태(231)에서 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 턴온된 구간(232)동안 포토다이오드와 리셋 트랜지스터의 드레인 사이에 로우 임피던스가 유지되어 포토다이오드에 축적된 전하가 감광 픽셀 외부로 흘러가 포토다이오드의 리셋이 이루어지게 된다. 포토다이오드의 리셋후 리셋 트랜지스터가 턴온된 구간(235)동안 확산노드의 리셋이 이루어져 확산노드의 전압이 전원전위(Vdd)에서 리셋 트랜지스터의 문턱전압(subthreshold voltage, Vth)을 뺀 전압으로 고정되게 된다. 포토다이오드의 리셋(232구간)이 끝난후 포토다이오드가 빛을 수광하여 광전하의 생성과 축적이 일어나는 구간(integration time, 236)동안 포토다이오드에 쌓인 광전하는 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온되며(233)되며 소스 팔로워를 구성하는 혹산노드로 이동하여 최종적으로 외부 회로에 전압으로 나타나게 된다. 이때, 확산노드의 리셋(235구간)이 이루어진 후 출력 노드에 나타난 확산노드의 전압을 기준으로 광전하의 트랜스퍼(233구간)이후 출력 노드에 나타난 확산노드의 전압강하로 빛의 세기를 감지하게 된다.

따라서 4-트랜지스터 픽셀 시모스 이미지센서의 동작은 포토다이오드 리셋 시점 이후 포토다이오드에 축적된 광자유발 캐리어를 플로팅 확산노드로 트랜스퍼 시켜 확산노드의 전압 강하를 통해 상기 광자유발 캐리어의 양을 감지(detect)하므로, 이때 축적된 광자-유발 캐리어의 양을 정확하고 균일하게 감지하기 위해서는 일정하고도 균일한 트랜스퍼 트랜지스터의 리셋 및 트랜스퍼 동작을 필요로 한다. 기존의 4-트랜지스터 픽셀에 있어서 트랜스퍼 트랜지스터의 일정한 리셋 및 트랜스퍼 동작을 위해 완전 리셋형 핀드(pinned) 포토다이오드 등 다양한 구조가 개시되어 있다. 상기 완전 리셋형 핀드 포토다이오드는 포토다이오드의 리셋시 포토다이오드 내의 모든 이동 가능한(mobile) 전하가 완전히 공핍되어 더 이상의 전위변화가 없는 상태를 이용하는 다이오드를 의미한다. 이 경우, 이상적으로는 플로팅 확산노드 전위 등의 외부 바이어스 환경에 상관없이 포토다이오드 전위가 항상 일정 한 값으로 피닝(pinning)되는데, 이렇게 됨으로써 트랜스퍼 트랜지스터 동작에 의한 리셋 및 트랜스퍼 조건은 항상 일정하게 되며 리셋과 트랜스퍼 조건 또한 같게 된다.

그러나, 최근 반도체 공정 및 소자의 스케일링 및 소비전력 감소를 위해 확산노드 전위가 점점 낮아지고 있다. 이러한 확산노드 전위의 감소에 따라 완전 리셋형 핀드 포토다이오드의 구조를 사용할 경우, 핀드 포토다이오드의 피닝(pinning) 전위도 낮아질 수밖에 없는데, 상기 피닝 전위가 감소할 경우 웰 커패시티(well capacity)나 빛에 대한 포토다이오드의 응답성 같은 픽셀의 특성이 악화되고 고정패턴잡음이 증가할 수 있어, 동작 전압이 감소하더라도 피닝 전위의 감소에는 한계가 있다.

전원전위(Vdd)와 트랜지스터 턴온 전위가 같은 일반적인 픽셀 구동조건인 경우 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 조건은 변하게 된다. 포토다이오드의 리셋을 위해 리셋 트랜지스터가 턴온 됐을 때 확산노드의 전압은 전원전위(Vdd)와 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Vth)의 차(Vdd-Vth)로 고정되게 된다. 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 형성부분의 도핑 농도가 유사하므로 트랜스퍼 트랜지스터가 턴온 됐을 때 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전압과 확산노드의 전압차는 문턱전압(Vth)이 되어 확산노드는 핀치-오프와 선형(linear)조건의 경계에 위치하게 된다. 따라서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전압이 인가되며 확산노드로부터 트랜스퍼 트랜지스터의 채널로 전자가 순간적으로 방출 될 수 있으며 이는 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 조건에 큰 변화를 주게 된다. 또한 이러한 확산노드의 영향 은 공정 변수에 매우 민감하게 변화한다. (참고문헌: Bongki Mheen, et. al., “Operation Principles of 0.18-μm Four-Transistor CMOS Image Pixels With a Nonfully Depleted Pinned Photodiode,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no. 11, 2006)

포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼의 과정에서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 하부는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트의 물리적 크기나 동작전압의 크기에 관계없이 트랜스퍼 트랜지스터에 턴온 전압이 인가되는 순간 딥 디플리션 영역을 거치게 된다. 이 트랜스퍼 트랜지스터의 하부에 형성된 순간적인 딥 디플리션은 확산노드에서 트랜스퍼 트랜지스터 채널의 정적 평형 상태일 때 보다 더 많은 전하의 방출을 트랜스퍼 트랜지스터의 채널쪽으로 유도하게되고, 이는 확산노드에서 발생하는 전하의 방출량은 정적 평형상태일 때 보다 훨씬 심각할 수 있음을 의미하며, 전압의 인가 방법이나, 트랜스퍼 트랜지스터의 물리적 구조에 의해서도 영향을 받음을 의미한다.

또한, 확산노드가 미치는 영향은 포토다이오드의 리셋 과정과 포토다이오드의 트랜스퍼 과정에 따라 달라지는데 그 이유는 다음과 같다. 포토다이오드의 리셋 후 확산노드는 플로팅 상태에 있게 되며 포토다이오드의 리셋일 때와는 달리 플로팅 확산노드의 전압은 전원전위에서 리셋 트랜지스터의 문턱전압과 리셋 트랜지스터의 턴 오프에 의한 클럭 피드 쓰루(clock feed through)에 의한 전압을 뺀 전압으로 고정되게 된다. 또한 플로팅 확산노드의 전위는 포토다이오드의 리셋시보다 선형조건에 가깝게 되지만 트랜스퍼 트랜지스터와 플로팅 확산노드사이에 존재하는 커플링 캐패시턴스(coupling capacitance)에 의해 트랜스퍼 트랜지스터의 전압이 상승함에 따라 플로팅 확산노드의 전압도 상승하며, 또한 플로팅 확산노드이므로 트랜스퍼 트랜지스터의 채널로 순간적 전자의 방출이 플로팅 확산노드의 전압에 다시 영향을 미치므로 포토다이오드의 리셋 과정과 포토다이오드의 트랜스퍼 과정에서 확산노드가 미치는 영향의 정도는 서로 달라지게 된다. (Bongki Mheen, et. al., “Operation Principles of 0.18-μm Four-Transistor CMOS Image Pixels With a Nonfully Depleted Pinned Photodiode,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no. 11, 2006)

이에 비하여 종래의 경우(피닝 전압에 비하여 상대적으로 높은 전압을 동작전압으로 이용하는 경우), 포토다이오드가 보다 완전히 리셋이 되고, 따라서 FD에 영향을 받지 않는 조건이 가능하여, 이러한 확산노드가 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 조건에 미치는 영향을 배제할 수 있었다. 하지만 동작전압이 소자의 스케일링 및 저전압 동작조건에 의하여, 상대적으로 급격하게 감소함에도 불구하고 트랜지스터의 문턱전압이 한계이하로 낮아질 수 없으므로 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼 시, 서브쓰레스홀드(subthreshold) 영역에서 포토다이오드에서 채널로의 전하의 이동이 일어나는 것을 방지하기 위해(즉 짧은 시간 안에 포토다이오드를 완전히 공핍시키기 위해) 포토다이오드의 피닝(pinning) 전위는 더욱 급격히 낮아질 수밖에 없다. 또한 광응답성이나 웰 캐패시티를 희생하여 포토다이오드의 피닝 전위를 낮춘다하더라도 확산노드가 포토다이오드의 리셋 시와 트랜스퍼 시에 미치는 영향이 다르므로 포토다이오드가 항상 일정 전위로 피닝되기 위해 포토다이오드의 피 닝 전위는 더 낮아질 수밖에 없으며, 공정변수나 구동방법에 의한 영향 또한 고려해 주어야 하므로 포토다이오드의 피닝 전압이나 물리적인 구조를 결정하는 데에는 많은 어려움이 따르게 된다.

또한, 표면 피닝을 위한 p타입 도핑막이 포토다이오드의 윗부분에 형성되어 있는 핀드 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에는 어느 정도의 포텐션 배리어(barrier)가 존재할 수밖에 없는데, 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼시 이러한 배리어에 의한 영향을 제거하기 위해서는 피닝 전위와 플로팅 확산노드의 전위, 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온 전위에 충분한 차이가 있어야 한다. 상기 배리어가 충분히 감소되지 않으면 포토다이오드의 피닝전압이 매우 낮다 하더라도 포토다이오드가 완전히 리셋 되지 않고, 리셋과 트랜스퍼시 포토다이오드에 남아있는 전하의 양이 배리어에 의해 결정이 되어 심각한 문제점을 유발할 수 있다. 즉, 동작 전압의 감소에 따라 피닝 전위 및 플로팅 확산노드 전위의 차이 전압의 감소뿐만 아니라, 전반적으로 낮은 웰 커패시티와 불충분한 포토다이오드 리셋을 발생시킬 가능성을 높고 공정 변수에 매우 민감하게 된다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로는 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트에 걸리는 전압을 부스팅(boosting) 회로를 사용하여 플로팅 확산노드 전위를 일반적인 전위인 VDD-VTH에서 강제적인 방법으로 VDD로 높이는 방법과, 리셋 트랜지스터(Rx)를 기존의 NMOS가 아닌 PMOS를 사용함으로써 충분하고 빠르게 플로팅 확산노드 전위를 VDD로 올리는 방법이 있다.

그러나, 전압 부스팅(boosting)회로를 사용하는 경우 일반적인 동작 조건이상의 전위를 가함으로 인하여 게이트 옥사이드의 신뢰성(reliability)에 문제를 일으킬 수 있으며, PMOS를 리셋 트랜지스터(Rx)로 사용할 경우에는 NMOS보다 넓은 넓이를 차지하는 문제로 인하여 필-팩터(fill factor)가 감소로 인하여 특성이 나빠지며, 노이즈 특성에 있어서도 NMOS 동작에 비하여 잡음이 2배 정도 증가한다고 알려져 있다. 또한 상기의 접근 방법은 동작 전압이 낮아지며 발생 할 수 있는 문제의 해결 방법을 제시하기보다는 같은 동작 전압에서 효율을 높이는 기술이라서, 낮은 동작 전압에 따른 문제점의 근본적인 해결책이 될 수 없었다.

상기 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로는 트랜스퍼 트랜지스터가 두 개의 트랜지스터로 구성되어 포토다이오드와 인접한 트랜스퍼 트랜지스터가 턴오프되어 플로팅 상태가 된후 다른 트랜스퍼 트랜지스터를 턴온시켜 커플링 캐패시티(coupling capacity)에 의한 전압 상승을 이용한 부스팅 방법(등록번호 10-0591075, 커플드 게이트를 가진 전송 트랜지스터를 이용한 액티브픽셀 센서)이나, 하나의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 상부에 절연막을 개재하고 도전막을 형성해 만들어진 커플링 캐패시티를 이용한 부스팅 방법으로 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 걸리는 전압을 높이는 방법이나, 드라이브 트랜지스터(Dx) 상부의 절연막을 개재하고 형성한 도전막을 이용한 커플링 캐패시티를 형성하여 확산노드(FD)의 전압이 커플링 전압만큼 상승한 효과를 이용한 방법(공개번호 10-2006-0084484) 등이 있다.

그러나, 트랜스퍼 트랜지스터에서 커플링 캐패시티를 이용해 전압 부스팅을 하는 방법은 우선적으로 트랜스퍼 트랜지스터를 턴오프시켜 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 플로팅 상태로 만든 후 다시 전압을 인가하여 재 인가된 전압이 전체 캐피시티에 대비 커플링 캐패시티의 비만큼 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 전압으로 전달되므로, 커플링 캐피시티에 의한 게이트 전압 부스팅 이전에 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 채널로 독출된 광전하가 게이트 전압 부스팅 과정에서 기판이나 포토다이오드로 흘러가 광전하의 전송효율이 저하될 수 있으며, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극에 인가된 전압을 제거한 후 트랜스퍼 트랜지스터 상부의 커플링 캐패시터에 전압이 재 인가될 때까지의 시간에 의해 전압의 부스팅 효과가 달라지므로 전압 인가의 구동방법에 민감할 수 있고, 특정 구동방법에서도 미미한 시간 오차에 의해서도 부스팅 정도가 많이 달라질 수 있다. 또한 포토다이오드의 리셋과 포토다이오드에 축적된 광전하의 트랜스퍼 조건이 달라 결과적으로 일정한 암전류를 발생하거나 특정 조도 이하의 빛은 감지하지 못할 수 있다.

무엇보다도 상기 접근방법은 리셋이나 트랜스퍼시 짧은 시간 안에 포토다이오드를 일정하고 높은 전위로 만들어 주기 위해 트랜스퍼 트랜지스터에 가해지는 전압이 부스팅을 이용해 높아지도록 했지만, 트랜스퍼 트랜지스터에 가해지는 전압이 상승함과 동시에 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼시 확산노드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 채널쪽으로 전자의 방출이 더 활발히 일어나 오히려 포토다이오드에 축적된 전하의 독출이 억제 될 수 있고, 이러한 확산노드의 영향이 리셋 조건과 트랜스퍼 조건에따라 독출과정에 미치는 정도가 달라 결과적으로 트랜스퍼 트랜지스 터에 큰 전압을 가할수록 이미지 센서의 전체 노이즈가 증가할 수 있다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로 낮은 동작 전압에서 낮은 암전류와 고정패턴노이즈, 향상된 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서 및 트랜스퍼 트랜지스터의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

더불어 본 발명은 낮은 동작 전압의 상태에서 포토다이오드의 구조나 불순물 농도의 상태, 확산노드의 전위에 대한 의존성을 줄이면서, 암 전류나 고정패턴잡음 같은 잡음 성분을 효과적으로 억제하고 다이나믹 레인지를 증가시키는 이미지 센서 및 트랜스퍼 트랜지스터의 구동방법를 제공하는데 그 목적이 있다

이를 위해, 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 시 확산노드에서 전하의 방출을 억제하기 위해 게이트 전극의 턴온 전압을 낮춰야 하는 조건과 포토다이오드의 피닝 전압을 높이고 다이나믹 레인지(dynamic range)를 개선할 수 있도록 게이트 전극의 턴온 전압을 높여야 하는 서로 상반된 요건을 만족하는 이미지 센서 및 트랜스퍼 트랜지스터의 구동방법을 제공하는데 심화된 목적이 있다.

서로 상반된 요건을 만족시키기 위해, 포토다이오드에서 전하의 방출이 일어날 때, 확산노드와 가까운 게이트 전극을 이용하여 포토다이오드에서 전하의 방출 과정에서 확산노드의 영향을 배제할 수 있고, 포토다이오드와 인접한 게이트 전극을 이용하여 효과적인 전하의 방출을 동시에 이룰 수 있는 다중게이트 구조의 트랜스퍼 트랜지스터 구조 및 트랜스퍼 트랜지스터의 구동방법을 제공하는데 더욱 심화 된 목적이 있다.

또한 본 발명에 의해, 포토다이오드가 피닝 전위로 완전히 리셋 되지 않더라도 동일한 정도의 리셋과 트랜스퍼 수행이 가능하며, 피닝 전위로 완전히 리셋되는 완전 리셋형 포토다이오드인 경우에도 특정한 동작전압과 포토다이오드의 구조에서 포토다이오드의 피닝 전압을 높일 수 있고 공정변수의 영향을 최대한 배제 및/또는 공정 변수의 여유를 가질 수 있으므로, 같은 목적으로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 낮은 동작 전압 환경에서 저렴한 비용으로 암 전류와 고정패턴 잡음 같은 잡음 성분을 효과적으로 억제할 수 있는 이미지 센서 및 그 트랜스퍼 트랜지스터의 구동 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법은, 광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및 상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며, 상기 수광소자와 상기 확산노드 사이에 서로 다른 위치에 형성되는 2개 이상의 게이트 전극을 구비하는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서 내 상기 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법에 있어서, 상기 수광소자에 가까운 게이트 전극의 턴온전압이 적어도 하나의 다른 게이트 전극의 턴온전압보다 먼저 인가되는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명의 설명에서 트랜스퍼 트랜지스터의 다중 게이트 전극 각각을 간략히 게이트 전극이라 칭하겠다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 이미지 센서는, 광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및 상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하되, 상기 트랜스퍼 트랜지스터는, 상기 수광소자 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 PD 인접 게이트 전극과, 상기 확산노드 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 FD 인접 게이트 전극과, 상기 PD 인접 게이트 전극과 FD 인접 게이트 전극 사이에, 상기 PD 인접 게이트 전극 및 FD 인접 게이트 전극과 절연된 상태로 형성된 중간 게이트 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따른 이미지 센서는,

광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및 상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며, 상기 수광소자 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 제1 게이트 전극과, 상기 확산노드 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성되며, 상기 제1 게이트 전극과 절연된 제2 게이트 전극을 구비하는 트랜스퍼 트랜지스터; 및

상기 본 발명의 제1 측면에 따른 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법을 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4 측면에 따른 이미지 센서는,

광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및 상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며, 적어도 2개 이상의 게이트 전극을 가지는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 수광소자가 축적할 수 있는 광 유발 전하의 최대전하량보다 상기 게이트 전극에 의한 평형채널 전하의 양이 더 커서, 수광소자에서 광전하의 방출시 상기 게이트 전극에 의한 채널이 딥 디플리션 상태로 동작하는 것을 특징으로 한다.

.

여기서, 적어도 하나의 게이트 전극(바람직하게는 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극)에 의한 채널은 딥 디플리션 상태로 동작하지 않도록 구현될 수 있다.

본 발명의 이미지 센서는, 수광소자와 상기 수광소자에서 발생한 광전하를 전압으로 변환하여 출력하는 신호변환부를 포함하며, 이미지 센서의 구동을 제어하는 신호 제어부를 포함한다.

상기 수광소자는 특별한 구조에 한정되어 있는 것이 아니며 포토다이오드, 핀드 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토게이트등과 같이 공핍영역을 가지며 공핍영역에서 빛에 의한 광전하를 생성, 축적할 수 있는 소자이다.

상기 신호변환부는 수광소자에서 빛에 의해 생성, 축적한 광전하를 전압으로 변환하여 출력하는 광전하의 독출에 관련된 것으로, 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 스위치 트랜지스터를 포함하며 이미지 센서의 구조에 따라 하나의 트랜지스터로 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있다.

상기 트랜스퍼 트랜지스터는 수광소자에서 생성되고 축적된 광 유발 전하의 전하저장영역인 확산노드로의 전달을 제어하고, 상기 리셋 트랜지스터는 확산노드의 신호전하를 제거하여 초기화 시키는 역할을 하고, 상기 드라이브 트랜지스터는 드라이브 트랜지스터의 게이트가 전기적으로 확산노드와 연결되어 확산노드에 전달된 광유발 전하에 상응하는 전위를 제공하는 소스 팔로워(source follower)이며, 상기 스위치 트랜지스터는 드라이브 트랜지스터에 의해 제공되는 광전하에 의한 전위의 출력을 제어한다.

상기 신호 제어부는 상기 신호변환부를 구동, 제어하는 타이밍 및 콘트롤 회로를 포함하며, 트랜스퍼 트랜지스터 및/또는 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 스위치 트랜지스터의 턴온 전압과 턴오프 전압을 조절하는 전위 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 사상에 따른 이미지 센서는 다중게이트 구조의 트랜스퍼 트랜지스터를 구비한다. 상기 다중게이트 트랜스퍼 트랜지스터는 이미지 센서 내 수광소자에서 전하의 독출시 확산노드를 전기적으로 분리시키며, 수광소자와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널사이에 존재하는 포텐샬 배리어를 효과적으로 억제시키고, 수광소자에서 확산노드로의 광전하의 효율적인 이동을 제공하며, 공정변수에 의한 영향을 억제하는 효과를 유발한다.

또한, 본 발명의 사상에 따른 이미지 센서는 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 모든 다중 게이트 전극들 또는 확산노드와 가장 인접한 트랜스퍼 게이트 전극을 제외한 모든 게이트 전극들에 대하여, 게이트 전극에 인가되는 턴온전압, 게이트 전극의 길이와 넓이, 게이트 절연막을 이루는 물질의 종류와 두께에 의해 결 정되는 개개의 게이트 전극의 평형 채널 전하의 양이, 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 광전하의 양보다 큰 특징을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 다중 게이트 전극중에서 포토다이오드에 가까운 트랜스퍼 트랜지스터의 경우 반드시 딥 디플리션 동작방식으로 포토다이오드의 전하를 이동시키게 된다.

즉, 상기 사상에 따른 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터는, 다중 트랜스퍼 게이트 전극으로 구성되어 수광소자에 축적되어있는 광전하의 방출과 방출된 광전하의 확산노드로 이동을 분리시켜 수광소자에서 광전하의 방출시 확산노드가 미치는 영향을 제거하고, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 사이에 존재하는 포텐셜 배리어를 효과적으로 억제함으로써, 암전류와 고정패턴잡음을 감소시키고 웰 캐패시티를 증가하게 하며 큰 다이나믹 레인지를 가지게 한다.

상기 사상에 따른 이미지 센서의 구조와 구동방법을 포토 다이오드를 구비한 기존의 이미지 센서의 구조와 구동방법과 비교해 그 효과를 상술하면, 단일 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터에서 확산노드의 영향을 배제하기 위해 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온 전압을 최대 동작전압 이하의 값으로 최적화 시키면 필연적으로 더 낮은 포토다이오드의 피닝전압이나, 더 작은 다이나믹 레인지(dynamic range)를 가지게 된다.

하지만 웰 캐패시티와 다이나믹 레인지를 증가시키기 위해 트랜스퍼 트랜지스터에 가해지는 전압을 상승시키면, 동시에 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼시 확산노드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 채널쪽으로 전자의 방출이 더 활발히 일어나 오히려 포토다이오드에 축적된 전하의 방출이 억제 될 수 있고, 이러한 확산노드의 영향이 리셋 조건과 트랜스퍼 조건에 따라 전하의 방출과정에 미치는 정도가 달라 결과적으로 트랜스퍼 트랜지스터에 큰 전압을 가할수록 암전류와 고정패턴잡음이 증가할 수 있고, 포토다이오드의 리셋이 효과적으로 이루어지지 않아 트랜스퍼 트랜지스터에 더 큰 전압을 인가했음에도 불구하고 웰 캐패시티가 감소된 현상이 일어날 수 있다.

또한, 이러한 현상은 동작 전압이 감소할수록 그 영향이 커져 이미지 센서의 성능을 악화시키고 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 물리적 구조 설계를 더욱 까다롭게 한다. 따라서 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온 전압을 높이는 것은 확산노드의 영향이 제거된 상태에서만 그 효과가 있으므로 확산노드에서 전하의 방출을 막은 상태에서 포토다이오드에 축적된 전하를 높은 게이트 전압으로 방출시키는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다.

본 발명의 사상에 따라 이런 상반된 조건을 동시에 만족시켜, 포토다이오드에서 전하의 방출이 일어날 때, 확산노드와 가까운 게이트 전극을 이용하여 포토다이오드에서 전하의 방출 과정에서 확산노드의 영향을 배제하며, 포토다이오드와 인접한 게이트 전극에 인가되는 전압이 가능한 가장 큰 전압을 가질 수 있도록 하며, 같은 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온 전압에서 딥 디플리션을 이용하여 부가적으로 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 채널 사이에 존재하는 포텐셜 배리어를 효과적으로 억제하게 된다.

본 발명의 제4 측면에 따른 이미지 센서의 효과를 좀 더 자세히 상술하면, 게이트 전극의 턴온 전압과 길이와 넓이, 게이트 절연막을 이루는 물질의 종류와 두께에 의해 결정되는 평형 채널 전하의 양이 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 광전하의 양보다 커서 항상 딥 디플리션의 채널상태로 트랜스퍼 게이트 전극이 동작함으로써, 수광소자가 완전 공핍형일때는 수광소자의 피닝 전압을 높이고 공정변수의 영향을 줄일 수 있다, 또한, 수광소자의 리셋이나 트랜스퍼 후에도 수광소자 내부에 이동 가능한 전하가 잔류하는 불완전 공핍형일 경우, 리셋과 트랜스퍼시 수광소자에 잔류하는 이동 가능한 전하의 양을 일정하게 하고, 수광소자의 불완전 공핍에 따른 암전류의 증가와 공정변수와 동작전압, 동작전압의 인가방법, 확산노드의 전압의 변화등에 의한 수광소자내 잔류전하량의 변화를 억제하여, 수광소자의 피닝전압을 낮추지 않고 광특성을 유지하며 낮은 동작전압에서 암전류와 고정패턴잡음, 이미지 래그를 억제하게 된다.

본 발명의 사상에 따른가장 바람직한 이미지 센서의 구조와 동작 방법은 다음과 같다. 다중게이트의 트랜스퍼 트랜지스터를 이용하여 수광소자의 광전하 방출시 확산노드를 전기적으로 분리시켜 수광소자의 리셋과 트랜스퍼시 확산노드에 존재하는 전하가 트랜스퍼 트랜지스터 채널로 순간적으로 방출되는 것을 억제한다.

따라서, 수광소자의 리셋과 트랜스퍼시 수광소자에 인접한 게이트 전극에 턴온 전압이 인가되면 상기 게이트 전극의 하부는 일정한 딥 디플리션(deep depletion)상태에서 수광소자에 존재하는 전하를 채널로 가져오게 되고, 수광소자에서 채널로 넘어오는 광전하의 양에 따라 채널은 평형 채널 전하를 유지하거나 약간의 딥 디플리션 상태로 광전하를 채널에 잡아두게 된다. 이 때, 효과적인 광전하의 방출과 수광소자에서 광전하의 방출과정에서, 이후의 게이트 전극의 전압 인가 방식이나 인가된 전압이 유지되는 시간등에 영향을 받지 않기 위해, 확산노드와 가장 가까운 트랜스퍼 게이트 전극을 제외한 나머지 각각의 게이트 전극의 평형 채널 전하의 양이 수광소자가 간직할 수 있는 최대전하량보다 더 큰 것이 바람직하다.

이후, 수광소자에 상기 게이트 전극 다음으로 인접한 게이트 전극에 턴온 전압이 인가됨에 따라 수광소자에 인접한 게이트 전극 하부의 채널에 존재하는 광전하는 게이트 절연막 하부의 전위에 따라 재배열을 하게 되고, 수광소자에 인접한 게이트 전극에 턴오프 전압이 인가되며 상기 채널에 존재하는 광전하들은 수광소자에 다음으로 인접한 게이트 전극의 채널로 모두 이동하게 된다.

이와 같이 서로 인접한 게이트 전극에 턴온 전압과 턴오프 전압을 시간차를 두고 상이하게 인가함에 따라 광전하 덩어리는 최종적으로 확산노드에 인접한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 하부의 채널로 이동하게 된다. 확산노드에 인접한 트랜스퍼 게이트 전극이 활성화 되며 광전하가 확산노드로 이동하게 되고 상기 게이트 전극에 턴오프 전압이 인가되며 모든 신호전하가 확산노드로 이동하여 신호 전압의 증폭과 출력이 일어나게 된다.

수광소자와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에 존재하는 포텐샬 배리어(potential barrier)의 억제는 수광소자와 인접한 게이트 전극의 전압과 전압 인가 방법에 큰 영향을 받는다.

수광소자에 축적된 광전하의 방출시 수광소자와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에 존재하는 포텐샬 배리어를 효과적으로 억제하기 위해서는, 특정한 수광소자의 턴온 전압에서, 수광소자와 인접한 게이트 전극에 턴오프 전압에서 상기 턴온 전압을 인가하는 전압의 인가시간이 전압인가회로가 허용하는 가능한 짧은 라이징 타임을 가지는 구동조건이 바람직하다. 라이징 타임이 짧을수록 수광소자와 인접한 게이트 전극의 하부는 평형상태에서 벗어나 딥 디플리션 상태가 되고, 이 딥 디플리션에 의한 상기 게이트 전극 절연막 하부의 전위는 상기 게이트 전극에 인가한 턴온전압보다 더 큰 전압이 인가된것과 같은 효과를 가지게 된다. 따라서, 수광소자가 완전 공핍형일때는 리셋이나 트랜스퍼의 시간을 단축시키며 수광소자의 피닝전압을 높일 수 있고, 수광소자가 불완전 공핍형일때는 같은 턴온 전압에 대해 더많은 전하를 수광소자로부터 방출시켜 이미지 센서의 다이나믹 레인지(dynamic range)나 수광소자의 웰 캐패시티(well capacity)를 증가시키게 된다.

수광소자에서 수광소자가 인접한 게이트 전극의 채널로 이동한 광전하의 확산노드까지의 이동은 트랜스퍼 트랜지스터를 이루는 다중게이트의 턴오프 전압 인가방법에 큰 영향을 받는다. 인접한 게이트 전극에 턴온 전압과 턴오프 전압을 시간차를 두고 상이하게 인가함에 따라 광전하 덩어리는 수광소자에서 확산노드로 이동하게 된다.

자세히 상술하면 신호 전하가 잡혀있는 게이트 전극에 인접한 또 다른 게이트 전극에 턴온전압이 인가되면 포토다이오드에서 채널로 방출된 광전하는 턴온 전압이 인가된 게이트들의 절연막 하부 전위에 따라 재배열을 하게되고, 턴온전압이 인가되어있는 게이트 전극 중 포토다이오드에 가까운 게이트 전극에 턴오프 전압이 인가되면, 턴오프로 스위칭되는 게이트 전극 하부에 잡혀있던 신호전하들이 채널 면과 평행한 횡적 전기장(lateral electrical field)에 의해 움직이게 된다.

이때, 게이트 전압에 의해 잡혀있던 신호전하는 기판과 같이 신호전하 전달 통로를 벗어난 곳으로 이동하여 신호전하의 손실을 일으키거나 수광소자로 돌아가 암전류 성분으로 나타나거나 이미지 래그와 같이 품질을 악화시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 신호전하의 이동시 확산노드 방향으로 가장 큰 값의 채널 면과 평행한 횡적 전기장을 제공해 줄 수 있도록, 게이트 전극에 턴오프 전압이 가해질 때 턴오프 전압이 인가되는 게이트 전극와 인접한 게이트 전극에 턴온 전압이 인가되어 있어야 하며, 턴오프 전압이 가해지는 게이트 전극의 턴온 전압에서 턴오프 전압이 인가되는데 걸리는 시간인 폴링 타임(falling time)이 이미지센서의 동작속도를 심각하게 저하하지 않는 한도 내에서 충분히 길어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

예컨대, 하기의 실시 예에서는 본 발명의 이미지 센서를 4-트랜지스터 CMOS 이미지 센서에 적용하여 수광소자를 핀트 포토다이오드로 신호변환부를 4개의 트랜지스터로 구현하여 구체화하여 설명하지만, 다른 종류의 수광소자 및 수광소자에서 생성된 광 유발 전하를 이동시키기 위한 트랜지스터를 구비한 다른 이미지 센서 상 구조, 예를 들면 CCD의 저전압 출력단 센스 회로에도 적용할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다.

또한, 확산노드와 게이트 전극 사이의 하부 구조를 간략화 하여 도시하였지만 게이트 측벽 절연막의 물질이나 형성 공정상의 변화, 확산노드의 불순물 농도나 구조의 변화나 확장영역의 유무, 트랜스퍼 트랜지스터를 이루는 게이트의 형성시 공정상의 변화들이 있다하여도 본 발명이 제안한 이미지 센서의 구조와 구동방법을 적용하여 소기의 효과를 이룰 수 있으므로, 여러 구조에서 여러 공정을 이용하여 본 발명이 목적하는 효과를 달성할 수 있도록 트랜스퍼 트랜지스터의 구조와 게이트 전극의 바람직한 요건들과 바람직한 구동조건에 집중하여 서술하고자 한다.

또한, 실시예들에서 다중게이트의 트랜스퍼 트랜지스터는 설명의 간략화와 명료함을 위해 대부분의 실시예와 설명을 이중, 삼중 게이트의 트랜스퍼 트랜지스터에 한하였지만 4개 이상의 게이트를 사용하여 트랜스퍼 트랜지스터를 구성한 경우에도 하기의 실시 예들의 구조와 구동방식이 반복, 유사하게 적용되므로 본 발명의 권리 범위에서 벗어나지 않음은 자명하다.

또한, 통상적인 구조에 따라 기판과 포토다이오드 상부의 도핑영역은 받개 타입으로 확산노드와 포토다이오드는 n타입으로 도핑한 구조를 예로 도시했지만, 기판과 포토다이오드 상부의 도핑영역은 n타입으로 확산노드와 포토다이오드는 p타입으로 도핑한 구조 또한 가능하다.

도면을 참조할 때, 구조의 단면도에서 유사한 구성요소는 동일한 도면 번호가 지정되며, 구동 방식의 타이밍 다이어그램(timing diagram)에서는 유사한 의미의 구동 방식에 대해서는 같은 번호와 기호가 사용되었다.

(실시예 1)

본실시예의 이미지 센서는, 포토다이오드, 상기 포토다이오드에서 생성된 광 유발 전하를 확산노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 감광 픽셀 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 이루는 다중의 게이트 전극들 각각의 전압 인가시간, 전압 제거시간, 전압 유지 시간 및 인가되는 전압의 크기등을 조절하는 구동 및 제어 회로부(이하, 제어부라 약칭한다)를 포함한다.

본 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조는 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 시, 확산노드가 포토다이오드의 전위에 미치는 영향을 제거하기 위해, 트랜스퍼 트랜지스터가 3개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 구조이다.

도 3은 본 발명의 사상을 적용한 본 실시예의 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 단면도이다.

도 3a는 4-트랜지스터 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드(302, 303) 영역과 트랜스퍼 트랜지스터와 확산노드(304)를 상기의 목적으로 구현한 실시예이다. 트랜스퍼 트랜지스터는 서로 전기적으로 분리되어 있는 세 개의 게이트 전극(306, 307, 308)과 게이트 절연막(305), 저농도의 p형으로 균일하게 도핑된 기판(301)으로 이루어져 있으며, 포토다이오드 영역은 광 감지와 광전하의 축적이 이루어지는 n형 도핑 영역(302)과 기판보다 높은 농도의 p+로 도핑된 표면 도핑 영역(303)으로 이루어져 있다.

상기 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극은 게이트 전극(306, 307, 308)과 세 개의 게이트 전극을 분리하는 절연물질(310)과 게이 트 절연막(305)으로 이루어지며, 각 게이트 전극에 연결되는 제어라인(331, 332, 333)에 인가되는 전압에 의해 제어된다.

상기 3개의 게이트 전극 중 도면에서 Tx1으로 표시된 것은 상기 수광소자 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 PD 인접 게이트 전극이며, Tx3로 표시된 것은 상기 확산노드 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 FD 인접 게이트 전극이며, Tx2로 표시된 것은 상기 PD 인접 게이트 전극과 FD 인접 게이트 전극 사이에, 상기 PD 인접 게이트 전극 및 FD 인접 게이트 전극과 절연된 상태로 형성된 중간 게이트 전극이다.

이하, 상기의 물질과 구조로 구성된 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극을 Tx1, Tx2, Tx3으로 통칭하겠다.

앞서 언급했듯이 본 실시예의 이미지 센서는, 상기 각 제어라인에 대하여 턴온 전압이나 턴오프 전압을 인가하는 시간, 유지되는 시간을 제어하는 회로부나 전압연결을 개폐하는 스위칭 소자 및/또는 온/오프시 인가되는 전압크기를 조절하는 제어부부를 더 포함할 수 있다.

도 3a에서 Tx1은 포토다이오드에 축적된 광전하를 Tx1의 게이트 절연막 하부로 방출시키는데 사용되고, Tx2는 신호전하를 Tx2 게이트 절연막 하부에 붙잡아 두어 신호전하의 손실없이 확산노드와 포토다이오드 사이를 하이 임피던스(high impedance) 상태를 만들 수 있도록 한다. Tx3은 Tx2에 잡혀있는 신호전하를 확산노드로 이동시키는 역할을 한다.

도 3b는 Tx3과 확산노드사이의 물리적 위치나 불순물 농도, 확산노드의 구조 변화를 제외하고 도 3a의 구현과 거의 동일하다. 리셋이나 트랜스퍼시 Tx1에 턴 오프 전압이 인가된 후에 Tx3에 턴온 전압이 인가되어 Tx2에 잡혀있는 신호전하를 확산노드로 이동시키므로 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터 하부의 채널로 광전하의 방출이 일어날 때, 확산노드와 채널 사이는 하이 임피던스가 되어 확산노드에서 채널로 전하의 방출이 일어나지 않고, 채널에서 확산노드로 신호 전하의 이동이 이루어질 때에는 포토다이오드와 채널사이에 하이 임피던스가 되어 항상 일정한 리셋과 트랜스퍼의 특성을 가지게 된다.

따라서, Tx3과 확산노드는 측벽 절연막 하부에 소스/드레인 확장영역(304(a))이 존재하는 일반적인 구조일 수 있으며, 또한 도3 a에 도시한 바와 같이 트랜스퍼 트랜지스터의 총 넓이를 줄이고 또는 Tx3의 턴오프 전압을 확산노드에 인가함으로써 또한 확산노드에서 전하의 방출을 막을 수 있도록 확산노드의 상부에 Tx3가 일부 존재하는 구조 또한 항상 일정한 리셋과 트랜스퍼 특성을 가지게 된다.

즉, 측벽 절연막의 물질이나 형성 공정상의 변화, 확산노드의 불순물 농도나 구조의 변화나 확장영역의 유무, 게이트 전극와 확산노드와의 오버랩(overlap), 게이트 전극사이의 오버랩등의 공정, 구조상의 변화들이 있다하여도 본 발명이 제안한 소기의 효과를 이룰 수 있음을 명시하는 바이다. 단 Tx3과 확산노드사이에 오버랩이 존재할 때 확산노드와 기판의 경계(320)부분은 영역(321)내에 존재해야 하며 영역(321)은 Tx3에 턴오프 전압이 인가되고 Tx2에 턴온 전압이 인가됐을 때, 에지효과(edge effect)에 의해 확산노드에서 Tx2채널 하부로 전하의 순간적 방출이 일 어나지 않는 영역이 된다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 Tx1, Tx2 및 Tx3 중 적어도 하나 이상(307’, 308’)이, 이웃하는 게이트 전극과 일부 영역이 서로 상하로 중첩되도록 구현할 수 있다. 도 3c에서는 확산노드가 도 3b와 같이 단차를 가지는 2개의 n+ 영역(304(a), 304(b))으로 구현하였지만, 중첩된 트랜스퍼 게이트 전극을 가지는 경우도 도 3a의 형태 등과 같은 다른 형태로도 구현가능하다.

한편, 도시하지는 않았지만, 상기 Tx1과 Tx2 사이 및/또는 상기 Tx2과 Tx3 사이에, 다른 게이트 전극과 절연된 하나 이상의 추가 게이트 전극이 더 형성될 수 있다.

도 4에 도시한 구조에서, 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼시 포토다이오드와 가장 인접해 있는 게이트 전극(W1)에 가해지는 턴온 전압을 가해, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에 존재하는 포텐셜 베리어(potential barrier)를 효과적으로 억제할 수 있도록 하고, 모아진 광전하를 나머지 트랜스퍼 트랜지스터들(W2,W3)를 이용하여 확산노드(304)로 이동시켜준다. 이 때, Tx1과 Tx2가 광전하의 이동이 용이하도록 하면서 확산노드(304)의 전하를 가져오지 않도록 구동전압을 걸어주어야 한다.

포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼시 확산노드의 영향이 배제된 상태에서 딥 디플리션을 이용하기 위해 Tx1과 Tx2에 특정한 턴온 전압이 인가되었을 때 Tx1의 길이(L1)와 넓이(W1), 게이트 절연막을 이루는 물질의 종류와 두께에 의해 결정되는 Tx1의 평형 채널 전하의 양(Q1)과 Tx2의 길이(L2)와 넓이(W2), 게이트 절연막을 이루는 물질의 종류와 두께에 의해 결정되는 Tx2의 평형 채널 전하의 양(Q2)은 각각 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 광전하의 양(Qwc)보다 커야하고 그 차이가 클수록 바람직하다.

가장 기본적으로 신호전하의 상실이 일어나지 않도록 Tx2의 평형 채널 전하 양(Q2)는 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 광전하의 양(Qwc)보다 커야한다. 또한, 확산노드에 가장 가까운 Tx3의 게이트 폭 또는 면적이 Tx2 및 Tx1의 폭 또는 면적보다 작은 것이 바람직하다.

확산노드와 오버랩되지 않은 부분의 Tx3의 길이(L3)는 Tx2에 인가된 턴온 전압이 게이트 절연막(305)이나 게이트 전극물질 절연막(310), 기판(301)을 통하여 확산노드에 영향을 미치지 못하는 길이, 즉 Tx2에 턴온 전압이 인가되어도 확산노드의 전압이 변하지 않는 길이가 바람직하다. 이에 대한 구체적인 예로는 확산노드(304)에 가까운 트랜스퍼 트랜지스터(W3)를 구동하는 전압을 다른 트랜스퍼 트랜지스터에 비하여 약간 낮게 설정하는 방법이 있다.

상기의 조건을 만족하는 트랜스퍼 트랜지스터는 포토다이오드에 인접한 게이트 전극(Tx1, Tx2)하부 채널형성 지역(410,420)이 딥 디플리션 상태가 됨으로써, 상기 게이트 전극 하부에 채널 형성 영역의 전위가 수광소자가 완전 공핍형일때는 수광소자의 피닝 전압을 높이고 공정변수의 영향을 줄일 수 있으며, 수광소자의 리셋이나 광전하 트랜스퍼 후에도 수광소자 내부에 이동 가능한 전하가 잔류하는 불완전 공핍형일 경우, 같은 동작 전압에서 리셋과 트랜스퍼시 수광소자에 잔류하는 이동 가능한 전하의 양이 더 작아지게 만들고, 수광소자의 불완전 공핍에 따른 암 전류의 증가와 공정변수와 동작전압, 동작전압의 인가방법등의 변화에 의한 수광소자내 잔류전하량의 변화를 억제하여, 수광소자의 피닝전압을 낮추지 않고 광특성을 유지하며 낮은 동작전압에서 암전류와 고정패턴잡음, 이미지 래그를 억제하게 된다. 이러한 게이트 전극의 딥 디플리션 형태의 동작은 게이트 커플링에 의하여 나타나는데, 해당 게이트 전극의 채널에 모아진 전자양보다 게이트 전극에 모아져야 할 전자양이 많을수록 더 잘 일어나게 된다.

도 5a는 도 3a, 3b, 3c 및 도 4에 도시한 실시예에 따른 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 구조에서 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼시 바람직한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1, Tx2, Tx3)와 리셋 트랜지스터(Rx)의 구동방법의 일실시예를 도시한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.

앞서 설명했듯이 Tx1은 포토다이오드와 가장 인접한 게이트 전극이고, Tx3은 확산노드와 가장 인접한 게이트 전극이며, Tx2는 Tx1과 Tx3사이에 존재하는 게이트 전극이다.

도시한 파형도를 시간별로 살펴보면 포토다이오드의 리셋구간(510), 포토다이오드에서 방출된 전하가 감광 픽셀 밖으로 제거되어 리셋이 완료되는 구간(512,514), 확산노드가 리셋되는 구간(521), 광에 의한 전하의 축적기간(integration time, 522), 포토다이오드에 쌓인 광전하가 확산노드로 이동하는 트랜스퍼 구간(511, 513, 515)으로 나눠질 수 있다. 확산노드의 리셋 후와 포토다이오드에 축적된 광전하의 트랜스퍼 후 CDS(correlated double sampling)을 위해 추가적인 리드(read)구간이 존재하는데, 이때는 여러 픽셀이 차례로 읽혀지는 구간 에 해당하고, 일반적으로 광자에 의한 전하의 축적 구간보다 짧다.

도시한 파형도에 따른 본 실시예의 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법은 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼시 Tx1과 Tx2와 Tx3이 각각 제어됨을 특징으로 하며, Tx1에 턴오프 전압이 인가(rt1off, tt1off)되기 전에 Tx2에 턴온 전압이 인가(rt2on, tt2on)되며, Tx1에 턴오프 전압이 인가(rt1off, tt1off)된 후와 Tx2에 턴오프 전압이 인가(rt2off, tt2off)되기 전의 구간동안(520) Tx3의 턴온 전압이 인가(rt3on, tt3on)되는 것을 특징으로 한다. 총 리셋 시간과 트랜스퍼 시간의 단축을 위하여 Tx2에 턴온 전압이 인가되는 시점(rt2on, tt2on)은 구간(523)처럼 Tx1에 턴온 전압이 인가되기 전일 수도 있으며, Tx1와 동일한 시점에 턴온 전압이 인가될 수 있으나 적어도 Tx1에 턴오프 전압이 인가되는 시점(rt1off, tt1off)이전에 Tx2에 턴온 전압이 인가되어야 한다. Tx1과 동시에 Tx2에도 턴온 전압이 인가되는 것이 가장 바람직하다.

또한 리셋 트랜지스터에 턴온 전압이 가해지는 시점(rxon)은 Tx3에 턴온 전압이 가해지는 시점(rt3on) 이전이어야 하므로 구간(524) 내에서 리셋 트랜지스터에 턴온 전압이 인가된다.

본 구동방법의 핵심은 각각의 게이트 전극을 제어하여 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역으로 전하의 이동이 있을 때 포토다이오드와 확산노드 사이에 하이 임피던스가 존재하도록 한 것이다. 따라서 포토다이오드에서 전하가 방출될 때 확산노드의 영향이 배제되어 암전류와 고정 패턴 잡음, 공정 편차에 따른 품질저하 등을 낮출 수 있으며 이용 가능한 가장 큰값의 전압인 전원전압을 턴온 전압으로 사용할 수 있으므로, 웰 캐패시티와 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있다. 도 5b는 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼에 소요되는 시간을 가능한 짧게 하며 효과적인 리셋과 트랜스퍼를 수행하기 위한 바람직한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1, Tx2, Tx3)와 리셋 트랜지스터(Rx)의 구동방법의 다른 실시예를 도시한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.

포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 소요시간(T_reset, T_trans)을 짧게 하고 효과적인 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼를 위해 같은 시점에 Tx1과 Tx2에 턴온 전압이 인가(rt1on과 rt2on, tt1on과 tt2on)되고 전체 리셋에 소요되는 시간(501')을 줄이기 위해 리셋 트랜지스터에 턴온 전압이 가해지는 시간(rxon)이 Tx1, Tx2에 턴온전압이 가해지는 시간(rt1on, rt2on)이 일치하는 것이 바람직하다. 또한 전체 리셋 소요시간(501')에서 확산노드의 리셋에 소요되는 시간(521')은 가능한 짧은 것이 바람직하고, 일반적인 4-트랜지스터 이미지 센서에서 통상적으로 확산노드의 리셋을 위해 사용하는 시간이어도 무방하다.

포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼에 소요되는 시간(T_reset, T_trans)동안 실질적으로 포토다이오드에서 채널 영역으로 전하의 방출이 일어나는 시간은 구간(510', 511')이다. 따라서 T_reset과 T_trans의 구간에서 Tx1에 턴온 전압이 인가되어 유지되는 시간(510', 511')이 포토다이오드 내의 모든 전하가 확산노드 방향으로 전달이 될 수 있도록 충분히 긴 것이 바람직하다.

도시한 파형의 최소한의 요구조건을 살펴보면, 상기 수광소자에 가장 가까운 Tx1의 턴오프(즉, 폴링)가 완료된 후 상기 확산노드에 가장 가까운 Tx3가 턴오프되 어야 한다. 또한, 상기 Tx1의 턴온시간이, 상기 Tx3의 턴온시간 보다 충분히 길어야 한다. 예컨대, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 총 구동시간(T_reset, T_trans)의 절반 이상을 상기 포토다이오드에 가장 가까운 Tx1게이트 전극의 턴온시간으로 할달할 수 있다.

이를 위해 리셋이나 트랜스퍼가 수행되는 기간동안 포토다이오드에서 방출되어 채널로 이동한 전하의 손실이 없는 한 Tx1에 턴오프 전압이 완전히 인가된 직후(rt1off") Tx3의 턴온 전압이 인가(rt3on')되며 Tx3에 턴온 전압이 완전히 인가된 직후(rt3on") Tx2에 턴오프 전압이 인가(rt2off')되고 Tx2에 완전히 턴오프 전압이 인가된 직후(rt2off") Tx3에 턴오프 전압이 인가(rt3off')되는 것이 바람직하다.

조도가 큰 밝은 곳에서는 짧은 인티그레이션 시간(integration time)의 조건이 필요한데 이를 위해도 도 5c에 가장 짧은 인티그레이션 시간을 가지는 구동방법의 실시예에 대한 타이밍 다이어그램을 도시하였다.

도면에서 수광소자의 리셋을 위해 3개의 게이트 전극 중 하나 이상에 턴온 전압이 가해지는 구간을 리셋 구간이라 하고, 상기 수광소자에서 생성된 전하를 전송하기 위해 3개의 게이트 전극 중 하나 이상에 턴온 전압이 가해지는 구간을 트랜스퍼 구간이라 칭할 때, 도시한 경우는 리셋 구간과 트랜스퍼 구간을 중첩되게 구현함으로써 시간 단축 효과를 극대화시키고 있다.

이때, 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 상기 트랜스퍼 구간을 위한 동작시, Tx1 및 Tx2은 상기 리셋 트랜지스터가 턴오프되기 전에 턴온되지만, 상기 확산노드에 가장 가까운 Tx3 만은 상기 리셋 트랜지스터가 턴오프된 후 턴온된다.

앞서 언급한 바 있지만, 다중게이트의 구동방법이나 파형이 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼시 다른 특징을 가질 수 있다. 도 5c의 경우에도 포토다이오드의 리셋시는 도 5a와 도 5b에 예시하고 설명한 바와 같은 구동 방법과 파형을 가질 수 있으며, 포토다이오드의 트랜스퍼시에는 짧은 인티그레이션 시간을 갖기 위해 Tx2 게이트에 리셋을 위한 턴온 전압 인가 후에 턴오프 전압이 인가가 완료된 후(rt2off) Tx1의 게이트에 트랜스퍼를 위한 턴온 전압을 인가(tt1on"') 할 수 있다.

트랜스퍼를 위한 Tx2의 턴온 전압의 인가(tt2on"')는 Tx3의 게이트에 턴 오프 전압이 인가된 후(rt3off)이어야 하며, 트랜스퍼를 위한 Tx3의 게이트에 턴온 전압을 인가(tt3on"')할 수 있는 시점은 리셋 트랜지스터에 턴오프 전압이 인가된 후(rxoff)이어야 한다. 상기의 타이밍 다이어그램의 일예에서 실제 포토다이오드에서 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 인티그레이션 시간은 구간(522"')이 되어 실질적으로 도 2a에 도시한 바와 같이 하나의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 구동시 갖는 가장 짧은 인티그레이션 시간보다 더 짧은 인티그레이션 시간을 가질 수 있다.

비록, 도 5a 내지 도 5c에서는 리셋 구간(510, 512, 514)에 대하여 Tx1, Tx2, Tx3의 순서로 차례로 스위치를 켜면서 수광소자를 리셋하는 경우를 도시하고 있지만, 일반적인 방식인 즉, 트랜지스터의 리셋구간(510,512,514)를 동시에 켜거 나, 동시에 켜진 구간이 있도록 하는 방법도 이용될 수 있다.

또한, 도시된 바의 역순으로 켜는 방식으로 리셋하여도 특성 차이가 있을 뿐 근본적으로 리셋 동작을 수행할 수 있다. 결론적으로, 트랜스퍼 동작은 여기에 설명된 방식을 따라야 하는 것과 달리 리셋의 동작은 상대적으로 다양하게 구현할 수 있다.

도 6a는 도 3과 도 4에 도시된 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터에 대한 구동방법의 또 다른 실시예에 따라 바람직한 턴온 전압을 도시한 타이밍 다이어그램이다. 각 시간 구간은 상기 도 5a와 거의 동일하지만, 전압 레벨이 여러개인 것에 차이가 있음을 알 수 있다. Von은 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압이고, Voff는 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압이다.

확산노드와 가장 인접한 Tx3에 의해 포토다이오드에서 광전하의 방출이 있을때 확산노드의 영향을 제거할 수 있으므로 포토다이오드와 가장 인접한 Tx1에 인가되는 전압은 사용가능한 전압중 가장 큰 전압이 되는 것이 바람직하며, 약간의 회로를 전압 부스팅 회로를 이용하여 전원전위(Vdd)보다 높은 전압을 가할 수 있다.

Tx2와 확산노드와 가장 인접한 Tx3의 경우 인가되는 턴온전압은 일정 범위를 가질 수 있으며 최적의 턴온전압을 선택하여 인가할 수 있다.

Tx2의 경우 적용할 수 있는 최저의 턴온 전압(Von-1)은 주어진 Tx2의 구조에서 Tx2에 인가되는 턴온 전압으로 결정되는 평형 채널 전하(Q2)의 양이 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 전하의 양(Qwc)보다 커야하는 조건을 만족하는 최저 전압이다. Tx2에 상기 최저 전압 이상의 전압이 인가되었을 때 광전하의 손실은 일어나지 않지만 Tx2에 의한 딥 디플리션 효과는 약해지므로 핫캐리어(hot carrier)나 게이트 절연막 품질저하(degradation)의 영향이 없는한 바람직하게는 Tx1에 인가되는 전압과 같은 전원전압(Vdd)를 인가하는 것이 바람직하다. 그러나 Tx1에 인가되는 전압보다 낮은 전압을 가하더라도 전하를 손실하지 않는 조건을 만족할 경우, 전하의 이동은 이루어질 수 있다.

확산노드와 가장 인접한 Tx3의 경우, 적용할 수 있는 최저의 턴온 전압(Von-2)은 Tx2하부의 채널영역과 확산노드 사이에 낮은 임피던스를 유지하는 조건을 만족하는 전압이 된다. 이 때에도 확산노드에서 전자가 넘어오지 않는 조건으로 동작시킬 수도 있고, 확산노드에서 전자가 넘어오지 않는 조건으로 동작시킬 수도 있다. 후자의 경우, 이전의 트랜스퍼 트랜지스터와 동일한 동작방식으로 동작하는 것과 동일하고, 전자의 경우 이전의 트랜스퍼 트랜지스터에 의하여 포토 다이오드에서 읽혀진 신호 전하가 이미 채널에 결정되어 있어 영향을 받지 않기 때문이다. 따라서 Tx3에 인가될 수 있는 최저 전압은 Tx3 게이트 절연막의 두께와 물질, 게이트 절연막 하부에 존재하는 실리콘 벌크의 불순물농도에 의해 결정되는 문턱전압이상인 전압이 최저 전압이 되며, 가능한 동작전압에서 가장 큰 전압인 전원전위(Vdd)가 인가 가능한 최대 전압이 된다. 한편 구현에 따라, 상기 포토다이오드에 가장 가까운 Tx1을 제외한 Tx2 및 Tx3에는 2개 이상의 레벨을 가지는 턴온 전압들을 순차적으로 인가할 수 있다. 예컨대, 보다 낮은 레벨의 턴온전압을 인가하고 나서 보다 높은 레벨의 턴온전압을 인가하는 방식으로, 계단식 파형을 이룰 수 있다.

이때, 상기 Tx2 및 Tx3에 인가되는 가장 낮은 레벨의 턴온 전압은, 상기 Tx2 및 Tx3에 동시에 인가될 수 있다. 만약 게이트 전극이 4개 이상인 경우에는 Tx1을 제외한 모든 게이트 전극의 전부 또는 그 일부에 대하여 동시에 인가될 수 있다.

또한, 상기 포토다이오드에 가장 가까운 Tx1에 인가되는 전압이 턴온 전압에서 턴오프 전압으로 스위칭될 때, 상기 포토다이오드에 가장 가까운 Tx1을 제외한 게이트 전극의 전부 또는 일부에 인가되는 전압이 어느 한 레벨의 턴온 전압에서 다음 레벨의 턴온 전압으로 동시에 스위칭되도록 구현할 수도 있다.

도 6b는 또 다른 실시예에 따라, 도 3과 도 4에 도시된 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터에 인가되는 바람직한 턴오프 전압을 도시한 타이밍 다이어그램이다. Von은 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압이고, Voff는 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압이다.

포토다이오드와 가장 가까운 게이트 전극 Tx1에 인가되는 턴 오프 전압은 접지 전위(ground voltage), 또는 접지 전위보다 낮은 턴오프 전위의 값(Voff-1)을 가질 수 있다.

더불어, 상기 수광소자에 가장 가까운 Tx1에 인가되는 턴오프 전압은 다른 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압보다 낮은 레벨을 가질수 있다.

음의 전압인 Voff-1의 값은 게이트 전극 물질의 종류와 게이트 절연막의 종류와 두께, 채널 도핑정도, 실리콘 벌크의 도핑농도에 따라 달라지는 값이다. 포토 다이오드에 광전하의 축적이 일어나는 전위의 우물이 형성되는 영역(도 4의 302)에서 게이트 전극물질의 일함수와 기판에서 채널 형성 영역의 일함수의 차이등으로 인해 포토다이오드와 인접한 기판의 채널 형성 영역에서 전위의 장벽이 가장 낮을 때, Tx1에 턴오프 전압으로 음의 전압을 가함으로써 포토다이오드의 웰 캐패시티를 증가시킬 수 있다.

이때 상기 Voff-1의 값은 바람직하게는 채널 형성 영역에 홀의 응집(hole accumulation)이 일어나기 시작하는 값 이상이며 기판(301)내부와 광전하의 축적이 일어나는 영역(도 4의 302)사이에 형성된 전위의 장벽보다 같거나 큰 전위의 장벽을 형성시킬 수 있는 값 이하의 값이다.

포토다이오드와 인접한 기판의 채널 형성 영역의 전위의 장벽이 기판과 포토다이오드와의 사이에 형성된 전위의 장벽보다 높다면 Tx1에 인가되는 턴오프 전압은 접지전위가 바람직하다.

또한 Tx1에 상기 특정한 턴오프 전압이 가해지는 구간은 Tx1에 턴오프 전압이 가해지는 전 구간일 수 있으며, 최소한 포토다이오드에 광전하의 축적이 이루어지는 구간(622)에서 상기 특정한 턴오프 전압이 인가되어야만 원하는 웰 캐패시티의 증가 효과를 만들 수 있다.

또한, 확산노드와 인접한 게이트 전극인 Tx3에 가해지는 턴오프 전압(Voff-2)은 접지전위 또는 더 바람직하게는 음의 전위를 가지는 것이 바람직하다. 포토다이오드에서 Tx1및 또는 Tx2 게이트 산화막 하부의 채널로 포토다이오드 내부의 전하의 이동이 일어나는 구간(610, 611)동안 포토다이오드와 Tx1 및 또는 Tx2는 로우 임피던스(low impedance)상태이어야 하는 반면, 확산노드(도 4의 304)와 포토다이오드의 전하의 축적 영역(도 4의 302)와 턴온 전압이 인가된 Tx1 및 또는 Tx2의 채널 형성영역(도 4의 410,420)은 하이 임피던스(high impedance)상태, 즉 오프로 유지될 수 있어야 한다.

이를 위해 Tx3의 턴오프 전압으로 음의 전압을 인가함으로써 포토다이오드에서 광전하의 방출이 일어나는 동안 확산노드와 영역(도 4의 302, 410, 420)에 더 큰 임피던스를 형성할 수 있다. 또한 Tx3의 턴오프 전압으로 음의 전압을 가함으로써 도 4의 L3와 W3같은 설계상 공정상의 변화, 확산노드의 불순물 농도나 구조의 변화나 확장영역의 유무, 게이트 전극와 확산노드와의 오버랩(overlap)정도, Tx1과 Tx2의 딥 디플리션 동작등에 변화에 민감하지 않으면서 확산노드에서 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역으로 전하의 방출이 일어나는 것을 방지할 수 있게 된다. Tx3에 특정한 턴오프 전압이 인가되는 구간은 Tx3에 턴오프 전압이 인가되는 전 구간이 될 수 있으며, Tx2의 턴온 전압이 인가되기 직전부터 Tx3에 턴온 전압이 인가되기 전 구간(600, 609) 및 일부 구간에만 인가되어도 소기의 효과를 이룰 수 있다.

한편, 상기 포토다이오드에 가장 가까운 Tx1 및 상기 확산노드에 가장 가까운 Tx3를 제외한 게이트 전극(도면에서는 Tx2)에 인가되는 턴오프 전압은 접지전압에서 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 문턱전압 사이의 레벨을 가질 수 있다.

도 5b를 이용하여 도 3과 도 4에 도시된 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터에 인가되는 신호 파형들의 바람직한 라이징 시간(leading time)과 폴링 시간(falling time)을 서술하겠다. 이하에서 서술하는 내 용을 상술한 도 6a 및 6b에 적용하여 라이징 시간 및 폴링 시간이 명확히 드러나는 신호 파형을 가질 수도 있음은 당연하다.

라이징 시간이란 턴오프 전압이 인가된 상태에서 턴온 전압이 인가되기 시작한 때(예를 들어 rt3on')에서 정해진 턴온 전압이 완전히 인가되는 때(예를 들어 rt3on")까지의 시간을 의미한다. 폴링 시간이란 턴온 전압이 인가된 상태에서 턴오프 전압이 인가되기 시작한 때(예를 들어 rt2off')에서 정해진 턴오프 전압이 완전히 인가되는 때(예를 들어 rt2off")까지의 시간을 의미한다.

포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에 존재하는 포텐샬 배리어(potential barrier)의 억제는 포토다이오드와 인접한 게이트 전극 Tx1의 턴온 전압과 채널 상태이외에도 전압 인가 방법에 큰 영향을 받는다. 포토다이오드에 축적된 광전하의 방출시 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 사이에 존재하는 포텐샬 배리어를 효과적으로 억제하기 위해서는, 특정한 턴온 전압에서, 포토다이오드와 인접한 게이트 전극에 턴오프 전압에서 상기 턴온 전압을 인가하는 전압의 인가시간이 전압 인가 회로가 허용하는 가능한 짧은 라이징 타임을 가지는 구동조건이 바람직하다.

따라서 Tx1과 Tx2의 경우 가능한 짧은 라이징 타임을 가지는 것이 바람직하며 Tx3의 경우 Tx3의 라이징 타임보다 전체적인 리셋과 트랜스퍼 수행시간을 단축하기 위해 턴온 시간이 가능한 짧은 것이 바람직하다.

이를 구체적으로 표현하면, 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극(Tx3)에 인가되는 턴온 전압의 라이징 타임은 상기 포토다이오드에 가장 가까운 게이트 전극(Tx1)에 인가되는 라이징 타임의 2배 이상인 것이 바람직하다.

포토다이오드에서 인접한 게이트 전극의 채널로 이동한 광전하의 확산노드까지의 이동은 트랜스퍼 트랜지스터를 이루는 다중게이트의 턴오프 전압 인가방법에 큰 영향을 받는다. 이하 도 5b의 포토다이오드의 리셋을 예로 들어 상술하지만 트랜스퍼의 경우에도 유사함을 명기하는 바이다. Tx1에 턴오프 전압이 인가된 직후(rt1off") Tx1 하부의 채널에 잡혀있던 신호 전하는 Tx2의 채널 영역으로 이동하게 된다.

이후 Tx3에 턴온 전압이 인가되면(rt3on") 신호 전하의 재배열과 확산노드로의 이동이 이루어지고, 최종적으로 Tx2에 턴오프 전압이 인가되면(rt2off") 턴오프로 스위칭되는 Tx2 게이트 하부에 잡혀있던 신호전하들이 Tx3의 채널영역과 확산노드로 이동하게 된다.

이렇게 트랜스퍼 게이트 전극이 턴 오프로 스위칭될 때 일어나는 신호전하의 이동은 채널 면과 평행한 횡적 전기장(lateral electrical field)에 의해 움직이게 된다. 이때, 게이트 전압에 의해 잡혀있던 신호전하는 기판과 같이 신호전하 전달 통로를 벗어난 곳으로 이동하여 신호전하의 손실을 일으키거나 포토다이오드로 돌아가 암전류 성분으로 나타나거나 이미지 래그와 같이 품질을 악화시킬 수 있다.

이를 방지하기 위해 신호전하의 이동시 확산노드 방향으로 가장 큰 값의 채널 면과 평행한 횡적 전기장을 제공해 줄 수 있도록, Tx1이나 Tx2에 턴오프 전압이 가해질 때(rt1off', rt2off') 턴오프 전압이 인가되는 게이트 전극와 인접한 게이트 전극(Tx2, Tx3)에 턴온 전압이 인가되어 있어야 하며, 턴오프 전압이 가해지는 게이트 전극의 턴온 전압에서 턴오프 전압이 인가되는데 걸리는 시간인 폴링 타임(falling time)이 이미지센서의 동작속도를 심각하게 저하하지 않는 한도 내에서 가능한 길어야 한다.

예컨대, 상기 포토 다이오드에 가장 가까운 게이트 전극(Tx1)에 인가되는 턴온 전압의 라이징 타임을 단축시킨 경우, 각 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압의 폴링 타임은 상기 단축시킨 라이징 타임의 2배 이상인 것이 바람직하다.

(실시예 2)

본실시예의 이미지 센서는, 포토다이오드, 상기 포토다이오드에서 생성된 광 유발 전하를 확산노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 감광 픽셀 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 이루는 다중의 게이트 전극들 각각의 전압 인가시간, 전압 제거시간, 전압 유지 시간 및 인가되는 전압의 크기등을 조절하는 제어부를 포함한다.

본 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조는 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 시, 확산노드가 포토다이오드의 전위에 미치는 영향을 제거하기 위해, 트랜스퍼 트랜지스터가 2개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 구조이다.

도 7a 및 7b는 본 발명이 구현될 수 있는 CMOS 이미지 센서의 일실시예의 포토다이오드 및 트랜스퍼 트랜지스터 영역을 도시한 단면도이다.

도 7a 및 7b에서 예시한 일실시예의 대부분의 구성요소들은 도 4의 일실시예에서 예시한 구성 요소들과 거의 유사하므로 자세한 설명은 생략하고, 발명의 주가 되는 트랜스퍼 트랜지스터를 중점적으로 설명하고자 한다.

도 7a 및 7b에서 트랜스퍼 트랜지스터는 서로 전기적으로 분리되어 있는 두 개의 게이트 전극(706, 708)과 게이트 절연막(705), 및 또는 측벽 절연막(710)과 기판(301)으로 이루어져 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극은 게이트 전극(706, 708)과 두 개의 게이트 전극을 분리하는 절연물질(709)과 게이트 절연막(705)와 게이트 전극에 전압을 인가하고 제어하는 제어라인 (730, 731)으로 구성된다. 이하, 상기의 물질과 구조로 구성된 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극은 Txa, Txb로 통칭하겠다.

앞서 언급했듯이 상기 제어라인들은 턴온 전압이나 턴오프 전압을 인가하는 시간, 유지되는 시간을 제어하는 회로부나 전압연결을 개폐하는 스위칭 소자 및/또는 온/오프시 인가되는 전압크기를 조절하는 제어부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

포토다이오드와 가장 인접한 게이트 전극인 Txa(706)는 특정한 턴온 전압이 인가되었을 때 Txa의 길이와 넓이 게이트 절연막을 이루는 물질의 종류와 두께에 의해 결정되는 Txa의 평형 채널 전하의 양은 포토다이오드가 최대한 축적할 수 있는 광전하의 양보다 커야하고 그 차이가 클수록 바람직하다. Txb(708)의 길이(Lb, Lb', Lb")는 Txa에 인가된 턴온 전압이 게이트 절연막(705)이나 게이트 전극물질 절연막(709), 기판(301)을 통하여 확산노드에 영향을 미치지 못하는 길이, 즉 Txa에 턴온 전압이 인가되어도 확산노드의 전압이 변하지 않는 길이가 바람직하다.

도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e와 도 7a의 차이는 Txb과 확산노드사이의 물리적 위치(오버랩의 여부)나 불순물 농도, 확산노드의 구조 변화(소스/ 드레인 확장영역)등 확산노드의 물리적 전기적 변화와 확산노드와 Txb와 확산노드와의 물리적 위치와 Txa와 Txb의 전극 물질 사이의 겹침 여부 등을 제외하고 도 7a의 실시예와 동일하다.

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 드레인 도핑 영역(304")과 상기 Txb 게이트 단자(708)가 서로 상하로 중첩되는 도 7d의 구조보다는, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 드레인 도핑 영역(304, 304(a), 304(b), 304(c), 304', 304"')과 상기 Txb 게이트 단자(708)는 서로 상하로 중첩되지 않는, 도 7d를 제외한 구조가 확산노드에서 채널로 전하의 방출을 억제하는 데 있어 다소 유리하다.

도 7a 내지 7e의 일실시예들은 본 발명의 핵심인 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 확산노드의 영향을 배제한다는 사상과 딥 디플리션 상태를 이용하여 효과적으로 배리어의 억제를 유도한다는 사상을 구현하는데 있어 차이점이 없고 근본적이지 않은 공정상이나 설계상의 변화에 의한 여러 일실시예들에 불과하다. 또한, 도 7a 내지 7e에 도시한 실시예들에서 Txa와 Txb는 도 3에 도시한 실시예의 Tx1과 Tx3에 각각 해당하고 실시예 1에서 설명한 Tx1과 Tx3의 구조적 특징과 유사한 특징을 가짐을 알 수 있다.

실시예 1에서 Tx2의 기능은 Tx1에서 넘어온 광전자 또는 리셋을 위한 전자를 Tx3로 전달하여 최종적으로 FD로 넘길 수 있도록 하는 역할을 한다. Tx1은 딥 디플리션 모드 또는 단순히 배리어를 감소시켜서 수광소자에서 전자를 가져오는 역할을 하고, Tx3는 FD 쪽에 전자를 딥 디플리션이 아닌 상태 또는 FD의 전자를 가져오지 않는 조건에서 동작하도록 하는 역할을 하는 반면에, Tx2는 Tx1과 Tx2를 연결해 주는 역할만을 한다. 따라서 Tx2가 생략되더라도 중요한 수광소자에서 전자를 가져오는 기능과 FD에 영향을 받지 않고 넘기는 기능을 하는 Tx1과 Tx3만 있으면 본 특허의 내용을 그대로 적용될 수 있다.

도 8a는 상기 도 7a 내지 7e를 통해 예시한 두개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 구성된 트랜스퍼 트랜지스터의 구조에서 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼에 해당하는 구동방법의 일실시예를 도시한 타이밍 다이어그램이다. 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 Txa과 Txb와 리셋 트랜지스터(Rx) 각각의 타이밍도를 나타내었고, 도 8에 있어 Von은 게이트 전극의 턴온 전압, Voff는 게이트 전극의 턴오프 전압을 의미한다.

두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 구성된 트랜스퍼 트랜지스터의 구조에서 광감지를 위해 포토다이오드를 일정한 전위로 만드는 리셋구간(810)은 다음과 같이 이해 될 수 있다. 즉, 포토다이오드를 리셋시키기 위해 리셋 트랜지스터(RX)에 턴온 전압이 가해지고(805) 포토다이오드와 인접한 Txa에 턴온 전압이 가해져(801) 확산노드와 전기적으로 분리된 상태에서, 포토다이오드에서 Txa 하부 채널 형성 영역으로 전하가 방출된다.

Txa의 게이트 절연막 하부에 모여있는 전하는 Txb의 게이트가 턴온되면,(803) 재분배되어 게이트 절연막 하부의 채널에 잡혀있거나 확산노드로 흘러가게 된다. 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트들에 모두 턴오프 전압이 인가된 상태(811)에 서 확산노드로 흘러간 전하는 리셋 트랜스퍼에 형성된 채널을 통하여 픽셀의 외부회로로 빠져나가게 되고 확산노드는 일정한 전위로 리셋되게 되며(811), 리셋 트랜지스터에 턴오프 전압이 인가되며 확산노드는 플로팅 상태가 된다.

포토다이오드는 Txa의 게이트에 턴오프 전압이 인가되는 순간부터 광전하의 검출을 위해 Txa이 다시 턴온되는구간(802) 사이의 시간 동안(812, integration time) 광을 감지하여 광에 의해 생성된 광전하를 포토다이오드에 축적하게 된다.

축적된 광전하를 센싱하는 구간 즉 트랜스퍼(813)의 과정은 다음과 같다. 일정한 시간(812, integration time)이 흐른 후 포토다이오드와 인접한 Txa의 게이트에 턴온 전압이 인가되면(802) 완전공핍형의 포토다이오드의 경우 일정 시간동안(815) 포토다이오드 내부에 존재하는 이동 가능한 모든 전하가 Txa의 게이트 절연막 하부의 채널영역으로 이동하고, Txa은 디플리션 상태로 신호전하를 잡아두게 된다. 포토다이오드가 불완전 공핍형일 경우 Txa의 게이트에 턴온 전압이 인가되는 구간동안(802) 포토다이오드로부터 Txa의 채널로 전하의 방출이 일어나게 된다.

Txa의 게이트에 턴온 전압이 인가된 상태에서 Txb의 게이트에 턴온전압이 인가(816)되면 Txa의 채널에 잡혀있는 전하의 재배열이 일어난다. Txb의 게이트가 턴온된 상태에서 Txa이 턴온 전압에서 턴오프 전압으로 스위칭되면(817) Txa 채널에 잡혀있던 전하들이 Txb의 채널로 이동하거나 확산노드로 흘러들어가게 되고 Txb의 게이트가 턴온 전압에서 턴오프 전압으로 스위칭되면 채널 하부에 존재하는 모든 전하가 확산노드로 이동하게 된다.

또한 리셋 트랜지스터에 턴온 전압이 가해지는 시점(rxon)은 일정 구간(814) 내에 위치할 수 있지만, 리셋에 소요되는 시간을 단축하기 위해 Txa에 턴온 전압이 가해지는 시점과 동일한 것이 바람직하다.

세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 구동 방법의 일예와 마찬가지로 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 트랜스퍼 트랜지스터가 구성된 경우 짧은 인티그레이션 시간을 가질 수 있는 구동방법의 다른 실시예에 대한 타이밍 다이어그램을 도 8b에 도시하였다.

포토다이오드에 축적된 광전하의 트랜스퍼를 위해 Txa에 턴온 전압이 인가(ttaon)될 수 있는 가장 빠른 시점은 리셋을 위해 Txb에 턴오프 전압이 가해진 직후(rtboff)가 될 수 있으며, 트랜스퍼를 위한 Txb에 턴온 전압이 인가(ttbon)될 수 있는 가장 빠른 시점은 확산노드의 리셋을 실행하고 리셋 트랜지스터(Rx)에 턴오프 전압이 인가된 직후(rxoff)이다. 이때 집광 시간인 인티그레이션 타임은 구간(812')가 된다.

도 8c는 상기 도 7의 구조를 포함한 이중 게이트로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 구동방법의 실시예에서 바람직한 라이징 타임(leading time)과 폴링 타임(falling time)을 도시한 타이밍도이다. 상기 도면에 따른 구동방법은 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼에 소요되는 구동시간을 단축할 수 있다.

포토다이오드가 완전공핍형이든 불완전공핍형이든 포토다이오드의 피닝 전압을 올리고, 포토다이오드가 리셋되는 전위를 증가시키기 위해, 상술한 바와 같이 포토다이오드가 모을 수 있는 광전하의 최대량보다 Txa의 평형채널전하의 양이 더 커야하고, 필 팩터(fill factor)가 허용하는 한 Txa의 평형 채널 전하량과 포토다이오드가 최대 축적할 수 있는 전하량의 차이가 클수록 바람직하다.

상기 딥 디플리션 효과를 최대한 이용할 수 있도록 도 8c에 도시한 바와 같이 Txa이 턴오프 전압에서 턴온 전압으로 스위치될 때(rtaon', rtaon") 상기 게이트 전극 절연막 하부가 딥 디플리션(deep depletion) 상태가 되도록 전압인가회로가 허용하는 짧은 전압의 라이징 타임을 가지는 구동조건이 바람직하다.

또한, 방출된 전하의 효과적인 이동을 위하여 Txa의 폴링 시간(rtaoff''- rtaoff')과 Txb의 폴링 시간(ttaoff''-ttaoff')은 이미지 센서의 동작시간의 열화를 유도하지 않는 한 긴 것이 바람직하다. 포토다이오드의 리셋 구동(810")을 기준으로 설명하였지만, 상기의 구동 특징들은 포토다이오드의 트랜스퍼 구동(813")에도 유사하게 적용됨은 자명한 사실이다.

도 8c에서 포토다이오드가 완전공핍형인지 불완전공핍형인지에 따라 전압의 인가시간(801", 802")이 포토다이오드에서 전하의 방출시 미치는 영향이 달라진다. 완전공핍형 포토다이오드의 경우 Tx1의 턴온 전압이 가해지는 시간이 일정 시간 이상이면 포토다이오드의 리셋이나 트랜스퍼 후의 전위에 영향을 미치지 않지만, 불완전공핍형 포토다이오드일 때는 턴온 전압이 가해지는 전 구간동안 포토다이오드에서 게이트 전극의 채널로 전하의 이동이 일어나므로 일정한 리셋이나 트랜스퍼 시간(810", 813")에서 Tx1에 턴온 전압이 가해지는 구간(801", 802")이 긴 것이 바람직하다.

즉, 도 8c에서는 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼 구동에 필요한 전체 소요 시간(810", 813")를 최소화하며, Txa에 턴온 전압이 가해지는 시간을 최대화하기 위한 구동방법의 일실시예를 도시하였다.

리셋 트랜지스터와 Txa에 턴온 전압이 동시에 인가되며 Txb에 턴온 전압이 완전히 인가된 직후(rtbon") Txa에 턴오프 전압이 인가(rtaoff')되기 시작하여 Txa에 턴오프 전압이 완전히 인가된 직후(rtaoff") Txb에 턴오프 전압이 인가(rtboff')되기 시작하는 것이 바람직하며, 턴오프 전압이 완전히 인가된 직후(rtboff") 구간(805")에서 포토다이오드의 리셋에 소요된 구간(810")의 차가 확산노드의 리셋을 위해 필요한 최소 시간인 것이 바람직하다. 포토다이오드의 리셋 구동(810")을 기준으로 설명하였지만, 상기의 구동 특징들은 포토다이오드의 트랜스퍼 구동(813")에도 유사하게 적용됨은 자명한 사실이다.

트랜스퍼 트랜지스터가 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 구성된 실시예에서 리셋 트랜지스터의 턴온 전압과 턴오프 전압을 제외한 나머지 턴온 전압과 턴오프 전압에 대한 상세한 설명을 기술한다. Txa의 턴온 전압은 전압구동회로에서 가능한 가장 큰 동작 전압인 전원전위를 가하고, Txb의 턴온 전압은 게이트 절연막의 두께와 게이트 절연막 하부에 존재하는 실리콘 벌크의 불순물농도에 의해 결정되는 문턱전압이상인 전압과 전원전압 사이의 특정한 값을 가질 수 있다.

턴오프 전압은 Txa의 경우 즉 포토다이오드와 가장 인접한 게이트 전극의 경우 접지(ground)전위이거나 음의 전위를 가질 수 있고, Txb의 경우 접지(ground)나 음의 전위이거나 게이트 절연막의 두께와 물질, 게이트 절연막 하부에 존재하는 실 리콘 벌크의 불순물농도에 의해 결정되는 문턱전압이하의 값을 가질 수 있다.

실시예 1과 실시예 2에 대한 상기의 설명에서 알 수 있듯이 트랜스퍼 트랜지스터가 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 일실시예의 Txa는 앞서 기술한 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 일실시예의 구성요소 중 Tx1과 유사한 구동 특징을 가지며, 트랜스퍼 트랜지스터가 두 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 일실시예의 Txb는 앞서 기술한 세 개의 트랜스퍼 게이트 전극으로 이루어진 트랜스퍼 트랜지스터의 일실시예의 구성요소 중 Tx3과 유사한 구동 특징을 가짐을 명기한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

예컨대, Txb에 턴온 전압을 인가할 때 일정 시간동안 낮은 턴온 전압을 인가한 이후에 높은 턴온 전압을 인가하는, 즉 2개 이상의 턴온 전압들을 순차적으로 인가하여 동작시킬 수 있다.

예컨대, Txb에 2개 이상의 턴온 전압들을 순차적으로 인가하여 턴온 동작을 구동할 때, 낮은 턴온 전압은, 확산노드를 일반 트랜지스터의 소스로 볼 때 확산노드의 전압과 확산노드와 가장 인접한 트랜스퍼 게이트게이트 전극의 절연막 두께와 물질, 절연막 하부의 실리콘벌크와 확산노드사이에 존재하는 불순물 농도와 종류에 의해 결정되는 문턱전압(최초 제안서에는 항복전압이었는데, 김미진 연구원이 수정 하였음)의 차에 해당하는 전압 이하를 가질 수도 있으며, 높은 턴온 전압은 낮은 턴온 전압 이상의 값과 전원 전위 이하의 값을 가질 수 있다. 이때, Txa에 턴온 전압이 가해질 때 Txb에 상기 낮은 턴온 전압을 동시에 인가할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 상세한 설명에서는 통상적으로 널리 사용되는 수광소자의 한 종류인 포토다이오드로 구체화하여 설명하였지만, 포토 트랜지스터 같은 다른 형태의 수광소자를 사용할 수도 있음은 자명하다.

상기 구성에 따른 본 발명의 이미지 센서를 실시함에 의해, 낮은 동작 전압 환경에서도 암전류 및 고정패턴 잡음, 이미지 래그등을 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이미지 센서의 작동에 있어 공정변수에 민감하지 않고, 포토다이오드가 완전공핍형일 경우 피닝 전압을 상승시킬 수 있고, 불완전 공핍형일 경우 포토다이오드의 리셋과 트랜스퍼가 일정하게 수행되고 더 높은 전위로 포토다이오드를 리셋시킴으로써, 이미지 센서의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 개선하고 신호대 잡음비(signal to noise ratio)를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이미 사용 중인 공정을 바탕으로 구현 가능하므로 종래 기술로부터 개선이 용이한 효과도 있다.

Claims

광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및

상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며, 상기 수광소자와 상기 확산노드 사이에 서로 다른 위치에 형성되는 2개 이상의 게이트 전극을 구비하는 트랜스퍼 트랜지스터

를 포함하는 이미지 센서 내 상기 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법에 있어서,

상기 수광소자에 가까운 게이트 전극의 턴온전압이 적어도 하나의 다른 전극의 턴온전압보다 먼저 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터는,

3개 이상의 게이트 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가까운 게이트 전극부터 턴오프 전압이 순차적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가까운 게이트 전극부터 턴온 전압이 순차적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극들에 대한 턴온 전압은 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극의 턴온 구간은 다른 게이트 전극의 턴온 구간보다 긴 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제2항에 있어서,

상기 확산노드에 3째로 가까운 게이트 전극에 턴오프 전압이 완전히 인가된 후 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에 턴온 전압이 인가되며,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에 턴온 전압이 완전히 인가된 후, 상기 확산노드에 2째로 가까운 게이트 전극에 턴오프 전압이 인가되며,

상기 확산노드에 2째로 가까운 게이트 전극에 턴오프 전압이 완전히 인가된 후, 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에 턴오프 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서, 어느 한 게이트 전극의 턴온 구간은 인접 게이트 전극의 턴온 구간과 일부가 중첩되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 구동 중에 턴온 전압이 인가된 상태의 게이트 전극의 개수는 2개 이하인 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압의 라이징 타임은, 상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압의 라이징 타임보다 2배 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압의 폴링 타임은, 상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압의 라이징 타임보다 2배 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에는 상기 트랜스퍼 트랜지스터가 구비하는 2개 이상의 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압 중 가장 높은 턴온 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에는 상기 트랜스퍼 트랜지스터가 구비하는 2개 이상의 게이트 전극에 인가되는 턴온 전압 중 가장 낮은 턴온 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극에는 2개 이 상의 레벨을 가지는 턴온 전압들이 순차적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제14항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극에 인가되는 상기 2개 이상의 레벨을 가지는 턴온 전압들 중 가장 낮은 레벨의 턴온 전압은, 상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 모든 게이트 전극 또는 그 일부에 대하여 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제14항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극에 인가되는 어느 한 레벨의 턴온 전압에서 다음 레벨의 턴온 전압으로의 트랜지션은, 상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 모든 게이트 전극 또는 그 일부에 대하여 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제14항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 전압이 턴온 전압에서 턴오프 전압으로 스위칭될 때,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극의 전부 또는 일부에 인가되는 전압이 어느 한 레벨의 턴온 전압에서 다음 레벨의 턴온 전압으로 동시에 스위칭되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압은 다른 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압보다 낮은 레벨을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제18항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압은 음전위를 가지는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극 및 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극을 제외한 게이트 전극에 인가되는 턴오프 전압은 접지전압에서 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 문턱전압 사이의 레벨을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동 방법.
제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는,

상기 수광소자 및 확산노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터를 더 포함하며,

상기 트랜스퍼 트랜지스터는,

상기 수광소자에서 생성된 전하를 전송하기 위한 트랜스퍼 구간 및 상기 수광소자 및 확산노드를 리셋시키기 위한 리셋 구간에서 턴온되는데,

상기 트랜스퍼 구간을 위한 동작시,

일부 게이트 전극은 상기 리셋 트랜지스터가 턴오프되기 전에 턴온되며,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극은 상기 리셋 트랜지스터가 턴오프된 후 턴온되는 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법.
제1항에 있어서,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극의 턴오프가 완료된 후 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극이 턴오프되며,

상기 수광소자에 가장 가까운 게이트 전극의 턴온시간이, 상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극의 턴온시간 보다 긴 것을 특징으로 하는 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법.
광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및

상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하되,

상기 트랜스퍼 트랜지스터는,

상기 수광소자 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 PD 인접 게이트 전극과,

상기 확산노드 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 FD 인접 게이트 전극과,

상기 PD 인접 게이트 전극과 FD 인접 게이트 전극 사이에, 상기 PD 인접 게이트 전극 및 FD 인접 게이트 전극과 절연된 상태로 형성된 중간 게이트 전극

을 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제23항에 있어서,

상기 PD 인접 게이트 전극과 중간 게이트 전극 사이 및/또는 상기 중간 게이트 전극과 FD 인접 게이트 전극 사이에, 다른 게이트 전극과 절연된 하나 이상의 추가 게이트 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제23항에 있어서,

상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 전극들 중 적어도 하나는,

이웃하는 게이트 전극과 일부 영역이 서로 상하로 중첩된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제23항에 있어서,

상기 FD 인접 게이트 전극의 게이트 폭 또는 넓이가 다른 게이트 전극의 폭 또는 넓이보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서
제23항에 있어서,

제1항 내지 제22항 중 어느 하나에 의한 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법을 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및

상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며,

상기 수광소자 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성된 제1 게이트 전극과,

상기 확산노드 영역에 인접한 채널 영역 상부에 형성되며, 상기 제1 게이트 전극과 절연된 제2 게이트 전극을 구비하는 트랜스퍼 트랜지스터; 및

제1항 내지 제21항 중 어느 하나에 의한 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법을 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제28항에 있어서,

상기 제2 게이트 전극의 게이트 폭 또는 넓이가 제1 게이트 전극의 폭 또는 넓이보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제28항에 있어서, 상기 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극은,

일부 영역이 서로 상하로 중첩된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제28항에 있어서,

상기 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극 사이에 적어도 하나 이상의 추가 게이트 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
광에 의해 생성되는 광 유발 전하를 생성하는 수광소자; 및

상기 광 유발 전하를 확산노드로 전달하며, 적어도 2개 이상의 게이트 전극을 가지는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서,

수광소자가 축적할 수 있는 광 유발 전하의 최대전하량보다 상기 게이트 전극에 의한 평형채널 전하의 양이 더 커서, 수광소자에서 광전하의 방출시 상기 게이트 전극에 의한 채널이 딥 디플리션 상태로 동작하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제32항에 있어서,

수광소자와 인접한 트랜스퍼 트랜지스터를 제외한 적어도 하나의 게이트 전극에 의한 채널은 딥 디플리션 상태로 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제33항에 있어서,

상기 확산노드에 가장 가까운 게이트 전극에 의한 채널은 딥 디플리션 상태로 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.