JP2005050951A - 固体撮像装置および電荷転送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各感光画素毎の蓄積時間の同時性を確保すると共に、信号電荷の加算機能を向上させ、さらにこれらの機能の向上を低ノイズで、かつ、小さな回路面積で実現する。
【解決手段】固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する感光画素と、変換された信号電荷を出力信号に変換する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、前記感光画素と前記電荷検出部との間に設けられ、前記信号電荷を一時的に蓄積すると共に順次パルスの印加により蓄積した信号電荷を前記電荷検出部に転送する電荷転送部を備える。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は固体撮像装置およびこれを用いたイメージセンサに係り、特に解像度を低くして高速で信号を読取るようにした固体撮像装置およびこれを用いたイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
スキャナなどにおいて画像の読み取りに用いられる1次元のイメージセンサやデジタルカメラおよびカメラ式携帯電話などの2次元画像の読み取りに用いられる2次元のイメージセンサにおいては、固体撮像装置が用いられている。この固体撮像装置においては、感光画素で発生した電荷を読み出す際に、感光画素に設けられた電荷検出部の出力を選択して出力するように構成されたものが提案されている。
【0003】
図25は、従来の出力選択型の固体撮像装置の概略構成を示している。図25において、イメージセンサは、光電変換により受光した光エネルギーを信号電荷に変換する感光画素1と、感光画素1の信号電荷の電位を検出する電荷検出部2とを備えており、電荷検出部2は電荷を一時的に蓄積する浮遊拡散層3と、浮遊拡散層3の電位を設定するリセットゲート4と、このリセットゲート4を介して基準電圧が印加されるドレイン5とを備えている。イメージセンサはさらに浮遊拡散層3の電位変化を信号出力に変換するバッファ6と、バッファ6の信号出力を選択するトランジスタ7と、リセットゲート4に浮遊拡散層3の電位設定用パルスRSを出力すると共にトランジスタ7に選択パルスSLを出力するシフトレジスタ8と、最終的な出力を保持するバッファ9とを備えている。
【0004】
以上の構成における動作について説明する。感光画素1で発生した電荷は、電荷検出部2の浮遊拡散層3に流入されて、その電位変化はバッファ6により信号出力に変換されている。シフトレジスタ8で発生した選択パルス(SLi)によりトランジスタ7を選択的にオンさせて、その出力を選択し、バッファ9を介して最終的に出力信号(OS)を出力している。浮遊拡散層3の電位の設定は、リセットゲート4にパルス(RSi)を印加して、基準電圧が印加されたドレイン5に導通させることにより行なわれている。
【0005】
ところで、図25に示す従来の固体撮像装置の構成によれば、i番目の感光画素1の信号蓄積時間と、i+1番目の感光画素1の信号蓄積時間とが図26に示す矢印PaおよびPbのように画素毎に異なってしまい、使用上の制約が生じてしまう場合がある。また、ある画素の蓄積電荷を信号として読み出しているときに、他の画素は信号を蓄積している場合があるので、例えばカラー光源として赤(R)緑(G)青(B)3色のLEDを交互に点灯させるような場合に、点灯時間と読出し時間とを分ける必要があり、全体の読み取り時間が長くなってしまうという問題があった。この時の動作を示す波形図が図27(a)ないし(d)である。例えば、図27(a)のLED_Rと図27(b)のLED_Gにより各光源が点灯している時間と、図27(d)で信号が読み出されている時間とは、図中に“G−integration”と記載された矢印の期間だけ必要になる。
【0006】
図25に示す従来の固体撮像装置における同時読出しを可能する構成として、図28に示す異なる従来例の固体撮像装置のように、浮遊拡散層3の電位変化を信号出力に変換するバッファ6と、シフトレジスタ8で生成された選択パルスにより選択的にオンさせられるトランジスタ7との間に、切換用スイッチングトランジスタ10と信号保持用の容量11を設けて、信号を保持するようにしても良い。しかし、図28に示す他の従来例による固体撮像装置によれば、スイッチングトランジスタ10によりノイズが増加したり回路面積が増大したりするという問題があった。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−233382号公報
【特許文献2】
特開平11−177976号公報
【特許文献3】
特開2003−87657号公報
【特許文献4】
特開2003−87663号公報
【特許文献5】
特開平10−322599号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した従来の固体撮像装置によれば、感光画素毎の信号蓄積時間にばらつきが発生して使用上の制約が生じてしまったり、点灯時間と読出し時間とを分けなくてはならない場合に全体の読み取り時間が長くなってしまったりするという問題があった。また、同時読出しを可能にするために信号保持用の容量とスイッチングトランジスタとを設けるように構成すると、ノイズの増加や回路面積の増大を招くという問題があった。
【0009】
この発明は、感光画素と電荷検出部の間に電荷を蓄積・転送する電荷転送部を設けることにより、各感光画素毎の蓄積時間の同時性を確保すると共に、信号電荷の加算機能を向上させ、さらにこれらの機能の向上を低ノイズで、かつ、小さな回路面積で実現することのできる固体撮像装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する感光画素と、変換された信号電荷を出力信号に変換する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、前記感光画素と前記電荷検出部との間に設けられ、前記信号電荷を一時的に蓄積すると共に順次パルスの印加により蓄積した信号電荷を前記電荷検出部に転送する電荷転送部を備えることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について添付図面を用いて詳細に説明する。まず、図1ないし図4を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。図25と同一参照符号を付した部分は、従来と同一または相当する構成要素を示している。
【0012】
図1に示すように、第1実施形態に係る固体撮像装置は、感光画素1と電荷検出部2との間に電荷転送部15を備えている。電荷蓄積部15は、パルスSHを印加されることにより感光画素1に一時的に蓄積された信号電荷を一斉に開放する第1の電極16と、第1の電極16の開放により感光画素1より流れ込んだ信号電荷を一時的に蓄積する蓄積電極としての第2の電極17と、シフトレジスタ8より順次に出力されるパルスSTの第2の電極17への印加により蓄積電極としての第2の電極17に一時的に蓄積された信号電荷を電荷検出部2へ移す際の電荷転送用バイアス電極として機能する第3の電極18とを備えている。電荷検出部2以降の構成は図25に示す従来の固体撮像装置と同様である。
【0013】
感光画素1、電荷検出部2、電荷転送部15の断面構成は、図2に示されている。図2において、半導体基板20の一方側の表面には感光画素1および電荷検出部2の浮遊拡散層3と基準電圧が印加されるドレイン5とが埋設されている。電荷検出部2のリセットゲート4と、電荷転送部15を構成する第1ないし第3の電極16,17,18とが絶縁膜(図示せず)を介して同一層に単層で形成されている。このように、複数の電極を半導体基板との間の絶縁層を介して単一層により形成することにより、例えばリセットゲート4のような他のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisitor)を構成する際に同一層の素子として同じプロセスにより同時に形成するようにしても良い。
【0014】
なお、単一層の複数の電極を感光画素1と電荷検出部2との間に形成するためには、図2の第1ないし第3の電極16,17,18のそれぞれの間に、微細な間隙を設けて電極間の絶縁を確実にする技術が確立されていなければならない。近年の半導体装置の製造プロセス技術の飛躍的な進歩により、このような微細加工処理が可能となり第1ないし第3の電極間の微細なギャップの形成が可能となり、この第1実施形態に係る固体撮像装置の製造が可能になってきている。
【0015】
次に、この第1実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図3のタイミングチャートを用いて説明する。図3(a)は第1の電極16に印加されるパルスSHの波形を示し、パルスSHの印加により第1の電極16は一斉に開き、電荷を蓄積する第2の電極17に信号電荷が一時的に蓄積される。図3(b)はリセットゲート4に印加されるパルスRSiを示しており、リセットゲート4へのパルスRSiの印加によりドレイン5を基準電圧の印加により導通させて、浮遊拡散層3の電位を設定する。図3(c)は蓄積部として機能する第2の電極17に印加される順次パルスSTiを示しており、図3(d)はバッファ6の信号出力を選択するトランジスタ7のゲートを制御するためにシフトレジスタ8で生成された選択パルスSLiを示している。
【0016】
順次パルスSTiのLレベルと選択パルスSLiのHレベルが一致している間に、バッファ9を介して図3(h)に示す出力OSのように蓄積された信号電荷が読み出される。図3(e)は隣接する感光画素1のリセットゲート4に印加されるパルスRSi+1を示し、図3(f)は隣接する感光画素1の電荷転送部15の第2の電極17に印加される順次パルスSTi+1を示し、図3(g)は隣接する感光画素1のバッファ6の信号出力を選択するトランジスタ7のゲートを制御するためにシフトレジスタ8で生成された選択パルスSLi+1を示している。
【0017】
以上のようにして、バッファ9を介して隣接する感光画素1の信号電荷も出力OSのように読み出される。なお、図3(h)において、1番目(i)の感光画素1の読み出した信号電荷の出力と、隣接する2番目(i+1)の感光画素1の読み出した信号電荷の強度は矢印のように異なっているが、これは感光画素1の受光量が画素毎に異なっているために、その受光量に比例して出力の強度に差が現れるからである。
【0018】
固体撮像装置を構成する感光画素1毎に設けられた電荷転送部15は、第1の電極16に印加されるパルスSHにより一斉に開かれて全ての感光画素1についての信号電荷の読み出しを行なうと、次のパルスSHが立ち上がることにより、第1の電極16が一斉に開かれて、全ての感光画素1について図3(b)ないし図3(h)のタイミングで信号電荷の読出しが行なわれる。このようにして、電荷転送部15に一時的に蓄積される信号電荷の蓄積時間は、全ての感光画素1について同一となり、蓄積された信号電荷を順次読出して出力することができることになる。
【0019】
なお、図4(a)ないし(d)は、従来の固体撮像装置における図27(a)ないし(d)と同様に、第1実施形態に係る固体撮像装置をカラー光源に適用した場合の点灯期間と読出し期間の関係を示している。図4(a)は赤色(R)の点灯時間を示すパルス信号LED_R、図4(b)は緑色(G)の点灯時間を示すパルス信号LED_G、図4(c)は青色(B)の点灯時間を示すパルス信号LED_Bのそれぞれのタイミングチャートである。これらの図より明らかなように、点灯時間はR、G、Bのそれぞれのパルスのタイミングがずれているが、図4(d)に示すように出力信号OSはOS_R,OS_G,OS_Bが連続して順次に出力されている。これにより、カラー光源の各色の点灯時間に関係なく出力信号OSを送出することができ、読出し期間を点灯期間を無関係に設定することができるので、各色の点灯期間中であっても、出力信号OSを順次に連続して出力することができる。
【0020】
上述した第1実施形態に係る固体撮像装置は、図1および図2に示すように、電荷転送部15の第1ないし第3の電極16ないし18を単一層により形成し、電荷検出部2のリセットゲート4とも同一層により形成しているので、半導体基板20との間に絶縁膜(図示せず)のみを介して同一のプロセスにより製造することができ、製造プロセスの簡略化を図ることができる。なお、上述したように電極間の溝は微細加工技術の進歩により、各電極間を確実に絶縁することができるようになったことにより実現可能となっている。
【0021】
このように、電荷転送部15を構成する複数の電極を微細なギャップを介して単一層により形成した構造は、小型化された固体撮像装置の実現を可能としており、携帯無線端末やデジタルカメラ等に搭載された2次元センサに適用された場合に特に優れた効果を奏する。
図1ないし図4により説明した第1実施形態に係る固体撮像装置は、電荷転送部15の複数の電極を単一層により形成するものとして説明したが、本発明はこのような単層構造に限定されず、複数の電極を複数層構造により形成するようにしても良い。
【0022】
図5および図6に示す第2実施形態に係る固体撮像装置は、感光画素1と電荷検出部2との間に設けられた電荷転送部15を構成する複数の電極のうちの2つの電極が2層構造で形成されている。図5および図6において、パルスSHが印加される第1の電極16と、バイアス電極として機能する第3の電極18とが、電荷蓄積電極として機能する第2の電極17の対向する両辺縁部を覆うように立ち上がり折り曲げ延長されて2層構造となっている。
【0023】
詳細は図6の断面図に示されるように、第2の電極17の感光画素1側の辺の上に、第1の電極16の対向辺縁部が立ち上がり折り曲げ延長されて覆うような構成になっている。また、第2の電極17の電荷検出部2側の辺の上にも、対向する第3の電極18の辺縁部が立ち上がり折り曲げ延長されて覆うような構造となっている。このような構成を有する第2実施形態に係る固体撮像装置の動作は図3および図4を用いて説明した第1実施形態の動作と同じなので、重複説明を省略する。
【0024】
電荷転送部15を構成する複数の電極の両端に位置する電極を内側の電極の辺縁部上に被さるよう2層に構成する図6に示すような第2実施形態による固体撮像装置によれば、製造工程が多少複雑になり、また、電極間のカップリング容量も幾分増加するという問題がある。しかしながら、このような2層構造は、その構造上からも微細なギャップを形成する必要がないため、微細なギャップを加工しなくても良いという利点を有している。
【0025】
なお、上述した第1および第2実施形態に係る固体撮像装置は、何れも複数の感光画素に対して同数の電荷検出部を設けるものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、感光画素により受光されて電荷に変換されて一時的に蓄積される電荷をさらに一時的に蓄積する電荷転送部を設けたことにより、感光画素の数と電荷検出部の数とは同数である必要性がなくなる。感光画素に対して電荷検出部の数を逓減させると、低い解像度の画像を高速で読み出すことができたり、回路面積が小さくなるためチップ面積を縮小することができる。
【0026】
例えば、2400dpi(dot per inch―1インチ当たりのドット数―)の解像度のイメージセンサに対して、8画素に1つの電荷検出部を設けた場合の解像度は300dpiで、16画素に1つの電荷検出部を設けた場合は150dpiとなり、解像度は1/8、1/16に逓減するが、その代わりに読出し時間は逆数倍で高速化することができる。画像の解像度よりも読出し時間の短縮化が求められる画像処理の分野が近年広がってきているので、本発明による高速読出しを可能にした固体撮像装置は、このような分野に適用するのに好適である。
【0027】
以下、第3ないし第9実施形態に係る固体撮像装置について図7ないし図17を用いて説明する。図7ないし図9は第3実施形態に係る固体撮像装置の概略構成と動作とを示している。図7の構成のうち他の実施形態と同一符号を付したものは、同一または相当する構成要素を示している。
【0028】
図7において、第3実施形態に係る固体撮像装置は、隣接する2つの感光画素1の電荷転送部15の蓄積電極として機能する第2の電極17間に転送電極(TR)としての第4の電極19を備えている。1次元センサにおいては解像度を切り換えて読取るために、隣接する感光画素1の信号電荷を合成して出力することを必要とする場合がある。この場合に、隣接する感光画素の信号電荷を加算して出力信号OSに変換すると都合が良いこともある。第3実施形態はこのような都合に応じて感光画素1で蓄積した信号電荷を画素毎に読み出す場合に用いても良いし、隣接する2つの画素の信号電荷を合成して出力するようにしても良い。
【0029】
各場合における動作を図8および図9を用いて説明する。図8は、隣接する感光画素1からの信号電荷を合流させないで、画素毎に読み出す場合のタイミングチャートを示している。図9は、パルスSHにより第1の電極16を一斉に開いて蓄積部としての第2の電極17に信号電荷を移動させた後に、第4の電極19を動作させて、隣接する2つの感光画素1の第2の電極17に蓄積された信号電荷を結合し、2画素おきに読み出す動作を示すタイミングチャートである。
【0030】
図8のタイミングで動作する場合、第1ないし第3の電極16〜18を用いて第1および第2実施形態で説明した動作と同様の動作を行なっている。すなわち図8(a)に示すパルスSHにより第1の電極16が開いて全ての感光画素1に蓄積された信号電荷が一世に第2の電極17に蓄積される。このとき、感光画素1は全ての信号電荷を読み出すので、図8(b)に示す転送電極としての第4の電極19への信号TRにはパルスが立っていない。
【0031】
図8(c)〜(e)は、シフトレジスタ8から第4の電極19の図中左側の感光画素のリセットゲート4へ出力されるパルスRS_i、第2の電極17へ出力されるパルスST_i、トランジスタ7のゲートに出力されるパルスSL_iのそれぞれのタイミングを示している。また、図8(f)〜(h)は、シフトレジスタ8から第4の電極19の図中右側の感光画素のリセットゲート4へ出力されるパルスRS_i+1、第2の電極17へ出力されるパルスST_i+1、トランジスタ7のゲートに出力されるパルスSL_i+1のそれぞれのタイミングを示しており、図8(i)は信号出力OSを示している。このように、図7に示す第4の電極19を備える1次元センサであっても通常の信号電荷の読出し動作を行なうことができる。
【0032】
次に、図9(a)ないし(l)を参照しながら、隣接する2つの感光画素1の信号電荷を2画素おきに読み出す場合について説明する。図9(a)に示すパルスSHの出力後に、図9(b)に示す転送電極としての第4の電極19へのパルスTRが立つと、図9(c)〜(e)に示す第4の電極19の左側の蓄積部としての第2の電極に蓄積された信号電荷がまず読み出される。第4の電極19の右側の感光画素の電荷転送部15への信号RS_i+1、ST_i+1、SL_i+1には、図9(f)〜(h)に示すようにパルスが立たないので、右側の画素の信号電荷は単独では読み出されないで、左側の感光画素の信号電荷に加算されて読み出されている。
【0033】
次の感光画素1の電荷転送部15は、第4の電極19の左側のものであるので、図9(i)〜(k)に示すそれぞれの信号パルスにより動作して、右側の感光がその信号電荷を加算した信号出力OSを出力している。このようにして、転送電極として機能する第4の電極19に信号TRが入力されることにより、隣接する2つの感光画素の信号電荷は奇数番目の画素の信号電荷を読み出す際に加算されて読み出されている。
【0034】
上述したように、電荷検出部2において電荷を加算することにより、素子の面積を略々一定に保ちながら、信号ノイズ比が劣化されてしまうのを防止することができる。また、このような電荷を加算する構成は、電荷転送部15を設けることにより感光画素1の信号電荷を一時的に電荷転送部の蓄積電極としての第2の電極17に蓄積させることにより実現しているが、このような構成は図25に示した従来の固体撮像装置の構成から回路的に実現することは、かなりの困難を伴うものである。
【0035】
上述した第3実施形態に係る固体撮像装置によれば、1次元センサのように、解像度を切り換えて用いる必要がある場合に、転送電極としての第4の電極19への信号TRにパルスを立てることにより、隣接する感光画素の何れか一方の信号電荷のみを読み出すように設定することが可能となり、特に解像度を落としても読出し速度を速めたいような形態での使用に有効に対応することができるという特有の効果を奏する。
【0036】
なお、第3実施形態においては、第4の電極19を設けることにより、隣接する2つの画素間の信号電荷の読出しを1画素おきに行なうようにしていたが、隣接する2画素の一方のみの信号電荷を読み出す構成を主とした場合、画素毎に設けられていた電荷検出部2を2画素に1つずつ設ける構成であっても同様の作用効果を得ることができる。この具体的な構成例として、図10ないし図12を用いて第4実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【0037】
図10において、隣接する2つの感光画素1には、それぞれの画素毎に電荷転送部15が図示のように設けられている。それぞれの電荷転送部15の第1ないし第3の電極16〜18は、対をなす電荷転送部15毎に第3の電極18が徐々に近接するように配置されている。対をなす電荷転送部15の第3の電極の間には電荷検出部2が2つの画素につき1つずつ設けられている。電荷蓄積用のバッファ6およびスイッチング動作を行なうトランジスタ7も2つの画素毎に1つずつ設けられてる。
【0038】
以上の構成基づく動作について図11および図12を用いて説明する。図11は、全ての感光画素1について順次に信号電荷を読み出していく動作を示すタイミングチャートであり、図12は隣接する2つの感光画素1のうち図中で左側に示された感光画素1の信号電荷のみを読み出す場合のタイミングチャートを示している。図11(a)〜(j)に示すように、1つの電荷検出部2により2つの隣接する感光画素1の信号電荷を読み出す場合には、図11(a)に示すように信号SHが第1の電極16に印加されて全ての感光画素1の信号電荷が一斉に読み出されて蓄積部としての第2の電極17に蓄積される。シフトレジスタ8からリセットゲート4に対して出力されるパルスRSiが所定期間内に、図11(b)に示すような2つのパルスを立ち上げる。
【0039】
次に、図11(c)(d)に示すように、シフトレジスタ8より奇数番目の第2の電極17へ出力されるパルスSTO_iと、偶数番目の第2の電極17へ出力されるパルスSTE_iにより、奇数番目の感光画素1の信号電荷と、偶数番目の感光画素1の信号電荷とがそれぞれ図11(j)の信号出力OSにSig_iおよびSig_i+1のように読み出される。図10の右側に示す2つの感光画素についても、同様の動作により図11(f)〜(i)に示す「i+2」を付された各パルスにより、図11(j)の信号出力OSにおけるSig_i+2およびSig_i+3が読み出される。以上のように電荷検出部2は、隣接する2つの感光画素1毎に1つだけしか設けられていなくとも全ての感光画素1につき信号電荷を読み出すことができる。
【0040】
次に、解像度を変更して隣接する感光画素1の2つに1つずつの信号電荷を読み出す場合について図12(a)〜(j)を用いて説明する。隣接する2つの感光画素1の信号電荷を2つに1つずつ順次読み出す場合、図12(b)と(f)に示すパルスRSの立ち上がりを1つずつにしておけば、奇数番目の感光画素の信号電荷と偶数番目の感光画素の信号電荷とが図12(c)(d)、(g)(h)で同時に出力されて加算され、図12(j)の信号出力OSのように2つの隣接する感光画素の信号電荷が合成されて出力される。
【0041】
以上説明した第4実施形態による固体撮像装置によれば、図1,図5,図7のように、電荷検出部の回路を感光画素の個数と同数設ける必要がなく、図10に示すように、感光画素の個数に対して電荷検出部の回路構成を減らすことができるので、固体撮像装置全体としてのチップサイズを縮小することができるという効果を有している。
【0042】
上述した第3および第4実施形態に係る固体撮像装置は、何れも2つの感光画素の信号電荷を順次単独で読み出したり加算して読み出す具体例について説明したが、本発明はこれに限定されず、1つの電荷検出部2により読み出す感光画素の数は、3つ以上の幾組であっても良い。ただし、イメージセンサに設けられる感光画素の数が例えば2400個であれば、2,3,4,8,16等のように感光画素の個数を割り切れる数毎に、1つの電荷検出部2を設けるようにした方が好ましい。電荷検出部2の個数について、幾つかの具体例を説明する。
【0043】
図13は、3つの感光画素1の信号電荷を一度に読み出す第5実施形態に係る固体撮像装置を示している。図13において、3つの感光画素1からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部15に一時的に蓄積された信号電荷が1つの電荷検出部2により読み出されて信号出力OSが出力されている。画素毎の読出し用パルスST1,ST2,ST3を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部15の蓄積電極としての第2の電極17からの信号電荷につき3つの画素分を加算して出力することも可能である。
【0044】
図14は、4つの感光画素1の信号電荷を一度に読み出す第6実施形態に係る固体撮像装置を示している。図14において、4つの感光画素1からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部15に一時的に蓄積された信号電荷が1つの電荷検出部2により読み出されて信号出力OSが出力されている。画素毎の読出し用パルスST1,ST2,ST3,ST4を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部15の蓄積電極としての第2の電極17からの信号電荷につき4つの画素分を加算して出力することも可能である。
【0045】
図15は、8つの感光画素1の信号電荷を一度に読み出す第7実施形態に係る固体撮像装置を示している。図15において、8つの感光画素1からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部15に一時的に蓄積された信号電荷が1つの電荷検出部2により読み出されて信号出力OSが出力されている。画素毎の読出し用パルスST1ないしST8を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部15の蓄積電極としての第2の電極17からの信号電荷につき8つの画素分を加算して出力することも可能である。
【0046】
図16は、16個の感光画素1の信号電荷を一度に読み出す第8実施形態に係る固体撮像装置を示している。図16において、16個の感光画素1からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部15に一時的に蓄積された信号電荷が1つの電荷検出部2により読み出されて信号出力OSが出力されている。画素毎の読出し用パルスST1ないしST16を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部15の蓄積電極としての第2の電極17につき16個の画素からの信号電荷を加算して出力することも可能である。
【0047】
図17は、n個の感光画素1の信号電荷を一度に読み出す第9実施形態に係る固体撮像装置を示している。図17において、n個の感光画素1からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部15に一時的に蓄積された信号電荷が1つの電荷検出部2により読み出されて信号出力OSが出力されている。画素毎の読出し用パルスST1,ST2,ST3,…,STi−1,STi,STi+1,…,STn−2,STn−1,STnを順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部15の蓄積電極としての第2の電極17についてn個の感光画素分の信号電荷を加算して出力することも可能である。
【0048】
以上説明した第1ないし第9実施形態に係る固体撮像装置は、普通紙コピー機およびスキャナを含む1次元センサの何れかに適用することにより、1次元センサとしてのイメージセンサを提供することができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、2次元センサの各感光画素毎に設けられた電荷転送部に一時的に蓄積された信号電荷を複数の画素毎に加算して読み出す電荷検出部を設けるようにしても良い。2次元センサの具体例としては、近年広く普及してきているカメラ付携帯無線端末およびデジタルカメラ等が含まれる。
【0049】
なお、2次元センサの回路構成の具体例として、図18に示す第10実施形態に係る固体撮像装置を適用したイメージセンサがある。第10実施形態に係るイメージセンサについて説明する。
【0050】
図18は、2次元センサの回路構成を示すブロック図である。1次元センサが図1に示すようにライン状に画素が配列されているのに対して、2次元センサは図18に示すように画素1がXY方向にマトリックス状に配列されている。図示のように、マトリックス状に配列された多数の感光画素1のうちから縦横に配置された4つの感光画素1のそれぞれに電荷転送部15が設けられ、4つの電荷転送部15の中央に電荷検出部2が設けられている。電荷転送部15は、第1ないし第9実施形態と同様に第1ないし第3の電極16ないし18を備え、電荷検出部2は、浮遊拡散層3,リセットゲート4,ドレイン5を備えている。浮遊拡散層3に蓄積された電荷は、バッファ6に出力され、トランジスタ7への選択パルスの印加により図示されないバッファ(9)に出力されて信号出力OS(図示せず)として出力される。
【0051】
図18に示す2次元センサの場合も1つの電荷検出部2に対して4つの感光画素1に一時的に蓄積された信号電荷を一度に出力することができ、2次元センサの解像度は多少低下するが、2次元センサで検出される信号電荷を高速で読出すことが可能となる。なお、1次元センサで多数の実施形態を用いて説明したように2次元センサにおいても、一度に信号電荷を読み出す感光画素の数は4つに限定されず、6,8,10,12,16,32のように所望の個数の感光画素とこれに付随して設けられた同数の電荷転送部15に対して1つの電荷検出部2を設けるようにしても良い。
【0052】
以上のように、本発明に係る固体撮像装置は、第1ないし第9実施形態に係る1次元センサに適用することも、第10実施形態に係る2次元センサに適用することもできる。何れに適用するにしても、高解像度は必要としないが信号電荷の読み取り時間を高速で行ないたい場合に優れた適応特性を有する。
【0053】
上述した第1ないし第9実施形態による固体撮像装置は何れも、電荷検出部2として浮遊拡散層3,リセットゲート4,ドレイン5を備えるものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、電荷検出部2の代わりに電荷結合素子(以下CCD―Charge Coupled Device―と略記する)を用いて固体撮像装置を実現することもできる。以下、図19ないし図24を用いて、第11ないし16実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【0054】
図19は、第11実施形態に係る固体撮像装置を説明する回路ブロック図であり、同図においては図1の電荷検出部2,バッファ6,トランジスタ7等が、感光画素1のそれぞれに対応するCCD21に置き換えられている。バッファ9を介して信号出力OSが出力されている点は図1と同様である。図示説明を省略するが、この第11実施形態に係る固体撮像装置も、半導体基板と、この半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素1と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部としてのCCD21と、この蓄積部としてのCCD21からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部15とを備える固体撮像装置である。
【0055】
この固体撮像装置において、電荷転送部15によって転送することが可能な信号電荷の数は、蓄積部としてのCCD21の数よりも少ない構成が特徴となっている。また、この第11実施形態においては、蓄積部としてのCCD21および電荷転送部15の何れか一方により、複数の信号電荷を合流させるようにしている。図19の例では、蓄積部としてのCCD21により複数の感光画素1の信号電荷が合流させられている。図19では、2つのCCD21,21の信号電荷を1つの信号に合流にさせている。
【0056】
なお、図19に示す第11実施形態の固体撮像装置においては、信号電荷を一時的に蓄積するために第2の電極17を設け、パルス信号SHにより感光画素1の信号電荷を第2の電極17に移送させるための第1の電極16を設けていた。この第11実施形態の構成は、図20に示す第12実施形態のように、感光画素1を電荷蓄積用の第2の電極17の代わりに用いることもできる。図20に示す第12実施形態では、電荷転送部15は第3の電極18のみにより構成され、転送用の信号電荷は感光画素1にそのまま蓄積されている。
【0057】
上述した第11および第12実施形態における変形例として第13実施形態に係る固体撮像装置について、図21を用いて説明する。この第13実施形態は、図21に示すように、CCD21や第2の電極17のような蓄積部に信号電荷が蓄積されているときに、第2の電極17にはマイナス(−)の電圧が印加され、蓄積部を構成する半導体の界面22には、蓄積された信号電荷23の導電型(図示の場合、−の信号電荷すなわち電子)とは反対の導電型(+)の電荷24が蓄積されている。
【0058】
すなわち、第2の電極17にマイナスの電圧を印加すると、界面22にはホール24が蓄積される。このように構成することにより、界面22の準位がホール24により充満され、暗電流(発生再結合電流)が減少することになる。
【0059】
なお、従来の固体撮像装置の断面構造は、図22に示すように、例えば第1導電型としてのp型の導電型を有する半導体基板20の表面に感光画素1が形成され、図示されない絶縁膜を介して同一層に第1の電極16と蓄積部としてのCCD21とが形成されている。半導体基板20の感光画素1が形成された領域に隣接して例えばp型の導電型の第1の不純物領域27が形成され、第1の不純物領域27と画素1との間にはCCD21に対向して電荷転送部25が形成されている。
【0060】
図22に示される構成では電荷転送部25は例えば第2導電型としてのn型の導電型を有している。第1不純物領域27に対向してこの第1不純物領域27に所定電圧を供給する電源配線28が設けられ、電源配線28と第1不純物領域27を接続するコンタクト部29が設けられている。電荷転送部25と第1の不純物領域27との間には第1不純物領域27の導電型と同一の導電型で不純物濃度が第1不純物領域27よりも高くかつ素子分離領域として機能する第2不純物領域30が設けられている。
【0061】
図22に示す従来の固体撮像装置の構成によれば、CCD21の容量に基づく充放電電流が、CCD21に対向して基板20側に設けられた電荷転送部25から基板電圧供給ラインとしてのコンタクト部29および第1不純物領域17へと矢印26のように電流が流れる。このように、コンタクト部29のp型不純物が高濃度となった第1不純物領域27は、例えば素子分離領域を兼用するなどの理由により、その不純物濃度が低くなっている場合がある。この第1不純物領域の不純物濃度が低い場合、コンタクト抵抗が高くなり、CCD21からの充放電電流が矢印26のように抜けていくのに時間が掛かってしまうことになる。そのため、基板電位が揺すられて出力信号にノイズが現れてしまうという問題を有していた。
【0062】
第14実施形態に係る固体撮像装置は、上記の問題を解決するために提案されたものである。図23に示すように、半導体基板20と、半導体基板20の第1導電型(例えばp型)の第1不純物領域27に設けられた電荷転送部25と、第1不純物領域27に所定電圧を供給する電源配線28と、この電源配線28と第1不純物領域27とを接続するコンタクト部29と、第1不純物領域27と同一導電型(例えばp型)で第1不純物領域27よりも濃度が高く、かつ、素子分離領域として機能する第2不純物領域30と、第2不純物領域30と同一の第1導電型(例えばp型)で第2不純物領域30よりもさらに不純物濃度が高く、かつコンタクト部29の下側に設けられた第3不純物領域31と、を備えている。
【0063】
図23に示す第14実施形態に係る固体撮像装置は、高濃度の不純物領域である第3不純物領域31をコンタクト部29の下側に設けるようにしたので、半導体基板20からコンタクト部29へのコンタクト抵抗を下げることができるという特有の効果を有する。
【0064】
なお、図23に示した第14実施形態に係る固体撮像装置は、第3不純物領域31をコンタクト部29の下側のみに形成するようにしていたが、さらにコンタクト抵抗を低減させて充放電電流を流れやすくするために、図24に示す第15実施形態に係る固体撮像装置のように、第3不純物領域32をコンタクト部29と電荷転送部25との間にも設けるようにしても良い。この第15実施形態において、第3不純物領域32は、第1不純物領域27から第2不純物領域30にまで掛けて延長されて設けられており、その延在する範囲はコンタクト部29と電荷転送部25の間に及んでいる。
【0065】
図24に示す第15実施形態に係る固体撮像装置のように、コンタクト部29と電荷転送部25との間にも第3不純物領域32を設けるように構成することにより、コンタクト抵抗が一層低減されると共にCCD21から電荷転送部25を介して図22の矢印26のように流れるCCD21の容量に基づく充放電電流がより一層流れ易くなるという特有の効果を有する。
【0066】
以上のように、第1ないし第15実施形態に係る固体撮像装置は、図1等に示す1次元センサに適用しても、図18に示す2次元センサに適用しても、共に優れたイメージセンサとして低解像度ではあっても信号電荷の読出しを高速で行なうことができるという機能的な特徴を有している。
【0067】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る固体撮像装置によれば、感光画素に設けられた電荷検出部の出力を選択して出力する固体撮像装置において感光画素を電荷検出部との間に電荷を蓄積・転送する電荷結合素子を設けることにより、蓄積時間の同時性や信号電荷の加算機能を、低ノイズで、かつ、小さな回路面積により実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図2】第1ないし第3の電極を1層で形成した第1実施形態の固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図3】第1実施形態の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図4】第1実施形態の固体撮像装置をカラー光源に適用した場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図5】本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図6】第1ないし第3の電極を2層で形成した第2実施形態の固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図7】本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図8】第3実施形態の固体撮像装置における信号電荷を1つの感光画素毎に読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図9】第3実施形態の固体撮像装置における信号電荷を2画素毎に加算して読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図10】本発明の第4実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図11】第4実施形態の固体撮像装置における信号電荷を1つの感光画素毎に読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図12】第4実施形態の固体撮像装置における信号電荷を2画素毎に加算して読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図13】3画素に1つの電荷検出部を設けた本発明の第5実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図14】4画素に1つの電荷検出部を設けた本発明の第6実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図15】8画素に1つの電荷検出部を設けた本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図16】16画素に1つの電荷検出部を設けた本発明の第8実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図17】n画素に1つの電荷検出部を設けた本発明の第9実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図18】第1〜第9実施形態および第11〜第15実施形態に係る固体撮像装置の適用対象となる本発明の第10実施形態に係る2次元センサを示す構成図である。
【図19】本発明の第11実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図20】本発明の第12実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図21】本発明の第13実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図22】第14および15実施形態の従来例としての固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図23】本発明の第14実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図24】本発明の第15実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図25】従来の出力選択型の固体撮像装置の概略構成を示す構成図である。
【図26】図25に示す固体撮像装置の第1の信号読出し動作例を示す波形図である。
【図27】図25に示す固体撮像装置の第2の信号読出し動作例を示す波形図である。
【図28】従来の固体撮像装置を変形した同時蓄積時間の構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
1 感光画素
2 電荷検出部
3 浮遊拡散層
4 リセットゲート
5 ドレイン
6 バッファ
7 トランジスタ
8 シフトレジスタ
9 バッファ
15 電荷転送部
16 第1の電極(パルス印加電極)
17 第2の電極(電荷蓄積電極)
18 第3の電極(バイアス電極)
21 CCD
27 第1不純物領域
30 第2不純物領域
31 第3不純物領域(コンタクト部下側のみ)
32 第3不純物領域(コンタクト部下から転送部との中間まで)

Claims (16)

  1. 半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する感光画素と、変換された信号電荷を出力信号に変換する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、
    前記感光画素と前記電荷検出部との間に設けられ、前記信号電荷を一時的に蓄積すると共に順次パルスの印加により蓄積した信号電荷を前記電荷検出部に転送する電荷転送部を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記電荷転送部は、前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた複数の電極よりなる請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記電荷転送部は、前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた複数の電極よりなり、前記感光画素に隣接する第1の電極と、前記信号電荷を一時的に蓄積する蓄積電極としての第2の電極と、この第2の電極と前記電荷検出部との間に設けられてバイアス電極として機能する第3の電極とを備える請求項1または請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記複数の電極は、前記絶縁膜を介して同一層に配置されると共に微細な間隙により分離されている請求項2に記載の固体撮像装置。
  5. 前記複数の電極は、その本体部分が前記絶縁膜を介して同一層に配置されると共に、隣接する電極の一方の電極側に対向する他方の電極の辺はそれぞれ立上がり折曲げ延長されて絶縁膜を介して前記一方の電極上に重なるような2層構造を有する請求項2に記載の固体撮像装置。
  6. 前記電荷検出部および前記電荷転送部は、前記感光画素のそれぞれに対応して感光画素の個数と同じ個数だけそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項5の何れかに記載の固体撮像装置。
  7. 前記電荷転送部は、蓄積電極としての隣接する2つの前記中央電極間に隣接する感光画素の信号電荷を加算して2つの感光画素毎に信号電荷を選択して出力する転送電極をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項6の何れかに記載の固体撮像装置。
  8. 前記電荷転送部は複数の前記感光画素のそれぞれに対応して感光画素の個数と同じ個数だけそれぞれ複数個設けられると共に、前記電荷検出部は複数個の前記電荷転送部に対して1つずつ設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項5の何れかに記載の固体撮像装置。
  9. 前記電荷転送部はn個の前記感光画素に対応してn個設けられると共に、前記n個ずつ電荷転送部に対して1つの前記電荷検出部が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。
  10. 前記nは、2,3,4,8,16のうちの何れか1つの数であり、何れかの個数の前記電荷転送部に対して1つの前記電荷検出部が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。
  11. 半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部とを備える固体撮像装置において、
    前記電荷転送によって転送することが可能な信号電荷の数が、前記蓄積部の数よりも少ないことを特徴とする固体撮像装置。
  12. 前記蓄積部および前記電荷転送部の何れか一方により、前記複数の信号電荷を合流させることを特徴とする請求項10に記載の固体撮像装置。
  13. 前記蓄積部に前記信号電荷が蓄積されているときに、前記蓄積部を構成する半導体の界面には、蓄積された前記信号電荷の導電型とは反対の導電型の電荷が蓄積されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11の何れかに記載の固体撮像装置。
  14. 半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部とを備える固体撮像装置において、
    前記蓄積部に前記信号電荷が蓄積されているときに、前記蓄積部を構成する半導体の界面には、蓄積された前記信号電荷の導電型とは反対の導電型の電荷が蓄積されていることを特徴とする固体撮像装置。
  15. 半導体基板と、前記半導体基板の第1導電型の第1不純物領域に設けられた電荷転送部と、前記第1不純物領域に所定電圧を供給する電源配線と、前記電源配線と前記第1不純物領域とを接続するコンタクト部と、前記第1不純物領域と同一導電型で前記第1不純物領域よりも不純物濃度が高く、かつ、素子分離領域として機能する第2不純物領域と、前記第2不純物領域と同一の第1導電型で第2不純物領域よりもさらに不純物濃度が高く、かつ、前記コンタクト部の下側に設けられた第3不純物領域と、を備えることを特徴とする電荷転送装置。
  16. 前記第3不純物領域が、前記コンタクト部と前記電荷転送部との間にも設けられていることを特徴とする請求項15に記載の電荷転送装置。
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