JP3277621B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置、特に、
３層の転送電極を有し、各転送電極に夫々位相の異なる
３相の駆動パルスが供給される全画素読出し方式の固体
撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の例えばＣＣＤ固体撮像素子の垂直
レジスタにおける転送電極は、水平方向に延びる導線部
と垂直レジスタに沿って突出する電極部とが例えば多結
晶シリコン層により一体に形成されてその配線がなされ
ている。

【０００３】具体的に、３層の転送電極を有し、各転送
電極に夫々位相の異なる３相の駆動パルスが供給される
全画素読出し方式のＣＣＤ固体撮像素子についてみる
と、図８に示すように、１層目の多結晶シリコン層で形
成された第１の転送電極１０１は、垂直方向の受光部１
１４（幅Ｗｓで示す領域）間において水平方向に延びる
第１の導線部１０１ａと、垂直レジスタ１１２（幅Ｗｒ
で示す領域）に沿って図面上、下方に突出する第１の電
極部１０１ｂとから構成され（実線参照）、２層目の多
結晶シリコン層で形成された第２の転送電極１０２は、
上記第１の導線部１０１ａ上において水平方向に延びる
第２の導線部１０２ａと、垂直レジスタ１１２に沿って
図面上、上方に突出する第２の電極部１０２ｂとから構
成されている（破線参照）。

【０００４】また、３層目の多結晶シリコン層で形成さ
れた第３の転送電極１０３は、上記第２の導線部１０２
ａ上において水平方向に延びる第３の導線部１０３ａ
と、垂直レジスタ１１２に沿って図面上、上記第２の電
極部１０２ｂの端部よりも更に上方に突出する第３の電
極部１０３ｂとから構成されている（一点鎖線参照）。
ここで、この第３の転送電極１０３において、上記第２
の転送電極１０２の電極部１０２ｂと平面的に重なる部
分（図中斜線で示す）を電極引出し部と記す。尚、図８
において、幅Ｗｃで示す領域はチャンネル・ストッパ領
域である。

【０００５】また、他の従来例に係るＣＣＤ固体撮像素
子においては、図９に示すように、第１の転送電極１０
１及び第２の転送電極１０２を、図８で示す従来のＣＣ
Ｄ固体撮像素子と同様に、各導線部１０１ａ及び１０２
ａを水平方向に延ばして配線し、第３の転送電極１０３
を、垂直レジスタ１１２上を被覆するように、この垂直
レジスタ１１２に沿って垂直方向に形成して構成されて
いる（一点鎖線参照）。この場合、第３の転送電極１０
３は、電極部１０３ｂ以外の部分（図中斜線で示す）が
電極引出し部を構成することになる。

【０００６】そして、上記図８及び図９で示す従来のＣ
ＣＤ固体撮像素子においては、いずれも電極部１０１
ａ，１０２ａ及び１０３ａの幅がほぼ同じに形成され、
特に第３の転送電極１０３においては、その電極引出し
部の幅と電極部１０３ｂの幅がほぼ同じになるように形
成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＣＣＤ固体撮像素子においては、第３の転送電極１
０３における電極引出し部を電極部１０３ｂ（他の転送
電極１０１及び１０２における電極部１０１ａ及び１０
２ａも含む）と同じ幅に設定して形成するようにしてい
るため、この第３の転送電極１０３における他の転送電
極１０１及び１０２との平面的な重なり部分の面積が増
大するという問題がある。

【０００８】すなわち、図８で示す従来のＣＣＤ固体撮
像素子においては、第３の転送電極１０３における電極
引出し部分が、平面的に第２の転送電極１０２における
電極部１０２ａと重なっており、その部分で寄生容量が
付加されたかたちとなっている。

【０００９】一方、図９で示す他の従来例のＣＣＤ固体
撮像素子においては、第３の転送電極１０３における電
極引出し部分は、第２の転送電極１０２における電極部
１０２ｂと平面的に重なるほか、別の領域において、第
１の転送電極１０１における電極部１０１ｂと平面的に
重なっている。このため、上記電極引出し部は、第１の
転送電極１０１における電極部１０１ｂ間と、第２の転
送電極１０２における電極部１０２ｂ間とにそれぞれ寄
生容量が付加されたかたちとなっている。

【００１０】そして、従来のＣＣＤ固体撮像素子におい
ては、上述したように、第３の転送電極１０３における
電極引出し部と第２の転送電極１０２における電極部１
０２ｂ並びに第１の転送電極１０１における電極部１０
１ｂとの幅がほぼ同一で、そのオーバーラップ面積が広
くなっていることから、上記電極引出し部と第２の転送
電極１０２における電極部１０２ｂ間及び上記電極引出
し部と第１の転送電極１０１における電極部１０１ｂの
各寄生容量が大きくなる。

【００１１】その結果、特に、図９で示す構造の場合、
図１０の波形図に示すように、第１の転送電極１０１に
印加される第１の垂直転送クロックＶ１及び第２の転送
電極１０２に印加される第２の垂直転送クロックＶ２の
伝搬遅延が大きくなり（ａで示す波形のなまりを参
照）、垂直レジスタ１１２の取扱い電荷不良や電荷転送
不良等を引き起こし、画質を著しく劣化させるという不
都合が生じる。

【００１２】また、上記寄生容量の増大化は、第１の転
送電極１０１及び第２の転送電極１０２における電荷転
送時の実効振幅Ｄ１及びＤ２が小さくなり、ダイナミッ
クレンジの確保が困難になるという問題を引き起こす。

【００１３】即ち、いま、受光部に蓄積されていた信号
電荷を、読出し期間に例えば第３の転送電極１０３にお
ける電極部１０３ｂ下に転送し、更に第１〜第３の転送
電極１０１〜１０３に対して、図１０で示すように、そ
れぞれ第１〜第３の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ３を印加
することにより、上記受光部から転送された信号電荷
を、順次水平レジスタ側に転送する場合を考える。

【００１４】このとき、例えば、図１０中、第２の垂直
転送クロックＶ２に関する波形図に示すように、第２の
転送電極１０２に印加されている第２の垂直転送クロッ
クＶ２が高レベルのときに、第３の垂直転送クロックＶ
３が低レベルになった瞬間において、第３の転送電極１
０３における電極引出し部と第２の転送電極１０２にお
ける電極部１０２ｂとの間の寄生容量によるカップリン
グにより、上記第２の垂直転送クロックＶ２は、第３の
垂直転送クロックＶ３に引き込まれて、その振幅が低下
することになる。

【００１５】従来の場合、この寄生容量が大きいことか
ら、この寄生容量のカップリングによる振幅Ｄ２の低下
が非常に大きくなり、特に、撮像領域の中央部において
は、クロックの規定の振幅変化レベルが例えば９Ｖであ
る場合、上記振幅の低下によって、振幅変化レベルが６
Ｖ前後にまで低下するという問題が生じる。

【００１６】従って、信号電荷を第２の転送電極１０２
下から第３の転送電極１０３下に転送する際、この転送
される信号電荷の量が上記振幅レベルの低下によって少
なくなり、後段の出力回路において信号電荷を撮像信号
として変換させた場合のダイナミックレンジが狭いもの
となり、所定のダイナミックレンジを確保することが難
しくなる。

【００１７】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、各転送電極の平面的な
重なりによって生じる寄生容量を低減することができ、
信号電荷の転送時における垂直転送クロックの実効振幅
の低下の抑制並びに垂直転送クロックの伝搬遅延を少な
くすることができる固体撮像素子を提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、３層の転送電
極１，２及び３を有し、各転送電極１，２及び３に夫々
位相の異なる３相の駆動パルスＶ１，Ｖ２，Ｖ３が供給
される全画素読出し方式の固体撮像素子において、上記
３つの転送電極１，２及び３のうち、１つの転送電極３
について、垂直レジスタ１２に沿って形成され、かつ他
の転送電極１又は２と平面的に重なる電極引出し部３ｃ
が形成され、上記電極引き出し部３ｃの幅は、上記１つ
の転送電極３の電荷転送に寄与する部分の幅より狭く、
上記電極引き出し部３ｃの幅は、上記他の転送電極１又
は２の上記電極引き出し部３ｃと平面的に重なる領域を
有する部分の幅より狭くしたものである。

【００１９】この場合、上記１つの転送電極３として
は、全体が垂直レジスタ１２に沿って形成された転送電
極とすることができ、あるいは垂直レジスタ１２と直交
する方向に配線された導線部３ａと、電極引出し部３ｃ
と、電極部３ｂとで構成された転送電極３とすることが
できる。

【００２０】

【作用】本発明に係る固体撮像素子においては、垂直レ
ジスタ１２に沿って形成され、かつ他の転送電極１又は
２と平面的に重なる電極引出し部３ｃが、電荷転送に寄
与する電極部３ｂよりも細く形成されていることから、
この電極引出し部３ｃと他の転送電極１又は２の電極部
１ｂ又は２ｂとが平面的に重なった部分の面積が小さく
なり、その結果、電極引出し部３ｃと他の転送電極１又
は２の電極部１ｂ又は２ｂとの間に形成される寄生容量
が低減される。

【００２１】従って、各転送電極１，２及び３に印加さ
れる３相の駆動パルスＶ１，Ｖ２及びＶ３の伝搬遅延を
小さく抑えるが可能となり、垂直レジスタ１２の電荷転
送効率の向上を図ることができると共に、伝搬遅延に起
因する画質の劣化を回避させることができる。

【００２２】また、上記寄生容量が小さくなることか
ら、３相の駆動パルスＶ１，Ｖ２及びＶ３のそれぞれの
立ち上がり又は立ち下がり時において、上記寄生容量の
カップリングによって生じる各駆動パルスＶ１及びＶ２
の振幅レベルＤ１及びＤ２の変化を小さく抑えることが
でき、電荷転送時における垂直レジスタ１２の取扱電荷
量の低減を有効に抑制することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係る固体撮像素子の実施例を
図１〜図７を参照しながら説明する。

【００２４】この実施例に係るＣＣＤ固体撮像素子は、
例えば垂直レジスタが３相駆動とされた全画素読出し方
式のＣＣＤ固体撮像素子、例えばインターライン転送
（ＩＴ）方式の構造を例にとると、撮像領域に入射され
た光をその光量に応じた量の電荷に変換する受光部が多
数個マトリクス状に配列され、列方向に配列された受光
部に対して共通とされた垂直レジスタが多数本、それぞ
れ水平レジスタ側に延長形成され、３枚の垂直転送電極
を一組とする電極群が垂直レジスタに沿って多数組配列
された構造を有し、各受光部から対応する垂直レジスタ
に転送された信号電荷を、各垂直転送電極にそれぞれ互
いに位相の異なる３相の垂直転送クロックを印加するこ
とにより、垂直レジスタに沿って水平レジスタ側に行単
位に転送するように構成される。

【００２５】この３相駆動における垂直転送の機能を具
体的に説明すると、図１に示すように、各垂直転送電極
１，２及び３にそれぞれ互いに位相の異なる例えば図２
で示す３相の垂直転送クロックＶ１，Ｖ２及びＶ３を印
加することにより、図３に示すように、信号電荷ｅは垂
直レジスタに沿って第１〜第３の垂直転送電極１〜３下
を順次転送される。

【００２６】すなわち、期間Ｔ１では、第１及び第３の
垂直転送クロックＶ１及びＶ３が低レベル、第２の垂直
転送クロックＶ２が高レベルであることから、図３に示
すように、第２垂直転送電極２下にポテンシャル井戸が
形成され、信号電荷ｅは、該ポテンシャル井戸に転送、
蓄積される。

【００２７】次の期間Ｔ２では、第１の垂直転送クロッ
クＶ１が高レベルになることから、第１の垂直転送電極
１下にポテンシャル井戸が形成され、信号電荷ｅは、第
１及び第２の垂直転送電極１及び２下に連続形成された
ポテンシャル井戸に転送、蓄積される。

【００２８】次の期間Ｔ３では、第２の垂直転送クロッ
クＶ２が低レベルになることから、第２の垂直転送クロ
ックＶ２下にポテンシャル障壁が形成され、信号電荷ｅ
は、第１の垂直転送電極１下に形成されたポテンシャル
井戸に転送、蓄積される。この一連の動作により、信号
電荷ｅは、垂直転送電極１つ分だけ移動されたことにな
る。この後、期間Ｔ４〜Ｔ７においても同様な動作が行
われる。

【００２９】すなわち、第１〜第３の垂直転送クロック
Ｖ１〜Ｖ３が印加されることにより、信号電荷ｅは、矢
印で示すように、一組（３枚）の垂直転送電極分だけ移
動されたことになる。このようにして、信号電荷ｅは順
次垂直レジスタ１２に沿って水平レジスタ側に行単位に
転送されていく。

【００３０】ところで、従来のＣＣＤ固体撮像素子のよ
うに第３の垂直転送電極３と第２の垂直転送電極２との
間に大きな寄生容量が存在する場合に、図３において例
えば第２の垂直転送クロックＶ２が高レベルである期間
Ｓにおいて、第３の垂直転送クロックＶ３が高レベルか
ら低レベルとなる時刻ｔでは、第２の垂直転送クロック
Ｖ２は、第３の垂直転送クロックＶ３に引き込まれて、
上記図１０に示すように、その振幅が低下することにな
る。

【００３１】そこで、本実施例のＣＣＤ固体撮像素子
は、以下に示す構造を有することにより、上記寄生容量
を低減させる。

【００３２】すなわち、本実施例に係る固体撮像素子
は、図４に示すように、Ｐ型のシリコン基板あるいはＰ
型のウェル領域１１上に、Ｎ型の不純物拡散領域による
垂直レジスタ１２が形成され、この垂直レジスタ１２上
に酸化膜１３を介してそれぞれ多層膜シリコンからなる
３層の垂直転送電極１，２及び３が順次形成されて構成
されている。

【００３３】そして、図５に示すように、１層目の多結
晶シリコン層で形成された第１の垂直転送電極１は、垂
直方向の受光部１４（幅Ｗｓで示す領域）間において水
平方向に延びる第１の導線部１ａと、垂直レジスタ１２
（幅Ｗｒで示す領域）に沿って図面上、下方に突出する
第１の電極部１ｂとから構成され（実線参照）、２層目
の多結晶シリコン層で形成された第２の垂直転送電極２
は、上記第１の導線部１ａ上において水平方向に延びる
第２の導線部２ａと、上記垂直レジスタ１２に沿って図
面上、上方に突出する第２の電極部２ｂとから構成され
ている（破線参照）。

【００３４】また、３層目の多結晶シリコン層で形成さ
れた第３の垂直転送電極３（図中斜線で示す）は、垂直
レジスタ１２に沿って垂直方向に形成して構成され（一
点鎖線参照）、上記第１及び第２の垂直転送電極１及び
２と平面的に重なる電極引出し部３ｃが、電荷転送に寄
与する電極部３ｂよりも細く形成されて構成されてい
る。すなわち、上記第１及び第２の垂直転送電極１及び
２と平面的に重なる部分の電極引出し部３ｃの幅Ｗａと
電極部３ｂの幅Ｗｂとの関係が、Ｗａ＜Ｗｂとなるよう
に形成されて構成される。尚、図４において、幅Ｗｃで
示す領域はチャンネル・ストッパ領域である。

【００３５】上述のように、上記第３の垂直転送電極３
における、第１及び第２の垂直転送電極１及び２とのオ
ーバーラップ部分の電極引出し部３ｃを細くして、オー
バーラップ部分の面積を減少させる構成とすることによ
って、以下に示す効果が生じる。

【００３６】一般に、上記電極引出し部３ｃにおいて、
第１の垂直転送電極１における電極部１ａ間と、第２の
垂直転送電極２における電極部２ａとの間とに付加され
る寄生容量は、上記オーバーラップ部分の面積に比例す
るが、本実施例においては、この面積が減少するため
に、上記寄生容量が低減されることになる。

【００３７】その結果、図６の波形図に示すように、第
１の垂直転送電極１に印加される第１の垂直転送クロッ
クＶ１及び第２の垂直転送電極２に印加される第２の垂
直転送クロックＶ２の伝搬遅延が小さくなり、上記図１
０のａで示す波形のなまりと比較して、その波形のなま
りは大幅に減少する（図６のａで示す波形参照）。従っ
て、垂直レジスタ１２の取扱い電荷不良や電荷転送不良
等が改善され、画質を向上させることが可能となる。

【００３８】また、上記寄生容量が減少することによ
り、第１の垂直転送電極１及び第２の垂直転送電極２に
おける電荷転送時の実効振幅Ｄ１及びＤ２の減少が抑制
され、ダイナミックレンジの確保が可能になる。

【００３９】ところで、上記第１及び第２の垂直転送電
極１及び２と平面的に重なる部分の幅Ｗａの値は、小さ
過ぎると第３の垂直転送電極３の抵抗値が大きくなり、
この垂直転送電極３に印加される第３の垂直転送クロッ
クＶ３の遅延を引き起こす。そのため、本実施例では、
上記第１及び第２の垂直転送電極１及び２と平面的に重
なる部分の幅Ｗａの値は、その値を小さくすることで発
揮される効果、すなわち上記寄生容量の改善と、抵抗値
の増大化に伴う第３の垂直転送クロックＶ３の伝播遅延
との均衡値を採用する。

【００４０】次に、本実施例の変形例を図７を用いて説
明する。なお、図４と対応するものについては同符号を
記す。

【００４１】この変形例に係るＣＣＤ固体撮像素子は、
図７に示すように、第１の垂直転送電極１及び第２の垂
直転送電極２を上記図４で示す実施例に係るＣＣＤ固体
撮像素子と同様に、各導線部１ａ及び２ａを水平方向に
延ばして配線し、第１の電極部１ｂは垂直レジスタ１２
に沿って図面上、下方に突出され、第２の電極部２ｂは
垂直レジスタ１２に沿って図面上、上方に突出されて構
成されている。

【００４２】そして、３層目の多結晶シリコン層で形成
された第３の垂直転送電極３（図中斜線で示す）は、上
記第２の導線部２ａ上において水平方向に延びる第３の
導線部３ａと、垂直レジスタ１２に沿って図面上、上記
第１の電極部１ｂの端部よりも更に上方に突出する第３
の電極部３ｂを有する（一点鎖線参照）。ここで、この
第３の垂直転送電極３において、上記第２の垂直転送電
極２の電極部２ｂと平面的に重なる部分を電極引出し部
３ｃと記す。

【００４３】そして、この場合も上記実施例と同様に、
電極引出し部３ｃを、垂直レジスタ１２に沿って上記電
極部３ｂよりも細く形成する。すなわち、第３の垂直転
送電極３と第２の垂直転送電極２の電極部２ｂとの平面
的に重なる部分の幅Ｗａと、第３の電極部３ｂの幅Ｗｂ
との関係が、Ｗａ＜Ｗｂとなるように形成して構成され
る。

【００４４】この場合においても、上記実施例と同様
に、第３の垂直転送電極３中、第２の垂直転送電極２の
電極部２ｂと平面的に重なる部分の電極引出し部３ｃを
細くして、その部分の面積を減少させる構成にしている
ため、第２の垂直転送電極２の電極部２ｂと、第３の垂
直転送電極３の電極引出し部３ｃ間に付加される寄生容
量は低減される。従って、垂直レジスタ１２の取扱い電
荷不良や電荷転送不良等が改善され、画質を向上させる
ことが可能となり、しかもダイナミックレンジの確保が
可能になる。

【００４５】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る固体撮像素
子によれば、３層の垂直転送電極を有し、各垂直転送電
極に夫々位相の異なる３相の駆動パルスが供給される全
画素読出し方式の固体撮像素子において、上記３つの垂
直転送電極のうち、１つの垂直転送電極について、垂直
レジスタに沿って形成し、かつ他の垂直転送電極と平面
的に重なる電極引出し部を、電荷転送に寄与する電極部
よりも細く形成して構成したので、各転送電極の平面的
な重なりによって生じる寄生容量を低減することがで
き、信号電荷の転送時における垂直転送クロックの実効
振幅の低下の抑制並びに垂直転送クロックの伝搬遅延を
少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子を、垂直レジスタが
３相駆動とされた全画素読出し方式のＣＣＤ固体撮像素
子に適用した実施例（以下、実施例に係る固体撮像素子
と記す）において、３枚の垂直転送電極を一組とする電
極群が垂直レジスタに沿って多数組配列された構造を模
式的に示す平面図である。

【図２】本実施例に係る固体撮像素子の各転送電極にそ
れぞれ印加される３相の垂直転送クロックの波形を示す
図である。

【図３】本実施例に係る固体撮像素子の垂直レジスタで
の信号電荷の垂直転送動作を示す動作概念図である。

【図４】本実施例に係る固体撮像素子の要部を示す概略
断面図である。

【図５】本実施例に係る固体撮像素子の要部を示す概略
平面図である。

【図６】本実施例に係る固体撮像素子の各垂直転送電極
にそれぞれ印加される３相の垂直転送クロックを示す波
形図である。

【図７】本実施例に係る固体撮像素子の変形例の要部を
示す概略平面図である。

【図８】従来例に係る固体撮像素子の要部を示す概略平
面図である。

【図９】他の従来例に係る固体撮像素子の要部を示す概
略平面図である。

【図１０】他の従来例に係る固体撮像素子の各垂直転送
電極にそれぞれに印加される３相の垂直転送クロックを
示す波形図である。

【符号の説明】

１ 第１の垂直転送電極 １ａ 第１の導線部 １ｂ 第１の電極部 ２ 第２の垂直転送電極 ２ａ 第２の導線部 ２ｂ 第２の電極部 ３ 第３の垂直転送電極 ３ａ 第３の導線部 ３ｂ 第３の電極部 ３ｃ 電極引出し部 １２ 垂直レジスタ １４ 受光部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３層の転送電極を有し、各転送電極に夫
   々位相の異なる３相の駆動パルスが供給される全画素読
   出し方式の固体撮像素子において、 上記３つの転送電極のうち、１つの転送電極について、
   垂直レジスタに沿って形成され、かつ他の転送電極と平
   面的に重なる電極引出し部が形成され、 上記電極引き出し部の幅は、上記１つの転送電極の電荷
   転送に寄与する部分の幅より狭く、 上記電極引き出し部の幅は、上記他の転送電極の上記電
   極引き出し部と平面的に重なる領域を有する部分の幅よ
   り狭い ことを特徴とする固体撮像素子。