JPH05175471A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 感光部のダイナミックレンジを大きくするこ
とができ、黒潰れや白飛びの低減をはかり得る固体撮像
装置を提供すること。 【構成】 ｎ型シリコン基板１上のｐ型ウェル２の表面
層にマトリックス状に配列された感光部３０と、これら
の感光部配列に沿って配列され、該感光部３０から読出
された信号電荷を垂直方向に転送する複数列のｎ型垂直
ＣＣＤチャネル４と、これらの垂直チャネルＣＣＤ４の
一端に近接して配置され、該垂直ＣＣＤチャネル４によ
り転送された各行の信号電荷を振り分けて水平方向に転
送する水平ＣＣＤチャネルとを具備した固体撮像装置に
おいて、１画素を構成するセル中に面積の大きな主感光
部３１と面積の小さな補助感光部３２との２つを形成
し、且つ補助感光部３２上に直接入射光を遮光する遮光
膜１０を形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、テレビカメラ等に使用
される固体撮像装置に係わり、特にダイナミックレンジ
拡大をはかった固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体撮像装置の代表的な構造とし
て、インターライン型ＣＣＤエリアセンサ（ＩＴ−ＣＣ
Ｄ）がある。この装置の１画素構成は、図６に平面図
を、図７に図６の矢視Ａ−Ａ′断面図を示すようになっ
ている。

【０００３】ｎ型基板１上のｐ型ウェル２に、不純物拡
散層３ａ，３ｂからなる感光部３，ｎ型の垂直ＣＣＤチ
ャネル４及びｐ型の素子分離領域５が形成され、垂直Ｃ
ＣＤチャネル４の上にはゲート絶縁膜６を介して転送電
極７，８が形成されている。転送電極７は、感光部３か
ら垂直ＣＣＤチャネル４への信号読出しゲートも兼ねて
いる。そして、これらの上には層間絶縁膜９を介して、
感光部３以外の領域を覆うように光シールド層１０が形
成されている。

【０００４】このような構成において、感光部３に入射
した光１１は光電変換され、信号電荷となる。図８に、
感光部３における基板方向の電位分布を示す。感光部３
に形成される電位の高い部分に信号電荷１２は蓄積され
るが、感光部３の飽和以上の信号電荷は、電位障壁を乗
り越えて基板側に排出される。

【０００５】図９に、感光部３における光電変換特性を
示す。光量の少ない暗い状態から明るい状態になると、
信号電荷（信号電子数）は光量に比例して多くなるが、
感光部３が飽和すると基板側に排出されるため、それ以
上は多くならない。よって、信号電荷数１３とノイズ１
４より感光部３のダイナミックレンジ１５が決まり、飽
和レベル以上の領域１６では、明暗の区別がつかない。
このダイナミックレンジは従来のデバイスで７０ｄＢ程
度であるが、例えば暗い室内から明るい室外を撮像した
場合、室内が暗く潰れるか、室外が白く飛んでしまい、
両方を識別できるような画像を得ることは極めて困難で
あった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の固体
撮像装置では、感光部のダイナミックレンジが小さいた
めに、非常に明るい部分と暗い部分の両方を識別できる
画像を得ることは困難であった。

【０００７】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、感光部のダイナミック
レンジを大きくすることができ、黒潰れや白飛びの低減
をはかり得る固体撮像装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、感光部
におけるダイナミックレンジの拡大をはかるために、１
画素を感度の異なる２つの感光部で形成したことにあ
る。

【０００９】即ち本発明は、半導体基板上にマトリック
ス状に配列された感光部と、これらの感光部配列に沿っ
て配列され、感光部から読出された信号電荷を垂直方向
に転送する複数列の垂直ＣＣＤと、これらの垂直ＣＣＤ
の一端に近接して配置され、垂直ＣＣＤにより転送され
た各行の信号電荷を振り分けて水平方向に転送する水平
ＣＣＤとを具備した固体撮像装置において、１画素を構
成するセル中に、面積の大きな主感光部と面積の小さな
補助感光部との２つを形成し、且つ補助感光部上に直接
入射光を遮光する遮光膜を形成するようにしたものであ
る。

【００１０】

【作用】本発明によれば、１セル中に２つの感光部を作
り、一方の感光部を遮光膜で覆い、直接光が入射する主
感光部と、遮光膜端からの漏れ込み光のみ入射する補助
感光部を作る。この場合、直接光が入射する方は従来と
同じように直ぐ飽和するが、漏れ込み光のみ入射する方
は、従来より強い光が入射しないと飽和しない。従っ
て、２つの感光部の信号を読出して加算すれば、ダイナ
ミックレンジの大きな感光部を作ることが可能となる。
さらに、遮光されている補助感光部は直接光が入射しな
いため、遮光されていない主感光部より小さな面積にす
ることができるので、感度がそれほど小さくならないで
済む。

【００１１】また、信号電荷の読出し方法として、１画
素における２つの感光部の信号電荷を加算するために、
２つの感光部の信号電荷を垂直ＣＣＤに同時に読出すよ
うにすればよい。また、直接光の入射する主感光部の飽
和レベルのムラを無くすために、信号電荷の一部を排出
した後に受光蓄積を行い、読出し電気パルスを小さく
し、不完全モードにして２つの感光部の信号電荷を垂直
ＣＣＤに読出し加算するようにすればよい。

【００１２】

【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。

【００１３】図１は本発明の第１の実施例に係わる固体
撮像装置の１画素構成を示す平面図であり、図２は図１
の矢視Ｂ−Ｂ′断面図である。なお、図１の矢視Ａ−
Ａ′断面は前記図７と同様である。

【００１４】図中１はｎ型のシリコン基板（半導体基
板）であり、この基板１上にはｐ型のウェル２が形成さ
れ、このウェル２の表面層に不純物拡散による感光部３
０、ｎ型の埋込み垂直ＣＣＤチャネル４，及びｐ⁺ 型の
素子分離領域５が形成されている。ここで、感光部３０
は従来装置とは異なり、素子分離領域５により２つに分
離されており、面積の広い方が主感光部３１、面積の狭
い方が補助感光部３２となる。それぞれの感光部３１，
３２は、ｐウェル２にｎ型層３１ａ，３２ａを形成し、
ｎ型層３１ａ，３２ａの上に極薄のｐ⁺ 型層３１ｂ，３
２ｂを形成して構成されている。

【００１５】上記各層を形成した基板上には、垂直ＣＣ
Ｄチャネル４の上にゲート絶縁膜６を介して転送電極
７，８が形成されている。ここで、転送電極７は感光部
３０から垂直ＣＣＤチャネル４への読出しゲートも兼ね
ている。また、これらの上には層間絶縁膜９を介して光
シールド層（遮光膜）１０が形成されている。ここで、
光シールド層１０は感光部３０以外の部分を覆うと共
に、補助感光部３２上を覆うように形成されている。

【００１６】なお、図には示さないが、上記の感光部３
０は基板１のｐウェル２上にマトリックス状に配列さ
れ、これらの感光部配列に沿って複数本の垂直ＣＣＤチ
ャネル４が縦列状に配列され、垂直ＣＣＤチャネル４の
端部には水平ＣＣＤチャネルが配置される。そして、感
光部３０にて受光蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤチ
ャネル４に読出されて転送されたのち、水平ＣＣＤチャ
ネルを転送されて出力されるものとなっている。

【００１７】このような構成において、主感光部３１に
入射した光２１及び補助感光部３２に入射した光２２
は、それぞれ光電変換されて信号電荷となる。このと
き、補助感光部３２の入射光２２は、光シールド層１０
の開口部端からの漏れ込み光のみであるため、主感光部
３１の入射光２１よりも少ない。従って、補助感光部３
２の信号電荷量は主感光部３１の信号電荷量よりも少な
く、補助感光部３２が飽和する光量は主感光部３１より
も大きくなる。なお、補助感光部３２の方が信号電荷量
が少ないので、主感光部３１より面積を小さくでき、主
感光部３１を大きく取れるので、感度が大きく低下する
ことはない。

【００１８】図３に、本実施例における感光部３０の光
電変換特性を示す。主感光部３１の光電変換特性を２３
に、補助感光部３２の光電変換特性を２４に示す。主感
光部３１は同じ光量に対して信号量は補助感光部３２よ
り多いが、より少ない光量で飽和する。主感光部３１と
補助感光部３２の光電変換特性を足し合わせた特性を２
５に示す。この特性２５は、光量が少ない時の信号量が
大きく、光量が多いときの信号量の増加が少なくなって
いることが特徴である。この結果、ノイズ１４に対する
飽和レベル２７とのダイナミックレンジ２６を、従来よ
りも格段に大きくすることが可能となる。

【００１９】なお、１画素の２つの感光部３１，３２に
おける信号量の足し合わせは、図１で示したように、読
出しゲートを共通にし、垂直ＣＣＤチャネル４内で加算
することにより実現できる。

【００２０】このように本実施例によれば、１画素の感
光部３０を面積の大きな主感光部３１と面積の小さい補
助感光部３２で構成し、補助感光部３２上に光シールド
層１０を設けているので、感光部３０に感度の高い領域
と感度の低い領域を形成したことになり、その結果とし
て感光部３０のダイナミックレンジを拡大することがで
きる。このため、黒潰れや白飛びの発生を抑制すること
ができ、良質の再生画像を得ることができる。また、感
光部３０を２つに分離するには従来の素子分離層５のパ
ターンを変えるのみでよく、補助感光部３２上を遮光す
るには従来の光シールド層１０のパターンを変えるのみ
でよく、製造工程の複雑化を招くこともない。次に、本
発明の第２の実施例について説明する。

【００２１】前述した第１の実施例の構成において、各
セル毎の感光部３における飽和レベル時の信号量１２
は、図４に示すようにばらつきがある。これは、各感光
部３を構成する不純物層にばらつきがあるため、感光部
３の電位レベルが変わり、蓄積できる信号量にもばらつ
きが生じるためである。これは、画像上ムラとなって現
われるため、無くす必要がある。なお、図４で３ａ，３
ｂと示しているのは、不純物層３１ａ，３２ａと不純物
層３１ｂ，３２ｂを統合して表わしていることを意味し
ている。

【００２２】図５に、本実施例に係わる信号量のばらつ
きを無くすための信号電荷の読出し方法を示す。（ａ）
はばらつきのある感光部(1)(2)に、信号電荷１２がそれ
ぞれの飽和レベル５１，５２まで蓄積されている状態で
ある。このとき、信号電荷量１２は (1)と (2)で異なっ
ている。（ｂ）は、読出しゲートを、信号電荷を全て読
出すレベルの途中まで開けて、信号電荷１２の一部を排
出した状態である。このとき、電位レベルは両方とも５
３で同じである。

【００２３】（ｃ）は、再び読出しゲートを閉じて信号
電荷１２が両方共５４まで蓄積された状態である。
（ｄ）は（ｃ）から読出しゲートを開けて信号電荷１２
を５５の電位レベルまで読出した状態である。この読出
し動作において、信号電荷は電位レベル５４，５５の差
分が、それぞれ読み出されることになり、最大飽和量に
ばらつきがある感光部においても一様な信号飽和レベル
を設定することが可能となる。

【００２４】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。実施例では、補助感光部上に遮光膜
を配置したが、この代わりに直接入射光を十分に減衰す
る半透明膜を配置するようにしてもよい。要は補助感光
部に入射する光量（単位面積当りの光量）が主感光部に
入射する光量よりも少なくなるようにすればよい。ま
た、主感光部と補助感光部の面積比は、主感光部の方が
補助感光部よりも大きい範囲で適宜定めればよい。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。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、１
セルにおける感光部を２つに分け、一方の感光部上に遮
光膜を設けた構成により、感光部のダイナミックレンジ
を画像ムラなく大きくすることができ、黒潰れや白飛び
等の発生を極めて少なくすることができ、撮像画像の画
質向上をはかることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる固体撮像装置の
１画素構成を示す平面図、

【図２】図１の矢視Ｂ−Ｂ′断面図、

【図３】第１の実施例における感光部の光電変換特性を
示す図、

【図４】各セルの飽和ばらつきを表わす電位分布特性を
示す図、

【図５】第２の実施例に係わる飽和ムラを無くす信号電
荷読出し方法を示す模式図、

【図６】従来の固体撮像装置の１画素構成を示す平面
図、

【図７】図６の矢視Ａ−Ａ′断面図、

【図８】従来装置における感光部の電位分布特性を示す
図、

【図９】従来装置における感光部の光電変換特性を示す
図。

【符号の説明】

１…ｎ型シリコン基板（半導体基板）、 ２…ｐ型ウェル、 ４…ｎ型埋込み垂直ＣＣＤチャネル、 ５…ｐ⁺ 型素子分離領域、 ６…ゲート絶縁膜、 ７，８…転送電極、 ９…層間絶縁膜、 １０…光シールド層（遮光膜）、 ３０…感光部、 ３１…主感光部、 ３２…補助感光部、 ３１ａ，３２ａ…ｎ型不純物層、 ３１ｂ，３２ｂ…ｐ⁺ 型不純物層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上にマトリックス状に配列され
   た感光部と、これらの感光部配列に沿って配列され、該
   感光部から読出された信号電荷を垂直方向に転送する複
   数列の垂直ＣＣＤと、これらの垂直ＣＣＤの一端に近接
   して配置され、該垂直ＣＣＤにより転送された各行の信
   号電荷を振り分けて水平方向に転送する水平ＣＣＤとを
   具備した固体撮像装置において、 前記感光部は１画素を構成するセル中に、面積の大きな
   主感光部と面積の小さな補助感光部との２つが形成さ
   れ、且つ補助感光部上に直接入射光を遮光する遮光膜が
   形成されてなることを特徴とする固体撮像装置。