JPS60120556A - 固体撮像装置 - 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】 ［技術分野］ この発明は、光検出技術さらには固体撮像装置に適用し
て有効な技術に関し、例えばＣＯＤ　（電荷結合素子）
ホトセンサにおける雑音の低減に利用して有効な技術に
関する。

［背景技術］ ＣＯＤ応用の１つとして１次元ＣＣＤホ１〜センサが知
られている（朝食書店１９８１年発行集積回路応用ハン
ドブック９６頁）。このような固体撮像装置においては
、雑音成分によるＳＮ比やダイナミックレンジの低下が
問題となる。このような雑音成分には、内因性のものと
外因性のものとがあるが、現在量も問題となっているの
は、暗電流と呼ばれる内因性雑音であり、この暗電流を
減らすことによってＳＮ比やダイナミックレンジを大幅
に向上させることができる。

しかして、固体撮像装置における暗電流は、半導体基体
内の微小欠陥（結晶欠陥）や基体と基体表面の酸化膜と
の界面の不安定要因（界面トラップ）が主な原因となっ
ている。この暗電流成分を低減するため、従来は、より
完全な結晶ウェハの製作、高温アニール、ゲッタリング
、高温処理を低温処理に変更するなどの方法により、ウ
ェハプロセス技術の改善を行なっていたが、プロセス条
件などのバラツキが大きいため充分に満足できる方法が
まだ確立されていないのが現状である。

そこで本発明者は、１次元ＣＣＤホトセンサにおける暗
電流を吸収して雑音成分を減少させるため、第１図に示
すような装置を開発した。すなわち、この１次元ＣＣＤ
ホトセンサは、ＰＮ接合のホトダイオードからなる光電
変換部としてのホトダイオードアレイ１の両側に転送ゲ
ート２．２を挟んでＣＣＤシフトレジスタ３，３が配置
された公知の１次元ＣＣＤホトセンサのアクティブ領域
の外側に、第２図に示すようにｎ型拡散層１４からなる
ダミーチャンネル部４９．４を設ける。そして、このダ
ミーチャンネル部４，４に＋１２Ｖ（７）ような電圧を
印加させることによって、アクティブ領域の外側からア
クティブ領域に流れ込んで来る暗電流を吸収して、ＳＮ
比等を向上させようというものである。

なお第１図において５は、転送りロックφ１゜φ２によ
って駆動されるＣＣＤシフトレジスタ３゜３から転送さ
れて来る信号電荷をｎ＋層からなる浮遊拡散層６へ送り
込むための出力ゲートで、浮遊拡散層６へ転送された電
荷は、プリアンプ７によって増幅されて出力信号Ｖ　ｏ
　ｕ　ｔが形成される。

Ｑｒは出力に先だって浮遊拡散層６の電荷を引き抜くた
めのリセット用ＭＯ８ＦＥＴである。また、８は上記Ｃ
ＣＤシフトレジスタ３，３の他端に設けられ、接地電位
にバイアスさ４しることにより電荷の送流を防止してい
る入力ゲート、９は転送速度等を測定する際に電荷をＣ
ＣＤシフトレジスタ３．３に入れてやるためのインプッ
トダイオードである。

一方、第２図において、１１はホトダイオードを構成す
るｎ＋拡散層で、ホトダイオードで光電変換された電荷
は、ＤＣバイアス電圧ｖｂが印加されるホトゲート１０
によってｎ＋拡散層１１とホトゲートｌＯの部分に一時
的に蓄積される。１２ｂは、転送ゲート２の電極１２ａ
の下にポテンシャルの階段を作って電荷の転送を容易に
するボロン打込み層、１３ａ、１３ｂはＣＣＤシフトレ
ジスタ３を構成する電極とｎ型拡散層である。

上記のような構造のＣＣＤホトセンサにあっては、確か
にアクティブ領域外から入って来る暗電−流をダミーチ
ャンネル部４で捕えて吸収してやることができる。とこ
ろが、暗電流は、アクティブ領域外のみならずアクティ
ブ領域内においても発生する。しかも、アクティブ領域
内で発生した暗電流成分は、光電変換部たるホトダイオ
ードアレイ１の部分に捕捉され易く、これが出力信号に
大きな雑音となってのって来ることが分かった。

［発明の目的］ この発明の目的は、従来に比べて顕著な効果を奏する光
検出技術を提供することにある。

この発明の他の目的は１例えば１次元ＣＣＤホトセンサ
のような固体撮像装置に適用した場合に、ＳＮ比を向上
させることができるようにすることにある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴に
ついては１本明細書の記述および添附図面から明かにな
るであろう。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、この発明は、例えば１次元ＣＣＤホトセンサ
において、ＣＣＤシフトレジスタの外側に遮光されたダ
ミーのホトダイオードアレイとダミーのシフトレジスタ
を設けるとともに、両者の間に転送ゲートを設は正規の
ＣＣＤシフトレジスタを動作させる転送りロックによっ
て、ダミーのシフトレジスタも動作させ、ダミーシフト
レジスタからは、ダミーのホトダイオードアレイに捕捉
された暗電流成分を転送させるようにすることによって
、ダミーと正規のシフトレジスタからそれぞれ送られて
くる信号の差動出力をとることによリ信号に含まれてい
る暗電流成分を相殺させることができるようにしてＳＮ
比を向上させるという」二記目的を達成するものである
。

以下図面を用いてこの発明を具体的に説明する。

［実施例］ 第３図および第４図は１本発明を１次元ＣＣＤホトセン
サに適用した場合の一実施例を示す。

この実施例では、ＣＣＤシフトレジスタ３，３の外側に
ダミーシフトレジスタ３０．３０が配設さ肛、さらにそ
の外側にはダミご転送ゲート２０゜２０を介して、ダミ
ーホトダイオード４０，４０が配設されている。ダミー
シフトレジスタ３ｏは、第２図におけるダミーチャンネ
ル部４を構成するｎ型拡散層１４と同じように転送方向
に連続して形成されたｎ型拡散層３１と、その上に薄い
酸化ＩＩＩ（１５）を介して形成さ九た電極３２とから
なる。さらにダミーシフトレジスタ３ｏは、転送方向に
治った断面図を示す第５図のように、上記電極３３が適
当な間隔をおいて形成され、その電極３３間に電位障壁
用の電極３２が形成されている。

電位障壁用電極３２の下の基板表面には電位障壁層３４
が形成されている。この構造は、前記ＣＯＤシフトレジ
スタ３と全く同じであり、同一のプロセスにより形成す
ることができる。

また、上記ダミー転送ゲート２０の電極２１は、第４図
に示すようにホトダイオードアレイ１とＣＣＤシフトレ
ジスタ３との間に設けられている転送ゲート２と同じ第
２層目のポリシリコンによって形成され、電極２１の下
の基板表面には、ＣＣＤシフトレジスタ３の部分と同じ
ように比較的薄い酸化膜（１５）が形成され、その下に
ボロン打込み層２２が形成されている。

さらに、ダミー転送ゲート２０の外側に設けられたダミ
ーホトダイオードアレイ４０．４０は、正規のホトダイ
オードアレイ１内のホトダイオードと同一構造（ＰＮ接
合ホトダイオード）で同一サイズに形成されている。し
かして、ダミーホトダイオードアレイ４０．４０は、第
４図に示すごとく正規のホトダイオードにのみ光が入射
できるようにするアルミニウム層（２８）によって遮光
されている。また、特に制限されないが、信号処理を容
易にするため、例えば正規のホトダイオードアレイ１が
、偶数番目のホトダイオードの電荷が下側のシフ１〜レ
ジスタ３へ転送されてシフトされ、奇数番目のホトダイ
オードの電荷が上側のシフトレジスタ３へ転送されてシ
フトされるようにされている場合には、下側のダミーホ
１ヘダイオードアレイ４０内には偶数番目のホトダイオ
ードに対応するようにダミーのホトダイオードが形成さ
れる。また、上側のダミーダイオードアレイ４０内には
、奇数番目のホトダイオードに対応するようにダミーホ
トダイオードが形成されている。

上記ダミーホトダイオードは、第４図のととくＰＮ接合
を構成するｎ＋拡散層４１とホトゲート４２とによって
構成されている。なお、同図において、６０はフィール
ド酸化膜、６１はチャンネルストッパとなるＩ）＋拡散
層である。

そして、この実施例では正規のＣＣＤシフ１〜レジスタ
３，３から送られて来る信号と、ダミーのＣＣＤシフト
レジスタ３０，３０から送らｉｃて来る暗電流成分を、
それぞれ別個に増幅するプリアンプ７ａ、７ｂ、７ｃが
設けられている、このプリアンプ７ａ、７ｂ、７ｃの出
力がセンサの外部端子に接続さ九た差動増幅器５０に入
力されるようにされている。

また、この実施例では上記ダミーホトダイオードアレイ
４０．４０の外側に、第２図のＣＣＤホトセンサと同様
にｎ型拡散層１４からなるダミーチャンネル４が設けら
れている。

従って、このダミーチャンネル４によって、アクティブ
領域の外側から入って来る暗電流成分が除去される。一
方、アクティブ領域内で発生した暗電流は、前述したよ
うにホトダイオードの部分に集まり易いが、この実施例
では正規のホトダイオードアレイ１と転送ゲート２，２
およびｃｃＤシフｌ〜レジスタ３，３と対称的にその上
下に、ダミーのＣＯＤシフ１−レジスタ３０．３０およ
び転送ゲート２０．２０とホトダイオードアレイ４０゜
４０が設けられている。ぞのため、正規のホトダイオー
ドアレイ１に入って来る暗電流と同じ量の暗電流がダミ
ーホトダイオードアレイ４０．４０内に入って来るよう
になる。従がって、転送ゲート２とダミー転送ゲート２
０を同時に開き、かつダミーシフトレジスタ３０．３０
を正規のシフトレジスタ３，３と同一の転送りロックφ
１．φ２で動作させると、信号に含まれる暗電流成分と
同じ量の暗電流成分がダミーシフトレジスタ３０゜３０
によって出力ゲート５側へ向って転送され、プリアンプ
７ｂ、７ｃによって増幅される。その結果、プリアンプ
７ａ、７ｂ、７ｃの出力を受けるようにされた差動増幅
器５０では、ダミーシフトレジスタ３０．３０によって
送られて来た暗電流成分と、正規のＣＣＤシフトレジス
タ３，３によって送られて来た信号出力に含まれている
暗電流成分とが相殺され、ＳＮ比が向上されるようにな
る。しかもこの場合、ホトダイオードアレイ１のみなら
ずＣＣＤシフトレジスタ３に捕捉される暗電流も同様に
して、ダミーシフトレジスタ３０に捕捉される暗電流に
よって相殺されるようになる。

さらに従来、１次元ＣＣＤホトセンサでは、ＣＣＤシフ
トレジスタの最終段のゲー１〜を開閉する転送りロック
のフィードスルーやリセットパルスφｒのフィードスル
ーによって第６図（ｌりのように出力信号Ｖ　ｏ　ｕ　
ｔにのってしまうノイズＮｃ。

Ｎｒをなくすため、ダミーの１ピッｌ−ＣＣＤとＭＯＳ
ＦＥＴを有するキャンセル回路を設けることが提案され
ているが、上記実施例によれば、そのようなキャンセル
回路を設けることなく、転送りロックφ、（φ２）およ
びリセットパルスφｒのフィードスルーによるノイズＮ
ｃ、Ｎｒをダミー側の出力にのるノイズで相殺させて除
去することができる。その結果、第６図（Ｂ）に示すよ
うなきれいな出力波形が得られる。

なお上記第４図の実施例では、基板上に形成されるポリ
シリコン電極のみ示され、層間絶縁膜やアルミ配線層あ
るいはパッシベーション膜等が示されていないが、これ
らは第２図に示すものと同じように形成される。

すなわち、１層目のポリシリコンからなるホ１へグー１
−電極１０とＣＣＤシフトレジスタ３の電極１３ａおよ
びダミーシフトレジスタ３０の電極３２の下には、シリ
コン酸化膜のような絶縁膜１５が形成されている。また
、上記ポリシリコン電極の上には、同じくシリコン酸化
膜等からなる層間絶縁膜１６を介して第２層目のポリシ
リコンからなる転送ゲー１〜２と２０の電極１２ａと２
１およびＣＣＤシフシフレジスタ３とダミーシフトレジ
スタ３０の電位障壁用電極３２が形成される。そして、
この２層目のポリシリコン電極上にＰＳＧ膜（リン・ケ
イ酸ガラス膜）１７を介してアルミ層１８が形成される
。このアルミ層１８は、ホトダイオードの開口部を形成
するとともに配線層も兼ねている。

アルミ層１８の」二には、ＰＳＧ膜のような絶縁１１１
１９が形成され、その上にはレジスタ部およびアクティ
ブ領域外のような不用な部分におし）で光を遮るための
第２のアルミ［２８が形成され、さらにその」二にはフ
ァイナルパッシベーション膜２９が形成されている。

この実施例では、上記２層目のアルミ層２８４ｍよって
ダミーホトダイオードアレイ４０．４０カ１遮光される
ようにされている。

また前記第３図の実施例では、プリアンプ７　ａ　＋７
ｂ、７ｃの出力が別々に差動増幅器５０Ｌ二人力される
ようにされているが、プリアンプ７ｂ、７Ｃの出力は、
これを合成して差動増幅器５０しこ入力させるようにし
てもよい。

「効果コ 以」二説明したように、１次元ＣＣＤホトセンサにおい
て、ＣＣＤシフ１−レジスタの外側番、二遮光されたダ
ミーのホトダイオードアレイとダミーのシフトレジスタ
を設けるとともに、両者の間しこ転送ゲートを設けてな
るので、正規のＣＣＤシフトレジスタを動作させる転送
りロツ月３よってダミーのシフトレジスタも動作させる
ようにすることＬコより、ダミーシフトレジスタから（
まダミー、Ｉ＜　Ｉ−ダイオードアレイに捕捉された暗
電流成分を転送させることができるようになると１１う
作用によって、ダミーと正規のシフ１−レジスタ力１ら
そ］Ｌぞ］し送１：）れで（る信号の差動出力をとるこ
とにより信号に含まれている暗電流成分が相殺されると
ともに、転送りロックやリセットパルスのフィードスル
ーによるノイズもカットされ、これによってＣＣＤホ１
−センサのＳＮ比が向上されるようになるという効果が
ある。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。例えば、前記実施例では
ダミーホトダイオードアレイの外側にダミーチャンネル
部が設けられているが、これを省略することも可能であ
る。また前記実施例では、差動増幅器がセンサ外部に接
続されるようにされているが、差動増幅器をホトセンサ
と同一の基板上に形成するようにしてもよい。さらに、
上記実施例では光電変換部がホトダイオードアレイで構
成されているが、ＣＣＤ撮像素子アレイからなるような
光電変換部であってもよい。

［利用分野］ 以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である１次元ＣＣＤホトセ
ンサに適用したものについて説明したが、この発明はこ
のに限定されるものでなく、２次元イメージセンサその
他固体撮像装置一般に利用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、１次元ＣＣＤホトセンサの一描成例を示すブ
ロック図、 第２図は、第１図におけるｎ−ｕ線部の断面図、第３図
は、本発明を１次元ＣＣＤホトセンサに適用した場合の
一実施例を示すブロック図、第４図は、第３図における
ＩＩＪ　−ＩＶ線部の断面図、第５図は、第４図におけ
る■−■線に沿った断面図、 第６図は、第１図のホ１−センサと本発明によるＣＣＤ
ホトセンサにおける出力波形を示す波形図である。 ■・・・・ホトダイオードアレイ、２・・・・転送ゲー
１〜．３・・・・ＣＣＤシフトレジスタ、４・・・・ダ
ミーチャンネル、６・・・・浮遊拡散層、７ａ、７ｂ、
７ｃ・・・・プリアンプ、１０・・・・ホトゲー１へ、
１２ａ・・・・転送ゲート電極、２０・・・・ダミー転
送ゲーｈ、３０・・・・ダミーシフトレジスタ、４０“
゛ダミーホトダイオードアレイ、５０・・・・差動増幅
回路。 代理人　弁理士　高橋　明夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光信号が入射される光電変換部と、この光電変換部
   において発生された信号電荷を外部へ転送するための転
   送部とからなる固体撮像装置において、上記光電変換部
   と転送部とが形成されたアクティブ領域の外側に遮光さ
   れた偽光電変換部と偽転送部を設け、上記転送部を動作
   させる制御信号と同じ制御信号によって偽転送部を動作
   させるようにされてなることを特徴とする固体撮像装置
   。 ２、上記光電変換部がＰＮ接合ホトダイオードアレイか
   らなり、また上記転送部がＣＣＤシフ１〜レジスタと、
   このＣＣＤシフトレジスタに光電変換部で発生した信号
   電荷を転送する転送ゲートとにより構成されたものにお
   いて、上記ＣＣＤシフトレジスタの外側に、アルミニウ
   ム層で遮光された偽ホ１−ダイオードアレイと、転送ゲ
   ー１〜およびＣＣＤシフトレジスタとからなる偽転送部
   が設けられてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。