KR0151181B1 - 씨씨디 영상소자의 구조 - Google Patents
씨씨디 영상소자의 구조Info
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Abstract
본 발명은 CCD 영상소자에 관한 것으로, 트랜스퍼게이트의 구조를 개선하여 수직전하전송영역의 포화전하용량을 증가시켜 주변회로를 간단화하고 처리능력을 향상시키기 위한 CCD 영상소자의 구조에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명은 실리콘 기판에 이온주입으로 매트릭스 형태로 복수개 배열되는 포토다이오드 영역과, 상기 각 포토다이오드사이의 열방향으로 형성되어 포토다이오에서 생성된 영상신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직전하전송영역과, 상기 포토다이오들과 수직전하전송영역들 사이에 형성하는 채널스톱층과, 상기 수직전하전송영역상에 일정 간격으로 격리 형성되어 2-페이즈 클럭킹으로 동일 레벨의 클럭신호가 인가되는 제1폴리게이트, 제2폴리게이트와, 상기 제2폴리게이트의 하측 수직전하전송 영역 일부에 형성되는 베리어 장벽층을 포함하여 구성된다.
Description
제1도 (a)는 종래의 CCD 영상조사의 레이아웃도.
(b)는 제1도(a)의 A-A'선에 따른 구조단면도.
(c)는 제1도(a)의 B-B'선에 따른 구조단면도.
제2도 (a)는 종래의 CCD 영상소자의 클럭신호타이밍도.
(b)는 제2도(a)의 클럭신호에 따른 포텐셜 프로파일.
제3도는 본 발명의 CCD 영상소자의 레이 아웃도.
제4도는 제3도의 C-C'선에 따른 공정단면도.
제5도 (a)는 본 발명의 CCD 영상소자의 클럭신호타이밍도.
(b)는 제4도(a)의 클럭신호에 따른 포텐셜 프로파일.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제1도전형 기판 2 : 제2도전형 웰
3 : VCD영역 4 : 게이트 절연막
5 : 제1폴리게이트 6 : 절연막
7 : 제2폴리게이트 8 : 채널스톱영역
9 : 포토다이오드영역 10 : 베리어 장벽층
본 발명은 CCD(Charge Coupled Device)영상소자에 관한 것으로, 특히 트랜스퍼게이트의 구조를 개선하여 소자의 특성을 향상시키는데 적당하도록 한 CCD 영상소자의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 CCD 영상소자는 실리콘과 같은 반도체 기판에 매트릭스 (Matrix)형태로 배열되어 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하여 영상신호전하를 생성하는 복수개의 포토다이오드와, 각 포토다이오드 사이의 수직방향에 규칙적으로 배열되어 광전변환소자에 의해 생성된 영상신호전하를 수직방향으로 전송하기 위한 수직전하전송영역(Vertical CCD)과, 수직전하전송영역(VCCD)에 의해 전송된 영상신호전하를 수평방향으로 전송하기 위해 수직전하전송영역(VCCD)의 출력측에 형성된 수평전하전송영역(Horizontal CCD)과, 수평전하전송영역의 출력단에서 전송된 영상신호를 센싱하는 센싱앰프 등으로 이루어진 고체촬상소자이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 CCD 영상소자를 설명하면 다음과 같다.
제1도(a)는 종래의 CCD 영상소자의 레이 아웃도이다.
제1도 (b)는 제1도 (a)의 A-A'선에 따른 구조단면도이고, 제1도 (c)는 제1도(a)의 B-B'선에 따른 구조단면도이다.
종래의 CCD 영상소자의 제조방법은 n형 실리콘 기판(1)의 p형 웰(Well)(2)을 형성하고 p형 웰(2)내의 표면에 화소간의 격리를 위한 p형 이온주입으로 채널스톱영역(8)을 형성하고, n형 이온주입으로 수직전하전송영역 (VCCD)(3)을 형성한다.
그리고 노출된 기판 전표면상에 게이트 절연막(4)을 형성한다.
이어, 폴리실리콘을 증착하여 포토 에치 공정으로 수직전하전송영역(VCCD)(3) 상측의 일정폭 이외의 부분을 선택적으로 제거하여 일정 간격으로 제1폴리게이트(5)를 형성한다.
그리고 게이트간의 절연을 위한 절연막(6)을 형성하고 폴리실리콘을 증착하고 선택적으로 제거하여 제1폴리게이트(5) 사이에 트랜스퍼 게이트(Transfer gate)로 사용될 제2폴리게이트(7)를 형성한다.
이어, 상기 제1, 제2폴리게이트(5, 7)를 마스크로 n형 이온주입(Ion Implantation)을 실시하여 포토다이오드영역(PD)(9)을 형성한다.
이와 같이 제조된 종래의 CCD영상소자는 제2도에 도시한 바와 같이 4페이즈(Phase) 클럭신호(Vψ1~Vψ4)에 의해 수직전하가 전송된다.
제2도 (a)는 종래의 CCD 영상소자 클럭신호(Vψ1~Vψ4) 타이밍도이고 제2도 (b)는 클럭신호(Vψ1~Vψ4)에 따른 포텐셜 프로파일로써, 트랜스퍼 게이트(TG)로 사용되는 제2폴리게이트(7)에 인가되는 클럭신호(Vψ1, Vψ3)에 트리거 전압(Trigger Voltage, 15V)이 걸리면 클럭신호(Vψ1)가 인가되는 제2폴리게이트(7) 인접지역의 포토다이오드(PD11, PD21, PD31···)에서 생성되는 영상신호전하와 클럭신호(Vψ3)가 인가되는 제2폴리게이트(7) 인접지역의 포토다이오드(PD12, PD22, PD32···)에서 생성되는 영상신호전하가 반복적으로 수직전하전송영역(VCCD)(3)으로 전송되고, 수직전하전송영역(VCCD)(3)에서는 제1, 제2폴리게이트(5, 7)에 인가되는 클럭신호(Vψ1~Vψ4)에 따라 제2도 (b)와 같이 일방향으로 전송되어 수평방향으로 이동된다.
이때, 클럭신호(Vψ1, Vψ3)에는 트리거 전압이 일정 시간을 갖고 교대로 인가된다.
즉, 종래의 CCD 영상소자는 4페이즈 클럭킹(4-Phase Clocking)으로 동작하여 기수필드(Odd field), 우수필드(even field)로 구분되어 전송된다.
기수라인이 클럭신호(Vψ1)에 트리거 전압이 발생될 때 해당 포토다이오드(PD11, PD12···)에서 생성된 전하가 수직전하전송영역으로 전송되어 제2도 (b)와 같은 클럭신호(Vψ1~Vψ4)에 의해 수평전하전송영역으로 전송되고 우수라인의 클럭신호(Vψ3)에 트리거 전압이 발생될 때 해당 포토다이오드(PD21, PD22, ···)에서 생성된 전하가 수직전하전송영역으로 전송되어 제2도(b)와 같은 클러신호(Vψ1~Vψ4)에 의해 수평전하전송영역 (HCCD)방향으로 전송된다.
그러나 이와 같은 종래의 CCD 영상소자에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 4페이즈 클럭신호(Vψ1~Vψ4)에 의해 구동되고 트리거 전압 펄스가 필요하므로써, 소자의 주변회로가 복잡하다.
둘째, 기수필드와 우수필드를 따로 전송하게 되므로 잡음(flicker noise)이 발생할 수 있다.
셋째, 제2폴리게이트(트랜스퍼 게이트)에 의해 포토다이오드영역에서 수직전하전송영역으로 전송시키므로 수광영역(포토다이오드)을 증가시키는데 한계가 있다.
즉, 포토다이오드가 차지하는 면적은 크게 하고 전하전송영역이 차지하는 면적을 작게 하면 할수록 해상도가 좋아진다.
그러나 종래에는 제2폴리게이트(트랜스퍼 게이트)로만 포토다이오드영역에서 수직전하전송영역으로 영상신호전하를 전송시키므로 포토다이오드영역에서 수직전하전송영역으로 영상신호전하가 전송되었을시 제2폴리게이트 하측에만 영상신호전하가 존재한다.
따라서, 포토다이오드에서 일필드기간동안 생성된 영상신호전하가 수직전하전송영역으로 충분히 전송될려면 제2폴리게이트가 차지하는 수직전하전송영역도 포토다이오드영역만큼의 면적을 유지하여야 하므로서, 포토다이오드 면적을 늘리는데는 한계가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 제1폴리게이트와 제2폴리게이트를 공통으로 한 2-페이즈 클럭신호에 의해 구동하도록 하여 수직전하전송영역의 포화 전하용량을 증가시켜 주변회로를 간단화하고 처리능력을 향상시키는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CCD 영상소자는 실리콘 기판에 이온주입으로 매트릭스 형태로 복수개 배열되는 포토다이오드 영역과, 상기 각 포토다이오드사이의 열방향으로 형성되어 포토다이오드에서 생성된 영상신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직전하전송영역과, 상기 포토다이오드들과 수직전하전송영역들 사이에 형성되는 채널스톱층과, 상기 수직전하전송영역상에 일정 간격으로 격리 형성되어 2-페이즈 클럭킹으로 동일 레벨의 클럭신호가 인가되는 제1폴리게이트, 제2폴리게이트와, 상기 제2폴리게이트의 하측 수직전하전송영역 일부에 형성되는 베리어 장벽층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명의 CCD 영상소자 레이 아웃도이고, 제4도는 제3도의 C-C' 선상 단면도인 본 발명의 CCD 영상소자 공정단면도로써, 본 발명의 CCD 영상소자구조는 제3도에 도시한 바와 같이 실리콘 기판에 빛의 신호를 전기적인 신호로 변환하여 영상신호전하를 생성하는 복수개의 포토다이오드(PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 각 포토다이오(PD)에서 생성된 영상신호전하를 수직방향으로 전송하기 위한 수직전하전송영역이 각 포토다이오드 사이의 수직방향에 규칙적으로 배열되고, 수직전하전송영역(VCCD)일측과 포토다이오드(PD)와 포토다이오드(PD)사이에 채널스톱층인(CST)가 형성되며, 수직전하전송영역(VCCD)상에는 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)에 적층된다.
그리고, 일측에는 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)를 공통으로 하여 제1클럭신호(Vψ1)와 제2클럭신호(Vψ2)가 번갈아 인가된다.
여기서, 제1폴리게이트(5)는 포토다이오드영역에서 수직전하전송영역으로 영상신호전하는 전송하는 트랜스퍼 게이트(TG)역할을 하도록 형성되고 제2폴리게이트(7)일측의 수직전하전송영역에는 베리어층이 형성된다.
본 발명의 CCD 영상소자를 제4도를 참조하여 다시 한번 설명하면 제4도(a)와 같이 n형 실리콘기판(1)에 p형 웰(2)을 형성하고 p형 웰(2) 표면에 선택적으로 n형 이온 주입을 실시하여 수직전하전송영역인 매몰형 전하전송영역(BCCD)(3)을 형성한다.
그리고, 전면에 게이트 절연막(4)을 형성하여 매몰형 전하전송영역(BCCD)(3)상에 일정 간격으로 제1폴리게이트(5)를 형성하고 제1폴리게이트(5)를 마스크로 이용한 p형 이온을 틸트 주입하여 후속되는 공정에서 제2폴리게이트가 형성부분의 매몰형 전하전송영역(BCCD)(3)일측에 베리어 장벽층(10)을 형성한다.
이 때, 틸트이온주입방향은 전하전송방향에 따라 달리한다.
그리고 제1폴리게이트(5)를 절연시키기 위한 절연막(6)을 형성하고, 제1폴리게이트(5)사이에 제2폴리게이트(7)를 형성한다.
그리고 포토다이오드(PD)영역에 이온 주입하여 포토다이오드(PD)를 형성한다.
이와 같이 형성된 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)에 2-페이즈 클럭신호(Vψ1,Vψ2)에 의해 동작되도록 클럭신호(Vψ1,Vψ2)를 인가한다.
즉, 베리어 장벽층(7)을 중심으로 서로 이웃하는 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)를 공통으로 하여 제1클럭신호(Vψ1)와 제2클럭신호(Vψ2)를 교대로 인가한다.
이와 같이 형성된 본 발명의 CCD 영상소자의 동작은 다음과 같다.
즉, 제3도에서 CCD 영상소자에 빛이 조사되면 포토다이오드(PD)는 빛을 수광하여 영상신호전하를 생성하게 된다.
이때, Vψ1의 클럭신호에 트리거 전압이 인가되었을 때는 전포토다이오드의 영상신호전하가 VCCD 영역(3)으로 트랜스퍼되고 Vψ2의 클럭신호에 트리거 전압이 인가되었을때에도 전 포토다이오드의 영상신호전하가 VCCD영역(3)으로 트랜스퍼 된다.
이때, 제5도 (a)는 본 발명의 CCD 영상소자의 클럭신호 타이밍도이고, 제5도(b)는 제5도(a)의 클럭신호에 따른 포텐셜 프로파일이다.
제5도 (b)에서 t0는 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)에 Vψ1의 클럭신호가 인가되지 않은 상태의 포텐셜 프로파일이다.
그리고, t1은 Vψ1의 클럭신호가 제1폴리게이트(5)와 제2폴리게이트(7)에 인가되어 포토다이오드영역(9)에서 생성된 영상신호전하가 수직전하전송영역(VCCD)으로 트랜스퍼된 상태의 포텐셜 프로파일이다.
이어, t2는 Vψ1은 로우, Vψ2는 하이에 인가되어 영상신호전하를 HCCD 방향으로 전송되게 한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 CCD 영상소자에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, VCCD의 클럭신호를 4개에서 2개로 줄일수 있으므로 시스템면에서 유리하다.
둘째, 2개의 폴리게이트에 의해 포토다이오드에서 VCCD 쪽으로 트랜스퍼시키므로 VCCD의 포화전하용량을 증가시켜 포토다이오드에서 생성된 전하들을 충분히 처리할 수 있는 능력이 향상된다.
셋째, VCCD 영역에 베리어 장벽층을 형성할 때 추가된 마스크 공정이 필요없이 제1폴리게이트에 자기 정렬하여 이온주입하므로 공정마진(margin)이 커진다.
넷째, 베리어 장벽층을 전하전송방향에 따라 서로 다르게 형성할 수 있으므로 더욱 더 효율적이다.
Claims (1)
- 실리콘 기판에 이온주입으로 매트릭스 형태로 복수개 배열되는 포토다이오드 영역과, 상기 각 포토다이오드사이의 열방향으로 형성되어 포토다이오드에서 생성된 영상신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직전하전송영역과, 상기 포토다이오드들과 수직전하전송영역들 사이에 형성되는 채널스톱층과, 상기 수직전하전송영역상에 일정 간격으로 격리 형성되어 2-페이즈 클럭킹으로 동일 레벨의 클럭신호가 인가되는 제1폴리게이트, 제2폴리게이트와, 상기 제2폴리게이트의 하측 수직전하전송영역 일부에 형성되는 베리어장벽층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CCD 영상소자의 구조.
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