KR100864179B1 - 씨모스 이미지 센서 및 이미지 데이타 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1형불순물 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 제2형불순물로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 광전변환용 모스(MOS), 상기 광전변환용 모스(MOS)에 리셋 신호를 인가하기 위한 리셋용 모스(MOS), 상기 광전변환용 모스(MOS)로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워용 모스(MOS) 및 상기 리셋용 모스(MOS)와 상기 광전변환용 모스(MOS)의 사이에 위치하여 전류를 축적하기 위한 플로팅 디퓨전 노드를 포함하며, 해당 로우(row)에 선택적으로 전원을 공급하는 방식을 적용하여이미지 데이타를 처리한다.
따라서, 본 발명은 신호 검출을 제외하고는 오프(off)되어 있으므로 저전력으로 구동이 가능할 뿐만 아니라 종래의 암전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있어 고감도의 이미지 센서의 구현이 가능하며, 광전변환방식을 적용한 PMOS를 사용하여 이미지 센서의 능동 픽셀을 구현함으로써, 미세한 빛이 존재하는 저조도에서도 고감도를 실현할 수 있으며, 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는 이점이 있다.
씨모스 이미지센서, PMOS, NMOS
Description
도 1a는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도시한 회로도,
도 1b는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 레이아웃을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 구성을 도시한 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 신호처리 회로에 인가되는 구동신호 타이밍도,
도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 로우 셀렉트에 신호를 인가하기 위한 회로도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 평면도,
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도,
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도, 및
도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200: 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 210: 리셋용 NMOS
220: 광전변환용 PMOS 230: 소스 팔로워용 NMOS
240: N-well 260a, 260b, 260c: 컬러 필터
270a, 270b, 270c: 게이트 전극 310: 로우 디코더
320: 인버터 330: 앤드 게이트
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 고감도 나노 이미지 센서(SMPD; single carrier modulation photo detector)의 광전변환 구조를 능동 픽셀 센서(APS; Active-Pixel Sensor)에 적용한 이미지 센서에 관한 것으로, 단위 픽셀의 구조는 광감지 SMPD구조의 1-포토-피모스(Photo-PMOS), 2-엔모스(NMOS)구조의 Photo-PMOS APS 이미지 센서 및 이미지 데이타 처리 방법에 관한 것이다.
자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 따라서, 이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 빛 에너지)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여 각 피사체의 이미지를 찍어내는 장치로서, 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.
이러한 이미지 센서는 실리콘 반도체를 기반으로 한 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)와 서브 마이크론(sub-micron) 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor)제조기술을 이용한 씨모스 이미지 센서로 분류된다.
이 중 CCD는 개개의 모스(MOS) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 그러나, CCD는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많기 때문에 신호 처리 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점이 있는 바, 최근 이러한 단점을 극복하기 위하여 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
CMOS이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드(PD; photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CCD에 비하여 생산단가와 소비 전력이 낮고 주변회로 칩과 통합하기 쉬운 장점이 있으며, 상술한 바와 같이 CMOS 제조기술로 생산하기 때문에 증폭 및 신호처리와 같은 주변 시스템과 통합이 용이하여 생산비용을 낮출 수 있다. 또한, 처리속도가 빠르면서 CCD의 1% 정도로 소비 전력이 낮은 것이 특징이다.
CMOS 이미지 센서의 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서 단위 픽셀의 구성을 도시한 회로도이며, 도 1b는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에서 단위 픽셀의 레이아웃을 도시한 도면이다.
참고로, CMOS 이미지 센서를 구성하는 트랜지스터의 개수는 3개 이상의 다양한 형태이나 설명의 편의상 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서를 중심으로 기술하기로 한다.
도 1a은 통상의 CMOS 이미지 센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된 단위 픽셀을 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD)와 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifiler)역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(switching) 역할로 어드레싱(addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(output signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도 1b는 단위 픽셀의 레이아웃(layout)을 나타낸 도면으로, 포토 다이오드 및 확산 영역이 형성될 액티브 영역을 정의하는 아이솔레이션(isolation)과 각 트랜지스터의 게이트를 구성하는 폴리 실리콘이 도시되어 있다.
이를 참조하면, 포토 다이오드(101)는 정방형을 이루고 있고, 트랜지스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(102)이 포토 다이오드(101)의 일측면에 접하여 구성되어 있다.
플로팅 확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(102) 타측면에 접하여 Y축 방향에서 X축 방향으로 90°꺽여 형성된 후, 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(106)과 접하게 된다.
이어, 동일방향으로 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108)이 형성되고 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(106)의 타측과 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108) 상이 셀렉트 트랜지스터의 게이트 폴리 실리콘(108) 타측에 소오스/드레인 영역(107,109)이 형성된다.
이와 같이 구성된 종래의 단위 픽셀의 레이아웃에서 플로팅 확산영역(103)은 트랜스퍼 트랜지스터(102)와 리셋 트랜지스터(104)사이의 액티브 영역에 형성되어 있으며, 플로팅 확산영역(103)과 드라이브 트랜지스터의 게이트 폴리실리콘(106)은 콘택 및 연결배선을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.
상술한 바와 같은 이미지 센서 단위 화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다.
(가) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-온(turn-on)시켜서 포토 다이오드(PD)를 리셋(reset)한다.
(나) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-오프(turn-off)시킨다. 이때, 포토 다이오드는 완전한 공핍(fully depletion) 상태이다.
(다) 광 전하 (photogenerated charge)를 저전압 포토다이오드(PD)에 모은다.
(라) 적정 인테그레이션(integration) 시간 후에 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴-온 시켜 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시킨다.
(마) 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 턴-온 시켜 원하는 단위 픽셀을 어드레싱한다.
(바) 소스 팔로워 버퍼인 드라이브 트랜지스터(Dx)의 출력전압(V1)을 측정하는 바, 이 값은 단지 플로팅 확산영역(FD)의 직류 전위 변화(DC level shift)를 의미한다.
(사) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-온 시킨다. 이에 의해 포토 다이오드에 축적된 모든 광전하는 플로팅 확산영역(FD)로 운송된다.
(아) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 턴-오프 시킨다.
(자) 드리아브 트랜지스터(Dx)의 출력전압(V2)을 측정한다.
(차) 출력 전압 차이를 얻는다. 출력신호(V1-V2)는 V1 시간과 V2 시간의 차이에서 얻어진 광 전하 운송의 결과이며, 이는 노이즈(noise)가 배재된 순수 시그널 값이 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 CMOS 이미지 센서는 입사되는 광자 하나에 대해 전자-정공쌍(EHP; electron hole pair) 하나가 생성되고, 이렇게 생성된 전자들을 포토 다이오드에 모으기 위하여, 적정 인테그레이션 시간(광전하 축적 시간, 일반 적으로 1프레임)이 필요하다.
따라서, 입사되는 빛이 절대적으로 약한 경우, 이에 의해 발생되는 전자-정공쌍도 작을 수밖에 없어, 정상적인 신호 처리를 하여 영상을 얻기 위해서 단위 픽셀이 빛에 노출되는 시간을 강제로 길게 하여 즉, 광전하의 축적 시간을 강제로 길게 하여 신호 처리가 가능한 수준의 전압을 얻는 방법을 사용한다.
인테그레이션 시간을 길게 한다는 것은 결국 한 프레임의 시간을 길게 한다는 것과 동일한 것이다. 결과적으로 10룩스(Lux)이하의 저조도에서는 초당 30프레임의 동영상이 불가능해지고 10프레임에서 5프레임 정도가 되어 사용자는 끊어지는 영상을 볼 수밖에 없다. 또한, 오랜 시간 전하를 축적해야 하므로 열 생성 전하도 많이 축적되어 잡음이 커지는 문제도 나타난다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 광전변환이 빠르고 광전 효율이 좋은 플로팅 게이트 및 바디 구조 혹은 게이트와 바디가 타이(tie)된 구조의 PMOS를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 해당 로우(row)에 선택적으로 전원을 공급하는 방식을 적용하여 저전력으로 구동이 가능할 뿐만 아니라 종래의 암전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있는 고감도의 이미지 센서의 이미지 데이타 처리방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 저조도의 환경에서도 고속의 동영상 촬영이 가능한 피모스 에이피 에스 이미지 센서 및 이미지 데이타 처리방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 하나의 광전변환용 PMOS와 두개의 NMOS 구조의 단위픽셀을 제공함으로써 이미지센서의 소형화를 용이하게 함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 광전 변환이 빠르고 광전 효율이 좋은 플로팅 게이트와 바디 구조의 Photo-PMOS를 이용하여 컬러 구현이 가능한 이미지 센서를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 컬러 필터를 사용하지 않고도 선명한 컬러의 구현이 가능한 이미지 센서를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 공정상에 있어서 종래의 공정단계를 대폭 축소할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 제1형불순물 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 제2형불순물로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 광전변환용 모스(MOS), 상기 광전변환용 모스(MOS)에 리셋 신호를 인가하기 위한 리셋용 모스(MOS), 상기 광전변환용 모스(MOS)로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워용 모스(MOS) 및 상기 리셋용 모스(MOS)와 상기 광전변환용 모스(MOS)의 사이에 위치하여 전류를 축적하기 위한 플로팅 디퓨전 노드를 포함한다.
이때, 광전변환용 모스(MOS)는 컬러 이미지의 구현을 위하여 상부에 컬러 필 터를 더 포함하거나, 게이트 전극의 두께를 조절할 수 있다.
컬러 필터는 청색 컬러 필터, 녹색 컬러 필터, 적색 컬러 필터 중 적어도 어느 하나이며, 게이트 전극의 두께를 조절할 경우, 게이트 전극의 두께는 녹색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께를 청색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께보다는 두껍게 형성하고 적색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께보다는 얇게 형성한다.
바람직하게는 녹색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께는 0.1㎛ 내지 0.4㎛로 형성한다.
리셋용 모스(MOS)는 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)를 앰프로 동작하게 하거나, 스위치로 동작하게 하며, 광전변환용 모스(MOS)는 PMOS로 리셋용 모스(MOS) 및 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)는 NMOS로 형성한다.
본 발명에 따른 광전변환용 모스(MOS)의 게이트는 웰과 플로팅되거나 웰과 타이(tie)된다. 이때, 광전변환용 모스(MOS)의 게이트는 웰(well)간의 타이를 위하여 연결부를 더 포함하며 웰(well)과 동일한 타입의 불순물로 형성하되, 연결부의 불순물 농도는 상기 웰(well)의 불순물 농도보다 고농도로 형성한다.
한편, 리셋용 모스(MOS)는 그라운드와 연결을 위한 그라운드 연결부를 포함하며, 그라운드 연결부는 리셋용 모스(MOS)의 서브와 동일한 타입의 불순물로 형성하되, 그라운드 연결부의 불순물 농도는 상기 서브의 불순물 농도보다 고농도로 형성한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 데이타 처리 방법은, 로우 인 에이블 신호가 인가되고 셀렉트용 모스(MOS)가 턴-온되어 해당 픽셀에 전원을 공급하는 제1단계, 로우(row)가 선택되면 리셋용 모스(MOS)가 턴-오프되는 제2단계, 일정한 시간 동안 빛에 노출됨으로써 광전변환용 모스(MOS)에 생성된 광전류를 플로팅 디퓨전 노드에 축적하는 제3단계, 소스 팔로워용 모스(MOS)를 통하여 상기 생성된 광전류값을 전압 변환값으로 출력하는 제4단계, 출력된 상기 전압 변환값을 신호처리 하는 제5단계를 포함하며, 제2단계는 로우(row)가 선택되기 전까지 리셋용 모스(MOS)가 온(on)되고 소스 팔로워 모스(MOS)가 오프(off)되며, 로우가(row)가 선택될 때 리셋용 모스(MOS)가 턴-오프(turn-off)되고 소스 팔로워 모스(MOS)가 온(on)된다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀(200) 구성을 도시한 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이미지 센서의 신호처리 회로에 인가되는 구동신호 타이밍도로서, 도 2와 도3에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서 단위 픽셀(200)의 구성은 광전변환용 PMOS(220), 리셋(Reset)용 NMOS(210), 소스 팔로워(Source Follower)용 NMOS(230)로 구성된다. 즉 1 SMPD + 2T구조이다.
이때, 광전변환용 PMOS(220)는 P형 반도체 기판상에 형성되며 N형 불순물로 도핑된 웰(well)을 포함하고 빛을 수광하여 전기적인 신호를 생성한다. 그리고 게이트는 웰과 타이(tie)되어 있거나, 플로팅되어 있도록 한다.
리셋용 NMOS(210)는 광전변환용 PMOS의 인접한 곳에 위치하여 플로팅 디퓨전 노드(FD node)와 연결되어 있으며 다른 일단은 그라운드(GND)와 연결되어 있고 광전변환용 PMOS에 리셋 신호를 인가하며, 소스 팔로워용 NMOS를 앰프(Amp.)로 동작하게 하거나 또는 스위치로 동작하게 하는 특징을 가진다.
소스 팔로워용 NMOS(230)는 광전변환용 PMOS로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하여 외부로 출력하며, 플로팅 디퓨전 노드는 리셋용 NMOS와 광전변환용 NMOS간에 연결되어 전류를 축적하는 기능을 수행한다.
이하 단위 픽셀의 광신호 전달과정을 설명하면 다음과 같다.
(가) 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우(row)에 셀렉트 신호가 인가되어 로우 셀렉트(row select)가 하이(high)로 턴-온(turn-on)되어 선택된 해당 픽셀에 전원을 공급하고, 이때, 리셋용 NMOS는 턴-오프(off)되고 소스 팔로워용 NMOS가 온(on)된다.
한편, 리셋용 NMOS는 해당 로우 셀렉트가 선택되기 전(즉 턴-온되기 전)까지는 하이로 온(on)되어 있는 상태이며 소스 팔로워용 NMOS는 오프(off)되어 다른 로우(row)의 픽셀 신호에 영향을 주지 않게 되어 있으며, 해당 로우 셀렉트가 선택되어 턴-온될 경우 리셋용 NMOS는 로우(Low)로 턴-오프되고 이때 소스 팔로워용 NMOS는 턴-온된다.
(나) 광전변환용 PMOS가 빛을 수광하면 PMOS에 광전류가 생성되어 플로팅 디퓨전 노드에 이를 축적하게 된다. 축적된 값에 대응되는 전압값이 소스 팔로워용 NMOS를 통하여 출력되며 이를 리드 아웃(read out)하여 신호처리를 수행한다. 이후에 수행되는 신호처리과정은 종래의 씨모스 이미지 센서의 신호처리 방법을 통하여 수행할 수 있다.
이를 타이밍도를 참고하여 더욱 상세하게 설명하면, 씨모스 이미지 센서는 단위 픽셀이 어레이 형태로 존재한다.
이때, n-1번째 로우(row)가 신호처리를 완료한 후, n번째 로우(row)의 신호처리를 수행할 경우, n번째 로우(row)의 셀렉트가 온(on)되어 로우(low)에서 하이(high)가 되며, 리셋은 하이(high)상태이서 로우(low)가 되어 광전변환용 PMOS에 바이어스가 인가되며 이와 함께 소스 팔로워용 NMOS에도 바이어스가 인가된다. 이 후, 광전변환용 PMOS가 빛을 수광하여 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시터에 광전류에 대응하는 값이 충전되고 이에 대응되는 전압을 소스 팔로워용 NMOS를 통하여 출력하여 데이타 샘플링을 수행한다.
도 3의 로우 인이에블 구간은 인테그레이션(integration time) 타임을 의미하며 도시된 A구간은 리셋 샘플링을 수행하기 위한 구간으로서, 해당 로우(row)가 리셋인 상태의 값을 내며, 리셋이 모든 픽셀에 의하여 동일하게 적용되므로 로우(row)를 동기화시킬 수 있으며, 바이어스의 인가로 인하여 노이즈가 발생하는 현상을 최소화할 수 있다.
도 4는 로우 셀렉트에 신호를 인가하기 위한 회로도로서, 도시된 바와 같이 n번째 로우(row)를 셀렉트하는 로우 디코더(row decoder, 310), 로우 디코더(310)로부터 신호를 인가받아 리셋용 NMOS에 신호를 출력하는 인버터(invertor, 320), 상기 인버터(inver, 320)와 로우 인에이블(Ren)로부터 신호를 인가받아 로우 셀렉트로 신호를 출력하는 앤드 게이트(AND gate, 330)를 포함한다.
따라서, 로우 디코더(310)로부터 n번째 로우(row)를 셀렉트하라는 신호가 인가되면 로우 인에이블(Ren)이 하이(high)가 되며 인버터(320)는 하이(high)에서 로우(low)로 떨어지게 된다. 이때, 앤드 게이트(AND gate, 330)는 로우 인에이블(Ren)로부터 인가되는 신호가 하이(high)이고 인버터(330)로부터 인가되는 신호(인버터가 로우(low)로 떨어지기 전) 역시 하이(high)이므로 이러한 신호를 인가받아 로우 셀렉트에 해당 신호를 출력하게 되고, 이후, 인버터(330)가 로우(low)로 떨어지는 시점에서 리셋용 NMOS가 오프(off) 되는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 해당 로우(row)에 선택적으로 전원을 공급하는 방식으로써 로우 인에이블(row enable)이 가능하고 신호 검출을 제외하고는 오프(off)되어 있으므로 저전력으로 구동이 가능한 것이다. 또한, 종래의 암전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있어 고감도의 이미지 센서의 구현이 가능하다.
도 5a는 본 발명의 일실예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 개략적으로 도시한 것이며 도 5b는 도 5a의 단면을 도시한 것으로 이를 참조하여 더욱 상세히 기술하면 다음과 같다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위픽셀(200)은 P형 반도체 기판상에 형성되며 N형 불순물로 도핑된 웰(well, 240)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 광전변환용 PMOS(220), 상기 광전변환용 PMOS(220)에 리셋 신호를 인가하기 위한 리셋용 NMOS(210), 상기 광전변환용 PMOS(220)로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워용 NMOS(230) 및 상기 리셋용 NMOS(210)와 상기 광전변환용 PMOS(220)의 사이에 위치하여 전류를 축적하기 위한 플로팅 디퓨전 노드(FD node)를 포함한다.
광전변환용 PMOS(220)는 상부에 게이트를 포함하며 이때, 게이트는 N-well(240)과 플로팅되어 있거나 타이(tie)된 형태로 구성되며 있으며, 빛을 수광하기 위하여 게이트의 상부에는 빛을 투과하지 못하는 물질을 형성하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광전변환용 PMOS(220)는 PNP형 BJT와 유사한 구조를 갖게 된다. 이 구조는 PMOS처럼 N-well로 독립된 Isolation구조로 되어 있으면서 광전변환에 의하여 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 정공이 이동하게 되는데 광량의 세기에 따라 그 전류량이 달라진다. 이 구조의 중요한 점은 N-well이 Floating 되어 있어야 하며 광자(photon)에 의해서 분리된 정공-전자는 각각 포텐셜에 영향을 주어 Vth에 영향을 주게되어 자체적인 증폭작용을 하게 된다. 따라서 미세한 양의 빛이 있어도 많은양의 전류를 발생시켜 신호처리가 가능하도록 한 구조이다. 다만 광이 입사하는 부분은 PNP의 PN, NP 접합에서 발생하는 공핍층이 효율적으로 빛을 받아서 정공 및 전자로 분리되는 것을 이용하는 것이 중요하다.
한편, 광전변환용 PMOS(220)는 게이트와 N-well(240)간의 타이(tie)를 위하여 연결부(도시하지 않음)를 더 포함하며, 연결부는 well(240)과 동일한 타입의 불순물로 형성하되, 연결부의 불순물 농도는 상기 well(240)의 불순물 농도보다 고농도로 형성한다.
리셋용 NMOS(210)는 그라운드(GND)와 플로팅 디퓨전 노드(FD node)와 연결되어 있으며, 소스 팔로워용 NMOS(230)를 앰프로 동작시키거나 스위치로 동작시키는 기능을 행한다. 즉, 리셋용 NMOS(210)가 온(on)일 경우는 소스 팔로워용 NMOS(230)가 오프(off)되고 리셋용 NMOS(210)가 오프(off)일 경우 소스 팔로워용 NMOS(230)는 온(on)되어 앰프로 동작한다.
한편, 리셋용 NMOS(210)는 그라운드와 연결을 위한 그라운드 연결부를 포함하며, 그라운드 연결부는 리셋용 NMOS(210)의 서브와 동일한 타입의 불순물로 형성 하되, 그라운드 연결부의 불순물 농도는 상기 서브의 불순물 농도보다 고농도로 형성한다.
소스 팔로워용 NMOS(230)는 광전변환용 PMOS(220)로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하여 외부로 출력하며 리셋용 NMOS(210)에 의하여 앰프로 동작하거나 스위치로서 동작하며, 플로팅 디퓨전 노드는 리셋용 NMOS(210)와 상기 광전변환용 PMOS(220)의 사이에 위치하여 전류를 축적한다.
이와 같이, 본원발명의 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전변환방식을 적용한PMOS를 사용하여 이미지 센서의 능동 픽셀을 구현함으로써, 미세한 빛이 존재하는 저조도에서도 고감도를 실현할 수 있으며, 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는 이점이 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도로서, 컬러 이미지를 구현하기 위한 것이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러 이미지의 구현은 종래의 RGB 컬러필터를 적용할 수 있다.
컬러 이미지를 구현하기 위한 픽셀은 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 파장을 받아들이기 위한 각각의 단위 픽셀의 조합으로 구성할 수 있다.
상기 각각의 단위 픽셀은 본 발명의 일실시예의 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS 상부에 컬러 필터(260a, 260b, 260c)를 적용함으로써 구현할 수 있다.
청색(blue)의 파장을 흡수하기 위한 청색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo- PMOS의 상부에는 청색 컬러 필터(260a)를 형성한다. 청색 컬러 필터는 청색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 청색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.
녹색(green)의 파장을 흡수하기 위한 녹색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 녹색 컬러 필터(270b)를 형성한다. 녹색 컬러 필터는 녹색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 녹색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.
적색(red)의 파장을 흡수하기 위한 적색 단위 픽셀의 광전 변환용 Photo-PMOS의 상부에는 적색 컬러 필터(330c)를 형성한다. 적색 컬러 필터는 적색의 염료가 첨부된 레지스트로, 빛의 적색 파장만을 흡수시켜 광전 변환용 Photo-PMOS에 이르게 한다.
따라서, 본 발명의 이미지 센서의 능동 단위 픽셀에 각각의 컬러 필터를 적용함으로써, 저조도에서도 선명한 컬러의 이미지를 구현할 수 있게 된다.
또한, 종래의 컬러 필터 공정을 적용하여 용이하게 구현할 수 있으므로 공정상 마진의 감소를 방지할 수 있다.
도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀 단면도로서, 컬러 필터를 사용하지 않고, 광전 변환용 PMOS의 상부에 게이트를 형성하여 컬러 이미지를 구현한다.
일반적으로 컬러 필터를 사용하여 컬러 이미지를 구현할 경우, 컬러 필터는 1개의 파장당 약 90%의 빛만을 흡수하며, 대분분의 빛도 소멸한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 컬러 필터를 사용하지 않고 컬러 이미지를 구현한다.
컬러 이미지를 구현하기 위한 픽셀은 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 파장을 받아들이기 위한 각각의 단위 픽셀의 조합으로 구성할 수 있다.
빛은 파장에 따라 투과하는 깊이가 달라지는데 청색은 에너지가 큰 대신 침투 깊이가 낮고 적색은 침투 깊이가 깊어 다른 파장에 비하여 비교적 아래 영역에서 전자-정공쌍을 분리한다.
이러한 물리적인 특성을 이용하여 침투 깊이에 따른 광전 변환을 효율적으로 하기 위하여 N-well의 깊이를 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다.
침투 깊이가 가장 짧은 청색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS의 상부에는 게이트 절연막을 형성한 후, 게이트 전극(270a)을 가장 얇은 두께로 형성하며, 바람직하게는 0.4㎛ 이하로 형성한다.
그리고, 청색 파장보다는 침투 깊이가 깊으나, 적색 파장보다는 침투 깊이가 짧은 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS의 상부에는 게이트 절연막을 형성한 후, 게이트 절연막의 상부에 0.4 내지 1.0㎛두께의 게이트 전극(270b)을 형성하며, 가장 바람직하게는 0.6㎛로 형성한다.
그리고, 상기 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS의 N-well의 깊이는 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다.
침투 깊이가 가장 깊은 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS의 상부에는 게이트 절연막을 형성한 후, 게이트 절연막의 상부에 1.0 내지 2.5 ㎛의 두께로 게이트 전극(270c)을 형성하며, 가장 바람직하게는 2.0㎛로 형성한다.
그리고, 상기 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS의 N-well의 깊이는 0.1 내지 0.4㎛로 형성하여, 가장 바람직하게는 0.2㎛로 형성한다.
따라서, 청색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS, 녹색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS, 적색 파장을 흡수하기 위한 단위 픽셀의 광전 변환용 PMOS에 입사된 각각의 파장이 동일한 깊이에서 흡수될 수 있어, 컬러 필터를 올린 것과 같이 각각의 픽셀의 내부에 형성되는 N-well 및 소스/드레인을 동일하게 형성할 수 있는 공정상 이점이 있다.
또한, 광전 변환방식의 PMOS를 사용함으로써 저조도에서도 선명한 이미지를 구현할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컬러 이미지 구현은 공정상에 있어서는 컬러 필터를 올린 효과가 있으므로 공정단계를 대폭 축소함과 동시에 비용 측면에서도 큰 이득을 가지게 된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 해당 로우(row)에 선택적으로 전원을 공급하는 방식으로써 로우 인에이블(row enable)이 가능하고 신호 검출을 제외하고는 오프(off)되어 있으므로 저전력으로 구동이 가능할 뿐만 아니라 종래의 암전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있어 고감도의 이미지 센서의 구현이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광전변환방식을 적용한 PMOS를 사용하여 이미지 센서의 능동 픽셀을 구현함으로써, 미세한 빛이 존재하는 저조도에서도 고감도를 실현할 수 있으며, 고속의 동영상의 구현을 가능하게 하는 이점이 있다.
본 발명은 종래의 컬러 필터 공정을 적용하여 용이하게 구현할 수 있으므로 공정상 마진의 감소를 방지할 수 있다.
본 발명은 컬러 이미지 구현에 있어, 컬러 필터를 올리지 않고도 용이하게 컬러 이미지의 구현이 가능하므로 공정단계를 대폭 축소함과 동시에 비용 측면에서도 큰 이득을 가지게 된다.
Claims (19)
- 제1형불순물 반도체 기판상에 형성되는 씨모스 이미지 센서에 있어서,제2형불순물로 도핑된 웰(well)을 포함하고, 수광하여 전기적인 신호를 생성하기 위한 광전변환용 모스(MOS);상기 광전변환용 모스(MOS)에 리셋 신호를 인가하기 위한 리셋용 모스(MOS);상기 광전변환용 모스(MOS)로부터 수신한 광전류를 전압으로 변환하기 위한 소스 팔로워용 모스(MOS); 및상기 리셋용 모스(MOS)와 상기 광전변환용 모스(MOS)의 사이에 위치하여 전류를 축적하기 위한 플로팅 디퓨전 노드를 포함하고, 상기 리셋용 모스(MOS)는 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)의 스위치로서 작용하여 상기 리셋용 모스(MOS)가 온 상태일 때 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)는 오프 상태가 되고, 상기 리셋용 모스(MOS)가 오프 상태일 때 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)는 온 상태가 되는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)는 컬러 이미지의 구현을 위하여 상부에 컬러 필터를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)는 컬러 이미지의 구현을 위하여 게이트 전극의 두께를 조절하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 컬러 필터는 청색 컬러 필터, 녹색 컬러 필터, 적색 컬러 필터 중 적어도 어느 하나인 씨모스 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 게이트 전극의 두께는 녹색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께를 청색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께보다는 두껍게 형성하고 적색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께보다는 얇게 형성하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 녹색의 빛을 수광하기 위한 광전변환용 모스의 게이트 전극 두께는 0.1㎛ 내지 0.4㎛인 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 리셋용 모스(MOS)는 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)를 앰프로 동작하게 하거나, 스위치로 동작하게 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)는 PMOS인 씨모스 이미지 센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 리셋용 모스(MOS) 및 상기 소스 팔로워용 모스(MOS)는 NMOS인 씨모스 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)의 게이트는 웰과 플로팅된 씨모스 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)의 게이트는 웰과 타이(tie)된 씨모스 이미지 센 서.
- 제 11 항에 있어서,상기 광전변환용 모스(MOS)는 게이트와 상기 웰(well)간의 타이를 위하여 연결부를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 12 항에 있어서,상기 연결부는 상기 웰(well)과 동일한 타입의 불순물로 형성된 씨모스 이미지 센서.
- 제 13 항에 있어서,상기 연결부의 불순물 농도는 상기 웰(well)의 불순물 농도보다 고농도인 씨모스 이미지 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 리셋용 모스(MOS)는 그라운드와 연결을 위한 그라운드 연결부를 포함하 는 씨모스 이미지 센서.
- 제 15 항에 있어서,상기 그라운드 연결부는 리셋용 모스(MOS)의 서브와 동일한 타입의 불순물로 형성된 씨모스 이미지 센서.
- 제 16 항에 있어서,상기 그라운드 연결부의 불순물 농도는 상기 서브의 불순물 농도보다 고농도인 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 의한 씨모스 이미지 센서의 이미지 데이타 처리 방법에 있어서,로우 인에이블 신호가 인가되고 셀렉트용 모스(MOS)가 턴-온되어 해당 픽셀에 전원을 공급하는 제1단계;로우(row)가 선택되면 상기 리셋용 모스(MOS)가 턴-오프되는 제2단계;일정한 시간 동안 빛에 노출됨으로써 상기 광전변환용 모스(MOS)에 생성된 광전류를 상기 플로팅 디퓨전 노드에 축적하는 제3단계;소스 팔로워용 모스(MOS)를 통하여 상기 생성된 광전류값을 전압 변환값으로 출력하는 제4단계;출력된 상기 전압 변환값을 신호처리 하는 제5단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 데이타 처리 방법.
- 제 18항에 있어서,상기 제2단계는 로우(row)가 선택되기 전까지 리셋용 모스(MOS)가 온(on)되고 소스 팔로워 모스(MOS)가 오프(off)되며, 로우가(row)가 선택될 때 리셋용 모스(MOS)가 턴-오프(turn-off)되고 소스 팔로워 모스(MOS)가 온(on)되는 씨모스 이미지 센서의 이미지 데이타 처리 방법.
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