(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体基板の一主面に逆導電型の半導体層が形成され、上記半導体層の表面領域に分離領域が形成され、上記分離領域の間に一導電型のチャネル領域が形成され、この半導体層内に、複数の受光画素が行列配置されて各受光画素に情報電荷を蓄積する撮像部と、上記撮像部に隣接して配置されて上記複数の受光画素に蓄積された情報電荷を１画面単位で蓄積する蓄積部と、上記蓄積部に隣接して配置されて上記蓄積部に蓄積された情報電荷を１行単位で取り出す水平転送部と、が形成され、上記半導体層の上記撮像部及び上記蓄積部が形成される領域が、互いに同一の不純物濃度を有し、上記半導体層の上記水平転送部の形成される領域が、上記撮像部及び上記蓄積部が形成される領域に比して高い不純物濃度を有するフレーム転送方式の固体撮像素子の駆動方法であって、上記撮像部の各受光画素に、光電変換によって生じる情報電荷を所定の期間蓄積する第１のステップと、上記蓄積部に情報電荷を取り込まない状態で、上記撮像部の各受光画素に蓄積された情報電荷を上記受光画素の行数よりも少ない行数だけ上記撮像部から上記蓄積部側へ転送して上記半導体基板へ排出する第２のステップと、上記第２のステップに続き、上記蓄積部に情報電荷を取り込む状態で上記撮像部の各受光画素に蓄積された情報電荷を上記受光画素の行数よりも少ない行数だけ上記撮像部から上記蓄積部へ転送する第３のステップと、上記第３のステップに続き、上記蓄積部に取り込まれた情報電荷を保持した状態で上記撮像部の各受光画素に残された情報電荷を上記半導体基板へ排出する第４のステップと、を含むことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
上記一導電型はＮ型であり、上記半導体基板の電位を、上記第１のステップの間ローレベルに設定し、上記第２のステップから上記第４のステップの間ハイレベルに設定することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
上記一導電型はＮ型であり、上記半導体基板の電位を、上記第１のステップ及び上記第３のステップの間ローレベルに設定し、上記第２のステップ及び上記第４のステップの間ハイレベルに設定することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレーム転送方式の固体撮像素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、フレーム転送方式の固体撮像素子の構成を示す概略図である。
【０００３】
フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子は、撮像部ｉ、蓄積部ｓ、水平転送部ｈ及び出力部ｄを有する。撮像部ｉは、垂直方向に延在し、互いに平行に配列された複数のシフトレジスタからなり、各シフトレジスタの各ビットが受光画素を構成する。蓄積部ｓは、撮像部ｉのシフトレジスタに連続する遮光された複数のシフトレジスタからなり、各シフトレジスタの各ビットが蓄積画素を構成する。水平転送部ｈは、水平方向に延在する単一のシフトレジスタからなり、各ビットに蓄積部ｓのシフトレジスタの出力が接続される。出力部ｄは、水平転送部ｈから転送出力される電荷を一時的に蓄積する容量及びその容量に蓄積された電荷を排出するリセットトランジスタを含む。これにより、撮像部ｉの各受光画素に蓄積される情報電荷は、各画素毎に独立して蓄積部ｓの蓄積画素へ転送された後、１行ずつ蓄積部ｓから水平転送部ｈへ転送され、さらに、１画素単位で水平転送部ｈから出力部ｄへ転送される。そして、出力部ｄで１画素毎の電荷量が電圧値に変換され、その電圧値の変化がＣＣＤ出力として外部回路へ供給される。
【０００４】
図６は、図５のＸ−Ｘ線の断面図である。
【０００５】
Ｎ型のシリコン基板１の一主面に、素子領域となるＰ型の拡散層２が形成される。このＰ型拡散層２の表面領域には、分離領域（図示せず）が形成され、この分離領域の間にチャネル領域が形成される。チャネル領域は、撮像部ｉから蓄積部ｓまで垂直方向に連続し、水平転送部ｈで水平方向に延在する。チャネル領域が形成されたシリコン基板１上には、それぞれのチャネル領域と交差するようにして複数の転送電極３ｉ、３ｓ、３ｈが配列される。撮像部ｉ及び蓄積部ｓに形成される転送電極３ｉ、３ｓは、それぞれ水平方向に延在して２層に形成され、多層の転送クロックを受けてチャネル領域内の情報電荷を一方向に転送出力する。水平転送部ｈに形成される転送電極３ｈは、撮像部ｉ及び蓄積部ｓの転送電極３ｉ、３ｓと交差して垂直方向に延在して形成され、蓄積部ｓから垂直転送される情報電荷を順次水平方向へ転送出力する。
【０００６】
拡散層２は、撮像部ｉの領域２ｉで、チャネル領域の情報電荷を基板側へ排出しやすくするため、蓄積部ｓの領域２ｓ及び水平転送部ｈの領域２ｈに比べて、不純物濃度が薄く形成される。即ち、シリコン基板１内においては、拡散層２の不純物濃度が低くなるほど、その領域で空乏層が広がりやすくなり、情報電荷がより深い位置で保持されるようになる。そこで、過剰露光によってオーバーフロー電荷の発生するおそれのある撮像部ｉでは、撮像部領域２ｉの不純物濃度を蓄積部領域２ｓや水平転送部領域２ｈの不純物濃度よりも低く形成することで、オーバーフロー電荷を容易に基板側へ排出できるようにしている。逆に、蓄積部ｓや水平転送部ｈでは、情報電荷が基板側へ不用意に排出されないようにするため、それぞれの領域２ｓ、２ｈの不純物濃度を撮像部領域２ｉの不純物濃度よりも高く形成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フレーム転送方式の固体撮像素子の場合、撮像部ｉから蓄積部ｓまで連続するチャネル領域を通して情報電荷が連続的に転送される。このとき、撮像部ｉと蓄積部ｓとの接続部分では、拡散層２の各領域２ｉ、２ｓの不純物濃度が異なるため、各転送電極３ｉ、３ｓに同じレベルの転送クロックを印加したとしても、チャネル領域内のポテンシャルが一致しなくなる。このような撮像部ｉと蓄積部ｓとのポテンシャルの差は、撮像部ｉから蓄積部ｓへ情報電荷を転送する際の転送効率を劣化させる。
【０００８】
そこで本発明は、フレーム転送方式の固体撮像素子で、撮像部から蓄積部への情報電荷の転送を効率よく行うようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために成されたもので、その特徴とするところは、一導電型の半導体基板の一主面に逆導電型の半導体層が形成され、上記半導体層の表面領域に分離領域が形成され、上記分離領域の間に一導電型のチャネル領域が形成され、この半導体層内に、複数の受光画素が行列配置されて各受光画素に情報電荷を蓄積する撮像部と、上記撮像部に隣接して配置されて上記複数の受光画素に蓄積された情報電荷を１画面単位で蓄積する蓄積部と、上記蓄積部に隣接して配置されて上記蓄積部に蓄積された情報電荷を１行単位で取り出す水平転送部と、が形成され、上記半導体層の上記撮像部及び上記蓄積部が形成される領域が、互いに同一の不純物濃度を有し、上記半導体層の上記水平転送部の形成される領域が、上記撮像部及び上記蓄積部が形成される領域に比して高い不純物濃度を有するフレーム転送方式の固体撮像素子の駆動方法であって、上記撮像部の各受光画素に、光電変換によって生じる情報電荷を所定の期間蓄積する第１のステップと、上記蓄積部に情報電荷を取り込まない状態で、上記撮像部の各受光画素に蓄積された情報電荷を上記受光画素の行数よりも少ない行数だけ上記撮像部から上記蓄積部側へ転送して上記半導体基板へ排出する第２のステップと、上記第２のステップに続き、上記蓄積部に情報電荷を取り込む状態で上記撮像部の各受光画素に蓄積された情報電荷を上記受光画素の行数よりも少ない行数だけ上記撮像部から上記蓄積部へ転送する第３のステップと、上記第３のステップに続き、上記蓄積部に取り込まれた情報電荷を保持した状態で上記撮像部の各受光画素に残された情報電荷を上記半導体基板へ排出する第４のステップと、を含むことにある。
【００１０】
本発明によれば、撮像部と蓄積部とを不純物濃度が同一の拡散層内に形成したことで、各転送電極に対する各チャネル領域内のポテンシャルのでき方が撮像部と蓄積部とで常に一致する。従って、撮像部から蓄積部へ情報電荷を転送するとき、その接続部で転送効率が劣化するのを防止できる。そして、第２のステップでは、撮像部の蓄積部側の一部の情報電荷が排出され、第３のステップでは、撮像部の中間の行の情報電荷が蓄積部へ読み出される。そして、第４のステップでは、第３のステップでの読み出しで残された撮像部の蓄積部とは反対側に位置する情報電荷が排出される。従って、第２のステップの排出動作と第３のステップの読み出し動作との設定により、撮像部の任意の行から情報電荷を読み出すことができる。
【００１１】
さらに、本発明の特徴とするところは、前述の特徴に加えて、上記一導電型はＮ型であり、上記半導体基板の電位を、上記第１のステップの間ローレベルに設定し、上記第２のステップから上記第４のステップの間ハイレベルに設定することにある。
【００１２】
あるいは、上記一導電型はＮ型であり、上記半導体基板の電位を、上記第１のステップ及び上記第３のステップの間ローレベルに設定し、上記第２のステップ及び上記第４のステップの間ハイレベルに設定することにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体撮像素子の構造を示す断面図であり、図６と同一部分を示している。
【００１４】
Ｎ型のシリコン基板１１の一主面に、素子領域となるＰ型の拡散層１２が形成される。この拡散層１２は、撮像部となる領域１２ｉ及び蓄積部となる領域１２ｓの不純物濃度が均一に形成される。そして、水平転送部となる領域１２ｈの不純物濃度が、撮像部領域１２ｉ及び蓄積部領域１２ｓの不純物濃度よりも高く形成される。このような拡散層１２の表面領域には、分離領域（図示せず）が形成され、この分離領域の間にチャネル領域が形成される。この分離領域は、図６と同一であり、チャネル領域は、撮像部から蓄積部まで垂直方向に連続し、水平転送部で水平方向に延在するように形成される。
【００１５】
チャネル領域が形成されたシリコン基板１１上に、各チャネル領域と交差するようにして複数の転送電極１３ｉ、１３ｓ、１３ｈが配列される。撮像部及び蓄積部に形成される転送電極１３ｉ、１３ｓは、それぞれ水平方向に延在して２層に形成され、例えば、４相の垂直転送クロックφv1〜φv4及び４相の蓄積転送クロックφs1〜φs4がそれぞれ印加される。これにより、撮像部のチャネル領域内に発生する情報電荷が、各画素毎に独立して撮像部から蓄積部へ転送された後、蓄積部から水平転送部へ順次転送される。水平転送部に形成される転送電極１３ｈは、撮像部及び蓄積部の転送電極１３ｉ、１３ｓと交差して垂直方向に延在して形成され、例えば、２相の水平転送クロックφh1、φh2が印加される。この水平転送クロックφh1、φh2は、蓄積転送クロックφs1〜φs4に同期し、蓄積部から転送出力される情報電荷を順次水平方向へ転送出力する。また、シリコン基板１１には、基板側のポテンシャルを制御する基板クロックφbが印加される。
【００１６】
不純物濃度が低く形成される拡散層１２の撮像部領域１２ｉ及び蓄積部領域１２ｓでは、水平転送部領域１２ｈに比べて、チャネル領域の情報電荷がシリコン基板１１側へ排出されやすくなっている。このため、情報電荷の転送期間においては、基板クロックφｂを立ち下げておくことでシリコン基板１１側のポテンシャルを高くし、情報電荷が転送過程で不用意にシリコン基板１１側へ排出されないようにしている。
【００１７】
以上の固体撮像素子においては、拡散層１２の撮像部領域１２ｉと蓄積部領域１２ｓとで不純物濃度が均一に形成されるため、撮像部と蓄積部とでチャネル領域内のポテンシャルが同じ条件によって制御される。従って、垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４と蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４とのレベルを合わせておけば、撮像部と蓄積部との接続部分でチャネル領域内にポテンシャルの段差が形成されることはなく、転送効率の劣化を防止できる。
【００１８】
また、不純物濃度が低く形成される拡散層１２においては、情報電荷を蓄積するポテンシャル井戸が、深い位置に形成されるようになる。即ち、拡散層１２の不純物濃度を低くすると、シリコン基板１１内に空乏層が広がりやすくなり、シリコン基板１１内のポテンシャルプロファイルは、図２の実線ａに示すように、不純物濃度の高い波線ｂの場合と比べて、情報電荷を蓄積するポテンシャル井戸がシリコン基板１１の深部へ移動する。従って、蓄積部においても、撮像部と同様に、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面から離れた位置で情報電荷を転送できるようになるため、転送効率の改善が図れる。
【００１９】
図３は、本発明の固体撮像素子の駆動方法を説明するタイミング図である。この駆動方法は、図１に示す本発明の固体撮像素子に対して適用される。
【００２０】
垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４は、全てローレベルに立ち下げられた後、φｖ１、φｖ２のみが立ち上げられた状態で期間Ｌの間固定される。この垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４に対応して、基板クロックφｂが一旦ハイレベルに立ち上げられた後、期間Ｌの間ローレベルに固定される。これにより、撮像部のチャネル領域では、情報電荷が一旦排出された後、期間Ｌの間に発生する情報電荷が蓄積される。
【００２１】
続くタイミングｔ１において、垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４が互いにπ／２の位相差を保ちながらクロッキングされると、撮像部のチャネル領域の情報電荷は蓄積部側へ転送される。このとき、蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４は、全てローベルに固定されており、撮像部から転送出力される情報電荷は、蓄積部に取り込まれることなく、シリコン基板１１側へ排出される。
【００２２】
期間Ｄ１を経過したタイミングｔ２において、蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４が垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４に同期してクロッキングされると、それまではシリコン基板１１側へ排出されていた情報電荷が蓄積部に取り込まれるようになる。この情報電荷の取り込みは、タイミングｔ３において垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４及び蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４のクロッキングが停止されるまで行われる。そして、タイミングｔ３において垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４及び蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４のクロッキングが停止された後には、期間Ｄ２を経過したタイミングｔ４までの間、垂直転送クロックφｖ１〜φｖ４が全てローレベルに固定される。これと同時に、蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４の内、φｓ１及びφｓ２がローレベルに固定され、φｓ３及びφｓ４がハイレベルに固定される。これにより、撮像部から蓄積部に取り込まれた情報電荷は、蓄積部のチャネル領域に保持され、撮像部に残された情報電荷は、シリコン基板１１側へ排出される。タイミングｔ４以降は、蓄積転送クロックφｓ１〜φｓ４が水平走査周期でクロッキングされ、蓄積部に保持された情報電荷を１行ずつ水平転送部へ転送出力する。
【００２３】
以上の駆動方法によれば、駆動タイミングｔ２、ｔ３の設定により、撮像部の任意の行から情報電荷を読み出すことができるようになる。即ち、図４に示すように、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間に設定される期間Ｄ１において、蓄積部ｓに隣接する撮像部ｉの領域▲１▼の情報電荷が排出され、その後に、情報電荷の読み出しが開始される。そして、タイミングｔ３からタイミングｔ４の間に設定される期間Ｄ２において、蓄積部ｓとは反対側の撮像部ｉの領域▲２▼の情報電荷が排出される。尚、領域▲２▼の情報電荷については、撮像部ｉに残したままの状態とし、次の撮像動作で全ての情報電荷を一旦排出させるようにしてもよい。従って、タイミングｔ２によって撮像部ｉ内の読み出し開始位置が設定され、タイミングｔ３によって読み出し終了位置が設定される。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、撮像部と蓄積部とを同じ条件で動作させることができ、駆動回路の設定を簡略化できると共に、撮像部から蓄積部への情報電荷の転送効率が劣化するのを防止できる。
【００２５】
また、本発明の駆動方法によれば、撮像部の任意の位置から情報電荷を読み出すことが可能になり、撮像領域の一部を取り出す際、画像信号に対する信号処理を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図２】基板内のポテンシャルの状態を示すプロファイル図である。
【図３】本発明の固体撮像素子の駆動方法を説明するタイミング図である。
【図４】情報電荷の読み出し領域を示す概略図である。
【図５】従来のフレーム転送方式の固体撮像素子の概略を示す平面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ線の断面構造を示す断面図である。
【符号の説明】
ｉ  撮像部
ｓ  蓄積部
ｈ  水平転送部
ｄ  出力部
１、１１  シリコン基板
２、１２  Ｐ型拡散層
３ｉ、３ｓ、３ｈ、１３ｉ、１３ｓ、１３ｈ  転送電極
【図１】
0003631000.tif 000002
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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