KR20160023218A - 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 제1 시간 동안 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역, 및 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며, 상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로 렌즈에 상응하고, 상기 이미지 센서는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작한다.
Description
본 발명의 개념에 따른 실시예는 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작하는 이미지 센서의 성능을 높일 수 있는 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지(optical image)를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 상기 이미지 센서는 디지털 카메라 또는 다른 이미지 처리 장치에 사용된다. 상기 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함한다.
상기 전기적 신호의 기초가 되는 광전하(photocharge)의 양을 결정하는 노출 시간(exposure time)의 조절에는, 크게 기계적 셔터(mechanical shutter) 방식과 전기적 셔터(electrical shutter) 방식이 이용된다.
첫째로, 상기 기계적 셔터 방식은 기계적인 장치를 이용해 상기 픽셀들로 입사되는 빛을 물리적으로 차단하는 방식이다.
둘째로, 상기 전기적 셔터 방식은 주로 CMOS 이미지 센서(Complementary Metal-Oxide Semiconductor Image Sensor;CIS)에서 사용되며, 상기 광전하가 생성되어 축적되는 축적 시간(integration time)을 전기적으로 제어하는 방식이다.
상기 전기적 셔터 방식은 롤링 셔터(rolling shutter) 방식과 글로벌 셔터(global shutter) 방식을 포함한다.
상기 롤링 셔터 방식은 상기 축적 시간을 픽셀 어레이의 로우(row) 별로 다르게 제어하는 방식이고, 상기 글로벌 셔터 방식은 상기 축적 시간을 상기 픽셀 어레이의 모든 로우들에 대해 동일하게 제어하는 방식이다.
상기 글로벌 셔터 방식은 상기 로우 별로 다른 축적 시간으로 인한 이미지의 왜곡을 제거할 수 있는 장점을 가지나, 몇몇의 단점들(예컨대, 집적도 측면에서 불리)도 함께 가지고 있으므로 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 이미지 센서의 단점을 극복할 수 있는 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 제1 시간 동안 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역, 및 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며, 상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로 렌즈에 상응하고, 상기 이미지 센서는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작한다.
실시예에 따라, 상기 포토 다이오드 영역과 상기 저장 다이오드 영역은 로우 방향(row direction) 또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬히 배치된다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 시간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 넘치지(overflow) 않도록 하는 오버플로우 게이트, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 전송하는 저장 게이트, 및 상기 저장 다이오드에 저장된 상기 광전하를 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)으로 전송하는 전송 게이트를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 상기 전송 게이트, 및 상기 플로팅 디퓨젼은 순차적으로 일렬로 배치된다.
실시예에 따라, 상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨은 상기 단위 픽셀에 인접하는 다른 단위 픽셀에 의해 센싱(sensing)된다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 및 상기 전송 게이트 각각은 리세스(recess) 게이트 구조를 갖는다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 저장 다이오드 영역에 상응하는 넓이를 가지고, 상기 입사광을 차단하는 차광막을 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드의 사이에 상기 입사광을 차단하는 제2 DTI를 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과의 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 상기 단위 픽셀의 테두리에 형성되는 제1 DTI를 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과 신호 출력 회로를 공유하며, 상기 신호 출력 회로는 상기 저장된 광전하가 전송되는 플로팅 디퓨젼을 리셋(reset)하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨에 대응되는 전류를 생성하는 소스 팔로워(source follower), 및 상기 전류를 픽셀 신호로서 출력하는 선택 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 각각이 제1 시간 동안 조사된 입사광에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 리드아웃 회로, 및 상기 픽셀 어레이와 상기 리드아웃 회로를 제어하는 타이밍 제네레이터를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 상기 제1 시간 동안 상기 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역, 및 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며, 상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하고, 상기 이미지 센서는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작한다.
실시예에 따라, 상기 포토 다이오드 영역과 상기 저장 다이오드 영역은 로우 방향(row direction) 또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬히 배치된다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 시간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 넘치지(overflow) 않도록 하는 오버플로우 게이트, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 전송하는 저장 게이트, 및 상기 저장 다이오드에 저장된 상기 광전하를 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)으로 전송하는 전송 게이트를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 상기 전송 게이트, 및 상기 플로팅 디퓨젼은 순차적으로 일렬로 배치된다.
실시예에 따라, 상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨은 상기 단위 픽셀에 인접하는 다른 단위 픽셀에 의해 센싱(sensing)된다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 및 상기 전송 게이트 각각은 리세스(recess) 게이트 구조를 갖는다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 저장 다이오드 영역에 상응하는 넓이를 가지고, 상기 입사광을 차단하는 차광막을 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드의 사이에 상기 입사광을 차단하는 제2 DTI를 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과의 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 상기 단위 픽셀의 테두리에 형성되는 제1 DTI를 더 포함한다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과 신호 출력 회로를 공유하며, 상기 신호 출력 회로는 상기 저장된 광전하가 전송되는 플로팅 디퓨젼을 리셋(reset)하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨에 대응되는 전류를 생성하는 소스 팔로워(source follower), 및 상기 전류를 상기 픽셀 신호로서 출력하는 선택 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 제1 시간 동안 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드; 및 상기 저장 다이오드로 입사되는 상기 입사광을 차단하는 차광부를 포함하며, 상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하고, 상기 이미지 센서는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작한다.
실시예에 따라, 상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드는 로우 방향(row direction) 또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬히 배치된다.
실시예에 따라, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 시간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 넘치지(overflow) 않도록 하는 오버플로우 게이트, 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 전송하는 저장 게이트, 및 상기 저장 다이오드에 저장된 상기 광전하를 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)으로 전송하는 전송 게이트를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 상기 전송 게이트, 및 상기 플로팅 디퓨젼은 순차적으로 일렬로 배치된다.
실시예에 따라, 상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 및 상기 전송 게이트 각각은 리세스(recess) 게이트 구조를 갖는다.
실시예에 따라, 상기 차광부는, 상기 저장 다이오드에 상응하는 넓이를 가지고, 상기 입사광을 차단하는 차광막, 상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과의 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 상기 단위 픽셀의 테두리에 형성되는 제1 DTI, 및 상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드의 사이에 상기 입사광을 차단하는 제2 DTI를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템은 각각이 제1 시간 동안 조사된 입사광에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서, 및 상기 디지털 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 상기 제1 시간 동안 상기 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역, 및 상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며, 상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하고, 상기 이미지 처리 시스템은 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템에 의하면, 저장 다이오드 영역이 아닌 포토 다이오드 영역에만 상응하도록 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 수광 효율을 높이고 빛샘 현상을 줄일 수 있다.
또한, 트랜지스터의 게이트들을 리세스 게이트 구조로 구현하고 포토 다이오드 또는 저장 다이오드를 반도체 기판의 표면에 위치시키지 않음으로써, 최대 우물 용량(full well capacity;FWC) 및 감도가 높아질 수 있다.
또한, 포토 다이오드, 저장 다이오드, 및 플로팅 디퓨젼이 순차적으로 일렬로 배치됨으로써, 상기 소자들 간의 광전하의 전송 효율이 높아질 수 있다.
또한, 저장 다이오드 주변에 차광부를 형성함으로써, 빛샘 현상이 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 9는 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 12는 도 6 또는 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃의 단면을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 9는 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 12는 도 6 또는 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃의 단면을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 처리 시스템(100)은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, PDA(personal digital assistant), EDA (enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID), 웨어러블 컴퓨터, 사물 인터넷 (internet of things(IoT)) 장치, 또는 만물 인터넷(internet of everything(IoE)) 장치로 구현될 수 있다.
이미지 처리 시스템(100)은 광학 렌즈(103), CMOS 이미지 센서(110), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 200), 및 디스플레이(300)를 포함한다. 각 구성 요소(110과 200)는 칩(chip)으로 구현될 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 광학 렌즈(103)를 통하여 입력된(또는 캡쳐된(captured)) 피사체(101)에 대한 디지털 픽셀 신호(DPS)를 생성할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 픽셀(또는 APS(active pixel sensor)) 어레이 (120), 로우 드라이버(130), 타이밍 생성기(140), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 블록(150), 비교기 블록(152), 및 아날로그-디지털 변환 블록(analog-to-digital conversion(ADC) block; 154), 제어 레지스터 블록(160), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(110)는 글로벌 셔터(global shutter) 작동을 수행할 수 있는 구조로 구현될 수 있다.
상기 글로벌 셔터는 픽셀 어레이(120)에 포함된 포토 다이오드들(예컨대, 도 7의 PD)이 광전하(photocharge)를 축적하는 축적 시간(integration time)을 픽셀 어레이(120)의 모든 로우들(rows)에 대해 동일하게 제어하는 방식을 의미할 수 있다.
픽셀 어레이(120)는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 픽셀들(10)을 포함한다. 픽셀 어레이(120)와 복수의 픽셀들(10) 각각의 구조와 작동은 도 2부터 도 12를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 복수의 픽셀들(10)이 하나의 픽셀 어레이(120)를 구성한다는 점에서 복수의 픽셀들(10) 각각은 단위 픽셀(unit pixel)로 불릴 수 있다.
로우 드라이버(130)는, 타이밍 생성기(140)의 제어에 따라, 복수의 픽셀들 (10) 각각의 동작을 제어하기 위한 복수의 제어 신호들(OS, SS, TS, RS, SLS)을 픽셀 어레이(120)로 전송할 수 있다. 상기 복수의 제어 신호들(OS, SS, TS, RS, SLS)은 도 7, 도 8, 도 10, 및 도 11을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
타이밍 생성기(140)는, 제어 레지스터 블록(160)의 제어에 따라, 로우 드라이버(130), CDS 블록(150), ADC 블록(154), 및 램프 신호 생성기(170)의 작동을 제어한다.
CDS 블록(150)은 픽셀 어레이(120)에 구현된 복수의 컬럼 라인들 각각으로부터 출력된 각 픽셀 신호(P1~Pm; m은 자연수)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행한다.
비교기 블록(152)은 CDS 블록(150)으로부터 출력된 복수의 상관 이중 샘플된 픽셀 신호들 각각과 램프 신호 생성기(170)로부터 출력된 램프 신호를 서로 비교(예컨대, 전압 레벨을 비교)하고, 비교의 결과에 따라 복수의 비교 신호들을 출력한다.
ADC 블록(154)은 비교기 블록(152)으로부터 출력된 복수의 비교 신호들 각각을 디지털 신호로 변환하고, 복수의 디지털 신호들을 버퍼(180)로 출력한다.
CDS 블록(150), 비교기 블록(152), 및 ADC 블록(154)은 리드아웃 회로(readout circuit)로 불릴 수 있다.
제어 레지스터 블록(160)은, DSP(200)의 제어에 따라, 타이밍 생성기(140), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)의 작동을 제어한다.
버퍼(180)는 ADC 블록(154)으로부터 출력된 복수의 디지털 신호들에 각각 대응되는 복수의 디지털 픽셀 신호(DPS)들을 DSP(200)로 전송한다.
DSP(200)는 이미지 신호 프로세서(210), 센서 컨트롤러(220), 및 인터페이스 (230)를 포함한다.
이미지 신호 프로세서(210)는 제어 레지스터 블록(160)을 제어하는 센서 컨트롤러(220)와, 인터페이스(210)를 제어한다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 DSP(200) 각각은 칩으로 구현되고, 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 이미지 신호 프로세서(210) 각각은 칩으로 구현되고 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다. 또 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 이미지 신호 프로세서(210)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
이미지 신호 프로세서(210)는 버퍼(180)로부터 전송된 디지털 픽셀 신호(DPS)들을 처리하고, 처리된 이미지 데이터(IDATA)를 인터페이스(230)로 전송한다.
센서 컨트롤러(220)는, 이미지 신호 프로세서(210)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(160)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성한다.
인터페이스(230)는 이미지 신호 프로세서(210)에서 처리된 이미지 데이터를 디스플레이(300)로 전송한다.
디스플레이(300)는 인터페이스(230)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이한다. 예컨대, 디스플레이(300)는 TFT-LCD(thin film transistor-liq0id crystal display), LED(light emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, 또는 AMOLED(active-matrix OLED) 디스플레이로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 픽셀 어레이의 일 실시예(400-1)는 도 1에 도시된 픽셀 어레이(120)가 3개의 로우와 3개의 컬럼을 가진 3 X 3 매트릭스 형태로 배열된 9 개의 픽셀들(10-1) 만을 포함한다고 가정한다. 설명의 편의상, 픽셀 어레이(120)가 9 개의 픽셀들(10-1)을 포함하는 것으로 설명하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 픽셀 어레이(120)는 n(n은 1이상의 정수) X m(m은 1이상의 정수)의 매트릭스 형태로 구현될 수 있다.
3 X 3의 픽셀 영역들(410)은 로우 방향(row direction)과 컬럼 방향(column direction) 각각에 평행 또는 수직으로 늘어선 형태를 가진다. 각 픽셀 영역(410)은 광학 렌즈(103)를 통하여 조사되는 입사광(incident light)을 픽셀 영역(410)의 중심으로 집중시키기 위한 마이크로 렌즈(450)를 포함할 수 있다.
픽셀들(10-1) 각각은 포토 다이오드 영역(photo diode area, PA11~PA33), 및 저장 다이오드 영역(storage diode area, SA11~SA33)을 포함할 수 있다. 예컨대, 2번째 로우와 2번째 컬럼의 교차점에 위치하는 픽셀(10-1)은 포토 다이오드 영역(PA22), 및 저장 다이오드 영역(SA22)을 포함한다.
포토 다이오드 영역(PA11~PA33)은 상기 입사광에 따라 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)를 포함하는 영역일 수 있다. 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)는 각 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)의 대부분을 차지하는 면적을 가질 수 있다.
포토 다이오드 영역(PA11~PA33)의 중심은 픽셀 영역(410)의 중심과 일치할 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈(450)는 입사광을 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)의 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)에 집중시킬 수 있다.
저장 다이오드 영역(SA11~SA33)은 글로벌 셔터 방식의 구현을 위해, 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)에 축적된 광전하를 일시적으로 저장하는 저장 다이오드(예컨대, 도 7의 SD)를 포함하는 영역일 수 있다. 각 저장 다이오드 영역(SA11~SA33)은 각 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)을 중심으로 45˚ 방향에 형성될 수 있다.
저장 다이오드(예컨대, 도 7의 SD)는 각 저장 다이오드 영역(SA11~SA33)의 대부분을 차지하는 면적을 가질 수 있다.
저장 다이오드 영역(예컨대, SA22) 각각은 동일한 픽셀(10-1)에 속한 포토 다이오드 영역(예컨대, PA22)에 대해 인접하여 배치되고, 포토 다이오드 영역(예컨대, PA22)과 저장 다이오드 영역(예컨대, SA22)이 배치되는 방향은 로우 방향(row direction) 및/또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬할(aslant) 수 있다.
예컨대, 포토 다이오드 영역(예컨대, PA22)과 저장 다이오드 영역(예컨대, SA22)이 배치되는 방향은 로우 방향(row direction) 및/또는 컬럼 방향(column direction)과 45˚의 각도를 이룰 수 있다.
마이크로 렌즈(450)는 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)에 상응하도록 형성될 수 있다. 여기서, 상응한다는 의미는 마이크로 렌즈(450)가 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)의 넓이에 상응하는 넓이를 가지고, 포토 다이오드(예컨대, 도 7의 PD)와 대부분의 면적이 겹치도록(overlap) 형성된다는 의미일 수 있다.
반면에, 마이크로 렌즈(450)는 저장 다이오드(예컨대, 도 7의 SD)에 상응하지 않도록 형성될 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(450)가 저장 다이오드(예컨대, 도 7의 SD)의 넓이에 상응하지 않는 넓이를 가지고, 저장 다이오드(예컨대, 도 7의 SD)와 대부분의 넓이가 겹치지 않도록 형성될 수 있다.
이는 픽셀 영역들(410)에 마이크로 렌즈(450) 각각이 배치되는 경우 인접하는 마이크로 렌즈들(450) 사이(예컨대, PA11, PA12, PA21, 및 PA22에 각각 상응하는 마이크로 렌즈들의 사이)의 공간에 저장 다이오드 영역(예컨대, SA21)이 배치될 수 있음을 의미한다.
따라서, 포토 다이오드 영역(PA11~PA33) 각각은 마이크로 렌즈(450) 각각에 최대한 상응하도록 형성되고, 저장 다이오드 영역(SA11~SA33) 각각은 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)을 제외한 영역에 형성됨으로써, 동일한 면적에서 픽셀(10-1)의 배치 효율 또는 집적도를 높일 수 있다.
또한, 저장 다이오드 영역(SA11~SA33)가 아닌 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)에만 상응하도록 마이크로 렌즈(450)를 형성함으로써, 수광 효율을 높이고 빛샘 현상을 줄일 수 있다.
상기 수광 효율이란, 단위 면적당 입사될 수 있는 입사광의 양을 의미할 수 있다. 상기 빛샘 현상이란, 포토 다이오드(PD)가 생성한 광전하 만을 저장하여야 하는 저장 다이오드(SD)가 상기 광전하 이외의 광전하(예컨대, 저장 다이오드(SD) 쪽으로 입사된 입사광에 의해 생성된 광전하)를 저장하여 픽셀 신호(P1~Pm)에 노이즈(noise)를 발생시키는 현상을 의미할 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 각각 픽셀 어레이의 실시예들(400-2, 400-3, 및 400-4)에서는 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예(400-1)와 달리 각 픽셀(10-2, 10-3, 및 10-4)에 포함된 각 저장 다이오드 영역(SA11~SA33)은 각 포토 다이오드 영역(PA11~PA33)을 중심으로 각각 135˚, 225˚, 및 315˚ 방향에 형성될 수 있다.
픽셀 어레이의 실시예들(400-2, 400-3, 및 400-4)의 각 픽셀(10-2, 10-3, 및 10-4)의 구조와 동작은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 실시예(400-1)의 픽셀(10-1)의 구조와 동작과 실질적으로 동일하다.
도 6은 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 픽셀의 레이아웃(500)은 도 2에 도시된 픽셀들(10-1) 중 2번째 로우와 2번째 컬럼의 교차점에 위치하는 픽셀(10-1)의 레이아웃을 나타낸다. 비록 도 2에 도시된 픽셀(10-1)의 레이아웃이 설명되나, 도 3 내지 도 5에 도시된 픽셀들(10-2, 10-3, 및 10-4)의 레이아웃(미도시)은 픽셀의 레이아웃(500)와 방향이 다를 뿐 실질적으로 동일하다.
픽셀의 레이아웃(500)은 픽셀(10-1)에 포함되는 각 소자들의 배치 상태를 나타내고 있다.
픽셀의 레이아웃(500)은 포토 다이오드 영역(PA22), 및 저장 다이오드 영역(SA22)을 포함할 수 있다. 포토 다이오드 영역(PA22), 및 저장 다이오드 영역(SA22)은 각각 DTI(Deep Trench Isolation) 영역(510), 및 액티브(active) 영역(515)을 포함할 수 있다.
DTI 영역(510)은 서로 인접하는 다른 픽셀(미도시)의 액티브 영역(미도시)과의 전기적 또는 광학적인 분리를 위해 액티브 영역(515)의 테두리에 형성될 수 있다.
DTI 공정(process)으로 형성된 DTI 영역(510)에는 하프늄 옥사이드(hafnium oxide) 등의 산화물(oxide), 및/또는 폴리실리콘(polysilicon) 등이 채워질 수 있다.
예컨대, DTI 영역(510)은 반사율이 높은 보론(boron)이 도핑된 폴리 실리콘막(poly silicon)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
DTI 영역(510)은 액티브 영역끼리의 캐리어(carrier) 교환으로 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 저하시키는 전기적 크로스토크(electric crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 또한, DTI 영역(510)의 측벽은 빛의 반사율이 높은 물질로 도핑(doping)되어 액티브 영역(510)으로 입사되는 빛이 인접하는 다른 액티브 영역(미도시)으로 투과하여 신호 대 잡음비를 저하시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 예컨대, DTI 영역(510)의 측벽은 반사율이 높은 보론(boron)이 도핑된 폴리 실리콘막(poly silicon)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
액티브 영역(515)은 STI(Shallow Trench Isolation, 520), 웰 영역(well area, 530), 오버플로우(overflow) 트랜지스터(OX)의 게이트(OG, 540), 저장(storage) 트랜지스터(SX)의 게이트(SG, 542), 전송(transfer) 트랜지스터(TX)의 게이트(TG, 544), 리셋(reset) 트랜지스터(RX)의 게이트(RG, 546), 소스 팔로워(source follower;SF)의 게이트(SFG, 548), 선택(selection) 트랜지스터(SEL)의 게이트(SELG, 550), 플로팅 디퓨젼(floating diffusion, 560), 픽셀 전압 단자(VP, 570), 접지 단자(GND, 580), 및 출력 단자(590)를 포함할 수 있다.
액티브 영역(515)에 포함되는 각각의 소자들의 배치는 도 6에 한정되지 않고 얼마든지 설계 변경이 가능할 수 있다.
STI(520)는 DTI 영역(510)의 안쪽에서 각 소자들의 주변에 형성될 수 있다. STI(520)는 상기 각 소자들끼리의 전기적인 분리를 위해 STI 공정으로 형성될 수 있고, DTI 영역(510)에 비해 얕은 깊이를 가질 수 있다. STI(520)의 내부는 DTI 영역(510)과 실질적으로 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
웰 영역(530)은 P 타입(P-type) 또는 N 타입(N-type)으로 도핑된 영역으로, 각 소자들 간의 전기적인 분리를 위해 형성될 수 있다. 웰 영역(530)에는 높은 농도(예컨대, p++ 또는 n++)로 도핑된 영역이 형성될 수 있고, 상기 높은 농도로 도핑된 영역은 오버플로우 트랜지스터(OX), 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL) 각각의 소스 단자 및/또는 드레인 단자로서의 역할을 할 수 있다. 웰 영역(607)은 상기 높은 농도로 도핑된 영역을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트(540), 저장 트랜지스터(SX)의 게이트(542), 전송 트랜지스터(TX)의 게이트(544), 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트(546), 소스 팔로워(SF)의 게이트(548), 및 선택 트랜지스터(SEL)의 게이트(550)는 각각 도 7에서 후술하는 바와 같이 각각의 제어 신호(OS, SS, TS, RS, 및 SLS)를 입력받거나 소스 팔로워(SF)의 게이트(548)의 경우 플로팅 디퓨젼(560)에 연결될 수 있다. 각 게이트(540~550)는 폴리 실리콘(poly silicon)으로 형성될 수 있다.
여기서, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트(540), 저장 트랜지스터(SX)의 게이트(542), 전송 트랜지스터(TX)의 게이트(544), 및 플로팅 디퓨젼(560)은 순차적으로 일렬로 배치될 수 있다. 도 7에서 나타난 바와 같이, 포토 다이오드(PD), 저장 다이오드(SD), 및 플로팅 디퓨젼(FD)으로 순차적으로 전송되는 것은 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하이다.
상기 광전하의 전송 효율은 포토 다이오드(PD), 저장 다이오드(SD), 및 플로팅 디퓨젼(FD) 간의 채널(channel)의 길이가 짧을수록, 채널의 폭이 넓을수록 증가하게 된다. 따라서, 포토 다이오드(PD), 저장 다이오드(SD), 및 플로팅 디퓨젼(FD) 간의 광전하의 전송 효율을 최대화하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 상기 소자들(540, 542, 544, 및 560)은 순차적으로 일렬로 배치될 수 있다.
포토 다이오드(PD), 저장 다이오드(SD), 및 플로팅 디퓨젼(FD) 간의 전하의 전송은 매우 짧은 구간에서 이루어지므로, 만일 상기 전송 효율이 양호하지 못할 경우 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하가 전부 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전달되지 못하는 현상이 발생한다. 이는 픽셀 신호(P1~Pm)에 노이즈(noise)를 발생시킬 수 있다.
플로팅 디퓨젼(560)은 전송 트랜지스터(TX)의 게이트(544)와 인접하여 형성될 수 있다. 플로팅 디퓨젼(560)은 포토 다이오드(PD)에 의해 생성되는 광전하가 저장 트랜지스터(SX), 및 전송 트랜지스터(TX)를 통해 전송되어 축적되는 노드이다.
플로팅 디퓨젼(560)은 소스 팔로워(SF)의 게이트(548)에 연결될 수 있으므로, 플로팅 디퓨젼(560)의 전압 레벨(voltage level)은 소스 팔로워(SF)에 의해 센싱되어 소스 팔로워(SF)는 상기 전압 레벨에 대응하는 전류를 선택 트랜지스터(SEL)로 전송할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 플로팅 디퓨젼(560)은 소스 팔로워(SF)의 게이트(548)가 아닌 픽셀의 레이아웃(500)에 인접하는 다른 픽셀(예컨대, PA13, 및 SA13을 포함하는 픽셀)의 소스 팔로워의 게이트(미도시)에 연결될 수 있다. 이 경우, 플로팅 디퓨젼(560)의 전압 레벨은 포토 다이오드 영역(PA13)에 포함된 소스 팔로워(미도시)에 의해 센싱되어 소스 팔로워(미도시)는 상기 전압 레벨에 대응하는 전류를 포토 다이오드 영역(PA13)에 포함된 선택 트랜지스터(미도시)로 전송할 수 있다. 여기서, 상기 인접하는 다른 픽셀은 픽셀의 레이아웃(500)과 다른 로우에 속한 임의의 픽셀일 수 있다.
픽셀 전압 단자(570)는 픽셀의 레이아웃(500)에 해당하는 픽셀(10-1)의 동작에 필요한 픽셀 전압(Vpix)을 공급할 수 있다. 예컨대, 픽셀 전압 단자(570)는 오버플로우 트랜지스터(OX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 소스팔로워(SF) 각각의 드레인 단자에 픽셀 전압(Vpix)을 공급할 수 있다. 픽셀 전압(Vpix)은 전원 전압(VDD) 이하의 전압일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
접지 단자(580)는 픽셀의 레이아웃(500)에 해당하는 픽셀(10-1)의 동작에 필요한 접지 전압(VSS)을 공급할 수 있다. 예컨대, 접지 단자(580)는 포토 다이오드(PD), 및 저장 다이오드(SD)의 일측단에 접지 전압(VSS)을 공급할 수 있다.
출력 단자(590)는 선택 트랜지스터(SX)의 소스 단자에 연결되어, 상기 소스 단자로부터 출력되는 픽셀 신호를 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
도 6에 도시된 A-A'에 해당하는 단면은 도 12를 참조해 후술된다.
도 7에서, 픽셀의 레이아웃(500)에 해당하고 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있는 픽셀(550)은 포토 다이오드(PD), 오버플로우 트랜지스터(OX), 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)를 포함한다.
포토 다이오드(PD)는 입사광에 응답하여 생성된 광전하들을 축적(또는 수집)한다.
오버플로우 트랜지스터(OX)는 픽셀 전압(Vpix)을 공급하는 픽셀 전압 단자(VP)와 포토 다이오드(PD) 사이에 접속된다. 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트(OG)는 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하들이 저장 다이오드(SD)로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 오버플로우 게이트 신호(OS)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
예컨대, 픽셀(550)로 입사되는 입사광의 세기가 클 경우(태양 또는 전구 등을 촬영할 때 즉, 고조도일 때), 또는 축적 시간(Tint) 이외의 시간에서 생성된 광전하가 포토 다이오드(PD)에 축적될 경우, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하들(예컨대, 전자들)이 저장 다이오드(SD)로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
저장 트랜지스터(SX)는 포토 다이오드(PD)와 저장 다이오드(SD) 사이에 접속되고, 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하들은 저장 트랜지스터(SX)를 통해 저장 다이오드(SD)에 저장된다. 저장 트랜지스터(SX)는 저장 트랜지스터(SX)의 게이트(SG)로 공급되는 저장 제어 신호(SS)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
전송 트랜지스터(TX)는 저장 다이오드(SD)와 플로팅 디퓨젼(FD) 사이에 접속된다. 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들은 전송 트랜지스터(TX)를 통해 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장(또는 축적)된다. 전송 트랜지스터(TX)는 게이트 (TG)로 공급되는 전송 제어 신호(TS)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 픽셀 전압(Vpix)을 공급하는 픽셀 전압 단자(VP)와 플로팅 디퓨젼(FD) 사이에 접속되고, 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 광전하들(예컨대, 전자들)을 픽셀 전압 단자(VP)로 전송할 수 있다. 즉, 리셋 트랜지스터(RX)가 온(on)되는 경우, 플로팅 디퓨젼(FD)의 전압 레벨은 픽셀 전압(Vpix)으로 리셋될 수 있다.
소스팔로워(SF)는 픽셀 전압(Vpix)을 공급하는 픽셀 전압 단자(VP)와 선택 트랜지스터(SEL) 사이에 접속되고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하들에 따라 결정된 전압 레벨에 기초하여 동작한다.
도 6 및 도 7에서는 설명의 편의를 위해, 픽셀 전압(Vpix)이 오버플로우 트랜지스터(OX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 소스팔로워(SF)로 공통으로 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 실시 예들에 따라 오버플로우 트랜지스터(OX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 소스팔로워(SF) 각각으로 공급되는 동작 전압은 서로 다르게 설계될 수 있다.
선택 트랜지스터(SEL)는 선택 신호(SLS)에 응답하여 소스 팔로워(SF)의 출력 신호(예컨대, 아날로그 픽셀 신호)를 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
도 8에서는 도 7에 도시된 각 제어 신호(OS, RS, SS, TS, SLS)에 따른 픽셀(550)의 동작 방법이 설명된다.
시점(T1)에서, 전송 제어 신호(TS)는 하이 레벨로 천이(transit)한다. 시점(T1)에서, 리셋 신호(RS)가 하이 레벨이므로, 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 리셋 트랜지스터(RX)를 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전(discharge)된다.
시점(T2)에서, 저장 제어 신호(SS)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에 저장된 전하들은 트랜지스터들(SX, TX, RX)을 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전된다.
시점(T3)에서, 전송 제어 신호(TS)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 리셋 트랜지스터(RX)를 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전된다.
시점(T2')부터 시점(T4)까지로 정의되는 축적 시간(Tint) 또는 제1 시간(first period) 동안, 포토 다이오드(PD)는 입사광을 이용하여 전하들을 축적한다.
시점(T4)에서, 저장 제어 신호(SS)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에 저장된 전하들은 저장 트랜지스터(SX)를 통해 저장 다이오드(SD)에 저장된다.
시점(T5)에서 선택 제어 신호(SLS), 및 오버플로우 제어 신호(OS)는 하이 레벨로 천이한다. 오버플로우 제어 신호(OS)가 하이 레벨로 천이함에 따라 포토 다이오드(PD)의 전하들은 픽셀 전압 단자(VP)로 방전되므로, 포토 다이오드(PD)의 전하들은 저장 다이오드(SD)로 오버플로우되지 않는다.
다른 실시예에 따라, 오버플로우 제어 신호(OS)는 시점(T5)이 아닌 다른 시점(T4' 에서 T5까지의 임의의 시점)에서 하이 레벨로 천이할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 픽셀(550)로 입사되는 입사광의 세기가 클 경우(즉, 고조도일 때), 축적 시간(Tint) 중 임의의 구간에서 오버플로우 제어 신호(OS)가 하이 레벨로 천이할 수 있다.
시점(T6)에서 리셋 제어 신호(RS)는 로우 레벨로 천이한다.
시점(Trs)에서 리셋 신호에 대한 샘플링이 수행된다. 상기 리셋 신호는 플로팅 디퓨젼(FD)이 픽셀 전압(Vpix)으로 리셋된 직후, 플로팅 디퓨젼(FD)의 전압 레벨에 따라 출력되는 픽셀 신호를 의미할 수 있다. 상기 리셋 신호에 대한 샘플링은 CDS 블록(150)과 비교기 블록(152)에 의해 수행될 수 있다.
시점(T7)에서, 전송 제어 신호(TS)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들은 플로팅 디퓨젼(FD)에 저장된다.
시점(Tss)에서 이미지 신호에 대한 샘플링이 수행된다. 상기 이미지 신호는 플로팅 디퓨젼(FD)으로 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들의 전송이 완료된 직후, 플로팅 디퓨젼(FD)의 전압 레벨에 따라 출력되는 픽셀 신호를 의미할 수 있다. 상기 이미지 신호에 대한 샘플링은 CDS 블록(150)과 비교기 블록(152)에 의해 수행될 수 있다.
시점(T8)에서 선택 제어 신호(SLS)가 로우 레벨로 천이하면서 플로팅 디퓨젼(FD)에 대한 샘플링 동작이 완료된다.
도 9는 도 2에 도시된 픽셀의 레이아웃의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 10은 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃에 해당하는 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다. 도 11은 도 10에 도시된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 픽셀의 레이아웃(600)은 도 2에 도시된 픽셀들(10-1) 중 2번째 로우와 2번째 컬럼의 교차점에 위치하는 픽셀(10-1), 및 3번째 로우와 2번째 컬럼의 교차점에 위치하는 픽셀(10-1)의 레이아웃을 나타낸다. 비록 도 2에 도시된 픽셀들(10-1)의 레이아웃이 설명되나, 도 3 내지 도 5에 도시된 픽셀들(10-2, 10-3, 및 10-4)의 레이아웃(미도시)은 픽셀의 레이아웃(600)와 방향이 다를 뿐 실질적으로 동일하다.
픽셀의 레이아웃(600)은 픽셀들(10-1)에 포함되는 각 소자들의 배치 상태를 나타내고 있다.
픽셀의 레이아웃(600)은 포토 다이오드 영역(PA22, PA32), 및 저장 다이오드 영역(SA22, SA32)을 포함할 수 있다. 포토 다이오드 영역(PA22), 및 저장 다이오드 영역(SA22)은 각각 DTI 영역(510-1), 및 액티브 영역(515-1)을 포함할 수 있고, 포토 다이오드 영역(PA32), 및 저장 다이오드 영역(SA32)은 각각 DTI 영역(510-2), 및 액티브 영역(515-2)을 포함할 수 있다.
포토 다이오드 영역(PA22), 및 저장 다이오드 영역(SA22)에 포함된 각 소자들(520-1, 530-1, 540-1, 542-1, 544-1, 560-1) 또는 포토 다이오드 영역(PA32), 및 저장 다이오드 영역(SA32)에 포함된 각 소자들(520-2, 530-2, 540-2, 542-2, 544-2, 560-2)은 도 6에 도시된 각 소자들(520, 530, 540, 542, 544, 560)과 실질적으로 동일하다.
여기서, 저장 다이오드 영역(SA22)의 플로팅 디퓨젼(FD1)과 저장 다이오드 영역(SA32)의 플로팅 디퓨젼(FD2)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
그러나, 픽셀의 레이아웃(600)은, 도 6에 도시된 픽셀의 레이아웃(600)과 달리, 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트(546), 소스 팔로워(SF)의 게이트(548), 선택 트랜지스터(SEL)의 게이트(550), 픽셀 전압 단자(570), 접지 단자(580), 및 출력 단자(590)가 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 분산되어 배치될 수 있다. 즉, 상기 각 소자들(546, 548, 550, 570, 580, 590)은 서로 다른 픽셀(예컨대, 다른 로우에 속한 두 픽셀)에 포함된 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 의해 공유될 수 있다.
도 9에서는, 포토 다이오드 영역(PA22)이 일부 소자들(548, 550, 590)을 포함하고, 포토 다이오드 영역(PA32)이 나머지 소자들(546, 570, 580)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 각 소자들(546, 548, 550, 570, 580, 590) 중 각 포토 다이오드 영역(PA22, PA32)이 포함하는 소자들은, 상기 각 소자들(546, 548, 550, 570, 580, 590)이 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 모두 포함되는 한, 임의로 정해질 수 있다.
픽셀의 레이아웃(600)에서, 상기 각 소자들(546, 548, 550, 570, 580, 590)은 서로 다른 픽셀에 속한 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 의해 공유됨으로써, 하나의 픽셀(10-1)이 차지하는 면적을 줄일 수 있어 픽셀 어레이(120)의 집적도를 높일 수 있다.
도 10에서, 픽셀의 레이아웃(600)에 해당하고 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있는 픽셀(650)은 포토 다이오드들(PD1, PD2), 오버플로우 트랜지스터들(OX1, OX2), 저장 트랜지스터들(SX1, SX2), 전송 트랜지스터들(TX1, TX2), 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)를 포함한다.
포토 다이오드들(PD1, PD2), 오버플로우 트랜지스터들(OX1, OX2), 저장 트랜지스터들(SX1, SX2), 및 전송 트랜지스터들(TX1, TX2)은 각각 도 7에 도시된 포토 다이오드(PD), 오버플로우 트랜지스터(OX), 저장 트랜지스터(SX), 및 전송 트랜지스터(TX)와 실질적으로 동일한 동작을 수행한다.
도 9에서 설명한 바와 같이, 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)는 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 분산되어 배치될 수 있고, 도 7에 도시된 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)와 각각 실질적으로 동일한 동작을 수행한다. 다만, 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)는 포토 다이오드 영역들(PA22, PA32)에 의해 공유되는바, 각 플로팅 디퓨젼(FD1, FD2)에 대한 리셋, 및 샘플링 동작이 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)에 의해 수행될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워(SF), 및 선택 트랜지스터(SEL)는 신호 출력 회로(signal output circuit)로 불릴 수 있다.
도 11에서는 도 10에 도시된 각 제어 신호(OS1, OS2, SEL, RS, SS1, TS1, SS2, TS2)에 따른 픽셀(650)의 동작 방법이 설명된다.
시점(T1)에서, 전송 제어 신호들(TS1, TS2)은 하이 레벨로 천이(transit)한다. 시점(T1)에서, 리셋 신호(RS)가 하이 레벨이므로, 저장 다이오드들(SD1, SD2)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 각각 리셋 트랜지스터(RX)를 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전(discharge)된다.
시점(T2)에서, 저장 제어 신호들(SS1, SS2)은 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 포토 다이오드들(PD1, PD2)에 저장된 전하들은 각각 트랜지스터들(SX1, TX1, 및 RX 또는 SX2, TX2, 및 RX)을 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전된다.
시점(T3)에서, 전송 제어 신호들(TS1, TS2)은 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 저장 다이오드들(SD1, SD2)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 각각 리셋 트랜지스터(RX)를 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전된다.
시점(T2')부터 시점(T4)까지로 정의되는 축적 시간(Tint1, Tint2) 또는 제2 시간(second period) 동안, 포토 다이오드들(PD1, PD2) 각각은 입사광을 이용하여 전하들을 생성한다.
시점(T4)에서, 저장 제어 신호들(SS1, SS2)은 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 각 포토 다이오드(PD1, PD2)에 저장된 전하들은 각 저장 트랜지스터(SX1, SX2)를 통해 각 저장 다이오드(SD1, SD2)에 저장된다.
시점(T5)에서 선택 제어 신호(SLS), 및 오버플로우 제어 신호(OS1)는 하이 레벨로 천이한다. 오버플로우 제어 신호(OS1)가 하이 레벨로 천이함에 따라 포토 다이오드(PD1)의 전하들은 픽셀 전압 단자(VP)로 방전되므로, 포토 다이오드(PD1)의 전하들은 저장 다이오드(SD1)로 오버플로우되지 않는다.
다른 실시예에 따라, 오버플로우 제어 신호(OS1)는 시점(T5)이 아닌 다른 시점(T4' 에서 T5 까지의 임의의 시점)에서 하이 레벨로 천이할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 픽셀(650)로 입사되는 입사광의 세기가 클 경우(즉, 고조도일 때), 축적 시간(Tint1) 중 임의의 구간에서 오버플로우 제어 신호(OS1)가 하이 레벨로 천이할 수 있다.
시점(T6)에서 리셋 제어 신호(RS)는 로우 레벨로 천이한다.
시점(Trs1)에서 리셋 신호에 대한 샘플링이 수행된다.
시점(T7)에서, 전송 제어 신호(TS1)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 저장 다이오드(SD1)에 저장된 전하들은 플로팅 디퓨젼(FD1)에 저장된다.
시점(Tss1)에서 이미지 신호에 대한 샘플링이 수행된다.
시점(T8)에서 선택 제어 신호(SLS)가 로우 레벨로 천이하면서 플로팅 디퓨젼(FD1)에 대한 샘플링 동작이 완료된다.
시점(T9)에서 리셋 제어 신호(RS)가 하이 레벨로 천이하면서, 플로팅 디퓨젼(FD2)에 저장된 전하들은 리셋 트랜지스터(RX)를 통해 픽셀 전압 단자(VP)로 방전된다.
시점(T10)에서 선택 제어 신호(SLS), 및 오버플로우 제어 신호(OS2)는 하이 레벨로 천이한다. 오버플로우 제어 신호(OS2)가 하이 레벨로 천이함에 따라 포토 다이오드(PD2)의 전하들은 픽셀 전압 단자(VP)로 방전되므로, 포토 다이오드(PD2)의 전하들은 저장 다이오드(SD2)로 오버플로우되지 않는다.
다른 실시예에 따라, 오버플로우 제어 신호(OS2)는 시점(T10)이 아닌 다른 시점(T4'에서 T10까지의 임의의 시점)에서 하이 레벨로 천이할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 픽셀(650)로 입사되는 입사광의 세기가 클 경우(즉, 고조도일 때), 축적 시간(Tint2) 중 임의의 구간에서 오버플로우 제어 신호(OS2)가 하이 레벨로 천이할 수 있다.
시점(T11)에서 리셋 제어 신호(RS)는 로우 레벨로 천이한다.
시점(Trs2)에서 리셋 신호에 대한 샘플링이 수행된다.
시점(T12)에서, 전송 제어 신호(TS2)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 저장 다이오드(SD2)에 저장된 전하들은 플로팅 디퓨젼(FD2)에 저장된다.
시점(Tss2)에서 이미지 신호에 대한 샘플링이 수행된다.
시점(T13)에서 선택 제어 신호(SLS)가 로우 레벨로 천이하면서 플로팅 디퓨젼(FD2)에 대한 샘플링 동작이 완료된다.
여기서, 각각 다른 포토 다이오드(PD1, PD2)에 대한 샘플링 동작을 설명하기 위해 각각 대응하는 플로팅 디퓨젼(FD1, FD2)을 서로 구별하여 설명하였으나, 도 9에서 설명한 바와 같이 플로팅 디퓨젼(FD1, FD2)은 서로 전기적으로 연결되어 있어 실질적으로 동일한 노드에 해당한다.
도 12는 도 6 또는 도 9에 도시된 픽셀의 레이아웃의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 도 12에 도시된 픽셀(700)은 도 6의 A-A'를 따라 수직으로 자른 수직 단면의 일 실시예를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 도 6의 A-A'를 따라 수직으로 자른 수직 단면은 도 9의 B-B' 또는 C-C'를 따라 수직으로 자른 수직 단면과 몇몇 부재 번호가 다를 뿐(예컨대, 520, 520-1, 520-2) 실질적으로 동일한바 도 12에서는 도 6의 A-A'에 따른 수직 단면이 설명된다.
픽셀(700)은 입사층(incidence layer, 705), 반도체 기판(semiconductor substrate, 710), 및 배선층(wiring layer, 720)을 포함할 수 있다.
입사층(705)은 마이크로 렌즈(micro lens, 701), 제1 평탄층(first flat layer, 702), 컬러 필터(color filter, 703), 및 제2 평탄층(second flat layer, 704)을 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈(701)는 픽셀(700)의 상부(입사광이 먼저 도달하는 위치를 상부라 가정함)에 포토 다이오드(PD, 730)에 상응하도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(701)는 집광력(light gathering power)을 높여 이미지 품질을 높이기 위해 사용될 수 있다. 마이크로 렌즈(701)는 도 2 내지 도 5에 도시된 마이크로 렌즈(450)일 수 있다.
컬러 필터(703)는 마이크로 렌즈(701)의 하부에 형성될 수 있고, 특정 파장의 빛(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan))을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
제1 평탄층(702)과 제2 평탄층(704)은 컬러 필터(703)의 상부와 하부에 각각 형성될 수 있고, 마이크로 렌즈(701) 및 컬러 필터(703)를 통해 입사하는 입사광이 반사되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 평탄층(702)과 제2 평탄층(704)은 입사광을 효율적으로 투과시킴으로써 이미지 센서(110)의 성능(예컨대, 수광 효율 및 광 감도)을 향상시킬 수 있다.
반도체 기판(710)은 DTI 영역(510), STI(520), 웰 영역(530), 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트(540), 저장 트랜지스터(SX)의 게이트(542), 전송 트랜지스터(TX)의 게이트(544), 플로팅 디퓨젼(560), 픽셀 전압 단자(570), 포토 다이오드(730), 저장 다이오드(SD, 740), 제2 DTI(second DTI, 750), 및 차광막(light shielding film, 760)을 포함할 수 있다.
도 6에도 도시된 소자들(510, 520, 530, 540, 542, 544, 560, 570)은 도 6에서 설명되었으나, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트(540), 저장 트랜지스터(SX)의 게이트(542), 및 전송 트랜지스터(TX)의 게이트(544)는 각각 리세스 게이트(recess gate) 구조로 구현될 수 있다. 상기 리세스 게이트 구조는 수직 전송 게이트(vertical transfer gate) 구조로 불릴 수 있다.
상기 리세스 게이트 구조는 트렌치 공정(trench process)에 의해 형성될 수 있고, 상기 트렌치 공정은 반도체 기판(710)에 적당한 깊이의 트렌치를 형성하는 공정이다. 상기 트렌치 공정은 트렌치의 깊이가 상대적으로 깊은 상기 DTI 공정과 상대적으로 얕은 상기 STI 공정으로 나뉠 수 있다.
또한, 상기 트렌치 공정은 입사층(705) 쪽으로부터 트렌치를 시작하는 백 트렌치 공정(back trench process) 또는 배선층(720) 쪽으로부터 트렌치를 시작하는 프런트 트렌치 공정(front trench prcess)으로 나뉠 수 있다.
즉, 상기 리세스 게이트 구조는 상기 프런트 트렌치 공정으로 형성될 수 있다.
각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)는 포토 다이오드(730)와 저장 다이오드(740)의 수직 깊이에 따라 상기 DTI 공정 또는 상기 STI 공정에 의해 형성될 수 있다.
각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)가 상기 리세스 게이트 구조로 형성됨에 따라, 포토 다이오드(730) 및 저장 다이오드(740)는 반도체 기판(710)의 표면(즉, 560, 570이 형성된 표면)에 가깝게 형성될 필요 없이 반도체 기판(710)의 중앙에 형성될 수 있다. 즉, 픽셀(700)의 정상적인 동작을 위해 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)와 포토 다이오드(730) 또는 저장 다이오드(740)는 서로 인접하여 형성되어야 하는바, 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)가 반도체 기판(710)의 상기 표면에만 형성되어 있는 경우 포토 다이오드(730) 또는 저장 다이오드(740)는 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)에 대응되는 좁은 면적에만 형성되어야 한다.
반면에, 도 12와 같이 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)가 반도체 기판(710)에 삽입된 형태로 형성되는 경우 포토 다이오드(730) 또는 저장 다이오드(740)는 포토 다이오드 영역(PA22) 또는 저장 다이오드 영역(SA22)의 평면의 모든 면적에 걸쳐 형성될 수 있다.
따라서, 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)가 상기 리세스 게이트 구조로 형성될 경우, 포토 다이오드(730) 또는 저장 다이오드(740) 각각의 최대 저장 가능한 전하 수인 최대 우물 용량(full well capacity;FWC) 및 감도가 높아질 수 있다.
각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544)와 반도체 기판(710) 사이에는 게이트 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 게이트 절연막(미도시)은 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질일 수 있고, 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합 등을 원자층 증착법으로 형성된 것일 수 있다.
포토 다이오드(730) 및 저장 다이오드(740) 각각은 도 7에 도시된 포토 다이오드(PD) 및 저장 다이오드(SD)일 수 있다.
포토 다이오드(730) 및 저장 다이오드(740) 각각은 이온 주입(ion implantation) 공정을 수행함으로써 웰 영역(530) 내에 N 타입 또는 P 타입 영역으로 형성될 수 있다. 설명의 편의상 웰 영역(530)이 P 타입이고, 포토 다이오드(730) 및 저장 다이오드(740) 각각이 N 타입으로 가정한다.
실시예에 따라, 포토 다이오드(730) 및 저장 다이오드(740) 각각은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 n+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 n-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다.
저장 다이오드(740)는 도 12에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(730)와 다른 깊이로 형성될 수 있으며, 이는 저장 다이오드(740)에 저장된 광전하가 플로팅 디퓨젼(560)으로 보다 용이하게 전송될 수 있게 하기 위함이다.
포토 다이오드(730)는 높은 필팩터(fill-factor)를 얻기 위해, 포토 다이오드 영역(PA22)에서 DTI 영역(510) 및 제2 DTI(750)을 제외한 대부분의 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 상기 필팩터는 픽셀의 면적과 수광 영역의 비율로 정의할 수 있으며, 그 값이 높을수록 수광 효율이 높다.
DTI 영역(510)은 제1 DTI(first DTI)로 불릴 수 있다.
제2 DTI(750)는 포토 다이오드(730)와 저장 다이오드(740)의 사이에 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 제2 DTI(750)는 포토 다이오드(730)와 저장 다이오드(740) 각각의 수직 면적을 커버(cover)할 수 있는 제1 길이(D1)를 가질 수 있다.
제2 DTI(750)의 내부는 DTI 영역(510)과 실질적으로 동일한 물질로 이루어질 수 있고, 상기 백 트렌치 공정에 의해 형성될 수 있다.
즉, 제2 DTI(750)는 포토 다이오드(730)와 저장 다이오드(740) 사이에서 상기 전기적 크로스토크 현상과 상기 광학적 크로스토크 현상을 방지할 수 있다. 특히, 제2 DTI(750)는 포토 다이오드 영역(PA22)으로부터 투과되는 입사광을 차단함으로써, 저장 다이오드(740)가 포토 다이오드(730)로부터 전송된 전하들 이외의 전하를 저장하지 못하도록 할 수 있다.
제2 DTI(750)는 반도체 기판(710)의 상기 표면으로부터 제2 길이(D2) 만큼 이격될 수 있다. 제2 길이(D2)는 포토 다이오드(730)와 저장 다이오드(740) 간의 전하 전송을 위한 채널(channel) 형성을 위한 최소한의 길이일 수 있다.
차광막(760)은 저장 다이오드(740)에 상응하는 넓이를 가지고, 저장 다이오드(740)의 위(on or above)에 형성된다. 차광막(760)은 입사층(705)을 통해 조사되는 입사광을 차단할 수 있다. 차광막(760)은 텅스텐(tungsten)으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 DTI(510), 제2 DTI(750), 및 차광막(760)은 저장 다이오드(SD)로 입사되는 입사광을 차단하는 차광부(light shielding unit)로 불릴 수 있다. 즉, 제1 DTI(510), 제2 DTI(750), 및 차광막(760)에 의해 상기 빛샘 현상이 최소화될 수 있다.
예컨대, 도 11의 시점(T4)에서 각 저장 다이오드(SD1, SD2)가 동일한 광전하들이 동시에 저장된다고 가정한다. 그러나, 다른 로우에 속한 각 저장 다이오드(SD1, SD2)로부터 전송된 광전하들의 샘플링 시간은 Tss1과 Tss2로 달라지게 되므로 상기 차광부가 존재하지 않을 경우 상기 빛샘 현상에 의해 Tss1과 Tss2에서 샘플링된 신호들은 서로 달라질 수 있다. 상기 차광부는 상기 빛샘 현상을 최소화함으로써 샘플링 시간의 차이에 따른 노이즈를 방지할 수 있다.
배선층(720)은 각 트랜지스터(OX, SX, TX)의 게이트(540, 542, 544) 각각의 일부 및 다층의 도전 라인들(722)을 포함할 수 있다.
다층의 도전 라인들(722)은 각 트랜지스터(OX, SX, TX, RX, SEL)에 공급되는 제어 신호(OS, SS, TS, RS, SLS) 또는 픽셀(700)과 외부 간의 신호를 전달할 수 있다. 다층의 도전 라인들(722)은 예를 들어, 구리, 알루미늄과 같은 금속 물질을 포함하는 도전 물질을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다.
도 12에서와 같이, 픽셀(700)은 다층의 도전 라인들(722)이 반도체 기판(710)을 중심으로 입사층(705)의 반대편에 위치하는 후면 조사(backside illumination(BSI)) 방식의 픽셀로 구현될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 13은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 1과 도 13을 참조하면, 전자 시스템(800)은 MIPI 인터페이스(mobile industry processor interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), IPTV(internet protocol television) 또는 스마트 폰(smart phone)으로 구현될 수 있다.
전자 시스템(800)은 이미지 센서(110), 어플리케이션 프로세서(application processor;810), 및 디스플레이(850)를 포함한다.
어플리케이션 프로세서(810)에 구현된 CSI 호스트(camera serial interface(CSI) host; 812)는 카메라 시리얼 인터페이스를 통하여 이미지 센서(110)의 CSI 장치(841)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, CSI 호스트(812)는 광 디시리얼라이저(deserializer(DES))를 포함할 수 있고, CSI 장치(841)는 광 시리얼라이저(serializer(SER))를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(810)에 구현된 DSI 호스트(811)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(850)의 DSI 장치(851)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(811)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(851)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(800)은 어플리케이션 프로세서(810)와 통신할 수 있는 RF 칩(860)을 더 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(810)에 포함된 PHY(PHYsical channel; 813)와 RF 칩(860)에 포함된 PHY(861)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(800)은 GPS(820), 스토리지(storage; 870), 마이크(microphone(MIC); 880), DRAM(dynamic random access memory; 885) 및 스피커(speaker; 890)를 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(800)은 Wimax(world interoperability for microwave access; 891), WLAN(wireless lan; 893) 및/또는 UWB(ultra wideband; 895) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
도 14는 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 1과 도 14를 참조하면, 전자 시스템(900)은 이미지 센서(110), 프로세서(910), 메모리(920), 디스플레이 유닛(930) 및 인터페이스(940)를 포함할 수 있다.
프로세서(910)는 이미지 센서(110)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(910)는 이미지 센서(110)로부터 출력되는 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
메모리(920)는 이미지 센서(110)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 프로세서(910)에 의해 생성된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서(910)는 메모리(920)에 저장된 프로그램을 실행할 수 있다. 예컨대, 메모리(920)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다.
디스플레이 유닛(930)은 프로세서(910) 또는 메모리(920)로부터 출력되는 상기 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대, 디스플레이 유닛(930)은 LCD(Liquid Crystal Display), LED 디스플레이, OLED 디스플레이, AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)일 수 있다.
인터페이스(940)는 이미지 데이터를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(940)는 무선 인터페이스로 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 본 발명에 따른 객체 정보 추정 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 있다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100; 이미지 처리 시스템
110; CMOS 이미지 센서
120; 픽셀 어레이
130; 로우 드라이버
140; 타이밍 생성기
150; CDS 블록
152; 비교기 블록
154; 아날로그-디지털 변환 블록
160; 컨트롤 레지스터 블록
170; 램프 신호 생성기
180; 버퍼
110; CMOS 이미지 센서
120; 픽셀 어레이
130; 로우 드라이버
140; 타이밍 생성기
150; CDS 블록
152; 비교기 블록
154; 아날로그-디지털 변환 블록
160; 컨트롤 레지스터 블록
170; 램프 신호 생성기
180; 버퍼
Claims (20)
- 제1 시간 동안 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역; 및
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며,
상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로 렌즈에 상응하는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 포토 다이오드 영역과 상기 저장 다이오드 영역은 로우 방향(row direction) 또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬히 배치되는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 제1 시간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 넘치지(overflow) 않도록 하는 오버플로우 게이트;
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 전송하는 저장 게이트; 및
상기 저장 다이오드에 저장된 상기 광전하를 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)으로 전송하는 전송 게이트를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제3항에 있어서,
상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 상기 전송 게이트, 및 상기 플로팅 디퓨젼은 순차적으로 일렬로 배치되는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제3항에 있어서,
상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨은 상기 단위 픽셀에 인접하는 다른 단위 픽셀에 의해 센싱(sensing)되는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제3항에 있어서,
상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 및 상기 전송 게이트 각각은 리세스(recess) 게이트 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 저장 다이오드 영역에 상응하는 넓이를 가지고, 상기 입사광을 차단하는 차광막을 더 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드의 사이에 상기 입사광을 차단하는 제2 DTI를 더 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과의 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 상기 단위 픽셀의 테두리에 형성되는 제1 DTI를 더 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 제1항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 단위 픽셀과 인접하는 다른 단위 픽셀과 신호 출력 회로를 공유하며,
상기 신호 출력 회로는,
상기 저장된 광전하가 전송되는 플로팅 디퓨젼을 리셋(reset)하는 리셋 트랜지스터;
상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨에 대응되는 전류를 생성하는 소스 팔로워(source follower); 및
상기 전류를 픽셀 신호로서 출력하는 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 각각이 제1 시간 동안 조사된 입사광에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 리드아웃 회로; 및
상기 픽셀 어레이와 상기 리드아웃 회로를 제어하는 타이밍 제네레이터를 포함하며,
상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
상기 제1 시간 동안 상기 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역; 및
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며,
상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작하는 이미지 센서. - 제11항에 있어서,
상기 포토 다이오드 영역과 상기 저장 다이오드 영역은 로우 방향(row direction) 또는 컬럼 방향(column direction)과 비스듬히 배치되는 이미지 센서. - 제11항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 제1 시간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 넘치지(overflow) 않도록 하는 오버플로우 게이트;
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 저장 다이오드로 전송하는 저장 게이트; 및
상기 저장 다이오드에 저장된 상기 광전하를 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)으로 전송하는 전송 게이트를 포함하는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 상기 전송 게이트, 및 상기 플로팅 디퓨젼은 순차적으로 일렬로 배치되는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 플로팅 디퓨젼의 전압 레벨은 상기 단위 픽셀에 인접하는 다른 단위 픽셀에 의해 센싱(sensing)되는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 오버플로우 게이트, 상기 저장 게이트, 및 상기 전송 게이트 각각은 리세스(recess) 게이트 구조를 갖는 이미지 센서. - 제11항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 저장 다이오드 영역에 상응하는 넓이를 가지고, 상기 입사광을 차단하는 차광막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제11항에 있어서,
상기 단위 픽셀은,
상기 포토 다이오드와 상기 저장 다이오드의 사이에 상기 입사광을 차단하는 제2 DTI를 더 포함하는 이미지 센서. - 제1 시간 동안 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드;
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드; 및
상기 저장 다이오드로 입사되는 상기 입사광을 차단하는 차광부를 포함하며,
상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작하는 이미지 센서의 단위 픽셀. - 각각이 제1 시간 동안 조사된 입사광에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서; 및
상기 디지털 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함하며,
상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
상기 제1 시간 동안 상기 입사광에 의해 생성되는 광전하를 축적하는 포토 다이오드를 포함하는 포토 다이오드 영역; 및
상기 포토 다이오드에 축적된 상기 광전하를 수신하여 저장하는 저장 다이오드를 포함하는 저장 다이오드 영역을 포함하며,
상기 포토 다이오드는 상기 입사광을 집중시키는 마이크로렌즈에 상응하는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 동작하는 이미지 처리 시스템.
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