KR20110077660A - Ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 이의 픽셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀은, 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 선택 신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및 상기 포토다이오드에 유입되는 광량에 따라 변경되는 전압을 인가하는 전압 조정단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 정전 용량을 변경시키는 전압 가변 커패시터를 포함한다.
픽셀, CMOS 이미지 센서

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서 및 이의 픽셀{CMOS IMAGE SENSOR AND PIXEL THEREOF}
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토 다이오드에 유입되는 광량에 따라 포토 다이오드의 광 민감도(sensitivity)를 조절할 수 있는 CMOS 이미지 센서와 이의 픽셀에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image Sensor)란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어내는(Capture) 장치를 말한다. 자연계에 존재하는 피사체의 각 부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서, 빛을 감지하는 장치의 각 픽셀에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다. 이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수십만개 혹은 그 이상의 단위 픽셀로 구성된 픽셀 어레이와, 수천개 정도의 픽셀에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 전압으로 바꿔주는 장치와 수백개에서 수천개의 저장장치 등으로 구성될 수 있다.
한편, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 일반 공정에 비하여 컬러 필터(Color Filter), 마이크로 렌즈(Micro Lens) 등의 공정을 더 포함하고, 빛을 입력으로 하므로 빛의 투과도가 제품의 특성에 미치는 영향이 커 공정상의 변화(Variation)에 민감한 특성을 갖는다.
도 1은, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(간단히, 픽셀 이라고도 함)에 대한 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀(100)은 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성될 수 있다. 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(110)에 생성된 광전하를 플로팅 확산노드(FD)로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(120)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 플로팅 확산노드에 저장되어 있는 전하를 배출하며 기준전압 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(130)와, 픽셀에서 발생하는 신호를 왜곡시키지 않고 픽셀과 아날로그-디지털 변환기 사이를 인터페이스하기 위해 샘플앤 홀드(Sample and Hold)를 구동하기 위한 소스 팔로우로 연결된 드라이브 트랜지스터(141) 및 행(row) 단위로 픽셀의 전압을 읽어가도록 어드레싱하는 셀렉트 트랜지스터(142)를 포함할 수 있다.
도 2는, 상기 도 1에 도시된 단위 픽셀의 1주기(1H) 동작 타이밍도이다. 도 1과 함께 도 2를 참조하면, 리셋 제어신호(RST)에 의해 플로팅 확산노드(FD)가 하이(High) 전압으로 리셋된 후, 전송 제어신호(TG)가 하이(High)로 활성화되어 포토 다이오드(110)의 신호가 상기 플로팅 확산노드(FD)로 전달되고, 드라이브 트랜지스 터(141)에서 증폭되어 컬럼(Column) 신호인 Vout 으로 출력된다.
도 3(a) 내지 (d)는, 상기 도 1에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3(a)는 포토 다이오드에 광에 의한 전하가 집적(integration)되는 단계이다. 본 단계에서는 트랜스퍼 트랜지스터(320) 및 리셋 트랜지스터(330)가 오프 상태로 되어있어 포토 다이오드(310)로 유입된 광에 의해 포토 다이오드(310)에 전하가 집적될 수 있다. 도 3(b)는, 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋시키기 위해 리셋 트랜지스터(330)가 턴-온 되는 단계이다. 본 단계에서 리셋 트랜지스터가 턴-온 되어 플로팅 확산 노드(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하고 전원 전압(Vdd)에 의해 상기 플로팅 확산 노드의 저압을 하이(High)로 상승시킬 수 있다. 도 3(c)는, 리셋 트랜지스터(330)가 턴-오프 되는 단계이다. 본 단계에서 상기 플로팅 확산 노드(FD)의 전위는 전 단계에서 샘플링된 전위를 유지할 수 있다. 도 3(d)는, 포토 다이오드(310)에서 플로팅 확산 노드(FD)로 신호를 전송하기 위해 트랜스퍼 트랜지스터(320)가 턴-온 되는 단계이다. 본 단계에서는 포토 다이오드(310)에 집적된 전하들이 상기 플로팅 확산 노드(FD)로 흘러들어갈 수 있다.
종래기술에 따른 픽셀을 사용한 이미지 센서는 포토 다이오드로 유입되는 광량이 기준 광량보다 많거나 적을 경우에 포토 다이오드에 유입되는 광량에 따라 CMOS 이미지 센서의 광 민감도를 변경시키지 못하는 문제가 있다. 주위가 어두울 경우 광 민감도를 높이고 밝을 경우 광 민감도를 낮추는 기능을 갖지 못한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 포토 다이오드에 유입되는 광량에 따라 포토 다이오드의 광 민감도를 변경할 수 있는 CMOS 이미지 센서의 픽셀과 이러한 픽셀을 사용한 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀은, 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 선택 신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및 상기 포토다이오드에 유입되는 광량에 따라 변경되는 전압을 인가하는 전압 조정단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 정전 용량을 변경시키는 전압 가변 커패시터를 포함한다.
상기 전압 가변 커패시터는, 일단이 상기 포토다이오드와 상기 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되고 타단은 상기 전압 조정단에 연결될 수 있다. 상기 전압 가변 커패시터는 상기 전압 조정단이 인가하는 전압에 따라 상기 포토다이오드의 유효 면적을 변경시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 신호 전달 회로부는, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터와 직렬로 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 선택 신호에 따라 스위칭하는 셀렉트 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 전압 가변 캐패시터는 게이트 단이 상기 전압 조정단에 연결된 MOS 커패시터일 수 있다. 상기 포토다이오드는, 상부에 활성영역과 픽셀 분리용 트렌치 영역을 갖는 반도체 기판 상의 활성 영역에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제1 도전형 영역; 및 상기 제1 도전형 영역 상에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제2 도전형 확산 영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전압 가변 커패시터는, 상기 트렌치 영역 내의 중심부에 형성된 도전체층; 및 상기 트렌치 영역 내에 매립되어 상기 도전체층과 상기 포토다이오드 사이에 형성된 절연체를 포함할 수 있다.
상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 트렌치 영역에 접해 있는 상기 포토다이오드의 반도체 부분에 생기는 공핍층의 폭이 변경될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, CMOS 이미지 센서는 광자가 상기 반도체 기판 배면측으로부터 포토다이오드에 유입되도록 하는 후면 조명형(Backside illumination) 이미지 센서일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 반도체 기판은 제1 도전형의 반도체 기판이고, 상기 제1 도전형 영역은 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 에피택셜층이고, 상기 제2 도전형 확산 영역은 상기 제1 도전형 에피택셜층 상에 형성된 깊은(deep) 제2 도전형 웰 영역일 수 있다.
또한, 상기 깊은 제2 도전형 웰 영역 내에 제1 도전형 웰 영역이 형성될 수 있다. 상기 포토다이오드는 상기 깊은 제2 도전형 웰 영역과 제1 도전형 웰 영역의 경계에 위치하며 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 일측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형 불순물 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 상기 제1 도전형 웰 영역의 일측 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터 게이트와, 상기 제1 도전형 웰 영역 내에 형성되어 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 타측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형의 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 전압 조정단의 인가 전압이 클수록 상기 포토다이오드의 정전 용량은 증가할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 로우 및 컬럼으로 배열되고 포토다이오드를 갖는 복수의 픽셀을 구비하는 픽셀 어레이; 및 상기 포토다이오드에 유입되는 광량에 따라 조절되는 전압을 상기 픽셀 어레이에 인가하는 전압 조정부를 포함하는 CMOS 이미 지 센서를 제공한다. 상기 복수의 픽셀 각각은, 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 선택 신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및 상기 전압 조정부의 출력단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정부의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 정전 용량을 변경시키는 전압 가변 커패시터를 포함한다.
상기 전압 가변 커패시터는, 일단이 상기 포토다이오드와 상기 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되고 타단은 상기 전압 조정부의 출력단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 전압 가변 커패시터는 상기 전압 조정부의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 유효 면적을 변경시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 외부의 광량에 따라 광 민감도를 조절할 수 있어 외부환경에 대한 적응성을 높일 수 있는 CMOS 이미지 센서 픽셀 및 이를 이용한 CMOS 이미지 센서를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서 픽셀(단위 픽셀)의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 4를 참조하면, 픽셀(400)은 포토다이오드(410), 트랜스퍼 트랜지스터(420), 리셋 트랜지스터(430), 신호 전달회로(440), 및 전압 가변 커패시터(Votage Dependence Varied Capacitor: VDVC)(450)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(410)는 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성한다. 포토 다이오드(410)는 일단이 접지되어 있고 타단이 상기 트랜스퍼 트랜지스터(420)의 소스/드레인(이하, 트랜지스터의 소스 또는 드레인을 '소스/드레인'이라 통칭함)에 연결되며, 포토다이오드(410)에 역방향 전압이 인가될 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(420)는, 전송 제어신호(TG)에 따라 포토다이오드(410)에 집적된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전송한다. 트랜스퍼 트랜지스터(420)는, 일 소스/드레인 단이 포토 다이오드(410)에 연결되고, 타 소스/드레인 단이 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며(FD가 트랜스퍼 트랜지스터의 일 소스/드레인 일 수 있음), 게이트는 전송 제어신호(TG) 라인에 연결된다. 리셋 트랜지스터(430)는, 다음 신호 검출을 위해 리셋 제어신호(RST)에 따라 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋시킨다. 리셋 트랜지스터(430)는, 일 소스/드레인 단이 전원단(Vdd)에 연결되고, 타 소스/드레인 단이 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며, 게이트가 리셋 제어신호(RST) 라인에 연결된다. 리셋 트랜지스터(430)는 리셋 제어신호(RST)에 의해 전원단(Vdd)과 플로팅 확산 노드(FD)를 도통시킬 수 있다.
신호 전달회로(440)는, 선택신호(ROW)에 응답하여 플로팅 확산 노드(FD)의 전압를 검출 및 증폭하여 출력단(Vout)으로 전달할 수 있다. 본 실시형태에서, 신호 전달회로(440)는, 직렬 연결된 드라이브 트랜지스터(441) 및 셀렉트 트랜지스터(442)를 포함한다. 드라이브 트랜지스터(441)는, 일 소스/드레인이 전원단(Vdd)에 연결되고, 타 소스/드레인이 셀렉트 트랜지스터(442)에 연결되며, 게이트가 플로팅 확산노드(FD)에 연결된다. 드라이브 트랜지스터(441)는 게이트에 입력되는 플로팅 확산 노드(FD)의 전기 신호를 증폭하여 셀렉트 트랜지스터(442)로 출력한다. 셀렉트 트랜지스터(442)는 일 소스/드레인이 드라이브 트랜지스터(441)에 연결되고, 타 소스/드레인이 출력단(Vout)에 연결되고, 게이트가 선택신호(ROW) 라인에 연결된다. 셀렉트 트랜지스터(442)는 선택신호(ROW)에 응답하여 드라이브 트랜지스터(441)에 의해 검출 및 증폭된 플로팅 확산 노드(FD)의 전기 신호를 출력단(Vout)으로 전달한다.
본 실시형태에서는 트랜스퍼 트랜지스터(420), 리셋 트랜지스터(430), 드라이브 트랜지스트(441), 및 셀렉트 트랜지스터(442)가 각각 NMOS 로 구현된 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 상기 트랜지스터들은 PMOS 형태로도 구현될 수도 있다.
전압 가변 커패시터(Voltage Dependent Varied Capacitor: VDVP)(450)는 일단이 포토다이오드(410)와 트랜스퍼 트랜지스터(420)사이에 연결되고 타단은 외부의 전압 조정단(PDV)에 연결된다. 전압 가변 커패시터(450)는 이에 인가되는 전압에 따라 정전용량이 변하는 커패시터로서, 후술하는 바와 같이 MOS 커패시터로 구현될 수 있다. 전압 조정단(PDV)의 인가 전압에 따라, 전압 조정단(PDV)에 연결된 전압 가변 커패시터(450)의 정전용량이 변한다. 전압 조정단(PDV)은 후술하는 바와 같이(도 5 참조) 포토다이오드에 유입되는 광량(포톤의 양)에 따라 변경되는 전압을 인가하는 전압 조정부의 출력단에 해당한다(또는, 전압 조정부의 출력단에 연결된다). 따라서, 포토다이오드(410)에의 유입 광량에 따라 전압 조정단(PDV)의 인가 전압이 변경되어 전압 가변 커패시터(450)의 정전용량도 변하게 된다.
전압 가변 커패시터(450)는 전압 조정단(PDV)의 인가 전압에 따라 자신의 정전용량이 변할 경우, 포토다이오드(410)의 유효 면적을 변경시킬 수 있고 이에 따라 포토다이오드(410)의 커패시턴스를 변경시킬 수 있다. 후술하는 바와 같이(도 7 및 8 참조), 전압 가변 커패시터(450)는 포토다이오드(410)의 일부 반도체 영역을 포함하는 MOS 커패시터로 구현될 수 있고, 전압 조정단(PDV)이 이 MOS 커패시터 (즉, 전압 가변 커패시터)의 게이트 단에 연결된다. 따라서, 전압 조정단(PDV)의 인가 전압에 따라, MOS로 구현되는 전압 가변 커패시터(450)의 반도체 영역(포토 다이오드의 일부 영역)의 공핍층의 폭이 달라지게 되어 이에 따라 포토다이오드(410)의 유효 면적이 달라지게 된다(도 8 참조). 결국, 포토다이오드(410)에의 유입 광량에 따라 변경되는 전압 조정단(PDV)의 인가 전압에 따라 포토다이오드(410)의 커패시턴스(용량)이 변하므로 포토다이오드(410)의 광 민감도가 변하게 된다.
본 실시형태에 따른 픽셀(400)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 리셋 제어 신호(RST)의 전압이 상승하여 리셋 트랜지스터(430)가 턴-온 되면 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 하이(High)로 상승한다. 이 때, 드라이브 트랜지스터(441)와 셀렉트 트랜지스터(442)에 의해 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 일차적으로 샘플링되고, 이 전위가 기준 전위(reference level)가 된다. 외부에서 수광된 빛이 포토 다이오드(410)에 입사하게 되면 이에 따라 포토다이오드(410)에 광전하가 생성된다. 전송 제어신호(TG)의 전압이 상승하면 트랜스퍼 트랜지스터(420)가 도통되어 포토 다이오드(410)에 축적된 전하가 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된다. 따라서, 포토 다이오드(410)로부터 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된 신호 전하량에 따라 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 하강하여 결과적으로 드라이브 트랜지스터(441)의 출력 전압이 변하게 된다. 셀렉트 트랜지스터(442)가 턴-온 되면, 드라이브 트랜지스터(441) 및 셀렉트 트랜지스터(442)를 통하여 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 전달 되고, 이 전위가 데이터 전위가 된다. 데이터 전위를 플로팅 확산 노드(FD) 리셋시읽어낸 기준 전위와 비교하여 광 센싱을 한다. 광 센싱은 예를 들어, 상관 이중 샘플링(Correlation Double Sampling) 방식일 수 있다. 이후에는 다시 리셋 동작부터 일련의 동작이 반복될 수 있다.
특히, 본 실시형태에서는, 포토다이오드(410)에의 유입 광량에 따라 전압 조정단(PDV)의 인가 전압이 조절되면, 전압 가변 캐패시터(450)에 걸리는 전압이 조절되고, 이에 따라 포토다이오드의 커패시턴스가 조절된다. 결국, 포토다이오드(410)에의 유입 광량에 따라 조절된 용량 또는 광민감도로써 포토다이오드(410)가 광전하를 생성하여 이후의 일련의 픽셀 동작을 통해 픽셀 출력 신호가 출력된다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 각각의 픽셀이 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 픽셀인 것으로서 복수개의 픽셀(401, 402, 403, 404)들이 로우 및 컬럼으로 배열되어 픽셀 어레이를 이룬다. 또한 전압 조정부(460)는 그 출력단에 연결되는(혹은 전압 조정부의 출력단이 되는) 전압 조정단(PDV)을 통해 픽셀 어레이에(보다 구체적으로는, 전압 가변 커패시터(450)에) 전압을 인가한다. 특히, 전압 조정부(460)는 포토다이오드(410)에 유입되는 광량에 따라 변경되는 전압을 픽셀 어레이에 인가한다. 일 실시예로서, 전압 조정부(460)는 픽셀 어레이의 출력 신호를 검출하여 포토 다이오드(410)에 유입되는 광량 파라미터를 결정하고 이 결정된 광량 파라미터에 따른 전압을 출력할 수 있다.
전압 조정부(460)가 포토다이오드(410)에의 유입 광량에 따라 변경되는 전압을 전압 가변 커패시터(450)에 인가함으로써, 포토다이오드(410)에 유입되는 광량에 따라 포토다이오드의 커패시턴스를 변경하고 결국 포토다이오드의 민감도를 변경할 수 있게 된다. 이러한 기술적 구성은 포토다이오드의 출력 파라미터를 받아 그 포토다이오드의 민감도 특성을 조절하는 일종의 피드백 제어를 구현하는 것으로서, 주위의 밝기에 따라 CMOS 이미지 센서의 광 민감도를 자율적으로 조절할 수 있게 한다. 예를 들어, 주위 환경이 너무 어두울 경우, CMOS 이미지 센서 포토다이오드의 광민감도가 높아지고 주위 환경이 너무 밝을 경우 포토다이오드의 광민감도를 낮게 하여, 주위 환경의 밝기에 최적화된 이미지 신호를 출력시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 어레이부를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 7은 도 6의 AA'선을 따라 자른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 복수개의 단위 픽셀들이 로우와 컬럼으로 배열되어 있고 각 픽셀들은 트렌치 영역(TA)에 의해 분리되어 있다. 트렌치 영역(TA)은 소자분리용 트렌치에 의해 형성된 것으로서 활성 영역 즉 픽셀 영역들을 한정하고 이들을 서로 분리한다. 이러한 트렌치 영역(TA)과 활성 영역은 반도체 기판 상에 구비된다. 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 각 픽셀은 트랜스퍼 트랜지스터 게이트(TG)와 그 게이트(TG) 양측의 플로핑 확산 노드(FD) 영역 및 포토다이오드 노드(PD) 영역이 배치되어 있다. 편의상 픽셀의 다른 구성요소들(예컨대, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 등)은 도 6 및 7에서 그 도시를 생략하였다.
도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 트렌치 영역(TA)의 중심부에는 예를 들어 금속과 같은 도전체층(561)이 형성되어 있고, 이 도전체층(561)은 평면도 상의 트렌치 영역을 따라 도전체 라인으로 연장되어 있다. 이 도전체층(561)은 전술한 전압 조정단(PDV) 또는 전압 조정부(410)의 출력단에 연결된다. 또한 도전체층(561)과 포토다이오드 노드(PD) 사이에는 절연체(562)가 트렌치 영역(TA)에 매립되어 있다. 도전체(561), 절연체(562) 및 절연체(562)에 인접한 포토다이오드 반도체 영역(도 7에서 도면부호 502, 503 참조)이 MOS 커패시터를 구성한다. 이 MOS 커패시터가 전술한 전압 가변 커패시터(450)에 해당한다.
도 7을 참조하면, 픽셀의 개략적인 단면 구성이 도시되어 있는데, 상부에 활성 영역과 트렌치 영역(TA)를 갖는 P+ 반도체 기판(501) 상에 P 에피택셜층(502)가 형성되어 있고, P 에피액셜층(502) 상에 깊은 N웰(deep N well) 영역(503)이 형성되어 있다. 깊은 N웰 영역(503) 내에는 P웰 영역(505)이 형성되어 있다. P 에피택셜층(502)과 깊은 N웰 영역(303)은 적어도 일측이 트렌치 영역(TA)에 접해있으며, 특히 트렌치 영역(TA) 내의 절연체(562)에 접해 있다. 여기서 P형은 제1 도전형이라고 할 때, P 에피택셜층(502)은 제1 도전형 영역에 해당하고, 깊은 N웰 영역(503)은 제2 도전형 확산 영역에 해당한다. P 에피택셜층(502)과 깊은 N웰 영역(303)은 P-N 접합으로서 픽셀 내의 포토다이오드를 형성한다. 전술한 바와 같이, 트렌치 영역(TA) 내의 도전체(561) 및 절연체(562)와 트렌치 영역(TA)에 인접한 포토다이오드 반도체 영역(502, 503)은 도 4에서 설명한 가변 전압 커패시터로서 MOS 커패시터를 이룬다.
깊은 N웰 영역(503)과 P웰 영역(505)의 경계에는 N+ 불순물 영역(510)이 형성되어 있는데, 이 N+ 불순물 영역(510)은 포토다이오드 노드(PD) 영역에 해당한다. P웰 영역(505)의 일측 상에는 전송 트랜지스터 게이트(520)가 배치되고, 게이트(520) 일측에는 포토다이오드 노드(PD)가 되는 상기 N+ 불순물 영역(510)이 배치되고, 게이트(520)의 타측에는 P웰 영역(505) 내에 플로팅 확산(FD) 영역이 되는 또다른 N+ 불순물 영역(535)이 배치된다. 게이트(520) 양측의 N+ 불순물 영역(510, 535)는 트랜스퍼 게이트(520)의 양측 접합 영역(즉, 양측 소스/드레인 영역)에 해당한다.
P+ 반도체 기판은 그 배면이 그라인드(연삭)처리가 되어 비교적 얇은 두께를 가질 수 있는데, 이는 후술하는 바와 같이 기판 배면측으로부터 광자를 받는 후면 발광 조명 방식의 CMOS 이미지 센서 적용에 유리하다. 그라인드 처리후 남은 P+ 반도체 기판에는 투명성 전극을 도포할 수도 있다.
도 8은 도 7에 도시된 픽셀에서 포토다이오드의 커패시턴스 조절 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 빛(포톤)은 기판(501) 배면으로부터 받아들여져서 포토다이오드의 P-N 접합 영역(502, 503)에서 광전하가 생성된다. 이러한 후면 조명 방식의 CMOS 이미지 센서는 수광 효율 측면에서 유리하다. 기판(501)에는 접지 전압이 인가된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 트렌치 영역(TA) 내의 도전체(561), 절연체(562) 및 이에 인접한 반도체(503, 502)의 일부는 전압 가변 커패서터로서 MOS 커패시터를 이룬다(점선 원 C 참조). 도전체(561)는 이 MOS 커패시터의 게이트에 해당한다. 도전체(510)는 전압 조정단(도 4 및 5에서 도면부호 PDV 참조)에 연결되는데, 전압 조정단(PDV)의 인가 전압에 따라 MOS 커패시터의 게이트에 인가되는 전압이 변경되어 MOS 커패시터의 반도체 부분의 공핍층(활성 영역 내에서 빗금친 부분)의 폭(a, a')이 달라지게 된다. 이에 따라, 포토다이오드의 유효 면적의 폭(W)이 변경되고 결국 포토다이오드의 커패시턴스의 변경으로 광 민감도가 달라지게 된다.
도시된 실시예에서는, 전압 조정단에 의해 도전체(561)에 인가되는 전압이 낮을 경우 절연체(510)와 포토다이오드 사이의 공핍층의 폭이 증가하여 포토다이오드의 유효 면적이 감소하고 이에 따라 포토다이오드의 용량(CPD)가 작아져 광민감 도가 감소한다. 반대로, 전압 조정단에 의해 도전체(561)에 인가되는 전압이 상승하면 절연체(510)와 포토다이오드 사이에서 축적(accumulation) 전자가 증가하여 공핍층의 폭이 감소하고 포토다이오드의 유효면적이 증가되므로 포토다이오드의 용량(CPD)이 증가하여 광민감도가 증가한다. 전압 조정단의 인가 전압은 상술한 바와 같이 포토다이오드에의 유입 광량에 따라 조절된다.
상술한 전압 조정단(PDV)의 인가 전압과 포토다이오드의 용량(커패시턴스)의 관계가 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전압 조정단의 인가 전압 증가에 따라 포토다이오드의 용량(CPD)은 증가한다. 그러나, 도 8에 도시된 반도체의 도전형을 다르게 함으로써 도 9에 도시된 PDV 전압-CPD 관계를 다르게 나타낼 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 종래기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀의 회로도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는, 도 1에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서 픽셀의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 어레이부를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7의 실시예의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 포토다이오드 정전용량의 특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
410 : 포토다이오드 420 : 트랜스퍼 트랜지스터
430 : 리셋 트랜지스터 441 : 드라이브 트랜지스터
442 : 셀렉트 트랜지스터 450 : 전압 가변 커패시터

Claims (22)

  1. 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 선택 신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및
    상기 포토다이오드에 유입되는 광량에 따라 변경되는 전압을 인가하는 전압 조정단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 정전 용량을 변경시키는 전압 가변 커패시터
    를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 가변 커패시터는,
    일단이 상기 포토다이오드와 상기 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되고 타단은 상기 전압 조정단에 연결된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 가변 커패시터는 상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 유효 면적을 변경시키는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 전달 회로부는,
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터와 직렬로 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 선택 신호에 따라 스위칭하는 셀렉트 트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 가변 캐패시터는 게이트단이 상기 전압 조정단에 연결된 MOS 커패시터인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는,
    상부에 활성영역과 픽셀 분리용 트렌치 영역을 갖는 반도체 기판 상의 활성 영역에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제1 도전형 영역; 및
    상기 제1 도전형 영역 상에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제2 도전형 확산 영역을 포함하고,
    상기 전압 가변 커패시터는,
    상기 트렌치 영역 내의 중심부에 형성된 도전체층; 및
    상기 트렌치 영역 내에 매립되어 상기 도전체층과 상기 포토다이오드 사이에 형성된 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 트렌치 영역에 접해 있는 상기 포토다이오드의 반도체 부분에 생기는 공핍층의 폭이 변경되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판 배면측(backside)으로부터 유입되는 광자를 감지하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제1 도전형의 반도체 기판이고, 상기 제1 도전형 영역은 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 에피택셜층이고, 상기 제2 도전형 확산 영역은 상기 제1 도전형 에피택셜층 상에 형성된 깊은(deep) 제2 도전형 웰 영역인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀
  10. 제6항에 있어서,
    상기 깊은 제2 도전형 웰 영역 내에 제1 도전형 웰 영역이 형성되어 있고,
    상기 포토다이오드는 상기 깊은 제2 도전형 웰 영역과 제1 도전형 웰 영역의 경계에 위치하며 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 일측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형 불순물 영역을 더 포함하고,
    상기 트랜스퍼 트랜지스터는 상기 제1 도전형 웰 영역의 일측 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터 게이트와, 상기 제1 도전형 웰 영역 내에 형성되어 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 타측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형의 플로팅 확산 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전압 조정단의 인가 전압이 클수록 상기 포토다이오드의 정전 용량은 증가하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  12. 로우 및 컬럼으로 배열되고 포토다이오드를 갖는 복수의 픽셀을 구비하는 픽셀 어레이; 및 상기 포토다이오드에 유입되는 광량에 따라 조절되는 전압을 상기 픽셀 어레이에 인가하는 전압 조정부를 포함하며,
    상기 복수의 픽셀 각각은,
    외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 선택 신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및
    상기 전압 조정부의 출력단과 상기 포토다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정부의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 정전 용량을 변경시키는 전압 가변 커패시터
    를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 가변 커패시터는,
    일단이 상기 포토다이오드와 상기 트랜스퍼 트랜지스터 사이에 연결되고 타단은 상기 전압 조정부의 출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전압 가변 커패시터는 상기 전압 조정부의 인가 전압에 따라 상기 포토다이오드의 유효 면적을 변경시키는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 신호 전달 회로부는,
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기 신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터와 직렬로 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 선택 신호에 따라 스위칭하는 셀렉트 트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전압 가변 캐패시터는 게이트단이 상기 전압 조정단에 연결된 MOS 커패시터인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 포토다이오드는,
    상부에 활성영역과 픽셀 분리용 트렌치 영역을 갖는 반도체 기판 상의 활성 영역에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제1 도전형 영역; 및
    상기 제1 도전형 영역 상에 형성되고 일측이 상기 트렌치 영역에 접해 있는 제2 도전형 확산 영역을 포함하고,
    상기 전압 가변 커패시터는,
    상기 트렌치 영역 내의 중심부에 형성된 도전체층; 및
    상기 트렌치 영역 내에 매립되어 상기 도전체층과 상기 포토다이오드 사이에 형성된 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전압 조정단의 인가 전압에 따라 상기 트렌치 영역에 접해 있는 상기 포토다이오드의 반도체 부분에 생기는 공핍층의 폭이 변경되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 포토다이오드가 상기 반도체 기판 배면측(backside)으로부터 유입되는 광자를 감지하는 후면 조명형(backside illumination) 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제1 도전형의 반도체 기판이고, 상기 제1 도전형 영역은 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 에피택셜층이고, 상기 제2 도전형 확산 영역은 상기 제1 도전형 에피택셜층 상에 형성된 깊은 제2 도전형 웰 영역인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서
  21. 제17항에 있어서,
    상기 깊은 제2 도전형 웰 영역 내에 제1 도전형 웰 영역이 형성되어 있고,
    상기 포토다이오드는 상기 깊은 제2 도전형 웰 영역과 제1 도전형 웰 영역의 경계에 위치하며 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 일측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형 불순물 영역을 더 포함하고,
    상기 트랜스퍼 트랜지스터는 상기 제1 도전형 웰 영역의 일측 상에 형성된 트랜스퍼 트랜지스터 게이트와, 상기 제1 도전형 웰 영역 내에 형성되어 상기 트랜스퍼 트랜지스터 게이트의 타측 접합 영역을 형성하는 제2 도전형의 플로팅 확산 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 전압 조정부의 인가 전압이 클수록 상기 포토다이오드의 정전 용량은 증가하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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