KR100489341B1 - 고체촬상장치 - Google Patents

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KR100489341B1
KR100489341B1 KR10-2001-0014594A KR20010014594A KR100489341B1 KR 100489341 B1 KR100489341 B1 KR 100489341B1 KR 20010014594 A KR20010014594 A KR 20010014594A KR 100489341 B1 KR100489341 B1 KR 100489341B1
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샤프 가부시키가이샤
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Abstract

고체촬상장치는 수직 CCD(2)와 수평 CCD(3)의 접속부에 인접하게 제공된 방출 게이트(8)와 방출 드레인(9)을 갖기 때문에, 임의의 화소(1)에 축적된 전하를 완전 공핍화할 수 있다. 상기 방출 게이트(8)의 구동조건을 변경하는 것만으로 임의의 데시메이션 비율에서 데이터를 독출할 수 있다. 종래와같이 수직전송전극의 배선구조를 복잡하게 할 필요 없이, 수직전송전극(6)을 정지모드(통상 독출)와 동일의 배선구조대로 유지하면서 프레임 레이트 및 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있다. 따라서, 고체촬상장치는 복잡한 수직전송전극의 배선구조를 필요로 하지 않고 구동조건을 변경하는 것만으로 임의의 데시메이션 비율을 실현하고, 프레임 레이트, 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있다.

Description

고체촬상장치{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
본 발명은 고체촬상장치에 관한 것으로, 특히 데시메이션된 신호를 독출하는 고체촬상소자에 관한 것이다.
종래의 2차원 이미지 센서에 대해 설명한다. 도 14는 종래의 CCD(전하결합소자)를 이용한 고체촬상장치를 나타낸다. 도 14에서, 참조부호(101)는 수광부(포토다이오드), 참조부호(102)는 수직 CCD, 참조부호(103)는 수평 CCD, 참조부호(104)는 전하전압변환부, 참조부호(105)는 앰플리파이어, 참조부호(106)는 수직전송전극, 및 참조부호(107)는 수평전송전극을 나타낸다.
2차원 이미지 센서는 고밀도 화소를 가진다. 특히, 디지털 스틸 카메라로서 200만 화소를 넘는 것이 주류가 되고 있다.
고화소 디지털 스틸 카메라로 대표되는 촬상소자에 있어서는, 전체 화소의 데이터를 독출하여 처리하는 구동방법과 전체 화소중 일부의 화소데이터만을 데시메이션(decimation)하여 처리하는 구동방법을 교체하여 조작하는 것이 일반적이다.
전자는 주로 프린터 출력을 위한 정지화상 픽업 모드(still picture pickup mode)이고, 후자는 주로 모니터출력에 의한 촬상 피사체의 면윤곽 조정을 위한 동화상 픽업모드, 즉 모니터링모드이다.
이하에, 모니터링 모드에서의 동작을 설명한다.
도 15는 이하의 설명에 사용되는 디바이스 구성을 나타낸다. 도 15에서, 참조부호(101)는 수광부, 참조부호(102)는 수직 CCD, 참조부호(103)는 수평 CCD, 참조부호(106)는 수직전송전극, 참조부호(107)는 수평전송전극, 및 참조부호(108)는 차광화소를 나타낸다. 상기 모니터링모드의 데시메이션 방법은 7화소중 1개의 화소를 독출하는 1/7 데시메이션 모드이다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 수직전송전극(1O6)은, 28개의 게이트에 인가되는 φV1A, φV1B, φV2, φV3A, φV3B, φV4의 6상 게이트전압을 구성단위로 하여 동작한다. 상기 게이트전압 φV1A,φV1B 및 φV3A,φV3B은 포토다이오드로부터 신호전하를 독출하도록 사용된다. 상기 게이트전압 φV2,φV4은 신호전하의 전송에만 사용된다.
다음, 도 16은 모니터링모드시의 구동타이밍을 나타내며, 도 17은 t1∼t5의 각 시간에서의 전위 관계를 나타낸다. 도 16에서, Tm은 모니터링모드에서의 수직전송 1사이클의 주기이고, 정지모드에서의 수직전송 1사이클 Ts의 4분의 1주기이다.
상기 모니터링모드에서는, 각 필드에서 동일 신호가 독출된다. 먼저, 시간 t1에서 게이트전압(φV1A)에 의해 대응하는 신호R(G)가 독출된다. 구성단위에서 6 게이트가 게이트전압(φV1B)을 갖는 한편 1게이트만이 게이트전압(φV1A)을 갖기 때문에, 독출된 신호R(G)는 정지모드시의 1필드에서 1/7의 데이터량을 갖게 된다.
시간 t2에서, 6상 게이트전압 φV1A-φV4에 의해 게이트전압(φV1A)에 의해 독출된 1화소의 신호가 전송되고 게이트전압 φV3A에 의해 신호G(B)가 독출된다.
상기 독출된 신호는 R(G)의 경우와 같이 정지모드의 다른쪽 필드의 1/7 데이터량을 가진다. 이어서, 시간 t3에서, 1화소에 대한 R(G) 및 G(B)의 각 신호를 전송한다. 이상의 동작에 의해, R, G, B 각 색상의 성분을 포함하는 신호가 단위 필드 마다 독출된다.
상기 독출된 신호들은 수직 CCD의 패킷내에 도 17과 같이 배열되어 있다. 14화소당 7패킷을 구성단위로 하여, 2 화소에 대해 상이한 색상의 성분의 신호가 2패킷(4 화소) 또는 3패킷(6 화소)의 간격을 두고 배열되어 있다.
이어서, 이 신호를 수평블랭킹기간 중에 수직전송단수로 4단(8 화소) 연속하여 고속 전송한다. 따라서, 신호 G(B)를 수평 CCD에 전송하면서 동시에 다음 수평블랭킹기간 중에 수평 CCD로 독출될 신호 R(G)를 수평 CCD 근방으로 전송한다(시간 t4). 계속되는 수평블랭킹기간 중에, 3단(6 화소)을 연속으로 전송하고, 신호 R(G)를 수평 CCD로 전송하면서 동시에, 다음에 독출될 신호 G(B)를 수평 CCD 근방으로 전송한다.
이어서, 4단 및 3단 수직 전송을 교대로 반복함으로써 수직 CCD에서는 빈 패킷들을 사이에 두고 배열된 신호가 수평 CCD에서는 연속으로 추출될 수 있다.
따라서, 정지모드시에 1 화면 분의 데이터를 2필드에 걸쳐 독출하는 반면에 모니터링모드에서는 1 화면 분의 데이터를 1/7로 데시메이션하여 1필드의 2/7 시간에 독출할 수 있다. 따라서, 전체적으로는 정지모드의 1/7의 프레임 레이트로 데이터를 처리할 수 있다.
예컨대, 300만 화소를 가진 촬상소자를 클록주파수 18 MHz에서 1 프레임당 총 클록수 440만 클록으로 동작시킨 경우, 1 화면의 데이터를 추출하는데 필요한 시간은 정지모드에서 약 1/4초, 모니터링모드에서는 약 1/29초가 된다. 따라서, 모니터링모드에서는 NTSC(내셔널 텔레비전 시스템 위원회)에 따른 TV 포맷에 있어서의 프레임 레이트인 1/30초의 경우와 같이, 매끄러운 동화상을 얻는 것이 가능해진다.
모니터링모드에서는 1/7 데시메이션 이외에, 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 등의 다양한 데시메이션 레이트가 사용된다. 상기 데시메이션 레이트는 촬상 소자의 총 화소수, 동화상에 요구되는 화소수 및 프레임 레이트에 의해 결정된다.
원래는, 통상전송모드인 정지모드에서 4 게이트에 인가되는 φV1, φV2, φV3, φV4의 4상 게이트전압의 구성 단위로 수직 전송이 실행된다.
그러나, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 예컨대 모니터링모드에서 1/7 데시메이션이 실행되는 경우를 생각하면, 수직전송전극은 하나의 구성 단위로서 28 게이트에 인가되는 φV1A, φV1B, φV2, φV3A, φV3B, φV4의 6상 게이트 전압을 필요로 한다. 따라서, 모니터링모드를 실행하기 위해서는 복잡한 전송게이트의 배선구조가 요구된다.
예컨대, 1/4 데시메이션의 경우, 하나의 구성 단위는 8 게이트에 인가되는 6상 게이트전압이다. 1/5 데시메이션의 경우, 하나의 구성 단위는 20 게이트에 인가되는 6상 게이트 전압이다. 따라서, 각각의 구성 단위는 데시메이션 레이트에 따라 변화한다. 촬상소자의 총 화소수, 동화상에 요구되는 화소수 및 프레임 레이트에 따라 각각 상이한 전송게이트의 배선구조를 설계해야 한다.
또한, 1개의 디바이스에서 2개 이상의 다른 모니터링모드를 실현하기 위해서는, 각각의 데시메이션 레이트에 대한 전극배선의 조합이 필요하기 때문에, 전극배선이 대단히 복잡하게 된다. 또한, 구동타이밍의 변경만으로는 모니터링모드의 데시메이션 레이트를 변경할 수 없다. 원하는 모니터링 모드에 대응하는 센서부의 전극배선을 미리 형성할 필요도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 복잡한 수직전송전극의 배선구조를 형성할 필요없이 구동조건을 변경하는 것만으로 임의의 데시메이션 레이트를 실현하고, 프레임레이트, 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있는 고체촬상장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 반도체기판상에 형성된 복수의 수광부, 상기 수광부에서 독출된 전하를 수직방향으로 전송하는 수직전송부 및 상기 수직전송부에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평전송부를 포함하는 고체촬상장치로서,
상기 수직전송부와 상기 수평전송부의 접속부에 인접하게 형성되어 상기 수직전송부의 전하를 공핍화시키는 전하방출 게이트 및 상기 전하방출 게이트에 인접하게 형성된 전하방출 드레인을 더 포함하고,
임의의 타이밍에서 상기 전하방출 게이트에 전압을 인가함으로써 임의의 수직전송부의 신호전하를 상기 전하방출 게이트로부터 상기 전하방출 드레인으로 방출하는 고체촬상장치가 제공된다.
본 발명에서는, 수직전송부와 수평전송부의 접속부에 방출 게이트와 방출 드레인이 제공된다. 이 구조에서는, 임의의 화소에 축적된 전하를 완전 공핍화시킬 수 있다. 데시메이션될 화소의 신호전하는 방출 게이트를 ON시키는 것에 의해 방출 드레인으로 방출된다. 그 밖의 화소의 신호전하는 방출 게이트를 OFF시키는 것에 의해 방출 게이트로 방출되지 않고 그대로 수평 CCD로 전송된다. 상기 구조 및 구동방법을 이용함으로써, 임의의 데시메이션 레이트에서 데이터를 독출할 수 있다.
따라서, 수직전송전극은 정지모드(통상 독출)와 동일한 배선구조를 가진 상태로 종래 기술중 하나에서와 같이 복잡한 수직전송전극 배선구조를 형성할 필요 없이 모니터링모드(데시메이션 독출)를 실현할 수 있다. 또한, 방출 게이트의 구동조건을 변경하는 것만으로 임의의 데시메이션 레이트를 실현할 수 있고 프레임 레이트, 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수직전송부와 상기 방출 드레인 사이에 위치하는 상기 방출 게이트의 아래에, 상기 수직전송부와 동일한 도전형을 갖는 게이트 직하(直下)층이 형성된다.
이 실시예에서는, 방출 게이트 바로 아래의 층이 수직전송부와 도전형이 동일하기 때문에, 방출 게이트에 고레벨 전압을 인가하였을 때 도 4b에 파선으로 나타낸 바와 같이 방출 게이트 아래의 전위분포가 방출 드레인 쪽으로 융기(hump)되지 않고 하방으로 경사지게 할 수 있다. 따라서, 수직 전송부를 완전히 공핍화시켜 전하를 방출드레인으로 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수직전송부와 상기 방출 드레인 사이에 위치하는 상기 방출 게이트의 아래에, 상기 수직전송부와 동일한 도전형을 갖는 게이트 직하층이 상기 수직전송부와 동일한 공정에 의해 형성된다.
이 실시예에서는, 수직전송부의 형성시에, 수직전송부와 동일한 도전형을 갖는 영역을 동시에 형성한다. 방출 게이트 직하층은 수직전송부와 동일한 주입층으로 되도록 형성된다. 이 경우에도, 수직전송부를 완전히 공핍화시켜, 전하를 방출 드레인으로 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방출 게이트가 적어도 상기 수직전송부의 일부를 덮고 있다.
상기 실시예에서는, 방출 게이트가 수직전송부의 일부를 덮고 있다. 따라서, 전송 시에, 전위장벽 또는 전위 딥(dip)을 형성하지 않고 전송방향으로 전위 구배가 형성된다. 따라서, 전송불량을 일으키지 않고 수직전송부의 패킷내의 전하를 완전 공핍화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방출 드레인에 인가되는 전압을 가변으로 하여, 상기 방출 드레인으로의 인가전압의 구동타이밍을 상기 방출 게이트로의 인가전압의 구동타이밍과 동기시킨다.
상기 실시예에서는, 방출 드레인에 인가되는 전압을 가변시키고, 상기 방출 드레인으로의 인가전압의 구동타이밍을 방출 게이트로의 인가전압의 구동타이밍과 동기시킨다. 따라서, 통상의 전하 전송시에는, 방출 드레인의 전위 웰을 얕게 함으로써 방출 드레인으로의 전하의 누출을 방지할 수 있다. 전하방출 동작 시에, 방출 드레인의 전위 웰을 깊게 함으로써 수직전송부에서 방출 드레인으로 전하를 안정적으로 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방출 게이트의 구동에 동기시켜 상기 방출 드레인을 구동시키는 방출 동작모드에서, 상기 방출 드레인에 인가되는 펄스폭은 적어도 상기 방출 게이트에 인가되는 펄스를 커버한다.
상기 실시예에서는, 방출 게이트 아래의 영역의 전위를 낮게 하는 방출 동작모드에서, 상기 방출 게이트에 인가된 펄스를 커버하는 펄스가 방출 드레인에 인가된다. 따라서, 전하 방출 동작을 안정적으로 실행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 인접한 두개의 수직전송부 사이에 하나의 방출 드레인이 제공되며 이 방출 드레인의 양측에 위치하는 두개의 수직전송부의 신호전하가 상기 수직전송부에 인접하게 제공된 상기 방출 게이트를 통해 상기 하나의 방출 드레인으로 방출된다.
이 실시예에서는, 1개의 방출 드레인을 2개의 수직전송부에 의해 공유함으로써 화소 피치를 감소시킬 수 있고 화소 사이즈가 작은 경우에도 방출 드레인과 방출 게이트를 형성하기에 충분한 영역을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방출 드레인이 제공되는 상기 수직전송부와 상기 방출 드레인이 제공되지 않은 상기 수직전송부를 임의로 설정하여, 상기 설정된 방출 드레인의 조합을 수직방향으로 복수의 단에 배열할 수 있다.
이 실시예에서는, 복수 단의 방출 드레인을 수직방향으로 제공하기 때문에 수평 피치를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명, 및 단지 예시적으로 주어지며 본 발명을 한정하는 것이 아닌 첨부 도면들로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
이하, 본 발명의 고체촬상장치를 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1a 및 1b는 본 발명의 고체촬상장치의 실시예로서 CCD(전하결합소자)를 사용한 2차원 이미지 센서를 나타낸다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 상기 2차원 이미지 센서에는 소정 간격을 두고 배열된 복수의 수직 CCD(2) 및 상기 수직 CCD(2) 사이에 배열되고 포토다이오드로 이루어지는 복수의 수광부(1,1,1…)가 제공된다. 상기 수직 CCD(2,2,2…)의 일단에 인접하여 1개의 수평 CCD(3)가 배치되고, 이 수평 CCD(3)의 일단에 전하전압변환부(4)와 앰플리파이어(5)가 순차 배치되어 있다. 상기 수직 CCD(2)는 수직전송전극(6)을 갖고, 수평 CCD(3)는 수평전송전극(7)을 갖고 있다. 상기 실시예에서는, 수직 CCD(2), 수평 CCD(3) 및 방출 드레인영역(9)은 n형 반도체층이다.
도 1b에 나타낸 바와 같이, p형 반도체로 이루어지는 Si 기판(10)에 수직 CCD(2)가 형성되고, 이 수직 CCD(2)상에 게이트절연막(12)을 통해 수직전송전극(6)이 배치되어 있다. 그리고, 이 수직전송전극(6)에 인접하여 방출 게이트(8)가 배치되고, 이 방출 게이트(8)의 아래에 상기 게이트절연막(12)을 통해 방출 게이트 Vth 제어 주입영역(11)이 형성되어 있다. 또한, 이 주입영역(11)에 인접하여 방출 드레인(9)이 형성되어 있다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 방출 게이트(8) 및 방출 드레인(9)은 수직 CCD(2)와 수평 CCD(3)의 접속부에 인접하도록 배치되어 있다.
방출 게이트(8)에 인가되는 게이트전압을 하이(HIGH)로 하여 방출 게이트(8)를 ON상태로 하면, 수직 CCD(2)의 전하는 방출 드레인(9)으로 전송되며, 수직 CCD(2)의 패킷내의 전하를 완전히 공핍화시키는 구조로 되어 있다. 한편, 방출 게이트(8)에 인가되는 게이트전압을 로우(LOW)로 하여 게이트를 OFF 상태로 하면, 수직 CCD(2)의 전하는 방출 드레인(9)으로 전송되지 않고 통상대로 수직전송방향으로 전송된다.
도 2a는 상기 실시예의 수직 CCD(2), 방출 게이트(8) 및 방출 드레인(9)의 레이아웃을 나타내며, 그 구동타이밍을 도 2b에 나타낸다. 도 2a 및 2b에서, 수직 CCD(2)의 구동전압은 φv1∼φv4이고, 방출 게이트(8)의 구동전압은 φTG이다.
우선, 방출 동작시에는 도 2b에 나타낸 바와 같이 게이트전압(φTG)을 하이로 하고 방출 게이트(8)에 하이 전압을 인가하고, 방출 게이트(8) 아래의 전위 웰을 수직 CCD(2)의 전위 웰보다 깊게 한다. 이 때, 방출 드레인(9)의 전위 웰은 방출 게이트(8)하의 전위 웰보다 깊게 되도록 설정하고 있다. 이 전압 관계에 의해 수직 CCD(2)의 전하를 방출 드레인(9)으로 전송할 수 있다.
다음, 통상의 전송시에는, 방출 게이트(8)에 인가되는 인가전압(게이트전압 ΦTG)을 로우로 하고, 방출 게이트(8) 아래의 전위 웰을 로우 전압이 인가된 전송 전극(6) 아래의 수직 CCD(2)의 전위 웰과 대략 동일하게(또는 그 보다 얕게) 한다. 이에 따라, 수직 CCD의 전하를 방출 드레인(8)으로 방출하지 않고, 전송방향으로 전송할 수 있다.
상기 방출 게이트(8)의 전하 방출 기능을 이용하여 모니터링 모드의 동작을 할 수 있다.
방출 게이트(8) 및 방출 드레인(9)을 사용한 모니터링모드의 동작에 대해 설명한다. 이 모니터링모드에서의 데시메이션 방법은, 7화소중 1개의 화소를 독출하는 1/7 데시메이션 모드로 한다.
먼저, 정지모드(통상 독출)의 경우와 같이, 포토다이오드(1)로부터 수직 CCD(2)로 홀수(또는 짝수)열의 화소신호를 독출한다. 수직 CCD(2)는 1패킷이 2화소를 갖도록 형성되어 있다. 수직 CCD(2)로 독출된 전하는 수평 CCD(2) 쪽으로 전송되어, 수직 CCD(2)와 수평 CCD(3)의 접속부 부근에 제공된, 방출 게이트(8)에 인접한 수직 CCD(2)의 부분까지 전송된다.
도 3은 1/7 데시메이션 모드시의 수직 CCD(2) 및 방출 게이트(8)의 구동타이밍의 일례를 나타낸다. 상기 예에서, 수직 CCD(2)는 통상 전송(정지모드)시와 동일한 구동타이밍에서 동작하고 있다.
그 후, 방출 게이트(8)에 인가되는 게이트전압(ΦTG)은 7패킷(14 화소)중 1패킷(2 화소)에 대한 게이트를 OFF하고 6패킷에 대해서는 ON으로 한다. 즉, 7패킷중 6패킷에 대해 방출 게이트(8)를 ON으로 하여 수직 CCD(2)에 의해 전송되는 신호량을 7분의 1로 데시메이션할 수 있다(필드 A에서의 동작).
이어서, 포토다이오드(1)로부터 수직 CCD(2)로 짝수(또는 홀수)열의 화소신호를 독출하고, 수직 CCD(2)로 독출된 전하를 수평 CCD(3) 쪽으로 전송하여, 수직 CCD(2)와 수평 CCD(3)의 접속부 근방에 제공된, 방출 게이트(8)에 인접한 수직 CCD(2)의 부분까지 전송한다. 그리고, 필드 A에서와 같이, 7패킷(14 화소)중 1패킷(2 화소)에 대해 방출 게이트(8)를 OFF 상태로 하고, 나머지 6패킷(12 화소)에 대해서는 방출 게이트(8)를 ON 상태로 하여 방출 동작을 실행한다(필드 B에서의 동작).
이 때, 상기 필드 A 및 필드 B의 구성 단위로서 7패킷(14 화소)을 가정하면, 2화소에 대해 상이한 색상의 성분의 신호가 3패킷(6 화소) 또는 4패킷(8 화소)의 단위로 출력된다.
이 실시예에서는, 1/7 데시메이션 모드시의 구동방법 및 동작에 대해서 설명하였지만, 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 등의 모든 데시메이션 동작을 구동타이밍을 변경함으로써 실행할 수 있음은 분명하다. 상기 데시메이션을 실행하는 화소신호는 방출 게이트(8)를 ON상태로 함으로써 방출된다. 필요한 화소신호는 방출 게이트(8)를 OFF 상태로 함으로써 수직 CCD(2)로부터 수평 CCD(3)를 향하여 전송된다. 즉, 방출 게이트(8)에 인가된 전압의 타이밍에 따라 임의의 데시메이션을 실행할 수 있다.
이 실시예에서는 인터라인 CCD에서의 화소 데시메이션(모니터링 모드)에 대해서 설명하였지만, 프로그래시브 스캔 CCD에서도 데시메이션이 가능하고 방출 게이트(8) 및 방출 드레인(9)을 이용함으로써 임의의 데시메이션이 실행될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 실시예의 구조를 이용함으로써, 수직 CCD(2)의 구동타이밍은 통상 전송(정지모드)시와 동일한 구동 타이밍으로 되고, 방출 게이트(8)에 인가되는 전압의 구동타이밍을 변경하는 것만으로 임의의 모니터링율을 갖는 모니터링 모드의 동작을 할 수 있다. 이는 종래 기술에서와 같은 복잡한 수직전송전극의 구조를 이용하지 않고 데시메이션 동작을 실행할 수 있음을 나타낸다.
도 4a는 제 1 실시예에서, 방출 게이트(8) 아래의 방출 게이트 Vth 제어주입영역(11)이 수직 CCD(2)와 동일한 도전형으로 된 구조를 나타내며, 도 4b는 이 구조에서의 전위 관계를 나타낸다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, 수직 CCD(2)는 게이트절연막(12)을 통해 수직전송전극(6)의 아래에 형성되며, 수직 CCD(2)에 인접하게 방출 게이트 Vth 제어주입영역(11)이 형성되어 있다. 상기 주입영역(11)에 인접하게 방출 드레인(9)이 형성되어 있다. 또한, 주입영역(11)의 반대측에서 수직 CCD(2)에 인접하게 채널 스톱(13)이 배치된다. 또한, 방출 게이트(8)는 수직전송전극(6)에 인접하게 주입영역(11)에 대해 수직으로 대향하게 배치되어 있다. 참조부호(10)는 Si 기판이다.
도 4a에 나타낸 구성에서는, 방출 게이트(8) 아래의 주입영역(11)이 수직 CCD(2)와 동일한 도전형을 갖기 때문에, 방출 게이트(8)에 하이의 전압을 인가하였을 때에, 도 4b에 파선으로 나타낸 바와 같이 방출 게이트(8) 아래의 전위 분포를, 방출 드레인(9)을 향하여 범프(bump)되지 않고 하방으로 경사지게 할 수 있다. 따라서, 수직 CCD(2)의 전하를 완전히 공핍화시켜 전하를 방출 드레인(9)으로 방출할 수 있다. 이 방출 게이트(8) 아래의 주입영역(11)은, 수직 CCD(2)의 형성시에 수직 CCD(2)와 동일한 도전형을 갖는 영역을 형성하고, 그 영역을 수직 CCD(2)와 동일 주입층이 되도록 함으로써 형성될 수 있다. 이 경우에도, 수직 CCD(2)의 전하를 완전히 공핍화시켜 전하를 방출 드레인(9)으로 방출할 수 있다.
도 4a의 구조와 대조적으로, 도 4c에 나타낸 바와 같이 방출 게이트(8) 아래의 영역이 수직 CCD(2)와 동일한 도전형을 갖지 않는 경우에는, 도 4d에 파선으로 나타낸 바와 같이 방출 게이트(8)에 하이의 전압을 인가하였을 때 방출 게이트(8) 아래의 전위 분포에 융기(hump)가 발생한다. 이에 의해, 수직 CCD(2)의 전하를 완전히 공핍화시킬 수 없다.
(제 2 실시예)
도 5a는 본 발명의 제 2 실시예의 구조를 나타낸다. 제 2 실시예에서는, 방출 게이트(28)가 수직 CCD(22)의 일부를 덮고 있다. 도 5a에서, 참조부호(22)는 수직 CCD, 참조부호(26)는 수직전송전극, 참조부호(28)는 방출 게이트, 참조부호(29)는 방출 드레인, 및 참조부호(13)는 채널 스톱을 나타낸다.
제 2 실시예는 방출 게이트(28)가 수직 CCD(22)와 중첩되지 않을 때 발생하는 전하의 잔류를 방지하기 위한 구조를 가진다. 상기 방출 게이트(28)는 수직 CCD(22)의 일부를 덮고 있다.
도 5b는 도 5a의 5B-5B 단면의 전위 분포를 나타낸다. 방출 게이트(28)에 하이의 전압을 인가하면, 파선으로 나타낸 전위 분포로 되며 수직 CCD(22)로부터 방출 드레인(29)을 향해 전하가 방출된다.
한편, 도 6a∼6c는 도 5a의 6A-6A 단면의 전위 분포를 나타낸다. 이 전위 분포는 방출 모드가 아닌 통상 전송 모드 시의 전위 분포이다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 수직 CCD(22)는 시간 t=t2에서 방출 게이트(28)에 인접해 있는 부분에서 전위 웰이 얕게 되어 있다. 이는 협(narrow) 채널효과에 의한 것이라고 생각된다. 그러나, 전송시에, 즉 t=t3일때, 전위장벽 또는 전위 딥(dip)을 형성하지 않고 전송 방향으로 전위 구배가 형성된다. 도 6a∼6c에서의 전위의 시간적 변화(t1,t2,t3)에 대해 도 2b에서 구동펄스의 시간 t= t1∼t5을 이용하고 있다.
따라서, 방출 게이트(28)가 수직 CCD(22)의 일부를 덮고 있기 때문에, 전송 불량을 일으키지 않고 수직 CCD(22)의 패킷내의 전하를 완전히 공핍화시킬 수 있다.
한편, 도 7a에 나타낸 바와 같이 방출 게이트(38)가 수직 CCD(22)에 중첩되지 않는 구조이면, 도 7a의 7B-7B 단면의 전위 관계는 도 7b에 도시된 바와 같다. 즉, 방출 게이트(38)에 하이의 전압을 인가하였을 때에, 수직 CCD(22)로부터 방출 드레인(29)을 향하여 전하가 방출된다. 한편, 통상 전송 시에는, 도 7a의 8A-8A 단면의 전위 단면도인 도 8a, 8b, 8c에 나타낸 바와 같이, 방출 게이트(38)에 인접해 있는 수직 CCD(22)의 부분(22A)에서 전위 웰이 깊게 된다. 그 이유는, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 그 부분(22A)에서 CCD 폭이 확대되어 있기 때문에, 협 채널효과가 완화되기 때문이다.
따라서, 도 7a의 구조에서는, 수직 전송 시에, 도 8a, 8b, 8c에 나타낸 바와 같이 수직 CCD(22)의 전위(P)이 깊게 되는 부분에서 전하의 잔류가 발생한다고 생각된다. 한편, 도 8a, 8b, 8c의 전위(P)의 시간적 변화(t2, t3, t4)를 나타내기 위해 도 2의 수직 구동 펄스의 시간 t=t1∼t5을 이용한다.
(제 3 실시예)
도 9a는 제 3 실시예의 레이아웃을 나타낸다. 상기 제 3 실시예에서는, 도 5a에 도시된 제 2 실시예의 레이아웃에서, 방출 드레인(49)에 인가되는 전압(VD)을 가변시킨다.
도 9b는 도 9a에 나타낸 구조의 통상 전송 모드 및 방출 동작 모드에서 전송전극(6)으로의 신호(φV1-φV4), 방출 게이트(48)로의 신호(φTG) 및 방출 드레인(49)으로의 인가전압(VD)의 파형을 나타낸다. 도 9b에 나타낸 바와 같이, 상기 제 3 실시예에서는, 방출 동작 모드 시에, 신호(φTG)가 하이 레벨로 되어 있는 기간을 포함하는 기간 중에 방출 드레인에 인가되는 전압(VD)을 하이 레벨로 한다.
도 9a의 10A-10A 단면도를 도 10a에 나타낸다. 도 10a의 단면구성에 대응하는 전위 분포를 도 10b에 나타낸다. 도 10b에 실선으로 나타낸 바와 같이, 방출 게이트(48)가 OFF 상태이면, 방출 드레인(49)에 인가되는 전압(VD)은 작고, 방출 드레인(49)의 전위 웰(P1)은 얕다. 한편, 도 10b에 파선으로 나타낸 바와 같이, 방출 게이트(48)가 ON 상태이면, 방출 드레인(49)에 인가되는 전압(VD)은 높고, 방출 드레인(49)의 전위 웰(P2)은 깊다. 그러나, 방출 드레인(49)의 전위 웰은 방출 게이트(48) 아래의 전위 웰보다 깊게 되도록 설정되어 있다.
상기 동작에 의해, 방출 게이트(48)가 OFF일 때 방출 드레인(49)의 전위(P1) 웰을 방출 동작의 전위(P2) 웰보다 얕게 하여, 수직 CCD(2)의 전하중 일부가 방출 게이트(48)를 통해 방출 드레인(49)으로 방출되는 현상을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 제 3 실시예에 의하면, 화소 사이즈가 작은 경우에도, 통상 동작 시의 전하유출을 방지할 수 있고, 임의의 데시메이션 레이트에 대해서도 프레임 레이트, 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있다.
도 10c에 실선으로 나타낸 바와 같이, 방출 드레인(49)에 인가되는 전압(VD)을 고정시킨 경우, 통상 전송 시에 방출 게이트(48) 아래의 영역과 방출 드레인(49) 사이의 전위 차가 크다. 따라서, 단(short) 채널 효과에 의해 방출 게이트(48) 아래의 전위가 방출 드레인(49)의 전위에 의해 유도되어, 방출 게이트(48) 아래의 전위 웰이 도 10b에 나타낸 경우 보다 깊게 된다. 이 경우, 통상 전송(방출 게이트가 OFF) 시에, 수직 CCD(2)의 전하중 일부가 방출 게이트(48)를 통해 방출 드레인(49)으로 방출될 수 있다. 상기 전송불량을 방지하기 위해서는, 방출 게이트(48)의 길이를 연장시키면 되지만, 화소 치수의 제약 때문에 이는 곤란하다.
(제 4 실시예)
도 11은 본 발명의 고체촬상장치의 제 4 실시예의 구성을 나타낸다. 이 제 4 실시예는 화소 피치를 감소시키도록 설계된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 이 실시예에는 제 1 수직 CCD(81), 제 2 수직 CCD(82), 방출 게이트(83), 방출 드레인(84), 수직전송전극(85) 및 채널 스톱(86)이 제공된다.
제 4 실시예에서는, 제 1 수직 CCD(81)와 제 2 수직 CCD(82) 사이에 방출 드레인(84)이 제공된다. 상기 방출 게이트(83)는 각각의 수직 CCD(81,82)의 양측에 인접하도록 배치되어 있고, 방출 드레인(84)을 협지하고 있다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 1개의 방출 드레인(84)을 2개의 수직 CCD(81,82)가 공유함으로써, 화소 사이즈가 작은 경우에도, 방출 드레인(84)과 방출 게이트(83)가 형성되는 영역을 충분히 확보할 수 있다.
상기 실시예의 방출 동작에서, 방출 게이트(83)는 하이 전압을 갖고, 수직 CCD(81,82)의 신호전하는 2개의 수직 CCD(81,82)에 의해 공유되는 방출 드레인(84)으로 방출된다.
이 때, 도 11에 나타낸 p형 영역의 채널 스톱(86)이, 상기 2개의 수직 CCD(81,82) 및 인접해 있는 다른 수직 CCD 사이에서 전하가 교환되는 것을 방지하고 있다.
따라서, 이 실시예에 의하면, 방출 드레인(84)이 2개의 수직 CCD(81,82)에 의해 공유되기 때문에, 화소 사이즈가 작은 경우에도, 방출 동작이 가능한 고체촬상장치를 제공할 수 있다.
〔제 5 실시예〕
도 12는 본 발명의 고체촬상장치의 제 5 실시예를 나타낸다. 상기 제 5 실시예는 방출 드레인을 복수단 제공함에 의해 수평 피치를 감소시키도록 설계되어 있다.
제 5 실시예에는, 제 1 수직 CCD(91), 제 2 수직 CCD(92), 제 1 방출 게이트(93), 제 2 방출 게이트(94), 제 1 방출 드레인(95), 제 2 방출 드레인(96), 수직전송전극(97) 및 채널 스톱(98)이 제공된다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 제 1 수직 CCD(91)와 제 2 수직 CCD(92)는 교대로 배열되어 있다. 또한, 인접하는 2개의 수직 CCD는, 상단에서 근접하게 되어 있으면 하단에서는 이격되어 있고, 상단에서 이격되어 있으면 하단에서 근접하게 되어 있다. 즉, 도 12에 나타낸 바와 같이, 제 1 수직 CCD(91)와 제 2 수직 CCD(92)는, 상단에서 근접 및 이격이 순차 반복하도록 배열되어 있다. 한편, 하단에서는, 상단과 역위상으로 이격과 근접이 순차 반복하도록 배열되어 있다.
상단에서 서로 인접하게 이격되어 있도록 배치된 제 1 수직 CCD(91)와 제 2 수직CCD(92) 사이에 제 1 방출 드레인(95)이 배치되어 있다. 상기 제 1 방출 드레인(95)과 상기 제 1 수직 CCD(91) 사이에 제 1 방출 게이트(93)가 배치되어 있다. 상기 제 1 방출 게이트(93)는 제 1 수직 CCD(91)와 부분적으로 중첩되어 있다. 또한, 제 1 방출 게이트(93)와 중첩되어 있는 제 1 수직 CCD(91) 부분의 대략 중앙 부분은 상기 제 1 방출 드레인(95)으로 연장하는 연장부(91A)를 갖는다.
서로 인접하게 이격되어 있도록 배치된 제 2 수직 CCD(92)와 제 1 수직 CCD(91) 사이에 제 2 방출 드레인(96)이 배치되어 있다. 상기 제 2 방출 드레인(96)과 상기 제 2 수직 CCD(92) 사이에 제 2 방출 게이트(94)가 배치되어 있다. 상기 제 2 방출 게이트(94)는 제 2 수직 CCD(92)와 부분적으로 중첩되어 있다. 또한, 제 2 방출 게이트(94)와 중첩되어 있는 제 2 수직 CCD(92) 부분의 대략 중앙 부분은 상기 제 2 방출 드레인(94)으로 연장하는 연장부(92A)를 갖는다.
따라서, 상기 제 5 실시예에서는, 제 1 방출 드레인(95)과 제 2 방출 드레인(96)의 상하 2단 구성으로 되어 있다. 제 1 수직 CCD(91)인, 모든 다른 수직 CCD에, 제 1 방출 드레인(95)과 제1 방출 게이트(93)가 제공되어 있다. 하단에서는, 상단에 방출 드레인이 제공되지 않은 제 2 수직 CCD(92)에 제 2 방출 드레인(96) 및 제 2 방출 게이트(94)가 제공되어, 모든 수직 CCD의 신호 전하가 방출될 수 있다.
도 12에 나타낸 구조의 방출 동작 시의 구동타이밍을 도 13에 나타낸다. 이 구동타이밍도는 1/7 데시메이션 모니터링 모드를 나타낸다.
이 실시예에서도, 수직 CCD(91,92)는 통상 전송(정지모드) 시와 동일한 구동 타이밍에서 동작하고 있다. 상기 타이밍도의 게이트신호(φTG1,φTG2)의 파형으로 도시된 바와 같이, 제 1 방출 게이트(93)는 제 2 방출 게이트(94)의 ON 기간(방출 동작 모드)에 비해 1패킷 만큼 선행되는 타이밍을 가진다. 따라서, 방출 동작의 타이밍에서 1패킷을 시프트함에 의해 1 라인의 신호 전하를 데시메이션할 수 있다. 제 1 및 제 2 방출 게이트(93,94)가 OFF 상태인 동안 1패킷(2 화소)에 대해서만 통상의 동작을 실행한 후에, 상기 게이트들이 6패킷(12 화소)에 대해 ON 상태인 동안 방출 동작을 하게 된다.
이 동작을 필드 A 및 B에서 반복함으로써 2 화소에 대해 상이한 색상의 신호가 3패킷(6 화소) 또는 4패킷(8 화소)에 대해 출력될 수 있다.
상기 제 5 실시예와 같이 복수단의 방출 드레인(95,96)을 제공한 경우, 각 단의 방출 게이트(93,94)의 구동타이밍을 시프트함으로써 방출 게이트(93,94) 및 방출 드레인(95,96)의 설치 위치에 관계없이 1라인의 화소 신호를 데시메이션할 수 있다.
상기 제 5 실시예에서는, 1/7 데시메이션 모니터링 모드를 설명하였지만, 구동타이밍을 변경함으로써 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 등의 임의의 데시메이션 레이트에서 동작들을 실행할 수 있다. 즉, 방출 게이트가 ON 상태에서 데시메이션될 화소 신호를 방출한다. 필요한 화소 신호는 방출 게이트가 OFF 상태일 때 수평 CCD를 향하여 전송되도록 한다.
상하단의 방출 드레인(95,96)의 방출 게이트(93,94)중 하나에 로우 전압을 인가하여 OFF 상태를 유지하고, 다른 쪽의 방출 드레인에는 하이 전압을 인가하여 ON 상태로 한 경우에는, 인접한 수직 CCD 중 하나에서 통상 전송이 실행되며, 다른 쪽의 수직 CCD에서 방출 동작이 행해진다. 그 결과, 1라인에서 모든 다른 신호가 처리되는 데시메이션이 실행된다.
도 12에 나타낸 구조에서는 모든 다른 수직 CCD가 수직 방향으로 2단 구성을 갖지만, 수직 방향의 2단 구성이 모든 다른 수직 CCD에 제공될 필요는 없다. 방출 드레인이 제공된 수직 CCD와 방출 드레인이 제공되지 않은 수직 CCD의 조합을 임의로 설정할 수 있다. 수직 방향의 단수도 제한되지 않으며 복수단을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복잡한 수직전송전극의 배선구조를 형성할 필요없이 구동조건을 변경하는 것만으로 임의의 데시메이션 레이트를 실현하고, 프레임레이트, 해상도 등을 용이하게 변경할 수 있는 고체촬상장치가 제공된다.
이상 본 발명을 설명하였지만, 여러 가지 방식으로 변경될 수 있음은 분명하다. 이러한 변화는 본 발명의 정신과 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 그러한 모든 변화들은 첨부된 특허청구의 범위 내에 포괄되는 것임을 당업자들은 알 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 고체촬상장치의 제 1 실시예의 2차원 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a의 1B-1B의 단면도,
도 2a는 상기 제 1 실시예의 방출부의 레이아웃을 나타낸 도면이고, 도 2b는 상기 제 1 실시예의 방출 동작 시의 구동 타이밍 챠트,
도 3은 상기 제 1 실시예의 모니터링모드에서의 구동 타이밍 챠트,
도 4a는 상기 제 1 실시예의 방출부의 단면도이고, 도 4b는 도 4a에 대응하는 전위 분포도이고, 도 4c는 대비예로서의 방출부의 단면도이고, 도 4d는 도 4c에 대응하는 전위 분포도,
도 5a는 본 발명의 제 2 실시예의 구조를 나타낸 레이아웃을 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 5a의 5B-5B 단면의 전위 분포도,
도 6a∼6c는 상기 제 2 실시예의 통상전송모드에서의 수직전송방향의 전위 분포를 전송 순서로 나타낸 도면,
도 7a는 상기 제 2 실시예의 대비예의 구조를 나타낸 레이아웃 챠트이고, 도 7b는 도 7a의 7B-7B 단면의 전위 분포도,
도 8a∼8c는 도 7a의 8A-8A 단면의 전위 분포를 전송 순서로 나타낸 전위 분포도,
도 9a는 본 발명의 제 3 실시예의 구조를 나타낸 레이아웃 챠트이고, 도 9b는 구동 타이밍 챠트,
도 10a는 도 9a의 10A-10A의 단면도이고, 도 10b는 도 10a의 단면 구성에 대응하는 전위 분포도이고, 도 10c는 제 3 실시예의 대비예의 전위 분포도,
도 11은 본 발명의 제 4 실시예의 구조를 나타낸 레이아웃 챠트,
도 12는 본 발명의 제 5 실시예의 구조를 나타낸 레이아웃 챠트,
도 13은 상기 제 5 실시예의 구동 타이밍 챠트,
도 14는 종래의 2차원 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면,
도 15는 상기 종래 예의 보다 상세한 디바이스 구성도,
도 16은 상기 종래 예의 모니터링모드에서의 구동 타이밍도, 및
도 17은 상기 종래 예의 모니터링모드에서의 신호전송상태를 나타낸 전위 챠트이다.

Claims (8)

  1. 반도체기판(10)상에 형성된 복수의 수광부(1), 상기 수광부(1)에서 독출된 전하를 수직방향으로 전송하는 수직전송부(2) 및 상기 수직전송부(2)에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평전송부(3)를 포함하는 고체촬상장치로서,
    상기 수직전송부(22)와 상기 수평전송부(3)의 접속부에 인접하여, 적어도 수직전송부(22)의 일부를 덮도록 형성되어, 상기 수직전송부의 전하를 공핍화시키는 전하방출 게이트(48),
    상기 전하방출 게이트(8) 아래에 형성되고, 상기 수직전송부(2)와 동일한 도전형(N-)을 갖는 게이트 직하(直下)층(11), 및
    상기 전하방출 게이트(48)에 인접하게 형성된 전하방출 드레인(49)을 포함하고,
    임의의 타이밍에서 상기 전하방출 게이트(48)에 전압을 인가함으로써 임의의 수직전송부(2)의 신호전하를 상기 전하방출 게이트(48)로부터 상기 전하방출 드레인(49)으로 방출함과 동시에, 상기 전하방출 드레인(49)에 인가하는 전압(VD)을 가변으로 하고, 상기 전하방출 드레인(49)으로의 인가전압(VD)의 구동 타이밍을, 상기 전하방출 게이트(48)로의 인가전압(φTG)의 구동 타이밍과 동기시키는 전하방출동작 모드에 있어서, 상기 전하방출 드레인(49)에 인가하는 전압의 펄스폭을, 적어도 상기 전하방출 게이트(48)에 인가하는 펄스(φTG)를 커버하는 펄스폭으로 하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 인접한 두개의 상기 수직전송부(81,82) 사이에 하나의 방출 드레인(84)이 제공되고, 상기 방출 드레인(84)의 양측에 위치하는 두개의 수직전송부(81,82)의 신호전하가 상기 수직전송부(81,82)에 인접하게 제공된 상기 방출 게이트(83)를 통해 상기 하나의 방출 드레인(84)에 방출되는, 고체촬상장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 방출 드레인이 제공된 상기 수직전송부와 상기 방출 드레인이 제공되지 않은 상기 수직전송부를 임의로 설정하고, 설정된 상기 방출 드레인의 조합을 수직방향으로 복수의 단에 배열하는, 고체촬상장치.
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