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JP2010258155A - TDI image sensor and method for driving the image sensor - Google Patents

TDI image sensor and method for driving the image sensor Download PDF

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JP2010258155A
JP2010258155A JP2009105352A JP2009105352A JP2010258155A JP 2010258155 A JP2010258155 A JP 2010258155A JP 2009105352 A JP2009105352 A JP 2009105352A JP 2009105352 A JP2009105352 A JP 2009105352A JP 2010258155 A JP2010258155 A JP 2010258155A
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electrode
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tdi
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Junji Nakanishi
淳治 中西
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a TDI image sensor for performing TDI operation, wherein a horizontal OFD is formed without sacrificing the aperture ratio. <P>SOLUTION: A vertical CCD has a VPCCD structure having four or more phases. Horizontal OFDs are formed in transfer gates 7a, 7b, and 7d other than a virtual electrode 8c. The potential barrier of an overflow barrier in the OFDs formed in the transfer electrodes 7b and 7d adjacent to the virtual electrode and the potential barrier of an overflow barrier in the OFDs formed in the transfer electrode 7a not adjacent to the virtual electrode are set to different values. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、リモートセンシング等の分野で用いられるTDI方式のイメージセンサ、及び該イメージセンサの駆動方法に関する。   The present invention relates to a TDI image sensor used in the field of remote sensing and the like, and a method for driving the image sensor.

半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を1次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の2次元画像が撮影される。画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、光検出器の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、S/Nが劣化するという課題がある。   A large number of image sensors have been developed in which a large number of photodetectors are arranged in an array on a semiconductor substrate, and a signal charge readout circuit and an output amplifier are provided on the same substrate. In remote sensing, a linear image sensor with photodetectors arranged in a one-dimensional array is mounted on an artificial satellite, etc., and a two-dimensional image of the ground surface is taken by matching the direction perpendicular to the array with the direction of travel of the satellite. Is done. In order to improve the image resolution, it is desirable to reduce the pixel pitch as much as possible. However, there is a problem that the incident light amount is reduced by the reduction in the area of the photodetector and the S / N is deteriorated.

S/Nを改善するための巧妙な手段としてTDI(Time Delay and Integration)方式のイメージセンサが開発されている。TDI方式は、2次元イメージセンサであるFFT(フル・フレーム・トランスファ)型CCD(Charge Coupled Devices)を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでS/Nを改善する読出し方式である。リモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでTDI動作が実現できる。垂直CCDでM段のTDI動作を行うと、蓄積時間が実効的にM倍となるため、感度がM倍向上し、S/Nは√M倍に改善される。   As a clever means for improving S / N, a TDI (Time Delay and Integration) type image sensor has been developed. The TDI method uses an FFT (full frame transfer) CCD (Charge Coupled Devices), which is a two-dimensional image sensor, and synchronizes the charge transfer timing with the movement timing of the subject image, thereby improving the S / N. It is a method. In the case of remote sensing, TDI operation can be realized by adjusting the charge transfer in the vertical direction to the moving speed of the satellite. When an M-stage TDI operation is performed with a vertical CCD, the accumulation time is effectively M times, so that the sensitivity is improved M times and the S / N is improved to √M times.

多くの場合、可視イメージセンサは、チップの表面側から光を入射させて撮像を行う。入射した光は、Si基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させる。FFT型CCDでは、垂直電荷転送を制御するポリシリコン電極を通して光が光検出器に入射するため、特に短波長領域の光が上記ポリシリコン電極で吸収されてしまい、感度が低下するといった課題がある。その対策として、一部の垂直転送電極、例えばポリシリコン電極を仮想電極で置き換えることで電極部での光吸収を抑えた、いわゆるVPCCD(バーチャルフェーズCCD)構造にすることで感度を改善したイメージセンサが提案されている。   In many cases, the visible image sensor performs imaging by making light incident from the surface side of the chip. Incident light is photoelectrically converted inside the Si substrate to generate signal charges. In the FFT type CCD, since light enters the photodetector through the polysilicon electrode that controls the vertical charge transfer, there is a problem that light in a short wavelength region is absorbed by the polysilicon electrode, and sensitivity is lowered. . As a countermeasure, an image sensor with improved sensitivity by using a so-called VPCCD (virtual phase CCD) structure in which light absorption at the electrode portion is suppressed by replacing some vertical transfer electrodes, for example, polysilicon electrodes with virtual electrodes. Has been proposed.

例えば特許文献1には、上記VPCCD構造を有するイメージセンサの一例が開示されている。特許文献1のイメージセンサは、2相駆動のVPCCD構造となっており、転送電極下のポテンシャルに勾配がつけられている。このため、信号電荷の垂直転送方向はポテンシャルの浅い方から深い方への一方向に限定される。   For example, Patent Document 1 discloses an example of an image sensor having the VPCCD structure. The image sensor of Patent Document 1 has a two-phase drive VPCCD structure, and the potential under the transfer electrode is graded. For this reason, the vertical transfer direction of the signal charge is limited to one direction from the shallowest potential to the deepest potential.

一方、衛星搭載用のTDIセンサでは、垂直転送が双方向に転送できる、いわゆる双方向TDIが望ましい。この場合のVPCCDは、転送電極下にポテンシャル勾配をつける替わりに、3相以上で駆動することで双方向TDIが実現できる。   On the other hand, a so-called bidirectional TDI in which vertical transfer can be performed bidirectionally is desirable for a satellite-mounted TDI sensor. The VPCCD in this case can realize bidirectional TDI by driving with three or more phases instead of providing a potential gradient under the transfer electrode.

また、光検出器への過大光量入射時に発生する過剰電荷を排出する機能、つまりアンチブルーミング機能を有するイメージセンサも提案されている。該センサにおいて上記過剰電荷は、光検出器に隣接したポテンシャル障壁を介してオーバーフロードレイン(OFD)領域に排出される。このオーバーフロードレイン構造には、光検出器の水平方向にOFDを配置した横型オーバーフロードレイン構造と、検出器の垂直方向にOFDを配置した縦型オーバーフロードレイン構造がある。リモートセンシングに用いるCCDでは、可視〜近赤外領域の光を検出できる横型オーバーフロードレイン構造が適している場合が多い。   In addition, an image sensor having a function of discharging excessive charges generated when an excessive amount of light is incident on the photodetector, that is, an anti-blooming function has been proposed. In the sensor, the excess charge is discharged to an overflow drain (OFD) region through a potential barrier adjacent to the photodetector. The overflow drain structure includes a horizontal overflow drain structure in which an OFD is arranged in the horizontal direction of the photodetector and a vertical overflow drain structure in which an OFD is arranged in the vertical direction of the detector. For a CCD used for remote sensing, a horizontal overflow drain structure capable of detecting light in the visible to near infrared region is often suitable.

さらに、例えば特許文献2では、その図4に示されるように、FFT型CCDにおいて横型オーバーフロードレインを形成したイメージセンサの一例が開示されている。   Furthermore, for example, Patent Document 2 discloses an example of an image sensor in which a lateral overflow drain is formed in an FFT CCD as shown in FIG.

特公平6−91659号公報Japanese Examined Patent Publication No. 6-91659 特開平10−229183号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-229183

しかしながら従来の技術では、VPCCD構造において横型OFDを形成してTDI動作を実行するイメージセンサを製造しようとしても、アンチブルーミング機能が正しく機能しなかったり、開口率が減少して感度が低下するという問題があった。
そこで本発明は、VPCCD構造において開口率を犠牲にすることなく横型OFDを形成してTDI動作を実行可能な、TDI方式のイメージセンサ、及び該イメージセンサの駆動方法を提供することを目的とする。
However, in the conventional technology, even if an attempt is made to manufacture an image sensor that performs a TDI operation by forming a horizontal OFD in a VPCCD structure, the anti-blooming function does not function correctly, or the aperture ratio decreases and the sensitivity decreases. was there.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a TDI type image sensor capable of executing a TDI operation by forming a horizontal OFD without sacrificing an aperture ratio in a VPCCD structure, and a driving method of the image sensor. .

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるTDI方式イメージセンサは、画素を形成し垂直方向へ信号電荷を転送する光電変換部を備え、該光電変換部に対し時間遅延積分動作にて上記信号電荷の転送を行うTDI方式のイメージセンサであって、上記光電変換部は、水平方向に延在し上記垂直方向へ4つ以上で並設された転送電極を有し、該転送電極の内の一つは、仮想電極で形成したバーチャルフェーズ型転送電極であり、上記バーチャルフェーズ型転送電極以外の上記転送電極にのみ、それぞれに対応した上記光電変換部における垂直転送チャネル部分に隣接して横型オーバーフロードレイン構造を設ける、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, the TDI image sensor according to one embodiment of the present invention includes a photoelectric conversion unit that forms pixels and transfers a signal charge in a vertical direction, and transfers the signal charge to the photoelectric conversion unit by a time delay integration operation. In the TDI type image sensor, the photoelectric conversion unit includes four or more transfer electrodes extending in the horizontal direction and arranged in parallel in the vertical direction, and one of the transfer electrodes includes: A virtual phase type transfer electrode formed of a virtual electrode, and a horizontal overflow drain structure is provided only on the transfer electrode other than the virtual phase type transfer electrode adjacent to the vertical transfer channel portion in the corresponding photoelectric conversion unit. It is characterized by that.

本発明の一態様におけるTDI方式イメージセンサによれば、光電変換部は4つ以上の転送電極を有し、その内の一つを仮想電極にて構成したバーチャルフェーズ(VP)型とし、さらに仮想電極(バーチャルフェーズ型転送電極)以外に対応した垂直転送チャネル部分に隣接して横型オーバーフロードレイン(OFD)構造を備え、仮想電極(バーチャルフェーズ型転送電極)に対応した垂直転送チャネル部分には横型オーバーフロードレイン構造を設けない構成とした。このような構成において、上記VP構造としたことにより、イメージセンサの感度が向上し、さらに、横型OFDを形成したことにより、ブルーミングを抑制することができる。   According to the TDI type image sensor of one embodiment of the present invention, the photoelectric conversion unit has four or more transfer electrodes, one of which is a virtual phase (VP) type configured by virtual electrodes, and further a virtual A horizontal overflow drain (OFD) structure is provided adjacent to the vertical transfer channel portion corresponding to other than the electrode (virtual phase transfer electrode), and the horizontal overflow is provided in the vertical transfer channel portion corresponding to the virtual electrode (virtual phase transfer electrode). The drain structure is not provided. In such a configuration, the sensitivity of the image sensor is improved by adopting the VP structure, and further, blooming can be suppressed by forming the horizontal OFD.

本発明の実施の形態1によるTDI−CCDの素子平面図である。It is an element top view of TDI-CCD by Embodiment 1 of this invention. 図1に示すTDI−CCDを構成する光電変換部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the photoelectric conversion part which comprises TDI-CCD shown in FIG. 図2に示すA部における断面図である。It is sectional drawing in the A section shown in FIG. 図2に示すB部及びD部における断面図である。It is sectional drawing in the B section and D section shown in FIG. 図2に示すC部における断面図である。It is sectional drawing in the C section shown in FIG. 図1に示すTDI−CCDを構成する遮光画素の拡大平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of a light shielding pixel constituting the TDI-CCD shown in FIG. 1. 図4に示すE部及びG部における断面図である。It is sectional drawing in the E section and G section shown in FIG. 図4に示すF部及びH部における断面図である。It is sectional drawing in the F section and H section shown in FIG. 本発明の実施の形態1、2によるTDI−CCDの駆動方法における垂直転送クロックのタイミング図である。FIG. 5 is a timing diagram of a vertical transfer clock in the TDI-CCD driving method according to the first and second embodiments of the present invention. 図1に示すTDI−CCDを構成する転送部における動作を説明するためのポテンシャル図である。It is a potential diagram for demonstrating operation | movement in the transfer part which comprises TDI-CCD shown in FIG. 図1に示すTDI−CCDの駆動方法を説明するためのポテンシャル図である。It is a potential diagram for demonstrating the drive method of TDI-CCD shown in FIG. 本発明の実施の形態2によるTDI−CCDを構成する光電変換部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the photoelectric conversion part which comprises TDI-CCD by Embodiment 2 of this invention. 図9に示すJ部における断面図である。It is sectional drawing in the J section shown in FIG. 図9に示すK部及びM部における断面図である。It is sectional drawing in the K section and M section shown in FIG. 図9に示すL部における断面図である。It is sectional drawing in the L section shown in FIG. 図9に示すTDI−CCDの駆動方法について説明するためのポテンシャル図である。FIG. 10 is a potential diagram for explaining a method of driving the TDI-CCD shown in FIG. 9.

本発明の実施形態であるTDI方式のイメージセンサ、及び該イメージセンサの駆動方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。   A TDI image sensor according to an embodiment of the present invention and a driving method of the image sensor will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.

実施の形態1.
まず、上述したような従来技術に基づいて、従来のVPCCDにおいて横型OFDを形成して、TDI動作を実行させるような構成を考えた場合、以下に説明するように、アンチブルーミングが正しく機能しないという課題が予想される。
この予想される課題について、双方向TDIが実現可能な、垂直転送が3相駆動のFFT型CCDにおいて、垂直転送クロックφ1、φ2、φ3を与える3つの転送電極の内、一つの転送電極を仮想電極で構成したVPCCDを例に採り、以下に説明する。
Embodiment 1 FIG.
First, based on the above-described prior art, when considering a configuration in which a horizontal OFD is formed in a conventional VPCCD and a TDI operation is executed, anti-blooming does not function correctly as described below. Challenges are expected.
With respect to this anticipated problem, in an FFT type CCD in which the bidirectional TDI can be realized and the vertical transfer is a three-phase drive, one of the three transfer electrodes providing the vertical transfer clocks φ1, φ2, and φ3 is virtually set. An example of a VPCCD composed of electrodes will be described below.

即ち、P型Si基板を用いる場合、横型OFDにおけるオーバーフローバリアは、N型不純物領域のCCD転送チャネルとN型不純物領域のOFDとの間にP型不純物領域を設けたもので、酸化膜を挟んでその上方に形成されたポリシリコンゲート(オーバーフローゲート。以降、OFGと記す)とでMOSトランジスタが構成されている。   In other words, when a P-type Si substrate is used, the overflow barrier in the lateral OFD is obtained by providing a P-type impurity region between the CCD transfer channel of the N-type impurity region and the OFD of the N-type impurity region, and sandwiching the oxide film. Thus, a MOS transistor is constituted by a polysilicon gate (overflow gate; hereinafter referred to as OFG) formed thereabove.

このとき、OFGに与えられる電圧によってポテンシャル障壁の高さが変化して、電荷の排出が制御される。特許文献2の図4に示されるように、FFT型CCDでは垂直CCD転送電極とOFGとを共通のポリシリコンゲートで形成できる。このようなレイアウトにすることで、OFGへの配線を別に用意する必要がなくなり、開口率の低下が抑制される。   At this time, the height of the potential barrier is changed by the voltage applied to the OFG, and the discharge of charges is controlled. As shown in FIG. 4 of Patent Document 2, in the FFT type CCD, the vertical CCD transfer electrode and OFG can be formed by a common polysilicon gate. With such a layout, it is not necessary to prepare a separate wiring to the OFG, and a decrease in aperture ratio is suppressed.

一方、VPCCDの仮想電極は、イオン注入によって基板表面に高濃度のP型不純物層を形成したもので、その上方にポリシリコンゲートが存在しない。そのため、VPCCDの仮想電極に隣接して横型OFDを形成しようとすると、別途ポリシリコンゲートを用意して横型OFDを形成する必要があるが、開口率を犠牲にすることになり、感度劣化を引き起こすことになる。そこで、VPCCD構造に横型OFDを形成する場合、仮想電極部には横型OFDを形成せず、仮想電極以外の転送電極を形成するポリシリコンの転送ゲート部だけに横型OFDを形成する。   On the other hand, the virtual electrode of VPCCD is obtained by forming a high-concentration P-type impurity layer on the substrate surface by ion implantation, and there is no polysilicon gate above it. Therefore, when a lateral OFD is formed adjacent to the virtual electrode of the VPCCD, it is necessary to prepare a separate polysilicon gate and form the lateral OFD. However, the aperture ratio is sacrificed and the sensitivity is deteriorated. It will be. Therefore, when forming the horizontal OFD in the VPCCD structure, the horizontal OFD is not formed in the virtual electrode portion, but the horizontal OFD is formed only in the polysilicon transfer gate portion forming the transfer electrode other than the virtual electrode.

このような構成における垂直CCDの転送動作では、垂直転送クロックφ1がHigh電圧のとき、垂直転送クロックφ1が供給された転送電極に対応するゲートを含むMOSトランジスタが機能し、過剰電荷は、OFDへと排出される。同様に、垂直転送クロックφ2がHigh電圧のときには、垂直転送クロックφ2が供給された転送電極に対応するゲートを含むMOSトランジスタが機能し過剰電荷は排出される。
ところが、垂直転送クロックφ3がHigh電圧(垂直転送クロックφ1及び垂直転送クロックφ2はLow電圧)のとき、垂直転送クロックφ3が供給される転送電極を仮想電極としたVPCCDでは、垂直転送クロックφ3が供給された転送電極に対応するゲートを含むMOSトランジスタは存在しない。このため、このタイミングでは横型OFDが機能しない。つまり、過剰電荷の排出は行われない。
In the transfer operation of the vertical CCD having such a configuration, when the vertical transfer clock φ1 is a high voltage, the MOS transistor including the gate corresponding to the transfer electrode to which the vertical transfer clock φ1 is supplied functions, and excess charge is transferred to the OFD. And discharged. Similarly, when the vertical transfer clock φ2 is at a high voltage, the MOS transistor including the gate corresponding to the transfer electrode to which the vertical transfer clock φ2 is supplied functions and excess charge is discharged.
However, when the vertical transfer clock φ3 is a high voltage (the vertical transfer clock φ1 and the vertical transfer clock φ2 are low voltages), the vertical transfer clock φ3 is supplied in the VPCCD using the transfer electrode to which the vertical transfer clock φ3 is supplied as a virtual electrode. There is no MOS transistor including a gate corresponding to the transferred electrode. For this reason, the horizontal OFD does not function at this timing. That is, excess charge is not discharged.

静止画撮像の場合であれば、垂直転送クロックφ1又は垂直転送クロックφ2をHigh電圧として撮像を行い、機械式シャッターを閉じた後に、垂直転送及び信号読出しを行うようにすれば、過剰電荷は、垂直転送クロックφ1のゲート、又は垂直転送クロックφ2のゲートに形成した横型OFDへと排出され、アンチブルーミングが正しく機能する。   In the case of still image shooting, if the vertical transfer clock φ1 or the vertical transfer clock φ2 is used as a high voltage and the image is taken and the vertical transfer and signal reading are performed after the mechanical shutter is closed, the excess charge is Anti-blooming functions correctly by discharging to the horizontal OFD formed at the gate of the vertical transfer clock φ1 or the gate of the vertical transfer clock φ2.

しかしながらTDI動作の場合、CCDのポテンシャル井戸の移動が被写体像の移動に一致するように転送クロックφ1、φ2、φ3を与えるため、転送クロックφ3のみがHigh電圧となる期間が一定の割合で必ず存在する。よって、この期間中に光検出器への過大光量の入射があると、発生した過剰電荷は、垂直転送方向に隣接する画素へとあふれ出し、ブルーミングが発生してしまう。   However, in the case of TDI operation, the transfer clocks φ1, φ2, and φ3 are given so that the movement of the potential well of the CCD coincides with the movement of the subject image. Therefore, there is always a fixed period during which only the transfer clock φ3 is at the high voltage. To do. Therefore, if an excessive amount of light is incident on the photodetector during this period, the generated excess charge overflows to adjacent pixels in the vertical transfer direction and blooming occurs.

以上説明したように、従来のVPCCDにおいて、単に、横型OFDを形成してTDI動作を実行させるように構成した場合では、アンチブルーミングが正しく機能しないという課題が予想される。   As described above, in the conventional VPCCD, when the horizontal OFD is simply formed to execute the TDI operation, a problem that anti-blooming does not function correctly is expected.

そこで、以下に説明する本発明の実施形態におけるTDI方式のイメージセンサ、及び該イメージセンサの駆動方法は、上述したような課題をも解決するように構成している。   Therefore, the TDI type image sensor and the driving method of the image sensor in the embodiments of the present invention described below are configured to solve the above-described problems.

尚、以下の実施形態では、光電変換部としてCCD(電荷結合素子)を例に採るが、光電変換部は、CCDに限定するものではない。   In the following embodiments, a CCD (charge coupled device) is taken as an example of the photoelectric conversion unit, but the photoelectric conversion unit is not limited to the CCD.

図1は、本発明の実施の形態1によるTDI方式イメージセンサとしてのTDI−CCD101の回路構成を素子平面図にて示している。TDI−CCD101は、画素を形成し垂直方向191へ信号電荷を転送する光電変換部1をアレイ状に備え、該光電変換部1に対し時間遅延積分(TDI)動作にて上記信号電荷の転送を行うTDI方式で、バーチャルフェーズ(VP)型で、さらに横型オーバーフロードレイン(OFD)構造を備えたイメージセンサである。又、本実施形態では、光電変換部1に対し上記TDI動作にて上記信号電荷の転送を行わせる垂直転送クロックを供給する駆動部71が、当該TDI−CCD101と同じSi基板に形成されている。しかしながら、駆動部71は、TDI−CCD101とは分離して異なる基板に設けることもできる。
以下に、TDI−CCD101の構成を具体的に説明する。
FIG. 1 is an element plan view showing a circuit configuration of a TDI-CCD 101 as a TDI image sensor according to Embodiment 1 of the present invention. The TDI-CCD 101 includes a photoelectric conversion unit 1 that forms pixels and transfers signal charges in the vertical direction 191 in an array, and transfers the signal charges to the photoelectric conversion unit 1 by a time delay integration (TDI) operation. This is an image sensor that is a TDI system, is a virtual phase (VP) type, and further has a lateral overflow drain (OFD) structure. In the present embodiment, the drive unit 71 that supplies a vertical transfer clock for causing the photoelectric conversion unit 1 to transfer the signal charge in the TDI operation is formed on the same Si substrate as the TDI-CCD 101. . However, the driving unit 71 can be provided on a different substrate separately from the TDI-CCD 101.
The configuration of the TDI-CCD 101 will be specifically described below.

Si基板表面上に、画素を形成しVPCCD構造とした光電変換部1が2次元アレイ状(図1の例では、垂直6画素×水平10画素)に配列された受光部81と、VPCCD構造を採らない遮光画素2が2次元アレイ状(図1の例では、垂直2画素×水平10画素)に配列された転送部82とが形成されている。   On the surface of the Si substrate, a photoelectric conversion unit 1 having pixels and having a VPCCD structure is arranged in a two-dimensional array (vertical 6 pixels × horizontal 10 pixels in the example of FIG. 1) and a VPCCD structure. A transfer unit 82 in which light-shielding pixels 2 that are not taken are arranged in a two-dimensional array (in the example of FIG. 1, vertical 2 pixels × horizontal 10 pixels) is formed.

それぞれの光電変換部1では、水平方向192に延在し垂直方向191へ本実施形態では4つ並設された転送電極7a,7b,8c,7dを有し、これらの転送電極7a,7b,8c,7dの内の一つを仮想電極で構成してVPCCD構造を採っている。本実施形態では、上記4つの転送電極7a,7b,8c,7dの内、第3転送電極8cを仮想電極8cとし、残り3つの転送電極7a,7b,7dは、ポリシリコンなどからなるゲート電極で構成している。詳細後述するが、転送電極7a,7b,7dには、駆動部71から垂直転送クロックφ1、φ2、φ4がそれぞれ供給され、TDI−CCD101は、TDI動作にて信号電荷が垂直方向191へ転送される。   Each photoelectric conversion unit 1 has four transfer electrodes 7a, 7b, 8c, and 7d extending in the horizontal direction 192 and arranged in parallel in the vertical direction 191 in the present embodiment, and these transfer electrodes 7a, 7b, One of 8c and 7d is constituted by a virtual electrode to adopt a VPCCD structure. In the present embodiment, among the four transfer electrodes 7a, 7b, 8c and 7d, the third transfer electrode 8c is a virtual electrode 8c, and the remaining three transfer electrodes 7a, 7b and 7d are gate electrodes made of polysilicon or the like. It consists of. As will be described in detail later, vertical transfer clocks φ1, φ2, and φ4 are respectively supplied from the drive unit 71 to the transfer electrodes 7a, 7b, and 7d, and the TDI-CCD 101 transfers signal charges in the vertical direction 191 by the TDI operation. The

駆動部71は、入力ピン15(15a〜15d)と電気的に接続され、該入力ピン15は、配線14(14a〜14d)、コンタクト13(13a〜13d)、及び配線12(12a〜12d)と電気的に接続されている。
上記転送電極7a,7b,7dは、配線12a、12b、12dを介して配線14a、14b、14dと電気的に接続されている。一方、仮想電極8cは、配線14cと電気的に接続されていない。
The drive unit 71 is electrically connected to the input pin 15 (15a to 15d), and the input pin 15 includes the wiring 14 (14a to 14d), the contact 13 (13a to 13d), and the wiring 12 (12a to 12d). And are electrically connected.
The transfer electrodes 7a, 7b, 7d are electrically connected to the wirings 14a, 14b, 14d via the wirings 12a, 12b, 12d. On the other hand, the virtual electrode 8c is not electrically connected to the wiring 14c.

また図2は、図1に示したTDI−CCD101において、光電変換部1の平面構造を拡大して示す素子平面図である。また図3A〜図3Cは、図2に示すA〜D部における各断面の構造を模式的に示す素子断面図である。   FIG. 2 is an element plan view showing the enlarged planar structure of the photoelectric conversion unit 1 in the TDI-CCD 101 shown in FIG. 3A to 3C are element cross-sectional views schematically showing the structure of each cross section in the parts A to D shown in FIG.

図2に示すように、垂直方向191における各光電変換部1の垂直転送チャネル19と、水平方向192においてこれに隣接する他の垂直転送チャネル19(図示せず)との間には、画素分離領域11が形成され、以下に説明するように、画素分離領域11に横型OFD(オーバーフロードレイン)が形成される。   As shown in FIG. 2, there is a pixel separation between the vertical transfer channel 19 of each photoelectric conversion unit 1 in the vertical direction 191 and another vertical transfer channel 19 (not shown) adjacent thereto in the horizontal direction 192. A region 11 is formed, and a horizontal OFD (overflow drain) is formed in the pixel isolation region 11 as described below.

図3Aの断面Aに示すように、垂直転送クロックφ1が供給される第1転送電極(ゲート電極)7aは、第1層ポリシリコン22で形成され、P型Si基板20の表面側にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19が形成され、画素分離領域11として、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17、高濃度N型不純物領域からなる電荷排出ドレイン16、及びP型不純物領域18が形成されている。このP型不純物領域18と、酸化膜21を挟んでその上方に形成されたポリシリコン22とがOFG(オーバーフローゲート)を構成しており、このOFGに与えられる電圧によってポテンシャル障壁の高さが変化し、過剰電荷の電荷排出部5への排出が制御される。   As shown in the cross section A of FIG. 3A, the first transfer electrode (gate electrode) 7a to which the vertical transfer clock φ1 is supplied is formed of the first layer polysilicon 22, and the N-type is formed on the surface side of the P-type Si substrate 20. A vertical transfer channel 19 made of an impurity region 25 is formed. As a pixel isolation region 11, a channel stop 17 made of a high-concentration P-type impurity region, a charge discharge drain 16 made of a high-concentration N-type impurity region, and a P-type impurity region 18 are formed. Is formed. The P-type impurity region 18 and the polysilicon 22 formed above the oxide film 21 constitute an OFG (overflow gate), and the potential barrier height is changed by the voltage applied to the OFG. Then, the discharge of excess charges to the charge discharging unit 5 is controlled.

次に、図3Bの断面B及び断面Dに示すように、垂直転送クロックφ2が供給される第2転送電極(ゲート電極)7b、及び垂直転送クロックφ4が供給される第4転送電極(ゲート電極)7dは、第2層ポリシリコン23で形成され、上記断面Aにおける構成と同様に画素分離領域11として、P型Si基板20の表面側にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17、高濃度N型不純物領域からなる電荷排出ドレイン16、及びP型不純物領域18が形成されている。このP型不純物領域18と、酸化膜21を挟んでその上方に形成されたポリシリコン23とがOFGを構成しており、OFGに与えられる電圧によってポテンシャル障壁の高さが変化し、過剰電荷の排出が制御される。   Next, as shown in section B and section D of FIG. 3B, the second transfer electrode (gate electrode) 7b to which the vertical transfer clock φ2 is supplied and the fourth transfer electrode (gate electrode) to which the vertical transfer clock φ4 is supplied. ) 7d is formed of the second-layer polysilicon 23, and as the pixel isolation region 11 as in the configuration in the cross section A, the vertical transfer channel 19 including the N-type impurity region 25 on the surface side of the P-type Si substrate 20, A channel stop 17 made of a concentration P-type impurity region, a charge discharge drain 16 made of a high-concentration N-type impurity region, and a P-type impurity region 18 are formed. The P-type impurity region 18 and the polysilicon 23 formed above the oxide film 21 constitute an OFG, and the potential barrier height changes depending on the voltage applied to the OFG. Emission is controlled.

一方、第3転送電極(ゲート電極)、つまり仮想電極8cは、次のように構成される。即ち、図3Cの断面Cに示すように、P型Si基板20の最表面側に形成した高濃度P型不純物領域24が仮想電極8cとなる。高濃度P型不純物領域24の下方にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19が形成されている。これに隣接し画素分離領域11として、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17と、チャネルストップ17に挟まれて高濃度N型不純物領域からなる電荷排出ドレイン16とが形成されている。
このように仮想電極8cでは、酸化膜21の上方には電極(ポリシリコン)が形成されておらず、仮想電極8cには、横型OFDは、形成されていない。
On the other hand, the third transfer electrode (gate electrode), that is, the virtual electrode 8c is configured as follows. That is, as shown in the cross section C of FIG. 3C, the high-concentration P-type impurity region 24 formed on the outermost surface side of the P-type Si substrate 20 becomes the virtual electrode 8c. A vertical transfer channel 19 composed of an N-type impurity region 25 is formed below the high-concentration P-type impurity region 24. Adjacent to this, as a pixel isolation region 11, a channel stop 17 composed of a high concentration P-type impurity region and a charge discharge drain 16 composed of a high concentration N-type impurity region sandwiched between the channel stops 17 are formed.
Thus, in the virtual electrode 8c, an electrode (polysilicon) is not formed above the oxide film 21, and a horizontal OFD is not formed in the virtual electrode 8c.

次に、上記遮光画素2について説明する。
遮光画素2は、4相駆動の垂直CCDで、水平方向192に延在し垂直方向191へ本実施形態では4つ並設された転送電極7a,7b,7c,7dをポリシリコンなどからなるゲート電極で構成している。図示していないが、遮光画素2の上方には被写体からの光が入射しないように遮光膜が設けられている。また、転送電極7a,7b,7c,7dは、配線12a〜12dを介して配線14a〜14dとそれぞれ電気的に接続されており、駆動部71から遮光画素2への垂直転送クロックφ1〜φ4の供給は、入力ピン15a〜15dを介して、配線14a〜14d、コンタクト13a〜13d、配線12a〜12dを介して行われる。
Next, the light shielding pixel 2 will be described.
The light-shielding pixel 2 is a four-phase drive vertical CCD, and in this embodiment, four transfer electrodes 7a, 7b, 7c and 7d extending in the horizontal direction 192 and arranged in the vertical direction 191 are gates made of polysilicon or the like. It consists of electrodes. Although not shown, a light shielding film is provided above the light shielding pixels 2 so that light from the subject does not enter. The transfer electrodes 7a, 7b, 7c, and 7d are electrically connected to the wirings 14a to 14d via the wirings 12a to 12d, respectively, and the vertical transfer clocks φ1 to φ4 from the driving unit 71 to the light-shielding pixel 2 are connected. Supply is performed via the input pins 15a to 15d via the wirings 14a to 14d, the contacts 13a to 13d, and the wirings 12a to 12d.

図4は、図1に示した遮光画素2の平面構造を示す素子平面図である。また図5A及び図5Bは、図4における各断面E〜Hの構造を模式的に示す素子断面図である。
図4に示すように、遮光画素2においても、垂直方向191における各画素列の垂直転送チャネル19と、水平方向192においてこれに隣接する垂直転送チャネル19(図示せず)との間には、画素分離領域11が形成されている。一方、遮光画素2に関して、横型OFDは、形成されていない。
FIG. 4 is an element plan view showing a planar structure of the light-shielding pixel 2 shown in FIG. 5A and 5B are element cross-sectional views schematically showing the structures of the respective cross sections E to H in FIG.
As shown in FIG. 4, also in the light-shielded pixel 2, between the vertical transfer channel 19 of each pixel column in the vertical direction 191 and the vertical transfer channel 19 (not shown) adjacent thereto in the horizontal direction 192, A pixel isolation region 11 is formed. On the other hand, the horizontal OFD is not formed with respect to the light shielding pixel 2.

図5Aの断面E及び断面Gに示すように、垂直転送クロックφ1及びφ3が供給される転送電極7a,7cは、第1層ポリシリコン22で形成され、P型Si基板20の表面側にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19が形成され、画素分離領域11として、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17が形成されている。また、図5Bの断面F及び断面Hに示すように、垂直転送クロックφ2及びφ4が供給される転送電極7b,7dは、第2層ポリシリコン23で形成され、P型Si基板20の表面側にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19が形成され、画素分離領域11として、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17が形成されている。   As shown in section E and section G of FIG. 5A, the transfer electrodes 7a and 7c to which the vertical transfer clocks φ1 and φ3 are supplied are formed of the first layer polysilicon 22 and N on the surface side of the P-type Si substrate 20. A vertical transfer channel 19 made of a type impurity region 25 is formed, and a channel stop 17 made of a high concentration P type impurity region is formed as the pixel isolation region 11. 5B, the transfer electrodes 7b and 7d to which the vertical transfer clocks φ2 and φ4 are supplied are formed of the second-layer polysilicon 23 and are on the surface side of the P-type Si substrate 20. A vertical transfer channel 19 made of an N-type impurity region 25 is formed in the channel, and a channel stop 17 made of a high-concentration P-type impurity region is formed as the pixel isolation region 11.

さらにまた、図1に示すように、光電変換部1アレイの水平CCD3とは反対側の端には、過剰電荷を排出するための電荷排出部5が形成されている。   Furthermore, as shown in FIG. 1, a charge discharging unit 5 for discharging excess charges is formed at the opposite end of the photoelectric conversion unit 1 array from the horizontal CCD 3.

光電変換部1で時間遅延積分された信号電荷は、上記垂直転送クロックφ1〜φ4によって、遮光画素2アレイからなる転送部82を電荷蓄積部4へ向かって図面下方へと転送される。電荷蓄積部4に一旦蓄積された信号電荷は、一水平期間毎に水平CCD3へと転送され、次に、水平CCD3内を水平方向192(図面右方)へと転送されて、出力アンプ6から読み出される。   The signal charges that have been time-delay-integrated by the photoelectric conversion unit 1 are transferred downward in the drawing toward the charge storage unit 4 through the transfer unit 82 including the light-shielded pixel 2 array by the vertical transfer clocks φ1 to φ4. The signal charge once stored in the charge storage unit 4 is transferred to the horizontal CCD 3 every horizontal period, and then transferred in the horizontal CCD 3 in the horizontal direction 192 (right side of the drawing) from the output amplifier 6. Read out.

次に、上記垂直転送クロックφ1〜φ4について説明する。
図6は、本実施形態1のTDI−CCD101の駆動方法において、TDI−CCD101に供給する垂直転送クロックφ1〜φ4のタイミングを示している。本実施の形態1によるTDI−CCD101の駆動方法では、垂直転送クロックは、上述のように4相とし、光電変換部1及び遮光画素2に対して信号電荷の転送を行わせる転送電位、本実施形態では「H」レベルの電圧、を有する。上記駆動部71は、垂直方向191において互いに隣接する2つの転送電極を同時刻に上記転送電位つまり「H」レベルとして、垂直転送クロックφ1〜φ4を転送電極7a〜7dに供給する。このように、TDI−CCD101は、駆動部71により、ダブルクロックで駆動される。ここでダブルクロックとは、図6に図示するφ1〜φ4のクロック位相関係を持つクロック群を表す。
尚、駆動部71は、上述のタイミングで垂直転送クロックφ1〜φ4を送出するが、説明したように光電変換部1の仮想電極8cには垂直転送クロックφ3は供給されない。
Next, the vertical transfer clocks φ1 to φ4 will be described.
FIG. 6 shows timings of vertical transfer clocks φ1 to φ4 supplied to the TDI-CCD 101 in the driving method of the TDI-CCD 101 of the first embodiment. In the driving method of the TDI-CCD 101 according to the first embodiment, the vertical transfer clock has four phases as described above, and the transfer potential for transferring the signal charges to the photoelectric conversion unit 1 and the light-shielding pixel 2 is as follows. In the form, it has a voltage of “H” level. The drive unit 71 supplies the vertical transfer clocks φ1 to φ4 to the transfer electrodes 7a to 7d by setting two transfer electrodes adjacent to each other in the vertical direction 191 to the transfer potential, that is, the “H” level at the same time. Thus, the TDI-CCD 101 is driven by the drive unit 71 with a double clock. Here, the double clock represents a clock group having a clock phase relationship of φ1 to φ4 shown in FIG.
The drive unit 71 sends out the vertical transfer clocks φ1 to φ4 at the timing described above, but the vertical transfer clock φ3 is not supplied to the virtual electrode 8c of the photoelectric conversion unit 1 as described above.

次に、図6に示した垂直転送クロックφ1〜φ4を、図1に示すTDI−CCD101に与えた場合の垂直CCDの転送動作について説明する。
図7は、遮光画素2のアレイからなる転送部82について、垂直転送チャネル19のポテンシャルの模様を時系列に表した図である。転送ゲート26(上述の転送電極7a〜7dに相当)に与えられるクロック電圧が「H」電圧であるゲート下にポテンシャル井戸が形成される。ポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷27は、垂直転送クロックφ1〜φ4に応じてポテンシャル井戸が移動するのに伴って、図7における右方向へとCCD転送される。
Next, the vertical CCD transfer operation when the vertical transfer clocks φ1 to φ4 shown in FIG. 6 are supplied to the TDI-CCD 101 shown in FIG. 1 will be described.
FIG. 7 is a diagram showing the potential pattern of the vertical transfer channel 19 in time series for the transfer unit 82 formed of an array of light-shielding pixels 2. A potential well is formed under the gate where the clock voltage applied to the transfer gate 26 (corresponding to the transfer electrodes 7a to 7d described above) is the “H” voltage. The signal charge 27 accumulated in the potential well is CCD-transferred in the right direction in FIG. 7 as the potential well moves according to the vertical transfer clocks φ1 to φ4.

次に、図8は、光電変換部1のアレイからなる受光部81について、垂直転送チャネル19のポテンシャルの模様を時系列に表した図である。
図8に示す点線28は、VPCCD構造とした仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベルを示すものである。
また図8に示す一点鎖線29は、転送電極7a、転送電極7b、又は、転送電極7dに、垂直転送クロックにおける「H」電圧を印加した場合の、これらの転送電極7a、7b、7dに対応する垂直転送チャネル19に隣接して形成したOFGのポテンシャルレベルを示すものである。
Next, FIG. 8 is a diagram showing the potential pattern of the vertical transfer channel 19 in time series with respect to the light receiving unit 81 including the array of the photoelectric conversion units 1.
A dotted line 28 shown in FIG. 8 indicates the potential level of the vertical transfer channel 19 under the virtual electrode 8c having the VPCCD structure.
8 corresponds to the transfer electrodes 7a, 7b, and 7d when the “H” voltage in the vertical transfer clock is applied to the transfer electrode 7a, the transfer electrode 7b, or the transfer electrode 7d. The potential level of the OFG formed adjacent to the vertical transfer channel 19 is shown.

VPCCD構造では、転送電極7a、転送電極7b、又は、転送電極7dに、垂直転送クロックの「H」電圧を印加した場合の、これらの電極下の垂直転送チャネル19におけるポテンシャルレベルが、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも深くなるように、不純物領域であるチャネルストップ17の不純物濃度と、駆動電圧つまり上記「H」レベル電圧とを設定する。   In the VPCCD structure, when the “H” voltage of the vertical transfer clock is applied to the transfer electrode 7a, transfer electrode 7b, or transfer electrode 7d, the potential level in the vertical transfer channel 19 below these electrodes is the virtual electrode 8c. The impurity concentration of the channel stop 17 that is an impurity region and the drive voltage, that is, the “H” level voltage are set so as to be deeper than the potential level 28 of the lower vertical transfer channel 19.

また、VPCCD構造において、転送電極7a、転送電極7b、又は、転送電極7dに、垂直転送クロックの「L」レベルの電圧を印加した場合の、これらの電極下の垂直転送チャネル19におけるポテンシャルレベルが、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも浅くなるように、不純物領域であるチャネルストップ17の不純物濃度と、駆動電圧つまり上記「L」レベル電圧を設定する。   In the VPCCD structure, when a voltage of “L” level of the vertical transfer clock is applied to the transfer electrode 7a, the transfer electrode 7b, or the transfer electrode 7d, the potential level in the vertical transfer channel 19 below these electrodes is The impurity concentration of the channel stop 17 that is an impurity region and the drive voltage, that is, the “L” level voltage are set so as to be shallower than the potential level 28 of the vertical transfer channel 19 under the virtual electrode 8c.

このような条件下で、転送電極7a、転送電極7b、及び、転送電極7dに、図6に示した垂直転送クロックφ1、φ2、φ4を与えると、これらの各電極下の垂直転送チャネル19のポテンシャル分布は、図8に示すようになる。よって、ポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷27は、垂直転送クロックφ1、φ2、φ4に応じてポテンシャル井戸が移動するのに伴って、図8の右方向へと転送される。   Under such conditions, when the vertical transfer clocks φ1, φ2, and φ4 shown in FIG. 6 are given to the transfer electrode 7a, the transfer electrode 7b, and the transfer electrode 7d, the vertical transfer channel 19 under these electrodes The potential distribution is as shown in FIG. Therefore, the signal charge 27 accumulated in the potential well is transferred in the right direction of FIG. 8 as the potential well moves in accordance with the vertical transfer clocks φ1, φ2, and φ4.

OFGのポテンシャルレベル29は、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも深くなるように設定する。このように設定することで、転送動作中に過大光量が入射してポテンシャル井戸内の信号電荷27の量が増した場合でも、過剰電荷が隣接画素にオーバーフローする前にOFGのポテンシャルバリアを超えて電荷排出ドレイン16へと過剰電荷が排出されることになる。   The potential level 29 of OFG is set to be deeper than the potential level 28 of the vertical transfer channel 19 below the virtual electrode 8c. With this setting, even when an excessive amount of light is incident during the transfer operation and the amount of the signal charge 27 in the potential well increases, the excess charge exceeds the potential barrier of the OFG before overflowing to the adjacent pixel. Excess charge is discharged to the charge discharge drain 16.

また、上述の設定によれば、さらに、転送動作中に一部の信号電荷がポテンシャル井戸内に取り残されて転送方向に対して後側の(図中左の)ポテンシャル井戸内の信号電荷と合流してしまうという現象が発生しない。よって、転送効率が向上するという効果も得られる。   Further, according to the above setting, a part of the signal charge is left in the potential well during the transfer operation and merges with the signal charge in the potential well on the rear side (left in the figure) with respect to the transfer direction. It does not occur. Therefore, the effect that the transfer efficiency is improved is also obtained.

以上説明したように、本実施の形態1によるTDI−CCD101によれば、VPCCD構造としたことによって検出器つまりイメージセンサの感度が向上するとともに、横型OFDを形成したためブルーミングを抑制することができる。   As described above, according to the TDI-CCD 101 according to the first embodiment, the VPCCD structure improves the sensitivity of the detector, that is, the image sensor, and suppresses blooming because the horizontal OFD is formed.

また、本実施の形態1によるTDI−CCD101の駆動方法によれば、仮想電極8c以外の転送電極7a、7b、7dに対応してOFDを形成し、かつ、垂直方向191において互いに隣接する2つの転送電極を同時刻に「H」レベルになるように垂直転送クロックを与えるように構成したことから、OFDが機能しないタイミングは存在せず、任意のタイミングで過大光量の入射があった場合でも、アンチブルーミングを正しく機能させることができる。   Further, according to the driving method of the TDI-CCD 101 according to the first embodiment, the OFD is formed corresponding to the transfer electrodes 7a, 7b, and 7d other than the virtual electrode 8c, and two adjacent to each other in the vertical direction 191. Since the transfer electrode is configured to give a vertical transfer clock so as to be at the “H” level at the same time, there is no timing at which the OFD does not function, and even when an excessive amount of light is incident at any timing, Anti-blooming can function correctly.

尚、以上の説明した本実施形態1では、垂直CCDを4相駆動とした場合について述べたが、これを5相以上で駆動する場合についても、上述と同様の構成を採ることができ、同様の効果を得ることができる。   In the first embodiment described above, the case where the vertical CCD is driven by four phases has been described. However, the same configuration as described above can be adopted when driving the vertical CCD by five phases or more. The effect of can be obtained.

実施の形態2.
本実施の形態2におけるTDI方式イメージセンサとしてのTDI−CCDでは、上述した実施形態1のTDI−CCD101における光電変換部1の構成の一部を変更している。尚、本実施形態2のTDI−CCDにおける光電変換部以外の構成は、上述した実施形態1のTDI−CCD101における構成に同じであり、ここでの説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
In the TDI-CCD as the TDI image sensor in the second embodiment, a part of the configuration of the photoelectric conversion unit 1 in the TDI-CCD 101 in the first embodiment described above is changed. The configuration other than the photoelectric conversion unit in the TDI-CCD of the second embodiment is the same as the configuration of the TDI-CCD 101 of the first embodiment described above, and a description thereof is omitted here.

本実施形態2のTDI−CCDの光電変換部における変更内容は、以下のものである。即ち、図9に示す本実施形態2のTDI−CCD102における光電変換部61では、垂直方向191において、仮想電極8cに隣接する転送電極7b、7dに対応した垂直転送チャネル19に隣接して設けた横型オーバーフロードレイン(OFD)構造を構成するオーバーフローゲート(OFG)のポテンシャルレベルを、仮想電極8cに対応した垂直転送チャネル19のポテンシャルレベルよりも浅く設定し、さらに、垂直方向191において仮想電極8cに隣接しない転送電極7aに対応した垂直転送チャネル19に隣接して設けた横型OFD構造を構成するOFGのポテンシャルレベルを、仮想電極8cに対応した垂直転送チャネル19のポテンシャルレベルよりも深く設定した。
尚、光電変換部61におけるその他の構成は、実施形態1のTDI−CCD101における光電変換部1の構成に同じである。
The changes in the photoelectric conversion unit of the TDI-CCD of the second embodiment are as follows. That is, in the photoelectric conversion unit 61 in the TDI-CCD 102 of the second embodiment shown in FIG. 9, the vertical conversion channel 19 is provided adjacent to the vertical transfer channel 19 corresponding to the transfer electrodes 7b and 7d adjacent to the virtual electrode 8c. The potential level of the overflow gate (OFG) constituting the horizontal overflow drain (OFD) structure is set shallower than the potential level of the vertical transfer channel 19 corresponding to the virtual electrode 8c, and is adjacent to the virtual electrode 8c in the vertical direction 191. The potential level of OFG constituting the horizontal OFD structure provided adjacent to the vertical transfer channel 19 corresponding to the non-transfer electrode 7a is set deeper than the potential level of the vertical transfer channel 19 corresponding to the virtual electrode 8c.
The other configuration in the photoelectric conversion unit 61 is the same as the configuration of the photoelectric conversion unit 1 in the TDI-CCD 101 of the first embodiment.

光電変換部61における上述の構成について、さらに図10A〜図10Cをも参照して、さらに詳しく説明する。
図9及び図10A〜図10Cにおいて、光電変換部61は、4相駆動の垂直CCDで、第3転送電極を仮想電極8cで構成したVPCCD構造をしており、残り3つの転送電極(転送ゲート)7a,7b,7dは、ポリシリコンなどからなるゲート電極で構成されている。垂直方向191におけるそれぞれの光電変換部61列の垂直転送チャネル19と、水平方向192においてこれに隣接する垂直転送チャネル19(図示せず)との間には、画素分離領域11が形成され、ここに横型OFDが形成されている。
The above-described configuration of the photoelectric conversion unit 61 will be described in more detail with reference to FIGS. 10A to 10C.
9 and 10A to 10C, the photoelectric conversion unit 61 is a vertical CCD driven by four phases, has a VPCCD structure in which the third transfer electrode is configured by the virtual electrode 8c, and the remaining three transfer electrodes (transfer gates). ) 7a, 7b, 7d are formed of gate electrodes made of polysilicon or the like. A pixel isolation region 11 is formed between the vertical transfer channel 19 of each of the 61 photoelectric conversion units 61 columns in the vertical direction 191 and the vertical transfer channel 19 (not shown) adjacent thereto in the horizontal direction 192. A horizontal OFD is formed on the surface.

図10Aの断面Jにおける構成は、実施形態1のTDI−CCD101について図3Aを参照して説明した断面Aの構造に同じである。また、図10Cの断面Lにおける構成についても、実施形態1のTDI−CCD101について図3Cを参照して説明した断面Cの構造に同じである。よって、これらの説明は省略する。   10A is the same as the structure of the section A described with reference to FIG. 3A for the TDI-CCD 101 of the first embodiment. 10C is the same as the structure of the cross section C described with reference to FIG. 3C for the TDI-CCD 101 of the first embodiment. Therefore, these descriptions are omitted.

一方、仮想電極8cに隣接し、垂直転送クロックφ2が供給される第2転送電極(ゲート電極)7bに関する領域、及び垂直転送クロックφ4が供給される第4転送電極(ゲート電極)7dに関する領域では、実施形態1のTDI−CCD101の構成と一部相違した構成を採っている。   On the other hand, in the region related to the second transfer electrode (gate electrode) 7b supplied with the vertical transfer clock φ2 and the region related to the fourth transfer electrode (gate electrode) 7d supplied with the vertical transfer clock φ4, adjacent to the virtual electrode 8c. The configuration is partially different from the configuration of the TDI-CCD 101 of the first embodiment.

即ち、図10Bの断面K及び断面Mに示すように、転送電極7b及び転送電極7dは、第2層ポリシリコン23で形成され、画素分離領域11として、P型Si基板20の表面側にN型不純物領域25からなる垂直転送チャネル19、高濃度P型不純物領域からなるチャネルストップ17、高濃度N型不純物領域からなる電荷排出ドレイン16、及びP型不純物領域30が形成されている。
このP型不純物領域30と、酸化膜21を挟んでその上方に形成されたポリシリコン電極23とがOFGを構成しており、OFGに与えられる電圧によってポテンシャル障壁の高さが変化し、電荷の排出が制御される。
That is, as shown in the cross section K and cross section M of FIG. 10B, the transfer electrode 7b and the transfer electrode 7d are formed of the second layer polysilicon 23, and the pixel isolation region 11 is formed on the surface side of the P-type Si substrate 20 with N. A vertical transfer channel 19 made of a type impurity region 25, a channel stop 17 made of a high concentration P type impurity region, a charge drain 16 made of a high concentration N type impurity region, and a P type impurity region 30 are formed.
The P-type impurity region 30 and the polysilicon electrode 23 formed above the oxide film 21 constitute an OFG, and the potential barrier height changes depending on the voltage applied to the OFG, and the charge Emission is controlled.

以上の画素構造において、本実施の形態2によるTDI−CCD102では、仮想電極8cに隣接していない転送電極7a下のP型不純物領域18と、仮想電極8cに隣接する転送電極7b及び転送電極7d下のP型不純物領域30とは、その不純物濃度を異なる値に設定している。   In the above-described pixel structure, in the TDI-CCD 102 according to the second embodiment, the P-type impurity region 18 under the transfer electrode 7a not adjacent to the virtual electrode 8c, and the transfer electrode 7b and transfer electrode 7d adjacent to the virtual electrode 8c. The impurity concentration of the lower P-type impurity region 30 is set to a different value.

即ち、上述したように、本実施形態2のTDI−CCD102における光電変換部61では、上記P型不純物領域30とポリシリコン電極23とで構成するOFGのポテンシャルレベル31(図11)は、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28(図11)よりも浅く、上記P型不純物領域18とポリシリコン電極22とで構成するOFGのポテンシャルレベル29(図11)は、上記ポテンシャルレベル28よりも深く設定している。   That is, as described above, in the photoelectric conversion unit 61 in the TDI-CCD 102 of the second embodiment, the potential level 31 (FIG. 11) of the OFG formed by the P-type impurity region 30 and the polysilicon electrode 23 is the virtual electrode. The potential level 29 (FIG. 11) of the OFG composed of the P-type impurity region 18 and the polysilicon electrode 22 is shallower than the potential level 28 (FIG. 11) of the vertical transfer channel 19 below 8c. Also set deeply.

以上のように構成される本実施の形態2によるTDI−CCD102では、実施形態1によるTDI−CCD101の駆動方法と同様に、垂直転送クロックは4相とし、実施形態1にて説明した垂直転送クロックφ1〜φ4が、垂直方向191において互いに隣接する2つの転送電極を同時刻にHレベルとして転送電極7a〜7dに供給され、ダブルクロックで駆動される。   In the TDI-CCD 102 according to the second embodiment configured as described above, the vertical transfer clock has four phases as in the method of driving the TDI-CCD 101 according to the first embodiment, and the vertical transfer clock described in the first embodiment. φ1 to φ4 are supplied to the transfer electrodes 7a to 7d by setting two transfer electrodes adjacent to each other in the vertical direction 191 to the H level at the same time, and are driven by a double clock.

次に、図6に示した駆動クロックを本発明の実施の形態2によるTDI−CCDに与えた場合の垂直CCDの転送動作について説明する。
図11は、光電変換部61のアレイからなる受光部81について、垂直転送チャネル19のポテンシャルの模様を時系列に表した図である。図11に示す点線28は、VPCCD構造とした仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベルを示す。また、図11に示す一点鎖線29は、上述のように、仮想電極8cに隣接しない転送電極7aに転送電位としての「H」レベル電圧を印加した場合で、転送電極7aに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベルを示す。また、図11に示す二点鎖線31は、上述のように、仮想電極8cに隣接する転送電極7b又は転送電極7dに転送電位としての「H」レベル電圧を印加した場合で、転送電極7b及び転送電極7dに関する領域にそれぞれ形成したOFGの両ポテンシャルレベルを示す。
Next, the transfer operation of the vertical CCD when the drive clock shown in FIG. 6 is applied to the TDI-CCD according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a diagram showing the potential pattern of the vertical transfer channel 19 in time series for the light receiving unit 81 formed of an array of photoelectric conversion units 61. A dotted line 28 shown in FIG. 11 indicates the potential level of the vertical transfer channel 19 below the virtual electrode 8c having the VPCCD structure. In addition, the one-dot chain line 29 shown in FIG. 11 is an OFG formed in the region related to the transfer electrode 7a when the “H” level voltage as the transfer potential is applied to the transfer electrode 7a not adjacent to the virtual electrode 8c as described above. Indicates the potential level. In addition, the two-dot chain line 31 shown in FIG. 11 is a case where the “H” level voltage as the transfer potential is applied to the transfer electrode 7b or the transfer electrode 7d adjacent to the virtual electrode 8c as described above, and the transfer electrode 7b and Both potential levels of OFG formed in the region related to the transfer electrode 7d are shown.

VPCCD構造では、転送電極7a、転送電極7b、又は転送電極7dに、垂直転送クロックの「H」レベルの電圧を印加した場合の、これらの電極下の垂直転送チャネル19におけるポテンシャルレベルが、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも深くなるように、不純物領域の濃度と、駆動電圧つまり上記「H」レベル電圧とを設定する。また、転送電極7a、転送電極7b、又は転送電極7dに、垂直転送クロックの「L」レベル電圧を印加した場合の、これらの電極下の垂直転送チャネル19におけるポテンシャルレベルが、上記ポテンシャルレベル28よりも浅くなるように、不純物領域の濃度と、駆動電圧つまり上記「L」レベル電圧とを設定する。   In the VPCCD structure, when the “H” level voltage of the vertical transfer clock is applied to the transfer electrode 7a, transfer electrode 7b, or transfer electrode 7d, the potential level in the vertical transfer channel 19 below these electrodes is the virtual electrode. The concentration of the impurity region and the drive voltage, that is, the “H” level voltage are set so as to be deeper than the potential level 28 of the vertical transfer channel 19 below 8c. Further, when the “L” level voltage of the vertical transfer clock is applied to the transfer electrode 7 a, the transfer electrode 7 b, or the transfer electrode 7 d, the potential level in the vertical transfer channel 19 below these electrodes is higher than the potential level 28. The concentration of the impurity region and the drive voltage, that is, the “L” level voltage are set so as to be shallower.

この条件下で、転送電極7a、転送電極7b、及び転送電極7dに、図6に示した駆動クロックφ1、φ2、φ4を与えると、これらの各電極下の垂直転送チャネル19のポテンシャル分布は、図11のようになる。よって、ポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷27は、垂直転送クロックφ1、φ2、φ4に応じてポテンシャル井戸が移動するのに伴って、図11内で右方向へと転送される。ここまでの信号転送動作は、上述した実施の形態1によるTDI−CCD101の場合と同様である。   Under these conditions, when the drive clocks φ1, φ2, and φ4 shown in FIG. 6 are applied to the transfer electrode 7a, the transfer electrode 7b, and the transfer electrode 7d, the potential distribution of the vertical transfer channel 19 under these electrodes is: As shown in FIG. Therefore, the signal charge 27 accumulated in the potential well is transferred in the right direction in FIG. 11 as the potential well moves in accordance with the vertical transfer clocks φ1, φ2, and φ4. The signal transfer operation so far is the same as that of the TDI-CCD 101 according to the first embodiment described above.

上述のように、転送電極7aに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベル29は、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも深くなるように設定する。また、転送電極7b及び転送電極7dに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベル31は、仮想電極8c下の垂直転送チャネル19のポテンシャルレベル28よりも浅く、かつ転送電極7aに「L」レベル電圧を印加した場合のポテンシャルレベルよりも深くなるように設定する。このように設定した場合、過大光量が入射した場合に、どのOFDが機能して過剰電荷が排出されるかは、垂直転送のクロックタイミングによって異なってくる。   As described above, the potential level 29 of the OFG formed in the region related to the transfer electrode 7a is set to be deeper than the potential level 28 of the vertical transfer channel 19 below the virtual electrode 8c. The potential level 31 of the OFG formed in the region related to the transfer electrode 7b and the transfer electrode 7d is shallower than the potential level 28 of the vertical transfer channel 19 below the virtual electrode 8c, and an “L” level voltage is applied to the transfer electrode 7a. Set it to be deeper than the potential level. In such a setting, when an excessive amount of light is incident, which OFD functions and excess charge is discharged varies depending on the clock timing of the vertical transfer.

即ち、図11に示す時刻t1、時刻t4、及び時刻t5では、転送電極7aに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベル29を越えて過剰電荷がOFDへと排出される。時刻t2では、転送電極7bに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベル31を越えて過剰電荷がOFDへと排出される。また、時刻t3では、転送電極7dに関する領域に形成したOFGのポテンシャルレベル31を越えて過剰電荷がOFDへと排出される。   That is, at time t1, time t4, and time t5 shown in FIG. 11, excess charge is discharged to the OFD beyond the potential level 29 of the OFG formed in the region related to the transfer electrode 7a. At time t2, excess charge is discharged to OFD beyond the potential level 31 of OFG formed in the region related to the transfer electrode 7b. At time t3, excess charges are discharged to the OFD beyond the potential level 31 of the OFG formed in the region related to the transfer electrode 7d.

図8及び図11において、垂直CCDで転送できる飽和電荷量は、ポテンシャル井戸の底面からOFGのポテンシャルレベル29又はポテンシャルレベル31までの、井戸の断面積に比例する。図8の場合、時刻t2及び時刻t3のタイミングでは、ポテンシャル井戸が転送電極7b又は転送電極7dのただ1つのゲート下に形成されるため飽和電荷量が相対的に小さい。
一方、図11に示した本実施の形態2によるTDI−CCD102の場合では、時刻t2及び時刻t3のタイミングで機能するOFGのポテンシャルレベル31を相対的に浅く設定したため、このタイミングにおける飽和電荷量が増大する。その結果、TDI−CCD102のダイナミックレンジを拡大することができる。
8 and 11, the saturation charge amount that can be transferred by the vertical CCD is proportional to the cross-sectional area of the well from the bottom surface of the potential well to the potential level 29 or potential level 31 of the OFG. In the case of FIG. 8, at the timing of time t2 and time t3, since the potential well is formed under only one gate of the transfer electrode 7b or the transfer electrode 7d, the saturation charge amount is relatively small.
On the other hand, in the case of the TDI-CCD 102 according to the second embodiment shown in FIG. 11, since the potential level 31 of the OFG that functions at the timings of the time t2 and the time t3 is set relatively shallow, the saturation charge amount at this timing is Increase. As a result, the dynamic range of the TDI-CCD 102 can be expanded.

VPCCDでは、1画素を構成する転送電極7a,転送電極7b、仮想電極8c、転送電極7dの内、仮想電極8cのゲート長を相対的に長く、他のポリシリコンゲートつまり転送電極7a、転送電極7b、及び転送電極7dを相対的に短くする方が、イメージセンサ全体としての光透過率が高くなるため、感度が向上する。この場合、仮想電極8cに隣接した転送電極7b及び転送電極7dのゲート長が短くなるため、これらのゲート下に蓄積できる飽和電荷量は小さくなる。   In the VPCCD, among the transfer electrode 7a, transfer electrode 7b, virtual electrode 8c, and transfer electrode 7d constituting one pixel, the virtual electrode 8c has a relatively long gate length, and other polysilicon gates, that is, transfer electrodes 7a, transfer electrodes. Since the light transmittance of the entire image sensor becomes higher when the length 7b and the transfer electrode 7d are relatively short, the sensitivity is improved. In this case, since the gate lengths of the transfer electrode 7b and the transfer electrode 7d adjacent to the virtual electrode 8c are shortened, the amount of saturation charge that can be accumulated under these gates is small.

しかしながら、本実施の形態2によれば、図11に示すように、時刻t2及び時刻t3のタイミングにおけるポテンシャル井戸を仮想電極8c下まで広げて蓄積できるため、飽和電荷量を維持したままで感度を向上させることができるという優れた効果を得ることができる。   However, according to the second embodiment, as shown in FIG. 11, since the potential well at the timings of time t2 and time t3 can be extended and accumulated under the virtual electrode 8c, the sensitivity can be increased while maintaining the saturation charge amount. An excellent effect that it can be improved can be obtained.

尚、本実施の形態2においても、垂直CCDを4相駆動とした場合について示したが、これを5相以上で駆動する場合についても上述と同様の構成を採ることができ、同様の効果を得ることができる。   In the second embodiment, the case where the vertical CCD is driven in four phases has been described. However, the same configuration as described above can be applied to the case where the vertical CCD is driven in five phases or more. Obtainable.

1 光電変換部、2 画素、7a〜7d 転送電極、8c 仮想電極、
19 垂直転送チャネル、28 ポテンシャルレベル、29 ポテンシャルレベル、
30 P型不純物領域、31 ポテンシャルレベル、61 光電変換部、
81 受光部、82 転送部、
101,102 TDI−CCD、191 垂直方向、192 水平方向。
1 photoelectric conversion unit, 2 pixels, 7a to 7d transfer electrode, 8c virtual electrode,
19 vertical transfer channels, 28 potential levels, 29 potential levels,
30 P-type impurity region, 31 potential level, 61 photoelectric conversion unit,
81 light receiving unit, 82 transfer unit,
101,102 TDI-CCD, 191 vertical direction, 192 horizontal direction.

Claims (5)

画素を形成し垂直方向へ信号電荷を転送する光電変換部を備え、該光電変換部に対し時間遅延積分動作にて上記信号電荷の転送を行うTDI方式のイメージセンサであって、
上記光電変換部は、水平方向に延在し上記垂直方向へ4つ以上で並設された転送電極を有し、該転送電極の内の一つは、仮想電極で形成したバーチャルフェーズ型転送電極であり、
上記バーチャルフェーズ型転送電極以外の上記転送電極にのみ、それぞれに対応した上記光電変換部における垂直転送チャネル部分に隣接して横型オーバーフロードレイン構造を設ける、
ことを特徴とするTDI方式のイメージセンサ。
A TDI type image sensor that includes a photoelectric conversion unit that forms a pixel and transfers a signal charge in a vertical direction, and transfers the signal charge to the photoelectric conversion unit by a time delay integration operation,
The photoelectric conversion unit includes four or more transfer electrodes extending in the horizontal direction and arranged in parallel in the vertical direction, and one of the transfer electrodes is a virtual phase transfer electrode formed of a virtual electrode. And
A horizontal overflow drain structure is provided only on the transfer electrodes other than the virtual phase transfer electrodes, adjacent to the vertical transfer channel portions in the photoelectric conversion units corresponding to the transfer electrodes, respectively.
This is a TDI image sensor.
上記光電変換部に対し上記時間遅延積分動作にて上記信号電荷の転送を行わせる垂直転送クロックを供給する駆動部をさらに備え、
上記垂直転送クロックは、上記光電変換部に対して上記信号電荷の転送を行わせる転送電位を有し、上記駆動部は、上記垂直方向に互いに隣接する2つの上記転送電極を同時刻に上記転送電位として、上記垂直転送クロックを上記転送電極に供給する、請求項1記載のTDI方式のイメージセンサ。
A drive unit for supplying a vertical transfer clock for causing the photoelectric conversion unit to transfer the signal charge in the time delay integration operation;
The vertical transfer clock has a transfer potential for causing the photoelectric conversion unit to transfer the signal charge, and the drive unit transfers the two transfer electrodes adjacent to each other in the vertical direction at the same time. The TDI image sensor according to claim 1, wherein the vertical transfer clock is supplied to the transfer electrode as a potential.
上記横型オーバーフロードレイン構造を構成するオーバーフローゲートに正電位の駆動電圧を印加したときの第一ポテンシャルレベルが上記バーチャルフェーズ型転送電極に対応した垂直転送チャネル部分の第二のポテンシャルレベルよりも深いレベルを有する、請求項1又は2記載のTDI方式のイメージセンサ。   The first potential level when a positive drive voltage is applied to the overflow gate constituting the horizontal overflow drain structure is deeper than the second potential level of the vertical transfer channel portion corresponding to the virtual phase transfer electrode. The TDI image sensor according to claim 1, wherein the image sensor is a TDI image sensor. 上記第二のポテンシャルレベルに対して、上記バーチャルフェーズ型転送電極に隣接する上記転送電極に設けた上記横型オーバーフロードレイン構造を構成するオーバーフローゲートに正電位の駆動電圧を印加したときの第三のポテンシャルレベルが浅く、かつ上記バーチャルフェーズ型転送電極に隣接しない上記転送電極に設けた上記横型オーバーフロードレイン構造を構成するオーバーフローゲートに正電位の駆動電圧を印加したときの第四のポテンシャルレベルが深いレベルを有する、請求項1又は2記載のTDI方式のイメージセンサ。   A third potential when a positive driving voltage is applied to the overflow gate constituting the lateral overflow drain structure provided in the transfer electrode adjacent to the virtual phase transfer electrode with respect to the second potential level. The fourth potential level when the positive potential is applied to the overflow gate constituting the lateral overflow drain structure provided in the transfer electrode not adjacent to the virtual phase transfer electrode is shallow. The TDI image sensor according to claim 1, wherein the image sensor is a TDI image sensor. 請求項1に記載するTDI方式のイメージセンサの駆動方法において、
時間遅延積分動作にて信号電荷の転送を行わせる垂直転送クロックを光電変換部に供給し、
ここで、上記垂直転送クロックは、上記光電変換部に対して上記信号電荷の転送を行わせる転送電位を有し、垂直方向に互いに隣接する2つの転送電極を同時刻に上記転送電位として上記転送電極に供給される、
ことを特徴とするTDI方式のイメージセンサの駆動方法。
In the driving method of the TDI type image sensor according to claim 1,
Supply the vertical transfer clock to transfer the signal charge by time delay integration operation to the photoelectric conversion unit,
Here, the vertical transfer clock has a transfer potential for causing the photoelectric conversion unit to transfer the signal charge, and the two transfer electrodes adjacent to each other in the vertical direction are used as the transfer potential at the same time. Supplied to the electrode,
A method of driving a TDI type image sensor.
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