JP2004022560A - 電荷転送素子及び固体撮像装置、並びにこれらの動作方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】固体撮像素子又は装置の寄生容量を減少することによって、消費電力を減少させると共に動作速度の向上、転送パルス波形の向上を図ることができる、電荷転送素子及び固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板５、埋め込みチャンネル領域１６、絶縁膜４及び電荷転送電極３からなる電荷転送ゲート部７上に、層間絶縁膜２を介して電荷転送電極３に対応して複数に分割された遮光膜１が設けられている水平レジスタ部６において、互いに異なる転送電位が印加される隣接した電荷転送電極３に対向した複数の遮光層１に、制御された電位、例えば転送電位と同電位を印加する。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体基板５、埋め込みチャンネル領域１６、絶縁膜４及び電荷転送電極３からなる電荷転送ゲート部７上に、層間絶縁膜２を介して電荷転送電極３に対応して複数に分割された遮光膜１が設けられている水平レジスタ部６において、互いに異なる転送電位が印加される隣接した電荷転送電極３に対向した複数の遮光層１に、制御された電位、例えば転送電位と同電位を印加する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して遮光層が設けられている電荷転送素子、及びこの電荷転送素子を具備する固体撮像装置、並びにこれらの動作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の固体撮像装置６１における水平レジスタ部５６を示す。
【０００３】
このレジスタ部はＨＣＣＤ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｓｅ：以下、同様）として、例えば、ｐ型シリコン半導体基板５５に形成したＮ型ウェル６８に、電荷転送領域となるＮ−型（埋め込みチャンネル）領域６６上にＳｉＯ２からなる層間絶縁膜５４を形成し、この上に端部が部分的に重なり合った２層ポリシリコンからなる電荷転送電極５３ａ及び５３ｂを２相駆動用として設け、これらの電極の組み合せ（一対）毎に共通した転送信号φＨ１、φＨ２を交互に印加して、垂直レジスタ部（ここでは図示せず）からの転送電荷を順次転送する。
【０００４】
各転送電極は絶縁膜５２によって被覆され、更にこの上の全面に、接地されたＷやＡｌ等の遮光膜５１を形成して、外光の入射を防止している。なお、遮光膜５１はＷ又はＡｌ等の金属からなり、０Ｖ（グランド）に接地されていて、電荷転送ゲート部５７を含む水平レジスタ部５６の全面を覆うように形成されている。遮光膜５１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【０００５】
図７（ａ）は、図６に示した構造と原理的には同様の２相駆動を行う電荷転送電極５３を単層の電極とした構造を示す。以降の説明においては、図７（ａ）の固体撮像装置６１を用いて説明することとする。
【０００６】
次に、水平レジスタ部５６を含む２次元の固体撮像装置６１の電荷転送過程を簡略に示すと、図５において、固体撮像装置６１のイメージ部１５を成す画素部８に入射した入射光によって画素部８内に電荷が生じ、この電荷が画素部８から垂直レジスタ部（ＶＣＣＤ、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｓｅ：以下、同様）９へと転送され、更に電荷は垂直レジスタ部９から水平レジスタ部５６へと転送される。
【０００７】
水平レジスタ部５６においては、図７（ａ）に示すように、２相（φＨ１（ＶＨ）６３及びφＨ２（ＶＬ）６４、ＶＨ＝５Ｖ、ＶＬ＝０Ｖ）の異なる転送パルス電圧がそれぞれの電荷転送電極５３に交互に印加されることにより、水平レジスタ部５６に転送された電荷は、チャンネル領域６６を介して順次転送され、増幅器１０を通して出力される。
【０００８】
こうした電荷転送動作において、図７（ａ）に示すように、φＨ１（ＶＨ）６３として５Ｖの転送パルス電圧を印加し、φＨ２（ＶＬ）６４として０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、端子６３に接続した電極５３と遮光膜５１との間、及び端子６４に接続した電極５３と遮光膜５１との間には、クーロン力による寄生容量Ｃ１がそれぞれ生じる。
【０００９】
そのために、端子６３に接続した電極５３の正電荷に対応する負電荷が遮光膜５１下の絶縁膜５２の表面に誘起され、また端子６４に接続した電極５３の負電荷に対応する正電荷が遮光膜５１下の絶縁膜５２の表面に誘起される。この場合、遮光膜５１が０Ｖ（グランド）に接地されているために、端子６４に接続した電極５３上の絶縁膜５２の表面に発生した正電荷は、０Ｖのグランドに放出されるので、後遮光膜５１下には端子６３に接続された電極５３上の負電荷のみが残留する。図７（ｂ）は、この状態を等価回路的に示すものである。
【００１０】
ここで、端子６３に５Ｖの電圧を印加した場合に、電極５３から遮光膜５１に向かって伸びる電束が、遮光膜５１の平面に対して垂直方向に放出される成分が支配的であることから、この時の寄生容量Ｃ従は次式（１）で表される。即ち、
Ｃ従≒Ｃ１・・・（１）
である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した２次元の固体撮像装置においては垂直レジスタ部の駆動周波数と比較して水平レジスタの駆動周波数は２〜３桁程度高い。例えば、１３０万画素クラスの固体撮像装置においては、１０００倍程度早くなっている。このため、水平レジスタ部の転送パルス電圧の動作周波数を高くして対応しているが、これによって垂直レジスタ部と比較して消費電力を増加させてしまう（図５参照）。
【００１２】
そして、水平レジスタ部５６で生じる消費電力の内、遮光膜５１―電荷転送電極５３間で発生する消費電力Ｐは、固体撮像装置６１全体の消費電力に対して大きな割合を占めているが、消費電力Ｐの具体的な値は、遮光膜５１―電荷転送電極５３間の電位差及び寄生容量Ｃ１との関係によって生じる。
【００１３】
この消費電力Ｐは次式（２）で表わされる。即ち、
【数１】
である。
【００１４】
ここで、電荷転送時の印加電圧による遮光膜５１−電荷転送電極５３間の電位差をＶ、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量をＣ、駆動周波数をｆ、電極素子数をｎとする。
【００１５】
上記の式（２）において、可能な限り駆動周波数ｆの値を上げかつ消費電力Ｐの値を下げるためには、一定の値となる電位差Ｖ及び電極素子数ｎの値を除いて、寄生容量Ｃの値を減少させる必要がある。
【００１６】
しかし、図７（ｂ）の等価回路に示すように、電圧の印加時に遮光膜５１−電荷転送電極５３間に比較的大きな寄生容量Ｃ１（上記Ｃに相当）が発生するために、消費電力Ｐの値を減らすのが容易ではない。
【００１７】
また、電荷転送ゲート部５７の動作速度や、転送パルス波形は、時定数τの大きさと反比例の関係にあり、次式（３）で表わされる。即ち、
τ＝Ｒ×Ｃ・・・（３）
である。
【００１８】
ここで、電荷転送電極５３の抵抗値をＲ、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量をＣとする。
【００１９】
時定数τの値が小さくなるのに従がってパルス波形のなまりが起こりにくくなり、早い動作速度に対応するが、このためには、電荷転送電極５３の抵抗値Ｒは一定の値であるために、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量Ｃの値を減少する必要がある。
【００２０】
しかし、上述のように、寄生容量Ｃ１の値が比較的大きいために、時定数τも減少し難く、従って動作速度を増大させ難く、転送パルス波形が劣化し易くなる。
【００２１】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、固体撮像素子又は装置の寄生容量を減少することによって、消費電力を減少させると共に転送パルス波形及び動作速度の向上を図ることができる、電荷転送素子及び固体撮像装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した電荷転送素子に係わるものである。
【００２３】
本発明は又、光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した固体撮像装置に係わるものである。
【００２４】
本発明は又、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、電荷転送素子の動作方法に係わるものである。
【００２５】
本発明は又、光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、固体撮像装置の動作方法に係わるものである。
【００２６】
本発明によれば、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成したことにより、転送電圧をそれぞれの電荷転送電極に印加した際に、これらの電荷転送電極に対応するそれぞれの分割された遮光層に正又は負の電荷が蓄積されても、隣接する遮光層間にのみ寄生容量が発生するように前記制御された電位が作用するために、全体的に寄生容量が減少し、これによって既述した消費電力の減少及び転送時のパルス波形のなまりの緩和により、早い動作速度での駆動を可能とすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記遮光層と前記電荷転送電極との間に寄生容量を生じさせないために、前記複数の遮光層に、その直下の前記電荷転送電極の各転送電位がそれぞれ印加されるように、対応する遮光層と電荷転送電極（特に、各遮光層とこの下部に位置する電荷転送電極）とが電気的に接続されているのが望ましい。
【００２８】
また、第１導電型領域上に第２導電型領域が形成され、この第２導電型領域を含む領域上に前記電荷転送電極が設けられているのが望ましい。
【００２９】
また、前記遮光層の分離位置が、互いに隣接する前記電荷転送電極の境界上の位置であるのが望ましい。
【００３０】
また、前記電荷転送電極が第１電極とこの第１電極に部分的に重なり合った第２電極とからなり、この重なり合った領域上に前記遮光層の分離位置が存在していてよい。
【００３１】
また、前記遮光膜の分離箇所から光が入射しないためには、その分離間隔が０．２μｍ以下であるのが望ましい。
【００３２】
また、遮光膜の遮光能力を発揮するために、その層厚が１００ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００３３】
また、電荷転送領域に入射光を到達させないために、前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が２０ｎｍ以上である望ましい。
【００３４】
また、前記した寄生容量の減少のためには、前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が、隣接する前記遮光膜間の間隔よりも小さいのが望ましい。
【００３５】
また、電荷転送素子が、２次元固体撮像装置の水平レジスタ部及び／又は垂直レジスタ部を構成するのが望ましい。
【００３６】
また、電荷転送素子が、１次元固体撮像装置のレジスタ部を構成するのが望ましい。
【００３７】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００３８】
第１の実施の形態
図１に示す電荷転送素子１９からなる固体撮像装置１１においては、電荷転送電極３が電極３ａと電極３ｂとの組み合わせからなり、かつこの電荷転送電極３に対応してＷやＡｌ等の遮光膜１が分割されている点に加えて、この遮光膜１がその直下の隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向して配列されかつこれらの電極とそれぞれ電気的に接続され、例えば互いに異なる０Ｖと５Ｖの転送電位が交互に印加される点が、図６の固体撮像装置６１と根本的に相違している。但し、同一構造部分の説明は省略する。
【００３９】
また、図２（ａ）は、図１の構造とは異なって電荷転送電極３が単層からなっていて、固体撮像装置１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）を構成する構造を示す。遮光膜１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態における固体撮像素子１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）は、図５のＡ−Ａ’線断面として示すように、Ｓｉ等からなるＰ型半導体基板５にＮ型ウェル１８が形成され、このウェル内に電荷転送領域となるＮ−型の複数の埋め込みチャンネル領域１６が形成されており、このチャンネル領域１６とこのチャンネル領域１６上の絶縁膜４とこの絶縁膜４上の電荷転送電極３とが一組になって、電荷転送ゲート部７を構成している。
【００４１】
更に、このゲート部７上の層間絶縁膜２上には、半導体基板５へ光を透過させないための遮光膜１が形成されている。
【００４２】
この遮光膜１は、各転送ゲート毎に複数に分割されていると共に、互いに異なる転送電位が印加される隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向し、かつ電荷転送電極３ａ及び３ｂに電気的に接続され、電荷転送電極３ａ及び３ｂに印加されるのと同様の制御された電位が印加されるように構成されており、更には各々の遮光膜１を分離する分離部１７が、隣り合う電極３間の境界上に位置している。分離部１７の分離幅ｄは０．２μｍ以下である。
【００４３】
ここで、遮光膜１の分離位置は、互いに隣接する電荷転送電極３の境界の上部に位置するのが望ましいが、この分離位置が、電荷転送電極３ａと、この電極３ａに部分的に重なり合った電荷転送電極３ｂとの重なり合った領域上の位置にあってもよい。これらの電極は例えば２層ポリシリコンからなっている。
【００４４】
遮光膜１の分離部１７から層間絶縁膜２内へ外部からの光を入射させないためには、分離間隔ｄが０．２μｍ以下であるのが望ましい（”ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯＮ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ”， Ｖｏｌ４４， Ｎｏ．１０ （１９９７） １５９９−１６０２参照）。また、遮光層１の遮光能力を発揮するためには、遮光膜１の厚さｔが１００ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００４５】
また、電荷転送領域である半導体基板５に外部からの入射光を到達させないためには、層間絶縁膜２の表面と半導体基板５の表面との間の距離Ｔが２０ｎｍ以上であるのが望ましいが、膜厚の比較的大きい層間絶縁膜２の存在によって、常に２０ｎｍ以上となる。
【００４６】
これらの条件を満たすと、外部からの入射光が半導体基板５に到達してノイズ成分となる電荷が発生することを確実に防止できる。
【００４７】
また、電荷転送ゲート部７は、本実施の形態に示すような２次元の固体撮像装置１１の水平レジスタ部６及び／又は垂直レジスタ部９（図５参照）を構成するのみならず、１次元の固体撮像装置のレジスタ部を構成してもよい。
【００４８】
次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、固体撮像装置１１の電荷転送過程を詳しく述べる。
【００４９】
入力端子１３にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、分割された各遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されていて短絡状態となり、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された電位がそれぞれ印加されるように構成されているので、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間、及び端子１３に接続された電極３と遮光膜１との間には、クーロン力による寄生容量Ｃ１がそれぞれ生じることはない。
【００５０】
そのために、端子１３に接続された電極３の正電荷に対応する負電荷が、対応する遮光膜１に誘起されることはなく、端子１４に接続された電極３の負電荷に対応する正電荷が、対応する別の遮光膜１に誘起されることもない。
【００５１】
そして、それぞれの遮光膜１は、従来のように０Ｖ（グランド）に接地されないで電極３とショートした状態であるために、端子１４に接続された電極３上の遮光膜１には対応する電極３と同様の負電荷が生じ、端子１３に接続された電極３上の遮光膜１には対応する電極３と同様の正電荷が生じることになり、それぞれの遮光膜１−電極３間には寄生容量Ｃ１が生じないが、端子１４に接続された電極３上の遮光膜１に生じる正電荷と、端子１３に接続した電極３上の遮光膜１に生じる負電荷との間には寄生容量Ｃ２が生じる。
【００５２】
仮に、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されずに短絡状態でなければ、各電極３−遮光膜１間にはそれぞれ寄生容量Ｃ１が生じ、各電極３−３間には寄生容量Ｃ２が生じる状態となる。
【００５３】
ここで、固体撮像装置１１全体の寄生容量Ｃの値であるが、これは、下記の計算式（４）によって算出される。
【００５４】
即ち、遮光膜１−電荷転送電極３間のそれぞれの寄生容量をＣ１、隣り合う遮光膜１間の寄生容量をＣ２、固体撮像装置１１全体の寄生容量をＣ新とすると、Ｃ新の値は下記の式で表される。即ち、
【数２】
である。
【００５５】
さて、一般に寄生容量Ｃの値は下記の計算式（５）で求められる。即ち、
【数３】
である。
【００５６】
ここで、Ｓはコンデンサの面積であり、ｄは遮光膜１−電極３間、遮光膜１−遮光膜１間又は電極３−電極３間の平行する平板間の距離であり、ε０とεｒとは一定の値の係数である。
【００５７】
ここで、図２の構造に示すように、遮光膜１−電極３間のコンデンサ面積をＳ１とし隣接する遮光膜１間のコンデンサ面積をＳ２とすると、Ｓ１＞＞Ｓ２の関係が生じ、更には、遮光膜１−電極３間の距離をｄ１とし隣接する遮光膜１間の距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２の関係が生じることから、上記の計算式（５）にこれらの関係を当てはめて計算すると、Ｃ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つ。
【００５８】
実際には、遮光膜１と電極３との間がショートしていて寄生容量Ｃ１が生じていないために、本実施の形態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（６）で表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ２・・・（６）
である。
【００５９】
従って、図２（ｂ）の等価回路に示すように各電極３−３間には、寄生容量Ｃ２のみが生じた状態となる。
【００６０】
ここで、上記の式（６）の算出は、図２の如く入力端子１３及び１４に接続された単層の電極３のみの構造を用いて行ったが、図１の如く２層又はそれ以上の転送電極を用いる構造であっても、式（６）で示される結果に変わりはない。
【００６１】
そして、既述した従来の固体撮像装置６１の寄生容量Ｃ従はＣ１と同じ（Ｃ従≒Ｃ１、式（１）参照）であるのに対し、上記式（６）で表される本実施の形態の寄生容量Ｃ新はＣ２と同じ（Ｃ新≒Ｃ２、式（６）参照）であり、かつ既述したようにＣ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つので、下記の式（７）で示されるように、Ｃ新はＣ従よりも小さくなる。即ち、
Ｃ従≒Ｃ１＞＞Ｃ新≒Ｃ２・・・（７）
である。
【００６２】
上記の式（７）から、本実施の形態における寄生容量Ｃ新の値が従来の寄生容量Ｃ従の値よりも小さくなって、全体の寄生容量が減少していることが分かる。
【００６３】
このＣ新の値とＣ従の値とを、既述した消費電力Ｐを求める式（２）に代入すると、本実施の形態の消費電力Ｐ新と従来の消費電力Ｐ従との関係は、次式（８）のようになる。即ち、
【数４】
である。
【００６４】
上記の式（８）において、一定の値である電極素子数ｎ、及び遮光膜１−電荷転送電極３間の電位差Ｖと共に、駆動周波数ｆの値を一定にすると、Ｐ従＞Ｐ新となり、本実施の形態によって、固体撮像装置１１の消費電力Ｐの値を減少させることができる。本実施の形態では、上記の電位差Ｖはゼロとなるので、Ｐ新はゼロとなり、Ｐ従よりも大幅に小さくなる。
【００６５】
また、上記の式（８）において、既に一定の値である電極素子数ｎ及び遮光膜１−電荷転送電極３間の電位差Ｖと共に、消費電力Ｐの値を一定にすると、ｆ新＞ｆ従となり、本実施の形態によって、固体撮像装置１１の駆動周波数ｆの値を増大することができる。
【００６６】
更に、上記のＣ新の値とＣ従の値を、時定数τを求める上述の式（３）に代入すると、本実施の形態の時定数τ新と従来の時定数τ従との関係は、次式（９）のようになる。即ち、
τ従＝ＲＣ従＞ＲＣ新＝τ新 ・・・（９）
である。
【００６７】
この式（９）によれば、Ｃ従＞＞Ｃ新の関係が存在し、更に電荷転送電極の抵抗Ｒの値が一定であるために、τ従＞＞τ新となり、本実施の形態によって、時定数τの値が小さくなる事からパルスなまりが小さくなり、これに応じて転送効率と同時に動作速度が増大することが可能になる。
【００６８】
上述のように、本実施の形態によれば、水平レジスタ部６の遮光膜１が複数に分割され、かつ分割されたそれぞれの遮光膜１とこれらの遮光膜１に対応する電極３とが電気的に接続されて、遮光膜１と電極３と同じ電圧が印加されているので、電荷転送パルス電圧をそれぞれの電荷転送電極３に印加した際に、これらの電荷転送電極３に対応するそれぞれの分割された遮光層１に、電荷転送電極３と同じ正又は負の電荷が蓄積されて寄生容量Ｃ１がそれぞれ発生せず、かつ隣接する遮光層１間のみに寄生容量Ｃ２が発生するが、この寄生容量Ｃ２が寄生容量Ｃ１よりも小さいために、固体撮像装置１１の全体の寄生容量を減少することができ、ひいては水平レジスタ部６の消費電力の減少及び動作速度の増大を可能とし、良好な電荷転送効率を有する固体撮像装置１１を提供することができる。
【００６９】
また、消費電力の減少によって固体撮像装置１１の電力消費による発熱を抑えることができるので、白点抑制及び暗電流の低減にも効果のある固体撮像装置１１を提供できる。
【００７０】
第２の実施の形態
図３に示す電荷転送素子１９からなる固体撮像装置１１においては、隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向して配列されかつこれらの電極のいずれか一方と電気的に接続され、例えば０Ｖ又は５Ｖの転送電位が交互に印加される遮光膜１と、０Ｖに接地された遮光膜１とが面方向に交互に配置されている点が、図６の固体撮像装置６１と根本的に相違している。但し、同一構造部分の説明は省略する。
【００７１】
また、図４（ａ）は、図３の構造とは異なって電荷転送電極３が単層からなっていて、固体撮像装置１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）を構成する構造を示す。遮光膜１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【００７２】
ここで、遮光膜１は、各転送ゲート毎に複数に分割されていると共に、互いに異なる転送電位が印加される直下の隣接した電荷転送電極３に対向していて、電荷転送電極３に電気的に接続され、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された電位が印加されるように構成されたものと、接地されたものとが、面方向に交互に配置されている。
【００７３】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、固体撮像装置１１の電荷転送過程を詳しく述べる。
【００７４】
入力端子１３にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、入力端子１３側においては、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されて短絡状態となり、更には、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された正電位が印加されるように構成されているので、端子１３に接続された電極３と遮光膜１とが同電位となってそれぞれに正電荷が滞留し、クーロン力による寄生容量Ｃ１は生じない。
【００７５】
また、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間においては、端子１４に接続された電極３の負電荷に対応する正電荷が、対応する遮光膜１に瞬間的に誘起されるが、この遮光膜１が接地されているために正電荷が滞留しなくなって無電荷の状態になり、その結果、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間の寄生容量Ｃ１が生じなくなって、隣接する遮光膜１間の寄生容量Ｃ２のみが生じることになる。
【００７６】
それゆえ、この状態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（１０）によって表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ２・・・（１０）
である。
【００７７】
次に、入力端子１３にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、入力端子１３側においては、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されて短絡状態となり、更には、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された負電位が印加されるように構成されているので、端子１３に接続された電極３と遮光膜１とが同電位となってそれぞれに負電荷が滞留し、クーロン力による寄生容量Ｃ１は生じない。
【００７８】
更に、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間においては、端子１４に接続された電極３の正電荷に対応する負電荷が、対応する遮光膜１に誘起され、０Ｖに接地されていてもこの負電荷が遮光膜１内に滞留するために、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間の寄生容量Ｃ１は生じるが、隣接する遮光膜１間の寄生容量Ｃ２は生じない。
【００７９】
ここで、この状態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（１１）によって表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ１・・・（１１）
である。
【００８０】
従って、上記したことから、各電極３−３間には、寄生容量Ｃ１のみが生じる状態と寄生容量Ｃ２のみが生じる状態とが、異なった電圧が印加される度に交互に発生することになる。ここで、上記のようにＣ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つこのため、次に示すように、固体撮像装置１１全体の寄生容量Ｃを動作中を通してトータルでは減少させることができる。
Ｃ従≒Ｃ１＞＞Ｃ２≒Ｃ新、又は Ｃ従≒Ｃ１≒Ｃ新・・・（１２）
である。
【００８１】
上記の式（１２）の算出は、図４の如く入力端子１３及び１４に接続された単層の電極３のみの構造を用いて行ったが、図３の如く２層又はそれ以上の転送電極を用いる構造であっても、式（１２）で示される結果に変わりはない。
【００８２】
そして、既述した従来の固体撮像装置６１の寄生容量Ｃ従はＣ１と同じ（Ｃ従≒Ｃ１、式（１）参照）であるのに対し、上記式（１２）で表される本実施の形態の寄生容量Ｃ新の値は、Ｃ１か或いはＣ２となり、遮光膜１−電極３間が短絡した状態の入力端子１３に５Ｖの電圧が印加される時には、寄生容量がＣ２となって従来のＣ従の値よりも小さくなり、全体の寄生容量としては減少していることが分かる。
【００８３】
その他、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。また、端子１４側では、遮光膜１に接続される配線が、一方は転送電位用であり、他方は接地配線であるが、この接地配線は転送電位用とは異なる側で形成可能であることから、その接地配線の形成が容易となる。
【００８４】
以上に述べた実施の形態は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
【００８５】
例えば、遮光膜１に与える電位は上述したものに限られることなく、種々変更してよい。また、一つの入力端子に接続される電極数は上述の実施の形態のように１個又は２個に限られず、任意に変更してもよいし、印加する電荷転送パルス電圧も２相以上であってもよい。
【００８６】
また、遮光膜１、遮光膜１の分離幅（スリット１７）は変更してよいし、絶縁膜２及び４、その他の構成部分の形状、サイズ、材質等は種々であってよく、また転送部の構成も変更してよい。
【００８７】
上述した分割された遮光膜を有する転送部の構造は、２次元の固体撮像装置の場合は垂直ＣＣＤにも採用してよいし、水平ＣＣＤ及び垂直ＣＣＤの少なくとも一方に採用してよい。さらには一次元の固体撮像装置に用いてもよい。
【００８８】
【発明の作用効果】
上述したように、本発明によれば、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成したことにより、転送電圧をそれぞれの電荷転送電極に印加した際に、これらの電荷転送電極に対応するそれぞれの分割された遮光層に正又は負の電荷が蓄積されても、隣接する遮光層間にのみ寄生容量が発生するように前記制御された電位が作用するために、全体的に寄生容量が減少し、これによって既述した消費電力の減少及び転送時のパルス波形のなまりの緩和により、早い動作速度での駆動を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図２】同、他の固体撮像装置の要部断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図４】同、他の固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図５】固体撮像装置のレイアウト図である。
【図６】従来例による固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図７】同、他の固体撮像装置の要部概略断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【符号の説明】
１、５１…遮光膜、２、４…絶縁膜、
３、３ａ、３ｂ、５３ａ、５３ｂ…電荷転送電極、５…基板、
６…水平レジスタ部、７…電荷転送ゲート部、８…画素部、
９…垂直レジスタ部、１１…固体撮像装置、１３、１４…入力端子、
１５…イメージ部、１６…埋め込みチャンネル領域、１７…分離部、
１８…ウェル、１９…電荷転送素子、
Ｃ１…遮光膜−電荷転送電極間の寄生容量、
Ｃ２…隣接する遮光膜間の寄生容量、ｄ…隣接する遮光膜間の分離幅、
ｔ…遮光膜の厚さ、Ｔ…遮光膜下面−基板表面間の距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して遮光層が設けられている電荷転送素子、及びこの電荷転送素子を具備する固体撮像装置、並びにこれらの動作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の固体撮像装置６１における水平レジスタ部５６を示す。
【０００３】
このレジスタ部はＨＣＣＤ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｓｅ：以下、同様）として、例えば、ｐ型シリコン半導体基板５５に形成したＮ型ウェル６８に、電荷転送領域となるＮ−型（埋め込みチャンネル）領域６６上にＳｉＯ２からなる層間絶縁膜５４を形成し、この上に端部が部分的に重なり合った２層ポリシリコンからなる電荷転送電極５３ａ及び５３ｂを２相駆動用として設け、これらの電極の組み合せ（一対）毎に共通した転送信号φＨ１、φＨ２を交互に印加して、垂直レジスタ部（ここでは図示せず）からの転送電荷を順次転送する。
【０００４】
各転送電極は絶縁膜５２によって被覆され、更にこの上の全面に、接地されたＷやＡｌ等の遮光膜５１を形成して、外光の入射を防止している。なお、遮光膜５１はＷ又はＡｌ等の金属からなり、０Ｖ（グランド）に接地されていて、電荷転送ゲート部５７を含む水平レジスタ部５６の全面を覆うように形成されている。遮光膜５１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【０００５】
図７（ａ）は、図６に示した構造と原理的には同様の２相駆動を行う電荷転送電極５３を単層の電極とした構造を示す。以降の説明においては、図７（ａ）の固体撮像装置６１を用いて説明することとする。
【０００６】
次に、水平レジスタ部５６を含む２次元の固体撮像装置６１の電荷転送過程を簡略に示すと、図５において、固体撮像装置６１のイメージ部１５を成す画素部８に入射した入射光によって画素部８内に電荷が生じ、この電荷が画素部８から垂直レジスタ部（ＶＣＣＤ、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｓｅ：以下、同様）９へと転送され、更に電荷は垂直レジスタ部９から水平レジスタ部５６へと転送される。
【０００７】
水平レジスタ部５６においては、図７（ａ）に示すように、２相（φＨ１（ＶＨ）６３及びφＨ２（ＶＬ）６４、ＶＨ＝５Ｖ、ＶＬ＝０Ｖ）の異なる転送パルス電圧がそれぞれの電荷転送電極５３に交互に印加されることにより、水平レジスタ部５６に転送された電荷は、チャンネル領域６６を介して順次転送され、増幅器１０を通して出力される。
【０００８】
こうした電荷転送動作において、図７（ａ）に示すように、φＨ１（ＶＨ）６３として５Ｖの転送パルス電圧を印加し、φＨ２（ＶＬ）６４として０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、端子６３に接続した電極５３と遮光膜５１との間、及び端子６４に接続した電極５３と遮光膜５１との間には、クーロン力による寄生容量Ｃ１がそれぞれ生じる。
【０００９】
そのために、端子６３に接続した電極５３の正電荷に対応する負電荷が遮光膜５１下の絶縁膜５２の表面に誘起され、また端子６４に接続した電極５３の負電荷に対応する正電荷が遮光膜５１下の絶縁膜５２の表面に誘起される。この場合、遮光膜５１が０Ｖ（グランド）に接地されているために、端子６４に接続した電極５３上の絶縁膜５２の表面に発生した正電荷は、０Ｖのグランドに放出されるので、後遮光膜５１下には端子６３に接続された電極５３上の負電荷のみが残留する。図７（ｂ）は、この状態を等価回路的に示すものである。
【００１０】
ここで、端子６３に５Ｖの電圧を印加した場合に、電極５３から遮光膜５１に向かって伸びる電束が、遮光膜５１の平面に対して垂直方向に放出される成分が支配的であることから、この時の寄生容量Ｃ従は次式（１）で表される。即ち、
Ｃ従≒Ｃ１・・・（１）
である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した２次元の固体撮像装置においては垂直レジスタ部の駆動周波数と比較して水平レジスタの駆動周波数は２〜３桁程度高い。例えば、１３０万画素クラスの固体撮像装置においては、１０００倍程度早くなっている。このため、水平レジスタ部の転送パルス電圧の動作周波数を高くして対応しているが、これによって垂直レジスタ部と比較して消費電力を増加させてしまう（図５参照）。
【００１２】
そして、水平レジスタ部５６で生じる消費電力の内、遮光膜５１―電荷転送電極５３間で発生する消費電力Ｐは、固体撮像装置６１全体の消費電力に対して大きな割合を占めているが、消費電力Ｐの具体的な値は、遮光膜５１―電荷転送電極５３間の電位差及び寄生容量Ｃ１との関係によって生じる。
【００１３】
この消費電力Ｐは次式（２）で表わされる。即ち、
【数１】
【００１４】
ここで、電荷転送時の印加電圧による遮光膜５１−電荷転送電極５３間の電位差をＶ、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量をＣ、駆動周波数をｆ、電極素子数をｎとする。
【００１５】
上記の式（２）において、可能な限り駆動周波数ｆの値を上げかつ消費電力Ｐの値を下げるためには、一定の値となる電位差Ｖ及び電極素子数ｎの値を除いて、寄生容量Ｃの値を減少させる必要がある。
【００１６】
しかし、図７（ｂ）の等価回路に示すように、電圧の印加時に遮光膜５１−電荷転送電極５３間に比較的大きな寄生容量Ｃ１（上記Ｃに相当）が発生するために、消費電力Ｐの値を減らすのが容易ではない。
【００１７】
また、電荷転送ゲート部５７の動作速度や、転送パルス波形は、時定数τの大きさと反比例の関係にあり、次式（３）で表わされる。即ち、
τ＝Ｒ×Ｃ・・・（３）
である。
【００１８】
ここで、電荷転送電極５３の抵抗値をＲ、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量をＣとする。
【００１９】
時定数τの値が小さくなるのに従がってパルス波形のなまりが起こりにくくなり、早い動作速度に対応するが、このためには、電荷転送電極５３の抵抗値Ｒは一定の値であるために、遮光膜５１−電荷転送電極５３間の寄生容量Ｃの値を減少する必要がある。
【００２０】
しかし、上述のように、寄生容量Ｃ１の値が比較的大きいために、時定数τも減少し難く、従って動作速度を増大させ難く、転送パルス波形が劣化し易くなる。
【００２１】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、固体撮像素子又は装置の寄生容量を減少することによって、消費電力を減少させると共に転送パルス波形及び動作速度の向上を図ることができる、電荷転送素子及び固体撮像装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した電荷転送素子に係わるものである。
【００２３】
本発明は又、光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した固体撮像装置に係わるものである。
【００２４】
本発明は又、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、電荷転送素子の動作方法に係わるものである。
【００２５】
本発明は又、光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、固体撮像装置の動作方法に係わるものである。
【００２６】
本発明によれば、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成したことにより、転送電圧をそれぞれの電荷転送電極に印加した際に、これらの電荷転送電極に対応するそれぞれの分割された遮光層に正又は負の電荷が蓄積されても、隣接する遮光層間にのみ寄生容量が発生するように前記制御された電位が作用するために、全体的に寄生容量が減少し、これによって既述した消費電力の減少及び転送時のパルス波形のなまりの緩和により、早い動作速度での駆動を可能とすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記遮光層と前記電荷転送電極との間に寄生容量を生じさせないために、前記複数の遮光層に、その直下の前記電荷転送電極の各転送電位がそれぞれ印加されるように、対応する遮光層と電荷転送電極（特に、各遮光層とこの下部に位置する電荷転送電極）とが電気的に接続されているのが望ましい。
【００２８】
また、第１導電型領域上に第２導電型領域が形成され、この第２導電型領域を含む領域上に前記電荷転送電極が設けられているのが望ましい。
【００２９】
また、前記遮光層の分離位置が、互いに隣接する前記電荷転送電極の境界上の位置であるのが望ましい。
【００３０】
また、前記電荷転送電極が第１電極とこの第１電極に部分的に重なり合った第２電極とからなり、この重なり合った領域上に前記遮光層の分離位置が存在していてよい。
【００３１】
また、前記遮光膜の分離箇所から光が入射しないためには、その分離間隔が０．２μｍ以下であるのが望ましい。
【００３２】
また、遮光膜の遮光能力を発揮するために、その層厚が１００ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００３３】
また、電荷転送領域に入射光を到達させないために、前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が２０ｎｍ以上である望ましい。
【００３４】
また、前記した寄生容量の減少のためには、前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が、隣接する前記遮光膜間の間隔よりも小さいのが望ましい。
【００３５】
また、電荷転送素子が、２次元固体撮像装置の水平レジスタ部及び／又は垂直レジスタ部を構成するのが望ましい。
【００３６】
また、電荷転送素子が、１次元固体撮像装置のレジスタ部を構成するのが望ましい。
【００３７】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００３８】
第１の実施の形態
図１に示す電荷転送素子１９からなる固体撮像装置１１においては、電荷転送電極３が電極３ａと電極３ｂとの組み合わせからなり、かつこの電荷転送電極３に対応してＷやＡｌ等の遮光膜１が分割されている点に加えて、この遮光膜１がその直下の隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向して配列されかつこれらの電極とそれぞれ電気的に接続され、例えば互いに異なる０Ｖと５Ｖの転送電位が交互に印加される点が、図６の固体撮像装置６１と根本的に相違している。但し、同一構造部分の説明は省略する。
【００３９】
また、図２（ａ）は、図１の構造とは異なって電荷転送電極３が単層からなっていて、固体撮像装置１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）を構成する構造を示す。遮光膜１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態における固体撮像素子１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）は、図５のＡ−Ａ’線断面として示すように、Ｓｉ等からなるＰ型半導体基板５にＮ型ウェル１８が形成され、このウェル内に電荷転送領域となるＮ−型の複数の埋め込みチャンネル領域１６が形成されており、このチャンネル領域１６とこのチャンネル領域１６上の絶縁膜４とこの絶縁膜４上の電荷転送電極３とが一組になって、電荷転送ゲート部７を構成している。
【００４１】
更に、このゲート部７上の層間絶縁膜２上には、半導体基板５へ光を透過させないための遮光膜１が形成されている。
【００４２】
この遮光膜１は、各転送ゲート毎に複数に分割されていると共に、互いに異なる転送電位が印加される隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向し、かつ電荷転送電極３ａ及び３ｂに電気的に接続され、電荷転送電極３ａ及び３ｂに印加されるのと同様の制御された電位が印加されるように構成されており、更には各々の遮光膜１を分離する分離部１７が、隣り合う電極３間の境界上に位置している。分離部１７の分離幅ｄは０．２μｍ以下である。
【００４３】
ここで、遮光膜１の分離位置は、互いに隣接する電荷転送電極３の境界の上部に位置するのが望ましいが、この分離位置が、電荷転送電極３ａと、この電極３ａに部分的に重なり合った電荷転送電極３ｂとの重なり合った領域上の位置にあってもよい。これらの電極は例えば２層ポリシリコンからなっている。
【００４４】
遮光膜１の分離部１７から層間絶縁膜２内へ外部からの光を入射させないためには、分離間隔ｄが０．２μｍ以下であるのが望ましい（”ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯＮ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ”， Ｖｏｌ４４， Ｎｏ．１０ （１９９７） １５９９−１６０２参照）。また、遮光層１の遮光能力を発揮するためには、遮光膜１の厚さｔが１００ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００４５】
また、電荷転送領域である半導体基板５に外部からの入射光を到達させないためには、層間絶縁膜２の表面と半導体基板５の表面との間の距離Ｔが２０ｎｍ以上であるのが望ましいが、膜厚の比較的大きい層間絶縁膜２の存在によって、常に２０ｎｍ以上となる。
【００４６】
これらの条件を満たすと、外部からの入射光が半導体基板５に到達してノイズ成分となる電荷が発生することを確実に防止できる。
【００４７】
また、電荷転送ゲート部７は、本実施の形態に示すような２次元の固体撮像装置１１の水平レジスタ部６及び／又は垂直レジスタ部９（図５参照）を構成するのみならず、１次元の固体撮像装置のレジスタ部を構成してもよい。
【００４８】
次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、固体撮像装置１１の電荷転送過程を詳しく述べる。
【００４９】
入力端子１３にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、分割された各遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されていて短絡状態となり、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された電位がそれぞれ印加されるように構成されているので、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間、及び端子１３に接続された電極３と遮光膜１との間には、クーロン力による寄生容量Ｃ１がそれぞれ生じることはない。
【００５０】
そのために、端子１３に接続された電極３の正電荷に対応する負電荷が、対応する遮光膜１に誘起されることはなく、端子１４に接続された電極３の負電荷に対応する正電荷が、対応する別の遮光膜１に誘起されることもない。
【００５１】
そして、それぞれの遮光膜１は、従来のように０Ｖ（グランド）に接地されないで電極３とショートした状態であるために、端子１４に接続された電極３上の遮光膜１には対応する電極３と同様の負電荷が生じ、端子１３に接続された電極３上の遮光膜１には対応する電極３と同様の正電荷が生じることになり、それぞれの遮光膜１−電極３間には寄生容量Ｃ１が生じないが、端子１４に接続された電極３上の遮光膜１に生じる正電荷と、端子１３に接続した電極３上の遮光膜１に生じる負電荷との間には寄生容量Ｃ２が生じる。
【００５２】
仮に、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されずに短絡状態でなければ、各電極３−遮光膜１間にはそれぞれ寄生容量Ｃ１が生じ、各電極３−３間には寄生容量Ｃ２が生じる状態となる。
【００５３】
ここで、固体撮像装置１１全体の寄生容量Ｃの値であるが、これは、下記の計算式（４）によって算出される。
【００５４】
即ち、遮光膜１−電荷転送電極３間のそれぞれの寄生容量をＣ１、隣り合う遮光膜１間の寄生容量をＣ２、固体撮像装置１１全体の寄生容量をＣ新とすると、Ｃ新の値は下記の式で表される。即ち、
【数２】
【００５５】
さて、一般に寄生容量Ｃの値は下記の計算式（５）で求められる。即ち、
【数３】
【００５６】
ここで、Ｓはコンデンサの面積であり、ｄは遮光膜１−電極３間、遮光膜１−遮光膜１間又は電極３−電極３間の平行する平板間の距離であり、ε０とεｒとは一定の値の係数である。
【００５７】
ここで、図２の構造に示すように、遮光膜１−電極３間のコンデンサ面積をＳ１とし隣接する遮光膜１間のコンデンサ面積をＳ２とすると、Ｓ１＞＞Ｓ２の関係が生じ、更には、遮光膜１−電極３間の距離をｄ１とし隣接する遮光膜１間の距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２の関係が生じることから、上記の計算式（５）にこれらの関係を当てはめて計算すると、Ｃ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つ。
【００５８】
実際には、遮光膜１と電極３との間がショートしていて寄生容量Ｃ１が生じていないために、本実施の形態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（６）で表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ２・・・（６）
である。
【００５９】
従って、図２（ｂ）の等価回路に示すように各電極３−３間には、寄生容量Ｃ２のみが生じた状態となる。
【００６０】
ここで、上記の式（６）の算出は、図２の如く入力端子１３及び１４に接続された単層の電極３のみの構造を用いて行ったが、図１の如く２層又はそれ以上の転送電極を用いる構造であっても、式（６）で示される結果に変わりはない。
【００６１】
そして、既述した従来の固体撮像装置６１の寄生容量Ｃ従はＣ１と同じ（Ｃ従≒Ｃ１、式（１）参照）であるのに対し、上記式（６）で表される本実施の形態の寄生容量Ｃ新はＣ２と同じ（Ｃ新≒Ｃ２、式（６）参照）であり、かつ既述したようにＣ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つので、下記の式（７）で示されるように、Ｃ新はＣ従よりも小さくなる。即ち、
Ｃ従≒Ｃ１＞＞Ｃ新≒Ｃ２・・・（７）
である。
【００６２】
上記の式（７）から、本実施の形態における寄生容量Ｃ新の値が従来の寄生容量Ｃ従の値よりも小さくなって、全体の寄生容量が減少していることが分かる。
【００６３】
このＣ新の値とＣ従の値とを、既述した消費電力Ｐを求める式（２）に代入すると、本実施の形態の消費電力Ｐ新と従来の消費電力Ｐ従との関係は、次式（８）のようになる。即ち、
【数４】
【００６４】
上記の式（８）において、一定の値である電極素子数ｎ、及び遮光膜１−電荷転送電極３間の電位差Ｖと共に、駆動周波数ｆの値を一定にすると、Ｐ従＞Ｐ新となり、本実施の形態によって、固体撮像装置１１の消費電力Ｐの値を減少させることができる。本実施の形態では、上記の電位差Ｖはゼロとなるので、Ｐ新はゼロとなり、Ｐ従よりも大幅に小さくなる。
【００６５】
また、上記の式（８）において、既に一定の値である電極素子数ｎ及び遮光膜１−電荷転送電極３間の電位差Ｖと共に、消費電力Ｐの値を一定にすると、ｆ新＞ｆ従となり、本実施の形態によって、固体撮像装置１１の駆動周波数ｆの値を増大することができる。
【００６６】
更に、上記のＣ新の値とＣ従の値を、時定数τを求める上述の式（３）に代入すると、本実施の形態の時定数τ新と従来の時定数τ従との関係は、次式（９）のようになる。即ち、
τ従＝ＲＣ従＞ＲＣ新＝τ新 ・・・（９）
である。
【００６７】
この式（９）によれば、Ｃ従＞＞Ｃ新の関係が存在し、更に電荷転送電極の抵抗Ｒの値が一定であるために、τ従＞＞τ新となり、本実施の形態によって、時定数τの値が小さくなる事からパルスなまりが小さくなり、これに応じて転送効率と同時に動作速度が増大することが可能になる。
【００６８】
上述のように、本実施の形態によれば、水平レジスタ部６の遮光膜１が複数に分割され、かつ分割されたそれぞれの遮光膜１とこれらの遮光膜１に対応する電極３とが電気的に接続されて、遮光膜１と電極３と同じ電圧が印加されているので、電荷転送パルス電圧をそれぞれの電荷転送電極３に印加した際に、これらの電荷転送電極３に対応するそれぞれの分割された遮光層１に、電荷転送電極３と同じ正又は負の電荷が蓄積されて寄生容量Ｃ１がそれぞれ発生せず、かつ隣接する遮光層１間のみに寄生容量Ｃ２が発生するが、この寄生容量Ｃ２が寄生容量Ｃ１よりも小さいために、固体撮像装置１１の全体の寄生容量を減少することができ、ひいては水平レジスタ部６の消費電力の減少及び動作速度の増大を可能とし、良好な電荷転送効率を有する固体撮像装置１１を提供することができる。
【００６９】
また、消費電力の減少によって固体撮像装置１１の電力消費による発熱を抑えることができるので、白点抑制及び暗電流の低減にも効果のある固体撮像装置１１を提供できる。
【００７０】
第２の実施の形態
図３に示す電荷転送素子１９からなる固体撮像装置１１においては、隣接した電荷転送電極３ａ及び３ｂに対向して配列されかつこれらの電極のいずれか一方と電気的に接続され、例えば０Ｖ又は５Ｖの転送電位が交互に印加される遮光膜１と、０Ｖに接地された遮光膜１とが面方向に交互に配置されている点が、図６の固体撮像装置６１と根本的に相違している。但し、同一構造部分の説明は省略する。
【００７１】
また、図４（ａ）は、図３の構造とは異なって電荷転送電極３が単層からなっていて、固体撮像装置１１の水平レジスタ部６（ＨＣＣＤ）を構成する構造を示す。遮光膜１より上層の構造については、簡略化のためにその説明を省略する。
【００７２】
ここで、遮光膜１は、各転送ゲート毎に複数に分割されていると共に、互いに異なる転送電位が印加される直下の隣接した電荷転送電極３に対向していて、電荷転送電極３に電気的に接続され、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された電位が印加されるように構成されたものと、接地されたものとが、面方向に交互に配置されている。
【００７３】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、固体撮像装置１１の電荷転送過程を詳しく述べる。
【００７４】
入力端子１３にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、入力端子１３側においては、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されて短絡状態となり、更には、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された正電位が印加されるように構成されているので、端子１３に接続された電極３と遮光膜１とが同電位となってそれぞれに正電荷が滞留し、クーロン力による寄生容量Ｃ１は生じない。
【００７５】
また、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間においては、端子１４に接続された電極３の負電荷に対応する正電荷が、対応する遮光膜１に瞬間的に誘起されるが、この遮光膜１が接地されているために正電荷が滞留しなくなって無電荷の状態になり、その結果、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間の寄生容量Ｃ１が生じなくなって、隣接する遮光膜１間の寄生容量Ｃ２のみが生じることになる。
【００７６】
それゆえ、この状態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（１０）によって表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ２・・・（１０）
である。
【００７７】
次に、入力端子１３にφＨ２（ＶＬ）、例えば０Ｖの転送パルス電圧を印加し、入力端子１４にφＨ１（ＶＨ）、例えば５Ｖの転送パルス電圧を印加した際に、入力端子１３側においては、遮光膜１が電荷転送電極３に電気的に接続されて短絡状態となり、更には、電荷転送電極３に印加されるのと同様の制御された負電位が印加されるように構成されているので、端子１３に接続された電極３と遮光膜１とが同電位となってそれぞれに負電荷が滞留し、クーロン力による寄生容量Ｃ１は生じない。
【００７８】
更に、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間においては、端子１４に接続された電極３の正電荷に対応する負電荷が、対応する遮光膜１に誘起され、０Ｖに接地されていてもこの負電荷が遮光膜１内に滞留するために、端子１４に接続された電極３と遮光膜１との間の寄生容量Ｃ１は生じるが、隣接する遮光膜１間の寄生容量Ｃ２は生じない。
【００７９】
ここで、この状態における合成寄生容量Ｃ新の値は下記の式（１１）によって表される。即ち、
Ｃ新≒Ｃ１・・・（１１）
である。
【００８０】
従って、上記したことから、各電極３−３間には、寄生容量Ｃ１のみが生じる状態と寄生容量Ｃ２のみが生じる状態とが、異なった電圧が印加される度に交互に発生することになる。ここで、上記のようにＣ１＞＞Ｃ２の関係が成り立つこのため、次に示すように、固体撮像装置１１全体の寄生容量Ｃを動作中を通してトータルでは減少させることができる。
Ｃ従≒Ｃ１＞＞Ｃ２≒Ｃ新、又は Ｃ従≒Ｃ１≒Ｃ新・・・（１２）
である。
【００８１】
上記の式（１２）の算出は、図４の如く入力端子１３及び１４に接続された単層の電極３のみの構造を用いて行ったが、図３の如く２層又はそれ以上の転送電極を用いる構造であっても、式（１２）で示される結果に変わりはない。
【００８２】
そして、既述した従来の固体撮像装置６１の寄生容量Ｃ従はＣ１と同じ（Ｃ従≒Ｃ１、式（１）参照）であるのに対し、上記式（１２）で表される本実施の形態の寄生容量Ｃ新の値は、Ｃ１か或いはＣ２となり、遮光膜１−電極３間が短絡した状態の入力端子１３に５Ｖの電圧が印加される時には、寄生容量がＣ２となって従来のＣ従の値よりも小さくなり、全体の寄生容量としては減少していることが分かる。
【００８３】
その他、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。また、端子１４側では、遮光膜１に接続される配線が、一方は転送電位用であり、他方は接地配線であるが、この接地配線は転送電位用とは異なる側で形成可能であることから、その接地配線の形成が容易となる。
【００８４】
以上に述べた実施の形態は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
【００８５】
例えば、遮光膜１に与える電位は上述したものに限られることなく、種々変更してよい。また、一つの入力端子に接続される電極数は上述の実施の形態のように１個又は２個に限られず、任意に変更してもよいし、印加する電荷転送パルス電圧も２相以上であってもよい。
【００８６】
また、遮光膜１、遮光膜１の分離幅（スリット１７）は変更してよいし、絶縁膜２及び４、その他の構成部分の形状、サイズ、材質等は種々であってよく、また転送部の構成も変更してよい。
【００８７】
上述した分割された遮光膜を有する転送部の構造は、２次元の固体撮像装置の場合は垂直ＣＣＤにも採用してよいし、水平ＣＣＤ及び垂直ＣＣＤの少なくとも一方に採用してよい。さらには一次元の固体撮像装置に用いてもよい。
【００８８】
【発明の作用効果】
上述したように、本発明によれば、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成したことにより、転送電圧をそれぞれの電荷転送電極に印加した際に、これらの電荷転送電極に対応するそれぞれの分割された遮光層に正又は負の電荷が蓄積されても、隣接する遮光層間にのみ寄生容量が発生するように前記制御された電位が作用するために、全体的に寄生容量が減少し、これによって既述した消費電力の減少及び転送時のパルス波形のなまりの緩和により、早い動作速度での駆動を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図２】同、他の固体撮像装置の要部断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図４】同、他の固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図５】固体撮像装置のレイアウト図である。
【図６】従来例による固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図７】同、他の固体撮像装置の要部概略断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【符号の説明】
１、５１…遮光膜、２、４…絶縁膜、
３、３ａ、３ｂ、５３ａ、５３ｂ…電荷転送電極、５…基板、
６…水平レジスタ部、７…電荷転送ゲート部、８…画素部、
９…垂直レジスタ部、１１…固体撮像装置、１３、１４…入力端子、
１５…イメージ部、１６…埋め込みチャンネル領域、１７…分離部、
１８…ウェル、１９…電荷転送素子、
Ｃ１…遮光膜−電荷転送電極間の寄生容量、
Ｃ２…隣接する遮光膜間の寄生容量、ｄ…隣接する遮光膜間の分離幅、
ｔ…遮光膜の厚さ、Ｔ…遮光膜下面−基板表面間の距離
Claims (28)
- 電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した電荷転送素子。
- 前記複数の遮光層に、その直下の前記電荷転送電極の各転送電位がそれぞれ印加されるように、対応する遮光層と電荷転送電極とが電気的に接続されている、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記対応する遮光層と電荷転送電極とが、各遮光層とこの下部に位置する電荷転送電極である、請求項２に記載の電荷転送素子。
- 第１導電型領域上に第２導電型領域が形成され、この第２導電型領域を含む領域上に前記電荷転送電極が設けられている、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記遮光層の分離位置が、互いに隣接する前記電荷転送電極の境界の上部に位置する、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記電荷転送電極が第１電極とこの第１電極に部分的に重なり合った第２電極とからなり、この重なり合った領域上に前記遮光層の分離位置が存在している、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記遮光層の分離間隔が０．２μｍ以下である、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記遮光層の層厚が１００ｎｍ以上である、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が２０ｎｍ以上である、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が、隣接する前記遮光膜間の間隔よりも小さい、請求項１に記載の電荷転送素子。
- ２次元固体撮像装置の水平レジスタ部及び／又は垂直レジスタ部を構成する、請求項１に記載の電荷転送素子。
- １次元固体撮像装置のレジスタ部を構成する、請求項１に記載の電荷転送素子。
- 光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置であって、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位が印加されるように構成した固体撮像装置。
- 前記電荷転送素子が、請求項２〜１２の何れか１項に記載の電荷転送素子である、請求項１３に記載の固体撮像素子。
- 電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、前記電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている電荷転送素子を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、電荷転送素子の動作方法。
- 前記複数の遮光層に、その直下の前記電荷転送電極の各転送電位をそれぞれ印加する、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記直下の電荷転送電極の各転送電位をそれぞれ印加する各遮光層の下部に、それぞれの転送電位を印加する各電荷転送電極を配置する、請求項１６に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 第１導電型領域上に第２導電型領域が形成され、この第２導電型領域を含む領域上に前記電荷転送電極が設けられている、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記遮光層の分離位置が、互いに隣接する前記電荷転送電極の境界の上部に位置する、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記電荷転送電極が第１電極とこの第１電極に部分的に重なり合った第２電極とからなり、この重なり合った領域上に前記遮光層の分離位置が存在している、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記遮光層の分離間隔が０．２μｍ以下である、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記遮光層の層厚が１００ｎｍ以上である、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が２０ｎｍ以上である、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 前記第２絶縁層の表面と前記電荷転送領域の表面との距離が、隣接する前記遮光膜間の間隔よりも小さい、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- ２次元固体撮像装置の水平レジスタ部及び／又は垂直レジスタ部を構成する、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- １次元固体撮像装置のレジスタ部を構成する、請求項１５に記載の電荷転送素子の動作方法。
- 光入射可能な画素部と、この画素部で発生した電荷を転送する電荷転送素子からなるレジスタ部とを具備し、電荷転送領域上に第１絶縁層を介して電荷転送電極が設けられ、この電荷転送電極上に第２絶縁層を介して、電荷転送電極に対応して複数に分割された遮光層が設けられている固体撮像装置を動作させるに際し、互いに異なる転送電位が印加される隣接した前記電荷転送電極に対向した複数の前記遮光層の少なくとも一方に、制御された電位を印加する、固体撮像装置の動作方法。
- 前記電荷転送素子を、請求項１６〜２６の何れか１項に記載の方法によって動作させる、請求項２７に記載の固体撮像素子の動作方法。
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