JPH04373136A - 電荷結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電荷結合装置に関し、
特に浮遊拡散層を用いて転送信号電荷を検出する電荷結
合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３の（ａ）は埋め込みチャネル型のこ
の種従来の電荷結合装置の電荷検出部の断面図であり、
図３の（ｂ）は、その各部の電位を示す図である。図３
の（ａ）に示されるように、ｎ型半導体基板３１上にｐ
ウェル３２が設けられ、ｐウェル３２の表面領域内に電
荷結合装置の電荷転送領域となるｎウェル３５、電荷を
検出するためのｎ＋　型の浮遊拡散層３３およびこの浮
遊拡散層３３に与える基準電位が印加されているｎ＋　
型のリセットドレイン３４が設けられている。

【０００３】ｎウェル上には、電荷転送クロックφ１　
が印加される最終転送電極３７、出力ゲート３８および
リセットパルスφＲ　が印加されるリセットゲート３６
が設けられ、さらに浮遊拡散層３３はプリアンプ３９の
入力ゲートへ接続されている。

【０００４】この電荷結合装置は、転送電極に図４に示
される電荷転送クロックφ１　、…を、リセットゲート
３６にクロックφ１　と同期したリセットパルスφＲ　
を印加し、出力ゲート３８、リセットドレイン３４にそ
れぞれ一定電圧の出力ゲート電圧ＶＯＧ、リセットドレ
イン電圧ＶＲＤを印加することによって駆動され、プリ
アンプ３９の出力端子からは、図４に示されるように、
リセットパルスと同じ周期で信号出力ＶＯＵＴ　が出力
される。

【０００５】転送電極に電荷転送クロックφ１　、…が
印加されることにより、信号電荷はｎウェル３５内を転
送され、電荷転送クロックφ１　と同じ周期で最終転送
電極３７の直下に送り込まれる。この最終転送電極３７
に加わる電荷転送クロックφ１　がハイレベルの状態で
信号電荷は最終転送電極３７の直下に保持される（この
ときの電位を図３の（ｂ）で、φ１　＝“Ｈ”で示す）
。このとき、リセットパルスφＲ　がハイレベルとなっ
て、浮遊拡散層３３の電位はリセットドレイン電位（Ｖ
ＲＤ）にリセットされ、然る後にリセットパルスφＲ　
はローレベルとなる。

【０００６】次に、電荷転送クロックφ１　がローレベ
ルになると（このときの電極３７直下の電位を図３の（
ｂ）で、φ１　＝“Ｌ”で示す）、信号電荷は出力ゲー
ト３８下を通って浮遊拡散層３３に転送される。このと
きの浮遊拡散層３３の電位変化ΔＶは、転送信号電荷を
Ｑ、浮遊拡散層の全容量をＣＦＪとして、　　　　　　
　　ΔＶ＝Ｑ／ＣＦＪ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　……■で与えられる。この電位変化ΔＶは、プリア
ンプ３９によって増幅され、信号出力ＶＯＵＴ　として
取り出される。

【０００７】その後、最終転送電極３７に加わる電荷転
送パルスφ１　がハイレベルとなり、同時にリセットト
ランジスタのゲート電極３６に加えられるリセットパル
スφＲがハイレベルとなって、信号電荷は浮遊拡散層３
３からリセットドレイン３４に放出される。

【０００８】ここで、ＣＦＪは、浮遊拡散層３３の接合
容量、リセットゲート３６、最終電極３７と浮遊拡散層
３３との間の容量、プリアンプ３９の入力ゲート容量な
どの総和である。■式から分るように、この浮遊拡散層
３３の全容量ＣＦＪが小さいほど信号電荷の電圧変換効
率は大きく、素子の感度が向上する。従来、この全容量
ＣＦＪを小さくするために、浮遊拡散層３３の面積縮小
や配線長の縮小などの対策がなされてきた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電荷結
合装置では、電荷を検出する浮遊拡散層に寄生する容量
を低減するために面積や配線長を縮小してきが、既にこ
の対策では限界に近いところにまで達している。そして
、浮遊拡散層は各電極との間に必ずある容量を持つため
、全容量ＣＦＪの一層の削減は困難な情況にあり、その
ため信号電荷の電圧変換効率を十分大きくすることがで
きなかった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の電荷結合装置は
、リセットゲートを用いないところに特徴があり、半導
体基板の表面領域内に設けられた電荷転送領域と、前記
電荷転送領域上に絶縁膜を介して設けられた電荷転送電
極と、前記電荷転送領域の後段に該領域に隣接して設け
られた、該領域内を転送されてきた信号電荷の転送を受
ける浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の近傍に設けられた
、電圧が印加されることによって前記浮遊拡散層との間
の領域をパンチスルー状態として前記浮遊拡散層内に蓄
積されている信号電荷を引き抜くことのできるリセット
ドレイン拡散層と、を備えるものである。

【００１１】

【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。図１の（ａ）は本発明の第１の実施例の電
荷検出部の断面図であり、図１の（ｂ）はその断面での
電位図である。

【００１２】図１の（ａ）に示されるように、ｎ型半導
体基板１１上にはｐウェル１２が設けられており、ｐウ
ェル１２の表面領域内には電荷結合素子の電荷転送領域
となるｎウェル１５が設けられている。ｎウェル１５上
には実際には多数の転送電極が設けられているが、図で
は電荷転送クロックφ１　が印加される最終転送電極１
７のみが示されている。

【００１３】最終転送電極に隣接して一定の出力ゲート
電圧ＶＯＧが印加される出力ゲート１８が設けられ、出
力ゲート１８の後段のｎウェル１５の表面領域内には、
電荷転送領域内を転送されてきた信号電荷の転送を受け
る浮遊拡散層１３が設けられている。また、ｎウェル１
５の後段には少し間隔を置いて別のｎウェル１６が設け
られており、このｎウェル１６内には電荷吸収用のｎ＋
　型リセットドレイン１４が設けられている。このリセ
ットドレインには、電荷転送クロックφ１　と同期した
リセットドレインパルスφＲＤが印加される。浮遊拡散
層１３には従来例と同様にプリアンプ１９の入力ゲート
が接続されている。

【００１４】次に、本実施例の動作について説明する。 まず、信号電荷が浮遊拡散層に転送されて来る前に、リ
セットドレイン１４に印加されるリセットドレインパル
スφＲＤをハイレベルとして浮遊拡散層１３−リセット
ドレイン１４間をパンチスルー状態として、浮遊拡散層
１３に蓄積されていた電荷をリセットドレイン１４に引
き抜く。そのとき、浮遊拡散層１３の電位は、図１の（
ｂ）に示されるように、パンチスルー時の電位にリセッ
トされる。

【００１５】ここで、最終転送電極１７に印加されてい
る電荷転送クロックφ１　がハイレベルからローレベル
になると、この電極下に蓄積されていた信号電荷は、出
力ゲート１８下を通って浮遊拡散層１３に転送される。 このときの浮遊拡散層１３の電位変化ΔＶは先の■式で
与えられる。

【００１６】ここで、浮遊拡散層１３に付随する全容量
ＣＦＪは、従来のリセットゲートが除去されたことによ
り、その分寄生容量が低減されている。このため、信号
電荷の電圧変換効率が大きくなり、素子の感度が向上す
る。

【００１７】また、ゲート電極がなくなったことにより
、信号出力にフィードスルーノイズの発生がなくなり、
Ｓ／Ｎが向上する。さらには、リセットトランジスタの
分だけ回路規模が縮小し、ウェハ内の集積度を上げるこ
とができる。

【００１８】図２は、本発明の第２の実施例を示す断面
図である。同図において、図１の部分と共通する部分に
は下１桁が共通する参照番号が付されているので重複す
る説明は省略する。本実施例においては、浮遊拡散層２
３が、ｎウェル２５の一部の領域をそのまま用いており
、また、リセットドレイン２４は、浮遊拡散層２３直下
のＰウェル２２内に設けられている。

【００１９】次に、この実施例での電荷検出部の動作に
ついて説明する。浮遊拡散層２３直下のリセットドレイ
ン２４に印加されるリセットドレインパルスφＲＤをハ
イレベルとすることにより、浮遊拡散層２３−リセット
ドレイン２４間をパンチスルー状態として浮遊拡散層内
の信号電荷をリセットドレイン２４へ放出させる。

【００２０】次に、最終転送電極２７に印加される電荷
転送クロックφ１がハイレベルからローレベルとなるこ
とにより、信号電荷は浮遊拡散層２３へ転送され、この
拡散層の電位を変化させる。この実施例でもリセットゲ
ートがなくなったことにより、浮遊拡散層の全容量ＣＦ
Ｊは低減せしめられており、そのため、電位変化ΔＶを
大きくとることができる。

【００２１】また、本実施例では、リセットドレイン２
４を浮遊拡散層２３の直下に形成しているので、ウェハ
上の使用面積をさらに削減することができ、集積度を上
げることができる。

【００２２】以上、好ましい実施例について説明したが
、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の改変
が可能である。例えば、半導体層の導電型を逆にして信
号電荷をホールとすることができ、また、電荷結合素子
を表面チャネル型とすることもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、浮遊拡
散層−リセットドレイン間にパンチスルーを起こさせる
ことにより浮遊拡散層内の蓄積電荷を引き抜きこの領域
の電位をリセットするものであるので、以下の効果を奏
することができる。■リセットゲートを除去したことに
より、浮遊拡散層の容量を削減することができ、電荷検
出感度を向上させることができる。

【００２４】■リセットゲートがなくなったことにより
、またそのための配線が不要となったことにより、電荷
検出部の使用面積の削減が可能となり、集積度を向上さ
せことができる。

【００２５】■リセットドレイン−浮遊拡散層間の容量
により発生していたリセットパルスフィードスルーノイ
ズがなくなるので、Ｓ／Ｎが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の断面図とその電位図。

【図２】本発明の第２の実施例の断面図。

【図３】従来例の断面図とその電位図。

【図４】従来例の動作説明図。

【符号の説明】

１１、２１、３１…ｎ型半導体基板、　　　　　　１２
、２２、３２…ｐウェル、１３、２３、３３…浮遊拡散
層、　　　　　　１４、２４、３４…リセットドレイン
、１５、１６、２５、３５…ｎウェル、　　　　　　３
６…リセットゲート、　　　　１７、２７、３７…最終
転送電極、　　　　　　１８、２８、３８…出力ゲート
、　　　　１９、２９、３９…プリアンプ、　　　　　
　φ１　…電荷転送クロック、　　　　φＲ　…リセッ
トパルス、　　　　　　φＲＤ…リセットドレインパル
ス、　　ＶＯＧ…出力ゲート電圧、ＶＲＤ…リセットド
レイン電圧、　　　　　　ＶＯＵＴ　…信号出力。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板の表面領域内に設けられた
   電荷転送領域と、前記電荷転送領域上に絶縁膜を介して
   設けられた電荷転送電極と、前記電荷転送領域の後段に
   該領域に隣接して設けられた、該領域を転送されてきた
   信号電荷の転送を受ける浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層
   の近傍に設けられた、電圧が印加されることによって前
   記浮遊拡散層との間の領域をパンチスルー状態として前
   記浮遊拡散層内に蓄積されている信号電荷を引き抜くこ
   とのできるリセットドレイン拡散層と、を備えた電荷結
   合装置。