JPH03187268A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - 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】 （イ）Ｎ業上の利用分野 本発明は、チャネル領域中の光電荷をチャネル領域外に
排出可能な固体撮像素子及びそ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テレビカメラの如き
撮像装置に於いては、ＣＣＤ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
露光制御方法は、例えば特開昭６３−２４７６４号公報
に開示されている如く、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した光電荷を転送排出し
、残余の光電変換期間に得られる光電荷を蓄積するよう
に構成されている。即ち、光電荷の排出のタイミングの
変更に依って光電荷の蓄積期間が伸縮されるもので、光
電荷の排出タイミングがＣＣＤの出力する映像信号レベ
ルに従って設定される。

このようなＣＣＤの駆動方法では、撮像部の不要な光電
荷を読出転送とは反対の方向に転送することで排出して
いるが、逆方向への転送に依る光電荷の排出はスミアの
発生を招き、このスミアが読出転送時に折返されて映像
信号に重畳するためにスミア成分が増大する問題が生じ
る。

そこで、スミアの発生を抑圧できる光電荷の排出方法が
種々考えられている。例えば、本願出願入脱提案の特願
平１−９６７１３号では、過剰な光電荷を基板側に排出
する縦型オーバーフロードレイン構造のＣＯＤに於いて
、オーバーフロードレインの電位を高くすると共に転送
電極の電位を低くすることで、蓄積転送チャネルと半導
体基板との間の電位障壁を消滅させて蓄積転送チャネル
から半導体基板側に光電荷を排出させている。

第７図は縦型オーバーフロードレイン構造のＣＣＤ固体
撮像素子の撮像部を示す平面図であり、第８図は第７図
のＸ−Ｙ断面図である。

Ｎ型のＳｉ基板（１）の一方の面には、Ｐ−Ｗｅｌｌ領
域（２）が形成され、このＰ−Ｗｅｌｌ領域〈２〉内に
分離領域（３）で区画されたＮ型の拡散領域（４）が互
いに平行に配列されて複数の埋込型の蓄積転送チャネル
が構成される。分離領域（３）は、例えばＰ″″型の拡
散領域で構成され、水平方向の画素分離を実現している
。そして、拡散領域（４）上には分離領域（３）に直交
して複数の転送電極（５ｇ＞（５ｂ）が絶縁膜（６）に
依り互いに絶縁されて配列形成される。この転送電極（
５ａ）（５ｂ）は、一部が重なり合った２層構造を成し
、４相の転送りロックφ、〜φ、が夫々印加される。ま
た、上層側の転送ＩＥ極（５ｂ）は、分離領域（３）上
で幅が狭く形成され、上層側の転送電極（５ｂ）と下層
側の転送電極（５ａ）との間に開口部（７）が形成され
る。一方、基板（１）には、基板（１〉側のポテンシャ
ルを制御する基板クロックφｓｕｂが印加され、転送り
ロックφ１〜φ４との作用で蓄積転送チャネル中の光電
荷が基板〈１〉側に排出せしめられる。尚、Ｐ−Ｗｅｌ
ｌ領域（２〉はＰ１型の分離領域（３）を介して接地電
位に固定されている。

第９図は、第８図のｘ−ｙ線上のボテンシ〜ルの状態を
示す図であり、光電荷の蓄積時（実線）及び排出時（破
線）を夫々用している。

光電荷の蓄積時には、基板クロックφｓｕｂを低電位に
固定し、転送りロックφ、を接地レベルより高い電位に
固定することで、Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（２〉付近ニポテン
シャル障壁が形成される。従って、このポテンシャル障
壁と拡散領域（４）表面のポテンシャル障壁とに囲まれ
た拡散領域（４）付近に光電荷が蓄積される。ところで
、転送りロックφ、に対応する転送電極（５ａ〉下に光
電荷を蓄積する場合、転送りロックφ４は転送りロック
φ、よりも低い電位に固定され、垂直方向の画素分離が
行われる。

そして、光電荷の転送は、Ｐ−Ｗｅｌｌ領域（２〉付近
のポテンシャル障壁が一定の高さを維持できる範囲で各
転送りロックφ１〜φ４を変動させ、転送りロックφ、
〜φ４の４相駆動に依り行われる。

一方、光電荷の排出時には、基板クロックφｓｕｂを高
電位とすると共に転送りロックφ、を接地レベル程度或
いはそれ以下の電位とすることで、第９図の破線に示す
如く基板（１）深部のポテンシャルが下り、拡散領域（
４）付近のポテンシャルが上っテＦ−Ｗｅｌｌ領域（２
〉付近のポテンシャル障壁が消滅する。このため、拡散
領域（４〉付近に蓄積されていた光電荷はポテンシャル
の勾配に沿って基板（１〉側に流れて排出される。

このような光電荷の排出方法に依ると、撮像郡全体の光
電荷を極めて短期間に略同時に排出できるため、光電荷
の排出に伴うスミアは全く発生しない。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、蓄積転送チャネル内の光電荷を基板（１
）側に排出する場合、蓄積転送チ勺ネル内に光電荷が残
留することがある。これは、拡散領域（４）やＰ−Ｗｅ
ｌｌ領域（２〉の不純濃度や分布等のばらつきに依り、
部分的にｐ−％Ｊｅｌｌ領域（２）付近のポテンシャル
障壁が消滅しにくくなるためであり、撮像部の殆んどの
領域で光電荷が排出されたとしても、ポテンシャル障壁
の消滅しにくい一部の領域に光電荷が残ってしまう。こ
のように残った不要な光電荷は、その後に蓄積される光
電荷に重畳し、固定パターンの雑音となって再生画面に
表われる。

このような光電荷の残留を防止するためには、撮像部の
全ての領域でＰ−Ｗｅｌｌ領域（２〉付近のポテンシャ
ル障壁が完全に消滅するように、転送りロックφ、〜φ
４を十分に低くすると共に基板クロックφｓｕｂを十分
に高くすることが必要となる。実際には、転送りロック
φ、〜φ４を低くすることが困難なために基板クロック
φｓｕｂの方を高くして対応している。

ところが、基板クロックφｓｕｂを高くするには、基板
クロックφｓｕｂの波高値を高くする必要があり、消費
電力の増大を招く。さらには、基板クロックφｓｕｂを
高くしすぎると、撮像部以外の領域、例えば水平転送部
や出力部等の光電荷までも基板（１）側に排出されてし
まう虞れがあり、固体撮像素子から出力される映像信号
のレベルの低下やＳ／Ｎ比の劣化を招くことになる。

そこで本発明は、蓄積転送チャネルの光電荷を低い駆動
電圧で有効且つ完全に蓄積転送チ勺ネル外に排出させる
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、
その特徴とするところは、一導電型の半導体基板と、こ
の半導体基板の一方の面に埋設された逆導電型の拡散領
域と、分離領域で区画されて上記拡散領域内に互いに平
行に配列された複数のチャネル領域と、上記半導体基板
から絶縁されると共に上記チャネル領域に交差して互い
に平行に配列された複数の転送電極と、を備え、上記半
導体基板に発生する情報電荷を上記チャネル領域に沿っ
て転送する固体撮像素子に於いて、上記転送電極は、先
端に向って幅の狭くなる突出部を各チャネル領域に応じ
て有してなり、上記情報電荷を上記チャネル領域から上
記半導体基板側に排出せしめるとき上記情報電荷を上記
突出部の突出する方向に転送することにある。

そして、第２の特徴とするところは、一導電型の半導体
基板の一方の面に逆導電型の拡散領域が形成され、この
拡散領域内に複数のチャネル領域が分離領域で互いに区
画されて設けられ、上記チャネル領域に発生する過剰な
光電荷を上記半導体基板に受ける固体撮像素子の駆動方
法に於いて、上記固体撮像素子は、光電荷の転送効率が
順方向に対して逆方向が低く設定されてなり、上記チャ
ネル領域上の転送電極をパルス駆動して光電荷を逆方向
に転送駆動すると共に、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半導体基板の電
位に対し、上記半導体基板を高電位として上記電位障壁
を消滅させ、上記チャネル領域の光電荷を上記半導体基
板側に排出せしめることにある。

（０作用 本発明に依れば、転送電極の突出部で半導体基板内に形
成されるポテンシャルが光電荷の読出転送を行う方向（
順方向）に向って一様に深くなるため、逆方向の転送を
行うと光電荷が半導体基板側に流れ易くなる。従って半
導体基板の電位を高くして逆転送を行えばチャネル領域
から半導体基板側に光電荷が効率良く流れる。

そして、逆方向の転送効率が順方向に対して低く設定さ
れた固体撮像素子に於いて、チャネル領域の光電荷が逆
方向に転送される過程でチャネル領域から半導体基板に
排出されるため、チャネル領域と半導体基板との間の電
位障壁が消滅しにくい領域に残留した光電荷は転送経路
中の何れかの領域で電位障壁が消滅していれば、チャネ
ル領域から半導体基板側に排出される。

（へ〉実施例 本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明固体撮像素子の撮像部を示す平面図であ
り、第２図は第１図のＸ−Ｙ断面図である。

Ｎ型のＳｉ基板（１０）は、第８図と同様にＰ−Ｗｅｌ
ｌ領域及びＮ型拡散領域を有しているが、第２図ではこ
れらを省略しである。このＳｉ基板（１０〉上には、分
離領域（１１〉に直交して複数の転送電極（１２ａ）（
ｔｚｂ）が絶縁膜（１３）に依り互いに絶縁されて配列
される。この転送電極（１２ａ）（１２ｂ）は、一部が
重なり合った２層構造を成し、４相の転送りロックφ１
〜φ４が夫々印加される。上層側の転送電極（１２ｂ）
は、分離領域（１１）上で幅が狭く形成され、拡散領域
（１４〉上に突出部（１５〉が形成される。この突出部
り１５）は、先端に向って細くなるテーパー状を成し、
夫々同一の側に形成される。このため、拡散領域（１５
）に発生する光電荷は分離領域（１１〉の間隙の中央寄
りを転送される。光電荷の転送は、クロックパルスφ、
〜φ４の４相駆動に依って行なわれるもので、光電荷の
読出時には突出部〈１５〉の突出方向とは反対の方向、
即ち図面中のＸからＹ方向に向って転送され、逆に光電
荷の排出時には読出時と逆の方向、即ち図面中のＹから
Ｘ方向に向って転送される。

ここで、光電荷の転送中の代表的なポテンシャルの状態
を第２図に破線で示す。このとき転送りｒフックφ１φ
□が高電位、転送りロックφ、φ４が低電位となってい
る。上層側の転送電極（１２ｂ）に依り形成されるポテ
ンシャルは、チャネル幅が狭いほどポテンシャルが浅く
なる所謂狭チャネル効果に依ってＸからＹ方向に向って
一様に深くなる。

即ち、上層側の転送電極（１２ｂ）の突出部（１５）は
、ＸからＹ方向に向って広がるテーパー状を成している
ため、この突出部（１５）下のチャネル領域仕、Ｘから
Ｙ方向に向って広がり、族チャネル効果が生じる。

そして、光電荷の読出時には、次に転送りロックφ、が
高電位となり、転送りロックφ、が低電位となって光電
荷が転送りロックφ、に対応する転送電極（１２ａ）下
から転送りロックφ、に対応する転送電極（１２ｂ　）
下に転送され、以後同様にして光電荷がＸからＹ方向に
転送される。このとき、上層側の転送電極（１２ｂ）で
形成されるポテンシャルが転送方向に向って深くなるこ
とから、良好な転送効率を得ることができる。

一方、光電荷の排出時には、次に転送りロックφ４が高
電位となり、転送りロックφ、が低電位となって光電荷
が転送りロックφ、に対応する転送電極（１２ｂ）下か
ら転送りロックφ４に対応する転送電極（１２ａ）下に
転送される。このとき、上層側の転送電極（１２ｂ）で
形成されるポテンシャルが転送方向に向って浅くなるた
めに、基板（１〉側の電位を高くしておけば、光電荷の
一部が転送されずに基板（１）側に流れる。従って、こ
のような逆方向への光電荷の転送を数ピットル数十ビッ
ト行うと共に、基板（１）側の電位を所定の値に固定し
ておけば、チャネル領域の光電荷を短い期間で完全に基
板（１）側に排出させることができる。逆方向への転送
ビット数や基板（１）側の電位の具体的数値については
、基板（１）中の不純物濃度や濃度分布等に依り異なる
が、基板（１）の状態に応じて基板（１〉側の電位や転
送ビット数を最適化することで、短い期間で効率良く光
電荷を排出することは可能である。

尚、この固体撮像素子の基板〈１〉の深さ方向のポテン
シャルの状態についでは、第９１Ｅと同一であり、詳し
い説明は省略する。

第３図は、他の実施例を示し、固体撮像素子の撮像部を
示す平面図であり、第４図は第３図のＸ−Ｙ断面図であ
る。これらの図に於いてＳｉ基板（１）自体は第１図及
び第２図と同一であり、同一部分に同一符号が付しであ
る。

基板（１〉上には、２Ｍ構造の複数の転送電極＜１６８
）（Ｌ６ｂ）が形成され、夫々４相の転送りロックφ１
〜φ４が印加される。この転送電極（１６ａ）（１６ｂ
）Ｊｔ上層側及び下層側の何れも分離領域（１１〉上で
狭く形成されると共に、拡散領域（１４）上に先端に向
って細くなるテーパー状の突出部（１７ａ）（１７ｂ）
が形成される。即ち、第１図及び第２図に示す固体撮像
素子では、上層側の転送電極（１２ｂ）に対してのみ狭
チャネル効果を得られるように構成したのに対し、上層
側及び下層側の転送電極（１６ａ）（１ｓｂ）に対して
狭チケネル効果が得られるように構成する。

従って、基板（１〉中に形成されるポテンシャルは、第
４図に破線で示す如く、上層側の転送電極（１７ｂ）で
形成されるポテンシャルに加えて下層側の転送電極（１
７ａ）で形成されるポテンシャルもＸからＹ方向に向っ
て一様に深くなる。

尚、第４図に示すポテンシャルの状態辻第２図と同一の
タイミングを示し、この後の駆動方法についても第２図
と同一である。

第５図は、上述の如き固体撮像素子の駆動方法を示すブ
ロック図であり、第６図はその動作タイミング図である
。ここでは、自動露光制御を行う場合について示しであ
る。

フレームトランスファ型のＣＣＤ固体撮像素子（２０）
は、照射された映像パターンに応じた複数電荷を得る撮
像部（Ｉ）、撮像部（Ｉ）の情報電荷を一旦蓄積する蓄
積部（Ｓ）及び蓄積部（Ｓ）の情報電荷を水平ライン毎
に出力させる水平転送部（Ｈ）からなり、駆動回路（２
１〉でパルス駆動されることに依って、映像信号Ｘ　、
ｔ）を出力する。このＣＯＤ　（２０）は、過剰な光電
荷を基板側に排出する縦型オーバーフロードレイン構造
を有すると共に、撮像部（１）が第１図或いは第２図の
如き電極構造を成し、逆方向への転送効率が順方向の転
送効率より低く設定されている。

駆動回路（２１〉は、基板クロックφｓｕｂをＣＣＤ（
２０）の基板に与える基板クロック発生回路（２１Ｎ）
、排出転送りロックφ、及び読出転送りロックφ、を撮
像部（１）に与える排出クロック発生回路（２１Ｂ）及
び読出クロック発生回路（２１Ｆ）、そして蓄積転送り
ロックφ、及び水平転送りロックφ、を夫々蓄積部（Ｓ
）及び水平転送部（Ｈ）に与える蓄積クロック発生回路
（２１５）及び水平クロック発生回路（２１１）からな
り、夫々排出タイミング設定回路（２２）からの排出タ
イミング信号ＲＴ、読出タイミング設定回路（２３）か
らの読出タイミング信号ＦＴに従って動作タイミングが
決定される。

一方、ＣＣＤ　（２０）から出力される映像信号Ｘ（１
）は、信号あ理回路（２４）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、ビデオ信号Ｙ　Ｃｔ’
）として外部機器に出力される。また映像信号Ｘ　（ｔ
）は、一画面単位で積分回路（２５〉で積分され、その
積分値Ｉ　（ｔ）が露光判定回路（２６）に与えられる
。

露光判定回路（２６）では、積分値Ｉ　（ｔ）がＣＣＤ
（２０）の適正露光範囲内であるか否かが判定され、露
光促進信号０ＰＥＮ或いは、露光抑制信号ＣＬＯ８Ｅが
出力される。即ち、露光判定回路（２６）に於いては、
積分値Ｉ　（ｔ）が適正露光範囲の最大値に対応する第
１の基準値及び最小値に対応する第２の基準値と比較さ
れ、第１の基準値より大きければ露光抑制信号ＣＬＯ８
Ｅ、第２の基準値より小さければ露光促進信号０ＰＥＮ
を出力し、第１の基準値と第２の基準値との間であれば
何れの信号も出力しない。

排出タイミング制御回路（２２）は、露光判定回路（２
６）の出力に従って光電荷の排出タイミングを設定する
ように構成されていおり、露光抑制信号ＣＬＯ８Ｅの入
力で排出タイミングを遅らせて光電荷の蓄積期間を短縮
し、露光促進信号０ＰＥＮの入力で排出タイミングを速
くして光電荷の蓄積期間を伸長する。即ち、光電荷の読
出タイミングは、垂直走査信号ＶＤのブランキング期間
内の所定のタイミングに固定されており、光電荷の排出
が終了してから次の読出タイミングまでの期間りが光電
荷の蓄積期間として設定されるため、光電荷の排出タイ
ミングの変更に依り光電荷の蓄積期間が設定される。

光電荷の排出は、映像信号Ｘ　（ｔ）へのノイズの重畳
を防止するために、水平走査信号ＨＤのブランキング期
間内に限って行われ、排出タイミングの設定が水平走査
期間単位で行われる。即ち、基板クロックφｓｕｂが、
積分値Ｉ（ｔ）に対応するタイミングの水平走査信号Ｈ
Ｄのブランキング期間内に高レベル（通常の蓄積時は低
レベルに固定される。）となると共に、そのブランキン
グ期間に限って排出転送りロックφ、が撮像部（Ｉ）に
与えられる。従って、撮像部（１〉のチャネル領域に蓄
積された光電荷は、所定のタイミングで排出転送りロッ
クφ、に依り逆方向に転送されると共に基板クロックφ
ｓｕｂに依り基板側に排出され、この排出動作が終了し
てから次の読出動作の始まりまでに蓄積される光電荷が
一画面分の映像信号を構成する。

このような光電荷の排出方法に依れば、光電荷が逆方向
に転送される一定の区間内の何れかの領域でチャネル領
域から基板側に排出されれば良いため、チャネル領域付
近の濃度分布にばらつきがあったとしても、光電荷が特
定の領域に残留することがなくなる。

尚、本実施例に於いては、光電荷の排出タイミングをＣ
ＣＤ　（Ｉ）の露光量に対応させた場合を例示したが、
光電荷の排出タイミングを任意に設定することで、可変
電子シャッタを実現することもできる。

（ト〉発明の効果 本発明に依れば、チャネル領域に残留する光電荷を駆動
電圧を必要以上に高くすることなく基板側に効率良く、
短い期間で排出することができるため、不要な光電荷の
残留や撮像部以外からの光電荷の漏れが防止でき、固体
撮像素子から得られる映像信号のレベルの低下やＳ／Ｎ
比の劣化が防止できる。

また、駆動電圧を低くできることから、転送りロック等
を作成する駆動回路の規模を縮小し簡略化が図れるため
、装置の小型化と共に低コスト化が望める。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明固体撮像素子の一実施例の要部平面部、
第２図は第１図の断面図、第３図は他の実施例の要部断
面図、第４図は第３図の断面図、第５図は本発明駆動方
法を示すブロック図、第６図はその動作タイミング図、
第７図は従来の固体撮像素子の要部平面図、第８図は第
７図の断面図、第９図は第８図のボテンシケルの状態を
示す図である。 （１）（１０）・・・Ｓｉ基板、　　（２）＝Ｐ−Ｗｅ
ｌｌ領域、　　（３〉（１１〉・・・分離領域、　（４
）（１４）・・・拡散領域、　（５ａ）（５ｂ）（１２
ａ）（１２ｂ）（１６ａ）（１６ｂ）　・・・転送電極
、　（６）（１３）・・・絶縁膜、　（１５）（１７ａ
）（１７ｂ）・・・突出部、　（２０）・・・ＣＯＤ、
　（２１）・・・駆動回路、　〈２２〉・・・排出タイ
ミング設定回路、　（２３〉・・・読出タイミング設定
回路、　（２６）・・・露光判定回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電型の半導体基板と、 この半導体基板の一方の面に埋設された逆導電型の拡散
   領域と、 分離領域で区画されて上記拡散領域内に互いに平行に配
   列された複数のチャネル領域と、 上記半導体基板から絶縁されると共に上記チャネル領域
   に交差して互いに平行に配列された複数の転送電極と、 を備え、上記半導体基板に発生する情報電荷を上記チャ
   ネル領域に沿って転送する固体撮像素子に於いて、 上記転送電極は、先端に向って幅の狭くなる突出部を各
   チャネル領域に応じて有してなり、 上記情報電荷を上記チャネル領域から上記半導体基板側
   に排出せしめるとき上記情報電荷を上記突出部の突出す
   る方向に転送することを特徴とする固体撮像素子。
2. （２）上記転送電極は、一部が互いにオーバーラップす
   る多層構造を成し、このうち少なくとも一層の転送電極
   が上記突出部を有してなることを特徴とする請求項第１
   項記載の固体撮像素子。
3. （３）一導電型の半導体基板の一方の面に逆導電型の拡
   散領域が形成され、この拡散領域内に複数のチャネル領
   域が分離領域で互いに区画されて設けられ、上記チャネ
   ル領域に発生する過剰な光電荷を上記半導体基板に受け
   る固体撮像素子の駆動方法に於いて、 上記固体撮像素子は、光電荷の転送効率が順方向に対し
   て逆方向が低く設定されてなり、上記チャネル領域上の
   転送電極をパルス駆動して光電荷を逆方向に転送駆動す
   ると共に、 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
   形成しうる上記半導体基板の電位に対し、上記半導体基
   板を高電位として上記電位障壁を消滅させ、 上記チャネル領域の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。
4. （４）請求項第３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上記固体撮像素子の垂直
   走査期間中、 第１の期間に上記チャネル領域の光電荷を上記半導体基
   板側に排出せしめた後、 残余の第２の期間に発生する光電荷を上記チャネル領域
   に蓄積し、 この第２の期間に得られた光電荷を一画面の情報電荷と
   して出力することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法
   。