KR20040038225A - Unit pixel in cmos image sensor with improved reset transistor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 리셋 트랜지스터의 구조를 변경하여 포토다이오드와 플로팅확산영역에 대한 리셋 동작의 효과를 극대화한 발명이다.The present invention relates to a CMOS image sensor, and in particular, to change the structure of the reset transistor to maximize the effect of the reset operation on the photodiode and the floating diffusion region.
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 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 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(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)과 포토다이오드(PD)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(RL) 트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS 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 setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging the electric charge to discharge the floating diffusion region (FD) and the photodiode (PD). Reset transistor (Rx) for resetting, a drive transistor (Dx) serving as a source follower buffer amplifier (Source Follower Buffer Amplifier), and a select transistor (addressing) for switching (Switching). Sx). Outside the unit pixel, a load (R L ) transistor is formed to read an output signal.
이러한 단위 화소로부터 출력을 얻어내는 동작원리를 살펴보면 다음과 같다.The operation principle of obtaining an output from such a unit pixel is as follows.
먼저, Tx, Rx, Sx를 턴-오프시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 완전한공핍(Fully depletion) 상태이다. 다음으로 광전하(Photogenerated Charge)를 포토다이오드(PD)에 모은다. 적정시간 후에 Rx를 턴-온시켜 플로팅확산영역(FD)를 1차 리셋(Reset) 시킨다.First, turn off Tx, Rx, and Sx. At this time, the photodiode PD is in a fully depletion state. Next, photogenerated charges are collected on the photodiode (PD). After the appropriate time, Rx is turned on to reset the floating diffusion region FD first.
다음으로 Sx를 턴-온시켜 단위화소를 온시키고 나서, Dx의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 플로팅확산영역(FD)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.Next, turn the Sx - and then turns on the on-by unit pixels, a bar, and the value of measuring an output voltage (V 1) of Dx must only sense the DC potential change of the floating diffusion region (FD) (DC level shift) .
다음으로 Tx를 턴-온 시켜 모든 광전하를 플로팅확산영역으로 이송시킨후 Dx의 출력전압(V2)을 측정한다. 출력신호(V1-V2)는 V1과 V2사이의 차이에서 얻어진 광전하 운송의 결과이며, 이느 노이즈(Noise)가 배제된 순수 시그날 값이 된다.Next, turn on Tx to transfer all the photocharges to the floating diffusion area and measure the output voltage (V 2 ) of Dx. The output signals V 1 -V 2 are the result of the photocharge transport resulting from the difference between V 1 and V 2 , which are pure signal values excluding noise.
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 상관이중샘플링 (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 to CMOS image sensors.
이러한 CDS기법을 이용하여 포토다이오드에 축전된 광전하를 읽어내는 동작을 수행하기 전에, 전술한 바와 같이 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터를 이용하여 포토다이오드와 플로팅확산영역을 리셋시키는 동작을 수행하게 된다.Before performing the operation of reading the photocharge stored in the photodiode using the CDS technique, as described above, the operation of resetting the photodiode and the floating diffusion region using the reset transistor and the transfer transistor is performed.
즉, 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터를 차례로 턴온시켜서 포토다이오드와 플로팅확산영역내에 존재하는 자유전자를 제거하는 리셋 동작을 수행하는데, 이는 잡음성분을 제거하여 보다 정확한 이미지 값을 얻기 위해서이다.That is, the reset transistor and the transfer transistor are turned on one by one to perform a reset operation to remove free electrons existing in the photodiode and the floating diffusion region, in order to remove noise components and 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 conventional structure, the unit pixel shown in Figure 1a, such a force to pull the free electrons present in the photodiode at the time of the reset operation is the predetermined voltage from there is dependent on the supply voltage (V DD), a 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(VPD)은 VPD= VDD- ( VTX+ VFD+ VRX) 이다. 여기서 VTX는 트랜스퍼 트랜지스터에 의한 전압강하를 나타내며 VFD는 플로팅확산영역에 의한 전압강하를, VRX는 리셋 트랜지스터에 의한 전압강하를 나타낸다.That is, the voltage V PD finally applied to the photodiode is V PD = V DD- (V TX + V FD + V RX ). Where V TX represents the voltage drop by the transfer transistor, V FD represents the voltage drop by the floating diffusion region, and V RX represents the voltage drop by the reset transistor.
이와 같이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하기 위해 전원전압을 인가하여도, 최종적으로는 전원전압이 다 사용되지 못하고, 전원전압에서 (VTX+ VFD+ VRX)만큼 감소된 전압이 포토다이오드에 존재하는 전자를 제거하는데 사용된다.In this way, even when a power supply voltage is applied to remove electrons present in the photodiode, the power supply voltage is not finally used, and a voltage reduced by (V TX + V FD + V RX ) from the power supply voltage is finally reduced. Used to remove electrons present in the.
따라서, 도1a에 도시된 구조를 갖는 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드를 리셋시키는 동작의 효율이 저하되기 때문에 암전류에 취약한 단점이 있다.Therefore, since the efficiency of the operation of resetting the photodiode in the unit pixel of the CMOS image sensor having the structure shown in FIG. 1A is reduced, there is a disadvantage that it is vulnerable to dark current.
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 4개의 트랜지스터로 구성된 단위화소의 다른 구성을 도시한 회로도로서, 리셋 트랜지스터가 포토다이오드에 직접 연결되어 있는 구조이다.1B is a circuit diagram showing another configuration of a unit pixel composed of four transistors in a CMOS image sensor according to the related art, in which a reset transistor is directly connected to a photodiode.
이러한 구조를 갖는 단위화소에서 포토다이오드(PD)를 리셋하는 동작에서 최종적으로 포토다이오드에 인가되는 전압은 VPD= VDD- VRX이므로, 전원전압에서 그리 많이 감소되지는 않는다. 따라서 도1b에 도시된 단위화소에서 포토다이오드를 리셋시키는 동작의 효율은 좋은편이라고 말할 수 있다.In the operation of resetting the photodiode PD in the unit pixel having such a structure, the voltage applied to the photodiode is V PD = V DD -V RX , and thus the voltage of the photodiode PD is not reduced much. Therefore, it can be said that the efficiency of the operation of resetting the photodiode in the unit pixel shown in Fig. 1B is good.
하지만 플로팅확산영역(FD)을 리셋시키는 동작에서는, 전원전압이 플로팅확산영역내에 존재하는 자유전자를 제거하기 위해 사용되어도, 최종적으로 플로팅확산영역에 인가되는 전압은 VFD= VDD- VRX- VTX이므로, 자유전자를 제거하기 위한 전압이 낮기때문에 리셋동작의 효율이 감소하는 단점이 발생한다.However, in the operation of resetting the floating diffusion region FD, even when the power supply voltage is used to remove free electrons existing in the floating diffusion region, the voltage applied to the floating diffusion region is finally V FD = V DD -V RX- . Since V TX , the voltage for removing free electrons is low, which causes a disadvantage in that the efficiency of the reset operation is reduced.
이와 같이 종래의 2가지 단위화소의 구조에서는 포토다이오드 또는 플로팅확산영역에 남아있는 잔여 전자를 제거하는데 사용되는 전압이 전원전압보다 감소함에 따라, 잔여전자가 완전히 제거되지 못하여 잔여전자로 인한 암신호가 유발될 가능성이 높아지는 문제가 있었다.As described above, in the structure of the two conventional unit pixels, as the voltage used to remove the residual electrons remaining in the photodiode or floating diffusion region is lower than the power supply voltage, the residual electrons are not completely removed and the dark signal due to the residual electrons is removed. There was a problem that is likely to be triggered.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 리셋 트랜지스터의 구조를 변경하여 리셋동작시의 효율을 높인 시모스 이미지센서를 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 having a high efficiency during a reset operation by changing a structure of a reset transistor.
도1a은 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 4개의 트랜지스터로 구성된 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing the configuration of a unit pixel of an image sensor composed of four transistors in a CMOS image sensor according to the prior art;
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서에서 4개의 트랜지스터로 구성된 이미지센서의 단위화소의 다른 구성을 도시한 회로도,1B is a circuit diagram showing another configuration of a unit pixel of an image sensor composed of four transistors in a CMOS image sensor according to the prior art;
도2a 내지 도2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,2A to 2B are circuit diagrams showing the configuration of unit pixels in a CMOS image sensor according to a first embodiment of the present invention;
도2c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 단위화소의 구성을 도시한 회로도,FIG. 2C is a circuit diagram showing the configuration of unit pixels in a CMOS image sensor according to a second embodiment of the present invention; FIG.
도3a 내지 도3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 회로를 구현한 레이아웃 도면.3A to 3B are layout diagrams implementing a circuit according to a second embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
20 : 포토다이오드21 : 트랜스퍼 트랜지스터20 photodiode 21 transfer transistor
22 : 플로팅확산영역23 : 제 1 리셋 트랜지스터22: floating diffusion region 23: first reset transistor
24 : 제 2 리셋 트랜지스터25 : 드라이브 트랜지스터24: second reset transistor 25: drive transistor
26 : 셀렉트 트랜지스터27 : 부하저항26: select transistor 27: load resistance
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이미지센서의 단위화소에서, 포토다이오드; 포토다이오드와 플로팅확산영역 사이에 드레인-소오스 경로가 형성되며 게이트로 제 1 제어신호를 입력받는 트랜스퍼 트랜지스터; 전원전압단과 포토다이오드 사이 및 전원전압단과 플로팅확산영역 사이에 드레인-소오스 경로가 형성되며 게이트로 제 2 제어신호를 입력받는 리셋 트랜지스터; 전원전압단과 셀렉트 트랜지스터사이에 드레인-소오스 경로가 형성되며 게이트는 상기 플로팅확산영역에 연결된 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터와 부하저항 사이에 드레인-소오스 경로가 형성되며 게이트로 제 3 제어신호를 입력받는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object, in the unit pixel of the image sensor, a photodiode; A transfer transistor having a drain-source path formed between the photodiode and the floating diffusion region and receiving a first control signal through a gate; A reset transistor having a drain-source path formed between the power supply voltage terminal and the photodiode and between the power supply voltage terminal and the floating diffusion region, and receiving a second control signal through the gate; A drive transistor having a drain-source path formed between a power supply voltage terminal and the select transistor, and a gate connected to the floating diffusion region; And a select transistor having a drain-source path formed between the drive transistor and the load resistor and receiving a third control signal through a gate.
또한, 본 발명은 정방형의 포토다이오드를 이루는 제1 활성영역; 상기 정방형의 제1 활성영역의 일측변에서 Y축 방향으로 확장되어 나간 후, 다시 직각으로 꺽여 확장되는 제2 활성영역; 상기 제1 활성영역과 제 2 활성영역을 연결하는 제 3 활성영역; 상기 제2 활성영역중에서 제 1 활성영역과 접하고 있는 부분에 형성된 플로팅확산영역 및 플로팅콘택; 상기 제1 활성영역과 상기 제2 활성영역 상에 중첩되어 형성된 트랜스퍼 트랜지스터; 및 상기 플로팅확산영역과 접하며 형성되며 또한, 상기 제1 활성영역과 상기 제3 활성영역상에 중첩되어 형성된 리셋 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.In addition, the present invention comprises a first active region constituting a square photodiode; A second active region extending out of one side of the square first active region in the Y-axis direction and then extending at a right angle; A third active region connecting the first active region and the second active region; A floating diffusion region and a floating contact formed in a portion of the second active region that is in contact with the first active region; A transfer transistor overlapping the first active region and the second active region; And a reset transistor formed in contact with the floating diffusion region and overlapping the first active region and the third active region.
본 발명은 시모스 이미지센서의 단위화소에서 포토다이오드와 플로팅확산영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터의 구조를 향상시켜 리셋동작의 효율을 향상시킨발명이다.The present invention improves the efficiency of the reset operation by improving the structure of the reset transistor for resetting the photodiode and the floating diffusion region in the unit pixel of the CMOS image sensor.
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.
도2a 내지 도2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소의 구성을 도시한 회로도로서, 도1a와 도1b에 도시된 종래의 단위화소를 개량하여 리셋동작의 효율을 증가시킨 회로이다. 도2b는 실질적으로 도2a에 동일한 회로를 도시한 도면이며 설명의 편의를 위한 도면이다.2A to 2B are circuit diagrams showing the structure of a unit pixel according to a first embodiment of the present invention, and are circuits that improve the efficiency of the reset operation by improving the conventional unit pixels shown in FIGS. 1A and 1B. FIG. 2B is a view showing substantially the same circuit in FIG. 2A and for convenience of description.
종래기술에 따른 단위화소와 도2a 내지 도2b에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소를 비교하여 보면, 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소에는 리셋 트랜지스터의 일측은 전원전압단에 연결되어 있고 타측은 포토다이오드(PD)와 플로팅확산영역(FD)에 모두 연결되어 있다. 그 이외의 단위화소 구조는 종래기술과 동일하므로 이에 대해서는 상술하지 않는다.Comparing the unit pixel according to the prior art and the unit pixel according to the first embodiment of the present invention shown in Figs. 2a to 2b, one side of the reset transistor in the unit pixel according to the first embodiment of the present invention is the power supply voltage The other end is connected to the photodiode PD and the floating diffusion region FD. Since the unit pixel structure other than this is the same as the prior art, it is not described in detail.
이와같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소의 리셋동작에 대해 설명하면 다음과 같다, 먼저 플로팅확산영역(FD)을 리셋하는 경우에는, 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴온되어 전원전압(VDD)이 플로팅확산영역(FD)으로 인가되므로, 플로팅확산영역을 리셋시키는데 최종적으로 사용된 전압은 VFD= VDD- VRX로서 도1a에 도시된 종래기술과는 동일하다.The reset operation of the unit pixel according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described as follows. First, in the case of resetting the floating diffusion region FD, the reset transistor Rx is turned on to supply the power supply voltage V DD. Is applied to the floating diffusion region FD, the voltage finally used to reset the floating diffusion region is the same as the prior art shown in Fig. 1A as V FD = V DD -V RX .
하지만 도1b에 도시된 종래기술과 비교하여 보면, 플로팅확산영역의 리셋동작에서 최종적으로 사용된 전압은 VDD- VRX로서, 도1b에 도시된 종래기술에서 플로팅확산영역(FD)에 인가되던 VDD- VRX- VTX보다 큰 값을 갖는다.However, compared with the prior art shown in FIG. 1B, the voltage finally used in the reset operation of the floating diffusion area is V DD -V RX , which is applied to the floating diffusion area FD in the prior art shown in FIG. 1B. It has a value larger than V DD -V RX -V TX .
다음으로 포토다이오드(PD)를 리셋시키는 동작에서는, 포토다이오드에 최종적으로 인가되어 잔여전자를 없애는데 사용되는 전압은 VPD= VDD- VRX로서, 도1a에 도시된 종래기술보다 큰 값을 갖고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소에서 포토다이오드에 인가되는 전압은 VDD- VRX로서 종래에 포토다이오드에 인가되던 VDD- ( VTX+ VFD+ VRX) 보다 월등히 큰 값을 갖는다.Next, in the operation of resetting the photodiode PD, the voltage that is finally applied to the photodiode and used to remove the residual electrons is V PD = V DD -V RX , which has a larger value than the prior art shown in FIG. 1A. It can be seen that. That is, the voltage applied to the photodiode in the unit pixel according to the first embodiment of the present invention is V DD -V RX, which is much larger than V DD- (V TX + V FD + V RX ), which is conventionally applied to the photodiode. Has a value.
이와같은 본 발명의 제1실시예에 따르면 포토다이오드와 플로팅확산영역을 리셋시키는 리셋동작의 효율이 증가하기 때문에 포토다이오드 내에 남아있는 잔여전자 역시 종래에 비해 감소되므로 암전류 특성이 좋은 이미지센서를 얻을 수 있다.According to the first embodiment of the present invention, since the efficiency of the reset operation for resetting the photodiode and the floating diffusion region is increased, residual electrons remaining in the photodiode are also reduced compared to the conventional ones, thereby obtaining an image sensor having a good dark current characteristic. have.
도2c는 본 발명의 제2실시예에 따른 단위화소의 구성을 도시한 도면으로 2개의 리셋 트랜지스터를 구비한 단위화소를 도시한 도면이다.FIG. 2C is a diagram showing the configuration of a unit pixel according to a second embodiment of the present invention, which shows a unit pixel having two reset transistors.
도2c를 참조하면 본 발명의 제2실시예에 따른 단위화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(20)와, 드레인단은 포토다이오드에 연결되고 소오스단은 플로팅확산영역(22)에 연결되어 포토다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(21)와, 포토다이오드로부터 광전하를 전달받으며 드라이브 트랜지스터의 게이트와 접속된 플로팅확산영역(22)과, 포토다이오드와전원전압단 사이에 연결되어 포토다이오드를 리셋시키는 제 1 리셋 트랜지스터(23)와, 플로팅확산영역과 전원전압단 사이에 연결되어 플로팅확산영역을 리셋시키는 제 2 리셋 트랜지스터(24)와, 플로팅확산영역과 게이트가 연결되어 있으며 전원전압단과 셀렉트 트랜지스터(26) 사이에 접속된 드라이브 트랜지스터(25)와, 드라이브 트랜지스터(25)와 부하저항(27) 사이에 접속되어 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(26)와, 셀렉트 트랜지스터의 일측에 연결된 부하저항(27)으로 구성되어 있다.Referring to FIG. 2C, the unit pixel according to the second exemplary embodiment of the present invention receives a photodiode 20 that receives light to generate photocharges, a drain end of which is connected to a photodiode, and a source end of the unit diffused region 22. A transfer transistor 21 connected to transfer the photocharge generated in the photodiode to the floating diffusion region, a floating diffusion region 22 that receives the photocharge from the photodiode and is connected to the gate of the drive transistor, and a photodiode and a power supply A first reset transistor 23 connected between the voltage terminals to reset the photodiode, a second reset transistor 24 connected between the floating diffusion region and the power supply voltage terminal to reset the floating diffusion region, and a floating diffusion region; A drive transistor 25 connected to the gate and connected between the power supply voltage terminal and the select transistor 26, and the drive transistor 25 and the drive transistor 25. It consists of a select transistor 26 connected between the load resistors 27 to allow addressing in the switching role, and a load resistor 27 connected to one side of the select transistor.
도2c에 도시된 단위화소에서는 포토다이오드나 플로팅확산영역을 리셋시킬때 ,트랜스퍼 트랜지스터(21)를 경유하는 자유전자의 이동경로가 발생하지 않으므로 트랜스퍼 트랜지스터에서 발생하는 전압강하를 없앨 수 있다.In the unit pixel shown in FIG. 2C, when the photodiode or the floating diffusion region is reset, the movement path of the free electrons through the transfer transistor 21 does not occur, so that the voltage drop generated in the transfer transistor can be eliminated.
그리고, 도2c에 도시된 단위화소에서는 2개의 리셋 트랜지스터가 사용되므로 단위화소의 면적증가는 불가피하지만, 포토다이오드 및 플로팅확산영역의 리셋 동작시에 그 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있으며, 또한 제 1 및 제 2 리셋 트랜지스터의 게이트단을 하나의 입력으로 연결하여 종래와 같은 하나의 클럭으로 2개의 리셋 트랜지스터를 제어할 수 있게 하였다.In addition, since two reset transistors are used in the unit pixel shown in FIG. 2C, an increase in the area of the unit pixel is inevitable, but there is an advantage that the efficiency can be improved during the reset operation of the photodiode and the floating diffusion region. The gate terminals of the first and second reset transistors are connected to one input so that the two reset transistors can be controlled by one clock as in the related art.
도3a 내지 도3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단위화소를 구현한 레이아웃 도면으로 2가지 경우의 레이아웃을 각각의 도면에 도시하였다.3A to 3B are layout diagrams implementing unit pixels according to a second exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 도3a를 참조하면 포토다이오드와 활성영역을 정의하는 아이솔레이션이 도시되어 있으며, 정방형의 포토다이오드(PD)를 구성하는 제 1 활성영역(1)과, 상기 정방형의 포토다이오드(PD)의 일측변에서 Y축 방향으로 확장되어 뻗어나간 후,다시 X축 방향으로 90°꺽여 확장되어 나가다가 다시 아래쪽으로 꺾여서 형성된 제 2 활성영역(2)과, 상기 제 1 활성영역(1)과 제 2 활성영역을 연결하는 제 3 활성영역(3)이 도시되어 있다. 통상적으로 활성영역은 필드산화막을 이용하여 한번에 형성되며, 단지 설명의 편의를 위하여 제 1, 제 2, 그리고 제 3 활성영역으로 구분하였다. 그리고 상기 제 2 활성영역(2)중에서 포토다이오드와 인접하는 부분에는 플로팅확산영역과 플로팅 콘택(①)이 형성되며, 전원전압단(VDD콘택)은 제 2 활성영역(2)이 아래쪽으로 꺽이는 부분에 형성되어 있다.First, referring to FIG. 3A, an isolation defining a photodiode and an active region is shown. The first active region 1 constituting a square photodiode PD and one of the square photodiode PD are illustrated. After extending and extending in the Y-axis direction from the side, the second active region (2) and the first active region (1) and the second active formed by extending 90 degrees in the X-axis direction and then downward again A third active region 3 is shown connecting the regions. Typically, active regions are formed at one time using field oxide films, and are divided into first, second, and third active regions for convenience of description only. A floating diffusion region and a floating contact ① are formed at a portion of the second active region 2 adjacent to the photodiode, and the power supply voltage terminal V DD contact is formed by bending the second active region 2 downward. It is formed in the part.
다음으로, 단위화소에 형성된 트랜지스터들에 대해 설명하면 다음과 같다. 먼저, 트랜스퍼 트랜지스터에 대해 설명하면, 포토다이오드를 이루는 정방형의 제 1 활성영역(1)과 플로팅확산영역 상에 중첩되어 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있다. 다음으로 리셋 트랜지스터에 대해 설명하면, 리셋 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘은 X축 방향으로 확장된 제 2 활성영역(2)을 가로지르며 형성되며 또한, 제 1 활성영역(1)과 제 3 활성영역(3)상에 중첩되어 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트 폴리실리콘이 형성되어 있다.Next, the transistors formed in the unit pixel will be described. First, the transfer transistor will be described. The gate polysilicon of the transfer transistor Tx is formed by overlapping the square first active region 1 forming the photodiode and the floating diffusion region. Next, a description will be given of the reset transistor, wherein the gate polysilicon of the reset transistor is formed to cross the second active region 2 extending in the X-axis direction, and the first active region 1 and the third active region 3 are formed. ), The gate polysilicon of the reset transistor Rx is formed.
드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 폴리실리콘은 아래쪽으로 확장된 제 2 활성영역(2)을 가로지르며 형성되어 있으며, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘의 한쪽에는 콘택(②)이 형성되어 있는데, 이 콘택(②)은 플로팅확산영역에 형성된 플로팅 콘택(①)과 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 플로팅확산영역으로 이송된 광전하가 드라이브 트랜지스터를 구동하게 된다. 도3a에 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 도시하지 않았다.The gate polysilicon of the drive transistor Dx is formed to cross the second active region 2 extending downward, and a contact ② is formed on one side of the gate polysilicon of the drive transistor. ) Is electrically connected to the floating contact (1) formed in the floating diffusion region, so that the photocharge transferred to the floating diffusion region drives the drive transistor. The select transistor Sx is not shown in FIG. 3A.
도3a에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지센서의 단위화소에서 화살표로 표시된 부분은 전자의 이송경로를 나타내는 것으로, 포토다이오드에서 전자가 이송되는 경로는 2 가지가 있으며, 하나의 경로는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 경유하고 있고, 다른 하나의 경로는 리셋 트랜지스터를 경유하고 있음을 알 수 있다. 이러한 구조를 통하여 리셋 동작시에 포토다이오드 및 플로팅확산영역에 존재하는 전자를 원할히 뽑아낼수 있어, 리셋 동작의 효율을 증가시킬 수 있게 된다.The portion indicated by the arrow in the unit pixel of the image sensor according to the second embodiment of the present invention shown in Figure 3a indicates the path of electron transport, there are two paths for electrons to be transported in the photodiode, one path It can be seen that is via the transfer transistor Tx, and the other path is via the reset transistor. Through this structure, electrons present in the photodiode and the floating diffusion region can be smoothly extracted during the reset operation, thereby increasing the efficiency of the reset operation.
도3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단위화소를 구현한 레이아웃 도면으로, 도3a에 도시된 레이아웃과는 다른 형태를 갖는 레이아웃을 도시하고 있다. 도3b와 같이 구현된 레이아웃 구조에서는 플로팅확산영역(6)을 정방형의 활성영역(5) 내부에 형성하였다.FIG. 3B is a layout diagram of unit pixels according to a second embodiment of the present invention, and shows a layout having a form different from that shown in FIG. 3A. In the layout structure implemented as shown in FIG. 3B, the floating diffusion region 6 is formed inside the square active region 5.
도3b를 참조하여 상술하면, 포토다이오드를 형성하는 정방형의 제 5 활성영역(5)의 그 한쪽 귀퉁이에는 플로팅확산영역(6)이 형성되어 있다. 이를 좀더 상술하면, 포토다이오드(PD) 내의 일부영역에 필드산화막을 형성하고, 제 5 활성영역(5)의 일부영역과 플로팅확산영역(6)을 가로지르며 상기 필드산화막과 중접하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 폴리실리콘과, 제 5 활성영역의 다른 일부영역과 플로팅확산영역(6)을 가로지르며 상기 필드산화막과 중첩되는 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트 폴리실리콘을 형성함으로써 포토다이오드영역 내에 플로팅확산영역을 형성하였다.Referring to Fig. 3B, a floating diffusion region 6 is formed at one corner of the square fifth active region 5 forming the photodiode. In more detail, a transfer oxide Tx is formed in a partial region of the photodiode PD, and overlaps the field oxide layer across the partial diffusion region and the floating diffusion region 6 of the fifth active region 5. Floating gate in the photodiode region by forming a gate polysilicon of the gate transistor of the reset transistor Rx that crosses the gate polysilicon, the other portion of the fifth active region, and the floating diffusion region 6 and overlaps the field oxide layer. Formed.
이때, 플로팅확산영역이 포토다이오드의 면적을 감소시키는 것을 방지하기위하여, 플로팅확산영역은 정방형의 포토다이오드 영역중에서 한쪽 모서리 부분에 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 플로팅확산영역(6)에는 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트와 연결될 플로팅 콘택(③)이 형성된다.In this case, in order to prevent the floating diffusion region from reducing the area of the photodiode, the floating diffusion region is preferably formed at one corner portion of the square photodiode region. In addition, a floating contact ③ to be connected to the gate of the drive transistor Dx is formed in the floating diffusion region 6.
상기 정방형의 제 5 활성영역(5)의 위쪽 일부분에서 확장되어 X축방향으로 90°꺾여 확장된 제 7 활성영역(7)에는 전원전압단(VDD콘택)이 연결되어 있으며 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 서로 이격되어 형성되어 있다.A power supply voltage terminal (V DD contact) is connected to the seventh active region 7 which extends from an upper portion of the square fifth active region 5 and extends at an angle of 90 ° in the X-axis direction, and has a drive transistor Dx. And the select transistor Sx are formed to be spaced apart from each other.
도3a에서 설명한 바와 마찬가지로 제 5 활성영역(5)과 플로팅확산영역(6)이 형성될 활성영역 및 제 7 활성영역(7)은 한번에 형성되고, 또한 모두 연결되으나, 단지 설명의 편의를 위하여 활성영역을 이와같이 나눈것 뿐이다.As described with reference to FIG. 3A, the active region and the seventh active region 7 in which the fifth active region 5 and the floating diffusion region 6 are to be formed are formed at the same time and are connected to each other, but for convenience of description only. You just divide the active area like this.
단위화소에 형성된 트랜지스터들에 대해 설명하면 먼저, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 게이트 폴리실리콘은 제 5 활성영역(5)의 일부분과 플로팅확산영역(6)을 가로질러서 상기 필드산화막에 중첩되어 형성되어 있다. 다음으로 리셋 트랜지스터(Rx)의 게이트 폴리실리콘은 제 5 활성영역의 일부분에서 확장되어 나온 제 7 활성영역을 가로지르며 형성되어 있는데(포토다이오드와 전원전압단(VDD콘택) 사이에 형성), 플로팅확산영역(6)과 중첩하고 있는 게이트 폴리실리콘과도 연결되어 있어, 전체적으로는 'ㄷ' 자 형태를 갖고 있다. 즉, 리셋 트랜지스터는 플로팅확산영역과 포토다이오드 영역에 모두 접하며 형성되어 있어 리셋 동작시의 효율증가에 기여하고 있다. 도3b에 도시된 화살표는 전자의 이송경로를 도시하고 있으며, 리셋 동작시에 전자들은 2 가지 경로를 통하여 전원전압단(VDD콘택)으로 이송되고있는데, 하나의 경로는 포토다이오드에서 바로 전원전압단으로 이송되는 경로이며, 다른 이송경로는 플로팅확산영역을 경유하여 전원전압단으로 이송되는 경로이다. 도3a와 마찬가지로 이러한 구조를 통하여 리셋 동작시에 포토다이오드 및 플로팅확산영역에 존재하는 전자를 원할히 뽑아낼수 있어, 리셋 동작의 효율을 증가시킬 수 있다.Referring to the transistors formed in the unit pixel, first, the gate polysilicon of the transfer transistor Tx is formed to overlap the field oxide layer across a portion of the fifth active region 5 and the floating diffusion region 6. . Next, the gate polysilicon of the reset transistor Rx is formed across the seventh active region extending from a portion of the fifth active region (formed between the photodiode and the power supply voltage terminal (V DD contact)). It is also connected to the gate polysilicon which overlaps with the diffusion region 6, and has a "c" shape as a whole. That is, the reset transistor is formed in contact with both the floating diffusion region and the photodiode region, contributing to the increase in efficiency during the reset operation. The arrow shown in FIG. 3B shows a transfer path of electrons. In a reset operation, electrons are transferred to a power supply voltage terminal (V DD contact) through two paths. One path is a power supply voltage directly from a photodiode. The path is transferred to the stage, and the other transfer path is the path to the power supply voltage via the floating diffusion region. As shown in FIG. 3A, electrons present in the photodiode and the floating diffusion region can be smoothly extracted during the reset operation, thereby increasing the efficiency of the reset operation.
또한, 전원전압단의 오른편으로는 제 7 활성영역(7)이 일자로 확장되어 형성되어 있으며, 일자로 확장된 제 7 활성영역(7)을 가로질러서 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트 폴리실리콘이 각각 형성되어 있다. 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘에는 콘택(④)이 형성되어 있는데, 이 콘택(④)은 플로팅 콘택(③)과 전기적으로 연결되어 있어 플로팅확산영역으로 이송된 광전하가 드라이브 트랜지스터를 구동하게 된다.In addition, the seventh active region 7 extends to the right side of the power supply voltage terminal, and the drive transistor Dx and the select transistor Sx are crossed across the seventh active region 7 extended to the date. Gate polysilicon is formed, respectively. A contact (4) is formed in the gate polysilicon of the drive transistor, and the contact (4) is electrically connected to the floating contact (3) so that the photocharge transferred to the floating diffusion region drives the drive transistor.
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 이미지센서의 제조에 적용하게 되면, 포토다이오드와 플로팅확산영을 리셋시키는 동작의 효율이 증가하여 암전류 특성이 개선되며 또한, 광감도 개선과 이미지 데이터의 왜곡현상을 줄일 수 있는 효과가 있다.When the present invention is applied to the manufacture of the image sensor, the efficiency of the operation of resetting the photodiode and the floating diffusion is increased to improve the dark current characteristics, and also to improve the light sensitivity and reduce the distortion of the image data.
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