KR100267129B1 - 개선된인터라인전하결합소자고체이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음의 부재를 구비하는 인터라인 고체 이미지 센서를 제공한다. 수직방향으로 뻗어있는 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터가 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터는 서로 평행하다. 복수개의 포토다이오드가 수직 전하결합소자 레지스터 각각의 일측을 따라 정렬되어 포토다이오드가 인접한 두 수직 전하결합소자 레지스터 사이에서 정렬된다. 각 포토다이오드는 전하 독출 게이트 영역을 지나 수직 전하결합소자 레지스터에 접속된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터는 제 1 도전형 확산층과 제 1 도전형 확산층 아래에 뻗어있는 제 2 도전형 확산층의 적층을 구비한다. 수평 전하 결합 레지스터는 수평 방향으로 뻗어있다. 수평 전하 결합 레지스터는 수직 전하결합소자 레지스터의 단부와 결합된다. 본 발명은 제 2 도전형 확산층이 수평방향에서 불순물 농도가 가변하여 제 2 도전형 확산층의 양측 영역이 제 2 도전형 확산층의 중심영역보다 불순물 농도가 높다는 것이 중요하다.
Description
본 발명은 고체 이미지 센서에 관한 것이며, 더 상세하게는 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서에 관한 것이다.
도 1 은 포토다이오드와 수직 전하 결합 레지스터가 독립적으로 설치된 인터라인 전송 전하결합소자 고체 이미지 센서를 도시하는 평면도이다. 그러한 고체 이미지 센서는 본 분야에서는 공지되어 있다. 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 가 반도체 기판 (100) 상에서 서로 평행하게 설치된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 수직 방향으로 뻗어 있다. 복수개의 포토다이오드 (101) 가 수직방향으로 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 각각을 따라 정렬된다. 즉, 포토다이오드 (101) 는 인접한 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서 정렬된다. 각 포토다이오드 (101) 는 전하 독출 게이트 영역 (103) 을 지나 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 에 접속된다. 수평 전하결합소자 레지스터 (104) 가 수평 방향으로 뻗어서 설치된다. 수평 전하 결합 레지스터 (104) 는 수직 전하결합소자 (102) 의 각 단부와 결합된다. 전하 검출부 (105) 가 수평 전하 결합 레지스터 (104) 의 단부에 설치된다. 축력 증폭기 (106) 가 또한 전하 검출부 (15) 에 결합되도록 설치된다. 단위화소 (107) 는 파선으로 표시되며 포토다이오드 (101) 및 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 해당 부분을 구비한다.
광이 포토다이오드 (101) 로 입사되면, 포토다이오드 (101) 의 광전 변환이 입사광을 전하로 변환시킨다. 광전변환 전하는 전하 독출 게이트 영역 (103) 을 통해 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 로 전송된다. 광전 변환된 전하는 또한 수평 전하 결합 레지스터 (104) 를 통해 전하 검출부 (105) 로 전송된다. 그런 후, 광전 변환 전하는 출력 증폭기 (106) 를 통해 출력된다.
도 2 는 인터라인 고체 화상센서의 단위화소 (107) 를 도시하는 부분 정단면도이다. p- 웰 영역 (2) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 가 p- 웰 영역 (2) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 는 포토다이오드 (101)를 구성한다. p+ 확산층 (4) 은 암전류의 감소를 위해 n 형 광전변환기 (3) 상에 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 n 형 실리콘 기판 (1) 상의 n 형 확산층 (5) 및 n 형 실리콘 기판 (1) 의 상부영역에서 n 형 확산층 (5) 아래에 놓이는 p 형 확산층 (6) 을 구비한다. 포토다이오드 (101) 와 해당 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서, 전하 독출 게이트 영역 (8) 이 설치된다. p+ 형 고립층 (7) 이 전하 독출 게이트 영역 (8) 에 대한 포토다이오드 (101) 의 반대측에 설치된다. 절연막 (9-1) 이 p+ 확산층 (4), n 형 확산층 (5), p+ 고립층 (7) 상에 뻗어서 설치된다. 절연막 (9-1) 은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 구비할 수 있다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 전송 게이트 전극 (10) 이 n 형 확산층 (5) 위에서 절연막 (9-1) 위에 설치된다. 전송 게이트 전극 (10) 은 폴리실리콘막을 구비할 수 있다. 절연막 (11) 이 절연막 (9-2) 위에 설치된다. 차광막 (11) 은 텅스텐막 또는 알루미늄막을 구비할 수 있다.
입사광에 의해 발생된 전자가 수직 전하결합소자 레지스터의 n 형 확산층으로 들어갈 경우, 포토다이오드에 의해 독출된 전하 또는 전자는 수직 전하결합소자 레지스터를 통해 전송되어 더미신호로서 스미어를 갖는다는 문제점을 갖는다. 스미어의 원인 중 한 개는 n 형 확산층 주위의 p- 형 웰에서 발생된 전자가 확산되어 n 형 확산층으로 들어가는 것이다. 전자가 n 형 확산층으로 들어가는 것을 막기 위해, p 형 확산층이 n 형 확산층 아래에서 형성되어 전자에 대한 전위장벽을 형성한다. 전위장벽은 전자가 확산되어 n 형 확산층으로 들어가는 것을 억제한다. 스미어를 감소시킨다는 측면에서는, p 형 확산층의 불순물 농도를 증가시켜 전위장벽의 높이를 증가시키는 것이 효율적이다. 하지만, p 형 확산층의 불순물 농도가 높아질 경우, 전하전송으로 인해 프린지 전계가 약해지기 때문에, 수직 전하결합소자 레지스터의 전하 전송 효율이 왜곡된다. 프린지 전계의 세기는 전송 게이트 전극 하부의 n 형 확산층의 전위차가 작을 경우, 약해진다. n 형 확산층의 전위차는, 제 1 커패시턴스 (C1) 대 제 2 커패시턴스 (C2) 의 비에 의존하며, 제 1 커패시턴스 (C1) 는 전송 게이트 전극과 n 형 확산층 사이에서 정의되며 제 2 커패시턴스 (C2) 는 n 형 확산층과 p 형 확산층 사이에서 정의된 pn 접합 커패시턴스이다. 제 2 커패시턴스 (C2) 가 제 1 커패시턴스 (C1) 보다 더 클 경우, n 형 확산층의 전위차는 작다. p 형 확산층의 불순물의 농도가 감소될 경우, 제 2 커패시턴스 (C2) 는 증가하여 프린지 전계가 약화된다.
상기한 상황에서, 전하 전송 효율에서 개선을 허용하고 스미어 변형이 거의 없는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서의 개발이 요구되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 임의의 단점이 없는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스미어 감소가 거의 없는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전하 전송 효율을 향상시키는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서를 제공하는 것이다.
도 1 은 포토다이오드와 수직 전하결합 레지스터가 각각 설치된 인터라인 전송 전하결합소자 고체 이미지 센서의 평면도.
도 2 는 종래 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서의 단위 화소를 도시하는 부분 정단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2 의 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서의 단위화소의 부분 정단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 실리콘 기판 2 : p- 웰 영역
3 : n 형 광전 변환기 4 : p+ 형 확산층
5 : n 형 확산층 6-1 : 제 1 p 형 확산층
6-21 : 제 2 p 형 확산층 6-22 : 제 3 p 형 확산층
7 : p+ 형 전계산화막 8 : 전하 독출 게이트 영역
9-1 : 제 1 절연막 9-2 : 제 2 절연막
10 : 전송 게이트 전극 11 : 차광막
본 발명의 상세한 것 및 다른 목적, 특징 및 장점은 다음의 기재로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명은 다음의 구성요소를 구비하는 인터라인 고체 이미지 센서를 제공한다. 각각이 수직방향으로 뻗어있는 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터가 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터는 서로 평행하다. 복수개의 포토다이오드가 수직 전하결합소자 레지스터 각각의 일측을 따라 정렬되어 포토다이오드가 인접한 두 수직 전하결합소자 레지스터 사이에 정렬된다. 각 포토다이오드는 전하 독출 게이트 영역을 지나 수직 전하결합소자 레지스터에 접속된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터는 제 1 도전형 확산층과 제 1 도전형 확산층 아래에 뻗어있는 제 2 도전형 확산층의 적층을 구비한다. 수평 전하 결합 레지스터는 수평 방향으로 뻗어있다. 수평 전하 결합 레지스터는 수직 전하결합소자 레지스터의 단부와 결합된다. 본 발명은 제 2 도전형 확산층이 수평방향에서 불순물 농도가 가변하여, 제 2 도전형 확산층의 양측 영역이 제 2 도전형 확산층의 중심영역보다 불순물 농도가 높다는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 기재하기로 한다.
본 발명은 인터라인 고체 이미지 센서의 반도체 기판의 상부 영역에서 형성된 수직 전하결합소자 레지스터를 제공한다. 수직 전하결합소자 레지스터는 제 1 도전형 확산층과 제 1 도전형 확산층 아래에 뻗어있는 제 2 도전형 확산층의 적층을 구비하며, 제 2 도전형 확산층은 폭 방향에서 불순물 농도가 가변하여 제 2 도전형 확산층의 양측 영역이 제 2 도전형 확산층의 중심영역 보다 불순물 농도가 더 높다.
제 2 도전형 확산층은 제 1 불순물 농도를 갖는 제 1 영역, 제 1 영역의 제 1 측부와 접속하여 뻗어있으며, 제 1 불순물 농도보다 높은 제 2 불순물 농도를 갖는 제 2 영역, 및 제 1 영역의 제 2 측부와 접속하여 뻗어있으며, 제 1 불순물 농도 보다 높은 제 3 불순물 농도를 갖는 제 3 영역을 구비하는 것이 바람직하다.
제 2 및 제 3 불순물 농도는 서로 동일한 것이 바람직하다.
제 1 불순물 농도는 대략 0.8 x 1016cm-3이며, 제 2 및 제 3 불순물 농도는 대략 2.0 x 1016cm-3이며, 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 대략 1.0 x 1017cm-3인 것이 또한 바람직하다.
제 1 불순물 농도는 대략 1.2 x 1016cm-3이며, 제 2 및 제 3 불순물 농도는 대략 2.0 x 1016cm-3이며, 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 대략 1.0 x 1017cm-3인 것이 또한 바람직하다.
제 2 도전형 확산층은 그의 양측편에서 불순물 농도가 증가하는 것이 또한 바람직하다.
주 캐리어는 전자이며 제 1 도전형은 n 형이며, 제 2 도전형은 p 형인 것이 바람직하다.
본 발명은 다음의 구성요소를 구비하는 인터라인 고체 이미지 센서를 제공한다. 수직방향으로 뻗어있는 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터가 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터는 서로 평행하다. 복수개의 포토다이오드가 수직 전하결합소자 레지스터 각각의 일측을 따라 정렬되어 포토다이오드가 인접한 두 수직 전하결합소자 레지스터 사이에 정렬된다. 각 포토다이오드는 전하 독출 게이트 영역을 지나 수직 전하결합소자 레지스터에 접속된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터는 제 1 도전형 확산층과 제 1 도전형 확산층 아래에 뻗어있는 제 2 도전형 확산층의 적층을 구비한다. 수평 전하 결합 레지스터는 수평 방향으로 뻗어 있다. 수평 전하 결합 레지스터는 수직 전하결합소자 제리스터의 단부와 결합된다. 본 발명은 제 2 도전형 확산층의 적층을 구비한다. 수평 전하 결합 레지스터는 수평 방향으로 뻗어 있다. 수평 전하 결합 레지스터는 수직 전하결합소자 레지스터의 단부와 결합된다. 본 발명은 제 2 도전형 확산층은 수평방향으로 불순물 농도가 가변하여 제 2 도전형 확산층의 양측 영역이 제 2 도전형 확산층의 중심영역보다 불순물 농도가 높다는 것이 중요하다.
제 2 도전형 확산층은 제 1 불순물 농도를 갖는 제 1 영역, 제 1 영역의 제 1 측부와 접촉하여 뻗어 있으며, 제 1 불순물 농도보다 높은 제 2 불순물 농도를 갖는 제 2 영역, 및 제 1 영역의 제 2 측부와 접촉하여 뻗어 있으며, 제 1 불순물 농도보다 높은 제 3 불순물 농도를 갖는 제 3 영역을 구비하는 것이 바람직하다.
제 2 및 제 3 불순물 농도는 서로 동일한 것이 바람직하다.
제 1 불순물 농도는 대략 0.8 x 1016cm-3이며, 제 2 및 제 3 불순물 농도는 대략 2.0 x 1016cm-3이며, 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 대략 1.0 x 1017cm-3인 것이 또한 바람직하다.
제 1 불순물 농도는 대략 1.2 x 1016cm-3이며, 제 2 및 제 3 불순물 농도는 대략 2.0 x 1016cm-3이며, 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 대략 1.0 x 1017cm-3인 것이 또한 바람직하다.
제 2 도전형 확산층은 그의 양측편에서 불순물 농도가 증가하는 것이 또한 바람직하다.
주 캐리어는 전자이며 제 1 도전형은 n 형이며, 제 2 도전형은 p 형인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 실시예 1 은 전하 전송 효율의 개선을 허용할 뿐만 아니라 스미어 변형이 거의 없는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서의 단위화소를 도시하는 도 1 및 도 3 을 참조하여 상세하게 기재된다.
신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서는 도 1 에 도시된 것과 동일한 구조를 갖는다. 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 가 반도체 기판 (100) 상에 서로 평행하게 설치된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 수직 방향으로 뻗어 있다. 복수개의 포토다이오드 (101) 가 수직 ??향에서 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 를 따라 정렬된다. 즉, 포토다이오드 (101) 가 인접한 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서 정렬된다. 각 포토다이오드 (101) 는 전하 독출 게이트 영역 (103) 을 지나 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 에 접속된다. 수평 전하 결합 레지스터 (104) 가 수평방향으로 뻗어서 설치된다. 수평 전하 결합 레지스터 (104) 는 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 각 단부와 결합된다. 전하 검출부 (105) 가 수평 전하 결합 레지스터 (104) 의 단부에 설치된다. 출력 증폭기 (106) 가 또한 설치되어 전하 검출부 (105) 에 결합된다. 단위화소 (107) 는 파선으로 표시되며 포토다이오드 (101) 와 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 해당 부분을 구비한다.
광이 포토다이오드 (101) 로 입사되면, 포토다이오드 (101) 의 광전 변환이 입사광을 전하로 변환시킨다. 광전 변환 전하는 전하 독출 게이드 영역 (103)을 통해 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 로 전송된다. 광전 변환 전하는 또한 수평 전하 결합 레지스터 (104) 를 통해 전하 검출부 (105) 로 전송된다. 광전 변환 전하는 출력 증폭기 (106)를 통해 출력된다.
도 3 을 참조하면, p-웰 영역 (2) 이 n 형 실리콘 기판 (1) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 가 p 웰 영역 (2) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 포토다이오드 (101) 를 구성한다. p+ 확산층 (4) 이 암전류를 감소시키기 위해 n 형 광전 변환기 (3) 상에 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 n 형 실리콘 기판 (1) 상의 n 형 확산층 (5) 및 n 형 실리콘 기판 (1) 의 상부 영역에서 n 형 확산층 (5) 아래에 놓이는 p 형 확산층을 구비한다.
수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 p 형 확산층은 제 1 p 형 확산층 (6-1), 제 1 p 형 확산층 (6-1) 의 제 1 측부와 접촉하며 뻗어있는 제 2 p 형 확산층 (6-21), 및 제 1 p 형 확산층 (6-1) 의 제 2 측부와 접촉하며 뻗어있는 제 3 p 형 확산층 (6-22) 을 구비한다. 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 사이에서 뻗어 있으며, 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 보다 더 낮은 불순물 농도를 갖는다.
포토다이오드 (101) 와 해당 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서, 전하 독출 게이트 영역 (8) 이 설치된다. p+ 형 고립층 (7) 이 전하 독출 게이트 영역 (8) 에 대해 포토다이오드 (101) 의 반대측에 설치된다. 절연막 (9-1) 이 p+ 형 확산층 (4), n 형 확산층 (5), p+ 형 고립층 (7) 및 전하 독출 게이트 영역 (8) 상에 뻗어서 형성된다. 절연막 (9-1) 이 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 구비할 수 있다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 전송 게이트 전극 (10) 이 n 형 확산층 (5) 위에서 절연막 (9-1) 상에 설치된다. 전송 게이트 전극 (10) 은 폴리실리콘막을 구비할 수 있다. 절연막 (9-2) 은 또한 전송 게이트 전극 (10) 위에 설치된다. 차광막 (11) 이 또한 절연막 (9-2) 위에 설치된다. 차광막 (11) 은 텅스텐막 또는 알루미늄막을 구비할 수 있다.
포토다이오드에 의해 독출되는 전하 또는 전자가 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 를 통해 전송된다. 상기한 바와 같이, 종래 이미지 센서에서, n 형 확산층 (5) 근처의 p- 형 웰 (2) 에서 발생된 전자는 p 형 확산층 (6) 을 통해 n 형 확산층 (5) 으로 들어가게 되는데, 특히, n 형 광전 변환기 (3) 에 인접하여 있는 p 형 확산층의 양측 영역을 통하여 들어가게 된다.
하지만 본 발명에 따라서, 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 p 형 확산층의 양측 영역은 불순물 농도가 증가하여 n 형 확산층 근처에서 p 형 웰 (2) 에서 발생된 전자가 n 형 확산층 (5) 으로 들어가는 것을 막기 위해 상승된 전위장벽을 갖는 p 형 확산층의 양측 영역을 설치한다. p 형 확산층의 이러한 전위장벽 구조물은 스미어가 나타나는 것을 방지한다.
하지만, 전하 전송 효율은 프린지 전계의 강도에 의존한다. 전송 채널의 중심부에서, 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 보다 물순물 농도가 낮은 제 1 p 형 확산층 (6-1) 이 설치된다. n 형 확산층 (5) 과 제 2 p 형 확산층 (6-21) 사이의 공간 전하 영역은 두께가 크다. n 형 확산층 (5) 과 제 3 p 형 확산층 (6-22) 사이의 공간전하 영역도 또한 두께가 크다. 따라서, 단위 영역당 pn 접합 커패시턴스가 작아지게 된다. 이러한 이유로, 전송 게이트 전극 (10) 과 n 형 확산층 (5) 사이에서 단위 영역당 커패시턴스는 크게 된다. 이것은 전송 게이트의 전위일 경우, 신호전하가 축적되는 n 형 확산층 (5) 의 일부의 전위변화를 크게 만든다. 결국, 전하 전송시 전송 채널 중심부의 프린지 전계가 크게 되어 전송 효율이 크게 된다.
제 1 실시예에서, 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 불순물 농도가 대략 0.8 x 1016cm-3이다. 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 은 불순물 농도가 대략 2.0 x 1016cm-3이다. 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 폭이 1㎛ 이다. 제 2 및 제 3 p 확산층 (6-21, 6-22) 의 폭은 1㎛ 이다. n 형 확산층은 불순물 농도가 대략 0.8 x 1017cm-3이며, 깊이가 0.6 ㎛ 이다. 이러한 경우에는 신호량 10mV 에 대한 전송 잔류가 0.1 mV 이었다.
종래 이미지 센서에서, p 형 확산층 (6) 은 2.0 x 1016cm-3의 균일한 불순물 농도를 갖는데, 이러한 경우에는, 신호량 10mV 에 대한 전송 잔류가 1mV 였다. 따라서, 이 종래 p 형 확산층 (6) 과 비교하면, 본 발명의 실시예에서, 전송오차로 인해 전송되는 잔류 신호의 양은 종래 p 형 확산층 (6) 이 설치될 경우의 약 10 분의 1 로 감소한다.
반면에, 인접 포토다이오드에서 발생된 전자의 확산에 의해 상승된 스미어를 갖는다는 문제점에 대해, 본 발명에 따라, 제 1 p 형 확산층 (6-1)을 끼우고 있는 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 은 2.0 x 1016cm-3 의증가된 불순물 농도를 가지기 때문에 전자에 대한 고전위 장벽을 설치하여, 포토다이오드의 근처에서 발생된 전자가 전자에 대한 고전위 장벽을 갖는 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 을 통해 n 형 확산층 (5) 으로 들어가는 것을 방지한다. 이것은 이미지 센서가 스미어 문제점을 갖지 않게 한다.
따라서, 제 1 p 형 확산층의 불순물 농도가 감소하여 프린지 전계를 증가시키며 제 1 p 형 확산층을 끼우고 있는 제 2 및 제 3 확산층의 불순물 농도가 증가하여 스미어를 감소시키며 전하 전송 효율을 개선한다.
본 발명에 따른 실시예 2 는 전하 전송 효율의 개선을 허용할 뿐만 아니라 스미어 변형이 거의 없는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서의 단위화소를 도시하는 도 1 및 도 3 을 참조하여 상세하게 기재된다.
신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서는 도 1 에 도시된 것과 동일한 구조를 갖는다. 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 가 반도체 기판 (100) 상에 서로 평행하게 설치된다. 각 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 수직 방향으로 뻗어있다. 복수개의 포토다이오드 (101) 가 수직방향에서 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 를 따라 정렬된다. 즉, 포토다이오드 (101) 가 인접한 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서 정렬된다. 각 포토다이오드 (101) 는 전하 독출 게이트 영역 (103) 을 지나 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 에 접속된다. 수평 전하 결합 레지스터 (104) 가 수평방향으로 뻗어서 설치된다. 수평 전하 결합 레지스터 (104) 는 수직 전하 결합 레지스터 (102) 의 각 단부와 결합된다. 전하 검출부 (105) 가 수평 전하 결합 레지스터 (104) 의 단부에 설치된다. 출력 증폭기 (106) 가 또한 설치되어 전하 검출부 (105) 에 결합된다. 단위화소 (107) 는 파선으로 표시되며 포토다이오드 (101) 와 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 해당부분을 구비한다.
광이 포토다이오드 (101) 로 입사되며, 포토다이오드 (101) 의 광전 변환이 입사광을 전하로 변환시킨다. 광전 변환 전하는 전하 독출 게이트 영역 (103)을 통해 수직 전하결합소자 레지스터 (104) 를 통해 전하 검출부 (105) 로 전송된다. 광전 변화 전하는 출력 증폭기 (106) 를 통해 출력된다.
도 3 을 참조하면, p-웰 영역 (2) 이 n 형 실리콘 기판 (1) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 가 p 웰 영역 (2) 상에 형성된다. n 형 광전 변환기 (3) 는 포토다이오드 (101) 를 구성한다. p+ 확산층 (4) 이 암전류를 감소시키기 위해 n 형 광전 변환기 (3) 상에 설치된다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 는 n 형 실리콘 기판 (1) 상의 n 형 확산층 (5) 및 n 형 실리콘 기판 (1) 의 상부 영역에서 n 형 확산층 (5) 아래에 놓이는 p 형 확산층을 구비한다.
수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 p 형 확산층은 제 1 p 형 확산층 (6-1), 제 1 p 형 확산층 (6-1) 의 제 1 측부와 접촉하며 뻗어있는 제 2 p 형 확산층 (6-21), 및 제 1 p 형 확산층 (6-1) 의 제 2 측부와 접촉하며 뻗어있는 제 3 p 형 확산층 (6-22) 을 구비한다. 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 사이에서 뻗어 있으며, 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 보다 더 낮은 불순물 농도를 갖는다.
포토다이오드 (101) 와 해당 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 사이에서, 전하 독출 게이트 영역 (8) 이 설치된다. p+ 형 고립층 (7) 이 전하 독출 게이트 영역 (8) 에 대해 포토다이오드 (101) 의 반대측에 설치된다. 절연막 (9-1) 이 p+ 형 확산층 (4), n 형 확산층 (5), p+ 형 고립층 (7) 및 전하 독출 게이트 영역 (8) 상에 뻗어서 형성된다. 절연막 (9-1) 이 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 구비할 수 있다. 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 전송 게이트 전극 (10) 이 n 형 확산층 (5) 위에서 절연막 (9-1) 상에 설치된다. 전송 게이트 전극 (10) 은 폴리실리콘막을 구비할 수 있다. 절연막 (9-2) 은 또한 전송 게이트 전극 (10) 위에 설치된다. 차광막 (11) 이 또한 절연막 (9-2) 위에 설치된다. 차광막 (11) 은 텅스텐막 또는 알루미늄막을 구비할 수 있다.
포토다이오드에 의해 독출되는 전하 또는 전자가 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 를 통해 전송된다. 상기한 바와 같이, 종래 이미지 센서에서, n 형 확산층 (5) 근처의 p- 형 웰 (2) 에서 발생된 전자는 p 형 확산층 (6) 을 통해 n 형 확산층 (5) 으로 들어가게 되는데, 특히. n 형 광전 변환기 (3) 에 인접하여 있는 p 형 확산층의 양측 영역을 통하여 들어가게 된다.
하지만 본 발명에 따라서, 수직 전하결합소자 레지스터 (102) 의 p 형 확산층의 양측 영역은 불순물 농도가 증가하여 n 형 확산층 근처에서 p 형 웰 (2) 에서 발생된 전자가 n 형 확산층 (5) 으로 들어가는 것을 막기 위해 상승된 전위장벽을 갖는 p 형 확산층의 양측 영역을 설치한다. p 형 확산층의 이러한 전위장벽 구조물은 스미어가 나타나는 것을 방지한다.
하지만, 전하 전송 효율은 프린지 전계의 강도에 의존한다. 전송 채널의 중심부에서, 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 보다 물순물 농도가 낮은 제 1 p 형 확산층 (6-1) 이 설치된다. n 형 확산층 (5) 과 제 2 p 형 확산층 (6-21) 사이의 공간 전하 영역은 두께가 크다. n 형 확산층 (5) 과 제 3 p 형 확산층 (6-22) 사이의 공간전하 영역도 또한 두께가 크다. 따라서, 단위 영역 당 pn 접합 커패시턴스가 작아지게 된다. 이러한 이유로, 전송 게이트 전극 (10) 과 n 형 확산층 (5) 사이에서 단위 영역 당 커패시턴스는 크게 된다. 이것은 전송 게이트의 전위일 경우, 신호전하가 축적되는 n 형 확산층 (5) 의 일부의 전위변화를 크게 만든다. 결국, 전하 전송시 전송 채널 중심부의 프린지 전계가 크게 되어 전송 효율이 크게 된다.
제 2 실시예에서, 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 불순물 농도가 대략 1.2 x 1016cm-3이다. 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 은 불순물 농도가 대략 2.0 x 1016cm-3이다. 제 1 p 형 확산층 (6-1) 은 폭이 1㎛ 이다. 제 2 및 제 3 p 확산층 (6-21, 6-22) 의 폭은 1㎛ 이다. n 형 확산층은 불순물 농도가 대략 0.8 x 1017cm-3이며, 깊이가 0.6 ㎛ 이다. 이러한 경우에는 신호량 10mV 에 대해 전송 잔류가 0.2 mV 이었다.
종래 이미지 센서에서, p 형 확산층 (6) 은 2.0 x 1016cm-3의 균일한 불순물 농도를 갖는다. 이러한 경우에는 전술한 바와 같이 신호량 10 mV 에 대해 전송 잔류가 1mV 이었다. 따라서, 이 종래 p 형 확산층 (6) 과 비교하면, 본 발명의 실시예에서, 전송오차로 인해 전송되는 잔류 신호의 양은 종래 p 형 확산층 (6) 이 설치될 경우의 약 5 분의 1 로 감소한다.
반면에, 인접 포토다이오드에서 발생된 전자의 확산에 의해 상승된 스미어를 갖는다는 문제점에 대해, 본 발명에 따라, 제 1 p 형 확산층 (6-1)을 끼우고 있는 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22) 은 2.0 x 1016cm-3 의증가된 불순물 농도를 가지기 때문에 전자에 대한 고전위 장벽을 설치하여, 포토다이오드의 근처에서 발생된 전자가 전자에 대한 고전위 장벽을 갖는 제 2 및 제 3 p 형 확산층 (6-21, 6-22)을 통해 n 형 확산층 (5) 으로 들어가는 것을 방지한다. 이것은 이미지 센서가 스미어 문제점을 갖지 않게 한다.
따라서, 제 1 p 형 확산층의 불순물 농도가 감소하여 프린지 전계를 증가시키며 제 1 p 형 확산층을 끼우고 있는 제 2 및 제 3 확산층의 불순물 농도가 증가하여 스미어를 감소시키며 전하 전송 효율을 개선한다.
제 2 실시예에서는, 제 1 p 형 확산층 (6-1) 의 불순물 농도가 제 1 실시예의 불순물 농도보다 높기 때문에, 전하 전송 효율이 제 1 실시예에 비해 어느 정도 왜곡된다. 하지만, 제 2 실시예의 이미지 센서의 최대 전하 전송량은 제 1 실시예의 1.2 배이다.
본 발명의 변형물은 본 발명이 부속하고 잇는 기술의 당업자에게는 명백하지만, 도면을 통해 도시되고 기재된 바와 같은 실시예는 한정적인 의미로 고려될 의도는 없다는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위 내의 본 발명의 변형물은 청구범위에 의해 포함되어야 한다.
스미어 변형이 거의 없으며, 전하 전송 효율을 향상시키는 신규한 인터라인 전하결합소자 고체 이미지 센서를 제공할 수 있다.
Claims (13)
- 제 1 도전형 반도체 기판의 표면부에 설치된 제 2 도전형 웰 내에 형성된 제 1 도전형 확산층과,상기 제 1 도전형 확산층의 하부에 형성된 제 2 도전형 확산층과,상기 제 1 도전형 확산층의 표면에 절연막을 통하여 배열된 복수의 전송 게이트 전극으로 이루어지며,상기 제 2 도전형 확산층은 불순물의 농도가 폭방향으로 가변하여, 상기 제 2 도전형 확산층의 양측의 영역이, 상기 제 2 도전형 확산층의 중심영역보다, 불순물의 농도가 높으며,상기 제 2 도전형 확산층은제 1 불순물 농도를 갖는 제 1 영역,상기 제 1 영역의 제 1 측부와 접속하여 뻗어 있으며, 상기 제 1 불순물 농도보다 높은 제 2 불순물 농도를 갖는 제 2 영역, 및상기 제 1 영역의 제 2 측부와 접촉하여 뻗어 있으며, 상기 제 1 불순물 농도보다 높은 제 3 불순물 농도를 갖는 제 3 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 불순물 농도는 0.8 x 1016cm-3이며, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 2.0 x 1016cm-3이며, 상기 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 1.0 x 1017cm-3인 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 불순물 농도는 1.2 x 1016cm-3이며, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 2.0 x 1016cm-3이며, 상기 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 1.0 x 1017cm-3인 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 확산층은 그의 양측편에서 불순물 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 1 항에 있어서, 주 캐리어는 전자이며 상기 제 1 도전형은 n 형이며, 상기 제 2 도전형은 p 형인 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 수직방향으로 상호 평행하게 연장되어 있는 복수개의 수직 전하결합소자 레지스터와,상기 수직 전하결합소자 레지스터의 각각의 일측을 따라서 정렬되어 인접한 두 수직 전하결합소자 레지스터 사이에서 정렬되며, 전하 독출 게이트 영역을 지나 상기 수직전하결합소자 레지스터 각각에 접속되는 포토다이오드와,수평방향으로 서로 평행하게 연장되어 있는 복수개의 수평 전하결합소자 레지스터와,수평 전하결합소자 레지스터로부터의 전하를 검출하는 전하검출부와,출력증폭기를 구비하며,상기 수직 전하결합소자 레지스터는 제 1 도전형 반도체 기판의 표면부에 설치된 제 2 도전형 웰 내에 형성된 제 1 도전형 확산층과,상기 제 1 도전형 확산층의 하부에 형성된 제 2 도전형 확산층과,상기 제 1 도전형 확산층의 표면에 절연막을 통하여 배열된 복수의 전송 게이트 전극으로 구성되어 있으며,상기 제 2 도전형 확산층은 불순물 농도가 폭방향으로 가변하여, 상기 제 2 도전형 확산층의 양측 영역이 상기 제 2 도전형 확산층의 중심영역보다 불순물 농도가 높은 것을 특징으로 하는 인터라인 고체 이미지 센서.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 확산층은제 1 불순물 농도를 갖는 제 1 영역,상기 제 1 영역의 제 1 측부와 접촉하며 뻗어 있으며, 상기 제 1 불순물 농도보다 높은 제 2 불순물 농도를 갖는 제 2 영역, 및상기 제 1 영역의 제 2 측부와 접촉하며 뻗어 있으며, 상기 제 1 불순물 농도보다 높은 제 3 불순물 농도를 갖는 제 3 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 인터라인 고체 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 인터라인 고체 이미지 센서.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 불순물 농도는 0.8 x 1016cm-3이며, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 2.0 x 1016cm-3이며, 상기 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 1.0 x 1017cm-3인 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 불순물 농도는 1.2 x 1016cm-3이며, 상기 제 2 및 제 3 불순물 농도는 2.0 x 1016cm-3이며, 상기 제 1 도전형 확산층의 불순물 농도는 1.0 x 1017cm-3인 것을 특징으로 하는 수직 전하결합소자 레지스터.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 확산층은 그의 양측편에서 불순물 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 인터라인 고체 이미지 센서.
- 제 7 항에 있어서, 주 캐리어는 전자이며 상기 제 1 도전형은 n 형이며, 상기 제 2 도전형은 p 형인 것을 특징으로 하는 인터라인 고체 이미지 센서.
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