KR100233185B1 - 인터라인 전달 ccd 이미지 센서의 화소배열구조를 가진 고체촬상장치 - Google Patents
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Abstract
고체촬상장치는, 제2전도형 축적영역(3) 및 제1전도형 표면층(4)을 가지는 포토다이오드부(30)와, 제2전도형의 매입층(6) 및 복수개의 전달전극(10)을 가지는 수직 CCD 레지스터(32)와, 전달 게이트 전극(20)을 가지는 전달 게이트(31)를 구비한다. 제2전도형 채널 제어 영역(13)은 전달 게이트(31)에 의해 덮혀진 반도체 기판 영역의 표면에 제공된다. 전달 게이트의 반도체 기판 영역의 표면 부분에 제2전도형의 채널 제어 영역을 제공함으로써, 축적영역으로부터 매입층으로 전하를 독출하는 전하 독출 채널이 쉽게 형성될 수 있다. 따라서, 독출전압을 감소시키거나 전달 게이트의 게이트 길이를 감소시킬 수 있다.
Description
제1도는 종래기술의 고체 이미징 장치의 주요부분을 나타내는 평면도.
제2도는 제1도의 선 2-2을 따라 취한 종래기술의 고체 이미징 장치의 주요부분을 나타내는 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 실시예의 고체 이미징 장치의 주요부분을 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 기판 2 : P-웰
3 : 축적영역 4 : 표면층
5 : P형 레지스터 웰 6 : 매립층
7 : 채널스톱 P형영역 9 : 게이트 산화막
10 : 전달전극 11 : 실리콘 산화막
12 : 금속차광막 13 : N-형 채널 제어 영역
20 : 전달 게이트 전극 30 : 포토다이오드부
31 ; 전달 게이트 32 : 수직 CCD 레지스터
33 : 채널스톱영역 34 : 수평 CCD 레지스터
35 : 전하검출부
본 발명은 고체촬상장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 인터라인 전달 전하 결합장치(이후 “CCD”라 칭함)이미지 센서의 화소 결합 구조에 관한 것이다.
불루밍을 방지하기 위한 종형 오버플로 드레인구조가 설치된 인터라인 전달 CCD 이미지 센서가 제1도에 개략도로 도시되어 있다. 제2도는 제1도의 2-2선을 따라 취한 단면도이다. 다음의 설명에 있어서, 이미지 센서는 신호전하가 전자로 구성되어 있을 경우 N채널형으로 가정되지만, P채널형인 경우에도 동일하다. 제1도를 참조하면, 2차원 화소배열이 도시되어 있다. 각 화소는 입사광을 광전 변환하고 그 안에 결과로서 생기는 전기 신호를 축적하는 포토다이오드부(30)를 구비한다. 수직 CCD 레지스터(32)들은 소정의 간격으로 형성되고 그들은 포토다이오드부(30)의 각 열에 대응한다.
제1도를 참조하면, 각 화소구조에 있어서, 포토다이오드부(30)와 수직 CCD 레지스터(32) 사이에 전달 게이트(31)가 설치되어 포토다이오드부(30)에서 수직 CCD 레지스터(32)로의 신호전하의 전달을 제어한다. 포토다이오드부(30)들의 사이에는 채널스톱영역(33)이 설치되어 신호전하의 혼합을 방지한다. 포토다이오드부(30)와 수직 CCD 레지스터(32) 사이에도 전달 게이트(31) 이외의 채널스톱영역(33)이 설치되어 포토다이오드부(30)에서 수직 CCD 레지스터(32)로의 신호전하 누설을 방지한다. 수직 CCD 레지스터(32)의 일단부는 수평 CCD 레지스터(34)에 연결되고, 이 수평 CCD 레지스터의 일단부는 전하검출부(35)에 연결된다.
제2도를 참조하면, 채널스톱영역(33), 포토다이오드부(30), 전달 게이트(31), 수직 CCD 레지스터 및 채널스톱영역(33)이 제1도에 대응하여 좌측으로부터 언급된 순서로 설치되어 있다. 실리콘 N형 반도체 기판(1)은 그의 주요 면까지 연속하여 P-웰이 형성되어 있다. 포토다이오드부(30)에는 N형 전하 축적 영역(3)이 형성되고, 이는 P-웰(2)과 함께 PN-접합을 형성하여 입사광에 의해 발생된 신호전하를 축적한다. 전하 축적영역(3)의 표면은, 포토다이오드부(30)와 실리콘 산화막(11) 사이의 계면의 공핍에 의해 생성된 암전류의 증가를 방지하도록 어셉터 농도가 짙은 P형 표면층(4)에 의해 덮여있다.
수직 CCD 레지스터(32)는 N형 매립층(6)과 인을 고도핑한 폴리실리콘 막의 전달 전극(그들중의 하나를 (10)으로 표시)을 가진다. 이 전달 전극은 그 사이에 끼워진 게이트 산화막(9)과 함께 매립층(6)의 표면상에 형성된다. N형 반도체 기판(1)과 P-웰(2) 사이에는 블루밍을 방지하기 위한 역바이어스가 인가된다. 이 역바이어스가 수직 CCD 레지스터(32)의 작동에 영향을 주지않기 위하여, 매립층(6) 아래에 P형 레지스터 웰(5)이 형성된다. 이 레지스터 웰(5)은 P-웰(2)에서 발생된 스미어 또는 암전류같은 불필요한 전하가 매립층(6)으로 유입하는 것을 방지하는 배리어로서의 기능도 한다.
전달 게이트(31)는 포토다이오드부(30)와 대응하는 수직 CCD 레지스터(32)사이에 형성되어 있다. 전달 게이트(31)는 드레시홀드전압을 제어하기 위한 P형의 붕소가 도핑된 드레시홀드전압 제어영역(8)을 가진다. 이는 또한, 사이에 끼워진 게이트 산화막(9)을 갖는 상기 영역(8)의 표면상에 형성된 인을 고도핑한 폴리실리콘막의 전달 게이트 전극(20)을 가진다. 상술한 구조에 있어서, 수직 CCD 레지스터(32)의 전달 전극(10)은 전달 게이트(31)의 전달 게이트 전극(20)으로서 또한 역할을 한다. 그러나, 양전극을 독립적으로 제공하는 것도 가능하다. 채널스톱영역(33)은 포토다이오드부(30)와 수직 CCD 레지스터(32) 사이에 제공된다. 이 채널스톱영역(33)은 P-웰(2)이 표면 근방에 형성된 붕소가 고 도핑된 채널스톱 P형 영역(7)을 가진다. 포토다이오드부(30)를 제외한 상기 구조를 알루미늄 및 텅스텐같은 금속 차광막(12)이 덮는다.
이 고체 촬상 장치에 있어서, 입사광에 따라 포토다이오드부(30)에 축적된 신호전하가 전달 게이트(31)를 통해 수직 CCD 레지스터(32)로 전달된다. 신호전하가 수직 CCD 레지스터(32)로 전달된 후에, 전달 게이트(31)가 닫혀지고, 포토다이오드부(30)는 다음 주기의 신호전하를 축적한다.
수직 CCD 레지스터(32)에 전달된 신호전하는 수직방향으로 평행하게 전달된다. 즉, 각 수직 CCD 레지스터(32)의 모든 수평라인용 수평 CCD 레지스터(34)에 전달된다. 수평 CCD 레지스터(34)에 전달된 신호전하는 수직 CCD 레지스터(32)로부터 다음 신호전하가 전달하여 오기 전에 수평방향으로 전달된다. 수평으로 전달된 신호전하는 신호로서 전하검출부(35)로부터 외부로 나오게 된다.
CCD 이미지 센서에 있어서, 해상도 향상을 위한 화소수의 증가 또는 소형화를 위한 이미지 영역의 축소는 화소크기의 감소를 필요로 한다. 그러한 경우에, 전달 게이트(31)의 채널길이 같은 평면적 길이를 감소시킨다. 그러나, 포토다이오드부(30)에 있어서, 실리콘의 광흡수 길이는 감소될 수 없는 물리정수이다. 따라서, 바람직한 분광 응답을 유지할 필요가 있기 때문에, 깊이 방향으로 구조를 감소시키는 것은 불가능하다. 따라서, 통상의 MOSFET 스케일링 롤이 적용될 수 없으므로, 전달 게이트(31)의 채널길이의 감소는 난이하다. 보다 상세하게는, 소오스에 대응하는 축적영역(3)이 큰 접합 깊이를 가지고 있고 P형 표면층(4)이 설치되어 있기 때문에, 채널 길이가 길 경우, 실리콘과 실리콘 산화막 사이의 계면, 즉 드레시홀드전압 제어영역(8)과 게이트 산화막(9) 사이의 계면을 따라 전하가 흐르는 표면 채널 모드가 존재한다. 그러나, 채널 길이가 감소하면, 전하독출채널이 기판 내부로 이동하여 표면채널모드를 제공하기 곤란하다. 따라서, 전달 게이트 전극상의 전압(VTG)과 채널 전위(ψ)의 변조도(Δψ/ΔVTG)가 감소된다. 축적영역(3)을 완전하게 공핍화하도록 신호전하를 독출하면, 전달 게이트(31)의 표면채널상의 채널전위가 증가된다. 이는 전달 게이트 전극(20)에 인가되는 전압이 증가하는 결점이 있다.
또한, 벌크 관통현상이 축적영역(3)과 매립층(6) 사이에 일어날 수 있다.
오자끼등은 “A High Packing Density Pixel with Punchthrough Read-Out Method for an HDTV Interline-CCD” (IEEE Workshop on Charge Coupled Devices and Advanced Image Sensors)에서 전달 게이트에서 벌크 관통현상의 실제적 이용을 제안했다. 또한, 전하가 관통현상에 의하여 전달 게이트의 벌크를 통해 흐른다는 것이 일본국 특개평 제5-82770호의 제3도에 일예에 나타나 있다. 그러나, 오자끼의 상기 예에서 전달 게이트의 반도체 기판 영역의 불순물 분포에 관하여는 특별한 신규의 고안이 결여되어 있다. 일본국 특개평 제5-82770호의 예에 있어서, 그의 제3도는 P+, P, P-및 P-로 전달 게이트의 반도체 기판 영역을 설명한 것이고, 따라서 전달 게이트의 반도체 기판 영역에서의 억셉터 농도는 표면으로부터 깊이 방향으로 단조롭게 감소한다.
이러한 배열은 기판 내부에서 일어나는 관통현상을 이용하는 것이므로, 전달 게이트 전극 전압으로 필요한 제어를 하는 것은 곤란하다. 또한, 독출 전압이 충분히 저하될 수도 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래기술에 존재하는 문제점을 극복하고, 전달 게이트 벌크 채널에서의 독출이 쉽고, 채널 길이를 감소시키며, 전달 전극에 인가되는 전압을 감소시킬 수 있는 고체촬상장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 채널 영역의 불순물 농도 분포가, 인가되는 전압의 증가를 수반하지 않고 전달 게이트 채널을 더 짧게할 수 있는 구조를 제공함에 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 기판의 제1도전형 영역의 표면부에 설치된 제2도전형의 축적영역과 상기 축적영역의 표면부에 형성된 제1도전형의 표면층을 포함하는 포토다이오드부; 상기 제1도전형 영역의 표면부분에 상기 축적영역과 소정의 거리만큼 떨어져서 배치된 제2도전형의 매립층과 상기 매립층과 교차하는 복수개의 전달 전극을 포함하는 수직 CCD 레지스터; 및 상기 축적영역과 상기 매립층 사이에 끼워진 반도체 기판 영역의 표면을 게이트 절연막을 통하여 피복한 전달 게이트 전극을 포함하는 전달 게이트를 포함하는 고체촬상장치에 있어서,
신호전하가 상기 축척영역에서 상기 매립층으로 상기 전달 게이트를 통하여 전달 게이트 전극에 전하독출 전압을 인가한 상태하에서, 매립층의 전위가 상승하는 것에 의한 관통현상에 의해 독출되며,
상기 전달 게이트의반도체 기판영역의 표면에 제2도전형의 채널 제어 영역이 설치되어 있고, 상기 채널제어영역의 깊이와 농도는, 상기 축척영역이 포화상태이고, 또한 상기 전달 게이트 전극에 전하독출전압을 인가하지 않은 상태하에서, 상기 전달 게이트 컷오프(cutoff)하는 범위로 설정되고,
상기 관통현상 및 상기 전달게이트 전극에서 상기 제2도전형의 채널제어 영역을 향하는 전계효과에 의해 상기 제2도전형의 채널제어 영역에 전하독출을 표면부근의 벌크경로로 수행하기 위한 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치가 제공된다.
관통현상 효과와 또한 전달 게이트 전극에서 직접 채널 제어 영역으로 연장하는 전계효과에 의해, 전달 게이트의 반도체 기판 영역내의 제2도전형의 채널 제어 영역내에 전하 전달 경로가 쉽게 형성될 수도 있다. 따라서, 안정한 전하 독출을 실현시킬 수 있다. 또한, 표면 근방에 채널 제어 영역을 제공함으로써, 전달 게이트 전극으로부터 연장하는 전계효과를 강화할 수 있고 전달 게이트 전극에 인가되는 전압(VTG)에 대한 채널 전위(ψ)이 변조도(Δψ/ΔVTG)를 증가시킬 수 있다. 따라서, 축적영역에서 매립층으로 전하를 전달하기 위한 전달 게이트 전극에 인가되는 전압을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상기 및 여타의 목적, 특징 및 이점은 첨부도면을 참조하여 설명한 본 발명의 바람직한 실시예로부터 명백해질 것이다.
도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 후술한다.
본 발명에 따른 실시예의 고체 이미징 장치의 실시예는 제1도의 평면도와 동일하다. 제3도는 제2도에 대응하는 동일한 단면도이다.
이 실시예에 있어서, 고체 이미징 장치는 실리콘 N형 반도체 기판(1)의 표면영역으로 P-웰(2) 내에 제공된 N형 축적영역(3)과 축적영역(3)의 표면상에 제공된 표면층(4)을 포함하는 포토다이오드부(30)를 구비한다.
고체 이미징 장치는 또한, 포토다이오드부(30)의 축적영역(3)과 소정의 거리를 가지고 P-웰의 표면영역으로서 형성된 N형 매립층(6)과, 이 N형 매립층(6)과 교차하는 복수개의 전달전극(그중 하나를 참조번호 10으로 표시)을 포함하는 수직 CCD 레지스터(32)를 또한 구비한다. 고체 이미징 장치는 또한, 사이에 위치한 게이트 산화막(9)과 함께 축적영역(3)과 매립층(6) 사이에 위치한 반도체 기판 영역의 표면위로 연장하는 전달 게이트 전극(즉, 전달전극(10)의 돌출부(20))을 포함하는 전달 게이트(31)을 구비한다. 이 배치에서, 채널영역의 불순물 분포는 전달 게이트(31)의 반도체 기판 영역의 표면영역에 제공된 N-형 채널 제어 영역(13)의 그것과 같다. 그 구조는 N-형 채널 제어 영역(13)이 드레시홀드전압 제어영역(8)(보통 P-웰보다 고농도의 P형이다.) 대신 제공된 것을 제외하고는 종래기술의 구조와 동일하다. 그리고 종래기술과 같이 축적영역(3)의 저부가 반도체 기판의 표면에서 매립층(6)의 저부까지의 거리보다 더 큰 거리만큼 반도체 기판의 표면으로부터 떨어져 있다.
채널 스톱영역(33)은 그라운드되고, N형 반도체 기판(1)에 양전압이 인가된다. 수직 CCD 레지스터(32)의 신호 전하 전달에 있어서, 전달 전극(10)등에 인가되는 구동 펄스는 접지 전위로부터 네거티브적으로 요동하는 것이고, 매립층(6)은 양 전위(예컨대, 약 3∼10V)로 바이어스된다. 축적영역(3)은 양 전위(예컨대, 약 5∼10V)로 홀드된다. 전달 게이트(31)를 구성하는 MOSFET의 드레시홀드전압(VTH)은 축적영역(3)상의 전위에 대한 함수이고, 축적영역(3)이 접지 전위에 있을 경우 드레시홀드전압(VTH; 0)보다 크다. 따라서, VTH(0)가 음인 디폴리션형으로도 인헨스먼트 모드에서의 동작을 얻을 수 있다. 축적영역(3)상의 전위가 최소가 될 때 드레시홀드전압(VTH)은 최소가 된다. 이는 축적영역이 포화상태가 되고 종형 오버플로 드레인 구조가 “온”일 경우에 일어난다 따라서, VTH(VSAT) ＞ 0 일 경우에 전하를 축적할 수 있다. 여기에서, VSAT는 축적영역이 포화상태가 될 때 축적영역(3)의 전위이다. 채널 제어 영역(13)의 깊이와 농도는 VTH(VSAT) ＞ 0 의 조건을 만족시키는 범위에서 적당하게 설정될 수도 있다.
전하는 축적영역(3)으로부터 N-형 채널 제어 영역(13)의 벌크를 경유하여 매립층(6)으로 독출된다(즉, 전달된다). 전하독출전압이 전달 게이트 전극(20)에 인가되는 상태에서, 전하독출채널은 두 효과, 즉 매립층(6)의 전위의 증가에 의한 관통현상효과 및 MOS 구조의 전달 게이트(31)에서 전달 게이트 전극(20)으로부터 N-형 채널 제어 영역(13)으로 연장하는 전계효과에 의해 형성된다.
채널 제어영역(13)을 제공함으로써 전하 독출영역이 안정화된다. 또한, 표면 근방에 채널 제어영역(13)을 제공함으로써 전달 게이트전극(20)에 인가되는 전압(VTG)에 대하여 전하 독출채널 전위(ψ)의 변조도(Δψ/ΔVTG)를 증가시킬 수 있다. 따라서, 축적영역(3)으로부터 매립층(6)으로 전하를 독출하기 위해 전달 게이트전극에 인가되는 전압(VTG)을 감소시킬 수 있다. 즉, 필요 독출전압을 보장하는데 필요한 전달 게이트의 길이가 감소될 수 있고, 따라서, 감도 또는 포화 신호량을 개선하기 위해 포토다이오드 또는 수직 CCD 레지스터의 영역을 증가시킬 수 있다.
상기 설명은 블루밍을 방지하는 종형 오버플로 드레인 구조에 관한 것이지만, 본래의 N형 반도체 기판의 주요 표면부분에 P-웰을 제공하는 대신에 P형 반도체 기판을 사용하는 상이한 구조에서도 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 설명이 인터라인 전달 CCD 이미지 센서에 관한 것이지만, 동일한 화소구조를 가지는 프레임 인터라인 전달 CCD 이미지 센서에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전달 게이트의 반도체 기판영역의 표면부분에 제공된 제2도전형 채널 제어 영역을 제공함으로써, 축적영역으로부터 매립층으로 전하를 독출하기 위한 전하 독출채널이 쉽게 반도체 기판 표면에 근접하도록 형성될 수 있다. 따라서, 독출전압을 감소하거나 전달게이트의 게이트 길이를 감소시킬 수 있다.
바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였지만, 어휘들은 제한적으로 사용된 것이 아니며 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 청구범위내에서 변화가 가능하다.
Claims (3)
- 반도체 기판의 제1도전형 영역의 표면부에 설치된 제2도전형의 축적영역과 상기 축적영역의 표면부에 형성된 제1도전형의 표면층을 포함하는 포토다이오드부; 상기 제1도전형 영역의 표면부분에 상기 축적영역과 소정의 거리만큼 떨어져서 배치된 제2도전형의 매립층과 상기 매립층과 교차하는 복수개의 전달 전극을 포함하는 수직 CCD 레지스터; 및 상기 축적영여과 상기 매립층 사이에 끼워진 반도체 기판 영역의 표면을 게이트 절연막을 통하여 피복한 전달 게이트 전극을 포함하는 전달 게이트를 포함하는 고체촬상장치에 있어서, 신호전하가 상기 축척영역에서 상기 매립층으로 상기 전달 게이트를 통하여 전달 게이트 전극에 전하독출 전압을 인가한 상태하에서, 매립층의 전위가 상승하는 것에 의한 관통현상에 의해 독출되며, 상기 전달 게이트의 반도체 기판영역의 표면에 제2도전형의 채널 제어 영역이 설치되어 있고, 상기 채널제어영역의 깊이와 농도는, 상기 축척영역이 포화상태이고 또한 상기 전달 게이트 전극에 전하독출전압을 인가하지 않은 상태하에서, 상기 전달 게이트가 컷오프(cutoff)하는 범위로 설정되고, 상기 관통현상 및 상기 전달게이트 전극에서 상기 제2도전형의 채널제어 영역을 향하는 전계효과에 의해 상기 제2도전형의 채널제어 영역에 전하독출을 표면 부근의 벌크경로로 수행하기 위한 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형은 P형이고 상기 제2도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
- 제1항에 있어서, 축적영역의 저부가 반도체 기판의 표면에서 매립층의 저부까지의 거리보다 더 큰 거리만큼 반도체 기판의 표면으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
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