JP4647801B2 - 半導体エネルギー線検出器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体エネルギー線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体エネルギー線検出器は、例えば特開平６−２９５０６号公報に開示されている。このような半導体エネルギー線検出器の製造方法は例えば特開平６−３５００６８号公報に記載されている。
【０００３】
紫外線等のエネルギー線検出器としての電荷転送素子（ＣＣＤ）は、電子群をクロックパルスに同期した速度で一方向に順次転送する素子である。ＣＣＤは、その端部に出力部を設けることにより、空間情報を時系列信号に変換できる極めて巧妙な機能デバイスである。
【０００４】
しかしながら、二次元の画像情報を時系列信号として取り出すには、デバイス構成上の工夫が必要である。上記デバイスに光を照射したままで電荷を転送した場合、それぞれの場所で光励起された電荷と転送されてきた電荷とが混じり合って、いわゆるスミアと呼ばれる現象が生じ、映像信号が劣化する。
【０００５】
スミアを避けるためには、光を照射している期間（電荷蓄積期間）と電荷を転送する期間（電荷転送期間）とを時間的に分離する、いわゆる時分割動作が考えられる。
【０００６】
時分割動作を行える実用的なＣＣＤの電荷転送方式としては、フレーム転送（ＦＴ）方式、フル・フレーム転送（ＦＦＴ）方式があり、この他、インターライン転送（ＩＴ）方式が知られている。時分割動作を行う場合は、映像信号が出力される時間は電荷の転送時間内に限られるので、信号の出力は間欠的になる。
【０００７】
これらの電荷転送方式の中で、計測用の転送方式としてはＦＦＴ方式が用いられる。ＦＦＴ方式は、蓄積部が無く、エネルギー線感応領域の面積を大きくすることができるので、光の利用率が高く、微弱光の計測に適しているためである。
【０００８】
典型的なＦＦＴ方式を採用したＣＣＤは、エネルギー線感応領域の表面が電荷転送電極（ポリシリコン）によって隙間無く覆われた構造を有し、電荷転送電極の形成された表面側から光が入射する。ポリシリコンは、４００ｎｍ以下の波長の光や電子を吸収してしまうので、光電変換に寄与することができない。
【０００９】
特に、厚さ数μｍのＰＳＧ膜が、各電極を分離するためエネルギー線感応領域上を覆っているので、かかる検出器においては短波長の光の検出は困難である。
【００１０】
そこで、裏面入射型（裏面照射型）のＣＣＤが提案されている。裏面入射型のＣＣＤは基板のエネルギー線感応領域を１０μｍから３０μｍに薄化した撮像素子である。入射光は電荷転送電極の形成されていない裏面側からエネルギー線感応領域に照射される。エネルギー線感応領域に裏面側から光を入射させた場合、基板の裏面には薄い酸化膜の他に障害物は無いので、短波長の光像を比較的高感度に撮像することができる。裏面入射型ＣＣＤは、２００ｎｍ程度の短波長光まで感度を有し、更に電子衝撃型ＣＣＤデバイスにも応用される。
【００１１】
また、ＣＣＤにおいては、他のイメージセンサと比較して飽和電荷量が小さいという欠点がある。このため、被写体中に光強度の強い点が存在すると、発生した信号電荷が画素から溢れ出して周囲の画素に入り、ハイライト部の像が数倍の広がりとなって見える現象、すなわちブルーミング現象が生じ、その周辺の情報が失われる。
【００１２】
したがって、例えば分光器用のＣＣＤ等において、強い光のすぐ隣に現れる微弱な光を検出するためには、強い光の信号がブルーミングしないように、過剰不要な電荷を取り除く手法が必要となる。
【００１３】
この過剰な電荷を取り除く領域は、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）と呼称される。
【００１４】
表面入射型ＣＣＤの感応領域内にＯＦＤを形成する場合、通常は開口率を確保するため、ＣＣＤが形成された表面の下側、すなわち基板側にＯＦＤが形成され、不要な電荷は基板方向へと流れる。このような構造のＯＦＤは縦型ＯＦＤ（ＶＯＦＤ）と呼ばれる。
【００１５】
裏面入射型ＣＣＤにおいてもＯＦＤを形成することができる。裏面入射型ＣＣＤの場合、ＶＯＦＤの形成される基板部分をエッチングによって除去しているため、ＯＦＤは各画素の横側に隣接して形成される。この構造のＯＦＤは横型ＯＦＤ（ＬＯＦＤ）と呼ばれ、画素列の横側に併設される。なお、ＬＯＦＤと画素との間の領域には、必要な電荷がＬＯＦＤ内に流れ込まないように規制するためのバリア領域が形成される。
【００１６】
ここで、裏面入射型ＣＣＤがＬＯＦＤを採用している理由について付記しておく。
【００１７】
裏面入射型ＣＣＤの場合、物理的にＶＯＦＤを形成できないこともあるが、原理的にＶＯＦＤは形成できない。すなわち、裏面入射型ＣＣＤにおいて、裏面の入射面で光電変換された電子を表面側に形成されたＣＣＤへ集めるため、裏面側のポテンシャルが最も低く、表面（厳密には電荷転送部、最表面部ではない）ほど高くなるように構成されている。一方、通常のＶＯＦＤは、過剰電荷を基板の裏面側へ排出するため、ポテンシャルは表面側（厳密には電荷転送部より若干基板側）が最も低く、裏面へ行くほど高く設定される。したがって、基板の光入射面付近で発生した電子は、ＣＣＤのチャンネルに移動する前にＯＦＤに排出されてしまう。
【００１８】
完全空乏型のＣＣＤが裏面入射型ＣＣＤと同様のＣＣＤとして知られている。これは、基板の厚み方向に形成される空乏層を基板内に形成されたＰＮ接合界面から裏面まで到達させるタイプのＣＣＤである。完全空乏型ＣＣＤについても、ＶＯＦＤを形成する基板部分は電荷を集める領域として設計されるため、このようなタイプのＣＣＤにおいてもＶＯＦＤを形成することができない。
【００１９】
したがって、裏面入射型ＣＣＤ及び完全空乏型ＣＣＤにおいては、いずれもＶＯＦＤを形成する部分は存在しないし、例えできたとしても、通常通り動作することはできない。このため、裏面入射型ＣＣＤ及び完全空乏型ＣＣＤはＬＯＦＤを採用している。
【００２０】
なお、ＦＴ方式及びＦＦＴ方式に適用されるＬＯＦＤは、例えば、技術文献「True two-phase CCD image sensors employing a transparent gate」William Des Jardin, Stephen Kosman, January1999, SPIE Vol. 3649に開示されている。エネルギー線検出器の一例としてＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤについて説明する。
【００２１】
図１５はＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤの平面図、図１６は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線縦断面図、図１７は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線縦断面図、図１８は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【００２２】
本例のＣＣＤにおいては、Ｐ型Ｓｉ基板４０１上に垂直電荷転送チャネル４０２とアイソレーション領域４０３が設けられている。これらの上にはＳｉＯ2膜４０４が設けられ、さらにその上には複数の垂直転送電極４０５が設けられている。本例の場合３相駆動方式を採用しているため、垂直転送電極４０５の数は１画素当たり３つである。垂直電荷転送チャネル４０２に平行にＬＯＦＤ４０６へ流入する電荷のバリア領域４０７とＬＯＦＤ４０６とが連続して設けられている。
【００２３】
ＬＯＦＤ４０６及びバリア領域４０７は過剰な不要電荷を除去し、ブルーミング、スミア特性の劣化を防止している。
【００２４】
このように、従来のＣＣＤでは、各画素中の全ての転送電極に、各画素の一辺に沿って連続してバリア領域４０７及びＬＯＦＤ４０６が設けられている。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構造において、特に裏面入射型ＣＣＤにおいてはＬＯＦＤの形成によって、電荷を蓄積・転送するための画素の面積が減少する。これにより、ＣＣＤの飽和電荷量が低下すると共に開口率が低下するという問題がある。
【００２６】
本発明は上述の課題に基づいてなされたものであり、飽和電荷量と開口率の低下を抑制可能なエネルギー線検出器を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明は一方向に沿って連続して延びエネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域を垂直電荷転送チャネルとし、前記垂直電荷転送チャネルを介して転送された電荷を水平方向に転送して出力する水平電荷転送チャネルを備える半導体エネルギー線検出器において、前記エネルギー線感応領域長さ方向の第１位置における幅を規定する２つの幅方向位置のそれぞれが、前記長さ方向の第２位置における幅を規定する２つの幅方向位置それぞれから変位しており、前記エネルギー線感応領域に対して互いに逆側位置に第１及び第２過剰電荷排出領域が設けられ、前記第１過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第２位置におけるエネルギー線感応領域が位置するように前記第１位置における前記幅方向位置の一方に隣接しており、前記第２過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第１位置におけるエネルギー線感応領域が位置するように前記第２位置における前記幅方向位置の一方に隣接し、前記半導体エネルギー線検出器の撮像領域は前記垂直電荷転送チャネルを複数備え、同一の垂直電荷転送チャネル内に第１画素及び第２画素を備え、測定対象物から出射されるエネルギー線の前記垂直電荷転送チャネル上における速度に同期する速度で、前記第１画素に蓄積された電荷を、第２画素に転送することにより、転送された電荷と転送後に前記第２画素で蓄積される電荷とを加算することを特徴とする。
また、本発明の半導体エネルギー線検出器は、前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する第１及び第２画素群を備え、第１及び第２画素群は、それぞれ前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する全画素群の半分であって、前記第１及び第２画素群は、それぞれの画素群毎に、前記第１及び第２過剰電荷排出領域がそれぞれ設定されていることを特徴とする。
【００２８】
ここで、エネルギー線とは紫外線、赤外線、可視光の他に電子線等も含まれるものとする。
【００２９】
このエネルギー線検出器によれば、エネルギー線の入射に応じてエネルギー線感応領域で電荷が発生するが、この電荷は垂直電荷転送チャネルを構成する当該エネルギー線感応領域を介して一方向に沿って転送される。垂直電荷転送チャネルを介して転送された電荷は水平電荷転送チャネルによって水平方向に転送して出力される。
【００３０】
ここで、第１及び第２過剰電荷排出領域は、第１及び第２位置におけるエネルギー線感応領域において発生した過剰な不要電荷を外部に排出する。これにより、ブルーミング現象は抑制することができる。しかしながら、制限された幅の中に、エネルギー線感応領域、すなわち、垂直電荷転送チャネルと過剰電荷排出領域を設定すると、通常であれば垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなる。過剰電荷排出領域は不感領域として機能するので、垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなると、垂直電荷転送チャネル内に蓄積可能な電荷量が減少すると共に開口率も低下する。
【００３１】
本エネルギー線検出器においては、第１及び第２位置における垂直電荷転送チャンネルの幅方向位置が互いにずれており、ずれた場所に過剰電荷排出領域を設定する。換言すれば、第１過剰電荷排出領域の一方向（垂直方向）延長線上には、第２位置におけるエネルギー線感応領域が位置し、第２過剰電荷排出領域の一方向（垂直方向）延長線上には、第１位置におけるエネルギー線感応領域が位置する。
【００３２】
垂直電荷転送チャネルは垂直方向に電荷を転送しているので、ブルーミング現象を抑制するため第１位置に第１過剰電荷排出領域、すなわち不感領域を設けたとしても、その延長線上には第２位置における感応領域が位置する。第２位置に第２過剰電荷排出領域を設けても、その延長線上には第１位置における感応領域が位置する。
【００３３】
これらの第１及び第２の位置における電荷量を加算すると、一方の不感領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００３４】
過剰電荷排出領域としては、様々なものが考えられるが、本エネルギー線検出器においては、第１過剰電荷排出領域は、エネルギー線感応領域の第１位置で発生した過剰な電荷を排出する第１オーバーフロードレイン領域と、第１オーバーフロードレイン領域とエネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域内で発生した電荷を第１オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第１バリア領域を備え、第２過剰電荷排出領域は、エネルギー線感応領域の第２位置で発生した過剰な電荷を排出する第２オーバーフロードレイン領域と、第２オーバーフロードレイン領域とエネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域内で発生した電荷を第２オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第２バリア領域を備える。
【００３５】
一定量以上の電荷がエネルギー線感応領域内で発生した場合には、超えた分が第１及び第２バリア領域を介して第１及び第２オーバーフロードレイン領域内に流れ込み、第１及び第２オーバーフロードレイン領域から外部に排出される。
【００３６】
上述のエネルギー線検出器においては、垂直電荷転送チャネルの第１及び第２位置における幅方向位置を変位させたが、これにより、第１及び第２位置をそれぞれ含む第１及び第２画素内のエネルギー線感応領域、すなわち垂直電荷転送チャネルの重心位置が幅方向に変位する。
【００３７】
すなわち、本半導体エネルギー線検出器は、エネルギー線の入射に感応すると共に垂直方向に電荷を転送する垂直電荷転送チャネルを複数備えてなる撮像領域における同一垂直電荷転送チャネル内に位置する第１及び第２画素を備えた半導体エネルギー線検出器において、前記第１画素に隣接して形成された第１オーバーフロードレイン領域と、第２画素に隣接して形成された第２オーバーフロードレイン領域とを備え、前記第１画素内の垂直電荷転送チャネルの重心から前記垂直方向に平行に延ばした延長線上からずれた位置に前記第２画素内の垂直電荷転送チャネルの重心が位置する。
【００３８】
すなわち、幅方向に重心がずれているので、第１及び第２画素において発生した電荷を加算すると、一方の不感領域、すなわち、第１又は第２オーバーフロードレイン領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、不感領域が存在するので、電荷の加算によって、垂直電荷転送チャネルの幅方向中央部寄りの領域内の方が、幅方向両端部の領域内よりも電荷密度が高くなり、電荷を擬似的に幅方向中央部に圧縮することができる。この擬似信号圧縮効果によって、撮像におけるモアレを圧縮し変調度を低下させることができる。
【００４０】
上記の加算を利用することができる駆動方式としては様々なものが考えられるが、１つはＴＤＩ駆動である。ＴＤＩ駆動は、例えば、ベルトコンベアー上を移動する測定対象物を撮像する場合に、対象物の移動速度に同期して垂直電荷転送チャネルにおける電荷転送速度を調整する駆動方式であり、測定対象物の１点に対応するエネルギー線を第１画素によって撮像し、測定対象物の同じ１点に対応するエネルギー線が第２画素上に移動した場合には、第１画素で発生した電荷を第２画素に移動させた上で、第２画素でこれを撮像する駆動方式である。もちろん、エネルギー線がエネルギー線検出器上を走査するのであれば、この走査速度に電荷転送速度を同期させてもよい。
【００４１】
すなわち、本エネルギー線検出器は、測定対象物から出射されるエネルギー線の垂直電荷転送チャネル上における速度に同期する速度で第１画素に蓄積された電荷を第２画素に転送することにより、転送された電荷と転送後に第２画素で蓄積される電荷とを加算する。
【００４２】
この駆動方式を採用することにより、上記加算（積算）による有用性が更に向上し、不感領域の形成による電荷量の低下を抑制することができる。
【００４３】
上記駆動方式は、異なる期間に別の画素に入射した同一源からのエネルギー線を撮像することとしたが、第１及び第２画素において同じ期間に蓄積された電荷を加算する駆動方式を採用してもよい。これは所謂ラインビニング駆動方式であり、複数の垂直電荷転送チャネル毎に加算された電荷は全体として、水平方向に一次元電荷列をなし、この場合のエネルギー線検出器は、１次元ホトダイオードアレイと同様にラインセンサとして機能する。
【００４４】
このエネルギー線検出器においても、上記加算による有用性は達成される。
【００４５】
また、本半導体エネルギー線検出器は、裏面入射型のＣＣＤであることが好ましく、この場合には従来のＬＯＦＤの形成による不具合が解消されるので、上述した裏面入射型ＣＣＤの特性を更に活用することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係るエネルギー線検出器について、裏面入射型ＣＣＤを例に説明する。同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。説明において、エネルギー線とは紫外線、赤外線、可視光の他に、電子線等も含まれるものとする。
【００４７】
図１は第１実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側（裏面とは反対側）から見たＣＣＤの平面図である。図２は図１に示したＣＣＤを裏面側から見たＣＣＤのの平面図である。
【００４８】
半導体エネルギー線検出器である裏面入射型ＣＣＤは、内側領域１ｉの厚みが周縁部１ｐの厚みよりも薄い半導体基板１と、半導体基板１の裏面側からのエネルギー線の入射に応じて半導体基板１内において発生した電荷を読み出すために半導体基板１の表面側に形成された電荷読み出し部２とを備える。このＣＣＤはＦＦＴ型ＣＣＤである。
【００４９】
電荷読み出し部２は、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送チャネル２ｖと、各垂直電荷転送チャネル２ｖの終端部まで転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送チャネル２ｈと、水平電荷転送チャネル２ｈの終端部まで転送された電荷を読み出す出力部２ｏとを備えている。
【００５０】
垂直電荷転送チャネル２ｖの導電型はＮ型であり、その下に形成されたＰ型半導体基板１とＰＮ接合を形成している。また、垂直電荷転送チャネル２ｖの幅は約２０μｍである。垂直電荷転送チャネル２ｖの総数は５１２〜１０２４列である。垂直電荷転送チャネル２ｖと直交して垂直転送電極群（図８参照）が配置され、これらは垂直シフトレジスタを構成している。垂直電荷転送チャネル２ｖの幅は一定ではなく、左右交互に幅狭となる領域があり、この領域内に過剰電荷排出領域３が設けられている。
【００５１】
詳説すれば、第１実施形態のＣＣＤと従来技術のＣＣＤとの構造的な相違点は、従来技術においては各画素の１つの辺に連続して過剰電荷排出領域３が設けられているのに対して、本実施形態の過剰電荷排出領域３が垂直電荷転送方向に配置された画素列における前後の画素で左右交互に、すなわち千鳥状に配置されている。
【００５２】
垂直電荷転送チャネル２ｖは、厚みの薄い内側領域１ｉに形成されたエネルギー線感応領域であり、エネルギー線の入射に応じて電荷を発生する。垂直電荷転送チャネル２ｖ内で発生した電荷は、その上に形成された転送電極に３相の駆動電圧ΦV1、ΦV2、ΦV3を印加することによって順次垂直方向に転送される。すなわち、垂直電荷転送チャネル２ｖ内の１画素内には３つの転送電極が設けられるが、この３つの電極に位相の異なる電圧が印加され、この画素内に蓄積された電荷が次の画素に転送される。
【００５３】
複数の垂直電荷転送チャネル２ｖによって、その終端部まで転送された電荷は、水平電荷転送チャネル２ｈに入力される。すなわち、垂直電荷転送チャネル２ｖは、１つの水平電荷転送チャネル２ｈに接続されている。水平電荷転送チャネル２ｈの幅は約２５乃至１００μｍである。水平電荷転送チャネル２ｈと直交して水平転送電極群が配置され、これらは水平シフトレジスタを構成している。水平電荷転送チャネル２ｈ内に入力された電荷は、その上に形成された転送電極に３相の駆動電圧ΦH1、ΦH2、ΦH3を印加することによって水平方向に順次転送され、出力部２ｏに入力される。
【００５４】
図３は、出力部２ｏ周辺の平面図である。
【００５５】
電荷蓄積期間に、垂直シフトレジスタのポテンシャル井戸に蓄積された電荷は、順次、垂直シフトレジスタから水平シフトレジスタに転送される。さらに、この電荷は水平シフトレジスタによって水平方向に転送され、時系列の信号として水平シフトレジスタ内を移動する。
【００５６】
水平シフトレジスタによって転送された電荷は、一定電位の出力ゲートＯＧの下を通過し、リセットゲートＲＧによって一定の電位に保たれたフローティングダイオードＦＤのポテンシャル井戸内に転送され、フローティングダイオードＦＤの電位を変化させる。この電位の変化をオンチップの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＴＲと外付けの負荷抵抗Ｚからなるソースホロア回路を介して読み出し、出力端子Ｖｏｕｔから出力電圧を得る。なお、トランジスタＴＲの一端には電源電圧ＶＤＤが与えられ、他方は負荷抵抗Ｚを介して接地されている。
【００５７】
この後、フローティングダイオードＦＤのポテンシャル井戸に転送された電荷は、リセットゲートＲＧの下を通過してリセットドレインＲＤより排出される。次に、上述の過剰電荷排出領域３（図１参照）について詳説する。
【００５８】
図４は図１に示したＣＣＤの部分拡大図である。エネルギー感応領域である垂直電荷転送チャネル２ｖ間には、過剰電荷排出領域３が配置されている。なお、Ｘ方向は垂直方向であり、Ｙ方向は水平方向である。
【００５９】
この裏面入射型ＣＣＤは、一方向（Ｘ方向）に沿って連続して延びエネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域を垂直電荷転送チャネル２ｖとし、垂直電荷転送チャネル２ｖを介して転送された電荷を水平方向に転送して出力する水平電荷転送チャネルを備えるＣＣＤにおいて、エネルギー線感応領域長さ方向Ｘの第１位置Ｘ１における幅Ｗ１を規定する２つの幅方向位置Ｙ１１，Ｙ１２のそれぞれが、長さ方向Ｘの第２位置Ｘ２における幅Ｗ２を規定する２つの幅方向位置Ｙ２１，Ｙ２２それぞれから変位しており、エネルギー線感応領域２ｖに対して互いに逆側位置に第１及び第２過剰電荷排出領域３1，３2が設けられ、第１過剰電荷排出領域３1は、その一方向（Ｘ方向）延長線上に、第２位置Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖ2が位置するように第１位置Ｘ１における幅方向位置の一方（Ｙ１２）に隣接しており、第２過剰電荷排出領域３2は、その前記一方向（Ｘ方向）延長線上に、第１位置Ｘ１におけるエネルギー線感応領域２ｖ1が位置するように第２位置Ｘ２における幅方向位置の一方（Ｙ２１）に隣接している。
【００６０】
このＣＣＤによれば、エネルギー線の入射に応じてエネルギー線感応領域で電荷が発生するが、この電荷は垂直電荷転送チャネル２ｖを構成する当該エネルギー線感応領域を介して一方向（Ｘ方向）に沿って転送される。垂直電荷転送チャネル２ｖを介して転送された電荷は水平電荷転送チャネル２ｈ（図１）によって水平方向（−Ｙ方向）に転送され、出力部２ｏを介して外部に出力される。
【００６１】
ここで、第１及び第２過剰電荷排出領域３（３1，３2）は、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖにおいて発生した過剰な不要電荷を外部に排出する。これにより、ブルーミング現象は抑制することができる。
【００６２】
従来のように、制限された幅の中に、エネルギー線感応領域、すなわち、垂直電荷転送チャネルと過剰電荷排出領域を設定すると、通常であれば垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなる。過剰電荷排出領域は不感領域として機能するので、垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなると、垂直電荷転送チャネル内に蓄積可能な電荷量が減少すると共に開口率も低下する。
【００６３】
このＣＣＤにおいては、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２における垂直電荷転送チャンネル２ｖの幅方向位置（Ｙ１１，Ｙ１２），（Ｙ２１、Ｙ２２）が互いにずれおり、ずれた場所に過剰電荷排出領域３1，３2が設定されている。換言すれば、第１過剰電荷排出領域３1の一方向（垂直方向Ｘ）延長線上には、第２位置Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖ2が位置し、第２過剰電荷排出領域３2の一方向（垂直方向Ｘ）延長線上には、第１位置Ｘ１におけるエネルギー線感応領域２ｖ1が位置する。
【００６４】
垂直電荷転送チャネル２ｖは垂直方向に電荷を転送しているので、ブルーミング現象を抑制するため第１位置Ｘ１に第１過剰電荷排出領域３1、すなわち不感領域を設けたとしても、その延長線上には第２位置Ｘ２における感応領域が位置する。第２位置Ｘ２に第２過剰電荷排出領域３2を設けても、その延長線上には第１位置Ｘ２における感応領域が位置する。
【００６５】
これらの第１及び第２の位置Ｘ１，Ｘ２における電荷量を加算すると、一方の不感領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００６６】
過剰電荷排出領域３は、様々なものが考えられる。
【００６７】
本ＣＣＤにおいては、第１過剰電荷排出領域３1は、エネルギー線感応領域２ｖの第１位置Ｘ１で発生した過剰な電荷を排出する第１ＬＯＦＤ領域（第１オーバーフロードレイン領域）３ｄ（３ｄ1）と、第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1とエネルギー線感応領域２ｖ（２ｖ1）との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域２ｖ1内で発生した電荷を第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1内へ流れ込ませる第１バリア領域３ｂ（３ｂ1）を備える。
【００６８】
同様に、第２過剰電荷排出領域３2は、エネルギー線感応領域２ｖの第２位置Ｘ２で発生した過剰な電荷を排出する第２ＬＯＦＤ（第２オーバーフロードレイン領域）３ｄ（３ｄ2）と、第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2とエネルギー線感応領域２ｖ（２ｖ2）との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域２ｖ2内で発生した電荷を第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2内へ流れ込ませる第２バリア領域３ｂ2を備える。
【００６９】
一定量以上の電荷がエネルギー線感応領域２ｖ1，２ｖ2内で発生した場合には、超えた分が第１及び第２バリア領域３ｂ1，３ｂ2を介して第１及び第２ＬＯＦＤ領域３ｄ1，３ｄ2内にそれぞれ流れ込み、第１及び第２ＬＯＦＤ領域３ｄ1，３ｄ2から外部に排出される。
【００７０】
なお、上述のＣＣＤにおいては、垂直電荷転送チャネル２ｖの第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２における幅方向位置を変位させたが、これにより、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ含む第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２内のエネルギー線感応領域２ｖ1，２ｖ2、すなわち垂直電荷転送チャネルの重心位置が幅方向に変位する。各画素ＰＸ１、ＰＸ２で発生した電荷は加算される。
【００７１】
図５は、電荷の加算について説明するための説明図である。
【００７２】
第１位置Ｘ１においては、幅Ｗ１を規定する幅方向位置Ｙ１１、Ｙ１２の有感領域（垂直電荷転送チャネル）２ｖ1と不感領域（ＬＯＦＤ領域及びバリア領域）３1とが隣接している。第２位置Ｘ２においては、幅Ｗ２を規定する幅方向位置Ｙ２１、Ｙ２２の有感領域（垂直電荷転送チャネル）２ｖ2と不感領域（ＬＯＦＤ領域及びバリア領域）３2とが隣接している。
【００７３】
本ＣＣＤは、図４及び図５を参照すると、エネルギー線の入射に感応すると共に垂直方向（Ｘ方向）に電荷を転送する垂直電荷転送チャネル２ｖを複数備えてなる撮像領域（内側領域１ｉ（図２参照））における同一垂直電荷転送チャネル内に位置する第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２を備えたＣＣＤである。
【００７４】
このＣＣＤは、第１画素ＰＸ１に隣接して形成された第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1と、第２画素ＰＸ２に隣接して形成された第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2とを備え、第１画素ＰＸ１内の垂直電荷転送チャネル２ｖ1の重心Ｇ１から垂直方向（Ｘ方向）に平行に延ばした延長線上からずれた位置に第２画素ＰＸ２内の垂直電荷転送チャネル２ｖ2の重心Ｇ２が位置する。
【００７５】
すなわち、幅方向に重心Ｇ１，Ｇ２がずれているので、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２において発生した電荷を加算すると、一方の不感領域、すなわち、第１又は第２ＬＯＦＤ領域３1，３2に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００７６】
この場合、不感領域３1，３2が存在するので、電荷の加算によって、垂直電荷転送チャネル２ｖの幅方向中央部寄りの領域内の方が、幅方向両端部の領域内よりも電荷密度が高くなり、電荷を擬似的に幅方向中央部に圧縮することができる。この擬似信号圧縮効果によって、撮像におけるモアレを圧縮し変調度を低下させることができる。なお、本例ではＷ１＝Ｗ２である。
【００７７】
図６は、幅方向位置（重心位置）が第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２において変わらない画素で発生した電荷を加算した場合について説明するため説明図である。この場合、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２で発生した電荷を加算したとしても、過剰電荷排出領域３1，３2の存在によって失った幅方向情報は補完することができず、また擬似信号圧縮効果も起こらない。
【００７８】
次に、実施形態のＣＣＤの説明に戻って、その駆動方式について説明する。上記の加算を利用することができる駆動方式としては様々なものが考えられるが、１つはＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延積分）駆動である。
【００７９】
ＴＤＩ駆動とは、例えばベルトコンベアー上にある物体を撮像する場合や、所定の測定で等速に移動する航空機から地上を撮像する場合等の、撮像対象と撮像装置とが相対的に一定速度で移動している場合に用いられる撮像法であって、撮像対象の進行方向を垂直シフトレジスタの電荷転送方向と一致させて設置し、エネルギー線感応領域の各ポテンシャル井戸に蓄積された電荷を撮像対象、または撮像装置の移動速度に対応した速度で転送しつつ、電荷の蓄積を行う方法である。ＴＤＩ駆動法によれば、特定の蓄積電荷は、撮像対象の移動に拘わらず常に撮像対象の特定位置に対応してスミア・ぶれの生じないように撮像を行うことができる。
【００８０】
ＴＤＩ駆動について図面を参照しながら説明するとすれば、これは移動する測定対象物を撮像する場合に、対象物の移動速度に同期して垂直電荷転送チャネルにおける電荷転送速度を調整する駆動方式であり、測定対象物の１点に対応するエネルギー線を第１画素ＰＸ１によって撮像し、測定対象物の同じ１点に対応するエネルギー線が第２画素ＰＸ２上に移動した場合には、第１画素ＰＸ１で発生した電荷を第２画素ＰＸ２に移動させた上で、第２画素ＰＸ２でこれを撮像する駆動方式である。もちろん、エネルギー線がＣＣＤ上を走査するのであれば、この走査速度に電荷転送速度を同期させてもよい。
【００８１】
すなわち、本ＣＣＤは、測定対象物から出射されるエネルギー線の垂直電荷転送チャネル２ｖ上における速度に同期する速度で第１画素ＰＸ１に蓄積された電荷を第２画素ＰＸ２に転送することにより、転送された電荷と転送後に第２画素ＰＸ２で蓄積される電荷とを加算する。
【００８２】
更に詳説すれば、ＣＣＤの１行１列に存在する画素は、チャネル２ｖの右側に沿ってＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂが形成されており、垂直電荷転送方向の次段である２行１列の画素では、チャネル２ｖの左側に沿ってＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂが形成されている。ＣＣＤをＴＤＩ駆動することにより、１行１列目の画素ＰＸ１に隣接する不感領域であるＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂは、次段の２行１列目の画素ＰＸ２では有感領域となり、不感領域が補完されるのである。
【００８３】
本例のＣＣＤでは感度自体は減少するが開口率の低下は抑制される。なお、各画素の電荷はＴＤＩ駆動により積分されるため、この感度低下分は十分に補うことができる。これは、前の撮像タイミング時に１行１列目に存在した撮像対象が、２行１行目に移動した時点で、次の撮像が行われるＴＤＩ駆動特有の効果を利用したものである。
【００８４】
この駆動方式を採用することにより、上記加算（積算）による有用性が更に向上し、不感領域（３）の形成による電荷量の低下を抑制することができる。
【００８５】
上記ＴＤＩ駆動方式は、異なる期間に別の画素ＰＸ１，ＰＸ２に入射した同一源からのエネルギー線を撮像することとしたが、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２において同じ期間に蓄積された電荷を加算する駆動方式を採用してもよい。これは所謂ラインビニング駆動方式であり、複数の垂直電荷転送チャネル毎に加算された電荷は全体として、水平方向に一次元電荷列をなし、この場合のＣＣＤは、１次元ホトダイオードアレイと同様にラインセンサとして機能する。
【００８６】
このＣＣＤにおいても、上記加算による有用性は達成される。
【００８７】
また、本ＣＣＤは、裏面入射型のＣＣＤであり、この場合には従来のＬＯＦＤの形成による不具合が解消されるので、上述した裏面入射型ＣＣＤの特性を更に活用することができる。
【００８８】
次に、上記ＣＣＤの縦断面構造について説明する。
【００８９】
図７は上記実施形態に係る３相駆動ＣＣＤの平面図、図８は図７に示したＣＣＤのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印線縦断面図、図９は図７に示したＣＣＤのＩＸ−ＩＸ矢印線縦断面図、図１０は図７に示したＣＣＤのＸ−Ｘ矢印線縦断面図、図１１は図７に示したＣＣＤのＸＩ−ＸＩ矢印線縦断面図である。
【００９０】
Ｐ型Ｓｉからなる半導体基板（内側領域１ｉ）１上に、Ｎ型半導体層２ｖが垂直電荷転送チャネルとして形成されている。半導体基板１上には、高不純物濃度（Ｎ型）のＬＯＦＤ領域３ｄが形成され、ＬＯＦＤ領域３ｄの横方向周囲は、低不純物濃度（Ｎ型）のバリア領域３ｂで囲まれている。この画素ＰＸ１と水平方向に隣接する画素との間には、高不純物濃度（Ｐ型）のアイソレーション領域Ｉが形成されており、アイソレーション領域ＩはＮ型半導体層２ｖと隣接している。
【００９１】
半導体基板１の表面上にはＳｉ酸化膜ＯＸが形成されている。各画素上には、水平方向に延びる３本の転送電極ＴＥ１，ＴＥ２，ＴＥ３が酸化膜ＯＸを介して形成されており、さらに、これらはパッシベーション膜ＰＶによって被覆されている。
【００９２】
従来のＬＯＦＤはチャネル２ｖの一辺に連続して隣接していたため、ＬＯＦＤの１箇所を外部に接続すれば良かったが、第１実施形態におけるＬＯＦＤは１行目の画素の横方向に隣接するＬＯＦＤとは逆側（千鳥）に、次の行の画素の横方向に隣接するＬＯＦＤが配置されているため、各画素毎に対応するＬＯＦＤ３ｄが、それぞれパッシベーション膜ＰＶに上を這うアルミ配線で電気的に結ばれている。
【００９３】
より具体的には、各画素に対応したＬＯＦＤ３ｄ毎に、その転送電極（ポリシリコン転送ゲート）ＴＥ２に穴を空け、この開口部を通してＬＯＦＤ３ｄをドレイン電極（アルミ配線）ＤＥに接続している。すなわち、ＬＯＦＤ領域３ｄは、酸化膜ＯＸ、転送電極ＴＥ２及びパッシベーション膜ＰＶに設けられたコンタクトホールを介してドレイン電極ＤＥに接続されている。ドレイン電極ＤＥはパッシベーション膜ＰＶ上を１画素内においてはＸ方向に延びており、ＬＯＦＤ３ｄからの過剰電荷を外部に排出する。
【００９４】
図１２は第２実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。第１実施形態においては、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定した。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素対（Ｘ方向に隣接する２画素からなる）毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定する点のみである。過剰電荷排出領域３は、上述のものと同一の構造であり、周辺部にバリア領域が形成されたＬＯＤＦ領域からなる。
【００９５】
図１３は第３実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素群（Ｘ方向に連続する全画素中の半分からなる）毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定する点のみである。
【００９６】
図１４は第４実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、図１に示した垂直電荷転送チャネル２ｖからなる撮像領域と、水平電荷転送チャネル２ｈとの間に複数の垂直シフトレジスタからなる蓄積部ＡＣが形成され、ＣＣＤがＦＴ駆動される点のみである。この場合、ＴＤＩ駆動とＦＴ駆動とが組み合わされるので、素子全体ではなく、蓄積部ＡＣに蓄積可能な任意の画素数の画像を出力することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のエネルギー線検出器によれば、飽和電荷量と開口率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図２】図１に示したＣＣＤを裏面側から見たＣＣＤのの平面図である。
【図３】出力部２ｏ周辺の平面図である。
【図４】図１に示したＣＣＤの部分拡大図である。
【図５】電荷の加算について説明するための説明図である。
【図６】幅方向位置（重心位置）が第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２において変わらない画素で発生した電荷を加算した場合について説明するため説明図である。
【図７】上記実施形態に係る３相駆動ＣＣＤの平面図である。
【図８】図７に示したＣＣＤのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【図９】図７に示したＣＣＤのＩＸ−ＩＸ矢印線縦断面図である。
【図１０】図７に示したＣＣＤのＸ−Ｘ矢印線縦断面図である。
【図１１】図７に示したＣＣＤのＸＩ−ＸＩ矢印線縦断面図である。
【図１２】第２実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１３】第３実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１４】第４実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１５】ＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤの平面図である。
【図１６】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線縦断面図である。
【図１７】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線縦断面図である。
【図１８】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【符号の説明】
１ｉ…内側領域、１…半導体基板、１ｐ…周縁部、２ｖ、２ｖ1，２ｖ2…エネルギー線感応領域（垂直電荷転送チャネル）、２ｏ…出力部、２ｈ…水平電荷転送チャネル、３ｂ，３ｂ1，３ｂ2…バリア領域、３ｄ，３ｄ1，３ｄ2…ＬＦＯＤ領域、３，３1，３2…過剰電荷排出領域、ＡＣ…蓄積部、ＤＥ…ドレイン電極、ＦＤ…フローティングダイオード、Ｇ１，Ｇ２…重心、Ｉ…アイソレーション領域、ＯＧ…出力ゲート、ＯＸ…酸化膜、ＰＶ…パッシベーション膜、ＰＸ１，ＰＸ２…画素、ＲＤ…リセットドレイン、ＲＧ…リセットゲート、ＴＥ１，ＴＥ２，ＴＥ３…転送電極、Ｖｏｕｔ…出力端子、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅、Ｙ１１，Ｙ１２…幅方向位置、Ｙ２１，Ｙ２２…幅方向位置、Ｚ…負荷抵抗。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体エネルギー線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体エネルギー線検出器は、例えば特開平６−２９５０６号公報に開示されている。このような半導体エネルギー線検出器の製造方法は例えば特開平６−３５００６８号公報に記載されている。
【０００３】
紫外線等のエネルギー線検出器としての電荷転送素子（ＣＣＤ）は、電子群をクロックパルスに同期した速度で一方向に順次転送する素子である。ＣＣＤは、その端部に出力部を設けることにより、空間情報を時系列信号に変換できる極めて巧妙な機能デバイスである。
【０００４】
しかしながら、二次元の画像情報を時系列信号として取り出すには、デバイス構成上の工夫が必要である。上記デバイスに光を照射したままで電荷を転送した場合、それぞれの場所で光励起された電荷と転送されてきた電荷とが混じり合って、いわゆるスミアと呼ばれる現象が生じ、映像信号が劣化する。
【０００５】
スミアを避けるためには、光を照射している期間（電荷蓄積期間）と電荷を転送する期間（電荷転送期間）とを時間的に分離する、いわゆる時分割動作が考えられる。
【０００６】
時分割動作を行える実用的なＣＣＤの電荷転送方式としては、フレーム転送（ＦＴ）方式、フル・フレーム転送（ＦＦＴ）方式があり、この他、インターライン転送（ＩＴ）方式が知られている。時分割動作を行う場合は、映像信号が出力される時間は電荷の転送時間内に限られるので、信号の出力は間欠的になる。
【０００７】
これらの電荷転送方式の中で、計測用の転送方式としてはＦＦＴ方式が用いられる。ＦＦＴ方式は、蓄積部が無く、エネルギー線感応領域の面積を大きくすることができるので、光の利用率が高く、微弱光の計測に適しているためである。
【０００８】
典型的なＦＦＴ方式を採用したＣＣＤは、エネルギー線感応領域の表面が電荷転送電極（ポリシリコン）によって隙間無く覆われた構造を有し、電荷転送電極の形成された表面側から光が入射する。ポリシリコンは、４００ｎｍ以下の波長の光や電子を吸収してしまうので、光電変換に寄与することができない。
【０００９】
特に、厚さ数μｍのＰＳＧ膜が、各電極を分離するためエネルギー線感応領域上を覆っているので、かかる検出器においては短波長の光の検出は困難である。
【００１０】
そこで、裏面入射型（裏面照射型）のＣＣＤが提案されている。裏面入射型のＣＣＤは基板のエネルギー線感応領域を１０μｍから３０μｍに薄化した撮像素子である。入射光は電荷転送電極の形成されていない裏面側からエネルギー線感応領域に照射される。エネルギー線感応領域に裏面側から光を入射させた場合、基板の裏面には薄い酸化膜の他に障害物は無いので、短波長の光像を比較的高感度に撮像することができる。裏面入射型ＣＣＤは、２００ｎｍ程度の短波長光まで感度を有し、更に電子衝撃型ＣＣＤデバイスにも応用される。
【００１１】
また、ＣＣＤにおいては、他のイメージセンサと比較して飽和電荷量が小さいという欠点がある。このため、被写体中に光強度の強い点が存在すると、発生した信号電荷が画素から溢れ出して周囲の画素に入り、ハイライト部の像が数倍の広がりとなって見える現象、すなわちブルーミング現象が生じ、その周辺の情報が失われる。
【００１２】
したがって、例えば分光器用のＣＣＤ等において、強い光のすぐ隣に現れる微弱な光を検出するためには、強い光の信号がブルーミングしないように、過剰不要な電荷を取り除く手法が必要となる。
【００１３】
この過剰な電荷を取り除く領域は、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）と呼称される。
【００１４】
表面入射型ＣＣＤの感応領域内にＯＦＤを形成する場合、通常は開口率を確保するため、ＣＣＤが形成された表面の下側、すなわち基板側にＯＦＤが形成され、不要な電荷は基板方向へと流れる。このような構造のＯＦＤは縦型ＯＦＤ（ＶＯＦＤ）と呼ばれる。
【００１５】
裏面入射型ＣＣＤにおいてもＯＦＤを形成することができる。裏面入射型ＣＣＤの場合、ＶＯＦＤの形成される基板部分をエッチングによって除去しているため、ＯＦＤは各画素の横側に隣接して形成される。この構造のＯＦＤは横型ＯＦＤ（ＬＯＦＤ）と呼ばれ、画素列の横側に併設される。なお、ＬＯＦＤと画素との間の領域には、必要な電荷がＬＯＦＤ内に流れ込まないように規制するためのバリア領域が形成される。
【００１６】
ここで、裏面入射型ＣＣＤがＬＯＦＤを採用している理由について付記しておく。
【００１７】
裏面入射型ＣＣＤの場合、物理的にＶＯＦＤを形成できないこともあるが、原理的にＶＯＦＤは形成できない。すなわち、裏面入射型ＣＣＤにおいて、裏面の入射面で光電変換された電子を表面側に形成されたＣＣＤへ集めるため、裏面側のポテンシャルが最も低く、表面（厳密には電荷転送部、最表面部ではない）ほど高くなるように構成されている。一方、通常のＶＯＦＤは、過剰電荷を基板の裏面側へ排出するため、ポテンシャルは表面側（厳密には電荷転送部より若干基板側）が最も低く、裏面へ行くほど高く設定される。したがって、基板の光入射面付近で発生した電子は、ＣＣＤのチャンネルに移動する前にＯＦＤに排出されてしまう。
【００１８】
完全空乏型のＣＣＤが裏面入射型ＣＣＤと同様のＣＣＤとして知られている。これは、基板の厚み方向に形成される空乏層を基板内に形成されたＰＮ接合界面から裏面まで到達させるタイプのＣＣＤである。完全空乏型ＣＣＤについても、ＶＯＦＤを形成する基板部分は電荷を集める領域として設計されるため、このようなタイプのＣＣＤにおいてもＶＯＦＤを形成することができない。
【００１９】
したがって、裏面入射型ＣＣＤ及び完全空乏型ＣＣＤにおいては、いずれもＶＯＦＤを形成する部分は存在しないし、例えできたとしても、通常通り動作することはできない。このため、裏面入射型ＣＣＤ及び完全空乏型ＣＣＤはＬＯＦＤを採用している。
【００２０】
なお、ＦＴ方式及びＦＦＴ方式に適用されるＬＯＦＤは、例えば、技術文献「True two-phase CCD image sensors employing a transparent gate」William Des Jardin, Stephen Kosman, January1999, SPIE Vol. 3649に開示されている。エネルギー線検出器の一例としてＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤについて説明する。
【００２１】
図１５はＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤの平面図、図１６は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線縦断面図、図１７は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線縦断面図、図１８は図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【００２２】
本例のＣＣＤにおいては、Ｐ型Ｓｉ基板４０１上に垂直電荷転送チャネル４０２とアイソレーション領域４０３が設けられている。これらの上にはＳｉＯ2膜４０４が設けられ、さらにその上には複数の垂直転送電極４０５が設けられている。本例の場合３相駆動方式を採用しているため、垂直転送電極４０５の数は１画素当たり３つである。垂直電荷転送チャネル４０２に平行にＬＯＦＤ４０６へ流入する電荷のバリア領域４０７とＬＯＦＤ４０６とが連続して設けられている。
【００２３】
ＬＯＦＤ４０６及びバリア領域４０７は過剰な不要電荷を除去し、ブルーミング、スミア特性の劣化を防止している。
【００２４】
このように、従来のＣＣＤでは、各画素中の全ての転送電極に、各画素の一辺に沿って連続してバリア領域４０７及びＬＯＦＤ４０６が設けられている。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構造において、特に裏面入射型ＣＣＤにおいてはＬＯＦＤの形成によって、電荷を蓄積・転送するための画素の面積が減少する。これにより、ＣＣＤの飽和電荷量が低下すると共に開口率が低下するという問題がある。
【００２６】
本発明は上述の課題に基づいてなされたものであり、飽和電荷量と開口率の低下を抑制可能なエネルギー線検出器を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明は一方向に沿って連続して延びエネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域を垂直電荷転送チャネルとし、前記垂直電荷転送チャネルを介して転送された電荷を水平方向に転送して出力する水平電荷転送チャネルを備える半導体エネルギー線検出器において、前記エネルギー線感応領域長さ方向の第１位置における幅を規定する２つの幅方向位置のそれぞれが、前記長さ方向の第２位置における幅を規定する２つの幅方向位置それぞれから変位しており、前記エネルギー線感応領域に対して互いに逆側位置に第１及び第２過剰電荷排出領域が設けられ、前記第１過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第２位置におけるエネルギー線感応領域が位置するように前記第１位置における前記幅方向位置の一方に隣接しており、前記第２過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第１位置におけるエネルギー線感応領域が位置するように前記第２位置における前記幅方向位置の一方に隣接し、前記半導体エネルギー線検出器の撮像領域は前記垂直電荷転送チャネルを複数備え、同一の垂直電荷転送チャネル内に第１画素及び第２画素を備え、測定対象物から出射されるエネルギー線の前記垂直電荷転送チャネル上における速度に同期する速度で、前記第１画素に蓄積された電荷を、第２画素に転送することにより、転送された電荷と転送後に前記第２画素で蓄積される電荷とを加算することを特徴とする。
また、本発明の半導体エネルギー線検出器は、前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する第１及び第２画素群を備え、第１及び第２画素群は、それぞれ前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する全画素群の半分であって、前記第１及び第２画素群は、それぞれの画素群毎に、前記第１及び第２過剰電荷排出領域がそれぞれ設定されていることを特徴とする。
【００２８】
ここで、エネルギー線とは紫外線、赤外線、可視光の他に電子線等も含まれるものとする。
【００２９】
このエネルギー線検出器によれば、エネルギー線の入射に応じてエネルギー線感応領域で電荷が発生するが、この電荷は垂直電荷転送チャネルを構成する当該エネルギー線感応領域を介して一方向に沿って転送される。垂直電荷転送チャネルを介して転送された電荷は水平電荷転送チャネルによって水平方向に転送して出力される。
【００３０】
ここで、第１及び第２過剰電荷排出領域は、第１及び第２位置におけるエネルギー線感応領域において発生した過剰な不要電荷を外部に排出する。これにより、ブルーミング現象は抑制することができる。しかしながら、制限された幅の中に、エネルギー線感応領域、すなわち、垂直電荷転送チャネルと過剰電荷排出領域を設定すると、通常であれば垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなる。過剰電荷排出領域は不感領域として機能するので、垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなると、垂直電荷転送チャネル内に蓄積可能な電荷量が減少すると共に開口率も低下する。
【００３１】
本エネルギー線検出器においては、第１及び第２位置における垂直電荷転送チャンネルの幅方向位置が互いにずれており、ずれた場所に過剰電荷排出領域を設定する。換言すれば、第１過剰電荷排出領域の一方向（垂直方向）延長線上には、第２位置におけるエネルギー線感応領域が位置し、第２過剰電荷排出領域の一方向（垂直方向）延長線上には、第１位置におけるエネルギー線感応領域が位置する。
【００３２】
垂直電荷転送チャネルは垂直方向に電荷を転送しているので、ブルーミング現象を抑制するため第１位置に第１過剰電荷排出領域、すなわち不感領域を設けたとしても、その延長線上には第２位置における感応領域が位置する。第２位置に第２過剰電荷排出領域を設けても、その延長線上には第１位置における感応領域が位置する。
【００３３】
これらの第１及び第２の位置における電荷量を加算すると、一方の不感領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００３４】
過剰電荷排出領域としては、様々なものが考えられるが、本エネルギー線検出器においては、第１過剰電荷排出領域は、エネルギー線感応領域の第１位置で発生した過剰な電荷を排出する第１オーバーフロードレイン領域と、第１オーバーフロードレイン領域とエネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域内で発生した電荷を第１オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第１バリア領域を備え、第２過剰電荷排出領域は、エネルギー線感応領域の第２位置で発生した過剰な電荷を排出する第２オーバーフロードレイン領域と、第２オーバーフロードレイン領域とエネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域内で発生した電荷を第２オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第２バリア領域を備える。
【００３５】
一定量以上の電荷がエネルギー線感応領域内で発生した場合には、超えた分が第１及び第２バリア領域を介して第１及び第２オーバーフロードレイン領域内に流れ込み、第１及び第２オーバーフロードレイン領域から外部に排出される。
【００３６】
上述のエネルギー線検出器においては、垂直電荷転送チャネルの第１及び第２位置における幅方向位置を変位させたが、これにより、第１及び第２位置をそれぞれ含む第１及び第２画素内のエネルギー線感応領域、すなわち垂直電荷転送チャネルの重心位置が幅方向に変位する。
【００３７】
すなわち、本半導体エネルギー線検出器は、エネルギー線の入射に感応すると共に垂直方向に電荷を転送する垂直電荷転送チャネルを複数備えてなる撮像領域における同一垂直電荷転送チャネル内に位置する第１及び第２画素を備えた半導体エネルギー線検出器において、前記第１画素に隣接して形成された第１オーバーフロードレイン領域と、第２画素に隣接して形成された第２オーバーフロードレイン領域とを備え、前記第１画素内の垂直電荷転送チャネルの重心から前記垂直方向に平行に延ばした延長線上からずれた位置に前記第２画素内の垂直電荷転送チャネルの重心が位置する。
【００３８】
すなわち、幅方向に重心がずれているので、第１及び第２画素において発生した電荷を加算すると、一方の不感領域、すなわち、第１又は第２オーバーフロードレイン領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、不感領域が存在するので、電荷の加算によって、垂直電荷転送チャネルの幅方向中央部寄りの領域内の方が、幅方向両端部の領域内よりも電荷密度が高くなり、電荷を擬似的に幅方向中央部に圧縮することができる。この擬似信号圧縮効果によって、撮像におけるモアレを圧縮し変調度を低下させることができる。
【００４０】
上記の加算を利用することができる駆動方式としては様々なものが考えられるが、１つはＴＤＩ駆動である。ＴＤＩ駆動は、例えば、ベルトコンベアー上を移動する測定対象物を撮像する場合に、対象物の移動速度に同期して垂直電荷転送チャネルにおける電荷転送速度を調整する駆動方式であり、測定対象物の１点に対応するエネルギー線を第１画素によって撮像し、測定対象物の同じ１点に対応するエネルギー線が第２画素上に移動した場合には、第１画素で発生した電荷を第２画素に移動させた上で、第２画素でこれを撮像する駆動方式である。もちろん、エネルギー線がエネルギー線検出器上を走査するのであれば、この走査速度に電荷転送速度を同期させてもよい。
【００４１】
すなわち、本エネルギー線検出器は、測定対象物から出射されるエネルギー線の垂直電荷転送チャネル上における速度に同期する速度で第１画素に蓄積された電荷を第２画素に転送することにより、転送された電荷と転送後に第２画素で蓄積される電荷とを加算する。
【００４２】
この駆動方式を採用することにより、上記加算（積算）による有用性が更に向上し、不感領域の形成による電荷量の低下を抑制することができる。
【００４３】
上記駆動方式は、異なる期間に別の画素に入射した同一源からのエネルギー線を撮像することとしたが、第１及び第２画素において同じ期間に蓄積された電荷を加算する駆動方式を採用してもよい。これは所謂ラインビニング駆動方式であり、複数の垂直電荷転送チャネル毎に加算された電荷は全体として、水平方向に一次元電荷列をなし、この場合のエネルギー線検出器は、１次元ホトダイオードアレイと同様にラインセンサとして機能する。
【００４４】
このエネルギー線検出器においても、上記加算による有用性は達成される。
【００４５】
また、本半導体エネルギー線検出器は、裏面入射型のＣＣＤであることが好ましく、この場合には従来のＬＯＦＤの形成による不具合が解消されるので、上述した裏面入射型ＣＣＤの特性を更に活用することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係るエネルギー線検出器について、裏面入射型ＣＣＤを例に説明する。同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。説明において、エネルギー線とは紫外線、赤外線、可視光の他に、電子線等も含まれるものとする。
【００４７】
図１は第１実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側（裏面とは反対側）から見たＣＣＤの平面図である。図２は図１に示したＣＣＤを裏面側から見たＣＣＤのの平面図である。
【００４８】
半導体エネルギー線検出器である裏面入射型ＣＣＤは、内側領域１ｉの厚みが周縁部１ｐの厚みよりも薄い半導体基板１と、半導体基板１の裏面側からのエネルギー線の入射に応じて半導体基板１内において発生した電荷を読み出すために半導体基板１の表面側に形成された電荷読み出し部２とを備える。このＣＣＤはＦＦＴ型ＣＣＤである。
【００４９】
電荷読み出し部２は、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送チャネル２ｖと、各垂直電荷転送チャネル２ｖの終端部まで転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送チャネル２ｈと、水平電荷転送チャネル２ｈの終端部まで転送された電荷を読み出す出力部２ｏとを備えている。
【００５０】
垂直電荷転送チャネル２ｖの導電型はＮ型であり、その下に形成されたＰ型半導体基板１とＰＮ接合を形成している。また、垂直電荷転送チャネル２ｖの幅は約２０μｍである。垂直電荷転送チャネル２ｖの総数は５１２〜１０２４列である。垂直電荷転送チャネル２ｖと直交して垂直転送電極群（図８参照）が配置され、これらは垂直シフトレジスタを構成している。垂直電荷転送チャネル２ｖの幅は一定ではなく、左右交互に幅狭となる領域があり、この領域内に過剰電荷排出領域３が設けられている。
【００５１】
詳説すれば、第１実施形態のＣＣＤと従来技術のＣＣＤとの構造的な相違点は、従来技術においては各画素の１つの辺に連続して過剰電荷排出領域３が設けられているのに対して、本実施形態の過剰電荷排出領域３が垂直電荷転送方向に配置された画素列における前後の画素で左右交互に、すなわち千鳥状に配置されている。
【００５２】
垂直電荷転送チャネル２ｖは、厚みの薄い内側領域１ｉに形成されたエネルギー線感応領域であり、エネルギー線の入射に応じて電荷を発生する。垂直電荷転送チャネル２ｖ内で発生した電荷は、その上に形成された転送電極に３相の駆動電圧ΦV1、ΦV2、ΦV3を印加することによって順次垂直方向に転送される。すなわち、垂直電荷転送チャネル２ｖ内の１画素内には３つの転送電極が設けられるが、この３つの電極に位相の異なる電圧が印加され、この画素内に蓄積された電荷が次の画素に転送される。
【００５３】
複数の垂直電荷転送チャネル２ｖによって、その終端部まで転送された電荷は、水平電荷転送チャネル２ｈに入力される。すなわち、垂直電荷転送チャネル２ｖは、１つの水平電荷転送チャネル２ｈに接続されている。水平電荷転送チャネル２ｈの幅は約２５乃至１００μｍである。水平電荷転送チャネル２ｈと直交して水平転送電極群が配置され、これらは水平シフトレジスタを構成している。水平電荷転送チャネル２ｈ内に入力された電荷は、その上に形成された転送電極に３相の駆動電圧ΦH1、ΦH2、ΦH3を印加することによって水平方向に順次転送され、出力部２ｏに入力される。
【００５４】
図３は、出力部２ｏ周辺の平面図である。
【００５５】
電荷蓄積期間に、垂直シフトレジスタのポテンシャル井戸に蓄積された電荷は、順次、垂直シフトレジスタから水平シフトレジスタに転送される。さらに、この電荷は水平シフトレジスタによって水平方向に転送され、時系列の信号として水平シフトレジスタ内を移動する。
【００５６】
水平シフトレジスタによって転送された電荷は、一定電位の出力ゲートＯＧの下を通過し、リセットゲートＲＧによって一定の電位に保たれたフローティングダイオードＦＤのポテンシャル井戸内に転送され、フローティングダイオードＦＤの電位を変化させる。この電位の変化をオンチップの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＴＲと外付けの負荷抵抗Ｚからなるソースホロア回路を介して読み出し、出力端子Ｖｏｕｔから出力電圧を得る。なお、トランジスタＴＲの一端には電源電圧ＶＤＤが与えられ、他方は負荷抵抗Ｚを介して接地されている。
【００５７】
この後、フローティングダイオードＦＤのポテンシャル井戸に転送された電荷は、リセットゲートＲＧの下を通過してリセットドレインＲＤより排出される。次に、上述の過剰電荷排出領域３（図１参照）について詳説する。
【００５８】
図４は図１に示したＣＣＤの部分拡大図である。エネルギー感応領域である垂直電荷転送チャネル２ｖ間には、過剰電荷排出領域３が配置されている。なお、Ｘ方向は垂直方向であり、Ｙ方向は水平方向である。
【００５９】
この裏面入射型ＣＣＤは、一方向（Ｘ方向）に沿って連続して延びエネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域を垂直電荷転送チャネル２ｖとし、垂直電荷転送チャネル２ｖを介して転送された電荷を水平方向に転送して出力する水平電荷転送チャネルを備えるＣＣＤにおいて、エネルギー線感応領域長さ方向Ｘの第１位置Ｘ１における幅Ｗ１を規定する２つの幅方向位置Ｙ１１，Ｙ１２のそれぞれが、長さ方向Ｘの第２位置Ｘ２における幅Ｗ２を規定する２つの幅方向位置Ｙ２１，Ｙ２２それぞれから変位しており、エネルギー線感応領域２ｖに対して互いに逆側位置に第１及び第２過剰電荷排出領域３1，３2が設けられ、第１過剰電荷排出領域３1は、その一方向（Ｘ方向）延長線上に、第２位置Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖ2が位置するように第１位置Ｘ１における幅方向位置の一方（Ｙ１２）に隣接しており、第２過剰電荷排出領域３2は、その前記一方向（Ｘ方向）延長線上に、第１位置Ｘ１におけるエネルギー線感応領域２ｖ1が位置するように第２位置Ｘ２における幅方向位置の一方（Ｙ２１）に隣接している。
【００６０】
このＣＣＤによれば、エネルギー線の入射に応じてエネルギー線感応領域で電荷が発生するが、この電荷は垂直電荷転送チャネル２ｖを構成する当該エネルギー線感応領域を介して一方向（Ｘ方向）に沿って転送される。垂直電荷転送チャネル２ｖを介して転送された電荷は水平電荷転送チャネル２ｈ（図１）によって水平方向（−Ｙ方向）に転送され、出力部２ｏを介して外部に出力される。
【００６１】
ここで、第１及び第２過剰電荷排出領域３（３1，３2）は、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖにおいて発生した過剰な不要電荷を外部に排出する。これにより、ブルーミング現象は抑制することができる。
【００６２】
従来のように、制限された幅の中に、エネルギー線感応領域、すなわち、垂直電荷転送チャネルと過剰電荷排出領域を設定すると、通常であれば垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなる。過剰電荷排出領域は不感領域として機能するので、垂直電荷転送チャネルの幅が狭くなると、垂直電荷転送チャネル内に蓄積可能な電荷量が減少すると共に開口率も低下する。
【００６３】
このＣＣＤにおいては、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２における垂直電荷転送チャンネル２ｖの幅方向位置（Ｙ１１，Ｙ１２），（Ｙ２１、Ｙ２２）が互いにずれおり、ずれた場所に過剰電荷排出領域３1，３2が設定されている。換言すれば、第１過剰電荷排出領域３1の一方向（垂直方向Ｘ）延長線上には、第２位置Ｘ２におけるエネルギー線感応領域２ｖ2が位置し、第２過剰電荷排出領域３2の一方向（垂直方向Ｘ）延長線上には、第１位置Ｘ１におけるエネルギー線感応領域２ｖ1が位置する。
【００６４】
垂直電荷転送チャネル２ｖは垂直方向に電荷を転送しているので、ブルーミング現象を抑制するため第１位置Ｘ１に第１過剰電荷排出領域３1、すなわち不感領域を設けたとしても、その延長線上には第２位置Ｘ２における感応領域が位置する。第２位置Ｘ２に第２過剰電荷排出領域３2を設けても、その延長線上には第１位置Ｘ２における感応領域が位置する。
【００６５】
これらの第１及び第２の位置Ｘ１，Ｘ２における電荷量を加算すると、一方の不感領域に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００６６】
過剰電荷排出領域３は、様々なものが考えられる。
【００６７】
本ＣＣＤにおいては、第１過剰電荷排出領域３1は、エネルギー線感応領域２ｖの第１位置Ｘ１で発生した過剰な電荷を排出する第１ＬＯＦＤ領域（第１オーバーフロードレイン領域）３ｄ（３ｄ1）と、第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1とエネルギー線感応領域２ｖ（２ｖ1）との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域２ｖ1内で発生した電荷を第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1内へ流れ込ませる第１バリア領域３ｂ（３ｂ1）を備える。
【００６８】
同様に、第２過剰電荷排出領域３2は、エネルギー線感応領域２ｖの第２位置Ｘ２で発生した過剰な電荷を排出する第２ＬＯＦＤ（第２オーバーフロードレイン領域）３ｄ（３ｄ2）と、第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2とエネルギー線感応領域２ｖ（２ｖ2）との間に介在し、一定量を超えてエネルギー線感応領域２ｖ2内で発生した電荷を第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2内へ流れ込ませる第２バリア領域３ｂ2を備える。
【００６９】
一定量以上の電荷がエネルギー線感応領域２ｖ1，２ｖ2内で発生した場合には、超えた分が第１及び第２バリア領域３ｂ1，３ｂ2を介して第１及び第２ＬＯＦＤ領域３ｄ1，３ｄ2内にそれぞれ流れ込み、第１及び第２ＬＯＦＤ領域３ｄ1，３ｄ2から外部に排出される。
【００７０】
なお、上述のＣＣＤにおいては、垂直電荷転送チャネル２ｖの第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２における幅方向位置を変位させたが、これにより、第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ含む第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２内のエネルギー線感応領域２ｖ1，２ｖ2、すなわち垂直電荷転送チャネルの重心位置が幅方向に変位する。各画素ＰＸ１、ＰＸ２で発生した電荷は加算される。
【００７１】
図５は、電荷の加算について説明するための説明図である。
【００７２】
第１位置Ｘ１においては、幅Ｗ１を規定する幅方向位置Ｙ１１、Ｙ１２の有感領域（垂直電荷転送チャネル）２ｖ1と不感領域（ＬＯＦＤ領域及びバリア領域）３1とが隣接している。第２位置Ｘ２においては、幅Ｗ２を規定する幅方向位置Ｙ２１、Ｙ２２の有感領域（垂直電荷転送チャネル）２ｖ2と不感領域（ＬＯＦＤ領域及びバリア領域）３2とが隣接している。
【００７３】
本ＣＣＤは、図４及び図５を参照すると、エネルギー線の入射に感応すると共に垂直方向（Ｘ方向）に電荷を転送する垂直電荷転送チャネル２ｖを複数備えてなる撮像領域（内側領域１ｉ（図２参照））における同一垂直電荷転送チャネル内に位置する第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２を備えたＣＣＤである。
【００７４】
このＣＣＤは、第１画素ＰＸ１に隣接して形成された第１ＬＯＦＤ領域３ｄ1と、第２画素ＰＸ２に隣接して形成された第２ＬＯＦＤ領域３ｄ2とを備え、第１画素ＰＸ１内の垂直電荷転送チャネル２ｖ1の重心Ｇ１から垂直方向（Ｘ方向）に平行に延ばした延長線上からずれた位置に第２画素ＰＸ２内の垂直電荷転送チャネル２ｖ2の重心Ｇ２が位置する。
【００７５】
すなわち、幅方向に重心Ｇ１，Ｇ２がずれているので、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２において発生した電荷を加算すると、一方の不感領域、すなわち、第１又は第２ＬＯＦＤ領域３1，３2に対応する幅方向位置において発生すべき電荷は、他方で補完することができる。すなわち、幅方向の撮像を行うのであれば、飽和電荷量及び開口率の低下を抑制することができる。
【００７６】
この場合、不感領域３1，３2が存在するので、電荷の加算によって、垂直電荷転送チャネル２ｖの幅方向中央部寄りの領域内の方が、幅方向両端部の領域内よりも電荷密度が高くなり、電荷を擬似的に幅方向中央部に圧縮することができる。この擬似信号圧縮効果によって、撮像におけるモアレを圧縮し変調度を低下させることができる。なお、本例ではＷ１＝Ｗ２である。
【００７７】
図６は、幅方向位置（重心位置）が第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２において変わらない画素で発生した電荷を加算した場合について説明するため説明図である。この場合、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２で発生した電荷を加算したとしても、過剰電荷排出領域３1，３2の存在によって失った幅方向情報は補完することができず、また擬似信号圧縮効果も起こらない。
【００７８】
次に、実施形態のＣＣＤの説明に戻って、その駆動方式について説明する。上記の加算を利用することができる駆動方式としては様々なものが考えられるが、１つはＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延積分）駆動である。
【００７９】
ＴＤＩ駆動とは、例えばベルトコンベアー上にある物体を撮像する場合や、所定の測定で等速に移動する航空機から地上を撮像する場合等の、撮像対象と撮像装置とが相対的に一定速度で移動している場合に用いられる撮像法であって、撮像対象の進行方向を垂直シフトレジスタの電荷転送方向と一致させて設置し、エネルギー線感応領域の各ポテンシャル井戸に蓄積された電荷を撮像対象、または撮像装置の移動速度に対応した速度で転送しつつ、電荷の蓄積を行う方法である。ＴＤＩ駆動法によれば、特定の蓄積電荷は、撮像対象の移動に拘わらず常に撮像対象の特定位置に対応してスミア・ぶれの生じないように撮像を行うことができる。
【００８０】
ＴＤＩ駆動について図面を参照しながら説明するとすれば、これは移動する測定対象物を撮像する場合に、対象物の移動速度に同期して垂直電荷転送チャネルにおける電荷転送速度を調整する駆動方式であり、測定対象物の１点に対応するエネルギー線を第１画素ＰＸ１によって撮像し、測定対象物の同じ１点に対応するエネルギー線が第２画素ＰＸ２上に移動した場合には、第１画素ＰＸ１で発生した電荷を第２画素ＰＸ２に移動させた上で、第２画素ＰＸ２でこれを撮像する駆動方式である。もちろん、エネルギー線がＣＣＤ上を走査するのであれば、この走査速度に電荷転送速度を同期させてもよい。
【００８１】
すなわち、本ＣＣＤは、測定対象物から出射されるエネルギー線の垂直電荷転送チャネル２ｖ上における速度に同期する速度で第１画素ＰＸ１に蓄積された電荷を第２画素ＰＸ２に転送することにより、転送された電荷と転送後に第２画素ＰＸ２で蓄積される電荷とを加算する。
【００８２】
更に詳説すれば、ＣＣＤの１行１列に存在する画素は、チャネル２ｖの右側に沿ってＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂが形成されており、垂直電荷転送方向の次段である２行１列の画素では、チャネル２ｖの左側に沿ってＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂが形成されている。ＣＣＤをＴＤＩ駆動することにより、１行１列目の画素ＰＸ１に隣接する不感領域であるＬＯＦＤ３ｄ及びバリア領域３ｂは、次段の２行１列目の画素ＰＸ２では有感領域となり、不感領域が補完されるのである。
【００８３】
本例のＣＣＤでは感度自体は減少するが開口率の低下は抑制される。なお、各画素の電荷はＴＤＩ駆動により積分されるため、この感度低下分は十分に補うことができる。これは、前の撮像タイミング時に１行１列目に存在した撮像対象が、２行１行目に移動した時点で、次の撮像が行われるＴＤＩ駆動特有の効果を利用したものである。
【００８４】
この駆動方式を採用することにより、上記加算（積算）による有用性が更に向上し、不感領域（３）の形成による電荷量の低下を抑制することができる。
【００８５】
上記ＴＤＩ駆動方式は、異なる期間に別の画素ＰＸ１，ＰＸ２に入射した同一源からのエネルギー線を撮像することとしたが、第１及び第２画素ＰＸ１，ＰＸ２において同じ期間に蓄積された電荷を加算する駆動方式を採用してもよい。これは所謂ラインビニング駆動方式であり、複数の垂直電荷転送チャネル毎に加算された電荷は全体として、水平方向に一次元電荷列をなし、この場合のＣＣＤは、１次元ホトダイオードアレイと同様にラインセンサとして機能する。
【００８６】
このＣＣＤにおいても、上記加算による有用性は達成される。
【００８７】
また、本ＣＣＤは、裏面入射型のＣＣＤであり、この場合には従来のＬＯＦＤの形成による不具合が解消されるので、上述した裏面入射型ＣＣＤの特性を更に活用することができる。
【００８８】
次に、上記ＣＣＤの縦断面構造について説明する。
【００８９】
図７は上記実施形態に係る３相駆動ＣＣＤの平面図、図８は図７に示したＣＣＤのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印線縦断面図、図９は図７に示したＣＣＤのＩＸ−ＩＸ矢印線縦断面図、図１０は図７に示したＣＣＤのＸ−Ｘ矢印線縦断面図、図１１は図７に示したＣＣＤのＸＩ−ＸＩ矢印線縦断面図である。
【００９０】
Ｐ型Ｓｉからなる半導体基板（内側領域１ｉ）１上に、Ｎ型半導体層２ｖが垂直電荷転送チャネルとして形成されている。半導体基板１上には、高不純物濃度（Ｎ型）のＬＯＦＤ領域３ｄが形成され、ＬＯＦＤ領域３ｄの横方向周囲は、低不純物濃度（Ｎ型）のバリア領域３ｂで囲まれている。この画素ＰＸ１と水平方向に隣接する画素との間には、高不純物濃度（Ｐ型）のアイソレーション領域Ｉが形成されており、アイソレーション領域ＩはＮ型半導体層２ｖと隣接している。
【００９１】
半導体基板１の表面上にはＳｉ酸化膜ＯＸが形成されている。各画素上には、水平方向に延びる３本の転送電極ＴＥ１，ＴＥ２，ＴＥ３が酸化膜ＯＸを介して形成されており、さらに、これらはパッシベーション膜ＰＶによって被覆されている。
【００９２】
従来のＬＯＦＤはチャネル２ｖの一辺に連続して隣接していたため、ＬＯＦＤの１箇所を外部に接続すれば良かったが、第１実施形態におけるＬＯＦＤは１行目の画素の横方向に隣接するＬＯＦＤとは逆側（千鳥）に、次の行の画素の横方向に隣接するＬＯＦＤが配置されているため、各画素毎に対応するＬＯＦＤ３ｄが、それぞれパッシベーション膜ＰＶに上を這うアルミ配線で電気的に結ばれている。
【００９３】
より具体的には、各画素に対応したＬＯＦＤ３ｄ毎に、その転送電極（ポリシリコン転送ゲート）ＴＥ２に穴を空け、この開口部を通してＬＯＦＤ３ｄをドレイン電極（アルミ配線）ＤＥに接続している。すなわち、ＬＯＦＤ領域３ｄは、酸化膜ＯＸ、転送電極ＴＥ２及びパッシベーション膜ＰＶに設けられたコンタクトホールを介してドレイン電極ＤＥに接続されている。ドレイン電極ＤＥはパッシベーション膜ＰＶ上を１画素内においてはＸ方向に延びており、ＬＯＦＤ３ｄからの過剰電荷を外部に排出する。
【００９４】
図１２は第２実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。第１実施形態においては、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定した。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素対（Ｘ方向に隣接する２画素からなる）毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定する点のみである。過剰電荷排出領域３は、上述のものと同一の構造であり、周辺部にバリア領域が形成されたＬＯＤＦ領域からなる。
【００９５】
図１３は第３実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、垂直方向（Ｘ方向）に隣接する画素群（Ｘ方向に連続する全画素中の半分からなる）毎に過剰電荷排出領域３を左右交互に設定する点のみである。
【００９６】
図１４は第４実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。本実施形態のＣＣＤと第１実施形態のものとの相違点は、図１に示した垂直電荷転送チャネル２ｖからなる撮像領域と、水平電荷転送チャネル２ｈとの間に複数の垂直シフトレジスタからなる蓄積部ＡＣが形成され、ＣＣＤがＦＴ駆動される点のみである。この場合、ＴＤＩ駆動とＦＴ駆動とが組み合わされるので、素子全体ではなく、蓄積部ＡＣに蓄積可能な任意の画素数の画像を出力することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のエネルギー線検出器によれば、飽和電荷量と開口率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図２】図１に示したＣＣＤを裏面側から見たＣＣＤのの平面図である。
【図３】出力部２ｏ周辺の平面図である。
【図４】図１に示したＣＣＤの部分拡大図である。
【図５】電荷の加算について説明するための説明図である。
【図６】幅方向位置（重心位置）が第１及び第２位置Ｘ１，Ｘ２において変わらない画素で発生した電荷を加算した場合について説明するため説明図である。
【図７】上記実施形態に係る３相駆動ＣＣＤの平面図である。
【図８】図７に示したＣＣＤのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【図９】図７に示したＣＣＤのＩＸ−ＩＸ矢印線縦断面図である。
【図１０】図７に示したＣＣＤのＸ−Ｘ矢印線縦断面図である。
【図１１】図７に示したＣＣＤのＸＩ−ＸＩ矢印線縦断面図である。
【図１２】第２実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１３】第３実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１４】第４実施形態に係る裏面入射型ＣＣＤを表面側から見たＣＣＤの平面図である。
【図１５】ＬＯＦＤを有する３相駆動ＣＣＤの平面図である。
【図１６】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線縦断面図である。
【図１７】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線縦断面図である。
【図１８】図１５に示したＣＣＤのＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢印線縦断面図である。
【符号の説明】
１ｉ…内側領域、１…半導体基板、１ｐ…周縁部、２ｖ、２ｖ1，２ｖ2…エネルギー線感応領域（垂直電荷転送チャネル）、２ｏ…出力部、２ｈ…水平電荷転送チャネル、３ｂ，３ｂ1，３ｂ2…バリア領域、３ｄ，３ｄ1，３ｄ2…ＬＦＯＤ領域、３，３1，３2…過剰電荷排出領域、ＡＣ…蓄積部、ＤＥ…ドレイン電極、ＦＤ…フローティングダイオード、Ｇ１，Ｇ２…重心、Ｉ…アイソレーション領域、ＯＧ…出力ゲート、ＯＸ…酸化膜、ＰＶ…パッシベーション膜、ＰＸ１，ＰＸ２…画素、ＲＤ…リセットドレイン、ＲＧ…リセットゲート、ＴＥ１，ＴＥ２，ＴＥ３…転送電極、Ｖｏｕｔ…出力端子、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅、Ｙ１１，Ｙ１２…幅方向位置、Ｙ２１，Ｙ２２…幅方向位置、Ｚ…負荷抵抗。
Claims (6)
- 一方向に沿って連続して延びエネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域を垂直電荷転送チャネルとし、前記垂直電荷転送チャネルを介して転送された電荷を水平方向に転送して出力する水平電荷転送チャネルを備える半導体エネルギー線検出器において、
前記エネルギー線感応領域長さ方向の第１位置における幅を規定する２つの幅方向位置のそれぞれが、前記長さ方向の第２位置における幅を規定する２つの幅方向位置それぞれから変位しており、
前記エネルギー線感応領域に対して互いに逆側位置に第１及び第２過剰電荷排出領域が設けられ、
前記第１過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第２位置における前記エネルギー線感応領域が位置するように前記第１位置における前記幅方向位置の一方に隣接しており、
前記第２過剰電荷排出領域は、その前記一方向延長線上に、前記第１位置における前記エネルギー線感応領域が位置するように前記第２位置における前記幅方向位置の一方に隣接し、
前記半導体エネルギー線検出器の撮像領域は前記垂直電荷転送チャネルを複数備え、同一の垂直電荷転送チャネル内に第１画素及び第２画素を備え、測定対象物から出射されるエネルギー線の前記垂直電荷転送チャネル上における速度に同期する速度で、前記第１画素に蓄積された電荷を、第２画素に転送することにより、転送された電荷と転送後に前記第２画素で蓄積される電荷とを加算する、
ことを特徴とする半導体エネルギー線検出器。 - 前記第１過剰電荷排出領域は、前記エネルギー線感応領域の前記第１位置で発生した過剰な電荷を排出する第１オーバーフロードレイン領域と、第１オーバーフロードレイン領域と前記エネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えて前記エネルギー線感応領域内で発生した電荷を前記第１オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第１バリア領域を備え、
前記第２過剰電荷排出領域は、前記エネルギー線感応領域の前記第２位置で発生した過剰な電荷を排出する第２オーバーフロードレイン領域と、第２オーバーフロードレイン領域と前記エネルギー線感応領域との間に介在し、一定量を超えて前記エネルギー線感応領域内で発生した電荷を前記第２オーバーフロードレイン領域内へ流れ込ませる第２バリア領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体エネルギー線検出器。 - 前記第１画素に隣接して前記第１オーバーフロードレイン領域が形成され、前記第２画素に隣接して前記第２オーバーフロードレイン領域が形成され、前記第１画素内の垂直電荷転送チャネルの重心から前記垂直方向に平行に延ばした延長線上からずれた位置に前記第２画素内の垂直電荷転送チャネルの重心が位置することを特徴とする請求項２に記載の半導体エネルギー線検出器。
- 前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する第１及び第２画素群を備え、第１及び第２画素群は、それぞれ前記垂直電荷転送チャネルの前記一方向に連続する全画素群の半分であって、前記第１及び第２画素群は、それぞれの画素群毎に、前記第１及び第２過剰電荷排出領域がそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体エネルギー線検出器。
- 前記第１及び第２画素において同じ期間に蓄積された電荷を加算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体エネルギー線検出器。
- 前記半導体エネルギー線検出器は、裏面入射型のＣＣＤであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体エネルギー線検出器。
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