(57)【要約】【課題】読み出し電圧を低減するような２電極読み出しもしくは３電極読み出しを可能にするとともに、セルサイズの縮小化を図る。【解決手段】垂直方向４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置１であって、固体撮像装置の垂直転送方向の画素３１，３１間に、第１層ポリシリコン層からなる第４電極２４と、第４電極２４上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極２３と、第４電極２４の一部上から基板１１に形成されたチャネルストップ領域１２上にかけて形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極２１と、第３電極２３上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極２２とを備え、垂直転送方向の読み出しゲート１４上では、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３および第４電極２４の順に配置されているものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、
第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、
前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、
前記第４電極の一部上から基板に形成されたチャネルストップ領域上にかけて形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、
前記第３電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、
前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、
第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、
前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、
前記第４電極上に形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、
前記第１電極および第３電極のうちの少なくとも一方の電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、
前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、
第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、
前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、
前記第４電極の一部上から基板に形成されたチャネルストップ領域上にかけて形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、
前記第３電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、
前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第４電極上に配置された前記第２電極と前記第３電極とに同時に読み出し電圧を印加して前記固体撮像装置の垂直レジスタへ電荷の転送を行う
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、
第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、
前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、
前記第４電極上に形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、
前記第１電極および第３電極のうちの少なくとも一方の電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、
前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第４電極上に配置された前記第１電極乃至前記第３電極に同時に読み出し電圧を印加して前記固体撮像装置の垂直レジスタへ電荷の転送を行う
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、詳しくは垂直方向に４相駆動で電荷転送する３層ポリシリコン構造の全画素読み出し電荷結合素子（以下、ＣＣＤという、ＣＣＤはＣｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅの略）型固体撮像装置および複数の電極に同時に読み出し電圧を印加して垂直レジスタへ転送を行う固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、モバイル用途の電荷結合素子（以下ＣＣＤという、ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅの略）イメージセンサの商品開発が注目されている。このようなＣＣＤでは、低消費電力で駆動されることが必要とされるが、将来的には、モバイル用途での多画素化が要求されるようになり、低消費電力かつ小型のイメージセンサの需要が増すことが予想される。しかしイメージセンサにおいては、画素が小型化されても要求される電荷量は変わらないため、小型化に伴って必然的にセンサのポテンシャルは深くなり、それにともなって読み出し電圧は高くなる。以上の理由により従来構造を用いて単純にセルサイズの小型化を行っても、読み出し電圧の問題が残るため小型化かつ低消費電力化の実現は困難となっている。
【０００３】
ここで、従来のＣＣＤの構造を、図３によって説明する。図３は、（１）に概略構成平面図を示し、（２）に（１）図中のＦ−Ｆ’線概略構成断面図および（３）に（１）図中のＥ−Ｅ’線概略構成断面図によって説明する。なお、各構成要素間の絶縁膜の図示は省略した。
【０００４】
図３に示すように、固体撮像装置１０１は、垂直方向に４相駆動方式で電荷を転送する電荷結合型の固体撮像装置である。この固体撮像装置１０１の垂直転送方向の画素１３１ａ、１３１ｂ間（センサ間）には、第１層ポリシリコン層からなる第４電極１２４が配置されている。また、第４電極１２４上のセンサ１３１ａ側に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極１２３がセンサ１３１ａ側の基板１１１に形成されたチャネルストップ領域１１２上にかけて形成されている。一方、第４電極１２４上のセンサ１３１ｂ側に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極１２１がセンサ１３１ｂ側の基板１１１に形成されたチャネルストップ領域１１２上にかけて形成されている。さらに、第３電極１２３上には第３層ポリシリコン層からなる第２電極１２２が形成されている。これらの第１乃至第４電極１２１乃至１２４は、垂直転送方向の読み出しゲート１１４上では、第１電極１２１から第４電極１２４まで順に配置されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
上記センサ１３１および垂直レジスタ１１３にはＮ型チャネル層が形成され、チャネルストップ領域１１２および読み出しゲート１１４にはＰ型チャネル層が形成されている。蓄積期間において、センサ１３１で光電変換された電荷は読み出しゲート１１４およびチャネルストップ１１２によってセンサ１３１内に蓄積され、読み出し期間において、第２電極１２２に垂直転送クロックパルスを印加させることにより、読み出しゲート１１４を通って垂直レジスタ１１３に転送される。
【０００６】
上記固体撮像装置１０１では、加工上の最小線幅の問題により、２層目のポリシリコン層からなる第３電極１２３を、画素１３１ａ、１３１ｂ間において１層目ポリシリコン層からなる第４電極１２４上に第２、第３電極１２１、１２３の片側半分を載せるように配置している。また３層目のポリシリコン層からなる第２電極１２２を１層目のポリシリコン層からなる第４電極１２４の上方で２層目のポリシリコン層からなる第３電極１２３上に配置している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１５２５５９号公報（第２頁、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の技術で説明した構成の固体撮像装置では、セルサイズの小型化を行うと、３層目のポリシリコン層からなる第２電極のみの読み出し電圧印加では間口が狭いため読み出し電圧が高くなる。間口を広げるために、この構造において３層目のポリシリコンからなる第２電極と２層目のポリシリコン層からなる第３電極に読み出し電圧を印加する２電極読み出しが必要となる。しかしこの場合、２層目のポリシリコン層からなる第３電極がセンサ端部上側に張り出した状態に形成されているため、前記図３（２）に示すように、読出し電圧を第２電極と第３電極に印加したときにセンサ部のポテンシャルも深くなり（実線で示している）電界がつきにくくなるため、読出し電圧が低くならない。結果として従来構造におけるサイズの縮小化の実現は困難である。なお、ポテンシャル図において、破線は１電極（第２電極）読み出しの場合のポテンシャルを示す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた固体撮像装置およびその駆動方法である。
【００１０】
本発明の第１固体撮像装置は、垂直方向４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、前記第４電極の一部上から基板に形成されたチャネルストップ領域上にかけて形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、前記第３電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されているものである。
【００１１】
上記第１固体撮像装置では、画素間においては第１層目のポリシリコン層で形成される第４電極上に第２層目のポリシリコン層で形成される第３電極が完全に載る状態に形成され、第３電極が画素上に形成されていない。さらに、第２電極は第４電極上でかつ第３電極上に形成されている。このため、読み出し電圧を第２電極と第３電極に印加する２電極読み出しを行った場合、第３電極が画素上に張り出した状態に形成されることなく画素間においては第４電極上にのみ形成されているので、読出し電圧を第２電極と第３電極に印加したときに画素部のポテンシャルが深くなって電界がつきにくくなることはない。したがって、低い電圧で読出しが可能になる。また、画素間において第３電極が第４電極上のみに形成されることから、セルサイズの縮小化が図れる。
【００１２】
本発明の第２固体撮像装置は、垂直方向４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、前記第４電極上に形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、前記第１電極および第３電極のうちの少なくとも一方の電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されているものである。
【００１３】
上記第２固体撮像装置では、画素間においては第１層目のポリシリコン層で形成される第４電極上に第２層目のポリシリコン層で形成される第１電極および第３電極が完全に載る状態に形成され、第１電極および第３電極が画素上に形成されていない。さらに、第２電極は第４電極上でかつ第１電極および第３電極のすくなくとも一方の電極上に形成されている。このため、読み出し電圧を第１電極乃至第３電極に印加する３電極読み出しを行った場合、第１電極および第３電極が画素上に張り出した状態に形成されることなく画素間においては第４電極上にのみ形成されているので、読出し電圧を第１電極乃至第３電極に印加したときに画素部のポテンシャルが深くなって電界がつきにくくなることはない。したがって、低い電圧で読出しが可能になる。また、画素間において第１電極および第３電極が第４電極上のみに形成されることから、セルサイズの縮小化が図れる。
【００１４】
本発明の固体撮像装置の第１駆動方法は、垂直方向４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の垂直転送方向のセンサ間に、第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、前記第４電極の一部上から基板に形成されたチャネルストップ領域上にかけて形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、前記第３電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている固体撮像装置の駆動方法であって、前記第４電極上に配置された前記第２電極と前記第３電極とに同時に読み出し電圧を印加して前記固体撮像装置の垂直レジスタへ電荷の転送を行う固体撮像装置の駆動方法である。
【００１５】
上記固体撮像装置の第１駆動方法では、読み出し電圧を第２電極と第３電極に印加する２電極読み出しを行った場合、第３電極が画素上に張り出した状態に形成されることなく画素間においては第４電極上にのみ形成されているので、読出し電圧を第２電極と第３電極に印加したときに画素部のポテンシャルが深くなって電界がつきにくくなることはない。
【００１６】
本発明の固体撮像装置の第２駆動方法は、垂直方向４相駆動方式の電荷結合型の固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の垂直転送方向の画素間に、第１層ポリシリコン層からなる第４電極と、前記第４電極上に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極と、前記第４電極上に形成された前記第２層ポリシリコン層からなる第３電極と、前記第１電極および第３電極のうちの少なくとも一方の電極上に形成された第３層ポリシリコン層からなる第２電極とを備え、前記垂直転送方向の読み出しゲート上では、前記第１電極、第２電極、第３電極および前記第４電極の順に配置されている固体撮像装置の駆動方法であって、前記第４電極上に配置された前記第１電極乃至前記第３電極に同時に読み出し電圧を印加して前記固体撮像装置の垂直レジスタへ電荷の転送を行う固体撮像装置の駆動方法である。
【００１７】
上記固体撮像装置の第２駆動方法では、第１電極および第３電極が画素上に張り出した状態に形成されることなく画素間においては第４電極上にのみ形成され、第２電極も第４電極上方に形成されているので、読み出し電圧を第１電極乃至第３電極の３電極に読み出し電圧を印加した場合であっても、画素部のポテンシャルが深くなって電界がつきにくくなることはない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１固体撮像装置およびその駆動方法に係る実施の形態を図１によって説明する。図１は、（１）に概略構成平面図を示し、（２）に（１）図中のＢ−Ｂ’線概略構成断面図を示し、（３）に（１）図中のＡ−Ａ’線概略構成断面図を示す。なお、各構成要素間の絶縁膜の図示は省略した。
【００１９】
図１に示すように、固体撮像装置１は、垂直方向に４相駆動方式で電荷を転送する電荷結合型の固体撮像装置であり、３層のポリシリコン層で電極を構成するものである。この固体撮像装置１の垂直転送方向のセンサ３１（３１ａ）、３１（３１ｂ）間（画素間）には、第１層ポリシリコン層からなる第４電極２４が配置されている。また、第４電極２４上のセンサ３１ａ側には、第２層ポリシリコン層からなる第３電極２３が形成されている。この第３電極２３は、画素間においては、第４電極２４上のみに形成されているものである。一方、第４電極２４上のセンサ３１ｂ側に形成された第２層ポリシリコン層からなる第１電極２１がセンサ３１ｂ側の基板１１に形成されたチャネルストップ領域１２上にかけて形成されている。さらに、第４電極２４上方であって第３電極２３上には第３層ポリシリコン層からなる第２電極２２が形成されている。これらの第１乃至第４電極２１乃至２４は、垂直転送方向の読み出しゲート１４上では、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３および第４電極２４の順に配置されている。
【００２０】
上記センサ３１および垂直レジスタ１３にはＮ型チャネル層が形成され、チャネルストップ領域１２および読み出しゲート１４にはＰ型チャネル層が形成されている。蓄積期間において、センサ３１で光電変換された電荷は読み出しゲート１４およびチャネルストップ１２によってセンサ３１内に蓄積され、読み出し期間において、第２電極２２および第３電極２３に垂直転送クロックパルスを印加させることにより、読み出しゲート１４を通って垂直レジスタ１３に転送される。
【００２１】
図１（２）の画素部のポテンシャル図は、図１（１）における画素部を線分Ｂ−Ｂ’で切った軸に対するセンサ３１のポテンシャルを表す。このポテンシャル図では、実線は２電極（第２電極２２と第３電極２３）読み出しの場合を示し、１電極（第２電極２２）読み出しの場合も同様になる。このポテンシャル図に示すように、読み出し電圧のかかる２電極（第２電極２２および第３電極２３）がセンサ３１、３１間においていずれもセンサ３１上に達するように形成されていないため、すなわち、第４電極２４上のみに形成されているため、読み出し電圧を印加したときにセンサ３１、３１間下にあるチャネルストップ１２のポテンシャルに追随してセンサポテンシャルが深くなることはなく、電界がつきやすい。その結果、従来構造で困難であった２電極読み出しを達成し、読み出し幅が広がるため、読み出し電圧を低減することができる。なお、（３）のポテンシャル図においては、実線は２電極（第２電極２２と第３電極２３）読み出しの場合を示し、１電極（第２電極）読み出しの場合は破線のようになる。
【００２２】
次に、本発明の第２固体撮像装置およびその駆動方法に係る実施の形態を図１によって説明する。図２は、（１）に概略構成平面図を示し、（２）に（１）図中のＤ−Ｄ’線概略構成断面図を示し、（３）に（１）図中のＣ−Ｃ’線概略構成断面図を示す。なお、各構成要素間の絶縁膜の図示は省略した。
【００２３】
図２に示すように、固体撮像装置２は、垂直方向に４相駆動方式で電荷を転送する電荷結合型の固体撮像装置であり、３層のポリシリコン層で電極を構成するものである。この固体撮像装置１の垂直転送方向のセンサ３１（３１ａ）、３１（３１ｂ）間（画素間）には、第１層ポリシリコン層からなる第４電極２４が配置されている。また、第４電極２４上のセンサ３１ｂ側には、第２層ポリシリコン層からなる第１電極２１が形成されている。また、第４電極２４上のセンサ３１ａ側には、上記第２層ポリシリコン層からなる第３電極２３が形成されている。すなわち、第１電極２１および第３電極２３は、画素間においては、第４電極２４上のみに形成されているものであり、第１電極２１、第３電極２３間は図示しない絶縁膜によって離間されている。さらに、第４電極２４上方であって第１電極２１および第３電極２３のうちの少なくとも一方の電極上（図面では主として第３電極２３上）には第３層ポリシリコン層からなる第２電極２２が形成されている。これらの第１乃至第４電極２１乃至２４は、垂直転送方向の読み出しゲート１４上では、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３および第４電極２４の順に配置されている。
【００２４】
上記センサ３１および垂直レジスタ１３にはＮ型チャネル層が形成され、チャネルストップ領域１２および読み出しゲート１４にはＰ型チャネル層が形成されている。蓄積期間において、センサ３１で光電変換された電荷は読み出しゲート１４およびチャネルストップ１２によってセンサ３１内に蓄積され、読み出し期間において、第１電極２１乃至第３電極２３に垂直転送クロックパルスを印加させることにより、読み出しゲート１４を通って垂直レジスタ１３に転送される。
【００２５】
図２（２）の画素部のポテンシャル図は、図２（１）における画素部を線分Ｄ−Ｄ’で切った軸に対するセンサ３１のポテンシャルを表す。このポテンシャル図では、実線は３電極（第１電極２１乃至第３電極２３）読み出しの場合を示し、１電極（第２電極２２）読み出しの場合も同様になる。このポテンシャル図に示すように、読み出し電圧のかかる３電極（第１電極２１乃至第３電極２３）がセンサ３１、３１間においていずれもセンサ３１上に達するように形成されていないため、すなわち、第４電極２４上のみに形成されているため、読み出し電圧を印加したときにセンサ３１、３１間下にあるチャネルストップ１２のポテンシャルに追随してセンサポテンシャルが深くなることはなく、電界がつきやすい。その結果、従来構造で困難であった３電極読み出しを達成し、読み出し幅が広がるため、読み出し電圧を低減することができる。なお、（３）のポテンシャル図においては、実線は３電極（第１電極２１乃至第３電極２３）読み出しの場合を示し、１電極（第２電極）読み出しの場合は破線のようになる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の固体撮像装置によれば、画素間において第１層目のポリシリコン層で形成される第４電極上に第２層目のポリシリコン層で形成される第３電極を形成し、さらに第３電極上に第３層目のポリシリコン層で形成される第２電極を形成したので、または、画素間において第１層目のポリシリコン層で形成される第４電極上にのみ第２層目のポリシリコン層で形成される第１電極および第３電極を形成し、さらに第１電極および第３電極のうちの少なくとも一方の電極上に第３層目のポリシリコン層で形成される第２電極を形成したので、セルサイズの小型化を図ることができる。
【００２７】
また本発明の固体撮像装置およびその駆動方法によれば、画素部においてセンサポテンシャルが深くなるのを抑えることができるため、読出し電圧を低減することができ、そのため消費電力を抑えることが可能となる。これによって、出力回路の電源の低電圧化が図り易くなる。また、電源の低電圧化にともない、固体撮像装置の電源供給用多段チャージポンプの段数を減らすことができる。また電源供給用多段チャージポンプの段数の低減により外部回路の構成を簡略化し、さらなる低消費電力化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１固体撮像装置およびその駆動方法に係る実施の形態を示す図面であり、（１）は概略構成平面図であり、（２）は（１）図中のＢ−Ｂ’線概略構成断面図であり、（３）は（１）図中のＡ−Ａ’線概略構成断面図である。
【図２】本発明の第２固体撮像装置およびその駆動方法に係る実施の形態を示す図面であり、（１）は概略構成平面図であり、（２）は（１）図中のＤ−Ｄ’線概略構成断面図であり、（３）は（１）図中のＣ−Ｃ’線概略構成断面図である。
【図３】従来の固体撮像装置を示す図面であり、（１）は概略構成平面図であり、（２）は（１）図中のＦ−Ｆ’線概略構成断面図であり、（３）は（１）図中のＥ−Ｅ’線概略構成断面図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、２１…第１電極、２２…第２電極、２３…第３電極、２４…第４電極、１４…読み出しゲート、３１…画素（センサ）
【図１】
2004311544.tif 000003
【図２】
2004311544.tif 000004
【図３】
2004311544.tif 000005