KR100312974B1 - 이미지센서의 단위 화소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 블루밍 효과를 억제 또는 제거함과 동시에 실질적인 입력신호 전체에 대한 출력신호로의 이용이 가능하고, 출력신호의 노이즈 포함 효과를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있는 이미지센서의 단위화소를 제공하는데 그 목적이 있는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서 단위화소는 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 플로팅노드 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제1제어신호를 인가받는 트랜스퍼트랜지스터; 상기 플로팅노드와 공급전원 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제2제어신호를 인가받는 제1리셋트랜지스터; 게이트가 상기 플로팅노드에 접속되고 소스가 상기 공급전원에 접속된 드라이브트랜지스터; 게이트에 상기 제3제어신호를 인가받으며 소스가 상기 드라이브트랜지스터의 드레인에 접속되며 자신의 드레인은 신호라인(Signal)에 접속된 셀렉트트랜지스터; 및 상기 포토다이오드와 상기 공급전원 사이에 소스-드레인 경로가 형성되고 게이트로 상기 제2제어신호를 인가받는 제2리셋트랜지스터를 포함하여 이루어진다.

Description

이미지센서의 단위 화소{Unit pixel of image sensor}
본 발명은 트랜지스터(Transistor)에 의한 스위칭(Switching) 방식으로 신호를 검출하는 APS(active pixel sensor)의 단위 화소에 관한 것으로, 특히 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서의 단위 화소에 관한 것이다.
종래의 이미지센서 단위 화소는 여러 가지가 있으나, 여기서는 본 발명과 관련된 대표적으로 두 가지만 언급한다.
도1a와 도1b는 현재 가장 널리 사용하고 있는 구조로써, 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성되어 있다.
도1a를 참조하면, 단위화소 내에는 1개의 포토다이오드(110)와 4개의 NMOS 트랜지스터(120, 130, 140, 150)로 구성되어 있다. 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드(110)에서 모아진 광전하를 플로팅 노드(160)로 운송하기 위한 트랜스퍼트랜지스터(120)와, 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 노드(160)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(130)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브트랜지스터(140), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(150)로 구성된다. 4개의 트랜지스터 중에서 트랜스퍼트랜지스터(120)와 리셋 트랜지스터(130)는 전하 운송 효율을 개선하고, 출력신호에서 전하 손실 및 전압 드롭을 감소시키기 위하여, 공핍 모드(depletion mode) 또는 낮은 문턱전압을 갖는 네이티브(Native) NMOS 트랜지스터로서 형성되어 진다. 미설명 도면부호 170은 로드(load) 트랜지스터를 나타낸다. 도1b에는 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼트랜지스터 및 리셋 트랜지스터에 대한 레이아웃이 도시되어 있다.
한편, 이러한 구조의 단위 화소는, 플로팅노드의 리셋 과정이 트랜스퍼트랜지스터(120)와 리셋 트랜지스터(130)를 통해 이루어지며, 포화 영역에서 과잉 전하를 트랜스퍼트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 통해 파워 라인(Power Line)으로 전하의 흐름을 형성시켜야 한다. 그러나, 이때 트랜지스터 2개의 전위 장벽 제어가 중요한 바, 이들 중 어느 하나라도 제어되지 않으면, 블루밍(Blooming) 효과와 고정된 패턴 노이즈(Fixed Pattern Noise)가 발생된다.
도2a 내지 도2b는 블루밍 효과와 노이즈 문제를 해결하기 위하여 트랜스퍼트랜지스터를 사용하지 않는 종래의 단위화소 구조를 보여준다. 도2a는 회로도이고, 도2b는 레이아웃이다.
이러한 구조는 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되어, 광감지 영역에서 생성되는 과잉 전하를 리셋 트랜지스터를 통해 직접적으로 제거함으로써 블루밍 문제를 해결하고자 한 것이다.
그러나 포토다이오드의 포텐셜 변화에 대한 노이즈(Noise) 신호가 출력 데이터의 변화을 유발하기 때문에 실제 데이터에 노이즈가 포함되어 정확한 데이터를 얻기 힘들뿐만 아니라, 드라이브 트랜지스터의 제어로 인해 포토다이오드의 조건을 적절하게 조절해야 하는데, 광원에 의한 포토다이오드의 전체 데이터를 출력 신호로 사용하지 못하여 이미지 센서의 광감도 저하를 유발하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 언급한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 블루밍 효과를 억제 또는 제거함과 동시에 실질적인 입력신호 전체에 대한 출력신호로의 이용이 가능하고, 출력신호의 노이즈 포함 효과를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있는 이미지센서의 단위화소를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1a는 종래기술의 일예에 따른 이미지센서 단위화소 회로도.
도1b는 도1의 주요부분에 대한 기판 평면도.
도2a는 종래기술의 다른예에 따른 이미지센서 단위화소 회로도.
도2b는 도3의 주요부분에 대한 기판 평면도.
도3a는 본 발명에 따른 이미지센서 단위화소 회로도.
도3b는 도5의 주요부분에 대한 기판 평면 예시도.
도4a는 도3b의 A-A' 선에 따른 기판 단면도.
도4b는 도3b의 A-A' 선에 따른 기판 단면도.
도5는 리셋 동작 후의 각 단위소자에 대한 포텐셜을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110 : 포토다이오드
120 : 트랜스퍼트랜지스터
130a : 제1리셋트랜지스터
130b : 제2리셋트랜지스터
140 : 드라이브트랜지스터
150 : 셀렉트트랜지스터
본 발명은 1개의 포토다이오드와 5개의 트랜지스터를 사용하는 바, 도1a의 구조를 그대로 사용하면서, 매우 낮은 문턱 전압을 가지는 1개의 트랜지스터(이하 '제2 리셋트랜지스터'라 한다)가 포토다이오드의 광감지영역에 직접적으로 더 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 포토다이오드의 광감지영역에 직접적으로 연결되어 있는 제2 리셋트랜지스터의 문턱 전압이 트랜스퍼트랜지스터의 문턱전압 보다 작게 형성되어 있기 때문에, 과잉 전하를 쉽게 파워 라인 쪽으로 이동시킬 수 있어 인접 단위 화소에 영향을 미치는 블루밍 현상은 최소화 할 수 있다. 그리고, 입력 신호 전체에 대한 출력 신호로의 이용이 가능하고, 출력 신호의 노이즈 포함 효과를 최소화하여 광감도를 증가시킬 뿐만 아니라, 리셋 과정에서 발생하는 리셋 노이즈를 3개의 트랜지스터를 통해 분산시킴으로써 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단위화소 회로도 및 단면도가 도시되어 있다. 종래기술과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 인용하였다.
도3a를 참조하면, 본 실시예 따른 단위 화소는 1개의 포토다이오드(110)와 5개의 NMOS 트랜지스터(120, 130a, 140, 150, 130b)로 구성되어 있다. 5개의 NMOS 트랜지스터는 포토다이오드(110)에서 모아진 광전하를 플로팅노드(160)로 운송하기 위하여 포토다이오드(110)와 플로팅노드(160) 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제어신호 Tx를 인가받는 트랜스퍼트랜지스터(120)와, 원하는 값으로 플로팅노드(160)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅노드(160)를 리셋시키기 위하여 플로팅노드(160)와 공급전위(VDD) 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제어신호 Rx를 인가받는 제1 리셋트랜지스터(130a)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하기 위하여 게이트가 상기 플로팅노드(160)에 접속되고 소스가 공급전위(VDD)에 접속된 드라이브트랜지스터(140)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 게이트에 제어신호 Sx를 인가받으며 소스가 드라이브트랜지스터의 드레인에 접속되고 드레인은 신호라인(Signal)에 접속된 셀렉트트랜지스터(150), 및 블루밍효과를 제거하고 리셋 노이즈를 최소화하기 위하여 포토다이오드(110)와 공급전위(VDD) 사이에 소스-드레인 경로가 형성되고 게이트로 제어신호 Rx를 인가받는 제2 리셋트랜지스터(130b)를 포함하여 구성된다.
여기서, 과잉 전하를 쉽게 파워 라인 쪽으로 이동시킬 수 있도록 제2 리셋 트랜지스터(130b)는 트랜스퍼트랜지스터(120)와 제1 리셋트랜지스터(130a) 보다 문턱전압이 작은 바, 이는 제2리셋트랜지스터의 채널 영역에 채널이온주입을 실시하는 것에 의해 가능하다.
도3b는 본 실시예에 따른 단위화소 단면도로서, 주목할 점은 제1 리셋트랜지스터의 게이트(Rx1)와 제2 리셋트랜지스터의 게이트(Rx2)가 동일한 전도막으로 상호 연결되어 패턴된다.
도4a는 도3b의 A-A'선을 따른 단면도이고, 도4b는 도3b의 A-A'선을 따른 단면도이다. 본 실시예에서 포토다이오드(PD)는 P형 기판(401)에 N형 도핑영역(402)과 P형 도핑영역(403)이 적층되어 형성되는 핀드(Pinned) 포토다이오드를 적용한 것이다. 도면을 참조하면, 제2 리셋트랜지스터(130a)가 트랜스퍼트랜지스터(120)와 마찬가지로 포토다이오드(PD)의 도핑영역이 자신의 채널 영역과 직접 연결된다.
한편 본 발명은 기판을 고농도의 P+기판에 저농도의 P에피택셜층이 형성된웨이퍼를 사용하는 기술, 그리고, 일반적인 서브마이크론 CMOS의 전원전압인 5V 또는 3.3V 또는 2.5V 내에서 포토다이오드(PD)가 완전 공핍(Fully Depletion) 상태가 되도록 포토다이오드의 P형 도핑영역(403)이 P형 기판(401)과 직접 연결되도록 하는 기술 등을 종래에 알려진 모든 기술들을 그대로 적용할 수 있다. 그리고 포토다이오드 이외에 광감지소자를 사용하는 구조에서도 본 발명은 적용 가능하다.
도5는 리셋 동작 후의 각 단위소자에 대한 포텐셜을 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이 과잉전하(501)를 VDD 파워 라인 쪽으로 이동시킬 수 있어 인접 단위 화소에 영향을 미치는 블루밍 현상은 최소화 할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 종래의 단위화소 구조에(도1a)에 다른 하나의 리셋트랜지스터를 추가하여 포토다이오드의 완전 공핍을 보다 쉽게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 이 리셋트랜지스터를 포토다이오드에 직접 연결하여 플로팅노드에서 리셋 노이즈에 의한 출력 신호의 에러를 최소화할 수 있다. 따라서, 입력 신호 전체에 대한 출력 신호화가 가능하기 때문에 이미지센서의 광감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 추가한 리셋 트랜지스터가 매우 낮은 문턱전압을 갖도록 하여 과잉 전하에 대한 인접 단위 화소로의 이동을 억제할 수 있다. 즉 블루밍 효과를 억제할 수 있다.

Claims (4)

  1. 이미지센서의 단위화소에 있어서,
    포토다이오드;
    상기 포토다이오드와 플로팅노드 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제1제어신호를 인가받는 트랜스퍼트랜지스터;
    상기 플로팅노드와 공급전원 사이에 소스-드레인 경로가 형성되며 게이트로 제2제어신호를 인가받는 제1리셋트랜지스터;
    게이트가 상기 플로팅노드에 접속되고 소스가 상기 공급전원에 접속된 드라이브트랜지스터;
    게이트에 상기 제3제어신호를 인가받으며 소스가 상기 드라이브트랜지스터의 드레인에 접속되며 자신의 드레인은 신호라인(Signal)에 접속된 셀렉트트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드와 상기 공급전원 사이에 소스-드레인 경로가 형성되고 게이트로 상기 제2제어신호를 인가받는 제2리셋트랜지스터
    를 포함하여 이루어진 이미지센서의 단위화소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2리셋트랜지스터는 상기 트랜스퍼트랜지스터와 상기 제1리셋트랜지스터 보다 적은 문턱전압을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1리셋트랜지스터와 상기 제2리셋트랜지스터의 각 게이트는 동일한 전도막으로 상호 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 기판내의 도핑영역에 의해 형성되며 상기 제2리셋트랜지스터의 채널영역은 상기 포토다이오드 도핑영역에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위화소.
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