JP3990487B2 - 固体撮像デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送デバイスを用いた固体撮像デバイスに係り、特に水平電荷転送領域を多重チャネル化して電荷転送効率及びダイナミック・レンジを広めた固体撮像デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体撮像デバイスは、光電変換素子と電荷転送デバイスを用いて被写体からの光信号を電気的信号として出力する装置のことである。電荷転送デバイスは、光電変換素子ＰＤで生成された信号電荷を基板内で電位の変動を利用して特定方向に転送する。固体撮像デバイスは、複数個の光電変換領域ＰＤと、その光電変換領域間に構成され、光電変換領域で生成された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送領域ＶＣＣＤと、垂直電荷転送領域により垂直方向に転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送領域ＨＣＣＤと、水平転送された電荷を検出して増幅し、周辺回路へ出力する出力部とで構成される。
【０００３】
以下、添付図面を参照して従来の技術の固体撮像デバイスについて説明する。
図１は、一般的な固体撮像デバイスの出力端のレイアウト図である。図１は垂直電荷転送領域と水平電荷転送領域のインタフェース部分を示すもので、その構成について説明する。
光に関する映像信号を電気的信号に変換する複数の光電変換領域１がマトリックス状に配置されている。図においてはその最後の一部のみを示している。光電変換領域１の縦列（図面上）の間に光電変換領域１から生成された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送領域２が配置されている。この垂直電荷転送領域２上には第１、第２ポリゲート３ａ、３ｂが繰り返し配置されている。さらに、垂直電荷転送領域２を介して転送された映像電荷を水平方向に転送する水平電荷転送領域４が垂直電荷転送領域からインタフェース領域を介して連結されて設けられている。
【０００４】
垂直電荷転送領域２と水平電荷転送領域４のインタフェース領域には第１、第２ポリゲート３ａ、３ｂ（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のクロックが交互に印加される）が交互に繰り返して形成されている。さらに、水平電荷転送領域４上にも第１、第２ポリゲート３ａ、３ｂ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のクロックが交互に印加される）が繰り返し形成される。そして、水平電荷転送領域４の端部、すなわち出力部には転送された映像電荷を検出して周辺回路へ増幅出力するセンスアンプ５が配置されている。光電変換領域１で生成され、垂直電荷転送領域２、水平電荷転送領域４を通して転送された映像電荷は、センスアンプ５を介して周辺回路へ出力される。周辺回路へ出力された映像信号は多数の信号処理過程を経る。
【０００５】
上記信号処理過程を経る映像信号のレベルは、光電変換領域１の電荷の生成、蓄積能力に基づいて決定される。また、垂直電荷転送領域２、水平電荷転送領域４の電荷転送能力とセンスアンプ５のセンシング能力に基づいて決定されることもある。しかし、出力される映像信号は、そのレベルのまま出力されず、映像信号処理段階でテレビなどの映像表示装置に対応できるレベルに制限されて出力される。テレビの映像信号レベルは、同期信号のピーク値と輝度信号の差を１．０Ｖｐ−ｐとする。輝度信号は７１４ｍＶ以内に制限されており、７１４ｍＶ以上の輝度信号レベルはクリッピングされる。したがって、光電変換領域１で生成された信号電荷が７１４ｍＶ以上の値を有していても、周辺回路へ転送され、信号処理過程を経ると、７１４ｍＶにクリッピングされるため、７１４ｍＶ以上の信号は全て７１４ｍＶの同じ信号レベルを有するようになる。このため、画面上では同じ映像に見える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の技術の固体撮像デバイスは、周辺回路での映像信号処理過程で映像信号のダイナミック・レンジを調節して画面表示装置（テレビ等の）に出力しているが、これは以下の問題点があった。
光電変換領域で生成された信号電荷が７１４ｍＶ以上の値をもっていても、周辺回路に転送されて信号処理過程を経ると、７１４ｍＶにクリッピングされるため、もともと７１４ｍＶである部分と同じ信号レベルを有するようになる。このため、画面上では同じ映像に見える。これは、飽和状態の映像の画面占有率を増加させる。
本発明は、上記の従来の技術の固体撮像デバイスの問題点を解決するためになされたもので、その目的は、撮像動作での入射光量に基づいて映像信号を処理し、ダイナミック・レンジを広くした固体撮像デバイスを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
映像信号処理段階でクリッピングされる部分が無いように入射光量のレベルに基づいて出力される映像電荷を映像電荷を減少或いはそのまま出力できるようにした本発明の固体撮像デバイスは、複数の光電変換領域と、その光電変換領域で生成された映像電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送領域と、垂直電荷転送領域から転送されてきた映像電荷のレベルに基づいて１つのチャネル又は２つのチャンネルに映像電荷を分離して水平方向に転送する水平電荷転送領域と、水平電荷転送領域のいずれか１つのチャネルを介して転送された映像電荷だけを検出し、他の１つチャネルを介して転送された電荷を検出せずにドレインへ導く出力部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明実施形態の固体撮像デバイスについて説明する。
図２は、本実施形態の固体撮像デバイスの出力端のレイアウト図であり、図３は図２のＩ−Ｉ’線上の構造断面図である。本固体撮像デバイスは、水平電荷転送領域を多重チャネル化して電荷転送効率及びダイナミック・レンジを向上させたものである。
従来同様、光に関する映像信号を電気的信号に変換する複数の光電変換領域２０が設けられ、光電変換領域２０の縦の列（図面上）の間に、光電変換領域２０から生成された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送領域２１が形成されている。同様に垂直電荷転送領域の端部にこれと直角方向に電荷を転送する、すなわち直電荷転送領域２１を介して転送された映像電荷を水平方向に転送する水平電荷転送領域が形成されている。本実施形態においては、この水平電荷転送領域は、平行に配置された２つ、すなわち第１、第２水平電荷転送領域２３ａ、２３ｂとして形成されている。この水平電荷転送領域の第１、第２の２つの部分はポテンシャルレベルが異なるように形成されている。本実施形態では第２水平電荷転送領域の部分２３ｂが高くなっている。
【０００９】
水平電荷転送領域の両部分の間には、チャネルストップ領域２５とチャネル領域２６が対として繰り返し形成され、その上側にバリヤゲート２４が形成されている（図３参照）。この対とされたチャネルストップ領域２５とチャネル領域２６とは１列の垂直転送領域に対応している。このチャネルストップ領域２５はそれを通して電荷が移動しないように予めポテンシャルレベルを高くしてあるが、チャネル領域２６は２つの水平転送領域部分のいずれかのポテンシャルと同じポテンシャルレベルとされている。
垂直電荷転送領域２１上に電荷を転送するための第１、第２ポリゲート２２ａ、２２ｂ（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のクロックが交互に印加される）が繰り返し配置されているとともに、垂直電荷転送領域２１と水平電荷転送領域との間にも従来同様第１、第２ポリゲートが繰り返し配置されている。また、水平電荷転送領域にも同様に第１、第２ポリゲート２２ａ，２２ｂ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のクロックが交互に印加される）が配置されている。
【００１０】
第１、第２ポリゲート２２ａ、２２ｂのいずれか１つの下側の水平電荷転送領域には映像電荷の移動を円滑にするためのバリヤイオン注入層（図示せず）が構成される。バリヤゲート２４の下側に形成させたチャネルストップ領域２５は、第２水平電荷転送領域２３ｂへ転送された電荷が再び第１水平電荷転送領域２３ａに移らないようにするために形成されている。そして、チャネルストップ領域２５の間に形成されているチャネル領域２６は第１水平電荷転送領域２３ａから第２水平電荷転送領域２３ｂへ電荷を移動させるために形成されている。第１、第２水平電荷転送領域２３ａ、２３ｂの端部には転送された映像電荷を検出して周辺回路へ増幅出力する出力部が構成される。第１水平電荷転送領域２３ａと第２水平電荷転送領域２３ｂのポテンシャルレベルを逆にして２つの水平電荷転送領域の機能を逆にしてもよい。
【００１１】
上記のような本発明の固体撮像デバイスの水平電荷転送領域の部分を中心とした断面構造について図３に基づいて説明する。
半導体基板に形成されたｐ型ウェル２７領域内に形成されたＢＣＣＤ領域２８（垂直電荷転送領域２１、第１、２水平電荷転送領域２３ａ、２３ｂを含む）と、光電変換領域２０と、絶縁層２９によりそれぞれ絶縁され、ＢＣＣＤ領域２８上に構成される第１、第２ポリゲート２２ａ、２２ｂと、第１、第２水平電荷転送領域２３ａ、２３ｂ上に構成される第１、第２ポリゲート２２ａ、２２ｂの下側に構成されるバリヤゲート２４とを備えている。垂直電荷転送領域２１に構成される第１、第２ポリゲート２２ａ、２２ｂのうちいずれか１つは光電変換領域２０に一部がオーバーラップされて構成される。
【００１２】
上記の本固体撮像デバイスの電荷転送動作について説明する。
図４は、入射光量に基づく電荷転送プロファイルを示す図で、低照度及び中照度の光が光電変換領域２０に入射されるときは、生成された電荷が第１水平電荷転送領域２３ａを介して出力部にそのまま出力される。すなわち、第２水平電荷転送領域２３ｂに電荷が転送されず、第１水平電荷転送領域２３ａだけを介して転送される。しかし、高照度の光が光電変換領域２０に入射すると、垂直電荷転送領域２１を介して第１水平電荷転送領域２３ａへ転送された電荷が、第１水平電荷転送領域２３ａに一定量だけ残り、残りは第２水平電荷転送領域２３ｂに転送される。第２水平電荷転送領域２３ｂを介して出力部に転送された電荷は検出されず、そのままリセットドレーン領域に導かれる。
すなわち、本実施形態においては、第１水平電荷転送領域２３ａと第２水平電荷転送領域２３ｂとではそのポテンシャルレベルを低、中照度の電荷のポテンシャルレベルでは第２水平電荷転送領域２３ｂに入り込まない程度の差を設けている。いうまでもなくこの第１水平電荷転送領域２３ａから第２水平電荷転送領域２３ｂへの電荷の移動はチャネル領域２６を通して行われ、チャネルストップ領域２５では電荷の移動はない。すなわち、チャネルストップ領域２５は第２水平電荷転送領域２３ｂへ送られた電荷が第１水平電荷転送領域に戻るのを防止している。また、チャネル領域のポテンシャルレベルは第１水平電荷転送領域２３ａに合わせても第２水平電荷転送領域２３ｂに合わせても良い。いずれにしても、垂直電荷転送領域から水平電荷転送領域へ電荷を転送した後はバリヤゲート２４へローレベルの電圧を加えてチャネル領域２６のポテンシャルレベルを上げ、バリヤを形成させて水平電荷転送領域の２つの部分を完全に分離させる。
【００１３】
上記のような本発明の固体撮像デバイスの電荷転送動作についてより詳細に説明する。
図５、図６は電荷転送動作のクロックタイミング図及びそれに従うポテンシャルプロファイルである。
ｔ＝１からｔ＝９までは、バリヤゲート２４にハイのクロックが印加された状態である。その場合、水平電荷転送領域の２つの部分の間にバリヤが形成されない。したがって、光電変換領域２０から生成された電荷が、垂直電荷転送領域２１を介して水平電荷転送領域に転送されると、その水平電荷転送領域に転送された電荷は、第１水平電荷転送領域２３ａと第２水平電荷転送領域２３ｂのポテンシャルの差により、その値が小さい場合（低照度、中照度）には第１水平電荷転送領域２３ａにのみ詰められ、その値が大きい場合（高照度）には第１水平電荷転送領域２３ａに一定量が詰められ、残りは第２水平電荷転送領域２３ｂに移動する。この状態でバリヤゲート２４にローのクロックが印加されると、水平電荷転送領域の中央部にバリヤが形成され、水平電荷転送領域が２つのチャネルに分離される。
【００１４】
すなわち、高照度の場合は、電荷が第１水平電荷転送領域２３ａと第２水平電荷転送領域２３ｂとに分けられ、ｔ＝１０のあとは、それらが別々に水平電荷転送領域上のゲートに印加されるハイのクロック信号に基づいて出力部に転送させられ、第１水平電荷転送領域２３ａを介して転送された電荷は検出されて周辺回路に出力され、第２水平電荷転送領域２３ｂを介して転送された電荷は検出されず、そのままリセットドレーン領域にドレーンされる。この第２水平電荷転送領域２３ｂを介して検出されずにそのままドレーンされた電荷は、生成された電荷全体の一部であるが、これはもともと映像信号処理過程でクリッピングされる信号であるため、信号の損失は無い。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように本発明の固体撮像デバイスは、低・中照度時には信号電荷をそのまま出力し、高照度では、映像信号処理中にクリッピングされるであろう電荷をリセットドレイン領域へ排出し、映像処理の時にクリッピングされないので、使用者に提供される映像の画質を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な固体撮像デバイスの出力端のレイアウト図。
【図２】 本発明の固体撮像デバイスの出力端のレイアウト図。
【図３】 図２のＩ−Ｉ’線上の構造断面図。
【図４】 入射光量に基づく電荷転送プロファイル。
【図５】 電荷転送動作のクロックタイミング図
【図６】 電荷転送動作のクロックタイミングによるポテンシャルプロファイル。
【符号の説明】
２０ 光電変換領域
２１ 垂直電荷転送領域
２２ａ 第１ポリゲート
２２ｂ 第２ポリゲート
２３ａ 第１水平電荷転送領域
２３ｂ 第２水平電荷転送領域
２４ バリヤゲート
２５ チャネルストップ領域
２６ チャネル領域
２７ ｐ型ウェル
２８ ＢＣＣＤ領域
２９ 絶縁層

Claims (6)

1. 複数の光電変換領域と、
   その光電変換領域で生成された映像電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送領域と、
   ポテンシャルレベルの異なる２つに分けられた部分からなり、前記垂直電荷転送領域から転送された前記映像電荷を、照度に応じて持つポテンシャルレベルに基づいて水平方向に一つの部分で転送するかまたは２つの部分で転送する水平電荷転送領域と、
   前記水平電荷転送領域のいずれか１つの部分を介して転送された映像電荷だけを検出し、他の１つの部分を介して転送された電荷を検出せずにドレインへ導く出力部と、
   前記水平電荷転送領域の前記２つの部分の間に前記水平電荷転送領域に平行に所定の幅で形成されたバリヤゲートと、
   を有することを特徴とする固体撮像デバイス。
2. 前記バリヤゲートを形成させた下側の２つの部分の間の所定の幅の領域内に予めポテンシャルレベルを高くし、電荷が通ることができないチャネルストップ領域を一定の間隔で形成させ、その間をチャネル領域としたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像デバイス。
3. 前記バリヤゲートには、垂直電荷転送領域から水平電荷転送領域に映像電荷が転送されている間にハイのクロック信号が印加され、水平電荷転送領域への電荷転送が終わると、ローのクロック信号が印加されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像デバイス。
4. 前記バリヤゲートにローのクロック信号が印加されると、その下側のチャネル領域にもバリヤが形成され、水平電荷転送領域が２つの部分に分離されることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像デバイス。
5. 前記バリヤゲートの下の前記チャネル領域は前記バリヤゲートにローのクロック信号が印加されるまでは前記水平電荷転送領域の２つの部分のいずれか１つのポテンシャルレベルと等しくされていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像デバイス。
6. 前記垂直転送された映像電荷が、前記低照度及び中照度の信号である場合には前記水平電荷転送領域の２つの部分のうちセンシングされるチャネルだけを利用して電荷を転送し、前記高照度の信号である場合にはセンシングされる部分に一定量の映像電荷をおき、残りはセンシングされない他の部分に電荷を移動させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像デバイス。

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