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KR100556308B1 - 화상센서및고체상태화상감지장치의제조방법 - Google Patents

화상센서및고체상태화상감지장치의제조방법 Download PDF

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KR100556308B1
KR100556308B1 KR1019980006369A KR19980006369A KR100556308B1 KR 100556308 B1 KR100556308 B1 KR 100556308B1 KR 1019980006369 A KR1019980006369 A KR 1019980006369A KR 19980006369 A KR19980006369 A KR 19980006369A KR 100556308 B1 KR100556308 B1 KR 100556308B1
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Abstract

다수의 화소를 갖는 화상 센서는 적어도 2개의 화소가 인접한 제 1 도전형의 반도체 물질을 구비하고, 화소의 각각은 기판내에 형성된 광검출기, 및 인접 화소내에 집적화되어 있으며 인접 화소들이 공유하는 전기적 기능부를 갖는다. 전기적 기능부는 전송 게이트, 리세트 게이트, 행 선택 게이트, 증폭기 드레인, 출력 노드, 부동 확산부, 리세트 드레인, 측방향 오버플로우 게이트, 오버플로우 드레인 또는 증폭기가 될 수 있으며, 다수의 화소들이 공유하여 공간을 절약하게 된다.

Description

화상 센서 및 고체 상태 화상 감지 장치의 제조 방법{ACTIVE PIXEL SENSOR WITH INTER-PIXEL FUNCTION SHARING}
본 발명은 일반적으로 고체 상태 화상 센서, 특히 능동 화소 센서(Active Pixel Sensors; APS)로서 지칭되는 촬상기(imagers)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 APS 센서내에 보다 큰 충진도(fill factors)를 제공하는 것에 관한 것이다.
APS는 전형적으로 광감지 수단, 리세트 수단, 전하 전송 수단, 전하-전압 변환 수단, 및 증폭기의 모든 부분이 각 화소에 포함되는 고체 상태 화상 센서이다. 종래의 APS 디바이스는 촬상기의 각 라인, 즉 로우가 선택되고, 그 다음 컬럼 선택 신호를 이용하여 판독하는 방식(메모리 디바이스의 선택 및 판독과 유사하게)으로 동작되어 왔다. 종래의 디바이스에서, 주어진 로우의 화소내의 각종 노드로의 접속, 즉, 접점은 화소 단위로 수행된다. 이것은 화소들이 소정 로우내의 동일한 전기적 노드상에 존재하더라도 마찬가지이다(도 1 참조). 각각의 화소내에 이들 접점 영역이 배치되고, 전형적으로 접점 영역이 요구되는 금속층의 오버랩으로 인해 대량의 화소 영역을 소모함에 따라, 각각의 화소내에 이들 접점 영역을 포함시키면 화소에 대한 충진도가 감소되는데, 이는 접점 영역이 광검출기에 이용될 수 있는 영역을 차지하기 때문이다. 이것은 센서의 감도 및 포화 신호를 감소시킨다. 이것은, 양호한 화질을 획득하는데 있어 중요한 성능 척도인, 센서의 광그래픽 속도 및 동적 범위에 악영향을 준다. 또한 종래 기술의 APS 화소는 단일의 화소내에 증폭기 전체, 어드레스 및 리세트 트랜지스터를 포함하고 있으며, 단일의 화소 경계내에 이들 구성요소들과 광검출기를 전체적으로 동작 가능하게 상호 접속하고 있다. 이로 인해 레이아웃이 비효율적으로 되고 충진도가 작은 화소가 생성된다.
고해상도 및 소형의 화소의 APS 디바이스를 구축하기 위해서는, 화소내의 행 선택 트랜지스터 및 증폭기의 다른 부분에 할당된 화소 영역을 최소화하도록 서브-mm의 CMOS 프로세스를 이용하는 것이 필수적이다. 본질적으로, 표준 전하 결합 디바이스(charge coupled device; CCD) 센서에 비해 APS 디바이스에서 동일한 해상도 및 감도를 실현하기 위해서는 보다 기술적으로 진보되고 고가의 프로세스가 필요하게 된다. 그러나, APS 디바이스는 CCD 센서에 비해 단일 5V의 공급 동작, 저전력 소모, x-y 어드레스가능성, 화상 윈도우화(windowing), 및 칩상에 신호 프로세싱 전자 장치를 효과적으로 집적하는 기능의 장점을 갖는다.
도 1에 전형적인 종래 기술의 APS 화소(10)가 도시되어 있다. 화소는 포토다이오드 또는 포토게이트일 수 있는 광검출기(PDET)(11), 전송 게이트(TG)(12), 부동 확산부(FD)(14), 리세트 게이트(RG)를 갖는 리세트 트랜지스터(16), 로우 선택 게이트(RSG)를 갖는 로우 선택 트랜지스터(4), 신호 트랜지스터(SIG)(5)를 포함한다. 화소를 판독하고 어드레싱하는데 요구되는 모든 전기적 구성 요소는 단일의 화소 경계내에 모두 포함되고, 단일 화소 경계내에서 모두 동작가능하게 접속된다. 로우에 공통인 화소내의 각종 전극 노드의 각각에 접속을 제공하기 위한 영역이 도 1에 도시되고 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이들은 전송 게이트 접점(TGC)(13), 리세트 게이트 접점(RGC)(17), 및 로우 선택 게이트 접점(RSGC)(3)이다. 또한 컬럼에 공통인 접점 영역이 존재한다. 이들도 또한 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 이들은 전력 공급 접점(VDDC)(9) 및 화소 출력 노드 접점(OUTC)(8)이다. 각 화소내에 별도의 독립적인 접점 영역이 존재하며 이들중 몇몇은 행 또는 열에 공통임을 주의해야 한다. 이들 접점 영역에 의해 소모되는 영역은 화소 영역의 상당 부분으로서, 광검출기에 이용될 수 있는 영역을 제한하여, 화소의 충진도 및 감도를 명백히 감소시킨다.
전술한 내용으로부터, 당 분야에 충진도를 증가시킨 APS 센서가 필요함을 명백히 알 수 있을 것이다. 본 발명에 의해 이들 및 다른 문제점들이 처리된다.
본 발명은 상기한 문제점들을 처리한다. 간단히 요약하면, 본 발명의 일 측면에 따라, 다수의 화소를 가진 화상 센서는 제 1 도전형의 반도체 물질과, 인접 화소들이 공유하는 적어도 하나의 전기 기능부를 각각의 화소가 갖도록 기판내에 광검출기가 형성된 적어도 2개의 인접 화소를 포함한다.
본 발명에 의해 제공되는 화소 레이아웃 혁신에 의해 충진도가 높은 화소가 생성된다. 화상 센서에 CCD의 감도 및 APS 디바이스의 장점을 제공하는 하나의 방법은 충진도를 향상시켜 APS 디바이스의 대응하는 감도를 증가시키는 것이다. 이것은 본 발명에 의해 다음의 몇가지 방식으로 성취된다. 즉, 먼저 각 화소에 있어서 별도의 신호선 접점 영역에 대한 필요성을 제거한다. 두번째로, 화소간의 전기적인 구성 요소를 공유한다. 마지막으로, 화소 경계를 횡단하여 전기적 구성 요소를 동작 가능하게 상호 접속시키고 어레이를 이용하여 라우팅을 완료함으로서, 충진도가 증가될 수 있다. 이들은 모두 APS 디바이스의 특정 화소를 선택적으로 어드레싱하는 기능을 유지하면서 성취된다.
본 발명은 이들 접점 영역을 위해 필요한 화소 당 영역을 감소시키는 수단을 제공한다. 개념적으로, 이것은 다음과 같은 방식으로 기술될 수 있다. 화소의 좌측 및 우측 에지를 따라 또는 그 부근에 로우 관련 노드의 접점 영역을 배치하고, 화소의 상측 및 하측 에지를 따라 또는 그 부근에 컬럼 관련 접점 영역을 배치하여(도 3 참조), 이웃 화소들이 이들 접점 영역을 공유하고, 각각의 화소내에서 별도의 접점 영역을 가질 요건을 경감시키도록 각 화소 디자인이 행해진다. 본 발명의 바람직한 실시예의 경우, 종래 기술의 디바이스에서는 각 화소마다 접점 여역이 요구되는 것에 비해, 2개의 화소마다 접점 영역이 요구된다. 따라서, 본 발명에서는 화소 당 요구되는 영역이 감소되어, 화소에 대한 충진도가 증가하게 된다.
또한, 인접 화소의 VDD 드레인 영역을 측방향 오버플로우 드레인(lateral overflow drain)으로서 이용할 수 있다. 이것은 VDD 드레인 영역이, 하나의 화소에 대해 신호 트랜지스터의 드레인으로서 작용하고 인접 화소 또는 화소들에 대해 측방향 오버플로우 드레인으로서 작용하는 유사 "화소 공유" 개념이다. 각 화소마다 별도의 측방향 오버플로우 드레인 영역이 요구되지 않으므로, 광검출기에 보다 큰 영역이 할당될 수 있게 되어, 충진도가 증가하게 된다.
충진도 개선을 실현하기 위한 다른 수단은 로우를 동시에 판독 동작하고, 각각의 화소가 아닌, 2개의 화소에 대해 부동 확산부 및 증폭기를 제공하는 것이다. 단 하나의 로우만이 주어진 시간에 판독되기 때문에, 개별적인 로우에 있는 2개의 인접 화소에 대해 단일 부동 확산부 및 증폭기가 이용될 수 있다. 이 경우에도, 화소 당 광검출기 영역이 더 증가되거나 또는 충진도가 유지되어 보다 작은 화소가 생성될 수 있다.
마지막으로, (단일 화소 경계내에 실질적으로 완전한 레이아웃을 제공하는 대신에) 구성 요소 배치가 화소 경계를 횡단하도록 화소 구성 요소를 동작가능하게 상호 접속함으로써 화소의 충진도를 향상시키는데, 레이 아웃 효율이 이용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 목적, 특성, 및 장점은 첨부되는 도면을 참조하여, 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 검토하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 발명은 다음과 같은 장점을 갖는다. 종래 기술의 APS 디바이스의 모든 특성 및 장점을 유지하면서 접점 영역에 대해 보다 작은 화소 영역을 필요로 한다. 이것은 다음과 같은 장점 즉, 동일한 화소 크기에 대해 높은 충진도, 감도 및 포화 신호와, 동일한 충진도에 대해 소형 화소 및 디바이스 크기를 제공한다.
도 3에 새로운 화소 아키텍처의 물리적인 일 실시예가 도시된다. 특정의 다른 물리적인 실시예도 실현가능하다. 이것은 예시를 위해 선택된 것이다. 화소(30)는 입사광으로부터 전하를 축적하고 전송 게이트(32)의 제어하에 그 저장된 전하를 부동 확산부(34)에 전송하는 광검출 영역(31)을 갖는다.
상기에서 설명한 회로 소자와 연관되는 각종 접점 영역이 존재한다. 전송 게이트(32)는 전송 게이트 접점(33)을 갖고, 리세트 게이트(36)는 리세트 게이트 접점(37)을 가지며 로우 선택 게이트(38)는 로우 선택 게이트 접점(RSGC)(39)을 갖는다. 이들 접점 영역은 로우에 공통인 접점 영역으로써, 화소(30) 경계의 좌측 및 우측면을 따라 적절하게 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 리세트 게이트 접점(37) 및 전송 게이트 접점(33)에 대한 접점 영역의 절반은 화소의 좌측 에치상에 배치된다. 로우 선택 게이트 접점(39)에 대한 접점 영역의 절반은 화소의 우측 에지를 따라 배치된다. 다음에 컬럼에 공통인 접점 영역(VDDC(40) 및 OUTC(41))은 화소의 하부 에지를 따라 적절하게 배치된다. 이 아키텍처에 의해 기능적인 관점에서, 및 이들 구성 요소를 구성하는데 이용되는 화소 영역의 관점에서, 이들 각종 구성 요소를 화소들이 공유할 수 있게 된다.
화소 어레이는 다음과 같은 방식으로 구성된다. 먼저, 원래의 화소를 x축으로 미러 반사(mirroring)시킴으로써 새로운 화소가 생성된다. 그 다음에 접점 영역의 절반을 서로 인접하게 배치함으로써 새로운 화소가 원래의 화소와 접하게 되도록 한다. 이것은 도 4a 및 4b에 도시되어 있다. 도 4a에서, VDDC(48)는 2개의 화소에 의해 공유된다. OUTC(46)는 다른 화소와 공유될 수 있도록 화소 경계를 따라 배치된다. 도 4b에서, VDDC(49)는 4개의 화소에 의해 공유될 수 있도록 화소의 하부 에지를 따라 배치된다. VDDC(49) 노드가 모든 화소, 로우 및 컬럼에 대해 공통이기 때문에 이러한 배치가 실행될 수 있다. OUTC(47)는, 다른 화소에 의해 공유될 수 있도록 화소 경계를 따라 배치된다. 다음에 y축으로 미러 반사된 이들 그룹의 2개의 화소는 다른 2개 화소 세트를 생성한다. 이들 2개 화소 세트는 VDDC 및 OUTC에 대한 접점 영역의 절반이 서로 인접하도록 접하게 된다. 이것은 도 4a 및 4b에 각각 대응하는 도 5a 및 5b에 도시되어 있다. 이러한 4개 화소 세트는 화상 센서에 있어서 원하는 수의 화소를 생성하도록 배열된다.
센서의 판독 동안 블루밍 방지(antiblooming) 제어를 제공하기 위해서는, 광검출기에 오버플로우 드레인을 제공하는 것이 필수적이다. CMOS 프로세스에서 가장 간단한 방법은 게이트(65)에 의해 광검출기(31)로부터 분리되는 측방향 오버플로우 드레인을 제공하는 것이다. 각각의 화소내에 측방향 오버플로우 드레인(66)이 포함되었다면, 화소의 충진도가 더욱 감소되어, 화소의 감도에 악영향을 미치게 된다. 이것은 도 6에 도시되어 있다. 그러나, 화소내에 VDD 영역을 적절히 배치함으로써, 인접 화소 또는 화소들에 대해 측방향 오버플로우 드레인으로서 이용할 수 있다. 이에 대한 하나의 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서는, 측방향 오버플로우 드레인(66)이 다른 화소에 있으므로, 화소의 충진도가 영향을 받지 않는다. 이러한 방법을 이용함으로써, 화소의 충진도에 영향을 주지 않고 판독 동안에 블루밍 방지 제어가 성취될 수 있다.
마지막으로, 도 8에는 부동 확산부(84), 증폭기(85), 로우 선택 트랜지스터(86), 및 리세트 게이트(87)를 개별적인 로우내의 인접 화소와 공유하는 화소(80)의 새로운 디자인이 도시된다. 이 경우 2개의 연속적인 로우에 대한 로우 선택 신호는 실질적으로 동일하다. 각각의 화소내에 전송 게이트(81, 82)를 개별적으로 가짐으로써 화상 신호 분리가 이루어진다. 이 동작은 다음과 같은 방식으로 이루어진다. 로우 A가 집적화되고, 로우 선택 트랜지스터(85)의 게이트가 턴온된다. 그 다음에, 리세트 게이트(87)를 펄싱(pulsing)함으로써 부동 확산부(82)가 리세트된다. 그리고 나서, 로우 A에 대해 이러한 리세트 신호가 판독된다. 그 다음에, 전송 게이트(81)가 펄스 온(pulse on)되고 광검출기 A로부터의 신호 전하가 부동 확산부(84)상으로 전송된다. 로우 A에 대한 신호 레벨이 판독된다. 다음, 리세트 게이트(87)를 다시 펄스 온함으로써 부동 확산부(84)가 리세트된다. 그 다음, 로우 B에 대한 리세트 레벨이 판독된다. 그 다음, TGB가 펄스 온되어 광검출기 B로부터의 신호 전하를 부동 확산부상으로 전송한다. 그리고 나서, 로우 B에 대한 신호 레벨이 판독된다. 이 과정은 디바이스상에서 나머지 로우 쌍에 대해서도 반복된다.
도 9는 화소 경계를 가로질러 라우팅하거나 또는 상호 접속하는 개념을 도시하는 본 발명의 4개의 화소의 평면도이다. 신호 트랜지스터에 대한 접점 영역이 부동 확산부의 우측면에 배치되고 화소 경계(90)의 우측면에서 종료한다. 우측면에 다른 화소가 접하게 되면, 이러한 부동 확산부와 신호 트랜지스터의 접속이 완료된다. 이것은 화소의 상부 및 하부 경계를 이용하는 리세트 게이트와 마찬가지로 행해진다. 이러한 개념은 최소의 라우팅 및 상호 접속 영역을 갖도록 하는 기능을 제공한다.
이들 예에 도시되지는 않았으나, 화소가 미러 반사되어 촬상기의 변조 전송 기능이 디바이스 전체에 걸쳐 일정한 경우에도, 광검출기가 화소내의 동일한 사이트(site)를 점유하도록, 화소를 설계하는 것이 바람직하다.
도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명에 상세히 설명된 각각의 특성들은 기술한 장점을 제공하는 다른 물리적 레이아웃 및 실시예를 구성하도록 서로 관련지어 이용될 수 있음에 주의해야 한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술하였으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형 및 수정이 실행될 수 있음이 이해될 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 각각의 화소에 대해 별도의 측방향 오버플로우 드레인 영역이 요구되지 않으므로, 광검출기에 보다 큰 영역이 할당될 수 있어, APS 센서내에 충진도가 증가된 화상 센서를 제공하게 된다.
도 1은 종래 기술의 APS 화소의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 4개의 화소 어레이를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 의해 구현된 것으로, 접점 영역이 감소된 화소의 평면도,
도 4a는 접점 영역이 공유된 2개 화소의 평면도,
도 4b는 도 4a에 도시된 본 발명의 평면도에서 VDD 접점 영역이 감소된 것을 나타내는 도면,
도 5a는 소정 컬럼(column)에 공통인 접점 영역이 공유된 것을 도시한 것으로, 도 4a의 2개의 화소가 미러(mirror) 복제된 본 발명의 4개의 화소의 평면도,
도 5b는 소정 컬럼에 공통인 접점 영역이 공유된 것을 도시한 것으로, 도 4b의 2개의 화소가 미러 복제된 본 발명의 4개의 화소의 평면도,
도 6은 측방향 오버플로우 게이트 및 드레인을 포함하는 도 4a의 화소를 도시한 도면,
도 7은 각 화소에 대한 측방향 오버플로우 게이트와 측방향 오버플로우 드레인으로서 이용되는 인접 화소의 VDD를 갖는, 도 4a에 도시된 2개의 화소를 도시한 도면,
도 8은 부동 확산부, 리세트 게이트, 리세트 드레인 VDD, 증폭기, 로우(row) 선택 게이트 및 출력 접점 영역을 공유하는 2개의 화소를 도시하는 도면,
도 9는 화소 경계를 가로지르는 전기적 구성 요소의 동작시의 상호 접속을 예시하는 4개 화소들의 평면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 화소 31 : 광검출기
32 : 전송 게이트 33 : 전송 게이트 접점
34 : 부동 확산부 36 : 리세트 게이트
37 : 리세트 게이트 접점 38 : 로우 선택 게이트
39 : 로우 선택 게이트 접점

Claims (1)

  1. 다수의 화소를 갖는 화상 센서에 있어서,
    제 1 도전형의 반도체 물질과,
    기판내에 형성된 광검출기를 제각기 갖는 적어도 2개의 인접 화소와,
    상기 인접 화소내에 집적화되고, 상기 인접 화소들 사이에 공유되는 적어도 하나의 전기적 기능부 - 상기 전기적 기능부는 포토게이트 접점과, 전달 게이트 접점과, 로우 선택 게이트 접점 또는 출력 노드 접점 중 하나로부터 선택된 전기적 접점임 - 를 포함하는
    화상 센서.
KR1019980006369A 1997-02-28 1998-02-27 화상센서및고체상태화상감지장치의제조방법 Expired - Lifetime KR100556308B1 (ko)

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