JPH02229439A - 電荷転送装置およびその駆動方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は電荷転送装置およびその駆動方法に関するもの
で、とりわけ、電荷転送装置を用いた固体撮像装直に関
するものである。

従来の技術 電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される電荷転送装置を用
いた固体撮像装置はその低雑音特性等の優位性により近
年その実用化が著しい。

以下、図面を参照しながら従来の固体撮像装置に用いら
れている電荷転送装置について、その構造と駆動方法を
説明する。

第８図（ａ）に従来の電荷転送装置の構造を断面結線図
で示す。１はｐ型基板、２はいわゆる埋め込みチャンネ
ルＣＣＤのチャンネル部となるｎ一層、３〜６は転送電
極、７はＳｉ０２等の絶縁層、８〜１１は各転送電極へ
の電圧印加端子である。同図（ｂ）はこれに印加される
波形図であり、２０〜２３は各々電圧印加端子８〜１１
に印加される電圧である。同図（Ｃ）は同図（ｂ）の時
刻ｔにおけるチャンネル部の電位分布で、２５．２６は
転送電荷である。

発明が解決しようとする課題 このような従来の電荷転送装置では以下のような欠点が
あった。転送電荷を蓄積するために電位の井戸を形成し
たチャンネル部はＳｔ表面から垂直に第９図のような電
位分布を示す。第９図中、３０は伝導帯、３１は価電子
帯、３２は転送電荷、３６はＳｉ表面で、この場合、価
電子帯の電子が界面準位３４のために、矢印３３と電子
３５で示すように、伝導帯に熱的（已励起される。これ
は正しい信号電荷ではな《、いわゆる、暗電流となるも
のである。この暗電流は、発生の仕方から、明らかに雑
音成分である。このため、ＣＣＤは本質的に有している
低雑音特性が充分に発揮できない。とりわけ、固体撮像
装置ではその画像品質を著しく損なう。

本発明は上記欠点に鑑み、電荷転送装置における暗電流
の発生を著し《低減し、電荷転送装置の低雑音性を充分
に発揮できる構造およびその駆動方法を提供するもので
ある。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明の電荷転送装置お
よびその駆動方法は転送チャンネルを空乏状態のときに
隣接した転送電極（もしくは転送電極のない領域》の下
のチャンネル電位を異なる状態にしておき、転送期間以
外はすべてのチャンネル部をビンニング状態にするもの
である。

詳細な構造では、一導電型の第１の半導体領域内に反対
導電型の第２の半導体領域が形成され、前記第２の半導
体領域の内部もしくは上部に反対導電型の第３の半導体
領域が形成され、前記第２の半導体領域および前記第３
の半導体領域の少なくとも一方の上部に絶縁層を介して
転送電極が形成されており、隣接した前記第２の半導体
領域および前記第３の半導体領域の上部に絶縁層を介し
て形成された転送電極には独立にバイアス供給手段が設
けられており、前記第２の半導体領域および前記第３の
半導体領域の不純物面密度が異なるものであり、付加形
状として、前記反対導電型の第２もしくは第３の半゛導
体領域の内部もしくは上部に一導電型の第４の半導体領
域が形成され，前記第３の半導体領域の上部に絶縁層を
介して転送電極が形成されており、前記第４の半導体領
域の上部には転送電極が形成されておらず前記第４の半
導体領域が第１の半導体領域と接続されている。

また、その駆動方法としては、電荷転送期間以外の期間
に転送電極の下のすべてのチャンネル部の表面が非空乏
状態となるように転送電極に電圧を印加するものである
。

作用 上記構成によって、転送期間以外は転送チャンネルの表
面が非空乏状態となるため、界面準位に由来する電荷転
送装置のチャンネル内への暗電流発生が著し《減少され
、電荷転送装置の低雑音性を充分に発揮することができ
る。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図に本発明の第１の実施例を示す。第１図（ａ）に
本発明の電荷転送装置の構造を断面結線図で示す。従来
構造と異なるのはｎ層１５がｎ一層２内に設けられてい
ることである。このｎ層１５の不純物面密度はｎ一層２
の不純物面密度よりも高く形成しておく。こうすること
によって埋め込みチャンネルＣＣＤとして用いるｎ層１
５とｎ一層２とを空乏状態にしたとき、それらのチャン
ネル電位は、転送電極３，５，４．６に印加される電圧
が等しいときでも、ｎ層１５の方がｎ一層２よりも高《
なる。

同図（ｂ）の１６〜１９は各々電圧印加端子８〜１１に
印加される電圧である。同図（Ｃ）は時刻ｔにおけるチ
ャンネル部の電位分布で、２５．２６は転送電荷である
。従来例と異なるのは転送のためのパルスが入る期間Ｔ
１以外は全転送電極に負の電圧が印加されていることで
ある。

このように、時刻ｔに全電極に同じ電圧を印加しても、
同図（Ｃ）に示すように、電位の井戸が形成されて転送
電荷２５．２６を蓄精することができる。この電荷を転
送するとき、印加電圧１８．１９のハイレベルは、同ハ
イレベル印加時の転送電極４，６下のチャンネル電位が
転送電極３，５下のｎ層のチャンネル電位よりも、高《
なるような電圧が必要である。

こうした状態による効果を第２図のポテンシャル状態図
を用いて説明する。

時刻ｔにおいて転送電荷を蓄積するために電位の井戸を
形成したｎ層のチャンネル部はＳｉ表面から垂直に同図
の実線のような電位分布を示す。

４０は伝導帯、４ｌは価電子帯、４２は転送電荷である
。同じくｎ一層のチャンネル部の電位分布を示したのが
破線で４３は伝導帯、４４は価電子帯である。このとき
、ｎ層１５，ｎ一層２の界面での電位はｐ型基板の電位
にほぼ等しくなるようにする。これによって、Ｓｉ表面
には反転層として正孔層４５が形成される。この状態で
は、ＳｉＳｉ０２界面準位が暗電流の生成中心として作
用しな《なるため、暗電流による雑音が著しく低減され
る。したがって、転送電極３，４，５．６には表面が、
いわゆる、ビンニング状態となるように充分大きな負電
圧を印加する。

次に本発明の第２の実施例を第３図を用いて説明する。

本実施例では第１の実施例と異なり、転送期間Ｔ２以外
では転送電荷を複数の電位の井戸に分割して蓄積する場
合である。構造は、同図（ａ）の断面結線図に示すよう
に、１層目の転送電極５，６の下にｎ：層、２層目電極
３，４の下にｎ層が形成されている。この構造は１層目
の転送電極５，６を形成した後これらをマスクにして、
リン，砒素等のイオンを注入することによって簡単に実
現できる。

同図（ｂ）の５０〜５３は、各々、同図＜ａ＞の電圧印
加端子８〜１１に印加される電圧波形である。同図（Ｃ
）は同図（ｂ）の時刻ｔにおけるチャンネル部の電位分
布で、５４は転送電荷である。

次に、本発明の第３の実施例を第４図を用いて説明する
。本実施例で第２の実施例と異なるのは、同図（ａ）の
断面結線図に示すように、１層目の転送電極６５．６６
の下にｎ層、２層目電極６３，６４の下にｎ一層が形成
されていることである。

この構造は１層目の転送電極６５．６６を形成した後、
これらをマスクにして、ボロン等のイオンを注入するこ
とによって簡単に実現できる。同図（ｂ）の７１〜７４
は、各々、同図（ａ）の電圧印加端子６７〜７０に印加
される電圧波形である。同図（Ｃ）は同図（ｂ）の時刻
ｔにおけるチャンネル部の電位分布で、７５は転送電荷
である。

次に本発明の第４の実施例を第５図を用いて説明する。

これまでは２層構造の転送電極で４相駆動を例にとって
説明したが本実施例は３層構造の転送電極の例である。

構造は、同図（ａ）の断面結線図に示すように、１層目
の転送電極８３と２層目の転送電極８４の下にｎ一層、
３層目電極８２の下にｎ層が形成されている。この構造
は１層目の転送電極８３と２層目の転送電極８４を形成
した後、これらをマスクにして、リン，砒素等のイオン
を注入することによって簡単に実現できる。

同図（ｂ）の８８〜９０は、各々、同図（ａ）の電圧印
加端子８５〜８７に印加される電圧波形である。

同図（Ｃ）は同図（ｂ）の時刻ｔにおけるチャンネル部
の電位分布で、９１は転送電荷である。

次に、本発明の第５の実施例を第６図を用いて説明する
。

構造は、同図（ａ）の断面結線図に示すように、２層目
の転送電極１０４と３層目の転送電極１０２の下にｎ一
層、１層目電極１０３の下にｎ層が形？されている。こ
の構造は１層目の転送電極１０３を形成した後、これら
をマスクにして、ボロン等のイオンを注入することによ
って簡単に実現できる。

同図（ｂ）の１０８〜１１０は、各々、同図（ａ）　（
７）電圧印加端子１０５〜１０７に印加される電圧波形
である。同図（ｅ）は同図（ｂ）の時刻ｔにおけるチャ
ンネル部の電位分布で、１１１は転送電荷である。

次に、本発明の第６の実施例を第７図を用いて説明する
。

構造は、同図（ａ）の断面結線図に示すように■、１層
目の転送電極１２３と２層目の転送電極１２４の下にｎ
一層、転送電極の存在しない領域の下にｎ層１２１が形
成され、その上にｐ型１２２が形成されている。同図（
ｂ）の１２７，１２８は各々同図（ａ）の電圧印加端子
１２５，１２６に印加される電圧波形である。同図（Ｃ
）は同図（ｂ）の時刻ｔにおけるチャンネル部の電位分
布で、１２９は転送電荷である。

同図（ａ）のＡ−Ａ　’線．Ｂ−Ｂ’線に沿った紙面に
垂直な断面を各々（ｄ）　，　（ｅ）に示すように、ｐ
層１２２はｐ型基板１と電気的に接続されている。この
構造は１層目の転送電極１２３と２層目の転送電極１２
４を形成した後、これらをマスクにして、リン，砒素等
のイオンを注入した後、ボロン等のイオンを注入するこ
とによって簡単に実現でき、転送電極が２層構造ですむ
利点がある。

なお、ここの説明はｐ型基板に設けられた例であったが
、ｎ型基板内に形成されたｐ層に設けられた場合も同様
の効果があることはもちろんである。

また導電型の極性を逆にして印加電圧の極性を逆にして
も同様の効果があることももちろんである。

発明の効果 以上のように転送チャンネルを空乏化させたときに隣接
した転送電極（もしくは転送電極のない領域》の下のチ
ャンネル電位が異なる状態となるようにして、転送期間
以外はすべてのチャンネル部をビンニング状態とするこ
とによって暗電流の発生を大幅に減少させ、暗電流によ
る雑音の付加を著しく低減することができ、その実用的
効果は大なるものがある。

特に、いわゆるフレーム転送型ＣＣＤ撮像装置では電荷
転送部が光電変換部を兼ねており、電荷転送部からの暗
電流のばらつきがそのままいわゆる固定パターン雑音と
なり、その再生画質を著し《劣化させる。このため、本
発明による暗電流発生の非常に小さい電荷転送装置を用
いることはその画質改善効果が非常に大きい。

また、いわゆるインターライン転送型およびフレームイ
ンターライン転送型ＣＣＤ撮像装置では電荷転送部から
の暗電流がいわゆる暗電流ショット雑音を生じ、その再
生画質を著し《劣化させる。このため、本発明による暗
電流発生が非常に小さい電荷転送装置を用いることはそ
の画質改善効果が非常に太き《、とりわけ、いわゆる垂
直ＣＣＤに用いるとその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実施例の断面結
線図，波形図，電位分布図、第２図は本発明のＳｉ表面
付近のポテンシャル状態図、第３図（ａ）〜（Ｃ）は本
発明の第２の実施例の断面結線図，波形図，電位分布図
、第４図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第３の実施例の断面
結線図，波形図，電位分布図、第５図（ａ）〜（Ｃ）は
本発明の第４の実施例の断面結線図，波形図，電位分布
図、第６図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第５の実施例の断
面結線図，波形図，電位分布図、第７図（ａ）〜（ｅ）
は本発明の第６の実施例の断面結線図，波形図，電位分
布図および要部拡大各断面図、第８図は従来例の断面結
線図，波形図，電位分布図、第９図は暗電流発生の説明
用ポテンシャル状態図である。 １・・・・・・ｐ型基板、２，６１．８０，１０１．１
２０・・・・・・ｎ一層、３，４，５，６，６３，６４
，６５．６６．８２．８３，８４，１０２，１０３，１
０４，１２３．１２４・・・・・・転送電極、７・・・
・・・絶縁層、８，９，１０．１　１．６７，６８．６
９，７０，８５．８６．８７，１０５，１０６，１０７
，１２５，１２６・・・・・・電圧印加端子、１５・・
・・・・ｎ層、１６，１７．１８．１９．２０．２１，
２２．２３，５０，５１，５２，５３，７１，７２．７
３．７４．８８，８９．９０，１０８，１０９，　　１
１０，１２７．１２８・・・・・・印加電圧、２５．２
６・・・・・・転送電極、３０．４０．４３・・・・・
・伝導帯、３１，４１．４４・・・・・・価電子帯、３
２，４２．５４・・・・・・転送電荷、３４・・・・・
・界面準位、３５・・・・・・暗電流となる電子、３６
・・・・・・Ｓｉ−Ｓｉ０２界面、４５・・・・・・正
孔反転層、Ｔ１〜Ｔ６・・・・・・転送期間、１２２・
・・・・・ｐ層。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ばか１名ｗ＆　　さ 第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電型の第１の半導体領域内に反対導電型の第
   ２の半導体領域が形成され、前記第２の半導体領域の内
   部もしくは上部に反対導電型の第３の半導体領域が形成
   され、前記第２の半導体領域および前記第３の半導体領
   域の少なくとも一方の上部に絶縁層を介して転送電極が
   形成されており、隣接した前記第２の半導体領域および
   前記第３の半導体領域の上部に絶縁層を介して形成され
   た転送電極には独立にバイアス供給手段が設けられてお
   り、前記第２の半導体領域および前記第３の半導体領域
   の不純物面密度が異なることを特徴とする電荷転送装置
   。
2. （２）反対導電型の第２もしくは第３の半導体領域の内
   部もしくは上部に一導電型の第４の半導体領域が形成さ
   れ、前記第３の半導体領域の上部に絶縁層を介して転送
   電極が形成されており、前記第４の半導体領域の上部に
   は転送電極が形成されておらず前記第４の半導体領域が
   第１の半導体領域と接続されていることを特徴とする請
   求項１記載の電荷転送装置。
3. （３）一導電型の第１の半導体領域内に反対導電型の第
   ２の半導体領域が形成され、第２の半導体領域の内部も
   しくは上部に反対導電型の第３の半導体領域が形成され
   、前記第２の半導体領域および前記第３の半導体領域の
   少なくとも一方の上部に絶縁層を介して転送電極が形成
   されており、隣接した前記第２の半導体領域および前記
   第３の半導体領域の上部に絶縁層を介して形成された転
   送電極には独立にバイアス供給手段が設けられており、
   前記第２の半導体領域および前記第３の半導体領域の不
   純物面密度が異なる電荷転送装置を駆動する際に、電荷
   転送期間以外の期間に転送電極の下のすべてのチャンネ
   ル部の表面が非空乏状態となるように転送電極に電圧を
   印加することを特徴とする電荷転送装置の駆動方法。
4. （４）反対導電型の第２もしくは第３の半導体領域の内
   部もしくは上部に一導電型の第４の半導体領域が形成さ
   れ、前記第３の半導体領域の上部に絶縁層を介して転送
   電極が形成されており、前記第４の半導体領域の上部に
   は転送電極が形成されておらず前記第４の半導体領域が
   第１の半導体領域と接続されている電荷転送装置を駆動
   する際に、電荷転送期間以外の期間に転送電極の下のす
   べてのチャンネル部の表面が非空乏状態となるように転
   送電極に電圧を印加することを特徴とする請求項３記載
   の電荷転送装置の駆動方法。