KR19990045166A - 고출력 ｃｍｏｓ계 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서는 도전성 물질의 다수의 차광막들을 갖고, 이 차광막들에는 각 개구들이 형성된다. 유닛 셀들의 매트릭스 어레이가 반도체 몸체 상에 형성되며, 그들은 각각이 차광막들에 해당된다. 각 유닛 셀은 해당 차광막의 개구를 통해 이미지 방향 방사선을 수광하여 광전자들을 발생시키기 위한 감광 영역, 부유 확산 영역, 및 광전자들을 감광 영역에서 부유 확산 영역으로 전송시키기 위한 트랜스퍼 게이트를 구비한다. 증폭 트랜지스터는 부유 확산 영역에서 발생된 전위를 증폭시키기 위해서 부유 확산 영역과 접속된 제어 단자와 해당 차광막과 접속된 제어 단자를 갖는다. 결과적으로, 각 차광막은 부유 확산 영역의 전위에 따라 실질적으로 변하는 전위로 바이어스가 걸린다.
Description
본 발명은 일반적으로는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 CMOS 계 이미지 센서에 관한 것이다.
Sunetra K. Mendis 등이 IEDM 93, 페이지 583 내지 586 에 쓴, 제목이 "A 128×128 CMOS Active Pixel Image Sensor for Highly Integrated Imaging Systems" 인 논문에서 설명된 바와 같이, CMOS (상보형 금속 산화막 반도체) 계 이미지 센서는 낮은 전력 소비, 단일 전원 (5 또는 3.3 V) 으로 작동가능하고, 동일 칩 상에 주변 회로와 집적될 수 있다는 것이 특징이다.
그러나, 현재의 CMOS 계 이미지 센서에서 하나의 단점은, 발생시키는 출력 전압이 충분하지 못하다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 고전압 출력을 할 수 있는 CMOS 계 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 감광 영역 및 차광막과 평행하게 연장된 도체 이외에, 이미지 센서의 접지된 도전성 차광막부들 사이에 부유 용량이 있다는 것을 인식하는데에 기반을 두고 있다. 이러한 부유 용량의 존재가 상기 문제의 원인이라는 것이 알려져 있다.
이 문제는 종래의 차광막을, 그 각각이 이미지 센서의 유닛 셀에 해당하는 다수의 유닛 차광막으로 나누고, 해당 유닛 셀의 출력 전압에 따라 변하는 전위에서 각 유닛 차광막에 바이어스를 줌으로써 해결된다.
도 1 은 종래 기술의 CMOS 이미지 센서의 평면도이다.
도 2 는 종래 기술의 CMOS 이미지 센서의 유닛 셀에서, 도 1 의 2-2 선들을 따라 취해진 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 이미지 센서의 유닛 셀에서, 도 3 의 4-4 선들을 따라 취해진 단면도이다.
도 5 는 도 3 의 5-5 선을 따라 취해진 단면도이다.
도 6 은 도 3 이 6-6 선을 따라 취해진 단면도이다.
* 도면의주요부분에대한부호의설명 *
102 : 포토게이트 103 : 트랜스퍼 게이트
104 : 리셋 트랜지스터의 게이트 105 : 소스 폴로어 증폭 트랜지스터
106 : 행선택 트랜지스터
107 : 소스 폴로어 앰프의 부하 트랜지스터
108, 109 : 샘플링 트랜지스터 110, 111 : 홀딩 커패시터
112 : 차광막 113 : 도체
201 : P 형 반도체 기판 202 : P 형 웰
203 : 하부 절연막 205 : 상부 절연막
206 : n+형 부유 확산 영역 207 : n+형 영역
208 : 접지된 P+형 채널 스토퍼 210 : 개구
본 발명에 따르면, 도전성 물질인 다수의 차광막들로 구성된 이미지 센서가 제공되며, 차광막들에는 각각의 개구들이 형성된다. 유닛 셀들의 메트릭스 어레이가 반도체 몸체 (body) 상에 형성되어서, 그들은 각각 차광막에 대응된다. 각 유닛 셀들은, 광전자들을 만들기 위해 해당 차광막의 개구를 통해 수광하는 감광 영역, 광전자들을 감광 영역에서 부유 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 게이트, 및 부유 확산 영역에 걸린 전위를 증폭하기 위해 부유 확산 영역에 접속된 제어 단자와 이 해당 차광막에 접속된 제어 단자를 갖는 증폭 트랜지스터을 포함하여서, 상기 차광막은 상기 부유 확산 영역의 전위에 따라 실질적으로 변하는 전위로 바이어스된다.
본 발명은 첨부 도면들을 참고하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서서, 도 1 및 2 를 참고하여 종래 기술을 설명하는 것이 유익할 것이다.
도 1 에서 도시된 바와 같이, 종래 기술의 CMOS 이미지 센서는 픽셀 유닛 셀들 (100) 의 매트릭스 어레이로 구성되며, 이 매트릭스 어레이의 모든 유닛 셀들은 금속성 차광막 (112) 으로 덮힌다. 각 유닛 셀은 감광 영역 또는 포토게이트 (102) 를 갖고, 차광막 (112) 은 다수의 개구들을 가져서, 그를 통해 유닛 셀들 아래의 포토 게이트들 (102) 로 외부광을 통과시킨다. 종래 기술의 각 픽셀 유닛 셀은 폴리실리콘 포토 게이트 (102), 트랜스퍼 게이트 (103) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 (104) 로 구성된다. 소스 폴로어 증폭 트랜지스터 (105), 행 (X) 선택 트랜지스터 (106) 및 소스 폴로어 부하 트랜지스터 (107) 가 전원 VDD및 VSS사이에 접속된다. 부하 트랜지스터 (107) 는 2 개의 샘플홀드 회로 (sample-and-hold circuit) 에 제공되는 픽셀들의 각 열의 한쪽 끝에 배치된다. 하나의 샘플홀드 회로는 샘플링 트랜지스터 108 과 홀딩 커패시터 110 으로 구성되며, 다른 샘플홀드 회로는 샘플링 트랜지스터 109 와 홀딩 커패시터 111 로 구성된다. 샘플링 트랜지스터 (108) 는, 도시되지 않았지만, 열 (Y1) 선택 트랜지스터에 더 접속되며, 포지티브 출력 신호를 발생시키고, 샘플링 트랜지스터 (109) 는, 도시되지 않았지만, 열 (Y2) 선택 트랜지스터에 더 접속되며, 네거티브 출력 신호를 발생시킨다. 차광막 (112) 이 접지에 접속되어, 기준 전위로 유지된다는 것에 주의한다.
p 형 웰 (202) 및 하부 절연막 (203) 이 형성된 공통의 p 형 반도체 기판 (201) 상에 유닛 셀이 제조된다. 절연막 (203) 상에 상부 절연막 (205) 이 있으며, 이 때 상부 절연막 (205) 은 트랜스퍼 게이트 (103) 가 포토 게이트 (102) 를 부분적으로 덮는 것을 허용하도록, 포토 게이트 (102) 의 일부분을 약간 덮는다. n+형 부유 확산 영역 (206) 및 n+형 영역 (207) 이 p 형 웰 (202) 에 형성된다. 부유 확산 영역 (206) 은 도체 (113) 에 의해 행 선택 트랜지스터 (106) 와 접속되고, n+영역 (207) 은 리셋 트랜지스터의 드레인으로서 작용하는 전원 VDD와 접속된다. 접지된 P+형 채널 스토퍼들 (208) 은 접지되며, 유닛 셀을 경계짓는다.
작동에 있어서, 먼저 고전압 펄스가 포토 게이트 (102) 에 공급되어, 이 게이트 하부에 형성된 공핍 영역의 전위를 증가시킨다. 신호 축적 기간 동안, 광전자들은 공핍 영역 내에 수집된다. 리셋 트랜지스터의 게이트 (104) 가 고전압으로 바이어스되어, 래터럴 앤티 블루밍 드레인 (lateral anti-blooming drain) 으로서 작용하고, 행 선택 트랜지스터 (106) 의 바이어스가 오프된다. 신호 축적에 이어서, 판독된 픽셀들의 행이 행 선택 트랜지스터 (106) 를 인에이블시킴으로써 어드레스가 지정된다. 트랜스퍼 게이트 (103) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 (104) 뿐만 아니라 포토 게이트 (102) 를 저전압으로 설정하여, 공핍 영역의 전위를 감소시키고, 공핍 영역과 부유 확산 영역 (206) 사이의 전위 장벽을 낮춘다. 이것은 광전자들이 부유 확산 영역 (206) 으로 흘러들어가도록 하여, 그 전위를 상승시킨다. 이러한 전위 변화는 트랜지스터 (105) 에 의해 감지되고, 증폭되며, 행 선택 트랜지스터 (106) 가 인에이블일 때 출력부로 전달된다. kTC 노이즈가 부유 확산 영역 (206) 에서 발생되더라도, 이 노이즈의 효과는 샘플홀드 회로를 이용하여 네거티브 및 포지티브 신호들을 샘플링하고, 이 샘플된 값 사이의 차이를 취함으로써 제거된다.
종래 기술의 고체 상태 이미지 센서가 CMOS 제조 과정과 양립할 수 있는 반면, 출력 회로로부터 이용할 수 있는 전압이 낮다는 단점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 차광막 (112) 과 도체 (113) 사이에 부유 용량 (C') 이 있다는 것이 발견된다. 이러한 부유 용량 (C') 은 부유 확산 영역 (206) 의 계획된 용량 (C) 에 부가되는 용량 초과량이다. 부유 확산 영역 (206) 의 전압 변화 (V) 는 V = Q/(C+C') 에 의해 주어지며, 여기서 Q 는 부유 확산 영역 (206) 내에 저장된 전자들의 양이며, 종래 기술의 이미지 센서의 출력 전압은 부유 용량의 결과로서 감소되어 바람직하지 못하다.
본 발명의 이미지 센서는 도 3 및 4 에서 도시되며, 여기서 도 1 및 2 에 해당하는 부분들은 도 1 및 2 와 동일한 도면 부호에 의해 표시된다. 도 3 에서 종래 기술의 금속 차광막 (112) 을, 각각 해당 유닛 셀들을 덮는 다수의 차광막들 (200) 로 분할하는 것이 도시된다. 각 차광막 (200) 은 포토 게이트 (102) 를 외부의 이미지 방향 방사선 (external imagewise radiation) 에 노출시키는 개구 (210) 를 갖는다. 도 4 에서, 각 차광막 (200) 이 접지 단자에 접속되는 대신에, 트랜지스터 (105) 의 소스에 접속되는 것이 도시된다. 이러한 접속 결과로서, 전압 변화는 소스 전압과 소스 폴로어 증폭 트랜지스터 (105) 의 게인과의 곱과 동일한 양만큼 각 차광막 (200) 에서 발생된다. 이러한 전압 변화는 부유 확산 영역 (206) 의 전압 변화와 거의 동일하다.
도체 (113) 는 전위 V 로 바이어스되고, 소스 폴로어 트랜지스터 (105) 가 게인 α를 갖는다면, 차광막 (200) 은 αV 의 전압에 걸린다. 따라서, 차광막 (200) 및 도체 (113) 사이의 전압차 (△V) 는 △V = V - αV = V(1-α) 와 같다. α 값은 보통은 0.9 이기 때문에, 전압차 (△V) 는 실질적으로 무시될 수 있다.
따라서, 차광막 (200) 및 도체 (113) 사이의 부유 용량의 바람직하지 못한 영향이 (1-α) 의 인자, 즉 종래 기술의 유닛 셀에 비해 0.1 배만큼 감소한다. 이것은 결과적으로 증가된 출력 전압을 발생시키는 이미지 센서가 된다.
차광막은 서로 분리되어 있으므로, 바람직하지 못한 빛이 인접한 차광막들 사이의 간격을 통해 침투할 수 있고, 감광 영역들 상에 침범할 수 있는 가능성이 있다. 이러한 문제를 피하기 위해, 도 5 에서 도시된 바와 같이, 수평으로 연장된 금속성 차광막 (300) 은 인접한 차광막들 (200) 사이의 수직 간격 아래에 제공되고, 도 6 에서 도시된 바와 같이, 수직으로 연장된 금속성 차광막들 (301) 은 인접한 차광막들 (200) 사이의 수평 간격 아래에 제공된다. 차광막들 (200) 및 부가적인 차광막들 (300 및 301) 은 서로 전기적으로 분리되어 있다.
본 발명에서, 차광막들 (300 및 301) 은 금속성 배선으로서 이용되는 것이 바람직하다. 특히, 차광막들 (300) 은 동일한 행의 리셋 트랜지스터들의 게이트들 (104) 에 리셋 펄스 (ФR) 을 공급하기 위한 도체들로서 이용된다. 차광막들 (301) 은 모든 유닛 셀들에 전압 (VDD) 을 공급하기 위해서 이용된다.
본 발명은 고전압 출력을 할 수 있는 CMOS 계 이미지 센서를 제공한다.
Claims (7)
- 전기적으로 도체이며, 개구들 (210) 이 각각 형성되어 있는 다수의 차광막들 (200),반도체 몸체 (body) (201, 202),상기 차광막들에 각각 해당하는 상기 반도체 몸체 상에 형성되는 유닛 셀들 (100) 의 매트릭스 어레이를 구비하는 이미지 센서로서,상기 유닛 셀들은,광전자들을 만들기 위해서 해당 차광막의 개구를 통하여 수광하는 감광 영역 (102),부유 확산 영역 (206),상기 광전자들을 상기 감광 영역에서 상기 부유 확산 영역으로 전송시키기 위한 트랜스퍼 게이트 (103), 및상기 부유 확산 영역에서 발생된 전위를 증폭하기 위해서 상기 부유 확산 영역에 접속된 제어 단자와 상기 해당 차광막에 접속된 제어 단자를 가지는 증폭 트랜지스터 (105) 로서, 상기 해당 차광막이 상기 부유 확산 영역의 전위에 따라 실질적으로 변하는 전위로 바이어스되도록하는 증폭 트랜지스터 (105) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 증폭 트랜지스터 (105) 가 소스 폴로어 트랜지스터이고, 상기 해당 차광막이 상기 소스 폴로어 트랜지스터의 소스에 접속되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 증폭 트랜지스터 (105) 의 제어 단자가 상기 해당 차광막과 평행하게 연장된 도체 (113) 에 의해서 상기 부유 확산 영역 (206) 과 접속되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 전기적으로 도체인 다수의 연장된 부재들 (300, 301) 을 더 구비하며, 상기 각 연장된 부재들이 상기 차광막들 중 인접한 상기 차광막 (200) 사이의 분리를 통해 외부광이 침투하는 것을 막기 위한 위치에 제공되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 전기적으로 도체인 다수의 연장된 제 1 부재들 (300) 과 전기적 도체인 다수의 연장된 제 2 부재들 (301) 을 더 구비하며, 상기 제 1 부재들은 각각 상기 차광막들 (200) 의 인접한 행들 사이의 제 1 분리를 통해 침투하는 외부광을 방지하기 위한 위치에서 제공되고, 상기 제 2 부재들은 각각 상기 차광막들 (200) 의 인접한 열들 사이의 제 2 분리를 통해 침투하는 외부광을 방지하기 위한 위치에서 제공되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 부재들 (300) 은 상기 매트릭스 어레이의 각 행들의 유닛 셀들에 펄스를 공급하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5 항 또는 6 항에 있어서, 상기 제 2 부재들 (301) 은 상기 매트릭스 어레이의 각 열들의 유닛 셀들에 작동 전압을 공급하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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