JP2009054847A - A solid-state imaging device and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する多数の垂直電荷転送路と、前記垂直電荷転送路を転送されてきた電荷を前記垂直方向と直交する水平方向に転送する水平電荷転送路とを有する固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element, a number of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in the photoelectric conversion element in the vertical direction, and a charge transferred through the vertical charge transfer path in a horizontal direction orthogonal to the vertical direction. The present invention relates to a solid-state imaging device having a horizontal charge transfer path for transferring in a direction.
図13は、一般的な固体撮像素子の部分拡大図である。
図13に示す固体撮像素子は、半導体基板上に二次元状に配列された図示しない光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を垂直方向Yに転送する多数の垂直電荷転送部1と、垂直電荷転送部1を転送されてきた電荷を垂直方向Yと直交する水平方向Xに転送する水平電荷転送部2と、垂直電荷転送部1と水平電荷転送部2とを結ぶ電荷蓄積領域3および電荷蓄積領域3上方に形成されたメモリ電極4からなるラインメモリLMとを備える。垂直電荷転送部1、電荷蓄積領域3、および水平電荷転送部2は、n型の不純物層で構成されている。
FIG. 13 is a partially enlarged view of a general solid-state image sensor.
The solid-state imaging device shown in FIG. 13 includes a photoelectric conversion element (not shown) arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate, a number of vertical
水平電荷転送部2上方には、逆L字型の電極5と長方形の電極6とをこの順番で水平方向Xに配列した電極組が水平方向Xに複数配列されている。この電極組は、転送パルスφH1が印加される第一の電極組と、転送パルスφH2が印加される第二の電極組とを含み、これらが水平方向Xに交互に配列されている。転送パルスφH1がハイレベル、転送パルスφH2がローレベルになると、第一の電極組下方の水平電荷転送部2は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、第二の電極組下方の水平電荷転送部2は電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。一方、転送パルスφH1がローレベル、転送パルスφH2がハイレベルになると、第二の電極組下方の水平電荷転送部2は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、第一の電極組下方の水平電荷転送部2は電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。このように、水平電荷転送部2には、第一の電極組と第二の電極組とにより、印加電圧のレベルに応じてバリア領域または電荷蓄積領域として動作する複数の電荷転送段が形成されている。 Above the horizontal charge transfer section 2, a plurality of electrode sets are arranged in the horizontal direction X in which inverted L-shaped electrodes 5 and rectangular electrodes 6 are arranged in this order in the horizontal direction X. This electrode set includes a first electrode set to which the transfer pulse φH1 is applied and a second electrode set to which the transfer pulse φH2 is applied, which are alternately arranged in the horizontal direction X. When the transfer pulse φH1 is at a high level and the transfer pulse φH2 is at a low level, the horizontal charge transfer unit 2 below the first electrode set operates as a charge storage region capable of storing charges, and the horizontal charge below the second electrode set The transfer unit 2 operates as a barrier region between the charge storage regions. On the other hand, when the transfer pulse φH1 is at a low level and the transfer pulse φH2 is at a high level, the horizontal charge transfer unit 2 below the second electrode set operates as a charge storage region capable of storing charges, and below the first electrode set. The horizontal charge transfer unit 2 operates as a barrier region between the charge storage regions. As described above, the horizontal charge transfer unit 2 is formed with a plurality of charge transfer stages that operate as a barrier region or a charge storage region according to the level of the applied voltage by the first electrode set and the second electrode set. ing.
特許文献1には、垂直電荷転送路とラインメモリと水平電荷転送路とを有する固体撮像素子が開示されている。
図13に示した構成の固体撮像素子は、1つの垂直電荷転送部1に対して1つの電荷転送段が対応して設けられている。このため、多画素化に対応して、水平電荷転送部2の水平方向幅を変えずに画素サイズを縮小した場合に、電荷転送段の水平方向幅(図13中のPで示した部分)が縮小し、水平電荷転送部2の電荷転送容量が減少してしまう。電荷転送容量を確保するために、各電荷転送段の幅を拡大することも考えられるが、この場合は水平電荷転送部2全体の幅が水平方向に拡大するため、静電容量上昇に伴う消費電力増加が生じてしまう。また、多画素化に対応して電荷転送段の数も増えるため、高速駆動を行おうとした場合の転送効率の悪化も懸念される。
The solid-state imaging device having the configuration shown in FIG. 13 is provided with one charge transfer stage corresponding to one vertical
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水平電荷転送路のサイズを拡大することなく多画素化を進めた場合でも、水平電荷転送路の電荷転送容量の減少、消費電力の増加、転送効率の劣化といった問題を解決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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when the number of pixels is increased without increasing the size of the horizontal charge transfer path, the charge transfer capacity of the horizontal charge transfer path is reduced and the power consumption is increased. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of solving problems such as deterioration of transfer efficiency.
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
(1) 行方向とこれに直交する列方向に配列された多数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生した信号電荷を前記列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部の信号電荷転送方向下流端にそれぞれ設けられ、転送される信号電荷を一時的に蓄積する複数のラインメモリと、前記複数のラインメモリから読み出した信号電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、を有する固体撮像素子であって、
前記ラインメモリは、信号電荷転送方向に向かって電位ポテンシャルが徐々に深くなる電位スロープが形成された転送チャネル領域と、
前記転送チャネル領域に対面して配置されたゲート電極と、
前記複数のラインメモリの配列方向に沿って延設され、前記ラインメモリのうち所定のグループに属するラインメモリに対するゲート電極と電気的に接続される複数のメモリ制御電極と、を有し、
前記メモリ制御電極と前記ゲート電極とのコンタクト部が、前記転送チャネル領域の電荷転送方向の長さの半分より電荷転送方向上流側に形成された固体撮像素子。
The above object of the present invention is achieved by the following configuration.
(1) A large number of photodiodes arranged in a row direction and a column direction orthogonal thereto, a plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photodiodes in the column direction, and the vertical charge transfer units A plurality of line memories that temporarily store signal charges to be transferred and a horizontal charge transfer unit that transfers signal charges read from the plurality of line memories in the row direction. A solid-state imaging device having
The line memory includes a transfer channel region in which a potential slope in which a potential potential gradually increases toward a signal charge transfer direction;
A gate electrode disposed facing the transfer channel region;
A plurality of memory control electrodes extending along an arrangement direction of the plurality of line memories and electrically connected to gate electrodes for line memories belonging to a predetermined group of the line memories;
A solid-state imaging device in which a contact portion between the memory control electrode and the gate electrode is formed on the upstream side in the charge transfer direction with respect to half the length of the transfer channel region in the charge transfer direction.
この固体撮像素子によれば、拡散・反応防止膜の成膜工程を必要とせず、コンタクト部の配設位置を限定するのみで、水平電荷転送路のサイズを拡大することなく多画素化を進めた場合でも、水平電荷転送路の電荷転送容量の減少、消費電力の増加、転送効率の劣化といった問題が解決される。 According to this solid-state imaging device, the number of pixels can be increased without enlarging the size of the horizontal charge transfer path only by limiting the arrangement position of the contact portion without requiring the film formation process of the diffusion / reaction prevention film. Even in this case, problems such as a decrease in charge transfer capacity of the horizontal charge transfer path, an increase in power consumption, and a deterioration in transfer efficiency are solved.
(2) (1)記載の固体撮像素子であって、
前記メモリ制御電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第1のメモリ制御電極と、第2のメモリ制御電極とを含み、
前記ラインメモリの配列方向に沿って、前記第1のメモリ制御電極と前記第2のメモリ制御電極が、交互に前記ラインメモリのゲート電極に接続された固体撮像素子。
(2) The solid-state imaging device according to (1),
The memory control electrode includes a first memory control electrode to which a voltage can be applied independently, and a second memory control electrode,
A solid-state imaging device in which the first memory control electrode and the second memory control electrode are alternately connected to the gate electrode of the line memory along the arrangement direction of the line memory.
この固体撮像素子によれば、第1のメモリ制御電極と第2のメモリ制御電極とに異なるラインメモリパルスが印加でき、ラインメモリパルスがそれぞれハイレベルとローレベルの状態をとることができる。 According to this solid-state imaging device, different line memory pulses can be applied to the first memory control electrode and the second memory control electrode, and the line memory pulses can take a high level state and a low level state, respectively.
(3) (1)または(2)記載の固体撮像素子であって、
前記複数の垂直電荷転送部により転送されてくる信号電荷が、前記ラインメモリを通じて前記水平電荷転送部の一つの電荷転送段に導入される固体撮像素子。
(3) The solid-state imaging device according to (1) or (2),
A solid-state imaging device in which signal charges transferred by the plurality of vertical charge transfer units are introduced into one charge transfer stage of the horizontal charge transfer unit through the line memory.
この固体撮像素子によれば、垂直電荷転送部に接続された電荷蓄積領域上方の複数の電極にそれぞれ独立に電圧を印加とすることで、ラインメモリで水平電荷転送路へ転送する電荷を選択することが可能となる。 According to this solid-state imaging device, voltage is independently applied to a plurality of electrodes above the charge accumulation region connected to the vertical charge transfer unit, thereby selecting a charge to be transferred to the horizontal charge transfer path in the line memory. It becomes possible.
(4) (1)〜(3)のいずれか1項記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
を備えた撮像装置。
(4) The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3);
An optical system for forming an optical image on the solid-state imaging device;
An imaging apparatus comprising:
この撮像装置によれば、転送効率の劣化が生じず、高速動作が実現し、ノイズの無い良好な画像が高速に取得可能となる。 According to this imaging apparatus, transfer efficiency is not deteriorated, high speed operation is realized, and a good image without noise can be acquired at high speed.
本発明に係る固体撮像素子によれば、水平電荷転送路のサイズを拡大することなく多画素化を進めた場合でも、水平電荷転送路の電荷転送容量の減少、消費電力の増加、転送効率の劣化といった問題を解決することが可能となる。また、メモリ制御電極とゲート電極とのコンタクト部を、転送チャネル領域の電荷転送方向の長さの半分より電荷転送方向上流側に形成したので、転送効率の劣化が生じず、高速動作を実現できるとともに、拡散・反応防止膜の成膜工程を必要としないので、工程を少なくしながら、歩留まりを向上させることができる。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, even when the number of pixels is increased without increasing the size of the horizontal charge transfer path, the charge transfer capacity of the horizontal charge transfer path is decreased, the power consumption is increased, and the transfer efficiency is increased. It becomes possible to solve problems such as deterioration. In addition, since the contact portion between the memory control electrode and the gate electrode is formed on the upstream side in the charge transfer direction from half the length of the transfer channel region in the charge transfer direction, transfer efficiency does not deteriorate and high speed operation can be realized. At the same time, since the step of forming the diffusion / reaction prevention film is not required, the yield can be improved while reducing the number of steps.
本発明に係る撮像装置によれば、上記の固体撮像素子と、固体撮像素子に光学像を結像させる光学系とを備えたので、安価に、良好な画像を高速に取得することができる。 According to the imaging apparatus according to the present invention, since the solid-state imaging device and the optical system that forms an optical image on the solid-state imaging device are provided, a good image can be acquired at low cost at high speed.
以下、本発明に係る固体撮像素子および撮像装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明に係る固体撮像素子の基本構成を示すブロック図である。
本実施の形態による固体撮像素子100は、多数の光電変換素子20が平面上に行方向(矢印Xの方向)および列方向(矢印Yの方向)に沿って並ぶように二次元配置された撮像部21を有している。各々の光電変換素子20は、通常は半導体で構成されるフォトダイオードであり、各々の受光面に入射した光の強さと露光時間の長さとで定まる光量に応じた信号電荷を生成する。つまり、複数の光電変換素子20のそれぞれが生成する信号電荷の量が、二次元画像を構成するそれぞれの画素の明るさに相当する。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a solid-state imaging device and an imaging device according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a solid-state imaging device according to the present invention.
The solid-
二次元配置された多数の光電変換素子20のそれぞれが出力する信号電荷を固体撮像素子100の出力端子OUTから適切な順番に従って時系列のフレーム毎の信号として取り出すために、複数の垂直電荷転送部(VCCD)22(1)〜22(n)と、ラインメモリ(LM)23と、水平電荷転送部(HCCD)24と、出力増幅器25とが固体撮像素子100に備わっている。
In order to take out signal charges output from each of a large number of two-dimensionally arranged
各々の垂直電荷転送部22は、光電変換素子20と隣接する位置に、Y方向に向かって延設されており、1列分の光電変換素子20のそれぞれから信号電荷を受け取った後、列毎に信号電荷を縦方向(矢印Y方向)に順次に転送する。
Each vertical
垂直電荷転送部22(1)〜22(n)の出力側にはラインメモリ23が配置されており、垂直電荷転送部22(1)〜22(n)から出力される1行分の信号電荷がラインメモリ23上に一時的に蓄積される。
A
ラインメモリ23に蓄積された1行分の信号電荷は、ラインメモリ23から水平電荷転送部24に転送され、その結果、水平電荷転送部24に1行分の信号電荷が保持される。水平電荷転送部24は、それ自身が保持している1行分の信号電荷を1画素単位で水平方向(矢印X方向)に順次に転送する。水平電荷転送部24から出力される信号電荷は、出力増幅器25で増幅され、出力端子OUTに送られる。
The signal charges for one row accumulated in the
このような読み出し動作を実現するのに必要な制御信号、すなわち、垂直転送制御信号φV1〜φV8と、ラインメモリ転送制御信号φLM1、φLM2と、水平転送制御信号φH1、φH2とがそれぞれ所定のタイミング信号発生回路26によって生成され、固体撮像素子100の垂直電荷転送部22、ラインメモリ23、水平電荷転送部24にそれぞれ印加される。
Control signals necessary for realizing such a read operation, that is, vertical transfer control signals φV1 to φV8, line memory transfer control signals φLM1 and φLM2, and horizontal transfer control signals φH1 and φH2, respectively, are predetermined timing signals. Generated by the
ここで、固体撮像素子100のさらに具体的な構成例について、図2〜図4を参照しながら以下に説明する。
図2は固体撮像素子の概略構成を示す部分平面模式図である。
固体撮像素子100は、ラインメモリ23が、多数の垂直電荷転送部22の各々と水平電荷転送部24とを結ぶ電荷蓄積領域27、および電荷蓄積領域27上方に独立して設けられたメモリ制御電極28(第1のメモリ制御電極28a,第2のメモリ制御電極28b)からなる。垂直電荷転送部22、電荷蓄積領域27、および水平電荷転送部24は、例えばn型半導体基板上に形成されるpウェル層内に形成されたn型の不純物層で構成されている。
Here, a more specific configuration example of the solid-
FIG. 2 is a partial plan view schematically showing the configuration of the solid-state image sensor.
In the solid-
水平電荷転送部24上方には、逆L字型の電極29aと長方形の電極29bとをこの順番で水平方向Xに配列した電極組が水平方向Xに複数配列されている。この電極組は、転送パルスφH2が印加される電極組D1と、転送パルスφH1が印加される電極組D2とを含み、これらが水平方向Xに交互に配列されている。転送パルスφH2がハイレベル、転送パルスφH1がローレベルになると、電極組D1下方の水平電荷転送部24は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、電極組D2下方の水平電荷転送部24は該電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。一方、転送パルスφH2がローレベル、転送パルスφH1がハイレベルになると、電極組D2下方の水平電荷転送部24は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、電極組D1下方の水平電荷転送部24は該電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。このように、水平電荷転送部24には、電極組D1と電極組D2との重なる部分により、印加電圧のレベルに応じてバリア領域または電荷蓄積領域として動作する複数の電荷転送段が形成される。
Above the horizontal
水平電荷転送部24の各電荷転送段には、隣接する2つの垂直電荷転送部22の各々が電荷蓄積領域27を介して接続されている。各電荷転送段に接続される2つの電荷蓄積領域27のうち、水平電荷転送部24の電荷転送方向上流側(図中右側)にある電荷蓄積領域27上方には、ラインメモリパルスφLM1が印加されるメモリ制御電極28aが形成され、水平電荷転送部24の電荷転送方向下流側(図中左側)にある電荷蓄積領域27上方には、ラインメモリパルスφLM2が印加されるメモリ制御電極28bが形成されている。ラインメモリパルスφLM1,φLM2は、それぞれハイレベルとローレベルの状態をとることができる。
Each of the adjacent vertical
以下、このような構成の固体撮像素子100の動作について説明する。
図3は図2に示した固体撮像素子のラインメモリから水平電荷転送路への電荷転送動作を説明するための図である。図3においては、左側に転送パルスφH1,φH2、ラインメモリパルスφLM1,φLM2のタイミングチャートを示し、右側に、左側に示した各タイミングにおける電荷の様子を図示してある。ここでは、固体撮像素子100に含まれる光電変換素子20の配列が、特開2007−27977号公報に開示されたようなハニカム配列となっている場合を例にして説明する。なお、ハニカム配列とは、光電変換素子の配列として、行方向に配列された光電変換素子からなる光電変換素子行を、その奇数行とその偶数行とで、行方向の光電変換素子間ピッチの略1/2互いに行方向にずらした配列である。
Hereinafter, the operation of the solid-
FIG. 3 is a diagram for explaining the charge transfer operation from the line memory of the solid-state imaging device shown in FIG. 2 to the horizontal charge transfer path. In FIG. 3, the timing chart of the transfer pulses φH1 and φH2 and the line memory pulses φLM1 and φLM2 is shown on the left side, and the state of charge at each timing shown on the left side is shown on the right side. Here, the case where the arrangement of the
図3(a)は、多数の電荷蓄積領域27に、固体撮像素子100の2ライン分の光電変換素子20から得られた電荷を蓄積した状態を示している。この状態では、φH1,φH2はローレベル、φLM1,φLM2はハイレベルとなっており、電荷蓄積領域27に電位井戸が形成され、水平電荷転送部24の各電荷転送段がこの電位井戸のバリアを形成している。
FIG. 3A shows a state where charges obtained from the
次に、図3(b)に示すように、φLM2をローレベル、φH2をハイレベルにして、電極組D1下方の電荷転送段に、この電荷転送段に対応するメモリ制御電極28b下方の電荷蓄積領域27にある電荷“R”を移動させる。その後は、φH2をローレベル、φH1をハイレベルにして電荷“R”を隣の電荷転送段に転送し、このような転送動作を繰り返すことで、電荷“R”に応じた信号が水平電荷転送部24端部に接続された出力増幅器25から出力される。
Next, as shown in FIG. 3 (b), φLM2 is set to a low level and φH2 is set to a high level, and the charge accumulation stage below the
電荷“R”に応じた信号の出力後は、φLM2,φLM1,φH1,φH2を一端図3(a)の状態にした後、図3(c)に示すように、φLM1をローベル、φH2をハイレベルにして、電極組D1下方の電荷転送段に、この電荷転送段に対応するメモリ制御電極28a下方の電荷蓄積領域27にある電荷“G1”を移動させる。その後は、φH2をローレベル、φH1をハイレベルにして電荷“G1”を隣の電荷転送段に転送し、このような転送動作を繰り返すことで、電荷“G1”に応じた信号が水平電荷転送部24端部に接続された出力増幅器25から出力される。
After the signal corresponding to the charge “R” is output, φLM2, φLM1, φH1, and φH2 are set to the state shown in FIG. 3A, then φLM1 is set to the low level and φH2 is set to the high level, as shown in FIG. At a level, the charge “G1” in the
電荷“G1”に応じた信号の出力後は、φLM2,φLM1,φH1,φH2を一端図3(a)の状態にした後、図3(d)に示すように、φLM2をローベル、φH1をハイレベルにして、電極組D2下方の電荷転送段に、この電荷転送段に対応するメモリ制御電極28b下方の電荷蓄積領域27にある電荷“B”を移動させる。その後は、φH1をローレベル、φH2をハイレベルにして電荷“B”を隣の電荷転送段に転送し、このような転送動作を繰り返すことで、電荷“B”に応じた信号が水平電荷転送部24端部に接続された出力増幅器25から出力される。
After the signal corresponding to the charge “G1” is output, φLM2, φLM1, φH1, and φH2 are once set to the state shown in FIG. 3A, and then, as shown in FIG. At a level, the charge “B” in the
電荷“B”に応じた信号の出力後は、φLM2,φLM1,φH1,φH2を一端図3(a)の状態にした後、図3(e)に示すように、φLM1をローベル、φH1をハイレベルにして、電極組D2下方の電荷転送段に、この電荷転送段に対応するメモリ制御電極28a下方の電荷蓄積領域27にある電荷“G2”を移動させる。その後は、φH1をローレベル、φH2をハイレベルにして電荷“G2”を隣の電荷転送段に転送し、このような転送動作を繰り返すことで、電荷“G2”に応じた信号が水平電荷転送部24端部に接続された出力増幅器25から出力される。
After the signal corresponding to the charge “B” is output, φLM2, φLM1, φH1, and φH2 are set to the state shown in FIG. 3A, then φLM1 is set to the low level and φH1 is set to the high level, as shown in FIG. At a level, the charge “G2” in the
このような動作により、2ライン分の電荷の転送が完了する。 With this operation, the transfer of charges for two lines is completed.
上記の固体撮像素子100では、1つの電荷転送段に2つの垂直電荷転送部22を接続し、この2つの垂直電荷転送部22に接続された電荷蓄積領域27上方のメモリ制御電極28a,28bにそれぞれ独立に電圧を印加可能とすることで、ラインメモリ23で水平電荷転送部24へ転送する電荷を選択することができる。このため、図13と同じ画素ピッチを実現した場合でも、水平電荷転送部24の水平方向の幅を維持したまま、電荷転送段の水平方向幅(図2中のW)を図13に示したものよりも拡大することができる。この結果、消費電力を増加させることなく、水平電荷転送部24の電荷転送容量を増加することができる。また、電荷転送段数を減少させることができるため、転送効率の劣化を防ぐこともできる。
In the solid-
また、上記の固体撮像素子100では、ラインメモリ23のメモリ電極が、それぞれ独立に電圧を印加可能なメモリ制御電極28aとメモリ制御電極28bとに分割されているため、ラインメモリパルスφLM1,φLM2を制御することで、ラインメモリ23から水平電荷転送部24への電荷の振り分けを行うことができる。図13に示した構成で多フィールド読みを行う場合、垂直電荷転送部1の駆動が複雑になってしまうが、図2に示した構成によれば、垂直電荷転送部22の駆動を複雑にすることなく、ラインメモリパルスφLM1,φLM2の制御のみで多フィールド読みを実現することができる。また、ラインメモリパルスφLM1,φLM2を制御することで、間引き駆動等を容易に実現することもできる。このように、メモリ電極を複数種類設けることで、様々な駆動方法を容易に実現することができる。
In the solid-
このように、本実施の形態による固体撮像素子100は、ラインメモリ23の電極を複数電極化したメモリ制御電極28(28a,28b)とすることで、水平電荷転送部24で転送ピッチを得て、水平電荷転送部24の容量確保、転送の効率化を図るが、メモリ制御電極28a,28bのコンタクト部における仕事関数の変化に起因して新たな課題を包含することが危惧された。すなわち、複数のメモリ制御電極28a,28bを交互に配置し、それらを独立に駆動するには、ゲート電極とメモリ制御電極28a,28bとの接続が必要となるが、そのゲート電極とのコンタクトをラインメモリ電荷転送チャンネル上に設けると、コンタクト部における電極の仕事関数が変化して転送効率が劣化するという問題が発生する。
As described above, the solid-
これに対し、多結晶シリコンからなる転送電極とゲート電極との間に導電性の拡散・反応防止膜からなる膜を形成し、仕事関数が変化しないようにすることで、転送効率の劣化を防ぐ技術(例えば特開平7−211883)が提案されているが、この方法では、拡散・反応防止膜を形成する工程が追加され、工程追加に伴う歩留まり低下が発生した。 On the other hand, a transfer diffusion / reaction prevention film is formed between the transfer electrode made of polycrystalline silicon and the gate electrode so that the work function does not change, thereby preventing transfer efficiency from deteriorating. A technique (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-211883) has been proposed, but in this method, a step of forming a diffusion / reaction prevention film is added, resulting in a decrease in yield due to the addition of the step.
そこで、本実施の形態による固体撮像素子100では、以下の構成をさらに付加することで、これらの不具合を解消している。
図4は図2に示したラインメモリの要部拡大図、図5は図4のA−B断面図である。
撮像部21において、複数の垂直電荷転送部22は、画素分離帯30によって分離される。それぞれの垂直電荷転送部22同士の間には、複数の光電変換素子20が垂直電荷転送部22の電荷転送方向に沿って設けられている。それぞれの光電変換素子20には垂直電荷転送部22に直交する方向の垂直電荷転送上側電極31aと垂直電荷転送下側電極31bとが接続されている。垂直電荷転送部22は、垂直電荷転送上側電極31a、垂直電荷転送下側電極31bに垂直転送信号φV1〜φV8が入力される8相駆動となる。
Therefore, the solid-
4 is an enlarged view of a main part of the line memory shown in FIG. 2, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
In the
それぞれの垂直電荷転送部22と水平電荷転送部24との間には、ラインメモリ電荷転送チャンネル32を有したラインメモリ23が設けられる。ラインメモリ23は、ラインメモリ電荷転送チャンネル32の幅を徐々に拡げることで、電荷転送方向にポテンシャルスロープが形成されるようにしている。ポテンシャルスロープのつけかたは、特開2002−185870に示すように、不純物を注入したり、チャンネルストップによってつけることができる。それぞれのラインメモリ23には電荷転送方向に直交する方向のメモリ制御電極28a,28bが設けられ、メモリ制御電極28a,28bはコンタクト部33にてゲート電極と接続されている。このメモリ制御電極28a,28bにはラインメモリ制御信号φLM1、φLM2が入力される。なお、図中34はチャンネルストップを示す。
A
そして、図5(a)に示すコンタクト部33の配設位置は、図5(b)に示すように、ラインメモリ電荷転送チャンネル32のうち、電位ポテンシャルの井戸による電荷蓄積領域から外れた部位となっている。
As shown in FIG. 5B, the arrangement position of the
コンタクト部33は、材料の異種材料を接合して形成するので、双方の材料が拡散した分布となる。材料によって仕事関数は異なるため、拡散した領域では、仕事関数が周囲と比べて高くなったり、低くなったりする。その状態を電位のポテンシャルでたとえると、ディップ(凹;井戸)やバリア(凸;障壁)のような形状となる。すなわち、仕事関数は、電位ポテンシャルの高さを表すパラメータと考えることができる。仕事関数が大きいときは、電位が低い状態と等価となる。このように仕事関数を変化させて、信号電荷を転送するには、物体表面の仕事関数を大きくして井戸を造り、仕事関数を小さくして障壁を作る。実際にはイオン注入濃度を調整して転送路をつくり、電極への電圧印加によりポテンシャルを上下させて、信号電荷を移動させることとなる。
Since the
ラインメモリ23では、図5(b)に示すように、水平電荷転送部24における電極29aのφH1がLow、φLM1がLowであるラインメモリ蓄積時に、バリアBAが高くなり電荷蓄積領域35が形成される。また、図5(c)に示すように、電極29aのφH1がHigh、φLM1がLowである水平電荷転送部24への転送時に、バリアBAが低くなり蓄積電荷が水平電荷転送部24へと転送される。
In the
ここで、図6はラインメモリ電荷転送チャンネルのバリア形成による電荷転送過程を(a),(b),(c)に示した模式図、図7はラインメモリ電荷転送チャンネルのディップ形成による電荷転送過程を(a),(b),(c)に示した模式図である。
図5(a)に示すコンタクト部33においては、結晶欠陥や汚染等によるトラップ準位、不均一な構造による電位のムラ等により仕事関数が変化し、バリアBa又はディップDaが形成される。そして、それぞれ異なる電位ポテンシャル分布となるが、電荷転送の挙動は双方とも略同じようになる。図6,図7に示すように、バリアBa又はディップDaによって堰き止められ、あるいは蓄積された電荷は、ラインメモリ蓄積時から水平電荷転送部24への転送時までの期間内に、水平電荷転送部24へと徐々に転送が進み、時間経過と共に完全に転送されて、結果的には残留ノイズとなることがない。すなわち、バリアBa又はディップDaにおいては、熱的拡散、およびフリンジ電界ドリフトにより、ポテンシャル段差が存在しても電荷は転送されることなる。
Here, FIG. 6 is a schematic diagram showing the charge transfer process by the barrier formation of the line memory charge transfer channel in (a), (b), and (c), and FIG. 7 is the charge transfer by dip formation of the line memory charge transfer channel. It is the schematic diagram which showed the process to (a), (b), (c).
In the
図8はラインメモリ電荷転送チャンネルの長さと幅の相関を表した模式図である。
コンタクト部33の配設位置は、チャネル幅W1,W2が転送方向に向かって連続的に広がった構成であるとき、チャネル幅の中間幅(W1+W2)/2より狭い幅の領域(図中上側の長さSの領域)としてもよい。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the correlation between the length and width of the line memory charge transfer channel.
When the channel widths W1 and W2 are continuously widened in the transfer direction, the
図9はラインメモリ電荷転送チャンネルの電荷蓄積領域と電荷転送方向の長さとの相関を表した模式図である。
さらに、コンタクト部33の配設位置は、ラインメモリ電荷転送チャンネル32の電荷転送方向の長さの半分より電荷転送方向上流側(図中右側の長さSの領域)に形成してもよい。つまり、いずれの場合も実質的な電荷蓄積領域内にコンタクト部33を配設しないようにする。電荷蓄積領域は、チャネル内のイオン濃度等によって変動するため正確に規定することは困難であるが、少なくともラインメモリ電荷転送チャネル32の電荷転送方向長さの半分より下流側に設計的には形成するので、その領域に対してはコンタクト部33の配設位置としないようにする。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the correlation between the charge storage region of the line memory charge transfer channel and the length in the charge transfer direction.
Furthermore, the arrangement position of the
上記の規定位置にコンタクト部33が配設されることにより、コンタクト部近傍の仕事関数の変化によりバリアBa又はディップDaが発生したとしても、電荷蓄積領域35よりも上流にコンタクト部33を配置しているので、ラインメモリ23に電荷を蓄積している期間から水平電荷転送部24への転送期間内で、熱的拡散、およびフリンジ電界ドリフトによりバリアBa又はディップDaの電荷が時間の経過に伴い確実に転送されることなる。
By disposing the
図10は小信号蓄積時のバリア形成による電荷転送過程を(a),(b),(c)に示した模式図、図11は電荷蓄積領域内にコンタクト部を配設した構成における電荷転送過程を(a),(b),(c)に示した比較例による模式図である。
なお、コンタクト部33を電荷蓄積領域35内の上流側に配置させた場合、コンタクト部近傍の仕事関数の変化によりバリアBa又はディップDaが発生したとしても、そのディップDa等による転送効率悪化が顕著に現れる小信号時においては、図10(b)に示すように、電荷蓄積領域35よりも上流にコンタクト部33を配置しているので、ラインメモリ23に電荷を蓄積している期間から水平電荷転送部24への転送期間内で、熱的拡散及びフリンジ電界ドリフトにより、ディップDa内の電荷は転送される。
10A and 10B are schematic diagrams showing the charge transfer process by barrier formation during small signal accumulation, and FIG. 11 is a charge transfer in a configuration in which a contact portion is provided in the charge accumulation region. It is the schematic diagram by the comparative example which showed the process to (a), (b), (c).
When the
これに対し、図11に示すように、コンタクト部33を電荷蓄積領域35の下流側に配置させた場合、ラインメモリ23に電荷を蓄積している期間では、ディップDa内の電荷は転送されず、水平電荷転送部24への転送期間内のみである短い期間では、ディップDa内の電荷が転送できない。このため、ディップDa内の電荷を転送させるには水平電荷転送部24への転送期間を長く取る必要が生じてくる。このことからも、本実施の形態による構成が有効であることが反証できる。
On the other hand, as shown in FIG. 11, when the
したがって、本実施の形態による固体撮像素子100によれば、メモリ制御電極28a,28bとゲート電極とのコンタクト部33を、ラインメモリ電荷転送チャンネル32領域の電荷転送方向の長さの半分より電荷転送方向上流側に形成したので、複数電極可されたメモリ制御電極28a,28bにおいて、仕事関数が変化するコンタクト部33の接続をラインメモリ23に対して行っても、転送効率の劣化が生じず、高速動作を実現できる。また、拡散・反応防止膜の成膜工程を必要としないので、工程を少なくしながら、歩留まりを向上させることができる。
Therefore, according to the solid-
次に、上記した実施の形態による固体撮像素子100を備えた撮像装置であるデジタルカメラについて説明する。
図12は本発明に係る固体撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック図である。
図示するデジタルカメラは、撮影レンズ41と、上記した固体撮像素子100と、この両者の間に設けられた絞り43と、赤外線カットフィルタ45と、光学ローパスフィルタ47とを備える。デジタルカメラの全体を統括制御するCPU49は、フラッシュ発光部51および受光部53を制御し、レンズ駆動部55を制御して撮影レンズ41の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部57を介し絞り43の開口量を制御して露光量調整を行う。
Next, a digital camera that is an image pickup apparatus including the solid-state
FIG. 12 is a block diagram of a digital camera equipped with a solid-state image sensor according to the present invention.
The digital camera shown in the figure includes a
また、CPU49は、撮像素子駆動部59を介して固体撮像素子100を駆動し、撮影レンズ41を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。CPU49には、操作部61を通してユーザからの指示信号が入力され、CPU49はこの指示にしたがって各種制御を行う。
Further, the
デジタルカメラの電気制御系は、固体撮像素子100の出力に接続されたアナログ信号処理部67と、このアナログ信号処理部67から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路69とを備え、これらはCPU49によって制御される。
The electric control system of the digital camera includes an analog
さらに、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ(フレームメモリ)71に接続されたメモリ制御部73と、ガンマ補正演算,RGB/YC変換処理,画像合成処理等の画像処理を行うデジタル信号処理部75と、撮像画像をJPEG画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部77と、測光データを積算しデジタル信号処理部75が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部79と、着脱自在の記録媒体81が接続される外部メモリ制御部83と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部85が接続される表示制御部87とを備え、これらは、制御バス89およびデータバス91によって相互に接続され、CPU49からの指令によって制御される。
Further, the electric control system of the digital camera includes a
本実施の形態によるデジタルカメラで被写体画像を撮像する場合、図1に示す各画素20が受光量に応じた信号電荷を蓄積し、この信号電荷を先ず垂直電荷転送路22に読み出し、垂直電荷転送路25に沿って水平電荷転送部24の方向に転送する。
When a subject image is captured by the digital camera according to the present embodiment, each
各信号電荷を垂直電荷転送路22に読み出す直前のタイミングでは、各垂直電荷転送路22や水平電荷転送部24は掃き出し動作によって空の状態になっている。注入された所定電荷量の上記読出処理後に、各画素の受光量に応じた信号電荷を固体撮像素子100から読み出し、デジタル信号処理部75は、被写体画像データを生成する。
At the timing immediately before each signal charge is read out to the vertical
このデジタルカメラによれば、固体撮像素子100と、固体撮像素子100に光学像を結像させる光学系とを備えたので、転送効率の劣化が生じず、高速動作を実現でき、ノイズの無い良好な画像を高速に取得することができる。また、均一な基準信号を用いて、出力信号差を高精度に補正することができ、良好な画像を得ることができる。
According to this digital camera, since the solid-
本発明は、CCD型の固体撮像素子で、特には、複数電極可されたラインメモリ制御電極を備えた固体撮像素子に対し、仕事関数が変化するコンタクト部の接続を行っても、転送効率の劣化が生じず、高速動作を実現でき、例えば、電子カメラやビデオカメラ、或いは携帯端末などへの利用に有効である。 The present invention is a CCD type solid-state imaging device, and in particular, even when a contact portion with a variable work function is connected to a solid-state imaging device having a line memory control electrode with a plurality of electrodes, transfer efficiency can be improved. Deterioration does not occur and high-speed operation can be realized. For example, it is effective for use in an electronic camera, a video camera, a portable terminal, or the like.
20 光電変換素子(フォトダイオード)
22 垂直電荷転送部
23 ラインメモリ
24 水平電荷転送部
28a 第1のメモリ制御電極
28b 第2のメモリ制御電極
32 ラインメモリ電荷転送チャンネル(転送チャネル領域)
33 コンタクト部
100 固体撮像素子
X 行方向
Y 列方向
20 Photoelectric conversion element (photodiode)
22 vertical
33
Claims (4)
前記ラインメモリは、信号電荷転送方向に向かって電位ポテンシャルが徐々に深くなる電位スロープが形成された転送チャネル領域と、
前記転送チャネル領域に対面して配置されたゲート電極と、
前記複数のラインメモリの配列方向に沿って延設され、前記ラインメモリのうち所定のグループに属するラインメモリに対するゲート電極と電気的に接続される複数のメモリ制御電極と、を有し、
前記メモリ制御電極と前記ゲート電極とのコンタクト部が、前記転送チャネル領域の電荷転送方向の長さの半分より電荷転送方向上流側に形成された固体撮像素子。 A large number of photodiodes arranged in a row direction and a column direction orthogonal thereto, a plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photodiodes in the column direction, and signal charges of the vertical charge transfer units A plurality of line memories that are respectively provided at the downstream ends in the transfer direction and temporarily store signal charges to be transferred; and a horizontal charge transfer unit that transfers signal charges read from the plurality of line memories in the row direction. A solid-state imaging device comprising:
The line memory includes a transfer channel region in which a potential slope in which a potential potential gradually increases toward a signal charge transfer direction;
A gate electrode disposed facing the transfer channel region;
A plurality of memory control electrodes extending along an arrangement direction of the plurality of line memories and electrically connected to gate electrodes for line memories belonging to a predetermined group of the line memories;
A solid-state imaging device in which a contact portion between the memory control electrode and the gate electrode is formed on the upstream side in the charge transfer direction with respect to half the length of the transfer channel region in the charge transfer direction.
前記メモリ制御電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第1のメモリ制御電極と、第2のメモリ制御電極とを含み、
前記ラインメモリの配列方向に沿って、前記第1のメモリ制御電極と前記第2のメモリ制御電極が、交互に前記ラインメモリのゲート電極に接続された固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The memory control electrode includes a first memory control electrode to which a voltage can be applied independently, and a second memory control electrode,
A solid-state imaging device in which the first memory control electrode and the second memory control electrode are alternately connected to the gate electrode of the line memory along the arrangement direction of the line memory.
前記複数の垂直電荷転送部により転送されてくる信号電荷が、前記ラインメモリを通じて前記水平電荷転送部の一つの電荷転送段に導入される固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
A solid-state imaging device in which signal charges transferred by the plurality of vertical charge transfer units are introduced into one charge transfer stage of the horizontal charge transfer unit through the line memory.
前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
を備えた撮像装置。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3,
An optical system for forming an optical image on the solid-state imaging device;
An imaging apparatus comprising:
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