KR20090043740A - CMOS image sensor - Google Patents
CMOS image sensor Download PDFInfo
- Publication number
- KR20090043740A KR20090043740A KR1020070109465A KR20070109465A KR20090043740A KR 20090043740 A KR20090043740 A KR 20090043740A KR 1020070109465 A KR1020070109465 A KR 1020070109465A KR 20070109465 A KR20070109465 A KR 20070109465A KR 20090043740 A KR20090043740 A KR 20090043740A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- unit
- cmos
- light
- sensor
- pmos
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 47
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 13
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 26
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 9
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/80—Constructional details of image sensors
- H10F39/802—Geometry or disposition of elements in pixels, e.g. address-lines or gate electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
- H10D30/68—Floating-gate IGFETs
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/80—Constructional details of image sensors
- H10F39/802—Geometry or disposition of elements in pixels, e.g. address-lines or gate electrodes
- H10F39/8023—Disposition of the elements in pixels, e.g. smaller elements in the centre of the imager compared to larger elements at the periphery
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 수광부 CMOS와 출력부 CMOS로 이루어진 센서부를 단위 픽셀 내에 복수개 배치함으로써, 빛이 수광되는 양에 따라 다른 전기적인 신호의 출력이 가능하며, 이를 통하여 사용자에게 별도의 조작을 요구하지 않으면서 광범위한 조도에 대한 대처가 가능하다.In the CMOS image sensor according to the present invention, a plurality of sensor units including a light receiving unit CMOS and an output unit CMOS are disposed in a unit pixel, and thus, an electric signal can be output according to the amount of light received, thereby allowing a separate operation to a user. A wide range of illuminance can be coped without requiring.
이미지 센서, CMOS, NMOS, PMOS, 피사체, 단위 픽셀 Image sensor, CMOS, NMOS, PMOS, subject, unit pixel
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수광되는 빛의 양에 관계없이 일정한 디지털 출력을 나타내는, 즉 저조도에서 고조도에 이르기까지 다이나믹한 레인지를 제공하는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor that exhibits a constant digital output regardless of the amount of light received, that is, provides a dynamic range from low to high illumination. .
이미지 센서는 빛 에너지에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 순간적으로 포착(capture)해 내는 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.An image sensor is a device that captures an image instantaneously by using a property of a semiconductor device that responds to light energy. Light generated from each subject existing in the natural world has a unique value in wavelength and the like. The pixel of the image sensor detects light generated from each subject and converts it into an electric value.
즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛 에너지 크기 등에 대응하여, 빛의 파장에 대응하는 전기적인 값을 발생한다.That is, the pixel of the image sensor generates an electrical value corresponding to the wavelength of light in response to the magnitude of light energy generated in the subject.
이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 모스(MOS) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 CMOS 집적회로 제조기술을 이용하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 차례차례 출력(Output) 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. 씨모스 이미지 센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인 휴대용 시스템에 매우 유용하다.Among these, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual MOS capacitors are located in close proximity to each other. A sensor is a device that employs a switching method of forming a pixel array using a CMOS integrated circuit manufacturing technology and sequentially detecting the output. The CMOS image sensor has the great advantage of low power consumption, making it very useful for personal portable systems such as mobile phones.
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(Photo-Diode)의 단면을 나타내는 도면이고, 도 1b는 도 1a의 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가회로도이다.FIG. 1A is a diagram illustrating a conventional three-transistor CMOS active pixel, a cross-sectional view of a photo-diode including a circuit of peripheral components, and FIG. 1B is a conventional three-transistor seed of FIG. 1A. It is an equivalent circuit diagram of MOS active pixel.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로 포토 다이오드의 커패시턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)에 의하여 생성되는 커패시터 성분의 합으로 된다.1A and 1B, in a conventional three-transistor CMOS active pixel, an N +
따라서 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 단점을 보완하기 위한 것이 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.Accordingly, an image sensor employing a conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity. The four-transistor CMOS active pixel is to compensate for the disadvantage of the three-transistor CMOS active pixel.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 도 2a의 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가회로도이다.FIG. 2A is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, showing a cross section of a photodiode including a circuit of peripheral components, and FIG. 2B is an equivalent of the conventional 4-transistor CMOS active pixel of FIG. 2A. It is a circuit diagram.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 전송제어신호(Tx)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(25)가 사용된다. 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형 불순물층(21)과 N+형 부유 확산층(23)이 서로 격리된다.2A and 2B, the conventional 4-transistor CMOS active pixel includes a
따라서, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 이미지 센서의 감도도 증가하고, 이미지 질도 향상될 수 있다. 그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 전송 트랜지스터가 추가됨으로 인하여 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.Therefore, in the conventional 4-transistor CMOS active pixel, the sensitivity of the image sensor may be increased and the image quality may be improved. However, the four-transistor CMOS active pixel has a disadvantage in that the light receiving area is reduced due to the addition of the transfer transistor.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도이다. 픽셀부(30)란 단위 픽셀들이 이루는 하나의 컬럼(column)을 의미한다. 픽셀부(30)는 컬럼의 수만큼 구비되는 것이고, 각 픽셀부(30)에 구비되는 단위 픽셀의 수는 로우(row)의 수만큼 구비되는 것이다.FIG. 3A is a circuit diagram connected to a pixel portion formed of a combination of unit pixels shown in FIGS. 1A and 2A. The
일반적으로 '640×480 VGA', '1024×768 XGA, 1280×1024 SXGA'라 함은 각각 '640개의 컬럼×480개의 로우', '1024개의 컬럼×768개의 로우', '1280개의 컬럼×1024개의 로우'로 이루어지는 이미지 해상도를 의미하는 것이다. 실제 공정에서는 각 컬럼 및 로우의 갯수가 이보다 다소 많이 구비된다. 도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.Generally, '640 × 480 VGA', '1024 × 768 XGA, 1280 × 1024 SXGA' means '640 columns × 480 rows', '1024 columns × 768 rows', '1280 columns × 1024', respectively. This means that the image resolution consists of 'rows'. In practice, the number of columns and rows is somewhat higher. 3B illustrates a signal applied to the unit pixel illustrated in FIGS. 1A and 2A.
도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 포착(capture)된 이미지 데이터 신 호가 컬럼의 공통 접점(31)으로부터 CDS(Correlated Double Sampling)(36)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing on the circuit and signal shown in FIGS. 3A and 3B is as follows. When a select signal is applied to a row including a plurality of unit pixels, an image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is captured from the
다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 CDS(36)를 포함한 회로에 인가된 기준 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다.The data signal according to the various levels of illumination lowers the reference voltage applied to the circuit including the
도 3c는 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 3c에서는 설명의 편의상 세 가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.3C illustrates a voltage drop phenomenon of the data signal according to each illuminance level. Although three levels are illustrated in FIG. 3C for convenience of description, various levels of data signals may exist.
도 3c의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호 전압의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호 전압의 강하가 발생하는 구간이다. 우선 로우인에이블 신호(R_en)가 디스에이블되는 동안 CDS(36)의 스위치b(32b)에 리셋 샘플링 구동신호(SR)가 리셋 샘플링 구간(A)동안 인가되어 리셋 전압을 커패시터b(33b)에 저장한다.In the 'A' section and the 'C' section of FIG. 3C, a stable section without fluctuation of the signal voltage and a 'B' section are sections in which the drop of the signal voltage occurs. First, while the low enable signal R_en is disabled, the reset sampling drive signal SR is applied to the
이후, 도 3b의 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31)에 인가되면, CDS(36)의 스위치a(32a)가 외부에서 인가되는 데이터 샘플링 구동신호에 의해 'C' 구간 동안 데이터 샘플링(SD, data sampling)을 진행하여 커패시터a(33a)에 그 값을 저장하고 버 퍼a(34a)를 거쳐 MUX(multiplexer)(35)로 데이터 신호 전압을 인가한다.Thereafter, when the row enable signal R_en of the signal of FIG. 3B is applied to each unit pixel of the row, and the image data signal is applied to the
데이터 샘플링(SD)의 완료 후, 리셋(RST) 신호가 인가되고, 로우인에이블이 종료되면, 다음의 영상처리데이터를 처리하기 위한 CDS(36)의 스위치b(32b)가 외부에서 인가되는 리셋 샘플링 구동신호에 의해 'A' 구간 동안 리셋 샘플링(SR, reset sampling)을 진행하여 커패시터b(33b)에 리셋 전압을 저장하고 버퍼b(34b)를 거쳐 MUX(35)로 신호를 인가한다.After completion of the data sampling (SD), a reset (RST) signal is applied, and when low enable is completed, a reset is applied externally by a switch b32b of the
이러한 일련의 신호(R_en, SD, RST, SR)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 차등증폭기(SHA: Sample and Hold Amplifier)(37), PGA(Programmable Gain Amplifier)(38) 및 ADC(Analog-Digital Converter)(39) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다.When the series of signals R_en, SD, RST, and SR progress for one period, image data stored in the unit pixel is acquired, and a differential amplifier (SHA: Sample and Hold Amplifier) (37) and a programmable gain amplifier (PGA) are used. (38) and the analog-digital converter (ADC) 39 output image data.
결과적으로, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 감도가 낮은 단점을 가지며, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광 면적이 작은 문제점을 가진다.As a result, the conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity, and the conventional four-transistor CMOS active pixel has a problem in that a light receiving area is small.
이를 해소하기 위한 방안을 이하에서 기술하며, 아울러 해소 방안에서의 고조도 상태에서 높은 감도로 인한 광전류 포화(saturation) 문제의 해소 방안을 제시하도록 한다.The solution to solve this problem will be described below, and the solution to solve the photocurrent saturation problem due to high sensitivity at high illumination in the solution solution will be described.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 피치 사이즈(pitch size)를 줄여 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor, which is created to improve the above problems and which can reduce the area of an image sensor by reducing a pitch size.
본 발명의 다른 목적은, 공정 상에서의 수율 향상 및 생산 비용을 절감할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공함에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 고조도에서 광전류가 포화되는 현상을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a CMOS image sensor capable of improving yield and reducing production costs in a process. Still another object of the present invention is to provide a CMOS image sensor capable of preventing the saturation of the photocurrent at high illumination.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성하는 수광부 CMOS와, 상기 수광부 CMOS로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS를 구비하는 센서부를 포함하고, 상기 센서부는 단위 픽셀 내에 복수개 배치되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the CMOS image sensor includes a sensor unit including a light receiving unit CMOS for receiving light and generating an electrical signal, and an output unit CMOS for outputting a signal received from the light receiving unit CMOS. The sensor unit may be disposed in a plurality of unit pixels.
여기서, 상기 단위 픽셀 내에 상기 센서부에 대응되도록 복수개의 전류-전압 변환기를 더 포함하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to further include a plurality of current-voltage converter to correspond to the sensor unit in the unit pixel.
또한, 상기 각 센서부에 구비된 수광부 CMOS는 서로 다른 길이와 넓이비(W/L ratio)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수광되는 빛의 양을 측정하는 광 측정부; 상기 광 측정부의 측정 결과에 따라 상기 복수개의 센서부 중 상기 수광된 빛의 양에 따라 기설정값을 만족하는 출력을 나타내는 센서부를 선택하는 선택부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 선택부는 입력되는 광량이 저광량인 경우에는 제1 센서부가 선택되고, 고광량인 경우에는 제2 센서부가 선택되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the light receiving unit CMOS provided in each sensor unit has a different length and width ratio (W / L ratio). In addition, the light measuring unit for measuring the amount of light received; The display unit may further include a selection unit that selects a sensor unit indicating an output satisfying a preset value according to the amount of received light among the plurality of sensor units according to the measurement result of the light measuring unit. Here, it is preferable that the first sensor unit is selected when the amount of light input is low, and the second sensor unit is selected when the amount of high light is input.
상기 복수의 센서부 내의 각 수광부 CMOS는 전원(VDD)이 연결되는 전원단을 공유하는 구조인 것이 바람직하다.Each of the light receiving unit CMOS in the plurality of sensor units preferably has a structure in which a power supply terminal to which a power supply VDD is connected is shared.
상기 센서부는 단위 픽셀 내에 2개가 배치되는 것이 바람직하며, 이때, 상기 두개의 센서부에 구비된 수광부 CMOS는 동일한 광량에 대해 다른 전류값이 출력되도록 서로 다른 길이와 넓이비(W/L ratio)를 갖는 것이 바람직하다.Preferably, two sensor units are disposed in a unit pixel. In this case, the light receiving unit CMOSs provided in the two sensor units have different length and width ratios (W / L ratios) so that different current values are output for the same amount of light. It is desirable to have.
또한, 상기 수광부 CMOS는 하나의 PMOS이고, 상기 출력부 CMOS는 하나의 NMOS인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 PMOS는 P형 반도체 기판상에서 N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고 게이트 및 N-well의 일부 영역으로 수광하는 구조이며, 상기 NMOS는 P형 반도체 기판상에서 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하는 구조인 것이 바람직하다. 또한, 상기 PMOS는 상기 웰(well) 내에 소스와 드레인이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 PMOS의 게이트는 플로팅되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the light receiver CMOS is one PMOS, and the output CMOS is one NMOS. Here, the PMOS includes a well doped with an N-type on a P-type semiconductor substrate and receives light into a region of a gate and an N-well, and the NMOS receives a signal received from the PMOS on a P-type semiconductor substrate. It is preferable that it is a structure to output. In addition, it is preferable that a source and a drain are formed in the well of the PMOS, and the gate of the PMOS is floated.
또한, 상기 NMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호를 인가받는 것이 바람직하다.In addition, the gate of the NMOS preferably receives a selection signal from the outside.
상기 PMOS의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 연결부는 상기 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하여 형성되는 것이 바람직하고, 상기 연결부의 도핑 농도는 상기 웰 의 도핑 농도보다 고농도인 것이 바람직하다.Preferably, the connection part further comprises a connection part formed in a part of the well to connect the gate of the PMOS to the well, and the connection part is preferably formed by doping with the same impurity type as the well, and the doping concentration of the connection part. Is preferably higher concentration than the doping concentration of the well.
또한, 상기 연결부와 상기 PMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 접점이 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a metal contact is formed on the connection part to connect the connection part and the gate of the PMOS.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 수광부 CMOS와 출력부 CMOS로 이루어진 센서부를 단위 픽셀 내에 복수개 배치함으로써, 빛이 수광되는 양에 따라 다른 전기적 신호의 출력이 가능하다.As described above, in the CMOS image sensor according to the present invention, a plurality of sensor units including the light receiving unit CMOS and the output unit CMOS may be arranged in a unit pixel, and thus, the electrical signal may be output according to the amount of light received.
이를 통하여 수광되는 빛의 양에 따라 상기 센서부의 출력을 선택하여 사용함으로써, 매우 큰 조도변화에 따른 광전류 포화현상에 대응하여 지속적으로 영상을 얻을 수 있다.By selecting and using the output of the sensor unit according to the amount of light received through this, it is possible to continuously obtain an image corresponding to the photocurrent saturation caused by a very large illumination change.
아울러, 상기 센서부에 포토다이오드를 사용하는 대신 일반 표준공정으로 제조가 가능한 NMOS와 PMOS를 형성함으로써, 씨모스 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있다.In addition, instead of using a photodiode in the sensor unit, by forming an NMOS and a PMOS that can be manufactured by a general standard process, the area of the CMOS image sensor can be reduced.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 구조를 개념적으로 나타내는 등가 회로도로서 종래 포토다이오드 방식의 능동형 픽셀구조에서 Rx, Sx, Tx 등의 CMOS로 인하여 수광부인 포토다이오드의 수광 면적이 작아지게 되어 감도 특성이 낮은 점을 해소하기 위하여 제시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 수광부(40)와 선택용 MOS(41)를 포함하는 단위 픽셀이 수동형 픽셀구조를 갖고 있어 종래 기술에 비하여 상대적으로 단위픽셀의 크기를 줄일 수 있으며, 전류-전압 변환기(42)를 통하여 전압으로 신호를 출력하도록 되어 있어 종래의 CMOS 이미지센서의 아날로그 회로(CDS(43))에서 ADC(47)까지의 신호처리 방식을 그대로 활용할 수 있는 장점이 있다.4 is an equivalent circuit diagram conceptually showing the structure of the CMOS image sensor of the present invention. In a conventional photodiode type active pixel structure, the light receiving area of a photodiode as a light receiving portion is reduced due to CMOS such as Rx, Sx, and Tx. It is a circuit diagram proposed to solve the low characteristic. Referring to FIG. 4, in the CMOS image sensor of the present invention, the unit pixel including the
씨모스 픽셀 어레이는 외부 피사체 이미지를 촬상하여 개개의 단위 픽셀에서 피사체의 이미지를 단위 픽셀의 구성 개수만큼 균등히 분할하여서 서로 다른 밝기에 대응되는 전기적 신호를 생성한다. 각각의 단위 픽셀에서는 흡수한 광량에 대응하는 전하를 PMOS의 N-well과, PMOS(40)의 소스와 드레인 각각에 해당되는 P형과 N-well의 N형과 접합하는 P-N 이종접합에 존재하는 공핍층의 EHP(Electron Hole Pair)가 광량에 따라 분리되어 전하 이동자(carrier)로 생성되어 전기적인 전류를 생성하고 상기 PMOS와 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS(41)를 통하여 선택적으로 이동하게 된다.The CMOS pixel array captures an external subject image and divides the image of the subject in individual unit pixels evenly by the number of unit pixels to generate electrical signals corresponding to different brightnesses. In each unit pixel, the charge corresponding to the amount of light absorbed is present in the P-N heterojunction that joins the N-well of the PMOS and the P-type corresponding to the source and drain of the
따라서, 수광소자로 사용된 PMOS부터 발생된 큰 광전류를 전하 축적 없이 전류 거울(current mirror)로 전달한다. 이 전류 거울(42)에서 전류가 증폭되고, 증폭된 전류가 대수적으로 변환되어 이 변환된 전압을 CDS(43), MUX(44), SHA(45)로 구현된 회로를 이용하여 읽어낸 후, PGA(46) 및 ADC(47)를 통하여 이미지 데이터로 출력하게 된다. 이를 이미지 센서의 픽셀에 적용함으로써 전하 축적 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.Therefore, the large photocurrent generated from the PMOS used as the light receiving element is transferred to the current mirror without charge accumulation. In the
도 5는 도 4의 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광 하는 부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS로 이루어지고 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진 1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조인 단위 픽셀 구조를 형성한다.FIG. 5 is a configuration diagram of the CMOS image sensor of FIG. 4, wherein the unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor in fabricating a unit pixel of the CMOS image sensor. The light receiving portion of the unit pixel structure is composed of a PMOS using a photoelectric conversion method by light incidence, and a unit pixel having a 2-transistor structure of 1PMOS and 1NMOS including an NMOS connected to the PMOS and serving as a switch. To form a structure.
즉, 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위 픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.That is, by implementing one conventional photodiode and a three-transistor or one photodiode and a four-transistor unit pixel in a two-transistor structure, the pitch size of the unit pixel is reduced, and the control such as the conventional reset ( Since there is no control signal, metal lines are reduced in the layout of the pixel, thereby simplifying the structure of the unit pixel.
단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.The unit pixel forming method is as follows.
P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(well)(220)을 형성한다. 상기 Nwell(220)의 형성공정은, P형 반도체 기판(200)상에 패턴을 형성하여 N-well(220)이 형성될 영역만을 오픈(Open)한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well(220)을 형성한다. N-well(220)이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.In order to implement PMOS and NMOS on the P-
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다. 부가적으로 PMOS 및 NMOS의 소스/드레인이 형성된 영역에 저항을 감소시키기 위하여 살리사이드 공정을 부가적으로 수행할 수도 있다. 그러나, 상기 PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로서 빛이 PMOS의 상부에 형성된 플로팅 게이트를 투과하여야 하므로 상기 플로팅 게이트에는 살리사이드공정을 수행하지 않는 것이 필수적이다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source /
도 5의 씨모스 이미지 센서의 구동원리를 설명하면 다음과 같다.Referring to the driving principle of the CMOS image sensor of FIG.
상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이후, 수광부인 PMOS로 빛을 받아 광자(photon)가 공핍 영역인 N-well에 입사되면 EHP(electron hole pair)가 분리되며 이로 인하여 PMOS 소자의 게이트 저면에 P채널이 형성된다. PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region in an electrically neutral state. Subsequently, when a photon is incident on an N-well, which is a depletion region, by receiving light through a PMOS, which is a light receiving unit, an electron hole pair (EHP) is separated, thereby forming a P channel on a gate bottom of the PMOS device. A voltage is applied to the select gate formed in the NMOS connected to the PMOS, and an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.
이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 상기 PMOS로 구현된 이미지 센서 픽셀은 빛을 받는 즉시 전류가 흐르게 되는 구조로 이루어져 암전류가 없으며, 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기는 매우 급격한 양상을 알 수 있으며, B 영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 비교적 완만한 양상을 나타난다.Referring to the graph of FIG. 6, in the conventional photodiode, the current flows when the light intensity is greater than or equal to a critical point, and the current tends to increase as the light intensity increases linearly. As the sensor pixel has a structure in which current flows immediately upon receiving light, there is no dark current, and as shown in area A of FIG. 6, the slope of the current change with respect to a small amount of light is very sharp. The slope of the current change with respect to the light change is relatively gentle.
따라서, 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있으며, 또한 종래의 씨모스 이미지 센서의 경우 하나의 광자가 하나의 전자-정공쌍을 생성시키는 반면, 상기 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성시키므로 광전류의 전류 이득이 100~1000에 달하여 소량의 빛이 입사되는 저조도에서도 영상의 구현이 가능하며, 종래의 센서보다 전하 축적 시간을 100~1000배 줄일 수 있어, 전하 축적 시간이 1프레임 또는 1라인이 아닌 수십 클락(clock) 지연만으로 충분하므로 인테그레이션 시간(integration time)이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.Therefore, since there is no control signal as in the conventional reset, since the metal line is reduced in the layout of the pixel, the pitch size may be reduced compared to the conventional unit pixel, and in the case of the conventional CMOS image sensor, one photon While generating one electron-hole pair, the PMOS light-receiving device generates a photo current in which one photon is amplified, so that the current gain of the photocurrent reaches 100 to 1000, thereby realizing an image even in low light with a small amount of light incident. Since the charge accumulation time can be reduced by 100 ~ 1000 times compared with the conventional sensor, the charge accumulation time is enough for tens of clock delays instead of one frame or one line, so that integration time is unnecessary and high speed video is realized. To make it possible.
부가적으로, 앞서 설명한 씨모스 이미지 센서는 일반적인 MOS공정으로 단위 픽셀을 구현하므로 기존의 씨모스 이미지 센서의 전용공정이 불필요하다. 본 발명은 인테그레이션 시간없이 PMOS에서 빛을 받아 NMOS를 통하여 출력하므로 스위치용 NMOS의 누설전류에 의한 암전류를 제외하고 긴 인테그레이션으로 인한 센서의 암전류를 극소화할 수 있다.In addition, since the CMOS image sensor described above implements unit pixels in a general MOS process, a dedicated process of the existing CMOS image sensor is unnecessary. Since the present invention receives light from the PMOS without integration time and outputs it through the NMOS, it is possible to minimize the dark current of the sensor due to the long integration except the dark current caused by the leakage current of the switching NMOS.
따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서의 형성공정 시 암전류를 방지하기 위하 여 수광부의 표면에 에피층을 형성하는 공정이 불필요하며, 본 발명의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성하므로 빛을 단위 픽셀의 수광부에 모으기 위하여 단위 픽셀의 상부에 마이크로 렌즈 형성공정이 불필요하다. 이러한 공정들을 모두 생략할 수 있으므로 생산 원가의 절감이 가능해진다.Therefore, a process of forming an epitaxial layer on the surface of the light receiving unit is unnecessary to prevent dark current during the formation process of the conventional CMOS image sensor, and the PMOS light receiving device of the present invention generates a photocurrent in which one photon is amplified. In order to collect the light into the light-receiving portion of the unit pixel, a micro lens forming process is not necessary on the unit pixel. All of these processes can be omitted, thus reducing production costs.
도 7은 PMOS의 게이트와 PMOS의 N-well이 연결된 형태의 씨모스 이미지 센서의 구성도로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS와 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조이며, 상기 PMOS의 게이트와 N-well이 연결된 형태의 단위 픽셀을 형성한다.FIG. 7 is a configuration diagram of a CMOS image sensor in which a gate of a PMOS is connected to an N-well of a PMOS. In manufacturing a unit pixel, a unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor. The light-receiving portion of the unit pixel structure is a two-transistor structure of 1 PMOS and 1 NMOS including a PMOS using a photoelectric conversion method by light incident and an NMOS connected to the PMOS and serving as a switch, and the gate of the PMOS And N-well form unit pixels.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위 픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.Therefore, the CMOS image sensor has a conventional unit pixel having one photodiode and three-transistor or one photodiode and four-transistor structure in a two-transistor structure, thereby reducing the pitch size of the unit pixel. Since there is no control signal such as a reset of, the structure of the unit pixel can be simplified because the metal line is reduced in the layout of the pixel.
도 7의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 형성방법은 아래와 같다.The unit pixel forming method of the CMOS image sensor of FIG. 7 is as follows.
P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-well(220)을 형성한다. 상기 N-well의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.In order to implement PMOS and NMOS on the P-
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source /
상기 PMOS에 형성된 게이트(240)와 N-well(220)을 연결하기 위하여 N-well의 표면에 연결부(210)를 형성한다. Nwell의 연결부(210)는 N-well의 형성 농도보다 높은 농도로 N형 이온을 주입하고, 고농도의 N형 이온이 주입된 영역에 금속콘택(280)을 형성하여 PMOS와 N-well을 전기적으로 연결한다.In order to connect the
이때, 도 7의 씨모스 이미지 센서 또한, PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로서 빛은 PMOS의 상부에 형성된 게이트를 통과하여야 하므로 PMOS의 게이트는 살리사이드공정을 하지 않는다.At this time, the CMOS image sensor of FIG. 7 is also an optical device that receives light, and since light passes through a gate formed on the PMOS, the gate of the PMOS does not perform a salicide process.
도 7의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 따른 구동원리를 설명하면 다음과 같다.Referring to the driving principle according to the unit pixel of the CMOS image sensor of FIG.
상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이때 PMOS의 수광부로 빛을 받아 광자가 공핍 영역인 N-well에 입사하게 되어 EHP(electron hole pair)가 분리되며, 이때, 게이트에 전압을 인가하면 상기 게이 트와 연결된 N-well에 남아있는 전자는 기판 바이어스(bias) 역할을 하게 되어 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압(threshold voltage)을 낮추는 역할을 하게 되어 P채널이 용이하게 형성된다. 그리고, 순차적으로 PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트(250)에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region in an electrically neutral state. At this time, when the light is received by the light-receiving part of the PMOS, photons are incident on the N-well, which is a depletion region, and the electron hole pair (EHP) is separated. P serves as a substrate bias to lower the minimum voltage required to form the channel, thereby easily forming the P channel. In addition, a voltage is sequentially applied to the
이를 도 6의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 도 7의 단위 픽셀은 NMOS의 게이트(250)에 턴온(Turn on) 전압이 인가되면 상기 PMOS 게이트(240)와 연결된 N-well에 남아있는 전자가 N형 웰(well) 기판 및 PMOS 게이트에 바이어스(bias) 역할을 하게 되어 Vth(threshold voltage : 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압)을 낮추는 역할을 하게 되면서 빛의 세기에 따라서 전류가 도 6의 그래프와 같은 특성을 갖게 된다. 도 6의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 도 5의 단위 픽셀에 나타난 변화보다 급격한 양상을 나타내는 것을 알 수 있으며, B영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 도 7의 단위 픽셀에 나타난 변화보다 완만한 양상을 나타낸다.Referring to the graph of FIG. 6, in the conventional photodiode, the current flows when the light intensity is greater than or equal to a critical point, and the current tends to increase as the light intensity increases linearly. When a turn on voltage is applied to the
따라서, 도 7의 씨모스 이미지 센서 또한 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 픽셀에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있고, PMOS에 소량의 빛이 입사되어도 많은 량의 전류가 흐를 수 있게 되어 저조도에서 명확한 상을 구현할 수 있으며, 인테그레이션 시간이 불필요하여 고속의 동영상을 구현 가능하게 한다.Therefore, since the CMOS image sensor of FIG. 7 also has no control signal as in the conventional reset, since the metal lines are reduced in the layout of the pixels, the pitch size may be reduced compared to the existing unit pixels, and a small amount of light may be applied to the PMOS. Even when this incident, a large amount of current can flow, so that a clear phase can be realized at low light, and integration time is unnecessary, thereby enabling high speed video.
그리고, 도 7의 씨모스 이미지 센서는 일반적인 모스(MOS)공정으로 단위 픽셀을 구현하여 기존의 씨모스 이미지 센서의 전용공정이 불필요하므로 향후, 공정 수율의 증가 및 공정비용의 절감의 효과를 유도할 수 있다.In addition, since the CMOS image sensor of FIG. 7 implements a unit pixel in a general MOS process, a dedicated process of the existing CMOS image sensor is not necessary, and thus, an effect of increasing process yield and reducing process cost may be induced in the future. Can be.
이상에서 단위 픽셀의 구조를 수광부 PMOS와 출력부 NMOS로 구성하여 저조도에서도 감도가 우수하고, 고속의 처리가 가능한 씨모스 이미지 센서에 대해서 살펴보았는데, 요약하면 하나의 PMOS를 사용하여 게이트로 수광하여 전기적인 신호를 생성하는 수광부 CMOS를 형성하고, 하나의 NMOS를 사용하여 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하는 출력부 CMOS를 형성하고 있다.In the above, the CMOS image sensor, which has a high sensitivity and high-speed processing even at low light by configuring the unit pixel structure of the light receiving unit PMOS and the output NMOS, has been described. A light receiving unit CMOS for generating a typical signal is formed, and an output unit CMOS for outputting a signal received from the PMOS is formed using one NMOS.
그러나, 이와 같은 구조의 씨모스 이미지 센서는 빛에 대한 감도가 우수한 것이 오히려 문제가 될 수 있다. 즉, 저조도에서는 높은 감도로 인하여 문제될 것이 없으나, 고조도에서는 광전류가 포화(saturation)되는 문제가 발생될 수 있다. 특히 1000룩스 이상에서 이러한 현상이 예상되며, 이하 이에 대한 대책에 대해서 살펴보기로 한다.However, the CMOS image sensor having such a structure may be problematic in that it is excellent in sensitivity to light. That is, there is no problem due to the high sensitivity at low illuminance, but may cause a problem of saturation of the photocurrent at high illuminance. In particular, this phenomenon is expected at 1000 lux or more, and will be described below.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 회로도이다.8 is a circuit diagram illustrating a structure of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성하는 수광부 CMOS(110)와 상기 수광부 CMOS(110)로부터 받은 신호 를 출력하는 출력부 CMOS(120)가 구비된 센서부(100)를 포함하고, 상기 센서부(100)가 단위 픽셀 내에 복수개 배치되어 있다.Referring to FIG. 8, the CMOS image sensor according to the present exemplary embodiment includes a light
상기 수광부 CMOS(110)는 앞서 설명된 바와 같이 수광 소자로서, 외부의 빛을 수광하여 수광된 빛의 밝기에 대응되는 전기적 신호를 생성한다. 이는 곧 외부 피사체 이미지의 촬상을 의미한다.As described above, the light receiving
상기 출력부 CMOS(120)는 앞서 설명된 바와 같이 일종의 스위치 소자로서, 상기 수광부 CMOS(110)에서 출력되는 전기적 신호, 보다 구체적으로는 전류에 대해서 스위치 역할을 수행하게 된다.As described above, the
상기 센서부(100)는 상기 수광부 CMOS(110)와 출력부 CMOS(120)로 이루어진 집합체를 의미하며, 본 실시예에서는 단위 픽셀 내에 복수개의 센서부(100)가 배치되어 있다.The
복수로 배치된 상기 센서부(100)에 맞게, 도 9와 같이 상기 센서부(100)의 출력단에는 상기 각 센서부(100)에 대응되는 복수의 전류-전압 변환기(IVC)(130)가 배치되는 것이 바람직하며, 상기 전류-전압 변환기(130)의 뒷 단에는 아날로그 디지털 변환기(미도시)가 더 배치될 수 있다.9, a plurality of current-to-voltage converters (IVC) 130 corresponding to the
상기 아날로그 디지털 변환기는 씨모스 이미지 센서에서 목표로 하는 디지털 정보를 획득하기 위한 소자로서, 입력 신호로, 전압을 요구하는 관계로 상기 전류-전압 변환기(130)가 요구된다.The analog-to-digital converter is a device for acquiring the digital information targeted by the CMOS image sensor. As the input signal, the current-to-
이상에서와 같이 단위 픽셀 내에 복수의 센서부(100)를 배치할 경우, 상기 각 센서부(100)에 구비된 수광부 CMOS(110)를 서로 다른 길이와 넓이비(W/L ratio) 를 갖도록 구성하면, 다음과 같은 효과를 나타내게 된다.As described above, when the plurality of
수광부 CMOS의 길이와 넓이가 다르다는 것은 동일 광량(光量)에 대해 다른 전기적인 신호를 출력하게 된다는 것으로, 이를 이용하여 외부에서 수광된 광량에 능동적인 대처가 가능해진다.The difference between the length and the width of the light receiving unit CMOS is that different electric signals are output for the same light quantity, which enables active coping with the light quantity received from the outside.
즉, 저조도에서는 보다 큰 전기적인 신호를 출력하는 센서부(100)를 선택하여, 상기 선택된 센서부(100)의 출력 신호를 디지털로 변환함으로써, 소위 높은 감도를 취할 수 있게 되며, 고조도에서는 보다 작은 전기적인 신호를 출력하는 센서부(100)를 선택하여, 상기 선택된 센서부(100)의 출력 신호를 디지털로 변환함으로써, 소위 낮은 감도를 취할 수 있게 된다.That is, in low light, by selecting the
이와 같은 동작은 외부에서 수광되는 광량에 따른 상기 센서부(100)의 선택으로 이루어지게 되며, 이와 같은 선택의 편의를 제공하기 위하여 별도의 제어부를 구성하는 것이 바람직하다.This operation is made by the selection of the
도 10은 상기 제어부의 구성을 나타낸 것으로서, 제어부는 상기 수광되는 빛의 양(광량)을 측정하는 광 측정부(160); 상기 광 측정부(160)의 측정 결과에 따라 상기 복수개의 센서부(100) 중 상기 수광된 빛의 양에 따라 기설정값을 만족하는 출력을 나타내는 센서부를 선택하는 선택부(170)를 포함하며, 앞서 설명한 바와 같이 출력단에는 상기 선택된 센서부의 아날로그 출력을 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(180)가 더 배치될 수 있다.10 illustrates a configuration of the controller, the controller comprising: a
상기 광 측정부(160)는 수광된 광량을 전기적인 신호로 변환하여 상기 선택부(170)에 제공하게 되며, 상기 선택부(170)는 상기 광 측정부(160)의 신호를 전송 받아 기설정된 값과 비교하게 된다.The
상기 기설정값은 상기 단위 픽셀 내에 배치된 센서부(100)의 수에 대응되는 구간값으로 설정되는 것이 바람직한데, 예를 들어 5개의 센서부(제1 내지 제5 센서부)가 단위 픽셀 내에 배치되어 있는 경우를 상정하면, 씨모스 이미지 센서에서 취급하는 광량의 범위를 1~100이라 할 때, 20 단위로 나누어서 구역을 설정할 수 있다. 그 후 1~20인 광량을 만족하는 출력 신호가 상기 광 측정부(160)에서 측정된 경우에는 제1 센서부가 선택되고, 21~40인 광량이 측정된 경우에는 제2 센서부가 선택되는 식의 방식이 될 것이다. 상기 구간의 결정은 사용 용도, 사용자의 취향에 따라 변경이 가능함은 물론이며, 경우에 따라서는 복수개의 센서부를 선택하여, 그 출력값을 조합하여 이용할 수도 있다. 예를 들어 어두운 곳에서 밝은 피사체를 촬상하거나, 반대로 밝은 곳에서 어두운 피사체를 촬상하는 경우에 여러 센서부의 출력값을 평균내어 이용할 수도 있다.The preset value is preferably set to a section value corresponding to the number of
한편, 이와는 다르게, 상기 제2 센서부 이후의 센서부는 그 앞의 센서부의 범위를 포함하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 1~40인 광량이 측정된 경우에 제2 선택부를 선택하는 식의 방식으로, 이런 경우는 맑은 낮에 터널 밖에서 터널 안에 있는 피사체를 촬상할 경우에서처럼, 밝은 곳에서 어두운 곳의 피사체를 촬상할 경우 또는 이와 반대의 경우에 유용하다.Alternatively, the sensor part after the second sensor part may include the range of the sensor part before it. For example, when the amount of light from 1 to 40 is measured, the second selection part is selected. In this case, a bright subject and a dark subject, such as when photographing a subject in a tunnel outside the tunnel during a clear day. This is useful for capturing images and vice versa.
물론, 상기 제1 내지 제5 센서부는 소정 광량에 대해서 최적의 출력 신호를 나타내는 수광부 CMOS를 구비하고 있어야 할 것이다.Of course, the first to fifth sensor units should be provided with a light receiving unit CMOS that shows an optimal output signal for a predetermined amount of light.
이와 같은 방식에 의해서 상기 선택부(170)는 선택된 센서부의 출력 신호만 을 선택하여 상기 아날로그-디지털 변환기(180)로 전송하게 되며, 상기 아날로그-디지털 변환기(180)는 수광된 광량에 최적화된 디지털 정보(피사체 정보)를 출력할 수 있게 된다.In this manner, the
상기 선택부(170)는 일종의 스위칭 소자가 되며, 그 위치는 다양하게 설정 가능하다.The
도 10에서는 상기 선택부(170)를 센서부(100)와 아날로그-디지털 변환기(180)의 사이에 배치하였으나, 경우에 따라서는, 상기 센서부(100)와 아날로그-디지털 변환기(180)의 사이에 배치되는 상기 전류-전압 변환기(130)에 상기 선택부(170)를 형성할 수도 있다.In FIG. 10, the
또한, 이와는 다르게 상기 선택부(170)를 상기 아날로그-디지털 변환기(180)의 후단에 배치할 수도 있다.Alternatively, the
이 경우, 상기 아날로그-디지털 변환기(180)는 단위 픽셀 내 모든 센서부의 출력을 받아 디지털로 변환하게 되며, 복수의 출력을 하게 된다. 상기 선택부(170)는 상기 아날로그-디지털 변환기(180)의 출력 중 상기 광 측정부(160)에서 측정된 광량에 대응되는 센서부의 출력이 변환된 출력값만을 선택하여 출력되도록 할 수 있다.In this case, the analog-to-
이와 같은 경우, 상기 선택부(170)에 의한 선택 전의 상기 아날로그-디지털 변환기(180)의 출력을 저장하는 메모리를 더 구비하게 되면, 동일 촬상에 대해 다양한 광량의 이미지를 저장할 수 있게 되며, 이를 이용해 사용자는 다양한 광량의 이미지를 확인할 수 있게 되어, 사용자의 편의 증대 및 요구 만족을 성취할 수 있 다.In this case, if the memory to further store the output of the analog-to-
상기 선택부(170)는 이외에도 다양한 위치에 배치가 가능함은 물론이다.The
이상에서 살펴본 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 복수의 센서부(100) 내의 각 수광부 CMOS(110)는 전원(VDD)이 연결되는 전원단을 공유하는 것이 바람직하다.In the CMOS image sensor described above, it is preferable that each light
복수의 센서부 내의 각 수광부 CMOS의 전원단이 공유되도록 함으로써, 단위 픽셀의 크기 감소가 가능하나, 상기 단위 픽셀 내에 배치되는 센서부(100)의 수를 줄이는 것이 단위 픽셀의 크기 감소에 보다 큰 영향을 미치게 된다.By allowing the power stages of the light receiving unit CMOS in the plurality of sensor units to be shared, it is possible to reduce the size of the unit pixel, but reducing the number of
따라서, 상기 센서부(100)는 단위 픽셀 내에 2개가 배치되는 것이 바람직한데, 이때 각각의 센서부는 저조도 및 고조도에 맞는 넓이와 길이를 각각 갖는 것이 유리하다. 이와 같이 구성함으로써, 저조도에서는 소위, 감도가 높은 센서부의 출력을 이용하여 촬상을 수행하고, 고조도에서는 감도가 낮은 센서부의 출력을 이용하여 촬상을 수행할 수 있다. 그리고 이에 따라 외부 광원의 조도에 관계없이 원하는 결과(디지털 정보)를 취득할 수 있게 된다.Therefore, it is preferable that two
도 11은 단위 픽셀 내에 2개의 센서부(100a, 100b)가 배치된 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 것으로서, 하나의 단위 픽셀을 나타내고 있다.FIG. 11 illustrates a structure of a CMOS image sensor in which two
전원(VDD)의 공유 여부는 회로적으로 별 상관은 없으나, 단위 픽셀의 크기 감소 등을 이유로 위에서 설명된 바와 마찬가지로, 상기 전원(VDD)를 공유하는 구조로 되어 있으며, 센서부(100a, 100b) 각각은 상기 수광부 CMOS(110)로서 하나의 PMOS를 구비하고, 상기 출력부 CMOS(120)로서 하나의 NMOS를 구비하고 있다.Whether or not the power supply VDD is shared does not matter, but as described above, the power supply VDD is shared due to a decrease in the size of a unit pixel, and the
각각의 센서부(100a, 100b)의 구성, 동작 및 특성은 앞의 도 4 내지 7에서 설명된 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.Since the configuration, operation and characteristics of each
대신 간략하게 정리하면, 상기 각 PMOS는 P형 반도체 기판상에서 N형으로 도핑된 웰(well)을 포함하고 게이트 및 N-well의 일부 영역으로 수광하는 구조이며, 상기 각 NMOS는 P형 반도체 기판상에서 상기 PMOS로부터 받은 신호를 출력하는 구조로 되어 있으며, 상기 PMOS는 상기 웰(well) 내에 소스와 드레인이 형성되어 있다.Instead, in brief, each PMOS includes a well doped with an N-type on a P-type semiconductor substrate and receives light into a portion of the gate and the N-well, and each NMOS is formed on the P-type semiconductor substrate. The signal received from the PMOS is output, and the PMOS has a source and a drain formed in the well.
또한, 상기 각 PMOS의 게이트는 플로팅되도록 형성할 수 있다.In addition, the gates of the respective PMOS may be formed to float.
상기 웰 역시 플로팅되도록 형성이 가능하며, 상기 PMOS의 게이트와 상기 웰은 서로 결선되지 않는 것이 바람직하다. The well may also be formed to float, and the gate and the well of the PMOS may not be connected to each other.
상기 각 NMOS의 게이트는 외부로부터 선택신호(셀렉트)를 인가받아 상기 NMOS가 스위칭 역할을 하도록 하며, 상기 각 PMOS의 게이트와 상기 웰을 연결하기 위하여 상기 웰의 일부에 형성되는 연결부를 더 구비할 수도 있다.The gate of each NMOS receives a selection signal (select) from the outside so that the NMOS serves as a switching, and may further include a connection portion formed in a part of the well to connect the gate and the well of each PMOS. have.
상기 연결부는 상기 웰과 동일한 불순물형으로 도핑하는 것이 바람직하며, 상기 연결부의 도핑 농도는 상기 웰의 도핑 농도보다 고농도인 것이 바람직하다.Preferably, the connection portion is doped with the same impurity type as the well, and the doping concentration of the connection portion is preferably higher than the doping concentration of the well.
상기 연결부와 상기 PMOS의 게이트를 연결하기 위하여 상기 연결부의 상부에 금속 접점을 형성시킬 수도 있다.A metal contact may be formed on the connection portion to connect the connection portion to the gate of the PMOS.
이와 같은 구조의 단위 픽셀은 도 12와 같은 형태로 평면상에 필요한 수만큼 배치가 되며, 그 등가회로는 도 13과 같다.The unit pixels having such a structure are arranged as many as necessary on the plane as shown in FIG. 12, and the equivalent circuit thereof is shown in FIG.
도 13을 참조하면, 각 센서부(100a, 100b)는 수광부 CMOS로서 하나의 PMOS(110a, 110b)와, 출력부 CMOS로서 하나의 NMOS(120a, 120b)를 포함하고 있으며, 상기 PMOS의 전원단 및 빛이 인가되는 게이트단은 회로상 전기적으로 연결되어 있다.Referring to FIG. 13, each of the
상기 NMOS는 외부의 셀렉트 신호가 인가되는 셀렉트단으로서 게이트단이 형성되어 있으며, 입력단인 드레인은 상기 PMOS의 출력단에 연결되어 있으며, 출력단인 소스는 각각 다른 출력 신호인 출력1 및 출력 2를 출력하게 된다.The NMOS has a gate terminal formed as a select terminal to which an external select signal is applied, and a drain, which is an input terminal, is connected to an output terminal of the PMOS, and a source, which is an output terminal, outputs output 1 and output 2 which are different output signals. do.
도 11 내지 13에서는 단위 픽셀 내에 2개의 센서부가 배치되어 있는 경우를 설명하였으나, 앞에서 설명한 바와 같이 복수개의 센서부의 배치가 가능하며, 이는 씨모스 이미지 센서의 사용용도와 촬상시스템에서 상기 씨모스 이미지 센서에 할당된 크기 등을 고려하여 결정되어야 할 것이다.11 to 13 illustrate the case where two sensor units are arranged in a unit pixel, a plurality of sensor units may be arranged as described above, which is used for the CMOS image sensor and the CMOS image sensor in an imaging system. It should be decided in consideration of the size allocated to the system.
씨모스를 이용한 이미지 센서에 적용이 가능하다.It can be applied to image sensor using CMOS.
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 이미지 센서의 씨모스 액티브 픽셀을 나타낸 개략도.1A is a schematic diagram illustrating CMOS active pixels of a conventional three-transistor image sensor.
도 1b는 도 1a의 등가회로를 나타낸 회로도.1B is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit of FIG. 1A.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 이미지 센서의 씨모스 액티브 픽셀을 나타낸 개략도.2A is a schematic diagram showing CMOS active pixels of a conventional four-transistor CMOS image sensor.
도 2b는 도 2a의 등가회로를 나타낸 회로도.FIG. 2B is a circuit diagram showing an equivalent circuit of FIG. 2A. FIG.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 픽셀의 조합으로 이루어진 픽셀부와 연결되는 회로도.FIG. 3A is a circuit diagram connected with a pixel portion consisting of a combination of pixels shown in FIGS. 1A and 2A.
도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 그래프.3B is a graph showing a signal applied to the pixels shown in FIGS. 1A and 2A.
도 3c는 종래의 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 그래프.3C is a graph illustrating voltage drop phenomenon of data signals according to conventional illumination levels.
도 4는 도 1 내지 도 2의 문제점을 해소하기 위한 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에서의 신호 전하의 전달 과정을 나타낸 본 발명의 개략적인 회로도.4 is a schematic circuit diagram illustrating a process of transferring signal charge in a unit pixel of a CMOS image sensor to solve the problems of FIGS. 1 and 2.
도 5는 도 4의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도.5 is a cross-sectional view of a unit pixel of the CMOS image sensor of FIG. 4.
도 6은 도 4의 단위 픽셀에서 빛의 세기 변화에 따른 PMOS 전류 변화를 나타낸 그래프.FIG. 6 is a graph illustrating a PMOS current change according to light intensity change in a unit pixel of FIG. 4. FIG.
도 7은 도 4의 다른 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 다른 단위 픽셀의 단면도.7 is a cross-sectional view of another unit pixel of a CMOS image sensor according to another example of FIG. 4.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 개략도.8 is a schematic view showing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 9는 도 8에 전류-전압 변환기가 추가된 상태를 나타낸 개략도.FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a state in which a current-voltage converter is added to FIG. 8. FIG.
도 10은 도 8의 추가 실시예를 나타낸 블럭도.10 is a block diagram illustrating a further embodiment of FIG. 8.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면도.11 is a cross-sectional view of the CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
도 12는 도 11이 배치된 평면을 나타낸 개략도.12 is a schematic view showing the plane in which FIG. 11 is disposed;
도 13은 도 11의 등가회로를 나타낸 회로도.FIG. 13 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit of FIG. 11. FIG.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100...센서부 110...수광부 CMOS100.Sensor section 110.Receiver section CMOS
120...출력부 CMOS 130...전류-전압 변환기120 CMOS CMOS output to current converter
160...광 측정부 170...선택부160 ...
180...아날로그-디지털 변환기180 ... analog to digital converter
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070109465A KR20090043740A (en) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | CMOS image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070109465A KR20090043740A (en) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | CMOS image sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090043740A true KR20090043740A (en) | 2009-05-07 |
Family
ID=40854414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020070109465A Ceased KR20090043740A (en) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | CMOS image sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20090043740A (en) |
-
2007
- 2007-10-30 KR KR1020070109465A patent/KR20090043740A/en not_active Ceased
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9955090B2 (en) | High dynamic range image sensor with virtual high-low sensitivity pixels | |
| US9654713B2 (en) | Image sensors, methods, and pixels with tri-level biased transfer gates | |
| KR100657863B1 (en) | Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor Using Fingered Source Follower Transistor | |
| EP2140676B1 (en) | Image sensor pixel with gain control | |
| CN109922287A (en) | Reduce method, the imaging system of the fixed picture noise of image sensor pixel array | |
| US20130026548A1 (en) | Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors | |
| TW201801517A (en) | System and method for detecting a light-emitting diode without flicker | |
| CN101271911A (en) | Solid-state imaging device, single-board color solid-state imaging device, and electronic equipment | |
| US8829637B2 (en) | Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors using a buried layer | |
| CN108122934A (en) | High dynamic range image sensor system and method | |
| US7679115B2 (en) | Image sensor and controlling method thereof | |
| US10999548B2 (en) | Pixel sensing circuit and driving method therefor, image sensor, and electronic device | |
| KR20090043737A (en) | Unit pixel of CMOS image sensor | |
| KR20240173449A (en) | Image sensor having wide dynamic range based on pixels with a plurality of photoelectric conversion elements, operating method of the same and electronic device | |
| KR101168319B1 (en) | Cmos image sensor and pixel thereof | |
| KR100722690B1 (en) | Unit pixel of CMOS image sensor | |
| US9743027B2 (en) | Image sensor with high dynamic range and method | |
| KR100748426B1 (en) | Image sensor with high frame rate | |
| KR100658367B1 (en) | Image sensor and image data processing method | |
| KR20090043740A (en) | CMOS image sensor | |
| KR100658368B1 (en) | Image sensor with current mirror and its driving method | |
| KR20090043739A (en) | CMOS image sensor | |
| KR20090043741A (en) | Unit pixel of CMOS image sensor | |
| KR20090043738A (en) | CMOS image sensor | |
| KR100683396B1 (en) | Pixel array scanning method of image sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20071030 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20081211 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20090527 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20081211 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |