JP2950317B2 - 固体撮像装置とその駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置とその駆動方法

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JP2950317B2 JP10035730A JP3573098A JP2950317B2 JP 2950317 B2 JP2950317 B2 JP 2950317B2 JP 10035730 A JP10035730 A JP 10035730A JP 3573098 A JP3573098 A JP 3573098A JP 2950317 B2 JP2950317 B2 JP 2950317B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全画素同時読み出
し方式の固体撮像装置とその駆動方法に関し、特に垂直
ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送するための垂直転
送電極の構造と垂直転送電極に印加すべき駆動電圧に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置を用いた業務用ある
いは家庭用ビデオカメラが広く普及している。これら従
来の業務用あるいは家庭用ビデオカメラは、テレビジョ
ン方式（ＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式）に対応させるた
め、水平信号ラインを１ラインおきに走査するインター
レース方式（飛び越し走査方式）を採用していた。一
方、最近ではパーソナルコンピュータ用の画像入力カメ
ラが盛んに開発されているが、この種のカメラの水平走
査方式は、高解像度静止画を得るため、およびコンピュ
ータのディスプレイヘの出力のし易さの観点から、ノン
インターレース方式が採用されている。ノンインターレ
ース方式のカメラに用いられる固体撮像装置は、全画素
の信号電荷を同時に、かつ独立に読み出す必要がある。
この読み出し方式は、全画素同時読み出し方式、あるい
はプログレッシブスキャン方式と呼ばれている（参考文
献：奥谷智雄ほか、”１／３インチ３３万正方画素プロ
グレッシブ・スキャンＣＣＤ撮像素子”、１９９５年テ
レビジョン学会年次大会講演予稿集、９３−９４頁、１
９９５年）。以下に、このような全画素同時読み出し方
式の固体撮像装置について説明する。
【０００３】図１０は、従来の全画素同時読み出し方式
インターライン型ＣＣＤ固体撮像装置の平面図である。
本撮像装置は、大きく分けて撮像部１、水平ＣＣＤ２、
出力部（電荷検出部）３からなる。撮像部１には、光電
変換し、その信号電荷を蓄積するフォトダイオード４が
２次元マトリックス状に複数個配置されている。さら
に、各フォトダイオード列の間には、垂直方向に信号電
荷を転送する垂直ＣＣＤ５が設けられている。フォトダ
イオード４と垂直ＣＣＤ５との間には、各フォトダイオ
ード４から垂直ＣＣＤ５に信号電荷を読み出すトランス
ファーゲート領域１０が設けられている。撮像部１にお
いて、フォトダイオード４、垂直ＣＣＤ５及びトランス
ファーゲート領域１０以外の部分は素子分離領域１１で
ある。
【０００４】このような固体撮像装置の動作を説明す
る。一定期間内にフォトダイオード４で光電変換された
信号電荷は、トランスファーゲート領域１０を介して垂
直ＣＣＤ５に読み出される。垂直ＣＣＤ５に読み出され
た信号電荷は、１水平ラインずつ水平ＣＣＤ２に転送さ
れる。水平ＣＣＤ２に転送された信号電荷は、出力部３
まで転送され検出される。図１１は、図１０の固体撮像
装置のフォトダイオード４及び垂直ＣＣＤ５を示す概略
的平面図である。図１１では、水平方向に３画素分、垂
直方向に２画素分のみ示している。そして、図１２は図
１１を拡大したより詳細な平面図であり、図１３は図１
２のＡ−Ａ線断面図である。
【０００５】各フォトダイオード列の間には、ポリシリ
コンからなる垂直転送電極６，７，８，９を有する垂直
ＣＣＤ５が設けられている。これら４つの垂直転送電極
６〜９は、それぞれ各垂直ＣＣＤ５にまたがって共通
に、かつフォトダイオード４ごとに設けられている。そ
して、そのうち１つの垂直転送電極８は、フォトダイオ
ード４から垂直ＣＣＤ５に信号電荷を読み出すためのト
ランスファー電極を兼ねている。なお、図１３におい
て、半導体基板１２と垂直転送電極６〜９との間、及び
各垂直転送電極間には、図示しない絶縁膜が形成されて
いる。そして、垂直転送電極６，７，８，９には、４相
の駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４がそれぞ
れ印加される。
【０００６】次に、このような全画素同時読み出し方式
の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ５の駆動方法について説明
する。図１４は、読み出し時とその直後の垂直転送期間
に垂直転送電極６〜９に印加される駆動パルスの波形図
であり、図１５は、図１４の各時刻ｔ０−ｔ５における
信号電荷の蓄積状態と転送の様子を示すポテンシャル図
である。なお、駆動パルス電圧が高いほど、ポテンシャ
ルは高くなる。また、図１５では、図面下に向かってポ
テンシャルが高くなる方向で示している。逆に言えば、
図面上に向かうほど電子に対するポテンシャルが高くな
る。
【０００７】時刻ｔ０において、トランスファー電極を
兼ねる垂直転送電極８にハイレベルＶＨの駆動パルスφ
Ｖ３を印加し、フォトダイオード４から垂直ＣＣＤ５に
信号電荷３０を読み出す。このとき、駆動パルスφＶ
１，φＶ４はローレベルＶＬ、φＶ２はミドルレベルＶ
Ｍである（ＶＬ＜ＶＭ＜ＶＨ）。時刻ｔ１では、垂直転
送電極８に印加される駆動パルスφＶ３がミドルレベル
ＶＭとなり、駆動パルスφＶ２，φＶ３にそれぞれ対応
する垂直転送電極７，８の下部にのみ信号電荷が蓄積さ
れる。時刻ｔ２では、垂直転送電極９に印加される駆動
パルスφＶ４がミドルレベルＶＭとなり、駆動パルスφ
Ｖ２，φＶ３，φＶ４に対応する垂直転送電極７，８，
９の下部にのみ信号電荷が蓄積される。
【０００８】続いて、時刻ｔ３において垂直転送電極７
に印加する駆動パルスφＶ２をローレベルＶＬにするこ
とにより、駆動パルスφＶ３，φＶ４に対応する垂直転
送電極８，９の下部にのみ信号電荷が蓄積される。さら
に、時刻ｔ４において垂直転送電極６に印加する駆動パ
ルスφＶ１をミドルレベルＶＭにすることにより、駆動
パルスφＶ３，φＶ４，φＶ１に対応する垂直転送電極
８，９，６の下部にのみ信号電荷が蓄積される。そし
て、時刻ｔ５において垂直転送電極８に印加する駆動パ
ルスφＶ３をローレベルＶＬにすることにより、駆動パ
ルスφＶ４，φＶ１に対応する垂直転送電極９，６の下
部にのみ信号電荷が蓄積される。
【０００９】このように順次駆動パルスを印加すること
により、図１５に示すように信号電荷が図面左方向に転
送される。このような駆動パルスの印加方法をダブルク
ロッキング法と呼ぴ、その特徴は転送時のいかなる状態
においても常に２電極以上がミドルレベルＶＭになって
いる点である。ここで、垂直ＣＣＤ５で転送できる最大
の電荷量は、時刻ｔ１、時刻ｔ３、時刻ｔ５のように、
垂直転送方向に隣り合う２つの垂直転送電極に印加され
る駆動パルスのレベルがミドルレベルＶＭであり、その
他の垂直転送電極に印加される駆動パルスのレベルがロ
ーレベルＶＬのときの状態で制限される。すなわち、垂
直ＣＣＤ５の最大転送電荷量は、垂直転送方向に隣り合
う２電極分に蓄積できる電荷量で決まる。
【００１０】次に、フォトダイオード４から垂直ＣＣＤ
５への信号電荷の読み出しについて検討する。フォトダ
イオード４に蓄積された信号電荷の読み出しは、トラン
スファー電極を兼ねる垂直転送電極８にハイレベルＶＨ
の駆動パルスを印加することにより行われる。このと
き、読み出しが完全になされる読み出し電圧は、トラン
スファーゲート領域１０の読み出しチャネル幅Ｗに依存
する。すなわち、読み出しチャネル幅Ｗが広ければ、低
い印加電圧で読み出しが完了する。一方、この読み出し
チャネル幅Ｗが狭ければ、ナローチャネル効果によりチ
ャネル電位が低くなる（つまり、しきい値電圧が高くな
る）ため、より高い電圧をトランスファー電極を兼ねる
垂直転送電極８に印加しなければ完全な読み出しができ
ない。
【００１１】ところで、図１１のように１つのフォトダ
イオードあたり４つの垂直転送電極６〜９を形成する場
合、垂直転送電極を均等に分割し、垂直転送電極６〜９
の転送方向の電極長を全て等しくすると（図１３におい
て、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４）、この電極長は、画素寸
法の約１／４になる。例えば、画素サイズを６．７μｍ
角とし、電極間隔を０．２μｍとした場合、各電極長Ｌ
１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は１．４７５μｍとなる。したが
って、トランスファーゲート領域１０における読み出し
チャネル幅Ｗ（＝垂直転送電極８の電極長Ｌ３）は、
１．４７５μｍ以下となる。
【００１２】図１６は、読み出しチャネル幅Ｗに対する
読み出し完了電圧の依存性を求めたシミュレーション結
果を示す図である。図１６から、トランスファーゲート
領域１０の読み出しチャネル幅Ｗが１．４７５μｍの場
合、読み出し完了電圧は１５．５Ｖ程度と高いことが分
かる。よって、製造上のバラツキ等を考慮すると、読み
出しパルスの設定電圧は１７．５Ｖ以上にしなければな
らない。したがって、カメラの低電圧化が難しいという
問題がある。
【００１３】このような読み出し完了電圧の上昇を避け
る方法として、次のような方法が考えられる。図１７
は、トランスファーゲート領域１０の読み出しチャネル
幅Ｗを広げたＣＣＤ固体撮像装置のフォトダイオード４
及び垂直ＣＣＤ５を示す概略的平面図である。図１７で
は、水平方向に３画素分、垂直方向に２画素分のみ示し
ている。図１７に示す固体撮像装置の特徴は、トランス
ファー電極を兼ねている垂直転送電極８の垂直転送方向
の電極長が、それ以外の垂直転送電極の電極長よりも長
いことである。これにより、トランスファーゲート領域
１０の読み出しチャネル幅Ｗを広く確保できるため、読
み出し電圧の低減を期待できる。
【００１４】図１８は、図１７に示す電極構成を有する
固体撮像装置における信号電荷の蓄積状態と転送の様子
を示すポテンシャル図である。垂直ＣＣＤ５の駆動方法
は、図１１に示す電極構成を有する固体撮像装置と同様
なので省略する。この固体撮像装置の場合、トランスフ
ァー電極８を除く３つの垂直転送電極６，７，９の垂直
転送方向の電極長は、トランスファー電極８の電極長よ
りも短いため、時刻ｔ５においては電極長が短い２つの
垂直転送電極６，９の下部に電荷が蓄積された状態とな
る。この２電極蓄積状態で垂直ＣＣＤ５の最大転送電荷
量が制限されるため、図１１で示した電極構成の固体撮
像装置よりもダイナミックレンジが小さくなってしまう
という問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の固
体撮像装置では、カメラの低電圧化が難しいという問題
点があった。また、この低電圧化を実現するために、ト
ランスファーゲート領域の読み出しチャネル幅を広げた
固体撮像装置では、ダイナミックレンジが小さくなって
しまうという問題点があった。本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、ダイナミックレンジ（最
大転送電荷量）を低下させることなく、低電圧化を図る
ことができる固体撮像装置とその駆動方法を提供するこ
とを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１に記
載のように、半導体基板上に２次元マトリックス状に配
列された光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接し、
光電変換素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣＤに
読み出すためのトランスファーゲート部と、該トランス
ファーゲート部に隣接し、上記光電変換素子から読み出
された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤと、該
垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を水平方向に転送す
る水平ＣＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信号電荷
を検出し出力する電荷検出部とを備えた固体撮像装置で
あって、上記垂直ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送
するための垂直転送電極を１つの光電変換素子ごとに４
つ有し、垂直転送方向に隣り合う任意の２つの垂直転送
電極の長さの和が有効撮像領域内のどの部分でも等し
く、かつ２つの上記垂直転送電極の長さが互いに異な
り、かつ上記トランスファーゲート部を制御するトラン
スファー電極を兼ねている垂直転送電極が２つの上記垂
直転送電極のうち長い方の垂直転送電極となるようにし
たものである。このように、全画素同時読み出し方式の
固体撮像装置において、垂直ＣＣＤ（５ａ）に読み出さ
れた信号電荷を転送するための垂直転送電極（６ａ〜９
ａ）を１つの光電変換素子（４）ごとに４つ設ける。そ
して、トランスファーゲート部（１０ａ）を制御するト
ランスファー電極を兼ねている垂直転送電極（８ａ）の
垂直転送方向の長さを隣り合う２つの垂直転送電極（７
ａ，９ａ）よりも長くするため、トランスファーゲート
部の読み出しチャネル幅を広く確保でき、光電変換素子
から垂直ＣＣＤに信号電荷を読み出す際の読み出し完了
電圧（ＶＨ）を低くすることができる。また、垂直転送
電極の電極長を１つおきに同じ長さとすることにより、
最大転送電荷量の減少を防止することができるため、大
きなダイナミックレンジを確保することができる。
【００１７】また、請求項２に記載のように、垂直転送
方向に隣り合う任意の２つの垂直転送電極のうち短い方
の垂直転送電極は、垂直転送方向に連なる３つの垂直転
送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量が２つの
上記垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷
量以上となるような長さに設定されたものである。この
ように、隣り合う任意の２つの垂直転送電極のうち短い
方の垂直転送電極の長さを、垂直転送方向に連なる３つ
の垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量
が２つの垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大
電荷量以上となるように設定することにより、最大転送
電荷量を低下させることなく読み出し完了電圧の低減を
図ることができる。
【００１８】また、本発明は、請求項３に記載のよう
に、半導体基板上に２次元マトリックス状に配列された
光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接し、光電変換
素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣＤに読み出す
ためのトランスファーゲート部と、該トランスファーゲ
ート部に隣接し、上記光電変換素子から読み出された信
号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤと、該垂直ＣＣ
Ｄから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平Ｃ
ＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信号電荷を検出し
出力する電荷検出部とを備えた固体撮像装置であって、
上記垂直ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送するため
の垂直転送電極を１つの光電変換素子ごとに４つ有し、
これら垂直転送電極のうち、上記トランスファーゲート
部を制御するトランスファー電極を兼ねている垂直転送
電極の長さが１番長く、かつ上記トランスファー電極を
兼ねている垂直転送電極と隣り合わない垂直転送電極の
長さが２番目に長くなるようにしたものである。このよ
うに、４つの垂直転送電極（６ｂ〜９ｂ）のうち、トラ
ンスファーゲート部を制御するトランスファー電極を兼
ねている垂直転送電極（８ｂ）の垂直転送方向の長さを
１番長くすることにより、読み出し完了電圧を更に低く
することができる。
【００１９】また、本発明は、請求項４に記載のよう
に、半導体基板上に２次元マトリックス状に配列された
光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接し、光電変換
素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣＤに読み出す
ためのトランスファーゲート部と、該トランスファーゲ
ート部に隣接し、前記光電変換素子から読み出された信
号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤと、該垂直ＣＣ
Ｄから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平Ｃ
ＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信号電荷を検出し
出力する電荷検出部とを備え、前記垂直ＣＣＤに読み出
された信号電荷を転送するための垂直転送電極を１つの
光電変換素子ごとに４つ有し、これら垂直転送電極のう
ち、前記トランスファーゲート部を制御するトランスフ
ァー電極を兼ねている垂直転送電極の長さが１番長く、
かつ前記トランスファー電極を兼ねている電極と隣り合
わない垂直転送電極の長さが２番目に長い固体撮像装置
において、第１の時刻において、前記トランスファー電
極を兼ねている電極にハイレベルＶＨ、この電極と隣り
合う転送方向後方の垂直転送電極にミドルレベルＶＭ
１、その他の垂直転送電極にローレベルＶＬの電圧をそ
れぞれ印加し（ＶＬ＜ＶＭ１＜ＶＨ）、第２の時刻にお
いて、前記トランスファー電極を兼ねている電極に印加
する電圧をミドルレベルＶＭ２に変更し（ＶＬ＜ＶＭ２
＜ＶＨ）、第３の時刻において、前記トランスファー電
極を兼ねている電極と隣り合う転送方向前方の垂直転送
電極に印加する電圧をミドルレベルＶＭ１に変更し、第
４の時刻において、前記トランスファー電極を兼ねてい
る電極と隣り合う転送方向後方の垂直転送電極に印加す
る電圧をローレベルＶＬに変更し、第５の時刻におい
て、前記トランスファー電極を兼ねている電極と隣り合
わない垂直転送電極に印加する電圧をミドルレベルＶＭ
１に変更し、第６の時刻において、前記トランスファー
電極を兼ねている電極に印加する電圧をローレベルＶＬ
に変更することにより、前記光電変換素子から読み出し
た信号電荷を垂直方向に転送する固体撮像装置の駆動方
法であって、垂直転送方向に連なる３つの垂直転送電極
下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量が垂直転送方向
に隣り合う２つの垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積で
きる最大電荷量以上となるように、前記トランスファー
電極を兼ねている電極以外の垂直転送電極に印加するミ
ドルレベルＶＭ１の電圧を、前記ト ランスファー電極を
兼ねている垂直転送電極に印加するミドルレベルＶＭ２
の電圧よりも高く設定したものである。１つの光電変換
素子に対する４つの垂直転送電極に関して、トランスフ
ァー電極を兼ねている垂直転送電極（８ｂ）の垂直転送
方向の長さを１番長くすると、これ以外の垂直転送電極
（６ｂ，７ｂ，９ｂ）の長さが短くなってしまう。そこ
で、トランスファー電極を兼ねている垂直転送電極と隣
り合わない垂直転送電極（６ｂ）の長さを２番目に長く
し、さらにトランスファー電極を兼ねている垂直転送電
極以外の電極に信号電荷転送時に印加するミドルレベル
（ＶＭ１）の電圧を、トランスファー電極を兼ねている
垂直転送電極に印加するミドルレベルの電圧（ＶＭ２）
よりも高くすることにより、垂直最大転送電荷量の減少
を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】［実施の形態の１］次に、本発明
の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態となるＣＣＤ固体撮像
装置のフォトダイオード及び垂直ＣＣＤを示す概略的平
面図である。図１では、水平方向に３画素分、垂直方向
に２画素分のみ示している。
【００２１】本実施の形態においても、図１に示すフォ
トダイオード４、垂直ＣＣＤ５ａ、垂直転送電極６ａ〜
９ａ及びトランスファーゲート部１０ａ以外に、撮像
部、水平ＣＣＤ、電荷検出部を有し、固体撮像装置とし
ての全体の構成は図１０と同様である。
【００２２】図２は図１を拡大したより詳細な平面図、
図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断
面図である。なお、図２では、後述する絶縁膜及び遮光
膜を省略しており、図３では、後述するＮ型半導体基板
１２と垂直転送電極６ａ〜９ａとの間、および各垂直転
送電極間の絶縁膜を省略している。本実施の形態の固体
撮像装置では、Ｎ型半導体基板１２上にＰ型ウェル１３
が形成されている。そして、このＰ型ウェル１３上に２
次元マトリックス状に配列されたＮ型半導体からなるフ
ォトダイオード（光電変換素子）４が形成されている。
【００２３】各フォトダイオード列の間には、Ｎ型半導
体からなる垂直ＣＣＤ５ａが設けられている。１１ａは
Ｐ+ 型半導体からなる素子分離領域である。そして、半
導体基板１２上のＰ型ウェル１３のうち素子分離領域１
１ａが設けられていない部分がトランスファーゲート部
１０ａとなる。このような構造の上にポリシリコンから
なる垂直転送電極６ａ，７ａ，８ａ，９ａが設けられて
いる。
【００２４】これら４つの垂直転送電極６ａ〜９ａは、
それぞれ各垂直ＣＣＤ５ａにまたがって共通に、かつフ
ォトダイオード４ごとに設けられている。そして、その
うち１つの垂直転送電極８ａは、フォトダイオード４か
ら垂直ＣＣＤ５ａに信号電荷を読み出すためのトランス
ファー電極を兼ねている。
【００２５】図３に示すように、半導体基板１２上には
絶縁膜（図４の絶縁膜１４）が形成され、この絶縁膜膜
上にポリシリコンからなる垂直転送電極６ａが形成され
ている。垂直転送電極６ａ上には絶縁膜（不図示）が形
成され、この絶縁膜上に垂直転送電極６ａの一部を覆う
ようにポリシリコンからなる垂直転送電極７ａ，９ａが
形成されている。さらに、垂直転送電極７ａ，９ａ上に
は絶縁膜（不図示）が形成され、この絶縁膜上に垂直転
送電極６ａ，７ａ，９ａの一部を覆うようにポリシリコ
ンからなる垂直転送電極８ａが形成されている。
【００２６】このような構造を覆うように絶縁膜が形成
された後、フォトダイオード４以外の部分を覆うように
遮光膜１５が形成される。垂直転送電極６ａ，７ａ，８
ａ，９ａには、Ａｌ等の配線を介して位相の異なる４相
の駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４がそれぞ
れ供給され、全画素同時読み出し方式の固体撮像装置と
して機能する。
【００２７】本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の特徴
は、垂直転送方向（図１、図２上下方向）に隣り合う任
意の２つの垂直転送電極の電極長の和が有効撮像領域
（図１０に示す撮像部１）内のどの部分でも等しく、か
つ２つの前記垂直転送電極の電極長が互いに異なり、か
つ垂直転送電極の電極長が１電極おきに等しく、そして
トランスファー電極を兼ねている垂直転送電極８ａの電
極長Ｌ３が垂直転送方向で隣り合う２つの垂直転送電極
７ａ，９ａの電極長Ｌ２，Ｌ４よりも長いことである。
【００２８】つまり、垂直転送電極６ａ〜９ａは、その
電極長が長，短，長，短・・・の順になるように形成さ
れる。なお、垂直転送電極６ａ〜９ａの電極長とは、垂
直転送方向の電極長であり、垂直転送方向の電極長と
は、図３のＬ１〜Ｌ４で示すように、絶縁膜（図３では
不図示）を挟んで半導体基板１２と対向する部分の電極
の長さを言う。以上のような電極構造にすることによ
り、トランスファー電極８ａの電極長Ｌ３を１．８μｍ
程度まで長くすることができる。
【００２９】図１６のシミュレーション結果より、トラ
ンスファーゲート部１０ａの読み出しチャネル幅Ｗ（＝
垂直転送電極８ａの電極長Ｌ３）が１．８μｍの場合の
読み出し完了電圧は約１３Ｖである。よって、製造上の
バラツキを考慮しても、最低１５Ｖでフォトダイオード
４の読み出しが完了することが分かる。
【００３０】このように本実施の形態によれば、図１１
に示す従来の固体撮像装置よりも読み出し完了電圧（駆
動パルスのハイレベルＶＨ）を低くすることができる。
１５Ｖの電源は一般的なビデオカメラなどで使用されて
いるので、このような読み出し完了電圧の低減メリット
は大きい。
【００３１】本実施の形態の固体撮像装置における垂直
ＣＣＤ５ａの駆動方法は図１１に示す従来例と同様であ
る。すなわち、図１４、図１５を用いて説明すると、時
刻ｔ０において、トランスファー電極を兼ねる垂直転送
電極８ａにハイレベルＶＨの駆動パルスφＶ３を印加
し、フォトダイオード４から垂直ＣＣＤ５ａに信号電荷
３０を読み出す。このとき、駆動パルスφＶ１，φＶ４
はローレベルＶＬ、φＶ２はミドルレベルＶＭである
（ＶＬ＜ＶＭ＜ＶＨ）。
【００３２】時刻ｔ１では、垂直転送電極８ａに印加さ
れる駆動パルスφＶ３がミドルレベルＶＭとなり、駆動
パルスφＶ２，φＶ３にそれぞれ対応する垂直転送電極
７ａ，８ａの下部にのみ信号電荷が蓄積される。時刻ｔ
２では、垂直転送電極９ａに印加される駆動パルスφＶ
４がミドルレベルＶＭとなり、駆動パルスφＶ２，φＶ
３，φＶ４に対応する垂直転送電極７ａ，８ａ，９ａの
下部にのみ信号電荷が蓄積される。
【００３３】続いて、時刻ｔ３において垂直転送電極７
ａに印加する駆動パルスφＶ２をローレベルＶＬにする
ことにより、駆動パルスφＶ３，φＶ４に対応する垂直
転送電極８ａ，９ａの下部にのみ信号電荷が蓄積され
る。さらに、時刻ｔ４において垂直転送電極６ａに印加
する駆動パルスφＶ１をミドルレベルＶＭにすることに
より、駆動パルスφＶ３，φＶ４，φＶ１に対応する垂
直転送電極８ａ，９ａ，６ａの下部にのみ信号電荷が蓄
積される。
【００３４】そして、時刻ｔ５において垂直転送電極８
ａに印加する駆動パルスφＶ３をローレベルＶＬにする
ことにより、駆動パルスφＶ４，φＶ１に対応する垂直
転送電極９ａ，６ａの下部にのみ信号電荷が蓄積され
る。このように順次駆動パルスを印加することにより、
信号電荷が垂直方向に転送される。
【００３５】本実施の形態の固体撮像装置では、トラン
スファー電極を兼ねる垂直転送電極８ａの電極長Ｌ３を
延ばしたことに加え、垂直転送電極６ａ〜９ａの電極長
を１電極おきに等しくしている。
【００３６】前述したように、垂直ＣＣＤ５ａの最大転
送電荷量は隣り合う２電極分に蓄積できる電荷量で決ま
る。ここで注目すべきは、垂直転送電極６ａ〜９ａの電
極長が長，短，長，短・・・の繰り返しであるため、垂
直転送方向に隣り合う任意の２つの垂直転送電極の電極
長の和が常に等しいことである。これにより、４つの垂
直転送電極６〜９の電極長が全て等しい図１１の従来例
と同じ量の電荷量を蓄積できるため、十分なダイナミッ
クレンジを確保することができる。
【００３７】ところで、トランスファー電極を兼ねてい
る垂直転送電極８ａの電極長Ｌ３を長くしすぎると、そ
のしわ寄せとして、電極８ａに隣り合う垂直転送電極７
ａ，９ａの電極長Ｌ２，Ｌ４が極端に短くなることは明
らかである。そこで、電極長の短縮限界について考察す
る。
【００３８】ここでは、ローレベルＶＬの駆動パルスが
印加されている垂直転送電極下部のチャネル電位と、ミ
ドルレベルＶＭの駆動パルスが印加されている垂直転送
電極下部のチャネル電位との差をポテンシャルバリアと
定義する。また、ローレベルＶＬの駆動パルスが印加さ
れている垂直転送電極の電極長をＬとする。
【００３９】図５は、電極長Ｌに対するポテンシャルバ
リアの依存性を求めたシミュレーション結果を示す図で
ある。ローレベルＶＬの駆動パルスが印加されている垂
直転送電極の電極長Ｌが短くなり、チャネル長が短くな
ると、ショートチャネル効果により、ポテンシャルバリ
アが徐々に小さくなっていくのが分かる。
【００４０】図６は、本実施の形態の固体撮像装置にお
ける垂直転送電極の短縮限界を説明するための図であ
る。ここで、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、それぞれ図１
４、図１５における時刻ｔ３、ｔ４の電荷蓄積状態を示
している。また、垂直転送方向に隣り合う２つの垂直転
送電極の電極長の和をＬ５、これら垂直転送電極のうち
短い方の電極長をＬ６とし（Ｌ２，Ｌ４＝Ｌ６）、時刻
ｔ３、ｔ４のときのポテンシャルバリアをそれぞれＨ
１、Ｈ２とする。なお、図６では、図面下に向かってポ
テンシャルが高くなる方向で示している。逆に言えば、
図面上に向かうほど電子に対するポテンシャルが高くな
る。
【００４１】最大転送電荷量は、ポテンシャルパリアの
高さと蓄積可能なチャネル長（ここでは、ミドルレベル
ＶＭの駆動パルスが印加されている連続した電極長の
和）の積におよそ比例すると考えられる。比例係数をｋ
とすると、時刻ｔ３における最大転送電荷量Ｑ１はｋ×
Ｈ１×Ｌ５となり、時刻ｔ４における最大転送電荷量Ｑ
２はｋ×Ｈ２×（２Ｌ５−Ｌ６）となる。
【００４２】本実施の形態の固体撮像装置では、垂直転
送方向に隣り合う２つの垂直転送電極の電極長の和は常
に同じであるため、図６（ｂ）に示す時刻ｔ３のような
２電極蓄積状態のとき、ローレベルＶＬの駆動パルスが
印加されている垂直転送電極の電極長の和もＬ５であ
る。この値は長，短２つの電極の電極長比率が変わった
としても変化しないので、図５から分かるように、ポテ
ンシャルバリアＨ１は常に一定値となる。したがって、
最大転送電荷量Ｑ１も常に一定値となる。
【００４３】一方、図６（ｃ）に示す時刻ｔ４のような
３電極蓄積状態のときには、最大転送電荷量Ｑ２は電極
長Ｌ６に依存する。図５から明らかなように、電極長Ｌ
６が短くなるとポテンシャルバリアＨ２が減少し、特に
Ｌ６が短いほど急激に減少する。電極長Ｌ６が短くなれ
ば、蓄積可能なチャネル長（２Ｌ５−Ｌ６）は大きくな
るが、その増加率に比べてポテンシャルバリアＨ２の減
少率が大きければ、最大転送電荷量Ｑ２はＱ２は減少す
る。したがって、十分な最大転送電荷量を確保するため
には、電極長Ｌ２をＱ１≦Ｑ２を満たす範囲に設定する
必要がある。
【００４４】なお、従来は垂直転送電極の電極長を長く
しすぎると、転送方向のフリンジ電界が弱まり転送効率
が悪化する場合があり、むやみに電極長を長くすること
ができなかった。しかし、最近は画素寸法がかなり縮小
されており、１電極あたりの電極長が２μｍ程度以下で
あればそれほどフリンジ電界が弱まることがなく、数十
ｋＨｚ程度の転送周波数であれば何ら問題無い。
【００４５】［実施の形態の２］図７は、本発明の第２
の実施の形態となるＣＣＤ固体撮像装置のフォトダイオ
ード及び垂直ＣＣＤを示す概略的平面図である。図７で
は、水平方向に３画素分、垂直方向に２画素分のみ示し
ている。画素の構成は、実施の形態の１とほぼ同様であ
る。
【００４６】すなわち、本実施の形態の固体撮像装置で
は、実施の形態の１と同様に、各フォトダイオード列の
間に、ポリシリコンからなる垂直転送電極６ｂ，７ｂ，
８ｂ，９ｂを有する垂直ＣＣＤ５ｂが設けられている。
これら４つの垂直転送電極６ｂ〜９ｂは、それぞれ各垂
直ＣＣＤ５ｂにまたがって共通に、かつフォトダイオー
ド４ごとに設けられている。そして、そのうち１つの垂
直転送電極８ｂがトランスファー電極を兼ねている。こ
れら垂直転送電極６ｂ〜９ｂの断面構造は、図３、図４
に示した実施の形態の１の撮像装置の構造と同様であ
る。
【００４７】本実施の形態の固体撮像装置の特徴は、ト
ランスファー電極を兼ねている垂直転送電極８ｂの電極
長が１番長く、かつ垂直転送電極８ｂと直接隣り合わな
い垂直転送電極６ｂの電極長が２番目に長いことであ
る。これにより、本実施の形態の固体撮像装置では、実
施の形態の１の固体撮像装置に比べ、トランスファー電
極８ｂの電極長を２．０μｍ以上に長くすることができ
る。
【００４８】図１６のシミュレーション結果より、トラ
ンスファーゲート部１０ｂの読み出しチャネル幅Ｗ（＝
垂直転送電極８ｂの電極長）が２．０μｍの場合の読み
出し完了電圧は約１２Ｖである。よって、製造上のバラ
ツキを考慮しても、最低１４Ｖでフォトダイオード４の
読み出しが完了することが分かる。このように本実施の
形態によれば、実施の形態の１に比べて、読み出し電圧
低減効果をさらに高くすることができる。
【００４９】ところで、実施の形態の１において説明し
たように、トランスファー電極を兼ねている垂直転送電
極８ｂの電極長を長くしすぎると、そのしわ寄せとして
その他の垂直転送電極の電極長が極端に短くなってしま
う。そのために転送電荷量が小さくなってしまうことが
考えられる。
【００５０】そこで、本実施の形態では、トランスファ
ー電極を兼ねている垂直転送電極８ｂ以外の垂直転送電
極６ｂ，７ｂ，９ｂに印加される駆動パルスφＶ１，φ
Ｖ２，φＶ４のミドルレベル（ＶＭ１とする）を、トラ
ンスファー電極を兼ねている垂直転送電極８ｂに印加さ
れる駆動パルスφＶ３のミドルレベル（ＶＭ２とする）
よりも高く設定する。
【００５１】トランスファー電極を兼ねている垂直転送
電極８ｂは、トランスファーゲート部１０ｂのしきい値
制御を行っているため、読み出し時のハイレベルＶＨを
印加する以外はミドルレベルＶＭ２を一定値以上にでき
ない。このミドルレベルＶＭ２を一定値以上に上げてし
まうと、信号電荷転送時にフォトダイオード４から垂直
ＣＣＤ５ｂに電荷が読み出され始めてしまうからであ
る。
【００５２】一方、トランスファー電極８ｂ以外の垂直
転送電極６ｂ，７ｂ，９ｂに印加される駆動パルスφＶ
１，φＶ２，φＶ４のミドルレベルＶＭ１の値は、ある
程度高くても支障がない。というのは、垂直転送電極６
ｂ，７ｂ，９ｂの左右の部分は実施の形態の１と同様に
素子分離領域に囲まれているため、ある程度電圧を上げ
てもフォトダイオード４から垂直ＣＣＤ５ｂに電荷が読
み出されることはないからである。
【００５３】すなわち、これらの垂直転送電極６ｂ，７
ｂ，９ｂに印加するミドルレベルＶＭ１は、素子分離領
域のしきい値程度までには電圧を上げることができる。
このミドルレベルＶＭ１は、明らかに、トランスファー
電極８ｂに印加することのできるミドルレベルＶＭ２に
比べて高い。
【００５４】図８は、以上のような電圧設定に従って読
み出し時とその直後の垂直転送期間に垂直転送電極６ｂ
〜９ｂに印加される駆動パルスの波形図であり、図９
は、図８の各時刻ｔ０−ｔ５における信号電荷の蓄積状
態と転送の様子を示すポテンシャル図である。
【００５５】トランスファー電極を兼ねる垂直転送電極
８ｂに印加される駆動パルスφＶ３のミドルレベルをＶ
Ｍ２とし、それ以外の垂直転送電極６ｂ，７ｂ，９ｂに
印加される駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ４のミドル
レベルをＶＭ１とする。ここで、ＶＭ１＞ＶＭ２であ
る。
【００５６】本実施の形態の固体撮像装置における短い
方の垂直転送電極の短縮限界については、おおむね、実
施の形態の１と同様である。すなわち、時刻ｔ１，ｔ
３，ｔ５のような２つの垂直転送電極下部に蓄積される
電荷量に比べ、時刻ｔ４のように、ローレベルＶＬが印
加されている部分のショートチャネル効果によりポテン
シャルバリアが減少する信号電荷が３つの電極の下部に
蓄積される電荷量の方が大きいければ（Ｑ１≦Ｑ２）、
実施の形態の１に比べ最大転送電荷量が減少することが
なく、十分な最大転送電荷量を確保することができる。
【００５７】
【発明の効果】本発明によれば、請求項１に記載のよう
に、トランスファーゲート部を制御するトランスファー
電極を兼ねている垂直転送電極の垂直転送方向の長さを
隣り合う２つの垂直転送電極よりも長くすることによ
り、トランスファーゲート部の読み出しチャネル幅を広
くすることができるので、光電変換素子から垂直ＣＣＤ
に信号電荷を読み出す際の読み出し完了電圧を低くする
ことができ、カメラの低電圧化を図ることができる。ま
た、垂直転送電極の電極長を１つおきに同じ長さとする
ことにより、垂直転送方向に隣り合う任意の２つの垂直
転送電極下部に信号電荷が蓄積された場合の蓄積電荷量
を一定にすることができるため、最大転送電荷量の減少
を防止することができ、大きなダイナミックレンジを確
保することができる。
【００５８】また、請求項２に記載のように、隣り合う
任意の２つの垂直転送電極のうち短い方の垂直転送電極
の長さを、垂直転送方向に連なる３つの垂直転送電極下
部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量が２つの垂直転送
電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量以上となる
ように設定することにより、最大転送電荷量を低下させ
ることなく読み出し完了電圧の低減を図ることができ
る。
【００５９】また、請求項３に記載のように、垂直転送
電極のうち、トランスファーゲート部を制御するトラン
スファー電極を兼ねている垂直転送電極の垂直転送方向
の長さを１番長くすることにより、トランスファーゲー
ト部の読み出しチャネル幅を更に広くすることができる
ので、光電変換素子から垂直ＣＣＤに信号電荷を読み出
す際の読み出し完了電圧を請求項１の固体撮像装置より
も更に低くすることができる。
【００６０】また、請求項４に記載のように、トランス
ファー電極を兼ねている垂直転送電極の垂直転送方向の
長さを１番長くした場合でも、最大転送電荷量の減少を
防止することができ、大きなダイナミックレンジを確保
することができる。その理由は、トランスファー電極を
兼ねている垂直転送電極と隣り合わない垂直転送電極の
長さを２番目に長くし、さらにトランスファー電極を兼
ねている垂直転送電極以外の電極に信号電荷転送時に印
加するミドルレベルの電圧を、トランスファー電極を兼
ねている垂直転送電極に印加するミドルレベルの電圧よ
りも高くすることにより、請求項１の固体撮像装置と比
べて転送電荷量が減少することがないからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となるＣＣＤ固体
撮像装置のフォトダイオード及び垂直ＣＣＤを示す概略
的平面図である。
【図２】 ＣＣＤ固体撮像装置のフォトダイオード及び
垂直ＣＣＤを示す図１を拡大したより詳細な平面図であ
る。
【図３】 図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】 図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】 垂直転送電極の電極長に対するポテンシャル
バリアの依存性を求めたシミュレーション結果を示す図
である。
【図６】 図１のＣＣＤ固体撮像装置における短い方の
垂直転送電極の短縮限界を説明するためのポテンシャル
図である。
【図７】 本発明の第２の実施の形態となるＣＣＤ固体
撮像装置のフォトダイオード及び垂直ＣＣＤを示す概略
的平面図である。
【図８】 図７のＣＣＤ固体撮像装置において、読み出
し時とその直後の垂直転送期間に垂直転送電極に印加さ
れる駆動パルスの波形図である。
【図９】 図８の各時刻における信号電荷の蓄積状態と
転送の様子を示すポテンシャル図である。
【図１０】 従来の全画素同時読み出し方式インターラ
イン型ＣＣＤ固体撮像装置の平面図である。
【図１１】 図１０のＣＣＤ固体撮像装置のフォトダイ
オード及び垂直ＣＣＤを示す概略的平面図である。
【図１２】 ＣＣＤ固体撮像装置のフォトダイオード及
び垂直ＣＣＤを示す図１１を拡大したより詳細な平面図
である。
【図１３】 図１２のＡ−Ａ線断面図である。
【図１４】 図１１のＣＣＤ固体撮像装置において、読
み出し時とその直後の垂直転送期間に垂直転送電極に印
加される駆動パルスの波形図である。
【図１５】 図１４の各時刻における信号電荷の蓄積状
態と転送の様子を示すポテンシャル図である。
【図１６】 読み出しチャネル幅に対する読み出し完了
電圧の依存性を求めたシミュレーション結果を示す図で
ある。
【図１７】 トランスファーゲート領域の読み出しチャ
ネル幅を広げた固体撮像装置のフォトダイオード及び垂
直ＣＣＤを示す概略的平面図である。
【図１８】 図１７の固体撮像装置における信号電荷の
蓄積状態と転送の様子を示すポテンシャル図である。
【符号の説明】
１…撮像部、２…水平ＣＣＤ、３…電荷検出部、４…フ
ォトダイオード、５ａ、５ｂ…垂直ＣＣＤ、６ａ、７
ａ、８ａ、９ａ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ…垂直転送電
極、１０ａ、１０ｂ…トランスファーゲート部、１１ａ
…素子分離領域、１２…半導体基板、φＶ１、φＶ２、
φＶ３、φＶ４…駆動パルス。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に２次元マトリックス状に
    配列された光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接
    し、光電変換素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣ
    Ｄに読み出すためのトランスファーゲート部と、該トラ
    ンスファーゲート部に隣接し、前記光電変換素子から読
    み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ
    と、該垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を水平方向に
    転送する水平ＣＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信
    号電荷を検出し出力する電荷検出部とを備えた固体撮像
    装置であって、 前記垂直ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送するため
    の垂直転送電極を１つの光電変換素子ごとに４つ有し、 垂直転送方向に隣り合う任意の２つの垂直転送電極の長
    さの和が有効撮像領域内のどの部分でも等しく、かつ２
    つの前記垂直転送電極の長さが互いに異なり、かつ前記
    トランスファーゲート部を制御するトランスファー電極
    を兼ねている垂直転送電極が２つの前記垂直転送電極の
    うち長い方の垂直転送電極であることを特徴とする固体
    撮像装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体撮像装置において、 垂直転送方向に隣り合う任意の２つの垂直転送電極のう
    ち短い方の垂直転送電極は、垂直転送方向に連なる３つ
    の垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷量
    が２つの前記垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる
    最大電荷量以上となるような長さに設定されていること
    を特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 半導体基板上に２次元マトリックス状に
    配列された光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接
    し、光電変換素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣ
    Ｄに読み出すためのトランスファーゲート部と、該トラ
    ンスファーゲート部に隣接し、前記光電変換素子から読
    み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ
    と、該垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を水平方向に
    転送する水平ＣＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信
    号電荷を検出し出力する電荷検出部とを備えた固体撮像
    装置であって、 前記垂直ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送するため
    の垂直転送電極を１つの光電変換素子ごとに４つ有し、 これら垂直転送電極のうち、前記トランスファーゲート
    部を制御するトランスファー電極を兼ねている垂直転送
    電極の長さが１番長く、かつ前記トランスファー電極を
    兼ねている垂直転送電極と隣り合わない垂直転送電極の
    長さが２番目に長いことを特徴とする固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 半導体基板上に２次元マトリックス状に
    配列された光電変換素子群と、該光電変換素子に隣接
    し、光電変換素子に蓄積された信号電荷を後記垂直ＣＣ
    Ｄに読み出すためのトランスファーゲート部と、該トラ
    ンスファーゲート部に隣接し、前記光電変換素子から読
    み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ
    と、該垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を水平方向に
    転送する水平ＣＣＤと、該水平ＣＣＤから転送された信
    号電荷を検出し出力する電荷検出部とを備え、前記垂直
    ＣＣＤに読み出された信号電荷を転送するための垂直転
    送電極を１つの光電変換素子ごとに４つ有し、これら垂
    直転送電極のうち、前記トランスファーゲート部を制御
    するトランスファー電極を兼ねている垂直転送電極の長
    さが１番長く、かつ前記トランスファー電極を兼ねてい
    る電極と隣り合わない垂直転送電極の長さが２番目に長
    い固体撮像装置において、第１の時刻において、前記ト
    ランスファー電極を兼ねている電極にハイレベルＶＨ、
    この電極と隣り合う転送方向後方の垂直転送電極にミド
    ルレベルＶＭ１、その他の垂直転送電極にローレベルＶ
    Ｌの電圧をそれぞれ印加し（ＶＬ＜ＶＭ１＜ＶＨ）、第
    ２の時刻において、前記トランスファー電極を兼ねてい
    る電極に印加する電圧をミドルレベルＶＭ２に変更し
    （ＶＬ＜ＶＭ２＜ＶＨ）、第３の時刻において、前記ト
    ランスファー電極を兼ねている電極と隣り合う転送方向
    前方の垂直転送電極に印加する電圧をミドルレベルＶＭ
    １に変更し、第４の時刻において、前記トランスファー
    電極を兼ねている電極と隣り合う転送方向後方の垂直転
    送電極に印加する電圧をローレベルＶＬに変更し、第５
    の時刻において、前記トランスファー電極を兼ねている
    電極と隣り合わない垂直転送電極に印加する電圧をミド
    ルレベルＶＭ１に変更し、第６の時刻において、前記ト
    ランスファー電極を兼ねている電極に印加する電圧をロ
    ーレベルＶＬに変更することにより、前記光電変換素子
    から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する固体撮像
    装置の駆動方法であって、 垂直転送方向に連なる３つの垂直転送電極下部の電位井
    戸に蓄積できる最大電荷量が垂直転送方向に隣り合う２
    つの垂直転送電極下部の電位井戸に蓄積できる最大電荷
    量以上となるように、前記トランスファー電極を兼ねて
    いる電極以外の垂直転送電極に印加するミドルレベルＶ
    Ｍ１の電圧を、前記トランスファー電極を兼ねている垂
    直転送電極に印加するミドルレベルＶＭ２の電圧よりも
    高く設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方
    法。
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