KR100192328B1 - 양방향 수평전하 전송소자 - Google Patents

양방향 수평전하 전송소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전하결합 소자(Charge Coupled Device)에 관한 것으로, 특히 신호전하를 양방향으로 전송가능하도록 하여 미러 이미지 센서(Mirror Image Sensor)에 적당하도록 한 양방향 수평전하 전송소자에 관한 것이다. 상기와 같은 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자는 상기 제1, 2폴리게이트에 동일 클럭(H 1)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하고, 상기 제3, 4폴리케이트에 동일 클럭(H 2)으로 서로 다른 네벨의 신호를 인가하여, 동일 클럭이 인가되는 제1,2 플리게이트 또는 제3,4폴리게이트 하측의 포텐셜 레벨이 각각 차이를 갖도록 하여 전하를 전송하는 것을 포함하여 이루어진다.

Description

양방향 수평전하 전송소자
제1도(a)는 종래의 HCCD의 구조단면도.
(b)는 종래의 HCCD의 포텐셜 프로파일.
제2도는 본 발명의 HCCD의 구조단면도.
제3도(a)(b)는 본 발명의 HCCD의 포텐셜 프로파일.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2O : BCCD 21 : 게이트 절연막
22a, 22b :폴리게이트
본 발명은 전하결합 소자(Charge Coupled Device)에 관한 것으로, 특히 신호전하를 양방향으로 전송가능 하도록 하여 미러 이미지 센서(Mirror Image Sensor)에 적당하도록 한 양방향 수평전하 전송소자에 관한 것이다.
일반적으로 수평전하 전송채널은 수직전하 전송채널이 병렬로 전해준 전하를 짧은 순간에 센싱해내기 위하여 클럭킹(Clocking)이 빨라야 한다.
그러므로 수직전하 전송채널과는 달리 2 위상 클럭킹(2-Phase Clocking)을 하는게 일반적이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 수평전하 전송영역(Hccd)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제1도(a)는 종래의 HCCD의 구조단면도이고, 제1도(b)는 종래의 HCCD의 포텐셜 프로파일이다.
종래의 HCCD는 N형 반도체 기판에 형성된 P형 웰과, 상기 P형 웰의 소정영역에 형성되어 수평전하 전송채널로 이용되는 BCCD(1)와, 상기BCCD(1) 상측의 N형 반도체 기판표면dp 형성되는폴리게이트I, II(4a)(4b)와, 동일 클럭(H 1또는H 2)이 인가되는폴리게이트 I, II(4a)(4b)중에 어느 한 게이트의 하측에 형성되는 qp리어 영역(2)으로 구성된다.
상기와 같은 종래의 HCCD는 제1도(b)에서와 같이, 베리어 영역(2)에 의해 동일클럭이 인가되어도 계단형태의 포텐셜을 형성하여 전하를 일방향으로 전송하게 된다.
전자는 포텐셜 웰의 바닥이 에너지 레벨이 낮은 상태이므로 이곳에 모이게 된다.
즉, t = 1 일때 H 2가 인가되는폴리게이트(4번째) 하측 포텐셜 웰에 전하가 모이게 된다.
그리고 t = 2일 때 1, 2번째폴리게이트에 HIGH 전압이 인가되어 1, 2번째폴리게이트 하측의 에너지 레벨이 내려가고 3, 4번째폴리게이트에는 LOW 전압이 인가되므로 에너지 레벨이 올라간다.
그러나 4번째폴리게이트 하측 포텐셜 웰에 모인 전자는 3번재폴리게이트 하측의 베리어 영역(2)에 의해 왼쪽으로 이동할 수 없다.
그리고 5,6번째폴리게이트의 에너지 레벨이 점점 낮아져서 4번째폴리게이트의 오른편 베리어층이 제게되면 전자 에너지 레벨이 낮은 5,6번째폴리게이트 하측으로 이동한다.
그리고 5, 6번째폴리게이트의 바이어스가 충분히 높아지면 다시 계단식 포텐셜 웰을 형성하여 전자가 모여 있는 위치는 4번째폴리게이트 하측에서 6번째폴리게이트 하측으로 바뀌게 된다.
t = 3이 되면, 1, 2, 5, 6번째폴리게이트에 HIGH 전압이 인가되어 t = 0의 경우와 같게 된다.
t = 1부터 t = 3까지가 클럭펄스의 한 주기가 되는데, 이동안에 전자는 4번째폴리게이트 하측에서 8번째폴리게이트 하측으로 이동된다.
그러나 상기와 같이 H 1 ,H 2의 2 위상 클럭킹에 의한 종래의 HCCD에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
2위상 클럭킹에 의해 전하를 전송하기 위해폴리게이트 I, II 중 어느 한나의 게이트에 베리어층을 형성하여 전하를 한 방향으로만 이동시킬 수 있다.
그러므로 양방향으로의 전하전송이 필요한 미러 이미지용 고체촬상 소자 (Mirror Image Sensor )의 HCCD로는 사용하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 수평전하 전송소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 포텐셜 단차를 형성하기 위하여 이온주입 공정으로 베리어층을 형성하는 것이 아니라,폴리게이트에 인가되는 전압을 이원화 하여 그에 따라 전하를 양방향으로 전송시킬 수 있는 양방향 수평전하 전송소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자는 제1,2폴리게 이트에 동일 클럭(H 1)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하고, 제3, 4폴리게이트에 동일 클럭(H 2)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하여, 동일 클럭이 인가되는 제1, 2플리게이트 또는 제3, 4폴리게이트 하측의 포텐셜 레벨이 각각 차이를 갖도록 하여 전하를 전송하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명의 HCCD의 구조단면도이고, 제3도(a)(b)는 본발명의 HCCD의 포텐셜 프로파일이다.
본 발명의 전하전송 소자는 양방향으로의 수평전하 전송을 위하여 전하전송 영역상에 형성되어 있는 포리게이트 하측에 B(Boron) 등의 이온을 주입하지 않고폴리게이트에 포텐셜 베리어층을 생성하는 바이어스를 공급하는 것이다.
이때, 포텐셜 베리어(Potential Barrier) 생성 바이어스는 외부에서 공급해 줄 수도 있고, 내부에서 전압분배에 의해 생성하여 공급할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자의 구성은 다음과 같다.
먼저, N형 반도체 기판에 형성된 P형 웰과, 상기 P형 웰의 특정영역에 형성되어 신호전하를 양방향으로 이동시키기 위한 채널로 이용되는 BCCE(2O)와, 상기 BCCD(2O)상에 게이트 절연을 위하여 형성되는 게이트 절연막(21)상에 반복적으로 형성되는 복수개의 제1, 2, 3, 4폴리게이트 (24a)(24b)를 포참하여 구성된다.
이때, BCCD(2O)에는 포텐셜 레벨이 서로 다르게 하여 계단모양의 단차를 갖게 하기 위하여 이온주입에 의한 베리어층을 형성하는 것이 아니라 다음과 같은 클럭킹에 의해 전하를 양방향으로 전송하게 된다.
제1, 2폴리게이트에 동일 클럭(H 1)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하고, 상기 제3, 4폴리게이트에 동일클럭(H 2)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하여, 동일 클럭이 인가되는 제1, 2폴리게이트 또는 제3,4폴리게이트 하측의 포텐셜 레벨이 각각 차이르 갖도록 하여 전하를 전송하는 것이다.
이때, H 1H 2의 클럭 신호는 서로 반대의 위상을 갖는다.
그리고 제1, 2, 3, 4폴리게이트에 클럭 신호를 인가하는 신호라인에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, H 1의 클럭 신호는 동일 정전용량를 갖는 각각의 커패시터를 거쳐 제1신호라인에 의해 각각의 제1폴리게이트에 인가하고, 제2신호라인에 의해 각각의 제2폴리게이트에 인가된다.
그리고 H 2의 클럭 신호는 동일 정전용량을 갖는 각각의 커패시터를 거쳐 제3 신호라인에 의해 각각의 제3폴리게이트에 인가되고, 제4신호라인에 의해 각각의 제4폴리게이트에 인가된다.
이때, 각각의 커패시터는 H 1또는 H 2의 단위 클럭내에서 완전 충전되지 않은 정전용량을 갖는다.
그리고 제1, 2, 3, 4 신호라인에는 인가되는 H 1또는 H 2의 클럭 신호의 레벨을 변화시키기 위한 전압입력 단자(A, B, C, D)를 갖는데, A, C의 전압입력 단자 또는 B, D 의 전압입력 단자에는 동일 레벨의 전압이 인가된다.
A, C 전압입력 단자에 전압이 인가되느냐, B, D 전압입력 단자에 전압이 인가 되느냐에 따라 전하의 전송방향은 반대로 된다.
상기와 같은 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자의 동작은 다음과 같다.
먼저, A와 C의 전압입력 단자에, 입력되는H 1, H 2의 클럭 레벨을 변화시키기 위한 전압을 인가하면 제3도(a)에서와 같이, 전하가 우측으로 이동된다.
즉 t =1일 때 제4폴리게이트 하측이 포텐셜 웰의 바닥이 된다.
t =2가 되면 제1,2로리게이트에 HIGH 전압이 걸리므로 이곳의 에너지 레벨이 내려가고 제3,4폴리게이트에는 LOW 전압이 걸리므로 에너지 레벨이 올라간다.
그러나 제4폴리게이트 하측에 모여진 전자는 A단자에 인가된 전압에 의해 H 2클럭의 레벨이 변화되어 제3폴리게이트 하측에 생성되어진 베리어층에 의해 우측으로 이동하게 된다.
상기와 같이 A, C단자에 인가되는 전압에 의해H 1, H 2의 클럭 레벨을 변화되어 제1, 3폴리게이트 하측에 포텐셜 베리어층을 형성한다.
그러므로 전하는 우측방향으로만 이동되어진다.
그리고 B, D의 전압입력 단자에, 입력되는 H 1, H 2의 클럭 레벨을 변화시키기 위한 전압을 인가하면 제3도(b)에서와 같이, 전하가 좌측으로 이동된다.
즉, t =1일 때, 제5폴리게이트(제1폴리게이트와 동일 레벨의 신호가 인가되는) 하측이 포텐셜 웰의 바닥이 된다.
그리고 t = 2 가 되면 제5폴리게이트, 제6폴리게이트(제2폴리게이트와 동일 레벨의 신호가 인가되는)에 HIGH 전압이 걸리므로 이곳의 에너지 레벨이 내려가고 제7,8폴리게이트(제3,4폴리게이트와 동일 레벨의 신호가 인가되는)에는 LOW 전압이 걸리므로 에너지 레벨이 올라간다.
그러나 제5폴리게이트 하측에 모인 전자는 우측에 포텐셜 베리어가 존재하므로 우측으로는 이동할 수 없다.
그리고 제3, 4폴리게이트의 에너지 레벨이 낮아져서 제5폴리게이트 좌측의 포텐셜 베리어가 제거되면 제5폴리게이트 하측의 전자는 에너지 레벨이 낮은 제3, 4폴리게이트 하측으로 이동한다.
그리고 제3, 4폴리게이트의 에너지 레벨이 충분히 낮아지면 다시 계단모양의 포텐셜 웰을 형성하여 제5폴리게이트 하측에서 제3폴리게이트 하측으로 바뀌게 된다.
t = 3이 되면, 제1,2,5,6폴리게이트 LOW 전압이, 제3,4,7,8폴리게이트에 HIGH 전압이 걸려서 t = 0의 경우와 동일하게 된다.
t = 1부터 t = 3까지는 클럭 펄스(Clock Pulse)가 한 주기가 되고, 이동안에 전자는 제5폴리게이트에서 제1폴리게이트로 이동한다.
즉, 우측에서 좌측으로 이동하게 된다.
상기와 같은 본 발명의 양방향 수평전하 전송소자는 전하전송 영역에 베리어층을 이온주입 공정으로 형성하지 않고, 외부 또는 내부의 바이어스에 의해 생성하므로, 포텐셜 단차조정이 효율적으로 이루어지고, 공정이 단순화 된다.
또한, 인가되는 클럭의 조정(A, C 또는 B, D)으로 전하전송 방향을 바꿀수 있으므로 양방향 전하전송 소자를 필요로 하는 미러 이비지 센서(Mirror Image Sensor) 등에 효율적으로 적용 가능하다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판에 형성된 전하전송 영역과, 상기 전하전송 영역상에 절연막으로 격리되어 반복적으로 형성되는 복수개의 제1,2,3,4폴리게이트를 구비한 전하전송 소자에 있어서, 상기 제1,2폴리게이트에 동일 클럭(H 1)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하고, 상기 제3,4폴리게이트에 동일 클럭(H 2)으로 서로 다른 레벨의 신호를 인가하여, 동일 클럭이 인가되는 제1,2폴리게이트 또는 제3,4폴리게이트 하측의 포텐셜 레벨이 각각 차이를 갖도록 하여 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  2. 전하전송 영역에는 이온주입에 의한 베리어층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  3. 제1항에 있어서, H 1의 클럭 신호는 동일 정전용량을 갖는 각각의 커패시터를 거쳐, 제1신호라인에 의해 각각의 제1폴리게이트에 인가되고, 제2신호라인에 의해 각각으 제2폴리게이트에 인가되는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  4. 제1항에 있어서 H 2
  5. 제1항에 있어서 H 1H 2의 클럭 신호는 서로 반대위상을 갖는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 각각의 커패시터는 H 1또는H 2의 단위 클럭내에서 완전 충전되지 않는 정전용량을 갖는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 제1,2,3,4신호라인에는 인가되는 H 1또는H 2의 클럭 레벨을 변화시키는 전압을 입력시키기 위한 전압입력 단자를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  8. 제7항에 있어서 제1, 3신호라인의 전압입력 단자에는 동일 레벨의 전압이 입력되는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  9. 제7항에 있어서, 제2,4신호라인 전압입력 단자에는 동일 레벨의 전압이 입력되는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
  10. 제7항에 있어서 제1, 3신호라인의 전압입력 단자에 선택적으로 전압이 인가되는 것에 따라 전하의 전송방향이 서로 반대로 바뀌는 것을 특징으로 하는 양방향 수평전하 전송소자.
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