JP2862540B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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、テレビジョンカメラや電子スチルカメラ等
に使用される固体撮像装置に係わり、特に残像特性を改
善した固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 現在、固体撮像装置は、テレビジョンカメラや電子ス
チルカメラ等に広く使用されている。この固体撮像装置
は、第10図に示す如く半導体基板81,受光蓄積部となる
ｎ型層83,電荷転送部となるｎ型層84,信号読出しゲート
85,電荷読出し部87,絶縁層88,画素電極89,引出し電極9
0,光電変換膜91及び透明電極92等から構成されている。
光電変換膜91に入射した光は光電変換され、画素電極89
及び引出し電極90を通り、電荷として受光蓄積部83に蓄
積される。そして、ゲート85及び電荷転送部87からなる
電荷読出し手段により、ｎ型層84側に読出され転送され
ていく。

電荷転送の様子を第11図に示す。受光蓄積部83に蓄積
された電荷は、電荷読出し手段を通り、垂直方向の電荷
転送部（垂直レジスタ部）84に読出され、更に水平方向
の電荷転送部（水平レジスタ部）93へ転送される。そし
て、電荷検出部94に転送され出力されることになる。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問
題があった。即ち、光電変換膜内で光電変換された電荷
は膜内に存在するトラップ準位に捕獲され、ある時間を
おいて放出されるため、固体撮像装置における残像特性
を悪くする問題があった。また、残像を減らすため、受
光蓄積部にバイアス電荷を注入する方法もあるが、この
方法では受光蓄積部の下に縦型のオーバフロードレイン
（VDD）構造を形成し、ここからバイアス電荷の排出を
行っている。従って、各受光蓄積部の下の電位のバラツ
キにより排出される電荷量にバラツキが生じ、これが画
像上のキズ，固定パターンノイズになる問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、光電変換膜内に存在するトラップ準
位により、残像特性が悪くなる問題があり、また残像を
減らすために受光蓄積部にバイアス電荷を注入すると、
該電荷を排出する際の電荷量のバラツキにより画像上の
キズ，固定パターンノイズが発生する等の問題があっ
た。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、光電変換膜内のトラップ準位に起
因する残像特性の低下を抑えることができ、且つ画像上
のキズ及び固定パターンノイズの発生を防止することが
でき、良好な残像特性を持ち不要なノイズ発生のない固
体撮像装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、電荷蓄積部にバイアス電荷を注入す
ることにより残像特性を改善し、且つ電荷排出手段の改
良により余分なバイアス電荷を排出する時に発生する固
定パターンノイズをなくすことにある。

即ち本発明は、半導体基板上に２次元状に配置された
複数の受光蓄積部と、該受光蓄積部に隣接して縦列状に
配置された垂直レジスタ部と、該垂直レジスタ部の端に
接続して横列状に配置された水平レジスタ部と、前記受
光蓄積部と垂直レジスタ部との間に配置され各受光蓄積
部に蓄積された信号電荷を垂直レジスタ側に読出す電荷
読出しゲートと、前記各受光蓄積部にバイアス電荷を注
入する電荷注入手段と、注入されたバイアス電荷のうち
の余分な電荷を排出する電荷排出手段とを具備した固体
撮像装置において、前記電荷排出手段は、前記バイアス
電荷のうちの余分な電荷を前記受光蓄積部から前記電荷
読出しゲートを通して前記垂直レジスタ部内に読出した
後、前記垂直レジスタ部下の前記半導体基板に排出する
ものであることを特徴とする。

また本発明は、半導体基板上に２次元状に配置された
複数の受光蓄積部と、該受光蓄積部に隣接して配置され
た信号電荷一時蓄積部と、前記受光蓄積部と信号電荷一
時蓄積部との間に配置され各受光蓄積部に蓄積された信
号電荷を信号電荷一時蓄積部に読出す電荷読出しゲート
と前記各受光蓄積部にバイアス電荷を注入する電荷注入
手段と、注入されたバイアス電荷のうちの余分な電荷を
排出する電荷排出手段とを具備した固体撮像装置におい
て、前記電荷排出手段は、前記バイアス電荷のうちの余
分な電荷を前記受光蓄積部から前記電荷読出しゲートを
通して前記信号電荷一時蓄積部内に読出した後、前記信
号電荷一時蓄積部に隣接したドレイン部に排出するもの
であることを特徴とする。

（作 用） 本発明によれば、受光蓄積部にバイアス電荷を注入す
ることで、残像特性を改善することができる。さらに、
余分なバイアス電荷を排出するときに、電荷読出し手段
と同じゲートを用いているので、電荷排出時に生じる画
像上のキズ，固定パターンノイズをなくすことができ
る。従って、余分なバイアス電荷の排出の動作を簡単に
行うことが可能となる。

また、バイアス電荷の注入にバイアス光を用いるので
はなく、ソース部から受光蓄積部へゲートを通して電荷
を注入することにより、バイアス光の光源を不要とし、
システム全体の簡素化及び小型化をはかることも可能と
なる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の第１の実施例に
係わる固体撮像装置を説明するためのもので、第１図は
要部構成を示す断面図、第２図は全体構成を示す平面図
である。図中11はｎ型半導体基板であり、この基板11上
には薄いｐ型ウェル12が形成されている。ウェル12の表
面には、受光蓄積部として作用するｎ型層13が２次元状
に配列され、更にこれらのｎ型層13に隣接して電荷転送
部として作用するｎ型層（垂直レジスタ部）14が縦列状
に配列されている。垂直レジスタ部14上にはｎ型層13の
電荷をｎ型層14に読出すための読出しゲート15がそれぞ
れ配置されており、各ゲート15間には垂直方向に電荷を
転送するための転送ゲート16配置されている。ここで、
ゲート15はｎ型層14の上からｎ型層13の端部まで延在し
ている。そして、ｎ型層13,14間が電荷読出し部17とな
る。

ｐウェル12及びゲート15,16上には絶縁膜18を介して
画素電極19が設けられており、この画素電極19は引出し
電極20を介して受光蓄積部13に接続されている。画素電
極19上にはアモルファスSi等の光電変換膜21が形成さ
れ、更に光電変換膜21上にはITO等の透明電極22が形成
されている。一方、第２図に示す如く前記垂直レジスタ
部14の端部には、該レジスタ部14の電荷が転送される水
平レジスタ部23が横列方向に設けられている。そして、
水平レジスタ部23の電荷が電荷検出部24により検出され
て出力されるものとなっている。

このような構成において、透明電極22を通過した光は
光電変換膜21内で光電変換され、画素電極19及び引出し
電極20を通り受光蓄積部13内に電荷として蓄積される。
この電荷が信号電荷であれば、まず電荷読出し部17を通
して垂直レジスタ部14に転送され、更に水平レジスタ23
に転送される。次いで、バイアス光を入射することによ
り、光電変換膜21内のトラップ準位を電荷で満たす。こ
のとき発生した余分なバイアス電荷は、画素電極19,引
出し電極20を通り、受光蓄積部13内に蓄積される。この
電荷を信号読出しに使った電荷読出し部17を通して垂直
レジスタ部14に読出す。そして、垂直レジスタ部14にお
けるゲート電極15に印加する電圧を“L"にすることで、
電荷を垂直レジスタ部14の下の半導体基板11内に排出す
る。

この方法では、受光蓄積部13内に蓄積される余分なバ
イアス電荷及び他の部分からの注入電荷を効果的に排出
することができるので、画像上のキズをなくすことが可
能となる。第１図の矢視Ａ−Ａ′断面における電位分布
を第３図に示す。図中実線はゲート電極15に“H"の電圧
を印加した場合の電位分布であり、破線は“L"の電圧を
印加した場合の電位分布である。これにより、垂直レジ
スタ部14に読出された余分なバイアス電荷が、ゲート電
極15に印加する電圧を“L"にすることで垂直レジスタ部
14の下の半導体基板11内に完全に排出される様子が理解
できる。そしてこの場合、信号読出しゲート15（電荷読
出し部17）を通して余分なバイアス電荷を排出している
ので、各素子間でゲート電位にバラツキがあっても、そ
の後に受光蓄積部13に蓄積される信号電荷の量は、残っ
たバイアス電荷量には関係なく入射光量に比例したもの
となる。従って、画像のキズ及び固定パターンノイズの
発生を抑制することができる。

また、第４図に示す如く電荷のストレージ部25を有す
るような固体撮像装置においては、受光蓄積部13に蓄積
された信号電荷は電荷読出し部17を通り垂直レジスタ部
14に読出され、高速転送されてストレージ部25に保持さ
れる。なお、この電荷は水平レジスタ部23により電荷検
出部24に転送されて出力されることになる。次いで、受
光蓄積部13に蓄積されたバイアス電荷は、電荷読出し部
17を通り垂直レジスタ部14に読出され、ゲート電極15に
印加される電圧を“L"にすることで半導体基板11内に排
出される。この場合、バイアス電荷の排出において、垂
直レジスタ部14を使用し高速転送して排出する必要がな
く、簡単な駆動方法で行うことができる。

さらに、余分なバイアス電荷の排出方法として、第５
図に示す如く、垂直レジスタ部14に隣接してドレイン部
31及び排出用ゲート32を配置し、垂直レジスタ部14に読
出された電荷をゲート32を介してドレイン部31に排出す
ることも可能である。

なお、電荷の排出方法としては、受光蓄積部13の下に
縦型のオーバフロードレイン（VDD）構造を形成し、こ
こから電荷の排出を行うことも考えられるが、この場合
は各受光蓄積部13下の電位のバラツキにより排出される
電荷量にバラツキがあるため、固定パターンノイズが発
生してしまう。本実施例では、信号電荷と余分な電荷が
同じ電荷読出し部17を通して読出されるようにしている
ので、各受光蓄積部13におけるバラツキが相殺され、固
定パターンノイズの発生がないのである。

かくして本実施例によれば、受光蓄積部にバイアス電
荷を注入することにより、光電変換膜内のトラップ準位
に起因する残像特性の劣化を防止でき、良好な残像特性
を得ることができる。また、余分なバイアス電荷を信号
電荷と同じゲートを通して排出しているので、受光蓄積
部のバラツキを相殺することができ、固定パターンノイ
ズの発生を未然に防止することができる。従って、画質
を損うことなく残像特性を改善することができ、テレビ
ジョンカメラや電子スチルカメラ等に用いて絶大なる効
果を発揮する。

第６図及び第７図は本発明の第２の実施例に係わる固
体撮像装置を説明するためのもので、第６図は要部構成
を示す断面図、第７図は全体構成を示す平面図である。
なお、第１図及び第２図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、バイ
アス電荷の注入にバイアス光を用いる代わりに、基板中
に設けたバイアス注入用ソース及びバイアス注入用ゲー
トを用いることにある。即ち、前記受光蓄積部13に隣接
してｐウェル12の表面にバイアス注入用ソース部61が縦
列方向に設けられており、このソース部61と受光蓄積部
13との間にはバイアス注入用ゲート62が設けられてい
る。

この装置では、信号電荷を蓄積している期間において
は、ゲート62,15は閉じられており、画素部に入射した
光は光電変換され、信号電荷として受光蓄積部13に蓄積
される。この蓄積された信号電荷はゲート15を開けるこ
とにより垂直レジスタ部14に読出され、垂直レジスタ部
14を水平レジスタ部23へと転送され、更に水平レジスタ
部23を電荷検出部24へと送られていく。このとき、ゲー
ト15を開けることによって信号電荷を垂直レジスタ部14
に読出すが、この読出しが終わった後ゲート15を閉じ、
しかるのちにゲート62を開けることによって、ソース部
61からゲート62を通して受光蓄積部13にバイアス電荷を
注入する。また、余分なバイアス電荷は先の実施例の同
様に、ゲート15を介して垂直レジスタ部14から半導体基
板11内に排出される。

かくして本実施例によれば、先の実施例と同様に受光
蓄積部にバイアス電荷を注入することができ、さらに余
分な電荷を信号読出しゲートを通して排出することがで
きる。従って、先の実施例と同様な効果が得られる。ま
た本実施例では、バイアス光を用いる代わりに基板に設
けたソース部からバイアス電荷を直接的に注入している
ので、バイアス光のための光源が不要となり、装置構成
の簡略化及び小型化をはかることができる。

第８図及び第９図は第２の実施例の変形例を説明する
ための平面図である。第８図では電荷注入のためのソー
ス部71を垂直レジスタ部14の上端部に配置し、ソース部
71と垂直レジスタ部14との間に第１ゲート72を配置し、
垂直レジスタ部14と画素との間に電荷読出しゲート15
（電荷読出し部17上に配置されている）とは別に第２ゲ
ート73を配置したものである。この場合、信号電荷を蓄
積している期間においてはゲート15,72,73は閉じられて
おり、画素部に入射した光は光電変換され、信号電荷と
して受光蓄積部13に蓄積される。この蓄積された信号電
荷はゲート15を開けることにより垂直レジスタ部14に読
出され、ストレージ部25に高速に転送される。次に、信
号電荷は水平レジスタ部23に転送され、水平レジスタ部
23を電荷検出部24へと転送されていく。このとき、ゲー
ト15を開けることによって信号電荷を垂直レジスタ部14
へ読出し、この読出しが終わった後にゲート15を閉じ、
垂直レジスタ部14の電荷をストレージ部25へ高速に転送
するわけだが、この信号電荷の高速転送が終わった後、
ゲート72を開けることで注入電荷を垂直レジスタ部14に
注入し、各垂直レジスタ部14に隣接する縦列状の画素部
に注入する電荷を垂直レジスタ部14内に高速で転送す
る。次に、ゲート73を開けることによって、垂直レジス
タ部14に蓄積されている電荷を受光蓄積部13内に注入す
ることができる。なお、受光蓄積部13への電荷注入は、
蓄積部に蓄えられた信号電荷が水平レジスタ部を通して
全て検出し終わるまでの間に完了させる。

第９図では、電荷注入のためのソース部81を垂直レジ
スタ部14の上端部に配置し、縦方向に配列している各画
素部の間にゲート82を配置したものである。信号電荷を
蓄積している期間においてはゲート15,82は閉じられて
おり、画素部に入射した光は光電変換され、信号電荷と
して受光蓄積部13に蓄積される。この蓄積された信号電
荷はゲート15を開けることにより、垂直レジスタ部14に
読出され、垂直レジスタ部14を水平レジスタ部23へと転
送され、更に水平レジスタ部23を電荷検出部24へと転送
される。このとき、ゲート15を開けることによって、信
号電荷を垂直レジスタ部14へ読出すが、この読出しが終
わった後ゲート15を閉じ、しかる後にゲート82を開ける
ことによって、ソース部81よりバイアス電荷は受光蓄積
部13に注入され、縦方向に各受光蓄積部13を通して順々
に電荷を注入することができる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。例えば、受光蓄積部は必ずしも２
次元状に配置されたものに限らず、１列に配置されたも
のであってもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、バイアス電荷を
注入することにより残像特性を改善し、且つ余分なバイ
アス電荷を排出する時に発生する画像のキズ，固定パタ
ーンノイズをなくすことができる。このため、光電変換
膜内のトラップ準位に起因する残像特性の低下を抑える
ことができ、良好な残像特性を持つノイズ発生の少ない
固体撮像装置を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はそれぞれ本発明の第１の実施例に係
わる固体撮像装置を説明するためのもので、第１図は要
部構成を示す断面図、第２図は全体構成を示す平面図、
第３図は電位分布を示す模式図、第４図及び第５図は上
記実施例の変形例を示す平面図、第６図及び第７図はそ
れぞれ本発明の第２の実施例に係わる固体撮像装置を説
明するためのもので、第６図は要部構成を示す断面図、
第７図は全体構成を示す平面図、第８図及び第９図は上
記第２の実施例の変形例を示す平面図、第10図及び第11
図はそれぞれ従来の問題点を説明するための図である。 11……半導体基板、12……ｐ型ウェル、13……ｎ型層
（受光蓄積部）、14……ｎ型層（垂直レジスタ部）、15
……信号読出しゲート,16……転送ゲート、17……電荷
読出し部、18……絶縁層、19……画素電極、20……引出
し電極、21……光電変換膜、22……透明電極、23……水
平レジスタ部、24……電荷検出部、25……ストレージ
部、61,71,81……バイアス注入用ソース部、62,72,73,8
2……バイアス注入用ゲート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−49787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−294977（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−193372（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−19474（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−80763（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−198677（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−70871（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−88364（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 5/335

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に２次元状に配置された複数
   の受光蓄積部と、該受光蓄積部に隣接して縦列状に配置
   された垂直レジスタ部と、該垂直レジスタ部の端に接続
   して横列状に配置された水平レジスタ部と、前記受光蓄
   積部と垂直レジスタ部との間に配置され各受光蓄積部に
   蓄積された信号電荷を垂直レジスタ側に読出す電荷読出
   しゲートと、前記各受光蓄積部にバイアス電荷を注入す
   る電荷注入手段と、注入されたバイアス電荷のうちの余
   分な電荷を排出する電荷排出手段とを具備してなり、 前記電荷排出手段は、前記バイアス電荷のうちの余分な
   電荷を前記受光蓄積部から前記電荷読出しゲートを通し
   て前記垂直レジスタ部内に読出した後、前記垂直レジス
   タ部下の前記半導体基板に排出するものであることを特
   徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】半導体基板上に２次元状に配置された複数
   の受光蓄積部と、該受光蓄積部に隣接して配置された信
   号電荷一時蓄積部と、前記受光蓄積部と信号電荷一時蓄
   積部との間に配置され各受光蓄積部に蓄積された信号電
   荷を信号電荷一時蓄積部に読出す電荷読出しゲートと、
   前記各受光蓄積部にバイアス電荷を注入する電荷注入手
   段と、注入されたバイアス電荷のうちの余分な電荷を排
   出する電荷排出手段とを具備してなり、 前記電荷排出手段は、前記バイアス電荷のうちの余分な
   電荷を前記受光蓄積部から前記電荷読出しゲートを通し
   て前記信号電荷一時蓄積部内に読出した後、前記信号電
   荷一時蓄積部に隣接したドレイン部に排出するものであ
   ることを特徴とする固体撮像装置。