JPH01225355A - 電荷転送固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は電荷転送固体撮像素子の電荷転送方式ＣＣＤエ
リアセンサとして、垂直ＣＣＤが画素列を兼ねるフレー
ム転送ＣＣＤ電荷転送固体撮像素子（ＦＴセンサと略称
される。）がある。垂直ＣＣＤとしてバーチャルＣＣＤ
を使用するバーチャル方式ＦＴセンサは、簡単な垂直転
送りロック電圧と、良い光感度をもつ。

また、画素列と垂直ＣＣＤとが独立に設置されるインク
ライン転送ＣＣＤ電荷転送固体撮像素子（ＩＴセンサと
略称される。）において、垂直ＣＣＤを画素列を兼ねる
ようにしたものもある。

電荷転送用の垂直ＣＣＤが画素列を兼ねる型式の電荷転
送固体撮像素子において、画素列の光感度の改善が問題
左なっていた。バーチャル方式ＦＴセンサは良い光感度
をもつが１転送段の転送領域として４種類の領域（クロ
ック電位障壁、クロック電位井戸、固定電位障壁、固定
電位井戸）を必要とするので、イオン注入工程が複雑と
なりかつダイナミックレンジが小さかった。また、バー
チャル方式ＦＴセンサの垂直ＣＣＤは単方向性であり、
電荷を２方向に転送できない欠点があった。

発明の開示 （発明の目的） 従って、本発明の第１の目的は、垂直ＣＣＤが画素列を
兼ねる電荷転送固体撮像素子において、垂直ＣＣＤの構
造を簡単化し、その性能特にぶどまりと光感度とを改善
することである。本発明の第２の目的は、垂直ＣＣＤが
画素列を兼ねる電荷転送固体撮像素子において、垂直Ｃ
ＣＤが高い光感度をもち、２種類の電荷転送方向をもち
得るようににすることである。

（発明の構成） 本発明は、画素列を兼ねる複数の垂直ＣＣＤをもち、前
記垂直ＣＣＤは電荷転送可能に線状連結する複数の転送
段をもつ電荷転送固体撮像素子において、前記垂直ＣＣ
Ｄの一つの転送段は、第１転送電極の下に形成され電位
勾配をもたない第１転送領域と、第２転送電極の下に形
成され電位勾配をもたず前記第１転送領域に隣接する第
２転送領域と、前記第２転送領域と次段の第１転送領域
との間に形成されクロック用転送電極の下に形成されず
電位勾配をもたない第３転送領域と、をもつように構成
されている。　即ち、本発明の電荷転送固体撮像素子は
、第１転送電極により電位制御され電位勾配をもたない
第１転送領域と、第２転送電橿により電位制御され電位
勾配をもたない第２転送領域と、転送電極によってクロ
ック電圧を印加されず電位勾配をもたない第３転送領域
とによって、１転送段を構成している。

本発明の電荷転送固体撮像素子において、第３転送領域
にはクロック電圧を印加する必要が無いので、その上の
転送電極を省略したりまたは非常に薄くしたりして、第
３転送領域の光感度（特に青感度）を改善することがで
きる。

また、第１、第２、第３転送領域はそれぞれ電位勾配を
必要としないので、製造工程を簡単にでき、また電荷転
送方向をクロック電圧の位相変更により指定することが
できる。

また、バーチセルＣＣＤ方式の電荷転送固体撮像素子に
比較して同じ方向にスイングされる負荷容量が小さいの
で、ドライバアンプを小型にできる利点がある。

本発明の他の態様が以下に記載される。

（Ａ）第１、第２転送領域で奇（偶）数画素を構成し、
第３転送領域で偶（奇）数画素を構成した本発明の電荷
転送固体撮像素子。

本態様の電荷転送固体撮像素子では、奇（偶）数フイー
ルド期間と偶（奇）数フイールド期間とで第１、第２転
送電極に印加するクロック電圧の値を変更すればインタ
ーレース読み出しが可能になる。

（Ｂ）第１、第２、第３転送領域で１画素を構成した本
発明の電荷転送固体撮像素子。

本態様の電荷転送固体撮像素子では、ノンインクレース
読み出しが可能となる。また隣接２画素行独立読み出し
方式のインタレース読み出しが可能となる。

本態様の電荷転送固体Ｒ機素子では、１転送段を３個の
領域で構成でき、しかもその一つの領域の光感度を高く
することができるので、高いダイナミックレンジと高い
光感度と簡単な構造のノンインクレース読み出しまたは
独立２画素行読み出し方式のインタレース読み出しが可
能となる。

従来の単相、２相、４相の垂直ＣＣＤでは、１転送段は
本質的に４個の領域を必要とし複雑である。従来の３相
の垂直ＣＣＤは３種類の転送電極を必要とし、光感度が
悪かった。

（Ｃ）第１、第２転送電極に印加する２相クロツク電圧
の位相を調節して電荷転送方向を可変とした本発明の電
荷転送固体撮像素子。

本態様の電荷転送固体撮像素子では、垂直ＣＣＤを双方
向性とすることができる。

電荷転送固体＠機素子では、ノイズ電荷などを信号電荷
と逆方向に転送することがある。たとえばＦＴセンサに
おいてＡレジスタから８レジスタに信号電荷を転送した
後の垂直帰線期間に、Ｂレジスタと反対方向に転送し、
チャンネル領域に残留するノイズ電荷を排出することが
できる。

なお、従来のバーチャル方式の電荷転送固体撮機素子で
は電荷転送方向は一方向であり、双方向転送はできなか
った。

（Ｄ）第１、第２転送電極に印加する２相クロツク電圧
が両方とも浅い電位ＶＬであるときにＮ型基板またはＮ
型ウェル領域に深い電位ＶＨを印加するようにし、かつ
第３転送領域の表面に転送電極が形成されていない本発
明の電荷転送固体撮像素子。

本態様の電荷転送固体ＩｆＪｌ素子では、第１、第２転
送領域の電位は、第１、第２転送電極の電位に依存して
Ｎ型基板またはＮ型ウェル領域の電位にあまり影響され
ない。しかし、表面に転送電極が形成されていない第３
転送領域は強くＮ型基板またはＮ型ウェル領域の電位に
影響される。従ってダイナミックレンジが改善できる。

なお、本発明の電荷転送方式は、ラインセンサや遅延用
などの他のＣＣＤに応用することができる。

発明を実施するための最良の形態 本発明を使用するＦＴセンサの一実施例を図面により説
明する。第１図は本実施例のＦＴセンサのＡレジスタ（
画素列を兼ねる垂直Ｃ０Ｄ）の−部平面図、第２図はそ
のｘ−ｘ　′線矢視の断面図、第３図はクロック電圧図
、第４図はチャンネル電位図である。

このＡレジスタは、並行に配列された電荷転送用のＮ型
チャンネル領域１と、隣接する２個のＮ型チャンネル領
域１の間に配置されたチャンネル分離用のＰ型チャンネ
ルストップ領域２と、絶縁膜３を介してＮ型チャンネル
領域１上に設置された第１転送電極４及び第２転送電極
５と、からなる。

Ｎ型チャンネル領域１は、Ｎ型基板６の表面部に形成さ
れたＰウェル領域７の更に表面部に形成された電荷転送
領域である。Ｎ型チャンネル領域１は、電荷転送方向に
順次配置された第１転送領域１１と第２転送領域１２と
第３転送領域１３とからなる。第１転送領域１１は第１
転送電極４の下のＮ型チャンネル領域１であり、第２転
送領域１２は第２転送電極の下のＮ型チャンネル領域１
であり、第３転送領域１３は第２転送領域１２と次段の
第１転送領戚１１との間に形成されたＮ型チャンネル領
域１である。第３転送領域１３の上方には転送電極は配
置されず、その代りに第３転送領域１３の表面にＰ型バ
リア領域１４が形成されている。Ｐ型バリア領域１４と
Ｐ型チャンネルストップ領域２とはＰ型基板６に電気的
に接続されている。

Ｐ型チャンネルストップ領域２は、各Ｎ型チせ第１転送
電極４は、下層のポリシリコン電極であり、第２転送電
極５は、上層のポリシリコン電極であり、両者はゲート
絶縁膜８を介してＮ型チャンネル領域１及びＰ型チャン
ネルストップ領域２の上に形成されている。第１転送電
極４と第２転送電極５との表面は酸化されて絶縁膜３を
構成している。第１転送電極４と第２転送電極５とは、
Ｎ型チャンネル領域１の延長方向（垂直方向）と直角の
方向（水平方向）に配列されている。

タトエハ、Ｎ型基板６は１ｘＥＸＰ１５原子／ＣＣであ
り、Ｐ型つェル領ＦｉＡ７は５μｍ厚、５×ＥＸＰ１５
原子／ＣＣであり、Ｎ型チャンネル領域１は１．５μｍ
厚、２ＸＥＸＰ１６原子／ＣＣであり、Ｐ型チャンネル
ストップ領域２は１μｍ厚、ＩＸＥＸＰ２０原子／ＣＣ
で原子／Ｃ型バリア領域１４は０．３μｍ厚、１ＸＥＸ
Ｐ２０原子／ＣＣであり、第１転送電極４と第２転送電
極５とはＮ型であり、０．７μｍ厚、１ＸＥＸＰ２０原
子／ＣＧである。

この電荷転送固体撮像素子は１／２インチサイズであり
、第１転送電極４と第２転送電極５とはそれぞれ垂直方
向に約４．９μｍの幅をもち、それらの下の第１、第２
転送領域１１．１２はそれぞれ垂直方向に４．９μｍの
幅をもつ。第３転送領域１３の垂直方向の幅は９．８μ
ｍである。

第３転送領域１３は、Ｐ型バリア領域１４の電位の影響
によって、電荷Ｏのときに、＋２Ｖの電位に固定されて
いる。第３転送領域１３とＰ型チャンネルストップ領域
２とＰウェル領域７には所定の負の電位が印加され、Ｎ
型チャンネル領域１は空乏化されている。

以下この垂直ＣＣＤの撮像動作と電荷転送動作を説明す
る。

奇（偶）数フイールド期間の垂直走査期間に、第１転送
電極４に印加されるクロック電圧Ｖ１は中間電位ＶＭに
なり、その下の第１転送領域１１は＋４■になる。同様
に第２転送電極５に印加されるクロック電圧■２は中間
電位ＶＭになり、その下の第２転送領戚１２は＋４ｖに
なる。なお、深い電位ＶＨは正方向により大きな電位で
あり、浅い電位ＶＬは負方向により大きな電位であり、
中間電極ＶＭは深い電位ＶＨと浅い電位ＶＬとの中間の
電極である。その結果、このＡレジスタ（垂直Ｃ０Ｄ）
に入射した信号光により発生した電荷Ｑｓはより深い第
１転送領戚１１及び第２転送領域１２に蓄積される。

次の垂直帰線期間に以下の電荷転送動作が実行される。

まず期間Ｔ１に、第１転送電極４に印加されるクロック
電圧■１は浅い電位ＶＬになり、・その下の第１転送領
域１１はＯＶ（電荷ＱＳ＝Ｏにおいて）になる。第２転
送電極５に印加されるクロック電圧Ｖ２は深い電位ＶＨ
になり、その下の第２転送領域１２は＋６Ｖ（電荷ＱＳ
＝Ｏにおいて）になる。その結果、電荷Ｑｓは第２転送
領域１２に転送される。

次の期間Ｔ２に、第１転送電極４に印加されるクロック
電圧ｖ１は浅い電位ＶＬのままであり、その下の第１転
送領域１１はＯｖのままである。

第２転送電極５に印加されるクロック電圧ｖ２は浅い電
位ＶＬになり、その下の第２転送領域１２はＯＶになる
。その結果、電荷ＱＳは第２転送領域１１から、＋２Ｖ
の電位をもつ第３転送領域１３に転送される。

次の期間Ｔ３に、第１転送電極４に印加されるクロック
電圧■１は深い電位ＶＨになり、その下の第１転送領域
１１は＋６Ｖになる。第２転送電極５に印加されるクロ
ック電圧Ｖ２は浅い電位ＶＬのままであり、その下の第
２転送領域１２はＯＶである。その結果、電荷Ｑｓは第
３転送領域１３から第１転送領域１１に転送される。

次に、前記した期間Ｔ１の転送動作が実施される。なお
、電荷ＱＳの円滑な転送を確保するために、期間Ｔ３と
期間Ｔ１との境界の時点ｔｘにおいてはクロック電圧Ｖ
１、Ｖ２の両方が深い電位ＶＨとなっている。

結局、前記した期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の転送により１段
の転送動作が構成されている。以下順次、と この１段の転送動作繰返して電荷を垂直転送する。

八 次の偶（奇）数フイールド期間の垂直走査期間に、クロ
ック電圧Ｖ１、■２は浅い電位ＶＬになり、それらの下
の第１、第２転送領域１１．１２はＯｖになり、光電変
換により発生した電荷は第３転送領域１３に蓄積される
。

次の垂直帰線期間に、前記した転送動作が再び実行され
る。　　・ ただし、垂直走査期間には前記した期間Ｔ２の電位状態
であるので、転送動作は、期間Ｔ３、Ｔ１、Ｔ２の順に
実施される。

以上説明した本実施例の電荷転送固体＠機素子は、 （ａ）インタレース動作を実施できること、（ｂ）第３
転送領域１３により構成される偶（奇）数面素行がその
上方に転送電極をもたないので高い光感度（特に青感度
）をもつこと、（Ｃ）Ｎ型チャンネル領域１はバーチャ
ルＣＣＤのような複雑な電位勾配を必要とせずイオン注
入工程が簡単であること、 （ｄ）本実施例のＡレジスタは一般に４相ＣＣＤである
Ｂ、ＣレジスタとＰ型バリア領域１４の他は共通であり
かつ、Ｐ型バリア領域１４はセルファラインで形成でき
るので、製造工程が簡単であり、ぶどまりが良いこと、
などの利点をもつ。

もちろんＢレジスタの無いフルフレーム型のＦＴセンサ
においても同様にそのぶどまりを改善することができる
。

また本実施例の電荷転送固体撮像素子において、第１、
第２、第３転送領域１１．１２．１３により、１画素を
構成してもよい。このようにすればノンインタレース読
み出しを実行できる。この場合、各画素の光感度を良好
かつ均等にできる利点がある。

また１水平期間に隣接２画素行を読み出し、フィールド
期間毎に読み出す画素行の組合せを変更すれば独立２画
素行読み出し方式のインタレース読み出し方式を実行で
きる。

なお、異なるクロックを印加される非方向性転送電極２
個と中間直流電位領域１３とで１転送段を構成したこと
自体にも、本発明の特徴はあり、ラインセンサや遅延素
子などにも適用可能である。

実施例２ 本発明の他の実施例を第５図のクロック電圧図により説
明する。

本実施例の電荷転送固体撮像素子は、Ｎ型基板６とＰウ
ェル領域７の代りにＰ型基板（図示せず）を使用し、そ
してこのＰ型基板にクロック電圧Ｖ３を印加すること以
外は、実施例１の装置と同じである。

第５図かられかるように、クロック電圧Ｖ３は、期間Ｔ
２に深い電位ＶＨ（たとえば−４Ｖ）になり、期間Ｔ１
、Ｔ２に浅い電位ＶＬ（たとえば−６Ｖ）になる。ただ
しクロック電圧■３の−浅い電位ＶＬ及び深い電位Ｖ）
−１−は、クロック電圧Ｖ１、Ｖ２の−浅い電位ＶＬ及
び深い電位ＶＨ−と異なる値でも良いことは当然である
。たとえば、クロック電圧Ｖ１、■２の浅い電位ＶＬは
一６■であり、その深い電位ＶＨはＯＶである。

このようにすれば、前記したＰ型基板（図示せず）の電
位変化は、表面に転送電極４．５をもつ第１、第２転送
領域１１．１２よりも、表面に転送電極をもたない第３
転送領１１１３により強く作用するので、近似的に３相
転送状態となり、ダイナミックレンジを改善することが
できる。

なお、電荷転送方向を逆とするには、第１転送電極４に
クロック電圧Ｖ２を、第２転送電極％にクロック電圧Ｖ
１を印加すればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例のＦＴセンサのＡレジスタ（画素列を
兼ねる垂直Ｃ０Ｄ）の一部平面図、第２図はそのｘ−Ｘ
−線矢視の断面図、第３図はクロック電圧図、第４図は
チャンネル電位図である。 第５図は本発明の他の実施例を表すクロック電圧図であ
る。 ４・・・第１転送電極 ５・・・第２転送電極 １１・・・第１転送領域 １２・・・第２転送領域 １３・・・第３転送領域 １００・・・１転送段 特許出願人　田中正−＜、′”　） ゛℃− 芽＋閃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）画素列を兼ねる複数の垂直ＣＣＤをもち、前記垂
   直ＣＣＤは電荷転送可能に線状連結する複数の転送段を
   もつ電荷転送固体撮像素子において、前記垂直ＣＣＤの
   一つの転送段は 第１転送電極の下に形成され電位勾配をもたない第１転
   送領域と、 第２転送電極の下に形成され電位勾配をもたず前記第１
   転送領域に隣接する第２転送領域と、前記第２転送領域
   と次段の第１転送領域との間に形成されクロック用転送
   電極の下に形成されず電位勾配をもたない第３転送領域
   と、 をもつことを特徴とする電荷転送固体撮像素子。