JP2014207316A - Tdi方式リニアイメージセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
(従来の問題)
VPCCD構造を用いたTDI方式リニアイメージセンサにおいて、感度を向上させるべく、特許文献1の手法を適用して、図1に示すように、仮想電極上に入射光が集光されるように、1画素に1個のマイクロレンズを形成した場合について考える。
4相駆動の状態1は、第1のTDI転送ゲートと第2のTDI転送ゲートに、CCDチャネルをHighレベルとする電圧が印加され、第1のTDI転送ゲートと第2のTDI転送ゲートの下に、CCDチャネルポテンシャル井戸が作られる状態である。
(構成)
本発明の実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図5〜図13を用いて説明する。
図7は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のA断面での断面構造図である。図8は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のB断面での断面構造図である。
画素Pは、水平方向D2に延在し、垂直方向D1へ電極が4つ並設された転送電極49を有する。転送電極49は、画素Pに発生した信号電荷を電荷蓄積部44に転送する垂直転送ゲートを構成する。転送電極49は、第1のTDI転送ゲート電極31、第2のTDI転送ゲート電極32、第3のTDI転送ゲート電極33、第4のTDI転送ゲート電極34を有する。これにより、4相駆動にすることができる。第1のTDI転送ゲート電極31、第2のTDI転送ゲート電極32、第3のTDI転送ゲート電極33、第4のTDI転送ゲート電極34の各々は、図6に示されるTDI転送チャネル15を形成するゲート非開口部と、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード10とを有する。
図7中の105は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のA断面での光線の屈折を示している。また、図8中の106は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のB断面での光線の屈折を示している。また、マイクロレンズ群102とマイクロレンズ群104はそれぞれ2層のストライプ型マイクロレンズ101と103からなる場合を示している。
(画素の動作)
図12は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のA断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。図13は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図6の図中に記載のB断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。ここで、図12、図13のポテンシャル分布図は、半導体基板30としてP型Si基板、TDI転送チャネル15としてN型不純物領域を適用した場合について示している。
(転送動作)
次に、TDI方式リニアイメージセンサ100の転送動作について説明する。再び図5を参照して、入射光の光電変換により画素Pの内部に発生した信号電荷は、時間遅延積分(TDI)動作により垂直方向D1へ転送される。受光部39において時間遅延積分(TDI)された信号電荷は、転送部40において電荷蓄積部44へ向かって垂直方向D1へと転送される。電荷蓄積部44に一旦蓄積された信号電荷は、1水平期間ごとに水平CCD43へと転送され、次に、水平CCD43内を水平方向D2へと転送されて、出力アンプ46から読み出される。
次に、4相駆動の4つの状態のうち、従来技術で問題となった状態4において、本実施の形態では、どのように光が入射し、光電効果により発生した電荷が蓄積されるかを説明する。
(効果)
以上のように、本実施の形態は、TDI方式リニアイメージセンサにマイクロレンズを搭載した際に、1相の電極に集光することにより発生する、TDI転送方向のMTFの低下という、TDI方式リニアイメージセンサ固有の課題をマイクロレンズによる感度向上という効果を損なうことなく解決することができる。すなわち、本実施の形態によれば、各相において形成されたマイクロレンズ系によって、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、TDI転送方向のMTFの低下が発生せず、高性能なTDI方式リニアイメージセンサを提供できる。
(変形例)
なお、本実施の形態では、画素を構成する4相CCDの4つのTDI転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、TDI転送チャネル15となるゲート非開口部を形成しているが、もちろん、画素を構成する4相CCDの一部のTDI転送ゲート電極について、ゲート開口部を形成してもよい。その場合は、TDI転送ゲート電極全てについてゲート開口部を形成する場合に比べて、感度向上の効果の度合いは若干低下するものの、TDI転送方向のMTFの低下の回避、および感度の向上という効果は維持することができる。
(構成)
本発明の実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図18〜図21を用いて説明する。図18は、実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図19は、実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図18の図中に記載のA断面での断面構造図である。図20は、実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図18の図中に記載のB断面での断面構造図である。
主に図12と図21を参照して、画素Pのポテンシャル図から、本実施形態の画素の動作を説明する。
(効果)
以上のように、本実施の形態では、第1の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズ系によって、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、TDI転送方向のMTFの低下が発生せず、高性能なTDI方式リニアイメージセンサを提供できる。
(構成)
本発明の実施の形態3のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図22〜図24を用いて説明する。図22は、実施の形態3のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図23は、実施の形態3のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図22の図中に記載のA断面での断面構造図である。図24は、実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図22の図中に記載のB断面での断面構造図である。
主に図22を参照して、画素Pの構造を説明する。
本実施の形態の画素Pのポテンシャル図は、第1の実施形態と同じであるから、図12、図13を参照して、本実施形態の画素の動作を説明する。
本実施の形態によれば、各相において形成されたマイクロレンズ系により、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、実施の形態1の4相CCDの場合と同様、TDI転送方向のMTFの低下が発生せず、高性能なTDI方式リニアイメージセンサを提供できる。
なお、本実施の形態では、画素を構成する3相CCDの3つのTDI転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、TDI転送チャネル15となるゲート非開口部を形成しているが、もちろん、画素を構成する3相CCDの一部のTDI転送ゲート電極について、ゲート開口部を形成してもよい。その場合は、TDI転送ゲート電極全てについてゲート開口部を形成する場合に比べて、感度向上の効果の度合いは若干低下するものの、TDI転送方向のMTFの低下の回避、および感度の向上という効果を有する。
本発明の実施の形態4のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図25〜図27を用いて説明する。図25は、実施の形態4のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図26は、実施の形態4のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図25の図中に記載のA断面での断面構造図である。図27は、実施の形態4のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図25の図中に記載のB断面での断面構造図である。
実施の形態4のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図25の図中に記載のA断面でのポテンシャル断面一次元分布図は、実施の形態1の図12と同じであり、図25の図中に記載のB断面でのポテンシャル断面一次元分布図は、実施の形態2の図21と同じであるから、図12および図21を参照して、本実施形態の画素の動作を説明する。
(効果)
以上のように、本実施の形態では、第1の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズ系により、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、TDI転送方向のMTFの低下が発生せず、高性能なTDI方式リニアイメージセンサを提供できる。
本発明の実施の形態5のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図28〜図30を用いて説明する。図28は、実施の形態5のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図29は、実施の形態5のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図28の図中に記載のA断面での断面構造図である。図30は、実施の形態5のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図28の図中に記載のB断面での断面構造図である。
画素Pは、第1のTDI転送ゲート11、第2のTDI転送ゲート12、第3のTDI転送ゲート13、第4のTDI転送ゲート14から成る4相のCCDで構成される。第1〜第4のTDI転送ゲート11〜14は、それぞれ、1画素ピッチ内に、直下にTDI転送チャネル15が形成されるゲート非開口部領域とゲート開口埋め込みフォトダイオード10を有する。
以上のように、本実施の形態では、第1の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズにより、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、TDI転送方向のMTFの低下が発生せず、高性能なTDI方式リニアイメージセンサを提供できる。
(構成)
本発明の実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサの構成について、図31〜図34を用いて説明する。図31は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。図32は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図33は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図32の図中に記載のA断面での断面構造図である。図34は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図32の図中に記載のB断面での断面構造図である。
図35は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図32の図中に記載のA断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。図36は、実施の形態6のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図32の図中に記載のB断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。ここで、図35、図36のポテンシャル分布図は、半導体基板30としてP型Si基板、TDI転送チャネル15としてN型不純物領域を適用した場合について示している。
次に、TDI方式リニアイメージセンサ100の転送動作について説明する。再び図31を参照して、入射光の光電変換により画素Pの内部に発生した信号電荷は、時間遅延積分(TDI)動作により垂直方向D1へ転送される。受光部39において時間遅延積分(TDI)された信号電荷は、転送部40において電荷蓄積部44へ向かって垂直方向D1へと転送される。電荷蓄積部44に一旦蓄積された信号電荷は、1水平期間ごとに水平CCD43へと転送され、次に、水平CCD43内を水平方向D2へと転送されて、出力アンプ46から読み出される。
本実施の形態は、実施の形態1と同様、TDI方式リニアイメージセンサにマイクロレンズを搭載した際に、1相の電極に集光することにより発生する、TDI転送方向のMTFの低下という、TDI方式リニアイメージセンサ固有の課題をマイクロレンズによる感度向上という効果を損なうことなく解決することができる。
図37は、本発明の実施の形態7によるTDI方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
図38は、本発明の実施の形態8によるTDI方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
実施の形態6では、図33に示すように、第1の導電型の不純物領域7は、行となるTDI転送と垂直な方向において、画素ピッチの1/2のピッチにて形成され、互いに隣り合う第1の導電型の不純物領域7の列は、TDI転送方向に、画素ピッチの1/4だけずれて配置される。
図40は、本発明の実施の形態10によるTDI方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
図41は、実施の形態11のTDI方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図42は、実施の形態11のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図41の図中に記載のA断面での断面構造図である。図43は、実施の形態11のTDI方式リニアイメージセンサに関して、図41の図中に記載のB断面での断面構造図である。
Claims (19)
- 画素をN相(Nは3以上の整数)のCCDで構成したTDI方式リニアイメージセンサであって、
画素を構成するN相のCCDの転送ゲート全てについて、ゲート開口部と、TDI転送チャネルとして機能するゲート非開口部が形成され、
前記ゲート開口部に集光するために複数のストライプ型マイクロレンズが形成され、
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも2つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置される、TDI方式リニアイメージセンサ。 - 前記異なる各平面に含まれるストライプ型マイクロレンズは、すべて平行であることを特徴とする、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも1つが、TDI転送方向に垂直に配置される、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも1つが、TDI転送方向に平行に配置される、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも1つが、プラズマCVDで成膜したシリコン窒化膜で形成されている、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも1つが、樹脂膜で形成されている、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 隣接する2つの画素のゲート開口部どうしは、いずれの箇所においても繋がっていない、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 各相の転送ゲートに形成されたゲート開口部内に埋め込みフォトダイオードが形成され、前記埋め込みフォトダイオードは、シリコン基板表面に形成される第1の導電型の高濃度不純物領域と、前記第1の導電型の高濃度不純物領域と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第2の導電型の不純物領域からなる、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記埋め込みフォトダイオードの前記第1の導電型の高濃度不純物領域は、前記ゲート開口部と隣接画素のゲート非開口部の間に形成される第1の導電型の不純物領域と、任意の箇所で接している、請求項8に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 隣接する2つの相のゲート開口部内に形成された埋込みフォトダイオードの間に、第1の導電型の不純物領域が形成されている、請求項8に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 隣接する2つの画素の転送ゲートは、切断され、
前記TDI転送チャネルの真上に設けられる金属配線と、
前記金属配線と前記転送ゲートとを接続するゲートコンタクトとを備え、
前記金属配線と前記ゲートコンタクトを通じて電圧が供給される、請求項8に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。 - 前記Nは4であり、
列方向となるTDI転送方向、および行方向となる前記TDI転送と垂直な方向において、画素ピッチの1/2のピッチにて、前記ゲート開口部が形成され、
互いに隣り合う前記ゲート開口部の列は、前記TDI転送方向に画素ピッチの1/4だけずれて配置され、
2行2列の前記ゲート開口部で1画素が構成され、
前記2列のゲート開口部を挟んでTDI転送方向に転送チャネルが延伸する、請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。 - 前記列方向および前記行方向において、画素ピッチの1/2のピッチにて、ストライプ型マイクロレンズ群が形成され、
互いに隣り合う前記ストライプ型マイクロレンズ群の列は、前記TDI転送方向に画素ピッチの1/4だけずれて、前記ゲート開口部に集光されるように配置される、請求項12に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。 - 各相の転送ゲートに形成された前記ゲート開口部内に埋め込みフォトダイオードが形成され、
前記埋め込みフォトダイオードは、シリコン基板表面に形成される第1の導電型の高濃度不純物領域と、前記第1の導電型の高濃度不純物領域と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第2の導電型の不純物領域とからなる、請求項12に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。 - 各相のTDI転送ゲートは、それぞれ、前記ゲート開口部の近傍のみ転送方向のゲート長が拡大されている、請求項12に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 互いに隣り合う2列のゲート開口部の間には、前記転送チャネルと第2の導電型の不純物領域が、交互に前記TDI転送方向に延伸して形成される、請求項12に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記転送チャネルと前記第2の導電型の不純物領域とで挟まれたTDI転送ゲートの領域のうち、前記ゲート開口部が形成されていないTDI転送ゲート領域に対して、その直下に、第1の導電型の不純物領域が形成される、請求項16に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記ゲート開口部、前記転送チャネル、前記第2の導電型の不純物領域、および前記第1の導電型の不純物領域の4つの領域を除いた領域には、第1の導電型の高濃度不純物領域が形成される、請求項17に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
- 前記ゲート開口部および前記転送チャネルを除いた領域には、第1の導電型の不純物領域が形成されている、請求項12に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。
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