KR20010114031A - 감도를 향상시키는 씨모스 액티브 픽셀 - Google Patents

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Abstract

감도를 향상시키는 씨모스 액티브 픽셀이 개시된다. 본 발명의 씨모스 액티브 픽셀은 소정형으로 도핑되며, 소정의 신호 전하를 수신하는 부유 불순물층; 수광되는 빛(光)의 에너지에 따라, 신호 전하를 부유 불순물층에 생성하도록 하며, 소정형으로 도핑되는 다이오드 불순물층을 포함하는 포토 다이오드; 소정의 제어 신호에 응답하여, 부유 불순물층을 소정 레벨로 제어하는 리셋부; 부유 불순물층의 전압 레벨에 응답하여, 소정 레벨의 출력 신호를 발생하는 출력부; 및 소정의 에너지 장벽을 이용하여, 부유 불순물층과 다이오드 불순물층을 전기적으로 격리시킬 수 있는 격리층을 포함한다.

Description

감도를 향상시키는 씨모스 액티브 픽셀{CMOS ACTIVE PIXEL FOR IMPROVING SENSITIVITY}
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 특히 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide)로 구현되는 이미지 센서의 픽셀(pixel)에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서란 빛의 에너지에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 찍어(capture) 내는 장치를 말한다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 그리고, 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다. 즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛의 파장에 따른 전기적인 값을 발생한다.
도 1은 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(photo-diode)의 단면을 나타내는 도면이다. 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로, 포토 다이오드의 캐패시턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)에 의하여 생성되는 캐패시터 성분의 합으로 된다.
따라서, 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도(sensitivity)가 떨어지는 단점이 있다.
도 2는 기존의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(photo-diode)의 단면을 나타내는 도면이다. 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는, 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여, 전송 제어 신호(TX)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(23)가 사용된다. 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(21)과 N+형의 부유 확산층(23)이 서로 격리된다. 따라서, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 이미지 센스의 감도도 증가하고, 이미지의 질도 향상될 수 있다.
그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 전송 트랜지스터(23)가 추가됨으로 인하여, 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 수광 면적의 감소를 최소화하고, 감도를 향상시키는 이미지 센서의 픽셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.
도 2는 기존의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀, 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 포토 다이오드에서 신호 전하가 축적되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 조도의 변화에 따른 부유 불순물층의 전압의 변화를 나타내는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀에관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀은 소정형으로 도핑되며, 소정의 신호 전하를 수신하는 부유 불순물층; 수광되는 빛(光)의 에너지에 따라, 상기 신호 전하를 상기 부유 불순물층에 생성하도록 하며, 상기 소정형으로 도핑되는 다이오드 불순물층을 포함하는 포토 다이오드; 소정의 제어 신호에 응답하여, 상기 부유 불순물층을 소정 레벨로 제어하는 리셋부; 상기 부유 불순물층의 전압 레벨에 응답하여, 소정 레벨의 출력 신호를 발생하는 출력부; 및 소정의 에너지 장벽을 이용하여, 상기 부유 불순물층과 상기 다이오드 불순물층을 전기적으로 격리시킬 수 있는 격리층을 포함한다.
본 발명과 본 발명의 동작 상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 회로도이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀, 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이다.
본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 부유 불순물층(43), 포토 다이오드(31), 리셋부(33) 및 출력부(34)를 구비한다. 바람직하기로는, 리셋부(33)는 리셋 트랜지스터(33a)를 포함하여 구현되며, 출력부(34)는 선택트랜지스터(34a)와억세스 트랜지스터(33b)를 포함하여 픽셀 레벨에서의 소스 폴로우(source follower) 회로로 구현될 수 있다.
부유 불순물층(43)은 포토 다이오드(31)에서 발생하는 신호 전하를 수신한다. 포토 다이오드(31)는 외부에서 입사되는 빛의 에너지에 의하여, 신호 전하들을 생성하여 축적한다. 축적되는 신호 전하는 리셋부(33)를 구현하는 리셋 트랜지스터(33a)의 소스(source) 단자인 상기 부유 불순물층(43)의 전위를 변화시킨다.
이와 같은, 부유 불순물층(43)의 전위의 변화는 출력부(34)에서 드라이버(driver)로 작용하는 선택 트랜지스터(34a)의 게이트 단자의 전위 변화를 유발하며, 결국 선택 트랜지스터(34a)의 소스단 또는 억세스 트랜지스터(34b)의 드레인 단자인 접속 단자(N36)의 전압의 변화가 유발된다.
전술한 바와 같이, 신호 전하들이 축적되는 동안 리셋 트랜지스터(33a)의 소스단인 부유 불순물층(43)과 선택 트랜지스터(34a)의 소스단(N36)의 전위가 변화된다. 이때, 억세스 트랜지스터(34b)의 게이트에는 픽셀 어레이(미도시)에서 로우(ROW)를 선택하는 로우 선택 신호(RS)가 인가된다. 그리고, 로우 선택 신호(RS)에 의하여 선택되는 픽셀의 축적된 신호 전하에 의하여 발생되는 전위가 칼럼 선택 라인(COLSEL)쪽으로 출력된다.
그리고, 본 명세서에서 제어 신호로 불리울 수 있는 리셋 신호(RESET)는 상기 리셋부(33)를 제어한다. 즉, 리셋 신호(RESET)가 "하이(high)" 레벨로 되면, 리셋 트랜지스터(33a)가 "턴온" 상태로 된다. 그러면, 포토 다이오드(31)에 축적된신호는 리셋되고, 부유 불순물층(43)은 (VDD-Vt) 레벨로 리셋된다. 여기서, VDD는 외부에서 공급되는 전원 전압을 의미하며, Vt는 리셋 트랜지스터(33)의 문턱 전압을 의미한다.
로우 선택 신호(RS)에 의하여 선택되는 픽셀에서는 선택 트랜지스터(34a)의 소스단 또는 억세스 트랜지스터(34b)의 드레인 단자인 접속 단자(N36)의 전위가 칼럼 선택 라인(COLSEL)쪽으로 전송된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 3-트랜지스터 구조의 픽셀에서는 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 다이오드 불순물층(41)과 역시 N+형의 부유 불순물층(43)이 N-형의 격리층(45)에 의하여 분리된다.
그리고, 기판 표면과 다이오드 불순물층(41) 및 격리층(45) 사이에는 P+형의 불순물층(51)이 형성될 수 있다. 상기 P+형의 불순물층(51)에 의하여, 포토 다이오드의 접합 면적이 증가될 수 있다.
본 명세서에서, N형은 불순물층의 다수 캐리어 물질이 정공(hole)의 수보다 전자(electron)의 수가 더 많은 물질로 도핑되어 있음을 의미한다. 또한, 첨자 플러스(+)는 첨자 마이너스(-)보다 도핑의 농도가 큰 것을 나타낸다.
바람직하기로는 상기 다이오드 불순물층(41), 부유 불순물층(43), 격리층(45)은 P형의 기판(49) 상에 형성되는 피-웰(P-Well, 47) 속에서 형성된다.
도 5a 내지 도 5d는 포토 다이오드에서 신호 전하가 축적되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 영역Ⅰ은 다이오드 불순물층(41), 영역Ⅱ는 격리층(45), 영역Ⅲ은 부유 불순물층(43), 영역Ⅳ는 리셋 트랜지스터의 채널층(44), 영역Ⅴ는 리셋 트랜지스터의 드레인층(46)의 영역을 각각 나타낸다.
실선 b는 N+로 도핑되는 다이오드 불순물층(41), 부유 불순물층(43), 리셋 트랜지스터(33a)의 드레인층(46)의 초기 포텐셜 에너지를 나타낸다. 그리고, N-로 도핑되는 격리층(45)의 초기 포텐셜 에너지는 실선 b보다 높은 값을 가지는 실선 e로 나타낸다. 즉, N+로 도핑되는 다이오드 불순물층(41) 및 부유 불순물층(43)과, N-로 도핑되는 격리층(45) 사이에는 포텐셜 에너지의 차이(t)가 발생한다. 이러한 포텐셜 에너지의 차이는 각 영역 사이의 장벽으로 작용한다. 따라서, 다이오드 불순물층(41)과 부유 불순물층(43)은 서로 분리된다.
한편, 리셋 트랜지스터(33a)의 채널층(48)의 초기 포텐셜 에너지는 "턴오프" 상태에서는 실선 c로 나타난다. 그러나, 리셋 트랜지스터(33a)가 "턴온" 상태가 되면, 리셋 트랜지스터(33a)의 채널층(48)의 초기 포텐셜 에너지는 실선 b로 낮아진다.
계속하여, 포토 다이오드에서의 신호 전하의 축적 과정이 기술된다. 도 5a는 신호 전하가 축적되기 전의 상태를 나타낸다. 빛에너지에 의한 신호 전하를 발생하기 전에도, 알파(α) 입자 등과 같은 다른 요인에 의하여, 다이오드 불순물층(41)의 포텐셜 에너지는 실선 e까지 상승되어 있는 것이 일반적이다.
그러므로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 다이오드 불순물층(41)에서 발생되는 신호 전하는 부유 불순물층(43)에 바로 축적된다. 즉, 부유 불순물층(43)인 영역 Ⅲ가 주로 캐패시터로서 작용한다. 따라서, 도 6의 A영역에서와 같이, 조도(Lux)의 변화에 대한 전압(Vout)의 변화는, 매우 급격하다.
계속하여 발생되는 신호 전하에 의하여, 부유 불순물층(43)의 포텐셜 에너지도 실선 e까지 상승한다. 그리고, 계속하여 발생되는 신호 전하는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 영역Ⅰ, 영역Ⅱ 및 영역Ⅲ에 걸쳐서 축적된다. 즉, 영역Ⅰ, 영역Ⅱ 및 영역Ⅲ 모두가 캐패시터로서 작용한다. 따라서, 도 6의 B영역에서와 같이, 조도(Lux)의 변화에 대한 전압(Vout)의 변화는, A 영역과 비교하여 완만하게 나타난다.
계속하여 발생되는 신호 전하에 의하여, 영역Ⅰ, 영역Ⅱ 및 영역Ⅲ의 포텐셜 에너지는 실선 c까지 상승한다. 그리고, 계속하여 발생되는 신호 전하는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 즉시 영역Ⅳ인 리셋 트랜지스터의 채널층(44)을 통과하여, 영역Ⅴ인 리셋 트랜지스터의 드레인층(46)으로 이동된다. 그리고, 드레인층(46)은 전원 전압(VDD) 단자와 연결되어 있으므로, 이동된 신호 전하는 전원 전압(VDD) 단자로 드레인된다. 따라서, 도 6의 C영역에서와 같이, 전압(Vout)은 조도(Lux)의 변화에 대하여 일정한 값을 유지한다.
결국, 도 6에 도시된 바와 같이, 빛에너지에 대한 부유 불순물층(43)의 전압은 변화의 기울기는 초기에는 급격하다가 점점 완만해지는 형태로 나타난다.
그러므로, 본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광 면적의 감소를 최소화하면서도, 높은 감지도를 가질 수 있다. 그리고, 조도의 범위에 대하여, 서로 다른 감지도가 발생된다는 장점이 발생한다. 즉, 저조도에서는 높은 감지도 특성을 가지지만, 고조도에서는 낮은 감지도 특성이 나타난다. 따라서, 본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 가지는 이미지 센서는 넓은 동작 범위를 가질 수 있다.
또한, N+형의 다이오드 불순물층(41)과 부유 불순물층(43)이 N-형의 격리층(45)으로 분리됨으로써, 다이오드 불순물층(41)의 양자 효율은 증가될 수 있다. 그리고, N-층에 의하여 다이오드 불순물층(41)에서 발생되는 노이즈가 차단됨으로써, 전체적으로 이미지의 질이 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀하는 이미지 센서에 의하면, 수광 면적의 감소는 최소화하면서, 감도는 효율적으로 증가한다. 또한, 전체적인 노이즈가 감소하여, 이미지 센서의 질이 향상된다.

Claims (3)

  1. 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀에 있어서,
    소정형으로 도핑되며, 소정의 신호 전하를 수신하는 부유 불순물층;
    수광되는 빛(光)의 에너지에 따라, 상기 신호 전하를 상기 부유 불순물층에 생성하도록 하며, 상기 소정형으로 도핑되는 다이오드 불순물층을 포함하는 포토 다이오드;
    소정의 제어 신호에 응답하여, 상기 부유 불순물층을 소정 레벨로 제어하는 리셋부;
    상기 부유 불순물층의 전압 레벨에 응답하여, 소정 레벨의 출력 신호를 발생하는 출력부; 및
    소정의 에너지 장벽을 이용하여, 상기 부유 불순물층과 상기 다이오드 불순물층을 전기적으로 격리시킬 수 있는 격리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 액티브 픽셀.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 격리층은 상기 소정형으로 도핑되며,
    상기 격리층의 도핑 농도는 상기 부유 불순물층 및 상기 다이오드 불순물층의 도핑 농도보다 작은 것을 특징으로 하는 씨모스 액티브 픽셀.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 소정형은
    N형인 것을 특징으로 하는 씨모스 액티브 픽셀.
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