KR960002645B1 - 전하 전송장치 및 고체 촬상장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명에 따른 CCD의 채널-포텐셜을 나타낸 도면.
제2도는 본 발명에 따른 CCD의 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 CCD의 평면도.
제4도는 제3도의 a-a 단면도.
제5도는 제3도의 b-b 단면도.
제6도는 본 발명을 종래 구조의 CCD 고체 촬상장치에 도입한 경우의 화소 단면도.
제7도는 본 발명을 프레임 트랜스퍼 CCD에 도입한 경우의 화소부 단면도.
제8도는 본 발명의 실시예를 나타낸 CCD 고체 촬상장치의 개략도.
제9도는 본 발명의 실시예를 나타낸 CCD 고체 촬상장치의 화소단면도.
제10도는 종래 표면 채널 CCD의 채널-포텐셜을 나타낸 도면.
제11도는 종래 매몰 CCD의 채널-포텐셜을 나타낸 도면.
제12도는 종래 CCD 고체 촬상장치의 화소단면도.
제13도는 종래 CCD 고체 촬상장치의 개략도.
제14도는 종래 CCD 고체 촬상장치의 화소단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n형 Si기판 2-a : p형 Si기판
2-b : p형 웰층 3 : n형 Si의 매몰 채널영역
4 : SiO층 5,5b,5g,5i,5j : 다결정 Si 전송전극
5a : 주입용 게이트 5h : 스위트 아웃 게이트
9 : 표면 채널영역 10 : 채널 스톱영역
11a : 전하주입소오스 11b : 스위프 아웃드레인
11c : 플로우팅 디퓨젼 12 : 쇼트키 배리어 다이오드
13 : 포토다이오드 18,24 : 매몰 채널 트랜스퍼 게이트
19 : 표면 채널 트랜스퍼 게이트 21 : 평탄화층
25 : p형 홀 축적층 26 : 광차단층
27 : 제1다결정 Si 전송전극 28 : 제2다결정 Si전송전극
본 발명은 신호전하의 전송에 CCD를 이용한 전하전송 장치와 고체 촬상장치에 관한 것으로, 특히 높은 S/N비로 신호전하를 전송하고 암전류가 없는 고체 촬상장치 및 복수종의 광검출소자를 가진 고체 촬상장치에 관한 것이다.
최근에 높은 S/N의 전하전송 장치로서 CCD(Charge Coupled Device)의 응용이 늘고 있으며, 아날로그 신호의 지연선과 촬상관에 대신하는 고체 촬상장치로서 실용화가 이루어지고 있다
CCD는 그 채널 포텐셜 형상에 따라 2종류로 분류되며 각각 표면(surface)채널 CCD와 매몰(Buried)채널 CCD로 불리워진다.
제10도와 제11도에 표면 채널CCD와 매몰 채널 CCD의 단면구조와 채널 포텐셜 형상을 각각 나타내었다.
제10도와 같은 표면 채널 CCD에서는 다결정 실리콘의 전송전극에 인가하는 전압에 의해 반도체 기판의 표면 도전성을 반전시킴으로써 채널을 형성한다.
이 경우 채널내 포텐셜이 가장 큰곳은 Si-SiO2계면으로 Si-SiO2계면의 준위와 전송된 신호전하와의 상호 작용이 활발히 일어나기 때문에 신호전하의 전송효율이 저하되고 S/N도 저하되는 결과를 가져온다.
이에 대하여 제11도에 도시한 매몰 채널 CCD에서는 채널 포텐셜이 가장 높은 부분이 p형 Si기판(2a)내에 있기 때문에 계면준위와 신호전하의 상호 작용의 빈도가 저하되어 표면 채널 CCD 보다 S/N은 높지만, 동일 조건하에서의 전하전송 용량은 표면 채널 CCD 보다 낮다.
표면 채널 CCD에서도 매몰 채널 CCD에서도 암전류의 주된 발생원인은 Si-SiO2계면준위로부터 발생되는 전하이다.
최근, 반도체 재료의 개량과 제조 공정의 청결화 및 광검출부 구조의 개량이 발달된 결과 이러한 암전류를 60℃의 소형화와 고온 조건하에서도 1nA/㎠정도로 저감하는 것이 가능하게 되었지만, 이러한 수치도 고체 촬상 장치등에서 새로운 고감도화가 요구되어 표준 신호 전하량이 저하되는 경향이 있기 때문에 불충분 한 것이 되었다. 또한, 소자의 소형화와 축소화에 따라 채널폭이 좁아져서 내로우(narrow) 채널 효과가 강하게 되어 CCD의 취급 전하량이 저감하고 있다.
취급 전하량을 증가시키는 방법으로 CCD의 정부(正負) 전압 구동이 유효하지만, 종래 기술에서는 암전류가 증가하는 문제가 있다.
이때문에 저속 구동 CCD에서 암전류가 문제되는 소자의 경우 암전류가 조금도 없는 부전압구동(신호 전하가 전자의 경우)만이 이용되고 있다.
다음에 제12도는 인터라인 트랜스퍼 CCD를 사용한 칼라 고체 촬상장치의 화소단면구조를 나타낸 것으로 이 소자에서는 색신호를 출력시키기 위해 적, 녹, 청의 칼라 필터층(22-a~22-c)를 포토다이오드(13)상에 형성한다.
그러나, 칼라 필터는 원하는 색이외의 빛을 흡수함에 따라 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과시키기 때문에 빛의 이용 효율면에서는 좋지 않다.
따라서, 보다 고효율의 칼라 고체 촬상장치를 실현하기 위한 경우는 각각의 파장대로부터 동시에 신호를 얻는 기술이 필요하다.
종래에는 이러한 소자를 단일 소자로 실현하기가 불가능하였다.
다음에 제13도는 반도체 기판상에 2종류의 다른 분광감도의 광검출소자를 갖는 고체 촬상장치의 블록도를 나타낸 것이고, 제14도는 화소부의 단면 구조를 나타낸 것으로, 제1종의 광검출소자는 가시광용의 포토다이오드(13)이고, 제2종의 광검출소자는 적외선용의 PtSi 쇼트키 베리어 다이오드(12)이다.
그리고 가시광, 적외선의 각각의 광검출소자 배열로부터 독립으로 신호전하를 읽어내기 위해 가시광용 수직 CCD(14a)와 적외선용 수직 CCD(14b)가 설치되어 있다. 또한 수평 CCD도 가시광용(17a)과 적외선용(17b)로 나누어지고 독립적으로 전하를 검출하여 출력시킨다.
이와 같은 종래 기술의 경우에는 제1종과 제2종의 광검출소자에 대해 각각 독립의 전하 전송 경로가 필요하고 고밀도화 되어야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 첫째, 암전류가 적은 전하전송장치와, 고체 촬상장치, 둘째, 칼라 필터를 이용하지 않고 분광기능을 갖는 고체 촬상장치, 셋째, 보다 고밀도의 다종 광검출 소자형 고체 촬상장치를 실현시키는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 종래와 같은 매몰 채널 CCD의 채널영역 표면에 매몰 채널영역과는 반대의 도전성을 갖는 표면 채널영역을 형성하고, 매몰 채널 CCD와 표면 채널 CCD가 적층된 2중 구조의 전하전송 경로를 갖는 전하전송장치(Duplicated Channel CCD)를 실현하는데 그 특징이 있다.
즉, 본 발명은 적층된 채널의 표면 채널측을 Si-SiO2계면으로부터 발생하는 암전류를 축적하고 전송하는데 이용하고, 매몰 채널 CCD측을 신호 전하를 전송하는데 이용함에 따라 보다 암전류가 낮고 고 S/N의 신호 전하전송장치와 고체 촬상장치를 실현하는 것이 가능하다.
또한, 전송전극에 정부 양방향의 구동전압을 인가시켜도 암전류가 증가되지 않고, 최대 전송전하량을 증가시키는 것이 가능하다.
그리고 CCD의 전송전극을 투과시켜 입사하는 빛에 따라 발생하는 전하를 축적하고 전송하는 고체 촬상 장치에 이러한 CCD를 이용함에 따라 다른 파장대에 대응하는 신호전하를 어느 정도 분리시켜 출력하는 것이 가능하다.
더욱이 이러한 CCD를 다른 분광감도의 복수종의 광검출소자를 갖는 고체 촬상장치에 이용함에 따라 하나의 전하전송 경로로 2종의 신호를 전송하는 것이 가능하고 촬상 장치의 고밀도화를 실현하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에 따른 CCD의 채널-포텐셜을 나타낸 도면이고, 제2도, 제3도는 본 발명에 따른 CCD의 단면도 및 평면도이다.
그리고 제4도, 제5도는 제3도에 따른 단면도이다.
먼저, 본 발명의 CCD의 구성은 다음과 같다.
P형의 Si기판(2-a)과, 상기 P형의 Si기판(2-a)의 일정깊이를 갖는 특정영역에 형성되어 전하를 축적 및 전송하는 n형 Si의 매몰 채널영역(3)과, 상기 n형 Si의 매몰 채널영역(3) 상측의 반도체 기판의 표면에 형성되어 전하를 축적 및 전송하는 P형 Si층 표면 채널영역(9)과 상기 P형 Si층 표면 채널영역(9)상에 형성되어 게이트 절연을 갖는 SiO2(4)을 포함하여 구성된다.
여기서 6은 도전자대 포텐셜 형상, 7은 가전자대 포텐셜 형상, 8은 다결정 실리콘 전송전극의 인가전위이다.
전하의 전송방향에 대하여 수직 평면에서의 단면도는 제2도와 같이 되고 p+Si의 채널 스톱영역(10)에 의해 소자분리되어진다.
상기와 같은 본 발명의 CCD에서 표면 채널내의 전하를 배출하고 노이즈와 암전류가 없는 신호를 매몰채널로부터 읽어내기 위해서는 각각의 채널로부터 독립적으로 전하를 출력시킬 필요가 있다.
예를들어 제3도 내지 제5도에 도시한 것처럼 표면 채널의 스위트 아웃( sweet out) 게이트(5-h)에 접속된 스위프 아웃(sweep out) 드레인(11-b)을 신호전하 전송경로의 중간에 설계한다.
전하주입부는 주입용 게이트(5-a)와 전하주입소오스(11-a)로 구성되는데 이 경우 표면 채널측으로는 전하는 주입하지 않기 때문에 주이용 게이트(5-a)는 매몰 채널형이 된다.
여기서, 5b-5g, 5i, 5j는 상기 제1도에서의 다결정 Si 전송전극(5)을 상세히 나타낸 전극이다.
가장 일반적인 고체 촬상장치인 인터라인 트랜스퍼 CCD 이메저(Imager)의 전하전송부에 본 발명을 이용하는 경우에는 전하주입 소오스(11-a)와 게이트 (5-a)가 제6도와 같이 포토다이오드(13)와 트랜스퍼 게이트(24)로 변한다.
제6도중의 포토다이오드(13)는 매몰 포토다이오드라고 불리우는 구조로 암전류를 저감하기 위하여 n형 포토다이오드(13)의 표면에 P+형 홀 축적층(25)이 형성되어 Si-SiO 계면으로부터 전자발생을 억제한다.
포토다이오드(13)로부터 CCD로의 전하전송을 억제하는 것은 트랜스퍼 게이트(24)이고 매몰 채널형의 포텐셜 구조에 의해 포토다이오드(13)로부터 수직 전송 CCD의 매몰 채널영역에 전하를 전송한다.
만일, 표면 채널을 신호전하전송에 이용하고자 할 경우에는 표면 채널로 전송한 전하의 스위프 아웃 드레인(11b)을 전하검출을 위한 플로우팅 디퓨젼(Flouting Diffusion)(11c)으로 변경시켜 구성하고 표면 채널의 주입용 게이트와 표면 채널용의 전하주입 소오스를 추가하면 된다.
상기 제6도에서의 미설명 부호 1은 n형 Si기판, 2-b는 p형 웰, 21은 평탄화층, 26은 광차단층, 27은 제1다결정 Si 전송전극, 28은 제2다결정 Si 전송전극이다.
제7도는 본 발명의 다른 실시예로 프레임 트랜스퍼 CCD처럼 매몰 채널 CCD의 채널영역을 포토다이오드로서 병용하는 구조의 고체 촬상장치에 본 발명의 이중 채널 CCD를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제7도는 수광부의 단면구조로 이 경우 표면 채널영역의 깊이를 적당히 선택하면 표면 채널영역(9)에는 주로 단파장의 입사광에서 발생한 신호 전하가 축적되고 매몰 채널영역(3)에는 장파장의 빛에 따라 발생한 신호전하가 축적되는데 이는 가시영역에 있어서 Si내 광흡수의 파장 의존성이 매우 강하기 때문이다.
결국, 단파장의 빛정도는 Si 표면으로부터 짧은 거리에서 거의 흡수되어 버린다.
이렇게 얻어지는 신호를 각각 독립적으로 출력시키면 입사광의 색에 관한 정보를 얻을 수 있다.
물론 2개의 채널만으로 원래의 색을 재현할 만큼의 정보를 얻을수는 없지만 대상물의 색이나 조명관원의 파장 분포에 한정 조건을 주는 수단에 의해 색신호를 분리할 수 있다.
제8도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 가시적인 감도를 갖는 p-n 접합의 가시광용 포토다이오드(13)와, 적외광으로 감도를 갖는 PtSi의 쇼트키 배리어 다이오드(12)가 배열되어 있으며 p-n 접합 포토다이오드(13)는 제9도와 같은 매몰 채널트랜스퍼 게이트(18)를 갖고, 쇼트키 매몰 다이오드(12)는 표면 채널 트랜스퍼 게이트(19)를 갖는다.
2종류의 다른 광검출 소자 열은 수평전송 CCD(15)와 수직전송 CCD(16)를 공유하고 적외광에 의한 신호 전하는 표면 채널로, 가시광에 의한 신호전하는 매몰 채널(20)로 전송되며 여기서, 11-e는 가시광용 트랜스퍼 게이트영역, 11-f는 적외선용 트랜스퍼 게이트영역이다.
그리고 각각 표면 채널의 출력 게이트와 매몰 채널의 출력 게이트를 통과하여 독립적으로 읽혀진다.
다결정 Si 전송전극(5)(화소부)의 단면 구조는 제9도와 같으며 제14도의 종래 기술에 의한 경우에 비하여 횡방향의 길이축소를 이루고 있다.
이 실시예에서는 광검출소자 배열이 2차원이지만 물론 1차원 배열의 라인센서의 경우도 마찬가지로 응용가능하다.
또한, 광검출소자의 종류도 2종류로 한정하지 않고 복수종의 검출소자 배열로부터 신호전하를 읽어내는데 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와같은 본 발명은 하나의 CCD내에 두개의 독립된 채널을 실현할 수 있고 암전류의 저감과 S/N의 향상을 얻을 수 있으며, 입사광의 색정보 취득과 화소의 고밀도화를 실현할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- CCD를 전하 전송으로 이용하는 전하전송장치에 있어서, 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제1도전형 반도체 기판의 일정 깊이를 갖는 특정영역에 형성되어 전하를 축적 및 전송하는 제2도전형의 매몰 채널영역과, 상기 제2도전형의 매몰 채널영역 상측의 반도체 기판의 표면에 형성되어 전하를 축적 및 전송하는 제1도전형의 표면 채널영역과, 상기 제1도전형의 반도체 기판의 특정영역에 일정 넓이를 갖고 소자격리를 위해 고농도 제1도전형 불순물 이온주입 공정으로 형성된 채널 스톱층과, 상기 제1도전형의 표면 채널영역 상측의 전면에 형성된 절연막층과, 상기 절연막층상에 형성되어 각각의 채널영역의 전하를 특정방향으로 전송하기 위한 전압이 인가되는 전송전극층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전하전송장치.
- 고체 촬상장치에 있어서, 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제1도전형 반도체 기판의 일정영역에 형성된 제2도전형 웰과, 상기 제2도전형 웰의 일정 깊이를 갖는 특정영역에 형성되는 제1도전형의 매몰 채널영역과, 상기 제1도전형의 매몰 채널영역 상측의 제2도전형 웰 영역내의 표면에 형성되는 제2도전형의 표면 채널영역과, 상기 각 채널영역의 사이에 복수개 형성되어 입사되는 빛에 의해 신호전하를 발생하는 포토다이오드영역과, 상기 제2도전형의 표면 채널영역과 및 포토다이오드영역 상측의 전면에 형성된 절연막층과, 상기 절연막층 상측에 각각 적층구조로 절연되고, 정(＋) 부(－) 양방향의 구동전압이 인가되어 상기 제1도전형의 매몰 채널영역과 제2도전형의 표면 채널영역의 전하를 각각 독립적으로 전송하는데 제1,2전송전극과, 상기 포토다이오드영역의 표면에 형성되어 포토다이오드 절연막층의 계면에서의 전자발생을 억제하는 고농도 제2도전형 홀 축적층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고체 촬상장치.
- 고체 촬상장치에 있어서, 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제1도전형 반도체 기판의 일정영역에 형성된 제2도전형 웰과, 상기 제2도전형 웰의 일정깊이를 갖는 특정영역에 형성되어 장파장의 빛에 의한 전하를 축적 및 전송하는 제1도전형의 매몰 채널영역과, 상기 제1도전형의 매몰 채널영역 상측의 제2도전형 웰 영역내의 표면에 형성되어 단파장의 빛에 의해 발생한 전하를 축적 및 전송하는 제2도전형의 표면 채널 영역과, 상기 각 채널과 분리되어 서로 다른 분광감도 특성을 갖는 복수종의 광전변환영역과, 전면에 형성되는 절연막층과, 상기 분리영역의 절연막상에 형성되어 각각의 광전변환영역의 전하를 각각의 채널로 트랜스퍼시키는 복수의 트랜스퍼 게이트와, 상기 채널영역의 절연막상에 형성되는 표면채널 주입용 게이트를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고체촬상장치.
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