JPH09331056A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の順次走査用の固体撮像装置では垂直転
送電極が３層であったが、２層で構成される順次走査可
能な固体撮像装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 垂直転送部３２は１層目の垂直転送電極
３３および３５と２層目の垂直転送電極３４および３６
を単位として構成され、垂直転送電極３３および３６は
垂直方向の光電変換素子同士の間隙を通して水平方向の
他の垂直転送部と共通化されている。導電性配線３７は
垂直転送部３２の上および垂直方向の光電変換素子３１
同士の間隙の上に配置され、かつ垂直転送電極３４およ
び３５とコンタクト窓３８を介して電気的に接続されて
いる。位相が１／３周期ずつずれた垂直駆動パルスを垂
直転送電極３３、導電性配線３７および垂直転送電極３
６に印加することにより、光電変換素子３１の信号電荷
を混合することなく独立に垂直転送でき順次走査が可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は順次走査または全画
素読み出しが可能な固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置は、小型軽量、長寿命、低
消費電力、対振性などの特徴を有しており、ビデオカメ
ラ用として民生用は勿論放送など業務用にも広く用いら
れるようになってきた。また近年のマルチメディア分野
の進展にともなってデジタルスチルカメラの開発が活発
になってきている。このような背景のもと、これまで主
流であった飛び越し走査に比べて垂直解像度が高くまた
コンピュータとの親和性が良い順次走査が可能な固体撮
像装置の開発が強く要望されるようになってきている。

【０００３】以下、従来の順次走査が可能な固体撮像装
置について説明する。図６は一般的な順次走査が可能な
固体撮像装置の概略構成図である。図６に示すように、
固体撮像装置は基本的には、光電変換素子１、ＣＣＤな
どの電荷転送素子を用いた垂直転送部２、ＣＣＤなどの
電荷転送素子を用いた水平転送部３、出力部４で構成さ
れている。光電変換素子１に入射した光は光電変換され
て信号電荷を形成し、この信号電荷は光電変換素子１に
蓄積される。光電変換素子１から読み出された信号電荷
は混合することなく垂直転送部２を図面の下方向に垂直
転送され、次に水平１列ごとに信号電荷が水平転送部３
に読み出され、水平転送された後、出力部４から出力さ
れる。

【０００４】図７（ａ）は従来の順次走査が可能な固体
撮像装置の光電変換素子と垂直転送部の詳細を示した平
面構成図である。垂直転送部１１は１層目の垂直転送電
極１２、２層目の垂直転送電極１３および３層目の垂直
転送電極１４の３層で構成され、これらの垂直転送電極
１２，１３，１４は垂直方向の光電変換素子同士の間隙
を通して水平方向の他の列の垂直転送部と共通化されて
いる。図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断
面構成図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿っ
た断面構成図である。１６は垂直転送部に光が直接入射
することを防ぐ遮光層であり、１７は垂直転送電極およ
び遮光層を電気的に絶縁する絶縁層であり、１８は半導
体基板である。

【０００５】図８は図７で示した順次走査が可能な固体
撮像装置の信号電荷の垂直転送方法を示すタイミング図
である。図８（ａ）〜（ｇ）は信号電荷（斜線領域）の
垂直転送の様子を時刻ｔａ〜ｔｇの時系列的に示したも
のである。位相が１／３周期ずつずれた垂直駆動パルス
２１，２２および２３をそれぞれ垂直転送電極１２，１
４および１３に印加することにより、光電変換素子１５
の信号電荷を混合することなく独立に垂直方向（図８の
場合には図面の右側方向）に転送することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、垂直転送電極を３層構造にする必要があ
るため、垂直転送電極を２層２電極構造でできる飛び越
し走査用の固体撮像装置に比べて製造工程が複雑でかつ
多くなり、また光電変換素子と垂直転送部の段差が大き
くなり遮光層の形成が困難であるという課題を有してい
た。

【０００７】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、垂直転送電極が２層構造でできる順次走査可能な固
体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の固体撮像装置は、垂直転送部が各光電変換素
子それぞれに対し２層構造で連続する４つの第１〜第４
の垂直転送電極からなる単位垂直転送電極群と、その単
位垂直転送電極群の隣接する２つの垂直転送電極を電気
的に接続する導電性配線とで構成されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、半導体基板上に、２次元的に配置された複数個の光
電変換素子と、前記光電変換素子に隣接し光電変換素子
から読み出した信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から読み出した信号電荷を水平転送する
水平転送部とを有する固体撮像装置であって、前記垂直
転送部は各光電変換素子それぞれに対し２層構造で連続
する第１〜第４の４つの垂直転送電極からなる単位垂直
転送電極群と、前記単位垂直転送電極群の隣接する２つ
の垂直転送電極を電気的に接続する導電性配線とで構成
され、各光電変換素子の信号電荷を混合することなく独
立に垂直転送する手段を備えたものである。これにより
２層構造でありながら順次走査ができる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
固体撮像装置において、垂直転送部上および垂直方向の
光電変換素子同士の間隙上に配置された遮光層を兼ねた
第１の導電性配線を有し、前記第１の導電性配線と単位
垂直転送電極群のうち垂直方向に隣接する第２と第３の
垂直転送電極とが電気的に接続されたものであり、これ
により垂直転送電極を２層構造で順次走査ができるとと
もに、製造工程数を削減でき、さらに光電変換素子と垂
直転送部との段差を軽減できる。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
固体撮像装置において、単位垂直転送電極群のうち第１
と第２の垂直転送電極を電気的に接続する第２の導電性
配線と前記単位垂直転送電極群のうち第３と第４の垂直
転送電極を電気的に接続する第３の導電性配線とを有す
るものであり、これにより、垂直転送電極を２層構造で
順次走査ができるとともに、垂直転送電極に印加する駆
動パルスが２種類で済むため駆動回路を簡略化でき、ま
た、１層目と２層目の垂直転送電極の面積比を調整する
ことで、垂直転送部の取り扱い最大電荷量を増大するこ
とができ、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大す
ることができる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１記載の
固体撮像装置において、単位垂直転送電極群のうち第１
と第２の垂直転送電極を電気的に接続する第４の導電性
配線が垂直方向の光電変換素子同士の間隙上を通り水平
方向に連続的に配置され、前記単位垂直転送電極群のう
ち第３と第４の垂直転送電極を電気的に接続する第５の
導電性配線が垂直転送部上を垂直方向に連続的に配置さ
れており、これにより、駆動パルスを低抵抗の金属膜に
よる導電性配線によって各列の垂直転送電極に直接供給
できるため、垂直転送部の取り扱い最大電荷量の平面位
置依存性をなくすことができ固体撮像装置のダイナミッ
クレンジを拡大することができるとともに、駆動パルス
を低電圧化できる。さらに、垂直方向の光電変換素子同
士の間隙上に垂直転送電極を設ける必要がないため、光
電変換素子の面積を大きくすることができる。また、導
電性配線が遮光層を兼ねることができる。

【００１３】以下本発明の実施の形態について、図１か
ら図５を用いて説明する。 （実施の形態１）図１（ａ）は本発明の第１の実施の形
態における固体撮像装置を説明するための平面構成図、
図１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）のＣ−Ｃ’、
Ｄ−Ｄ’線に沿った断面構成図である。なお、図１
（ａ）において光電変換素子３１を２個Ｈ（水平方向）
×２個Ｖ（垂直方向）で示したが、実際には９４８個Ｈ
×４８６個Ｖを一組とする様に数多くの光電変換素子が
配置されている。垂直転送部３２は１層目の垂直転送電
極３３および３５と２層目の垂直転送電極３４および３
６の４電極を単位として構成され、垂直転送電極３３お
よび３６は垂直方向の光電変換素子同士の間隙を通して
水平方向の他の列の垂直転送部と共通化されている。導
電性配線３７は垂直転送電極３４および３５をコンタク
ト窓３８を介して電気的に接続し、かつこれらの垂直転
送電極３４，３５を他の列の垂直転送部での垂直転送電
極３４，３５と共通接続する作用と、垂直転送部に光が
直接入射することを防ぐ作用を行うものである。したが
って、導電性配線３７は垂直転送部３２の上および垂直
方向の光電変換素子３１同士の間隙の上に配置されてい
る。

【００１４】図２は第１の実施の形態における固体撮像
装置の信号電荷の垂直転送方法を示すタイミング図であ
る。図２（ａ）〜（ｇ）は信号電荷（斜線領域）の垂直
転送の様子を時刻ｔａ〜ｔｇの時系列的に示したもので
ある。位相が１／３周期ずつずれた垂直駆動パルス４
１，４２および４３をそれぞれ垂直転送電極３３、導電
性配線３７により共通接続された垂直転送電極３４，３
５および垂直転送電極３６に印加することにより、垂直
転送電極を２層構造でありながら実質３電極により光電
変換素子３１の信号電荷を混合することなく独立に垂直
方向（図２の場合には図面の右側方向）に転送すること
ができる。

【００１５】（実施の形態２）図３（ａ）は本発明の第
２の実施の形態における固体撮像装置を説明するための
平面構成図、図３（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図３（ａ）
のＥ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’線に沿った断面構成図である。垂
直転送部５２は１層目の垂直転送電極５３および５５と
２層目の垂直転送電極５４および５６の４電極を単位と
して構成され、垂直転送電極５３および５６は垂直方向
の光電変換素子５１同士の間隙を通して水平方向の他の
列の垂直転送部と共通化されている。導電性配線５７は
垂直転送電極５３および５４をコンタクト窓５８を介し
て電気的に接続し、これらの垂直転送電極５３，５４を
垂直転送電極５３を通して水平方向の他の列の垂直転送
部と共通化する作用を行うものである。導電性配線５９
は垂直転送電極５５および５６をコンタクト窓６０を介
して電気的に接続し、これらの垂直転送電極５５，５６
を垂直転送電極５６を通して水平方向の他の列の垂直転
送部と共通化する作用を行うものである。遮光層６１は
垂直転送部５２の上および垂直方向の光電変換素子５１
同士の間隙の上に配置され垂直転送部に光が直接入射す
ることを防ぐ。

【００１６】図３（ｂ）に示すｐ形の不純物層６３は垂
直転送電極５４および５６の下の半導体表面近傍のポテ
ンシャルを垂直転送電極５３および５５の下の半導体表
面近傍のポテンシャルよりも低くする作用をする。不純
物層６３は垂直転送電極５４および５６の下層の半導体
基板表面に、垂直転送電極５３および５５をマスクとし
てｐ形の不純物をイオン注入し、ｎ形の不純物層６２中
に形成されている。なお図３（ｂ）では不純物層６２お
よび６３の不純物をそれぞれｎ形およびｐ形の例で示し
たが不純物濃度が異なるｎ⁺形およびｎ形の組み合わせ
でもよい。

【００１７】図４は第２の実施の形態における固体撮像
装置の信号電荷の垂直転送方法を示すタイミング図であ
る。図４（ａ）〜（ｃ）は信号電荷（斜線領域）の垂直
転送の様子を時刻ｔａ〜ｔｃの時系列的に示したもので
ある。位相が１／２周期ずつずれた垂直駆動パルス７１
および７２をそれぞれ垂直転送電極５４と共通接続され
た垂直転送電極５３および垂直転送電極５５と共通接続
された垂直転送電極５６に印加することにより、垂直転
送電極を２層構造でありながら４電極により光電変換素
子５１の信号電荷を混合することなく独立に垂直転送す
ることができる。

【００１８】（実施の形態３）図５（ａ）は本発明の第
３の実施の形態における固体撮像装置を説明するための
平面構成図、図５（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図５（ａ）
のＧ−Ｇ’、Ｈ−Ｈ’線に沿った断面構成図である。垂
直転送部８２は１層目の垂直転送電極８３および８５と
２層目の垂直転送電極８４および８６の４電極を単位と
して構成されている。導電性配線８７は垂直方向の光電
変換素子８１同士の間隙上を通り水平方向に連続的に配
置されており、垂直転送電極８３および８４とコンタク
ト窓８８を介して電気的に接続されている。導電性配線
８９は垂直転送部上を垂直方向に連続的に配置されてお
り、垂直転送電極８５および８６とコンタクト窓９０を
介して電気的に接続されている。なお、導電性配線８９
はコンタクト窓８８の領域を避けている。また、導電性
配線８７および導電性配線８９は垂直転送部８２に光が
直接入射することを防ぐ遮光層の作用も併せて行うこと
ができる。

【００１９】図５（ｂ）に示すｐ形の不純物層６３は垂
直転送電極８４と８６の下の半導体表面近傍のポテンシ
ャルを垂直転送電極８３と８５の下の半導体表面近傍の
ポテンシャルより低くする作用をする。

【００２０】この構成の信号電荷の垂直転送は、図４で
示した垂直転送電極５３，５４，５５および５６をそれ
ぞれ図５で示した垂直転送電極８３，８４，８５および
８６に代えることにより説明することができ、同じ動作
をする。これにより垂直転送電極を２層構造でありなが
ら４電極により信号電荷を混合することなく独立に垂直
転送することができる。

【００２１】この構成の場合には、導電性配線８７と８
９は垂直電極を接続するとともに遮光層をも兼ねること
ができるため、図３で示した第２の実施の形態のように
遮光層６１をあえて形成する必要がなくなる。

【００２２】また、垂直転送電極は少し抵抗の高いポリ
シリコンで形成されているが、導電性配線は低抵抗の金
属膜で形成するため、この構造では各列の垂直転送電極
に金属膜を通して直接駆動パルスを供給できるため、垂
直転送部の取り扱い最大電荷量の平面位置依存性をなく
すことができ、駆動パルスの低電圧化ができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明の固体撮像装置は、
垂直転送部が各光電変換素子それぞれに対し２層構造で
連続する４つの垂直転送電極からなる単位垂直転送電極
群と、その単位垂直転送電極群の隣接する２つの垂直転
送電極を電気的に接続する導電性配線とで構成されてお
り、従来の順次走査用の固体撮像装置では垂直転送電極
を３層が必要であったが本発明では２層で構成できるた
め、製造工程数を増やすことなく、かつ光電変換素子と
垂直転送部の段差を大きくすることなく順次走査が可能
であり、従来に比べて低コストで順次走査対応の固体撮
像装置を実現できる。また、駆動回路の簡略化、ダイナ
ミックレンジの拡大を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態における固体
撮像装置を説明するための平面構成図 （ｂ）図１（ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面構成図 （ｃ）図１（ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面構成図

【図２】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装
置の垂直転送方法を説明するタイミング図

【図３】（ａ）本発明の第２の実施の形態における固体
撮像装置を説明するための平面構成図 （ｂ）図３（ａ）のＥ−Ｅ’線に沿った断面構成図 （ｃ）図３（ａ）のＦ−Ｆ’線に沿った断面構成図

【図４】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装
置の垂直転送方法を説明するタイミング図

【図５】（ａ）本発明の第３の実施の形態における固体
撮像装置を説明するための平面構成図 （ｂ）図５（ａ）のＧ−Ｇ’線に沿った断面構成図 （ｃ）図５（ａ）のＨ−Ｈ’線に沿った断面構成図

【図６】従来の順次走査が可能な固体撮像装置の概略構
成図

【図７】（ａ）順次走査可能な従来の固体撮像装置を説
明するための平面構成図 （ｂ）図７（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面構成図 （ｃ）図７（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面構成図

【図８】順次走査可能な従来の固体撮像装置の垂直転送
方法を説明するタイミング図

【符号の説明】

１，１５，３１，５１，８１ 光電変換素子 ２，１１，３２，５２，８２ 垂直転送部 ３ 水平転送部 ４ 出力部 １２，３３，３５，５３，５５，８３，８５ １層目の
垂直転送電極 １３，３４，３６，５４，５６，８４，８６ ２層目の
垂直転送電極 １４ ３層目の垂直転送電極 １６，６１ 遮光層 １７ 絶縁層 １８ 半導体基板 ２１，２２，２３，４１，４２，４３，７１，７２ 垂
直駆動パルス ３７，５７，５９，８７，８９ 導電性配線 ３８，５８，６０，８８，９０ コンタクト窓 ６２，６３ 不純物層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、２次元的に配置された
   複数個の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接し光
   電変換素子から読み出した信号電荷を垂直転送する垂直
   転送部と、前記垂直転送部から読み出した信号電荷を水
   平転送する水平転送部とを有する固体撮像装置であっ
   て、前記垂直転送部は各前記光電変換素子それぞれに対
   し２層構造で連続する４つの第１〜第４の垂直転送電極
   からなる単位垂直転送電極群と、前記単位垂直転送電極
   群の隣接する２つの垂直転送電極を電気的に接続する導
   電性配線とで構成され、各光電変換素子の信号電荷を混
   合することなく独立に垂直転送する手段を備えているこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 垂直転送部上および垂直方向の光電変換
   素子同士の間隙上に配置された遮光層を兼ねた第１の導
   電性配線を有し、前記第１の導電性配線と単位垂直転送
   電極群のうち垂直方向に隣接する第２と第３の垂直転送
   電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求
   項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 単位垂直転送電極群のうち第１と第２の
   垂直転送電極を電気的に接続する第２の導電性配線と前
   記単位垂直転送電極群のうち第３と第４の垂直転送電極
   を電気的に接続する第３の導電性配線とを有することを
   特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 単位垂直転送電極群のうち第１と第２の
   垂直転送電極を電気的に接続する第４の導電性配線が垂
   直方向の光電変換素子同士の間隙上を通り水平方向に連
   続的に配置され、前記単位垂直転送電極群のうち第３と
   第４の垂直転送電極を電気的に接続する第５の導電性配
   線が垂直転送部上を垂直方向に連続的に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。