KR20070119744A - 플로팅 확산 영역에 대한 쇼트키 및 저항 접점을 이용한이중 변환 이득 이미저 픽셀과 제조 및 동작 방법 - Google Patents

플로팅 확산 영역에 대한 쇼트키 및 저항 접점을 이용한이중 변환 이득 이미저 픽셀과 제조 및 동작 방법 Download PDF

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인나 패트릭
홍성권
제프리 에이. 맥키
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마이크론 테크놀로지, 인크
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Abstract

본 발명의 모범적인 실시예는 이중 변환 이득 전하 저장을 가지는 이미저를 제공함으로써, 다이내믹 레인지를 개선한다. 이중 변환 이득 요소(예컨대, 쇼트키 다이오드)는 플로팅 확산 영역과 개별 캐패시터의 사이에 연결된다. 이중 변환 이득 요소는, 캐패시터의 정전 용량에서, 플로팅 확산 영역에 저장된 전하에 따라 전환하여, 플로팅 확산 영역의 변환 이득을 제1 변환 이득으로부터 제2 변환 이득으로 변경한다. 부가적인 양태로서, 모범적인 실시예는 픽셀의 이중 변환 이득 출력 신호의 판독에 조력하는 소스 팔로워 트랜지스터의 게이트와 플로팅 확산 영역 사이의 저항 접점을 제공한다.

Description

플로팅 확산 영역에 대한 쇼트키 및 저항 접점을 이용한 이중 변환 이득 이미저 픽셀과 제조 및 동작 방법 {DUAL CONVERSION GAIN IMAGER PIXEL USING SCHOTTKY AND OHMIC CONTACTS TO THE FLOATING DIFFUSION REGION AND METHODS OF FABRICATION AND OPERATION}
본 발명은 촬상 장치의 전반에 관한 것이고, 보다 상세하게는 이중 변환 이득 촬상 장치에 관한 것이다.
전하 결합 장치(CCD)와 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 이미저를 포함하는 촬상 장치는 일반적으로 광-촬상 애플리케이션에 사용된다.
CMOS 이미저 회로는 초점 면 어레이(focal plane array)의 픽셀을 포함하며, 기판의 일부분에 광-생성 전하를 축적하기 위하여, 각각의 픽셀은 광센서, 예컨대, 광게이트, 광컨덕터 또는, 광다이오드를 포함한다. 각 픽셀은, 기판 상이나 기판 내에 형성되고, 판독 회로의 부분인 출력 트랜지스터의 게이트에 연결되는 전하 저장 영역을 가진다. 상기 전하 저장 영역은 플로팅 확산 영역으로서 구성될 수 있다. 일부 이미저 회로에서는, 각 픽셀이, 전하를 광센서로부터 저장 영역으로 전송하기 위한 트랜지스터와 같은 적어도 하나의 전자 소자와, 전하를 전송하기 전 저장 영역을 미리 설정된 충전 레벨로 리셋하기 위한, 또한 일반적으로 트랜지스터 인, 하나의 소자를 포함할 수 있다.
CMOS 화상 센서에서, 픽셀의 능동 요소들은, (1) 포톤에서 전하로의 변환, (2) 화상 전하의 축적, (3) 저장 영역을 이미 알고 있는 상태로 리셋, (4) 전하 증폭에 수반하여 전하를 저장 영역으로 전송, (5) 판독을 위한 픽셀의 선택, 및 (6) 리셋 레벨과 픽셀 전하를 나타내는 신호의 출력 및 증폭의 필수 기능을 수행한다. 광전하는 초기 전하 축적 영역으로부터 저장 영역으로 이동할 때 증폭될 수 있다. 저장 영역의 전하는 일반적으로 소스 팔로워(source follower) 출력 트랜지스터에 의해 픽셀 출력 전압으로 변환된다.
상기한 타입의 CMOS 이미저(imager)는, 예컨대 마이크론 테크놀로지 주식회사(Micron Technology, Inc.)의 미국 특허 제6,140,630호, 미국 특허 제6,376,868호, 미국 특허 제6,310,366호, 미국 특허 제6,326,652호, 미국 특허 제6,204,524호, 및 미국 특허 제 6,333,205호에서 논의되고 있듯이, 공지되어 있으며, 이들은 참조함으로써 그 전체가 본원에 포함되어 있다.
일반적인 4 트랜지스터(4T) CMOS 화상 픽셀(10)이 도 1에 도시되어 있다. 상기 픽셀(10)은 광센서(12)(예컨대, 광다이오드, 광게이트 등), 전송 트랜지스터(14), 플로팅 확산 영역(FD), 리셋 트랜지스터(16), 소스 팔로워 트랜지스터(18), 및 로우(row) 선택 트랜지스터(20)을 포함한다. 광센서(12)는, 전송 트랜지스터(14)가 전송 게이트 제어 신호(TX)에 의해 능동화될 때, 전송 트랜지스터(14)에 의해 플로팅 확산 영역(FD)에 연결된다.
리셋 트랜지스터(16)는 플로팅 확산 영역(FD)과 어레이 픽셀 공급 전 압(Vaa_pix)의 사이에 연결된다. 리셋 제어 신호(RST)는, 플로팅 확산 영역(FD)을 어레이 픽셀 공급 전압(Vaa_pix) 레벨로 리셋하는 리셋 트랜지스터(16)을 능동화하는데 사용된다.
소스 팔로워 트랜지스터(18)는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 그의 게이트를 가지며, 어레이 픽셀 공급 전압(Vaa_pix)과 로우 선택 트랜지스터(20)의 사이에 연결된다. 소스 팔로워 트랜지스터(18)는 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 전하를, 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 때 생성되는 전기적인 출력 전압 신호(Vrst)와, 트랜지스터(14)에 의해 전하가 광센서(12)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송된 후에 생성되는 전기적인 출력 전압 신호(Vsig)로 변환한다. 로우 선택 트랜지스터(20)는 소스 팔로워 트랜지스터(18)와 그의 출력 전압 신호(Vout)을 픽셀 어레이의 칼럼 라인(22)에 선택적으로 연결하기 위해 로우 선택 신호(SEL)에 의해 제어될 수 있다.
어느 이미저라도 주요 성능 특성은 그의 다이내믹 레인지(dynamic range)이다. 큰 다이내믹 레인지는 저(low) 광 신호를 감지하고 조도 또는 휘도의 큰 변화가 있는 화상를 획득하는 어플레이케이션에 바람직하다. 특히, 이미저의 다이내믹 레인지는, 1과 동등한 신호 대 잡음비(SNR)에서 이미저가 감지한 조도에 대해 포화상태에서 이미저가 감지한 최저 조도의 비율(ratio)로 규정될 수 있다. 장면(scene)의 다이내믹 레인지는 또한 그의 최저 조도 레벨에 대한 그의 최고 조도 레벨의 비율로 표현될 수 있다.
내부 장면(Intrascene) 다이내믹 레인지는, 화상 데이터의 단일 프레임에서 이미저에 의해 수용 가능한 입사 신호의 레인지(range)를 말한다. 고(高) 다이내믹 레인지 입사 신호를 생성하는 장면의 예는, 옥외 창을 가진 옥내 방, 그림자와 밝은 햇빛이 혼합된 옥외, 인공 조도와 그림자가 결합된 야간 장면, 및 밝은 주간에 차량이 터널 또는 그늘진 지역을 들어가거나 이제 막 나오는 차량 배경을 포함한다.
도 2는 상기하였거나 여타 주지된 픽셀 구조에 따라서 각각의 픽셀이 구성된 픽셀 어레이(240)를 가진 CMOS 이미저 장치(308)의 블록도이다. 픽셀 어레이(240)는 미리 설정된 개수의 칼럼(column)과 로우로 배열된 복수의 픽셀을 포함한다. 어레이(240)의 각 로우의 픽셀은 로우 선택 라인에 의해 모두 동시에 턴온(turn on)되고, 각 칼럼의 픽셀은 각각의 칼럼 선택 라인에 의해 선택적으로 출력된다. 복수의 로우와 칼럼 라인은 어레이(240)의 전체에 대해 마련된다. 로우 라인은 로우 어드레스(address) 복호부(255)에 따른 로우 구동부(245)에 의해 선택적으로 능동화하고, 칼럼 선택 라인은 칼럼 어드레스 복호부(270)에 따른 칼럼 구동부(260)에 의해 선택적으로 능동화한다. 따라서, 로우 및 칼럼 어드레스는 각각의 픽셀에 대해 마련된다.
이미저(308)는 픽셀 판독을 위한 적절한 로우 및 칼럼 라인을 선택하기 위해 어드레스 복호부(255, 270)를 제어하는 제어 회로(250)와, 선택된 로우 및 칼럼 라인의 구동 트랜지스터에 구동 전압을 인가하는 로우 및 칼럼 구동 회로(245, 260)에 의해 동작된다. 픽셀 리셋 신호(Vrst) 및 픽셀 화상 신호(Vsig)를 일반적으로 포함하는 픽셀 칼럼 신호는 칼럼 장치(260)에 관련된 샘플 앤 홀드(sample and hold) 회로(261)에 의해 판독된다. 차동 신호(Vrst-Vsig)는 차동 증폭기(262)에 의해 생성 및 증폭된다. 차동 신호는 아날로그/디지털 변환부(analog-to-digital converter)(275)에 의해 디지털화한다. 아날로그/디지털 변환부(275)는, 디지털 화상을 형성하고 출력하기 위해 아날로그 차동 신호를 화상 프로세서(280)로 공급되는 디지털 신호로 변환한다.
광-전하 변환 신호(Vsig)에 대한 종래 픽셀(10)(도 1)의 조도-전압 프로파일(profile)은, 종래 픽셀(10)의 조도 대 전압 그래프를 도시하는 도 3에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 선형이다. 픽셀(10)의 최대 전압(Vmax)은 비교적 저 레벨의 조도(Imax)에 도달될 수 있고, 이는 픽셀(10)을 쉽게 포화되게 한다. 광센서(12)에 의해 획득되어 전하로 변환된 광이 광센서(12)의 정전 용량보다 클 때, 초과 전하가 오버플로우(overflow)하여 기판 및 부근의 픽셀로 전송될 수 있으며, 이는 바람직스럽지 않다. 따라서, 대체로 화상 픽셀(10)과 이미저(308)에서 개선된 포화 응답의 요망 및 필요성이 있다. 개선된 포화 응답은 이미저의 다이내믹 레인지를 개선할 것이다.
본 발명은 모범적인 실시예에서 이중 변환 이득 전하 저장 및 이에 따라 개선된 다이내믹 레인지를 가지는 이미저를 제공한다. 이중 변환 이득 요소(예컨대, 쇼트키 다이오드)는 플로팅 확산 영역과 개별 캐패시터의 사이에 연결된다. 이득 변환 이득 요소는, 캐패시터의 정전용량에서, 플로팅 확산 영역에 저장된 전하에 따라 전환하여, 플로팅 확산 영역의 변환 이득을 제1 변환 이득으로부터 제2 변환 이득으로 변경한다.
부가적인 양태로서, 본 발명은 모범적인 실시예에서, 픽셀의 이중 변환 이득 출력 신호의 판독에 조력하는, 소스 팔로워 트랜지스터의 게이트와 플로팅 확산 영역 사이의 저항 접점을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징과 장점은 첨부 도면과 연관해서 제공되는 하기의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 4-트랜지스터(4T)의 개략도.
도 2는 촬상 장치의 블록도.
도 3은 도 1의 픽셀에 대한 조도 대 전압 그래프의 모범적인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 확산 영역의 모범적인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 대 전압 그래프의 모범적인 예시도.
도 6은 도 4 픽셀의 동작을 예시한 퍼텐셜(potential)도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모범적인 회로도.
도 8은 본 발명의 모범적인 일 실시예에 따른 4방향 공유 픽셀 실장의 모범적인 평면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 적어도 하나의 이미저 장치를 통합한 프로세서 시스템의 예시도.
하기의 상세한 설명에서는, 이 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면에 대해 언급하고, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 예시하는 형태로 나타내었다. 상기 실시예들은 당업자가 발명을 실시할 수 있을 정도로 충분히 상세하게 기술되었으며, 다른 실시예들도 활용될 수 있고, 본 발명의 사상 및 권리 범위를 벗어남 없이 구조적, 논리적, 및 전기적 변형도 만들 수 있다는 것은 당연하다.
“기판”이라는 용어는 당연히, 반도체 기반 재료로서, 실리콘, 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 또는 실리콘-온-사파이어(SOS) 기술, 도핑 또는 언도핑된(undoped) 반도체, 베이스 반도체 기초에 의해 지지되는 실리콘의 에피택셜 층, 및 다른 반도체 구조를 포함한다. 또한, 하기의 설명에서 "기판"에 대해 언급할 때, 베이스 반도체 구조 또는 기초에 영역 또는 접합을 형성하기 위해 종전의 처리 공정들이 활용될 수 있다. 또, 반도체가 실리콘 기반일 필요는 없고, 실리콘-게르마늄, 게르마늄, 또는 갈륨 비화물(gallium arsenide)일 수 있다.
“픽셀”이라는 용어는, 광방사를 전기적인 신호로 변환하기 위한, 광센서와 트랜지스터를 포함하는 영상(picture) 요소 단위 셀을 말한다. 예시의 목적으로, 도면 및 상세한 설명에 대표적인 픽셀이 도시되었고, 일반적으로, 이미저 어레이의 모든 픽셀의 제조가 유사한 방식으로 동시에 진행될 것이다.
후술하는 바와 같이, 본 발명은 픽셀의 플로팅 확산 영역의 저장 용량을 증가시킴으로써, 픽셀의 다이내믹 레인지를 증가시킨다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성된 모범적인 픽셀(110)의 일부분에 대한 단면도이다. 픽셀(110)은, 도 4에서 p-n-p 다이오드로 도시된, 광센서로부터의 전하를 전송 트랜지스터(14)를 통해 수신하는 플로팅 확산 영역(30)을 포함한다. 픽셀(110)의 이중 변화 이득 스위치 요소는 플로팅 확산 영역(30)과 캐패시터(C1)의 사이에 형성된다. 바람직하게는, 상기 이중 변화 이득 스위치 요소는 쇼트키(schottky) 다이오드를 형성하는 쇼트키 접점(32)이다. 저항 접점(34)은 플로팅 확산 영역(30)과 소스 팔로워 트랜지스터 게이트(18)의 사이에 형성된다. 저항 접점(34)은 n- 도핑된 플로팅 확산 영역 내의 n+ 도핑된 영역(34)에 의해 형성된다. 쇼트키 접점(32)은 p- 타입의 층(26)에 접촉되어 있는 n- 도핑된 플로팅 확산 영역(30) 상에 형성된다. 접점(32)은 이중 변환 이득 픽셀을 실현한다. 즉, 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 픽셀(110)은, 상대적으로 저 레벨의 입사광으로 인해 플로팅 확산 영역(30)으로 전송되는 저 레벨의 전하에 따른 제1 변환 이득과, 상대적으로 고 레벨의 입사광으로 인해 플로팅 확산 영역(30)으로 전송되는 고 레벨의 전하에 따른 제2 변환 이득을 가질 것이다. 쇼트키 접점(32)은 조도 응답에서 “꺽임부(knee)”를 생성한다(도 5 참조). 상기 응답 및 꺽임부는 쇼트키 접점(32)의 장벽(barrier) 높이에 의해 결정된다.
픽셀(110)의 나머지 부분은 도 1에 도시된 픽셀의 그것과 유사하다. 도 7은 도 4의 픽셀(110)의 등가 회로도이다. 즉, 픽셀(110)은 전송 트랜지스터(14)에 연결되는 광센서(12)를 포함한다. 전송 트랜지스터(14)는 플로팅 확산 영역(30)으로 전하를 전송한다. 리셋 트랜지스터(16)는 플로팅 확산 영역(30)과 어레이 픽셀 공 급 전압(Vaa_pix)의 사이에 연결된다. 리셋 제어 신호(RST)는, 플로팅 확산 영역(30)을 어레이 픽셀 공급 전압(Vaa_pix) 레벨로 리셋하는 리셋 트랜지스터(16)를 능동화시키는데 사용된다.
소스 팔로워 트랜지스터(18)는 플로팅 확산 영역(30)에 연결되는 그의 게이트를 가지며, 어레이 픽셀 공급 전압(Vaa_pix)과 로우 선택 트랜지스터(20)의 사이에 연결된다. 소스 팔로워 트랜지스터(18)는 플로팅 확산 영역(30)에 저장된 전하를, 플로팅 확산 영역(30)이 리셋될 때 생성되는 전기적인 출력 전압 신호(Vrst)와, 트랜지스터(14)에 의해 전하가 광센서(12)로부터 플로팅 확산 영역(30)으로 전송된 후에 생성되는 전기적인 출력 전압 신호(Vsig)로 변환한다. 로우 선택 트랜지스터(20)는, 소스 팔로워 트랜지스터(18) 및 그의 출력 전압 신호(Vout)를 픽셀 어레이의 칼럼 라인(22)으로 선택적으로 연결하도록 로우 선택 신호(SEL)에 의해 제어될 수 있다. 쇼트키 다이오드를 형성하는 쇼트키 접점(32)은 플로팅 확산 영역(30)에 연결된다. 일단 미리 설정된 레벨의 전하가 플로팅 확산 영역(30)에 수집되면, 쇼트키 다이오드(32)가 자동적으로 캐패시터(C1)을 플로팅 확산 영역(30)으로 연결함으로써, 플로팅 확산 영역(30)의 변확 이득을 증가시킨다.
상기한 바와 같이, 저 저항의 저항 접점(34)은, 도 4에 도시된 바와 같이 플로팅 확산 영역(30)과 함께 형성된다. 접점(34)을 형성하기 위해서, 작은 n+ 영역이, 다른 부분에는 n-가 도핑된 플로팅 확산 영역(30)에 형성된다. 저항 접점(34)은 소스 팔로워 트랜지스터(18)의 게이트와 플로팅 확산 영역(30)의 사이에 버퍼를 생성한다. 저항 접점(34)의 모범적인 도핑 레벨은 cm3 당 원자수 1e × l014 내지 4e × 1015 의 사이이고, 바람직하게는 cm3 당 원자수 2e × 1015 이다. 저 저항의 저항 접점(34)은 소스 팔로워 트랜지스터의 게이트 장벽을 낮추고 쇼트키 다이오드(32)의 영향이 소스 팔로워 트랜지스터(18)의 출력에 나타날 수 있게 한다.
장벽이나 접점이라고도 일컫는 쇼트키 다이오드(32)는 플로팅 확산 영역(30)의 위에 형성된다. 그러나, 도 4에서 쇼트키 다이오드(32)가 플로팅 확산 영역(30)의 위에 형성된 것으로 예시되었을 지라도, 그 대신에 다이오드(32)가 플로팅 확산 영역(30)의 내에 형성될 수도 있다. 다이오드(32)는, n- 실리콘 층(30)에 접촉하는 경우, 순금속 또는 금속 규화물 층(32)으로 형성될 수 있다. 쇼트키 다이오드에 사용될 수 있는 모범적인 금속 규화물 재료는, 텅스텐(W6), 코발트 규화물(CoSi2), 백금 규화물(PtSi), 및 티타늄 규화물(TaSi2)을 포함한다. 다이오드 스위치가 능동화하기 위해서 넘어서야만 하는 상기 각 규화물들의 장벽은 0.55 내지 0.93V이다. 특정 애플리케이션을 위해 선택되는 재료는, 재현성 및 선택된 특정 재료에 기반한 다이오드의 온도 안정성에 좌우된다. 추가적으로, 순금속 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 크롬(Cr), 하프늄(Hf), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 및 텅스텐(W) 역시 n- 타입 실리콘 상에 쇼트키 다이오드를 형성하는데 사용될 수 있다. 이들 재료를 위한 장벽은 대략 0.5 내지 0.9V 부터이다. 몇몇 순금속은, 상기한 바와 같이, 실리콘과 반응할 경 우, 규화물을 형성할 수 있다. 이들 모든 재료가 쇼트키 다이오드(32)를 형성할 수 있다고 할지라도, Au와 Cu를 포함하는 몇몇 이들 금속은 CMOS 기술에서 오염되는 것으로 알려져 있기 때문에, CMOS 실장에 사용되는 것은 바람직스럽지 않을 수 있다. 여기에 기술되는 본 발명은, 본 발명의 이중 변환 이득 양태를 달성하기 위해 매우 낮은 장벽을 필요로 하지는 않는다.
종종, 접점(32) 형성(예컨대, 쇼트키 다이오드 형성) 중에, 도 4에 도시된 바와 같이, 얇은 장벽 층(38)으로서 도전성 금속 질화물 층(예컨대, Tin)이 사용된다. 예를 들어, Pt 기반의 쇼트키 다이오드는 매우 낮은 장벽을 가져오는 것으로 알려져 있고, 따라서 용이하게 재현 가능한 다이오드이다. Ti는 n- 타입 실리콘 상에서 매우 낮은 장벽을 가져올 수 있으나, 종래 실리콘 공정에 채용되는, 저온에서의 TiSi 형성이, 상기 장벽을 높인다. 따라서, 다수의 재료 중 어느 것은 매우 낮은 쇼트키 다이오드를 n- 타입 실리콘에 실장하는 데 사용될 수 있지만, 여기에 기술되는 본 발명은, n- 타입 실리콘에 매우 낮은 장벽을 필요로 하지는 않는다. 장벽 높이는, 변환 이득을 위한 소망되는 “꺽임부”를 가져오기 위해, 재료의 선택이나 n- 도핑 집중의 조절에 의해 조절될 수 있다.
일단 플로팅 확산 영역(30)의 전하 퍼텐셜이 미리 설정된 임계(threshold) 퍼텐셜에 도달하면, 전하는 자동적으로 다이오드(32)를 통해 흘러서 캐패시터(C1)에 저장된다. 쇼트키 다이오드(32)의 장점은 플로팅 확산 영역(30)을 캐패시터(C1)에 연결하기 위해 트랜지스터를 능동화하는 단계가 불필요하다는 것이다. 상기 미리 설정된 임계 퍼텐셜은 다이오드(32) 장벽 높이에 좌우된다. 다이오 드(32)를 통해 흐르는 전하는 연결된 캐패시터(C1)에 저장된다. 캐패시터(C1)는 또한 어레이 픽셀 공급 전압(Vaa_pix)에 연결된다. 쇼트키 다이오드(32)와 캐패시터(C1)의 결합은 픽셀(110)의 저장 용량을 증가시킨다. 다이오드(32)의 임계 퍼텐셜이 충족되고 전하가 캐패시터(C1)로 흐르면, 조도 응답에서 꺽임부가 생성된다(도 5 참조).
따라서, 쇼트키 접점(32)은 전기적으로 자동 이중 변환 이득 픽셀을 실현한다. 소스 팔로워 트랜지스터(18)은 플로팅 확산 영역(30)의 전하를 전기적인 출력 전압으로 변환한다. 소스 팔로워 트랜지스터(18)의 게이트를 플로팅 확산 영역(30)에 연결하는 저항 접점(34)은, 소스 팔로워 트랜지스터 게이트의 장벽 퍼텐셜을 낮추고, 쇼트키 다이오드(32)가 캐패시터(C1)를 플로팅 확산 영역(30)에 연결할 때, 소스 팔로워 트랜지스터(18)가 플로팅 확산 영역(30)과 캐패시터(C1)에 저장되는 전하에 의해 형성되는 전압 진폭의 최대 폭을 획득하게 한다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 쇼트키 접점(32)에 의해 생성되는 조도 대 출력 전압의 꺽임부는, 저항 접점(34)으로 인해서 소스 팔로워 트랜지스터(18)의 출력 전압에 의도적으로 반영될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 픽셀 조도 대 출력 전압 그래프의 모범적인 예시도이다. “꺽임부"라는 용어는, 상기 그래프가 조도-전압 프로파일에서 각을 생성한다는 사실을 반영하고, 그럼으로써 최대 포화 전압이 도 3에 도시된 종래 픽셀(A 점)보다 더 큰 조도의 레벨(B 점)에 도달된다. 예를 들어, 도 5에서, 조도-전압 프로파일은 다이오드(32)의 임계 전압이 충족되는 각까지 연장한다. 일단 다이오드의 임계 전압이 충족되면, 꺽임부가 생성되고(C 점), 새로운 조도-전압 프로파일 각이 생성된다. 예시하는 바와 같이, 챠트 상에서 B 점이 이중 변환 이득을 실현할 때 발생하는 조도-전압의 포화점인데 반하여, 본 발명의 이중 변환 이득 양태를 실현하지 않는 실장을 위한 포화점은 A 점이 될 것이다.
쇼트키 다이오드(32)의 목표 장벽 높이는 특정 애플리케이션에 기반하는 꺽임부 응답이 최상이라고 판정되는 곳에 근거하여 선택된다. 꺽임부 점은, 제안된 이중 변환 이득 픽셀의 이중 변환이, 고 변환 이득(저 신호 레벨이 필요)으로부터 저 변환 이득(고 신호 레벨이 필요)으로 변경되는 지점이다. 예를 들어, 플로팅 확산 영역(30)의 포화점이 1.0V 이고, 소망하는 꺽임부가 0.4V 라면, 목표로 하는 쇼트키 다이오드 장벽 높이는 0.4V 가 된다. 꺽임부는 포화 신호의 일부분으로 표현될 수 있다.
비용 효율의 관점에서, 현재의 W/TiN/Ti 접점 공정이 사용될 수 있고, 고유의 쇼트키 다이오드(32)가 실장에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어 도 4에서, 쇼트키 다이오드(32)는, n- 플로팅 확산 영역(30)에 직접 접촉되는 Ti 층(36), Ti 층(36)의 최상부에 형성된 TiN 장벽 층(38), 및 TiN 층(38)의 최상부에 형성된 W 층(40)으로 형성될 수 있다. 고유의 쇼트키 다이오드(32) 장벽 높이는 일 함수(workfunction)의 차이에 기인하고, 접점 영역에서 실리콘에 n- 타입 또는 p- 타입 도핑을 첨가함에 의해 추가적으로 조절될 수 있다. 따라서, 최종적인 다이오드(32)의 장벽 높이는, 재료 선택과 어닐링(annealing) 및 실장 조건에 좌우될 것이다.
도 6은 도 4의 픽셀(110)의 퍼텐셜 에너지 대 정전 용량 그래프의 모범적인 예시도이다. 전하가 광다이오드(PD)에 수집되면서, 피닝(pinning) 전압(Vpin)의 최대 수집 점에 도달한다. 전송 트랜지스터가 능동화될 때, 전하가 플로팅 확산 영역(30)으로 전송된다. 플로팅 확산 영역(30) 단독으로 유지할 수 있는 전하의 양은 섹션(section) 2로 예시된다. 쇼트키 다이오드(32)와 캐패시터(C1)가 부가됨으로써, 추가적인 전하가 섹션 1로 예시되는 바와 같이 수집될 수 있다.
상기한 쇼트키 다이오드(32)와 저항 접점은, 또한, 도 8에 예시된 바와 같이, 공유 픽셀 배열에 구현될 수 있다. 도 8은 4방향 공유 픽셀 구현의 평면도이다. 각각의 광센서(12a, 12b, 12c, 12d)는 대응되는 전송 트랜지스터(14a, 14b, 14c, l4d)를 포함하고, 상기 전송 트랜지스터(14a, 14b, 14c, l4d)는 전하를 플로팅 확산 영역(30)으로 전송한다. 광센서(12a, 12b, 12c, 12d)는 리셋 트랜지스터(16), 소스 팔로워 트랜지스터(18), 로우 선택 트랜지스터920), 플로팅 확산 영역(30), 및 캐패시터(C1)을 공유한다. 도 8에서는 4방향 공유 픽셀 실장을 예시하였지만, 상기한 쇼트키 다이오드(32)와 저항 접점(34)이 다른 공유 픽셀이나 비공유 픽셀 배열에 실장될 수 있다.
도 9는 본 발명의 픽셀(110)을 포함하는 촬상 장치(200)를 포함하도록 변형된 일반적인 프로세서 시스템(300)을 도시한다. 촬상 장치(200)는, 어레이(240)가 본 발명에 따라 구성되는 픽셀(110)을 포함한다는 점을 제외하고, 장치(308)(도 2)와 유사하다. 상기 프로세서 기반 시스템(300)은 화상 센서 장치를 포함할 수 있는 디지털 회로를 가진 시스템의 모범적인 예이다. 제한 없이, 상기 시스템은, 컴 퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 머신 비젼(machine vision), 차량 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 초점 시스템, 천체 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 화상 안정화(stabilization) 시스템, 및 데이터 압축 시스템을 포함할 수 있다.
시스템(300), 예를 들어 카메라 시스템은, 일반적으로, 버스(304)를 통해 입출력(I/O) 장치(306)와 통신하는 마이크로 프로세서와 같은 중앙 처리 장치(CPU)(302)를 포함한다. 촬상 장치(200)도 또한 버스(304)를 통해 CPU(302)와 통신한다. 프로세서 기반 시스템(300)은 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM)(310)를 포함하고, 또한 버스(304)를 통해 CPU(302)와 통신하는, 플래시 메모리와 같은 탈착 가능 메모리(removable memory)(315)를 포함할 수 있다. 촬상 장치(200)는, 단일 집적 회로 또는 프로세서와는 다른 칩 상의 메모리 저장부와 함께하거나 함께하지 않는, CPU, 디지털 신호 프로세서 또는, 마이크로 프로세서와 같은 프로세서와 결합될 수 있다.
상기한 실시예들은 도 2에 도시된 이미저 장치와 유사한 방식으로 실장될 수 있다. 도 2의 픽셀 어레이(240)는, 쇼트키 다이오드(32)와 저항 접점(34)을 가진 상기한 픽셀(110)로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 도 4에 예시된 바와 같은 회로 제조 방법을 포함함을 이해해야 한다. 예를 들어, 모범적인 일 실시예에서, 이중 변환 이득 픽셀을 제조하는 방법은, 기판 내의 감광 영역을 제조하는 공정, 픽셀을 리셋하기 위해 기판 내에 제1 트랜지스터를 형성하는 공정, 상기 기판 내에 제1 정전 용량을 가진 플로팅 확산 영역을 마련하는 공정, 전하를 상기 감광 영역으로부터 상기 플로팅 확산 영역으로 전송하도록 제어될 수 있는 제2 트랜지스터를 상기 감광 영역과 상기 플로팅 확산 영역의 사이에 마련하는 공정, 상기 기판 상에 용량성 요소를 형성하는 공정, 및 상기 기판의 내부 및 위에 쇼트키 다이오드를 형성하는 공정을 포함하며, 상기 다이오드가 상기 확산 영역과 상기 용량성 요소의 사이에 연결됨으로써, 상기 다이오드가 능동화되었을 때, 상기 용량성 요소의 정전 용량이 상기 플로팅 확산 영역의 제1 정전 용량에 더해진다.
상기한 공정 및 장치들은, 바람직한 방법들과, 사용 및 제조될 수 있는 많은 일반적인 장치들을 예시한다. 상기한 기술 및 도면은, 본 발명의 목적, 특징, 및 장점을 달성하기 위한 실시예들을 예시한다. 그러나, 본 발명을 상기 및 예시한 실시예들로 엄격히 제한하려고 의도한 것은 아니다. 후술하는 청구범위의 사상 및 권리범위에 속한 본 발명의 어떠한 변형도, 현재 예지할 수 없는 것일지라도, 본 발명의 부분으로 생각되어야할 것이다.

Claims (28)

  1. 광센서,
    상기 광센서로부터 저장된 전하를 수신하기 위해 연결되어 있는 제1 정전 용량을 가지는 확산 영역, 및
    쇼트키(schottky) 접점에 의해 상기 확산 영역에 연결된 전하를 저장하기 위한 정전 용량을 가지는 회로를 포함하고,
    상기 회로는, 상기 확산 영역에 상기 회로를 연결하는 상기 쇼트키 접점에 의해 능동화 될 때, 상기 확산 영역에 제2 정전 용량을 부여하는 이미저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 영역은 n- 영역이고,
    상기 쇼트키 접점은 상기 n- 확산 영역에 접촉된 적어도 하나의 도전층을 포함하는 이미저 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    저항 접점을 통해 상기 확산 영역에 연결되는 게이트를 가지는 출력 트랜지스터를 더 포함하는 이미저 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 쇼트키 접점은, 상기 확산 영역에서 수집된 전하량이 미리 설정된 임계를 초과할 시에 상기 회로를 상기 확산 영역으로 연결하는 이미저 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 미리 설정된 전하 임계는, 상기 쇼트키 접점의 장벽 높이에 상관되는 이미저 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로의 상기 정전 용량은, 캐패시터에 의해 부여되는 이미저 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 저항 접점이 상기 확산 영역 내에 n+ 확산 영역으로서 형성되어 있는 이미저 장치.
  8. 전하를 축적하기 위한 광센서,
    상기 광센서로부터 전하를 수신하기 위해 연결되고, 제1 관련 변환 이득을 가지는 확산 영역,
    상기 확산 영역에 상기 제1 관련 변환 이득과는 다른 제2 관련 변환 이득을 부여하기 위해, 용량성(capacitive) 요소를 상기 확산 영역에 전환 가능하게 연결하는 쇼트키 다이오드를 포함하는 이미저 픽셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    출력 트랜지스터의 게이트를 상기 확산 영역에 연결하는 저항 접점을 더 포함하고, 상기 트랜지스터는 저장된 전하를 출력 신호로 변환하는 이미저 픽셀.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 확산 영역은 n- 영역이고,
    상기 쇼트키 접점은 상기 n- 확산 영역에 접촉된 적어도 하나의 도전층을 포함하는 이미저 픽셀.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 용량성 요소는 캐패시터에 의해 부여되는 것인 이미저 픽셀.
  12. 이미저 픽셀로서,
    전하를 축적하기 위한 광센서,
    상기 픽셀을 리셋하기 위한 제1 트랜지스터,
    상기 광센서로부터의 전하를 전송하기 위한 제2 트랜지스터,
    상기 제2 트랜지스터를 통해 상기 광센서로부터 전하를 수신하기 위한 것으로, 제1 관련 변환 이득을 가지는 확산 영역,
    용량성 요소, 및
    상기 확산 영역과 상기 용량성 요소 사이에 연결되고, 상기 용량성 요소와 상기 확산 영역의 연결을 전환 가능하게 제어함으로써 상기 용량성 요소가 상기 확산 영역에 연결될 시에 상기 확산 영역이 제2 관련 변환 이득을 획득할 수 있도록 하는 쇼트키 접점을 포함하는 이미저 픽셀.
  13. 청구항 12에 있어서,
    저항 접점에 의해 상기 확산 영역에 연결되는 게이트를 가지는 제3 출력 트랜지스터를 더 포함하는 이미저 픽셀.
  14. 복수의 픽셀 셀로 형성된 픽셀 셀의 어레이를 포함하고,
    각각의 픽셀이,
    전하를 축적하기 위한 광센서,
    상기 픽셀을 리셋하기 위한 제1 트랜지스터,
    상기 광센서로부터의 전하를 전송하기 위한 제2 트랜지스터,
    상기 제2 트랜지스터를 통해 상기 광센서로부터 전하를 수신하기 위한 것으로, 제1 관련 변환 이득을 가지는 확산 영역,
    용량성 요소, 및
    상기 확산 영역과 상기 용량성 요소 사이에 연결되고, 상기 용량성 요소와 상기 확산 영역의 연결을 전환 가능하게 제어함으로써 상기 용량성 요소가 상기 확산 영역에 연결될 시에 상기 확산 영역이 제2 변환 이득을 획득할 수 있도록 하는 쇼트키 접점을 포함하는, 이미저.
  15. 프로세서와,
    상기 프로세서에 전기적으로 연결되고 픽셀 어레이를 포함하는 촬상 장치를 포함하고,
    상기 픽셀 어레이의 적어도 하나의 픽셀이,
    전하를 축적하기 위한 광센서,
    상기 광센서로부터 전하를 수신하기 위해 연결되고, 제1 관련 변환 이득을 가지는 확산 영역,
    상기 확산 영역에 연결된 접점을 포함하고, 상기 확산 영역의 전하량에 따라서 상기 제1 관련 변환 이득을 제2 관련 변환 이득으로 변경하는 변환 이득 변경 회로를 포함하는, 이미저 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 변환 이득 변경 회로는 용량성 요소를 포함하고,
    상기 접점은, 상기 용량성 요소에 전하가 수집되는 시기를 제어하는 쇼트키 다이오드인, 이미저 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 확산 영역이 상기 제1 관련 변환 이득에 관련된 제1 정전 용량을 가지 고,
    상기 용량성 요소가 제2 정전 용량을 가지며,
    상기 제1 및 제2 정전 용량의 결합은 상기 제2 관련 변환 이득에 관련되는, 이미저 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 광센서는 상기 제1 정전 용량보다 크고 상기 제1 및 제2 정전 용량의 결합보다 작은 정전 용량을 가지는, 이미저 시스템.
  19. 청구항 16에 있어서, 상기 용량성 요소는 캐패시터인, 이미저 시스템.
  20. 광-생성 전하를 확산 영역으로 전송하는 공정,
    전송되는 전하량이 임계를 초과하면 쇼트키 다이오드를 능동화시켜 상기 확산 영역의 변환 이득을 변화시키는 공정, 및
    상기 플로팅 확산 영역의 전하를 표시하는 신호를 출력하는 공정을 포함하는 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 능동화된 다이오드에 연결된 저장 요소에 상기 확산 영역으로 전송되는 전하를 수집하는 공정을 더 포함하는, 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    저항 접점에 의해서 상기 확산 영역에 연결된 회로에 의해 상기 확산 영역으로부터의 전하를 상기 출력 신호로 변환하는 공정을 더 포함하는, 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  23. 광센서를 마련하는 공정,
    제1 전하 저장 정전 용량을 가지는 확산 영역을 마련하는 공정,
    광센서로부터의 광-생성 전하를 상기 확산 영역에 저장하는 공정,
    미리 설정된 값에 도달한 상기 확산 영역에 저장된 전하에 따라서 상기 확산 영역의 저장 정전 용량을 변경하는 공정을 포함하는, 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 변경 공정은, 전하를 쇼트키 다이오드를 통해 용량성 요소로 흐르게 하는 것인, 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 변경 공정은, 쇼트키 다이오드에 의해 수행되는 것인, 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  26. 청구항 23에 있어서,
    저항 접점을 통해서 상기 확산 영역에 연결되는 게이트를 가진 트랜지스터에 의해 상기 확산 영역으로부터의 전하를 출력 신호로 변환하는 공정을 더 포함하는 이미저 장치를 동작시키는 방법.
  27. 이중 변환 이득 픽셀을 제조하는 방법으로서,
    감광 영역을 제조하는 공정,
    상기 픽셀을 리셋하기 위한 제1 트랜지스터를 기판 내에 형성하는 공정,
    제1 관련 변환 이득을 가진 확산 영역을 마련하는 공정,
    상기 감광 영역과 상기 플로팅 확산 영역 사이에 상기 감광 영역에서 수집된 전하를 상기 확산 영역으로 전송하기 위한 제2 트랜지스터를 마련하는 공정, 및
    상기 확산에 제2 관련 변환 이득을 부여하기 위해 상기 확산 영역을 용량성 요소에 전환 가능하게 연결하는 쇼트키를 형성하는 공정을 포함하는 이중 변환 이득 픽셀을 제조하는 방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 확산 영역은 n- 영역이고,
    상기 쇼트키 접점은 상기 n- 확산 영역에 접촉된 적어도 하나의 도전층을 포함하는 이중 변환 이득 픽셀을 제조하는 방법.
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