KR101003246B1

KR101003246B1 - Ｃｍｏｓ 이미지센서

Info

Publication number: KR101003246B1
Application number: KR1020040029317A
Authority: KR
Inventors: 이난이
Original assignee: 크로스텍 캐피탈, 엘엘씨
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2010-12-21
Also published as: KR20050104083A

Abstract

칩사이즈를 줄이면서도 픽셀의 개수와 수광소자의 영역을 충분히 확보할 수 있는 CMOS 이미지센서가 개시되어 있는 바, 본 발명의 CMOS 이미지센서는 서로 다른 영역에서 빛을 받아 광전하를 생성하는 복수의 포토다이오드; 대응되는 상기 포토다이오드의 광전하를 제1제어신호에 제어받아 운송하기 위한 복수의 트랜스퍼트랜지스터; 상기 트랜스퍼트랜지스터를 통해 운송된 광전하를 전달받는 공통플로팅확산영역; 전원공급단과 상기 공통플로팅확산영역 사이에 소스-드레인 경로가 접속되고 제2제어신호에 제어받아 원하는 값으로 공통플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터; 소스단이 상기 전원공급단에 접속되고 게이트가 상기 공통플로팅확산영역에 접속되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터; 및 상기 드라이브트랜지스터의 드레인단과 픽셀출력단 사이에 자신의 소스-드레인 경로가 접속되고 제3제어신호에 제어받아 스위칭 역할로 어드레싱을 할수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터를 포함한다.

CMOS이미지센서, 픽셀, 포토다이오드, 공통플로팅확산영역, 레이아웃

Description

ＣＭＯＳ 이미지센서{CMOS image sensor}

도 1a는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서에서 단위픽셀의 구성을 도시한 회로도,

도 1b는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서에서 단위픽셀의 레이아웃을 도시한 도면,

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서에서 픽셀 구성을 도시한 회로도,

도 2b는 도 2a의 픽셀 회로도 2개에 대한 레이아웃의 바람직한 실시예를 보여주는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

200 : 제1포토다이오드 201 : 제2포토다이오드

202 : 제1트랜스퍼트랜지스터 203 : 제2트랜스퍼트랜지스터

204 : 리셋트랜지스터 205 : 공통플로팅확산영역

206 : 드라이브트랜지스터 207 : 셀렉트트랜지스터

본 발명은 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 특히 픽셀 내의 포토다이오드 영역을 충분히 증대되어 광집적률이 향상되면서도 상대적으로 작은 픽셀 사이즈를 갖는 CMOS 이미지센서에 관한것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서가 개발되어 있다.

CMOS 이미지센서는 단위 픽셀(Pixel) 내에 포토다이오드(Photodiode)와 모스트랜지스터들을 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하다는 장점이 있다.

도 1a는 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된 단위 픽셀(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(FD) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 픽셀 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(Load) 트랜지스터가 형성되어 있다.

도 1b는 단위픽셀의 레이아웃을 보인 도면으로, 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 게이트도전층이 도시되어 있다. 이를 참조하면, 포토다이오드(101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(102)가 포토다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.

플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 레이아웃되며, 리셋 트랜지스터의 게이트(104)의 일측과 접하게 된다.

리셋 트랜지스터의 게이트(104)의 타측은 드레인영역(105)과 접하여 형성되고 드레인영역(105)은 X축 방향에서 Y축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스터의 게이트(106)와 접하게 된다.

이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트(108)가 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트(108) 사이 및 셀 렉트 트랜지스터의 게이트(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107, 109)이 형성된다.

이와 같이 구성된 종래의 단위픽셀의 레이아웃에서 플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 각 게이트 사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트(106)는 콘택 및 연결배선을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.

상술한 바와 같은 이미지센서 단위픽셀에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다.

(가) 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)를 턴-온(Turn-On)시켜 포토다이오드(PD)를 리셋한다.

(나) 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 리셋트랜지스터(Rx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)를 턴-오프시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 완전한 공핍(Fully depletion) 상태이다.

(다) 광전하(Photogenerated Charge)를 저전압 포토다이오드(PD)에 모은다.(인터그레이션(Integration) 과정)

(라) 적정 인터그레이션(Integration) 시간 후에 리셋트랜지스터(Rx)를 턴-온시켜 플로팅확산영역(FD)를 리셋(Reset) 시킨다.

(마) 셀렉트트랜지스터(Sx)를 턴-온시켜 원하는 단위픽셀를 어드레싱한다.

(바) 소스 팔로워 버퍼(Source Follower Buffer)인 드라이브트랜지스터(Dx)의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 플로팅 확산영역(FD)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.

(사) 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 턴-온 시킨다. 이에 의해 포토다이오드에 축적된 모든 광전하는 플로팅확산영역(FD)로 운송된다.

(아) 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 턴-오프 시킨다.

(자) 드라이브트랜지스터(Dx)의 출력전압(V2)을 측정한다.

(차) 출력전압 V1과 V2의 차이를 얻는다. 출력신호(V1-V2)는 V1과 V2 사이의 차이에서 얻어진 광전하 운송의 결과이며, 이는 노이즈(Noise)가 배제된 순수 시그날 값이 된다.

이와 같은 CMOS 이미지센서의 동작은, 먼저 잡음으로 인한 전압(V1)을 측정하고 잡음성분과 이미지정보가 합쳐진 전압(V2)을 측정한 다음 여기서 잡음으로 인한 전압을 빼는 방식을 통하여 순수한 이미지 정보에 대한 출력값을 얻는다. 이를 상호관련이중샘플링(Correlated Double Sampling : CDS)이라 하며 CMOS 이미지센서에서 통상적으로 적용되고 있는 기술이다.

한편, 상술한 바와 같이 CMOS 이미지센서는 단위 픽셀이 하나의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 이루어지는 바, 이러한 픽셀의 구조는 점차 칩 사이즈를 줄여야 하는 입장에서 부담으로 작용하게 된다.

즉, 고 화질을 위하여 일정개수의 픽셀 개수를 유지하여야 하고, 또한 최대한 수광소자인 포토다이오드 영역을 확보하여야 하는데 이와 더불어서 칩 사이즈도 줄여야 하기 때문이다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 칩사이즈를 줄이면서도 픽셀의 개수와 수광소자의 영역을 충분히 확보할 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 서로 다른 영역에서 빛을 받아 광전하를 생성하는 복수의 포토다이오드; 대응되는 상기 포토다이오드의 광전하를 제1제어신호에 제어받아 운송하기 위한 복수의 트랜스퍼트랜지스터; 상기 트랜스퍼트랜지스터를 통해 운송된 광전하를 전달받는 공통플로팅확산영역; 전원공급단과 상기 공통플로팅확산영역 사이에 소스-드레인 경로가 접속되고 제2제어신호에 제어받아 원하는 값으로 공통플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터; 소스단이 상기 전원공급단에 접속되고 게이트가 상기 공통플로팅확산영역에 접속되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터; 및 상기 드라이브트랜지스터의 드레인단과 픽셀출력단 사이에 자신의 소스-드레인 경로가 접속되고 제3제어신호에 제어받아 스위칭 역할로 어드레싱을 할수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 복수의 포토다이오드가 플로팅확산영역(FD)와, 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)를 공유하도록 하여, 전체 픽셀어레이 내에서 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)의 개수를 대폭 줄이는 것이다.

이에 의해 제한된 칩 면적내에 필요한 개수의 픽셀을 형성하는 것이 가능하고, 아울러 포토다이오드가 형성될 수 있는 영역을 확보할 수 있게 된다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서에서 픽셀 구성을 도시한 회로도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서는 2개의 포토다이오드(PD1, PD2)가 플로팅확산영역(FD)와, 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브트랜지스터(Dx) 및 셀렉트트랜지스터(Sx)를 공유하는 픽셀 구성을 보인다. 이것은 2개의 픽셀 역할을 하게되는 것이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서는, 서로 다른 영역에서 빛을 받아 광전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)와, 제1포토다이오드(200)에서 모아진 광전하를 제어신호(Tx1)에 제어받아 운송하기 위한 제1트랜스퍼트랜지스터(202)와, 제2포토다이오드(201)에서 모아진 광전하를 제어신호(Tx2)에 제어받아 운송하기 위한 제2트랜스퍼트랜지스터(203)와, 상기 제1 및 제2 트랜스퍼트랜지스터(202, 203)을 통해 운송된 광전하를 전달받는 공통플로팅확산영역(205)과, 전원공급단(VDD)과 상기 공통플로팅확산영역(205) 사이에 소스-드레인 경로가 접속되고 제어신호(Rx)에 제어받아 원하는 값으로 공통플로팅 확산영역(205)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 공통플로팅확산영역(205)를 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터(204)와, 소스단이 상기 전원공급단(VDD)에 접속되고 게이트가 상기 공통플로팅확산영역(205)에 접속되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(206), 및 상기 드라이브트랜지스터(206)의 드레인단과 픽셀출력단(Vout) 사이에 자신의 소스-드레인 경로가 접속되고 제어신호(Sx)에 제어받아 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(207)로 구성된다.

상술한 바와 같은 픽셀 구성에 대한 구동 및 동작은 다음과 같이 이루어진다.

(1) 제1 및 제2 트랜스퍼트랜지스터(202, 203와 리셋트랜지스터(204)를 턴-온(Turn-On)시켜 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)를 리셋한다.

(2) 제1 및 제2 트랜스퍼트랜지스터(202, 203), 리셋트랜지스터(204) 및 셀렉트트랜지스터(207)를 턴-오프시킨다. 이때 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)는 완전한 공핍(Fully depletion) 상태이다.

(3) 광전하(Photogenerated Charge)를 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)에 모은다.(Integration)

(4) 적정 인터그레이션(Integration) 시간 후에 리셋트랜지스터(204)를 턴-온시켜 공통플로팅확산영역(205)를 리셋(Reset) 시킨다.

(5) 셀렉트트랜지스터(207)를 턴-온시켜 원하는 단위픽셀를 어드레싱한다.

(6) 드라이브트랜지스터(206)의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 공통플로팅확산영역(205)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.

(7) 제1트랜스퍼트랜지스터(202)를 턴-온 시킨다. 이에 의해 제1포토다이오드(200)에 축적된 모든 광전하는 공통플로팅확산영역(205)로 운송된다.

(8) 제1트랜스퍼트랜지스터(202)를 턴-오프 시킨다.

(9) 드라이브트랜지스터(Dx)의 출력전압(V2)을 측정한다.

(10) 출력전압 V1과 V2의 차이를 얻는다. 출력신호(V1-V2)는 V1과 V2 사이의 차이에서 얻어진 제1포토다이오드(200)의 순수 광전하에 대한 시그날 값이 된다.

(11) 다시 리셋트랜지스터(204)를 턴-온시켜 공통플로팅확산영역(205)를 리셋(Reset) 시킨다.

(12) 셀렉트트랜지스터(207)를 턴-온시켜 원하는 단위픽셀를 어드레싱한다.

(13) 드라이브트랜지스터(206)의 출력전압(V3)을 측정한다.

(14) 제2트랜스퍼트랜지스터(203)를 턴-온 시킨다. 이에 의해 제2포토다이오드(201)에 축적된 모든 광전하는 공통플로팅확산영역(205)로 운송된다.

(15) 제2트랜스퍼트랜지스터(203)를 턴-오프 시킨다.

(16) 드라이브트랜지스터(206)의 출력전압(V4)을 측정한다.

(17) 출력전압 V3과 V4의 차이를 얻는다. 출력신호(V3-V4)는 V3과 V4 사이의 차이에서 얻어진 제2포토다이오드(201)의 순수 광전하에 대한 시그날 값이 된다.

도 2b는 도 2a의 픽셀 회로도 2개에 대한 레이아웃의 바람직한 실시예를 보여준다.

본 발명에서는 도 2a의 픽셀 회로도를 레이아웃함에 있어서, 포토다이오드 및 각 트랜지스터의 확산영역과 바디가 형성될 액티브 영역을 "Ｔ" 형상으로 레이아웃하고, "Ｔ" 형상의 헤드부의 액티브영역에는 서로 분리된 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)가 각기 형성되고, 헤드부에 수직으로 확장된 다리부의 액티브영역에는 공통플로팅확산영역(205)과 리셋트랜지스터(206), 드라이브트랜지스터(206) 및 셀렉트트랜지스터(207)가 형성되게 된다. 제1 및 제2 포토다이오드(200, 201)의 상호 인접한 모서리 부분에는 제1 및 제2 트랜스퍼트랜지스터의 게이트(202, 203)가 형성된다.

그리고, 도 2a의 픽셀에 인접한 또다른 픽셀(동일하게 도 2a의 구성을 갖는다)이 배치됨에 있어서, 상호 인접한 각 픽셀의 헤드부 일측이 서로 맞물리는 형상으로 배치되면, 보다 더 칩 사이즈를 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 실시예들은 트랜스퍼트랜지스터, 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터 및 셀레트트랜지스터로 이루어지는 통상의 4트랜지스터 구성 단위픽셀에서 설명된 것으로서, 이밖에 포토다이오드, 플로팅확산영역 및 이들 사이에 형성된 트랜스퍼게이트를 갖는 모든 구조의 단위픽셀에서도 적용이 가능하다. 즉, 복수개의 포토다이오드가 대응되는 각 트랜스퍼트랜지스터를 통해서 하나의 공통확산영역을 함께 공용하는 기술이라면 본 발명의 범위에 속하게 된다.

이렇듯, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 복수개의 포토다이오드가 하나의 플로팅확산영역을 공유하도록 하므로써 픽셀어레이 내의 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트트랜지스터들의 개수를 줄일 수 있다. 이에 의해 칩 사이즈를 줄일 수 있고 이에 의해 웨이퍼 장당 생산되는 다이(die) 개수를 늘릴 수 있다.

그리고, 트랜지스터의 개수가 줄어들고 공유하는 방식이므로 트랜지스터들 간의 특성 차이로 인한 고정 패턴 노이즈(Fixed Pattern, Noise) 등을 제거할 수 있다.

또한, 여유분의 면적에 충분한 사이즈의 포토다이오드를 형성하는 것이 가능하여 광집적률을 증가시킬수 있다.

Claims

서로 다른 영역에서 빛을 받아 광전하를 생성하는 복수의 포토다이오드;

대응되는 상기 포토다이오드의 광전하를 제1제어신호에 제어받아 운송하기 위한 복수의 트랜스퍼트랜지스터;

상기 트랜스퍼트랜지스터를 통해 운송된 광전하를 전달받는 공통플로팅확산영역;

전원공급단과 상기 공통플로팅확산영역 사이에 소스-드레인 경로가 접속되고 제2제어신호에 제어받아 원하는 값으로 공통플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 리셋시키기 위한 리셋트랜지스터;

소스단이 상기 전원공급단에 접속되고 게이트가 상기 공통플로팅확산영역에 접속되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 하는 드라이브트랜지스터; 및

상기 드라이브트랜지스터의 드레인단과 픽셀출력단 사이에 자신의 소스-드레인 경로가 접속되고 제3제어신호에 제어받아 스위칭 역할로 어드레싱을 할수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터

를 포함하는 CMOS 이미지센서의 픽셀.
청구항1에 기재된 픽셀을 레이아웃함에 있어서,

포토다이오드 및 각 트랜지스터의 확산영역과 바디가 형성될 액티브 영역을 "Ｔ" 형상으로 레이아웃하고,

"Ｔ" 형상의 헤드부의 액티브영역에는 서로 분리된 복수의 포토다이오드를 형성하고,

상기 헤드부에 수직으로 확장된 다리부의 액티브영역에는 공통플로팅확산영역과 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터 및 셀렉트트랜지스터를 형성하는 것을 특징으로하는 CMOS 이미지센서의 픽셀 레이아웃 방법.
제2항에 있어서,

상호 인접한 각 픽셀의 상기 헤드부 일측이 서로 맞물리는 형상으로 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 픽셀 레이아웃 방법.