JPS63308373A - 電荷転送装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は電荷転送装置に関し、特に制御ゲートを介し
て所定量以下の電荷を転送する電荷転送装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 第５図は一般のインターライン転送型固体撮像装置の構
成図である。

図を参照して、光電変換部として接続するフォトダイオ
ード１０が制御ゲート１２を介して、一般には埋込チャ
ンネル型の電荷結合素子（ＣＣＤ）よりなる垂直転送部
（以下ｒＶ　ＣＣＤＪと称する）に接続され、さらにＶ
ＣＣＤＩＩは水平転送部（以下ｒＨＣＣＤＪと称する）
に接続される。

ここで制御ゲート１２はフォトダイオード１０に蓄積さ
れた信号電荷をＶＣＣＤＩＩに移送するためのものであ
り、端子１３より制御クロック９丁が与えられる。また
、ＨＣＣＤｌ４の末端に形成される電荷検出部１５はＨ
ＣＣＤｌ　４から転送されてきた信号電荷を電圧値など
に変換するものであり、その出力は端子１６より外部に
取出される。

なお、第５図は便宜上水平３画素、垂直３画素の素子を
示している。

第６図は第５図にて示された単位画素についての断面図
である。

図を参照して、接地されたＰ形半導体基板１にフォトダ
イオードとなるＮ影領域２とＶＣＣＤの一部であるＮ影
領域３とが不純物領域１７を挾んで形成され、Ｎ影領域
２．３の外側には画素間を分離するための高濃度Ｐ影領
域７が形成される。

また、これらの領域上には酸化膜４を介して制御ゲート
電極６が不純物領域１７上方にｖｃｃｐの転送を制御す
るためのゲート電極５が形成される。

したがって、本図においてはＶＣＣＤの転送方向はＮ影
領域３に対して紙面を貫通する方向である。

また、不純物領域１７は制御ゲート電極６のしきい値電
圧Ｖを制御するためのものであり、このしきい値は約１
〜２ｖ程度に設定されている。

第８図は第５図に示した固体撮像装置を駆動するための
クロックタイミングチャートの概略図である。

ＶＣＣＤおよびＨＣＣＤのクロックは一般に多相タロツ
クであるがここでは簡単のため１ｙｆＡのみを示した。

次に第５図、第８図を用いて動作について説明する。垂
直ブランキング期間ＴｖにΦＴが高レベルとなり、フォ
トダイオード１０からＶＣＣＤｌｌに制御ゲート１２を
介して信号電荷が転送されると同時にフォトダイオード
１０はリセットされる。ＶＣＣＤｌｌに移された信号電
荷は垂直ブランキング期間Ｔｖおよび水平ブランキング
期間Ｔ□に印加されるＶＣＣＤのクロックにより、１水
平走査期間（Ｔｓ　＋　Ｔｓ　）ごとに１行ずつＨＣＣ
Ｄｌ４に並列に転送される。ＨＣＣＤｌ４に転送された
信号電荷は水平有効走査期間Ｔ、中に加えられるＨＣＣ
Ｄのクロックにより直列に電荷検出部１５に転送される
。第５図に示した装置では、３　Ｘ　（Ｔ５　＋Ｔ）１
　）　＋Ｔｖの期間ですべての画素信号が読出されるこ
とになり、これが１フレ一ム期間ＴＦに相当する。制御
ゲート１２に印加されているクロックはＴＦの周期であ
るので、フォトダイオードの信号電荷蓄積時間もＴＦと
なる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の固体撮像装置では、強い光が入射し
たときフォトダイオードが飽和しブルーミングという現
象が生じ画質を著しく劣化させる問題があった。

ここでブルーミングについて簡単に説明する。

第７図は信号電荷蓄積時間ＴＦ中の第６図における電子
に対するポテンシャルプロフィルを示した図である。

図において、ハツチング部は光電変換によりフォトダイ
オードに蓄積された信号電荷を示している。第７図°（
ａ）はフォトダイオードが飽和していない場合であるが
、強い光が入射するにつれフオドダイオード部のポテン
シャルは上がり遂に制御ゲート下のポテンシャルと一致
する。これ以上フォトダイオードには電荷を蓄積するこ
とができないため、これ以降光電変換により生じた電荷
は制御ゲート下を通してＮ影領域３、すなわちｖＣＣＤ
内に溢れ出すことになる。この様子を第７図（ｂ）に示
す。これがブルーミングと呼ばれる現象である。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、蓄積された電荷が所定量を越えてもブルーミング現
象の生じない電荷転送装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る半導体基板に形成された電荷転送装置は
、電荷を転送する制御ゲートを第１のしきい値電圧を有
する第１のゲート部と第２のしきい値電圧を有する第２
のゲート部とで構成し、第１のゲート部は電荷が注入さ
れる電荷注入部に接続し、かつ第１のしきい値電圧は、
第２のしきい値電圧より低く設定したものとする。また
制御ゲートには、第１のしきい値電圧より高く第２のし
きい値電圧より低い第１の電圧と、第１のしきい値電圧
より低い第２の電圧とに変動する電圧番印加する電圧印
加手段を備えたものである。

［作用］ この発明においては、第１のゲート部のみが導通状態お
よび非導通状態を繰返すので、いわゆるチャージポンプ
効果によって基板中の多数キャリアが、第１のゲート部
の電荷と結合するので注入された電荷が制御ゲートを越
えて溢れ出すことがない。

［実施例］ まず、この発明の実施例を示す前にチャージポンプ効果
について簡単に説明する。チャージポンプ効果はＪ、Ｓ
、ＢｒｕｇｌｅｒとＰ、　Ｇ、　Ａ。

Ｊｅｓｐｅｒｓにより報告された現象である。詳しくは
文献”Ｃｈａｒｇｅ　Ｐｕｍｐｉｎｇ　１ｎ　ＭＯＳ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ　’ＩＥＥＥ　　ＶＯＬ、ＥＤ−１６Ｎ
ｏ、３　　Ｐ２９７〜３０２　（１９６９）に記載され
ている。

第４図（ａ）および（ｂ）は異なりたゲート電圧に対す
るＭＯＳトランジスタのゲート下の深さ方向へのバンド
図を示している。

図中、破線は酸化膜とＰ形半導体基板の界面の位置を表
わしている。ＥＣは伝導帯の下端、Ｅｖは価電子帯の上
端、ＥＦはＰ形半導体基板のフェルミ準位を示している
。また上記界面のところに示した丸印は酸化膜と半導体
基板界面付近の禁制帯の中にあるエネルギ準位すなわち
界面準位を示したものであり、フェルミ準位より下にあ
る界面準位は電子を捕えており・で、フェルミ準位より
上にある界面準位は電子を放出しており０で示しである
。

第４図（ａ）はゲート電圧ｖＧがしきい値電圧以上の場
合であり、半導体基板の表面は反転状態となり界面準位
のほとんどは電子で満たされている。この電子は主にト
ランジスタのソース領域から供給される。次に第４図（
ｂ）に示すようにゲート電圧ＶＧを負電圧にすると電子
で満たされていた界面準位は表面に蓄積された正孔と再
結合する。この正孔は接地されているＰ形半導体基板よ
り供給される。このようにゲート電圧を振幅させると、
界面準位を介して電子と正孔の再結合を生じ基板中に正
孔の流れが生じる。これがチャージポンプ効果と呼ばれ
る現象の概略である。

次に、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例における固体撮像装置の１画素
の断面図を示したものであり、従来例の第６図に対応し
ている。ここで、従来例と異なるのは制御ゲート電極６
の下方に形成されたしきい値電圧制御用の不純物領域で
ある。すなわち、この不純物領域が光電変換部であるフ
ォトダイオードのＮ影領域２からＶＣＣＤ埋込チャンネ
ルであるＮ影領域３に向かって２つの領域に分けられて
いる。Ｎ影領域２側の第１の不純物領域８の部分は第１
のしきい値電圧Ｖ、Ｍ、を持ち、Ｎ影領域３側の第２の
不純物領域９の部分は第２のしきい値電圧ｖＴＮ□を持
つ。ここでＶＴＭＩとＶＴＨ２は１ ｖ、ＭＩ　＜ＶＴ％　２ となるようにこれらの不純物領域の不純物量が制御され
る。Ｖ、Ｈ，とＶＴＨ２の具体的な値の一例はＶＴ　ｓ
　＋　−０，５Ｖ、　Ｖ７　Ｈ２ｍ２．　５Ｖ”ｔ’あ
る。

第３図はこの発明の一実施例における固体撮像装置の制
御ゲートに印加するクロック９丁の一部を描いたクロッ
クタイミングチャートの概略図である。

なお、便宜上第８図に比べ水平ブランキング期間ＴＨの
部分は拡大しである。またＨＣＣＤおよびＶＣＣＤに加
えるクロックは従来と同じである。

次に動作について説明するが、信号電荷の読出方法につ
いては従来例と同じであるので説明は省略する。

従来例と異なるのは信号電荷蓄積期間ＴＦ中に制御ゲー
ト４に加えるクロックΦＴである。この実施例では水平
ブランキング期間Ｔ、に高レベルがＶ、低レベルがＶ、
の振幅をもつバーストパルスが印加されている。ここで
Ｖｌの値は前記第１のしきい値電圧ＶＴＨ＋より大きく
前記第２のしきい値電圧ＶＴＨ２より小さい値に設定す
る。なお、Ｖ、の値は負であり、マイナス数Ｖ程度に設
定する。また、垂直ブランキング期間Ｔｖに加えられる
信号電荷読出用のパルスは高レベルの■２の値を持つ。

このｖ２の値は前記第１のしきい値電圧ＶＴＭ＋および
前記第２のしきい値電圧７丁Ｈ２より大きな値である。

水平ブランキング期間ＴＨに印加されるバーストパルス
は高レベルがＶｌであるので第１図において領域Ａのみ
が反転および蓄積状態を繰返す働きをする。領域Ｂは反
転せず蓄積状態のままである。

第２図はこの状態を従来例の第７図に対応してポテンシ
ャルプロフィルで示したものである。

強い光が入射しフォトダイオード部が飽和し出すとそれ
以上に発生した電荷は先に述べたチャージポンプ効果に
より、第１図の領域Ａの部分で正孔と再結合し、Ｎ影領
域３、すなわちＶＣＣＤの埋込チャンネルに溢れ出すこ
とはない。バーストパルスの高レベルＶ、はｖＴＨ□よ
り低いので領域Ｂを反転させず、フォトダイオード部と
ＶＣＣＤの埋込チャンネルとは分離されているからであ
る。

なお、上記実施例では、電荷注入部としてフォトダイオ
ードを使用した固体撮像装置を対象としているが、電荷
が注入されるものであって、その電荷量が変動しやすい
装置にも適用できることは言うまでもない。

また、上記実施例では、電荷転送部に埋込チャンネル型
電荷結合素子を用いた場合について示したが、表面チャ
ンネル型電荷結合素子を用いてもよい。

また上記実施例では、転送電荷として電子を考えたが、
半導体の導電形式を反転することによって正孔を用いて
も同様の効果を奏する。

また、上記実施例では、制御ゲート部のしきい値電圧を
制御する方法として不純物濃度を変化させた領域を用い
る方法を示したが、制御ゲート電極部下の酸化膜厚を変
化させてもよい。

また、上記実施例では、制御ゲートに印加するバースト
パルスは水平ブランキング期間のみの場合について示し
たが、有効水平走査期間Ｔ、中に印加してもよいし、’
ｒＨ１’ｒ、期間ともに印加してもよい。ただ、このＴ
、の期間はＨＣＣＤにより信号電荷を出力している期間
であるので、この場合はバーストパルスの周波数を信号
帯域より上にする方がノイズの点で好ましい。

さらに、上記実施例では、インターライン転送形固体撮
像素子について説明したが、この発明は制御ゲートの構
造とこれに印加するクロックパルスによりブルーミング
抑制を行なうので、他の形の固体撮像素子、たとえば公
開特許公報（昭和５６−８９６６号公報）に示されてい
るようないわゆるフレームインターライン転送型固体撮
像素子にも適用できることは言うまでもない。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、電荷を転送する制御ゲ
ートを２つのしきい値電圧が異なる領域より構成゛して
、電荷注入部側の領域にのみ電荷注入時に導通状態およ
び非導通状態を繰返すようにしたので、チャージポンプ
効果によって注入された電荷が制御ゲートを越えて溢れ
出すことはなく、ブルーミングのない信頼のおける電荷
転送装置となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の一実施例を示すものであり
、第１図は固体撮像装置の一画素の断面図、第２図は第
１図におけるポテンシャルプロフィルを示す図、第３図
は制御ゲートに印加するクロックタイミングチャートの
概略図、第４図はゲート電圧に対するゲート下の深さ方
向のバンド図である。 第５図〜第８図は従来技術を示すものであり、第５図は
一般のインターライン転送型固体撮像装置の構成図、第
６図はこの固体撮像装置の一画素の断面図、第７図（ａ
）（ｂ）は第６図におけるポテンシャルプロフィルを示
した図、第８図は固体撮像装置を駆動するためのクロッ
クタイミングチャートの概略図である。 図において、１はＰ形半導体基板、２はＮ影領域、６は
制御ゲート電極、８は第１の不純物領域、９は第２の不
純物領域、１０はフォトダイオード、１２は制御ゲート
である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）注入された電荷を制御ゲートを介して転送する、
   半導体基板に形成された電荷転送装置であって、 電荷が注入される電荷注入部と、 前記電荷注入部に接続して前記制御ゲートの一部を構成
   する第１のしきい値電圧を有する第１のゲート部と、 前記第１のゲート部に接続して、前記制御ゲートの一部
   を構成する前記第１のしきい値電圧より高い第２のしき
   い値電圧を有する第２のゲート部と、前記第１のゲート
   部と前記第２のゲート部とからなる前記制御ゲートに電
   圧を印加する電圧印加手段とを備え、 前記電圧印加手段により印加された電圧は、前記第１の
   しきい値電圧より高く前記第２のしきい値電圧より低い
   第１の電圧と前記第１のしきい値電圧より低い第２の電
   圧とに変動する、電荷転送装置。
2. （２）前記第１のゲート部および前記第２のゲート部は
   、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域を含む、
   特許請求の範囲第１項記載の電荷転送装置。
3. （３）前記第１のゲート部と前記第２のゲート部とは、
   各々の不純物拡散領域の不純物濃度が異なる、特許請求
   の範囲第２項記載の電荷転送装置。
4. （４）前記電圧印加手段によって印加された電圧は、前
   記第１の電圧を高レベルとし、前記第２の電圧を低レベ
   ルとしたクロックである、特許請求の範囲第１項、第２
   項または第３項記載の電荷転送装置。
5. （５）前記クロックは、前記電荷の転送時には印加しな
   い、特許請求の範囲第４項記載の電荷転送装置。
6. （６）前記電荷注入部は、光電変換部を有する、特許請
   求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の電荷転
   送装置。
7. （７）前記半導体基板は、接地される、特許請求の範囲
   第１項ないし第６項のいずれかに記載の電荷転送装置。