KR20030009625A - CMOS image sensor having transfer transistor gate extended to surface of floating diffusion area - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 CMOS 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 상대적으로 낮은 전압에서 트랜스퍼 트랜지스터를 구동시켜 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로의 전하전송 효율을 보다 증가시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor capable of further increasing charge transfer efficiency from a photodiode to a floating diffusion region by driving a transfer transistor at a relatively low voltage.
CMOS 이미지 센서(image sensor)는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 빛에 반응하여 생성된 신호전자를 전압으로 변환하고 신호처리 과정을 거쳐 화상정보를 재현한다. CMOS 이미지 센서는 각종 카메라, 의료장비, 감시용 카메라, 위치확인 및 감지를 위한 각종 산업 장비, 장난감 등 화상신호를 재현하는 모든 분야에 이용 가능하며, 저전압 구동과 단일 칩화가 가능하여 점점 활용범위가 확대되고 있는 추세이다.A CMOS image sensor converts an optical image into an electrical signal using a CMOS manufacturing technology. The CMOS image sensor converts signal electrons generated in response to light into voltage and reproduces image information through a signal processing process. CMOS image sensor can be used in all fields of image signal reproduction such as various cameras, medical equipment, surveillance cameras, various industrial equipments for positioning and detection, toys, etc. The trend is expanding.
CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD(chargecoupled device) 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.The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD (chargecoupled device) image sensor, which is widely used as an image sensor, and can be implemented in various scanning methods. Not only is this possible, but the use of compatible CMOS technology reduces manufacturing costs and significantly lowers power consumption.
도 1a은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시터 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀을 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀을 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors and two capacitors, and a unit pixel of a CMOS image sensor composed of four photosensitive diodes (PD) and four NMOS transistors. . Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx is responsible for transporting the photocharges generated by the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx is used for detecting the signal. The drive transistor Dx serves as a source follower, and the select transistor Sx serves for switching and addressing.
도 1b는 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 부분을 보이는 단면도로서, p형 기판(10)에 형성된 n- 영역(11) 및 p+영역(12)으로 이루어지는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 통해 포토다이오드(PD)로부터 전하를 전송받는 n+플로팅 확산영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx) 등을 보이고 있다.FIG. 1B is a cross-sectional view of a unit pixel of a CMOS image sensor, and includes a photodiode PD and a transfer transistor Tx including an n − region 11 and a p + region 12 formed on a p-type substrate 10. The n + floating diffusion region FD, the reset transistor Rx, and the like, which receive charges from the photodiode PD, are shown.
도 1a와 같은 구조의 단위 픽셀에 인가되는 신호를 보이는 타이밍도인 도 2를 참조하여 단위 픽셀의 A 지점(센싱 노드)을 기준으로 신호전자가 검출되는 과정을 보다 상세하게 설명한다.Referring to FIG. 2, which is a timing diagram showing a signal applied to a unit pixel having a structure as illustrated in FIG. 1A, a process of detecting signal electrons based on a point A (a sensing node) of the unit pixel will be described in detail.
먼저, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-온시키고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-오프시켜 포토다이오드(PD)를 완전히 공핍(fully depletion)시켜 빛을 감지하기 위한 준비 동작을 수행한다. 다음으로, 턴-온된 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-오프시켜 포토 다이오드(PD)에서 빛을 흡수하여 광전하를 생성하고, 생성된 광전하를 집적(integration)한다. 그리고, 리셋 트랜지스터(Rx) 및 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 각각 턴-온, 턴-오프 상태로 계속 유지하게 하고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-온시킴으로써 센싱 노드(A)에 의해 구동되는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 통해 플로팅 확산영역(FD)이 'Vdd'로 리셋된다. 'Vdd'로 리셋 후, 리셋 신호를 '로우' 상태로하면 이때 리셋 트랜지스터의 게이트 아래에 있었던 전자 일부가 플로팅 확산영역(FD)으로 흘러들어감으로써 플로팅 확산영역(FD)의 전위는 이때 흘러들어간 전자의 양에 비례하여 감소한다. 이 신호를 샘플링 홀드(sampling hold)하여 레퍼런스(reference)로 삼는다. 다음으로, 소정의 집적 시간이 지난 후 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-온시켜 포토다이오드(PD)에서 집광시간 동안 축전된 신호전자가 플로팅 확산영역(FD)으로 유입되면 이 신호전자에 해당하는 양에 비례하여 전위감소가 이루어진다. 이때의 신호를 샘플링 홀드하면 화소 데이터가 된다. 이후, 포토다이오드에서 반응하여 생성된 순수 신호를 검출하기 위해서는 상기 데이터에서 레퍼런스 값을 차감해야 한다. 이와 같이 신호 검출이 이루어진 후 셀렉트 클럭은 '로우' 상태로 들어감으로써 검출단회로는 '오프' 상태가 된다.First, the transfer transistor Tx and the reset transistor Rx are turned on, and the select transistor Sx is turned off to completely depletion the photodiode PD so that a preparation operation for detecting light is performed. Perform. Next, the turned-on transfer transistor Tx is turned off to absorb light from the photodiode PD to generate photocharges, and to integrate the generated photocharges. Then, the drive transistor driven by the sensing node A is maintained by keeping the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx in turn-on and turn-off states, respectively, and turn-on the select transistor Sx. Through the Dx and the select transistor Sx, the floating diffusion region FD is reset to 'Vdd'. After the reset to 'Vdd', when the reset signal is set to 'low', some of the electrons under the gate of the reset transistor flow into the floating diffusion region FD, so that the potential of the floating diffusion region FD flows at this time. Decreases in proportion to the amount of. This signal is sampled and held as a reference. Next, when a predetermined integration time passes, the transfer transistor Tx is turned on and the signal electrons accumulated during the condensing time in the photodiode PD flow into the floating diffusion region FD. The potential decreases in proportion to. When sampling and holding the signal at this time, it becomes pixel data. Subsequently, in order to detect the pure signal generated by the reaction in the photodiode, a reference value should be subtracted from the data. After the signal is detected as described above, the select clock enters the 'low' state, so that the detection end circuit is turned off.
종래 CMOS 이미지 센서 구조에서는 전송 클럭(transfer clock)의 전송 시간 동안에 포토다이오드(PD)로부터 플로팅 확산영역(FD)으로 전하를 완전하게 전송하지 못하고 있으며, 포토다이오드에 잔량 존재하는 전하가 리셋 시간에 동안에 빠져나감으로 인해 신호전자가 출력되기 위해서는 포토다이오드에서 빠져나간 신호전자에 해당하는 양의 전하축적이 필요하다. 이라한 전하축적 정도는 각 픽셀 마다 차이가 있어서 저조도에서 출력이 나오기 시작하는 최소 조도 즉 '데드 존(dead zone)'에 영향을 줄 뿐만 아니라 노이즈로 작용하고 있다. 데드 존의 존재는 저조도에서 동작영역 제한 및 감도저하, 조도에 따른 선형성(linearity) 문제, 화질 균일성 저하 문제를 야기시키고 있다.In conventional CMOS image sensor structure Due to the failure of full transfer of charge from the photodiode (PD) to the floating diffusion region (FD) during the transfer clock, the remaining charge in the photodiode is lost during the reset time. In order to output C, the amount of charge accumulated corresponding to the signal electrons exiting the photodiode is required. The degree of charge accumulation is different for each pixel, which not only affects the minimum illumination (dead zone) where output starts to come out at low light, but also acts as a noise. The presence of the dead zone causes problems such as limited operating range and sensitivity at low illumination, linearity due to illumination, and degradation of image quality uniformity.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 주어진 전송 시간 동안에 포토다이오드의 신호전자를 완전히 전송시켜야 한다.To solve this problem, signal electrons of the photodiode must be completely transmitted during a given transmission time.
도 3은 일정 조도, 일정 집광 시간(integration time) 조건에서 전송시간 변화에 따른 픽셀별 출력변화를 보이는 그래프로서, 포토다이오드에서 주어진 전송시간 동안에 트랜스퍼 트랜지스터를 통해 완전히 전하를 전송하지 못하고 있음을 보이고 있다.3 is a graph showing a change in output per pixel according to a change in transmission time under a constant illuminance and a constant integration time. The photodiode does not completely transfer charge through a transfer transistor during a given transfer time. .
도 4는 트랜스퍼 트랜지스터의 구동 클럭 변화에 따른 출력 곡선을 보이는 그래프로서, 주어진 전송시간 동안에 포토다이오드에서 트랜스퍼 트랜지스터를 통해 플로팅 확산영역으로 전송되는 신호전자의 양이 트랜스퍼 트랜지스터의 구동전압에 따라 변화하고, 트랜스퍼 트랜지스터의 구동전압이 높을수록 데드 존의 감소 및 감도(출력 곡선의 기울기)가 증가함을 보이고 있다.4 is a graph showing an output curve according to a change of a driving clock of a transfer transistor, in which a quantity of signal electrons transferred from a photodiode through a transfer transistor to a floating diffusion region during a given transmission time varies with a driving voltage of the transfer transistor, As the driving voltage of the transfer transistor is higher, the dead zone decreases and the sensitivity (the slope of the output curve) increases.
트랜스퍼 시간 동안 포토다이오드의 전하가 플로팅 확산영역으로 완전하게 전송되도록 하기 위해서는 포토다이오드를 완전히 공핍시켜야 한다. 포토다이오드를 완전하게 공핍시키는 방법으로는 포토다이오드의 완전공핍시 용량을 그대로 유지하면서 트랜스퍼 클럭 레벨을 최소 전위로 유지시킬 수 있는 공정 방법, 전하 전송시 원활히 흐를 수 있는 구조로의 개선 등을 생각해볼 수 있다. 도 2 및 도 3과 같은 특성을 보이는 이미지 센서는 상대적으로 낮은 전압 즉, 3.3 V의 구동으로는 모든 포토다이오드를 완전하게 공핍시키기에는 다소 어려운 점이 있다.The photodiode must be fully depleted in order for the charge of the photodiode to be completely transferred to the floating diffusion region during the transfer time. As a method of completely depleting the photodiode, a process method that can maintain the transfer clock level at the minimum potential while maintaining the capacity at the complete depletion of the photodiode, and an improvement to a structure that can flow smoothly during charge transfer will be considered. Can be. 2 and 3, the image sensor exhibits some difficulties in completely depleting all photodiodes with a relatively low voltage, that is, 3.3V.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상대적으로 낮은 전압에서 트랜스퍼 트랜지스터를 구동시켜 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로의 전하전송 효율을 보다 증가시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor capable of further increasing the efficiency of charge transfer from a photodiode to a floating diffusion region by driving a transfer transistor at a relatively low voltage.
도 1a는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 회로도,1A is a circuit diagram schematically illustrating a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 1b는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 단면도,1B is a cross-sectional view schematically illustrating a unit pixel structure of a conventional CMOS image sensor;
도 2는 종래 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀에 인가되는 신호를 보이는 타이밍도,2 is a timing diagram showing a signal applied to a unit pixel of a conventional CMOS image sensor;
도 3은 일정 조도, 일정 집광 시간 조건에서 종래 CMOS 이미지 센서의 전송시간 변화에 따른 픽셀별 출력변화를 보이는 그래프,3 is a graph showing the change in output for each pixel according to the change in transmission time of a conventional CMOS image sensor under a constant illuminance and a constant focusing time condition;
도 4는 트랜스퍼 트랜지스터의 구동 클럭 변화에 따른 종래 CMOS 이미지 센서의 출력 곡선을 보이는 그래프,4 is a graph showing an output curve of a conventional CMOS image sensor according to a change of a driving clock of a transfer transistor;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 보이는 단면도,5 is a cross-sectional view illustrating a unit pixel structure of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 전위장벽 차이를 비교하여 보이는 설명도.6 is an explanatory view comparing the potential barrier difference between the CMOS image sensor according to the present invention and the prior art.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명** Description of reference numerals for the main parts of the drawings *
PD: 포토다이오드 FD: 플로팅 확산영역PD: photodiode FD: floating diffusion
Tx: 트랜스퍼 트랜지스터 Rx: 리셋 트랜지스터Tx: transfer transistor Rx: reset transistor
Sx: 셀렉트 트랜지스터 Dx: 드라이브 트랜지스터Sx: Select Transistor Dx: Drive Transistor
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광감지 수단, 상기 광감지 수단에서 발생된 광전하를 공급받는 플로팅 확산영역 및 상기 광감지 수단에서 광전하를 상기 플로팅 확산영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트가 상기 플로팅 확산영역과 중첩되는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.The present invention for achieving the above object comprises a light sensing means, a floating diffusion region receiving the photocharge generated in the light sensing means and a transfer transistor for transporting the photocharge to the floating diffusion region in the light sensing means. An image sensor comprising: a CMOS image sensor in which a gate of the transfer transistor overlaps the floating diffusion region.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판내에 형성된 포토다이오드; 상기 반도체 기판 내에 형성되며 상기 포토다이오드로부터 소정간격 이격된 플로팅 확산영역; 및 상기 포토다이오드에서 형성된 광전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전송하며 그 게이트가 상기 포토다이오드와 상기 플로팅 확산영역 사이의 상기 반도체 기판 표면 및 상기 플로팅 확산영역 표면에 형성되는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, a semiconductor substrate; A photodiode formed in said semiconductor substrate; A floating diffusion region formed in the semiconductor substrate and spaced apart from the photodiode by a predetermined distance; And a transfer transistor configured to transfer the photocharges formed in the photodiode to the floating diffusion region, the gate of which is formed on the surface of the semiconductor substrate between the photodiode and the floating diffusion region and on the surface of the floating diffusion region. Provide a sensor.
상기 씨모스 이미지 센서는 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하여 신호를 검출하기 위한 리셋 트랜지스터; 소스 팔로워로서 역할하는 드라이브 트랜지스터; 및 스위칭 및 어드레싱을 위한 셀렉트 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서를 더 포함한다.The CMOS image sensor may include a reset transistor configured to detect a signal by discharging charge stored in the floating diffusion region; A drive transistor serving as a source follower; And a CMOS image sensor further comprising a select transistor for switching and addressing.
본 발명은 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로 신호전자 전송효율을 개선하기 위한 방법으로 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 구동 클럭을 플로팅 확산영역의 전위와 커플링(coupling)시키는 CMOS 이미지 센서를 제공하는데 그 특징이 있다. 본 발명은 트랜스퍼의 게이트가 플로팅 확산영역까지 덮도록 확장시킴으로써 트랜스퍼 트랜지스터의 '온' 상태에서 플로팅 확산영역의 전위가 트랜스퍼 클럭에서 커플링 됨으로 인해 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering) 효과에 따라 포토다이오드에서 생성된 신호전자가 원활히 전송될 수 있는 전위 구조를 얻을 수 있다. 또한 저조도 저출력시에도 포토다이오드의 신호전자가 완전히 전송될 수 있어서 포토다이오드를 완전히 공핍시킬 수 있다. 이와 같이 완전공핍될 경우 빛에 반응할 수 있는 영역이 증대함으로 인해 전반적인 감도 향상을 이룰 수 있고, 데드 존이 사라짐으로 인한 저조도 특성 향상 및 노이즈 개선 효과를 기대할 수 있다.The present invention provides a CMOS image sensor for coupling a gate driving clock of a transfer transistor with a potential of a floating diffusion region as a method for improving signal electron transfer efficiency from a photodiode to a floating diffusion region. According to the present invention, the gate of the transfer is extended to cover the floating diffusion region, so that the potential of the floating diffusion region is coupled in the transfer clock in the 'on' state of the transfer transistor, so that the photodiode is generated in the photodiode according to the Drain Effect (DIBL) effect. A potential structure can be obtained in which the signal electrons can be transmitted smoothly. In addition, the signal electrons of the photodiode can be completely transmitted even at low light and low power, thereby completely depleting the photodiode. In this case, when fully depleted, the area capable of responding to light is increased, thereby improving overall sensitivity, and low light characteristics and noise improvement may be expected due to the disappearance of dead zones.
이하 첨부된 도면 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 5.
본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 광감지 수단인 포토다이오드(PD), 플로팅 확산영역(FD), 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 상기 플로팅 확산영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하여 신호를 검출하기 위한 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워로서 역할하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 구비하며 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(A)이 플로팅 확산영역과 중첩되는데 그 특징이 있다.The CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention is a transfer transistor for transporting photocharges generated in the photodiode PD, the floating diffusion region FD, and the photodiode PD, which are optical sensing means, to the floating diffusion region FD. (Tx), a reset transistor (Rx) for detecting a signal by discharging the charge stored in the floating diffusion region (FD), a drive transistor (Dx) serving as a source follower, switching and addressing (Addressing) And a select transistor Sx for the gate electrode A of the transfer transistor to overlap the floating diffusion region.
본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서와 종래 CMOS 이미지 센서의 차이점을 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.Differences between the CMOS image sensor and the conventional CMOS image sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6.
종래 3.3 V에서 구동하는 CMOS 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 게이트(80)는 포토다이오드 영역과 플로팅 확산영역(FD) 사이의 반도체 기판 상에 형성되며 그 하부에는 전위장벽(potential barrier)이 형성된다. 도 6에서 도면 부호 '61'은 트랜스퍼 트랜지스터에 '로우' 신호가 인가될때의 전위장벽, '71'은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터에 '하이' 신호가 인가될 때의 전위장벽, '81'은 종래 CMOS 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터에 '로우' 신호가 인가될 때의 전위장벽을 각각 나타내고, 도면부호 '72'는 신호전자의 이동 경로를 나타낸다.A transfer transistor (Tx) gate 80 of a CMOS image sensor, which is driven at 3.3 V, is formed on a semiconductor substrate between a photodiode region and a floating diffusion region FD, and a potential barrier is formed thereunder. . In FIG. 6, reference numeral 61 denotes a potential barrier when a 'low' signal is applied to a transfer transistor, '71' denotes a potential barrier when a 'high' signal is applied to a transfer transistor of a CMOS image sensor according to the present invention. '81' represents potential barriers when a 'low' signal is applied to a transfer transistor of a conventional CMOS image sensor, and reference numeral '72' represents a movement path of signal electrons.
이러한 전위장벽(71, 81)은 포토다이오드(PD)에 형성된 신호전자(e-)가 플로팅 확산영역(FD)으로 이동하는 것을 억제하며, 그에 따라 전송이 이루어진 후에도 전송을 억제하는 중성영역인 전위장벽이 포토다이오드(PD) 내에 존재하게 된다. 포토다이오드(PD) 내의 중성영역은 픽셀 마다 차이를 갖게 되며 이는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 게이트 아래의 전위장벽(71, 81)과 포토다이오드(PD)가 완전히 공핍되었을 때의 전위 즉, 피닝 전압(pinning voltage)의 차이에 의해 데드 존의 정도가 달라진다.The potential barriers 71 and 81 prevent the signal electrons e- formed in the photodiode PD from moving to the floating diffusion region FD, and thus the potential, which is a neutral region, which suppresses the transmission even after the transfer is made. The barrier is present in the photodiode PD. The neutral region in the photodiode PD is different from pixel to pixel, which is the potential when the potential barriers 71 and 81 and the photodiode PD are completely depleted under the gate of the transistor Tx. The degree of dead zone varies depending on the voltage).
포토다이오드(PD)의 신호전자가 전송되어 완전 공핍이 되기 위해서는 포토다이오드(PD)의 피닝 전압과 트랜스퍼 트랜지스터 게이트(Tx) 아래의 전위장벽(71, 81)의 전위차(△ V)가 일정크기 보다 커야한다. 즉, 포토다이오드(PD)가 완전 공핍될 경우, 포토다이오드(PD)의 피닝 전압과 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 게이트 전극 아래의 전위장벽(71,81)의 차이가 클수록 포토다이오드(PD)에서 플로팅 확산영역(FD)으로의 신호전자 전송 속도가 증가한다.In order for the signal electrons of the photodiode PD to be transmitted and completely depleted, the pinning voltage of the photodiode PD and the potential difference ΔV between the potential barriers 71 and 81 under the transfer transistor gate Tx are greater than a certain magnitude. Should be large That is, when the photodiode PD is completely depleted, the floating diffusion in the photodiode PD becomes larger as the difference between the pinning voltage of the photodiode PD and the potential barriers 71 and 81 below the gate transistor Tx gate electrode becomes larger. The signal electron transmission speed to the area FD is increased.
그러나 종래 CMOS 이미지 센서의 경우 완전공핍되기 어렵고, 이 경우 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터 (Tx) 게이트 아래 전위차(△ V) 가 일정전압 작을 경우 전송속도는 늦어진다. 저조도 저출력시 전송속도는 포토다이오드의 피닝 전압과 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 아래의 전위 장벽의 전위차(△ V)에 의존하는 지수함수로 결정되기 때문이다. 따라서 주어진 클럭 시간동안 포토다이오드(PD)에 균일한 전위가 형성되지 않으며 구조적으로 트랜지스퍼 트랜지스터(Tx) 게이트 근처의 신호전자가 먼저 전송되고 게이트에서 멀어질수록 전송이 더디게 일어난다.However, in the case of the conventional CMOS image sensor, it is difficult to fully deplete. In this case, when the potential difference ΔV under the gate of the photodiode PD and the transfer transistor Tx is small, the transmission speed becomes slow. This is because the transmission speed at low light and low power is determined by an exponential function depending on the pinning voltage of the photodiode and the potential difference ΔV of the potential barrier under the transfer transistor gate. Therefore, a uniform potential is not formed in the photodiode PD for a given clock time, and the signal electrons near the gate of the transistor transistor Tx are transmitted first, and the transmission is slower as the distance from the gate increases.
한편, 포토다이오드 피닝 전압의 경우 주어진 면적에서 포토다이오드 내의 도우즈(dose) 영향을 받으며 포토다이오드의 도우즈가 높을수록 포아송 방정식(Poisson's Equation)에 의해 피닝 전압이 높아지고 포토다이오드 용량 증가를 가져오지만, 신호전송 효율을 불량해진다. 즉, CMOS 이미지 센서가 점점 고화소, 저전압화되는 추세에서 포토다이오드의 면적을 감소시키면서 최대 용량 증대를 위해서는 포토다이오드의 도우즈를 높여야 하는데, 포토다이오드의 도우즈가 높을 수록 신호전자 전송 속도가 저하되는 문제가 있다.On the other hand, the photodiode pinning voltage is affected by the dose in the photodiode at a given area, and the higher the dose of the photodiode, the higher the pinning voltage and the photodiode capacity increase due to Poisson's Equation. Signal transmission efficiency becomes poor. In other words, as the CMOS image sensor becomes increasingly high pixel and low voltage, the dose of the photodiode needs to be increased to increase the maximum capacity while reducing the area of the photodiode. The higher the dose of the photodiode, the lower the signal electron transmission speed. there is a problem.
본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(70)를 플로팅 확산영역까지 확장하여 형성함으로써 구동 클럭에 의해 정해지는 트랜스퍼 트랜지스터 게이트 아래 전위장벽에 따라 포토다이오드의 피닝 전압을 낮게 할 수 있어서 그로 인해 신호전자가 원활히 전송되도록 할 수 있다. 즉, 도 6에서 보이는 바와 같이 포토다이오드(PD)에서 데이터 신호 추출시 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 통해 완전히 플로팅 확산영역(FD)으로 전송되지 못한 신호전자가 트랜스퍼 클럭으로 플로팅 확산영역(FD)을 커플링시킴으로써 완전전송과 함께 포토다이오드가 완전 공핍됨으로 인해 포토다이오드의 용량을 증대시킬 수 있고, 빛에 반응할 수 잇는 영역확대로 감도개선도 이루어진다. 그리고, 트랜스퍼 게이트의 구동전압이 높을수록 신호전자가 플로팅 확산영역으로 원활히 이동할 수 있는 전위를 형성하여 출력되기 시작하는 최소 조도는 낮아지며 즉, 데드 존이 감소하며, 그와 동시에 포토다이오드의 공핍영역의 증대로 인해 포토다이오드에 신호전자를 담을 수 있는 용량증가 및 민감도를 향상시킬 수 있다.The CMOS image sensor according to the present invention extends the gate 70 of the transfer transistor to a floating diffusion region, thereby lowering the pinning voltage of the photodiode according to the potential barrier under the transfer transistor gate determined by the driving clock. Therefore, the signal electrons can be transmitted smoothly. That is, as shown in FIG. 6, when the data signal is extracted from the photodiode PD, signal electrons that are not completely transferred to the floating diffusion region FD through the transfer transistor Tx couple the floating diffusion region FD to the transfer clock. By ringing, the photodiode is completely depleted with complete transmission, thereby increasing the capacity of the photodiode and improving the sensitivity by expanding the area that can respond to light. In addition, as the driving voltage of the transfer gate is higher, the minimum illuminance at which the signal electrons start to be outputted by forming a potential to move smoothly to the floating diffusion region is reduced, that is, the dead zone is reduced, and at the same time, the depletion region of the photodiode The increase can increase the capacity and sensitivity of the photodiode to contain the signal electrons.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 저전압에서 저저도 동작시 전송효율을 높여 동작영역확대, 감도 및 화질 개선으로 인한 CMOS 이미지 센서의 특성 향상을 기대할 수 있다. 즉, 저조도 출력시에도 포토다이오드의 신호전자가 완전히 전송됨으로 포토다이오드를 완전 공핍시킬 수 있다. 완전 공핍의 경우 빛에 반응할 수 있는 영역이 증대됨으로 인해 전반적인 감도 향상 및 완전 공핍으로 데드 존이 사라짐으로써 저조도 특성 관련 감도 향상 및 노이즈 개선 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 저전압 구동에서 포토다이오드에 생성된 신호전자의 전송효율을 높여 포토다이오드 용량증대로 동작영역을 개선함으로써, 저저도 감도 개선, 노이즈 개선 및 조도에 따른 선형성 개선을 기대할 수 있다.The present invention made as described above can be expected to improve the characteristics of the CMOS image sensor due to the increase in the transmission efficiency during the low-low operation at low voltage, the operation area enlargement, sensitivity and image quality. In other words, the photodiode can be completely depleted because the signal electrons of the photodiode are completely transmitted even at low light output. In the case of complete depletion, the area that can react to light is increased, so that the overall sensitivity is improved and the dead zone disappears due to complete depletion, thereby improving sensitivity and noise improvement related to low light characteristics. In addition, by improving the operating area by increasing the photodiode capacity by increasing the transmission efficiency of the signal electrons generated in the photodiode in the low-voltage driving, it is possible to expect low-low sensitivity improvement, noise improvement and linearity due to illumination.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100508085B1 (en) * | 2002-08-20 | 2005-08-17 | 삼성전자주식회사 | CMOS Image Sensor And Method Of Fabricating The Same |
| US7612819B2 (en) | 2004-11-05 | 2009-11-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | CMOS image sensor and method of operating the same |
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2001
- 2001-07-23 KR KR1020010044157A patent/KR20030009625A/en not_active Application Discontinuation
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