(57)【要約】  【課題】  光電変換部の垂直分離部により決まる光電変換部の最大取り扱い電荷量を、容易に検査することを可能とする。  【解決手段】  各光電変換要素１と垂直転送部の間に配置された読出しスイッチ８により、１フィールド期間に各光電変換要素に蓄積された信号電荷を、各々単独に読み出すように駆動し、読出しスイッチ部におけるポテンシャルバリアの電位より垂直分離部１１の電位が高くなるように設定した状態で、縦型オーバーフロードレイン部に印加するバイアス電圧により光電変換部の最大発生電荷量を変化させながら、水平転送部側の遮光領域の光電変換要素を漏れ電荷測定領域として、有効画素領域内の光電変換要素から取り扱いきれずに漏れ電荷測定領域に溢れる信号電荷を検出することにより、垂直分離部により決まる光電変換部の最大取り扱い電荷量を検査する。【選択図】  図６
2005086671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に光電変換機能を有する光電変換要素がマトリクス状に配列された光電変換部と、前記光電変換部に発生する最大発生電荷量を前記半導体基板に印加する電圧により制御可能な縦型オーバーフロードレイン部と、光電変換された電荷を列方向に転送する垂直転送部と、前記各光電変換要素と前記垂直転送部とを結合させて前記各光電変換要素に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを制御する読出しスイッチ部と、前記垂直転送部により転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部により転送された前記信号電荷を検出する信号検出部とを備え、前記光電変換部が有効画素領域の周囲に設けられた遮光領域を含む固体撮像装置を検査する方法であって、
１フィールド期間に前記各光電変換要素に蓄積された信号電荷を、前記読出しスイッチ部により各々単独に読み出すように駆動し、
前記読出しスイッチ部におけるポテンシャルバリアの電位より前記各光電変換要素の間の垂直分離部の電位が高くなるように設定した状態で、前記縦型オーバーフロードレイン部により前記光電変換部の最大発生電荷量を変化させながら、
前記水平転送部に沿って配置された前記遮光領域における前記有効画素領域に隣接した前記光電変換要素を漏れ電荷測定領域として、前記有効画素領域内の前記光電変換要素から取り扱いきれずに前記漏れ電荷測定領域に溢れる信号電荷を検出することにより、前記垂直分離部により決まる前記光電変換部の最大取り扱い電荷量を検査することを特徴とする固体撮像装置の検査方法。
【請求項２】
前記縦型オーバーフロードレイン部の基板電圧を高電圧から細かく下げて、前記信号検出部からの出力をその都度フレームメモリに取り込み、前記遮光領域における前記有効画素領域に隣接した前記光電変換要素から検出される信号電荷を検出する請求項１に記載の固体撮像装置の検査方法。
【請求項３】
前記漏れ電荷測定領域に漏れ込む信号出力を所定の閾値で判定し、前記有効画素領域の信号出力と前記遮光領域内の前記光電変換要素の信号出力の差分値を、前記垂直分離部で決まる最大取り扱い電荷量とする請求項１に記載の固体撮像装置の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡の固体撮像装置等に応用されるイメージセンサとしての固体撮像装置の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、一体型ビデオカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識センサーとして広く用いられており、特に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置が多く用いられている。そこで、ＣＣＤ型固体撮像装置の特性を正確に検査することが強く望まれている。
【０００３】
以下、従来例の固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。図８は、従来の一般的な固体撮像装置の構成を概念的に示す平面図である。１は光電変換蓄積ダイオード（以下フォトダイオードという。）であり、２次元的（マトリクス状に）に複数分離配列されている。フォトダイオード１の電荷は、垂直転送部２により１水平周期毎に垂直方向に並列電荷転送される。垂直転送部２による並列転送電荷は、水平転送部３により順次読み出され転送されて、信号検出部４により信号電圧に変換される。
【０００４】
図９は、図８の固体撮像装置における画素近傍の構造を示す断面図である。フォトダイオード１は、ｎ型シリコン基板６上に形成されたｐウエル層５に、ｎ＋層により形成されている。ｐウエル層５とｎ型シリコン基板６間には電圧Ｖsubをバイアスし、ｐｎ接合されたフォトダイオード１の下部のｐウェル層７は空乏化されている。８はポテンシャルバリア部、９は垂直転送部２のチャンネル（埋め込み層）、１０は垂直転送電極、１１はチャンネルストッパー、１２は光遮光膜、１３は絶縁膜である。
【０００５】
図１０は、従来例の検査方法が適用される固体撮像装置の駆動方法を説明するため、フォトダイオード１と垂直転送部２の機能を示すポテンシャル図である。縦型オーバーフロードレイン部１５のあるフォトダイオード１の電荷は、読出しスイッチ部として機能するポテンシャルバリア部８を開いて、垂直転送部２のチャンネル９へ信号電荷を移すことにより、図１０の電位状態１４ａで示す空の状態になる。フォトダイオード１に入射する光により電荷が蓄積されると、ポテンシャルの井戸は電位状態１４ｂに示すように浅くなっていく。
【０００６】
図１１は、従来例の固体撮像装置の検査方法を説明するための駆動タイミングチャート図であり、垂直転送部２に印加するパルスφＧ１、φＧ２，φＧ３，φＧ４の駆動タイミングを示す。図１２は、図１１の駆動タイミングチャートにおける読み出し部タイミングチャートの拡大図、図１３は、垂直転送タイミングチャートの拡大図を示す。
【０００７】
図１２に示すｏｄｄフィールド期間のｔ＝１で垂直転送部２に印加するパルスφＧ３は、信号電荷の読み出しと転送を制御する。また、ｅｖｅｎフィールド期間のｔ＝２で垂直転送部２に印加するパルスφＧ１は、信号電荷の読み出しと転送を制御する。ハイレベルのときに、フォトダイオード１から垂直転送部２に信号電荷の読み出しがなされる。図１３に示すタイミングで、水平ブランキング期間に垂直転送部２に印加するパルスφＧ１、φＧ２，φＧ３，φＧ４により信号電荷の転送を制御する。すなわち、ミドルレベルとローレベルの２値パルスにより、垂直転送部２から水平転送部３の方向へ信号電荷の転送がなされる。
【０００８】
以上のように構成された固体撮像装置の垂直転送部２とフォトダイオード１の、飽和出力測定方法について説明する。ＣＣＤに照射される光量を通常の約１０００倍以上に設定し、図１１で示したタイミングで固体撮像装置を駆動し、基板電圧（Ｖsub）を高電圧から低電圧へ変化させる。フォトダイオード１や垂直転送部２に電荷が蓄積され、取扱える最大レベルを超え飽和状態となると、信号電荷が隣接する垂直転送部２に漏れ込む。その結果、信号検出部４から出力された信号を２次元状にフレームメモリに取り込んだときに、垂直転送部２で転送できずに光照射された領域と同等の信号レベルが下方向に数ライン溢れる現象（以下、この現象をタレが生じると表現する）が発生する。あるいは、各フォトダイオード１の信号電荷が垂直転送部２に漏れ込むと、信号検出部４から出力された信号を２次元状にフレームメモリに取り込んだときに、垂直転送部２で転送できずに光照射された領域より低信号レベルが上下方向に全ライン溢れる現象（以下、この現象をブルーミングが生じると表現する）が発生する。
【０００９】
この現象を検出するために、フォトダイオード１全領域に光照射し、タレの場合は、垂直方向の非水平転送部側の遮光膜で遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）領域に溢れる信号電荷を検出し、ブルーミングの場合は、タレの影響を受けないよう垂直方向の非水平転送部のＯＢ領域よりさらに離れた垂直ダミービット部で漏れ込む信号電荷を検出し、それぞれ適正な基板電圧を決め、最大転送電荷量や最大取り扱い電荷量として測定していた。また、こうした現象の発生を抑えるため、例えば、特許文献１に示すような方法で基板電圧の調整を行っていた。
【特許文献１】特開平５−１０３２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、フォトダイオード１の容量は、水平方向のポテンシャルバリア部８の電位で決まるフォトダイオード１の最大取り扱い電荷量、換言すればブルーミング現象の観点で評価することは可能であるが、隣接するフォトダイオード１間の垂直方向のチャンネルストッパー１１で決まるフォトダイオード１の最大取り扱い電荷量、換言すれば混色現象の観点では不明確であり、最適マージン設計ができていなかった。
【００１１】
本発明は、光電変換部の垂直分離部により決まるフォトダイオードの最大取り扱い電荷量を容易に検査し、デバイスの最適マージン設計をより的確に行うことを可能とする検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体撮像装置の検査方法は、半導体基板上に光電変換機能を有する光電変換要素がマトリクス状に配列された光電変換部と、前記光電変換部に発生する最大発生電荷量を前記半導体基板に印加する電圧により制御可能な縦型オーバーフロードレイン部と、光電変換された電荷を列方向に転送する垂直転送部と、前記各光電変換要素と前記垂直転送部とを結合させて前記各光電変換要素に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを制御する読出しスイッチ部と、前記垂直転送部により転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部により転送された前記信号電荷を検出する信号検出部とを備え、前記光電変換部が有効画素領域の周囲に設けられた遮光領域を含む固体撮像装置を検査する方法である。
【００１３】
上記課題を解決するために、１フィールド期間に前記各光電変換要素に蓄積された信号電荷を、前記読出しスイッチ部により各々単独に読み出すように駆動し、前記読出しスイッチ部におけるポテンシャルバリアの電位より前記各光電変換要素の間の垂直分離部の電位が高くなるように設定した状態で、前記縦型オーバーフロードレイン部により前記光電変換部の最大発生電荷量を変化させながら、前記水平転送部に沿って配置された前記遮光領域における前記有効画素領域に隣接した前記光電変換要素を漏れ電荷測定領域として、前記有効画素領域内の前記光電変換要素から取り扱いきれずに前記漏れ電荷測定領域に溢れる信号電荷を検出することにより、前記垂直分離部により決まる前記光電変換部の最大取り扱い電荷量を検査することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記の固体撮像装置の検査方法によれば、光電変換部の垂直分離部により決まるフォトダイオードの最大取り扱い電荷量を検査することが可能であり、デバイスの最適マージン設計をより的確に行うことを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の固体撮像装置の検査方法において、好ましくは、縦型オーバーフロードレイン部の基板電圧を高電圧から細かく下げて、信号検出部からの出力をその都度フレームメモリに取り込み、遮光領域における有効画素領域に隣接した光電変換要素から検出される信号電荷を検出する。
【００１６】
また好ましくは、漏れ電荷測定領域に漏れ込む信号出力を所定の閾値で判定し、有効画素領域の信号出力と遮光領域内の光電変換要素の信号出力の差分値を、垂直分離部で決まる最大取り扱い電荷量とする。
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態における固体撮像装置の検査方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１８】
図１は、この検査方法が適用される固体撮像装置を概念的に示す平面図である。２次元的に複数分離配列されたフォトダイオード１に蓄積される電荷は、垂直転送部２に転送されて、１水平周期毎に垂直方向に並列転送される。垂直転送部２により並列転送された電荷は、水平転送部３により順次転送され、信号検出部４により信号電圧に変換される。水平転送部３に隣接したラインは、光遮光膜１２により覆われている。なおこの説明では、垂直転送部２が４ゲートを備えている構成を例とするが、他のゲート構成であってもよい。
【００１９】
図２から図４は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の駆動方法を説明するための駆動タイミングチャート図である。図２は、垂直転送部２に印加するパルスφＧ１、φＧ２，φＧ３，φＧ４のタイミングチャートを示す。また、図３は読み出し部タイミングチャートの拡大図、図４は垂直転送タイミングチャートの拡大図を示す。
【００２０】
図３に示すｏｄｄフィールド期間のｔ＝１で垂直転送部２に印加するパルスφＧ３は、信号電荷の読み出しと転送を制御し、ｅｖｅｎフィールド期間のｔ＝２で垂直転送部２に印加するパルスφＧ１は、信号電荷の読み出しと転送を制御する。ハイレベルのときにポテンシャルバリア部８の電位が変動し、フォトダイオード１から垂直転送部のチャンネル（埋め込み層）９に信号電荷の読み出しがなされるようにする。この時、フォトダイオード１の２つの信号電荷を垂直転送部のチャンネル（埋め込み層）９で混ぜ合わせる駆動方法ではなく、１つのフォトダイオード１のみの信号電荷を転送する駆動方法を用いる。
【００２１】
図４に示すタイミングで、水平ブランキング期間におけるミドルレベルとローレベルのときに、垂直転送部２から水平転送部３へ向かって転送がなされる。このように、順に信号電荷が転送されて信号検出部４から出力される。
【００２２】
以上のように固体撮像装置を駆動したときに、フォトダイオード１の垂直分離部で決まる最大取り扱い電荷量の測定方法を、図１、図５および図６を参照して説明する。
【００２３】
図５は、図１の固体撮像装置における画素近傍の構造を示す断面図であり、Ｖsubによるフォトダイオード制御機能を示すポテンシャル図も併せて示される。縦型オーバーフロードレイン部１５により、半導体基板への印加電圧に応じて、フォトダイオード１の最大取り扱い電荷量が調整される。図６は、図１のａ−ｃ−ｂ断面を示すとともに、本実施の形態におけるフォトダイオード制御機能を示すためのポテンシャル図を示す。
【００２４】
この固体撮像装置を高照度で照射し、図２で示したタイミングで駆動し、図５に示す縦型オーバーフロードレイン部１５の基板電圧（Vsub）を、高電圧から細かく下げて設定することにより、フォトダイオード１に発生する最大電荷量を制御する。
【００２５】
通常は混色防止のため、ポテンシャルバリア部８の電位は、垂直方向のチャンネルストッパー１１の電位よりも高く設計される。これに対して、図６に示すように、ポテンシャルバリア部８の電位より垂直方向のチャンネルストッパー１１の電位を高くすることにより、高照度時にフォトダイオード１に蓄えられて溢れた信号電荷は、隣接するフォトダイオード１に流れ込む。その結果、図１に示す水平転送部３に隣接した光遮蔽膜１２で遮光されたラインのフォトダイオード１にも、信号電荷が漏れ込む現象が起こる。本来、この部分のフォトダイオード１には、信号電荷が発生しないため、ここから検出される電荷を測定すれば、隣接するフォトダイオード１から漏れ込む信号電荷の量を測定することができる。
【００２６】
そのために、基板電圧（Ｖsub）を高電圧から細かく下げて、信号検出部４からの出力をその都度フレームメモリに取り込んでいく。図７に、そのようにしてフレームメモリに取り込まれた画像イメージ１６を示す。ここでは、読み出しの順番の関係から上下反転している。１７が、垂直分離部の漏れ電荷測定領域を示す。１８は有効画素領域、１９はＯＢ領域を示す。
【００２７】
垂直分離部の漏れ電荷測定領域１７に漏れ込む信号出力を所定の閾値で判定し、有効画素領域１８の信号出力とＯＢ領域１９の信号出力の差分値を、垂直分離部で決まる最大取り扱い電荷量として測定できる。
【００２８】
なお、一般的に光遮光膜１２は有効画素領域１８を囲むように形成されるが、図１に示すように、特に水平転送部３の近傍の遮光されたフォトダイオード１に溢れてくる信号電荷を検出するのは、例えば、垂直ＣＣＤの容量が小さい場合、転送電荷の溢れによる転送劣化が発生するため、これによる影響を排除するためである。
【００２９】
なお、上述の実施の形態では、転送ゲートが４ゲートのＩＴ−ＣＣＤを用いて説明しているが、本発明は、３ゲート以上のＩＴ−ＣＣＤ、フレームトランスファ方式（ＦＴ−ＣＣＤ）、プログレッシブスキャン方式の撮像デバイスにも、同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の固体撮像装置の検査方法は、光電変換部の垂直分離部により決まるフォトダイオードの最大取り扱い電荷量を検査することを可能とし、デバイスの最適マージン設計をより的確に行うことを可能とするので、一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡の固体撮像装置等に応用されるイメージセンサとしての固体撮像装置の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態における検査方法が適用される固体撮像装置の構成を概念的に示す平面図
【図２】同実施の形態における検査方法を実施する際の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミングチャート図
【図３】同駆動タイミングチャートおける読み出し期間の拡大図
【図４】同駆動タイミングチャートにおける垂直転送期間の拡大図
【図５】図１の固体撮像装置における画素近傍の構造を示す断面図であるとともに、Ｖsubによるフォトダイオード制御機能を示すポテンシャル図
【図６】図１におけるａ−ｃおよびｂ−ｃ断面を示すとともに、フォトダイオード制御機能を示すためのポテンシャル図
【図７】本発明の一実施の形態における固体撮像装置の垂直方向のポテンシャルバリア部で決まる信号電荷の測定方法を説明するための画像イメージ図
【図８】従来例の検査方法が適用される固体撮像装置の構成を概念的に示す平面図
【図９】従来例の検査方法が適用される固体撮像装置の駆動方法を説明するための画素近傍の構造を示す断面図
【図１０】従来例の検査方法が適用される固体撮像装置の駆動方法を説明するため、フォトダイオードと垂直転送部の機能を示すポテンシャル図
【図１１】従来例の検査方法が適用される固体撮像装置の駆動方法を説明するための駆動タイミングチャート図
【図１２】同駆動タイミングチャートにおける読み出し期間の拡大図
【図１３】同駆動タイミングチャートにおける垂直転送期間の拡大図
【符号の説明】
【００３２】
１  フォトダイオード
２  垂直転送部
３  水平転送部
４  信号検出部
５  ｐウエル
６  ｎ型基板
７  フォトダイオード下のｐウェル層
８  ポテンシャルバリア部
９  垂直転送部のチャンネル（埋め込み層）
１０  垂直転送電極
１１  チャンネルストッパー
１２  光遮蔽膜
１３  絶縁膜
１４ａ、１４ｂ  電位状態
１５  縦型オーバフロードレイン部
１６  画像イメージ
１７  垂直分離部の漏れ電荷測定領域
１８  有効画素領域
１９  オプティカルブラック（ＯＢ）領域
φＧ１，φＧ２，φＧ３，φＧ４  パルス波形
【図１】
2005086671.tif 000003
【図２】
2005086671.tif 000004
【図３】
2005086671.tif 000005
【図４】
2005086671.tif 000006
【図５】
2005086671.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005086671.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005086671.tif 000011
【図１０】
2005086671.tif 000012
【図１１】
2005086671.tif 000013
【図１２】
2005086671.tif 000014
【図１３】
2005086671.tif 000015