KR20000041449A - 피엔 다이오드를 갖는 씨모스 이미지센서의 단위화소 - Google Patents

피엔 다이오드를 갖는 씨모스 이미지센서의 단위화소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외로부터 입사되는 빛에 의해 광전하를 생성하는 핀드 포토다이오드와, 상기 핀드 포토다이오드에 접속되어 핀드 포토다이오드에 생성된 광전하를 리셋 시키기 위한 PN 다이오드와, 핀드포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드로 운송하기 위하여 제1제어신호에 응답하여 핀드포토다이오드와 플로팅센싱노드 사이에 채널을 형성하는 트랜스퍼트랜지스터와, 소스팔로워 역할을 위해 플로팅센싱노드에 게이트가 접속되고 소스에 공급전압이 접속된 드라이브트랜지스터, 및 스위칭 역할로 어드레싱을 할 수 있도록 제2제어신호에 응답하여 상기 드라이브트랜지스터의 드레인과 단위화소의 출력단 사이에 채널을 형성하는 셀렉트트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이렇듯, 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위화소는, 1개의 핀드 포토다이오드와 1개의 PN 다이오드 및 3개의 NMOS트랜지스터로 구성되어 있는바, 종래 보다 단위화소의 면적을 크게 증가시킬 수 있고, 또한 본 발명은 PN 다이오드가 종래의 리셋트랜지스터가 하는 역할을 하도록 대체하였기 때문에 플로팅센싱노드와 리셋트랜지스터 사이의 차지 커플링에 의한 노이즈 현상을 제거할 수 있어 플로팅센싱노드는 작은 커패시턴스를 갖는다, 이에 의해 단위화소 출력전압의 구동범위(dynamic range)를 증대시킬 수 있다.

Description

피엔 다이오드를 갖는 씨모스 이미지센서의 단위화소
본 발명은 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 특히 플로팅센싱노드(floating sensing node)의 커패시턴스를 줄이기 위하여 PN 다이오드를 갖는 CMOS 이미지센서의 단위화소에 관한 것이다.
CMOS 이미지센서라 함은 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 현재 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지센서에 비하여 CMOS 이미지센서는, 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도1에는 지난 1998년 2월 28일자에 본 출원인에 의해 출원된바 있는(출원번호: 98-6687) CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도가 도시되어 있다. 도1을 참조하면, CMOS 이미지센서의 단위화소는, 1개의 핀드포토다이오드(PPD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되어 있다. 4개의 NMOS트랜지스터는 핀드포토다이오드(PPD)에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와, 다음 신호검출을 위해 상기 플로팅센싱노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋트랜지스터(Rx)와, 소스팔로워(Source Follower) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트트랜지스터(Sx)로 구성된다.
여기서, 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)는 양의 문턱 전압(Positive Threshold Voltage)으로 인한 전압 강하로 전하(전자)가 손실되어 전하운송효율이 저하되는 현상을 방지하기 위하여 음의 문턱 전압을 갖는 네이티브(Native) NMOS트랜지스터로 형성되어 진다. 단위화소의 출력단(Out)과 접지단 간에는 바이어스 제공을 위한 로드트랜지스터가 접속되어 있다. 그리고, 핀드포토다이오드(PPD)와 플로팅센싱노드의 기판은 접지 되어 있다. 도면에서 "Cf"는 플로팅센싱노드가 갖는 커패시턴스를, "Cp"는 핀드 포토다이오드가 갖는 커패시턴스를 각각 나타낸다.
도2는 역시 본 출원인에 의해 출원된바 있는(출원번호: 98-6687) CMOS 이미지센서 단위화소 구조를 나타내는 단면도로서, 도1의 회로도가 반도체기판 상에 구현된 구조를 도시하고 있으며, 도면부호 1은 P+실리콘기판, 2는 P-에피택셜층, 3은 P-웰, 4는 필드산화막, 5는 게이트산화막, 6은 게이트전극, 7은 N-확산영역, 8은 P0확산영역, 9는 N+플로팅확산, 10은 산화막스페이서를 각각 나타낸다. 도2를 참조하면, 핀드 포토다이오드(PPD)는 P-에피택셜층(2)과 N-확산영역(7) 및 P0확산영역(8)이 적층된 PNP 접합 구조를 갖고 있으며, N-확산영역(7)에 의해 포토다이오드의 커패시턴스 Cp가 형성되고, 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)의 각각 일측접합을 공동으로 구현하는 플로팅확산영역(FD)에 의해 플로팅센싱노드의 커패시턴스 Cf가 형성된다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작을 간략하게 설명해 보면, 처음에는 리셋트랜지스터(Rx), 트랜스퍼트랜지스터(Tx), 및 셀렉트트랜지스터(Sx)를 온시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 N-확산영역(7)은 서서히 공핍되기 시작하여 완전공핍될때의 피닝전압(PINNING VOLTAGE)까지 커패시턴스 Cp는 캐리어 차징(carrier changing)이 발생하고, 플로팅센싱노드의 커패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 캐리어 차징이 발생한다. 그리고 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 커패시턴스 Cp의 캐리어들을 커패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1- V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
위에서 설명한 단위화소의 동작이 안정적으로 이루어지기 위해서는 커패시턴스 Cp와 Cf구조가 매우 중요하다. 빛을 센싱하는 핀드 포토다이오드의 커패시턴스 Cp는 면적이 클수록 빛에 대한 센싱 특성이 좋아지게 되지만 단위화소의 크기가 증가하게 되어 칩 면적 및 패키지(package) 완료 후 사용되는 렌즈의 크기가 증가하게 되어 가격 경쟁력이 떨어진다. 반면 커패시턴스 Cf는 적은 값이 요구된다. 즉 커패시턴스 Cp는 그 값이 적을수록 빛에 의해 포획(capture)된 전자들이 플로팅확산(FD)으로 전달되었을 때 센싱특성이 좋아지지만, 너무 적으면 게이트와 플로팅확산(FD)간의 기생 커패시터들에 의해 차지 커플링(charge coupling) 현상이 발생하여 심한 노이즈(noise) 현상을 일으키게 된다. 그런데 커패시턴스 Cf값이 너무 크면 센싱 특성이 감소하게되어 출력단(Out)에서 이용할 수 있는 전압폭이 감소하게 된다. 즉 출력전압의 구동범위(dynamic range)가 적어진다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 플로팅센싱노드의 기생커패시터를 감소시켜 플로팅센싱노드가 작은 커패시턴스를 갖도록 하므로써 출력전압의 구동범위(dynamic range)를 개선시킨 이미지센서의 단위화소를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 단위화소를 이루는 트랜지스터의 개수를 줄임으로써 단위화소에서 핀드 포토다이오드가 차지하는 면적을 크게 확보할 수 있도록 하여 광전하생성효율을 개선시키는 이미지센서의 단위화소를 제공하는데 있다.
도1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도.
도2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 구조를 나타내는 단면도.
도3은 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도.
도4 내지 도6은 핀드 포토다이오드에 접속된 PN 다이오드를 구성하는 실시예들을 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
310 : PN 다이오드 320 : 핀드 포토다이오드
330 : 트랜스퍼트랜지스터 340 : 플로팅센싱노드
350 : 드라이브트랜지스터 360 : 셀렉트트랜지스터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위화소는, 외부로부터 입사되는 빛에 의해 광전하를 생성하는 핀드 포토다이오드; 상기 핀드 포토다이오드에 접속되어 핀드 포토다이오드에 생성된 광전하를 리셋 시키기 위한 PN 다이오드; 상기 핀드포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드로 운송하기 위하여 제1제어신호에 응답하여 상기 핀드포토다이오드와 상기 플로팅센싱노드 사이에 채널을 형성하는 트랜스퍼트랜지스터; 소스팔로워 역할을 위해 상기 플로팅센싱노드에 게이트가 접속되고 소스에 공급전압단이 접속된 드라이브트랜지스터; 및 스위칭 역할로 어드레싱을 할 수 있도록 제2제어신호에 응답하여 상기 드라이브트랜지스터의 드레인과 단위화소의 출력단 사이에 채널을 형성하는 셀렉트트랜지스터를 포함하여 이루어진다.
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 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도3에는 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 회로도가 도시되어 있다. 도3을 참조하여 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위화소를 살펴보면, 외부로부터 입사되는 빛에 의해 광전하를 생성하는 핀드 포토다이오드(PPD)(320)와, 상기 핀드 포토다이오드에 접속되어 핀드 포토다이오드에 생성된 광전하를 리셋 시키기 위한 PN 다이오드(310)와, 핀드포토다이오드(320)에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드(340)로 운송하기 위하여 제어신호 Tgs에 응답하여 핀드포토다이오드(320)와 플로팅센싱노드(340) 사이에 채널을 형성하는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)와, 소스팔로워(Source Follower) 역할을 위해 플로팅센싱노드(340)에 게이트가 접속되고 소스에 공급전압 VDD가 접속된 드라이브트랜지스터(350), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 제어신호 Sgs에 응답하여 상기 드라이브트랜지스터(350)의 드레인과 출력단(Out) 사이에 채널을 형성하는 셀렉트트랜지스터(360)로 구성된다.
이렇듯, 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위화소는, 1개의 핀드 포토다이오드(320)와 1개의 PN 다이오드(310) 및 3개의 NMOS트랜지스터(330, 350, 360)로 구성되어 있다. 종래에 없었던 PN 다이오드(310)가 존재하는 대신 리셋트랜지스터가 줄어들었음을 알 수 있다. 이후에도 언급되겠지만 PN 다이오드(310)는 기판상에서 수직적으로 형성되기 때문에 단위화소의 면적에 미치는 영향은 거의 없는 반면에 기판상에 직접 형성되는 리셋트랜지스터 하나가 줄어들었으므로, 본 발명은 종래보다 단위화소의 면적을 크게 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명은 PN 다이오드(310)가 종래의 리셋 트랜지스터가 하는 역할을 하도록 대체하였기 때문에 플로팅센싱노드(340)와 리셋트랜지스터 사이의 차지 커플링에 의한 노이즈 현상을 제거할 수 있게 된다. 이에 의해 플로팅센싱노드는 작은 커패시턴스 Cf를 갖기 때문에 단위화소 출력전압의 구동범위(dynamic range)를 증대시킬 수 있다. 도면에서 "Cf"는 플로팅센싱노드가 갖는 커패시턴스를, "Cp"는 핀드 포토다이오드가 갖는 커패시턴스를 각각 나타내며, 단위화소의 출력단(Out)과 접지단 사이에는 로드 트랜지스터가 접속되어 있다.
도4 내지 도6은 핀드 포토다이오드에 접속된 PN 다이오드를 구성하는 실시예들을 나타내고 있다.
도4 내지 도6을 참조하면, 본 실시예에 따른 핀드 포토다이오드는, P-에피택셜층(404)내에 형성된 N-확산영역(412)과, 상기 N-확산영역(412) 상에서 P-에피택셜층(404)의 표면과 접하여 형성된 P0확산영역(414)으로 구성된다. 그리고, N-확산영역(412)의 일부가 P0확산영역(414)을 관통하여 P-에피택셜층(404)의 표면과 접하여 형성되며, 이 부분에 P형 전도층(418, 430) 또는 P형 확산영역(440)이 형성되어 PN 다이오드를 구성하게 된다. 그리고, 상기 P형 전도층(418, 430) 또는 P형 확산영역(440)에는 금속배선(420)이 콘택되어 리셋 제어신호를 인가받도록 구성되어 있다.
그밖에 설명되지 않은 도면부호 402는 P+실리콘기판을, 408은 필드산화막을, 410은 트랜스퍼트랜지스터의 게이트전극을, 416은 플로팅센싱노드인 N+플로팅확산을 각각 나타내는 것으로서, 이 들은 종래기술과 그 구성이 동일하여 여기서 그 설명은 생략하기로 한다. 한편, 본 발명에서는 종래의 리셋트랜지스터가 없기 때문에 도면에 도시되지 않았지만 본 발명의 N+플로팅확산(416)은 드라이버트랜지스터(도3의 350)의 게이트에만 접속될 것이다.
도4 내지 도6에 도시된 본 발명의 구조들을 구현하기 위한 공정은 당업자들에 의해 용이하게 실시될 수 있는 것들이기에 여기서 그 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 CMOS 이미지센서 단위화소의 플로팅센싱노드의 기생커패시터를 감소시켜 플로팅센싱노드가 작은 커패시턴스를 갖도록 하므로써 출력전압의 구동범위(dynamic range)를 개선시키며, 또한, 단위화소를 이루는 트랜지스터의 개수를 줄임으로써 단위화소에서 핀드 포토다이오드가 차지하는 면적을 크게 확보할 수 있도록 하여 광전하생성효율을 개선시킨다.

Claims (5)

  1. 외부로부터 입사되는 빛에 의해 광전하를 생성하는 핀드 포토다이오드;
    상기 핀드 포토다이오드에 접속되어 핀드 포토다이오드에 생성된 광전하를 리셋 시키기 위한 PN 다이오드;
    상기 핀드포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅센싱노드로 운송하기 위하여 제1제어신호에 응답하여 상기 핀드포토다이오드와 상기 플로팅센싱노드 사이에 채널을 형성하는 트랜스퍼트랜지스터;
    소스팔로워 역할을 위해 상기 플로팅센싱노드에 게이트가 접속되고 소스에 공급전압단이 접속된 드라이브트랜지스터; 및
    스위칭 역할로 어드레싱을 할 수 있도록 제2제어신호에 응답하여 상기 드라이브트랜지스터의 드레인과 단위화소의 출력단 사이에 채널을 형성하는 셀렉트트랜지스터
    를 포함하여 이루어진 CMOS 이미지센서의 단위화소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀드포토다이오드는 제1도전형의 반도체층 내에 형성된 제2도전형의 제1확산영역과, 상기 제1확산영역 상에 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하되, 상기 제1확산영역의 일부가 상기 제2확산영역을 관통하여 상기 반도체층의 표면과 접하여 형성되며,
    상기 PN 다이오드는 상기 제1확산영역과, 상기 반도체층의 표면과 접한 상기 제1확산영역 상에 형성된 제1도전형의 전도층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위화소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도층은 리셋 제어신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위화소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀드포토다이오드는 제1도전형의 반도체층 내에 형성된 제2도전형의 제1확산영역과, 상기 제1확산영역 상에 형성된 제1도전형의 제2확산영역을 포함하되, 상기 제1확산영역의 일부가 상기 제2확산영역을 관통하여 상기 반도체층의 표면과 접하여 형성되며,
    상기 PN 다이오드는 상기 제1확산영역과, 상기 반도체층의 표면과 접한 상기 제1확산영역 내에 형성된 제1도전형의 제3확산영역에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위화소.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3확산영역은 리셋 제어신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위화소.
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