专利名称：电荷耦合元件的驱动装置及其电荷耦合元件的驱动方法
技术领域：
本发明涉及提高信息电荷的转送效率的电荷耦合元件的驱动装置及其电荷耦合元件的驱动方法。
背景技术：
具备电荷耦合元件的CCD固体摄像装置被广泛利用，其中所述电荷耦合元件，在接收从外部入射的光的像素中通过光电变换产生信息电荷，并利用通过施加在转送电极上的电压而形成在半导体基板内的势阱(ポテンシヤル井戸)，来蓄积、转送信息电荷。
帧转送方式的CCD固体摄像元件10，如图8所示，包括摄像部10i、蓄积部10s、水平转送部10h、和输出部10d。摄像部10i，具备多列的垂直移位寄存器。摄像部10i的垂直移位寄存器，具备行列配置的受光像素，该受光像素接收来自外部的光，并产生与该入射光的强度相对应的量的信息电荷。通过从外部的驱动器电路向摄像部10i输入垂直时钟脉冲，由各个受光像素生成的信息电荷沿着垂直移位寄存器被转送到蓄积部10s。在彩色摄像用的CCD固体摄像元件中，摄像部10i的各个受光像素被对应于红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的波长的透过滤光片(filter)的任一个所覆盖。通常，各个透过滤光片被配置成镶嵌状(mosaic)。例如，在垂直移位寄存器的奇数列中对应于红色(R)以及绿色(G)的信息电荷被交替转送，在垂直移位寄存器的偶数列中对应于绿色(G)以及蓝色(B)的信息电荷被交替转送。蓄积部10s，具备与摄像部10i的垂直移位寄存器连续而配置的垂直移位寄存器。蓄积部10s的垂直移位寄存器被遮光，用于仅蓄积一帧量的信息电荷。从驱动器电路将垂直时钟脉冲以及输出控制时钟输入到蓄积部10s。通过施加垂直时钟脉冲以及输出控制时钟，保持在蓄积部10s中的信息电荷按每一行量被转送到水平转送部10h。水平转送部10h，具备水平移位寄存器。从蓄积部10s的各个垂直移位寄存器分别将一像素量的信息电荷转送到水平转送部10h的水平移位寄存器的各个位。从驱动器电路将水平时钟脉冲输入到水平转送部10h。在水平转送部10h中，接收水平时钟脉冲，并将信息电荷以一像素单位转送到输出部10d。输出部10d将每个像素的信息电荷量变换为电压值，并将该电压值的变化作为输出信号。
但是，存在以下的导致信息电荷的转送效率降低的问题在从摄像部10i向蓄积部10s的边界部分、从蓄积部10s向水平转送部10h的边界部分等中，信息电荷不能很好地被转送而是残留在前端部的势阱中。例如，在同列的垂直移位寄存器配置有多个颜色的像素的元件中，产生对不同颜色的信息电荷的混合，导致输出图像的色调降低，从而导致信息电荷的转送效率降低。另外，在不同列的垂直移位寄存器中信息电荷的转送效率散乱的情况下，输出图像中的混合色成为沿着纵方向产生噪声的原因。
参照图9对转送效率降低的原因进行说明。在图9中，举例说明从蓄积部10s向水平转送部10h的边界部分。图9(a)是从蓄积部10s向水平转送部10h的边界部分的元件的剖面示意图。在半导体基板50的表面上形成有绝缘膜52，在绝缘膜52上，在相对纸面垂直的方向配置有垂直移位寄存器的转送电极54-1～54-3，以及在纸面的面内方向配置有水平转送寄存器的转送电极56。此时，有时会产生以下的情况，即，通过向半导体基板的掺杂区域和垂直移位寄存器的最终段的转送电极54-3之间的对准偏差等，如图9(b)所示，在形成在边界部分的转送电极54-3下的势阱60内产生如缺口(notch)或尖峰(spike)那样的成为朝向转送方向的电荷转送的防碍的能量障壁62。设转送电极54-3处于断开状态时，如图9(c)所示，认为能量障壁62成为信息电荷从垂直移位寄存器向水平移位寄存器转送的障壁，并且成为导致信息电荷的转送效率降低的原因。
发明内容
本发明鉴于上述现有技术，其目的在于，提供一种提高信息电荷的转送效率的电荷耦合元件的驱动装置以及电荷耦合元件的驱动方法。
本发明，是具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极，且利用通过施加在所述转送电极上的电压而形成在半导体基板内的势阱，来蓄积并转送信息电荷的电荷耦合元件的驱动装置，将所述转送电极的至少一个作为注目转送电极，对所述注目转送电极施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
例如，本发明，是具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极，且利用通过施加在所述转送电极上的电压而形成在半导体基板内的势阱，来蓄积并转送信息电荷的电荷耦合元件的固体摄像装置，包括驱动装置，其对所述转送电极的至少一个施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
由此，通过适用在转送信息电荷时信息电荷从前段再次被转送之前反复使单一的转送电极接通/断开的驱动方法，从而能够增加转送给下一段的势阱的信息电荷量，并减少残留的信息电荷。因此能够提高信息电荷的转送效率。
此外，在所述电荷耦合元件具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷来转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，优选将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
例如，具有摄像部，其具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器；和蓄积部，其具备接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并沿着所述第一转送方向转送信息电荷的第二移位寄存器、的固体摄像装置的情况下，所述驱动装置，优选对所述第一移位寄存器的最终段的转送电极施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
另外，在所述电荷耦合元件具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并沿着与所述第一转送方向交叉的第二转送方向转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，优选将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
例如，具有沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并沿着与所述第一转送方向交叉的第二转送方向转送信息电荷的第二移位寄存器、的固体摄像装置的情况下，所述驱动装置，优选对所述第一移位寄存器的最终段的转送电极施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
在此，优选在向半导体基板的掺杂条件不同的情况下形成所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器。另外，优选所述注目转送电极可与所述注目转送电极以外的其他转送电极独立地进行控制。
在不同的移位寄存器的边界部分中向半导体基板的掺杂区域和转送电极之间的对准偏差的影响变大的情况较多。并且，通过将成为其边界部分的所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极，尤其是能够减少易残留的信息电荷并转送给所述第二移位寄存器。从而，能够尤其提高信息电荷的转送效率。
根据本发明，能够提高电荷耦合元件的信息电荷的转送效率。另外，能够提高从具备电荷耦合元件的固体摄像装置输出的图像的画质。
图1是表示本发明的实施方式的固体摄像装置的结构的框图。
图2是表示本发明的实施方式的摄像部以及蓄积部的垂直移位寄存器的结构的平面图。
图3是表示本发明的实施方式的蓄积部以及水平转送部的结构的平面图。
图4是本发明的实施方式的蓄积部以及水平转送部的结构的剖面图。
图5是说明本发明的实施方式的转送电极的控制方法的时序图。
图6是表示本发明的实施方式的转送电极下的势阱的形态的示意图。
图7是表示用于说明在本发明中所推定的原理的势阱的图。
图8是表示现有的固体摄像元件的结构的图。
图9是说明现有的问题点的图。
图中10-固体摄像元件；10i-摄像部；10s-蓄积部；10h-水平转送部；10d-输出部；12-驱动装置；24-转送电极；26-沟道区域；28-分离区域；30-第一输出转送电极；32-第二输出转送电极；34-第三输出转送电极；36-水平转送电极；40-水平沟道区域；42-水平分离区域；50-半导体基板；52-绝缘膜；54-转送电极；56-转送电极；60-势阱；62-能量障壁；100-固体摄像装置。
具体实施例方式
本发明的实施方式的固体摄像装置100，如图1所示，包括固体摄像元件10以及驱动装置12(驱动电路)。固定摄像元件10，具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极，并包括电荷耦合元件(CCDCharge Coupled Device)等的电荷转送元件，其中所述电荷耦合元件，利用通过施加在转送电极上的电压而形成在半导体基板内的势阱，来蓄积并转送信息电荷。固体摄像元件10，与驱动装置12连接，并接收从驱动装置12输出的各种时钟脉冲(控制信号)，而蓄积并转送信息电荷。
例如，帧转送方式的CCD固体摄像元件10，与图8所示的现有的固体摄像元件10相同，包括摄像部10i、蓄积部10s、水平转送部10h以及输出部10d。
摄像部10i以及蓄积部10s，如图2的元件内部的平面图所述，由形成在半导体基板的表面区域上的垂直移位寄存器构成。摄像部10i，具备多列的垂直移位寄存器。摄像部10i的垂直移位寄存器，具备行列配置的受光像素，该受光像素接收来自外部的光，并产生与该入射光的强度相对应的量的信息电荷。在彩色摄像用的CCD固体摄像元件中，摄像部10i的各个受光像素被对应于红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的波长的透过滤光片的任一个所覆盖。通常，各个透过滤光片被配置成镶嵌状。例如，在垂直移位寄存器的奇数列中交替转送对应于红色(R)以及绿色(G)的信息电荷，在垂直移位寄存器的偶数列中交替转送对应于绿色(G)以及蓝色(B)的信息电荷。蓄积部10s，具备与摄像部10i的垂直移位寄存器连续而配置的垂直移位寄存器。蓄积部10s，具备用于仅蓄积摄像部10i的一帧量的信息电荷的转送段数的垂直移位寄存器。蓄积部10s的垂直移位寄存器整体被遮光。
垂直移位寄存器形成为如下那样。在N型半导体基板内形成有作为P型扩散层的P阱(PW)，在其之上形成有作为N型扩散层的N阱。另外，添加有P型杂质的分离区域28以规定的间隔沿着垂直移位寄存器的延伸方向被相互平行地设置。N阱被相邻的分离区域28电气地区划。夹持在分离区域28中的区域成为作为信息电荷的转送路径的沟道区域26。分离区域28，在相邻的沟道区域之间形成势垒，并电分离各个沟道区域26。进一步，在半导体基板的表面上成膜有绝缘膜。按照经由该绝缘膜与沟道区域26交叉的方式，由多晶硅膜构成的多个转送电极24-1～24-3被相互平行配置。
在本实施方式中，连续的三个转送电极24-1、24-2、24-3的组构成一个受光像素。通过将一组的转送电极24-1、24-2、24-3设为高电位，能够在半导体基板的沟道区域26中形成势阱。
在摄像时，通过将一组的转送电极24-1、24-2、24-3的任一个保持为高电位，从而在各个像素中由光电变换生成的信息电荷被蓄积到势阱中。在转送时，通过对一组转送电极24-1、24-2、24-3分别施加规定周期的转送时钟φi1～φi3，由摄像部10i生成的信息电荷依次向垂直转送方向发送并转送到蓄积部10s。
图3是蓄积部10s和水平转送部10h之间的边界区域的元件的内部结构的平面图。图4是表示沿着图3的线A-A的元件的剖面结构的剖面图。
第一输出转送电极30，按照在奇数列中离开水平转送部10h，在偶数列中接近水平转送部10h的方式弯曲，并在垂直移位寄存器的输出侧与转送电极24-1～24-3并列配置。第二输出转送电极32，与第一输出转送电极30相反，按照在奇数列中接近水平转送部10h，在偶数列中离开水平转送部10h的方式弯曲，并配置成在分离区域28上经由绝缘膜与第一输出转送电极30交叉。第三输出转送电极34，比第一输出转送电极30以及第二输出转送电极32更靠向输出侧。第三输出转送电极34，按照在奇数列中接近第二输出转送电极32，在偶数列中接近第一输出转送电极30的方式被配置。
水平转送部10h，包括将从蓄积部10s的垂直移位寄存器输出的信息电荷接收并转送的水平移位寄存器。水平移位寄存器，由水平沟道区域40以及水平转送电极36-1、36-2构成。水平沟道区域40，通过从蓄积部10s的垂直移位寄存器延伸的分离区域28和作为相对蓄积部10s设置的P型扩散层的水平分离区域42在与垂直移位寄存器的延伸方向交叉的方向上被区划。垂直移位寄存器的沟道区域26和水平移位寄存器的水平沟道区域40经由被延伸的分离区域28的间隙连接。第一水平转送电极36-1，按照跨越第三输出转送电极34和水平分离区域42之间的方式，在延长垂直移位寄存器的沟道区域26的方向经由绝缘膜配置在半导体基板上。第一水平转送电极36-1，经由绝缘膜延伸到第三输出转送电极34附近。第二水平转送电极36-2被配置为，覆盖第一水平转送电极36-1的间隙，其一部分经由绝缘膜与水平转送电极36-1重合并与水平沟道区域40交叉。
从驱动装置12分别将垂直时钟脉冲φs1～φs3施加给转送电极24-1～24-3，由此，从摄像部10i向蓄积部10s转送并使其缓冲(buffering)的信息电荷依次向垂直转送方向发送。另外，从驱动装置12分别将输出控制时钟TG1以及TG2施加给第一输出转送电极30以及第二输出转送电极32。进一步，从驱动装置12将可与输出控制时钟TG1、TG2独立地控制的输出控制时钟TG3施加给第三输出转送电极34。
通过使施加给输出转送电极30、32、34的输出控制时钟TG1、TG2、TG3可与垂直时钟脉冲φs1～φs3独立地进行控制，能够从垂直移位寄存器的奇数列和偶数列交替地向水平移位寄存器转送信息电荷。例如，在进行彩色摄像时，能够在水平移位寄存器中防止对应于不同的波长成分(不同的颜色)的信息电荷的混合。
图5表示从沿图3的线A-A的奇数列的垂直移位寄存器向水平移位寄存器垂直转送信息电荷时的输出控制时钟TG1、TG2、TG3以及水平时钟脉冲HS1的时序图。在初始状态(时刻t0)中，施加给第三输出转送电极34的输出控制时钟TG3为高电平(H)，如图6(a)所示，已向形成在第三输出转送电极34下的势阱60转送信息电荷。
在时刻t1，一边将输出控制时钟TG1、TG2保持为低电平(L)以及将水平时钟脉冲HS1保持为高电平(H)，一边将施加给第三输出转送电极34的输出控制时钟TG3从高电平(H)变更为低电平(L)而从导通状态向断开状态变更。由此，如图6(b)所示，形成在第三输出转送电极34下的势阱60变浅，向形成在水平沟道区域40中的势阱64转送输出信息电荷。
此时，通过向半导体基板的掺杂区域和成为最终段的第三输出转送电极34之间的对准偏差等，如图6(b)所示，有时会在第三输出转送电极34和水平移位寄存器之间的边界产生能量障壁62。这些能量障壁62成为信息电荷从垂直移位寄存器向水平移位寄存器转送的障壁，成为导致信息电荷的转送效率降低的原因。尤其，多会存在下述问题如摄像部10i和蓄积部10s之间的边界部以及蓄积部10s和水平转送部10h之间的边界部那样的不同的移位寄存器的边界部中向半导体基板的掺杂区域和转送电极之间的对准偏差的影响变大，且由能量障壁62引起的信息电荷的转送效率降低的问题。
并且，在时刻t2～t3，一边将输出控制时钟TG1、TG2保持为低电平(L)以及将水平时钟脉冲HS1保持为高电平(H)，一边将施加给第三输出转送电极34的输出控制时钟TG3反复变更为高电平(H)和低电平(L)。即，在前段的信息电荷被转送之前对作为垂直移位寄存器的最终段的第三输出转送电极34多次连续进行使其从导通状态向断开状态移行的循环。
由此，如图6(c)所示，在导通状态中在第三输出转送电极34下形成有势阱60，如图6(d)所示，在断开状态中在第三输出转送电极34下反复进行势阱60消失的循环。通过反复进行该循环，通过在第三输出转送电极34和水平移位寄存器之间的边界存在的能量障壁62，残留在第三输出转送电极34下的信息电荷被缓慢地转送到水平移位寄存器。
如下对越过能量障壁62转送信息电荷的原理按照下述那样进行推定。在将施加给第三输出转送电极34的输出控制时钟TG3从高电平(H)变更为低电平(L)的情况下，从形成有图7(a)的势阱的稳定状态到图7(c)的势阱消失的稳定状态为止，通过输出控制时钟TG3的瞬间的超调(over shoot)等的作用，如图7(b)所示那样会产生能量障壁62变低的状态。由此在能量障壁62变低的状态下，残留在第三输出转送电极34下的信息电荷被转送到水平移位寄存器。从而认为在每次对第三输出转送电极34进行从导通状态向断开状态移动的循环时信息电荷一点一点地被转，通过反复进行该循环而将残留在第三输出转送电极34下的信息电荷比以往更多地输出到水平移位寄存器。此外，在第一输出转送电极30下使掺杂浓度变低，使势垒变高。由此，防止图6(b)的残留电荷向转送方向逆流。
在信息电荷从前段被转送之前，连续反复进行使转送电极导通/断开的循环的处理也能同样地适用于其他转送电极。例如，在从垂直移位寄存器的偶数列向水平移位寄存器转送信息电荷的情况下，通过对作为垂直移位寄存器的最终段的第三输出转送电极34多次连续进行使其从导通状态向断开状态移行的循环，可将信息电荷比以往更多地转送到水平移位寄存器。另外，即使在从摄像部10i向蓄积部10s的边界部中对摄像部10i的最终段的转送电极多次连续进行使其从导通状态向断开状态移行的循环，从而能够将信息电荷比以往更多地转送到蓄积部10s。
由此，根据本实施方式，能够提高电荷耦合元件的信息电荷的转送效率。另外，在具备电荷耦合元件的固体摄像装置中能够提高输出图像的画质。尤其，能够抑制对不同颜色的信息电荷的混合，并且对输出图像抑制向纵方向延伸的噪声而提高输出图像的画质。
此外，在本实施方式中举例说明了帧转送方式的CCD固体摄像元件，但本发明的技术思想的适用范围并不局限于此，也可以采用利用势阱来蓄积并转送电荷的元件。例如，可列举行间(interline)转送方式的CCD固体摄像元件等。
权利要求
1.一种驱动装置，是具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极，利用通过施加在所述转送电极上的电压形成在半导体基板内的势阱，蓄积并转送信息电荷的电荷耦合元件的驱动装置，将所述转送电极的至少一个作为注目转送电极，对所述注目转送电极施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，在所述电荷耦合元件具备沿第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷来转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，在所述电荷耦合元件具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并沿着与所述第一转送方向交叉的第二转送方向转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
4.根据权利要求2或3所述的驱动装置，其特征在于，在使向半导体基板的掺杂条件不同的情况下，形成所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的驱动装置，其特征在于，所述注目转送电极可与所述注目转送电极以外的其他转送电极独立地进行控制。
6.一种电荷耦合元件的驱动方法，是具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极，且利用通过施加在所述转送电极上的电压而形成在半导体基板内的势阱，来蓄积并转送信息电荷的电荷耦合元件的驱动方法，将所述转送电极的至少一个作为注目转送电极，对所述注目转送电极施加多次连续进行从导通状态向断开状态移行的循环的电压，而使信息电荷转送。
7.根据权利要求6所述的电荷耦合元件的驱动方法，其特征在于，在所述电荷耦合元件具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
8.根据权利要求6所述的电荷耦合元件的驱动方法，其特征在于，在所述电荷耦合元件具备沿着第一转送方向转送信息电荷的第一移位寄存器、和接收从所述第一移位寄存器输出的信息电荷并沿着与所述第一转送方向交叉的第二转送方向转送信息电荷的第二移位寄存器的情况下，将所述第一移位寄存器的最终段的转送电极作为所述注目转送电极。
全文摘要
本发明提供一种电荷耦合元件的驱动装置以及电荷耦合元件的驱动方法，其目的在于提高电荷耦合元件的信息电荷的转送效率。可通过驱动装置来达到上述目的，所述驱动装置，将转送电极(24－1～24－3、30、32、34)的至少一个作为注目转送电极，多次连续进行使注目转送电极从导通状态向断开状态移行的循环，其中所述电荷耦合元件，具备与信息电荷的转送方向交叉配置的多个转送电极(24－1～24－3、30、32、34)，并利用通过施加在转送电极(24－1～24－3、30、32、34)中的电压形成在半导体基板内的势阱，蓄积并转送信息电荷。
文档编号H01L27/148GK1905615SQ20061010552
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月14日 优先权日2005年7月28日
发明者黑田晃弘 申请人:三洋电机株式会社