JP3072505B2 - Ccd - Google Patents
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Description
upled device: 電荷結合素子) に係り、特に高速線形C
CDに適宜にフォトダイオードと電荷移送部の連結部位
の構造及び信号電荷の移送方法を改善する技術に関す
る。
換された電荷を半導体表面の近傍に形成された電位ウェ
ルに蓄積しつつ、ゲート電極にパルス電圧を加えてこの
電位ウェル内の電荷を移送する撮像素子である。従来の
CCDの概略的なレイアウトの一例を図6に示す。
る複数のフォトダイオード10からなるフォトダイオー
ドアレイ(PHOTO-Diode-Array) と、該フォトダイオード
アレイの両側に位置したポリシリコンからなる電荷移送
部13、14と、各フォトダイオード10に生じた電荷
を電荷移送部13、14に移すためのポリシリコンから
なるシフトゲート11、12と、電荷移送部13、14
から伝達される電荷を出力端子に送り出す出力ゲート1
5と、フローティング状態で伝達される電荷を受けてセ
ンスアンプ17に送り出すFD(Floating Diffusion)1
6と、を備えている。
する。シフトゲート11またはシフトゲート12がオン
した時、フォトダイオード10により光電変換された信
号(電荷)は、奇数、偶数に分かれてジグザグ状に電荷
移送部13、14に移送される。すなわち、仮に奇数フ
ォトダイオードの電荷が電荷移送部13に送り出されれ
ば、偶数のものはその逆に電荷移送部14に送り出され
る。
成され、各フォトダイオード10から送り出された電荷
が電位ウェルに蓄積される。この電位ウェルに蓄積され
た電荷は、電荷移送部13、14のクロックにより出力
ゲート15方向に移送され、FD16とセンスアンプ1
7とを介して出力される。図7は図6において点線で示
すAA部のレイアウトを示す図である。また、図8
(A)は,図7においてIII −III 線で切断したときの
断面を模式的に示す断面図であり、図8(B)は、図8
(A)の断面における電位状態を示す。
半導体基板30にチャネルストップ層26とシフトゲー
ト11の一端を境界とした領域内でP−N接合をなして
いる。このN型領域20とその上のP+ 領域とが図6及
び図7のフォトダイオード(フォトセル)10に対応す
る。そして電荷移送部13領域には、シフト電極23
(P1、P2)が、N型にドープされた半導体基板30
領域上に絶縁層31を挟んでそれぞれ形成されており、
このシフト電極23とN型領域20との間にシフトゲー
ト11もやはり絶縁層31を挟んで半導体基板30上に
形成されている。また、チャネルストップ層26’はシ
フト電極23の他端に形成されており、N型領域20以
外の部分は遮光膜32で覆われている。
る。シフトゲート11、12に信号電圧が印加されたと
き、図8(B)に示すように、シフトゲート11の下部
の電位21’が点線で示すように低下し、N型領域20
に蓄積された電荷(斜線部)がN型領域20’からシフ
トゲート11の下部を通過してシフト電極23により形
成された電位ウェル23’に移送される。N型領域20
の電荷がシフト電極23の下部の電位ウェル23’に移
送された後は、直ちにシフトゲート11の印加電圧をロ
ーにして電荷の通路を遮断する。
うち、一方には0V(又はロー)が印加され、もう一方
には、+HV(又はハイ)の電圧が印加される。すなわ
ち、シフト電極P1、P2には、夫々、ハイ−ローを繰
り返すクロックパルスが印加され、電荷が出力側に移送
される。言い換えれば、N型領域20からシフト電極2
3の下の電位ウェル23’に電荷を移送するためには、
シフトゲート11にクロックが印加されない状態(遮断
された状態)において、フォトダイオード20の電荷出
口に位置したシフト電極23にハイ(+HV)電圧を印
加して電位ウェル23’を深く掘って置き、シフトゲー
ト11にハイパルスを印加すれば、シフトゲート11の
下部の電荷通路が開いて(ターンオンの状態)フォトダ
イオード20に蓄えられた電荷がフォトダイオードの出
口側に当接する電荷移送部13の該当シフト電極23の
下部の電位ウェル23’に移送される。
したとき、シフトゲート11はオフし、フォトダイオー
ド10と電荷移送部13間のチャネルが隔離され、電荷
移送部クロックがシフト電極23に印加され、信号電荷
が出力ゲート15及びFD16方向に移動する。
うな従来のCCDでは、フォトダイオードアレイと、そ
の両側の電荷移送部13、14と、の間に備えられた二
つのシフトゲート11、12により電荷を送り出すよう
にしているので、構造が複雑となる。また、シフトゲー
ト11、12を備えているので、シフトゲート11、1
2にパルスが印加されるようにCCDパッケージに外部
ピンを設けなければならないといった不便な点もある。
ルスには、0ないし+HV間の電圧が用いられるので、
電荷移送部13、14のチャネルの表面が蓄積状態とな
らず、表面から漏れ電荷が流れるといった不都合な点が
ある。また、ポリシリコンをシフトゲートとして使うの
で電荷移送部13、14のポリシリコンと隔離するため
にフォトダイオード10と電荷移送部13、14間の経
路を長くしなければならず、シフトゲート11、12が
オンしたとき、信号電荷が通る距離が長いため、電荷を
送り出すのに長時間を要し、よってイメ−ジラグ(image
lag)現象を起こし易く、これを防止するためには、フォ
トダイオード10と電荷移送部13、14の電位差を大
きくしなければならないといった不都合な点もあった。
なされたもので、シフトゲートを備えずにフォトダイオ
ードの電荷出口と電荷移送部とを直接に接続する構造に
して電荷を移送することが可能なCCDを提供すること
を目的とする。
明にかかるCCDは、光信号を電荷に変換するフォトダ
イオードを並べたフォトダイオード列と、各フォトダイ
オードに対応して配置され、電位ウェルが形成される第
1の電位ウェル形成領域と、前記各フォトダイオードの
電荷出口上から該第1の電位ウェル形成領域上にかけて
絶縁膜を介して形成され、各フォトダイオードと第1の
電位ウェル形成領域との間にチャンネルが形成され、第
1の電位ウェル形成領域に電位ウェルが形成されるよう
に電圧が印加される第1シフト電極と、前記第1の電位
ウェル形成領域間に配置され、電位ウェルが形成される
第2の電位ウェル形成領域と、該第2の電位ウェル形成
領域上に形成され、第2の電位ウェル形成領域に電位ウ
ェルが形成されるように電圧が印加される第2シフト電
極と、を備えて、前記各フォトダイオードの電荷を出力
側に移送する電荷移送部と、前記各フォトダイオードか
ら前記第1の電位ウェル形成領域への電荷移送時には、
プラス電圧のパルスを前記フォトダイオードの電荷出口
側に形成された第1シフト電極に印加し、前記第1の電
位ウェル形成領域に形成された電位ウェルの電荷の出力
側への移送時には、0V電圧及びマイナス電圧を有する
逆位相の2相パルスを、隣接する第1シフト電極と第2
シフト電極とから成る複数の電極対に交互に印加する電
圧制御手段と、を備えて構成されている。
から第1の電位ウェル形成領域への電荷移送時には、各
フォトダイオードと第1の電位ウェル形成領域との間に
チャンネルが形成されるように、プラス電圧を第1シフ
ト電極に印加することにより、各フォトダイオードで変
換された電荷はこのチャンネルを介して第1シフト電極
に蓄えられる。そして、第1の電位ウェル形成領域に形
成された電位ウェルの電荷の出力側への移送時には、0
V電圧及びマイナス電圧を有する逆位相の2相パルス
を、隣接する第1シフト電極と第2シフト電極とから成
る複数の電極対に交互に印加することにより、第1の電
位ウェル形成領域及び第2の電位ウェル形成領域に電位
ウェルが形成され、第1の電位ウェル形成領域に形成さ
れた電位ウェルに蓄えられた電荷が順次、出力側へと移
送される。即ち、従来のようなシフトゲートを備えなく
てもフォトダイオードの電荷が出力側へと移送される。
電荷移送部はフォトダイオード列の両側に配置され、前
記フォトダイオード列は、夫々のフォトダイオードの電
荷出口が両側に配置された電荷移送部に交互に向くよう
に形成されている。かかる構成によれば、各フォトダイ
オードで変換された電荷は、両側に配置された電荷移送
部に出力される。
第1シフト電極と第2シフト電極とは、側面で絶縁膜を
介して一部重なるように配置されている。かかる構成に
よれば、第1の電位ウェル形成領域に形成された電位ウ
ェル、第2の電位ウェル形成領域に形成された電位ウェ
ル間で電荷の移送が行われる。
第1の電位ウェル形成領域は半導体基板に形成されたN
領域であり、第2の電位ウェル形成領域は半導体基板に
形成されたN- 領域である。かかる構成によれば、半導
体基板に形成されたN領域に、フォトダイオードからの
電荷を蓄えて移送するための電位ウェルが形成され、同
じく半導体基板に形成されたN- 領域に電荷を移送する
ための電位ウェルが形成され、電荷は出力側へと移送さ
れる。
き、本発明の望ましい実施の形態を詳述する。尚、図6
〜図8と同一要素のものについては同一符号を付して説
明は省略する。本実施の形態におけるCCDは、図1に
示すように、特にフォトダイオード列41と、このフォ
トダイオード列41の両側に形成された電荷移送部4
2、43と、を含み、図7に示す従来のCCDとはシフ
トゲートの有無、フォトダイオードと電荷移送部42、
43の接続部を覆うシフト電極の配列、及びシフト電極
にクロックパルスを印加する方式などにおいて相異なっ
ている。
の図において、フォトダイオード41−1、41−2、
41−3、・・・は、フォトダイオード列41として半
導体基板40内の領域に一列に配列され、夫々、交互に
配列された電荷出口42−1、42−2、・・・を備え
ている。電荷移送部42、43には、夫々、この電荷出
口が1つおきに接続される。例えば、電荷移送部43に
は、電荷出口42−1と、1つおいて次の電荷出口42
−3とが接続される。
には、後述する絶縁膜45(図4)を介して第1シフト
電極P1が形成され、第2シフト電極P2が各第1シフ
ト電極P1に隣接して形成されている。即ち、この第1
シフト電極P1と第2シフト電極P2とは対をなして連
続的に交互に配列されている。次に、図2のVI-VI、VII
-VII線による断面図、電荷移送部42、43の配線及び
電位分布を、夫々、図4、図5に示す。図4に示すよう
に、第1シフト電極P1と下部の半導体基板40との間
にはN領域50−1が形成され、このN領域50−1と
第1シフト電極P1との間には絶縁膜45が形成されて
いる。
P2と下部の半導体基板40との間にはN- 領域50−
2が形成され、N- 領域50−2と第2シフト電極P2
との間についても、同様に絶縁膜45が形成されてい
る。即ち、電荷移送部43は、多数の第1シフト電極P
1と第2シフト電極との対、N領域50−1とN- 領域
50−2、及び該電極と領域とを絶縁する絶縁膜45を
備えている。
第2シフト電極P2とは対をなしてクロックパルスライ
ンH01、H02に接続される。例えば、フォトダイオ
ード41−1の出口側に形成された第1シフト電極P1
と第2シフト電極P2の対がクロックパルスラインH0
1に接続され、その隣の対がクロックパルスラインH0
2に接続される。もう一方の電荷移送部42にもフォト
ダイオードの出口側に形成された第1シフト電極P1と
第2シフト電極P2との対がクロックパルスラインH0
1に接続され、その隣の対がクロックパルスラインH0
2に接続される。このクロックパルスラインH01、H
02は、電圧制御手段としての電圧制御部60に接続さ
れている。尚、この接続状態については、システムの設
計時にクロックラインを変えて接続するようにしても良
い。
送部43との外側にはP+ 型のチャネルストップ領域4
6、46’が形成され、遮光膜47は各フォトダイオー
ドの受光部以外の領域を覆うように、絶縁膜45’を介
して形成されている。次に、図3〜図5に基づいて動作
を説明する。入射光は、フォトダイオード41−1によ
って光電変換され、フォトダイオード41−1に電荷が
蓄積される。この電荷(映像信号)は、図3に示すよう
に電荷移送部クロックがブランキング期間T1〜T4中で+
のパルスが印加されることにより電荷移送部42、43
に移送される。
刻T1〜T2では、クロックパルスラインH01に0V、ク
ロックパルスラインH02に−HVの電位が印加され
る。フォトダイオード41−1とN領域50−1との間
の経路には第1シフト電極P1に0Vの電圧が印加さ
れ、図4(B)に示すようにポテンシャル段差2が残
る。この状態で時刻T2〜T3において、クロックパルスラ
インH01には+KV電圧が印加され、クロックパルス
ラインH02には−HVの電圧が印加され、フォトダイ
オード41−1とN領域50−1間には、チャンネルが
形成されて破線で示すように電荷の通路が形成される。
そして、電荷移送部42、43のポテンシャルがフォト
ダイオード41−1のポテンシャルより低くなり、フォ
トダイオード41−1の電荷はN領域50−1に移送さ
れる。
後の時刻T3〜T4では、時刻T1〜T2と同じようにクロック
パルスラインH01に0V、クロックパルスラインH0
2に−HVの電位が印加され、フォトダイオード41−
1とN領域50−1間の通路にポテンシャル段差2が再
び形成され、フォトダイオード41−1と電荷移送部4
2、43との間が遮断される。
うにフォトダイオード出口側の第1シフト電極P1の下
部のN領域50−1に生成された電位ウェルが最も低く
なる。次いで、ブランキング期間が完了した時刻T4か
ら、図3に示すように0Vから−HVまでの電位を有す
る波形のクロックパルスが印加される。
クロックパルスラインH01が−HVとなり、クロック
パルスラインH02が0Vとなり、最も電位が低いウェ
ルは、図5(C)に示すように出力ゲート15側に移動
し、電荷は最も低い電位ウェルの移動に伴って移送され
る。この動作は、クロックパルスが変わる度に繰り返し
行われ、電荷は出力ゲート15へと移送され、FD16
を介してセンスアンプ17に出力される。そして、この
電荷による信号はセンスアンプ17により増幅され、映
像信号として出力される。
がシフトゲートの機能を有することにより、シフトゲー
トがなくなるので構造が簡単になり、フォトダイオード
と電荷移送部42、43間の経路を短くすることもで
き、信号電荷を迅速に移送することができ、外部ピンの
数が減り、パッケージの構造も簡単になる。また、信号
電荷を電荷移送部42、43に移送する際、最も電位が
低い電位ウェルに信号電荷が移送されるので、フォトダ
イオードとの電位段差を大きくして(内部電気場が大き
くなる)イメージ遅延特性を改善しうる。
ードとして動作するので表面に電荷が発生するのを抑制
し、漏れ電流を減らすことができる。
かかるCCDによれば、従来のCCDに比べてシフトゲ
ートがないので構造が簡単になり、フォトダイオードと
電荷移送部の接続通路が短くなり、信号電荷を迅速に移
送することができる。また、シフトゲート用の外部ピン
が無くなるのでパッケージの構造が簡単になる。のみな
らず、信号電荷を電荷移送部に移送する際、第1シフト
電極下部の最もポテンシャルの低い電位ウェルに電荷が
移送されるので、内部電気場が大きくなりフォトダイオ
ードとの電位段差を大きくしてイメージ遅延特性を改善
しうる。さらに、電荷移送部が動作する際、蓄積モード
として動作するので表面発生電荷を抑制して漏れ電流を
減らすことができる。
各フォトダイオードで変換された電荷を交互に移送する
ことができ、また、第1シフト電極、第2シフト電極を
無理なく並べることができる。請求項3の発明にかかる
CCDによれば、第1のウェル形成領域に形成された電
位ウェル、第2のウェル形成領域に形成された電位ウェ
ル間の電位差が大きくなり、電荷の移送をスムーズに行
うことができる。
N領域、N - 領域に電位ウェルを形成してフォトダイオ
ードの電荷を蓄え、電荷を出力側へ移送することができ
る。
図。
図。
Claims (4)
- 【請求項1】光信号を電荷に変換するフォトダイオード
を並べたフォトダイオード列と、 各フォトダイオードに対応して配置され、電位ウェルが
形成される第1の電位ウェル形成領域と、前記各フォト
ダイオードの電荷出口上から該第1の電位ウェル形成領
域上にかけて絶縁膜を介して形成され、各フォトダイオ
ードと第1の電位ウェル形成領域との間にチャンネルが
形成され、第1の電位ウェル形成領域に電位ウェルが形
成されるように電圧が印加される第1シフト電極と、前
記第1の電位ウェル形成領域間に配置され、電位ウェル
が形成される第2の電位ウェル形成領域と、該第2の電
位ウェル形成領域上に形成され、第2の電位ウェル形成
領域に電位ウェルが形成されるように電圧が印加される
第2シフト電極と、を備えて、前記各フォトダイオード
の電荷を出力側に移送する電荷移送部と、 前記各フォトダイオードから前記第1の電位ウェル形成
領域への電荷移送時には、プラス電圧のパルスを前記フ
ォトダイオードの電荷出口側に形成された第1シフト電
極に印加し、前記第1の電位ウェル形成領域に形成され
た電位ウェルの電荷の出力側への移送時には、0V電圧
及びマイナス電圧を有する逆位相の2相パルスを、隣接
する第1シフト電極と第2シフト電極とから成る複数の
電極対に交互に印加する電圧制御手段と、 を備えて構成された ことを特徴とするCCD。 - 【請求項2】前記電荷移送部はフォトダイオード列の両
側に配置され、 前記フォトダイオード列は、夫々のフォトダイオードの
電荷出口が両側に配置された電荷移送部に交互に向くよ
うに形成されたことを特徴とする請求項1に記載のCC
D。 - 【請求項3】前記第1シフト電極と第2シフト電極と
は、側面で絶縁膜を介して一部重なるように配置された
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のCC
D。 - 【請求項4】前記第1の電位ウェル形成領域は半導体基
板に形成されたN領域であり、第2 の電位ウェル形成領
域は半導体基板に形成されたN - 領域であることを特徴
とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のCC
D。
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