KR930011473B1 - 좁은 채널효과를 가지는 의사이상 전하 결합소자 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

좁은 채널효과를 가지는 의사이상 전하 결합소자
제1도는 종래의 의사이상전하결합소자의 구조 및 채널전위분포도.
제2도는 전하전송에 사용되는 이상전송클럭의 파형도.
제3도는 종래의 또다른 의사이상전하결합소자의 구조 및 채널전위 분포도.
제4a도는 본 발명의 의사이상전하결합소자의 평면도.
제4b도는 제4a도의 절단선 a-a'에 따른 단면도.
제4c도는 제4a도 및 4b도에 따른 본 발명의 채널전위분포도.
제5도는 본 발명에 따른 게이트전극의 폭과 채널전위와의 관계를 보여주는 그래프.
본 발명은 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)에 관한 것으로, 특히 좁은 채널 효과를 이용하여 전송효율을 향상시킬 수 있는 의사이상전하 결합소자에 관한 것이다.
CCD는 전하전송소자(Charge Transfer Device)로 알려진 광범위한 부류중의 일부로서, 클럭펄스의 제어에 의해 전하가 정해진 길을 따라 이동하는 동적인 소자이다. 이러한 특성을 이용하여 CCD는 포토다이오드등과 결합하여 광신호를 감지하여 영상신호를 만드는 기술분야에서 다양하고도 광범위하게 이용되고 있다. 예를들면, 이미지센서, 비디오카메라, 팩시밀리, 비디오신호처리회로등에서 사용된다.
CCD의 기본적인 구조는 1969년 벨(Bell)연구소의 보일(Boyle)과 스미스(Smith)에 의해 최초로 제안되었다. 시초의 구조는 모오스커패시터의 어레이를 구성하는 금속전극들로 이루어져 있다.
상기 단순한 수평적인 게이트전극의 배열이 전위우물간의 결합에 부적당하게 되어, 게이트와 게이트를 중첩시키는 구조가 제시되었다.
현재 많이 알려져 있는 구조로는 산화막으로 격리된 다결정실리콘등으로 형성하고, 그 하부에 절연체 및 반도체영역을 가지는 구조이다. 이 구조에서는 게이트전극의 하부에 형성되는 채널전위가 반도체 몸체쪽으로 옮겨가기 때문에, 이를 메몰형 CCD라고 부른다.
CCD에서는 전송효율이 소자신뢰성의 관건이 되며, 상기 채널매몰형 CCD는 기판에 기판과 반대의 도전형을 가지는 이온불순물을 주입하거나 기판과 반대의 도전을 가지는 에피택셜층을 형성하여, 상기 층에서 전하를 전송시킴으로써 전송율을 개선시킨다.
제1도는 게이트절연막의 두께를 달리함에 의해 채널전위를 설정하는 방식을 사용하는 종래의 의사이상 CCD의 구조를 도시하고 있다.
제1도의 단면구조에서는 기판(10)상에 기판과는 다른 도전형을 가지는 반도체층(또는 에피택셜층)(11)이 형성되어 있고, 상기 반도체층(11)의 상부에는 이웃한 것끼리 서로 다른 두께(T1)(T2)의 게이트절연막(18)(19)을 가지는 게이트전극들(12-17)이 형성되어 있다. 상기 절연막의 두께 T1은 통상적으로 200-500Å이며, T2는 700-1000Å의 값을 가진다.
두께 T1의 게이트절연막(18)상에 형성된 게이트전극(12,14,16) 및 두께 T2의 게이트절연막(19)상에 형성된 게이트전극(13,15,17)에는 공통으로 이상의 전송클럭1 및2가 교대로 인가된다. 상기 전송클럭1 및2가 교대로 인가된다. 상기 전송클럭1 및2는 제2도에 도시된 바와 같이 서로 반대의 위상을 가지는 신호로서, ＂로우＂및 ＂하이＂상태를 각각 제1게이트전압 VG1 및 VG2로 하고 있다.
그리하여, 제1전송클럭1이 ＂하이＂상태이면 게이트전극(12-15)의 아래에서는 각각 H1, H2, H3, H4의 장벽높이를 가지는 포텐셜웰(potential well)(20-23)이 형성된다. 여기서, 상기 장벽높이 H1, H2, H3, H4는 포텐셜이 증가하는 방향으로 증가됨을 알아 두기 바란다. 다시 말하면, 게이트전극(12) 및 (13)은 제1전송클럭1이 공통적으로 인가되지만 게이트전극(13)하부의 게이트절연막(19)의 두께(T2)가 게이트전극(12)하부의 게이트절연막(28)의 두께(T1)보다 크기 때문에, 그 하부에 형성되는 포텐셜웰(21)도 게이트전극(13)의 하부에 형성되는 것(20)보다 더 깊어지는 것이다. 게이트전극(14) 및 (15)에 대해서도 마찬가지이다.
이때 전송되는 전하(26)는 가장 큰 포텐셜을 가지는 포텐셜웰(23)에 머무른다. 여기서 포텐셜이 크다는 것은 전위장벽이 높기 때문에 전하가 빠져 나오기 힘들다는 것을 의미한다.
상기와 같은 방식으로 제1 및 제2전송클럭1 및2가 서로 다른 위상으로 주기적으로 인가됨에 따라 상기 전송되는 전하(26)는 도면의 우측방향으로 전송이 된다.
제3도는 상기 제1도와는 달리 게이트전극하부의 반도체층에 특정의 이온불순물을 주입함에 의해 포텐셜 차이를 만드는 종래의 또다른 의사이상 CCD구조를 보여준다.
제3도에 도시된 구조에서는, 기판(27)상에 형성된 반도체층(28)에 상기 반도체층(28)과 다른 도전형을 가지는 이온불순물을 주입하여 이온주입영역(29,30,31)을 한 게이트씩 건너서 형성하였다.
게이트전극들(32-27)은 모두 동일한 두께(T3)의 게이트절연막을 갖고 있으며, 이웃하는 게이트전극끼리는 오버랩(overlap)되어 있다.
그리하여, 하부에 이온주입영역(29,30,31)이 위치한 게이트전극(33,35,27)은 동일한 전송클럭이 인가되는 다른 게이트전극(32,34,36)에 비해, 더 깊은 포텐셜웰(38,39,40)을 가질 수가 있는 것이다.
그리고 상기 제1도의 경우와 마찬가지로 가장 깊은 포텐셜웰(39)에 전송되는 전하(41)가 머무르게 된다.
상기 이온주입영역(29,30,31)의 도우즈(dose) 농도는 반도체층(28)의 도우즈 농도가 약 3.0×1012ions/㎠정도의 N형 불순물로 되어 있을 때 약 4.0×1011ions/㎠ 정도의 P형 불순물로 된 값을 이룬다.
상술한 종래의 의사이상 CCD구조들에서는 원하는 정도에 따라 포텐셜웰의 깊이를 조절할 수는 있으나, 하나의 전송스테이지를 위해서 모두 네개의 게이트전극이 필요하기 때문에 고집적화를 위한 설계에 있어서 불리할 뿐만 아니라 공정에 있어서도 장애요소가 될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 의사이상 CCD에 있어서 고집적화에 용이하고 전송효율을 개선시킬 수 있는 의사이상 CCD를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 간단한 공정으로 설계할 수 있고 전송효율이 개선된 의사이상 CCD를 제공함에 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 의사이상 CCD는 하나의 게이트전극에서 전송방향의 반대방향으로 전극폭이 줄어듦을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제4a도는 본 발명의 의사이상 CCD의 평면구조도이다.
서로 중첩된 게이트전극들(110, 120, 130, 140, 150, 160)은 그 각각의 두개의 폭 W1 및 W2를 가지고 있다. 상기 게이트전극들의 주변에는 채널스톱영역(190)이 형성되어 있다. 게이트전극들에 교호적으로 인가되는 제1 및 제2전송클럭1 및2는 제2도에 도시된 것과 동일하다. 각각의 게이트전극은 전하전송방향(도면상에서 왼쪽에서 오른쪽방향임)으로 갈수록 큰 폭(W2)을 가지며, 제4a도에 도시된 패턴을 본 발명의 실시예로서 나타낸 것이다.
제4b도는 제4a도의 절단선 a-a'를 따라 절단한 단면구조이다. 기판(107)상에는 기판과 반대의 도전형을 가지는 반도체층(108)이 형성되어 있고, 두께 T4(200-1500Å)의 게이트 절연막상에 게이트 전극들이 배열되어 있다. 각각의 게이트전극은 제1폭(W1)으로부터 제2폭(W2)까지 경사진 제1부분(121,131,141,151,161)과 제2폭(W2)을 가지는 제2부분(115,125,135,145,155)으로 나눌 수가 있으며, 상기 제1 및 제2부분은 제4a도에 도시된 각각의 게이트전극을 이룬다. 예를들면, 제4a도의 게이트전극(120)도에 대응하는 제4b도의 게이트전극은 제1부분(121)과 제2부분(125)이 합쳐져서 이루어 진다.
제4c도는 상기 제4a 및 4b도에 따른 본 발명의 의사이상 CCD에서 형성되는 포텐셜웰의 상태를 보여준다.
도시된 바와 같이, 형성되는 포텐셜웰은 게이트전극의 제1부분(121-161)과 제2부분(115-155)의 하부에서 서로 다른 형태를 가진다.
즉, 제1부분(121-161)에 의해 형성되는 포텐셜웰(122, 132, 142, 156, 162)은 게이트의 폭이 증가함에 따라 포텐셜이 증가하는 쪽으로 경사져 있으며, 제2부분(115-155)에 의해 형성되는 포텐셜웰(116, 129, 136, 149, 156, 169)은 일정한 포텐셜을 가지고 있다. 상기 제1부분(121-161)의 하부에 형성되는 포텐셜웰(122, 132, 142, 152, 162)에 있어서, 게이트의 폭이 커지는 쪽, 즉 제2폭(W2)쪽으로 갈수록 포텐셜이 깊어지며 경사지는 이유는 일반적인 캐패시턴스 특성으로부터 쉽게 알 수 있다.
지금, 제4c도에 도시된 포텐셜웰의 형성도는 제2도의 제1전송클럭1 및 제2전송클럭2가 각각 ＂하이＂(이하 ＂제1게이트전압＂이라 함) 및 ＂로우＂(이하 ＂제2게이트전압＂이라 함)상태인 경우에 나타나는 것임을 알아두기 바란다. 하나의 게이트전극이 두개의 서로다른 게이트폭(W1, W2)을 갖고 있음에 의해, 하나의 게이트전극의 하부에 형성되는 포텐셜웰에는 2상태의 채널전위가 형성된다. 즉, 예를 들면, 제1게이트전압(VG1)이 인가되는 게이트전극(120,140,160)의 하부에는 제1폭(W1)에 의한 채널전위 V1 및 제2폭(W2)에 의한 채널전위 V2가 형성되고, 제2게이트전압(VG2)가 인가되는 게이트전극(110,130,150)의 하부에는 제1폭(W1)에 의한 채널전위 V3 및 제2폭(W2)에 의한 체널전위 V4가 형성된다. 따라서 하나의 전송스테이지에 필요한 게이트수는 두개이면 족하다.
제5도는 상기 제1 및 제2게이트전압(VG1)(VG2)에 다른 게이트전극의 폭과 채널 전위와의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 실지로 측정된 값에 기초하여 작성된 것이며, 제4c도에 도시된 포텐셜웰의 상태에 따른다. 그리고 제1게이트전압(VG1) 및 제2게이트전압(VG2)는 전술한 바와 같이 게이트 전극(120,140,160) 및 (110,130,150)에 각각 인가되어 있는 상태이다.
상기 그래프상에서 알 수 있듯이, 채널전위는 게이트전극의 폭이 4㎛정도까지 증가하는 동안에는 급격하게 상승하고 있으나, 4㎛정도부터 10㎛정도까지는 미소한 증가율을 보이고 있으며, 그 이후로는 게이트전극의 폭이 증가하더라도 거의 일정하게 유지되고 있다. 이는 게이트전압의 레벨과는 무관한 특성임을 알 수 있다.
그래서 게이트전극의 제1폭(W1) 및 제2폭(W2)을 각각 4㎛, 10-40㎛으로 설정할 경우에, 이에 대응하는 채널전위 V1, V2, V3, V4는 각각 7.5V, 9V, 11.5V, 13.2V이다. 그리고 상기 채널전위 V1과 V2사이, 채널전위 V3와 V4사이에서는 채널전위가 선형적으로 증가한다.
채널전위가 선형적으로 증가한다는 것은 전계가 유기되는 조건이므로 전하전송이 종래의 계단식 전위상태보다 전하전송이 더 잘될 수 있다.
상기 게이트전극의 제2폭(W2)의 크기를 10-40㎛으로 설정할 수 있는 이유는 채널전위가 10㎛이상에서는 거의 변동이 없고 게이트전극의 최대폭을 40㎛이상으로 할 경우 소자의 집적도면에서 불리하기 때문임을 쉽게 이해할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 하나의 게이트전극에 서로 다른 폭을 가지게 함으로써, 두개의 게이트전극만으로 하나의 전송스테이지를 형성할 수 있기 때문에 2상 CCD의 고집적화에 유리한 이점이 있다. 또한 본 발명은 2상 CCD에서 채널전위를 경사지게 할수 있음에 의해, 고속동작에서도 높은 전송효율을 가지는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 전하가 전송되는 반도체영역상에 절연막으로 분리되어 형성된 다수개의 게이트전극들을 구비하는 전하결합소자에 있어서, 상기 각각의 게이트전극이, 전하전송방향을 따라 소정의 제1폭으로부터 상기 제1폭보다 큰 제2폭으로까지에 이르는 경사폭을 가지는 제1부분과, 상기 전하전송방향쪽에서 상기 제1부분과 접합되며 상기 제2폭을 가지는 제2부분으로 이루어짐을 특징으로 하는 전하결합소자.
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