JPH09321268A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ部で過剰な信号電荷が生成された場
合、読み出し時に転送ゲート部でオーバーフローが発生
し、隣接画素の信号電荷を破壊する。 【解決手段】 電荷読み出し部１５側に電荷排出部２１
を有する横型シャッター構造のＣＣＤリニアセンサにお
いて、センサ部１１から読み出しゲート部（蓄積ゲート
部）１５ａに信号電荷を読み出したときに、一定時間だ
け転送ゲート部１５ｂおよび電荷排出ゲート部２３を共
にオフ状態にすることにより、信号電荷の電荷量を読み
出しゲート部１５ａで制限し、この制限された信号電荷
を転送ゲート部１５ｂに送り込むようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
し、特に大光量の光が照射される可能性があるカメラの
ＡＦ(Automatic Focussing) センサなどに用いて好適な
固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置、例えばＣＣＤリニアセン
サの従来例の構成を図６に示す。図６において、光電変
換素子であるセンサ部１０１が直線状に複数配列されて
なるセンサ列１０２の一方側には、電荷読み出し部１０
３が隣接して配され、さらにこの電荷読み出し部１０３
によって各センサ部１０１から読み出された信号電荷を
転送する電荷転送部１０４が設けられている。電荷転送
部１０４の転送先の端部には、電荷転送部１０４で転送
された信号電荷を検出して信号電圧に変換する電荷電圧
変換部１０５が設けられている。この電荷電圧変換部１
０５から出力される信号電圧は、バッファ１０６を介し
て出力端子１０７から図示せぬ信号処理系へ出力され
る。

【０００３】電荷読み出し部１０３は、図７の拡大図に
示すように、センサ部１０１で光電変換された信号電荷
を読み出し、これを一時的に蓄積する読み出しゲート部
１１１と、この読み出しゲート部１１１に蓄積された信
号電荷を電荷転送部１０４に転送する転送ゲート部１１
２とから構成されている。そして、読み出しゲート部１
１１の読み出しゲート電極１１１ａには読み出しゲート
パルスφＲＯＧが印加され、転送ゲート部１１２の２層
構造の転送ゲート電極１１２ａ，１１２ｂには転送ゲー
トパルスφＴＧが印加される。

【０００４】次に、上記構成のＣＣＤリニアセンサにお
ける通常の電荷読み出しの際の動作について、図８のタ
イミングチャートに基づいて説明する。先ず、時点ｔ１
で読み出しゲート部１１１の読み出しゲート電極１１１
ａに、“Ｈ”レベルの読み出しゲートパルスφＲＯＧを
印加する。すると、読み出しゲート電極１１１ａの下の
ポテンシャルが浅い状態から深い状態に変化する。これ
により、センサ部１０１の信号電荷が読み出しゲート電
極１１１ａの下に読み出され、ここに一時的に蓄積され
る。

【０００５】続いて、時点ｔ２で転送ゲート部１１２の
転送ゲート電極１１２ａ，１１２ｂに、“Ｈ”レベルの
転送ゲートパルスφＴＧを印加すると、転送ゲート電極
１１２ａ，１１２ｂの下のポテンシャルが浅い状態から
深い状態に変化する。これにより、センサ部１０１から
読み出しゲート部１１１に読み出されかつ蓄積された信
号電荷が、転送ゲート部１１２を経由して電荷転送部１
０４に転送される。電荷転送部１０４は、例えば２相の
転送クロックパルスφＨ１，φＨ２によって駆動され、
電荷読み出し部１０３によってセンサ列１０２の各セン
サ部１０１から読み出された信号電荷を順に転送する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えばカメ
ラのＡＦセンサのように、大光量の光が照射される可能
性があるＣＣＤリニアセンサにおいて、センサ部１０１
に大量の光が照射されると、取り扱い可能な電荷量以上
の過剰な電荷がセンサ部１０１で生成される場合があ
る。この場合、上述した従来のＣＣＤリニアセンサで
は、センサ部１０１から読み出しゲート部１１１に読み
出した信号電荷を、そのまま転送ゲート部１１２を介し
て電荷転送部１０４へ転送するようにしていることか
ら、転送ゲート部１１２に大量の信号電荷が流れ込むこ
とになり、転送ゲート部１１２がオーバーフローしてし
まう。オーバーフローした信号電荷は、隣接する画素の
転送ゲート部１１２に流れ込み、これにより隣接画素の
信号電荷が破壊され、正常な信号が得られないことにな
る。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、転送ゲート部でのオ
ーバーフローをなくし、このオーバーフローによる隣接
画素の信号破壊を防ぐことを可能とした固体撮像装置を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、複数の光電変換素子と、これら複数の光電変換素
子に隣接して設けられ、各光電変換素子から読み出した
信号電荷を一時的に蓄積する蓄積ゲート部と、信号電荷
を転送する電荷転送部と、蓄積ゲート部と電荷転送部と
の間に設けられた転送ゲート部と、信号電荷を排出する
ドレイン部と、蓄積ゲート部とドレイン部との間に設け
られた排出ゲート部と、光電変換素子から蓄積ゲート部
に信号電荷を読み出したとき、一定時間だけ転送ゲート
部および排出ゲート部を共にオフ状態にし、一定時間が
経過した後転送ゲート部をオン状態にする駆動回路とを
備えた構成となっている。

【０００９】上記構成の固体撮像装置において、排出ゲ
ート部およびドレイン部からなる電荷排出部を蓄積ゲー
ト部に隣接して設け、光電変換素子から蓄積ゲート部に
信号電荷を読み出したとき、一定時間だけ転送ゲート部
および排出ゲート部を共にオフ状態にする。すると、蓄
積ゲート部において、排出ゲート部のポテンシャルを越
える信号電荷はドレイン部に排出される。すなわち、排
出ゲート部のポテンシャルを越える余剰電荷はドレイン
部に捨てられ、電荷量が制限される。そして、一定時間
の経過後、転送ゲート部をオン状態とすることで、蓄積
ゲート部で電荷量が制限された信号電荷を、転送ゲート
部を介して電荷転送部へ転送する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一
実施形態を示す概略構成図である。

【００１１】図１において、複数のセンサ部１１が直線
状に配列されてセンサ列１２を構成している。センサ部
１１は、フォトダイオードなどの光電変換素子からな
り、受光面への入射光をその光量に応じた電荷量の信号
電荷に変換して蓄積する。このセンサ部１１は、例え
ば、感度向上などを目的として、電荷の読み出し方向
（図の上下方向）に長いセンサ構造となっている。セン
サ列１２の一方側には、センサ列１２に沿って電荷転送
部１３が設けられている。

【００１２】この電荷転送部１３は、転送方向に交互に
配された蓄積領域ＳＴおよび転送領域ＴＲによって形成
されたＣＣＤチャネル１４によって構成され、センサ列
１２の各センサ部１１で発生し、後述する電荷読み出し
部１５を介して読み出された信号電荷を転送する。蓄積
領域ＳＴおよび転送領域ＴＲの上方には、２層構造のゲ
ート電極が配されている。

【００１３】すなわち、蓄積領域ＳＴの上方には一点鎖
線で示す１層目のポリシリコンからなる蓄積ゲート電極
１６が、転送領域ＴＲの上方には二点鎖線で示す２層目
のポリシリコンからなる転送ゲート電極１７がそれぞれ
配されている。そして、互いに隣り合う蓄積ゲート電極
１６および転送ゲート電極１７を対とし、これら電極対
（１６，１７）に対して２相の転送クロックパルスφＨ
１，φＨ２を印加することにより、信号電荷の転送動作
が行われる。

【００１４】電荷読み出し部１５は、センサ列１２に隣
接して形成された読み出しゲート部（蓄積ゲート部）１
５ａと、電荷転送部１３に隣接して形成された転送ゲー
ト部１５ｂとからなり、読み出しゲート部１５ａが隣り
合う画素の読み出しゲート部と連続することで、互いに
隣り合う一対（一組）のセンサ部１１，１１に跨がって
平面視Ｕ字形（図１上では、逆Ｕ字形）をなしている。
なお、画素間で連続する読み出しゲート１５ａは、セン
サ部１１，１１間を分離するチャネルストップ部１８を
延長して形成することによって画素境界にて分離されて
いる。

【００１５】この電荷読み出し部１５において、読み出
しゲート部１５ａは、その上方に配された一点鎖線で示
す１層目のポリシリコンからなる読み出しゲート電極１
９を有している。また、転送ゲート部１５ｂは、その上
方に配された二点鎖線で示す２層目のポリシリコンから
なる転送ゲート電極２０を有している。画素境界ごとに
形成された電荷読み出し部１５のうち、１つおきの電荷
読み出し部１５の内側には、読み出しゲート部１５ａに
接して電荷排出部２１が設けられている。これにより、
電荷排出部２１は、互いに隣り合う一対のセンサ部１
１，１１に対して１つずつ設けられたことになる。

【００１６】図２は、電荷読み出し部１５および電荷排
出部２１の拡大図である。図２において、転送ゲート部
１５ｂの転送ゲート電極２０は、２層ゲート構造（２０
ａ，２０ｂ）となっている。電荷排出部２１は、逆Ｕ字
形の電荷読み出し部１５の内側に配置された島状の電荷
排出ドレイン部２２と、この電荷排出ドレイン部２２の
図の上方および両側を囲むように屈曲して形成された電
荷排出ゲート部２３とを有する構成となっており、電荷
排出ゲート部２３の上方には、二点鎖線で示す２層目の
ポリシリコンからなるシャッターゲート電極２４が設け
られている。電荷排出ドレイン部２２には、所定のドレ
イン電圧Ｖｄが印加されている。

【００１７】そして、読み出しゲート電極１９には読み
出しゲートパルスφＲＯＧが、転送ゲート電極２０には
転送ゲートパルスφＴＧが、シャッターゲート電極２４
にはシャッターゲートパルスφＳＨＵＴがそれぞれ印加
される。これらのゲートパルスφＲＯＧ，φＴＧ，φＳ
ＨＵＴは、タイミングジェネレータなどによって構成さ
れる駆動回路２５から与えられる。この駆動回路２５に
おいて、読み出しゲートパルスφＲＯＧ、転送ゲートパ
ルスφＴＧおよびシャッターゲートパルスφＳＨＵＴの
レベルを適宜制御することにより、信号電荷の蓄積、読
み出しおよび掃き捨て（排出）の各動作を実現すること
ができる。

【００１８】上記の構成において、シャッターゲートパ
ルスφＳＨＵＴが“Ｌ”レベル、即ち電荷排出ゲート部
２３がオフ状態のときの電荷排出ゲート部２３のポテン
シャルは、転送ゲートパルスφＴＧが“Ｌ”レベル、即
ち転送ゲート部１５ｂがオフ状態のときの転送ゲート部
１５ｂのポテンシャルよりも深くなるように設定され
る。さらに、読み出しゲート部１５ａの取り扱い電荷量
は、転送ゲート部１５ｂの取り扱い電荷量よりも大きく
なるように設定される。

【００１９】次に、上記構成の本実施形態に係るＣＣＤ
リニアセンサにおいて、信号電荷の蓄積、読み出しおよ
び掃き捨て（排出）の各動作につき、図３のタイミング
チャートに基づいて説明する。なお、図２のＸ‐Ｘ′方
向（読み出し方向）およびＹ‐Ｙ′（シャッター方向）
に沿った断面ポテンシャルを図４及び図５に示し、以下
の動作説明ではこのポテンシャル図を参照するものとす
る。

【００２０】読み出しゲート部１５ａは、図４および図
５のポテンシャル図から明らかなように、センサ部１１
に隣接するポテンシャルが浅い第１の領域（ｎ^--型不純
物領域）と、この第１の領域に隣接するポテンシャルが
深い第２の領域（ｎ型不純物領域）とから構成されてい
る。このように、読み出しゲート部１５ａにおいて、セ
ンサ部１１側のポテンシャルを浅くすることにより、こ
れがバリアとなり、センサ部１１から読み出した信号電
荷がセンサ部１１に逆流するのを防止することができ
る。

【００２１】先ず、シャッター期間では、読み出しゲー
トパルスφＲＯＧを“Ｈ”レベル、シャッターゲートパ
ルスφＳＨＵＴを“Ｈ”レベル、転送ゲートパルスφＴ
Ｇを“Ｌ”レベルとする。すると、図４および図５のポ
テンシャル図において、読み出しゲート部１５ａのポテ
ンシャルが浅い状態ＲＬから深い状態ＲＨに変化し、転
送ゲート部１５ｂのポテンシャルが浅い状態ＴＬのまま
変化せず、電荷排出部２１の電荷排出ゲート部２３のポ
テンシャルが浅い状態ＳＬから深い状態ＳＨに変化す
る。したがって、センサ部１１内で発生した信号電荷
は、図２の矢印Ａ，Ｂに沿って電荷排出ゲート部２３を
通って電荷排出ドレイン部２２に掃き捨てられる。

【００２２】このシャッター動作により、センサ部１１
での信号電荷の蓄積時間を制御することができる。すな
わち、蓄積期間以外の期間において、電荷排出ゲート部
２３のシャッターゲート電極２４に、“Ｈ”レベルのシ
ャッターゲートパルスφＳＨＵＴを印加することによ
り、電荷排出ゲート部２３のポテンシャルが浅い状態か
ら深い状態に変化し、センサ部１１にそれまで蓄積され
た信号電荷が電荷排出ドレイン部２２に排出される。そ
して、排出完了時点から本来の蓄積期間が開始されるこ
とになる。

【００２３】次に、蓄積期間では、読み出しゲートパル
スφＲＯＧを“Ｌ”レベル、シャッターゲートパルスφ
ＳＨＵＴを“Ｈ”レベル、転送ゲートパルスφＴＧを
“Ｌ”レベルとする。すると、図４及び図５のポテンシ
ャル図において、読み出しゲート部１５ａのポテンシャ
ルが深い状態ＲＨから浅い状態ＲＬに変化し、転送ゲー
ト部１５ｂのポテンシャルが浅い状態ＴＬのまま変化せ
ず、電荷排出部２１の電荷排出ゲート部２３のポテンシ
ャルが深い状態ＳＨを維持する。したがって、センサ部
１１で発生した電荷は、センサ部１１内に溜められる。

【００２４】この蓄積期間において、読み出しゲートパ
ルスφＲＯＧを“Ｌ”レベル、シャッターゲートパルス
φＳＨＵＴを“Ｈ”レベルとし、読み出しゲート部１５
ａで蓄積期間に発生した電荷（信号電荷と混ざるとノイ
ズとなる）に対して電荷排出ドレイン部２２側への電界
を与えることにより、この電荷を常に電荷排出ドレイン
部２２へ掃き捨てることができるので、読み出しゲート
部１５ａで発生する暗電流などに起因するノイズ成分を
低減できる。したがって、蓄積期間に、転送ゲート電極
２０に“Ｌ”レベルの電圧を印加することで、読み出し
ゲート部１５ａに発生した電荷の電荷転送部１３への混
入を積極的に阻止できるので、暗電流などに起因するノ
イズ成分をより確実に低減できることになる。

【００２５】次に、通常の読み出し期間では、シャッタ
ーゲートパルスφＳＨＵＴを“Ｌ”レベルにした後、読
み出しゲートパルスφＲＯＧを再び“Ｈ”レベルとす
る。すると、電荷排出部２１の電荷排出ゲート部２３の
ポテンシャルが浅い状態ＳＬにおいて、読み出しゲート
部１５ａのポテンシャルが浅い状態ＲＬから深い状態Ｒ
Ｈに変化する。したがって、センサ部１１内で発生した
電荷は、読み出しゲート部１５ａによって図２の矢印Ａ
に沿って読み出される。このとき、転送ゲートパルスφ
ＴＧが“Ｌ”レベルにあり、転送ゲート部１５ｂのポテ
ンシャルが浅い状態ＴＬにあるため、センサ部１１から
読み出された信号電荷は読み出しゲート部１５ａに蓄積
される。

【００２６】この読み出しの際に、センサ部１１に大光
量の光が照射されることによってセンサ部１１で過剰な
信号電荷が生成され、大量の信号電荷が読み出しゲート
部１５ａに読み出された場合、読み出しゲート部１５ａ
において、電荷排出ゲート部２３のポテンシャルを越え
る信号電荷については、電荷排出ドレイン部２２に掃き
捨てられる。すなわち、電荷排出ゲート部２３のポテン
シャルを越える余剰電荷は電荷排出ドレイン部２２に捨
てられ、電荷量が制限されることになる。

【００２７】このとき、読み出しゲート部１５ａに残る
電荷量は、電荷排出ゲート部２３とのポテンシャル差に
よって決まるため、例えば読み出しゲートパルスφＲＯ
Ｇが“Ｌ”レベルのときの取り扱い電荷量が２０万ｅ−
とした場合、センサ部１１に１００万ｅ−の電荷が蓄積
された場合でも、読み出しゲート部１５ａで２０万ｅ−
に制限される。

【００２８】ここで、シャッターゲートパルスφＳＨＵ
Ｔが“Ｌ”レベル時の電荷排出ゲート部２３のポテンシ
ャルが、転送ゲートパルスφＴＧが“Ｌ”レベル時の転
送ゲート部１５ｂのポテンシャルよりも深くなるように
設定されているので、読み出しゲート部１５ａで余剰電
荷を掃き捨てる際に、転送ゲート部１５ｂ側に電荷が流
れ込むことはないので、転送ゲート部１５ｂには何ら影
響を与えずに信号電荷を制限することができる。

【００２９】そして、信号電荷の読み出し開始からある
一定時間Ｔが経過した時点で、転送ゲートパルスφＴＧ
を“Ｈ”レベルにすると、転送ゲート部１５ｂのポテン
シャルが浅い状態ＴＬから深い状態ＴＨに変化するた
め、読み出しゲート部１５ａで電荷量が制限された信号
電荷は、図２の矢印Ｃに沿って転送ゲート部１５ｂを経
由して電荷転送部１３へ転送される。ここで、読み出し
ゲート部１５ａの取り扱い電荷量を転送ゲート部１５ｂ
の取り扱い電荷量よりも大きく設定しておくことで、転
送ゲート部１５ｂで信号電荷がオーバーフローすること
はない。

【００３０】なお、センサ部１１から信号電荷の読み出
しを開始した時点から転送ゲート部１５ｂをオン状態に
するまで、即ち転送ゲートパルスφＴＧを“Ｈ”レベル
にするまでの一定時間Ｔとしては、転送クロックパルス
φＨ１の１周期以上の時間が設定される。この一定時間
Ｔは、読み出しゲート部１５ａにおいて信号電荷の電荷
量を制限するために、シャッターゲートパルスφＳＨＵ
Ｔおよび転送ゲートパルスφＴＧを共に“Ｌ”レベルに
する時間であり、転送クロックパルスφＨ１の１周期以
上の時間であれば任意に設定可能である。

【００３１】上述したように、電荷読み出し部１５側に
電荷排出部２１を有するいわゆる横型シャッター構造の
ＣＣＤリニアセンサにおいて、センサ部１１から読み出
しゲート部（蓄積ゲート部）１５ａに信号電荷を読み出
したときに、一定時間Ｔだけ転送ゲート部１５ｂおよび
電荷排出ゲート部２３を共にオフ状態にし、信号電荷の
電荷量を読み出しゲート部１５ａで制限するようにした
ので、転送ゲート部１５ｂに大量の電荷が送り込まれる
ことがない。

【００３２】これにより、例えばカメラのＡＦセンサと
して用いた場合などにおいて、センサ部１１に大量の光
が照射され、センサ部１１に過剰な信号電荷が蓄積され
た場合や、センサ部１１からの信号電荷の読み出し中に
大量の光が照射された場合であっても、読み出しゲート
部１５ａで電荷量が制限された信号電荷が、転送ゲート
部１５ｂに送り込まれることになるので、転送ゲート部
１５ｂでオーバーフローが発生することがなく、したが
ってこのオーバーフローによる隣接画素の信号電荷の破
壊もない。

【００３３】なお、上記実施形態では、電荷読み出し部
１５側に電荷排出部２１を有する横型シャッター構造に
おいて、電荷排出部２１を互いに隣り合う一対のセンサ
部１１，１１に対して１つずつ設けた構成のリニアセン
サに適用した場合について説明したが、これに限定され
るものではなく、本発明は、電荷排出部２１を各センサ
１１に対して１：１の対応関係で設けた構成のリニアセ
ンサなどにも、同様に適用することが可能である。

【００３４】また、本発明は、リニアセンサへの適用に
限られるものではなく、電荷読み出し部１５側に電荷排
出部２１を有する横型シャッター構造を持つものであれ
ば、エリアセンサにも同様に適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
排出ゲート部およびドレイン部からなる電荷排出部を蓄
積ゲート部に隣接して設け、光電変換素子から蓄積ゲー
ト部に信号電荷を読み出したとき、一定時間だけ転送ゲ
ート部および排出ゲート部を共にオフ状態にし、蓄積ゲ
ート部で信号電荷の電荷量を制限するようにしたことに
より、転送ゲート部に大量の信号電荷が送り込まれるこ
とがないので、転送ゲート部でオーバーフローが発生す
ることがない。

【００３６】その結果、光電変換素子に大量の光が照射
されたり、光電変換素子からの信号電荷の読み出し中に
大量の光が照射されたりして、センサ部で大量の電荷が
生成されたとしても、蓄積ゲート部で電荷制限が行われ
ることによって隣接画素の信号電荷が破壊されることは
ない。したがって、本発明による固体撮像装置は、大光
量の光が照射される可能性があるカメラのＡＦセンサな
どに用いて有用なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】電荷読み出し部および電荷排出部の拡大図であ
る。

【図３】本発明の動作説明のためのタイミングチャート
である。

【図４】図２のＸ‐Ｘ′断面のポテンシャル図である。

【図５】図２のＹ‐Ｙ′断面のポテンシャル図である。

【図６】ＣＣＤリニアセンサの従来例を示す構成図であ
る。

【図７】従来例の要部の拡大図である。

【図８】従来例の動作説明のためのタイミングチャート
である。

【符号の説明】

１１ センサ部 １３ 電荷転送部 １５ 電荷読
み出し部 １５ａ 読み出しゲート部 １５ｂ 転送ゲート部 １９ 読み出しゲート電極 ２０（２０ａ，２０ｂ）
転送ゲート電極 ２１ 電荷排出部 ２２ 電荷排出ドレイン部 ２
３ 電荷排出ゲート部 ２４ シャッターゲート電極 ２５ 駆動回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光電変換素子と、 前記複数の光電変換素子に隣接して設けられ、各光電変
   換素子から読み出した信号電荷を一時的に蓄積する蓄積
   ゲート部と、 信号電荷を転送する電荷転送部と、 前記蓄積ゲート部と前記電荷転送部との間に設けられた
   転送ゲート部と、 信号電荷を排出するドレイン部と、 前記蓄積ゲート部と前記ドレイン部との間に設けられた
   排出ゲート部と、 前記光電変換素子から前記蓄積ゲート部に信号電荷を読
   み出したとき、一定時間だけ前記転送ゲート部および前
   記排出ゲート部を共にオフ状態にし、前記一定時間が経
   過した後前記転送ゲート部をオン状態にする駆動回路と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記蓄積ゲート部は、前記光電変換素子
   に隣接するポテンシャルが浅い第１の領域と、この第１
   の領域に隣接するポテンシャルが深い第２の領域とから
   なることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記転送ゲート部および前記排出ゲート
   部が共にオフ状態のとき、前記排出ゲート部のポテンシ
   ャルが前記転送ゲート部のポテンシャルよりも深いこと
   を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。