JP4593751B2

JP4593751B2 - リニアセンサ及びその駆動方法

Info

Publication number: JP4593751B2
Application number: JP2000295898A
Authority: JP
Inventors: 一久田島
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2002110958A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアセンサの電気的特性に関し、特に、画像情報取得時のノイズ低減（残像信号量低減）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のリニアセンサでは、画像取り込み時の画質の劣化の一つの要因としてフォトダイオード（以下、ＰＤと略称する）部１セル毎に所定の時間、そこに入射するの光情報量（光エネルギー量）に比例した電子が電子数としてＰＤへ蓄積され、そのＰＤ１セル毎の電子の電荷量を電荷転送チャネル（以下、ＣＣＤと略称する）を用いて電荷電圧変換素子へ次々と転送し、転送されてきた電荷量を出力部で電圧へ変換して、そのＰＤセル１個が受けた光量情報として出力される構造となっている。
【０００３】
この従来のリニアセンサの平面模式図及び平面模式図の切断線Ａ−Ａ’における１画素分の模式断面図及び信号電荷読み出し時の電子ポテンシャルを図４に示す。
【０００４】
図４（ａ）において、Ｂ、Ｇ、ＲはそれぞれＰＤ２２を示し、ＰＤ２２の一列全部がそれらの光の入射側にそれぞれＢｌｕｅ、Ｇｒｅｅｎ、Ｒｅｄの着色層を有していることを示している。ＰＤ２２内で蓄積した信号電荷（電子）は、図面右横のＣＣＤ２３に読み出され、ＣＣＤ２３の上方に設けられた電荷転送電極に信号を印加することにより図面下方に転送され、出力部２９により電圧として出力される。
【０００５】
ＰＤ２２及びＣＣＤ２３は、図４（ｂ）の断面図に示すように、例えば、ｐ型の半導体領域２１に形成され、それぞれ所定の不純物濃度、拡散層深さを有するｎ型拡散層であり、半導体領域２１の上方には、絶縁膜２４（ここでは、ゲート絶縁膜及び層間絶縁膜を一括して絶縁膜として示している）を介して読み出しゲート電極２５、電荷転送ゲート電極２６が設けられ、ＰＤ２２に隣接するＣＣＤ２３では、読み出しゲート電極２５及び電荷転送ゲート電極２６が短絡されることを示している。
【０００６】
また、ＰＤ２２内で蓄積した信号電荷をＣＣＤ２３に読み出すときの電子ポテンシャル図は、図４（ｃ）のようになる。
【０００７】
ＰＤ２２において一定時間蓄積した信号電荷（電子）をＣＣＤ２３へ読み出して転送する動作が行われる際、ＰＤ２２に読み出し残りとして残った残留電荷（電子）が、次のラインの画像取り込み時の残像ノイズとして問題となるため、リニアセンサを読み出し残りが発生しない構成とすることが重要な要素の一つとなっている。
【０００８】
このような残像ノイズの低減対策として、エリアセンサの中には電子シャッタと称して、ＰＤ部に残留する残留電荷をＰＤ下方の半導体基板側に、半導体基板に１５〜３０Ｖ程度の電圧を印加することにより引き抜く技術が採用されているが、リニアセンサにおいては、１フィールド画像当たりのＰＤからＣＣＤへの転送間隔が短いため、信号電荷蓄積前のＰＤにおける残留電荷の排出が殆ど考慮されていない現状である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＤの信号電荷を読み出してからＣＣＤを通って信号電荷を転送した後のＰＤ内での電子の残り（以後、残像とも称する）は、従来大きな問題として顕在化しなかったが、リニアセンサの高解像度化に伴い、ＰＤの微細化によって蓄積電子量の低下（信号量の低下）となり、残像不良が顕在化し、特性の劣化（Ｓ／Ｎ比の劣化）を引き起こしている。
【００１０】
本発明の主な目的の１つはＰＤの信号電荷の読み出し、転送後に発生する残留電荷を少なくすることで、Ｓ／Ｎ比の大きい（良い）画像情報を実現できるリニアセンサ及びその駆動方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるリニアセンサの駆動方法は、半導体基板内に一列に並んだフォトダイオードとそれに対応して一列に配置された電荷転送チャネルと、フォトダイオードと電荷転送チャネルとの間に位置し、半導体基板上の読み出しゲート絶縁膜を介して設けられた読み出しゲート電極と、電荷転送チャネル上に電荷転送ゲート絶縁膜を介して位置し、隣接する読み出しゲート電極と同電位に接続された電荷転送電極とを有し、電荷転送チャネルと電荷排出層との間の半導体基板上には、電荷排出ゲート絶縁膜を介して電荷排出ゲート電極が設けられたリニアセンサの駆動方法であって、フォトダイオードに光を照射してフォトダイオード内に信号電荷を蓄積した後、読み出しゲート電極に読み出し信号を印加することにより信号電荷をフォトダイオードから電荷転送チャネルに読み出し、その後、信号電荷を電荷転送チャネル上の電荷転送ゲート絶縁膜を介した電荷転送電極により電荷転送チャネル内を一列の方向に出力部に向かって転送し、転送されてきた信号電荷による信号を出力部に出力し、信号電荷を出力部に向かって転送した後に、読み出しゲート及び電荷排出ゲートを共に同時にオン状態にすると共に、電荷排出ゲート電極に印加する排出電圧を読み出しゲート電極に印加する読出電圧よりも大きくしてフォトダイオード内に残った残留電荷を排出し、残留電荷を電荷排出層に排出した後、読出電圧をオフすると同時にフォトダイオード内で信号電荷の蓄積を開始し、その後、排出電圧をオフし、その後、所定の時間フォトダイオード内での信号電荷の蓄積を継続することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかるリニアセンサの駆動方法は、残留電荷の電荷排出層への排出が、電子ポテンシャル分布をフォトダイオードから電荷排出層に向かうに従って低くなるようにすることにより行われることが好ましい。
【００１３】
本発明にかかるリニアセンサは、半導体基板内に一列に並んだフォトダイオードとそれに対応して一列に配置された電荷転送チャネルと、フォトダイオードと電荷転送チャネルとの間に位置し、半導体基板上の読み出しゲート絶縁膜を介して設けられた読み出しゲート電極と、電荷転送チャネルの横に、電荷転送チャネルに対してフォトダイオードの反対側の半導体基板内に設けられた電荷排出層と、電荷転送チャネル上に電荷転送ゲート絶縁膜を介して位置し、隣接する読み出しゲート電極と同電位に接続された電荷転送電極とを有し、電荷転送チャネルと電荷排出層との間の半導体基板上には、電荷排出ゲート絶縁膜を介して電荷排出ゲート電極が設けられたリニアセンサであって、リニアセンサは、フォトダイオードに光を照射してフォトダイオード内に信号電荷を蓄積した後、読み出しゲート電極に読み出し信号を印加することにより信号電荷をフォトダイオードから電荷転送チャネルに読み出し、その後、信号電荷を電荷転送電極により電荷転送チャネル内を一列の方向に出力部に向かって転送し、転送されてきた信号電荷による信号を出力部に出力し、信号電荷を出力部に向かって転送した後に、読み出しゲート及び電荷排出ゲートを共に同時にオン状態にすると共に、電荷排出ゲート電極に印加する排出電圧を読み出しゲート電極に印加する読出電圧よりも大きくしてフォトダイオード内に残った残留電荷を排出し、残留電荷を電荷排出層に排出した後、読出電圧をオフすると同時にフォトダイオード内で信号電荷の蓄積を開始し、その後、排出電圧をオフし、その後、所定の時間フォトダイオード内での信号電荷の蓄積を継続することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかるリニアセンサは、フォトダイオード内に残った残留電荷を、電子ポテンシャル分布をフォトダイオードから電荷排出層に向かうに従って低くなるようにすることにより電荷排出層に排出することを特徴とすることが望ましい。また、電荷排出層の上には排出電荷転送ゲート絶縁膜を介して排出電荷転送ゲート電極が設けられ、電荷排出ゲート電極及びそれに隣接する排出電荷転送ゲート電極が同電位に接続されることが望ましい。
【００１５】
さらに、本発明にかかるリニアセンサは、電荷転送チャネル及び電荷排出層、電荷転送ゲート絶縁膜及び排出電荷転送ゲート絶縁膜、読み出しゲート絶縁膜及び電荷排出ゲート絶縁膜は、それぞれ同時に形成される拡散層、転送ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜であることが望ましい。
【００１６】
またさらに、電荷転送チャネル及び電荷排出層が、互いに異なる拡散層であり、電荷転送ゲート絶縁膜及び排出電荷転送ゲート絶縁膜、読み出しゲート絶縁膜及び電荷排出ゲート絶縁膜は、それぞれ同時に形成される転送ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜であることが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図１〜３を参照して説明する。図１（ａ）はリニアセンサの平面模式図であり、図１（ｂ）は、平面模式図の切断線Ａ−Ａ’における１画素分の模式断面図、図２は、図１（ｂ）の断面図に対応した各拡散層の信号電荷読み出し前及び読み出し時の電子ポテンシャル、図３は、信号電荷読み出し動作を説明する信号タイミングチャートである。
【００１８】
図１（ａ）において、Ｂ、Ｇ、ＲはそれぞれＰＤ２を示し、ＰＤ２の一列全部がそれらの光の入射側にそれぞれＢｌｕｅ、Ｇｒｅｅｎ、Ｒｅｄの着色層を有していることを示している。
【００１９】
本発明の実施形態によるリニアセンサは、従来のリニアセンサのセル構造が図４（ｂ）に示すように、ＰＤとＣＣＤ及びその間の電荷転送ゲート電極で構成しているのに対して、残像電荷除去回路またはノイズ情報取得回路用として図１に示すように、ＣＣＤ３の外側にＰＤ２の残像電子を低減する、または、残像電子を情報として取り込むためのＣＣＤ１３（ｎ型拡散層）を有し、ＰＤ２の残留電荷をＣＣＤ１３に排出するための電荷排出ゲート電極７、ＣＣＤ１３に排出されてきたＰＤ２の残留電荷の転送を制御する排出電荷転送ゲート電極８を有するのが特徴である。
【００２０】
ここで、ＣＣＤ１３をＣＣＤ３と同時に形成すれば製造工程短縮の面で有利であるが、ＣＣＤ１３をＣＣＤ３とは別の工程で形成して、ＣＣＤ３とは不純物濃度及び拡散層深さの異なる拡散層としても良い。
【００２１】
また、本実施形態の他の部分は、従来例と同じであり、図１（ｂ）の断面図に示すように、例えば、ＰＤ２及びＣＣＤ３は、ｐ型の半導体領域１に形成され、それぞれ所定の不純物濃度、拡散層深さを有するｎ型拡散層であり、半導体領域１の上方には、絶縁膜４（ここでは、ゲート絶縁膜及び層間絶縁膜を一括して絶縁膜として示している）を介して読み出しゲート電極５、電荷転送ゲート電極６が設けられ、ＰＤ２に隣接するＣＣＤ３では、読み出しゲート電極５及び電荷転送ゲート電極６が短絡される構成となっている。
【００２２】
ここで、ＰＤ２の残留電荷のＣＣＤ１３への排出時には、図２のように、読み出しゲート電極５及び電荷転送ゲート電極６、電荷排出ゲート電極７及び排出電荷転送ゲート電極８に印加される信号電圧は、ＰＤ２の片側に隣接して続く２つのＣＣＤ３及びＣＣＤ１３のポテンシャルが電子に対して階段状に深くなるように制御される。
【００２３】
リニアセンサをこのような半導体構造とし、駆動することにより、図２（ｂ）の残留電荷排出モードを実現し、この後、読み出しゲート電極５のみをオフすると同時にＰＤ２内の信号電荷の蓄積を開始し、その後電荷排出ゲート電極７もオフし、その後所定の時間経過後に再度読み出しゲート電極５のみをオンすることにより、図２（ｃ）に示すように、ＰＤ２に蓄積した信号電荷をＣＣＤ３に読み出す。この後は、ＣＣＤ３に読み出された信号電荷の転送期間に入り、転送期間終了後に再び残留電荷排出モードに戻る。
【００２４】
リニアセンサを残留電荷排出モードからＰＤ２に蓄積した信号電荷をＣＣＤ３に読み出すまでのサイクルを高速に切り変えることができる構成及び構造とすることで、ＰＤ２での余分な（残像）情報の除去を完全に実施する機能をリニアセンサに持たせることを可能とした。
【００２５】
図３は、上記の残留電荷排出モードからＰＤ２に蓄積した信号電荷をＣＣＤ３に読み出すまでのサイクルを、読み出しゲート電極５及び電荷転送ゲート電極６、電荷排出ゲート電極７及び排出電荷転送ゲート電極８にそれぞれ印加される信号電圧φ₁、φｓのタイミングチャートである。電荷転送電極の電荷転送チャネル方向への転送信号は省略している。
【００２６】
まず、ｔ１において読み出しゲート電極５（及び電荷転送ゲート電極６）と電荷排出ゲート電極７（及び排出電荷転送ゲート電極８）に同時に信号ｖ１、ｖ２を印加し（ｖ１＜ｖ２）、ＰＤ２からＣＣＤ３に到る電子ポテンシャル分布を図２（ａ）のようにして、ＰＤ２の残留電荷を全てＣＣＤ３に排出する。
【００２７】
次に、ｔ２において読み出しゲート電極５のみをオフし、読み出しチャネルの電子ポテンシャルを高くし、ＰＤ２において信号電荷の蓄積を開始する。
【００２８】
次に、ｔ３において電荷排出ゲート電極７もオフし、ＰＤ２、ＣＣＤ３、ＣＣＤ１３は互いに電子ポテンシャルにより電荷的に遮断される。
【００２９】
この後、ｔ４において再度読み出しゲート電極５に信号ｖ１を印加して、ｔ２〜ｔ４までの間にＰＤ２に蓄積した信号電荷をＣＣＤ３に読み出す。
【００３０】
続いて、読み出された信号電荷は、ｔ５で読み出しゲート電極５をオフした後、図示しない電荷転送電極に転送信号を印加することにより他のＣＣＤ３内に移され、ＣＣＤの配列方向に出力部９に向かって転送される。全てのＰＤの信号電荷が出力部に転送され終わったｔ６において、再びｔ１〜ｔ５〜のサイクルを繰り返し、被撮像体の被撮像部を１ラインシフトさせて、隣接するラインの画像情報を取り込む。
【００３１】
以上のように、従来のＣＣＤ３の横にＣＣＤ１３を設け、ＰＤ２における信号電荷の蓄積前に、ＰＤ２からＣＣＤ１３に到る電子ポテンシャルがＣＣＤ１３に向かって下がる形状とし、ＰＤ２内に残留する電荷をＣＣＤ１３に引き抜いておく。従って、ＰＤ２内での信号電荷の蓄積時にはノイズとしての残留電荷が混入しないこととなり、光量に正確に対応した画像信号を再生することができる。
【００３２】
また、本発明のリニアセンサ構造は、従来のＣＣＤの横に新たに電荷排出用ＣＣＤを並べて加える形となっており、電荷排出用ＣＣＤ用の電荷排出ゲート電極を形成することで従来のＣＣＤ構造と同一となることから、製造が容易であり、エリアセンサにおいて用いられるＶＯＤ（縦型オーバーフロードレイン）に比して低電圧での残留電荷排出動作が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のリニアセンサ及びその駆動方法においては、従来のＣＣＤの横に電荷排出用のＣＣＤを新たに設け、ＰＤにおける信号電荷の蓄積前に、ＰＤから電荷排出用ＣＣＤに到る電子ポテンシャルが電荷排出用ＣＣＤに向かって単調に下がる形状とし、ＰＤ内に残留する電荷を電荷排出用ＣＣＤに引き抜いておく。従って、ＰＤ内での信号電荷の蓄積時にはノイズとしての残留電荷が混入しないこととなり、光量に正確に対応した画像信号を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のリニアセンサの模式平面図及び模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態のリニアセンサの信号電荷読み出し前後の電子ポテンシャル図である。
【図３】本発明の実施形態のリニアセンサの信号電荷読み出しを中心とする信号電圧タイミングチャートである。
【図４】従来のリニアセンサの模式平面図、模式断面図及び信号電荷読み出し時の電子ポテンシャル図である。
【符号の説明】
１、２１半導体領域
２、２２フォトダイオード（ＰＤ）
３、１３、２３電荷転送チャネル（ＣＣＤ）
４、２４絶縁膜
５、２５読み出しゲート電極
６、２６電荷転送ゲート電極
７電荷排出用ゲート電極
８排出電荷転送ゲート電極
９、２９出力部

Claims

半導体基板内に一列に並んだフォトダイオードとそれに対応して一列に配置された電荷転送チャネルと、
前記フォトダイオードと前記電荷転送チャネルとの間に位置し、前記半導体基板上の読み出しゲート絶縁膜を介して設けられた読み出しゲート電極と、
前記電荷転送チャネルの横に、前記電荷転送チャネルに対して前記フォトダイオードの反対側の半導体基板内に設けられた電荷排出層と、
前記電荷転送チャネル上に電荷転送ゲート絶縁膜を介して位置し、隣接する前記読み出しゲート電極と同電位に接続された電荷転送電極とを有し、
前記電荷転送チャネルと前記電荷排出層との間の半導体基板上には、電荷排出ゲート絶縁膜を介して電荷排出ゲート電極が設けられたリニアセンサの駆動方法であって、
前記フォトダイオードに光を照射して前記フォトダイオード内に信号電荷を蓄積した後、
前記読み出しゲート電極に読み出し信号を印加することにより前記信号電荷を前記フォトダイオードから前記電荷転送チャネルに読み出し、その後、
前記信号電荷を前記電荷転送電極により前記電荷転送チャネル内を前記一列の方向に出力部に向かって転送し、
転送されてきた前記信号電荷による信号を前記出力部に出力し、
前記信号電荷を前記出力部に向かって転送した後に、読み出しゲート及び電荷排出ゲートを共に同時にオン状態にすると共に、前記電荷排出ゲート電極に印加する排出電圧を前記読み出しゲート電極に印加する読出電圧よりも大きくして前記フォトダイオード内に残った残留電荷を排出し、
前記残留電荷を前記電荷排出層に排出した後、前記読出電圧をオフすると同時に前記フォトダイオード内で信号電荷の蓄積を開始し、その後、
前記排出電圧をオフし、その後、
所定の時間前記フォトダイオード内での信号電荷の蓄積を継続することを特徴とするリニアセンサの駆動方法。
前記残留電荷の前記電荷排出層への排出が、電子ポテンシャル分布を前記フォトダイオードから前記電荷排出層に向かうに従って低くなるようにすることにより行われる請求項１記載のリニアセンサの駆動方法。
半導体基板内に一列に並んだフォトダイオードとそれに対応して一列に配置された電荷転送チャネルと、
前記フォトダイオードと前記電荷転送チャネルとの間に位置し、前記半導体基板上の読み出しゲート絶縁膜を介して設けられた読み出しゲート電極と、
前記電荷転送チャネルの横に、前記電荷転送チャネルに対して前記フォトダイオードの反対側の半導体基板内に設けられた電荷排出層と、
前記電荷転送チャネル上に電荷転送ゲート絶縁膜を介して位置し、隣接する前記読み出しゲート電極と同電位に接続された電荷転送電極とを有し、
前記電荷転送チャネルと前記電荷排出層との間の半導体基板上には、電荷排出ゲート絶縁膜を介して電荷排出ゲート電極が設けられたリニアセンサであって、前記リニアセンサは、
前記フォトダイオードに光を照射して前記フォトダイオード内に信号電荷を蓄積した後、
前記読み出しゲート電極に読み出し信号を印加することにより前記信号電荷を前記フォトダイオードから前記電荷転送チャネルに読み出し、その後、
前記信号電荷を前記電荷転送電極により前記電荷転送チャネル内を前記一列の方向に出力部に向かって転送し、
転送されてきた前記信号電荷による信号を前記出力部に出力し、
前記信号電荷を前記出力部に向かって転送した後に、読み出しゲート及び電荷排出ゲートを共に同時にオン状態にすると共に、前記電荷排出ゲート電極に印加する排出電圧を前記読み出しゲート電極に印加する読出電圧よりも大きくして前記フォトダイオード内に残った残留電荷を排出し、
前記残留電荷を前記電荷排出層に排出した後、前記読出電圧をオフすると同時に前記フォトダイオード内で信号電荷の蓄積を開始し、その後、
前記排出電圧をオフし、その後、
所定の時間前記フォトダイオード内での信号電荷の蓄積を継続することを特徴とするリニアセンサ。
前記フォトダイオード内に残った残留電荷を、電子ポテンシャル分布を前記フォトダイオードから前記電荷排出層に向かうに従って低くなるようにすることにより前記電荷排出層に排出することを特徴とする請求項３記載のリニアセンサ。
前記電荷排出層の上には排出電荷転送ゲート絶縁膜を介して排出電荷転送ゲート電極が設けられ、前記電荷排出ゲート電極及びそれに隣接する排出電荷転送ゲート電極が同電位に接続される請求項３又は４記載のリニアセンサ。
前記電荷転送チャネル及び前記電荷排出層、前記電荷転送ゲート絶縁膜及び前記排出電荷転送ゲート絶縁膜、前記読み出しゲート絶縁膜及び前記電荷排出ゲート絶縁膜は、それぞれ同時に形成される拡散層、転送ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜である請求項３乃至５記載のリニアセンサ。
前記電荷転送チャネル及び前記電荷排出層は、互いに異なる拡散層であり、前記電荷転送ゲート絶縁膜及び前記排出電荷転送ゲート絶縁膜、前記読み出しゲート絶縁膜及び前記電荷排出ゲート絶縁膜は、それぞれ同時に形成される転送ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜である請求項３乃至５記載のリニアセンサ。