JP2628622B2 - 電荷結合イメージセンサ装置 - Google Patents

電荷結合イメージセンサ装置

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JP2628622B2 JP59014974A JP1497484A JP2628622B2 JP 2628622 B2 JP2628622 B2 JP 2628622B2 JP 59014974 A JP59014974 A JP 59014974A JP 1497484 A JP1497484 A JP 1497484A JP 2628622 B2 JP2628622 B2 JP 2628622B2
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アルノルドウス・ヨハンネス・ユリアナ・ブーデウイエインス
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フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、複数個のほぼ平行で、かつ互いに中間チャ
ネル境界ゾーンによってのみ分離された電荷転送チャネ
ルが主表面に画成されている半導体本体を具えたフレー
ム転送型電荷結合イメージセンサ装置であつて、該電荷
転送チャネルが，放射線イメージを収集し、これを電気
信号に変換するイメージセクションと前記電気信号を１
蓄積期間後に転送して読出しのために記憶するようにし
た蓄積セクションとを形成するようにしたフレーム転送
型電荷結合イメージセンサ装置に関するものである。
従来の技術 このような電荷結合イメージセンサ装置は、1981年９
月16日に公衆審査のために公開されたオランダ国特許願
第8000999号（特開昭56−134767号公報）から既知であ
る。
この従来例では放射線感応部に放射線パターン、即ち
露光パターンに対応する電荷パケットのパターンが発生
し、この電荷パケットが蓄積期間の終了后蓄積レジスタ
に転送される（フレーム／フィールド転送）。次に蓄積
レジスタに蓄わえられた電荷はライン毎にシフトレジス
タに送られ、シフトレジスタから別の処理のために読出
される。
電極装置により、その下に存在する半導体本体内に空
乏層が誘起され、この空乏層内又はその近傍に放射線の
吸収により電荷キャリヤが発生する。そしてこれらの電
荷キャリヤが前述した電荷パケットの形態で電極装置に
存在する空乏層内に蓄わえられる。
前述したオランダ国特許願の１実施例の電荷結合イメ
ージセンサ装置では放射線感応部に窓が設けられてお
り、これらの窓が転送方向に直角な方向では第１群の電
極で限界づけられ、転送方向では電極の主として転送チ
ャネル上に延在する部分で限界づけられている。このよ
うにして、３相クロック系により放射線感応部に発生し
た電荷パケットを蓄積レジスタに移すのに適した電極系
を具えるイメージセンサ装置が得られる。応答時間を短
かくし、転送速度を高くするために、転送方向に平行な
電極要素を所望とあらば、横方向の接続部により相互に
結ぶことができる。このような電極構造は前記イメージ
センサ装置に特に青色の光に対し非常に高い感度を与え
る。
更に処理するために、検出されたイメージ（画像）に
対応する蓄積されている電荷を一般にはテレビジョン受
像機用の信号に変換する。次に通例通りイメージスクリ
ーンの偶数番目のラインと奇数番目のラインとを交互に
活性化する。それ故この所謂飛越しにとって、１フレー
ム期間（1/30〜1/25秒）内に放射線感応部から蓄積レジ
スタへの電荷の転送が２回行なわれ、これにより放射線
感応部の異なる部分で交互に電荷の蓄積が行なわれるよ
うにするのが望ましい。この目的でこのイメージセンサ
装置では電荷パケットが２つの後続する蓄積期間内で交
互に異なる区域、即ち、第１群の２個の電極の下と電荷
転送方向で窓を区切る電極部の下とで集められるように
なっている。
しかし、この飛越し方法には、いくつかの問題があ
る。一つの問題は、関連するイメージセンサ装置で放射
線感度を高くするためには、転送方向に平行な電極の窓
どうしの間にある部分の長さを幅よりも大きくしなけれ
ばならないことである。利用しなければならない表面積
をできるだけ小さくするために、これらの電極部の幅
は、一般に使用される導体トラックの最小トラック幅に
なっている。そこで放射線感度を高めるためには、これ
らの部分の長さを数倍大きくしなければならず、代表的
な例では、例えば、（最小）トラック幅3.6μｍに対し
長さを14μｍにとる。それ故、この電極で電荷を集める
と、関連する空乏層の表面積は約50μm2となる。同時
に、集積領域は正確に画成しなければならない。これ
は、２個の転送チャネルの間で発生した電子をこれらの
２個の隣接する転送チャネルに分布させるためには電極
相互間の相対距離（約５μｍ）を過度に大きくすること
はできないからである。
前記オランダ国特許願に示されているイメージセンサ
装置では、第１群の電極の下にチャネルストッパ領域が
存在、これまた直接転送チャネルを限界づけているが、
同じイメージ期間内の第２の蓄積期間において、電荷転
送チャネルに直角に位置し且つ部分的に互に重なり合う
電極の下で電荷が集められる。同じ（最小）トラック幅
でも本例では、空乏層が占める表面積は高々約12μm2と
なる。また、このように作られた空乏層は隅部でだけ周
囲の放射線に透明な窓と接する。これは特にこのような
窓の中心部で発生した電荷キャリヤが、前述した第１の
集積期間の状況と比較して空乏層に達する迄に相当に長
い通路を通るを要することを意味する。そしてこの効果
は前述のように、窓の転送方向の寸法が横方向の寸法よ
りも大きいため更に強められる。
この効果を避けるためには、発生する信号を異なる程
度に増幅することになるが、そのためには制御用の電子
回路手段を余分に使うことになる。
第１の電極の下のチャネルストッパ領域を狭くするこ
とにより第１の電極の下の空乏層を大きくすることも部
分的には有効である。事実特に転送方向に平行な電極部
から距離が大きいため隣接する蓄積領域の有効感度が相
当に変化することが見出されている。そしてこの変化は
工程の変化と電極の幾何学的構造のずれとによるもの
で、この変化のためこれらの電極部の下の障壁はあまり
よく画成されない。これは２個のイメージ信号の平均値
を信号処理で用いる電子手段によっても僅かしか改良さ
れない。
発明の目的 本発明の目的は、製造工程の変化やマスクのずれに敏
感でないようにしてこれらの欠点を大幅に除去した電荷
結合イメージセンサ装置を提供するにある。
本発明の別の目的は、偶数番号のイメージライン用の
電荷パケットと、奇数番号のイメージライン用の電荷パ
ケットとがほぼ同じ態様で集められる電荷結合イメージ
センサ装置を提供するにある。
本発明はイメージセンサ装置の放射線感応部の転送チ
ャネルの上に１個の連続した電極構造が形成され、転送
効率が失なわれない電極構造を採用すればこれが達成で
きるが、窓の縁を完全に又は一部画成し且つ転送方向に
直角な方向に配列される第２及び第３群の電極を用いれ
ば達成できることを認識し、この認識に基づいてなされ
たものである。
目的を達成するための構成と効果 本発明の電荷結合イメージセンサ装置は、特許請求の
範囲に記載の構成を特徴とする。
本発明によると、極めて堅固な窓が得られる。窓は転
送方向では一処理工程で設けられた第１群の電極により
限界づけられ、横方向では第２群又は第３群の電極の一
部により限界づけられ、また第２群の電極と第３群の電
極とは同一形態をとることができる。従って第２群の電
極と第３群の電極が相対的にずれても、それは半導体装
置全体に亘りほぼ等しいから、窓の寸法には影響しな
い。
電極の転送チャネル上の部分は、オランダ国特許願第
8000999号に記載されているように、効果的に２個の群
に分割される。これは２個の群の一方の電極部の下に交
互に電荷を集める可能性を与え、これらの電極部は直接
放射線に透明な窓の傍らに位置する。この場合４相クロ
ック系により飛越しのために１個のイメージ期間内に２
回実際上同じ方法でイメージセンサ装置の放射線感応部
のほぼ隣接する正確に画成された２個の部分から電荷を
集める。
或る量のスペースは犠牲になるが、窓を完全に第２群
及び第３群の電極で限界づければ、半導体本体が異なる
ことによる窓の寸法の相対的な変化を遥に小さくするこ
とができる。この結果、第１群の電極の製造時の整列公
差による青色の光に対する感度の変動を避けることがで
きる。
本発明に係るイメージセンサ装置の一つの好適な実施
例は、第１群の電極を交互に第２群の電極と、第３群の
電極に電気的に結合し、少なくとも動作状態において、
この結合が第１群の電極と、夫々第２群及び第３群の電
極との間に電位差を誘起するように構成する。
このようなイメージセンサ装置は特に２相クロック系
で電荷を転送するのに適している。
実施例 図面により、本発明を説明する。
添附図面は、略図であって、原寸通りではない。特
に、断面図において明瞭ならしめるため厚さ方向の寸法
が著しく誇張されている。同じ導電形の半導体領域には
同一方向のハッチングを施してある。また、種々の実施
例において対応する部分には、一般に同じ符号を付して
ある。
第１図は、所謂フレーム／フィールド転送型電荷結合
イメージセンサ装置１の原理説明用回路図である。この
ようなイメージセンサ装置は放射線感応センサ部２を具
え、この放射線感応センサ部２内に所定の露光期間にお
いて放射線イメージに対応する電荷キャリヤのパターン
が形成される。露光期間の後、この電荷キャリヤのパタ
ーンは一時的に蓄積部３内に蓄えられ、シフトレジスタ
４によりこの蓄積部３から電荷キャリヤのパターンが順
次に読出される。この読出しはそれ自体は既知の技術に
より行なわれる。
イメージセンサ装置（第２〜５図）は、半導体本体５
を具え、この半導体本体５は、例えば、比抵抗が10Ω・
cm（約５×1014ドナー原子/cm3）のｎ形シリコン基板６
と、その上にデポジットされた、ドーピング濃度が約３
×1015アクセプタ原子/cm3のｐ形領域７とを具える。こ
のｐ形領域７は、例えば、エピタキシャル成長によりデ
ポジットさせることができる。半導体本体５の主表面８
に複数個の相互に分離されたほぼ平行な電荷転送チャネ
ル（第１図に符号９で示す）を画成する。電荷の転送
は、第１図に矢印10で示すようにこの電荷転送チャネル
９内で行なわれる。本例では、電荷転送装置ccdをバル
ク転送形のccd即ちbccdで構成する。電荷転送チャネル
はｎ形領域11で構成するが、これらのｎ形領域11はｐ形
領域12により相互に分離されている。本例ではｎ形領域
11は平均不純物濃度が約1016原子/cm3で、深さが約１μ
ｍであり、幅が約3.5μｍである。他方ｐ形領域12は表
面での不純物濃度が約1018原子/cm3で、表面での幅が約
５μｍであり、約0.5μｍの深さ迄半導体本体５内に侵
入している。
主表面８は、絶縁材料、例えば、酸化シリコンの層13
で覆う。この絶縁材料層13の上に第１群の電極を配置す
るが、これらの電極により半導体材料内に電荷の蓄積と
転送のためのポレンシャルウェル（電位井戸）が形成さ
れる。
これら第１群の電極15,16は、相互に絶縁され、チャ
ネルに沿って約４μｍの間隔をおいて、電荷転送チャネ
ルの方向に対し直角な方向に延在する。
これらの電極の材料としては、例えば、多結晶シリコ
ンを選ぶことができる。しかし、多結晶シリコンは波長
の短い光（青）をあまり通さないから、これらの電極に
窓14を設け、これらの窓14を経て特に青色の光が半導体
本体５内に入り、その中に電荷キャリヤが形成されるよ
うにする。
それ故、本発明によれば、電極装置に第２群の電極17
と第３群の電極18とを設け、これらの電極17,18のベー
ス部が電荷転送チャネル11にほぼ直角な方向に延在し、
その突出部19,20がこれらの電荷転送チャネル11上に電
荷転送方向に平行な方向に延在する。これら電極15〜18
は電荷転送チャネル11に直角な方向において放射線を通
過させる窓14を区画し、かつ電極17,18の突出部19,20が
電荷転送チャネル11の長手方向において窓14を区画す
る。電荷転送チャネル11の上方において、電極18が一部
電極17の突出部19の上に重なり、電極18の突出部20が一
部電極18の反対側にある次の電極17の上に重なる。この
ようにして電荷転送チャネル11が完全に電極装置により
覆われるため、これらの電極により電荷が転送されると
き転送効率が下がることはない。本例では電荷転送チャ
ネル11の上方において、電極17及び18が電極15及び16と
一緒になって４相クロックシステムの電極装置を構成す
る。
この構成では、放射線により生じた電荷キャリヤが類
似した態様で隣接する領域内に交互に集積される。この
目的で、関連する電荷パケットを電極17の突出部19と電
極18の突出部20との下で交互に集める。イメージセンサ
装置の放射線感応センサ部２を露光すると電荷キャリヤ
が発生する。特に青色の光は窓14により開かれているｐ
形領域12内に約0.1μｍの深さだけ電荷キャリヤを発生
する。この放射線により発生した正孔はｐ形領域12内に
とどまり、他方発生した電子は隣接する電荷転送チャネ
ル11上に分布する。これは、電極17又は電極18には電子
に対する電位井戸が電極17又は18の下の電荷転送チャネ
ル内に得られるような電圧が印加されるからである。
波長がより長い光は窓14の外側でも主表面８に達し、
より深い所迄電荷キャリヤを発生する。この場合は、発
生した電子が電荷転送チャネル11内の最近傍の電位井戸
に流れ、正孔がｐ形領域12又はｐ形基板７を経て排出さ
れる。
１個のイメージ期間内の、例えば第１の半部におい
て、電荷転送チャネル11内の突出部19の下に電位井戸が
形成され、この電位井戸内に前述した態様で電荷パケッ
ト（電子）が集められるような電圧を電極17に印加す
る。この時突出部19は、例えば、長さが５μｍで、幅が
3.6μｍであり、相互の距離が５μｍである。
次に、これらの電荷パケットを電極15,16,17及び18に
かけられた適当に選ばれたクロック電圧分布により蓄積
部３に転送し、別の処理に備える。
前記イメージ期間の後半部において、先ず突出部19と
同じ寸法を有する電極18の突出部20の下に電位井戸を形
成する。斯くして、１つのイメージ期間の前半及び後半
の両方の半部において、電荷がほぼ同じ態様で２列のイ
メージ要素内に集められる。こうして電荷パケットが集
められ終った後、これらの電荷パケットは蓄積部３に転
送される。所望により、電極15,16,17及び18に必要なク
ロック信号を用いてイメージ期間の前半の第１の半部以
后ここに蓄わえられていた情報を出力レジスタ４に転送
し、別の処理に備えることもできる。
蓄積部３は、放射線を集める必要がない。従って窓を
設ける必要がない。このため全体として蓄積部３は放射
線感応センサ部２よりも表面積を相当に小さくできる。
放射線感応センサ部２と蓄積部３とでの電荷の転送に
必要なクロック信号は、シフトレジスタ４用のクロック
信号と同じように、周知の態様で、例えば、第１図には
示していないシフトレジスタにより得ることができる。
このイメージセンサ装置は通常の方法で作ることがで
きる。ｎ形シリコン基板６の上にｐ形エピタキシャル層
７を成長させた後、イオン注入又は拡散によりこのｐ形
エピタキシャル層７内にｎ形チャネル11を形成する。こ
の後で主表面８の上に薄い酸化物をデポジットし、この
酸化物層の上に周知の方法で第１の組の電極15,16を形
成する。なお、電極15,16は多結晶シリコンで作ると好
適である。電極15,16を電気的に絶縁するための酸化工
程の後、同じような多結晶シリコンから成る電極17,19
を形成する。再び酸化工程によりこれらの電極17,19を
電気的に絶縁した後電極18,20を形成する。このように
して電極装置が完成した後、イオン注入によりｐ形領域
12を形成する。
第１図ないし第５図に示した電荷結合イメージセンサ
装置は、簡単な方法で、即ち非対称な電位井戸が得られ
るような電位差を電極17と18の間及び突出部19と20の間
に加えることにより２相クロック系に適合させることが
できる。この電位差は第２図に電圧源21により略式図示
されているが、例えば、公衆審査のために公開されてい
るオランダ国特許願第7,200,519号に記載されているよ
うに分圧器により又は公衆審査のために公開されている
オランダ国特許願第7,114,859号に記載されているよう
に容量性結合により印加することができる。この構成の
付加的利点は２個のクロック相間の相対容量が小さいこ
とである。蓋し、これらの相は非常に小さい部分に亘っ
てではあるが、互に重なり合うからである。
第６図ないし第８図に示した電荷結合イメージセンサ
装置では、電極17,18がそれぞれで完全に窓14を画成す
るような構造になっている。これは或る量の表面積を犠
牲にするが、今度は全ての窓14が完全に同一になる。こ
のため簡単に同じマスクを用いて相対的にずれた電極17
と18とを作ることができる。今度は電極15,16が窓14の
限界を作るのに加わらないから、これらの電極15,16と
電極17,18の間の相対公差は窓の寸法に影響してこな
い。
電荷パケットは今度は交互に連結部19,20の下に集め
られるか又は前記他の飛越し方法では同時に連結部19及
び20の下に集められる。符号は前述した実施例と同じ意
味を有する。
勿論、本発明は：上述した実施例に限定されるもので
はなく、当業者ならば本発明の範囲を逸脱することな
く、種々の修正を施すことができる。
例えば、第６図ないし第８図と類似した態様で、電極
17,18を開口を具える細長いストリップとして構成し、
例えば、電極15と16の間の距離が電荷転送装置の開口の
寸法よりも短い場合は、電極17,18が完全に窓を画成し
ないようにすることができる。加えて、他の種類の電荷
転送装置、例えば、bbr（bucket birgade registers）
や表面ccdを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係る電荷結合イメージセンサ装置の
原理的回路図、 第２図は、このようなイメージセンサ装置の放射線感応
部の一部の略平面図、 第３図は、第２図のIII−III線で切ったイメージセンサ
装置の略断面図、 第４図は、第２図のIV−IV線で切ったイメージセンサ装
置の略断面図、 第５図は、第２図のＶ−Ｖ線で切ったイメージセンサ装
置の略断面図、 第６図は、本発明に係るもう一つのイメージセンサ装置
の放射線感応部の一部略平面図、 第７図は、第６図のVII−VII線で切ったイメージセンサ
装置の略断面図、 第８図は、第６図のVIII−VIII線で切ったイメージセン
サ装置の略断面図である。 １……電荷結合イメージセンサ装置 ２……放射線感応センサ部 ３……蓄積部 ４……シフトレジスタ ５……半導体本体 ６……ｎ形シリコン基板 ７……ｐ形領域 ８……主表面 ９……電荷転送チャネル 11……ｎ形領域 12……ｐ形領域 13……絶縁材料層 14……窓 15、16……第１群の電極 17……第２群の電極 18……第３群の電極 19、20……突出部 21……電圧源 22……増幅器

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数個のほぼ平行で、かつ互いに中間チャ
    ネル境界ゾーンによってのみ分離された電荷転送チャネ
    ルが主表面に画成されている半導体本体を具えたフレー
    ム転送型電荷結合イメージセンサ装置であつて、該電荷
    転送チャネルが，放射線イメージを収集し、これを電気
    信号に変換するイメージセクションと前記電気信号を１
    蓄積期間後に転送して読出しのために記憶するようにし
    た蓄積セクションとを形成するようにしたフレーム転送
    型電荷結合イメージセンサ装置において， 前記イメージセクションは、電極装置を具え、 該電極装置は， 複数個の前記電荷転送チャネルに直角方向に延び、かつ
    互に一定の間隔に距離を置いて配置され、その間にギャ
    ップを形成する第１群の電極と、 これら第１群の電極間のギャップを交互に充填する第２
    群の電極で、これら第２群の電極の各々は、前記複数の
    電荷転送チャネルに直角に延びているベース部と、この
    ベース部よりそれぞれの電荷転送チャネル上に電荷転送
    チャネルに平行に延びている突出部とを有してなり、こ
    れら各突出部は対応の電荷転送チャネルのほぼ全幅上に
    わたって延びており、前記ベース部は突出部とともに隣
    接している第１群の電極間の全ギャップに延在して第１
    群の電極とオーバーラップしており、かつ中間絶縁層に
    よってこれら第１群の電極より絶縁されている第２群の
    電極と、 前記第１群の電極間のギヤップの残りのものを充填する
    第３群の電極で、これら第３群の電極の各々は、前記複
    数の電荷転送チャネルに直角に延びるベース部と、ベー
    ス部よりそれぞれの電荷転送チャネル上に電荷転送チャ
    ネルに平行に延びる突出部とを有してなり、各突出部は
    対応の電荷転送チャネルのほぼ全幅上にわたって延びて
    おり、ベース部は突出部とともに隣接する第１群の電極
    間のギャップ全体上に延びていてこれら第１群の電極と
    オーバーラップし、かつ中間絶縁層によって互に絶縁さ
    れており、また第３群の電極は第２群の電極より絶縁さ
    れている第３群の電極とを具え、 第１群の電極間のギャップと、第２群及び第３群の電極
    のベース部と突出部との形状寸法は、これらによって構
    成される電極装置によって窓が形成され、半導体本体の
    表面におけるこれら窓の領域では、電極装置を構成する
    材料が存在せず、放射線とくに短波長の放射線がこれら
    窓を容易に通過して半導体本体内に入り、ここで電荷キ
    ャリヤを形成する如くしたことを特徴とする電荷結合イ
    メージセンサ装置。
  2. 【請求項２】第２群及び第３群の電極が、少くとも平面
    図において、ほぼ同一形状である特許請求の範囲第１項
    記載の電荷結合イメージセンサ装置。
  3. 【請求項３】前記電極装置は、４相電荷転送を行う電極
    構造を有する特許請求の範囲第１項または第２項記載の
    電荷結合イメージセンサ装置。
  4. 【請求項４】第１群の電極が、第２群の電極及び第３群
    の電極に対し交互に電気的に結合されていて、この電気
    結合によって、少くとも電荷結合動作中において、第１
    群の電極と、第２群及び第３群の電極間に電位差が生ず
    るごとくした特許請求の範囲第１項または第２項記載の
    電荷結合イメージセンサ装置。
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