KR20070062032A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20070062032A
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Abstract

본 발명은 포토 다이오드의 리셋 특성을 개선시켜 암전류 및 노이즈 발생을 억제할 수 있는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역과, 전원전압단과 상기 플로팅 확산영역 사이에 접속되어 상기 플로팅 확산영역을 리셋시키는 제1 트랜지스터와, 상기 전원전압단과 상기 포토 다이오드 사이에 접속되어 상기 포토 다이오드를 리셋시키는 제2 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, 2개의 리셋 트랜지스터, 포토 다이오드, 리셋 모드.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.
도 2는 도 1에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.
도 4는 도 3에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 포토 다이오드
12 : 트랜스퍼 트랜지스터
13 : 제1 리셋 트랜지스터
14 : 제2 리셋 트랜지스터
15 : 드라이브 트랜지스터
16 : 셀렉트 트랜지스터
12a : 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극
13a : 제1 리셋 트랜지스터의 게이트 전극
14a : 제2 리셋 트랜지스터의 게이트 전극
15a : 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극
16a : 셀렉트 트랜지스터의 게이트 전극
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 5-Tr 구조를 갖는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서의 단위 화소 구현 에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit pixel) 내에 포토 다이오드 (photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, 현재 대부분의 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 각각 게이트로 입력되는 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. 이러한, CMOS 이미지 센서를 4-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서라 하기로 한다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(Photo Diode, 1)와, 포토 다이오드(1)의 광전하를 제어하기 위한 제어부를 갖는다. 이때, 제어부는 포토 다이오드(1)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산노드(Floating Diffusion Node, 7)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(2), 플로팅 확산노드(7)의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(3), 플로팅 확산노드(7)의 전위를 증폭하기 위하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 기능하는 드라이브 트랜지스터(4) 및 드라이브 트랜지스터(4)로부터 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위칭(Switching) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(5)로 구성된다.
도 2는 도 1에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하기 위해 액티브 영역(A)의 기판(미도시) 내에 형성된 하나의 포토 다이오드(1)와, 포토 다이오드(1)의 일측에 얼라인되어 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터 의 게이트 전극(2a)과, 플로팅 확산영역(7)의 일측에 얼라인되어 기판 상에 형성된 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(3a)과, 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(3a)의 일측 기판 상에 형성된 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극(4a) 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 전극(5a)으로 구성된다.
이때, 리셋 트랜지스터의 접합영역은 VC(VDD Contact)를 통해 전원전압단(VDD)과 전기적으로 접속되고, 셀렉트 트랜지스터의 접합영역은 OC(Out Contact)를 통해 출력단(OUT)과 연결된다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 4-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작원리를 살펴보기로 한다.
가. 먼저, 트랜스퍼 트랜지스터(2)와 리셋 트랜지스터(3)를 온(On)시켜 포토 다이오드(1) 내에 존재하는 잉여 전자(electron)들을 제거한다. 이는, 특정 시간(integration time) 동안에 빛에 의해 생성된 전자의 개수를 정확히 알아내기 위해 반드시 필요한 동작으로 리셋 모드(Reset mode)라 한다.
나. 트랜스퍼 트랜지스터(2)는 오프(Off) 시킨 상태에서 리셋 트랜지스터(3)만을 온시켜서 포토 다이오드(1)를 플로팅(Floating) 상태에 놓고 포토 다이오드(1)에 인테그레이션 타임(interation time) 동안 외부로부터 입사된 빛에 의해 생성된 전자들이 모이게 한다. 이때, 리셋 트랜지스터(3)를 온시키는 이유는 인테그레이션 타임 동안 플로팅 확산노드(7)의 전압이 변하는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 동작을 인테그레이션 모드라 한다.
다. 트랜스퍼 트랜지스터(2)를 온 시키고 리셋 트랜지스터는 오프 시켜서 포토 다이오드(1)에 축적된 전자들을 플로팅 확산노드(7)로 운송한다. 이러한 동작을 전송 모드라 한다.
라. 플로팅 확산노드(7)로 전달된 전자들에 의해 플로팅 확산노드(7)의 전압이 변하게 되고, 이는 드라이브 트랜지스터(4)의 소오스 노드 전압 변화를 가져와서 이와 연결된 셀렉트 트랜지스터(5)를 통해서 출력단(OUT)으로 전달되게 된다. 이러한 동작을 출력 모드라 한다.
이러한, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 동작시에는 리셋 모드시 포토 다이오드(1)에 인가되는 전압은 다음의 수학식1과 같다.
VPD=VDD-VTX ,Drop-VRX ,Drop-VFD,Drop
즉, 리셋 모드시 포토 다이오드(1)에 인가되는 리셋 전압(VPD)은 전원전압(VDD)이 전부 인가되는 것이 아니라, 전원전압(VDD)에서 트랜스퍼 트랜지스터(2)를 거치면서 발생하는 전압 감쇄(VTX,Drop)과, 리셋 트랜지스터(3)를 거치면서 발생하는 전압 감쇄(VRX ,Drop) 및 플로팅 확산노드(7)를 거치면서 발생하는 전압 감쇄(VFD,Drop) 만큼 감소된 전압이 인가되는 것이다.
따라서, 리셋 모드시 포토 다이오드(1) 내에 존재하는 잉여 전자들을 제거하기 위한 전압으로 전원전압(VDD)이 전부 쓰이지 못하게 되므로, 포토 다이오드(1) 내에는 많은 잉여 전자들이 남게 된다. 이로 인해, 암전류 발생 및 노이즈 발생이 유발되는 문제를 일으킨다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 포토 다이오드의 리셋 특성을 개선시켜 암전류 및 노이즈 발생을 억제할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역과, 전원전압단과 상기 플로팅 확산영역 사이에 접속되어 상기 플로팅 확산영역을 리셋시키는 제1 트랜지스터와, 상기 전원전압단과 상기 포토 다이오드 사이에 접속되어 상기 포토 다이오드를 리셋시키는 제2 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 트랜지스터는 서로 병렬접속된다.
또한, 본 발명은 상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하여 출력하는 제3 트랜지스터와, 상기 제3 트랜지스터를 통해 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위치 역할을 수행하는 제4 트랜지스터와, 상기 포토 다이오드로부터 생성된 상기 광전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하기 위해 상기 포토 다이오드와 상기 플 로팅 확산영역 사이에 접속된 제5 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 포토 다이오드를 리셋시키기 위한 리셋 모드시에는 상기 제2 트랜지스터만이 동작되고, 상기 포토 다이오드 내에 전자를 축적하기 위한 인테그레이션 모드시에는 상기 플로팅 확산영역의 전압이 변하는 것을 방지하기 위해 상기 제1 트랜지스터만이 동작된다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(11)와, 포토 다이오드(11)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산노드(17)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(12), 전원전압단(VDD)과 상기 플로팅 확산노드(17) 사이에 접속되어 플로팅 확산노드(17)를 리셋시키는 제1 리셋 트랜지스터(13)와, 전원전압단(VDD)과 포토 다이오드(11) 사이에 접속되어 포토 다이오드(11)를 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터(14)를 포함한다.
또한, 이외에도 플로팅 확산노드(17)의 전위를 증폭하기 위하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기로 기능하는 드라이브 트랜지스터(15) 및 드라이브 트랜지스터(15)로부터 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위칭(Switching) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(16)를 더 포함한다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 5-Tr 구조를 갖게 된다. 특히, 포토 다이오드(11)를 리셋시키기 위해 전원전압단(VDD)과 포토 다이오드(11) 사이에 별도의 제2 리셋 트랜지스터(14)를 추가로 형성시킴으로써, 포토 다이오드(11)의 리셋 성능을 개선시킬 수 있다. 이때, 제2 리셋 트랜지스터(14)는 제1 리셋 트랜지스터(13)와 병렬로 접속된다.
구체적으로, 리셋 모드시에는 제2 리셋 트랜지스터(14)만을 온시켜 포토 다이오드(11)를 리셋시키게 되는데, 이때 포토 다이오드(11)에 걸리는 전압은 다음의 수학식2에 표기된 바와 같다.
VPD=VDD-VRX2 ,Drop
즉, 포토 다이오드(11)에 걸리는 리셋 전압(VPD)은 전원전압(VDD)에서 제2 리셋 트랜지스터(14)를 거치면서 발생하는 전압 감쇄(VRX2 ,Drop)만이 감소된 전압이 되는 것이다. 따라서, 리셋 모드시 기존(VDD-VTX ,Drop-VRX ,Drop-VFD,Drop)보다 포토 다이오드(11)에 걸리는 리셋 전압(VPD)이 증가하므로 잉여 전자들의 제거 효율이 증가한다. 이를 통해, 포토 다이오드의 리셋 성능을 개선시켜 암전류 및 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 4는 도 3에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하기 위해 액티브 영역(A)의 기판(미도시) 내에 형성된 하나의 포토 다이오드(11)와, 포토 다이오드(11)의 일측에 얼라인되어 기판 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(12a)과, 플로팅 확산영역(17)을 리셋시키기 위해 플로팅 확산영역(17)의 일측에 얼라인되어 기판 상에 형성된 제1 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(13a)과, 포토 다이오드(11)를 리셋시키기 위해 포토 다이오드(11)의 일측에 얼라인되어 기판 상에 형성된 제2 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(14a)과, 제1 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(13a)의 일측 기판 상에 형성된 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극(15a) 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 전극(16a)으로 구성된다.
이때, 제1 리셋 트랜지스터(13, 도 3 참조)의 접합영역은 VC1(VDD Contact 1)를 통해 전원전압단(VDD)과 전기적으로 접속되고, 제2 리셋 트랜지스터(14, 도 3 참조)의 접합영역은 VC2(VDD Contact 2)를 통해 전원전압단(VDD)과 전기적으로 접속되며, 셀렉트 트랜지스터(16)의 접합영역은 OC(Out Contact)를 통해 출력단(OUT)과 연결된다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 5-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작원리를 살펴보기로 한다.
가. 먼저, 제2 리셋 트랜지스터(14)만을 온(또는, 동작)시켜 포토 다이오드(11) 내에 존재하는 잉여 전자들을 제거한다. 이는, 특정 시간 동안에 빛에 의해 생성된 전자의 개수를 정확히 알아내기 위해 반드시 필요한 동작으로 리셋 모드라 한다. 이때, 포토 다이오드(11)에 인가되는 리셋 전압은 전원전압(VDD)에서 제2 리셋 트랜지스터(14)를 거치면서 발생하는 전압 감쇄(VRX2 ,Drop)만큼만 감소된 전압이 된다.
나. 트랜스퍼 트랜지스터(12)는 오프시킨 상태에서 제1 리셋 트랜지스터(13)만을 온시켜서 포토 다이오드(11)를 플로팅 상태에 놓고 포토 다이오드(11)에 인테그레이션 타임 동안 외부로부터 입사된 빛에 의해 생성된 전자들이 모이게 한다. 이때, 제1 리셋 트랜지스터(13)를 온시키는 이유는 인테그레이션 타임 동안 플로팅 확산노드(17)의 전압이 변하는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 동작을 인테그레이션 모드라 한다.
다. 트랜스퍼 트랜지스터(12)를 온 시키고 제1 및 제2 리셋 트랜지스터(13, 14)는 오프시켜서 포토 다이오드(11)에 축적된 전자들을 플로팅 확산노드(17)로 운송한다. 이러한 동작을 전송 모드라 한다.
라. 플로팅 확산노드(17)로 전달된 전자들에 의해 플로팅 확산노드(17)의 전압이 변하게 되고, 이는 드라이브 트랜지스터(15)의 소오스 노드 전압 변화를 가져와서 이와 연결된 셀렉트 트랜지스터(16)를 통해서 출력단(OUT)으로 전달되게 된 다. 이러한 동작을 출력 모드라 한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 포토 다이오드를 리셋시키기 위해 전원전압단(VDD)과 포토 다이오드 사이에 별도의 제2 리셋 트랜지스터를 추가로 형성시킴으로써, 리셋 모드시 포토 다이오드에 걸리는 리셋 전압을 증가시켜 포토 다이오드의 리셋 성능을 개선시킬 수 있다.
이를 통해, 포토 다이오드의 리셋 성능을 개선시켜 암전류 및 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.

Claims (6)

  1. 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역;
    전원전압단과 상기 플로팅 확산영역 사이에 접속되어 상기 플로팅 확산영역을 리셋시키는 제1 트랜지스터; 및
    상기 전원전압단과 상기 포토 다이오드 사이에 접속되어 상기 포토 다이오드를 리셋시키는 제2 트랜지스터
    를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터는 서로 병렬접속된 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하여 출력하는 제3 트랜지스터; 및
    상기 제3 트랜지스터를 통해 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위치 역할을 수행하는 제4 트랜지스터
    를 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드로부터 생성된 상기 광전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하기 위해 상기 포토 다이오드와 상기 플로팅 확산영역 사이에 접속된 제5 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드를 리셋시키기 위한 리셋 모드시에는 상기 제2 트랜지스터만이 동작되는 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드 내에 전자를 축적하기 위한 인테그레이션 모드시에는 상기 플로팅 확산영역의 전압이 변하는 것을 방지하기 위해 상기 제1 트랜지스터만이 동작되는 이미지 센서.
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