JP2870046B2 - 電荷結合素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電荷結合素子に関し、特に、電荷検出手段に
フローティング拡散法を用いた電荷結合素子に関する。

［従来の技術］ この種従来の電荷転送素子（以下、CCDと記す）の平
面図と、そのＸ−Ｙ線断面図を第３図（ａ）、（ｂ）に
示す。これは、CCDをインターライン転送型固体撮像素
子の水平CCDに用いた例であって、ここでは２相駆動型C
CDが用いられている。

第３図（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板11上
には、水平CCDのチャネル領域１が設けられており、チ
ャネル領域１には、その適宜個所において垂直CCDのチ
ャネル領域２が接続されている。チャネル領域１の後段
にはフローティング拡散層８とリセットドレイン10が設
けられている。チャネル領域１上には、ゲート絶縁膜を
介して蓄積ゲート電極３、障壁ゲート電極４、最終段蓄
積ゲート電極５、最終段障壁ゲート電極６が設けられ、
そしてチャネル領域１の最終部分上にはゲート絶縁膜を
介して出力ゲート７が設けられている。また、フローテ
ィング拡散層８とリセットドレイン10との間の基板上に
はリセットゲート９が設けられている。蓄積ゲート電極
３、５は、それぞれその右の障壁ゲート電極４、６と接
続されて一つの転送電極として動作する。なお、本明細
書では蓄積電極ゲートとはその電極下に信号電荷を一時
的に蓄積することのできる転送電極または転送電極の電
荷蓄積可能部分を意味するものとする。

而して、このようなCCDを設計するに際しては、各蓄
積ゲート電極下に十分に大きな加速電界が形成されるこ
とと各ゲート電極下において蓄積される電荷量に差を生
じさせないようにすることが考慮される。また、一方
で、フローティング拡散層は、出力電圧、信号電荷比を
大きくするために、その面積は極力狭くなされている。
フローティング拡散層が小面積となったことにより、チ
ャネル領域はその手前で徐々に幅が狭められる。そし
て、その場合に前述したように各蓄積ゲート電極下の蓄
積可能電荷量に差異が生じないようにする考慮が払われ
るので、各蓄積ゲート電極のチャネル領域上での面積が
ほぼ同一となるようになされる。その結果、最終段蓄積
ゲート電極５のゲート長L₁が他の蓄積ゲート電極３より
長く設定されることになり、例えば蓄積ゲート電極３の
ゲート長L₂が５μｍであるときに最終段のそれは９μｍ
となされる。

［発明が解決しようとする課題］ 近年、特に固体撮像素子においてはその駆動電圧を低
くすることが求められており、例えば5V程度の低電圧電
源が用いられるようになってきたので、チャネル領域に
おける電荷加速電界が低下される傾向にある。特に最終
ゲートでは、出力ゲートにはCCDのパルス振幅の中間レ
ベルの直流電位を印加することが多いので、その部分で
の電界は、他のCCDゲートにおける電界よりもいっそう
弱くなる。

その上、上述した従来のCCDにおいては、その最終段
蓄積ゲート電極のゲート長が長くなされているので、出
力ゲート下とのポテンシャル差が小さくなり、そのた
め、所定の時間内に電荷を次段に転送することが困難に
なってきており、転送効率の低下を招いている。その結
果、例えば固体撮像素子においては、色変調度の低下や
低照度における感度不足が問題となる。

第４図は、水平510画素の２次元固体撮像素子におい
て出力電圧を500mVとしたときの最終段蓄積ゲート電極
のゲート長Ｌに対する色変調度の依存性を示した図であ
り、第５図は、同じ撮像素子を用いて5L_uxの低照度時の
ゲート長Ｌに対する出力依存性を示す図である。これら
は、駆動電圧を5Vとし、通常のチャネル幅を30μｍとし
たときのデータである。第４図および第５図から明らか
なように、最終段蓄積ゲート電極のゲート長Ｌが９μｍ
を越えると、すなわち、蓄積ゲート電極の面積比が１を
越えると、転送効率の低下に起因して色変調度と出力が
低下する。

［課題を解決するための手段］ 本発明のCCDは、電荷転送領域（チャネル領域）上に
複数の蓄積ゲート電極を有し出力機構にフローティング
拡散法を用いるものであって、前記電荷転送領域の幅は
その終端部近くで前記フローティング拡散層に向かって
漸減しており、かつ、最終段の蓄積ゲート電極の電荷転
送領域上の面積は他の蓄積ゲート電極を電荷転送領域上
の面積の0.6〜0.9倍になされている。

［作用］ 第４図および第５図において、色変調度および出力が
低下しないのは最終段蓄積ゲート電極のゲート長が8.75
μｍ以下の範囲であるが、これはチャネル領域上の面積
が他の蓄積ゲート電極のそれの0.9倍以下に相当してい
る。すなわち、駆動電圧5V、一般の蓄積ゲート電極長５
μｍである場合には、最終段蓄積ゲート電極の他のゲー
ト電極に対する面積比が１以下であるときに、より望ま
しくは0.9以下であるときに良好な転送効率が得られ
る。

ところで、前述したように、各蓄積ゲート電極は低電
圧でも大きな加速電界が得られるようなゲート長になさ
れるので、駆動電圧が低下したときには、さらにゲート
長を短くする必要がある。そして、駆動電圧を下げたこ
とによる効果は一般の蓄積ゲート電極に対しても最終ゲ
ート電極に対しても等しく作用するものであるから、一
般の蓄積ゲート電極のゲート長を短くしたときには、最
終ゲート電極のゲート長もそれに比例して短くすればよ
いことになる。そして、本発明者等によるシミュレーシ
ョン結果によれば、駆動電源電圧および蓄積ゲート電極
のゲート長を変化させた場合にも最終段蓄積ゲート電極
と他の蓄積ゲート電極との面積比が0.9倍以下のときに
良好な転送効率を確保できることが判明した。

なお、面積比の下限については最終段ゲート電極の電
荷蓄積能力の低下を防ぐ意味から0.6以上にとどめるこ
とが望ましい。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例を示す平面図である。同
図において、第３図の従来例の部分と対応する部分には
同一の参照番号が付されているので重複した説明は省略
するが、この実施例では最終段蓄積ゲート電極５のゲー
ト長L₁が７μｍになされている。ここで、他の蓄積ゲー
ト電極３のゲート長L₂が５μｍであるので、この場合ゲ
ート長比は1.4となっている（ゲート面積比は0.7であ
る）。

第２図は、本発明の他の実施例を示す平面図である。
この実施例では、最終段蓄積ゲート電極５のゲート長は
７μｍであるが、チャネル領域が、先の実施例の場合の
ように一定割合で狭くなっているのではなく、２段階に
分けて狭小化されている。そのため、ゲート長比は1.4
と先の実施例と変わらないが、ゲート面積比は0.75と増
大している。この実施例によれば、ゲート長を長くする
ことなく蓄積可能電荷量を増加させることができるの
で、より高い転送効率を実現することができる。

なお、以上の実施例では、転送電極が蓄積ゲート電極
と障壁ゲート電極とに別れていたが、これらを一体化し
た転送電極を用いてもよい。その場合には、先に指摘し
たように本明細書では、転送電極の信号電荷が一時的に
蓄積される部分が蓄積ゲート電極と呼ばれる。

また、本発明は、３相以上のクロックにより駆動され
るCCDにも適用することができる。この場合、各転送電
極下に障壁が設けられていないときには各転送電極が、
障壁が設けられているときには各転送電極の障壁の設け
られていない部分が蓄積ゲート電極になる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、従来例のように各蓄
積ゲート電極下の蓄積電荷量を揃えるのではなく、最終
段蓄積ゲート電極の面積を他の蓄積ゲート電極より狭く
して転送効率の向上を図ったものであるので、本発明に
よれば、低電圧で駆動されるCCDにおいても、最終段に
おいて高い転送効率を実現することができる。したがっ
て、本発明によるCCDを固体撮像素子に用いる場合に
は、感度不足を防止し高い色変調度を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、それぞれ本発明の実施例を示す平面
図、第３図（ａ）は、従来例を示す平面図、第３図
（ｂ）は、そのＸ−Ｙ線断面図、第４図および第５図
は、従来例および本発明の特性を説明するための特性曲
線図である。 １、２……チャネル領域、３……蓄積ゲート電極、４…
…障壁ゲート電極、５……最終段蓄積ゲート電極、６…
…最終段障壁ゲート電極、７……出力ゲート、８……フ
ローティング拡散層、９……リセットゲート、10……リ
セットドレイン、11……半導体基板。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の表面領域に形成された電荷転
   送領域と、該電荷転送領域の後段の半導体基板の表面領
   域に形成され一定期間毎に一定電位にリセットされるフ
   ローティング拡散層と、前記電荷転送領域上に絶縁膜を
   介して配置された複数の蓄積ゲート電極と、前記電荷転
   送領域の最終部分の領域上に絶縁膜を介して配置された
   一定電位に保持された出力ゲートとを有する電荷結合素
   子において、前記電荷転送領域の幅はその終端部近くで
   前記フローティング拡散層に向かって漸減しており、か
   つ、前記蓄積ゲート電極のうち最終段のものはその前記
   電荷転送領域上の面積が他の蓄積ゲート電極の前記電荷
   転送領域上の面積の0.6〜0.9倍であることを特徴とする
   電荷結合素子。