KR100553854B1 - 세로로 변하는 채널폭을 갖는 전하전송로 및 그것을사용한 고체촬상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고집적도, 고광전변환 기능, 고전송 성능의 고체촬상장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 이를 위하여 본 발명은, 반도체 기판의 표면에 행렬형태로 배열되며 홀수 열에 대하여 짝수 열의 광전변환소자는 각 열 내의 피치의 약 1/2 어긋나 있고 홀수 행에 대하여 짝수 행의 광전변환소자는 각 행 내의 피치의 약 1/2 어긋나 있는 다수개의 광전변환소자와, 대응하는 광전변환소자 열에 근접하여 반도체 기판 상에 형성된 띠 모양의 평면 형상을 갖고 사행(蛇行)하면서 열방향으로 연장하는 복수의 전송채널 영역과, 전송채널 영역 위쪽을 횡단하여 전체적으로 행방향으로 연장하고 전송채널 영역 상에 복수의 구획선을 획정(畵定)하는 단부 중첩 구성을 가지며 각 전송채널 영역 내에 구획선으로 구획된 복수의 전하전송 구획을 획정하는 복수의 전송전극을 갖고, 각 전송채널 영역 내에서 행방향을 따라 복수의 전하전송 구획이 병존하는 영역을 포함한다.

고체촬상장치, 전하전송로, 광전변환소자, 전하전송구획

Description

세로로 변하는 채널폭을 갖는 전하전송로 및 그것을 사용한 고체촬상장치{CHARGE TRANSFER PATH HAVING LENGTHWISELY VARYING CHANNEL WIDTH AND IMAGE PICK-UP DEVICE USING IT}

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 개략평면도.

도 2 는 제 1 실시예에서의 기판 내의 불순물 첨가영역의 평면 형상을 개략적으로 나타내는 도면 및 기판 단면도.

도 3 은 제 1 실시예에서의 2층 전송전극의 형상을 나타내는 평면도 및 기판 수직방향의 단면도.

도 4 는 제 1 실시예에서의 전하전송채널의 구획 형상을 나타내는 도면 및 협(狹)채널 효과를 설명하기 위한 개략단면도.

도 5 는 제 1 실시예에서의 구동회로의 접속을 나타내는 개략평면도.

도 6 은 제 1 실시예에 의한 고체촬상장치의 구동방법을 개략적으로 나타내는 타이밍차트.

도 7 은 제 1 실시예의 변형예를 나타내는 평면도.

도 8 은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 고체촬상장치의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도.

도 9 는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 고체촬상장치의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도.

도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전하전송로를 나타내는 개략평면도.

도 11 은 본 발명자가 앞서 제안한 고체촬상장치의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1: n형 반도체 기판 2: p형 웰(well)

3, 5: n형 영역 6: 경계선

7: p⁺형 채널 스톱 영역 8, 9: 산화실리콘막

11, 12: 폴리실리콘 전송전극 14: 절연층

15: 컬러필터층

본 발명은 전하전송로와 그것을 사용한 고체촬상장치에 관한 것으로, 특히, 전송 성능을 개선시킨 전하전송로와 그것을 사용한 고체촬상장치에 관한 것이다.

또한, 본 명세서에서 전송 성능은 전송 속도 및 전송 효율을 포함하는 개념을 나타낸다.

제 1 도전형의 반도체 영역 표면에, 연장하는 제 2 도전형의 전송채널 영역을 형성하고, 이 전송채널 영역 표면에 절연막을 사이에 두고 복수의 전송전극을 형성함으로써, 전하전송로를 형성할 수 있다. 전송전극은 전송채널 영역과 용량결합되고, 그 전압을 제어함으로써 전송채널 영역의 포텐셜(potential)을 제어할 수 있다. 연속적으로 전하를 전송하기 위해서는, 전송채널 영역 표면 상에 복수의 전송전극의 각 단부(端部)를 중첩시켜 형성한다.

이러한 전하전송로를 사용한 반도체장치로서 고체촬상장치가 알려져 있다. 고체촬상장치는 수광(受光)영역 중에 행렬형태로 배치된 광전변환소자와, 각 광전변환소자 열에 근접하여 형성된 전하전송로를 갖는다. 광전변환소자에 축적된 전하를 전하전송로로 독출(讀出)하고, 전하전송로를 전송함으로써, 화소 정보를 표시하는 전하를 외부로 추출할 수 있다.

통상, 광전변환소자를 정방행렬 형태로 배치하고, 전하전송로를 광전변환소자 열에 근접시켜서, 열방향으로 직선 형상으로 형성한다. 전하전송로의 포텐셜을 제어하는 전송전극은 행방향으로 연장하고, 각 광전변환소자 상에서 노치(notch)된 형상을 갖는다.

일본국 특원평8-288856호에는 열방향 및 행방향으로 약 1/2 피치의 화소 시프트를 채용한 고체촬상장치가 제안되어 있다. 각 열 내에서 화소인 광전변환소자는 일정 피치로 배치되고, 각 행 내에서도 광전변환소자는 일정 피치로 배열되어 있다.

홀수 열의 광전변환소자에 대하여 짝수 열의 광전변환소자는 열 내의 피치의 약 1/2 어긋난 위치에 배치되어 있다. 또한, 홀수 행의 광전변환소자에 대하여 짝수 행의 광전변환소자는 행 내의 피치의 약 1/2 어긋난 위치에 배치되어 있다.

도 11 에 이 고체촬상장치의 구성을 개략적으로 나타낸다. 다수의 화소(광전변환소자)(PIX)는 행렬형태로 배치되고, 열방향으로는 피치 P_V로 배치되며, 행방향으로는 피치 P_H로 배치되어 있다. 인접하는 열의 광전변환소자는 열방향으로 약 1/2 P_V 어긋난 위치에 배치되고, 인접하는 행의 광전변환소자는 행방향으로 약 1/2 P_H 어긋난 위치에 배치되어 있다.

또한, 각 화소(PIX) 상에는 컬러필터가 설치되어, 컬러 고체촬상장치를 구성하고 있다. 각 화소의 컬러를 G(녹색), B(청색), R(적색)로 나타내고 있다. 채널스톱 영역(CS)이 화소(PIX)의 한쪽 측변(側邊)을 둘러싸면서 열방향으로 연장하여 배치되고, 각 열을 전기적으로 분리하고 있다. 채널 스톱 영역(CS)과 화소(PIX)에 끼워진 영역 내에 수직 전하전송채널이 형성된다.

반도체 기판 표면에 산화실리콘막을 통하여 형성되는 제 1 폴리실리콘막과 제 2 폴리실리콘막에 의해, 도면 중의 횡방향으로 연장하는 전하전송전극(E1, E2)이 형성되어 있다. 제 1 폴리실리콘막 표면도 산화실리콘막으로 덮여, 제 2 폴리실리콘막으로부터 절연된다.

전하전송전극은 각 행당 2개 형성되어 있다. 또한, 도시한 구성에 있어서, 각 열 내에서의 화소(PIX)는 2행당 1개 형성되어 있기 때문에, 각 열 내에서 화소 1개당 4개의 전송전극이 형성되어 있다. 이러한 1화소당 4개의 전극을 4상(相) 구동함으로써, 각 화소로부터 독출한 전하를 독립적으로 수직방향으로 전송할 수 있다.

전하전송전극은 전하전송로 내의 전하를 열방향으로 전송시키는 것이고, 행방향에 따른 엣지를 갖는 복수의 전극이 열방향으로 중첩하여 배치되어 있다. 화소 시프트 배치에서는 인접하는 화소의 위치를 행방향 및 열방향으로 중첩시키는 것이 가능하다. 또한, 인접하는 화소 정보의 보간(補間)을 행함으로써, 동일 위치에서 복수의 색(色) 정보를 얻는 것도 용이하다. 따라서, 높은 화소밀도의 화상을 얻는데 효과적인 배치이다.

그러나, 각 화소의 면적을 확대할 경우, 전송로는 필연적으로 사행(蛇行)하는 형상으로 된다. 전송로가 사행함으로써, 직선적인 전송로에 비하여 전하의 전송 거리는 길어진다. 전송 거리의 증대에 따라, 전송 시간도 길어지기 쉽다.

본 발명의 목적은 전송 성능을 향상시킬 수 있는 전하전송로를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 화소 시프트 배치를 갖는 고체촬상장치에 있어서, 화소의 고집적화를 가능하게 하는 동시에, 광전변환소자의 성능을 유지하며, 전송로의 전송 성능을 개선시킬 수 있는 고체촬상장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 화소 시프트 배치를 갖는 고체촬상장치의 효율적인 구동방법을 제공하는 것이다.

도 1 내지 도 5 는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 고체촬상장치를 나타낸다. 도 1 은 전송전극을 형성한 반도체 기판의 상면도를 나타낸다. 도 2a 는 반도체 기판에 불순물 첨가영역을 형성한 상태의 기판 표면의 배치예를 나타내는 도면이고, 도 2b 는 도 2a 의 ⅡB-ⅡB선에 따른 단면 구성을 나타내는 개략단면도이다. 도 3a 는 기판 표면에 형성하는 2층 폴리실리콘 전극의 배치를 나타내는 개략도이고, 도 3b 및 도 3c 는 도 3a 에서의 ⅢB-ⅢB선 및 ⅢC-ⅢC선에 따른 반도체 기판의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 실리콘 등의 반도체 칩 표면에는 광전변환소자의 전하 축적영역으로 되는 n형 영역(3)이 행렬형태로 배치된다. 도면의 구성에 있어서는, n형 영역(3)은 홀수 열과 짝수 열에서 열 내의 피치의 약 1/2 어긋나게 배치되고, 홀수 행과 짝수 행에서도 행 내의 피치의 약 1/2 어긋나게 배치되어 있다.

도 2a 에 나타낸 바와 같이, 각 열의 왼쪽에서 p⁺형 영역(7)이 열방향으로 연장하는 형상으로 형성되고, 각 n형 영역(3)의 왼쪽을 둘러싸고 있다. p⁺형 영역(7)은 각 열을 전기적으로 분리한다. 인접하는 p⁺형 영역(7)의 사이 및 p⁺형 영역(7)과 그 왼쪽의 n형 영역(3) 사이를 메우도록, n형 영역(5)이 열방향으로 사행하여 형성되어 있다. 이 n형 영역(5)과 n형 영역(3)의 사이에는 p^-형 영역(2)이 노출되어 독출 게이트 영역을 구성하고 있다.

도 2b 에 나타낸 바와 같이, p^-형 영역(2)은 n형 실리콘 기판(1) 내에 형성된 p형 웰에 의해 형성되고, 이 p형 웰(2) 중에 n형 영역(3, 5) 및 p⁺형 영역(7)이 형성되어 있다. n형 영역(3)은 화소인 광전변환소자를 형성하는 포토다이오드의 전하 축적영역을 구성한다. 또한, 전하 축적영역을 광전변환소자라고 하는 경우도 있다. n형 영역(5)은 열방향으로 전하를 전송하는 수직 전송채널을 구성한다. 각 불순물 첨가영역은, 예를 들어, 이온 주입과 그후의 어닐링에 의해 형성된다.

도 2 에 나타낸 바와 같은 구성을 갖는 반도체 기판 표면 상에, 예를 들어, 열산화에 의한 실리콘 산화막 등의 절연막을 통하여, 폴리실리콘 등의 적층 전송전극이 형성된다.

도 3a 는 전송전극의 형상을 나타내는 평면도이다. 도 3b 및 도 3c 는 도 3a에서의 ⅢB-ⅢB선 및 ⅢC-ⅢC선에 따른 단면도이다.

반도체 기판 표면에 열산화막(8)이 형성되고, 그 위에 제 1 폴리실리콘층이 형성된다. 포토리소그래피와 에칭에 의해 제 1 폴리실리콘층을 패터닝하여, 제 1 폴리실리콘 전송전극(11a, 11b)이 형성된다. 제 1 폴리실리콘 전송전극(11a, 11b)은 도 3a 에 나타낸 바와 같은 패턴을 갖고, 전하 축적영역인 n형 영역(3)의 상측을 둘러싸도록 배치된다.

제 1 폴리실리콘 전송전극(11a, 11b)을 형성한 후, 그의 표면에 열산화에 의한 산화막(9)이 형성된다. 열산화막(9)을 형성한 후, 기판 표면 상에 제 2 폴리실리콘층이 형성되고, 포토리소그래피 및 에칭에 의해 패터닝되어 제 2 폴리실리콘 전송전극(12a, 12b)이 형성된다. 제 2 폴리실리콘 전송전극은 n형 영역(3)의 하측을 둘러싸고, 도 3a 중의 점선으로 나타낸 형상을 갖는다.

도 3b 및 도 3c 에 나타낸 바와 같이, 제 1 폴리실리콘 전송전극(11)(11a 및 11b를 11로 총칭한다)과 제 2 폴리실리콘 전송전극(12)(12a 및 12b를 12로 총칭한다)은 단부를 중첩시킨 오버랩 구조를 갖는다.

도 2a 에 나타낸 기판 상에 도 3a 에 나타낸 적층 전송전극을 형성하면, 도 1 에 나타낸 구성으로 된다.

또한, 도 3b 및 도 3c 에 나타낸 바와 같이, 적층 전송전극(11, 12)을 형성한 후, 그 위에 평탄한 표면을 갖는 절연층(14)을 형성한다. 절연층(14)은, 예를 들어, 산화실리콘계 절연층과 평탄화 기능을 갖는 절연층의 적층 구조로 형성된다. 절연층(14) 상에는 컬러필터층(15)이 형성된다.

컬러필터층(15)은 각 화소에서의 전하 축적영역(3)을 덮고, 원하는 파장의 광만을 각 화소에 입사시킨다. 또한, 컬러필터층(15) 상에는 평탄화 기능을 갖는 평탄화 절연층이 더 형성되고, 그 위에 전하 축적영역 상에 개구를 갖는 차광막이 형성된다. 차광막 상에는 평탄화 기능을 갖는 평탄화막이 더 형성되고, 그 위에 마이크로 렌즈가 형성된다. 고체촬상장치의 일반적인 구조에 관해서는, 예를 들어, 일본국 특개소61-25224호 공보의 실시예를 참조할 수 있다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 그 위에 적층 전송전극을 형성한 전송채널 영역(5)은 전송전극에 의해 복수의 구획으로 구획된다. 이러한 구획은 제 1 층의 전송전극(11)의 경계선(6)에 의해 획정(畵定)된다.

도 4a 는 전송채널 영역(5) 내의 각 구획을 나타내는 개략평면도이다. 전송채널 영역(5)은 그의 위쪽에 형성되는 제 1층 및 제 2 층의 전송전극(11, 12)에 의해 구획(S1, S2, S3, S4)으로 구획된다. 이것들 4개의 구획(S1∼S4)은 열방향으로 반복하여 배치된다.

구획(S1) 상에는 제 2 폴리실리콘 전극(12)이 배치되어 있다. 구획(S2) 상에는 제 1 폴리실리콘 전극(11)이 배치되어 있다. 이것과 동일하게, 구획(S3, S4) 상에는 제 2 폴리실리콘 전극(12) 및 제 1 폴리실리콘 전극(11)이 각각 배치되어 있다. 또한, 홀수열의 전송로와 짝수열의 전송로는 열방향 피치의 약 1/2 어긋난 형상을 갖는다.

도 4a 에 나타낸 배치에 있어서, 각 구획은 폭이 좁은 협폭부(狹幅部)와 폭이 넓은 광폭부(廣幅部)를 갖는다. 인접하는 구획(S1, S2)은 긴 직선형상 사변(斜邊)과 그의 양 끝에 접속된 짧은 수평방향의 변을 갖는 경계선(6a)을 통하여 접하고 있다.

상기 사변은 전송채널 영역의 엣지와 평행하게 배치되고, 전송채널 영역을 행방향으로 나열한 2개의 협폭부로 분리한다. 각 협폭부는 일정 폭을 갖는다. 일정 폭의 영역은 균일한 협채널 효과를 갖는다. 또한, 사변은 엄밀하게 전송채널 영역의 엣지와 평행할 필요는 없으며, 실질적으로 평행하면 된다. 병존하는 협폭부의 양측에 각각 광폭부가 연속되어 있다.

구획(S2)과 구획(S3)의 각 광폭부는 수평방향의 경계선(6b)을 통하여 접하고 있다. 광폭부는 협채널 효과의 영향이 적으며, 낮은 포텐셜을 갖는다.

도 4b 는 협채널 효과를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다. p^-형 영역(17) 중에 n형 영역(18)이 형성되어 있다. p^-형 영역(17)과 n형 영역(18) 사이 의 고정 전위 및 인가 전압에 의해, 양자 사이의 pn 접합 주변에 공핍층(空乏層)이 발달한다. 점선(19)은 이러한 상태에서의 하나의 등(等)전위면을 개략적으로 나타낸다. n형 영역(18)의 폭이 좁을 경우, 양측으로부터 발달하는 공핍층이 접하고, 중간영역의 저부(底部)의 포텐셜도 높아지게 된다. 등전위면(19)은 폭방향으로 축소될 뿐만 아니라, 깊이방향도 축소된다. 이와 같이, 폭이 좁은 반도체 영역에서는 협채널 효과에 의해 포텐셜이 상승한다.

전하전송로의 폭이 좁아지면, 협채널 효과를 피하는 것은 어려워진다. 전하전송로의 폭이 변화할 경우, 전하전송로 내에 포텐셜 분포가 생겨, 원활하게 전하를 전송하는 것이 곤란해질 수 있다. 전하전송로는, 예를 들어, 고정 전위만에 의해 n형 영역이 완전하게 공핍화하는 조건으로 설정된다.

도 4a 에 나타낸 전하전송로(5)에 있어서는, 각 구획이 폭이 넓은 광폭부와 폭이 좁은 협폭부를 갖는다. 협폭부의 폭이 일정하기 때문에 협폭부의 협채널 효과는 균일하다. 폭이 넓은 광폭부는 폭이 좁은 협폭부에 비하여 협채널 효과를 받는 비율이 적고, 광폭부의 포텐셜은 협폭부보다도 낮아진다. 따라서, 전하는 협폭부분보다도 광폭부분에 우선적으로 축적된다.

구획(S4)으로부터 구획(S1)에 전하를 전송할 경우, 구획(S4)에서의 전하는 광폭부에 우선적으로 분포한다. 구획(S1)의 포텐셜을 낮추면, 구획(S4)의 광폭부에 축적된 전하는 신속하게 구획(S1)의 광폭부에 전송된다. 따라서, 구획(S4)으로부터 구획(S1)에 전하를 전송하는 전송 성능을 향상시킬 수 있다.

구획(S1)과 구획(S2)은 긴 경계선(6a)에 의해 접하고 있다. 구획(S1)으로부 터 구획(S2)에 전하를 전송할 경우, 구획(S2)의 포텐셜을 낮추면, 긴 경계선(6a)을 횡단하여 전하가 전송된다. 즉, 경계선(6a)을 횡단하는 전하전송은 전하전송로(5)의 길이방향으로 발생하는 것이 아니라, 긴 경계선(6a)을 횡단하도록 발생한다. 전송 영역의 단면적이 넓기 때문에, 경계선(6a)을 통한 전하전송의 전송 성능은 향상된다.

이와 같이 하여, 도 1 에 나타낸 적층 전송전극 구조를 갖는 전하전송로는 사행형상을 가짐에도 불구하고, 높은 전송 성능을 실현시키는 것을 기대할 수 있다. 실제로 전송 성능을 측정한 결과, 양호한 전송 성능을 확인할 수 있었다.

도 5 는 전송전극에 대한 구동회로의 접속법을 나타낸다. 구동회로로서는 4상 구동회로를 사용하는 경우를 나타낸다. 제 2 층 전송전극(12a)에 제 1 상 구동전원(φ1)이 접속되고, 제 1 층 전송전극(11a)에 제 2 상 구동전원(φ2)이 접속된다. 이것과 동일하게, 제 2 층 전송전극(12b) 및 제 1 층 전송전극(11b)에 제 3 상 구동전원(φ3) 및 제 4 상 구동전원(φ4)이 접속된다.

도 6 은 4상 구동신호를 사용한 고체촬상소자의 구동방법을 설명하기 위한 신호 파형을 나타내는 타이밍차트이다. 구동신호는 전송용 하이 레벨(H), 전송용 로우 레벨(L), 전송용 하이 레벨보다 더 높은 독출 레벨(R)을 갖는다. 독출 레벨(R)은, 예를 들어, +15V이고, 전하 축적영역으로부터 p^-형 영역(2)을 통하여 인접하는 전하전송로(5)에 전하를 독출할 수 있다. 전송용 하이 레벨(H)은, 예를 들어, 접지 전위이고, 전송용 로우 레벨(L)은, 예를 들어, -8V이다.

이하, 제 2 층 전송전극(12)에 독출 레벨의 신호를 인가하는 경우를 설명한다. p^-형 영역(2) 내의 제 2 층 전송전극(12)의 아래에 배치되는 부분이 독출 게이트 영역(2r)(도 1 및 도 2 참조)으로 된다.

도 6 에 나타낸 바와 같이, 먼저, 제 1 상 구동신호(φ1) 및 제 2 상 구동신호(φ2)를 하이 레벨로 하고, 제 3 및 제 4 상 구동신호(φ3 및 φ4)를 로우 레벨로 유지한다. 이 상태에서 제 1 상 구동신호(φ1)를 독출 레벨(R)까지 상승시킨다. 독출 레벨(R)의 인가에 의해, 도 5 의 전하 축적영역(3a, 3c)으로부터 인접하는 전하전송로(5)에 축적 전하가 독출된다. 그 후, 제 1 상 구동신호를 전송용 하이 레벨로 되돌린다.

독출된 전하는 하이 레벨의 제 2 층 전송전극(12a) 및 제 1 층 전송전극(11a)의 아래에 분포한다. 전송채널 영역의 전체 폭을 전하 축적에 이용하기 때문에, 독출 시의 전송 성능을 높게 할 수 있다. 또한, 제 1 상 구동신호를 전송용 하이 레벨을 개재시키지 않고, 직접 독출 레벨로 할 수도 있다.

이 상태에서는, 예를 들어, 도 5 의 전하 축적영역(3b, 3d)에 축적된 전하는 아직 전하전송로에 독출되지 않고, 전하 축적영역에 축적된 상태이다. 이 상태에서는 전하전송로(5)의 반분(半分)에 전하가 독출된 상태이고, 나머지 반분(半分)의 전하전송로에는 전하가 독출되어 있지 않다. 전체 전송로에 전하를 독출하기 위해서는, 광전변환소자(3b, 3d)로부터도 전하를 독출할 필요가 있다.

다음으로, 제 1 상 및 제 2 상 구동신호(φ1 및 φ2)를 로우 레벨로 하고, 제 3 상 및 제 4 상 구동신호(φ3 및 φ4)를 전송용 하이 레벨로 한다. 제 3 상 구동신호(φ3)를 독출 레벨(R)로 증대시킨다. 이 독출 레벨의 인가에 의해, 도 5 에서의 전하 축적영역(3b, 3d)에 축적된 전하가 인접하는 전하전송로(5)에 독출된다.

이 상태에서 전송전극을 4상 구동함으로써, 독출한 전하를 열방향으로 전송할 수 있다.

도 5 의 구동회로 대신에 8상 구동회로를 전송전극에 접속할 수도 있다. 전하 축적영역의 반분(半分)으로부터 전하를 독출하고, 8상 구동을 행할 경우, 전송 속도를 높일 수 있다.

도 7 은 제 1 실시예의 변형예를 나타낸다. 본 구성에서는, 인접하는 전하전송로가 채널 스톱 영역을 통하여 접하는 부분의 구획선(6b)도 행방향에 대하여 경사지도록 배치한다. 경사지게 배치함으로써, 경계선(6b)의 길이가 길어진다. 즉, 구획으로부터 구획으로의 전하전송을 행할 경우, 전하가 통과하는 영역의 단면적이 넓어지기 때문에, 전송 성능을 높일 수 있다.

도 8a 는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 고체촬상장치를 나타낸다. 광전변환소자가 화소 시프트 배치에 의해 행렬형태로 배치되고, 열방향으로 전하전송로 및 채널 스톱 영역이 배치되며, 행방향으로 전송전극이 배치되어 있다.

인접하는 전하전송로가 채널 스톱 영역을 통하여 대향하는 부분의 경계선(6b)은 제 1 실시예에서의 경계선과 동일하나, 1개의 전하전송로가 경사방향으로 인접하는 전하 축적영역 사이에 끼워진 부분에서의 경계선(6a)이 제 1 실시예 와 달리, 직선상으로 배치되어 있다.

각 화소가 폭이 넓은 부분과 폭이 좁은 부분을 갖는 점 및 경계선(6a)이 행방향으로부터 경사지고, 전하전송로 내에서 길게 배치되어 있는 점은 제 1 실시예와 동일하다. 경계선(6a)이 직선상으로 형성됨으로써, 협폭부의 채널 폭이 연속적으로 변화한다. 협채널 효과가 발생하여도, 포텐셜의 변화는 단조롭고 연속적이며, 적당한 전압 인가에 의해, 전하전송로 중에 전하를 체류시킬 가능성이 감소한다. 이와 같이 하여, 전송 성능을 높일 수 있다.

또한, 인접하는 구획에 로우 레벨 및 하이 레벨의 전압을 인가한 상태에서는, 하이 레벨의 전압을 인가한 구획의 포텐셜이 낮아져서, 긴 경계선(6a)을 횡단하여 고성능의 전하전송이 실행된다. 경계선(6b)을 횡단하는 전하전송에 관해서는 제 1 실시예와 동일하다.

도 8b 는 제 2 실시예의 변형예를 나타낸다. 제 1 층 전송전극(11)과 제 2 층 전송전극(12)의 형상을 변경함으로써, 경계선(6b)도 수평방향으로부터 경사지도록 형성되어 있다. 경계선(6b)이 경사지고, 그의 길이가 길어짐으로써, 전하전송 성능이 향상된다.

도 9 는 제 3 실시예에 의한 고체촬상장치의 평면 구조를 개략적으로 나타낸다. 본 실시예에 있어서는, 제 1 층 전송전극(11a, 11b)의 독출 게이트(2r)에 인접하는 부분이 노치(notch)되고, 제 2 층 전송전극(12a, 12b)도 그의 형상에 따라 변경되어 있다. 독출 게이트(2r)에 인접하는 부분에서 제 2 층 전송전극(12)이 앞이 넓어지는 형상을 가짐으로써, 독출 동작에서의 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 전하 축적영역(3)으로부터 독출 게이트(2r)를 넘어 인접하는 전하전송로(5)에 전하를 독출할 경우, 전하전송의 방향에 따라 전하가 이동하는 영역의 폭이 넓어진다. 따라서, 효율적인 전하전송을 기대할 수 있다.

도 9b 는 제 3 실시예의 변형예를 나타낸다.

도 9a 의 구성에서는 전송전극(11, 12)이 좌우 비대칭의 형상을 갖는다. 전송전극에 구동신호를 인가하고, 전송로 내에서 전하를 전송할 경우, 인접하는 채널에서 전송전극의 형상이 상이하기 때문에, 전송 성능에 영향을 줄 가능성이 있다.

도 9b 의 구조에서는 전송전극(11, 12)의 형상이 좌우 비대칭의 형상으로 변경되어 있다. 따라서, 전하전송로 내에서 전하를 전송할 경우, 각 순간의 전하전송로의 전송 성능을 균일화할 수 있다.

이상, 고체촬상장치가 화소 시프트 구조를 갖고, 전하전송로가 사행(蛇行)하는 경우를 설명했으나, 직선 모양으로 연장하는 전하전송로에 대해서도 동일한 구조를 채용할 수 있다. 또한, 고체촬상장치의 실시예를 설명했으나, 상술한 전하전송로는 고체촬상장치에 한정되지 않고, 전하전송로에 널리 이용할 수 있다.

도 10 은 직선 모양의 전하전송로의 실시예에서의 구획 형상의 예를 나타낸다.

도 10a 는 직선 모양의 전하전송로(5)가 4개의 구획(S1, S2, S3, S4)의 반복에 의해 형성되어 있는 경우를 나타낸다. 각 구획(S1∼S4)은 도 4a 에 나타낸 구획(S1∼S4)과 동일하게 광폭부와 협폭부를 갖는다. 이러한 구성에 의해, 광폭부에 의한 전하 축적 기능 및 긴 경계선(6a)을 통한 효율적인 전하전송을 행할 수 있는 것은 도 4a 의 전하전송과 동일하다.

도 10b 는 도 10a 의 구성에서의 경계선(6a, 6b)의 수평방향 부분을 비스듬하게 경사지도록 한 구조이다. 그 밖의 부분은 도 10a 와 동일하다. 경계선(6b)도 비스듬하게 경사지도록 함으로써, 그 길이가 길어져, 전송 성능이 향상된다. 경계선은 전하전송로의 엣지에 대하여 경사져 있으나, 전하전송로는 경계선에 대하여 직교방향으로 생겨, 상술한 바와 같이 효율적인 전송이 가능하다.

도 10c 는 전하전송로(5)를 동일하게 경사지게 배치된 직선 모양의 경계선(6)으로 구획함으로써, 동일 형상의 구획(S)을 구성한 경우를 나타낸다. 경계선(6)이 수평방향으로부터 경사짐으로써, 그 길이가 길어져, 전송 성능이 향상된다.

도 10d 는 경계선(6)을 상향의 포텐셜로 한 경우를 나타낸다. 경계선(6)의 길이가 길어져, 인접하는 구획 사이의 전송 성능이 향상된다.

또한, 경계선을 수평방향 또는 행방향에 대하여 경사지도록 할 경우, 그 효과를 명확하게 하기 위해서는, 그 각도를 5° 이상으로 하는 것이 바람직하다. 전하전송로 중의 구획이 대략 동일 면적을 갖는 경우를 설명했으나, 구획의 면적은 반드시 일정하지 않아도 된다. 다만, 효율적인 전하전송을 행하기 위해서는, 각 구획의 면적에 너무 큰 차를 두지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 동일 전하전송로 중의 임의의 2개의 구획의 면적 비율은 1:1 내지 1:5(또는 5:1)의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

2층 전송전극의 경우를 설명했으나, 3층 이상의 전송전극에 의해 전하전송로 를 구성할 수도 있다. 또한, 구동 방식은 4상 구동에 한정되지 않는다.

이상에서 실시예에 따라 본 발명을 설명했으나, 본 발명이 이것들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 변경, 개량, 조합이 가능한 것은 당업자에게 자명하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전하전송로의 전송 성능을 향상시킬 수 있다.

사행(蛇行)하는 전하전송로의 경우도 높은 전송 성능을 실현시킴으로써, 직선 모양의 전하전송로에 뒤떨어지지 않는 전송 성능을 실현시킬 수 있다.

화소 시프트 배치를 갖는 고체촬상장치에 있어서는, 전하전송로를 사행시키는 것이 요망되나, 전하전송로를 사행시키는 것에 의한 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (23)

1. 제 1 도전형의 표면 영역을 갖는 반도체 기판;

   상기 표면 영역 내에 형성되고, 상기 제 1 도전형과는 반대의 제 2 도전형을 갖고, 한 쌍의 엣지에 의해 획정(畵定)된 띠 모양의 평면 형상을 가지며, 전체적으로 반도체 기판 표면 내의 일 방향(연장 방향)으로 연장하는 채널 영역;

   상기 채널 영역을 덮으며 상기 반도체 기판 상에 형성된 절연막; 및

   상기 채널 영역과 적어도 일부가 중첩되고 상기 채널 영역을 횡단하도록 상기 절연막 상에 형성되어, 상기 채널 영역 상에 복수의 구획선을 획정함으로써, 상기 채널 영역 내에 상기 구획선으로 구획된 복수의 전하전송 구획을 생성하는 복수의 전송전극을 갖고,

   상기 구획선은 상기 구획선의 길이가 상기 채널 영역의 폭보다 길이가 증가하는 방향으로 형성되고, 상기 전하전송 구획 사이의 전하전송은 상기 형성된 구획선을 횡단하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전하전송로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 직교방향에 대하여 5° 이상의 각도를 형성하도록, 상기 채널 영역과 상기 복수의 전송전극의 형상이 선택되어 있는 전하전송로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 엣지와 거의 평행한 부분을 갖는 전하전송로.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전하전송 구획의 적어도 일부가 상기 직교방향의 폭을 단조롭게 변화시키는 부분을 갖는 전하전송로.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널 영역이 주기적으로 사행(蛇行)하면서 상기 연장 방향으로 연장하고, 상기 연장 방향에 대하여 경사진 영역에서 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 직교방향에 대하여 5° 이상 경사진 부분을 갖는 전하전송로.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 연장 방향에 대하여 경사진 영역에서, 인접하는 상기 전하전송 구획이 직선 모양의 구획선을 통하여 접하고 있는 전하전송로.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 전하전송 구획의 적어도 일부가 상기 직교방향의 폭에 관하여 협폭부와 광폭부를 갖는 전하전송로.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 광폭부가 전하전송 구획의 일단에 있는 전하전송로.
9. 제 8 항에 있어서, 인접하는 상기 전하전송 구획이 서로 접하는 부분에서 함께 상기 광폭부를 갖는 전하전송로.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 협폭부가 상기 광폭부로부터 멀어짐에 따라 상기 직교방향의 폭을 감소시키고 있는 전하전송로.
11. (a) 2차원 표면을 획정하는 반도체 기판;

    (b) 상기 반도체 기판의 표면에 일정 피치로 복수 열 및 복수 행으로 배열된 다수개의 광전변환소자로서, 홀수 열의 광전변환소자에 대하여 짝수 열의 광전변환소자는 각 열 내의 광전변환소자 피치의 약 1/2 어긋나 있고, 홀수 행의 광전변환소자에 대하여 짝수 행의 광전변환소자는 각 행 내의 광전변환소자 피치의 약 1/2 어긋나 있으며, 상기 각 광전변환소자 열은 홀수 열 또는 짝수 열의 광전변환소자만을 포함하는 다수개의 광전변환소자;

    (c) 각각이 대응하는 광전변환소자 열에 근접하여 반도체 기판 상에 형성되고, 한 쌍의 엣지에 의해 획정(畵定)된 띠 모양의 평면 형상을 가지며, 사행(蛇行)하면서 열방향으로 연장하는 복수의 전송채널 영역; 및

    (d) 상기 전송채널 영역 위쪽을 횡단하고, 전체적으로 행방향으로 연장하는 복수의 전송전극으로서, 상기 전송채널 영역과 적어도 일부가 중첩되고 상기 채널 영역을 횡단하도록 형성됨으로써 상기 전송채널 영역 내에 구획선으로 복수의 전하전송 구획을 획정하는 복수의 전송전극을 갖고,

    상기 구획선은 상기 구획선의 길이가 상기 채널 영역의 폭보다 길이가 증가하는 방향으로 형성되고, 상기 전하전송 구획 사이의 전하전송은 상기 형성된 구획선을 횡단하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 행방향에 대하여 5° 이상의 각도를 형성하도록, 상기 채널 영역과 상기 복수의 전송전극의 형상이 선택되어 있는 고체촬상장치.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 엣지와 거의 평행한 부분을 갖는 고체촬상장치.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 전하전송 구획의 적어도 일부가 상기 행방향의 폭을 단조롭게 변화시키는 부분을 갖는 고체촬상장치.
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송채널 영역이 주기적으로 사행하면서 상기 열방향으로 연장하고, 상기 열방향에 대하여 경사진 영역에서 상기 구획선의 적어도 일부가 상기 행방향에 대하여 5° 이상 경사진 부분을 갖는 고체촬상장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 행방향에 대하여 경사진 영역에서, 인접하는 상기 전하전송 구획이 직선 모양의 구획선을 통하여 접하고 있는 고체촬상장치.
17. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 전하전송 구 획의 적어도 일부가 상기 행방향의 폭에 관하여 협폭부와 광폭부를 갖는 고체촬상장치.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 광폭부가 전하전송 구획의 일단에 있는 고체촬상장치.
19. 제 18 항에 있어서, 인접하는 상기 전하전송 구획이 서로 접하는 부분에서 함께 상기 광폭부를 갖는 고체촬상장치.
20. 제 17 항에 있어서, 상기 협폭부가 상기 광폭부로부터 멀어짐에 따라 상기 행방향의 폭을 감소시키고 있는 고체촬상장치.
21. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 전하전송 구획의 임의의 2개의 비율은 1:1 내지 1:5의 사이에 있는 고체촬상장치.
22. 2차원 표면을 획정(畵定)하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 일정 피치로 복수 열 및 복수 행으로 배열된 다수개의 광전변환소자로서, 홀수 열의 광전변환소자에 대하여 짝수 열의 광전변환소자는 각 열 내의 광전변환소자 피치의 약 1/2 어긋나 있고, 홀수 행의 광전변환소자에 대하여 짝수 행의 광전변환소자는 각 행 내의 광전변환소자 피치의 약 1/2 어긋나 있으며, 상기 각 광전변환소자 열은 홀수 열 또는 짝수 열의 광전변환소자만을 포함하는 다수개의 광전변환소자; 각각이 대응하는 광전변환소자 열에 근접하여 반도체 기판 상에 형성되고, 한 쌍의 엣지에 의해 획정된 띠 모양의 평면 형상을 가지며, 사행(蛇行)하면서 열방향으로 연장하는 복수의 전송채널 영역; 및 상기 전송채널 영역 위쪽을 횡단하고 전체적으로 행방향으로 연장하는 복수의 전송전극으로서, 상기 전송채널 영역과 적어도 일부가 중첩되고 상기 채널 영역을 횡단하도록 형성됨으로써 상기 전송채널 영역 내에 구획선으로 복수의 전하전송 구획을 획정하는 복수의 전송전극을 가지며, 상기 구획선은 상기 구획선의 길이가 상기 채널 영역의 폭보다 길이가 증가하는 방향으로 형성되고, 상기 전하전송 구획 사이의 전하전송은 상기 형성된 구획선을 횡단하여 이루어지는 고체촬상장치를 구동하는 구동방법으로서,

    (a) 상기 광전변환소자에 전하를 축적하는 공정;

    (b) 상기 광전변환소자에 인접하는 제 1 전하전송 구획에 독출 레벨의 전압을 인가하는 동시에, 그 행방향으로 인접하는 제 2 전하전송 구획에 전송용 하이 레벨의 전압을 인가하는 공정; 및

    (c) 상기 제 1 전하전송 구획의 전압을 전송용 하이 레벨로 변화시키는 공정을 포함하는 고체촬상장치의 구동방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 공정 (b) 및 (c)가 홀수 행의 광전변환소자와 짝수 행의 광전변환소자에 대하여 반복적으로 실행되는 고체촬상장치의 구동방법.

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