JP4298061B2

JP4298061B2 - Solid-state imaging device

Info

Publication number: JP4298061B2
Application number: JP15596199A
Authority: JP
Inventors: 義和三浦; 一秀横田
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000350100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に電荷結合素子などの固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置、例えばＣＣＤ（Charge Coupled device ）には、一般にインターライントランスファー方式やフレームトランスファー方式などがある。
インターライントランスファー方式のＣＣＤの平面図を図１６（ａ）に示す。例えば、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を水平転送する水平転送部（水平転送レジスタ）２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０は、図１６（ｂ）に示す単位画素となる受光セル１２が敷きつめられて構成されている。インターライントランスファー方式においては、受光セル１２は、光電変換により信号電荷を生成する受光部（開口部）１２ａと、受光部１２ａで生成した信号電荷を垂直転送する転送部や配線部を有する遮光部１２ｂとから構成される。
【０００３】
一方、フレームトランスファー方式のＣＣＤの平面図を図１７（ａ）に示す。例えば、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印の方向）に垂直転送する受光面１０と、信号電荷を読み出すまでの間一時的に保持する機能を有する遮光された垂直転送部１１と、垂直転送部からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０は、図１７（ｂ）に示す単位画素となる受光セル１２が敷きつめられて構成されている。この受光セル１２は、転送ゲート部１２ｃと仮想ゲート部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）を有する、いわゆる仮想ゲート方式のＣＣＤの受光セルである。仮想ゲート部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）の一部に、アンチブルーミングゲート部１２ｅが形成されている構成である。
【０００４】
上記のインターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式を用いて、ＴＤＩ（time delay integration；時間遅延積算）機能を有するＣＣＤが開発されている。
コンフォーカル顕微鏡として機能することができる上記のＴＤＩセンサは、例えば図１８（ａ）の平面図に示す構成を有しており、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、単位画素となる受光セル１２が１画素の整数倍毎（図面上は３画素毎）に水平方向に配置され、垂直方向には１段毎に１画素ずつずらして配置されている。
受光面１０上の受光セル１２を除く領域は垂直転送路１３により構成されており、受光セル１２において生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰ_Vの方向に転送する。
垂直転送路１３は、例えば受光セル１２と同じ構成を有し、遮光されていることにより転送のみに機能するようになっている。従って、上記のＴＤＩセンサの受光面１０は、上記の従来のインターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式のＣＣＤの受光面上に、水平方向に１画素の整数倍毎、垂直方向に１段毎に１画素ずつずらして開口した遮光膜を設けることで構成することができる。
【０００５】
上記のＴＤＩセンサの動作について説明する。図１８（ａ）に示すように、被写体Ａを撮像する場合には、被写体Ａをステージに乗せ、所定の方向に一定の速度で動かす。このとき、受光面１０においては、ステージの移動速度に同期して信号電荷の転送を行う。
すなわち、被写体Ａが受光面１０を横切って移動するとき、受光セルＣ１で被写体Ａに対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は矢印ＯＰ_Vの方向に垂直転送され、受光セルＣ２に到達するとその部分の信号電荷と加算される。
得られた信号電荷は、次の垂直転送までの間に矢印ＯＰ_Hの方向に水平転送され、アンプを介して画像信号として取り出される。以上の動作を繰り返すことにより、連続画像を撮像することができる。
【０００６】
従って、図１８（ｂ）に示すように、信号電荷は受光セルに到達するたびにその部分の電荷と加算される。この電荷転送はステージの動作と連動させているので、常に同じ被写体部分の画像が加算されることになる。
すなわち、被写体Ａの移動速度ＯＰ_Aの速度と、被写体Ａに対する信号電荷Ａ’の垂直転送速度ＯＰ_Vを同期させることにより、被写体Ａを多重露光撮像することを可能にしている。
【０００７】
上記のＴＤＩセンサは、インターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式のＣＣＤのどちらでも構成することができるが、動作としてはフレームトランスファー方式の方が適している。インターライントランスファー方式の場合には、受光部（開口部）から転送路への電荷転送と転送路内での電荷転送は別のレベルのクロック電圧が必要になるため、駆動系とタイミングが複雑になる。このため、構造的にはフレームトランスファー方式の方が有利である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＴＤＩセンサにおいては、受光面における垂直転送を１回行った後、次の垂直転送を行うまでの間に水平転送を完了させる必要があるため、水平転送速度が遅い場合にはＴＤＩセンサ全体の動作速度を制限しなければならないという問題があった。
例えば、垂直転送を２００ＫＨｚで動作させた場合、水平転送を５μ秒の間に完了させる必要がある。このとき、水平２０００画素のＣＣＤで、デューティ５０％の場合には、８００ＭＨｚの高速水平転送が必要となってくる。
【０００９】
水平転送速度を高めるためには、例えば図１９（ａ）に示すように、水平転送部２０，２０’とアンプ２１，２１’の組を複数組（図面上は２組）設ける方法がある。ｎ組の水平転送部とアンプを設けることで、水平転送部全体の転送速度をｎ倍に速くすることができる。
しかし、この場合には水平転送部の転送セルのピッチがｎ倍に長くなってしまうことになる。例えば、受光面の構成が水平１０００画素、１０μｍピッチである場合には、図１９（ａ）に示すように２組の水平転送部とアンプを設けると水平転送部一本あたり５００画素、２０μｍピッチとなる。１０組の水平転送部とアンプを設けると水平転送部は１００μｍピッチとなり、１００μｍピッチの転送セルで転送させることは事実上不可能になる。このように、セル長が長くなるほど高速転送が困難となってくるので、この方法で大幅に高速化することは難しい。
【００１０】
また、例えば図１９（ｂ）に示すように、１本の水平転送部２０をｎ分割し、それぞれにアンプ２１を設けることで、ｎ組の水平転送部とアンプとする方法が考えられ、この方法によっても水平転送部全体の転送速度をｎ倍に速くすることができる。
しかしながら、上記の方法においてはアンプの配置場所がなく、水平転送部をｎ組に分割することが困難となっている。
【００１１】
上記のように水平転送速度を高めることは、高速駆動をするために、ＴＤＩセンサ以外のＣＣＤなどの固体撮像装置としても実現することが望まれている。
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、水平転送速度を高めることができるＣＣＤなどの固体撮像装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送する第１転送部と、前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００１４】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記受光面においては、前記受光セルが所定の距離をもって離散して配置されており、前記受光面の前記受光セルを除く領域に、前記受光セルにおいて生成した信号電荷を所定の方向に垂直転送する第３転送部が形成されており、前記第１転送部においては、前記第３転送部から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、前記受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めることにより、前記領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送する。
【００１５】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１の方向に転送する第１転送路と、前記第１の方向と異なる第２の方向に転送する第２転送路とを有し、前記第１転送路と前記第２転送路の組み合わせにより前記受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めるように配置されている。
【００１６】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送するように配置されている。
【００１７】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う第２転送部とを接続する第１転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
従って、分割された各第１転送部の専有する幅を狭めた分、水平転送を行う分割された第２転送部のそれぞれにアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送する第１転送部と、前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００１９】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送するように配置されている。
【００２０】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う第２転送部とを接続する第１転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
従って、水平転送を行う第２転送部の転送方向は、第１転送部の垂直転送方向と直交する方向からずれた方向とすることができ、これにより水平転送を行う分割された第３転送部のそれぞれにアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲しながら所定の方向に水平転送する転送部と、前記転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００２２】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記転送部が、転送方向を屈曲する転送セルを有する。
【００２３】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲しながら所定の方向に水平転送を行うように配置されている。
従って、水平転送を行う転送部の屈曲した部分の先端部にアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るＴＤＩ（time delay integration）センサとして機能する固体撮像装置（ＣＣＤ（Charge Coupled device ））の平面図である。
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
本実施形態においては、垂直転送部１１が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割しており、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送を行うように配置されており、各領域毎に分割された垂直転送部１１に水平転送部２０とアンプ２１をそれぞれ複数個設けて、水平転送速度を高めることが可能となっている。
上記の受光面１０においては、単位画素となる受光セル１２が水平方向に２個、垂直方向に２個並べられた４個を１組として、１画素の整数倍毎（図面上は４画素毎）に水平方向に配置され、垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。
受光面１０上の受光セル１２を除く領域は垂直転送路１３により構成されており、受光面１０全体として、受光セル１２において生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰ_Vの方向に転送する。
【００２６】
上記のＣＣＤの受光セル１２および垂直転送路１３の一部を拡大した平面図を図２に示す。
受光セル１２は、チャネルストップ１４により分離された４個を１組として、垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。このように、転送方向下流の受光セル組をすぐ上流の受光セル組に対して受光セル１個分ずつずらす配置が繰り返される。
従って、図中の４つの受光セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は水平方向に対して同一の位置となり、それぞれが被写体の同一部分を撮像する。
【００２７】
垂直転送路１３は、第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃの３相から１つの転送セルが形成されており、この転送セルが矢印ＯＰ_Vと略同一の方向へ繰り返し並べられている。
垂直転送路１３には、さらに矢印ＯＰ_Vの方向と異なる斜めの方向に延伸する斜伸垂直転送路１３’が形成されており、第１相１３ａ’、第２相１３ｂ’および第３相１３ｃ’の３相から形成される転送セルが矢印ＯＰ_Vに対して斜めに繰り返し並べられている。
【００２８】
上記のＣＣＤのレイアウトにおいては、受光セル１２領域を１００％の仮想ゲート領域として設計するために、垂直転送路１３中に矢印ＯＰ_Vの方向と異なる斜めの方向に延伸する斜伸垂直転送路１３’が必要となっている。
受光セル１２サイズをＸμｍとし、ｎ列毎に受光セル１２を設けるレイアウトの場合には、垂直転送部のゲートピッチは（ｎ列−２画素）Ｘ／ｎ列となる。
例えば、Ｘ＝８μｍとし、ｎ列毎に受光セル１２を設ける場合、垂直転送部のゲートピッチは６．４μｍとなる。
また、コンフォーカル顕微鏡用途のために、４個の受光セルを１組とする受光セル組が垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。垂直転送路１３は、同一列の受光セルに合わせるために、その転送方向は、図中の矢印ＯＰ_Vと略同一の方向であるが、正確には同一列の受光セル間（例えば１０行）で矢印ＯＰ_Vに対して少しずつずらして形成されており、その各行でのずらしの量はＸ／（ｎ列／２画素）／（ｍ行−２画素）となり、ｎ＝ｍ＝１０、Ｘ＝８μｍの場合には、０．２μｍとなる。
【００２９】
上記のＴＤＩセンサとしての動作について説明する。
例えば、被写体をステージに乗せ、所定の方向に一定の速度で動かすとともに、受光面においては、ステージの移動速度に同期して信号電荷の転送を行う。
すなわち、被写体が受光面１０を横切って移動するとき、受光セルＣ１で被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ１の矢印ＯＰ_Vの方向と直交する一方向側から垂直転送路１３に転送され、この垂直転送路１３より矢印ＯＰ_Vの方向に垂直転送される。
次に、被写体が、受光セルＣ１と同じ組であり、受光セルＣ１に対して垂直方向に隣接する受光セルＣ２まで移動すると、受光セルＣ２において被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ２の矢印ＯＰ_Vの方向と直交する一方向側から垂直転送路１３に転送され、被写体の移動と同期して上記の受光セルＣ１から転送されてきた信号電荷と加算される。
次に、信号電荷は斜伸垂直転送路１３’によって矢印ＯＰ_Vに対して斜めに角度を有する方向に転送され、再び矢印ＯＰ_Vの方向に延伸する垂直転送路１３により転送される。
次に、受光セルＣ１，Ｃ２の受光セル組に対して転送方向にすぐ下流に形成された受光セル組の受光セルＣ３およびＣ４においてそれぞれ被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ３，Ｃ４の矢印ＯＰ_Vの方向と直交する他方向側から垂直転送路１３に転送され、被写体の移動と同期して上記の受光セルＣ１，Ｃ２から転送されてきた信号電荷と加算される。
上記の動作が垂直転送部１１に到達するまで繰り返され、得られた信号電荷は複数の領域に分割された垂直転送部１１によりさらに垂直転送される。水平転送部２０に達した信号電荷は、分割された各領域毎に次の垂直転送までの間に水平方向に転送され、アンプ２１を介して画像信号として取り出される。
以上の動作を繰り返すことにより、連続画像を撮像することができる。
【００３０】
図３（ａ）は、図２中の領域Ｂの拡大図である。
チャネルストップ１４により分離された受光セル１２に対して、第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃの３相から１つの転送セルが形成されている垂直転送路１３が接続して形成されている。
ここで、受光セル１２と第２相１３ｂが幅Ｌをもって接続している。
【００３１】
図３（ｂ）は図３（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
単結晶シリコンからなるｐ型半導体基板３０のｐ型素子分離層３２で分離された領域に、ｎ型の導電性不純物を含有するシリコンからなるｎ型半導体層３１が形成されており、その上層に例えば酸化シリコンのゲート絶縁膜４０が形成されている。
ゲート絶縁膜４０の上層には、平面図における第１相１３ａ領域において、例えばポリシリコンからなる第１ゲート電極４１が形成されており、第１ゲート電極を被覆して酸化シリコンからなるゲート電極被覆膜４２が形成されている。また、平面図における第３相１３ｃ領域において、第２ゲート電極４３が形成されている。
第１ゲート電極４１および第２ゲート電極４３の下層のｎ型半導体層３１中にはｎ型の導電性不純物の高濃度領域である第１ｎ型不純物高濃度領域３３が形成されている。第１ゲート電極４１が形成されている領域、すなわち第１相１３ａが第１ポリウェルＰＷ１となり、第３ゲート電極４３が形成されている領域、すなわち第３相１３ｃが第２ポリウェルＰＷ２となる。
第１および第２ゲート電極４１，４３の間隙部である第２相１３ｂ領域において、ｎ型半導体層中３１にはｐ型の導電性不純物を含有するｐ型第１反転層３５が形成されており、また、受光セル１２領域において、ｐ型第１反転層３５よりもｐ型の導電性不純物を高濃度に含有するｐ型第２反転層３６が形成されている。
さらに、ｐ型第１反転層３５およびｐ型第２反転層３６の下層の半導体層３１中にはｎ型の導電性不純物の高濃度領域である第２ｎ型不純物高濃度領域３４が形成されており、仮想ゲート領域を構成する。ｐ型第１反転層３５が形成されている領域、すなわち第２相１３ｂが仮想ウェルＶＷとなり、ｐ型第２反転層３６が形成されている領域、すなわち受光セル１２領域が仮想バリアＶＢとなる。
【００３２】
上記の構成において、受光セル１２領域と近接する領域に、不図示のドレイン電極を設けることが好ましく行われる。ドレイン電極は、ブルーミング抑制と待機時間中に生成する暗電流をクリアする機能を有する。
【００３３】
上記の第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃから構成される転送セルにおいては、第１相１３ａの上層に形成された第１ゲート電極４１に所定のクロックの電圧Ｐ１を印加し、一方第３相１３ｃの上層に形成された第２ゲート電極４３に電圧Ｐ１と異なるクロックの電圧Ｐ２を印加する。
第２相１３ｂおよび受光セル１２領域上にはゲート電極は形成されていなく、一定の電圧が印加されたゲートが形成されているとみなせる仮想ゲート構造となる。
【００３４】
上記のＣＣＤにおけるＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２、およびＶＢの各部のポテンシャルおよび信号電荷の転送方法について説明する。
図４は、上記のＣＣＤのポテンシャル図である。ここで、一方向に連続するポテンシャルであるＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２の各部は実線で示し、ＶＷに接続して形成されているＶＢ（受光セル）のポテンシャルを波線で示している。
各セルの第１ゲート電極４１と第２ゲート電極４３はそれぞれ異なるクロックの電圧パルス（高（Ｈｉｇｈ）と低（Ｌｏｗ））が与えられ、これに対応してＰＷ１とＰＷ２はそれぞれＰＷＬとＰＷＨの２準位をとる。
一方で、仮想ゲート領域においては、ｐ型第１反転層３５およびｐ型第２反転層３６により隣接するゲート電極の影響を受けず、一定電位となる。
信号電荷の転送は、まず図４（ａ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＶＷが最も低い準位となり、ＶＢ（受光セル）で生成した信号電子がＶＷに転送される。
次に、図４（ｂ）に示すように、ＰＷ１＝ＰＷＬ、ＰＷ２＝ＰＷＨとすると、ＶＷから最低準位となるＰＷ２に信号電荷が転送される。
次に、図４（ｃ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＨとすると、隣接する転送セルのＰＷ１がＰＷ２と同じ最低準位となり、信号電荷が隣接する転送セルのＰＷ１にも転送される。
次に、図４（ｄ）に示すように、ＰＷ１＝ＰＷＨ、ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＰＷ２から最低準位となる隣接する転送セルのＰＷ１に信号電荷が転送される。この時点で信号電荷は全て隣接する転送セルに転送されており、以降は隣接する転送セル内での転送となる。
次に、図４（ｅ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＰＷ１から最低準位となるＶＷに信号電荷が転送される。
以上のステップを繰り返すことにより、１つの転送セルから隣接する転送セルへと信号電荷が転送される。また、上記の各時点で受光セルにおいて新たに生成する信号電荷は直ちにＶＷに転送され、ＶＷよりも低いポテンシャルがある場合には速やかにより低い準位へと転送され、先に転送されている信号電荷と加算される。
上記の転送方法は、受光セルと垂直転送部の配置からはインターライントランスファー方式のようであるが、実際の電荷転送動作はフレームトランスファー方式と同様に動作できる。ＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２、およびＶＢの各部のポテンシャルの設計は、従来より知られている仮想ゲート構造のＣＣＤと同様とすることができる。
【００３５】
上記の垂直転送部１１近傍領域の拡大図を図５に示す。
受光面１０には４個を１組とする受光セルが所定の距離を離間して配置されており、その間隙部に垂直転送路１３が敷きつめられて形成されている。受光面１０の最も転送下流側においても、４個を１組とする受光セル１２が配置されている。
上記の受光面１０の垂直転送路１３に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。垂直転送部１１全体では、信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に転送されるが、垂直転送部１１は矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vと、矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aとから構成されており、第１転送路Ｔ_vと第２転送路Ｔ_aの組み合わせにより、受光面１０の最も転送下流側の受光セル１２の幅に相当する距離を詰めるように配置され、これにより、垂直転送部１１の分割された複数の各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うことが可能となっている。
受光面１０の最も転送下流側の受光セル１２の直下部分である転送に寄与しない領域においては、チャネルストップ１４あるいはフィールド酸化膜などが形成されている。
上記の垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０が形成されており、さらに水平転送部２０の転送先にアンプ２１が設けられている。
【００３６】
図５において矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vと矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aが近接して形成されている領域Ｄの拡大図を図６に示す。
矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vは、通常の転送セル１１ａが矢印ＯＰ_Vの方向に並べられて構成されている。
一方、矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aは、転送セル１１ａが例えば１セルごとに１セル長の１割程度の距離をずらすように並べられて構成されている。
【００３７】
上記の構造において、受光セル１２から垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、受光面１０の直下に水平転送部２０が形成された場合には、例えば８μｍのセルを用いて１０セル毎の受光セル配列構成とした場合、８０μｍ分のセル毎に１６μｍ分の信号電荷がなくなることになる。このように、一定の数のセル毎に信号電荷がないことになり、画像信号として不都合を生じる。
しかしながら、本実施形態においては、受光面１０と水平転送部２０の間に、受光面１０の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら所定の方向に垂直転送する垂直転送部１１が形成されているので、水平転送部２０から取り出される信号電荷に上記のような不都合を生じることはない。
【００３８】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１において受光面１０の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら所定の方向に垂直転送しているので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００３９】
本実施形態において、第１転送路Ｔ_vと第２転送路Ｔ_aの組み合わせ方に限定はない。
例えば図７に示すように、まず第１転送路Ｔ_vによって矢印ＯＰ_Vの方向に転送し、次に第２転送路Ｔ_aによって矢印ＯＰ_Vの方向に対して斜めに転送し、再び第１転送路Ｔ_vによって矢印ＯＰ_Vの方向に転送する構成とすることも可能である。
【００４０】
第２実施形態
図８は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。
本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００４１】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰ_Vの方向に転送する。
【００４２】
上記の受光面１０に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。垂直転送部１１全体では、信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に転送されるが、垂直転送部１１は矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vと、矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aとから構成されており、第１転送路Ｔ_vと第２転送路Ｔ_aの組み合わせにより、垂直転送部１１が、複数に分割された各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
上記の複数の領域毎に分割毎に分割された垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００４３】
図８において矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vと矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aから構成される垂直転送部１１の拡大図を図９に示す。説明を簡単にするために、図面上転送セルの個数を９個と少なくして簡略化している。
矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vは、通常の幅を有する転送セル１１ａが矢印ＯＰ_Vの方向に並べられて構成されている。
一方、矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aは、通常の転送セル１１ａよりも幅の狭められた転送セル１１ｂが並べられて構成されている。
【００４４】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１が複数に分割された各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００４５】
本実施形態において、第１転送路Ｔ_vと第２転送路Ｔ_aの転送セルの大きさを入れ替えることも可能である。
図１０に示すように、矢印ＯＰ_Vに対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔ_aを通常の幅を有する転送セル１１ａにより構成し、矢印ＯＰ_Vの方向に転送する第１転送路Ｔ_vを通常の転送セル１１ａよりも幅の狭められた転送セル１１ｂにより構成することができる。
【００４６】
本実施形態のＣＣＤは、ＴＤＩセンサとして機能するＣＣＤに適用することが可能である。
この場合、上記の受光面においては、第１実施形態のように、受光セルが例えば４個を１組として所定の距離を離間して配置されており、受光面の最も転送下流側においても、受光セル組が配置されている。ここで、受光セルから垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、第１実施形態と同様にして、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら、さらに幅の異なる転送セルを用いて、複数に分割された各領域の専有する幅を狭めるように垂直転送部を配置することが好ましい。
【００４７】
第３実施形態
図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。
本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００４８】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰ_Vの方向に転送する。
【００４９】
上記の受光面１０に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。
垂直転送部１１は、受光面１０から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送を行う。
上記の複数の領域毎に分割毎に分割された垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００５０】
図１１において、複数の領域毎に分割して、各領域毎に水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置された垂直転送部１１の拡大図を図１２に示す。説明を簡単にするために、図面上転送セルの個数を７個と少なくして簡略化している。
矢印ＯＰ_Vの方向に転送する垂直転送部１１は、通常のセルサイズを有する転送セル１１ａと、転送セル１１ａよりも転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂが組み合わせて構成されている。
ここで、垂直転送部１１の各領域毎に水平方向の一方の端部における転送セルは全て通常のセルサイズを有する転送セル１１ａを用いて構成され、他方の端部に向けて、転送セル１１ａを１個ずつ転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂに置換していくことにより、水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置されている。
【００５１】
上記の通常のセルサイズを有する転送セル１１ａと、転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂの拡大図を図１３に示す。
転送セル１１ａは、例えばポリバリアＰＢ（Ｌ_PB）、ポリウェルＰＷ（Ｌ_PW）、仮想バリアＶＢ（Ｌ_VB）、仮想ウェルＶＷ（Ｌ_VW）の各相から構成されている。上記の括弧内は、転送方向の幅を示している。これらの４相合計で、例えば８μｍのセルサイズとなっている。
転送セル１１ｂは、例えばポリバリアＰＢ（Ｌ_PB）、ポリウェルＰＷ（Ｌ_PW’）、仮想バリアＶＢ（Ｌ_VB）、仮想ウェルＶＷ（Ｌ_VW’）の各相から構成されている。上記の括弧内は、転送方向の幅を示している。すなわち、ポリバリアＰＢと仮想バリアＶＢの幅は転送セル１１ａの場合と同じで、ポリウェルＰＷと仮想ウェルＶＷのい幅がそれぞれ例えば０．４μｍずつ転送方向に拡大され、これらの４相合計で、転送セル１１ａよりも１割程度転送方向に拡大されたセルサイズとなっている。
【００５２】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１が、複数に分割された各領域において、水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置されて、所定の方向に垂直転送を行うので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００５３】
本実施形態において、例えばＴＤＩセンサとして機能するＣＣＤに適用する場合、例えば図１４に示す構成により実現することができる。
受光面１０においては、第１実施形態のように、受光セルが例えば４個を１組として所定の距離を離間して配置されており、受光面の最も転送下流側においても、受光セル組が配置されている。受光セル１２の間隙部に垂直転送路１３が敷きつめられている。
ここで、受光セルから垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、水平転送により信号を読みだしたときに一定の数のセル毎に信号電荷がなくなることを防止するため、受光面１０と上記の垂直転送部１１の間に、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を補正する副垂直転送部１１’を設けることが好ましい。
上記の副垂直転送部１１’においては、幅の異なる転送セル１１ａ’，１１ｂ’の組み合わせにより、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を補正して水平転送により信号を読みだしたときに一定の数のセル毎に信号電荷がなくならないようにすることができる。
上記の副垂直転送部１１’に対して、本実施形態に係る複数の領域毎に分割されて水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置された垂直転送部１１が接続し、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００５４】
第４実施形態
図１５（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００５５】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰ_Vの方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰ_Vの方向に転送する。
【００５６】
上記の受光面１０に接続して、複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲部Ｃにおいて屈曲しながら所定の方向に水平転送する水平転送部２０が設けられている。
各領域に分割された水平転送部２０の先端部にアンプ２１がそれぞれ設けられている。
【００５７】
図１５（ｂ）は、上記の水平転送部２０における屈曲部Ｃ近傍領域を拡大した図である。
転送ゲートＧとウェルＷが矢印ＯＰ_Hの方向に繰り返し並べられているが、屈曲部Ｃに配置されたウェルＷにおいては、信号電荷の転送方向が９０°屈曲する。以降は、再び転送ゲートＧとウェルＷが矢印ＯＰ_Hと直交する方向である矢印ＯＰ_Vの方向に繰り返し並べられる。
上記の屈曲部Ｃに配置されたウェルＷにおいては、円滑に信号電荷を転送するために、水平方向の幅Ｌ_Hと垂直方向の幅Ｌ_Vをできるだけ近い値に設定することが好ましい。
【００５８】
本実施形態のＣＣＤによれば、水平転送部が複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲部Ｃにおいて屈曲しながら所定の方向転送するように配置されており、これにより分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００５９】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、複数の幅や長さを有する転送セルを用いる場合、その幅や長さの差は設計に応じて選択することができる。
また、受光セル組の一組を構成する受光セルの個数や、垂直転送部に対する配置は適宜選択することができる。
さらに、垂直転送部を構成する転送セルの相数などの必要に応じて選択することが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、水平転送速度を高めることができるＣＣＤなどの固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図２】図２は第１実施形態に係るＣＣＤの受光セルおよび垂直転送路の一部を拡大した平面図である。
【図３】図３（ａ）は図２中の領域Ｂの拡大平面図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、（ｃ）は（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図４】図４は第１実施形態に係るＣＣＤの信号電荷の転送を説明するためのポテンシャル図である。
【図５】図５は垂直転送部の構成を示す平面図である。
【図６】図６は垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図７】図７は垂直転送部の別の構成を示す平面図である。
【図８】図８は本発明の第２実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図９】図９は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１０】図１０は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な別の構成を示す拡大平面図である。
【図１１】図１１は本発明の第３実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図１２】図１２は第３実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１３】図１３は第３実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部に用いる転送セルの平面図である。
【図１４】図１４は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な別の構成を示す拡大平面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明の第３実施形態に係るＣＣＤの平面図であり、（ｂ）は水平転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は第１従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は受光セルの平面図である。
【図１７】図１７（ａ）は第２従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は受光セルの平面図である。
【図１８】図１８（ａ）は第３従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は動作を説明するための模式図である。
【図１９】図１９（ａ）は第４従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は第５従来例に係るＣＣＤの平面図である。
【符号の説明】
１０…受光面、１１…垂直転送部、１２…受光セル、１３…垂直転送部、１３’…斜伸垂直転送部、１４…チャネルストップ、２０…水平転送部、２１…アンプ、３０…ｐ型半導体基板、３１…ｎ型半導体層、３２…ｐ型素子分離層、３３…第１ｎ型不純物高濃度領域、３４…第２ｎ型不純物高濃度領域、３５…ｐ型第１反転層、３６…ｐ型第２反転層、４０…ゲート絶縁膜、４１…第１ゲート電極、４２…ゲート電極被覆膜、４３…第２ゲート電極、Ａ…被写体、Ｃ１〜Ｃ４…受光セル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device such as a charge coupled device.
[0002]
[Prior art]
A solid-state imaging device, for example, a CCD (Charge Coupled Device) generally has an interline transfer method, a frame transfer method, and the like.
A plan view of the interline transfer type CCD is shown in FIG. For example, a light receiving surface 10 that has a photodiode structure and performs photoelectric conversion and vertically transfers the generated signal charge in a predetermined direction (the direction of the arrow in the drawing), and horizontal transfer that horizontally transfers the signal charge from the light receiving surface 10 Part (horizontal transfer register) 20 and an amplifier 21 for amplifying the obtained signal charge. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
The light receiving surface 10 is configured by a light receiving cell 12 serving as a unit pixel shown in FIG. In the interline transfer method, the light receiving cell 12 includes a light receiving unit (opening) 12a that generates signal charges by photoelectric conversion, and a light blocking unit that includes a transfer unit and a wiring unit that vertically transfer the signal charges generated by the light receiving unit 12a. 12b.
[0003]
On the other hand, a plan view of the frame transfer type CCD is shown in FIG. For example, a light receiving surface 10 that has a photodiode structure, performs photoelectric conversion, and vertically transfers a generated signal charge in a predetermined direction (the direction of the arrow in the drawing), and a function of temporarily holding the signal charge until it is read out And a horizontal transfer unit 20 that horizontally transfers signal charges from the vertical transfer unit, and an amplifier 21 that amplifies the obtained signal charges. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
The light receiving surface 10 is configured by a light receiving cell 12 serving as a unit pixel shown in FIG. The light receiving cell 12 is a so-called virtual gate type CCD light receiving cell having a transfer gate portion 12c and virtual gate portions (12d, 12e, 12f). An anti-blooming gate portion 12e is formed in a part of the virtual gate portions (12d, 12e, 12f).
[0004]
A CCD having a TDI (time delay integration) function has been developed using the interline transfer method or the frame transfer method.
The above-mentioned TDI sensor that can function as a confocal microscope has a configuration shown in the plan view of FIG. 18A, for example, has a photodiode structure, performs photoelectric conversion, and generates a signal charge that is predetermined. Direction (arrow OP on the drawing_VAnd a horizontal transfer unit 20 that horizontally transfers signal charges from the light receiving surface 10, and an amplifier 21 that amplifies the obtained signal charges. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
On the light receiving surface 10, the light receiving cells 12 as unit pixels are arranged in the horizontal direction every integer multiple of one pixel (every three pixels in the drawing), and shifted in the vertical direction by one pixel for each stage. Has been placed.
A region on the light receiving surface 10 excluding the light receiving cell 12 is constituted by a vertical transfer path 13, and the signal charge generated in the light receiving cell 12 is indicated by an arrow OP in the drawing._VForward in the direction of.
The vertical transfer path 13 has the same configuration as that of the light receiving cell 12, for example, and functions only for transfer by being shielded from light. Therefore, the light receiving surface 10 of the TDI sensor is 1 on the light receiving surface of the conventional interline transfer type or frame transfer type CCD in an integer multiple of one pixel in the horizontal direction and one step in the vertical direction. It can be configured by providing a light shielding film that is opened by shifting pixels.
[0005]
The operation of the TDI sensor will be described. As shown in FIG. 18A, when imaging the subject A, the subject A is placed on the stage and moved in a predetermined direction at a constant speed. At this time, the signal charge is transferred on the light receiving surface 10 in synchronization with the moving speed of the stage.
That is, when the subject A moves across the light receiving surface 10, a signal charge for the subject A is generated in the light receiving cell C1, and the obtained signal charge is indicated by an arrow OP._VWhen it reaches the light receiving cell C2, it is added to the signal charge of that portion.
The obtained signal charge is indicated by an arrow OP until the next vertical transfer._HAre transferred in the horizontal direction and taken out as an image signal through an amplifier. By repeating the above operation, continuous images can be taken.
[0006]
Accordingly, as shown in FIG. 18 (b), the signal charge is added to the charge of that portion every time it reaches the light receiving cell. Since this charge transfer is linked with the operation of the stage, images of the same subject portion are always added.
That is, the moving speed OP of the subject A_AAnd the vertical transfer speed OP of the signal charge A 'with respect to the subject A_VAre synchronized so that the subject A can be subjected to multiple exposure imaging.
[0007]
The TDI sensor can be configured by either an interline transfer type or a frame transfer type CCD, but the frame transfer type is more suitable for operation. In the case of the interline transfer method, the charge transfer from the light receiving portion (opening) to the transfer path and the charge transfer in the transfer path require different levels of clock voltage, which complicates the drive system and timing. Become. For this reason, the frame transfer system is advantageous in terms of structure.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned TDI sensor, it is necessary to complete horizontal transfer after performing vertical transfer once on the light receiving surface and before performing the next vertical transfer. There was a problem that the operating speed of the entire sensor had to be limited.
For example, when the vertical transfer is operated at 200 KHz, the horizontal transfer needs to be completed within 5 μsec. At this time, if the CCD has 2000 pixels horizontally and the duty is 50%, high-speed horizontal transfer of 800 MHz is required.
[0009]
In order to increase the horizontal transfer speed, for example, as shown in FIG. 19A, there is a method of providing a plurality of sets (two sets in the drawing) of horizontal transfer units 20, 20 'and amplifiers 21, 21'. By providing n sets of horizontal transfer units and amplifiers, the transfer rate of the entire horizontal transfer unit can be increased n times.
However, in this case, the pitch of the transfer cell of the horizontal transfer unit becomes n times longer. For example, when the configuration of the light receiving surface is 1000 horizontal pixels and 10 μm pitch, if two horizontal transfer units and an amplifier are provided as shown in FIG. 19A, 500 pixels per horizontal transfer unit and 20 μm pitch are provided. It becomes. When 10 sets of horizontal transfer units and amplifiers are provided, the horizontal transfer units have a pitch of 100 μm, and it is practically impossible to transfer data using transfer cells having a pitch of 100 μm. As described above, high-speed transfer becomes more difficult as the cell length becomes longer, and it is difficult to greatly increase the speed by this method.
[0010]
Further, for example, as shown in FIG. 19B, a method of forming n horizontal transfer units and amplifiers by dividing one horizontal transfer unit 20 into n parts and providing an amplifier 21 for each can be considered. Even by this method, the transfer rate of the entire horizontal transfer unit can be increased n times.
However, in the above method, there is no place for the amplifier, and it is difficult to divide the horizontal transfer unit into n groups.
[0011]
Increasing the horizontal transfer speed as described above is desired to be realized as a solid-state imaging device such as a CCD other than the TDI sensor in order to drive at high speed.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device such as a CCD capable of increasing the horizontal transfer speed.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a light receiving surface in which a plurality of light receiving cells that generate signal charges corresponding to the amount of light to be absorbed are integrated, and a signal transferred from the light receiving surface. A first transfer unit that divides the charge into a plurality of regions and vertically transfers the region in a predetermined direction while narrowing the exclusive width of the region; and the divided signal charges transferred from the first transfer unit A second transfer unit that horizontally transfers the data in a predetermined direction for each region, and an amplifier that amplifies the signal charge transferred from the second transfer unit.
[0014]
In the solid-state imaging device of the present invention, preferably, the light receiving cells are discretely arranged at a predetermined distance on the light receiving surface, and the light receiving cells are disposed in a region excluding the light receiving cells on the light receiving surface. A third transfer unit that vertically transfers signal charges generated in the cells in a predetermined direction is formed, and the first transfer unit divides the signal charges transferred from the third transfer unit into a plurality of regions. Then, by narrowing the distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface, the vertical transfer is performed in a predetermined direction while narrowing the exclusive width of the region.
[0015]
In the solid-state imaging device of the present invention, preferably, the first transfer unit transfers the first transfer path for transferring in the first direction and the second direction for transferring in the second direction different from the first direction. And is arranged so as to reduce the distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface by a combination of the first transfer path and the second transfer path.
[0016]
In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the first transfer unit includes a first transfer cell and a second transfer cell having a size different from that of the first transfer cell. According to the combination of the cell and the second transfer cell, the plurality of divided areas are arranged so as to be vertically transferred in a predetermined direction while narrowing the exclusive width.
[0017]
In the solid-state imaging device of the present invention described above, in the solid-state imaging device such as a CCD, the first transfer unit that connects the light receiving surface and the second transfer unit that performs horizontal transfer receives a plurality of signal charges transferred from the light receiving surface. It is arranged so as to perform vertical transfer in a predetermined direction while dividing the area and narrowing the exclusive width of the area.
Accordingly, a place where the amplifier is arranged in each of the divided second transfer units that perform horizontal transfer can be secured by the amount of narrowing of the width of each divided first transfer unit, and the horizontal position of a solid-state imaging device such as a CCD can be secured. The transfer speed can be increased.
[0018]
In order to achieve the above object, the solid-state imaging device of the present invention has a light receiving surface in which a plurality of light receiving cells that generate signal charges according to the amount of light to be absorbed are integrated and transferred from the light receiving surface. The signal charges are divided into a plurality of areas, and vertically transferred in a predetermined direction so that the vertical transfer distance monotonously changes from one end of the area in the horizontal direction to the other end. A first transfer unit, a second transfer unit that horizontally transfers a signal charge transferred from the first transfer unit in a predetermined direction for each of the plurality of divided areas, and a signal transferred from the second transfer unit And an amplifier for amplifying the electric charge.
[0019]
In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the first transfer unit includes a first transfer cell and a second transfer cell having a size different from that of the first transfer cell. Depending on the combination of the cell and the second transfer cell, the transfer distance in the vertical direction monotonously changes from one horizontal end to the other end of the plurality of divided areas in a predetermined direction. Arranged for vertical transfer.
[0020]
In the solid-state imaging device of the present invention described above, in the solid-state imaging device such as a CCD, the first transfer unit that connects the light receiving surface and the second transfer unit that performs horizontal transfer receives a plurality of signal charges transferred from the light receiving surface. Divided for each area and arranged to perform vertical transfer in a predetermined direction so that the transfer distance in the vertical direction monotonously changes from one end of the area in the horizontal direction to the other end. Yes.
Therefore, the transfer direction of the second transfer unit that performs horizontal transfer can be shifted from the direction orthogonal to the vertical transfer direction of the first transfer unit, and thus the divided third transfer unit that performs horizontal transfer. Thus, it is possible to secure a place where an amplifier is disposed in each of them, and to increase the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD.
[0021]
In order to achieve the above object, the solid-state imaging device of the present invention has a light receiving surface in which a plurality of light receiving cells that generate signal charges according to the amount of light to be absorbed are integrated and transferred from the light receiving surface. A transfer unit that divides the signal charge into a plurality of regions and horizontally transfers the signal charge in a predetermined direction while bending the transfer direction for each region, and an amplifier that amplifies the signal charge transferred from the transfer unit. .
[0022]
In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the transfer unit includes a transfer cell that bends the transfer direction.
[0023]
In the solid-state imaging device of the present invention described above, in a solid-state imaging device such as a CCD, the transfer unit that performs horizontal transfer with the light receiving surface divides the signal charge transferred from the light receiving surface into a plurality of regions, and It is arranged to perform horizontal transfer in a predetermined direction while bending the transfer direction.
Therefore, it is possible to secure a place where the amplifier is disposed at the tip of the bent portion of the transfer unit that performs horizontal transfer, and it is possible to increase the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0025]
First embodiment
FIG. 1 is a plan view of a solid-state imaging device (CCD (Charge Coupled Device)) functioning as a TDI (time delay integration) sensor according to the present embodiment.
It has a photodiode structure and photoelectrically converts the generated signal charge in a predetermined direction (arrow OP on the drawing)._VA light receiving surface 10 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, a vertical transfer portion 11 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, and a horizontal transfer portion 20 that horizontally transfers the signal charge from the vertical transfer portion 11. And an amplifier 21 that amplifies the signal charge. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
In the present embodiment, the vertical transfer unit 11 divides the signal charge transferred from the light receiving surface into a plurality of regions, and performs vertical transfer in a predetermined direction while narrowing the width of the region. It is possible to increase the horizontal transfer speed by providing a plurality of horizontal transfer units 20 and a plurality of amplifiers 21 in the vertical transfer unit 11 divided for each area.
On the light receiving surface 10 described above, four light receiving cells 12 serving as unit pixels are arranged in a set of four arranged in a horizontal direction and two in a vertical direction, every integer multiple of one pixel (on the drawing, every four pixels in the drawing). ) In the horizontal direction, and in the vertical direction are shifted by one pixel at positions spaced apart by a predetermined number of rows (for example, 10 rows).
The region on the light receiving surface 10 excluding the light receiving cell 12 is constituted by a vertical transfer path 13, and the signal charge generated in the light receiving cell 12 as an entire light receiving surface 10 is indicated by an arrow OP in the drawing._VForward in the direction of.
[0026]
FIG. 2 shows an enlarged plan view of a part of the light receiving cell 12 and the vertical transfer path 13 of the CCD.
The light receiving cells 12 are arranged by shifting one pixel at a time at a predetermined number of rows (for example, 10 rows) in the vertical direction, with the four separated by the channel stop 14 as one set. In this manner, the arrangement of shifting the light receiving cell set downstream in the transfer direction by one light receiving cell from the immediately upstream light receiving cell set is repeated.
Accordingly, the four light receiving cells C1, C2, C3, and C4 in the figure are at the same position in the horizontal direction, and each image the same portion of the subject.
[0027]
In the vertical transfer path 13, one transfer cell is formed from the three phases of the first phase 13a, the second phase 13b, and the third phase 13c, and this transfer cell is indicated by an arrow OP._VAre repeatedly arranged in substantially the same direction.
The vertical transfer path 13 further has an arrow OP._VAn oblique vertical transfer path 13 ′ extending in an oblique direction different from the above direction is formed, and a transfer cell formed of three phases of a first phase 13a ′, a second phase 13b ′, and a third phase 13c ′ is formed. Arrow OP_VAre arranged repeatedly diagonally.
[0028]
In the above-described CCD layout, in order to design the light receiving cell 12 region as a 100% virtual gate region, an arrow OP is provided in the vertical transfer path 13._VAn obliquely extending vertical transfer path 13 'extending in an oblique direction different from the above direction is required.
In the layout in which the size of the light receiving cell 12 is X μm and the light receiving cell 12 is provided for every n columns, the gate pitch of the vertical transfer unit is (n columns−2 pixels) X / n columns.
For example, when X = 8 μm and the light receiving cells 12 are provided for every n columns, the gate pitch of the vertical transfer unit is 6.4 μm.
In addition, for confocal microscope use, a light receiving cell set including four light receiving cells as a set is shifted by one pixel at a position separated by a predetermined number of rows (for example, 10 rows) in the vertical direction. . Since the vertical transfer path 13 is aligned with the light receiving cells in the same column, the transfer direction is indicated by an arrow OP in the figure._VIs exactly the same direction as the arrow OP between the light receiving cells in the same column (for example, 10 rows)._VThe amount of shift in each row is X / (n columns / 2 pixels) / (m rows-2 pixels), where n = m = 10 and X = 8 μm Is 0.2 μm.
[0029]
The operation as the TDI sensor will be described.
For example, the subject is placed on the stage and moved in a predetermined direction at a constant speed, and on the light receiving surface, signal charges are transferred in synchronization with the moving speed of the stage.
That is, when the subject moves across the light receiving surface 10, a signal charge for the subject is generated in the light receiving cell C1, and the obtained signal charge is the arrow OP of the light receiving cell C1._VIs transferred to the vertical transfer path 13 from one direction orthogonal to the direction of_VIs transferred vertically in the direction of.
Next, when the subject is in the same set as the light receiving cell C1 and moves to the light receiving cell C2 adjacent to the light receiving cell C1 in the vertical direction, a signal charge for the subject is generated in the light receiving cell C2, and the obtained signal charge is obtained. Is the arrow OP of the light receiving cell C2._VThe signal charges are transferred to the vertical transfer path 13 from one direction orthogonal to the direction, and are added to the signal charges transferred from the light receiving cell C1 in synchronization with the movement of the subject.
Next, the signal charge is transferred by the oblique vertical transfer path 13 'to the arrow OP._VIs transferred in a direction having an angle with respect to the arrow OP again_VIs transferred by a vertical transfer path 13 extending in the direction of.
Next, signal charges for the subject are generated in the light receiving cells C3 and C4 of the light receiving cell set formed immediately downstream in the transfer direction with respect to the light receiving cell set of the light receiving cells C1 and C2, respectively. Arrow OP of cells C3 and C4_VIs transferred to the vertical transfer path 13 from the other direction orthogonal to this direction, and is added to the signal charges transferred from the light receiving cells C1 and C2 in synchronization with the movement of the subject.
The above operation is repeated until the vertical transfer unit 11 is reached, and the obtained signal charges are further vertically transferred by the vertical transfer unit 11 divided into a plurality of regions. The signal charge that has reached the horizontal transfer unit 20 is transferred in the horizontal direction until the next vertical transfer for each divided area, and is taken out as an image signal via the amplifier 21.
By repeating the above operation, continuous images can be taken.
[0030]
FIG. 3A is an enlarged view of a region B in FIG.
Formed by connecting the light receiving cell 12 separated by the channel stop 14 to the vertical transfer path 13 in which one transfer cell is formed from the three phases of the first phase 13a, the second phase 13b, and the third phase 13c. Has been.
Here, the light receiving cell 12 and the second phase 13b are connected with a width L.
[0031]
3B is a cross-sectional view taken along line X-X ′ in FIG. 3A, and FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line Y-Y ′ in FIG.
An n-type semiconductor layer 31 made of silicon containing an n-type conductive impurity is formed in a region separated by the p-type element isolation layer 32 of the p-type semiconductor substrate 30 made of single crystal silicon, and an upper layer thereof is formed thereon. For example, a silicon oxide gate insulating film 40 is formed.
A first gate electrode 41 made of polysilicon, for example, is formed on the upper layer of the gate insulating film 40 in the region of the first phase 13a in the plan view. The first gate electrode 41 made of silicon oxide covers the first gate electrode. A covering film 42 is formed. A second gate electrode 43 is formed in the third phase 13c region in the plan view.
In the n-type semiconductor layer 31 below the first gate electrode 41 and the second gate electrode 43, a first n-type impurity high concentration region 33, which is a high concentration region of n-type conductive impurities, is formed. The region where the first gate electrode 41 is formed, that is, the first phase 13a becomes the first polywell PW1, and the region where the third gate electrode 43 is formed, that is, the third phase 13c becomes the second polywell PW2.
In the second phase 13b region, which is the gap between the first and second gate electrodes 41 and 43, a p-type first inversion layer 35 containing a p-type conductive impurity is formed in the n-type semiconductor layer 31. In the light receiving cell 12 region, a p-type second inversion layer 36 containing a higher concentration of p-type conductive impurities than the p-type first inversion layer 35 is formed.
Further, in the semiconductor layer 31 below the p-type first inversion layer 35 and the p-type second inversion layer 36, a second n-type impurity high-concentration region 34, which is a high-concentration region of n-type conductive impurities, is formed. And constitutes a virtual gate region. The region where the p-type first inversion layer 35 is formed, that is, the second phase 13b becomes the virtual well VW, and the region where the p-type second inversion layer 36 is formed, that is, the light receiving cell 12 region becomes the virtual barrier VB. .
[0032]
In the above configuration, it is preferable to provide a drain electrode (not shown) in a region adjacent to the light receiving cell 12 region. The drain electrode has a function of suppressing blooming and clearing a dark current generated during the standby time.
[0033]
In the transfer cell including the first phase 13a, the second phase 13b, and the third phase 13c, a predetermined clock voltage P1 is applied to the first gate electrode 41 formed in the upper layer of the first phase 13a. On the other hand, a voltage P2 of a clock different from the voltage P1 is applied to the second gate electrode 43 formed in the upper layer of the third phase 13c.
A gate electrode is not formed on the second phase 13b and the light receiving cell 12 region, and a virtual gate structure is obtained in which it can be considered that a gate to which a constant voltage is applied is formed.
[0034]
A method of transferring potentials and signal charges at the respective parts PW1, VW, PW2, and VB in the CCD will be described.
FIG. 4 is a potential diagram of the CCD. Here, each part of PW1, VW, and PW2, which are potentials continuous in one direction, is indicated by a solid line, and a potential of VB (light receiving cell) connected to VW is indicated by a wavy line.
The first gate electrode 41 and the second gate electrode 43 of each cell are supplied with different clock voltage pulses (high (High) and low (Low)), respectively, and PW1 and PW2 correspond to PWL and PWH respectively. Takes 2 levels.
On the other hand, in the virtual gate region, the p-type first inversion layer 35 and the p-type second inversion layer 36 are not affected by the adjacent gate electrodes and have a constant potential.
First, as shown in FIG. 4A, when the signal charges are transferred, if PW1, PW2 = PWL, VW becomes the lowest level, and the signal electrons generated in VB (light receiving cell) are transferred to VW.
Next, as shown in FIG. 4B, when PW1 = PWL and PW2 = PWH, signal charges are transferred from VW to PW2, which is the lowest level.
Next, as shown in FIG. 4C, when PW1, PW2 = PWH, PW1 of the adjacent transfer cell is at the same lowest level as PW2, and the signal charge is transferred to PW1 of the adjacent transfer cell. .
Next, as shown in FIG. 4D, when PW1 = PWH and PW2 = PWL, signal charges are transferred from PW2 to PW1 of the adjacent transfer cell that is at the lowest level. At this time, all signal charges have been transferred to adjacent transfer cells, and thereafter transfer is performed in adjacent transfer cells.
Next, as shown in FIG. 4E, when PW1, PW2 = PWL, the signal charge is transferred from PW1 to VW which is the lowest level.
By repeating the above steps, signal charges are transferred from one transfer cell to an adjacent transfer cell. In addition, the signal charge newly generated in the light receiving cell at each time point is immediately transferred to VW, and when there is a potential lower than VW, it is quickly transferred to a lower level, and the signal transferred earlier. It is added to the charge.
Although the above transfer method is like the interline transfer system in terms of the arrangement of the light receiving cells and the vertical transfer unit, the actual charge transfer operation can be performed in the same manner as the frame transfer system. The potential design of each part of PW1, VW, PW2, and VB can be the same as that of a conventionally known virtual gate structure CCD.
[0035]
An enlarged view of the vicinity of the vertical transfer unit 11 is shown in FIG.
On the light receiving surface 10, a set of four light receiving cells are arranged at a predetermined distance, and a vertical transfer path 13 is formed in the gap portion. Even on the most downstream side of the light receiving surface 10, four light receiving cells 12 are arranged.
Connected to the vertical transfer path 13 of the light receiving surface 10, a vertical transfer unit 11 composed of, for example, about 30 transfer cells is formed. In the entire vertical transfer unit 11, signal charges are transferred in a predetermined direction (arrow OP in the drawing)._VThe vertical transfer unit 11 uses the arrow OP._VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vAnd arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aAnd the first transfer path T_vAnd the second transfer path T_aAre arranged so as to reduce the distance corresponding to the width of the light receiving cell 12 on the most downstream side of the light receiving surface 10, thereby narrowing the exclusive width of each of the divided areas of the vertical transfer unit 11. However, it is possible to perform vertical transfer in a predetermined direction.
A channel stop 14 or a field oxide film is formed in a region that does not contribute to transfer, which is a portion immediately below the light receiving cell 12 on the most downstream side of the light receiving surface 10.
A horizontal transfer unit 20 is formed in connection with the vertical transfer unit 11, and an amplifier 21 is provided at the transfer destination of the horizontal transfer unit 20.
[0036]
In FIG. 5, the arrow OP_VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vAnd arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aFIG. 6 shows an enlarged view of a region D in which are formed close to each other.
Arrow OP_VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vThe normal transfer cell 11a is indicated by an arrow OP._VIt is arranged side by side.
On the other hand, the arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aThe transfer cells 11a are arranged, for example, so as to shift a distance of about 10% of the length of one cell for each cell.
[0037]
In the above structure, signal charges are not directly transferred from the light receiving cells 12 in the vertical direction. Therefore, when the horizontal transfer unit 20 is formed immediately below the light receiving surface 10, for example, every 10 cells using 8 μm cells. In the case of the light receiving cell array configuration, the signal charge of 16 μm is eliminated for every 80 μm of cells. In this way, there is no signal charge for every certain number of cells, which causes inconvenience as an image signal.
However, in this embodiment, a vertical transfer unit that vertically transfers in a predetermined direction while narrowing a distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface 10 between the light receiving surface 10 and the horizontal transfer unit 20. 11 is formed, the above-mentioned inconvenience does not occur in the signal charge taken out from the horizontal transfer unit 20.
[0038]
According to the CCD of this embodiment, the vertical transfer unit 11 performs vertical transfer in a predetermined direction while narrowing the distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface 10, so that the division is performed for horizontal transfer. Thus, it is possible to secure a place where the amplifier 21 is disposed in each of the horizontal transfer units 20 and to increase the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD.
[0039]
In the present embodiment, the first transfer path T_vAnd the second transfer path T_aThere is no limitation on how to combine.
For example, as shown in FIG._vBy arrow OP_VAnd then the second transfer path T_aBy arrow OP_VIs transferred obliquely with respect to the direction of the first transfer path T_vBy arrow OP_VIt is also possible to adopt a configuration in which data is transferred in the direction.
[0040]
Second embodiment
FIG. 8 is a plan view of the solid-state imaging device (CCD) according to the present embodiment.
Unlike the first embodiment, the CCD according to the present embodiment is not limited to the TDI sensor, and can be configured as a normal frame transfer type CCD.
[0041]
It has a photodiode structure and photoelectrically converts the generated signal charge in a predetermined direction (arrow OP on the drawing)._VA light receiving surface 10 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, a vertical transfer portion 11 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, and a horizontal transfer portion 20 that horizontally transfers the signal charge from the vertical transfer portion 11. And an amplifier 21 that amplifies the signal charge. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
On the light receiving surface 10, for example, light receiving cells serving as unit pixels having a transfer function are arranged and arranged, and the signal charge generated in the light receiving cells as an entire light receiving surface 10 is indicated by an arrow OP in the drawing._VForward in the direction of.
[0042]
Connected to the light receiving surface 10, a vertical transfer unit 11 composed of, for example, about 30 transfer cells is formed. In the entire vertical transfer unit 11, signal charges are transferred in a predetermined direction (arrow OP in the drawing)._VThe vertical transfer unit 11 uses the arrow OP._VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vAnd arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aAnd the first transfer path T_vAnd the second transfer path T_aWith this combination, the vertical transfer unit 11 is arranged to perform vertical transfer in a predetermined direction while narrowing the width of each divided area.
A plurality of horizontal transfer units 20 and a plurality of amplifiers 21 are provided in connection with the vertical transfer unit 11 divided for each of the plurality of regions.
[0043]
In FIG. 8, the arrow OP_VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vAnd arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aFIG. 9 shows an enlarged view of the vertical transfer unit 11 composed of In order to simplify the explanation, the number of transfer cells is reduced to nine in the drawing.
Arrow OP_VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vThe transfer cell 11a having a normal width is indicated by an arrow OP._VIt is arranged side by side.
On the other hand, the arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aThe transfer cell 11b having a narrower width than the normal transfer cell 11a is arranged.
[0044]
According to the CCD of the present embodiment, the vertical transfer unit 11 performs vertical transfer in a predetermined direction while narrowing the width of each divided area, so the divided horizontal transfer unit 20 that performs horizontal transfer. Thus, it is possible to secure a place where the amplifier 21 is disposed, and it is possible to increase the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD.
[0045]
In the present embodiment, the first transfer path T_vAnd the second transfer path T_aIt is also possible to change the size of the transfer cell.
As shown in FIG. 10, the arrow OP_VSecond transfer path T for transferring in an oblique direction with respect to_aIs constituted by a transfer cell 11a having a normal width, and an arrow OP_VThe first transfer path T that transfers in the direction of_vCan be constituted by the transfer cell 11b having a width narrower than that of the normal transfer cell 11a.
[0046]
The CCD of this embodiment can be applied to a CCD that functions as a TDI sensor.
In this case, on the light receiving surface, as in the first embodiment, for example, four light receiving cells are arranged with a predetermined distance apart from each other, and even on the most downstream side of the light receiving surface, A light receiving cell set is arranged. Here, since the signal charge is not directly transferred from the light receiving cell in the vertical direction, the width is further reduced while reducing the distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface as in the first embodiment. It is preferable that the vertical transfer unit be arranged so as to narrow the exclusive width of each of the divided areas using different transfer cells.
[0047]
Third embodiment
FIG. 11 is a plan view of the solid-state imaging device (CCD) according to the present embodiment.
Unlike the first embodiment, the CCD according to the present embodiment is not limited to the TDI sensor, and can be configured as a normal frame transfer type CCD.
[0048]
It has a photodiode structure and photoelectrically converts the generated signal charge in a predetermined direction (arrow OP on the drawing)._VA light receiving surface 10 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, a vertical transfer portion 11 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, and a horizontal transfer portion 20 that horizontally transfers the signal charge from the vertical transfer portion 11. And an amplifier 21 that amplifies the signal charge. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
On the light receiving surface 10, for example, light receiving cells serving as unit pixels having a transfer function are arranged and arranged, and the signal charge generated in the light receiving cells as an entire light receiving surface 10 is indicated by an arrow OP in the drawing._VForward in the direction of.
[0049]
Connected to the light receiving surface 10, a vertical transfer unit 11 composed of, for example, about 30 transfer cells is formed.
The vertical transfer unit 11 divides the signal charge transferred from the light receiving surface 10 into a plurality of areas, and the transfer distance in the vertical direction is monotonous from one end in the horizontal direction to the other end of the area. The vertical transfer is performed in a predetermined direction so as to change.
A plurality of horizontal transfer units 20 and a plurality of amplifiers 21 are provided in connection with the vertical transfer unit 11 divided for each of the plurality of regions.
[0050]
In FIG. 11, the vertical transfer unit is divided into a plurality of regions and arranged so that the transfer distance in the vertical direction monotonously changes from one end in the horizontal direction to the other end in each region. An enlarged view of 11 is shown in FIG. In order to simplify the explanation, the number of transfer cells is reduced to 7 in the drawing.
Arrow OP_VThe vertical transfer unit 11 for transferring in the direction of the above is configured by combining a transfer cell 11a having a normal cell size and a transfer cell 11b having a cell size larger in the transfer direction than the transfer cell 11a.
Here, all the transfer cells at one end in the horizontal direction for each region of the vertical transfer unit 11 are configured using transfer cells 11a having a normal cell size, and the transfer cell 11a is directed toward the other end. Are transferred one by one to the transfer cell 11b whose cell size is enlarged in the transfer direction, so that the transfer distance in the vertical direction monotonously changes from one end in the horizontal direction to the other end. Is arranged.
[0051]
FIG. 13 shows an enlarged view of the transfer cell 11a having the normal cell size and the transfer cell 11b having the cell size enlarged in the transfer direction.
The transfer cell 11a is, for example, a polybarrier PB (L_PB), Polywell PW (L_PW), Virtual barrier VB (L_VB), Virtual well VW (L_VW). The parentheses above indicate the width in the transfer direction. The total of these four phases has a cell size of 8 μm, for example.
The transfer cell 11b is, for example, a polybarrier PB (L_PB), Polywell PW (L_PW′), Virtual barrier VB (L_VB), Virtual well VW (L_VW′). The parentheses above indicate the width in the transfer direction. That is, the width of the poly barrier PB and the virtual barrier VB is the same as that of the transfer cell 11a, and the width of the poly well PW and the virtual well VW is expanded in the transfer direction by, for example, 0.4 μm, respectively. The cell size is about 10% larger than the cell 11a in the transfer direction.
[0052]
According to the CCD of the present embodiment, the vertical transfer unit 11 monotonously changes the transfer distance in the vertical direction from one end in the horizontal direction to the other end in each of the divided areas. Since the vertical transfer is performed in a predetermined direction, it is possible to secure a place where the amplifier 21 is disposed in each of the divided horizontal transfer units 20 that perform the horizontal transfer, and the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD can be secured. Can be increased.
[0053]
In this embodiment, when applied to a CCD functioning as a TDI sensor, for example, it can be realized by the configuration shown in FIG.
On the light receiving surface 10, as in the first embodiment, for example, four light receiving cells are arranged at a predetermined distance apart from each other, and the light receiving cell set is also located on the most downstream side of the light receiving surface. Has been placed. A vertical transfer path 13 is placed in the gap between the light receiving cells 12.
Here, since the signal charge is not directly transferred from the light receiving cell in the vertical direction, when the signal is read by horizontal transfer, in order to prevent the signal charge from being lost for every certain number of cells, It is preferable to provide a sub-vertical transfer unit 11 ′ that corrects a distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface between the vertical transfer units 11.
In the sub-vertical transfer unit 11 ′, a distance corresponding to the width of the light receiving cell on the most downstream side of the light receiving surface is corrected by a combination of transfer cells 11a ′ and 11b ′ having different widths, and a signal is transmitted by horizontal transfer. It is possible to prevent the signal charge from being lost every certain number of cells when read out.
With respect to the sub-vertical transfer unit 11 ', the vertical transfer distance is monotonously changed from one end in the horizontal direction to the other end by being divided into a plurality of regions according to the present embodiment. The vertical transfer units 11 arranged in this way are connected, and a plurality of horizontal transfer units 20 and a plurality of amplifiers 21 are provided.
[0054]
Fourth embodiment
FIG. 15A is a plan view of a solid-state imaging device (CCD) according to the present embodiment. Unlike the first embodiment, the CCD according to the present embodiment is not limited to the TDI sensor, and can be configured as a normal frame transfer type CCD.
[0055]
It has a photodiode structure and photoelectrically converts the generated signal charge in a predetermined direction (arrow OP on the drawing)._VA light receiving surface 10 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, a vertical transfer portion 11 that vertically transfers the signal charge from the light receiving surface 10, and a horizontal transfer portion 20 that horizontally transfers the signal charge from the vertical transfer portion 11. And an amplifier 21 that amplifies the signal charge. The amplifier 21 is connected to a signal processing circuit (not shown).
On the light receiving surface 10, for example, light receiving cells serving as unit pixels having a transfer function are arranged and arranged, and the signal charge generated in the light receiving cells as an entire light receiving surface 10 is indicated by an arrow OP in the drawing._VForward in the direction of.
[0056]
A horizontal transfer unit 20 is provided which is connected to the light receiving surface 10 and is divided into a plurality of regions and horizontally transferred in a predetermined direction while the transfer direction is bent at the bent portion C for each region.
An amplifier 21 is provided at the tip of the horizontal transfer unit 20 divided into each region.
[0057]
FIG. 15B is an enlarged view of a region near the bent portion C in the horizontal transfer unit 20.
Transfer gate G and well W are indicated by arrow OP_HIn the well W arranged in the bent portion C, the signal charge transfer direction is bent by 90 °. Thereafter, the transfer gate G and the well W are again indicated by the arrow OP._HThe arrow OP is the direction orthogonal to_VIt is repeatedly arranged in the direction of.
In the well W arranged in the bent portion C, in order to transfer the signal charge smoothly, the horizontal width L_HAnd vertical width L_VIs preferably set as close as possible.
[0058]
According to the CCD of this embodiment, the horizontal transfer unit is divided into a plurality of regions, and is arranged so as to transfer in a predetermined direction while bending the transfer direction at the bent portion C for each region. A place where the amplifier 21 is disposed in each of the divided horizontal transfer units 20 can be secured, and the horizontal transfer speed of a solid-state imaging device such as a CCD can be increased.
[0059]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, when a transfer cell having a plurality of widths and lengths is used, the difference between the widths and lengths can be selected according to the design.
In addition, the number of light receiving cells constituting one set of light receiving cell sets and the arrangement with respect to the vertical transfer unit can be appropriately selected.
Furthermore, it is possible to select the number of transfer cell phases constituting the vertical transfer unit as required.
In addition, various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
[0060]
【The invention's effect】
According to the solid-state imaging device of the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device such as a CCD capable of increasing the horizontal transfer rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a CCD according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged plan view of a part of a light receiving cell and a vertical transfer path of a CCD according to the first embodiment.
3A is an enlarged plan view of a region B in FIG. 2, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. 3A, and FIG. 3C is YY in FIG. FIG.
FIG. 4 is a potential diagram for explaining signal charge transfer of the CCD according to the first embodiment;
FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a vertical transfer unit.
FIG. 6 is an enlarged plan view showing a detailed configuration of a vertical transfer unit.
FIG. 7 is a plan view showing another configuration of the vertical transfer unit.
FIG. 8 is a plan view of a CCD according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an enlarged plan view showing a detailed configuration of a vertical transfer unit of a CCD according to the second embodiment.
FIG. 10 is an enlarged plan view showing another detailed configuration of the vertical transfer unit of the CCD according to the second embodiment.
FIG. 11 is a plan view of a CCD according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an enlarged plan view showing a detailed configuration of a vertical transfer unit of a CCD according to a third embodiment.
FIG. 13 is a plan view of a transfer cell used in a vertical transfer unit of a CCD according to a third embodiment.
FIG. 14 is an enlarged plan view showing another detailed configuration of the vertical transfer unit of the CCD according to the second embodiment.
FIG. 15A is a plan view of a CCD according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 15B is an enlarged plan view showing a detailed configuration of a horizontal transfer unit.
16A is a plan view of a CCD according to a first conventional example, and FIG. 16B is a plan view of a light receiving cell.
FIG. 17A is a plan view of a CCD according to a second conventional example, and FIG. 17B is a plan view of a light receiving cell.
FIG. 18A is a plan view of a CCD according to a third conventional example, and FIG. 18B is a schematic diagram for explaining the operation.
19A is a plan view of a CCD according to a fourth conventional example, and FIG. 19B is a plan view of a CCD according to a fifth conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light-receiving surface, 11 ... Vertical transfer part, 12 ... Light receiving cell, 13 ... Vertical transfer part, 13 '... Oblique vertical transfer part, 14 ... Channel stop, 20 ... Horizontal transfer part, 21 ... Amplifier, 30 ... P-type Semiconductor substrate 31 ... n-type semiconductor layer 32 ... p-type element isolation layer 33 ... first n-type impurity high concentration region 34 ... second n-type impurity high concentration region 35 ... p-type first inversion layer 36 ... p Type second inversion layer, 40 ... gate insulating film, 41 ... first gate electrode, 42 ... gate electrode coating film, 43 ... second gate electrode, A ... subject, C1-C4 ... light receiving cell.

Claims

A light receiving surface on which a plurality of light receiving cells that generate signal charges according to the amount of light to be absorbed are integrated;
A first transfer unit that divides the signal charge transferred from the light receiving surface into a plurality of regions and vertically transfers the signals in a predetermined direction while narrowing the width of the region;
A second transfer unit that horizontally transfers the signal charges transferred from the first transfer unit in a predetermined direction for each of the plurality of divided regions;
Possess an amplifier for amplifying the signal charge transferred from the second transfer unit,
The first transfer unit includes a first transfer cell and a second transfer cell having a size different from that of the first transfer cell;
A solid-state imaging device arranged so as to perform vertical transfer in a predetermined direction while narrowing a width occupied by the plurality of divided regions by a combination of the first transfer cell and the second transfer cell .

A light receiving surface on which a plurality of light receiving cells that generate signal charges according to the amount of light to be absorbed are integrated;
The signal charge transferred from the light receiving surface is divided into a plurality of regions, and the vertical transfer distance is monotonously changed from one horizontal end to the other end of the region. A first transfer unit that performs vertical transfer in the direction of
A second transfer unit that horizontally transfers the signal charges transferred from the first transfer unit in a predetermined direction for each of the plurality of divided regions;
A solid-state imaging device comprising: an amplifier that amplifies the signal charge transferred from the second transfer unit.

The first transfer unit includes a first transfer cell and a second transfer cell having a size different from that of the first transfer cell;
The combination of the first transfer cell and the second transfer cell is such that the vertical transfer distance monotonously changes from one horizontal end to the other end of the plurality of divided areas. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is arranged to vertically transfer in a predetermined direction.