JP4075988B2 - Charge transfer device and solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【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5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5(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5(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5(C)は、図5(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5(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。
【0018】
【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、それぞれが転送チャネルと、該転送チャネル上方に形成される電荷転送電極とで構成される転送路により形成される転送段を複数段有し、並列に配置される複数の垂直電荷転送装置と、それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第1の電荷排出回路と、当該それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記第1の電荷排出回路が含む当該転送路の前記転送段と異なる転送段を形成する転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第2の電荷排出回路と、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。
【0019】
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、前記半導体基板に行列状に形成され、信号電荷を蓄積する多数の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成され、それぞれが転送チャネルと、該転送チャネル上方に形成される電荷転送電極とで構成される転送路により形成される転送段を複数段有し、並列に配置される複数の垂直電荷転送装置と、それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第1の電荷排出回路と、当該それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記第1の電荷排出回路が含む当該転送路の前記転送段と異なる転送段を形成する転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第2の電荷排出回路と、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とを有し、所定行所定列の前記光電変換素子で蓄積された信号電荷を排出可能なことを特徴とする。
【0020】
【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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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が上下に形成される。第1の電荷排出回路10は、転送路11、排出制御ゲート13及び排出ドレイン15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。第2の電荷排出回路20は、転送路21、排出制御ゲート23及び排出ドレイン25を含んで構成され、第1の電荷排出回路10で取り残された信号電荷8を固体撮像装置101の外部に排出することができる。
【0025】
図1(B)は、第1の電荷排出回路10の構成を示す概略断面図である。
【0026】
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転送段を形成する。転送電圧供給線12は、転送電極11eに第1の転送制御電圧Φvn1を供給する。
【0027】
排出制御ゲート13は、転送路11の転送チャネル11cと排出ドレイン15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13cと、絶縁膜6を挟んで排出チャネル13cの上方に形成される排出制御ゲート電極13eとで構成される。排出制御ゲート13は、排出制御電圧供給線14により供給される第1の排出制御電圧Φrc1によりオン・オフが制御される。なお、第1の排出制御電圧Φrc1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。
【0028】
排出ドレイン15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15に第1のドレイン電圧Vdr1を供給する。
【0029】
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。
【0030】
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13cの排出動作オフ(制御電圧Φrc1がロウレベル)時のチャネル電位、電位18onは排出チャネル13cの排出動作オン(制御電圧Φrc1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15のドレイン電位を示す。
【0031】
固体撮像素子101の通常動作中は、電荷排出制御電極13e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13eをオン状態(制御電圧Φrc1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13cを介して、信号電荷7を転送チャネル11cから電荷排出ドレイン15に排出することができる。
【0032】
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13e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。
【0033】
ここで、第1の電荷排出回路10の転送チャネル11c内に、例えば、電位障壁9が存在すると、全ての信号電荷7を排出することができずに、排出取り残し電荷8(図1(E))が転送チャネル11c内に残ってしまう場合がある。本実施例では、この排出取り残し電荷8(図1(E))を第2の電荷排出回路20により、外部に排出する。
【0034】
図1(D)は、第2の電荷排出回路20の構成を示す概略断面図である。
【0035】
転送路21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)21cと、絶縁膜6を挟んで転送チャネル21cの上方に形成される転送電極21eとで構成され、垂直電荷転送装置2の1転送段を形成する。転送電圧供給線22は、転送電極21eに第2の転送制御電圧Φvn2を供給する。
【0036】
排出制御ゲート23は、転送路21の転送チャネル21cと排出ドレイン25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23cと、絶縁膜6を挟んで排出チャネル23cの上方に形成される排出制御ゲート電極23eとで構成される。排出制御ゲート23は、排出制御電圧供給線24により供給される第2の排出制御電圧Φrc2によりオン・オフが制御される。なお、第2の排出制御電圧Φrc2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。
【0037】
排出ドレイン25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21)から、排出取り残し電荷8(図1(E))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26は、排出ドレイン25に第2のドレイン電圧Vdr2を供給する。
【0038】
図1(E)は、図1(D)に示す第2の電荷排出回路20の半導体内に形成される電位分布図である。
【0039】
それぞれ、電位27は転送チャネルのチャネル電位、電位28offは排出チャネル23cの排出動作オフ(制御電圧Φrc2がロウレベル)時のチャネル電位、電位28onは排出チャネル23cの排出動作オン(制御電圧Φrc2がハイレベル)時のチャネル電位、電位29は電荷排出ドレイン25のドレイン電位を示す。
【0040】
固体撮像装置101の通常動作中は、電荷排出制御電極23eは、オフ状態(制御電圧Φrc2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、第1の電荷排出回路10による電荷排出動作後(排出取り残し電荷8を転送チャネル21cに転送後)に、電荷排出制御電極23eをオン状態(制御電圧Φrc2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23cを介して、排出取り残し電荷8を転送チャネル21cから電荷排出ドレイン25に排出することができる。
【0041】
以上のように、本発明の第1の実施例では、第1の電荷排出回路10の下段に第2の電荷排出回路20を設けることにより、第1の電荷排出回路10によって取り残された排出取り残し電荷8を第2の電荷排出回路20で排出することができる。よって、排出取り残し電荷8をほぼ完全に無くすことができる。
【0042】
ただし、第1の電荷排出回路10に電位障壁9が存在する確率と、第2の電荷排出回路20に電位障壁9が存在する確率とは、同等であると考えられるので、本発明の第1の実施例による電荷排出の電荷取り残し確率は、「0」ではない。しかし、各電荷排出回路10及び20の電荷取り残し確率を「1/100」とした場合、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路20の両方で電荷が取り残される確率は、「1/10,000」となり、大幅な改善効果を得ることができる。
【0043】
なお、実施例では、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路20のみを設けたが、さらに、第3の電荷排出回路を設けることができる。この場合に、各電荷排出回路の電荷取り残し確率を「1/100」とすると、第1〜第3の電荷排出回路の全てで電荷が取り残される確率は、「1/1,000,000」となり、実質的には、電荷排出の電荷取り残し確率は「0」に限りなく近くなる。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
図2(A)は、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平面図である。この第2の実施例による固体撮像装置102は、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路30の電荷排出方向が、各々異なる点で、前述の第1の実施例と異なる。その他の構造及び動作は、第1の実施例と同様であるので、その説明を省略する。
【0047】
図2(B)は、第1の電荷排出回路10の構成を示す概略断面図であり、図2(D)は、第2の電荷排出回路30の構成を示す概略断面図である。第1の電荷排出回路10の構成は、図1(B)に示した電荷排出回路10の構成と同様であるので、その説明を省略する。また、第2の電荷排出回路30の、各部材の位置関係が、図1(D)に示した電荷排出回路20とは左右逆になっている点のみが異なるだけであるので、詳細な説明は省略する。
【0048】
図2(B)及び図2(D)に示すように、第1の電荷排出回路10は、転送路11に対して、排出制御ゲート13が左側に位置し、信号電荷7は、左側のドレイン15に排出される。これに対して、第2の電荷排出回路30は、転送路31に対して、排出制御ゲート33が右側に位置し、取り残し信号電荷8は、右側のドレイン35に排出される。
【0049】
このように、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路30の電荷排出方向を逆にすることの利点を図2(C)及び図2(E)に示す電位分布図を参照して説明する。
【0050】
電子障壁9が、垂直電荷転送装置2(転送チャネル11c及び31c)内で垂直方向に沿って延在する場合、図に示すように、転送チャネル11cでは、排出チャネル13c側に存在するが、転送チャネル31cでは、排出チャネル33cの反対側に存在することになる。このような場合に、第1の実施例のように、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路20の電荷排出方向を同一にすると、電荷の排出取り残しを解消することができない。しかし、この第2の実施例のように、第1の電荷排出回路10と第2の電荷排出回路30の電荷排出方向を逆にすることにより、取り残し電荷8は、第1の電荷排出回路10とは、逆方向の排出ドレイン35に排出することができる。
【0051】
従って、本発明の第2の実施例によれば、空間相関を有する電位障壁が存在する場合にも、電荷排出回路による電荷取り残しを大幅に削減することができる。
【0052】
図3は、本発明の第3の実施例による固体撮像装置103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。
【0053】
図3(A)は、固体撮像装置103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。
【0054】
固体撮像装置103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。
【0055】
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。
【0056】
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103の外部に出力する。
【0057】
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71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40が形成される。第1の電荷排出回路40は、左右の垂直電荷転送装置2hの転送路41L、41R、左右の排出制御ゲート43L、43R及び一つの排出ドレイン45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103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45を共用する構造となっている。
【0058】
さらに、図に示すように、第1の電荷排出回路40の後段に、垂直に対して転送段71とは逆方向に傾斜した転送段72を設け、該傾斜した転送段72によって拡大された空間に、第1の電荷排出回路40とは電荷排出方向が異なる第2の電荷排出回路50が形成される。
【0059】
図3(B)は、第1の電荷排出回路40の構成を示す概略断面図である。なお、第2の電荷排出回路50は、第1の電荷排出回路40とは、水平方向に1列ずれた垂直電荷転送回路2hに対応する点が異なり、その他の構成、及び動作はほぼ同一であるので、その説明は省略する。
【0060】
排出ドレイン45の両側には、それぞれが排出制御電極43e及び排出チャネル43cで構成される排出制御ゲート43L及び43Rが形成され、さらに、排出制御ゲート43L及び43Rのそれぞれの外側に、それぞれが転送電極41e及び転送チャネル41cで構成される転送路41L及び41Rが形成される。転送路41L及び41Rの信号電荷7は、それぞれ同時にオンされる排出制御ゲート43L及び43Rにより、同一の排出ドレイン45から排出される。
【0061】
図3(C)は、図3(B)に示す第1の電荷排出回路40の半導体内に形成される電位分布図である。
【0062】
それぞれ、電位47は転送チャネル41cのチャネル電位、電位48offは排出チャネル43cの排出動作オフ(制御電圧Φrc3がロウレベル)時のチャネル電位、電位48onは排出チャネル43cの排出動作オン(制御電圧Φrc3がハイレベル)時のチャネル電位、電位49は電荷排出ドレイン45のドレイン電位を示す。
【0063】
信号電荷7が左右の転送チャネル41cに転送されてきた時に、左右の電荷排出制御電極43eをオン状態(制御電圧Φrc3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、左右の排出チャネル43cを介して、信号電荷7を左右の転送チャネル41cから、中央に位置する電荷排出ドレイン45に排出することができる。
【0064】
第2の電荷排出装置50においても、同様の動作を行い、第1の電荷排出回路40とは、逆の電荷排出方向で第1の電荷排出装置40の取り残し電荷を排出することができる。
【0065】
以上のように、本発明の第3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45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。また、第1の電荷排出回路40の下段に電荷排出方向の異なる第2の電荷排出回路50を設けることにより、上述の第2の実施例と同様に、空間相関を有する電位障壁が存在する場合にも、電荷排出回路による電荷取り残しを大幅に削減することができる。
【0066】
なお、排出ドレイン45を共用することで、前述の第1及び第2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、1/2程度になる。
【0067】
図4は、本発明の第4の実施例による固体撮像装置104における電荷排出構造を示す平面図である。前述の第3の実施例と同様の構成及び機能については、説明を省略し、相違点のみを、以下に説明する。
【0068】
前述の第3の実施例との違いは、第1の電荷排出回路60と第2の電荷排出回路70が同一スペース内に形成されている点である。この場合、図に示すように、第1の電荷排出回路60と第2の電荷排出回路70の排出ドレインを一体化して、一つの排出ドレイン65とすることが出来る。従って、本発明の第4の実施例によれば、水平方向のみならず垂直方向の集積度も大幅に高めることができる。
【0069】
以上、本発明の実施例によれば、一つの垂直電荷転送装置に対して、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。
【0070】
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。
【0071】
なお、上述の第1から第4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。
【0072】
また、上述の第1及び第2の実施例では、正方配列CCD固体撮像装置を例に説明し、第3及び第4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及び第2の実施例を画素ずらし配列CCD固体撮像装置に適用し、第3及び第4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。
【0073】
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。
【0074】
【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】 本発明の第3の実施例による固体撮像装置103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。
【図4】 本発明の第4の実施例による固体撮像装置104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。
【図5】 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、8…取り残し信号電荷、9…電位障壁、10,40,60…第1の電荷排出回路、20,30,50,70…第2の電荷排出回路、11,21,31,41・・・転送路、12,22,32・・・転送電圧供給線、13,23,33,43・・・排出制御ゲート、14,24,34・・・排出制御電圧供給線、15,25,35,45・・・排出ドレイン、16,26,36・・・ドレイン電圧供給線、71,72…転送段、101〜104…固体撮像装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charge transfer device and a solid-state imaging device using the charge transfer device, and more particularly to a charge discharge structure of the charge transfer device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a solid-state imaging device using a charge transfer device, for example, a charge discharge circuit for discharging a signal charge to the outside is provided on a vertical charge transfer device, and a signal charge of an arbitrary horizontal line of a photoelectric conversion element is selected. Thinning out is performed. (For example, refer to
FIG. 5 is a diagram illustrating a charge discharging structure in a charge transfer device of a conventional solid-state imaging device. FIG. 5A is a plan view showing a charge discharging structure in a charge transfer device of a conventional solid-state imaging device.
[0003]
The solid-
[0004]
The
[0005]
A
[0006]
FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
[0007]
The
[0008]
The
[0009]
The
[0010]
FIG. 5C is a potential distribution diagram formed in the semiconductor of the
[0011]
The potential 97 is the channel potential of the transfer channel, the potential 98off is the channel potential when the discharge operation of the
[0012]
During the normal operation of the solid-
[0013]
According to the above-described discharging operation, since it is performed at a time by the plurality of
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-6-338524
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
In general, a
[0016]
For example, when all the signal charges are discharged to the
[0017]
An object of the present invention is to suppress the occurrence of vertical lines due to residual charge transfer caused by potential barriers or potential variations that exist probabilistically in a transfer channel of a vertical charge transfer device included in a charge discharging circuit.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, the charge transfer device includes a plurality of transfer stages each formed by a transfer path including a transfer channel and a charge transfer electrode formed above the transfer channel. A plurality of vertical charge transfer devices arranged in parallel; It is disposed near the end of each of the vertical charge transfer devices, and includes the transfer path, A first charge discharging circuit for discharging signal charges transferred by the vertical charge transfer device; Arranged near the end of each of the vertical charge transfer devices, including a transfer path that forms a transfer stage different from the transfer stage of the transfer path included in the first charge discharging circuit, A second charge discharging circuit for discharging a signal charge transferred by the vertical charge transfer device; and an output circuit for outputting the signal charge transferred by the vertical charge transfer device to the outside.
[0019]
According to another aspect of the present invention, a solid-state imaging device includes a semiconductor substrate, a large number of photoelectric conversion elements that are formed in a matrix on the semiconductor substrate, and store signal charges, and are formed above the semiconductor substrate. A plurality of vertical charge transfer devices each having a plurality of transfer stages each formed by a transfer channel formed by a transfer channel and a charge transfer electrode formed above the transfer channel, , It is disposed near the end of each of the vertical charge transfer devices, and includes the transfer path, A first charge discharging circuit for discharging signal charges transferred by the vertical charge transfer device; Arranged near the end of each of the vertical charge transfer devices, including a transfer path that forms a transfer stage different from the transfer stage of the transfer path included in the first charge discharging circuit, A charge transfer device having a second charge discharge circuit for discharging a signal charge transferred by the vertical charge transfer device, and an output circuit for outputting the signal charge transferred by the vertical charge transfer device to the outside; The signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements in a predetermined row and a predetermined column can be discharged.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a charge discharging structure in the vertical
[0021]
FIG. 1A is a plan view showing a charge discharging structure in the vertical
[0022]
The solid-
[0023]
The
[0024]
In the vicinity of the horizontal
[0025]
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first
[0026]
The transfer path 11 is formed above the
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
FIG. 1C is a potential distribution diagram formed in the semiconductor of the first
[0030]
The potential 17 is the channel potential of the transfer channel, the potential 18off is the channel potential when the discharge operation of the
[0031]
During the normal operation of the solid-
[0032]
According to the above-described discharge operation, the signal charge photoelectrically converted by the
[0033]
Here, for example, if the
[0034]
FIG. 1D is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the second
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
FIG. 1E is a potential distribution diagram formed in the semiconductor of the second
[0039]
The potential 27 is the channel potential of the transfer channel, the potential 28off is the channel potential when the discharge operation of the
[0040]
During the normal operation of the solid-
[0041]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the second
[0042]
However, since the probability that the
[0043]
In the embodiment, only the first
[0044]
The configuration shown in FIG. 1A is the same as that of a known square array CCD solid-state imaging device except for the first
[0045]
FIG. 2 is a diagram showing a charge discharging structure in the vertical
[0046]
FIG. 2A is a plan view showing a charge discharging structure in the vertical
[0047]
FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first
[0048]
As shown in FIGS. 2B and 2D, in the first
[0049]
The advantages of reversing the charge discharging directions of the first
[0050]
When the
[0051]
Therefore, according to the second embodiment of the present invention, charge remaining by the charge discharging circuit can be greatly reduced even when a potential barrier having a spatial correlation exists.
[0052]
FIG. 3 is a diagram showing a charge discharging structure in the vertical
[0053]
FIG. 3A is a plan view showing a charge discharging structure in the vertical
[0054]
The
[0055]
The
[0056]
The
[0057]
By providing a
[0058]
Further, as shown in the figure, a
[0059]
FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first
[0060]
On both sides of the
[0061]
FIG. 3C is a potential distribution diagram formed in the semiconductor of the first
[0062]
The potential 47 is the channel potential of the
[0063]
When the
[0064]
The second
[0065]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the two vertical
[0066]
By sharing the
[0067]
FIG. 4 is a plan view showing a charge discharging structure in the solid-
[0068]
The difference from the third embodiment is that the first
[0069]
As described above, according to the embodiment of the present invention, there is a problem in selectively discharging signal charges transferred through the vertical charge transfer device by providing a plurality of charge discharge circuits for one vertical charge transfer device. Therefore, it is possible to drastically reduce the remaining charge discharge.
[0070]
For example, if η is the probability that one charge discharging circuit will be left behind, the probability of charge remaining when n charge discharging devices are provided for one vertical charge transfer device is the nth power of η. Decrease. Here, η <1, n ≧ 2 (n is an integer).
[0071]
In each of the first to fourth embodiments described above, an example in which two charge discharging devices are provided has been described. However, by providing three or more charge discharging devices, there is still a charge left behind. Isolation can be reduced.
[0072]
In the first and second embodiments, a square array CCD solid-state imaging device has been described as an example. In the third and fourth embodiments, a pixel shift array CCD solid-state imaging device has been described as an example. The first and second embodiments can be applied to a pixel-shifted CCD solid-state imaging device, and the third and fourth embodiments can be applied to a square-array CCD solid-state imaging device.
[0073]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the generation of vertical lines due to residual charge transfer due to potential barriers or potential variations that exist probabilistically in the transfer channel of the vertical charge transfer device included in the charge discharging circuit. Can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a charge discharging structure in a vertical
FIG. 2 is a diagram illustrating a charge discharging structure in the vertical
FIG. 3 is a diagram showing a charge discharging structure in a vertical
FIG. 4 is a diagram showing a charge discharging structure in a vertical
5 is a diagram showing a charge discharging structure in a vertical charge transfer device of a conventional solid-
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第1の電荷排出回路と、
当該それぞれの前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置され、前記第1の電荷排出回路が含む当該転送路の前記転送段と異なる転送段を形成する転送路を含んで構成され、当該垂直電荷転送装置で転送される信号電荷を排出する第2の電荷排出回路と、
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。A plurality of vertical charge transfer devices arranged in parallel, each having a plurality of transfer stages formed by a transfer path formed by a transfer channel and a charge transfer electrode formed above the transfer channel;
A first charge discharging circuit disposed near the end of each of the vertical charge transfer devices, including the transfer path, and discharging a signal charge transferred by the vertical charge transfer device;
The vertical charge transfer device is configured to include a transfer path that is disposed near the end of each of the vertical charge transfer devices and forms a transfer stage different from the transfer stage of the transfer path included in the first charge discharging circuit. A second charge discharging circuit for discharging signal charges transferred by the device;
A charge transfer device comprising: an output circuit for outputting signal charges transferred by the vertical charge transfer device to the outside.
前記第2の電荷排出回路と、当該第2の電荷排出回路が配置される前記垂直電荷転送装置の水平方向の前記一方または他方に隣接して配置される前記垂直電荷転送装置の末端付近に配置される前記第2の電荷排出回路とが、前記電荷排出ドレインを共有する請求項2記載の電荷転送装置。 Arranged near the end of the vertical charge transfer device arranged adjacent to the one or the other in the horizontal direction of the second charge discharge circuit and the vertical charge transfer device in which the second charge discharge circuit is arranged The charge transfer device according to claim 2, wherein the second charge discharging circuit to be shared shares the charge discharging drain.
前記半導体基板に行列状に形成され、信号電荷を蓄積する多数の光電変換素子と、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電荷転送装置とを有し、
所定行所定列の前記光電変換素子で蓄積された信号電荷を排出可能なことを特徴とする固体撮像撮像装置。A semiconductor substrate;
A number of photoelectric conversion elements that are formed in a matrix on the semiconductor substrate and accumulate signal charges;
The charge transfer device according to any one of claims 1 to 5,
A solid-state image pickup device capable of discharging signal charges accumulated by the photoelectric conversion elements in predetermined rows and predetermined columns.
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