JPH04369266A - Ｃｃｄ固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子に
関し、特にＣＣＤで構成された垂直レジスタと水平レジ
スタを有する例えばインターライン転送方式のＣＣＤ固
体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の例えばインターライン方式のＣＣ
Ｄ固体撮像素子は、図５に示すように、フォトダイオー
ドで構成された受光部２１が水平及び垂直方向にマトリ
クス状に配列され、夫々共通の垂直ライン上の受光部２
１に対応して共通に設けられた垂直レジスタ２２と、各
垂直レジスタ２２に対して共通に設けられた水平レジス
タ２３が設けられて構成されている。

【０００３】そして、電荷蓄積期間において受光部２１
で蓄積された信号電荷を、次の読出し期間において、垂
直レジスタ２２に読出し、水平ブランキング期間におい
て、信号電荷を行ごとに転送し、垂直レジスタ２２の最
終段に蓄積されている信号電荷を水平レジスタ２３に転
送する。そして、次の水平出力期間（テレビジョンの１
水平走査期間に相当する）において、水平レジスタ２３
上の信号電荷を順次出力部２４側に転送し、出力部２４
から撮像信号Ｓとして取り出すという動作を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＣＤ固体撮像素子においては、垂直レジスタ２２から
の信号電荷を直接水平レジスタ２３に転送する構成とな
っているため、例えば、水平レジスタ２３の最大取扱い
電荷量が、垂直レジスタ２２の最大取扱い電荷量に対し
て少ない場合、受光部２１から垂直レジスタ２２の最大
取扱い電荷量ぎりぎりに読出された信号電荷が水平レジ
スタ２３に転送されるときに、水平レジスタ２３で信号
電荷があふれるという現象が生じる。水平レジスタ２３
で信号電荷があふれると、モニタの画面上では、高輝度
の光源を撮像している部位で右側に画像が流れて見える
など、画質の劣化につながる。

【０００５】また、受光部２１の光電変換特性には、そ
の受光部２１の構造によって、読出される信号に対し、
ニー特性と呼ばれる現象がある。ニー特性がある場合、
受光部２１から読出される信号電荷量は、光量が小さい
ときは、光量に対して線形特性を有するが、ある光量以
上になると非線形特性になる。この非線形特性の部分は
、画像信号として使用できない領域である。

【０００６】ところで、垂直レジスタ２２及び水平レジ
スタ２３においては、この非線形特性の領域における信
号電荷に対してもあふれないことが必要であるため、水
平レジスタ２３の取扱い電荷量に対応して受光部２１に
おける光電変換特性の線形領域を低く設定しなければな
らない。このことは、受光部２１のダイナミックレンジ
を小さくすることにつながり、特性上非常に不安定とな
る。

【０００７】ところで、従来のＣＣＤ固体撮像素子の中
には、例えば特開昭６３−１０５５７８号公報に示すよ
うに、垂直レジスタ２２の最終段にオーバーフロードレ
イン領域を形成したものがある。この例では、信号電荷
の水平レジスタ２３への転送前に予め、垂直レジスタ２
２に存在するスミア等の偽信号電荷をオーバーフロード
レイン領域に蓄積し、該領域の電荷取扱い電荷量を越え
る過剰電荷（偽信号電荷）を縦型オーバーフロードレイ
ン構造により基板に吸収させて掃き出すというものであ
る。

【０００８】しかし、この例の場合、単にスミア等の偽
信号電荷を信号電荷の転送前にすべて掃き出すだけのも
のであるため、実際の信号電荷の転送時においては、こ
のオーバーフロードレイン領域は単に電荷転送段を構成
するのみである。即ち、信号電荷の転送時に上記のよう
な動作を行った場合、信号電荷自体が基板に吸収され、
信号電荷を水平レジスタに転送することができないとい
う不都合が生じるからである。従って、この例において
も、上述した水平レジスタ２３上での信号電荷のあふれ
現象、及びニー特性を有する受光部２１のダイナミック
レンジの低下は避けられない。

【０００９】本発明は、このような課題に鑑み成された
もので、その目的とするところは、垂直レジスタの最大
取扱い電荷量に対して水平レジスタの最大取扱い電荷量
が小さい場合においても、水平レジスタにおいて、信号
電荷があふれるという現象を防止することができると共
に、ニー特性を有する受光部のダイナミックレンジの低
下を防止でき、モニタ画面上での画質の劣化を防止する
ことができるＣＣＤ固体撮像素子を提供することにある
。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣＣＤで構成
された垂直レジスタ２と水平レジスタ３を有するＣＣＤ
固体撮像素子において、垂直レジスタ２の最終段に、所
定の電位Ｖｃが印加されるオーバーフローコントロール
ゲート１１と、該オーバーフローコントロールゲート１
１に上記所定の電位Ｖｃが印加されることによって、垂
直レジスタ２からの信号電荷のうち、所定量以上の信号
電荷が掃き出されるオーバーフロードレイン領域１０と
からなるオーバーフロー部５を形成して構成する。

【００１１】

【作用】上述の本発明の構成によれば、垂直レジスタ２
の最終段にオーバーフローコントロールゲート１１とオ
ーバーフロードレイン領域１０が存在することとなるた
め、オーバーフローコントロールゲート１１に印加する
電位Ｖｃを制御することにより、オーバーフローコント
ロールゲート１１下のポテンシャル障壁１１Ｐの高低を
調整して、例えば垂直レジスタ２の最終段における最大
取扱い電荷量を水平レジスタ３の最大取扱い電荷量と同
等にすることができる。従って、例えば垂直レジスタ２
の最大取扱い電荷量に対して水平レジスタ３の最大取扱
い電荷量が小さい場合においても、水平レジスタ３にお
いて、信号電荷があふれるという現象を防止することが
できる。

【００１２】また、ニー特性を有する受光部１からの信
号電荷のうち、非線形特性領域における信号電荷をオー
バーフロードレイン領域１０に掃き出すことができるた
め、受光部１のダイナミックレンジを水平レジスタ３の
最大取扱い電荷量に対応して小さくする必要がなくなる
。従って、水平レジスタ３のダイナミックレンジが小さ
い場合でも、水平レジスタ３のダイナミックレンジを効
率よく使用することができる。

【００１３】また、スミア等の偽信号電荷を掃き出すた
めの専用のオーバーフロードレイン領域を設ける必要が
ないため、設計上の自由度が広がる。

【００１４】

【実施例】以下、図１〜図４を参照しながら本発明の実
施例を説明する。図１は、本実施例に係るＣＣＤ固体撮
像素子の構成を示す概略平面図である。

【００１５】このＣＣＤ固体撮像素子は、フォトダイオ
ードで構成された受光部１が水平及び垂直方向にマトリ
クス状に配列され、夫々共通の垂直ライン上の受光部１
に対応して共通に設けられた垂直レジスタ２と、各垂直
レジスタ２に対して共通に設けられた水平レジスタ３が
設けられて構成されている。

【００１６】そして、電荷蓄積期間において受光部１で
蓄積された信号電荷を、次の読出し期間において、垂直
レジスタ２に読出し、水平ブランキング期間において、
信号電荷を行ごとに転送し、垂直レジスタ２の最終段に
蓄積されている信号電荷を水平レジスタ３に転送する。 そして、次の水平出力期間（テレビジョンの１水平走査
期間に相当する）において、水平レジスタ３上の信号電
荷を順次出力部４側に転送し、この出力部４において、
信号電荷を電荷−電圧変換し、出力端子φｏｕｔから電
圧信号（撮像信号）Ｓとして取り出す。

【００１７】しかして、本例においては、垂直レジスタ
２の最終段に、後述するオーバーフロー部５を設けて構
成する。

【００１８】次に、オーバーフロー部５の具体的構成に
ついて図２〜図４を参照しながら説明する。

【００１９】図２は、垂直レジスタ２の最終段周辺を示
す拡大平面図である。この図２において、斜線の領域ａ
で示す部分が垂直レジスタ２であり、斜線の領域ｂで示
す部分が水平レジスタ３である。特に、垂直レジスタ２
は、その最終段の部分において幅広となっている。尚、
幅ＣＳで示す部分はチャンネル・ストッパ領域６である
。

【００２０】また、垂直レジスタ２上には、水平方向に
電荷転送用の第１、第２及び第３の垂直転送電極７，８
及び９が形成され、これら垂直転送電極７，８及び９中
、第１及び第３の垂直転送電極７及び９は帯状に形成さ
れ、第２の垂直転送電極８は、垂直レジスタ２上におい
てその幅が広く、垂直レジスタ２上以外の部分において
その幅が狭く形成されている。尚、図において、第１の
垂直転送電極７を実線、第２の垂直転送電極８を破線、
第３の垂直転送電極９を二点鎖線で示す。

【００２１】そして、本例においては、垂直レジスタ２
間のスペースＳｐの、特に第２の垂直転送電極８の幅が
狭くなっている部分よりも上段側にＮ型の不純物拡散領
域によるオーバーフロードレイン領域１０が形成されて
いる（破線枠で示す）。この領域１０は、垂直レジスタ
２の幅広の部分にオーバーラップして形成され、この領
域１０の垂直レジスタ側端１０ａと第２の垂直転送電極
８の幅広部分のオーバーフロードレイン領域側端８ａと
の間には幅ＯＳで示すオフセットが形成される。このオ
フセットＯＳの部分がオーバーフローコントロールゲー
ト１１を構成し、このオーバーフローコントロールゲー
ト１１と上記オーバーフロードレイン領域１０にてオー
バーフロー部５が構成される。

【００２２】そして、このオーバーフロー部５を含む領
域上に水平方向に延びるオーバーフローコントロールゲ
ート電極１２（一点鎖線で示す）が形成される。このと
き、第１及び第３の垂直転送電極７及び９が夫々１層目
の多結晶シリコン層にて形成され、第２の垂直転送電極
８が２層目の多結晶シリコン層にて形成され、オーバー
フローコントロールゲート電極１２が３層目の多結晶シ
リコン層にて形成される。

【００２３】上記オーバーフロー部５の断面を図３に示
す。図３Ａ及び図３Ｂは、夫々図２におけるＡ−Ａ線上
及びＢ−Ｂ線上の断面図である。これらの断面図では、
シリコン基板１３をＮ型で示しているが、Ｐ型のシリコ
ン基板を用いて他の不純物拡散領域、例えば垂直レジス
タ２やチャンネル・ストッパ領域６のＮ型とＰ型を入れ
替えても何ら問題はない。また、これら断面図では、Ｃ
ＣＤを埋め込みチャンネル型ＣＣＤで示してあるが、垂
直レジスタ２の不純物を使用しない表面チャンネル型Ｃ
ＣＤを用いた場合でも同様のことが言える。ただし、以
下の本実施例における形成方法の説明においては、これ
ら断面図に基いて行う。

【００２４】まず、Ｎ型のシリコン基板１３にＰ型のウ
ェル領域１４とＮ型の垂直レジスタ２を形成する。この
Ｐ型のウェル領域１４は、スミアを圧縮するためのもの
である。次に、上記垂直レジスタ２の横にＰ型の不純物
拡散領域によるチャンネル・ストッパ領域６を形成する
。その後、ゲート絶縁膜１５を介して１層目の多結晶シ
リコン層による第１及び第３の垂直転送電極７及び９を
形成した後、層間絶縁膜１６を介して２層目の多結晶シ
リコン層による第２の垂直転送電極８を形成する。

【００２５】その後、図２の破線枠で示す部分にＮ型の
不純物をイオン注入してオーバーフロードレイン領域１
０を形成した後、このオーバーフロードレイン領域１０
上にゲート絶縁膜１５を介して３層目の多結晶シリコン
層によるオーバーフローコントロールゲート電極１２を
形成して本例に係るＣＣＤ固体撮像素子を得る。尚、こ
のオーバーフローコントロールゲート電極１２と第２の
垂直転送電極８間には層間絶縁膜１７が介在する。また
、幅（オフセット）ＯＳで示す部分においてオーバーフ
ローコントロールゲート１１が構成される。また、この
図３において、１８は水平レジスタ３上に形成される水
平転送電極を示す。

【００２６】ここで、垂直レジスタ２、Ｐ型のウェル領
域１４及びチャンネル・ストッパ領域６の不純物濃度と
しては、通常用いられる不純物濃度に設定される。また
、オーバーフロードレイン領域１０の不純物濃度として
は、オーバーフローコントロールゲート電極１２にかか
る電位によりその表面が空乏化する程度の不純物濃度に
設定される。尚、上記オーバーフロードレイン領域１０
を形成するためのＮ型不純物のイオン注入は、第２の垂
直転送電極８を形成する前に行うようにしてもよい。

【００２７】次に、本例に係るオーバーフロー部５の動
作を図４のポテンシャル図も参照しながら説明する。

【００２８】まず、図４Ａに示すように、オーバーフロ
ーコントロールゲート電極１２に印加される制御電位Ｖ
ｃを調整して、図２及び図３で示したオフセットＯＳで
構成されるオーバーフローコントロールゲート１１下の
ポテンシャル障壁１１Ｐの高低を制御する。即ち、本例
では、垂直レジスタ２の最終段における第２の垂直転送
電極８下に蓄積される信号電荷の最大取扱い電荷量が水
平レジスタ３の最大取扱い電荷量よりも若干少なくなる
ように（例えば水平レジスタ３における最大取扱い電荷
量の９０％程度）、オーバーフローコントロールゲート
１１下のポテンシャル障壁１１Ｐの高さを調整する。

【００２９】このとき、オーバーフロードレイン領域１
０では、その不純物濃度が充分に高いため、基板電位Ｖ
ｓｕｂに固定される。このため、上段の垂直レジスタ２
から水平レジスタ３の最大取扱い電荷量よりも多い電荷
量の信号電荷が垂直レジスタ２の最終段に転送された場
合、この最終段において、上記信号電荷が水平レジスタ
３における最大取扱い電荷量の９０％にカットされ、カ
ットされた信号電荷は、オーバーフローコントロールゲ
ート１１を越えてオーバーフロードレイン領域１０に掃
き出され、更に図３Ａの矢印で示すように、オーバーフ
ロードレイン領域１０を経て基板１３に流れ込む。即ち
、オーバーフロー部５において信号電荷のオーバーフロ
ー動作が行われる。

【００３０】尚、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、第２の垂
直転送電極８下に形成されたポテンシャル中、実線で示
すポテンシャルＰａは第２の垂直転送電極８下に信号電
荷が蓄積されていない状態を示し、破線で示すポテンシ
ャルＰｂは第２の垂直転送電極８下に少量の信号電荷が
蓄積されている状態を示し、一点鎖線で示すポテンシャ
ルＰｃは信号電荷がオーバーフローして、一定の信号電
荷量（水平レジスタ３における最大取扱い電荷量の９０
％）に維持されている状態を示す。また、Ｖ１　，Ｖ２
　及びＶ３　は夫々第１，第２及び第３の垂直転送電極
に印加される駆動パルス電位を示し、Ｈは水平転送電極
に印加される駆動パルス電位を示す。

【００３１】従って、水平レジスタ３には、その最大取
扱い電荷量の９０％以上の信号電荷は転送されないこと
になり、水平レジスタ３において信号電荷があふれると
いう現象は回避される。

【００３２】上述のように、本例によれば、例えば垂直
レジスタ２の最大取扱い電荷量に対して水平レジスタ３
の最大取扱い電荷量が小さい場合においても、水平レジ
スタ３において、信号電荷があふれるという現象を防止
することができ、水平レジスタ３上での信号電荷のあふ
れに伴う画質の劣化を抑制することができる。

【００３３】また、図１で示す受光部１の構造により、
その光電変換特性にニー特性がある場合、オーバーフロ
ーコントロールゲート電極１２に印加される制御電位Ｖ
ｃを調整して、非線形特性領域の信号電荷をオーバーフ
ロードレイン領域１０を介して基板１３に捨てることが
できるため、水平レジスタ３には、線形特性領域の信号
電荷のみが転送されることになり、ＣＣＤ固体撮像素子
の特性の安定化を図ることができる。しかも、受光部１
のダイナミックレンジを水平レジスタ３の最大取扱い電
荷量に対応して小さくする必要がなくなるため、水平レ
ジスタ３のダイナミックレンジが小さい場合でも、水平
レジスタ３のダイナミックレンジを効率よく使用するこ
とができる。

【００３４】また、スミア等の偽信号電荷を掃き出すた
めの専用のオーバーフロードレイン領域を設ける必要が
ないため、設計上の自由度が広がる。

【００３５】上記実施例では、第２の垂直転送電極８下
に信号電荷が蓄積しているときにオーバーフローさせる
ようにしたが、その他、第２及び第３の垂直転送電極８
及び９下に信号電荷が蓄積しているときにオーバーフロ
ーさせるようにしてもよい。

【００３６】また、上記実施例ではオーバーフロードレ
イン領域１０を垂直レジスタ２の幅広の部分にオーバー
ラップして形成するようにしたが、もちろんオーバーフ
ロードレイン領域１０を垂直レジスタ２の幅広の部分に
オーバーラップさせずに形成してオフセットＯＳの幅を
広げるようにしてもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子によれ
ば、垂直レジスタの最大取扱い電荷量に対して水平レジ
スタの最大取扱い電荷量が小さい場合においても、水平
レジスタにおいて、信号電荷があふれるという現象を防
止することができると共に、ニー特性を有する受光部の
ダイナミックレンジの低下を防止でき、モニタ画面上で
の画質の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るＣＣＤ固体撮像素子の構成を示
す概略平面図。

【図２】本実施例に係るＣＣＤ固体撮像素子の垂直レジ
スタの最終段周辺を示す拡大平面図。

【図３】Ａは、図２におけるＡ−Ａ線上の断面図。Ｂは
、図２におけるＢ−Ｂ線上の断面図。

【図４】Ａは、図３Ａにおけるポテンシャル図。Ｂは、
図３Ｂにおけるポテンシャル図。

【図５】従来例に係るＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す
概略平面図。

【符号の説明】

１　　受光部 ２　　垂直レジスタ ３　　水平レジスタ ４　　出力部 ５　　オーバーフロー部 ６　　チャンネル・ストッパ領域 ７　　第１の垂直転送電極 ８　　第２の垂直転送電極 ９　　第３の垂直転送電極 １０　　オーバーフロードレイン領域 １１　　オーバーフローコントロールゲート１２　　オ
ーバーフローコントロールゲート電極１３　　シリコン
基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＣＣＤで構成された垂直レジスタと水
   平レジスタを有するＣＣＤ固体撮像素子において、上記
   垂直レジスタの最終段に、所定の電位が印加されるオー
   バーフローコントロールゲートと、該オーバーフローコ
   ントロールゲートに上記所定の電位が印加されることに
   よって、垂直レジスタからの信号電荷のうち、所定量以
   上の信号電荷が掃き出されるオーバーフロードレイン領
   域とからなるオーバーフロー部が形成されていることを
   特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。