KR100995711B1 - 씨엠오에스 고체촬상장치 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

소형화, 고화소수화(高畵素數化), 저소비전력화 및 고속화를 도모하는 동시에, 고화질화도 달성할 수 있는 CMOS 고체촬상장치이다. 본 발명은, 수광량에 따른 광전변환을 실시하는 수광부(11)와, 수광부(11)에서 광전변환하여 얻은 전하를 독출하기 위한 전송게이트(12a)와, 수광부(11)의 주변에 설치되는 주변 트랜지스터를 갖추는 CMOS 고체촬상장치 및 그 구동방법에 있어서, 전송게이트(12a)로의 인가전압을 주변 트랜지스터의 인가전압보다 높게 하는 것이다.

Description

씨엠오에스 고체촬상장치 및 그 구동방법{CMOS solid-state image pickup device and drive method thereof}
본 발명은, 화소부에서 광전변환하여 얻은 전하를 전송게이트로부터 전하전위 변환수단으로 전송하여 화상신호를 얻는 CMOS 고체촬상장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
CMOS 고체촬상장치는 CCD(전하전송장치)에 비하여 소형화, 저소비전력화를 도모할 수 있고, 디지털 스틸 카메라나 휴대전화기의 촬상소자로서 적용되고 있다.
이 CMOS 고체촬상장치에 있어서 더욱더 소형화 및 저소비전력화를 달성하기 위해서는, 1화소당 면적을 스케일링 법칙에 따라서 축소하고, 화소를 구성하는 소자의 길이를 축소하고, 전원전압을 내릴 필요가 있다. 이것에 의해, 소자의 영역은 축소하고, 감도도 비례 축소하게 된다.
한편, CCD에 있어서의 고속화, 고화질화를 목적으로 한 종래기술로서는 특허 제 2618939호를 들 수 있다. 이 기술에서는, CCD의 소형 고해상도화를 도모한 경우의 고속 독출을 실시함에 있어서, 수평 CCD 레지스터 사이에서 신호전하가 혼합(신호열화)하는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이 CCD에 있어서의 신호열화를 방지하는 기술은 개시되어 있지만, CMOS 고체촬상장치에 있어서 취급가능 전하량이 축소된 경우의 S/N 저하에 대해서는 충분한 대책이 세워지고 있지 않다. 즉, CMOS 고체촬상장치에서는 화소부와 주변회로를 동일한 프로세스에서 제조할 수 있는 메리트가 있지만, 스케일링 법칙에 따라서 화소영역이 축소되면 전원전압도 저하하게 된다. 이것에 의해서 화소부로부터 전하를 독출하기 위한 전송게이트로의 인가전압도 저하해 버리는, 포화전하량의 감소에 의한 S/N 저하를 초래하는 것이 된다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이다. 즉, 본 발명은, 수광량에 따른 광전변환을 실시하는 화소부와, 화소부에서 광전변환하여 얻은 전하를 독출하기 위한 전송게이트와, 화소부의 주변에 설치되는 주변 트랜지스터를 갖추는 CMOS 고체촬상장치 및 그 구동방법에 있어서, 전송게이트로의 인가전압을 주변 트랜지스터로의 인가전압보다 높게 하는 것이다.
또한, 본 발명은, 촬상영역과, 이 촬상영역과 동일한 칩에 설치된 회로영역을 가지고,
상기 촬상영역은 복수의 화소를 포함하고,
상기 복수의 화소의 각각은 수광량에 따라서 전하를 생성하는 수광부와, 상기 수광부로부터 전하를 독출하는 전송게이트를 포함하고,
상기 전송게이트에 인가되는 전압은, 상기 주변회로영역에 포함되는 어느 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압보다도 높은 CMOS 고체촬상장치이다.
제 1도는, 본 실시형태에 관한 CMOS 고체촬상장치를 설명하는 전체평면도이다.
제 2도는, 본 실시형태에 관한 CMOS 고체촬상장치의 화소부 확대평면도이다.
제 3도는, 다른 화소부 확대평면도이다.
제 4도는, 제 1의 구체 예를 설명하는 모식단면도이다.
제 5도는, 전압(VTx)과 포화신호량과의 관계 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
제 도 6은, 제 2의 구체 예를 설명하는 모식단면도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면에 의거하여 설명한다. 제 1도는, 본 실시형태에 관한 CMOS 고체촬상장치를 설명하는 전체평면도, 제 2도는, 본 실시형태에 관한 CMOS 고체촬상장치의 화소부 확대평면도, 제 3도는, 다른 화소부 확대평면도이다.
즉, 제 1도에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 CMOS 고체촬상장치(1)는 1칩 내에 촬상영역(10) 및 주변회로영역(20)을 갖춘 구성으로 되어 있다. 촬상영역(10)에는 세로 가로에 복수의 화소부가 배치되며, 각 화소부에 대응하여 전송게이트를 갖춘 독출 트랜지스터나 증폭 트랜지스터 등이 구성되어 있다.
또한, 주변회로영역(20)에는, 촬상영역(10)의 각 화소부 및 각 트랜지스터로 공급하는 전원을 제어하는 회로나 각 화소부에서 확보한 신호를 처리하는 회로 등 이 구성되어 있다.
제 2도에 나타내는 예는, 각 수광부(11)에 대응하여 독출 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14) 및 셀렉트 트랜지스터(15)가 배치되는 4 트랜지스터형의 CMOS 고체촬상장치, 제 3도에 나타내는 예는, 각 수광부(11)에 대응하여 독출 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13) 및 증폭 트랜지스터(14)가 배치되는 3 트랜지스터형의 CMOS 고체촬상장치이다.
어느 예에 있어서도 본 실시형태의 CMOS 고체촬상장치에서는, 독출 트랜지스터(12)의 전송게이트(12a)로 인가하는 전압(VTx)이, 그 이외의 주변 트랜지스터로 인가하는 전압(VG)보다 높게 되어 있는 점에 특징이 있다.
여기에서, 주변 트랜지스터에는, 제 1도에 나타내는 주변회로영역(20)에서 동작하는 트랜지스터나, 제 2도, 제 3도에서 나타내는 각 수광부(11)에 대응하여 설치되는 증폭 트랜지스터(14), 셀렉트 트랜지스터(15)를 포함하는 것으로 한다.
이와 같이, 전송게이트(12a)에 인가하는 전압을, 주변 트랜지스터로의 인가전압보다 높게 함으로써, 스케일링 법칙에 따른 주변 트랜지스터의 스페이스 절약화, 저소비전력화 및 고속화를 도모하여 주변 트랜지스터의 구동전압 저하를 도모한 경우에도, 수광부(11)에 대응한 전송게이트(12a)의 인가전압이 높기 때문에, 수광부(11)로부터 전송게이트(12a)를 통해 독출할 수 있는 전하의 포화량을 저하시키지 않아도 되도록 된다.
제 4도는 제 1의 구체 예를 설명하는 모식단면도이다. 화소부에는 1개의 photo diode(포토 다이오드)로 이루어지는 수광부(11)와, 이것에 대응한 전송게이트(12a) 및 Floating Diffusion(전하전압 변환부)(16)이 설치되며, 주변회로영역에는 Logic Tr.(로직 트랜지스터)(21)이 배치되어 있다.
이 예에서는, 전송게이트(12a)로 인가하는 전압(VTx)과 로직 트랜지스터(21)에 인가하는 전압(VG)과의 관계로서, VTx > VG 로 되도록 되어 있다. 이와 같이, 전송게이트(12a)로 인가하는 전압(VTx)을 주변회로영역의 로직 트랜지스터(21)로 인가하는 전압(VG)보다 높게 설정하는 것으로, 수광부(11)로부터 완전전송 가능한 신호전하수, 즉 포화전화량을 늘릴 수 있고, 소자의 스케일링 법칙에 따른 고화소수화(高畵素數化), 소형화, 저소비전력화와 동시에 고 S/N, 고화질을 달성할 수 있도록 된다.
제 5도는 전압(VTx)과 포화신호량과의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 이 그래프의 가로축은 VTx 차분(주변 트랜지스터의 구동전압과의 차), 세로축은 포화신호량(a.u)이다. 이와 같이, VTx 차분이 약 0.5V 있으면 포화신호량이 약 2배가 되며, 근소한 전압차분이라도 포화신호량에 미치는 영향이 대단히 크다는 것을 나타내고 있다.
또한, VTx 차분을 크게 하면 포화신호량도 증가하게 되지만, VTx 차분의 증가에 수반하여 게이트장(長)이 증대하고, 화소부영역의 축소로 이어져 버린다. 이 때문에, VTx 차분은 화소부영역에 영향을 끼치지 않는 0.5 ~ 1.0V 정도가 바람직하다.
제 6도는 제 2의 구체 예를 설명하는 모식단면도이다. 화소부에는 1개의 Photo diode(포토 다이오드)로 이루어지는 수광부(11)와, 이것에 대응한 전송게이트(12a) 및 Floating Diffusion(전하전압 변환부)(16)가 설치되며, 주변회로영역에는 Logic Tr.(로직 트랜지스터)(21)가 배치되어 있다.
또한, 이 예에서는, 수광부(11)의 전송게이트(12a)의 부분만 게이트 절연막의 막 두께를 두껍게 하고, 연한 농도의 LDD(Lightly doped drain)를 전송게이트(12a)의 전하 하류 측에 설치하고 있다.
즉, 전송게이트(12a)의 게이트 절연막의 막 두께를 Tox(Tx), 주변회로영역의 로직 트랜지스터(21)에 있어서의 게이트 절연막의 막 두께를 Tox(Logic)로 한 경우, Tox(Tx)>Tox(Logic), 전송게이트(12a)에 대응하는 LDD의 불순물농도를 NLDD(Tx), 주변회로영역의 로직 트랜지스터(21)에 있어서의 LDD의 불순물농도를 NLDD(Logic)로 한 경우, NLDD(Tx)<NLDD(Logic)로 하고 있다.
이것에 의해, 전송게이트(12a)로 인가하는 전압(VTx)과 로직 트랜지스터(21)에 인가하는 전압(VG)과의 관계로서, VTx≫VG가 가능하게 되며, 앞에 설명한 구체 예 1보다도 더욱 포화전하량을 증가할 수 있도록 된다. 즉, 구체 예 2에서는, 구체 예 1보다도 고화질을 필요로 하는 용도에 적합하다.
어느 구체 예에 있어서도, 제 1도에 나타내는 주변회로영역에 설치된 전원제어회로에 의해서 수광부(11)에 대응한 전송게이트(12a)로의 인가전압(VTx)과 주변 트랜지스터로의 인가전압(VG)을 별개로 가해지도록 해 둔다.
이것에 의해, CMOS 고체촬상장치의 구동방법으로서, 구체 예 1과 같은 VTx > VG나 구체 예 2와 같은 VTx ≫ VG로 되는 인가전압을 각각의 트랜지스터로 가할 수 있고, 주변 트랜지스터의 소형화, 저소비전력화, 고속화와, 포화전하량의 증가 의 양립을 도모하는 것이 가능하게 된다.
여기에서, 전송게이트(12a)로의 인가전압(VTx)이 주변회로영역(20)에 포함되는 어느 트랜지스터로의 인가전압(VG)보다도 커지도록 하면, 주변회로부를 최대한으로 소형화, 저소비전력화, 고속화할 수 있다.
또한, 전송게이트(12a)로 인가되는 전압(VTx)을, 주변회로영역(20)에 포함되는 트랜지스터의 전압보다도 높을 뿐만 아니라, 동일 칩에 포함되는 모든 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압 중에서 가장 높은 값으로 한다면, 칩 내의 트랜지스터를 소형화, 저소비전력화, 고속화하는 설계를 실시한 경우에도, 수광부로부터 독출 가능한 전하량을 최대한으로 확보할 수 있고, 화질이 향상된다.
또한, 전송게이트(12a)로 인가되는 전압(VTx)과 동일한 값의 전압이, 화소 내에 포함되는 다른 게이트(예를 들면 리셋 트랜지스터(13)의 게이트)에 인가되어도 좋다.
이 경우, 다른 게이트로 공급되는 전압을 조정할 필요가 없어지며, 전송게이트(12a)로 전압을 공급하는 전원으로부터 다른 게이트로도 전압을 공급할 수 있다.
본 실시형태의 CMOS 고체촬상장치에서는, 상기와 같은 메리트가 있기 때문에, 특히 소형의 디지털 스틸 카메라나 휴대전화기, 휴대단말장치로 탑재하는 촬상장치로서 유효하다.
또한, 본 발명은 렌즈 계열이나 별도의 칩을 포함한 CMOS형 고체촬상장치에도 적용할 수 있다(모듈 타입).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다. 즉, CMOS 고체촬상장치에 있어서, 스케일링 법칙에 따른 주변 트랜지스터의 스페이스 절약화, 저소비전력화 및 고속화를 도모한 경우에도, 화소부로부터 전송게이트를 통해 독출할 수 있는 전하의 포화량이 주변 트랜지스터의 구동전압에 의해서 억제되는 일이 없고, 화소부로서 명암의 계조(階調)표현능력(다이나믹 레인지) 향상을 도모할 수 있다.

Claims (9)

  1. 수광량에 따른 광전변환을 실시하는 화소부와, 상기 화소부에서 광전변환하여 얻어진 전하를 독출하기 위한 전송게이트와, 상기 화소부의 주변에 설치되는 주변 트랜지스터를 갖춘 CMOS 고체촬상장치에 있어서,
    상기 전송게이트로의 인가전압을 상기 주변 트랜지스터로의 인가전압보다 높게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송게이트에 대응한 게이트 절연막의 두께를 상기 주변 트랜지스터에 대응하는 게이트 절연막의 두께보다 두껍게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전송게이트의 전하 하류 측에 설치되는 전하전위 변환부만 전계 완화한 불순물 프로파일로 구성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
  4. 화소부에서 광전변환하여 얻은 전하를, 전송게이트를 통해 전하전위 변환수단으로 전송하는 CMOS 고체촬상장치의 구동방법에 있어서,
    상기 전송게이트로의 인가전압을, 상기 화소부의 주변에 설치되는 주변 트랜 지스터로의 인가전압보다 높게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치의 구동방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 주변 트랜지스터는 상기 전송 게이트가 아닌 다른 단위 화소부에 포함된 트랜지스터가 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 화소부의 각각에 공급되는 전류원을 제어하는 회로 영역, 또는 상기 화소부의 각각에 로드되는 신호를 처리하는 회로내에 포함된 트랜지스터가 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    화소는, 상기 전송게이트 외에, 상기 전송게이트에 인가되는 전압과 동일한 값의 전압이 인가되는 게이트를 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS 고체촬상장치.
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