JPH03278459A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、積層型固体撮像装置に係わり、特にバイアス
電荷の注入、排出手段を備えた固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 固体撮像素子チップ上に光導電膜を積層した２階立て構
造の固体撮像装置（積層型固体撮像装置）は、感光部の
開口面積を広くすることができるため、高感度且つ低ス
ミアという優れた特長を有する。このため、この固体撮
像装置は、各種監視用テレビジョンや高品位テレビジョ
ン等のカメラとして有望視されている。積層型固体撮像
装置用の光導電膜としては、現在のところ、アモルファ
ス材料膜が用いられている。例えば、５ｅ−Ａｓ−Ｔｅ
膜、　Ｚｎ５ｅ−ＺｎＣｄＴｅ、ａ−８ｔ：）！膜（水
素化非晶質シリコン膜）等である。これらの材料の中で
特に、特性や加工性の良さ、低温形成の可能性から、ａ
−８ｉ：Ｈ膜が本命になりつつある。

第６図は、従来の積層型固体撮像装置の概略構造を示す
断面図である。図中１１０はｐ型Ｓｉ基板、１１１はｐ
＋型素子分離層、１１２はｎ＋型チャネル（垂直ＣＣＤ
チャネル）　、　１１３はｎ”型蓄積ダイオード、１１
４は信号電荷読出しゲート、１．１５ａ、１１５ｂは転
送ゲート、１１６は第１絶縁層、１１７は画素電極配線
、１１８は第２絶縁層、】２０は画素電極、１２】はａ
−８ｉ：Ｈ等の光導電膜、１２２はＩＴＯ等の透明電極
を示している。ここで、転送電極１１５　ａの一部が信
号電荷読出しゲート１１４を兼ねるものとなっている。

第６図の構成において、透明電極１２２から入射した光
は光導電膜１２１で光電変換され、これにより電子−正
孔対ができる。蓄積ダイオード１１３に電気的に接続さ
れている画素電極１２０の電位は透明電極１２２よりも
高くなっているため、電子は画素電極１２０に向かって
、正孔は透明電極１２２に向かって移動する。正孔は透
明電極１２２を介して外部回路に流出し、電子は画素電
極１２０に接続されている蓄積ダイオード１１３に蓄積
され、該ダイオード１１３の電位を低下させる。一定期
間蓄積された信号電荷（電子）は、信号電荷読出しゲー
ト１１４に信号電荷読出しパルスが印加されると、蓄積
ダイオード１】３から垂直ＣＣＤチャネル１１２に読出
される。なお、垂直ＣＣＤチャネル１１２に読出され転
送された電荷は図示しない水平ＣＣＤチャネルを介して
出力されることになる。

しかしながら、この種の固体撮像装置にあっては次のよ
うな問題があった。即ち、蓄積ダイオード１１３と自由
電子の充満している画素電極配線１１７とが電気的に接
続されているため、蓄積ダイオード］、、　ｌ　３は完
全に空乏化せず、信号電荷の読出しが不完全転送となり
、これにより容量性残像が発生するという問題があった
。また、光導電膜１２１内で光電変換された電荷は膜内
に存在するトラップ準位に捕獲され、ある時間をおいて
放出されるため、固体撮像装置における残像特性を悪く
する問題があった。

上記の容量性残像は蓄積ダイオードにバイアス電荷を注
入することにより低減が可能であり、従来は光源を用い
てバイアス電荷を注入して容量性残像低減を行っていた
。しかし、この方法では、チップ上に光を均一に照射す
ることが極めて難しく、画素毎に電位のばらつきが生じ
てしまうことから、確実に残像を低減することはできず
、且つバイアス電荷排出後のバイアス電荷の余剰分によ
りダイナミックレンジが減少してしまうという問題があ
る。また、新たに光源を必要とするため、システムの構
成に複雑化を生じてしまうという問題もあった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の積層型固体撮像装置においては、蓄
積ダイオードからの信号電荷の読出し動作が不完全であ
り、容量性残像が発生するという問題があった。また、
従来の光源を用いたバイアス電荷の注入により残像を低
減する方法では、チップ上に光を均一照射することが難
しく、確実に残像を低減することはできず、且つバイア
ス電荷の余剰分によりダイナミックレンジが減少してし
まうこと、さらに新たに光源等が必要となり構成が複雑
化する等の問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、光源等を用いることなく信号電荷蓄
積ダイオードに均一にバイアス電荷を注入することがで
き、且つダイナミックレンジの減少を伴わずに、光導電
性残像を低減するのに十分なバイアス電荷の注入を行う
ことができ、残像特性の向上をはかり得る固体撮像装置
を提供することにある。

Ｃ発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、バイアス電荷の注入、排出用のゲート
及びダイオードを設けることにより、蓄積ダイオードへ
のバイアス電荷の注入、排出を電気的に行うことにあり
、さらにバイアス電荷の注入、排出用のダイオードの電
位を一定に保持してバイアス電荷の注入、排出を行うこ
とにある。

即ち本発明は、半導体基板上に信号電荷蓄積ダイオード
、信号電荷読出し部及び信号電荷転送部が形成され、且
つ最上部に信号電荷蓄積ダイオードに電気的に接続され
た画素電極が形成された固体撮像素子チップと、このチ
ップ上に積層された光導電膜と、この光導電膜上に形成
された透明電極とを備えた固体撮像装置において、前記
信号電荷転送部に隣接する位置に、前記信号電荷読出し
部を介して前記信号電荷蓄積ダイオードにバイアス電荷
を注入、排出するためのゲート及びダイオードを設け、
且つバイアス電荷を注入、排出するためのダイオードの
電位を、信号読出し時の信号読出しゲート下の電位と信
号電荷転送時の転送電極下のチャネルの浅い方の電位と
の間に設定するようにしたものである。

また本発明は、上記構成の固体撮像装置において、画素
電極及び信号電荷蓄積ダイオードをマトリックス状に配
列し、信号電荷転送部を信号電荷蓄積ダイオードの配列
に沿って列状に複数本配列し、且つバイアス電荷の注入
のためのゲート及びダイオードを各信号電荷蓄積ダイオ
ードに対応してそれぞれ設け、バイアス電荷の注入、排
出を、信号電荷蓄積ダイオードから信号電荷を読出した
後に行い、且つ全ての信号電荷蓄積ダイオードを同時に
ではなく、１行おきに行うようにしたものである。

（作用） 本発明によれば、信号電荷蓄積ダイオードに対して電気
的にバイアス電荷を注入、排出するためのゲート及びダ
イオードを設けることにより、垂直ＣＣＤチャネル及び
信号電荷読出しゲートを介して信号電荷蓄積ダイオード
に７（イアスミ荷を注入することができる。従って、光
源を用いる必要もなく、容量性残像を十分低減するだｌ
ｉのバイアス電荷を均一に注入すること力（できる。ま
た、−旦注入した〕（イアスミ荷を信号電荷読出しゲー
ト及び垂直ＣＣＤチャネルを介して排出することにより
、暗時出力電流が一定量以上のバイアス電荷に対して依
存しなくなるので、バイアス電荷のばらつきを無視する
ことができる。

また本発明は、バイアス電荷注入・排出ダイオードや、
透明電極の電位を変化させず、）くイアスミ荷注入・排
出ダイオードの電位を信号読出し時の信号電荷蓄積ダイ
オードの電位と信号転送時のＣＣＤチャネルの低レベル
のチャネル電位との間に設定することにより、信号電荷
読出しゲート及びバイアス電荷注入・排出ゲートの開閉
のみで信号電荷蓄積ダイオードに垂直ＣＣＤチャネルを
介してバイアス電荷注入、排出を行うことができる。従
って、バイアス電荷の注入、排出のために必要な駆動回
路を簡略化することができ、また、駆動に必要な消費電
力を小さくすることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の基本
構成を平面的に示す模式図である。

基本的な構成は従来の積層型固体撮像装置と同様である
。即ち、図示しないＳｉ基板上に信号電荷蓄積ダイオー
ド１０がマトリックス状に配列され、これらの蓄積ダイ
オード１０に隣接して列方向に垂直ＣＣＤの転送電極２
０が設けられている。これらの転送電極２０には、それ
ぞれ駆動パルスφＶＩ＋　φＶ２．　　φＶ３＋　　φ
Ｖ４が印加され、垂直ＣＣＤは４相駆動となっている。

ここで駆動パルスφ９３．φＶ、が印加される電極２０
の一部は信号電荷読出しゲート３０を兼ねている。

本装置が従来装置と異なる点は、電荷注入。

排出用のゲート及びダイオードを設けたことにある。即
ち、垂直ＣＣＤの蓄積ダイオード１０と反対側にはバイ
アス電荷注入・排出用ゲート４０及びバイアス電荷注入
・排出用ダイオード５０が設けられている。ゲート４０
には駆動パルスＩ。Ｉ＋ＩＧ２が印加され、ダイオード
５０には一定電圧が印加される。そして、ダイオード５
０からゲート４０．垂直ＣＣＤ及び読出しゲート３０を
介して蓄積ダイオード１０にバイアス電荷が注入され、
また蓄積ダイオード１０から上記と逆の経路でバイアス
電荷の余剰分が排出されるものとなっている。

第２図は第１図をより具体化して示す平面図である。転
送電極２０のうち駆動パルスφＶｌ＋φ。が印加される
電極２１．２３は第１層ポリＳｉであり、駆動パルスφ
Ｖ２＋　　φｖ４が印加される電極２２．２４は第２層
ポリＳｉである。また、バイアス電荷注入・排出用ゲー
ト４０は第３層ポリＳｉである。なお、図中６０は垂直
ＣＣＤチャネル、７０はバイアス電荷注入・排出用ダイ
オード５０に接続される電極を示している。また、蓄積
ダイオード１０（１，１，１２）において、転送電極２
１に隣接する方を１１、転送電極２３に隣接する方を１
２としている。同様に、信号電荷読出しゲート３０（３
１，３２）　、バイアス電荷注入・排出用ゲート４０　
（４１，４２）　、バイアス電荷注入・排出用ダイオー
ド５０　（５１，５２）及び電極７０　（７１，７２）
において、蓄積ダイオード１１に対応する方を３１．４
１，５１，７１、蓄積ダイオード１２に対応する方を３
２．４２．５２．７２としている。また、図では画素電
極配線８１７画素電極８２．光導電膜８３及び透明電極
８４等は省略しである。

次に、本装置の駆動方法について説明する。

第３図に本発明の一実施例による駆動パルス波形を、第
４図に第２図の矢視Ａ−Ａ断面構造図とそのポテンシャ
ル状態の変化を、第５図に第２図の矢視Ｂ−Ｂ断面の画
素電極配線８１゜画素電極８２．光導電膜８３及び透明
電極８４を含む断面構造の概略図とそのポテンシャル状
態の変化を示す。第３図に付した番号１〜３７は第４図
に付した１〜３７に対応し、また第３図に付した記号ｔ
　ａ　−ｔ　ｏは第５図に付した（ｔａ）〜（ｔｏ）に
対応するものである。

第３図に転送電極２０（２１〜２４）への駆動パルスφ
Ｖ、〜φｖ４、バイアス電荷注入・排出ゲート４０　（
４１，４２）への駆動パルスＩＧ１．ＩＧ□を示す。転
送電極２０に使用する電圧レベルは、信号電荷転送時に
電荷を受ける時の印加電圧レベルＶＨと、電荷を送ると
きの印加電圧レベルｖＬとの２値である。信号読出しゲ
ートを兼ねる転送電極２１．２３の駆動パルスφ９３．
φｖ３は、前記のＶＨ，ＶＬに加えて、信号読出しゲー
トを開けるとき（ＯＮ）の印加電圧レベルＶＰＳを用い
３値をとる。駆動パルスＩＯ１＋ＩＧ２は、バイアス電
荷注入・排出ゲート４１．４２を開けるとき（ＯＮ）の
ＶＨと、信号電荷転送時（ゲートを閉めているとき（Ｏ
ＦＦ））のＶＬの２値をとる。

まず、第３図、第４図を用いて信号電荷を転送すると共
に、バイアス電荷の注入、排出動作を行う方法について
説明する。第３図に示すように、信号電荷読出しゲート
３１の電圧φ９．が読出し電圧ＶＦｓとなると、第４図
（ａ）に示すように転送電極２１の下のチ゛ヤネルに蓄
積ダイオード１１から信号電荷が読み出される。続いて
、転送電極２０の駆動パルスφ９３．φｖ２を第３図の
２〜４のように変化させることにより、第４図（ｂ）〜
（ｄ）に示す如く信号電荷は転送され、転送電極２３の
下のチャネルに移される。そして次に、信号電荷読出し
ゲート３２の駆動パルスφ。を第３図の５，６のように
変化させることにより、蓄積ダイオード１２の信号電荷
を転送電極２３の下のチャネルに読出し、既にあった信
号電荷に加えられる。この状態で、信号電荷は転送電極
２３の下のみにあり、転送電極２１の下は空である。

次に、バイアス電荷注入動作に入る。駆動パルスφ。を
第３図の８．９に示すように変化させることにより、第
４図（ｅ）に示す如く蓄積ダイオード１１に電荷注入・
排出ダイオード５１からバイアス電荷を注入する。その
後、駆動パルスφＶ　３　＋　　φＶ４＋　φＶ、を第
３図の１１〜１４のように変化させることにより、第４
図（ｆ）　（ｇ）に示す如く信号電荷を転送電極２３か
ら転送電極２１に転送し、転送電極２３の下を空にする
。

そして、転送電極２３の駆動パルスφＶ、を第３図の１
６．１７のように変化させ、蓄積ダイオード１２にバイ
アス電荷を注入し、全ての蓄積ダイオード１０にバイア
ス電荷を注入する。このとき、信号電荷は第４図（ｈ）
に示す如く転送電極２１の下にある。

次に、バイアス電荷排出動作に入る。注入動作と同様に
、まず転送電極２０の駆動パルスφＶＩ＋　φＶ２＋　
φ９．を第３図に示す１９〜２２のように変化させるこ
とにより、転送電極２１の下にある信号電荷を第４図（
ｉ）〜（ｋ）に示す如く転送電極２３に転送し、その後
駆動パルスφｖ１を第３図の２３．２４．２６のように
変化させ、第４図（ｋ）（１）に示す如く蓄積ダイオー
ド１１から注入・排出ダイオード５１にバイアス電荷を
排出する。そして、転送電極２０の駆動パルスφＶ３＋
　φｖ４．φｖ１を第３図に示す２８〜３１のように変
化させて、第４図（ｍ）　（ｎ）に示す如く転送電極２
３の下の信号電荷を転送電極°２１の下に転送した後、
駆動パルスφ９．を第３図の３２．３３．３５．３７の
ように変化させて、第４図（ｏ）　（ｐ）に示す如く蓄
積ダイオード１２から注入争排出ダイオード５２にバイ
アス電荷を排出する。このようにして、信号電荷とバイ
アス電荷が混じることなく、信号電荷の読出し、バイア
ス電荷の注入、排出動作が可能である。

次に、バイアス電荷の注入、排出原理を第５図を参照し
てさらに説明する。第５図の（ｔａ）は蓄積ダイオード
１１から転送電極２１下のチャネルに信号電荷が読み出
されるとき、（ｔｂ）は蓄積ダイオード１１から転送電
極２１下のチャネルに信号電荷が読み出されたときを示
し、（ｔｃ）はその信号電荷を転送電極２１の下から転
送電極２３の下に転送した後を示す。その後、注入・排
出ゲート４１の駆動パルスＩ。、を第３図に示す７のよ
うにｖＬからｖＨに変化させ、第５図の（ｔｄ）に示す
ように注入・排出ゲート４１を開く。

次に、信号読出しゲート３１の駆動パルスを第３図の８
のようにＶＬからｖｐｓに変化させることにより、第５
図の（ｔｅ）のように信号読出しゲート３１を開く。こ
こで、電荷を注入、排出するためのダイオード５００電
位Ａは信号電荷読出し時の信号電荷蓄積ダイオード１０
の電位Ｂと信号転送時の垂直ＣＣＤチャネルの低レベル
のチャネル電位Ｃとの間であるため、注入・排出ダイオ
ード５１の電位よりも蓄積ダイオード１１の電位の方が
電位的に高くなり、蓄積ダイオード１〕内にバイアス電
荷が注入される。

第５図の（ｔｅ）はその様子を示す。その後、信号読出
しゲート３１の駆動パルスφｖ１を第３図の９のように
ＶＰＳからｖＬに変化させ、第５図（ｉｆ）に示すよう
に信号読出しゲート３１を閉めると共に、転送電極２１
下のバイアス電荷を注入・排出ダイオード５１に排出し
チャネル部を空にする。そして、注入・排出ゲート４１
の駆動パルスＩｃ＋を、第３図の１０のようＶＬからＶ
Ｈに変化させ、第５図の（ｔｇ）のように注入・排出ゲ
ート４１を閉じる。ここで、蓄積ダ・「オード１１にバ
イアス電荷の注入が終了したことになる。

第５図の（ｔｈ）（ｔｊ＞は蓄積ダイオード１２に蓄積
ダイオード１１と同様の方法でバイアス電荷の注入を行
うため、注入動作を行っている間、転送電極２１の下の
チャネルに信号電荷を入れている状態と、信号電荷を転
送電極２２の下のチャネルに転送するため、駆動パルス
φｖ１をＶｔの状態にした様子を示す。

次に、バイアス電荷の排出方法につ一箋で説明する。転
送電極２１の駆動、（レスφｖ１を第３図の２３のよう
にｖｈからＶＦＳに変化させ、第５図の（ｔｊ）に示す
ように信号読出しゲート３１を開いて、バイアス電荷を
蓄積ダイオード１１力１ら転送電極２１の下のチャネル
に読出す。その後、第３図の２４のように、駆動ノ＜ル
スφ９．をＶＦＳからＶＨにして第５図（ｔｋ＞のよう
１こ信号読出しゲート３１を閉じる。次に、）（イアス
ミ荷を注入したときに、注入後にチャネル部を空番；し
た時と同様の方法でチャネル部の電荷を注入・排出ダイ
オード５１に排出する。つまり、注入・排出ゲート４１
の駆動１＜）レス１６□を第３図の２５のようにｖＬか
らｖＨに変化させ、第５図の（ｔｌ）のように注入・排
出ゲート４１を開りす、転送電極２１の駆動パルスφｖ
１を第３図の２６の１うにＶ　１４からＶＬに変化させ
て第５図の（１）のようにバイアス電荷を排出する。そ
の後、注入・排出ゲート４］の駆動ノクルスＩＣＩを、
第３図の２７のようにｖＨからｖＬにして、第５図の（
ｔｎ）のように注入・排出ゲート４１を閉め、転送電極
２１の駆動パルスφ７．を第３図の３０のようにＶＬか
らＶＨにすることにより、第５図のくｔｏ）のように信
号読出し前の状態に戻る。

このようにして信号読出し、バイアス電荷注入、排出動
作を行う。

かくして本実施例によれば、信号電荷蓄積ダイオード１
０に対して電気的にバイアス電荷を注入、排出するため
のゲート４０及びダイオード５０を設けているので、光
源を用いることなく蓄積ダイオード１０にバイアス電荷
を注入することができる。従って、容量性残像を十分低
減するだけのバイアス電荷を蓄積ダイオード１０に均一
に注入することができ、残像の低減に極めて有効である
。さらに、注入したバイアス電荷の余剰分を電荷読出し
ゲート３０を介して信号電荷とは別にバイアス電荷注入
・排出用ダイオード５０に排出するために、ダイナミッ
クレンジが減少する不都合もない。

また本実施例では、バイアス電荷注入・排出用ダイオー
ド５０の電位を固定、即ちバイアス電荷注入・排出用ダ
イオード５０の電位を信号読出し時の信号電荷蓄積ダイ
オード１０の電位と信号転送時のＣＣＤチャネルの低レ
ベルのチャネル電位との間に設定することにより、信号
電荷読出しゲート３０及びバイアス電荷注入・排出ゲー
ト５０の開閉のみで信号電荷蓄積ダイオード１０に垂直
ＣＣＤチャネルを介してバイアス電荷の注入、排出を行
うことができる。従って、バイアス電荷の注入、排出の
ために必要な駆動回路を簡略化することができ、また、
駆動に必要な消費電力を小さくすることが可能となる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記信号電荷注入。

排出用のゲート及びダイオードはＣＣＤチャネルの信号
電荷蓄積ダイオードと反対側に限るものではなく、信号
電荷読出しゲートを介してバイアス電荷の注入を行える
ものであれば、信号電荷蓄積ダイオード側に設けたもの
であってもよい。さらに、積層型に限らず一般にＣＣＤ
撮像装置にも適用することが可能である。また、実施例
ではバイアス電荷の注入、排出を１行おきに行ったが、
ＣＣＤの駆動方式によっては全ての信号電荷蓄積ダイオ
ードで同時に行うことも可能である。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが
できる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、バイアス電荷の注
入、排出用のゲート及びダイオードを設けることにより
、蓄積ダイオードへのバイアス電荷の注入、排出を電気
的に行うことができ、従ってダイナミックレンジの減少
を伴なうことなく、残像特性の向上をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例に係わる固体撮像
装置を説明するためのもので、第１図は固体撮像装置の
基本構成を平面的に示す模式図、第２図は第１図をより
具体化して示す平面図、第３図は転送電極及びバイアス
電荷注入ゲートへの駆動パルスを示す信号波形図、第４
図は第２図の矢視Ａ−Ａ断面の概略とそのポテンシャル
状態の変化を示す模式図、第５図は第２図の矢視Ｂ−Ｂ
断面の概略とそのポテンシャル状態の変化を示す模式図
、第６図は従来の積層型固体撮像装置の概略構造を示す
断面図である。 １０　（１１，１２）・・・信号電荷蓄積ダイオード、
２０（２１〜２４）・・・転送電極、 ３０　（３１，３２）・・・信号電荷読出しゲート、４
０　（４１，４，２）・・・バイアス電荷注入・排出用
ゲート、 ５０　（５１，５２）・・・バイアス電荷注入・排出用
ダイオード、 ６０・・・垂直ＣＣＤチャネル、 ７０　（７１，７２）・・・電極、 ８１・・・画素電極配線、 ８２・・・画素電極、 ８３・・・光導電膜、 ８４・・・透明電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に信号電荷蓄積ダイオード、信号電
   荷読出し部及び信号電荷転送部が形成され、且つ最上部
   に信号電荷蓄積ダイオードに電気的に接続された画素電
   極が形成された固体撮像素子チップと、このチップ上に
   積層された光導電膜と、この光導電膜上に形成された透
   明電極とを備えた固体撮像装置において、 前記信号電荷転送部に隣接する位置に、前記信号電荷読
   出し部を介して前記信号電荷蓄積ダイオードにバイアス
   電荷を注入、排出するためのゲート及びダイオードを設
   け、且つバイアス電荷を注入、排出するためのダイオー
   ドの電位を、信号読出し時の信号読出しゲート下の電位
   と信号電荷転送時の転送電極下のチャネルの浅い方の電
   位との間に設定してなることを特徴とする固体撮像装置
   。
2. （２）前記画素電極及び信号電荷蓄積ダイオードはマト
   リックス状に配列され、前記信号電荷転送部は信号電荷
   蓄積ダイオードの配列に沿って列状に複数本配列され、
   前記バイアス電荷の注入のためのゲート及びダイオード
   は１個又は複数の信号電荷蓄積ダイオードに対応してそ
   れぞれ設けられたものであり、 前記バイアス電荷の注入、排出は、信号電荷蓄積ダイオ
   ードから信号電荷を読出した後に行われ、且つ全ての信
   号電荷蓄積ダイオードを同時にではなく、１行おきに行
   われることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。