JPH09139490A - Solid state image pick up apparatus - Google Patents

Solid state image pick up apparatus

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JPH09139490A
JPH09139490A JP8288608A JP28860896A JPH09139490A JP H09139490 A JPH09139490 A JP H09139490A JP 8288608 A JP8288608 A JP 8288608A JP 28860896 A JP28860896 A JP 28860896A JP H09139490 A JPH09139490 A JP H09139490A
Authority
JP
Japan
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electrode
transfer
charge transfer
charge
potential
Prior art date
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Pending
Application number
JP8288608A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsumi Ikeda
田 勝 己 池
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH09139490A publication Critical patent/JPH09139490A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image pick up apparatus for enlarging dynamic range by increasing a transfer capacity without increasing a plane area of a signal charge transfer means and reducing shading by controlling ununiformity in the maximum read amount of charge of each position of a photoelectric converting element. SOLUTION: The image pick up apparatus comprises a plurality of photoelectric converting elements 3, a charge transfer means 5 formed of an n-type impurity layer formed of a transfer electrode 7 for temporarily storing and transferring the signal charges generated by the element 3 and a vertical type overflow drain for exhausting excessive charges generated by the photoelectric converting element 3 to a semiconductor substrate 1. A read gate electrode 10 for reading signal charges generated by the element 3 to the charge transfer means 5 is formed of an electrode electrically isolated from a transfer electrode 7 covering the upper part of the impurity layer of the charge transfer means 5 and sets the potential of the read gate electrode 10 to the potential lower than the vertical type overflow drain potential under the condition that a high level voltage is applied to the transfer electrode 7 during the period other than the transfer period for transferring the generated signal charges to the charge transfer means 5.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置、特に
インタライン転送方式の固体撮像装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly to an interline transfer type solid-state image pickup device.

【0002】[0002]

【従来の技術】前記固体撮像装置は、一般に第7図乃至
第9図に示すように構成されていた。
2. Description of the Related Art The solid-state image pickup device is generally constructed as shown in FIGS.

【0003】即ち、半導体基板としてのn型基板1の上
面には、薄層部分2aを備えたp型ウェル層2が形成さ
れ、この薄層部分2aの上方にn型不純物層3を積層す
ることにより、入射した光を光電変換して所定期間蓄積
するpn接合の光電変換素子(フォトダイオード)が形
成されている。
That is, a p-type well layer 2 having a thin layer portion 2a is formed on the upper surface of an n-type substrate 1 as a semiconductor substrate, and an n-type impurity layer 3 is laminated above this thin layer portion 2a. As a result, a pn-junction photoelectric conversion element (photodiode) that photoelectrically converts incident light and accumulates it for a predetermined period is formed.

【0004】前記p型ウェル層2の薄層部分2aは浅く
形成され、これとn型基板1間に逆バイアス電圧4を印
加することにより、前記n型不純物層3において発生し
た過剰な信号電荷を排除する縦形オーバーフロードレイ
ンが形成されている。
The thin layer portion 2a of the p-type well layer 2 is formed shallow, and by applying a reverse bias voltage 4 between it and the n-type substrate 1, excess signal charge generated in the n-type impurity layer 3 is generated. A vertical overflow drain is formed to eliminate the.

【0005】また、前記p型ウェル層2の上面にn型不
純物層5が形成され、この上面に絶縁膜6を介して転送
電極7(7a〜7d)を形成することにより、信号電荷
を転送する電荷転送部が構成されている。この転送電極
7(7a〜7d)は、前記フォトダイオード3において
発生し蓄積された信号電荷を前記電荷転送部のn型不純
物層5に転送するためのゲート電極を兼ねており、n型
不純物層3,5の間の読み出しチャンネル8まで延びて
この上方を覆っている。前記n型不純物層3,5の側方
のチャンネルストップ9は、素子分離層である。
An n-type impurity layer 5 is formed on the upper surface of the p-type well layer 2, and transfer electrodes 7 (7a to 7d) are formed on the upper surface of the n-type impurity layer 5 via an insulating film 6 to transfer signal charges. And a charge transfer section that operates. The transfer electrodes 7 (7a to 7d) also serve as gate electrodes for transferring the signal charges generated and accumulated in the photodiode 3 to the n-type impurity layer 5 of the charge transfer section, and the n-type impurity layer. It extends to the read channel 8 between 3 and 5 and covers it above. The channel stop 9 on the side of the n-type impurity layers 3 and 5 is an element isolation layer.

【0006】第10図は、前記電荷転送部の転送電極7
a〜7dに印加される入力パルスのタイミング図であ
り、φaは転送電極7aに、φbは転送電極7bに、φ
cは転送電極7cに、φdは転送電極7dに夫々印加さ
れる周知の4相駆動方式である。
FIG. 10 shows the transfer electrode 7 of the charge transfer section.
FIG. 6 is a timing chart of input pulses applied to a to 7d, where φa is to the transfer electrode 7a, φb is to the transfer electrode 7b, and φ is
c is a well-known four-phase drive system in which the transfer electrode 7c and φd are applied to the transfer electrode 7d, respectively.

【0007】この第10図に示すt1,t2及びt3時
に対応する第8図のY1−Y2−Y3部断面のポテンシ
ャル図を第11図に示す。
FIG. 11 shows a potential diagram of a cross section taken along the line Y1-Y2-Y3 of FIG. 8 corresponding to times t1, t2 and t3 shown in FIG.

【0008】同図において、t1時は、フォトダイオー
ド3に入射した光が光電変換されて信号電荷が蓄積され
ている状態を示し、QPDmax は、縦形オーバーフロード
レインのポテンシャルによって決まるフォトダイオード
の最大蓄積容量である。t2時は、第10図に示すVH
が印加され、読み出しチャンネル8が高いポテンシャル
となって、フォトダイオード3に蓄積された信号電荷が
電荷転送部に読み出されている状態を示す(以下、この
動作をフィールドシフト動作という)。t3時は、VM
が印加され、読み出しチャンネル8のポテンシャルが低
くなり、信号電荷が電荷転送部に読み出されてしまった
状態を示す。t3時の後は、周知の4相駆動の動作によ
り、第7図に示す垂直方向に信号電荷が転送される。
In the figure, at t1, the light incident on the photodiode 3 is photoelectrically converted and signal charges are accumulated, and QPDmax is the maximum storage capacitance of the photodiode determined by the potential of the vertical overflow drain. Is. At t2, VH shown in FIG.
Is applied, the read channel 8 has a high potential, and the signal charge accumulated in the photodiode 3 is being read to the charge transfer portion (hereinafter, this operation is referred to as a field shift operation). VM at t3
Is applied, the potential of the read channel 8 becomes low, and the signal charge is read to the charge transfer section. After t3, the signal charge is transferred in the vertical direction shown in FIG. 7 by the well-known four-phase driving operation.

【0009】第12図に、第9図に示すP1−P2部に
おける、第10図に示すt4,t5及びt6のタイミン
グ時におけるポテンシャル図を示す。
FIG. 12 shows a potential diagram at timings t4, t5 and t6 shown in FIG. 10 in the P1-P2 portion shown in FIG.

【0010】この図は、4相駆動の基本的な転送動作を
示すものであり、同図においてQTmaxは、転送電荷の最
大転送容量である。このQTmaxは、同図から明らかなよ
うに、隣合う2つの電極にVMが印加された時のポテン
シャルΦMと、その2つの電極を挾む電極にVLが印加
された時のポテンシャルΦLとの差に比例する。即ち、
4相駆動における最大転送容量QTmaxはVM−VLに比
例する。
This figure shows a basic transfer operation of four-phase drive, and in the figure, QTmax is the maximum transfer capacity of transfer charges. As is clear from the figure, QTmax is the difference between the potential ΦM when VM is applied to two adjacent electrodes and the potential ΦL when VL is applied to the electrodes sandwiching the two electrodes. Proportional to. That is,
The maximum transfer capacity QTmax in four-phase driving is proportional to VM-VL.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】第13図に、ゲート電
圧VGに対する読み出しチャンネル8のポテンシャルの
静特性グラフを(a)に、n型不純物層5のそれを
(b)に夫々示す。
FIG. 13 shows a static characteristic graph of the potential of the read channel 8 with respect to the gate voltage VG in (a) and that of the n-type impurity layer 5 in (b).

【0012】従来、前記最大転送容量QTmaxを増やすた
めに、VLの値を低くしたとしても、(b)のグラフを
見て解るように、このポテンシャルはVTH以下では低く
ならない。また、逆にVMの値を高くしたとしても、
(a)に示す読み出しチャンネル8のポテンシャルΦFS
(第14図)もVG>0の領域では、VGに比例して高
くなってくる。そして、第14図に示すように、このポ
テンシャルΦFSが縦形オーバフロードレインのポテンシ
ャルΦOFD を越えると、例えば、信号電荷の転送時にフ
ォトダイオード3で光電変換された信号電荷が転送電極
7(7a)の下で転送されている信号電荷に混入してし
まう。従って、このVMの値は、ΦOFD の値に相当する
電圧VMOFD以上にすることはできない。しかるに、前記
QTmaxは、VM=VMOFD,VL=VTHの時が最大であ
る。
Conventionally, even if the value of VL is lowered in order to increase the maximum transfer capacity QTmax, this potential does not become lower below VTH, as can be seen from the graph of (b). On the contrary, even if the value of VM is increased,
Potential ΦFS of read channel 8 shown in (a)
Also in FIG. 14), in the region of VG> 0, it becomes higher in proportion to VG. Then, as shown in FIG. 14, when this potential ΦFS exceeds the potential ΦOFD of the vertical overflow drain, for example, the signal charges photoelectrically converted by the photodiode 3 at the time of the transfer of the signal charges are below the transfer electrode 7 (7a). Will be mixed in with the signal charges being transferred by. Therefore, the value of VM cannot exceed the voltage VMOFD corresponding to the value of ΦOFD. However, QTmax is maximum when VM = VMOFD and VL = VTH.

【0013】以上のように、前記従来例における、4相
駆動のような転送時の印加電圧の振幅に前記最大転送容
量QTmaxが比例する場合にも限りがあり、それ以上の転
送容量が必要な場合には、n型不純物層5の領域を広く
する等といった微細化に適さない手段が必要になってし
まう。
As described above, there is a limit to the case where the maximum transfer capacitance QTmax is proportional to the amplitude of the applied voltage at the time of transfer such as the four-phase drive in the conventional example, and a transfer capacitance higher than that is required. In that case, a means unsuitable for miniaturization such as widening the region of the n-type impurity layer 5 is required.

【0014】また、第13図に示すように、n型不純物
層5においては、VG<0の領域では変調度(ポテンシ
ャル/VG)がVG>0の領域より低いため、変調度の
高い領域をVM<VMOFDでしか使用できない。第15図
に前記QTmaxのVL依存性のグラフを示す。
As shown in FIG. 13, in the n-type impurity layer 5, the modulation degree (potential / VG) is lower in the region of VG <0 than in the region of VG> 0. Can only be used with VM <VMOFD. FIG. 15 is a graph showing the VL dependence of QTmax.

【0015】第16図に、前記固体撮像装置の接地等の
電気的等価回路図を示す。チャンネルストップ9は、こ
の装置の周辺でしか接地されていないため、p型ウェル
層2には、抵抗RPa,RPb…が存在し、また転送電極7
a,7b…とp型ウェル層2との間に容量CGa,CGb…
が、p型ウェル層2とn型基板1との間に容量CPa,C
Pb…が夫々存在することになる。
FIG. 16 shows an electrical equivalent circuit diagram of the solid-state image pickup device such as grounding. Since the channel stop 9 is grounded only in the periphery of this device, the p-type well layer 2 has resistors RPa, RPb ... And the transfer electrode 7
Between the a, 7b ... And the p-type well layer 2 the capacitances CGa, CGb ...
Between the p-type well layer 2 and the n-type substrate 1 having capacitances CPa and C
Pb ... will exist respectively.

【0016】ところで、転送電極7(7a)に前記フィ
ールドシフト動作の時VHレベルのパルスが加わると、
瞬時に前記容量によってp型ウェル層2のポテンシャル
が、 △VPW=CGa/(CGa+CPa)×VH …(1) だけ変動する。
When a VH level pulse is applied to the transfer electrode 7 (7a) during the field shift operation,
The potential of the p-type well layer 2 instantaneously changes by ΔVPW = CGa / (CGa + CPa) × VH (1) due to the capacitance.

【0017】フィールドシフト動作が始まってから、こ
の変動量△VPWは接地レベルに回復するが、その回復時
間は、各々p型ウェル層2の位置と接地点からの距離に
関係する分布定数回路による定時数で決定される。従っ
て、フォトダイオード3の位置によって回復時間が異な
ってしまうことになる。
After the field shift operation is started, the variation ΔVPW is restored to the ground level. The recovery time depends on the distributed constant circuit related to the position of the p-type well layer 2 and the distance from the ground point. It is decided by a fixed number of times. Therefore, the recovery time varies depending on the position of the photodiode 3.

【0018】第17図にp型ウェル層2のポテンシャル
の変化に伴って、残留電荷QLAG が生じ、QPDmax が
Q′PDmax に減少した場合を示す。
FIG. 17 shows a case where the residual charge QLAG is generated with the change in the potential of the p-type well layer 2 and QPDmax is reduced to Q'PDmax.

【0019】この場合は、第10図に示すフィールドシ
フト時間tFSが前記定時数に比べ短かったため、p型ウ
ェル層2が十分に回復できず残留電荷QLAG が生じたの
である。
In this case, since the field shift time tFS shown in FIG. 10 was shorter than the fixed time, the p-type well layer 2 could not be fully recovered and the residual charge QLAG was generated.

【0020】第18図にフィールドシフト時間tFSに対
する前記Q′PDmax の関係を示し、フォトダイオード3
の位置によってこの回復時間が異なることを示す。この
ようにフィールドシフト時間tFSが充分でない場合に
は、フォトダイオード3の位置によって、QPDmax が得
られないことがあり、これが原因で、例えばフォトダイ
オードに一様な量の強い光が入射した場合でも、一様な
出力が得られない場合、即ちシェーディングを生じるこ
とがあった。
FIG. 18 shows the relation between the Q'PDmax and the field shift time tFS.
It is shown that the recovery time differs depending on the position of. When the field shift time tFS is not sufficient as described above, QPDmax may not be obtained depending on the position of the photodiode 3, and even if a strong light of a uniform quantity is incident on the photodiode, QPDmax may not be obtained. , When uniform output cannot be obtained, that is, shading may occur.

【0021】更に、製造プロセス上、電荷転送部のn型
不純物層5は、一般にフォトマスクによる不純物イオン
の注入によって形成されるが、その場合、転送電極7と
の合わせずれ量によっては、読み出しチャンネル8の領
域のゲート長に誤差が生じてしまい、例えばこのゲート
長が短くなって周知のショートチャンネル効果により、
ポテンシャル静特性に異常が生じる場合がある。
Further, in the manufacturing process, the n-type impurity layer 5 of the charge transfer portion is generally formed by implanting impurity ions with a photomask. In that case, depending on the amount of misalignment with the transfer electrode 7, the read channel is read. An error occurs in the gate length of the area 8 and, for example, this gate length is shortened, and due to the well-known short channel effect,
Abnormalities may occur in the static potential characteristics.

【0022】第19図にn型不純物層5が読み出しチャ
ンネル8側に寄り、読み出しチャンネル8のゲート長が
短くなった状態を示す。そして、この時における転送電
極7の電圧が0Vの時のポテンシャル図を第21図に示
す。同図に示すように、読み出しチャンネル8には、シ
ョートチャンネル効果により、△ΦSのポテンシャル低
下が生じてしまう。
FIG. 19 shows a state in which the n-type impurity layer 5 is closer to the read channel 8 side and the gate length of the read channel 8 is shorter. Then, FIG. 21 shows a potential diagram when the voltage of the transfer electrode 7 at this time is 0V. As shown in the figure, in the read channel 8, the potential decrease of ΔΦS occurs due to the short channel effect.

【0023】また、第20図に前記第13図と同様のポ
テンシャル静特性を示す。同図に示すように、読み出し
チャンネル8の静特性(a)は、ショートチャンネル効
果によりディプレッションタイプの特性となっている。
こういった特性の構造の場合、ΦOFD となるVMOFDの値
は低くなり、最大転送容量QTmaxの最大値は低くなっ
て、前記と同様の問題が生じてしまう。
Further, FIG. 20 shows a potential static characteristic similar to that shown in FIG. As shown in the figure, the static characteristic (a) of the read channel 8 is a depletion type characteristic due to the short channel effect.
In the case of the structure having such characteristics, the value of VMOFD which is ΦOFD becomes low and the maximum value of the maximum transfer capacity QTmax becomes low, and the same problem as described above occurs.

【0024】本発明は前記に鑑み、信号電荷を転送する
電荷転送部の平面的な面積を増大することなく、転送容
量の増大して、ダイナミックレンジの拡大を図るととも
に、最大読み出し電荷量のフォトダイオードの位置毎の
不均一を抑制して、シェーディングの低減を図ったもの
を提供することを目的とする。
In view of the above, the present invention increases the transfer capacitance without increasing the planar area of the charge transfer portion for transferring the signal charge, thereby expanding the dynamic range and increasing the maximum read charge amount. An object of the present invention is to provide a device in which the shading is reduced by suppressing nonuniformity of each diode position.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明にかかる固体撮像装置は、複数の光電変換素
子と、この光電変換素子で発生した信号電荷を一時蓄積
して転送する該光電変換素子に隣接したMOS型電極に
よって形成された電荷転送部と、前記光電変換素子で発
生した過剰電荷を半導体基板に排出するオーバーフロー
ドレインとを備えた固体撮像装置において、前記オーバ
ーフロードレインは縦型オーバーフロードレインであ
り、前記光電変換素子で発生した信号電荷を前記電荷転
送部に読み出す読み出しゲート電極をこの電荷転送部の
不純物層の上方を覆う転送電極と電気的に分離された電
極によって構成し、前記光電変換素子で発生した信号電
荷を前記電荷転送部へ転送する転送タイミング以外の期
間に、前記転送電極に高レベル電圧(VM )を印加した
状態で前記読み出しゲート電極の電位を前記縦型オーバ
ーフロードレインの電位(ΦOFD )より低電位にして構
成したものである。
In order to achieve the above object, a solid-state image pickup device according to the present invention is provided with a plurality of photoelectric conversion elements and a photoelectric conversion element for temporarily accumulating and transferring signal charges generated by the photoelectric conversion elements. In a solid-state imaging device including a charge transfer section formed by a MOS electrode adjacent to a conversion element and an overflow drain for discharging excess charges generated in the photoelectric conversion element to a semiconductor substrate, the overflow drain is a vertical overflow. A read gate electrode, which is a drain and reads out the signal charge generated in the photoelectric conversion element to the charge transfer unit, is constituted by an electrode electrically separated from a transfer electrode covering the impurity layer of the charge transfer unit, The signal charges generated in the photoelectric conversion element are transferred to the transfer electrodes during a period other than the transfer timing for transferring the signal charges to the charge transfer unit. In which the potential of the readout gate electrode level voltage (VM) while applying were constructed in the lower potential than the potential (ΦOFD) of the vertical overflow drain.

【0026】また、前記縦型オーバーフロードレイン
は、n型基板の上にpウェル層を設けこのpウェル層と
前記n型基板との間に逆バイアス電圧を印加して構成す
る。
The vertical overflow drain is formed by providing a p-well layer on an n-type substrate and applying a reverse bias voltage between the p-well layer and the n-type substrate.

【0027】また、前記信号電荷を電荷転送部に読み出
すゲート電極を予め形成し、この電極のセルフ・アライ
ンによる不純物イオンの注入により、前記電荷転送部の
不純物層を形成するようにすることもできる。
It is also possible to previously form a gate electrode for reading out the signal charge to the charge transfer portion and form the impurity layer of the charge transfer portion by implanting impurity ions by self-alignment of this electrode. .

【0028】前記のように構成した本発明によれば、読
み出しゲート電極と転送電極とは電気的に分離されて形
成されているため、読み出しゲート電極と転送電極に夫
々異なる任意のパルスを印加することができ、これによ
り、読み出しゲート電極下の読み出しチャンネルのポテ
ンシャルΦFSを任意に設定するとともに、転送電極にパ
ルスが印加された時のこの下の電荷転送部のn型不純物
層のポテンシャルΦL及びΦMをこのポテンシャルΦFS
とは無関係に任意に設定することができる。これによっ
て信号電荷の混入を防止しつつ、電荷転送容量を大きく
するとともに、振幅効率を向上させることができる。
According to the present invention configured as described above, the read gate electrode and the transfer electrode are electrically separated from each other, so that different arbitrary pulses are applied to the read gate electrode and the transfer electrode, respectively. Accordingly, the potential ΦFS of the read channel below the read gate electrode is arbitrarily set, and the potentials ΦL and ΦM of the n-type impurity layer of the charge transfer portion below this when the pulse is applied to the transfer electrode. This potential ΦFS
It can be arbitrarily set regardless of. As a result, it is possible to increase the charge transfer capacity and improve the amplitude efficiency while preventing the signal charges from being mixed.

【0029】また、フィールドシフト時に印加するパル
スを読み出しゲート電極のみとすることができ、これに
より転送電極とウェル層との間に生じる容量を減少させ
ることができる。
Further, the pulse applied during the field shift can be applied only to the read gate electrode, which can reduce the capacitance generated between the transfer electrode and the well layer.

【0030】更に、読み出しゲート電極を予め形成し、
この電極のセルフ・アラインによる不純物イオンの注入
により、電荷転送部のn型不純物層を形成することによ
り、このn型不純物層の読み出しチャンネルへの食い込
みを極力防止して、ゲート長が常にほぼ一定となるよう
にすることができる。
Further, a read gate electrode is formed in advance,
By implanting impurity ions by self-alignment of this electrode, an n-type impurity layer of the charge transfer portion is formed to prevent the n-type impurity layer from biting into the read channel as much as possible, so that the gate length is always substantially constant. Can be

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施例を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0032】第1図乃至第5図は第1の実施例を示し、
前記従来例と同様に、半導体基板としてのn型基板1の
上面には、薄層部分2aを備えたp型ウェル層2が形成
され、この薄層部分2aの上方にn型不純物層3を積層
することにより、入射した光を光電変換して所定期間蓄
積するpn接合の光電変換素子(フォトダイオード)が
形成されている。
1 to 5 show the first embodiment,
Similar to the conventional example, a p-type well layer 2 having a thin layer portion 2a is formed on the upper surface of an n-type substrate 1 as a semiconductor substrate, and an n-type impurity layer 3 is formed above the thin layer portion 2a. By stacking the layers, a pn-junction photoelectric conversion element (photodiode) that photoelectrically converts incident light and accumulates it for a predetermined period is formed.

【0033】前記p型ウェル層2の薄層部分2aは浅く
形成され、これとn型基板1間に逆バイアス電圧4を印
加することにより、前記n型不純物層3において発生し
た過剰な信号電荷を排除する縦形オーバーフロードレイ
ンが形成されている。
The thin layer portion 2a of the p-type well layer 2 is formed shallow, and by applying a reverse bias voltage 4 between it and the n-type substrate 1, excess signal charge generated in the n-type impurity layer 3 is generated. A vertical overflow drain is formed to eliminate the.

【0034】また、前記p型ウェル層2の上面にn型不
純物層5が形成され、この上面に絶縁膜6を介して転送
電極7(7a〜7d)を形成することにより、信号電荷
を転送する電荷転送部が形成されている。
Further, the n-type impurity layer 5 is formed on the upper surface of the p-type well layer 2, and the transfer electrodes 7 (7a to 7d) are formed on the upper surface via the insulating film 6 to transfer the signal charges. Is formed.

【0035】ここまでは、前記従来例と同様であるが、
本実施例は以下のような構成が備えられている。
Up to this point, the process is similar to that of the conventional example,
This embodiment has the following configuration.

【0036】即ち、転送電極7(7a)は、電荷転送部
のn型不純物層5の上方のみを覆い、また読み出しチャ
ンネル8の上方には、この転送電極7(7a)とは電気
的に分離された読み出しゲート電極10が形成されてい
る。
That is, the transfer electrode 7 (7a) covers only the upper portion of the n-type impurity layer 5 of the charge transfer portion, and the upper portion of the read channel 8 is electrically separated from the transfer electrode 7 (7a). The read gate electrode 10 thus formed is formed.

【0037】第2図に、前記第10図に対応する入力パ
ルスのタイミング図を示す。同図において、φFSは読み
出しゲート電極10に印加される入力パルスであり、第
10図におけるφa及びφcに存在したフィールドシフ
ト期間のVHのみが読み出しゲート電極10に印加さ
れ、このφa及びφcにはVHは存在しない。
FIG. 2 shows a timing chart of the input pulse corresponding to FIG. In the figure, φFS is an input pulse applied to the read gate electrode 10, and only VH in the field shift period existing in φa and φc in FIG. 10 is applied to the read gate electrode 10, and these φa and φc There is no VH.

【0038】この図に示すt2及びt3のタイミング時
における第1図のY1−Y2−Y3部断面のポテンシャ
ル図を第3図に示す。
FIG. 3 shows a potential diagram of a cross section taken along the line Y1-Y2-Y3 of FIG. 1 at the timing of t2 and t3 shown in this figure.

【0039】同図において、t2時は、フィールドシフ
ト期間であり、読み出しゲート電極10にVHが印加さ
れ、読み出しチャンネル8が深くなって、電荷転送部に
信号電荷が読み出された状態を示す。t3時は、読み出
しチャンネル8が浅くなり、電荷転送部に信号電荷が一
時蓄積された状態を示す。
In the figure, t2 is a field shift period, in which VH is applied to the read gate electrode 10, the read channel 8 is deepened, and signal charges are read out to the charge transfer portion. At t3, the reading channel 8 becomes shallow, and the signal charge is temporarily stored in the charge transfer portion.

【0040】第4図に信号電荷が転送されている状態を
前記第14図相当図を示す。
FIG. 4 shows a state in which the signal charges are being transferred, which is equivalent to FIG.

【0041】同図に示すように、読み出しゲート電極1
0の電圧を、読み出しチャンネル8のポテンシャルがΦ
OFD より浅く、且つΦLより浅くなるように設定するこ
とにより、電荷転送時の転送電極7の下の信号電荷にフ
ォトダイオード3中の信号電荷が混入してしまうことを
防止することができる。
As shown in the figure, the read gate electrode 1
0 voltage, the potential of the read channel 8 is Φ
By setting the depth shallower than OFD and shallower than ΦL, it is possible to prevent the signal charge in the photodiode 3 from being mixed with the signal charge under the transfer electrode 7 at the time of charge transfer.

【0042】また、転送電極7(7a)は読み出しゲー
ト電極10と電気的に分離されているため、前記VMの
値をΦOFD の値にとらわれることなく高くすることがで
き、これによって信号の混入を防止しつつ転送容量を大
きくすることができる。
Further, since the transfer electrode 7 (7a) is electrically separated from the read gate electrode 10, the value of VM can be increased without being restricted by the value of ΦOFD, thereby mixing the signal. The transfer capacity can be increased while preventing it.

【0043】そして、VMの値をVM>VOFD で使用で
きるため、変調度の高い領域VG>0を多く使用でき、
振幅効率を高くすることができる。
Since the value of VM can be used with VM> VOFD, a large area VG> 0 with a high degree of modulation can be used,
Amplitude efficiency can be increased.

【0044】更に、読み出しゲート電極10と転送電極
7(7a)とは、電気的に分離されているため、フィー
ルドシフト時にVHが印加されるのは、読み出しゲート
電極10のみとなる。そして、この読み出しゲート電極
10は、読み出しチャンネル8の上のみを覆っているた
め、転送電極7(7a)とp型ウェル層2との間の容量
CGa′は、従来の容量CGa(第16図)より小さくな
る。よって、p型ウェル層2のフィールドシフト時の前
記ポテンシャル変動△VPWは、この容量CGaに比例する
ために小さくなる。すると、前記第18図に相当する
Q′PDmax のフィールドシフト時間tFSの依存性のグラ
フは、第5図のようになる。
Further, since the read gate electrode 10 and the transfer electrode 7 (7a) are electrically separated from each other, VH is applied only to the read gate electrode 10 during the field shift. Since the read gate electrode 10 covers only the read channel 8, the capacitance CGa ′ between the transfer electrode 7 (7a) and the p-type well layer 2 is the same as the conventional capacitance CGa (see FIG. 16). ) Becomes smaller. Therefore, the potential fluctuation ΔVPW at the time of field shift of the p-type well layer 2 is small because it is proportional to the capacitance CGa. Then, the graph of the dependence of Q'PDmax on the field shift time tFS corresponding to FIG. 18 is shown in FIG.

【0045】同図に示すように、Q′PDmax のフォトダ
イオード3の位置による差が小さくなるので、前記シェ
ーディングの発生を低減することができる。
As shown in the figure, since the difference in Q'PDmax depending on the position of the photodiode 3 becomes small, the occurrence of shading can be reduced.

【0046】第6図は、第2の実施例を示すもので、前
記第1の実施例と異なる点は、読み出しゲート電極1
0′を第1層のゲートで形成するとともに、転送電極
7′(7′a)が形成される以前の形成プロセスで、こ
の読み出しゲート電極10′のセルフ・アライン法によ
る不純物イオンの注入により、電荷転送部のn型不純物
層5を形成した点にある。
FIG. 6 shows a second embodiment. The difference from the first embodiment is that the read gate electrode 1 is used.
0'is formed by the gate of the first layer, and in the formation process before the transfer electrode 7 '(7'a) is formed, by implanting impurity ions by the self-alignment method of the read gate electrode 10', The point is that the n-type impurity layer 5 of the charge transfer portion is formed.

【0047】このように構成することにより、n型不純
物層5の読み出しチャンネル8への食い込みを、ある一
定量の不純物の横拡散量のみに抑えることができ、これ
によってn型不純物層5のフォトマスクの合わせずれに
読み出しチャンネル8のゲート長が短くなってショート
チャンネル効果が生じてしまうことを防止するようにす
ることができる。
With such a structure, the bite of the n-type impurity layer 5 into the read channel 8 can be suppressed to only a certain amount of lateral diffusion of impurities, whereby the photo of the n-type impurity layer 5 can be suppressed. It is possible to prevent the short channel effect from occurring due to the gate length of the read channel 8 being shortened due to the mask misalignment.

【0048】なお、n型不純物層5を読み出しゲート電
極10′のセルフ・アライン法によって形成できるなら
ば、読み出しゲート10′は、第1層目のゲートと限る
必要はない。
If the n-type impurity layer 5 can be formed by the self-alignment method of the read gate electrode 10 ', the read gate 10' is not limited to the first layer gate.

【0049】また、前記各実施例は、n型基板の上にp
ウェル層を設けた構造を示しているが、これに限ること
はなく、更に縦形オーバーフロードレインの代りに横形
オーバーフロードレインであっても良いことは勿論であ
る。
Further, in each of the above-mentioned embodiments, p is formed on the n-type substrate.
Although the structure in which the well layer is provided is shown, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that a horizontal overflow drain may be used instead of the vertical overflow drain.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明は前記のような構成であるので、
信号電荷を転送する電荷転送部の平面的な面積を増すこ
となく、しかも電荷転送部への印加パルスの振幅を大き
くすることなく、電荷転送部の最大転送容量を大きくす
ることができる。
Since the present invention has the above-mentioned structure,
It is possible to increase the maximum transfer capacity of the charge transfer unit without increasing the planar area of the charge transfer unit that transfers the signal charge and without increasing the amplitude of the pulse applied to the charge transfer unit.

【0051】しかも、信号電荷を読み出す時のウェルの
ポテンシャルの変動を小さくして、信号電荷の最大読み
出し電荷量のフォトダイオードの位置毎の不均一を低減
して、シェーデイングを低減することができる。
In addition, the fluctuation of the potential of the well at the time of reading the signal charge can be reduced, the non-uniformity of the maximum read charge amount of the signal charge at each position of the photodiode can be reduced, and the shading can be reduced. .

【0052】また、信号電荷を読み出すゲート電極のセ
ルフ・アラインで電荷転送部の不純物層を形成するよう
にすることにより、読み出しチャンネルがショートして
しまうことを防止して、電荷転送部への信号電荷の混入
を防止することができるといった効果がある。
Further, by forming the impurity layer of the charge transfer section by self-alignment of the gate electrode for reading out the signal charge, it is possible to prevent the read channel from being short-circuited and to send the signal to the charge transfer section. There is an effect that the mixture of charges can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す縦断面図(第8図
相当図)。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view (equivalent to FIG. 8) showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例を示す駆動パルスのタイ
ミング図。
FIG. 2 is a timing chart of drive pulses according to the first embodiment of the present invention.

【図3】(イ)及び(ロ)は第2図に示すt2及びt3
時における第1図のY1−Y2−Y3部断面のポテンシ
ャル図。
3 (a) and (b) are t2 and t3 shown in FIG.
Potential diagram of Y1-Y2-Y3 section of FIG.

【図4】転送動作時における前記Y1−Y2−Y3部断
面のポテンシャル図。
FIG. 4 is a potential diagram of a cross section of the Y1-Y2-Y3 portion during a transfer operation.

【図5】ポテンシャルQ′PDmax のフィールドシフト時
間tFSへの依存性を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the potential Q′PDmax on the field shift time tFS.

【図6】第2の実施例を示す第1図相当図。FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 1 showing a second embodiment.

【図7】従来例を示す平面図。FIG. 7 is a plan view showing a conventional example.

【図8】第7図のX1−X2断面図。8 is a sectional view taken along line X1-X2 of FIG. 7.

【図9】第7図のZ1−Z2断面図。9 is a Z1-Z2 sectional view of FIG. 7;

【図10】従来例を示す駆動パルスのタイミング図。FIG. 10 is a timing chart of drive pulses showing a conventional example.

【図11】(イ)(ロ)及び(ハ)は第10図に示すt
1,t2及びt3時における第8図のY1−Y2−Y3
部断面のポテンシャル図。
11 (a), (b) and (c) are t shown in FIG.
Y1-Y2-Y3 of FIG. 8 at 1, t2 and t3.
Potential diagram of cross section.

【図12】(イ)(ロ)及び(ハ)は第10図に示すt
4,t5及びt6時における第9図のP1−P2部のポ
テンシャル図。
12 (a), (b) and (c) are t shown in FIG.
4, potential diagrams of P1-P2 portion of FIG. 9 at t5 and t6.

【図13】ゲート電圧VGに対する読み出しチャンネル
(a)及びn型不純物層(b)の静特性を夫々示すグラ
フ。
FIG. 13 is a graph showing static characteristics of the read channel (a) and the n-type impurity layer (b) with respect to the gate voltage VG.

【図14】第4図に相当する従来例を示す図。FIG. 14 is a view showing a conventional example corresponding to FIG.

【図15】従来例を示すポテンシャルQTmaxのVLへの
依存性を示すグラフ。
FIG. 15 is a graph showing the dependency of the potential QTmax on VL showing a conventional example.

【図16】従来例を示す電気的等価回路。FIG. 16 is an electrical equivalent circuit showing a conventional example.

【図17】従来例を示すp型ウェル層が変動した時の第
11図(ロ)相当図。
FIG. 17 is a view corresponding to FIG. 11B when the p-type well layer is changed, showing the conventional example.

【図18】第5図に相当する従来例を示す図。FIG. 18 is a view showing a conventional example corresponding to FIG.

【図19】第8図に相当する他の従来例を示す図。FIG. 19 is a view showing another conventional example corresponding to FIG.

【図20】第13図に相当する他の従来例を示す図。FIG. 20 is a view showing another conventional example corresponding to FIG.

【図21】転送電極の電圧が0Vの時の第14図に相当
する他の従来例を示す図。
FIG. 21 is a diagram showing another conventional example corresponding to FIG. 14 when the voltage of the transfer electrode is 0V.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型基板(半導体基板) 2 p型ウェル層 2a 同薄層部分 3 n型不純物層(フォトダイオード) 5 n型不純物層(電荷転送部) 7(7a〜7d) 転送電極(電荷転送部) 8 読み出しチャンネル 10 読み出しゲート電極 1 n-type substrate (semiconductor substrate) 2 p-type well layer 2a same thin layer portion 3 n-type impurity layer (photodiode) 5 n-type impurity layer (charge transfer part) 7 (7a to 7d) transfer electrode (charge transfer part) 8 readout channel 10 readout gate electrode

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の光電変換素子と、この光電変換素子
で発生した信号電荷を一時蓄積して転送する該光電変換
素子に隣接したMOS型電極によって形成された電荷転
送部と、前記光電変換素子で発生した過剰電荷を半導体
基板に排出するオーバーフロードレインとを備えた固体
撮像装置において、 前記オーバーフロードレインは縦型オーバーフロードレ
インであり、前記光電変換素子で発生した信号電荷を前
記電荷転送部に読み出す読み出しゲート電極をこの電荷
転送部の不純物層の上方を覆う転送電極と電気的に分離
された電極によって構成し、前記光電変換素子で発生し
た信号電荷を前記電荷転送部へ転送する転送タイミング
以外の期間に、前記転送電極に高レベル電圧(VM )を
印加した状態で前記読み出しゲート電極の電位を前記縦
型オーバーフロードレインの電位(ΦOFD )より低電位
にすることを特徴とする固体撮像装置。
1. A photoelectric transfer element, a charge transfer section formed by a MOS type electrode adjacent to the photoelectric conversion element for temporarily storing and transferring signal charges generated in the photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element. In a solid-state imaging device including an overflow drain that discharges excess charges generated in an element to a semiconductor substrate, the overflow drain is a vertical overflow drain, and the signal charge generated in the photoelectric conversion element is read to the charge transfer unit. The read gate electrode is constituted by an electrode electrically separated from the transfer electrode covering the impurity layer of the charge transfer section, and the signal charge generated in the photoelectric conversion element is transferred to the charge transfer section except at the transfer timing. During the period, the potential of the read gate electrode is set to the above while the high level voltage (VM) is applied to the transfer electrode. The solid-state imaging device, characterized in that the from the low-potential type overflow drain potential (ΦOFD).
【請求項2】前記縦型オーバーフロードレインは、n型
基板の上にpウェル層を設けこのpウェル層と前記n型
基板との間に逆バイアス電圧を印加して構成することを
特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
2. The vertical overflow drain is formed by providing a p-well layer on an n-type substrate and applying a reverse bias voltage between the p-well layer and the n-type substrate. The solid-state imaging device according to claim 1.
【請求項3】前記信号電荷を電荷転送部に読み出す読み
出しゲート電極を予め形成し、この電極のセルフ・アラ
インによる不純物イオンの注入により、前記電荷転送部
の不純物層を形成したことを特徴とする請求項1記載の
固体撮像装置。
3. A read gate electrode for reading the signal charge to a charge transfer portion is formed in advance, and impurity ions are implanted by self-alignment of the electrode to form the impurity layer of the charge transfer portion. The solid-state imaging device according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006229105A (en) * 2005-02-21 2006-08-31 Sony Corp Solid-state imaging device
US7218346B1 (en) 1998-06-03 2007-05-15 Nec Electronics Corporation Method for driving solid-state image pickup device
JP2008072046A (en) * 2006-09-15 2008-03-27 Fujifilm Corp Solid state image sensing element and its driving method
US7557845B2 (en) * 2003-09-09 2009-07-07 Seiko Epson Corporation Solid state imaging device incorporating unwanted electric charge discharging channel and method of driving the same

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Effective date: 19980929