JP4193877B2 - 電荷転送装置及び固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は電荷転送装置及び固体撮像装置に関する。詳しくは、特にＣＣＤエリアセンサの水平転送レジスタやＣＣＤリニアセンサの転送レジスタ、さらにはＣＣＤ遅延素子の転送レジスタとして用いて好適な電荷転送装置及びこうした電荷転送装置を利用した固体撮像装置に係るものである。
図６は従来のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像装置を説明するための模式的な平面図であり、図７（ａ）は従来のＣＣＤ固体撮像装置の水平転送レジスタの最終出力段（図６中符合ａで示す領域）を説明するための模式的な断面図である。
従来のＣＣＤ固体撮像装置は、シリコン基板１００内に、マトリクス状に配列された複数の受光部１０１、この受光部に隣接して設けられ、受光部で取り込んだ信号電荷を読み出す読み出しゲート１０２、読み出しゲートに隣接して設けられ、読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ１０３、垂直転送レジスタにより転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ１０４及び受光部の読み出しゲートとは逆側に設けられ、混色を抑制するチャネルストップ領域１０５が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
水平転送レジスタに転送された信号電荷は、水平転送レジスタ上の転送電極（Ｈ１，Ｈ２，ＬＨ）に転送クロックを印加することで出力方向へ転送される。具体的には、図７（ａ）中符合Ｈ１で示す転送電極に図８中符合Ｈφ１で示す転送クロックを印加し、図７（ａ）中符合Ｈ２で示す転送電極に図８中符合Ｈφ２で示す転送クロックを印加し、図７（ａ）中符合ＬＨで示す転送電極（以下、「ＬＨ電極」と称する。）に図８中符合ＬＨφで示す転送クロックを印加し（一般的にはＨφ１の振幅／Ｈφ２の振幅は３〜５Ｖ程度であり、Ｈφ１とＨφ２とは逆位相となり、Ｈφ１とＬＨφとは同一の転送クロックとなる。）、水平転送レジスタのポテンシャルを上下させることで、出力方向（図７（ａ）の場合には右方向から左方向）に信号電荷が転送されることとなる。
水平転送レジスタ内を転送された信号電荷は、水平転送レジスタの最終段の転送電極ＨＯＧ（以下、「ＨＯＧ電極」と称する。）を経てフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）に到達する。ＦＤに転送された信号電荷は出力回路にて電荷量に応じた電圧に変換された後、リセットゲートＲＧに図８中符合ＲＧφで示すリセットゲート電圧が印加されることでリセットドレインＲＤに掃き捨てられることとなる。
こうした一連の動作を行なうことによって、図８中符合Ｘで示す様な個体撮像装置の出力信号を得ることができる。
ここで、従来のＣＣＤ固体撮像装置では、水平転送レジスタをクロック駆動した場合におけるカップリングの低減を目的としてＨＯＧ電極に印加される電圧ＨＯＧφは固定電圧（例えばＨＯＧφ＝０Ｖ）とされている。なお、カップリングとは、ＨＯＧ電極と出力回路の浮遊領域との間の寄生容量に起因する容量結合によって出力波形が変動することを意味する。
上記の様に、ＨＯＧ電極に固定電圧が印加されているために、ＨＯＧ電極下のポテンシャルはほとんど変化しないものの、ＬＨ電極にはＬＨφが印加されておりＬＨ電極下のポテンシャルは上下に変化する。そして、ＬＨφがハイレベル（以下、「Ｈレベル」と称する。）状態のときに、ＨＯＧ電極下ポテンシャルとＬＨ電極下ポテンシャルとでＬＨ電極下（図７（ｂ）中符合ｂで示す領域）に蓄積できる最大信号量（Ｄレンジ）が定義されることとなる。また、ＬＨ電極がＨレベル状態からローレベル（以下、「Ｌレベル」と称する。）状態に変化すると、ＬＨ電極からＨＯＧ電極方向に転送電界が形成されるために、ＬＨ電極下に蓄積されていた信号電荷はＨＯＧ電極下ポテンシャルを越えてＦＤに転送されることとなる。
なお、Ｄレンジは大きい方が良く、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送電界（図７（ｂ）中符合ｃで示す転送）も大きい方が良いことは言うまでもない。
ところで、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送の改善を目的として、ＨＯＧ電極下ポテンシャルを深くすると、図９（ａ）で示す様に、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送電界が大きくなり信号電荷の転送は改善されるものの、Ｄレンジが減少することとなる。また、最近では複数画素の信号電荷を加算する撮影モードが存在しており、加算画素数が増加すればするほど取り扱う信号電荷量が増加することとなるために、Ｄレンジが不足気味になる傾向にある。
なお、Ｄレンジが減少すると、高輝度の被写体を撮影した場合に、受光部にて光電変換され、垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタを経て転送された信号電荷の全てをＬＨ電極下に蓄積することができずに、信号電荷の一部がＨＯＧ電極下ポテンシャルを越えてＦＤに漏れ込むことがある。ＦＤに信号電荷が漏れ込むと、信号出力のＰ相（図８中符合Ｘで示す出力信号の符号Ｐで示す領域）の電位が低下してしまい、Ｐ相とＤ相（図８中符合Ｘで示す出力信号の符合Ｄで示す領域）との電位差が低下してしまうため、高輝度被写体部分に輝度の低い領域が形成されるといった不具合を生じることがある。
一方、Ｄレンジを増加させることを目的として、ＨＯＧ電極下ポテンシャルを浅くすると、図９（ｂ）で示す様に、ＬＨ電極下ポテンシャルとＨＯＧ電極下ポテンシャルとで定義されるＤレンジは増加するものの、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送電界が小さくなってしまう。
なお、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送電界が小さくなると、信号電荷がＦＤに完全に転送されずに、信号電荷の一部がＨＯＧ電極下に取り残され、直後に転送されてくる信号電荷と一緒に読み出されることがある。その結果、低輝度部分で感度比のバランスが崩れるといった不具合を生じることがある。
特開平１０−１４４９０７号公報
上記した様に、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送の改善とＤレンジの改善とはトレードオフの関係にあり、両者の両立は非常に困難であるものの、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送の改善を図りつつもＤレンジの改善を行なうことが強く望まれていた。
なお、図１０で示す様に、Ｈφ２が印加される端子とグランド電位間を抵抗で接続し、抵抗分割により発生させた転送クロックをＨＯＧφとしてＨＯＧ電極に印加するという技術が提案されている（例えば、特開平８−２５５８９６号公報）。
しかし、ＨＯＧ電極に転送クロックを印加する場合には、転送クロックの振幅が小さければ問題は発生しないものの、転送クロックの振幅が大きくなるとＦＤのポテンシャルを変動させてしまうために、固体撮像装置の出力信号波形が乱れてしまう結果を招いてしまう。
本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送の改善を図ると共にＤレンジの改善をも図ることができる電荷転送装置及び固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、本発明に係る電荷転送装置では、信号電荷を転送する電荷転送部と、該電荷転送部の最終段から出力ゲート部を介して転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備える電荷転送装置において、前記電荷転送部の最終段に電圧を印加する電極が２分割され、前記電荷検出部側に位置する第１の電極には所定の固定電位が印加され、前記電荷検出部とは反対側に位置する第２の電極には転送クロックが印加されている。
また、上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置では、撮像部と、該撮像部より転送された信号電荷を転送する電荷転送部と、該電荷転送部の最終段から出力ゲート部を介して転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、前記電荷転送部の最終段に電圧を印加する電極が２分割され、前記電荷検出部側に位置する第１の電極には所定の固定電位が印加され、前記電荷検出部とは反対側に位置する第２の電極には転送クロックが印加される。
ここで、第１の電極に所定の固定電位が印加されたことによって、電荷転送部を駆動した場合におけるカップリングを低減することができる。また、第２の電極に転送クロックが印加されたことによって、信号電荷の転送改善を図ると共にＤレンジを増加させることが可能となる。
上記した本発明の電荷転送装置及び固体撮像装置では、ＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送の改善を図ることができると共にＤレンジの改善をも図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式的な平面図であり、図２は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置の水平転送レジスタの最終出力段（図１中符号ａで示す領域）を説明するための模式的な断面図である。
ここで示すＣＣＤ固体撮像装置は、上記した従来のＣＣＤ固体撮像装置と同様に、シリコン基板内に、マトリクス状に配列された複数の受光部１、この受光部に隣接して設けられ、受光部で取り込んだ信号電荷を読み出す読み出しゲート２、読み出しゲートに隣接して設けられ、読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ３、垂直転送レジスタにより転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ４及び受光部の読み出しゲートとは逆側に設けられ、混色を抑制するチャネルストップ領域５が形成されている。
また、水平転送レジスタ４は、Ｎ型半導体基板６の表面側にＰ型ウェル７を介してＮ型のチャネル８が形成されている。Ｎ型のチャネルの表面部にはＮ−型のトランスファ（ＴＲ）領域９が図の左右方向にて一定のピッチで形成され、このトランスファ領域９，９間のチャネル領域がストレージ（ＳＴ）領域１０となっている。ストレージ領域の上方には１層目のポリシリコンから成る電極Ｈ１が、トランスファ領域の上方には２層目のポリシリコンから成る電極Ｈ２がそれぞれ絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。そして、隣り合う電極Ｈ１，Ｈ２が対となり、この電極対（Ｈ１，Ｈ２）に対してその配列方向にて交互に２相の転送クロックＨφ１，Ｈφ２が印加されることで２相駆動の水平転送レジスタが構成されている。
この水平転送レジスタにおいて、最終段の電極ＬＨに隣接して２層目のポリシリコンから成る第２の電極１４ｂが形成され、第２の電極に隣接して２層目のポリシリコンから成る第１の電極１４ａが形成されており、これらの第１の電極及び第２の電極はその下のチャネル領域と共に出力ゲート部１５を構成している。また、第１の電極は基準電位点であるグランド（接地）に電気的に接続され、第２の電極は外部端子に電気的に接続されている。
水平転送レジスタによって転送された信号電荷は、出力ゲート部１５を介して電荷検出部１６に出力される。この電荷検出部は、例えば、出力ゲート部に隣接して形成されたＮ＋型のフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）１７と、このＦＤの横にチャネル領域１８を挟んで形成されたＮ＋型のリセットドレイン（ＲＤ）１９と、チャネル領域１８の上方に絶縁膜（図示せず）を介して形成されたリセットゲート（ＲＧ）２０とから成るフローティング・ディフュージョン・アンプ構成となっている。こうした電荷検出部において、リセットゲートには一定のリセット電圧Ｖｒｄが印加されると共に、リセットゲートにはリセットゲートパルスＲＧφが印加されている。そして、フローティング・ディフュージョンに注入された信号電荷は、電圧に変換されてバッファ２１を介して外部に導出されることとなる。
さて、上記の様に構成されたＣＣＤ固体撮像装置に対して、電極Ｈ１に図３（ａ）中符号Ｈφ１で示す転送クロックを印加し、電極Ｈ２に図３（ａ）中符号Ｈφ２で示す転送クロックを印加し、最終段のＬＨ電極に図３（ａ）中符号ＬＨφで示す転送クロックを印加し、リセットゲートＲＧに図３（ａ）中符号ＲＧφで示すリセットゲートパルスを印加し、第１の電極に図３（ａ）中符号ＨＯＧφ１で示す接地電位を印加し、第２の電極に図３（ａ）中符号ＨＯＧφ２で示す転送クロックを印加することによって、図３（ａ）中符号Ｙで示す様なＣＣＤ固体撮像装置の出力信号を得ることができる。なお、第１の電極に印加する転送クロックは、電極Ｈ１やＬＨ電極に印加する転送クロックと略同期したものであり、電極Ｈ１やＬＨ電極に印加する転送クロックよりも低振幅とされている。
本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、第２の電極にＨレベルの転送クロックを印加した場合には第２の電極下にも信号電荷を蓄積することでＤレンジの増加を図ることが可能である（図３（ｂ）参照。）。一方、第２の電極にＬレベルの転送クロックを印加した場合には、電極ＬＨ、第２の電極、第１の電極の転送電界を直線的に形成できるために、電極ＬＨから第２の電極、第２の電極から第１の電極への転送をスムースに行なうことができる（図３（ｂ）参照。）。即ち、ＬＨ電極からＨＯＧ電極（第１の電極及び第２の電極）への転送の改善を図ると共にＤレンジの改善を図ることができるものである。即ち、高輝度被写体撮影時において高輝度被写体の輝度が低下するという不具合と、低輝度被写体撮影時に感度比のバランスが崩れてしまうという不具合を同時に解決することができる。また、Ｄレンジを増加させることで加算画素数を増やすことができるために、フレームレートを大きくしたり感度を向上させたりすることが可能となり、例えばデジタルスチールカメラ等の撮像装置の仕様を大幅に拡大することができる。
また、本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、第１の電極にグランド電位が印加されているために、水平転送レジスタを駆動した場合のカップリングが問題とされることも無い。
なお、上記した本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、第２の電極に外部から電圧を印加する場合を例に挙げて説明を行なっているが、ＣＣＤ固体撮像装置内で第２の電極に印加する電位を生成しても良い。
具体的には、図４で示す様に、第２の電極に第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２の各一端を電気的に接続し、第１の抵抗Ｒ１の他端に基準電位点であるグランド（接地）と電気的に接続し、第２の抵抗Ｒ２の他端に電極１１に印加する転送クロックＨφ１を印加することで、ＣＣＤ固体撮像装置内で生成された電位を第２の電極に印加しても良い。
また、図２に示す様に構成されたＣＣＤ固体撮像装置に対して、電極Ｈ１に図５（ａ）中符号Ｈφ１で示す転送クロックを印加し、電極Ｈ２に図５（ａ）中符号Ｈφ２で示す転送クロックを印加し、最終段のＬＨ電極に図５（ａ）中符号ＬＨφで示す転送クロックを印加し、リセットゲートＲＧに図５（ａ）中符号ＲＧφで示すリセットゲートパルスを印加し、第１の電極に図５（ａ）中符号ＨＯＧφ１で示す接地電位を印加し、第２の電極に図５（ａ）中符号ＨＯＧφ２で示す転送クロックを印加することによって、図５（ａ）中符号Ｚで示す様なＣＣＤ固体撮像装置の出力信号を得ることができる。なお、第１の電極に印加する転送クロックは、電極Ｈ２に印加する転送クロックと略同期したものである。
本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、第２の電極にＨレベルの転送クロックを印加した場合には第２の電極とＬＨ電極のポテンシャルの差分だけ信号電荷を蓄積することができるためにＤレンジの増加を図ることが可能である（図５（ｂ）参照。）。一方、第２の電極にＬレベルの転送クロックを印加した場合には、電極ＬＨ、第２の電極、第１の電極の転送電界を直線的に形成できるために、電極ＬＨから第２の電極、第１の電極への転送をスムースに行なうことができる（図５（ｂ）参照。）。即ち、ＬＨ電極からＨＯＧ電極（第１の電極及び第２の電極）への転送の改善を図ると共にＤレンジの改善を図ることができるものである。即ち、高輝度被写体撮影時において高輝度被写体の輝度が低下するという不具合と、低輝度被写体撮影時に感度比のバランスが崩れてしまうという不具合を同時に解決することができる。また、Ｄレンジを増加させることで加算画素数を増やすことができるために、フレームレートを大きくしたり感度を向上させたりすることが可能となり、例えばデジタルスチールカメラ等の撮像装置の仕様を大幅に拡大することができる。
また、本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、第１の電極にグランド電位が印加されているために、水平転送レジスタを駆動した場合のカップリングが問題とされることも無い。
本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式的な平面図である。 本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置の水平転送レジスタの最終出力段を説明するための模式的な断面図である 各転送クロックの一例、並びに信号電荷の蓄積及び転送を説明するための模式図である。 本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置の変形例を説明するための模式図である。 各転送クロックの他の一例、並びに信号電荷の蓄積及び転送を説明するための図である。 従来のＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式的な平面図である。 従来のＣＣＤ固体撮像装置の水平転送レジスタの最終出力段を説明するための模式的な断面図、並びに信号電荷の蓄積及び転送を説明するための模式図である。 各転送クロックを説明するための模式図である。 Ｄレンジ及びＬＨ電極からＨＯＧ電極への転送を説明するための模式図である。 ＨＯＧ電極に転送クロックを印加するＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式図である。
符号の説明
１ 受光部
２ 読み出しゲート
３ 垂直転送レジスタ
４ 水平転送レジスタ
５ チャネルストップ領域
６ Ｎ型半導体基板
７ Ｐ型ウェル
８ チャネル
９ トランスファ領域
１０ ストレージ領域
１４ａ 第１の電極
１４ｂ 第２の電極
１５ 出力ゲート部
１６ 電荷検出部
１７ フローティング・ディフュージョン
１８ チャネル領域
１９ リセットドレイン
２０ リセットゲート

Claims (4)

  1. 信号電荷を転送する電荷転送部と、
    該電荷転送部の最終段から出力ゲート部を介して転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備える電荷転送装置において、
    前記電荷転送部の最終段に電圧を印加する電極が２分割され、前記電荷検出部側に位置する第１の電極には所定の固定電位が印加され、前記電荷検出部とは反対側に位置する第２の電極には転送クロックが印加されると共に、
    前記第２の電極に印加される転送クロックの振幅は、最終段より前の前記電荷転送部に印加される転送クロックの振幅よりも小さい
    電荷転送装置。
  2. 前記第２の電極には、前記最終段の電荷転送部に隣接する最終段のひとつ前の電荷転送部と同相の転送クロックが印加される
    請求項１に記載の電荷転送装置。
  3. 前記第２の電極には、前記最終段の電荷転送部に隣接する最終段のひとつ前の電荷転送部と逆相の転送クロックが印加される
    請求項１に記載の電荷転送装置。
  4. 撮像部と、
    該撮像部より転送された信号電荷を転送する電荷転送部と、
    該電荷転送部の最終段から出力ゲート部を介して転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、
    前記電荷転送部の最終段に電圧を印加する電極が２分割され、前記電荷検出部側に位置する第１の電極には所定の固定電位が印加され、前記電荷検出部とは反対側に位置する第２の電極には転送クロックが印加されると共に、
    前記第２の電極に印加される転送クロックの振幅は、最終段より前の前記電荷転送部に印加される転送クロックの振幅よりも小さい
    固体撮像装置。
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