KR20010018153A - 전하 결합 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전하 전송 효율을 높일 수 있도록 전하전송영역을 복수의 영역으로 나누어 각 영역이 전위차를 갖도록 한 전하 결합 소자에 관한 것으로, 복수의 광전 변환 영역들;상기 광전 변환 영역들 사이에 구성되어 그들에서 생성된 전하를 제 1 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들;상기 수직 전하 전송 영역들에서 전송되어진 전하를 제 2 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역을 포함하고, 상기 수평 전하 전송 영역이 복수의 채널로 나뉘어 어느 하나의 채널이 최대 전위를 갖고 그를 기준으로 이웃하는 채널들의 전위가 점차 작아지도록 구성되어 전하 전송시에 최대 전위를 갖는 채널을 중심으로 전하가 모인 상태에서 전송되는 것을 특징으로 한다.

Description

전하 결합 소자{Charge Coupled Device}
본 발명은 전하 결합 소자에 관한 것으로, 특히 전하 전송 효율을 높일 수 있도록 전하전송영역을 복수의 영역으로 나누어 각 영역이 전위차를 갖도록 한 전하 결합 소자에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 전하 결합 소자에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 고체촬상소자의 평면 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 수평 전하 결합 소자의 평면 구성도이다.
일반적으로 전하 결합 소자를 이용한 촬상 소자는 도 1에서와 같이, 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 것으로, 크게 광전 변환 및 생성 전하의 축적을 하는 포토다이오드 영역(11)과, 이들에서 생성된 신호전하를 전송하는 전하 전송 채널(12a)(12b) 그리고 전하 전송 채널(12a)(12b)을 통하여 전송된 신호 전하를 센싱하는 신호 검출부(Sanse Amp)(13)로 크게 구성된다.
전하 전송 채널(12)은 복수개의 포토 다이오드 영역(11)에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)(12a)과 수직 전송된 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(HCCD)(12b)으로 구성된다.
전하 전송 채널은 도 2에서와 같이, 반도체 기판의 표면내에 형성되는 p형 웰 영역내에 As등의 이온 주입으로 채널 영역(21)이 형성되고, 상기 채널 영역(21)상에 전하의 전송을 위하여 전위차를 발생시키기 위한 게이트 전극(22)들이 각각 분리되어 반복적으로 구성된다.
이와 같이 구성된 전하 전송 채널의 전하 전송은 다음과 같이 이루어진다.
도 3a와 도 3b는 도 2의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면 구성도이다.
균일한 농도를 갖고 형성된 채널 영역(21)은 게이트 전극(22)들에 클럭 신호가 인가되지 않은 상태에서는 균일한 전위 분포를 갖는다.
반도체 기판(N-SUB)내에 p형 불순물 이온을 균일하게 주입하여 p형 웰을 형성하고 p형 웰 영역내에 n형 불순물을 균일한 농도로 주입하여 HCCD를 형성한 것이다.
이와 같이 구성된 전하 결합 소자의 수평 전하 전송 영역상의 각 게이트 전극(22)들에 레벨 차이를 갖는 클럭 신호가 인가되면 전압 차이에 의해 채널 영역(21)에 전위차가 형성된다.
이와 같은 전위차에 의해 전하는 일방향으로 이동한다.
여기서, 전하는 채널 영역(21) 전체에 신호량에 관계없이 균일하게 퍼져서 이동한다.
전하 전송 채널에서 수평 전하 전송 영역은 수직 전하 전송 영역에서 전송되어진 전하를 짧은 순간에 다 읽어 내야 하므로 수직 전하 전송 영역이 4 위상 클럭킹으로 동작하는데 비하여, 수평 전하 전송 영역은 2 위상 클럭킹으로 동작한다.
이와 같은 종래 기술의 전하 결합 소자에서는 채널 영역을 이동하는 전하량이 많을 경우에는 문제가 없으나, 전하량이 적을 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 게이트 전극 하측의 채널 영역 전체에 전하가 퍼져 이동하므로 채널 영역 자체의 결함에 의해 전하 유실이 발생할 수 있다.
둘째, 수평 전하 전송 영역의 채널 영역이 넓어서 매우 적은 전하의 경우에는 게이트 전극에 인가되는 전압에 의해 그 전위를 유지하지 못하고 손실이될 수도 있다.
셋째, 전하 전송 효율을 높이기 위해서는 채널 영역이 좁을 수록 유리하나 최대 전하량을 고려하여 수평 전하 전송 영역을 설계하여 그 폭이 크다.
이는 적은 전하량의 전송시에 전하 전송 효율의 저하를 의미한다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 전하 결합 소자의 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전하 전송 효율을 높일 수 있도록 전하전송영역을 복수의 영역으로 나누어 각 영역이 전위차를 갖도록 한 전하 결합 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 고체촬상소자의 평면 구성도
도 2는 종래 기술의 수평 전하 결합 소자의 평면 구성도
도 3a와 도 3b는 도 2의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면 구성도
도 4는 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 p웰 영역 형성후의 평면 구성도
도 5a와 도 5b는 도 4의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면 구성도
도 6은 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 채널 영역 형성후의 평면 구성도
도 7a와 도 7b는 도 6의 E-E'선 및 F-F'선에 따른 단면 구성도
도 8은 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 채널 게이트 전극 형성후의 평면 구성도
도 9a와 도 9b는 도 8의 G-G'선 및 H-H'선에 따른 단면 구성도
도 10a와 도 10b는 도 8의 G-G'선 및 H-H'선에 따른 전위 분포도
도 11a는 전위가 가장 큰 부분이 중앙에 위치하는 경우의 수평 전하 전송 영역의 포텐셜 프로파일
도 11b는 전위가 가장 큰 부분이 VCCD에서 먼쪽인 경우의 수평전하 전송영역에서의 포텐셜 프로파일
도 11c는 징검다리 형태의 수평전하 전송영역의 포텐셜 프로파일
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
41. 반도체 기판 42. 수직 전하 전송 영역
43a.43b.43c.43d.43e. p형 웰 44. 수평 전하 전송 영역
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하 결합 소자는 복수의 광전 변환 영역들; 상기 광전 변환 영역들 사이에 구성되어 그들에서 생성된 전하를 제 1 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들; 상기 수직 전하 전송 영역들에서 전송되어진 전하를 제 2 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역을 포함하고, 상기 수평 전하 전송 영역이 복수의 채널로 나뉘어 어느 하나의 채널이 최대 전위를 갖고 그를 기준으로 이웃하는 채널들의 전위가 점차 작아지도록 구성되어 전하 전송시에 최대 전위를 갖는 채널을 중심으로 전하가 모인 상태에서 전송되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 전하 결합 소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 p웰 영역 형성후의 평면 구성도이고, 도 5a와 도 5b는 도 4의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면 구성도이다.
본 발명은 수평 전하 전송 영역의 전하 전송 효율을 높이기 위하여 반도체 기판내에 형성되는 웰 영역을 수평 전하 전송 영역이 형성되는 전체 영역에 형성하는 것이 아니고, 웰 영역을 분리 형성하는 것이다.
이와 같이 웰 영역을 분리하여 형성하는 경우 웰 영역들간의 이격 거리 또는 웰 영역과 그에 이웃한 다른 웰 영역간의 너비 차이로 인하여 수평 전하 전송 영역의 포텐셜이 차이를 갖게 된다.
먼저, 본 발명에 따른 전하 결합 소자의 평면 구성에서 웰 영역은 다음과 같이 형성된다.
수평 전하 전송 영역(44)이 형성될 반도체 기판(41)의 표면내에 웰 영역을 도 4에서와 같이 어느 일측에서 가장 넓은 너비를 갖도록 분리 형성한다.
도 5a에서와 같이, 웰 영역의 형성 깊이는 동일하다.
그리고 p형 웰 영역의 너비는 도 5b에서와 같이, 43a ＞ 43b ＞ 43c ＞ 43d ＞ 43e의 크기가 되고, p형 웰 영역간의 이격 거리는 ⓐ ＞ ⓑ ＞ ⓒ ＞ ⓓ 의 크기가 된다.
이때, 수직 전하 전송 영역(42)이 형성되는 영역의 p형 웰 영역은 분리 형성되지 않고 통상적으로 일체형으로 형성된다.
상기와 같은 수평 전하 전송 영역(44)이 형성될 영역의 p형 웰 영역들간의 이격 거리를 어느 일측이 아닌 타측(수직 전하 전송 영역에 인접한) 또는 중앙이 가장 좁게 형성하는 것도 가능하다.
그리고 p형 웰 영역의 형성 너비를 수직 전하 전송 영역에서 먼쪽이 아닌 인접한쪽의 너비를 가장 크게 할 수도 있고, 중앙 부분의 웰 영역의 너비를 가장 크게 하고 외측으로 갈수록 좁게 형성할 수도 있다.
그리고 p형 웰 영역들간의 이격 거리를 등간격으로 하고 웰 영역의 형성 너비만을 각각 다르게 형성하거나, 웰 영역의 형성 너비를 등간격으로 하고, 이격 거리만을 각각 다르게 할수도 있다.
이와 같이 웰 영역을 분리하여 형성하고 이격 거리 및 웰 형성 너비를 다르게하는 것은 수평 전하 전송 영역의 어느 한부분을 중심으로 하여 그 부분의 전위가 가장크도록 전위차를 갖도록하기 위한 것이다.
가장 큰 전위를 갖는 부분을 플로우팅 디퓨전 영역을 기준으로 하여 설정할 수도 있다.
또한, 웰 영역간의 이격 거리 및 웰 형성 너비의 조정에 따라 수평 전하 전송 영역의 전위가 전하 전송 방향에 수직한 방향에서 계단 형태로 나타나거나, 전위 우물이 분리된 징검다리 형태로 나타날 수 있다.
도 10b, 도 11a, 도 11b가 계단 형태의 전위를 나타낸 것이고, 도 11c가 징검다리 형태의 전위를 나타낸 것이다.
이와 같이 p형 웰 영역이 형성된후 공정은 다음과 같이 진행된다.
도 6은 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 채널 영역 형성후의 평면 구성도이고, 도 7a와 도 7b는 도 6의 E-E'선 및 F-F'선에 따른 단면 구성도이다.
수평 전하 전송 영역이 형성될 부분의 웰 영역을 하나의 마스크를 사용하여 한번의 이온 주입 공정으로 형성한후에 도 6에서와 같이, n형의 불순물 이온을 주입하여 수평 전하 전송 영역(44)을 형성한다.
도면에 도시되지 않았지만, 이때, 수직 전하 전송 영역도 동시에 형성된다.
이와 같이 형성된 수평 전하 전송 영역(44)은 도 7a와 도 7b에서와 같이, 형성 깊이가 동일하다.
그러나 이와 같이 균일한 농도로 형성된 수평 전하 전송 영역(44)은 하부의 p형 웰(43a)(43b)(43c)(43d)(43e)이 등간격 또는 비등간격으로 이격되고, 형성 너비를 달리하여 형성되었기 때문에 실질적인 포텐셜 크기는 위치에 따라 다르게 나타난다.
다음으로 게이트 전극들을 형성한다.
도 8은 본 발명에 따른 수평 전하 결합 소자의 채널 게이트 전극 형성후의 평면 구성도이고, 도 9a와 도 9b는 도 8의 G-G'선 및 H-H'선에 따른 단면 구성도이다.
이와 같이 수평 전하 전송 영역(44)이 형성된후에 그 상측에 전하 전송을 위한 게이트 전극(45a)(45b)들을 형성한다.
게이트 전극(45a)(45b)들은 각각 분리되어 일정 부분이 오버랩되고 반복적으로 형성된다.
이와 같이 형성된 게이트 전극(45a)(45b)들에 클럭을 인가하면 그 하측의 수평 전하 전송 영역(44)에 전위차가 발생하여 전하들이 일방향으로 이동된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전하 결합 소자의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
도 10a와 도 10b는 도 8의 G-G'선 및 H-H'선에 따른 전위 분포도이다.
그리고 도 11a는 전위가 가장 큰 부분이 중앙에 위치하는 경우의 수평 전하 전송 영역의 포텐셜 프로파일이고, 도 11b는 전위가 가장 큰 부분이 VCCD에서 먼쪽인 경우의 수평전하 전송영역에서의 포텐셜 프로파일이다.
도 11c는 징검다리 형태의 수평전하 전송영역의 포텐셜 프로파일이다.
도 10a는 전하가 플로우팅 디퓨전 영역쪽으로 이동하는 것을 나타낸 것으로 이와 같은 전위차는 게이트 전극(45a)(45b)들에 의해 발생된다.
그리고 도 10b는 VCCD에 가까운 쪽이 최대 전위를 갖는 수평 전하 전송 영역(44)에서의 전하 이동 상태를 나타낸 것으로, 저조도의 촬상 동작시에 생성된 전하가 수평 전하 전송 영역(44)의 전체에 걸쳐서 이동되는 것이 아니라, p웰 영역(43a)(43b)(43c)(43d)(43e)에 의해 전위차를 갖는 수평 전하 전송 영역(44)의 최대 전위를 갖는 부분으로 모두 모여 플로우팅 디퓨전 영역으로 이동되는 것을 보여준다.
이와 같이 생성된 전하량이 적은 경우에는 수평 전하 전송 영역(44)의 전체 영역을 사용하여 전하가 전송되는 것이 아니라 일부분만을 이용하여 전하가 전송되므로 전하의 유실이 없다.
도 11a는 수평 전하 전송 영역(44)에서 최대 전위가 중앙 부분이 되도록한 것을 나타낸 것으로, 계단 형태의 전위 프로파일을 갖도록한 것이다.
도 11b는 마찬가지로 계단 형태의 전위 프로파일을 갖도록한 것으로, VCCD에서 먼쪽이 최대 전위를 갖도록한 것이다.
그리고 도 11c는 p형 웰 영역의 이격 거리를 조정하여 전위 프로파일이 징검다리 형태가 되도록한 것을 나타낸 것으로, 최대 전위는 중앙에 위치된 것을 나타낸 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 전하 결합 소자는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명의 전하 결합 소자는 채널 영역을 균일한 전위를 갖도록 형성하지 않고 영역별로 다른 전위를 갖도록 형성하여 전하 생성량이 적은 저조도시에 전하가 수평 전하 전송 영역의 전체 영역이 아닌 일부분을 이용하여 전송되도록 하여 전하의 유실을 억제한다.
이는 전하 전송 효율을 높이고, 화질을 개선하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 복수의 광전 변환 영역들;
    상기 광전 변환 영역들 사이에 구성되어 그들에서 생성된 전하를 제 1 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들;
    상기 수직 전하 전송 영역들에서 전송되어진 전하를 제 2 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역을 포함하고, 상기 수평 전하 전송 영역이 복수의 채널로 나뉘어 어느 하나의 채널이 최대 전위를 갖고 그를 기준으로 이웃하는 채널들의 전위가 점차 작아지도록 구성되어 전하 전송시에 최대 전위를 갖는 채널을 중심으로 전하가 모인 상태에서 전송되는 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 수평 전하 전송 영역의 전위차는 전하 이동 방향의 수직 방향에서 유지되는 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 수평 전하 전송 영역을 이루는 복수의 채널들의 너비는 등간격 또는 비등간격인 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  4. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 표면내에 형성되는 웰 영역에 형성되는 광전 변환 영역들과 광전 변환 영역들에서 생성된 전하를 제 1 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역들 상기 수직 전하 전송 영역들에서 전송되어진 전하를 제 2 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역을 포함하고 구성되어,
    상기 수평 전하 전송 영역이 형성되는 부분의 웰 영역이 복수개로 나뉘어져 각각 분리 구성되는 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 수평 전하 전송 영역 하측에 구성되는 복수개의 웰 영역들은 각각 형성 너비가 같고 이격 거리가 다른 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  6. 제 4 항에 있어서, 수평 전하 전송 영역 하측에 구성되는 복수개의 웰 영역들은 각각 형성 너비가 다르고 이격 거리가 같은 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
  7. 제 4 항에 있어서, 수평 전하 전송 영역 하측에 구성되는 복수개의 웰 영역들은 각각 형성 너비가 다르고 이격 거리도 다른 것을 특징으로 하는 전하 결합 소자.
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