KR0133249Y1 - 전하 전송 촬상 장치 - Google Patents

Abstract

수직 레지스터용의 웰층의 불순물 농도를 수평 레지스터용의 웰층보다 높게 하는 동시에, 수직 레지스터용의 웰층중에 형성되는 매립층은 수평 레지스터용의 매립층과 공통인 제1의 매립층과, 이 제1의 매립층위에 형성되는 제2의 매립층으로 구성되며, 불순물 농도를 높게 한다. 이것에 의해서 다이나믹 범위를 충분히 크게 잡을 수 있는 동시에 신호 전하의 전송 효율의 열화를 피할 수 있는 외에, 제조 공정도 단수화할 수 있다.

Description

전하 전송 촬상 장치

제1도는 일반 인터라인형 전하 전송 촬상 장치의 개략적 평면도.

제2a도 및 제2b도는 본 고안의 제1실시예에서의 수평 레지스터 및 수직 레지스터의 단면도.

제3도는 본 고안의 제2실시예에서의 수직 레지스터와 수평 레지스터와의 접속부의 평면도.

제4a도는 제3도의 A-A' 선에서의 단면도.

제4b도는 웰층의 불순물 분포를 도시하는 모식도.

제5a도 내지 제5c도는 본 고안의 전하 전송 촬상 장치에서의 매립층의 제조공정을 도시하는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2a : 제1의 매립층 2b : 제2의 매립층

3a : 제1의 웰층 3b : 제2의 웰층

[본 고안의 분야]

본 고안은 전하 전송 촬상 장치에 관하여, 특히 수직 레지스터와 수평 레지스터를 매립 채널 CCD(Charge Coupled Devices)에 의해서 구성한 이러한 종류의 촬상 장치에 관한다.

[양호한 실시예에 대한 설명]

촬상 장치의 고체화에 대해서는 1960년대 초반에 매트릭스형의 여러 가지 제안이 있었는데, 어느 것도 실용되지는 않았다. 1970년대에 들어서, MOS, LSI 기술의 발전과 전하 전송 장치 및 CCD의 발표에 의해서, 고체 촬상 장치의 연구에는 큰 변혁이 초래되었다. 그 결과, 촬상 장치에 필요한 다수의 화소에 대응하는 광전 변환 소자, 축적 소자 및 전하 읽어내기 소자가 LSI 칩화 되었다.

1980년대에 들어서자 여러 특성은 두드러지게 향상되고, 충분히 실용가능한 상황이 되고, 고체 촬상 장치 특유의 장점을 살린 응용 분야도 개척되어서, 연구 개발은 급속으로 활발화 되었다. 특히, 전하 전송 방식을 채용한 CCD형은 가장 진전을 보이고 있으며, 현재에는 그 응용이 HDTV(High Definition TV)에 까지 이르고 있다.

CCD 고체 촬상 장치는 예컨대, Extended Abstracts of the 1991 International Conference on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 1991년 666면 내지 668면의 제1도와 제3도에 도시되듯이 기본적으로 CCD를 이루는 복수열의 수직 레지스터와, 각 수직 레지스터에 인접해서 배치된 광전 변환부와, 광전 변환부로부터 대응하는 수직 레지스터로의 신호 전하의 전송을 제어하는 트랜스퍼 게이트와, 각 수직 레지스터의 일단에 전기적으로 결합한 수평 레지스터와, 수평 레지스터의 일단에 설치된 전하 검출부로 구성되어 있다.

이같은 구성은, 종래 반도체 기판상에 이 기판과는 반대 도전형을 갖는 웰층을 형성하고 다시 웰층중에 웰층과 반대 도전형의 매립층을 형성하고, 이 반도체층의 주 표면상에 게이트 절연막을 통해 수직 레지스터의 전송 전극과 수평 레지스터의 전송 전극을 형성하므로서 실현하고 있다.

그런데, 일반적으로 매립 채널형 CCD에서는 웰층의 불순물 농도가 높고 매립층이 얕게 형성될수록 최대 전송 전하량이 증가하는 경향이 있다. 한편, 웰층의 불순물 농도가 낮을수록 전송 방향으로 프린지 전계가 강해지며 전송 효율이 향상하는 경향이 있다.

그러나, 상술한 종래의 CCD형 고체 촬상 장치에서는 수직 레지스터와 수평 레지스터의 매립층, 웰층이 공통의 구조이므로, 수직 레지스터의 최대 전송 전하량의 확보와 수평 레지스터의 전송 효율의 향상을 동시에 만족시키는 불순물 분포를 선택할 수 없었다. 그 때문에 수직 레지스터에 대해서는 최대 신호 전하량이 충분히 얻어지지 않으며, 수평 레지스터에 대해선 전송 효율이 열화되어서 화질의 저하를 초래하게 된다는 문제점이 있었다.

[본 고안의 간단한 요약]

[본 고안의 목적]

따라서, 본 고안의 제1의 목적은, 넓은 다이나믹 범위를 유지하면서 높은 전하 전송 효율을 갖는 전하 전송 촬상 장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 제2의 목적은, 특히 프레임 인터라인 전송형 촬상 장치에서 높은 전하 전송 효율을 발휘하는 전하 전송 촬상 장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 제3의 목적은, 상술한 전하 전송 촬상 장치에 있어서, 전하 전송 불량에 의한 재생 화상의 열화를 방지할 수 있는 촬상 장치를 제공하는데 있다.

[본 고안의 요약]

본 고안의 전하 전송 촬상 장치에서는, 수직 레지스터와 수평 레지스터가 매립 채널 CCD에 의해서 구성된다. 수직 레지스터와 수평 레지스터의 각 웰층은 개별로 형성되며, 전자는 후자에 비해서 불순물 분포가 얕고 농도가 높다. 또, 수직 레지스터의 매립층은 수평 레지스터의 매립층에 접속된 제1의 매립층과 이 제1매립층상에 형성된 제2의 매립층을 갖는다. 그 결과, 수직 레지스터의 매립층의 불순물 농도는 수평 레지스터의 매립층의 불순물 농도보다 높아진다. 따라서, 수직 레지스터의 전송 전하량이 커지는 효과가 있다.

바람직하게는, 본 고안의 전하 전송 촬상 장치는, 수평 레지스터를 구성하는 웰층을 비유효 수광 영역에 대응하는 수직 레지스터내에서 그 폭이 서서히 끝이 가늘어지는 형상으로 형성한다. 이같은 구성은 프레임 인터라인형의 전하 전송 장치에서는 특히 유효하다.

본 고안에 의한 전하 전송 촬상 수직 레지스터 및 수평 레지스터를 형성하기 위해, 한 도전형의 반도체 기판상에 이 반도체 기판과 반대 도전형의 웰층을 우선 형성하고, 이 웰층중에 그 웰층과 반대 도전형의 제1의 매립층 및 제2의 매립층을 형성한다. 수직 레지스터의 최종 전송 전극은 상기 반도체 기판의 전극 재료로 형성하고, 수평 레지스터 및 수직 레지스터의 전송 웰층의 전극 재료로 형성하고, 상기 매립층들 및 수직 레지스터를 구성하는 제2의 매립층은 수직 레지스터의 상기 최종 전송 전극에 대해서 자기 정합적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 대한 상기 언급된 목적 및 다른 목적, 특징, 장점들은 동봉한 도면과 관련하여 후술되는 본 고안의 상세한 설명의 참조로 더욱 분명해진다.

[양호한 실시예에 대한 상세한 설명]

일반의 인터라인형 전하 전송 촬상 장치를 도시하는 제1도를 참조하면 본장치는 CCD를 이루는 복수열의 수직 레지스터(10)와, 매트릭스내의 각각의 수직 레지스터 각 레지스터에 인접하게 배열된 복수의 광전 변환부(12)와, 상기 광전 변환부(12)로부터 수직 레지스터(10)의 대응단으로의 신호 전하의 전송을 제어하도록 상기 광전 변환부(12)중의 한 변환부와 수직 레지스터(10)를 구성하는 한 레지스터 사이에 배치된 복수의 트랜스퍼 게이트(13)와, 수직 레지스터(10)의 각각의 일단에 전기적으로 결합된 수평 레지스터(11)와, 수평 레지스터(11)의 일단에 설치된 전하 검출부(14)로 구성되어 있다.

소정의 기간에 입사한 입사광량에 따라서 광전 변환부(12)에 축적된 신호전하는, 수직 블랭킹 기간에 트랜스퍼 게이트(13)를 온시킴으로서 대응의 수직 레지스터(10)에 판독 출력된다. 수평 블랭킹 기간중에 수직 레지스터(10)의 전송 전극(도시생략)에 구동 펄스를 인가함으로서, 신호 전하는 수직 레지스터(10)를 따라 병렬로 연속적으로 전송되며, 그후, 수직 레지스터(10)의 최종 전송 전극으로부터 수평 레지스터(11)로 전송된다. 유효 영상 기간중에 수평 레지스터(11)내에서 수평방향으로 전송된 신호 전하는, 전하 검출부(14)에서 전압으로 변환되어 영상신호로서 출력된다.

그런데, 현재 개발이 추진되고 있는 HDTV 방식에 대응한 전하 전송 촬상 장치는 130만 내지 200만의 화소를 가지며 NTSC 방식의 5배 내지 8배의 화소수를 필요로 한다. 많은 화소수에 따른 단위 화소 면적의 축소로, 수직 레지스터의 최대 신호 전하량이 감소되고, 촬상 장치의 다이나믹 범위가 제한된다. 또, HDTV방식의 고체 촬상 장치에서는 수평 전송 주파수가 약 25∼59 MHz이고 NTSC 방식의 2배 내지 4배의 고속 동작을 필요로 하므로, 전송 효율의 열화가 문제로 된다.

본 고안은 이같은 기술적 과제를 해소하기 위해 이뤄진 것이며 그 내용은 구체적으로 후술한다.

본 고안의 제1의 실시예의 전하 전송 촬상 장치에서의 수평 레지스터 및 수직 레지스터의 단면도를 도시하는 제2a도 및 제2b도를 참조하면, 본 실시예는, n형 실리콘 기판중에 p형 웰층 및 n형 매립층을 형성한, N채널 매립 채널형 CCD에 의해서 수평 레지스터(제2a도) 및 수직 레지스터(제2b도)를 구성하고 있다.

수평 레지스터는 불순물 분포가 비교적 깊고 농도가 낮은 제1의 웰층(3a)과 이 웰층(3a)내에 형성된 제1의 매립층(2a)에 의해 형성된다. 이같이 농도가 낮은 웰층을 형성하므로서, 전송 방향의 프린지 전계가 강해지고, 고속의 전하 전송에서도 잔존 전하가 없는 높은 전송 효율이 얻어진다.

한편, 수직 레지스터는 수평 레지스터에 비해서 불순물 분포가 얕고 농도가 높은 제2의 웰층(3b)이 형성된다. 수직 레지스터의 매립층은, 수평 레지스터와 공통의 제1의 매립층(2a)과 이 매립층(2a)상에 형성된 수직 레지스터 고유의 높은 불순물 농도의 제2의 매립층(2b)으로 구성된다. 수직 레지스터에서는 상술한 바와 같이 채널층이 얕으므로, 단위 면적당의 최대 전송 전하량이 커지며 다이나믹 범위를 충분히 크게할 수 있다.

제3도는 본 고안의 제2의 실시예에 의한 수직 레지스터와 수평 레지스터의 접속 부분에서의 웰층의 구성을 도시하는 평면도이다. (9a)는 수직레지스터의 채널, (1a)는 수직 레지스터의 전송 전극, (9b)는 수평 레지스터의 채널, (1b)는 수평 레지스터의 전송 전극이다. 본 실시예의 특징은, 수평 레지스터의 웰층(3a)이 수직 레지스터중에서는 수평 레지스터 측으로부터 서서히 폭이 좁아지는 형상을 갖는 것이다.

제3도의 선(A-A')에서의 단면도 및 웰층의 불순물 농도 분포를 각각 도시하는 제4a도 및 제4b도를 참조하면, 수평 레지스터와 수직 레지스터의 웰을 서로 상이한 불순물 농도 분포로 형성한 경우, 수평 레지스터의 제1의 웰층(3a)과 수직 레지스터의 제2의 웰층(3b)이 겹친 영역(도면중에 L로 표시)은, 제2의 웰층(3b)만이 형성된 영역보다 얕아지므로, 전위는 전자가 후자보다 낮아지며, 전하의 전송 방향(도면상에서 우로부터 좌로)을 따라 전송을 방해하는 전위 구배(potential gradient)가 생기고, 전하 전송 효율이 열화한다.

이것을 방지하기 위해서 본 실시예에선 제3도에 도시하듯이 제1의 웰층(3a)을 수직 레지스터의 채널(9a)에서 길이 L에 걸쳐서 수평 레지스터측으로부터 서서히 폭이 좁아지게 형성하고, 상술의 전위 구배를 완화하고 있다.

길이 L은, 광전 변환부의 특성에 영향을 끼치지 않게 비유효 수광 영역에 대응하는 수직 레지스터중에서 가능한한 길게하는 것이 바람직하다. 예컨대 인터라인 전송형 촬상 장치에선, 유효 수광 영역과 수평 레지스터간의 수직 레지스터내에서 또 촬상 영역과 축적영역을 갖는 프레임 인터라인 전송형 촬상 장치에선, 축적 영역의 수직 레지스터내이면 임의로 L을 설정하는 것이 가능하다.

한 예로서, 제1의 웰층(3a)의 불순물 농도를 1x10¹⁵∼2x10¹⁵㎝^-3, 접합 깊이를 4∼5㎛, 제2의 웰층(3b)의 불순물 농도를 5x10¹⁵∼1x10¹⁶㎝^-3, 접합부 깊이를 2∼3㎛로 하면, 제1의 웰층(3a)과 제2의 웰층(3b)이 겹친 영역의 전위는, 제2의 웰층(3b)만이 형성된 영역에 비해서 0.5V 정도 낮아진다.

전송 전극의 전극 길이를 4㎛로 하고, 제1의 웰층(3a)을 접속부에서 직선형으로 형성하면, 일전극하에서 0.5V의 전위 장벽이 형성되게 된다. 이 값은 상온에서의 전자의 열기 전력(26㎷)보다 크므로, 전자가 이 장벽을 넘을 수 없고 전송불량을 발생한다.

한편, 제1의 웰층(3a)을 길이 100㎛(제3도와 제4a도 및 제4b의 L)에 걸쳐서 서서히 가늘게 했을 경우에는, 일전극하에서의 전극차는 200㎷로 되며, 전자의 열기 전력보다 작아지므로 전송 불량은 발생하지 않는다. 1인치 포맷의 HDTV대응의 인터라인 전송형 고체 촬상 장치에서, 100㎛는 12∼13개의 화소에 상당하며 충분히 실현할 수 있는 값이다. 또, 프레임 인터라인 전송형 촬상 장치의 경우에는 L의 값을 100㎛이상으로 하는 것이 가능하며, 일전극하의 전위차는 더욱 감소한다.

상술의 구조로 서로 상이한 웰구성을 갖는 수직 레지스터와 수평 레지스터와의 접합부분에서의 전하 전송 효율의 열화를 피할 수 있다.

본 고안의 제3의 실시예에서의 수직 레지스터내에 형성된 제2의 매립층의 단면도를 제조 공정순으로 도시한 제5a도 내지 제5c도를 참조하면, n형 반도체 기판(4)상에 수평 레지스터를 구성하는 제1의 p형 웰층(3a)과, 수직레지스터를 구성하는 제2의 웰층(3b)을 형성하고, 그 위에 공통의 제1의 n형 매립층(2a)를 형성한다. 다시 표면에 게이트 절연막을 형성한 후에 상기 반도체 기판의 다결정 실리콘에 의해서 수직 레지스터의 최종 전송 전극(1c)을 형성한다(제5a도).

다음에, 수직 레지스터 영역 이외의 포토레지스트막(7)으로 피복하고, 이 포토레지스트막을 마스크로하여 수직 레지스터 영역에 제2의 매립층(2b)을 최종전송 전극(1c)에 대해 자기 정합적으로 이온 주입에 의해 형성한다(제5b도). 이결과, 제2의 매립층(2b)의 경계가 최종 전극(1c)의 엣지에 일치하게 된다.

마지막으로, 수평 레지스터 및 수직 레지스터의 전송 전극을 2층째와 3층째의 다결정 실리콘에 의하여 형성한다(제5c도).

이같이 제2의 매립층(2 b)을 수직 최종 전송 전극에 대해서 자기 정합적으로 형성하므로서, 전송 전극하에 전송 방향의 전위 장벽의 발생을 피할 수 있고, 전하 전송 불량을 방지할 수 있다. 또한, 전극 재료로서 다결정 실리콘 이외의 재료를 쓰는 것도 가능하다.

상술같이, 본 고안에 의한 촬상 장치에서는 수직 레지스터와 수평 레지스터의 매립층과 웰층을 각각의 레지스터에 대한 최적의 불순물 분포로 형성하는 것이 가능하다. 그 때문에, 수직 레지스터에서는 충분한 전송 전하량을 확보할 수 있는 외에, 수평 레지스터에선 전송 주파수가 높은 경우에도 높은 전송 효율이 얻어진다. 이것으로 광 다이나믹 범위, 고해상도의 촬상 장치를 실현할 수 있다.

또, 수평 수직 양 레지스터의 웰층을 서로 상이한 불순물 분포로 형성했을 경우, 수평 레지스터를 구성하는 제1의 웰층을 비유효 수광 영역 대응의 수직 레지스터내에서 서서히 협폭으로 되는 형상을 취하므로서, 광전 변환부의 특성에 영향을 끼치지 않고, 웰 접속부분에서의 전위 구배를 저감하고, 신호 전하의 전송 효율의 열화를 방지할 수 있다.

또한, 수직 레지스터를 구성하는 제2의 매립층을 수직 레지스터의 최종 전극과 자기 정합적으로 형성하므로서, 전송 전극하에서의 전위 장벽의 형성을 방지하고, 신호 전하의 전송 불량에 의한 재생 화상의 열화를 방지할 수 있다.

Claims (1)

1. 한 도전형의 반도체 기판상에 형성된 반대 도전형의 웰층 및 그 웰층중에 형성된 상기 웰층과는 반대 도전형의 매립층에 의해서 각각 구성된 수직 레지스터 및 수평 레지스터를 구비한 전하 전송 촬상 장치에 있어서, 상기 웰층은 상기 수평 레지스터에 형성된 제1의 웰층, 및 상기 수직 레지스터에 형성되고 상기 제1의 웰층보다 높은 불순물 농도 및 낮은 불순물 분포의 깊이를 갖는 제2의 웰층으로 구성되며, 상기 수직 레지스터의 매립층은 상기 수평 레지스터와 공통의 제1의 매립층과 상기 수직 레지스터의 상기 제1의 매립층 위에 형성된 높은 불순물 농도를 갖는 제2의 매립층으로 구성되며, 상기 수직 레지스터와 상기 수평 레지스터의 접속부분에서, 수평 레지스터를 구성하는 제1의 웰층이 상기 수직 레지스터내의 비유효 수광 영역에서는 수평 레지스터측으로부터 서서히 좁아지는 폭을 갖는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 전송 촬상 장치.