JP3557102B2 - インターライン転送型固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷結合素子（ＣＣＤ）などにて形成した固体撮像装置に関し、特に、スチル画像の撮像に適したインターライン転送型固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤなどの固体撮像装置を用いて高解像度のスチル画像を得るには、インターライン転送型固体撮像装置を用いる場合、光学的シャッタと組み合わせる方法が知られている。これを、図５に示す。
【０００３】
図５において、（ａ）〜（ｅ）は、各々、インターライン転送型ＣＣＤの２画素分を模式的に表しており、（ａ）〜（ｅ）で時間経過を示している。また、１ａは奇数番目の受光部、１ｂは偶数番目の受光部、２は垂直転送部であり、図示のように、２つの受光部が垂直転送部１ビットに対応する。
【０００４】
光学的シャッタで必要な露光が完了後、シャッタを閉じた直後の状態を（ａ）とし、これ以降、（ｅ）までの間、シャッタは閉じた状態を保つとする。（ａ）では、全受光部に信号電荷（黒丸で示す）が蓄積している。次いで、（ｂ）では、奇数番目の受光部１ａの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。その後、（ｃ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、奇数番目の受光部１ａに対応する第１フィールドの画像信号を得る。次いで、（ｄ）では、残りの偶数番目の受光部１ｂの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。その後、（ｅ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、偶数番目の受光部１ｂに対応する第２フィールドの画像信号を得る。
【０００５】
図６は、図５に模式的に示した画素部を、平面パターン例で示した図である。ここで、破線は下側電極、実線は上側電極を示し、また、斜線ハッチング部５はチャネル阻止領域、ドット部４は表面チャネル領域を示す。また、１ａ、１ｂ、２は、それぞれ、奇数番目受光部、偶数番目受光部、垂直転送部を表しており、図５の同じ記号と対応している。画素部は、全体が低濃度Ｐ層の上に形成されている。受光部１ａ、１ｂ（ＰＤ）には、一般に埋め込み型フォトダイオード構造が採用され、表面は高濃度のＰ＋層であり、その下層に信号電荷（電子）の蓄積層となるＮ層が、低濃度Ｐ層の上に形成されている。また、垂直転送部２（ＶＣＣＤ）は、通常埋め込みチャネル型であり、上記低濃度Ｐ層の上の表面Ｎ層により形成されている。下側電極には、クロックφＶ２、φＶ４が印加され、上側電極には、クロックφＶ１、φＶ３が印加される。
【０００６】
図６の動作を、図７にタイミングチャートで示す。露光期間が終わり、光学的シャッタが閉じた時点をｔ０ とする。期間ｔ１ では、垂直転送部を高速で駆動し、垂直転送部内の不要電荷を排出する。時刻ｔ２ では、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図５の（ｂ）に相当する。次いで、期間ｔ４ では、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、奇数番目の受光部に対応する第１フィールドの信号を得る。これは、図５の（ｃ）に相当する。その後、時刻ｔ５ で、偶数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図５の（ｄ）に相当する。最後に、期間ｔ７ で、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、偶数番目の受光部に対応する第２フィールドの信号を得る。これは、図５の（ｅ）に相当する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５〜７に示した従来の構成では次の問題が生じる。
【０００８】
受光部１ａ、１ｂ等は、最近では縦型オーバーフロードレイン構造が採用されるのが一般的である。すなわち、図８（ａ）に示すように、高濃度Ｐ＋層１３、信号電荷蓄積のＮ層１２、低濃度Ｐ層１１の下に、低濃度Ｎ基板１０が設けられている。このため、図８（ｂ）にポテンシャル分布で示すように、過大光などにより信号電荷が大量に発生し、信号電荷蓄積層１２に流入すると、蓄積可能な量を越えた過剰分はＮ基板側へオーバーフローさせることが可能となる。これは、信号電荷に対してＮ基板１０がドレインとなる一方、低濃度Ｐ層１１がポテンシャルバリアを形成するため、ある飽和値Ｑｓａｔまでは信号電荷を蓄積し、それ以上の信号電荷を基板側へ排出することができるからである。
【０００９】
しかしながら、この縦型オーバーフロードレイン構造を光学的シャッタと組み合わせる時、以下の問題が発生する。図７に示すように、光学的シャッタが閉じる時ｔ０ を起点として、信号電荷蓄積層１２に蓄積可能な量Ｑｓａｔを考える。この時、受光部では信号電荷の発生は無いから、Ｑｓａｔは熱放出効果により減少し続ける。この関係は次式で表される（Ｃ．Ｈ．Ｓｅｑｕｉｎ ａｎｄ Ｍ．Ｆ．Ｔｏｍｐｓｅｔｔ著、武石、香山訳、「電荷転送デバイス」、ｐ．８５、近代科学社、１９７８年）。
【００１０】
Ｑ（ｔ）＝Ｑ０ −Ｃ・ｋＴ・ｌｎ［１＋（ｔ−ｔ０ ）／τ］・・・（式１）
ここで、Ｃは電荷蓄積層容量、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、τは電荷蓄積層の構造で決まる時定数である。実測例では、次のような値となる。
【００１１】
Ｃ・ｋＴ／Ｑ０ ≒０．０５、（ｔ−ｔ０ ）／τ≒１〜５００・・・（式２）
したがって、Ｑ（ｔ）／Ｑ０ ≒０〜０．３ 程度となり、Ｑ（ｔ）は初期値の７０％程度まで低下することになる。
【００１２】
（式１）を図に示すと図９のようになる。したがって、図７のタイミングの場合、奇数番目受光部に対応する第１フィールドのＱｓａｔは、ｔ２ −ｔ０ ＝Ｔａ より、Ｑａ となるが、偶数番目受光部に対応する第２フィールドのＱｓａｔは、ｔ５ −ｔ０ ＝Ｔｂ よりＱｂ となり、Ｔｂ ≫Ｔａ だから、第２フィールドの飽和信号が大幅に低下する。高解像度のスチル画像を得るには、第１フィールドと第２フィールドの２つの画像信号により構成する必要があるが、両者間で飽和信号に大きな差があると、画像全体の飽和信号は低い方で制約されるから、ダイナミックレンジが大きく低下してしまうという重大な問題となる。
【００１３】
本発明は、以上の問題点に鑑み考案されたものであり、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得る方法において、第１フィールドの飽和信号に比べ、第２フィールドでの飽和信号の低下を引き起こさない、構造及び駆動法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、水平及び垂直方向に配列された複数の受光部と、該受光部の各垂直列に隣接して配列された垂直転送部とを有し、奇数行目（または、偶数行目）の受光部からは第１フィールドに対応する画像信号を読み出し、偶数行目（または、奇数行目）の受光部からは第２フィールドに対応する画像信号を読み出す、インターライン転送型固体撮像装置において、
次のステップで読み出し動作を行う、すなわち、
▲１▼一定期間露光した後、全受光部を遮光状態にする、
▲２▼奇数行目（または、偶数行目）の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出す、
▲３▼偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配する、
▲４▼垂直転送部内にある奇数行目（または、偶数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
▲５▼奇数行目及び偶数行目の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出し、▲３▼により分配された信号電荷同士を垂直転送部内で加算し、元の偶数行目（または、奇数行目）の受光部信号電荷とする、
▲６▼垂直転送部内にある偶数行目（または、奇数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
ことを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、受光部は、信号電荷蓄積層と基板との間にポテンシャルバリア層が形成され、過剰になった信号電荷を基板へ排出する、縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、受光部は、信号電荷蓄積層の表面に信号電荷蓄積層と逆の導電型で高濃度の表面電位固定層が設けられて成ることを特徴とする。
【００１７】
第４の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に、信号電荷転送チャネルを形成したことを特徴とする。
【００１８】
第５の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に下側電極層を形成し、下側電極層の一部は垂直転送部まで延在され、かつ垂直転送部の一部を覆い、下側電極層の下には偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間にチャネルを形成すると共に、下側電極層の下で奇数行目及び偶数行目の受光部と垂直転送部との間はチャネル阻止層を形成し、下側電極層に読み出し信号を印加することにより、偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配することを特徴とする。
【００１９】
第６の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、各受光部と垂直転送部との間、及び垂直転送部の一部を覆う上側電極層を形成し、上側電極層の下で各受光部とそれに対応する垂直転送部との間にはチャネルを形成すると共に、対応しない反対側の垂直転送部との間にはチャネル阻止層を形成し、上側電極層に読み出し信号を印加することにより、各受光部から対応する垂直転送部へ信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るインターライン転送型固体撮像装置においては、一定期間、露光した後、全受光部を遮光状態にしてからの信号読み出しを、次のようにしている。
【００２１】
第１フィールドに対応する奇数行目（または、偶数行目）受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出した直後に、空になった奇数行目（または、偶数行目）受光部へ偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷の半分程度を移動させる。これにより、偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷蓄積容量は見かけ上、２倍に増大する。したがって、この後、第１フィールドに対応する垂直転送部内の信号読み出しを時間をかけて行い、その後に、偶数行目（または、奇数行目）受光部信号電荷を垂直転送部へ読み出した場合、特に、縦型オーバーフロードレイン構造で、埋め込みフォトダイオード型の場合、熱放出効果により、偶数行目（または、奇数行目）受光部の飽和信号量が低下しても、容量が奇数行目（または、偶数行目）受光部の飽和信号量より２倍の余裕があるため、現実に問題となることは無い。
【００２２】
また、本発明では、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間にチャネルを形成すると共に、下側電極層の下で、奇数行目及び偶数行目の受光部と垂直転送部との間はチャネル阻止層を形成しているため、下側電極層に読み出し信号を印加すれば、空になった奇数行目（または、偶数行目）受光部へ偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷の半分程度を移動させることが可能となる。
【００２３】
更に、本発明では、上側電極層の下で、各受光部とそれに対応する垂直転送部との間にはチャネルを形成すると共に、対応しない反対側の垂直転送部との間にはチャネル阻止層を形成しているため、上側電極層に読み出し信号を印加すれば、奇数行目受光部と偶数行目受光部とに分配された偶数行目（または、奇数行目）受光部信号電荷は、それぞれの受光部から対応する垂直転送部へ読み出され、更に、垂直転送部内で対応する信号電荷同士が加算され、第２フィールドに対応する信号電荷が得られる。
【００２４】
以上、本発明により、飽和信号量の低下を招くことなく、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得ることが可能となるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
図１は、本発明によるインターライン転送型固体撮像装置の例を２画素での動作で示した図である。ここで、（ａ）〜（ｆ）で時間経過を示しており、１ａは奇数番目の受光部、１ｂは偶数番目の受光部、２は垂直転送部である。
【００２７】
光学的シャッタで必要な露光が完了後、シャッタを閉じた直後の状態を（ａ）とし、これ以降、（ｆ）までの間、シャッタは閉じた状態を保つとする。（ａ）では、全受光部に信号電荷（黒丸で示す）が蓄積している。次いで、（ｂ）では、奇数番目の受光部１ａの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。更に、（ｃ）では、本発明の特徴である、偶数番目受光部１ｂから奇数番目受光部１ａへの一部信号電荷の移動が行われる。
【００２８】
その後、（ｄ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、奇数番目の受光部１ａに対応する第１フィールドの画像信号を得る。次いで、（ｅ）では、奇数番目受光部１ａと偶数番目受光部１ｂとに分配された偶数番目受光部信号電荷は、共に、垂直転送部２へ読み出され、引き続き垂直転送部内で対応する信号電荷同士が加算される。最後に、（ｆ）では、垂直転送部に読み出し加算された、偶数番目の受光部１ｂに対応する信号電荷を順次読み出し、第２フィールドの画像信号を得る。
【００２９】
図２は、図１に模式的に示した画素部を、平面パターン例で示した図である。ここで、破線は下側電極、実線は上側電極を示し、また、斜線ハッチング部５はチャネル阻止領域、ドット部３及び４は表面チャネル領域を示す。また、１ａ、１ｂ、２は、それぞれ、奇数番目受光部、偶数番目受光部、垂直転送部を表しており、図１の同じ記号と対応している。画素部は、全体が低濃度Ｐ層の上に形成されている。受光部１ａ、１ｂ（ＰＤ）には、一般に埋め込み型フォトダイオード構造が採用され、表面は高濃度のＰ＋層であり、その下層に信号電荷（電子）の蓄積層となるＮ層が、低濃度Ｐ層の上に形成されている。また、垂直転送部２（ＶＣＣＤ）は、通常埋め込みチャネル型であり、上記低濃度Ｐ層の上の表面Ｎ層により形成されている。下側電極には、クロックφＶ２、φＶ４が印加され、上側電極には、クロックφＶ１、φＶ３が印加される。図２では、図６に比べ、奇数番目受光部１ａと、偶数番目受光部１ｂとの間に表面チャネル領域３が形成されている点が異なる。
【００３０】
図２の動作を、図３にタイミングチャートで示す。露光期間が終わり、光学的シャッタが閉じた時点をｔ０ とする。期間ｔ１ では、垂直転送部を高速で駆動し、垂直転送部内の不要電荷を排出する。時刻ｔ２ では、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図１の（ｂ）に相当する。次いで、時刻ｔ２ の直後の時刻ｔ３ で、空になった奇数番目受光部へ、偶数番目受光部の信号電荷量の約１／２を移す。これは、図１の（ｃ）に相当する。その後の、期間ｔ４ では、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、奇数番目の受光部に対応する第１フィールドの信号を得る。これは、図１の（ｄ）に相当する。その後、時刻ｔ５ で、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出し、垂直転送部内で１／２ビット転送した後、更に引き続き、時刻ｔ６ で偶数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出し、前記奇数番目受光部の信号電荷と加算する。これにより、元々の偶数番目受光部の全信号電荷が復元される。これは、図１の（ｅ）に相当する。最後に、期間ｔ７ で、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、偶数番目の受光部に対応する第２フィールドの信号を得る。これは、図１の（ｆ）に相当する。
【００３１】
図３に示すように、光学的シャッタが閉じる時点ｔ０ を起点として、信号電荷蓄積層１２に蓄積可能な量Ｑｓａｔを考える。この時、受光部では信号電荷の発生は無いから、Ｑｓａｔは熱放出効果により減少し続ける。奇数番目受光部の信号電荷量は、図９に示した従来の場合と同じになるが、偶数番目受光部の信号電荷量は、２つの受光部で分配する時刻ｔ３ 以降は、従来の２倍となる。したがって、Ｑｓａｔの関係は図４のようになる。したがって、図３のタイミングの場合、奇数番目受光部に対応する第１フィールドのＱｓａｔは、ｔ２ −ｔ０ ＝Ｔａ よりＱａ となるが、偶数番目受光部に対応する第２フィールドのＱｓａｔは、ｔ３ −ｔ０ ＝Ｔｂ より得られるＱｂ と、ｔ６ −ｔ０ ＝Ｔｃ より得られる２Ｑｃ との低い方で制約される。
【００３２】
前記（式１）及び（式２）の説明で述べたように、一般には、Ｑ（ｔ）／Ｑ０ ≒０〜０．３程度となるから、Ｔｃ ≫Ｔａ ≒Ｔｂ であっても、２Ｑｃ ＞Ｑｂ ≒Ｑａ となる。即ち、偶数番目受光部の飽和信号量は奇数番目受光部の飽和信号量より大きくなり、従来見られた飽和信号量の低下は起こらない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のインターライン転送型固体撮像装置によれば、光学的シャッタを組み合わせ、高解像度のスチル画像信号を得る方法において、第１フィールドの飽和信号に比べ第２フィールドでの飽和信号の低下を引き起こすことがないものである。すなわち、本発明により、飽和信号量の低下を招くことなく、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得ることが可能となるものである。また、その方法は、従来の受光部の構造において、チャネル阻止層の形状を一部変更することと、読み出しタイミングを一部変更するのみで可能であり、実現は極めて容易である。以上により、本発明の実用上の効果は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）乃至（ｆ）は、本発明によるインターライン転送型固体撮像装置の一実施形態を、２画素分の動作により摸式的に示した図である。
【図２】図１に模式的に示した画素部を平面パターン例で示した図である。
【図３】図１に示す本発明のインターライン転送型固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示す本発明のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部における飽和信号量の、熱放出により低下する関係を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｅ）は、従来のインターライン転送型固体撮像装置の例を、２画素分の動作により摸式的に示した図である。
【図６】図５に模式的に示した画素部を平面パターン例で示した図である。
【図７】図５に示す従来のインターライン転送型固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、埋め込み型フォトダイオードで縦型オーバーフロードレイン構造の、断面図及びポテンシャル分布図である。
【図９】図５に示す従来のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部における飽和信号量の、熱放出により低下する関係を示す図である。
【符号の説明】
１ａ 奇数番目受光部
１ｂ 偶数番目受光部
２ 垂直転送部
３ 奇数番目受光部と偶数番目受光部との間の表面チャネル領域
４ 受光部と垂直転送部との間の表面チャネル領域
５ チャネル阻止領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷結合素子（ＣＣＤ）などにて形成した固体撮像装置に関し、特に、スチル画像の撮像に適したインターライン転送型固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤなどの固体撮像装置を用いて高解像度のスチル画像を得るには、インターライン転送型固体撮像装置を用いる場合、光学的シャッタと組み合わせる方法が知られている。これを、図５に示す。
【０００３】
図５において、（ａ）〜（ｅ）は、各々、インターライン転送型ＣＣＤの２画素分を模式的に表しており、（ａ）〜（ｅ）で時間経過を示している。また、１ａは奇数番目の受光部、１ｂは偶数番目の受光部、２は垂直転送部であり、図示のように、２つの受光部が垂直転送部１ビットに対応する。
【０００４】
光学的シャッタで必要な露光が完了後、シャッタを閉じた直後の状態を（ａ）とし、これ以降、（ｅ）までの間、シャッタは閉じた状態を保つとする。（ａ）では、全受光部に信号電荷（黒丸で示す）が蓄積している。次いで、（ｂ）では、奇数番目の受光部１ａの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。その後、（ｃ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、奇数番目の受光部１ａに対応する第１フィールドの画像信号を得る。次いで、（ｄ）では、残りの偶数番目の受光部１ｂの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。その後、（ｅ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、偶数番目の受光部１ｂに対応する第２フィールドの画像信号を得る。
【０００５】
図６は、図５に模式的に示した画素部を、平面パターン例で示した図である。ここで、破線は下側電極、実線は上側電極を示し、また、斜線ハッチング部５はチャネル阻止領域、ドット部４は表面チャネル領域を示す。また、１ａ、１ｂ、２は、それぞれ、奇数番目受光部、偶数番目受光部、垂直転送部を表しており、図５の同じ記号と対応している。画素部は、全体が低濃度Ｐ層の上に形成されている。受光部１ａ、１ｂ（ＰＤ）には、一般に埋め込み型フォトダイオード構造が採用され、表面は高濃度のＰ＋層であり、その下層に信号電荷（電子）の蓄積層となるＮ層が、低濃度Ｐ層の上に形成されている。また、垂直転送部２（ＶＣＣＤ）は、通常埋め込みチャネル型であり、上記低濃度Ｐ層の上の表面Ｎ層により形成されている。下側電極には、クロックφＶ２、φＶ４が印加され、上側電極には、クロックφＶ１、φＶ３が印加される。
【０００６】
図６の動作を、図７にタイミングチャートで示す。露光期間が終わり、光学的シャッタが閉じた時点をｔ０ とする。期間ｔ１ では、垂直転送部を高速で駆動し、垂直転送部内の不要電荷を排出する。時刻ｔ２ では、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図５の（ｂ）に相当する。次いで、期間ｔ４ では、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、奇数番目の受光部に対応する第１フィールドの信号を得る。これは、図５の（ｃ）に相当する。その後、時刻ｔ５ で、偶数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図５の（ｄ）に相当する。最後に、期間ｔ７ で、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、偶数番目の受光部に対応する第２フィールドの信号を得る。これは、図５の（ｅ）に相当する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５〜７に示した従来の構成では次の問題が生じる。
【０００８】
受光部１ａ、１ｂ等は、最近では縦型オーバーフロードレイン構造が採用されるのが一般的である。すなわち、図８（ａ）に示すように、高濃度Ｐ＋層１３、信号電荷蓄積のＮ層１２、低濃度Ｐ層１１の下に、低濃度Ｎ基板１０が設けられている。このため、図８（ｂ）にポテンシャル分布で示すように、過大光などにより信号電荷が大量に発生し、信号電荷蓄積層１２に流入すると、蓄積可能な量を越えた過剰分はＮ基板側へオーバーフローさせることが可能となる。これは、信号電荷に対してＮ基板１０がドレインとなる一方、低濃度Ｐ層１１がポテンシャルバリアを形成するため、ある飽和値Ｑｓａｔまでは信号電荷を蓄積し、それ以上の信号電荷を基板側へ排出することができるからである。
【０００９】
しかしながら、この縦型オーバーフロードレイン構造を光学的シャッタと組み合わせる時、以下の問題が発生する。図７に示すように、光学的シャッタが閉じる時ｔ０ を起点として、信号電荷蓄積層１２に蓄積可能な量Ｑｓａｔを考える。この時、受光部では信号電荷の発生は無いから、Ｑｓａｔは熱放出効果により減少し続ける。この関係は次式で表される（Ｃ．Ｈ．Ｓｅｑｕｉｎ ａｎｄ Ｍ．Ｆ．Ｔｏｍｐｓｅｔｔ著、武石、香山訳、「電荷転送デバイス」、ｐ．８５、近代科学社、１９７８年）。
【００１０】
Ｑ（ｔ）＝Ｑ０ −Ｃ・ｋＴ・ｌｎ［１＋（ｔ−ｔ０ ）／τ］・・・（式１）
ここで、Ｃは電荷蓄積層容量、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、τは電荷蓄積層の構造で決まる時定数である。実測例では、次のような値となる。
【００１１】
Ｃ・ｋＴ／Ｑ０ ≒０．０５、（ｔ−ｔ０ ）／τ≒１〜５００・・・（式２）
したがって、Ｑ（ｔ）／Ｑ０ ≒０〜０．３ 程度となり、Ｑ（ｔ）は初期値の７０％程度まで低下することになる。
【００１２】
（式１）を図に示すと図９のようになる。したがって、図７のタイミングの場合、奇数番目受光部に対応する第１フィールドのＱｓａｔは、ｔ２ −ｔ０ ＝Ｔａ より、Ｑａ となるが、偶数番目受光部に対応する第２フィールドのＱｓａｔは、ｔ５ −ｔ０ ＝Ｔｂ よりＱｂ となり、Ｔｂ ≫Ｔａ だから、第２フィールドの飽和信号が大幅に低下する。高解像度のスチル画像を得るには、第１フィールドと第２フィールドの２つの画像信号により構成する必要があるが、両者間で飽和信号に大きな差があると、画像全体の飽和信号は低い方で制約されるから、ダイナミックレンジが大きく低下してしまうという重大な問題となる。
【００１３】
本発明は、以上の問題点に鑑み考案されたものであり、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得る方法において、第１フィールドの飽和信号に比べ、第２フィールドでの飽和信号の低下を引き起こさない、構造及び駆動法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、水平及び垂直方向に配列された複数の受光部と、該受光部の各垂直列に隣接して配列された垂直転送部とを有し、奇数行目（または、偶数行目）の受光部からは第１フィールドに対応する画像信号を読み出し、偶数行目（または、奇数行目）の受光部からは第２フィールドに対応する画像信号を読み出す、インターライン転送型固体撮像装置において、
次のステップで読み出し動作を行う、すなわち、
▲１▼一定期間露光した後、全受光部を遮光状態にする、
▲２▼奇数行目（または、偶数行目）の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出す、
▲３▼偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配する、
▲４▼垂直転送部内にある奇数行目（または、偶数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
▲５▼奇数行目及び偶数行目の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出し、▲３▼により分配された信号電荷同士を垂直転送部内で加算し、元の偶数行目（または、奇数行目）の受光部信号電荷とする、
▲６▼垂直転送部内にある偶数行目（または、奇数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
ことを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、受光部は、信号電荷蓄積層と基板との間にポテンシャルバリア層が形成され、過剰になった信号電荷を基板へ排出する、縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、受光部は、信号電荷蓄積層の表面に信号電荷蓄積層と逆の導電型で高濃度の表面電位固定層が設けられて成ることを特徴とする。
【００１７】
第４の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に、信号電荷転送チャネルを形成したことを特徴とする。
【００１８】
第５の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に下側電極層を形成し、下側電極層の一部は垂直転送部まで延在され、かつ垂直転送部の一部を覆い、下側電極層の下には偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間にチャネルを形成すると共に、下側電極層の下で奇数行目及び偶数行目の受光部と垂直転送部との間はチャネル阻止層を形成し、下側電極層に読み出し信号を印加することにより、偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配することを特徴とする。
【００１９】
第６の発明に係わるインターライン転送型固体撮像装置においては、各受光部と垂直転送部との間、及び垂直転送部の一部を覆う上側電極層を形成し、上側電極層の下で各受光部とそれに対応する垂直転送部との間にはチャネルを形成すると共に、対応しない反対側の垂直転送部との間にはチャネル阻止層を形成し、上側電極層に読み出し信号を印加することにより、各受光部から対応する垂直転送部へ信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るインターライン転送型固体撮像装置においては、一定期間、露光した後、全受光部を遮光状態にしてからの信号読み出しを、次のようにしている。
【００２１】
第１フィールドに対応する奇数行目（または、偶数行目）受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出した直後に、空になった奇数行目（または、偶数行目）受光部へ偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷の半分程度を移動させる。これにより、偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷蓄積容量は見かけ上、２倍に増大する。したがって、この後、第１フィールドに対応する垂直転送部内の信号読み出しを時間をかけて行い、その後に、偶数行目（または、奇数行目）受光部信号電荷を垂直転送部へ読み出した場合、特に、縦型オーバーフロードレイン構造で、埋め込みフォトダイオード型の場合、熱放出効果により、偶数行目（または、奇数行目）受光部の飽和信号量が低下しても、容量が奇数行目（または、偶数行目）受光部の飽和信号量より２倍の余裕があるため、現実に問題となることは無い。
【００２２】
また、本発明では、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間にチャネルを形成すると共に、下側電極層の下で、奇数行目及び偶数行目の受光部と垂直転送部との間はチャネル阻止層を形成しているため、下側電極層に読み出し信号を印加すれば、空になった奇数行目（または、偶数行目）受光部へ偶数行目（または、奇数行目）受光部の信号電荷の半分程度を移動させることが可能となる。
【００２３】
更に、本発明では、上側電極層の下で、各受光部とそれに対応する垂直転送部との間にはチャネルを形成すると共に、対応しない反対側の垂直転送部との間にはチャネル阻止層を形成しているため、上側電極層に読み出し信号を印加すれば、奇数行目受光部と偶数行目受光部とに分配された偶数行目（または、奇数行目）受光部信号電荷は、それぞれの受光部から対応する垂直転送部へ読み出され、更に、垂直転送部内で対応する信号電荷同士が加算され、第２フィールドに対応する信号電荷が得られる。
【００２４】
以上、本発明により、飽和信号量の低下を招くことなく、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得ることが可能となるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
図１は、本発明によるインターライン転送型固体撮像装置の例を２画素での動作で示した図である。ここで、（ａ）〜（ｆ）で時間経過を示しており、１ａは奇数番目の受光部、１ｂは偶数番目の受光部、２は垂直転送部である。
【００２７】
光学的シャッタで必要な露光が完了後、シャッタを閉じた直後の状態を（ａ）とし、これ以降、（ｆ）までの間、シャッタは閉じた状態を保つとする。（ａ）では、全受光部に信号電荷（黒丸で示す）が蓄積している。次いで、（ｂ）では、奇数番目の受光部１ａの信号電荷を全て垂直転送部２へ読み出す。更に、（ｃ）では、本発明の特徴である、偶数番目受光部１ｂから奇数番目受光部１ａへの一部信号電荷の移動が行われる。
【００２８】
その後、（ｄ）では、垂直転送部２に読み出された信号電荷を順次読み出し、奇数番目の受光部１ａに対応する第１フィールドの画像信号を得る。次いで、（ｅ）では、奇数番目受光部１ａと偶数番目受光部１ｂとに分配された偶数番目受光部信号電荷は、共に、垂直転送部２へ読み出され、引き続き垂直転送部内で対応する信号電荷同士が加算される。最後に、（ｆ）では、垂直転送部に読み出し加算された、偶数番目の受光部１ｂに対応する信号電荷を順次読み出し、第２フィールドの画像信号を得る。
【００２９】
図２は、図１に模式的に示した画素部を、平面パターン例で示した図である。ここで、破線は下側電極、実線は上側電極を示し、また、斜線ハッチング部５はチャネル阻止領域、ドット部３及び４は表面チャネル領域を示す。また、１ａ、１ｂ、２は、それぞれ、奇数番目受光部、偶数番目受光部、垂直転送部を表しており、図１の同じ記号と対応している。画素部は、全体が低濃度Ｐ層の上に形成されている。受光部１ａ、１ｂ（ＰＤ）には、一般に埋め込み型フォトダイオード構造が採用され、表面は高濃度のＰ＋層であり、その下層に信号電荷（電子）の蓄積層となるＮ層が、低濃度Ｐ層の上に形成されている。また、垂直転送部２（ＶＣＣＤ）は、通常埋め込みチャネル型であり、上記低濃度Ｐ層の上の表面Ｎ層により形成されている。下側電極には、クロックφＶ２、φＶ４が印加され、上側電極には、クロックφＶ１、φＶ３が印加される。図２では、図６に比べ、奇数番目受光部１ａと、偶数番目受光部１ｂとの間に表面チャネル領域３が形成されている点が異なる。
【００３０】
図２の動作を、図３にタイミングチャートで示す。露光期間が終わり、光学的シャッタが閉じた時点をｔ０ とする。期間ｔ１ では、垂直転送部を高速で駆動し、垂直転送部内の不要電荷を排出する。時刻ｔ２ では、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出す。これは、図１の（ｂ）に相当する。次いで、時刻ｔ２ の直後の時刻ｔ３ で、空になった奇数番目受光部へ、偶数番目受光部の信号電荷量の約１／２を移す。これは、図１の（ｃ）に相当する。その後の、期間ｔ４ では、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、奇数番目の受光部に対応する第１フィールドの信号を得る。これは、図１の（ｄ）に相当する。その後、時刻ｔ５ で、奇数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出し、垂直転送部内で１／２ビット転送した後、更に引き続き、時刻ｔ６ で偶数番目受光部の信号電荷を垂直転送部へ読み出し、前記奇数番目受光部の信号電荷と加算する。これにより、元々の偶数番目受光部の全信号電荷が復元される。これは、図１の（ｅ）に相当する。最後に、期間ｔ７ で、垂直転送部を通常駆動し、垂直転送部の信号電荷を読み出して、偶数番目の受光部に対応する第２フィールドの信号を得る。これは、図１の（ｆ）に相当する。
【００３１】
図３に示すように、光学的シャッタが閉じる時点ｔ０ を起点として、信号電荷蓄積層１２に蓄積可能な量Ｑｓａｔを考える。この時、受光部では信号電荷の発生は無いから、Ｑｓａｔは熱放出効果により減少し続ける。奇数番目受光部の信号電荷量は、図９に示した従来の場合と同じになるが、偶数番目受光部の信号電荷量は、２つの受光部で分配する時刻ｔ３ 以降は、従来の２倍となる。したがって、Ｑｓａｔの関係は図４のようになる。したがって、図３のタイミングの場合、奇数番目受光部に対応する第１フィールドのＱｓａｔは、ｔ２ −ｔ０ ＝Ｔａ よりＱａ となるが、偶数番目受光部に対応する第２フィールドのＱｓａｔは、ｔ３ −ｔ０ ＝Ｔｂ より得られるＱｂ と、ｔ６ −ｔ０ ＝Ｔｃ より得られる２Ｑｃ との低い方で制約される。
【００３２】
前記（式１）及び（式２）の説明で述べたように、一般には、Ｑ（ｔ）／Ｑ０ ≒０〜０．３程度となるから、Ｔｃ ≫Ｔａ ≒Ｔｂ であっても、２Ｑｃ ＞Ｑｂ ≒Ｑａ となる。即ち、偶数番目受光部の飽和信号量は奇数番目受光部の飽和信号量より大きくなり、従来見られた飽和信号量の低下は起こらない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のインターライン転送型固体撮像装置によれば、光学的シャッタを組み合わせ、高解像度のスチル画像信号を得る方法において、第１フィールドの飽和信号に比べ第２フィールドでの飽和信号の低下を引き起こすことがないものである。すなわち、本発明により、飽和信号量の低下を招くことなく、インターライン転送型固体撮像装置に光学的シャッタを組み合わせ、高解像度の画像信号を得ることが可能となるものである。また、その方法は、従来の受光部の構造において、チャネル阻止層の形状を一部変更することと、読み出しタイミングを一部変更するのみで可能であり、実現は極めて容易である。以上により、本発明の実用上の効果は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）乃至（ｆ）は、本発明によるインターライン転送型固体撮像装置の一実施形態を、２画素分の動作により摸式的に示した図である。
【図２】図１に模式的に示した画素部を平面パターン例で示した図である。
【図３】図１に示す本発明のインターライン転送型固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示す本発明のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部における飽和信号量の、熱放出により低下する関係を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｅ）は、従来のインターライン転送型固体撮像装置の例を、２画素分の動作により摸式的に示した図である。
【図６】図５に模式的に示した画素部を平面パターン例で示した図である。
【図７】図５に示す従来のインターライン転送型固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、埋め込み型フォトダイオードで縦型オーバーフロードレイン構造の、断面図及びポテンシャル分布図である。
【図９】図５に示す従来のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部における飽和信号量の、熱放出により低下する関係を示す図である。
【符号の説明】
１ａ 奇数番目受光部
１ｂ 偶数番目受光部
２ 垂直転送部
３ 奇数番目受光部と偶数番目受光部との間の表面チャネル領域
４ 受光部と垂直転送部との間の表面チャネル領域
５ チャネル阻止領域
Claims (6)
- 水平及び垂直方向に配列された複数の受光部と、該受光部の各垂直列に隣接して配列された垂直転送部とを有し、奇数行目（または、偶数行目）の受光部からは第１フィールドに対応する画像信号を読み出し、偶数行目（または、奇数行目）の受光部からは第２フィールドに対応する画像信号を読み出す、インターライン転送型固体撮像装置において、
次のステップで読み出し動作を行う、すなわち、
▲１▼一定期間露光した後、全受光部を遮光状態にする、
▲２▼奇数行目（または、偶数行目）の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出す、
▲３▼偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配する、
▲４▼垂直転送部内にある奇数行目（または、偶数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
▲５▼奇数行目及び偶数行目の受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出し、▲３▼により分配された信号電荷同士を垂直転送部内で加算し、元の偶数行目（または、奇数行目）の受光部信号電荷とする、
▲６▼垂直転送部内にある偶数行目（または、奇数行目）受光部からの信号電荷を、転送動作により読み出す、
ことを特徴とする、
インターライン転送型固体撮像装置。 - 請求項１に記載のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部は、信号電荷蓄積層と基板との間にポテンシャルバリア層が形成され、過剰になった信号電荷を基板へ排出する、縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする、インターライン転送型固体撮像装置。
- 請求項２に記載のインターライン転送型固体撮像装置において、受光部は、信号電荷蓄積層の表面に信号電荷蓄積層と逆の導電型で高濃度の表面電位固定層が設けられて成ることを特徴とする、インターライン転送型固体撮像装置。
- 請求項１、２または３に記載のインターライン転送型固体撮像装置において、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に、信号電荷転送チャネルを形成したことを特徴とするインターライン転送型固体撮像装置。
- 請求項４に記載のインターライン転送型固体撮像装置において、偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間に下側電極層を形成し、下側電極層の一部は垂直転送部まで延在され、かつ垂直転送部の一部を覆い、下側電極層の下には偶数行目（または、奇数行目）の受光部と上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部との間にチャネルを形成すると共に、下側電極層の下で奇数行目及び偶数行目の受光部と垂直転送部との間はチャネル阻止層を形成し、下側電極層に読み出し信号を印加することにより、偶数行目（または、奇数行目）の受光部から上下の１方向に隣接する奇数行目（または、偶数行目）の受光部へ信号電荷の一部を分配することを特徴とするインターライン転送型固体撮像装置。
- 請求項５に記載のインターライン転送型固体撮像装置において、各受光部と垂直転送部との間、及び垂直転送部の一部を覆う上側電極層を形成し、上側電極層の下で各受光部とそれに対応する垂直転送部との間にはチャネルを形成すると共に、対応しない反対側の垂直転送部との間にはチャネル阻止層を形成し、上側電極層に読み出し信号を印加することにより、各受光部から対応する垂直転送部へ信号電荷を読み出すことを特徴とするインターライン転送型固体撮像装置。
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