KR940003601B1 - Image sensor having a ccd - Google Patents

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Abstract

The image sensor comprising a light receiving part, a transporting part and an output part, characterized in that the transporting part divides channel region where charge is transported into two parts and the output part is formed at the side edge portion along with the transporting part increases charge transporting efficiency and reduces dark current.

Description

전하결합 소자형 이미지 센서Charge Coupled Image Sensor

제1도는 종래의 CCD형 라인 이미지 센서의 개요도.1 is a schematic diagram of a conventional CCD type line image sensor.

제2도는 종래의 부분 레이 아웃도.2 is a conventional partial layout view.

제3도는 종래의 단면도.3 is a conventional cross-sectional view.

제4도는 타이밍도.4 is a timing diagram.

제5도는 포텐셜 다이아그램.5 is a potential diagram.

제6도는 본 발명의 일실시예에 따른 개요도.6 is a schematic diagram according to an embodiment of the present invention.

제7도는 본 발명에 따른 부분 레이 아웃도.7 is a partial layout view according to the present invention.

제8도는 본 발명에 따른 단면도.8 is a cross-sectional view according to the present invention.

제9도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개요도.9 is a schematic diagram according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 촬영 소자의 하나인 전하결합 소자(Charge Coupled Device : CCD)에 관한 것으로, 특히 양방향으로 전하 전송이 가능한 전하결합 소자형 라인 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge coupled device (CCD), which is one of imaging devices, and more particularly to a charge coupled device type line image sensor capable of charge transfer in both directions.

일반적으로 촬영 소자란 광전 변환에 의해 광학적 화상을 전기적 영상신호로 검출하는 소자를 말한다. 상기와 같은 촬영 소자의 하나인 전하결합 소자(이하 “CCD”라 한다)는 모오스(MOS : Metal-Oxide-Semiconductor)구조와 동일한 형태로 구성되어 절연막 위의 인접한 전극에 다른 전압을 인가함에 의해 반도체 기판내에 전위 우물을 형성시킨다. 게이트에 인가되는 전압을 변화시켜 상기 전위 우물의 위치를 바꿈으로서 상기 전위 우물내에 저장된 전하를 전송시킨다.In general, a photographing element refers to an element that detects an optical image as an electric image signal by photoelectric conversion. The charge coupling device (hereinafter referred to as “CCD”), which is one of the imaging devices, is configured in the same form as a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) structure and is applied to a semiconductor by applying different voltages to adjacent electrodes on the insulating film. A potential well is formed in the substrate. The electrical charge stored in the potential well is transferred by changing the voltage applied to the gate to change the position of the potential well.

제1도는 종래의 CCD형 라인 이미지 센서의 개요도이다.1 is a schematic diagram of a conventional CCD type line image sensor.

상기 제1도에 도시된 바와 같이 일련의 광다이오드(11)로 구성된 수광부(3)와, 상기 수광부(3)를 대칭축으로 하여 양쪽에 평행하게 배열되며 일단에서 서로 연결되는 일련의 CCD로 구성된 전송부(5)와, 상기 전송부(5)의 일단에 형성된 출력부(7)로 구성된다. 상기 광다이오드(1)는 입사된 광을 신호전하로 변화시켜 CCD로 넘겨주는 역할을 한다. 또한 상기 이미지 센서에서 사용된 CCD는 절연막 아래에 벌크(bulk)와 다른 도전형으로 전송층을 형성하여 전하를 저장 및 전송시키는 매입채널형 전하결합 소자(Buried Channel Charge Coupled Device : BCCD)이다.As shown in FIG. 1, a transmission part 3 composed of a series of photodiodes 11 and a transmission consisting of a series of CCDs arranged parallel to both sides with the light receiving part 3 as an symmetry axis and connected to each other at one end And an output section 7 formed at one end of the transmission section 5. The photodiode 1 converts the incident light into signal charge and passes the light to the CCD. In addition, the CCD used in the image sensor is a buried channel charge coupled device (BCCD) for storing and transferring charges by forming a transfer layer under a dielectric layer in a different conductivity type from a bulk.

제2도는 종래의 CCD형 라인 이미지 센서의 부분 레이 아웃도이다.2 is a partial layout view of a conventional CCD type line image sensor.

상기 도면에서 절연영역(9)에 의해 서로 분리되어 제1방향으로 나란히 배열된 다수개의 광다이오드(11)와, 상기 제1방향으로 서로 이웃하고 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 신장되는 제1다결정 실리콘 게이트(13) 및 제2다결정 실리콘 게이트(15)와, 제2다결정 실리콘층으로 만들어져 상기 제1방향으로 신장되며 상기 제1다결 정실리콘 게이트(13)와 광다이오드(11)에 접촉되는 이동 게이트(shift gate)(17)를 도시하고 있다. 상기 이동 게이트(17)에 의해 광다이오드(11)에서 생성된 전하들이 CCD측으로 이송된다.In the drawing, a plurality of photodiodes 11 separated from each other by the insulating region 9 and arranged side by side in a first direction, and extend in a second direction adjacent to each other in the first direction and perpendicular to the first direction. A first polycrystalline silicon gate 13 and a second polycrystalline silicon gate 15 and a second polycrystalline silicon layer are formed to extend in the first direction and to the first polycrystalline silicon gate 13 and the photodiode 11. The shift gate 17 is shown in contact. The charges generated in the photodiode 11 are transferred to the CCD side by the moving gate 17.

제3도는 종래의 CCD형 라인 이미지 센서의 단면도로서, 상기 제2도의 A-A'선을 자른 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a conventional CCD line image sensor, taken along line AA ′ of FIG. 2.

상기 제2도와 같은 명칭에 해당하는 것은 같은 번호를 사용하였음에 유의해야 한다. 상기 도면에서 P형의 반도체 기판(19)과, 상기 기판(19)내에 형성된 고농도의 제1 및 제2n형 확산영역(21, 23)과, 상기 기판(19)상면의 절연막(25)을 중간층으로 하는 게이트(13, 15, 17)를 도시하고 있다. 여기서 상기 제1n형 확산영역(21)을 포함한 그 상부 영역이 ø1과 ø2의 2상 클럭에 의해 구동되는 매입채널형 CCD이고, 상기 제2n형 확산영역(23)이 광다이오드이며, 상기 제1 및 제2n형 확산영역 사이에 형성된 게이트(17)가 이동 게이트이다.It should be noted that the same numbers are used for the same names as in FIG. 2. In the figure, an intermediate layer is formed of a P-type semiconductor substrate 19, high concentration first and second n-type diffusion regions 21 and 23 formed in the substrate 19, and an insulating film 25 on the substrate 19. The gates 13, 15, and 17 are shown. Wherein an upper region including the first n-type diffusion region 21 is an embedded channel CCD driven by a two-phase clock of? 1 and? 2, and the second n-type diffusion region 23 is an optical diode, and the first And the gate 17 formed between the second n-type diffusion regions is a moving gate.

제4도(a)-(c)는 상기 제3도에 도시된 각각의 게이트에 인가되는 클럭을 나타낸 타이밍도이다. 상기 제4도(a)와 (b)는 한쌍의 제1다결정 실리콘 게이트와 제2다결정 실리콘 게이트에 동시에 인가되는 클럭 ø1과 ø2를 나타낸 것이다. 상기 제4도(c)는 상기 이동 게이트(17)에 인가되는 클럭을 나타낸 것이다. 상기 도면에서 하이 상태는 12V이고 로우 상태는 0V이다.4A to 4C are timing diagrams showing clocks applied to the respective gates shown in FIG. 4A and 4B illustrate clocks? 1 and? 2 simultaneously applied to a pair of first polycrystalline silicon gates and a second polycrystalline silicon gate. 4C illustrates a clock applied to the moving gate 17. In this figure, the high state is 12V and the low state is 0V.

제5도(a)-(d)는 상기 제4도에 의한 포텐셜 다이아그램을 나타낸 것으로서, 그 각각은 상기 제4도의 가로축에 도시된 시각 t1-t4에 대응된다. 먼저 상기 t1시각일 경우, 즉 ø1과 ø2가 각각 로우 상태와 하이 상태이고, 이동 게이트(17)에 로우 상태의 전압이 인가되었을 경우의 기판측에 나타나는 포텐셜 분포를 살펴보면 상기 제5도(a)에 도시된 바와 같다. 여기서 상기 광다이오드 영역에는 조사된 빛에 의해 소정의 전하들이 저장되어 있다. 한편 하이 상태의 ø2전압이 인가된 게이트 하부에는 깊은 전위 우물이 형성된다. 그다음 t2시각이 되면 ø1전압이 인가된 게이트 하부에 깊은 전위 우물이 형성된다. 이때 이동 게이트(17)에 인가되는 전압은 여전히 로우 상태이다. 그 다음 t3시각에서, 상기 t2시각의 전압이 그대로 유지되는 상태에서 이동 게이트(17)에 인가되는 전압이 하이 상태로 변하게 된다. 그 결과 광다이오드와 CCD로 형성된 전송부 사이에서 장벽 역할을 하던 이동 게이트(17) 하부의 전위 장벽이 낮아져서 광다이오드에 저장되었던 전하가 아웃하는 게이트 하부로 이송된다. 그다음 T4시각에서 이동 게이트(17)에 로우 상태의 전압이 인가되면 상기 이동 게이트(17) 하부의 전위 장벽이 다시 높아지면서 상기 광다이오드에 저장되었던 전하들은 상기 이동 게이트에 이웃하는 게이트 하부로 완전히 이송된다. 상기와 같은 동작에 의해 광다이오드에 의한 전하들이 CCD를 거쳐 출력단으로 출력됨으로써 영상신호가 검출된다. 종래의 CCD형 이미지 센서와 같이 출력부가 일단에만 형성되어 있을 경우 타단으로부터 전송되는 전하들은 모든 CCD단을 거쳐 출력부로 출력된다. 그로인해 전하 전송 효율이 저하될 뿐만 아니라 암전류(dark signal)가 증가되는 문제점이 있었다.5 (a)-(d) show the potential diagram according to FIG. 4, each of which corresponds to the time t1-t4 shown in the horizontal axis of FIG. First, when the t1 time, that is, when ø1 and ø2 are in the low state and the high state, respectively, and the voltage of the low state is applied to the moving gate 17, the potential distribution appearing on the substrate side is shown in FIG. As shown in. In this case, predetermined charges are stored in the photodiode area by irradiated light. On the other hand, a deep potential well is formed in the lower portion of the gate to which the high? Voltage is applied. Then, at time t2, a deep potential well is formed below the gate to which the voltage? 1 is applied. At this time, the voltage applied to the moving gate 17 is still low. Then, at time t3, the voltage applied to the moving gate 17 changes to a high state while the voltage at time t2 is maintained as it is. As a result, the potential barrier under the moving gate 17, which acts as a barrier between the photodiode and the transfer part formed by the CCD, is lowered and transferred to the lower gate where the charge stored in the photodiode is out. Then, when a low voltage is applied to the moving gate 17 at the time T4, the potential barrier under the moving gate 17 is raised again, and charges stored in the photodiode are transferred completely to the lower gate adjacent to the moving gate. do. By the above operation, the charges by the photodiode are output to the output terminal via the CCD, thereby detecting the image signal. When the output unit is formed only at one end as in the conventional CCD image sensor, the charges transferred from the other end are output to the output unit through all the CCD stages. As a result, not only the charge transfer efficiency is lowered, but also a dark signal increases.

또한 전하가 일방향으로 전송되는 직렬 신호이므로 신호전달 시간이 길다는 문제점이 있었다. 따라서 고속 주파수의 동작이 불가능하다는 문제점이 있었다.In addition, since the charge is a serial signal transmitted in one direction, there is a problem that the signal transmission time is long. Therefore, there was a problem that the operation of the high frequency is impossible.

따라서 본 발명의 목적은 CCD형 이미지 센서에 있어서 전하전송 효율이 중대되고 암전류가 최소화된 CCD형 이미지 센서를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a CCD image sensor in which the charge transfer efficiency is significant and the dark current is minimized in the CCD image sensor.

본 발명의 다른 목적은 CCD형 이미지 센서에 있어서 고속 주파수의 동작이 가능한 CCD형 이미지 센서를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a CCD image sensor capable of operating at a high frequency in a CCD image sensor.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 CCD형 이미지 센서에 있어서 전송부의 양단에 출력부를 형성함을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, in the CCD image sensor is characterized in that the output is formed on both ends of the transmission.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제6도는 본 발명의 일실시예에 따른 개요도이다. 상기 제6도에서 일련의 광다이오드(27)로 구성된 수광부(29)와, 상기 수광부(29)를 대칭축으로 하여 양쪽에 평행하게 배열되어 일련의 CCD로 구성된 제1 및 제2전송부(31, 32)와, 상기 제1 및 제2전송부(31, 32) 각각의 양단에 전기적으로 연결된 4개의 출력부(33, 34)로 구성된다.6 is a schematic diagram according to an embodiment of the present invention. In FIG. 6, the light receiving unit 29 composed of a series of photodiodes 27 and the first and second transmission units 31 composed of a series of CCDs are arranged in parallel to both sides with the light receiving unit 29 as a symmetry axis. 32 and four output units 33 and 34 electrically connected to both ends of the first and second transmission units 31 and 32, respectively.

제7도는 본 발명에 따른 CCD형 라인 이미지 센서의 부분 레이 아웃도이다. 상기 도면에서 절연 영역(35)에 의해 서로 분리되어 제1방향으로 나란히 배열된 다수개의 광다이오드(37)와, 상기 광다이오드(37)의 양측에서 제1방향으로 서로 이웃하고 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 신장되는 제1다결정 실리콘 게이트(39) 및 제2다결정 실리콘 게이트(41)와, 제2다결정 실리콘으로 만들어져 상기 제1방향으로 신장되며 상기 제1다결정 실리콘 게이트(39)와 광다이오드(37)에 접촉되는 이동 게이트(43)를 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 바와 같이 1024번째 및 1025번째의 광다이오드에 대응되는 CCD영역에는 제1 또는 제2다결정 실리콘 게이트를 형성하지 않고 절연영역을 형성한다. 상기 절연영역에 의해 전하의 전송이 양방향으로 이루어진다.7 is a partial layout view of a CCD line image sensor according to the present invention. In the drawing, a plurality of photodiodes 37 separated from each other by the insulating region 35 and arranged side by side in the first direction are adjacent to each other in the first direction on both sides of the photodiode 37 and in the first direction. A first polycrystalline silicon gate 39 and a second polycrystalline silicon gate 41 extending in a second vertical direction, and made of a second polycrystalline silicon, extending in the first direction, and with the first polycrystalline silicon gate 39 The moving gate 43 in contact with the photodiode 37 is shown. As shown in the figure, an insulating region is formed in the CCD region corresponding to the 1024th and 1025th photodiodes without forming the first or second polycrystalline silicon gate. The insulation region transfers charge in both directions.

제8도는 본 발명에 따른 CCD형 라인 이미지 센서의 단면도로서, 상기 제7도의 B-B'선을 자른 단면도이다. 상기 제7도와 같은 명칭에 해당하는 것은 같은 번호를 사용하였음에 유의해야 한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 고농도의 n형 확산영역(47)이 형성된 P형 반도체 기판(45) 상부에 절연막(49)을 중간층으로 하는 제1 및 제2다결정 실리콘 게이트(39, 41)를 형성하였다. 상기 제1 및 제2다결정 실리콘 게이트(39, 41)와 n형 확산영역(47)에 의해 매입 채널형 CCD가 형성되며 ø1과 ø2의 2상 클럭에 의해 구동된다. 상기 n형 확산영역(47)은 CCD동작시 채널 역할을 하는 것으로서 소정 영역의 분리영역에 의해 양쪽으로 이격된다.FIG. 8 is a cross-sectional view of a CCD line image sensor according to the present invention, which is taken along line B-B 'of FIG. It should be noted that the same numbers are used for the same names as in FIG. 7. As shown in the drawing, in the exemplary embodiment of the present invention, the first and second polycrystalline silicon gates having the insulating layer 49 as an intermediate layer on the P-type semiconductor substrate 45 having the high concentration n-type diffusion region 47 formed therein ( 39, 41). An embedded channel CCD is formed by the first and second polycrystalline silicon gates 39 and 41 and the n-type diffusion region 47 and is driven by a two-phase clock of? 1 and? 2. The n-type diffusion region 47 serves as a channel during the CCD operation and is spaced apart from each other by a separation region of a predetermined region.

제9도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CCD형 라인 이미지 센서의 개요도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 일련의 광다이오드(51)로 구성된 수광부(53)와, 상기 수광부(53)를 대칭축으로 하여 양쪽에 평행하게 배열되며 양끝단에서 서로 연결되는 일련의 CCD로 구성된 전송부(55)와, 상기 전송부(55)의 양끝단에 형성된 출력부(57)로 구성된다. 즉, 상기 전송부의 끝단을 서로 분리하여 각각의 끝단마다 출력부를 형성할 수도 있고 같은 측의 전송부 끝단을 서로 묶어 양쪽으로 하나씩의 출력부를 형성할 수도 있다.9 is a schematic diagram of a CCD type line image sensor according to another embodiment of the present invention. As shown in the drawing, a light receiving unit 53 composed of a series of photodiodes 51 and a transmitting unit composed of a series of CCDs arranged parallel to both sides with the light receiving unit 53 as a symmetry axis and connected to each other at both ends thereof. And an output unit 57 formed at both ends of the transmission unit 55. That is, the ends of the transmission unit may be separated from each other to form an output unit at each end, or the ends of the transmission unit on the same side may be bundled together to form one output unit on each side.

상술한 바와 같이 본 발명은 CCD형 라인 이미지 센서에 있어서 종래에는 일측에만 형성하였던 출력부를 양측에 형성함으로써 전송되는 전하들이 거쳐야 할 CCD단의 수를 대폭 감소시켰다. 예를들어 CCD전송부의 분리영역이 중앙영역에 형성될 경우에는 그 수가 1/2로 감소된다. 그 결과 전하전송 효율이 증대되고 암전류 또한 감소되는 효과가 있다. 또한 전하가 양방향으로 전송되므로 신호전달 시간이 감소하여 고속 주파수의 동작이 가능해지는 효과도 있다. 따라서 고품질, 고성능의 CCD형 라인 이미지 센서를 얻을 수 있다.As described above, the present invention significantly reduces the number of CCD stages through which charges to be transmitted are formed by forming output units formed on one side in the conventional CCD type line image sensor on both sides. For example, when the separation area of the CCD transmission unit is formed in the center area, the number is reduced to 1/2. As a result, the charge transfer efficiency is increased and the dark current is also reduced. In addition, since charge is transferred in both directions, the signal transmission time is reduced, thereby enabling the operation of a high frequency. Therefore, a high quality, high performance CCD type line image sensor can be obtained.

Claims (1)

수광부와 전송부와 출력부를 구비하는 전하결합 소자형 이미지 센서에 있어서, 상기 전송부가 전하가 전송되는 채널 영역을 두 부분으로 분리시키는 분리영역을 구비하고, 상기 출력부가 상기 전송부의 양단에 형성됨을 특징으로 하는 전하결합 소자형 이미지 센서.A charge coupled device type image sensor including a light receiving unit, a transmitting unit, and an output unit, wherein the transmitting unit includes a separation region that separates a channel region in which charge is transferred into two parts, and the output unit is formed at both ends of the transmission unit. Charge coupled device type image sensor.
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