(57)【要約】【課題】電荷排出回路の電荷排出方向に伴う排出取り残し電荷の発生を飛躍的に抑制する。【解決手段】電荷転送装置は、複数段の電荷転送電極を有し、信号電荷を転送する垂直電荷転送装置と、１段の前記電荷転送電極に対して複数個配置され、前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を、異なる電荷排出方向に選択的に排出する電荷排出回路と、前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を外部に出力する出力回路とを有する。【選択図】  図１
2004303782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数段の電荷転送電極を有し、信号電荷を転送する垂直電荷転送装置と、
１段の前記電荷転送電極に対して複数個配置され、前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を、異なる電荷排出方向に選択的に排出する電荷排出回路と、
前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を外部に出力する出力回路と
を有する電荷転送装置。
【請求項２】
前記電荷排出回路は、対応する前記垂直電荷転送装置が同一である他の電荷排出回路と共用の電荷排出ドレインを有し、
前記電荷排出ドレインは、前記垂直電荷転送装置の列数に対して１／２程度である請求項１記載の電荷転送装置。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換素子と、
前記半導体基板上方に形成され、前記光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する垂直電荷転送装置と、
所定の位置で光電変換された信号電荷を選択的に排出する請求項１又は２記載の電荷転送装置と
を有する固体撮像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送装置及び電荷転送装置を用いた固体撮像装置に関し、特に電荷転送装置の電荷排出構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電荷転送装置を用いた固体撮像装置では、例えば、垂直電荷転送装置上に信号電荷を外部に排出するための電荷排出回路を設け、光電変換素子の任意の一水平ラインの信号電荷を選択的に間引くことが行われている。（例えば、特許文献１参照。）
図３は、従来の固体撮像装置の電荷転送装置における電荷排出構造を示す図である。図３（Ａ）は、従来の固体撮像装置の電荷転送装置における電荷排出構造を示す平面図である。
【０００３】
固体撮像装置２００は、正方行列状に配列される多数の光電変換素子８１、複数列の垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）８２、水平電荷転送装置（ＨＣＣＤ）８３及び出力回路８４を含んで構成される。
【０００４】
光電変換素子８１に蓄積された信号電荷８７は、隣接する垂直電荷転送装置８２により、図の上方から下方に向けて垂直に転送される。水平電荷転送装置８３は、複数列の垂直電荷転送装置８２により転送された信号電荷８７を並列に受け取り、出力回路８４に順次転送する。出力回路８４は、水平電荷転送装置８３により転送される信号電荷８７を固体撮像装置２００の外部に出力する。
【０００５】
垂直電荷転送装置８２の末端の水平電荷転送装置８３付近には、電荷排出回路９０が形成される。電荷排出回路９０は、転送路９１、排出制御ゲート９３及び排出ドレイン９５を含んで構成され、垂直電荷転送装置８２で転送される信号電荷８７を固体撮像装置２００の外部に排出することができる。
【０００６】
図３（Ｂ）は、電荷排出回路９０の構成を示す概略断面図である。
【０００７】
転送路９１は、ｐウェル（又はｐ型基板）８５の表面に形成されるｎ型転送チャネル（以下単に転送チャネルと呼ぶ）９１ｃと、絶縁膜８６を挟んで転送チャネル９１ｃの上方に形成される転送電極９１ｅとで構成され、垂直電荷転送装置８２の１転送段を形成する。転送電圧供給線９２は、転送電極９１ｅに制御電圧Φｖｎを供給する。
【０００８】
排出制御ゲート９３は、転送路９１の転送チャネル９１ｃと排出ドレイン９５として形成されるｎ型領域に挟まれた領域である排出チャネル９３ｃと、絶縁膜８６を挟んで排出チャネル９３ｃの上方に形成される排出制御ゲート電極９３ｅとで構成される。排出制御ゲート９３は、排出制御電圧供給線９４により供給される制御電圧Φｒｃによりオン・オフが制御される。なお、制御電圧Φｒｃが、ハイレベル状態の時がオンであり、ロウレベル状態の時がオフである。
【０００９】
排出ドレイン９５は、ｐウェル（又はｐ型基板）８５の表面に形成されるｎ型領域で構成され、垂直電荷転送装置８２（転送路９１）から、信号電荷８７を外部に排出するためのドレインである。ドレイン電圧供給線９６は、ドレイン９５にドレイン電圧Ｖｄｒを供給する。
【００１０】
図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示す電荷排出回路９０の半導体内に形成される電位分布図である。
【００１１】
それぞれ、電位９７は転送チャネルのチャネル電位、電位９８ｏｆｆは排出チャネル９３ｃの排出動作オフ（制御電圧Φｒｃがロウレベル）時のチャネル電位、電位９８ｏｎは排出チャネル９３ｃの排出動作オン（制御電圧Φｒｃがハイレベル）時のチャネル電位、電位９９は電荷排出ドレイン９５のドレイン電位を示す。
【００１２】
固体撮像素子２００の通常動作中は、電荷排出制御電極９３ｅは、オフ状態（制御電圧Φｒｃがロウレベル）を保持し、垂直電荷転送路８２で転送される信号電荷８７は、外部に排出されずに、水平電荷転送装置８３に転送される。ここで、必要に応じて、信号電荷８７が転送チャネル９１ｃに転送されてきた時に、電荷排出制御電極９３ｅをオン状態（制御電圧Φｒｃがハイレベル）にすることにより、図中点線の矢印で示すように、排出チャネル９３ｃを介して、信号電荷８７を転送チャネル９１ｃから電荷排出ドレイン９５に排出することができる。
【００１３】
上述の排出動作によれば、並列に配置される複数の電荷排出回路９０で一度に行われるので、特定のタイミングで電荷排出制御電極９３ｅのオン・オフを切り替えることにより、光電変換素子８１の選択された一水平ラインの信号電荷を選択的に間引くことができる。
【００１４】
【特許文献１】特開平６−３３８５２４号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、転送チャネル９１ｃ内には、例えば、加工上のばらつきにより、ある確率で図３（Ｃ）に示すような電位障壁８９が存在する場合がある。電位障壁８９が存在すると、一定量以下の電荷は電荷排出ドレイン９５に排出できない。この場合に、上述の電荷排出回路９０において、電荷排出制御電極９３ｅをオン状態にして信号電荷８７を電荷排出ドレイン９５に排出する時に、電位障壁８９が存在する転送チャネル９１ｃでは、該電位障壁８９により信号電荷８７が取り残されることがある。ここで取り残された信号電荷は、排出動作終了後に、垂直電荷転送路８２から水平電荷転送装置８３を経て出力されてしまう。
【００１６】
例えば、全信号電荷を電荷排出回路９０により、電荷排出ドレイン９５に排出した場合には、電位障壁８９が存在する垂直ラインには、排出残り電荷が出力され、再生画面上に白い線として現れる。この現象は、デジタルスティルカメラ等で、周知の垂直１／２ライン間引きの場合にも、信号に白線が重畳された画像となって現れ、著しく画質を悪化させてしまう。
【００１７】
本発明の目的は、電荷排出回路の電荷排出方向に伴う排出取り残し電荷の発生を飛躍的に抑制することである。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、電荷排出回路に含まれる垂直電荷転送装置の転送チャネル内に確率的に存在する電位障壁又は電位ばらつき等に起因する電荷転送残りによる縦線の発生を抑制することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、電荷転送装置は、複数段の電荷転送電極を有し、信号電荷を転送する垂直電荷転送装置と、１段の前記電荷転送電極に対して複数個配置され、前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を、異なる電荷排出方向に選択的に排出する電荷排出回路と、前記垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を外部に出力する出力回路とを有する。
【００２０】
また、本発明の他の観点によれば、固体撮像撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成され、前記光電変換素子で光電変換された信号電荷を転送する垂直電荷転送装置と、所定の位置で光電変換された信号電荷を選択的に排出する請求項１又は２記載の電荷転送装置とを有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置１０１の垂直電荷転送装置２における電荷排出構造を示す図である。
【００２２】
図１（Ａ）は、固体撮像装置１０１の垂直電荷転送装置２における電荷排出構造を示す平面図である。
【００２３】
固体撮像装置１０１は、正方行列状に配列される多数の光電変換素子１、光電変換素子１の各列に隣接して形成された複数列の垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）２、複数列の垂直電荷転送装置２の一端に形成された水平電荷転送装置（ＨＣＣＤ）３及び水平電荷転送装置３の一端に接続された出力回路４を含んで構成される。
【００２４】
光電変換素子１に蓄積された信号電荷７は、隣接する垂直電荷転送装置２により、図の上方から下方に向けて垂直に転送される。水平電荷転送装置３は、複数列の垂直電荷転送装置２により転送された信号電荷７を並列に受け取り、出力回路４に順次転送する。出力回路４は、水平電荷転送装置３により転送される信号電荷７を固体撮像装置１０１の外部に出力する。
【００２５】
垂直電荷転送装置２の末端の水平電荷転送装置３付近には、第１の電荷排出回路１０及び第２の電荷排出回路２０が、垂直電荷転送装置２の同一の電荷転送段の左右に形成される。
【００２６】
第１の電荷排出回路１０は、転送路１１、排出制御ゲート１３Ｌ及び排出ドレイン１５Ｌを含んで構成され、所定の位置で光電変換され垂直電荷転送装置２で転送される信号電荷７を選択的に固体撮像装置１０１の外部に排出することができる。
【００２７】
第２の電荷排出回路２０は、第１の電荷排出回路１０と共通の転送路１１、排出制御ゲート１３Ｒ及び排出ドレイン１５Ｒを含んで構成され、第１の電荷排出回路１０で排出される信号電荷７と同じ所定の位置で光電変換された信号電荷７を選択的に固体撮像装置１０１の外部に排出することができる。
【００２８】
図１（Ｂ）は、第１の電荷排出回路１０及び第２の電荷排出回路２０の構成を示す概略断面図である。
【００２９】
転送路１１は、ｐウェル（又はｐ型基板）５の表面に形成されるｎ型転送チャネル（以下単に転送チャネルと呼ぶ）１１ｃと、絶縁膜６を挟んで転送チャネル１１ｃの上方に形成される転送電極１１ｅとで構成され、垂直電荷転送装置２の１電荷転送段を形成する。転送電圧供給線１２は、転送電極１１ｅに転送制御電圧Φｖｎを供給する。なお、転送路１１は、電荷排出回路１０及び第２の電荷排出回路２０の双方の一部を成す。
【００３０】
排出制御ゲート１３Ｌは、転送路１１の転送チャネル１１ｃと排出ドレイン１５Ｌとして形成されるｎ型領域に挟まれた領域である排出チャネル１３Ｌｃと、絶縁膜６を挟んで排出チャネル１３Ｌｃの上方に形成される排出制御ゲート電極１３Ｌｅとで構成される。
【００３１】
排出制御ゲート１３Ｒは、転送路１１の転送チャネル１１ｃと排出ドレイン１５Ｒとして形成されるｎ型領域に挟まれた領域である排出チャネル１３Ｒｃと、絶縁膜６を挟んで排出チャネル１３Ｒｃの上方に形成される排出制御ゲート電極１３Ｒｅとで構成される。
【００３２】
排出制御ゲート１３Ｌ及び１３Ｒは、排出制御電圧供給線１４により供給される排出制御電圧Φｒｃによりオン・オフが制御される。なお、排出制御電圧Φｒｃが、ハイレベル状態の時がオンであり、ロウレベル状態の時がオフである。
【００３３】
排出ドレイン１５Ｌ及び１５Ｒは、ｐウェル（又はｐ型基板）５の表面に形成されるｎ型領域で構成され、垂直電荷転送装置２（転送路１１）から、信号電荷７を外部に排出するためのドレインである。ドレイン電圧供給線１６は、排出ドレイン１５Ｌ及び１５Ｒにドレイン電圧Ｖｄｒを供給する。
【００３４】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示す第１の電荷排出回路１０の半導体内に形成される電位分布図である。
【００３５】
それぞれ、電位１７は転送チャネルのチャネル電位、電位１８ｏｆｆは排出チャネル１３Ｌｃ及び１３Ｒｃの排出動作オフ（制御電圧Φｒｃがロウレベル）時のチャネル電位、電位１８ｏｎは排出チャネル１３Ｌｃ及び１３Ｒｃの排出動作オン（制御電圧Φｒｃがハイレベル）時のチャネル電位、電位１９は電荷排出ドレイン１５Ｌ及び１５Ｒのドレイン電位を示す。
【００３６】
固体撮像素子１０１の通常動作中は、電荷排出制御電極１３Ｌｅ及び１３Ｒｅは、オフ状態（制御電圧Φｒｃ１がロウレベル）を保持し、垂直電荷転送路２で転送される信号電荷７は、外部に排出されずに、水平電荷転送装置３に転送される。ここで、必要に応じて、信号電荷７が転送チャネル１１ｃに転送されてきた時に、電荷排出制御電極１３Ｌｅ及び１３Ｒｅをオン状態（制御電圧Φｒｃがハイレベル）にすることにより、図中点線の矢印で示すように、排出チャネル１３Ｌｃ及び１３Ｒｃを介して、信号電荷７を転送チャネル１１ｃから左右両側の電荷排出ドレイン１５Ｌ及び１５Ｒに排出することができる。
【００３７】
上述の排出動作によれば、特定のタイミングで電荷排出制御電極１３Ｌｅ及び１３Ｒｅのオン・オフを切り替えることにより、所定の位置の光電変換素子１で光電変換された信号電荷を選択的に間引くことができる。
【００３８】
ここで、共通の転送チャネル１１ｃ内に、例えば、図に示すように第１の電荷排出回路側１０に電位障壁９が存在した場合、一定量以下の信号電荷は、排出ドレイン１５Ｌに排出することができない。しかし、第２の電荷排出回路２０の排出ドレイン１５Ｒに至る経路には、電位障壁９が存在しないので、一定量以下の信号電荷は、排出ドレイン１５Ｒを介して排出することができる。
【００３９】
また、例えば、共通の転送チャネル１１ｃのほぼ中央に電位障壁９が存在した場合でも、第１の電荷排出回路側１０よりの一定量以下の信号電荷は、排出ドレイン１５Ｌを介して排出され、第２の電荷排出回路側２０よりの一定量以下の信号電荷は、排出ドレイン１５Ｒを介して排出される。
【００４０】
以上のように、本発明の第１の実施例によれば、電位障壁９が共通の転送チャネル１１ｃ内のどの位置に存在したとしても、排出ドレイン１５に至る経路に電位障壁９が存在しない第１の電荷排出回路側１０又は第２の電荷排出回路側２０のいずれか一方を介して、一定量以下の信号電荷を排出することができる。よって、信号電荷の取り残しを無くすことができる。
【００４１】
なお、図１（Ａ）で示した構成は、第１の電荷排出回路１０及び第２の電荷排出回路２０を除き、公知の正方配列ＣＣＤ固体撮像装置と同様である。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施例による固体撮像装置１０２の垂直電荷転送装置２における電荷排出構造を示す図である。
【００４３】
図２は、本発明の第２の実施例による固体撮像装置１０２の垂直電荷転送装置２ｈにおける電荷排出構造を示す図である。
【００４４】
固体撮像装置１０２の、光電変換素子１ｈは、いわゆる画素ずらし配列、又はハニカム配列で行列状に配列されている。すなわち、奇数行の画素と偶数行の画素は水平方向で半ピッチずれて配置され、奇数列の画素と偶数列の画素は垂直方向で半ピッチずれて配置されている。
【００４５】
光電変換素子１ｈは、基本的に菱形であるが、その頂部が面取りされた（厳密には８角形の）形状を有する。ハニカム配列の菱形画素を採用することで、無効領域を減少させ、垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）２ｈの転送路の幅を広く形成できる。各列の光電変換素子１ｈに沿って配置された複数列の垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）２ｈは、光電変換素子１ｈの形状に沿って垂直方向に蛇行して形成される。
【００４６】
光電変換素子１ｈに蓄積された信号電荷７は、隣接する垂直電荷転送装置２ｈにより、図の上方から下方に向けて垂直に転送される。水平電荷転送装置３は、複数列の垂直電荷転送装置２により転送された信号電荷７を並列に受け取り、出力回路４に順次転送する。出力回路４は、水平電荷転送装置３により転送される信号電荷７を固体撮像装置１０２の外部に出力する。
【００４７】
垂直電荷転送装置２ｈの末端の水平電荷転送装置３付近に、図に示すように垂直に対して傾斜した転送段７１Ｌ及び７１Ｒを設けることで、水平方向に隣接する２列の垂直電荷転送装置２ｈを近接させ、拡大された空間に、第１の電荷排出回路３０が形成される。第１の電荷排出回路３０は、左右の垂直電荷転送装置２ｈの傾斜転送路２１Ｌ、２１Ｒ、排出制御ゲート２３Ｌ及び一つの排出ドレイン２５Ｌを含んで構成され、水平方向に隣接する左右の垂直電荷転送装置２ｈで転送される信号電荷７を固体撮像装置１０２の外部に排出することができる。すなわち、隣接する２列の垂直電荷転送装置２ｈが、１個の排出ドレイン２５Ｌを共用する構造となっている。
【００４８】
さらに、図に示すように、第１の電荷排出回路３０の傾斜転送路２１Ｌ、２１Ｒは、垂直に対して転送段７１Ｌ及び７１Ｒとはそれぞれ逆方向に傾斜しており、該傾斜した傾斜転送路２１Ｌ、２１Ｒによって拡大された空間に、第１の電荷排出回路３０とは電荷排出方向が異なる第２の電荷排出回路４０が形成される。
【００４９】
第２の電荷排出回路４０は、左右の垂直電荷転送装置２ｈの傾斜転送路２１Ｌ、２１Ｒ、排出制御ゲート２３Ｒ及び一つの排出ドレイン２５Ｒを含んで構成され、水平方向に隣接する左右の垂直電荷転送装置２ｈで転送される信号電荷７を固体撮像装置１０２の外部に排出することができる。すなわち、隣接する２列の垂直電荷転送装置２ｈが、１個の排出ドレイン２５Ｒを共用する構造となっている。
【００５０】
上記の電荷排出回路の排出原理等ついては、前述の第１の実施例とほぼ同様であるので、その説明を省略する。
【００５１】
以上のように、本発明の第２の実施例では、２列の垂直電荷転送装置２ｈが、１個の排出ドレイン２５（２５Ｌ又は２５Ｒ）を共用するので、ドレインの数が半減し、水平方向の集積度を大幅に高めることができる。
【００５２】
また、第１の電荷排出回路３０と同一の電荷転送段（転送チャネル）１１ｃに電荷排出方向の異なる第２の電荷排出回路４０を設けることにより、上述の第１の実施例と同様に、電荷排出回路の電荷排出方向に伴う電荷取り残しを無くすことができる。
【００５３】
なお、排出ドレイン２５（２５Ｌ又は２５Ｒ）を共用することで、前述の第１の実施例に比べてドレインの数は半減するが、実際には、両端の垂直電荷転送装置については、排出ドレインを共用できない場合があるので、ドレインの数は、完全な１／２にはならずに「１／２程度」になる。
【００５４】
以上、本発明の実施例によれば、１段の垂直電荷転送装置の電荷転送段に対して、異なる電荷排出方向の複数の電荷排出回路を設けることで、垂直電荷転送装置を転送される信号電荷を選択的に排出する場合に問題となる電荷の排出取り残しを飛躍的に低減することができる。
【００５５】
例えば、１個の電荷排出回路で取り残しが起こる確率をηとすると、１個の垂直電荷転送装置に対して、ｎ個の電荷排出装置を設けた場合の電荷取り残し確率は、ηのｎ乗に減少する。ここで、η＜１、ｎ≧２（ｎは、整数）を示す。
【００５６】
なお、上述の第１及び第２の実施例では、いずれも２個の電荷排出装置を設けた例を説明したが、３個以上の電荷排出装置を設けることにより、さらに、取り残し電荷が存在する隔離とを低減させることができる。
【００５７】
また、上述の第１の実施例では、正方配列ＣＣＤ固体撮像装置を例に説明し、第２の実施例では、画素ずらし配列ＣＣＤ固体撮像装置を例に説明したが、第１の実施例を画素ずらし配列ＣＣＤ固体撮像装置に適用し、第２の実施例を正方配列ＣＣＤ固体撮像装置に適用することもできる。
【００５８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電荷排出回路の電荷排出方向に伴う排出取り残し電荷の発生を飛躍的に抑制することができる。
【００６０】
また、本発明によれば、電荷排出回路に含まれる垂直電荷転送装置の転送チャネル内に確率的に存在する電位障壁又は電位ばらつき等に起因する電荷転送残りによる縦線の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による固体撮像装置１０１の垂直電荷転送装置２における電荷排出構造を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例による固体撮像装置１０２の垂直電荷転送装置２における電荷排出構造を示す図である。
【図３】従来の固体撮像装置２００の垂直電荷転送装置における電荷排出構造を示す図である。
【符号の説明】
１…光電変換素子、２…垂直電荷転送装置、３…水平電荷転送装置、４…出力回路、５…ｐウェル、６…絶縁膜、７…信号電荷、９…電位障壁、１０，３０…第１の電荷排出回路、２０，４０・・・第２の電荷排出装置、１１，２１・・・転送路、１２・・・転送電圧供給線、１３，２３・・・排出制御ゲート、１４・・・排出制御電圧供給線、１５，２５・・・排出ドレイン、１６・・・ドレイン電圧供給線、７１…転送段、１０１，１０２…固体撮像装置
【図１】
2004303782.tif 000003
【図２】
2004303782.tif 000004
【図３】
2004303782.tif 000005