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KR0186195B1 - 컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법 - Google Patents

컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법 Download PDF

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KR0186195B1
KR0186195B1 KR1019950048245A KR19950048245A KR0186195B1 KR 0186195 B1 KR0186195 B1 KR 0186195B1 KR 1019950048245 A KR1019950048245 A KR 1019950048245A KR 19950048245 A KR19950048245 A KR 19950048245A KR 0186195 B1 KR0186195 B1 KR 0186195B1
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KR
South Korea
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photodiode array
hccd shift
shift register
sensing photodiode
red
Prior art date
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Inventor
유영준
Original Assignee
문정환
엘지반도체주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 촬상장치용 컬러선형 전하결합소자에 관한 것으로, 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제1도전형 반도체 기판에 형성된 제2도전형 웰 영역과, 상기 제2도전형 웰의 일정영역에 형성된 적색 감지용 포토 다이오드 어레이와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 각각 분리 구성되는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이, 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이로 이루어져 광전 변환에 의해 신호전하를 생성하는 포토 다이오드 어레이부와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 타측에 각각 분리 구성되는 제 1,2 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 구성되는 제 3 HCCD 시프트 레지스터로 이루어져 상기 각각의 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동시키는 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 각각의 분리영역의 제2도전형 웰상에 구성되어 상기 포토 다이오드 어레이부에서 생성된 신호전하를 상기 제1,2,3, HCCD 시프트 레지스터로 이동시키는 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트로 이루어져 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키고, 소자의 면적을 줄이고 소자의 구조를 간단화 시키는데 적당하도록 한 컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법에 관한것이다.

Description

컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법
제1도는 종래의 컬러선형 CCD의 구성도.
제2도는 본 발명의 컬러선형 CCD의 구성도.
제3도는 본 발명의 컬러선형 CCD의 수직단면도.
제4도 (a)(b)(c)는 본 발명의 컬러선형 CCD의 포텐셜 프로파일 및 동작 타이밍도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 제 1 HCCD 시프트 레지스터 21 : 제 2 HCCD 시프트 레지스터
22 : 제 3 HCCD 시프트 레지스터 23 : 적색 감지용 포토 다이오드 어레이
24 : 청색 감지용 포토 다이오드 어레이
25 : 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이
26a,26b,26c,26d : 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트
27 : 채널 스톱층 28a,28b,28c : 출력 게이트
29a,29b,29c : FD 30a,30b,30c : 센싱 엠프
31 : 제1도전형 반도체 기판 32 : 제 2 도전형 웰
33a : 제 2 폴리 게이트 33b : 제 3 폴리 게이트
34 : 스토리지 게이트
본 발명은 촬상 장치용 컬러선형 전하결합소자(Charge Coupled Device : CCD)에 관한 것으로, 특히 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키는데 적당하도록 한 컬러 선형 전하결합소자 및 이의 구동방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 컬러선형 전하결합소자에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래의 컬러선형 CCD의 구성도이다.
종래의 컬러선형 CCD는 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색별로 선형 CCD 3세트로 구성된다.
각각의 CCD 세트는 포토 다이오드 어레이(Photo Diode Arry)(1)(2)(3)와, 상기 포토 다이오드 어레이(1)(2)(3) 양측에 위치한 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate)(5)와, 상기 트랜스퍼 게이트(5) 상,하에 위치한 수평 CCD 시프트 레지스터(Horizontal CCD Shift Register)(4)와, 소자의 일측에 위치한 FD(Floating Diffusion)(7)와, 상기 FD(7)에 연결된 센싱 엠프(Sensing Amplifier)(8)로 구성된다.
상기와 같은 종래의 컬러선형 CCD의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
각 포토 다이오드 어레이(1)(2)(3)의 각각의 포토 다이오드에서 광전 변환된 신호전하는 트랜스퍼 게이트(5)가 ON되면 상기 HCCD 시프트 레지스터(4)로 이동하게 된다.
이때, 포토 다이오드의 순번을 홀수, 짝수번째로 나누어 지그재그 방식으로 상, 하에 위치한 HCCD 시프트 레지스터(4)에 각각 이동시키는 것이다.
이어, 상기 HCCD 시프트 레지스터(4)에 가해지는 클럭(Clock)에 의해 일측 방향으로 이동되어 FD(7)와 센싱 앰프(8)에 의해 신호를 추출하게 된다.
즉, 적색, 녹색, 청색의 3개의 선형 CCD는 컬러 필터(Color Filter)를 제외하면 구성이 동일하므로 동작은 동일하게 이루어지므로 각각의 센싱 앰프(8)에는 각각 적색(R),녹색(G),청색(B)에 해당되는 신호가 출력된다.
상기와 같은 종래의 컬러선형 CCD는 포토 다이오드 어레이 각각에 2개의 HCCD와 1개의 FD및 센싱 앰프를 필요로 하기 때문에 R, G, B 3색을 추출하기 위해서는 그 구조가 흑백용 선형 CCD보다 3배 복잡해지고, R과 G, 그리고 G와 B사이의 공간에 각각 2개의 시프트 레지스터와 2개의 HCCD가 위치하므로 각 포토 다이오드 어레이 사이의 간격이 넓어져 색분리도가 수직방향으로 나쁜 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 컬러선형 전하결합소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키는데 적당하도록 한 컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 컬러선형 전하결합소자는 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제 1도전형 반도체 기판에 형성된 제2 도천형 웰 영역과, 상기 제2도전형 웰의 일정영역에 형성된 적색 감지용 포토 다이오드 어레이와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 각각 분리 구성되는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이, 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이로 이루어져 광전 변환에 의해 신호 전하를 생성하는 포토 다이오드 어레이부와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 타측에 각각 분리 구성되는 제 1, 2 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이 일특에 구성되는 제3 HCCD 시프트 레지스터로 이루어져 상기 각각의 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동 시키는 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 각각의 분리영역상에 구성되어 상기 포토 다이오드 어레이부에서 생성된 신호전하를 상기 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터로 이동시키는 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 컬러선형 전하결합소자 및 이의 구동방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명의 컬러선형 CCD의 구성도이고, 제3도는 본 발명의 컬러선형 CCD의 수직단면도이다.
먼저, 본 발명의 컬러선형 전하결합소자의 구성은 다음과 같다.
제1도전형 반도체 기판(31)과, 상기 제1도전형 반도체 기판(31)에 형성된 제2도전형 웰(32)과, 상기 제2도전형 웰(32) 영역의 중앙부에 형성되어 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23) 일측(레이아웃상에서 하측)에 각각 분리 구성되어 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24), 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)의 타측(레이아웃상에서 상측)에 각각 분리 구성되어, 상기 각각의 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23), 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동시키는 제 1, 2, HCCD 시프트 레지스터(20)(21)와, 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25) 일측에 위치하여 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동시키는 제3 HCCD 시프트 레지스터(22)와, 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)와, 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)의 분리 영역상에 위치하여 인가되는 ON,OFF 신호에 의해 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)에서 생성된 신호전하를 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23) 영역으로 이동시키는 제2트랜스퍼 게이트(26b)와, 제2 HCCD 시프트 레지스터(21)와 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)의 분리 영역상에 위치하여 상기 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24) 또는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)에서 생성된 전하를 상기 제 2 HCCD 시프트 레지스터(21) 영역으로 이동시키는 제 3트랜스퍼 게이트(26c)와, 상기 제 1 HCCD 시프트 레지스터(20)와 제2 HCCD 시프트 레지스터(21)의 분리 영역상에 위치하여 상기 제 2 HCCD 시프트 레지스터(21) 영역으로 이동되어진 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)에서 생성된 전하를 제 1 HCCD 시프트 레지스터(20) 영역으로 이동시키는 제4 트랜스퍼 게이트(26d)와 , 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)와 상기 제 3 HCCD 시프트 레지스터(22) 의 분리 영역상에 위치하여 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)에서 생성되어진 전하를 상기 제 3 HCCD 시프트 레지스터(22) 영역으로 이동시키는 제 1 트랜스퍼 게이트(26a)와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)상에 위치하여 상기 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)에서 생성된 전하의 이동을 제어하는 스토리지 게이트(Storage Gate)(34)와, 각각의 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)(22)의 일축에 구성되는 출력 게이트(Output Gate)(28a)(28b)(28c), FD(29a)(29b)(29c), 센딩 앰프(30a)(30b)(30c)를 포함하여 구성된다.
그리고 각 포토 다이오드 어레이(23)(24)(25)의 포토 다이오드 셀들의 격리를 위하여 각각의 셀의 분리영역에 고농도 제 2 도전형 불순물 이온주입으로 채널 스톱층(CST)(27)이 형성된다.
그리고 각 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)(22) 영역상에는 제 2, 3 폴리 게이트(33a)(33b)가 반복적으로 형성되어 각 신호전하를 특정 방향으로 이동시키게 된다.(즉, 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트가 제 1 폴리 게이트이므로, 3 클럭킹으로 동작한다. 스토리지 게이트는 제 2폴리 게이트이다)
이어, 상기와 같은 본 발명의 컬러선형 전하결합소자의 동작을 첨뷰된 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
제4도 (a)(b)(c)는 본 발명의 컬러선형 CCD의 포텐셜 프로파일 및 동작 타이밍도 이다.
각각의 포토 다이오드 어레이(23)(24)(25)에서 광전변환 되어진 신호전하는 제4도(a)에서와 같이, 각 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)(22)가 구동되지 않을 때 즉 블랭킹(Blanking) 구간에서 제 4도 (b)에서와 같이, 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트(26a)(26b)(26c)(26d)를 구동하여 영상신호 전하를 이동시키게 된다.
먼저, 제 1, 3, 4 트랜스퍼 게이트(26a)(26c)(26d)가 ON되면(t1에서) 전위 장벽층(Potential Barrier)이 없어지므로 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)에서 생성된 신호전하는 포텐셜의 차이에 의해서 제 1 HCCD 시프트 레지스터(20) 영역으로 이동하게 된다.
이때, 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)에서 생성된 신호전하는 포텐셜의 차이에 의해서 제 3 HCCD 시프트 레지스터(22) 영역으로 이동하게 된다.
그리고 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)에서 생성된 신호전하는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23)에서 생성된 신호전하가 제 1 HCCD 시프트 레지스터(20) 영역으로 완전히 이동한 후에 제 1 HCCD 시프트 레지스터(20)와 제 2 HCCD 시프트 레지스터(21)의 분리영역에 있는 제 4 트랜스퍼 게이트(26d)가 OFF되어 전위 장벽층이 생겨난 뒤에(t2에서) 제 2 트랜스퍼 게이트(26b)가 ON되면 제 3 트랜스퍼 게이트(26c)는 이미 ON되어 있으므로 포텐셜 차이에 의해서 제 2 HCCD 시프트 레지스터 (21) 영역으로 이동하게 된다(t3에서).
이때, 적색 감지용 포토 아디오드 어레이(23) 상측의 스토리지 게이트(34)에는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이(23) 영역의 포텐셜이 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24) 영역의 포텐셜 보다 크도록 DC 바이어스가 가해진다.
그리고 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이(25)와 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)의 사이에는 전하 격리층(27)이 있으므로 신호전하가 섞이지 않게 된다.
상기와 같이 각각의 포토 다이오드 어레이(23)(24)(25)에서 생성된 신호전하가 모두 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)(22) 영역으로 이동된 후에 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)(22)의 제 2, 3 폴리 게이트(33a)(33b)에 클럭이 인가되어 신호전하를 특정 방향으로 이동시키게 되면, 각각의 출력 게이트(28a)(28b)(28c), FD(29a)(29b)(29c), 센싱 앰프(30a)(30b)(30c)를 통해 각각의 신호를 읽어내게 된다.
상기와 같은 본 발명의 청색 감지용 포토 다이오드 어레이(24)를 중앙에 두는 이유는 상기 제 1, 2 HCCD 시프트 레지스터(20)(21)로 신호전하가 이동할때 스토리지 게이트(34)가 상측에 위치하여 R성분이 흡수되는 것을 방지하여 색분리도를 향상시키기 위함이다.
상기와 같은 본 발명의 컬러선형 전하결합소자는 HCCD 시프트 레지스터의 갯수를 줄여 소자의 면적 및 구조를 훨씬 간단하게 할 수 있고, 각각의 포토 다이오드 어레이의 간격을 줄여서 소자의 색분리도를 크게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 제1도전형 반도체 기판과, 상기 제1도전형 반도체 기판에 형성된 제2도전형 웰 영역과, 상기 제2도전형 웰의 일정영역에 형성된 적색 감지용 포토 다이오드 어레이와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 각각 분리 구성되는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이, 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이로 이루어져 광전 변환에 의해 신호전하를 생성하는 포토 다이오드 어레이부와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 타측에 각각 분리 구성되는 제 1, 2 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 구성되는 제 3 HCCD 시프트 레지스터로 이루어져 상기 각각의 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동시키는 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 각각의 분리영역상에 구성되어 상기 포토 다이오드 어레이부에서생성된 신호전하를 상기 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터로 이동시키는 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  2. 제 1항에 있어서, 제 2 HCCD 시프트 레지스터는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 특정 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  3. 제1항에 있어서, 제 1 HCCD 시프트 레지스터는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 특정 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  4. 제1항에 있어서, 제 3 HCCD 시프트 레지스터는 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 특정 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  5. 제1항에 있어서, 제 1 트랜스퍼 게이트는 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이와 제 3 HCCD 시프트 레지스터의 분리영역상에 위치하여 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성되어진 전하를 상기 제 3 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  6. 제1항에 있어서, 제 2 트랜스퍼 게이트는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이와 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 분리 영역상에 위치하여 인가되는 ON, OFF 신호에 의해 청색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  7. 제1항에 있어서, 제 3 트랜스퍼 게이트는 제 3 HCCD 시프트 레지스터와 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 분리 영역상에 위치하여 상기 청색 감지용 포토 다이오드 어레이 또는 적색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 전하를 상기 제 2 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  8. 제1항에 있어서, 제 4 트랜스퍼 게이트는 제 1 HCCD 시프트 레지스터와 제 2 HCCD 시프트 레지스터의 분리 영역상에 위치하여 상기 제 2 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동되어진 적색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 전하를 제 1 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적색 감지용 포토 다이오드 어레이상에는 청색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 전하의 이동을 제어하기 위한 스토리지 게이트가 더 구비됨을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  10. 제1항에 있어서, 청색 감지용 포토 다이오드 어레이와 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이는 고농도 제 2 도전형 불순물 이온주입으로 형성되는 채널 스톱층에 의해 서로 격리되는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자.
  11. 적색 감지용 포토 다이오드 어레이와 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측에 각각 분리 구성되는 청색, 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이로 이루어져 광전 변환에 의해 선호전하를 생성하는 포토 다이오드 어레이부와, 상기 적색 감지용 포토 다이오드 어레이의 타측에 각각 분리 구성되는 제 1, 2 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이 일측 구성되는 제 3 HCCD 시프트 레지스터로 이루어져 상기 각각의 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 받아 특정 방향으로 이동시키는 HCCD 시프트 레지스터와, 상기 각각의 분리영역상에 구성되어 상기 포토 다이오드 어레이부에서 생성된 신호전하를 상기 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터로 이동시키는 제 1, 2, 3, 4 트랜스퍼 게이트를 포함하여 이루어진 컬러선형 전하결합소자 구동방법에 있어서, 상기 제 1, 3, 4 트랜스퍼 게이트의 구동에 의해 적색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 제 2 HCCD 시프트 레지스터 영역을 거쳐 제 1 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시킴과 동시에 녹색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 제 3 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시킨 후에, 제4 트랜스퍼 게이트를 OFF하고 제 2 트랜스퍼 게이트를 ON하여 청색 감지용 포토 다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 적색 감지용 포토 다이오드 어레이 영역을 거쳐 제 2 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자의 구동방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 각각의 포토 다이오드 어레이에서 각각의 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터 영역으로 신호전하를 이동시키는 동안에는 상기 제 1, 2, 3 HCCD 시프트 레지스터의 클럭은 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러선형 전하결합소자의 구동방법.
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