KR20030084340A - Unit Pixel with improved property in cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시모스(CMOS) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 단위화소의 구성에서 리셋 트랜지스터(Reset Transistor)를 제거하고 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체하여 회로를 단순화한 발명이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to simplify a circuit by removing a reset transistor in a unit pixel configuration and replacing it with a reset input having a resistor.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. The charge carrier is stored and transported in a capacitor while being located in close proximity. The CMOS image sensor uses a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. It is a device that adopts switching method to make MOS transistor and detect output by using it.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.CCD (charge coupled device) has many disadvantages such as complicated driving method, high power consumption, high number of mask process steps, complicated process, and difficult to implement signal processing circuit in CCD chip. In order to overcome such drawbacks, the development of a CMOS image sensor using a sub-micron CMOS manufacturing technology has been studied in recent years. The CMOS image sensor forms an image by forming a photodiode and a MOS transistor in a unit pixel and sequentially detects signals in a switching method, and implements an image by using a CMOS manufacturing technology, which consumes less power and uses 30 to 40 masks as many as 20 masks. Compared to CCD process that requires two masks, the process is very simple, and it is possible to make various signal processing circuits and one chip, which is attracting attention as the next generation image sensor.
도1a는 4개의 트랜지스터를 이용한 통상의 CMOS 이미지센서 단위 화소(Unit Pixel) 회로도로서, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되고, 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역 (FD)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1A is a conventional CMOS image sensor unit pixel circuit diagram using four transistors, which is composed of one photodiode (PD) and four NMOS transistors, and four NMOS transistors are collected from the photodiode (PD). A transfer transistor Tx for transporting the photocharges to the floating diffusion region FD, and a reset transistor Rx for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging electric charges to reset the floating diffusion region FD. And a drive transistor Dx serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor Sx capable of addressing as a switching role. Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.
도1b는 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터를 사용하여 구성된 이미지센서의 단위화소 회로도로서, 4개의 트랜지스터로 구성된 단위화소에서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 제거한 것이다.FIG. 1B is a unit pixel circuit diagram of an image sensor constructed by using one photodiode and three transistors, in which a transfer transistor Tx is removed from a unit pixel composed of four transistors.
즉, 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하가 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 거치지 않고, 곧바로 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트단으로 입력되어 드라이브 트랜지스터(Dx)를 구동시키는 구조이다.That is, the photocharge generated by the photodiode PD is input directly to the gate terminal of the drive transistor Dx without passing through the transfer transistor Tx to drive the drive transistor Dx.
도1b에 도시된 리셋 트랜지스터(Rx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 도1a에 도시된 리셋 트랜지스터(Rx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)와 유사한 동작을 수행한다. 리셋트랜지스터(Rx)는 게이트단으로 입력되는 신호에 따라 포토다이오드(PD)를 초기화 시키는 동작을 수행하고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 게이트로 입력되는 스위칭 신호에 따라 단위화소 밖으로 드라이브 트랜지스터(Dx)의 출력을 전달하는 역할을 한다.The reset transistor Rx and the select transistor Sx shown in FIG. 1B perform operations similar to those of the reset transistor Rx and the select transistor Sx shown in FIG. 1A. The reset transistor Rx initializes the photodiode PD according to the signal input to the gate terminal, and the select transistor Sx moves out of the unit pixel according to the switching signal input to the gate. It is responsible for passing output.
이와같은 종래의 단위화소 구성은 4개 혹은 3개의 트랜지스터와 1개의 포토다이오드로 구성되어 있기 때문에, 면적이 커서 소자의 고집적화에 걸림돌로서 작용하여 왔다.Since such a conventional unit pixel structure is composed of four or three transistors and one photodiode, the area is large and has acted as an obstacle to high integration of the device.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시모스 이미지센서의 단위화소에서 리셋 트랜지스터를 제거하고 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체함으로써 소자의 집적도를 증가시킴과 동시에 누설전류 특성을 감소시킨 시모스 이미지센서의 단위화소를 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems. The present invention has been made by removing a reset transistor from a unit pixel of a CMOS image sensor and replacing it with a reset input having a resistor to increase the device integration density and reduce leakage current characteristics. It is an object to provide a unit pixel of an image sensor.
도1a 내지 도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,1A to 1B are circuit diagrams showing the configuration of unit pixels in a CMOS image sensor according to the prior art;
도2a 내지 도2b는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도.2A to 2B are circuit diagrams showing the configuration of unit pixels in the CMOS image sensor according to the present invention;
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅확산영역; 상기 포토다이오드와 상기 플로팅확산영역 사이에 연결되어 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 상기 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 일측단과 상기 플로팅확산영역에 연결되어 입력되는 신호에 따라 상기 포토다이오드를 리셋시키되 저항을 구비한 리셋 입력; 및 상기 플로팅확산영역에 게이트단이 연결되어 상기 플로팅확산영역으로부터 전기적 신호를 검출하기 위한 드라이브 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object, a photodiode for generating a photocharge by sensing light from the outside; A floating diffusion region configured to receive and store charge generated from the photodiode; A transfer transistor connected between the photodiode and the floating diffusion region to transfer charges generated from the photodiode to the floating diffusion region; A reset input having a resistor connected to one side end of the transfer transistor and the floating diffusion region to reset the photodiode according to a signal input thereto; And a drive transistor connected to the floating diffusion region to detect an electrical signal from the floating diffusion region.
또한, 본 발명은 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 게이트단이 연결된 드라이브 트랜지스터; 상기 포토다이오드의 일측에 연결되어 상기 포토다이오드를 리셋시키되 저항을 구비한 리셋 입력; 및 전원전압단과 상기 드라이브 트랜지스터 사이에 연결되어 스위칭역할을 하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.The present invention also provides a photodiode for generating photocharges by sensing light from the outside; A drive transistor having a gate terminal connected to the photodiode; A reset input connected to one side of the photodiode to reset the photodiode but having a resistor; And a select transistor connected between a power supply voltage terminal and the drive transistor to perform a switching role.
본 발명은 리셋 트랜지스터를 제거하고 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체함으로써 단위화소의 사이즈를 감소시킴과 동시에 누설전류를 감소시킨 발명이다.The present invention reduces the size of the unit pixel and reduces the leakage current by removing the reset transistor and replacing it with a reset input having a resistor.
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 설명한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.
도2a는 본 발명을 적용하여 3개의 트랜지스터와 1개의 포토다이오드 및 1개의 저항으로 구성된 단위화소를 도시한 회로도로서 이를 참조하여 설명하면, 리셋 트랜지스터가 제거되고 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체되어 있으며 다른 부분은 종래기술과 유사하다.FIG. 2A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of three transistors, one photodiode, and one resistor according to the present invention. Referring to this, a reset transistor is removed and replaced with a reset input having a resistor. The other part is similar to the prior art.
즉, 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터 및 1개의 저항으로 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소는 빛을 받아 광전하를 생성, 축적하여 이미지재현에 사용하는 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅확산영역으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 포토다이오드와 플로팅확산영역의 전위를 원하는 값으로 세팅하고, 포토다이오드와 플로팅확산영역의 전자를 배출하는 리셋동작을 수행하는 리셋 입력단과, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 부하저항이 형성되어 있다.That is, the unit pixel of the CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention composed of one photodiode, three transistors, and one resistor receives light to generate and accumulate photocharges and use the photodiode (PD) for image reproduction. ), A transfer transistor (Tx) for transporting the photocharges generated by the photodiode to the floating diffusion region, a potential of the photodiode and the floating diffusion region are set to a desired value, and the electrons of the photodiode and floating diffusion region are discharged A reset input stage for performing a reset operation, a drive transistor (Dx) serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor (Sx) for addressing (switching). It is composed. Outside the unit pixel, a load resistor is formed to read an output signal.
이미지센서는 수만 내지 수십만개의 단위화소가 모여있는 화소어레이부와 상기 화소어레이부의 출력을 제어하는 주변회로부 등으로 구성되어 있는데, 종래에는 단위화소 내의 포토다이오드에 잔존하는 전자를 제거하기 위한 리셋 동작시에 리셋트랜지스터를 턴온시켜서 포토다이오드에 잔존하는 전자를 제거하였다. 즉, 단위화소마다 리셋 트랜지스터를 구비하여 리셋 동작시에 사용하였는데, 본 발명의 일실시예에서는 리셋 트랜지스터를 제거하고 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체함으로써, 단위화소의 면적을 감소시킬 수 있다.The image sensor is composed of a pixel array unit in which tens of thousands to hundreds of thousands of unit pixels are gathered, and a peripheral circuit unit for controlling the output of the pixel array unit. In the prior art, a reset operation for removing electrons remaining in a photodiode in a unit pixel is performed. The reset transistor was turned on to remove the electrons remaining in the photodiode. That is, the reset transistor is provided for each unit pixel and used in the reset operation. In one embodiment of the present invention, the area of the unit pixel can be reduced by removing the reset transistor and replacing it with a reset input having a resistor.
저항을 구비한 리셋 입력을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소에서는 리셋동작시에 양(positive)의 전압이 리셋 입력으로 입력되어 포토다이오드에 잔존하는 전자를 제거한다.In the unit pixel of the CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention having a reset input having a resistor, a positive voltage is input to the reset input during the reset operation to remove electrons remaining in the photodiode.
이러한 리셋 입력으로 입력되는 신호는 펄스 신호로써, 리셋 동작시에는 양의 전압이 인가되고, 리셋 동작이외에는 플로팅(floating) 상태에 있음으로서 종래의 리셋 트랜지스터가 하는 역할을 대체하게 된다.The signal input to the reset input is a pulse signal, and a positive voltage is applied during the reset operation, and in a floating state other than the reset operation, thereby replacing the role of the conventional reset transistor.
본 발명의 일실시예에서는 리셋 입력에 높은 저항을 연결하여 사용함으로써 누설전류를 감소시켰는데, 리셋 입력이 플로팅 상태에 있는 경우에 발생할 수도 있는 누설젼류 문제를, 높은 저항을 리셋 입력에 연결함으로써 해결하였다.In one embodiment of the present invention, the leakage current is reduced by connecting a high resistance to the reset input. The leakage current problem that may occur when the reset input is in a floating state is solved by connecting the high resistance to the reset input. It was.
리셋 입력에 구비된 고 저항은 폴리실리콘으로 형성될 수 있으며, 이러한 폴리실리콘으로 이루어진 고저항을 기존의 트랜지스터(Tx, Rx, Dx)와 스택(stack) 구조로 형성함으로써 단위화소 면적의 증가를 방지할 수 있다.The high resistance of the reset input may be formed of polysilicon, and the high resistance of the polysilicon may be formed into a stack structure with the existing transistors (Tx, Rx, and Dx) to prevent an increase in the unit pixel area. can do.
즉, 누설전류를 감소시키기 위해 높은 저항을 리셋 입력에 추가하여 구비할 경우에, 폴리실리콘으로 이루어진 고저항은 비교적 큰 면적을 차지하기 때문에 자칫하면 단위화소의 면적이 증가할 수도 있지만, 이러한 고저항을 기존의 트랜지스터상부에 스택(stack)형태로 형성하면 단위화소 면적의 증가를 방지할 수 있다.That is, when a high resistance is added to the reset input to reduce the leakage current, since the high resistance made of polysilicon occupies a relatively large area, the area of the unit pixel may increase, but such high resistance If formed as a stack on an existing transistor, it is possible to prevent an increase in the unit pixel area.
도2b는 본 발명의 일실시예에 따라 리셋 트랜지스터를 저항을 구비한 리셋 입력단으로 대체하여 2개의 트랜지스터와 1개의 포토다이오드 및 1개의 저항으로 구성된 단위화소를 도시한 도면으로 이를 참조하여 설명하면, 리셋 트랜지스터가 제거되고 저항을 갖는 리셋입력으로 대체되어 있으며 다른 부분은 종래기술과 유사하다.2B is a diagram illustrating a unit pixel composed of two transistors, one photodiode, and one resistor by replacing the reset transistor with a reset input terminal having a resistor according to an embodiment of the present invention. The reset transistor is removed and replaced by a reset input with a resistor, the other parts being similar to the prior art.
즉, 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하가 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 거치지 않고, 곧바로 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트단으로 입력되어 드라이브 트랜지스터(D)를 구동시키는 구조에서, 리셋 트랜지스터를 저항을 구비한 리셋 입력단으로 대체한 것이며, 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 부하저항이 형성되어 있다.That is, in the structure in which the photocharge generated by the photodiode PD is input directly to the gate terminal of the drive transistor Dx without passing through the transfer transistor Tx to drive the drive transistor D, It is replaced by a reset input terminal provided, and a load resistor is formed outside the unit pixel so that an output signal can be read.
드라이브 트랜지스터는 포토다이오드에 축적된 전하를 게이트단으로 입력받아 광전하에 의해 생성된 이미지 정보를 출력하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 게이트단으로 입력되는 스위칭 신호에 따라 단위화소 밖으로 드라이브트랜지스터(Dx)의 출력을 전달하는 역할을 한다.The drive transistor receives the charge accumulated in the photodiode and outputs the image information generated by the photocharge, and the select transistor Sx moves out of the unit pixel according to the switching signal input to the gate end. It is responsible for passing output.
도2a에 도시된 단위화소와 마찬가지로 도2b에 도시된 단위화소에서도 리셋 입력으로 입력되는 신호는 펄스 신호이며, 리셋 동작시에는 양의 전압이 인가되어 포토다이오드에 잔존하는 전자를 제거하며, 리셋 동작이외에는 플로팅 상태에 있음으로서 종래의 리셋 트랜지스터가 하는 역할을 대체 할 수 있다.Like the unit pixel shown in FIG. 2A, the signal input to the reset input in the unit pixel shown in FIG. 2B is a pulse signal. In the reset operation, a positive voltage is applied to remove electrons remaining in the photodiode. Otherwise, the floating state can replace the role of the conventional reset transistor.
도2b에 도시된 단위화소에서도 도2a에서와 같이, 리셋 입력에 높은 저항을 구비함으로써 누설전류를 감소시켰는데, 리셋 입력단이 플로팅 상태에 있는 경우에 발생할 수도 있는 누설젼류 문제를 높은 저항을 리셋 입력에 연결함으로써 해결하였다.In the unit pixel shown in FIG. 2B, as in FIG. 2A, the leakage current is reduced by providing a high resistance at the reset input, and the reset resistance is higher than the leakage current that may occur when the reset input terminal is in a floating state. Solved by connecting to.
리셋 입력에 구비된 고 저항은 폴리실리콘으로 형성될 수 있으며, 이러한 폴리실리콘으로 이루어진 고저항을 기존의 트랜지스터(Tx, Rx, Dx)와 스택(stack) 구조로 형성함으로써 단위화소 면적의 증가를 방지할 수 있다.The high resistance of the reset input may be formed of polysilicon, and the high resistance of the polysilicon may be formed into a stack structure with the existing transistors (Tx, Rx, and Dx) to prevent an increase in the unit pixel area. can do.
본 발명의 일실시예에서는 리셋 트랜지스터를 제거하고 대신에 펄스신호를 입력으로 하되 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체하여, 단위화소의 면적을 줄임으로써 단위화소 구성의 간소화 및 소자의 고집적화에 용이하게 함과 동시에 누설전류를 감소시킨 것으로, 누설전류를 감소시키기 위한 고저항을 스택형태로 형성함으로써 단위화소의 면적의 증가없이 단위화소내에서 포토다이오드가 차지하는 면적비율인 필팩터를 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따라 소자의 고집적화가 이루어지면 제조단가를 절감할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the reset transistor is removed and a pulse signal is input instead, but a reset input having a resistance is used to reduce the unit pixel area, thereby simplifying the unit pixel configuration and making the device highly integrated. At the same time, by reducing the leakage current, by forming a high resistance for reducing the leakage current in the form of a stack, the fill factor, which is the area ratio occupied by the photodiode in the unit pixel, can be increased without increasing the area of the unit pixel. In addition, if the high integration of the device is made according to the present invention can reduce the manufacturing cost.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하면 리셋 트랜지스터가 저항을 구비한 리셋 입력으로 대체되었기 때문에, 단위화소 구성을 단순화하여 소자의 고집적화에 유리하며 또한 누설전류를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.When the present invention is applied to the CMOS image sensor, since the reset transistor is replaced by a reset input having a resistance, the unit pixel configuration is simplified, which is advantageous for high integration of the device, and also has an effect of reducing leakage current.
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