JPH03106183A - 焦電型固体撮像装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体撮像装置に係り，特に赤外線画像を撮像す
る固体撮像装置に関するものである。

〔発明の概要〕

焦電膜上に赤外線画像を結像し，この赤外線は熱として
焦電膜に吸収される。この膜面には赤外線画像に対応し
た温度変化分布が生じる。焦電嘆の分極は温度上昇によ
って減少するため，その焦電効果によって温度変化分布
が膜の表面電荷分布像装置において，前記焦電素子の膜
の上面に誘起する電荷，および前記焦電素子の膜の下面
に誘起する電荷をそれぞれ別の容量素子に蓄積し，各々
の容量素子についての初期電圧設定素子および読み出し
電圧設定素子を設け，各々の読み出し電圧設定素子に接
続して設けた結合素子を通して各々の容量素子に蓄積さ
れた信号電荷を信号電荷転送素子へ電荷の転送を行うこ
とを特徴とした焦電型固体撮像装置。

知られている焦電型固体撮像装置では後に詳細に説明す
るように，一般的に焦電膜上面に誘起する電荷は捨てら
れることになり，焦電効果によって誘起した電荷を有効
に活用できないという欠点がある。

本発明は，焦電効果によって誘起した電荷を全て活用し
，バイアス電荷の除去が簡単に行える焦電型固体撮像装
置を提供するために，焦電膜の下面と上面に誘起する電
荷をそれぞれ別の容量素子に蓄積し，各々の容量素子に
蓄積された信号電荷の転送を行うようにしたものである
。

したがって，従来は捨てていた焦電膜の上面に誘起する
電荷も信号として利用できるようになり，ダイナミノク
レンジ，Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。ま
た，撮像領域全面にわたって固定パターン雑音を抑制で
きる。

〔従来の技術〕

焦電型赤外線センサーでは，可視光センサーとは異なり
Ｇｅなとの赤外線光学材料を使用した光学レンズを用い
て赤外線画像を結像する。赤外線は熱として焦電膜に吸
収され，膜面には赤外線画像に対応した温度変化分布が
生じる。焦電膜の分極はは度上昇によって減少するため
，その焦電効果によって温度変化分布が膜の表面電荷分
布に変換される。焦電効果は誘電体の時間的温度変化に
よるものであるから，静止物体の撮像には固体撮像素子
の前面に赤外光を時間的に断続するチョッパーを設ける
必要がある。赤外尤の時間的断続によって焦電膜の温度
が△Ｔだげ変化した時，焦電係数をＰＴとすると膜面に
誘起する電荷量ΔＱはＰＴ・ΔＴ　となる。ΔＱは分極
の増減によるものであるから，焦電膜の両側に誘起する
電荷量の絶対値は等しく，符号は逆である〇 第７図は従来の赤外線画像を撮像する焦電型撮像素子の
断面図２第８図（ａ），第８図（ｂ）はそれぞれ異なる
撮像条件における信号読み出し時の第７図に対応した表
面ポテンシャルであり，斜線部分は電子で充満している
ことを示している。第９図は４相駆動型の垂直ＣＣＤを
用いた時の第７図に対応した等価回路である。これらの
図において，１はＰ　形半導体基板，２−１は埋め込み
型ＣＣＤのチャネル用ｎ　形拡散層，２−２は転送ゲー
トのチャネル用ｎ　形拡散層，３−１はりセクト・ドレ
イン（ＲＤ）用のｎ　形拡散．＃３−２は信号積分容量
としてのｎ　形拡散層，４はリセット・トランジスタの
チャネル用Ｐ形拡散層，５はチャネルストッパ用Ｐ　形
拡散層，６は絶縁分離用Ｓｉ０２，７−１は第一層目の
多結晶シリコンであり，第尋図に示したように第一層目
の多結晶シリコン７−１と若干重なりをもつ第二層目の
多結晶シリコン７−２とでＣＣＤ電極を構戊している。

８は信号電荷をＣＣＤのチャネルへ転送するための転送
ゲー｝（ＴＧ），９は初期電圧設定用リセノト・トラン
ジスタのゲート電ｉ（ＲＧ”）であり，それぞれ第三層
目の多結晶シリコンである。１１−ｌはリセノト・ドレ
イン３−１の配線用第一層目Ａｅ層，１１−２は焦電膜
電極用の第一層目ＡＪ層．１２は焦電膜，第９図ではそ
の焦電膜ｌ２をコンデンサと電流源とによって等価的に
示していろ。ｌ３はニクロム等の熱吸収膜，１０および
ｌ４はＳｉ０２もしくはポリイミドのような層間絶縁膜
，１５は配線および遮光用の第二層目Ａｅ層，１６は外
部電源であり，リセット・ドレイン３一ｌにバイアス電
圧Ｖｉｎｉｔを印加する。１７は信号積分用ダイオード
である。

第１０図は本従来例の焦電型固体撮像装置の動作を説明
するための赤外光を断続するチョクバーの開閉と駆動パ
ルスのタイミングである。チョッパーを開いて素子面に
入射赤外光を当てた時，焦電効果によって焦電膜１２の
Ａｇ層１１−２側に負電荷（電子）が誘起するようた分
極処理を行った場合について動作を説明する。第１０図
の時刻ｈに示したように，チョッパーを閉じた時には転
送ゲー｝　（ＴＧ）８に電圧Ｖｎを印加して転送チャネ
ル２−２をカット・オフし，リセソト・ゲー｝（ＲＧ）
９に電圧ＶＧＭを印加してリセット・トランジスタをＯ
Ｎ状態にすることによって焦電膜１２の両面を短絡する
。リセット・ドレイン（ＲＤ）３−１にはチョッパーの
開閉によらずＶｉｎｉｔを印加するので，焦電膜１２の
両面の電圧もＶｉｎｉｔになる。次にチョッパーを開い
た時にはリセット・ゲー｝（ＲＧ）９に電圧Ｖ。Ｌを印
加してリセット・トランジスタをＯＦＦ’状態にし，信
号積分用ダイオードｌ７を７ローティング状態にするこ
とによって信号積分を開始する。入射赤外光による焦電
効果で焦電膜１２のＡ６層ｌ１−２側には電子が遊離し
ダイオード１７に蓄積される。

熱吸収膜１３側に誘起する正電荷は第９図に示したよう
に，外部電源１６から電子が供給され中和する。信号読
み出し時は第１０図の時刻ｔ２で示したように転送ゲー
ト８に電圧ＶＴＨを印加し，転送チャネル２−２の電位
をＶｒｅａｄにセットする。

この時の表面ポテンシャルを第８図（ａ）に示す。ダイ
オード１７からＣＣＤチャネル２−１に転送される電荷
Ｑｒｅａｄは，焦電効果による電荷ＱｓｉｇとＶｒｅａ
ｄとＶｉｎｉｔの電位差に相当する一定量のバイアス電
荷Ｑｂｉａｓの和になっている。したがって，信号処理
回路でＱｂｉａｓに相当する量だけ減算すればよい。

前記とは逆に，チョッパーな開いた時，焦電膜１２のＡ
Ｊ層１１−２側に正電荷が誘起するような分極処理を行
った場合，チョッパーの開閉と駆動パルスタイミングは
第１０図のままでよいが，信号読み出し時の表面ポテン
シャルは第８図Ｔｏ）のようになる。これは誘起する電
荷の極性が逆になったため，電荷の中和の仕方が異なる
からである。

この場合は転送電荷Ｑｒｅａｄはバイアス電荷Ｑｂｉａ
ｓと信号電荷Ｑｓｉｇの差になっているため，信号処理
回路で減算すれば信号分を検出できる。

このよ５な焦電型固体撮像装置の構造および駆動方法は
，例えば実開平１−４４７６５（平成１年３月１７日）
「焦電型固体撮像装置」　明細書に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本従来例におげる焦電型固体撮像装置では，信号読み出
し時に毎回一定量のバイアス電荷を注入することによっ
て焦電膜１２の下面に誘起する電荷の正負によらず，そ
の電荷を信号として扱うことができるという利点を持つ
反面，焦電膜】２の上面に誘起する電荷は第９図からも
わかるように，外部電源１６に接続されてＬ゛・るため
捨てられることになり，焦電効果によって誘起した電荷
を有効に活用できないという欠点がある。また，撮像部
全面にわたって生じる転送ゲート８のしきい値電圧のば
らつきがそのままバイアス電荷Ｑｂｉａｓ　のばらつき
となるため，外部回路ではＱｂｉａｓのキャンセル・エ
ラーが生じてしまう。

本発明の目的は，焦電効果によって誘起した電荷を全て
活用し，バイアス電荷の除去が簡単に行える焦電型固体
撮像装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達或するため，焦電膜１２の下面
と上面に誘起する電荷をそれぞれ別の容量素子に蓄積し
，各々容量素子についての初期電圧設定素子および読み
出し電圧設定素子を設け，各々の読み出し電圧設定素子
に接続して設けた結合素子を通して，各々の容量素子に
蓄積された信号電荷を信号電荷転送素子へ電荷の転送を
行うようにしたものである。

〔作用〕

その結果，従来捨てていた焦電膜の上面に誘起する電荷
も信号として利用できるようになり，ダイナミックレン
ジ，Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。また各
画素ごとに注入されるバイアス電荷は，各画素ごとに外
部回路による演算で除去できるため，撮像領域全面にわ
たって生じるバイアス電荷のばらつき，すなわち固定パ
ターン雑音を簡単に抑制できるようになる。

〔実施例〕

以下，実施例を用いて本発明を説明する。

第１図は本発明の焦電型固体撮像装置の画素部を等価的
に示した図である。焦電素子はコンデンサと電流源によ
り表現されていろ。焦電素子（ハ）両端を短絡させて初
期寛圧ＶｉｎｉｔＫ丁ろために，リセット・トランジス
タＭＨＩ，ＭＲ２が接続されている。容量素子として信
号の積分を行うダイオードＤｉ，Ｄ２に蓄積された電荷
は読み出しトランジスタＭＹＩ，ＭＹ２のゲー｝ＹＧＩ
，ＹＧ２を制御して結合部ＭＣを経てＣＣＤに転送され
てゆくことになる。２Ｄ−１および２Ｄ−２はＣＣＤの
転送単位を示している。

以下，本発明の構造，エリアセンサとしての動作を順に
詳述する。第２図は焦電素子の一端に接続されたリセッ
ト・トランジスタＭＲＩ，　　ダイオードＤＩ，読み出
しトランジスタＭＹＬ結合部ＭＣ，ＣＣＤに瀉った断面
図である。第３図は焦電素子の他の一端についての同様
々構造についての断面図である。なお，両図において，
第７図と同一符号は同一物を示す。焦電素子からの信号
を読み出すために，各画素ごとに２系統の信号転送機構
を有している。３−１は配線も兼ねたりセント・ドレイ
ンＲＤ用ｎ　拡散層，３−３は焦電膜１２０）下面と接
続する信号積分ダイオードＤ１形成用の♂形拡散層，３
−４は焦電膜１２の上面と接続する信号積分ダイオード
Ｄ２形成用のｎ形拡散層である。４−１はＡｅ配線１．
１−２と接続している焦電膜１２の下面を初期電圧Ｖｉ
ｎｉｔに設定するための第一のリセソト・トランジスタ
ＭＨＩのチャネル用Ｐ形拡散ｒ’ｆｌｔ　　９　　１は
そのトランジスタＭＨＩのゲート電極，４−２は第一層
目のＡ／層１１−３を経て第二層目のｉ層１５と接続し
ている焦電膜１２の上面を初期電圧Ｖｆｎｉｔに設定す
るための第二σ）リセット・トランジスタＭＲ２のチャ
ネル用Ｐ形拡散層，９−２はそのトランジスタＭＲ２の
ゲート電極である。ゲート電極９−１，および９−２は
第１図のようにそれぞれリセット・ゲー｝（ＲＧ）端子
に接続している。ＹＧＩはダイオードＤＩを読み出し電
圧Ｖ　ｒｅ　ａｄに設定するための読み出しゲー｝，Ｙ
Ｇ２はダイオードＤ２を読み出し電圧Ｖｒｅａｄに設定
するための読み出しゲート２１はダイオードＤＩ，Ｄ２
からの２つの信号の流れを一本にまとめて，ＣＣＤチャ
ネル２に転送するための結合ゲートであり，読み出しゲ
−　ｌ’　ＹＧＩ，ＹＧ２およびＣＣＤゲート７と若干
重なりを持ったＹ字形の結合ゲート電極である。

ｌ１−４は読み出しゲートＹ０１と接続する第一層目の
Ａｅ層，１１−５は読み出しゲー｝ＹＧ２と接続する第
一層目のＡｅ層である。

第４図は本発明の焦電型固体撮像装置の動作を説明する
ためのチヲッパの開閉と撮像素子を駆動するためのパル
スタイミング図である０第５図−，第６図は第４図の時
刻ｔｌ，　ｔ２，　ｔ３，　ｔ４，　ｔｓ　における第
２園および第３図に対応した表面ボテン／ヤルである。

以下，チョッパを開いて素子面に入射赤外光を当て，焦
ｘｍの温度が上昇した時，焦電効果によって焦電膜１２
の下面に負電荷（電子）動作を説明する。

第４図の時刻ｔｌ　で示したように，垂直帰線期間（Ｖ
−ＢＬＫ）においてチョッパが閉じた状態から開いた状
態に移る間に，リセットゲート（　ＲＧ）に電圧ＶＧＨ
を印加してリセット・トランジスタＭＨＩ，ＭＲ２をＯ
Ｎ状態とし，焦電膜１２の両面を短絡して電圧をＶｉｎ
ｉｔにセントする０　次にリセソトゲー｝（ＲＧ）に電
圧Ｖｏｒ，を印加してリセット・トランジスタＭＲＩ，
ＭＲ２をＯ　Ｆ　Ｆ状態に丁る。読み出しゲートＹＧＩ
，ＹＧ２　には電圧ＶＹＬが印加されているためＹＧＩ
，ＹＧ２のゲート下σ）チャネルはＯ　Ｆ　Ｆ状態とな
るため信号積分用ダイオードＤＩ，Ｄ２はフローテイン
グ状態になり，第４図の時刻ｔ２で示したように信号積
分を開始する。焦電膜の下面には負電荷，上面には正電
荷が誘起するため，第５図第６図にの時刻ｔ２で示した
ようにダイオードＤＩの電位は低下し，ダイオードＤ２
の電位は上昇する。第４ぞれのゲート下のチャネルを開
いてダイオードＤ】からＣＯＤ２０−１へ電荷を転送す
る。こい時の電荷量Ｑ　ｒｅａｄは焦電膜１２の下面に
誘起した電荷量Ｑｓｉｇ，ダイオードＤ１の初期電圧Ｖ
ｉｎｉｔと読み出しゲー｝ＹＧＩ下のチャネルの電圧Ｖ
ｒｅａｄによって決まるバイアス電荷量Ｑｂｉａｓによ
ってＱｂｔａｓ　＋　Ｑｓｉｇとなる（，　Ｖｒｅａｄ
はこの時の　ゲート印加電圧ＶＹＨとしきい電圧によっ
て決まる。

ダイオードＤ１からの電荷転送が終了するー（ダイオー
ドの電圧がＶｒｅａｄになる）と，読み出しゲーｌ−Ｙ
ＧＩ，結合ゲー｝ＣＧにそれぞれ電圧ＶＹＬ，ＶＣＬを
印加し，それぞれのゲート下のチャネルを閉じる。この
時電荷Ｑｒｅａｄは第ｌ図のＣＣＤ２０一１に蓄積され
ているが，ＣＣＤを駆動して１ビット分シフトさせてＱ
ｒｅａｄを次のＣＣＤの転送単位２０−２に移動させる
。その後，第３図の時刻ｔ４で示したように読み出しゲ
ートＹＧ２，結合ゲー｝ＣＧのゲートチャネルを開き，
ダイオーる。読み出しゲー｝ＹＧ２，結合ゲートＣＧの
ゲートチャネルを閉じた後，第４図の時刻ｔ５では時刻
ｔｘと同様にリセット・トランジスタＭＨＩ，ＭＲ２を
ＯＮ状態にしてダイオードＤＩ，Ｄ２の電圧なＶ　ｉｎ
ｉ　ｔに再設定する。

チョッパを閉じて赤外光を遮断すると，焦電膜１２の温
度が低下するためその，上面および下面には時刻ｔ２の
時とは逆の符号の電荷が誘起する。

この信号電荷積分中に，先にＣＣＤへ転送してＬ・た電
荷を順次走査する。外部回路ではこの電荷駄を検出して
，チ目ツバの開期間に蓄積された信号Ｑ　Ｓｉｇ　ｙ　
Ｑ”ｇを含む読み出し電荷に対しては各々の単位画素ご
とにＱ　ｒｅａｄ−Ｑｒｅａｄ，その逆の期間について
はＱ　ｒｅａｄ　−　Ｑ　ｒｅａｄを行うことによって
，バイアス電荷Ｑｂｉａｓをキャンセルし，Ｉ 単位画素から出力されてきた信号Ｑｓｉｇ＋ＱＳｔｇを
得られるようになる０ 以上，本発明を実施例にもとづき具体的に説明＼たが，
その要旨を逸脱しない範囲において変形可能である。例
えば，第２図，第３図では焦電膜１２の上面と半導体基
板との接続には２つのＡｌ層１５．１１−３で行ってい
るが，３つのＡｅ層を介して行ってもよい。さらにその
配線の材質は全てＡＩでなくともよい。また，半導体表
面に設ける素子はｎ形半導体基板に形成されたＰ形ウヱ
ル内に形成しても良い。これまで説明してきた半導体の
導電形を全て逆にしても良い。さらに焦電膜の分極を逆
にしてもかまわない。

〔発明の効果〕

以上説明したように，従来は焦電膜の下面に誘起する電
荷だけを信号として扱い，焦電膜の上面に誘起する電荷
は捨てていたのに対して，本発明によると結合素子を使
うことによって，上下両面の電荷を独立に１本のＣＣＤ
に転送し，外部回路で合成するため，ダイナミックレン
ジ，Ｓ／Ｎ　比を大幅に向上させることができるように
なる。また，各論素ごとに注入されるバイアス電荷は各
画素におげる焦電膜の上面と下面の信号の差をとること
によって除去できるため，バイアス電荷のげらつきによ
って生じる固定パターン雑音を抑制できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焦電型固体撮像装置を等価的に示した
回路図，第２図，第３図は本発明による焦電型固体撮像
装置の断面図，第４図は本発明の動作を説明するための
パルス・タイミング図，第５図，第６図は第２図に対応
させた表面ポテンシャル図である。第７図は従来の固体
撮像装置の例を示すための断面図であり，第８図は従来
の固体撮像装置の表面ポテンシャル図，第９図は第７図
の等価回路図，第１０図は第７図のパルスタイミング図
である。 Ｄｉ，　Ｄ２　：信号積分用ダイオード，　ＭＹＩ，　
ＭＹ２：読み出しトランジスタ，ＭＨＩ，ＭＲ２　：リ
セットトランジスタ，ＹＧＩ，ＹＧ２　：読み出しゲー
｝，ＣＧ：　結合ゲート，　　２Ｄ−１，２Ｄ−２　：
　ＣＯＤ転送単位，ＭＣ：結合部，Ｖｉｎｉｔ：初期電
圧，ＲＤ：　リセットドレイン。 ）・・， ノ１：Ｐ形基板，２：ＣＣＤチャネル，３−１：リセッ
トドレイン♂拡散層，３−３．３−４：　積分ダイオー
ド用ｎ拡散層，　　４−１．　４−２　：Ｐ形拡散，５
：チャネルストツパ，７：ＣＣＤゲート，１２：焦電膜
，１３：熱吸収膜。 第１ 図 第２図 第４図 第３図 第８図 第９図 ９：リセ，トトラレブスタヶート電，ハ賢第コ○図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、第一導電型の半導体基板の主表面に光学情報を蓄積
   する容量素子群と該容量素子の初期電圧設定素子と焦電
   気性を示す誘電体によって形成された焦電素子からなる
   光電変換素子群を形成し、前記容量素子に蓄積された信
   号電荷を順次転送する信号電荷転送素子を集積化した固
   体撮像装置において、前記焦電素子の膜の上面に誘起す
   る電荷、および前記焦電素子の膜の下面に誘起する電荷
   をそれぞれ別の容量素子に蓄積し、各々の容量素子につ
   いての初期電圧設定素子および読み出し電圧設定素子を
   設け、各々の読み出し電圧設定素子に接続して設けた結
   合素子を通して各々の容量素子に蓄積された信号電荷を
   信号電荷転送素子へ電荷の転送を行うことを特徴とした
   焦電型固体撮像装置。