KR20090043739A - Cmos image sensor - Google Patents

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KR20090043739A
KR20090043739A KR1020070109464A KR20070109464A KR20090043739A KR 20090043739 A KR20090043739 A KR 20090043739A KR 1020070109464 A KR1020070109464 A KR 1020070109464A KR 20070109464 A KR20070109464 A KR 20070109464A KR 20090043739 A KR20090043739 A KR 20090043739A
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image sensor
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KR1020070109464A
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김훈
박광수
정민재
김상진
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플래닛팔이 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 전원 제어부를 형성함으로써, 상기 수광부 CMOS의 출력 신호를 제어할 수 있으며, 이를 통하여 조도에 적합한 결과물의 취득이 가능하고, 아울러 상기 수광부 CMOS의 불필요한 광전변환에 의해 형성되는 전하의 발생을 억제할 수 있어, 상기 전하가 기생 커패시턴스에 축적되므로 인하여 발생되는 노이즈 등의 문제를 방지할 수 있다.CMOS image sensor according to the present invention by forming a power control unit for controlling the power applied to the light receiving unit CMOS, it is possible to control the output signal of the light receiving unit CMOS, through which it is possible to obtain a result suitable for illuminance, Generation of charges formed by unnecessary photoelectric conversion of the light-receiving part CMOS can be suppressed, and problems such as noise generated due to accumulation of the charges in parasitic capacitance can be prevented.

이미지 센서, CMOS, NMOS, PMOS, 피사체, 단위 픽셀 Image sensor, CMOS, NMOS, PMOS, subject, unit pixel

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS image sensor}CMOS image sensor

본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 수광된 빛의 양에 관계없이 일정한 디지털 출력을 나타내는, 즉 저조도에서 고조도에 이르기까지 다이나믹한 레인지를 제공하는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor that exhibits a constant digital output regardless of the amount of light received, that is, provides a dynamic range from low to high illumination. will be.

이미지 센서는 빛 에너지에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 순간적으로 포착(capture)해 내는 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.An image sensor is a device that captures an image instantaneously by using a property of a semiconductor device that responds to light energy. Light generated from each subject existing in the natural world has a unique value in wavelength and the like. The pixel of the image sensor detects light generated from each subject and converts it into an electric value.

즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛 에너지 크기 등에 대응하여, 빛의 파장에 대응하는 전기적인 값을 발생한다.That is, the pixel of the image sensor generates an electrical value corresponding to the wavelength of light in response to the magnitude of light energy generated in the subject.

이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 모스(MOS) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 CMOS 집적회로 제조기술을 이용하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 차례차례 출력(Output) 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 씨모스 이미지 센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인 휴대용 시스템에 매우 유용하다.Among these, a charge coupled device (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. A sensor is a device that employs a switching method of forming a pixel array using a CMOS integrated circuit manufacturing technology and sequentially detecting the output. The CMOS image sensor has the great advantage of low power consumption, making it very useful for personal portable systems such as mobile phones.

도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(Photo-Diode)의 단면을 나타내는 도면이고, 도 1b는 도 1a의 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가회로도이다.FIG. 1A is a diagram illustrating a conventional three-transistor CMOS active pixel, a cross-sectional view of a photo-diode including a circuit of peripheral components, and FIG. 1B is a conventional three-transistor seed of FIG. 1A. It is an equivalent circuit diagram of MOS active pixel.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로 포토 다이오드의 커패시턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)에 의하여 생성되는 커패시터 성분의 합으로 된다.1A and 1B, in a conventional three-transistor CMOS active pixel, an N + type impurity layer 11 and an N + type floating diffusion layer 13 constituting one junction of a photodiode are in contact with each other. Therefore, the capacitance component of the photodiode is substantially the sum of the capacitor components produced by the N + type impurity layer 11 and the N + type floating diffusion layer 13.

따라서 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 단점을 보완하기 위한 것이 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.Accordingly, an image sensor employing a conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity. The four-transistor CMOS active pixel is to compensate for the disadvantage of the three-transistor CMOS active pixel.

도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 도 2a의 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가회로도이다.FIG. 2A is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, showing a cross section of a photodiode including a circuit of peripheral components, and FIG. 2B is an equivalent of the conventional 4-transistor CMOS active pixel of FIG. 2A. It is a circuit diagram.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 전송제어신호(Tx)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(25)가 사용된다. 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형 불순물층(21)과 N+형 부유 확산층(23)이 서로 격리된다.2A and 2B, the conventional 4-transistor CMOS active pixel includes a transfer transistor 25 controlled by a transmission control signal Tx to remove noise generated in the 3-transistor CMOS active pixel. Used. The N + type impurity layer 21 and the N + type floating diffusion layer 23 constituting one junction of the photodiode are separated from each other.

따라서, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 이미지 센서의 감도도 증가하고, 이미지 질도 향상될 수 있다. 그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 전송 트랜지스터가 추가됨으로 인하여 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.Therefore, in the conventional 4-transistor CMOS active pixel, the sensitivity of the image sensor may be increased and the image quality may be improved. However, the four-transistor CMOS active pixel has a disadvantage in that the light receiving area is reduced due to the addition of the transfer transistor.

도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도이다. 픽셀부(30)란 단위 픽셀들이 이루는 하나의 컬럼(column)을 의미한다. 픽셀부(30)는 컬럼의 수만큼 구비되는 것이고, 각 픽셀부(30)에 구비되는 단위 픽셀의 수는 로우(row)의 수만큼 구비되는 것이다.FIG. 3A is a circuit diagram connected to a pixel portion formed of a combination of unit pixels shown in FIGS. 1A and 2A. The pixel unit 30 refers to one column of unit pixels. The pixel portion 30 is provided by the number of columns, and the number of unit pixels included in each pixel portion 30 is provided by the number of rows.

일반적으로 '640×480 VGA', '1024×768 XGA, 1280×1024 SXGA'라 함은 각각 '640개의 컬럼×480개의 로우', '1024개의 컬럼×768개의 로우', '1280개의 컬럼×1024개의 로우'로 이루어지는 이미지 해상도를 의미하는 것이다. 실제 공정에서는 각 컬럼 및 로우의 갯수가 이보다 다소 많이 구비된다. 도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.Generally, '640 × 480 VGA', '1024 × 768 XGA, 1280 × 1024 SXGA' means '640 columns × 480 rows', '1024 columns × 768 rows', '1280 columns × 1024', respectively. This means that the image resolution consists of 'rows'. In practice, the number of columns and rows is somewhat higher. 3B illustrates a signal applied to the unit pixel illustrated in FIGS. 1A and 2A.

도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간 동안 포착(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31)으로부터 CDS(Correlated Double Sampling)(36)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing on the circuit and signal shown in FIGS. 3A and 3B is as follows. When a select signal is applied to a row including a plurality of unit pixels, an image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is captured from the common contact 31 of the column by CDS (Correlated). Double Sampling) 36 is applied. The image data signal includes data signals corresponding to various levels of illuminance according to the surrounding environment, from a high illuminance signal that is a bright light data signal to a low illuminance signal that is a dark light data signal.

다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 CDS(36)를 포함한 회로에 인가된 기준 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다.The data signal according to the various levels of illumination lowers the reference voltage applied to the circuit including the CDS 36 at each level. That is, the low light data signal lowers the reference voltage relatively less, while the high light data signal drops the reference voltage relatively much.

도 3c는 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 3c에서는 설명의 편의상 세 가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.3C illustrates a voltage drop phenomenon of the data signal according to each illuminance level. Although three levels are illustrated in FIG. 3C for convenience of description, various levels of data signals may exist.

도 3c의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호 전압의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호 전압의 강하가 발생하는 구간이다. 우선 로우인에이블 신호(R_en)가 디스에이블되는 동안 CDS(36)의 스위치b(32b)에 리셋 샘플링 구동신호(SR)가 리셋 샘플링 구간(A)동안 인가되어 리셋 전압을 커패시터b(33b)에 저장한다.In the 'A' section and the 'C' section of FIG. 3C, a stable section without fluctuation of the signal voltage and a 'B' section are sections in which the drop of the signal voltage occurs. First, while the low enable signal R_en is disabled, the reset sampling drive signal SR is applied to the switch b 32b of the CDS 36 during the reset sampling period A to apply the reset voltage to the capacitor b 33b. Save it.

이후, 도 3b의 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31)에 인가되면, CDS(36)의 스위치a(32a)가 외부에서 인가되는 데이터 샘플링 구동신호에 의해 'C' 구간 동안 데이터 샘플링(SD, data sampling)을 진행하여 커패시터a(33a)에 그 값을 저장하고 버 퍼a(34a)를 거쳐 MUX(multiplexer)(35)로 데이터 신호 전압을 인가한다.Thereafter, when the row enable signal R_en of the signal of FIG. 3B is applied to each unit pixel of the row, and the image data signal is applied to the common contact 31 of the column, the switch a 32a of the CDS 36 is external. Data sampling (SD, data sampling) is performed during the 'C' period by the data sampling driving signal applied from the multiplier 35 to store the value in the capacitor a 33a and through the buffer a 34a. Apply a data signal voltage.

데이터 샘플링(SD)의 완료 후, 리셋(RST) 신호가 인가되고, 로우인에이블이 종료되면, 다음의 영상처리데이터를 처리하기 위한 CDS(36)의 스위치b(32b)가 외부에서 인가되는 리셋 샘플링 구동신호에 의해 'A' 구간 동안 리셋 샘플링(SR, reset sampling)을 진행하여 커패시터b(33b)에 리셋 전압을 저장하고 버퍼b(34b)를 거쳐 MUX(35)로 신호를 인가한다.After completion of the data sampling (SD), a reset (RST) signal is applied, and when low enable is completed, a reset is applied externally by a switch b32b of the CDS 36 for processing the next image processing data. Reset sampling (SR) is performed during the 'A' period by the sampling driving signal to store the reset voltage in the capacitor b 33b, and apply a signal to the MUX 35 via the buffer b 34b.

이러한 일련의 신호(R_en, SD, RST, SR)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 차등증폭기(SHA, Sample and Hold Amplifier)(37), PGA(Programmable Gain Amplifier)(38) 및 ADC(Analog-Digital Converter)(39) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다.When such a series of signals (R_en, SD, RST, SR) proceed for one period, image data stored in the unit pixel is acquired, and a differential amplifier (SHA, Sample and Hold Amplifier) 37, a programmable gain amplifier (PGA) (38) and the analog-digital converter (ADC) 39 output image data.

결과적으로, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 감도가 낮은 단점을 가지며, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광 면적이 작은 문제점을 가진다.As a result, the conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity, and the conventional four-transistor CMOS active pixel has a problem in that a light receiving area is small.

이를 해소하기 위한 방안을 이하에서 기술하며, 아울러 해소 방안에서의 고조도 상태에서 높은 감도로 인한 포화(saturation) 문제의 해소 방안을 제시하도록 한다.The solution to solve this problem will be described below, and the solution to the saturation problem due to high sensitivity at high illumination in the solution solution will be described.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 피치 사이즈(pitch size)를 줄여 이미지 센서의 면적을 줄이는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and aims to reduce the size of the image sensor by reducing the pitch size.

아울러, 공정 상에서의 수율 향상 및 생산 비용을 절감할 수 있는 방안을 제시하고자 하며, 또한 고조도에서 포화되는 형상을 방지하는 방안을 제시하고자 한다.In addition, to improve the yield in the process and to reduce the production cost to propose a method to prevent the saturation of the shape at high illumination.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전원을 제어하는 전원 제어부와, 상기 전원 제어부에 의해 전원 공급을 받으며 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성하는 수광부 CMOS와 상기 수광부 CMOS로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS를 포함하며, 상기 전원 제어부는 상기 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 씨모스 이미지 센서를 제시한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a power control unit for controlling a power supply, a light receiving unit CMOS that receives the power supplied by the power control unit and receives the light to generate an electrical signal and outputs the signal received from the light receiving unit CMOS Including a secondary CMOS, wherein the power control unit presents a CMOS image sensor for controlling the power applied to the light receiving unit CMOS.

여기서, 상기 수광부 CMOS, 출력부 CMOS 및 전원 제어부는 단위 픽셀 내에 배치되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 전원 제어부는 MOS 구조인 것이 바람직하다.Here, the light receiving unit CMOS, the output unit CMOS and the power control unit are preferably disposed in a unit pixel, and for this purpose, the power control unit preferably has a MOS structure.

상기 전원 제어부는 외부로부터 전원 제어 신호를 인가받아 상기 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하도록 한다.The power control unit receives a power control signal from the outside to control the power applied to the light receiving unit CMOS.

상기 수광부 CMOS 및 전원 제어부는 각각 하나의 PMOS이고, 상기 출력부 CMOS는 하나의 NMOS로 구성되는 것이 바람직한데, 이때 상기 수광부 CMOS는 P형 반도체 기판상에서, N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고 게이트 및 N-well의 일부 영역으로 수광하는 구조이며, 상기 전원 제어부는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 웰을 공유하며 상기 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 구조이며, 상기 출력부 CMOS는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 수광부 CMOS로부터 받은 신호를 출력하는 구조인 것이 바람직하며, 상기 수광부 CMOS 및 전원 제어부는 상기 웰(well) 내에 소스와 드레인이 형성되는 것이 바람직하다.The light receiving unit CMOS and the power supply control unit are each one PMOS, and the output unit CMOS is preferably composed of one NMOS, wherein the light receiving unit CMOS includes an N-type doped well on a P-type semiconductor substrate. And a light receiving part to a region of a gate and an N-well, wherein the power control part is a structure that controls the power applied to the light receiving part CMOS while sharing the well on the P-type semiconductor substrate. The P-type semiconductor substrate preferably has a structure for outputting a signal received from the light receiving unit CMOS, and the light receiving unit CMOS and the power supply control unit preferably have a source and a drain formed in the well.

또한, 상기 수광부 CMOS의 게이트는 플로팅되는 것이 바람직하며, 상기 출력부 CMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호를 인가받는 것이 바람직하다.In addition, the gate of the light receiving unit CMOS is preferably floated, it is preferable that the gate of the output CMOS receives a selection signal from the outside.

한편, 상기 수광부 CMOS의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 포함할 수 있는데, 상기 연결부는 상기 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하여 형성되는 것이 바람직하며, 상기 연결부의 도핑 농도는 상기 웰의 도핑 농도보다 고농도인 것이 바람직하다.The connection part may further include a connection part formed in a part of the well to connect the gate of the light receiving part CMOS with the well, and the connection part is preferably formed by doping with the same impurity type as the well. The doping concentration is preferably higher than the doping concentration of the well.

또한, 상기 연결부와 상기 수광부 CMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 접점을 형성시킬 수 있다.In addition, a metal contact may be formed on the connection part to connect the gate of the connection part and the light receiving part CMOS.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 전원 제어부를 형성함으로써, 상기 수광부 CMOS의 출력 신호를 제어할 수 있으며, 이를 통하여 조도에 적합한 결과물의 취득이 가 능하고, 아울러 상기 수광부 CMOS의 불필요한 광전변환에 의해 형성되는 전하의 발생을 억제할 수 있어, 상기 전하가 기생 커패시턴스에 축적되므로 인하여 발생되는 노이즈 등의 문제를 방지할 수 있다.As described above, the CMOS image sensor according to the present invention forms a power control unit for controlling the power applied to the light receiving unit CMOS, thereby controlling the output signal of the light receiving unit CMOS, thereby obtaining a result suitable for illuminance. It is possible to suppress generation of electric charges formed by unnecessary photoelectric conversion of the light-receiving part CMOS, and it is possible to prevent problems such as noise generated due to accumulation of the electric charges in parasitic capacitance.

아울러, 상기 센서부를 적은 수의 NMOS와 PMOS로 형성함으로써, 씨모스 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있다.In addition, by forming the sensor unit with a small number of NMOS and PMOS, the area of the CMOS image sensor can be reduced.

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

도 4는 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 구조를 개념적으로 나타내는 등가 회로도로서, 종래 포토다이오드 방식의 능동형 픽셀구조에서 Rx, Sx, Tx 등의 CMOS로 인하여 수광부인 포토다이오드의 수광 면적이 작아지게 되어 감도 특성이 낮은 점을 해소하기 위하여 제시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 씨모스 미지 센서는 수광부(40)와 선택용 MOS(41)를 포함하는 단위 픽셀이 수동형 픽셀구조를 갖고 있어 종래 기술에 비하여 상대적으로 단위픽셀의 크기를 줄일 수 있으며 전류-전압 변환기(42)를 통하여 전압으로 신호를 출력하도록 되어 있어 종래의 CMOS 이미지센서의 아날로그 회로(CDS(43))에서 ADC(47)까지의 신호처리 방식을 그대로 활용할 수 있는 장점이 있다.FIG. 4 is an equivalent circuit diagram conceptually showing the structure of the CMOS image sensor of the present invention. In an active pixel structure of a conventional photodiode type, a light receiving area of a photodiode as a light receiving unit is reduced due to CMOS such as Rx, Sx, and Tx. It is a circuit diagram proposed to solve the low sensitivity characteristic. Referring to FIG. 4, in the CMOS unknown sensor of the present invention, the unit pixel including the light receiving unit 40 and the selection MOS 41 has a passive pixel structure, so that the size of the unit pixel can be relatively reduced compared to the prior art. In addition, since the signal is output as a voltage through the current-voltage converter 42, there is an advantage that the signal processing method from the analog circuit (CDS 43) of the conventional CMOS image sensor to the ADC 47 can be utilized as it is. .

씨모스 픽셀 어레이는 외부 피사체 이미지를 촬상하여 개개의 단위 픽셀에서 피사체의 이미지를 단위 픽셀의 구성 개수만큼 균등히 분할하여서 서로 다른 밝기에 대응되는 전기적 신호를 생성한다. 각각의 단위 픽셀에서는 흡수한 광량에 대응하는 전하를 PMOS의 N-well과, PMOS(40)의 소스와 드레인 각각에 해당되는 P형과 N-well의 N형과 접합하는 P-N 이종접합에 존재하는 공핍층의 EHP(Electron Hole Pair)가 광량에 따라 분리되어 전하 이동자(carrier)로 생성되어 전기적인 전류를 생성하고 상기 PMOS와 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS(41)를 통하여 선택적으로 이동하게 된다.The CMOS pixel array captures an external subject image and divides the image of the subject in individual unit pixels evenly by the number of unit pixels to generate electrical signals corresponding to different brightnesses. In each unit pixel, the charge corresponding to the amount of light absorbed is present in the P-N heterojunction that joins the N-well of the PMOS and the P-type corresponding to the source and drain of the PMOS 40 and the N-type of the N-well, respectively. Electron hole pairs (EHPs) of the depletion layer are separated according to the amount of light and are generated as charge carriers to generate electrical current, and selectively move through the NMOS 41 connected to the PMOS to serve as a switch. .

따라서, 수광소자로 사용된 PMOS부터 발생된 큰 광전류를 전하 축적 없이 전류 거울(current mirror)로 전달한다. 이 전류 거울(42)에서 전류가 증폭되고, 증폭된 전류가 대수적으로 변환되어 이 변환된 전압을 CDS(43), MUX(44), SHA(45)로 구현된 회로를 이용하여 읽어낸 후, PGA(46) 및 ADC(47)를 통하여 이미지 데이터로 출력하게 된다. 이를 이미지 센서의 픽셀에 적용함으로써 전하 축적 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.Therefore, the large photocurrent generated from the PMOS used as the light receiving element is transferred to the current mirror without charge accumulation. In the current mirror 42, the current is amplified, the amplified current is algebraically converted, and the converted voltage is read using a circuit implemented by the CDS 43, the MUX 44, and the SHA 45. The image data is output through the PGA 46 and the ADC 47. Applying this to the pixels of the image sensor can significantly reduce the charge accumulation time.

도 5는 도 4의 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광 하는 부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS로 이루어지고 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진 1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조인 단위 픽셀 구조를 형성한다.FIG. 5 is a configuration diagram of the CMOS image sensor of FIG. 4, wherein the unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor in fabricating a unit pixel of the CMOS image sensor. The light receiving portion of the unit pixel structure is composed of a PMOS using a photoelectric conversion method by light incidence, and a unit pixel having a 2-transistor structure of 1PMOS and 1NMOS including an NMOS connected to the PMOS and serving as a switch. To form a structure.

즉, 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위 픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.That is, by implementing one conventional photodiode and a three-transistor or one photodiode and a four-transistor unit pixel in a two-transistor structure, the pitch size of the unit pixel is reduced, and the control such as the conventional reset ( Since there is no control signal, metal lines are reduced in the layout of the pixel, thereby simplifying the structure of the unit pixel.

단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.The unit pixel forming method is as follows.

P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(well)(220)을 형성한다. 상기 Nwell(220)의 형성공정은, P형 반도체 기판(200)상에 패턴을 형성하여 N-well(220)이 형성될 영역만을 오픈(Open)한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well(220)을 형성한다. N-well(220)이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.In order to implement PMOS and NMOS on the P-type semiconductor substrate 200, an N-well (well) 220 is formed in the PMOS region. In the process of forming the Nwell 220, an ion implantation process is performed on N-type impurities in a state in which a pattern is formed on the P-type semiconductor substrate 200 and only the region where the N-well 220 is to be opened is opened. Then, heat treatment to form the N-well 220. A gate oxide layer 260 and polysilicon are sequentially deposited on the entire surface of the substrate on which the N-well 220 is formed, patterned, and then etched to form a floating gate 240 in the PMOS and a select gate 250 in the NMOS. .

이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다. 부가적으로 PMOS 및 NMOS의 소스/드레인이 형성된 영역에 저항을 감소시키기 위하여 살리사이드 공정을 부가적으로 수행할 수도 있다. 그러나, 상기 PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로서 빛이 PMOS의 상부에 형성된 플로팅 게이트를 투과하여야 하므로 상기 플로팅 게이트에는 살리사이드공정을 수행하지 않는 것이 필수적이다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source / drain 230 in the PMOS region, and the source / drain of the NMOS region is sequentially A mask in which only the formation region is opened is formed, and a source / drain 270 is formed in the NMOS region by performing a high concentration N-type ion implantation process. In addition, a salicide process may be additionally performed to reduce the resistance in regions where the source / drain of PMOS and NMOS is formed. However, since the PMOS is an optical device that receives light, light must pass through the floating gate formed on the upper side of the PMOS. Therefore, it is essential not to perform the salicide process on the floating gate.

도 5의 씨모스 이미지 센서의 구동원리를 설명하면 다음과 같다.Referring to the driving principle of the CMOS image sensor of FIG.

상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이후, 수광부인 PMOS로 빛을 받아 광자(photon)가 공핍 영역인 N-well에 입사되면 EHP(electron hole pair)가 분리되며 이로 인하여 PMOS 소자의 게이트 저면에 P채널이 형성된다. PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region in an electrically neutral state. Subsequently, when a photon is incident on an N-well, which is a depletion region, by receiving light through a PMOS, which is a light receiving unit, an electron hole pair (EHP) is separated, thereby forming a P channel on a gate bottom of the PMOS device. A voltage is applied to the select gate formed in the NMOS connected to the PMOS, and an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.

이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 상기 PMOS로 구현된 이미지 센서 픽셀은 빛을 받는 즉시 전류가 흐르게 되는 구조로 이루어져 암전류가 없으며, 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기는 매우 급격한 양상을 알 수 있으며, B 영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 비교적 완만한 양상을 나타낸다.Referring to the graph of FIG. 6, in the conventional photodiode, the current flows when the light intensity is greater than or equal to a critical point, and the current tends to increase as the light intensity increases linearly. As the sensor pixel has a structure in which current flows immediately upon receiving light, there is no dark current, and as shown in area A of FIG. 6, the slope of the current change with respect to a small amount of light is very sharp. The slope of the current change with respect to the light change is relatively gentle.

따라서, 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있으며, 또한 종래의 씨모스 이미지 센서의 경우 하나의 광자가 하나의 전자-정공쌍을 생성시키는 반면, 상기 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성시키므로 광전류의 전류 이득이 100~1000에 달하여 소량의 빛이 입사되는 저조도에서도 영상의 구현이 가능하며, 종래의 센서보다 전하 축적 시간을 100~1000배 줄일 수 있어, 전하 축적 시간이 1프레임 또는 1라인이 아닌 수십 클락(clock) 지연만으로 충분하므로 인테그레이션 시간(integration time)이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.Therefore, since there is no control signal as in the conventional reset, since the metal line is reduced in the layout of the pixel, the pitch size may be reduced compared to the conventional unit pixel, and in the case of the conventional CMOS image sensor, one photon While generating one electron-hole pair, the PMOS light-receiving device generates a photo current in which one photon is amplified, so that the current gain of the photocurrent reaches 100 to 1000, thereby realizing an image even in low light with a small amount of light incident. Since the charge accumulation time can be reduced by 100 ~ 1000 times compared with the conventional sensor, the charge accumulation time is enough for tens of clock delays instead of one frame or one line, so that integration time is unnecessary and high speed video is realized. To make it possible.

부가적으로, 앞서 설명한 씨모스 이미지 센서는 일반적인 MOS공정으로 단위 픽셀을 구현하므로 기존의 씨모스 이미지 센서의 전용공정이 불필요하다. 본 발명은 인테그레이션 시간없이 PMOS에서 빛을 받아 NMOS를 통하여 출력하므로 스위치용 NMOS의 누설전류에 의한 암전류를 제외하고 긴 인테그레이션으로 인한 센서의 암전류를 극소화할 수 있다.In addition, since the CMOS image sensor described above implements unit pixels in a general MOS process, a dedicated process of the existing CMOS image sensor is unnecessary. Since the present invention receives light from the PMOS without integration time and outputs it through the NMOS, it is possible to minimize the dark current of the sensor due to the long integration except the dark current caused by the leakage current of the switching NMOS.

따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서의 형성공정 시 암전류를 방지하기 위하여 수광부의 표면에 에피층을 형성하는 공정이 불필요하며, 본 발명의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성하므로 빛을 단위 픽셀의 수광부에 모으기 위하여 단위 픽셀의 상부에 마이크로 렌즈 형성공정이 불필요하다. 이러한 공정들을 모두 생략할 수 있으므로 생산 원가의 절감이 가능해진다.Therefore, in the conventional CMOS image sensor forming process, an epitaxial layer is formed on the surface of the light receiving unit in order to prevent dark current, and the PMOS light receiving device of the present invention generates light by amplifying one photon. In order to collect the light receiving portion of the unit pixel, a microlens forming process is not required on the unit pixel. All of these processes can be omitted, thus reducing production costs.

도 7은 PMOS의 게이트와 PMOS의 N-well이 연결된 형태의 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS와 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포 함하여 이루어진 1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조이며, 상기 PMOS의 게이트와 N-well이 연결된 형태의 단위 픽셀을 형성한다.FIG. 7 is a configuration diagram of a CMOS image sensor in which a gate of a PMOS is connected to an N-well of a PMOS. In manufacturing a unit pixel, a unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor. In the structure of the unit pixel, the light receiving portion is a two-transistor structure of 1 PMOS and 1 NMOS including a PMOS using a photoelectric conversion method by light incident and an NMOS connected to the PMOS and serving as a switch. A unit pixel having a gate connected to an N-well is formed.

따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위 픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.Therefore, the CMOS image sensor has a conventional unit pixel having one photodiode and three-transistor or one photodiode and four-transistor structure in a two-transistor structure, thereby reducing the pitch size of the unit pixel. Since there is no control signal such as a reset of, the structure of the unit pixel can be simplified because the metal line is reduced in the layout of the pixel.

도 7의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.The unit pixel forming method of the CMOS image sensor of FIG. 7 is as follows.

P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(220)을 형성한다. 상기 N-well의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.In order to implement PMOS and NMOS on the P-type semiconductor substrate 200, an N-well 220 is formed in the PMOS region. In the formation process of the N-well, an ion implantation process is performed on an N-type impurity in a state in which a pattern is formed on a P-type semiconductor substrate and only the region where the N-well is to be formed is opened. Form. The gate oxide layer 260 and the polysilicon are sequentially deposited on the entire surface of the N-well, and are patterned and then etched to form a floating gate 240 in the PMOS and a select gate 250 in the NMOS.

이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source / drain 230 in the PMOS region, and the source / drain of the NMOS region is sequentially A mask in which only the formation region is opened is formed, and a source / drain 270 is formed in the NMOS region by performing a high concentration N-type ion implantation process.

상기 PMOS에 형성된 게이트(240)와 N-well(220)을 연결하기 위하여 N-well의 표면에 연결부(210)를 형성한다. Nwell의 연결부(210)는 N-well의 형성 농도보다 높은 농도로 N형 이온을 주입하고, 고농도의 N형 이온이 주입된 영역에 금속콘택(280)을 형성하여 PMOS와 N-well을 전기적으로 연결한다.In order to connect the gate 240 formed in the PMOS and the N-well 220, a connection portion 210 is formed on the surface of the N-well. The connection portion 210 of the Nwell injects N-type ions to a concentration higher than the formation concentration of the N-well, and forms a metal contact 280 in a region where the high concentration of N-type ions are implanted to electrically connect the PMOS and the N-well. Connect.

이때, 도 7의 씨모스 이미지 센서 또한, PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로서 빛은 PMOS의 상부에 형성된 게이트를 통과하여야 하므로 PMOS의 게이트는 살리사이드공정을 하지 않는다.At this time, the CMOS image sensor of FIG. 7 is also an optical device that receives light, and since light passes through a gate formed on the PMOS, the gate of the PMOS does not perform a salicide process.

도 7의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 따른 구동원리를 설명하면 다음과 같다.Referring to the driving principle according to the unit pixel of the CMOS image sensor of FIG.

상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 독립형 N-well은 기판인 P형과의 계면에서 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이때 PMOS의 소스에 전압을 인가하고, PMOS의 수광부로 빛을 받아 광자가 공핍 영역인 N-well에 입사하게 되어 EHP(electron hole pair)가 분리되며, 이때, NMOS의 게이트에 턴온(Turn on) 전압이 인가되면 상기 PMOS 게이트와 연결된 N-well에 남아있는 전자가 N형 웰(well) 기판 및 PMOS 게이트에 바이어스(bias) 역할을 하게 되어 Vth(채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압)을 낮추는 역할을 하게 되면서 빛의 세기에 따라서 전류가 도 6의 그래프와 같은 특성을 갖게 된다. 따라서, PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트(250)에 턴온(Turn on) 전압이 인가되면 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS 에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다. In the independent N-well formed on the same substrate as the NMOS, a depletion region electrically neutral at the interface with the P-type substrate is formed. At this time, a voltage is applied to the source of the PMOS, and the light is received by the light-receiving portion of the PMOS, which causes photons to enter the N-well, which is a depletion region, thereby separating the electron hole pair (EHP). When voltage is applied, electrons remaining in the N-well connected to the PMOS gate act as a bias to the N-type well substrate and the PMOS gate, thereby lowering Vth (the minimum voltage required to form a channel). As it plays a role, the current has the characteristics as shown in the graph of FIG. 6 according to the light intensity. Accordingly, when a turn on voltage is applied to the select gate 250 formed in the NMOS connected to the PMOS, an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.

이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 도 7의 단위 픽셀은 광 입사로 인한 EHP의 분리로 P채널을 통하여 빠져나간 정공과 동일수의 전자가 N-well에 남아 N-well의 바이어스가 변화하게 되고 이 바이어스가 전기적으로 결선된 PMOS 게이트 및 N형 웰(well) 기판 바이어스(bias)역할을 하게 되어 Vth(채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압)을 낮추는 역할을 하게 되면서 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 도 5의 단위 픽셀에 나타난 변화보다 급격한 양상을 나타내는 것을 알 수 있으며, B영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 도 7의 단위 픽셀에 나타난 변화보다 완만한 양상을 나타낸다.Referring to the graph of FIG. 6, in the conventional photodiode, the current flows when the light intensity is greater than or equal to a critical point, and the current tends to increase as the light intensity increases linearly. Due to the separation of EHP due to light incidence, the same number of electrons left in the N-well remain in the N-well and the bias of the N-well changes, and this bias is electrically connected to the PMOS gate and the N-type well. ) It acts as a substrate bias and lowers Vth (the minimum voltage required to form a channel), while the slope of the current change with respect to the small amount of light changes as shown in area A of FIG. It can be seen that the change is more rapid than the change shown in the unit pixel of 5, and in the region B, the slope of the current change with respect to the light change is the unit pixel of FIG. It represents a gentle change patterns than shown.

따라서, 도 7의 씨모스 이미지 센서 또한 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있고, PMOS에 소량의 빛이 입사되어도 많은 량의 전류가 흐를 수 있게 되어 저조도에서 명확한 상을 구현할 수 있으며, 인테그레이션 시간이 불필요하여 고속의 동영상을 구현 가능하게 한다.Therefore, since the CMOS image sensor of FIG. 7 also has no control signal as in the conventional reset, since the metal lines are reduced in the layout of the pixels, the pitch size may be reduced compared to the existing unit pixels, and a small amount of light may be applied to the PMOS. Even when this incident, a large amount of current can flow, so that a clear phase can be realized at low light, and integration time is unnecessary, thereby enabling high speed video.

그리고, 도 7의 씨모스 이미지 센서는 일반적인 모스(MOS)공정으로 단위 픽셀을 구현하여 기존의 씨모스 이미지 센서의 전용공정이 불필요하므로 향후, 공정 수율의 증가 및 공정비용의 절감의 효과를 유도할 수 있다.In addition, since the CMOS image sensor of FIG. 7 implements a unit pixel in a general MOS process, a dedicated process of the existing CMOS image sensor is not necessary, and thus, an effect of increasing process yield and reducing process cost may be induced in the future. Can be.

이상에서 단위 픽셀의 구조를 수광부 PMOS와 출력부 NMOS로 구성하여 저조도에서도 감도가 우수하고, 고속의 처리가 가능한 씨모스 이미지 센서에 대해서 살펴보았는데, 요약하면 하나의 PMOS를 사용하여 게이트로 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 수광부 CMOS를 형성하고, 하나의 NMOS를 사용하여 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS를 형성하고 있다.In the above, the CMOS image sensor, which has a high sensitivity and high-speed processing even at low light by configuring the unit pixel structure of the light receiving unit PMOS and the output NMOS, has been described. A light receiving unit CMOS for generating a typical signal is formed, and an output unit CMOS for outputting a signal received from the PMOS is formed using one NMOS.

그러나, 이와 같은 구조의 씨모스 이미지 센서는 빛에 대한 감도가 우수한 것이 오히려 문제가 될 수 있다. 즉, 저조도에서는 높은 감도로 인하여 문제될 것이 없으나, 고조도에서는 포화(saturation)되는 문제가 발생될 수 있다. 특히 1000룩스 이상에서 이러한 현상이 예상되며, 이를 해소하기 위하여 씨모스 이미지 센서가 탑재된 촬상기의 조리개 등을 조절하여야 하는데, 이러한 부분은 사용자에게 불편함을 초래할 수 있으므로, 이하 이에 대한 대책에 대해서 살펴보기로 한다.However, the CMOS image sensor having such a structure may be problematic in that it is excellent in sensitivity to light. That is, there is no problem due to the high sensitivity at low illuminance, but saturation may occur at high illuminance. In particular, this phenomenon is expected at 1000 lux or more, and in order to solve this problem, the aperture of the imager equipped with the CMOS image sensor should be adjusted, which may cause inconvenience to the user. Let's look at it.

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 블럭도이다.8 is a block diagram illustrating a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 전원을 제어하는 전원 제어부(130); 상기 전원 제어부(130)에 의해 전원 공급을 받으며, 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성하는 수광부 CMOS(110); 상기 수광부 CMOS(110)로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS(120)를 포함하며, 전원 제어부(130)는 수광부 CMOS(110)에 인가되는 전원을 제어한다.Referring to FIG. 8, the CMOS image sensor according to the present embodiment includes a power control unit 130 for controlling power; A light receiving unit CMOS 110 that receives power from the power control unit 130 and receives light to generate an electrical signal; An output unit CMOS 120 for outputting a signal received from the light receiving unit CMOS (110), the power control unit 130 controls the power applied to the light receiving unit CMOS (110).

상기 수광부 CMOS(110)는 앞서 설명된 바와 같이 수광 소자로서, 외부의 빛을 수광하여 수광된 빛의 밝기에 대응되는 전기적 신호를 생성한다(광전변환). 이는 곧 외부 피사체 이미지의 촬상을 의미한다.As described above, the light receiving unit CMOS 110 is a light receiving device and receives an external light to generate an electrical signal corresponding to the brightness of the received light (photoelectric conversion). This means imaging of an external subject image.

상기 출력부 CMOS(120)는 앞서 설명된 바와 같이 일종의 스위치 소자로서, 상기 수광부 CMOS(110)에서 출력되는 전기적 신호, 보다 구체적으로는 전기적인 전 류에 대해서 스위치 역할을 수행하게 된다.As described above, the output unit CMOS 120 is a kind of switch element, and serves as a switch for an electrical signal, more specifically, an electrical current output from the light receiver CMOS 110.

상기 전원 제어부(130)는 상기 수광부 CMOS(110)에 인가되는 전원을 제어하게 되며, 상기 수광부 CMOS(110)의 전단에 배치된다.The power control unit 130 controls the power applied to the light receiving unit CMOS 110, and is disposed in front of the light receiving unit CMOS 110.

상기 수광부 CMOS(110), 출력부 CMOS(120) 및 전원 제어부(130)는 도 9와 같이 단위 픽셀(100) 내에 배치되는 것이 바람직한데, MOS의 집합체로 형성되는 수광부 CMOS(110)와 출력부 CMOS(120)와 마찬가지로, MOS 구조로 형성하는 것이 단위 픽셀 내 배치에 유리하다.The light receiving unit CMOS 110, the output unit CMOS 120, and the power supply control unit 130 are preferably disposed in the unit pixel 100 as shown in FIG. 9. The light receiving unit CMOS 110 and the output unit are formed as an aggregate of MOSs. As with the CMOS 120, forming in a MOS structure is advantageous for placement in unit pixels.

또한, 상기 전원 제어부(130)는 외부로부터 전원 제어 신호를 인가받아 상기 전원 제어 신호에 따라 동작함으로써, 결과적으로 상기 수광부 CMOS(110)가 외부의 제어에 의해 전원을 인가받도록 한다.In addition, the power control unit 130 receives a power control signal from the outside and operates according to the power control signal, so that the light receiving unit CMOS 110 receives power by external control.

상기 전원 제어 신호는 상기 출력부 CMOS(120)의 온(ON) 시점에 전원이 인가되도록 하는 타이밍 신호로서 형성이 되는 것이 바람직하므로, 상기 출력부 CMOS(120)의 셀렉트 신호(선택 신호)를 고려하여 형성되어야 한다.Since the power control signal is preferably formed as a timing signal for applying power at an ON point of the output unit CMOS 120, the select signal (selection signal) of the output unit CMOS 120 is considered. Should be formed.

이와 같은 구성을 통하여 어두운 조도에서는 상기 수광부 CMOS(110)의 출력이 높아지도록 전원을 인가하고, 밝은 조도에서는 상기 수광부 CMOS(110)의 출력이 낮아지도록 전원을 인가할 수 있어, 피사체 촬상시 조도에 대응하는 적합한 영상 결과물을 취득할 수 있게 된다.Through such a configuration, power may be applied to increase the output of the light receiving unit CMOS 110 in dark illumination, and power may be applied to reduce the output of the light receiving unit CMOS 110 in bright illumination. Corresponding suitable image results can be obtained.

이와 같은 처리는 상기 전원 제어부(130)를 통하여 이루어지게 되며, 사용자의 개입이 없이 자동으로 처리하기 위해서는 상기 전원 제어부(130)의 전원 제어 신호를 인가하는 요소에 외부 조도를 측정하는 광원 측정부와 상기 광원 측정부에 서 측정된 조도에 따라 상기 전원 제어 신호를 생성하는 전원 제어 신호 생성부가 추가로 형성되는 것이 바람직하다.Such processing is performed through the power control unit 130, and in order to automatically process without user intervention, a light source measuring unit measuring external illuminance to an element to which a power control signal of the power control unit 130 is applied; Preferably, a power control signal generator for generating the power control signal is further formed according to the illuminance measured by the light source measuring unit.

또한, 도 8의 구성에 의하면 프레임 조정 구간, 즉, 셀렉트 신호가 인가되지 않는 구간동안에도 지속적으로 수광하여 광전변환하는 상기 수광부 CMOS(110)로 인하여 생성되는 전하가 기생 커패시턴스에 축적되는 것을 방지할 수 있는데, 이는 상기 전원 제어부(130)를 이용하여 상기 프레임 조정 구간 동안에 상기 수광부 CMOS(110)에 전원이 인가되지 않도록 함으로써 가능하다.In addition, according to the configuration of FIG. 8, it is possible to prevent charges generated by the light receiving unit CMOS 110 continuously receiving and photoelectrically converting during the frame adjustment period, that is, the period in which the select signal is not applied. This is possible by using the power control unit 130 to prevent power from being applied to the light receiving unit CMOS 110 during the frame adjustment period.

상기 전원 제어부(130)의 입력단에 지속적으로 VDD가 인가되고 있는 상태이므로, 설사 상기 VDD로 인하여 기생 커패시턴스에 전하 축적이 이루어진다고 하더라도, 상기 수광부 CMOS(110)의 광전변환으로 생성된 전하가 기생 커패시턴스에 축적됨으로 인하여 예상되는 노이즈 등의 문제는 발생하지 않는다.Since VDD is continuously applied to the input terminal of the power control unit 130, even if charge accumulates in the parasitic capacitance due to the VDD, the charge generated by the photoelectric conversion of the light receiving unit CMOS 110 is parasitic capacitance. Due to the accumulation of noise, the expected noise does not occur.

상기 수광부 CMOS(110)에서 광전변환되어 생성되는 전하량은 피사체에 따라 픽셀마다 차이를 보이게 되며, 이렇게 차이를 보이는 전하량은 기생 커패시턴스에 축적되어 있다가 상기 출력부 CMOS(120)가 온(ON)될 경우 상기 수광부 CMOS(110)의 정상적인 출력 신호에 더해지게 된다. 즉, 상기 수광부 CMOS(110)의 정상적인 출력에 균일하지 않은 값(차이를 보이는 전하량)이 더해져 최종 출력이 이루어지게 되는 것으로, 상기 균일하지 않은 값으로 인하여 노이즈가 발생되는 것이다.The amount of charge generated by photoelectric conversion in the light receiving unit CMOS 110 is different for each pixel according to a subject, and the amount of charge showing the difference is accumulated in parasitic capacitance and the output unit CMOS 120 is turned on. In this case, it is added to the normal output signal of the light receiver CMOS 110. That is, a non-uniform value (charge amount showing a difference) is added to the normal output of the light receiver CMOS 110 to generate a final output, and noise is generated due to the non-uniform value.

따라서, 설사 상기 전원 제어부(130)로 인하여 기생 커패시턴스에 전하량이 축적된다 하더라도, 상기 전하량은 VDD에 기인한 것이므로 모든 단위 픽셀에 대해서 동일한 전하량이 기생 커패시턴스에 축적될 것이다. 이는 곧, 각 단위 픽셀이 동일한 초기 상태를 갖게 되는 것을 의미하므로, 상기 수광부 CMOS(110)에서 생성된 전하가 축적됨으로써 예상되는 노이즈 등의 문제는 발생하지 않게 된다.Therefore, even if the amount of charge is accumulated in the parasitic capacitance due to the power control unit 130, the amount of charge is due to VDD and thus the same amount of charge will be accumulated in the parasitic capacitance for all unit pixels. This means that each unit pixel has the same initial state, and thus problems such as noise, which are expected due to accumulation of charge generated in the light receiving unit CMOS 110, do not occur.

도 10은 도 8의 구체적인 일예를 나타낸 회로도로서, 살펴보면, 상기 수광부 CMOS(110) 및 전원 제어부(130)를 각각 하나의 PMOS로서 형성하고, 상기 출력부 CMOS(120)는 하나의 NMOS로 형성하고 있다.FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a specific example of FIG. 8. Referring to FIG. 10, the light receiver CMOS 110 and the power controller 130 are each formed as one PMOS, and the output CMOS 120 is configured as one NMOS. have.

상기 전원 제어부(130)를 제외하면 도 4 내지 7에서 설명된 이미지 센서의 단위 픽셀 구조와 동일하다.Except for the power control unit 130, the unit pixel structure of the image sensor described in FIGS. 4 to 7 is the same.

상기 전원 제어부(130)를 PMOS로 형성함으로써, 상기 전원 제어부(130)는 상기 수광부 CMOS(110)와 함께 배치하는 것이 바람직하며, 이는 도 10의 등가적인 MOS 구조를 나타낸 도 11에서 자세히 도시되어 있다.By forming the power control unit 130 as a PMOS, the power control unit 130 is preferably arranged together with the light receiving unit CMOS 110, which is shown in detail in FIG. 11 showing the equivalent MOS structure of FIG. .

도 11을 살펴보면, 상기 수광부 CMOS(110)는 P형 반도체 기판상에서, N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고 게이트 및 N-well의 일부 영역으로 수광하는 중앙의 PMOS 구조이며, 상기 전원 제어부(130)는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 웰을 공유하며 상기 수광부 CMOS(110)에 인가되는 전원을 제어하는 좌측의 PMOS 구조이며, 상기 출력부 CMOS(120)는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 수광부 CMOS(110)로부터 받은 신호를 출력하는 우측의 NMOS 구조이다.Referring to FIG. 11, the light receiving unit CMOS 110 is a central PMOS structure including an N-type doped well on a P-type semiconductor substrate and receiving light into a partial region of a gate and an N-well. 130 is a PMOS structure on the left side that shares the well and controls the power applied to the light receiving unit CMOS 110 on the P-type semiconductor substrate, and the output CMOS 120 is formed on the P-type semiconductor substrate. The NMOS structure on the right side outputs the signal received from the light receiver CMOS 110.

상기 수광부 CMOS(110) 및 전원 제어부(130)는 상기 웰(well) 내에 소스와 드레인이 형성되며, MOS 구조상 상기 수광부 CMOS(110)의 소스와 상기 전원 제어부(130)의 드레인은 서로 공유하는 P채널로 형성하고 있다.The light receiving unit CMOS 110 and the power control unit 130 have a source and a drain formed in the well, and the source of the light receiving unit CMOS 110 and the drain of the power control unit 130 have a shared P. It is formed by a channel.

그 외의 구성은 도 4 내지 7에서 설명된 구조와 동일하므로 자세한 설명은 배제하고 간략하게 살펴보면, 상기 수광부 CMOS(110)의 게이트는 플로팅되는 것이 바람직하며, 상기 출력부 CMOS(120)의 게이트는 외부로부터 선택 신호(셀렉트 신호)를 인가받는 구조로 되어 있다.Other configurations are the same as the structures described with reference to FIGS. 4 to 7, and thus, a detailed description thereof is omitted, and the gate of the light receiver CMOS 110 is preferably floated, and the gate of the output CMOS 120 is external. Has a structure in which a selection signal (select signal) is applied.

상기 수광부 CMOS(110)의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 포함할 수 있는데, 상기 연결부는 상기 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하여 형성되는 것이 바람직하며, 상기 연결부의 도핑 농도는 상기 웰의 도핑 농도보다 고농도인 것이 바람직하다.The connection part may further include a connection part formed in a part of the well to connect the gate of the light receiving part CMOS 110 to the well, and the connection part may be formed by doping with the same impurity type as the well. The doping concentration of is preferably higher than the doping concentration of the well.

또한, 상기 연결부와 상기 수광부 CMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 접점을 형성시킬 수 있다.In addition, a metal contact may be formed on the connection part to connect the gate of the connection part and the light receiving part CMOS.

이와 같은 MOS 구조에서 상기 수광부 CMOS(110), 출력부 CMOS(120) 및 전원 제어부(130)를 단위 픽셀 상에 형성하는 것이 바람직하며, 이를 평면상에 배치하면 도 12와 같은 형태가 되어 하나의 완성된 씨모스 이미지 센서의 패널을 형성하게 된다.In such a MOS structure, the light receiving unit CMOS 110, the output unit CMOS 120, and the power supply control unit 130 are preferably formed on a unit pixel. The panel of the finished CMOS image sensor is formed.

도 13은 도 10의 구성이 적용된 회로를 나타낸 것으로서, 안정적인 출력을 위한 전류 거울(current mirror)부(150)가 상기 출력부 CMOS(120)의 후단에 배치되어 있으며, 상기 전류 거울부(150)에서 상기 출력부 CMOS(120)과 연결되지 않은 다른 단에는 전류-전압 변환을 위한 MOS 다이오드(170)가 형성되어 있다. 결과적으로 출력으로 전압 신호가 되는 구조로 상기 전압 신호는 별도의 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기를 거쳐 결과물인 디지털 정보로 나타나게 된다.FIG. 13 illustrates a circuit to which the configuration of FIG. 10 is applied, and a current mirror unit 150 for stable output is disposed at a rear end of the output unit CMOS 120, and the current mirror unit 150 is provided. In the other end that is not connected to the output CMOS (120) is formed a MOS diode 170 for current-voltage conversion. As a result, the voltage signal is output to the output signal through a separate amplifier and an analog-to-digital converter to appear as the resulting digital information.

도 13에서 수광부 CMOS(110)와 전원 제어부(130)의 게이트를 연결선(140)을 사용하여 전기적으로 도통되도록 하고 있는데, 이는 상기 전원 제어부(130) 또한 일부 광전변환을 수행하도록 함으로써 빛에 대한 감도(반응성)를 향상시키기 위함이다. 물론, 상기 전원 제어부(130)는 수광을 차단하는 구조로 형성하는 것이 신뢰성 향상에 유리하나, 수광을 차단하지 않는 구조로 하더라도 무리가 없음을 나타낸 것이다.In FIG. 13, the gates of the light receiving unit CMOS 110 and the power control unit 130 are electrically connected using the connection line 140, which causes the power control unit 130 to also perform some photoelectric conversion. This is to improve (reactivity). Of course, the power control unit 130 is advantageous to improve the reliability to form a structure that blocks light reception, even if the structure does not block light reception shows that there is no problem.

씨모스를 이용한 이미지 센서에 적용이 가능하다.It can be applied to image sensor using CMOS.

도 1a는 종래의 3-트랜지스터 이미지 센서의 씨모스 액티브 픽셀을 나타낸 개략도.1A is a schematic diagram illustrating CMOS active pixels of a conventional three-transistor image sensor.

도 1b는 도 1a의 등가회로를 나타낸 회로도.1B is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit of FIG. 1A.

도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 이미지 센서의 씨모스 액티브 픽셀을 나타낸 개략도.2A is a schematic diagram showing CMOS active pixels of a conventional four-transistor CMOS image sensor.

도 2b는 도 2a의 등가회로를 나타낸 회로도.FIG. 2B is a circuit diagram showing an equivalent circuit of FIG. 2A. FIG.

도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도.FIG. 3A is a circuit diagram connected with a pixel portion consisting of a combination of pixels shown in FIGS. 1A and 2A.

도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 그래프.3B is a graph showing a signal applied to the pixels shown in FIGS. 1A and 2A.

도 3c는 종래의 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 그래프.3C is a graph illustrating voltage drop phenomenon of data signals according to conventional illumination levels.

도 4는 도 1 내지 도 2의 문제점을 해소하기 위한 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에서의 신호 전하의 전달 과정을 나타낸 본 발명의 개략적인 회로도.4 is a schematic circuit diagram illustrating a process of transferring signal charge in a unit pixel of a CMOS image sensor to solve the problems of FIGS. 1 and 2.

도 5는 도 4의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도.5 is a cross-sectional view of a unit pixel of the CMOS image sensor of FIG. 4.

도 6은 도 4의 단위 픽셀에서 빛의 세기 변화에 따른 PMOS 전류 변화를 나타낸 그래프.FIG. 6 is a graph illustrating a PMOS current change according to light intensity change in a unit pixel of FIG. 4. FIG.

도 7은 도 4의 다른 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 다른 단위 픽셀의 단면도.7 is a cross-sectional view of another unit pixel of a CMOS image sensor according to another example of FIG. 4.

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 개략도.8 is a schematic view showing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9는 도 8의 다른 예를 나타낸 개략도.9 is a schematic diagram illustrating another example of FIG. 8.

도 10은 도 8의 구체적인 일예를 나타낸 회로도.10 is a circuit diagram illustrating a specific example of FIG. 8.

도 11은 도 10의 등가적인 MOS 구조를 나타낸 단면도.FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the equivalent MOS structure of FIG. 10. FIG.

도 12는 도 11이 배치된 평면을 나타낸 개략도.12 is a schematic view showing the plane in which FIG. 11 is disposed;

도 13은 도 10의 구성이 적용된 회로도.FIG. 13 is a circuit diagram to which the configuration of FIG. 10 is applied. FIG.

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

110...수광부 CMOS 120...출력부 CMOS110 Receiver CMOS 120 Output CMOS

130...전원 제어부130 ... Power Control

Claims (13)

전원을 제어하는 전원 제어부;A power control unit controlling power; 상기 전원 제어부에 의해 전원 공급을 받으며, 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성하는 수광부 CMOS;A light receiving unit CMOS that receives power from the power control unit and receives light to generate an electrical signal; 상기 수광부 CMOS로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS;An output unit CMOS for outputting a signal received from the light receiving unit CMOS; 를 포함하며,Including; 상기 전원 제어부는 상기 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the power controller controls the power applied to the light receiver CMOS. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수광부 CMOS, 출력부 CMOS 및 전원 제어부는 단위 픽셀 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the light receiver CMOS, the output CMOS and the power controller are arranged in a unit pixel. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전원 제어부는 MOS 구조인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.The power control unit CMOS image sensor, characterized in that the MOS structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전원 제어부는 외부로부터 전원 제어 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.The power control unit CMOS image sensor, characterized in that receiving a power control signal from the outside. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수광부 CMOS 및 전원 제어부는 각각 하나의 PMOS이고, 상기 출력부 CMOS는 하나의 NMOS인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And each of the light receiver CMOS and the power controller is one PMOS, and the output CMOS is one NMOS. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 수광부 CMOS는 P형 반도체 기판상에서, N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고 게이트 및 N-well의 일부 영역으로 수광하는 구조이며,The light-receiving unit CMOS includes a well doped with an N-type on a P-type semiconductor substrate and receives light into a portion of a gate and an N-well, 상기 전원 제어부는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 웰을 공유하며 상기 수광부 CMOS에 인가되는 전원을 제어하는 구조이며,The power control unit is configured to control the power applied to the light-receiving unit CMOS while sharing the well on the P-type semiconductor substrate. 상기 출력부 CMOS는 상기 P형 반도체 기판상에서, 상기 수광부 CMOS로부터 받은 신호를 출력하는 구조인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the output unit CMOS has a structure for outputting a signal received from the light receiving unit CMOS on the P-type semiconductor substrate. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 수광부 CMOS 및 전원 제어부는 상기 웰(well) 내에 소스와 드레인이 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.The CMOS image sensor of claim 1, wherein the light source CMOS and the power controller are formed with a source and a drain in the well. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 수광부 CMOS의 게이트는 플로팅되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the gate of the light-receiving part CMOS is floated. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 출력부 CMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.The CMOS image sensor, characterized in that the gate of the output CMOS receives a selection signal from the outside. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 수광부 CMOS의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And a connection part formed in a part of the well to connect the gate of the light receiving part CMOS and the well. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연결부는 상기 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하여 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the connection part is formed by doping with the same impurity type as the well. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연결부의 도핑 농도는 상기 웰의 도핑 농도보다 고농도인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the doping concentration of the connection portion is higher than the doping concentration of the well. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연결부와 상기 수광부 CMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 접점이 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And a metal contact is formed on the connection part to connect the connection part and the gate of the light receiving part CMOS.
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