JP2001044416A - 電荷転送装置及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 転送効率を悪化させることなく、十分な取り
扱い電荷量を確保することができる電荷転送装置を提供
する。 【解決手段】 転送チャネル７の上方に電荷転送方向Ｘ
に沿って多数配列された２層の転送電極８，８Ｌを有
し、この２層の転送電極８，８Ｌに供給される２相の駆
動パルスφＨ１，φＨ２により転送駆動される電荷転送
装置において、電荷転送方向Ｘの最終段に配置された最
終段転送電極８Ｌ下の転送チャネルを３段のポテンシャ
ルで構成するとともに、該ポテンシャルを電荷転送方向
Ｘの上流側から下流側に向かって段階的に深くなるよう
に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転送チャネルの上
方に多数配列された２層の転送電極に２相の駆動パルス
を供給して転送駆動する構成の電荷転送装置及びこれを
用いた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤ(Charge Coupled Devic
e) エリアセンサ等の固体撮像装置では、受像素子とな
るフォトセンサで光電変換された信号電荷を複数本の垂
直転送レジスタで垂直方向に転送するとともに、各々の
垂直転送レジスタで転送された信号電荷を２相駆動の水
平転送レジスタで水平方向に転送している。

【０００３】図５は従来の固体撮像装置（ＣＣＤエリア
センサ）における水平転送レジスタと出力部の構成を示
す図であり、（ａ）は水平転送レジスタの電極配置を示
す断面図、（ｂ）はその電極配置に対応するポテンシャ
ル分布図、（ｃ）は水平転送レジスタの最終段近傍の構
造を示す平面図である。

【０００４】図５においては、転送チャネル５０の上方
に電荷転送方向Ｘに沿って多数配列された２層の転送電
極５１のうち、その最終段に位置する転送電極（以下、
最終段転送電極という）５１Ｌに隣接してゲート電極５
２が形成されている。２層の転送電極５１，５１Ｌは、
１層目の転送電極５１ａ，５１Ｌａと２層目の転送電極
５１ｂ，５１Ｌｂにより構成されている。また、２層の
転送電極５１（５１Ｌを含む）には２相の駆動パルスφ
Ｈ１，φＨ２が印加され、ゲート電極５２にはゲート電
圧（直流電圧）ＶHOG が印加されるようになっている。

【０００５】一方、転送チャネル５０のポテンシャル分
布では、２層目の転送電極５１ｂ，５１Ｌｂ下の領域に
ポテンシャルレベルを浅くする不純物を導入することに
より、１層目の転送電極５１ａ，５１Ｌａに対応するポ
テンシャルレベルが２層目の転送電極５１ｂ，５１Ｌｂ
に対応するポテンシャルレベルよりも深くなるように設
定されている。これにより、転送チャネル５０領域にお
いては、１層目の転送電極５１ａ，５１Ｌａ下に蓄積部
（ストレージ部）が形成され、２層目の転送電極５１
ｂ，５１Ｌｂ下に転送部（トランスファ部）が形成さ
れている。

【０００６】さらに、最終段転送電極５１Ｌには、ゲー
ト電極５２を介してフローティングディフュージョン領
域（以下、ＦＤ領域という）５３が接続されている。こ
のＦＤ領域５３は、最終段転送電極５１Ｌにより転送さ
れた信号電荷の電荷量を検出し、かつ検出した電荷量に
応じた電圧に変換するものである。

【０００７】次に、従来における水平転送レジスタの製
造プロセスにつき、図６（ａ）〜（ｄ）を用いて説明す
る。

【０００８】先ず、図６（ａ）に示すように、半導体基
板上にＮ型の転送チャネルを形成した後、１層目の電極
５１ａ，５１Ｌａを形成する。次いで、図６（ｂ）に示
すように、所定の部分をレジストマスク５４で覆った
後、１層目の電極５１ａ，５１Ｌａをマスク代わりにし
て、チャネルポテンシャルを浅くするＰ型の不純物をイ
オン注入等の方法で導入する。

【０００９】続いて、図６（ｃ）に示すように、１層目
の電極５１ａ，５１Ｌａを酸化させるなどして、その周
囲を絶縁物で被覆した後、２層目の電極５１ｂ，５１Ｌ
ｂ，５２を形成する。最後は、図６（ｄ）に示すよう
に、最端部の電極５２を結線してゲート電極を形成する
一方、他の隣合う１層目の電極５１ａ，５１Ｌａと２層
目の電極５１ｂ，５１Ｌｂを互いに結線して２層の転送
電極５１，５１Ｌを形成する。

【００１０】ところで、水平転送レジスタにおける最大
取り扱い電荷量（以下、単に取り扱い電荷量という）
は、蓄積部と転送部のポテンシャル差や、蓄積部
の電極長Ｌst及びチャネル幅Ｗに比例して大きくなる。
換言すると、水平転送レジスタの取り扱い電荷量は、蓄
積部と転送部のポテンシャル差と、蓄積部の電極
面積（チャネル幅に対応する有効電極面積）といった２
つのパラメータにより決定される。

【００１１】一方、ＦＤ領域５３は、電荷→電圧変換利
得を高くして検出感度を上げるために、転送電極５１，
５１Ｌよりも微小な領域で形成される。そのため水平転
送レジスタの転送チャネル５０においては、そのチャネ
ル幅Ｗが、最終段転送電極５１Ｌ付近からＦＤ領域５３
に向かって絞り込まれた構造となる。

【００１２】そうした場合、チャネル幅Ｗの減少に伴っ
て最終段転送電極５１Ｌの蓄積部の電極面積も小さく
なるため、その分だけ取り扱い電荷量が減少してしま
う。そこで、取り扱い電荷量の減少を防ぐ手法として、
上記２つのパラメータを変更することが考えられる。但
し、蓄積部と転送部のポテンシャル差に関しては、
これを大きくして取り扱い電荷量を確保しようとする
と、転送駆動時の振幅が大きくなって消費電力が増加し
てしまう。そのため現状では、図７に示すように最終段
転送電極５１Ｌの蓄積部の電極長Ｌstを長くすること
により、そこでの電極面積を増やして取り扱い電荷量を
確保する手法が採られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ように最終段転送電極５１Ｌの蓄積部の電極長Ｌstを
長くすると、その分だけ最終段転送電極５１Ｌでの転送
距離（Ｌst＋Ｌtr）も長くなるため、信号電荷が流れ難
くなって転送効率が悪化してしまう。その結果、最終段
転送電極５１Ｌにおいて信号電荷の転送不良（転送残り
等）が発生し、混色，画流れなどの画質劣化を招く虞れ
がある。

【００１４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、転送効率を悪化
させることなく、十分な取り扱い電荷量を確保すること
ができる電荷転送装置及びこれを用いた固体撮像装置を
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電荷転送装
置は、転送チャネルの上方に電荷転送方向に沿って多数
配列された２層の転送電極を有し、この２層の転送電極
に供給される２相の駆動パルスにより転送駆動されるも
のであって、電荷転送方向の最終段に配置された最終段
転送電極下の転送チャネルが３段以上のポテンシャルを
もって構成され、かつ該ポテンシャルが電荷転送方向の
上流側から下流側に向かって段階的に深くなるように設
定された構成となっている。そして、本発明に係る固体
撮像装置は、上記構成の電荷転送装置と同様の電荷転送
部を用いたものとなっている。

【００１６】上記構成の電荷転送装置及びこれを用いた
固体撮像装置においては、最終段転送電極下の転送チャ
ネルを３段以上のポテンシャルをもって構成するととも
に、そのポテンシャルを電荷転送方向の上流側から下流
側に向かって段階的に深くなるように設定することによ
り、最終段転送電極の蓄積部の電極長を長くしても、そ
こでのポテンシャル段数の増加によって信号電荷が流れ
易くなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明が適用されるＣＣＤエリアセ
ンサの構成を示す概略図である。図１においては、多数
のフォトセンサ１と複数本の垂直転送レジスタ２によっ
て撮像部３が構成されている。各々のフォトセンサ１
は、水平方向（図の左右方向）及び垂直方向（図の上下
方向）に２次元配列され、入射光をその光量に応じた電
荷量の信号電荷に変換して蓄積するものである。また、
各々の垂直転送レジスタ２は、フォトセンサ１の垂直列
ごとに設けられ、各フォトセンサ１から読み出された信
号電荷を垂直転送するものである。

【００１９】この撮像部３において、フォトセンサ１で
光電変換された信号電荷は、垂直ブランキング期間の一
部で瞬時に垂直転送レジスタ２に読み出される。垂直転
送レジスタ２は、フォトセンサ１から読み出された信号
電荷を例えば４相にて駆動されることにより、水平ブラ
ンキング期間の一部で水平転送レジスタ４に転送する。
この水平転送レジスタ４は、２相の駆動パルスφＨ１，
φＨ２により転送駆動される２相駆動式となっている。

【００２０】水平転送レジスタ４の後段には、例えばフ
ローティングディフュージョンアンプ構成の電荷検出部
５が設けられている。この電荷検出部５は、水平転送レ
ジスタ４によって転送された信号電荷を検出し、信号電
圧に変換する。ここで変換された信号電圧は、出力アン
プ６を介してＣＣＤ出力として読み出される。

【００２１】図２は本発明の実施形態に係るＣＣＤエリ
アセンサの水平転送レジスタと出力部の構成を示す図で
あり、（ａ）は水平転送レジスタの電極配置を示す断面
図、（ｂ）はその電極配置に対応するポテンシャル分布
図、（ｃ）は水平転送レジスタの最終段近傍の構造を示
す平面図である。

【００２２】図２においては、転送チャネル７の上方に
電荷転送方向Ｘに沿って例えばポリシリコンからなる２
層の転送電極８が多数配列されている。このうち、電荷
転送方向Ｘの最終段に配置された最終段転送電極８Ｌに
対しては、これに隣接するかたちでゲート電極９が形成
されている。また、最終段転送電極８Ｌには、ゲート電
極９を介してＦＤ領域１０が接続されている。一方、転
送チャネル７のチャネル幅Ｗは、最終段転送電極８Ｌ付
近からＦＤ領域１０に向かって徐々に絞り込まれた構造
となっている。

【００２３】この水平転送レジスタを転送駆動する際に
は、２層の転送電極８（８Ｌを含む）に２相の駆動パル
スφＨ１，φＨ２を印加するとともに、ゲート電極９に
ゲート電圧（直流電圧）ＶHOG を印加する。これによ
り、上記垂直転送レジスタ２から受け渡された信号電荷
が、水平転送レジスタ４により水平方向Ｘに転送される
とともに、上記転送チャネル７の絞り込みによりゲート
電極９を通してＦＤ領域１０に集められる。

【００２４】ここで、最終段を除く各転送電極８は、１
層目の転送電極８Ｌａと２層目の転送電極８Ｌｂによっ
て構成されている。これに対して、最終段転送電極８Ｌ
は、１層目の転送電極８Ｌａと２層目の２つの転送電極
８Ｌｂ，８Ｌｂ、つまり３つの電極によって構成されて
いる。

【００２５】また、各転送電極８と最終段転送電極８Ｌ
とでは、それぞれ電極下の転送チャネル７のポテンシャ
ル分布が異なるものとなっている。即ち、各転送電極８
に対応する領域では、２層目の転送電極８ｂ下の領域に
ポテンシャルレベルを浅くする不純物を導入することに
より、１層目の転送電極８ａに対応するポテンシャルレ
ベルが２層目の転送電極８ｂに対応するポテンシャルレ
ベルよりも深くなるように設定されている。

【００２６】これに対して、最終段転送電極８Ｌに対応
する領域では、電荷転送方向Ｘの上流側（図の右側）に
位置する２層目の転送電極８Ｌｂ下の領域にポテンシャ
ルレベルを浅くする不純物を導入する一方、その反対側
の下流側（図の左側）に位置する２層目の転送電極８Ｌ
ｂ下の領域にポテンシャルレベルを深くする不純物を導
入することにより、その電極下の転送チャネルが３段の
ポテンシャルをもって構成されている。そして、この３
段のポテンシャルは、電荷転送方向Ｘの上流側から下流
側に向かって段階的に深くなるように設定されている。

【００２７】これにより、各転送電極８に対応するチャ
ネル領域においては、１層目の転送電極８ａ下に蓄積部
が形成され、２層目の転送電極８ｂ下に転送部が形
成されている。一方、最終段転送電極８Ｌに対応するチ
ャネル領域においては、１層目の転送電極８Ｌａ下及び
２層目の下流側の転送電極８Ｌｂ下に上記１層目の転送
電極８ａ下の蓄積部よりも電極長が長くかつ所定のポ
テンシャル差をもつ蓄積部′が形成されている。そし
て、２層目の上流側の転送電極８Ｌｂ下には、上記２層
目の転送電極８ｂ下の転送部と同じ電極長Ｌtrをもっ
て転送部′が形成されている。

【００２８】続いて、本発明の実施形態に係る水平転送
レジスタの製造プロセスにつき、図図３（ａ）〜（ｅ）
を用いて説明する。

【００２９】先ず、図３（ａ）に示すように、半導体基
板上にＮ型の転送チャネルを形成した後、１層目の電極
８ａ，８Ｌａ，９を形成する。次いで、図３（ｂ）に示
すように、所定の部分をレジストマスク１１で覆った
後、１層目の電極８Ｌａ，８ａをマスク代わりにして、
チャネルポテンシャルを浅くするＰ型の不純物をイオン
注入等の方法で導入する。続いて、図３（ｃ）に示すよ
うに、先程覆った部分と反対側をレジストマスク１２で
覆った後、１層目の電極８Ｌａ，９をマスク代わりにし
て、チャネルポテンシャルを深くするＮ型の不純物をイ
オン注入等の方法で導入する。

【００３０】次いで、図３（ｄ）に示すように、１層目
の電極８ａ，８Ｌａ，９を酸化させるなどして、その周
囲を絶縁物で被覆した後、２層目の電極８ｂ，８Ｌｂを
形成する。最後は、図３（ｅ）に示すように、最端部の
１層目の電極９を結線してゲート電極を形成する一方、
他の隣合う１層目の電極８ａ，８Ｌａと２層目の電極８
ｂ，８Ｌｂを互いに結線して電気的に一つの転送電極
８，８Ｌを形成する。

【００３１】このとき、最終段転送電極８Ｌについて
は、１層目の電極８Ｌａと２層目の２つの電極８Ｌｂを
互いに結線することにより、３つの電極を一つに接続さ
せる。これにより、１層目の電極８ａと２層目の電極８
ｂを組み合わせた２層の転送電極８が形成されるととも
に、１層目の電極８Ｌａと２層目の２つの電極８Ｌｂを
組み合わせた２層の最終段転送電極８Ｌが形成される。

【００３２】このようにして得られた水平転送レジスタ
４にあっては、先の図２に示すように、最終段転送電極
８Ｌ下の転送チャネルが３段のポテンシャルをもって構
成され、かつ該ポテンシャルが電荷転送方向Ｘの上流側
から下流側に向かって段階的に深くなるように設定され
ることから、最終段転送電極８Ｌの蓄積部′の電極長
（Ｌst）を長くしても、そこでのポテンシャル段数の増
加によって信号電荷が流れ易くなる。これにより、最終
段転送電極７Ｌにおいては、電荷転送効率を低下させず
に蓄積電荷量だけを増加させることができる。

【００３３】なお、上記実施形態においては、最終段転
送電極８Ｌを３つの電極（１層目の転送電極８Ｌａと２
層目の２つの転送電極８Ｌｂ，８Ｌｂ）で構成するもの
としたが、これ以外にも、例えば図４に示すように１層
目の転送電極８Ｌａと２層目の転送電極８Ｌｂといった
２つの電極で最終段転送電極８Ｌを構成するとともに、
１層目の転送電極８Ｌａ下にポテンシャル差を形成する
ことにより、最終段転送電極８Ｌ下の転送チャネルを３
段のポテンシャルをもって構成することも可能である。

【００３４】また、２層の転送電極８，８Ｌ下の転送チ
ャネル７のポテンシャルレベルについては、イオン注入
等による不純物の濃度や注入量等によって任意に設定可
能である。そして、最終段転送電極８Ｌ下の転送チャネ
ル７については、これを３段以上のポテンシャルで構成
することも可能である。

【００３５】さらに、上記実施形態においては、本発明
に係る電荷転送装置をＣＣＤエリアセンサの水平転送レ
ジスタに適用した場合について説明したが、本発明はＣ
ＣＤリニアセンサの転送レジスタにも同様に適用可能で
ある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電荷転送
装置及びこれを用いた固体撮像装置によれば、最終段転
送電極下の転送チャネルを３段以上のポテンシャルをも
って構成するとともに、そのポテンシャルを電荷転送方
向の上流側から下流側に向かって段階的に深くなるよう
に設定することにより、最終段転送電極の蓄積部の電極
長を長くしても、電荷転送効率を低下させずに蓄積電荷
量だけを増加させることができる。これにより、ＣＣＤ
センサ等の電荷転送レジスタにおいては、転送効率を悪
化させることなく、取り扱い電荷量を増加させることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるＣＣＤエリアセンサの構成
を示す概略図である。

【図２】本発明の実施形態に係る水平転送レジスタの要
部を説明する図である。

【図３】本発明の実施形態に係る水平転送レジスタの製
造プロセスを示す図である。

【図４】本発明の他の実施形態を説明する図である。

【図５】従来の水平転送レジスタの要部を説明する図で
ある。

【図６】従来の水平転送レジスタの製造プロセスを示す
図である。

【図７】従来の課題を説明する図である。

【符号の説明】

１…フォトセンサ、３…撮像部、４…水平転送レジス
タ、７…転送チャネル、８…転送電極、８Ｌ…最終段転
送電極、φＨ１，φＨ２…駆動パルス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転送チャネルの上方に電荷転送方向に沿
   って多数配列された２層の転送電極を有し、この２層の
   転送電極に供給される２相の駆動パルスにより転送駆動
   される電荷転送装置であって、 前記電荷転送方向の最終段に配置された最終段転送電極
   下の転送チャネルが３段以上のポテンシャルをもって構
   成され、かつ該ポテンシャルが前記電荷転送方向の上流
   側から下流側に向かって段階的に深くなるように設定さ
   れていることを特徴とする電荷転送装置。
2. 【請求項２】 多数のフォトセンサを有し、これらのフ
   ォトセンサによって入力光を光電変換する撮像部と、 転送チャネルの上方に電荷転送方向に沿って多数配列さ
   れた２層の転送電極を有し、この２層の転送電極に供給
   される２相の駆動パルスにより転送駆動されて前記撮像
   部から送られる信号電荷を転送する電荷転送部とを具備
   し、 前記電荷転送方向の最終段に配置された最終段転送電極
   下の転送チャネルが３段以上のポテンシャルをもって構
   成され、かつ該ポテンシャルが前記電荷転送方向の上流
   側から下流側に向かって段階的に深くなるように設定さ
   れていることを特徴とする固体撮像装置。