JP2575414B2

JP2575414B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2575414B2
Application number: JP62246088A
Authority: JP
Inventors: 英紀柴田; 誠之松長; 幸雄遠藤; 望原田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPS6489769A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、１フィールドに全画素の信号読み出しを可
能とした一時メモリ領域をもつ固体撮像装置に関する。

（従来の技術）家庭用のビデオカメラなどに広く用いられているCCD
撮像装置は、信号電荷の転送方式から、IT−CCD（Inter
line Transfer−CCD）、FT−CCD（Frame Transfer−CC
D）、FIT−CCD（Frame Interline Transfer−CCD）の３
種類に大別される。これらのうち特に、FIT−CCDは、ス
ミヤが少なく、また最近ビデオカメラに装備されている
電子シャッター機能の露出時間に自由度があること等、
特性的に優れている。FIT−CCDには、一時メモリ領域に
２チャネルの垂直CCDを設けたものもある。しかしこの
従来例の場合、これら２チャネルの垂直CCDは同時に駆
動され、受光部の垂直CCDの信号電荷は切換えゲートに
よって一段毎に一時メモリ領域の２チャネルの垂直CCD
に振分けるという動作が行われる。即ち一フィールド期
間に読み出された奇数行の画素の信号電荷が２チャネル
の一時メモリ領域に蓄積され、別のフィールド期間に読
み出された偶数行の画素の信号電荷が同様に２チャネル
の一時メモリ領域に蓄積される、という動作が行われ
る。従って、高解像度化は難しいという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように従来のFIT−CCDは、基本的に全画素の信
号電荷を１フィールド期間内で読み出すことができな
い、という問題があった。

本発明は、この様な問題を解決した固体撮像装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明は、感光部配列とその信号電荷を読み出す第１
の垂直CCDからなる受光部に隣接して第１の垂直CCDの１
チャネルに対してそれぞれ第1,第２のチャネルを有する
第２の垂直CCDが設けられ、第１の垂直CCDと第２の垂直
CCDの間には信号電荷の転送切換えゲート手段を有するF
IT−CCDにおいて、前記第２の垂直CCDの２チャネルを独
立に駆動できるように構成したこと、具体的には第２の
垂直CCDの転送電極構成を、転送方向に第１〜第４の転
送電極が繰返し配列されたものとし、第１の転送電極は
第1,第２のチャネルに共通に、第２の転送電極は第1,第
２のチャネルで別々に、第３の転送電極は第1,第２のチ
ャネルに共通し、第４の転送電極は第1,第２のチャネル
で別々に配設したことを特徴とする。

（作用）本発明によれば、一時メモリ領域である第２の垂直CC
Dの２チャネルはそれぞれ独立に転送駆動できるように
なっている。従って、第１の期間に、第１の垂直CCDに
読み出した全画素の半分の信号電荷を第２の垂直CCDの
第１のチャネルに転送し、第２の期間に残りの画素の信
号電荷を第１の垂直CCDから第２の垂直CCDの第２のチャ
ネルに読み出す、ということができる。つまり本発明に
よれば、１フィールド期間に全画素の信号電荷を読み出
すことが可能であり、この結果高解像度化が図られる。
また本発明では、第２の垂直CCDの第1,第２のチャネル
の転送電極のうち第1,第３の転送電極は共通に配設して
いる。従って第1,第２のチャネルの転送電極を全て互い
に独立に形成する場合と異なり、配線が複雑になること
はなく、画素の高集積化が可能である。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）（ｂ）は一実施例のFIT−CCDの要部であ
る第２の垂直CCDの構成を示す平面図とその拡大図であ
る。第２図はこのFIT−CCDの全体構成を示す平面図であ
る。半導体基板上に感光部であるフォトダイオード１
（１−1,1−2,…）がマトリクス配列形成され、そのフ
ォトダイオード列に沿って第１の垂直CCD2（２−1,2−
1,…）が配列形成されて、受光部６が構成されている。
第１の垂直CCD2は駆動端子φ_I1〜φ_I4で４相駆動され
る。この受光部６に隣接する領域には、一時メモリ領域
として、第２の垂直CCD7が配列形成されている。第２の
垂直CCD7は、第１のチャネル５−Ａ（５−A1,5−A2,
…）と第２のチャネル５−Ｂ（５−B1,5−B2,…）を有
する。第１のチャネル５−Ａは、駆動端子φs_A1〜φs_A4
で、第２のチャネル５−Ｂは駆動端子φs_B1〜φs_B4で、
それぞれ独立に４相駆動できるようになっている。第１
の垂直CCD2と第２の垂直CCD7の間には、第１の垂直CCD
の信号電荷を第２の垂直CCD7の第1,第２のチャネル５−
A,5−Ｂに振分けて転送するための切換えゲート手段４
（４−1,4−2,…）が設けられている。第２の垂直CCD7
の出力端部には、その信号電荷を読み出す２チャネル
8₁,8₂からなる水平CCD8が形成されている。第２の垂直C
CD7の第１のチャネル５−Ａの信号電荷は水平CCDチャネ
ル8₁に、第２のチャネル５−Ｂの信号電荷は水平CCDチ
ャネル8₂にそれぞれ、転送されるようになっている。水
平CCD8は駆動端子φ_H1,φ_H2により２相駆動され、その
出力部９（9₁,9₂）からチップ外部に出力信号が取り出
される。

第２の垂直CCD7の転送電極は、電荷転送方向に第１〜
第４の転送電極が繰返し配列された構成となっている。
即ち第１図（ａ）に示したように、第1,第２のチャネル
５−A,5−Ｂ間はチャネルストッパ101で分離されてお
り、第１のチャネル５−Ａでは、第１の転送電極φ_M1,
第２の転送電極φ_MA2,第３の転送電極_M3,第４の転送電
極φ_MA4により１転送段が構成されている。第２のチャ
ネル５−Ｂでは、第１の転送電極φ_M1,第２の転送電極
φ_MB2,第３の転送電極_M3,第４の転送電極φ_MB4により１
転送段が構成されている。第１の転送電極φ_M1および第
３の転送電極φ_M3は、図から明らかなように２チャネル
に共通に連続的に配設されている。第２の転送電極φ
_MA2,φ_MB2および第４の転送電極φ_MA4,φ_MB4はそれぞれ
のチャネル毎に独立である。第１の転送電極φ_M1および
第３の転送電極電極φ_M3は第１層多結晶シリコン膜によ
り、第２の転送電極φ_MA2,φ_MBMB2、第４の転送電極φ
_MA4,φ_MB4は第２層多結晶シリコン膜により、それぞれ
形成されている。第１図（ａ）では、第２の転送電極φ
_MA2,φ_MB2、第４の転送電極φ_MA4,φ_MB4を完全に独立に
示しているが、実際には第１図（ｂ）に拡大図を示した
ように、第１のチャネル５−Ａの第２の転送電極φ_MA2,
第４の転送電極φ_MA4、第２のチャネル５−Ｂの第２に
転送電極φ_MB2、第４の転送電極φ_MB4はそれぞれ、水平
方向には第１層電極上を通って連続的に配設されてい
る。

このように構成されたFIT−CCDの撮像動作を次に、第
３図および第４図を参照して説明する。フォトダイオー
ド１の信号電荷を第１の垂直CCD2に読み出し、これを４
相駆動により、第２の垂直CCD7に読み出す。このとき第
１の期間では、フォトダイオード１の奇数行の信号電荷
が第１の垂直CCD2から第２の垂直CCD7の第１のチャネル
５−Ａに読み出される。第２の期間に、偶数行の信号電
荷が第１の垂直CCD2から第２の垂直CCD7の第２のチャネ
ル５−Ｂに読み出される。この切換え制御は切換えゲー
ト４により行われるが、その詳細は後述する。第３図
は、第２の垂直CCD7の第１のチャネル５−Ａと第２のチ
ャネル５−Ｂに振分けて信号電荷を転送する場合の、第
２の垂直CCD7の駆動パルスを示している。第３図におい
て、第１の期間T_F1では、φ_MA,φ_MA2,φ_M3,φ_MA4に４相
駆動パルスが印加され、第１の垂直CCD2の信号電荷は第
２の垂直CCD7の第１のチャネル５−Ａに転送蓄積され
る。第２の期間T_F1では、φ_MA,φ_MB2,φ_M3,φ_MB4に４相
駆動パルスが印加され、第１の垂直CCD2の信号電荷は第
２の垂直CCD7の第２のチャネル５−Ｂに転送蓄積され
る。このとき、転送電極が一部共通であることから、第
１のチャネル５−Ａに既に蓄積されている信号電荷が、
第２のチャネル５−Ｂへの転送動作時に混合することな
く保持されることが必要である。即ち第１のチャネル５
−Ａと第２のチャネル５−Ｂの間では、一方に信号電荷
を蓄積した状態のまま、他方で独立に転送動作が行われ
ることが必要である。そのため第３図に示すように、第
１の期間T_F1では、φ_MB2を“H"レベル、φ_MB4を“L"レ
ベルに保ち、第２の期間T_F2ではφ_MA2を“H"レベル、φ
_MA4を“L"レベルに保つ。

第４図は、第３図の期間T_F2においてφ_M1〜φ_MB4の各
電極に印加される駆動パルスの１段転送分を拡大して示
している。また第５図は、そのときの第１のチャネル５
−A,第２のチャネル５−Ｂでの電荷転送の様子を示して
いる。第４図のタイミングt₁〜t₈は第４図のそれと対応
する。第４図から明らかなように、第２のチャネル５−
Ｂの転送電極φ_M1,φ_MB2,φ_M3,φ_MB4には通常の４相駆
動のパルスが印加されており、t₀では、第５図に示すよ
うに信号電荷11−２はφ_MB2,φ_M3の２電極下に蓄積され
ている。時刻t₁になり転送動作が開始されると、始めに
φ_MB4が“H"レベルになり、信号電荷11−２はφ_MB2,φ
_M3,φ_MB4の３電極下に蓄積される。時刻t₂になるとφ
_MB2が“L"レベルになり、信号電荷11−２はφ_M3,φ_MB4
の２電極下に蓄積される。このように順次２電極蓄積と
３電極蓄積が繰返され、時刻t₈で信号電荷11−２は次段
のφ_MB2,φ_M3の２電極下に蓄積されて、１周期の転送動
作が終了する。一方この転送動作の間、第１のチャネル
５−Ａでは、第５図に示すようにφ_MA2に“H"レベル、
φ_MA4に“L"レベルが印加されている。このため時刻t₀
〜t₈では信号電荷11−１はφ_MA2,φ_M3の２電極下に止ま
る。時刻t₃ではφ_M1が“H"レベルとなり、φ_M1,φ_MB2,
φ_M3の３電極蓄積となり、t₄ではφ_M3が“L"レベルとな
り、t₄〜t₆でφ_M1,φ_MB2の２電極蓄積、t₇でφ_M3が“H"
レベルとなり、φ_M1,φ_MB2,φ_M3の３電極蓄積、t₈でφ
_M1が“L"レベルとなり、t₀と同様φ_MB2,φ_M3の２電極蓄
積となる。以上のように第１のチャネル５−Ａの信号電
荷の混合は生じない。時刻t₀とt₈での信号電荷の位置は
同じである。

第６図は、第１の垂直CCD2と、第２の垂直CCD7の第1,
第２のチャネル５−A,5−Ｂとの間の結合部の構造を示
している。第１の垂直CCD2のチャネルはそのまま二股に
分れて、第２の垂直CCDの二つのチャネル５−A,5−Ｂに
つながっており、その結合部の第１のチャネル５−Ａ側
を覆う切換え制御電極φ_GAと第２のチャネル５−Ｂ側を
覆う切換え制御電極φ_GBが配設されている。これらの切
換え制御電極φ_GA,φ_GBはこの実施例においてはそれぞ
れ、チャネル転送のための４相電極のうちの第４の転送
電極φ_MA4,φ_MB4と同じである。

第７図は、第６図において第１の垂直CCD2の信号電荷
を第２の垂直CCDの第１のチャネル５−Ａに転送する場
合の各部の駆動電圧を示している。このとき、一方の切
換え制御電極φ_GBは“L"レベルに保たれてチャネル結合
部の第２のチャネル５−Ｂ側にはポテンシャル障壁が形
成されている。そして第１の垂直CCD2の転送電極φ_I1〜
φ_I4と共に、第２の垂直CCDの第１のチャネル５−Ａ側
の４相の転送電極φ_GA,φ_M3,φ_M2,φ_M1に図示のような
４相の駆動パルスが印加されることにより、第１の垂直
CCD2の信号電荷は第１のチャネル５−Ａに転送されるこ
とになる。第１の垂直CCD2の信号電荷を第２のチャネル
５−Ｂに転送する場合には逆に、切換え制御ゲートφ_GA
を“L"レベルに保って、第８図のような駆動電圧を印加
すればよい。

第９図は、第２の垂直CCD2から水平CCD8への電荷転送
部の構造を拡大して示す。第２の垂直CCD2と水平CCD8の
間には、第２の垂直CCD2の各チャネル毎に設けられた転
送制御ゲートφ_VG1A,φ_VG1Bと、両チャネルに共通に設
けられたもう一つの転送制御ゲートφ_VGがある。
φ_VG1A,φ_VG1Bは転送段数調整のためのものであって、
第２の垂直CCD2から水平CCD8への電荷転送にとって本質
的ではない。第１のチャネル５−Ａからの信号電荷が供
給される，第２の垂直CCD2に近い方のチャネル8₂に比べ
て、第２のチャネル５−Ｂの信号電荷が供給される遠い
方のチャネル8₁は、深いチャネル電位を有するように形
成されている。そして転送制御ゲートφ_HG下には、電位
障壁部13とチャネル8₁と同じ電位の通過部14が交互に形
成され、第２の垂直CCDの第１のチャネル５−Ａからの
信号電荷は電位障壁部13によってチャネル8₂に止まり、
第２のチャネル５−Ｂからの信号電荷は通過部14を通っ
て水平CCDのチャネル8₁まで転送されるようになってい
る。

第10図は、第２の垂直CCD2から水平CCD8への電荷転送
の動作を示す波形図である。第２の垂直CCD2の二つのチ
ャネル５−A,5−Ｂに前述のようにして蓄積された信号
電荷は、φ_VG1A,φ_VG1Bを“H"レベル、次いでφ_VG2を
“H"レベルとし、φ_VG1A,φ_VG1Bを“L"レベルにした
後、φ_VG2の“H"レベルの後端で水平CCDチャネル間の転
送制御ゲーヘφ_HGを“H"レベルとすることにより、同時
に水平CCD8の二つのチャネル8₁,8₂₂に振分けて転送され
る。この後、水平CCDの二つのチャネル8₁,8₂の信号電荷
は、両者に共通に設けられた転送電極φ_H1,φ_H2により
通常の２相駆動で並列に出力部まで読み出される。

以上のようにこの実施例によれば、一時メモリ領域の
２チャネルの第２の垂直CCDを各チャネル毎に独立に駆
動できるように構成して、１フィールド期間で全画素の
信号電荷の読み出しを可能としたFIT−CCDが得られる。
これにより、隣接画素の信号電荷を隣接したまま読み出
すことができ、良質の再生画像を得ることができる。ま
た第２の垂直CCDの第１〜第４の転送電極は、そのうち
二つが第1,第２のチャネルに共通の電極として、残りの
二つが各チャネルに別々の電極として配設しており、独
立駆動を行うために各転送電極を島状に独立に設けるこ
とをしないから、配線が複雑になることはなく、画素の
高集積化が図られる。

上記実施例は第２の垂直CCDを４相駆動するものであ
ったが、次にこれを２相駆動するようにした実施例を説
明する。

第11図（ａ）は、その実施例のFIT−CCDにおける第２
の垂直CCDの第１のチャネル５−A,第２のチャネル５−
Ｂの部分の断面構造である。これ以外の部分は先の実施
例と同様である。この部分も、電極構成は先の実施例と
同じであるので説明は省略する。この実施例では、ｎチ
ャネルの場合を示しているが、第1,第３の転送電極
φ_M1,φ_M3を第１層多結晶シリコン膜により形成した
後、これらをマスクとしてチャネル領域にリンまたはヒ
素をイオン注入してn⁺型層を形成し、第２層多結晶シリ
コン膜を堆積，パターニングして第２の転送電極φ_MA2,
φ_MB2および、第４の転送電極φ_MA4,φ_MB4を形成してい
る。これにより、同じ電圧が印加された時に第2,第４の
転送電極下のチャネル電位が第1,第３の転送電極下のチ
ャネル電位より高くなる。

この実施例での第２の垂直CCDの転送動作を、第11図
（ｂ）を参照して説明する。この実施例においても、先
の実施例と同様、第１の期間に半分の画素の信号電荷を
第１の垂直CCDを介して第２の垂直CCDの第１チャネル５
−Ａに転送し、第２の期間に残りの画素の信号電荷を第
１の垂直CCDを介して第２の垂直CCDの第２のチャネル５
−Ｂに転送する、という基本動作は変わりない。第11図
（ｂ）では、第２の期間の中で第２のチャネル５−Ｂで
の１周期の転送動作波形を示している。第12図はそのと
きの各チャネル５−A,5−Ｂでの信号電荷の様子を示し
ている。第11図（ｂ）の時刻t₀〜t₂は第12図のそれと対
応する。転送電極φ_MA2は“L"レベル、転送電極φ_MA4は
“H"レベルに保たれた状態で、φ_M1とφ_MB2の組の同じ
駆動パルスが印加され、φ_M3とφ_MB4の組にこれと逆相
の駆動パルスが印加される。この結果、第12図に示され
るように第１のチャネル５−Ａでは信号電荷12−１の移
動がなく、第２のチャネル５−Ｂでのみ信号電荷12−２
の転送がなされる。

なおこの実施例では、第２の垂直CCDで疑似２相駆動
を行うために、イオン注入によりチャネル電位を制御し
ているが、駆動パルスにオフセット電圧を付加すること
により電荷の逆流を防止して疑似２相駆動を行うことも
可能である。

この実施例によっても、先の実施例と同様の効果を得
ることができる。

また実施例では、フレーム蓄積モードを説明したが、
本発明の装置はフィールド蓄積モードの動作も可能であ
る。即ち、感光部配列の垂直方向に隣接する２画素分を
第１の垂直CCDで加算して、これを第２の垂直CCDの第１
のチャネルに転送し、次に感光部配列の1/2ピッチずれ
た画素の組合せの加算結果を第２の垂直CCDの第２のチ
ャネルに転送する、という動作を行うことができる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、一時メモリ領域の
第２の垂直CCDを２チャネルとしたFIT−CCDであって、
その２チャネルを独立駆動できるように構成して、１フ
ィールド期間に全画素の信号電荷読み出しを可能とした
ものを実現することができる。しかも第２の垂直CCDの
転送電極構成を工夫することにより、配線を複雑にする
ことなく、画素の高集積化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例のFIT−CCDにお
ける第２の垂直CCD部の概略構成と拡大した電極構成を
示す図、第２図はそのFIT−CCDの全体構成を示す図、第
３図はその第２の垂直CCDへの信号電荷転送の動作を説
明するための電圧波形図、第４図はその１周期の動作電
圧波形を示す図、第５図は同じく信号電荷転送の様子を
示す図、第６図は第１の垂直CCDと第２の垂直CCDの結合
部の構成を示す図、第７図および第８図はその結合部で
の信号電荷振分けの動作を説明するための電圧波形図、
第９図は第２の垂直CCDと水平CCDの結合部の構成を示す
図、第10図はその結合部での信号電荷転送の動作を説明
するための電圧波形図、第11図（ａ）（ｂ）は他の実施
例の垂直CCDの構成と動作電圧波形を示す図、第12図は
その信号電荷転送の様子を示す図である。１……フォドイオード（感光部）、２……第１の垂直CC
D、４……切換えゲート手段、６……受光部、、７……
第２の垂直CCD、５−Ａ……第１のチャネル、５−Ｂ…
…第２のチャネル、８……水平CCD、９……出力部、φ
_M1……第１の転送電極、φ_MA2,φ_MB2……第２の転送電
極、φ_M3……第３の転送電極、φ_MA4,φ_MB4……第４の
転送電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田望神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭60−41374（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−127275（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−136873（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にマトリクス状に配列形成さ
れた感光部と、この感光部配列に沿って前記基板上に配
列形成されて感光部の信号電荷を読み出す複数列の第１
の垂直CCDと、この第１の垂直CCDの出力端部に隣接して
前記基板上に形成されて第１の垂直CCDの信号電荷を一
時記憶する，前記第１の垂直CCDの１チャネルに対して
それぞれ第１および第２のチャネルを有する複数列の第
２の垂直CCDと、この第２の垂直CCDと前記感光部の間の
前記基板上に形成されて、前記第１の垂直CCDの信号電
荷を第１の期間は第２の垂直CCDの第１チャネルに、第
２の期間は第２のチャネルに転送する手段と、前記第２
の垂直CCDの出力端部に隣接して前記基板上に形成され
た，第２の垂直CCDに転送された信号電荷を読み出す水
平CCDとを備え、前記第２の垂直CCDの転送電極は、転送
方向に第１〜第４の転送電極の繰返し配列により構成さ
れ、第１の転送電極は第1,第２のチャネルに共通に、第
２の転送電極は第1,第２のチャネルで別々に、第３の転
送電極は第1,第２のチャネルに共通に、第４の転送電極
は第1,第２のチャネルで別々に配設したことを特徴とす
る固体撮像装置。
【請求項２】前記第２の垂直CCDは、４相駆動で動作さ
せるものである特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装
置。
【請求項３】前記第２の垂直CCDは、２相駆動で動作さ
せるものである特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装
置。
【請求項４】前記水平CCDは、前記第２の垂直CCDの第1,
第２のチャネルの信号電荷を並列に読み出す２チャネル
を有する特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。