JP2007059562A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線構造を複雑化させることなく、高い出力周波数で動作可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】この固体撮像装置は、信号電荷を転送するとともに、Ａ方向に延びる転送電極部１０ａ〜１５ａと、転送電極部１０ａ〜１５ａの端部に形成される配線接続部１０ｂ〜１５ｂとを含み、転送パルス信号φ１〜φ６が供給されるゲート電極１０Ａ〜１２Ａおよび１０〜１５と、転送パルス信号φ１〜φ６を印加するための６つの配線１６〜２１と、出力部４とを備えている。そして、ゲート電極は、出力部４側の最終段のゲート電極１０Ａと、ゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号が供給され、ゲート電極１０Ａと同一の配線１６が接続されるゲート電極１０とを含み、ゲート電極１０Ａおよび１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さは、ゲート電極１０Ａおよび１０以外のゲート電極１１〜１５の配線接続部１１ｂ〜１５ｂのＡ方向の長さよりも小さい。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、信号電荷を転送するための複数のゲート電極を有する固体撮像装置に関する。

従来、撮像部の垂直転送部（図示せず）から転送されてきた信号電荷を出力部に転送するための複数のゲート電極を有する水平転送部を含む固体撮像装置が知られている。図７は、従来の固体撮像装置の出力部および水平転送部の構成を概略的に示した平面図である。図８は、従来の固体撮像装置の出力部から出力される電圧信号の電圧波形図である。まず、図７および図８を参照して、従来の６相駆動方式の水平転送部を有する固体撮像装置について説明する。

従来の６相駆動方式の水平転送部６１は、図７に示すように、出力部６０へ信号電荷を転送する転送電極部７０ａ〜７５ａと、転送パルス信号を印加するための配線７６〜８１が接続される配線接続部７０ｂ〜７５ｂとを含むゲート電極７０（７０Ａ）〜７５を備えている。そのゲート電極７０（７０Ａ）〜７５には、それぞれ、異なる６相の転送パルス信号が供給される。これにより、垂直転送部から転送されてきた信号電荷が出力部６０に転送される。そして、図８に示すように、転送される信号電荷に対応した出力信号Ｖ_ＯＵＴが、出力ゲート電極８２を介して出力部６０から出力される。また、リセットゲート電極８３にリセットパルス信号φＲが印加されることによって、出力信号Ｖ_ＯＵＴを取り出した後の不要な信号電荷が、出力部６０から排出されてリセットされる。ここで、信号電圧Ｖ_ＳＩは、時間ｔ_１０の出力信号Ｖ_ＯＵＴの基準電位Ｖ_Ｓと時間ｔ_１１の出力信号Ｖ_ＯＵＴの出力電位Ｖ_Ｏとの差によって算出される。

しかしながら、図７に示した従来の固体撮像装置では、出力部６０に最も近い最終段のゲート電極７０Ａとゲート電極７０Ａと同位相の転送パルス信号が供給されるゲート電極７０とは、配線接続部７０ｂの長さが大きいため、ゲート電極７０および７０Ａと半導体基板（図示せず）との間の静電容量も大きくなる。このため、転送パルス信号が立ち下がる（立ち上がる）のに必要な時間が長くなる。このように、転送パルス信号が立ち下がるのに必要な時間が長くなると、出力周波数を高くした場合に、図８中の点線Ｇに示すように、時間ｔ_１１における出力電位Ｖ_Ｏ１が本来の出力電位Ｖ_Ｏよりも小さい値になりやすいという不都合がある。このため、図７に示した従来の固体撮像装置では、出力周波数を高くするのは困難であった。

そこで、従来、最終段のゲート電極７０Ａの転送パルス信号が立ち下がる（立ち上がる）のに必要な時間を短くすることにより、出力周波数を高くした場合にも動作可能な固体撮像装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。上記特許文献１に開示された固体撮像装置は、最終段のゲート電極に転送パルス信号を印加するための専用の配線を、同位相のゲート電極に接続されている配線とは別個に設けることによって、同位相のゲート電極による静電容量の影響をなくしている。これにより、最終段のゲート電極における転送パルス信号の立ち下がり（立ち上がり）に必要な時間が短くなるので、出力周波数を高くした場合にも、正常に動作可能となる。

特開平９−１８１９７８号公報

しかしながら、上記特許文献１において提案された従来の固体撮像装置では、最終段のゲート電極専用の配線を別個に設ける必要がある。このため、配線構造が複雑化するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、配線構造を複雑化させることなく、高い出力周波数で動作可能な固体撮像装置を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

この発明の一の局面による固体撮像装置は、半導体基板上に形成され、信号電荷を転送するとともに、信号電荷の転送方向に対して交差する方向に延びる転送電極部と、転送電極部の一部に形成される配線接続部とを含み、位相の異なる転送パルス信号が供給される３つ以上のゲート電極と、３つ以上のゲート電極の配線接続部にそれぞれ接続され、転送パルス信号をゲート電極に印加するための３つ以上の配線と、ゲート電極によって転送される信号電荷を出力する出力部とを備え、ゲート電極は、出力部側の最終段の第１ゲート電極と、第１ゲート電極と同位相の転送パルス信号が供給され、第１ゲート電極と同一の配線が接続される第２ゲート電極とを含み、第１および第２ゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さは、第１および第２ゲート電極以外の少なくとも一部の段のゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さよりも小さい。

この発明の一の局面による固体撮像装置では、上記のように、出力部に最も近い最終段の第１ゲート電極、および、最終段のゲート電極と同位相の転送パルス信号が供給される第２ゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さを、第１および第２ゲート電極以外の少なくとも一部の段のゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さよりも小さくすることによって、第１および第２ゲート電極の配線接続部と半導体基板との間の静電容量を小さくすることができる。これにより、最終段の第１ゲート電極および第１ゲート電極と同位相の転送パルス信号が供給される第２ゲート電極への転送パルス信号の伝達速度を大きくすることができるので、最終段の第１ゲート電極から出力部への信号電荷の転送速度を大きくすることができる。このため、出力部により出力される電圧信号の基準電位から出力電位への立ち下がりまたは立ち上がりに必要な時間を短くすることができるので、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。また、最終段の第１ゲート電極および最終段の第１ゲート電極と同位相の転送パルス信号が供給される第２ゲート電極とを同一の配線で接続することによって、最終段のゲート電極に専用の配線を用いて転送パルス信号を供給する場合と異なり、配線構造を複雑化させることがない。これにより、配線構造を複雑化させることなく、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、第１および第２ゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さは、第１および第２ゲート電極以外の全ての段のゲート電極の配線接続部の信号電荷の転送方向と交差する方向の長さよりも小さい。このように構成すれば、最終段の第１ゲート電極から出力部への信号電荷の転送速度をより大きくすることができるので、出力部により出力される電圧信号の基準電位から出力電位への立ち下がりまたは立ち上がりに必要な時間をより短くすることができる。これにより、より高い出力周波数で動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、第１および第２ゲート電極の配線接続部と半導体基板との間の静電容量は、第１および第２ゲート電極以外の少なくとも一部の段のゲート電極の配線接続部と半導体基板との間の静電容量よりも小さい。このように構成すれば、容易に、配線構造を複雑化させることなく、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、出力部により出力される電圧信号の出力波形の基準電位から出力電位への立下りまたは立上り時間は、出力部により出力される電圧信号の周期の１５％以下である。このように、出力部により出力される電圧信号の基準電位から出力電位への立下り時間（立上り時間）を電圧信号の周期の１５％以下の短い時間にすることによって、出力周波数を高くした場合にも、電圧信号の基準電位から出力電位への立ち下がり（立ち上がり）の途中の電圧信号ではなく、立ち下がり（立ち上がり）後の電圧信号を検出することができるので、正確な電圧信号を検出することができる。これにより、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、以下のように構成してもよい。すなわち、第１および第２ゲート電極に接続される同一の配線は、信号電荷の転送方向と実質的に平行に延びるように形成されている。このように構成すれば、第１および第２ゲート電極に接続される配線を、信号電荷の転送方向と実質的に平行な直線状に形成することができるので、最終段の第１ゲート電極に接続される配線を専用の配線にして、他の配線を避けるように配線を形成する場合に比べて、配線構造を簡略化することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による固体撮像装置の全体構成を示したブロック図である。図２は、固体撮像装置の出力部および水平転送部の断面図である。図３は、図２に示した出力部および水平転送部のポテンシャル図である。図４は、本発明の一実施形態による固体撮像装置の出力部および水平転送部の構成を概略的に示した平面図である。なお、図２は、図４の１００−１００線に沿った断面を示している。図１〜図４を参照して、本実施形態では、フレームトランスファ型の固体撮像装置に本発明を適用した例について説明する。

本実施形態によるフレームトランスファ型の固体撮像装置は、図１に示すように、撮像部１と、蓄積部２と、水平転送部３と、出力部４とを備えている。撮像部１は、光の入射により光電変換を行うために設けられている。また、撮像部１は、光電変換機能を有する複数の画素（５００万画素）（図示せず）がマトリックス状に配置された構成を有する。また、撮像部１は、生成した信号電荷を蓄積するとともに、蓄積部２に転送する機能を有する。蓄積部２は、撮像部１から転送された信号電荷を蓄積するとともに、水平転送部３に転送する機能を有する。水平転送部３は、蓄積部２から転送された信号電荷を順次出力部４に転送する機能を有する。出力部４は、水平転送部３から転送された信号電荷を信号電圧に変換・増幅し、出力する機能を有する。

水平転送部３および出力部４は、図２に示すように、ｎ型シリコン基板３０の表面に形成されている。また、ｎ型シリコン基板３０の上面から約０．５μｍ以上約４μｍ以下の深さの領域には、ｐ型ウェル領域３１が形成されている。水平転送部３のｐ型ウェル領域３１の表面には、約１０^１６ｃｍ^−３の不純物濃度を有するｎ⁻型の転送チャネル領域３２が形成されている。水平転送部３の転送チャネル領域３２は、ｎ型シリコン基板３０の上面から約０．５μｍの深さまでの領域に形成されている。この水平転送部３の転送チャネル領域３２は、信号電荷を蓄積しながら出力部４へと転送する機能を有する。転送チャネル領域３２上には、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜３３が形成されている。ゲート絶縁膜３３上には、複数のゲート電極列１０ｃ〜１５ｃおよび１０ｄ〜１５ｄ（図４参照）が形成されている。図２および図４に示すように、ゲート電極１０ｃと１０ｄとにより、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０が形成されている。なお、ゲート電極１０Ａは、本発明の「第１ゲート電極」の一例であり、ゲート電極１０は、本発明の「第２ゲート電極」の一例である。また、ゲート電極１１ｃと１１ｄとにより、ゲート電極１１および最終段のゲート電極１０Ａに隣接するゲート電極１１Ａが形成されている。また、ゲート電極１２ｃと１２ｄとにより、ゲート電極１２およびゲート電極１１Ａに隣接するゲート電極１２Ａが形成されており、ゲート電極１３ｃと１３ｄとにより、ゲート電極１３が形成されている。また、ゲート電極１４ｃと１４ｄとにより、ゲート電極１４が形成されており、ゲート電極１５ｃと１５ｄとにより、ゲート電極１５が形成されている。また、ゲート絶縁膜３３上には、最終段のゲート電極１０Ａに隣接するように、出力ゲート電極２４が形成されている。ゲート電極列１０ｃ〜１５ｃは、約６５ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって形成されている。ゲート電極列１０ｄ〜１５ｄおよび出力ゲート電極２４は、約３．４μｍのＢ方向の幅と、約２７０ｎｍの厚みとを有するポリシリコン膜によって形成されている。

また、ゲート電極列１０ｃ〜１５ｃと、ゲート電極列１０ｄ〜１５ｄとは、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜３４（図２参照）を介して隣接するように設けられている。また、出力ゲート電極２４は、最終段のゲート電極１０Ａのゲート電極列１０ｃと絶縁膜３４を介して隣接するように設けられている。なお、絶縁膜３４は、約５０ｎｍの厚みを有し、ゲート電極列１０ｃ〜１５ｃの上面および側面を覆うように形成されている。また、図４に示すように、６相の転送パルス信号φ１〜φ６を各相に対応するゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５に供給することにより、各相に対応するゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の下の転送チャネル領域３２に形成されるポテンシャル井戸のチャネルポテンシャルを上下させることによって、転送チャネル領域３２内の信号電荷を各相に対応するゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５下の領域で蓄積しながら、出力ゲート電極２４下の領域へ順次転送するように構成されている。また、図３および図４に示すように、出力ゲート電極２４には、出力ゲート電極２４をオン状態にするための所定の直流電圧Ｖ_ＯＧが印加される。これにより、ゲート電極１０Ａにより転送される信号電荷は、出力ゲート電極２４下の転送チャネル領域３２（図３参照）を介して、後述するフローティングディフュージョン領域３５に転送されるように構成されている。

また、図２に示すように、ｎ型シリコン基板３０上のｐ型ウェル領域３１上には、約１０^２０ｃｍ^−３以上の不純物濃度を有するｎ^＋＋型のフローティングディフュージョン領域３５が転送チャネル領域３２と連続して形成されている。このフローティングディフュージョン領域３５には、転送チャネル領域３２から出力された信号電荷が流入するとともに、蓄積されるように構成されている。ｎ型シリコン基板３０のｐ型ウェル領域３１上には、約１０^２０ｃｍ^−３以上の不純物濃度を有するｎ^＋＋型のドレイン領域３６が、フローティングディフュージョン領域３５との間にｎ⁻型のチャネル領域３７を挟むように形成されている。ｎ⁻型のチャネル領域３７は、約１０^１６ｃｍ^−３の不純物濃度を有している。また、チャネル領域３７上には、ゲート絶縁膜３３を介してリセットゲート電極２５が形成されている。このリセットゲート電極２５は、約２．０μｍの幅と、約２７０ｎｍの厚みとを有するポリシリコン膜からなる。このリセットゲート電極２５には、リセットゲート電極２５をオン状態およびオフ状態に切り換えるためのリセットパルス信号φＲ（図３参照）が入力される。上記のフローティングディフュージョン領域３５、ドレイン領域３６、チャネル領域３７、ゲート絶縁膜３３およびリセットゲート電極２５によって、フローティングディフュージョン領域３５から電圧信号を取り出した後の不要な信号電荷を排出させるように構成されている。すなわち、フローティングディフュージョン領域３５から電圧信号を取り出した後、リセットゲート電極２５をオン状態にするリセットパルス信号φＲをリセットゲート電極２５に入力する。これにより、オン状態のリセットゲート電極２５下のチャネル領域３７を介して、不要な信号電荷がフローティングディフュージョン領域３５からドレイン領域３６へ排出されるように構成されている。

また、図２に示すように、ゲート電極列１０ｄ〜１５ｄ（図４参照）、絶縁膜３４、出力ゲート電極２４、リセットゲート電極２５およびゲート絶縁膜３３上を覆うように、ＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜３８が形成されている。また、層間絶縁膜３８およびゲート絶縁膜３３のフローティングディフュージョン領域３５に対応する領域には、フローティングディフュージョン領域３５の表面に達するコンタクトホール３８ａが形成されている。また、コンタクトホール３８ａを埋め込むとともに、層間絶縁膜３８上に延びるように、タングステンからなる配線層３９が形成されている。これにより、配線層３９は、フローティングディフュージョン領域３５に接続されており、配線層３９を介してフローティングディフュージョン領域３５から外部へ信号電荷を取り出すことが可能に構成されている。なお、上記した出力ゲート電極２４、フローティングディフュージョン領域３５、配線層３９、リセットゲート電極２５および出力増幅回路４０によって出力部４が形成されている。

また、配線層３９は、図３に示すように、ソースフォロワ型の出力増幅回路４０に接続されている。このソースフォロワ型の出力増幅回路４０は、フローティングディフュージョン領域３５に蓄積された信号電荷を配線層３９を介して取り出すとともに、その取り出した信号電荷を増幅して出力信号Ｖ_ＯＵＴに変換するために設けられている。そして、この変換された出力信号Ｖ_ＯＵＴが出力増幅回路４０から外部へ出力される。

また、図４に示すように、水平転送部３には、位相が異なる６つの転送パルス信号φ１、φ２、φ３、φ４、φ５およびφ６がそれぞれ供給される６つのゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５と、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５にそれぞれ電気的に接続される６つの配線１６、１７、１８、１９、２０および２１とが設けられている。この転送パルス信号φ１〜φ６がそれぞれ供給される６つのゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５は、信号電荷の転送方向（図４のＢ方向）に隣接するとともに、平面的に見て電荷の転送方向と直交する方向（図４のＡ方向）に延びるように配置されている。また、６つのゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５は、転送パルス信号φ１、φ２、φ３、φ４、φ５およびφ６にそれぞれ対応するように順番に配置されている。さらに、６つ１組のゲート電極１０〜１５が複数組配列されている。

ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５は、それぞれ、転送電極部１０ａ〜１５ａと配線接続部１０ｂ〜１５ｂとを含む。転送電極部１０ａ〜１５ａは、蓄積部２から転送されてきた信号電荷を出力部４へと転送するように構成されている。配線接続部１０ｂ〜１５ｂは、図２のＡ方向に延びる転送電極部１０ａ〜１５ａの一方端に一体的に形成されている。また、配線接続部１０ｂ〜１５ｂは、それぞれ、コンタクト部２２において、配線１６〜２１と接続されている。Ａ方向に広がる信号電荷を集めて出力部４に出力するために、出力部４に近い水平転送部３に近いゲート電極１０Ａ〜１２Ａの転送電極部１０ａ〜１２ａのＡ方向の長さは、徐々に小さくなるように形成されているとともに、最終段のゲート電極１０Ａの転送電極部１０ａのＡ方向の長さが最も小さくなるように形成されている。

また、上記したように、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５は、それぞれ、２つの平行に配列されたゲート電極列１０ｃおよび１０ｄ、１１ｃおよび１１ｄ、１２ｃおよび１２ｄ、１３ｃおよび１３ｄ、１４ｃおよび１４ｄ、および、１５ｃおよび１５ｄによって構成されている。ゲート電極１０Ａ〜１２Ａを除く、ゲート電極１０〜１５のゲート電極列１０ｃ〜１５ｃは、約１．１μｍのＢ方向の幅を有する。また、図２に示すように、ゲート電極１０Ａ〜１２Ａを除く、ゲート電極１０〜１５のゲート電極列１０ｄ〜１５ｄの上端部は、約０．７μｍのＢ方向の幅を有し、ゲート電極列１０ｄ〜１５ｄのゲート電極列１０ｃ〜１５ｃに挟まれている部分は、約０．６μｍのＢ方向の幅を有する。また、ゲート電極１０Ａ〜１２Ａを除く、ゲート電極１０〜１５のゲート電極列１０ｃ〜１５ｃおよびゲート電極列１０ｄ〜１５ｄの転送電極部１０ａ〜１５ａは、約８０μｍのＡ方向の長さを有する。

また、同位相の転送パルス信号が供給されるゲート電極１０の転送電極部１０ａとｎ型シリコン基板３０との間の静電容量と、最終段のゲート電極１０Ａの転送電極部１０ａとｎ型シリコン基板３０との静電容量とが等しくなるように、最終段のゲート電極１０Ａのゲート電極列１０ｃは、約５．６５μｍのＢ方向の幅を有するとともに、最終段のゲート電極１０Ａのゲート電極列１０ｄの上端部（図２参照）は、約３．１μｍのＢ方向の幅を有し、ゲート電極列１０ｄのゲート電極列１０ｃに挟まれている部分は、約２．６μｍのＢ方向の幅を有する。つまり、ゲート電極１０Ａは、ゲート電極１０よりもＡ方向の長さが小さく、Ｂ方向の幅が大きくなるように形成されている。また、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５のゲート電極列１０ｃ〜１５ｃおよびゲート電極列１０ｄ〜１５ｄの配線接続部１０ｂ〜１５ｂのＡ方向の長さは、以下の表１および表２に示すように構成されている。なお、ゲート電極１０Ａおよび１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さは同一である。

ここで、本実施形態では、表１および表２に示すように、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０を構成するゲート電極列１０ｃおよび１０ｄの配線接続部１０ｂのＡ方向の長さは、ゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５を構成するゲート電極列１１ｃ〜１５ｃおよび１１ｄ〜１５ｄの配線接続部１０ｂのＡ方向の長さよりも小さく形成されている。したがって、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂとｎ型シリコン基板３０との間の静電容量は、それ以外のゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１１ｂ〜１５ｂとｎ型シリコン基板３０との間の静電容量よりも小さくなるように構成されている。

６つの配線１６〜２１は、それぞれ、同位相の転送パルス信号が供給される複数のゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１０ｂ〜１５ｂに、コンタクト部２２において電気的に接続されている。そして、この６つの配線１６〜２１を介して、異なる６つの位相の転送パルス信号φ１〜φ６が、それぞれ、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５に供給されるように構成されている。

次に、図３および図４を参照して、本実施形態による固体撮像装置の動作について説明する。本実施形態による固体撮像装置では、各相のゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５に６相の転送パルス信号φ１〜φ６がそれぞれ印加される。これにより、各相のゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５下の転送チャネル領域３２に形成されるポテンシャル井戸のチャネルポテンシャルが上下されることによって、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５下の転送チャネル領域３２内の信号電荷が出力ゲート電極２４下の転送チャネル領域３２に順次転送される。そして、出力ゲート電極２４には、出力ゲート電極２４をオン状態に保持する直流電圧Ｖ_ＯＧが印加されることにより、信号電荷は、出力ゲート電極２４下の転送チャネル領域３２からフローティングディフュージョン領域３５に転送される。そして、フローティングディフュージョン領域３５に転送された信号電荷は、フローティングディフュージョン領域３５に蓄積される。そして、フローティングディフュージョン領域３５に蓄積された信号電荷は、配線層３９を介して、出力増幅回路４０へ取り出される。これにより、信号電荷は、出力増幅回路４０によって増幅されて出力信号Ｖ_ＯＵＴに変換される。そして、変換された出力信号Ｖ_ＯＵＴが、出力増幅回路４０から外部へ出力される。

次に、フローティングディフュージョン領域３５から出力信号Ｖ_ＯＵＴを取り出した後、Ｈレベルのリセットパルス信号φＲがリセットゲート電極２５に印加される。これにより、リセットゲート電極２５下の転送チャネル領域３２のチャネルポテンシャルが、図３中のＣレベルからＤレベルまで低下する。このため、フローティングディフュージョン領域３５に蓄積された信号電荷は、チャネル領域３７を介してドレイン領域３６へ排出される。

図５は、フローティングディフュージョン領域から出力される電圧信号の電圧波形図である。次に、図３および図５を参照して、上記した動作中に出力される電圧信号について説明する。

まず、図５に示すように、フローティングディフュージョン領域３５から１つ前の出力信号Ｖ_ＯＵＴが取り出された後、時間ｔ_１〜時間ｔ_２の間にリセットゲート電極２５にリセットパルス信号φＲが印加されて、フローティングディフュージョン領域３５に蓄積された信号電荷がドレイン領域３６に排出される。そして、時間ｔ_２〜時間ｔ_３の間は、フローティングディフュージョン領域３５に信号電荷が蓄積されていないリセット状態が保持される。次に、時間ｔ_３〜時間ｔ_４の間に、最終段のゲート電極１０Ａに転送パルス信号φ１が印加されて、最終段のゲート電極１０Ａ下の転送チャネル領域３２に蓄積されている信号電荷が、リセット状態のフローティングディフュージョン領域３５に転送されて、出力増幅回路４０によって出力信号Ｖ_ＯＵＴが出力される。そして、時間ｔ_５における出力信号Ｖ_ＯＵＴのリセット状態の基準電位Ｖ_Ｓと時間ｔ_６の出力信号Ｖ_ＯＵＴの出力電位Ｖ_Ｏとの電位差を画像データに対応する信号電圧Ｖ_ＳＩとして取り出す。

表３は、良好な信号電圧を取り出すことができる状態での、図５に示した、各時間および出力信号の周期に対する各時間の割合を示す表である。次に、表３および図５を参照して、良好な信号電圧Ｖ_ＳＩが検出される場合の出力信号の周期Ｔと出力信号Ｖ_ＯＵＴにおける立下り時間τとの関係について説明する。なお、時間ｔ_７および時間ｔ_８は、出力信号Ｖ_ＯＵＴが実質的に出力電位Ｖ_Ｏになる最初の時間および最後の時間である。また、立下り時間τは、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが基準電位Ｖ_Ｓから実質的に出力電位Ｖ_Ｏになる時間（ｔ_７−ｔ_３）のことである。

表３に示すように、出力周期Ｔの固体撮像装置において、良好なリセット状態を得るため必要な時間（ｔ_２−ｔ_１）は、出力周期Ｔの約３０％以上、リセット状態の基準電圧Ｖ_Ｓに保持される時間（ｔ_３−ｔ_２）は、出力周期Ｔの約２２％以上、実質的に信号電圧Ｖ_ＳＩ（図５参照）が出力されている時間（ｔ_８−ｔ_７）は、出力周期Ｔの約２２％以上必要である。また、実質的に信号電圧Ｖ_ＳＩが出力された後の立ち上がりの時間（ｔ_４−ｔ_８）は、出力周期Ｔの約１１％必要である。したがって、良好な出力信号Ｖ_ＳＩを得るためには、出力周期Ｔに対する立下り時間τの割合を約１５％以下にする必要がある。

５００万画素の撮像部１を有する本実施形態の固体撮像装置では、解像度ＶＧＡ（６４０×４８０＝３０７２００ピクセル）、および、フレームレート３０ｆｐｓ（ｆｒａｍｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）を実現するために必要な出力周波数２４ＭＨｚ（出力周期：Ｔ＝４１．７ｎｓｅｃ）に出力周波数を設定する。なお、フレームレートとは、１秒間当たりに表示されるフレーム（描画される画面）の数である。以下に示す表４は、このように構成した場合における、ゲート電極のＡ方向のゲート長Ｌと、静電容量Ｃと、出力信号Ｖ_ＯＵＴにおける立下り時間τと、出力信号の周期Ｔに対する立下り時間τの割合との関係を示す表である。

なお、上記表４におけるゲート長Ｌは、最終段のゲート電極１０Ａの配線接続部１０ｂの長さおよびゲート電極１０の配線接続部１０ｂの長さを、他のゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１１ｂ〜１５ｂの長さと同じ長さに形成した場合のゲート電極１０の長さと、本実施形態によるゲート電極１０の長さとを表している。たとえば、最終段のゲート電極１０Ａの配線接続部１０ｂの長さおよびゲート電極１０の配線接続部１０ｂの長さを、配線接続部の長さが最大であるゲート電極１５の配線接続部１５ｂの長さ（５８μｍ、５３．４μｍ：表１および表２参照）と等しく構成した場合のゲート電極１０のゲート長Ｌが、「最大」の行のゲート長Ｌである。また、最終段のゲート電極１０Ａの配線接続部１０ｂの長さおよびゲート電極１０の配線接続部１０ｂの長さを、配線接続部の長さが２番目に大きいゲート電極１４の配線接続部１４ｂの長さ（４８μｍ、４３．４μｍ：表１および表２参照）と等しく構成した場合のゲート電極１０のゲート長Ｌが、「２番目に大」の行のゲート長Ｌである。その他、「３番目に大」〜「５番目に大」の行に示すゲート長Ｌも同様である。また、最下段の「最小」の行に示すゲート長Ｌは、本実施形態におけるゲート電極１０のゲート長Ｌを示している。また、各ゲート長Ｌの上段は、ゲート電極１０のゲート電極列１０ｃのゲート長Ｌを示し、ゲート長Ｌの下段は、ゲート電極１０のゲート電極列１０ｄのゲート長Ｌを示している。

また、上記表４における静電容量Ｃは、上記したゲート電極１０のゲート長Ｌを表４の各ゲート長に設定した場合において、ＳｉＯ_２の誘電率をε_ｓ（＝４．０）、真空の誘電率をε_０（＝８．８５４×１０^―１２Ｆ／ｍ）、ゲート電極１０〜１５のＢ方向の幅をＷ、ゲート電極１０〜１５のＡ方向のゲート長をＬ、ゲート絶縁膜３３の厚みをｄ（＝３０ｎｍ）として、次の式（１）によって求め、その静電容量Ｃを４５５相分足した和として求めた。
Ｃ＝ε_ｓε_０ＷＬ／ｄ ・・・・・（１）

ここで、本実施形態では、上記したように、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さ（８．４μｍおよび３．４μｍ（表１および表２参照））が、それ以外のゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１１ｂ〜１５ｂのＡ方向のゲート長Ｌ（１３．４μｍ〜５８．０μｍ）よりも小さく設定されている。また、ゲート電極１０〜１５の転送電極部１０ａ〜１５ａの長さは等しくなるように構成されている。したがって、ゲート電極１０のゲート長Ｌ（８８．４μｍおよび８３．４μｍ）は、ゲート電極１１〜１５のゲート長Ｌ（９３．４μｍ〜１３８．０μｍ）よりも小さくなっている。これにより、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂとｎ型シリコン基板３０との間の静電容量（４．５６×１０^−１１Ｆ）が、ゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５とｎ型シリコン基板３０との間の静電容量（５．０８×１０^−１１Ｆ〜７．１９×１０^−１１Ｆ）よりも小さくなる。この結果、表４に示すように、本実施形態では、周期Ｔに対する出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τの割合（１２．２％）をゲート電極１１〜１５のゲート長Ｌと等しくした場合の立下り時間τの割合（１３．４％〜１９．２％）に比べて小さくすることができる。また、表４に示すように、ゲート電極１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さを、ゲート電極１１および１２の配線接続部１１ｂおよび１２ｂのＡ方向の長さ（１８μｍ、１３．４μｍおよび２８μｍ、２３．４μｍ（表１および表２参照））と等しく構成した場合には、ゲート電極１０のゲート長Ｌは、表４に示すように、９３．４μｍ、９８．０μｍおよび１０３．４μｍ、１０８．０μｍになる。この場合にも、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τを周期Ｔの１５％以下（１３．４％および１４．９％）にすることが可能になる。

一方、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さを、ゲート電極１３〜１５の配線接続部１３ｂ〜１５ｂと同じ長さ（３３．４μｍ〜５８μｍ（表１および表２参照））にした場合には、ゲート電極１０のゲート長Ｌは、表４に示すように、１１３．４μｍ〜１３８．０μｍとなる。この場合には、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τが周期Ｔの１５％よりも大きい値（１６．３％、１７．８％、１９．２％）になる。このように出力信号Ｖ_ＯＵＴの周期Ｔに対する立下り時間τの割合が１５％よりも大きくなると、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τ（τ'）は、図５中の点線Ｅのようになる。したがって、時間ｔ_６における出力電位Ｖ_Ｏを正確に検出することができなくなる。

本実施形態では、上記のように出力部４に最も近い最終段のゲート電極１０Ａの配線接続部１０ｂと、最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が最終段のゲート電極１０Ａが接続される配線１６を介して供給されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂとのＡ方向の長さを、ゲート電極１０Ａおよび１０以外のゲート電極１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１１ｂ〜１５ｂのＡ方向の長さよりも小さくすることによって、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が供給されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂとｎ型シリコン基板３０との間の静電容量を小さくすることができる。これにより、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が供給されるゲート電極１０への転送パルス信号φ１の伝達速度を大きくすることができるので、最終段のゲート電極１０Ａから出力部４への信号電荷の転送速度を大きくすることができる。このため、出力部４の出力信号Ｖ_ＯＵＴの出力波形の立下り時間τを短くすることができるので、高い出力周波数（たとえば、２４ＭＨｚ）でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。また、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が供給されるゲート電極１０とを同一の配線１６で接続することによって、最終段のゲート電極に専用の配線を用いて転送パルス信号を供給する場合と異なり、配線構造を複雑化させることなく、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

また、本実施形態では、出力部４により出力される出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τを電圧信号の周期Ｔの１２．２％の時間にすることによって、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立ち下がりを速くすることができる。これにより、出力周波数を高くした場合にも（たとえば、２４ＭＨｚ）、立ち下がりの途中の電圧信号の出力電位ではなく、立ち下がり後の出力信号Ｖ_ＯＵＴの出力電位Ｖ_Ｏを検出することができるので、正確な信号電圧Ｖ_ＳＩを検出することができる。これにより、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。また、最終段のゲート電極１０Ａおよびゲート電極１０の配線接続部１０ｂが接続される配線１６をＢ方向に直線的に形成することによって、最終段のゲート電極に接続される配線を専用の配線にして、他の配線を避けるように配線を形成する場合に比べて、配線構造を簡略化することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、最終段のゲート電極１０Ａおよび最終段のゲート電極１０Ａと同位相の転送パルス信号φ１が印加されるゲート電極１０の配線接続部１０ｂのＡ方向の長さを、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５の配線接続部１０ｂ〜１５ｂのＡ方向の長さの中で最も小さくなるように形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、最終段のゲート電極および最終段のゲート電極と同位相の転送パルス信号が印加されるゲート電極の配線接続部のＡ方向の長さを、ゲート電極１１および１２の配線接続部１１ｂおよび１２ｂのＡ方向の長さと同じ長さに設定してもよい。このように設定しても、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τを周期Ｔの１５％以下（１３．４％および１４．９％）にすることができるので、高い出力周波数でも動作可能な固体撮像装置を得ることができる。

また、上記実施形態では、５００万画素における、解像度ＶＧＡおよびフレームレート３０ｆｐｓを達成する際に必要な２４ＭＨｚの出力周波数を有する固体撮像装置の例を示したが、本発明はこれに限らず、他の画素数、他の解像度および他のフレームレートの固体撮像装置に適用してもよい。

また、上記実施形態では、６つの異なる転送パルス信号φ１〜φ６が供給される６相のゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５を有する固体撮像装置の例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の異なる転送パルス信号が供給される３相以上のゲート電極を有する固体撮像装置に適用することが可能である。

また、上記実施形態では、ゲート電極を、それぞれ、２つのゲート電極列によって構成する例を示したが、本発明はこれに限らず、各ゲート電極を１つのゲート電極列によって構成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ゲート電極１０（１０Ａ）、１１（１１Ａ）、１２（１２Ａ）、１３、１４および１５を、配線接続部１０ｂ〜１５ｂが短い順番に最終段から配置した例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、図６の変形例に示すように、最終段のゲート電極５０として配線接続部５０ｂが一番短いものを配置し、それ以降のゲート電極５０〜５５を配線接続部５０ｂ〜５５ｂが長いものから順番に並べてもよい。また、これ以外にも、ゲート電極の配置は、適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、出力信号Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τを電圧信号の周期Ｔの１２．２％となる例を示したが、本発明はこれに限らず、信号電圧Ｖ_ＯＵＴの立下り時間τ（立上り時間）を電圧信号の周期Ｔの１５％以下にすることにより、信号電圧Ｖ_ＳＩを正確に検出することができる。

本発明の一実施形態による固体撮像装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の一実施形態による固体撮像装置の出力部および水平転送部の断面図（図４の１００−１００線に沿った断面図）である。 図２に示した、本発明の一実施形態による出力部および水平転送部のポテンシャル図である。 本発明の一実施形態による固体撮像装置の出力部および水平転送部の構成を概略的に示した平面図である。 本発明の一実施形態による固体撮像装置の出力部から出力される電圧信号の電圧波形図である。 本発明の一実施形態の変形例による固体撮像装置の出力部および水平転送部の構成を概略的に示した平面図である。 従来の固体撮像装置の出力部および水平転送部の構成を概略的に示した平面図である。 従来の固体撮像装置の出力部から出力される電圧信号の電圧波形図である。

符号の説明

１ 撮像部
２ 蓄積部
３ 水平転送部
４ 出力部
１０〜１５ ゲート電極
１０Ａ 最終段のゲート電極
１０ａ〜１５ａ転送電極部
１０ｂ〜１５ｂ配線接続部
１６〜２１ 配線
３０ ｎ型シリコン基板

Claims (4)

1. 半導体基板上に形成され、信号電荷を転送するとともに、前記信号電荷の転送方向に対して交差する方向に延びる転送電極部と、前記転送電極部の一部に形成される配線接続部とを含み、位相の異なる転送パルス信号が供給される３つ以上のゲート電極と、
   前記３つ以上のゲート電極の配線接続部にそれぞれ接続され、前記転送パルス信号を前記ゲート電極に印加するための３つ以上の配線と、
   前記ゲート電極によって転送される前記信号電荷を出力する出力部とを備え、
   前記ゲート電極は、前記出力部側の最終段の第１ゲート電極と、前記第１ゲート電極と同位相の前記転送パルス信号が供給され、前記第１ゲート電極と同一の前記配線が接続される第２ゲート電極とを含み、
   前記第１および第２ゲート電極の配線接続部の前記信号電荷の転送方向と交差する方向の長さは、前記第１および第２ゲート電極以外の少なくとも一部の段の前記ゲート電極の配線接続部の前記信号電荷の転送方向と交差する方向の長さよりも小さい、固体撮像装置。
2. 前記第１および第２ゲート電極の配線接続部の前記信号電荷の転送方向と交差する方向の長さは、前記第１および第２ゲート電極以外の全ての段の前記ゲート電極の配線接続部の前記信号電荷の転送方向と交差する方向の長さよりも小さい、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１および第２ゲート電極の配線接続部と前記半導体基板との間の静電容量は、前記第１および第２ゲート電極以外の少なくとも一部の段の前記ゲート電極の配線接続部と前記半導体基板との間の静電容量よりも小さい、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記出力部により出力される電圧信号の基準電位から出力電位への立下りまたは立上り時間は、前記出力部により出力される電圧信号の周期の１５％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
   
   

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