KR20060027971A - Pixel circuit in the solid state image sensing device having sensitivity controllable photodiode and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
감도 제어가 가능한 광소자를 이용하는 고체 촬상 소자의 픽셀 회로 및 그 구동 방법이 개시된다. 상기 픽셀 회로에 사용되는 광소자는 광전 변환을 위한 다이오드와 상기 다이오드 위로 형성된 감도 제어 신호 전극에 의하여 커패시턴스가 가변되는 MOS 커패시터로 이루어진다. 상기 감도 제어 신호의 제어에 의하여 픽셀마다 영상 신호 출력 이득이 조절될 수 있다. Disclosed are a pixel circuit of a solid-state imaging device using an optical device capable of sensitivity control and a driving method thereof. An optical element used in the pixel circuit includes a diode for photoelectric conversion and an MOS capacitor whose capacitance is changed by a sensitivity control signal electrode formed over the diode. The image signal output gain may be adjusted for each pixel by controlling the sensitivity control signal.
Description
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-state imaging device.
도 2는 APS 어레이의 일반적인 컬러 필터 패턴을 나타내는 일례이다.2 is an example showing a general color filter pattern of an APS array.
도 3은 APS 어레이의 일반적인 단위 픽셀 구동 회로도이다.3 is a general unit pixel driving circuit diagram of an APS array.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자의 단위 픽셀 회로도이다.4 is a unit pixel circuit diagram of a CIS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 반도체 기판에 구현된 도 4의 광소자의 구체적인 구조를 나타내는 예시도이다. FIG. 5 is an exemplary view illustrating a specific structure of the optical device of FIG. 4 implemented in a semiconductor substrate. FIG.
도 6은 도 4의 광소자에 형성된 MOS 커패시터의 특성을 설명하기 위한 C-V 그래프이다.6 is a C-V graph illustrating the characteristics of the MOS capacitor formed in the optical device of FIG. 4.
도 7은 도 4의 광소자의 다른 구조를 나타내는 예시도이다. 7 is an exemplary view illustrating another structure of the optical device of FIG. 4.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자의 단위 픽셀 회로도이다. 8 is a unit pixel circuit diagram of a CIS type solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention.
도 9는 도 8의 픽셀 회로의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.9 is a timing diagram for describing an operation of the pixel circuit of FIG. 8.
본 발명은 고체 촬상 소자(solid state image sensing device)에 관한 것으로, 특히 CIS(CMOS Image Sensor) 형 고체 촬상 소자의 픽셀 회로 및 상기 고체 촬상 소자의 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
CIS형 고체 촬상 소자는 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여, 디지털 신호 처리부로 전송한다. 디지털 신호 처리부는 고체 촬상 소자에서 출력되는 컬러 이미지 데이터(R, G, B)를 신호 처리하여 LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치를 구동한다. The CIS-type solid-state imaging device is mounted on a mobile phone camera, a digital still camera, or the like, and captures an image developed in a field of view, converts the image into an electrical signal, and transmits it to a digital signal processor. The digital signal processing unit processes the color image data R, G, and B output from the solid state image pickup device to drive a display device such as a liquid crystal display (LCD).
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)는 APS(Active Pixel Sensor) 어레이(110), 로우(row) 드라이버(120), 및 아날로그-디지털 변환부(ADC: analog-digital converter)(130)를 구비한다. 로우 드라이버(120)는 로우 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받고, 아날로그-디지털 변환부(130)는 열(column) 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받는다. 이외에 상기 고체 촬상 소자(100)는 전반적인 타이밍제어 신호들과 각 픽셀의 선택 및 감지된 영상신호의 출력을 위한 어드레싱(addressing) 신호들을 생성하는 콘트롤부(미도시)를 구비한다. 통상적으로 칼라 고체 촬상 소자(100)인 경우에, 도 2와 같이, APS 어레이(110)를 이루는 각 픽셀 상부에 특정 컬러의 빛만 받아들이도록 컬러 필터(color filter)를 설치하는데, 색 신호를 구성하기 위하여 적어도 3 가지 종류의 컬러 필터를 배치한다. 가장 일반적인 컬러 필터 어레이는 한 행에 R(red), G(green) 2 가지 컬러의 패턴, 및 다른 행에 G(green), B(blue) 2 가지 컬러의 패턴이 반복적으로 배치되는 베이어(Bayer) 패턴을 가진다. 이때, 휘도 신호와 밀접한 관련이 있는 G(green)는 모든 행에 배치되고, R(red) 컬러, B(blue) 컬러는 각 행마다 엇갈리게 배치되어 휘도 해상도를 높인다. 디지털 스틸 카메라 등에는 해상도를 높이기 위하여 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀을 배열한 CIS가 적용되어 있다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-
이와 같은 픽셀 구조를 가지는 CIS형 고체 촬상 소자(100)에서, 상기 APS 어레이(110)는 광소자(photodiode)를 이용하여 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 생성한다. 상기 APS 어레이(110)에서 출력되는 영상신호는 R(red), G(green), B(blue) 3색의 아날로그 신호이다. 아날로그-디지털 변환부(130)는 상기 픽셀 어레이(110)에서 출력되는 아날로그 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환한다. In the CIS type solid-
도 1과 같은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)에서, 광소자에서 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(130)에서 디지털 신호로 변환할 때, CDS(Correlated Double Sampling) 방식을 이용한다. 이와 같은 구동 방식에 대하여는 미국 특허, "USP5,982,318", 또는 "USP6,067,113" 등에 잘 나타나 있다. 도 3은 CDS 방식에서의 APS 어레이의 일반적인 단위 픽셀 구동 회로도이다. 도 3을 참조하 면, 일반적인 픽셀 구동 회로(300)는 3개의 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)들(M1~M3)과 하나의 광소자(PD)로 구성된 픽셀 회로(310), 및 상기 픽셀 회로(310)의 출력(VRES/VSIG) 노드를 바이어싱(biasing)하기 위한 바이어스 회로(320)로 구성된다. 상기 픽셀 회로(310)는 상기 APS 어레이(110)의 각 픽셀에 구비되고, 상기 바이어스 회로(320)는 상기 APS 어레이(110)의 상부 또는 하부 주변에 구비된다. CDS 방식의 아날로그-디지털 변환에서는 기본적으로 픽셀 회로(310)로부터 리셋신호(VRES)를 받은 후, 광소자(PD)에서 감지된 영상신호(VSIG)를 받아 디지털 신호로 변환하는 두 단계로 구분된다. 도 3에서, 행 선택신호(SEL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 리셋 제어 신호(RX)가 논리 하이 상태로 액티브되면, 전원(VDD)으로부터 전달된 FD 노드의 전압이 소스 폴로워(source follower) 트랜지스터 M3의 소스 단자를 통하여 출력된다. M3의 소스 단자로 출력된 FD 노드의 전압은 M1의 소스 단자를 통하여 리셋신호(VRES)로서 아날로그-디지털 변환부(130)로 출력된다. 한편, 행 선택신호(SEL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 상기 리셋 제어 신호(RX)가 논리 로우 상태로 되면 광소자(PD)로부터 광전 변환된 영상신호(VSIG)가 M1의 소스 단자를 통하여 아날로그-디지털 변환부(230)로 출력된다. 이와 같은 픽셀 회로(310) 동작에 의하여, 도 2의 행 선택신호들(SEL1, SEL2, SEL3,...)이 차례로 액티브될 때마다, 각 행의 픽셀들에서는 리셋신호들(VRES1, VRES2, VRES3,...) 및 영상신호들(VSIG1, VSIG2, VSIG3,...)을 출력한다. In the general CIS type solid-
상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 상기 출력 리셋신호(VRES)에 대한 상기 영상신호(VSIG)의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리부로 출력되어 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 상기 디지털 신호 처리부는 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 생성하여, 디스플레이 장치를 구동한다.The analog-digital converter 230 converts an analog signal corresponding to the difference of the image signal VSIG to the output reset signal VRES into a digital signal and outputs the digital signal. The digital signal converted as described above is output to the digital signal processor and subjected to a predetermined interpolation process. In addition, the digital signal processor generates driving signals suitable for a corresponding resolution of a display device such as an LCD to drive the display device.
위와 같이, 통상적으로 CIS 형 고체 촬상 소자(100)의 픽셀 회로(310)는, 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하기 위한 광소자(PD)를 구비한다. 최근에는, 이와 같은 광소자(PD)를 포함하는 APS 어레이(110)를 응용한 실리콘 망막(silicon retina) 또는 고성능 이미지 센서(smart image sensor)가 개발되고 있다. 이와 같은 새로운 응용에서는 픽셀마다 감도(sensitivity) 또는 스펙트럼 응답(spectral response)의 조절이 용이함을 요구한다. 그러나, 도 3과 같은 픽셀 회로(310)에 각 픽셀의 빛 감도 조절을 위한 가변 커패시터(variable capacitor)를 추가하기에는 픽셀 면적이 충분하지 않다는 문제점이 있다. 픽셀 면적이 충분하다하더라도 추가된 가변 커패시터가 차지하는 면적으로 인하여, 오히려 광소자(PD)의 면적이 상대적으로 작아져, 이미지 디스플레이 시에 전체 밝기를 떨어뜨릴 수 있다는 문제점이 있다. As described above, the
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 가변 커패시터가 차지하는 반도체 기판 상의 별도의 영역 없이도, 광전 변환 작용 및 감도 제어를 위한 가변 커패시터 작용을 동시에 하는 광소자를 이용하는 고체 촬상 소자의 픽셀 회로 및 상기 고체 촬상 소자의 구동 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is a pixel circuit and a solid-state imaging of a solid-state imaging device using an optical device that simultaneously performs a photoelectric conversion action and a variable capacitor action for sensitivity control without a separate area on the semiconductor substrate occupied by the variable capacitor. It is to provide a method of driving the device.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 픽셀 회로는, 제1 MOSFET, 제2 MOSFET, 제3 MOSFET, 및 광소자를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 MOSFET는 게이트 전극은 행 선택신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드에 접속되고, 나머지 일측은 출력 노드에 접속된다. 상기 제2 MOSFET는 게이트 전극은 리셋 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드에 접속된다. 상기 제3 MOSFET는 게이트 전극은 상기 제2 노드에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드에 접속된다. 상기 광소자는 제2 전원과 상기 제2 노드 사이에서 광전 변환하는 다이오드 및 감도 제어 신호에 따라 상기 제2 노드와 상기 감도 제어 신호 전극 사이의 커패시턴스가 가변적인 MOS 커패시터를 가진다. 여기서, 상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 상기 리셋 제어 신호에 응답하여, 바이어스 회로와 연결된 상기 출력 노드를 통하여 리셋 신호 및 상기 광소자에서 광전 변환된 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. The pixel circuit of the solid-state imaging device according to the present invention for achieving the above technical problem is characterized by comprising a first MOSFET, a second MOSFET, a third MOSFET, and an optical element. In the first MOSFET, a gate electrode receives a row select signal, one side of the source / drain electrodes is connected to the first node, and the other side is connected to the output node. In the second MOSFET, the gate electrode receives a reset control signal, one side of the source / drain electrodes is connected to the first power supply, and the other side is connected to the second node. The third MOSFET has a gate electrode connected to the second node, one side of the source / drain electrodes is connected to the first power supply, and the other side is connected to the first node. The optical device has a diode for photoelectric conversion between a second power supply and the second node and a MOS capacitor having a variable capacitance between the second node and the sensitivity control signal electrode according to a sensitivity control signal. Here, in response to the reset control signal in a state in which the row selection signal is activated, a reset signal and a photoelectrically converted signal from the optical device are output through the output node connected to a bias circuit.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일면에 따른 고체 촬상 소자의 픽셀 회로는, 제1 MOSFET, 제2 MOSFET, 제3 MOSFET, 제4 MOSFET 및 광소자를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 MOSFET는 게이트 전극은 행 선택신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드에 접속되고, 나머지 일측은 출력 노드에 접속된다. 상기 제2 MOSFET는 게이트 전극은 리셋 제어 신호를 받고, 소스/드 레인 전극들 중 일측은 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드에 접속된다. 상기 제3 MOSFET는 게이트 전극은 상기 제2 노드에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드에 접속된다. 상기 광소자는 제2 전원과 제3 노드 사이에서 광전 변환하는 다이오드 및 감도 제어 신호에 따라 상기 제3 노드와 상기 감도 제어 신호 전극 사이의 커패시턴스가 가변적인 MOS 커패시터를 가진다. 상기 제4 MOSFET는 게이트 전극은 전달 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제2 노드에 접속되고, 나머지 일측은 상기 광소자 출력 노드에 접속된다. 여기서, 상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 상기 리셋 제어 신호에 응답하여, 바이어스 회로와 연결된 상기 출력 노드를 통하여 리셋 신호를 출력하고, 상기 전달 제어 신호에 응답하여 상기 출력 노드를 통하여 상기 광소자에서 광전 변환된 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. A pixel circuit of a solid-state imaging device according to another aspect of the present invention for achieving the above technical problem is characterized by comprising a first MOSFET, a second MOSFET, a third MOSFET, a fourth MOSFET and an optical element. In the first MOSFET, a gate electrode receives a row select signal, one side of the source / drain electrodes is connected to the first node, and the other side is connected to the output node. In the second MOSFET, a gate electrode receives a reset control signal, one side of the source / drain electrodes is connected to a first power supply, and the other side is connected to a second node. The third MOSFET has a gate electrode connected to the second node, one side of the source / drain electrodes is connected to the first power supply, and the other side is connected to the first node. The optical device has a diode for photoelectric conversion between a second power supply and a third node, and an MOS capacitor having a variable capacitance between the third node and the sensitivity control signal electrode according to a sensitivity control signal. In the fourth MOSFET, a gate electrode receives a transfer control signal, one side of the source / drain electrodes is connected to the second node, and the other side is connected to the optical device output node. Here, in response to the reset control signal in a state in which the row selection signal is activated, a reset signal is output through the output node connected to a bias circuit, and in the optical device through the output node in response to the transfer control signal. And outputting a photoelectrically converted signal.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자 구동 방법은, APS(Active Pixel Sensor) 어레이의 각 픽셀에 광소자를 가지는 픽셀 회로를 구비하는 고체 촬상 소자의 구동방법에 있어서, 리셋 제어 신호가 제1 논리 상태일 때 상기 픽셀 회로에서 리셋 신호를 출력하는 단계; 상기 리셋 제어 신호가 제2 논리 상태일 때 상기 픽셀 회로에서 상기 광소자에 포함된 다이오드에서 광전 변환된 신호를 영상 신호로서 출력하는 단계; 및 상기 리셋 신호에 대한 상기 영상 신호의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계를 구비하고, 감도 제어 신호에 따라 상기 광소자에 포함된 MOS 커패시터의 커패시턴스를 변화시켜서 상기 영상 신호 출력 이득을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a solid-state imaging device, wherein the reset control is performed in the method of driving a solid-state imaging device including a pixel circuit having an optical device in each pixel of an APS (Active Pixel Sensor) array. Outputting a reset signal in the pixel circuit when the signal is in a first logic state; Outputting a photoelectrically converted signal from a diode included in the optical device as an image signal when the reset control signal is in a second logic state; And converting an analog signal corresponding to the difference of the video signal with respect to the reset signal into a digital signal and outputting the digital signal, and changing the capacitance of the MOS capacitor included in the optical device according to a sensitivity control signal. The output gain can be adjusted.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자의 단위 픽셀 회로(400)가 도 4에 도시되어 있다. 상기 픽셀 회로(400)는 도 1과 같은 상기 APS 어레이의 각 픽셀에 구비되는 회로이고, 상기 APS 어레이의 상부 또는 하부 주변에 구비되는 바이어스 회로(예를 들어, 도 3의 320)와의 동작으로 CDS(Correlated Double Sampling) 방식의 아날로그-디지털 변환을 위한 리셋신호(VRES)와 영상신호(VSIG)를 출력한다. The
상기 픽셀 회로(400)는 제1 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)(M11), 제2 MOSFET(M12), 제3 MOSFET(M13), 및 광소자(photodiode)(PD)를 구비한다. 상기 광소자(photodiode)(PD)는 본 발명의 주요 부분으로서 반도체 기판 상의 별도의 영역 없이, 기존의 광소자 영역 위에 감도 제어신호(SCG)를 받는 MOS 커패시터(CSCG)를 가진다. 이와 같은 광소자(PD)의 반도체 기판(substrate)에서의 구체적인 구조가 도 5에 도시되어 있다. 상기 광소자(PD)에 포함된 MOS 커패시터(CSCG)는 상기 감도 제어신호(SCG)에 따라 커패시턴스(capacitance)가 가변적이 고, 이에 따라 픽셀에서의 감도(sensitivity) 또는 스펙트럼 응답(spectral response)이 픽셀마다 달라질 수 있다. 상기 광소자(PD)에 대해서는 도 6 및 도 7의 설명에서 좀더 자세히 기술된다.The
상기 제1 MOSFET(M11)는 게이트 전극은 행 선택신호(SEL)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드(N1)에 접속되고, 나머지 일측은 출력(VRES/VSIG) 노드에 접속된다. 상기 제2 MOSFET(M12)는 게이트 전극은 리셋 제어신호(RX)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드(FD)에 접속된다. 상기 제3 MOSFET(M13)는 게이트 전극은 상기 제2 노드(FD)에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드(N1)에 접속된다. 상기 광소자(PD)는 제2 전원(VSS)과 상기 제2 노드(FD) 사이에서 광전 변환하는 다이오드(diode)(D1) 및 감도 제어신호(SCG)에 따라 상기 제2 노드(FD)와 상기 감도 제어 신호(SCG) 전극 사이의 커패시턴스가 가변적인 MOS 커패시터(CSCG)를 가진다. The first MOSFET M11 receives a row select signal SEL at its gate electrode, one side of the source / drain electrodes is connected to the first node N1, and the other side is connected to the output VRES / VSIG node. do. In the second MOSFET M12, a gate electrode receives a reset control signal RX, one of the source / drain electrodes is connected to the first power supply VDD, and the other of the second MOSFET M12 is connected to the second node FD. . In the third MOSFET M13, a gate electrode is connected to the second node FD, one side of the source / drain electrodes is connected to the first power source VDD, and the other side is the first node N1. ) Is connected. The optical device PD is connected to the second node FD according to a diode D1 and a sensitivity control signal SCG for photoelectric conversion between the second power supply VSS and the second node FD. The capacitance between the sensitivity control signal SCG electrodes has a variable MOS capacitor C SCG .
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 다이오드(D1)는 P형 반도체 기판(p-sub)과 N형 불순물의 저도핑 웰(well)(n-) 사이에 P-N 접합 다이오드 형태로 형성되고, 상기 MOS 커패시터(CSCG)는 상기 다이오드(D1)가 차지하는 영역의 일부에서 위쪽 수직 구조로 형성된다. 즉, 상기 MOS 커패시터(CSCG)가 형성되도록 하기 위하여, 상기 저도핑 웰(well)(n-) 위에 절연막이 형성된 후, 그 위에 상기 MOSFET들 (M11~M13)의 게이트 전극을 위한 게이트 메탈(metal) 공정 시에 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 감도 제어신호(SCG) 전극을 위한 메탈 공정이 동시에 진행된다. 외부 빛이 상기 MOS 커패시터(CSCG)에서 상기 감도 제어신호(SCG)를 받는 전극을 투과하여 상기 다이오드(D1) 영역에서 흡수 될 수 있도록 하기 위하여, 상기 감도 제어신호(SCG)를 받는 메탈 전극은 투명 도전막으로 형성되어야 할 것이다. 이때, 적절한 도전율(conductivity)과 적절한 빛 투과 성질을 가지는 폴리 실리콘(poly-Si)이 게이트 메탈로서 바람직하다. For example, as illustrated in Figure 5, the diode (D1) is a P-type semiconductor substrate (p-sub) and the N-type impurity I ping-well (well) (n -) forming a PN junction diode between The MOS capacitor C SCG is formed to have an upper vertical structure in a part of the region occupied by the diode D1. That is, in order to form the MOS capacitor C SCG , an insulating film is formed on the low doping well n − , and then a gate metal for the gate electrodes of the MOSFETs M11 to M13 is formed thereon. During the metal process, a metal process for the sensitivity control signal SCG electrode of the MOS capacitor C SCG is simultaneously performed. In order to allow external light to pass through the electrode receiving the sensitivity control signal SCG in the MOS capacitor C SCG and be absorbed in the diode D1 region, the metal electrode receiving the sensitivity control signal SCG is It should be formed of a transparent conductive film. At this time, poly-Si having appropriate conductivity and suitable light transmitting property is preferable as the gate metal.
이와 같이 형성되는 MOS 커패시터(CSCG)의 C-V 특성이 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, VBG는 상기 제2 노드(N2)와 감도 제어신호(SCG) 전극 사이의 전압이고, Cmos는 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스이다. Cox는 상기 저도핑 웰(well)(n-) 위에 형성된 절연막 위아래에 이상적인 메탈 전극이 있는 경우의 이론적인 커패시턴스이다. 도 6에서, 주지된 바와 같이, 일반적인 P형 MOS 커패시터의 커패시턴스는, 커패시터 양단의 전압이 커질 때 커패시터가 반전(inversion) 보정 신호 생성부(335)로 동작하여 Cox에 근접한다. 그러나, 상기 본 발명에 따른 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스는, 상기 VBG가 증가함에 따라 커패시터가 전하 공핍(depletion) 모드로 동작하여, 점점 감소하는 특징을 가진다. 이것은, 도 4에서, 상기 리셋 제어신호(RX)가 논리 하이 상태일 때, 상기 제2 노드(FD)가 제1 전원(VDD)에 해당하는 전압을 가지고, 이에 따라 상기 제2 노드(N2)와 접촉된 상기 저 도핑 웰(well)(n-)과 감도 제어신호(SCG) 전극 사이의 전압은 상기 VBG가 양(positive)의 값을 가지는 경우에 해당하고, 상기 MOS 커패시터(CSCG)는 정공(hall)을 공핍(depletion)하는 모드로 동작하기 때문이다. 이와 같은 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 특성을 이용하여, 상기 감도 제어신호(SCG) 전극에 인가하는 전압으로 상기 제2 노드(FD)와 상기 감도 제어 신호(SCG) 전극 사이의 커패시턴스를 가변시킬 수 있고, 이에 따라 픽셀마다의 감도(sensitivity) 또는 스펙트럼 응답(spectral response)을 제어할 수 있다. The CV characteristic of the MOS capacitor C SCG thus formed is shown in FIG. 6. Referring to FIG. 6, V BG is a voltage between the second node N2 and the sensitivity control signal SCG electrode, and Cmos is a capacitance of the MOS capacitor C SCG . Cox is the theoretical capacitance when there is an ideal metal electrode above and below the insulating film formed on the low doping well (n − ). In FIG. 6, as is well known, the capacitance of a typical P-type MOS capacitor is close to Cox as the capacitor operates as an inversion correction signal generator 335 when the voltage across the capacitor increases. However, the capacitance of the MOS capacitor C SCG according to the present invention is characterized in that the capacitor operates in the charge depletion mode as the V BG increases, and thus gradually decreases. In FIG. 4, when the reset control signal RX is in a logic high state, the second node FD has a voltage corresponding to the first power source VDD, and thus, the second node N2. The voltage between the low doping well (n − ) and the sensitivity control signal (SCG) electrode in contact with the electrode corresponds to the case where the V BG has a positive value, and the MOS capacitor (C SCG ) This is because it operates in a depletion mode of a hole. By using the characteristics of the MOS capacitor C SCG , the capacitance between the second node FD and the sensitivity control signal SCG electrode is changed to a voltage applied to the sensitivity control signal SCG electrode. In this way, the sensitivity or the spectral response for each pixel can be controlled.
도 4의 광소자(PD)의 다른 구조를 예시하는 도면이 도 7에 나타나 있다. 도 5와 같은 상기 MOS 커패시터(CSCG) 형성 영역에 별도의 불순물 도핑된 영역(Doping Region)을 추가 삽입한 도 7과 같은 구조는, 도 6과 같은 공핍(depletion) 모드 특성과 반전(inversion) 모드 특성을 동시에 이용할 수 있는 구조이다. 즉, 도 7과 같은 구조에서는, 상기 MOS 커패시터(CSCG)는 상기 감도 제어신호(SCG)를 받는 전극과 상기 저도핑 웰(well)(n-) 영역 사이에서의 MOS 구조 커패시터와 상기 감도 제어신호(SCG)를 받는 전극과 상기 별도의 불순물 도핑된 영역(Doping Region) 사이에서의 다른 MOS 구조 커패시터를 포함한다. 상기 불순물 도핑된 영역을 N형 또는 P형 불순물로 도핑함에 따라, 상기 별도의 추가된 MOS 구조 커패시터는 반전(inversion) 모드 특성 또는 공핍(depletion) 모드 특성을 나타낼 수 있다. 이에따 라, 도 7과 같은 구조의 상기 MOS 커패시터(CSCG)는 상기 도 6의 공핍(depletion) 모드 특성의 커브(curve)와 일반적인 P형 MOS 커패시터 커브 사이의 특성을 가질 수 있고, 이와 같은 변형된 커패시턴스 특성을 픽셀마다의 감도(sensitivity) 제어에 응용할 수 있다. A diagram illustrating another structure of the optical device PD of FIG. 4 is shown in FIG. 7. The structure shown in FIG. 7 in which a separate impurity doped region is additionally inserted into the MOS capacitor C SCG formation region as shown in FIG. 5 has a depletion mode characteristic and an inversion as shown in FIG. 6. The structure can use the mode characteristic at the same time. That is, in the structure as shown in FIG. 7, the MOS capacitor C SCG has a MOS structure capacitor and the sensitivity control between the electrode receiving the sensitivity control signal SCG and the low doping well n - region. And another MOS structure capacitor between the electrode receiving the signal SGG and the separate impurity doping region. As the impurity doped region is doped with N-type or P-type impurities, the additionally added MOS structure capacitor may exhibit inversion mode characteristics or depletion mode characteristics. Accordingly, the MOS capacitor C SCG having the structure as shown in FIG. 7 may have a characteristic between the curve of the depletion mode characteristic of FIG. 6 and a general P-type MOS capacitor curve. The modified capacitance characteristic can be applied to sensitivity control for each pixel.
이와 같은 도 4 구조의 픽셀 회로(400)는 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스 제어를 위하여 상기 감도 제어신호(SCG) 전극에 일정 전압을 인가하는 것 이외에는 상기 도 3과 같이 동작한다. 즉, 상기 행 선택신호(SEL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 상기 리셋 제어신호(RX)가 논리 하이 상태로 액티브되면, 제1 전원(VDD)으로부터 전달된 제2 노드(FD)의 전압이 소스 폴로워(source follower) 트랜지스터 M13의 소스 단자를 통하여 출력된다. M13의 소스 단자로 출력된 전압은 M11의 소스 단자를 통하여 리셋신호(VRES)로서 CDS 방식의 아날로그-디지털 변환부(도 1 참조)로 출력된다. 한편, 상기 행 선택신호(SEL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 상기 리셋 제어신호(RX)가 논리 로우 상태로 되면 상기 광소자(PD)에 포함된 다이오드(D1)에서 광전 변환된 영상신호(VSIG)가 M11의 소스 단자를 통하여 아날로그-디지털 변환부로 출력된다. The
이때, 상기 감도 제어신호(SCG)에 인가된 전압의 크기에 따라, 상기 광소자(PD)에 포함된 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스(Cmos)가 결정되고, 상기 영상신호(VSIG)의 출력 이득이 결정된다. 예를 들어, 상기 소스 폴로워 트랜지스터 M13의 출력 전압을 Vout이라 하고, 상기 소스 폴로워 트랜지스터 M13의 이득을 ASF라 할 때, 상기 출력 전압 Vout을 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스 Cmos와 관련시켜 나타내면 [수학식 1]과 같다. [수학식 1]에서, Cp는 다이오드(D1)의 커패시턴스이고, iph는 다이오드(D1)의 광전 변환 전류 및 T는 다이오드(D1)의 빛 축적 시간이다. iph×T는 다이오드(D1)에서 광전 변환에 의한 광양자(photon)의 전하량에 해당한다. 따라서, [수학식 1]과 같이, 상기 소스 폴로워 트랜지스터 M13의 출력 전압(Vout)은, 상기 감도 제어신호(SCG)에 인가된 전압의 크기에 따라 결정된 상기 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스 Cmos에 따라 달라짐을 알 수 있다. At this time, according to the magnitude of the voltage applied to the sensitivity control signal (SCG), the capacitance (Cmos) of the MOS capacitor (C SCG ) included in the optical device (PD) is determined, and the output of the image signal VSIG The gain is determined. For example, when the output voltage of the source follower transistor M13 is referred to as Vout and the gain of the source follower transistor M13 is referred to as A SF , the output voltage Vout is related to the capacitance Cmos of the MOS capacitor C SCG . If expressed as shown in [Equation 1]. In
[수학식 1][Equation 1]
한편, 소정 바이어스 회로(예를 들어, 도 3의 320)와 연결된 상기 출력(VRES/VSIG) 노드로부터 리셋신호(VRES)와 영상신호(VSIG)를 받는 아날로그-디지털 변환부는, 상기 출력 리셋신호(VRES)에 대한 상기 영상신호(VSIG)의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리부(미도시)로 출력되어 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 상기 디지털 신호 처리부는 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 생성하여, 디스플레이 장치를 구동한다.On the other hand, the analog-to-digital converter for receiving a reset signal (VRES) and the image signal (VSIG) from the output (VRES / VSIG) node connected to a predetermined bias circuit (for example, 320 of Figure 3), the output reset signal ( The analog signal corresponding to the difference of the video signal VSIG with respect to the VRES is converted into a digital signal and output. The digital signal converted as described above is output to a digital signal processor (not shown) and subjected to a predetermined interpolation process. In addition, the digital signal processor generates driving signals suitable for a corresponding resolution of a display device such as an LCD to drive the display device.
본 발명의 다른 실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자의 단위 픽셀 회로(800)가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 상기 픽셀 회로(800)는, 제1 MOSFET(M11), 제2 MOSFET(M12), 제3 MOSFET(M13), 제4 MOSFET(M14) 및 광소자(PD)를 구비한다. 상기 픽셀 회로(800)는 도 4의 픽셀 회로(400)에 상기 제4 MOSFET(M14)를 추가한 회로이다. A
상기 제1 MOSFET(M11)는 게이트 전극은 행 선택신호(SEL)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드(N1)에 접속되고, 나머지 일측은 출력(VRES/VSIG) 노드에 접속된다. 상기 제2 MOSFET(M12)는 게이트 전극은 리셋 제어신호(RX)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드(FD)에 접속된다. 상기 제3 MOSFET(M13)는 게이트 전극은 상기 제2 노드(FD)에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드(N1)에 접속된다. 상기 광소자(PD)는 제2 전원(VSS)과 제3 노드(N3) 사이에서 광전 변환하는 다이오드(D1) 및 감도 제어신호(SCG)에 따라 상기 제3 노드와 상기 감도 제어 신호(SCG) 전극 사이의 커패시턴스가 가변적인 MOS 커패시터(CSCG)를 가진다. 상기 제4 MOSFET(M14)는 게이트 전극은 전달 제어신호(TX)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제2 노드(FD)에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제3 노드(N3)에 접속된다. The first MOSFET M11 receives a row select signal SEL at its gate electrode, one side of the source / drain electrodes is connected to the first node N1, and the other side is connected to the output VRES / VSIG node. do. In the second MOSFET M12, a gate electrode receives a reset control signal RX, one of the source / drain electrodes is connected to the first power supply VDD, and the other of the second MOSFET M12 is connected to the second node FD. . In the third MOSFET M13, a gate electrode is connected to the second node FD, one side of the source / drain electrodes is connected to the first power source VDD, and the other side is the first node N1. ) Is connected. The optical device PD is connected to the third node and the sensitivity control signal SCG according to a diode D1 and a sensitivity control signal SCG for photoelectric conversion between the second power supply VSS and the third node N3. The capacitance between the electrodes has a variable MOS capacitor C SCG . The fourth MOSFET M14 has a gate electrode receiving the transfer control signal TX, one side of the source / drain electrodes is connected to the second node FD, and the other side is connected to the third node N3. Connected.
도 8의 상기 픽셀 회로(800)에서 상기 광소자(PD)의 구조는 도 5에서와 같고, 상기 픽셀 회로(800)의 동작은 도 4의 상기 픽셀 회로(400)의 동작과 유사하다. 즉, 상기 행 선택신호(SEL)가 액티브된 상태에서 상기 리셋 제어신호(RX)에 응답하여, 바이어스 회로(예를 들어, 도 3의 320)와 연결된 상기 출력(VRES/VSIG) 노 드를 통하여 리셋신호(VRES)가 출력된다. 이때, 도 4에서와 다른 것은, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 리셋 제어신호(RX)가 논리 하이 상태일 때, 광소자(PD)의 리셋을 위하여 상기 전달 제어신호(TX)도 논리 하이 상태인 기간을 가진다. 이에 따라, 상기 전달 제어신호(TX)가 논리 로우 상태를 유지하는 동안에 상기 광소자(PD)는 빛을 축적하고, 상기 리셋 제어신호(RX)가 논리 로우 상태로 되면, 상기 전달 제어신호(TX)가 논리 하이 상태로 되어, 상기 출력(VRES/VSIG) 노드를 통하여 상기 광소자(PD)의 다이오드(D1)에서 광전 변환된 신호(VSIG)가 출력된다. 상기 감도 제어신호(SCG)에 따라 상기 광소자(PD)에 포함된 MOS 커패시터(CSCG)의 커패시턴스가 변화되며, 상기 감도 제어신호(SCG)를 픽셀마다 제어하는 경우에, 픽셀마다 상기 영상신호(VSIG) 출력의 최대 크기(saturation voltage)가 조절될 수 있다. The structure of the optical device PD in the
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 픽셀 회로(400/800)에 광전 변환 작용에 가변 커패시터 작용을 동시에 하는 광소자(PD)가 이용된다. 즉, 상기 광소자(PD)는 광전 변환을 위한 다이오드(D1)와 상기 다이오드(D1) 위로 형성된 감도 제어신호(SCG) 전극에 의하여 커패시턴스가 가변되는 MOS 커패시터(CSCG)로 이루어진다. 상기 MOS 커패시터(CSCG)를 위한 상기 감도 제어신호(SCG) 전극은 폴리-실리콘과 같은 투명 도전막으로 형성되므로, 상기 다이오드(D1)의 광전 변환 작용을 왜곡시키지 않는다. As described above, in the solid-state image pickup device according to the embodiment of the present invention, an optical device PD that simultaneously performs a variable capacitor for photoelectric conversion is used for the
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고체 촬상 소자에 사용되는 광소자에서는, 광전 변환을 위한 다이오드 위에 가변 커패시터가 형성되므로 가변 커패시터를 위한 반도체 기판 상의 별도의 영역이 요구되지 않으며, 가변 커패시터의 감도 제어신호 전극은 일반적으로 사용되고 있는 게이트 메탈 공정에 의하여 이루어질 수 있으므로 추가 마스크나 추가 공정이 요구되지 않는다. 따라서, 실리콘 망막(silicon retina) 또는 고성능 이미지 센서(smart image sensor)와 같은 새로운 응용에서 픽셀마다 감도(sensitivity) 또는 스펙트럼 응답(spectral response)의 조절을 위하여 효과적으로 사용될 수 있다. As described above, in the optical device used in the solid-state imaging device according to the present invention, since a variable capacitor is formed on the diode for photoelectric conversion, a separate area on the semiconductor substrate for the variable capacitor is not required, and the sensitivity control signal of the variable capacitor is The electrode may be made by a gate metal process which is generally used, so no additional mask or additional process is required. Thus, it can be effectively used for the adjustment of sensitivity or spectral response on a pixel-by-pixel basis in new applications such as silicon retinas or high performance image sensors.
Claims (13)
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KR1020040076911A KR20060027971A (en) | 2004-09-24 | 2004-09-24 | Pixel circuit in the solid state image sensing device having sensitivity controllable photodiode and driving method thereof |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009020315A2 (en) * | 2007-08-09 | 2009-02-12 | Siliconfile Technologies Inc. | Separated unit pixel preventing sensitivity reduction and the driving method using the unit pixel |
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2004
- 2004-09-24 KR KR1020040076911A patent/KR20060027971A/en not_active Application Discontinuation
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