JP4771664B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に係り、詳しくは、フォトダイオードのような受光素子に蓄積される信号電荷を電荷結合素子（Charged Coupled Device；以下、ＣＣＤと称す）により転送して読み出す、例えばリニアセンサに用いて好適な固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

この種の固体撮像装置では、近年、高解像度化が進み、これまで、多数の受光素子が横１列に並べられた画素列から画像を読み取る構造（１列構造）に代えて、互いに半画素分シフトして、互いに補完し合う態様で、横２列に並べられた画素列から画像を読み取るようにした構造（２列構造）のＣＣＤリニアセンサが主流になってきている。
この２列構造では、例えば第１列目の画素列は奇数画素、第２列目の画素列は偶数画素を読み取る構造になる。ここで、２列分の全画素の読み出しにおいて、高解像度モードの場合は、全画素データを使用することとなり、低解像度モードの場合は、画素信号の一部を間引くなどの処理を施すこととなる。ところで、低解像度モードといえども、２列分の全画素を読み出す点では、高解像度モードと異ならないため、高解像度モードと同じ読み出し時間を要すこととなる。しかしながら、低解像度モードは、通常、読み出し時間を短縮するためにも設定されるものである。そこで、低解像度モードの際には、高速駆動を達成できるように、電荷転送部を構成するＣＣＤ（シフトレジスタ）で高速転送された信号電荷が、電荷検出部に到達して読み出される前に、電荷排出手段を用いて、電荷転送部外に高速かつ完全に捨ててしまう技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、上記特許文献１に係る上記従来の固体撮像装置を示す概略平面図であり、図８は、同固体撮像装置の駆動方法を説明するための信号の波形図である。

図７（ａ）に示すように、この固体撮像装置の基本的な構成は、フォトダイオードをライン状に配置した第１の画素列１０１及び第２の画素列１０２と、これら画素列に蓄積された信号電荷をＣＣＤへ転送するための第１のトランスファーゲート部１０３及び第２のトランスファーゲート部１０４と、上記信号電荷を転送クロックに同期して出力側へ転送する第１の電荷転送部１０５及び第２の電荷転送部１０６と、定電圧（Ｖｇ）が印加される出力ゲート電極１０７と、信号電荷の変換を行う電荷検出部１０８と、不要電位を初期化するリセットゲート部１０９及びリセットドレイン部１１０と、出力アンプ１１１とからなっている。ここで、上記ＣＣＤは、φ１、φ２の２相の転送クロックで動作する転送電極を半導体基板表面の絶縁膜上に交互に配列したＭＯＳＦＥＴで構成されている。

そして、上記２つの電荷転送部１０５，１０６の連結位置には、最終段の転送電極としてφ２最終転送電極１１２、φ１最終転送電極１１３が配置されている。このうち、φ２最終転送電極１１２の一つ前段の前段φ１転送電極１１４には、第１の電荷転送部１０５から転送されてくる信号電荷を排出する電荷排出ドレイン部１１５を備えた電荷排出ゲート電極１１６が設けられて、上述した電荷排出手段が電荷転送部に取り付けられている。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の点線で囲った上記電荷排出手段の拡大図である。この拡大図を参照して、さらに具体的な構造について詳細に説明する。ここで、電荷転送部のＣＣＤが一般的な電極２層構造の転送電極を有する場合について説明する。図７（ｂ）に示すように、信号電荷（電子）の転送される半導体基板表面層、すなわち、例えばｎウェル層１１７上に絶縁膜（図示せず）を介して第２層電極で成るφ２最終転送電極１１２が形成され、その前段に前段φ１転送電極１１４が形成される。ここで、前段φ１転送電極１１４は、上記ｎウェル層１１７のストレージ領域（後述する）上に設けた第１層電極で成る第１前段φ１転送電極１１４ａと、上記ｎウェル層１１７のバリア領域（後述する）上に設けた第２層電極で成る第２前段φ１転送電極１１４ｂとのペアで構成される。同様にφ２転送電極もペアで構成され、同様な構造の他のφ１転送電極と共に交互に配列したＭＯＳＦＥＴで電荷転送部が形成されることになる。そして、上記第１前段φ１転送電極１１４ａに隣接して電荷排出ゲート電極１１６が設けられ、電荷転送部で転送されてくる信号電荷を電荷排出ドレイン部１１５に排出する構造になっている。なお、出力ゲート電極１０７はφ２最終転送電極１１２に隣接して設けられ、信号電荷を電荷検出部１０８に転送するようになっている。

次に、図８を参照し、上記２列分の画素を使って画像を高解像度モード及び低解像度モードで読み取る場合の動作について説明する。図８は、図７に示す固体撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。ここで、図８（ａ）は、高解像度モードで画像を読み取る場合の波形を示し、図８（ｂ）は、低解像度モードで画像を読み取る場合の波形を示している。図８において、クロック信号のφＴＧは第１のトランスファーゲート部１０３及び第２のトランスファーゲート部１０４に、転送クロックφ１、φ２は第１の電荷転送部１０５及び第２の電荷転送部１０６のφ１転送電極とφ２転送電極に、最終段転送クロックφ１Ｌはφ１最終転送電極１１３に、最終段転送クロックφ２Ｌはφ２最終転送電極１１２に、リセットクロックφＲはリセットゲート部１０９に、ゲート制御信号Ｇは電荷排出ゲート電極１１６に印加される信号波形をそれぞれ示している。

上記高解像度モードの読み取り動作では、図８（ａ）に示すように、φＴＧが電圧ロウレベルの間に、入射光の強度に応じた信号電荷が各画素列の画素に蓄積される。続いて、φＴＧが電圧ハイレベルの間に、画素列に蓄積されていた信号電荷は画素列から上記トランスファーゲート部を通じて上記電荷転送部へ一斉に転送される。その後、φＴＧがロウレベルになると、電荷転送部へ転送された信号電荷は、前段φ１転送電極１１４と図示しないφ１転送電極及びφ２転送電極により転送クロックφ１、φ２に同期して出力側へ交互に転送される。ここで、電荷排出ゲート電極１１６にはロウレベルのゲート制御信号Ｇが印加され電荷排出ゲート電極１１６下はＯＦＦにされ、第１の電荷転送部１０５から転送されてきた信号電荷は電荷検出部１０８へ転送される。そして、電荷検出部１０８には、第１の電荷転送部１０５及び第２の電荷転送部１０６からそれぞれ転送されてくる信号電荷が交互に出力信号として出力される。ここでは、転送クロックφ１、φ２とそれぞれ同じクロック信号となる最終段転送クロックφ１Ｌ及び最終段転送クロックφ２Ｌが、φ１最終転送電極１１３、φ２最終転送電極１１２にそれぞれ印加される。

一方、低解像度モードの読み取り動作では、図８（ｂ）に示すように、転送クロックφ１、φ２の周波数は２倍になる。このとき、最終段転送クロックφ１Ｌと他の転送クロックφ１は共に同じ転送クロックであり、前段φ１転送電極１１４、φ１転送電極に印加される。そして、最終段転送クロックφ２Ｌ電圧はロウレベルに保持され、他の転送クロックφ２は通常のクロック信号が印加される。また、ゲート制御信号Ｇ電圧はハイレベルに保持され、電荷排出ゲート電極１１６下がＯＮになり、第１の電荷転送部１０５から転送されてきた信号電荷は、第１前段φ１転送電極１１４ａ下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１１５に排出される。ここで、最終段転送クロックφ２Ｌ電圧はロウレベルに保持されているために、第１の電荷転送部１０５から転送されてきた信号電荷は、φ２最終転送電極１１２で転送停止し、電荷検出部１０８には、第２の電荷転送部１０６から転送されてきた信号電荷のみ出力されるとしている。

このようにして、低解像度モードの読み取り動作では、転送クロックφ１、φ２の周波数を２倍にし、転送クロックφ１がロウレベルでφ２がハイレベルの時にリセットクロックφＲを１回間引くことにより、出力信号のデータレートを変えることなく半分の時間で読み出すことが可能になる。
特開２０００−２４４８１９号公報（段落［００１６］〜［００１７］、図１）

しかしながら、上記特許文献１の従来の固体撮像装置では、上述した低解像度モードの読み出し動作において以下の２つの大きな問題が生じる。その第１の問題は、固体撮像装置が更に高速化していくと、低解像度モードにおいては転送クロックφ１、φ２の周波数がその２倍と更に高速になり、第１の電荷転送部１０５からの一部の信号電荷が、φ２最終転送電極１１２下のｎウェル層１１７を通って電荷検出部１０８へ漏洩し、第２の電荷転送部１０６からの信号電荷と合成され画質が劣化してくることである。

図９を参照して、この問題について説明する。図９（ａ）は、図７（ｂ）に記すＡ_１ −Ａ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図である。そして、図９（ｂ）は、低解像度モードの読み出し動作時における、図９（ａ）に示した出力ゲート電極１０７下のｎウェル層１１７表面部すなわち出力ゲート電極１０７下のチャネル、同様にφ２最終転送電極１１２下のチャネル、前段φ１転送電極１１４下のチャネル、電荷転送部における他のφ１、φ２転送電極下のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。図９（ｂ）では、図８（ｂ）に記した低解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ１１、時刻ｔ１２、時刻ｔ１３、時刻ｔ１４での電位ポテンシャル分布と信号電荷である電子の転送（蓄積及び流れ）が、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。なお、図９（ａ）において、ｎ型半導体基板１１８表面にｐウェル層１１９が形成され、このｐウェル層１１９表面に上述したｎウェル層１１７が形成され、その一部にｐ導電型の拡散層によって上述したところのバリア領域１２０が設けられている。そして、ｎウェル層１１７のうちバリア領域以外が上述したところのストレージ領域になる。

図９（ｂ）に示すように、時刻ｔ１１では、前段φ１転送電極１１４電圧はハイレベルになり第１前段φ１転送電極１１４ａ下のストレージ領域に信号電荷が蓄積する。そして、時刻ｔ１２では、前段φ１転送電極１１４電圧はロウレベルになり、その大部分は図１０で後述するように電荷排出ドレイン部１１５に排出するが、その一部はバリア領域１２０の障壁内に残存する。そして、時刻ｔ１３では、前段φ１転送電極１１４電圧は再びハイレベルになり、φ２転送電極からの転送電荷１２１が前段φ１転送電極１１４下のチャネルに流入し、上記残存した信号電荷に累積して蓄積される。そして、時刻ｔ１４で再びロウレベルになると、上記累積蓄積した信号電荷は、バリア領域１２０を超えて溢れ出し漏洩電荷１２２として、上述したようにφ２最終転送電極１１２下のチャネル（ｎウェル層１１７表面）を通って電荷検出部１０８へ漏洩するようになる。

上記の第２の問題は、電荷排出ゲート部での電荷排出に係る問題である。第１の問題の場合と同様に、低解像度モードにおいて転送クロックφ１、φ２の周波数が非常に高速になると、第１の電荷転送部１０５からの信号電荷が、電荷排出ドレイン部１１５に十分に排出できなくなることである。これは、従来の技術においては、第１前段φ１転送電極１１４ａ、電荷排出ゲート電極１１６下のｎウェル層１１７に形成されるチャネルを通して上記信号電荷が電荷排出ドレイン部１１５に排出される構造になっているためである。この第２の問題は、上述した第１の問題を更に顕在化する。

図１０を参照して、この第２の問題について説明する。図１０（ａ）は、図７（ｂ）に記すＢ_１ −Ｂ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図である。そして、図１０（ｂ）は、低解像度モードの読み出し動作時における、図１０（ａ）に示したハイレベルの電圧Ｖｄを印加した電荷排出ドレイン部１１５、電荷排出ゲート電極１１６下のチャネル、第１前段φ１転送電極１１４ａ下のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。ここでは、図８（ｂ）に記した低解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ１１、時刻ｔ１２、時刻ｔ１３、時刻ｔ１４での電位ポテンシャル分布と信号電荷の流れが、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。なお、図１０（ａ）において、ｎ型半導体基板１１８表面にｐウェル層１１９が形成され、このｐウェル層１１９表面に上述したｎウェル層１１７が形成され、その一部に高濃度のｎ導電型の拡散層によって電荷排出ドレイン部１１５が設けられている。

図１０（ｂ）に示すように、時刻ｔ１１では、第１前段φ１転送電極１１４ａ電圧はハイレベルになり、上述した転送された信号電荷が第１前段φ１転送電極１１４ａ下のチャネルに蓄積する。そして、時刻ｔ１２では、前段φ１転送電極１１４電圧はロウレベルになり、電子であるその大部分は、熱拡散により電荷排出ゲート電極１１６下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１１５へと転送する。しかし、その一部は第１前段φ１転送電極１１４ａ下に残存する。そして、時刻ｔ１３では、第１前段φ１転送電極１１４ａ電圧は再びハイレベルになり、電荷転送部からの転送電荷が上記残存した信号電荷に累積して蓄積される。そして、時刻ｔ１４で再びロウレベルになり、信号電荷の拡散により電荷排出ゲート電極１１６下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１１５へと転送する。この繰り返しで、転送される信号電荷が電荷排出ドレイン部１１５に排出されるが、ここでは信号電荷の拡散に基づく電荷転送で電荷排出するために、その排出速度が高速化できず、上述したように低解像度モードにおいて転送クロックφ１、φ２の周波数が非常に高速になると、電荷転送部から信号電荷を全て排出することができなくなる。また、第１前段φ１転送電極１１４ａ、電荷排出ゲート電極１１６下のチャネルを通した電荷転送による電荷排出であるために、固体撮像装置の製造バラツキの影響を直接に受け、製造歩留まりの向上が難しくなるという問題も生じてくる。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、高解像度化したＣＣＤセンサの低解像度モード時高速駆動を達成でき、しかもその画質の劣化が生じることのない固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１記載の固体撮像装置の発明は、半導体基板と、該半導体基板上に所定のピッチで列状に配置した複数の受光素子で成る複数の画素列と、該画素列にそれぞれ隣接して形成され、前記受光素子で検出した信号電荷の読出し制御をする複数のトランスファーゲート部と、該トランスファーゲート部にそれぞれ接して形成され、前記トランスファーゲート部から読出された信号電荷を出力側へ転送する電荷結合素子で成る複数の電荷転送部と、各電荷転送部を経て、出力ゲート電極下の異なるチャネルを転送する前記信号電荷を電圧信号に変換する電荷出力部と、前記複数の電荷転送部のうち所定の電荷転送部を構成する電荷結合素子の最終段の転送領域に接して形成され、前記所定の電荷転送部により転送される信号電荷を、前記最終段の転送領域から電荷排出ドレイン部に掃き出す電荷排出ゲート部とを備え、前記電荷排出ドレイン部に信号電荷を掃き出す際に、前記所定の電荷転送部を構成する電荷結合素子の最終段の転送領域にポテンシャル井戸を形成するように当該最終段の転送領域上部の転送電極の電圧を保持する構成になされていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置に係り、前記複数の画素列の受光素子が平面的に千鳥足状に配設されていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の固体撮像装置に係り、前記電荷結合素子の最終段の転送領域上部の転送電極は、前記半導体基板上において、前記電荷結合素子の他の転送電極とは別の配線に結線されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の固体撮像装置に係り、前記半導体基板上において、前記複数の画素列、トランスファーゲート部、電荷転送部及び電荷出力部がリニアイメージセンサとして機能することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一に記載の固体撮像装置の駆動方法に係り、前記複数の画素列からの信号電荷を全て読出す高解像度モードの読出しでは、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルを高くし信号電荷が前記電荷排出ドレイン部に流入しないようにし、前記所定の電荷転送部の電荷結合素子の最終段の転送領域上部の転送電極及び前記電荷転送部の他の転送電極に転送クロックを印加し、前記所定の電荷転送部を転送する信号電荷を前記電荷出力部に転送することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一に記載の固体撮像装置の駆動方法に係り、前記複数の画素列からの信号電荷のうち前記所定の電荷転送部により転送される信号電荷の読出しをしない低解像度モードの読出しでは、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルを低くし、前記所定の電荷転送部の電荷結合素子の最終段の転送領域にポテンシャル井戸を形成し、前記所定の電荷転送部を転送する信号電荷を前記ポテンシャル井戸を通して前記電荷排出ドレイン部に掃き出すことを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６に記載の固体撮像装置の駆動方法に係り、前記電荷出力部を構成する前記出力ゲート部のチャネルのポテンシャルをΨ（Ｏ）、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルをΨ（Ｇ）、前記電荷排出ドレイン部のポテンシャルをΨ（Ｄ）、前記ポテンシャル井戸のポテンシャルをΨ（Ｌ）として、（１）式を満たすように、
Ψ（Ｌ），Ψ（Ｇ）≦Ψ（Ｄ），且つΨ（Ｌ），Ψ（Ｇ）＜Ψ（Ｏ）…（１）式
前記出力ゲート部のゲート電極、電荷排出ゲート部のゲート電極、電荷排出ドレイン部及び前記最終段の転送領域上の転送電極に電圧を印加することを特徴としている。

この発明の構成によれば、固体撮像装置の低解像度モードの読み出し動作において、非選択にした電荷転送部の信号電荷を電荷転送外部へ掃き出す電荷排出速度が大幅に向上し、上記信号電荷が電荷出力部に漏洩することなくゲート部に画質の劣化が生じることは無くなる。そして、固体撮像装置の固体撮像装置の低解像度モードの読み出し動作において、非選択にした電荷転送部の信号電荷を電荷転送外部へ掃き出す電荷排出速度が大幅に向上し、上記信号電荷が電荷出力部に漏洩することなくゲート部に画質の劣化が生じることは無くなる。そして、固体撮像装置の低解像度モード時高速動作を具現できる。また、固体撮像装置の製造バラツキの影響を受けなくなり、固体撮像装置の製造歩留まりが向上するようになる。

半導体基板と、該半導体基板上に形成された、それぞれ複数の受光素子からなる一対の第１の画素列及び第２の画素列と、該画素列にそれぞれ隣接して形成され、前記受光素子で検出した信号電荷の読出し制御をする複数のトランスファーゲート部と、該トランスファーゲート部にそれぞれ接して形成され、前記トランスファアーゲート部から読出された信号電荷を出力側へ転送する電荷結合素子で成る複数の電荷転送部と、該電荷転送部により転送される信号電荷を電圧信号に変換する電荷出力部と、前記複数の電荷転送部のうち所定の電荷転送部を構成する電荷結合素子の最終段の転送領域に接して形成され、前記所定の電荷転送部により転送される信号電荷を、前記最終段の転送領域から電荷排出ドレイン部に掃き出す電荷排出ゲート部とを備えることで、固体撮像装置の低解像度モード時高速動作を実現させた。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の一実施例である固体撮像装置の構成を示す概略平面図であり、図２乃至６は、同固体撮像装置の駆動方法及び動作を説明するための図である。

図１（ａ）に示すように、この例の固体撮像装置は、互いに平行に横２列に並べられた画素列からなるＣＣＤリニアセンサに係り、例えばフォトダイオードからなる受光素子をライン状に配置した第１の画素列１及び第２の画素列２、これら画素列に蓄積された信号電荷を転送するための第１のトランスファーゲート部３及び第２のトランスファーゲート部４、上記信号電荷を出力側へ転送する第１の電荷転送部５及び第２の電荷転送部６、定電圧（Ｖｇ）が印加される出力ゲート電極７（出力ゲート部）及び信号電荷の変換を行う電荷検出部８（電荷出力部）、不要電位を初期化するリセットゲート部９、リセットドレイン部１０及び出力アンプ１１からなっている。第１の画素列１と第２の画素列２とは、互いに半画素分シフトする構成とされ、画素と画素との隙間を互いに補完し合う態様で、横２列に並べられている。

そして、この実施の形態では、上記２つの電荷転送部すなわち第１の電荷転送部５と第２の電荷転送部６の連結位置にφ２最終転送電極１２（電荷結合素子の最終段の転送電極）が配置され、前記φ２最終転送電極１２の所定の領域に隣接して、電荷排出ゲート電極１４（電荷排出ゲート部）が設けられ、この電荷排出ゲート電極１４を通して信号電荷を排出できる電荷排出ドレイン部１５（電荷排出部）が備えられている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線で囲った領域の拡大図である。この拡大図に基づきこの発明の具体的な構造について詳細に説明する。ここでも、電荷転送部のＣＣＤが一般的な電極２層構造の転送電極を有する場合について説明する。図１（ｂ）に示すように、信号電荷である電子の転送される半導体基板表面層、すなわち、例えばｎウェル層１６上に絶縁膜（図示せず）を介して第２層電極で成るφ２最終転送電極１２が形成され、第１層電極で成る第１φ１転送電極１７ａと第２層電極で成る第２φ１転送電極１７ｂとのペアで構成されるφ１転送電極１７、同様にペアで構成されるφ２転送電極１８が交互に配列したＭＯＳＦＥＴで電荷転送部が形成してある。そして、上記最終φ２転送電極１２に隣接して第１層電極で成る電荷排出ゲート電極１４が設けられ、上記第１の電荷転送部５で転送されてくる信号電荷を電荷排出ドレイン部１５に排出する構造になる。また、出力ゲート電極７はφ２最終転送電極１２に隣接して設けられ、信号電荷を電荷検出部８に転送するようになっている。

次に、図２に基づいて、上記２列分の画素を使って画像を高解像度モード及び低解像度モードで読み取る場合の動作について説明する。図２は、図１に示す固体撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。ここで、図２（ａ）は高解像度モードで画像を読み取る場合の波形を示し、図２（ｂ）は低解像度モードで画像を読み取る場合の波形を示す。図２において、クロック信号のφＴＧは第１のトランスファーゲート部３及び第２のトランスファーゲート部４に、転送クロックφ１、φ２は第１の電荷転送部５及び第２の電荷転送部６のφ１転送電極とφ２転送電極に、最終段転送クロックφ１Ｌはφ１最終転送電極１３に、最終段転送クロックφ２Ｌはφ２最終転送電極１２に、リセットクロックφＲはリセットゲート部９に、ゲート制御信号Ｇは電荷排出ゲート電極１４に印加される信号波形をそれぞれ示す。

上記高解像度モードの読み取り動作は、従来技術の図８（ａ）に基づき説明したのと全く同じであるので詳細な説明を省略する。なお、転送クロックφ１、φ２とそれぞれ同じクロック信号となる最終段転送クロックφ１Ｌ及び最終段転送クロックφ２Ｌが、φ１最終転送電極１３、φ２最終転送電極１２にそれぞれ印加されて、電荷検出部８には、第１の電荷転送部５及び第２の電荷転送部６からそれぞれ転送されてくる信号電荷が交互に出力信号として出力される。ここで、電荷排出ゲート電極１４に印加するゲート制御信号Ｇ電圧はロウレベルに固定されている。

そして、低解像度モードの読み取り動作では、図２（ｂ）に示すように、従来技術と同様に転送クロックφ１、φ２の周波数は２倍になる。このとき、最終段転送クロックφ１Ｌと他の転送クロックφ１は共に同じ転送クロックが印加される。そして、最終段転送クロックφ２Ｌ電圧がハイレベルに保持され、他の転送クロックφ２は通常のクロック信号が印加される。また、ゲート制御信号Ｇ電圧はハイレベルに保持され、電荷排出ゲート部がＯＮになり、第１の電荷転送部５から転送されてきた信号電荷は電荷排出ドレイン部１５に排出される。ここで、最終段転送クロックφ２Ｌ電圧はハイレベルに保持されているために、第１の電荷転送部５から転送されてきた信号電荷は、φ２最終転送電極１２下に深く形成されるポテンシャル井戸（後述する）内に閉じ込められ、そして上述したように電荷排出ドレイン部１５に排出する。このようにして、電荷検出部８には、第２の電荷転送部１０６から転送されてきた信号電荷のみ出力される。

上述したように、低解像度モードの読み取り動作では、転送クロックφ１、φ２の周波数を２倍にし、転送クロックφ１がロウレベルでφ２がハイレベルの時にリセットクロックφＲを１回間引くことにより、出力信号のデータレートを変えることなく半分の時間で読み出すことが可能になる。

次に、図３及び図４を参照して、上記構成の固体撮像装置の駆動動作について詳細に説明する。図３及び図４は、高解像度モードにおける電荷転送部及び電荷排出部領域の電子の電位ポテンシャル分布図である。はじめに、固体撮像装置の高解像度モードでの信号電荷の読み出し駆動について説明する。

図３（ａ）は、図１（ｂ）に記すＸ_１ −Ｘ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図である。図３（ｂ）は、高解像度モードの読み出し動作時における、図３（ａ）に示した出力ゲート電極７下のチャネル、φ２最終転送電極１２下のチャネル、φ１転送電極１７下あるいはφ２転送電極１８下等の電荷転送部のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。図３（ｂ）では、図２（ａ）に記した高解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ４での電位ポテンシャル分布と信号電荷である電子の転送状態が、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。図３（ａ）において、ｎ型半導体基板１９表面にｐウェル層２０が形成され、このｐウェル層２０表面に上述したｎウェル層１６が形成され、その一部にｐ導電型の拡散層によって上述したところのバリア領域２１が設けられている。そして、ｎウェル層１６のうちバリア領域以外が上述したところのストレージ領域になる。

図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１では、電荷転送部のφ１転送電極１７電圧はハイレベルになりそのチャネルに信号電荷が蓄積し、同時にφ２転送電極１８及びφ２最終転送電極１２電圧はロウレベルになりφ２最終転送電極１２にあった信号電荷は出力ゲート電極７下のチャネルに流れ込む。そして、時刻ｔ２では、こんどは、電荷転送部のφ２転送電極１８及びφ２最終転送電極１２電圧はハイレベルになりそのチャネルに信号電荷が蓄積し、その領域に電荷転送部のφ１転送電極１７のチャネルから信号電荷が流れ込む。そして、時刻ｔ３では、時刻ｔ１と同様のことが生じ、時刻ｔ４では時刻ｔ２と同様のことが生じる。ここで、出力ゲート電極７には定電圧（Ｖｇ）が印加されるが、その下のチャネルの電位ポテンシャルをΨ（Ｏ）とし、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル内に存在する電子の電位ポテンシャルをΨ（Ｇ）とし、φ２最終転送電極１２の電圧がロウレベルのとき、バリア領域２１のチャネルの電位ポテンシャルをΨ（Ｂ）とすると、図３（ｂ）に示すように、Ψ（Ｏ）＜Ψ（Ｂ）＜Ψ（Ｇ）が成り立つ。このようにすることで、φ２最終転送電極１２下のチャネルの信号電荷は、出力ゲート電極７下のチャネルを通り電荷検出部８に全て流れ込み、電荷排出ゲート電極１４下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１５に漏洩することは全くない。なお、当然のことであるが、Ψ（Ｏ）は一定でありその値は、φ２最終転送電極１２電圧がハイレベル及びロウレベル時に生じるチャネルの電位ポテンシャル値の間に位置するように設定する。

図４（ａ）は、図１（ｂ）に記すＹ_１ −Ｙ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図である。図４（ｂ）は、高解像度モードの読み出し動作時における、図４（ａ）に示すハイレベルの電圧Ｖｄを印加した電荷排出ドレイン部１５、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル、φ２最終転送電極１２下のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。ここでは、図２（ａ）に記した高解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ４での電位ポテンシャル分布と信号電荷の状況が、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。図４（ａ）において、ｎ型半導体基板１９表面にｐウェル層２０が形成され、このｐウェル層２０表面に上述したｎウェル層１６が形成され、その一部に高濃度のｎ導電型の拡散層によって電荷排出ドレイン部１５が設けられている。

図４（ｂ）に記したΨ（Ｏ）、Ψ（Ｇ）、Ψ（Ｂ）は図３（ｂ）で説明した電位ポテンシャルである。時刻ｔ１では、φ２最終転送電極１２電圧はロウレベルになり、そのチャネル領域の信号電荷は図３（ｂ）で説明したように、出力ゲート電極７下のチャネルに流れ込み、電荷排出ゲート電極１４下のチャネルに流入することはない。これは、上述したようにΨ（Ｂ）＜Ψ（Ｇ）の関係があるためである。そして、時刻ｔ２では、φ２最終転送電極１２電圧はハイレベルになり、電荷転送部のφ１転送電荷１７下のチャネルからの信号電荷がφ２最終転送電極１２下のチャネルに流入する。そして、時刻ｔ３では、時刻ｔ１と同様のことが生じ、時刻ｔ４では時刻ｔ２と同様のことが生じる。このようにして、固体撮像装置の高解像度モードでは、第１の電荷転送部５を転送する信号電荷が電荷排出ゲート電極１４下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１５に漏洩することは全くない。ここで、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル幅を小さくし、いわゆるＭＯＳＦＥＴの狭チャネル効果が生じるようにすれば、上記Ψ（Ｇ）が高くなり、第１の電荷転送部５を転送する信号電荷が電荷排出ゲート電極１４下のチャネルを通り電荷排出ドレイン部１５に漏洩することは完全に保証されるようになる。また、電荷排出ゲート電極１４下のチャネルにｐ導電型の拡散層を形成すれば同様の効果が生じる。

次に、図５及び図６を参照して、この発明の固体撮像装置の低解像度モードでの信号電荷の読み出し駆動について説明する。図５及び図６は、低解像度モードにおける電荷転送部及び電荷排出部領域の電子の電位ポテンシャル分布図である。

図５（ａ）は、図１（ｂ）に記すＸ_１ −Ｘ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図であり、その構造は図３（ａ）で説明した通りである。そして、図５（ｂ）は、低解像度モードの読み出し動作時における、図５（ａ）に示した出力ゲート電極７下のチャネル、φ２最終転送電極１２下のチャネル、φ１転送電極１７下あるいはφ２転送電極１８下等の電荷転送部のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。図５（ｂ）では、図２（ａ）に記した低解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ５、時刻ｔ６、時刻ｔ７、時刻ｔ８での電位ポテンシャル分布と信号電荷である電子の転送が、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。

この実施の形態では、固体撮像装置の低解像度モードの読み取り動作において、図５（ｂ）に示すようにφ２最終転送電極１２下のチャネルに深く形成されるポテンシャル井戸を形成する。このために、最終段クロックφ２Ｌを高電圧のハイレベルにする。その動作を具体的に図５（ｂ）で説明すると、時刻ｔ５では、電荷転送部のφ１転送電極１７電圧はハイレベルになる。しかし、最終段クロックφ２Ｌの電圧はφ１転送電極１７の電圧よりも高くなるように設定するために、φ２最終転送電極１２下のチャネルの電位ポテンシャルΨ（Ｌ）はφ１転送電極１７下のチャネルの電位ポテンシャルよりも深くなる。そして、φ１転送電極１７下のチャネルの信号電荷はこの深いポテンシャル井戸に蓄積する。ここで、図６で詳細に説明する電荷排出ドレイン部１５の電位ポテンシャルΨ（Ｄ）レベルまで信号電荷である電子が充満するようになる。また、出力ゲート電極７下のチャネルの電位ポテンシャルΨ（Ｏ）は、図に示すように上記Ψ（Ｌ）に比べて非常に高い値となり、信号電荷が出力ゲート電極７下のチャネルを越えて電荷検出部８に流れ込むことは全く無い。

そして、時刻ｔ６でも、最終段クロックφ２Ｌは高電圧のハイレベルのままであり、信号電荷が出力ゲート電極７下のチャネルを越えて電荷検出部８に流れ込むことは全く無い。この時刻では、電荷転送部のφ２転送電極１８電圧はハイレベルになりそのチャネルに信号電荷が蓄積するように電荷転送部の信号電荷が転送する。そして、時刻ｔ７では、時刻ｔ５と同様のことが生じ、時刻ｔ８では時刻ｔ６と同様のことが生じる。

次に、信号電荷の電荷排出について図６を参照して説明する。図６（ａ）は、図１（ｂ）に記すＹ_１ −Ｙ_２ で切断した所の固体撮像装置の断面図であり、その構造は図４（ａ）で説明したとおりである。そして、図６（ｂ）は、低解像度モードの読み出し動作時における、図６（ａ）に示すハイレベルの電圧Ｖｄを印加した電荷排出ドレイン部１５、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル、φ２最終転送電極１２下のチャネルの箇所での電子の電位ポテンシャルを示すポテンシャル分布図である。ここでは、図２（ａ）に記した低解像度モードの読み出し動作時の時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ４での電位ポテンシャル分布と信号電荷の状態が、上記各箇所にそれぞれ対応する図の下部に示される。

図６（ｂ）に記した各ポテンシャルΨ（Ｏ）、Ψ（Ｄ）、Ψ（Ｇ）、Ψ（Ｌ）は、それぞれ出力ゲート電極７下のチャネル、電荷排出ドレイン部１５、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル、φ２最終転送電極１２下のチャネルにおける電位ポテンシャルである。ここで、Ψ（Ｏ）、Ψ（Ｄ）は図３乃至６を通して同じ値となる。そして、図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ５乃至ｔ８においてすなわちこの低解像度モード中においては、図５（ｂ）でも説明したように、φ２最終転送電極１２に一定した高電圧が印加され、その下に深いポテンシャル井戸が形成される。そして、電荷排出ゲート電極１４の電圧もハイレベルに設定される。このようにして、図６（ｂ）に示すように、上記電位ポテンシャルが、（１）式を満たすように設定する。

Ψ（Ｌ），Ψ（Ｇ）≦Ψ（Ｄ），且つΨ（Ｌ），Ψ（Ｇ）＜Ψ（Ｏ）…（１）式

このように設定することで、信号電荷である電子はφ２最終転送電極１２下のチャネル、電荷排出ゲート電極１４下のチャネル及び電荷排出ドレイン部１５に常時に充満する状態になる。ここで、図５（ｂ）で説明した電荷転送部のＣＣＤを通して転送する信号電荷が、φ２最終転送電極１２下のチャネルの深いポテンシャル井戸に流入すると、上記充満する信号電荷のうちの上記流入量が高速に電圧Ｖｄの電源に排出されるようになる。これは、上記φ２最終転送電極１２下のチャネルから電荷排出ゲート電極１４下のチャネルへ、そして電荷排出ドレイン部１５に向かっての電荷（電子）移送が、ＭＯＳＦＥＴのリニア領域動作でのそれと同じようにチャネル方向の電界ドリフトによって行われるようになるからである。

このように、この実施の形態の構成によれば、信号電荷の拡散に基づく電荷転送で信号電荷の排出をする従来技術に比べて、その電荷排出速度が容易に高速化でき、上述した低解像度モードにおいて転送クロックφ１、φ２の周波数が非常に高速になっても、上記φ２最終転送電極１２下のチャネルに形成した深いポテンシャル井戸及び電荷排出ゲート部を通して、非選択にした電荷転送部からの信号電荷を全て電荷転送部外に掃き出させることができるようになる。そして、上記信号電荷が電荷出力部に漏洩することなくゲート部に画質の劣化が生じることは皆無になる。また、固体撮像装置の製造バラツキの影響を受けなくなり、製造歩留まりが向上するようになる。

上述した実施の形態では、第１の画素列１と第２の画素列２からの信号電荷をそれぞれ転送する第１の電荷転送部５と第２の電荷転送部６が、信号電荷の電荷出力部前において連結されており、上記それぞれの信号電荷が共通の出力ゲート電極７下のチャネルを転送するような構造の場合について説明している。この発明は、このような場合に限定されるものではない。この発明は、上記第１の電荷転送部５と第２の電荷転送部６を転送する信号電荷が異なる出力ゲート電極下のチャネルを転送するような構造においても同様に適用できる。

また、この発明は、１対の画素列からの信号電荷をそれぞれ転送する１対の電荷転送部を有する構造の固体撮像装置に限定されるものではない。任意の複数の画素列からの信号電荷をそれぞれ転送する任意の複数の電荷転送部を有する構造の固体撮像装置においても適用できる。

また、この発明は、上記１対の画素列からの信号電荷をそれぞれ転送する１対の電荷転送部を有する構造のＣＣＤリニアセンサを複数のセットにして半導体基板上に形成した構造の固体撮像装置にも適用できる。

また、この発明は、上記ＣＣＤリニアセンサとアナログ回路、デジタル回路あるいはロジック回路とを半導体基板上に混載した構造の固体撮像装置にも適用できる。

以上、この発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、固体撮像装置は、信号電荷が電子ではなく正孔になる場合でも良い。この場合には、半導体基板等の含まれる不純物の導電型を逆にして形成すればよい。そして、電荷転送部等のチャネルでの電位ポテンシャルは正孔の電位ポテンシャルに置き換えればよい。また、ＣＣＤを構成する電極が２層構造でなく、１層構造になる場合でも良い。そして、電荷転送部においてバリア領域２１が形成されない構造でも良い。更には、第１の電荷転送部５と第２の電荷転送部６とが出力ゲート電極７前において、上述した転送クロックφ１、φ２とは異なる転送クロックで駆動する共通の電荷転送部に連結する構造になっていても良い。

プリンタやファクシミリやデジタルコピー機やスキャナの読取り装置及び書込み装置に適用できる。

この発明の一実施例である固体撮像装置の概略平面図である。 同固体撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。 同固体撮像装置の電荷転送部の断面図と高解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。 同固体撮像装置の電荷排出部の断面図と高解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。 同固体撮像装置の電荷転送部の断面図と低解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。 同固体撮像装置の電荷排出部の断面図と低解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。 従来の技術の固体撮像装置の構成を示す概略平面図である。 同従来の技術の固体撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。 同従来の技術の固体撮像装置の電荷転送部の断面図と低解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。 同従来の技術の固体撮像装置の電荷排出部の断面図と低解像度モード動作時の各部の電位ポテンシャル分布図である。

符号の説明

１ 第１の画素列
２ 第２の画素列
３ 第１のトランスファーゲート部
４ 第２のトランスファーゲート部
５ 第１の電荷転送部
６ 第２の電荷転送部
７ 出力ゲート電極（出力ゲート部）
８ 電荷検出部（電荷出力部）
９ リセットゲート部
１０ リセットドレイン部
１１ 出力アンプ
１２ φ２最終転送電極（電荷結合素子の最終段の転送電極）
１３ φ１最終転送電極
１４ 電荷排出ゲート電極（電荷排出ゲート部）
１５ 電荷排出ドレイン部
１６ ｎウェル層
１７ φ１転送電極
１８ φ２転送電極
１９ ｎ型半導体基板
２０ ｐウェル層

Claims (7)

1. 半導体基板と、
   該半導体基板上に所定のピッチで列状に配置した複数の受光素子で成る複数の画素列と、
   該画素列にそれぞれ隣接して形成され、前記受光素子で検出した信号電荷の読出し制御をする複数のトランスファーゲート部と、
   該トランスファーゲート部にそれぞれ接して形成され、前記トランスファーゲート部から読出された信号電荷を出力側へ転送する電荷結合素子で成る複数の電荷転送部と、
   各電荷転送部を経て、出力ゲート電極下の異なるチャネルを転送する前記信号電荷を電圧信号に変換する電荷出力部と、
   前記複数の電荷転送部のうち所定の電荷転送部を構成する電荷結合素子の最終段の転送領域に接して形成され、前記所定の電荷転送部により転送される信号電荷を、前記最終段の転送領域から電荷排出ドレイン部に掃き出す電荷排出ゲート部とを備え、
   前記電荷排出ドレイン部に信号電荷を掃き出す際に、前記所定の電荷転送部を構成する電荷結合素子の最終段の転送領域にポテンシャル井戸を形成するように当該最終段の転送領域上部の転送電極の電圧を保持する構成になされていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の画素列の受光素子が平面的に千鳥足状に配設されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記電荷結合素子の最終段の転送領域上部の転送電極は、前記半導体基板上において、前記電荷結合素子の他の転送電極とは別の配線に結線されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記半導体基板上において、前記複数の画素列、トランスファーゲート部、電荷転送部及び電荷出力部がリニアイメージセンサとして機能することを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体撮像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の画素列からの信号電荷を全て読出す高解像度モードの読出しでは、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルを高くし信号電荷が前記電荷排出ドレイン部に流入しないようにし、前記所定の電荷転送部の電荷結合素子の最終段の転送領域上部の転送電極及び前記電荷転送部の他の転送電極に転送クロックを印加し、前記所定の電荷転送部を転送する信号電荷を前記電荷出力部に転送することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか一に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素列からの信号電荷のうち前記所定の電荷転送部により転送される信号電荷の読出しをしない低解像度モードの読出しでは、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルを低くし、前記所定の電荷転送部の電荷結合素子の最終段の転送領域にポテンシャル井戸を形成し、前記所定の電荷転送部を転送する信号電荷を前記ポテンシャル井戸を通して前記電荷排出ドレイン部に掃き出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記電荷出力部を構成する前記出力ゲート部のチャネルのポテンシャルをΨ（Ｏ）、前記電荷排出ゲート部のチャネルのポテンシャルをΨ（Ｇ）、前記電荷排出ドレイン部のポテンシャルをΨ（Ｄ）、前記ポテンシャル井戸のポテンシャルをΨ（Ｌ）として、（１）式を満たすように、
   Ψ（Ｌ），Ψ（Ｇ）≦Ψ（Ｄ），且つΨ（Ｌ），Ψ（Ｇ）＜Ψ（Ｏ）…（１）式
   前記出力ゲート部のゲート電極、電荷排出ゲート部のゲート電極、電荷排出ドレイン部及び前記最終段の転送領域上の転送電極に電圧を印加することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。

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