KR20090061362A - Ｊｆｅｔ 소스 팔로워를 갖는 이미지센서의 픽셀 - Google Patents

Ｊｆｅｔ 소스 팔로워를 갖는 이미지센서의 픽셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 JFET 소스 팔로워를 갖는 이미지 센서의 픽셀에 관련된 것으로, 플로딩 확산(floating diffusion)과 JFET의 게이트(상부 P형 접합)을 추가적인 라우팅(Routing) 없이 직접 연결하여 면적 감소 및 메탈 배선에 의한 기생 커패시턴스(Parastic Capacitance)를 줄일 수 있도록 한 것이다.
이미지센서, 픽셀, JFET, 플로팅확산, 라우팅

Description

ＪＦＥＴ 소스 팔로워를 갖는 이미지센서의 픽셀{Pixel for Image Sensor with JFET Source Follower}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 JFET 소스 팔로워를 갖는 이미지센서의 픽셀에 관한 것이다.
통상의 이미지 센서들은 충돌하는 광자를 센서 픽셀에 집적된(모인) 전자로 전환함으로써 빛을 감지한다. 집적 사이클 완료 후, 모인 전하는 전압으로 전환되며, 이는 센서의 출력 단자에 공급된다. 통상의 CMOS 이미지 센서에 있어서 전하-전압 변환은 픽셀 자체에서 달성되고, 아날로그 픽셀 전압은 여러 픽셀 어드레싱 및 스캐닝 스킴을 통하여 출력 단자로 전달된다. 또한, 아날로그 신호는 칩 출력에 도달하기 전에 칩 상에서 디지털 값으로 전환될 수도 있다.
픽셀에는 그 내부에 전하 센싱 노드로서 플로팅 확산(Floating Diffusion, FD)을 구비하고, 플로팅 확산의 전하를 증폭하기 위한 버퍼 증폭기 즉 소스 팔로워(source follower)를 구비한다. 소스 팔로워는 적합한 어드레싱에 의해 픽셀 출 력라인을 구동한다. 전하-전압 변환이 완료되고 그 결과의 신호가 픽셀로부터 출력된 후, 픽셀은 새로운 전하의 축적을 준비하기 위하여 리셋된다. 전하 센싱 노드로서 플로팅 확산(Floating Diffusion, FD)이주로 이용된다. 리셋은 FD 노드를 기준전압에 순간적으로 전기적 접속하는 리셋 트랜지스터를 턴온시킴으로서 달성된다. 이 단계는 FD 노드에 모인 전하를 제거한다.
최근 새로운 동작 기술이 논문 및 많은 제품에서 인기를 얻고 있으며, 그 중에서 JFET를 소스 팔로워로서 사용하는 기술이 많이 발표되고 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0114396호(2006년 11월 06일 공개)를 일예로 들 수 있다. 위 선행 기술에서는 픽셀에 JFET 소스 팔로워를 사용하므로써 이미지센서의 각 픽셀간의 출력데이터의 특성 변화를 감소시킨다.
도 1은 종래기술(대한민국 공개특허공보 제10-2006-0114396호)에 따른 픽셀의 레이아웃이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
잘 알려진 바와 같이 CMOS 이미지 센서의 픽셀은 전달트랜지스터(Tx), 리셋트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택트랜지스터(Sx)를 구비한다. 즉 4개의 트랜지스터를 구비하고 포토다이오드(PD)와, 플로팅 확산(FD)을 구비한다. 종래기슬에서는 드라이브 트랜지스터 즉 소스 팔로워를 JFET로 사용하는 것이다. JFET는 에피층(기판) 내에 형성된 N형 채널, P0형 게이트 및 N+형 소스/드레인을 포함한다.
이러한 JFET 소스 팔로워는 베리드 채널(Buried Channel)을 갖고 있어, 노이즈에 강하므로 각 픽셀간의 출력데이터의 특성 변화를 감소시킨다.
그러나, 종래기술과 같은 레이아웃을 갖는 픽셀은, JFET의 P0형 게이트와 플로팅 확산(FN)이 멀리 이격되어 있기 때문에 메탈 배선에 의해 라우팅 되어야 한다. 따라서 메탈 라우팅에 의한 공간 할당이 필요하므로 스몰 픽셀의 구성에 제약을 받게 된다. 또한, 메탈 라우팅에 의해 스몰 픽셀에서 문제가 되는 플로팅 확산 주위의 기생 커패시턴스(Parastic Capacitance) 문제가 존재하므로 픽셀의 광 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, JFET 소스 팔로워를 갖으면서 스몰 픽셀의 구성에 적합한 레이아웃을 갖는 이미지 센서의 픽셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 JFET 소스 팔로워를 갖으면서 플로팅 확산 주위의 기생 커패시턴스를 작게하는 이미지센서의 픽셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 이미지 센서 픽셀은, 전하 센싱 노드인 플로팅 확산과 소스 팔로워용 JFET를 구비하고, JFET의 게이트는 플로팅 확산과 인접 배치되어 라우팅 없이 연결된다
여기서, JFET의 게이트와 플로팅 확산은 서로 상보적인 P형 또는 N형으로 구성된다. JFET의 게이트와 플로팅 확산이 맞닿는 부분에서의 PN 다이오드 형성에 의한 전압 강하를 방지하기 위해서, 상기 맞닿는 부분을 숏트(short) 시키는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 맞닿은 부분에 메탈 플러그 또는 실리사이드층을 더 형성하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 픽셀은 플로팅 확산을 리셋하기 의한 리셋트랜지스터를 더 포함하고, JFET와 인접한 다른 픽셀 내의 리셋 트랜지스터는 공통 VDD 콘택 노드를 통해 전원을 공급받는다.
바람직하게, 픽셀은, 광 전하를 생성하기 위한 포토다이오드, 포토다이오드의 전하를 플로팅 확산으로 전달하기 위한 전달트랜지스터; 및 JFET의 출력을 어드레싱하여 픽셀 출력 신호로서 제공하기 위한 선택트랜지스터를 더 포함한다.
아울러, 본 발명의 이미지 센서는 플로팅 확산에 적어도 두개의 포토다이오드가 공유되도록 하므로써, 복수의 포토-사이트가 픽셀 회로들을 공유하도록 할 수 잇다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 픽셀은 JFET를 소스 팔로워로서 사용하므로써, 픽셀의 출력을 베리드 채널을 통해 내보내기 때문에 노이즈에 대한 문제를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 픽셀은 픽셀은 플로팅 확산과 JFET의 게이트간 연결을 메탈 라우팅 없이 구성하므로써, 픽셀의 소형화가 가능하다. 또한 메탈 라우팅에 의한 기생 커패시턴스를 감소시킨다.
또한, 본 발명의 픽셀은 오느한 픽셀의 JFET와 인접한 다른 픽셀 내의 리셋 트랜지스터가 공통 VDD 콘택 노드를 통해 전원을 공급받도록 레이아웃 된다. 이에 의해 실제 픽셀 어레이에서 보면 픽셀당 1개의 VDD 콘택이 존재하므로 소형화에 보다 유리하다.
또한, 본 발명의 픽셀은 JFET의 게이트와 플로팅 확산이 맞닿는 부분을 숏트(short) 시키기 위해 메탈 플러그 또는 실리사이드층을 구비한다. 이에 의해 서 로 맞닿는 부분에서의 PN 다이오드 형성에 의한 전압 강하를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 레이아웃이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 A-A'에 따른 단면도이며, 도 5는 도 3의 B-B'에 따른 단면도이다.
핀드 포토다이오드(PD)에서 광자에 의해 발생하는 전하는 전달트랜지스터(Tx)의 게이트 제어에 의해 포토다이오드로부터 플로팅확산(FD, 401)으로 전송된다.
플로팅 확산(FD, 401)의 전압은 소스 팔로워 트랜지스터인 n채널 JFET에 의해 감지 및 증폭되고 선택트랜지스터(Sx)에 의해 어드레싱되어 픽셀 출력(Vout)으로서 제공된다. 플로팅 확산(FD, 401)은 VDD를 인가받는 리셋트랜지스터(Rx)에 의해 리셋된다.
n채널 JFET는 N형 채널(405B), 플로팅 확산(FD, 401))에 접속된 P형 게이트(405A), VVD단에 접속된 N형 소스(405C), 및 선택트랜지스터의 소스와 공통인 N형 드레인(405D)을 갖는다.
JFET는 액티브 아래쪽의 N 채널을 통해 전하가 이동하기 때문에(즉 베리드 채널을 갖기 때문에) 표면(surface) 채널을 갖는 MOSFET에 비하여 노이즈 측면에서 유리하다. 특히, 픽셀 신호를 외부로 내보내게 되는 소스 팔로워 단의 노이즈는 고화소의 작은 픽셀로 갈수록 큰 문제가 되고 있어서, JFET 소스 팔로워는 매우 유용하다.
도 4a를 참조하면, JFET의 P형 게이트(405A)는 N형 플로팅 확산(FD, 401)과 인접 배치되어 추가적인 메탈 라우팅 없이 연결되어, JFET의 게이트와 플로팅 확산이 맞닿는 부분에서의 PN 다이오드가 형성된다. 한편, PN 다이오드에 의해 전압 강하가 발생되어 신호 전달이 원할하지 않을 수 있으므로, 두 접합이 맞닿는 부분을 숏트(short) 시키기 위한 메탈 플러그(407A)를 형성해주는 것이 바람직하다. 이 메탈 플러그(207A)는 JFET의 소스(405C)에 VDD 콘택을 위해 사용하는 플러그(407C) 형성단계에서 함께 형성할 수 있다. 한편, 플러그(407B)에 연결되는 VDD 메탈 배선(409B)시에, 숏트를 위한 플러그(407A) 상에 메탈 패턴(409A)을 함께 형성해줄 수 있다. 이것은 플러그(407A)가 후속 배선 공정시 식각데미지를 입을 수 있으므로, 이 데미지를 메탈 패턴(409A)이 방지하도록 하기 위함이다.
한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, JFET의 P형 게이트(405A)와 N형 플로팅 확산(401)이 맞닿는 부분에 실리사이드층(500)을 형성하는 방법도 있을 수 있다. 도 5에 지시된 미 설명 도면부호는 도 4a과 동일하다.
도 5에는 n채널 JFET와 선택트랜지스터(Sx)가 함께 도시되어 있다. JFET의 신호는 선택트랜지스터의 게이트(403A) 제어에 의해 JFET의 드레인(405D)으로부터 픽셀 출력(Vout) 측인 N+영역(430B)로 전달된다.
도 6은 플로팅확산과 JFET만을 도시한 레이아웃이다. 앞서 설명한 바와 같이, JFET의 소스(405)는 VDD 콘택이 이루어진다. 소스(405C)로부터 드레인(405D)으로 전류 패스가 형성되는 바, 통상적인의 방법과 다르게 본 실시예에서는 소스(405C)와 드레인(405D)이 90도 방향으로 꺾여서 레이아웃 되어 있다. 이는 오른쪽에 인접하는 다른 픽셀의 리셋트랜지스터용 VDD 콘택과 소스(405C)측 VDD 콘택이 공통으로 사용되도록 하기 위해서이다. 이는 칩 면적을 줄여주는 장점을 가져다 준다.
본 실시예는 하나의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된 픽셀을 설명하였다. 그러나, 본 발명의 개념은 이에 한정되는 것이 아니다. 즉, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 플로팅 확산(FD)에 적어도 두개의 포토다이오드가 공유되는 구성의 이미지 센서에도 적용될 수 있고, 픽셀에 선택트랜지스터를 구성하지 않고 별도의 어드레싱 수단을 이용하는 스킴에서도 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 픽셀의 레이아웃.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 레이아웃.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 A-A'에 따른 단면도.
도 5는 도 3의 B-B'에 따른 단면도.
도 6은 본 실시예에서 플로팅확산과 JFET만을 도시한 레이아웃.

Claims (9)

  1. 전하 센싱 노드인 플로팅 확산; 및
    소스 팔로워용 JFET를 구비하고,
    상기 JFET의 게이트는 상기 플로팅 확산과 인접 배치되어 라우팅 없이 연결된
    이미지 센서의 픽셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 JFET의 게이트와 상기 플로팅 확산은 서로 상보적인 P형 또는 N형인 이미지 센서의 픽셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 JFET의 게이트 접합층과 상기 플로팅 확산이 맞닿는 부분에서의 PN 다이오드 형성에 의한 전압 강하를 방지하기 위해서, 상기 맞닿는 부분을 숏트(short) 시키기 위한 메탈 플러그를 더 포함하는 이미지센서의 픽셀.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 JFET의 게이트 접합층과 상기 플로팅 확산이 맞닿는 부분에서의 PN 다이오드 형성에 의한 전압 강하를 방지하기 위해서, 상기 맞닿는 부분을 숏트(short) 시키기 위한 실리사이드층을 더 포함하는 이미지센서의 픽셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 확산을 리셋하기 의한 리셋트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 JFET와 인접한 다른 픽셀 내의 상기 리셋 트랜지스터는 공통 VDD 콘택 노드를 통해 전원을 공급받는 이미지 센서의 픽셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 JFET의 출력을 어드레싱하여 픽셀 출력 신호로서 제공하기 위한 선택트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서의 픽셀.
  7. 제1항에 있어서,
    광 전하를 생성하기 위한 포토다이오드;
    상기 포토다이오드의 전하를 상기 플로팅 확산으로 전달하기 위한 전달트랜 지스터를 더 포함하는 이미지 센서의 픽셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 JFET는 N형 채널, P형 게이트, N형 소스 및 N형 드레인을 갖는 이미지 센서의 픽셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 확산에 적어도 두개의 포토다이오드가 공유되는 이미지 센서의 픽셀.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3278364A4 (en) * 2015-03-31 2018-12-19 Dartmouth College Image sensor and image sensor pixel having jfet source follower
CN113629090A (zh) * 2021-08-17 2021-11-09 思特威(上海)电子科技股份有限公司 一种像素、图像传感器及其制备方法、图像采集装置

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