KR100481838B1 - 전하결합소자형이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이미지 센서는 제 1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성된 제 2 도전형의 웰 영역; 상기 반도체 기판 상에, 절연막에 의해 상기 반도체 기판으로부터 절연되되, 적어도 2개의 전달 게이트들이 반복되어 구성되되, 서로 평행한 복수개의 수직 쉬프트 레지스터; 상기 수직 쉬프트 레지스터 양측의 상기 반도체 기판의 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형 불순물 주입 영역을 구비하는 복수개의 광 감지 소자들; 상기 수직 쉬프트 레지스터 하부의 상기 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 전하 전달 소자; 및 상기 광 감지 소자와 상기 전하 전달 소자 사이의 개재되되 제 2 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 분리 영역을 구비하되, 상기 적어도 2개의 전달 케이트들 중에 하나의 전달 게이트는 다른 전달 게이트 하부로 상기 다른 전달 게이트의 일측을 따라 신장되는 연장부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이로써, 광 감지 소자로부터 전하를 읽어낼 때 인접한 광 감지 소자로부터 전하가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 (image sensor)에 관한 것으로서, 구체적으로는 전하 결합 소자 (charge coupled device : CCD)로 구성된 이미지 센서에 관한 것이다.
전하 결합 소자 (charge coupled device : CCD)형 이미지 센서는 전자총을 이용하는 촬상관에 비해 소형, 경량, 저소비 전력 등의 우세한 특성을 갖기 때문에 가정용, 방송용의 비디오 카메라, 감시용 카메라 시스템, 디지털 스틸 카메라 등에 폭 넓게 사용되고 있다. 그리고, CCD형 이미지 센서가 소형화 고해상도화에 따라 단위 화소 (unit pixel)에 대한 크기는 작아지더라도 그것의 특성은 그대로 유지되어야 한다. 이를 해결하기 위해 단위 화소의 구조를 변경하는 등 많은 노력이 이루어져 왔다. 도 1은 일반적인 CCD형 이미지 센서의 구성을 보여주는 블럭도이다. 도 2는 종래 기술에 따른 프로그래시브 스캔(Progressive Scan, PS) 방식의 IT(interline transfer)-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이아웃이고, 도 3은 도 2의 I-I'을 따라 단면의 전위 분포를 보여주는 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 이미지 센서는 행들과 열들로 배열된 복수 개의 포토 다이오드들을 구비한 포토 다이오드 어레이 (photo diode array), 상기 포토 다이오드들의 열들에 각각 연결된 복수 개의 수직 쉬프트 레지스터들 (vertical shift register), 수직 쉬프트 레지스터들에 연결된 수평 쉬프트 레지스터 (horizontal shift register), 그리고 수평 쉬프트 레지스터의 일 끝에 연결된 출력단을 포함한다.
일반적으로, CCD형 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에서 알 수 있듯이, 하나의 포토 다이오드와 그것에 연결되는 수직 쉬프트 레지스터로 구성되며, 도면에는 도시되지 않았지만, 빛을 받아들이기 위한 수광부를 통해 입사되는 빛에 의해서 포토 다이오드에서 발생되는 광여기(photo-generated) 전자는 포토 다이오드의 용량 성분에 축적된 후 일정 시간마다 읽혀져 수직 및 수평 쉬프트 레지스터들을 통해 출력단으로 전송된다. 계속해서, 출력단에서 전달된 전하를 전위로 변환한 후, 소오스 팔루워 회로 (source follower circuit)와 같은 증폭 회로를 통해서 입사광량에 비례하는 연속적인 전위 변화로서 출력한다. 이러한 일련의 동작은 CCD형 이미지 센서의 일반적인 동작 방식이다. 일반적으로 IT-CCD형 이미지 센서에서 이미지를 스캔하는 방식에는 인터레이스드 스캔(Interlaced Scan, IS)과 프로그래시브 스캔(Progressive Scan, PS)으로 2가지가 있다. 프로그래시브 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서에서 3개의 전달 게이트들이 구성하는 1 단위가 반복되어 수직 쉬프트 라인을 이룬다. 인터레이스드 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서에서는 2개의 전달 게이트들이 구성하는 1 단위가 반복되어 수직 쉬프트 라인을 이룬다.
도 2는 도 1의 'U' 부분을 확대한 것으로, PS 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸다. 도 3은 도 2의 I-I'을 따라 자른 단면의 전위 분포를 보여주는 단면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, N형의 반도체 기판(10)에 P형 웰이 형성된다. 어레이(array)를 이루는 포토 다이오드(1) 영역에는 N형 불순물 영역(3)이 위치한다. 상기 N형 불순물 영역(3)과 하부의 P형 웰이 상기 포토다이오드(1)를 제공한다. 각각의 포토 다이오드(1)들 사이에 제 1, 제 2 및 제 3 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)이 1조를 이루어 반복되게 위치한다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)의 중심 하부에는 N형 불순물 주입 영역(5)이 위치하여 전하 전송 채널 역할을 한다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)의 양측 하부에는 P형 불순물 주입 영역(4, 6)이 위치한다. 상기 P형 불순물 주입 영역들(4, 6)중에 이웃하는 포트 다이오드(1)와 접하는 P형 불순물 주입 영역(6)은 단위 화소(unit pixel)을 분리하기 위한 분리 영역으로 고농도의 P형 불순물이 주입된다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)은 상기 불순물 주입 영역(4, 5, 6)으로부터 절연막(12)에 의해 절연된다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)은 서로 일부분들이 중첩되나 절연막(12)에 의해 절연된다. 상기 제 2 전달 게이트(2b)를 연결하는 라인은 상기 제 1 및 제 3 전달 게이트 전극(2a, 2c)들의 상부를 가로지르도록 위치한다.
일반적으로, 입사광 (incident light)에 의해 포토 다이오드 (1)에서 발생되는 광여기(photo-generated) 전자를 읽어내기 위해서, 제 2전달 게이트(2b)에 15V의 전압이 인가되고, 다른 전달 게이트들(2a, 2c)에는 0V 또는 -7.5V의 전압이 인가된다. 이때, 상기 분리 영역(6)에 고농도의 P형 불순물이 주입될지라도, 상기 인가된 전압에 의해, 상기 제 2 전달 게이트(2b) 하부의 전자 포텐셜이 도 3과 같이 형성될 수 있다. 즉, 전압 인가시, 제 2 전달 게이트 (2b) 하부에 형성된 수직 쉬프트 레지스터 내의 N형 전하 전송 채널 (5)의 전송 능력이 저하되어, 포토 다이오드(1)로부터 전하를 읽어내는 과정에서 읽고자 하는 포토 다이오드 (1) 내의 전하 뿐만아니라, 이웃하는 포토 다이오드 (1) 내의 전하까지 전송 채널 (5)로 유입되는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 이웃하는 포토 다이오드로부터 전하가 유입되는 방지하기 위한 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 바와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는 제 1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성된 제 2 도전형의 웰 영역; 상기 반도체 기판 상에, 절연막에 의해 상기 반도체 기판으로부터 절연되되, 적어도 2개의 전달 게이트들이 반복되어 구성되되, 서로 평행한 복수개의 수직 쉬프트 레지스터; 상기 수직 쉬프트 레지스터 양측의 상기 반도체 기판의 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형 불순물 주입 영역을 구비하는 복수개의 광 감지 소자들; 상기 수직 쉬프트 레지스터 하부의 상기 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 전하 전달 소자; 및 상기 광 감지 소자와 상기 전하 전달 소자 사이에 개재되되 제 2 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 분리 영역을 구비하되, 상기 적어도 2개의 전달 게이트들 중에 하나의 전달 게이트는 다른 전달 게이트 하부로 상기 다른 전달 게이트의 일측을 따라 신장되는 연장부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 제 1 도전형은 상기 제 2 도전형과 반대의 불순물로 이루어진다.
상기 이미지 센서에 의하면, 단위 화소간 분리 영역의 전위를 포토 다이오드의 전위보다 높일 수 있다. 상기 광 감지 소자는 예를 들면 도 2 내지 7에서 포토 다이오트(1)일 수 있다. 상기 전하 전달 소자는 예를 들면 전하 전송 채널로서, 도 3, 5 및 6에서 N형 불순물 주입 영역(5)일 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 참조 도면들 도 4 내지 도 7에 의거하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도 4 내지 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 3에 도시된 구성 요소와 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서 동일한 참조번호를 병기한다.
〈제 1 실시예〉
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 프로그래시브-스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이 아웃이다. 도 5는 도 4의 II-II'을 또는 도 7의 III-III'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 5의 전위 분포를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, N형의 반도체 기판(10)에 P형 웰(11)이 형성된다. 어레이(array)를 이루는 포토 다이오드(1) 영역에는 N형 불순물 영역(3)이 위치한다. 상기 N형 불순물 영역(3)과 하부의 P형 웰(11)이 상기 포토다이오드(1)를 제공한다. 각각의 포토 다이오드(1)들 사이에 제 1, 제 2 및 제 3 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)이 1조를 이루어 반복되게 위치한다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)의 중심 하부에는 N형 불순물 주입 영역(5)이 위치하여 전하 전송 채널 역할을 한다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)의 양측 하부에는 P형 불순물 주입 영역(4, 6)이 위치한다.
상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)은 상기 불순물 주입 영역(4, 5, 6)으로부터 실리콘 산화막과 같은 절연막(12)에 의해 절연된다. 상기 전달 게이트들(2a, 2b, 2c)은 서로 일부분들이 중첩되나 절연막(12)에 의해 절연된다. 상기 제 2 전달 게이트(2b)를 연결하는 라인은 상기 제 1 및 제 3 전달 게이트 전극(2a, 2c)들의 상부를 가로지르도록 위치한다. 상기 제 1 전달 게이트(2a)은 상기 제 2 전달 게이트 (2b)의 하부에 상기 제 2 전달게이트(2b)의 일측을 따라 신장된 연장부(100)를 구비한다. 즉, 상기 제 1 전달게이트(2a)은 상기 제 2 전달 게이트(2b)의 하부에 상기 제 2 전달게이트(2b)의 일측을 따라 신장되도록 형성된다. 상기 제 1 전달 게이트(2a)의 상기 연장부(100)는 전자의 포텐셜을 높여주는 역할을 한다.
상기 P형 불순물 주입 영역들(4, 6)중에, 상기 연장부(100) 하부에서, 이웃하는 포토 다이오드(1)와 접하는 P형 불수물 주입 영역(6)은 단위 화소(unit pixel)를 분리하기 위한 분리 영역으로 고농도의 P형 불순물이 주입된다.
도 6을 참조하여, 입사광 (incident light)에 의해 포토 다이오드 (1)에서 발생되는 광여기(photo-generated) 전자를 읽어내기 위해서, 제 2 전달 게이트(2b)에 15V의 전압을 인가하고, 다른 전달 게이트들(2a, 2c)에는 0V 또는 -7.5V의 전압을 인가한다. 이때, 상기 제 1 전달 게이트(2a)의 연장부(100)에도 0V 또는 -7.5가 인가되고, 이로 인해서 상기 분리영역(6)의 전자 포텐셜은 도 6에서처럼 높아지게 된다. 따라서, 이웃하는 포토 다이오드(1)의 전자는 상기 전하 전송 채널(5)로 유입되지 않는다.
〈제 2 실시예〉
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 인터레이스드 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이 아웃이다.
인터레이스드 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서에서 수직 쉬프트 레지스터가, 프로그래시브 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서를 나타내는 도 2의 제 2 전달 게이트(2b) 없이, 도 2의 제 1 전달 게이트(2a)와 제 3 전달 게이트(2c)가 맞물리는 형태가 반복되는 모양으로 이루어진다. 그러나 도 4의 제 1 전달 게이트(2a)가 연장부(100)를 갖는 개념을 본 실시예에도 적용할 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 인터레이스드 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서는 어레이 형태의 포토 다이오드(1)들 사이에 개재되는 수직 쉬프트 레지스터를 구비한다. 이때 상기 수직 쉬프트 레지스터는 제 1 전달 게이트(20a)과 제 3 전달 게이트(20c)가 맞물리는 형태로 반복되어 이루어진다. 상기 제 1 전달 게이트(20a)는 상기 제 3 전달 게이트(20c) 하부로 상기 제 3 전달 게이트(20c)의 일측을 따라 신장된 연장부(200)를 구비한다. 도 7을 III-III'라인을 따라 자른 단면은 도 5와 동일하다.
도 6을 참조하여, 입사광 (incident light)에 의해 포토 다이오드 (1)에서 발생되는 광여기(photo-generated) 전자를 읽어내기 위해서, 제 3 전달 게이트(20c)에 15V의 전압을 인가하고, 제 1 전달 게이트(20a)에는 0V 또는 -7.5V의 전압을 인가한다. 이때, 상기 제 1 전달 게이트(20a)의 연장부(200)에도 0V 또는 -7.5V가 인가되고, 이로 인해서 분리영역(6)의 전자 포텐셜은 도 6에서처럼 높아지게 된다. 따라서, 이웃하는 포토 다이오드(1)의 전자는 상기 전하 전송 채널(5)로 유입되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 읽고자하는 포토 다이오드에 대응하는 수직 쉬프트 레지스터에 인접한 포토 다이오드로부터 전자가 유입되는 것을 방지할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명에 의한 이미지 센서에 의하면, 적어도 2개의 전달 게이트들이 반복되어 구성되는 수직 쉬프트 레지스터에서, 하나의 전달 게이트가 다른 전달 게이트 하부로 상기 다른 전달 게이트의 일측을 따라 신장되는 연장부를 구비하며, 상기 연장부가 분리 영역 상에 위치하므로, 포토 다이오드로부터 전하를 읽어낼 때 인접한 포토 다이오드로부터 전하가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 CCD형 이미지 센서의 구성을 보여주는 블럭도;
도 2는 종래 기술에 따른 프로그래시브 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이아웃;
도 3은 도 2의 I-I'을 따라 단면의 전위 분포를 보여주는 도면;
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 프로그래시브-스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이 아웃;
도 5는 도 4의 II-II'을 또는 도 7의 III-III'라인을 따라 절단한 단면도;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 5의 전위 분포를 보여주는 도면;
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 인터레이스드 스캔 방식의 IT-CCD형 이미지 센서의 일부분을 보여주는 패턴 레이 아웃,
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
1 : 포토 다이오드
2a, 2b, 2c, 20a, 20c : 전달 게이트
3, 5 : N형 불순물 영역 4, 6 : P형 불순물 영역
10 : 반도체 기판 11 : P 웰 영역
12 : 절연막 100, 200: 연장부
Claims (2)
- 제 1 도전형의 반도체 기판;상기 반도체 기판에 형성된 제 2 도전형의 웰 영역;상기 반도체 기판 상에, 절연막에 의해 상기 반도체 기판으로부터 절연되되, 적어도 2개의 전달 게이트들이 반복되어 구성되되, 서로 평행한 복수개의 수직 쉬프트 레지스터;상기 수직 쉬프트 레지스터 양측의 상기 반도체 기판의 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형 불순물 주입 영역을 구비하는 복수개의 광 감지 소자들;상기 수직 쉬프트 레지스터 하부의 상기 웰 영역에 형성되는 제 1 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 전하 전달 소자; 및상기 광 감지 소자와 상기 전하 전달 소자 사이에 개재되되 제 2 도전형의 불순물 주입 영역을 구비하는 분리 영역을 구비하되,상기 적어도 2개의 전달 게이트들 중에 하나의 전달 게이트는 다른 전달 게이트 하부로 상기 다른 전달 게이트의 일측을 따라 신장되는 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형은 상기 제 2 도전형과 반대의 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |