KR830000197B1 - 고체 촬상장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고체 촬상장치

제1도는 고체촬상장치의 개략을 나타낸 개략 회로도.

제2도는 종래의 고체촬상장치를 나타내며 화소 구조단면과 종래의 구동회로를 나타낸 도면.

제3도는 본 발명의 고체촬상장치의 실시예를 나타내며, 화소구조 단면과 본 발명의 구동회로를 나타낸 도면이다.

본 발명은 동일 반도체 기판상에 광전 변환소자 및 주사회로를 집적화한 고체촬상장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 장치의 구동 방식에 개량을 가한 고체촬상장치에 관한 것이다.

텔리비젼 방송용 카메라에 사용되고 있는 고체촬상장치는 현재 텔레비젼 방송에 사용되는 촬상용 전자관은 해상력을 갖출 필요가 있다. 이를 위하여 약 500*500개 정도의 광전 변환소자, 각광전변환 소자를 선택하는 선택용의 수평스위치 및 수직스위치 및 수평, 수직스위치를 개폐하는 약 500단씩의 수평주사회로, 수직주사회로가 필요하게 된다. 따라서 통상은 고집적화가 비교적 용이한 MOS 대규모 집적회로 기술을 사용하여 만들어진다.

제1도는 이와 같은 고체촬상장치의 개략을 설명하는 도면이며 10은 광전변환소자의 메트릭스, 11은 메트릭스의 X위치 선택용 수평주사회로, 12는 매트릭스의 Y위치 선택용 수직주사회로이다. 13은 회로(12)로 부터의 수직주사펄스에 의하여 개폐되는 수직스위치용 절연게이트형 전계효과 트랜지스터(이하 MOST라고 약기한다). 14는 MOST(13)의 소오스 접합을 이용한 광다이오드, 15는 MOST(13)의 드레인을 공통으로 접속한 수직신호 출력선이다. 또 16은 수평주사회로로 부터의 수평주사펄스에 의하여 개폐하는 수평스위치용 MOST로서, 드레인은 수평신호 출력선(17), 소오스는 수직신호 출력선(15)에 접속되어 있다.

18은 수평신호 출력선(17)에 저항(19)을 거쳐 접속한 광다이오드의 구동 전압원(비데오 전압원)이다. 또 20은 신호출력단자이다. 제1도에서, P채널 MOST를 사용한 장치가 구성되고 있으나 물론 N채널 MOST를 사용하여도, 전압극성을 반대로 하여 장치를 구성할 수 있다. 상기 수평, 수직 두개의 주사회로는 스위치용 MOST(16),(13)를 순차 개폐하여 2차 원상으로 배열한 광다이오드로 부터의 광전류를 저항(19)을 통하여 독출한다. 각 광다이오드로 부터의 신호는 그 위에 투영된 광학상(像)에 응답하므로, 상기 동작에 의하여 영상 신호를 취출할 수 있게 된다. 이 종류의 고체촬상장치의 특징은 광전 변환에 스위치용 MOST의 소오스가 이용되며, 또 주사회로에도 MOST 시프트 레지스터가 이용될 수 있다.

따라서 이 종류의 고체촬상장치는 통상 고집적화가 비교적 용이하며, 제2도에 화소 구조를 나타낸 바와 같이 MOS 대규모 집적회로 기술을 사용하여 제작한다. 제2도에서, (21)은 광변환소자와 주사회로를 집적화하기 위한 N형 반도체기판, 23은 N형 반도체 기판상에 형성한 P형 반도체 영역의 웰이다.

또 13은 수직주사회로(12)에 의하여 개폐하는 게이트전극(25)을 구비한 수직스위치 MOST이다. 26은 MOST(13)의 소오스이며 고농도 N형 불순물 영역으로서, P형 웰과 접합하여 광다이오드(14)를 구성한다. 27은 MOST(13)의 드레인이며 고농도 N형 불순물 영역으로서, 수직 신호 출력선(15)이 되는 도체층(28)에 접속되어 있다. 복수의 스위치용 MOST의 드레인이 공통으로 연결된 수직신호 출력선(28)(15)의 일단의 수평 주사회로(11)의 출력(29)에 의하여 개폐되는 수평스위치 MOST(16)에 접속되며, 스위치용 MOST(16)의 타단은 수평신호 출력선(17)에 접속되어 있다.

또 웰(22) 및 기판(21)은 통상 접지전압(OV)으로 고정된다. 또, 31, 32, 33은 절연막이며, 통상 SiO₂막이 사용된다. 주사에 의하여 비데오 전압 Vv까지 충전된 광다이오드는 1프레임 기간에 입사한 광량에 따라 방전(***)하고, 다음번의 주사에서 스위치용 MOST(13),(16)이 도통하면 이 방전분을 충전하기 위한 충전 전류가 흐른다. 이 충전전류는 비데오 전압전원(18)에 연결된 저항(19)를 거쳐 독출됨으로서 출력단자(20)에서 영상신호를 얻을 수 있게 된다.

제2도에서 나타낸 화소구조를 갖춘 고체촬상장치는, P형 웰을 설치하여 이 웰내에 광전변환 소자를 설치했기 때문에, 블루우밍의 발생을 방지할 수 있다.

또 적외광(赤外光)은 거의 기판 내에서 흡수되므로, 해상력의 저하를 초래하지 않으며, 가시역 분광감도가 평형화되어 피사체에 충실한 영상 신호를 얻을수 있어 많은 이점을 갖고 있다. 이 장치는 현재까지 제안, 개발되어 있는 촬상장치 중에서 가장 뛰어난 특성을 갖고 있다.

그러나, 동일 기판상에 25만개의 화소가 집적화되고, 또 전체의 크기가 반도체 메모리등의 크기에 비하여 4~8배 크기 때문에 장치의 제작이 고란하다. 그러므로 이 종류의 고체촬상장치에서는 수십개에 달하는 흰점 또는 흰 세로줄무늬가 재생상에 나타나므로 화질의 열화를 초래한다. 본 발명자들은 제2도에 나타낸 화소를 갖는 촬상정치를 사용하여 결함의 발생원인을 조사한 결과, 이러한 결함(흠)은 기판(21)에 인가하는 전압(이하 V_SUB로 표시함)에 크게 의존하며, 흰 흠은 기판 전압 V_SUB가 비데오 전압 V_V보다 낮은 경우에 발생한다는 것을 알았다.

또 전압 V_SUB를 전압 V_V보다 높게 하였을때에 검은 세로줄무늬가 재생화상에 발생한다는 것을 알게 되었다. (제2도의 예에서는 V_SUB=₀V로 되어 있기 때문에 V_SUB<V_V인 관계를 가지며 흰흠이 발생한다) 이러한 원인은 흰흠에 대해서는 기판의 N형 영역이 웰내의 무확산영역(34)을 통하여 광다이오드의 N형 영역과 단락 상태가 되기 때문이며, 이 단락 상태는 웰 형성 공정에 있어서의 먼지등에 의해 확산이 나빠지기 때문에 발생하는 것이다. 또 검은 세로줄무늬는 기판의 N형 영역과 N형 드레인의 단락상태에 의하여 발생하며, 이것도 웰을 형성할때 들어가는 먼지등에 의한 무확산 영역(35)에 의하여 생기는 것이다.

이 무확산 영역(34),(35)은 반도체 기판 표면에 부착한 먼지등에 의하여 에칭되지 않은 확산마스크 물질이 남아 P형 불순물을 반도체 기판 내부에 확산되지 못하므로서 생긴다. 이 결함의 발생을 완전히 방지하는 것은 불가능하며, 잘 관리된 방진방진(防塵)장치를 사용한 경우일지라도 1cm²당 여러개 이상 발생한다. 촬상소자의 면적은~1cm²이므로 적어도 상기한 정도의 결함에 의한 흰홈, 검은무늬가 발생하기 때문에 화질이 양호한 촬상장치를 얻기는 대단히 어렵다. 홈의 종류로서는 상술한 것 외에 검은 점이 있으나 검은점의 직경이 크지 않은 한은 인간의 눈에는 보이기 어려우며 화질에 주는 영향은 대단히 작다. 따라서 고체촬상 장치에서 문제가 되는 재생화상상의 흠 흰흠 및 검은무늬이다.

본 발명의 목적은 고체촬상 장치에서의 화질 불량의 주된 원인이 되는 흰흠 및 검은무늬의 발생을 방지하는 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 재생화상상에 흰흠 및 검은무늬의 발생이 없는 고체촬상장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 고체촬상장치는 제2도에 나타낸 화소구조를 가지며, 광다이오드와 마찬가지로 기판에도 비데오 전압을 인가하고, 이에 의하여 흰흠을 눈에 거슬리지 않는 검은점으로 바꾸고 또 검은 세로무늬의 발생을 방지하고저 한 것이다.

본 발명을 다음의 실시예에 따라 상세히 설명한다. 본 발명의 1실시예인 고체촬상장치의 구동방법을 제3도에 나타낸다. 제3도에는 고체촬상장치의 1화소부분의 단면구조(광다이오드와 수직스위치 MOST가 도시되어 있다)를 나타내며, 또 이 화소의 구동회로가 도시되어 있다.

기판(21)은, 불순물농도 5*10¹⁴atoms/cm³의 N형 실리콘 기판이다. 기판 표면 영역에 설치된 P형 웰(22)은 불순물 농도 5*10¹⁵atoms/cm³의 영역으로서 확산, 이온주입, 에피택셜성장 등으로 형성된다.

P형 웰(22)중에 설치된 N⁺형 영역(26),(27)은 불순물 농도 ~10²⁰atoms/cm³의 영역이며 확산 이온주입 등으로 형성된다. MOST(13)의 게이트 전극(25)은 다결정 실리콘을 사용하여 형성하고, 수직신호 출력선이 되는 전극 배선(28)으로서는 Al를 사용했다. 절연막(31)은 두께 1㎛의 SiO₂막, 절연막(32)은 두께 0.5㎛의 SiO₂막, MOST(13)의 게이트 절연막(33)은 두께 0.1㎛의 SiO₂막으로 하였다.

30은 기판 전압인가 단자이고, 비데오 전압전원(예를들면 +5V를 사용)(18)에 접속되어 있다. (기타번호는 상술한 제1도, 제2도와 같다)

(i) 광다이오드의 N⁺형 영역(26)과 N형 기판(21)이 단락되어 있을 경우.

광다이오드의 N⁺형 영역(26)은 다음번의 주사를 받을때 까지의 1프레임 기간(~30msec) 동안은 부동상태에 있으므로 그 사이에 광다이오드의 N⁺형 영역(26)은 입사광의 여하에 관계없이 무확산영역(34)을 통하여 기판과 동전위가 된다. 기판을 비데오 전압보다 낮게 했을 경우(예를들면 종전예와 같이₀V) MOST(13),(16)가 주사에 의하여 ON 상태가 되면, 전압차(V_V-V_SUB)를 보충하기 때문에 빛이 입사한 경우와 마찬가지로, 비데오 전원으로 부터 광다이오드의 N⁺형 영역(26)으로 충전전류가 흘러 흰 흠이 나타난다.

본 발명과 같이 기판 전압을 비데오 전압과 같게 했을 경우에는 상기의 기판과 광다이오드의 영역(26)간의 전위차는 0이 되어 입사광에 의하여 다이오드 전압이 방전한 분량 이외의 불필요한 충전 전류는 흐르지 않는다. 이것은 빛이 입사하지 않는 경우와 동일한 상태가 되며 눈에 뜨이지 않는 검은 점으로 된다. 반대로 기판을 비데오 전압보다 높게 하였을 경우에는 기판을 비데오 전압보다 낮게 했을 경우와 전류의 방향이 역으로 되어 흑화도가 강한 검은 점으로 된다.

(ii) 수직 신호 출력용 N⁺형 드레인(27)과 기판(21)이 단락됐을 경우

신호 출력선(15)에 연결되는 드레인(27)은 1수평주사 기간(~64μsec)동안에 부동상태에 있다. 기판(21)을 비데오 전압보다 낮게 했을 경우에는 그 기간에 신호 출력선은 무확산 영역(35)을 통하여 기판과 동전위가 된다. 따라서 광다이오드로의 광입사 여하에 관계없이 신호출력선에는 충전 전류가 흐르게 되며 다시 이 전류는 수평 주사기간마다 반복됨으로써 흰 세로무늬가 나타난다. 기판을 비데오 전압보다 높게 했을 경우에는 상술한 경우와 반대의 현상이 생겨, 역방향의 충전전류가 흐르므로 검은 세로무늬가 나타난다.

본 발명과 같이 기판에 비데오 전압을 인가했을 경우에는 기판(21)과 수직신호 출력선용 드레인(27)의 전위차는 0이 되며, 드레인(27)은 비데오 전압 전위로 유지된다. 즉, 무확산 영역(35)이 존재하지 않은때와 같은 상태로 된다. 따라서 광다이오드의 광신호에 의한 방전분 이외의 불필요한 충전 전류는 흐르지 않는다. 즉, 흰 또는 검은 세로무늬의 발생은 없게 된다.

본 발명과 같이 기판(21)에 비데오 전압을 인가했을 경우라도 기판을 흐르는 전류는 통상 nA정도, 큰 경우라 할지라도 높이 잡아 신호 전류(~1㎂)정도로서 전류 용량이 필요치 않으므로 특별한 기판용 전원을 마련할 필요는 없으며 신호의 독출에 사용되는 비데오 전원을 기판 전원으로 사용할 수 있게 된다.

이상 실시예를 들어 설명한 바와 같이 본 발명과 같이 기판에도 신호 독출용 비데오 전압을 인가함으로써 눈에 거슬리는 흰점 또는 희고 검은 점은 세로무늬의 발생을 없앨수 있고 화질을 현저하게 개선할 수 있어 본 발명의 실용상 가치는 대단히 높다.

상술한 실시예에서는 광다이오드와 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터로서 구성하는 MOS형 촬상장치를 예를들어 설명하였으나 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 범위에서 CID(charge injection devices) 및 CCD(charge coupled device)에 적용할 수 있음은 물론이다.

또 N채널 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 사용하여 위와 같은 실시예를 설명하였으나 P채널 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터로 하여도 본 발명이 실시될 수 있음은 명백하다

Claims (1)

1. 제1도전형의 반도체 기판(21)의 주표면 영역에 제2도전형의 웰(22) 영역을 설치하고 이 웰(22) 영역내에 설치한 제1도전형 불순물 영역으로 구성되는 광다이오드(14)를 광전 변환소자(10)로 하는 고체촬상장치에 있어서, 상기 광다이오드(14)의 구동전압(18)을 상기 반도체 기판(21)에 인가하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.

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