KR20100079445A - 씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법 - Google Patents

씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법은, 반도체 기판에 정의된 하나의 픽셀 영역에 형성되어 각기 다른 색신호를 생성하여 축적하는 복수개의 포토다이오드와; 상기 픽셀 영역에 형성되어 상기 복수개의 포토다이오드에 축적된 색신호를 순차적으로 축적하는 플로팅 디퓨전과; 상기 복수개의 포토다이오드에 각기 대응되어, 해당 포토다이오드에 축적된 색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되도록 동작하는 복수개의 스위치를 포함한다.
이미지센서, 색신호, 컬러필터 어레이

Description

씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법{CMOS Image Sensor and Method of color signal sensing the same}
실시예는 씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법에 관한 것이다.
씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다.
씨모스 이미지센서에서 입사광(incident light)은 컬러필터 어레이를 통해 R(Red), G(Green), B(Blue)로 구분되어 수광된다. 이에, 씨모스 이미지센서는 R픽셀, G픽셀, B픽셀을 가로방향으로 N개, 세로방향으로 M개로 배열하여 각 픽셀을 통해 빛 에너지를 수신하여 전하를 생성한다. 씨모스 이미지센서는 각 픽셀에서 생성된 전하를 이용하여 수신된 RGB 빛 에너지를 복원함으로써 광학 영상을 재현할 수 있다.
이에, 종래의 씨모스 이미지센서는 1개의 R픽셀, 2개의 G픽셀, 1개의 B픽셀을 2*2 매트릭스로 배열하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 단위로 수광신호를 처 리한다. 각 픽셀에는 수광을 위한 1개의 포토다이오드가 할당되며, 각 포토다이오드는 R신호, G신호, B신호 중 하나만 수광 처리한다. 따라서, RGB 정보를 종합하여 하나의 영상정보로 표현하기 위해서는 적어도 4개의 픽셀이 필요하다.
예컨대, 200x200 = 40000개의 픽셀을 가진 씨모스 이미지센서의 경우, 4개의 픽셀을 단위로 RGB 정보가 처리 됨으로 1/4인 10000개의 RGB신호가 생성된다. 여기서, 화질이 우수한 광학 영상을 재현하기 위해서는 RGB신호의 개수가 많을 수록 유리하여, 픽셀의 수를 늘리고자 하는 연구가 하다.
실시예는 1개의 픽셀로 RGB신호를 모두 처리할 수 있도록 하여 재현 영상의 화질을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법을 제공한다.
실시예에 의한 씨모스 이미지센서는, 반도체 기판에 정의된 하나의 픽셀 영역에 형성되어 각기 다른 색신호를 생성하여 축적하는 복수개의 포토다이오드와; 상기 픽셀 영역에 형성되어 상기 복수개의 포토다이오드에 축적된 색신호를 순차적으로 축적하는 플로팅 디퓨전과; 상기 복수개의 포토다이오드에 각기 대응되어, 해당 포토다이오드에 축적된 색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되도록 동작하는 복수개의 스위치를 포함한다.
실시예에 의한 씨모스 이미지센서를 이용한 색신호 검출방법은, 하나의 픽셀 영역에 형성된 제1포토다이오드, 제2포토다이오드, 제3포토다이오드가 각각 제1색신호, 제2색신호, 제3색신호를 생성하여 축적하는 단계와; 상기 제1포토다이오드에 축적된 상기 제1색신호가 플로팅 디퓨전으로 전달되어 축적되는 단계와; 상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 제1색신호의 크기를 산출하는 단계와; 상기 제2포토다이오드에 축적된 상기 제2색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되어 상기 제1색신호와 함께 축적되는 단계와; 먼저 축적된 상기 제1색신호의 크기를 기준으로 하여 상기 제2색신호의 크기를 산출하는 단계와; 상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 제1색 신호의 크기를 산출하는 단계와; 상기 제3포토다이오드에 축적된 상기 제3색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되어 상기 제1색신호 및 제2색신호와 함께 축적되는 단계와; 먼저 축적된 상기 제1색신호 및 제2색신호의 크기를 기준으로 하여 상기 제3색신호의 크기를 산출하는 단계를 포함한다.
실시예의 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 1개의 픽셀로 RGB신호를 모두 처리할 수 있도록 하여 재현 영상의 화질을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 씨모스 이미지센서 및 그를 이용한 색신호 검출방법에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예를 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도 1은 실시예의 씨모스 이미지센서의 컬러필터 어레이의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예의 씨모스 이미지센서에 적용된 컬러필터 어레이(1)는 1개의 픽셀 필터(5)가 R(Red), G(Green), B(Blue)색상을 통과시킬 수 있다.
종래의 컬러필터 어레이는 R픽셀 필터, G픽셀 필터, B픽셀 필터로 구분되어 해당 색상의 빛만을 통과시킨다. 반면, 실시예에 적용되는 컬러필터 어레이(1)는 1개의 픽셀이 R, G, B 빛을 모두 통과시킬 수 있음으로, R, G, B 색상의 합인 W(White)픽셀 필터(5)로 표시할 수 있다.
하나의 W픽셀 필터(5)는 씨모스 이미지센서의 하나의 픽셀에 대응되어, 입사되는 R, G, B 빛을 픽셀에 전달한다. 여기서, W픽셀 필터(5)는 하나의 픽셀이 R, G, B 빛을 모두 통과시킬 수 있다는 의미로서, W픽셀 필터(5) 자체적으로는 R, G, B 수광영역이 구분되어 있을 수 있다. 즉, 하나의 W픽셀 필터(5) 내에는 R필터, G필터, B필터 영역이 구획될 수 있다.
이러한 구성을 갖는, 컬러필터 어레이(1)를 통해 입사광을 수광하는 본 실시예에 따른 씨모스 이미지센서의 구성은 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2는 실시예의 씨모스 이미지센서의 단면도로서, 1개의 픽셀 영역의 단면을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실시예의 씨모스 이미지센서는, 반도체 기판(10)에서 STI(shallow trench isolation)(15)에 의해 정의되는 1개의 픽셀 영역 내에, 적색(Red) 빛을 수광하는 R(Red) 포토다이오드(100)와, 녹색(Green) 빛을 수광하는 G(Green) 포토다이오드(200)와, 청색(Blue) 빛을 수광하는 B(Blue)다이오드와, 각 포토다이오드(100, 200, 300)에 축적된 전하의 흐름을 단속하는 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)와, 각 포토다이오드(100, 200, 300)로부터 전하를 수신하여 저장하는 플로팅 디퓨전(FD, Floating Diffusion)(400)과, 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 축적된 각 신호의 크기를 산출하는 CDS(Correlated Double Sampling)(500)를 포함한다.
포토다이오드(100, 200, 300)는 각기 해당하는 색상의 입사광을 수광하여 빛 에너지(E=hv)에 따른 전하를 생성하고 축적한다. 이하 설명에서는, 각각의 R포토다이오드(100)에 축적된 전하를 R신호, G포토다이오드(200)에 축적된 전하를 G신호, B포토다이오드(300)에 축적된 전하를 B신호라 명명하기로 한다.
제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)는 외부에서 입력된 신호에 따라 동작하여 포토다이오드(100, 200, 300)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되도록 한다. 이하 설명에서는 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)가 턴온 동작할 시, 포토다이오드(100, 200, 300)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되는 경우를 예시하기로 한다.
제1스위치(T1)(150)는 R포토다이오드(100)에 축적된 R신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되도록 한다.
제2스위치(T2)(250)는 G포토다이오드(200)에 축적된 G신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되도록 한다. 여기서, G포토다이오드(200)의 G신호는 R신호의 전송이 완료된 후에 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달된다. 이에, G신호의 전송 시, 제1스위치(T1)(150) 및 제2스위치(T2)(250)는 모두 턴온 상태를 유지한다.
제3스위치(T3)(350)는 B포토다이오드(300)에 축적된 B신호가 플로팅 디퓨 전(FD)(400)으로 전달되도록 한다. B신호는 R신호 및 G신호의 전송이 완료된 후 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달된다. 이에, B신호의 전송 시, 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)는 모두 턴온 상태를 유지한다.
플로팅 디퓨전(FD)(400)에는 각 포토다이오드(100, 200, 300)로부터 전달된 R신호, G신호, B신호가 축적된다. 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 축적된 신호는 증폭기(amp)를 통해 CDS(500)로 전달된다. 이에, CDS(500)는 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 축적된 R신호, G신호, B신호 값을 산출한다.
이상 설명하나 바와 같이, 실시예에 따른 씨모스 이미지센서는 하나의 픽셀 내에 3개의 포토다이오드(100, 200, 300)를 구비하고, 각 포토다이오드(100, 200, 300)에 축적된 RGB신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 축적되도록 하고 있다. 이에, RGB신호를 산출하는 외부 회로, 예컨대, CDS(500)는 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 축적된 RGB신호를 축적된 순서에 따라 각 신호의 증가량을 산출함으로써, R신호, G신호, B신호 각각의 신호값을 산출할 수 있다.
도 3은 실시예의 씨모스 이미지센서의 기준신호(Reference signal) 검출 시 전위(potential) 분포도이다. 기준신호는 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 첫번째로 축적되는 신호, 예컨대, R신호의 크기를 측정하기 위해 검출하는 신호이다.
R, G, B 포토다이오드(100, 200, 300)는 수광된 빛의 에너지(E=hv) 크기에 따라 전하(electron), 즉, 색신호가 생성된다. R, G, B 포토다이오드(100, 200, 300)에서 생성된 색신호의 전위는 오프(off)상태의 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)의 문턱전압보다 낮다. 이에, 각 포토다이오 드(100, 200, 300)에는 색신호가 축적되어 있고, 플로팅 디퓨전(FD)(400)은 비어있는 상태임으로, 이 때, 측정된 플로팅 디퓨전(FD)(400)의 신호크기가 기준신호(Reference signal)로 사용된다.
도 4는 실시예의 씨모스 이미지센서의 R신호 검출 시 전위 분포도이다.
R신호의 크기를 측정하기 위해 제1스위치(T1)(150)만 턴온(T1_on, T2_off, T3_off)하면, R포토다이오드(100)에 축적된 R신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달된다. 이에, 기준신호와 증가된 신호를 비교하여 R신호의 크기(Sr)를 측정할 수 있다.
도 5는 실시예의 씨모스 이미지센서의 G신호 검출 시 전위 분포도이다.
G신호의 크기를 측정하기 위해서는, 제1스위치(T1)(150) 및 제2스위치(T2)(250)를 턴온(T1_on, T2_on, T3_off)하여, G포토다이오드(200)에 축적된 G신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되도록 한다. 이에, 플로팅 디퓨전(FD)(400)에는 R신호 및 G신호가 축적되므로, 이전에 축적되었던 R신호의 크기(Sr)를 기준으로 증가된 신호량을 측정하여 G신호의 크기(Sg)를 산출할 수 있다.
도 6은 실시예의 씨모스 이미지센서의 B신호 검출 시 전위 분포도이다.
B신호의 크기를 측정하기 위해서는, 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)를 모두 턴온(T1_on, T2_on, T3_on)하여, B포토다이오드(300)에 축적된 B신호가 플로팅 디퓨전(FD)(400)으로 전달되도록 한다. 이에, 플로팅 디퓨전(FD)(400)에는 R신호, G신호, B신호가 축적된다. 이에, 이전에 축적되었던 R신호의 크기(Sr) 및 G신호의 크기(Sg)를 기준으로, 증가된 신호량을 측정하여 B신호의 크기(Sb)를 산출할 수 있다.
도 7은 실시예의 씨모스 이미지센서의 리셋 시 전위 분포도이다.
R신호의 크기(Sr), G신호의 크기(Sg), B신호의 크기(Sb)를 모두 산출한 후에는, 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 축적된 신호를 모두 방출하여 플로팅 디퓨전(FD)(400)을 리셋하고 제1스위치(T1)(150), 제2스위치(T2)(250), 제3스위치(T3)(350)를 모두 턴오프(T1_off, T2_off, T3_off) 상태로 전환시키면 해당 픽셀의 동작이 완료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예는 하나의 픽셀에 복수개의 포토다이오드를 형성하도록 하고 있다. 이에, 하나의 픽셀 내에 각기 다른 색신호를 수광하는 포토다이오드를 형성함으로써, 한 픽셀에서 RGB신호를 모두 처리할 수 있도록 하고 있다. 이러한 경우, 해당 픽셀에 형성된 각 포토다이오드에 대응되도록 하나의 픽셀 필터 내에 복수개의 색필터가 구현된 컬러필터 어레이가 적용된다.
한 픽셀 내에 형성된 복수개의 포토다이오드는 입사광을 수광하여 각기 해당 색신호를 생성하며, 생성된 색신호는 각 포토다이오드에 대응되는 스위치의 동작에 따라 하나의 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 순차적으로 축적된다. 이에, 플로팅 디퓨전에 축적되는 각 색신호의 크기를 CDS(Correlated Double Sampling) 회로 등의 구성을 이용하여 산출함으로써, 하나의 픽셀에 수광된 각각의 RGB신호의 크기를 측정할 수 있다.
한편, 상술한 설명에서는 3개의 포토다이오드에서 수광된 색신호를 R신호, G신호, B신호의 순서로 플로팅 디퓨전(FD)(400)에 색신호가 축적되는 경우를 예시하 고 있지만, 픽셀 내에 구현되는 포토다이오드의 개수와 색신호의 축적 순서는 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 제1스위치, 제2스위치, 제3스위치의 턴온 동작 시 해당 포토다이오드에 축적된 색신호가 플로팅 디퓨전으로 전달되는 것으로 설명하고 있지만, 제1스위치, 제2스위치, 제3스위치가 턴 오프 동작 시 축적된 색신호를 플로팅 디퓨전으로 전달하도록 하는 것도 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시예의 씨모스 이미지센서의 컬러필터 어레이의 구성도.
도 2는 실시예의 씨모스 이미지센서의 단면도.
도 3은 실시예의 씨모스 이미지센서의 기준신호(Reference signal) 검출 시 전위(potential) 분포도.
도 4는 실시예의 씨모스 이미지센서의 R신호 검출 시 전위 분포도.
도 5는 실시예의 씨모스 이미지센서의 G신호 검출 시 전위 분포도.
도 6은 실시예의 씨모스 이미지센서의 B신호 검출 시 전위 분포도.
도 7은 실시예의 씨모스 이미지센서의 리셋 시 전위 분포도.

Claims (8)

  1. 반도체 기판에 정의된 하나의 픽셀 영역에 형성되어 각기 다른 색신호를 생성하여 축적하는 복수개의 포토다이오드와;
    상기 픽셀 영역에 형성되어 상기 복수개의 포토다이오드에 축적된 색신호를 순차적으로 축적하는 플로팅 디퓨전과;
    상기 복수개의 포토다이오드에 각기 대응되어, 해당 포토다이오드에 축적된 색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되도록 동작하는 복수개의 스위치를 포함하는 씨모스 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 포토다이오드는,
    적색(Red) 빛을 수광하는 R(Red) 포토다이오드와;
    녹색(Green) 빛을 수광하는 G(Green) 포토다이오드와;
    청색(Blue) 빛을 수광하는 B(Blue)포토다이오드를 포함하는 씨모스 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판에 형성되어 상기 하나의 픽셀 영역을 정의하는 STI(shallow trench isolation)를 포함하는 씨모스 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 각기 다른 색신호의 크기를 산출하는 CDS(Correlated Double Sampling)를 포함하는 씨모스 이미지센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 픽셀 영역에 형성된 상기 복수개의 포토다이오드에 각기 대응되도록, 하나의 픽셀 필터 영역에 각기 다른 색필터가 구획된 컬러필터 어레이를 포함하는 씨모스 이미지센서.
  6. 하나의 픽셀 영역에 형성된 제1포토다이오드, 제2포토다이오드, 제3포토다이오드에 각각 제1색신호, 제2색신호, 제3색신호가 생성되어 축적되는 단계와;
    상기 제1포토다이오드에 축적된 상기 제1색신호가 플로팅 디퓨전으로 전달되어 축적되는 단계와;
    상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 제1색신호의 크기를 산출하는 단계와;
    상기 제2포토다이오드에 축적된 상기 제2색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되어 상기 제1색신호와 함께 축적되는 단계와;
    상기 먼저 축적된 상기 제1색신호의 크기를 기준으로 하여 상기 제2색신호의 크기를 산출하는 단계와;
    상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 제1색신호의 크기를 산출하는 단계와;
    상기 제3포토다이오드에 축적된 상기 제3색신호가 상기 플로팅 디퓨전으로 전달되어 상기 제1색신호 및 제2색신호와 함께 축적되는 단계와;
    먼저 축적된 상기 제1색신호 및 제2색신호의 크기를 기준으로 하여 상기 제3색신호의 크기를 산출하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지센서를 이용한 색신호 검출방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1색신호가 상기 플로팅 디퓨전에 축적되기 전에, 상기 플로팅 디퓨전의 기준신호를 측정하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지센서를 이용한 색신호 검출방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 플로팅 디퓨전에 축적된 상기 제1색신호, 제2색신호, 제3색신호를 리셋하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지센서를 이용한 색신호 검출방법.
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GB2537421A (en) * 2015-04-17 2016-10-19 Stmicroelectronics (Research & Development) Ltd A pixel having a plurality of photodiodes

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