JP2010245103A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 積分露光を行う積算段数を無段階に切り替え得る固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 固体撮像装置１では、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）５が所定の電気抵抗値を有し、電圧印加部１６１〜１６５が接続部１７１〜１７５にてＯＦＧ５と電気的に接続されている。そのため、電圧印加部１６１〜１６５によって接続部１７１〜１７５に印加される電圧値Ｖ１〜Ｖ５を調整することで、ＯＦＧ５の前段側部分に生じる電圧値を高くし、ＯＦＧ５の後段側部分に生じる電圧値を低くすることができる。その結果、ＯＦＧ５の前段側部分でバリアレベル（ポテンシャル）が低くなり、ＯＦＧ５の後段側部分でバリアレベルが高くなるので、光電変換部２の前段側領域で発生した電荷の全てをオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）４に流出させて、光電変換部２の後段側領域で発生した電荷のみをＴＤＩ転送することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＴＤＩ（Time Delay Integration）転送方式の固体撮像装置に関する。
ＴＤＩ転送方式の固体撮像装置は、光電変換部における電荷の垂直転送の際、被写体と同じ方向に同じ速度で電荷を転送することにより、画素の垂直段数分の積分露光を行う装置である。例えば、積分露光を行う積算段数をＭ段とすれば、Ｍ倍の電荷が蓄積されることになるので、リニアイメージセンサに比べてＭ倍の感度を実現することが可能となる。
ところで、被写体が相対的に明るい場合であっても、また、相対的に暗い場合であっても、適当な感度を得ることができるように（すなわち、ダイナミックレンジを広くすることができるように）、種々の固体撮像装置が提案されている。特許文献１には、光電変換部に沿うオーバーフローゲートのバリアレベルを垂直転送の前段側部分で低くすることにより、光電変換部の前段側部分において電荷の蓄積容量を抑えるように構成された固体撮像装置が記載されている。また、特許文献２には、光電変換部の前段側部分で発生した電荷を転送方向と逆方向に転送するように構成された固体撮像装置が記載されている。
特表２００３−５２１８３７号公報 特開平１１−２９８８０５号公報
しかしながら、特許文献１記載の固体撮像装置にあっては、オーバーフローゲートのバリアレベルが製造時に設定された固定値であるため、積分露光を行う積算段数を無段階に切り替えることができない。また、特許文献２記載の固体撮像装置にあっては、転送信号を付与するための端子を全ての段に対して設ければ、理論上、積分露光を行う積算段数を無段階に切り替えることが可能となるが、そのような構成は実用的でない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積分露光を行う積算段数を無段階に切り替えることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、所定の方向に沿うように設けられ、光入射に応じて電荷を発生する光電変換部と、光電変換部で発生した電荷を所定の方向に沿って前段側から後段側にＴＤＩ転送するＴＤＩ転送部と、光電変換部に沿うように設けられ、所定の電気抵抗値を有するオーバーフローゲートを含むオーバーフロードレインと、オーバーフローゲート上の複数の接続部においてオーバーフローゲートと電気的に接続された電圧印加部と、を備えることを特徴とする。
この固体撮像装置では、オーバーフローゲートが所定の電気抵抗値を有し、電圧印加部が複数の接続部においてオーバーフローゲートと電気的に接続されている。そのため、電圧印加部によって複数の接続部に対して印加される電圧値を調整することで、オーバーフローゲートが分割抵抗として機能し、オーバーフローゲートの前段側部分に生じる電圧値を高くし、オーバーフローゲートの後段側部分に生じる電圧値を低くすることができる。その結果、オーバーフローゲートの前段側部分においてバリアレベル（ポテンシャル）が低くなり、オーバーフローゲートの後段側部分においてバリアレベルが高くなるので、光電変換部における前段側の所定の領域で発生した電荷の全てをオーバーフロードレインに流出させて、光電変換部における後段側の所定の領域で発生した電荷のみをＴＤＩ転送することができる。従って、この固体撮像装置によれば、電圧印加部によって複数の接続部に対して印加される電圧値を調整することで、積分露光を行う積算段数を無段階に切り替えることが可能となる。
本発明に係る固体撮像装置においては、接続部は、所定の方向におけるオーバーフローゲートの両端部、及び所定の方向におけるオーバーフローゲートの中間部に位置し、中間部に位置する接続部は、少なくとも、所定の方向におけるオーバーフローゲートの中央部よりも後段側に位置していることが好ましい。また、隣り合う接続部同士の間隔は、後段側ほど狭くなっていることが好ましい。これらの構成によれば、オーバーフローゲートに生じる電圧値を転送方向の後段側ほど細かく設定することが可能となる。
本発明に係る固体撮像装置においては、電圧印加部は、光電変換部における前段側の所定の領域で発生した電荷の全てがオーバーフロードレインに流出するように、オーバーフローゲートに電圧を印加してオーバーフローゲートのバリアレベルを変化させることが好ましい。この場合、上述したように、光電変換部における後段側の所定の領域で発生した電荷のみをＴＤＩ転送することが可能となる。
本発明に係る固体撮像装置によれば、積分露光を行う積算段数を無段階に切り替えることが可能となる。
本発明に係る固体撮像装置の一実施形態の平面図である。 図１のII−II線に沿っての一部拡大断面図である。 図１の固体撮像装置におけるオーバーフローゲートのバリアレベルを示す模式図である。 積分露光を行う積算段数とオーバーフローゲートのバリアレベルとの関係を示すグラフである。 積分露光を行う積算段数とオーバーフローゲートのバリアレベルとの関係を示すグラフである。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態の平面図である。図１に示されるように、固体撮像装置１は、垂直方向（所定の方向）に延在する複数列の光電変換部２を備えている。複数列の光電変換部２は、水平方向に沿って並設されており、光の入射に感応して入射光の強度に応じた電荷を発生する。この固体撮像装置１は、例えば、垂直画素数１２８のＴＤＩ転送方式のＣＣＤである。
隣り合う光電変換部２の間には、アイソレーション部３とオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）４とが光電変換部２に沿うように交互に設けられている。アイソレーション部３は、アイソレーション部３を挟んで隣り合う光電変換部２を電気的に分離する。ＯＦＤ４は、所定の電気抵抗値（例えば２０Ω／スクウェア）を有するオーバーフローゲート（ＯＦＧ）５を含み、ＯＦＤ４には、ＯＦＧ５のバリアレベル（ポテンシャル）に対応する蓄積容量を超えた分の電荷が光電変換部２から流出する。これにより、光電変換部２において蓄積容量を超える電荷が発生した際に、その光電変換部２と隣り合う光電変換部２に、蓄積容量を超えた分の電荷が漏れ出すこと（すなわち、ブルーミング）を防止することができる。
光電変換部２上には、水平方向に沿って並設された複数列の光電変換部２に掛け渡されるように転送電極６〜８が設けられている。転送電極６〜８は、転送電極６，７，８の順序で周期的に複数配置されており、互いに電気的に絶縁されている。転送電極６〜８は、それぞれ端子１１〜１３と電気的に接続されている。端子１１〜１３には、三相の転送信号Ｐ１Ｖ，Ｐ２Ｖ，Ｐ３Ｖがそれぞれ付与される。これにより、転送電極６〜８は、１周期で１画素を構成し、光電変換部２で発生した電荷を垂直方向に沿って前段側から後段側にＴＤＩ転送する垂直シフトレジスタ（ＴＤＩ転送部）９として機能する。また、光電変換部２の後段側には、垂直シフトレジスタ９によってＴＤＩ転送された電荷をアンプ１４に転送する水平シフトレジスタ１５が設けられている。
ＯＦＧ５には、水平方向に延在する電圧印加部１６１〜１６５がＯＦＧ５上の複数の接続部１７１〜１７５において電気的に接続されている。接続部１７１は、各ＯＦＧ５の前段側端部に位置し、接続部１７２は、各ＯＦＧ５の後段側端部に位置している。接続部１７２〜１７４は、各ＯＦＧ５の中間部に位置し、そのうち接続部１７３，１７４は、垂直方向におけるＯＦＧ５の中央部よりも転送方向の後段側に位置している。なお、隣り合う接続部１７１〜１７５同士の間隔は、転送方向の後段側ほど狭くなっている。
図２は、図１のII−II線に沿っての一部拡大断面図である。図２に示されるように、光電変換部２は、ｐ型半導体層２１上にｎ型半導体層２２が形成されてｐｎ接合が達成されることで構成されている。アイソレーション部３は、ｐ型半導体層２１上にｐ＋型半導体層２３が形成されることで構成されており、ＯＦＤ４は、ｐ型半導体層２１上にｎ＋型半導体層２４が形成されることで構成されている。
ｐ型半導体層２１上には、ｎ型半導体層２２、ｐ＋型半導体層２３及びｎ＋型半導体層２４を覆うように絶縁層２５が形成されている。絶縁層２５内には、ＯＦＤ４と対向するようにＯＦＧ５が形成されており、絶縁層２５上には、転送電極６〜８が形成されている。
なお、一例として、半導体はＳｉであり、「高不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付して示すものとし、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下のことであって、「−」を導電型に付して示すものとする。そして、ｎ型不純物としては砒素等があり、ｐ型不純物としては硼素等がある。また、ＯＦＧ５及び転送電極６〜８の材料としてはポリシリコン等があり、絶縁層２５の材料としてはＳｉＯ２等がある。
図３は、図１の固体撮像装置におけるオーバーフローゲートのバリアレベルを示す模式図である。なお、ｎ型の半導体では正にイオン化したドナーが存在し、ｐ型の半導体では負にイオン化したアクセプターが存在する。半導体におけるポテンシャルは、ｐ型よりもｎ型の方が高くなる。換言すれば、エネルギーバンド図におけるポテンシャルは、下向きがポテンシャルの正方向となるため、ｎ型の半導体におけるポテンシャルは、エネルギーバンド図においてはｐ型の半導体のポテンシャルよりも深くなり（高くなり）、エネルギー準位は低くなる。また、ＯＦＧ５に正の電位が生じると、ＯＦＧ５に対応する半導体領域のポテンシャルが深くなる（正方向に大きくなる）。そして、ＯＦＧ５に生じる正の電位が小さいほど、対応する電極直下の半導体領域のポテンシャルが浅くなる（正方向に小さくなる）。
図３に示されるように、電圧印加部１６１〜１６５によって接続部１７１〜１７５にそれぞれ電圧値Ｖ１〜Ｖ５（ここでは、Ｖ１〜Ｖ３：高い電圧、Ｖ４：オープン、Ｖ５：低い電圧）の電圧が印加されると、ＯＦＧ５のバリアレベル（ポテンシャル）は、接続部１７３よりも前段側の領域においてオールリセットの状態（バリアレベルが０の状態）となり、接続部１７３よりも後段側の領域においてアンチブルーミングが機能する状態（転送方向の後段側に向かってバリアレベルが直線的に漸増する状態）となる。つまり、電圧印加部１６１〜１６５は、光電変換部２における前段側の所定の領域（接続部１７３よりも転送方向の前段側の領域）で発生した電荷の全てがＯＦＤ４に流出するように、ＯＦＧ５に電圧を印加してＯＦＧ５のバリアレベルを変化させる。これにより、光電変換部２における前段側の所定の領域（接続部１７３よりも転送方向の前段側の領域）で発生した電荷の全てがＯＦＤ４に流出することになり、光電変換部２における後段側の所定の領域（接続部１７３よりも転送方向の後段側の領域）で発生した電荷のみがＴＤＩ転送されることになる。
以上説明したように、固体撮像装置１では、ＯＦＧ５が所定の電気抵抗値を有し、電圧印加部１６１〜１６５が接続部１７１〜１７５においてＯＦＧ５と電気的に接続されている。そのため、電圧印加部１６１〜１６５によって接続部１７１〜１７５に対して印加される電圧値Ｖ１〜Ｖ５を調整することで、ＯＦＧ５が分割抵抗として機能し、ＯＦＧ５の前段側部分に生じる電圧値を高くし、ＯＦＧ５の後段側部分に生じる電圧値を低くすることができる。その結果、ＯＦＧ５の前段側部分においてバリアレベル（ポテンシャル）が低くなり、ＯＦＧ５の後段側部分においてバリアレベルが高くなるので、光電変換部２における前段側の所定の領域で発生した電荷の全てをＯＦＤ４に流出させて、光電変換部２における後段側の所定の領域で発生した電荷のみをＴＤＩ転送することができる。従って、固体撮像装置１によれば、電圧印加部１６１〜１６５によって接続部１７１〜１７５に対して印加される電圧値Ｖ１〜Ｖ５を調整することで、積分露光を行う積算段数（積算画素数）を無段階に切り替えることが可能となる。
例えば、図４に示されるように、高い電圧を印加する電圧印加部１６の位置を変化させることで、積分露光を行う積算段数を７０段と２４段とに切り替えることができる。この図は、オーバーフローゲートのポテンシャルをＴＤＩの各段に対して示したものであり、下側の二点鎖線はチャネルのポテンシャルを示している。オーバーフローゲートのポテンシャルと下側の二点鎖線とが交わる点は、オーバーフローゲートのポテンシャルとチャネルのポテンシャルとが等しくなって、バリアが存在しなくなったＴＤＩ段を示し、これよりも、オーバーフローゲートのポテンシャルが深くなっているＴＤＩ段が大きい部分では、チャネルに生じた電荷は全てオーバーフロードレインに流れることになる。また、図５に同様に示されるように、高い電圧を印加する電圧印加部１６の電圧値を変化させることで、積分露光を行う積算段数を９２段と７０段とに切り替えることができる。なお、電荷の蓄積が開始される段（画素）における電荷の蓄積容量は少ないが、ＴＤＩ転送方式では徐々に電荷が蓄積されるため、それは問題にはならない。
また、接続部１７１〜１７５は、垂直方向におけるＯＦＧ５の両端部、及び垂直方向におけるＯＦＧ５の中間部に位置し、中間部に位置する接続部１７２〜１７４のうち接続部１７３，１７４は、垂直方向におけるＯＦＧ５の中央部よりも転送方向の後段側に位置している。更に、隣り合う接続部１７１〜１７５同士の間隔は、転送方向の後段側ほど狭くなっている。これらにより、ＯＦＧ５に生じる電圧値を転送方向の後段側ほど細かく設定することが可能となる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ＯＦＧ５に生じる電位勾配及びポテンシャル勾配は、転送方向の後段側に向かって曲線状や階段状に漸増するものであってもよい。
１…固体撮像装置、２…光電変換部、４…オーバーフロードレイン、５…オーバーフローゲート、９…垂直シフトレジスタ（ＴＤＩ転送部）、１６１〜１６５…電圧印加部、１７１〜１７５…接続部。

Claims (4)

  1. 所定の方向に沿うように設けられ、光入射に応じて電荷を発生する光電変換部と、
    前記光電変換部で発生した電荷を前記所定の方向に沿って前段側から後段側にＴＤＩ転送するＴＤＩ転送部と、
    前記光電変換部に沿うように設けられ、所定の電気抵抗値を有するオーバーフローゲートを含むオーバーフロードレインと、
    前記オーバーフローゲート上の複数の接続部において前記オーバーフローゲートと電気的に接続された電圧印加部と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記接続部は、前記所定の方向における前記オーバーフローゲートの両端部、及び前記所定の方向における前記オーバーフローゲートの中間部に位置し、
    前記中間部に位置する前記接続部は、少なくとも、前記所定の方向における前記オーバーフローゲートの中央部よりも前記後段側に位置していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 隣り合う前記接続部同士の間隔は、前記後段側ほど狭くなっていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 前記電圧印加部は、前記光電変換部における前記前段側の所定の領域で発生した電荷の全てが前記オーバーフロードレインに流出するように、前記オーバーフローゲートに電圧を印加して前記オーバーフローゲートのバリアレベルを変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の固体撮像装置。
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