JPS5968969A - 固体撮像素子 - 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】 この発明は信号読出に特徴を有する２次元の固体撮像素
子に関するものである。

一般に、固体撮像素子はシリコンのような半導体材料上
に光検出器と走査機構とを設けたものであシ、光検出器
に適当な亀のを選べば、可視から赤外領域までの撮像が
可能となるものである。そして、固体撮像素子は従来の
撮像管に較べて、小型・軽量・高信頼性の上、撮像装置
を製作する上で調整箇所が非常に少なくなるという利点
を持っておシ、広い分野から注目を集めている。

さて、固体撮像素子の走査機構としては従来ＭＯＳスイ
ッチを用いたものやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌ
ｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）　　を用いたものが主であったが
、前者のＭＯＳスイッチを用いたものの場合、信号を読
出す時に用いるＭＯＳスイッチに起因したスパイク雑音
が信号に混入し、−を低下させるとともに、このスパイ
ク雑音は読出す列間で異なっておシ、これが固定パター
ン雑音と呼ばれる雑音となって、８／Ｎをさらに低下さ
せるという欠点を有し、高い８／Ｎが要求される微弱な
信号検出には用いることができないという問題を有して
いた。また、後者のＣＯＤを用いたもの、特に前者のＭ
Ｏ８方式と同様に光検出器を自由に選択できるため最近
広く用いられているインターライン方式のＣＣＤ方式で
は検出器列と検出器列の間にＣＣＤが配置されるため、
検出器の有効面積を大きくするために、ＣＣＤ部の面積
はできるだけ小さく設計することが望ましい。一方ＣＣ
Ｄの電荷転送能力は構造を同一とすれば、ＣＣＤ１段当
シの蓄積ゲート面積に比例する。

従ってＣＣＤ部の面積を小さくすることは取扱える電荷
の最大値が制限されることになる。こうした問題は特に
赤外線固体撮像素子のように大きな背景中の小さな信号
を検出する際には大きな問題となる。また、ＣＣＤは一
般に２層の多結晶硅素ゲート電極で構成され、ＭＯ８方
式の１層ゲート電極構造と比べて工程が複雑となるとい
う欠点があった。

したがって、この発明は上記の欠点に鑑みてなされたも
のであシ、電荷転送素子を基本要素として構成される固
体撮像素子において、垂直電荷転送素子を画素対応とせ
ずに複数個の画素に対応した領域を１つの電位井戸とし
て転送することによシ、雑音が少なく取シ扱える電荷量
の大きな固体撮像素子を提供することと、電荷転送素子
を１層の高抵抗層をゲート電極とすることによシ、構造
および工程を簡素化させた固体撮像素子を提供すること
を目的としている。

以下本発明の一実施例を図にしたがって説明する。

第１図は本発明による固体撮像素子のブロック図で簡単
のために３×４の７レイで示しである。

図中（１）は半導体基板上に２次元的に配列された光検
出器、Ｑ）は同一基板上に形成されたＭＯＳ）ランジス
タで形成されたトランスファーゲート、（３）は上記半
導体基板に形成された垂直電荷転送素子、（４）は上記
半導体基板に形成された水平ｃｃｎ（５）とのインター
フェースを形成するインターフェース部、（６）は出力
ブリアンプ、σ）はこのプリアンプの出力である。この
様に構成された固体撮像素子において水平Ｃ０Ｄ（５巧
出カプリアンプ（６）は従来のＣＣＤ型の固体撮像素子
と全く同じでよく、垂直方向の電荷転送に関する部分、
っまシ垂直電荷転送素子（３）およびインターフェース
部（４）に特徴を有するものであシ、この部分の構造及
び動作を第２図（、）〜（ｊ）及び第３図を用いて説明
する。まず、この部分の構造について第２図（、）を用
いて説明すると、第２図（、）は第１図Ａ−Ａ’の断面
を示したものであシ、垂直電荷転送素子（３）は１つの
高抵抗層、例えばＡ８を少量ドープした多結晶シリコン
からなるゲート電極（３１）と、このゲート電極（３１
）に電位を与えるだめの配線（３−１）〜（３−４）と
を有して構成されている。また、インターフェース部（
４）は２つのゲート電極（４−１）、（４−２）から構
成されておシ、インターフェース部（４）の端は水平〇
ＣＤ　（５）の１つのゲート電極（５−１）に接してい
るものである。そして、（８）は半導体基板であシ、各
々のゲート下にチャネルが形成されるものである。この
チャネルは表面チャネルであっても、埋め込みチャネル
であっても差しつかえないものである。

一方、各ゲート電極（３１）　、　（４−１）　、　（
４−２）ｔ（ｓ−ｉ）には第３図に示したようなりロッ
ク信号φｖ１〜φＶ４．φＳ、φ丁がそれぞれ印加され
るものである。なお、クロック信号φｖ１〜φｖ４はそ
れぞれ配線（３−１）〜（３−４）に印加される。また
、この実施例においてはＮチャネルの場合であＪ）、Ｐ
チャネルの場合にはクロック信号の極性を反転したもの
とすれば良い。

次に、第２図（、）に示したものの垂直方向の電荷転送
について、第２図＋ｂ）〜（ｊ）に基づいて説明する。

第２図（ｂ）〜Ｕ）はそれぞれのタイミングにおける第
２図（、）の位置に対応したチャネルのポテンシャルの
状態を示したものであシ、第２図（ｂ）は第３図におい
てｔｘのタイミングに相当する時のポテンシャルである
。この時り日ツク信号φｖ１〜φｖ４はすべて１Ｈ″レ
ベルになっているので、ゲート電極（３１）の下には大
きな電位井戸（以下ポテンシャルウェルと称す。）が形
成されており、またクロック信号φＳはクロック信号φ
Ｖｌ〜φｖ４よシ高い１Ｈルベルになっているので、ゲ
ート電極（４−１）下には、より深いポテンシャルウェ
ルが形成されているとともに、クロック信号φＴは％　
Ｌ　Ｉレベルとなっているので、ゲート電極（４−２）
の下には、浅いポテンシャルウェルが形成されている。

一方、水平〇ＣＤ（５）はこの状態の時に電荷転送を行
なっておシ、図中点線で示したようなポテンシャル状態
の間を往復しているものである。そして、この状態にお
いて、垂直方向中任意の１つのトランスファーター１（
２）をＯＮして、垂直電荷転送素子（３）中に検出器（
１）の内容を読み出すと、ゲート電極（３１）の所定位
置に信号電荷Ｑｓｉｇが存在することになるものである
。次に第３図に示すｔｌのタイミング、つまシクロツク
信号φＶｌが％Ｌルベルにされると、第２図（ｃ）に示
す如く、配線（３−１）下のポテンシャルウェルが浅く
なシ、配線（３−１）から配線（３−２）の下へかけて
傾きを持ったポテンシャルシェルが形成される。とのた
め、信号電荷Ｑｓｉｇは空間的に広がシながら、第２図
図示矢印へ方向へ押されることになる。さらに第３図に
示すようにｔ３　、　ｔ４　、　ｔ５　　のタイミング
にクロック信号φｖ２〜φｖ４が順次１Ｌルベルにされ
、第２図（ｄ）〜（ｆ）に示ス如く配線（３−２）〜（
３−４）の下のポテンシャルが順次−Ｉレベルにされ、
第２図（ｄ）〜（ｆ）に示す如くゲート電極（３１）下
のポテンシャルが順次浅くなシ、傾斜部が矢印入方向へ
移動することにしたがって信号電荷Ｑｓｉｇが矢印Ａ方
向に押し出されてゆき、り四ツク信号φｖ４が１Ｌ′と
なった時点では信号電荷Ｑｓｉｇはゲート電極（４−１
）の下のポテンシャルウェルに蓄えられることになるも
のである。なお、ゲートの抵抗値によシ、例えば配線（
３−１）が１Ｈ′、配線（３−２）がＳＳ　Ｌ　Ｉの場
合は配線（３−１）、（３−２）を流れる電流値が決ま
シ、これによシ消費電力が決まるので、高抵抗であるこ
とが望ましいが、極めて大きな高抵抗では配線（３−２
）を％Ｈ″→１Ｌ“に切シ換えたときに配線（３−１）
　’、　（３−２）間のポテンシャル傾斜が良好に形成
されないので、ゲート電極（３１）の抵抗値はＩＭΩ／
ｃ３〜ＩＧΩ／口にすることが望ましい。この値は例え
ば多結晶シリコンをＣＶＤ法によって形成し、砒素を少
量ドープすることによって達成される。またゲート電極
（４−１）は信号電荷Ｑｓｉｇを十分蓄えられるだけの
大きさが必要であるが、上記実施例に示す如く、クロッ
ク信号φＳが％　Ｈ＃時のポテンシャルが配線（３−１
）〜（３−４）の下のポテンシャルよシ深くする必要は
なく同じ深さでも良いものである。この様にして、信号
電荷Ｑｇｉｇがゲート電極（４−１）に集められ、水平
ＣＯＤ’　（５）の１水平線分の走査が終った後、第３
図に示すｔ６のタイミングにゲート電極（４−２）に接
する水平ＣＯＤ（５）のゲート電極（５−３）のクロッ
ク信号φ■を１Ｈ″レベルとするとともに、ゲート電極
（４−２）のクロック信号φＴが’Ｈ’レベルにされる
ため、それぞれのゲート下のポテンシャルは第２図（ｇ
）に示す如くなる。なお、この時ゲート電極（４−２）
下のポテンシャルがゲート電極（４−１）及びゲート電
極（５−１）下のポテンシャルよシ高くなるようにして
いるが、必らずしも高くする必要はなく同一レベルであ
っても良いものである。次に、第３図に示すｔ７のタイ
ミングにクロック信号φＳが％　Ｌ　Ｉ／レベルとされ
、第２図（ｈ）に示す如く、ゲート電極（４−１）下の
ポテンシャルは浅くなるため、信号電荷Ｑｓｉｇはゲー
ト電極（５−１）下のポテンシャルウェル内に移動させ
ら７れることになる。その後、第３図に示すｔ８のタイ
ミングにてりなシ、信号電荷Ｑｓｉｇは水平ＣＣＤ（５
）によシ転送されることになるものである。つまシ、信
号（信号電荷Ｑｓｉｇ）を受けとった水平Ｃ０Ｄ（５）
は順次出力プリアンプ（６）に信号を転送することにな
る。これは信号が水平ＣＯＤ　（５）に転送されると、
第３図に示すｔ９のタイミングで、りμツク信号φｖ１
〜φＶ４゜φＢは再び！ＸＨＩレベルとなＪ）、ｔｌの
タイミングの時と同じ条件になシ、上記で述べたサイク
ルを繰シ返すことになるものである。

なお、上記実施例の動作説明では、１つの垂直電荷転送
素子（３）にある検出器（１）の内容を読み出した場合
について説明したが、それぞれの垂直信号転送素子（３
）が同時に上記で述べたと同様の動作を行なっているも
のである。

この様にしたことによシ、電荷の転送は従来のＣＣＤ方
式と同様にポテンシャルウェル内を通シて行なわれるの
で、ＭＯ８方式の様なスパイク雑音は全くなり、シかも
取シ扱える信号電荷量は垂直電荷転送素子（３）の−垂
直線分全体のポテンシャルウェルで決まるため、非常に
大きくとることができ、しかも、垂直信号線を形成する
チャネルの幅を小さくしても充分大きくとれるものであ
る。

また、ゲート電極（４−１）と水平ＣＣＤ（５）は検出
器（１）アレイの外側に形成でき、大きさの制約が少な
くなるため必要な電荷量に従って垂直電荷転送素子（３
）するいは水平ＣＣＤ（５）を大きくすることが容易と
なるものである。また、上記実施例においては、垂直電
荷転送素子（３）が１水平期間中に走査され（通常、最
も長いものは１フレーム時間近くの期間をかけて、垂直
電荷転送素子（３）を転送される。）信号電荷Ｑｓｉｇ
がチャネル内に存在する時間が短かくなるため、チャネ
ルリーク電流やスミャが低減できる効果をも有するもの
である。

なお、上記実施例では垂直電荷転送素子（３）に与えら
れるクロックφｖ１〜φｖ４の４つで構成されたものに
ついて述べたが、クロック数は複数であれば数に制限は
なく、転送効率を考慮してクロック数を決定すれば良い
ものである。また、垂直電荷転送素子（３）のチャネル
もＮ型で説明したが、Ｐ型であっても良い。さらに上記
実施例では垂直電荷転送素子（３）を構成するゲート電
極とトランスファゲート（２）を構成するゲート電極と
を別個のゲート電極としたが、従来のＣＣＤで用いられ
ているように３値のクロック信号を用いて垂直電荷転送
素子（３）を構成する１つのゲート電極とトランスファ
ゲートとを共通のゲート電極としても良いものである。

さらに走査に必要なりロックのタイミングもこの例に限
らず、ポテンシャルの障壁が信号の進行方向に移動する
ようにすれば良い。

以上のようにこの発明によれば、光検出器からの出力を
読み出し出力する走査機構を有する固体撮像素子におい
て、垂直電荷転送素子のゲート電極を高抵抗体に複数個
所でクロック信号を与えるように構成したことによって
工程、構造を簡略化できるとともに、雑音が少なく、取
シ扱える信号ｇ荷量が大きくなるという極めて優れた効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜３図はこの発明による固体撮像素子の一実施例
を示し、第１図は固体撮像装置のブロック図、第２図（
、）は第１図の断面Ａ　−Ａ’を示す図、第２図（１）
）〜（ｊ）は第２図（、）部における動作を説明するた
めの電位図、第３図はクロックタイミング図である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 （１）・・・・光検出部、（２）・・・・トランスファ
ゲート、（３）・・・・垂直電荷転送素子、（３１）・
・・・ゲート電極、（３−１）、（３−２）、（３−３
）、（３−４）・・・−ＦｉｉＪ！、（４）・Φ・・イ
ンターフェース部、（４−１）　、　（４−２）・・・
・ゲート電極、（５）・・・・水平ＣＯＤ、　　（５−
１）・・・・ゲート電極、（６）・・・・プリアンプ、
（８）・・・・半導体基板。 代理人　　葛　野　信　− 第１図 第２図 第２図 第３図 手続補正書（自発） ２、発明の名称 固体撮像素子 ３、補正をする者 代表者片山仁へ部 ４、代理人 カ ４７エ！ ？ ３３５− ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）明細書第４頁第１２行目の「トランスファーゲー
ト」と［トランスファゲート」と補正する。 （２）同書第１１頁第８行目〜第９行目の「垂直電荷転
送素子（３）」と「インターフェース部（４）」と補正
する。 以　　上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の光検出器、垂直電荷転送素子および水平電
   荷転送素子からなる固体撮像素子において、上記垂直電
   荷転送素子は半導体基板上に形成された絶縁膜と上記絶
   縁膜上に形成された抵抗導体層とからなるＭＯＳゲート
   電極と、上記ゲート電極に少なくとも２個所で接続され
   かつ上記抵抗導体層に電位を与える配線とで構成され、
   上記配線の電位を順次変更して垂直電荷転送を行なうこ
   とを特徴とした固体撮像素子。
2. （２）配線の電位を変更する走査回路は光検出器。 垂直電荷転送素子および水平電荷転送素子が形成される
   半導体基板と同一半導体基板上に形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子。