JP2005243946A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子のような、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極と、各画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子において、読出し電圧を高くすることなく信号電荷の読出し特性を改善する。
【解決手段】 複数個の画素２が配列された固体撮像素子において、一定の方向の画素数を有効解像度の所定数倍にし、隣り合う所定数個ずつの画素２の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域２３を設ける。画素２からの信号電荷の読出し時には、各画素２に対応する第２の電極１２と、この所定数個ずつの画素２の間に存在する第１の電極１１とに読出し電圧を印加する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、固体撮像素子及びその駆動方法に関し、特に、Ｖ倍密構造の固体撮像素子の読出し特性の改善を図ったものに関する。

ＣＣＤ撮像素子においては、従来は、１つの画素に対して第１層目及び第２層目の２つの転送電極を有する垂直転送レジスタを用いて、フィールド読出しを行うのが最も一般的であった。

これに対し、近年では、全画素読出しを可能にするために、１画素あたりの垂直転送レジスタの転送電極を３層または４層にしたＣＣＤ撮像素子も登場している。しかし、そうしたＣＣＤ撮像素子には、垂直転送レジスタの構造が複雑化するという欠点がある。

そこで、１画素あたりの垂直転送レジスタの転送電極を２層にしたまま全画素読出しを実現するＣＣＤ撮像素子として、Ｖ（Vertical）倍密構造のＣＣＤ撮像素子が提案されている。これは、垂直方向の画素数を垂直有効解像度の２倍にし、垂直方向上で隣り合う２つずつの画素から読み出した信号電荷を加算（混合）して垂直転送することにより、全画素読出しを行うようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、従来のＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す平面図であり、矢印Ｖの方向が垂直転送レジスタの転送方向、矢印Ｈの方向が水平転送レジスタの転送方向である。例えばフォトダイオードから成る複数個の受光部（画素）５１が、マトリクス状に配置されている。各受光部５１は、垂直方向の数を垂直有効解像度の２倍にすることにより、垂直方向のサイズが本来のサイズの２分の１になっている。

各受光部５１に対して、水平方向上で左側（あるいは右側であってもよい）に、垂直転送レジスタの第１層目の転送電極５２と第２層目の転送電極５３とが形成されている。受光部５１に蓄積された信号電荷は、図示しない読出し領域を経て垂直転送レジスタに読み出される。受光部５１以外の領域は、垂直転送レジスタを遮光するための遮光膜５４で覆われている（図では受光部５１の周辺部分のみについて遮光膜５４を描いている）。

図８は、このＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す断面図（図７のＡ−Ａ’断面図）であり、図７と同じ部分には同一符号を付している。Ｎ型の半導体基板６１上にＰ型ウェル領域６２が形成され、Ｐ型ウェル領域６２上に、受光部５１（図７）を構成するＮ型領域６３及びＰ型表面領域６４が形成されている。各受光部５１の間には、受光部５１同士での信号電荷の混合を防ぐための素子分離領域６５が形成されている。

半導体基板６１上には、絶縁膜６６を隔てて、各受光部５１に対する転送電極５２及び５３（図７）が形成されている。受光部５１以外の領域は、遮光膜５４（図７）で覆われている。受光部５１に光が入射すると、Ｎ型領域６３で入射光が光電変換されて信号電荷が発生し、その信号電荷がＰ型表面領域６４に蓄積される。

このＣＣＤ撮像素子での全画素読出しは、図７及び図８で中央に描いた２つの受光部５１のように垂直方向上で隣り合う２つずつの画素から読み出した信号電荷を加算して垂直転送することによって行われる。
特開２０００−１８４２８６号公報（段落番号０００４〜０００５、図３）

ところで、Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子では、垂直方向の画素サイズが本来のサイズの２分の１になることにより、信号電荷の読出し部分の幅が２分の１になるので、画素からの信号電荷の読出し特性が悪化するという問題が生じる。

図９，図１０は、この問題を説明するために、前出の図７，図８に示した転送電極５２及び５３のうち、各受光部５１から信号電荷を読み出すために読出し電圧を印加する転送電極にそれぞれ斜線を付した図である。垂直方向において各受光部５１の下寄りに位置する第２層目の転送電極５３に読出し電圧を印加することにより、それらの受光部５１から信号電荷を読み出す。各受光部５１の間に存在する第１層目の転送電極５２には、素子分離領域６５を超えて信号電荷が漏れることを避けるため、読出し電圧は印加しない。

そして、各受光部５１は垂直方向のサイズが本来のサイズの２分の１なので、それに対応して転送電極５３の幅も２分の１になり、その結果、信号電荷の読出し部分の幅が２分の１になるので、読出し特性が悪化する。

こうした読出し特性の悪化を防ぐためには、転送電極５３に印加する読出し電圧を高くすることも考えられる。しかし、この読出し電圧を高くすると、図８に示した絶縁膜６６の信頼性が低下したり、ＣＣＤ撮像素子特有の読み出しノイズが悪化するという、別の問題が生じてしまう。

本発明は、上述の点に鑑み、Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子のような、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極（図７，図８では第１層目の転送電極５２に相当）と、各画素に対応する第２の電極（図７，図８では第２層目の転送電極５３に相当）とを有する固体撮像素子において、読出し電圧を高くすることなく信号電荷の読出し特性を改善することを課題としてなされたものである。

この課題を解決するために、本発明による固体撮像素子は、複数個の画素が配列された固体撮像素子において、一定の方向の画素数が有効解像度の所定数倍であり、隣り合う所定数個ずつの画素の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域が設けられたことを特徴とする。

この固体撮像素子では、一定の方向の画素数が有効解像度の所定数倍であり、隣り合う所定数個ずつの画素の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域が設けられる。

したがって、例えばＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子のような、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合う画素の間に存在する第１の電極と、各画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子に本発明を適用すれば、画素からの信号電荷の読出し時に、第２電極だけでなく、この所定数個ずつの画素の間に存在する第１の電極に読出し電圧を印加することにより、画素間の領域（例えばＮ型領域）を介してそれらの画素の信号電荷を読み出すことができる。

このとき、この所定数個ずつの画素の信号電荷が、読出しを行う前にこの画素間の領域を介して混合されることになる。しかし、全画素読出しではそれらの画素から読み出した信号電荷を加算（混合）することを前提にしているので、読出し前にそれらの画素の信号電荷が混合されることには全く問題はない。

このように、隣り合う２つの画素あたり３つの電極（各画素に対応する第２の電極と、それらの画素の間に存在する第１の電極）を用いて読出しを行うことにより、信号電荷の読出し部分の幅が大きくなるので、読出し電圧を高くすることなく信号電荷の読出し特性を改善することができる。

ここで、一例として、隣り合う所定数個ずつの画素を構成する領域を、一体に形成することが好適である。それにより、それらの画素の間に存在する前述の第１の電極に読出し電圧を印加したとき、それらの画素同士での信号電荷の移動がスムーズに行われるので、読出し特性が一層改善される。

なお、本発明による固体撮像素子は、例えばＣＭＯＳセンサのようなＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子にも適用することができる。その場合にも、やはり、隣り合う所定数個ずつの画素の信号電荷を混合して読み出すことができるようになる。

次に、本発明による固体撮像素子の駆動方法は、複数個の画素が配列され、一定の方向の画素数が有効解像度の所定数倍であり、隣り合う所定数個ずつの画素の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域が設けられており、これらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極と、各画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子の駆動方法において、これらの画素からの信号電荷の読出し時に、各画素に対応する第２の電極と、この所定数個ずつの画素の間に存在する第１の電極とに読出し電圧を印加することを特徴とする。

この駆動方法は、前述の本発明による固体撮像素子を、例えばＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子のような、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極と、各画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子に適用した場合において、画素からの信号電荷の読出し時に、各画素に対応する第２の電極と、所定数個ずつの画素の間に存在する第１の電極とに読出し電圧を印加るようにしたものである。

このとき、隣り合う２つの画素あたり３つの電極（各画素に対応する第２の電極と、それらの画素の間に存在する第１の電極）を用いて読出しを行うことになり、信号電荷の読出し部分の幅が大きくなるので、全画素読出し時に、読出し電圧を高くすることなく信号電荷の読出し特性を改善することができる。

本発明によれば、Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子のような、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極と、各画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子において、隣り合う２つの画素あたり３つの電極を用いて読出しを行うことにより、信号電荷の読出し部分の幅が大きくなるので、全画素読出し時に、読出し電圧を高くすることなく信号電荷の読出し特性を改善できるという効果が得られる。

また、例えばＣＭＯＳセンサのようなＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子においても、隣り合う所定数個ずつの画素の信号電荷を混合して読み出すことができるという効果が得られる。

以下、Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子に本発明を適用した例について、図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明を適用したＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す平面図である。このＣＣＤ撮像素子１では、例えばフォトダイオードから成る複数個の受光部（画素）２が、マトリクス状に配置されている。各受光部２は、垂直方向（図の矢印Ｖの方向）の数を垂直有効解像度の２倍にすることにより、垂直方向のサイズが本来のサイズの２分の１になっている。

各垂直列の受光部２から読み出された信号電荷は、それぞれその垂直列に対応する垂直転送レジスタ３によって垂直方向に転送される。そして、各垂直転送レジスタ３で転送された信号電荷が、水平転送レジスタ４によって水平方向（図の矢印Ｈの方向）に転送され、出力アンプ５で電圧信号に変換されて、出力端子６から出力される。

図２は、このＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す平面図であり、図１と同じ部分には同一符号を付している（矢印Ｖ，Ｈの方向はそれぞれ図１と同じく垂直方向，水平方向である）。

各受光部２に対して、水平方向上で左側（あるいは右側であってもよい）に、垂直転送レジスタ３（図１）の第１層目の転送電極１１と第２層目の転送電極１２とが形成されている。受光部２に蓄積された信号電荷は、図示しない読出し領域を経て垂直転送レジスタ３に読み出される。受光部２以外の領域は、垂直転送レジスタ３を遮光するための遮光膜１３で覆われている（図では受光部２の周辺部分のみについて遮光膜１３を描いている）。

図３は、このＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す断面図（図２のＡ−Ａ’断面図）であり、図２と同じ部分には同一符号を付している。Ｎ型の半導体基板２１上にＰ型ウェル領域２２が形成され、Ｐ型ウェル領域２２上に、受光部２（図１，図２）を構成するＮ型領域２３及びＰ型表面領域２４が形成されている。

ここで、各受光部２は、垂直方向（図の横方向）で隣り合う２つの受光部２を１組として、各組のＮ型領域２３が一体に形成されている。そして、互いに異なる組の受光部２の間には、それらの受光部２同士での信号電荷の混合を防ぐための素子分離領域２５が形成されている。

半導体基板２１上には、絶縁膜２６を隔てて、各受光部２に対する転送電極１１及び１２（図２）が形成されている。受光部２以外の領域は、遮光膜１３（図２）で覆われている。受光部２に光が入射すると、Ｎ型領域２３で入射光が光電変換されて信号電荷が発生し、その信号電荷がＰ型表面領域２４に蓄積される。

なお、このＣＣＤ撮像素子は、受光部２のＮ型領域２３が転送電極１１及び１２の下側に亘って存在するようになるので、製造時には、転送電極１１及び１２を形成する前にＮ型領域２３を形成するものとする。但し、Ｎ型領域２３を形成し、その後転送電極１１及び１２を形成した後に、同じ組の２つの受光部２のポテンシャルを調整するためにＮ型領域２３にＮ型不純物を導入してもよい。また、Ｐ型表面領域２４は、転送電極１１及び１２を形成する前に形成してもよいし、転送電極１１及び１２を形成した後に形成してもよい。

図４，図５は、図２，図３に示した転送電極１１及び１２のうち、このＣＣＤ撮像素子で全画素読出しを行うときに読出し電圧を印加する転送電極にそれぞれ斜線を付した図である。垂直方向において各受光部２の下寄りに位置する第２層目の転送電極１２に読出し電圧を印加するとともに、同じ組の受光部２の間に存在する第１層目の転送電極１１に読出し電圧を印加することにより、各受光部２から信号電荷を読み出す。

このとき、垂直方向で隣り合う２つずつの受光部２の信号電荷が、読出しを行う前に共通のＮ型領域２３を介して混合されることになる。しかし、全画素読出しではそれらの受光部２から読み出した信号電荷を加算（混合）することを前提にしているので、読出し前にそれらの受光部２の信号電荷が混合されることは、全く問題はない。

このように、２つの受光部２あたり３つの転送電極（各受光部２に対応する第２層の転送電極１２と、それらの受光部２の間に存在する第１層の転送電極１１）を用いて読出しを行うことにより、前出の図９，図１０との比較からも明らかなように、信号電荷の読出し部分の幅が大きくなる。これにより、読出し電圧を高くすることなく、受光部２からの信号電荷の読出し特性が改善される。

そして、それらの受光部２のＮ型領域２３を一体に形成していることから、それらの受光部２の間に存在する第１層の転送電極１１に読出し電圧を印加したとき、それらの受光部２同士での信号電荷の移動がスムーズに行われるので、読出し特性が一層改善される。

なお、以上の例では、同じ組（垂直方向で隣り合う２つずつ）の受光部２のＮ型領域２３を一体に形成している。しかし、別の例として、図６に示すように、単にそれらの受光部２の間に素子分離領域を設けないようにしてもよい。この場合にも、それらの受光部２の間に存在する第１層の転送電極１１に読出し電圧を印加することにより、やはり信号電荷の読出し部分の幅が大きくなる（Ｐ型ウェル領域２２を介してそれらの受光部２の間で信号電荷が移動する）ので、読出し特性が改善される。

また、以上の例では、Ｖ倍密構造のＣＣＤ撮像素子に本発明を適用した例を示した。しかし、これに限らず、一定方向の画素数が有効解像度の所定数倍にされるとともに、それらの画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの画素の間に存在する第１の電極（図２，図３では第１層目の転送電極１１に相当）と、各画素に対応する第２の電極（図２，図３では第２層目の転送電極１２に相当）とを有するあらゆる固体撮像素子に本発明を適用してよい。

また、以上の例では、受光部をマトリクス状に配置し、転送方式としてインターライン転送方式を採用したＣＣＤ撮像素子に本発明を適用した例を示した。しかし、本発明は、画素からの信号電荷の読出しに関する構造及び方法に特徴を有するものなので、フレーム転送方式を採用したＣＣＤ撮像素子や、受光部を１次元的に配置したＣＣＤ撮像素子（ラインセンサ）にも適用することができる。

また、本発明による固体撮像素子は、例えばＣＭＯＳセンサのようなＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子にも適用してよい。その場合にも、やはり、隣り合う所定数個ずつの画素の信号電荷を混合して読み出すことができるようになる。

本発明を適用したＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す図である。 図１のＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ’断面図である。 本発明で読出し電圧を印加する転送電極を示す図である。 本発明で読出し電圧を印加する転送電極を示す図である。 本発明を適用したＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子の構成の変形例を示す図である。 従来のＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子の撮像領域の詳細構造を示す平面図である。 図７のＡ−Ａ’断面図である。 従来のＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子で読出し電圧を印加する転送電極を示す図である。 従来のＶ倍密構造のＣＣＤ撮像素子で読出し電圧を印加する転送電極を示す図である。

符号の説明

１ ＣＣＤ撮像素子
２ 受光部
３ 垂直転送レジスタ
４ 水平転送レジスタ
５ 出力アンプ
６ 出力端子
１１ 垂直転送レジスタの第１層目の転送電極
１２ 垂直転送レジスタの第２層目の転送電極
１３ 遮光膜
２１ Ｎ型の半導体基板
２２ Ｐ型ウェル領域
２３ 受光部のＮ型領域
２４ 受光部のＰ型表面領域
２５ 素子分離領域
２６ 絶縁膜

Claims (5)

1. 複数個の画素が配列された固体撮像素子において、
   一定の方向の画素数が有効解像度の所定数倍であり、
   隣り合う所定数個ずつの前記画素の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域が設けられたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記信号電荷の移動を可能にする領域は、Ｎ型領域であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの前記画素の間に存在する前記第１の電極と、各々の前記画素に対応する第２の電極とを有することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記所定数個ずつの前記画素を構成する領域が、一体に形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
5. 複数個の画素が配列され、一定の方向の画素数が有効解像度の所定数倍であり、隣り合う所定数個ずつの前記画素の間に、それらの画素同士での信号電荷の移動を可能にする領域が設けられており、
   前記画素から信号電荷を読出し可能な手段として、隣り合うの前記画素の間に存在する第１の電極と、各々の前記画素に対応する第２の電極とを有する固体撮像素子の駆動方法において、
   前記画素からの信号電荷の読出し時に、各々の前記画素に対応する前記第２の電極と、前記所定数個ずつの前記画素の間に存在する前記第１の電極とに読出し電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

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