JPH07202171A - 電荷転送装置 - Google Patents

電荷転送装置

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JPH07202171A
JPH07202171A JP34974293A JP34974293A JPH07202171A JP H07202171 A JPH07202171 A JP H07202171A JP 34974293 A JP34974293 A JP 34974293A JP 34974293 A JP34974293 A JP 34974293A JP H07202171 A JPH07202171 A JP H07202171A
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charge transfer
floating gate
charge
gate
transfer device
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Junichi Yamamoto
淳一 山本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 FGA法によって信号電荷を検出する電荷転
送装置において、高効率に電荷/電圧変換を行いうるよ
うにする。 【構成】 p型シリコン基板3上に電荷転送領域となる
n型不純物層4とリセットドレインとなるn+ 型不純物
層16を設け、基板上に絶縁膜5を介して転送電極6〜
10、出力ゲート11、12、フローティングゲート1
3、リセットゲート14を設け、フローティングゲート
13を出力用トランジスタ17のゲートに接続する。さ
らに、一端がn型不純物層4に接続されたシールド電極
19によりフローティングゲート13上を覆う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送装置に関し、
特にフローティングゲートを用いて信号電荷量を電位変
化に変換する電荷転送装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】フローティングゲートにより信号電荷量
を検出する、いわゆるFGA(Floating Gate Amplifie
r)法を採用する電荷転送装置は、信号を非破壊でかつロ
ーノイズで検出できるという特長を有する。而して、こ
の電荷転送装置が固体撮像素子に用いられる場合、近年
の高画素化、微細化の傾向のために、その電荷検出部の
高感度化に対する要求が強くなってきている。
【0003】図2(a)は、従来の電荷転送装置の出力
部の構成を示す平面図であり、図2(b)はそのA−
A′線に沿う断面図である。この従来例は埋め込みチャ
ネル型2相駆動方式の電荷転送装置に係るものである。
図2において、1は電荷転送部、2は電荷検出部を示し
ている。同図に示すように、p型シリコン基板3上に形
成されたn型不純物層4の表面に絶縁膜5を介して互い
に絶縁分離された第1層転送電極6、8、10、第2層
転送電極7、9、第1出力ゲート11、第2出力ゲート
12、フローティングゲート13およびリセットゲート
14が形成されている。
【0004】電荷転送部1のn型不純物層4の表面の第
2層転送電極7、9の直下には、2相クロック・パルス
による電荷転送を実現するための電位障壁となるn-
不純物領域15が形成されている。電荷転送部1では、
隣接する第1層転送電極と第2層転送電極とを1組とし
て、交互に互いに逆相のクロックφ1 、φ2 を印加して
転送電極下のポテンシャル井戸の深さを制御して、信号
電荷を電荷検出部2に向けて転送する。
【0005】電荷検出部2には、電荷転送部1最終段に
隣接して電位V1 に固定された第1出力ゲート11と、
電位V2 に固定された第2出力ゲート12とが設けら
れ、その後段には転送されてきた信号電荷を電圧に変換
するフローティングゲート13と、フローティングゲー
ト下の電位を定期的にリセット電位にリセットするため
のリセットゲート14が設けられている。さらに、電荷
転送領域であるn型不純物層4の終端部にはリセットゲ
ートに隣接して、一定のリセット電位である電位V3
固定されたn+ 型不純物層16が設けられている。ま
た、フローティングゲート13には、この電極の電位変
化を外部に出力する出力用トランジスタ17が導電線1
8を介して接続されている。
【0006】次に、図3を参照してこの従来の電荷転送
装置の動作について説明する。リセットゲート14にハ
イレベルの電圧を印加してフローティングゲート13下
のn型不純物層4の電位をリセット電位のV3 に設定し
た後、リセットゲート14へ印加される電圧をローレベ
ルとしてフローティングゲート13下のn型不純物層4
とn+ 型不純物層16とを電気的に分離する。この状態
における図2(b)の断面でのポテンシャル分布を図3
(a)に示す。このとき、クロックφ1 はハイレベル、
φ2 はローレベルの状態にあり、図3(a)において左
から転送されてきた信号電荷は、最終転送電極である、
クロックφ1 の印加された第1層転送電極10下のポテ
ンシャル井戸に蓄積されている。
【0007】次いで、φ1 がローレベル、φ2 がハイレ
ベルの状態に切り替わる。このときのポテンシャル分布
を図3(b)に示す。φ1 の印加された第1層転送電極
10下のポテンシャル井戸に蓄積されていた信号電荷は
第1出力ゲート11下および第2出力ゲート12下の半
導体表面を通ってフローティングゲート13下のn型不
純物層4へ転送される。これによりフローティングゲー
ト下のn型不純物層4の電位が変動し、さらに不純物層
4と容量結合されたフローティングゲート13の電位が
変動する。
【0008】ここで、フローティングゲート13下のn
型不純物層4の静電容量をCJ 、フローティングゲート
のゲート容量をCG 、導電線18の対地容量をCL とす
ると、出力部での電気的等価回路は、図2(c)のよう
に示すことができる。いま、転送されてきた信号電荷量
をQとすると、n型不純物層4の電位変化Δvは、n型
不純物層4の全容量をCT として、次式で与えられる。 Δv=Q/CTT =CJ +(CG ・CL )/(CG +CL ) また、フローティングゲート13の電位変化ΔV′は、 ΔV′=Δv・(1/CL )/[(1/CG )+(1/
L )] で与えられるから、フローティングゲート13の電位変
化ΔV′は、 ΔV′=Q/C′ C′=CJ +CL +(CJ ・CL )/CG と求められる。ここで、上式にあらわれた容量C′を電
荷検出容量と呼ぶことにする。この電位変化ΔV′が出
力用トランジスタ17を介して外部に出力される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】電荷転送装置の応用デ
バイスの一つである固体撮像素子では、近年の高画素化
の傾向につれて単位画素の面積が縮小されその結果信号
電荷量が微量化されたことにより、電荷検出部の低ノイ
ズ化と高感度化が一段と強く要求されるようになってき
ている。而して、上述した従来の電荷転送装置では、信
号電荷量に対応する出力電圧の大きさは電荷検出容量
C′によって決定され、一定の信号電荷量に対応する出
力電圧の大きさは、電荷検出容量C′が小さい程大きく
なる。したがって、高感度に電荷を検出するには、CJ
とCL とを大きくし、CG を大きくすればよいことにな
るが、CJ とCL を小さくするために電荷検出部の面積
を縮小しようとしても製造上限界があり、大面積化によ
ってCG を大きくすることも電荷転送部の性能を維持す
る必要上限界がある。したがって、従来のFGA法によ
り電荷転送装置では、高感度化が困難でこの方式の持つ
低ノイズ電荷検出の特長を減殺してしまう結果となって
いた。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明によれば、半導体基板の表面領域内に設けら
れた電荷転送領域(4)と、前記電荷転送領域上に形成
された電荷転送電極(6〜10)と、前記電荷転送領域
上の前記電荷転送電極の後段に設けられたフローティン
グゲート(13)と、前記フローティングゲートに接続
されたトランジスタ(17)とを備え、フローティング
ゲートアンプリファイア法にて転送電荷の検出を行うも
のであって、前記フローティングゲートに追加の容量素
子(19)が付加されていることを特徴とする電荷転送
装置が提供される。
【0011】
【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。図1(a)は、本発明の一実施例を示す平
面図であり、図1(b)はそのA−A′線に沿う断面図
である。図1において、図2に示した従来例と同一の部
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。本実施例の図2に示した従来例と相違す
る点は、フローティングゲート13上に絶縁膜5を介し
てシールド電極19が形成されている点である。このシ
ールド電極19はn型不純物層4に接続されている。
【0012】本実施例の動作は、図3に示した従来例の
ものと同様であって、電荷検出部2へ転送されてきた信
号電荷量をQ、電荷検出容量をCとすると、フローティ
ングゲート13の電位変化ΔVは、 ΔV=Q/C と表される。電荷検出容量Cは、フローティングゲート
13下のn型不純物層4の静電容量CJ と、フローティ
ングゲート13のゲート容量CG と、導電線18の対地
容量CL と、シールド電極19とフローティングゲート
13との間の電極間容量CP とから、 C=CJ +CL +(CJ ・CL )/(CG +CP ) と求めることができる。
【0013】ここで、本実施例ではCG にCP が並列に
接続されているので、電荷検出容量Cは従来例の場合の
C′より小さくなっており、したがって、電位変化ΔV
は従来例のそれより大きくなっている。シールド電極1
9は第2層転送電極7、9と同時に形成することがで
き、例えば電極面積を8μm×10μm、シールド電極
19とフローティングゲート13との間の酸化膜厚を
0.2μmにすれば、電荷検出容量を約1割減少させる
ことができる。
【0014】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本願発
明の要旨を変更しない範囲内において各種の変更が可能
である。例えば、実施例では、フローティングゲートと
シールド電極との間の絶縁膜はシリコン酸化膜であった
がここにシリコン窒化膜のような他の絶縁膜を用いるこ
とができる。また、実施例では、埋め込みチャネル型の
2相駆動方式のものについて説明したが、本発明は、表
面チャネル型のものに対してもまた3相以上の転送クロ
ックを用いるものに対しても適用しうるものである。さ
らに、フローティングゲートを1個だけ用いる実施例の
ものに代え、フローティングゲートを多段に配置し各出
力信号を加算するいわゆるDFGA(Distributed Floa
ting Gate Amplifier)法を採用するようにしてもよい。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による電荷
転送装置は、FDA方式で信号電荷を検出する電荷転送
装置において、フローティングゲートに追加の容量を付
加するものであるので、本発明によれば、フローティン
グゲートの実効容量を増大させ、電荷検出容量を低減さ
せることができる。したがって、本発明によれば、低ノ
イズで電荷変換を行うことのできるFDA方式電荷転送
装置において、高効率の電荷変換により大きな出力電圧
を取り出すことができる。よって、本発明に従った電荷
転送装置を固体撮像素子に適用することにより、高品質
の画像データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の平面図と断面図。
【図2】従来例の平面図、断面図および出力部の等価回
路図。
【図3】従来例の動作を説明するためのポテンシャル分
布図。
【符号の説明】
1 電荷転送部 2 電荷検出部 3 p型シリコン基板 4 n型不純物層 5 絶縁膜 6、8、10 第1層転送電極 7、9 第2層転送電極 11 第1出力ゲート 12 第2出力ゲート 13 フローティングゲート 14 リセットゲート 15 n- 型不純物領域 16 n+ 型不純物層 17 出力用トランジスタ 18 導電線 19 シールド電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年12月1日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】
【発明が解決しようとする課題】電荷転送装置の応用デ
バイスの一つである固体撮像素子では、近年の高画素化
の傾向につれて単位画素の面積が縮小されその結果信号
電荷量が微量化されたことにより、電荷検出部の低ノイ
ズ化と高感度化が一段と強く要求されるようになってき
ている。而して、上述した従来の電荷転送装置では、信
号電荷量に対応する出力電圧の大きさは電荷検出容量
C′によって決定され、一定の信号電荷量に対応する出
力電圧の大きさは、電荷検出容量C′が小さい程大きく
なる。したがって、高感度に電荷を検出するには、CJ
とCL とを小さくし、CG を大きくすればよいことにな
るが、CJ とCL を小さくするために電荷検出部の面積
を縮小しようとしても製造上限界があり、大面積化によ
ってCG を大きくすることも電荷転送部の性能を維持す
る必要上限界がある。したがって、従来のFGA法によ
り電荷転送装置では、高感度化が困難でこの方式の持つ
低ノイズ電荷検出の特長を減殺してしまう結果となって
いた。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面領域内に設けられた電
    荷転送領域と、前記電荷転送領域上に形成された電荷転
    送電極と、前記電荷転送領域上の前記電荷転送電極の後
    段に設けられたフローティングゲートと、前記フローテ
    ィングゲートに接続されたトランジスタとを備え、フロ
    ーティングゲートアンプリファイア法にて転送電荷の検
    出を行う電荷転送装置において、前記フローティングゲ
    ートには追加の容量素子が付加されていることを特徴と
    する電荷転送装置。
  2. 【請求項2】 前記容量素子は、一端が半導体基板に接
    続された、絶縁膜を介して前記フローティングゲート上
    を覆う容量電極によって形成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. 【請求項3】 前記フローティングゲートが第1層ポリ
    シリコンにより形成され、前記容量電極が第2層ポリシ
    リコンにより形成されていることを特徴とする請求項2
    記載の電荷転送装置。
  4. 【請求項4】 前記フローティングゲートの後段の前記
    電荷転送領域上にはリセットゲートが設けられ、該リセ
    ットゲートの後段には前記電荷転送領域に隣接してリセ
    ットドレインが設けら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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5867429A (en) * 1997-11-19 1999-02-02 Sandisk Corporation High density non-volatile flash memory without adverse effects of electric field coupling between adjacent floating gates
US6191440B1 (en) 1997-07-18 2001-02-20 Nec Corporation Charge transfer device with improved charge detection sensitivity

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02159737A (ja) * 1988-12-14 1990-06-19 Fuji Photo Film Co Ltd Ccd遅延線

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