KR100258971B1 - 반도체 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서, 특히 pn접합 포토 다이오드(Photo-Diode)형태의 광전변환부를 포함하는 CCD(Charge Coupled Device)형 고체촬상소자 (Solid State Image Sensor)에 관한 것으로서, 제1전도형 반도체층의 표면근방에 우물모양으로 제2전도형 반도체층이 형성되어 있고, 상기 제2전도형 반도체층 표면에 고농도의 제1전도형 반도체층이 형성되어 이루어진 광전변환 영역을 포함하는 반도체장치에 있어서, 상기 고농도의 제1전도형 반도체층의 일부가 상기 우물모양 내부로 돌출되어 상기 고농도의 제1전도형 반도체층과 상기 우물모양의 제2전도형 반도체층의 접합면적이 늘어난 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 광전변환부의 셧어프 전압을 적정한 수준으로 유지하면서 실질적인 전하용량이 증대된 고체촬상소자를 얻을 수 있다.

Description

반도체 장치

제1도는 종래 기술에 의한 고체촬상장치의 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 고체촬상장치의 평면도와 단면도.

제3도는 본 발명과 종래구조에서의 광전변환영역 주위의 전위장벽을 도식화한 그림.

본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서, 특히 pn접합 포토다이오드(Photo-Diode)형태의 광전변환부를 포함하는 CCD(Charge Coupled Device)형 고체촬상소자 (Solid State Image Sensor)에 관한 것이다.

잘 알려진 바와같이 촬상 디바이스의 고체화는 1960년대 전반에 매트릭스형으로 제안되었으나 실용화에 이르지 못하다가, 1970년대에 들어서면서 MOS LSI 기술의 발전과 전하전송 디바이스인 BBD(Backet Brigade Device)와 CCD의 발표로 인하여 고체촬상 소자에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

고체촬상소자는, 광전변환기능, 축적기능, 주사(전하독출)기능을 1개의 칩상에 구현한 것으로써 여러 가지 방식이 있지만, 현재 실용화되어진 고체촬상소자 가운데 CCD타입이 그 종합적인 특성에 있어서 우수하여 교체촬상소자의 중심적인 위치를 차지하게 되었다.

CCD형 고체촬상소자는 pn접합 포토다이오드나 MOS 캐퍼시터로 된 감광부, CCD 쉬프트 레지스터로된 전송부 및 출력회로부로 구성되어 있으며, 빛이 감광부에 입사되면 빛에너지가 전기적인 전하로 변환되어 축적되어 있다가 필드 쉬프트(field shift)기간 동안에 전송부로 보내지고, 인가전압에 의해 반도체 기판내에 형성되는 공핍층(전위 우물)에 전하가 축적되어 있다가, 펄스전압의 쉬프트와 함께 전위 우물의 깊이 차이에 의해 순차적으로 이동하게되는 전하전송방식의 고체촬상소자이다.

한편 CCD형 고체활상소자에서의 감광부인 광전변환부로서 종래 CCD전송부와 함께 MOS캐퍼시터로 구성되기도 하였지만 폴리실리콘 게이트 전극에 의해 입사광, 특히 단파장측의 빛이 흡수되어져 청색광 감도가 저하되기 때문에 오늘날 주로 pn접합 포토다이오드를 광전변환부로 사용하게 되었다.

pn접합 광전변환부의 가장 일반적인 모양은 실리콘 기판상에 p형 웰(well)을 형성시키고 p형 웰 상부에 n형 불순물을 주입시켜 pn접합 포토다아오드를 형성시켜 만들었으나, CCD형 고체촬상소자에서 일반적으로 발생하는 암전류를 저감시키기 위하여 n형 광전변환부의 실리콘 표면에 불순물을 주입하여 고농도의 p+층을 형성시켜주기도 한다(참조, "저잔상 CCD 이메지 센서 "KENICHIARAKAWA et al, TOSHIBA, 〈텔레비젼 학회 기술보고〉, 1986. 2, P7-12).

n형 광전변환부의 실리콘 표면에 고농도의 p+층을 형성시켜준 종래의 단위소자에 대하여 제1도에 도시하였다. 부호(11)은 n형 반도체 기판이고, (12)는 저농도의 p-웰 이고, (13)은 고농도의 p+웰이고, (14)는 n형 광전변환부이고, (15)는 고농도의 p+층이고, (16)은 채널 스토퍼이고, (17)은 매입 채널형 CCD(Buried CCD)이고, (18)은 산화막이고, (19)는 폴리실리콘이다. 또한 과잉전하의 생성에따라 펀치쓰루우 효과에 의한 블루밍(Blooming)을 억제하고 스미어(smear)를 저감하기 위하여 반도체기판(11)을 컬렉터로 하는 종형 OFD(OVER FLOW DRAIN)구조를 취하고 있다.

한편 반도체장치의 미세가공기술이 진전됨에 따라 CCD형 고체촬상소자도 집적화되어, 가령 반도체기술의 선도적인 역할을 다하고 있는 DRAM의 용량에 대한 선폭, 칩면적, 셀면적의 추이에 대한 CCD형 고체촬성장치의 대응관계를 살펴보면, 예를들어 2/3인치 수광부분은 4Mb DRAM의 칩면적에 상당하고, 4Mb DRAM의 셀면적을 촬상장치의 화소면적이라고 생각한다면, 2/3인치 CCD촬상장치의 화소수는 2000 X 2000개까지 가능할 것이다. 그런데 촬상장치의 기본성능인 개구율에 의존하는 감도, 수직 CCD의 채널폭에 의존하는 다이나믹레인지, 화소수에 의존하는 해상도를 동시에 향상시키는 것은 용이하지 않기 때문에 미세화가 아무리 진행하여도 현재 실용화되고 있는 2/3인치 CCD 형 촬상장치의 화소수 500 X 500을 2000 X 2000까지 증가시키는 것은 매우 곤란한 일일 것이다.(참조. 특허공고번호 제91-1877호, 일본, 야마다 다까히로등)

위와 같은 추세에 따라 본 발명은 CCD 촬상소자가 고밀도, 고집적화할 때 발생하는 단위 셀면적의 감소에 의한 광전변환부의 용량을 증가시키는 것과 관계있다.

CCD형 촬상소자의 광전변환부의 용량을 증가시키기 위하여는 제1도의 n형 광전변환부(14)의 불순물의 도즈(DOSE)를 늘리는 방법이 통상 쓰여지고 있으며, 한편 광전변환부의 면적을 늘려주는 방 법인 '역 LOCOS 프로세스'도 일본 NEC사에 의해 1987년 발표되었다(참조. 「2중 채널 독출형 CCD이메지 센서에 있어서 고정 패턴 노이즈 해석」 K.ORIBARA et al, NEC corp, 〈텔레비젼학회 기술보고〉 1987. p13-18)

그러나 상기 불순물의 도즈량을 증가시키는 방법은 n형 광전변환부(14)의 셧어프(shut off)전압이 커져서 필드 쉬프트시 잔상이 심하게 발생하는 요인이 되고 있으며, 과잉전하를 제거하기 위한 OFD 전압을 더욱 과도하게 인가시켜 주어야하는 단점이 있으며, 상기 '역 LOCOS 프로세스'방법은 그 증가량에 한계가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 단점들을 극복하여 광전변환부의 셧어프 전압을 적정한 수준으로 유지시키면서도 광전변환부의 용량이 실질적으로 증가된 고체촬상장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1전도형 반도체층의 표면근방에 우물모양으로 제2전도형 반도체층이 형성되어 있고, 상기 제2전도형 반도체층 표면에 고농도의 제1전도형 반도체층이 형성되어 이루어진 광전변환영역을 포함하는 반도체 장치에 있어서, 상기 고농도의 제1전도형 반도체층의 일부가 상기 우물모양 내부로 돌출되어 상기 고농도의 제1전도형 반도체층과 상기 우물모양의 제2전도형 반도체층의 접합면적이 늘어난 것을 특징으로함으로써 달성된다.

이하 본 발명의 원리가 구체화된 실시예를 제2도를 참조하여 상세히 설명하겠다.

제2a도는 본 발명에 따라 구성되는 광전변환부 및 그 주변부의 평면도이며, 제2b도는 제2a도의 X-X방향으로 자른 수직 단면도를 나타낸 것이다. 부호 (21)는 n형 반도체기판이고, (22)는 저농도의 p-웰 이고, (23)은 고농도의 p+웰이고, (24)는 n형 광전변환부이고, (25)는 고농도의 p+층이고, (26)은 채널 스토퍼이고, (27)은 매입 채널형 CCD(Buried CCD)이고, (28)은 산화막이고, (29)는 폴리실리콘이고, (30)은 고농도의 p+층(25)의 일부가 n형 광전변환부(24)내로 주입된 부분이고, (31)은 전송 게이트를 나타내고 있다. 또한 과엉전하의 생성에따라 펀치쓰르우 효과에 의한 블루밍 (Blooming)을 억제하고 스미어(smear)를 저감하기 위하여 반도체기판(21)을 컬렉터로 하는 종형 OFD(OVER FLOW DRAIN)구조를 취하고 있다.

본 발명에 의한 제2b도는 제1도의 종래 구조와 거의 같고 단지 n형 광전변환부 (24)내에 p+층(25)의 돌출부(30)가 형성되어 있는 것만 다르다. 돌출부(30)은 광전변환부(24)를 관통하지 않으며, 이는 광전변환영역에서 형성된 과잉의 전하를 반도체기판(21)방향으로 빼주기 위하여 OFD전압을 인가하였을 때 과잉전화가 배출되는 통로의 면적을 최대로 유지시키며, 장축타원 혹은 직사각형 형태의 p+층의 돌출부(30)의 둘레면적 만큼 광전변환부의 용량을 증가시켜주기 위함이다. 또한 광전변환부(24)의 pn접합의 단위면적당 전하수가 돌출부(30)가 없는 종래구조에서와 동일 하도록 n형, p형 불순물의 도즈량을 조절한다. 즉 n형 광전변환부(24)의 셧어프 전압을 변화시키지 않고 전송게이트(31)의 전위장벽과 광전변환부(24)의 전위수준과의 전위차를 일정하게 유지시켜줌으로써 필드 쉬프트 기간에 전하를 전하전송부로 보내는데 잔상 (image lag)등의 문제가 발생되지 않게 해주기 위함이다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 광전변환부 주위의 전자전위장벽의 개념으로 도식화한 것이 제3a도이다. 부호(41)은 채널 스토퍼의 전위이고, (42)는 광전변환부의 전위이고, (43)은 필드 쉬프트가 아닌 경우의 전송게이트의 전위이고, (44)는 필드 쉬프트 시의 전송게이트의 전위이고, (45)는 CCD의 전위를 나타낸다. 여기서 광전변환부의 전위(42)와 쉬프트가 아닐 때의 전송게이트의 전위(43)와의 전위차(△V1)를 같게 유지하도록 n형, p형 불 순물의 도즈를 조절하면 본 발명에 의한 것이 종래 구조에 비하여 제2b도의 돌출부(30)의 증가된 면적 만큼 전하용량이 증가한다.

한편, 종래 구조를 통하여 본 발명에 의한 전하용량 만큼 전하용량을 증가시키기 위하여는 n 형 불순물의 도즈(dose)를 증가시켜 광전변환부의 셧어프 전압을 높이면 되지만, 이때는 제3b도에서 보여지는 것처럼 광전변환부의 전위(42)와 전송게이트의 전위 (43)와의 전위차 (V2)가 커져서 필드 쉬프트시 잔상의 문제가 발생한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, CCD형 고체촬상소자가 고밀도, 고집적화됨에 따라 단위 셀면적이 감소하여 광전환부의 용량이 떨어지는 것을 방지해줄 뿐만 아니라, 광전변환부의 셧어프 전압을 적정한 수준으로 유지시키면서 광전변환부의 용량이 실질적으로 증가된 고성능화, 소형화된 고체촬상장치를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 제1전도형 반도체층의 표면근방에 우물모양으로 제2전도형 반도체층이 형성되어 있고, 상기 제2전도형 반도체 표면에 고농도의 제1전도형 반도체층이 형성되어 이루어진 광전변환 영역을 포함하는 반도체장치에 있어서, 상기 고농도의 제1전도형 반도체층의 일부가 상기 우물모양 내부로 돌출되어 상기 고농도의 제1전도형 반도체층과 상기 우물모양의 제2전도형 반도체층의 접합면적이 늘어난 것을 특징으로 하는 반도체장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2전도형 반도체층은 n형 반도체층임을 특징으로 하는 반도체장치.