(57)【要約】【課題】最終蓄積電極下の水平転送領域に、最大取り扱い電荷量を越える不要な電荷が転送されても、オーバーフロードレインへ排出することができ、不要な電荷が最終蓄積電極に隣接する水平転送領域以後に漏れさせない。【解決手段】信号電荷を電圧信号に変換する浮遊拡散層３の電荷検出感度を上げるためにテーパ形状（両端先細り形状）となっている水平転送領域４の形状に沿って、オーバーフローバリア５とオーバーフロードレイン６が水平転送領域４の最終蓄積電極８ａ隣にまで設けられている。【選択図】  図１
2004193834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの入射光に応じた信号電荷を出力する画素部と、前記画素部からの前記信号電荷を転送する転送領域と、前記転送領域上に設けられた複数の転送ゲート電極と、前記信号電荷の転送方向の最終の前記転送ゲート電極に隣接して前記転送領域上に設けられた出力ゲート電極と、前記転送領域に隣接して前記画素部と反対側に設けられた電荷排出領域と、前記転送領域と前記電荷排出領域との間に設けられた電荷障壁領域とを備え、前記最終の転送ゲート電極付近で前記転送領域の平面形状は前記信号電荷の転送方向側で細くなり、前記電荷排出領域及び前記電荷障壁領域は、前記最終の転送ゲート電極下まで前記転送領域に隣接していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記転送領域の平面形状が細くなっている領域で、前記電荷排出領域及び前記電荷障壁領域が前記転送ゲート電極に対しほぼ垂直であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に、水平転送領域に隣接して形成された不要電荷排出領域を有する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルスチルカメラの開発が盛んになってきている。デジタルスチルカメラに必須である駆動モードの１つに自動焦点調整モードがある。画像データを用いた自動焦点調整では、焦点位置をずらした画像データを比較し、フィードバックをかけて焦点を合わせ込む。短時間に焦点を合わせるには、通常の静止画撮像モードよりもフレームレートを高くする必要がある。このため、自動焦点調整モードではフレーム内の一部の撮像領域のみの画像データを利用することが多い。また、ＣＣＤの駆動による手振れ補正機能を有しているビデオカメラでは、垂直方向の撮像領域において、中央付近の領域のみの信号電荷を映像信号として出力し、その上下の領域の信号電荷を掃き捨てる駆動モード、いわゆる手振れ補正モードがある。これらの駆動モードに対応したデジタルスチルカメラやビデオカメラに使用される固体撮像装置には、水平転送領域に隣接して不要電荷排出領域、いわゆるオーバーフロードレインと、電荷障壁領域、いわゆるオーバーフローバリアが設けられている。
【０００３】
図４は、一般的なオーバーフロードレインを有するインターライン転送型固体撮像装置の構成図である。この固体撮像装置には入射した光量に応じて信号電荷に変換する複数のホトダイオード２１と、ホトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート２２と、読み出された信号電荷を垂直方向へ転送する垂直転送領域２３と、垂直転送領域２３から転送されてきた信号電荷を水平方向へ転送する水平転送領域４と、水平転送領域４から転送されてきた信号電荷を検出し、電圧信号へ変換する電荷検出部２４と、外部へ出力する出力増幅器２５が設けられている。さらに、垂直転送領域２３と水平転送領域４との接続部とは反対側に、水平転送領域４に接するオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６が設けられている。なお、画素部２０は複数のホトダイオード２１と、読み出しゲート２２と、垂直転送領域２３とから構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図３は従来のオーバ−フロードレインを有する固体撮像装置における出力部の平面図である。これは図４の電荷検出部２４の付近における詳細平面図である。水平転送領域４の上部に蓄積電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと障壁電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとの対からなる複数の転送ゲート電極が設けられている。ここで、蓄積電極８ａを最終蓄積電極と称し、障壁電極９ａを最終障壁電極と称する。なお、それ以外は蓄積電極、障壁電極と称する（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
最終蓄積電極８ａに隣接して、出力ゲート電極７が設けられている。出力ゲート電極７の一端には、図４の電荷検出部２４を構成する浮遊拡散層３が設けられており、浮遊拡散層３は図４の出力増幅器２５に接続されている。浮遊拡散層３の一端にはリセットゲート電極２が設けられ、リセットゲート電極２の一端にはリセットドレイン１が設けられている。さらに、蓄積電極８ａと障壁電極９ａの組の転送ゲート電極及び蓄積電極８ｃと障壁電極９ｃの組の転送ゲート電極には金属配線１１が接続されており、蓄積電極８ｂと障壁電極９ｂの組の転送ゲート電極及び蓄積電極８ｄと障壁電極９ｄの組の転送ゲート電極には金属配線１０が接続されている。
【０００６】
金属配線１０及び金属配線１１には、２相パルス（例えば、電圧０Ｖと３Ｖ）φＨ１及びφＨ２が印加される。また、出力ゲート電極７には直流電圧（例えば１．５Ｖ）ＯＧが印加され、リセットゲート電極２には直流バイアス成分（例えば、１．５Ｖ）を持たせたリセットパルス（例えば、振幅３Ｖ）ＲＧが印加され、リセットドレイン１には直流電圧（例えば、１２Ｖ）ＲＤが印加される。図示はしていないが、オーバーフロードレイン６にはオーバーフローバリア５のチャネル電位よりも高い直流電圧（例えば、１２Ｖ）が印加されている。なお、オーバーフローバリア５のチャネル電位は、障壁電極下の水平転送領域４のチャネル電位と同等か、もしくは高い電位に設定されている。
【０００７】
一方、図４の電荷検出部２４における電荷検出感度を高くするために、図３の浮遊拡散層３の面積を小さくしている。このため、水平転送領域４の形状は図３のように浮遊拡散層３に向かってテーパ形状（両端先細り形状）となっている。図４の垂直転送領域２３との接続部における水平転送領域４のチャネル幅はＷ２、最終蓄積電極８ａのチャネル幅はＷ１となっている。また、オーバーフロードレイン６及びオーバーフローバリア５はチャネル幅Ｗ２の水平転送領域に隣接して、一直線に設けられている。
【０００８】
図５は自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードに利用される撮像領域の一例を説明するための模式図である。図４と同様構成の固体撮像装置を用いる。図５において、自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードでは画素部２０の一部である撮像領域ｂ３１の信号電荷を利用して自動焦点調整、あるいは記録する映像の切り出しを行う。なお、画素部２０の撮像領域ａ３０と撮像領域ｃ３２の信号電荷は後述するように、水平転送領域４へ高速に転送し、水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑｍａｘを超過する分は、オーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６に不要電荷として排出する。
【０００９】
次に、自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおいて、図５の撮像領域ｂ３１の信号電荷のみ検出する場合の動作について説明する。ここでは、例えば、垂直転送領域２３は４相パルス（φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４）で駆動され、水平転送領域４は２相パルス（φＨ１、φＨ２）で駆動され、オーバーフロードレイン６にはオーバーフローバリア５の電位よりも高い電圧（例えば１２Ｖ）が印加される。
【００１０】
図６は自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおける、垂直転送パルスの概略タイミング図である。ここでは垂直転送領域２３の４相パルスの代表としてφＶ１を示している。
【００１１】
図４の読み出しゲート２２に電圧ＶＨ（例えば１２Ｖ）の読み出しパルス４０を印加して、図５の画素部２０（撮像領域ａ３０、撮像領域ｂ３１、撮像領域ｃ３２）のホトダイオード２１に蓄積された信号電荷を垂直転送領域２３へ読み出す。次に電圧ＶＭ（例えば０Ｖ）と電圧ＶＬ（例えば−８Ｖ）からなる高速転送パルスｂ４２（例えば数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）を垂直転送領域２３のゲート電極に印加して、図５の撮像領域ａ３０に対応する各水平ラインの信号電荷を高速に次々と水平転送領域４へ転送する。このとき、複数ライン分の信号電荷が水平転送領域４へ転送されてくるため、ホトダイオードの信号電荷が多い場合、水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑｍａｘを超過する。超過した信号電荷はオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出される。そして、水平転送領域４へ送られた、水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑｍａｘの信号電荷（不要電荷）を、リセットゲート電極２にパルスを印加して、リセットドレイン１に排出する。次に、撮像領域ｂ３１に対応する信号電荷を１水平走査期間毎に通常転送パルス４３を垂直転送領域２３のゲート電極に印加して、１水平ラインずつ垂直転送領域２３から水平転送領域４へ転送する。そして、電荷検出部２４により、信号電荷を電圧信号へ変換し、出力増幅器２５を介して出力した後、リセットゲート電極２にパルスを印加して、リセットドレイン１に排出する。この動作を繰り返して、撮像領域ｂ３１に対応した信号電荷を電圧信号へ変換し、出力増幅器２５を介して出力した後、リセットゲート電極２にパルスを印加して、リセットドレイン１に排出する。その後、撮像領域ｃ３２に対応した信号電荷を、撮像領域ａ３０に対応した信号電荷の転送と同様に、高速転送パルスａ４１（例えば数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）を垂直転送領域２３のゲート電極に印加して、図５の撮像領域ｃ３２に対応する各水平ラインの信号電荷を高速に次々と水平転送領域４へ転送する。このとき、複数ライン分の信号電荷が水平転送領域４へ転送されてくるため、ホトダイオードの信号電荷が多い場合、水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑｍａｘを超過する。超過した信号電荷はオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出される。そして、水平転送領域４へ送られた、水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑｍａｘの信号電荷（不要電荷）を、リセットゲート電極２にパルスを印加して、リセットドレイン１に排出する。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−１８９９３７号公報（第４−５頁、図１）
【特許文献２】
特開２０００−１１４５０６号公報（第２頁、図９）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３の水平転送領域４の蓄積電極８ｃ下における最大取り扱い電荷量Ｑ２ｍａｘは、蓄積電極８ｃ下における水平転送領域４のチャネル電位と、蓄積電極８ｃ下におけるオーバーフローバリアのチャネル電位の差をΔＶ２とすると次のように表せる。
【００１４】
Ｑ２ｍａｘ  ＝  ｋ・ΔＶ２・Ｗ２・Ｌ２
ここで、ｋは単位面積あたりのチャネルのキャパシタンス、Ｗ２は蓄積電極８ｃ下における水平転送領域４のチャネル幅、Ｌ２は蓄積電極下８ｃにおける水平転送領域４のチャネル長である。一方、図３の水平転送領域４の最終蓄積電極８ａ下における最大取り扱い電荷量Ｑ１ｍａｘは、オーバーフローバリア５及びオーバーフロードレイン６に接していないため、最終蓄積電極８ａ下における水平転送領域４のチャネル電位と、最終障壁電極９ａ下における水平転送領域４のチャネル電位の差をΔＶ１として、次のように表せる。
【００１５】
Ｑ１ｍａｘ  ＝  ｋ・ΔＶ１・Ｗ１・Ｌ１
図３において、浮遊拡散層３近傍の水平転送領域４の形状は、浮遊拡散層３の電荷検出感度を上げるため、テーパ形状（両端先細り形状）となっている。一般的に、蓄積電極８ｃ下のチャネル幅Ｗ２は３０μｍ〜５０μｍであるのに対し、最終蓄積電極８ａのチャネル幅Ｗ１は１０μｍ程度となっている。また、チャネル長を長くすると信号電荷の転送効率が悪化するため、最終蓄積電極８ａのチャネル長Ｌ１と蓄積電極８ｃのチャネル長Ｌ２は、ほぼ同一チャネル長にしている。これらの理由により、水平転送領域の実質的な最大取り扱い電荷量は、最終蓄積電極８ａ下における最大取り扱い電荷量Ｑ１ｍａｘで定まる。
【００１６】
自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおいて、不要な各水平ラインの信号電荷を高速に次々と水平転送領域４へ転送し、Ｑ２ｍａｘを越えた信号電荷は図３のオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出されるが、水平転送領域４に蓄積されたＱ２ｍａｘの信号電荷は順次、水平転送パルスにて図３の浮遊拡散層３へ転送される。最終蓄積電極８ａに転送されるにつれて、取り扱い電荷量はＱ１ｍａｘとなるため、残りの信号電荷である（Ｑ２ｍａｘ−Ｑ１ｍａｘ）は、隣接する蓄積電極８ｂ、８ｃ下の水平転送領域４へ漏れてしまう。しかも、オーバーフローバリア５及びオーバーフロードレイン６はチャネル幅Ｗ２の水平転送領域に隣接して、一直線に設けられているため、蓄積電極８ｂ及び最終蓄積電極８ａで漏れた信号電荷はオーバーフロードレインへ排出されない。後方に次々と電荷が漏れてオーダーフロードレインの掃き出し能力以上に水平転送領域４内に電荷が溢れると、それが垂直転送領域２３へと漏れ込む。このため、自動焦点調整、あるいは手振れ補正時の記録に使用する撮像領域ｂ３１に対応する最初のラインの信号電荷に、蓄積電極８ｂ及び最終蓄積電極８ａで漏れた撮像領域ａ３０に対応する最終ラインの信号電荷が混入してしまい、自動焦点調整がうまく機能しなかったり、手振れ補正時の記録画像に漏れ込んだ電荷による偽信号が発生するという問題が発生する。また、撮像領域ｂ３１に高輝度の光が入射した場合には、最終蓄積電極で溢れた信号電荷が後ろに漏れ込んで、自動焦点調整がうまく機能しなかったり、画面の高輝度部分の後ろに漏れ込んだ電荷による偽信号が発生して画質が劣化したりする。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、最終蓄積電極下の水平転送領域において、最大取り扱い電荷量を越える不要電荷が転送されても、オーバーフロードレインへ排出することができ、不要電荷による不具合が発生しない、固体撮像装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の固体撮像装置は、被写体からの入射光に応じた信号電荷を出力する画素部と、画素部からの信号電荷を転送する転送領域と、転送領域上に設けられた複数の転送ゲート電極と、信号電荷の転送方向の最終の転送ゲート電極に隣接して転送領域上に設けられた出力ゲート電極と、転送領域に隣接して画素部と反対側に設けられた電荷排出領域と、転送領域と電荷排出領域との間に設けられた電荷障壁領域とを備え、最終の転送ゲート電極付近で転送領域の平面形状は信号電荷の転送方向側で細くなり、電荷排出領域及び電荷障壁領域は、最終の転送ゲート電極下まで転送領域に隣接していることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の固体撮像装置は、転送領域の平面形状が細くなっている領域で、電荷排出領域及び電荷障壁領域が転送ゲート電極に対し垂直であることが好ましい。
【００２０】
これらの構成により、水平転送領域４の最終蓄積電極８ａにおいて、画素部から高速に次々と、水平転送領域４の最終蓄積電極８ａ下の最大取り扱い電荷量を越える不要電荷が転送されてきても、電荷障壁領域（オーバーフローバリア）を介して、電荷排出領域（オーバーフロードレイン）へ排出されるため、不要電荷が隣接する水平転送領域４の蓄積電極へ漏れることはない。よって、自動焦点調整、あるいは手振れ補正時の記録に使用する撮像領域ｂ３１の信号電荷に混入することはないため、良好な自動焦点調整が可能となり、また手振れ補正時に偽信号による画質劣化のない良好な画像を記録することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照にしながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるオーバーフロードレインを有する固体撮像装置の出力部の平面図である。これは従来の技術の図４の電荷検出部２４付近における詳細平面図に相当する。図１において、図３と同じ構成要素については同じ符号を使い、説明を省略する。本実施の形態１と図３の従来の固体撮像装置とで相違する点は出力ゲート電極近傍のオーバーフローバリア５及びオーバーフロードレイン６が水平転送領域４の形状に沿って、最終蓄積電極８ａ隣にまで設置されている点である。なお、蓄積電極８ｃ下の水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑ２ｍａｘは本実施の形態１と図３の従来の固体撮像装置ともに同一である。一方、本実施の形態１における、最終蓄積電極８ａ下の水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑ３ｍａｘは、蓄積電極８ａ下における水平転送領域４のチャネル電位と、蓄積電極８ａ下におけるオーバーフローバリアのチャネル電位の差をΔＶ３とすると次のように表せる。
【００２３】
Ｑ３ｍａｘ  ＝  ｋ・ΔＶ３・Ｗ１・Ｌ１
ここで、ｋは単位面積あたりのチャネルのキャパシタンス、Ｗ１は蓄積電極８ａ下における水平転送領域４のチャネル幅、Ｌ１は蓄積電極下８ａにおける水平転送領域４のチャネル長である。
【００２４】
上記のように構成することにより、自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおいて、不要な画素部の各水平ラインの信号電荷を高速に次々と水平転送領域４へ転送し、水平転送領域４の蓄積電極８ｃ下の最大取り扱い電荷量Ｑ２ｍａｘを越えた信号電荷はオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出され、水平転送領域４に蓄積されたＱ２ｍａｘの信号電荷は順次、最終蓄積電極８ａ方向へに転送されるにつれて、取り扱い電荷量はＱ３ｍａｘとなるが、残りの信号電荷である（Ｑ２ｍａｘ−Ｑ３ｍａｘ）は、オーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出されるため、隣接する蓄積電極８ｂ、８ｃ下の水平転送領域４へ漏れることはなく、自動焦点調整、あるいは手振れ補正時の記録に使用する画素部の最初のラインの信号電荷に影響を及ぼすことはない。また、自動焦点調整あるいは手振れ補正時の記録に使用する画素部に高輝度の光が入射した場合でも、高輝度部分の後ろの画素信号に影響を与えることがないため、自動焦点調整がうまく機能しなかったり、画面の高輝度部分の後ろに偽信号が発生して画質が劣化したりすることがない。
【００２５】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるオーバーフロードレインを有する固体撮像装置の出力部の平面図である。これは従来の技術の図４の電荷検出部２４付近における、詳細平面図に相当する。図２において、図３と同じ構成要素については同じ符号を使い、説明を省略する。本実施の形態２と図３の従来の固体撮像装置とで相違する点は水平転送領域４の形状が、出力ゲート電極７近傍の蓄積電極８ｃ下から出力ゲート電極７下にかけて、画素部方向から狭められた片側テーパ形状となっている点であり、水平転送領域４は常に、オーバーフローバリア５及びオーバーフロードレイン６に隣接していることである。本実施の形態２における、最終蓄積電極８ａ下の水平転送領域４の最大取り扱い電荷量Ｑ３ｍａｘは本実施の形態１の最大取り扱い電荷量Ｑ３ｍａｘと同一である。
【００２６】
水平転送領域４の形状を片側テーパ形状とすると、オーバーフローバリアに対して、常にチャネル長が一定となり、不要電荷の排出が安定して行われ、また、オーバーフローバリアが一直線のため、オーバーフローバリアを形成するマスクの製作が容易である、という利点がある。
【００２７】
上記のように構成することにより、自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおいて、不要な画素部の各水平ラインの信号電荷を高速に次々と水平転送領域４へ転送し、水平転送領域４の蓄積電極８ｃ下の最大取り扱い電荷量Ｑ２ｍａｘを越えた信号電荷はオーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出され、水平転送領域４に蓄積されたＱ２ｍａｘの信号電荷は順次、最終蓄積電極８ａ方向へに転送されるにつれて、取り扱い電荷量はＱ３ｍａｘとなるが、残りの信号電荷である（Ｑ２ｍａｘ−Ｑ３ｍａｘ）は、オーバーフローバリア５を介して、オーバーフロードレイン６へ排出されるため、隣接する蓄積電極８ｂ、８ｃ下の水平転送領域４へ漏れることはなく、自動焦点調整、あるいは手振れ補正時の記録に使用する画素部の最初のラインの信号電荷に影響を及ぼすことはない。また、自動焦点調整あるいは手振れ補正時の記録に使用する画素部に高輝度の光が入射した場合でも、高輝度部分の後ろの画素信号に影響を与えることがないため、自動焦点調整がうまく機能しなかったり、画面の高輝度部分の後ろに偽信号が発生して画質が劣化したりすることがない。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の固体撮像装置によれば、水平転送領域の最終蓄積電極までオーバーフロードレイン及びオーバーフローバリアが設置されているため、最終蓄積電極下の水平転送領域の最大取り扱い電荷量を超える電荷が転送されてきても、オーバーフローバリアを介してオーバーフロードレインへ排出することができる。よって、自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおいて、不要画素部の電荷を完全に排出させることができ、自動焦点に使用する画素部の信号電荷に混入することがないため、良好な自動焦点調整を行え、あるいは手振れ補正時にも画質劣化の無い良好な記録画像が得られる固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるオーバーフロードレインを有する固体撮像装置の出力部の平面図
【図２】本発明の実施の形態２におけるオーバーフロードレインを有する固体撮像装置の出力部の平面図
【図３】従来のオーバーフロードレインを有する固体撮像装置における出力部の平面図
【図４】一般的なオーバーフロードレインを有するインターライン転送型固体撮像装置の構成図
【図５】自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードに利用される撮像領域の一例を説明するための模式図
【図６】自動焦点調整モード、あるいは手振れ補正モードにおける、垂直転送パルスの概略タイミング図
【符号の説明】
４  水平転送領域
５  オーバーフローバリア
６  オーバーフロードレイン
７  出力ゲート電極
８ａ  最終蓄積電極
８ｂ，８ｃ，８ｄ  蓄積電極
９ａ  最終障壁電極
９ｂ，９ｃ，９ｄ  障壁電極
【図１】
2004193834.tif 000003
【図２】
2004193834.tif 000004
【図３】
2004193834.tif 000005
【図４】
2004193834.tif 000006
【図５】
2004193834.tif 000007
【図６】
2004193834.tif 000008