JPH02274184A - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 くイ）産業上の利用分野 本発明は縦型オーバーフロードレイン方式のＣＣＤ固体
撮像素子の駆動方法に関する。

（ロ）従来の技術 従来、ＣＣＤ固体撮像素子を用いた撮像装置に於いては
、ＣＯＤの動作原理を活用して電子的に露光制御を行う
ことが考えられている。このような露光制御方法に於い
ては、電気的に走査される撮像素子の垂直走査期間毎の
光電変換期間の途中でそれまで撮像部に蓄積される光電
荷を排出させ、残余の光電変換期間に得た光電荷を蓄積
するように構成している。ここで、問題となるのは、撮
像部の光電荷を排出する方法であり、撮像素子の出力す
る映像信号に影響なく、不要な光電荷を十分に排出きせ
るだめの方法が種々考えられている。

例えば、日経マイクロデバイス１９８７年１０月号Ｆ６
０〜Ｐ６７の’３８３画素に達した固体撮像素子ヨでは
、撮像部の光電荷を基板側に排出させる、所謂縦型オー
バーフロードレイン方式のＣＣＤ固体撮像素子が記載さ
れている。

また、本出願人既提案の特願昭６３−９５８８１号では
、縦型オーバーフロードレイン方式のＣＣＤ固体撮像素
子に於いて、転送電極の電位を下げることで転送電極の
下のチャネル領域のポテンシャルを浅くして光電荷を基
板側に排出させることが示されている。

第４図は、上述の如き縦型オーバーフロードレイン方式
のＣＣＤ固体撮像素子の撮像部を示す平面図であり、第
５図はそのｘ−ｘ’線断面図である。

Ｎ型の半導体基板（１）の一方の面には、Ｐ　−Ｗ　ｅ
１１領域（２）が形成され、乙のＰ−Ｗｅｌｌ領域（２
）内にはＰ“型のチャネルストップ領域（３）が複数本
平行に配列形成される。各チャネルストップ領域（３）
の間にはＮ型の拡散領域（４）が形成されて埋込型の蓄
積転送チャネルが構成される。そして、拡散領域（３）
上にチャネルストップ領域（３）に直交する転送電極（
５ａ）＜５ｂ）が絶縁膜（６）を介して形成される。こ
の転送電極＜５ａ）（５ｂ）は、２層構造を成し、この
うち上層の転送電極（５ｂ）はチャネルストップ領域（
３）上でその幅が細くなっていると共に、隣り合う下層
の転送電極（５ａ）間に跨がって設けられる。これら転
送電極（５ａ）（５ｂ）は、４相の転送りロックφ、１
〜＜Ｉｓ　Ｆ４に依ってパルス駆動されるものであり、
各転送電極（５ａ）（５ｂ）には４相の転送りロックφ
□〜φ、が順次印加される。

一方、半導体基板（１）は、一定の電位Ｖ　ｓｕｂに固
定され、Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（２）はチャネルストップ領
域（３）を介し接地電位に固定される。このように、半
導体基板（１）及びＰ−Ｗｅｌｌ領域（２）に特定の電
位を印加したときのＹ−Ｙ’線（第５図中）のポテンシ
ャルの状態を第６図に示す、このとき、転送電極（５ｂ
）は、接地レベルに対して一定の値だけ高いレベルに保
持され、Ｐ　−Ｗｅｌｌ領域（２）付近にポテンシャル
障壁が形成される。従って、このポテンシャル障壁と半
導体基板（１）表面のポテンシャル障壁との間に形成さ
れるポテンシャル井戸に光電荷巳が蓄積されることにな
る。この光電荷ｅの転送は、Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（２）付
近のポテンシャル障壁が十分な高さを維持できる範囲で
各転送電極（５ａ）（５ｂ）の電位を変動して行う３こ
こで、転送電極（５ａ）（５ｂ）の電位を一定レベル以
下、或いは負にすると、第６図に破線で示す如く半導体
基板（１）表面のポテンシャルが浅くなり、これに伴っ
て拡散領域（４）内のポテンシャルが浅くなるためにＰ
−Ｗｅｌｌ領域（２）付近のポテンシャル障壁が消滅し
て光電荷ｅが全て半導体基板（１）側に流れる。従って
、蓄積転送チャネルに蓄積される光電荷ｅを排出する場
合には、転送電極＜５ａ）（５ｂ）の電位を下げること
に依って行うことができる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 上述の如き縦型オーバーフロードレイン方式のＣＯＤに
於いては、転送型ｉ＜５ａ）（５ｂ）の電位を下げたと
きに光電荷ｅが半導体基板（１〉側に流れるようにＰ−
Ｗｅｌｌ領域り２）の濃度や各電位を設定する必要があ
る。即ち、光電荷Ｃを転送駆動するときの転送電極（５
ａ）（５ｂ）の電位に対しては、第６図の実線の如（Ｐ
−Ｗｅｌｌ領域（２）付近にポテンシャル障壁を形成し
、光電荷ｅを排出するときの転送電極（５ａ）（５ｂ）
の電位に対しては、第６図の破線の如く半導体基板（１
）の表面から裏面にかけてポテンシャル障壁を形成しな
いようにＰ−Ｗｅｌｌ領域（２）の濃度及び深さを設定
する。そこで、Ｐ　−Ｗ　ｅ１１領域（２）の不純物濃
度を低くするか、或いはＰ−Ｗｅｌｌ領域〈２）を半導
体基板（１）の浅い位置に設けると、転送電極（５ａ）
（５ｂ）の電位を下げたときに光電荷ｅが半導体基板（
１）に流れ易くなることから、転送電極（５ａ）　（５
ｂ）の電位変動の幅を小さくできる。ところが、Ｐ−Ｗ
ｅｌｌ領域（２）の濃度を低くすると、Ｐ−Ｗｅｌｌ領
域（２）のポテンシャル障壁が低くなり、光電荷ｅを蓄
積できる容量が小さくなると共に、Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（
２）を浅くすると、光電変換に有効な領域が狭くなるこ
とから、受光感度が低下する。

逆に、蓄積容量の増大や受光感度の向上を図るためにＰ
−Ｗｅｌｌ領域（２）の濃度を高くしたり、Ｐ　−Ｗ　
ｅｌｌ領域（２）を深く形成すると光電荷ｅが排出され
難くなるために転送電極（５ａバ５ｂ）の電位の変動の
幅を広くする必要があるのに加え、光電荷ｅの排出が不
完全となる虞れがある。

そこで本発明は、縦型オーバーフロードレイン方式のＣ
ＣＤに於いて、光電荷の排出動作を損うことなく蓄積容
量の増大や受光感度の向上を図ることを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、
半導体基板の一生面に設けられた基板とは逆導電型の拡
散領域上に転送電極が形成され、光電変換に依って発生
する光電荷を蓄積するチャネル領域が上記拡散領域内に
形成される縦型オーバーフロードレイン方式のＣＣＤ固
体撮像素子の駆動方法に於いて、上記チャネル領域と上
記半導体基板との間に電位障壁を形成しうる上記転送電
極及び上記半導体基板の両電位に対し、上記転送電極を
低電位とすると共に上記半導体基板を高電位とすること
で、上記チャネル領域と上記半導体基板との間の電位障
壁を消滅させ、上記チャネル領域中の不要な光電荷を上
記半導体基板側に排出せしめることを特徴とする。

（ホ）作用 本発明に依れば、転送電極の電位を下げると共に半導体
基板の電位を上げることで、拡散領域が高濃度に設けら
れる場合や基板に深く設けられる場合でもチャネル領域
の光電荷を確実に半導体基板側に排出させる。逆に、転
送電極の電位を上げると共に半導体基板の電位を下げる
ことで、拡散領域付近に形成されるポテンシャル障壁が
高くなりチャネル領域の蓄積容量を大きくできる。

（へ）実施例 本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明駆動劣性に依るＣＣＤ固体撮像素子のポ
テンシャルの状態を示す図である。ＣＣＤ固体撮像素子
自体は、第４図及び第５図と同一のものであり、ここで
は説明を省略する。

本発明の特徴とするところは、転送電極（５ａ）（５ｂ
）の電位の変動に合わせて半導体基板（１）の電位を変
動することにある。即し、半導体基板（１）には、第５
図に示す一定電位Ｖ　ｓｕｂに換えて、排出動作時に高
レベルとなる排出制御クロックφｓｕｂが印加されるこ
とになる。この排出制御クロックφｓｕｂは、排出動作
の期間中上述の電位Ｖｓｕｂに保持きれ、光１荷を蓄積
する期間には電位Ｖ　ｓｕｂより低電位に保持される。

転送電極（５ａ）（５ｂ）が高電位で且つ半導体基板（
１）が低電位となると、ＣＣＤ固体撮像素子の深さ方向
のポテンシャル（第５図Ｙ−Ｙ’線に対応）は第１図の
実線に示す如＜Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（２）付近にポテンシ
ャル障壁が形成される。従って、このポテンシャル障壁
と半導体基板（１）表面のポテンシャル障壁との間に光
電荷ｅが蓄積される。

逆に転送電極＜５ａ）（５ｂ）が低電位で且つ半導体基
板（１）が高電位（Ｖｓｕｂ）となると第１図の破線で
示す如く半導体基板（１）の表面から裏面に向ってポテ
ンシャルの勾配ができ、光電荷ｅはその勾配に沿って半
導体基板（１）側に流れる。

ここで、第１図のポテンシャルの状態を第６図の場合と
比較すると、排出動作時のポテンシャルの状態（図中破
線で示す）は同一であるが、光電荷ｅの蓄積時のポテン
シャルの状態（図中実線で示す）に於いては、電荷の蓄
積容量が大きくなっていることが分かる。

第２図は本発明駆動方法を採用してＣＣＤ固体撮像素子
の露光制御を行う際の構成を示すブロック図である。

ＣＣＤ　（１０）は、受光した画像を光電変換して映像
情報を得るもので、パルス駆動されることに依り、画面
単位で連続する映像信号Ｘ、１）を出力する。この映像
信号Ｘ１．）は信号処理回路（１１）に於いてサンプル
ホールド、ガンマ補正等の処理が施されてビデオ信号Ｙ
（１）として外部機器に出力される。

一方ＣＣＤ　（１０）の転送電極には、読出クロック発
生回路（１２）から転送りロックφ、が供給され、基板
には排出クロック発生回路（１３）から排出制御クロッ
クφｓｕｂが供給される。これらクロック発生回路（１
２）（１３）には、動作タイミング及び動作期間を設定
する読出タイミング信号ＦＴ及び排出期間設定信号ＤＴ
が夫々読出タイミング発生回路（１４）及び排出期間設
定回路〈１５）から供給される。この読出タイミング発
生回路〈１４）及び排出期間設定回路（１５）は、垂直
走査信号ＶＤ及び水平走査信号ＨＤに基づいて動作し、
排出期間設定回路（１５）は露光量判定回路（１６）の
判定出力に応じて排出期間を伸縮制御する。

露光量判定回路（１６）は、ＣＣＤ　（１０＞から得ら
れる映像信号Ｘ（１〕のレベルを判定し、適正範囲より
レベルが高ければ露光抑制信号ＣＬＯ８Ｅを出力し、逆
に適正範囲よりレベルが低ければ露光促進信号０ＰＥＮ
を出力する。

第３図は、第２図の動作を示すタイミング図である。

読出タイミング信号ＦＴは、垂直走査信号ＶＤのブラン
キング期間毎の所定のタイミングにタイミングパルスの
を発生し、このタイミングパルス■の入力で読出クロッ
ク発生回路（１２）はクロックパルス口を発生する。一
方、排出期間設定信号ＤＴは垂直走査信号ＶＤの立上り
で低レベルとなり、ＣＯＤ（１０）の露光量に応じて決
まるタイミングで再び高レベルとなるもので、低レベル
の期間を排出期間として設定する。また、この排出期間
設定信号ＤＴの低レベルから高レベルへの立上りのタイ
ミングは、露光抑制信号ＣＬＯ３Ｅで遅らせられ、露光
促進信号０ＰＥＮで早められるように構成される。この
様な構成は、例えば水平走査信号ＨＤでカウントアツプ
きれるステップカウンタと、立上りのタイミングを水平
走査線数で記憶し、露光抑制信号ＣＬＯ８Ｅでカウント
アツプ、露光促進信号０ＰＥＮでカウントダウンされる
アップダウンカウンタとを用い、両カウンタの出力の一
致をコンパレータで検知し、そのコンパレータの出力を
フリップフロップのセット入力とし、垂直走査信号ＶＤ
の立上りをリセット入力として、そのフリップフロップ
の出力を排出期間設定信号ＤＴとすることで得られる。

排出期間設定信号ＤＴが低レベルとなると、転送りロッ
ク−２は水平走査信号ＨＤのブランキング期間に低レベ
ルになると共に、排出制御クロックφｓｕｂが高レベル
となる。従って、水平走査信号ＨＤのブランキング期間
中にＣＯＤ　（１０）の深き方向のポテンシャルが第１
図の破線で示すようになり、光電荷が排出される。

排出期間設定信号ＤＴが低レベルから高レベルに立上っ
た後には、転送りロックφ、は、読出タイミング信号Ｆ
Ｔのタイミングパルスのが入力されるまで高レベルに保
持され、排出制御クロックφｓｕｂは低レベルに保持さ
れる。このときには、第１図の実線のようなポテンシャ
ルが形成され、光電荷に蓄積される。従って、排出期間
設定信号ＤＴが低レベルから高レベルに立上るタイミン
グから読出タイミング信号ＦＴがタイミングパルスのを
発生するタイミングまでの期間が光電変換期間Ｅとして
設定きれ、この光電変換期間Ｅに一画面分の映像情報が
蓄積される。

以上の構成に依れば、ＣＯＤ　（１０）の露光量が適正
範囲より高くなると排出期間設定信号ＤＴの立上りのタ
イミングがＩＨ（水平走査信号ＨＤの１周期）単位で遅
れるために光電変換期間Ｅが短縮され、逆に適正範囲よ
り低くなると排出期間設定信号ＤＴの立上りのタイミン
グが早められるために光電変換期間Ｅが伸長され、何れ
の場合にもＣＣＤ　（１０）の露光量が適正範囲内に収
まるように制御される。

ところで、通常のＣＣＤ　（１０）に於いては、光電荷
の排出動作を行っている期間中にも映像信号Ｘい）を順
次出力していることから、排出動作の際のノイズが映像
信号Ｘ０．）に重畳する虞れがある。そこで、本実施例
では上述の転送り口・ツクφ、を第３図に示す如く変動
させ水平走査信号ＨＤのブランキング期間に同期して光
電荷の排出を行えば映像信号ｘ、１）への影響は極めて
少なくなる。また、排出制御クロックφｓｕｂを水平走
査信号ＨＤのブランキング期間に同期して変動させるこ
とでも同様に映像信号Ｘ（１）へのノイズの重畳を防止
できる。

尚、本実施例に於いては、光電荷の排出期間を垂直走査
信号ＶＤの立上りから露光量に応じて決まるタイミング
までの期間に設定しているが、排出期間の終了時点が同
じであれば排出期間の始まりを垂直走査信号ＶＤの立上
りのタイミングに一致させる必要はない。

特に、本発明の如き駆動方法に於いては、極めて短い期
間で光電荷の排出を完了することも可能であるために排
出期間をＩＨ期間以内とすることも考えられる。

（ト）発明の効果 本発明に依れば、ＣＯＤ固体撮像素子の受光感度の向上
及び蓄積容量の増大が望める。また、受光感度の低下及
び蓄積容量の減少なしにＣＣＤの駆動クロックの変動範
囲を小きくすることが可能であることから、省電力化が
望める。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明駆動方法を説明するポテンシャル図、第
２図は本発明駆動方法を採用した露光制御方法の構成を
示すブロック図、第３図はそのタイミング図、第４図は
縦型オーバーフロードレイン方式のＣＯＤ固体撮像素子
の要部平面図、第５図はｘ−ｘ’線断面図、第６図はＹ
−Ｙ’線のポテンシャル図である。 （１）−・・半導体基板、　（２）−Ｐ　−Ｗｅｌｌ領
域、（３）・・・チャネルストップ領域、　（４）・・
・拡散領域、（５ａ）（５ｂ）−転送電極、　（１０）
−ＣＣＤ、　（１１）・・・信号処理回路、　（１２）
・・・読出クロック発生回路、（１３）・・・排出制御
クロック発生回路、　（１４）・・・読出タイミング発
生回路、　（１５）・・・排出期間設定回路、　　（１
６）・・・露光量判定回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の一主面に設けられた基板とは逆導電
   型の拡散領域上に転送電極が形成され、光電変換に依っ
   て発生する光電荷を蓄積するチャネル領域が上記拡散領
   域内に形成される縦型オーバーフロードレイン方式のＣ
   ＣＤ固体撮像素子の駆動方法に於いて、 上記チャネル領域と上記半導体基板との間に電位障壁を
   形成しうる上記転送電極及び上記半導体基板の両電位に
   対し、 上記転送電極を低電位とすると共に上記半導体基板を高
   電位とすることで、 上記チャネル領域と上記半導体基板との間の電位障壁を
   消滅させ、 上記チャネル領域中の不要な光電荷を上記半導体基板側
   に排出せしめることを特徴とする固体撮像素子の駆動方
   法。
2. （２）請求項第１項記載の固体撮像素子の駆動方法に於
   いて、 水平及び垂直方向に走査される固体撮像素子の垂直走査
   期間或いは垂直帰線期間中、 第１の期間に上記チャネル領域の光電荷を上記オーバー
   フロードレインに排出せしめた後、残余の第２の期間に
   上記チャネル領域と上記オーバーフロードレインとの間
   に電位障壁を形成して上記チャネル領域に光電荷を蓄積
   し、 この第２の期間に蓄積した光電荷を一画面分の映像情報
   として得ることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
3. （３）請求項第２項記載の固体撮像素子の駆動方法に於
   いて、 上記チャネル領域中の光電荷を水平走査線の帰線期間内
   に限って上記オーバーフロードレインに排出せしめるこ
   とを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。