KR19990080799A - 고체촬상소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체촬상소자에 관한 것으로, 수직전하전송영역을 통하여 전송되는 신호전하의 전송량을 증가시키기 위하여, 수직전송전하영역의 기판 구조를 개선시킨 것으로, 광전변환영역 및 전하전송영역을 구비하는 반도체 기판과, 상기 전하전송영역의 전하전송을 위하여 상기 반도체 기판의 전하전송영역 상부에 형성되는 다수개의 전송게이트을 구비하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 반도체 기판은 상기 전하전송영역이 있는 기판 부분이 전하전송방향에 대하여 다수개의 요철형상을 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 구조를 가지며, 전하전송부의 전하전송량을 증가시킬 수 있어서 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

고체촬상소자

본 발명은 고체촬상소자에 관한 것으로 특히, 수직전송전하영역의 기판 구조를 개선시켜 수직전하전송영역을 통하여 전송되는 신호전하의 전송량을 증가시키는 고체촬상소자에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 고체촬상소자의 평면도를 나타낸 것이다.

고체촬상소자는 빛에 의해 전자를 발생시키고, 전하결합소자를 방향성을 가지도록 배열하고, 이에 의해 전송된 신호전하를 검출하는 장치이다. 즉, 빛에 의하여 여기된 전하들을 CCD 채널(Charge Coupled Device channel)을 통하여 전송한 다음, 이 신호를 증폭하여 소정의 출력신호를 얻는 장치이다. 이와 같이, 영상신호를 전기신호로 변환시켜주는 장치인 고체 촬상 소자는 광전변환영역(Photo Diode, 이하 PD라 함)과 상기 PD에서 생성하고 축적한 신호전하를 전송받는 수직전하전송영역(Vertical Charge Coupled Device, 이하, VCCD라 함)으로 구성된 단위셀로하여 배열된 픽셀 어레이부와, 수평전하전송영역(Horizontal Charge Coupled Device, 이하, HCCD라 함), 신호검출부를 포함한다. PD에서 축적한 신호전하는 VCCD와 HCCD로 차례로 전달되어 신호검출부를 통해 출력된다.

일반적인 고체촬상소자의 작동을 간단히 설명하면 다음과 같다. 마이크로 렌즈를 통하여 집속된 광이 수광부인 PD 상에 닿으면, 광전효과에 의해 발생된 전하가 PD 아래의 포텐셜 우물에 축적하게 된다. 이렇게 모아진 전하는 전송게이트에 걸리는 전압에 의해 야기되는 전위 변화에 의해 전하 이동로인 VCCD로 이동(읽기 모드)된다. 전송된 전하는 VCCD를 통하여 순서대로 이동하다가 HCCD라는 보다 넓은 이동로를 따라 움직여 가게 되고, 결국 플로팅 게이트에 모아지게 된다. 플로팅 게이트에 모아진 전하는 전하량에 따라 플로팅 게이트의 포텐셜이 상하로 변하는 점을 이용하여 센싱(sensing)된후, 드레인으로 방출된다.

도 2부터 도 3b는 고체촬상소자의 일 예를 설명하기 위한 것으로, 3 개의 전송게이트를 구비하는 고체촬상소자를 예로 하여 나타낸 것이다. 도 2는 평면도이고, 도 3a는 도 2의 I-I 절단선을 따라 나타낸 단면도이고, 도 3b는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ 절단선을 따라 나타낸 단면도이다.

N형의 반도체 기판(N-sub)에 P형 웰(P-well)이 형성된 기판(30)이 있다. P형 웰(P-well)에는 N형 불순물로 형성된 BCCD 영역(BCCD)과 다수개의 N형 PD(N-PD)가 소정의 위치(도 1참조)에 각각 배열되어 형성되어 있다. 그리고, N형 PD(N-PD)와 VCCD의 일부로 구성되는 단위셀을 둘러싸는 고농도 P형 불순물로 형성된 채널스톱층(도면미표시)이 형성되어 있다.

상술된 바와 같이, PD, VCCD 및 채널스톱층을 구비하는 기판 상에는 절연막(31)이 형성되어 있으며, 절연막(31) 상에는 3 개의 전송게이트(V1)(V2)(V3)가 3층의 구조를 이루며, 소정의 패턴으로 형성되어 있다. 3 개의 전송게이트는 3 번의 폴리실리콘증착 및 식각 공정을 거쳐 형성된다. 3 개의 전송게이트는 PD에 대하여 수직방향으로 VCCD 채널을 형성할 수 있도록 BCCD 영역(BCCD) 상부에서 배열되어 있고, 분리된 각각의 PD 사이에는 3 개의 전송게이트들이 지나가도록 배열되어 있다.

상술된 구조의 고체촬상소자의 VCCD 영역에서의 전하전송을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

t1시, (V1,V2,V3)의 펄스형태를 (L,H,H)가 되도록 제1, 제2 및 제3 전송게이트에 전압을 인가하여 각 위치에서의 전위우물을 t1 시에 보인 바와 같은 프로파일을 가지도록 한다. 이 때, PD에서 VCCD로 전하전송이 이루어져서 제2 및 제3 전송게이트 하부의 VCCD 영역에 신호전하가 이동된다.

t2시, (V1,V2,V3)의 펄스형태를 (L,H,L)가 되도록 제1, 제2 및 제3 전송게이트에 전압을 인가하여 각 위치에서의 전위우물을 t2 시에 보인 바와 같은 프로파일을 가지도록 한다. 이 때, 신호전하는 제 1 전송게이트 하부의 VCCD 영역으로만 몰리게 된다. 전체 VCCD 영역을 고려할 때, 신호전하는 좌측으로 이동된다.

t3시, (V1,V2,V3)의 펄스형태를 (H,H,L)가 되도록 제1, 제2 및 제3 전송게이트에 전압을 인가하여 각 위치에서의 전위우물을 t2 시에 보인 바와 같은 프로파일을 가지도록 한다. 이 때, 신호전하는 제1 및 제2 전송게이트 하부의 VCCD 영역으로 이동하게 된다. 결국, t1에서 t3 동안 신호전하는 좌측으로 이동된다. 즉, VCCD에서의 전하전송이 이루어진 것이다.

상술된 바와 같은 VCCD 클락신호에 의하여 신호전하는 VCCD 영역을 통하여 순서대로 이동하다가 HCCD라는 보다 넓은 이동로를 따라 움직여 가게 되고, 결국 플로팅 게이트에 모아지게 된다. 플로팅 게이트에 모아진 전하는 전하량에 따라 플로팅 게이트의 포텐셜이 상하로 변하는 점을 이용하여 센싱(sensing)된다.

도 5는 종래기술에 의한 고체촬상소자를 설명하기 위한 도면으로, VCCD 영역의 단면구조를 전하전송방향을 기준으로 하여 나타낸 것이다.

N형의 기판(N-sub)에 P형 웰(P-well)이 형성되어 있고, P형 웰(P-well)에는 VCCD 영역의 일 구성인 N형 불순물로 형성된 BCCD 영역(BCCD)이 형성되어 있다. 신호전하는 VCCD 영역의 BCCD 영역(BCCD)을 통하여 소정의 방향으로 전송된다.

상술된 바와 같은 구조를 가지는 종래의 고체촬상소자에서는 VCCD 영역이 제한되어 있기 때문에 전하전송 통로가 한정된다. DIGITAL STILL CAMERA나 PC CAMERA에서 실지 이미지와 같을 정도의 해상도를 구현하기 위해서는 고화소, 예를 들어, 100만 이상의 화소를 가지는 고체촬상소자의 개발이 필요하다. 이 경우, 소자가 집적화되기 때문에 BCCD 영역의 폭과 너비는 점점 축소될 수밖에 없다. 따라서, 상술한 바와 같이 제한된 사이즈의 VCCD 영역을 가지는 종래의 기술을 사용한다면, 감도를 증가시키는데 한계가 있다. 이는 전하를 운송할 수 있는 전하전송통로가 작아지기 때문이다. 특히, 상기에서 제시된 바와 같이 3상(phase)으로 구동되는 PS-CCD의 경우에는 심각하다.

본 발명의 목적은 VCCD 영역에서 BCCD 영역이 있는 기판의 단면구조를 개선하여 전하전송통로를 확장시킴으로써, 전하전송량을 극대화하려데 있다.

이를 위한 본 발명은 광전변환영역 및 전하전송영역을 구비하는 반도체 기판과, 상기 전하전송영역의 전하전송을 위하여 상기 반도체 기판의 전하전송영역 상부에 형성되는 다수개의 전송게이트을 구비하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 반도체 기판은 상기 전하전송영역이 있는 기판 부분이 전하전송방향에 대하여 다수개의 요철형상을 가지도록 형성하는 것이 특징으로 한다.

도 1은 고체촬상소자의 개략적인 평면도

도 2는 고체촬상소자의 단위셀 부분의 평면도

도 3a부터 도 3b는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ, Ⅱ-Ⅱ 절단선을 따라 나타낸 단면도

도 4는 고체촬상소자의 전하전송을 설명하기 위한 도면

도 5는 종래의 기술에 의하여 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 절단선을 따라 나타낸 단면구조와 전위 프로파일

도 6은 본 발명에 의하여 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 절단선을 따라 나타낸 단면구조와 전위 프로파일

도 7a부터 도 7e는 도 6에 나타낸 본 발명에 의한 고체촬상소자의 제조공정도

도 6은 본 발명에 따른 고체촬상소자를 설명하기 위한 도면으로, VCCD 영역의 단면구조를 전하전송방향을 기준으로 하여 나타낸 것으로, 일반적인 고체촬상소자의 평면도를 보여주는 도 2에서의 I-I 절단선을 따라 나타낸 것이다.

N형의 반도체 기판(N-sub)에 P형 웰(P-well)이 형성되어 있는 기판(60)에서, P형 웰(P-well)에는 VCCD 영역의 일 구성인 N형 불순물로 형성된 BCCD 영역(BCCD)이 형성되어 있다. 그런데, BCCD 영역(BCCD)이 있는 반도체 기판의 표면 부분은 요철형상으로 패턴되어 있다. 도면에는 BCCD 영역이 있는 반도체 기판의 표면 부분이 톱니바퀴 모양의 파쇄형으로 패턴식각되어 있음을 보여준다.

그리고, 기판(60)의 상부에는 산화막(61)과 절연막(62) 예를 들어, 게이트 ONO막이 형성되어 있고, BCCD 영역(BCCD) 상부의 절연막(62) 상에는 3 개의 전송게이트(V1)(V2)(V3)가 형성되어 있다.

상기 본 발명의 구조에서는 BCCD 영역의 반도체 기판 부분을 요철형상으로 패턴함으로써, BCCD 영역(BCCD)의 단면적을 증가시킨다. 따라서, BCCD 영역을 통하여 전송되는 전하전송량을 크게 할 수 있다.

BCCD 영역을 통하여 전하를 전송하는 VCCD의 전하전송작동은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같으므로, 그 설명을 생략한다.

도 7a부터 도 7e는 도 6에 나타낸 단면을 보여주는 고체촬상소자의 제조공정도이다.

도 7a를 참조하면, N형 반도체 기판(N-sub) 예를 들어, 실리콘 기판에 P형의 불순물이 도핑된 P형 웰(P-well)이 형성된 기판(60)에 질화막을 증착한 후, 소정의 형상 예를 들어, 도면에 보인 바와 패턴대로 질화막을 패턴식각하여 식각용 마스크 패턴(70)을 형성한다. 즉, PD 영역 부분은 그대로 두고, VCCD 영역이 될 부분에 전하전송방향과 평행하게 스트라이프(도 8참조)가 형성되도록 질화막을 패턴식각한다. 식각용 마스크 패턴(70)의 각 라인 사이로 기판(60)의 표면이 노출된다. 이 때, 각 라인 사이의 간격을 0.3㎛이하가 되게 하는 것이 유리하다. 절연막의 식각을 위해서 습식식각법이 사용될 수 있다.

도 7b를 참조하면, 식각용 마스크 패턴(70)의 각 라인 사이로 노출된 반도체 기판의 표면 일부를 식각한다. 실리콘 기판인 경우, 실리콘 에쳔트로 실리콘 표면을 습식식각하면, (100)면이 (111)면보다 식각되는 속도가 빠르다. 식각공정 결과, 실리콘 기판의 표면이 톱니 바퀴모양의 파쇄형이 된다.

도 7c를 참조하면, 식각용 마스크 패턴(70)을 제거한 후, 전산화(pre oxidation)을 실시하여 실리콘 기판의 표면을 덮는 산화막(61)을 형성한다.

도 7d를 참조하면, 기판에 N형 불순물을 선택적으로 주입하여 N형의 PD 영역(N-PD)을 형성한다. 이 후, BCCD 영역이 될 부분인 파쇄형의 표면이 드러난 실리콘 기판 부분에만 선택적으로 불순물 주입마스크를 사용하여 실리콘 기판에 N형 불순물을 선택적으로 주입하여 N형의 BCCD 영역(BCCD)을 형성한다.

도면에 보인 바와 같이, BCCD 영역은 단면적이 증가된다. 따라서, 도 5에 보인 바와 같이, VCCD 영역이 전송하는 전하량을 증가시킬 수 있다.

이후, 산화막(61)을 덮는 절연막(62) 예를 들어, 게이트 ONO막을 형성한다.

도 7e를 참조하면, 제1, 제2 및 제 3 폴리실리콘 증착 및 식각공정을 진행하여 3개의 전송게이트(V1)(V2)(V3)를 형성한다.

그리고, 이후의 공정을 진행하여 고체촬상소자의 제조를 완료한다.

상술된 본 발명의 실시예에서는 VCCD 영역의 단면적을 늘리는 구조로 파쇄형을 제시하였지만, 본 발명은 VCCD 영역의 구조에 관계없이 VCCD 영역의 단면적을 늘리는 다양한 구조에 적용할 수 있다.

본 발명은 BCCD 영역이 있는 기판 부분의 단면구조를 개선시킴으로써, 전하전송부의 전하전송량을 증가시킬 수 있어서 감도를 향상시킬 수 있다. 특히, 소자가 집적화되어도 적정량의 전하를 전송할 수 있다. 따라서, 백노이즈(back noise) 현상 및 VCCD 블로밍(blooming) 현상을 억제할 수 있다.

Claims (3)

1. 광전변환영역 및 전하전송영역을 구비하는 반도체 기판과, 상기 전하전송영역의 전하전송을 위하여 상기 반도체 기판의 전하전송영역 상부에 형성되는 다수개의 전송게이트을 구비하는 고체촬상소자에 있어서,

   상기 반도체 기판은 상기 전하전송영역이 있는 기판 부분이 전하전송방향에 대하여 다수개의 요철형상을 가지도록 형성하는 것이 특징인 고체촬상소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 요철형상은 V 자형인 것이 특징인 고체촬상소자.
3. 청구항 1 또는, 청구항 2에 있어서,

   상기 다수개의 요철은 0.3㎛의 간격을 가지는 것이 특징인 고체촬상소자.