JP2006269969A - 電荷結合素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 一次元状に配置した電荷結合素子の端部にて分岐した構造を有する電荷結合素子において、転送効率を改善する。
【解決手段】 一導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に一次元状に配列された複数の連続した電極からなる第１の電荷結合素子と、前記電荷結合素子の端部にて、２系統に分岐した第２の電荷結合素子と、前記２系統に分岐した第２の電荷結合素子から転送された信号を検出する検出部と、前記検出した信号を出力する出力部とを有する電荷結合素子は、前記分岐側の第２の電荷結合素子に接続する前記第１の電荷結合素子の最終電極の平面形状が、分岐境界部を境に、第１の電荷結合素子の転送方向に対し直行方向に遠くなるにしたがって、前記最終電極の転送路長が短くなることを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電荷結合素子及び固体撮像装置に関し、特に一次元状に配列され、端部近傍においてチャネルが分岐する電荷結合素子及びそれを利用した固体撮像装置に関する。

図９は、従来の電荷結合素子６０の概略平面図である。

一次元状に配列され、端部近傍で２系統にチャネルが分岐される電荷結合素子（ＣＣＤ）６０は、分岐後のＣＣＤ６０の各端部に設けられ、転送された信号電荷を検出するフローティングディフュージョン（ＦＤ）５を含んで構成される。さらに、ＦＤ５後段には、検出された信号電荷を所望のタイミングで排出するリセットトランジスタＲＳ１及びＲＳ２とリセットドレインＲＤを有する。

ＣＣＤ６０は、２相駆動型ＣＣＤであり、各相（φＨ１、φＨ２）２相の２電極（第１層電極７及び第２層電極８）及び転送チャネル３、４により構成され、第１層電極７下部の転送チャネル３は、第２層電極８下部の転送チャネル４より深い電位となるように形成され、信号電荷転送時には、転送チャネル３に信号電荷を一時的に蓄積する。

図１０は、図９に示すＥ−Ｆにおける従来の電荷結合素子６０の不純物層３のポテンシャルを表す図である。

図に示すように、不純物層３中のＣＣＤの転送方向に直行する方向のポテンシャルは、ＣＣＤの転送方向の長さがほぼ均一なため、概略平坦となっており、そこに蓄積される信号電荷は広域に存在することとなる。

特開平５−３０８５７５号公報

図１１は、従来の電荷結合素子６０の不純物層３に形成されるチャネルの信号電荷の動きを示す概念図である。

図に示すように、不純物層３内の信号電荷は広く分布しており、分岐チャネルへの転送時間は非常に長くかかる。なお、平坦なポテンシャルでは、熱拡散による転送が寄与し、距離の２乗に比例する。

このように、分岐部において転送時間が長くかかると、従来の電荷結合素子６０を固体撮像装置の水平ＣＣＤとして用いた場合には、所定の転送周波数で駆動しなければならず、例えば、その所定時間に転送が完了しない場合においては、いわゆる転送効率劣化となる。

よって、例えば電荷結合素子６０を固体撮像装置の水平ＣＣＤとして用いた場合は、画像の横流れや解像度の劣化を招くことがある。また、フォトダイオード上にカラーフィルタを積層し、カラー信号を得ようとした場合には、色偽信号等を生じることがある。

本発明の目的は、一次元状に配置した電荷結合素子の端部にて分岐した構造を有する電荷結合素子において、転送効率を改善することである。

本発明の一観点によれば、一導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に一次元状に配列された複数の連続した電極からなる第１の電荷結合素子と、前記電荷結合素子の端部にて、２系統に分岐した第２の電荷結合素子と、前記２系統に分岐した第２の電荷結合素子から転送された信号を検出する検出部と、前記検出した信号を出力する出力部とを有する電荷結合素子は、前記分岐側の第２の電荷結合素子に接続する前記第１の電荷結合素子の最終電極の平面形状が、分岐境界部を境に、第１の電荷結合素子の転送方向に対し直行方向に遠くなるにしたがって、前記最終電極の転送路長が短くなることを特徴とする。

本発明によれば、一次元状に配置した電荷結合素子の端部にて分岐した構造を有する電荷結合素子において、転送効率を改善することができる。

図１は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置１００の概略平面図である。

固体撮像装置１００は、１次元状に配列される複数の光電変換素子（フォトダイオード）１１、フォトダイオード１１から読み出される信号電荷を一時的に蓄積するラインメモリ１０、一次元状に配列され、端部近傍で２系統にチャネルが分岐される電荷結合素子（ＣＣＤ）３０、分岐後のＣＣＤ３０の各端部に設けられ、転送された信号電荷を検出するフローティングディフュージョン（ＦＤ）５、ＦＤ５の電位変動を検出して出力する出力回路（出力アンプ）９を含んで構成される。さらに、ＦＤ５は、検出された信号電荷を所望のタイミングで排出するリセットトランジスタＲＳ１及びＲＳ２とリセットドレインＲＤを有する。なお、ラインメモリ１０は省略してもよい。

ＣＣＤ３０は、２相駆動型ＣＣＤであり、各相（φＨ１、φＨ２）２相の２電極（第１層電極７及び第２層電極８）及び転送チャネル３、４により構成され、第１層電極７下部の転送チャネル３は、第２層電極８下部の転送チャネル４より深い電位となるように形成され、信号電荷転送時には、転送チャネル３に信号電荷を一時的に蓄積する。

本実施例では、アウトプットゲート（ＯＧ）を固定電圧とし、チャネル分岐後の電極７、８はφＨ３及びφＨ４で制御される。また、本実施例では、ＦＤ５を小さくしつつ転送効率を保つために、前段のＯＧをＦＤ５のサイズに一致させるように曲げて、転送方向と直角の電界がかかるようにしている。

図２は、図１に示す固体撮像装置１００の電荷結合素子（ＣＣＤ）３０を駆動するタイミングチャートである。

φＨ１とφＨ２は、Ｄｕｔｙ比（周期時間に占めるハイレベル電圧が印加される期間比）の概略５０％で互いに逆相の２値パルスで、図１のＨ１及びＨ２にそれぞれ印加されるものである。φＨ３とφＨ４はＤｕｔｙ比の概略５０％で互いに逆相の２値パルスで、φＨ１とφＨ２の２分周した周波数で駆動され、図１のＨ３及びＨ４にそれぞれ印加されるものである。

φＲＳ１とφＲＳ２はφＨ３及びφＨ４と同周波数であるが、Ｄｕｔｙ比の概略２５％で各々φＲＳ１はφＨ３の立ち上がり、φＲＳ２はφＨ４の立ち上がりがほぼ一致しており、図１のＲＳ１及びＲＳ２にそれぞれ印加されるものである。

図３は、図１の固体撮像装置１００の部分的断面図である。図３（Ａ）は、図１のＡ−Ｂで示す部分の断面図であり、図３（Ｂ）は、図１のＣ−Ｄで示す部分の断面図である。

一導電型半導体基板１の表層側に基板と反対導電型のウェル層２を形成し、ウェル層２中の基板表面には、ウェル層２と反対導電型の不純物層（転送チャネル）３、４が形成される。不純物層３と不純物層４では、不純物層４が相対的に薄い不純物層を成す。また、不純物層３、４の横方向端部には、拡散層（フローティングディフュージョン）５が形成されている。基板１の上には、絶縁層６を介して、第１の電極７と、電極７と基板１それぞれに対し絶縁層６を介して第２の電極８が形成されている。ＯＧ下は、不純物層３が形成され、それ以外の部分では、電極７下に不純物層３、電極８下に不純物層４が形成されている。第１の電極７と第２の電極８は、電気的に接続されており、図２に示す入力により周知の２相駆動ＣＣＤの動作を実現する。

図４は、分岐の駆動を説明するための、図１のＡ−Ｂ、Ｃ−Ｄで示す部分の図２のタイミングｔ１〜ｔ４におけるポテンシャル図である。図中、斜線を施した四角は信号電荷を表す。

図から明らかなように、Ｈ１及びＨ２にて転送された信号電荷はＨ３及びＨ４の制御により、ＯＳ１とＯＳ２側にＨ１及びＨ２の駆動周期の２倍であるＨ３及びＨ４の周期で分配転送される。

以上、本発明の第１の実施例によれば、一次元状に配置した電荷結合素子の端部にて分岐した構造を有する電荷結合素子において、アウトプットゲートからフローティングディフュージョンへの転送効率を改善することができる。

図５は、本発明の第２の実施例によるの固体撮像装置２００の概略平面図である。

固体撮像装置２００は、いわゆるインターライン型ＣＣＤ（ＩＴＣＣＤ）である。受光領域２０には、多数の光電変換素子（画素）１１が正方格子状に配列されている。それぞれの光電変換素子１１の列間には、光電変換素子１１で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２４が、転送電極及び垂直転送チャネルを含んで形成され、光電変換素子１１で生じた信号電荷を垂直方向に転送する。ＶＣＣＤ２４の端部には、ＶＣＣＤ２４により転送される信号電荷を一時的に蓄積するラインメモリ１０が設けられる。さらに、ラインメモリ１０の下側には、ラインメモリ１０から信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平電荷転送装置（ＨＣＣＤ）３１及び信号電荷を電圧に変換して出力する出力アンプ（出力回路）９が設けられる。なお、本発明の実施例では、上述したように、ＨＣＣＤ３１端部近傍において、チャネルが二つに分岐されるので、２系統の出力アンプ９が設けられている。また、ラインメモリ１０は省略することもできる。

図６は、図５に示す電荷結合素子（ＨＣＣＤ）３１の概略平面図である。

第１の実施例による電荷結合素子３０との違いは、一次元状に配置された電荷結合素子３１の最終端部の電極７及び不純物層３の平面形状である。当該部位では、分岐したチャネルの境界部を境に、一次元状に配置された電荷結合素子（Ｈ１、Ｈ２）の転送方向に対し直行方向に遠くなるにしたがって、転送路長が短くなる形状を特徴としている。この構造により、端部電極での不純物層３中のＣＣＤの転送方向に直行する方向のポテンシャルを中央に向かって勾配を形成し、蓄積する信号電荷を中央に集中させることができる。

その他の構成は、図１及び図３に示す第１の実施例による電荷結合素子３０と同様であるので、その説明を省略する。また、その駆動も図２に示すタイミングチャートにより、Ｈ１及びＨ２にて転送された信号電荷はＨ３及びＨ４の制御により、ＯＳ１とＯＳ２側にＨ１及びＨ２の駆動周期の２倍であるＨ３及びＨ４の周期で分配転送される。

図７は、図６のＸ−Ｙで示す部分の不純物層３のポテンシャルを示す図である。

図から明らかなように、不純物層３中央付近を境に端部に向かい電極下のチャネルの幅が狭くなるに伴って、電位が浅くなっている。これは、いわゆる狭チャネル効果に伴うものであり、電極長が短く隣り合う電極下の電位が浅い場合にその隣り合う電極下電位のフリンジ電界による影響で浅くなるものである。従って、分岐側の反対側の第２の電極下は、不純物層４で形成されており、Ｈ１の電圧如何にかかわらず電位が浅くなっている。分岐側電位の深さは、タイミングにより異なる。例えば、Ｈ３は高電圧印加のときには、このような狭チャネル効果は生じにくい。以上のように、第２の実施例による構造では、信号電荷はチャネル境界付近に集まる。

図８は、第２の実施例による不純物層に形成されるチャネルの信号電荷の動きを示す概念図である。図８（Ａ）は、ＯＳ１方向への転送時における信号電荷の動きであり、図８（Ｂ）は、ＯＳ２方向への転送時における信号電荷の動きである。

図に示すように、Ｈ１の不純物層３内の信号電荷はＨ１電極下にて中央付近に分布しており、分岐チャネルへの転送時間を従来に比して短くすることができる。また、例えば、Ｈ３に信号電荷を転送する場合（図２に示すｔ１のタイミング）には、Ｈ４から矢印で示す方向に排斥ドリフト電界が形成されるとともに、Ｈ３に向かって矢印で示す方向に引張りドリフト電界が形成される。これにより、信号電荷のＨ３への転送効率をさらに向上させることができる。また、同様に、Ｈ４に信号電荷を転送する場合（図２に示すｔ３のタイミング）には、Ｈ３から矢印で示す方向に排斥ドリフト電界が形成されるとともに、Ｈ４に向かって矢印で示す方向に引張りドリフト電界が形成される。これにより、信号電荷のＨ４への転送効率をさらに向上させることができる。

以上、本発明の第２の実施例によれば、一次元状に配置した電荷結合素子の端部にて分岐した構造を有する電荷結合素子において、分岐部への転送時間を短縮することが可能となり、転送効率を改善することができる。

従って、例えば、第２の実施例による電荷結合素子をフォトダイオードが２次元状に配列された固体撮像装置の水平ＣＣＤとして用いた場合は、画像の横流れや解像度の劣化を防止することができる。また、フォトダイオード上にカラーフィルタを積層し、カラー信号を得ようとした場合の色偽信号等を生じない良好な画質を提供することができる。

なお、第１の実施例はラインセンサ、第２の実施例はエリアセンサとしたが、第１の実施例による電荷結合素子３０を第２の実施例にエリアセンサに適用してもよい。また、同様に、第２の実施例による電荷結合素子３１を第１の実施例にラインセンサに適用してもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の第１の実施例による固体撮像装置１００の概略平面図である。 図１に示す固体撮像装置１００の電荷結合素子（ＣＣＤ）３０を駆動するタイミングチャートである。 図１の固体撮像装置１００の部分的断面図である。 分岐の駆動を説明するための、図１のＡ−Ｂ、Ｃ−Ｄで示す部分の図２のタイミングｔ１〜ｔ４におけるポテンシャル図である。 本発明の第２の実施例によるの固体撮像装置２００の概略平面図である。 図５に示す電荷結合素子（ＨＣＣＤ）３１の概略平面図である。 図６のＸ−Ｙで示す部分の不純物層３のポテンシャルを示す図である。 第２の実施例による不純物層に形成されるチャネルの信号電荷の動きを示す概念図である。 従来の電荷結合素子６０の概略平面図である。 図９に示すＥ−Ｆにおける従来の電荷結合素子６０の不純物層３のポテンシャルを表す図である。 従来の電荷結合素子６０の不純物層３に形成されるチャネルの信号電荷の動きを示す概念図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…ウェル層、３、４…不純物層、５…拡散層（ＦＤ）、６…絶縁膜、７、８…電極、９…出力回路、１０…ラインメモリ、１１…光電変換素子、３０、３１、６０…電荷結合素子、１００、２００…固体撮像装置

Claims (1)

1. 一導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に一次元状に配列された複数の連続した電極からなる第１の電荷結合素子と、
   前記電荷結合素子の端部にて、２系統に分岐した第２の電荷結合素子と、
   前記２系統に分岐した第２の電荷結合素子から転送された信号を検出する検出部と、
   前記検出した信号を出力する出力部とを有する電荷結合素子であって、
   前記分岐側の第２の電荷結合素子に接続する前記第１の電荷結合素子の最終電極の平面形状が、分岐境界部を境に、第１の電荷結合素子の転送方向に対し直行方向に遠くなるにしたがって、前記最終電極の転送路長が短くなることを特徴とする電荷結合素子。

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