KR20120029840A - 이미지 센서의 구동 방법 - Google Patents

이미지 센서의 구동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120029840A
KR20120029840A KR1020100091922A KR20100091922A KR20120029840A KR 20120029840 A KR20120029840 A KR 20120029840A KR 1020100091922 A KR1020100091922 A KR 1020100091922A KR 20100091922 A KR20100091922 A KR 20100091922A KR 20120029840 A KR20120029840 A KR 20120029840A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
charges
floating diffusion
diffusion region
photoelectric conversion
signal
Prior art date
Application number
KR1020100091922A
Other languages
English (en)
Inventor
안정착
김이태
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020100091922A priority Critical patent/KR20120029840A/ko
Priority to US13/233,250 priority patent/US20120068051A1/en
Publication of KR20120029840A publication Critical patent/KR20120029840A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H04N25/587—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired sequentially, e.g. using the combination of odd and even image fields
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/626—Reduction of noise due to residual charges remaining after image readout, e.g. to remove ghost images or afterimages
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하고, 입사광의 조도에 기초하여 생성된 전하들 중 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적한다. 이미지 센서의 단위 픽셀의 크기가 작아지는 경우에도 동적 범위를 확장할 수 있다.

Description

이미지 센서의 구동 방법{METHOD OF DRIVING AN IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광전 변환 영역 및 플로팅 확산 영역을 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 단위 픽셀이 입사광을 수광하여 전하로 변환하면, 그에 상응하는 전압 신호를 생성하여 출력하는 방식으로 동작한다. 예를 들어, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서의 성능을 나타내는 파라미터들 중 하나는 동적 범위(dynamic range; DR)이며, 이는 CMOS 이미지 센서를 포화시키지 않는 최대 입력 신호와 CMOS 이미지 센서가 감지할 수 있는 최소 입력 신호의 비율로 표현될 수 있다. 종래에는 CMOS 이미지 센서의 동적 범위를 증가시키기 위해 CMOS 이미지 센서에 포함된 광전 변환 영역의 전하 저장 능력, 즉 웰 커패시티(well capacity)를 증가시키거나, 암 전류(dark current) 및 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise, FPN) 등과 같은 노이즈를 감소시키는 방법을 이용하였다.
본 발명의 일 목적은 플로팅 확산 영역에 오버플로우 전하들을 축적하는 이미지 센서의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다. 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적한다.
일 실시예에서, 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들 중 적어도 하나를 축적함에 있어서, 상기 광 집적 모드에서 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 선택적으로 축적할 수 있다. 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적할 수 있다.
상기 오버플로우 전하들을 선택적으로 축적함에 있어서, 상기 광 집적 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시킬 수 있다. 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에, 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적할 수 있다. 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에, 상기 광 집적 모드의 상기 축적 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태를 유지할 수 있다.
상기 이미지 센서는 리셋 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 리셋 게이트를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 광 집적 모드의 상기 리셋 구간 동안 상기 리셋 신호가 활성화되고, 상기 광 집적 모드의 상기 축적 구간 동안 상기 리셋 신호가 비활성화될 수 있다.
상기 광 집적 모드의 상기 리셋 구간의 시작 시점을 조절하여 상기 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range) 특성을 제어할 수 있다.
상기 수집 전하들을 축적함에 있어서, 상기 독출 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시킬 수 있다. 상기 독출 모드의 축적 구간 동안 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적할 수 있다.
상기 이미지 센서는 리셋 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 리셋 게이트, 및 전송 신호에 기초하여 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역으로 전송하는 전송 게이트를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 독출 모드의 상기 리셋 구간 동안 상기 리셋 신호가 활성화되고, 상기 독출 모드의 상기 축적 구간 동안 상기 전송 신호가 활성화될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 입사광의 조도에 상응하는 이미지 신호를 제공할 수 있다.
상기 이미지 신호를 제공함에 있어서, 상기 독출 모드의 제1 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성할 수 있다. 상기 독출 모드의 제2 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위를 샘플링하여 기준 신호를 생성할 수 있다. 상기 독출 모드의 제3 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성할 수 있다. 상기 기준 신호, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 이미지 신호를 생성할 수 있다.
상기 이미지 신호를 생성함에 있어서, 상기 기준 신호 및 상기 제1 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1 샘플링 신호를 생성할 수 있다. 상기 기준 신호 및 상기 제2 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2 샘플링 신호를 생성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하여 상기 이미지 신호를 생성할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제1 샘플링 신호를 저장하는 싱글 라인 버퍼(single line buffer)를 포함할 수 있다.
상기 제1 출력 신호는 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에 상기 오버플로우 전하들에 상응하고, 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위에 상응할 수 있다. 상기 제2 출력 신호는 상기 수집 전하들에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이미지 센서는 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역으로 전송하는 오버플로우 게이트를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 오버플로우 게이트에 인가되는 오버플로우 신호의 전압 레벨에 기초하여 상기 광전 변환 영역의 전하 저장 능력(well capacity)을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플로팅 확산 영역은 누설 전류를 감소시키는 로우 다크 레벨 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환 영역 및 상기 플로팅 확산 영역은 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 플로팅 확산 영역은 제1 불순물 영역, 제2 불순물 영역 및 제3 불순물 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역은 상기 반도체 기판의 표면 부위에 형성될 수 있다. 상기 제2 불순물 영역은 상기 제1 불순물 영역과 인접하는 상기 반도체 기판의 표면 부위에 형성되고, 상기 제1 불순물 영역의 일부가 상기 반도체 기판의 표면과 차단되도록 형성될 수 있다. 상기 제3 불순물 영역은 상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역과 인접할 수 있다.
상기 제2 불순물 영역은 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제1 불순물로 도핑되고, 상기 제1 불순물 영역 및 상기 제3 불순물 영역은 상기 제1 불순물과 다른 타입의 제2 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 제2 불순물 영역의 도핑 농도는 상기 반도체 기판의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 상기 제1 불순물 영역의 도핑 농도는 상기 제3 불순물 영역의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 상기 광전 변환 영역은 상기 제2 불순물로 도핑되며, 상기 광전 변환 영역의 도핑 농도는 상기 제1 불순물 영역의 도핑 농도보다 낮을 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판의 표면 중 상기 플로팅 확산 영역의 상기 제1 불순물 영역이 노출된 제1 불순물 표면 상에 형성된 콘택부를 더 포함할 수 있다. 상기 콘택부는 제1 전극부 및 제2 전극부를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극부는 상기 제1 불순물 표면 상에 형성되고 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제2 전극부는 상기 제1 전극부 상에 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법은, 이미지 센서의 크기를 증가시키지 않으면서도 다크 레벨 특성을 개선하고 이미지 래그 현상을 감소시킴과 동시에 동적 범위를 확장함으로써, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 I-I'에 의해 절단된 도 4의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 9는 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다.
도 10은 도 1의 오버플로우 전하들 및 수집 전하들 중 적어도 하나를 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 11은 도 10의 오버플로우 전하들을 선택적으로 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 12는 도 10의 수집 전하들을 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 도 13의 이미지 신호를 제공하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 15는 도 14의 이미지 신호를 생성하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 20은 도 5의 A부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 21은 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 22는 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1에 도시된 이미지 센서의 구동 방법은 포토 다이오드와 같은 광전 변환 영역 및 플로팅 확산 영역을 구비하는 단위 픽셀들을 포함하는 이미지 센서를 구동하기 위하여 이용될 수 있다. 이하, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서를 중심으로 본원의 실시예들을 설명하지만, 본원의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 CCD(charge-coupled device) 이미지 센서에도 이용될 수 있다. CMOS 이미지 센서 및 상기 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 구체적인 구성에 대해서는 도 2 내지 도 9, 및 도 21 내지 도 22의 예를 참조하여 후술하도록 한다.
CMOS 이미지 센서의 동작 모드는 크게 광 집적 모드(integration mode)와 독출 모드(readout mode)로 구분될 수 있다. 상기 광 집적 모드 동안에는 CMOS 이미지 센서의 셔터가 개방되어 입사광에 의해 전자-전공 쌍(electron-hole pair)과 같은 전하 캐리어가 상기 광전 변환 영역에 생성되어 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집된다. 상기 광 집적 모드 후의 독출 모드 동안에는 상기 셔터가 폐쇄되고 전하 캐리어의 형태로 수집된 상기 피사체의 이미지에 관한 정보가 전기적인 이미지 출력 신호로 변환된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하고(단계 S1100), 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적한다(단계 S1200). 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들 중 적어도 하나를 축적하는 단계(S1200)는 도 10 내지 도 12를 참조하여 후술하도록 한다.
종래의 이미지 센서의 구동방법에서는, CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 광전 변환 영역을 상대적으로 높은 불순물 농도로 도핑시켰다. 즉, 광전 변환 영역의 전하 저장 능력(well capacity)을 증가시킴으로써 고조도 입력 신호에 대한 SNR 특성 및 동적 범위(dynamic range) 특성을 개선하였다. 하지만 상기와 같이 광전 변환 영역의 불순물 농도를 증가시켜 전하 저장 능력을 증가시키는 경우에, 암 전류(dark current)에 의한 다크 레벨(dark level) 특성의 열화가 발생하고 상기 광전 변환 영역에 잔류하는 전하에 의한 이미지 래그(lag) 현상이 발생한다. 단위 픽셀들의 크기가 작아질수록 상기와 같은 성능의 열화가 더욱 심해진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, 후술하는 바와 같이 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들의 광전 변환 영역을 상대적으로 낮은 불순물 농도로 도핑시키되, 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들 중 적어도 하나를 상기 플로팅 확산 영역에 축적(단계 S1200)한다. 즉, 상기 플로팅 확산 영역에 상기 오버플로우 전하들이 축적될 수 있는 구조를 형성하고, 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 선택적으로 축적시킴으로써, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 이미지 센서의 다크 레벨 특성을 개선할 수 있고, 이미지 래그 현상을 감소시킬 수 있으며, 동적 범위를 확장할 수 있다.
이하에서는 CMOS 이미지 센서 및 단위 픽셀의 구성의 일 예를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, CMOS 이미지 센서(100)는 광전 변환부(110) 및 신호 처리부(120)를 포함한다.
광전 변환부(110)는 입사광을 전기적 신호로 변환한다. 광전 변환부(110)는 단위 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 어레이(111)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(111)에 포함된 상기 단위 픽셀들을 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술된다. 실시예에 따라서, 광전 변환부(110)는 적외선 필터 및/또는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
신호 처리부(120)는 로우 드라이버(121), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)부(122), 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital converting; ADC)부(123) 및 타이밍 컨트롤러(129)를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)의 각 로우(row)에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)에 포함된 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.
CDS부(122)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 상기 단위 픽셀들의 리셋 상태를 나타내는 기준 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 출력 전압의 차이를 구하여 상관 이중 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 출력한다. CDS부(122)는 픽셀 어레이(111)의 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 각 컬럼마다 출력할 수 있다.
ADC부(123)는 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 이미지 신호를 디지털 이미지 신호로 변환한다. ADC부(123)는 기준 신호 생성기(124), 비교부(125), 카운터(126) 및 버퍼부(127)를 포함한다. 기준 신호 생성기(124)는 기준 신호 예컨대, 일정한 기울기를 갖는 램프 신호를 생성하고, 상기 램프 신호를 비교부(125)에 기준 신호로서 제공한다. 비교부(125)는 CDS부(122)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 샘플링 신호와 기준 신호 생성기(124)로부터 발생되는 램프 신호를 비교하여 유효한 신호 성분에 따른 각각의 천이 시점을 갖는 비교 신호들을 출력한다. 카운터(126)는 카운팅 동작을 수행하여 카운팅 신호를 생성하고, 상기 카운팅 신호를 버퍼부(127)에 제공한다. 버퍼부(127)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 래치 회로들 예컨대, SRAM(static random access memory)들을 포함하고, 각 비교 신호의 천이에 응답하여 카운터(126)로부터 출력되는 카운팅 신호를 각 컬럼마다 래치하며, 래치된 카운팅 신호를 이미지 데이터로서 출력한다.
실시예에 따라서, ADC부(123)는 CDS부(122)에서 출력된 샘플링 신호들을 가산하는 가산 회로를 더 포함할 수 있다. 또한 버퍼부(127)는 복수의 싱글 라인 버퍼(single line buffer)들을 더 포함할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), 및 ADC부(123)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), ADC부(123)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
도 3은 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 단위 픽셀(200)은 광전 변환 소자(210) 및 신호 생성 회로(212)를 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(210)는 광전 변환을 수행한다. 즉, 광전 변환 소자(210)는 상기 광 집적 모드 동안 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다. 일 실시예에서, 광전 변환 소자(210)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 및 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PPD) 중 하나 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
신호 생성 회로(212)는 광전 변환에 의해 생성된 전하들에 기초하여 전기적 신호를 생성한다. 단위 픽셀(200)은 신호 생성 회로(212)에 포함되는 트랜지스터들의 개수에 따라 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조 및 5-트랜지스터 구조 등으로 구분될 수 있으며, 복수의 픽셀들이 일부 트랜지스터를 공유하는 구조를 가질 수도 있다. 도 3에는 하나의 예시로서 4-트랜지스터 구조가 도시되어 있다. 즉, 신호 생성 회로(212)는 전송 트랜지스터(220), 리셋 트랜지스터(240), 드라이브 트랜지스터(250) 및 선택 트랜지스터(260)를 포함할 수 있으며, 플로팅 확산 노드(230)를 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(220)는 광전 변환 소자(210)와 연결된 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제2 단자 및 전송 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(240)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(250)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터(260)는 상기 드라이브 트랜지스터(250)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 출력 신호(VOUT)를 제공하는 제2 단자를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(250) 및 선택 트랜지스터(260)는 출력부(270)를 구성할 수 있다.
도 3에서는 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀(200)을 도시하였지만, 실시예에 따라서 단위 픽셀은 광전 변환 소자(210) 및 플로팅 확산 노드(230)를 포함하는 임의의 구조를 가질 수 있다.
도 4는 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 4를 참조하면, 단위 픽셀(200a)은 광전 변환 영역(210a), 전송 게이트(220a), 플로팅 확산 영역(230a), 리셋 게이트(240a) 및 출력부(270a)를 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(210a), 전송 게이트(220a), 플로팅 확산 영역(230a), 리셋 게이트(240a) 및 출력부(270a)는 반도체 기판(210a)의 내부 또는 상부(over)에 형성될 수 있다.
광전 변환 영역(210a)은 반도체 기판(201a)의 내부에 형성된다. 예를 들어 광전 변환 영역(210a)은 반도체 기판(201a)에서 입사 광자(incident photon)에 의해 생성된 전자-전공 쌍 중 전자를 수집할 수 있다. 또한 상기 입사광의 조도가 일정한 경계 값, 예를 들어 임계 조도 이상인 경우에, 광전 변환 영역(210a)의 전하 저장 능력을 초과하여 광전 변환 영역(210a)에서 오버플로우되는 오버플로우 전하들이 발생할 수 있다.
전송 게이트(220a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성된다. 전송 게이트(220a)는 광전 변환 영역(210a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 배치될 수 있다. 전송 게이트(220a)는 전송 신호(TX)에 기초하여 광전 변환 영역(210a)에서 수집된 수집 전하들을 플로팅 확산 영역(230a)에 전송할 수 있다.
플로팅 확산 영역(230a)은 반도체 기판(201a)의 내부에 형성된다. 플로팅 확산 영역(230a)은 상기 오버플로우 전하들을 축적할 수 있으며, 전송 게이트(220a)에 의해 전송된 상기 수집 전하들을 축적할 수 있다. 단위 픽셀(200a)은 플로팅 확산 영역(230a)과 출력부(270a)를 전기적으로 연결하는 콘택부(235a)를 더 포함할 수 있다.
리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성된다. 리셋 게이트(240a)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 리셋 드레인(245a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 배치될 수 있다. 리셋 게이트(240a)는 리셋 신호(RST)에 기초하여 플로팅 확산 영역(230a)을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킬 수 있다.
출력부(270a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성되며, 플로팅 확산 영역(230a)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(270a)는 플로팅 확산 영역(230a)의 전압을 증폭하는 드라이브 트랜지스터(250a), 및 드라이브 트랜지스터(250a)에 의해 증폭된 전압을 컬럼 라인으로 출력하는 선택 트랜지스터(260a)를 포함할 수 있다.
도 5는 I-I'에 의해 절단된 도 4의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도시하지는 않았지만, 상기 광 집적 모드 동안 상기 임계 조도 이상의 높은 조도를 가지는 빛이 광전 변환 영역(210a)에 입사되는 경우에, 광전 변환 영역(210a)에서 생성된 상기 오버플로우 전하들은 반도체 기판(201a) 내부의 전하 전달 경로를 통하여 플로팅 확산 영역(230a)으로 전송될 수 있다. 상기 전하 전달 경로는 반도체 기판(201a) 내부의 광전 변환 영역(210a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 이온 주입(ion implantation) 방식에 의해 광전 변환 영역(210a)과 플로팅 확산 영역(230a)이 반도체 기판(201a) 내부에 형성되는 경우에, 이온빔의 입사 각도와 이온 에너지를 조절하여 반도체 기판(201a)의 벌크에 상기 전하 전달 경로를 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 광전 변환 영역(210a)은 반도체 기판(201a) 내부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 영역(210a)은 이온 주입 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 광전 변환 영역(210a)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 광전 변환 영역(210a)에 도핑된 상기 불순물의 농도는 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀들에 포함된 광전 변환 영역의 불순물의 농도보다 낮을 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀들에 포함된 광전 변환 영역(210a)은 전하 저장 능력이 상대적으로 낮을 수 있다.
도시하지는 않았지만, 반도체 기판(201a)은 벌크 실리콘 기판 및 상기 벌크 기판 상에 형성된 에피택셜 층(epitaxial layer)을 포함할 수 있다. 상기 에피택셜 층은 상기 벌크 기판 상에 게이트들(220a, 240a)이 놓이는(overlain) 표면 방향으로 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광전 변환 영역(210a)에 주입된 불순물과 반도체 기판(201a)에 도핑된 불순물은 서로 다른 종류일 수 있다.
한편, 단위 픽셀들 사이에는 소자 분리 영역들(203a)이 형성될 수 있고, 소자 분리 영역들은 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 이용한 FOX(Field OXide)일 수 있다.
플로팅 확산 영역(230a)은 반도체 기판(201a) 내부에 형성되며, 플로팅 확산 영역(230a) 상에는 도 4의 출력부(270a)와의 전기적인 연결을 위한 콘택부(235a)가 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀들에 포함된 플로팅 확산 영역(230a)은 누설 전류를 감소시키기 위한 로우 다크 레벨 구조를 가질 수 있다. 즉, 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀에서는 플로팅 확산 영역의 다크 레벨이 광전 변환 영역의 다크 레벨보다 예를 들어 10배 이상의 아주 높은 값을 가졌으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(200a)에 포함된 플로팅 확산 영역(230a)의 다크 레벨은 광전 변환 영역(210a)의 다크 레벨과 유사한 정도의 상대적으로 낮은 값을 가지도록 구현될 수 있다. 상기 로우 다크 레벨 구조의 구체적인 실시예는 도 20을 참조하여 후술하도록 한다.
전송 게이트(220a)는 반도체 기판(201a) 상부의 광전 변환 영역(210a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 배치될 수 있다. 전송 게이트(220a) 상에는 전송 신호(TX)가 인가되는 콘택이 형성될 수 있다. 리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a) 상부의 플로팅 확산 영역(230a)과 리셋 드레인(245a) 사이에 배치될 수 있다. 리셋 게이트(240a) 상에는 리셋 신호(RST)가 인가되는 콘택이 형성될 수 있으며, 리셋 드레인(245a) 상에는 전원 전압(VDD)이 인가되는 콘택이 형성될 수 있다.
한편 도시하지는 않았지만, 상기 게이트들 및 콘택부들은 반도체 기판(201a)의 상부에 형성된 절연층(미도시) 내에 포함될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다. 도 6은 종래의 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 광 집적 모드 동안의 전위 레벨을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 포함된 도 5의 단위 픽셀(200a)의 광 집적 모드 동안의 전위 레벨을 나타내는 도면이다. 도 8은 상기 오버플로우 전하들이 발생하지 않은 경우에 도 5의 단위 픽셀(200a)의 광 집적 모드 동안의 전위 레벨을 나타내는 도면이고, 도 9는 상기 오버플로우 전하들이 발생한 경우에 도 5의 단위 픽셀(200a)의 광 집적 모드 동안의 전위 레벨을 나타내는 도면이다. 도 6 내지 도 9에서 V1은 접지 전압(예를 들어 0V)일 수 있고, V2는 전원 전압(예를 들어 2.8V)일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 종래의 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀에서는, 광전 변환 영역(PD)을 상대적으로 높은 불순물 농도로 도핑하여 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력을 증가시킴으로써 동적 범위 특성을 개선하고자 하였다. 도 6에서 종래의 단위 픽셀의 전하 저장 능력은 VPDMAX0로 나타내었으며, 예를 들어 VPDMAX0은 약 1.5V 내지 약 2.0V의 값을 가질 수 있다. 하지만 상기와 같이 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력을 증가시킨 경우에, 픽셀의 다크 레벨 특성이 열화되고 이미지 래그 현상이 발생할 수 있다. 또한 상기 종래의 단위 픽셀에서는, 상기 광 집적 모드 동안 리셋 게이트(RG)에 인가되는 리셋 신호의 활성화 상태를 유지함으로써, 오버플로우 전하들이 발생하더라도 플로팅 확산 영역(FD)에 축적되지 않았다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 단위 픽셀(200a)에서는, 광전 변환 영역(PD)을 상대적으로 낮은 불순물 농도로 도핑하여 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력을 감소시킨다. 도 7에서 도 5의 단위 픽셀(200a)의 전하 저장 능력은 VPDMAX로 나타내며, 예를 들어 VPDMAX는 1.5V보다 작은 약 1.0V의 값을 가질 수 있다. 따라서 단위 픽셀(200a)의 다크 레벨 특성을 개선할 수 있고, 이미지 래그 현상을 감소시킬 수 있다. 또한 상기 광 집적 모드 동안 리셋 게이트(RG)에 인가되는 리셋 신호(RST)를 비활성화하여 플로팅 확산 영역(FD)에 일종의 전하 우물(potential well)을 형성함으로써, 오버플로우 전하들이 발생하는 경우에 상기 오버플로우 전하들을 플로팅 확산 영역(FD)에 축적할 수 있다. 도 7에서 도 5의 플로팅 확산 영역(230a)의 전하 저장 능력은 VFDMAX로 나타내며, 예를 들어 VFDMAX는 VPDMAX보다 큰 값을 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 단위 픽셀(200a)에서 상기 광 집적 모드 동안 상기 오버플로우 전하들이 발생하지 않는 경우에, 즉 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 낮은 저조도 입사광인 경우에, 상기 광 집적 모드 동안 생성된 전하들은 모두 광전 변환 영역(PD)에서 수집된다. 즉, 상기 저조도 입사광에 의해 생성된 전하들은 모두 상기 수집 전하들이다. CMOS 이미지 센서(100)에서 상기 저조도 입사광에 기초하여 생성되고 이미지 신호는 상기 수집 전하들의 전하량에 상응한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 단위 픽셀(200a)에서 상기 광 집적 모드 동안 상기 오버플로우 전하들이 발생하는 경우에, 즉 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 높은 고조도 입사광인 경우에, 상기 광 집적 모드 동안 생성된 전하들은 광전 변환 영역(PD)에서 수집된 상기 수집 전하들 및 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력을 초과하여 광전 변환 영역(PD)에서 오버플로우된 상기 오버플로우 전하들을 포함한다. 즉, 상기 고조도 입사광에 의해 생성된 전하들은 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들이다. 상기 광 집적 모드에서 상기 오버플로우 전하들은 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된다. 보다 상세히 후술되겠지만, 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 오버플로우 전하들에 상응하는 제1 출력 신호 및 상기 수집 전하들에 상응하는 제2 출력 신호에 기초하여 이미지 신호가 생성된다. 즉, 상기 고조도 입사광에 기초하여 생성되는 상기 이미지 신호는 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들의 전하량에 상응한다.
도 10은 도 1의 오버플로우 전하들 및 수집 전하들 중 적어도 하나를 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들 중 적어도 하나를 상기 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계(S1200)에서는, 상기 광 집적 모드에서 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 선택적으로 축적하고(단계 S1210), 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적할 수 있다(단계 S1220).
도 11은 도 10의 오버플로우 전하들을 선택적으로 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 선택적으로 축적하는 단계(S1210)에서는, 상기 광 집적 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키고(단계 S1211), 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은지를 판단하여(단계 S1213), 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 높은 경우에, 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적하며(단계 S1215), 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에, 상기 광 집적 모드의 상기 축적 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태를 유지할 수 있다(단계 S1217).
일 실시예에서, 도 4 내지 도 5를 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(200a)은 리셋 신호(RST)에 기초하여 플로팅 확산 영역(230a)을 리셋시키는 리셋 게이트(240a)를 포함하고, 상기 광 집적 모드의 상기 리셋 구간 동안에는 리셋 신호(RST)가 활성화되며, 상기 광 집적 모드의 상기 리셋 구간 이후의 상기 축적 구간 동안에는 리셋 신호(RST)가 비활성화될 수 있다. 또한 상기 임계 조도는 상기 광전 변환 영역의 면적, 상기 광전 변환 영역의 불순물 농도 및 상기 광 집적 모드의 지속 시간 등에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
도 12는 도 10의 수집 전하들을 축적하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계(S1220)에서는, 상기 독출 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키고(단계 S1221), 상기 독출 모드의 축적 구간 동안 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적한다(단계 S1223).
일 실시예에서, 도 4 내지 도 5를 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(200a)은 리셋 신호(RST)에 기초하여 플로팅 확산 영역(230a)을 리셋시키는 리셋 게이트(240a), 및 전송 신호(TX)에 기초하여 상기 수집 전하들을 플로팅 확산 영역(230a)으로 전송하는 전송 게이트(220a)를 포함하고, 상기 독출 모드의 상기 리셋 구간 동안에는 리셋 신호(RST)가 활성화되며, 상기 독출 모드의 상기 리셋 구간 이후의 상기 축적 구간 동안에는 전송 신호(TX)가 활성화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은, 상기 독출 모드에서 상기 입사광의 조도에 상응하는 이미지 신호를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 플로팅 확산 영역에 축적된 상기 오버플로우 전하들 및/또는 상기 수집 전하들에 상응하는 상기 이미지 신호를 제공할 수 있으며, 상기 이미지 신호를 제공하는 단계는 도 13 내지 도 15를 참조하여 후술하도록 한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하고(단계 S2100), 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적하며(단계 S2200), 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 입사광의 조도에 상응하는 이미지 신호를 제공한다(단계 S2300).
전하들을 생성하는 단계(S2100) 및 전하들을 축적하는 단계(S2200)는, 도 1 및 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명된 전하들을 생성하는 단계(S1100) 및 전하들을 축적하는 단계(S1200)와 각각 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 14는 도 13의 이미지 신호를 제공하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 14를 참조하면, 상기 입사광의 조도에 상응하는 상기 이미지 신호를 제공하는 단계(S2300)에서는, 상기 독출 모드의 제1 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성하고(단계 S2310), 상기 독출 모드의 제2 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위를 샘플링하여 기준 신호를 생성하고(단계 S2320), 상기 독출 모드의 제3 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성하며(단계 S2330), 상기 기준 신호, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 이미지 신호를 생성한다(단계 S2340).
일 실시예에서, 상기 제1 출력 신호는 상기 입사광의 조도에 따라 상기 오버플로우 전하들 또는 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위에 상응할 수 있다. 예를 들어, 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에 상기 제1 출력 신호는 상기 오버플로우 전하들에 상응하며, 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에 상기 제1 출력 신호는 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위에 상응할 수 있다. 또한 상기 제2 출력 신호는 상기 수집 전하들에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 독출 모드의 상기 제1 출력 구간은 상기 독출 모드의 상기 리셋 구간 이전에 존재할 수 있다. 상기 독출 모드의 상기 제2 출력 구간은 상기 독출 모드의 상기 리셋 구간과 상기 독출 모드의 상기 축적 구간 사이에 존재할 수 있다. 상기 독출 모드의 상기 제3 출력 구간은 상기 독출 모드의 상기 축적 구간 이후에 존재할 수 있다.
도 15는 도 14의 이미지 신호를 생성하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 15를 참조하면, 상기 기준 신호, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 이미지 신호를 생성하는 단계(S2340)에서는, 상기 기준 신호 및 상기 제1 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1 샘플링 신호를 생성하고(단계 S2341), 상기 기준 신호 및 상기 제2 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2 샘플링 신호를 생성하며(단계 S2343), 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하여 상기 이미지 신호를 생성한다(단계 S2345).
상기 제1 출력 신호는 상기 입사광의 조도에 따라 상이한 값을 가지기 때문에, 상술한 과정에 의해 생성된 상기 이미지 신호는 상기 입사광의 조도에 따라 다른 값을 가진다. 예를 들어, 상기 임계 조도보다 낮은 저조도 입사광에 기초하여 생성되는 이미지 신호는 상기 수집 전하들의 양에 상응한다. 상기 임계 조도보다 높은 고조도 입사광에 기초하여 생성되는 상기 이미지 신호는 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들의 양에 상응한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법은, 전면 수광 방식(frontside illumination)과 후면 수광 방식(backside illumination)의 CMOS 이미지 센서에 모두 적용될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법은, 글로벌 셔터(global shutter) 방식과 롤링 셔터(rolling shutter) 방식에 모두 적용될 수 있다. 예를 들어 스틸 이미지를 촬상하는 경우, 즉 글로벌 셔터 방식의 경우에는 모든 행의 픽셀들에 대해 셔터가 개방되어 상기 광 집적 모드가 수행되고, 상기 독출 모드 동안 각 행 단위의 전송 게이트의 전송 신호(TX)가 순차적으로 활성화될 수 있다. 또한 롤링 셔터 방식의 경우에는 각 행 단위로 상기 광 집적 모드 및 상기 독출 모드가 반복적으로 수행될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 타이밍도이다.
이하, 도 1 내지 도 5 및 도 10 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)는 매트릭스 형태로 배치된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 각 단위 픽셀들은 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 광전 변환 영역(210a), 전송 게이트(220a), 플로팅 확산 영역(230a) 및 리셋 게이트(240a)를 포함할 수 있다. 다크 레벨 특성을 개선하고 이미지 래그 현상을 감소시키기 위하여, 광전 변환 영역(210a)은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀들에 포함된 광전 변환 영역에 비하여 상대적으로 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. CMOS 이미지 센서(100)는 제1 모드(시간 t2 내지 t7)와 제2 모드(시간 t7 내지 t20)로 동작할 수 있다. 상기 제1 모드는 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집되는 광 집적 모드일 수 있고, 상기 제2 모드는 상기 피사체의 이미지에 관한 정보가 전기적인 이미지 출력 신호로 변환되는 독출 모드일 수 있다.
시간 t1 내지 t2에서, 상기 광 집적 모드가 시작되기 이전에 전송 게이트(220a)에 인가되는 전송 신호(TX)가 활성화된다. 시간 t2에서, 전송 신호(TX)가 비활성화되고 CMOS 이미지 센서(100)의 셔터가 개방되며, 따라서 상기 광 집적 모드가 시작된다. 상기 광 집적 모드 동안 CMOS 이미지 센서(100)의 각 픽셀들은 광전 변환 영역(210a)에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다.
한편, 상기 광 집적 모드 동안 리셋 게이트(240a)에 인가되는 리셋 신호(RST)는 활성화 상태를 계속 유지하여 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 상태를 계속 유지하는 대신에, 상기 광 집적 모드의 리셋 구간 동안에 활성화되어 플로팅 확산 영역(230a)을 리셋시키고, 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안에 비활성화되어 플로팅 확산 영역(230a)에서 오버플로우된 오버플로우 전하들을 축적할 수 있다. 즉, 도 16에서 실선으로 도시된 CASE2의 경우를 예로 들면, 상기 광 집적 모드의 리셋 구간(시간 t3 내지 t4) 동안 리셋 신호(RST)는 활성화되어 플로팅 확산 영역(230a)을 리셋시킴으로써 상기 오버플로우 전하들이 축적될 수 있는 준비를 한다. 상기 광 집적 모드의 축적 구간(시간 t4 내지 t7) 동안 리셋 신호(RST)는 비활성화된다. 따라서 상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에, 즉 상기 오버플로우 전하들이 발생하는 경우에 상기 오버플로우 전하들이 플로팅 확산 영역(230a)에 축적된다. 상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 높은 경우에, 즉 상기 오버플로우 전하들이 발생하지 않는 경우에는 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 상태가 유지된다. 광전 변환 영역(210a)에서 생성되고 오버플로우 되지 않는 전하들은 수집 전하로서 광전 변환 영역(210a)에 수집된다.
실시예에 따라서, CMOS 이미지 센서(100)에 포함된 타이밍 컨트롤러(129)는 상기 광 집적 모드의 리셋 구간 및 상기 광 집적 모드의 축적 구간의 시작 시점을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 16의 CASE1과 같이 상기 광 집적 모드의 리셋 구간은 전송 신호(TX)가 활성화되는 구간과 같은 시간 t1 내지 t2 동안이고, 상기 광 집적 모드의 축적 구간은 시간 t2 내지 t7 동안일 수 있다. 이 경우, 상기 오버플로우 전하들은 시간 t2 내지 t7 동안 플로팅 확산 영역(230a)에 축적될 수 있다. 다른 예에서, 도 16의 CASE3과 같이 상기 광 집적 모드의 리셋 구간은 시간 t5 내지 t6 동안이고, 상기 광 집적 모드의 축적 구간은 시간 t6 내지 t7 동안일 수 있다. 이 경우, 상기 오버플로우 전하들은 시간 t6 내지 t7 동안 플로팅 확산 영역(230a)에 축적될 수 있다. 도 18 내지 도 19를 참조하여 후술하겠지만, 상기 광 집적 모드의 리셋 구간 및 상기 광 집적 모드의 축적 구간의 시작 시점을 조절함으로써 CMOS 이미지 센서(100)의 동작 특성을 제어할 수 있다.
시간 t7에서, 선택 트랜지스터(260a)에 인가되는 선택 신호(SEL)가 활성화되어 단위 픽셀들이 선택되며, 따라서 상기 독출 모드가 시작된다. 상기 독출 모드의 제1 출력 구간(시간 t8 내지 t9) 동안 플로팅 확산 영역(230a)의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성한다. 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안 상기 오버플로우 전하들이 플로팅 확산 영역(230a)에 축적된 경우에, 상기 제1 출력 신호는 상기 오버플로우 전하들에 상응한다. 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안 상기 오버플로우 전하들이 축적되지 않은 경우에, 상기 제1 출력 신호는 상기 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 전위에 상응한다.
상기 독출 모드의 리셋 구간(시간 t10 내지 t11) 동안 리셋 신호(RST)가 활성화되어 플로팅 확산 영역(230a)이 리셋된다. 즉, 상기 오버플로우 전하들이 플로팅 확산 영역(230a)에 축적된 경우에는 상기 오버플로우 전하들이 방전되고, 상기 오버플로우 전하들이 플로팅 확산 영역(230a)에 축적되지 않은 경우에는 상기 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 상태를 유지한다. 상기 독출 모드의 제2 출력 구간(시간 t12 내지 t13) 동안 상기 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 상태의 전위를 샘플링하여 기준 신호를 생성한다. 상기 기준 신호는 상관 이중 샘플링을 수행하기 위한 기준 신호로서 사용될 수 있다.
상기 독출 모드의 축적 구간(시간 t14 내지 t15) 동안 전송 신호(TX)가 활성화되어 광전 변환 영역(210a)에 수집된 상기 수집 전하들이 플로팅 확산 영역(230a)으로 전송된다. 상기 독출 모드의 제3 출력 구간(시간 t16 내지 t17) 동안 플로팅 확산 영역(230a)의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성한다. 상기 제1 출력 신호는 상기 수집 전하들에 상응한다. 시간 t18 내지 t19 동안 리셋 신호(RST)가 활성화되어 상기 수집 전하들이 방전되고 플로팅 확산 영역(230a)이 리셋된다. 시간 t20에서 선택 신호(SEL)가 비활성화되고 상기 독출 모드가 종료된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, FD 집적 구간과 PD 집적 구간의 비율에 따라서 동적 범위를 결정할 수 있다. CASE2를 예로 들면, 상기 FD 집적 구간은 상기 광 집적 모드의 리셋 구간이 종료된 직후인 시간 t4에서 상기 독출 모드의 리셋 구간이 시작되기 직전인 시간 t10까지의 구간이며, 상기 PD 집적 구간은 상기 광 집적 모드가 시작되는 시간 t2에서 상기 독출 모드의 축적 구간이 시작되기 직전인 시간 t14까지의 구간이다. 상기 동적 범위를 결정하는 동작은 도 18을 참조하여 후술하도록 한다.
CMOS 이미지 센서(100)에 포함된 신호 처리부(120)는 상기 독출 모드 동안 생성된 기준 신호와 제1 및 제2 출력 신호에 기초하여 상기 입사광에 상응하는 최종적인 이미지 신호를 생성한다.
CDS부(122)는 상기 기준 신호 및 상기 제1 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1 샘플링 신호를 생성하며, 상기 기준 신호 및 상기 제2 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2 샘플링 신호를 생성한다. 예를 들어, CDS부(122)는 상기 제1 출력 신호에서 상기 기준 신호를 감산하여 상기 제1 샘플링 신호를 생성할 수 있고, 상기 제2 출력 신호에서 상기 기준 신호를 감산하여 상기 제2 샘플링 신호를 생성할 수 있다.
상기 제2 샘플링 신호를 생성하는 경우에는, 상기 플로팅 확산 영역(230a)의 리셋 상태의 전위에 상응하는 상기 기준 신호가 생성된 이후에 상기 수집 전하들에 상응하는 상기 제2 출력 신호가 생성되기 때문에, 즉 기준점을 먼저 설정하고 상기 기준점에 기초하여 상기 제2 출력 신호를 생성하기 때문에, 진정한 상관 이중 샘플링(true CDS) 동작이 수행될 수 있다. 하지만 상기 제1 샘플링 신호를 생성하는 경우에는, 상기 오버플로우 전하들에 상응하는 상기 제1 출력 신호가 생성된 이후에 상기 기준 신호가 생성되기 때문에, 즉 이전에 설정된 기준점에 기초하여 상기 제1 출력 신호를 생성하기 때문에, true CDS 동작이 수행될 수 없으며 상기 제1 샘플링 신호에는 일부 노이즈가 포함될 수 있다. 다만, 상기 오버플로우 전하들이 생성되는 고조도 입사광에 비해 상기 노이즈의 크기가 매우 작으므로 상기 노이즈의 영향은 무시할 수 있다.
ADC부(123)는 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하고 디지털 변환하여 상기 이미지 신호를 생성한다. ADC부(123)는 버퍼부(127)에 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하기 이전에 상기 제1 샘플링 신호를 저장하는 버퍼들을 포함할 수 있다. 상기 제1 샘플링 신호가 생성되는 시점(예를 들어 상기 기준 신호 및 상기 제1 출력 신호가 모두 생성되는 시점인 t13)과 상기 제2 샘플링 신호가 생성되는 시점(예를 들어 상기 기준 신호 및 상기 제2 출력 신호가 모두 생성되는 시점인 t17)의 시간 간격이 짧기 때문에, 상기 버퍼부(127)에 포함된 버퍼들은 간단한 싱글 라인 버퍼(single line buffer)들로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 출력 신호를 독출하고 상기 제1 샘플링 신호를 생성하는 경우에, ADC부(123)의 이득을 증가시켜 ADC부(123)의 양자화 잡음(quantization noise)을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 추가적인 동적 범위를 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법에서는, 상기 광 집적 모드 및 상기 독출 모드에서 신호들의 타이밍을 조절함으로써, 입사광의 조도에 따라 오버플로우 전하들이 발생하는 경우에 상기 오버플로우 전하들 및 수집 전하들을 순차적으로 플로팅 확산 영역에 축적할 수 있다. 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 저장하는 경우에, 예를 들어 플로팅 확산 영역의 전압은 일반적으로 1V 이상으로 높일 수 있기 때문에, 전하-전압 변환 이득을 0.1mV/e으로 가정하더라도 10000개의 전하를 추가적으로 확보할 수 있다.
또한 상기 오버플로우 전하들에 상응하는 제1 출력 신호 및 상기 수집 전하들에 상응하는 제2 출력 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 출력 신호들을 샘플링, 합산, 및 디지털 변환하여 최종적인 이미지 신호를 생성함으로써, 이미지 센서의 동적 범위 특성을 향상시킬 수 있다. 게다가 상기 제1 및 제2 출력 신호들의 생성 간격이 짧기 때문에 간단한 구조의 싱글 라인 버퍼를 포함하여 구현함으로써, 이미지 센서의 집적도를 향상시킬 수 있다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작 특성을 나타내는 그래프들이다. 도 17은 광 집적 모드 동안 입사광의 조도에 따른 광전 변환 영역의 전압 변화를 나타내는 그래프이고, 도 18은 광 집적 모드 동안 입사광의 조도에 따른 플로팅 확산 영역의 전압 변화를 나타내는 그래프이며, 도 19는 광전 변환 영역 및 플로팅 확산 영역의 전압을 합산한 최종적인 출력 신호의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 18 및 도 19의 CASE1, CASE2 및 CASE3은 도 16의 CASE1, CASE2 및 CASE3에 각각 상응한다.
도 17을 참조하면, 입사광의 조도가 높을수록 광전 변환 영역에서 전하들이 많이 생성되어 광전 변환 영역의 전압이 상승한다. 입사광의 조도가 임계 조도(L1)인 경우에 광전 변환 영역의 전압은 최대값(VPDMAX)이 되며, 입사광의 조도가 임계 조도(L1)를 초과하더라도 광전 변환 영역의 전압은 최대값(VPDMAX)을 유지한다. 광전 변환 영역의 전압이 최대값(VPDMAX)에 도달한 이후에 생성되는 전하들은 오버플로우되어 플로팅 확산 영역으로 이동한다.
도 18을 참조하면, 입사광의 조도가 임계 조도(L1) 이상인 경우에 플로팅 확산 영역에 오버플로우 전하들이 축적되어 플로팅 확산 영역의 전압이 상승한다. CASE2를 예로 들면, 입사광의 조도가 CMOS 이미지 센서가 수용할 수 있는 한계 조도(L2)인 경우에 플로팅 확산 영역의 전압은 최대값(VFDMAX)이 된다. 일 실시예에서, 플로팅 확산 영역의 전압의 최대값(VFDMAX)은 광전 변환 영역의 전압의 최대값(VPDMAX)보다 클 수 있다.
한편 도 16을 참조하여 설명된 것처럼, 광 집적 모드의 리셋 구간의 시작 시점을 조절하여 플로팅 확산 영역의 전압 상승 기울기를 제어할 수 있다. 예를 들어 CASE1과 같이 광 집적 모드의 리셋 구간이 전송 신호(TX)가 활성화되는 구간과 같은 경우에, 즉 상기 FD 집적 구간과 상기 PD 집적 구간이 실질적으로 동일한 경우에, 플로팅 확산 영역의 전압 상승 기울기는 도 17의 광전 변환 영역의 전압 상승 기울기와 동일하다. CASE2 및 CASE3과 같이 광 집적 모드의 리셋 구간이 지연될수록, 즉 상기 FD 집적 구간이 짧아질수록 플로팅 확산 영역의 전압 상승 기울기는 작아지며 동적 범위는 증가한다. 상기와 같이 리셋 신호(RST)의 타이밍을 조절하여 플로팅 확산 영역의 전압 상승 기울기를 조절함으로써, CMOS 이미지 센서의 동적 범위 특성을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 19를 참조하면, 광전 변환 영역의 전압 및 플로팅 확산 영역의 전압을 합산하여 최종적인 이미지 출력 신호가 생성된다. 상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 이용하는 경우에, 도 19에 도시된 것처럼 (L2-L1) 만큼의 동적 범위가 확보될 수 있다. 이를 데시벨(dB) 단위로 환산하면, 종래의 CMOS 이미지 센서는 약 60dB 정도의 동적 범위를 가지지만, 플로팅 확산 영역에 오버플로우 전하들을 저장하고 광전 변환 영역의 수집 전하들 및 플로팅 확산 영역의 오버플로우 전하들을 합산하여 이미지 신호를 생성하는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 이용하는 CMOS 이미지 센서는 약 100dB 이상의 동적 범위를 가질 수 있으며, 따라서 CMOS 이미지 센서의 동적 범위 특성을 개선할 수 있다.
또한 도 19와 같이 상기 광전 변환 영역의 전압 및 플로팅 확산 영역의 전압을 합산하여 상기 이미지 출력 신호를 생성하는 경우에, 임계 조도(L1)를 전후로 출력 신호의 SNR의 불연속이 나타나는 SNR 하락(dip) 현상을 방지할 수 있어 CMOS 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 17 내지 도 19에는 Y축을 아날로그 전압의 단위로 나타내었지만, Y축의 단위는 생성된 전하의 개수(즉, 전하량), 광전 변환 영역 및 플로팅 확산 영역의 전하 저장 능력 또는 아날로그 전압에 상응하는 디지털 전압 레벨 등과 같이 다양하게 표현될 수 있다.
도 20은 도 5의 A부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 20을 참조하면, 플로팅 확산 영역(230a)은 제1 불순물 영역(231a), 제2 불순물 영역(232a) 및 제3 불순물 영역(233a)을 포함할 수 있다. 콘택부(235a)는 제1 전극부(236a) 및 제2 전극부(237a)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 광 집적 모드 동안 플로팅 확산 영역(230a)에 오버플로우 전하들을 축적하며, 따라서 플로팅 확산 영역(230a)에서 누설 전류의 발생을 방지할 필요가 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 포함된 플로팅 확산 영역(230a)은, 오버플로우 전하들을 축적하는 제1 불순물 영역(231a) 외에 누설 전류를 방지하기 위한 제2 불순물 영역(232a) 및 제3 불순물 영역(233a)을 추가적으로 포함하는 로우 다크 레벨 구조를 가질 수 있다.
제1 불순물 영역(231a)은 반도체 기판(201a)의 표면 부위에 형성될 수 있다. 제2 불순물 영역(232a)은 제1 불순물 영역(231a)과 인접하는 반도체 기판(201a)의 표면 부위에 형성되고, 제1 불순물 영역(231a)의 일부가 반도체 기판(201a)의 표면과 차단되도록 형성될 수 있다. 제3 불순물 영역(233a)은 제1 불순물 영역(231a) 및 제2 불순물 영역(232a)과 인접할 수 있다.
제2 불순물 영역(232a)은 제1 불순물 영역(231a) 중 콘택부(235a)와 접촉되는 제1 불순물 표면만이 반도체 기판(201a)의 표면에 노출되고 나머지 표면은 반도체 기판(201a)의 표면에 노출되지 않도록, 반도체 기판(201a)의 표면 부위에 형성된다. 제3 불순물 영역(233a)은 반도체 기판(201a)의 내부에서 제1 불순물 영역(231a)이 반도체 기판(201a)과 직접 접촉하지 않도록, 반도체 기판(201a)의 내부에 형성된다. 따라서 제2 불순물 영역(232a)은 제1 불순물 영역(231a)에서 반도체 기판(201a)의 외부, 즉 절연층(미도시)으로 누설되는 전류를 방지하고, 제3 불순물 영역(233a)은 제1 불순물 영역(231a)과 반도체 기판(201a) 사이의 전기장을 감소시킴으로써 제1 불순물 영역(231a)에서 반도체 기판(201a)의 내부로 누설되는 전류를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 불순물 영역(232a)은 반도체 기판(201a)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 제1 불순물로 도핑되고, 제1 불순물 영역(231a) 및 제3 불순물 영역(233a)은 상기 제1 불순물과 다른 타입의 제2 불순물로 도핑될 수 있다. 예를 들어 상기 제1 불순물은 p 타입의 불순물이고 상기 제2 불순물은 n 타입의 불순물일 수 있다.
상기 제2 불순물 영역(232a)의 도핑 농도는 상기 반도체 기판(201a)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어 제2 불순물 영역(232a)은 p+ 도핑 영역이고 반도체 기판(201a)은 p- 도핑 영역일 수 있다. 상기 제1 불순물 영역(231a)의 도핑 농도는 상기 제3 불순물 영역(233a)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어 제1 불순물 영역(231a)은 n+ 도핑 영역이고 제3 불순물 영역(233a)은 n- 도핑 영역일 수 있다. 또한 도 5의 광전 변환 영역(210a)은 상기 제2 불순물로 도핑되며, 광전 변환 영역(210a)의 도핑 농도는 상기 제1 불순물 영역(231a)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어 광전 변환 영역(210a)은 n- 도핑 영역일 수 있다.
일 실시예에서, 플로팅 확산 영역(230a)은 제3 불순물 영역(233a), 제1 불순물 영역(231a) 및 제2 불순물 영역(232a)의 순서로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(201a)에 n- 타입의 이온이 주입되어 제3 불순물 영역(233a)이 형성되고 n+ 타입의 이온이 주입되어 제1 불순물 영역(231a)이 형성되며, p+ 타입의 이온이 주입되어 제2 불순물 영역(232a)이 형성될 수 있다.
제1 전극부(236a)는 상기 제1 불순물 표면 상에 형성되며, 불순물이 도핑된 폴리실리콘으로 구성될 수 있다. 제2 전극부(237a)는 제1 전극부(236a) 상에 형성되며, 금속 및/또는 금속 화합물과 같은 도전성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면 상기 금속 및/또는 금속 화합물은 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄 질화물(AlNx), 티타늄 질화물(TiNx), 탄탈륨 질화물(TaNx), 텅스텐 질화물(WNx) 등을 포함할 수 있다. 콘택부(235a)를 형성할 때 상기 금속 및/또는 금속 화합물과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 불순물이 도핑된 폴리실리콘으로 구성된 제1 전극부(236a)를 형성함으로써, 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성하여 상기 금속 및/또는 금속 화합물이 반도체 기판(201a) 및 플로팅 확산 영역(230a)에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 콘택부(235a)는 제1 전극부(236a) 및 제2 전극부(237a)의 순서로 형성될 수 있다. 예를 들어 식각 공정을 통해 반도체 기판(201a) 상에 형성된 절연층(미도시)에 상기 제1 불순물 표면에 노출되도록 리세스(recess)가 형성되고 상기 리세스에 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 일부 채움으로써 제1 전극부(236a)가 형성되며, 상기 리세스의 제1 전극부(236a) 상에 상기 금속 및/또는 금속 화합물을 채움으로써 제2 전극부(237a)가 형성될 수 있다. 다른 예에서, 반도체 기판(201a) 상에 상기 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함하는 제1 전극부(236a) 및 절연층(미도시)이 차례대로 형성되고, 식각 공정을 통해 상기 절연층에 제1 전극부(236a)가 노출되도록 리세스가 형성되며, 상기 리세스에 상기 금속 및/또는 금속 화합물을 채움으로써 제2 전극부(237a)가 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극부(236a)는 식각 공정에 의해 반도체 기판(201a)에 발생되는 식각 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있으며, 반도체 기판(201a)과 상기 금속 및/또는 금속 화합물이 직접 접촉하지 않도록 완충 역할을 할 수 있다.
도 20에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 확산 영역(230a)의 로우 다크 레벨 구조의 일 예를 설명하였지만, 상기 로우 다크 레벨 구조는 누설 전류를 감소시키기 위한 임의의 구조를 가질 수 있다.
도 21은 도 2의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 3의 단위 픽셀(200)과 비교하였을 때, 도 21의 단위 픽셀(300)은 오버플로우 트랜지스터(380)를 더 포함하는 것을 제외하면 실질적으로 동일한 구성을 가지므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
단위 픽셀(300)은 광전 변환을 수행하는 광전 변환 소자(310) 및 상기 광전 변환에 의해 생성된 전하들에 기초하여 전기적 신호를 생성하는 신호 생성 회로(312)를 포함한다. 신호 생성 회로(312)는 전송 트랜지스터(320), 오버플로우 트랜지스터(380), 플로팅 확산 노드(330), 리셋 트랜지스터(340), 드라이브 트랜지스터(350) 및 선택 트랜지스터(360)를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(350) 및 선택 트랜지스터(360)는 출력부(370)를 구성할 수 있다.
오버플로우 트랜지스터(380)는 광전 변환 소자(310)와 플로팅 확산 노드(330) 사이에 연결되며, 게이트에 오버플로우 신호(OX)가 인가될 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(380)는 광전 변환 소자(310)에서 발생된 오버플로우 전하들을 플로팅 확산 노드(330)로 전송할 수 있으며, 전송 트랜지스터(320)와 동일하거나 상이한 문턱 전압을 가질 수 있다. 오버플로우 신호(OX)는 광 집적 모드 및 독출 모드 동안에 일정한 전압 레벨을 유지할 수 있고, 광전 변환 소자(310)의 전하 저장 능력의 조절이 필요한 경우에 전압 레벨이 변경될 수 있다. 예를 들어 광전 변환 소자(310)의 전하 저장 능력의 조절이 필요한 경우에, 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨은 상기 독출 모드 이후에 변경되거나 또는 별도의 제어 모드에서 변경될 수 있다.
도 21의 단위 픽셀(300)을 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에서는 상기 오버플로우 트랜지스터(380)의 게이트에 인가되는 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨에 기초하여 상기 광전 변환 영역의 전하 저장 능력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 이미지 센서의 구동 방법에서는 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하고, 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적하며, 상기 오버플로우 게이트에 인가되는 오버플로우 신호의 전압 레벨에 기초하여 상기 광전 변환 영역의 전하 저장 능력을 조절할 수 있다.
도 22는 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨에 기초하여 광전 변환 영역(310)의 전하 저장 능력이 조절될 수 있다. 예를 들어 전송 트랜지스터(320)와 오버플로우 트랜지스터(380)의 문턱 전압이 제1 문턱 전압(VTG)으로 동일한 경우에, 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력은 오버플로우 게이트가 없는 도 3의 단위 픽셀(200)과 동일하다. 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨이 감소한 경우에, 오버플로우 트랜지스터(380)의 문턱 전압이 제2 문턱 전압(VOG1)으로 변경될 수 있으며, 따라서 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력이 증가할 수 있다. 또한 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨이 증가한 경우에, 오버플로우 트랜지스터(380)의 문턱 전압이 제3 문턱 전압(VOG2)으로 변경될 수 있으며, 따라서 광전 변환 영역(PD)의 전하 저장 능력이 감소할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 CMOS 이미지 센서는 오버플로우 신호(OX)가 인가되는 오버플로우 게이트를 더 포함함으로써, 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역으로 효율적으로 전송할 수 있으며, 오버플로우 신호(OX)의 전압 레벨을 조절하여 광전 변환 영역의 전하 저장 능력을 제어할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 23을 참조하면, 전자 시스템(400)은 프로세서(410), 메모리 장치(420), 저장 장치(430), CMOS 이미지 센서(440), 입출력 장치(450), 파워 서플라이(460) 및 버스(470)를 포함할 수 있다. 한편, 도 23에는 도시되지 않았지만, 전자 시스템(400)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 시스템들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(410)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(410)는 마이크로프로세서(micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(410)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus) 등을 포함하는 버스(470)를 통하여 메모리 장치(420), 저장 장치(430) 및 입출력 장치(450)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(410)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
메모리 장치(420)는 전자 시스템(400)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(420)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
저장 장치(430)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive) 및 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(450)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(460)는 전자 시스템(400)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(440)는 버스(470) 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(410)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. CMOS 이미지 센서(440)는 도 2의 CMOS 이미지 센서(100)일 수 있으며, 도 3 내지 도 5 및 도 21의 단위 픽셀들(200, 200a, 300) 중 하나를 포함할 수 있다. 또한 CMOS 이미지 센서(440)는 도 1 및 도 13의 구동 방법을 이용하여 동작할 수 있다. 즉, CMOS 이미지 센서(440)는 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하고, 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적한다. CMOS 이미지 센서(440)는 상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 입사광의 조도에 상응하는 이미지 신호를 제공할 수 있으며, 오버플로우 게이트에 인가되는 오버플로우 신호의 전압 레벨에 기초하여 상기 광전 변환 영역의 전하 저장 능력을 조절할 수 있다.
실시예에 따라서, CMOS 이미지 센서(440)는 프로세서(410)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 전자 시스템(400)은 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등과 같이 CMOS 이미지 센서를 이용하는 모든 시스템으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 시스템에 적용될 수 있으며, 특히 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 광 집적 모드 동안 광전 변환 영역에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성하는 단계; 및
    상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 생성된 전하들 중 상기 광전 변환 영역에서 오버플로우된 오버플로우 전하들 및 상기 광전 변환 영역에서 수집된 수집 전하들 중 적어도 하나를 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오버플로우 전하들 및 상기 수집 전하들 중 적어도 하나를 축적하는 단계는,
    상기 광 집적 모드에서 상기 입사광의 조도에 기초하여 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 선택적으로 축적하는 단계; 및
    상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 오버플로우 전하들을 선택적으로 축적하는 단계는,
    상기 광 집적 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 단계;
    상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에, 상기 광 집적 모드의 축적 구간 동안 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계; 및
    상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에, 상기 광 집적 모드의 상기 축적 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 수집 전하들을 축적하는 단계는,
    상기 독출 모드의 리셋 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 단계; 및
    상기 독출 모드의 축적 구간 동안 상기 수집 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 집적 모드 이후의 독출 모드에서 상기 입사광의 조도에 상응하는 이미지 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 이미지 신호를 제공하는 단계는,
    상기 독출 모드의 제1 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계;
    상기 독출 모드의 제2 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위를 샘플링하여 기준 신호를 생성하는 단계;
    상기 독출 모드의 제3 출력 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 기준 신호, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 이미지 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 출력 신호는,
    상기 입사광의 조도가 임계 조도보다 높은 경우에 상기 오버플로우 전하들에 상응하고,
    상기 입사광의 조도가 상기 임계 조도보다 낮은 경우에 상기 플로팅 확산 영역의 리셋 상태의 전위에 상응하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 출력 신호는 상기 수집 전하들에 상응하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 오버플로우 전하들을 상기 플로팅 확산 영역으로 전송하는 오버플로우 게이트를 포함하고,
    상기 오버플로우 게이트에 인가되는 오버플로우 신호의 전압 레벨에 기초하여 상기 광전 변환 영역의 전하 저장 능력(well capacity)을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광전 변환 영역 및 상기 플로팅 확산 영역은 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 플로팅 확산 영역은,
    상기 반도체 기판의 표면 부위에 형성된 제1 불순물 영역;
    상기 제1 불순물 영역과 인접하는 상기 반도체 기판의 표면 부위에 형성되고, 상기 제1 불순물 영역의 일부가 상기 반도체 기판의 표면과 차단되도록 형성된 제2 불순물 영역; 및
    상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역과 인접하는 제3 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
KR1020100091922A 2010-09-17 2010-09-17 이미지 센서의 구동 방법 KR20120029840A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100091922A KR20120029840A (ko) 2010-09-17 2010-09-17 이미지 센서의 구동 방법
US13/233,250 US20120068051A1 (en) 2010-09-17 2011-09-15 Method Of Driving An Image Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100091922A KR20120029840A (ko) 2010-09-17 2010-09-17 이미지 센서의 구동 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120029840A true KR20120029840A (ko) 2012-03-27

Family

ID=45816882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100091922A KR20120029840A (ko) 2010-09-17 2010-09-17 이미지 센서의 구동 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20120068051A1 (ko)
KR (1) KR20120029840A (ko)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101251744B1 (ko) * 2011-04-13 2013-04-05 엘지이노텍 주식회사 Ｗｄｒ 픽셀 어레이, 이를 포함하는 ｗｄｒ 이미징 장치 및 그 구동방법
KR101241553B1 (ko) * 2011-04-13 2013-03-11 엘지이노텍 주식회사 Ｗｄｒ 픽셀 어레이, 이를 포함하는 ｗｄｒ 이미징 장치 및 그 구동방법
JP6149369B2 (ja) * 2012-09-27 2017-06-21 株式会社ニコン 撮像素子
EP2874388B1 (en) * 2013-11-15 2019-05-15 Sony Depthsensing Solutions Method for avoiding pixel saturation
US10917589B2 (en) 2017-06-26 2021-02-09 Facebook Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US10686996B2 (en) * 2017-06-26 2020-06-16 Facebook Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US10419701B2 (en) 2017-06-26 2019-09-17 Facebook Technologies, Llc Digital pixel image sensor
US10598546B2 (en) 2017-08-17 2020-03-24 Facebook Technologies, Llc Detecting high intensity light in photo sensor
TWI773791B (zh) * 2017-10-30 2022-08-11 美商元平台公司 具有擴展動態範圍的數位像素
US11393867B2 (en) 2017-12-06 2022-07-19 Facebook Technologies, Llc Multi-photodiode pixel cell
JP7043284B2 (ja) * 2018-02-15 2022-03-29 キヤノン株式会社 撮像装置および撮像システム、および移動体
US10969273B2 (en) 2018-03-19 2021-04-06 Facebook Technologies, Llc Analog-to-digital converter having programmable quantization resolution
US11004881B2 (en) 2018-04-03 2021-05-11 Facebook Technologies, Llc Global shutter image sensor
US10812742B2 (en) * 2018-04-18 2020-10-20 Facebook Technologies, Llc Apparatus and method for determining whether a photodiode saturates and outputting a digital value representing a charge from that photodiode based on that determination
US10834344B2 (en) * 2018-06-09 2020-11-10 Facebook Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US11089210B2 (en) 2018-06-11 2021-08-10 Facebook Technologies, Llc Configurable image sensor
US11089241B2 (en) 2018-06-11 2021-08-10 Facebook Technologies, Llc Pixel cell with multiple photodiodes
US11906353B2 (en) 2018-06-11 2024-02-20 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US11463636B2 (en) * 2018-06-27 2022-10-04 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having multiple photodiodes
US10897586B2 (en) 2018-06-28 2021-01-19 Facebook Technologies, Llc Global shutter image sensor
US10931884B2 (en) * 2018-08-20 2021-02-23 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having adaptive exposure time
US11956413B2 (en) 2018-08-27 2024-04-09 Meta Platforms Technologies, Llc Pixel sensor having multiple photodiodes and shared comparator
US10784301B2 (en) * 2018-10-08 2020-09-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensors including an amorphous region and an electron suppression region
US11595602B2 (en) 2018-11-05 2023-02-28 Meta Platforms Technologies, Llc Image sensor post processing
US11102430B2 (en) 2018-12-10 2021-08-24 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having multiple photodiodes
US11218660B1 (en) 2019-03-26 2022-01-04 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having shared readout structure
US11943561B2 (en) 2019-06-13 2024-03-26 Meta Platforms Technologies, Llc Non-linear quantization at pixel sensor
US11936998B1 (en) 2019-10-17 2024-03-19 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel sensor having extended dynamic range
US11902685B1 (en) 2020-04-28 2024-02-13 Meta Platforms Technologies, Llc Pixel sensor having hierarchical memory
US11910114B2 (en) 2020-07-17 2024-02-20 Meta Platforms Technologies, Llc Multi-mode image sensor
US11956560B2 (en) 2020-10-09 2024-04-09 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel sensor having reduced quantization operation

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6307195B1 (en) * 1999-10-26 2001-10-23 Eastman Kodak Company Variable collection of blooming charge to extend dynamic range
US20050083421A1 (en) * 2003-10-16 2005-04-21 Vladimir Berezin Dynamic range enlargement in CMOS image sensors
JP5251736B2 (ja) * 2009-06-05 2013-07-31 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器

Also Published As

Publication number Publication date
US20120068051A1 (en) 2012-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20120029840A (ko) 이미지 센서의 구동 방법
JP3201514U (ja) シャッタ効率を改善したグローバルシャッタ・イメージセンサ画素
US9762837B2 (en) Photoelectric conversion device and image-pickup apparatus
US9602750B2 (en) Image sensor pixels having built-in variable gain feedback amplifier circuitry
US10536652B2 (en) Image sensors with split photodiodes
US9456157B2 (en) Image sensor pixels having p-channel source follower transistors and increased photodiode charge storage capacity
US9094612B2 (en) Back side illuminated global shutter image sensors with back side charge storage
US7800675B2 (en) Method of operating a storage gate pixel
US9159753B2 (en) Image sensor pixels with self-aligned lateral anti-blooming structures
US10070079B2 (en) High dynamic range global shutter image sensors having high shutter efficiency
KR101930755B1 (ko) 이미지 센서의 구동 방법
CN114173071B (zh) 具有埋入式沟道的双转换增益电路
JP2008511998A (ja) 埋設した空乏層を有する能動感光性構造
JP2009253149A (ja) 光電変換装置及びそれを用いた撮像システム
US9520425B2 (en) Image sensors with small pixels having high well capacity
US9252185B2 (en) Back side illuminated image sensors with back side charge storage
US9966399B2 (en) Pixel having a plurality of pinned photodiodes
US10141356B2 (en) Image sensor pixels having dual gate charge transferring transistors
KR100753973B1 (ko) 파라메트릭 리셋을 이용하여 낮은 리셋 노이즈를 갖고 낮은 암전류를 생성하는 3ｔ 픽셀을 갖는 ｃｍｏｓ 이미지 센서
TWI487097B (zh) Solid state camera device
CN111526307A (zh) 图像传感器
KR102067296B1 (ko) 고체 촬상 소자 및 전자 기기
US11037977B2 (en) Stacked image sensor capable of simultaneous integration of electrons and holes
JP2019096914A (ja) 固体撮像装置
CN112291490A (zh) 成像系统及生成具有降低的暗电流噪声的图像信号的方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application