KR102017713B1 - 시모스 이미지 센서 - Google Patents

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KR102017713B1
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Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서의 플로팅 센싱 노드는 제1 불순물 영역과 그의 주변의 다른 도전형의 제2 불순물 영역을 포함하고, 상기 제2 불순물 영역을 셀렉트 트랜지스터의 소스에 접속한다. 플로팅 센싱 노드와 그에 인접한 채널 스탑 영역은 전계 효과 트랜지스터를 구성한다. 플로팅 센싱 노드의 전압이 셀렉트 트랜지스터를 통해 출력 단자에 전달되어, 셀렉트 트랜지스터는 소스 폴로워로 동작한다. 소스 폴로워를 셀렉트 트랜지스터로 구현함으로써 집적도를 높일 수 있고, 전계 효과 트랜지스터 동작으로 인해 RTS 및 kTC 노이즈를 감소시킬 수 있다.

Description

시모스 이미지 센서 {CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 3-T 구조의 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
빛의 세기, 온도, 질량, 시간 등과 같은 유효한 물리량을 감지하여 전기 신호를 출력하는 센서 장치가 다방면에서 사용되고 있다. 특히, 촬상되는 피사체의 이미지를 측정하는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는 다양한 분야에 응용되고 있다.
본 발명의 일 목적은 집적도를 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 새로운 전하 검출방법으로 개선된 SN비를 갖는 출력신호를 확보할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 수신된 광 신호를 변환하여 광 전하를 출력하는 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 인접하며, 상기 광 전하를 센싱하는 센싱 노드 및 상기 센싱된 광 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부를 포함하며, 상기 센싱 노드는, 제1 도전형의 불순물을 갖는 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역을 둘러싸고 제2 도전형의 불순물을 갖는 제2 불순물 영역을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 수신된 광 신호를 변환하여 광 전하를 출력하는 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 인접하며, 상기 광 전하를 센싱하는 센싱 노드, 상기 포토다이오드와 상기 센싱 노드 사이에 접속된 트랜스퍼 트랜지스터 및 상기 센싱 노드와 출력 단자 사이에 접속되며, 셀렉트 제어 신호에 따라 상기 센싱 노드의 광 전하에 대응하는 전압 레벨을 상기 출력 단자를 통해 출력하는 소스 폴로워로 동작하는 셀렉트 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 개념에 따르면, CMOS 이미지 센서의 픽셀에서 소스 팔로워의 입력(input) 트랜지스터를 제거함으로써, 집적도 및 필 팩터(fill factor)를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 전류가 기판의 표면으로 흐르지 않고 기판의 벌크 내부로 흐르도록 하여 RTS(Random Telegraph Signal) 노이즈 및 flicker 노이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀과 전하 검출을 위한 회로를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하는 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면에 대응된다.
도 6은 도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선선을 따라 절취한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 공유 픽셀 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 도시한 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 도시한 블록도이다.
도 16은 도 15의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 17 내지 도 21은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 다른 예들을 보여준다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 명세서에서, 이미지 센서의 픽셀은 FIS(Front-side Illumination Sensor) 방식 또는 BIS(Back-side Illumination Sensor) 방식으로 구동될 수 있다.
이하 본 발명의 명세서는 빛에 반응해서 발생 및 축적된 전하가 전자인 경우를 가정하여 설명된다. 전하가 정공인 경우도 전압의 설정, 반도체 영역의 극성 반전을 통하여 적용될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀과 전하 검출에 관한 회로를 도시한다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀을 도시한 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(100)은 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀(100)은 하나의 포토다이오드(PD)와 세 개의 트랜지스터들(3T)을 갖는 구조이다. 플로팅 센싱 노드(FD)는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)에 접속된다.
포토다이오드(PD)는 P형 불순물 도핑 영역과 N형의 불순물 도핑 영역을 포함할 수 있다. 포토다이오드(PD)는 입사 광을 통해 생성된 광 전하를 축적하고 출력한다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 축적된 광 전하를 플로팅 센싱 노드(FD)에 전달한다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 트랜스퍼 게이트(TG)를 포함한다. 포토다이오드(PD)와 플로팅 센싱 노드(FD)의 일부는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소스/드레인 접합으로 된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 트랜스퍼 제어 신호(Φt)에 의해 제어된다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 제1 콘택(31)을 통해 트랜스퍼 제어 신호(Φt)를 입력받는다.
플로팅 센싱 노드(FD)는 제1 불순물 영역(21) 및 제1 불순물 영역(21)을 의해 둘러싸는 제2 불순물 영역(22)을 포함한다. 제1 불순물 영역(21)은 제2 불순물 영역(22)에 의하여 고립된다. 제1 불순물 영역(21)은 P형 도전형을 갖고, 제2 불순물 영역(22)은 N형 도전형을 가질 수 있다. 제2 불순물 영역(22)은 리셋 트랜지스터(Rx) 및 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소스/드레인 접합이 된다. 제1 불순물 영역(21)은 제2 콘택(32) 및 제5 콘택(35)을 통하여 셀렉트 트랜지스터(Sx)에 접속된다. 제2 콘택(32)은 제1 불순물 영역(21)에 접속되고, 제5 콘택(35)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소스에 접속된다.
리셋 트랜지스터(Rx)는 리셋 게이트(RG)를 포함한다. 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)은 리셋 트랜지스터(Rx)의 소스가 된다. 리셋 트랜지스터(Rx)의 드레인은 제4 콘택(34)에 접속된다. 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)을 제1 전압(V1)의 전압 레벨로 리셋시킨다. 리셋 트랜지스터(Rx)는 리셋 제어 신호(Φr)에 의해 제어된다. 리셋 게이트(RG)는 제3 콘택(33)을 통해 리셋 제어 신호(Φr)를 입력받는다. 제4 콘택(34)은 리셋 트랜지스터(Rx)의 드레인과 제1 전압(V1)을 전기적으로 연결한다.
셀렉트 트랜지스터(Sx)는 셀렉트 게이트(SG)를 포함한다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소스는 제5 콘택(35)을 통해 플로팅 센싱 노드(FD)의 제1 불순물 영역(21)과 전기적으로 연결된다. 셀렉트 게이트(SG)는 제6 콘택(36)을 통해 셀렉트 제어 신호(Φs)를 입력받는다. 제7 콘택(37)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인과 제2 전압(V2)을 전기적으로 연결한다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인은 출력 단자(OUT)에 접속된다. 출력 단자(OUT)는 제2 전압(V2) 및 전류원(CS)과 직렬 접속된다. 제1 전압(V1)은 제2 전압(V2) 보다 높은 전압 레벨을 가질 수 있다.
이와 같이, 플로팅 센싱 노드(FD)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 플로팅 센싱 노드(FD)의 제1 불순물 영역(21) 및 제2 불순물 영역(22)에 의하여 형성된 JFET에 의하여 연결된다. (보다 자세한 것은 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명될 것이다.)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(110)에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀은 기판(10)에 형성된 플로팅 센싱 노드(FD)를 포함한다. 기판(10)은 P형 도전형을 가질 수 있다. 플로팅 센싱 노드(FD)는 제1 불순물 영역(21) 및 제2 불순물 영역(22)을 포함한다. 제2 불순물 영역(22)은 제1 불순물 영역(21)을 둘러싸고 고립시킨다. 제1 불순물 영역(21)은 P형 도전형을 갖고, 제2 불순물 영역(22)은 N형 도전형을 갖는다. 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)의 주변에 인접한 기판(10)에 제3 불순물 영역(23)이 배치된다. 제3 불순물 영역(23)은 P형 도전형을 가진다.
제2 불순물 영역(22)은 리셋 트랜지스터(Rx)의 소스에 접속되고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인에 접속된다. 제1 불순물 영역(21)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소스에 전기적으로 접속된다. 제3 불순물 영역(23)은 접지된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명한다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하는 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면에 대응된다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 플로팅 센싱 노드(FD)의 제1 불순물 영역(21), 제2 불순물 영역(22) 및 제3 불순물 영역(23)은 p 채널 JFET(Junction Field Effect Transistor)로 동작한다. 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)은 JFET의 게이트(G), 플로팅 센싱 노드(FD)의 제1 불순물 영역(21)은 JFET의 소스(S), 제3 불순물 영역(23)은 JFET의 드레인(D) 역할을 한다. P형의 기판(10)과 N형의 제2 불순물 영역(22) 사이의 PN 접합에 의한 공핍층(depletion layer, 25)이 형성된다. 공핍층(depletion layer, 25)은 JFET의 채널의 컨덕컨스를 제어한다.
JFET의 드레인(D)과 소스(S) 사이에는 양 전압(positive voltage)의 드레인 소스 전압(VDS)이 인가된다. 게이트(G)와 소스(S) 사이에는 게이트 소스 전압(VGS)이 인가된다. 게이트 소스 전압(VGS)에 의해 공핍층(25)의 두께는 변화한다. 공핍층(25)의 변화는 소스(S)에서 드레인(D)으로의 정공(hole)의 흐름에 영향을 미친다. 이에 따라 드레인 전류(ID)가 조절될 수 있다.
포토 다이오드(PD)로부터의 출력 신호가 없을 경우, 셀렉트 제어 신호(Φs)에 의해 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 턴-오프되고 전류원(CS)과 연결된 출력 단자(OUT))는 제2 전압(V2)의 전압 레벨을 유지한다. 포토 다이오드(PD)로부터의 출력 신호가 있을 경우, 셀렉트 제어 신호(Φs)에 의해 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 턴-온되고, 전술한 p 채널 JFET의 동작에 의하여 전류원(CS)과 연결된 출력 단자(OUT)의 전압 레벨이 변동된다.
이미지 센서의 동작을 보다 상세하게 설명한다.
리셋 동작에 따라, 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-온되고 제1 전압(V1)의 전압 레벨이 JFET의 게이트(G)에 해당하는 제2 불순물 영역(22)에 인가된다. 따라서, 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)에 축적된 전자들이 제거된다. 소스(S)와 게이트(G) 사이의 PN 접합에 인가되는 역방향 게이트 소스 전압(VGS)에 의하여 공핍층(25)의 두께는 증가된다. 이 때 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 턴-오프된 상태이다.
리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-오프되고 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴-온된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴-온되면, 공핍층(25) 아래의 기판(10)을 흐르는 드레인 전류(ID)가 발생하여, 출력 단자(OUT)의 전압 레벨이 V2 보다 약간 낮은 기준 접압(Vref)으로 감소한다.
이후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴-온되어, 포토다이오드(PD)에서 생성된 광 전하를 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)에 전달된다. 제2 불순물 영역(22)에는 포토다이오드(PD)에서 생성되어 전달된 광 전하에 해당하는 만큼 전자가 축적된다. 이에 따라 p형 JFET의 게이트(G)의 전압 레벨이 낮아진다. p형 JFET의 게이트(G)와 소스(S) 사이에 인가된 게이트 소스 전압(VGS)이 증가한다. 역방향의 게이트 소스 전압(VGS) 제공된다. 역방향 게이트 소스 전압(VGS)에 의하여 공핍층(25)의 두께는 축소된다. 역방향의 게이트 소스 전압(VGS)에 대응하는 정공의 흐름에 따라 소스(S)와 드레인(D) 사이의 드레인 전류(ID)가 증가한다. 따라서, 출력 단자(OUT)에서의 전압 레벨은 V2 보다 더 많이 감소하여 픽셀 전압(Vpix)으로 된다.
이와 같이, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 그 자체로서 소스 폴로워 동작을 한다.
도 6은 도 1의 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 CMOS 이미지센서의 CDS(Correlated Double Sampling) 동작을 살펴본다. 'T0' 시점에 리셋 제어 신호(Φr)가 '로직 하이'로 되어 어레이를 이루는 해당 로에 위치하는 각 픽셀들의 플로팅 센싱 노드(FD)를 리셋시킨다. 'T1' 시점에 리셋 제어 신호(Φr)가 '로직 로우'로 되고, 이 때 셀렉트 제어 신호(Φs)가 '로직 하이'로 되어 CDS를 위한 리셋 값들이 출력된다.
출력된 리셋 값들은 'T2' 및 'T3'로 표시된 S/H(Sample/Hold)의 '로직 하이' 구간에 샘플링된다. 기준 전압(Vref)이 출력된다. 여기서, S/H 신호는 리셋 값을 읽는 방식에 따라 아날로그 디지털 변환(Analog to Digital Conversion; 이하 ADC라 함) 개시 신호 또는 이를 샘플 앤 홀드 회로(Sample and Hold circuit)에 일시 저장하는 신호로 해석이 가능할 것이다. 이 신호는 아날로그 CDS, 디지털 CDS 또는 이중 CDS 등 다양한 방식에 따라 각기 다른 해석이 가능할 것이다.
한편, 포토다이오드(PD)는 'T0' 시점 또는 그 이전 시점부터 집광을 하고 있다. 포토다이오드(PD)에 집광되어 광전 변환을 통해 생성된 광 전하는 'T4' 시점에 '로직 하이'를 갖는 트랜스퍼 제어 신호(Φt)에 의해 플로팅 센싱 노드(FD)로 이동된다.
'T4' 및 'T5'의 구간 동안 포토다이오드(PD)에서 집적된 광에 의해 생성된 광 전하에 대응하는 픽셀 전압(Vpix)이 출력된다. 포토다이오드(PD)의 상부 또는 하부에 포토 게이트가 배치되어 포토다이오드(PD)와 전기적으로 연결된 구조를 이룰 수 있다. 이 때, 광 전송 효율을 높이기 위해 포토 게이트에 광 전하에 따라 음 또는 양의 전압을 인가할 수 있다.
출력된 값들은 'T6' 및 'T7'로 표시된 S/H 신호에 의해 샘플링된다. 이는 전술한 'T2' 및 'T3' 구간과 동일하며, CDS 및 이미지 센서 구동 방식에 따라 해당 구간에서의 동작이 달라질 수 있다.
'T8' 시점에 셀렉트 제어 신호(Φs)가 '로직 하이'로 천이됨에 따라 해당 로에 대한 CDS 동작이 완료되며, 다시 리셋 제어 신호(Φr)가 '로직 하이'로 천이되면서 다음 데이터 출력을 위한 리셋 동작에 들어간다.
'OUT'은 출력 단자에서의 전압 파형을 나타낸다. 'T0 ~ T3' 구간에는 제2 전압(V2) 및 기준전압(Vref)의 전압 레벨을 차례로 유지한다. 이어서, 포토다이오드(PD)의 센싱 데이터가 출력되는 'T4 ~ T5' 구간에 'OUT'은 센싱 데이터의 전압 레벨인 'Vpix' 전압 레벨로 변동된다. 센싱 데이터의 전압 레벨을 출력하는 'T6 ~ T7' 구간에는 'Vpix' 전압 레벨을 유지한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(120)에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다. 전술한 일 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 7을 참조하여, 플로팅 센싱 노드(FD)의 제2 불순물 영역(22)에 인접하여 제3 불순물 영역(23)이 배치된다. 제3 불순물 영역(23)은 소자분리 절연막(12)의 아래에 배치될 수 있다. 제3 불순물 영역(23)은 P형 도전형을 가진다. 제3 불순물 영역(23)은 채널 스톱 영역일 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(130, 131)에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 8을 참조하여, 기판(10) 내에 임베디드 절연막(14)이 제공된다. 임베디드 절연막(14)은 실리콘 산화막일 수 있다. 임베디드 절연막(14)은 p형 JFET에서의 정공이 기판을 통하여 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, JFET에 의한 이미지 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 9를 참조하여, 임베디드 절연막(14)은 플로팅 센싱 노드(FD) 아래에만 국한되어 제공될 수 있다. 임베디드 절연막(14)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있으며, 산소의 도핑에 의하여 형성될 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(140, 150)에 관한 것으로, 도 2의 픽셀을 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 기판(10) 내에 제4 불순물 영역(16)이 제공된다. 제4 불순물 영역(16)은 N형 도전형을 가질 수 있다. 제4 불순물 영역(16)은 N형 불순물의 도핑에 의하여 형성될 수 있다. 제4 불순물 영역(16)에 제3 전압(V3)의 바이어스가 인가될 수 있다. 제3 전압(V3)은 제1 전압(V1)과 동일할 수 있다. 제4 불순물 영역(16)은 제2 불순물 영역(22)과 함께 JFET의 게이트의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, JFET의 온 오프 동작에 따른 전류의 흐름을 보다 용이하게 조절할 수 있다. 또한, p형 JFET에서의 정공이 기판을 통하여 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. JFET에 의한 이미지 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하여, 제4 불순물 영역(16)은 플로팅 센싱 노드(FD) 아래에만 국한되어 제공될 수 있다. 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 공유 픽셀(150)의 구조를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 1의 구조를 갖는 픽셀이 플로팅 센싱 노드(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 출력 단자(OUT)를 공유한다. 서로 다른 두 픽셀들은 각각 포토다이오드(PD1, PD2)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx1, Tx2)를 분리하여 갖는다. 공유된 픽셀들은 트랜스퍼 제어 신호(Φt1, Φt2)에 의해 그 동작 타이밍이 서로 구별된다.
도면에서는 두 개의 픽셀이 서로 공유된 것을 예로 하였으나, 둘 이상의 공유 픽셀 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예들을 통해 살펴본 바와 같이, 이미지 센서의 픽셀 구조에서 플로팅 센싱 노드(FD) 내에 제1 불순물 영역(21)과 이들 둘러싸는 제2 불순물 영역(22)을 배치하고, 제1 불순물 영역(21)이 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소스 혹은 드레인 접합과 접속되도록 한다.
이처럼, 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 소스 폴로워 구조의 드라이버를 대체함으로써, 이미지 센서를 이루는 픽셀 구조의 집적도를 높일 수 있다. 아울러, 드라이버를 구성하는 트랜지스터들의 수가 감소함에 따라 픽셀의 필 팩터(fill factor)를 높일 수 있다.
플로팅 센싱 노드(FD)와 제3 불순물 영역(23)에 의한 JFET 구동을 통해, 전류가 기판(10)의 벌크를 통해 흐른다. 벌크를 통한 전류의 흐름은 기판(10) 표면을 흐르는 전류에 비해 RTS(Random Telegraph Signal) 노이즈를 줄일 수 있다.
플로팅 센싱 노드(FD)는 P형과 N형 불순물의 접합으로 인해 완전 공핍되므로(fully depleted), kTC 노이즈(캐패시터의 써멀(Thermal) 노이즈)를 줄일 수 있으며, 플로팅 센싱 노드에서의 암전류를 줄일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 이미지 센서(160)는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 타이밍 컨트롤러(161)는 이미지 센서(160)의 동작 타이밍을 제어한다. 예컨대, 타이밍 컨트롤러(161)는 이미지 센서(160)의 트랜스퍼 제어 신호를 통해 집광 시간을 제어할 수 있다.
이미지 센서(160)는 픽셀 어레이(163), 아날로그 디지털 변환기(164, ADC: Analog to Digital Converter), X-어드레스 디코더(162, X-address decoder), 메모리(165) 및 이미지 시그널 프로세서(166, Image Signal Processor)를 포함한다. 픽셀 어레이(163)는 전술한 도 1 내지 도 12의 구성 및 동작을 포함하여 고집적도 및 노이즈 특성 향상을 기대할 수 있다.
ADC(164)는 픽셀 어레이(163)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 메모리(165)는 버퍼 메모리(Buffer memory) 또는 프레임 메모리(Frame memory)로서의 동작을 수행할 수 있다. 메모리(165)는 디지털 변환된 신호를 프레임 단위로 저장할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서 (166)는 메모리(165)에 저장된 디지털 형태의 이미지 신호를 이용하여 필요한 신호 처리를 수행한다. 신호 처리에는 색 보간(Color interpolation), 색 보정(Color correction), 자동 백색 보정(Auto white balance), 감마 보정(Gamma correction), 색 포화 보정(Color saturation correction), 포맷 변환(Formatting), 불량 픽셀 보정(Bad Pixel Correction), 색도 보정(Hue correction) 등의 과정이 포함될 수 있다.
X-어드레스 디코더(162)는 타이밍 컨트롤러(161)로부터 제공되는 어드레스 정보(X-Add)를 이용하여 픽셀 어레이(163)의 로우(Row) 별 동작(출력) 타이밍을 제어한다.
ADC(164)는 CDS 방식의 적용에 따라 아날로그 CDS, 디지털 CDS 또는 듀얼(Dual) CDS 방식 별로 그 구조가 변경될 수 있다. 또한, ADC(164)는 이미지 센서(160)의 칼럼별로 배치되는 칼럼 ADC(Column ADC) 또는 하나의 ADC가 배치되는 싱글 ADC(Single ADC)로 구현될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 도시한 블록도이다. 여기서, 카메라 시스템은 일 예로 디지털 카메라를 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 카메라 시스템(170)은 렌즈(171), 이미지 센서(172), 모터부(173) 및 엔진부(174)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(172)의 픽셀 어레이는 도 1 내지 도 12에서 설명된 JFET 동작을 하는 플로팅 센싱 노드와 셀렉트 트랜지스터를 갖는 픽셀을 포함한다.
렌즈(171)는 이미지 센서(172)의 수광 영역(예컨대, 포토다이오드)으로 입사 광을 집광시킨다. 이미지 센서(172)는 렌즈(171)를 통하여 입사된 광에 기초하여 이미지 데이터를 생성한다. 이미지 센서(172)는 클록 신호(CLK)에 기초하여 이미지 데이터를 제공할 수 있다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(172)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(174)와 인터페이싱할 수 있다. 모터부(173)는 엔진부(174)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈(171)의 포커스(Focus)를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 엔진부(174)는 이미지 센서(172) 및 모터부(173)를 제어한다. 또한, 엔진부(174)는 이미지 센서(172)로부터 수신된 거리 및/또는 이미지 데이터에 기초하여 피사체와의 거리, 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(174)는 호스트/어플리케이션(175)에 연결될 수 있으며, 엔진부(174)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/어플리케이션(175)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(174)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(155)과 인터페이싱할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 도시한 블록도이다.
도 15를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(180)은 프로세서(181), 메모리 장치(182), 저장 장치(183), 입출력 장치(184), 파워 서플라이(185) 및 이미지 센서(186)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(186)의 픽셀 어레이는 도 1 내지 도 12에서 설명된 구조를 갖는 픽셀을 포함한다.
한편, 도 15에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(180)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드 및 USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(Port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(181)는 특정 계산들 또는 태스크(Task)들을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라, 프로세서(181)는 마이크로프로세서(Micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)를 포함할 수 있다. 프로세서(181)는 어드레스 버스(Address bus), 제어 버스(Control bus) 및 데이터 버스(Data bus)를 통하여 메모리 장치(182), 저장 장치(183) 및 입출력 장치(184)와 통신할 수 있다.
실시예에 따라, 프로세서(181)는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(182)는 컴퓨팅 시스템(180)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(182)는 디램(DRAM), 모바일 DRAM(Mobile DRAM), 에스램(SRAM), 피램(PRAM), 에프램(FRAM), 알램(RRAM) 및/또는 엠램(MRAM) 등을 포함할 수 있다.
저장 장치(183)는 SSD(Solid State Drive), HDD(Hard Disk Drive) 또는 씨디 롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(184)는 키보드(Keyboard), 키 패드(Keypad), 마우스(Mouse) 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(185)는 컴퓨팅 시스템(180)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(186)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(181)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(186)는 프로세서(181)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(180)은 이미지 센서(186)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(180)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트 폰(Smart phone) 등을 포함할 수 있다.
도 16은 도 15의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(190)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, AP(Application Processor, 1900)와 이미지 센서(1920) 및 디스플레이(1930) 등을 포함할 수 있다. AP(1900)의 CSI 호스트(Camera Serial Interface Host, 1902)는 CSI를 통하여 이미지 센서(1920) 내의 CSI 장치(1921)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, CSI 호스트(1902)는 DES(DESerializer)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1921)는 SER(SERializer)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1920)의 픽셀 어레이는 도 1 내지 도 12에 개시된 픽셀 구조를 포함할 수 있다.
AP(1900)의 DSI 호스트(Display Serial Interface Host, 1902)는 DSI를 통하여 디스플레이(1930)의 DSI 장치(1931)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, DSI 호스트(1901)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1931)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(190)은 AP(1900)와 통신을 수행할 수 있는 RF(Radio Frequency) 칩(1940)을 더 포함할 수 있다. AP(1900)의 PHY(Physical layer, 1903)와 RF 칩(1940)의 PHY(1941)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, AP(1900)는 PHY(1903)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1904)를 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(190)은 GPS(Global Positioning System, 1910), 스토리지(1950), 마이크(1960), DRAM(Dynamic Random Access Memory, 1970) 및 스피커(1980)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(190)은 UWB(Ultra WideBand, 1993), WLAN(Wireless Local Area Network, 1992) 및 WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, 1991) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(190)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
도 17 내지 도 21은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는, 도 17에 도시된 바와 같이 모바일 폰 또는 스마트 폰(1000)에 적용될 수 있고, 도 18에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(2000)에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 19에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(3000)에 적용될 수 있고, 도 20에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(4000)에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 21에 도시된 바와 같이 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더(5000)에 적용될 수 있다.
상기한 실시 예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

Claims (10)

  1. 수신된 광 신호를 변환하여 광 전하를 출력하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에 인접하며, 상기 광 전하를 센싱하는 센싱 노드, 상기 센싱 노드는 제1 도전형의 불순물을 갖는 제1 불순물 영역과 상기 제1 불순물 영역을 둘러싸고 제2 도전형의 불순물을 갖는 제2 불순물 영역을 포함하고;
    상기 제2 불순물 영역에 인접하여 상기 센싱 노드 주변에 배치되며, 상기 제1 도전형의 불순물을 갖는 제3 불순물 영역; 및
    상기 센싱된 광 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부를 포함하며,
    상기 제1 불순물 영역, 상기 제2 불순물 영역, 및 상기 제3 불순물 영역은 각각 접합 전계 효과 트랜지스터의 소스, 게이트 및 드레인으로 동작하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 센싱 노드의 전압 레벨에 따라 신호를 출력하는 소스 폴로워로 동작하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하고, 상기 셀렉트 트랜지스터의 소스는 상기 제1 불순물 영역과 접속되는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀렉트 트랜지스터의 드레인은 출력 단자에 접속된 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 셀렉트 트랜지스터의 드레인과 직렬 접속된 제1 전압 및 전류원을 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 포토다이오드와 상기 센싱 노드 사이에 배치되며, 트랜스퍼 제어 신호에 응답하여 상기 광 전하를 상기 센싱 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    제2 전압 및 상기 센싱 노드의 제2 불순물 영역에 접속되며, 리셋 제어 신호에 따라 상기 제2 전압의 전압 레벨로 상기 제2 불순물 영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터는 상기 제2 불순물 영역에 공통 접속된 이미지 센서.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전압은 상기 제1 전압 보다 높은 전압 레벨을 갖는 이미지 센서.
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