JP5300577B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特公平６−９１６５９号公報 特開平１０−２２９１８３号公報

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。

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。

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。

本発明の実施の形態１によるＴＤＩ−ＣＣＤの素子平面図である。 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。 図２に示すＡ部における断面図である。 図２に示すＢ部及びＤ部における断面図である。 図２に示すＣ部における断面図である。 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。 図４に示すＥ部及びＧ部における断面図である。 図４に示すＦ部及びＨ部における断面図である。 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。 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。 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。 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。 図９に示すＪ部における断面図である。 図９に示すＫ部及びＭ部における断面図である。 図９に示すＬ部における断面図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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