(57)【要約】【課題】各感光画素毎の蓄積時間の同時性を確保すると共に、信号電荷の加算機能を向上させ、さらにこれらの機能の向上を低ノイズで、かつ、小さな回路面積で実現する。【解決手段】固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する感光画素と、変換された信号電荷を出力信号に変換する電荷検出部とを備える固体撮像装置において、前記感光画素と前記電荷検出部との間に設けられ、前記信号電荷を一時的に蓄積すると共に順次パルスの印加により蓄積した信号電荷を前記電荷検出部に転送する電荷転送部を備える。【選択図】図１
2008277861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部とを備える固体撮像装置において、
前記電荷転送によって転送することが可能な信号電荷の数が、前記蓄積部の数よりも少ないことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記蓄積部および前記電荷転送部の何れか一方により、前記複数の信号電荷を合流させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記蓄積部に前記信号電荷が蓄積されているときに、前記蓄積部を構成する半導体の界面には、蓄積された前記信号電荷の導電型とは反対の導電型の電荷が蓄積されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部とを備える固体撮像装置において、
前記蓄積部に前記信号電荷が蓄積されているときに、前記蓄積部を構成する半導体の界面には、蓄積された前記信号電荷の導電型とは反対の導電型の電荷が蓄積されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
半導体基板と、前記半導体基板の第１導電型の第１不純物領域に設けられた電荷転送部と、前記第１不純物領域に所定電圧を供給する電源配線と、前記電源配線と前記第１不純物領域とを接続するコンタクト部と、前記第１不純物領域と同一導電型で前記第１不純物領域よりも不純物濃度が高く、かつ、素子分離領域として機能する第２不純物領域と、前記第２不純物領域と同一の第１導電型で第２不純物領域よりもさらに不純物濃度が高く、かつ、前記コンタクト部の下側に設けられた第３不純物領域と、を備えることを特徴とする電荷転送装置。
【請求項６】
前記第３不純物領域が、前記コンタクト部と前記電荷転送部との間にも設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電荷転送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固体撮像装置およびこれを用いたイメージセンサに係り、特に解像度を低くして高速で信号を読取るようにした固体撮像装置およびこれを用いたイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
スキャナなどにおいて画像の読み取りに用いられる１次元のイメージセンサやデジタルカメラおよびカメラ式携帯電話などの２次元画像の読み取りに用いられる２次元のイメージセンサにおいては、固体撮像装置が用いられている。この固体撮像装置においては、感光画素で発生した電荷を読み出す際に、感光画素に設けられた電荷検出部の出力を選択して出力するように構成されたものが提案されている。
【０００３】
図２５は、従来の出力選択型の固体撮像装置の概略構成を示している。図２５において、イメージセンサは、光電変換により受光した光エネルギーを信号電荷に変換する感光画素１と、感光画素１の信号電荷の電位を検出する電荷検出部２とを備えており、電荷検出部２は電荷を一時的に蓄積する浮遊拡散層３と、浮遊拡散層３の電位を設定するリセットゲート４と、このリセットゲート４を介して基準電圧が印加されるドレイン５とを備えている。イメージセンサはさらに浮遊拡散層３の電位変化を信号出力に変換するバッファ６と、バッファ６の信号出力を選択するトランジスタ７と、リセットゲート４に浮遊拡散層３の電位設定用パルスＲＳを出力すると共にトランジスタ７に選択パルスＳＬを出力するシフトレジスタ８と、最終的な出力を保持するバッファ９とを備えている。
【０００４】
以上の構成における動作について説明する。感光画素１で発生した電荷は、電荷検出部２の浮遊拡散層３に流入されて、その電位変化はバッファ６により信号出力に変換されている。シフトレジスタ８で発生した選択パルス（ＳＬｉ）によりトランジスタ７を選択的にオンさせて、その出力を選択し、バッファ９を介して最終的に出力信号（ＯＳ）を出力している。浮遊拡散層３の電位の設定は、リセットゲート４にパルス（ＲＳｉ）を印加して、基準電圧が印加されたドレイン５に導通させることにより行なわれている。
【０００５】
ところで、図２５に示す従来の固体撮像装置の構成によれば、ｉ番目の感光画素１の信号蓄積時間と、ｉ＋１番目の感光画素１の信号蓄積時間とが図２６に示す矢印ＰａおよびＰｂのように画素毎に異なってしまい、使用上の制約が生じてしまう場合がある。また、ある画素の蓄積電荷を信号として読み出しているときに、他の画素は信号を蓄積している場合があるので、例えばカラー光源として赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）３色のＬＥＤを交互に点灯させるような場合に、点灯時間と読出し時間とを分ける必要があり、全体の読み取り時間が長くなってしまうという問題があった。この時の動作を示す波形図が図２７（ａ）ないし（ｄ）である。例えば、図２７（ａ）のＬＥＤ＿Ｒと図２７（ｂ）のＬＥＤ＿Ｇにより各光源が点灯している時間と、図２７（ｄ）で信号が読み出されている時間とは、図中に“G-integration”と記載された矢印の期間だけ必要になる。
【０００６】
図２５に示す従来の固体撮像装置における同時読出しを可能する構成として、図２８に示す異なる従来例の固体撮像装置のように、浮遊拡散層３の電位変化を信号出力に変換するバッファ６と、シフトレジスタ８で生成された選択パルスにより選択的にオンさせられるトランジスタ７との間に、切換用スイッチングトランジスタ１０と信号保持用の容量１１を設けて、信号を保持するようにしても良い。しかし、図２８に示す他の従来例による固体撮像装置によれば、スイッチングトランジスタ１０によりノイズが増加したり回路面積が増大したりするという問題があった。
【特許文献１】特開平９−２３３３８２号公報
【特許文献２】特開平１１−１７７９７６号公報
【特許文献３】特開２００３−８７６５７号公報
【特許文献４】特開２００３−８７６６３号公報
【特許文献５】特開平１０−３２２５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上説明した従来の固体撮像装置によれば、感光画素毎の信号蓄積時間にばらつきが発生して使用上の制約が生じてしまったり、点灯時間と読出し時間とを分けなくてはならない場合に全体の読み取り時間が長くなってしまったりするという問題があった。また、同時読出しを可能にするために信号保持用の容量とスイッチングトランジスタとを設けるように構成すると、ノイズの増加や回路面積の増大を招くという問題があった。
【０００８】
この発明は、感光画素と電荷検出部の間に電荷を蓄積・転送する電荷転送部を設けることにより、各感光画素毎の蓄積時間の同時性を確保すると共に、信号電荷の加算機能を向上させ、さらにこれらの機能の向上を低ノイズで、かつ、小さな回路面積で実現することのできる固体撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部とを備える固体撮像装置において、前記電荷転送によって転送することが可能な信号電荷の数が、前記蓄積部の数よりも少ないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上詳細に説明したように、本発明に係る固体撮像装置によれば、感光画素に設けられた電荷検出部の出力を選択して出力する固体撮像装置において感光画素を電荷検出部との間に電荷を蓄積・転送する電荷結合素子を設けることにより、蓄積時間の同時性や信号電荷の加算機能を、低ノイズで、かつ、小さな回路面積により実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施形態について添付図面を用いて詳細に説明する。まず、図１ないし図４を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。図２５と同一参照符号を付した部分は、従来と同一または相当する構成要素を示している。
【００１２】
図１に示すように、第１実施形態に係る固体撮像装置は、感光画素１と電荷検出部２との間に電荷転送部１５を備えている。電荷蓄積部１５は、パルスＳＨを印加されることにより感光画素１に一時的に蓄積された信号電荷を一斉に開放する第１の電極１６と、第１の電極１６の開放により感光画素１より流れ込んだ信号電荷を一時的に蓄積する蓄積電極としての第２の電極１７と、シフトレジスタ８より順次に出力されるパルスＳＴの第２の電極１７への印加により蓄積電極としての第２の電極１７に一時的に蓄積された信号電荷を電荷検出部２へ移す際の電荷転送用バイアス電極として機能する第３の電極１８とを備えている。電荷検出部２以降の構成は図２５に示す従来の固体撮像装置と同様である。
【００１３】
感光画素１、電荷検出部２、電荷転送部１５の断面構成は、図２に示されている。図２において、半導体基板２０の一方側の表面には感光画素１および電荷検出部２の浮遊拡散層３と基準電圧が印加されるドレイン５とが埋設されている。電荷検出部２のリセットゲート４と、電荷転送部１５を構成する第１ないし第３の電極１６，１７，１８とが絶縁膜（図示せず）を介して同一層に単層で形成されている。このように、複数の電極を半導体基板との間の絶縁層を介して単一層により形成することにより、例えばリセットゲート４のような他のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisitor）を構成する際に同一層の素子として同じプロセスにより同時に形成するようにしても良い。
【００１４】
なお、単一層の複数の電極を感光画素１と電荷検出部２との間に形成するためには、図２の第１ないし第３の電極１６，１７，１８のそれぞれの間に、微細な間隙を設けて電極間の絶縁を確実にする技術が確立されていなければならない。近年の半導体装置の製造プロセス技術の飛躍的な進歩により、このような微細加工処理が可能となり第１ないし第３の電極間の微細なギャップの形成が可能となり、この第１実施形態に係る固体撮像装置の製造が可能になってきている。
【００１５】
次に、この第１実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図３のタイミングチャートを用いて説明する。図３（ａ）は第１の電極１６に印加されるパルスＳＨの波形を示し、パルスＳＨの印加により第１の電極１６は一斉に開き、電荷を蓄積する第２の電極１７に信号電荷が一時的に蓄積される。図３（ｂ）はリセットゲート４に印加されるパルスＲＳｉを示しており、リセットゲート４へのパルスＲＳｉの印加によりドレイン５を基準電圧の印加により導通させて、浮遊拡散層３の電位を設定する。図３（ｃ）は蓄積部として機能する第２の電極１７に印加される順次パルスＳＴｉを示しており、図３（ｄ）はバッファ６の信号出力を選択するトランジスタ７のゲートを制御するためにシフトレジスタ８で生成された選択パルスＳＬｉを示している。
【００１６】
順次パルスＳＴｉのＬレベルと選択パルスＳＬｉのＨレベルが一致している間に、バッファ９を介して図３（ｈ）に示す出力ＯＳのように蓄積された信号電荷が読み出される。図３（ｅ）は隣接する感光画素１のリセットゲート４に印加されるパルスＲＳｉ＋１を示し、図３（ｆ）は隣接する感光画素１の電荷転送部１５の第２の電極１７に印加される順次パルスＳＴｉ＋１を示し、図３（ｇ）は隣接する感光画素１のバッファ６の信号出力を選択するトランジスタ７のゲートを制御するためにシフトレジスタ８で生成された選択パルスＳＬｉ＋１を示している。
【００１７】
以上のようにして、バッファ９を介して隣接する感光画素１の信号電荷も出力ＯＳのように読み出される。なお、図３（ｈ）において、１番目（ｉ）の感光画素１の読み出した信号電荷の出力と、隣接する２番目（ｉ＋１）の感光画素１の読み出した信号電荷の強度は矢印のように異なっているが、これは感光画素１の受光量が画素毎に異なっているために、その受光量に比例して出力の強度に差が現れるからである。
【００１８】
固体撮像装置を構成する感光画素１毎に設けられた電荷転送部１５は、第１の電極１６に印加されるパルスＳＨにより一斉に開かれて全ての感光画素１についての信号電荷の読み出しを行なうと、次のパルスＳＨが立ち上がることにより、第１の電極１６が一斉に開かれて、全ての感光画素１について図３（ｂ）ないし図３（ｈ）のタイミングで信号電荷の読出しが行なわれる。このようにして、電荷転送部１５に一時的に蓄積される信号電荷の蓄積時間は、全ての感光画素１について同一となり、蓄積された信号電荷を順次読出して出力することができることになる。
【００１９】
なお、図４（ａ）ないし（ｄ）は、従来の固体撮像装置における図２７（ａ）ないし（ｄ）と同様に、第１実施形態に係る固体撮像装置をカラー光源に適用した場合の点灯期間と読出し期間の関係を示している。図４（ａ）は赤色（Ｒ）の点灯時間を示すパルス信号ＬＥＤ＿Ｒ、図４（ｂ）は緑色（Ｇ）の点灯時間を示すパルス信号ＬＥＤ＿Ｇ、図４（ｃ）は青色（Ｂ）の点灯時間を示すパルス信号ＬＥＤ＿Ｂのそれぞれのタイミングチャートである。これらの図より明らかなように、点灯時間はＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれのパルスのタイミングがずれているが、図４（ｄ）に示すように出力信号ＯＳはＯＳ＿Ｒ，ＯＳ＿Ｇ，ＯＳ＿Ｂが連続して順次に出力されている。これにより、カラー光源の各色の点灯時間に関係なく出力信号ＯＳを送出することができ、読出し期間を点灯期間を無関係に設定することができるので、各色の点灯期間中であっても、出力信号ＯＳを順次に連続して出力することができる。
【００２０】
上述した第１実施形態に係る固体撮像装置は、図１および図２に示すように、電荷転送部１５の第１ないし第３の電極１６ないし１８を単一層により形成し、電荷検出部２のリセットゲート４とも同一層により形成しているので、半導体基板２０との間に絶縁膜（図示せず）のみを介して同一のプロセスにより製造することができ、製造プロセスの簡略化を図ることができる。なお、上述したように電極間の溝は微細加工技術の進歩により、各電極間を確実に絶縁することができるようになったことにより実現可能となっている。
【００２１】
このように、電荷転送部１５を構成する複数の電極を微細なギャップを介して単一層により形成した構造は、小型化された固体撮像装置の実現を可能としており、携帯無線端末やデジタルカメラ等に搭載された２次元センサに適用された場合に特に優れた効果を奏する。
図１ないし図４により説明した第１実施形態に係る固体撮像装置は、電荷転送部１５の複数の電極を単一層により形成するものとして説明したが、本発明はこのような単層構造に限定されず、複数の電極を複数層構造により形成するようにしても良い。
【００２２】
図５および図６に示す第２実施形態に係る固体撮像装置は、感光画素１と電荷検出部２との間に設けられた電荷転送部１５を構成する複数の電極のうちの２つの電極が２層構造で形成されている。図５および図６において、パルスＳＨが印加される第１の電極１６と、バイアス電極として機能する第３の電極１８とが、電荷蓄積電極として機能する第２の電極１７の対向する両辺縁部を覆うように立ち上がり折り曲げ延長されて２層構造となっている。
【００２３】
詳細は図６の断面図に示されるように、第２の電極１７の感光画素１側の辺の上に、第１の電極１６の対向辺縁部が立ち上がり折り曲げ延長されて覆うような構成になっている。また、第２の電極１７の電荷検出部２側の辺の上にも、対向する第３の電極１８の辺縁部が立ち上がり折り曲げ延長されて覆うような構造となっている。このような構成を有する第２実施形態に係る固体撮像装置の動作は図３および図４を用いて説明した第１実施形態の動作と同じなので、重複説明を省略する。
【００２４】
電荷転送部１５を構成する複数の電極の両端に位置する電極を内側の電極の辺縁部上に被さるよう２層に構成する図６に示すような第２実施形態による固体撮像装置によれば、製造工程が多少複雑になり、また、電極間のカップリング容量も幾分増加するという問題がある。しかしながら、このような２層構造は、その構造上からも微細なギャップを形成する必要がないため、微細なギャップを加工しなくても良いという利点を有している。
【００２５】
なお、上述した第１および第２実施形態に係る固体撮像装置は、何れも複数の感光画素に対して同数の電荷検出部を設けるものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、感光画素により受光されて電荷に変換されて一時的に蓄積される電荷をさらに一時的に蓄積する電荷転送部を設けたことにより、感光画素の数と電荷検出部の数とは同数である必要性がなくなる。感光画素に対して電荷検出部の数を逓減させると、低い解像度の画像を高速で読み出すことができたり、回路面積が小さくなるためチップ面積を縮小することができる。
【００２６】
例えば、２４００ｄｐｉ（dot per inch―１インチ当たりのドット数―）の解像度のイメージセンサに対して、８画素に１つの電荷検出部を設けた場合の解像度は３００ｄｐｉで、１６画素に１つの電荷検出部を設けた場合は１５０ｄｐｉとなり、解像度は１／８、１／１６に逓減するが、その代わりに読出し時間は逆数倍で高速化することができる。画像の解像度よりも読出し時間の短縮化が求められる画像処理の分野が近年広がってきているので、本発明による高速読出しを可能にした固体撮像装置は、このような分野に適用するのに好適である。
【００２７】
以下、第３ないし第９実施形態に係る固体撮像装置について図７ないし図１７を用いて説明する。図７ないし図９は第３実施形態に係る固体撮像装置の概略構成と動作とを示している。図７の構成のうち他の実施形態と同一符号を付したものは、同一または相当する構成要素を示している。
【００２８】
図７において、第３実施形態に係る固体撮像装置は、隣接する２つの感光画素１の電荷転送部１５の蓄積電極として機能する第２の電極１７間に転送電極（ＴＲ）としての第４の電極１９を備えている。１次元センサにおいては解像度を切り換えて読取るために、隣接する感光画素１の信号電荷を合成して出力することを必要とする場合がある。この場合に、隣接する感光画素の信号電荷を加算して出力信号ＯＳに変換すると都合が良いこともある。第３実施形態はこのような都合に応じて感光画素１で蓄積した信号電荷を画素毎に読み出す場合に用いても良いし、隣接する２つの画素の信号電荷を合成して出力するようにしても良い。
【００２９】
各場合における動作を図８および図９を用いて説明する。図８は、隣接する感光画素１からの信号電荷を合流させないで、画素毎に読み出す場合のタイミングチャートを示している。図９は、パルスＳＨにより第１の電極１６を一斉に開いて蓄積部としての第２の電極１７に信号電荷を移動させた後に、第４の電極１９を動作させて、隣接する２つの感光画素１の第２の電極１７に蓄積された信号電荷を結合し、２画素おきに読み出す動作を示すタイミングチャートである。
【００３０】
図８のタイミングで動作する場合、第１ないし第３の電極１６〜１８を用いて第１および第２実施形態で説明した動作と同様の動作を行なっている。すなわち図８（ａ）に示すパルスＳＨにより第１の電極１６が開いて全ての感光画素１に蓄積された信号電荷が一世に第２の電極１７に蓄積される。このとき、感光画素１は全ての信号電荷を読み出すので、図８（ｂ）に示す転送電極としての第４の電極１９への信号ＴＲにはパルスが立っていない。
【００３１】
図８（ｃ）〜（ｅ）は、シフトレジスタ８から第４の電極１９の図中左側の感光画素のリセットゲート４へ出力されるパルスＲＳ＿ｉ、第２の電極１７へ出力されるパルスＳＴ＿ｉ、トランジスタ７のゲートに出力されるパルスＳＬ＿ｉのそれぞれのタイミングを示している。また、図８（ｆ）〜（ｈ）は、シフトレジスタ８から第４の電極１９の図中右側の感光画素のリセットゲート４へ出力されるパルスＲＳ＿ｉ＋１、第２の電極１７へ出力されるパルスＳＴ＿ｉ＋１、トランジスタ７のゲートに出力されるパルスＳＬ＿ｉ＋１のそれぞれのタイミングを示しており、図８（ｉ）は信号出力ＯＳを示している。このように、図７に示す第４の電極１９を備える１次元センサであっても通常の信号電荷の読出し動作を行なうことができる。
【００３２】
次に、図９（ａ）ないし（ｌ）を参照しながら、隣接する２つの感光画素１の信号電荷を２画素おきに読み出す場合について説明する。図９（ａ）に示すパルスＳＨの出力後に、図９（ｂ）に示す転送電極としての第４の電極１９へのパルスＴＲが立つと、図９（ｃ）〜（ｅ）に示す第４の電極１９の左側の蓄積部としての第２の電極に蓄積された信号電荷がまず読み出される。第４の電極１９の右側の感光画素の電荷転送部１５への信号ＲＳ＿ｉ＋１、ＳＴ＿ｉ＋１、ＳＬ＿ｉ＋１には、図９（ｆ）〜（ｈ）に示すようにパルスが立たないので、右側の画素の信号電荷は単独では読み出されないで、左側の感光画素の信号電荷に加算されて読み出されている。
【００３３】
次の感光画素１の電荷転送部１５は、第４の電極１９の左側のものであるので、図９（ｉ）〜（ｋ）に示すそれぞれの信号パルスにより動作して、右側の感光がその信号電荷を加算した信号出力ＯＳを出力している。このようにして、転送電極として機能する第４の電極１９に信号ＴＲが入力されることにより、隣接する２つの感光画素の信号電荷は奇数番目の画素の信号電荷を読み出す際に加算されて読み出されている。
【００３４】
上述したように、電荷検出部２において電荷を加算することにより、素子の面積を略々一定に保ちながら、信号ノイズ比が劣化されてしまうのを防止することができる。また、このような電荷を加算する構成は、電荷転送部１５を設けることにより感光画素１の信号電荷を一時的に電荷転送部の蓄積電極としての第２の電極１７に蓄積させることにより実現しているが、このような構成は図２５に示した従来の固体撮像装置の構成から回路的に実現することは、かなりの困難を伴うものである。
【００３５】
上述した第３実施形態に係る固体撮像装置によれば、１次元センサのように、解像度を切り換えて用いる必要がある場合に、転送電極としての第４の電極１９への信号ＴＲにパルスを立てることにより、隣接する感光画素の何れか一方の信号電荷のみを読み出すように設定することが可能となり、特に解像度を落としても読出し速度を速めたいような形態での使用に有効に対応することができるという特有の効果を奏する。
【００３６】
なお、第３実施形態においては、第４の電極１９を設けることにより、隣接する２つの画素間の信号電荷の読出しを１画素おきに行なうようにしていたが、隣接する２画素の一方のみの信号電荷を読み出す構成を主とした場合、画素毎に設けられていた電荷検出部２を２画素に１つずつ設ける構成であっても同様の作用効果を得ることができる。この具体的な構成例として、図１０ないし図１２を用いて第４実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００３７】
図１０において、隣接する２つの感光画素１には、それぞれの画素毎に電荷転送部１５が図示のように設けられている。それぞれの電荷転送部１５の第１ないし第３の電極１６〜１８は、対をなす電荷転送部１５毎に第３の電極１８が徐々に近接するように配置されている。対をなす電荷転送部１５の第３の電極の間には電荷検出部２が２つの画素につき１つずつ設けられている。電荷蓄積用のバッファ６およびスイッチング動作を行なうトランジスタ７も２つの画素毎に１つずつ設けられてる。
【００３８】
以上の構成基づく動作について図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、全ての感光画素１について順次に信号電荷を読み出していく動作を示すタイミングチャートであり、図１２は隣接する２つの感光画素１のうち図中で左側に示された感光画素１の信号電荷のみを読み出す場合のタイミングチャートを示している。図１１（ａ）〜（ｊ）に示すように、１つの電荷検出部２により２つの隣接する感光画素１の信号電荷を読み出す場合には、図１１（ａ）に示すように信号ＳＨが第１の電極１６に印加されて全ての感光画素１の信号電荷が一斉に読み出されて蓄積部としての第２の電極１７に蓄積される。シフトレジスタ８からリセットゲート４に対して出力されるパルスＲＳｉが所定期間内に、図１１（ｂ）に示すような２つのパルスを立ち上げる。
【００３９】
次に、図１１（ｃ）（ｄ）に示すように、シフトレジスタ８より奇数番目の第２の電極１７へ出力されるパルスＳＴＯ＿ｉと、偶数番目の第２の電極１７へ出力されるパルスＳＴＥ＿ｉにより、奇数番目の感光画素１の信号電荷と、偶数番目の感光画素１の信号電荷とがそれぞれ図１１（ｊ）の信号出力ＯＳにＳｉｇ＿ｉおよびＳｉｇ＿ｉ＋１のように読み出される。図１０の右側に示す２つの感光画素についても、同様の動作により図１１（ｆ）〜（ｉ）に示す「ｉ＋２」を付された各パルスにより、図１１（ｊ）の信号出力ＯＳにおけるＳｉｇ＿ｉ＋２およびＳｉｇ＿ｉ＋３が読み出される。以上のように電荷検出部２は、隣接する２つの感光画素１毎に１つだけしか設けられていなくとも全ての感光画素１につき信号電荷を読み出すことができる。
【００４０】
次に、解像度を変更して隣接する感光画素１の２つに１つずつの信号電荷を読み出す場合について図１２（ａ）〜（ｊ）を用いて説明する。隣接する２つの感光画素１の信号電荷を２つに１つずつ順次読み出す場合、図１２（ｂ）と（ｆ）に示すパルスＲＳの立ち上がりを１つずつにしておけば、奇数番目の感光画素の信号電荷と偶数番目の感光画素の信号電荷とが図１２（ｃ）（ｄ）、（ｇ）（ｈ）で同時に出力されて加算され、図１２（ｊ）の信号出力ＯＳのように２つの隣接する感光画素の信号電荷が合成されて出力される。
【００４１】
以上説明した第４実施形態による固体撮像装置によれば、図１，図５，図７のように、電荷検出部の回路を感光画素の個数と同数設ける必要がなく、図１０に示すように、感光画素の個数に対して電荷検出部の回路構成を減らすことができるので、固体撮像装置全体としてのチップサイズを縮小することができるという効果を有している。
【００４２】
上述した第３および第４実施形態に係る固体撮像装置は、何れも２つの感光画素の信号電荷を順次単独で読み出したり加算して読み出す具体例について説明したが、本発明はこれに限定されず、１つの電荷検出部２により読み出す感光画素の数は、３つ以上の幾組であっても良い。ただし、イメージセンサに設けられる感光画素の数が例えば２４００個であれば、２，３，４，８，１６等のように感光画素の個数を割り切れる数毎に、１つの電荷検出部２を設けるようにした方が好ましい。電荷検出部２の個数について、幾つかの具体例を説明する。
【００４３】
図１３は、３つの感光画素１の信号電荷を一度に読み出す第５実施形態に係る固体撮像装置を示している。図１３において、３つの感光画素１からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部１５に一時的に蓄積された信号電荷が１つの電荷検出部２により読み出されて信号出力ＯＳが出力されている。画素毎の読出し用パルスＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部１５の蓄積電極としての第２の電極１７からの信号電荷につき３つの画素分を加算して出力することも可能である。
【００４４】
図１４は、４つの感光画素１の信号電荷を一度に読み出す第６実施形態に係る固体撮像装置を示している。図１４において、４つの感光画素１からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部１５に一時的に蓄積された信号電荷が１つの電荷検出部２により読み出されて信号出力ＯＳが出力されている。画素毎の読出し用パルスＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部１５の蓄積電極としての第２の電極１７からの信号電荷につき４つの画素分を加算して出力することも可能である。
【００４５】
図１５は、８つの感光画素１の信号電荷を一度に読み出す第７実施形態に係る固体撮像装置を示している。図１５において、８つの感光画素１からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部１５に一時的に蓄積された信号電荷が１つの電荷検出部２により読み出されて信号出力ＯＳが出力されている。画素毎の読出し用パルスＳＴ１ないしＳＴ８を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部１５の蓄積電極としての第２の電極１７からの信号電荷につき８つの画素分を加算して出力することも可能である。
【００４６】
図１６は、１６個の感光画素１の信号電荷を一度に読み出す第８実施形態に係る固体撮像装置を示している。図１６において、１６個の感光画素１からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部１５に一時的に蓄積された信号電荷が１つの電荷検出部２により読み出されて信号出力ＯＳが出力されている。画素毎の読出し用パルスＳＴ１ないしＳＴ１６を順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部１５の蓄積電極としての第２の電極１７につき１６個の画素からの信号電荷を加算して出力することも可能である。
【００４７】
図１７は、ｎ個の感光画素１の信号電荷を一度に読み出す第９実施形態に係る固体撮像装置を示している。図１７において、ｎ個の感光画素１からそれぞれ読み出されてそれぞれの画素毎の電荷転送部１５に一時的に蓄積された信号電荷が１つの電荷検出部２により読み出されて信号出力ＯＳが出力されている。画素毎の読出し用パルスＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，…，ＳＴｉ−１，ＳＴｉ，ＳＴｉ＋１，…，ＳＴｎ−２，ＳＴｎ−１，ＳＴｎを順次パルスとすることにより画素毎の信号電荷を読み出すことも可能であるし、電荷転送部１５の蓄積電極としての第２の電極１７についてｎ個の感光画素分の信号電荷を加算して出力することも可能である。
【００４８】
以上説明した第１ないし第９実施形態に係る固体撮像装置は、普通紙コピー機およびスキャナを含む１次元センサの何れかに適用することにより、１次元センサとしてのイメージセンサを提供することができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、２次元センサの各感光画素毎に設けられた電荷転送部に一時的に蓄積された信号電荷を複数の画素毎に加算して読み出す電荷検出部を設けるようにしても良い。２次元センサの具体例としては、近年広く普及してきているカメラ付携帯無線端末およびデジタルカメラ等が含まれる。
【００４９】
なお、２次元センサの回路構成の具体例として、図１８に示す第１０実施形態に係る固体撮像装置を適用したイメージセンサがある。第１０実施形態に係るイメージセンサについて説明する。
【００５０】
図１８は、２次元センサの回路構成を示すブロック図である。１次元センサが図１に示すようにライン状に画素が配列されているのに対して、２次元センサは図１８に示すように画素１がＸＹ方向にマトリックス状に配列されている。図示のように、マトリックス状に配列された多数の感光画素１のうちから縦横に配置された４つの感光画素１のそれぞれに電荷転送部１５が設けられ、４つの電荷転送部１５の中央に電荷検出部２が設けられている。電荷転送部１５は、第１ないし第９実施形態と同様に第１ないし第３の電極１６ないし１８を備え、電荷検出部２は、浮遊拡散層３，リセットゲート４，ドレイン５を備えている。浮遊拡散層３に蓄積された電荷は、バッファ６に出力され、トランジスタ７への選択パルスの印加により図示されないバッファ（９）に出力されて信号出力ＯＳ（図示せず）として出力される。
【００５１】
図１８に示す２次元センサの場合も１つの電荷検出部２に対して４つの感光画素１に一時的に蓄積された信号電荷を一度に出力することができ、２次元センサの解像度は多少低下するが、２次元センサで検出される信号電荷を高速で読出すことが可能となる。なお、１次元センサで多数の実施形態を用いて説明したように２次元センサにおいても、一度に信号電荷を読み出す感光画素の数は４つに限定されず、６，８，１０，１２，１６，３２のように所望の個数の感光画素とこれに付随して設けられた同数の電荷転送部１５に対して１つの電荷検出部２を設けるようにしても良い。
【００５２】
以上のように、本発明に係る固体撮像装置は、第１ないし第９実施形態に係る１次元センサに適用することも、第１０実施形態に係る２次元センサに適用することもできる。何れに適用するにしても、高解像度は必要としないが信号電荷の読み取り時間を高速で行ないたい場合に優れた適応特性を有する。
【００５３】
上述した第１ないし第９実施形態による固体撮像装置は何れも、電荷検出部２として浮遊拡散層３，リセットゲート４，ドレイン５を備えるものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、電荷検出部２の代わりに電荷結合素子（以下ＣＣＤ―Charge Coupled Device―と略記する）を用いて固体撮像装置を実現することもできる。以下、図１９ないし図２４を用いて、第１１ないし１６実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００５４】
図１９は、第１１実施形態に係る固体撮像装置を説明する回路ブロック図であり、同図においては図１の電荷検出部２，バッファ６，トランジスタ７等が、感光画素１のそれぞれに対応するＣＣＤ２１に置き換えられている。バッファ９を介して信号出力ＯＳが出力されている点は図１と同様である。図示説明を省略するが、この第１１実施形態に係る固体撮像装置も、半導体基板と、この半導体基板上の入射光を信号電荷に変換する複数の感光画素１と、変換された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部としてのＣＣＤ２１と、この蓄積部としてのＣＣＤ２１からの信号電荷を移送した後にこの信号電荷を順次転送する電荷転送部１５とを備える固体撮像装置である。
【００５５】
この固体撮像装置において、電荷転送部１５によって転送することが可能な信号電荷の数は、蓄積部としてのＣＣＤ２１の数よりも少ない構成が特徴となっている。また、この第１１実施形態においては、蓄積部としてのＣＣＤ２１および電荷転送部１５の何れか一方により、複数の信号電荷を合流させるようにしている。図１９の例では、蓄積部としてのＣＣＤ２１により複数の感光画素１の信号電荷が合流させられている。図１９では、２つのＣＣＤ２１，２１の信号電荷を１つの信号に合流にさせている。
【００５６】
なお、図１９に示す第１１実施形態の固体撮像装置においては、信号電荷を一時的に蓄積するために第２の電極１７を設け、パルス信号ＳＨにより感光画素１の信号電荷を第２の電極１７に移送させるための第１の電極１６を設けていた。この第１１実施形態の構成は、図２０に示す第１２実施形態のように、感光画素１を電荷蓄積用の第２の電極１７の代わりに用いることもできる。図２０に示す第１２実施形態では、電荷転送部１５は第３の電極１８のみにより構成され、転送用の信号電荷は感光画素１にそのまま蓄積されている。
【００５７】
上述した第１１および第１２実施形態における変形例として第１３実施形態に係る固体撮像装置について、図２１を用いて説明する。この第１３実施形態は、図２１に示すように、ＣＣＤ２１や第２の電極１７のような蓄積部に信号電荷が蓄積されているときに、第２の電極１７にはマイナス（−）の電圧が印加され、蓄積部を構成する半導体の界面２２には、蓄積された信号電荷２３の導電型（図示の場合、−の信号電荷すなわち電子）とは反対の導電型（＋）の電荷２４が蓄積されている。
【００５８】
すなわち、第２の電極１７にマイナスの電圧を印加すると、界面２２にはホール２４が蓄積される。このように構成することにより、界面２２の準位がホール２４により充満され、暗電流（発生再結合電流）が減少することになる。
【００５９】
なお、従来の固体撮像装置の断面構造は、図２２に示すように、例えば第１導電型としてのｐ型の導電型を有する半導体基板２０の表面に感光画素１が形成され、図示されない絶縁膜を介して同一層に第１の電極１６と蓄積部としてのＣＣＤ２１とが形成されている。半導体基板２０の感光画素１が形成された領域に隣接して例えばｐ型の導電型の第１の不純物領域２７が形成され、第１の不純物領域２７と画素１との間にはＣＣＤ２１に対向して電荷転送部２５が形成されている。
【００６０】
図２２に示される構成では電荷転送部２５は例えば第２導電型としてのｎ型の導電型を有している。第１不純物領域２７に対向してこの第１不純物領域２７に所定電圧を供給する電源配線２８が設けられ、電源配線２８と第１不純物領域２７を接続するコンタクト部２９が設けられている。電荷転送部２５と第１の不純物領域２７との間には第１不純物領域２７の導電型と同一の導電型で不純物濃度が第１不純物領域２７よりも高くかつ素子分離領域として機能する第２不純物領域３０が設けられている。
【００６１】
図２２に示す従来の固体撮像装置の構成によれば、ＣＣＤ２１の容量に基づく充放電電流が、ＣＣＤ２１に対向して基板２０側に設けられた電荷転送部２５から基板電圧供給ラインとしてのコンタクト部２９および第１不純物領域１７へと矢印２６のように電流が流れる。このように、コンタクト部２９のｐ型不純物が高濃度となった第１不純物領域２７は、例えば素子分離領域を兼用するなどの理由により、その不純物濃度が低くなっている場合がある。この第１不純物領域の不純物濃度が低い場合、コンタクト抵抗が高くなり、ＣＣＤ２１からの充放電電流が矢印２６のように抜けていくのに時間が掛かってしまうことになる。そのため、基板電位が揺すられて出力信号にノイズが現れてしまうという問題を有していた。
【００６２】
第１４実施形態に係る固体撮像装置は、上記の問題を解決するために提案されたものである。図２３に示すように、半導体基板２０と、半導体基板２０の第１導電型（例えばｐ型）の第１不純物領域２７に設けられた電荷転送部２５と、第１不純物領域２７に所定電圧を供給する電源配線２８と、この電源配線２８と第１不純物領域２７とを接続するコンタクト部２９と、第１不純物領域２７と同一導電型（例えばｐ型）で第１不純物領域２７よりも濃度が高く、かつ、素子分離領域として機能する第２不純物領域３０と、第２不純物領域３０と同一の第１導電型（例えばｐ型）で第２不純物領域３０よりもさらに不純物濃度が高く、かつコンタクト部２９の下側に設けられた第３不純物領域３１と、を備えている。
【００６３】
図２３に示す第１４実施形態に係る固体撮像装置は、高濃度の不純物領域である第３不純物領域３１をコンタクト部２９の下側に設けるようにしたので、半導体基板２０からコンタクト部２９へのコンタクト抵抗を下げることができるという特有の効果を有する。
【００６４】
なお、図２３に示した第１４実施形態に係る固体撮像装置は、第３不純物領域３１をコンタクト部２９の下側のみに形成するようにしていたが、さらにコンタクト抵抗を低減させて充放電電流を流れやすくするために、図２４に示す第１５実施形態に係る固体撮像装置のように、第３不純物領域３２をコンタクト部２９と電荷転送部２５との間にも設けるようにしても良い。この第１５実施形態において、第３不純物領域３２は、第１不純物領域２７から第２不純物領域３０にまで掛けて延長されて設けられており、その延在する範囲はコンタクト部２９と電荷転送部２５の間に及んでいる。
【００６５】
図２４に示す第１５実施形態に係る固体撮像装置のように、コンタクト部２９と電荷転送部２５との間にも第３不純物領域３２を設けるように構成することにより、コンタクト抵抗が一層低減されると共にＣＣＤ２１から電荷転送部２５を介して図２２の矢印２６のように流れるＣＣＤ２１の容量に基づく充放電電流がより一層流れ易くなるという特有の効果を有する。
【００６６】
以上のように、第１ないし第１５実施形態に係る固体撮像装置は、図１等に示す１次元センサに適用しても、図１８に示す２次元センサに適用しても、共に優れたイメージセンサとして低解像度ではあっても信号電荷の読出しを高速で行なうことができるという機能的な特徴を有している。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図２】第１ないし第３の電極を１層で形成した第１実施形態の固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図３】第１実施形態の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】第１実施形態の固体撮像装置をカラー光源に適用した場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図６】第１ないし第３の電極を２層で形成した第２実施形態の固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図８】第３実施形態の固体撮像装置における信号電荷を１つの感光画素毎に読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図９】第３実施形態の固体撮像装置における信号電荷を２画素毎に加算して読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１１】第４実施形態の固体撮像装置における信号電荷を１つの感光画素毎に読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１２】第４実施形態の固体撮像装置における信号電荷を２画素毎に加算して読み出す場合の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１３】３画素に１つの電荷検出部を設けた本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１４】４画素に１つの電荷検出部を設けた本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１５】８画素に１つの電荷検出部を設けた本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１６】１６画素に１つの電荷検出部を設けた本発明の第８実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１７】ｎ画素に１つの電荷検出部を設けた本発明の第９実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図１８】第１〜第９実施形態および第１１〜第１５実施形態に係る固体撮像装置の適用対象となる本発明の第１０実施形態に係る２次元センサを示す構成図である。
【図１９】本発明の第１１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第１２実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第１３実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図２２】第１４および１５実施形態の従来例としての固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図２３】本発明の第１４実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図２４】本発明の第１５実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を示す概略断面図である。
【図２５】従来の出力選択型の固体撮像装置の概略構成を示す構成図である。
【図２６】図２５に示す固体撮像装置の第１の信号読出し動作例を示す波形図である。
【図２７】図２５に示す固体撮像装置の第２の信号読出し動作例を示す波形図である。
【図２８】従来の固体撮像装置を変形した同時蓄積時間の構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  感光画素
２  電荷検出部
３  浮遊拡散層
４  リセットゲート
５  ドレイン
６  バッファ
７  トランジスタ
８  シフトレジスタ
９  バッファ
１５  電荷転送部
１６  第１の電極（パルス印加電極）
１７  第２の電極（電荷蓄積電極）
１８  第３の電極（バイアス電極）
２１  ＣＣＤ
２７  第１不純物領域
３０  第２不純物領域
３１  第３不純物領域（コンタクト部下側のみ）
３２  第３不純物領域（コンタクト部下から転送部との中間まで）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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