KR900005875B1

KR900005875B1 - 고체 촬성 소자

Info

Publication number: KR900005875B1
Application number: KR1019850000556A
Authority: KR
Inventors: 마사후미 기마따
Original assignee: 미쯔비시 덴끼 가부시끼 가이샤; 가따 야마 진하찌로
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1990-08-13
Also published as: DE3506066A1; US4652925A; KR850006818A; JPS60183881A

Abstract

내용 없음.

Description

고체 촬성 소자

제1도는 본 발명의 한 실시예의 평균 구성 블럭도.

제2도는 제1도의 선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면 구조도.

제3a도 내지 제3i도는, 이 실시예의 동작을 설명하기 위한 제2도에 대응하는 포텐셜도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

111 내지 149 : 광 검출기 211내지 249 : 트랜스퍼 게이트

300 : 트랜스퍼 게이트 선택 주사 회로

411 내지 431 및 511 내지 528 : 수직 전하 직송 소자 게이트

610,620,630 : 축적부 700 : 수평 전하 전송 소자

본 발명은, 신호의 판독(주사 기구)에 특징을 가지는 2차원의 고체 촬상 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 고체 촬상 소자는 실리콘과 같은 반도체 재료상에 광 검출기와 주사 기구를 설치한 것이며, 광 검출기에 적당한 것을 선택하면, 가시 영역으로부터 적외 영역까지의 촬상이 가능케 된다. 그리고, 고체 촬상 소자는 종래의 촬상관에 비하여, 소형, 경량, 고신뢰성인데다가, 촬상 장치를 제작하는데 조정 장소가 매우 적게 된다고 한는 이점을 가지고 있고, 넓은 분야로부터 주목을 끌고 있다.

그런데, 고체 촬상 소자의 주사 기구로서는, 종래 MOS스위치를 사용한 것이나 CCD(Charge Coupled Device)를 사용한 것이 주였으나, 전자 MOS스위치를 사용한 것인 경우, 신호를 판독할때 사용하는 MOS스위치에 기인한 스파이크 잡음이 신호에 혼입하고, S/N비를 저하시킴과 동시에, 이 스파이크 잡음은 판독하는 열 사이에서 달리하고 있고, 이것이 고정 패턴 잡음으로 불리우는 잡음으로 되어서, S/N비를 더욱 저하시킨다는 결점을 가지고, 높은 S/N비가 요구되는 미약한 신호 검출에는 사용할 수가 없다고 하는 문제를 가지고 있었다.

또, 후자의 CCD를 사용한 것중에서, 특히 전자의 MOS 방식과 동일하게 광 검출기를 자유로이 선택할수 있기 때문에 최근 널리 사용되고 있는 인터라인 방식의 CCD 방식에서는, 검출기열과 검출기열과의 사이에 CCD가 배치되기 때문에, 검출기의 유효 면적을 크게 하기 위하여 CCD부의 면적을 할 수 있는 한 작게 설계하는 것이 바람직하다. 한편, CCD의 전하 전송 능력은 구조를 동일하게 하면, CCD의 1단당의 축적 게이트 면적에 비례한다. 따라서, CCD부의 면적을 작게 하는 것은, 취급할 수 있는 전하의 최대치가 제한된다고 하는 문제점을 포함하게 된다. 이러한 문제는, 특히, 적외선 고체 촬상 소자와 같이 큰 배경중의 작은 신호를 검출할때에는 큰 문제로 된다.

따라서, 본 발명은, 종래의 MOS 방식 및 CCD방식의 결점을 개선하고, 큰 신호 취급량으로 또한 낮은 잡음의 고체 촬상 소자를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은, 간단하게 말하자면, 트랜스퍼 게이트를 복수개씩 한조로 하여 전기적으로 접속하고, 이것의 트랜스퍼 게이트의 각조를 순차 선택하는 주사회로를 설치하고, 상기 트랜스퍼 게이트 선택 주사 회로를 사용하여 수직 전하 전송 소자의 1수직선내부로부터, 동 시기에 1화소만의 신호를 판독하도록 제어하는 고체 촬상 소자이다.

이하에는, 본 발명의 한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

제1도는, 본 발명의 한 실시예의 평면 구성 블록도이다. 이 도면에서는 간단하기 때문에, 3×13의 어레이를 도시하고 있다.

도면중, 111내지 149는 광 검출기이고, PN 접합, MIS 구조, 쇼트기 접합등의 검출기가 사용된다. 211 내지 249는 트랜스퍼 게이트이고, 상기 검출기(111 내지 149)로부터 수직 전하 전송 소자에의 신호의 전송을 제어하는 것이다. 트랜스퍼 게이트(211 내지 249)는, 횡방향으로 나란한 조(예를 들면 211,224,237)를 1조로 하여 전기적으로 접속되고, 트랜스퍼 게이트(211 내지 249)를 선택하는 주사 회로(300)로부터 신호를 공급하도록 되어 있다. 주사 회로(300)는, 301 내지 313의 13단으로 구성되고, 각 단은 트랜스퍼 게이트의 횡방향의 1조에 연결되고 있다(예를 들면, 주사회로 301단은, 트랜스퍼 게이트 211,224,237에 접속되고 있다). 411 내지 431 및 511 내지 528은 수직 전하 전송 소자를 구성하는 게이트이고, 411 내지 431 및 511 내지 528은, 각각, 전기적으로 접속되고, 신호(V_M와ψ_v)가, 각각 주어진다. 여기에, 신호(V_M)는 신호(ψ_v)의 진폭의 중간치의 DC전압 신호이고,ψ_v는 검출신호의 전송 클럭 신호이다.

그리고 610,620,630은 수직 전하 전송 소자에 의하여 전송되어온 전하를 일시 저장하는 축적부이고, 이부분은, 동시에, 수직 전하 전송 소자로부터 수평 전하 전송 소자(700)에의 전하의 이송을 제어한다. 수평 전하 전송 소자(700) 및 출력 프리앰프(800)의 구조 및 동작은, 종래의 전하 전송 소자(CCD)를 사용한 이미지 센서와 완전히 동일하며, 여기서 설명은 생략한다.

제2도는, 제1도의 선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도이다. 제2도에서는, 일예로서, 이 실시예가 2층 폴리실리콘 구조를 사용한 것을 도시하고 있다.

도면중, 1은 실리콘 기판이고, n채널로 할 경우에는, p형 기판을 사용한다. 2는, 매립 채널을 형성하기 위한 n형 불순물의 웰(well)이다. 31내지 34는 각 게이트하에 설치된 포텐셜 배리어를 형성하는 불순물 영역이고, 2의 영역, 즉 n형의 불순물의 웰보다 불순물 농도는 묽게 되어 있다. 511 내지 516은, 제1도의 511 내지 516에 대응하는 게이트 전극이고, 제1층째의 폴리실리콘에 의하여 형성된다. 이 게이트(400)는, 동일 폴리 실리콘(제 2층째의 폴리실리콘)에 의하여 전기적으로 접속되고 있다. 단면도에 있어서는 연속적으로 연결된 구성으로 되어 있다. 그리고, 평면도에서는, 제1도의 411 내지 417에 도시하는 바와 같이, 전기적으로 접속되고 있다.

그리고, 611은 축적 게이트이고, 612는 축적 게이트(611)로부터 수평 전하 전송 소자(700)에의 신호의 이송을 제어하는 제어 게이트이고, 611과 612로 축적부(610)가 구성된다. 또, 701은 수평 전하 전송 소자(700)의 한개의 게이트이고, 51,52는 소자간 분리용의 두꺼운 산화막이다.

다음에, 이 실시예의 동작에 대하여 설명한다. 제3a도 내지 3i도는, 이 실시예의 동작을 설명하기 위한 채널내의 포텐셜도이다. 즉 제3도의 각 도면은 n채널(전자)에 대한 포텐셜 상태를 도시하는 도면이고, 제2도에 대응하는 각 게이트하의 포텐셜 상태를 전송 클럭(ψ)의 변화에 따라, 순차 도시하고 있다.

이 실시예에서는, 신호(V_M)는, 상기와 같이 클럭(ψ)의 하이 레벨(“H”레벨)와 로우 레벨(“L”레벨)의 중간 레벨에 설정되고 있다. 그와 같은 설정 상태에 있어서, 우선, 클럭(ψ)의 레벨을 신호(V_M)와 동일한 레벨로 하고, 그후 트랜스퍼 게이트 선택용의 주사 회로(300)를 구동하고, 트랜스퍼 게이트의 1열의 조를 ON상태로 한다. 예를 들면, 주사 회로(300)중, 305에 의하여, 215,228,241의 트랜스퍼 게이트의 조를 ON상태로 한다. 이 상태의 채널내의 포텐셜도가 제3a도이다.

트랜스퍼 게이트는 표면 채널이고, ON상태에서도 제3a도에 도시한 수직 전하 전송용의 포텐셜 베리어 부분보다 그 포텐셜은 얕은 것으로 한다. 그러면, 1수직선에 대하여 하나의 검출기로부터의 신호가 수직 전하 전송 소자로 전송되지만, 이때, 제3a도의 사선으로 도시한 바 같이 신호량이 많은 경우는, 통상의 인터라인 방식과는 달리하고 복수개의 포텐셜 웰내에 신호가 수용된다.

통상의 인턴 라인 방식에서는, 이와 같은 경우 신호가 오버플로우(over flow)하여, 블루밍(blooming)현상이 생긴다. 그러나, 이 실시예에서는, 동일 시간내에 동일 수직 전하 전송 소자 1수직 선분에 1화소에 대응하는 신호밖에 포함되지 않기 때문에, 블루밍 현상은 일어나지 않는다.

다음에, 신호(V_M)는 그대로, 클럭(ψ)이 “L”레벨로 되면, 제3b도와 같은 포텐셜 상태로 된다. 그리고, 클럭(ψ)이 “H”레벨로 되면, 제3c도와 같이, 통상의 CCD 동작에서의 최대 전하 전송량이 1단의 최대 신호 전하로 되도록 전하의 분할이 행하여 진다.

그후의 포텐셜 상태의 변화(제3d도,3e도에 도시함)는, 통상의 CCD의 동작과 동일하고, 클럭(ψ)의 “H”레벨→“L”레벨의 변화 및 “L”레벨→“H”레벨의 변화에 수반하여, 신호 전하는 축적부(610)에 전송된다.그리고, 최저, 수직 전하 전송 소자의 게이트수만 전송을 행하면, 제3f도에 도시하는 바와 같이, 수직 전하 전송 소자내의 모든 신호 전하는 축적 게이트(611)하에 모이게 된다.

즉, 통상의 인터라인 CCD에 있어서, 1화소의 출력을 CCD의 일단분으로 전송하고 있었음에 대하여, 이 실시예에서는, 1수직선으로 한번에 1화소의 신호만을 전송하는 것이다. 이것이 이 실시예의 특징의 하나이다. 그러므로, 전송 신호가 CCD 복수단에 확장되었다고 하더라도, 확장 신호는 어레이 외부에 설치한 충분한 용량을 가진 축적 게이트에서 하나로 정리되기 때문에 블루밍 현상을 발생하는 일이 없고, 종래의 것에 비하여, 비약적으로 최대 취급 신호량을 증가할 수가 있는 것이다.

축적 게이트(611)하에 모여진 신호 전하는, 다음에, 제어 게이트(612)를“H ”레벨로 하고, 수평 전하 전송 소자 게이트(701)를“H”레벨로 함으로써, 제3g도에 도시하는 포텐셜 상태로 된다. 그후, 축적 게이트(611), 제어 게이트(612)를“L”레벨로 함으로써, 제3(h)도 및 제3(i)도에 도시하는 바와 같이, 수평 전하 전송 소자(700)에 전송된다.

그리고, 제3a도 내지 3f도 사이에, 수평 전하 전송 소자(700)는 그전에 전송된 전하의 전송을 행하고 있고, 제3g도 내지 3i도에 도시하는 포텐셜 상태의 변화는, 1수평선의 판독이 끝난 후의 수평 귀선 기간에 행하여진다. 따라서, 신호 전하가 수평 전하 전송 소자를 구동하여 신호를 판독하지만, 동시에, 수직 전하 전송 소자와 축적부(610)와의 포텐셜이 제3a도에 도시하는 상태로 되돌아가고, 트랜스퍼 게이트 선택 주사 회로(300)를 구동하고, 다음의 1열의 화소를 판독하고, 상기 동작을 반복하게 된다.

이상의 설명에서는, 수직 전하 전송 소자는 2상 구동의 변형의 의사단상구동의 것을 사용하였지만 이것에 한하지 않고, 통상 CCD로서 사용하고 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수가 있다.

또 CCD의 구조도, n채널 매립형 2층 폴리실리콘에 한하지 않고, 어떠한 구조의 CCD에도 사용 가능하다.

그리고, 상기 실시예에서는, 수직의 화소수와 수직 전하 전송 소자의 게이트 수를 동등하게 해 두었지만 이들의 수는 특히 동등하지 않더라도, 발명의 효과로서 동일한 효과를 얻을 수가 있다.

그리고, 전하 축적부는 2개의 게이트로 구성되고 있는 것을 취급하였지만, 이 이상의 게이트 수로 구성되고 있어도 하등 문제는 없다.

또, 필드 축적 방식으로 행하여지고 있는 바와 같이, 2화소의 신호를 합성하여 판독하는 경우는, 동시에 2화소분의 신호가 수직 전하 전송 소자내에 존재하는 있어도 관계치 않은 것을 지적해둔다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 트랜스퍼 게이트 선택 주사 회로를 사용하여 수직 전하 전송 소자 1수직 선내에, 한 시기에 1화소만의 신호를 판독하도록 하였기 때문에, 신호가 CCD의 복수단에 걸쳐서 확장되어도 좋고, 수직 전하 전송 소자의 면적 비율을 작게 하여도 취급신호량이 큰, 또한, 예를 들면 MOS 방식과 같은 잡음을 가지지 않은 고체 촬상 소자를 얻을 수가 있다.

또, 일반적으로 CCD에서는 전송 효율이 유한하고, 전송시에 남는 것이 생기지만, 이 남는 전하는 현상 얻어지는 전송 효율에서는 주신호가 존재한 전위 웰후, 수개의 웰내를 전송되어 오기 때문에 수직 전하 전송 소자의 1라인분의 주사시에 수개 단분의 여분이 주사하는 것으로서 실효적인 전송 효율의 개선을 도모할 수가 있다고 하는 효과도 있다.

그리고 또, 통상의 인터라인 CCD에서는, 신호 전하는 최대 1프레임 시간(필드 판독 방식에서는, 1필드 시간)걸려서 CCD의 안을 전송하여 오기 때문에, 그 전송 시간이 비교적 길고 스미어(smear)나 암전류의 영향을 받기 쉽다. 이것에 대하여, 본 발명에 의하면 전송 시간이 2수평선 기간내로 매우 짧게 되기 때문에, 이들의 영향을 받기 어렵다고 하는 효과도 있다.

Claims

각각의 화소가 입사광의 양에 대응하는 신호전하를 발생하는 그런 화소를 각각 구성하는 2차원적으로 배치된 다수의 광전 변환 수단(111 내지 149)과, 상기 다수의 광전 변환 수단과 관련하여 제공되어, 상기 광전 변환 수단에서 발생되는 상기 신호 전하를 수직으로 전송하기 위한 수직 전하 전송 수단(411 내지 431, 511 내지 528)과, 상기 광전 변환 수단과 관련하여 제공되어, 상기 광전 변환 수단으로부터 상기 관련 수직 전하 전송 수단으로의 상기 신호 전하의 전송을 제어하기 위한 다수의 전송 게이트 수단(211 내지 249)과, 각 그룹이 소정의 복수의 전송 게이트 수단을 포함하는 2개 또는 그 이상의 전송 게이트 수단 그룹을 형성하도록 소정의 복수의 전송 게이트 수단에 대한 전기적 접속을 이루기 위한 전송 게이트 접속 수단과, 상기 수직 전하 전송 수단과 상기 전송 게이트 접속 수단에 결합되어, 수평 동기 신호와 동기하여 작동하고, 상기 관련 광전 변환 수단에서 발생된 상기 신호 전하가 상기 수직 전하 전송 수단으로 전송될 수 있도록 소정의 전송 게이트 수단 그룹을 인에이블시키기 위해 상기 전송 게이트 접속 수단에 신호를 선택적으로 인가하고, 상기 신호 전하를 수직으로 전송하기 위해 상기 수직 전하 전송 수단에 구동 신호를 선택적으로 인가하는 주사 회로 수단(300)과, 상기 수직 전하 전송 수단에 결합되어, 상기 수평 동기 신호의 한 수평 주기 동안 전하를 저장하기 위한 저장수단(610 내지 630) 및, 상기 저장 수단에 결합되어, 상기 수평 동기 신호와 동기하여 작동하는 수평 전하 전송 수단(700)을 포함해서 이루어진 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서, 수직 방향으로, 한 화소에 대한 한 신호 전하만을 상기 광전 변환 수단으로부터 상기 수직 전하 전송 수단으로 전송하기 위한 수단을 포함해서 이루어진 고체 활성 소자.
제1항에 있어서, 상기 수직 전하 전송 수단이, 반도체 기판상에 선택적으로 형성된 다수의 제 1 게이트 전극과, 상기 제 1 게이트 전극에 연속적으로 형성된 다수의 제 2 게이트 전극을 포함하며, 절연막이 상기 제 1 게이트 전극과 상기 제 2 게이트 전극을 분리하도록 되어 있는 고체 촬상 소자.
제3항에 있어서, 상기 제 1 게이트 전극과 상기 제 2 게이트 전극이 폴리실리콘으로 형성되어 있는 고체 촬상 소자.
제3항에 있어서, 상기 주사 회로 수단이 제 1 클럭 전송 신호를 상기 제 1 게이트 전극에 인가하고, 제 2 클럭 전송 신호를 상기 제 2 게이트 전극에 인가하도록 되어 있는 고체 촬상 소자.
제5항에 있어서, 상기 제 2클럭 전송 신호가 상기 제 1클럭 전송 신호 진폭의 중간값을 가진 DC 전압 신호로 되어 있는 고체 촬상 소자.
제1항에 있어서, 상기 저장 수단이, 상기 수직 전하 전송 수단이 형성된 상기 반도체 기판상에 형성되어, 절연막이 저장 게이트와 상기 기판을 분리하도록 되어 있는 저장 게이트와, 상기 절연막을 통해 상기 저장 게이트에 인접하여 형성된 제어 게이트를 포함하고 있는 고체 촬상 소자.