JP4303005B2

JP4303005B2 - Solid-state imaging device

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Publication number: JP4303005B2
Application number: JP2003058930A
Authority: JP
Inventors: 寛赤堀
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004273557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフル・フレーム転送型（ＦＦＴ型）ＣＣＤまたはフレーム転送型（ＦＴ型）ＣＣＤの構成を図７に示す。図７に示されるＣＣＤ１００には、光検出部１０１の水平方向を分割する複数の列Ｈ１〜Ｈｎ及び垂直方向を分割する複数の行Ｖ１〜Ｖｍにより構成されるマトリクス状に画素１０３が配列されている。また、ＣＣＤ１００は、２相駆動の構成を有しており、画素１０３に光が入射することにより発生する電荷を垂直方向に転送するために、ＣＣＤ１００の水平方向を長手方向として延びた転送電極１０２ａ及び１０２ｂを画素１０３上に備えている。
【０００３】
そして、転送電極１０２ａ及び１０２ｂに垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２を印加するための配線１０４ａ及び１０４ｂが転送電極１０２ａ及び１０２ｂに電気的に接続され、図示しない制御手段によって垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２が制御されることにより電荷が垂直方向に転送される。列Ｈ１〜Ｈｎの端部には垂直方向に転送された電荷を水平方向に転送するための水平シフトレジスタ１０５及び水平方向に転送された電荷を増幅して出力する増幅器１０６が設けられている。
【０００４】
上記したようなＣＣＤ１００の中には、光検出部１０１の列数及び行数が、例えばｎが５００または１０００程度であり、ｍが８程度であるような細長い形状のものがある。このような形状のＣＣＤ１００は、光検出部１０１の長手方向に対して垂直な方向に電荷の転送を行うとともに同一列の画素１０３において発生した電荷を加算するラインビニング動作によって光の像を撮像する際に好適に用いられる。
【０００５】
しかし、図７に示されるような従来のＣＣＤ１００では、光検出部１０１の列数が多いと転送電極１０２ａ及び１０２ｂが長くなる。また、従来より、転送電極１０２ａ及び１０２ｂの材料としては、多結晶シリコン（ポリシリコン）が用いられているが、このような多結晶シリコンによる電極は、電気抵抗の低いアルミ等の金属または金属シリサイドからなる供給配線に比べて抵抗率が大きい。従って、電荷を垂直方向に転送する際に、高抵抗な転送電極１０２ａ及び１０２ｂによって転送速度が制限されるという問題がある。これに対して、例えば特許文献１に開示された固体撮像素子では、多結晶シリコンからなる転送電極にＡｌからなるシャント電極（いわゆる裏打ち電極）を付加することによって転送速度の高速化が図られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−７６３１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、転送電極に裏打ち電極を付加するような構成においては、次の問題がある。すなわち、表面入射型ＣＣＤに裏打ち電極を付加する場合、遮光性のＡｌなどの金属からなる電極が光入射面側に配置されるため、画素へ入射する入射光を裏打ち電極が遮り光検出部の開口率（受光面積）が低下する。そして、開口率の低下に伴う入射光量の減少により、画素において発生する電荷の数すなわち信号量が減少するので、入射光に対するＣＣＤの感度が劣化する。また、裏打ち電極を付加することによって各画素毎に開口率が異なるため、ラインビニング動作を行うＣＣＤにおいて受光部の各列毎に受光面積を均等にすることが困難である。
【０００８】
また、裏面入射型ＣＣＤに裏打ち電極を付加する場合、入射光は裏打ち電極が設置された側とは反対側から入射するため開口率の低下といった問題はないが、裏打ち電極の電極パターンが固定パターンノイズとなって撮像画像に現れてしまう。すなわち、裏面入射型ＣＣＤでは受光部を構成する半導体基板が薄板化されているので、入射光が例えば近赤外域〜赤外域などの長波長光である場合には一部の入射光が各画素で吸収されずに透過される。そして、透過した入射光が裏打ち電極において反射し画素に再度入射することによって、裏打ち電極の電極パターンに応じた光を画素が検出する。こうして、撮像画像に固定パターンノイズが発生する。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、入射光に対する感度の劣化等を伴うことなく電荷の転送速度を高速化することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含んでおり水平方向を長手方向とする半導体基板上に形成され、半導体基板の水平方向を分割する複数の列を垂直方向に分割して構成される複数の画素を有し、入射する光の像を撮像する光検出部と、光検出部の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として画素上に設置され、画素において発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送電圧が印加される転送電極と、転送電極に電気的に接続されて垂直転送電圧を転送電極に印加する供給配線とを備え、供給配線が、半導体基板の水平方向に沿って延びており、光検出部の複数の列のうち光検出部の端に位置する列の画素上に設置される転送電極が、光検出部外に延長されて供給配線に接続されており、転送電極の光検出部外に延長された部分によって転送された電荷を排出するための排出手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明による固体撮像装置では、転送電極が、光検出部の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されている。転送電極がこのように設置されることにより、転送電極がＣＣＤの長手方向に延びて設置される構成と比べて転送電極の長さを短くできる。転送電極が短くなることによって、各画素上に設置された転送電極と供給配線との間の抵抗値が低減されるので、電荷の転送速度を高速化することが可能である。
【００１２】
このような構成によれば、例えば、特許文献１に示されたような裏打ち電極を設置することなく、転送速度を高速化することが可能である。すなわち、本固体撮像装置によれば、入射光に対する感度の劣化等を伴うことなく電荷の転送速度を高速化することが可能となる。
【００１３】
また、本固体撮像装置では、転送電極が光検出部の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されているので、複数の転送電極それぞれの一端が半導体基板の水平方向に並んで配置されることとなる。従って、供給配線が半導体基板の水平方向に沿って延びることにより、供給配線と複数の転送電極それぞれとを容易に接続することができる。
【００１４】
また、光検出部の複数の列のうち光検出部の端に位置する列の画素上に設置される転送電極が、光検出部外に延長されて供給配線に接続されており、転送電極の光検出部外に延長された部分によって転送された電荷を排出するための排出手段をさらに備えることによって、光検出部の端に位置する列の画素上に設置される転送電極へ供給配線から垂直転送電圧を好適に供給することができるとともに、延長された転送電極による固体撮像装置の特性への影響を抑えることができる。
【００１６】
また、固体撮像装置は、画素から垂直方向に転送された電荷を受けて、該電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタをさらに備え、水平シフトレジスタは、複数の列に対応して水平方向に配列された複数の台形状のチャンネルから構成されていることを特徴としてもよい。
【００１７】
本固体撮像装置では、転送電極が光検出部の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されるので、光検出部の各画素が平行四辺形状を呈することとなる。従って、水平シフトレジスタが台形状のチャネルから構成されることにより、該チャンネルが平行四辺形状の画素の斜辺に隣接することができるので、光検出部から水平シフトレジスタへ電荷を好適に移動させることができる。
【００１８】
また、固体撮像装置は、複数の列のそれぞれに対して設けられ、画素から垂直方向に転送された電荷を一時的に保持する三角形状または台形状の複数の蓄積領域と、蓄積領域から電荷を受け取り、水平方向に転送する水平シフトレジスタとをさらに備えることを特徴としてもよい。
【００１９】
本固体撮像装置では、光検出部の各画素が平行四辺形状を呈する。従って、本固体撮像装置が三角形状または台形状の蓄積領域を備えることにより、該蓄積領域が平行四辺形状の画素の斜辺及び水平シフトレジスタに隣接することができる。そして、該蓄積領域が一時的に電荷を保持することにより、光検出部から蓄積領域を介して水平シフトレジスタへ電荷を好適に移動させることができる。
【００２０】
また、固体撮像装置は、画素において発生した電荷を各列ごとに加算して出力信号とするラインビニングを行うことを特徴としてもよい。これによって、本固体撮像装置を１次元ラインセンサとして用いることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２２】
図１は本発明による固体撮像装置の第１実施形態を表面側から見た概略構成図である。本実施形態においては、固体撮像装置１は２相駆動のＦＦＴ型ＣＣＤを備えている。このＦＦＴ型ＣＣＤは、光検出部の表面側から光の像が入射することにより生成される電荷を光検出部において転送する構成を有している。
【００２３】
固体撮像装置１は、ＣＣＤ２及び電荷転送制御部５によって構成されている。このうち、ＣＣＤ２は、半導体基板３及び転送電極１３によって構成された光検出部４、水平シフトレジスタ９、ダミー領域１５、及びドレイン１７を備えている。
【００２４】
半導体基板３は長方形状を呈しており、その表面に光検出部４が構成されている。ここで、水平シフトレジスタ９における電荷転送方向となる半導体基板３の長手方向を光検出部４の水平方向とし、該水平方向に直交し光検出部４における電荷転送方向となる方向を垂直方向とする。光検出部４は、複数の画素２３を有している。複数の画素２３は、２つの境界線によって、複数に分割されて構成されている。一つの境界線は、半導体基板３の長手方向（水平方向）を分割する、垂直方向を長手方向とするｎ個の列Ｈ１〜Ｈｎ（ｎは２以上の整数）を区切る垂直方向に延びる線である。もう一つの境界線は、垂直方向を長手方向とするｎ個の列Ｈ１〜Ｈｎ（ｎは２以上の整数）のそれぞれを分割する、該垂直方向に対して斜めである方向に延びる線である。そして、光検出部４の表面側より光の像が入射すると、画素２３の内部に電荷が発生する。
【００２５】
転送電極１３は、光透過性を有しており、多結晶シリコン（ポリシリコン）等からなる。転送電極１３は、２相駆動に対応する第１の転送電極１３１及び第２の転送電極１３２を有している。転送電極１３は、光検出部４の表面側に光検出部４の全体を覆って、光検出部４の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されている。換言すれば、転送電極１３は、光検出部４の垂直方向に対して所定の角度傾斜して設置されている。本実施形態では、転送電極１３は垂直方向に対して４５度傾斜して設置されている。
【００２６】
また、２相駆動に対応する垂直転送電圧Ｐ１、Ｐ２を転送電極１３１、１３２へ供給するための供給配線７ａ及び７ｂが、半導体基板３の水平方向に沿って設置されている。供給配線７ａ及び７ｂは、転送電極１３１及び１３２の一端にそれぞれ電気的に接続されている。転送電極１３１、１３２に垂直転送電圧Ｐ１、Ｐ２が供給されることによって、画素２３内部において発生した電荷を蓄積するとともに、電荷を垂直方向（図中の矢印１９）に転送する垂直シフトレジスタが構成される。そして、垂直転送電圧Ｐ１、Ｐ２が電荷転送制御部５により制御されることによって、電荷が転送される。なお、供給配線７ａ及び７ｂは、電気抵抗の低いアルミ等の金属または金属シリサイドからなる。
【００２７】
水平シフトレジスタ９は、各画素２３において発生し光検出部４の垂直方向に転送されてきた電荷を光検出部４から受け取り、この電荷を水平方向（矢印２１）に転送してアンプ部１１へ出力するための手段である。本実施形態では、水平シフトレジスタ９は台形状のチャンネルＣ１〜Ｃｎから構成されている。チャンネルＣ１〜Ｃｎは、光検出部４の列Ｈ１〜Ｈｎそれぞれに応じて設けられており、各列Ｈ１〜Ｈｎそれぞれの末端にある画素２３に隣接している。
【００２８】
すなわち、台形状のチャンネルＣ１〜Ｃｎそれぞれの平行でない２辺のうちの１辺が画素２３の斜辺に接しており、また、平行な２辺が当該チャンネルに隣接する他のチャンネルに接している。各チャンネルＣ１〜Ｃｎは、光検出部４において発生した電荷を受け取り、受け取った電荷をチャンネル間で転送してアンプ部１１へ送る。アンプ部１１は、水平シフトレジスタ９から出力された電荷を増幅し、光検出部４からの出力信号として固体撮像装置１の外部へ出力するための手段である。
【００２９】
ダミー領域１５は、光検出部４の列Ｈ１〜Ｈｎのうち端に位置する列Ｈｎの画素２３上に設置された転送電極１３の一部を光検出部４の外部に延長して形成された領域である。すなわち、本実施形態では、列Ｈｎの画素２３上に設置された転送電極１３のうち供給配線７ａ及び７ｂから離れている一部の転送電極１３が、光検出部４の外部まで延長されることにより供給配線７ａ及び７ｂに接続されている。このとき、転送電極１３を光検出部４の外部まで延長することにより新たな画素が形成されるが、この画素は不使用画素とされて撮像には用いられない。この不使用画素において発生した電荷は、ダミー領域１５に隣接するドレイン１７へ転送される。ドレイン１７は、電荷をＣＣＤ２の外部へ排出するための排出手段であり、ダミー領域１５から受け取った電荷を排出する（矢印２４）。
【００３０】
図２は、図１に示された固体撮像装置１のＣＣＤ２の具体的な構成を示す上面図である。また、図３は、図２に示された光検出部４のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。図２及び図３を参照すると、ＣＣＤ２は、半導体基板３、転送電極１３、及び絶縁層３５を備えている。
【００３１】
転送電極１３は、前述したように第１の転送電極１３１及び第２の転送電極１３２を有する。第１の転送電極１３１は、２本の電極１３１ａ及び１３１ｂからなる。同様に、第２の転送電極１３２は、２本の電極１３２ａ及び１３２ｂからなる。電極１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、及び１３２ｂは、図３に示すように、絶縁層３５を介して半導体基板３の表面側に設置されている。
【００３２】
また、電極１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、及び１３２ｂは、半導体基板３の垂直方向に並べて設置されており、転送電極１３の長手方向に延びている。電極１３１ａ及び１３１ｂは、供給配線７ａに電気的に接続されている。電極１３２ａ及び１３２ｂは、供給配線７ｂに電気的に接続されている。なお、半導体基板３及び転送電極１３を互いに絶縁する絶縁層３５の材料としては、光を透過する酸化膜等が用いられる。
【００３３】
図３に示されるように、半導体基板３は、半導体基板３の基体となるｐ型半導体層２７、及びその表面側に形成されたｎ型半導体層２９を有している。また、ｎ型半導体層２９には、その表面側に所定の間隔をあけてｎ^-型半導体層３１が垂直方向に複数埋め込まれている。こうして、半導体基板３の表面にはｎ型半導体層２９とｎ^-型半導体層３１とが交互に配列される。このｎ型半導体層２９及びｎ^-型半導体層３１からなる構造は、転送電極１３の構造に対応して設けられている。すなわち、ｎ^-型半導体層３１は、電極１３１ａ及び１３２ａの下方に位置しており、ｎ型半導体層２９は、電極１３１ｂ及び１３２ｂの下方に位置している。半導体基板３及び転送電極１３をこのような構成とすることによって、同じ垂直転送電圧が供給されている隣接する２本の電極、例えば電極１３１ａ及び１３１ｂ、によって形成されるポテンシャルウェルの深さをそれぞれ異なるものとして、２相駆動におけるその間の電荷転送を実現している。
【００３４】
また、図２に示されるように、半導体基板３は、垂直方向に延びる複数のアイソレーション領域２５を有している。アイソレーション領域２５はｐ型半導体層からなり、各列Ｈ１〜Ｈｎを互いに分離している。画素２３は、アイソレーション領域２５に挟まれた領域において、上記した電極１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、及び１３２ｂと、ｎ型半導体層２９及びｎ^-型半導体層３１とによって構成されている。
【００３５】
本実施形態による固体撮像装置１において、光の像が光検出部４の表面側から入射すると、光の像は転送電極１３及び絶縁層３５を透過して、光検出部４の各画素２３内部へ到達する。そして、各画素２３内部において電荷が発生する。この電荷は、垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２が転送電極１３１及び１３２にそれぞれ供給されるとともに、これらの電圧が電荷転送制御部５によって制御されることにより画素２３内部において蓄積され、あるいは各列Ｈ１〜Ｈｎごとに垂直方向に転送される。
【００３６】
転送された電荷は、各列Ｈ１〜Ｈｎに対応する水平シフトレジスタ９のチャンネルＣ１〜Ｃｎへ出力される。このとき、固体撮像装置１は、ラインビニング動作を行う。つまり、光検出部４では、同一列における全ての画素２３内で発生した電荷が同時に垂直方向に転送される。この間、水平シフトレジスタ９の動作が停止されており、同一列において発生した電荷は、チャンネルＣ１〜Ｃｎにおいて全て加算される。
【００３７】
チャンネルＣ１〜Ｃｎに出力された電荷は、チャンネル間を水平方向に転送され、アンプ部１１へ入力されて増幅される。増幅された電荷は、各列Ｈ１〜Ｈｎごとの出力信号として固体撮像装置１の外部へ出力される。以上のようなラインビニング動作により、同一列の全ての画素で発生した電荷を、その列の出力信号として取り出すことができる。
【００３８】
本実施形態による固体撮像装置１は上記した構成及び動作によって、以下の効果を奏する。すなわち、固体撮像装置１では、転送電極１３が、光検出部４の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されている。転送電極１３がこのように設置されることにより、図７に示されたＣＣＤ１００のように転送電極がＣＣＤの水平方向に延びて設置される構成と比べて転送電極の長さを短くできる。この効果は、ＣＣＤ２の垂直方向の幅が小さいほど、また、水平方向の長さが長いほど、顕著に表れる。
【００３９】
例えば、光検出部４が水平方向に７列に分割されており、各列が垂直方向に２つに分割されている（すなわち各列２画素）ような構成を考える。画素の大きさを１００（μｍ）×１００（μｍ）とし、画素ピッチを１００（μｍ）とすると、図７に示したように転送電極が水平方向に延びて設置される構成のＣＣＤ１００における転送電極１０２ａ及び１０２ｂは、１００（μｍ）×７（列）＝７００（μｍ）の長さが必要になる。これに対して、本実施形態による固体撮像装置１の構成によれば、例えば転送電極１３が垂直方向に対し４５度の角度で設置されているとすると、転送電極１３の長さは１００（μｍ）×√２×２（画素）＝２８３（μｍ）となり、従来の転送電極の長さの約２／５倍となる。
【００４０】
１次元ラインセンサとして用いられるような固体撮像装置においては、例えば１０００列×８画素といった形状のものが用いられている。画素の大きさ及び画素ピッチを上記したものと同じとすると、このような固体撮像装置では従来の転送電極１０２ａ及び１０２ｂの長さは１００（μｍ）×１０００（列）＝１０００００（μｍ）となる。一方、本実施形態による固体撮像装置１の構成によれば、転送電極１３の長さは１００（μｍ）×√２×８（画素）＝１１３２（μｍ）となり、従来の転送電極の長さの約１／８８倍となる。
【００４１】
このように、本実施形態による固体撮像装置１によれば、転送電極が従来の構成に比べて格段に短くなる。金属に比べて高抵抗な多結晶シリコンなどからなる転送電極が短くなることによって、各画素２３上に設置される転送電極１３の部分と供給配線７ａ及び７ｂとの間の抵抗値が低減される。従って、本実施形態による固体撮像装置によれば、電荷の転送速度を高速化することが可能である。
【００４２】
また、本実施形態による固体撮像装置によれば、例えば、特許文献１に示されたような裏打ち電極を設置することなく、転送速度を高速化することが可能なので、入射光に対する感度の劣化等を伴うことなく電荷の転送速度を高速化することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態による固体撮像装置１では、供給配線７ａ及び７ｂが半導体基板３の水平方向に沿って延びている。固体撮像装置１においては、転送電極１３が光検出部４の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されているので、複数の転送電極１３それぞれの一端が半導体基板３の水平方向に並んで配置されることとなる。従って、供給配線７ａ及び７ｂが半導体基板３の水平方向に沿って延びることにより、供給配線７ａ及び７ｂと複数の転送電極１３それぞれとを容易に接続することができる。
【００４４】
また、本実施形態による固体撮像装置１では、光検出部４の端に位置する列Ｈｎの画素２３上に設置される転送電極１３が光検出部４の外部に延長されて供給配線７ａ及び７ｂに接続されている。列Ｈｎの画素２３上に設置される転送電極１３のうち供給配線７ａ及び７ｂから離れている一部の転送電極１３は、光検出部４の内部においてその一端が他の転送電極１３の一端（供給配線７ａ及び７ｂに接続される側）とは半導体基板３の長手方向に並ばない。そこで、本実施形態のように当該一部の転送電極１３を光検出部４の外部へ延長することにより、当該一部の転送電極１３へ供給配線７ａ及び７ｂから垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２を好適に供給することができる。また、光検出部４の外部に延長された転送電極１３の部分によって構成される画素に光の像が入射することにより電荷が発生するが、この電荷を排出するためのドレイン１７を備えることにより、延長された転送電極１３による固体撮像装置１の出力特性への影響を抑えることができる。
【００４５】
また、本実施形態による固体撮像装置１は、水平シフトレジスタ９が、複数の列Ｈ１〜Ｈｎに対応して水平方向に配列された複数の台形状のチャンネルＣ１〜Ｃｎから構成されている。固体撮像装置１では、転送電極１３が光検出部４の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として設置されるので、転送電極１３と垂直方向に延びるアイソレーション領域２５とによって光検出部４の各画素２３が平行四辺形状を呈することとなる。従って、チャンネルＣ１〜Ｃｎが台形状であることにより、該チャンネルＣ１〜Ｃｎが平行四辺形状の画素２３の斜辺に隣接して配置されるので、光検出部４から水平シフトレジスタ９へ電荷を好適に移動させることができる。
【００４６】
また、本実施形態による固体撮像装置１は、画素２３において発生した電荷を各列Ｈ１〜Ｈｎごとに加算して出力信号とするラインビニング動作を行っている。これによって、固体撮像装置１を１次元ラインセンサとして用いることができる。
【００４７】
図４は、本発明による固体撮像装置の第２実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による固体撮像装置１ａは、以下の点で上記した第１実施形態による固体撮像装置１とは異なっている。すなわち、本実施形態による固体撮像装置１ａでは、列Ｈｎの画素２３上に設置された転送電極１３が光検出部４の外部へ延長されず、ドレイン１７を備えていない。そして、供給配線７ａ及び７ｂが、半導体基板３の垂直方向に延びる垂直部分７１ａ及び７１ｂをそれぞれ有している。
【００４８】
供給配線７ａの垂直部分７１ａは、光検出部４の端の列Ｈｎに沿って設置されており、列Ｈｎの画素２３上に設置された転送電極１３１のうち供給配線７ａから離れた一部の転送電極１３１に電気的に接続されている。同様に、供給配線７ｂの垂直部分７１ｂは、光検出部４の端の列Ｈｎに沿って設置されており、列Ｈｎの画素２３上に設置された転送電極１３２のうち供給配線７ｂから離れた一部の転送電極１３２に電気的に接続されている。垂直部分７１ａは、転送電極１３１に垂直転送電圧Ｐ１を供給する。同様に、垂直部分７１ｂは、転送電極１３２に垂直転送電圧Ｐ２を供給する。
【００４９】
なお、本実施形態による固体撮像装置１ａの動作は第１実施形態による固体撮像装置１の動作と同様なので、その説明を省略する。
【００５０】
本実施形態による固体撮像装置１ａは、次の効果を有する。すなわち、本実施形態による固体撮像装置１ａによれば、転送電極が従来の構成に比べて格段に短くなるので、電荷の転送速度を高速化することが可能となる。
【００５１】
また、本実施形態による固体撮像装置１ａでは、供給配線７ａ（７ｂ）の垂直部分７１ａ（７１ｂ）が、光検出部４の端に位置する列Ｈｎの画素上に設置される転送電極１３１（１３２）に電気的に接続されている。このように、第１実施形態のように転送電極１３を延長する以外に、本実施形態のように供給配線７ａ及び７ｂが垂直部分７１ａ及び７１ｂを有することによっても、列Ｈｎの画素２３上に設置される転送電極１３のうち供給配線７ａ及び７ｂから離れている一部の転送電極１３へ垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２を好適に供給することができる。
【００５２】
図５は、本発明による固体撮像装置の第３実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による固体撮像装置１ｂは、以下の点で上記した第１実施形態による固体撮像装置１とは異なっている。すなわち、本実施形態による固体撮像装置１ｂは、各列Ｈ１〜Ｈｎにおいて転送された電荷を一時的に保持する複数の蓄積領域Ａ１〜Ａｎを備えている。蓄積領域Ａ１〜Ａｎはそれぞれ三角形状に形成されており、各列Ｈ１〜Ｈｎの画素２３のうち最も水平シフトレジスタ９ａに近い画素２３と水平シフトレジスタ９ａとの間に設けられている。また、本実施形態による固体撮像装置１ｂでは、水平シフトレジスタ９ａの各チャンネルＣ１〜Ｃｎはそれぞれ矩形状に形成されている。つまり、三角形状の蓄積領域Ａ１が、平行四辺形状の画素２３の斜辺と矩形状のチャンネルＣ１の間に挟まれており、画素２３の斜辺及びチャンネルＣ１と接している。これは、蓄積領域Ａ２〜Ａｎについても同様である。
【００５３】
本実施形態による固体撮像装置１ｂにおいて、光の像が光検出部４の表面側から入射すると、各画素２３において電荷が発生する。そして、垂直転送電圧Ｐ１及びＰ２が転送電極１３１及び１３２にそれぞれ供給されることにより、発生した電荷が各列Ｈ１〜Ｈｎごとに垂直方向に転送される。転送された電荷は、各列Ｈ１〜Ｈｎに対応する蓄積領域Ａ１〜Ａｎへ出力され、蓄積領域Ａ１〜Ａｎにおいて保持される。その後、電荷は、蓄積領域Ａ１〜Ａｎに対応する水平シフトレジスタ９ａのチャンネルＣ１〜Ｃｎへ出力される。そして、電荷はチャンネル間を水平方向に転送され、アンプ部１１へ入力されて増幅される。増幅された電荷は、各画素２３ごとの出力信号として固体撮像装置１の外部へ出力される。
【００５４】
本実施形態による固体撮像装置１ｂは、次の効果を有する。すなわち、本実施形態による固体撮像装置１ｂによれば、転送電極が従来の構成に比べて格段に短くなるので、電荷の転送速度を高速化することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態による固体撮像装置１ｂは、複数の列Ｈ１〜Ｈｎのそれぞれに配置された三角形状の複数の蓄積領域Ａ１〜Ａｎを備えている。蓄積領域Ａ１〜Ａｎが三角形状に形成されているので、蓄積領域Ａ１〜Ａｎが平行四辺形状の画素２３の斜辺及び水平シフトレジスタ９ａのチャンネルＣ１〜Ｃｎに隣接することができる。従って、この蓄積領域Ａ１〜Ａｎが電荷を一時的に保持することにより、光検出部４から蓄積領域Ａ１〜Ａｎを介して水平シフトレジスタ９ａへ電荷を好適に移動させることができる。
【００５６】
図６は、第３実施形態による固体撮像装置１ｂの変形例の構成を示す平面図である。本変形例による固体撮像装置１ｃは、蓄積領域Ａ１〜Ａｎの形状において第３実施形態による固体撮像装置１ｂと異なっている。本変形例による固体撮像装置１ｃでは、蓄積領域Ａ１〜Ａｎは台形状に形成されている。そして、台形状の蓄積領域Ａ１〜Ａｎの平行でない２辺のうちの１辺は画素２３の斜辺に接している。また、平行でない２辺のうちの他辺は水平シフトレジスタ９ａの矩形状のチャンネルＣ１〜Ｃｎに接している。また、台形状の蓄積領域Ａ１〜Ａｎの平行な２辺は、図示しないアイソレーション領域を挟んで他の蓄積領域の辺と対向している。
【００５７】
蓄積領域Ａ１〜Ａｎは、図６に示されたように台形状に形成されてもよい。蓄積領域Ａ１〜Ａｎが台形状に形成されることによっても、蓄積領域Ａ１〜Ａｎが平行四辺形状の画素２３の斜辺及び水平シフトレジスタ９ａのチャンネルＣ１〜Ｃｎに隣接することができる。
【００５８】
本発明による固体撮像装置は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、転送電極１３の傾斜角度は４５度に限らず、９０度以外の様々な角度とすることができる。
【００５９】
また、上記した各実施形態及び変形例では、２相駆動のＣＣＤを用いている。これ以外に、３相駆動以上のＣＣＤを用いても、必要本数の転送電極を画素上に設置することにより、本発明による固体撮像装置を好適に構成することができる。
【００６０】
また、上記した各実施形態及び変形例では、ＣＣＤにラインビニング動作をさせることにより固体撮像装置を１次元ラインセンサとしている。このような動作を行うものに限らず、長手方向を有する固体撮像装置であれば本発明を適用することが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の構成においては、光検出部の垂直方向に対して斜めである方向を長手方向として転送電極を設置している。これによって、転送電極の長さが短くなり、入射光に対する感度の劣化等を伴うことなく電荷の転送速度を高速化することが可能な固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置の第１実施形態を表面側から見た概略構成図である。
【図２】図１に示された固体撮像装置のＣＣＤの具体的な構成を示す上面図である。
【図３】図２に示された光検出部のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図４】本発明による固体撮像装置の第２実施形態の構成を示す平面図である。
【図５】本発明による固体撮像装置の第３実施形態の構成を示す平面図である。
【図６】第３実施形態による固体撮像装置の変形例の構成を示す平面図である。
【図７】従来のＦＦＴ型ＣＣＤまたはＦＴ型ＣＣＤの構成を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ〜１ｃ…固体撮像装置、２…ＣＣＤ、３…半導体基板、４…光検出部、５…電荷転送制御部、７ａ、７ｂ…供給配線、９、９ａ…水平シフトレジスタ、１１…アンプ部、１３…転送電極、１５…ダミー領域、１７…ドレイン、２３…画素、２５…アイソレーション領域、２７…ｐ型半導体層、２９…ｎ型半導体層、３１…ｎ^-型半導体層、３５…絶縁層、７１ａ、７１ｂ…垂直部分、１３１…転送電極、１３１ａ、１３１ｂ…電極、１３２…転送電極、１３２ａ、１３２ｂ…電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
The configuration of a conventional full frame transfer type (FFT type) CCD or frame transfer type (FT type) CCD is shown in FIG. In the CCD 100 shown in FIG. 7, pixels 103 are arranged in a matrix formed by a plurality of columns H1 to Hn that divide the horizontal direction of the light detection unit 101 and a plurality of rows V1 to Vm that divide the vertical direction. Yes. The CCD 100 has a two-phase drive configuration, and in order to transfer charges generated by light incident on the pixels 103 in the vertical direction, transfer electrodes 102a extending in the horizontal direction of the CCD 100 as a longitudinal direction. And 102b are provided on the pixel 103.
[0003]
Wirings 104a and 104b for applying vertical transfer voltages P1 and P2 to the transfer electrodes 102a and 102b are electrically connected to the transfer electrodes 102a and 102b, and the vertical transfer voltages P1 and P2 are controlled by control means (not shown). As a result, charges are transferred in the vertical direction. At the ends of the columns H1 to Hn, there are provided a horizontal shift register 105 for transferring charges transferred in the vertical direction in the horizontal direction and an amplifier 106 for amplifying and outputting the charges transferred in the horizontal direction.
[0004]
Among the CCDs 100 as described above, there are some CCDs 100 having a long and narrow shape in which the number of columns and rows of the light detection unit 101 is, for example, n is about 500 or 1000 and m is about 8. The CCD 100 having such a shape captures an image of light by a line binning operation that transfers charges in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the light detection unit 101 and adds charges generated in the pixels 103 in the same column. In this case, it is preferably used.
[0005]
However, in the conventional CCD 100 as shown in FIG. 7, the transfer electrodes 102 a and 102 b become longer when the number of columns of the light detection unit 101 is large. Conventionally, polycrystalline silicon (polysilicon) has been used as the material for the transfer electrodes 102a and 102b. Such an electrode made of polycrystalline silicon is made of a metal such as aluminum having a low electrical resistance or a metal silicide. The resistivity is higher than that of the supply wiring made of Therefore, when transferring charges in the vertical direction, there is a problem that the transfer speed is limited by the transfer electrodes 102a and 102b having high resistance. On the other hand, in the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1, for example, the transfer speed is increased by adding a shunt electrode (so-called backing electrode) made of Al to the transfer electrode made of polycrystalline silicon. Yes.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-76319 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration in which the backing electrode is added to the transfer electrode has the following problems. That is, when a backing electrode is added to a front-illuminated CCD, a light-shielding electrode made of a metal such as Al is disposed on the light incident surface side, so that the incident light incident on the pixel is blocked by the backing electrode. The aperture ratio (light receiving area) decreases. Further, since the number of charges generated in the pixel, that is, the signal amount is decreased due to the decrease in the incident light amount accompanying the decrease in the aperture ratio, the sensitivity of the CCD to the incident light is deteriorated. In addition, since the aperture ratio differs for each pixel by adding the backing electrode, it is difficult to make the light receiving area uniform for each column of the light receiving unit in the CCD that performs the line binning operation.
[0008]
In addition, when a backing electrode is added to a back-illuminated CCD, incident light enters from the side opposite to the side where the backing electrode is installed, so there is no problem of a decrease in the aperture ratio, but the electrode pattern of the backing electrode is a fixed pattern. Noise appears in the captured image. That is, in the back-illuminated CCD, since the semiconductor substrate constituting the light receiving unit is thinned, when the incident light is long-wavelength light such as the near infrared region to the infrared region, a part of the incident light is transmitted to each pixel. It is transmitted without being absorbed. The transmitted incident light is reflected by the backing electrode and reenters the pixel, so that the pixel detects light corresponding to the electrode pattern of the backing electrode. Thus, fixed pattern noise occurs in the captured image.
[0009]
The present invention has been made to solve the above problems, and provides a solid-state imaging device capable of increasing the charge transfer speed without deteriorating sensitivity to incident light. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A solid-state imaging device according to the present invention includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and is formed on a semiconductor substrate having a horizontal direction as a longitudinal direction. A pixel having a plurality of divided pixels, and a light detection unit that picks up an image of incident light, and a direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit as a longitudinal direction. A transfer electrode to which a vertical transfer voltage for transferring the charge generated in the vertical direction is applied, and a supply wiring that is electrically connected to the transfer electrode and applies the vertical transfer voltage to the transfer electrode. The supply wiring extends along the horizontal direction of the semiconductor substrate, and the transfer electrode installed on the pixel in the column located at the end of the photodetection unit among the multiple columns of the photodetection unit is connected to the outside of the photodetection unit. And a discharge means for discharging charges transferred by a portion extended outside the light detection portion of the transfer electrode. It is characterized by that.
[0011]
In the solid-state imaging device according to the present invention, the transfer electrode is installed with the direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit as the longitudinal direction. By installing the transfer electrode in this way, the length of the transfer electrode can be shortened compared to a configuration in which the transfer electrode is installed extending in the longitudinal direction of the CCD. Since the transfer electrode is shortened, the resistance value between the transfer electrode provided on each pixel and the supply wiring is reduced, so that the charge transfer rate can be increased.
[0012]
According to such a configuration, for example, it is possible to increase the transfer speed without installing a backing electrode as disclosed in Patent Document 1. That is, according to the present solid-state imaging device, it is possible to increase the charge transfer rate without deteriorating sensitivity to incident light.
[0013]
Also ,Book In the solid-state imaging device, since the transfer electrode is installed with the direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit as the longitudinal direction, one end of each of the plurality of transfer electrodes is arranged side by side in the horizontal direction of the semiconductor substrate. It will be. Therefore, the supply wiring and each of the plurality of transfer electrodes can be easily connected by extending the supply wiring along the horizontal direction of the semiconductor substrate.
[0014]
Also ,light The transfer electrode installed on the pixel in the column located at the end of the light detection unit among the plurality of columns of the detection unit is extended outside the light detection unit and connected to the supply wiring, and the light detection unit of the transfer electrode The apparatus further comprises discharging means for discharging the charges transferred by the part extended to the outside. And Therefore, the vertical transfer voltage can be suitably supplied from the supply wiring to the transfer electrode installed on the pixel in the column located at the end of the light detection unit, and the characteristics of the solid-state imaging device due to the extended transfer electrode can be improved. The influence can be suppressed.
[0016]
The solid-state imaging device further includes a horizontal shift register that receives charges transferred from the pixels in the vertical direction and transfers the charges in the horizontal direction. The horizontal shift register corresponds to a plurality of columns in the horizontal direction. It may be configured by a plurality of trapezoidal channels arranged.
[0017]
In this solid-state imaging device, since the transfer electrode is installed with the direction oblique to the vertical direction of the light detection unit as the longitudinal direction, each pixel of the light detection unit has a parallelogram shape. Therefore, since the horizontal shift register is composed of a trapezoidal channel, the channel can be adjacent to the oblique side of the parallelogram-shaped pixel, so that charges can be suitably transferred from the light detection unit to the horizontal shift register. Can do.
[0018]
In addition, the solid-state imaging device is provided for each of a plurality of columns, and has a plurality of triangular or trapezoidal accumulation regions that temporarily hold charges transferred in the vertical direction from the pixels, and charges from the accumulation regions. A horizontal shift register for receiving and transferring in the horizontal direction may be further provided.
[0019]
In the solid-state imaging device, each pixel of the light detection unit has a parallelogram shape. Therefore, by providing the solid-state imaging device with a triangular or trapezoidal accumulation region, the accumulation region can be adjacent to the oblique sides of the parallelogram-shaped pixels and the horizontal shift register. Then, by temporarily holding the charge in the storage region, it is possible to suitably move the charge from the light detection unit to the horizontal shift register through the storage region.
[0020]
The solid-state imaging device may be characterized in that line binning is performed by adding the charges generated in the pixels for each column to obtain an output signal. Thus, the solid-state imaging device can be used as a one-dimensional line sensor.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a solid-state imaging device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0022]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention as viewed from the front side. In the present embodiment, the solid-state imaging device 1 includes a two-phase drive FFT type CCD. This FFT type CCD has a configuration in which charges generated by the incidence of a light image from the surface side of the light detection unit are transferred in the light detection unit.
[0023]
The solid-state imaging device 1 includes a CCD 2 and a charge transfer control unit 5. Among these, the CCD 2 includes a light detection unit 4, a horizontal shift register 9, a dummy region 15, and a drain 17 constituted by the semiconductor substrate 3 and the transfer electrode 13.
[0024]
The semiconductor substrate 3 has a rectangular shape, and a light detection unit 4 is formed on the surface thereof. Here, the longitudinal direction of the semiconductor substrate 3 that is the charge transfer direction in the horizontal shift register 9 is the horizontal direction of the light detection unit 4, and the direction that is orthogonal to the horizontal direction and is the charge transfer direction in the light detection unit 4 is the vertical direction. To do. The light detection unit 4 has a plurality of pixels 23. The plurality of pixels 23 are divided into a plurality of parts by two boundary lines. One boundary line is a line extending in the vertical direction that divides the longitudinal direction (horizontal direction) of the semiconductor substrate 3 and divides n columns H1 to Hn (n is an integer of 2 or more) with the vertical direction as the longitudinal direction. is there. Another boundary line is a line that divides each of n columns H1 to Hn (where n is an integer of 2 or more) whose longitudinal direction is the vertical direction and extends in a direction that is oblique to the vertical direction. . When an image of light enters from the surface side of the light detection unit 4, charges are generated inside the pixel 23.
[0025]
The transfer electrode 13 has optical transparency and is made of polycrystalline silicon (polysilicon) or the like. The transfer electrode 13 includes a first transfer electrode 131 and a second transfer electrode 132 corresponding to two-phase driving. The transfer electrode 13 is installed on the surface side of the light detection unit 4 so as to cover the whole of the light detection unit 4 and have a direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit 4 as a longitudinal direction. In other words, the transfer electrode 13 is installed at a predetermined angle with respect to the vertical direction of the light detection unit 4. In this embodiment, the transfer electrode 13 is installed with an inclination of 45 degrees with respect to the vertical direction.
[0026]
Further, supply wirings 7 a and 7 b for supplying vertical transfer voltages P 1 and P 2 corresponding to two-phase driving to the transfer electrodes 131 and 132 are provided along the horizontal direction of the semiconductor substrate 3. The supply wirings 7a and 7b are electrically connected to one ends of the transfer electrodes 131 and 132, respectively. By supplying the vertical transfer voltages P1 and P2 to the transfer electrodes 131 and 132, a vertical shift register that accumulates charges generated inside the pixel 23 and transfers the charges in the vertical direction (arrow 19 in the figure) is configured. Is done. The vertical transfer voltages P1 and P2 are controlled by the charge transfer control unit 5, whereby charges are transferred. The supply wirings 7a and 7b are made of a metal such as aluminum having a low electric resistance or a metal silicide.
[0027]
The horizontal shift register 9 receives the charge generated in each pixel 23 and transferred in the vertical direction of the light detection unit 4 from the light detection unit 4, and transfers this charge in the horizontal direction (arrow 21) to the amplifier unit 11. It is a means for outputting. In the present embodiment, the horizontal shift register 9 is composed of trapezoidal channels C1 to Cn. The channels C1 to Cn are provided according to the columns H1 to Hn of the light detection unit 4 and are adjacent to the pixels 23 at the ends of the columns H1 to Hn.
[0028]
That is, one of the two non-parallel sides of each of the trapezoidal channels C1 to Cn is in contact with the oblique side of the pixel 23, and the two parallel sides are in contact with another channel adjacent to the channel. Each of the channels C1 to Cn receives the charge generated in the light detection unit 4, transfers the received charge between the channels, and sends it to the amplifier unit 11. The amplifier unit 11 is means for amplifying the electric charge output from the horizontal shift register 9 and outputting it as an output signal from the light detection unit 4 to the outside of the solid-state imaging device 1.
[0029]
The dummy region 15 is formed by extending a part of the transfer electrode 13 installed on the pixel 23 in the column Hn located at the end of the columns H1 to Hn of the light detection unit 4 to the outside of the light detection unit 4. It is an area. That is, in the present embodiment, a part of the transfer electrodes 13 that are separated from the supply wirings 7 a and 7 b among the transfer electrodes 13 installed on the pixels 23 in the column Hn are extended to the outside of the light detection unit 4. Are connected to the supply wirings 7a and 7b. At this time, a new pixel is formed by extending the transfer electrode 13 to the outside of the light detection unit 4, but this pixel is an unused pixel and is not used for imaging. The charges generated in the unused pixels are transferred to the drain 17 adjacent to the dummy region 15. The drain 17 is a discharging means for discharging the charge to the outside of the CCD 2 and discharges the charge received from the dummy area 15 (arrow 24).
[0030]
FIG. 2 is a top view showing a specific configuration of the CCD 2 of the solid-state imaging device 1 shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a II cross section of the light detection unit 4 shown in FIG. 2 and 3, the CCD 2 includes a semiconductor substrate 3, a transfer electrode 13, and an insulating layer 35.
[0031]
As described above, the transfer electrode 13 includes the first transfer electrode 131 and the second transfer electrode 132. The first transfer electrode 131 includes two electrodes 131a and 131b. Similarly, the second transfer electrode 132 includes two electrodes 132a and 132b. The electrodes 131a, 131b, 132a, and 132b are disposed on the surface side of the semiconductor substrate 3 with the insulating layer 35 interposed therebetween as shown in FIG.
[0032]
The electrodes 131 a, 131 b, 132 a, and 132 b are arranged side by side in the vertical direction of the semiconductor substrate 3 and extend in the longitudinal direction of the transfer electrode 13. The electrodes 131a and 131b are electrically connected to the supply wiring 7a. The electrodes 132a and 132b are electrically connected to the supply wiring 7b. As a material for the insulating layer 35 that insulates the semiconductor substrate 3 and the transfer electrode 13 from each other, an oxide film that transmits light is used.
[0033]
As shown in FIG. 3, the semiconductor substrate 3 includes a p-type semiconductor layer 27 that becomes a base of the semiconductor substrate 3 and an n-type semiconductor layer 29 formed on the surface side thereof. In addition, the n-type semiconductor layer 29 is n with a predetermined interval on the surface side. ^- A plurality of type semiconductor layers 31 are embedded in the vertical direction. Thus, the n-type semiconductor layer 29 and the n-type semiconductor layer 29 are formed on the surface of the semiconductor substrate 3. ^- The type semiconductor layers 31 are arranged alternately. The n-type semiconductor layer 29 and n ^- The structure composed of the type semiconductor layer 31 is provided corresponding to the structure of the transfer electrode 13. That is, n ^- The type semiconductor layer 31 is located below the electrodes 131a and 132a, and the n-type semiconductor layer 29 is located below the electrodes 131b and 132b. By configuring the semiconductor substrate 3 and the transfer electrode 13 in this way, the depth of the potential well formed by two adjacent electrodes, for example, the electrodes 131a and 131b, to which the same vertical transfer voltage is supplied, respectively. As a difference, charge transfer between the two phases is realized.
[0034]
Further, as shown in FIG. 2, the semiconductor substrate 3 has a plurality of isolation regions 25 extending in the vertical direction. The isolation region 25 is made of a p-type semiconductor layer and separates the columns H1 to Hn from each other. In the region sandwiched between the isolation regions 25, the pixel 23 includes the electrodes 131a, 131b, 132a, and 132b, the n-type semiconductor layer 29, and n. ^- It is comprised by the type | mold semiconductor layer 31. FIG.
[0035]
In the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, when a light image is incident from the surface side of the light detection unit 4, the light image is transmitted through the transfer electrode 13 and the insulating layer 35, and inside each pixel 23 of the light detection unit 4. To reach. Electric charges are generated inside each pixel 23. The charges are stored in the pixels 23 by the vertical transfer voltages P1 and P2 being supplied to the transfer electrodes 131 and 132, respectively, and controlled by the charge transfer control unit 5, or each of the columns H1 to H1. Each Hn is transferred in the vertical direction.
[0036]
The transferred charges are output to the channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9 corresponding to the columns H1 to Hn. At this time, the solid-state imaging device 1 performs a line binning operation. That is, in the light detection unit 4, charges generated in all the pixels 23 in the same column are simultaneously transferred in the vertical direction. During this time, the operation of the horizontal shift register 9 is stopped, and the charges generated in the same column are all added in the channels C1 to Cn.
[0037]
The electric charges output to the channels C1 to Cn are transferred between the channels in the horizontal direction, input to the amplifier unit 11, and amplified. The amplified charge is output to the outside of the solid-state imaging device 1 as an output signal for each column H1 to Hn. By the line binning operation as described above, the charges generated in all the pixels in the same column can be taken out as an output signal of that column.
[0038]
The solid-state imaging device 1 according to the present embodiment has the following effects by the configuration and operation described above. That is, in the solid-state imaging device 1, the transfer electrode 13 is installed with the direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit 4 as the longitudinal direction. By installing the transfer electrode 13 in this way, the length of the transfer electrode can be shortened as compared with a configuration in which the transfer electrode extends in the horizontal direction of the CCD as in the CCD 100 shown in FIG. This effect becomes more prominent as the vertical width of the CCD 2 is smaller and as the horizontal length is longer.
[0039]
For example, consider a configuration in which the light detection unit 4 is divided into seven columns in the horizontal direction and each column is divided into two in the vertical direction (that is, two pixels in each column). When the pixel size is 100 (μm) × 100 (μm) and the pixel pitch is 100 (μm), the transfer electrode in the CCD 100 having a configuration in which the transfer electrode extends in the horizontal direction as shown in FIG. The lengths of 102a and 102b are required to be 100 (μm) × 7 (row) = 700 (μm). On the other hand, according to the configuration of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, for example, if the transfer electrode 13 is installed at an angle of 45 degrees with respect to the vertical direction, the length of the transfer electrode 13 is 100 (μm). ) × √2 × 2 (pixel) = 283 (μm), which is about 2/5 times the length of the conventional transfer electrode.
[0040]
A solid-state imaging device used as a one-dimensional line sensor has a shape of, for example, 1000 columns × 8 pixels. Assuming that the pixel size and pixel pitch are the same as those described above, in such a solid-state imaging device, the length of the conventional transfer electrodes 102a and 102b is 100 (μm) × 1000 (column) = 100000 (μm). . On the other hand, according to the configuration of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the length of the transfer electrode 13 is 100 (μm) × √2 × 8 (pixel) = 1132 (μm), which is the length of the conventional transfer electrode. It becomes about 1/88 times.
[0041]
Thus, according to the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the transfer electrode is remarkably shortened as compared with the conventional configuration. By shortening the transfer electrode made of polycrystalline silicon or the like having a higher resistance than metal, the resistance value between the portion of the transfer electrode 13 installed on each pixel 23 and the supply wirings 7a and 7b is reduced. . Therefore, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, the charge transfer rate can be increased.
[0042]
In addition, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, for example, the transfer speed can be increased without installing a backing electrode as disclosed in Patent Document 1, so that the sensitivity to incident light is deteriorated, etc. It is possible to increase the transfer rate of charges without accompanying.
[0043]
Further, in the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the supply wirings 7 a and 7 b extend along the horizontal direction of the semiconductor substrate 3. In the solid-state imaging device 1, since the transfer electrode 13 is installed with the direction oblique to the vertical direction of the light detection unit 4 as the longitudinal direction, one end of each of the plurality of transfer electrodes 13 is in the horizontal direction of the semiconductor substrate 3. Will be arranged side by side. Therefore, the supply wirings 7a and 7b extend along the horizontal direction of the semiconductor substrate 3, whereby the supply wirings 7a and 7b and the plurality of transfer electrodes 13 can be easily connected.
[0044]
Further, in the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the transfer electrode 13 installed on the pixel 23 in the column Hn located at the end of the light detection unit 4 is extended outside the light detection unit 4 to supply wirings 7a and 7b. It is connected to the. Among the transfer electrodes 13 installed on the pixels 23 in the column Hn, some of the transfer electrodes 13 that are separated from the supply wirings 7a and 7b have one end inside the photodetecting section 4 and one end of the other transfer electrode 13 ( The side connected to the supply wirings 7 a and 7 b) is not arranged in the longitudinal direction of the semiconductor substrate 3. Therefore, the vertical transfer voltages P1 and P2 are preferably applied to the partial transfer electrodes 13 from the supply wirings 7a and 7b by extending the partial transfer electrodes 13 to the outside of the light detection unit 4 as in the present embodiment. Can be supplied to. In addition, a charge is generated when an image of light is incident on a pixel constituted by a portion of the transfer electrode 13 extended to the outside of the light detection unit 4, and a drain 17 for discharging the charge is provided. The influence of the extended transfer electrode 13 on the output characteristics of the solid-state imaging device 1 can be suppressed.
[0045]
In the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, the horizontal shift register 9 includes a plurality of trapezoidal channels C1 to Cn arranged in the horizontal direction corresponding to the plurality of columns H1 to Hn. In the solid-state imaging device 1, since the transfer electrode 13 is installed with the direction oblique to the vertical direction of the light detection unit 4 as the longitudinal direction, the light detection unit is formed by the transfer electrode 13 and the isolation region 25 extending in the vertical direction. Each of the four pixels 23 exhibits a parallelogram shape. Accordingly, since the channels C1 to Cn are trapezoidal, the channels C1 to Cn are disposed adjacent to the oblique sides of the parallelogram-shaped pixels 23, so that charges are preferably supplied from the light detection unit 4 to the horizontal shift register 9. Can be moved to.
[0046]
In addition, the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment performs a line binning operation in which the electric charges generated in the pixels 23 are added for each column H1 to Hn to obtain an output signal. Thereby, the solid-state imaging device 1 can be used as a one-dimensional line sensor.
[0047]
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. The solid-state imaging device 1a according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment described above in the following points. That is, in the solid-state imaging device 1a according to the present embodiment, the transfer electrode 13 installed on the pixel 23 in the column Hn is not extended to the outside of the light detection unit 4, and the drain 17 is not provided. The supply wirings 7 a and 7 b have vertical portions 71 a and 71 b extending in the vertical direction of the semiconductor substrate 3, respectively.
[0048]
The vertical portion 71a of the supply wiring 7a is installed along the column Hn at the end of the light detection unit 4, and a part of the transfer electrode 131 installed on the pixel 23 in the column Hn is separated from the supply wiring 7a. The transfer electrode 131 is electrically connected. Similarly, the vertical portion 71b of the supply wiring 7b is installed along the column Hn at the end of the light detection unit 4, and is separated from the supply wiring 7b among the transfer electrodes 132 installed on the pixels 23 of the column Hn. It is electrically connected to some transfer electrodes 132. The vertical portion 71a supplies a vertical transfer voltage P1 to the transfer electrode 131. Similarly, the vertical portion 71 b supplies the vertical transfer voltage P <b> 2 to the transfer electrode 132.
[0049]
The operation of the solid-state imaging device 1a according to the present embodiment is the same as the operation of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0050]
The solid-state imaging device 1a according to the present embodiment has the following effects. That is, according to the solid-state imaging device 1a according to the present embodiment, the transfer electrode is remarkably shortened as compared with the conventional configuration, so that the charge transfer rate can be increased.
[0051]
In the solid-state imaging device 1a according to the present embodiment, the vertical portion 71a (71b) of the supply wiring 7a (7b) is the transfer electrode 131 (132) installed on the pixel in the column Hn located at the end of the light detection unit 4. ) Is electrically connected. In this way, in addition to extending the transfer electrode 13 as in the first embodiment, the supply wirings 7a and 7b also have the vertical portions 71a and 71b as in the present embodiment, so The vertical transfer voltages P1 and P2 can be suitably supplied to a part of the transfer electrodes 13 that are distant from the supply wirings 7a and 7b among the transfer electrodes 13 that are installed.
[0052]
FIG. 5 is a plan view showing the configuration of the third embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. The solid-state imaging device 1b according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment described above in the following points. That is, the solid-state imaging device 1b according to the present embodiment includes a plurality of accumulation regions A1 to An that temporarily hold the charges transferred in the columns H1 to Hn. The accumulation areas A1 to An are each formed in a triangular shape, and are provided between the pixel 23 closest to the horizontal shift register 9a and the horizontal shift register 9a among the pixels 23 in each column H1 to Hn. In the solid-state imaging device 1b according to the present embodiment, the channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9a are each formed in a rectangular shape. In other words, the triangular accumulation region A1 is sandwiched between the hypotenuse of the parallelogram-shaped pixel 23 and the rectangular channel C1, and is in contact with the hypotenuse of the pixel 23 and the channel C1. The same applies to the accumulation regions A2 to An.
[0053]
In the solid-state imaging device 1b according to the present embodiment, when a light image is incident from the surface side of the light detection unit 4, charges are generated in each pixel 23. The vertical transfer voltages P1 and P2 are supplied to the transfer electrodes 131 and 132, respectively, whereby the generated charges are transferred in the vertical direction for each column H1 to Hn. The transferred charges are output to the accumulation regions A1 to An corresponding to the respective columns H1 to Hn and are held in the accumulation regions A1 to An. Thereafter, the charge is output to the channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9a corresponding to the accumulation regions A1 to An. The electric charges are transferred horizontally between the channels and input to the amplifier unit 11 to be amplified. The amplified charge is output to the outside of the solid-state imaging device 1 as an output signal for each pixel 23.
[0054]
The solid-state imaging device 1b according to the present embodiment has the following effects. That is, according to the solid-state imaging device 1b according to the present embodiment, the transfer electrode is remarkably shortened as compared with the conventional configuration, so that the charge transfer rate can be increased.
[0055]
The solid-state imaging device 1b according to the present embodiment includes a plurality of triangular storage areas A1 to An arranged in each of the plurality of columns H1 to Hn. Since the storage areas A1 to An are formed in a triangular shape, the storage areas A1 to An can be adjacent to the oblique sides of the parallelogram-shaped pixels 23 and the channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9a. Therefore, the storage areas A1 to An temporarily hold the charges, whereby the charges can be suitably moved from the light detection unit 4 to the horizontal shift register 9a via the storage areas A1 to An.
[0056]
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a modification of the solid-state imaging device 1b according to the third embodiment. The solid-state imaging device 1c according to the present modification is different from the solid-state imaging device 1b according to the third embodiment in the shapes of the accumulation areas A1 to An. In the solid-state imaging device 1c according to this modification, the accumulation regions A1 to An are formed in a trapezoidal shape. One of the two non-parallel sides of the trapezoidal accumulation areas A <b> 1 to An is in contact with the oblique side of the pixel 23. The other side of the two non-parallel sides is in contact with the rectangular channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9a. Further, two parallel sides of the trapezoidal accumulation regions A1 to An face opposite sides of other accumulation regions with an isolation region (not shown) interposed therebetween.
[0057]
The accumulation regions A1 to An may be formed in a trapezoidal shape as shown in FIG. By forming the storage areas A1 to An in a trapezoidal shape, the storage areas A1 to An can be adjacent to the oblique sides of the parallelogram-shaped pixels 23 and the channels C1 to Cn of the horizontal shift register 9a.
[0058]
The solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications are possible. For example, the inclination angle of the transfer electrode 13 is not limited to 45 degrees and can be various angles other than 90 degrees.
[0059]
In each of the above-described embodiments and modifications, a two-phase drive CCD is used. In addition to this, even when a CCD of three-phase driving or more is used, the solid-state imaging device according to the present invention can be suitably configured by installing the necessary number of transfer electrodes on the pixel.
[0060]
In each of the above-described embodiments and modifications, the solid-state imaging device is a one-dimensional line sensor by causing the CCD to perform a line binning operation. The present invention can be applied to any solid-state imaging device having a longitudinal direction without being limited to the above operation.
[0061]
【The invention's effect】
In the configuration of the present invention, the transfer electrode is provided with the direction that is oblique to the vertical direction of the light detection unit as the longitudinal direction. As a result, the length of the transfer electrode is shortened, and a solid-state imaging device capable of increasing the charge transfer speed without deteriorating sensitivity to incident light can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention as viewed from the surface side.
2 is a top view showing a specific configuration of a CCD of the solid-state imaging device shown in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line I-I of the light detection unit shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a third embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a modification of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional FFT type CCD or FT type CCD.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a-1c ... Solid-state imaging device, 2 ... CCD, 3 ... Semiconductor substrate, 4 ... Photodetection part, 5 ... Charge transfer control part, 7a, 7b ... Supply wiring, 9, 9a ... Horizontal shift register, 11 ... Amplifier 13, transfer electrode, 15, dummy region, 17, drain, 23, pixel, 25, isolation region, 27, p-type semiconductor layer, 29, n-type semiconductor layer, 31, n ^- Type semiconductor layer 35 ... Insulating layer 71a, 71b ... Vertical part 131 ... Transfer electrode 131a, 131b ... Electrode 132 ... Transfer electrode 132a, 132b ... Electrode

Claims

A plurality of p-type semiconductor layers and n-type semiconductor layers, which are formed on a semiconductor substrate having a horizontal direction as a longitudinal direction, and are formed by dividing a plurality of columns dividing the horizontal direction of the semiconductor substrate in a vertical direction. A light detection unit that captures an image of incident light,
A transfer electrode installed on the pixel with a direction oblique to the vertical direction of the light detection unit as a longitudinal direction, to which a vertical transfer voltage is applied to transfer the charge generated in the pixel in the vertical direction;
A supply wiring that is electrically connected to the transfer electrode and applies the vertical transfer voltage to the transfer electrode ;
The supply wiring extends along a horizontal direction of the semiconductor substrate;
The transfer electrode installed on the pixel in a column located at an end of the light detection unit among the plurality of columns of the light detection unit is extended outside the light detection unit and connected to the supply wiring. And
A solid-state imaging device , further comprising: a discharging unit for discharging charges transferred by a portion of the transfer electrode extended outside the light detection unit.

A horizontal shift register that receives charges transferred in the vertical direction from the pixels and transfers the charges in the horizontal direction;
2. The solid-state imaging device according to claim 1 , wherein the horizontal shift register includes a plurality of trapezoidal channels arranged in a horizontal direction corresponding to the plurality of columns.

A plurality of triangular or trapezoidal storage regions provided for each of the plurality of columns and temporarily holding charges transferred in a vertical direction from the pixels;
The solid-state imaging device according to claim 1 , further comprising: a horizontal shift register that receives charges from the accumulation region and transfers them in a horizontal direction.

The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the line binning for an addition to the output signal of the generated electric charges in each column in the pixel.