KR830001554B1 - 고체 촬상장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고체 촬상장치

제1도는 고체촬상장치의 개략을 나타낸 개략회로도.

제2도 A는 종래의 고체촬상장치의 화소부의 구조를 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명 실시예의 고체촬상장치의 화소부의 구조를 나타낸 단면도.

제3b도는 본 발명 실시예의 고체촬상장치의 수직스위치용 MOS트랜지스터 이외의 MOS트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명은 동일반도체기체상에 광전변환소자 및 주사회로를 집적화한 고체촬상장치에 관한 것이다.

특히 본 발명은 장치를 구성하는 절연게이트형 전계효과 트랜지스터(MOS트랜지스터)를 개량시킨 고체촬상장치에 관한 것이다.

텔레비젼방송용 카메라에 사용되는 고체촬상장치는, 현행의 텔레비젼방송에서 사용되고 있는 촬상용 전자관 및 해상력(Resolution)을 구비할 필요가 있다.

이 때문에 약 500(수직)400(수평)화소정도의 광전변환소자, 각광전 변환소자에 대응하는 (X,Y)좌표 선택용의 스위치소자 및 스위치소자를 개폐하는 약 500단씩의 수평주사회로, 수직주사회로가 필요하게 된다. 따라서 통상적으로는 고집적화가 비교적 용이한 MOS대규모 집적회로 기술을 사용하여 만들어진다.

제1도는 이와같은 고체촬상장치의 개략을 설하는 도면으로서, 11은 X위치 선택용 수평주사회로. 12는 Y위치 선택용 수직 주사회로이다. 13은 주사회로(12)로부터의 수직주사펄스에 의해 개폐되는 수직스위치용 MOS트랜지스터(이하 MOST라고 약해서 기재한다.), 14는 MOST(13)의 소오스접합을 이용한 포토다이오드, 15는 동일행의 MOST(13)의 드레인을 공통접속한 수지신호출력선이다. 또 16은 수평주사회로(11)로부터의 수평주사펄스에 따라 개폐되는 수평스위치용 MOST로서 드레인은 수평신호 출력선(17), 소오스

18은 수평신호출력선(17)에 저항(19)을 거쳐서 접속한 포토다이오드의 구동전압원(비데오 전압원)이다. 또 20은 신호출력단자이다. 상기 수평, 수직 두개의 주사회로는 스위치용 MOST(16)(13)를 순차개폐하여 2차원형으로 배열한 포토다이오드로부터의 광전류를 저항(19)을 통하여 독출한다. 각 포토다이오드로부터의 신호는 그 위에 투영된 광학상(光學像)에 대용하므로 상기한 동작에 의해 영상신호를 취출할 수 있다. 이러한 종류의 고체촬상장치의 특징은 광전변환에 스위치용 MOST의 소오스를 이용할 수 있으

제2도는 U.S.P 4148048로 나타낸 화소구조이다. 제2도에 있어서, 23은 광전변환소자, 주사회로등을 집적화하기 위한 N형 반도체기판, 24는 N형 반도체기판 표면영역에 형성한 P형 반도체영역의 웰 영역(Well Region)이다.

또 13은 수직주사회로(12)로부터의 수직주사펄스가 인가되는 게이트 전극(25)을 구비한 수직스위치 MOST이다. 26은 MOST(13)의 소오스이며, 고농도 N형 불순물 영역으로서 P형 웰영역과의 사이의 접합으로서 광다이오드(14)를 구성한다. 27은 MOST(13)의 드레인이며 고농도 N형 불순물 영역으로서 수직신호출력선(15)인도체층(28)에 접속되어 있다. 복수의 스위치용 MOST의 드레인이 공통연결된 신호출력선 28(15)의 일단은, 수평주사회로(11)로부터의 수평주사펄스에 의해 개폐되는 수평스위치 MOST(16)에 연결되

주사에 의해 비데오 전압(Vv)까지 충전된 포토다이오는 1프레임 기간에 입사된 광량에 따라서 방전(ΔVv)하며 다음 회의 주사로 스위치용 MOST(13),(16)가 도통하면 이 방전분을 충전하기 위한 충전전류가 흐른다. 이 충전전류는 비데오전원(18)에 연결되는 저항(19)을 거쳐서 독출되며 출력단자(20)에 영상신호를 얻을 수가 있다.

제2도에 나타낸 화소구조를 구비한 고체촬상장치는 P형 웰 영역을 설치하여 이 웰 영역내에 광전변환소자를 설치하였으므로 블루우밍(blooming)발생을 방지할 수가 있다. 또 적외광은 대부분 기판내에서 흡수되므로 해상력의 저하를 초래하지 않으며 가시역 분광감도가 평탄화되어 피사체에 충실한 영상신호를 얻을 수가 있으며 많은 잇점을 지니고 있다.

이 장치는 현재까지 제안, 개발되어있는 촬상장치중에서 가장 뛰어난 특성을 지니고 있는 것이다.

이러한 고체촬상 장치를 실용적으로 사용하기 위해서는 원료에 대한 제품의 비율면에서 그 칩사이즈(Chip Size)를 가능하다면 적게하는 것이 바람직하다. 그러나 예컨데 상기한 500×400화소의 고체촬상장치를, 표준 2/3 인치칩면상(6.6mm×8.8mm)에 실현하는데는 상당의 고집적화를 할 필요가 있다.

이와같은 좁은 면적에 포토다이오드 및 스위칭 트랜지스터 또는 주변회로등을 집적화하는데는 최소의 고집적 LSI제작기술이 필요하여 실제 MOS트랜지스터의 게이트 길이를 3μ내지 2이하로 하는 기술이 고체촬상장치에도 적용되려하고 있다.

그러나 고체촬상장치에 이와같은 고집적 LSI제작기술을 적용하는 경우는 특유한 문제로서 다음과 같은 두가지의 문제가 있음을 판명하였다.

① 특히 칼러용 고체촬상장치나 단파장의 광원을 상용하는 경우의 장치등에서는 단파장(400~500mm 정도) 측의 광(光)에대한 흡수 계수는 높기 때문에 PN접합에 입사한 광은 Si표면 근처에서 광전변환되고 발생한 소수 캐리어는 확산이나 농도 구백에 의한 드리프트 (Drift)로 접합부에 달한다.

그러나 이때 Si표면근방(표면에서 0.1μm~0.2μm이내)의 불순물 농도가(이하, 표면불순물농도라 한다)약 2×10/㎤을 초과하면 광전변환율이 열화하여 상기 농도보다 낮은 경우에 비하면 60~70%로 저하하여 버린다.

한편 고집적 LSI에 있어서는 MOS트랜지스터의 게이트 길이를 짧게 하는데 수반하는 펀치드루우(Punch Through)내압의 열화를 방지하는 등의 이유로서 MOST의 소오스, 드레인의 PN접합은 접합깊이(xj)를 얕게(게이트 길이 3μm이하의 경우 xj〈0.5μm가 통례이다)하고 이에 의한 소오스, 드레인 영역의 층저항(層抵抗)의 증가는 순물불 농도를 늘려주는 것에 의해 보충하는 것이 일반적이다.

그러나 인(Phosphours)의 Si기판에의 고용한 (Solid Solbility limit)은 약 1×10²⁰/㎤), 비소(Arsenic)에서는 약 2×10²¹/㎤, 보론(boron) 에서는 약 4×10²⁰/㎤(어느 것이나 1000℃에서의 치)이므로 소오스, 드레인 영역의 Si표면불순물 농도는 단체널(Short Channel) MOST에서는 약 2×10²⁰/㎤)을 초과하는 일이 많다. 그러나 상기의 이유로서 고체촬상장치의 화소중의 MOST의 단채널화를 이 방법으로서 행할 수는 없다.

② 장파장(600mm이상)측의 광은, Si의 흡수계수가 낮으므로 평균 광전변환이 일어나는 위치는 Si기판이 깊은 부분이다. 단파장광에 비해 장파장광은 Si표면에서의 반사율도 낮고, 양호하게 기판내에 달하므로, 장단파장광의 밸런스를 취하기 위해 특히 칼러용의 포토센서에서는 적외 커트필터를 사용한다든가 구조상의 연구등으로 장파장광에 대한 감도를 내리고 있다. 그러나 ①에서도 기술한 바와같이 고집적 LSI에서 사용하고 있는 바와같은 XJ×0.5μm 정도의 PN접합에서는 장파장광에 대한 감도가 지나치게 내려가서 단파장광파의 밸런스를 파괴하는 경우가 있다.

본 발명은 집적도가 높고 장.단파장광에 대한감도의 밸런스가 취해진고 체촬상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉 본 발명의 목적은 단파장광에 대한 감도를 저하시키지 않고 고농도 불순물 영역을 사용하여 스위치용 MOST 또는 주사회로의 MOST의 단채널화를 실현하고 체촬상장치를 제공하는데 있다.

한편 본 발명의 목적은 장파장광에 대해서도 감도를 저하시키지 않고 얕은 불순물 영역을 사용하여 스위치용 MOST의 단채널화를 실현한 고체촬상장치를 제공하는 데 있다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고체촬상장치에서는 수직스위치용 MOS트랜지스터의 소오스영역, 즉 포토 다이오드를 형성하는 불순물영역은 접합깊이를 깊게, 불순물농도를 낮게 형성하여 다른 불순물영역, 즉 수직스위치용 MOS트랜지스터의 드레인영역 또는 수평스위치용 MOS삐랜지스터의 스소오, 드레인 영역 또는 각 주사회로를 구성하는 MOST의 소오스, 드레인영역 또는 그외의 주변회로에서 고집적회로가 필요한 부분을 구성하는 MOST의 소오스드레인영역을, 접합깊이가 얕고 불순물농도가 높은 불순물 영역으로 한 장치이다. 이것에 의해 본 발명의 고체촬상장치에서는, 장. 단파장에 대한 감도의 밸런스를 유지하여 고집적화할 수가 있다.

본 발명의 고체촬상장치에서는, 장.단파장에 대한 감도의 밸런스를 유지하여 고집적화할 수가 있다.

이하 본 발명을 실시예를 참조해 가면서 상세하게 설명한다.

제3a도, 제3b도는 본 발명의 고체촬상장치의 실시예를 나타내며 제3a도는 화소부의 단면구조, 제3b도는 주변회로부의 단면구조를 나타낸다.

도면중, 30은 수직주사회로, 31은 N형 Si기판, 32는 P형 Si층, 33,34,35는 N⁺형 불순물영역이며, 33은 수평스위치 MOST를 포함한 신호처리회로나 주사회로를 구성하는 MOST등의 주변회로의 단채널 MOST의 소오스 또는 드레인이다. 또 도면중 34,35는 신호독출용스위치 MOST(주로 수직스위치MOST)의 드레인, 소오스이고 N⁺형영역(35)은 P형층(32)과 함께 포토다이오드를 구성한다. 36은 다결정 Si등으로 이루어진 주변회로의 단채널 MOST의 게이트전극, 37은 다결정 Si등으로 이루어진 신호독출용스위치 MOST(주로 수직스위치 MOST)의 게이트전극, 381~386은 SiO막등으로 이루어진 절연막, 39,392는 소오스드레인에 접속하는 Al등으로 이루어진 주변회로의 배선층, 393은 신호독출선인 Al등의 배선층이다.

제3a도, 제3b도에 나타낸 본 발명의 실시예는 단채널 MOST를 사용하여 소오스, 드레인(33),(34)을 접합깊이 xj×0.5μm, 표면불순물농도 약 2×10²⁰/㎤ 이상(층저항 약 40Ω/D이하)으로서 고집적화를 도모하고 포토다이오드에 있어서는 N⁺영역(35)의 표면 불순물농도를 약 1×10²⁰/㎤이하, 접합깊이 xj

0.5μm으로서 단파장에서 장파장까지 칼러용으로서 적절한 분광감도를 가지는 고체촬상장치를 실현한 것이다.

여기서 제3도에 있어서 P형층의 밑에 N형기판을 설치하고 있는 이유의 하나는 장파장광의 일부를 커트하여전체의 밸런스를 취하기 위해서 이지만 이것은 31을 저불순물농도의 P형기판으로 하고, 32를 이은투입후와 같은 방법으로 농도구배를 가진 P형층으로 하여도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 이 P형층(32)의 두께가 약 1.5~5μm, 불순물농도가 10¹⁵~10¹⁷/㎤정도 인때, N⁺형영역(35)의 접합깊이(xj)는 0.5~1.0μm으로 하는 것에 의해 밸런스가 취해진 장파장감도가 얻어진다. 제3a도

이상 본 발명의 실시예 및 그 설명은, 도전형을 반대로하여도 좋으며 거의 마찬가지의 효과가 얻어진다.

또 본 발명이 되는 포토다이오드의 표면불순물농도의 조건은 칼러용고체촬상장치뿐만 아니고 단파장광에 대한 감도를 필요로하는 경우의 모노크로용 고체촬상장치에도 적용할 수 있는 것은 명백하다.

본 발명의 실시예에 있어서의 특징은 이것을 그외의 등가의 것, 예를들면 다결정 Si는 모리브덴등의 그외의도 전막이나 이러한 것들의 복합막, SiO₂막은 인글라스(PSG)나 Si질화막등 그외의 절연막 또는 이들의 복합막, Al은 다결정 Si,, 모리브덴등의 그 외의도 전막또는 이들의 복합막으로서 바꿔놓아도 좋으며 또 이들의 위를 표면안정화용의 막(예컨데 인글라스)으로 피복하여도 본 발명의 효과에는 변함은 없다. 이상에서는 N채널 트랜지스터를 사용하여 설명하였으나 도전형 및 전압극을 반대로 하

이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면 포토다이오드를 형성하는 영역의 표면불순물농도를 약2×10²⁰/㎤이하로 하고, 포토다이오드가 되지않는 소오스, 드레인을 형성하는 영역의 표면불순물농도를 약 2×10²⁰/㎤이상, 접합깊이 0.5μm이하로 하는 것에 의해 깊은 단파장 감도를 가지는 고집적의 고체촬상장치를 얻을 수가 있다. 또 특히 칼러용 고체촬상장치에 있어서는 상기 포토다이오드를 형성하는 PN접합의 접합깊이를 0.5~1.0μm으로 하는 것에 의해 밸런스가 취해진 장파장감도를 가지는 포토센서를 실현할 수 있다.

Claims (1)

1. 동일반도체기체(기체)의 하나의 주표면 영역에 2차원형으로 배열한 포토다이오드, 이 포토다이오드의 선택을 행하는 수직스위치용 트랜지스터 및 수평스위치용 MOS트랜지스터, 상기 스위치용 MOS트랜지스터의 개폐를 행하는 수직 및 수평의 주사회로를 구성하는 MOS트랜지스터 및 그외의 주변회로를 구성하는 MOS트랜지스터를 구비하고, 상기 포토다이오드는 수직스위치용 MOS트랜지스터의 소오스영역과 상기 기체에 의해 구성되어 이루어진 고체촬상장치에 있어서, 상기 수직스위치용 MOS트랜지스터의 소오스영역은,이수직스위치용 MOS트랜지스터의 드레인영역, 수평스위치용 MOS트랜지스터의 소오스,. 드레인영역, 수평주사회로의 MOS트랜지스터의 소오스, 드레인영역, 수직주사회로의 MOS트랜지스터의 소오스, 드레인영역, 그외의 주변회로의 MOS트랜지스터의 소오스, 드레인영역중 적어도 하나의 불순물영역에 비해 표면불순물농도가 낮고 접합깊이가 깊은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.

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