KR0170297B1 - 고체촬영장치 - Google Patents
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Abstract
고체촬영장치에 대해 기재되어 있다. 이는, 반도체기판에 형성되고 수광부를 통해 입사된 빛을 신호전하로 변환시켜 축적하는 광 다이오드와; 상기 기판에 형성되고, 상기 광 다이오드에 축적된 신호전하를 전송영역을 통해 전달받아 출력부로 전송하는 전하결합소자(CCD) 채널과; 상기 전하결합소자 채널 상부에 형성되고 상기 전하결합소자 채널과는 절연층으로 분리된 전하결합소자 게이트와; 상기 전하결합소자 게이트 상부 및 상기 전송영역 상부까지 확장되어 형성되어 광 다이오드의 상부 전부를 수광부로 노출시키는 광차단막을 구비하는 고체촬영장치에 있어서, 상기 광차단막은 상기 전하결합소자 게이트 상부에서 분리되도록 형성되고, 이 분리된 틈으로 빛이 조사되는 것을 막기 위하여 상기 광차단막과 소정두께의 절연층으로 분리되는 금속층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 광감도를 증가시킬 수 있고, 선출원된 발명에 비하여 기생용량을 절반 정도로 줄일수 있다.
Description
제1도는 일반적인 IT-CCD형 고체촬영장치의 구조를 도시한 평면도이다.
제2도는 상기 제1도의 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
제3도는 선출원된 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.
제4도는 상기 제3도의 A-A'선을 잘라 본 단면도이다.
제5도는 본 발명에 의한 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.
제6도는 상기 제5도의 A-A'선을 잘라 본 단면도이다.
본 발명은 고체촬영장치에 관한 것으로, 특히 광 다이오드를 구비하는 전하결합소자형 고체촬영장치에 관한 것이다.
전하결합소자(Charge Coupled Device:CCD)형 고체촬영장치는 수광부를 통해 입사된 빛에 의해 반도체기판상에 2차원으로 배열된 광 다이오드(photo-diode)에서 생성되고 축적된 광 여기전하를, 전달케이스를 통하여 각 광 다이오드에 대응하는 수직 CCD와, 각 수직 CCD에 대응하는 수평CCD를 통하여 출력회로로 순차적으로 이송시켜 신호 전압형태로 변환하여 화상정보를 출력시키는 장치이다. 이는 전자총을 이용하는 촬상관에 비하여 소형, 경량, 저소비전력등의 우수한 특성으로 인하여 가정용과 방송용의 비디오 카메라와 감시용 카메라 시스템등에서 폭 넓게 사용되고 있다.
이러한 CCD형 고체촬영장치는 전송방식에 따라 프레임 전송(Frame Transfer:FT) 방식의 CCD형 고체촬영장치와, 인터라인 전송(Interline Transfer:IT) 방식의 CCD형 고체촬영장치로 분류된다. 이중 인터라인 전송 방식의 CCD형(이하, IT-CCD형 이라 칭함) 고체촬영장치는, 입사되는 광의 세기에 따라 신호전하를 발생하는 광 다이오드, 광 다이오드로 부터 발생된 신호전하를 받아 수직방향으로 전송하는 수직전송 CCD, 수직전송 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평 CCD, 및 수평전송 CCD에 의해 전송된 신호전하를 검출하는 출력부로 구성된다.
제1도는 일반적인 IT-CCD형 고체촬영장치의 구조를 도시한 평면도이다.
상기 제1도를 참조하면, 도면부호 PD는 광 다이오드를, V-CCD는 수직전송 CCD를, H-CCD는 수평전송 CCD를, TG는 전달게이트를 각각 나타내며, 화살표는 신호전하가 전송되는 방향을 나타낸다.
상기 평면도에서와 같이 일반적인 IT-CCD형 고체촬영장치에 의하면, 광 다이오드와 수직전송 CCD 사이에는 전달게이트가 존재하고, 이는 광 다이오드와 수직전송 CCD를 전기적으로 분리 또는 연결시키는 역활을 한다.
제2도는 상기 제1도의 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
제2도를 참조하면, 도면부호 10은 반도체기판을, 12는 광 다이오드를, 14는 수직전송 CCD의 채널을, 16은 채널저지층을, 18은 수직전송 CCD의 게이트절연막을, 20은 수직전송 CCD의 게이트를, 21은 전달게이트를, 22는 수직전송 CCD와 광차단막의 절연을 위한 층간절연막을, 24는 광차단막을 각각 나타낸다. 여기에서, 광 다이오드(12) 상부에 표시된 수광부는 빛을 받아들이는 부분을 나타내며, a는 전송영역을, s는 광차단막(24)이 수직전송 CCD의 게이트(20)를 둘러싸는 영역을 나타낸다. 상기 구조에 의하면, 수직전송 CCD의 게이트(20)의 일부가 전달게이트(21)의 역활을 겸하고 있음을 알 수 있다.
여기에서 상기 IT-CCD형 고체촬영장치의 동작을 살펴보면, 고체촬영장치로 입사되는 광은 광차단막 (24)에 의해 광 다이오드(12)로만 입사되고, 이는 광 다이오드에 의해 신호전하로 변환된다. 이후 신호전하는, 전달게이트(21) 즉 수직전송 CCD의 게이트(20)에 인가된 전압에 의해 광 다이오드 (12)와 수직전송 CCD의 채널(14)을 잇는 전송영역(a: 전달게이트(21)의 하부 기판내의 광 다이오드(12)와 수직전송 CCD의 채널(14) 영역 사이에 존재)을 통해 수직전송 CCD의 채널(14)로 전송된다. 이후, 수직전송 CCD의 게이트(20)에 인가된 전압에 의해 수직전송 CCD의 채널(14)에 전송된 신호전하는 출력부(도시되지 않음)로 전송되고, 출력부는 전송된 신호전하를 외부로 출력한다.
한편, 수광부를 통해 입사되는 빛에 의해 광 다이오드에서 발생되는 광여기전자를 광 다이오드의 용량성분(capacitor)에 저장해 나가는 축적시간 동안 수직전송 CCD는, 축적시간 직전에 광 다이오드로 부터 넘겨받은 신호전하를 수평전송 CCD를 향하여 전송시키게 되는데 이 축적시간 동안 광 다이오드(12)와 수직전송 CCD의 채널(14)은 전기적으로서는 분리되어야 한다. 이를 위해서는 상기 전송영역(a)이 턴 온(turn on) 되지 않아야 하고, 따라서 축적시간 동안에는 전달게이트의 문턱전압보다 낮은 전위값으로 CCD를 구동시켜야 한다. 즉, CCD 게이트에 전달게이트의 문턱전압 보다 낮은 전압이 인가되어야 한다.
또한, 수평전송 CCD로 전송된 신호전하가 모두 출력되어 축적시간이 완료되면, 전달게이트(21)를 겸하는 수직전송 CCD의 게이트(20)에 전달게이트의 문턱전압 보다 높은 전위의 구동신호가 인가되어 전달게이트(21)가 일제히 턴 온 되고, 이에 따라 전체 광 다이오드(12)에 축적되었던 영상신호가 각 해당하는 수직전송 CCD에 동시에 전송된다.
한편, 입사되는 빛은 단위화소의 전면에 조사되므로 수광부가 아닌 수직전송 CCD 영역에도 빛이 조사된다. 일반적으로 CCD 게이트는 다결정실리콘의 박막으로 제조되기 때문에 CCD로 입사되는 빛을 완전히 차단하지 못한다. 이로인해 CCD 채널에서 발생된 광여기전자는 수직전송중인 신호전하에 더해져 수직방향의 거짓신호를 만드는 스미어(smear) 현상을 유발할 수 있다. 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 일반적으로 상기 제2도에 도시된 바와 같이 수광부를 제외한 영역에 광차단막(24)을 형성한다. 광차단막은 빛을 효율적으로 차단시킬 수 있는 물질로 제조되며, 금속박막 예켠대 알루미늄 또는 실리콘-텅스텐 합금을 사용한다.
이때, 조사되는 빛이 수직이 아닌 경우를 고려하여 상기 광차단막(24)은 전달게이트(21) 영역을 포함한 수직전송 CCD의 게이트(20) 영역을 완전히 둘러싸도록 설계하여 스미어 현상을 최대한 억제하는 것이 일반적인 추세이고, 광 다이오드(12)가 빛을 받아들이는 실제적인 수광부는 제2도에 도시된 바와 같이 광 다이오드(12)가 형성된 영역 중에서 수직전송 CCD의 게이트(20)를 둘러싸기 위한 영역(s)을 제외한 부분이다.
따라서, 비디오 카메라의 소형, 경량화 요구에 따라 촬영소자의 크기가 축소됨과 아울러 고해상도를 얻기 위하여 동일한 면적에 더 많은 화소의 집적이 요구되고 있는 최근에, 단위화소의 면적 축소는 필수적이라 할 수 있으며 결국 각 화소가 빛을 받아들이는 수광부 면적도 줄어들어 빛에 대한 감도가 저하된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은, 수광면적을 증가시키기 위하여 전달게이트를 광차단막으로 구성함으로써 광 다이오드의 상부 전부를 수광부로 사용할 수 있는 화소구조를 선출원한 바 있다(특허출원 제94-34501호). 제3도는 선출원된 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 평면도를, 제4도는 상기 제3도의 A-A'선을 잘라 본 단면도를 각각 나타낸다.
그러나, 이와 같은 구조에서 다음과 같은 몇가지의 문제점이 발생하였다. 먼저, 전달게이트로 사용하는 박막이 광차단막을 겸하면서 수직 CCD를 완전히 덮어야 하기 때문에 전달게이트 단자와 수직 CCD구동단자 사이의 기생용량이 증가하여 수직 CCD의 고속동작을 방해하는 요인이 된다.
다음으로, 스미어 현상에 의한 노이즈를 줄이기 위하여 전달게이트를 위한 박막이 수직 CCD의 반대쪽, 즉 전달게이트가 없는 영역까지 바닥에 닿도록 게이트를 커버하여야 하기 때문에 필드 시프트(field sheft)시에 고전압이 인가되는 광차단막 하부의 아이솔레이션 (isolation)을 강화하여 수직 CCD가 턴-온 되지 않도록 하여야 하며 이에따라 별도의 면적이 필요하게 되어 광 다이오드의 면적이 감소하는 문점이 있었다.
필드 시프트시에 전달게이트 반대쪽의 CCD 채널영역과 광 다이오드영역을 분리하기 위하여 제4도에 도시된 B영역과 같이 채널스톱에 의한 분리영역이 필수적이 된다. 이러한 분리영역은 고농도의 확산영역으로 제작되는 것이 일반적인 기술이며 이 영역을 확보하기 위하여 CCD 채널 혹은 광 다이오드 영역의 축소는 필연적이 된다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 최소면적의 광차단막을 형성함으로써 광감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 기생용량을 줄일 수 있는 고체촬영장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체기판에 형성되고 수광부를 통해 입사된 빛을 신호전하로 변환시켜 축적하는 광 다이오드와; 상기 기판에 형성되고, 상기 광 다이오드에 축적된 신호전하를 전송영역을 통해 전달받아 출력부로 전송하는 전하결합소자(CCD) 채널과; 상기 전하결합소자 채널 상부에 형성되고 상기 전하결합소자 채널과는 절연층으로 분리된 전하결합소자 게이트와; 상기 전하결합소자 게이트 상부 및 상기 전송영역 상부까지 확장되어 형성되어 광 다이오드의 상부 전부를 수광부로 노출시키는 광차단막을 구비하는 고체촬영장치에 있어서, 상기 광차단막은 상기 전하결합소자 게이트 상부에서 분리되도록 형성되고, 이 분리된 틈으로 빛이 조사되는 것을 막기 위하여 상기 광차단막과 소정두께의 절연층으로 분리되는 금속층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
제5도는 본 발명에 의한 IT-CCD형 고체촬영장치의 단위화소 구조를 개략적으로 도시한 평면도를, 제6도는 상기 제5도의 A-A'선을 잘라 본 단면도를 각각 나타낸다.
제5도를 참조하면, 도면부호 52는 광다이오드를, 54는 수직전송 CCD채널을, 56은 채널저지층을, 60은 수직전송 CCD의 게이트를, 64는 광차단막을, 66은 금속배선층을 각각 나타낸다. 또한, 참조부호 70은 선출원된 고체촬영장치의 평면도인 제3도와 비교해 볼때 채널스톱 영역이 불필요한 부분을 나타낸다.
제6도를 참조하면, 도면부호 10은 반도체기판을, 52는 광 다이오드를, 54는 수직전송 CCD 채널을, 58은 수직전송 CCD의 게이트절연막을, 60은 수직전송 CCD 게이트를, 62는 수직전송 CCD와 광차단막의 절연을 위한 층간절연막을, 63은 전달게이트를, 64는 광차단막을, 66은 금속배선층을 각각 나타낸다. 여기에서, 상기 제2도에서와 마찬가지로 광 다이오드(52) 상부에 표시된 수광부는 빛을 받아들이는 부분을 나타내며, a는 전송영역을 나타낸다. 또한 상기 전달게이트(63) 및 광차단막(64)은 동일물질로 형성된다.
본 발명에 따르면, 상기 CCD 게이트(60)는 CCD 채널(54) 및 채널스톱층(제5도의 도면부호 56) 상부에만 형성되고, 상기 광차단막(64)은 상기 CCD 게이트(60) 상부 및 전송영역(a) 상부에 확장되어 형성되되 상기 CCD 게이트(60) 상부에서 분리되도록 한다. 이때, 상기 광차단막중에서 전달게이트로 사용되는 왼쪽영역은 필드시프트시에 고전압이 인가되며 분리돈 오른쪽영역은 접지상태로 남아있게 된다. 그리고, 광차단막 중간의 분리된 틈은 상부의 전원공급선용 금속층으로 덮어서 빛이 수직 CCD 게이트로 조시되는 것을 막는다면 광차단막의 효과는 마찬가지로 유지된다.
상기 광차단막은 빛을 차단하면서 전기저항이 작은 물질로 형성하는 것이 바람직하고, 특히 안정된 전달게이트 문턱전압을 확보하면서 빛의 차단성을 좋게하기 위하여 예컨대 금속박막을 사용하거나, 다결정실리콘의 상부에 금속 또는 텅스텐과 실리콘의 합급을 적층한 박막을 사용한다.
상기 본 발명에 의한 IT-CCD형 고체촬영장치의 동작을 살펴보면, 종래에서와 마찬가지로 고체촬영장치로 입사되는 빛은 광차단막(64) 및 금속배선층(66)에 의해 광 다이오드(52)로만 입사되고, 이는 광 다이오드에 의해 신호전하로 변환된다. 이후 신호전하는 수직전송 CCD의 게이트(60)에 인가된 전압에 의해 광 다이오드(52)와 수직전송 CCD의 채널(54)을 잇는 전송영역(a)을 통해 수직전송 CCD의 채널(54)로 전송된다. 이후, 수직전송 CCD의 게이트(60)에 인가된 전압에 의해 CCD채널(54)에 전송된 신호전하는 출력부(도시되지 않음)로 전송되고, 출력부는 전송된 신호전하를 외부로 출력한다.
이상과 같이 본 발명은 전달게이트 역활을 하는 광차단막이 CCD를 둘러싸도록 형성되므로 수광면적이 증가되어 광감도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수직 CCD게이트 상부에서 분리된 광차단막을 형성함으로써 전달게이트 쪽의 광차단막은 전달게이트를 위한 영역과 수직 CCD게이트의 왼쪽 모서리를 덮기 위한 최소의 면적을 유지하면 되므로 선출원된 발명에 비하여 기생용량을 절반 정도로 줄일수 있다.
또한, 전달게이트 반대쪽의 광차단막은 항상 접지상태로 유지되므로 선출원된 발명과 같이 CCD 채널과 광 다이오드를 채널스톱으로 구분하지 않고 전달게이트와 같은 상태로 유지하여도 충분한 분리가 가능하여 채널스톱의 횡방향 확산에 의한 화소면적의 감소를 방지할 수 있다.
본 발명이 상술한 바에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.
Claims (1)
- 반도체기판에 형성되고, 수광부를 통해 입사된 빛을 신호전하로 변환시켜 축적하는 광 다이오드; 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광 다이오드에 축적된 신호전하를 전송영역을 통해 전달받아 출력부로 전송하는 수직전송 CCD 채널; 상기 수직전송 CCD 채널 상부에 형성되고, 상기 채널과는 절연층으로 분리된 수직전송 CCD 게이트; 상기 수직전송 CCD 게이트 중 광 다이오드측과 중첩되며 전송영역을 덮는 전달게이트를 겸하는 제1 광차광막과, 상기 수직전송 CCD 게이트 중 광 다이오드 반대측과 중첩되며 상기 제1 광차광막과는 상기 게이트 상부에서 분리된 제2 광차광막; 및 상기 수직전송 CCD 게이트 상부에 형성되며, 상기 제1 광차광막과 제2 광차광막 사이의 분리영역을 덮는 모양으로 형성된 광차광을 겸하는 금속배선층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬영장치.
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| KR100481838B1 (ko) * | 1997-08-28 | 2005-07-11 | 삼성전자주식회사 | 전하결합소자형이미지센서 |
-
1995
- 1995-09-30 KR KR1019950034010A patent/KR0170297B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR970018645A (ko) | 1997-04-30 |
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