JPH0437166A - 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】 ［産業上の利用分野１ 本発明は固体撮像素子に関し、特に、電荷転送装置（Ｃ
ＣＤ）を用いた２次元インターライン型面体撮像素子に
関する。

［従来の技術］ 第５図は、従来の２次元インターライン型面体撮像素子
の全体構成図である。第５図において、１１は水平方向
および垂直方向に規則的に配列された受光部、ｌｌａは
光学的黒画素を構成するための疑似受光部、１２は受光
部１１で光電変換され蓄積された信号電荷を転送する垂
直レジスタ、１３は受光部１１または疑似受光部１１ａ
から垂直レジスタ１２への信号電荷の転送を制御する転
送ゲート部、１４は垂直レジスタ１２によって転送され
てきた信号電荷を受け取りこれを水平方向に転送する水
平レジスタ、１５は水平レジスタ１４によって転送され
てきた信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力部、
１６ａは受光部１１上で開口を有する遮光層である。

有効画素領域Ｉでは、受光部１１以外のすべての領域が
、光学的黒画素領域Ｉ［ａでは、疑似受光部１１ａを含
むすべての領域がそれぞれ遮光層１６ａによって遮光さ
れている。ここて遮光層１６ａは通常配線との共通化の
なめアルミニウムにより形成されている。

第６図は、第５図における有効画素領域■の受光部１１
付近の拡大図である。第６図において、１７．１８．１
９．２０は、それぞれ、第１、第２、第３、第４垂直転
送電極、２１は、受光部１１および垂直レジスタ１２を
分離するチャネルストップである。第１、第３垂直転送
電極１７．１９は垂直レジスタ１２の転送電極として、
また転送ゲート部１３の電極として用いられている。第
２、第４転送電極１８．２０は垂直レジスタ１２の転送
ｔ８ｉとして用いられている。

受光部１１で発生した信号電荷は、第１、第３垂直転送
電極１７．１９に印加される信号電荷読み出しパルスに
よって転送ゲート部１３を介して垂直レジスタ１２に移
され、第１〜第４垂直転送電極１７〜２０に順次パルス
を印加することにより垂直レジスタ１２内を転送される
。

第７図は、第５図における光学的黒画素領域■ａの疑似
受光部１１ａ付近の拡大図である。この領域においては
、疑似受光部１１ａの部分をも含めて全体が遮光層１６
ａによって遮光層されている。

第８図は、第６図のＡ−Ａ’線断面図である。

第８図において、１２ａはｎウェル領域、２２はシリコ
ン酸化膜、２３は第１乃至第４垂直転送電極１７〜２０
を覆うシリコン酸化膜２２上に設けられたリンガラス層
、２４はｎウェル領域、２５はｎ型基板である。

第９図、第１０図は、それぞれ第６図のＢ−Ｂ′線断面
図と第７図のｃ−ｃ′線断面図である。

これらの図において、ＩＯは、受光部１１乃至疑似受光
部１１ａを構成するｎウェル領域、１７ａ〜２０ａはそ
れぞれ第１乃至第４垂直転送電極の配線部、２６はｎウ
ェル領域１０上を覆いチャネルストップ２１と接触する
ｐ゛型領領域あって、このｐ＋型領領域２６ｎウェル領
域１０およびｎウェル領域２４によってｐ′″ｎｐ接合
のフォトダイオードが構成されている。

第１１図は信号電荷読み出し期間前後のタイミングを示
すパルス波形図である。第１１図において、φ工、φ２
、φ０、φ４は、それぞれ第１、第２、第３、第４垂直
転送電極１７乃至２０に印加される転送り口・ンクであ
り、欲な、１．．１２はそれぞれ第１、第３垂直転送電
極１７．１９に信号電荷読み出しパルスが印加されてい
る期間を示している。

さて、有効画素領域■および光学的黒画素領域１１ａに
おいて発生した信号電荷は、出力部にて電圧に変換され
出力されるが、有効画素領域■の単位画素の出力Ｖは、
充電変換による光信野分Ａ、受光部の晴電流分Ｂ、垂直
レジスタの暗電流分Ｃおよび水平レジスタの暗電流分り
からなり、一方光学的黒画素領域１１ａにおける単位画
素の出力Ｖ′は、光が受光部に入射しないので光信号骨
Ａがなく、受光部の暗電流分Ｂ、垂直レジスタの暗電流
分Ｃ１水平レジスタの暗電流分りからなる。したがって
、外部回路で両者の差、すなわちＶ−Ｖ’　＝　（Ａ十
Ｂ十Ｃ＋Ｄ＞　−（Ｂ十Ｃ＋Ｄ＞＝Ａ を取り出せば光信号のみを得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の構造、動作の固体撮像素子にあっては、
信号電荷読み出し期間ｔ１において、第１垂直転送電極
１７に中位から高位への立ち上がり時間が０．５μｓ以
下の急峻なパルスが印加される。このため、第１垂直転
送電極１７とこれと隣り合う第２垂直転送電極１８との
間には瞬時に高い電位差（ＶＨＶＬ）が加わる。通常、
第１垂直転送電極と第２垂直転送電極の間のシリコン酸
化膜２２中には、膜厚が約１５００人の場合、各垂直転
送電極を形成するポリシリコンの表面形状にもよるが電
位差（Ｖ）Ｉ　−Ｖｔ　）が２０Ｖで約１ｎＡ程度のフ
ァウラー・ノルドハイム（Ｆ　ｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈ
ｅｉｍ　）型トンネル電流が流れているが、上述した急
峻な電位変化によってこの電流は増加し、シリコン酸化
膜２２中で加速された電子はシリコン酸化膜２０とシリ
コン基板のｎウェル領域１２ａとの界面付近に界面準位
を形成する。信号電荷読み出し期間ｔ２においても全く
同様のことが起こる。この結果、シリコン酸化膜２２の
性質は経時的に変化し、特に新たに形成された界面準位
から発生する電子は直下のｎウェル領域１２ａへ流入し
、垂直レジスタ１２の暗電流の経時的増加をもたらす。

さて、本発明者は、本発明に到達する過程でこの垂直レ
ジスタの暗電流の経時的増加が有効画素領域と光学的黒
画素領域で異なる事を実験的に見い出した。その様子を
定性的に第１２図に示す。

有効画素領域と光学的黒画素領域でこのように垂直レジ
スタの暗電流の増加が異なる理由は現在までのところ明
らかではないが、アルミニウムの遮光層のパターンが両
者で異なる点以外構造的に差異がないので、この点に起
因するものと考えられる。ここで、有効画素領域および
光学的黒画素領域の垂直レジスタの暗電流の増加分をそ
れぞれＣ、Ｃ２（Ｃ１＜Ｃ２）とすれば各領域の単位画
素の出力は前述の記号を用いて 有効画素領域：　Ｖ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｃ，＋Ｄ光学的黒画
素領域：　Ｖ′＝Ｂ＋Ｃ＋Ｃ２＋Ｄと表される。したが
って、外部回路で両者の差を取り出した場合、 Ｖ−Ｖ′＝　（Ａ＋ＢｆＣ＋Ｃ１＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ＋Ｃ
２＋Ｄ） ＝　Ａ　＋　（Ｃｒ　　Ｃ２）　　　（＜Ａ　）となっ
て正確な光信号骨の出力Ａが得られず、特に光量が少な
い場合、ｖ−ｖ’≦０となって画面が黒くしずんでしま
う現象が起こる。

なお、このような暗電流の増加は垂直レジスタのみなら
ず、各垂直転送電極の配線部が重なり合う受光部付近で
も起こると考えられるが、受光部をｐ”　ｎｐ型フォト
ダイオードで形成した場合、界面付近から発生する暗電
流は、電子−正孔の再結合により無視できるレベルに抑
えることができるので問題とはならない。

［課題を解決するための手段］ 本発明の固体撮像素子は、第１の受光部、第１の垂直レ
ジスタ、転送ゲート部および第１の受光部上に開口を有
する金属遮光膜を有する有効画素部の外に次の３種類の
光学的黒画素部を具備するものである。すなわち、第１
導電型半導体層の表面領域内に列状に設けられた第２導
電型の第２の受光部、該第２の受光部の列に沿って設け
られ、第２の受光部に蓄積された電荷を受け取りこれを
転送する第２の垂直レジスタ、前記第２の受光部と前記
第２の垂直レジスタとの間に設けられ、前記第２の受光
部の蓄積された電荷の前記第２の垂直レジスタへの転送
を制御する転送ゲート部および全体を遮光する金属遮光
膜を有する第１の光学的黒画素部と、第３の垂直レジス
タ、前記有効画素部における転送ゲート部と同様のパタ
ーンで前記第３の垂直レジスタに沿って設けられた転送
ゲート部および全体を遮光する金属遮光膜を有し、受光
部を有しない第２の光学的黒画素部と、第４の垂直レジ
スタ、前記有効画素部における転送ゲートと同様のパタ
ーンで前記第４の垂直レジスタに沿って設けられた転送
ゲート部および前記有効画素部における金属遮光膜と同
様の遮光パターンの金属遮光膜を有し、受光部を有しな
い第３の光学的黒画素部とを具備している。

［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全体構成図である。第
１図において、１１は受光部、ｌｌａは疑似受光部、１
２は垂直レジスタ、１３は転送ゲート部、１４は水平レ
ジスタ、１５は出力部、１６はアルミニウムからなる遮
光層である。有効画素領域■では受光部１１以外の領域
が遮光層１６によって遮光されている。これは従来の有
効画素領域と同構造である。

疑似受光部１１ａ、垂直レジスタ１２および転送ゲート
部１３を有する第１の光学的黒画素領域■では、すべて
の領域が遮光層１６によって遮光されている。これも従
来の光学的黒画素領域と同構造である。

受光部がなく、垂直レジスタ１２および転送ゲート部１
３を有する第２の光学的黒画素領域■ではすべての領域
が遮光層１６によって遮光されている。この第２の光学
的黒画素領域■では、受光部がないためこの部分からの
暗電流はなく、また垂直レジスタの暗電流の増加は第１
の光学的黒画素領域Ｈのそれに等しい。

受光部がなく、垂直レジスタ１２および転送ゲート部１
３を有する第３の光学的黒画素領域■では、遮光層１６
が有効画素領域１部分でのパターンと同一パターンにて
垂直レジスタ１２、転送ゲート部１３を遮光している。

この第３の光学的黒画素領域■では、本来受光部である
部分の上部が開口しているがフォトダイオードをシリコ
ン基板上に形成していないので、受光部に起因する暗電
流は発生しない。また、遮光層が有効画素領域と同一パ
ターンであるため、垂直レジスタの暗電流の増加分は有
効画素領域の垂直レジスタの暗電流のそれと等しい。

第２図に、第２の光学的黒画素領域■の本来受光部であ
るべき部分の断面図（従来例の光学的黒画素領域の断面
図、第１０図に相当）を示す。同図に示されるように、
本実施例では本来受光部であるべき第１０図の従来例で
は存在していたρ“型領域およびｎウェルがないのでフ
ォトダイオードに起因する暗電流は発生しない。

第３図に第３の光学的黒画素領域■の本来受光部である
べき部分の断面図（従来例の有効画素領域の断面図、第
９図に相当）を示す。この領域でもフォトダイオードは
形成されていないので、フォトダイオードに起因する暗
電流は発生しない。

この領域ではフォトダイオードは形成されていないもの
の、遮光層１６は、本来フォトダイオードが形成される
べき部分に開口を有する。従って、この領域における垂
直レジスタの暗電流およびその増加分は有効画素領域の
それと等しくなる。

次に、各画素領域の単位画素の出力について考える。ぢ
ず、有効画素領域Ｉでは出力１１は前述した記号を用い
て、 Ｖ−（光信量分）十（受光部の暗電流）＋（垂直レジス
タの暗電流）＋〈水平レジスタの暗電流）＋（垂直レジ
スタの暗電流の増加分） Ａ、　＋　Ｂ　＋　Ｃ＋　Ｄ　＋　Ｃ。

となる、また、第１、第２、第３の光学的黒画素領域の
出力Ｖ１、Ｖ２、■、は、 Ｖ、＝Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｃ２ Ｖ２＝Ｃ＋Ｄ＋Ｃ２ Ｖ３＝Ｃ＋Ｄ＋Ｃ。

となる、したがって、外部回路でこの４つの信号を次の
ように合成すれば正確な光信量分の出力Ａが得られる。

Ｖ　　Ｖ１＋Ｖ２　　Ｖ３　＝　（Ａ＋Ｂ十Ｃ＋Ｄ＋Ｃ
＋）　　（Ｂ＋Ｃ＋Ｄ　＋Ｃ２）　＋（Ｃ＋Ｄ＋Ｃ２ン
　−（Ｃ＋Ｄ＋Ｃ，ン ＝Ａ 第４図は、本発明の他の実施例を示す概略平面図である
。第４図において、先の実施例と共通する部分には同一
の参照番号が付されているので重複する説明は省略する
。同図において、１４ａは有効画素領域■からの信号電
荷を転送する第１の水平レジスタ、１４ｂは第１乃至第
３の光学的黒画素領域からの信号電荷を転送する第２の
水平レジスタ、１５ａ、１５ｂはそれぞれ第１、第２の
水平レジスタの後段に設けられた第１、第２の出力部で
ある０本実施例では有効画素領域の出力と第１乃至第３
の光学的黒画素領域の出力を独立に取り出せるようにし
たので、先の実施例の場合と比較して外部回路の構成を
簡単にできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、固体撮像素子の光学的
黒画素領域を３種類にし、有効画素領域からの出力と３
種類の光学的黒画素領域からの出力を合成することによ
り、遮光層のパターンの違いに起因する垂直レジスタの
暗電流の増加量の違いを相殺できるようにしたものであ
るので、本発明によれば、光信号出力の経時的変動を防
ぐことができ、デバイスの信頼性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図は、それぞれ本発明の実施例を示す概略
平面図、第２図、第３図は、それぞれ第１図の部分断面
図、第５図は、従来例の概略平面図、第６図、第７図は
、それぞれ第５図の部分詳細図、第８図、第９図は、そ
れぞれ第６図のＡ−Ａ′線断面図とＢ−Ｂ”線断面図、
第１０図は、第７図のｃ−ｃ’線断面図、第１１図は、
第１〜第４垂直転送電極に印加される転送りロックの波
形図、第１２図は、垂直レジスタの暗電流の経時的変化
を定性的に示した図である。 １０．１２ａ・・・ｎウェル領域、　　１１・・・受光
部、　　ｌｌａ・・・疑似受光部、　　１２・・・垂直
レジスタ、　　　１３・・・転送ゲート部、　　　１４
・・・水平レジスタ、　　　１４ａ、１４ｂ・・・第１
、第２の水平レジスタ、　　　１５・・・出力部、　　
　１５ａ、１５　ｂ−・・第１、第２の出力部、　　１
６．１６ａ・・・アルミニウムの遮光層、　　１７〜２
０・・・第１〜第４垂直転送電極、　　１７ａ〜２０ａ
・・・第１〜第４垂直転送電極の配線部、　　２１・・
・チャネルストップ、　　２２・・・シリコン酸化膜、
　　２３・・・リンガラス層、　　２４・・・ｐウェル
領域、２５・・ｎ型基板、　　２６・・・ｐ＋型領領域
　　■・・・有効画素領域、　　■・・・第１の光学的
黒画素領域、　　■・・・第２の光学的黒画素領域、　
　■・第３の光学的黒画素領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１導電型半導体層の表面領域内に複数列に形成され
   た第２導電型の第１の受光部、前記第１の受光部の各列
   に沿って設けられ、前記第１の受光部で蓄積された信号
   電荷を受け取りこれを転送する複数個の第１の垂直レジ
   スタ、前記第１の受光部と前記第１の垂直レジスタとの
   間に設けられ、前記第１の受光部で蓄積された信号電荷
   の前記第１の垂直レジスタへの転送を制御する転送ゲー
   ト部および前記第１の受光部の部分を除く部分を遮光す
   る金属遮光膜を有する有効画素部と、 前記第１導電型半導体層の表面領域内に列状に設けられ
   た第２導電型の第２の受光部、前記第２の受光部の列に
   沿って設けられ、第２の受光部に蓄積された電荷を受け
   取りこれを転送する第２の垂直レジスタ、前記第２の受
   光部と前記第２の垂直レジスタとの間に設けられ、前記
   第２の受光部に蓄積された電荷の前記第２の垂直レジス
   タへの転送を制御する転送ゲート部および全体を遮光す
   る金属遮光膜を有する第１の光学的黒画素部と、第３の
   垂直レジスタ、前記有効画素部における転送ゲート部と
   同様のパターンで前記第３の垂直レジスタに沿って設け
   られた転送ゲート部および全体を遮光する金属遮光膜を
   有し、受光部を有しない第２の光学的黒画素部と、 第４の垂直レジスタ、前記有効画素部における転送ゲー
   トと同様のパターンで前記第４の垂直レジスタに沿って
   設けられた転送ゲート部および前記有効画素部における
   金属遮光膜と同様の遮光パターンの金属遮光膜を有し、
   受光部を有しない第３の光学的黒画素部と、 前記各垂直レジスタの後段に設けられ、各垂直レジスタ
   からの電荷を受け取りこれを転送する水平転送部と、 前記水平転送部から電荷を受け取りこれを電圧信号に変
   換する出力部と、 を具備する固体撮像素子。