JPH03159382A

JPH03159382A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH03159382A
Application number: JP1298320A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Kiriyama; 桐山　義也
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-07-09

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】（イ）産業上の利用分野本発明は固体撮像素子に関し、特にその水平転送出力さ
れる電荷を検出し、出力信号として取り出す７ローティ
ング・ディフユージョン・アンプに関する。

（０従米の技術固体撮像素子はフィールド情報の転送方式により、イン
ターライン転送方式とフレーム転送方式に大別されるが
、何れの方式の固体撮像素子であれ、凡そ撮像部、垂直
転送シフトレジスタ、水平転送シフトレジスタ並びにフ
ローティング・ディフユージョン●アンプ（ｆｌｏａｔ
ｉｎｇ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；以
下、ＦＤＡと称する）から購或されている。そして、各
フィールド期間に撮像部に蓄積されるフィールド電荷は
垂直転送シフトレジスタを介して水平転送シフトレジス
タに１行ずつ与えられ、この水平転送シフトレジスタに
より水平転送される電荷がＦＤＡで検出されて、フィー
ルド電荷に対応する出力信号が１行ずつシリアル出力さ
れるようなされている。

第・１図はそのような固体撮像素子のＦＤＡの平面構造
を説明しており、ＭＯＳ構造である水平転送シフ１・レ
ジスタ（１】）はその最終ステージのみがチャネル（１
１’）、第１層ポリシリコンゲー｝’　（１１＋）（＋
２１）、第２層ポリシリコンゲート（１１．）（１２，
）として示され、同様にＦ　Ｄ　Ａ　（１３）はチャネ
ル（１３’）アウトプットゲー｝　（１３．）、フロー
ティング・ディフユージョン（１３ｆｉ）、リセットゲ
ート（１３。）、Ｊセントダイオード（１３ｉ）並びに
オンチップのソースホロワ（１３．）として示されてい
る。なお、ノセットダイオード（１：Ｌ）は，Ｉｆｆｉ
常ＶＤＩＪ電位にバイアスされ、アウトプットゲート（
１３．）はそのゲートｆに適度の高さのポテンシャル障
壁が形戊されるようなＤＣＴＬ位■。にバイアスされて
いる。

上記の如く購戊されるＦ　Ｄ　Ａ　（１３）の動作を第
５図のタイミングチャートを参照して説明する。

タイミングｔ，において、転送クロブクφ１がハイレベ
ル、φ８がローレベルになると、水平転送シフトレジス
タ（１ｌ）の第１層ポリシリコンゲート（１１＋）およ
び第２層ポリシリコンゲート（１１．）下にポテンシャ
ル井戸が形或されて、第１層ポリシリコンゲー｝　（１
２ｒ）および第２層ポリシリコンゲー｝　（１２．）下
から信号電荷が転送される。また、このタイミングにて
リセットゲート（１３、）にハイレベルのり七ｌトパル
スφウが印加されて、リセットゲート（１３ｃ）下のポ
テンシャル障壁が消失すると、フローティング・ディフ
ユージョン（１３ｂ）とノセットダイオード（１３，）
が同通ずる。そこで、フローティング●ディフユージョ
ン（１３．）の電ｆ立ｖＦＤはｖＤＤとなる。

この後、タイミングｔ，においてリセットパルスφ６が
ローレベルになると、リセントゲート（１３ｅ）下にポ
テンシャル障壁が形或されて、フローテイングデイフユ
ージョン（　１：ｈ　）はリセットダイオード（ＩＬ）
から分離される。このとき、リセットゲート（１３，）
およびアウトプットゲート（１３．）との容量結合のた
め、分離後のフローティング・デイ７ユージョンｕ３ｂ
）の電位Ｖ，Ｉ）はＶＤＤとはならず、フィールドスル
ーレベル■、に低下スる。

続いて、タイミングｔ，において転送クロツクφ１、φ
，が反転し、φ１がローレベル，φ，がハイレヘルにな
ると、水平転送シフトレジスタ（１１）の第１＠ポリシ
リコンゲートｍ．）および第２層ポノシリコンゲート（
１１．）下のポテンシャル井戸が浅くなり、そこに転送
、蓄積されていた電荷は、所定のＤＣｔ位Ｖ。にバイア
スされて適度の高さに設計されたアウトプノトゲー｝　
（１３．）下のポテンシャルｆｉ　１７を越えて、フロ
ーティング・ディフユージョン（１３ｂ）に転送される
。

この転送される電荷はチャネル抵抗等で定まる時２数で
フローティング・ディフユージゴン（１３，〉に蓄積さ
れるため、フローティング・ディフユージョン（１３ｂ
　）の電位ＶｐＤの変化は同図にＶ，。とじて図示する
ようなものとなる。

（・・）５ヲ明が解決しようとする課題今口の固体撮像
素子はますます高画素化する傾向にあｌ）、それに伴っ
て水平転送シフトレジスタの転送速度枝びにフローティ
ング・ディフュージョン・アンプの動作速度の向上が望
まれている。

然るに、従来のフローティング・ディフユージクン・ア
ンプは、動作速度の向上のたぬにそのノセノトゲートに
印加するクロックの周期を短くすると、フローティング
・ディフユージョンに充分にｔ荀が蓄積される前に、即
ちＶＰＤが充分低下する前にリセ７トさｔしる。そこで
、再び第５図を参照すると、その破線で示される波形に
従ってタイミングｔ，でサンプルすべきＶヮがタイミン
グｔ４でサンプルされる結果、出力レンジがΔＶだけ低
下してＳ／Ｎが劣化する欠点を有している。

本発明は従来の固体ｍ像素子に存する斯る課題の解決を
目的とする。

（二）課題を解決するための手段上記した課題は、各フィールド明間に光学像の充電変換
を行いフィールド電荷を得る撮像部と、このフィールド
電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送シフトレジス
タと、この垂直転送シフトレジスタよりフィールド電荷
が１行ずつ与えられ、そのフィールド電荷を水平方向に
転送する水平転送シフトレジスタと、この水平転送シフ
トレジスタの出力端に並列形戊され、順次、水平転送出
力される電荷をそれぞれ異なるタイミングで時分割検出
する複数のフローティング・デイフユージョン・アンプ
からＦＲ威される本発明の固体撮像素ｆにより解決され
る。

（本）作用充分なリセット周期が与えられる個々の７ローティング
・ディフユージョン・アンプを並列時分割動作させる上
記購或は、ＳＩＮを劣化させることなく、フローティン
グ・ディフュージョン・アンプの見かけの動作速度を向
上させる。

（へ）実施例以丁、第１図及至第３図を参！！Ｇして本発明の実施例
を説明する。

第１図は本発明のフローティング・デイフユージョン・
アンプ近傍の平面構造を説明するものであって、水平転
送シフトレジスタ（１）およびその出力端に岨列形威さ
れる複数のＦ　Ｄ　Ａ　（３）（４）（５）が示されて
いる。

Ｍ　Ｏ　Ｓ　ｉｌｌ造である水平転送シフトレジスタ（
１）はその最終ステージのみがチャネル（１゛）、第１
層ポリシリコ：／ゲート（１＋）（Ｌ）、第２層ポリシ
リコンゲート（１．）（２．）として示され、複数のＦ
ＤＡ（３）（４）（５）はそれぞれチャネル（３’）（
４’）（５’）、アウトプゾトゲート（３．）（４．）
（５．）、フローテイング・ディフユージョン＜３ｂ　
）（４ｂ　）（５ｂ　）、リセントゲート（３，）（４
ｅ）（５。）、リセットダイオード（３＊）（−＋ａ）
（５６）、ンースホロワ（３．）（４．）（５．）とし
て示されている。なお、フローティング・ディフユージ
ョン（３ｂ）（４ｂ）（５ｂ）にそれぞれ接続されるソ
ースホロワは省略されている。

上記した水平転送シフトレジスタ（１）およびその出力
端に花列形戊される複数のＦ　Ｄ　Ａ　（３）（４）（
５）の断面構造は第２図に概念的に示されている。

斯る構遣はｐ型Ｓ１基板表面層に、第１図に示すチャネ
ルパターンに従って、ｎ型不純物を注入してＸ領域を形
戊し、第１層ポリシリコンゲート杉戊後にそれをマスク
としてｐ型不純物を注入して＼一領域を形成し、さらに
７Ｂ２層ポリシリコンゲート形戊後にそれをマスクとし
てｎ型不純物の高濃度；ｔ人によりＸ”領域を形處する
典型的な一連の玉程により実現されるが、これに限定さ
れるものではない。なお、同図には水平転送シフトレジ
スタ（１）の最終ステージが３分割形處される如く示さ
ｔＬているが説明の都合によるものである。

次に、第３図のタイミングチャートを参照して本発明の
ＦＤＡの動作を説明する。

タイミング【１において、転送クロツクφ１がハイレベ
ル、φ，がローレベルになると、水平転送シフトレジス
タ（１）の茅１層ポリシリコンゲート（１．〉および第
２層ポリシリコンゲート（１．）下にポ？ンシャル井戸
が形戒されて、第１層ポリシリコンゲー１−（２１）お
よび第２層ポリシリコンゲート（２．）下から信号電荷
が転送される。また、このタイミングではリセｌトゲー
ト（３ｃ）のみにハイレベルのリセｙトバルスφ，１が
印加されて、リ七ノトゲート（３ｅ）下のポテンシャル
障壁が消失する。これにより、フローティング・ディフ
ユージョン（３ｌ，）とリセ・１トダイオード（３■）
が同通して、フローティング・ディフユージョン（３，
）の電位はＶ　ｐ　Ｏ　トなる。なお、このリセットゲ
ート（３。）がリセットパルスφ，１により次にオンす
るのは、転送クロックの３周′ＵＩ後である。

タイミングｔ１において、リセ／トゲート（３ｃ）のリ
セットパルスφｋｌがローレベルになると，リセットゲ
−１−　（３ｃ）およびアウトプットゲート（３．）と
容量結合するフローティング・デイフユージョン（３５
）のｔｌＶＦＤはＶ。０とならず、フィールドスルーレ
ベルｖＴ＋に低下する。

タイミングｔ，において、転送クロンクφ，、φ＊　が
反転Ｌ、φ１がローレベル、φ，がノ１イレベルになる
と共にアウトプットゲー｝　（３．）のみにハイレベル
のクロノクＯＧ，が印加されると、水平転送シフトレジ
スタ（１）の第１層ポリシリコンゲー｝　（１＋）およ
び第２層ポリシリコンゲート（１．）下のポテンシャル
井戸が浅くなって、そこに蓄積されていた信号電荷はポ
テンシャル障壁が低くなったアウトプントゲート（３．
）を介して７ローテイング・デイフユージョン（３ｂ）
に転送される。そこで、フローティンダ・ディフユージ
ョン（３，）にはチャネル抵抗等で定まる時定数で信号
電荷が蓄積されていき、、その電位は同図にＶ０１とし
て示すものとなる。そして、この蓄積電荷はこれより転
送クロンクの２．５周期後にリセットされる間に充分に
蓄積される。

タイミングｔ４において、先のクロックＯＧがローレベ
ルとなった後に、再び転送クロックφがハイレベル、φ
，がローレベルになると、水平転送シフトレジスタ（１
）の第１層ポリシリコンゲート（ｌｌ）および第２層ポ
リシリコンゲート（ｌ．）下にポテンシャル井戸が形戊
されて、第１層ボリ？リコンゲー｝（２１）および第２
層ポリシリコンゲート（２．）下から新たな信号電荷が
転送される。

また、このタイミングではリセットゲート（４、）のみ
にハイレベルのリセットパルスφ。が印加されて、リセ
ットゲ一ト（４ｃ）下のポテンシャル障壁が消失する。

これにより、フローティング・ディフユージョン（４ｂ
）とリセットダイオード（４４）が同涌して、７ローテ
ィング・ディフユージョン（４，）の電位はＶＤＤとな
る。なお、このリセノトゲート（４ｃ）がリセットパル
スφ■により次にオンするのは、先と同様の転送クロッ
クの３周期後である。

以下、同様にして、充分なリセット周期が与えられる個
々のフローティング・ディフュージョン・アンプ（３）
（４）（５）が並列時分割動作することによって、フロ
ーティング・ディフュージョン・アンプの見かけの動作
速度が向上される。なお、フローティング・ディフュー
ジョン・アンプの数は実施例に限定されることなく任意
に設計される。

（ト）発明の効果以上述べたように本発明の固体撮像素子はその個々のフ
ローティング・ディフュージョン・アンプに充分なりセ
ント周期を与えることができるため出力レベルの低下が
なく、Ｓ／Ｎの劣化が回避される。

また、フローティング・ディフユージ３ン・アンプの見
かけの動作速度が向上されるため、固体撮像素子の高画
素化に対応可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の平面構造を説明する図、第２
図は実施１列の断面構造を説明する図、第３図は実施例
の動作を説明するタイミングチャート、第ｔ図は従来例
の平面構造を説明する図、第５図は従来例の動作を説明
するタイミングチャートである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）各フィールド期間に光学像の光電変換を行いフィ
ールド電荷を得る撮像部と、このフィールド電荷を垂直
方向に転送する複数の垂直転送シフトレジスタと、この
垂直転送シフトレジスタよりフィールド電荷が１行ずつ
与えられ、そのフィールド電荷を水平方向に転送する水
平転送シフトレジスタと、この水平転送シフトレジスタ
の出力端に並列形成され、順次、水平転送出力される電
荷をそれぞれ異なるタイミングで時分割検出する複数の
フローティング・ディフュージョン・アンプから構成さ
れる固体撮像素子。
（２）前記複数のフローティング・ディフュージョン・
アンプはそのアウトプットゲート並びにリセットゲート
が順次、クロック制御されて時分割動作することを特徴
とする請求項１記載の固体撮像素子。
（３）フレーム転送方式が採用される請求項１記載の固
体撮像素子。
（４）前記フローティング・ディフュージョン・アンプ
のそれぞれのアウトプットゲートが水平転送シフトレジ
スタの共通チャネル上に延在されることを特徴とする請
求項１記載の固体撮像素子。