JP2864626B2

JP2864626B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2864626B2
Application number: JP2048180A
Authority: JP
Inventors: 中村　　聡; 哲也飯塚
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: JPH03250982A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は複数の並列して設けられた水平電荷転送部を
有する固体撮像素子を備える固体撮像装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、複数の水平電荷転送部を有し、その水平電
荷転送部間の転送が転送ゲートが制御するチャンネル領
域を挟んで対向した領域にかかる異相の転送信号のレベ
ル変化に基づいて行われる固体撮像素子を備える固体撮
像装置において、それらレベル変化を高速転送時よりも
低速にすることにより、その位相マージンを増大させ
て、確実な水平電荷転送部間の転送を図るものである。

〔従来の技術〕

非常に多くの画素を有する固体撮像素子では、その水
平転送周波数が高くなるため、その転送が困難となる。
そこで、その水平転送周波数を低くするために、水平電
荷転送部（水平レジスタ）を２本以上設け、これに信号
電荷を振り分けて転送することが行われている。

例えば、２つの互いに並行して設けられた水平電荷転
送部を有し、２相の転送信号ΦH1,ΦH2により各水平電
荷転送部で高速転送が行われる固体撮像素子では、２つ
の水平電荷転送部の転送電極は、転送ゲートを挟んで共
通とされ、共通の転送信号ΦH1,ΦH2が与えられてい
る。転送ゲートの下部には、チャンネル領域がチャンネ
ルストップ領域に挟まれて設けられており、そのチャン
ネル領域を介して水平電荷転送部間の転送が行われる。
そのチャンネル領域は、一方の水平電極転送部の転送信
号ΦH2が与えられる領域と、他方の水平電荷転送部の転
送信号ΦH1が与えられる領域に挟まれており、一方の水
平電荷転送部の転送信号ΦH1が与えられる領域は転送ゲ
ートの下部のチャンネルストップ領域に隣接する。従っ
て、転送ゲートを開状態とした場合でも転送信号ΦH1が
与えられる領域の電荷が次の水平電荷転送部に転送され
ることはなく、電荷の振り分けが行われる。

具体的には、信号電荷の振り分けは、まず転送ゲート
を導通状態とし、次に転送信号ΦH1,ΦH2を同時に高レ
ベルから低レベルに変化させて、一旦転送ゲートの下部
のチャンネル領域に電荷を蓄積し、最後に転送信号ΦH1
のみを高レベルに変化させる。すると、転送ゲートの下
部のチャンネル領域に蓄積されていた電荷が他方の水平
電荷転送部の転送信号ΦH1にかかる領域に転送され、こ
れで２つの水平電荷転送部の各転送信号ΦH1にかかる領
域に信号電荷が振り分けられたことになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第５図に示すように、従来の固体撮像素子
の水平電荷転送部101の転送電極は、第１層目のポリシ
リコン層102と、第２層目のポリシリコン層103から構成
され、転送方向である水平（Ｈ）方向に沿って交互に配
置されている。そして、各ポリシリコン層102,103に
は、交互に転送信号ΦH1,ΦH2が供給されており、第１
層目及び第２層目のポリシリコン層102,103の間には、
シリコン酸化膜104が形成されている。

ここで、前述の水平電荷転送部間の転送時について考
えてみると、その転送時には、転送ゲートが開状態とな
るのに続いて、転送電極に供給されるΦH1,ΦH2が共に
高レベルから低レベルに変化する。特に、このレベル変
化は、第６図のモデルからも説明できるように、水平方
向の電荷の高速転送を行う場合ではその対地容量はC₁＋
2C₂であるが、共にレベル変化をさせる水平電荷転送部
間の転送時ではC₂が零となるため、対地容量C₁のみのも
のとなる。従って、実際は極めて遷移時間の短いレベル
変化となる。

ところが、このような遷移時間の短いレベル変化で
は、次のような問題が生ずる。すなわち、第７図に示す
ように、転送信号ΦH1とΦH2が時間Δτ程度ずれた場合
を考えてみると、この時間Δτの期間では、転送時間Φ
H1が低レベルであり、転送信号ΦH2が高レベルであるた
めに、同一の水平電荷転送部内での転送信号ΦH1に制御
される領域から転送信号ΦH2に制御される領域に向かっ
て転送が生じてしまうことになる。このような隣接信号
の混合によって、いわゆる縦すじが発生したり、一方の
水平電荷転送部からの出力信号が失われる等の問題を生
ずる。

そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、水平電
荷転送部間の振り分け転送を確実に行うような固体撮像
素子を備える固体撮像素子の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置
は、マトリクス状に配列された複数の受光部と、それら
受光部からの電荷をそれぞれ転送するために各受光部の
垂直列に設けられた複数の垂直電荷転送部と、互いに平
行に設けられ且つ上記各垂直電荷転送部からの電荷を共
通の多相の転送信号を用いて水平方向に高速転送させる
複数の水平電荷転送部と、上記複数の水平電荷転送部間
に設けられて該水平電荷転送部間の転送を制御する転送
ゲートとを有する固体撮像素子と、水平方向の高速転送
時には、上記多相の転送信号を出力し、上記転送ゲート
を介した水平電荷転送部間の転送時には、上記転送ゲー
トが電荷を転送可能なレベルとされている間に、上記転
送ゲートが制御するチャンネル領域を挟んで対向した２
つの上記水平電荷転送部の領域に対する異相の上記転送
信号のレベルを、共に水平方向の高速転送時よりも低速
度に変化する転送信号を出力する駆動回路とを備える。

〔作用〕

複数の水平電荷転送部は、共通の多相の転送信号によ
って駆動されるため、隣接する転送電極では、異なる位
相の転送信号による駆動が行われる。そして、水平電荷
転送部間の転送を図るため、チャンネル領域を挟んで対
向した２つの領域にかかる異相の転送信号を共に低速度
でレベル変化させた時には、仮に異相の転送信号のレベ
ル遷移のタイミングが何らかの原因でずれた場合でも、
異相の転送信号の間のレベル差が大きく開くことはな
い。このため、同一の水平電荷転送部内でも隣接する転
送電極間でのレベル差が小さくなることになり、同じ水
平電荷転送部内でのポテンシャルの勾配は小さなものと
なる。従って、確実な振り分け転送が行われることにな
る。

〔実施例〕

本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明す
る。

本実施例は、FIT（フレームインターライントランス
ファ）型のCCDイメージセンサーを備えた固体撮像装置
の例であり、水平電荷転送周波数を低減させるために２
本の水平電荷転送部を有している。

第１図はその模式的な平面図である。第１図に示すよ
うに、本実施例のCCDイメージセンサー１は、信号電荷
を光電変換により発生させる撮像部２と、その信号電荷
を一時的に蓄積する蓄積部３と、水平電荷転送部である
第１の水平レジスタ４と、同じく水平電荷転送部である
第２の水平レジスタ５を主たる構成要素としており、こ
れらはシリコン基板上に半導体製造技術を以て形成され
ている。

撮像部２は、マトリクス状に配列された受光部６を有
しており、これら受光部６でそれぞれ入射光の光電変換
が行われる。これら受光部６は、一例として、ｎ型のシ
リコン基板、ｐウェルに形成されるｎ型の不純物拡散領
域と、その表面のｐ型の正孔蓄積層からなり、表面から
順にpnpn構造とされる。各受光部６の各垂直列に沿っ
て、各垂直列毎に第１の垂直レジスタ７が設けられてい
る。これら第１の垂直レジスタ７は受光部６からの電荷
を垂直方向に転送する。これら第１の垂直レジスタ７に
は、それぞれ電荷を転送するための埋め込みチャンネル
層がシリコン基板に形成され、その埋め込みチャンネル
層上には絶縁膜を介して複数の転送電極が形成される。
この第１の垂直レジスタ７の転送電極には、転送信号Φ
IM1〜ΦIM4が供給される。

蓄積部３には、第１の垂直レジスタ７に電気的に連続
するように複数の第２の垂直レジスタ８が形成されてお
り、第１の垂直レジスタ７と第２の垂直レジスタ８の数
は一対一に対応する。第１の垂直レジスタ７から第２の
垂直レジスタ８に垂直ブランキング期間に高速に信号電
荷を転送することで、ストアの低減がなされる。これら
第２の垂直レジスタ８には、転送信号ΦST1〜ΦST4が供
給される。

蓄積部３と第１の水平レジスタ４の間には、ゲート９
が設けられ、このゲート９は信号ΦVHにより制御され
る。信号ΦVHが高レベルの時、ゲート９が導通状態とな
り、信号ΦVHが低レベルの時、ゲート９が遮断状態とな
る。

第１の水平レジスタ４及び第２の水平レジスタ５は、
互いに並列に、蓄積部３の垂直方向の端部にゲート９を
介して設けられている。これら第１の水平レジスタ４及
び第２の水平レジスタ５には、第５図に示したような転
送電極が形成されており、それら転送電極には高速転送
時に互いに逆相の関係となる位相の転送信号ΦH1,ΦH2
が供給される。水平レジスタ４には、転送信号ΦH1によ
り制御される領域13と、転送信号ΦH2により制御される
領域14が水平方向に交互に形成され、水平レジスタ５に
は、転送信号ΦH1により制御される領域15と、転送信号
ΦH2により制御される領域16が水平方向に交互に形成さ
れる。各領域13〜16中、各レジスタ4,5の終端部に近い
側にストレージ部が設けられ、その逆側にトランスファ
ー部が設けられる。これら第１の水平レジスタ４及び第
２の水平レジスタ５の転送電極は、共通の層から形成さ
れ、例えば第２層目及び第３層目のポリシリコン層から
なる。これら第１の水平レジスタ４及び第２の水平レジ
スタ５の間には、転送ゲート10が設けられており、これ
ら２つの水平レジスタ間の転送を制御する。この転送ゲ
ートは、例えば第１層目のポリシリコン層からなる。転
送ゲート10には、信号ΦHHGが供給されており、この信
号ΦHHGのレベルで、２つの水平レジスタ間の転送が制
御される。この転送ゲート10の下部の基板の表面には、
図中斜線で示すチャンネルストップ領域11が設けられ、
それらチャンネルストップ領域11に挟まれた領域がチャ
ンネル領域12とされる。このチャンネル領域12は、第１
の水平レジスタ４の転送信号ΦH2に制御される領域14
と、水平レジスタ５の転送信号ΦH1に制御される領域15
をその両端に対向させるように設けられている。チャン
ネル領域12が第１の水平レジスタ４の領域14に連続して
設けられるため、第１の水平レジスタ４の領域13はチャ
ンネルストップ領域11に連続する。従って、転送ゲート
10のレベルが高くなっても、転送信号ΦH1に制御される
領域13から電荷が次の水平レジスタ５に転送されるよう
なことはない。各水平レジスタ4,5の終端部には、それ
ぞれ出力回路17が設けられ、各出力回路17から出力信号
Vout₁,Vout₂が出力される。

このような構造の本実施例のCCDイメージセンサー
は、２本の水平レジスタ4,5により一水平ライン分の信
号電荷の転送が行われるため、その水平転送周波数が低
減される。そこで、２本の水平レジスタ4,5による転送
のためには、前もってそれら２本の水平レジスタ4,5に
電荷を振り分ける必要がある。ここで、第２図を参照し
ながら、その水平レジスタ4,5の間の振り分け転送につ
いて説明する。

まず、時刻t₀で、水平方向に電荷を転送する各水平レ
ジスタ4,5の高速転送が終了し、転送信号ΦH1,ΦH2は共
に高レベルとされる（図中（ｂ），（ｃ）参照。）。こ
の段階で各水平レジスタ4,5は信号電荷が全て転送済の
状態とされる。

次に、時刻t₁で、蓄積部３と水平レジスタ４の間のゲ
ート９に供給される信号ΦVHが低レベルから高レベルと
なり（図中（ａ）参照。）、同時に２つの水平レジスタ
4,5の間に設けられた転送ゲート10に供給される信号ΦH
HGも低レベルから高レベルに遷移する（図中（ｄ）参
照。）。すると、ゲート９が導通状態となることで、各
第２の垂直レジスタ８の最終端部に蓄積されていた信号
電荷が、そのゲート９を介して水平レジスタ４の各領域
13,14に転送される。同時に、転送ゲート10も導通状態
となるために、チャンネル領域12の下部には電荷が蓄積
される状態となり、第２の垂直レジスタ８からの信号電
荷の一部は、チャンネル領域12を介して水平レジスタ５
の転送信号ΦH1に制御される領域15にも至る。水平レジ
スタ４に第２の垂直レジスタ８の最終端部の信号電荷が
全て転送されたところで、信号ΦVHが高レベルから低レ
ベルとなり、ゲート９は遮断状態となる。また、その時
刻t₁の後、転送信号ΦH1,ΦH2を発生させる後述するよ
うな駆動回路の駆動能力を切り換えるための信号Wdパル
ス（図中（ｅ）参照。）が発生する。この信号Wdパルス
が発生している間、即ち、そのレベルが高レベルとなっ
ている時は、駆動回路の駆動能力は低くされ、そのレベ
ルが低レベルとなっている時は、駆動回路の駆動能力は
高くされる。

次に時刻t₂〜時刻t₃までの間、高レベルとされていた
転送信号ΦH1,ΦH2のレベルが共に低速度で遷移して、
時刻t₃では共に低レベルとなる。このように転送信号Φ
H1,ΦH2が共に低レベルにシフトすることで、領域13に
転送された信号電荷はそのまま領域13に止まるが、領域
14,15に転送された信号電荷はチャンネル領域12に転送
され、そのチャンネル領域12に集められることになる。
この時、そのレベル変化が低速度であるために、転送信
号ΦH1,ΦH2の一方が仮に時間的にずれたとしても、両
者の間の電位差は小さくて済むため、例えば水平レジス
タ４の領域13から領域14への電荷の漏れ等の問題は生じ
ない。このような低速度で転送信号ΦH1,ΦH2が遷移し
た後、Wdパルス信号が止まり、そのレベルは低レベルに
なる（図中（ｅ）参照。）。

転送信号ΦH1,ΦH2のレベルが共に低速度で遷移した
後の時刻t₄では、信号電荷は、領域13とチャンネル領域
12に存在し、領域14には信号電荷は存在しない。そし
て、この状態から、転送信号ΦH1のみが低レベルから高
レベルに変化する。この時、転送信号ΦH2は低レベルの
ままとされる。すると、時刻t₅では、チャンネル領域12
に存在していた信号電荷の一部が水平レジスタ５の転送
信号ΦH1に制御される領域15に転送される。

領域15に信号電荷の一部が振り分けられた後、転送ゲ
ート10に供給されている信号ΦHHGが高レベルから低レ
ベルに変化する。その結果、時刻t₆では、転送ゲート10
の下部のチャンネル領域12に蓄積されていた電荷は全て
領域15に転送されて、水平レジスタ4,5への電荷の振り
分け転送が完了する。

そして、時刻t₇で再び、各水平レジスタ4,5の中の１
水平ライン分の信号電荷が水平方向に高速転送され、そ
れらが出力回路17,17を介して出力されることになる。

このように本実施例のCCDイメージセンサーでは、水
平レジスタ4,5の間の転送の際、時刻t₂〜時刻t₃の間で
転送信号ΦH1,ΦH2のレベルが低速度に遷移するため
に、位相マージンが増大し、振り分け転送が確実に行わ
れることになる。従って、縦すじや一方のレジスタで出
力不能となるような問題は未然に解決される。

第３図は水平レジスタ4,5を駆動するための転送信号
ΦH1,ΦH2を発生させる駆動回路の一例を示している。
この駆動回路は、所要のクロック信号が入力するドライ
バー31を有しており、基本的には、高速転送に対応した
駆動能力を有している、そして、その出力端子には、容
量32が接続されており、その容量32と接地の間にはスイ
ッチ33が配されている。このスイッチ33は、第２のタイ
ミングで発生するWdパルスによって制御され、そのWdパ
ルスが供給された時に、スイッチ33は閉成される。その
結果、ドライバー31の駆動すべき容量が容量32の分だけ
増大することになり、結果としてWdパルスの期間だけド
ライバー31の駆動能力は低下する。このため第２図の時
刻t₂〜時刻t₃の間の如き低速度の遷移が行われる。

また、第４図は水平レジスタ4,5を駆動するための転
送信号ΦH1,ΦH2を発生させる駆動回路の他の一例を示
している。この駆動回路は、並列に接続された２つのド
ライバー41,42を有している。ドライバー41は、低速用
のドライバーであり、そのチャンネル幅等は小さくされ
て駆動能力は低い。ドライバー42は、高速用のドライバ
ーであり、そのチャンネル幅等は大きく形成されて駆動
能力は高い。これらドライバー41,42の出力端子は、共
にスイッチ43に接続される。このスイッチ43は、切り換
えスイッチであり、第２図の（ｅ）に示したWdパルスに
よって制御される。通常の場合すなわちWdパルスの発生
がない時、スイッチ43は高速用のドライバー42側に切り
替わっており、転送信号ΦH1,ΦH2はドライバー42より
発生する。ところが、水平レジスタ4,5の間の転送を図
る場合では、Wdパルスが発生し、スイッチ43は低速用の
ドライバー41に切り替わる。従って、信号ΦH1,ΦH2は
低速にしか遷移しなくなり、その結果として確実な水平
レジスタ間の転送がなされることになる。

なお、上述の実施例において、水平レジスタの数を２
本としたが、３本またはそれ以上の水平レジスタを有す
る固体撮像素子であっても良い。また、FIT型に限定さ
れず、IT（インターライン転送）型であっても良い。ま
た、水平レジスタに供給される多相の転送信号も２相に
限定されない。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像装置は、複数の水平電荷転送部間の
電荷の転送の際に、チャンネル領域を挟んだ領域を制御
する異なる位相の転送信号が共に低速度で遷移するため
に、その位相マージンが増大し、仮に転送信号の一方が
時間的にずれた場合でも、確実に信号電荷の振り分けが
行われることになる。従って、振り分け転送の劣化に起
因する縦すじノイズの発生や一方の水平レジスタの出力
信号が劣化する等の問題が解決され、安定した高画質の
出力信号を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置が備える固体撮像素子の
一例の模式的な平面図、第２図はその一例の水平レジス
タ間の転送時のタイミングチャート、第３図はその一例
に用いられる駆動回路の一例を示す回路図、第４図はそ
の一例に用いられる駆動回路の他の一例を示す回路図、
第５図は水平電荷転送部の一般的な構造を示す断面図、
第６図は従来の固体撮像素子の転送電極における容量の
関係を示す図、第７図は従来の固体撮像素子で水平電荷
転送部間の転送を行った場合の問題点を説明するための
タイミングチャートである。２……撮像部３……蓄積部 4,5……水平レジスタ６……受光部７……第１の垂直レジスタ８……第２の垂直レジスタ９……ゲート 20……転送ゲート 11……チャンネルストップ領域 12……チャンネル領域 13〜16……領域 ΦH1,ΦH2……転送信号

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス状に配列された複数の受光部
と、それら受光部からの電荷をそれぞれ転送するために
各受光部の垂直列に設けられた複数の垂直電荷転送部
と、互いに平行に設けられ且つ上記各垂直電荷転送部か
らの電荷を共通の多相の転送信号を用いて水平方向に高
速転送させる複数の水平電荷転送部と、上記複数の水平
電荷転送部間に設けられて該水平電荷転送部間の転送を
制御する転送ゲートとを有する固体撮像素子と、水平方向の高速転送時には、上記多相の転送信号を出力
し、上記転送ゲートを介した水平電荷転送部間の転送時
には、上記転送ゲートが電荷を転送可能なレベルとされ
ている間に、上記転送ゲートが制御するチャンネル領域
を挟んで対向した２つの上記水平電荷転送部の領域に対
する異相の上記転送信号のレベルを、共に水平方向の高
速転送時よりも低速度に変化する転送信号を出力する駆
動回路とを備える固体撮像装置。
【請求項２】上記駆動回路は、上記転送ゲートを介した
水平電荷転送部間の電荷転送時には、転送信号の出力端
子に容量を付加して、転送信号を出力することを特徴と
する請求項（１）記載の固体撮像装置。
【請求項３】上記駆動回路は、高速度で変化する転送信
号を出力する高速型回路と、低速度で変化する低速型回
路を備え、水平方向の高速転送時には高速型回路に上記
転送ゲートを介した水平電荷転送部間の転送時には低速
型回路に切り替わることを特徴とする請求項（１）記載
の固体撮像装置。