JP5150283B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。
固体撮像装置として、ＣＭＯＳ技術を用いたものが知られており、その中でもパッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ: Passive Pixel Sensor）方式のものが知られている（特許文献１を参照）。ＰＰＳ方式の固体撮像装置は、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含むＰＰＳ型の画素部がＭ行Ｎ列に２次元配列されていて、各画素部において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷を、積分回路において容量素子に蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力するものである。
一般に、各列のＭ個の画素部それぞれの出力端は、その列に対応して設けられている読出用配線を介して、その列に対応して設けられている積分回路の入力端と接続されている。そして、第１行から第Ｍ行まで順次に行毎に、画素部のフォトダイオードで発生した電荷は、対応する読出用配線を通って、対応する積分回路に入力されて、その積分回路から電荷量に応じた電圧値が出力される。
また、各行のＮ個の画素部それぞれは、その行に対応して設けられている行選択用配線を介して行選択部と接続されていて、この行選択部から行選択用配線により伝えられる行選択制御信号に従って、フォトダイオードで発生した電荷を読出用配線へ出力する。
ＰＰＳ方式の固体撮像装置は、様々な用途で用いられ、例えば、シンチレータパネルと組み合わされてＸ線フラットパネルとして医療用途や工業用途でも用いられ、更に具体的にはＸ線ＣＴ装置やマイクロフォーカスＸ線検査装置等においても用いられる（特許文献２を参照）。このような用途で用いられる固体撮像装置は、Ｍ×Ｎ個の画素部が２次元配列される受光部が大面積であり、各辺の長さが１０ｃｍを超える大きさの半導体基板に集積化される場合がある。したがって、１枚の半導体ウェハから１個の固体撮像装置しか製造され得ない場合がある。
特開２００６−２３４５５７号公報 特開２００１−０２７６７３号公報
上記のような固体撮像装置において、何れかの列に対応する読出用配線が製造途中で断線した場合、その列のＭ個の画素部のうち、積分回路に対し断線位置より近いところにある画素部は読出用配線により積分回路と接続されているが、積分回路に対し断線位置より遠いところにある画素部は積分回路と接続されていない。したがって、積分回路に対し断線位置より遠いところにある画素部において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、積分回路へ読み出されることがなく、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方である。
同様に、何れかの行に対応する行選択用配線が製造途中で断線した場合、その行のＮ個の画素部のうち、行選択部に対し断線位置より近いところにある画素部は行選択用配線により行選択部と接続されているが、行選択部に対し断線位置より遠いところにある画素部は行選択部と接続されていない。したがって、行選択部に対し断線位置より遠いところにある画素部において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、積分回路へ読み出されることがなく、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方である。
フォトダイオードの接合容量部に蓄積される電荷の量が飽和レベルを越えると、飽和レベルを越えた分の電荷が隣の画素部へ溢れ出す。したがって、１本の読出用配線が断線すると、その影響は、その読出用配線と接続された列の画素部に及ぶだけでなく、両隣の列の画素部にも及び、結局、連続した３列の画素部について欠陥ラインが生じることになる。同様に、１本の行選択用配線が断線すると、その影響は、その行選択用配線と接続された行の画素部に及ぶだけでなく、両隣の行の画素部にも及び、結局、連続した３行の画素部について欠陥ラインが生じることになる。
欠陥ラインが連続しておらず、１本の欠陥ラインの両隣が正常ラインであれば、これら両隣の正常ラインの各画素データを用いて欠陥ラインの画素データを補間することも可能である。しかし、連続した３行または３列の画素部について欠陥ラインが生じた場合には、上記のような補間をすることが困難である。特に、上述したように大面積の受光部を有する固体撮像装置は、読出用配線および行選択用配線それぞれが長いことから断線が生じる確率が高くなる。
特許文献１には、このような問題点を解消することを意図した発明が提案されている。この発明では、欠陥ラインの隣にある隣接ラインの全画素データの平均値を求めるとともに、更に隣にある正常な数ライン分の全画素データの平均値をも求め、これら２つの平均値の差が一定値以上であれば隣接ラインも欠陥であると判定して、該隣接ラインの画素データを補正し、さらに、該隣接ラインの画素データの補正後の値に基づいて欠陥ラインの画素データを補正する。
特許文献１に記載された発明では、欠陥であると判定された隣接ラインの画素データの補正の際には、該隣接ラインに対して両側の直近の正常ライン上の２つの画素データの平均値を求め、その平均値を該隣接ラインの画素データとする。また、欠陥ラインの画素データの補正の際には、該欠陥ラインに対して両側の隣接ライン上の２つの画素データの平均値を求め、その平均値を該欠陥ラインの画素データとする。
しかし、特許文献１に記載された発明では、欠陥ライン（および、欠陥ラインの近傍にある欠陥と判定されたライン）の画素データを補正するために、２つの画素データの平均を求めるという処理を複数回繰り返すことになるので、補正後の画像において欠陥ライン近傍では解像度が低くなる。
また、特許文献２にも、上記の問題点を解消することを意図した発明が提案されている。この発明では、欠陥ライン上の画素部で飽和した電荷が隣の正常ライン上の画素部へ流入することを防止するために、画素部間の領域にダミー用フォトダイオードが形成されていて、欠陥ライン上の画素部で飽和した電荷をダミー用フォトダイオードで捉えて排出する。しかし、特許文献２に記載された発明では、正常ライン上の画素部への電荷の流入を充分には抑制することができず、それ故、得られる画像において欠陥ライン近傍では解像度が低くなる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線している場合にも解像度が高い画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードと接続された読出用スイッチと、を各々含むＭ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列された受光部を備える。そして、本発明に係る固体撮像装置では、(1) 各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるフォトダイオードが、第１導電型の第１半導体領域上に第２導電型の第２半導体領域が設けられて形成され、(2) 受光部における画素部間の領域に、第１半導体領域より不純物濃度が高い第１導電型の第３半導体領域からなるチャネルストッパが連続して形成され、(3) Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２×２個の画素部が周囲の４方向に存在する画素部間の領域において、第１半導体領域上に第２導電型の第４半導体領域が設けられてダミー用フォトダイオードが離散的に形成され、各々のダミー用フォトダイオードがチャネルストッパにより３６０°囲まれている、ことを特徴とする。ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の各整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。また、第１導電型および第２導電型のうち一方はＰ型であり他方はＮ型である。
また、本発明に係る固体撮像装置では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２個の画素部により挟まれる領域において、第１半導体領域上に第２導電型の第５半導体領域が設けられてダミー用フォトダイオードが離散的に形成され、各々のダミー用フォトダイオードがチャネルストッパにより３６０°囲まれているのも好適である。
固体撮像装置では、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線して欠陥ラインが生じている場合、その欠陥ライン上の画素部では、光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、読み出されることがなく、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方である。フォトダイオードの接合容量部に蓄積される電荷の量が飽和レベルを越えると、飽和レベルを越えた分の電荷が当該画素部の外へ溢れ出す。しかし、本発明に係る固体撮像装置では、画素部間の領域においてチャネルストッパにより囲まれてダミー用フォトダイオードが形成されていることにより、画素部から溢れ出た電荷は、このダミー用フォトダイオードにより捉えられて排出される。これにより、この画素部の隣にある画素部へ電荷が流入することが抑制され、Ｓ／Ｎ比の低下が抑制される。したがって、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線している場合にも解像度が高い画像を得ることができる。
一般に各画素部は略正方形の領域を占めていて、その略正方形領域の殆どの部分がフォトダイオードの領域であり、また、その略正方形領域の一つの角部に読出用スイッチとしての電界効果トランジスタが形成されている。フォトダイオードの略正方形領域の角部では、電界強度が高いので、電荷が溢れ出し易い。また、この読出用スイッチが設けられている領域付近では、不要電荷が発生し易い。そこで、本発明では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域においてダミー用フォトダイオードが形成されていることで、フォトダイオードの略正方形領域の角部で発生した電荷は、ダミー用フォトダイオードにより効率的に排出され得る。
また、本発明に係るＸ線ＣＴ装置は、(1) 被写体に向けてＸ線を出力するＸ線出力部と、(2)Ｘ線出力部から出力されて被写体を経て到達したＸ線を受光し撮像する上記の本発明に係る固体撮像装置と、(3) Ｘ線出力部および固体撮像装置を被写体に対して相対移動させる移動手段と、(4) 固体撮像装置から出力されるフレームデータを入力し、そのフレームデータに基づいて被写体の断層画像を生成する画像解析部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線している場合にも解像度が高い画像を得ることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置１は、受光部１０、信号読出部２０および制御部３０を備える。また、Ｘ線フラットパネルとして用いられる場合、固体撮像装置１の受光面１０の上にシンチレータパネルが重ねられる。
受光部１０は、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列されたものである。画素部Ｐｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。ここで、Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の各整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。各画素部Ｐｍ,ｎは、ＰＰＳ方式のものであって、共通の構成を有している。
第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれは、第ｍ行選択用配線ＬＶ,ｍにより制御部３０と接続されている。第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ１,ｎ〜ＰＭ,ｎそれぞれの出力端は、第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎにより、信号読出部２０に含まれる積分回路Ｓｎと接続されている。
信号読出部２０は、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮおよびＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮを含む。各積分回路Ｓｎは共通の構成を有している。また、各保持回路Ｈｎは共通の構成を有している。
各積分回路Ｓｎは、読出用配線ＬＯ,ｎと接続された入力端を有し、この入力端に入力された電荷を蓄積して、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端から保持回路Ｈｎへ出力する。Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれは、放電用配線ＬＲにより制御部３０と接続されている。
各保持回路Ｈｎは、積分回路Ｓｎの出力端と接続された入力端を有し、この入力端に入力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力端から出力用配線Ｌoutへ出力する。Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれは、保持用配線ＬＨにより制御部３０と接続されている。また、各保持回路Ｈｎは、第ｎ列選択用配線ＬＨ,ｎにより制御部３０と接続されている。
制御部３０は、第ｍ行選択制御信号Vsel(m)を第ｍ行選択用配線ＬＶ,ｍへ出力して、この第ｍ行選択制御信号Vsel(m)を第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに与える。Ｍ個の行選択制御信号Vsel(1)〜Vsel(M)は順次に有意値とされる。制御部３０は、Ｍ個の行選択制御信号Vsel(1)〜Vsel(M)を順次に有意値として出力するためにシフトレジスタを含む。
制御部３０は、第ｎ列選択制御信号Hsel(n)を第ｎ列選択用配線ＬＨ,ｎへ出力して、この第ｎ列選択制御信号Hsel(n)を保持回路Ｈｎに与える。Ｎ個の列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)も順次に有意値とされる。制御部３０は、Ｎ個の列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)を順次に有意値として出力するためにシフトレジスタを含む。
また、制御部３０は、放電制御信号Resetを放電用配線ＬＲへ出力して、この放電制御信号ResetをＮ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれに与える。制御部３０は、保持制御信号Holdを保持用配線ＬＨへ出力して、この保持制御信号HoldをＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに与える。
制御部３０は、以上のように、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を制御するとともに、信号読出部２０における電圧値の保持動作および出力動作を制御する。これにより、制御部３０は、受光部１０におけるＭ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値をフレームデータとして信号読出部２０から繰り返し出力させる。
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐｍ,ｎ，積分回路Ｓｎおよび保持回路Ｈｎそれぞれの回路図である。ここでは、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎを代表して画素部Ｐｍ,ｎの回路図を示し、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮを代表して積分回路Ｓｎの回路図を示し、また、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮを代表して保持回路Ｈｎの回路図を示す。すなわち、第ｍ行第ｎ列の画素部Ｐｍ,ｎおよび第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎに関連する回路部分を示す。
画素部Ｐｍ,ｎは、フォトダイオードＰＤおよび読出用スイッチＳＷ１を含む。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地され、フォトダイオードＰＤのカソード端子は読出用スイッチＳＷ１を介して第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎと接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光強度に応じた量の電荷を発生し、その発生した電荷を接合容量部に蓄積する。読出用スイッチＳＷ１は、制御部３０から第ｍ行選択用配線ＬＶ,ｍを通った第ｍ行選択制御信号が与えられる。第ｍ行選択制御信号は、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を指示するものである。
この画素部Ｐｍ,ｎでは、第ｍ行選択制御信号Vsel(m)がローレベルであるときに、読出用スイッチＳＷ１が開いて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎへ出力されることなく、接合容量部に蓄積される。一方、第ｍ行選択制御信号Vsel(m)がハイレベルであるときに、読出用スイッチＳＷ１が閉じて、それまでフォトダイオードＰＤで発生して接合容量部に蓄積されていた電荷は、読出用スイッチＳＷ１を経て、第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎへ出力される。
第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎは、受光部１０における第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ１,ｎ〜ＰＭ,ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１と接続されている。第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎは、Ｍ個の画素部Ｐ１,ｎ〜ＰＭ,ｎのうちの何れかの画素部に含まれるフォトダイオードＰＤで発生した電荷を、該画素部に含まれる読出用スイッチＳＷ１を介して読み出して、積分回路Ｓｎへ転送する。
積分回路Ｓｎは、アンプＡ２，積分用容量素子Ｃ２および放電用スイッチＳＷ２を含む。積分用容量素子Ｃ２および放電用スイッチＳＷ２は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ２の入力端子と出力端子との間に設けられている。アンプＡ２の入力端子は、第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎと接続されている。放電用スイッチＳＷ２は、制御部３０から放電用配線ＬＲを経た放電制御信号Resetが与えられる。放電制御信号Resetは、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれに含まれる放電用スイッチＳＷ２の開閉動作を指示するものである。
この積分回路Ｓｎでは、放電制御信号Resetがハイレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ２が閉じて、積分用容量素子Ｃ２が放電され、積分回路Ｓｎから出力される電圧値が初期化される。放電制御信号Resetがローレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ２が開いて、入力端に入力された電荷が積分用容量素子Ｃ２に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路Ｓｎから出力される。
保持回路Ｈｎは、入力用スイッチＳＷ３１，出力用スイッチＳＷ３２および保持用容量素子Ｃ３を含む。保持用容量素子Ｃ３の一端は接地されている。保持用容量素子Ｃ３の他端は、入力用スイッチＳＷ３１を介して積分回路Ｓｎの出力端と接続され、出力用スイッチＳＷ３２を介して電圧出力用配線Ｌoutと接続されている。入力用スイッチＳＷ３１は、制御部３０から保持用配線ＬＨを通った保持制御信号Holdが与えられる。保持制御信号Holdは、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる入力用スイッチＳＷ３１の開閉動作を指示するものである。出力用スイッチＳＷ３２は、制御部３０から第ｎ列選択用配線ＬＨ,ｎを通った第ｎ列選択制御信号Hsel(n)が与えられる。第ｎ列選択制御信号Hsel(n)は、保持回路Ｈｎに含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示するものである。
この保持回路Ｈｎでは、保持制御信号Holdがハイレベルからローレベルに転じると、入力用スイッチＳＷ３１が閉状態から開状態に転じて、そのときに入力端に入力されている電圧値が保持用容量素子Ｃ３に保持される。また、第ｎ列選択制御信号Hsel(n)がハイレベルであるときに、出力用スイッチＳＷ３２が閉じて、保持用容量素子Ｃ３に保持されている電圧値が電圧出力用配線Ｌoutへ出力される。
制御部３０は、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれの受光強度に応じた電圧値を出力するに際して、放電制御信号Resetにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれに含まれる放電用スイッチＳＷ２を一旦閉じた後に開くよう指示した後、第ｍ行選択制御信号Vsel(m)により、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１を所定期間に亘り閉じるよう指示する。制御部３０は、その所定期間に、保持制御信号Holdにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる入力用スイッチＳＷ３１を閉状態から開状態に転じるよう指示する。そして、制御部３０は、その所定期間の後に、列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)により、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる出力用スイッチＳＷ３２を順次に一定期間だけ閉じるよう指示する。制御部３０は、以上のような制御を各行について順次に行う。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作について説明する。本実施形態に係る固体撮像装置１では、制御部３０による制御の下で、Ｍ個の行選択制御信号Vsel(1)〜Vsel(M)，Ｎ個の列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)，放電制御信号Resetおよび保持制御信号Holdそれぞれが所定のタイミングでレベル変化することにより、受光面１０に入射された光の像を撮像してフレームデータを得ることができる。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、(a) Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれに含まれる放電用スイッチＳＷ２の開閉動作を指示する放電制御信号Reset、(b) 受光部１０における第１行のＮ個の画素部Ｐ１,１〜Ｐ１,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を指示する第１行選択制御信号Vsel(1)、(c) 受光部１０における第２行のＮ個の画素部Ｐ２,１〜Ｐ２,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を指示する第２行選択制御信号Vsel(2)、および、(d) Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる入力用スイッチＳＷ３１の開閉動作を指示する保持制御信号Hold が示されている。
また、この図には、更に続いて順に、(e) 保持回路Ｈ１に含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第１列選択制御信号Hsel(1)、(f) 保持回路Ｈ２に含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第２列選択制御信号Hsel(2)、(g) 保持回路Ｈ３に含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第３列選択制御信号Hsel(3)、(h) 保持回路Ｈｎに含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第ｎ列選択制御信号Hsel(n)、および、(i) 保持回路ＨＮに含まれる出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第Ｎ列選択制御信号Hsel(N) が示されている。
第１行のＮ個の画素部Ｐ１,１〜Ｐ１,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤで発生し接合容量部に蓄積された電荷の読出しは、以下のようにして行われる。時刻ｔ１０前には、Ｍ個の行選択制御信号Vsel(1)〜Vsel(M)，Ｎ個の列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)，放電制御信号Resetおよび保持制御信号Holdそれぞれは、ローレベルとされている。
時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの期間、制御部３０から放電用配線ＬＲに出力される放電制御信号Resetがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれにおいて、放電用スイッチＳＷ２が閉じて、積分用容量素子Ｃ２が放電される。また、時刻ｔ１１より後の時刻ｔ１２から時刻ｔ１５までの期間、制御部３０から第１行選択用配線ＬＶ,１に出力される第１行選択制御信号Vsel(1)がハイレベルとなり、これにより、受光部１０における第１行のＮ個の画素部Ｐ１,１〜Ｐ１,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１が閉じる。
この期間（ｔ１２〜ｔ１５）内において、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間、制御部３０から保持用配線ＬＨへ出力される保持制御信号Holdがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれにおいて入力用スイッチＳＷ３１が閉じる。
期間（ｔ１２〜ｔ１５）内では、第１行の各画素部Ｐ１,ｎに含まれる読出用スイッチＳＷ１が閉じており、各積分回路Ｓｎの放電用スイッチＳＷ２が開いているので、それまでに各画素部Ｐ１,ｎのフォトダイオードＰＤで発生して接合容量部に蓄積されていた電荷は、その画素部Ｐ１,ｎの読出用スイッチＳＷ１および第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎを通って、積分回路Ｓｎの積分用容量素子Ｃ２に転送されて蓄積される。そして、各積分回路Ｓｎの積分用容量素子Ｃ２に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が積分回路Ｓｎの出力端から出力される。
その期間（ｔ１２〜ｔ１５）内の時刻ｔ１４に、保持制御信号Holdがハイレベルからローレベルに転じることにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれにおいて、入力用スイッチＳＷ３１が閉状態から開状態に転じ、そのときに積分回路Ｓｎの出力端から出力されて保持回路Ｈｎの入力端に入力されている電圧値が保持用容量素子Ｃ３に保持される。
そして、期間（ｔ１２〜ｔ１５）の後に、制御部３０から列選択用配線ＬＨ,１〜ＬＨ,Ｎに出力される列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)が順次に一定期間だけハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる出力用スイッチＳＷ３２が順次に一定期間だけ閉じて、各保持回路Ｈｎの保持用容量素子Ｃ３に保持されている電圧値は出力用スイッチＳＷ３２を経て電圧出力用配線Ｌoutへ順次に出力される。この電圧出力用配線Ｌoutへ出力される電圧値Ｖoutは、第１行のＮ個の画素部Ｐ１,１〜Ｐ１,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤにおける受光強度を表すものである。
続いて、第２行のＮ個の画素部Ｐ２,１〜Ｐ２,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤで発生し接合容量部に蓄積された電荷の読出しが以下のようにして行われる。
時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までの期間、制御部３０から放電用配線ＬＲに出力される放電制御信号Resetがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれにおいて、放電用スイッチＳＷ２が閉じて、積分用容量素子Ｃ２が放電される。また、時刻ｔ２１より後の時刻ｔ２２から時刻ｔ２５までの期間、制御部３０から第２行選択用配線ＬＶ,２に出力される第２行選択制御信号Vsel(2)がハイレベルとなり、これにより、受光部１０における第２行のＮ個の画素部Ｐ２,１〜Ｐ２,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１が閉じる。
この期間（ｔ２２〜ｔ２５）内において、時刻ｔ２３から時刻ｔ２４までの期間、制御部３０から保持用配線ＬＨへ出力される保持制御信号Holdがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれにおいて入力用スイッチＳＷ３１が閉じる。
そして、期間（ｔ２２〜ｔ２５）の後に、制御部３０から列選択用配線ＬＨ,１〜ＬＨ,Ｎに出力される列選択制御信号Hsel(1)〜Hsel(N)が順次に一定期間だけハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに含まれる出力用スイッチＳＷ３２が順次に一定期間だけ閉じる。
以上のようにして、第２行のＮ個の画素部Ｐ２,１〜Ｐ２,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤにおける受光強度を表す電圧値Ｖoutが電圧出力用配線Ｌoutへ出力される。
以上のような第１行および第２行についての動作に続いて、以降、第３行から第Ｍ行まで同様の動作が行われて、１回の撮像に得られる画像を表すフレームデータが得られる。また、第Ｍ行について動作が終了すると、再び第１行から同様の動作が行われて、次の画像を表すフレームデータが得られる。このように、一定周期で同様の動作を繰り返すことで、受光部１０が受光した光の像の２次元強度分布を表す電圧値Ｖoutが電圧出力用配線Ｌoutへ出力されて、繰り返してフレームデータが得られる。
ところで、第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれる読出用スイッチＳＷ１が閉じている期間において、第ｍ行の各画素部Ｐｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生して接合容量部に蓄積されていた電荷は、その画素部Ｐｍ,ｎの読出用スイッチＳＷ１および第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎを経て、積分回路Ｓｎの積分用容量素子Ｃ２に転送される。この際に、第ｍ行の各画素部Ｐｍ,ｎのフォトダイオードＰＤの接合容量部の蓄積電荷が初期化される。
しかし、或る第ｎ列読出用配線ＬＯ,ｎが途中の位置で断線している場合には、その第ｎ列のＭ個の画素部Ｐ１,ｎ〜ＰＭ,ｎのうち、積分回路Ｓｎに対し断線位置より遠いところにある画素部は、積分回路Ｓｎと接続されておらず、積分回路Ｓｎへ電荷を転送することができないので、この電荷転送に因るフォトダイオードＰＤの接合容量部の蓄積電荷の初期化をすることができない。このままでは、これらの画素部において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方であり、飽和レベルを越えると両隣の列の画素部へ溢れ出して、連続した３列の画素部について欠陥ラインを生じさせることになる。
また、同様に、或る第ｍ行選択用配線ＬＶ,ｍが途中の位置で断線している場合には、その第ｍ行のＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎのうち制御部３０に対し断線位置より遠いところにある画素部は、制御部３０から第ｍ行選択制御信号Vsel(m)が伝えられず、読出用スイッチＳＷ１が開いたままであり、積分回路Ｓｎへ電荷を転送することができないので、この電荷転送に因るフォトダイオードＰＤの接合容量部の蓄積電荷の初期化をすることができない。このままでは、これらの画素部において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方であり、飽和レベルを越えると両隣の行の画素部へ溢れ出して、連続した３行の画素部について欠陥ラインを生じさせることになる。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、このような問題に対処すべく、図４〜図７を用いて以下に説明するように、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域において、チャネルストッパにより囲まれてダミー用フォトダイオードが形成されている。
図４および図５それぞれは、本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる受光部１０の構成例を示す平面図である。これらの図では、受光部１０における１つの画素部Ｐｍ,ｎを中心にして、この画素部Ｐｍ,ｎの隣の画素部の一部も示されている。また、これらの図では、半導体領域のレイアウトが主に示されているが、その半導体領域の上にある金属配線（行選択用配線、読出用配線）や絶縁層は示されていない。
図４および図５それぞれに示されるレイアウト例では、各画素部Ｐｍ,ｎは略正方形の領域を占めている。その略正方形領域の殆どの部分がフォトダイオードＰＤの領域であり、また、その略正方形領域の一つの角部に読出用スイッチＳＷ１としての電界効果トランジスタが形成されている。各画素部Ｐｍ,ｎの読出用スイッチＳＷ１としての電界効果トランジスタのソース端子はフォトダイオードＰＤのカソード端子と接続され、この電界効果トランジスタのドレイン端子は読出用配線ＬＯ,ｎに接続され、また、この電界効果トランジスタのゲート端子は行選択用配線ＬＶ,ｍに接続されている。
また、図４および図５それぞれに示されるレイアウト例では、画素部間の領域にチャネルストッパＣＳが連続して形成されている。また、任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域においてダミー用フォトダイオードＰＤ１が形成されている。このダミー用フォトダイオードＰＤ１がチャネルストッパＣＳにより囲まれている。
図４に示されるレイアウト例では、任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域においてのみ、ダミー用フォトダイオードＰＤ１が形成されている。図５に示されるレイアウト例では、任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域においてダミー用フォトダイオードＰＤ１が形成されているのに加えて、任意の互いに隣接する２個の画素部により挟まれる領域においてもダミー用フォトダイオードＰＤ２が形成されている。
図６は、図５におけるＡ-Ａ断面図である。また、図７は、図５におけるＢ-Ｂ断面図である。図６および図７それぞれでは、画素部間の領域を中心にして、両隣の画素部の一部について、断面が示されている。図６では、ダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が形成されていない部分の断面が示されている。図７では、ダミー用フォトダイオードＰＤ２が形成されている部分の断面が示されている。
半導体領域２０１は、Ｐ型不純物が添加されたもので、基板および該基板上に形成されたエピタキシャル層を含んで構成される。各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤは、Ｐ型半導体領域２０１上にＮ＋型半導体領域２０２が設けられて形成されている。Ｐ型半導体領域２０１とＮ＋型半導体領域２０２との間の境界を含む領域には、空乏層２０３が形成される。画素部間の領域（Ｎ＋型半導体領域２０２間の領域）に、Ｐ半導体領域２０１よりＰ型不純物濃度が高いＰ＋型半導体領域２０４からなるチャネルストッパＣＳが形成されている。このＰ＋型半導体領域２０４は、絶縁層２０５に形成されたコンタクトホール２０６を介して、金属配線２０７と接続されている。
ダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれは、Ｐ型半導体領域２０１上にＮ＋型半導体領域２１２が設けられて形成されている。Ｐ型半導体領域２０１とＮ＋型半導体領域２１２との間の境界を含む領域には、空乏層２１３が形成される。このＮ＋型半導体領域２１２は、絶縁層２０５に形成されたコンタクトホール２１６を介して、金属配線２０７と接続されている。また、Ｎ＋型半導体領域２１２はＰ＋型半導体領域２０４により囲まれていて、ダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれはチャネルストッパＣＳにより囲まれている。
一例として、基板を含む半導体領域２０１の厚さは７５０μｍである。Ｎ＋型半導体領域２０２，Ｐ＋型半導体領域２０４およびＮ＋型半導体領域２１２それぞれの厚さは１μｍである。Ｐ＋型半導体領域２０４およびＮ＋型半導体領域２１２それぞれの幅は１.４μｍである。ダミー用フォトダイオードＰＤ２が形成されていない部分（図６）において、隣り合う２つのＮ＋型半導体領域２０２の間の間隔は３.６μｍであり、金属配線２０７の幅は４.８μｍである。また、ダミー用フォトダイオードＰＤ２が形成されている部分（図７）において、Ｎ＋型半導体領域２０２とＮ＋型半導体領域２１２との間の間隔は３.６μｍであり、金属配線２０７の幅は９.８μｍである。
前述したように、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線している場合、この断線に因り信号読出部２０または制御部３０に接続されていない画素部では、光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷は、積分回路へ読み出されることがなく、該フォトダイオードの接合容量部に蓄積されていく一方である。フォトダイオードの接合容量部に蓄積される電荷の量が飽和レベルを越えると、飽和レベルを越えた分の電荷が当該画素部の外へ溢れ出す。
しかし、以上のように構成される本実施形態に係る固体撮像装置１では、画素部間の領域においてチャネルストッパＣＳにより囲まれてダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が形成されていることにより、画素部から溢れ出た電荷は、このダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２により捉えられて排出される。これにより、この画素部の隣にある画素部へ電荷が流入することが抑制され、Ｓ／Ｎ比の低下が抑制される。したがって、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線している場合にも解像度が高い画像を得ることができる。
また、何れかの読出用配線または行選択用配線が断線して欠陥ラインが生じている場合に、フレームデータのうち欠陥ライン上の画素部に対応する電圧値を、隣接する正常ライン上の画素部に対応する電圧値に基づいて決定することができる。この決定に際しては、両隣の隣接ライン上の画素部に対応する電圧値に基づいて補間計算をして決定するのが好ましい。
ダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、画素部から溢れ出た電荷を排出することを意図しており、いわゆるクロストークキャリアを積極的に収集することを意図するものではない。したがって、断線が生じていないときには空乏層２１３が拡がりすぎるのは好ましくない。何故なら、この固体撮像装置１がシンチレータパネルと組み合わされてＸ線フラットパネルとして用いられる場合、シンチレータパネルからは等方的にシンチレータ光が発生するので、画素部間の領域においても或る程度の電荷が生成されるが、この電荷がダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２により排出されたのでは、出力が小さくなってしまう可能性がある。そこで、ダミー用フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、画素部間の領域において連続的に延在するよう設けられているのではなく、離散的に（ドット状）に設けられていて、しかも、チャネルストッパＣＳにより囲まれている。これにより、出力の低下の抑制とＳ／Ｎ比の低下の抑制との適度なバランスを実現することができる。
前述したように、各画素部Ｐｍ,ｎは略正方形の領域を占めていて、その略正方形領域の殆どの部分がフォトダイオードＰＤの領域であり、また、その略正方形領域の一つの角部に読出用スイッチＳＷ１としての電界効果トランジスタが形成されている。フォトダイオードＰＤの略正方形領域の角部では、電界強度が高いので、電荷が溢れ出し易い。また、この読出用スイッチＳＷ１が設けられている領域付近では、不要電荷が発生し易い。そこで、本実施形態では、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域においてダミー用フォトダイオードＰＤ１が形成されていることで、フォトダイオードＰＤの略正方形領域の角部で発生した電荷は、ダミー用フォトダイオードＰＤ１により効率的に排出され得る。
なお、図５に示されたレイアウトと比較して、図４に示されたレイアウトでは、隣接する２個の画素部により挟まれる領域ダミー用フォトダイオードＰＤ２が設けられておらず、隣接する２×２個の画素部により囲まれる領域にダミー用フォトダイオードＰＤ１のみが設けられているので、各画素部のフォトダイオードＰＤの光感応領域を広くすることができ、開口率を高くすることができる。
本実施形態に係る固体撮像装置１はＸ線ＣＴ装置において好適に用いられ得る。そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１を備えるＸ線ＣＴ装置の実施形態について次に説明する。
図８は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１００の構成図である。この図に示されるＸ線ＣＴ装置１００では、Ｘ線源１０６は被写体に向けてＸ線を発生する。Ｘ線源１０６から発生したＸ線の照射野は、１次スリット板１０６ｂによって制御される。Ｘ線源１０６は、Ｘ線管が内蔵され、そのＸ線管の管電圧、管電流および通電時間などの条件が調整されることによって、被写体へのＸ線照射量が制御される。Ｘ線撮像器１０７は、２次元配列された複数の画素部を有するＣＭＯＳの固体撮像装置を内蔵し、被写体を通過したＸ線像を検出する。Ｘ線撮像器１０７の前方には、Ｘ線入射領域を制限する２次スリット板１０７ａが設けられる。
旋回アーム１０４は、Ｘ線源１０６およびＸ線撮像器１０７を対向させるように保持して、これらをパノラマ断層撮影の際に被写体の周りに旋回させる。また、リニア断層撮影の際にはＸ線撮像器１０７を被写体に対して直線変位させるためのスライド機構１１３が設けられる。旋回アーム１０４は、回転テーブルを構成するアームモータ１１０によって駆動され、その回転角度が角度センサ１１２によって検出される。また、アームモータ１１０は、ＸＹテーブル１１４の可動部に搭載され、回転中心が水平面内で任意に調整される。
Ｘ線撮像器１０７から出力される画像信号は、ＡＤ変換器１２０によって例えば１０ビット（＝１０２４レベル）のデジタルデータに変換され、ＣＰＵ（中央処理装置）１２１にいったん取り込まれた後、フレームメモリ１２２に格納される。フレームメモリ１２２に格納された画像データから、所定の演算処理によって任意の断層面に沿った断層画像が再生される。再生された断層画像は、ビデオメモリ１２４に出力され、ＤＡ変換器１２５によってアナログ信号に変換された後、ＣＲＴ（陰極線管）などの画像表示部１２６によって表示され、各種診断に供される。
ＣＰＵ１２１には、信号処理に必要なワークメモリ１２３が接続され、さらにパネルスイッチやＸ線照射スイッチ等を備えた操作パネル１１９が接続されている。また、ＣＰＵ１２１は、アームモータ１１０を駆動するモータ駆動回路１１１、１次スリット板１０６ｂおよび２次スリット板１０７ａの開口範囲を制御するスリット制御回路１１５，１１６、Ｘ線源１０６を制御するＸ線制御回路１１８にそれぞれ接続され、さらに、Ｘ線撮像器１０７を駆動するためのクロック信号を出力する。
Ｘ線制御回路１１８は、Ｘ線撮像器１０７により撮像された信号に基づいて、被写体へのＸ線照射量を帰還制御することが可能である。
以上のように構成されるＸ線ＣＴ装置１００において、Ｘ線撮像器１０７は、本実施形態に係る固体撮像装置１の受光部１０，信号読出部２０および制御部３０に相当し、受光部１０の前面にシンチレータパネルが設けられている。
Ｘ線ＣＴ装置１００は、本実施形態に係る固体撮像装置１を備えていることにより、欠陥ライン近傍においても解像度が高い断層画像を得ることができる。特に、Ｘ線ＣＴ装置では、短期間に多数（例えば３００）のフレームデータを連続的に取得するとともに、固体撮像装置１の受光部１０への入射光量がフレーム毎に変動するので、欠陥ライン上の画素部から隣接ライン上の画素部へ溢れ出す電荷の量はフレーム毎に変動する。このようなＸ線ＣＴ装置において、本実施形態に係る固体撮像装置１を備えることにより、フレームデータに対して有効な補正をすることができる。
本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる画素部Ｐｍ,ｎ，積分回路Ｓｎおよび保持回路Ｈｎそれぞれの回路図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる受光部１０の構成例を示す平面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１に含まれる受光部１０の構成例を示す平面図である。 図５におけるＡ-Ａ断面図である。 図５におけるＢ-Ｂ断面図である。 本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１００の構成図である。
符号の説明
１…固体撮像装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ…受光部、２０，２０Ａ，２０Ｂ…信号読出部、３０…制御部、２０１…Ｐ型半導体領域、２０２…Ｎ＋型半導体領域、２０３…空乏層、２０４…Ｐ＋型半導体領域、２０５…絶縁層、２０６…コンタクトホール、２０７…金属配線、２１２…Ｎ＋型半導体領域、２１３…空乏層、２１６…コンタクトホール、Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎ…画素部、ＰＤ…フォトダイオード、ＳＷ１…読出用スイッチ、Ｓ１〜ＳＮ…積分回路、Ｃ２…積分用容量素子、ＳＷ２…放電用スイッチ、Ａ２…アンプ、Ｈ１〜ＨＮ…保持回路、Ｃ３…保持用容量素子、ＳＷ３１…入力用スイッチ、ＳＷ３２…出力用スイッチ、ＬＶ,ｍ…第ｍ行選択用配線、ＬＨ,ｎ…第ｎ列選択用配線、ＬＯ,ｎ…第ｎ列読出用配線、ＬＲ…放電用配線、ＬＨ…保持用配線、Ｌout…電圧出力用配線，ＣＳ…チャネルストッパ、ＰＤ１，ＰＤ２…ダミー用フォトダイオード。

Claims (3)

  1. 入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードと接続された読出用スイッチと、を各々含むＭ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列された受光部を備える固体撮像装置であって、
    各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるフォトダイオードが、第１導電型の第１半導体領域上に第２導電型の第２半導体領域が設けられて形成され、
    前記受光部における画素部間の領域に、前記第１半導体領域より不純物濃度が高い第１導電型の第３半導体領域からなるチャネルストッパが連続して形成され、
    Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２×２個の画素部が周囲の４方向に存在する画素部間の領域において、前記第１半導体領域上に第２導電型の第４半導体領域が設けられてダミー用フォトダイオードが離散的に形成され、各々のダミー用フォトダイオードが前記チャネルストッパにより３６０°囲まれている、
    ことを特徴とする固体撮像装置（ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の各整数、ｎは１以上Ｎ以下の各整数）。
  2. Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎのうちの任意の互いに隣接する２個の画素部により挟まれる領域において、前記第１半導体領域上に第２導電型の第５半導体領域が設けられてダミー用フォトダイオードが離散的に形成され、各々のダミー用フォトダイオードが前記チャネルストッパにより３６０°囲まれている、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 被写体に向けてＸ線を出力するＸ線出力部と、
    前記Ｘ線出力部から出力されて前記被写体を経て到達したＸ線を受光し撮像する請求項１または２に記載の固体撮像装置と、
    前記Ｘ線出力部および前記固体撮像装置を前記被写体に対して相対移動させる移動手段と、
    前記固体撮像装置から出力されるフレームデータを入力し、そのフレームデータに基づいて前記被写体の断層画像を生成する画像解析部と、
    を備えることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
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