JP2002051267A

JP2002051267A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2002051267A
Application number: JP2000237918A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hasegawa; 健二長谷川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】固体撮像素子において、画素サイズの微細化
や高密度化等に対応する場合であっても、ブルーミング
特性、読み出し特性、画素分離特性等が悪化してしまう
のを防ぐ。【解決手段】入射光を光電変換するための受光領域を
備えるとともに、その受光領域以外の非受光領域が遮光
膜に覆われている固体撮像素子において、その遮光膜に
所定の電圧信号３，４，５，６を印可することによっ
て、非受光領域に補助的な電界を生じさせて、受光領域
等から及ぶ二次元変調の影響を減らし、非受光領域にお
けるポテンシャル深さを可変し得るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤ（Charge C
oupled Device）イメージセンサ等の固体撮像素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体撮像素子としては、例えば
図２に示すように、基板（シリコン基板等）上に、チャ
ネルストップ１１、垂直レジスタ１２、読み出しゲート
１３および電荷蓄積領域１４が水平方向に連続して配さ
れ、垂直方向における電荷蓄積領域１４同士の間は画素
分離領域１５によって分離され、これらによって複数の
電荷蓄積領域１５がマトリックス状に配列されたものが
知られている。このような固体撮像素子では、通常、垂
直レジスタ１２および読み出しゲート１３の上方にポリ
シリコン等による転送電極１６が形成されており（複数
層の場合もある）、垂直レジスタ１２のポテンシャルと
読み出しゲート１３のポテンシャルとを制御して、垂直
レジスタ１２での信号電荷の転送および電荷蓄積領域１
３から垂直レジスタ１２への信号電荷の読み出しを行う
ようになっている。また、転送電極１６の上方には遮光
膜１７があり、垂直レジスタ１２に光が入射して転送中
の信号電荷にノイズが発生することを防止している。さ
らに、電荷蓄積領域１４の上方では、遮光膜１７がカッ
トされ、入射光が電荷蓄積領域１４に入るように受光領
域１８が形成されており、その入射光が信号電荷に変換
されて電荷蓄積領域１４に蓄積されるようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、固体
撮像素子に対しては、これを撮像デバイスとして用いる
カメラシステムの小型化や高解像度化等に伴って、画素
サイズの微細化や高密度化等が求められている。ただ
し、画素サイズの微細化や高密度化等は、読み出しゲー
ト１３の長さや画素分離領域１５の幅の減少等を招くの
で、固体撮像素子におけるブルーミング特性、読み出し
特性、画素分離特性等の確保を困難にしてしまうおそれ
がある。

【０００４】例えば、画素サイズが小さくなって読み出
しゲート１３が短くなると、読み出しゲート１３が電荷
蓄積領域１４および垂直レジスタ１２のＮ領域から二次
元変調の影響を大きく受けてしまい、読み出しゲート１
３下のポテンシャルが深く（＋方向）なる傾向にある。
そのため、光量の大きな入射光があった場合に、電荷蓄
積領域１４から基板側へ過剰電荷を排出するポテンシャ
ル障壁よりも、電荷蓄積領域１４から読み出しゲート１
３を経て垂直レジスタ１２へ信号電荷を読み出すポテン
シャル障壁のほうが低くなってしまい、その結果ブルー
ミングが発生し易くなってしまう。

【０００５】また、画素サイズが小さくなって電荷蓄積
領域１４も小さくなると、飽和信号を確保するために電
荷蓄積領域１４におけるポテンシャルを深くする必要が
あるので、その電荷蓄積領域１４からの読み出し電圧が
高くなってしまう傾向にある。しかも、上述したような
ブルーミング特性の悪化を防止するために、例えば読み
出しゲート１３の下にＰタイプのイオン注入を行うと、
その弊害として読み出し電圧も高くなってしまう。つま
り、画素サイズが小さくなると、電荷蓄積領域１４から
の読み出し特性の悪化を招く可能性がある。

【０００６】さらには、画素サイズが小さくなって画素
分離領域１５が狭くなると、電荷蓄積領域１４とこれに
隣り合う電荷蓄積領域１４との間のパスが形成され易く
なってしまう。つまり、画素分離領域１５が狭くなるこ
とによって、画素分離特性が悪化することが考えられ
る。

【０００７】そこで、本発明は、画素サイズの微細化や
高密度化等に対応する場合であっても、ブルーミング特
性、読み出し特性、画素分離特性等が悪化してしまうの
を回避できる固体撮像素子を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために案出された固体撮像素子で、入射光を光電変
換するための受光領域を備えるとともに、前記受光領域
以外の非受光領域が遮光膜に覆われているものにおい
て、前記遮光膜に所定の電圧信号を印可するように構成
されたことを特徴とする。

【０００９】上記構成の固体撮像素子によれば、遮光膜
に例えばＤＣバイアスまたはクロックパルスといった所
定の電圧信号を印可するので、非受光領域に補助的な電
界が生じ、受光領域等から及ぶ二次元変調の影響が減る
ことになる。つまり、遮光膜への電圧信号の印可によっ
て、非受光領域におけるポテンシャル深さを可変し得る
ようになる。したがって、非受光領域に存在する読み出
しゲートや画素分離領域等が微細化しても、遮光膜への
電圧信号の印可によってそのポテンシャル深さを補正す
ることで、ブルーミングの発生、読み出し特性の悪化、
画素分離特性の悪化等を抑えられるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明に係る
固体撮像素子について説明する。

【００１１】先ず、請求項１および２に記載の発明に係
る固体撮像素子について説明する。ここで説明する固体
撮像素子も、従来のもの（図２参照）と略同様に、入射
光を光電変換するための受光領域を備えるとともに、そ
の受光領域以外の非受光領域が例えばアルミニウム（Ａ
ｌ）やタングステン（Ｗ）等の導電性部材からなる遮光
膜に覆われているものである。すなわち、受光領域を介
して受け取った入射光を電荷蓄積領域が信号電荷に変換
して蓄積した後、その信号電荷を電荷蓄積領域から垂直
レジスタへ読み出してからその転送を行うようになって
いる。

【００１２】ただし、本実施形態で説明する固体撮像素
子は、その遮光膜に所定の電圧信号を印可するように構
成された点で、従来のものとは大きく異なる。

【００１３】所定の電圧信号としては、例えば、所定電
圧値のＤＣバイアス、または所定電圧値かつ所定周波数
のクロックパルスがある。これらの電圧信号は、固体撮
像素子外で生成され、その固体撮像素子外から与えられ
るものであるが、同一のＤＣバイアスまたはクロックパ
ルスが他の用途で既に固体撮像素子に与えられていれ
ば、それを流用してもよい。具体的には、信号電荷を出
力信号に変換する出力アンプに与えられるＤＣバイアス
や、保護トランジスタに与えられるＤＣバイアス等を利
用することが考えられる。

【００１４】このような電圧信号を印可するために、遮
光膜には、電圧信号の印可手段が設けられている。この
印可手段としては、例えば、当該電圧信号が供給される
専用端子（電極）が挙げられる。ただし、上述したよう
に既存の電圧信号を流用する場合には、専用端子ではな
く、既存の端子と遮光膜とを接続させるチップ内配線を
印可手段としてもよい。

【００１５】続いて、以上のように構成された固体撮像
素子における処理動作例について説明する。図１は、本
発明に係る固体撮像素子に印可する電圧信号の具体例を
示す説明図である。

【００１６】この固体撮像素子では、図１（ａ）に示す
ように、その固体撮像素子外から、所定電圧値かつ所定
周波数の垂直転送クロックが与えられる。垂直転送クロ
ックは、読み出しクロック１および転送クロック２から
なるクロックパルスである。読み出しクロック１は、信
号電荷を電荷蓄積領域から垂直レジスタへ読み出すため
のクロックパルスで、接地レベル（図中におけるＭレベ
ル）よりも高い電位（図中におけるＨレベル）が、所定
周波数で与えられるようになっている。一方、転送クロ
ック２は、垂直レジスタに読み出した信号電荷をその垂
直レジスタ内で転送させるためのクロックパルスで、接
地レベル（Ｍレベル）よりも低い電位（図中におけるＬ
レベル）が、読み出しクロックよりも高い周波数で与え
られるようになっている。

【００１７】このような垂直転送クロックが与えられる
ことで、固体撮像素子では、読み出しクロック１の一周
期に相当する時間で電荷蓄積領域に蓄積した信号電荷
を、読み出しゲートがその読み出しクロック１に同期し
て電荷蓄積領域から垂直レジスタへ読み出すとともに、
その垂直レジスタが読み出された信号電荷を転送クロッ
ク２に同期しつつ転送するようになっている。

【００１８】ただし、このとき、遮光膜には、遮光膜ク
ロックとして、例えば図１（ｂ）に示すようなクロック
パルス３が与えられる。このクロックパルス３は、読み
出しクロックに同期したタイミングで、接地レベル（Ｍ
レベル）よりも高い電位（Ｈレベル）を遮光膜に印加す
る。印加する電位は、予め定められたものであるが、必
ずしも読み出しクロック１等と同一である必要はない。

【００１９】このクロックパルス３によって、遮光膜に
は、読み出しクロック１に同期して、補助的な電界が生
じることになる。つまり、補助的な電界が生じることに
よって、遮光膜の下方の読み出しゲートに対する電荷蓄
積領域または垂直レジスタからの二次元変調の影響が減
少するので、その読み出しゲートにおけるポテンシャル
深さが深く（＋方向）なる。

【００２０】したがって、遮光膜にこのクロックパルス
３を与えれば、遮光膜への印加を行わない場合に比べ
て、読み出しクロック１の電位が低くても、読み出しゲ
ートが電荷蓄積領域から垂直レジスタへの信号電荷の読
み出しを行い得るようになるので、結果として固体撮像
素子における読み出し特性が改善されることになる。具
体的には、例えば読み出しクロック１のみだと２０Ｖの
電位が必要であったものが、遮光膜への印加を行うこと
で、読み出しクロック１の電位１５Ｖ＋遮光膜へのクロ
ックパルス３の電位１５Ｖで読み出しを行えるようにな
り、読み出しクロック１の電位を低下させ得るようにな
る。

【００２１】なお、この場合、遮光膜への印加は、電荷
蓄積領域からの信号電荷の読み出し時のみであり、他の
状態では接地レベル（Ｍレベル）となるため、ブルーミ
ング特性には影響を与えない。そのため、クロックパル
ス３は、固体撮像素子が全画素読み出しに対応している
場合に、特に適している。これは、厳密にはインターレ
ース（飛び越し走査）方式の場合、読み出しが行われな
い画素が存在し得るため、画素については読み出し時に
ブルーミングが発生し易くなるからである。

【００２２】また、遮光膜には、遮光膜クロックとし
て、図１（ｂ）ではなく、例えば図１（ｃ）に示すよう
なクロックパルス４を与えることも考えられる。このク
ロックパルス４は、通常は接地レベル（Ｍレベル）より
も低い電位（Ｌレベル）を遮光膜に印加しておき、読み
出しクロック１に同期したタイミングでその電位を接地
レベル（Ｍレベル）とするものである。このときの電位
（Ｌレベル）も、予め定められたものであるが、転送ク
ロック２等と同一である必要はない。

【００２３】このクロックパルス４によって、遮光膜に
は、読み出し時以外は補助的な電界が生じて、その遮光
膜の下方に位置する読み出しゲートおよび画素分離領域
に対する二次元変調の影響が減少するので、その読み出
しゲートおよび画素分離領域におけるポテンシャル深さ
が浅く（−方向）なる。

【００２４】したがって、遮光膜にこのクロックパルス
４を与えれば、遮光膜への印加を行わない場合に比べ
て、読み出しゲートのポテンシャルが浅い方向に持ち上
がるので、そのポテンシャル障壁が過剰電荷を基板側へ
排出するポテンシャル障壁よりも低くなってしまうのを
避けられ、結果として固体撮像素子におけるブルーミン
グ特性が改善されることになる。また、画素分離領域に
ついても全く同様であり、結果として固体撮像素子にお
ける画素分離特性が改善されることになる。

【００２５】また、遮光膜には、図１（ｂ）または
（ｃ）のようなクロックパルス３，４ではなく、遮光膜
クロックとして、例えば図１（ｄ）に示すようなＤＣバ
イアス５を与えるようにしてもよい。このＤＣバイアス
５は、垂直転送クロックのタイミングに関係なく、常に
接地レベル（Ｍレベル）よりも高い電位（Ｈレベル）を
遮光膜に印加するものである。このときの電位（Ｈレベ
ル）も、予め定められたものであるが、読み出しクロッ
ク１等と同一である必要はない。

【００２６】このＤＣバイアス５は、特に固体撮像素子
におけるブルーミング特性は十分に満足できるものであ
るが、読み出し特性に難がある場合に用いて非常に好適
である。すなわち、このＤＣバイアス５によって、遮光
膜には常に補助的な電界が生じて、その遮光膜の下方に
位置する読み出しゲートに対する二次元変調の影響が減
少するので、その読み出しゲートにおけるポテンシャル
深さが深く（＋方向）なる。したがって、パターンやプ
ロファイルを変更することなく、読み出しクロック１の
電位を低下させることができ、結果として固体撮像素子
における読み出し特性が改善されることになる。

【００２７】しかも、この場合、遮光膜に印加するのは
ＤＣバイアスであることから、クロックパルス３，４に
比べて非常に簡便にその印加を行うことができる。これ
は、例えば出力アンプに与えられるＤＣバイアスを利用
することが考えられるからである。

【００２８】さらに、遮光膜には、図１（ｂ）〜（ｄ）
の電圧信号ではなく、遮光膜クロックとして、例えば図
１（ｅ）に示すようなＤＣバイアス６を与えることも考
えられる。このＤＣバイアス６は、垂直転送クロックの
タイミングに関係なく、常に接地レベル（Ｍレベル）よ
りも低い電位（Ｌレベル）を遮光膜に印加するものであ
る。このときの電位（Ｌレベル）も、予め定められたも
のであるが、転送クロック２等と同一である必要はな
い。

【００２９】このＤＣバイアス６は、図１（ｄ）の場合
とは逆に、固体撮像素子における読み出し特性は十分に
満足できるものであるが、ブルーミング特性に難がある
場合に用いて非常に好適である。すなわち、このＤＣバ
イアス６によって、遮光膜には常に補助的な電界が生じ
て、その遮光膜の下方に位置する読み出しゲートおよび
画素分離領域に対する二次元変調の影響が減少するの
で、その読み出しゲートおよび画素分離領域におけるポ
テンシャル深さが浅く（−方向）なる。したがって、パ
ターンやプロファイルを変更することなく、読み出しゲ
ートおよび画素分離領域のポテンシャル障壁が高くで
き、結果として固体撮像素子におけるブルーミング特性
および画素分離特性が改善されることになる。また、こ
の場合も、例えば保護トランジスタに与えられるＤＣバ
イアスを利用することによって、クロックパルス３，４
に比べて非常に簡便に遮光膜への印加を行うことができ
る。

【００３０】なお、これら図１（ｂ）〜（ｅ）に示した
クロックパルス３，４またはＤＣバイアス５，６は、そ
れぞれ目的に応じて個別に遮光膜へ与えるのではなく、
互いに組み合わせて遮光膜へ与えるようにしてもよい。

【００３１】その一例としては、例えば遮光膜に図１
（ｂ）のクロックパルス３と図１（ｅ）のＤＣバイアス
６とを共に与えることが考えられる。この場合、通常は
遮光膜の電位がＬレベルであるが、信号電荷の読み出し
時には遮光膜の電位がＨレベルとなるので、固体撮像素
子におけるブルーミング特性および画素分離特性を改善
しつつ、信号電荷の読み出し時には読み出し特性も改善
されることになる。

【００３２】また、他の例としては、例えば遮光膜に図
１（ｂ）のクロックパルス３と図１（ｄ）のＤＣバイア
ス５とを共に与えることが考えられる。この場合、通常
は遮光膜の電位がＨレベルであるが、信号電荷の読み出
し時には遮光膜の電位がさらに高いレベル（ＨＨレベ
ル）となるので、固体撮像素子における読み出し特性が
より一層改善されることになる。

【００３３】以上のように、本実施形態における固体撮
像素子は、遮光膜に例えばクロックパルス３，４または
ＤＣバイアス５，６といった所定の電圧信号を印可する
ことで、読み出しゲートや画素分離領域のポテンシャル
深さを可変させるようになっている。したがって、画素
サイズの微細化や高密度化等への対応によって、読み出
しゲートや画素分離領域等が微細化した場合であって
も、遮光膜への電圧信号の印可によってそのポテンシャ
ル深さを補正することで、ブルーミング特性、読み出し
特性、画素分離特性等が悪化してしまうのを回避するこ
とができる。

【００３４】しかも、本実施形態における固体撮像素子
では、その固体撮像素子を形成する際のウエハプロセス
およびレイアウトパターンを変更することなく、ブルー
ミング特性、読み出し特性、画素分離特性等の制御が可
能となる。さらには、特に、遮光膜に＋電位を与えた場
合に、電荷蓄積領域（センサ領域）の容量拡大が可能と
なるので、固体撮像素子の感度向上およびスミア低減が
図れるようになる。

【００３５】また、本実施形態における固体撮像素子で
は、電圧信号としてクロックパルス３，４とＤＣバイア
ス５，６のいずれか一方または両方を、その目的に応じ
て印可するようになっている。すなわち、改善すべき特
性（ブルーミング特性、読み出し特性、画素分離特性
等）に応じて印可する電圧信号の種類を決定すること
で、所望する改善効果を得ることが可能である。

【００３６】次に、本発明に係る固体撮像素子の他の実
施の形態について説明する。ここでは、請求項３に記載
の発明に係る固体撮像素子について説明するものとす
る。

【００３７】上述した実施の形態では遮光膜全体を一つ
の領域としていたが、ここで説明する固体撮像素子は、
遮光膜が電位的に独立した複数の領域からなる点に大き
な特徴がある。

【００３８】複数の領域への分離は、例えば、画素間領
域でスペース（水平方向の線状スペース）を設けること
によって行う。このスペースによって遮光膜を各画素毎
に分離しても、各画素間のスペース下は画素分離領域で
あり、不透明電極が存在していることから、受光領域に
与える影響は小さいと考えられる。さらには、ポリシリ
コン電極のように一層目を形成した後に絶縁膜を介し二
層目を形成すれば、オーバーラップ部が形成されるの
で、遮光されない領域が発生してしまうことはない。こ
のことは、垂直レジスタ上についても全く同様である。
すなわち、垂直レジスタ上で遮光膜を分割してもその影
響は無い。

【００３９】そして、電位的に分離された遮光膜の各領
域には、それぞれ個別に電圧信号の印可手段が設けられ
ている。印可手段自体は、上述した実施の形態の場合と
同様で、各領域毎の専用端子（電極）または各領域毎の
チップ内配線からなる。

【００４０】このように構成された固体撮像素子におい
ても、遮光膜の各領域には、図１（ｂ）〜（ｄ）の電圧
信号のいずれかまたはその組み合わせが与えられる。し
たがって、各領域の下方の読み出しゲートや画素分離領
域のポテンシャル深さが可変することで、ブルーミング
特性、読み出し特性、画素分離特性等が悪化してしまう
のを回避できるようになる。

【００４１】ただし、このとき、遮光膜の各領域に与え
る電圧信号は、それぞれが異なる種類のものであっても
よい。具体的には、例えばチャネルストップ側と読み出
しゲート側とで遮光膜を電位的に分離した場合に、チャ
ネルストップ側の領域には図１（ｅ）のＤＣバイアス６
を印可し、読み出しゲート側の領域には図１（ｂ）のク
ロックパルス３または図１（ｄ）のＤＣバイアス５を印
可することで、ブルーミング特性の改善と読み出し特性
の改善とを併せて実現することが考えられる。

【００４２】また、遮光膜の一部の領域のみに電圧信号
を与えるようにしてもよい。具体的には、例えば遮光膜
の読み出しゲート上における領域が他の領域と電位的に
分離している場合には、その読み出しゲート上の領域の
みに図１（ｂ）のクロックパルス３を印可することで、
読み出し特性の改善を実現することが考えられる。

【００４３】さらには、例えば遮光膜を垂直レジスタの
転送電極毎に分離した場合（例えばＶ４相に対して遮光
膜４電極化）、読み出しクロック１が発生する転送電極
上の遮光領域と、転送のみに寄与する転送電極上の遮光
領域とで、互いに異なるパターンの電圧信号を印可する
ことも考えられる。

【００４４】以上のように、本実施形態における固体撮
像素子は、単に遮光膜へ電圧信号を印可するのみなら
ず、その印可を遮光膜の各領域で個別に行うようになっ
ている。これにより、本実施形態の固体撮像素子では、
柔軟性や応用性等に富んだ遮光膜への電圧信号の印可が
行えるようになり、ブルーミング特性、読み出し特性、
画素分離特性等の確保をより一層確実なものとすること
が可能となる。

【００４５】さらに、本実施形態における固体撮像素子
では、転送電極の対ＧＮＤ容量を減らすことも可能にな
る。すなわち、通常、垂直レジスタの転送電極は遮光膜
（ＧＮＤ）との間に容量を持つため、垂直転送クロック
がＣＲ時定数により鈍る（減衰する）傾向にあり、特に
微細化、広面積(多画素)した場合にはその影響が大きく
が、遮光膜をその直下にある垂直レジスタと同じように
電位的に分離配置して、その垂直レジスタと同じクロッ
クで動かせば、その容量を無くすこともできるので、こ
れにより転送電極の対ＧＮＤ容量を減らして、垂直転送
クロックの減衰を抑制し得るようになる。

【００４６】なお、上述した実施の形態では、本発明を
電荷蓄積領域がマトリックス状に配列された固体撮像素
子を例に挙げて説明したが、本発明は、電荷蓄積領域に
電荷を蓄積した後に、垂直レジスタに読み出してから転
送を行うものであれば、固体撮像素子全般に適用可能で
ある。ただし、本発明は、例えば電子スチルカメラの撮
像デバイスとして用いられるＣＣＤイメージセンサのよ
うに、全画素読み出しに対応している固体撮像素子に適
用した場合に、既に説明したように特に好適なものとな
る。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の固体撮
像素子は、遮光膜に所定の電圧信号を印可するように構
成されている。すなわち、遮光膜に電圧信号を印可する
と、非受光領域に補助的な電界が生じ、受光領域等から
及ぶ二次元変調の影響が減るので、非受光領域における
ポテンシャル深さを可変し得るようになる。したがっ
て、非受光領域に存在する読み出しゲートや画素分離領
域等が微細化した場合であっても、遮光膜への電圧信号
の印可によってそのポテンシャル深さを補正すること
で、ブルーミング特性、読み出し特性、画素分離特性を
良好に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子に印可する電圧信号
の具体例を示す説明図であり、（ａ）は垂直転送クロッ
クの具体例の図、（ｂ）および（ｃ）は遮光膜クロック
の具体例の図、（ｄ）および（ｅ）は遮光膜バイアスの
具体例の図である。

【図２】一般的な固体撮像素子の一例の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

３，４…クロックパルス、５，６…ＤＣバイアス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を光電変換するための受光領域を
備えるとともに、前記受光領域以外の非受光領域が遮光
膜に覆われている固体撮像素子において、前記遮光膜に
所定の電圧信号を印可するように構成されたことを特徴
とする固体撮像素子。
【請求項２】前記電圧信号としてＤＣバイアスとクロ
ックパルスのいずれか一方または両方を印可することを
特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記遮光膜が電位的に独立した複数の領
域からなるとともに、前記複数の領域のそれぞれに個別
に前記電圧信号を印可するように構成されたことを特徴
とする請求項１記載の固体撮像素子。