KR100339294B1

KR100339294B1 - 고체 이미지 센싱 장치와 그 구동방법

Info

Publication number: KR100339294B1
Application number: KR1019990004993A
Authority: KR
Inventors: 후루미야마사유끼
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛뽕덴끼 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2002-06-03
Also published as: JPH11234571A; TW406427B; KR19990072638A; US6825879B1; CN1139133C; CN1226749A; JP2950317B2

Abstract

고체 이미지 센싱 장치에 있어서, 광전변환소자는 반도체기판상에 2차원 매트릭스형상으로 배열된다. 트랜스퍼 게이트부는 각 광전변환소자에 인접하여, 광전변환소자에 축적된 신호전하를 판독한다. 수직 CCD는 트랜스퍼 게이트부에 인접하여, 광전변환소자로부터 판독된 신호전하를 수직방향에 전송한다. 수평 CCD는 수직 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향에 전송한다. 전하검출부는 수평 CCD에서 전송된 신호전하를 검출하여 출력한다. 4 개의 수직 전송전극은 신호전하의 수직 방향의 상기 수직 CCD에 서로 인접하며 형성된다. 수직전송전극은 수직방향으로 서로 인접한 제 1 및 제 2 전송전극을 포함한다. 제 1 수직전송전극은 제 2 수직전송전극보다 긴 길이를 가지며, 트랜스퍼 게이트부의 제어를 겸한다. 이의 구동방법도 기재되어 있다.

Description

고체 이미지 센싱 장치와 그 구동방법{Solid-State Image Sensing Device and Method of Driving the Same}

본 발명은 전체 화소 동시 판독 방식의 고체 이미지 센싱 장치와 그 구동방법에 관한 것으로, 특히 수직 CCD (Charge Coupled Device)에 판독된 신호전하를 전송하기 위한 수직전송전극의 구조와 수직전송전극에 인가되는 구동전압의 설정에 관한 것이다.

최근, 고체 이미지 센싱 장치를 이용한 업무용 또는 가정용 비디오 카메라가 널리 보급되고 있다. 이들 종래의 업무용 또는 가정용 비디오 카메라는 텔레비전방식(NTSC 또는 PAL)에 대응하기 위한 수평신호라인을 1라인 걸러서 주사하는 인터레이싱 (interlaced) 방식 (인터레이싱 주사방식)을 채용하고 있었다.

한편, 최근에는 퍼스널 컴퓨터용의 이미지 입력 카메라가 중점적으로 개발되고 있다. 이 종류의 카메라는 수평주사방식과 같이, 고해상도 정지 이미지를 얻고, 컴퓨터의 디스플레이로 출력을 쉽게 하기 위하여, 논인터레이싱(non-interlaced)방식을 채용하고 있다. 논인터레이싱 방식의 카메라에 이용되는 고체 이미지 센싱 장치는, 전체 화소의 신호전하를 동시에, 또한 독립적으로 판독하여야만 한다. 이 판독 방식은 전체 화소 동시판독 방식, 또는 프로그래시브 스캔(progressive scan)방식이라고 불린다 (참고 문헌: Okuya et al., 'A 1/3-inch 330k Square-Pixel Progressive-Scan IT-CCD Image Sensor', 1995 ITE Annual Convention, pp. 93-94, 1995년).

도 10 은 종래의 전체 화소 동시 판독 방식 인터라인형 CCD 고체 이미지 센싱 장치를 도시한다.

이 이미지 센싱 장치는 크게 이미지 센싱부 (1), 수평 CCD (2), 출력부(전하검출부) (3)로 나뉘어 진다. 이미지 센싱부 (1)에는, 광전변환된 신호전하를 축적하는 다수의 포토다이오드 (4)가 2차원 매트릭스형상으로 배치되어 있다. 각 포토다이오드열의 사이에는, 수직방향에 신호전하를 전송하는 수직 CCD (5)가 배치되어 있다. 포토다이오드 (4)와 수직 CCD (5)와의 사이에는, 각 포토다이오드 (4)로부터 대응하는 수직 CCD (5)까지의 신호전하를 판독하는 트랜스퍼 게이트영역 (10)이 형성되어 있다. 이미지 센싱부 (1)에서, 포토다이오드 (4), 수직 CCD (5) 및 트랜스퍼 게이트영역 (10)이외의 부분은 소자분리영역 (11)이다.

상술된 배치의 고체 이미지 센싱 장치의 동작을 설명한다. 일정 기간내에 포토다이오드 (4)에 의하여 광전변환된 신호전하는, 트랜스퍼 게이트영역 (10)을 통해 수직 CCD (5)에 판독된다. 수직 CCD (5)에 판독된 신호전하는, 1 수평라인 단위로 수평 CCD (2)에 전송된다. 수평 CCD (2)에 전송된 신호전하는 출력부 (3)까지 전송되어 검출된다.

도 11 은 도 10 의 고체 이미지 센싱 장치의 포토다이오드 (4) 및 수직 CCD (5)을 도시한다. 도 11 은 수평과 수직방향으로 3 x 2 화소만을 도시한다. 도 12 는 도 11 에 도시된 구조를 확대하여 자세히 설명한다. 도 13 은 도 12의 C-C 선의 단면을 도시한다.

도 11 내지 13 에 따르면, 각 포토다이오드 열의 사이에는, 폴리실리콘으로 구성되고 수직전송전극 (6,7,8, 및 9)을 구비하는 수직 CCD (5)가 배치되어 있다.이들 4개의 수직전송전극 (6 내지 9)은 각각 각 수직 CCD(5)에 걸쳐 공통적으로 포토다이오드 (4) 단위로 형성되고 있다. 수직전송전극 (8)은 포토다이오드 (4)로부터 수직 CCD (5)에 신호전하를 판독하기 위한 트랜스퍼 전극의 역할을 겸하고 있다. 도 13 을 참조하면, 반도체기판 (12)과 수직전송전극 (6 내지 9) 사이 및 각 수직전송전극 사이에는 절연막 (도시되어 있지 않음)이 형성되어 있다. 수직전송전극 (6 내지 9)에는, 4상의 구동펄스 (φV1, φV2, φV3, φV4)가 각각 인가된다.

다음에, 전체 화소 동시판독 방식의 상술된 고체 이미지 센싱 장치의 수직 CCD (5)의 구동방법에 관해서 설명한다.

도 14(a) 내지 14(d)는, 판독과 그 직후의 수직전송기간에 수직전송전극 (6 내지 9)에 인가되는 구동펄스의 파형을 도시한다. 도 15(a) 내지 15(g)는, 도14(a) 내지 14(d)의 각 시간 (t0-t5)에 있어서의 신호전하의 축적상태와 전송 상태를 나타내는 포텐셜을 도시한다. 또, 구동펄스전압이 높을 수록, 포텐셜은 커진다. 또한, 도 15(a) 내지 도 15(g)에서는, 도면의 하부 방향으로 갈수록 포텐셜이 커진다. 반대로, 도면의 상부 방향으로 갈수록 전자에 대한 포텐셜은 증가한다.

도 15(b)에 도시된 바와 같이, 시간 (t0)에서는, 트랜스퍼 전극을 겸하는 수직전송전극 (8) (도 14(c)) 에 하이 레벨 (VH)의 구동펄스 (φV3)를 인가하여, 포토다이오드 (4)로부터 수직 CCD (5)에 신호전하 (30)를 판독한다. 이 때, 구동펄스 (φV1, φV4)는 로우 레벨 (VL)(도 14(a)와 도 14(d))이고, 구동펄스(φV2)는 미들레벨 (VM) (VL<VM<VH)이다.

도 15(c)에 도시된 바와 같이, 시간 (t1)에서는, 수직전송전극 (8)에 인가되는 구동펄스 (φV3)는 미들레벨 (VM)이 되어 (도 14(c)), 구동펄스 (φV2, φV3)에 각각 해당하는 수직전송전극 (7,8)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

시간 (t2)에서는, 수직전송전극 (9)에 인가되는 구동펄스 (φV4)는 미들레벨 (VM)로 설정되어 (도 14(d)), 구동펄스 (φV2, φV3, φV4)에 해당하는 수직전송전극 (7,8,9)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

도 15(e)에 도시된 바와 같이, 시간 (t3)에서는, 수직전송전극 (7)에 인가되는 구동펄스 (φV2)를 로우 레벨 (VL)로 설정되고, 구동펄스 (φV3, φV4)에 해당하는 수직전송전극 (8,9)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

도 15(f)에 도시된 바와 같이, 시간 (t4)에서는, 수직전송전극 (6)에 인가되는 구동펄스 (φV1)는 미들레벨 (VM)로 설정되고, 구동펄스 (φV3, φV4, φV1)에 해당하는 수직전송전극 (8,9,6)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

도 15(g)에 도시된 바와 같이, 시간 (t5)에서는, 수직전송전극 (8)에 인가되는 구동펄스 (φV3)는 로우레벨 (VL)로 설정되고, 구동펄스 (φV4, φV1)에 해당하는 수직전송전극 (9,6)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

이와 같이 순차적 구동펄스를 인가함으로써, 도 15(a) 내지 도15(g)에 도시된 바와 같이 신호전하는 도면의 왼쪽방향에 전송된다. 이러한 구동펄스의 인가방법을 더블 클락킹법 (double clocking)이라고 불리운다. 이 방법의 특징은 전송 동안의 상태와 상관없이 항상 2전극이상이 미들레벨 (VM)로 설정되어 있다는 점이다.

여기서, 수직 CCD (5)에 의하여 전송할 수 있는 최대의 전하량은, 시간 (t1,t3, 또는 t5)에서, 수직전송방향에 인접하는 2개의 수직전송전극에 인가되는 구동펄스의 레벨이 미들레벨 VM이고, 나머지 수직전송전극에 인가되는 구동펄스의 레벨이 로우 레벨 (VL)이라는 상태에 의해 제한된다. 즉, 수직 CCD (5)의 최대전송전하량은 수직전송방향에 인접하는 2개의 전극에 축적될 수 있는 전하량으로 결정된다.

포토다이오드 (4)로부터 수직 CCD (5)에의 신호전하의 판독에 관해서 검토한다. 포토다이오드 (4)에 축적된 신호전하는 트랜스퍼 전극을 겸하는 수직전송전극 (8)에 하이레벨 (VH)의 구동펄스를 인가함으로써 판독된다. 완전 판독에 필요한 판독 전압은 트랜스퍼 게이트영역 (10)의 판독 채널폭 (W)에 달려있다.특히, 판독 채널폭 (W)이 넓으면, 낮은 인가전압으로 판독이 완료된다.

한편, 판독채널 폭 (W)이 좁으면, 내로우 (narrow) 채널효과에 의하여 채널전위는 낮아진다. 보다 높은 전압을 트랜스퍼 전극을 겸하는 수직전송전극 (8)에 인가하지 않으면, 완전한 판독은 수행될 수 없다.

도 11 에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드당 4개의 수직전송전극 (6 내지 9)이 형성된다. 이 경우, 수직전송전극을 균등 분할하여 수직전송전극 (6내지 9)의 전송방향의 전극 길이가 모두 같은 경우 (도 13 의, L1=L2=L3=L4), 이 전극 길이는 화소크기의 약1/4이 된다. 예를들어, 화소크기가 6.7㎛²인 경우, 전극간격은 0. 2㎛이고, 각 전극길이 (L1,L2,L3,L4)는 1.475㎛이 된다. 따라서, 트랜스퍼 게이트영역 (10)의 판독 채널폭 (W)(=수직전송전극 (8)의 전극길이 (L3))은 1.475㎛ 이하가 된다.

도 16 은 판독 채널폭 (W) 에 대한 판독 완료 전압의 의존성의 시뮬레이션결과를 도시한다. 도 16 으로부터 명확하듯이, 트랜스퍼 게이트영역 (10)의 판독채널폭 (W)이 1.475㎛인 경우, 판독 완료전압은 약 15.5V 정도의 고전압이다. 제조상의 불균일등을 고려하면, 판독 펄스는 17.5V 이상으로 설정되어야만 하고, 이는 카메라의 저전압화를 어렵게 하는 문제가 있다.

이러한 판독 완료전압의 상승을 피하는 방법으로서, 다음과 같은 방법이 채용된다. 도 17 은 트랜스퍼 게이트영역 (10)의 판독채널폭 (W)을 확대한 CCD 고체 이미지 센싱 장치의 포토다이오드 (4) 및 수직 CCD (5)를 도시한다. 도 17 은 수평 수직방향에 3 x 2 화소분만 나타내고 있다.

도 17 에 도시된 고체 이미지 센싱 장치의 특징은, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (8)의 수직전송방향의 전극 길이는 그 이외의 수직전송전극의 전극장보다도 길다. 이 배치로, 트랜스퍼 게이트영역 (10)의 판독채널폭 (W)은 커질 수 있으며, 판독 전압의 감소가 기대된다.

도 18(a) 내지 도 18(b)는 도 17 에 도시된 전극구성을 갖는 고체 이미지 센싱 장치에 있어서의 신호전하의 축적상태와 전송 상태를 나타내는 전위를 도시한다. 수직 CCD (5)의 구동방법은 도 11 에 도시된 전극구성을 갖는 고체 이미지 센싱 장치와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이 고체 이미지 센싱 장치에 있어서, 트랜스퍼전극 (8)을 제외한 3개의 수직전송전극 (6,7,9)의 수직전송방향의 전극길이는 트랜스퍼전극 (8)의 전극 길이보다도 짧다. 이런 이유에서, 시간 (t5)에서는 전극길이가 짧은 2개의 수직전송전극 (6,9)의 하부에 전하가 축적된다. 수직 CCD (5)의 최대전송전하량이 제한되기 때문에, 도 11 에 도시된 전극구조를 갖는 고체 이미지 센싱 장치보다도 다이나믹 레인지는 작아진다.

상술된 바와 같이, 종래의 고체 이미지 센싱 장치에서는 전압은 거의 감소되지 않는다. 또한, 저전압화를 실현하기 위해서 트랜스퍼 게이트영역의 판독채널폭을 확대한 고체 이미지 센싱 장치에서는, 다이내믹 레인지가 작아진다.

본 발명의 목적은 다이내믹 레인지(최대 전송 전하량)을 저하시키지 않으며, 저전압화를 실현할 수 있는 고체 이미지 센싱 장치와 그 구동방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 반도체기판상에 2차원 매트릭스형상으로 배열된 광전변환소자, 광전변환소자에 인접하여 상기 광전변환소자에 축적된 신호전하를 판독하는 트랜스퍼 게이트부, 트랜스퍼 게이트부에 인접하여 광전변환소자로부터 판독된 신호전하를 수직방향에 전송하는 수직 CCD, 수직 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향에 전송하는 수평 CCD, 수평 CCD에서 전송된 신호전하를 검출하여 출력하는 전하검출부, 및 신호전하의 수직 방향의 수직 CCD에 서로 인접하며 형성된 4 개의 수직 전송전극을 포함하며, 수직전송전극은 신호전하의 수직 전송방향으로 서로 인접한 제 1 및 제 2 수직전송전극을 구비하며, 제 1 수직전송전극은 제 2 수직전송전극보다 긴 길이를 가지며, 상기 트랜스퍼 게이트부의 제어를 겸하는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치가 제공된다.

도 1 은 도 19 에 도시된 포토다이오드 및 수직 CCD의 개략적 배치를 도시하는 평면도.

도 2 는 도 1 에 도시된 포토다이오드 및 수직 CCD 의 확대 평면도.

도 3 은 도 2 의 A-A 선 단면도.

도 4 는 도 2 의 B-B 선 단면도.

도 5 는 수직전송전극의 전극길이에 대한 포토다이오드 장벽의 의존성의 시뮬레이션 결과를 도시하는 그래프.

도 6(a) 내지 도 6(c) 은 도 1 에 도시된 CCD 고체 이미지 센싱 장치에 있어서의 짧은 쪽의 수직전송전극의 단축한계를 설명하기 위한 포텐셜을 도시하는 도.

도 7 은 본 발명의 제 2 실시예의 CCD 고체 이미지 센싱 장치의 개략적인 배치를 도시하는 평면도.

도 8(a) 내지 도 8(d) 는 도 7 에 도시된 CCD 고체 이미지 센싱 장치에 있어서, 판독시와 그 직후의 수직전송기간에 수직전송전극에 인가되는 구동펄스의 파형을 도시하는 타이밍도.

도 9(a) 내지 9(g)는 도 8(a) 내지 도 8(d)의 각 시간에서의 신호전하의 축적상태와 전송의 상태를 도시하는 포텐셜을 도시하는 도.

도 10 은 종래의 전체 화소 동시 판독 방식의 인터라인형 CCD 고체 이미지 센싱 장치의 평면도.

도 11 은 도 10 에 도시된 포토다이오드 및 수직 CCD의 배치를 도시하는 평면도.

도 12 는 도 11 에 도시된 포토다이오드 및 수직 CCD 의 확대 평면도.

도 13 은 도 12 의 A-A 선 단면도.

도 14(a) 내지 도 14(d) 는 도 1 과 도 10 에 도시된 CCD 고체 이미지 센싱 장치에 있어서, 판독시와 그 직후의 수직전송기간에 수직전송전극에 인가되는 구동펄스의 파형을 도시하는 타이밍도.

도 15(a) 내지 도 15(g) 는 도 14(a) 내지 14(d)의 각 시간에서의 신호전하의 축적상태와 전송상태를 나타내는 포텐셜을 도시하는 도.

도 16 은 판독 채널폭에 대한 판독 완료전압의 의존성의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도.

도 17 은 트랜스퍼 게이트영역의 판독채널폭을 확대한 고체 이미지 센싱 장치의 포토다이오드 및 수직 CCD의 개략 평면도.

도 18(a) 내지 도 18(g) 은 도 17 에 도시된 고체 이미지 센싱 장치에 있어서의 신호전하의 축적상태와 전송상태를 나타내는 포텐셜을 도시하는 도.

도 19 는 본 발명의 제 1 실시예의 CCD 고체 이미지 센싱 장치의 평면도.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

1 : 이미지 센싱부 2 : 수평 CCD

3 : 전하검출부 4 : 포토다이오드

105, 205 : 수직 CCD

106, 107, 108, 109, 206, 207, 208, 209 : 수직전송전극

110, 210 : 트랜스퍼 게이트부

11 : 소자분리영역

12 : 반도체기판

φV1, φV2, φV3, φV4 : 구동펄스

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세히 설명된다.

[제 1 실시예]

도 19 는 본 발명의 제 1 실시예의 CCD 고체 이미지 센싱 장치를 도시한다.본 실시예의 이미지 센싱 장치는 크게 이미지 센싱부 (101), 수평 CCD (102), 및 출력부 (103) (전하검출부)로 나누어져 있다. 이미지 센싱부 (101)에 있어서, 광전변환 신호전하 축적용 다수의 포토다이오드 (104)가 매트릭스로 2차원적으로 배치되어있다. 수직방향으로 신호전하를 전송하는 수직 CCD (105)는 포토다이오드선 사이에 배치되어 있다. 각 포토다이오드 (104)에서 해당하는 수직 CCD(105)으로의 신호전하 판독용 트랜스퍼 게이트영역 (104)이 포토다이오드 (104)와 수직 CCD (105) 사이에 형성되어 있다. 이미지 센싱부 (101)에 있어서, 포토다이오드 (104), 수직 CCD (105), 및 트랜스퍼 게이트영역 (110) 이외의 영역은 소자분리영역 (111)이다.

상기 배치의 고체 이미지 센싱 장치의 동작이 설명된다. 소정의 주기내에서 포토다이오드 (104)에 의하여 광전변환된 신호전하는 트랜스퍼 게이트영역 (110)을 통하여 수직 CCD (105)로 판독된다. 수직 CCD (105)로 판독되는 신호전하는 수평선 단위로 수평 CCD (102)로 전송된다. 수평 CCD (102)로 전송되는 신호전하는 출력부 (103)로 전송되고 검출된다.

도 1 은 도 19 에 도시된 고체 이미지 센싱 장치의 포토다이오드 (104) 및 수직 CCD (105)를 도시한다. 도 1 은 수평 및 수직방향에 3 x 2 의 화소분만을 나타내고 있다. 도 2 는 도 1 에 도시된 구조를 확대하여 상세히 도시한다. 도 3 은 도 2 의 A-A 선 단면도이다. 도 4 는 도 2 의 B-B 선 단면도이다. 도 2 에서, (후술될) 절연막 및 차광막은 도시되어 있지 않다. 도 3 에서, (후술될) N 형 반도체기판 (112)과 수직전송전극 (106 내지 109)와의 사이, 및 각 수직전송전극사이에 있는 절연막은 도시되어 있지 않다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에서, 도 4 에 도시된 바와 같이, N 형 반도체기판 (112)상에 P 형 웰 (113)이 형성되어 있다. 그리고, 이 P 형 웰 (113)상에, 2차원 매트릭스형상으로 배열되고 N 형 반도체로 이루어지는 포토다이오드(광전변환소자)(104)가 형성되어 있다.

각 포토다이오드열의 사이에는, N 형 반도체로 이루어지는 수직 CCD (105)가 형성되어 있다. P⁺형 반도체로 이루어지는 소자분리영역 (111)이 형성된다. 반도체기판 (112)상의 P 형 웰 (113) 중 소자분리영역 (111)이 형성되지 않는 부분은 트랜스퍼 게이트부 (100)에 대응한다. 이러한 구조상에 폴리실리콘의 수직전송전극 (106, 107, 108, 109)이 형성되어 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 4개의 수직전송전극 (106 내지 109)은 각각 각 수직 CCD (105)에 걸쳐 공통적으로 포토다이오드 (104) 단위로 형성되어 있다. 수직전송전극 (108)은 포토다이오드 (104)로부터 수직 CCD (105)에 신호전하를 판독하기 위한 트랜스퍼전극을 겸하고 있다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 반도체기판 (112)상에 절연막(도 4 의 절연막 (114))을 관통하여 폴리실리콘의 수직전송전극 (106)이 형성되어 있다. 수직전송전극 (106) 상에 절연막 (도시되어 있지 않음) 이 형성되고, 이 절연막상에 수직전송전극 (106)의 일부를 도포하도록 폴리실리콘의 수직전송전극 (107, 109)이 형성되어 있다. 수직전송전극 (107, 109)상에는 절연막 (도시되어 있지 않음)이 형성되고, 이 절연막상에 수직전송전극 (106, 107, 109)의 일부를 도포하도록 폴리실리콘의 수직전송전극 (108)이 형성되어 있다.

이러한 구조의 표면을 도포하도록 절연막이 형성된 후, 도 4 에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 (104)이외의 부분을 도포하도록 차광막 (115)이 형성된다. 도 3 을 참조하면, 수직전송전극 (106, 107, 108, 109)에 Al 등의 배선을 통해 위상이 다른 4상의 구동펄스 (φV1,φV2,φV3,φV4)가 각각 공급되어, 이러한 구조는전체 화소 동시판독 방식의 고체 이미지 센싱 장치로서 기능한다.

본 실시예의 CCD 고체 이미지 센싱 소자의 특징으로서, 수직전송방향(도 1, 도 2의 수직방향)에 인접하는 임의의 2개의 수직전송전극의 전극 길이의 합은 유효 이미지 센싱부 (도 19 에 도시된 이미지 센싱부 (101))내의 어떤 부분에서도 동일하다. 또한, 2개의 수직전송전극은 다른 전극 길이를 구비하며, 수직전송전극은 교번하며 동일한 전극 길이를 구비한다. 더욱이, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (108)의 전극 길이 (L3)가 수직전송방향에 인접하는 2개의 수직전송전극 (107, 109)의 전극 길이 (L2,L4)보다 길다.

즉, 수직전송전극 (106 내지 109)은, 그 전극 길이가 장, 단, 장, 단,···의 순서로 반복적으로 형성된다. 수직전송전극 (106 내지 109)의 전극 길이는 수직전송방향의 전극 길이이다. 수직전송방향의 전극 길이는 절연막(도 3 에 도시되어 있지 않음)을 통해 반도체기판 (12)과 대향하는 전극 부분의 길이를 의미한다. 상기 전극 구조로, 트랜스퍼전극 (108)의 전극 길이 (L3)는 1.8㎛ 정도까지의 길이가 될 수 있다.

도 16 에 도시된 시뮬레이션 결과에 분명하듯이, 트랜스퍼 게이트부 (100)의 판독채널폭 (W)(=수직전송전극 (108)의 전극 길이 (L3))이 1.8㎛의 경우, 판독 완료전압은 약 13V 이다. 제조상의 불균일을 고려하더라도, 최저 15V에서 포토다이오드 (104)의 판독은 완료될 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 도 11 에 도시된 종래의 고체 이미지 센싱 장치보다도 판독 완료전압(구동펄스의 하이 레벨 (VH))을 낮게 할 수 있다. 15V의 전원은 일반적인 비디오카메라등에 사용되므로, 이러한 판독 완료전압의 저감은 굉장히 유리하다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에 있어서 수직 CCD (105)의 구동방법은 도 11 에 도시된 종래 기술과 동일하다. 도 14(a) 내지 도 14(d) 및 도 15(a) 내지 도 15(g)를 참조하여 이는 설명된다. 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 시간 (t0)에는, 트랜스퍼전극을 겸하는 수직전송전극 (108)에 하이 레벨 (VH)의 구동펄스 (φV3)를 인가하여, 포토다이오드 (104)로부터 수직 CCD (105)에 신호전하 (30)를 판독한다. 이 때, 구동펄스 (φV1 내지 φV4)는 로우 레벨 (VL)이고 (도 14(a),도 14(d)), 구동펄스 (φV2)는 미들레벨 (VM) (VL<VM<VH)이다 (도 14(b)).

도 15(c)에 도시된 바와 같이, 시간 (t1)에는, 수직전송전극(108)에 인가되는 구동펄스 (φV3)가 미들레벨 VM (도 14(c))이 되어, 구동펄스 (φV2,φV3)에 각각 해당하는 수직전송전극 (107, 108)의 하부에만 신호전하가 축적된다. 도 15(d)에 도시된 바와 같이, 시간 (t2)에는, 수직전송전극 (109)에 인가되는 구동펄스 (φV4)가 미들레벨 (VM)이 되어 (도 14(d)), 각각 구동펄스 (φV2,φV3,φV4)에 해당하는 수직전송전극 (107,108,109)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

도 15(e)에 도시된 바와 같이, 시간 (t3)에는, 수직전송전극 (107)에 인가되는 구동펄스 (φV2)가 로우 레벨 (VL)(도 14(b))이 되어 (도 14(b)) , 각각 구동펄스 (φV3,φV4)에 해당하는 수직전송전극 (108, 109)의 하부에만 신호전하가 축적된다. 도 15(f)에 도시된 바와 같이, 시간 (t4)에는, 수직전송전극 (106)에 인가되는 구동펄스 (φV1)가 미들레벨 VM (도 14(a))이 되어 (도 14(a)), 각각 구동펄스 (φV3, φV4, φV1)에 해당하는 수직전송전극 (108, 109, 106)의 하부에만 신호전하가 축적된다.

도 15(g)에 도시된 바와 같이, 시간 (t5)에는, 수직전송전극 (108)에 인가되는 구동펄스 (φV3)는 로우 레벨 (VL)이 되어 (도 14(c)), 구동펄스 (φV4,φV1)에 해당하는 수직전송전극 (109, 106)의 하부에만 신호전하가 축적된다. 이와 같이 구동펄스를 순차적으로 인가함으로써, 도 15 (a)에 도시된 바와 같이, 신호전하가 전하 전송 방향 (수직방향)으로 전송된다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에서는, 트랜스퍼전극을 겸하는 수직전송전극 (108)의 전극 길이 (L3)는 증가되고, 수직전송전극 (106 내지 109)의 전극 길이는 교번적으로 동일하다.

상술된 바와 같이, 수직 CCD (105)의 최대전송전하량은 서로 인접하는 2개의 전극에 축적할 수 있는 전하량으로 결정된다. 여기서 주목해야 할점은, 수직전송전극 (106 내지 109)의 전극 길이가 장, 단, 장, 단···이 반복되며 설정되므로, 수직전송방향에 인접하는 임의의 2개의 수직전송전극의 전극 길이의 합은 항상 동일하다. 4개의 수직전송전극 (6 내지 9)의 전극 길이가 모두 같은 도 11에 도시된 종래 기술과 동일한 량의 전하량을 축적될 수 있으므로, 충분한 다이내믹 레인지가 확보될 수 있다.

만약 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (108)의 전극 길이 (L3)가 너무 길어지면, 이로인해 전극 (108)에 인접하는 수직전송전극 (107,109)의 전극 길이 (L2,L4)는 극단적으로 짧아진다. 전극 길이의 단축한계에 관해서 고찰한다.

여기서는, 로우 레벨 (VL)의 구동펄스가 인가되는 수직전송전극 하부의 채널전위와 미들레벨 (VM)의 구동펄스가 인가되는 수직전송전극 하부의 채널전위와의 차는 전위 장벽이라고 정의된다. 또한, 로우 레벨 (VL)의 구동펄스가 인가되는 수직전송전극의 전극 길이는 L 로 나타낸다.

도 5 는 전극 길이 (L) 에 대한 전위 장벽의 의존성의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 로우 레벨 (VL)의 구동펄스가 인가되는 수직전송전극의 전극 길이 (L)가 짧게되면, 채널 길이가 짧아지며, 쇼트채널효과에 의해 전위 장벽이 서서히 작아진다.

도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에 있어서의 수직전송전극의 단축한계를 설명한다. 여기서, 도 6(b)과 도 6(c)는, 각각 도 14(a) 내지 14(d), 및 도 15(a) 내지 도 15(g)에 있어서의 시간 (t3,t4)에서의 전하축적상태를 나타내고 있다. 또한, 수직전송방향에 인접하는 2개의 수직전송전극의 전극 길이의 합을 L5, 이들 수직전송전극의 짧은 전극 길이를 L6, (L2, L4= L6), 시간 (t3,t4)에서의 전위 장벽의 높이는 각각 H1, H2로 나타낸다. 도 6(a) 내지 6(c)에서, 도면 하부측 방향으로 갈수록 전위는 높아진다. 다시 말하면, 도면 상부측방향으로 갈수록 전자에 대한 전위는 증가한다.

최대전송전하량은, 전하 장벽의 높이와 축적가능한 채널 길이 (이 경우에는, 미들레벨 (VM)의 구동펄스가 인가되는 연속적인 전극 길이의 합)의 곱에 거의 비례하는 것이 제안된다. 비례계수를 k로 하고, 시간 (t3)에 있어서의 최대전송전하량 (Q1)은 k ×H1 × L5이고, 시간 (t4)에 있어서의 최대전송전하량 (Q2)은 k × H2 ×(2L5-L6)이 된다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에서, 수직전송방향에 인접하는 2개의 수직전송전극의 전극 길이의 합은 항상 일정하기 때문에, 로우 레벨 (VL)의 구동펄스가 인가되는 수직전송전극의 전극 길이의 합도 L5이다. 이 값은 장, 단 2개의 전극의 전극 길이의 비율이 변하더라도 변화하지 않는다. 도 5 로부터 분명하듯이, 전위 장벽 (H1)은 항상 소정의 값을 구비한다. 그러므로, 최대전송전하량 (Q1)도 항상 일정한 값을 구비한다.

한편, 도 6(c)에 도시된 시간 (t4)에서의 3 전극 축적상태에서는, 최대전송전하량 (Q2)은 전극 길이 (L6)에 의존한다. 도 5 에서 명확하듯이, 전극 길이 (L6)이 짧아지면, 전위 장벽 (H2)은 감소한다. 특히 전극 길이 (L6)이 짧을 수록, 전위 장벽 (H2)은 급격히 감소한다. 전극 길이 (L6)이 짧게되면, 축적가능한 채널 길이 (2L5-L6)는 증가한다. 그 증가율 보다 전위 장벽 (H2)의 감소율이 크면, 최대전송전하량 (Q2)은 감소한다. 따라서, 충분한 최대전송전하량을 확보하기 위해서는, 전극 길이 (L2)는 Q1≤Q2 를 만족하여야만 한다.

종래에는, 수직전송전극의 전극 길이가 너무 길면, 전송방향의 프린지 (fringe) 전계가 약해져 전송효율이 악화하는 경우가 있다. 이런 이유에서, 함부로 전극 길이를 길게 할 수 없었다. 그러나, 최근은 화소치수가 축소되어, 1 전극당 전극 길이가 2㎛ 정도 이하이면, 프린지전계는 약화되지 않는다. 수십 kHz 정도의 전송주파수이면 아무런 문제가 없다.

[제 2 실시예]

도 7 은 본 발명의 제 2 실시예의 CCD 고체 이미지 센싱 장치를 도시한다. 도 7 은 수평 수직방향에 3 x 2 화소분만을 도시한다. 화소의 구성은 제 1 실시예와 거의 동일하다.

특히, 제 1 실시예에서와 같이, 각 포토다이오드열 사이에 폴리실리콘의 수직전송전극 (206,207,208,209)를 구비하는 수직 CCD (205)가 형성되어 있다.

4개의 수직전송전극 (206 내지 209)은 각각 각 수직 CCD (205)에 걸쳐 공통적으로 포토다이오드 (204) 단위로 형성되어 있다. 수직전송전극 (208)은 트랜스퍼전극을 겸하고 있다. 수직전송전극 (206 내지 209)의 단면구조는, 도 3 및 도 4 에 도시된 제 1 실시예의 이미지 센싱 장치의 구조와 동일하다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치의 특징은, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (208)은 가장 긴 전극 길이를 가지며, 수직전송전극 (208)와 직접 인접하지 않는 수직전송전극 (206)는 두번째로 긴 전극 길이를 갖는다. 이 배치로, 본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에서는, 제 1 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에 비교하면, 트랜스퍼전극 (208)의 전극 길이는 2.0㎛ 이상으로 길게 할 수 있다.

도 16 의 시뮬레이션 결과에서 명확하듯이, 트랜스퍼 게이트부 (210)의 판독채널폭 (W)(=수직전송전극 (208)의 전극 길이)이 2.0㎛의 경우, 판독 완료전압은 약 12V 이다. 제조상의 불균일을 고려하더라도, 포토다이오드 (204)의 판독은 최저14 V에서 완료된다. 본 실시예에 따르면, 제 1 실시예와 비교하여, 큰 판독전압 저감효과를 얻을 수 있다.

제 1 실시예에서 설명되었듯이, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (208)의 전극 길이가 너무 길어지면, 그로 인해 그 밖의 수직전송전극의 전극 길이가 극단적으로 짧아진다. 이는 전송전하량을 감소할 수도 있다.

본 실시예에서, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (208) 이외의 수직전송전극 (206,207,209)에 인가되는 구동펄스 (φV1,φV2,φV4)의 미들레벨 (VM1)은 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (208)에 인가되는 구동펄스 (φV3)의 미들레벨(VM2)보다도 높게 설정된다.

트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 (208)는 트랜스퍼 게이트부 (210)의 한계값을 제어하므로, 판독시의 하이 레벨 (VH)를 인가하는 이외는 미들 레벨 (VM2)을 소정치 또는 이상으로 할 수 없다. 이는 미들레벨 (VM2)이 소정치 또는 이상으로 증가되면, 신호전하전송때에 포토다이오드 (204)로부터 수직 CCD (205)에 전하가 판독되기 시작한다.

한편, 트랜스퍼전극 (208) 이외의 수직전송전극 (206,207,209)에 인가된 구동펄스 (φV1,φV2,φV4)의 미들레벨 (VM1)의 값은 어느 정도 높이까지는 아무 문제없이 증가될 수 있다. 이는 각 수직전송전극 (206,207,209)의 좌우의 부분은 제 1 실시예에서와 같이 소자분리영역에 둘러싸이고 있기 때문에, 제 1 실시예에서와 같이, 어느 정도 전압을 증가시키더라도 포토다이오드 (204)로부터 수직 CCD (205)에 전하는 판독되지 않는다.

즉, 수직전송전극 (206,207,209)에 인가된 미들레벨 (VM1)은 소자분리영역의한계값 정도까지는 증가될 수 있다. 이 미들레벨 (VM1)은 트랜스퍼전극 (208)에 인가될 수 있는 미들레벨 (VM2)보다 명백히 높다.

도 8(a)내지 8(d)는 상기 전압설정에 따라서 판독시와 그 직후의 수직전송기간에 수직전송전극 (206 내지 209)에 인가되는 구동펄스의 파형이다. 도 9(a) 내지 도 9(g)는 도 8(a) 내지 도 8(d)의 각 시간 (t0 내지 t5)에 있어서의 신호전하의 축적상태와 전송 상태를 나타낸다.

도 8(c)에 도시된 바와 같이, 트랜스퍼전극을 겸하는 수직전송전극 (208)에 인가되는 구동펄스 (φV3)의 미들레벨은 VM2로 하고, 그 이외의 수직전송전극 (206,207,209)에 인가되는 구동펄스 (φV1,φV2,φV4)의 미들레벨은 VMl로 하고, VM1 > VM2 는 유지된다.

본 실시예의 고체 이미지 센싱 장치에 있어서의 짧은 수직전송전극의 단축한계는 제 1 실시예와 거의 동일하다. 제 1 실시예와의 차이는 하기와 같다. 도 9(c), 도 9(e), 또는 9(g)의 시간 (t1,t3,또는 t5)과 같은 2개의 수직전송전극하부에 축적되는 전하량에 비교하여, 도 9(f)의 시간 (t4)에서, 로우 레벨 (VL)이 인가되며 쇼트채널효과에 의해 전위 장벽이 감소하는 3개의 전극의 하부에 축적되는 전하량쪽이 크면 (Q1 ≤Q2), 제 1 실시예와는 다르게, 최대전송전하량이 감소하지 않으며, 충분한 최대전송전하량을 확보할 수 있다.

본 발명에 의하면, 트랜스퍼 게이트부를 제어하는 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극의 수직전송방향의 길이를 인접하는 2개의 수직전송전극보다 길게 함으로써, 트랜스퍼 게이트부의 판독채널폭은 증가될 수 있다. 그러므로, 광전변환소자로부터 수직 CCD에 신호전하의 판독 완료전압은 저하되므로, 저전압의 카메라 구동은 실현될 수 있다. 또한, 수직전송전극의 전극 길이는 교변적으로 동일하게 되므로, 수직전송방향에 인접하는 임의의 2개의 수직전송전극 하부에 소정량의 전하는 축적될 수 있다. 이런 이유에서, 최대전송 전하량의 감소를 방지할 수 있어, 큰 다이내믹 레인지를 확보할 수 있다.

서로 인접하는 임의의 2개의 수직전송전극중 짧은 수직전송전극의 길이를, 수직전송방향에 연속해있는 3개의 수직전송전극 하부의 전위 웰에 축적할 수 있는 최대전하량이 2개의 수직전송전극 하부의 전위 웰에 축적할 수 있는 최대전하량 이상이 되도록 설정되므로, 최대전송 전하량을 저하시키는 일없이 판독 완료전압은 감소될 수 있다.

수직전송전극중, 트랜스퍼 게이트부를 제어하는 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극은 수직전송방향으로 가장 긴 길이를 가짐으로, 트랜스퍼 게이트부의 판독 채널폭은 더 증가될 수 있다. 이런 이유에서, 광전변환소자로부터 신호전하의 판독에서의 판독 완료전압은 청구항 2 의 고체 이미지 센싱 장치보다도 더욱 낮아질 수 있다.

또한, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극은 수직전송방향으로 가장 긴 길이를 가지더라도, 최대전송전하량의 감소를 방지할 수 있어, 큰 다이내믹 레인지를 확보할 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극과 인접하지 않은 수직전송전극이 두 번째로 긴 길이를 가지며, 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극 이외의 전극에 인가된 미들레벨 전압이 트랜스퍼전극을 겸하고 있는 수직전송전극에 인가된 전압보다 높게 설정될 때, 청구항 2 의 고체 이미지 센싱 장치와 다르게, 전송전하량은 감소하지 않는다.

Claims

반도체기판 (112,212) 상에 2차원 매트릭스형상으로 배열된 광전변환소자 (104,204);

상기 광전변환소자 각각에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자에 축적된 신호전하를 판독하는 트랜스퍼 게이트부 (110,210);

상기 트랜스퍼 게이트부에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자로부터 판독된 신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직 CCD (105,205);

상기 수직 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평 CCD (102,202);

상기 수평 CCD에서 전송된 신호전하를 검출하여 출력하는 전하검출부 (103,203); 및

신호전하의 수직전송방향으로 상기 수직 CCD상에 서로 인접하게 형성된 4 개의 수직 전송전극 (106 내지 109, 206 내지 209)을 포함하며,

상기 수직전송전극은 신호전하의 수직전송방향으로 서로 인접한 임의의 2 개의 제 1 및 제 2 수직전송전극을 구비하며,

상기 제 1 수직전송전극은 상기 제 2 수직전송전극보다 긴 길이를 가지며, 상기 트랜스퍼 게이트부를 제어하는 트랜스퍼 전극으로서 작용하며,

상기 제 1 및 제 2 수직전송전극의 길이의 합은 유효 이미지 센싱 영역의 어떤 부분에서도 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제 2 수직전송전극은 수직전송방향에 연속해 있는 상기 3개의 수직전송전극 하부의 전위 웰에 축적될 수 있는 최대전하량이 2개의 상기 수직전송전극 하부의 전위 웰에 축적된 최대전하량 이상이 되는 길이로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 수직전송전극의 길이는 2㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치.
반도체기판 (112,212) 상에 2차원 매트릭스형상으로 배열된 광전변환소자 (104,204);

상기 광전변환소자 각각에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자에 축적된 신호전하를 판독하는 트랜스퍼 게이트부 (110,210);

상기 트랜스퍼 게이트부에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자로부터 판독된 신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직 CCD (105,205);

상기 수직 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평 CCD (102,202);

상기 수평 CCD에서 전송된 신호전하를 검출하여 출력하는 전하검출부 (103,203); 및

신호전하의 수직전송방향으로 상기 수직 CCD상에 서로 인접하게 형성된 4 개의 수직 전송전극 (106 내지 109, 206 내지 209)을 포함하며,

상기 수직전송전극은 신호전하의 수직전송방향으로 서로 인접한 임의의 2 개의 제 1 및 제 2 수직전송전극을 구비하며,

상기 제 1 수직전송전극은 상기 제 2 수직전송전극보다 긴 길이를 가지며, 상기 트랜스퍼 게이트부를 제어하는 트랜스퍼 전극으로서 작용하며,

상기 수직전송전극은 상기 제 1 수직전송전극에 인접하지 않는 제 3 수직전송전극을 포함하고,

상기 수직전송전극중, 상기 제 1 수직전송전극은 가장 긴 길이를 구비하며, 상기 제 3 수직전송전극은 두번째로 긴 길이를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 제 1 수직전송전극은 2.0㎛이고, 판독 전압은 14V 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치.
반도체기판 (112,212) 상에 2차원 매트릭스형상으로 배열된 광전변환소자 (104,204);

상기 광전변환소자에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자에 축적된 신호전하를 판독하는 트랜스퍼 게이트부 (110,210);

상기 트랜스퍼 게이트부에 인접하게 배열되어, 상기 광전변환소자로부터 판독된 신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직 CCD (105,205);

상기 수직 CCD에서 전송된 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평 CCD (102,202);

상기 수평 CCD에서 전송된 신호전하를 검출하여 출력하는 전하검출부 (103,203); 및

신호전하의 수직 전송 방향의 상기 수직 CCD상에 서로 인접하게 형성된 4 개의 수직 전송전극 (106 내지 109, 206 내지 209)을 포함하며, 상기 수직전송전극은 신호전하의 수직 전송방향으로 서로 인접하지 않은 제 1 및 제 2 수직전송전극을 구비하며, 상기 제 1 수직전송전극은 상기 전송 게이트부를 제어하는 전송전극으로서 기능을 하며 가장 긴 길이를 구비하며, 상기 제 2 수직전송전극은 두번째 긴 길이를 구비하는 하는 고체 이미지 센싱 장치의 구동방법에 있어서,

상기 제 1 수직전송전극 이외의 상기 수직전송전극에 인가된 미들레벨 전압은 상기 제 1 수직전송전극에 인가된 미들레벨 전압보다 높게 설정되어, 신호전하의 수직전송방향에 연속해 있는 상기 3 개의 수직전송전극의 하부의 전위 웰에 축적된 최대 전하량이 신호전하의 수직방향에 인접한 상기 2 개의 수직전송전극의 하부의 전위 웰에 축적된 최대 전하량 이상이 되도록 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치의 구동방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 수직전송전극은 2.0㎛이고, 판독 전압은 14V 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 이미지 센싱 장치의 구동방법.