JP3200436B2 - Ｃｃｄ撮像器及びその駆動方法 - Google Patents

Ｃｃｄ撮像器及びその駆動方法

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JP3200436B2 JP51230590A JP51230590A JP3200436B2 JP 3200436 B2 JP3200436 B2 JP 3200436B2 JP 51230590 A JP51230590 A JP 51230590A JP 51230590 A JP51230590 A JP 51230590A JP 3200436 B2 JP3200436 B2 JP 3200436B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はCCD（電荷結合素子）光検出撮像器、特にア
ンチブルーミング特性を持ち、光検出器が連続的にドレ
インされる撮像器に関する。
光検出撮像器は、通常リニアまたは面アレイ状に配列
された複数の光検出器を含む。光検出器の線状アレイに
沿って、または領域アレイ内の光検出器の各コラムに沿
って、光検出器内に収集された電荷を読み出し回路へ向
けて搬送するための伝送素子が設けられている。一般に
用いられているこのような伝送手段がCCDである。ま
た、典型的な光検出器としては、光ゲート検出器または
フォトダイオード検出器が挙げられる。これら両形式の
光検出器は、共に種々の機器内で使用されているが、各
々に性能面で一長一短がある。
光ゲート光検出器では、半導体基板の表面上に該表面
から絶縁された導電性ゲートが形成されている。撮像器
は半導体領域内に形成される。ゲートにバイアスが印加
されると、ゲート下方の基板内に空乏領域が生じる。基
板へ入射する光線は電荷キャリアに変換され、該キャリ
アは空乏領域内で収集されることになる。光ゲートはラ
グ及びノイズのないリセット特性を持つ。しかし、可視
スペクトラムの大部分にわたってその量子効率を悪く、
またゲート厚変化及び／または空乏深さ変化のために感
光性が素子全体にわたって不均一になる傾向がある。
フォトダイオード光検出器は、基板中に逆極性の導電
型を持つ複数の領域を含む。一の領域は、その間にpn接
合を形成する基板とすることができる。基板に入射する
光線は、電荷に変換される。この電荷は、pn接合部に形
成された空乏領域に収集される。フォトダイオード光検
出器は、光ゲート光検出器よりも均一化でき、全可視ス
ペクトラムにわたって極めて優れた量子化効率を呈する
傾向がある。しかし、ラグ及びリセットノイズを生じや
すい。更にまた、光ゲート及びフォトダイオード光検出
器双方は、時間依存性応答の影響を受ける。というの
は、光により発生したキャリアが蓄積されている間、光
検出器の空乏領域が破壊してしまうからである。即ち、
電荷キャリアが光検出器の空乏領域中に収集されるに伴
い、空乏領域は完全に充填されてしまうまで小さくなっ
てゆくからである。
従って、均一性および量子化効率が優れているだけで
なく、時間独立型の応答性及びアンチブルーミング特性
を持つ光検出器が要望されていた。
本発明は、ピンダイオードのような完全に空乏化され
得る種類の光検出器を少なくとも一つ含むCCD撮像器に
関するものである。フォトダイオードに近接して、蓄積
領域が形成されている。蓄積領域は電位ウェルを含む。
この電位ウェルは常に光検出器の空乏領域よりも深く、
これによって光検出器内に収集される電荷キャリアが蓄
積領域へ流入して行く。蓄積領域の一側近傍には、シフ
トレジスタが配置されている（例えば、CCDシフトレジ
スタなど）。蓄積領域とシフトレジスタとの間に形成さ
れた転送ゲートは、電荷キャリアを蓄積領域からシフト
レジスタへ転送する。蓄積領域の他側近傍にはアンチブ
ルーミングドレインが形成されており、このドレインが
蓄積領域へ収集される電荷キャリアの量を制御する。
本発明に係るCCD撮像器は、半導体物質からなり主表
面を有する基板を含む。光検出器は、基板の主表面上に
配置されており、電荷キャリアから完全に空乏化され得
る。蓄積領域は、基板の主表面で光検出器近傍に形成さ
れている。シフトレジスタは、基板の主表面で蓄積領域
の一側に沿って形成されている。蓄積領域とシフトレジ
スタとの間には転送手段が形成されており、これによっ
て電荷を蓄積領域からシフトレジスタへ向けて選択的に
転送することが可能になる。アンチブルーミングドレイ
ンは、基板の主表面で蓄積領域の他側に沿って形成され
ている。
本発明の各実施例は、次にその簡単な説明を記した各
添付図面を参照しつつ説明する。
第１図は、本発明に係るCCD撮像器の部分平面図； 第２図は、第１図の２−２断面図； 第３図は、第１図の３−３断面図； 第４図は、第２図の断面に沿って行われた統合期間中
における撮像器の電位図； 第５図は、第３図の断面に沿って行われた統合期間中
における撮像器の電位図である。
尚、各図中には必然的に実物大ではないものがある。
第１、２及び３図には、本発明に係るCCD撮像器10が
示されている。第１図は平面図、そして第２図は第１図
の装置を２−２ラインで切断した部分断面図である。第
３図は、同じく３−３ラインで切断した他の部分断面図
である。撮像器10は、通常はｐ型単結晶シリコン（p-と
して示した）等の半導体物質から成り、主（頂）表面14
を持つ基板（半導体基体）12を含む。複数の光検出器16
が基板中で主表面12に沿って配置されている。図より明
らかなごとく、各光検出器16は一直線上に整列されてリ
ニアアレイ撮像器を構成している。しかしこれに限ら
ず、光検出器16をそれぞれ所定間隔をおいたローとコラ
ムとして配列し、面アレイとして構成することも可能で
ある。各光検出器16の一側に近接して、蓄積領域18が形
成されている。そして、CCDシフトレジスタ20が、光検
出器16に対向する蓄積領域18の一側に沿って伸長形成さ
れている。シフトレジスタ20は、蓄積領域18のライン全
長にほぼ平行に沿って伸長している。
アンチブルーミングドレイン24は各蓄積領域18の他の
側に沿って伸長しており、結果としてCCDシフトレジス
タと光検出器16のラインとの間のスペースに沿って伸長
した形を採っている。ゲート28は、各蓄積領域18とその
アンチブルーミングドレイン24との間のスペースを横切
って伸長している。また、転送ゲート29がCCDシフトレ
ジスタ20と蓄積領域18のラインとの間のスペースを横切
って、蓄積領域18のライン全長に沿って伸長している。
各光検出器16は、完全に空乏化可能なタイプのものが
使用されている。第２図に示すように、この目的のため
の好適な光検出器16は「The Pinned Photodiode For
An Inter−Transfer CCD Imager Sensor」（B.C.
Burkey et al.,IEDM Technical Digest,1984,page2
8）の記事に記載されているようなタイプのピンダイオ
ード光検出器である。このピンフォトダイオードは、基
板12の主表面14にｎ型導電性領域30（ｎとして示した）
を有する。通常、領域30の導電性は、約1017不純物/cm3
である。ｐ型導電性を有する基板12の導電性は、通常10
15不純物/cm3であり、あるいは、その内部にフォトダイ
オードが形成されたｎ型導電性基板の表面内にｐ型のウ
ェルを有する。高導電性の第2p型導電性領域32（図では
p+として示した）は通常1018不純物/cm3の導電性を持
ち、基板14の第１領域30の一部内に形成されている。
各蓄積領域18は、金属または導電性多結晶シリコン等
の導電体から成るゲート34により形成されている。各蓄
積ゲート34は、通常二酸化シリコン等から成り基板表面
14を被覆している絶縁性物質層36上に形成されている。
各蓄積ゲート34は、対応するフォトダイオード16の第１
領域30のエッジ上に直接形成されたエッジを有する。各
蓄積ゲート34は、バスライン（不図示）によって電圧源
（不図示）に接続されており、これによりゲート34下方
の基板12内に破線で示された電位ウェル38を形成するこ
ととなる。各蓄積ゲート34のエッジは、対応するフォト
ダイオード16のエッジ上に直接形成されているので、蓄
積ゲート34により生成された電位ウェル38は第２図に示
すようにフォトダイオード16と隣接している。
CCDシフトレジスタ20は、任意の周知構造を採用可能
である。埋設チャンネルの構造を第２図に示す。シフト
レジスタ20は、基板12中の表面14に形成され約1017不純
物/cm3の不純物濃度を持つｎ型導電性チャンネル領域40
（n-として図示）を含む。チャンネル領域40は、蓄積領
域18のラインから距離を隔て且つ平行に表面14に沿って
伸長している。チャンネル領域40上方且つ二酸化シリコ
ン層36上には、互いに距離を隔てた複数の導電性ゲート
42がチャンネル領域40に沿って形成されている。ゲート
42は、金属または導電性多結晶シリコンから成る。ゲー
ト42は、バスライン（不図示）によって電圧源（不図
示）に接続されており、これによって任意の各ゲート42
に対して選択的に電圧を印加してシフトレジスタ20を作
動させることができる。
第３図に示すように、各アンチブルーミングドレイン
24は、基板12の面14において約1018またはそれ以上の不
純物/cm3の不純物濃度をもつｎ型導電性の領域48であ
る。各ドレイン領域48は、CCDシフトレジスタ20とフォ
トダイオード16のラインとの間のスペースに沿って、各
蓄積領域18の一側に沿って伸長している。各ドレイン領
域48は導電性接点50及びバスライン（不図示）を介して
電位源に接続されている。
転送ゲート28及び29の各々は、二酸化シリコン層36上
に形成された金属または導電性多結晶シリコン等の導電
性物質のストリップから成る。転送ゲート29は、シフト
レジスタ20と蓄積領域18との間のスペース中を伸長し、
シフトレジスタゲート42と蓄積ゲート34双方とオーバラ
ップしている。転送ゲート御29は、シフトレジスタゲー
ト42及び蓄積ゲート34を被覆する二酸化シリコンの層52
によってこれらから絶縁されている。第３図に示すよう
に、各アンチブルーミングドレインゲート28は、その各
蓄積領域ゲート34とアンチブルーミングドレイン領域48
との間のスペースにわたって伸長している。
イメージアレイ10の動作時、各光検出器16の領域30及
び32へ電圧が印加されると、光検出器16の領域が完全に
空乏化する。これにより、各光検出器内に電位ウェル16
Pが形成される。この電位ウェル16Pは、電位（POTENTIA
L）と距離（DISTANCE）との関係を示した第４図より明
らかなように、光検出器中で均一レベルに維持される。
各蓄積ゲートに電圧が印加されると、各蓄積領域中に電
位ウェル18Pが形成され、この電位ウェル18Pは光検出器
16Pの電位ウェルよりも深い。このように、イメージア
レイ10が情景照明を受けている時間である統合期間中、
各光ダイオード16内に電荷キャリアが発生してその近接
蓄積領域へと拡散及びドリフトしてゆく。
第５図に示すように、各アンチブルーミングドレイン
24へ電圧が印加されると、領域48内に電位ウェル24Pが
生成される。この電位ウェル24Pは、近傍の蓄積領域18
の電位ウェル18Pよりも深い。電位はゲート28にも印加
される。ゲート28は、光検出器16中の電位16Pよりも低
いバリヤ電位28Pを発生する。このように、もし蓄積領
域18内の電荷キャリアが蓄積してその電位がバリヤ電位
28Pのレベルに到達すると、その後蓄積領域18へ流入す
るあらゆる電荷キャリアがアンチブルーミングドレイン
24へ向けてオーバフローする。従って、蓄積領域18内の
電位を常にフォトダイオード16内の電位以下に保持可能
となる。このように、光検出器16内で発生した電荷キャ
リアは常に蓄積領域18へ向けて流入するから、フォトダ
イオード16内の電位16Pは一定レベルに保持されること
となる。これにより、フォトダイオードの時間独立応答
が可能となる。
転送期間中、イメージアレイ10はCCD転送素子の通常
動作を行う。電位が転送ゲート29に印加されると、該転
送ゲート29は電位バリヤ29Pを、蓄積領域18に保存され
ている電荷キャリアがシフトレジスタ20のチャンネル領
域へ流出するに十分な低いレベルまで低下させる。シフ
トレジスタの電位40Pは、蓄積領域18の電位よりも低
い。
このように、本発明に係る撮像器10の動作において
は、フォトダイオード16内に生成された電荷キャリア
は、その近接蓄積領域へ向けて連続的に流入する。電荷
キャリアが蓄積領域へ流入するにつれて、蓄積領域内に
おけるチャンネル電位及び空乏深さは低減する。しか
し、蓄積領域18内の電位が近接ピンダイオード18中の電
位よりも高い限りにおいては、蓄積領域18内の電位ウェ
ルはフォトダイオード16のウェルよりも深くなる。これ
により、フォトダイオード16は、時間独立応答性をもっ
て動作し、ラグまたはリセットノイズアーテイファクト
の影響を受けることもない。また、電荷キャリアの最大
数は、各蓄積領域18との近接アンチブルーミングドレイ
ン24との間のバリヤレベルがフォトダイオードの電位ウ
ェルよりも低いため、フォトダイオード16から蓄積領域
18へ電荷キャリアを流入させつつ、蓄積領域18内に保存
できる。従って、本発明に係る撮像器10は、即ち良好な
均一性及び量子化効率、時間独立応答性、及びラグまた
はリセットノイズアーテイファクトの影響を受けない
等、ピンフォトダイオード光検出器の全利点を備えてい
る。
以上説明した実施例は、本発明の概略的原理を明かに
したものであり、当業者であれば、本発明の概念及び範
囲から逸脱することなく種々の変更改良が可能である。
例えば、上述の実施例では撮像器10は望ましい形式のフ
ォトダイオードとしてピンフォトダイオードを有してい
ると記載したが、これに限らず、完全空乏化ウェルを有
する他の形式の光検出器を使用することも可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−228756（ＪＰ，Ａ) Ｂ．Ｃ．Ｂｕｒｋｅｙ，Ｗ．Ｃ．Ｃｈ ａｎｇ，Ｊ．Ｌｉｔｔｌｅｈａｌｅ, Ｔ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｔ．Ｊ．Ｔｒｅｄｗｅ ｌｌ，Ｊ．Ｐ．Ｌａｖｉｎｅ，Ｅ．Ａ. Ｔｒａｂｋａ，“Ｔｈｅ Ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｆｏｒ ａｎ ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ−ｔｒａｎｓｆｅ ｒ ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏ ｒ”、1984 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ ｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ、米、1984年、ｐ．28− 31

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】以下の各要素を含むことを特徴とするCCD
    （電荷結合素子）撮像器： 半導体物質から成り主表面（14）を持つ基板（12）； 前記基板（12）の主表面（14）に形成された光検出器で
    あって、該光検出器（16）は、前記基板の前記主表面に
    おいて一の導電性を持つ第１領域（30）と、該第１領域
    内の一部で他の導電性を持つ第２領域（32）と、を含む
    ピンダイオードから成り、前記第１領域を完全に空乏化
    可能であり、これによって光検出器が照射された時に電
    荷キャリアを発生する均一深さの空乏ウェルを形成す
    る； 前記主表面（14）に前記光検出器（16）の一側と隣接形
    成された蓄積領域（18）； 前記蓄積領域（18）のみの上に形成され、前記光検出器
    の空乏領域の延長領域であって当該空乏領域にて発生し
    た電荷キャリアを蓄積する領域を形成する蓄積ゲート
    （34）； 前記蓄積領域（18）の第１の側に沿って主表面（14）に
    形成されたシフトレジスタ（20）； 蓄積領域（18）から電荷キャリアをシフトレジスタ（2
    0）へ選択的に転送する手段（29）；及び 前記基板（12）内で蓄積領域（18）の第２の側に沿って
    形成され、前記蓄積領域の電位ウェルよりも深い電位ウ
    ェルを生成して、前記蓄積領域から電荷キャリアを排出
    させるアンチブルーミングドレイン（24）。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のCCD撮像器において、前
    記第１領域はｎ型導電性をそして前記第２領域はｐ型導
    電性を、それぞれ持つことを特徴とする。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のCCD撮像器において、前
    記蓄積ゲート（34）は、基板の主表面上に主表面から絶
    縁状態で形成された導電性物質を含み、該ゲート（34）
    はフォトダイオード（16）の第１領域（30）の前記蓄積
    領域側のエッジと整列配置されていることを特徴とす
    る。
  4. 【請求項４】請求項３に記載のCCD撮像器において、前
    記アンチブルーミングドレイン（24）は、基板の導電性
    とは逆の導電性を持つ領域（48）を含み、該領域（48）
    は、主表面から基内部へ向い且つ蓄積領域（18）の前記
    第２の側に沿って間隔を隔てて伸長していることを特徴
    とする。
  5. 【請求項５】請求項４に記載のCCD撮像器において、前
    記アンチブルーミングドレイン（24）は、主表面（14）
    上で主表面から絶縁状態で形成されたゲート（28）を含
    み、該ゲート（28）は蓄積領域（18）とアンチブルーミ
    ングドレイン（24）の領域（48）との間のスペースを横
    切って伸長していることを特徴とする。
  6. 【請求項６】請求項５に記載のCCD撮像器において、前
    記シフトレジスタ（20）はCCDシフトレジスタであるこ
    とを特徴とする。
  7. 【請求項７】請求項６に記載のCCD撮像器において、前
    記CCDシフトレジスタは、基板の主表面において基板と
    は逆の導電性を持つチャンネル領域（40）を有し、該チ
    ャンネル領域（40）は蓄積領域（18）の前記第１の側に
    沿って且つ該第１の側から距離を隔てて伸長しており、
    チャンネル領域（40）に沿って且つ間隔を介して伸長し
    前記主表面（14）上に絶縁状態で配置された導電性物質
    から成る複数のゲート（42）が形成されていることを特
    徴とする。
  8. 【請求項８】請求項７に記載のCCD撮像器において、蓄
    積領域からシフトレジスタへ電荷キャリアを選択的に転
    送する手段は、前記主表面（14）上に絶縁状態で形成さ
    れた導電性物質から成る転送ゲート（29）を含み、該転
    送ゲート（29）は蓄積領域（18）とシフトレジスタのチ
    ャンネル領域（40）との間のスペースを横切って伸長し
    ていることを特徴とする。
  9. 【請求項９】以下の各要素を含むことを特徴とするCCD
    撮像器： 主表面（14）を持つ半導体物質から成る基板（12）； 該基板（12）の主表面（14）内で該主表面に沿って間隔
    をおいた整列された複数の光検出器（16）であって、各
    光検出器（16）は、前記基板の前記主表面において一の
    導電性を持つ第１領域（30）と、該第１領域内の一部で
    他の導電性を持つ第２領域（32）と、を含むピンダイオ
    ードから成り、前記第１領域を完全に空乏化可能であり
    これによって電荷キャリアが発生する均一深さの空乏領
    域を形成する； 前記光検出器（16）との間に狭部を設けることなく前記
    光検出器（16）の各々の一側と隣接して基板（12）の主
    表面に形成された蓄積領域（18）であって、各蓄積領域
    （18）は基板内にその近接光検出器の空乏領域よりも深
    い空乏領域を形成しこれによって光検出器内に発生した
    電荷キャリアを連続して収容できる； 主表面（14）上で前記各蓄積領域（18）の第１の側に沿
    って伸長したシフトレジスタ（20）； 蓄積領域（18）からの電荷キャリアをシフトレジスタ
    （20）へ選択的に転送する手段（29）；及び 基板内で前記各蓄積領域（18）の各々の第２の側に沿っ
    て形成され、前記蓄積領域の電位ウェルよりも深い電位
    ウェルを生成して、前記蓄積領域から電荷キャリアを排
    出させるアンチブルーミングドレイン（24）。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載のCCD撮像器において、
    前記各フォトダイオードの第１領域（30）はｎ型導電性
    をそして第２領域（32）はｐ型導電性をそれぞれ有する
    ことを特徴とする。
  11. 【請求項１１】請求項９に記載のCCD撮像器において、
    前記各蓄積領域（18）は、基板の主表面（14）上に形成
    され該主表面（14）から絶縁された導電性物質から成る
    ゲート（34）を含み、該ゲート（34）の前記フォトダイ
    オード側のエッジはその近接フォトダイオードの第１領
    域（30）の前記蓄積領域側のエッジと合致していること
    を特徴とする。
  12. 【請求項１２】請求項11に記載のCCD撮像器において、
    前記各アンチブルーミングドレイン（24）は、基板とは
    逆の導電性を持ち、主表面（14）から基板内へ伸長する
    と共にその各蓄積領域（18）の前記第２の側に沿って該
    第２の側から間隔をおいて伸長した領域（48）を含むこ
    とを特徴とする。
  13. 【請求項１３】請求項12に記載のCCD撮像器において、
    前記各アンチブルーミングドレイン（24）は、更に、主
    表面（14）上に形成されると共に該主表面から絶縁さ
    れ、アンチブルーミングドレイン領域（48）とその各蓄
    積領域（18）との間のスペースを横切って伸長したゲー
    ト（28）を含むことを特徴とする。
  14. 【請求項１４】請求項13に記載のCCD撮像器において、
    前記シフトレジスタはCCDシフトレジスタであることを
    特徴とする。
  15. 【請求項１５】請求項14に記載のCCD撮像器において、
    前記CCDシフトレジスタは、基板とは逆の導電性を持つ
    チャンネル領域（40）を含み、該チャンネル領域（40）
    は各蓄積領域（18）の前記第１の側に沿って且つ該第１
    の側から間隔を隔てて伸長し、前記主表面（14）上に導
    電性物質で形成され主表面から絶縁された複数のゲート
    （42）がチャンネル領域（40）にわたって且つ間隔をお
    いて該チャンネル領域に沿って伸長していることを特徴
    とする。
  16. 【請求項１６】請求項15に記載のCCD撮像器において、
    前記電荷キャリアを蓄積領域（18）からシフトレジスタ
    （20）へ選択的に転送する手段は、主表面（14）上に導
    電性物質で形成され主表面から絶縁された転送ゲート
    （29）を含み、該転送ゲート（29）はチャンネル領域
    （40）と蓄積領域（18）との間のスペースを横切って伸
    長していることを特徴とする。
  17. 【請求項１７】光検出器と、該光検出器の一側に隣接し
    た蓄積領域と、該蓄積領域近傍に形成されたシフトレジ
    スタと、を有するCCD撮像器の駆動方法において、 前記光検出器（16）は、基板（12）の主表面（14）に形
    成され、前記基板の前記主表面において一の導電性を持
    つ第１領域（30）と、該第１領域内の一部で他の導電性
    を持つ第２領域（32）と、を含むピンダイオードから成
    り、前記第１領域を完全に空乏化可能であり、これによ
    って光検出器が照射された時に電荷キャリアを発生する
    均一深さの空乏ウェルを形成し、 当該CCD撮像器は前記蓄積領域のみの上に蓄積ゲート電
    極を備え、 電位を光検出器へ印加して該光検出器を完全に空乏化す
    るステップと、 蓄積領域内に光検出器の電位ウェルよりも深い電位ウェ
    ルを生成し、光検出器内で発生した電荷キャリアを連続
    的に蓄積領域へ流入させるステップと、 前記蓄積ゲート電極に対する制御手段を介して、電荷キ
    ャリアが蓄積領域内に蓄積されるに伴う蓄積領域内電位
    を光検出器内のレベル以下のレベルになるよう保持し、
    光検出器から電荷キャリアを連続的に流出させるステッ
    プと、 を含むことを特徴とする駆動方法。
  18. 【請求項１８】請求項17に記載の方法において、蓄積領
    域内の電位は、蓄積領域近傍に蓄積領域内よりも深い電
    位ウェルを持つアンチブルーミングドレインを形成する
    ことによって、また蓄積領域とアンチブルーミングドレ
    インとの間に光検出器内の電位ウェルよりも低いが蓄積
    領域内の最低電位ウェルよりも高い電位バリヤを形成す
    ることによって、光検出器内の電位よりも低く保持され
    ることを特徴とする。
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