JP2870046B2 - Charge-coupled device - Google Patents

Charge-coupled device

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JP2870046B2 JP25435189A JP25435189A JP2870046B2 JP 2870046 B2 JP2870046 B2 JP 2870046B2 JP 25435189 A JP25435189 A JP 25435189A JP 25435189 A JP25435189 A JP 25435189A JP 2870046 B2 JP2870046 B2 JP 2870046B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電荷結合素子に関し、特に、電荷検出手段に
フローティング拡散法を用いた電荷結合素子に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a charge-coupled device, and more particularly, to a charge-coupled device using a floating diffusion method as a charge detection means.

[従来の技術] この種従来の電荷転送素子(以下、CCDと記す)の平
面図と、そのX−Y線断面図を第3図(a)、(b)に
示す。これは、CCDをインターライン転送型固体撮像素
子の水平CCDに用いた例であって、ここでは2相駆動型C
CDが用いられている。
[Prior Art] FIGS. 3 (a) and 3 (b) show a plan view of a conventional charge transfer device (hereinafter referred to as a CCD) of this type and a cross-sectional view taken along the line XY of the device. This is an example in which a CCD is used for a horizontal CCD of an interline transfer type solid-state imaging device.
CD is used.

第3図(a)、(b)に示すように、半導体基板11上
には、水平CCDのチャネル領域1が設けられており、チ
ャネル領域1には、その適宜個所において垂直CCDのチ
ャネル領域2が接続されている。チャネル領域1の後段
にはフローティング拡散層8とリセットドレイン10が設
けられている。チャネル領域1上には、ゲート絶縁膜を
介して蓄積ゲート電極3、障壁ゲート電極4、最終段蓄
積ゲート電極5、最終段障壁ゲート電極6が設けられ、
そしてチャネル領域1の最終部分上にはゲート絶縁膜を
介して出力ゲート7が設けられている。また、フローテ
ィング拡散層8とリセットドレイン10との間の基板上に
はリセットゲート9が設けられている。蓄積ゲート電極
3、5は、それぞれその右の障壁ゲート電極4、6と接
続されて一つの転送電極として動作する。なお、本明細
書では蓄積電極ゲートとはその電極下に信号電荷を一時
的に蓄積することのできる転送電極または転送電極の電
荷蓄積可能部分を意味するものとする。
As shown in FIGS. 3A and 3B, a channel region 1 of a horizontal CCD is provided on a semiconductor substrate 11, and a channel region 2 of a vertical CCD is provided at an appropriate position in the channel region 1. Is connected. A floating diffusion layer 8 and a reset drain 10 are provided after the channel region 1. On the channel region 1, a storage gate electrode 3, a barrier gate electrode 4, a final storage gate electrode 5, and a final barrier gate electrode 6 are provided via a gate insulating film.
An output gate 7 is provided on a final portion of the channel region 1 via a gate insulating film. In addition, a reset gate 9 is provided on the substrate between the floating diffusion layer 8 and the reset drain 10. The storage gate electrodes 3, 5 are connected to the right barrier gate electrodes 4, 6, respectively, and operate as one transfer electrode. In this specification, the storage electrode gate means a transfer electrode capable of temporarily storing signal charges under the electrode, or a charge storage portion of the transfer electrode.

而して、このようなCCDを設計するに際しては、各蓄
積ゲート電極下に十分に大きな加速電界が形成されるこ
とと各ゲート電極下において蓄積される電荷量に差を生
じさせないようにすることが考慮される。また、一方
で、フローティング拡散層は、出力電圧、信号電荷比を
大きくするために、その面積は極力狭くなされている。
フローティング拡散層が小面積となったことにより、チ
ャネル領域はその手前で徐々に幅が狭められる。そし
て、その場合に前述したように各蓄積ゲート電極下の蓄
積可能電荷量に差異が生じないようにする考慮が払われ
るので、各蓄積ゲート電極のチャネル領域上での面積が
ほぼ同一となるようになされる。その結果、最終段蓄積
ゲート電極5のゲート長L1が他の蓄積ゲート電極3より
長く設定されることになり、例えば蓄積ゲート電極3の
ゲート長L2が5μmであるときに最終段のそれは9μm
となされる。
Therefore, when designing such a CCD, it is necessary to ensure that a sufficiently large accelerating electric field is formed under each storage gate electrode and that there is no difference in the amount of charge stored under each gate electrode. Is taken into account. On the other hand, the area of the floating diffusion layer is made as small as possible in order to increase the output voltage and the signal-to-charge ratio.
Due to the small area of the floating diffusion layer, the width of the channel region is gradually reduced in front of the channel region. Then, in that case, as described above, consideration is made so as not to cause a difference in the amount of storable charge under each storage gate electrode, so that the area of each storage gate electrode on the channel region is substantially the same. Is made. As a result, the gate length L 1 of the last stage storage gate electrode 5 is set longer than the other storage gate electrode 3, for example, that of the final stage when the gate length L 2 of the storage gate electrode 3 is 5μm is 9 μm
Is made.

[発明が解決しようとする課題] 近年、特に固体撮像素子においてはその駆動電圧を低
くすることが求められており、例えば5V程度の低電圧電
源が用いられるようになってきたので、チャネル領域に
おける電荷加速電界が低下される傾向にある。特に最終
ゲートでは、出力ゲートにはCCDのパルス振幅の中間レ
ベルの直流電位を印加することが多いので、その部分で
の電界は、他のCCDゲートにおける電界よりもいっそう
弱くなる。
[Problems to be Solved by the Invention] In recent years, in particular, it has been required to lower the driving voltage of a solid-state imaging device. For example, a low-voltage power supply of, for example, about 5 V has been used. The charge accelerating electric field tends to decrease. In particular, in the final gate, a DC potential at an intermediate level of the pulse amplitude of the CCD is often applied to the output gate, so that the electric field in that portion is much weaker than the electric field in other CCD gates.

その上、上述した従来のCCDにおいては、その最終段
蓄積ゲート電極のゲート長が長くなされているので、出
力ゲート下とのポテンシャル差が小さくなり、そのた
め、所定の時間内に電荷を次段に転送することが困難に
なってきており、転送効率の低下を招いている。その結
果、例えば固体撮像素子においては、色変調度の低下や
低照度における感度不足が問題となる。
In addition, in the above-described conventional CCD, since the gate length of the last-stage storage gate electrode is made longer, the potential difference between the output gate and the lower portion becomes smaller, so that the electric charge is transferred to the next stage within a predetermined time. It is becoming difficult to transfer data, which causes a decrease in transfer efficiency. As a result, for example, in a solid-state imaging device, there is a problem in that the degree of color modulation is reduced and sensitivity is insufficient at low illuminance.

第4図は、水平510画素の2次元固体撮像素子におい
て出力電圧を500mVとしたときの最終段蓄積ゲート電極
のゲート長Lに対する色変調度の依存性を示した図であ
り、第5図は、同じ撮像素子を用いて5Luxの低照度時の
ゲート長Lに対する出力依存性を示す図である。これら
は、駆動電圧を5Vとし、通常のチャネル幅を30μmとし
たときのデータである。第4図および第5図から明らか
なように、最終段蓄積ゲート電極のゲート長Lが9μm
を越えると、すなわち、蓄積ゲート電極の面積比が1を
越えると、転送効率の低下に起因して色変調度と出力が
低下する。
FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the degree of color modulation on the gate length L of the last-stage storage gate electrode when the output voltage is 500 mV in a two-dimensional solid-state imaging device having 510 horizontal pixels, and FIG. FIG. 14 is a diagram showing output dependency on a gate length L at the time of low illuminance of 5 Lux using the same image sensor. These are data when the drive voltage is 5 V and the normal channel width is 30 μm. As is clear from FIGS. 4 and 5, the gate length L of the final storage gate electrode is 9 μm.
When the ratio exceeds 1, that is, when the area ratio of the storage gate electrode exceeds 1, the degree of color modulation and the output decrease due to a decrease in transfer efficiency.

[課題を解決するための手段] 本発明のCCDは、電荷転送領域(チャネル領域)上に
複数の蓄積ゲート電極を有し出力機構にフローティング
拡散法を用いるものであって、前記電荷転送領域の幅は
その終端部近くで前記フローティング拡散層に向かって
漸減しており、かつ、最終段の蓄積ゲート電極の電荷転
送領域上の面積は他の蓄積ゲート電極を電荷転送領域上
の面積の0.6〜0.9倍になされている。
[Means for Solving the Problems] The CCD of the present invention has a plurality of storage gate electrodes on a charge transfer region (channel region) and uses a floating diffusion method for an output mechanism. The width gradually decreases toward the floating diffusion layer near the terminal end, and the area of the last storage gate electrode on the charge transfer region is 0.6 to less than the area of the other storage gate electrode on the charge transfer region. It has been made 0.9 times.

[作用] 第4図および第5図において、色変調度および出力が
低下しないのは最終段蓄積ゲート電極のゲート長が8.75
μm以下の範囲であるが、これはチャネル領域上の面積
が他の蓄積ゲート電極のそれの0.9倍以下に相当してい
る。すなわち、駆動電圧5V、一般の蓄積ゲート電極長5
μmである場合には、最終段蓄積ゲート電極の他のゲー
ト電極に対する面積比が1以下であるときに、より望ま
しくは0.9以下であるときに良好な転送効率が得られ
る。
[Operation] In FIGS. 4 and 5, the color modulation degree and the output do not decrease because the gate length of the final storage gate electrode is 8.75.
The area on the channel region is 0.9 μm or less of that of the other storage gate electrodes. That is, a driving voltage of 5 V and a general storage gate electrode length of 5
In the case of μm, good transfer efficiency can be obtained when the area ratio of the final storage gate electrode to the other gate electrode is 1 or less, more preferably 0.9 or less.

ところで、前述したように、各蓄積ゲート電極は低電
圧でも大きな加速電界が得られるようなゲート長になさ
れるので、駆動電圧が低下したときには、さらにゲート
長を短くする必要がある。そして、駆動電圧を下げたこ
とによる効果は一般の蓄積ゲート電極に対しても最終ゲ
ート電極に対しても等しく作用するものであるから、一
般の蓄積ゲート電極のゲート長を短くしたときには、最
終ゲート電極のゲート長もそれに比例して短くすればよ
いことになる。そして、本発明者等によるシミュレーシ
ョン結果によれば、駆動電源電圧および蓄積ゲート電極
のゲート長を変化させた場合にも最終段蓄積ゲート電極
と他の蓄積ゲート電極との面積比が0.9倍以下のときに
良好な転送効率を確保できることが判明した。
By the way, as described above, each storage gate electrode has such a gate length that a large accelerating electric field can be obtained even at a low voltage. Therefore, when the drive voltage is reduced, it is necessary to further shorten the gate length. Since the effect of lowering the driving voltage acts equally on the general storage gate electrode and the final gate electrode, when the gate length of the general storage gate electrode is reduced, the final gate The gate length of the electrode may be shortened in proportion to it. According to the simulation results of the present inventors, even when the drive power supply voltage and the gate length of the storage gate electrode are changed, the area ratio between the final-stage storage gate electrode and the other storage gate electrode is 0.9 times or less. Sometimes it was found that good transfer efficiency could be ensured.

なお、面積比の下限については最終段ゲート電極の電
荷蓄積能力の低下を防ぐ意味から0.6以上にとどめるこ
とが望ましい。
Note that the lower limit of the area ratio is desirably 0.6 or more from the viewpoint of preventing a decrease in the charge storage capacity of the final-stage gate electrode.

[実施例] 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
Example Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例を示す平面図である。同
図において、第3図の従来例の部分と対応する部分には
同一の参照番号が付されているので重複した説明は省略
するが、この実施例では最終段蓄積ゲート電極5のゲー
ト長L1が7μmになされている。ここで、他の蓄積ゲー
ト電極3のゲート長L2が5μmであるので、この場合ゲ
ート長比は1.4となっている(ゲート面積比は0.7であ
る)。
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the present invention. 3, the same reference numerals are given to the portions corresponding to those of the conventional example shown in FIG. 3, and the duplicate description is omitted. In this embodiment, the gate length L of the last-stage storage gate electrode 5 is shown. 1 is set to 7 μm. Here, since the gate length L 2 of the other storage gate electrode 3 is at 5 [mu] m, in this case the gate length ratio has a 1.4 (gate area ratio is 0.7).

第2図は、本発明の他の実施例を示す平面図である。
この実施例では、最終段蓄積ゲート電極5のゲート長は
7μmであるが、チャネル領域が、先の実施例の場合の
ように一定割合で狭くなっているのではなく、2段階に
分けて狭小化されている。そのため、ゲート長比は1.4
と先の実施例と変わらないが、ゲート面積比は0.75と増
大している。この実施例によれば、ゲート長を長くする
ことなく蓄積可能電荷量を増加させることができるの
で、より高い転送効率を実現することができる。
FIG. 2 is a plan view showing another embodiment of the present invention.
In this embodiment, the gate length of the last-stage storage gate electrode 5 is 7 μm, but the channel region is not narrowed at a constant rate as in the previous embodiment, but is narrowed in two stages. Has been Therefore, the gate length ratio is 1.4
Although this is not different from the previous embodiment, the gate area ratio has increased to 0.75. According to this embodiment, since the amount of charge that can be stored can be increased without increasing the gate length, higher transfer efficiency can be realized.

なお、以上の実施例では、転送電極が蓄積ゲート電極
と障壁ゲート電極とに別れていたが、これらを一体化し
た転送電極を用いてもよい。その場合には、先に指摘し
たように本明細書では、転送電極の信号電荷が一時的に
蓄積される部分が蓄積ゲート電極と呼ばれる。
In the above embodiment, the transfer electrode is divided into the storage gate electrode and the barrier gate electrode. However, a transfer electrode in which these are integrated may be used. In this case, as pointed out earlier, in this specification, a portion of the transfer electrode where signal charges are temporarily stored is referred to as a storage gate electrode.

また、本発明は、3相以上のクロックにより駆動され
るCCDにも適用することができる。この場合、各転送電
極下に障壁が設けられていないときには各転送電極が、
障壁が設けられているときには各転送電極の障壁の設け
られていない部分が蓄積ゲート電極になる。
In addition, the present invention can be applied to a CCD driven by a clock having three or more phases. In this case, when no barrier is provided under each transfer electrode, each transfer electrode
When a barrier is provided, a portion of each transfer electrode where the barrier is not provided becomes a storage gate electrode.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、従来例のように各蓄
積ゲート電極下の蓄積電荷量を揃えるのではなく、最終
段蓄積ゲート電極の面積を他の蓄積ゲート電極より狭く
して転送効率の向上を図ったものであるので、本発明に
よれば、低電圧で駆動されるCCDにおいても、最終段に
おいて高い転送効率を実現することができる。したがっ
て、本発明によるCCDを固体撮像素子に用いる場合に
は、感度不足を防止し高い色変調度を得ることができ
る。
[Effects of the Invention] As described above, in the present invention, the area of the final-stage storage gate electrode is made smaller than that of the other storage gate electrodes, instead of making the amount of stored charge under each storage gate electrode uniform as in the conventional example. According to the present invention, high transfer efficiency can be realized in the final stage even in a CCD driven at a low voltage. Therefore, when the CCD according to the present invention is used for a solid-state imaging device, insufficient sensitivity can be prevented and a high degree of color modulation can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図、第2図は、それぞれ本発明の実施例を示す平面
図、第3図(a)は、従来例を示す平面図、第3図
(b)は、そのX−Y線断面図、第4図および第5図
は、従来例および本発明の特性を説明するための特性曲
線図である。 1、2……チャネル領域、3……蓄積ゲート電極、4…
…障壁ゲート電極、5……最終段蓄積ゲート電極、6…
…最終段障壁ゲート電極、7……出力ゲート、8……フ
ローティング拡散層、9……リセットゲート、10……リ
セットドレイン、11……半導体基板。
1 and 2 are plan views each showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 (a) is a plan view showing a conventional example, and FIG. 3 (b) is a sectional view taken along line XY of FIG. 4 and 5 are characteristic curve diagrams for explaining the characteristics of the conventional example and the present invention. 1, 2, ... channel region, 3 ... storage gate electrode, 4 ...
... barrier gate electrode, 5 ... final stage storage gate electrode, 6 ...
... last stage barrier gate electrode, 7 ... output gate, 8 ... floating diffusion layer, 9 ... reset gate, 10 ... reset drain, 11 ... semiconductor substrate.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板の表面領域に形成された電荷転
送領域と、該電荷転送領域の後段の半導体基板の表面領
域に形成され一定期間毎に一定電位にリセットされるフ
ローティング拡散層と、前記電荷転送領域上に絶縁膜を
介して配置された複数の蓄積ゲート電極と、前記電荷転
送領域の最終部分の領域上に絶縁膜を介して配置された
一定電位に保持された出力ゲートとを有する電荷結合素
子において、前記電荷転送領域の幅はその終端部近くで
前記フローティング拡散層に向かって漸減しており、か
つ、前記蓄積ゲート電極のうち最終段のものはその前記
電荷転送領域上の面積が他の蓄積ゲート電極の前記電荷
転送領域上の面積の0.6〜0.9倍であることを特徴とする
電荷結合素子。
A charge transfer region formed in a surface region of the semiconductor substrate; a floating diffusion layer formed in a surface region of the semiconductor substrate subsequent to the charge transfer region and reset to a constant potential at regular intervals; It has a plurality of storage gate electrodes disposed on the charge transfer region via an insulating film, and an output gate maintained at a constant potential disposed on the last portion of the charge transfer region via an insulating film. In the charge-coupled device, the width of the charge transfer region gradually decreases toward the floating diffusion layer near the terminal end, and the last one of the storage gate electrodes has an area on the charge transfer region. Is 0.6 to 0.9 times the area of the other storage gate electrode on the charge transfer region.
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