JP2005243840A - Charge coupled device, solid-state image pickup device, and their driving methods - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信号電荷等の転送に用いられる電荷結合装置及びそれを用いた固体撮像装置に関し、特に暗電流の低減に関する。 The present invention relates to a charge coupled device used for transferring signal charges and the like and a solid-state imaging device using the same, and more particularly to reduction of dark current.
電荷結合装置(Charge Coupled Device:CCD)は、表面に酸化膜を形成した半導体基板の内部の電位を、当該酸化膜上に配置したゲート電極に印加する電圧に応じて制御する。これにより、半導体基板表面近傍に電位井戸、及びそれら電位井戸相互間を分離する電位障壁を形成することができ、電位井戸に信号電荷を電荷パケットとして蓄積することができる。また、複数のゲート電極を一定方向に配列し、それらに印加する電圧を順番に変化させることにより、電位井戸と共に電荷パケットをゲート電極の配列方向に沿って転送することができる。 A charge coupled device (CCD) controls the internal potential of a semiconductor substrate having an oxide film formed on the surface in accordance with a voltage applied to a gate electrode disposed on the oxide film. As a result, a potential well and a potential barrier separating the potential wells can be formed in the vicinity of the semiconductor substrate surface, and signal charges can be accumulated in the potential well as charge packets. Further, by arranging a plurality of gate electrodes in a certain direction and sequentially changing the voltage applied to them, the charge packets can be transferred along with the potential well along the arrangement direction of the gate electrodes.
このCCDは固体撮像装置であるCCDイメージセンサにおいて、行列配置された受光画素にて生じた信号電荷を出力部へ読み出す手段として利用されている。CCDイメージセンサでは、CCDは、各列の信号電荷を垂直方向(列に沿った方向)に転送する複数の垂直シフトレジスタ及び、これら複数の垂直シフトレジスタから1行ずつ出力される信号電荷を水平方向(行に沿った方向)に転送する水平シフトレジスタを構成する。また、フレーム転送型のCCDイメージセンサにおいては、撮像部の各列毎に設けたCCD自体が各列の受光画素を構成し、受光光量に応じた信号電荷を発生する。 This CCD is used as a means for reading out signal charges generated in light receiving pixels arranged in a matrix to an output unit in a CCD image sensor which is a solid-state imaging device. In the CCD image sensor, the CCD horizontally transfers a plurality of vertical shift registers that transfer the signal charges of each column in the vertical direction (direction along the columns), and the signal charges that are output row by row from the plurality of vertical shift registers. A horizontal shift register for transferring in the direction (direction along the row) is configured. In the frame transfer type CCD image sensor, the CCD itself provided for each column of the imaging unit constitutes a light receiving pixel of each column, and generates a signal charge corresponding to the amount of received light.
さて、CCDでは、半導体基板表面と酸化膜との境界には界面準位が多く形成され、それにより発生する電荷が暗電流ノイズとして、電位井戸に蓄積された信号電荷に混入することが問題となる。これに対応するために、現在、一般的にCCDは、例えば、p型半導体基板の表面にn型半導体層を形成した埋め込みチャネル型に構成される。この構成では、基板垂直方向(基板厚み方向)に関する電位井戸の位置を、界面準位が存在する半導体基板表面を避けて、半導体基板内部にシフトさせることができ、それにより、暗電流ノイズを低減することができる。 Now, in the CCD, there are problems in that many interface states are formed at the boundary between the semiconductor substrate surface and the oxide film, and the charges generated thereby are mixed into the signal charge accumulated in the potential well as dark current noise. Become. In order to cope with this, at present, the CCD is generally configured as a buried channel type in which an n-type semiconductor layer is formed on the surface of a p-type semiconductor substrate, for example. In this configuration, the potential well position in the substrate vertical direction (substrate thickness direction) can be shifted into the semiconductor substrate, avoiding the semiconductor substrate surface where the interface states exist, thereby reducing dark current noise. can do.
しかしながら、電位井戸を形成する空乏層が界面まで延び、界面の空乏化によって界面準位で発生した電荷は電位井戸に流れ込む。そのため、電位井戸に蓄積される時間が長いと、暗電流によるSN比(signal to noise ratio)の劣化がやはり問題となる。 However, the depletion layer forming the potential well extends to the interface, and charges generated at the interface state due to depletion of the interface flow into the potential well. Therefore, if the time accumulated in the potential well is long, degradation of the signal-to-noise ratio (signal-to-noise ratio) due to dark current is also a problem.
また、同様に、界面準位は、固体撮像装置の受光画素を構成するフォトダイオードでも問題となる。フォトダイオードでは、この問題を解決するために、例えば、p型基板表面にn型不純物領域を形成して構成されるフォトダイオードでは、表面にp+層を形成して界面準位が存在する半導体基板表面近傍が空乏化しないようにした埋め込み型フォトダイオード構造が採用される。 Similarly, the interface state also becomes a problem in the photodiode that constitutes the light receiving pixel of the solid-state imaging device. In the photodiode, in order to solve this problem, for example, in a photodiode configured by forming an n-type impurity region on the surface of a p-type substrate, a semiconductor in which an interface state exists by forming a p + layer on the surface. A buried photodiode structure is employed in which the vicinity of the substrate surface is not depleted.
この埋め込み型フォトダイオードと同様に、埋め込みチャネル型CCDにおいても表面を空乏化させないことにより、暗電流の一層の低減が可能である。具体的には、CCDのゲート電極の電圧を制御することにより、半導体基板表面に反転層を形成する。例えば、上述のp型層の表面にn型層を形成した埋め込みチャネル型CCDでは、ゲート電圧を所定の負電圧とすると、基板表面が素子分離領域のp+層から供給されたホールによって反転状態となる。 Similar to this buried photodiode, the dark current can be further reduced by not depleting the surface of the buried channel CCD. Specifically, an inversion layer is formed on the surface of the semiconductor substrate by controlling the voltage of the gate electrode of the CCD. For example, in a buried channel CCD in which an n-type layer is formed on the surface of the p-type layer described above, when the gate voltage is a predetermined negative voltage, the substrate surface is inverted by holes supplied from the p + layer in the element isolation region. It becomes.
ちなみに、反転状態となると、電圧の絶対値をさらに大きくしても表面電位は固定されたままの状態(ピンニング状態)となる。すなわち、反転状態では、ゲート電圧によるチャネル電位の制御ができなくなる。そのため、CCDの転送方向に沿って、電位井戸となる部分(蓄積相)と電位障壁となる部分(バリア相)との相互間に、予め不純物プロファイルの差異を設けることによって、蓄積相とバリア相とにポテンシャル差を生じさせる。これにより、蓄積相よりバリア相のポテンシャルが浅く形成され、このバリア相によって電荷パケット同士を分離することができる。 Incidentally, in the inversion state, the surface potential remains fixed (pinning state) even if the absolute value of the voltage is further increased. That is, in the inverted state, the channel potential cannot be controlled by the gate voltage. Therefore, by providing a difference in impurity profile in advance between the portion serving as a potential well (accumulation phase) and the portion serving as a potential barrier (barrier phase) along the CCD transfer direction, the accumulation phase and the barrier phase are provided. Cause a potential difference. As a result, the potential of the barrier phase is shallower than that of the accumulation phase, and charge packets can be separated by this barrier phase.
この構造により、CCDにおいて反転状態とした場合においても、チャネルに電荷パケットを保持することができる。一方、保持された電荷パケットをチャネルに沿って転送するためには、反転状態を解除する。そして、ゲート電圧の制御により、各ゲート電極下のチャネルの状態を所定の順序、周期で変化させて、交互に蓄積相及びバリア相とすることにより電荷パケットを所定方向に転送することができる。 With this structure, charge packets can be held in the channel even when the CCD is inverted. On the other hand, in order to transfer the held charge packet along the channel, the inversion state is released. Then, by controlling the gate voltage, the state of the channel under each gate electrode is changed in a predetermined order and cycle, and the charge packet can be transferred in a predetermined direction by alternately setting the storage phase and the barrier phase.
図8は、従来技術によるCCDの転送方向に沿った模式的な断面図である。このCCDは、n型シリコン基板(N−sub2)の表面に、電荷転送領域を構成するp型半導体層(P−well4)、n型半導体層(N−well6)が、それぞれイオン注入工程及び熱拡散工程により順次形成された埋め込み型チャネル構造である。すなわち、P−well4及びN−well6に形成される空乏層の電位は基板表面から離れた位置に極値を有し、当該位置近傍が信号電荷を蓄積、転送するチャネルとなる。基板表面上には酸化膜8が形成され、これを絶縁膜として間に介して、N−well6の上に複数のゲート電極10が配列される。ゲート電極群にクロック(この例では3相クロックφ1〜φ3とする)を印加して、チャネル電位を制御することにより、ゲート電極10の配列方向に沿ってチャネル内を電荷パケットが転送される。一方、転送を停止してチャネルに信号電荷からなる電荷パケットを停留、保持する場合には、その停留期間中の基板(N−well6)と酸化膜8との界面での暗電流の発生を抑制するために、各ゲート電極10に負電圧を印加してN−well6の表面にホールを集めて反転層を誘起する。この反転状態での蓄積相とバリア相とのチャネル電位差を設けるために、ゲート電極10−2,10−3の下に追加のn型不純物を拡散し、N−well6内に濃度の高いn型半導体領域12を形成する。これにより、表面がピンニングした状態において、ゲート電極10−2,10−3下のチャネル電位は、ゲート電極10−1下より深くなり、ここが蓄積相として電荷パケットを停留し、一方、ゲート電極10−1下のチャネル電位が浅い部分が隣接する電荷パケット間を分離するバリア相を構成する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view along the transfer direction of a CCD according to the prior art. In this CCD, a p-type semiconductor layer (P-well 4) and an n-type semiconductor layer (N-well 6) constituting a charge transfer region are respectively formed on the surface of an n-type silicon substrate (N-sub 2) by an ion implantation process and a heat. It is a buried channel structure formed sequentially by a diffusion process. That is, the potential of the depletion layer formed in the P-well 4 and the N-
なお、下記特許文献1は、n型、p型各半導体層で形成されるチャネル領域の不純物プロファイル及びゲート電極に印加する電圧を調整することにより、電荷井戸のポテンシャルプロファイルが界面においてフラットバンドとなるようにして、界面での空乏化を防止する構成を提案している。
上述のように反転状態にてチャネルに電荷パケットを保持するために、蓄積相とバリア相とに対応させて不純物プロファイルが異なる部分を設けると、電荷パケットの転送動作時にこれら不純物プロファイルの異なる部分を互いに異なるゲート電圧で駆動しなければならなくなる。そのため、駆動回路が複雑になるという問題があった。例えば、図8に示す例では、ゲート電極10−2,10−3に印加するクロックφ2,φ3の振幅を0〜−8Vとする場合、ゲート電極10−1に印加するクロックφ1はφ2,φ3より正電圧方向にシフトした振幅、例えば+3〜−5Vとする必要が生じる。 As described above, in order to hold the charge packets in the channel in the inverted state, if the portions having different impurity profiles are provided corresponding to the accumulation phase and the barrier phase, the portions having different impurity profiles are changed during the charge packet transfer operation. It will be necessary to drive with different gate voltages. Therefore, there is a problem that the drive circuit becomes complicated. For example, in the example shown in FIG. 8, when the amplitudes of the clocks φ2 and φ3 applied to the gate electrodes 10-2 and 10-3 are 0 to −8V, the clock φ1 applied to the gate electrode 10-1 is φ2 and φ3. It is necessary to set the amplitude shifted in the positive voltage direction, for example, +3 to -5V.
また、CCDの取り扱い電荷量を多くするために、蓄積相に相当する部分を大きくすることが要求され、それに伴い、バリア相に相当する部分のチャネル方向の長さが短縮される。ここで、一対の蓄積相及びバリア相のチャネル長は、CCDイメージセンサにおいては画素サイズに応じたものとなる。そのため、CCDイメージセンサの高画素化と共に、それに用いられるCCDの一対の蓄積相及びバリア相のチャネル長は縮小される。その結果、特に不純物の拡散に起因して、各バリア相をばらつきなく精度良く形成することが難しいという問題があった。また、例えば、蓄積相やバリア相を構成する各不純物領域が、隣接するゲート電極下にまで広がると、転送動作時にチャネル方向にポテンシャルの窪み等が生じ転送効率の劣化を生じ得る。 Further, in order to increase the amount of charge handled by the CCD, it is required to enlarge the portion corresponding to the storage phase, and accordingly, the length in the channel direction of the portion corresponding to the barrier phase is shortened. Here, the channel lengths of the pair of accumulation phases and barrier phases are in accordance with the pixel size in the CCD image sensor. Therefore, along with the increase in the number of pixels of the CCD image sensor, the channel lengths of the pair of accumulation phases and barrier phases of the CCD used therefor are reduced. As a result, there has been a problem that it is difficult to form each barrier phase accurately with no variation, particularly due to impurity diffusion. Further, for example, if each impurity region constituting the accumulation phase or the barrier phase extends under the adjacent gate electrode, a potential dip or the like may occur in the channel direction during the transfer operation, and transfer efficiency may be deteriorated.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、反転状態にてチャネル内に電荷パケットを保持できる一方、駆動回路が簡単で、かつ良好な電荷転送が実現される電荷結合装置及びそれを用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a charge coupled device capable of holding a charge packet in a channel in an inversion state while having a simple driving circuit and realizing good charge transfer. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device using the same.
(1)本発明に係る電荷結合装置は、半導体基板の表面に形成された第1導電型の上部半導体層及び当該上部半導体層の下に位置する第2導電型の下部半導体層により埋め込み型のチャネルを形成する電荷転送領域と、当該電荷転送領域上に電荷転送方向に沿って配列される複数の転送電極とを有し、前記転送電極により前記チャネルの電位を制御して電荷パケットを当該チャネル内にて転送するものにおいて、前記チャネル下に前記電荷転送方向に沿って配列され、外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる複数の下部電極を有する。 (1) A charge-coupled device according to the present invention includes a first conductivity type upper semiconductor layer formed on a surface of a semiconductor substrate and a second conductivity type lower semiconductor layer located under the upper semiconductor layer. A charge transfer region that forms a channel; and a plurality of transfer electrodes arranged along the charge transfer direction on the charge transfer region, and the charge packets are controlled by controlling the potential of the channel by the transfer electrode. A plurality of lower electrodes arranged along the charge transfer direction under the channel and changing the potential of the channel via the lower semiconductor layer according to a voltage applied from the outside. Have.
本発明によれば、下部電極に印加する電圧に応じて、下部半導体層の電位を変化させ、さらにその下部半導体層の電位変化の影響により、チャネルの電位の深さを変化させる。これにより、チャネルの電位の深さが電荷転送方向に関して空間的に変調され、埋め込み型チャネルの基板深さ方向に関する電位井戸に深い部分と浅い部分とを形成することができる。深い部分は電荷パケットを蓄積する蓄積相を形成し、浅い部分は隣接する電荷パケットを分離するバリア相を形成する。下部電極は、例えば、下部半導体層の内部に埋め込んで配置することができる。一方、下部電極は、下部半導体層に接して配置されていてもよく、特に、下部半導体層が半導体基板の裏面まで連続する場合には、下部電極を当該半導体基板の裏面に配置することができる。 According to the present invention, the potential of the lower semiconductor layer is changed according to the voltage applied to the lower electrode, and the depth of the channel potential is changed by the influence of the potential change of the lower semiconductor layer. Thereby, the depth of the potential of the channel is spatially modulated in the charge transfer direction, and a deep portion and a shallow portion can be formed in the potential well in the buried channel in the substrate depth direction. The deep portion forms an accumulation phase that accumulates charge packets, and the shallow portion forms a barrier phase that separates adjacent charge packets. The lower electrode can be disposed, for example, embedded in the lower semiconductor layer. On the other hand, the lower electrode may be disposed in contact with the lower semiconductor layer. In particular, when the lower semiconductor layer continues to the back surface of the semiconductor substrate, the lower electrode can be disposed on the back surface of the semiconductor substrate. .
(2)他の本発明に係る電荷結合装置においては、前記下部電極が、互いに別々に外部から電位を制御される第1下部電極と第2下部電極を含み、前記第1下部電極及び前記第2下部電極が、所定の配列順序で互いに混在して前記電荷転送方向に配置される。本発明によれば、第1下部電極と第2下部電極とを互いに異なる電位に制御することにより、チャネルの電位の深さが電荷転送方向に関して空間的に変調され、蓄積相とバリア相とが形成される。 (2) In another charge-coupled device according to the present invention, the lower electrode includes a first lower electrode and a second lower electrode whose potentials are separately controlled from the outside, and the first lower electrode and the first lower electrode Two lower electrodes are mixed and arranged in the charge transfer direction in a predetermined arrangement order. According to the present invention, by controlling the first lower electrode and the second lower electrode to different potentials, the depth of the channel potential is spatially modulated in the charge transfer direction, and the accumulation phase and the barrier phase are It is formed.
さらに他の本発明に係る電荷結合装置においては、前記第1下部電極及び前記第2下部電極が、前記チャネル内での電荷パケット列の配列周期を繰り返し周期として、それぞれ所定数ずつ交互に配置される。本発明によれば、α個の第1下部電極Aとβ個の第2下部電極Bとが交互に配置される。α、βはそれぞれ自然数であり、1を含む。例えば、αが2、βが1の場合には、第1下部電極及び第2下部電極はA,A,B,A,A,B,…というパターンで配置される。チャネル領域には、A,Bの一方の上の位置に対応して蓄積相が形成され、他方の上の位置に対応してバリア相が形成される。そこで本発明においては、電荷パケット列の配列周期に応じたチャネル長毎に、(α+β)個の下部電極が配置される。例えば、当該電荷結合装置が3相駆動である場合には、転送電極3個分に相当するチャネル長が電荷パケットの配列周期となり、その各周期内にα個の第1下部電極とβ個の第2下部電極とが配置される。 In still another charge coupled device according to the present invention, the first lower electrode and the second lower electrode are alternately arranged by a predetermined number, each having an arrangement period of the charge packet sequence in the channel as a repetition period. The According to the present invention, α first lower electrodes A and β second lower electrodes B are alternately arranged. α and β are natural numbers and include one. For example, when α is 2 and β is 1, the first lower electrode and the second lower electrode are arranged in a pattern of A, A, B, A, A, B,. In the channel region, an accumulation phase is formed corresponding to the position on one of A and B, and a barrier phase is formed corresponding to the position on the other. Therefore, in the present invention, (α + β) lower electrodes are arranged for each channel length corresponding to the arrangement period of the charge packet sequence. For example, when the charge coupled device is three-phase driven, a channel length corresponding to three transfer electrodes is an arrangement period of charge packets, and within each period α first lower electrodes and β pieces A second lower electrode is disposed.
これら電荷結合装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記第1下部電極に印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置に電位井戸を形成し、かつ前記第2下部電極に印加する電圧を制御して、隣接する前記電位井戸同士を分離する電位障壁を形成する電位井戸列形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。チャネルに電荷パケットを停留させる際の暗電流を抑制するために転送電極の電位を制御して上部半導体層の表面に反転層を形成する場合、転送電極はチャネルの電位を制御できなくなるが、本発明によれば、第1下部電極と第2下部電極とにより、チャネル電位を制御して、電荷転送方向に沿って電位井戸と電位障壁とを形成し、電荷パケットを当該電位井戸に保持することができる。 A method of driving these charge-coupled devices, wherein the driving method according to the present invention is configured to stop a clock applied to the transfer electrode and to stop a plurality of the charge packets in the channel. The potential applied to control the voltage applied to the lower electrode to form a potential well at the stop position of each charge packet and the voltage applied to the second lower electrode to separate adjacent potential wells. A potential well array forming step for forming a barrier; and an inversion layer forming step for inducing an inversion layer on the surface of the upper semiconductor layer by applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode. When the inversion layer is formed on the surface of the upper semiconductor layer by controlling the potential of the transfer electrode in order to suppress the dark current when the charge packet is retained in the channel, the transfer electrode cannot control the channel potential. According to the invention, the channel potential is controlled by the first lower electrode and the second lower electrode, the potential well and the potential barrier are formed along the charge transfer direction, and the charge packet is held in the potential well. Can do.
さらに本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に前記クロックを印加して前記電荷パケットを転送する場合には、前記第1下部電極と前記第2下部電極とを互いに同電位とする。本発明によれば、電荷パケットの転送時には第1下部電極と第2下部電極とを同電位とすることで、それら下部電極による電荷転送方向のチャネル電位の変動が抑制される。よって、各転送電極は、同じ振幅のクロックで駆動することができる。 Furthermore, in the driving method according to the present invention, when the charge packet is transferred by applying the clock to the transfer electrode, the first lower electrode and the second lower electrode have the same potential. According to the present invention, when the charge packet is transferred, the first lower electrode and the second lower electrode are set to the same potential, thereby suppressing the fluctuation of the channel potential in the charge transfer direction by the lower electrode. Therefore, each transfer electrode can be driven with a clock having the same amplitude.
(3)別の本発明に係る電荷結合装置は、前記下部電極の下に前記電荷転送領域に沿って配置され、当該下部電極とは独立して外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる背部電極層を有し、前記下部電極が、前記電荷転送方向に所定間隔置きに設けられた各電極形成位置にそれぞれ所定数ずつ配置される。 (3) Another charge coupled device according to the present invention is arranged along the charge transfer region below the lower electrode, and the lower semiconductor according to a voltage applied from the outside independently of the lower electrode A back electrode layer for changing the potential of the channel through the layer is provided, and a predetermined number of the lower electrodes are arranged at respective electrode formation positions provided at predetermined intervals in the charge transfer direction.
さらに別の本発明に係る電荷結合装置においては、前記電極形成位置が、前記チャネルにて前記電荷パケットを停留させる停留位置又は停留された前記電荷パケット間を分離する分離位置のいずれか一方の下に設けられる。本発明によれば、電荷転送方向に沿って、チャネルの下に下部電極及び背部電極層が配置される領域と、下部電極がなく背部電極層だけが配置される領域とが交互に設けられる。これら異なる2種類の領域により、上述の第1下部電極及び第2下部電極と同様の効果を得ることができる。 In another charge-coupled device according to the present invention, the electrode formation position is below either a stopping position for stopping the charge packets in the channel or a separation position for separating the stopped charge packets. Is provided. According to the present invention, the region where the lower electrode and the back electrode layer are disposed under the channel and the region where only the back electrode layer is disposed without the lower electrode are alternately provided along the charge transfer direction. By these two different types of regions, the same effects as those of the first lower electrode and the second lower electrode described above can be obtained.
本発明の好適な態様は、前記背部電極層が、第1導電型の半導体領域で形成される電荷結合装置である。 A preferred aspect of the present invention is a charge coupled device in which the back electrode layer is formed of a semiconductor region of a first conductivity type.
これら電荷結合装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極及び前記背部電極層それぞれに印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置となる電位井戸及び前記電位井戸同士を分離する電位障壁のいずれか一方を、前記チャネルのうち前記電極形成位置に対応した位置に形成し、他方を前記電極形成位置相互間の間隙に対応した位置に形成する電位井戸列形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を有する。 A method of driving these charge coupled devices, wherein the driving method according to the present invention is configured to stop the clock applied to the transfer electrode and to stop the plurality of charge packets in the channel. And the voltage applied to each of the back electrode layers to control either one of the potential well serving as a retention position of each charge packet and the potential barrier separating the potential wells from each other in the channel. A potential well array forming step in which the other is formed at a position corresponding to the gap between the electrode forming positions, and a predetermined inversion voltage is applied to the transfer electrode, so that the upper semiconductor layer An inversion layer forming step for inducing an inversion layer on the surface.
(4)本発明に係る電荷結合装置の他の好適な態様においては、前記下部電極が、前記下部半導体層の内部に形成された第1導電型の半導体領域である。 (4) In another preferred aspect of the charge coupled device according to the present invention, the lower electrode is a first conductivity type semiconductor region formed inside the lower semiconductor layer.
本発明に係る電荷結合装置の駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。 In the driving method of the charge coupled device according to the present invention, the voltage applied to the lower electrode is controlled in the operation of stopping the clock applied to the transfer electrode and retaining the charge packet in the channel, A potential well forming step of forming a potential well serving as a charge packet stop position; and an inversion layer forming step of inducing an inversion layer on the surface of the upper semiconductor layer by applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode. Including.
(5)本発明に係る固体撮像装置は、上記本発明に係る電荷結合装置で構成されたシフトレジスタと、前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する複数の受光画素と、を有し、前記信号電荷を前記シフトレジスタで転送する。 (5) A solid-state imaging device according to the present invention includes a shift register including the charge-coupled device according to the present invention, and a plurality of light receiving pixels that are formed on the semiconductor substrate and generate a signal charge according to the amount of received light. The signal charge is transferred by the shift register.
(6)他の本発明に係る固体撮像装置は、上記本発明に係る電荷結合装置で構成された複数の垂直シフトレジスタと、前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する行列配置された複数の受光画素と、を有し、前記複数の垂直シフトレジスタは、一行分の前記信号電荷の読み出し周期に同期して、前記信号電荷を列に沿った方向に順次転送する。垂直シフトレジスタでの信号電荷の転送速度は比較的ゆっくりであり、電荷パケットがチャネル内の同じ位置にある停留時間が比較的長い。本発明によれば、その停留時間に下部電極を用いて電荷転送方向に沿ってチャネルに電位井戸と電位障壁とを形成し、当該電位井戸に電荷パケットを保持しつつ、基板表面を反転状態とすることができる。これにより、当該停留時間での暗電流を抑制することができる。 (6) Another solid-state imaging device according to the present invention generates a plurality of vertical shift registers configured by the charge coupled device according to the present invention and a signal charge formed on the semiconductor substrate in accordance with the amount of received light. A plurality of light receiving pixels arranged in a matrix, and the plurality of vertical shift registers sequentially transfer the signal charges in a direction along a column in synchronization with a read cycle of the signal charges for one row. The transfer rate of signal charge in the vertical shift register is relatively slow, and the dwell time when the charge packet is at the same position in the channel is relatively long. According to the present invention, a potential well and a potential barrier are formed in the channel along the charge transfer direction using the lower electrode during the dwell time, and the substrate surface is in an inverted state while holding the charge packet in the potential well. can do. Thereby, the dark current in the said stop time can be suppressed.
当該固体撮像装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記垂直シフトレジスタの前記読み出し周期毎の転送動作の合間にて、前記信号電荷からなる前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。 A method of driving the solid-state imaging device, wherein the driving method according to the present invention is configured to transfer the charge packet composed of the signal charge into the channel between transfer operations of the vertical shift register for each reading cycle. In the operation of stopping, the voltage applied to the lower electrode is controlled, a potential well forming step for forming a potential well serving as a stopping position of the charge packet, and a predetermined inversion voltage is applied to the transfer electrode, An inversion layer forming step of inducing an inversion layer on the surface of the upper semiconductor layer.
(7)別の本発明に係る固体撮像装置は、上記電荷結合装置からなる複数の垂直シフトレジスタによって複数の受光画素が構成された撮像部を有するフレーム転送型の固体撮像装置である。フレーム転送型の固体撮像装置では、垂直シフトレジスタのチャネルに沿って形成された電位井戸に、露光期間にて入射光量に応じて発生する信号電荷が蓄積され、露光期間終了後、転送電極にクロックを印加して電荷パケットの転送が行われる。この露光期間は、同じ位置に比較的長い時間、電荷パケットが保持される。そこで、本発明によれば、露光期間に下部電極を用いて電荷転送方向に沿ってチャネルに電位井戸と電位障壁とを形成しつつ、基板表面を反転状態とすることができる。これにより、露光期間に電位井戸に信号電荷を蓄積する間の暗電流を抑制することができる。 (7) Another solid-state imaging device according to the present invention is a frame transfer type solid-state imaging device having an imaging unit in which a plurality of light receiving pixels are configured by a plurality of vertical shift registers including the charge coupled device. In a frame transfer type solid-state imaging device, signal charges generated according to the amount of incident light are accumulated in an exposure period in a potential well formed along a channel of a vertical shift register. Is applied to transfer the charge packet. During this exposure period, charge packets are held at the same position for a relatively long time. Therefore, according to the present invention, the substrate surface can be inverted while forming a potential well and a potential barrier in the channel along the charge transfer direction using the lower electrode during the exposure period. As a result, dark current during the accumulation of signal charges in the potential well during the exposure period can be suppressed.
当該固体撮像装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、受光光量に応じて発生する信号電荷を前記各受光画素毎に前記電荷パケットとして前記チャネル内に蓄積する露光動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記各受光画素毎に、前記信号電荷を蓄積する電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。 A method of driving the solid-state imaging device, wherein the driving method according to the present invention is configured to perform an exposure operation in which a signal charge generated according to the amount of received light is accumulated in the channel as the charge packet for each light receiving pixel. A voltage applied to the lower electrode is controlled, a potential well forming step for forming a potential well for accumulating the signal charge for each light receiving pixel, and a predetermined inversion voltage is applied to the transfer electrode, An inversion layer forming step of inducing an inversion layer on the surface of the upper semiconductor layer.
本発明の構成によれば、下部電極に印加する電圧に応じて、チャネルに沿った電位変動の発生、消滅を制御することができる。この構成により、基板表面を反転状態としてチャネルに電荷パケットを停留させる場合に、チャネルに沿った電位井戸(蓄積相)と電位障壁(バリア相)とが形成される。すなわち、チャネルの不純物濃度を操作することなく蓄積相とバリア相とを形成することができる。チャネル内にて電荷パケットを転送する際には、下部電極に起因する電位変動が消滅するように制御することで、各転送電極は同じ振幅のクロックで駆動することができ、駆動回路の簡素化が図られる。また、蓄積相とバリア相とをチャネルへの不純物の拡散により形成する必要がないので、不純物拡散のばらつきの影響を受けることがなく、良好な電荷転送が実現される。 According to the configuration of the present invention, the occurrence and disappearance of potential fluctuations along the channel can be controlled according to the voltage applied to the lower electrode. With this configuration, when a charge packet is retained in the channel with the substrate surface in an inverted state, a potential well (storage phase) and a potential barrier (barrier phase) along the channel are formed. That is, the accumulation phase and the barrier phase can be formed without manipulating the impurity concentration of the channel. When transferring charge packets in a channel, each transfer electrode can be driven with a clock of the same amplitude by controlling the potential fluctuation caused by the lower electrode to disappear, simplifying the drive circuit Is planned. In addition, since it is not necessary to form the accumulation phase and the barrier phase by diffusing impurities into the channel, good charge transfer is realized without being affected by variations in impurity diffusion.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係るCCDイメージセンサの模式的な平面図である。このCCDイメージセンサはフレーム転送型であり、撮像部20は行列配置された受光画素を備える。蓄積部22は撮像部20で得られた1画面分の信号電荷を蓄積し、水平転送部24は、蓄積部22から1行単位で読み出される信号電荷を出力部26へ高速に水平転送する。
FIG. 1 is a schematic plan view of a CCD image sensor according to an embodiment of the present invention. This CCD image sensor is a frame transfer type, and the
撮像部20及び蓄積部22は、それぞれ行方向(行に沿った方向、すなわち水平方向)に複数配列された垂直シフトレジスタで構成され、各垂直シフトレジスタはCCDで構成される。撮像部20を構成する各垂直シフトレジスタ20vは、1列の受光画素を構成する。すなわち、垂直シフトレジスタ20vは、その電荷転送チャネルに光が入射可能に構成され、入射した光がチャネルの空乏層にて生じる電荷を、画素に対応して形成される電位井戸に蓄積する。蓄積部22の各列の垂直シフトレジスタ22vは、そのチャネルが同じ列の垂直シフトレジスタ20vに連続している。露光期間が終了すると、撮像部20から蓄積部22へ信号電荷が高速に垂直転送(フレーム転送)される。蓄積部22は遮光膜で覆われており、露光期間に得られた信号電荷を保持することができる。蓄積部22は、水平走査期間に同期して信号電荷を1行ずつ垂直転送(ライン転送)し、その最終段から出力された1行分の信号電荷が上述のように水平転送部24に渡される。
The
本装置の垂直シフトレジスタ20v,22vは、本発明に係るCCDにより構成される。垂直シフトレジスタ20v,22vは、別個に駆動できる必要があるため、互いに独立したクロックを印加されるが、ここでは、いずれも3相クロックであるので、簡単のためにそれらを共通の記号φ1〜φ3で表す。クロックφ1〜φ3は互いに2π/3ずつ位相がずれたクロックであり、電圧振幅は互いに同じであり、いずれも2つの電圧VL,VH(VL<VH)を相互に遷移する。 The vertical shift registers 20v and 22v of this apparatus are constituted by the CCD according to the present invention. Since the vertical shift registers 20v and 22v need to be able to be driven separately, they are applied with clocks independent of each other. Here, since they are three-phase clocks, they are represented by common symbols φ1 to φ1 for simplicity. Represented by φ3. The clocks φ1 to φ3 are clocks that are out of phase with each other by 2π / 3, have the same voltage amplitude, and both transition between two voltages V L and V H (V L <V H ).
図2は、垂直シフトレジスタ20v,22vを構成するCCDの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。このCCDの電荷転送領域の半導体基板30は、P−sub層(以下、単にP−sub)32とP−well層(以下、単にP−well)34とからなるp型半導体領域と、その内部に転送方向に沿って複数配列された電極領域36,38と、半導体基板の表面に位置しP−well34の上に設けられるn型半導体層であるN−well層(以下、単にN−well)40とが形成される。半導体基板30の表面には酸化膜42が絶縁膜として形成され、その上に転送電極として複数のゲート電極44が転送方向に沿って配列される。
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view along the charge transfer direction of the CCD constituting the vertical shift registers 20v and 22v. The
このCCDは埋め込み型チャネル構造である。つまり、N−well40及びP−well34に形成される空乏層の電位は基板表面から離れた位置に極値を有し、当該位置近傍が信号電荷を蓄積、転送するチャネルとなる。 This CCD has a buried channel structure. That is, the potential of the depletion layer formed in the N-well 40 and the P-well 34 has an extreme value at a position away from the substrate surface, and the vicinity of the position becomes a channel for accumulating and transferring signal charges.
また本CCDは上述のように3相駆動され、これに対応してゲート電極44はクロックφ1を印加されるゲート電極44−1、クロックφ2を印加されるゲート電極44−2、クロックφ3を印加されるゲート電極44−3を含み、これらゲート電極44−1〜44−3が周期的に配置される。 In addition, the CCD is driven in three phases as described above, and correspondingly, the gate electrode 44 applies the gate electrode 44-1 to which the clock φ1 is applied, the gate electrode 44-2 to which the clock φ2 is applied, and the clock φ3. The gate electrodes 44-1 to 44-3 are periodically arranged.
電極領域36,38は上述のように高濃度に不純物を導入されており、これにより低抵抗に形成されている。電極領域36,38は互いに独立に電位を制御される。電極領域36,38は交互に配置され、転送方向に関する電極領域38の位置はゲート電極44−1の位置に対応しており、また電極領域36の位置はゲート電極44−2,44−3の中間位置に対応している。
The
図3は、本CCDの電荷転送領域の模式的な平面図である。電極領域36,38は、いずれもN−well40が形成される電荷転送領域50を電荷転送方向に直交して横断するように形成される。ここでは電極領域36を電荷転送領域50の一方の外側領域に長く突出させ、電極領域38を他方の外側領域に長く突出させている。電極領域36,38はそれぞれその突出部分にて、例えば半導体基板30の表面に設けられる配線と接続される。
FIG. 3 is a schematic plan view of the charge transfer region of the CCD. The
図4は、本CCDの電荷転送方向に直交する模式的な垂直断面図であり、図3に示す位置Y−Y’での断面を示している。電極領域38はN−well40の外側のP−well34に垂直に形成されたブリッジ部60により基板表面に導かれ、酸化膜42に設けられたコンタクト孔を介して配線62に接続される。電極領域36についても同様にして配線に接続される。電極領域36,38はそれら配線を介して外部回路に接続され、当該外部回路から電圧を印加される。
FIG. 4 is a schematic vertical sectional view orthogonal to the charge transfer direction of the CCD, and shows a cross section at a position Y-Y ′ shown in FIG. 3. The
例えば、本CCDの上述の構造は、P−sub32を構成するシリコン半導体基板を土台として形成することができる。このシリコン半導体基板の表面にn型不純物をイオン注入等により導入することにより、電極領域36,38を形成する。その後に、当該基板表面にシリコン層をエピタキシャル成長させる。この成長膜には例えば、P−well34の濃度に応じたp型不純物を予め導入することができる。形成されたエピタキシャル層の表面にn型不純物をイオン注入及び熱拡散等の工程によって導入して、撮像部20及び蓄積部22のCCDを構成するN−well40を形成する。またエピタキシャル層の表面には、水平転送部24、出力部26及び素子分離領域(チャネルストップ領域)等を構成する他の不純物領域の形成も行われる。また、エピタキシャル層の表面には酸化膜42が形成される。例えば酸化膜42は熱酸化により形成される。酸化膜42の上には例えばポリシリコン層が堆積され、これをパターニングしてゲート電極44を含む電極及び配線が形成される。電極や配線を形成するためには、複数層のポリシリコン層及びアルミニウムやタングステン等の金属層が必要に応じて用いられる。例えば、ゲート電極44はその上層に形成される金属配線にコンタクト孔を介して接続され、その金属配線によりφ1〜φ3を外部から供給されるクロック端子に接続される。また、電極領域36,38も上述のようにブリッジ部60を介して配線62に接続され、この配線により外部回路から電圧を供給される端子に接続される。ブリッジ部60は、例えば、不純物のイオン注入により形成したn+領域や、ドライエッチングで開けた孔にポリシリコンを堆積して形成したn+領域で構成される。
For example, the above-described structure of the CCD can be formed using a silicon semiconductor substrate constituting the P-
図5は、本CCDの基板深さ方向の電位プロファイルを示す模式図である。図5(a)は垂直転送動作時、図5(b)は蓄積動作時を表している。なお、撮像部20の垂直シフトレジスタでは、露光期間において蓄積動作が行われ、蓄積部22の垂直シフトレジスタでは、1水平走査期間周期のライン転送の合間において蓄積動作が行われる。図において縦軸は電位であり、下向きが正である。横軸は基板表面に垂直な位置であり、左が基板表面側、右側が基板裏面側に対応する。各軸は任意スケールである。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a potential profile of the CCD in the substrate depth direction. 5A shows the vertical transfer operation, and FIG. 5B shows the accumulation operation. The vertical shift register of the
転送動作時には、ゲート電極44には3相クロックφ1〜φ3が印加される。電位曲線70は、ゲート電極44にクロック電圧VHを印加したときの電位プロファイル、電位曲線72は、ゲート電極44にクロック電圧VLを印加したときの電位プロファイルをそれぞれ示している。ゲート電極44に印加するクロック電圧VH,VLはCCDの最大取り扱い電荷量の設定値、不純物プロファイル等に応じて定められるが、通常、電圧VHは数ボルト程度の正電圧、一方、電圧VLは、0又は数ボルト程度の負電圧となるように設計される。ここでは、VLは酸化膜42とN−well40との界面に反転層が形成される負電位とする。電極領域36,38に印加する電圧は、互いに同電位であり、P−well34に対して逆バイアス又は平衡状態となる所定の電圧Vtrに設定される。また、P−sub32には所定電圧Vsubが印加される。
During the transfer operation, three-phase clocks φ1 to φ3 are applied to the gate electrode 44. A
ちなみに、図5には、参考のために、電極領域36,38を通らない垂直断面での電位プロファイルを表す電位曲線74を示している。この電位曲線74は、例えば電極領域36,38から十分に離れた位置のように、電極領域36,38の影響を無視できる状況を表している。
For reference, FIG. 5 shows a
転送動作時の駆動では、ゲート電極44に印加されるクロックの電圧に応じて各ゲート電極44下のチャネル電位が制御される。ここでチャネル電位を、P−well34及びN−well40での深さ方向の極値(電位の深さの極大値)と定義する。VHを印加されたゲート電極44の下のチャネル電位は、VLを印加されたゲート電極44の下より大きく(深く)なり、このチャネル電位の深い部分(電位井戸)に電荷パケットが保持される。転送動作時には、ゲート電極44−1〜44−3の少なくともいずれか1つはVLを印加され、そのVLを印加されたゲート電極44の下のチャネル電位が浅い部分(電位障壁)が、隣接するゲート電極44下に蓄積された電荷パケット相互を分離する。3相クロックにより、電位井戸が形成される蓄積相の位置と、電位障壁が形成されるバリア相の位置とが順次、切り換えられることにより、電荷パケットがチャネルに沿って移動される。 In driving during the transfer operation, the channel potential under each gate electrode 44 is controlled according to the voltage of the clock applied to the gate electrode 44. Here, the channel potential is defined as an extreme value in the depth direction at P-well 34 and N-well 40 (maximum value of potential depth). The channel potential under the gate electrode 44 to which V H is applied becomes larger (deeper) than under the gate electrode 44 to which V L is applied, and a charge packet is held in a deep portion (potential well) of this channel potential. The During transfer operation, at least one of the gate electrode 44-1~44-3 is applied to V L, the channel potential is shallow portion under the gate electrode 44 applies the V L (potential barrier) is, The charge packets stored under the adjacent gate electrode 44 are separated from each other. The charge packet is moved along the channel by sequentially switching the position of the accumulation phase where the potential well is formed and the position of the barrier phase where the potential barrier is formed by the three-phase clock.
一方、蓄積動作時には、酸化膜42とN−well40との界面を基本的に常時、反転状態とする。そのため、各ゲート電極44にVLが印加される。その一方で、電極領域36,38に電位差を与えることで、チャネルに電位井戸(蓄積相)と電位障壁(バリア相)とを形成する。電位曲線76は、電極領域に電圧Vstを印加して、当該電極領域の上のチャネルのチャネル電位を深くしたときの電位プロファイル、電位曲線78は、電極領域に電圧Vstより低い電圧Vbrを印加して、当該電極領域の上のチャネル電位を浅くしたときの電位プロファイルをそれぞれ示している。ここでは、VbrをVtrと同じ値に設定し、VstをVtrより高い電圧に設定する場合を示しており、電位曲線78は基本的に電位曲線72に一致する。なお、逆にVstをVtrと同じ値に設定し、VbrをVtrより低い電圧に設定してもよく、また、Vst、VbrをいずれもVtrとは異なる値に設定することもできる。
On the other hand, during the accumulation operation, the interface between the
ここでは、3相駆動される3つのゲート電極44の組のうち2つの下に電位井戸を形成し、残り1つの下に電位障壁を形成する。さて、本CCDでは図2に示すように、電極領域36を2つのゲート電極44−2,44−3の中間位置の下に配置し、電極領域38をゲート電極44−1の下に配置している。これは、電極領域36によりゲート電極44−2,44−3の下のチャネル電位を制御し、ここに電荷パケットを保持させ、一方、電極領域38によりゲート電極44−1の下のチャネル電位を制御し、ここの電位障壁を形成するためである。よって、転送動作から蓄積動作への移行は、ゲート電極44−2,44−3の下に電荷パケットが蓄積された状態にて行われる。ゲート電極44−2,44−3にVHが印加され、それらゲート電極44の下に電荷パケットが保持された状態にて転送が停止される。そして、電極領域36の電圧が電圧Vst、電極領域38の電圧がVbrとされる。しかる後、ゲート電極44−2,44−3に対応するクロックφ2,φ3の電圧レベルがVHからVLに切り換えられる。これにより、各ゲート電極44−1〜44−3に電圧VLが印加され、各ゲート電極44下の酸化膜42とN−well40との界面が反転状態とされる。この状態での電極領域36に対応する位置、例えば図2に示す位置Z1−Z1’に沿った断面での電位プロファイルが電位曲線76に相当し、位置Z2−Z2’に沿った断面での電位プロファイルが、電位曲線78に相当する。
Here, a potential well is formed under two of the set of three gate electrodes 44 driven in three phases, and a potential barrier is formed under the remaining one. In this CCD, as shown in FIG. 2, the
ここで、電極領域36,38はオーバーフロードレインを兼ねることができる。例えば、撮像部20において電子シャッタ動作を行う場合には、従来、基板裏面に電圧を印加して、チャネルに保持される信号電荷を基板裏面に排出することが行われている。それと同じように、本CCDでは、撮像部20又は蓄積部22に蓄積された信号電荷を出力部26に読み出すことなく一括して排出する場合には、電極領域36,38に高い正電圧を印加して、チャネルと電極領域36,38との間にP−well34が形成する電位障壁を低下させる。これにより、チャネルに保持された信号電荷はP−well34を越えて電極領域36,38へ吸引され排出される。
Here, the
なお、転送動作時には、既に述べたように電極領域36,38は同電位とされる。電極領域36,38は電荷転送方向に対して間にp型領域を挟んで離散的に配置されており、これら電極領域36,38を含む水平面ではそれら電極領域36,38の配列方向に沿って電位は周期的に変動し得る。しかし、その電位変動は、チャネルと電極領域36,38との間に距離があることにより、チャネル上では平滑化され緩和される。その一方で、さらに好適にチャネル上での電極領域36,38に起因する電位変動を抑制したい場合には、電極領域36,38を含む水平面上での電位変動自体を低減すればよい。そのためには、電極領域36,38の電位を周辺のp型領域(P−sub32及びP−well34)の電位に応じて下げる(図5において上に移動させることに相当)。ここで、電極領域36,38の電位を下げると、それに引きずられていた周辺のp型領域の電位も連動して下がるが、電極領域36,38の電位を電極領域36,38の影響が無い場合の電位曲線74上での電位に近づけるにつれて、電極領域36,38を含む水平面上での電位変動の振幅を小さくできる。この電位変動は基本的に転送動作時の電荷パケットの転送効率の劣化を生じる点で問題となり得るが、蓄積動作時には特段、問題とならない。よって、電極領域36,38によりチャネル電位を制御する必要がない転送動作時には、上述のように電極領域36,38の電位を変化させて当該電位変動を低減させ、蓄積動作時にのみ電極領域36,38に印加する電圧によりチャネル電位を制御するように駆動することが可能である。
In the transfer operation, the
なお、蓄積動作から転送動作への移行は、転送動作から蓄積動作への移行と逆の手順で行われる。すなわち、まず、ゲート電極44−2,44−3にVHを印加し、その後、電極領域36と電極領域38とを同電位とする。しかる後、クロックφ1〜φ3の駆動を開始することにより、電荷パケットの転送が開始される。
Note that the transition from the accumulation operation to the transfer operation is performed in the reverse procedure to the transition from the transfer operation to the accumulation operation. That is, first, VH is applied to the gate electrodes 44-2 and 44-3, and then the
また、上述のCCDイメージセンサはフレーム転送型であったが、インターライン型CCDイメージセンサのCCDも同様に構成することができる。例えば、インターライン型CCDイメージセンサの垂直シフトレジスタを構成するCCDを上述のCCDの構成とすることにより、ライン転送の合間に酸化膜42とN−well40との界面を反転状態として暗電流を低減することが、駆動回路の複雑化等の不都合を伴うことなく可能となる。
Further, although the above-described CCD image sensor is a frame transfer type, the CCD of the interline type CCD image sensor can be configured in the same manner. For example, the CCD constituting the vertical shift register of the interline CCD image sensor is configured as the above-described CCD, thereby reducing the dark current by inverting the interface between the
さらに、3相駆動以外のCCD、水平転送部24を構成するCCDに上述の本発明を適用することもできる。また、各半導体領域のn型、p型を反転させた構成や、電極領域36,38に相当しチャネル下に配置される電極を金属で形成する構成も可能である。
Furthermore, the above-described present invention can also be applied to CCDs other than the three-phase drive and CCDs constituting the
蓄積動作時において酸化膜42とN−well40との界面を反転状態としつつチャネル電位を制御する電極領域の配置は、上述のもの以外に様々な構成が可能である。以下にそのいくつかを実施例として示す。これら実施例において、上述の構成と同様の構成要素には同一の符号を付して、説明を簡素化している。
Various arrangements other than those described above are possible for the arrangement of the electrode regions for controlling the channel potential while inverting the interface between the
図6は、本実施例に係るCCDの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。この構成が、図2に示す構成と相違する点は、各ゲート電極44それぞれの下に電極領域36又は電極領域38が1つずつ配置される点である。例えば、蓄積動作時に電荷パケットを保持されるゲート電極44−2,44−3の下にはそれぞれ電極領域36が1つずつ配置され、一方、ゲート電極44−1の下には電極領域38が配置される。すなわち、電極領域36を記号“A”、電極領域38を記号“B”で表すと、ゲート電極44の配列周期に同期して、電極領域がA,A,B,A,A,B,…というパターンで配置される。
FIG. 6 is a schematic vertical sectional view along the charge transfer direction of the CCD according to the present embodiment. This configuration is different from the configuration shown in FIG. 2 in that one
転送動作時には電極領域36,38は同電位Vtrとされる。一方、蓄積動作時には電極領域36はVstを印加され、その上のチャネルを蓄積相とし、電極領域38はVbrを印加され、その上のチャネルをバリア相とする。
During the transfer operation, the
図7は、本実施例に係るCCDの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。この構成が、図2に示す構成と相違する点は、電極領域36のみで電極領域38が形成されない点、及びP−sub32のさらに下に電荷転送領域全体に亘ってn型半導体層であるN−sub層(以下、単にN−sub)90が設けられる点である。N−sub90は外部回路から電圧を印加される。
FIG. 7 is a schematic vertical sectional view along the charge transfer direction of the CCD according to the present embodiment. 2 is different from the configuration shown in FIG. 2 in that the
転送動作時には電極領域36は、それが設けられない場合のP−sub32の電位に応じた電圧を印加される。一方、蓄積動作時には、電極領域36にVstを印加し、N−sub90に所定の正電圧Vst’を印加する。電極領域36は、ゲート電極44−2,44−3の下のチャネルに対する影響が強く、ゲート電極44−1の下のチャネルに対しては相対的に影響が弱い。すなわち、Vst,Vst’を制御することにより、ゲート電極44−2,44−3の下のチャネル電位を相対的に深く、ゲート電極44−1の下のチャネル電位を相対的に浅くすることができ、酸化膜42とN−well40との界面を反転状態とした蓄積動作において、ゲート電極44−2,44−3の下に電荷パケットを保持することができる。
During the transfer operation, the
なお、単に蓄積動作時にチャネルに蓄積相とバリア相とを形成するためだけならば、N−sub90を省くこともできる。一方、本構成のようにN−sub90を設けることで、各ゲート電極44下のチャネルに対して一様なオーバーフロードレインを実現することができる。すなわち、撮像部20又は蓄積部22の信号電荷を一括して排出する際には、N−sub90に大きな正電圧を印加することで、電極領域36の配置にかかわらずチャネル上の信号電荷が一様に排出される。
Note that the N-
20 撮像部、22 蓄積部、24 水平転送部、26 出力部、30 半導体基板、32 P−sub層、34 P−well層、36,38 電極領域、40 N−well層、42 酸化膜、44 ゲート電極、50 電荷転送領域、60 ブリッジ部、62 配線、90 N−sub層。 20 Image pickup unit, 22 Storage unit, 24 Horizontal transfer unit, 26 Output unit, 30 Semiconductor substrate, 32 P-sub layer, 34 P-well layer, 36, 38 Electrode region, 40 N-well layer, 42 Oxide film, 44 Gate electrode, 50 charge transfer region, 60 bridge portion, 62 wiring, 90 N-sub layer.
Claims (16)
前記チャネル下に前記電荷転送方向に沿って配列され、外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる複数の下部電極を有すること、
を特徴とする電荷結合装置。 A charge transfer region in which a buried channel is formed by an upper semiconductor layer of a first conductivity type formed on a surface of a semiconductor substrate and a lower semiconductor layer of a second conductivity type located below the upper semiconductor layer; and the charge transfer A charge coupled device having a plurality of transfer electrodes arranged in a charge transfer direction on the region and controlling a potential of the channel by the transfer electrode to transfer a charge packet in the channel;
A plurality of lower electrodes arranged along the charge transfer direction under the channel and changing the potential of the channel via the lower semiconductor layer according to a voltage applied from the outside;
A charge-coupled device.
前記下部電極は、互いに別々に外部から電位を制御される第1下部電極と第2下部電極を含み、
前記第1下部電極及び前記第2下部電極は、所定の配列順序で互いに混在して前記電荷転送方向に配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device of claim 1.
The lower electrode includes a first lower electrode and a second lower electrode whose potential is controlled from the outside separately from each other,
The first lower electrode and the second lower electrode are mixed with each other in a predetermined arrangement order and arranged in the charge transfer direction;
A charge-coupled device.
前記第1下部電極及び前記第2下部電極は、前記チャネル内での電荷パケット列の配列周期を繰り返し周期として、それぞれ所定数ずつ交互に配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device of claim 2.
The first lower electrode and the second lower electrode are alternately arranged by a predetermined number, each with an arrangement period of charge packet trains in the channel as a repetition period,
A charge-coupled device.
前記下部電極の下に前記電荷転送領域に沿って配置され、当該下部電極とは独立して外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる背部電極層を有し、
前記下部電極は、前記電荷転送方向に所定間隔置きに設けられた各電極形成位置にそれぞれ所定数ずつ配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device of claim 1.
A back electrode layer disposed along the charge transfer region under the lower electrode and changing the potential of the channel through the lower semiconductor layer according to a voltage applied from the outside independently of the lower electrode Have
A predetermined number of the lower electrodes are disposed at each electrode formation position provided at predetermined intervals in the charge transfer direction;
A charge-coupled device.
前記電極形成位置は、前記チャネルにて前記電荷パケットを停留させる停留位置又は停留された前記電荷パケット間を分離する分離位置のいずれか一方の下に設けられること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device according to claim 4.
The electrode forming position is provided below one of a stopping position for stopping the charge packets in the channel or a separation position for separating the stopped charge packets;
A charge-coupled device.
前記背部電極層は、第1導電型の半導体領域で形成されること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device according to claim 4 or 5,
The back electrode layer is formed of a semiconductor region of a first conductivity type;
A charge-coupled device.
前記下部電極は、前記下部半導体層の内部に形成された第1導電型の半導体領域であること、
を特徴とする電荷結合装置。 The charge coupled device according to any one of claims 1 to 6,
The lower electrode is a semiconductor region of a first conductivity type formed in the lower semiconductor layer;
A charge-coupled device.
前記転送電極に印加するクロックを停止して、前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。 A method for driving a charge coupled device according to any one of claims 1 to 7, comprising:
In the operation of stopping the clock applied to the transfer electrode and stopping the charge packet in the channel,
A potential well forming step of controlling a voltage applied to the lower electrode to form a potential well serving as a stop position of the charge packet;
An inversion layer forming step of applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode to induce an inversion layer on a surface of the upper semiconductor layer;
A driving method comprising:
前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記第1下部電極に印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置に電位井戸を形成し、かつ前記第2下部電極に印加する電圧を制御して、隣接する前記電位井戸同士を分離する電位障壁を形成する電位井戸列形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。 A method for driving a charge coupled device according to claim 2 or claim 3, comprising:
In an operation of stopping a clock applied to the transfer electrode and stopping a plurality of the charge packets in the channel,
The voltage applied to the first lower electrode is controlled to form a potential well at the stopping position of each charge packet, and the voltage applied to the second lower electrode is controlled to A potential well row forming step for forming a potential barrier to be separated;
An inversion layer forming step of applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode to induce an inversion layer on a surface of the upper semiconductor layer;
A driving method comprising:
前記転送電極に前記クロックを印加して前記電荷パケットを転送する場合には、前記第1下部電極と前記第2下部電極とを互いに同電位とすることを特徴とする電荷結合装置の駆動方法。 The driving method according to claim 9, wherein
The method of driving a charge coupled device, wherein when the clock is applied to the transfer electrode to transfer the charge packet, the first lower electrode and the second lower electrode have the same potential.
前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極及び前記背部電極層それぞれに印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置となる電位井戸及び前記電位井戸同士を分離する電位障壁のいずれか一方を、前記チャネルのうち前記電極形成位置に対応した位置に形成し、他方を前記電極形成位置相互間の間隙に対応した位置に形成する電位井戸列形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を有することを特徴とする駆動方法。 A method for driving a charge coupled device according to claim 4 or claim 5, comprising:
In an operation of stopping a clock applied to the transfer electrode and stopping a plurality of the charge packets in the channel,
The voltage applied to each of the lower electrode and the back electrode layer is controlled so that either one of the potential well serving as a stopping position of each charge packet and the potential barrier separating the potential wells are included in the channel. Forming a potential well row at a position corresponding to an electrode forming position and forming the other at a position corresponding to a gap between the electrode forming positions;
An inversion layer forming step of applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode to induce an inversion layer on a surface of the upper semiconductor layer;
A driving method characterized by comprising:
前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する複数の受光画素と、
を有し、
前記信号電荷を前記シフトレジスタで転送することを特徴とする固体撮像装置。 A shift register comprising the charge coupled device according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of light receiving pixels formed on the semiconductor substrate and generating signal charges according to the amount of received light;
Have
A solid-state imaging device, wherein the signal charge is transferred by the shift register.
前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する行列配置された複数の受光画素と、
を有し、
前記複数の垂直シフトレジスタは、一行分の前記信号電荷の読み出し周期に同期して、前記信号電荷を列に沿った方向に順次転送することを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of vertical shift registers comprising the charge coupled device according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of light receiving pixels arranged on the semiconductor substrate and arranged in a matrix to generate a signal charge according to the amount of received light;
Have
The solid-state imaging device, wherein the plurality of vertical shift registers sequentially transfer the signal charges in a direction along a column in synchronization with a read cycle of the signal charges for one row.
前記垂直シフトレジスタの前記読み出し周期毎の転送動作の合間にて、前記信号電荷からなる前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。 The method for driving the solid-state imaging device according to claim 13,
In the operation of stopping the charge packet consisting of the signal charge in the channel between the transfer operations of the vertical shift register for each read cycle,
A potential well forming step of controlling a voltage applied to the lower electrode to form a potential well serving as a stop position of the charge packet;
An inversion layer forming step of applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode to induce an inversion layer on a surface of the upper semiconductor layer;
A driving method comprising:
受光光量に応じて発生する信号電荷を前記各受光画素毎に前記電荷パケットとして前記チャネル内に蓄積する露光動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記各受光画素毎に、前記信号電荷を蓄積する電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。 The method for driving the solid-state imaging device according to claim 15,
In an exposure operation for accumulating signal charges generated according to the amount of received light in the channel as the charge packets for each light receiving pixel,
A potential well forming step of controlling a voltage applied to the lower electrode to form a potential well for storing the signal charge for each light receiving pixel;
An inversion layer forming step of applying a predetermined inversion voltage to the transfer electrode to induce an inversion layer on a surface of the upper semiconductor layer;
A driving method comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004050351A JP2005243840A (en) | 2004-02-25 | 2004-02-25 | Charge coupled device, solid-state image pickup device, and their driving methods |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004050351A JP2005243840A (en) | 2004-02-25 | 2004-02-25 | Charge coupled device, solid-state image pickup device, and their driving methods |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005243840A true JP2005243840A (en) | 2005-09-08 |
Family
ID=35025263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004050351A Pending JP2005243840A (en) | 2004-02-25 | 2004-02-25 | Charge coupled device, solid-state image pickup device, and their driving methods |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005243840A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102263130A (en) * | 2011-06-16 | 2011-11-30 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | CCD Cell Structure for Reducing CCD Dark Current |
| JP2019114817A (en) * | 2013-08-05 | 2019-07-11 | レイセオン カンパニー | PiN diode structure with surface charge suppression |
-
2004
- 2004-02-25 JP JP2004050351A patent/JP2005243840A/en active Pending
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| CN102263130A (en) * | 2011-06-16 | 2011-11-30 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | CCD Cell Structure for Reducing CCD Dark Current |
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