JPH03116841A - 電荷結合素子 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電荷結合素子に関し、特に、電荷検出手段にフ
ローティング拡散法を用いた電荷結合素子に関する。

［従来の技術］ この種従来の電荷転送素子（以下、ＣＣＤと記す）の平
面図と、そのＸ−Ｙ線断面図を第３図（ａ）、（ｂ）に
示す、これは、ＣＯＤをインターライン転送型固体撮像
素子の水平ＣＯＤに用いた例であって、ここでは２相駆
動型ＣＣＤが用いられている。

第３図（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板１１上
には、水平ＣＣＤのチャネル領域１が設けられており、
チャネル領域１には、その適宜個所において垂直ＣＯＤ
のチャネル領域２が接続されている。チャネル領域１の
後段にはフローティング拡散層８とリセットドレイン１
０が設けられている。チャネル領域１上には、ゲート絶
縁膜を介して蓄積ゲート電極３、障壁ゲート電極４、最
終段蓄積ゲート電極５、最終段障壁ゲート電極６が設け
られ、そしてチャネル領域１の最終部分上にはゲート絶
縁膜を介して出力ゲート７が設けられている。また、フ
ローティング拡散層８とリセットドレイン１０との間の
基板上にはリセットゲート９が設けられている。蓄積ゲ
ート電極３．５は、それぞれその右の障壁ゲート電極４
．６と接続されて一つの転送電極として動作する。なお
、本明細書では蓄積電極ゲートとはその電極下に信号電
荷を一時的に蓄積することのできる転送電極または転送
電極の電荷蓄積可能部分を意味するものとする。

而して、このようなＣＣＤを設計するに際しては、各蓄
積ゲート電極下に十分に大きな加速電界が形成されるこ
とと各ゲート電極下において蓄積される電荷量に差を生
じさせないようにすることが考慮される。また、一方で
、フローティング拡散層は、出力電圧、信号電荷比を大
きくするために、その面積は極力狭くなされている。フ
ローティング拡散層が小面積となったことにより、チャ
ネル領域はその手前で徐々に幅が狭められる。そして、
その場合に前述したように各蓄積グーｌ電極下下の蓄積
可能電荷量に差異が生じないようにする考慮が払われる
ので、各蓄積グーｌ−電極のチャネル領域上での面積が
ほぼ同一となるようになされる。その結果、最終段蓄積
ゲート電極５のゲート長Ｌ　、が他の蓄積ゲート電極３
より長く設定されることになり、例えば蓄積ゲート電極
３のゲート長Ｌ２が５μｍであるときに最終段のそれは
９μｍとなされる。

［発明が解決しようとする課頚］ 近年、特に固体撮像素子においてはその駆動電圧を低く
することが求められており、例えば５Ｖ程度の低電圧電
源が用いられるようになってきたので、チャネル領域に
おける電荷加速電界が低下される傾向にある。特に最終
ゲートでは、出力ゲートにはＣＣＤのパルス振幅の中間
レベルの直流電位を印加することが多いので、その部分
での電界は、他のＣＯＤゲートにおける電界よりもいっ
そう弱くなる。

その上、上述した従来のＣＣＤにおいては、その最終段
蓄積ゲート電極のゲート長が長くなされているので、出
力ゲート下とのポテンシャル差が小さくなり、そのため
、所定の時間内に電荷を次段に転送することが困難にな
ってきており、転送効率の低下を招いている。その結果
、例えば固体撮像素子においては、色変調度の低下や低
照度における感度不足が問題となる。

第４図は、水平５１０画素の２次元固体撮像素子におい
て出力電圧を５００ｍＶとしたときの最終段蓄積ゲート
電極のゲート長しに対する色変調度の依存性を示した図
であり、第５図は、同じ撮像素子を用いて５Ｌｕｘの低
照度時のゲート長しに対する出力依存性を示す図である
。これらは、駆動電圧を５Ｖとし、通常のチャネル幅を
３０μｍとしたときのデータである。第４図および第５
図から明らかなように、最終段蓄積ゲート電極のゲ−７
−長しが９μｍを越えると、すなわち、蓄積ゲート電極
の面積比が１を越えると、転送効率の低下に起因して色
変調度と出力が低下する。

［課題を解決するための手段］ 本発明のＣＣＤは、電荷転送領域（チャネル領域）上に
複数のＭ積ゲート電極を有し出力機構にフローティング
拡散法を用いるものであって、最終段の蓄積グー１−電
極の電荷転送領域上の面積は他の蓄積ゲート電極の電荷
転送領域上の面積より狭くなされている。

［作用］ 第４図および第５図において、色変調度および出力が低
下しないのは最終段蓄積ゲート電極のゲート長が８．７
５μｍ以下の範囲であるが、これはチャネル領域上の面
積が他の蓄積ゲート電極のそれの０．９倍以下に相当し
ている。すなわち、駆動電圧５Ｖ、一般の蓄積ゲート電
極長５μｍである場合には、最終段蓄積ゲート電極の他
のゲート電極に対する面積比が１以下であるときに、よ
り望ましくは０．９以下であるときに良好な転送効率が
得られる。

ところで、前述したように、各蓄積ゲート電極は低電圧
でも大きな加３！！電界が得られるようなゲート長にな
されるので、駆動電圧が低下したときには、さらにゲー
ト長を短くする必要がある。そして、駆動電圧を下げた
ことによる効果は一般のＭ積ゲート電極に対しても最終
ゲート電極に対しても等しく作用するものであるから、
一般の蓄積ゲート電極のゲート長を短くしたときには、
最終ゲート電極のゲート長もそれに比例して短くすれば
よいことになる。そして、本発明者等によるシミュレー
ション結果によれば、駆動電源電圧および蓄積ゲート電
極のゲート長を変化させた場合にも最終段蓄積ゲート電
極と他の蓄積ゲート電極との面積比が０．９倍以下のと
きに良好な転送効率を確保できることが判明した。

なお、面積比の下限については最終段ゲート電極の電荷
蓄積能力の低下を防ぐ意味から０．６以上にとどめるこ
とが望ましい。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を示す平面図である。同図
において、第３図の従来例の部分と対応する部分には同
一の参照番号が付されているので重複した説明は省略す
るが、この実施例では最終段Ｍ積ゲート電極５のゲート
長Ｌ１が７μｍになされている。ここで、他の蓄積ゲー
ト電極３のゲート長Ｌ２が５μｍであるので、この場合
ゲート長比は１．４となっている（ゲート面積比は０゜
７である）。

第２図は、本発明の他の実施例を示す平面図である。こ
の実施例では、最終段蓄積ゲート電極５のゲート長は７
μｍであるが、チャネル領域が、先の実施例の場合のよ
うに一定割合で狭くなっているのではなく、２段階に分
けて狭小化されている。そのため、ゲート長比は１．４
と先の実施例と変わらないが、ゲート面積比は０．７５
と増大している。この実施例によれば、ゲート長を長く
することなく蓄積可能電荷量を増加させることができる
ので、より高い転送効率を実現することができる。

なお、以上の実施例では、転送電極が蓄積ゲート電極と
障壁ゲート電極とに別れていたが、これらを一体化した
転送電極を用いてもよい、その場合には、先に指摘した
ように本明細書では、転送電極の信号電荷が一時的にＮ
Ｈされる部分が蓄積ゲート電極と呼ばれる。

また、本発明は、３相以上のクロックにより駆動される
ＣＯＤにも適用することができる。この場合、各転送電
極下に障壁が設けられていないときには各転送電極が、
障壁が設けられているときには各転送電極の障壁の設け
られていない部分が蓄積ゲート電極になる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、従来例のように各蓄積
ゲート電極下の蓄積電荷量を揃えるのではなく、最終段
蓄積ゲート電極の面積を他の蓄積ゲート電極より狭くし
て転送効率の向上を図ったものであるので、本発明によ
れば、低電圧で駆動されるＣＣＤにおいても、最終段に
おいて高い転送効率を実現することができる。したがっ
て、本発明によるＣＣＤを固体撮像素子に用いる場合に
は、感度不足を防止し高い色変調度を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、それぞれ本発明の実施例を示す平面
図、第３図（ａ）は、従来例を示す平面図、第３図（ｂ
）は、そのＸ−Ｙ線断面図、第４図および第５図は、従
来例および本発明の詳細な説明するための特性曲線図で
ある。 １．２・・・チャネル領域、　　３・・・蓄積ゲート電
極、　　４・・・障壁ゲート電極、　　５・・・最終段
蓄積ゲート電極、　　６・・・最終段障壁ゲート電極、
７・・・出力ゲート、　８・・・フローティング拡散層
、９・・・リセットゲート、　　　１０・・・リセット
ドレイン、　　１１・・・半導体基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の表面領域に形成された電荷転送領域と、該
   電荷転送領域の後段の半導体基板の表面領域に形成され
   一定期間毎に一定電位にリセットされるフローティング
   拡散層と、前記電荷転送領域上に絶縁膜を介して配置さ
   れた複数の蓄積ゲート電極と、前記電荷転送領域の最終
   部分の領域上に絶縁膜を介して配置された一定電位に保
   持された出力ゲートとを有する電荷結合素子において、
   前記蓄積ゲート電極のうち最終段のものはその前記電荷
   転送領域上の面積が他の蓄積ゲート電極の前記電荷転送
   領域上の面積より狭いことを特徴とする電荷結合素子。