JP4295702B2 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、より詳しくは、固体撮像装置の駆動方法に関する。
図６は、従来の固体撮像装置５１の概略平面図である。
固体撮像装置５１は、従来の固体撮像装置として最も広く用いられているインターライン型ＣＣＤ（ＩＴＣＣＤ）である。受光部６２には、多数の光電変換素子（画素）５２が正方格子状に配列されている。それぞれの光電変換素子５２の列間には、光電変換素子５２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）６４が、転送電極及び垂直転送チャネルを含んで形成され、光電変換素子５２で生じた信号電荷を垂直方向に転送する。
固体撮像装置５１は、従来の固体撮像装置として最も広く用いられているインターライン型ＣＣＤ（ＩＴＣＣＤ）である。受光部６２には、多数の光電変換素子（画素）５２が正方格子状に配列されている。それぞれの光電変換素子５２の列間には、光電変換素子５２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）６４が、転送電極及び垂直転送チャネルを含んで形成され、光電変換素子５２で生じた信号電荷を垂直方向に転送する。
図中、受光領域５２の下側にはＶＣＣＤ６４により転送される電荷を1行ごとに周辺回路７５に転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）７３が形成される。
図７（Ａ）は、従来の固体撮像装置５１の受光領域５２の一部の拡大平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の破線ＡＢ部分の拡大断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の破線ＣＤ部分の拡大断面図である。
図７（Ａ）は、従来の固体撮像装置５１の受光領域５２の一部の拡大平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の破線ＡＢ部分の拡大断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の破線ＣＤ部分の拡大断面図である。
光電変換素子５２の各列に対応して垂直転送チャネル５４が形成され、各光電変換素子５２に隣接して形成される読出しゲート用チャネル領域５１ｃを介して読み出される信号電荷を垂直方向に転送する。読出しゲート用チャネル領域５１ｃの反対側には垂直転送チャネル５４に隣接してチャネルストップ領域５３が設けられる。また、垂直転送チャネル５４の上方には、絶縁膜６０ａをはさんで転送電極５６（第１層ポリシリコン電極５６ａ及び第２層ポリシリコン電極５６ｂ）が形成される。
読み出し期間において、光電変換素子（画素）５２で発生した信号電荷を読出しゲート用チャネル領域（読み出し部）５１ｃ上に設けられた第２層ポリシリコン電極５６ｂ（ΦＶ１）にハイレベル（ＶＨ）を印加することにより垂直転送チャネル５４に読み出す。
その後、転送期間において転送電極５６ａ、５６ｂにミッドレベル（ＶＭ）又はローレベル（ＶＬ）のパルスを順次印加することにより、信号電荷をＨＣＣＤ７３に転送する。転送期間中のＶＣＣＤ６４の転送動作の合間にＨＣＣＤ７３の水平転送をＨＭ／ＨＬパルスの２相駆動動作を行う。
図８（Ａ）に、図７（Ｂ）の破線ＥＦ間の電位を示す。ｎ型基板５１ａに逆バイアスを加え光電変換素子５２との間に適切な電位障壁を形成することで、光電変換素子５２の過剰な電荷を排出するオーバーフロードレインを形成する。
図中、実線で示した電位は光電変換素子５２に電荷が蓄積された状態であり、電極５６ｂに低い電圧（ＶＭ又はＶＬ）が印加されているため、読み出し部５１ｃは閉じており、蓄積された信号電荷は垂直転送チャネル５４に読み出されない。
図中、破線で示した電位は、電極５６ｂに高い電圧（ＶＨ）が印加された状態であり、十分に高い電圧を印加することで光電変換素子５２に対し垂直転送チャネル５４に向かっての電位障壁がなくなり信号電荷は全て垂直転送チャネル５４に移動する。
これは、光電変換素子５２が完全空乏化した上体であり、読み出し時にこの完全空乏化が行われないと、例えば、ムービー動作のように読み出しと転送動作が連続的に繰り返される場合、光電変換素子５２に残った電荷は、次の読み出し時までに蓄積される信号電荷に重綻され、いわゆる残像現象となってムービー画像の著しい画質劣化を招く。従って、読み出し時には光電変換素子５２が完全空乏化するのに十分な電圧を印加する必要がある。以降、完全空乏化するのに必要最低限の電圧を最小空乏化電圧と称す。
特開２００２−１３４７３２号公報
図８（Ｂ）に、図７（Ｃ）の破線ＧＨ間の電位を示す。図中、実線で電極５６ｂに低い電圧（ＶＭ又はＶＬ）が印加され状態を示し、破線で電極５６ｂに高い電圧（ＶＨ）が印加された状態を示す。
読み出し部５１ｃの電位は、隣り合う電極５６ａ及びチャネルストップ領域５３の電位が低いため周知のフリンジング電界によりなだらかな電位勾配を生じ、例えば、図に示すように、電極５６ｂの幅が狭い場合には電極５６ｂ下部の電位は鋭角な電位分布となり電極の幅が十分に広い場合と比べ低い電位になってしまう。これはいわゆるナローチャネル効果であり、所望の電位を得るにはより高い電圧を印加する必要がある。つまり最小空乏化電圧の上昇を招く。
また、素子の小型化・微細化においてＶＣＣＤ６４の単位面積あたりの転送容量を増大させるために絶縁層６０ａの膜圧を薄くすることが望まれので、最小空乏化電圧を低く押させる必要がある。さらに、高い電圧が必要となると消費電力の増大を招く。
本発明の目的は、素子の微細化に伴い上昇する最小空乏化電圧の上昇を低減することのできる固体撮像装置を提供することである。
本発明の一観点によれば、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、複数行複数列に渡って配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネルに形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置は、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする。
本発明によれば、素子の微細化に伴い上昇する最小空乏化電圧の上昇を低減することのできる固体撮像装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施例によるＣＣＤ型固体撮像装置１の構成を表すブロック図である。
固体撮像装置１は、多数の光電変換素子１２が配置された受光領域２を含む。受光領域２には、多数の光電変換素子１２が正方格子状に配列されている。それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２４が、図２の転送電極１６ａ、１６ｂ及び垂直転送チャネル１４を含んで形成され、光電変換素子１２で生じた信号電荷を４相駆動パルス（Φ１〜Φ４）で垂直方向に転送する。
固体撮像装置１は、多数の光電変換素子１２が配置された受光領域２を含む。受光領域２には、多数の光電変換素子１２が正方格子状に配列されている。それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２４が、図２の転送電極１６ａ、１６ｂ及び垂直転送チャネル１４を含んで形成され、光電変換素子１２で生じた信号電荷を４相駆動パルス（Φ１〜Φ４）で垂直方向に転送する。
図中、受光領域２の下側にはＶＣＣＤにより転送される電荷を1行ごとに周辺回路４に転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）３が形成される。
さらに、受光領域２の外側には、例えば、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ回路等で構成される周辺回路４が形成される。周辺回路４としては、例えば、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）等が含まれる。
さらに、受光領域２の外側には、例えば、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ回路等で構成される周辺回路４が形成される。周辺回路４としては、例えば、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）等が含まれる。
図２は、固体撮像装置１の受光領域２の一部の拡大平面図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子１２、転送電極１６ａ、１６ｂを露出した状態を示す。
図３は、固体撮像装置１の拡大断面図である。図３（Ａ）は、図２に示す一点鎖線ｘ−ｙで固体撮像装置１を切断したものであり、図３（Ｂ）は、図２に示す一点鎖線ａ−ｂで固体撮像装置１を切断したものである。
図３は、固体撮像装置１の拡大断面図である。図３（Ａ）は、図２に示す一点鎖線ｘ−ｙで固体撮像装置１を切断したものであり、図３（Ｂ）は、図２に示す一点鎖線ａ−ｂで固体撮像装置１を切断したものである。
以下の説明においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ−型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ＋ 型不純物添加領域、あるいはｎ− 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ＋型不純物添加領域と表記する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。
半導体基板１１は、例えばｎ−型シリコン基板１１ａと、その一表面に形成されたｐ−型不純物添加領域１１ｂとを有する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂは、ｎ−型シリコン基板１１ａの一表面にｐ型不純物をイオン注入した後に熱処理を施すことによって、あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ型シリコン基板１１ａの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
次いで、後に形成される１列の光電変換素子列に１本ずつ対応して、ｐ− 型不純物添加領域１１ｂにｎ型不純物添加領域（垂直転送チャネル）１４が例えば、０．５μｍの幅で形成される。個々の垂直転送チャネル１４は、その全長に亘ってほぼ均一な不純物濃度を有し、対応する光電変換素子列に沿って延在する。
なお、ｎ型不純物添加領域（垂直転送チャネル）１４の下には、ｎ−型シリコン基板１１ａに逆バイアスを印加した場合にｎ型不純物添加領域１４との導通を防ぐためにｐ＋型不純物添加領域５１ｄが形成される。
次に、チャネルストップ領域１３が、垂直転送チャネル１４の隣（読出しゲート用チャネル領域１１ｃとなる箇所の反対側）に形成される。チャネルストップ領域１３は、例えばｐ＋型不純物添加領域、或いは、トレンチアイソレーション又は局所酸化（ＬＯＣＯＳ）によって構成される。
後に形成される各光電変換素子１２（ｎ型不純物添加領域１２ａ）の右側縁部に沿って、ｐ型不純物添加領域１１ｃが残される。各ｐ型不純物添加領域１１ｃは、読出しゲート用チャネル領域１１ｃとして利用される。
次に、酸化膜（ＯＮＯ膜）１０を、半導体基板１１の表面に形成する。ＯＮＯ膜は、例えば、膜厚が２０〜７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（熱酸化膜）と、膜厚が３０〜８０ｎｍ程度のシリコン窒化膜と、膜厚が１０〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜とを、半導体基板１１上にこの順番で堆積させた積層膜によって構成される。図２においては、便宜上、１つの層で酸化膜１０を表している。なお、上記の酸化膜１０は、ＯＮＯ膜の代わりに単層の酸化膜（ＳｉＯ２）で形成することもできる。
次に、電極形成工程を行う。この工程では、酸化膜１０上に、転送電極（多層ポリシリコン電極）１６ａ、１６ｂを形成する。半導体基板１の表面上に形成された酸化膜１０の上に第１の多結晶Ｓｉ層１６ａを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積し、第１の多結晶Ｓｉ層１６ａ表面に、ホトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ（露光、現像）によって所定のパターンにホトレジスト膜をパターニング後、これをマスクとして異方性の強い（マスク面に垂直方向のエッチング速度の大きな）ドライエッチング（塩素系ガス等使用）によりマスクレス領域（マスクの存在しない領域）の第１の多結晶層１６ａをエッチオフし、ホトレジスト膜を除去する。これにより、第１層ポリシリコン電極１６ａが形成される。
次に、Ｓｉ表面を酸化しＳｉＯ2 膜（第２の酸化膜）を第１層ポリシリコン電極１６ａの上に３００Å〜１０００Åの膜厚で形成する。さらに、第２の酸化膜上に減圧ＣＶＤ法等を用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積する。引続き、フォトリソグラフィを用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂのパターニングを行い、第２層ポリシリコン電極１６ｂが形成される。
次に、ｐ− 型不純物添加領域１１ｂの所定箇所を、イオン注入によりｎ型不純物添加領域１２ａに転換する。なお、ｎ型不純物添加領域１２ａは、電荷蓄積領域として機能する。転換したｎ型不純物添加領域１２ａの表層部をイオン注入によりｐ＋型不純物添加領域１２ｂに転換することによって、埋込み型のフォトダイオードである光電変換素子１２を形成する。
次に、多層ポリシリコン電極１６及びシリコン基板１１前面を覆うように絶縁膜１０を形成し、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金等をＰＶＤまたはＣＶＤによって絶縁膜１０上に堆積させることで遮光膜（図示せず）を形成する。この遮光膜は、各転送電極１６等を平面視上覆って、光電変換素子１２以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。各光電変換素子１２へ光が入射することができるように、遮光膜は、個々の光電変換素子１２の上方に開口部を１つずつ有する。さらに、遮光膜の上に、パッシベーション層、平坦化絶縁層、カラーフィルタ層、第２の平坦化膜、マイクロレンズを形成する。
以下に、本実施例による固体撮像装置１の駆動方法を説明する。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）の破線ｃ−ｄ間の電位を表す。ｎ型基板１１ａに逆バイアスを加え光電変換素子１２との間に適切な電位障壁を形成することで、光電変換素子１２の過剰な電荷を排出するオーバーフロードレインを形成する。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）の破線ｃ−ｄ間の電位を表す。ｎ型基板１１ａに逆バイアスを加え光電変換素子１２との間に適切な電位障壁を形成することで、光電変換素子１２の過剰な電荷を排出するオーバーフロードレインを形成する。
図中、実線で示した電位は光電変換素子１２に電荷が蓄積された状態であり、電極１６ｂに低い電圧（ＶＭ又はＶＬ）が印加されているため、読み出し部１１ｃは閉じており、蓄積された信号電荷は垂直転送チャネル１４に読み出されない。
図中、破線で示した電位は、読み出し期間において、光電変換素子（画素）１２で発生した信号電荷を読出しゲート用チャネル領域（読み出し部）５１ｃ上に設けられた第２層ポリシリコン電極５６ｂ及び第１層ポリシリコン電極５６ａ（ΦＶ１及びΦＶ２）に同時にハイレベル（ＶＨ）を印加した状態であり、これにより光電変換素子１２に対し垂直転送チャネル１４に向かっての電位障壁がなくなり信号電荷は垂直転送チャネル１４に移動する。
その後、転送期間において転送電極１６ａ、１６ｂにミッドレベル（ＶＭ）又はローレベル（ＶＬ）のパルスを順次印加することにより、信号電荷をＨＣＣＤ３に転送する。転送期間中のＶＣＣＤ１４の転送動作の合間にＨＣＣＤ３の水平転送を周知のＨＭ／ＨＬパルスの２相駆動動作で行う。
図４（Ｂ）は、図３（Ｂ）の破線ｅ−ｆ間の電位を表す。図中、実線で電極１６ａ及び電極１６ｂに低い電圧（ＶＭ又はＶＬ）が印加され状態を示し、破線で電極１６ａ及び電極１６ｂに同時に高い電圧（ＶＨ）が印加された状態を示す。なお、本実施例では、電極１６ａ及び電極１６ｂに印加される電圧は同じ値であるが、異なる電圧を各々の電極に印加するようにしても良い。例えば、電極１６ｂには、信号電荷を垂直転送チャネルに読み出すことが可能な十分に高い電圧を印加し、電極１６ａには少なくとも信号電荷を蓄積することが可能な電圧を印加するように手も良い。なお、１点鎖線で示す電位は、電極１６ｂのみに高い電圧（ＶＨ）が印加された状態を示す。
このようにすることで、図６に示す従来の固体撮像装置５１による読み出し部５１ｃに比べて、実質的に読み出し部１１ｃの幅が広がった状態となる。従って、ナローチャネル効果による最小空乏化電圧の上昇を避けることができる。
図５は、電極１６ａ及び電極１６ｂに印加する電圧（ＶＧ）に対するΦ１、Φ１２を示すグラフである。ＶＧ１は従来の固体撮像装置５１のように電極１６ｂのみに高い電圧をかける場合の電圧を示し、ＶＧ２は、本実施例による固体撮像装置１において電極１６ａ及び電極１６ｂのそれぞれに印加する電圧を示す。図から明らかなように、光電変換素子１２の空乏化電位に達する最小空乏化電位ＶＧは、ＶＧ２＜ＶＧ１となる。また、ＶＧ１及びＶＧ２を同じ電圧とした場合、すなわち電極１６ｂのみに電圧を印加する場合と電極１６ａ及び電極１６ｂの双方に同時に電圧を印加する場合とで同じ電圧（ＶＧ）を印加した場合には、電位Φ１とΦ１２の関係はΦ１＜Φ１２となる。
以上、本発明の実施例によれば、読み出しゲート電極１６ｂと該ゲート電極１６ｂに転送方向の下流に隣接する電極１６ａとに同時に高い電圧を印加するので、読み出しゲート電極１６ｂのみに、高い電圧を印加する場合に比べて最小空乏化電圧を低く抑えることができる。
なお、上述の実施例では、４相（ΦＶ１〜ΦＶ４）駆動により説明したが、周知の８相駆動や６相駆動においても同様の効果を得ることができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１…固体撮像装置、２…受光領域、３…ＨＣＣＤ、４…周辺回路、１０…絶縁膜、１１…半導体基板、１２…光電変換素子、１３…チャネルストップ領域、１４…転送チャネル、１５…絶縁膜、１６ａ…第１層転送電極、１６ｂ…第２層転送電極、２４…垂直電荷転送装置
Claims (6)
- ２次元表面を画定する半導体基板と、
前記半導体基板の受光領域に、複数行複数列に渡って配置された多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネル上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、
前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置であって、
前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記読み出し期間において前記読み出し電極と前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極とに印加される電圧が同等である請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記読み出し期間において前記読み出し電極と前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極とは同一の光電返還素子に隣接している請求項１又は２記載の固体撮像装置。
- ２次元表面を画定する半導体基板と、
前記半導体基板の受光領域に、複数行複数列に渡って配置された多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネル上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、
前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記読み出し期間において前記読み出し電極と前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極とに印加される電圧が同等である請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記読み出し期間において前記読み出し電極と前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極とは同一の光電返還素子に隣接している請求項４又は５記載の固体撮像装置の駆動方法。
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