JP6992700B2 - CCD image sensor - Google Patents

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本発明は、CCDイメージセンサに関する。 The present invention relates to a CCD image sensor.

従来のCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサは、光入射に応じて信号電荷を発生する転送チャネル領域と、転送チャネル領域上に絶縁膜を介して設けられ、信号電荷を転送する複数の転送電極と、転送チャネル領域間を電気的に分離する画素分離領域と、画素分離領域と転送チャネル領域とが隣接する側とは反対側で転送チャネル領域と隣接するオーバーフローゲート領域と、オーバーフローゲート領域に隣接するオーバーフロードレイン領域を有している。 A conventional CCD (Charge Coupled Device) image sensor has a transfer channel region that generates a signal charge in response to light incident, and a plurality of transfer electrodes that are provided on the transfer channel region via an insulating film to transfer the signal charge. , The pixel separation area that electrically separates the transfer channel areas, the overflow gate area adjacent to the transfer channel area on the opposite side to the side where the pixel separation area and the transfer channel area are adjacent, and the overflow gate area adjacent to the overflow gate area. It has an overflow / drain area.

上記のように構成される従来のCCDイメージセンサは、光の入射により転送チャネル領域に信号電荷が生成され、複数の転送電極に電圧を印加することにより、転送チャネル領域内の信号電荷が出力部へ転送される。 In the conventional CCD image sensor configured as described above, a signal charge is generated in the transfer channel region by the incident of light, and by applying a voltage to a plurality of transfer electrodes, the signal charge in the transfer channel region is output as an output unit. Transferred to.

オーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域は、過剰な光がCCDイメージセンサに入射された場合に発生する過剰な信号電荷を排出するために設けられる。オーバーフローゲート領域は、画素分離領域よりもP型の不純物濃度が低く、オーバーフローゲート領域上に設けられる転送電極とともにオーバーフローゲートとして機能する。転送電極に電圧を印加することにより、転送チャネル領域の過剰な信号電荷は、オーバーフローゲート領域を介して、オーバーフロードレイン領域に排出される。転送電極に印加される電圧を制御することにより、オーバーフロードレイン領域に排出される過剰な信号電荷の排出量が制御される(例えば、特許文献1参照)。 The overflow gate region and the overflow drain region are provided to discharge the excess signal charge generated when the excess light is incident on the CCD image sensor. The overflow gate region has a lower P-type impurity concentration than the pixel separation region, and functions as an overflow gate together with a transfer electrode provided on the overflow gate region. By applying a voltage to the transfer electrode, the excess signal charge in the transfer channel region is discharged to the overflow drain region via the overflow gate region. By controlling the voltage applied to the transfer electrode, the amount of excess signal charge discharged to the overflow drain region is controlled (see, for example, Patent Document 1).

特開2010-258155号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-258155

しかしながら、従来のCCDイメージセンサは、転送電極によって、転送チャネル領域の信号電荷の転送の動作制御と、オーバーフロードレイン領域への過剰な信号電荷の排出量の制御の両方が行われ、過剰な信号電荷の排出量の制御は、転送電極の本来の機能である信号電荷の転送動作に依存する。そのため、転送電極による過剰な信号電荷の排出量の制御が困難になる問題点があった。 However, in the conventional CCD image sensor, the transfer electrode controls both the operation control of the transfer of the signal charge in the transfer channel region and the control of the emission amount of the excess signal charge to the overflow drain region, resulting in an excess signal charge. The control of the emission amount of the signal charge depends on the transfer operation of the signal charge, which is the original function of the transfer electrode. Therefore, there is a problem that it becomes difficult to control the amount of excessive signal charge emitted by the transfer electrode.

そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、過剰な信号電荷の排出量の制御を容易にし、高感度なCCDイメージセンサを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem of the prior art, and an object of the present invention is to facilitate control of an excessive amount of signal charge emission and to provide a highly sensitive CCD image sensor. And.

以上の目的を達成するために、本発明のCCDイメージセンサは、第1の方向に延在し、光入射に応じて信号電荷を発生する転送チャネル領域と、転送チャネル領域の上に設けられ、第1の方向に直交する第2の方向に延在し、第1の方向に信号電荷を転送する転送電極と、を備える画素領域と、信号電荷が転送される方向の画素領域の一端に設けられ、画素領域から転送された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷のうち、電荷蓄積領域に蓄積された過剰な信号電荷を排出する第1のオーバーフロードレイン領域と、電荷蓄積領域と第1のオーバーフロードレイン領域との間に設けられ、過剰な信号電荷の排出量を制御する制御電圧が印加されるオーバーフローゲート電極と、第1の方向に延在し、第2の方向で転送チャネル領域と隣接する第1のオーバーフローゲート領域と、第1の方向に延在し、第2の方向で第1のオーバーフローゲート領域と隣接し、第1のオーバーフローゲート領域を介して、転送チャネル領域の過剰な信号電荷を排出する第2のオーバーフロードレイン領域とを備え、オーバーフローゲート電極により制御される電荷蓄積領域の電荷容量の飽和レベルは、第1のオーバーフローゲート領域により制御される転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルより小さいIn order to achieve the above object, the CCD image sensor of the present invention extends in the first direction and is provided on a transfer channel region and a transfer channel region that generate a signal charge in response to light incident. Provided at one end of a pixel region comprising a transfer electrode extending in a second direction orthogonal to the first direction and transferring a signal charge in the first direction, and a pixel region in the direction in which the signal charge is transferred. A charge storage region that stores the signal charge transferred from the pixel region and a first overflow drain region that discharges the excess signal charge stored in the charge storage region among the signal charges stored in the charge storage region. An overflow gate electrode provided between the charge storage region and the first overflow / drain region and to which a control voltage for controlling the amount of excess signal charge is applied, and an overflow gate electrode extending in the first direction, the first A first overflow gate area adjacent to the transfer channel area in the second direction, an extension in the first direction, adjacent to the first overflow gate area in the second direction, and via the first overflow gate area. The saturation level of the charge capacity of the charge storage region controlled by the overflow gate electrode is controlled by the first overflow gate region, which comprises a second overflow drain region for discharging excess signal charge in the transfer channel region. Is less than the saturation level of the charge capacitance in the transfer channel region .

以上のように構成された本発明のCCDイメージセンサは、電荷蓄積領域に蓄積された過剰な信号電荷を排出する第1のオーバーフロードレイン領域と、過剰な信号電荷の排出量を制御する制御電圧が印加されるオーバーフローゲート電極とを設けることにより、過剰な信号電荷の排出量の制御を容易にし、高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 The CCD image sensor of the present invention configured as described above has a first overflow / drain region that discharges excess signal charge accumulated in the charge storage region, and a control voltage that controls the amount of excess signal charge discharged. By providing the overflow gate electrode to which the signal is applied, it is possible to easily control the emission amount of the excess signal charge and provide a highly sensitive CCD image sensor.

本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの全体構成を示す平面図。The plan view which shows the whole structure of the CCD image sensor which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの一部の構成を示す平面図。The plan view which shows the structure of a part of the CCD image sensor which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの図2の切断線A-Aから見た断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken from the cutting line AA of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの図2の切断線B-Bから見た断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken from the cutting line BB of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの図2の切断線C-Cから見た断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken from the cutting line CC of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの電荷蓄積領域の電荷容量の変化を示す模式図。The schematic diagram which shows the change of the charge capacity of the charge storage area of the CCD image sensor which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2であるCCDイメージセンサの一部の構成を示す平面図。The plan view which shows the structure of a part of the CCD image sensor which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2であるCCDイメージセンサの図7の切断線D-Dから見た断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view taken from the cutting line DD of FIG. 7 of the CCD image sensor according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2であるCCDイメージセンサの各部の電荷容量の飽和レベルを示す模式図。The schematic diagram which shows the saturation level of the charge capacity of each part of the CCD image sensor which is Embodiment 2 of this invention.

はじめに、この発明のCCDイメージセンサの構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。特記する場合を除いて、CCDイメージセンサの基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通する。 First, the configuration of the CCD image sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. The figure is schematic and conceptually explains the function or structure. Further, the present invention is not limited to the embodiments shown below. Unless otherwise specified, the basic configuration of the CCD image sensor is common to all embodiments. Further, those having the same reference numerals are the same or equivalent thereof, and this is common to the whole text of the specification.

ここで、各実施の形態の説明において、平面図を見て上下方向を第1の方向である垂直方向とし、第1の方向である垂直方向に直交する方向、つまり、平面図を見て左右方向を第2の方向である水平方向として説明を行う。 Here, in the description of each embodiment, the vertical direction is defined as the vertical direction which is the first direction when the plan view is viewed, and the direction orthogonal to the vertical direction which is the first direction, that is, the left and right directions when the plan view is viewed. The description will be given with the direction as the horizontal direction, which is the second direction.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1であるCCDイメージセンサの全体構成を示す平面図である。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a plan view showing the overall configuration of the CCD image sensor according to the first embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、画素領域10と、駆動回路20と、電荷蓄積部30と、出力回路40とを備える。 As shown in FIG. 1, the CCD image sensor according to the present embodiment includes a pixel region 10, a drive circuit 20, a charge storage unit 30, and an output circuit 40.

画素領域10は、図1に示すように、光入射に応じて信号電荷を発生する光電変換部である画素12が二次元にアレイ状に配列されている領域である。ここで、図1では、画素12を二次元にアレイ状に配列する例を示しているが、一次元に画素12を配列しても構わない。 As shown in FIG. 1, the pixel region 10 is a region in which pixels 12, which are photoelectric conversion units that generate signal charges in response to light incident, are arranged in a two-dimensional array. Here, although FIG. 1 shows an example in which the pixels 12 are arranged in a two-dimensional array, the pixels 12 may be arranged one-dimensionally.

駆動回路20は、画素領域10の水平方向の一端に隣接し接続される。駆動回路20は、画素12に発生した信号電荷を垂直方向に電荷蓄積部30まで転送するため、後述する転送電極16を駆動する回路である。 The drive circuit 20 is adjacent to and connected to one end of the pixel region 10 in the horizontal direction. The drive circuit 20 is a circuit that drives the transfer electrode 16 described later in order to transfer the signal charge generated in the pixel 12 to the charge storage unit 30 in the vertical direction.

電荷蓄積部30は、駆動回路20により駆動制御される転送電極16により、垂直方向に転送された信号電荷を蓄積する領域である。電荷蓄積部30は、信号電荷が転送される垂直方向の画素領域10の一端に設けられ、画素領域10の画素12の列ごとに転送された信号電荷をそれぞれ蓄積することができる。 The charge storage unit 30 is a region for storing signal charges transferred in the vertical direction by the transfer electrode 16 which is driven and controlled by the drive circuit 20. The charge storage unit 30 is provided at one end of the pixel region 10 in the vertical direction in which the signal charge is transferred, and can store the signal charge transferred for each row of the pixels 12 in the pixel region 10.

また、電荷蓄積部30は、後述する電荷蓄積部30のオーバーフローゲート電極35の電圧を制御するための外部端子EXTを備える。外部端子EXTは、オーバーフローゲート電極35の電圧を外部から制御することができる。 Further, the charge storage unit 30 includes an external terminal EXT for controlling the voltage of the overflow gate electrode 35 of the charge storage unit 30, which will be described later. The external terminal EXT can control the voltage of the overflow gate electrode 35 from the outside.

ここで、外部から制御するとは、本実施の形態であるCCDイメージセンサが設けられるチップ外から制御することを意味し、例えば、チップ外に設けられる電源回路から外部電圧が外部端子EXTに入力され、オーバーフローゲート電極35の電圧が制御される。 Here, controlling from the outside means controlling from outside the chip provided with the CCD image sensor according to the present embodiment. For example, an external voltage is input to the external terminal EXT from a power supply circuit provided outside the chip. , The voltage of the overflow gate electrode 35 is controlled.

出力回路40は、電荷蓄積部30に蓄積された画素12の信号電荷を電圧に変換し、アナログ-デジタル変換を行い、デジタル信号として、被写体の撮像画の信号を出力する回路である。出力回路40は、例えば、水平CCD42、FD(Floating Diffusion)アンプ44、出力アンプ46、ADC(Analog to Digital Convereter)48とを備える。 The output circuit 40 is a circuit that converts the signal charge of the pixel 12 stored in the charge storage unit 30 into a voltage, performs analog-digital conversion, and outputs a signal of an image of the subject as a digital signal. The output circuit 40 includes, for example, a horizontal CCD 42, an FD (Floating Diffusion) amplifier 44, an output amplifier 46, and an ADC (Analog to Digital Converter) 48.

水平CCD42は、画素領域10の画素12の列ごとに電荷蓄積部30に蓄積された信号電荷を水平方向に転送するものであり、転送された信号電荷はFDアンプ44に出力される。 The horizontal CCD 42 horizontally transfers the signal charge accumulated in the charge storage unit 30 for each row of the pixels 12 in the pixel region 10, and the transferred signal charge is output to the FD amplifier 44.

FDアンプ44は、水平CCD42から転送された信号電荷を電圧に変換するものであり、電圧変換された信号電荷は出力アンプ46に出力される。 The FD amplifier 44 converts the signal charge transferred from the horizontal CCD 42 into a voltage, and the voltage-converted signal charge is output to the output amplifier 46.

出力アンプ46は、FDアンプ44により電圧変換された信号電荷に対応する電圧を増幅するものであり、増幅された電圧はADC48に出力される。 The output amplifier 46 amplifies the voltage corresponding to the signal charge converted by the FD amplifier 44, and the amplified voltage is output to the ADC 48.

ADC48は、FDアンプ44により電圧変換され、出力アンプ46により増幅された信号電荷に対応する電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換するものである。ADC48によりアナログ-デジタル変換された信号電荷に対応するデジタル信号は、例えば、CCDイメージセンサが設けられるチップ外に出力され、別チップに設けられる不図示の信号処理回路に入力される。 The ADC 48 converts the voltage corresponding to the signal charge, which is voltage-converted by the FD amplifier 44 and amplified by the output amplifier 46, from an analog signal to a digital signal. The digital signal corresponding to the signal charge converted from analog to digital by the ADC 48 is output to, for example, a chip outside the chip provided with the CCD image sensor and input to a signal processing circuit (not shown) provided on another chip.

ここで、水平CCD42から転送された信号電荷を電圧に変換するものとして、FDアンプ44を例に説明したが、必ずしもこれに限定されず、水平CCD42から転送された信号電荷を電圧に変換する回路であれば、FDアンプ44以外の他の回路を用いても構わない。 Here, the FD amplifier 44 has been described as an example of converting the signal charge transferred from the horizontal CCD 42 into a voltage, but the present invention is not limited to this, and the circuit that converts the signal charge transferred from the horizontal CCD 42 into a voltage. If so, a circuit other than the FD amplifier 44 may be used.

また、出力アンプ46にCDS(Correlated Double Sampling)回路等のノイズを除去する機能を持たせても構わない。 Further, the output amplifier 46 may be provided with a function of removing noise such as a CDS (Correlated Double Sampling) circuit.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの詳細な構成について説明を行う。 Next, a detailed configuration of the CCD image sensor according to the present embodiment will be described.

図2は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの一部の構成を示す平面図であり、本実施の形態であるCCDイメージセンサの画素領域10と電荷蓄積部30との境界付近の平面図である。図3は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの図2の切断線A-Aから見た断面図である。図4は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの図2の切断線B-Bから見た断面図である。図5は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの図2の切断線C-Cから見た断面図である。 FIG. 2 is a plan view showing a partial configuration of the CCD image sensor according to the present embodiment, and is a plan view near the boundary between the pixel region 10 and the charge storage unit 30 of the CCD image sensor according to the present embodiment. Is. FIG. 3 is a cross-sectional view taken from the cutting line AA of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view taken from the cutting line BB of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the present embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken from the cutting line CC of FIG. 2 of the CCD image sensor according to the present embodiment.

図2に示すように、本実施の形態であるCCDイメージセンサの画素領域10は、太字で囲った領域を一つの画素12とし、転送チャネル領域14と、転送電極16と、画素分離領域50とを備える。図2に示す画素12は、図1で示した画素12が列方向に複数配列され、一番端に設けられる電荷蓄積部30に隣接する画素である。 As shown in FIG. 2, in the pixel area 10 of the CCD image sensor according to the present embodiment, the area surrounded by bold letters is regarded as one pixel 12, and the transfer channel area 14, the transfer electrode 16, and the pixel separation area 50 are included. To prepare for. The pixel 12 shown in FIG. 2 is a pixel in which a plurality of pixels 12 shown in FIG. 1 are arranged in a column direction and are adjacent to a charge storage unit 30 provided at the end.

転送チャネル領域14は、図2に示すように、画素領域10内を垂直方向に延在し、転送電極16を透過し、光入射に応じて信号電荷を発生する領域である。転送チャネル領域14は、図3に示すように、例えば、第2導電型であるP型の不純物濃度を有するP型シリコン基板からなる半導体基板1に形成され、第1導電型であるN型の不純物濃度を有する不純物領域である。 As shown in FIG. 2, the transfer channel region 14 extends vertically in the pixel region 10, passes through the transfer electrode 16, and generates a signal charge in response to light incident. As shown in FIG. 3, the transfer channel region 14 is formed on, for example, a semiconductor substrate 1 made of a P-type silicon substrate having a P-type impurity concentration which is the second conductive type, and is an N-type which is the first conductive type. It is an impurity region having an impurity concentration.

転送電極16は、図2から図4に示すように、下部転送電極16a,16c及び上部転送電極16b,16dを有する。下部転送電極16a,16cは、例えば、ポリシリコンからなり、転送チャネル領域14の上に、例えば、シリコン酸化膜のようなゲート絶縁膜60を介して設けられ、画素領域10内を水平方向に延在する。上部転送電極16b,16dは、例えば、ポリシリコンからなり、転送チャネル領域14の上に、例えば、シリコン酸化膜のようなゲート絶縁膜62を介して設けられ、画素領域10内を水平方向に延在する。 As shown in FIGS. 2 to 4, the transfer electrode 16 has lower transfer electrodes 16a and 16c and upper transfer electrodes 16b and 16d. The lower transfer electrodes 16a and 16c are made of, for example, polysilicon, are provided on the transfer channel region 14 via a gate insulating film 60 such as a silicon oxide film, and extend horizontally in the pixel region 10. There is. The upper transfer electrodes 16b and 16d are made of, for example, polysilicon, are provided on the transfer channel region 14 via a gate insulating film 62 such as a silicon oxide film, and extend horizontally in the pixel region 10. There is.

ここで、図4は、上部転送電極16dの水平方向の断面図を示しているが、上部転送電極16bも同様の断面図となる。また、下部転送電極16a,16cについては、ゲート絶縁膜62がゲート絶縁膜60に置き換わる以外は同様の断面図となる。 Here, FIG. 4 shows a cross-sectional view of the upper transfer electrode 16d in the horizontal direction, but the upper transfer electrode 16b also has a similar cross-sectional view. Further, the lower transfer electrodes 16a and 16c have the same cross-sectional view except that the gate insulating film 62 is replaced with the gate insulating film 60.

図2に示すように、下部転送電極16a,16cには、駆動回路20から制御信号φ1,φ3がそれぞれ入力され、上部転送電極16b,16dには、駆動回路20から制御信号φ2,φ4がそれぞれ入力される。下部転送電極16a,16c及び上部転送電極16b,16dは、制御信号φ1~φ4を駆動回路20により制御することにより、光入射に応じて転送チャネル領域14に発生した信号電荷を電荷蓄積部30へ垂直方向に転送する。 As shown in FIG. 2, control signals φ1 and φ3 are input from the drive circuit 20 to the lower transfer electrodes 16a and 16c, respectively, and control signals φ2 and φ4 from the drive circuit 20 are input to the upper transfer electrodes 16b and 16d, respectively. Entered. The lower transfer electrodes 16a and 16c and the upper transfer electrodes 16b and 16d control the control signals φ1 to φ4 by the drive circuit 20, so that the signal charges generated in the transfer channel region 14 in response to the light incident are transferred to the charge storage unit 30. Transfer vertically.

画素分離領域50は、図2及び図4に示すように、転送チャネル領域14と水平方向に隣接する画素12の転送チャネル領域14とを電気的に分離する領域である。画素分離領域50は、転送チャネル領域14に水平方向に隣接し、転送チャネル領域14に沿って垂直方向に延在する。画素分離領域50は、例えば、半導体基板1に形成され、P型の不純物濃度を有する不純物領域である。 As shown in FIGS. 2 and 4, the pixel separation region 50 is a region that electrically separates the transfer channel region 14 and the transfer channel region 14 of the horizontally adjacent pixels 12. The pixel separation region 50 is horizontally adjacent to the transfer channel region 14 and extends vertically along the transfer channel region 14. The pixel separation region 50 is, for example, an impurity region formed on the semiconductor substrate 1 and having a P-type impurity concentration.

ここで、図2では、太線で示した領域を一つの画素12、つまり、制御信号φ1~φ4が下部転送電極16a,16c及び上部転送電極16b,16dを制御する4相の構成を例に説明を行ったが、例えば、2相又は3相等の他の相数で信号電荷を垂直方向に転送する構成でも構わない。 Here, in FIG. 2, the region shown by the thick line is described by taking as an example a configuration of one pixel 12, that is, a four-phase configuration in which control signals φ1 to φ4 control the lower transfer electrodes 16a and 16c and the upper transfer electrodes 16b and 16d. However, for example, a configuration in which the signal charge is transferred in the vertical direction with another number of phases such as two-phase or three-phase may be used.

また、転送電極16の上方には、図3及び図4に示すように、表面を平坦化するために、例えば、シリコン酸化膜のような絶縁膜64が設けられる。 Further, as shown in FIGS. 3 and 4, an insulating film 64 such as a silicon oxide film is provided above the transfer electrode 16 in order to flatten the surface.

次に、電荷蓄積部30は、図2及び図5に示すように、電荷蓄積領域31と、電荷蓄積ゲート電極32と、電荷制御ゲート電極33とを備える。 Next, as shown in FIGS. 2 and 5, the charge storage unit 30 includes a charge storage region 31, a charge storage gate electrode 32, and a charge control gate electrode 33.

電荷蓄積領域31は、図2、図3及び図5に示すように、垂直方向に延在する転送チャネル領域14の垂直方向の一端に設けられ、転送チャネル領域14から転送されてきた信号電荷を蓄積する領域である。電荷蓄積領域31は、転送チャネル領域14と隣接する一端から垂直方向に水平CCD42まで延在している。また、電荷蓄積領域31は、図5に示すように、例えば、半導体基板1に設けられ、N型の不純物濃度を有する不純物領域であり、本実施の形態では、転送チャネル領域14の不純物濃度と同じN型の不純物濃度を有する。 As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the charge storage region 31 is provided at one end in the vertical direction of the transfer channel region 14 extending in the vertical direction, and receives the signal charge transferred from the transfer channel region 14. It is an area to accumulate. The charge storage region 31 extends vertically from one end adjacent to the transfer channel region 14 to the horizontal CCD 42. Further, as shown in FIG. 5, the charge storage region 31 is, for example, an impurity region provided on the semiconductor substrate 1 and having an N-type impurity concentration, and in the present embodiment, it is the impurity concentration of the transfer channel region 14. It has the same N-type impurity concentration.

電荷蓄積ゲート電極32は、例えば、下部転送電極16a,16cと同じポリシリコンからなり、図2、図3及び図5に示すように、上部転送電極16dと垂直方向に隣接する位置に、電荷蓄積領域31の上にゲート絶縁膜60を介して設けられる。電荷蓄積ゲート電極32には、制御信号φSTが入力される。 The charge storage gate electrode 32 is made of the same polysilicon as the lower transfer electrodes 16a and 16c, and is charged at a position perpendicular to the upper transfer electrode 16d as shown in FIGS. 2, 3 and 5. It is provided on the region 31 via the gate insulating film 60. A control signal φST is input to the charge storage gate electrode 32.

電荷制御ゲート電極33は、例えば、上部転送電極16b,16dと同じポリシリコンからなり、図2、図3及び図5に示すように、電荷蓄積ゲート電極32と垂直方向に隣接する位置に、電荷蓄積領域31の上にゲート絶縁膜62を介して設けられる。電荷制御ゲート電極33には、制御信号φSCが入力される。 The charge control gate electrode 33 is made of the same polysilicon as the upper transfer electrodes 16b and 16d, and is charged at a position perpendicular to the charge storage gate electrode 32 as shown in FIGS. 2, 3 and 5. It is provided on the storage region 31 via the gate insulating film 62. A control signal φSC is input to the charge control gate electrode 33.

電荷蓄積ゲート電極32及び電荷制御ゲート電極33は、それぞれに入力される制御信号φST,φSCにより、転送チャネル領域14から転送され、電荷蓄積領域31に蓄積された信号電荷を水平CCD42へ転送することができる。 The charge storage gate electrode 32 and the charge control gate electrode 33 are transferred from the transfer channel region 14 by the control signals φST and φSC input to each, and the signal charge stored in the charge storage region 31 is transferred to the horizontal CCD 42. Can be done.

さらに、電荷蓄積部30は、図2及び図5に示すように、オーバーフローゲート領域34と、オーバーフローゲート電極35と、オーバーフロードレイン領域36とを備える。 Further, as shown in FIGS. 2 and 5, the charge storage unit 30 includes an overflow gate region 34, an overflow gate electrode 35, and an overflow drain region 36.

オーバーフローゲート領域34は、図2及び図5に示すように、電荷蓄積領域31に水平方向に隣接する位置に設けられる。オーバーフローゲート領域34は、例えば、半導体基板1に設けられ、N型の不純物濃度を有する不純物領域であり、本実施の形態では、転送チャネル領域14の不純物濃度と同じN型の不純物濃度を有する。 As shown in FIGS. 2 and 5, the overflow gate region 34 is provided at a position horizontally adjacent to the charge storage region 31. The overflow gate region 34 is, for example, an impurity region provided on the semiconductor substrate 1 and having an N-type impurity concentration. In the present embodiment, the overflow gate region 34 has the same N-type impurity concentration as the transfer channel region 14.

オーバーフローゲート電極35は、例えば、上部転送電極16b,16dと同じポリシリコンからなり、図2及び図5に示すように、電荷蓄積ゲート電極32と水平方向に隣接する位置に、オーバーフローゲート領域34の上にゲート絶縁膜62を介して設けられる。オーバーフローゲート電極35には、外部端子EXTで制御可能な制御電圧VOFGが入力される。 The overflow gate electrode 35 is made of the same polysilicon as the upper transfer electrodes 16b and 16d, and as shown in FIGS. 2 and 5, the overflow gate region 34 is located at a position horizontally adjacent to the charge storage gate electrode 32. It is provided on top via a gate insulating film 62. A control voltage VOFG that can be controlled by the external terminal EXT is input to the overflow gate electrode 35.

オーバーフロードレイン領域36は、オーバーフローゲート領域34と水平方向に隣接する位置に設けられる。オーバーフロードレイン領域36は、例えば、半導体基板1に設けられ、N型の不純物濃度を有する不純物領域であり、本実施の形態では、転送チャネル領域14の不純物濃度と同じN型の不純物濃度を有する。また、オーバーフロードレイン領域36には、制御電圧VOFDが印可される。 The overflow drain region 36 is provided at a position horizontally adjacent to the overflow gate region 34. The overflow / drain region 36 is, for example, an impurity region provided on the semiconductor substrate 1 and having an N-type impurity concentration. In the present embodiment, the overflow / drain region 36 has the same N-type impurity concentration as the transfer channel region 14. Further, a control voltage VOFD is applied to the overflow / drain region 36.

本実施の形態では、制御電圧VOFGをオーバーフローゲート電極35に印加し、オーバーフローゲート電極35を制御することにより、オーバーフローゲート領域34を介して、電荷蓄積領域31に蓄積された過剰な信号電荷をオーバーフロードレイン領域36へ排出することができる。詳細は後述で説明を行う。 In the present embodiment, the control voltage VOFG is applied to the overflow gate electrode 35 to control the overflow gate electrode 35, so that the excess signal charge accumulated in the charge storage region 31 overflows through the overflow gate region 34. It can be discharged to the drain region 36. Details will be described later.

上述のように構成される電荷蓄積部30の隣接する位置には、図2及び図5に示すように、画素領域10から延在してきた画素分離領域50が設けられ、隣接する画素12の列に対応する電荷蓄積部30と水平方向に電気的に分離する。 As shown in FIGS. 2 and 5, a pixel separation region 50 extending from the pixel region 10 is provided at an adjacent position of the charge storage unit 30 configured as described above, and a row of adjacent pixels 12 is provided. It is electrically separated from the charge storage unit 30 corresponding to the above in the horizontal direction.

また、電荷蓄積ゲート電極32及びオーバーフローゲート電極35の上方には、図5に示すように、表面を平坦化するための絶縁膜64が設けられる。 Further, as shown in FIG. 5, an insulating film 64 for flattening the surface is provided above the charge storage gate electrode 32 and the overflow gate electrode 35.

以上より、本実施の形態であるCCDイメージセンサは構成される。 From the above, the CCD image sensor according to the present embodiment is configured.

ここで、本実施の形態では、転送チャネル領域14、電荷蓄積領域31、オーバーフローゲート領域34及びオーバーフロードレイン領域36をN型の同じ不純物濃度を有する不純物領域として説明したが、各不純物領域の導電型及び不純物濃度は、本発明を逸脱しない範囲で、適宜、変更可能である。 Here, in the present embodiment, the transfer channel region 14, the charge storage region 31, the overflow gate region 34, and the overflow drain region 36 have been described as N-type impurity regions having the same impurity concentration, but the conductive type of each impurity region has been described. And the impurity concentration can be appropriately changed without departing from the present invention.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの動作について、説明を行う。 Next, the operation of the CCD image sensor according to the present embodiment will be described.

本実施の形態であるCCDイメージセンサに光が入射されると、転送チャネル領域14に入射光に対応する信号電荷が発生する。その後、駆動回路20から転送電極16a~16dに入力される制御信号φ1~φ4を制御することより、転送チャネル領域14に発生した信号電荷を行ごとに垂直方向に電荷蓄積部30へ転送する。 When light is incident on the CCD image sensor according to the present embodiment, a signal charge corresponding to the incident light is generated in the transfer channel region 14. After that, by controlling the control signals φ1 to φ4 input from the drive circuit 20 to the transfer electrodes 16a to 16d, the signal charges generated in the transfer channel region 14 are transferred to the charge storage unit 30 in the vertical direction line by line.

そして、転送チャネル領域14から転送された信号電荷は、電荷蓄積部30の電荷蓄積領域31に蓄積される。その後、制御信号φST,φSCを制御することにより、電荷蓄積ゲート電極32及び電荷制御ゲート電極33を駆動させ、電荷蓄積領域31に蓄積された信号電荷を水平CCD42に転送する。 Then, the signal charge transferred from the transfer channel region 14 is stored in the charge storage region 31 of the charge storage unit 30. After that, by controlling the control signals φST and φSC, the charge storage gate electrode 32 and the charge control gate electrode 33 are driven, and the signal charge stored in the charge storage region 31 is transferred to the horizontal CCD 42.

このとき、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、上述した通り、電荷蓄積部30にオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36を備えるため、電荷蓄積領域31に蓄積された信号電荷のうち、過剰な信号電荷は、オーバーフローゲート電極35を制御することにより、オーバーフローゲート領域34を介して、オーバーフロードレイン領域36に排出させることができる。 At this time, as described above, the CCD image sensor of the present embodiment includes the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30, so that the signal stored in the charge storage region 31 is provided. Of the charges, the excess signal charge can be discharged to the overflow drain region 36 via the overflow gate region 34 by controlling the overflow gate electrode 35.

また、オーバーフローゲート電極35は、制御電圧VOFGにより制御され、制御電圧VOFGは外部端子EXTから制御可能であるため、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を変化させ、過剰な信号電荷の排出量を調整することができる。詳細は後述で説明を行う。 Further, since the overflow gate electrode 35 is controlled by the control voltage VOFG and the control voltage VOFG can be controlled from the external terminal EXT, the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 is changed by the voltage value of the control voltage VOFG, resulting in excess. The amount of signal charge emitted can be adjusted. Details will be described later.

そして、水平CCD42により、水平CCD42に転送された信号電荷は水平方向に転送され、FDアンプ44により水平CCD42から転送された信号電荷は電圧に変換され、出力アンプ46を経て、ADC48により信号電荷に対応する電圧はアナログ-デジタル変換が行われ、デジタル信号として、被写体の撮像画の信号がADC48からCCDイメージセンサが設けられるチップ外に出力される。CCDイメージセンサのチップ外に出力されたデジタル信号は、例えば、別チップに設けられる不図示の信号処理回路に入力され、信号処理が行われる。 Then, the signal charge transferred to the horizontal CCD 42 is transferred in the horizontal direction by the horizontal CCD 42, the signal charge transferred from the horizontal CCD 42 by the FD amplifier 44 is converted into a voltage, and the signal charge is converted into a signal charge by the ADC 48 via the output amplifier 46. The corresponding voltage is analog-digitally converted, and as a digital signal, the signal of the image of the subject is output from the ADC 48 to the outside of the chip provided with the CCD image sensor. The digital signal output to the outside of the chip of the CCD image sensor is input to, for example, a signal processing circuit (not shown) provided on another chip, and signal processing is performed.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの詳細な動作について、説明を行う。図6は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量の変化を示す模式図であり、電荷蓄積ゲート電極32の制御信号φSTに10V、オーバーフロードレイン領域36に制御電圧15Vを印加し、オーバーフローゲート電極35の制御電圧VOFGに印加する電圧を(a)0V、(b)3V、(c)7Vと変化させた場合の電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を示している。 Next, the detailed operation of the CCD image sensor according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic diagram showing a change in the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 of the CCD image sensor according to the present embodiment, in which the control signal φST of the charge storage gate electrode 32 is controlled to 10 V and the overflow drain region 36 is controlled. The charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 when a voltage of 15 V is applied and the voltage applied to the control voltage VOFG of the overflow gate electrode 35 is changed to (a) 0 V, (b) 3 V, and (c) 7 V is shown. ing.

図6に示すように、画素分離領域50は、P型の不純物領域であり、電荷蓄積領域31よりも高いポテンシャル障壁を有するため、電荷蓄積領域31に蓄積される電荷容量は、制御信号φSTと制御電圧VOFGとの間の電位差に対応するポテンシャル障壁で決まり、斜線で示した領域の上部まで信号電荷の蓄積が可能である。電荷蓄積領域31に蓄積可能な電荷容量を超えた過剰な信号電荷は、オーバーフローゲート領域34を介して、オーバーフロードレイン領域36に排出される。 As shown in FIG. 6, since the pixel separation region 50 is a P-type impurity region and has a higher potential barrier than the charge storage region 31, the charge capacity stored in the charge storage region 31 is the control signal φST. It is determined by the potential barrier corresponding to the potential difference with the control voltage VOFG, and the signal charge can be accumulated up to the upper part of the shaded area. Excessive signal charge exceeding the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 is discharged to the overflow drain region 36 via the overflow gate region 34.

そのため、図6の(a)の制御電圧VOFG=0Vの場合、電荷蓄積領域31に蓄積可能な電荷容量は、図6の(a)から(c)の中で最大の電荷容量を有し、図6の(b)の制御電圧VOFG=3Vの場合、図6の(a)から(c)の中で中間の電荷容量を有し、図6の(c)の制御電圧VOFG=7Vの場合、図6の(a)から(c)の中で最小の電荷容量を有する。 Therefore, when the control voltage VOFG = 0V in FIG. 6A, the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 has the maximum charge capacity in FIGS. 6A to 6C. When the control voltage VOFG = 3V in FIG. 6B has an intermediate charge capacity in FIGS. 6A to 6C, and when the control voltage VOFG in FIG. 6C is 7V. , Has the smallest charge capacity among (a) to (c) of FIG.

したがって、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、オーバーフローゲート電極35の制御電圧VOFGの電圧値を制御することにより、電荷蓄積領域31に蓄積可能な電荷容量を制御することができ、電荷蓄積領域31の過剰な信号電荷の排出量を制御することができる。 Therefore, the CCD image sensor of the present embodiment can control the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 by controlling the voltage value of the control voltage VOFG of the overflow gate electrode 35, and the charge storage region can be controlled. It is possible to control the amount of excess signal charge emitted from 31.

また、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、外部端子EXTが内部配線を経てオーバーフローゲート電極35に直接接続される。そのため、外部の電源回路で生成された外部電圧が外部端子EXTから入力されることにより、制御電圧VOFGの電圧値の制御を直接行うことができる。本実施の形態では、外部の電源回路で生成された任意の範囲の外部電圧、例えば、0Vから7Vの外部電圧が外部端子EXTに入力され、直接、オーバーフローゲート電極35の制御を行うことができる。 Further, in the CCD image sensor of the present embodiment, the external terminal EXT is directly connected to the overflow gate electrode 35 via the internal wiring. Therefore, the voltage value of the control voltage VOFG can be directly controlled by inputting the external voltage generated by the external power supply circuit from the external terminal EXT. In the present embodiment, an external voltage in an arbitrary range generated by an external power supply circuit, for example, an external voltage of 0V to 7V is input to the external terminal EXT, and the overflow gate electrode 35 can be directly controlled. ..

ここで、外部電圧は、所定の範囲で設定可能な場合だけではなく、予め決められた複数の電圧値、例えば、図6のように、3つの電圧値のみが入力可能で、外部から任意に選択して電圧値を変更しても構わない。また、CCDイメージセンサの同一チップ内に電源回路を有するような場合であれば、オーバーフローゲート電極35に入力される電圧値を決める制御信号を外部端子EXTから入力し、その制御信号に基づいて内部の電源回路によりオーバーフローゲート電極35に入力される電圧を生成しても構わない。 Here, the external voltage is not limited to the case where it can be set within a predetermined range, but a plurality of predetermined voltage values, for example, as shown in FIG. 6, only three voltage values can be input and can be arbitrarily input from the outside. You may select and change the voltage value. If the power supply circuit is located in the same chip of the CCD image sensor, a control signal for determining the voltage value input to the overflow gate electrode 35 is input from the external terminal EXT, and the inside is based on the control signal. The voltage input to the overflow gate electrode 35 may be generated by the power supply circuit of.

また、本実施の形態では、オーバーフロードレイン領域36に印加される制御電圧VOFDを15Vとして説明を行ったが、オーバーフロードレイン領域36へ過剰な信号電荷が排出されるように、深いポテンシャルレベルを有すればよく、制御電圧VOFDの電圧値は15Vに限られず、適宜、設定可能である。 Further, in the present embodiment, the control voltage VOFD applied to the overflow / drain region 36 has been described as 15V, but a deep potential level is provided so that an excessive signal charge is discharged to the overflow / drain region 36. The voltage value of the control voltage VOFD is not limited to 15V and can be set as appropriate.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの効果について、説明を行う。 Next, the effect of the CCD image sensor according to this embodiment will be described.

上述で説明したように、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、電荷蓄積部30にオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36を備えるため、電荷蓄積領域31に蓄積された信号電荷のうち、過剰な信号電荷は、オーバーフローゲート電極35を制御することにより、オーバーフローゲート領域34を介して、オーバーフロードレイン領域36に排出させることができる。オーバーフローゲート電極35は、制御電圧VOFGにより制御され、制御電圧VOFGは外部端子EXTから制御可能であるため、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を変化させ、過剰な信号電荷の排出量を調整することができる。 As described above, since the CCD image sensor of the present embodiment includes the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30, the signal stored in the charge storage region 31 is provided. Of the charges, the excess signal charge can be discharged to the overflow drain region 36 via the overflow gate region 34 by controlling the overflow gate electrode 35. Since the overflow gate electrode 35 is controlled by the control voltage VOFG and the control voltage VOFG can be controlled from the external terminal EXT, the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 is changed by the voltage value of the control voltage VOFG, resulting in an excessive signal. The amount of charge emitted can be adjusted.

そのため、従来では、画素領域内にオーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域を備え、転送電極により過剰な信号電荷の排出量を制御していたため、信号電荷の転送動作に依存し、過剰な信号電荷の排出量の制御を困難にしていたが、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、オーバーフローゲート電極35の電圧を制御することにより、電荷蓄積領域31に蓄積された過剰な信号電荷をオーバーフロードレイン領域36へ排出することができ、過剰な信号電荷の排出量の制御が容易になる。つまり、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、過剰な信号電荷の排出量を転送電極の動作に依存せず、制御電圧VOFGにより制御することができる。そのため、オーバーフローゲート電極35の電圧制御により、最適な信号電荷の排出量を設定することができるため、従来に比べ、ブルーミング等のノイズをさらに除去することができ、高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 Therefore, in the past, an overflow gate region and an overflow drain region were provided in the pixel region, and the amount of excess signal charge discharged was controlled by the transfer electrode. Therefore, it depends on the signal charge transfer operation and the excess signal charge is discharged. Although it was difficult to control the amount, the CCD image sensor of the present embodiment controls the voltage of the overflow gate electrode 35 to reduce the excess signal charge accumulated in the charge storage region 31 to the overflow drain region 36. It can be discharged to, and it becomes easy to control the amount of excess signal charge discharged. That is, in the CCD image sensor of the present embodiment, the emission amount of the excessive signal charge can be controlled by the control voltage VOFG without depending on the operation of the transfer electrode. Therefore, since the optimum signal charge emission amount can be set by controlling the voltage of the overflow gate electrode 35, noise such as blooming can be further removed as compared with the conventional case, and a highly sensitive CCD image sensor is provided. can do.

また、制御電圧VOFGは外部端子EXTから制御可能であり、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を変化させることができるため、製造ばらつきに応じて、製品ごとに過剰な信号電荷の排出量を制御することができ、ブルーミング等のノイズを減らした高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 Further, the control voltage VOFG can be controlled from the external terminal EXT, and the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 can be changed by the voltage value of the control voltage VOFG. It is possible to control the amount of signal charge emitted, and it is possible to provide a highly sensitive CCD image sensor with reduced noise such as blooming.

また、制御電圧VOFGは外部端子EXTから制御可能であるため、ADC48等の出力回路40の仕様を変更したとしても、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を変化させ、ADC48等の出力回路40の仕様に合わせて、水平CCD42へ転送する信号電荷量を調整することができる。そのため、ADC48等の出力回路40の仕様に合わせて、画素領域10の設計を見直す必要がなく、容易にCCDイメージセンサを設計することが可能である。 Further, since the control voltage VOFG can be controlled from the external terminal EXT, even if the specifications of the output circuit 40 such as the ADC 48 are changed, the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 is changed according to the voltage value of the control voltage VOFG. The amount of signal charge to be transferred to the horizontal CCD 42 can be adjusted according to the specifications of the output circuit 40 such as the ADC 48. Therefore, it is not necessary to review the design of the pixel region 10 according to the specifications of the output circuit 40 such as the ADC 48, and the CCD image sensor can be easily designed.

また、従来のCCDイメージセンサでは、画素領域から転送されてくる信号電荷の電荷容量に合わせて、水平CCD等の出力回路が蓄積可能な信号電荷の電荷容量を決める必要があり、半導体製造プロセスによる高い作りこみ精度が求められていたが、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量を変化させることができるため、画素領域10と水平CCD42等の出力回路40との間の半導体製造プロセスによる作りこみ精度を緩和することができ、製造の容易化及び歩留まりを向上させることができ、製造コストを低減させることができる。 Further, in the conventional CCD image sensor, it is necessary to determine the charge capacity of the signal charge that can be stored in the output circuit such as the horizontal CCD according to the charge capacity of the signal charge transferred from the pixel region, which depends on the semiconductor manufacturing process. Although high build-in accuracy was required, the CCD image sensor according to the present embodiment can change the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 depending on the voltage value of the control voltage VOFG. It is possible to relax the manufacturing accuracy by the semiconductor manufacturing process with the output circuit 40 such as the horizontal CCD 42, facilitate the manufacturing and improve the yield, and reduce the manufacturing cost.

また、従来のCCDイメージセンサでは、画素領域内にオーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域を設けていたため、画素領域内の光入射に応じて信号電荷を発生する領域を小さくしてしまっていたが、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、オーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36を電荷蓄積部30内に設けているため、画素領域10内の光入射に応じて信号電荷を発生する領域を従来に比べ広くすることができ、高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 Further, in the conventional CCD image sensor, since the overflow gate region and the overflow drain region are provided in the pixel region, the region in which the signal charge is generated according to the light incident in the pixel region is reduced. Since the CCD image sensor of the embodiment provides the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30, signal charges are generated according to the light incident in the pixel region 10. The area to be used can be widened as compared with the conventional case, and a highly sensitive CCD image sensor can be provided.

以上より、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、電荷蓄積領域に蓄積された過剰な信号電荷を排出する第1のオーバーフロードレイン領域と、過剰な信号電荷の排出量を制御する制御電圧が印加されるオーバーフローゲート電極とを設けることにより、電荷蓄積領域に蓄積された過剰な信号電荷をオーバーフロードレイン領域へ排出することができるため、過剰な信号電荷の排出量の制御を容易にし、高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 From the above, in the CCD image sensor of the present embodiment, a first overflow drain region for discharging the excess signal charge accumulated in the charge storage region and a control voltage for controlling the discharge amount of the excess signal charge are applied. By providing the overflow gate electrode, the excess signal charge accumulated in the charge storage region can be discharged to the overflow drain region, so that it is easy to control the discharge amount of the excess signal charge and the sensitivity is high. A CCD image sensor can be provided.

ここで、本実施の形態であるCCDイメージセンサでは、水平CCD42及びFDアンプ44を用いた出力回路40を例に説明を行ったが、画素領域10の画素12の列ごとにFDアンプ等の電荷-電圧変換部等の出力回路を設け、画素12の列ごとに信号電荷を出力する構成でも構わない。 Here, in the CCD image sensor according to the present embodiment, the output circuit 40 using the horizontal CCD 42 and the FD amplifier 44 has been described as an example, but the electric charge of the FD amplifier or the like is described for each row of the pixels 12 in the pixel region 10. -A configuration in which an output circuit such as a voltage conversion unit is provided and a signal charge is output for each row of pixels 12 may be used.

実施の形態2.
本発明の実施の形態2であるCCDイメージセンサは、実施の形態1と異なり、転送チャネル領域と画素分離領域との間に垂直方向に延在するオーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域を備える。その他の同一符号を付した部分については、実施の形態1であるCCDイメージセンサと同様に構成されるため、説明は省略する。
Embodiment 2.
Unlike the first embodiment, the CCD image sensor according to the second embodiment of the present invention includes an overflow gate region and an overflow drain region extending in the vertical direction between the transfer channel region and the pixel separation region. Since the other parts with the same reference numerals are configured in the same manner as the CCD image sensor according to the first embodiment, the description thereof will be omitted.

図7は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの一部の構成を示す平面図であり、本実施の形態であるCCDイメージセンサの画素領域10と電荷蓄積部30との境界付近の平面図である。図8は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの図7の切断線D-Dから見た断面図である。 FIG. 7 is a plan view showing a partial configuration of the CCD image sensor according to the present embodiment, and is a plan view near the boundary between the pixel region 10 and the charge storage unit 30 of the CCD image sensor according to the present embodiment. Is. FIG. 8 is a cross-sectional view taken from the cutting line DD of FIG. 7 of the CCD image sensor according to the present embodiment.

図7及び図8に示すように、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、画素領域10内の転送チャネル領域14と画素分離領域50との間に垂直方向に延在するオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72を備える。 As shown in FIGS. 7 and 8, the CCD image sensor according to the present embodiment has an overflow gate region 70 extending in the vertical direction between the transfer channel region 14 and the pixel separation region 50 in the pixel region 10 and the overflow gate region 70. An overflow / drain region 72 is provided.

オーバーフローゲート領域70は、図7に示すように、転送チャネル領域14に水平方向に隣接する位置に設けられ、転送チャネル領域14に沿って垂直方向に延在する。オーバーフローゲート領域70は、図8に示すように、例えば、半導体基板1の転送チャネル領域14に隣接する位置に設けられ、P型の不純物濃度を有する不純物領域である。オーバーフローゲート領域70のP型の不純物濃度は、画素分離領域50のP型の不純物濃度よりも低い。 As shown in FIG. 7, the overflow gate region 70 is provided at a position horizontally adjacent to the transfer channel region 14, and extends vertically along the transfer channel region 14. As shown in FIG. 8, the overflow gate region 70 is, for example, an impurity region provided at a position adjacent to the transfer channel region 14 of the semiconductor substrate 1 and having a P-type impurity concentration. The P-type impurity concentration in the overflow gate region 70 is lower than the P-type impurity concentration in the pixel separation region 50.

オーバーフロードレイン領域72は、図7に示すように、オーバーフローゲート領域70と画素分離領域50との間に隣接して設けられ、オーバーフローゲート領域70に沿って垂直方向に延在する。オーバーフロードレイン領域72は、図8に示すように、例えば、半導体基板1のオーバーフローゲート領域70に隣接する位置に設けられ、N型の不純物濃度を有する不純物領域である。オーバーフロードレイン領域72は、転送チャネル領域14に発生した過剰な信号電荷を排出するため、転送チャネル領域14のN型の不純物濃度よりも高濃度のN型の不純物濃度を有する。 As shown in FIG. 7, the overflow drain region 72 is provided adjacent to the overflow gate region 70 and the pixel separation region 50, and extends vertically along the overflow gate region 70. As shown in FIG. 8, the overflow / drain region 72 is, for example, an impurity region provided at a position adjacent to the overflow gate region 70 of the semiconductor substrate 1 and having an N-type impurity concentration. Since the overflow / drain region 72 discharges the excess signal charge generated in the transfer channel region 14, the overflow / drain region 72 has an N-type impurity concentration higher than the N-type impurity concentration in the transfer channel region 14.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの動作について、説明を行う。 Next, the operation of the CCD image sensor according to the present embodiment will be described.

本実施の形態であるCCDイメージセンサに光が入射されると、転送チャネル領域14に入射光に対応する信号電荷が発生する。このとき、例えば、転送チャネル領域14の電荷容量を超える強い光が入射した場合、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、画素領域10内にオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72を備えるため、転送チャネル領域14の電荷容量を超えた過剰な信号電荷は、転送電極16を制御することにより、オーバーフローゲート領域70を介して、オーバーフロードレイン領域72へ排出される。 When light is incident on the CCD image sensor according to the present embodiment, a signal charge corresponding to the incident light is generated in the transfer channel region 14. At this time, for example, when strong light exceeding the charge capacity of the transfer channel region 14 is incident, the CCD image sensor according to the present embodiment includes the overflow gate region 70 and the overflow drain region 72 in the pixel region 10. Excess signal charge exceeding the charge capacity of the transfer channel region 14 is discharged to the overflow drain region 72 via the overflow gate region 70 by controlling the transfer electrode 16.

それと同時に、過剰な信号電荷が排出された残りの信号電荷は、実施の形態1と同様、垂直方向に転送チャネル領域14から電荷蓄積部30へ転送される。それ以降の動作については、実施の形態1と同様であるため、説明は省略する。 At the same time, the remaining signal charge from which the excess signal charge is discharged is vertically transferred from the transfer channel region 14 to the charge storage unit 30 as in the first embodiment. Since the subsequent operations are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.

つまり、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、画素領域10内のオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72が、転送チャネル領域14の電荷容量を超える強い光が入射した場合のブルーミング等のノイズを除去する機能を果たし、電荷蓄積部30内のオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36は、転送チャネル領域14の電荷容量及び後段の出力回路40の電荷容量に応じて、制御電圧VOFGの制御により、電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量の制御を行う機能を果たす。 That is, in the CCD image sensor of the present embodiment, noise such as blooming when strong light exceeding the charge capacity of the transfer channel region 14 is incident on the overflow gate region 70 and the overflow drain region 72 in the pixel region 10 is generated. The overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30 serve to remove the charge, and the control voltage of the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 is controlled according to the charge capacity of the transfer channel region 14 and the charge capacity of the output circuit 40 in the subsequent stage. By controlling the VOFG, it functions to control the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31.

そのため、画素領域10内の過剰な信号電荷の排出量の方が大きく設定する必要があり、画素領域10内のオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72により決まる転送チャネル領域14の電荷容量の飽和レベルは、電荷蓄積部30内のオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36により決まる電荷蓄積領域31の電荷容量の飽和レベルよりも大きくなる。言い換えると、オーバーフローゲート電極35により制御される電荷蓄積領域31の電荷容量の飽和レベルは、オーバーフローゲート領域70により制御される転送チャネル領域14の電荷容量の飽和レベルより小さくなる。 Therefore, it is necessary to set the emission amount of the excess signal charge in the pixel region 10 to be larger, and the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region 14 determined by the overflow gate region 70 and the overflow drain region 72 in the pixel region 10. Is larger than the saturation level of the charge capacity of the charge storage region 31 determined by the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30. In other words, the saturation level of the charge capacity of the charge storage region 31 controlled by the overflow gate electrode 35 is smaller than the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region 14 controlled by the overflow gate region 70.

次に、本実施の形態であるCCDイメージセンサの効果について、説明を行う。図9は、本実施の形態であるCCDイメージセンサの各部の電荷容量の飽和レベルを示す模式図である。 Next, the effect of the CCD image sensor according to this embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing the saturation level of the charge capacitance of each part of the CCD image sensor according to the present embodiment.

上述で説明した通り、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、電荷蓄積部30にオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36を備えるのに加え、画素領域10内の転送チャネル領域14と画素分離領域50との間に垂直方向に延在するオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72を備える。 As described above, the CCD image sensor according to the present embodiment includes the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30, and also has a transfer channel region in the pixel region 10. An overflow gate region 70 and an overflow drain region 72 extending in the vertical direction between the 14 and the pixel separation region 50 are provided.

そのため、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、実施の形態1と同様、電荷蓄積領域31に蓄積された過剰な信号電荷をオーバーフロードレイン領域36へ排出することができるため、過剰な信号電荷の排出量の制御を容易にし、さらに、画素領域10内のオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72により、実施の形態1に比べ、さらにブルーミング等のノイズを除去することができ、さらに高感度なCCDイメージセンサを提供することができる。 Therefore, the CCD image sensor according to the present embodiment can discharge the excess signal charge accumulated in the charge storage region 31 to the overflow drain region 36 as in the first embodiment, so that the excess signal charge can be discharged. The emission amount can be easily controlled, and the overflow gate region 70 and the overflow drain region 72 in the pixel region 10 can further remove noise such as blooming as compared with the first embodiment, and the CCD has higher sensitivity. An image sensor can be provided.

また、従来では、画素領域内のオーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域により、転送チャネル領域の電荷容量を超える強い光が入射した場合、ブルーミング等のノイズを除去することができるものの、電荷蓄積部以降の各部の電荷容量を転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルに合わせて、設計しなければならず、半導体製造プロセスに高い精度が求められていた。 Further, conventionally, when strong light exceeding the charge capacity of the transfer channel region is incident by the overflow gate region and the overflow drain region in the pixel region, noise such as blooming can be removed, but after the charge storage portion. The charge capacity of each part must be designed according to the saturation level of the charge capacity in the transfer channel region, and high accuracy is required in the semiconductor manufacturing process.

しかしながら、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、画素領域10内のオーバーフローゲート領域70及びオーバーフロードレイン領域72により、転送チャネル領域14の電荷容量を超える強い光が入射した場合のブルーミング等のノイズを除去させて、電荷蓄積部30内のオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36は、ブルーミング等のノイズの除去は気にせず、制御電圧VOFGの制御により、転送チャネル領域14の電荷容量及び後段の出力回路40の電荷容量に応じて、電荷蓄積領域31に蓄積できる電荷容量の制御が容易に可能になる。 However, the CCD image sensor according to the present embodiment causes noise such as blooming when strong light exceeding the charge capacity of the transfer channel region 14 is incident on the overflow gate region 70 and the overflow drain region 72 in the pixel region 10. The overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 in the charge storage unit 30 are removed, and the charge in the transfer channel region 14 is controlled by the control voltage VOFG without worrying about the removal of noise such as blooming. It is possible to easily control the charge capacity that can be stored in the charge storage region 31 according to the capacity and the charge capacity of the output circuit 40 in the subsequent stage.

具体的に説明すると、従来では、画素領域内のオーバーフローゲート領域及びオーバーフロードレイン領域により、転送チャネル領域の電荷容量が決まるため、電荷蓄積部以降の各部の電荷容量を転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルに合わせて、電荷蓄積部の電荷容量の飽和レベルを転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルよりも大きくしなければならない。また、転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルは、半導体製造プロセス又は環境条件等の変動でばらつくため、電荷蓄積部の電荷容量の飽和レベルは、これら変動を考慮して、マージンを持たせて設計する必要がある。そのため、電荷蓄積部より後段の出力回路である水平CCD、FDアンプ、出力アンプ及びADCは、上記を考慮して設計する必要があり、設計及び製造を困難にし、製造コストの上昇及び歩留り低下を招いていた。 Specifically, conventionally, since the charge capacity of the transfer channel region is determined by the overflow gate region and the overflow drain region in the pixel region, the charge capacity of each part after the charge storage unit is saturated with the charge capacity of the transfer channel region. In accordance with the level, the saturation level of the charge capacity of the charge storage unit must be larger than the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region. Further, since the saturation level of the charge capacity in the transfer channel region varies depending on the fluctuation of the semiconductor manufacturing process or the environmental conditions, the saturation level of the charge capacity of the charge storage unit is designed with a margin in consideration of these fluctuations. There is a need to. Therefore, the horizontal CCD, FD amplifier, output amplifier, and ADC, which are the output circuits after the charge storage unit, need to be designed in consideration of the above, which makes design and manufacturing difficult, and increases the manufacturing cost and the yield. I was invited.

しかしながら、本実施の形態であるCCDイメージセンサは、電荷蓄積部30のオーバーフローゲート領域34、オーバーフローゲート電極35及びオーバーフロードレイン領域36により電荷容量の飽和レベルを決めるため、図9に示すように、電荷蓄積部30の電荷容量の飽和レベルを転送チャネル領域14の電荷容量の飽和レベルよりも小さく設定することができる。そのため、電荷蓄積部30より後段の出力回路40である水平CCD42、FDアンプ44、出力アンプ46及びADC48の電荷容量の飽和レベルは、転送チャネル領域14の電荷容量の飽和レベルよりも小さい電荷蓄積部30の電荷容量の飽和レベルに基づいて設計することが可能となる。さらに、外部端子EXTから入力される電圧によって、制御電圧VOFGを制御することができるため、電荷蓄積部30の電荷容量の飽和レベルは調整可能である。そのため、ADC48等の出力回路40の仕様を変更して飽和レベルが変わったとしても、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31の電荷容量の飽和レベルを変化させ、ADC48等の出力回路40の仕様に合わせて、電荷蓄積領域31の電荷容量の飽和レベルを調整することができる。 However, in the CCD image sensor of the present embodiment, since the saturation level of the charge capacity is determined by the overflow gate region 34, the overflow gate electrode 35, and the overflow drain region 36 of the charge storage unit 30, the charge is as shown in FIG. The saturation level of the charge capacity of the storage unit 30 can be set to be smaller than the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region 14. Therefore, the saturation level of the charge capacity of the horizontal CCD 42, the FD amplifier 44, the output amplifier 46, and the ADC 48, which are the output circuits 40 after the charge storage unit 30, is smaller than the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region 14. It is possible to design based on the saturation level of the charge capacity of 30. Further, since the control voltage VOFG can be controlled by the voltage input from the external terminal EXT, the saturation level of the charge capacity of the charge storage unit 30 can be adjusted. Therefore, even if the specifications of the output circuit 40 such as the ADC 48 are changed and the saturation level is changed, the saturation level of the charge capacity of the charge storage region 31 is changed by the voltage value of the control voltage VOFG, and the output circuit 40 such as the ADC 48 is changed. The saturation level of the charge capacity of the charge storage region 31 can be adjusted according to the specifications.

したがって、ADC48等の出力回路40の仕様に合わせて、画素領域10の設計を見直す必要がなく、容易にCCDイメージセンサを設計することが可能である。また、制御電圧VOFGの電圧値により電荷蓄積領域31の電荷容量の飽和レベルを変化させることができるため、画素領域10と水平CCD42等の出力回路40との間の半導体製造プロセスによる作りこみ精度を緩和することができ、製造の容易化及び歩留まりを向上させることができ、製造コストを低減させることができる。また、水平CCD42等の出力回路40の許容される電荷容量の飽和レベルも小さくすることができるため、チップサイズを小さくすることができ、低消費電力化を図ることができる。 Therefore, it is not necessary to review the design of the pixel region 10 according to the specifications of the output circuit 40 such as the ADC 48, and the CCD image sensor can be easily designed. Further, since the saturation level of the charge capacity of the charge storage region 31 can be changed by the voltage value of the control voltage VOFG, the built-in accuracy by the semiconductor manufacturing process between the pixel region 10 and the output circuit 40 such as the horizontal CCD 42 can be improved. It can be relaxed, the manufacturing can be facilitated and the yield can be improved, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the saturation level of the allowable charge capacity of the output circuit 40 such as the horizontal CCD 42 can be reduced, the chip size can be reduced and the power consumption can be reduced.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。 In the present invention, each embodiment can be freely combined, and each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified at the implementation stage without departing from the gist thereof. Further, the above-described embodiment includes inventions at various stages, and various inventions can be extracted by an appropriate combination of the plurality of disclosed constituent requirements.

10 画素領域、12 画素、14 転送チャネル領域、16 転送電極、30 電荷蓄積部、31 電荷蓄積領域、32 電荷蓄積ゲート電極、33 電荷制御ゲート電極、34、70 オーバーフローゲート領域、35 オーバーフローゲート電極、36、72 オーバーフロードレイン領域、50 画素分離領域、EXT 外部端子 10 pixel area, 12 pixels, 14 transfer channel area, 16 transfer electrode, 30 charge storage part, 31 charge storage area, 32 charge storage gate electrode, 33 charge control gate electrode, 34, 70 overflow gate area, 35 overflow gate electrode, 36, 72 Overflow drain area, 50 pixel separation area, EXT external terminal

Claims (3)

第1の方向に延在し、光入射に応じて信号電荷を発生する転送チャネル領域と、前記転送チャネル領域の上に設けられ、前記第1の方向に直交する第2の方向に延在し、前記第1の方向に前記信号電荷を転送する転送電極とを備える画素領域と、
前記信号電荷が転送される方向の前記画素領域の一端に設けられ、前記画素領域から転送された前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された前記信号電荷のうち、前記電荷蓄積領域に蓄積された過剰な信号電荷を排出する第1のオーバーフロードレイン領域と、
前記電荷蓄積領域と前記第1のオーバーフロードレイン領域との間に設けられ、前記過剰な信号電荷の排出量を制御する制御電圧が印加されるオーバーフローゲート電極と
前記第1の方向に延在し、前記第2の方向で前記転送チャネル領域と隣接する第1のオーバーフローゲート領域と、
前記第1の方向に延在し、前記第2の方向で前記第1のオーバーフローゲート領域と隣接し、前記第1のオーバーフローゲート領域を介して、前記転送チャネル領域の過剰な信号電荷を排出する第2のオーバーフロードレイン領域と
を備え
前記オーバーフローゲート電極により制御される前記電荷蓄積領域の電荷容量の飽和レベルは、前記第1のオーバーフローゲート領域により制御される前記転送チャネル領域の電荷容量の飽和レベルより小さいことを特徴とするCCDイメージセンサ。
A transfer channel region extending in the first direction and generating a signal charge in response to light incident, and a second direction provided above the transfer channel region and orthogonal to the first direction. A pixel region comprising a transfer electrode that transfers the signal charge in the first direction,
A charge storage region provided at one end of the pixel region in the direction in which the signal charge is transferred and accumulating the signal charge transferred from the pixel region, and a charge storage region.
Of the signal charges accumulated in the charge storage region, a first overflow drain region for discharging the excess signal charge accumulated in the charge storage region, and
An overflow gate electrode provided between the charge storage region and the first overflow drain region and to which a control voltage for controlling the amount of excess signal charge is applied is applied .
A first overflow gate region that extends in the first direction and is adjacent to the transfer channel region in the second direction.
Extends in the first direction, adjacent to the first overflow gate region in the second direction, and ejects excess signal charge in the transfer channel region through the first overflow gate region. With the second overflow drain area
Equipped with
The CCD image characterized in that the saturation level of the charge capacity of the charge storage region controlled by the overflow gate electrode is smaller than the saturation level of the charge capacity of the transfer channel region controlled by the first overflow gate region. Sensor.
前記オーバーフローゲート電極は、前記電荷蓄積領域と前記第2の方向で隣接する位置に設けられ、
前記第1のオーバーフロードレイン領域は、前記オーバーフローゲート電極と前記第2の方向で隣接する位置に設けられることを特徴とする請求項1に記載のCCDイメージセンサ。
The overflow gate electrode is provided at a position adjacent to the charge storage region in the second direction.
The CCD image sensor according to claim 1, wherein the first overflow / drain region is provided at a position adjacent to the overflow gate electrode in the second direction.
前記制御電圧を制御する外部端子を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のCCDイメージセンサ。 The CCD image sensor according to claim 1 or 2, further comprising an external terminal for controlling the control voltage.
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