KR20030084489A - Unit pixel having different reset transistor in cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시모스(CMOS) 이미지센서에 관한 것으로, 특히 리셋 트랜지스터(Reset Transistor)를 포토다이오드(Photodiode)에 직접 연결하여 포토다이오드에 존재하는 전자의 제거효율을 높임과 동시에 필팩터(fill factor)를 향상시킨 발명이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and in particular, by directly connecting a reset transistor to a photodiode to increase the removal efficiency of electrons present in the photodiode and at the same time to fill factor. It is an improved invention.
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 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 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. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to each other. Complementary MOS image sensors use CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. A device employing a switching scheme that creates MOS transistors as many as pixels and sequentially detects outputs using the MOS transistors.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에구현 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 realize one chip because signal processing circuit cannot be implemented 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 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된 단위 화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드와, 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (Rx)와, 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 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode PD and four NMOS transistors in a conventional CMOS image sensor, and includes a photodiode for generating photocharges by receiving light and a photodiode ( A transfer transistor Tx for transporting the photocharges collected from the PD) to the floating diffusion region FD, and a reset for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging the electric charge to reset the floating diffusion region FD. A transistor Rx, a drive transistor Dx serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor Sx for addressing can be configured as a switching role. Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.
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 포토다이오드에 전하축전(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역 (FD)은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하축전된다.Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx are turned on to reset the unit pixels. At this time, the photodiode PD starts to deplete, and carrier charging occurs in the photodiode, and the floating diffusion region FD is charged and stored in proportion to the supply voltage VDD.
그후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(OFF)시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Out)으로부터 제1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼(미도시)에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드의 전하들을 플로팅 확산영역으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 제2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1 - V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.Thereafter, the transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In such an operation state, after reading the first output voltage V1 from the unit pixel output terminal Out and storing the first output voltage V1 in a buffer (not shown), the transfer transistor Tx is turned on to change the charge of the photodiode according to the light intensity. The second output voltage V2 is read from the output terminal Out, and the analog data for the two voltage differences 'V1-V2' are converted into digital data. Is completed.
이와 같은 시모스 이미지센서의 동작에서, 먼저 잡음으로 인한 전압을 측정한 다음, 잡음성분과 이미지정보가 합쳐진 전압을 측정하여 여기서 잡음으로 인한 전압을 빼면 정확한 이미지 정보를 얻을 수 있다. 이를 상호관련이중샘플링 (Correlated Double Sampling : CDS)이라 하며 시모스 이미지센서에서 통상적으로 적용되고 있는 기술이다.In the operation of the CMOS image sensor, first, a voltage due to noise is measured, and then a voltage obtained by combining noise components and image information is subtracted from the voltage obtained by noise, thereby obtaining accurate image information. This is called correlated double sampling (CDS) and is a technique commonly applied in CMOS image sensors.
이러한 CDS를 이용하여 포토다이오드에 축전된 광전하를 읽어내는 동작을 수행하기 전에, 전술한 바와 같이 리셋 트랜지스터 등을 이용하여 포토다이오드를 리셋시키는 동작을 수행하게 된다.Before performing the operation of reading the photocharge stored in the photodiode using the CDS, as described above, the operation of resetting the photodiode using the reset transistor or the like is performed.
즉, 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터를 차례로 턴온시켜서 포토다이오드내에 존재하는 자유전자를 제거하는 리셋 동작을 수행하는데, 이는 잡음성분을제거하여 보다 정확한 이미지 값을 얻기 위해서이다.That is, the reset transistor and the transfer transistor are turned on in order to perform a reset operation to remove free electrons existing in the photodiode, in order to remove noise components to obtain more accurate image values.
도1a에 도시된 종래구조의 단위화소에서 이러한 리셋 동작시에 포토다이오드에 존재하는 자유전자를 끌어당기는 힘은 전원전압(VDD) 에 의해 좌우되는데, 전원전압(VDD)에서 소정의 전압을 감산한 전압이 최종적으로 포토다이오드에 인가되어 전자를 제거하는데 사용된다.In the unit pixel of the conventional structure shown in Fig. 1A, the force for attracting the free electrons present in the photodiode in this reset operation depends on the power supply voltage V DD , which is determined by the power supply voltage V DD . The subtracted voltage is finally applied to the photodiode and used to remove the electrons.
즉, 포토다이오드에 최종적으로 인가되는 전압(VFD)은That is, the voltage V FD finally applied to the photodiode is
VPD= VDD- ( VTX+ VFD+ VRX) = 3.3 - (i ×RTX+ i ×RFD+ i ×RRX) 이다.V PD = V DD- (V TX + V FD + V RX ) = 3.3-(i × R TX + i × R FD + i × R RX ).
여기서, RTX는 트랜스퍼 트랜지스터가 형성된 웰(well)의 저항이며, RFD는 플로팅확산영역의 저항, RRX는 리셋 트랜지스터가 형성된 웰(well)의 저항이며 i는 포토다이오드에 존재하는 전자에 의해 생성되는 전류를 나타낸다.Where R TX is the resistance of the well in which the transfer transistor is formed, R FD is the resistance of the floating diffusion region, R RX is the resistance of the well in which the reset transistor is formed, and i is caused by electrons present in the photodiode. Indicate the generated current.
이와 같이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는데 사용되는 전압으로, 전원전압이 다 사용되지 못하고, 전원전압에서 (VTX+ VFD+ VRX)만큼 감소된 전압이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는데 사용된다.As a voltage used to remove electrons present in the photodiode, the power supply voltage is not used up and a voltage reduced by (V TX + V FD + V RX ) in the power supply voltage removes electrons present in the photodiode. It is used to
즉, 종래와 같은 단위회소 구조에서는 포토다이오드에 남아있는 잔여 전자를 제거하는데 사용되는 전압이 전원전압보다 감소함에 따라, 잔여전자가 완전히 제거되지 못하여 잔여전자로 인한 암신호가 유발될 가능성이 높아지는 문제가 있다.That is, in the conventional unit circuit structure, as the voltage used to remove the residual electrons remaining in the photodiode is lower than the power supply voltage, the residual electrons are not completely removed and the possibility of a dark signal caused by the residual electrons is increased. There is.
도1b는 종래의 구조를 갖는 단위화소의 레이아웃을 보인 도면으로 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리실리콘이 도시되어 있다. 이를 참조하면, 포토다이오드 (101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102)이 포토다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.FIG. 1B is a diagram illustrating a layout of a unit pixel having a conventional structure, in which an isolation defining an active region in which a photodiode and a diffusion region are to be formed and polysilicon constituting a gate of each transistor are illustrated. Referring to this, the photodiode 101 has a square shape, and the gate polysilicon 102 of the transfer transistor is formed in contact with one side of the photodiode 101.
플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 레이아웃되며, 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 일측과 접하게 된다.The floating diffusion region 103 is laid out in contact with the other side of the gate polysilicon 102 of the transfer transistor by being turned 90 ° in the X-axis direction in the Y-axis direction, and in contact with one side of the gate polysilicon 104 of the reset transistor.
리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(104)의 타측은 드레인영역(105)과 접하여 형성되고 드레인영역(105)은 X축 방향에서 Y축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)과 접하게 된다.The other side of the gate polysilicon 104 of the reset transistor is formed in contact with the drain region 105, and the drain region 105 is formed at an angle of 90 ° from the X-axis direction to the Y-axis direction, and then the gate polysilicon 106 of the drive transistor. It comes in contact with.
이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 사이 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107, 109)이 형성된다.Subsequently, the gate polysilicon 108 of the select transistor is formed in the same direction, between the other side of the gate polysilicon 106 of the drive transistor and the gate polysilicon 108 of the select transistor, and the other side of the gate polysilicon 108 of the select transistor. Source / drain regions 107 and 109 are formed in the substrate.
이와 같이 구성된 종래의 단위화소의 레이아웃에서 플로팅확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터(102)와 리셋 트랜지스터(104) 사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)은 콘택을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.In the layout of a conventional unit pixel configured as described above, the floating diffusion region 103 is formed in an active region between the transfer transistor 102 and the reset transistor 104 and the gate polysilicon of the floating diffusion region 103 and the drive transistor. 106 is electrically connected via a contact.
필팩터는 단위화소의 전체면적중에서 포토다이오드가 차지하는 면적의 비율을 나타내는데 이 요소는 이미지센서의 성능에 관계되는 중요요소 중의 하나이다.The fill factor represents the ratio of the area occupied by the photodiode to the total area of the unit pixel, which is one of the important factors related to the performance of the image sensor.
종래구조의 단위화소에서 필팩터를 계산하여 보면, 단위화소의 사이즈 =7.85 ×8 = 62.8㎛2이고, 포토다이오드의 사이즈는 4.2 ×4.2 = 17.64㎛2로서 필팩터는 17.64 ÷62.8 = 0.281 (28.1％)로서 필팩터가 그리 크지않음을 알 수 있다.When the fill factor is calculated from the conventional unit pixel, the size of the unit pixel is 7.85 × 8 = 62.8 μm 2 , the size of the photodiode is 4.2 × 4.2 = 17.64 μm 2 , and the fill factor is 17.64 ÷ 62.8 = 0.281 (28.1). It can be seen that the fill factor is not so large as%).
필팩터가 크다는 것은 빛을 받아들여 전기적인 신호로 바꿀 수 있는 능력이 더 크다는 것으로, 필팩터가 크면 클수록 단위화소의 출력전압의 변화폭이 커진다는 것을 의미한다. 즉, 시모스 이미지센서의 다이내믹 레인지가 증가하는 것이다.The larger fill factor means that the ability to receive light and convert it into an electrical signal means that the larger the fill factor, the larger the change in the output voltage of the unit pixel. In other words, the dynamic range of the CMOS image sensor increases.
종래와 같은 구성을 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서는 필팩터가 작아서 보다 정확한 이미지재현에 적합하지 않은 단점이 있었다.In the unit pixel of the CMOS image sensor having the same configuration as the prior art, there is a disadvantage that the fill factor is not suitable for more accurate image reproduction.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토다이오드 내의 전자의 제거효율을 높임과 동시에 필팩터를 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, which improves the fill factor and improves the removal efficiency of electrons in the photodiode.
도1a는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing the configuration of a unit pixel in a CMOS image sensor according to the prior art;
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 레이아웃을 도시한 도면,1B is a diagram illustrating a layout of unit pixels in a CMOS image sensor according to the related art;
도2a는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,Figure 2a is a circuit diagram showing the configuration of a unit pixel in the CMOS image sensor according to the present invention;
도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 레이아웃을 도시한 도면.Figure 2b is a view showing the layout of the unit pixel in the CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
201 : 포토다이오드201: photodiode
202 : 트랜스퍼 트랜지스터202: transfer transistor
203 : 플로팅확산영역203: floating diffusion area
204 : 리셋 트랜지스터204: reset transistor
206 : 드라이브 트랜지스터206: Drive Transistor
208 : 셀렉트 트랜지스터208: Select Transistor
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부로부터의 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토다이오드; 전원전압단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 포토다이오드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 전달받아 저장하는 플로팅확산영역; 상기 포토다이오드와 상기 플로팅확산영역 사이에 연결되어 상기 포토다이오드로부터 생성된 전하를 상기 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 일측이 전원전압에 연결되어 상기 플로팅확산영역으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터의 타측에 그 일측이 연결된 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object, a photodiode for generating a photocharge by sensing light from the outside; A reset transistor connected between a power supply voltage terminal and the photodiode to reset the photodiode; 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 drive transistor having one side connected to a power supply voltage for detecting an electrical signal from the floating diffusion region; And a select transistor having one side connected to the other side of the drive transistor.
또한, 본 발명은 포토다이오드를 이루는 제1 활성영역; 상기 제1 활성영역의 일측에 접하여 형성되어 플로팅확산영역을 이루는 제2 활성영역; 상기 제1 활성영역의 타측에 접하는 제3 활성영역; 상기 제1 활성영역과 상기 제2 활성영역상에 중첩되어 형성된 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제1 활성영역과 상기 제3 활성영역상에 중첩되어 형성된 리셋 트랜지스터; 상기 제3 활성영역상에 형성된 드라이브 트랜지스터; 및 상기 제3 활성영역상에 형성된 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.In addition, the present invention provides a photodiode comprising: a first active region constituting a photodiode; A second active region formed in contact with one side of the first active region to form a floating diffusion region; A third active region in contact with the other side of the first active region; A transfer transistor overlapping the first active region and the second active region; A reset transistor overlapping the first active region and the third active region; A drive transistor formed on the third active region; And a select transistor formed on the third active region.
본 발명은 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결함으로서, 리셋동작시에 포토다이오드에 인가되는 전압이 감소되는 것을 방지하여, 전자 제거효율을 증가시킴과 동시에 변경된 레이아웃을 통하여 필팩터를 향상시킨 발명이다.The present invention prevents the voltage applied to the photodiode during the reset operation by directly connecting the reset transistor to the photodiode, thereby increasing the electron removal efficiency and improving the fill factor through the changed layout.
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 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도로서 이를 참조하여 설명하면, 리셋 트랜지스터의 배치가 종래기술과 상이하고 다른 부분은 종래기술과 유사하다.FIG. 2A is a circuit diagram illustrating a configuration of unit pixels in a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to this, the arrangement of the reset transistor is different from that of the related art, and other parts are similar to the prior art.
즉, 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 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 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 포토다이오드와 플로팅확산영역의 전자를 배출하는 리셋동작을 수행하는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 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 로드(load) 트랜지스터(부하저항)가 형성되어 있다.In other words, the unit pixel of the CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention composed of one photodiode and four transistors is a photodiode (PD) for generating and accumulating photocharges for use in image reproduction, and a photo A transfer transistor (Tx) for transporting the photocharges generated by the diode to the floating diffusion region, a photodiode and a reset value for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging electrons in the photodiode and the floating diffusion region. It consists of a reset transistor Rx, a drive transistor Dx serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor Sx capable of addressing by switching. . Outside the unit pixel, a load transistor (load resistor) is formed to read an output signal.
이러한 구조를 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서 리셋동작에 대해 살펴보면, 리셋 트랜지스터만을 턴온시키면 포토다이오드에 존재하는 전자들은 전원전압(VDD)에 의해 제거되는데 최종적으로 포토다이오드에 인가되는 전압(VPD)은Referring to the reset operation in the unit pixel of the CMOS image sensor having such a structure, when only the reset transistor is turned on, the electrons in the photodiode are removed by the power supply voltage V DD , and finally, the voltage applied to the photodiode (V PD). )silver
VPD= VDD- ( VRX) = 3.3 - (i ×RRX) 이다.V PD = V DD- (V RX ) = 3.3-(i × R RX ).
즉, 종래기술에서 포토다이오드에 인가되는 전압인 [VDD- ( VTX+ VFD+ VRX)] 보다 큰 전압 [VDD- ( VRX)]이 포토다이오드에 인가되고 있음을 알 수 있다.That is, the conventional voltage applied to the photodiode in the art it can be seen that this is applied to the photodiode [V DD - - (V TX + V FD + V RX)] larger than the voltage [(V RX) V DD] .
이와 같이 리셋 동작시에 포토다이오드(PD)로 인가되는 전압이 증가함에 따라 포토다이오드에 존재하는 잔여전자를 제거하는 효율이 증대하게 되며, 이는 암전류를 보다 효율적으로 제거하여 보다 정확한 이미지 재현이 가능해진다.As the voltage applied to the photodiode PD increases during the reset operation, the efficiency of removing residual electrons present in the photodiode is increased, which effectively removes dark current and enables more accurate image reproduction. .
암전류란 빛이 전혀 없는 상태에서도 포토다이오드에서 플로팅확산영역으로 이동하는 전자에 의해 생성되는데, 리셋동작시에 포토다이오드에 존재하는 전자를 많이 제거하여 잔여전자의 농도를 감소시킬수록 암전류는 감소한다.The dark current is generated by electrons moving from the photodiode to the floating diffusion region even in the absence of light, and the dark current decreases as the concentration of residual electrons is reduced by removing a lot of electrons in the photodiode during the reset operation.
도2b는 본 발명의 일실시예에 따라 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결한 단위화소의 모습을 도시한 레이아웃 도면으로, 포토다이오드 및 확산영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리실리콘이 도시되어 있다.FIG. 2B is a layout diagram illustrating a unit pixel in which a reset transistor is directly connected to a photodiode according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is an isolation defining an active region in which a photodiode and a diffusion region are to be formed, and a gate of each transistor. Polysilicon is shown to make up.
이를 참조하면, 포토다이오드 (201)는 정방형을 이루고 있고, 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(202)이 포토다이오드(201)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.Referring to this, the photodiode 201 has a square shape, and the gate polysilicon 202 of the transfer transistor is in contact with one side of the photodiode 201.
플로팅확산영역(203)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(202) 타 측면에 접하여 형성되는데 종래기술과 달리 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)과는 접하고 있지 않다.The floating diffusion region 203 is formed in contact with the other side of the gate polysilicon 202 of the transfer transistor. Unlike the prior art, the floating diffusion region 203 is not in contact with the gate polysilicon 204 of the reset transistor.
즉, 후술될 것이지만, 본 발명의 일실시에에서는 리셋 트랜지스터(204)가 포토다이오드(201)에 직접 연결되어 있으므로, 종래와 같이 플로팅확산영역(203)이 트랜스퍼 트랜지스터(202)와 리셋 트랜지스터(204) 사이에 형성되어 전자들이 이동하는 통로역할을 하고 있지 않다.That is, as will be described later, in one embodiment of the present invention, since the reset transistor 204 is directly connected to the photodiode 201, the floating diffusion region 203 is the transfer transistor 202 and the reset transistor 204 as in the prior art. It does not act as a passage through which electrons move.
만일, 리셋 트랜지스터가 종래와 같이 구성된다면 액티브 영역이 포토다이오드의 왼쪽으로 확장될 수 밖에 없어, 포토다이오드의 면적을 증가시킬 만한 여유공간이 없게 된다.If the reset transistor is configured as in the related art, the active region has to be expanded to the left of the photodiode, so that there is no free space to increase the area of the photodiode.
본 발명의 일실시예에서는 리셋 트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결하고, 플로팅확산영역을 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터 사이에 형성하지 않음으로써 포토다이오드의 면적이 종래에 비해 증가했음을 도2b를 참조하면 알 수 있다. (4.2 ×4.2 = 17.64㎛2에서 5.0 ×5.0 = 25.0㎛2로 증가.)In an embodiment of the present invention, it can be seen that the area of the photodiode has been increased compared to the prior art by directly connecting the reset transistor to the photodiode and not forming the floating diffusion region between the transfer transistor and the reset transistor. . (Increased from 4.2 × 4.2 = 17.64 μm 2 to 5.0 × 5.0 = 25.0 μm 2 )
리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)은 그 일측이 포토다이오드(201)에 접하여 형성되며, 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(204)의 타측에 형성된드레인영역(205)은 X축 방향에서 Y축 방향으로 90°으로 꺽여 레이아웃되어 전원전압과 콘택되어 있다.The gate polysilicon 204 of the reset transistor is formed at one side thereof in contact with the photodiode 201, and the drain region 205 formed at the other side of the gate polysilicon 204 of the reset transistor is formed from the X axis direction to the Y axis direction. It is laid out at 90 ° and is in contact with the power supply voltage.
이어, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(206)이 상기 전원전압과 콘택된 드레인영역(205)과 접하여 형성되고, 동일한 방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(208)이 형성되어 있다.Subsequently, the gate polysilicon 206 of the drive transistor is formed in contact with the drain region 205 in contact with the power supply voltage, and the gate polysilicon 208 of the select transistor is formed in the same direction.
드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(206)과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(208) 사이 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(208)의 타측면에는 소오스/드레인영역(207, 209)이 각각 형성되어 있다.Source / drain regions 207 and 209 are formed between the gate polysilicon 206 of the drive transistor and the gate polysilicon 208 of the select transistor and on the other side of the gate polysilicon 208 of the select transistor, respectively.
도2b에 도시된 단위화소의 레이아웃에서 플로팅확산영역은 리셋 트랜지스터와 접하고 있지 않으며, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(206)과 콘택을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.In the layout of the unit pixel shown in FIG. 2B, the floating diffusion region is not in contact with the reset transistor, and is electrically connected to the gate polysilicon 206 of the drive transistor through a contact.
본 발명의 일실시예에 따른 단위화소의 사이즈는 8.25 ×8.25 = 68.9㎛2이고, 포토다이오드의 사이즈는 5.0 ×5.0 = 25.0㎛2로서, 필팩터는 25.0 ÷68.9 = 0.363 (36.3％) 이다.The size of the unit pixel according to the exemplary embodiment of the present invention is 8.25 × 8.25 = 68.9 μm 2, and the size of the photodiode is 5.0 × 5.0 = 25.0 μm 2 , and the fill factor is 25.0 ÷ 68.9 = 0.363 (36.3%).
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 레이아웃을 적용하면, 종래와 유사한 픽셀사이즈에서 필팩터가 약 8.2％ 증가하며 포화신호(saturation signal)의 마진이 확보되는 동시에 출력신호의 다이내믹 영역이 확장되는 장점이 있다.That is, when the layout according to the embodiment of the present invention is applied, the fill factor is increased by about 8.2% at a pixel size similar to that of the prior art, and the margin of the saturation signal is secured and the dynamic area of the output signal is expanded. There is this.
본 발명의 일실시예에서는 픽셀사이즈가 68.9㎛2로서 종래기술의 픽셀사이즈인 62.8㎛2보다 약간 증가하였지만, 만일 종래와 같이 28.1％의 필팩터를 갖는 단위화소를 제작하고자 할 경우에는, 종래보다 훨씬 작은 사이즈를 갖는 단위화소를 제작할 수 있다. 즉, 본 발명을 적용하면 종래와 유사한 사이즈를 갖는 단위화소에서 필팩터를 8.2％ 정도 증가시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, but the pixel size slightly higher than the 62.8㎛ 2 pixel size of the prior art as 68.9㎛ 2, if you want to create a unit pixel having a fill factor of 28.1% and if as conventional, than conventional It is possible to produce unit pixels with much smaller sizes. That is, according to the present invention, the fill factor can be increased by 8.2% in unit pixels having a similar size as in the related art.
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 리셋동작에서 전자의 제거효율을 증대시켜 암전류를 감소시킴으로써 보다 정확한 이미지재현이 가능하고 다이내믹레인지가 증가하며, 또한 단위화소의 회로변경으로 레이아웃이 변경되어 종래보다 필팩터가 증가하며 종래보다 작은 사이즈의 단위화소를 제작할 수 있어 생산성과 경제성이 향상되는 효과가 있다.When the present invention is applied to the CMOS image sensor, more accurate image reproduction is possible by increasing the removal efficiency of electrons in the reset operation and reducing the dark current, the dynamic range is increased, and the layout is changed due to the circuit change of the unit pixel. The factor is increased and the unit pixel of a smaller size than the conventional one can be produced, thereby improving productivity and economic efficiency.
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