KR19990037494A - 반도체 기반의 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 기반의 이미지 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR19990037494A
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로버트 마이클 가이다쉬
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그윈넬 해리 제이
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Abstract

본 발명은 반도체 기반 이미지 센서에 관한 것으로서, 이 반도체 기반 화상 센서는 반도체 기판의 주 표면(major surface) 상에 형성된 다수의 픽셀(pixel)과, 제 2 다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러의 다수의 컬러 필터를 가지는 광 검출기를 갖는 제 1 다수의 픽셀과, 각 픽셀 내에 형성되고 CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 제어 회로에 동작가능하게 연결된 감지 노드와, 적어도 하나의 유일한 버스가 각 컬러에 대한 픽셀들에 연결된 다수의 버스와, 타이밍 회로에 전기적인 접속을 제공하는 인터페이스 수단을 포함하며, 상기 인터페이스 수단은 각각의 버스들에 개별적으로 연결되며, 원하는 시간에 기설정된 전압을 버스 상에 인가할 수 있다.

Description

반도체 기반의 이미지 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 고체 광 센서(photo-sensor) 및 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor : APS)로 지칭되는 촬상기(imager)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio : SNR)를 유지하면서도, 한편으로는, 컬러 이미지 센서(color image sensor)에 프로그램 가능한(programmable) 컬러 평형(color balance)을 제공하는 수단을 제공하는 것에 관한 것이다.
APS 디바이스들은 고체 촬상기로서, 찰상기 내의 각각의 픽셀은 전형적으로 감광(photo sense) 수단, 리셋(reset) 수단, 전하 전송(charge transfer) 수단, 전하를 전압으로 변환하는 수단 및 증폭기(amplifier)의 일 부분 또는 전부를 포함한다. APS 디바이스는 촬상기 내에서 (메모리 소자들 내의 각각의 워드 또는 비트 라인과 유사한) 각 라인 또는 행이 행열 선택 신호(row and column select signal)에 의해 선택되어 판독되는 방법으로 동작된다.
전형적인 종래 기술의 APS 픽셀(pixel)들이 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 도 1a에 도시된 픽셀은 포토다이오드(photodiode(PD)) 또는, 포토게이트(photogate(PG))일 수 있는 광 검출기(photodetector(PDET)), 전송 게이트(transfer gate(TG)), 플로팅 확산층(floating diffusion(FD)), 리셋 게이트(reset gate(RG))를 갖는 리셋 트랜지스터(reset transistor), 행 선택 게이트(row select gate(RSG))를 갖는 행 선택 트랜지스터(row select transistor) 및 신호 트랜지스터(signal transistor(SIG))를 포함한다. 도 1b에 도시된 픽셀은 광 검출기(PDET)(통상적으로 포토다이오드(PD)임), 리셋 게이트(RG)를 갖는 리셋 트랜지스터, 행 선택 게이트(RSG)를 갖는 행 선택 트랜지스터 및 신호 트랜지스터(SIG)를 포함한다. 모든 종래 기술의 픽셀에서, 소정의 픽셀 내에 있는 TG, RG 및 RSG 노드들은 픽셀들의 행당 단일 버스(bus)들에 의하여 서로 연결되어 상술한 바와 같은 행당 센서 판독 모드(per row sensor readout mode)를 용이하게 한다. 도 1a에 도시된 픽셀에 대한 통합 시간(integration time)이 TG가 통합을 개기하기 위해 턴오프(turn off)될 때부터 다음 전하를 FD로 전송하기 위해 턴온(turn on)될 때까지의 시간에 의하여 결정되기 때문에, 각 행 내의 각 픽셀에 대한 통합 시간은 동일하다. 이는 또한 도 1b의 픽셀에도 적용되며, 이때의 통합 시간은 RG가 PD를 리셋하기 위해 턴온되어 PD 내의 전하를 판독하기 위한 판독 신호가 인가될 때까지의 시간에 의해 결정된다.
종래 기술의 디바이스에서, 전형적으로, 각 행에 대한 이미지 포착(image capture)은 순차적으로 행해지는 한편, 각 행에 대해 격행 간격으로 시간 변위되며, 각 행은 동일한 통합 시간을 가진다. 컬러 찰상 응용예에서, 컬러 필터 어레이(color filter array : CFA)는 이미지 센서 위에 마련된다. 전형적으로, 이들 개별적인 컬러 필터들은 가변량의 광학 에너지를 필터를 통과시켜 센서 상에 입사되도록 한다. 본래, 컬러 필터들은 컬러 평형 또는 디스플레이 용도에 요구되는 필수 광학 에너지량을 투과시키지 않는다.
따라서, 아날로그든 디지털이던 간에 신호 처리는 각 컬러 채널에 적절한 이득을 제공하여 바람직한 컬러 평형을 이룰 수 있도록 센서 출력 상에서만 수행되어야 한다. APS 디바이스인 경우, 이 전압 영역 신호 처리(voltage domain signal processing)가 칩(chip) 상에서 수행될 수 있지만, 이는 다음과 같은 결함, 즉, (1) 센서 내부에 잡음이 유도되며, (2) 실리콘 영역을 보다 많이 차지하고, 보다 많은 전력을 소비하며, 프레임 속도(frame rate)를 떨어뜨리는 복잡한 회로를 필요로 하는 결과를 낳는다.
전술한 관점에서, APS 디바이스에 대한 종래 기술에서도 (발명의) 컬러 평형을 향상시킬 필요가 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 결점들을 발생시키지 않고도 컬러 이미지 센서의 컬러 평형을 프로그램 가능하도록 함으로써, 전술한 문제들을 해결하고 있다. 전압 영역의 신호 처리없이도 프로그램 가능한 컬러 평형 수단을 제공하는 한가지 방법은 각 컬러에 대한 통합 시간을 조절하는 것이다. 이 방법에서, 픽셀 내에서 발생된 결과의 신호 전하는 소정의 컬러 평형에 비례하며, 사후 처리(post processing)는 필요하지 않다. 본 발명은 소정의 컬러에 대하여 개별적인 통합 제어 방법을 제공하는 한편, 동일한 센서 판독 체계를 유지하며, 종래 기술의 디바이스에서 필요로 하는 추가된 전압 영역 컬러 평형의 신호 처리를 제거하도록 하였다. 이는 소정의 행 내의 각 컬러에 대하여 개별적인 전송 게이트 버스들 또는 리셋 게이트 버스들을 제공함으로써 수행된다. 이와 같이 함으로써, 소정의 행에서의 각 컬러에 대한 통합 시간이 개별적으로 제어될 수 있다.
본 발명은 상술한 하나 또는 그 이상의 문제들을 극복하는 방법에 관한 것이다. 간단하게 요약하면, 본 발명의 한 특징에 따르면, 반도체 기반 이미지 센서를 제공하되, 이는 반도체 기판의 주 표면(major surface) 상에 형성되어 각각이 하나의 광 검출기를 갖는 다수의 픽셀들과, 상기 픽셀들 상에 배열된 적어도 2 가지 상이한 컬러를 갖는 다수의 컬러 필터들과, 광 검출기에 인접하여 있고, 다수의 전극 중 하나의 전극에 의하여 제어되며, 광 검출기에서 감지 노드로 전하를 전송하는 전송 게이트용 전극에 사전 설정된 전압을 인가함에 따라 광 검출기에 인접한 정전 전위(electrostatic)를 변조(modulation)시키는 다수의 전송 게이트와, 상이한 컬러들 중 각각의 컬러에 대한 적어도 하나의 컬러 버스(color bus)가 있도록 배열되며, 전극들 중 소정의 전극을 통하여 상이한 컬러들 중 소정의 컬러에만 관련되는 전송 게이트들에 동작가능하게 접속된 다수의 버스와, 각각의 컬러 버스에 대해 적어도 하나의 접속점을 가지며, 기설정된 시간에 상기 버스 상에 사전 설정된 전압을 발생시킬 수 있는 타이밍을 포함한다. 이에 따라, 상이한 컬러들의 각각은 그외 다른 상이한 컬러들과는 무관하게 타이밍 회로(timing circuit)에 의하여 제어되는 통합 시간(integration period)을 가질 수 있다. 본 발명의 이들 및 다른 태양, 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 바람직한 실시예의 설명과 첨부된 특허청구범위로부터 보다 명확히 이해될 것이다.
본 발명은 후술하는 장점 즉, 실리콘 영역을 사용하는 데에 있어서 효율적이고, 높은 신호 대 잡음 비를 제공하며, 프로그램 가능한 컬러 평형을 제공하는 장점이 있다.
도 1a는 종래 기술의 APS 픽셀을 도시한 도면,
도 1b는 종래 기술의 APS 픽셀을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 4a는 세 개의 선형 센서를 갖는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 4b는 능동 픽셀 센서를 갖는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 도면,
도 5a는 포토게이트 기반 픽셀(photogate based pixel)에 기초한 종래 기술의 능동 픽셀 센서를 도시한 도면,
도 5b는 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 종래 기술의 또 다른 능동 픽셀 센서를 도시한 도면,
도 6은 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 능동 픽셀 센서를 갖는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 7은 포토게이트 기반 픽셀에 기초한 능동 픽셀 센서를 갖는 본 발명의 실시예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 소정의 영역 배열의 초점면 셔터 모드(focal plane shutter mode)에 대한 타이밍 도를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 소정의 영역 배열의 범용 셔터 모드(global shutter mode)에 대한 타이밍 도를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 선형 디바이스의 초점면 셔터 모드에 대한 타이밍 도를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 선형 디바이스의 또 다른 범용 셔터 모드에 대한 타이밍 도를 도시한 도면,
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 전송 게이트 버스(녹색)TGg 2 : 전송 게이트 버스(적색)TGr
3 : 전송 게이트 버스(녹색)TGr 4 : 리셋 게이트 버스(청색)RGb
6 : 리셋 게이트 버스(녹색)RGg 7 : 리셋 게이트 버스(적색)RGr
8 : 리셋 게이트 버스(녹색)RGg 9 : 리셋 게이트 버스(청색)RGb
20, 30, 60 : 픽셀 구조 21, 31 : 신호 트랜지스터
22, 32 : 광 검출기 24, 43, 53, 63 : 전송 게이트
25, 35, 44, 54, 64 : 플로팅 확산 접점 26, 36 : 리셋 트랜지스터
27, 37, 58, 73 : 리셋 게이트 28, 38 : 행 선택 트랜지스터
29, 39 : 행 선택 게이트 33 : 핀을 가진 영역
34 : 핀을 가지지 않은 영역 40 : 3-선형 디바이스
41a : 적색 선형 센서 41b : 녹색 선형 센서
41c : 청색 선형 센서 42, 52 : 포토다이오드
45, 55, 59, 65 : 제어 회로 46a : 적색 선형 센서
46b : 녹색 선형 센서 46c : 청색 선형 센서
56, 71 : 픽셀 57, 62, 72 : 포토게이트
70 : 능동 픽셀 센서
이해를 돕기 위하여, 도면에서 공통되는 동일 요소들을 나타내는 데 동일 참조 부호를 사용하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 도시된 이 새로운 픽셀 구조는 도 2, 도 3 및 도 4로부터 알 수 있다. 다른 특별한 물리적인 실시예들이 실현 가능하다. 본 발명자가 이 실시예들이 본 발명을 실현시키기에 가장 바람직하다고 알고 있기 때문에 이들 실시예들이 선택되었다.
도 2 및 도 3에 도시된 각각의 다이어그램들은 행(row) 및 열(column)에 따라 배열되어 있는 픽셀(pixel)들을 갖는 센서(sensor) 내에서 본 발명을 구현한 4 개의 픽셀들의 소정의 배열을 도시한다. 각각의 도 2 및 도 3에서, 도시된 소정의 픽셀들은 픽셀에 인접한 각 2 쌍의 행을 형성하는 2 개 행의 2 개 픽셀을 갖는 쿼드런트(quadrant) 내에 배열된다. 도시된 CFA 패턴은 Bayer CFA 패턴에 기초하여 도시되고, 패턴 내의 하나의 행은 적색(red) 픽셀과 녹색(green) 픽셀로 교대로 변하며, 다음 행은 연속적인 행 내의 녹색 픽셀들이 인접하지 않도록 패턴이 배열되도록 하면서, 교대로 변하는 녹색 및 청색(blue) 픽셀들을 가진다. 각 도식 내에서의 각각의 픽셀에 대한 이 구조적인 레이아웃(layout)은 동일하며, 동일한 위치에 동일한 요소들을 포함하고 있다.
도 2 및 도 3 내에서의 개별적인 픽셀들의 레이아웃은 각각의 도 1a 및 도 1b에 도시된 픽셀과 유사하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 이는 종래 기술 보다 나은 본 발명의 개념의 도시하고자 고의적으로 도시된다.
도 2에 대하여 참조하면, 픽셀 구조(20)는 포토다이오드(photodiode(PD)) 또는, 포토게이트(photogate(PG))중 하나일 수 있는 광 검출기(photodetector(PDET)), 전송 게이트(transfer gate(TG))(24), 플로팅 확산(floating diffusion(FD)) 접점(25), 리셋 게이트(reset gate(RG))(27)를 갖는 리셋 트랜지스터(reset transistor)(26), 행 선택 게이트(row select gate(RSG))(29)를 갖는 행 선택 트랜지스터(row select transistor)(28) 및 신호 트랜지스터(signal transistor(SIG))(21)를 포함한다. 종래 기술의 디바이스에서, 픽셀 내에 있는 전송 게이트, 리셋 게이트 및 행 선택 노드(row select node)들은 픽셀의 모든 행에 대한 버스에 의하여 각각 연결되어 센서의 행 기반 판독을 돕는다. 도 1a에서의 종래 기술 픽셀에 대한 통합 주기(integration period)는 전송 게이트가 턴 오프(turn off)된 때에 시작해서 전송 게이트가 턴 온(turn on)된 때에 끝나 전하를 플로팅 확산 접점으로 전송하므로, 그 행에서의 각 픽셀에 대한 통합 주기는 본래 동일한데, 왜냐하면, 전송 게이트들이 단일 버스에 연결되어 있기 때문이다.
도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 전송 게이트(24)의 배치는 도선(wiring)(2)이 각 행에 대한 전송 게이트 신호 버스(1, 2, 3, 4)로 나누도록 설계한다. 이 경우에 있어서, 행 A에 대하여 녹색 전송 게이트(TGg) 버스(1) 및 적색 전송 게이트(TGr) 버스(2)가 있으며, 행 B에 대하여 TGg 버스(3)와, 청색 전송 게이트 버스(4)가 있다. 행 A 내의 TGr 버스(2)는 행 A 내의 적색 픽셀들에 대한 각 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉한다. 행 A 내의 TGg 버스(1)는 행 A 내의 녹색 픽셀들에 대한 모든 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉한다. 행 B에 있는 TGg 버스(3)는 행 B에 대한 녹색 픽셀 상에서 사용되는 각 전송 게이트(24)에 전기적으로 접촉하며, 반면에, 행 B에 있는 TGb 버스(4)는 행 B에 있는 청색 픽셀에 대한 각 전송 게이트(24)들과 전기적으로 연결된다.
이 새로운 구조 설계의 소정의 동작 모드는 도 8과 관련하여 도 2를 참조하여 하기에 설명한다. 도 2의 소정의 동작 모드는 초점면 셔터 모드(focal plane shutter mode)로서 언급될 것이다. 도 2에 도시된 구조를 사용한 다른 모드들의 설계도 가능하지만, 그러나, 도시된 도 2는 발명자가 구상한 바와 같이 이 특별한 구조를 위한 최상의 모드이다. 도 2에 도시된 바와 같이 픽셀 구조(20) 내에 사용된 컬러에 관해서 설명하면, 적색은 가장 높은 감광도를 가지며, 청색은 가장 낮은 감광도를 갖는 것으로 추정할 수 있다. 이미지 센서는 모든 전송 게이트(24)들과 함께 초기화되며, 리셋 게이트(27)는 도 8을 참조하여 도시된 바와 같이 이전 시간 Τ1 에 턴온된다. 행 A의 통합 주기를 시작하기 위하여, TGb 버스(1)는 턴 오프 되어 전하가 광 검출기(22) 내에 적층되도록 한다. 이는 행 A 내의 모든 녹색 픽셀에 대해서도 동시에 발생하게 될 것이다. 기 설정된 시간 이후에, TGr 버스(2)는 턴 오프되어 행 A 내에 있는 모든 적색 픽셀들이 전하를 적층하기 시작하도록 한다. 이 시점에서의 행 A는 통합 주기 동안 모든 픽셀들을 가진다. 행 A는 필요로 하는 시간 동안 통합되고, FD는 리셋 되며, 리셋 레벨은 셈플링 되어 유지된 다음 TGr 및 TGg는 둘 다 동시에 턴온되어 신호 전하를 플로팅 확산 접점으로 전송한다. 행 2가 계속 통합되는 동안, TGr을 턴오프하여 후속 되는 TGb는 TGg와 비교되는 라인 타임 동안 보다 먼저 그리고 이전에 턴 오프된다. 다음, 행 2는 행 1에서와 같은 방법으로 판독된다. 이들 방법은 홀수 행은 행 1과 같이, 그리고, 짝수 행은 행 2와 같은 동일한 TG 타이밍으로 이미지 센서 내의 모든 행에 대하여 진행한다. 행 시간에서의 TG 턴오프의 상대적인 위치에 의하여 결정되는 이 상대적인 통합 시간은 바람직한 컬러 균형을 제공하도록 조절한다. 최저의 감광 컬러는 최대의 통합 시간을 가지며, 즉, 이는 통합 시간이 적절히 짧은 다른 컬러들과 프로그램 되어서, 심지어는 프로그램된 통합 시간의 비율에 따라 설명될 수도 있다. 도 9는 도 2 디바이스의 다른 동작 모드를 도시하며, 여기서, 모든 통합 주기는 동일한 시간 동안 발생한다.
이제 도 3을 참조하면, 픽셀(3)는 전형적으로 포토다이오드인 광 검출기(PD), 리셋 게이트(RG)(37)를 갖는 리셋 트랜지스터(36), 행 선택 게이트(RSG)(39)를 갖는 행 선택 트랜지스터(38) 및 신호 트랜지스터(SIG)(31)를 포함한다. 이는 도 1b에 도시된 종래 기술의 디바이스와 유사한 배열이며, 소정 행에서의 각 픽셀에 대한 통합 시간은 동일하다. 여기에서, 통합 주기는 광 검출기를 리셋팅한 이후에 리셋 게이트가 턴오프된 시간으로부터 판독 신호가 광 검출기 내에 있는 전하를 판독하는 데에 적용되는 시간까지로 결정된다. 다시 말하면, 이 행에 있어서의 각 픽셀에 대한 통합 주기는 본래는 동일한데, 이는 리셋 게이트들이 단일 버스에 연결되어 있기 때문이다.
도 3에 도시된 실시예는 각 행에 대하여 개별적인 리셋 게이트 신호 버스(6, 7, 8, 9)들에게 도선을 제공하도록 설계된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 행 1에 대하여서는 적색 리셋 게이트(RGr) 버스(7) 및 녹색 리셋 게이트(RGg) 버스(6)가 있으며, 행 2에 대하여서는 청색 리셋 게이트(RGg) 버스(8) 및 녹색 리셋 게이트(RGb) 버스(9)가 있다. 행 1에 있는 RGr버스(7)는 행 1에서 적색 픽셀에 관한 한 전기적으로 리셋 게이트(37)에 연결된다. 행 2에 있는 RGg 버스(8)는 행 2에서 녹색 픽셀에 관한 한 전기적으로 리셋 게이트(37)에 연결되는 반면에, 행 2에 있는 RGb버스(9)는 행 2에서 적색 픽셀에 관한 한 전기적으로 리셋 게이트(37)의 접점에 연결된다.
도 3의 실시예는 도 2에 도시된 형상과 유사한 형상을 제공하되, 다만, 도 3에 도시된 구조에서는 전송 게이트가 없으며, 리셋 게이트(37)는 통합 주기를 결정하는 데에 사용된다. 픽셀 구조(30)는 통합 주기를 결정하는 데에 리셋 게이트(37)를 채용하는 데, 이는 광 검출기(32)가 채용되었기 때문이다. 이 광 검출기(32)는 표준 포토다이오드 또는 핀(pin)을 가진 영역(33)과 핀을 가지지 않는 영역(34)을 갖는 부분적으로 핀을 가진 포토다이오드 중 하나가 될 수 있다. 핀을 갖는 영역(33)은 핀을 갖는 포토다이오드인 광 검출기의 넓은 영역을 형성한다. 핀을 가지지 않는 영역(34)은 신호 트랜지스터(31)에 대한 입력 노드에 의한 플로팅 영역으로서 작용할 수 있다.
이 픽셀 구조(30)로의 작용은 도 3을 참조하여 하기에 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조 내에서 사용된 컬러를 예로 들면, 다음 설명에서는 도 2에서 설명된 것과 동일하며, 여기서, 적색은 가장 높은 광감도를 가지며, 청색은 가장 낮은 광감도를 가진다고 가정할 수 있다. 이미지 센서는 모든 리셋 게이트(37)가 턴온되면서 함께 초기화된다. 행 1의 통합 주기를 시작하기 위하여, RGg 버스(6)는 턴 오프되어 전하가 광 검출기(32) 내에 적층되도록 한다. 이는 이는 행 1 내의 모든 녹색 픽셀에 대해서도 동시적으로 발생할 것이다. 기 설정된 시간 이후에, RGr 버스(7)는 턴 오프되어 행 1 내에 있는 모든 적색 픽셀들이 전하를 적층하기 시작하도록 한다. 이 시점에서 행 1은 통합 주기 내에서 모든 픽셀들을 가진다. 행 1은 바람직한 시간 동안 통합되며, 표본(sample)화 되어 유지된다. 두 개의 컬러를 가진 픽셀들에 대한 리셋 게이트들은 턴온된 다음 리셋 레벨은 표본화된다. 행 2가 통합되는 동안, RGb(9)는 가장 먼저, 그리고, RGg(8)에 걸린 동일한 라인 시간 보다 이전에 턴 오프된다. 행 2는 행 1에서와 동일한 방법으로 판독된다. 이는 이미지 센서에 있는 행들에 한해서 홀수 행은 행 1처럼, 그리고, 짝수 행은 행 2처럼, 동일한 타이밍으로 진행된다. 행 시간 동안 턴 오프되어 있는 리셋 게이트에 의해 결정되는 이 상대적인 통합 시간은 바람직한 컬러 평형을 제공하도록 조정된다. 최저의 감광 컬러는 최대의 통합 시간을 가지며, 즉, 이는 통합 시간이 적절히 짧은 다른 컬러들과 프로그램 되어서, 심지어는 프로그램된 통합 시간의 비율에 따라 설명될 수도 있다.
컬러 평형을 제공하는 이 전하 영역 방법과 관련하여 SNR이 우수한 데, 이는 잡음 전자들의 통합이 최소화되기 때문이며, 그리고, 매우 적은 신호 처리만이 필요한 데, 이는 회로 잡음을 증가시킬 수 있으며, 픽셀 전자 잡음에서 발생된 기판 진동(substrate fluctuation)을 야기시킬 수 있다.
이 구조는 바로 이 영역에 프로그램 가능한 컬러 평형을 획득하는 효율적이고 높은 SNR 수단을 제공한다. 행당 하나의 여분의 금속 라인은 도시된 Bayer CFA 패턴에 필요하다. 행당 1 초과의 여분의 버스가 다른 CFA 패턴에 필요할 수도 있다. 그러나, CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정에서 유용한 금속의 많은 레벨들에서, 1 추가적인 금속 라인은 필 계수(fill factor)에 영향을 미치지 않으며, 따라서, 금속 레벨들은 상호의 경로를 통하여 전송될 수 있으므로, 픽셀 내에서 여분의 트랜지스터 또는 게이트는 필요 없다. 또한, 이 구조는 현재의 단일 증폭 판독 체계로 사용할 수 있으며, 그리고 동일한 픽셀들을 가짐으로써, 상이한 이미지 표본화 구멍(image sampling aperture)에 기인하는 이미지 구조가 발생하지 않도록 한다. 행당 디코드 논리(decode logic) 회로는 소정의 여분을 필요로 한다. 그러나, 이들 여분은 이미지 배열의 외부에 CMOS 논리 회로 내에 구비되며, 행 당비(per row rate)로 동작하고, 이미지 신호 처리 고리(chain) 에서 추가적인 잡음을 만들어 내지 않기 때문에, 이들은 픽셀 또는 이미지 배열 영역에 영향을 미치지 않는다.
주목할 것은 개별적인 전송 게이트 또는 컬러당 리셋 게이트 신호 버스가 상술한 행당 보다는 모든 이미지 배열에 적용된다는 것이다. 이는 판독되는 동안 기계적인 셔터는 폐쇠되는 경우에 있어서 프레임 캡쳐 모드의 동작을 용이하게 하는 것이 바람직하다.
도 4a는 3-선형 디바이스(40) 내에서 본 발명의 선형 실시예를 도시한다. 이 장치의 동작에 대한 타이밍 도(timing diagram)가 도 10 및 도 11에 도시된다. 3-선형 장치(40)는 세 개의 선형 센서(41a, 41b, 41c)를 가진다. 각 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 포토다이오드(42), 전송 게이트(42) 및 플로팅 확산(44) 접점을 포함하는 광 검출기를 가진다. 또한, 각 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 행 선택 트랜지스터(RSG), 리셋 게이트(RG) 및 신호 트랜지스터(SIG)를 포함하는 제어 회로(45)를 가진다. 여기서, 세 개의 선형 디바이스(41a, 41b, 41c)들은 각각 선형 센서(41a, 41b, 41c)에 적용되는 각각의 컬러 필터를 가짐으로써, 적색, 녹색 및 청색 파장 중 하나에 감광하게 된다. 더 중요하게는 각각의 선형 센서(41a, 41b, 41c)는 각각의 개별적인 전송 게이트 버스(TGr, TGg, TGb)를 가지며, 이와 같이, 각 센서(41a, 41b, 41c)는 개별적으로 전송 게이트 버스에 의해 제어된 통합 주기를 가질 수 있다.
도 4b는 개별적인 선형 센서(46a, 46b, 46c)를 갖는 능동 픽셀 센서의 또 다른 선형 실시예이며, 각각은 신호 트랜지스터(SIG) 및 행 선택 게이트(RSG)를 포함하는 제어 회로를 갖는 리셋 게이트(48)에 인접한 포토다이오드(47)를 포함한다. 상술한 이전의 선형 디바이스 실시예에서와 같이, 도 4b에 도시된 각 선형 센서(46a, 46b, 46c)는 그들의 전위가 서로간에 독립적으로 제어되는 전위를 가진 개별적인 리셋 게이트 버스(RGr, RGg, RGb)를 가진다. 리셋 게이트 버스(RGr, RGg, RGb)는 각각의 상이한 선형 센서(46a, 46b, 46c)에 대한 리셋이 독립적으로 제어되도룩 한다. 도 4b 내의 선형 센서에 대한 통합 시간 주기는 픽셀의 리셋 이후에 시작하여 SIG에 의해 감지된 포토다이오드 내에서 전하가 저장되기까지 계속된다. 따라서, 개별적인 리셋 게이트 버스는 각각의 선형 센서(46a, 46b, 46c)를 개별적으로 제어되도록 한다.
도 5a는 포토게이트(52)에서부터 플로팅 확산(54) 접점으로 전송 게이트(53)를 통하여 전하를 전송하는 포토게이트(52) 기반 픽셀을 갖는 종래 기술의 능동 픽셀 센서(50)이다. 적층으로부터 끄집어내어진 포토게이트, 이를 공핍(depletion) 영역으로 입력하여 통합을 시작하는 때와 포토게이트가 적층에서 순차적으로 뒤로 배열되어 신호 전하를 플로팅 확산(54) 접점으로 전송하는 때 사이의 시간에 의하여 통합 주기가 결정된다. 전하가 플로팅 확산(54) 접점으로 전송되면, 전하는 리셋 게이트(RG), 행 선택 게이트(RSG), 신호(SIG) 트랜지스터를 포함하는 제어 회로(55)에 의하여 감지된다. 플로팅 확산 접점은 SIG 트랜지스터로의 입력으로서 동작한다. 도 5a의 종래 기술 디바이스는 모든 이미지 센서에 대한 포토게이트(52)를 제어하는 데에 사용되는 단일 버스를 가진다.
도 5b는 제어 회로(59)의 직접적인 제어 하에 포토게이트(57)로부터 SIG 트랜지스터까지 전하를 전송하는 포토게이트(57)에 기초한 또 다른 종래 기술의 능동 픽셀 센서이다. 이 동작은 도 5a에서 종래 기술 디바이스에 대하여 상술한 것과 유사지만, 그러나, 여기에서의 통합 주기는 포토게이트(57)를 적층 안에 배치함에 따라 측정되어 신호 레벨을 판독한 이후에 리셋을 용이하게 한다. 따라서, 통합 주기는 리셋 게이트(58)를 통해 픽셀(56)를 리셋하는 것에서부터 SIG 트랜지스터가 포토게이트(57) 상의 전하 레벨을 판독하는 때까지의 주기이다.
도 6은 본 발명에 따라 전하를 전송 게이트(63)를 통하여 플로팅 확산(64) 접점으로 전송하는 포토게이트(62)를 채용한 픽셀 구조(60)에 기초한 능동 픽셀 센서를 도시한다. 통합 주기는 포토게이트(62)가 공핍 영역으로 배치되어 통합을 시작하는 시간과 포토게이트가 적층에서 순차적으로 뒤로 위치하여 신호 전하를 플로팅 확산(64) 접점으로 전송하는 시간에 의하여 결정된다. 전하가 플로팅 확산(64) 접점으로 전송되면, 이는 리셋 게이트(RG), 행 선택 게이트(RSG), 신호(SIG) 트랜지스터를 포함하는 제어 회로 소자(65)에 의하여 감지된다. 플로팅 확산 접점은 SIG 트랜지스터로의 입력으로서 작용한다. 도 5a에 도시된 종래 기술의 픽셀과 도 6a에 도시된 픽셀와의 차이는 상술한 바와 같다.
도 7은 포토게이트(72)는 포토게이트(72)가 공핍 영역에 바이어스 되어 있는 한은 통합하는 포토게이트 기반 픽셀(71)에 기초한 능동 픽셀 센서(70)를 갖는 본 발명의 실시예이다. 여기에서의 통합 주기는 포토게이트(72)를 적층 안에 배치함에 의하여 결정되어 신호 레벨을 판독한 이후에 리셋을 용이하게 한다. 따라서, 통합 주기는 센서(70) 내에서 리셋 게이트(73)상에서 전하를 적층하고 전송하는 동안 포토게이트(72)를 바이어스 함으로써 센서(70) 내의 픽셀들을 리셋하고, 다음으로 공핍 모드 내에서 포토게이트를 바이어스하는 과정에서부터 SIG 트랜지스터가 포토게이트(72) 상의 전하 레벨을 판독하는 시간까지가 주기이다. 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명은 도 5에 도시된 종래 기술의 픽셀와는 틀리며, 게다가, 각각의 적색 녹색 청색에 대한 개별적인 버스(PGr, PGg, PGb)들과도 틀려서 포토게이트(72)를 독립적으로 제어한다.
도 8을 참조하여 보면, 도 8은 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 영역 배열에 사용되는 초점면 셔터 모드에 대한 타이밍 도를 도시한다. 각각의 통합 주기의 길이는 올바른 컬러 평형을 획득할 수 있도록 조정된다. Τg 는 녹색 픽셀에 대한 통합 시간을 나타내며, 각각 행 A 및 행 B에서 발생한다. Τr 은 적색 픽셀에 대한 통합 시간을 나타내며, 가장 짧은 통합 주기를 가진다. Τb 는 청색 픽셀에 대한 통합 시간을 나타내며, 가장 긴 통합 주기를 가진다.
도 9는 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 영역 배열에 사용되는 범용 셔터 모드(global shutter mode)에 대한 타이밍 도이다. 통합 주기에 사용된 기호들은 도 8에 도시된 기호들과 동일하다. 이로부터 모든 통합 주기는 동시에 종료됨을 알 수 있다. 그럼으로써, 이미지는 모든 픽셀들에 따라 동시에 포착된다. 상이한 컬러들을 나타내는 이 픽셀들은 상이한 통합 길이를 가지지만, 이 픽셀들은 동시에 통합된다. 통합 주기가 가장 짧은 컬러(예, 적색)의 통합 주기는 각 연속적으로 더 긴 채널의 통합 주기 내에 포함된다.
도 10은 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 선형 디바이스에 대한 초점면 셔터 모드의 타이밍 도이다. 적색 채널에 대한 통합 주기는 녹색 채널 보다 매우 짧으며, 그리고, 녹색 채널은 청색 채널 보다 짧은 것으로 도시된다.
도 11은 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 선형 디바이스에 대한 범용 셔터 모드의 타이밍 도이며, 여기서, 통합은 소정의 컬러 채널 내에서 각 픽셀 소자에 대하여 동시에 수행된다. 상이한 컬러들에 대해 채널들은 상이한 통합 길이를 가지지만, 채널들은 동시에 통합된다. 이 통합 주기는 각 연속적으로 더 긴 채널의 통합 주기 내에 포함된다. 여기에서, 각 통합 주기의 중심은 동일한 시점에 있도록 하기 위하여 각 컬러 채널에 대한 통합 주기는 상이한 시점에서 시작하고 멈춘다. 통합 주기가 각각에 대하여 반드시 중심에 위치하여야 하는 것은 아님을 쉽게 알 것이다.
상술한 설명은 본 발명을 실시하는 데에 있어서 본 발명자가 알고 있는 가장 최선의 모드를 설명한다. 본 기술 분야의 당업자라면, 이 모드들의 명백한 변형 실시예를 이해할 것이며, 따라서, 본 발명의 범위는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 측정되어야만 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 영역을 사용하는 데에 있어서 효율적이고, 높은 신호 대 잡음 비를 제공하며, 프로그램 가능한(programmable) 컬러 평형을 제공하는 효과가 있다.

Claims (36)

  1. 반도체 기반의 이미지 센서에 있어서,
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되며, 광 검출기를 갖는 다수의 픽셀과,
    대다수의 픽셀 상에 배열된 적어도 두 개의 상이한 컬러를 갖는 다수의 컬러 필터들과,
    상기 광 검출기에 인접하고, 다수의 전극들 중 하나에 의하여 제어되며, 자신의 전극에 사전설정된 전압이 인가된 경우 상기 광 검출기로부터 전하를 이동시키기 위해 상기 광 검출기에 인접한 정전 전위를 변조하는 다수의 전송 게이트와,
    상이한 컬러들 중 각각의 컬러에 대하여 적어도 하나의 컬러 버스(color bus)가 제공되도록 정렬되며, 전극들 중 하나를 통해 상이한 컬러들 중 단지 하나의 컬러와 관련된 상기 전송 게이트에 동작가능하게 제각기 접속되는 다수의 버스와,
    타이밍 회로(timing circuit) 와 전기적으로 접속되며, 각각의 컬러 버스에 대한 적어도 하나의 접속과, 타이밍 회로로부터 각각의 접속에 대해 적어도 하나의 입력을 갖는 인터페이스(interface) 수단을 포함하고,
    상기 상이한 각각의 컬러들은 다른 상이한 컬러들과는 독립적으로 상기 타이밍 회로에 의하여 제어되는 통합 주기(integration period)를 가질 수 있는
    반도체 기반의 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 픽셀들은 행 및 열로 배열되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 세 개의 컬러를 가지되, 소정의 주어진 행 내에 단지 두 개의 컬러가 제공되고, 행에 인접한 픽셀들은 컬러가 동일하지 않은 반도체 기반의 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 본질적으로 각각의 픽셀에 대해 할당된 CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 제어 회로를 갖는 능동 픽셀 센서(active pixel sensor)인 반도체 기반의 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각각의 전송 게이트들은 플로팅 확산 영역(floating diffusion area)을 신호 츠랜지스터에 입력으로서 접속된 상기 감지 노드를 가지며, 상기 신호 트랜지스터는 CMOS 내에 형성되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 각각의 센서 채널이 상이한 파장의 광에 감응하는 적어도 두 개의 선형 센서 채널을 갖는 다수의 컬러 선형 센서인 반도체 기반의 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 각각의 선형 센서에 대하여 타이밍 회로를 통해 제어되는 각각의 전송 게이트 상의 전압에 따라 결정되는 개별적으로 제어 가능한 통합 시간을 갖는 3-선형(tri-linear) 센서인 반도체 기반의 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 노드에 인접하고, 적어도 행 단위(row by row)에 기초하여 버스에 전기적으로 접속되는 리셋 게이트(reset gate)를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 통합 주기는 전송 게이트를 펄스화함으로써 제어되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  10. 반도체 기반의 이미지 센서에 있어서,
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되며, 제각기 광 검출기를 갖는 다수의 픽셀과,
    상기 픽셀 상에 배열되는 적어도 두 개의 상이한 컬러들을 갖는 다수의 컬러 필터들과,
    광 검출기에 인접하고, 다수의 전극들 중 하나에 의하여 제어되며, 자신의 게이트의 전극에 사전설정된 전압이 인가되는 경우, 상기 광 검출기로부터 전하를 드레인(drain)으로 전송할 수 있는 다수의 게이트와,
    상기 픽셀 내에 형성되며, CMOS 제어 회로에 동작가능하게 접속되는 감지 노드와,
    상기 컬러 필터들 중 각각의 컬러에 대해 적어도 하나의 컬러 버스가 존재하도록 배열되고, 전극들 중 하나를 통해 상기 컬러들 중 단지 하나와 관련된 상기 게이트에 동작 가능하게 제각기 접속되는 다수의 버스와,
    타이밍 회로와 전기적으로 접속되고, 상기 각각의 컬러 버스에 대해 개별적인 접속을 가지고 원하는 시간에 사전 설정된 전압을 상기 버스상에 인가할 수 있는 인터페이스(interface) 수단을 포함하고,
    각각의 컬러는 다른 컬러에 대한 동일한 통합과는 독립적으로 상기 타이밍 회로에 의하여 제어되는 통합 주기를 가질 수 있는
    반도체 기반의 이미지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 게이트는 리셋 게이트인 반도체 기반의 이미지 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 픽셀들은 행 및 열로 배열되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 세 개의 컬러를 가지되, 소정의 행 내에 단지 두 개의 컬러가 제공되고, 행에 인접한 픽셀들은 컬러가 동일하지 않은 반도체 기반의 이미지 센서.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 핀을 가진 영역(pinned portion)과 핀을 가지지 않는 영역(unpinned portion)을 가지며, 상기 감지 노드는 핀을 가지지 않은 영역 상에 형성되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지 노드는 CMOS 제어 회로에 트랜지스터에 대한 입력으로서 동작 가능하게 접속되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 선형 센서 상에 적어도 2 개의 컬러가 나타나는 다수의 선형 센서를 갖는 반도체 기반의 이미지 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 선형 센서는 각기의 상이한 컬러에 대해 개별적인 선형 센서를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 각각의 개별적인 픽셀 센서들은 통합 시간을 제어하는 단일 버스를 갖는 반도체 기반의 이미지 센서.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 검출기와 상기 감지 노드 사이에 전송 게이트를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  20. 반도체 기판의 주 표면 상에 형성된 다수의 픽셀을 갖고, 상기 픽셀 상에 배열되는 적어도 두 개의 상이한 컬러를 갖는 다수의 컬러 필터를 갖는 반도체 기반의 픽셀 센서를 제조하는 방법으로서, 상기 각각 픽셀이 감지 노드가 구비된 광검출기를 갖는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법에 있어서,
    상기 광 검출기에 인접하고 사전 설정된 신호 게이트가 제공되는 경우 상기 광 검출기에 인접한 정전 전위를 정류하기 위한 제어 수단을 갖는 다수의 게이트를 제공하는 단계와,
    상이한 컬러들 중 각각의 컬러에 대해 적어도 하나의 컬러 버스가 존재하도록 배열되고, 상기 제어 수단을 통하여 상이한 컬러들 중 단지 하나와 관련된 상기 게이트에 동작 가능하게 제각기 접속된 다수의 버스를 제공하는 단계와,
    상기 게이트를 제어하여 상이한 컬러에 대해 개별적인 통합 시간을 제공하는 단계를 포함하는
    반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 버스를 제공하는 단계는 상기 제어 수단 내에 상기 각각의 버스에 대해 개별적인 접속을 갖는 타이밍 회로를 더 포함하며, 원하는 시간에 사전 설정된 신호를 상기 버스 상에 발생시킬 수 있는 단계를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공하는 단계는 상기 다수의 픽셀이 행열이 배열되도록 상기 다수의 픽셀을 갖는 상기 이미지 센서를 제공하는 단계를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공 단계는 세 개의 컬러를 가지되, 소정의 행 내에 단지 두 개의 컬러를 가지며, 행에 인접한 픽셀들은 동일한 컬러가 아닌 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공하는 단계는 개별적인 픽셀과 관련된 CMOS 제어 회로 내에 상기 각각의 픽셀을 더 제공하는 것을 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공하는 단계는 상기 감지 노드와 상기 광 검출기 사이에 플로팅 확산 영역을 갖는 전송 게이트를 상기 게이트로서 제공하며, 상기 감지 노드는 신호 트랜지스터에 대한 입력으로서 접속되고, 상기 신호 트랜지스터는 CMOS 상에 형성되는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공하는 단계는 상이한 컬러를 지닌 적어도 두 개의 선형 감지 요소를 갖는 다수의 컬러 선형 센서를 상기 이미지 센서로서, 제공하는 단계를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 다수의 게이트를 제공하는 단계는 각각의 세 개의 선형 센서에 대하여 개별적으로 제어 가능한 통합 시간을 갖는 3-선형 센서를 상기 다수의 컬러 이미지 센서로서 제공하며, 상기 각각의 세 개의 센서에 대한 상기 통합 시간은 각각의 상기 게이트 상의 신호에 따라 결정되는 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 다수의 버스를 제공하는 단계는 상기 감지 노드에 인접한 리셋 게이트를 상기 이미지 센서 상에 제공하는 단계를 포함하고 상기 리셋 게인트는 행 단위를 기초하여 전기적으로 반도체 기반의 이미지 센서 제조 방법.
  29. 반도체 기반의 이미지 센서에 있어서,
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되며, 제 1 다수의 픽셀이 광 검출기를 갖는 다수의 픽셀과,
    제 2 다수의 픽셀 상에 배열되는 적어도 두 개의 상이한 컬러를 가진 다수의 컬러 필터와,
    상기 각각의 픽셀 내에 형성되고, CMOS 제어 회로에 동작 가능하게 접속되는 감지 노드와,
    각각의 컬러에 대한 픽셀에 동작가능하게 접속된 적어도 하나의 고유의 버스가 존재하도록 배열되는 다수의 버스와,
    타이밍 회로에 전기적으로 접속되고, 상기 버스와 개별적으로 접속되며, 원하는 시간에 사전 설정된 전압을 버스 상에 인가할 수 있는 인터페이스 수단을 포함하는
    반도체 기반의 이미지 센서.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 포토게이트 내에 존재하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 버스는 상기 포토게이트에 접속되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 포토게이트에 접속된 상기 버스들은 상기 포토게이트의 통합 시간을 제어하도록 하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  33. 제 30 항에 있어서,
    각각의 픽셀 내에 리셋 게이트를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  34. 제 30 항에 있어서,
    각각의 픽셀 내에 전송 게이트와 감지 노드를 더 포함하는 반도체 기반의 이미지 센서.
  35. 제 29 항에 있어서,
    더욱 짧은 통합 시간을 갖는 컬러에 대한 상기 통합 주기는 더욱 긴 통합 주기를 갖는 컬러의 통합 주기 내에 포함되는 반도체 기반의 이미지 센서.
  36. 제 35 항에 있어서,
    각각의 컬러에 대한 상기 통합 주기는 다른 컬러의 통합 주기의 중심에 위치하는 반도체 기반의 이미지 센서.
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