KR20020058439A

KR20020058439A - 광감도 및 전하전송 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서

Info

Publication number: KR20020058439A
Application number: KR1020000086545A
Authority: KR
Inventors: 권경국; 심진섭
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2002-07-12

Abstract

본 발명은, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 사이에 두고 이격되는 포토다이오드와 플로팅 확산영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 증가시키면서 플로팅 확산영역과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 감소시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드에서 형성된 전하를 플로팅 확산영역으로 전달시키기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서에 있어서, 그 한 모서리가 사선면을 이루는 포토다이오드; 그 일면이 상기 포토다이오드의 사선면의 일부와 접하는 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역; 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역과 접하는 플로팅 확산영역; 및 상기 포토다이오드의 일부 및 상기 채널 영역과 중첩되며 상기 포토다이오드의 사선면과 평행한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

광감도 및 전하전송 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서{Image sensor capable of increasing light sensitivity and charge transport}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 증가시키면서 플로팅 확산영역과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 감소시킬 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 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.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(V_DD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압(VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.

도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술에 따른 이미지 센서의 포토다이오드(PD), 플로팅 확산영역(FD), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(Rx) 배치를 보이는 평면도이다.

도 2a는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 사이에 두고 상기 포토다이오드(PD)와 이격되어 배치되는 플로팅 확산영역(FD)을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 일직선 형태의 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)이 사각 포토다이오드(PD) 영역과 제1 방향으로 중첩되는 것을 보이고 있다.

그리고 2b는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 사이에 두고 상기 포토다이오드(PD)와 이격되어 배치되는 플로팅 확산영역(FD)을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)이 굴곡을 가져 사각 포토다이오드(PD) 영역과 제1 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 중첩되는 것을 보이고 있다.

도 2a와 같은 배치에서는 플로팅 확산영역(FD)과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)의 중첩면적이 작아서 그에 따라 중첩 캐패시턴스(C1)도 감소되어 플로팅 확산영역(FD)의 감도 효율이 양호하다. 그러나, 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)의 중첩 면적은 작아 전하전송 특성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 도 2b와 같은 배치에서는 플로팅 확산영역(FD)과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)의 중첩면적이 상대적으로 크고, 그에 따라 중첩 캐패시턴스가크기 때문에 플로팅 확산영역(FD)의 감도 효율은 저하되는 문제점이 있으나, 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)의 중첩 면적이 상대적으로 증가하여 전하전송 특성은 향상된다.

이와 같이 종래 이미지 센서는 트랜스퍼 트랜지스터와 포토다이오드 그리고 트랜스퍼 트랜지스터와 플로팅 확산영역의 중첩 면적을 함께 증가하거나 감소하기 때문에 다양한 소자 특성을 모두 양호하게 확보할 수 없는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 사이에 두고 이격되는 포토다이오드와 플로팅 확산영역을 구비하는 이미지 센서에 있어서, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 증가시키면서 플로팅 확산영역과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 감소시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,

도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 플로팅 확산영역, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드, 플로팅 확산영역, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극 배치를 보이는 평면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

PD: 포토다이오드 FD: 플로팅 확산영역

Tx: 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극

Rx: 리셋 트랜지스터의 게이트 전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드에서 형성된 전하를 플로팅 확산영역으로 전달시키기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서에 있어서, 그 한 모서리가 사선면을 이루는 포토다이오드; 그 일면이 상기 포토다이오드의 사선면의 일부와 접하는 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역; 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역과 접하는 플로팅 확산영역; 및 상기 포토다이오드의 일부 및 상기 채널 영역과 중첩되며 상기 포토다이오드의 사선면과 평행한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명한다.

도 3은 그 한 모서리가 사선면(A)을 이루는 포토다이오드(PD), 그 일면이 상기 포토다이오드의 사선면(A)의 일부와 접하는 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역(B), 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역(B)과 접하는 플로팅 확산영역(FD) 및 상기 포토다이오드(PD)의 일부 및 상기 채널 영역(B)과 중첩되며 상기 포토다이오드의 사선면(A)과 평행한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(Tx)을 보이고 있다.

종래 이미지 센서 보다 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 상대적으로 증가시키면서 플로팅 확산영역과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적은 상대적으로 감소시킬 수 있어, 광감도 특성을 향상시킴과 동시에 전하 전송 효율도 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 이미지 센서의 광감도 특성을 향상시킴과 동시에 전하 전송 효율도 증가시킬 수 있다. 즉, 플로팅 확산영역과 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩면적이 상대적으로 작아서 그에 따라 중첩 캐패시턴스도 감소되고 플로팅 확산영역의 감도 효율이 향상된다. 또한, 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극의 중첩 면적이 상대적으로 증가하여 전하전송 특성역시 향상된다.

Claims

포토다이오드에서 형성된 전하를 플로팅 확산영역으로 전달시키기 위한 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서에 있어서,

그 한 모서리가 사선면을 이루는 포토다이오드;

그 일면이 상기 포토다이오드의 사선면의 일부와 접하는 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역;

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 채널 영역과 접하는 플로팅 확산영역; 및

상기 포토다이오드의 일부 및 상기 채널 영역과 중첩되며 상기 포토다이오드의 사선면과 평행한 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극

을 포함하는 이미지 센서.