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KR100406907B1 - 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서 Download PDF

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KR100406907B1
KR100406907B1 KR10-2000-0071684A KR20000071684A KR100406907B1 KR 100406907 B1 KR100406907 B1 KR 100406907B1 KR 20000071684 A KR20000071684 A KR 20000071684A KR 100406907 B1 KR100406907 B1 KR 100406907B1
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Abstract

본 발명은, 반도체 칩의 내부에 존재하는 결함에 대한 정보를 동일 칩내에 보관하는 기능이 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 칩의 제조 공정이 완료된 이후에 기능 테스트를 하여, 테스트 결과가 대부분의 기능등은 양호하나 일부 화소가 불량으로 판정된 경우에 그 불량화소의 주소를 기록할 수 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다. 이를 위한 구성은, 이미지를 감지하는 화소로부터 발생되는 각 이미지에 해당되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 제공하는 화소신호 변환부와, 상기 화소의 결함 부위의 주소에 대한 정보를 저장하고 필요시 제공하는 퓨즈 어레이부와, 상기 화소신호 변환부에서 논리게이트를 통해 공급되며, 입력이 전기적으로 부동(Floating)되어 있는 전원공급부 및 상기 화소신호 변환부로부터 제공되는 디지털 신호가 출력되고, 소정의 제어신호가 입력되는 씨아이 센서 입출력부가 하나의 칩에 구현되어 이루어진다.

Description

결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서{CMOS image sensor which contains locative information of defected pixels}
본 발명은 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 이미지 센서를 이루는 칩을 제조함에 있어서 별도의 추가공정이 없이 퓨즈를 제조하고, 레이저 커터를 이용하여 퓨즈를 끊거나 또는 녹임으로써 파티클(Particle) 발생이 없이 불량 화소에 대한 위치정보를 제공하기 위한 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에서 씨모스 (Complementary Metal Oxide Silicon)는 반도체 소자의 구조를 표현한 것이며, 이미지 센서는 촬상 소자를 의미한다. 이미지 센서를 설명함에 있어서, 픽셀(Pixel)은 화상(Picture)과 셀(Cell)의 합성어로서, 한 개의 화소를 의미한다. 그리고, 퓨즈(Fuse)는 전기 또는 빛 에너지 등과 같은 외부의 충격에 끊어지도록 고안되어 만들어진 전도성 층으로서, 본 발명에서는 끊어지기 전에 녹는 성질을 이용한다.
상기 퓨즈를 절단하는 것이 레이저 커팅(LASER Cutting)인데, 레이저(LASER)의 에너지를 이용하여 퓨즈 부분이 녹거나 끊어지도록 에너지 충격을 주어 단락시키며,본 발명에서는 레이저 커팅(Cutting)과 멜팅(Melting)의 의미를 갖는다.
본 발명은 단일 전원을 사용하는 촬상 소자에 대한 분야이며, 보다 넓게는 화상의 빛과 색의 관계에 관한 칼라 사이언스(Color Science), 이를 이용한 화상 입력장치, 화상을 보정하는 장치, 화상을 압축 복원하는 장치 등의 기술과 결합하여 디지털 카메라와 같은 완성된 시스템을 이루는 분야에 적용된다.
이 분야에서 종래에 사용하였던 방법은, 별도의 불휘발성 메모리 반도체 칩에 불량 픽셀의 정보를 기록한 다음, 소정 시스템으로 제작할 때 동일 보드(Board) 상에 장착을 한다.
이 방법은 각각의 이미지 센서 칩 내부의 불량 셀의 위치가 다르므로, 불량 셀의 위치정보를 관리하는 어려움이 매우 크며, 불휘발성 메모리의 추가 구입 비용이 소요된다. 퓨즈에 대한 종래의 기술은 반도체 메모리 디램(DRAM) 제조 분야의 기술이 대표적으로서, 반도체 제조 공정이 완료된 이후 조립 전에 레이저로 연결 부위를 선택적으로 끊는 방식이다. 이러한 방법은 파티클의 발생위험이 없는 경우에는 가장 좋은 방법이지만, 퓨즈가 끊어지면서 미세 입자, 즉 파티클이 발생할 위험이 있는 경우에는 파티클의 위험요소를 감안해야 한다. 이 미세 입자는 메모리 반도체인 디램에서는 상관이 없지만 외부의 빛에 민감한 씨모스 이미지 센서에는 발생한 미세 입자가 픽셀 위에 얹혀지면 새로운 불량 셀을 발생시킬 위험이 크다.
시스템 칩 제조 기술에서 사용하는 전기적인 방법으로 사용하는 일회용 퓨즈 방식도 추가 공정이 필요하며, 외부에서 별도의 전원을 공급해야 한다. 이는 단일 전원을 사용하는 장점을 지닌 씨모스 이미지 센서에는 적합하지 않은 방식이다.
전술한 불편과 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 씨모스 이미지 센서를 제조함에 있어서 추가 공정이 없이 퓨즈 구조를 제작하고, 퓨즈를 끊는 방법 또는 끊지 않고 녹임(Melting)으로써 파티클이 발생할 소지를 없앤 것과 별도의 외부 전원을 사용하지 않아 전력 소모를 최소화하도록 하는 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명인 퓨즈 어레이가 포함되어 있는 씨모스 이미지 센서의 실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도2는 단위 퓨즈 어레이의 기능 블록도이다.
도3a는 단위 퓨즈 셀의 레이아웃을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도3b는 도3a의 레이아웃을 회로도의 형태로 도식화한 것이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 씨모스 이미지 센서 200 : 화상 정보 처리기
10 : 화소신호 변환부 12 : 퓨즈 어레이부
14 : 입출력부 16 : 전원공급부
18 : 퓨즈 어레이 제어부 20 : 퓨즈 어레이 입출력부
30 : 신호입력부 32 : 데이터저장부
34, 36 : 단위퓨즈부 40 : N 액티브 부위
42 : P 액티브 부위 44 : 게이트 부위
46 : N웰 부위 48 : 축전기 부위
50 : 레이저 타겟 부위
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서는, 이미지를 감지하는 화소로부터 발생되는 각 이미지에 해당되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 제공하는 화소신호 변환부; 상기 화소의 결함 부위의 주소에 대한 정보를 저장하고 필요시 제공하는 퓨즈 어레이부; 상기 화소신호 변환부에서 논리게이트를 통해 공급되며, 입력이 전기적으로 부동(Floating)되어 있는 전원공급부; 및 상기 화소신호 변환부로부터 제공되는 디지털 신호가 출력되고, 소정의 제어신호가 입력되는 씨아이 센서 입출력부가 하나의 칩에 구현되어 이루어진다.
상기 퓨즈 어레이는, 신호가 입력되는 신호입력부, 내부전원부, 데이터저장부, 단위퓨즈부 및 접지부가 결합되어 하나의 구성단위를 형성될 수 있으며, 상기 단위퓨즈부의 입력은 전기적으로 부동되어 있고, 퓨즈를 포함하고 있는 전기회로의 전원은 입력신호에 의해 공급되어지며 레이저에 의해 논리적으로 가동될 수 있는 퓨즈구조로 이루어질 수 있다. 멜팅 방식의 상기 퓨즈구조를 이루는 하나의 셀은, 게이트 부분의 경계면이 최대가 되도록 P 액티브(Vdd) 또는 N 액티브(Vss) 전원부위에 게이트 부위가 돌출되는 구조로 이루어짐이 바람직하며, 폴리실리콘, 폴리사이드, 실리사이드 중 어느 하나의 물질로 이루어져서 게이트를 구성하거나 게이트간 연결역할을 하며, 절연체 위에 있어서 레이저에 의해 끊길 수 있는 구조로 이루어짐이바람직하다.
그리고, 상기 단위퓨즈부는 차동증폭기의 구조로 이루어지며, 입력은 1/2 Vdd를 유지하여 출력은 전기적으로 부동이 되도록 함이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1에는 본 발명의 실시예에 의한 퓨즈 어레이가 포함되어 있는 씨모스 이미지 센서가 개략적으로 나타난 블록도가 제시되어 있으며, 그 구성은 다음과 같다.
씨모스 이미지 센서(100)는 각각의 단위 화소가 결합되고 각 화소로부터 제공되는 신호를 변환시키는 화소신호 변환부(10)와, 여기에 연결되는 퓨즈 어레이부(12)로 크게 나뉠 수 있는데, 화소신호 변환부(10)로부터 논리게이트를 통해 전원을 공급하며 입력이 전기적으로 부동되도록 하는 전원공급부(16)가 구비되며, 화소신호 변환부(10)로부터 제공되는 디지털 신호가 출력되고, 소정의 제어신호가 입력되는 씨아이 센서 입출력부(14)가 구비되어 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성에 의해 씨모스 이미지 센서(100)가 동작하기 전에 미리 화상 정보 처리기(200, Image Signal Processor)에서 손상된 데이터가 복구될 수 있도록 불량 화소의 위치가 미리 알려 진다. 손상된 화소는 일반적으로 10개의 범위 내에서 허용되며, 1개에서 10개 사이의 손상된 화소를 포함하여 불량으로 판정 받는 비율이 일반적으로 15%의 범위에 있다. 이러한 칩들이 양품으로 사용될 수 있도록 동일 칩 내의 퓨즈 어레이부(12)에 불량 화소의 정보가 기록된다.
즉, 도1은 본 발명의 주요한 개념을 도식화한 것으로서, 화소신호 변환부(10)를 기본으로 하는 씨모스 이미지 센서(100) 반도체 칩과 그 내부에 포함되어 있는 결함 화소의 위치 정보를 기록하는 퓨즈 어레이부(12) 사이의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
반도체 제조 공정 또는 조립 중에서 발생한, 고장난 화소의 정보를 기억하는 퓨즈 어레이부(12)는 픽셀의 2차원 위치 정보를 별도의 메모리를 사용하지 않고 자체적으로 포함하고 있는 퓨즈를 구비하도록 함으로써 불량이 발생된 픽셀의 위치를 화상 정보 처리기가 있는 외부 시스템 또는 내부의 논리부에 제공하여 보정할 수 있도록 한다.
전원공급부(16)의 기능은 퓨즈 어레이부(12)에 전원을 공급하는 것으로서 외부의 전원을 금속성 전도체로 직접 연결하지 않고 논리소자의 출력을 전원으로 이용하는 것이다. 퓨즈 어레이부(12)는 화소신호 변환부(10)에 의해 기능이 제어된다. 퓨즈 어레이부(12)에 저장되어 있는 불량 화소의 주소에 대한 정보는 퓨즈 어레이 입출력부(14)를 통해 필요에 따라 화소신호 변환부(10)와 씨모스 이미지 센서(100)의 외부로 출력된다.
이와 같은 퓨즈 어레이부(12)를 구현하는 것은 씨모스 이미지 센서의 생산 공정에서 추가 공정이 없도록 차동증폭기의 기본 구조를 갖도록 하였으며, 차동 증폭기의 두 입력 부분을 논리적 스위치 전압인 1/2 Vdd를 유지하며 전기적으로 부동이 되도록 하여, 레이저에 의해 발생되는 미세한 누설 전류에도 전압의 변화가 신속하게 발생되어 증폭되어 도2의 '출력'으로 증폭되어 출력된다. 이러한 전기적인 동작이 '입력A'에 논리 '1'의 전위가 공급될 때만 동작되어 동작 대기시의 전력 소모는 없으므로 전력소모가 최소가 된다.
도2는 퓨즈 어레이부(12)를 이루는 단위 퓨즈 어레이를 나타내는 회로도이며, 회로의 기본 개념은 차동증폭기와 동일하나, 전원공급부(16)는 화소신호 변환부(12)에 논리 게이트를 통해 공급되도록 되어 있으며, 입력 부분은 전기적으로 부동되어 있어서 필요시 레이저로 가공할 수 있도록 되어 있는 퓨즈 구조의 단위퓨즈부(34, 36)로 이루어진다.
씨모스 이미지 센서(100)의 생산 공정이 완료된 후에 기능 테스트를 하여 알려진 불량화소에 대한 위치정보가 레이저 커터를 통해 퓨즈 어레이부(12)의 단위 퓨즈에 입력된다. 레이저의 조사(照射)를 받은 부분이 'Vss' 또는 'Vdd'에 전기적으로 연결되어 데이터저장부(32)에 저장된 다음, 씨모스 이미지 센서(100)의 내부 또는 외부에 있는 화상 정보 처리기(200)의 요구에 따라 불량 화소의 위치 정보가 제공된다. 그러면, 화소신호 변환부(10)에서 화상 정보가 제공되어 불량화소에 대한 정보는 인접한 화소들이 나타내는 값들의 평균치로 보정되어 정상적인 촬상기능을 한다. 이 화소신호 변환부(100)에는 빛에 반응하는 성질을 갖는 화소를 배치하여 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 아날로그(Analog) 신호로 감지한 다음, 각 화소에서 감지한 아날로그 신호는 논리적으로 처리될 수 있도록 디지털(Digital) 신호로 변환된 후 외부로 출력된다.
도3a는 단위 퓨즈 셀의 레이아웃에 대한 도면으로 축전기의 조합으로 구성되어 있다. 이 축전기는 전원(Vdd)과 접지(Ground)사이에 연결되어 있으며, 게이트는 도3b에 도시된 축전기 용량 '가'는 '나'와 '다'의 합과 동일하도록 하여 초기에는 1/2 Vdd의 전위를 갖도록 되어 있지만, 레이저에 의해 '가' 또는 '다' 부분이 각기 전원 또는 접지와 연결 되도록 설계되었다.
상기 퓨즈 셀은 레이저의 타겟이 되는 게이트 부위(50, 40)의 경계면이 최대가 되도록 P 액티브(42, P Active, N-Well, Vdd) 또는 N 액티브(40, N Active, Vss) 전원부위에 게이트 부위(44)가 돌출되는 구조로 되어 있어 레이저에 의한 열 충격에 누설 전류가 흐를 수 있는 통로의 생성이 용이하도록 되어 있다. 이 구조는 제조 공정의 변경이 없어도 제작될 수 있는 구조로서, 레이저에 의한 충격으로 미세 입자가 발생하지 않는 범위에서 사용하도록 되어 있다.
그리고, 퓨즈구조를 이루는 하나의 상기 퓨즈 셀은 폴리실리콘, 폴리사이드, 실리사이드 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있는데, 이때 셀의 위치에 따라, 액티브 영역 위에 형성되면 게이트를 구성하게 되고, 그 아래에 형성되면 게이트간 연결역할을 하게 된다. 또한, 절연체 위에 형성되어서 레이저에 의해 끊길 수 있는 구조로 이루어진다.
전술한 바와 같이, 씨모스 이미지 센서를 제조함에 있어서 추가 공정이 없이 퓨즈 구조를 제작하고, 퓨즈를 끊지 않고 녹임(Melting)으로써 파티클이 발생할 소지를 없앤 것과 별도의 외부 전원을 사용하지 않아 전력 소모를 최소화하도록 한다. 해당 부위의 게이트와 기판인 실리콘 사이에 전기적으로 접속이 되어 미세한 전류가흐르는 통로가 만들어지고 이곳으로 흐르는 미세한 전류를 증폭하여 '1' 또는 '0'의 정보로 바꾸어 준다.
씨모스 이미지 센서의 경우 연속적인 화상에 대한 데이터를 요구하므로 죽은 픽셀의 위치가 반드시 원래의 그 위치에 존재하여야만 이 화상의 연속성을 구현할 수 있으나, 물리적으로 죽은 픽셀을 대체할 수는 없으므로 외부에서 화상처리기에 의한 연산에 의해 보정된다. 기존 기술에 의한 방법에서는 죽은 픽셀에 대한 보정은 쉽게 할 수 있으나 문제가 되는 픽셀들의 위치정보를 관리하는 것이 비효율적이었다. 그러므로, 본 발명에서는 센서의 온-칩(on-chip) 내에 레이저 퓨즈 박스를 사용하여 웨이퍼 제조 후 또는 조립 후 시험과정에서 죽은 픽셀의 위치정보를 확인하여 시험 후 바로 완전히 죽은 픽셀과 나쁜 픽셀의 위치에 해당하는 위치정보를 퓨즈의 조합으로 접속하여 줌으로써 동작시 사용환경이 바뀔 경우라도 확실하게 죽거나 나쁜 픽셀의 위치정보를 확보할 수 있어, 기존의 또 다른 칩을 사용하는 경우에 비하여 훨씬 제조 원가, 유통 및 조립비용을 줄일 수 있으므로 기존의 기술에 비하여 많은 장점을 가진다.
씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 제조시 발생되는 디펙트에 의해서도 죽은 픽셀이 발생되지만 일반적인 반도체와는 달리 조립과정 중에 발생되는 디펙트에 의해서도 치명적으로 불량픽셀이 발생되어진다. 그러므로 조립공장의 환경도 파티클의 허용치를 클래스(Class) 100 이하로 유지되어야 하는 특징이 있으며, 조립과정 중 유리가 삽입될 때까지는 파티클에 대한 철저한 대비를 하여야 하는 어려움이 있다. 상기 기술은 웨이퍼 제조과정 중 발생된 죽은 픽셀에 대한 보정으로는 웨이퍼 제조후에직접 레이저 퓨즈 멜팅 방식을 적용할 수가 있으며, 또한 레이저의 초점을 조절하여 조립과정에서 발생된 디펙트(Defect)에 대해서도 상기 기술을 이용하여 불량픽셀을 보정할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 씨모스 이미지 센서의 여러 가지 시험조건에서 불량으로 처리된 픽셀을 위치정보에 의해 레이저 퓨즈를 사용하여 하드웨어적으로 센서 자체에 기억시켜서 실제 동작시에 모든 환경에서 고정된 불량 위치정보를 제공하므로 화질의 디펙트 노출 가능성을 완벽하게 배제할 수 있으며, 별도의 칩을 사용하지 않으므로 제조비용도 줄일 수 있는 효과가 있다.
즉, 동일한 칩 내에 불량 화소의 정보를 기록함으로서 별도의 칩(불휘발성 메모리, EEPROM)이 필요치 않으며, 동일한 생산공정으로 제작할 수 있으므로 원가가 절감되고, 두 개의 칩을 한 조로 취급하여야 하는 유통상의 번거러움이 없으며, 씨모스 이미지 센서 칩을 사용하여 시스템을 조립하고 구성할 때 체적(Form Factor)을 줄임으로 원가가 절감된다.
퓨즈 어레이부의 회로는 필요시에만 전력을 공급받도록 하여 전력소비가 구조적으로 최소화되었으며, 근본적으로 레이저에 의한 충격에 미세 입자(파티클)가 발생되지 않으므로 생산성 및 안정성면에서 뛰어난 효과가 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 이미지를 감지하는 화소로부터 발생되는 각 이미지에 해당되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 제공하는 화소신호 변환부;
    상기 화소의 결함 부위의 주소에 대한 정보를 저장하고 필요시 제공하는 퓨즈 어레이부;
    상기 화소신호 변환부에서 논리게이트를 통해 공급되며, 입력이 전기적으로 부동되어 있는 전원공급부; 및
    상기 화소신호 변환부로부터 제공되는 디지털 신호가 출력되고, 소정의 제어신호가 입력되는 씨아이 센서 입출력부;
    가 하나의 칩에 구현됨을 특징으로 하는 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 어레이부를 이루는 단위퓨즈부의 입력은 전기적으로 부동되어 있으며, 레이저에 의해 논리적으로 가동될 수 있는 퓨즈구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 퓨즈구조를 이루는 하나의 셀은,
    레이저의 타겟이 되는 게이트 부분의 경계면이 최대가 되도록 P타입 액티브 영역 또는 N타입 액티브 영역의 전원부위에 게이트 부위가 측면으로 돌출되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 퓨즈구조를 이루는 하나의 셀은,
    폴리실리콘, 폴리사이드, 실리사이드 중 어느 하나의 물질로 이루어져 액티브 영역 위에 형성되면 게이트를 구성하게 되며, 절연체 위에 있어서 레이저에 의해 끊길 수 있는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 상기 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위퓨즈부는 차동증폭기의 구조로 이루어지며, 입력은 1/2 Vdd를 유지하여 전기적으로 부동인 것을 특징으로 하는 상기 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
  7. 삭제
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 퓨즈구조를 이루는 하나의 셀은,
    폴리실리콘, 폴리사이드, 실리사이드 중 어느 하나의 물질로 이루어져 액티브 영역 아래에 형성되면 게이트간 연결 역할을 하며, 절연체 위에 있어서 레이저에 의해 끊길 수 있는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 상기 결함정보를 동일 칩 내에 포함하고 있는 씨모스 이미지 센서.
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