KR100239409B1 - 고체 촬상 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전하 결합 소자를 이용한 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 수평 전하 전송 영역을 다중 채널화하여 전하 전송 효율 및 다이나믹 레인지를 넓인 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 고체 촬상 소자는 복수개의 광전 변환 영역들과, 그 영역들에서 생성되어진 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들과, 상기 수직 전송된 영상 전하의 레벨에 따라 하나의 채널 또는 두 개의 채널로 영상 전하를 분리하여 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역과, 상기의 수평 전하 전송 영역의 어느하나의 채널을 통해 전송되어진 영상 전하만을 센싱하고 다른 한채널을 통해 전송되어진 전하는 센싱 동작 없이 드레인시키는 플로우팅 디퓨전 영역을 포함하여 구성된다.

Description

고체 촬상 소자
본 발명은 전하 결합 소자를 이용한 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 수평 전하 전송 영역을 다중 채널화하여 전하 전송 효율 및 다이나믹 레인지를 넓인 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
일반적으로 고체 촬상 소자는 광전 변환 소자와 전하 결합 소자를 사용하여 피사체를 촬상하여 전기적인 신호로 출력하는 장치를 말한다.
전하 결합 소자는 광전 변환 소자(PD)에서 생성되어진 신호 전하를 기판내에서 전위의 변동을 이용하여 특정 방향으로 전송하는데 사용된다.
고체 촬상 소자는 복수개의 광전 변환 영역(PD)과, 그 광전 변환 영역들의 사이에 구성되어 상기의 광전 변환 영역에서 생성되어진 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)과 상기 수직 전하 전송 영역에 의해 수직 방향으로 전송된 전하를 다시 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(HCCD) 그리고 상기 수평 전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변회로로 출력하는 플로우팅 디퓨전 영역으로 크게 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 고체 촬상 소자에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 고체 촬상 소자의 출력단의 레이 아웃도이다.
도 1은 수직 전하 전송 영역과 수평 전하 전송 영역의 인터페이스 부분을 나타낸 것으로 그 구성은 다음과 같다.
먼저, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 광전 변환 영역(1)들과, 상기의 광전 변환 영역(1)들 사이에 구성되어 광전 변환 영역(1)들에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(2)들과, 상기 수직 전하 전송 영역(2)들 상에 반복적으로 구성되는 제 1,2 폴리 게이트(3a)(3b)들과, 상기 수직 전하 전송 영역(2)들을 통하여 전송되어진 영상 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(4)들로 구성된다.
상기의 수직 전하 전송 영역(2)들과 수평 전하 전송 영역(4)의 인터페이스 영역에는 제 1,2 폴리 게이트들(3a)(3b)(B1,B2,B3,B4의 클럭이 교대로 인가되는)이 반복적으로 형성된다.
그리고 수평 전하 전송 영역(4)상에도 제 1,2 폴리 게이트들(3a)(3b)(C1,C2,C3,C4의 클럭이 교대로 인가되는)이 반복적으로 형성된다.
그리고 상기의 수평 전하 전송 영역(4)의 끝단에는 전송되어진 영상 전하를 센싱하여 주변회로로 증폭 출력하는 센싱 앰프(5)가 구성된다.
광전 변환 영역(1)들에서 생성되어 수직 전하 전송 영역(2), 수평 전하 전송 영역(4)을 통하여 전송되어진 영상 전하들은 센싱 앰프(5)를 통하여 주변회로부로 출력된다.
상기의 주변회로부로 출력된 영상 신호는 여러 가지의 신호처리과정을 거치게된다.
상기의 신호 처리 과정을 거치게되는 영상 신호의 레벨은 광전 변환 영역(1)의 전하 생성,축적 능력에 따라 결정될 수 있다.
또한, 수직 전하 전송 영역(2),수평 전하 전송 영역(4)의 전하 전송 능력과 센싱 앰프(5)의 센싱 능력에 따라서도 결정된다.
그러나 출력되는 영상 신호는 그 레벨 그대로 출력되는 것이 아니라 영상 신호 처리 단계에서 텔레비젼 등의 영상 표시 장치의 레벨로 제한되어 출력된다.
텔레비젼의 영상 신호 레벨은 동기 신호의 피크값과 휘도 신호의 차를 1.0Vp-p로 하고 있다.
그중에서 광학상에 해당하는 휘도 신호는 714mV로 제한하고 있으며 714mV이상의 휘도 신호 레벨은 클리핑시킨다.
그러므로 광전 변환 영역(1)에서 생성된 신호 전하가 714mV이상의 값을 갖고 있더라도 주변 회로에 전송되어 신호 처리 과정을 거치면 714mV로 클리핑되어 본래 714mV인 부분과 동일한 신호 레벨을 갖게되기 때문에 화면상에서는 동일한 영상으로 보이게 된다.
그러므로 영상 신호 처리 과정에서 감마 보정에 의해 700mV 이상의 신호 레벨을 본래의 신호 레벨보다 감소시키는 방법을 이용하여 1300mV 까지의 신호 레벨의 표현을 가능하게 하고 있다.
이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자는 주변회로부에서의 영상 신호 처리과정에서 영상 신호의 다이나믹 레인지를 조절하여 화면 표시 장치(텔레비젼 등의)로 출력하고 있으나 이는 다음과 같은 문제점이 있다.
광전 변환 영역에서 생성된 신호 전하가 714mV이상의 값을 갖고 있더라도 주변 회로에 전송되어 신호 처리 과정을 거치면 714mV로 클리핑되어 본래 714mV인 부분과 동일한 신호 레벨을 갖게되기 때문에 화면상에서는 동일한 영상으로 보이게 된다.
이는 포화 상태(Saturation)로된 영상의 화면 점유율만 증대시킬뿐이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 촬상 동작에서의 입사광량에 따라 영상 신호 처리 과정에서 클리핑될 부분 즉, 고조도시의 영상 전하는 일정 비율로 감소시켜 출력하고 중,저조도시의 영상 전하는 그대로 출력하는 방법으로 다이나믹 레인지를 넓힌 고체 촬상 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 고체 촬상 소자의 출력단의 레이 아웃도
도 2는 본 발명의 고체 촬상 소자의 출력단의 레이 아웃도
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ′선에 따른 구조 단면도
도 4는 입사광량에 따른 전하 전송 프로파일
도 5a와 도 5b는 전하 전송 동작의 클럭 타이밍도 및 그에 따른 포텐셜 프로파일
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20. 광전 변환 영역 21. 수직 전하 전송 영역
22a. 제 1 폴리 게이트 22b. 제 2 폴리 게이트
23a. 제 1 수평 전하 전송 영역 23b. 제 2 수평 전하 전송 영역
24. 베리어 게이트 25. 채널 스톱 영역
26. 채널 영역 27. P형 웰
28. BCCD영역 29. 베리어 이온 주입층
30. 절연층
영상 신호 처리 단계에서 클리핑되는 부분이 없도록 입사 광량의 레벨에 따라 출력되는 영상 전하를 수평 전하 전송 영역을 다중 채널로 구성하여 영상 전하를 감소 또는 그대로 출력할 수 있도록한 본 발명의 고체 촬상 소자는 복수개의 광전 변환 영역들과, 그 영역들에서 생성되어진 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들과, 상기 수직 전송된 영상 전하의 레벨에 따라 하나의 채널 또는 두 개의 채널로 영상 전하를 분리하여 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역과, 상기의 수평 전하 전송 영역의 어느하나의 채널을 통해 전송되어진 영상 전하만을 센싱하고 다른 한채널을 통해 전송되어진 전하는 센싱 동작 없이 드레인시키는 플로우팅 디퓨전 영역을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 고체 촬상 소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 고체 촬상 소자의 출력단의 레이 아웃도이고, 도 3a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ′선에 따른 구조 단면도이다.
본 발명의 고체 촬상 소자는 수평 전하 전송 영역을 다중 채널화하여 전하 전송 효율 및 다이나믹 레인지를 향상시킨 것으로 그 구성은 다음과 같다.
먼저, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 광전 변환 영역(20)들과, 상기의 광전 변환 영역(20)들 사이에 구성되어 광전 변환 영역(20)들에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(21)들과, 상기 수직 전하 전송 영역(21)들 상에 반복적으로 구성되는 제 1,2 폴리 게이트(22a)(22b)들과, 상기 수직 전하 전송 영역(21)들을 통하여 전송되어진 영상 전하를 수평 방
향으로 전송하는 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)으로 구성된다.
상기의 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)은 서로 포텐셜이 단차를 갖도록 하기 위해 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)에는 베리어층이 구성된다.
상기의 수직 전하 전송 영역(21)들과 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)의 인터페이스 영역에는 제 1,2 폴리 게이트들(22a)(22b)(B1,B2,B3,B4의 클럭이 교대로 인가되는)이 반복적으로 형성된다.
그리고 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)상에는 제 1,2 폴리 게이트들(22a)(22b)(C1,C2,C3,C4의 클럭이 교대로 인가되는)이 반복적으로 형성되고 상기의 수평 전하 전송 영역을 다중 채널로 분리하기 위한 베리어 게이트(24)가 수평 전하 전송 영역의 진행 방향으로 중앙에 형성된다.
상기의 제 1,2 폴리 게이트(22a)(22b)의 어느하나의 하측 수평 전하 전송 영역에는 영상 전하의 이동을 원활하게 하기 위한 베리어 이온 주입층(29)(도 3에 도시되어진)이 구성된다.
그리고 상기의 베리어 게이트(24)하측에는 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 트랜스퍼되었던 전하가 다시 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)으로 넘어가지 않도록 하기위한 채널 스톱 영역(25)이 형성된다.
그리고 채널 스톱 영역(25)이 형성되지 않은 베리어 게이트(24)하측에는 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)에서 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 전하를 이동시키기 위한 채널 영역(26)이 형성된다.
그리고 상기의 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)의 끝단에는 전송되어진 영상 전하를 센싱하여 주변회로로 증폭 출력하는 플로우팅 영역이 구성된다.
이때, 상기의 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)과 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)에 구성되는 베리어층을 반대로 형성하여 두 전송 영역의 역할을 반대로 하는 것도 가능하다.
상기와 같은 본 발명의 고체 촬상 소자의 수직 구조는 다음과 같다.
반도체 기판에 형성된 P형 웰(25)영역내에 형성된 BCCD영역(26)(수직 전하 전송 영역(21),제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)을 포함하는)과, 광전 변환 영역(20)들 그리고 절연층(28)들에 의해 각각 절연되어 상기의 BCCD영역(26)상에 구성되는 제 1,2 폴리 게이트(22a)(22b)들과, 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)에 구성되는 베리어 이온 주입층(27)으로 구성된다.
이때, 상기의 베리어 게이트(24)는 제 1,2 수평 전하 전송 영역(23a)(23b)들상에 구성되는 제 1,2 폴리 게이트(22a)(22b)들의 하측에 구성된다.
그리고 수직 전하 전송 영역(21)에 구성되는 제 1,2 폴리 게이트(22a)(22b)의 어느하나는 광전 변환 영역(20)에 일부가 오버랩되어 구성된다.
상기와 같은 본 발명의 고체 촬상 소자의 전하 전송 동작은 다음과 같다.
도 4는 입사 광량에 따른 전하 전송 프로파일을 나타낸 것으로, 저조도 그리고 중조도의 빛이 광전 변환 영역(20)으로 입사되었을 때는 생성되어진 전하가 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)을 통하여 플로우팅 디퓨전 영역으로 그대로 출력된다.
즉, 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 전하가 트랜스퍼되지 않고 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)만을 통하여 전송되어진다.
그러나 고조도의 빛이 광전 변환 영역(20)으로 입사되었을때는 수직 전하 전송 영역(21)을 거쳐 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)으로 전송되어진 전하가 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)에 일정량만 남고 그 이외에는 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 트랜스퍼되어진다.
제 2 수평 전하 전송 영역(23b)을 통하여 플로우팅 디퓨전 영역으로 전송되어져 센싱되지 않고 그대로 리셋 드레인 영역으로 드레인되어진다.
상기와 같은 본 발명의 고체 촬상 소자의 전하 전송 동작에 관하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5a와 도 5b는 전하 전송 동작의 클럭 타이밍도 및 그에 따른 포텐셜 프로파일이다.
t=1에서 t=9까지는 베리어 게이트(24)에 High의 클럭이 인가되어진 상태로 있어 수평 전하 전송 영역에 베리어가 형성되지 않는다.
그러므로 광전 변환 영역(20)에서 생성되어진 전하가 수직 전하 전송 영역(21)을 거쳐 수평 전하 전송 영역으로 전송되어진 상태로 있게된다.
상기의 상태에서 수평 전하 전송 영역으로 전송되어진 전하는 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)과 제 2 수평 전하 전송 영역(23b )의 포텐셜 차이에 의해 그 값이 작을 경우에는(저조도,중조도) 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)에만 채워지게 되고, 그 값이 클 경우에는(고조도) 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)에 일정량이 채워지게되고 나머지는 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 이동되어진다.
이상태에서 베리어 게이트(24)에 Low의 클럭이 인가되면 수평 전하 전송 영역의 중앙부에 베리어가 형성되어 수평 전하 전송 영역을 두 개의 채널로 분리한다.
즉, 전하들이 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)과 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)으로 나뉘어져 t=10이후에 수평 전하 전송 영역상의 게이트들에 인가되는 High의 클럭신호에 의해 플로우팅 디퓨전 영역으로 전송되어져 제 1 수평 전하 전송 영역(23a)을 통하여 전송된 전하는 센싱되어 주변회로부로 출력되고, 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)을 통하여 전송되어진 전하는 센싱되지 않고 그냥 리셋 드레인 영역으로 드레인된다.
이때, 제 2 수평 전하 전송 영역(23b)을 통하여 센싱과정 없이 그냥 드레인되어진 전하는 생성되어진 전하 전체의 일부분이지만 이는 영상 신호 처리 과정에서 클리핑되어질 신호이므로 신호의 손실은 없게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명의 고체 촬상 소자는 고 조도시의 신호 전하를 일정 비율로 감소시켜 출력시키므로 저,중조도시에는 동일 신호 레벨을 고조도에서는 보정된 신호를 통해 영상 신호 처리 과정에서 클리핑되지 않는 영상 신호를 구할 수 있게되어 사용자에게 제공되는 영상의 화질을 높이는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 복수개의 광전 변환 영역들과,
    그 영역들에서 생성되어진 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들과,
    상기 수직 전송된 영상 전하의 레벨에 따라 하나의 채널 또는 두 개의 채널로 영상 전하를 분리하여 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역과,
    상기의 수평 전하 전송 영역의 어느하나의 채널을 통해 전송되어진 영상 전하만을 센싱하고 다른 한채널을 통해 전송되어진 전하는 센싱 동작 없이 드레인시키는 플로우팅 디퓨전 영역을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수직 전하 전송 영역과 수평 전하 전송 영역 그리고 그 영역들이 인터페이스되는 부분의 상측에는 서로 절연되는 제 1,2 폴리 게이트가 반복적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    수직 전하 전송 영역상에 구성되는 제 1,2 폴리 게이트의 어느하나는 광전 변환 영역에 일부분이 오버랩되어 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    수평 전하 전송 영역상에 구성되는 제 1,2 폴리 게이트들의 하측 중앙부에는 수평 전하 전송 영역의 진행 방향으로 베리어 게이트가 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    베리어 게이트는 수직 전하 전송 영역에서 수평 전하 전송 영역으로 영상 전하가 전송되는 순간에는 High의 클럭 신호가 인가되고, 수평 전하 전송 영역으로의 전하 전송이 끝나면 Low의 클럭 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    베리어 게이트에 Low의 클럭 신호가 인가되면 그 하측에 베리어층이 형성되어 수평 전하 전송 영역이 두 개의 채널로 분리되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제 4 항에 있어서,
    베리어 게이트 하측에는 영상 전하가 역방향으로 전송되는 것을 막기 위한 채널 스톱 영역이 부분적으로 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    수평 전하 전송 영역의 두 개의 채널 어느하나에는 베리어층이 형성되어 포텐셜 레벨이 서로 단차를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    수직 전송되어진 영상 전하가 저조도 및 중조도의 신호 일경우에는 수평 전하 전송 영역의 두 개의 채널중에 센싱되는 채널만을 이용하여 전하를 전송하고, 고조도의 신호 일경우에는 센싱되는 채널에 일정량의 영상 전하를 두고 나머지는 센싱되지 않는 다른 채널로 전하를 이동시키는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
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