JP2007027486A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＣＣＤの電荷転送効率を向上させつつ、端子の数を削減する。
【解決手段】行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子１０と、多数の光電変換素子１０から読み出された電荷を列方向に転送する第一転送部２０と、第一転送部２０から転送されてきた電荷を行方向に転送する第二転送部４０と、第二転送部４０から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部５０とを有する固体撮像素子２００であって、第一転送部２０は、同一駆動信号が供給される２つの駆動電極と、その下方に形成されたチャネル領域とによって１つの転送段が構成され、第一転送部２０の転送動作時、２つの駆動電極下方のチャネル領域のポテンシャルが、転送方向上流から下流に向かって深くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子から読み出された電荷を前記列方向に転送する第一転送部と、前記第二転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子に関する。

デジタルカメラ等に搭載されるＣＣＤ型固体撮像素子は、通常、ＶＣＣＤ（垂直電荷転送素子）と、ＨＣＣＤ（水平電荷転送素子）とを備えている。インターライン型のＣＣＤ型固体撮像素子では、多数個の光電変換素子が複数行、複数列に沿って行列状に配設され、個々の光電変換素子列に１つずつＶＣＣＤが配置される。多くのＣＣＤ型固体撮像素子では、各ＶＣＣＤが１つのＨＣＣＤに電気的に接続される。

ＶＣＣＤは、一般に、ｎ型チャネルにおけるｎ型不純物の濃度が略一定で、ｎ型チャネル上の電気的絶縁膜の厚さも略一定の電荷結合素子（ＣＣＤ）によって構成される。この電荷結合素子は、通常、３相以上の垂直駆動信号によって駆動される。個々のＶＣＣＤでは、１つの電極とこの電極の下に位置するｎ型チャネルの一領域とによって１つの垂直電荷転送段が構成される。１個の光電変換素子に対しては、２〜４個程度の垂直電荷転送段が配置されるのが一般的である。

ＶＣＣＤの転送効率をあげるために、従来では、駆動方式を８相駆動等にすることで、電荷の確実な転送と、光電変換素子からの複雑な電荷読み出しパターンとに対応している。しかし、多相駆動方式に対応するためには、１つの光電変換素子に対して垂直電荷転送段を多く形成する必要があり、その分、電極の数を多くする必要がある。昨今の微細化が進む固体撮像素子において、電極の数を増やすことは、より微細な電極を形成する必要があることを意味し、製造工程数が増えることや、生産歩留まりが落ちること等が問題となる。

そこで、従来では、ＶＣＣＤの電荷転送効率を向上させるために、各垂直電荷転送段に含まれるｎ型チャネルに濃度勾配等を設けてポテンシャルスロープを形成した素子が提案されている（特許文献１、２参照）。

特開平９−２２３７８７号公報 特開平７−７４３４４号公報

特許文献１，２のようにポテンシャルスロープを形成した場合、電荷転送効率を向上させることは可能だが、例えば８相駆動の場合、垂直駆動信号を電極に供給するための端子は８つのままであり、その数を減らすことはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＶＣＣＤの電荷転送効率を向上させつつ、端子の数を削減することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子から読み出された電荷を前記列方向に転送する第一転送部と、前記第一転送部から転送されてきた電荷を前記行方向に転送する第二転送部と、前記第二転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、前記第一転送部は、同一駆動信号が供給される複数の駆動電極と、その下方に形成されたチャネル領域とによって１つの転送段が構成され、
前記第一転送部の転送動作時、前記複数の駆動電極下方のチャネル領域のポテンシャルが、転送方向上流から下流に向かって深くなっている。

本発明の固体撮像素子は、前記チャネル領域が全体に亘って同一濃度であり、前記複数の駆動電極の各々のポテンシャルは、前記第一転送部の転送方向上流にある駆動電極の方が、該駆動電極の前記転送方向下流側の隣にある駆動電極よりも高くなっている。

本発明の固体撮像素子は、前記チャネル領域が全体に亘って同一濃度であり、前記複数の駆動電極の各々のポテンシャルは、前記第一転送部の転送方向上流から下流に向かって低く傾斜している。

本発明によれば、ＶＣＣＤの電荷転送効率を向上させつつ、端子の数を削減することが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面図である。
図１に示す固体撮像素子２００は、ｎ型シリコン基板１００上の行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子１０と、多数の光電変換素子１０の各々から電荷読み出し領域６０を介して読み出された電荷を列方向に転送する第一転送部２０と、第一転送部２０から転送されてきた電荷を行方向に転送する第二転送部４０と、第二転送部４０から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部５０とを備える。なお、本明細書においては、第一転送部２０によって転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定する。

図２は、図１に示す第一転送部２０の概略構成を模式的に示す部分拡大図である。
第一転送部２０は、ｎ型不純物の濃度が略一定のｎ型チャネル２０ａと、ｎ型チャネル２０ａ上に電気的絶縁膜を介して形成されたポリシリコン等からなる駆動電極Ｖ１〜Ｖ８とによって構成される。第一転送部２０は、隣接する２つの駆動電極と、その下方に形成されたｎ型チャネル２０ａの一領域とによって１つの転送段が構成される。図２の例では、駆動電極Ｖ１とＶ２、駆動電極Ｖ３とＶ４、駆動電極Ｖ５とＶ６、駆動電極Ｖ７とＶ８によってそれぞれ転送段が構成され、１つの光電変換素子１０に対し、２つの転送段が設けられた構成となっている。

１つの転送段を構成する２つの駆動電極の各々のポテンシャルは、第一転送部２０の転送方向上流にある駆動電極（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）の方が、第一転送部２０の転送方向下流にある駆動電極（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）よりも高くなっている。これは、駆動電極を形成する際のイオンのドーズ量を調整することで実現可能である。例えば、駆動電極（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）のドーズ量よりも、駆動電極（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）のドーズ量を多くして形成すれば良い。

１つの転送段を構成する２つの駆動電極には同一の駆動信号が供給される。本実施形態の固体撮像素子２００では、駆動電極Ｖ１，Ｖ２には駆動信号φＶ１が供給され、駆動電極Ｖ３，Ｖ４には駆動信号φＶ２が供給され、駆動電極Ｖ５，Ｖ６には駆動信号φＶ３が供給され、駆動電極Ｖ７，Ｖ８には駆動信号φＶ４が供給されることで、第一転送部２０が４相駆動される。

第一転送部２０の転送動作時、すなわち駆動信号φＶ１〜φＶ４供給時の１つの転送段に含まれるｎ型チャネル２０ａのポテンシャルは、２つの駆動電極のポテンシャルの違いによって、第一転送部２０の転送方向下流側の方が上流側よりも深くなった状態になる。このため、１つの転送段において、自己誘起ドリフトや拡散による電荷の移動に加えて、フリンジ電界ドリフトによる移動も起こるようになり、電荷が転送方向上流から下流へ流れやすくなって、電荷転送効率は向上する。

図３は、本実施形態の固体撮像素子の第一転送部の転送動作時のｎ型チャネル２０ａのポテンシャルフローを示す図である。図中のハッチングは電荷を示し、Ｖ１〜Ｖ８の記号は駆動電極を示す。図３に示すように、１転送段を構成する２つの電極下には転送方向の上流から下流に向かって深い方向に下る階段状のポテンシャルが形成され、駆動信号φＶ１〜φＶ４が順次切り替わることで、電荷が転送方向に転送されていく。

このように、本実施形態の固体撮像素子２００によれば、ポテンシャルの異なる２つの電極を１組にして転送段を構成しているため、電荷転送時の電荷転送効率を向上させることができ、高速駆動が可能となる。又、この効率の良い電荷転送を、８相駆動する場合と同等の転送容量を確保しながら４相駆動で行うことが可能であるため、駆動信号を供給するための端子の数を８相駆動の場合の半分にすることができるという利点がある。又、ｎ型チャネルに濃度勾配を設けたり、駆動電極下の絶縁膜の厚みを段階的に変えてポテンシャルスロープを形成したりする従来からある方法に比べると、本実施形態の構成は製造が容易であるため、製造コストを抑えることができる。又、本実施形態によれば、高速駆動が可能になるため、動画モード等で用いられる画素混合読み出しを行う際、第一転送部２０での転送期間を長くすることなく、画素混合数を多くすることができるといった利点もある。

尚、以上の説明では、光電変換素子が正方格子状に配列された構成を例にしたが、図４に示したように、光電変換素子１０’が行方向とこれに直交する列方向に多数配列され、行方向に配列された光電変換素子１０’からなる多数の光電変換素子行を、その奇数行と偶数行とで、各光電変換素子１０’の行方向の配列ピッチの略１／２だけ行方向に互いにずらして配列した、いわゆるハニカム配列であっても、本発明を適用可能である。図４に示す構成の場合には、駆動電極Ｖ１とＶ２、駆動電極Ｖ３とＶ４、駆動電極Ｖ５とＶ６、駆動電極Ｖ７とＶ８によってそれぞれ転送段を構成し、転送方向上流にある駆動電極（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）のポテンシャルが、第一転送部２０の転送方向下流にある駆動電極（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）のポテンシャルよりも高くなるようにして、各転送段の２つの駆動電極に同一の駆動信号を供給するようにすれば良い。

又、以上の説明では、２つの駆動電極を１組にして１転送段を構成したが、１転送段を構成する駆動電極は３つ以上でも良い。３つ以上にした場合には、転送方向上流にある駆動電極のポテンシャルが、その駆動電極よりも下流側の隣にある駆動電極のポテンシャルよりも高くなるようにすれば良い。

又、以上の説明では、１転送段を構成する２つの駆動電極の各々のポテンシャルは略一定としたが、特開平１１−３１７５１３号公報に開示されているような斜め電極を用いて、１つの駆動電極内で、そのポテンシャルが第一転送部２０の転送方向上流から下流に向かって低く傾斜しているような構成にしても良い。

図５は、図２に示す駆動電極Ｖ１〜Ｖ８の各々のポテンシャルが第一転送部２０の転送方向上流から下流に向かって低く傾斜している場合の、第一転送部２０の転送動作時のｎ型チャネル２０ａのポテンシャルフローを示す図である。ここでは、１転送段を構成する２つの駆動電極のポテンシャルが、その境界において連続するように、ポテンシャルの傾斜を設定しているものとする。

図５に示すように、１転送段を構成する２つの電極下には転送方向の上流から下流に向かって深い方向に傾斜するポテンシャルスロープが形成され、駆動信号φＶ１〜φＶ４が順次切り替わることで、電荷が転送方向に転送されていく。このような構成であっても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。斜め電極を用いた場合には、ｎ型チャネル２０ａのポテンシャルが階段状ではなくスロープ状になるため、電荷転送効率をより向上させることが可能である。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面図 図１に示す第一転送部の概略構成を模式的に示す部分拡大図 本実施形態の固体撮像素子の第一転送部の転送動作時のｎ型チャネルのポテンシャルフローを示す図 本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の他の概略構成を示す平面図 本実施形態の固体撮像素子の第一転送部の転送動作時のｎ型チャネルのポテンシャルフローを示す図

符号の説明

１０ 光電変換素子
２０ 第一転送部
２０ａ ｎ型チャネル
４０ 第二転送部
５０ 出力部
６０ 電荷読み出し領域
１００ シリコン基板
２００ 固体撮像素子
Ｖ１〜Ｖ８ 駆動電極

Claims (3)

1. 行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子から読み出された電荷を前記列方向に転送する第一転送部と、前記第一転送部から転送されてきた電荷を前記行方向に転送する第二転送部と、前記第二転送部から転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、
   前記第一転送部は、同一駆動信号が供給される複数の駆動電極と、その下方に形成されたチャネル領域とによって１つの転送段が構成され、
   前記第一転送部の転送動作時、前記複数の駆動電極下方のチャネル領域のポテンシャルが、転送方向上流から下流に向かって深くなっている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記チャネル領域は全体に亘って同一濃度であり、
   前記複数の駆動電極の各々のポテンシャルは、前記第一転送部の転送方向上流にある駆動電極の方が、該駆動電極の前記転送方向下流側の隣にある駆動電極よりも高くなっている固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記チャネル領域は全体に亘って同一濃度であり、
   前記複数の駆動電極の各々のポテンシャルは、前記第一転送部の転送方向上流から下流に向かって低く傾斜している固体撮像素子。

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