(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された複数の受光部と、上記受光部から読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部によって転送された電荷を水平方向へ転送する水平転送部を有する固体撮像装置において、
上記垂直転送部と上記水平転送部との接続部に隣接して形成され、上記垂直転送部の電荷を空乏化させる電荷掃き出しゲートと、
上記電荷掃き出しゲートに隣接して形成された電荷掃き出しドレインを備え、
上記電荷掃き出しゲートは、上記垂直転送部の水平方向の一端を含むが他端を含まない一部だけを垂直転送電極を挟まずにゲート絶縁膜を介して覆っており、
上記電荷掃き出しゲートに任意のタイミングで電圧を印加することによって、任意の垂直転送部の信号電荷を上記電荷掃き出しゲートから上記電荷掃き出しドレインへ排出することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固定撮像装置において、
上記垂直転送部と上記電荷掃き出しドレインの間に位置する上記電荷掃き出しゲートの下に、上記垂直転送部と同一導電型のゲート直下層が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
隣り合う二つの上記垂直転送部が離隔延在している部分と、隣り合う二つの上記垂直転送部が近接延在している部分とを有すると共に、上記離隔延在している部分を垂直方向の異なる箇所に複数有し、
上記離隔延在している部分における上記隣り合う二つの上記垂直転送部の間に上記電荷掃き出しドレインを配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
半導体基板上に形成された複数の受光部と、上記受光部から読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部によって転送された電荷を水平方向へ転送する水平転送部を有する固体撮像装置において、
上記垂直転送部と上記水平転送部との接続部に隣接して形成され、上記垂直転送部の電荷を空乏化させる電荷掃き出しゲートと、
上記電荷掃き出しゲートに隣接して形成された電荷掃き出しドレインを備え、
隣り合う二つの上記垂直転送部が離隔延在している部分と、隣り合う二つの上記垂直転送部が近接延在している部分とを有すると共に、上記離隔延在している部分を垂直方向の異なる箇所に複数有し、
上記離隔延在している部分における上記隣り合う二つの上記垂直転送部の間に上記電荷掃き出しドレインを配置し、
上記電荷掃き出しゲートに任意のタイミングで電圧を印加することによって、任意の垂直転送部の信号電荷を上記電荷掃き出しゲートから上記電荷掃き出しドレインへ排出することを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像装置に関し、特に、信号の間引き読み出しを行う固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２次元イメージセンサについて説明する。図１４に、従来のＣＣＤ(電荷結合素子)を用いた固体撮像装置を示す。図１４において、１０１は受光部(フォトダイオード)、１０２は垂直ＣＣＤ、１０３は水平ＣＣＤ、１０４は電荷電圧変換部、１０５はアンプ、１０６は垂直転送電極、１０７は水平転送電極である。
【０００３】
２次元イメージセンサにおいては、高画素化が進んでおり、特に、デジタルスチルカメラでは、２００万画素を超えるものが主流となりつつある。
【０００４】
高画素デジタルスチルカメラに代表される撮像素子においては、全画素のデータを読み出して処理する駆動方法と全画素から一部の画素データだけを間引いて処理するための駆動方法とを切替えて操作することが一般的である。
【０００５】
前者は、プリンタ出力を主眼においた静止画取り込みモードすなわちスチルモードであり、後者は、モニター出力による撮像被写体の面郭調整を主眼においた動画像取り込みモードすなわちモニタリングモードである。
【０００６】
以下に、モニタリングモードにおける動作を説明する。
【０００７】
説明に使用するデバイス構成を図１５に示す。図１５において、１０１は受光部、１０２は垂直ＣＣＤ、１０３は水平ＣＣＤ、１０６は垂直転送電極、１０７は水平転送電極、１０８は遮光画素である。ここでは、モニタリングモードにおける間引き方式として、７画素について１つの画素を読み出す７分の１間引きモードとする。
【０００８】
図１５に示すように、垂直転送電極１０６は、ΦV1A,ΦV1B,ΦV2,ΦV3A,ΦV3B,ΦV4の６相のゲート電圧,２８ゲートを構成単位とする。このΦV1A,ΦV1BおよびΦV3A,ΦV3Bはフォトダイオードから信号電荷を読み出すのに用いられるゲート電圧、ΦV2,ΦV4は転送のみに使用されるゲート電圧である。
【０００９】
次に、図１６に、モニタリング時の駆動タイミングを示し、図１７に、ｔ１〜ｔ５の各時間におけるポテンシャル関係を示す。図１６において、Ｔｍはモニタリングモードでの垂直転送１サイクルの周期であり、スチルモードでの垂直転送１サイクルＴｓの４分の１周期である。
【００１０】
このモニタリングモードでは、各フィールドで読み出される信号は同じである。まず、時刻ｔ１で、ゲート電圧ΦV1Aによって対応する信号Ｒ(Ｇ)を読み出す。１構成単位において、ゲート電圧ΦV1Bが６ゲート分だけ存在するのに対し、ゲート電圧ΦV1Aが１ゲート分だけ存在するので、読み出される信号Ｒ(Ｇ)は、スチルモードの１フィールドのデータ量に対して、７分の１のデータ量となっている。
【００１１】
次に、時刻ｔ２で、ΦV1A〜ΦV4の６相のゲート電圧によって、ゲート電圧ΦV1Aによって読み出された信号を１画素分転送すると共に、ゲート電圧ΦV3Aによって対応する信号Ｇ(Ｂ)を読み出す。
【００１２】
読み出される信号は、Ｒ(Ｇ)と同様に、スチルモードの他方の１フィールドの７分の１のデータ量である。次に、時刻ｔ３にて、Ｒ(Ｇ)およびＧ(Ｂ)の各信号を更に１画素分転送する。以上の操作によって、Ｒ,Ｇ,Ｂ各色成分を含む信号を１つのフィールドで読み出すようにしている。
【００１３】
読み出された信号は、垂直ＣＣＤのパケットの中で、図１７のように配列されている。信号は１４画素当たり７パケットを構成単位として２画素分の異なる色成分の信号が２パケット(４画素分)あるいは３パケット(６画素分)の間隔を空けて配列されている。
【００１４】
次に、この信号を、水平ブランキング期間に、垂直転送段数で４段(８画素分)連続して高速転送することで、信号Ｇ(Ｂ)を水平ＣＣＤに転送すると同時に、次の水平ブランキング期間に水平ＣＣＤへ読み込もうとする信号Ｒ(Ｇ)を水平ＣＣＤの近くまで転送する(時刻ｔ４)。続く、水平ブランキング期間では、３段(６画素分)連続して転送し、信号Ｒ(Ｇ)を水平ＣＣＤに転送すると同時に、次に読み込もうとする信号Ｇ(Ｂ)を水平ＣＣＤの近くまで転送する。
【００１５】
以下、４段→３段→４段→３段 …… と、垂直転送を繰り返すことで、垂直ＣＣＤ内では、空パケットを挟んでとびとびに配列されていた信号が、水平ＣＣＤからは連続した状態で取り出せるようになっている。
【００１６】
このように、スチルモードでは、１画面分の全データを２フィールドかけて読み出すのに対し、モニタリングモードでは、１画面分のデータを７分の１に間引き、１フィールドの７分の２の時間で読み出せるので、トータルとしてスチルモードの７分の１のフレームレートでデータを扱うことができる。
【００１７】
例えば、３００万画素の撮像素子を、クロック周波数１８ＭＨｚ,１フレーム当たり総クロック数４４０万クロックで動作させた場合、１画面のデータを取り出すのに必要な時間は、スチルモードでは約１/４秒、モニタリングモードでは約１/２９秒となる。したがって、モニタリングモードでは、ＮＴＳＣ(ナショナルテレビジョンシステムコミッティー)のＴＶフォーマットにおけるフレームレートである１/３０秒と同様の、滑らかな動画像を得ることが可能となる。
【００１８】
尚、モニタリングモードでは、７分の１間引き以外にも、４分の１間引き,５分の１間引き,６分の１間引き,８分の１間引き……等の多様な間引きレートが有り、間引きレートは、撮像素子の総画素数，動画に要求される画素数とフレームレートによって決定される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本来、通常転送モードであるスチルモードでは、垂直転送では、ΦV1,ΦV2,ΦV3,ΦV4の４相のゲート電圧,４ゲートが構成単位である。
【００２０】
しかし、従来例で説明したように、例えば、モニタリングモードで、７分の１間引きを行う場合を考えると、垂直転送電極は、ゲート電圧ΦV1A,ΦV1B,ΦV2,ΦV3A,ΦV3B,ΦV4の６相,２８ゲートを構成単位とする必要がある。このため、モニタリングモードを実行するためには、複雑な転送ゲートの配線構造を持つ必要がある。
【００２１】
例えば、４分の１間引きの場合には、ゲート電圧６相,８ゲートが構成単位となり、５分の１間引きの場合には、ゲート電圧６相,２０ゲートが構成単位となる。このように、各間引きレートに応じて、異なる構成単位となるので、撮像素子の総画素数および動画に要求される画素数とフレームレートが変わると、それぞれ異なった転送ゲートの配線構造を設計する必要がある。
【００２２】
更に、１つのデバイスで異なった２つ以上のモニタリングモードを実現するには、それぞれの間引きレートに対応した電極配線の組み合わせになるので、電極配線が非常に複雑になる。また、駆動タイミングの変更だけではモニタリングモードの間引きレートを変更することができず、センサ部の電極配線を予め所望のモニタリングモードに対応させておく必要が有る。
【００２３】
そこで、この発明の目的は、複雑な垂直転送電極の配線構造を作ることなく、駆動条件を変更するだけで、任意の間引きレートを実現でき、フレームレート,解像度等を容易に変更することができる固体撮像装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の固体撮像装置は、半導体基板上に形成された複数の受光部と、上記受光部から読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部によって転送された電荷を水平方向へ転送する水平転送部を有する固体撮像装置において、
上記垂直転送部と上記水平転送部との接続部に隣接して形成され、上記垂直転送部の電荷を空乏化させる電荷掃き出しゲートと、
上記電荷掃き出しゲートに隣接して形成された電荷掃き出しドレインを備え、
上記電荷掃き出しゲートは、上記垂直転送部の水平方向の一端を含むが他端を含まない一部だけを垂直転送電極を挟まずにゲート絶縁膜を介して覆っており、
上記電荷掃き出しゲートに任意のタイミングで電圧を印加することによって、任意の垂直転送部の信号電荷を上記電荷掃き出しゲートから上記電荷掃き出しドレインへ排出することを特徴としている。
【００２５】
この発明では、垂直転送部と水平転送部の接続部に掃き出しゲートと掃き出しドレインを設け、任意の画素に蓄積された電荷を完全空乏化することができる構造を持つ。間引きを行う画素の信号電荷は、掃き出しゲートをオンすることで掃き出しドレインヘ排出され、その他の画素の信号電荷は掃き出しゲートをオフすることで、掃き出しゲートヘ排出されることなく、そのまま水平ＣＣＤへ転送される。このような構造および駆動方法を用いることで、任意の間引き率で読み出しを行うことができる。
【００２６】
これにより、垂直転送電極は、スチルモード(通常読み出し)と同一の配線構造のままで、従来のような複雑な垂直転送電極の配線構造を作る必要が無く、モニタリングモード(間引き読み出し)を実現することができる。また、掃き出しゲートの駆動条件を変更するだけで、任意の間引きレートを実現でき、フレームレート,解像度等を容易に変更できる。
【００２７】
また、一実施形態の固定撮像装置は、上記垂直転送部と上記電荷掃き出しドレインの間に位置する上記電荷掃き出しゲートの下に、上記垂直転送部と同一導電型のゲート直下層が形成されている。
【００２８】
この一実施形態では、掃き出しゲートの下のゲート直下層を、垂直転送部と同一導電体にしたから、掃き出しゲートにＨレベル電圧を印加したときに、図４(Ｂ)に破線で例示するように、掃き出しゲート下のポテンシャル分布を掃き出しドレインに向って、こぶの無い下り勾配にすることができる。したがって、垂直転送部を完全空乏化して電荷を掃き出し、掃き出しドレインヘ排出できる。
【００２９】
また、他の実施形態の固体撮像装置は、上記垂直転送部と上記掃き出しドレインの間に位置する上記掃き出しゲートの下に、上記垂直転送部と同一導電型のゲート直下層が、上記垂直転送部と同一の工程によって形成されている。
【００３０】
この実施形態では、垂直転送部の形成時に、同時に、垂直転送部と同一の導電型領域を形成し、掃き出しゲートの下のゲート直下層が、垂直転送部と同一の注入層となるように作製されている。この場合にも、垂直転送部を完全空乏化して、掃き出しドレインヘ電荷を排出できる。
【００３１】
また、本発明の固体撮像装置では、上記掃き出しゲートは、上記垂直転送部の水平方向の一端を含むが他端を含まない一部だけを垂直転送電極を挟まずにゲート絶縁膜を介して覆っている。
【００３２】
この発明では、掃き出しゲートが垂直転送部の一部を覆っている構造であるので、転送時において、ポテンシャルバリアやポテンシャルディップを形成することなく、転送方向にポテンシャル勾配が形成されている。したがって、転送不良を起こすことなく、垂直転送部のパケット内の電荷を完全空乏化できる。
【００３３】
また、他の実施形態の固体撮像装置は、上記掃き出しドレインに印加する電圧を可変とし、上記掃き出しドレインへの印加電圧の駆動タイミングを、上記掃き出しゲートへの印加電圧の駆動タイミングと同期させる。
【００３４】
この実施形態では、掃き出しドレインに印加する電圧を可変とし、この掃き出しドレインへの印加電圧の駆動タイミングを、掃き出しゲートへの印加電圧の駆動タイミングと同期させた。これにより、通常の電荷転送時には、掃き出しドレインのポテンシャルを浅くすることで、掃き出しドレインへの電荷漏れ出しを防ぐことができ、電荷掃き出し動作時には、掃き出しドレインのポテンシャルを深くすることで、垂直転送部から掃き出しドレインへ電荷を確実に掃き出すことができる。
【００３５】
また、一実施形態の固体撮像装置は、上記掃き出しゲートの駆動に同期させて上記掃き出しドレインを駆動する掃き出し動作モードにおいて、上記掃き出しドレインに印加するパルス幅を、少なくとも上記掃き出しゲートに印加するパルスをカバーするパルス幅としている。
【００３６】
この実施形態では、掃き出しゲート下の領域のポテンシャルを低くする掃き出し動作モードにおいて、掃き出しゲートに印加するパルスをカバーするようなパルスを掃き出しドレインに印加する。これにより、電荷掃き出し動作を確実に実行できる。
【００３７】
また、他の実施形態の固体撮像装置は、隣り合う二つの垂直転送部の間に、一つの掃き出しドレインを設け、この掃き出しドレインの両側に位置する二つの垂直転送部の信号電荷を、上記垂直転送部に隣接して設けた上記掃き出しゲートを介して、上記一つの掃き出しドレインヘ排出する構造を有する。
【００３８】
この実施形態では、１つの掃き出しドレインを、２つの垂直転送部で共有化することによって、画素ピッチを抑えることができ、画素サイズの小さい場合においても、掃き出しドレインと掃き出しゲートを形成する領域を十分に確保できる。
【００３９】
また、一実施形態の固体撮像装置は、隣り合う二つの上記垂直転送部が離隔延在している部分と、隣り合う二つの上記垂直転送部が近接延在している部分とを有すると共に、上記離隔延在している部分を垂直方向の異なる箇所に複数有し、
上記離隔延在している部分における上記隣り合う二つの上記垂直転送部の間に上記電荷掃き出しドレインを配置した。
【００４０】
この実施形態では、掃き出しドレインを垂直方向へ複数段設けたので、水平ピッチの縮小を図ることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の固体撮像装置を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【００４２】
〔参考例〕
図１(Ａ),(Ｂ)に、ＣＣＤ(電荷結合素子)を用いたこの発明の固体撮像装置の参考例としての２次元イメージセンサを示す。
【００４３】
図１(Ａ)に示すように、この２次元イメージセンサは、所定間隔を隔てて配列された複数本の垂直ＣＣＤ２と、この垂直ＣＣＤ２と垂直ＣＣＤ２との間に配列されたフォトダイオードからなる複数個の受光部１,１,１…を備えている。上記垂直ＣＣＤ２,２,２…の一端に隣接して１つの水平ＣＣＤ３が配置され、この水平ＣＣＤ３の一端に、電荷電圧変換部４とアンプ５が順に配置されている。上記垂直ＣＣＤ２は垂直転送電極６を有し、水平ＣＣＤ３は水平転送電極７を有している。この実施形態では、垂直ＣＣＤ２,水平ＣＣＤ３および掃き出しドレイン領域９は、ｎ型半導体層である。
【００４４】
図１(Ｂ)に示すように、Ｐ型半導体からなるＳｉ基板１０に垂直ＣＣＤ２が形成され、この垂直ＣＣＤ２上にゲート絶縁膜１２を挟んで垂直転送電極６が配置されている。そして、この垂直転送電極６に隣接し、掃き出しゲート８が配置され、この掃き出しゲート８の下に、上記ゲート絶縁膜１２を挟んで、掃き出しゲートＶｔｈ制御注入領域１１が形成されている。さらに、この注入領域１１に隣接して掃き出しドレイン９が形成されている。
【００４５】
図１(Ａ)に示すように、掃き出しゲート８および掃き出しドレイン９は垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ３の接続部に隣接するように配置されている。
【００４６】
掃き出しゲート８のゲート電圧をハイにし、掃き出しゲート８をオン状態にすると、垂直ＣＣＤ２の電荷は掃き出しドレイン９へ転送され、垂直ＣＣＤ２のパケット内の電荷を完全空乏化する構造となっている。一方、掃き出しゲート８のゲート電圧をローにしてオフ状態にすると、垂直ＣＣＤ２の電荷は、掃き出しドレイン９ヘ転送されることなく通常通りの垂直転送方向へ転送される。
【００４７】
図２(Ａ)に、この参考例の垂直ＣＣＤ２,掃き出しゲート８および掃き出しドレイン９のレイアウトを示し、その駆動タイミングを図２(Ｂ)に示す。図２において、垂直ＣＣＤ２の駆動電圧をΦV1〜ΦV4、掃き出しゲート８の駆動電圧をΦＴＧとしている。
【００４８】
まず、掃き出し動作時には、図２(Ｂ)に示すように、ゲート電圧ΦＴＧをハイにし、ハイ電圧を掃き出しゲート８に印加して、掃き出しゲート８の下のポテンシャルを垂直ＣＣＤ２のポテンシャルよりも深くする。このとき、掃き出しドレイン９のポテンシャルは、掃き出しゲート８の下のポテンシャルよりも深くなるように設定している。この電圧関係によって、垂直ＣＣＤ２の電荷を掃き出しドレイン９ヘ転送できる。
【００４９】
次に、通常転送時には、掃き出しゲート８への印加電圧(ゲート電圧ΦTG)をローにして、掃き出しゲート８下のポテンシャルを、ロー電圧が印加された転送電極６下の垂直ＣＣＤ２のポテンシャルとほぼ等しく(または浅く)する。これにより、垂直ＣＣＤの電荷を、掃き出しドレイン８ヘ掃き出すことなく、転送方向へ転送できる。
【００５０】
上記した掃き出しゲート８の電荷掃き出し機能を用いることで、モニタリングモードの動作を行える。
【００５１】
次に、掃き出しゲート８および掃き出しドレイン９を用いたモニタリングモードにおける動作を説明する。なお、このモニタリングモードにおける間引き方式は、７画素に１つの画素を読み出す場合の１/７(７分の１)間引きモードとする。
【００５２】
まず、スチルモード(通常読み出し)と同様に、フォトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ奇数(あるいは偶数)列の画素信号を読み出す。垂直ＣＣＤ２は２画素で１パケットになるように形成されている。垂直ＣＣＤ２へ読み出された電荷は水平ＣＣＤ２に向って転送し、垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ３の接続部の近くにある掃き出しゲート８に隣接する箇所の垂直ＣＣＤ２まで転送される。
【００５３】
図３に、１/７間引きモード時における垂直ＣＣＤ２および掃き出しゲート８の駆動タイミングの一例を示す。この一例では、垂直ＣＣＤ２は通常転送(スチルモード)時と同様の駆動タイミングで動作している。
【００５４】
これに対して、掃き出しゲート８に印加するゲート電圧ΦTGは、７パケット(１４画素分)のうち１パケット(２画素分)をオフにして、６パケットをオンにする。これにより、７パケットのうちの６パケットにおいて、掃き出しゲート８をオンにし、垂直ＣＣＤ２で転送されている信号量を７分の１に間引くことができる(Ａフィールドでの動作)。
【００５５】
次に、フォトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ偶数(または奇数)列の画素信号を読み出し、垂直ＣＣＤ２へ読み出された電荷を水平ＣＣＤ３の方向へ転送し、垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ３との接続部近傍にある掃き出しゲート８に隣接する箇所の垂直ＣＣＤ２まで転送する。そして、Ａフィールドと同様に、７パケット(１４画素分)のうち１パケット(２画素分)で、掃き出しゲート８をオフ状態にし、残りの６パケット(１２画素分)は掃き出しゲート８をオン状態にして掃き出し動作を行う(Ｂフィールドでの動作)。
【００５６】
このとき、上記Ａフィールド,Ｂフィールド合わせて、１４画素当たり７パケットを構成単位として、２画素分の異なる色成分の信号が３パケット(６画素分)あるいは４パケット(８画素分)ごとに出力されるようにしている。
【００５７】
なお、この参考例では、１/７間引きモード時の駆動方法および動作について説明してきたが、１/４(４分の１)間引き，１/５(５分の１)間引き，１/６(６分の１)間引き，１/８(８分の１)間引き等、あらゆる間引き動作に対し、駆動タイミングを変えることで対応できることは明らかである。この間引きを行うべき画素信号は、掃き出しゲート８をオン状態にして掃き出し動作を行い、必要な画素信号は掃き出しゲート８をオフ状態にし、垂直ＣＣＤ２から水平ＣＣＤ３に向って、そのまま転送されるようにすればよい。つまり、掃き出しゲート８に印加する電圧のタイミングにより、任意の間引きを行うことができる。
【００５８】
この参考例では、インターラインＣＣＤにおける画素間引き(モニタリングモード)について説明を行ったが、プログレッシブスキャンＣＣＤにおいても同様に、掃き出しゲート８および掃き出しドレイン９を設けることによって、間引き動作が可能であり、任意の間引きを行うことができる。
【００５９】
上述した様に、上記参考例の構造を用いることで、垂直ＣＣＤ２の駆動タイミングは通常転送(スチルモード)時と同様の駆動を行いながら、掃き出しゲート８に印加する電圧の駆動タイミングを変えるだけで、任意のモニタリング率を有したモニタリングモードの動作を行うことができる。このことは、従来技術のような複雑な垂直転送電極の構造を用いることなく、間引き動作を行えることを示している。
【００６０】
次に、図４(Ａ)に、この参考例において、掃き出しゲート８の下の掃き出しゲートＶth制御注入領域１１が、垂直ＣＣＤ２と同一導電型である構造を示し、図４(Ｂ)に、この構造におけるポテンシャル関係を示す。
【００６１】
図４(Ａ)に示すように、垂直ＣＣＤ２は、ゲート絶縁膜１２を挟んで、垂直転送電極６の下に形成され、垂直ＣＣＤ２に隣接して、掃き出しゲートＶth制御注入領域１１が形成されている。この注入領域１１に隣接して、掃き出しドレイン９が形成されている。また、チャネルストップ１３は、注入領域１１と反対側で、垂直ＣＣＤ２に隣接している。また、掃き出しゲート８は、垂直転送電極６に隣接しており、注入領域１１上に対向して配置されている。また、１０はＳｉ基板である。
【００６２】
図４(Ａ)に示す構成では、掃き出しゲート８の下の注入領域１１が垂直ＣＣＤ２と同一導電体にしたことによって、掃き出しゲート８にハイの電圧を印加したときに、図４(Ｂ)に破線で示すように、掃き出しゲート８下のポテンシャル分布を掃き出しドレイン９に向って、こぶの無い下り勾配にすることができる。したがって、垂直ＣＣＤ２の電荷を完全空乏化して電荷を掃き出し、ドレイン９ヘ排出できる。なお、この掃き出しゲート８の下の注入領域１１は、垂直ＣＣＤ２の形成時に、同時に、垂直ＣＣＤ２と同一の導電型領域を形成し、垂直ＣＣＤ２と同一の注入層となるようにすることで作製されていてもよい。この場合にも、垂直ＣＣＤ２の電荷を完全空乏化し、電荷を掃き出しドレイン９ヘ排出できる。
【００６３】
この図４(Ａ)の構造に対し、図４(Ｃ)に示すように、掃き出しゲート８下の領域が垂直ＣＣＤ２と同一導電型でない構造である場合には、図４(Ｄ)に破線で示すように、掃き出しゲート８にハイの電圧を印加したときに、掃き出しゲート８下のポテンシャル分布にこぶが発生するので、垂直ＣＣＤ２の電荷を完全空乏化するができない。
【００６４】
〔第１の実施の形態〕
次に、図５(Ａ)に、この発明の第１実施形態の構造を示す。この第１実施形態では、掃き出しゲート２８が垂直ＣＣＤ２２の一部を覆っている。図５(Ａ)において、２２は垂直ＣＣＤ、２６は垂直転送電極、２８は掃き出しゲート、２９は掃き出しドレイン、１３はチャネルストップである。
【００６５】
この第１実施形態は、掃き出しゲート２８が垂直ＣＣＤ２２とオーバーラップしていない場合に起こる電荷の取り残しを回避するための構造であり、掃き出しゲート２８が垂直ＣＣＤ２２の一部を覆っている。
【００６６】
図５(Ｂ)に、図５(Ａ)におけるＡ−Ａ’断面のポテンシャル分布を示す。掃き出しゲート２８に、ハイの電圧を印加すると、破線で示されるポテンシャル分布となり、垂直ＣＣＤ２２から掃き出しドレイン２９へ向かって掃き出し動作が行われる。
【００６７】
一方、図６(Ａ)〜(Ｃ)に、図５(Ａ)のＢ−Ｂ’断面におけるポテンシャル分布を示す。このポテンシャル分布は、掃き出しモードではない通常転送モード時のポテンシャル分布である。
【００６８】
図６(Ｂ)に示すように、垂直ＣＣＤ２２は、時刻ｔ＝ｔ２において、掃き出しゲート２８に隣接している部分でポテンシャルが浅くなっている。これは狭チャンネル効果によるものと考えられる。しかし、転送時すなわちｔ＝ｔ３において、ポテンシャルバリアやポテンシャルディップを形成することなく、転送方向にポテンシャル勾配が形成されている。尚、図６(Ａ)〜(Ｃ)でのポテンシャルの時間的変化(ｔ1,ｔ2,ｔ3)は、図２で駆動パルスの時刻ｔ＝ｔ1〜ｔ5を用いている。
【００６９】
このように、掃き出しゲート２８が垂直ＣＣＤ２２の一部を覆っている構造であることによって、転送不良を起こすことなく、垂直ＣＣＤ２２のパケット内の電荷を完全空乏化できる。
【００７０】
これに対して、図７(Ａ)に示すように、掃き出しゲート３８が垂直ＣＣＤ２２にオーバーラップしていない構造であれば、図７(Ａ)のＣ-Ｃ’断面のポテンシャル関係は、図７(Ｂ)に示すようになる。すなわち、掃き出しゲート３８にハイの電圧を印加したときに、垂直ＣＣＤ２２から掃き出しドレイン２９へ向かって掃き出し動作が行われる。一方、通常転送時においては、図７(Ａ)のＤ−Ｄ’断面のポテンシャル図である図８(Ａ),(Ｂ),(Ｃ)に示されるように、掃き出しゲート３８が隣接している箇所の垂直ＣＣＤ２２Ａで、ポテンシャルが深くなってしまう。その理由は、図７(Ａ)に示すように、この部分２２ＡでＣＣＤ幅が拡大していることに起因して、狭チャンネル効果が緩和されるからである。
【００７１】
このため、図７(Ａ)の構造では、垂直転送時に、図８(Ａ),(Ｂ),(Ｃ)に示すように、垂直ＣＣＤ２２のポテンシャルＰが深くなっている部分で電荷の取り残しが発生すると考えられる。尚、図８(Ａ),(Ｂ),(Ｃ)でのポテンシャルＰの時間的変化(ｔ２,ｔ３,ｔ４)は、図２での垂直駆動パルスの時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ５を用いて示している。
【００７２】
〔第２の実施の形態〕
次に、図９(Ａ)に、第２実施形態のレイアウト構成を示す。この第２実施形態は、前述の図５(Ａ)に示す第１実施形態のレイアウト構成において、掃き出しドレイン４９に印加する電圧ＶＤを可変としたものである。
【００７３】
図９(Ｂ)に、図９(Ａ)に示す構造における通常転送モードおよび掃き出し動作モードでの転送電極６への信号ΦV1〜ΦV4の波形,掃き出しゲート４８への信号ΦTG,掃き出しドレイン４９への印加電圧ＶＤの波形を示す。図９(Ｂ)に示すように、この第２実施形態では、掃き出し動作モード時に、信号ΦTGがハイレベルになっている期間を含む期間の間中、掃き出しドレイン印加電圧ＶＤをハイレベルにする。
【００７４】
図９(Ａ)のＡ−Ａ’断面を、図１０(Ａ)に示す。また、この図１０(Ａ)の断面構成に対応するポテンシャル分布を、図１０(Ｂ)に示す。図１０(Ｂ)に実線で示すように、掃き出しゲート４８がオフ状態では、掃き出しドレイン４９に印加される電圧ＶＤが小さく、掃き出しドレイン４９のポテンシャルＰ１は浅い。一方、図１０(Ｂ)に破線で示すように、掃き出しゲート４８がオン状態では、掃き出しドレイン４９に印加する電圧ＶＤが大きく、掃き出しドレイン４９のポテンシャルＰ２は深い。ただし、掃き出しドレイン４９のポテンシャルが掃き出しゲート４８下のポテンシャルより深くなるように設定している。
【００７５】
この動作によって、掃き出しゲート４８のオフ時に、掃き出しドレイン４９のポテンシャルＰ１を、掃き出し動作のポテンシャルＰ２よりも浅くし、垂直ＣＣＤ２の電荷の一部が、掃き出しゲート４８を介して、掃き出しドレイン４９ヘ排出される現象を防ぐことができる。
【００７６】
したがって、この第２実施形態によれば、画素サイズが小さい場合においても、通常動作時の電荷流出を防ぐことができ、任意の間引きレートで、フレームレート,解像度等を容易に変更できる。
【００７７】
なお、図１０(Ｃ)に実線で示すように、掃き出しドレイン４９に印加する電圧ＶＤを固定にした場合、通常転送時に、掃き出しゲート４８の下の領域と掃き出しドレイン４９とでポテンシャル差が大きい。このため、短チャネル効果によって、掃き出しゲート４８の下のポテンシャルが掃き出しドレイン４９のポテンシャルに引っ張られ、掃き出しゲート４８の下のポテンシャルが、図１０(Ｂ)に示す場合に比べて深くなってしまう。この場合、通常転送(掃き出しゲートがオフ)状態において、垂直ＣＣＤ２の電荷の一部が、掃き出しゲート４８を介して、掃き出しドレイン４９ヘ排出される可能性がある。この転送不良を防ぐには、掃き出しゲート４８のゲート長を長くすれば良いが、画素寸法の制約から困難である。
【００７８】
〔第３の実施の形態〕
次に、図１１に、この発明の固体撮像装置の第３実施形態の構成をしめす。この第３実施形態は、画素ピッチを抑えるための工夫を行った実施形態である。
【００７９】
この実施形態は、図１１に示すように、第１垂直ＣＣＤ８１と、第２垂直ＣＣＤ８２と、掃き出しゲート８３と、掃き出しドレイン８４と、垂直転送電極８５と、チャネルストップ８６とを備える。
【００８０】
この第３実施形態では、第１垂直ＣＣＤ８１と第２垂直ＣＣＤ８２の間に掃き出しドレイン８４が設けられている。そして、掃き出しゲート８３が各垂直ＣＣＤ８１,８２の両サイドに隣接し、掃き出しドレイン８４を挟んで設けられている。
【００８１】
図１１に示すように、１つの掃き出しドレイン８４を、２つの垂直ＣＣＤ８１,８２で共有化することによって、画素サイズの小さい場合においても、掃き出しドレイン８４と掃き出しゲート８３を形成する領域を十分に確保できる。
【００８２】
この実施形態の掃き出し動作では、掃き出しゲート８３をハイ状態にし、垂直ＣＣＤ８１,８２の信号電荷を、２つの垂直ＣＣＤ８１,８２に共通の掃き出しドレイン８４に排出する。
【００８３】
このとき、図１１に示すＰ型領域のチャネルストップ８６が、上記２つの垂直ＣＣＤ８１,８２と隣接する別の垂直ＣＣＤとの間で電荷がやり取りされることを防いでいる。
【００８４】
このように、この実施形態によれば、掃き出しドレイン８４を、２つの垂直ＣＣＤ８１,８２で共通とすることによって、画素サイズが小さい場合でも、掃き出し動作が可能な固体撮像装置を提供できる。
【００８５】
〔第４の実施の形態〕
次に、図１２に、この発明の固体撮像装置の第４実施形態を示す。この第４実施形態は、掃き出しドレインを複数段設けることによって、水平ピッチの縮小を図ったものである。
【００８６】
この第４実施形態は、第１垂直ＣＣＤ９１と、第２垂直ＣＣＤ９２と、第１掃き出しゲート９３と、第２掃き出しゲート９４と、第１掃き出しドレイン９５と、第２掃き出しドレイン９６と、垂直転送電極９７と、チャネルストップ９８とを備える。
【００８７】
図１２に示されるように、第１垂直ＣＣＤ９１と第２垂直ＣＣＤ９２とが交互に配列する様に構成している。そして、隣接する２本の垂直ＣＣＤは、上段において近接延在している場合には下段において離隔延在しており、上段において離隔延在している場合には下段において近接延在している。すなわち、図１２に示すように、第１垂直ＣＣＤ９１と第２垂直ＣＣＤ９２は、上段において、近接と離隔を順次繰り返すように配列されている。一方、下段において、上段とは逆位相で離隔と近接を順次繰り返すように配列されている。
【００８８】
そして、この上段で離隔して隣接した第１垂直ＣＣＤ９１と第２垂直ＣＣＤ９２の間に、第１掃き出しドレイン９５が配置されており、この第１掃き出しドレイン９５と上記第１垂直ＣＣＤとの間に第１掃き出しゲート９３が配置されている。この第１掃き出しゲート９３は、第１垂直ＣＣＤ９１と部分的にオーバラップしている。また、第１掃き出しゲート９３とオーバラップしている部分の第１垂直ＣＣＤ９１の略中央部分は、上記第１掃き出しドレイン９５まで延在している延在部９１Ａを有する。
【００８９】
また、下段で離隔して隣接した第２垂直ＣＣＤ９２と第１垂直ＣＣＤ９１の間に、第２掃き出しドレイン９６が配置されており、この第２掃き出しドレイン９６と上記第２垂直ＣＣＤ９２との間に第２掃き出しゲート９４が配置されている。この第２掃き出しゲート９４は、第２垂直ＣＣＤ９２と部分的にオーバラップしている。また、第２掃き出しゲート９４とオーバラップしている部分の第２垂直ＣＣＤ９２の略中央部分は、上記第２掃き出しドレイン９４まで延在している延在部９２Ａを有する。
【００９０】
このように、この第４実施形態では、第１掃き出しドレイン９５と第２掃き出しドレイン９６の上下２段構成になっている。そして、垂直ＣＣＤ１本おきの第１垂直ＣＣＤ９１に対して、第１掃き出しドレイン９５と掃き出しゲート９３が設けられている。そして、その下の段では、上の段で掃き出しドレインが設けられていない第２垂直ＣＣＤ９２に対して、第２掃き出しドレイン９６および第２掃き出しゲート９４が設けられ、全ての垂直ＣＣＤにおいて信号電荷の排出が可能になされている。
【００９１】
次に、図１２に示す構造における掃き出し動作時の駆動タイミングを、図１３に示す。この駆動タイミング図では、１/７(７分の１)間引きのモニタリングモードを示している。
【００９２】
この例においても、垂直ＣＣＤ９１,９２は、通常転送(スチルモード)時と同様の駆動タイミングで動作している。このタイミング図で、ゲート信号ΦTG1とΦTG2の波形を参照すれば分かるように、第１掃き出しゲート９３は、第２掃き出しゲート９４のオン期間(掃き出し動作モード)に比べて、１パケット分だけタイミングが先行している。
【００９３】
このように、掃き出し動作のタイミングを１パケット分ずらすことによって、１ライン分の信号電荷を間引くことができる。第１,第２の掃き出しゲート９３,９４は、１パケット分(２画素分)だけオフ状態にして通常動作すると、次は６パケット分(１２画素分)だけオン状態にして掃き出し動作を行っている。
【００９４】
この動作をＡ,Ｂフィールドで繰り返すことによって、２画素分の異なる色成分の信号を、３パケット(６画素分)あるいは４パケット(８画素分)ごとに出力できる。
【００９５】
この第４実施形態のように、複数段の掃き出しドレイン９５,９６を設けた場合にも、各段の掃き出しゲート９３,９４の駆動タイミングをずらすことによって、掃き出しゲート９３,９４および掃き出しドレイン９５,９６の設置位置に関係なく、１ラインの画素信号を間引くことができる。
【００９６】
なお、この第４実施形態では、１/７間引きのモニタリングモードで説明したが、１/４間引き，１/５間引き，１/６間引き，１/８間引き等、あらゆる間引き動作に対し、駆動タイミングを変えることで対応できる。すなわち、間引きを行うべき画素信号に対しては、掃き出しゲートをオン状態にして掃き出し動作を行い、必要な画素信号に対しては、掃き出しゲートをオフ状態にして水平ＣＣＤに向ってそのまま転送されるようにすればよい。
【００９７】
また、上下２段の掃き出しドレイン９５,９６の内の一方の掃き出しゲート９３,９４にロー電圧を印加してオフ状態に保ち、他方の掃き出しドレインにハイ電圧を印加してオン状態にした場合には、隣接する一方の垂直ＣＣＤで通常転送が行われ、他方の垂直ＣＣＤで掃き出し動作が行われる。その結果、１ライン中で信号が一つ飛ばしとなるような間引きが行われる。
【００９８】
なお、図１２に示される構造では、垂直ＣＣＤの１本おきに、垂直方向に２段構成にしたが、必ずしも１本おきに、垂直方向に２段構成にする必要はなく、掃き出しドレインを設ける垂直ＣＣＤと掃き出しドレインを設けない垂直ＣＣＤの組み合わせは任意に設定すればよく、垂直方向の段数も特に制限なく複数段設けてもよい。
【００９９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の固体撮像装置は、垂直転送部と水平転送部の接続部に掃き出しゲートと掃き出しドレインを設け、任意の画素に蓄積された電荷を完全空乏化することができる構造を持つ。これにより、任意の間引き率で読み出しを行うことができ、垂直転送電極は、スチルモード(通常読み出し)と同一の配線構造のままで、従来のような複雑な垂直転送電極の配線構造を作る必要が無く、モニタリングモード(間引き読み出し)を実現することができる。また、掃き出しゲートの駆動条件を変更するだけで、任意の間引きレートを実現でき、フレームレート,解像度等を容易に変更できる。
【０１００】
また、一実施形態の固定撮像装置は、掃き出しゲートの下のゲート直下層を、垂直転送部と同一導電体にしたから、掃き出しゲートにＨレベル電圧を印加したときに、掃き出しゲート下のポテンシャル分布を掃き出しドレインに向って、こぶの無い下り勾配にすることができる。したがって、垂直転送部を完全空乏化して電荷を掃き出し、掃き出しドレインヘ排出できる。
【０１０１】
また、他の実施形態は、垂直転送部の形成時に、同時に、垂直転送部と同一の導電型領域を形成し、掃き出しゲートの下のゲート直下層が、垂直転送部と同一の注入層となるように作製されている。この場合にも、垂直転送部を完全空乏化して、掃き出しドレインヘ電荷を排出できる。
【０１０２】
また、一実施形態は、掃き出しゲートが垂直転送部の一部を覆っている構造であるので、転送時において、ポテンシャルバリアやポテンシャルディップを形成することなく、転送方向にポテンシャル勾配が形成されている。したがって、転送不良を起こすことなく、垂直転送部のパケット内の電荷を完全空乏化できる。
【０１０３】
また、他の実施形態の固体撮像装置は、掃き出しドレインに印加する電圧を可変とし、この掃き出しドレインへの印加電圧の駆動タイミングを、掃き出しゲートへの印加電圧の駆動タイミングと同期させた。これにより、通常の電荷転送時には、掃き出しドレインのポテンシャルを浅くすることで、掃き出しドレインへの電荷漏れ出しを防ぐことができ、電荷掃き出し動作時には、掃き出しドレインのポテンシャルを深くすることで、垂直転送部から掃き出しドレインへ電荷を確実に掃き出すことができる。
【０１０４】
また、一実施形態の固体撮像装置は、掃き出しゲート下の領域のポテンシャルを低くする掃き出し動作モードにおいて、掃き出しゲートに印加するパルスをカバーするようなパルスを掃き出しドレインに印加する。これにより、電荷掃き出し動作を確実に実行できる。
【０１０５】
また、他の実施形態の固体撮像装置は、１つの掃き出しドレインを、２つの垂直転送部で共有化することによって、画素ピッチを抑えることができ、画素サイズの小さい場合においても、掃き出しドレインと掃き出しゲートを形成する領域を十分に確保できる。
【０１０６】
また、一実施形態の固体撮像装置は、掃き出しドレインを垂直方向へ複数段設けたので、水平ピッチの縮小を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(Ａ)は参考例の固体撮像装置である２次元イメージセンサの構造を示す模式図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)のＡ-Ａ’断面図である。
【図２】図２(Ａ)は上記参考例の掃き出し部のレイアウト図であり、図２(Ｂ)は上記参考例の掃き出し動作時における駆動タイミング図である。
【図３】上記参考例のモニタリングモードにおける駆動タイミング図である。
【図４】図４(Ａ)は上記参考例の掃き出し部の断面構造図であり、図４(Ｂ)は図４(Ａ)に対応するポテンシャル分布図であり、図４(Ｃ)は対比例としての掃き出し部の断面構造図であり、図４(Ｄ)は図４(Ｃ)に対応するポテンシャル分布図である。
【図５】図５(Ａ)はこの発明の第１実施形態の構造を示すレイアウト図であり、図５(Ｂ)は図５(Ａ)におけるＡ−Ａ’断面のポテンシャル分布図である。
【図６】図６(Ａ)〜(Ｃ)は上記第１実施形態の通常転送モードにおける垂直転送方向のポテンシャル分布を転送順に示す図である。
【図７】図７(Ａ)は上記第１実施形態の対比例の構造を示すレイアウト図であり、図７(Ｂ)は図７(Ａ)のＣ-Ｃ’断面のポテンシャル分布図である。
【図８】図８(Ａ)〜(Ｃ)は、図７(Ａ)のＤ-Ｄ’断面のポテンシャル分布を転送順に示すポテンシャル分布図である。
【図９】図９(Ａ)はこの発明の第２実施形態の構造を示すレイアウト図であり、図９(Ｂ)は駆動タイミング図である。
【図１０】図１０(Ａ)は図９(Ａ)のＡ-Ａ’断面図であり、図１０(Ｂ)は図１０(Ａ)の断面構成に対応するポテンシャル分布図であり、図１０(Ｃ)は第３実施形態の対比例でのポテンシャル分布図である。
【図１１】この発明の第３実施形態の構造を示すレイアウト図である。
【図１２】この発明の第４実施形態の構造を示すレイアウト図である。
【図１３】上記第４実施形態の駆動タイミング図である。
【図１４】従来の２次元イメージセンサの構造を示す図である。
【図１５】上記従来例のより詳細なデバイス構成図である。
【図１６】上記従来例のモニタリングモードにおける駆動タイミング図である。
【図１７】上記従来例のモニタリングモードにおける信号転送状態を示すポテンシャル図である。
【符号の説明】
１…受光部、２,２２…垂直ＣＣＤ、３…水平ＣＣＤ、４…電荷電圧変換部、
５…アンプ、６,２６…垂直転送電極、７…水平転送電極、
８,２８,３８,４８…掃き出しゲート、９,２９,４９…掃き出しドレイン、
１０…Ｓｉ基板、１１…ゲートＶth制御注入領域、１２…ゲート絶縁膜、
１３…チャネルストップ、
８１,９１…第１垂直ＣＣＤ、８２,９２…第２垂直ＣＣＤ、
８３…掃き出しゲート、８４…掃き出しドレイン、
８５,９７…垂直転送電極、
８６,９８…チャネルストップ、９３…第１掃き出しゲート、
９４…第２掃き出しゲート、９５…第１掃き出しドレイン、
９６…第１掃き出しドレイン。
【図１】
0003631655.tif 000002
【図２】
0003631655.tif 000003
【図３】
0003631655.tif 000004
【図４】
0003631655.tif 000005
【図５】
0003631655.tif 000006
【図６】
0003631655.tif 000007
【図７】
0003631655.tif 000008
【図８】
0003631655.tif 000009
【図９】
0003631655.tif 000010
【図１０】
0003631655.tif 000011
【図１１】
0003631655.tif 000012
【図１２】
0003631655.tif 000013
【図１３】
0003631655.tif 000014
【図１４】
0003631655.tif 000015
【図１５】
0003631655.tif 000016
【図１６】
0003631655.tif 000017
【図１７】
0003631655.tif 000018