KR20070073207A

KR20070073207A - ＣＭＯＳ이미지 센서에 있어부스팅(Ｂｏｏｓｔｉｎｇ)회로를 구비한 ＡＰＳ

Info

Publication number: KR20070073207A
Application number: KR1020060000862A
Authority: KR
Inventors: 박종은
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-07-10

Abstract

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 부스팅(Boosting) 회로를 구비한 APS(Active Pixel Sensor)에 관하여 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 APS 회로는 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드부, 포토 다이오드에서 연결되어 생성된 광 전하를 운반하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터부, 제1 트랜지스터에 연결된 제2 트랜스퍼 트랜지스터부, 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되어 있는 스토리지 노드부, 제2 트랜스퍼 트랜지스터가 운반한 광 전하를 축적하는 플로팅 확산 영역(FD)부 및 제1 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 스토리지 노드부 사이에 연결된 부스팅(Boosting) 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 APS 회로에 부스팅(Boosting)회로를 도입함으로서 전하 축적부의 면적을 최소화하는 효과를 가져 올 수 있다.

CMOS 이미지 센서, APS, 부스팅 회로

Description

ＣＭＯＳ이미지 센서에 있어 부스팅(Ｂｏｏｓｔｉｎｇ)회로를 구비한 ＡＰＳ{Active pixel sensor with boosting circuit in CMOS image sensor}

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면에 대한 간단한 설명이 제공된다.

도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서 단위 화소를 설명하는 회로도이다.

도 2는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 APS(Active Pixel Sensor) 부스팅 회로를 나타낸다.

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 부스팅 회로를 구비한 APS(Active Pixel Sensor)에 관한 것이다.

이미지 센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 소자로서, 현재 많이 이용되는 것에는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device: 이하 "CCD"라고 칭한다)와 CMOS 이미지 센서가 있다.

CCD는 개개의 MOS 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. CMOS 이미지 센서는 제어 회로 (Control circuit)와 신호 처리 회로(Signal processing circuit)를 주변 회로로 사용하고, CMOS 기술을 이용하여 화소(Pixel)를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식의 소자이다.

CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며 반도체 제조 공정상 마스크 스텝 수가 많아 공정이 복잡한 단점을 지닌다. 그리고, CCD는 신호 처리 회로를 CCD 내에 구현할 수 없어 원-칩(One-Chip)화가 곤란한 단점을 지닌다. 이러한 CCD의 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(Sub-micron) CMOS 제조 기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다.

CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit Pixel) 내에 포토 다이오드와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현한다. CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하므로 전력 소모가 적고 마스크 수도 20개 정도로 30 내지 40개의 마스크 수를 필요로 하는 CCD 공정에 비해 그 공정이 단순하다. 그릭고 CMOS 이미지 센서는 여러 개의 신호 처리 회로와 원-칩화가 가능하여 차세대 이미지 센서로 각광을 받고 있다.

도 1은 종래 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(100)를 설명하는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 단위 화소(100)는 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD-1)와 포토 다이오드(PD-1)에서 모아진 광 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(110, 111), 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 원하는 값으로 셋팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(120), 소스 팔로우 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역 할을 하는 드라이브 트랜지스터(130) 그리고 스위칭 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(140)로 구성된다. 단위 화소(100)의 외부에는 출력 전압(Vout)을 읽을 수 있도록 로드 트랜지스터(미도시)가 형성된다.

또한, 일반적인 CMOS 이미지 센서는 롤링 셔터(Rolling Shutter) 방식으로 구동한다. 이는 수광부에서 빛을 순차적으로 받아들이고, 순차적으로 신호를 내보내는 구동방식이다. 따라서 각각의 수광부의 입장에서 보면, 동일한 시간만큼 빛을 받아들이고 내보내지만, 동일한 시각에 빛을 받아서 내보내지는 못한다. 따라서 만약, 빠른 속력으로 움직이는 물체를 롤링 셔터(Rolling Shutter)의 CMOS 이미지 센서로 촬상시에는 물체가 휘어서 보이게 된다.

이러한 롤링 셔터 구동 방식의 단점을 보완하기 위한 방법 중 하나가 글로벌 셔터(Global Shutter) 구동 방식이다. 이는 동일 시각에 수광부(PD-1)에서 받은 빛의 신호를 플로팅 확산 영역(FD)이나, 별개의 또 다른 스토리지 노드(Storage node)에 동시에 전달한 후 순차적으로 데이터(Data)를 내보내는 방식이다. 도 1을 다시 참조하면 제1 트랜스퍼 트랜지스터(110)와 제2 트랜스퍼 트랜지스터(111)사이에 스토리지 노드(Storage node)가 삽입되어 있다.

그러나 별개의 스토리지 노드(Storage node)를 형성하는 경우는 수광부(PD-1)의 면적이 그 만큼 작아져야 하고, 수광부(PD-1)와 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 사이의 제한 때문에 수광부(PD-1)의 전하를 모두 축적하기 위해서는 스토리지 노드(Storage node)의 면적이 커져야 하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 스토리지 노드(Storage node)를 포함한 구조에서 스토리지 노드 영역을 가능하면 작게 하기 위하여 CMOS 이미지 센서의 APS(Active Pixel Sensor) 부스팅 회로를 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 APS 회로는 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드부, 포토 다이오드에 연결되어 생성된 광 전하를 운반하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터부, 제1 트랜지스터에 연결된 제2 트랜스퍼 트랜지스터부, 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되어 있는 스토리지 노드부, 제2 트랜스퍼 트랜지스터가 운반한 광 전하를 축적하는 플로팅 확산 영역(FD)부 및 제1 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자와 스토리지 노드부 사이에 연결된 부스팅 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다른 실시예에서 APS 회로는 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트와 상기 플로팅 확산 영역(FD)부 사이에 연결된 제2 부스팅 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 부스팅(Boosting)회로를 도입함으로서 전하 축적부의 면적을 최소화하는 효과를 가져 올 수 있다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 회로(200)를 나타낸다. 도 2을 참조하여 설명하면, 도 1과 대비하여 비교할 때 제1 트랜스퍼 트랜지스터(110)의 게이트 단자와 스토리지 노드(Storage node) 사이 및/또는 제2 트랜스퍼 트랜지스터(111)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 커패시터(Capacitor)에 의한 부스팅 회로(210)가 삽입되어 있음을 알 수 있다.

수광부(PD-1)에서 제1 트랜스퍼 트랜지스터를 통해 스토리지 노드(Storage node)의 축적부로 전하가 이동하는 경우, 도 1의 종래의 회로에서는 플로팅 확산 영역(FD)과 수광부(PD-1)의 전압이 스토리지 노드의 축적부에 사용가능한 전압을 제한한다. 그러나 도 2와 같이 스토리지 노드의 축적부와 제1 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자에 커패시터(Capacity) 등을 이용하여 부스팅 회로를 구성하면, 제1 트랜스퍼 트랜지스터 턴온시 스토리지 노드의 축적부의 전압이 따라 올라간다. 따라서 이렇게 늘어나는 전압만큼 스토리지 노드의 전하 축적량을 늘릴 수 있고, 그 만큼 면적을 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에도 커패시터 등을 이용하여 부스팅 회로를 구성하면, 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 턴온시 플로팅 확산 영역(FD)이 전압도 함께 증가하여, 이렇게 증가한 전압만큼 다시 스토리지 노드의 축적부의 전압을 가용할 수 있다.

즉 제1 트랜스퍼 트랜지스터와 제2 트랜스퍼 트랜지스터에 부스팅(Boosting) 회로를 적용하여 공급전압을 강화하면, 스토리지 노드의 축적부의 면적을 최소화하는데 유용하다.

이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 스토리지 노드를 포함한 구조에서 제1 트랜스퍼 트랜지스터와 스토리지 노드 사이 및/또는 제2 트랜스퍼 트랜지스터와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 부스팅 회로를 구현하여 스토리지 노드의 축적부의 면적을 최소화하는 효과가 있다.

Claims

CMOS 이미지 센서의 APS(Active Pixel Sensor) 회로에 있어서,

빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드부;

상기 포토 다이오드부에 연결되어 생성된 광 전하를 운반하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터부;

상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터에 연결되어 생성된 광 전하를 운반하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터부;

상기 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되어 제1 트랜스퍼 트랜지스터가 운반한 광 전하를 축적하는 스토리지 노드(Storage node)부; 및

상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 스토리지 노드부 사이에 연결된 부스팅(Boosting) 회로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
제1항에 있어서,

상기 부스팅(Boosting) 회로부는 커패시터(Capacitor)로 구성되는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
제1항에 있어서,

상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터가 운반한 광 전하를 축적하는 플로팅 확산 영역(FD)부; 및

상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트와 상기 플로팅 확산 영역(FD)부 사이에 연결된 제2 부스팅 회로부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
제3항에 있어서,

상기 제2 부스팅 회로부는 제2 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
CMOS 이미지 센서의 APS 회로에 있어서,

빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드부;

상기 포토 다이오드부에서 연결되어 생성된 광 전하를 운반하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터부;

상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터에 연결되어 광 전하를 운반하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터부;

상기 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되어 있는 스토리지 노드부;

상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터가 운반한 광 전하를 축적하는 플로팅 확산 영역(FD)부; 및

상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 확산 영역(FD)부 사이에 연결된 부스팅 회로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
제5항에 있어서,

상기 부스팅 회로부는 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 APS 회로.
제1항의 상기 APS 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
제3항의 상기 APS 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
제5항의 상기 APS 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.