JPS5885679A - 電荷転送形イメ−ジセンサ - 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】 本発明は、電荷転送形イメージセンサの改良に関する。

従来、電荷転送形のイメージセンサとしては、第１図に
示すものが知られている。図中１は例えばシリコンから
なるｐ型半導体基板である。

この基板１０表面には入射した光信号によシミ荷を発生
するｎ型のフォトダイオード２、とのフォトダイオード
２の周囲のｎ型の埋込み層３及び後記感光部で蓄積した
電荷を排出するｎ型のドレイン領域４が形成されている
。前記フォトダイオード２１１！を含む基板１上には、
絶縁膜例えば５ｔＯ２膜５が被覆されている。このＳｔ
Ｏ□膜５内膜上内前記フォトダイオード２を中心として
左右め位置に、信号電荷を蓄積する蓄積電極６１，６．
が設けられ、前記埋込み層３の真上に位置するように電
荷を転送する転送電極７が設けられている。また、５１
０２膜ｓ内には前記蓄積電極６１、転送電極７の夫々一
部を覆うように１蓄積電極６１．６．下に蓄積した信号
電荷の後記電荷転送読出しレジスタへの転送を制御する
シフト電極８が設けられている。更に１ＳｔＯ２膜６内
には一部が前記ドレイン領域４の真上に位置するように
、後記感光部で蓄積した電荷を前記ドレイン領域４へ排
出することを制御する積分クリア電極９が設けられてい
る。前記５１０２膜５上には、フォトダイオード２の真
上に対応する部分に開孔部１０を有した例えばＡノから
なる光シールド膜１１が形成されている。

なお、かかる構造のイメージセンサにおいて、フォトダ
イオード２と蓄積電極６１，６．とから構成される部分
を感光部と呼び、埋込み層３と転送電極７とから構成さ
れる部分を電荷転送読出しレジスタと呼ぶ。

次に、上記電荷転送形イメージセンナの動作を、第２図
に基づいて説明する。図中（ａ）はシフト電極８へ印加
されるパルス（シフト／４ルス）のタイミング図、伽）
は、積分クリア電極９へ印加されるｔ４ルス（積分クリ
アーダルス）のタイミング図、（Ｃ）はドレイン領域４
へ印加されるノ々ルス（ｏｒｏｘルス）のタイミング図
である。なお、蓄積電極６１．６ＢＫは一定の電圧が印
加され、転送電極７にはクロックノルスミ圧が印加され
る。また、シフト電極８、積分クリア電極９におけるシ
フトΔルス（８Ｈ）、積分クリアパルス（ＩＣＧ）の高
レベル■、低レベル■時の電位井戸８　　８　　９　　
９ は、夫々ｖ　ｐＪ）、ｖ、１〜、ｖよ（６）、■、ア■
とする。

前述した電荷転送形イメージセンサにおいて、光信号を
光シールド膜１１の開゛孔部１０からフォトダイオード
２に入射すると、フォトダイオード２で信号電極が発生
し、これら信号電荷が蓄積電極６１＋６ｓＫ蓄積される
。こうした状ＩＩにおいて、シフト電極８への１つ目の
シフトノルス（８Ｈ）ｔ’高レベル（ロ）にする時間（
Ｔｌ）で、電位井戸がＶ　、Ｖ＠となシ、前記感光部に
蓄積された基準電位以上の電荷は、電荷転送読出しレジ
スタの埋込み層３に電荷転送されて出力部より信号とし
て出力される。次に、前記シフト／４ルスを低レベル■
にする時間（Ｔｌ）で、電位井戸がＶ　ｐ８ｗ■となり
、読出しレジスタへの１回目の電荷転送が完了する。ま
た、シフトΔルスを低レベル（ロ）Ｋすると同時に１積
分クリヤ電極９への積分クリア・々ルス（ＩＣＧ）を高
レベル（ロ）にすると、電位井戸がｖｐ９Ｗ＠となり、
シフト・々ルスを低レベル■にした後感光部に蓄積した
電荷は、積分クリア電極９を介してドレイン領域４に排
出される。次に１前記績分クリア、ｐ４ルスを低レベル
（ト）にする時間（Ｔｓ）で、電耕戸ｔＥ　Ｖ　Ｐ’Ｗ
（１）となり、感光部に入射した光によシ生成する電荷
はドレイン領域４へ排出されずに感光部への蓄積が開始
され、所定時間（Ｔ４）経過後シフト電極８への２つ目
のシフト／４ルスを高レベルにすることにより、再び電
位井戸がＶ　ｐ８Ｗ＠となシ、積分クリア／臂ルスが低
レベルになりた時間（Ｔｓ）かラシフトノ々ルスが低レ
ベルＫ　”ｌｋ　ル時間（ＴＩ）　ｔでの期間を電荷蓄
積期間と呼ぶ。この電荷蓄積期間に感光部に蓄積される
電荷が、読出しレジスタを介して次の信号成分として出
力される。

なお、電位井戸Ｖｐｖ■はＶ　ｐｖ■より深いので、電
荷蓄積期間に強力な光照射によυ発生した過剰電荷は積
分クリア電極９を通シトレイン領域４へ排出される。こ
うした電荷転送形イメージセンサの光電変換特性図は第
３図に示す通シである。図中（４）は第１図図示の電荷
転送形イメージセンサの特性を示し、光量が零のとき暗
時出力ＶＤ　があられれることが確認できる。また、俤
）は、理想的な電荷転送形イメージセンサの特性であシ
、光量が零になるまで直線性が保持され、光量が零のと
き出力が零となる。■、　ＣＢ）ともに所定以上の光量
が与えられると出力電圧値は飽和出力電圧ＶＢ　となる
。

しかしながら、従来の電荷転送形イメージセンサは、次
の欠点を有していた。

■基板の材質としてシリコンのように温度依存性の強い
ものを用いるため、イメージセンサの暗時出力は動作温
度依存性が強く、高温動作時に暗時出力成分によりダイ
ナミックレンジが低下したり、暗時出力の不均一性によ
り信号出力の不均一性が増大してノイズ成分が多くなり
、その結果大きな暗時出力を考慮に入れた周辺ＩＣの製
作が必要となる。

■感光部の領域が水平方向に大きく、かつシフトノ９ル
スのＯＮ状態の時間が１００μ！１〜１０　ｎｍと短か
いとき、感光部に蓄積された電荷が完全に読出しレジス
タに電荷転送されず、いわゆる光電変換特性における足
切り現象が起こり、光電変換特性の直線性が劣化する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、感光部に発
生、蓄積された信号電荷を完全に読出しレジスタに電荷
転送できるとともに、かかる信号電荷の低出力レベルま
で光電変換特性の直線性を保持して出力できる電荷転送
形イメージセンサを提供することを目的とするものであ
る。

以下、本発明の１実施例を第４図〜第６図を参照して説
明する。

図中２１はｐ型半導体基板である。この基板２１の表面
には、入射した光信号により電荷を発生するｎ＋型のフ
ォトダイオード２２、このフォトダイオード２２の周囲
のｎ型の埋込み層２３、後記感光部で蓄積した電荷を排
出するｎ型のドレイン領域２４、及び前記フォトダイオ
ード２２等を電気的に分離するチャネルストッＡｐ＋領
域２５が形成されている。前記フォトダイオード２２等
を含む基板２１上にはＳｔＯ□　膜２６が被覆されてい
る。この５１０２膜２６内には、前記フォトダイオード
２２を基準として左右対称に、暗時出力を補償する暗時
出力補償電極２１１　＋２１１及び信号電荷を蓄積する
蓄積電極２８１．２ｇ、が夫々設けられている。また、
Ｓ’ＩＯ，膜２６内の埋込み層２３の真上に位置する部
分には、電荷を転送する転送電極２９が設けられている
。更に１前記ＳＳＯ，膜２６内には、前記暗時出力補償
電極！７１ｙ２７を上に夫々左右（る一部オーパラツブ
するように、前記信号電荷の量を制御する第１０バリア
？’　　）　３１７１　　＋３０雪及び第２のバリアｌ
”　−ト３１１　．３１雪が設けられている。前記５Ｉ
Ｏ２膜２６内の蓄積電極２８１と転送電極２９間には、
前記蓄積電極２８１．２ｇ、下に蓄積した信号電荷を、
後記電荷転送読出しレジスタへ転送するととを制御する
シフト電極３２が設けられている。また５１０２膜２６
内の蓄積電極２８雪上に一部オーパラ、ｆするように、
後記感光部で蓄積した電荷をドレイン領域２４へ排出す
ることを制２御する積分クリア電極３３が設けられてい
る。前記８１０２膜゛２６上には、フォトダイオード２
２の真上に対応する部分にｊｌｌ’Ｐｒ９ｙ　Ｑ　３４
を有するアルミニウム（Ａｌ）　　からなる光シールド
膜３５が形成されている。なお、前述した構造のイメー
ジセンサにおいて、フォトダイオード２２と暗時出力補
償電極２７１　．２７．と蓄積電極２８１゜２８鵞と第
１．第２のバリアｌ’　　）　Ｊ　Ｏ＠　　＃Ｊ　Ｏ鵞
、！　１１　　ｔ　３１ｇとから構成される部分を感光
部と呼び、前記埋込み層２３と転送電極２９とから構成
される部分を電荷転送読出しレジスタ３６と呼ぶ。

次に１、上記電荷転送形イメージセンサの動作を、第７
図に基づ臂て説明する。図中（、）はシフ）電極３ｚへ
印加サレルノ臂ルス（シフトノ９ルス）のタイミング図
、（ｂ）は積分クリア電極３３へ印加されるノタルス（
積分クリア／＃ルス）のタイミング図、（Ｃ）はドレイ
ン領域２４へ印加されるパルス（ＯＦＤ）々ルス）のタ
イミング図、（ａ）は第１のバリアｌ”　　）Ｊｏｌ　
　、３０２へ印加されるバリア）ｆ　−）　ｔ４ルス（
ＢＧＩ）のタイミング図、（ｅ）は第２のパリアゲート
３１１＊３１！へ印加されるバリアｒ−トΔル、ス（Ｗ
ａＸ　）のタイミング図、（ｆ）は暗時出力補償電極２
７１１２７．へ印加されるノ゛ルス（ＤＲＫ）々ルス）
のタイミング図である。

なお、蓄積電極２　Ｊｉｌ　　ｅ　２８２には一定の電
圧が印加され、転送電極２９にはクロックパルス電圧が
印加される。また、シフト電極３２、積分クリア電極３
３及び第２のバリアダート３１１゜３１ｔｌＩＣおける
シフトパルス（８ＦＩ）、積分クリアノルス（ＩＣＧ）
及びバリアダートパルス（ＢＯ２）の高レベル（財）、
低レベル■時の電位井戸は、夫々３２　　　　　３２　
　　　３３　　　　　３３ｖｐｖ　岨Ｖ　ｐｗ■、Ｖ　
ｐｖ＠、Ｖｐｖ（［−）、ｖｉ↓（ロ）、Ｖμ（ト）と
する。

前述した電荷転送形イメージセンサにおいて、光信号を
光シールド膜３５（Ｄ欄＋）各１７岬３４からフォトダ
イオード２２に入射すると、フォトダイオード２２で信
号電荷が発生し、これら信号電荷は第１．第２０ノ々リ
ア？’　　）　３０１　　ｍ　３０Ｂｅ！７１．３１．
により制御されて蓄積電極２８１゜２８１と暗時出力補
償電極２１１　　ｐ　ｊ　１１下に蓄積される。こうし
た状態において、シフト電極３２への１つ目のシフトΔ
ルス（ＳＨ）を高レベル■にする時間（ＴＩ）　　で、
電位井戸がＶＢ４となシ、フォトダイオード２２で発生
した電荷、暗時出力補償電極２７１＋２１Ｍ及び蓄積電
極ｊＪｔｌ　　、２Ｂ、下で蓄積された電荷は、読出し
レジスタ３６の埋込み層２３．ＶＣ電荷転送されて、出
力部よシ信号として出力される。次に、前記シフトｄル
スを低レベル（イ）にする時間（Ｔ、）と、電位井戸が
ｖｔ（ト）となり、読出しレジスタＪ＃への１回目の電
荷転送が完了する。また、シフト／臂ルスを低レベルに
すると同時に１積分クリア電極３３への積分クリアーや
ルス（！ｃｃ；）及ヒ第２のバリアｌ’−ト３１．．３
１．へのノぐリアｒ−トハルス（ＢＯ２）ヲ高レベル（
６）Ｋするト、各々の電位井戸がＶｐｖ（ロ）％　Ｖｐ
ｖＫ　ｖｉ蕃■となシ、電荷転送後、フォトダイオード
２２゛で発生した電荷、暗時出力補償電極２７１　　＃
　２７２及び蓄積電極２　ｌ１１ｒ　２８１下に蓄積さ
れた電荷は、＠１．第２のΔリアグー）　３０１　　＋
　Ｊ　Ｏｘ　　＋３１１　．３１雪、暗時出力補償電極
２７１　。

２７３、蓄積電極２８１　ｅ　！’　８ｇ及び積分クリ
ア電極３３を介してドレイン領域２４へ排出される。次
に、前記積分クリア・ぐルス及びパリアグートノダルス
（ＢＧｆｆｉ　）を低レベル■にする時間３ （Ｔｓ）　　ｆ、電位井’Ｆ”　カ夫ｈ　ｖ　ｐｖ（ｔ
）％　Ｖ　ｉ！ａ、２ Ｖｐｖ面となシ、感、先部に入射した光によル生成する
電荷は、ｒレイン領域２４へ排出されずに第１のバリア
？”−）　３０１　　ｅ　ｊ　ｏ＠を介して暗時出力補
償電極”　１　　ｔ　ｊ　１２下に蓄積が開始され、更
に第２のバリアｒ−）　３１１　　、３’ｉ鵞を介して
蓄積電極”　１　　ｅ　２　ｇｇ下に蓄積が開始され、
所定時間（Ｔ４）経過後シフト電極３２への２つ目のシ
フトノタルスを高レベルにすることにより、再び電位井
戸がｖｔ（９）となり、積分クリアｔ４ルスが低レベル
に−６うた時間（〒３）からシフト／母ルスが低レベル
になる時間（Ｔｓ）　　１でに蓄積電極２８１　　ｅ２
１１Ｂ下に蓄積された電荷が、電荷転送読出しレジスタ
３６を介して次の信号成分として出力される。

しかして、上記電荷転送形イメージセンサによれば、感
光部の一部として暗時出力補償電極２１％、２７．を設
けているため、高温の使用条件下でも暗時出力成分に対
応した電荷を暗時出力補償電極２７１　　ｔ　２７ｍ下
に蓄積させ、暗時出力成分を補償した信号出力を取）出
すこと　　。

ができ、その結果、ダイナミックレンジが大きく、信号
出力が均一性を有し、信号出力成分が小さい領域まで光
電変換特性の直線性を保持できる。

また、暗時出力補償電極２７１ｅ２７Ｎへの印加電圧を
制御するととＫより、暗時出力の補償量を制御でき、イ
メージセンサの使用温度に対応した暗時出力補償電極１
７１＊２７雪の印加電圧を設定することができる。

がお、本発Ｅｌ！に係る電荷転送形イメージセンサにお
いては、ｐ型半導体基板を用いた場合について説明した
が、これに限らず、ｎ型半導体基板を用いたイメージセ
ンサに４適用できる。

以上、詳述した如く本発明によれば、感光部に発生、蓄
積した信号電荷を完全に読出しレジスタに電荷転送でき
るとともに１該信号電荷を低出力レベルまで光電変換時
の直線性を保持でき、高温下で４十分機能し得る高信頼
性の電荷転送形イメージセンサを提供できるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電荷転送形イメージセンサの断面図、第
２図は第１図図示の電荷転送形イメージセンナのシフト
電極、積分クリア電極及びドレイｙ部間の動作タイζフ
グを示す図、第３図は第１図図示の電荷転送形イメージ
センナの光電変換特性を示す図、第４図は本発明の１実
施例である電荷転送形イメージセンサの平面図、第５図
は第４図の要部拡大断面図、第６図は第５図のＡ　−Ａ
’線に沿う断面図、第７図は第４図〜第６図図示の電荷
転送形イメージセンサのシフト電極、ドレイン領域、第
１・、第２のバリアｒ−）及び暗時出力補償電極間の動
作タイミングを示す図である。 ２１・・・ｐ型半導体基板、２２・・・ｎ型のフォトダ
イオード、２３・・・ｎ型の埋込み層、２４−ドレイン
領域、２５・・・チャネルスト、Ａｐ領領域２６・・・
８１０．膜、！　７１　　＊　ｊ？　７鵞・・・暗時出
力補償電極、２８１９２Ｂ、・・・蓄積電極、２９・−
転送電極、！　０１　　＊　３０　Ｈｅ　３１１　　ｅ
　３１冨−パリアゲート、３２・・・シフト電極、３３
・・・積分クリア電極、３４・・・１孔部、３５・・・
光シールド膜、３６・・・電荷転送読出しレジスタ。 ご ４４９− ；」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、−導電型の半導体基板上に形成され、光信号に対応
   して信号電荷を発生、蓄積する感光部と、前記信号電荷
   を読み出す電荷転送読出しレジスタと、前記信号電荷を
   前記感光部から電荷転送読出しレジスタへ転送し制御す
   るシフト電極と、前記感光部で蓄積した電荷を排出する
   ドレイン部と、前記感光部で蓄積した電荷を前記ドレイ
   ン部へ排出することを制御する積分クリア電極とからな
   る電荷転送形イメージセンサにおいて、前記感光部を、
   入射した光信号によシ信号電荷を発生するフォトダイオ
   ードと、信号電荷を蓄積する蓄積電極と、信号電荷の量
   を制御する複数のバリア？−）部と、暗時出力を補償す
   る暗時出力補償電極とから構成したことを特徴とする電
   荷転送形イメージセンナ。 ２、暗時出力補償電極の印加電圧を制御するととＫよシ
   暗時出力の補償量を制御することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の電荷転送形イメージセンサ。