KR20070096106A - Active pixel sensor image sensor with photo-pmos - Google Patents

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KR20070096106A
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pmos
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박광수
정민재
김상진
조영창
훈 김
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전자부품연구원
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Abstract

A photo-PMOS APS(active pixel sensor) image sensor is provided to embody an image of high sensitivity at low illumination by using a photoelectrically transformed photo-PMOS employing a photoelectric transformation method in an active unit pixel of an image sensor. One side of a photoelectric transformation MOS(200) is connected to a first power voltage, and the other side of the photoelectric transformation MOS is connected to a first node. The photoelectric transformation MOS receives light from the outside to transform the light into an electric signal. A reset transistor(202) is reset to initialize a floating diffusion region(204), positioned between a second power voltage and the first node and controlled by a reset signal. A transfer transistor(203) transfers an electrical signal received from photoelectrical transformation transistor to the floating diffusion region, electrically connected to the photoelectric transformation transistor. A source follower buffer converts the electrical signal into a voltage. A select transistor(205) is switched by a switching signal applied from the outside. The photoelectric transformation MOS can be photo-PMOS, and the reset transistor and the transfer transistor can be a PMOS.

Description

포토-피모스 에이피에스 이미지 센서{Active Pixel Sensor Image Sensor with Photo-PMOS}Active Pixel Sensor Image Sensor with Photo-PMOS

도 1a는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing a unit pixel configuration of a CMOS image sensor according to the prior art;

도 1b는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 레이아웃을 도시한 도면,1B illustrates a unit pixel layout of a CMOS image sensor according to the prior art;

도 2a는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도시한 회로도,2A is a circuit diagram illustrating a unit pixel configuration of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention;

도 2b는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 레이아웃을 도시한 도면,2B illustrates a unit pixel layout of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention;

도 2c는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 제어신호 타이밍도,2C is a timing diagram of a unit pixel control signal of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention;

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도, 3 is a unit pixel cross-sectional view of a Photo-PMOS APS image sensor according to a first embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도, 및4 is a sectional view of a unit pixel of a Photo-PMOS APS image sensor according to a second embodiment of the present invention, and

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a unit pixel of a Photo-PMOS APS image sensor according to a third embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

200: 광전 변환용 Photo-PMOS 202: 리셋 트랜지스터용 PMOS200: Photo-PMOS for photoelectric conversion 202: PMOS for reset transistor

203: 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS 204: 플로팅 확산영역203: PMOS for transfer transistor 204: floating diffusion region

205: 셀렉트 트랜지스터용 NMOS 210: 반도체 기판205: NMOS 210 for select transistor: semiconductor substrate

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 고감도 나노 이미지 센서(SMPD; single carrier modulation photo detector)의 광전변환 구조를 능동 픽셀 센서(APS; Active Pixel Sensor)에 적용한 이미지 센서에 관한 것으로, 단위 픽셀의 구조는 광감지 SMPD구조의 1-포토-피모스(Photo-PMOS), 2-피모스(PMOS), 2-엔모스(NMOS) 구조의 Photo-PMOS APS 이미지 센서에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor in which a photoelectric conversion structure of a high sensitivity nano image sensor (SMPD) that receives and generates an electrical signal is applied to an active pixel sensor (APS). The structure of the unit pixel is applied to the photo-PMOS APS image sensor of the photo-PMOS, 2-PMOS, 2-NMOS structure of the photosensitive SMPD structure. It is about.

자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 따라서, 이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 빛 에너지)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여 각 피사체의 이미지를 찍어내는 장치로서, 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.Light generated from each subject existing in the natural world has a unique value in wavelength and the like. Therefore, the image sensor is a device for taking an image of each subject by using a property of a semiconductor device that responds to external energy (for example, light energy), and the pixel of the image sensor detects light generated from each subject. , Convert to electrical value.

이러한 이미지 센서는 실리콘 반도체를 기반으로 한 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)와 서브 마이크론(sub-micron) 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor)제조기술을 이용한 씨모스 이미지 센서로 분류된다. Such image sensors are classified into CMOS image sensors using a charge coupled device (CCD) based on a silicon semiconductor and a sub-micron CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) manufacturing technology.

이 중 CCD는 개개의 모스(MOS) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 그러나, CCD는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많기 때문에 신호 처리 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점이 있는 바, 최근 이러한 단점을 극복하기 위하여 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다. Among them, a CCD is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual MOS capacitors are located in close proximity to each other. However, CCD has a disadvantage in that a signal processing circuit cannot be implemented in a CCD chip because of a complicated driving method, high power consumption, and a large number of mask process steps. It is studied a lot.

CMOS이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드(PD; photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CCD에 비하여 생산단가와 소비 전력이 낮고 주변회로 칩과 통합하기 쉬운 장점이 있으며, 상술한 바와 같이 CMOS 제조기술로 생산하기 때문에 증폭 및 신호처리와 같은 주변 시스템과 통합이 용이하여 생산비용을 낮출 수 있다. 또한, 처리속도가 빠르면서 CCD의 1% 정도로 소비 전력이 낮은 것이 특징이다. CMOS image sensor realizes image by forming photo diode (PD) and MOS transistor in unit pixel to detect signal by switching method, which is lower in production cost and power consumption compared to CCD and integrated with peripheral circuit chip. There is an easy advantage, and since it is produced by the CMOS manufacturing technology as described above, it is easy to integrate with peripheral systems such as amplification and signal processing, thereby reducing the production cost. In addition, it has a fast processing speed and low power consumption of about 1% of the CCD.

CMOS 이미지 센서의 구성을 설명하면 다음과 같다. The configuration of the CMOS image sensor is as follows.

도 1a는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서 단위 픽셀의 구성을 도시한 회로도이며, 도 1b는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서 단위 픽셀의 레이아웃을 도시한 도면이다.1A is a circuit diagram illustrating a configuration of unit pixels in a CMOS image sensor according to the prior art, and FIG. 1B illustrates a layout of unit pixels in a CMOS image sensor according to the prior art.

참고로, CMOS 이미지 센서를 구성하는 트랜지스터의 개수는 3개 이상의 다양 한 형태이나 설명의 편의상 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서를 중심으로 기술하기로 한다.For reference, the number of transistors constituting the CMOS image sensor will be described based on the CMOS image sensor composed of four transistors for three or more various forms or for convenience of description.

도 1a은 통상의 CMOS 이미지 센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된 단위 픽셀을 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD)와 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifiler)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 illustrating a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four NMOS transistors in a conventional CMOS image sensor. The photodiode (PD) and photodiode (PD) for generating photocharges by receiving light are shown in FIG. A transfer transistor Tx for transporting the photocharges collected in the floating diffusion region FD, and a reset transistor for resetting the floating diffusion region FD by setting a potential of the floating diffusion region and discharging electric charges to a desired value ( Rx), a drive transistor (Dx) serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor (Sx) capable of addressing (switching). Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.

도 1b는 단위 픽셀의 레이아웃(layout)을 나타낸 도면으로, 포토 다이오드 및 확산 영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션(isolation)과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리 실리콘이 도시되어 있다. FIG. 1B is a diagram illustrating a layout of unit pixels, in which an isolation defining a photodiode and an active region in which a diffusion region is to be formed, and polysilicon constituting a gate of each transistor are illustrated.

이를 참조하면, 포토 다이오드(101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜지스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(102)이 포토 다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.Referring to this, the photodiode 101 has a square shape, and the gate polysilicon 102 of the transistor transistor is in contact with one side of the photodiode 101.

플로팅 확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스 터의 게이트 폴리 실리콘(106)과 접하게 된다.The floating diffusion region 103 is formed to be in contact with the other side of the gate polysilicon 102 of the transfer transistor in a 90 ° direction from the Y-axis direction to the X-axis direction, and then to contact the gate polysilicon 106 of the drive transistor.

이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108) 상이 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107,109)이 형성된다.Subsequently, the gate polysilicon 108 of the select transistor is formed in the same direction, and the other side of the gate polysilicon 106 of the drive transistor and the gate polysilicon 108 of the select transistor are formed on the other side of the gate polysilicon 108 of the select transistor. Source / drain regions 107 and 109 are formed.

이와 같이 구성된 종래의 단위 픽셀의 레이아웃에서 플로팅 확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터(102)와 리셋 트랜지스터(104)사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅 확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)은 콘택 및 연결배선을 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 through a contact and a connection wiring.

상술한 바와 같은 이미지 센서 단위 화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다.The operation of the image sensor unit pixel as described above is performed as follows.

(가) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-온(turn-on)시켜서 포토 다이오드(PD)를 리셋(reset)한다.(A) The photodiode PD is reset by turning on the transfer transistor Tx and the reset transistor Rx.

(나) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-오프(turn-off)시킨다. 이때, 포토 다이오드는 완전한 공핍(fully depletion) 상태이다.(B) The transfer transistor Tx, the reset transistor Rx, and the select transistor Sx are turned off. At this time, the photodiode is in a fully depletion state.

(다) 광 전하 (photogenerated charge)를 저전압 포토다이오드(PD)에 모은다.(C) Photogenerated charges are collected in a low voltage photodiode (PD).

(라) 적정 인테그레이션(integration) 시간 후에 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-온 시켜 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시킨다.(D) After a proper integration time, the reset transistor Rx is turned on to reset the floating diffusion region FD.

(마) 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-온 시켜 원하는 단위 픽셀을 어드레싱한다.(E) The select transistor Sx is turned on to address the desired unit pixel.

(바) 소스 팔로워 버퍼인 드라이브 트랜지스터(Dx)의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 플로팅 확산영역(FD)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.(F) The output voltage V1 of the drive transistor Dx, which is a source follower buffer, is measured, and this value merely means a DC level shift of the floating diffusion region FD.

(사) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-온 시킨다. 이에 의해 포토 다이오드에 축적된 모든 광전하는 플로팅 확산영역(FD)로 운송된다.(G) The transfer transistor Tx is turned on. As a result, all the photocharges accumulated in the photodiode are transported to the floating diffusion region FD.

(아) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-오프 시킨다.(H) Turn off the transfer transistor Tx.

(자) 드리아브 트랜지스터(Dx)의 출력전압(V2)을 측정한다.(I) The output voltage V2 of the dry transistor Dx is measured.

(차) 출력 전압 차이를 얻는다. 출력신호(V1-V2)는 V1 시간과 V2 시간의 차이에서 얻어진 광 전하 운송의 결과이며, 이는 노이즈(noise)가 배재된 순수 시그널 값이 된다.(Difference) Output voltage difference is obtained. The output signals V1-V2 are the result of the photocharge transport obtained at the difference between the V1 time and the V2 time, which is a pure signal value without noise.

그러나, 이와 같은 종래의 CMOS 이미지 센서는 입사되는 광자 하나에 대해 전자-정공쌍(EHP; electron hole pair) 하나가 생성되고, 이렇게 생성된 전자들을 포토 다이오드에 모으기 위하여, 적정 인테그레이션 시간(광전하 축적 시간, 일반적으로 1프레임)이 필요하다. However, such a conventional CMOS image sensor generates an electron hole pair (EHP) for each incident photon, and in order to collect the generated electrons in the photodiode, an appropriate integration time (photocharge accumulation) Time, typically 1 frame).

따라서, 입사되는 빛이 절대적으로 약한 경우, 이에 의해 발생되는 전자-정공쌍도 작을 수밖에 없어, 정상적인 신호 처리를 하여 영상을 얻기 위해서 단위 픽셀이 빛에 노출되는 시간을 강제로 길게 하여 즉, 광전하의 축적 시간을 강제로 길게 하여 신호 처리가 가능한 수준의 전압을 얻는 방법을 사용한다. Therefore, when the incident light is absolutely weak, the electron-hole pairs generated by it are also inevitably small, so that the unit pixel is exposed to light for a long time in order to obtain an image by performing normal signal processing, that is, the photocharge The accumulation time is forcibly lengthened to obtain a voltage at which the signal can be processed.

인테그레이션 시간을 길게 한다는 것은 결국 한 프레임의 시간을 길게 한다는 것과 동일한 것이다. 결과적으로 10룩스(Lux)이하의 저조도에서는 초당 30프레임의 동영상이 불가능해지고 10프레임에서 5프레임 정도가 되어 사용자는 끊어지는 영상을 볼 수밖에 없다. 또한, 오랜 시간 전하를 축적해야 하므로 열 생성 전하도 많이 축적되어 잡음이 커지는 문제도 나타난다.Longer integration time is equivalent to longer time for one frame. As a result, in low light below 10 Lux, 30 frames of video per second is impossible, and the user is forced to see a broken video at 10 to 5 frames. In addition, since charges must be accumulated for a long time, a large amount of heat generated charges also accumulate, leading to a problem of increased noise.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 광전변환이 빠르고 광전 효율이 좋은 플로팅 게이트 및 바디 구조의 Photo-PMOS를 이용하여 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor using Photo-PMOS having a floating gate and a body structure having fast photoelectric conversion and high photoelectric efficiency in order to solve the above problems.

본 발명의 또 다른 목적은 저조도의 환경에서도 고속의 동영상 촬영이 가능한 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor capable of high-speed video recording in low-light environment.

본 발명은 신호 전달용 PMOS를 통하여 입사되는 광량을 조절할 수 있는 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor that can adjust the amount of light incident through the PMOS for signal transmission.

본 발명은 신호전달용 PMOS가 온(on)되는 시간을 조절하여 매우 큰 다이나믹 레인지(dynamic range)를 구현할 수 있는 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor capable of realizing a very large dynamic range by adjusting a time for which a PMOS for signal transmission is turned on.

본 발명은 광전 변환이 빠르고 광전 효율이 좋은 플로팅 게이트와 바디 구조의 Photo-PMOS를 이용하여 컬러 구현이 가능한 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor capable of realizing color using a floating gate and a photo-PMOS having a body structure having fast photoelectric conversion and high photoelectric efficiency.

본 발명은 컬러 필터를 사용하지 않고도 선명한 컬러의 구현이 가능한 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor that can implement vivid color without using a color filter.

본 발명은 공정상에 있어서 종래의 공정단계를 대폭 축소한 피모스 에이피에스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a PMOS APS image sensor which greatly reduces a conventional process step in a process.

본 발명의 목적은 일측은 제1전원전압과 타측은 제1노드와 접속되고, 외부로부터 빛을 받아 전기적 신호를 변환하기 위한 광전 변환 모스, 제2 전원전압과 상기 제 1노드 사이에 리셋 신호에 제어되어 플로팅 확산 영역의 초기화를 위하여 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터, 상기 광전 변환용 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 상기 광전 변환용 트랜지스터로부터 출력되고 전기적 신호를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터, 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워 버퍼 및 외부에서 인가되고 스위칭 신호에 따라 스위칭 되는 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 피모스 에이피에스 이미지 센서에 의해 달성된다.An object of the present invention is connected to a first power supply voltage on one side and a first node on the other side, a photoelectric conversion MOS for converting an electric signal by receiving light from the outside, and a reset signal between the second power supply voltage and the first node. A reset transistor for controlling and resetting for initialization of the floating diffusion region, a transfer transistor electrically connected to the photoelectric conversion transistor and output from the photoelectric conversion transistor, for transferring an electrical signal to the floating diffusion region, and conversion to a voltage Is achieved by a PMOS APS image sensor comprising a source follower buffer and a select transistor externally applied and switched according to a switching signal.

바람직하게, 상기 광전 변환 모스는 Photo-PMOS이며, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 PMOS이며, 상기 소스 팔로워 버퍼 및 셀렉트 트랜지스터는 NMOS이다.Preferably, the photoelectric conversion mode is Photo-PMOS, the reset transistor and the transfer transistor are PMOS, and the source follower buffer and the select transistor are NMOS.

바람직하게, 상기 광전 변환 모스는 P형 반도체 기판상에 형성된 N-웰 및 상기 N-웰의 내에는 고농도의 P형 소스/드레인을 포함한다.Preferably, the photoelectric conversion moss includes an N-well formed on a P-type semiconductor substrate and a high concentration of P-type source / drain in the N-well.

바람직하게, 상기 N-웰은 플로팅된다.Preferably, the N-wells are floated.

바람직하게, 상기 광전 변환 모스는 컬러 필터를 더 포함하한다.Preferably, the photoelectric conversion moss further comprises a color filter.

바람직하게, 상기 광전 변환 모스는 게이트를 더 포함하며, 상기 게이트는 상기 N-웰과 플로팅된다.Advantageously, said photoelectric conversion moss further comprises a gate, said gate floating with said N-well.

바람직하게, 상기 광전 변환 모스를 이용하여 컬러 이미지 구현시, 상기 게이트는 청색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스를 제외한, 적색파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스와 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스에 존재하며, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께가 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께보다 더 두껍게 형성한다.Preferably, when the color image is implemented using the photoelectric conversion MOS, the gate may include a photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength and a photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength, except for the photoelectric conversion MOS for absorbing the blue wavelength. Present, wherein the gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength is formed to be thicker than the gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength.

바람직하게, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께는 0.6 ㎛이다.Preferably, the gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength is 0.6 μm.

바람직하게, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께는 2 ㎛이다. Preferably, the gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength is 2 μm.

바람직하게, 상기 적색파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스 및 상기 청색 파장을 흡수하기 위한 광전 모스의 N-웰의 깊이는 동일하게 형성하며, 상기 N-웰의 깊이는 0.2㎛로 형성한다. Preferably, the N-well depths of the photoelectric conversion Morse for absorbing the red wavelength, the photoelectric conversion Morse for absorbing the green wavelength, and the photoelectric morse for absorbing the blue wavelength are formed to be the same, and the N-well The depth of is formed to 0.2㎛.

또한, 상기 Photo-PMOS APS 이미지 센서는 로우인에이블 신호가 인가되는 단계, 리셋 트랜지스터용 PMOS와 광전 변환용 Photo-PMOS사이의 제 1 노드에 전원 전압이 전달되는 단계, 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS를 로우로 턴-온하여 플로팅 확산영역까지 초기화하는 단계, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS를 턴-오프하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기용 NMOS를 통하여 전압 변환값을 출력하여 초기값에 대한 리셋 샘플링을 하는 단계, 상기 리셋 트랜지스터용 PMOS가 턴-오프 되면 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS를 턴-온하여 상기 제 1 노드에 축적된 전류량을 광량에 따라서 감소시키는 단계, 상기 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS를 턴-온에서 턴-오프 하여 값이 고정되면 소스 팔로워 버퍼증폭기용 NMOS를 통하여 전압 변환값을 출력하는 단계, 상기 전압 변환값을 데이터 샘플링하는 단계 및 상기 리셋 샘플링과 상기 데이터 샘플링의 차이값을 통해 출력 전압의 차이를 구하는 단계를 포함하여 이미지 데이터를 처리한다.The photo-PMOS APS image sensor may further include applying a low enable signal, transferring a power supply voltage to a first node between the reset transistor PMOS and the photoelectric conversion photo-PMOS, and bringing the transfer transistor PMOS low. Initializing to the floating diffusion region by turning on the device, turning off the PMOS for the transfer transistor, outputting a voltage conversion value through an NMOS for a source follower buffer amplifier, and performing a reset sampling of the initial value; When the PMOS is turned off, turning on the transfer transistor PMOS to reduce the amount of current accumulated in the first node according to the amount of light; and when the value is fixed by turning off the transfer transistor PMOS at turn-on Outputting a voltage conversion value through an NMOS for a source follower buffer amplifier, and data sampling the voltage conversion value And calculating a difference in output voltage through a difference between the reset sampling and the data sampling.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 Photo-PMOS APS의 구성을 설명하면 다음과 같다. Referring to the configuration of the Photo-PMOS APS according to the present invention.

도 2a는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도 시한 회로도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 레이아웃을 도시한 도면이다.2A is a circuit diagram illustrating a unit pixel configuration of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention, and FIG. 2B is a diagram illustrating a unit pixel layout of the Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention.

도 2a는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도시한 회로도로서, 단위 화소는 1개의 Photo-PMOS, 2개의 PMOS(2-PMOS) 및 2개의 NMOS(2-NMOS)로 이루어진 5-T(5개의 트랜지스터만 구성)구조이다. 빛을 받아 그에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 광전변환용 Photo-PMOS, 2-PMOS는 광전변환용 Photo-PMOS로부터 받은 전기적 신호를 플로팅 확산 영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터용 PMOS(Rx)로 형성하며, 2-NMOS는 전압변환용 소스 팔로워 버퍼용 NMOS와 및 스위칭(switching) 역할로 어드레싱(addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터용 NMOS(Sx)로 형성한다. 이때 상기 광전 변환용 Photo-PMOS는 게이트 및 바디를 플로팅 시킨 구조이거나, 게이트가 존재하지 않는 형태이다.FIG. 2A is a circuit diagram illustrating a unit pixel configuration of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention, wherein a unit pixel includes one Photo-PMOS, two PMOS (2-PMOS), and two NMOS (2-NMOS). It is a 5-T structure consisting of only five transistors. Photo-PMOS for photoelectric conversion and 2-PMOS for receiving light and generating corresponding electrical signals, PMOS (Tx) for transfer transistors for transporting the electrical signal received from photo-PMOS for photoelectric conversion to a floating diffusion region, and It is formed with a reset transistor PMOS (Rx) for setting the potential of the floating diffusion region to a value and resetting the floating diffusion region (FD), and 2-NMOS serves as a switching transistor and an NMOS for a source follower buffer for voltage conversion. It is formed of an NMOS (Sx) for the select transistor which enables addressing to the furnace. In this case, the photo-PMOS for photoelectric conversion has a structure in which a gate and a body are floated, or a gate does not exist.

도 2b는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 레이아웃을 나타낸 도면이며, 도 2c는 본 발명에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 제어신호 타이밍도이다. 2B is a diagram illustrating a unit pixel layout of a Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention, and FIG. 2C is a timing diagram of a unit pixel control signal of the Photo-PMOS APS image sensor according to the present invention.

본 발명의 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 단위 픽셀의 광신호 전달과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 2a to 2c of the present invention, the optical signal transmission process of the unit pixel will be described as follows.

(가) 선택된 로우에서 병렬적으로 신호가 발생한다고 가정하면, 셀렉트 트랜지스터용 NMOS(Sx, 205)는 턴-온(turn-on)되어 있다고 하면, 리셋 트랜지스터용 PMOS(Rx, 202)는 로우(Low)에 턴-온되면, 리셋 트랜지스터용 PMOS(Rx, 202)와 광전변환용 Photo-PMOS(200)사이의 노드1(201)에 전원 전압(VDD)이 전달된다.Assuming that signals are generated in parallel in the selected row, assuming that the select transistor NMOS (Sx, 205) is turned on, the reset transistor PMOS (Rx, 202) is low ( When turned on, the power supply voltage VDD is transmitted to the node 1 201 between the reset transistor PMOS (Rx) 202 and the photoelectric conversion photo-PMOS 200.

(나) 플로팅 확산노드(FD, 204)에 초기값을 써주기 위하여, 우선 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx, 203)가 로우(Low)로 턴-온되어 진다.(B) In order to write an initial value to the floating diffusion node FD 204, first, the transfer transistor PMOS (Tx, 203) is turned on to low.

이로써, 이미지 센서의 능동 단위 픽셀은 플로팅 확산영역(FD)까지 모두 초기화된다. As a result, all active unit pixels of the image sensor are initialized up to the floating diffusion region FD.

즉, 홀(hole)에 의한 캐리어(carrier)가 축적되는 것이다. 상기 캐리어의 축적은 NMOS영역의 게이트(gate)와 바디(body)사이의 기생 캡과 소스(source) 및 드레인(drain) 등과의 상호 이종접합에 의한 캡에 존재하게 된다.That is, carriers due to holes are accumulated. Accumulation of the carrier is present in the cap due to the heterojunction between the parasitic cap between the gate and the body of the NMOS region and the source and the drain.

(다) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, 203)용 PMOS를 하이(high)로 턴-오프(turn-off)하여 초기값에 대한 리셋 샘플링(RS; reset sampling)을 단위 픽셀의 외부에서 픽셀로부터 출력신호(output signal)를 읽을 수 있도록 한다. 이는 단위 픽셀과 연결된 상호관련이중샘플링(CDS; correlated double sampling)단을 이용하여 수행한다.(C) The PMOS for the transfer transistors Tx and 203 is turned high to reset reset sampling (RS) for the initial value from the pixel outside the unit pixel. output signal). This is done using a correlated double sampling (CDS) stage coupled to the unit pixel.

(라) 리셋 트랜지스터용 PMOS(Rx, 202)가 턴-오프가 되면 다시 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx, 203)를 턴-온하여 노드1과 함께 축적된 캐리어를 광전 변환에 의해 흐르는 전류만큼 그라운드(GND)로 흐르게 하여 축적된 전류의 양을 감소시킨다. (D) When the reset transistor PMOS (Rx, 202) is turned off, the transfer transistor PMOS (Tx, 203) is turned on again, and the carrier accumulated together with the node 1 is grounded by a current flowing by photoelectric conversion. GND) to reduce the amount of accumulated current.

이때, 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx, 203)의 역할은 전자-셔터(electro-shutter) 기능을 수행한다. At this time, the role of the PMOS (Tx) 203 for the transfer transistor performs an electro-shutter function.

즉, 빛에 의한 전류 소모를 차단하고 축적된 전하량에 따른 전압변환 시 데이터(data)를 고정하는 역할을 하여 노이즈(noise)가 증가하는 것을 방지하고 플로팅 확산영역(FD)을 형성하여 보다 큰 전하량을 축적할 수 있는 축적용량을 형성시킨다. That is, it blocks current consumption by light and fixes data during voltage conversion according to accumulated charge amount, thereby preventing noise from increasing and forming floating diffusion region FD, thereby increasing the amount of charge. An accumulation capacity that can accumulate is formed.

(마) 일정 시간 동안 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx, 203)를 턴-온함으로써 캐리어 홀이 소진되면 이는 광량의 세기에 따라 소진되는 양이 다르기 때문에 플로팅 확산영역(FD)에 축적된 캐리어가 어느 정도 남게 되고 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx,203)를 턴-오프하면 값이 고정되어 소스 팔로워 버퍼용 NMOS를 통하여 전압 변환 값이 Vout을 통하여 출력된다.(E) If the carrier holes are exhausted by turning on the PMOS (Tx, 203) for the transfer transistor for a certain time, the amount of exhausted carriers accumulated in the floating diffusion region (FD) is reduced because the amount of exhaustion varies depending on the intensity of light. When the PMOS (Tx, 203) for the transfer transistor is turned off, the value is fixed and the voltage conversion value is output through Vout through the NMOS for the source follower buffer.

상기 Vout를 통하여 출력된 전압 값을 CDS의 데이터 샘플링(DS; data sampling)을 통하여 캐패시터에 값을 저장한다.The voltage value output through the Vout is stored in the capacitor through data sampling (DS) of the CDS.

(아) 상기의 리셋 샘플링(RS)을 통하여 캐패시터에 저장된 값과, 데이터 샘플링을 통하여 저장된 데이터 값의 차 즉, 출력전압 차이를 얻는다, (H) The difference between the value stored in the capacitor and the data value stored through the data sampling, i.e., the output voltage difference, is obtained through the reset sampling RS.

출력신호(리셋 샘플링-데이터 샘플링)사이의 차이에서 얻어진 결과는 광전하 운송의 결과이며, 이는 노이즈가 배제된 순수 시그널 값이 된다.The result obtained from the difference between the output signal (reset sampling and data sampling) is the result of photocharge transport, which is the pure signal value without noise.

따라서, 본 발명은 이미지 센서의 능동 단위 픽셀의 구조에 있어서 효율적인 리셋과 홀의 전달을 위하여 PMOS를 적용하였으며, 축적된 전하에서 광량에 따라 전하가 방출되는 구조의 광전 변환용 Photo-PMOS로 인하여 과전류로 인한 기생 캐패시터의 전하 축적 문제가 근본적으로 제거된 구조이다. Therefore, the present invention applies the PMOS for efficient reset and hole transfer in the structure of the active unit pixel of the image sensor, and overcurrent due to the photo-PMOS for the photoelectric conversion structure in which the charge is emitted according to the amount of light from the accumulated charge. The parasitic capacitor charge accumulation problem is essentially eliminated.

따라서, 최종 출력 전압은 소스 팔로워용 NMOS에 따라 달라질 수 있지만, 약 1.5 내지 2.0V까지의 범위로 동작하는 넓은 다이나믹 레인지(Dynamic range)를 가지게 된다.Thus, the final output voltage may vary with the NMOS for the source follower, but will have a wide dynamic range operating in the range of about 1.5 to 2.0V.

<제 1 실시예><First Embodiment>

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도로서, 본 발명의 광전 변환용 Photo-PMOS의 광전 변환 방식을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 3 is a cross-sectional view of a unit pixel of a photo-PMOS APS image sensor according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a photoelectric conversion method of the photo-PMOS for photoelectric conversion according to the present invention will be described.

본 발명의 제 1 실시예는 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀에 관한 것으로써, 1개의 Photo-PMOS와 2개의 PMOS 및 2개의 NMOS로 구성된 구조이다.The first embodiment of the present invention relates to a unit pixel of a Photo-PMOS APS image sensor, and has a structure composed of one Photo-PMOS, two PMOS, and two NMOS.

본 발명의 단위 픽셀은 P형 반도체 기판(210)상에 각각의 1-Photo-PMOS, 2-PMOS와 2-NMOS로 형성한다. The unit pixel of the present invention is formed on each of the 1-Photo-PMOS, 2-PMOS and 2-NMOS on the P-type semiconductor substrate 210.

단위 픽셀의 PMOS영역에 존재하는 N-well(220, 230)은 광전 변환부(A)와 제어 및 신호 전달부(B)로 분리되어 있으며, 광전 변환부(A)는 빛을 받아 그에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 광전 변환용 Photo-PMOS(200)이며, 제어 및 신호 전달부(B)는 광전 변환부(A)로부터 받은 전기적 신호를 플로팅 확산 영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터용 PMOS(Tx, 203)와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터용 PMOS(Rx, 202)로 구성되어 있다. The N-wells 220 and 230 present in the PMOS region of the unit pixel are divided into the photoelectric conversion unit A and the control and signal transmission unit B. The photoelectric conversion unit A receives light and corresponds thereto. Photo-PMOS 200 for generating an electrical signal, the control and signal transmission unit (B) is a transfer transistor PMOS for transporting the electrical signal received from the photoelectric conversion unit (A) to the floating diffusion region (FD). (Tx, 203) and a reset transistor PMOS (Rx, 202) for setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and resetting the floating diffusion region FD.

본 발명에 의한 광전 변환방식에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 이미지 센서의 단위 픽셀 내에 N-well이 존재하는 제어 및 신호전달부(B)의 바디(body)가 전원전압(VDD)으로 연결되어 일반적인 PMOS 구조이다. The photoelectric conversion method according to the present invention will be described in detail as follows. The present invention is a general PMOS structure in which the control of the N-well in the unit pixel of the image sensor and the body of the signal transmission unit B are connected to the power supply voltage VDD.

그리고, 단위 픽셀 내에 또 다른 N-well이 존재하는 광전변환부(A)는 게이트가 존재하지 않는다. 즉, PNP형 바이폴라트랜지스터(BJT)와 유사한 구조를 갖게 된다. 이 구조는 PMOS처럼 N-well로 독립된 아이솔레이션(isolation)구조로 되어 있으면서 광전 변환에 의하여 소스(source)에서 드레인(drain)으로 정공이 이동하게 되는데 광량의 세기에 따라 그 전류량이 달라진다. 이때, 이 구조의 중요한 점은 N-well이 플로팅(floating)되어 있어야 하며, 광자(photon)에 의해서 분리된 전자-정공쌍은 각각의 포텐셜에 영향을 주어 Vth에 영향을 주게 되고 이로 인하여 자체적인 증폭작용을 하게 된다. 따라서, 미세한 양의 빛이 있어도 많은 양의 전류를 발생시켜 신호처리가 가능하도록 한 구조이다. 또한, 공정상으로 PMOS의 형성공정과 동일하게 수행하되 게이트 및 바디를 플로팅 시키거나, 게이트를 제거하는 형태로 이를 형성하므로, 공정이 용이하다. 다만, 광이 입사하는 부분인 광전 변환용 Photo-PMOS(200)는 PNP의 PN, NP 접합에서 발생하는 공핍층이 효율적으로 빛을 받아서 정공 및 전자로 분리되는 것을 이용하는 것이 중요하다. The photoelectric conversion unit A in which another N-well exists in the unit pixel does not have a gate. That is, it has a structure similar to the PNP type bipolar transistor (BJT). This structure has N-well independent isolation structure like PMOS, and the hole moves from source to drain by photoelectric conversion, and the amount of current varies depending on the intensity of light. At this time, the important point of this structure is that the N-well must be floating, and the electron-hole pair separated by the photon affects the potential and affects Vth. Will be amplified. Therefore, even if there is a minute amount of light, a large amount of current is generated to enable signal processing. In addition, since the process is performed in the same manner as the PMOS forming process, the gate and the body are floated or formed in a form of removing the gate, thereby facilitating the process. However, it is important to use the photo-PMOS 200 for photoelectric conversion, in which light is incident, in which the depletion layer generated at the PN and NP junctions of the PNP is efficiently received and separated into holes and electrons.

그리고, 2개의 NMOS는 전압변환용 소스 팔로워 버퍼용 NMOS(204)와 스위칭 역할로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터용 NMOS(Sx, 205)로 구성되어 있다.The two NMOSs are composed of a voltage conversion source follower buffer NMOS 204 and a select transistor NMOS (Sx, 205) capable of addressing in a switching role.

이와 같이, 본원발명의 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전변환방식을 적용한 Photo-PMOS를 사용하여 이미지 센서의 능동 픽셀을 구현함으로써, 미세한 빛이 존재하는 저조도에서도 고감도를 실현할 수 있으며, 고속의 동영상의 구현을 가능하 게 하는 이점이 있다.As described above, the unit pixel of the image sensor of the present invention implements an active pixel of the image sensor by using a photo-PMOS applying a photoelectric conversion method, thereby realizing high sensitivity even in low light with fine light, and realizing a high speed video. There is an advantage to making this possible.

<제 2 실시예>Second Embodiment

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도로서, 컬러 이미지를 구현하기 위한 것이다.4 is a cross-sectional view of a unit pixel of a Photo-PMOS APS image sensor according to a second embodiment of the present invention, for implementing a color image.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컬러 이미지의 구현은 종래의 RGB 컬러필터를 적용할 수 있다.Referring to FIG. 4, the implementation of the color image according to the second embodiment of the present invention may apply a conventional RGB color filter.

컬러 이미지를 구현하기 위한 픽셀은 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 파장을 받아들이기 위한 각각의 단위 픽셀의 조합으로 구성할 수 있다.Pixels for implementing a color image may be composed of a combination of respective unit pixels for receiving wavelengths of red, green, and blue.

상기 각각의 단위 픽셀은 본 발명의 실시예1의 능동 단위 픽셀의 광전 변환부(A)인 광전 변환용 Photo-PMOS 상부에 컬러 필터(300a, 300b, 300c)를 적용함으로써 구현할 수 있다.Each of the unit pixels may be implemented by applying color filters 300a, 300b, and 300c to the photo-PMOS for photoelectric conversion, which is the photoelectric conversion unit A of the active unit pixel of Embodiment 1 of the present invention.

청색(blue)의 파장을 흡수하기 위한 청색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 청색 컬러 필터(300a)를 형성한다. 청색 컬러 필터는 청색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 청색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.A blue color filter 300a is formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion of the blue unit pixel for absorbing blue wavelengths. The blue color filter is a resist to which blue dye is attached, and absorbs only the blue wavelength of light, leading to the photo-PMOS for photoelectric conversion.

녹색(green)의 파장을 흡수하기 위한 녹색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 녹색 컬러 필터(300b)를 형성한다. 녹색 컬러 필터는 녹색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 녹색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.A green color filter 300b is formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion of the green unit pixel to absorb the green wavelength. A green color filter is a resist with green dye attached that absorbs only the green wavelength of light, leading to photo-PMOS for photoelectric conversion.

적색(red)의 파장을 흡수하기 위한 적색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 적색 컬러 필터(300c)를 형성한다. 적색 컬러 필터는 적색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 적색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.A red color filter 300c is formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion of red unit pixels to absorb red wavelengths. The red color filter is a resist with a red dye attached, which absorbs only the red wavelength of light, leading to the photo-PMOS for photoelectric conversion.

따라서, 본 발명의 이미지 센서의 능동 단위 픽셀에 각각의 컬러 필터를 적용함으로써, 저조도에서도 선명한 컬러의 이미지를 구현할 수 있게 된다.Therefore, by applying each color filter to the active unit pixel of the image sensor of the present invention, it is possible to implement a clear color image even in low light.

또한, 종래의 컬러 필터 공정을 적용하여 용이하게 구현할 수 있으므로 공정상 마진의 감소를 방지할 수 있다.In addition, it is possible to easily implement by applying a conventional color filter process it is possible to prevent the reduction of margin in the process.

<제 3 실시예> Third Embodiment

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 Photo-PMOS APS 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도로서, 컬러 필터를 사용하지 않고, 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에 선택적으로 게이트를 형성하여 컬러 이미지를 구현한다.FIG. 5 is a cross-sectional view of a unit pixel of a photo-PMOS APS image sensor according to a third embodiment of the present invention, without using a color filter, and selectively forming a gate on top of a photo-PMOS for photoelectric conversion to implement a color image do.

일반적으로 컬러 필터를 사용하여 컬러 이미지를 구현할 경우, 컬러 필터는 1개의 파장당 약 90%의 빛만을 흡수하며, 대분분의 빛도 소멸한다. 따라서, 본 발명의 제 3 실시예에서는 컬러 필터를 사용하지 않고 컬러 이미지를 구현한다.In general, when a color image is implemented using a color filter, the color filter absorbs only about 90% of light per wavelength, and most of the light disappears. Therefore, the third embodiment of the present invention implements a color image without using a color filter.

컬러 이미지를 구현하기 위한 픽셀은 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 파장을 받아들이기 위한 각각의 단위 픽셀의 조합으로 구성할 수 있다.Pixels for implementing a color image may be composed of a combination of respective unit pixels for receiving wavelengths of red, green, and blue.

빛은 파장에 따라 투과하는 깊이가 달라지는데 청색은 에너지가 큰 대신 침투 깊이가 낮고 적색은 침투 깊이가 깊어 다른 파장에 비하여 비교적 아래 영역에 서 전자-정공쌍을 분리한다.Light transmits different wavelengths, but blue has a high energy, low penetration depth, and red has a deep penetration depth, which separates electron-hole pairs in a region below the other wavelengths.

이러한 물리적인 특성을 이용하여 침투 깊이에 따른 광전 변환을 효율적으로 하기 위하여 N-well의 깊이를 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다. 가장 짧은 파장인 청색(blue) 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 게이트를 형성시키지 않는다.In order to efficiently perform photoelectric conversion according to the penetration depth by using such physical properties, the depth of the N-well is formed to 0.1 to 0.4 µm, most preferably 0.2 µm. A gate is not formed on top of the photo-PMOS for photoelectric conversion of a unit pixel for absorbing the blue wavelength, which is the shortest wavelength.

그리고, 청색 파장보다는 침투 깊이가 깊으나, 적색 파장보다는 침투 깊이가 짧은 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 게이트 절연막(301a)을 형성한 후, 게이트 절연막(301a)의 상부에 0.4 내지 1.0㎛두께(D1)의 게이트 전극(302a, 예를 들어 폴리 실리콘)을 형성하며, 가장 바람직하게는 0.6㎛로 형성한다. 이때, 상기 광전변환용 Photo-PMOS의 상부에 형성되는 게이트와 바디는 플로팅되며, 상기 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에 형성된 게이트 전극을 통하여 빛이 흡수되어야 하므로 게이트 전극의 상부에는 빛을 반사하는 물질을 형성하지 않는 것이 바람직하다. The gate insulating film 301a is formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion of a unit pixel for absorbing a green wavelength having a deeper penetration depth than the blue wavelength but a shorter penetration depth than the red wavelength. A gate electrode 302a (for example, polysilicon) having a thickness of 0.4 to 1.0 mu m (D 1 ) is formed on the upper side of the top face), and most preferably 0.6 mu m. In this case, the gate and the body formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion are floated, and light must be absorbed through the gate electrode formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion. It is preferable not to form a substance.

그리고, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 N-well의 깊이는 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다. The depth of the N-well of the photo-PMOS for photoelectric conversion of the unit pixel for absorbing the green wavelength is formed in the range of 0.1 to 0.4 mu m, most preferably 0.2 mu m.

침투 깊이가 가장 깊은 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 게이트 절연막(301b)을 형성한 후, 게이트 절연막(301b)의 상부에 1.0 내지 2.5 ㎛의 두께(D2)로 게이트 전극(302b, 예를 들어 폴리 실리콘)을 형성하며, 가장 바람직하게는 2.0㎛로 형성한다. 이때, 상기 광전변환용 Photo-PMOS의 상부에 형성되는 게이트와 바디는 플로팅되며, 상기 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에 형성된 게이트 전극을 통하여 빛이 흡수되어야하므로 게이트 전극의 상부에는 빛을 반사하는 물질을 형성하지 않는 것이 바람직하다. A gate insulating film 301b is formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion of the unit pixel for absorbing the red wavelength having the deepest penetration depth, and then a thickness of 1.0 to 2.5 μm is formed on the gate insulating film 301b (D 2). ), A gate electrode 302b (for example, polysilicon) is formed, and most preferably, 2.0 mu m. In this case, the gate and the body formed on the photo-PMOS for photoelectric conversion are floated, and the light must be absorbed through the gate electrode formed on the photo-PMOS for the photoelectric conversion. It is preferable not to form a substance.

그리고, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 N-well의 깊이는 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다. The depth of the N-well of the photo-PMOS for photoelectric conversion of the unit pixel for absorbing the red wavelength is formed to be 0.1 to 0.4 mu m, most preferably 0.2 mu m.

따라서, 청색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS, 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS, 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS에 입사된 각각의 파장이 동일한 깊이에서 흡수될 수 있어, 컬러 필터를 올린 것과 같이 각각의 픽셀의 내부에 형성되는 N-well 및 소스/드레인을 동일하게 형성할 수 있는 공정상 이점이 있다. Therefore, the photo-PMOS for the photoelectric conversion of the unit pixel to absorb the blue wavelength, the photo-PMOS for the photoelectric conversion for the unit pixel to absorb the green wavelength, and the photo-PMOS for the photoelectric conversion of the unit pixel to absorb the red wavelength. Each incident wavelength can be absorbed at the same depth, so there is a process advantage in that the same N-well and source / drain formed inside each pixel can be formed, such as with a color filter raised.

또한, 광전 변환방식의 Photo-PMOS를 사용함으로써 저조도에서도 선명한 이미지를 구현할 수 있게 된다. In addition, by using a photo-PMOS photoelectric conversion method it is possible to achieve a clear image even in low light.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 컬러 이미지 구현은 공정상에 있어서는 컬러 필터를 올린 효과가 있으므로 공정단계를 대폭 축소함과 동시에 비용 측면에서도 큰 이득을 가지게 된다.Since the color image implementation according to the third embodiment of the present invention has the effect of raising the color filter in the process, the process step is greatly reduced, and at the same time, it has a great benefit in terms of cost.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양 한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

따라서, 본 발명은 광전변환방식을 사용한 광전 변환 Photo-PMOS를 이미지 센서의 능동 단위 픽셀에 적용함으로써, 종래의 포토 다이오드 타입과 비교하여 수백~수만배 이상의 광전류가 자체 증폭 메커니즘을 통하여 생성되기 때문에 미세한 광이 있더라도 광 검출이 가능하여 저조도에서도 고감도의 이미지를 구현할 수 있다.Therefore, the present invention applies a photoelectric conversion Photo-PMOS using a photoelectric conversion method to the active unit pixel of the image sensor, and since several hundred to tens of thousands or more of photocurrents are generated through self-amplification mechanisms as compared with the conventional photodiode type, Even if there is light, the light can be detected to realize a high sensitivity image even in low light.

또한, 본 발명은 효율적인 리셋과 홀의 전달을 위하여 PMOS를 사용하고 축적된 전하에서 광량에 따라 전하가 방출되는 구조를 적용함으로써 과전류로 인한 기생 캐패시터의 전하 축적 문제를 근본적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of fundamentally eliminating the problem of charge accumulation of parasitic capacitors due to overcurrent by using a PMOS for efficient reset and hole transfer, and applying a structure in which charge is discharged according to the amount of light from the accumulated charge. .

본 발명은 약 1.5V까지의 범위로 동작하는 넓은 다이나믹 레인지(Dynamic range)를 가지는 이미지 센서의 능동 단위 픽셀을 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of providing an active unit pixel of an image sensor having a wide dynamic range operating in the range of about 1.5V.

본 발명은 디지털적인 ISP 기능을 통한 증폭없이 아날로그적으로 신호처리가 가능한 신호변화폭을 갖기 때문에 10룩스 이하의 저조도 환경에서도 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는 효과가 있다.The present invention has the effect of enabling a high-speed video even in a low-light environment of less than 10 lux, because it has a signal change range that can be processed analog signal without amplification through a digital ISP function.

본 발명의 이미지 센서를 사용하여 컬러를 구현할 경우, 종래와 달리, 컬러 필터를 사용하지 않고도 저조도에서 선명한 컬러의 구현이 가능하며, 공정이 용이한 효과가 있다.When implementing color using the image sensor of the present invention, unlike the conventional, it is possible to implement a vivid color at low light without using a color filter, there is an effect that the process is easy.

Claims (12)

일측은 제1전원전압과 타측은 제1노드와 접속되고, 외부로부터 빛을 받아 전기적 신호를 변환하기 위한 광전 변환 모스;A photoelectric conversion MOS for converting an electrical signal from one side to a first power supply voltage and the other side to a first node and receiving light from the outside; 제2 전원전압과 상기 제 1노드 사이에 리셋 신호에 제어되어 플로팅 확산 영역의 초기화를 위하여 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터;A reset transistor controlled by a reset signal between a second power supply voltage and the first node to reset for initializing the floating diffusion region; 상기 광전 변환용 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 상기 광전 변환용 트랜지스터로부터 출력되고 전기적 신호를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;A transfer transistor electrically connected to the photoelectric conversion transistor and output from the photoelectric conversion transistor to transfer an electrical signal to the floating diffusion region; 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워 버퍼; 및A source follower buffer for converting to a voltage; And 외부에서 인가되고 스위칭 신호에 따라 스위칭 되는 셀렉트 트랜지스터Select transistor externally applied and switched according to the switching signal 를 포함하는 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.Photo-PMOS APS image sensor comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광전 변환 모스는 Photo-PMOS이며, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 PMOS인 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And the photoelectric conversion mos is Photo-PMOS, and wherein the reset transistor and the transfer transistor are PMOS. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소스 팔로워 버퍼 및 셀렉트 트랜지스터는 NMOS인 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And the source follower buffer and the select transistor are NMOS. 제 2 항에 있이서,In claim 2, 상기 광전 변환 모스는 The photoelectric conversion moss P형 반도체 기판상에 형성된 N-웰 및An N-well formed on a P-type semiconductor substrate and 상기 N-웰의 내에는 고농도의 P형 소스/드레인을 포함하는 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.The P-MOS image sensor including a high concentration of P-type source / drain in the N-well. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 N-웰은 플로팅되는 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And the N-well is floated. 제 4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 광전 변환 모스는 컬러 필터를 더 포함하는 포토-피모스 에이피에스 이미The photoelectric conversion moss image photo-moss further comprises a color filter 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 광전 변환 모스는 게이트를 더 포함하며, The photoelectric conversion moss further comprises a gate, 상기 게이트는 상기 N-웰과 플로팅되는 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And the gate is floated with the N-well. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2 and 4, 상기 광전 변환 모스를 이용하여 컬러 이미지 구현시, When realizing a color image using the photoelectric conversion Morse, 상기 게이트는 청색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스를 제외한, 적색파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스와 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스에 존재하며, The gate is present in the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength and the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength, except for the photoelectric conversion MOS for absorbing the blue wavelength, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께가 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께보다 더 두꺼운 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And a gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength is thicker than the gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께는 0.4 내지1.0 ㎛인 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And a gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength is 0.4 to 1.0 μm. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스의 게이트 두께는 1.0 내지 2.5 ㎛인 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And a gate thickness of the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength is 1.0 to 2.5 μm. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 적색파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 광전 변환 모스 및 상기 청색 파장을 흡수하기 위한 광전 모스의 N-웰의 깊이는 동일한 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.And a depth of the N-well of the photoelectric conversion MOS for absorbing the red wavelength, the photoelectric conversion MOS for absorbing the green wavelength, and the photoelectric MOS for absorbing the blue wavelength are the same. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 N-웰의 깊이는 0.1 내지 0.4㎛인 포토-피모스 에이피에스 이미지 센서.The depth of the N-well is 0.1 to 0.4㎛ photo-PMOS APS image sensor.
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KR100927862B1 (en) * 2009-03-13 2009-11-23 (주)실리콘화일 Image Sensor

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