JPH07226495A - 減少されたフォトダイオード間のクロストークを有するｃｃｄ画像センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 非常に高い空間サンプリングと、低いフォト
ダイオード間のクロストークと、高い電荷格納密度とを
有し、加えて電子的露光構造が組み込まれうる改善され
たＣＣＤ画像センサーを提供する。 【構成】 （ａ） 走査ラインに沿って所定の幅の光
検出開口を有して配列された個々の画像化光検出器の二
つのリニアアレイと、それらリニアアレイ内の隣接する
光検出開口５０が、光検出開口間に光検出開口の幅に実
質的に等しい幅の光遮蔽５１を持ち、第一のリニアアレ
イ４０の隣接する光検出開口間に入射する全ての光情報
が第二のリニアアレイ４１の光検出開口により感応され
るように第一のアレイから走査ラインに沿って概ね光検
出開口の幅だけオフセットする第二のリニアアレイと、
（ｂ） 第一（第二）のリニアアレイの画像化光検出器
により生成される電荷キャリアを受け、格納する第一
（第二）のＣＣＤレジスタ１６ａ（１６ｂ）とからな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＣＣＤ画像センサーに関
し、更に詳しくは非常に高いサンプリング性能と低いフ
ォトダイオード間のクロストークと高い電荷格納密度と
電子的露光制御を有する改善された画像センサーに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１を参照するに従来技術のＣＣＤ画像
化器の概略平面図を示す。ＣＣＤ画像化器１０は複数の
画像化光検出器１４をその中に有する半導体材料の本体
からなる。示されているように画像化光検出器１４はリ
ニアアレイ用の直線状のアレイ内に配置される。しかし
ながら光検出器１４は領域アレイ用の行及び列のアレイ
内に配置されうる。それぞれの画像化光検出器はフォト
ダイオード又はフォトキャパシターのようなどのような
良く知られている光検出器の型でありえ、これは光子を
受けそれを電荷キャリアに変換する。画像化光検出器１
４のラインの一方の側に沿ってＣＣＤシフトレジスタ１
６がある。ＣＣＤシフトレジスタ１６は光検出器１４の
ラインに沿って延在し、該ラインから隔たっているチャ
ンネル領域（図示せず）からなる。チャンネル領域が埋
め込みチャンネルの場合にはそれはＣＣＤ画像化器の本
体のそれと反対の導電性型の領域である。複数の第一の
ゲート電極２０はチャンネル領域にわたり、該領域から
絶縁されている。第一のゲート電極２０はチャンネル領
域に沿って別の画像化光検出器１４に隣接するそれぞれ
の第一のゲート電極２０と隔てられている。複数の第二
のゲート電極２２はチャンネル領域にわたり、該領域か
ら絶縁されている。第二のゲート電極２２はそれぞれが
別の画像化光検出器１４に隣接するよう第一のゲート電
極２０と交互の関係に配置される。斯くして２相ＣＣＤ
シフトレジスタ１６を形成するそれぞれの画像化光検出
器１４に隣接する１の第一のゲート電極２０及び１の第
二のゲート電極２２の２つのゲート電極がある。ゲート
電極２０及び２２は多結晶シリコンのような導電性材料
であり、典型的には二酸化シリコンである絶縁材料の層
（図示せず）によりチャンネル領域から絶縁される。第
一のゲート電極２０は第一のクロック位相Φ１にすべて
接続され、第二のゲート電極は第二のクロック位相Φ２
にすべて接続される。

【０００３】転送ゲートＴＧ１ｎ及びＴＧ２ｎは画像化
光検出器１４とＣＣＤシフトレジスタ１６のチャンネル
との間の画像化器の本体にわたり延在し、該本体から絶
縁される。２つの転送ゲートがここに示されているが、
１つのゲートのみが真に必要であることが理解されよ
う。集積期間の終わりには各画素内に収集された光によ
り生成された電荷はＴＧ１ｎ及びＴＧ２ｎピンに対して
適切な電圧のバイアスを印加することにより隣接するＣ
ＣＤセルに転送され、一方でＣＣＤはなおアイドル状態
である。電荷転送の終わりには転送ゲートクロックは絶
縁電位及びＣＣＤクロッキングレジュームに戻る。それ
ぞれの電荷パケットがＣＣＤの端でＯＧ電位にわたって
クロックされるので、出力回路２５のＶＩＤｎピンでの
出力電圧での対応する電荷が観測される。

【０００４】別の露光ドレイン領域３４はＣＣＤシフト
レジスタ１６の反対側の各画像化光検出器１４の惻方に
隣接するがそれから隔たった画像化器の本体内にある。
露光制御ゲート３６は画像化光検出器１４と露光ドレイ
ン領域３４との間で画像化器の本体に隣接し、それから
絶縁される。電位は画像化光検出器１４と露光ドレイン
領域３４との間の電位バリア高さを低下させる集積期間
の開始部分中に露光制御ゲート３６に（ピンＬＯＧｎを
介して）印加される。電位が印加される時には光検出器
１４内で発生する全ての電荷キャリアはそれらが持ち去
られる露光ドレイン領域３４内に流入する。所定の期間
後に露光制御ゲート３６上の電位は低下され、画像化光
検出器１４と露光ドレイン領域３４との間のバリア電位
を形成する。これにより電荷は集積期間の残りで光検出
器１４内に収集されうる。故に有効露光時間は露光制御
ゲート電位が低下される期間に限定される。このような
電子的露光構造は光源に対する各チャンネルの光応答の
バランスのためそれぞれが異なる色分離フィルターを有
する多チャンネルを含むリニア画像化器内で用いられ；
かくしてそれぞれのチャンネル（又は色）の最大のダイ
ナミックレンジが達成される。電子的露光機能は多アレ
イリニア画像化器に対して高い価値を有する。

【０００５】ＣＣＤに基づく固体画像化器の動作のより
詳細な説明はＪ．Ｄ．Ｅ．Ｂｅｙｎｏｎ著の「Ｃｈａｒ
ｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｈ
ｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」マグローヒル社、
ニューヨーク、１９７９年及びＭ．Ｊ．Ｈｏｗｓ著の
「Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａ
ｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ」Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ
Ｓｏｎｓ社ニューヨーク、１９７９年に記載されてい
る。

【０００６】図１に示すチャンネルアーキテクチャーの
１つの問題は、非常に小さい画素ピッチ長さ（典型的に
９μｍより小さい）に対して画像化器の性能特性の幾つ
かが劣化することである。特に変調伝達関数（ＭＴＦ）
はフォトダイオード間のクロストークが増幅するにつれ
て減少し、電荷密度は２次元電界効果によりＣＣＤ内で
減少する。変調伝達関数の拡散劣化のこのような問題は
Ｄａｖｉｄ Ｈ．Ｓｅｉｂ著の「Ｃａｒｒｉｅｒ Ｄｉ
ｆｆｕｓｉｏｎ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏ
ｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏ
ｎ ｉｎ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｉｍａｇｅ
ｒｓ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．Ｅｄ ２
１，Ｎｏ．３ ｐｐ２１０ー２１７、１９７４年３月に
記載されている。７μｍ以下の画素ピッチ寸法に対して
レイアウト寸法はまた製造設計限界以下である。

【０００７】図２に各ＣＣＤセル（２０及び２２）が図
１の１対１関係と反対に２画素ピッチ幅により電荷格納
密度が改善されたバイリニア画像化器のアーキテクチャ
ーを示す。この目的のために関連するＣＣＤシフトレジ
スタ（２０及び２２）と共に転送ゲート（ＴＧ１ｎ及び
ＴＧ２ｎ）は画像化光検出器１４の両側上に設けられ
る。転送ゲートＴＧ１ｎａ、ＴＧ２ｎａ及びＴＧ１ｎ
ｂ、ＴＧ２ｎｂを介して各フォトサイト１４の下に格納
された電荷はそれらの各々のシフトレジスタ１６ａ及び
１６ｂに転送される。図２に示すように、全ての奇数の
フォトサイトはシフトレジスタ１６ｂに結合され、全て
の偶数のフォトサイトはシフトレジスタ１６ａに結合さ
れる。適切な時に情報は装置１０の右（又は左）側から
出力回路２５にシフトされて出力する。従って回路は出
力パルス列が入射光情報の入力を表すように回路２５か
らの出力を混合するために用いられる。そのような構造
は例えばＫｏｄａｋ

【０００８】

【外１】

【０００９】ＫＬＩ−５００１リニア画像化器で用いら
れている。しかしながらこのアーキテクチャーは電子的
露光回路は含まず、レイアウト設計ルールは再び画素ピ
ッチ寸法に限定され、それにより７μｍ以下のピッチは
適切には得られない。更にまたそのような構造は小さな
画素ピッチに対するフォトダイオード間の増加するクロ
ストークを被り、斯くして全体のＭＴＦは減少する。

【００１０】図３を参照するに図２に示された回路とか
なり異なったバージョンを示す。この構造によれば画像
化器１０は隣接する転送ゲート領域（ＴＧ１ｎ及びＴＧ
２ｎ）間の「ギャップ」内に付加される電子的露光回路
（Ａ）を設けられる。そのようなアーキテクチャーはＦ
ａｒｃｈｉｌｄ

【００１１】

【外２】

【００１２】のＣＣＤ１８１リニア画像化器で用いられ
ている。そのような構造の問題は画素ピッチが小さく
（典型的に７μｍより小さく）なる場合に隣接転送ゲー
ト間の上記ギャップは非常に小さくなるため電子的露光
構造に組み込めない。加えて図２の構造に関して、この
設計は小さな画素ピッチに対する増加するフォトダイオ
ード間のクロストークを被り、斯くして全体のＭＴＦは
減少する。

【００１３】他の例はＩＥＥＥソリッドステート回路国
際会議、１９８４年、３６ー３７頁と同様に１９８４年
２月１４日許可のＳｔｏｆｆｅｌ等のアメリカ特許第
４、４３２、０１７号明細書に記載されている。これは
図４に示されている。この示されたＣＣＤアレイは連続
したフォトサイトの第一の行４０及び連続したフォトサ
イトの第二の行４１からなる。第一の行は第二の行と連
続である。第二の行４１はフォトサイトの第二の行が第
一の行の隣接するフォトサイト間に入射した光情報に感
応するよう第一の行から第一の行上のフォトサイトの長
さの概略２分の１だけオフセットされる。シフトレジス
タ４２、４３、４４は光生成した電荷を収集するよう第
一及び第二の行の両方に隣接して設けられ、レジスタ４
２及び４４の出力は走査された情報を表す単一の出力パ
ルス列を生成するようマルチプレックスされる。図４に
示されるように第一の行の開口と隣接する第二の行の開
口との間の「光検出されない」領域がないのと同様に２
つの隣接する行の開口間の「光検出されない」領域がな
いことがわかる。そのような構造は折り返し（ａｌｉａ
ｓｉｎｇ）に関して実質的な改善を与える。しかしなが
らＭＴＦの改善はない。更にまたフォトダイオードアレ
イの近接した物理的配置の結果のフォトダイオード間の
クロストークにより理想的なＭＴＦ以下の結果が得られ
る。最終的にこのような設計はどんな電子的な露光能力
も含まない。

【００１４】同じ欠点を有する類似のシステムはまた１
９８７年１２月８日許可のＫａｄｅｋｏｄｉ等によるア
メリカ特許第４、７１２、１３７号明細書にも記載され
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的は
従来技術のシステムに関する上記の不適切な点を克服し
た改善されたＣＣＤ画像センサーを提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的は（ａ） それ
ぞれがその上に印加された光情報に感応する走査ライン
に沿った所定の幅の光検出開口を有し、該光情報を該光
検出開口の下に位置する収集領域内に収集される電荷キ
ャリアに変換する、走査ラインに沿って配列された個々
の画像化光検出器の第一及び第二のリニアアレイと、
（ｂ） 該第一及び第二のリニアアレイ内の隣接する光
検出開口が光検出しない領域により分離されるように該
第一及び第二のリニアアレイの両方に隣接する光検出開
口間に設けられる該光検出開口の幅に実質的に等しい幅
を有する光遮蔽と、（ｃ） 該第一のリニアアレイの隣
接する光検出開口間に入射する実質的に全ての光情報が
該第二のリニアアレイの光検出開口により感応されるよ
うに該第一のアレイに平行で、該第一のアレイから該走
査ラインに沿って概略光検出器の光検出開口の幅だけオ
フセットする該第二のリニアアレイと、（ｄ） 該第一
のリニアアレイの画像化光検出器により生成される電荷
キャリアを受け、一時的に格納する該第一のリニアアレ
イに隣接する第一のＣＣＤレジスタと、（ｅ） 該第二
のリニアアレイの画像化光検出器により生成される電荷
キャリアを受け、一時的に格納する該第二のリニアアレ
イに隣接する第二のＣＣＤレジスタとからなるＣＣＤ画
像センサーにより達成される。

【００１７】以下に類似の記号は類似の部品を示し、本
発明の記載の一部をなす図を参照して本発明のこれらの
及び他の目的を更に明らかにするよう説明する。以下に
本発明の利点を示す：それは非常に高い空間サンプリン
グと、低いフォトダイオード間のクロストークと、高い
電荷格納密度とを提供する。加えてそれにより電子的露
光構造が組み込まれうる。

【００１８】

【実施例】図５を参照するに本発明によるＣＣＤ画像セ
ンサーの第一の実施例を示す。システムの一般的な構造
は上記アメリカ特許明細書に記載される１つと類似であ
る。本発明によるＣＣＤ画像センサーは走査ラインＳＬ
に沿って配列された各々の画像化光検出器１４の第一４
０及び第二４１のリニアアレイからなる。図６により詳
細が示されるように第一のアレイ４０は偶数画素（ｎ＋
１、ｎ＋３、ｎ＋５、ｎ＋７、等々）のアレイに対応
し、第二のアレイ４１は奇数画素（ｎ、ｎ＋２、ｎ＋
４、ｎ＋６、等々）のアレイに対応する。これらの光検
出器１４は光検出開口５０を介してその上に入射した光
情報に感応し、この光情報を電荷キャリアに変換する。
電荷キャリアは光検出開口５０下に位置する収集領域内
で収集される。図６から明らかなように第一及び第二の
アレイ両方の隣接する光検出開口は光遮蔽層５１により
分離され、それにより２つの隣接する光検出開口は光検
出器でない領域により分離される。結果として非常に高
い開口ＭＴＦが得られうる。アレイのフォトダイオード
間の低い拡散クロストークもまた得られうる。

【００１９】本発明の他の特徴によれば第一のリニアア
レイ４０と平行な第二のリニアアレイ４１は走査ライン
ＳＬに沿った第一のリニアアレイ４０から光検出開口５
０の幅Ｔ_p に実質的に等しい距離だけオフセットされ、
それにより開口５０の幅を実質的に有する光検出器でな
い領域５１を伴い、第一のアレイの隣接する光検出開口
間に入射する光情報の実質的に全てが第二のアレイの光
検出開口により感応され、斯くして走査される画像長さ
全体にわたる連続的な空間が覆われる。

【００２０】好ましくは図５及び６に示されるように第
一のアレイのフォトダイオードと第二のアレイのフォト
ダイオードとの間のクロストークを低減するために光遮
蔽層５１は光検出開口の全ての周囲を囲むよう設けら
れ、それにより第一のアレイ４０の光検出開口は光検出
しない領域により第二のアレイの光検出開口から分離さ
れる。好ましくはこの光検出しない領域に加えて更なる
光検出しない空間Ｔ_w が２つのリニアアレイ間に設けら
れうる。例えばそのような空間は光検出開口の幅の４倍
の幅であり得る。１実施例によればこの空間はこの光検
出しない空間の下に第一のアレイ４０と第二のアレイ４
１との間のクロストークを更に最小化するようドレイン
のような構造を注入することにより効果的に用いられ、
それによりフォトダイオード間のクロストークを効果的
に減少する。その代わりに電子的露光構造がこの空間内
に位置されうる。これを以下により詳細に説明する。そ
のような設計は５μｍ以下のような非常に小さい画素開
口を設けうる。フォトダイオードのピッチ、即ち距離Ｔ
_p はこの例では１０μｍである。

【００２１】本発明によるＣＣＤ画像センサーは上記に
説明したように光検出器により生成された電荷キャリア
がシフトレジスタ１６ａ及び１６ｂに転送されるよう光
検出器アレイの両側に位置する転送ゲート（ＴＧ１ｎ
ａ、ＴＧ２ｎａ、ＴＧ１ｎｂ、ＴＧ２ｎｂ）をまた設け
る。第一のアレイ４０に隣接する第一のシフトレジスタ
１６ａは第一のアレイ４０の画像化光検出器により生成
された電荷キャリアを受け、一時的に格納する。第二の
シフトレジスタ１６ｂは第二のアレイ４１の画像化光検
出器により生成された電荷キャリアを受け、一時的に格
納する。シフトされた信号を出力装置に収集し、増幅
し、転送する出力回路２５はシフトレジスタ１６ａ、１
６ｂのそれぞれの端の１つに設けられ、マルチプレック
ス手段（図示せず）が走査された全部のラインに関する
情報を提供するように出力回路２５からの信号に結合す
るのに用いられる。

【００２２】図７に図５に示したのと若干異なり、電子
的露光構造３４、３６が光検出器の２つのリニアアレイ
４０、４１間に設けられた画像化器を示す。そのような
構造はフォトダイオードアレイ４０、４１両方の露光を
制御するのに用いられる。典型的にはそのような構造は
各フォトダイオードアレイ及び２つの露光制御ゲート３
６間に位置する露光ドレイン領域３４に隣接する２つの
露光制御ゲート３６からなる。そのような露光制御回路
のダイオード部分は上記の偶数から奇数のフォトダイオ
ード間のクロストーク抑制をまた供する。図８により詳
細に示されるそのような構造は良く知られ、よってこれ
以上のより詳細な説明はもはや必要ない。

【００２３】図９に絶縁ダイオードフィンガー６０のよ
うな絶縁領域がそれぞれのアレイ内の隣接する光検出器
間に設けられる本発明による画像化器の他の実施例を示
す。そのような絶縁ダイオードは光生成電荷を収集し、
それ故フォトダイオードアレイ内の画素間のフォトダイ
オード間のクロストークを減少する。図１０を参照する
に図７の画像化器の線ＣＣ’に沿った断面図を示す。図
１０に集積期間中（実線）及び転送期間中（破線）の画
像化器のチャンネル電位をまた示す。本発明の好ましい
実施例によれば光検出開口５０の下の集積領域５２の表
面は開口の表面よりも大きい。これにより画像センサー
の集積効率が改善される。

【００２４】本発明はそれのある好ましい実施例を特に
参照して詳細に説明されたが、本発明の精神及び範囲内
で種々の変更及び改良がなされうることが理解されよ
う。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術で知られているリニア画像化器の単一
チャンネルのレイアウトを表す概略図である。

【図２】従来技術で知られている他のリニア画像化器の
単一チャンネルのレイアウトアーキテクチャーを表す概
略図である。

【図３】従来技術で知られている他のリニア画像化器の
レイアウトアーキテクチャーを表す概略図である。

【図４】従来技術で知られている他の装置のレイアウト
アーキテクチャーを表す概略図である。

【図５】本発明のＣＣＤ画像化器の第一の実施例を示す
図である。

【図６】図５のＣＣＤ画像化器内の光検出器の配置の拡
大図である。

【図７】本発明のＣＣＤ画像化器の好ましい実施例のレ
イアウトアーキテクチャーを示す図である。

【図８】図７のＣＣＤ画像化器を他の表現で示す図であ
る。

【図９】本発明のＣＣＤ画像化器の他の実施例を示す図
である。

【図１０】図７に示すＣＣＤ画像化器の線ＣＣ’に沿っ
た断面図である。

【符号の説明】

１０ ＣＣＤ画像化器１４ 画像化光検出器１６、１６
ａ、１６ｂ ＣＣＤシフトレジスタ２０ 第一のゲート
電極２２ 第二のゲート電極２５ 出力制御回路３４
露光ドレイン領域３６ 露光制御ゲート４０ 第一のリ
ニアアレイ４１ 第二のリニアアレイ４２、４３、４４
シフトレジスタ５０ 光検出開口５１ 光遮蔽層５２
集積領域６０ 絶縁ダイオードフィンガーＴＧ１ｎ、
ＴＧ２ｎ 転送ゲートＡ 電子的露光回路Ｔ_p フォト
ダイオードのピッチＴ_w 光検出しない空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｓ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ） それぞれがその上に印加された光
   情報に感応する走査ラインに沿った所定の幅の光検出開
   口を有し、該光情報を該光検出開口の下に位置する収集
   領域内に収集される電荷キャリアに変換する、走査ライ
   ンに沿って配列された個々の画像化光検出器の第一及び
   第二のリニアアレイと、（ｂ） 該第一及び第二のリニ
   アアレイ内の隣接する光検出開口が光検出しない領域に
   より分離されるように該第一及び第二のリニアアレイの
   両方に隣接する光検出開口間に設けられる該光検出開口
   の幅に実質的に等しい幅を有する光遮蔽と、（ｃ） 該
   第一のリニアアレイの隣接する光検出開口間に入射する
   実質的に全ての光情報が該第二のリニアアレイの光検出
   開口により感応されるように該第一のアレイに平行で、
   該第一のアレイから該走査ラインに沿って概略光検出器
   の光検出開口の幅だけオフセットする該第二のリニアア
   レイと、（ｄ） 該第一のリニアアレイの画像化光検出
   器により生成される電荷キャリアを受け、一時的に格納
   する該第一のリニアアレイに隣接する第一のＣＣＤレジ
   スタと、（ｅ） 該第二のリニアアレイの画像化光検出
   器により生成される電荷キャリアを受け、一時的に格納
   する該第二のリニアアレイに隣接する第二のＣＣＤレジ
   スタとからなるＣＣＤ画像センサー。