KR100325299B1 - 고체촬상소자의 신호검출부의 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프로세스의 디자인 룰에 제한을 받지 않으면서 신호검출부의 기생 커패시턴스를 감소시키는데 적당한 고체촬상소자의 신호검출부의 구조를 제공하기 위한 것으로, 영상신호를 전기적인 신호전하로 변환하는 포토다이오드(PD)와, 상기 신호전하를 수직방향으로 전달하는 VCCD와, 상기 VCCD로부터 전달된 신호전하를 수평방향으로 전달하는 HCCD와, 상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 센싱하는 센싱앰프를 포함하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 모아 상기 신호전하에 의해 발생되는 전압을 검출하는 플로팅 디퓨젼 영역과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 일측에 형성된 리셋 게이트와, 상기 프로팅 디퓨젼 영역의 다른 일측에 형성된 출력 게이트와, 상기 리셋 게이트의 일측에 형성된 리셋 드레인과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역에 대해 소정의 각도를 이루고 형성되는 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고체촬상소자에 관한 것으로 특히, 신호 감도를 개선시키는데 적당한 고체촬상소자의 신호검출부의 구조에 관한 것이다.
일반적으로, CCD(Charge Coupled Device)란 영상신호를 전기적인 신호로 변환시켜주는 촬상소자를 말한다.
특히, CCD는 영상신호를 주사하여 읽어낼 때 전하결합(charge coupling)을 이용하기 때문에 CCD 이미지 센서라고도 한다.
이와 같은 고체촬상소자는 크게 영상신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토다이오드(PD:Photo Diode)와, 포토다이오드(PD)에 의해 변환된 신호전하를 수직방향으로 전송하기 위한 수직 전하전송영역(VCCD:Vertical CCD)와, 수직 전하전송영역으로부터 전송된 전하를 수평방향으로 전송하기 위한 수평 전하전송영역(HCCD : Horizontal CCD), 수평 전하전송영역(HCCD)으로부터 전송된 신호전하를 센싱하는 센싱앰프(SA)로 구성된다.
이와 같은 고체촬상소자에 있어서, 센싱 감도를 개선시키기 위해 여러가지 방법들이 제시되어 왔다.
예를들어, 신호검출부의 기생 커패시턴스를 감소시켜 신호전하로부터 얻을 수 있는 전압변환비를 증대시키는 컨버젼 레이시오(Conversion Ratio)의 개선방법, 또는 마이크로 렌즈를 이용한 필터 팩터(filter factor)의 증대효과등이 그것이다.
그러나 마이크로 렌즈등과 같은 필터 팩터의 증대효과로 얻을 수 있는 방법보다는 보다 근본적인 방법인 컨버젼 레이시오를 개선시키는 것이 우선적으로 이루어져야 한다.
즉, 컨버젼 레이시오를 증대시키기 위해 최종단의 플로팅디퓨젼(floating diffusion)에서 센스앰프(SA)의 트랜지스터를 구성하는 게이트와의 사이에 존재하는 기생 커패시턴스를 감소시키는 방법이 선행되어야 한다.
이러한 기생 커패시턴스는 첫째로, 플로팅 디퓨전(FD)의 면적이나 센스앰프를 구성하고 있는 트랜지스터의 사이즈등과 같은 설계조건, 둘째로 레아아웃 팩터 (Layout Factor), 셋째로 공정조건등에 의해 좌우된다.
이에, 신호검출부의 기생 커패시턴스를 감소시키기 위해서는 플로팅 디퓨젼 영역과 센스앰프를 구성하고 있는 트랜지스터의 게이트를 연결시켜주는 메탈 또는 폴리실리콘층과의 오버랩 (overlap)되는 정도를 최소화하는 레이아웃 설계방법들이 제안되었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 고체촬상소자를 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 고체촬상소자의 신호검출부의 등가회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, P 웰(11) 또는 P형 기판상에 N형 BCCD영역(12)이 형성되고, N형 BCCD영역(12)의 상부에는 게이트 절연막(13)을 개재하여 리셋 게이트(14)가 형성되고, 리셋 게이트(Reset Gate)(14)와 일정 간격을 두고 출력 게이트 (Output Gate)(15)가 형성되고, 리셋 게이트(14)와 출력 게이트(15) 사이에는 플로팅 디퓨젼 영역(16)이 형성되고, 플로팅 디퓨젼 영역(16) 반대쪽의 리셋 게이트 (14) 일측에는 리셋 드레인 영역(17)이 형성된다.
그리고 플로팅 디퓨전 영역(16)에서 검출된 전압에 의해 제어되는 제 1 트랜지스터(M1)와, 제 1 트랜지스터(M1)에 시리얼하게 연결된 제 2트랜지스터(M2)가 더 구성된다.
제 1 트랜지스터(M1)와 제 2 트랜지스터(M2)는 소오스 팔로워(Source Follower)로 이루어져 있다.
제 2 트랜지스터(M2)는 이상적인 경우에는 컨스턴트 커런트 소오스(Constant Current Source)가 된다.
따라서, 출력(Vout)이 일정할 때 출력전류도 일정하게 된다.
상기 제 1 트랜지스터(M1)의 소오스는 게이트에 입력되는 전압의 변화를 항상 팔로우(follow)한다.
한편, 도 2는 종래 기술에 따른 고체촬상소자의 신호검출부의 레이아웃도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 플로팅 디퓨젼 영역(16)과 수직한 방향으로 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트(21)가 배치되고, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트(21) 양측에는 소오스 영역(22) 및 드레인 영역(23)이 배치되고, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(16)의 상측에는 상기 플로팅 디퓨젼 영역(16)과 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트(21)를 전기적으로 연결시켜 주는 메탈층(24)이 배치되고, 플로팅 디퓨젼 영역 (16)의 양측에는 출력 게이트(15)와 리셋 게이트(14)가 배치되고, 리셋 게이트(14)의 일측에는 리셋 드레인(17)이 배치된다.
이와 같은 종래 고체촬상소자에 있어서, 외부에서 입사된 빛에 의해 생성된 신호전하들은 수평 전하전송영역(HCCD)을 지나 플로팅 디퓨전 영역(16)으로 모이게 된다.
플로팅 디퓨젼 영역(16)에 모인 신호전하들은 전하량 Q를 가지며, 그에 따라 Q=C×V을 만족하는 전압(V)이 검출된다.
이때, 상기 리셋 게이트(14)에 하이(high) 전압이 인가되면, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(16)에 모인 전하들은 리셋 드레인(17)으로 이동하게 되어 플로팅 디퓨젼 영역(16)에는 전하들이 존재하지 않게 된다.
따라서, 새로운 신호전하들을 받아들이게 된다.
하지만, 도 2와 같이 플로팅 디퓨젼 영역(16)에 리셋 게이트(14)를 최대한 가깝게 배치하는 레이아웃에서는 제 1 트랜지스터(M1)의 소오스 영역(22)을 디파 인(define)하기가 힘들어지는 문제가 있었다.
따라서, 도 3과 같이, 소오스 영역(22)을 디파인하는데 충분한 영역을 확보할 수 있도록 리셋 게이트(14)를 플로팅 디퓨젼 영역(16)으로부터 멀리 배치하는 레아아웃 설계방법이 제안되었다.
그러나 상기 도 3과 같이 레이아웃을 설계할 경우에는 플로팅 디퓨젼 영역 (16)이 커지게 되어 컨버젼 레이시오(conversion ratio)가 감소하게 되는 결과를 초래한다.
이와 같은 종래 고체촬상소자의 신호검출부의 구조는 다음과 같은 문제가 있었다.
즉, 신호검출부의 기생 커패시턴스를 감소시키기 위해 레이아웃의 변경하는 기술이 제안되고 있지만, 종래와 같은 레이아웃은 프로세스(process)의 디자인 룰 (design rule)에 따라 결정되므로 신호검출부의 기생 커패시턴스를 줄이는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 프로세스의 디자인 룰에 제한을 받지 않으면서 신호검출부의 기생 커패시턴스를 감소시키는데 적당한 고체촬상소자의 신호검출부의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 고체촬상소자의 신호검출부의 등가회로도
도 2는 종래 일실시예에 따른 고체촬상소자의 신호검출부의 레이아웃도
도 3은 종래 다른 실시예에 따른 고체촬상소자의 신호검출부의 레이아웃도
도 4는 본 발명에 따른 고체촬상소자의 신호검출부의 레이아웃도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
41 : 플로팅 디퓨젼 영역(FD) 42 : 리셋 게이트(RG)
43 : 리셋 드레인(RD) 44 : 출력 게이트(OG)
45 : 트랜지스터의 게이트 46 : 메탈층
47,48 : 트랜지스터의 소오스 및 드레인
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체촬상소자의 신호검출부는 영상신호를 전기적인 신호전하로 변환하는 포토다이오드(PD)와, 상기 신호전하를 수직방향으로 전달하는 VCCD와, 상기 VCCD로부터 전달된 신호전하를 수평방향으로 전달하는 HCCD와, 상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 센싱하는 센싱앰프를 포함하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 모아 상기 신호전하에 의해 발생되는 전압을 검출하는 플로팅 디퓨젼 영역과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 일측에 형성된 리셋 게이트와, 상기 프로팅 디퓨젼 영역의 다른 일측에 형성된 출력 게이트와, 상기 리셋 게이트의 일측에 형성된 리셋 드레인과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역에 대해 소정의 각도를 이루고 형성되는 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 신호검출부에 있어서, 상기 트랜지스터는 상기 플로팅 디퓨젼 영역에 대해 10~80°의 각을 이루고 형성된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 고체촬상소자의 신호검출부를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체촬상소자의 신호검출부의 레이아웃도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체촬상소자의 신호검출부는 영상신호를 전기적인 신호전하로 변환하는 포토다이오드(PD)와, 상기 신호전하를 수직한 방향으로 전달하기 위한 수직 전하전송영역(VCCD)과, 상기 수직 전하전송영역으로부터 전달된 신호전하를 수평방향으로 전달하는 수평 전하전송영역(HCCD)과, 상기 수평 전하전송영역(HCCD)으로부터 전달된 신호전하를 센싱하는 센싱앰프(SA)를 포함하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 수평 전하전송영역(HCCD)으로부터 전달된 신호전하를 모아 상기 신호전하에 의해 발생되는 전압을 검출하는 플로팅 디퓨젼 영역(41)과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)의 일측에 형성된 리셋 게이트(42)와, 상기 리셋 게이트(42)의 일측에 형성되는 리셋 드레인(43)과, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)의 다른 일측에 형성된 출력 게이트(44)와, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)에 대해 45°의 각도를 이루고 형성되는 트랜지스터(M1)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 트랜지스터(M1)는 그 게이트(45)가 플로팅 디퓨젼 영역(41)과 연결되며 플로팅 디퓨젼 영역(41)에서 검출된 전압에 의해 제어된다.
그리고 상기 트랜지스터(M1)의 게이트(45)와 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)을 전기적으로 연결시키기 위해 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)의 상부에는 메탈층(46)이 더 구비된다.
이에, 상기 플로팅 디퓨젼 영역(41)과 트랜지스터(M1)의 연결상태를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시한 바와 같이, 트랜지스터(M1)는 플로팅 디퓨젼 영역(41)에 대해 10~80°범위내에서 소정의 각도를 유지하도록 형성되며, 가장 적절하게는 약 45°의 각을 유지하도록 한다.
이때, 트랜지스터(M1)의 게이트(45)는 메탈층(46)에 의해 플로팅 디퓨젼 영역(41)과 전기적으로 연결되므로 트랜지스터(M1)의 게이트(45)가 메탈층(46)에 대해 소정의 각도를 유지하게 된다.
따라서, 게이트(45) 양측에 형성되는 소오스(47) 및 드레인(48)도 메탈층 (46)에 대해 각도를 유지하게 되는데, 그 정도는 상기 게이트(45)가 메탈층(46)과 이루는 각도에 상응한다.
예를들어 트랜지스터(M1)의 게이트(45)가 메탈층(46)에 대해 약 45°의 각도를 유지하고 있다면, 상기 게이트(45) 양측에 형성되는 소오스(47) 및 드레인(78)은 상기 게이트(45)에 대해 수직을 이루며 상기 메탈층(46)에 대해 약 45°의 각을 이루게 된다.
따라서, 트랜지스터(M1)의 게이트(45)가 메탈층(46)의 방향(장축 방향)과 동일한 방향으로 형성되었을 때에 비해 소오스(47)를 디파인(define)할 수 있는 영역을 충분히 확보할 수 있다.
즉, 플로팅 디퓨젼 영역(41)에 대해 트랜지스터(M1)를 소정의 각도를 유지하도록 형성하므로써, 소오스(47)를 디파인 할 수 있는 충분한 영역을 확보할 수가 있고, 이는 프로세스와 관계없이 컨버젼 레이시오(Conversion Ratio)를 증대시킬수가 있다.
한편, 트랜지스터(M1)의 게이트(45)는 메탈층(46)과 연결되는 제 1 부분과 소오스(47)와 드레인(48) 사이에 위치하는 제 2 부분으로 이루어져 있다.
상기 제 1 부분은 메탈층(46)과 동일한 방향으로 형성하고, 상기 제 2 부분은 제 1 부분에 대해 수직을 이루며 상기 메탈층(46)에 비해 10~80°의 각도를 유지하도록 형성하는데, 약 45°의 각도를 유지하는 것이 적당하다.
여기서, 상기 제 1 부분과 제 2 부분은 일체형의 폴리실리콘으로 이루어진다.
그리고, 상기 트랜지스터(M1)가 플로팅 디퓨젼 영역(41)에 대해 소정의 각을 유지하도록 구성함에 있어서, 플로팅 디퓨젼 영역(41)의 저항을 최소화하기 위해 불필요하게 플로팅 디퓨젼 영역(41)이 증가하지 않도록 한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체촬상소자의 신호검출부는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 프로세스에 따른 디자인 룰에 관계없이 레이아웃을 결정하여 신호검출부의 기생 커패시턴스를 최소화할 수 있어 감도를 향상시킨다.
둘째, CCD의 동작 및 특성의 열화 없이 컨버젼 레이시오(Conversion Ratio)를 증가시킨다.
Claims (2)
- 영상신호를 전기적인 신호전하로 변환하는 포토다이오드(PD)와, 상기 신호전하를 수직한 방향으로 전달하기 위한 VCCD와, 상기 VCCD로부터 전달된 신호전하를 수평방향으로 전달하는 HCCD와, 상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 센싱하는 센싱앰프(SA)를 포함하는 고체촬상소자에 있어서,상기 HCCD로부터 전달된 신호전하를 모아 상기 신호전하에 의해 발생되는 전압을 검출하는 플로팅 디퓨젼 영역과,상기 플로팅 디퓨젼 영역의 일측에 HCCD의 진행 방향에 수직한 방향으로 형성된 리셋 게이트와,상기 리셋 게이트의 일측에 형성되는 리셋 드레인과,상기 플로팅 디퓨젼 영역의 다른 일측에 상기 리셋 게이트와 동일 방향으로 나란히 형성된 출력 게이트와,상기 HCCD의 진행 방향에 10 ~ 80°의 각도를 갖고 플로팅 디퓨젼 영역에 한쪽 전극이 콘택되는 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 신호검출부의 구조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 상부에는 상기 트랜지스터의 게이트와 상기 플로팅 디퓨젼 영역을 전기적으로 연결하는 메탈층이 더 구비되는 것을 특징으로 고체촬상소자의 신호검출부의 구조.
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