JP2010232477A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、固体撮像装置の信号処理方法およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置において、ブルーミングなどの画質不良を抑制してフォトダイオードのダイナミックレンジを最大化し、かつ読出動作の不完全による画質不良を抑制することを可能にする。
【解決手段】電荷排出部を形成する電荷排出ドレイン２０５を、フォトダイオードにおける信号電荷蓄積領域に比べて、同一濃度、同一深さで形成し、かつ水平方向に大きく形成する。また不純物拡散領域１９７Ａは、基板深くに形成されている電荷排出ドレイン２０５を水平方向に分離する機能を有し、画素部の不純物拡散領域１９７Ａと比べて幅を狭く形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像装置、およびその駆動方法，信号処理方法、それらを具備するカメラに関し、特に、固体撮像装置における不要電荷の排出技術に関する。

近年、デジタルカメラにおいては１０００万画素超まで固体撮像装置の高画素化が進み、銀塩フィルムなみの静止画を撮影したり、動画を撮影したりすることが可能になっている。この高画素化に伴い、固体撮像装置の単位画素サイズのピッチは２μｍを切り、更に微細化が進行している。

特許文献１にては、従来の固体撮像装置に関して、不要となった信号電荷を垂直転送部に隣接した電荷排出部から排出する技術が公開されている。この技術においては電荷排出部の濃度を光電変換部の濃度より高くすることで、垂直転送部からの不要電荷を十分受け取ることができるような構造となっている。
特開２００８−１９３０５０号公報

しかしながら、従来の固体撮像装置では、電荷排出部の濃度を濃くするために追加の不純物イオン注入工程が必要であり、これはすなわち、マスク形成工程と、その除去・洗浄工程が追加されることを意味する。従って、従来の技術では前記追加工程によりコスト増が避けられない。

また、従来技術では基板方向へのオーバーフローバリア高さはフォトダイオードと同等であり、このバリアの高さが電荷排出能力を律速していた。しかも、微細化によりフォトダイオードのアスペクト比が深さ方向に大きくなることにより、フォトダイオードを分離するためのＰ型不純物が深い筒状に形成されるため、オーバーフローバリアは大きくなる傾向にあった。これにより従来技術では電荷を十分に排出しきれずに、残留電荷が画質を著しく劣化させていた。

そこで、本発明は、垂直転送部の不要電荷を排出できる排出部を製造コストを増加させることなく形成でき、かつ単位画素を微細化した場合でも、その排出能力を向上させ排出残りによる画質劣化を防止することが可能な固体撮像装置、その駆動方法、信号処理方法およびカメラを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードを備える撮像領域と、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向へ転送を行う垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号を受け水平方向へ転送を行う水平転送部を備え、前記垂直転送部に隣接し、前記垂直転送部の信号電荷を前記水平転送部に転送する前に排出することができる電荷排出部を備え、前記電荷排出部は前記撮像領域の前記フォトダイオード同一の濃度により形成され、前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより大きく形成されていることを特徴とする。

これにより、電荷排出部を特別な工程を追加することなく形成することができるため、コスト増無しに不要電荷を排出する機能をもつことができる。

前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより垂直方向により大きく形成されていてもよい。

これにより、電荷排出部のサイズをより大きく形成することで、不要電荷の基板方向への排出能力を高めることができる。

また、前記フォトダイオードは垂直または水平方向のサイズより、深さ方向のサイズが大きく形成されていても良い。

近年のセルの微細化により、フォトダイオードのサイズが深さ方向に大きくなる傾向のため、フォトダイオードにおける基板方向へのオーバーフローバリア高くなり、排出能力が低下する傾向にあるが、本発明の構成はこのような傾向の構造である時ほど電荷排出部における排出能力確保に効果が出る。

更に、前記電荷排出部は、前記垂直転送部との距離が前記フォトダイオードと前記垂直転送部との距離よりも短く形成されていても良い。

これにより、垂直ＣＣＤから電荷排出部への不要電荷の排出を促進することができる。

また、前記垂直転送部はハイ、ミドル、ローの電圧を有する垂直転送パルスが印加される複数の電極を備え、前記電荷排出部は垂直転送が行われない期間中前記ミドル電圧で保持される電極に隣接して形成されていることが望ましい。

これにより、電荷排出動作を行う特別な電極では無くても、垂直ＣＣＤから電荷排出部への排出動作が可能となり電荷排出部の構造が簡略化できる。

また、前記電荷排出部はフォトダイオードから垂直転送部へ読み出すハイ電圧が印加されない電極に隣接して形成されていることが望ましい。

これにより、電荷排出部から垂直ＣＣＤへの不要電荷の逆流が防止できる。

また、前記電荷排出部に隣接する前記電極は、前記フォトダイオードに隣接して形成されている電極より面積が大きく形成されていても良い。

これにより、電荷排出部に隣接した垂直ＣＣＤの転送容量を低下することなく、電荷排出能力を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードを備える撮像領域と、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向へ転送を行う垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号を受け水平方向へ転送を行う水平転送部を備え、前記垂直転送部に隣接し、前記垂直転送部の信号電荷を前記水平転送部に転送する前に排出することができる電荷排出部を備え、前記電荷排出部は前記撮像領域の前記フォトダイオード同一の濃度により形成され、前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより大きく形成されており、更に、前記垂直転送部はハイ、ミドル、ローの電圧を有する垂直転送パルスが印加される複数の電極を備え、前記電荷排出部を備える電極に対して、ミドル電圧を印加期間に不要電荷を排出することを特徴とする。 これによって、駆動方法としても画素部における垂直転送と同等の通常の転送パルスを用いたまま、垂直ＣＣＤから電荷排出部への不要電荷の排出が可能となり、駆動パルス的にも簡略化した駆動が可能となり、固体撮像素子の設計複雑化やチップサイズ増大を伴うピン数増加を防止しながら、電荷排出機能を追加することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の信号処理方法は、前記電荷排出部を備える行に相当する行以外の信号レベルを黒基準とすることが望ましい。

前記電荷排出部を備える行に相当する信号は、通常のいわゆるオプティカルブラックと呼ばれる遮光されたフォトダイオードまたはそれに相当する領域から出力される信号とは異なり、サイズを大きくした電荷排出部から発生したノイズを含む可能性があるため、この行を除いた信号レベルを黒基準とすることにより、ノイズによる画質劣化を防止することができる。

なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現することができるだけでなく、このような固体撮像装置が備える特徴的な手段をステップとする駆動方法として実現したり、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体やインターネットなどの伝送媒体を介して配信することができるのは言うまでもない。さらに、このような固体撮像装置を備えるカメラとして構成することもできる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電荷排出部をフォトダイオードと同一の濃度で追加の製造工程なく形成が可能で、かつ基板へのオーバーフローバリアを低く形成することができ、微細化によりフォトダイオードが深く形成されることによるバリア高さ増を改善しながら、フォトダイオード形成と同時に電荷排出部を形成することができる。

これにより微細画素の固体撮像装置であっても、不要電荷を効果的に排出することにより、画質劣化を防止することができ、かつコスト増加を抑制することができるため、微細化が進む今日における本発明の実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る固体撮像装置を利用したカメラ（撮像装置）の構成を示す図である。

図１に示されるようにカメラ１０１は、被写体の光学像を撮像素子に結像させるレンズ１１０と、レンズ１１０を通過した光学像の光学処理を行うミラーや、メカニカルシャッタなどの光学系１２０と、本発明に係る固体撮像装置１３０と、信号処理部１６０と、デジタルシグナルプロセッサ（以下、「ＤＳＰ」とも記す）１７０等とを備える。

固体撮像装置１３０は、固体撮像素子１４０と、駆動パルス制御部１５０とを備える。

固体撮像素子１４０は、ＣＣＤイメージセンサ等により実現され、受光量に応じた画素信号を出力する。

駆動パルス制御部１５０は、ＤＳＰ１７０の指示に従って、固体撮像素子１４０に対して種々の駆動パルスを種々のタイミングで発生させることにより、固体撮像素子１４０を制御する。具体的には、駆動パルス制御部１５０は、固体撮像素子１４０の垂直ＣＣＤの読出ゲートおよび非読出ゲートに対して駆動パルスを印加することにより、固体撮像素子１４０を制御する。

信号処理部１６０は、固体撮像素子１４０から出力されるフィールドスルーの信号と出力信号との差分をとるＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路１６１と、ＣＤＳ回路１６１から出力されるＯＢ（Optical Black）レベルの信号を検出するＯＢクランプ回路１６２と、ＯＢレベルと有効画素の信号レベルとの差分をとり、その差分のゲインを調整するＧＣＡ（Gain Control Amplifier）１６３と、ＧＣＡ１６３から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）１６４などから構成される。

ＤＳＰ１７０は、ＡＤＣ１６４から出力されたデジタル信号に信号処理を施すと共に、駆動パルス制御部１５０の制御を行う。

図２は、図１に示される固体撮像素子１４０の構成を示すブロック図である。

図２に示されるように、固体撮像素子１４０は、インターライン・トランスファ（ＩＴ）型のＣＣＤイメージセンサであり、半導体基板（以下、単に基板とも呼ぶ）１４７と、半導体基板１４７上に二次元配列された複数のフォトダイオード１４１と、複数の垂直ＣＣＤ１４３と、水平ＣＣＤ１４５と、出力アンプ１４６と、基板バイアス電圧発生回路１８０と、トランジスタＱ１とを有する。また、同図には、固体撮像素子１４０の半導体基板１４７のバイアス電圧（以下、基板バイアスとも呼ぶ）Ｖｓｕｂを変調する回路として、トランジスタＱ２，抵抗Ｒ１〜Ｒ３，コンデンサＣも併せて図示されている。

前記基板バイアスＶｓｕｂの制御によって、フレーム読出時における飽和信号電荷量Ｑｓの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておくように構成されている。ここでフレーム読出は、露光時間経過後に光学系１２０のメカニカルシャッタ（図外）を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、１枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。

図２において、複数のフォトダイオード１４１は二次元配列され撮像エリア１４４を形成する。各フォトダイオード１４１は、入射光を、その光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード１４１は、例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード１４１に蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ１４３の読出ゲート部１４２に読出パルスが印加されることにより垂直ＣＣＤ１４３に読み出される。

垂直ＣＣＤ１４３は、フォトダイオード１４１の垂直列ごとに設けられ、各フォトダイオード１４１から読出ゲート部１４２を介して読み出された信号電荷を水平ＣＣＤ１４５に垂直転送する。垂直ＣＣＤ１４３は、フォトダイオード１４１ごとに設けられた、フォトダイオード１４１の信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３に読み出すための読出ゲートおよび信号電荷の垂直転送を行うための非読出ゲートを有する。

ＩＴ方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ１４３には、例えば６相の垂直転送クロック（駆動パルス）φＶ１〜φＶ６によって転送駆動するための転送電極（読出ゲートおよび非読出ゲート）が繰り返し配置され、転送電極への垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６の印加に応じ、フォトダイオード１４１から読み出された信号電荷が各垂直ＣＣＤ１４３で順に垂直方向に転送される。これにより、複数の垂直ＣＣＤ１４３から水平ブランキング期間において１走査線（１ライン）分の信号電荷が水平ＣＣＤ１４５に出力される。

６相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６の内２相目と４相目と６相目のφＶ２とφＶ４とφＶ６は、垂直転送のための交互に変化するＬＯＷレベル電圧とＭＩＤＤＬＥレベル電圧の２値をとり得る。

これに対して、１相目、３相目および５相目の垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５が印加される転送電極は、読出ゲート部１４２の読出電極も兼用しているので、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５は、交互に変化するＬＯＷレベル電圧とＭＩＤＤＬＥレベル電圧とＨＩＧＨレベル電圧との３値をとり得る。この３値目のＨＩＧＨレベル電圧のパルスは読出ゲート部１４２に与えられる読出パルスとなる。

ここで、垂直ＣＣＤ１４３に供給される垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は第１駆動パルスの一例であり、該垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６のＬＯＷレベル電圧およびＭＩＤＤＬＥレベル電圧は、それぞれ第１電圧および第２電圧の一例である。

なお、垂直ＣＣＤ１４３が垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８によって転送駆動する構成である場合には、８相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８の内２相目と４相目と６相目と８相目のφＶ２とφＶ４とφＶ６とφＶ８は、非読出ゲートに印加され、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とφＶ５とφＶ７は、読出ゲートに印加されるが、本実施の形態では、以下に６相駆動の場合を例として説明する。

水平ＣＣＤ１４５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ１４３から転送された１ライン分の信号電荷を１水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ１４６を介して出力する。この水平ＣＣＤ１４５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１とφＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１４３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。

出力アンプ１４６は、水平ＣＣＤ１４５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。

基板バイアス電圧発生回路１８０は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して半導体基板１４７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときは第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときはより低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。

前記固体撮像素子１４０は、半導体基板１４７上に形成される。半導体基板１４７には、フォトダイオード１４１に蓄積された信号電荷を半導体基板１４７へ掃き出すための基板シャッタパルスφＳＵＢなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッタパルスφＳＵＢによる基板シャッタ機能は電子シャッタとも呼ばれる。

また、図２においては、垂直ＣＣＤ１４３に隣接して電荷排出部１４８が形成されている。これにより、垂直ＣＣＤ１４３における過剰電荷、もしくは、不要となった電荷を排出することができる。

図３（ａ）は、フォトダイオード１４１および垂直ＣＣＤ１４３の基板深さ方向の構造を示す断面図であり、図２におけるｈ１−ｈ２に示されている水平方向の断面図である。

図３（ａ）に示されるように、例えばＮ型の半導体基板１４７の表面にＰ型ウェル領域１９１が形成されている。Ｐ型ウェル領域１９１の表面にはＰ＋型の正孔蓄積領域１９３が形成され、さらにその下方にはＮ型の信号電荷蓄積領域１９２が形成されている。フォトダイオード１４１は、これら信号電荷蓄積領域１９２および正孔蓄積領域１９３により構成されている。

ここで、Ｎ型の半導体基板１４７は第１導電型の半導体基板の一例であり、Ｐ型ウェル領域１９１は第２導電型のウェル領域の一例である。また、Ｐ＋型の正孔蓄積領域１９３は第２導電型の第１半導体領域の一例であり、Ｎ型の信号電荷蓄積領域１９２は第１導電型の第２半導体領域の一例である。

このフォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、Ｐ型ウェル領域１９１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１４１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを超えた場合、超えた分の信号電荷がポテンシャルバリアを超えて半導体基板１４７側へ掃き出される。

このようにして、半導体基板１４７には、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード１４１が構成される。

また、フォトダイオード１４１は単位画素サイズの縮小に伴い、その電荷蓄積領域１９２が水平方向より深さ方向が大きい構造をしている。これは、固体撮像素子が画素サイズを縮小しても、フォトダイオードの深さ方向の大きさを縮小できないデバイスであるからであり、それは、可視光領域の、特に波長が長い光に対しての光電変換感度を劣化させないために必須要件となってきている。

フォトダイオード１４１の横方向には、Ｐ型ウェル領域１９１内の読出ゲート部１４２を構成する部分を介してＮ型の電荷転送領域１９５およびＰ＋型のチャンネルストッパ領域１９６が形成されている。電荷転送領域１９５は、フォトダイオード１４１から読み出された信号電荷を転送するための領域であり、Ｐ型ウェル領域１９１内に形成される。電荷転送領域１９５の下方には、スミア成分の混入を防止するためのＰ＋型の不純物拡散領域１９７が形成されている。

前記Ｐ＋型の不純物拡散領域１９７は深さ方向にも最適に分布されており、深く形成されているフォトダイオードを分離するために必要な構造となっている。すなわち、このフォトダイオード間を分離するＰ型領域が濃い方がフォトダイオード同士を分離する機能は優れているが、オーバーフローバリアのポテンシャルもこの分離領域の濃度が濃くなることで高く形成されることとなり、基板への電荷排出機能が劣化するという弊害が生ずる。これにより、基板排出方式の電子シャッターを行うための基板印加パルスが増大し、排出しきれずに残留したノイズ電荷が画質を著しく劣化させる。

したがって、特に基板深さ方向が深くなったフォトダイオードの分離領域の不純物濃度は、分離機能と、排出機能との最適状態となるように設定される。

半導体基板１４７上には、電荷転送領域１９５の上方に位置するように、例えば多結晶シリコンからなる転送電極１９９が配設されている。電荷転送領域１９５および転送電極１９９により垂直ＣＣＤ１４３が構成されている。転送電極１９９のＰ型ウェル領域１９１の上方に位置する部分は、読出ゲート部１４２のゲート電極として機能する。

半導体基板１４７には、フォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する（即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める）基板バイアスＶｓｕｂが印加されるようになっている。

図３（ｂ）はフォトダイオード１４１の基板深さ方向の構造を示す断面図であり、図２におけるｖ１−ｖ２に示されている垂直方向の断面図である。

図４は本実施の形態におけるフォトダイオード１４１の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。

このフォトダイオード１４１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１４１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを超えた場合に、その超えた分の信号電荷がポテンシャルバリアを超えて半導体基板１４７側へ掃き出される。

このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスＶｓｕｂによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスＶｓｕｂにより制御可能である。

駆動パルス制御部１５０は、ＤＳＰ１７０から２垂直期間以上の時間（例えば、８秒）フォトダイオード１４１に信号電荷を蓄積される旨の指示があり、光学系１２０のメカニカルシャッタが開けられると、長秒蓄積モードを実行する。次いで、指示された時間が経過し、メカニカルシャッタが閉じられると、駆動パルス制御部１５０は、長秒蓄積モードの実行を終了し、垂直ＣＣＤ１４３のみを転送駆動し、垂直ＣＣＤ１４３のチャンネルのノイズを掃き出す垂直ＣＣＤ掃出モードを実行する。

次いで、垂直ＣＣＤ掃出モードの実行が終了すると、駆動パルス制御部１５０は、全てのフォトダイオード１４１に蓄積されている信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３に読み出させ、読み出された信号電荷を垂直ＣＣＤ１４３で転送させ、垂直ＣＣＤ１４３から水平ＣＣＤ１４５に転送させ、出力アンプ１４６を介して出力させる。

図５（ａ）は図２における電荷排出部１４８のｈ３−ｈ４に示される水平方向の断面図である。

図５（ａ）においても、フォトダイオード１４１の断面構造と同様に、例えばＮ型の半導体基板１４７の表面にＰ型ウェル領域１９１が形成されている。Ｐ型ウェル領域１９１の表面にはＰ＋型の正孔蓄積領域１９３が形成されている。

さらにその下方にはＮ型の電荷排出ドレイン２０５が形成されている。電荷排出部１４８は、これら電荷排出ドレイン２０５および正孔蓄積領域１９３により構成されている。

図５（ａ）において、電荷排出部を形成する電荷排出ドレイン２０５はフォトダイオード１４１における信号電荷蓄積領域１９２に比べて、同一濃度、同一深さで形成されているが、水平方向には大きく形成されている。また、不純物拡散領域１９７Ａは基板深くに形成されている電荷排出ドレイン２０５を水平方向に分離する機能を有しているが、これも画素部の不純物拡散領域１９７と比較すると幅が狭く形成されている。

図５（ｂ）は図２における電荷排出部１４８のｖ３−ｖ４に示される垂直方向の断面図である。図５（ｂ）において、電荷排出部を形成する電荷排出ドレイン２０５は、フォトダイオード１４１における信号電荷蓄積領域１９２に比べて、同一濃度、同一深さで形成されているが、垂直方向に大きく形成されている。本実施例似ては、垂直チャンネルストッパ領域をまたいで1画素相当分のエリアを超える大きさに形成されている。

図６は上記のように形成された電荷排出部１４８における、電荷排出ドレイン２０５に対して、基板方向のポテンシャルを表した図である。図６においては、点線はフォトダイオード１４１におけるポテンシャル、実線は電荷排出部１４８におけるポテンシャルを表す。

電荷排出部１４８において、上記に示したように電荷排出ドレイン２０５は信号電荷蓄積領域１９２に対して基板平面方向のサイズが拡大されているため、基板方向への排出バリアとなる高さは、信号電荷蓄積領域１９２のそれに比べて低く形成される。これは、信号電荷蓄積領域１９２が基板平面方向よりも、基板深さ方向に大きいいわゆる縦長の構造であるため、基板方向への排出バリア高さは信号電荷蓄積領域１９２が基板方向に面する領域の不純物濃度のみで決定されず、その周囲を囲んでいる垂直チャンネルストッパ領域２０２の濃度と形状、加えて信号電荷蓄積領域１９２そのものの基板方向に面する面積に大きく左右されるからである。

基板方向への排出バリア高さが低くなることにより、電荷排出ドレイン２０５に一旦蓄積された過剰電荷は容易に基板方向へ排出されるようになる。入射光量が極度に強度になると発生する過剰電荷も極度に増大し、排出バリアを超えて基板に排出される電荷量も増大する。この時電荷量によって排出バリア高さが変調され上昇する現象がある。排出ドレインから排出バリアをこえて基板までのインピーダンスがゼロでなくある有限の値を持つため、電流量に応じて排出バリアが変調されている。排出バリアが上昇してしまうと過剰電荷が十分に排出されることが出来ず、垂直ＣＣＤの不要電荷を排出しきれないのみならず、垂直ＣＣＤへの逆流が発生する可能性がある。

このような状況においても本実施の形態によれば、あらかじめ排出バリアを低く形成しているため、排出能力は十分に保つことが可能となり、不要電荷の排出残りや逆流による画質劣化を防止することができる。

また、本実施の形態であれば、注入工程などを電荷排出ドレイン２０５専用に追加しなくても、フォトダイオードを形成する工程にて電荷排出ドレインのサイズのみの変更で、電荷排出ドレイン２０５から基板方向への排出バリア高さを低く調整することができるため、これにより製造コストが上昇することはない。

なお、本実施の形態では、電荷排出ドレイン２０５の垂直方向に隣接した画素に信号電荷蓄積領域１９２を設置していない。電荷排出ドレイン２０５の垂直方向サイズを拡大するためには、電荷蓄積領域１９２は隣接しない方が望ましい。

また、電荷排出ドレイン２０５の上方には遮光膜１９８に開口を設けおらず、光の直接入射は起こらないようにすることが望ましい。光入射がある場合、強度の入射光により発生した電荷が電荷排出ドレイン２０５中に飽和し、本来の垂直ＣＣＤからの排出機能が低下する可能性がある。

よって、電荷排出部１４８は垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ転送される直前領域にある垂直ダミー領域に形成すると良い。この領域は構造上信号電荷蓄積領域１９２を形成する必要もなく、また、通常は全領域を遮光することが多い。

さらに本実施の形態において、電荷排出ドレイン２０５と垂直ＣＣＤの電荷転送領域１９５の電荷読み出し側における距離が、画素部における信号電荷蓄積領域１９２と電荷転送領域１９５との距離よりに近づいて形成されている。

図１０と図１１は、それぞれ、画素部と電荷排出部における水平方向断面のポテンシャルプロファイルを示す図である。

図１０にて垂直ＣＣＤは電荷が蓄積できる状態であって、そのとき、垂直ＣＣＤの電荷転送領域はフォトダイオードの電荷蓄積領域とがポテンシャル的に分離されていることを示している。

また、図１１にては同様に垂直ＣＣＤは電荷が蓄積できる状態であって、そのとき、垂直ＣＣＤの電荷転送領域は、電荷排出部の電荷排出ドレインとポテンシャル的に分離されていることを示している。しかしながら、電荷排出部での前記分離ポテンシャル高さは画素部のフォトダイオードと垂直ＣＣＤとを分離しているポテンシャル高さより低く形成されている。これにより、垂直ＣＣＤにある不要電荷を電荷排出ドレイン２０５へ排出しやすくなっている。

さらに、前記説明では、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへの読出動作を行う読出側での分離高さを論じていたが、読出動作を行わないチャネルストッパ側において、垂直ＣＣＤの電荷転送領域と電荷排出ドレインの距離を縮小したり、チャネルストッパ領域１９６の縮小、不純物拡散領域１９７の縮小などの設計寸法調整（図３（ａ）、図５（ａ）に図示）にて、チャネルストッパ側での垂直ＣＣＤから電荷排出ドレインへのバリア高さを低く調整することが可能であり、読出側とチャネルストッパ側の両側への電荷排出により更に効率よく不要電荷を排出することが可能となる。れらの排出バリアの調整においても、特別な注入工程を追加することなく既存工程における注入量域の変更のみによって実施することができるため、製造コストを増大することがない。

加えて、本実施の形態における電荷排出ドレイン２０５は基板深部にて水平方向に接続した形状でも良く、こうすることによって、さらに基板方向への排出能力が高まる。ただし、この形状は、フォトダイオードの電荷蓄積領域の形成を浅い領域と深い領域を別工程で形成している場合にて、深い領域の形成工程にてマスクパターンを変更することにより、工程を追加することなく形成することができる（図５（ｃ））。

本実施の形態では、画素部のフォトダイオード１４１を形成する信号電荷蓄積領域１９２は基板深さ方向に大きく形成されている例であるが、フォトダイオード形状が深く形成されているものでなくても、電荷排出部の電荷排出ドレインの基板に面した面積がフォトダイオードのそれに比べて大きく形成されていれば、基板方向への排出バリア高さはフォトダイオードより電荷排出ドレインの高さを低く形成することができる。

図７は本実施の形態に係わる固体撮像素子のゲート構成例を示す図である。

図７において、垂直ＣＣＤ１４３は複数の垂直転送ゲートが設置されているが、フォトダイオード１に対して、２枚の垂直転送ゲートが組み合わせられており、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへの読み出しを兼用する読出ゲート２１０と、前記読み出しを兼用しない非読出ゲート２１１が１対となって構成されている。各垂直転送ゲートはフォトダイオードを垂直方向に分離する分離領域に形成されたゲート配線１９４にて結線されている。

読出ゲート２１０はフォトダイオード１４１と距離を置かないように形成されて、フォトダイオード１４１から垂直ＣＣＤ１４３への読出動作を効率よく行えるようにしている。これに対して非読出ゲート２１１はフォトダイオード１４１から距離を置いて設置されており、読出動作以外でのフォトダイオード１４１から垂直ＣＣＤ１４３への信号電荷漏れを防止している。

垂直ＣＣＤの垂直転送ゲートはＶ１からＶ６の転送ゲートが６相駆動の垂直転送を行う動作として、１つの繰り返し単位として形成されている。８相駆動の場合はこれがＶ１からＶ８などの転送ゲートになる。この６相駆動用の転送ゲートの内Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５は前述の読出ゲート２１０であり、Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６は非読出ゲート２１１である。

図８は図７にて示されたゲート構成である固体撮像素子を駆動するタイミングチャートの一例を示したものである。

図８において、φＶ１からφＶ６の６相の転送パルスが各ゲートにそれぞれ印加されて垂直転送が行われる。

この６相の転送パルスの内、φＶ２，φＶ４，φＶ６の転送パルスは、ＭＩＤＤＬＥレベルとＬＯＷレベルの２値パルスとなっており、垂直転送を行うためのパルスとなっている。

また、φＶ１，φＶ３，φＶ５の転送パルスは、ＨＩＧＨレベルを含む３値パルスとなっており、ＨＩＧＨレベルパルスのときにフォトダイオードの信号電荷蓄積領域１９２から垂直ＣＣＤへの電荷読出転送が行われる。

上記のように垂直ＣＣＤは、Ｖ１ゲートからＶ６ゲートが１つの繰り返しとなって形成されており、例えばＶ６ゲートが垂直ＣＣＤの最終ゲートとなって、水平ＣＣＤに結合される。すなわち、信号電荷は最終のＶ６ゲートから水平ＣＣＤへ転送される。

このような中で電荷排出部が形成されている垂直ダミー部においては、Ｖ１からＶ６のゲートの繰り返しが形成されている中で、Ｖ２，Ｖ４またはＶ６のゲートに隣接して電荷排出ドレインを設置している。

図９は画素部と電荷排出部の両方にてＶ１からＶ６までの繰り返しの垂直転送ゲートとそのポテンシャルプロファイルを表したものである。図９（ａ）は画素部におけるポテンシャルプロファイル、図９（ｂ）は電荷排出部におけるポテンシャルプロファイルを示している。

図９（ａ），図９（ｂ）双方においてもポテンシャルプロファイルを示した状態としては、フォトダイオードの信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出した後、垂直ＣＣＤを水平ＣＣＤに向かって転送している途中であって、水平ＣＣＤにおける水平転送が行われる有効期間中で垂直ＣＣＤの転送ゲートが停止しているときの状態を表している。

図９（ａ）に示した画素部のポテンシャルプロファイルにおいて、Ｖ１からＶ４のゲートがＭＩＤＤＬＥレベル、Ｖ５，Ｖ６のゲートがＬＯＷレベルとなっており、信号電荷はＶ１からＶ４のゲート下に蓄積されている。フォトダイオードを形成する信号電荷蓄積領域と垂直ＣＣＤを分離する読出バリアは、垂直転送ゲートにＬＯＷレベルの転送パルスが印加された時のゲート下ポテンシャル高さより高く形成されている。

図９（ｂ）に示した電荷排出部のポテンシャルプロファイルにても、画素部と同様の転送パルスが印加されており、Ｖ１からＶ４のゲートがＭＩＤＤＬＥレベル、Ｖ５，Ｖ６のゲートがＬＯＷレベルとなっており、信号電荷はＶ１からＶ４のゲート下に蓄積されている。

電荷排出部にＶ２ゲートに隣接して電荷排出ドレインを形成してあり、このＶ２ゲート領域において垂直ＣＣＤから電荷排出ドレインへの排出バリアは読出バリアより低く形成され、かつ垂直転送ゲートにＬＯＷレベルの転送パルスが印加されたときのゲート下ポテンシャル高さより低く形成されている。

過剰な信号電荷が転送されてくると、この排出バリアを超える過剰分は電荷排出ドレインに排出される。極度に強度な光が入射されたときなどは、垂直ＣＣＤの転送容量を超えた電荷が生じることがある。すなわち、ＬＯＷレベルの転送パルスが印加されたときのゲート下ポテンシャル高さを超えて、垂直転送の制御無しに過剰電荷が流れてくることがあるが、このような場合でも、電荷排出部が設置されたＶ２ゲートから過剰電荷分は排出されてしまい、以降は電荷量は転送による制御可能な量に制限される。

電荷排出ドレインに排出された過剰電荷は、その後、基板方向に排出される。したがって、垂直ＣＣＤを転送される本来の信号電荷は、過剰信号ノイズの影響を受けることなく水平ＣＣＤへ転送され、その後、水平ＣＣＤを転送され出力される。

電荷排出ドレインが形成されているＶ２ゲートは非読出ゲートであり、ＨＩＧＨレベルのパルスは印加されない。電荷排出ドレインが形成されている転送電極にＨＩＧＨレベルパルスが印加されると、画素部のフォトダイオードでの読出転送と同様の動作が起こり、電荷排出ドレインにある不要電荷が垂直ＣＣＤに逆流してしまう可能性があり、画質を著しく損なうおそれが生じる。これを防止するために電荷排出ドレインは、非読出ゲートに隣接して形成する。

一般的に画素部において読出ゲートと非読出ゲートでは、読出ゲートを非読出ゲートに比べて垂直方向に長く形成する。これは、読出転送動作時にフォトダイオードから垂直ＣＣＤへの転送幅を広く取って、読出能力を上げることが目的であるが、電荷排出部を画素部と水平ＣＣＤとの中間領域にある垂直ダミー部に形成した場合は、この領域にフォトダイオードを形成する必要はないので、読出動作としての垂直ＣＣＤ長さの制約はなくなる。したがって、電荷排出ドレインに隣接した非読出ゲートを長く形成して、垂直ＣＣＤから電荷排出ドレインへの排出幅を広く取ることにより排出能力を向上することができる。

このように電荷排出部にて非読出ゲートの長さを長く設定すると、排出バリアを低くして排出能力を高めることができるが、これに加えて、この領域に蓄積可能な信号電荷量も向上することができる。

電荷排出をコントロールするための排出バリアは読出バリアよりも低く設定する必要があるため、過剰信号の排出が有利になるが過剰でない通常の最大取扱可能な信号量が減少してしまう可能性がある。排出バリアが設定されるＶ２などの非読出ゲートの長さを長くすることで、ゲート面積を増大させ取扱電荷量が減少しないように対策することが可能である。

なお、本実施の形態では、電荷排出部は画素部に繰り返し印加される転送パルスと同一のパルスであって、その内、非読出ゲートである転送ゲートに隣接して形成しているが、読出ゲートでなければ、繰り返し印加される転送パルスではない独立したパルス印加用の非読出ゲートであっても同様の効果があることは明白である。

さらにまた、前記実施の形態ではＩＴ型の固体撮像装置で説明したが、固体撮像装置は、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとの間に配設される蓄積部を有するフレームインターライン・トランスファ（ＦＩＴ）方式などの固体撮像装置であってもよい。

また、１つのフォトダイオードに対して、３つ以上の転送電極を持つプログレス方式の固体撮像装置であってもよい。ＦＩＴ方式の固体撮像装置の場合は撮像エリアと蓄積部とで垂直転送を異なる駆動とすることができる。

また、ＦＩＴ方式の固体撮像装置の場合は電荷排出部を設置する領域としては、画素部と蓄積部の境界領域であってもよいし、蓄積部から水平ＣＣＤへの移行領域であってもよい。

本発明は、固体撮像装置に利用でき、特に高画質のデジタルカメラやビデオカメラなどに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置を利用したカメラの構成を示す図 本実施の形態に係る固体撮像素子の構成を示すブロック図 （ａ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の画素部水平方向における基板深さ方向の構造を示す断面図、（ｂ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の画素部垂直方向における基板深さ方向の構造を示す断面図 本実施の形態におけるフォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図 （ａ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の電荷排出部水平方向における基板深さ方向の構造を示す断面図、（ｂ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の電荷排出部垂直方向における基板深さ方向の構造を示す断面図、（ｃ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の電荷排出部水平方向における基板深さ方向の変形構造を示す断面図 本実施の形態に係る固体撮像素子の電荷排出部基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図 本実施の形態に係る画素部における転送ゲート構成を示す図 本実施の形態に係る垂直転送パルスを示すタイミングチャート図 （ａ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の画素部垂直転送部の基板深さ方向の構造とポテンシャル分布を示す図、（ｂ）は本実施の形態に係る固体撮像素子の電荷排出部垂直転送部の基板深さ方向の構造とポテンシャル分布を示す図 本実施の形態に係る画素部水平方向における断面ポテンシャル分布を示す図 本実施の形態に係る固体撮像素子の水平方向のポテンシャル分布を示す図

１０１ カメラ
１１０ レンズ
１２０ 光学系
１３０ 固体撮像装置
１４０ 固体撮像素子
１４１ フォトダイオード
１４２ 読出ゲート部
１４３ 垂直ＣＣＤ
１４４ 撮像エリア
１４５ 水平ＣＣＤ
１４６ 出力アンプ
１４７ 半導体基板
１４８ 電荷排出部
１５０ 駆動パルス制御部
１５１ パルス発生器
１６０ 信号処理部
１６１ ＣＤＳ回路
１６２ ＯＢクランプ回路
１６３ ＧＣＡ
１６４ ＡＤＣ
１７０ ＤＳＰ
１８０ 基板バイアス電圧発生回路
１９１ Ｐ型ウェル領域
１９２ 信号電荷蓄積領域
１９３ 正孔蓄積領域
１９４ ゲート配線
１９５ 電荷転送領域
１９６ チャンネルストッパ領域
１９７ 不純物拡散領域
１９８ 遮光膜
１９９ 転送電極
２００，２０２ 垂直チャネルストッパ領域
２０１ フォトダイオード分離領域
２０５ 電荷排出ドレイン
２１０ 読出ゲート
２１１ 非読出ゲート

Claims (11)

1. 第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードを備える撮像領域と、
   前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向へ転送を行う垂直転送部と、
   前記垂直転送部からの信号を受け水平方向へ転送を行う水平転送部を備え、
   前記垂直転送部に隣接し、前記垂直転送部の信号電荷を前記水平転送部に転送する前に排出することができる電荷排出部を備え、
   前記電荷排出部は前記撮像領域の前記フォトダイオード同一の濃度により形成され、
   前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより大きく形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより垂直方向により大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記フォトダイオードは垂直または水平方向のサイズより、深さ方向のサイズが大きく形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記フォトダイオードは、基板方向に過剰電荷を排出するオーバーフローバリアを備え、前記電荷排出部は前記フォトダイオードより基板方向へのオーバーフローバリアが低く形成されてなることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記電荷排出部は、前記垂直転送部との距離が前記フォトダイオードと前記垂直転送部との距離よりも短く形成されてなることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記垂直転送部はハイ、ミドル、ローの電圧を有する垂直転送パルスが印加される複数の電極を備え、前記電荷排出部は垂直転送が行われない期間中前記ミドル電圧で保持される電極に隣接して形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記電荷排出部はフォトダイオードから垂直転送部へ読み出すハイ電圧が印加されない電極に隣接して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記電荷排出部に隣接する前記電極は、前記フォトダイオードに隣接して形成されている電極より面積が大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の固体撮像装置。
9. 第２導電型のウェル領域が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に２次元状に配置され、それぞれが前記ウェル領域に形成された複数のフォトダイオードを備える撮像領域と、
   前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向へ転送を行う垂直転送部と、
   前記垂直転送部からの信号を受け水平方向へ転送を行う水平転送部を備え、
   前記垂直転送部に隣接し、前記垂直転送部の信号電荷を前記水平転送部に転送する前に排出することができる電荷排出部を備え、
   前記電荷排出部は前記撮像領域の前記フォトダイオード同一の濃度により形成され、
   前記電荷排出部の大きさは前記フォトダイオードより大きく形成されており、
   更に、前記垂直転送部はハイ、ミドル、ローの電圧を有する垂直転送パルスが印加される複数の電極を備え、
   前記電荷排出部を備える電極に対して、ミドル電圧を印加期間に不要電荷を排出することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
10. 請求項１〜８いずれか１項に記載の固体撮像装置における信号処理方法であって、
    電荷排出部を備える行に相当する行以外の信号レベルを黒基準とすることを特徴とする固体撮像装置の信号処理方法。
11. 請求項１〜８いずれか１項に記載の固体撮像装置、または請求項９に記載の固体撮像装置の駆動方法、または請求項１０に記載の固体撮像装置の駆動方法を具備することを特徴とするカメラ。

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