JPH0974181A - Ｃｃｄ固体撮像素子及びその信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低照度領域は高感度で高照度領域は低感度で
信号を検出できるＣＣＤの固体撮像素子及びその信号処
理方法を提供する。 【解決手段】 本発明はホールと電子の双方の信号を利
用するようにしたことを特徴とするものである。電子を
高感度用に、ホールを低感度用に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＣＣＤ固体撮像素子
に係り、特に電子とホールとを利用して信号を検出する
ことにより感度を向上させ、照度に対するダイナミック
レンジを増加させたＣＣＤ固体撮像素子及びその信号処
理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常のＣＣＤ固体撮像素子は、入射光に
よって発生した電子とホールの対のどちらか一つのみを
信号電荷として選択して蓄積及び転送して信号処理し、
選択されなかった信号電荷は不要な電荷として除去し
た。電子の移動度がホールの移動度より大きいので、通
常は信号電荷として電子が選択される。

【０００３】図１は従来のフレーム転送方式のＣＣＤ固
体撮像素子のブロック図である。図１のフレーム転送Ｃ
ＣＤ固体撮像素子は、入射光に対して信号電荷を発生さ
せる受光領域１１と、受光領域１１からの信号電荷を一
定時間蓄積する蓄積領域１２と、蓄積領域１２に蓄積さ
れた信号電荷を１ラインずつ抽出するＨＣＣＤ１３と、
ＨＣＣＤ１３から出力される信号電荷を検出して増幅す
る電荷検出及び増幅回路１４とを含む。

【０００４】フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子
は、入射する光に対して受光領域１１は信号電荷を発生
させ、発生した信号電荷を一定時間累積させる。受光領
域１１に累積した信号電荷を垂直消去期間に一時に蓄積
領域１２へ転送させて蓄積させ、蓄積領域１２に蓄積さ
れた信号電荷をその次の垂直消去期間までの間に１ライ
ンずつ抽出してＨＣＣＤ１３へ転送する。蓄積領域１２
に蓄積されていた信号電荷が全て抽出されると、その間
受光領域で発生して累積されていた信号電荷はさらに蓄
積領域に移動して前記動作を繰り返し行う。ここで、信
号電荷として電子が利用されるので、検出及び増幅回路
１４として電子用信号検出及び増幅回路が使用される。

【０００５】図２は図１のフレーム転送方式のＣＣＤ固
体撮像素子の蓄積領域１２に対する断面構造を示す。図
２には従来のフレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の
蓄積領域１２に対する断面構造のみを示したが、受光領
域１１と蓄積領域１２はほぼ同じ断面構造を有する。但
し、蓄積領域上には入射光を遮断するためのアルミニウ
ムからなる遮光膜と転送電極とが形成されているが、入
射光に対して信号電荷を発生させる受光領域上には遮光
膜と転送電極は形成されない。

【０００６】図２を参照して従来のフレーム転送ＣＣＤ
の蓄積領域１２に対する構造をみれば、ｎ^- 型基板１２
１と、その基板１２１に形成されたｐ^- 型ウェル１２２
と、このウェル１２２に形成されたｎ型埋込チャンネル
領域１２３と、ｐ^- 型ウェル１２２のｎ型埋込チャンネ
ル領域１２３に接して形成されたチャンネルストップ領
域１２４と、これらの表面に形成されたＳｉＯ₂ からな
る絶縁膜１２５と、絶縁膜１２５上に形成された転送電
極１２６とからなることがわかる。

【０００７】図３（Ａ）と（Ｂ）は図２の２Ａ−２Ａ′
及び２Ｂ−２Ｂ′線における断面構造を示し、図３
（Ｃ）は図２の２Ａ−２Ａ′及び２Ｂ−２Ｂ′線におけ
る電位分布を示す。

【０００８】入射光によって受光領域１１から発生した
信号電荷のうち、電子は図３（Ｃ）の線１３２で表れた
ように蓄積領域１２のｎ型埋込チャンネル領域１２３に
蓄積され、ホールは図３（Ｃ）の線１３１で表れたよう
に基板１２１と絶縁膜１２５、即ちＳｉ／ＳｉＯ₂ の界
面近傍とｐ^- 型ウェル１２２をそれぞれ経由してｐ⁺型
チャンネルストップ領域１２４に集まって周辺部へ除去
される。このように、従来のＣＣＤ固体撮像素子ではホ
ールは不要な信号電荷として処理され、電子の転送に悪
影響がないように迅速に除去する事以外考慮されなかっ
た。

【０００９】図４は従来のＣＣＤ固体撮像素子の光電変
換特性をグラフ化したものであり、Ｘ軸は入射光による
ＣＤＤ表面の照度、Ｙ軸はＣＣＤの出力電圧である。通
常ＣＣＤのダイナミックレンジは照度と出力電圧が比例
する線形領域によって定義される。また、固体撮像素子
の感度はこの線形領域での傾き（ｍＶ／Ｌｕｘ）によっ
て表せる。従って、図４に示すように、Ａで示された感
度特性をもつ固体撮像素子と、Ｂで示された感度特性を
もつ固体撮像素子において、ＢよりＡが約２倍高い感度
を有している。しかし、照度に関するダイナミックレン
ジの場合には、ＡよりＢが広いダイナミックレンジを有
している。ＡでＢと同じダイナミックレンジを維持しよ
うとする場合には、Ａの最大出力電圧をＢの２倍にしな
ければならない。しかし、ＣＣＤの駆動電圧やビデオ信
号の処理ＩＣの入力電圧等には制限があるため、実際に
は容易に出来ない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来より１０倍以上の
光感度電荷検出技術があるとしても、この技術を利用す
るには前述した照度に対するダイナミックレンジの問題
がある。つまり、非常に低い照度では前記の高感度電荷
検出技術が有用であるが、高感度であれば、明るい被写
体と暗い被写体が混在する場合や非常に明るい昼の屋外
等の風景では、一定以上の明るさをもつ部分が完全に白
くなり、濃淡を識別できなくなる。尚、最大出力電圧を
１０倍にし、駆動電圧や信号処理回路もすべてそれに合
わせる事は理論的にも現実的にも不可能である。これに
より、同一画面内でも低照度領域は高感度で高照度領域
は低感度で電荷を検出し増幅することのできる固体撮像
素子が求められている。

【００１１】本発明はかかる問題点を解決するためのも
のであって、その目的は低照度領域は高感度で高照度領
域は低感度で信号を検出できるＣＣＤの固体撮像素子及
びその信号処理方法を提供することにある。本発明の他
の目的は、高感度と照度に対する広いダイナミックレン
ジを両立させるＣＣＤ固体撮像素子及びその信号処理方
法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、入射光に対して信号電荷を発生する受光領
域と、受光領域からの信号電荷を一定時間蓄積する蓄積
領域と、蓄積領域に蓄積された信号電荷を１ラインずつ
抽出するＨＣＣＤと、ＨＣＣＤから出力される信号電荷
のうち、電子に対する信号電荷を検出し増幅する高感度
用信号電荷検出及び増幅回路と、ＨＣＣＤから出力され
る信号電荷のうち、ホールに対する信号電荷を検出し増
幅する低感度用信号電荷検出及び増幅回路とを含むＣＣ
Ｄ固体撮像素子を提供することを特徴とする。

【００１３】本発明の固体撮像素子の受光領域と蓄積領
域は、第１導電型の低濃度基板と、基板上に形成された
第２導電型のウェルと、前記ウェルに形成された第１導
電型を有する第１不純物領域と、前記第１不純物領域の
表面に形成された第２導電型を有する第２不純物領域
と、第１及び第２不純物領域と接して前記ウェルに形成
された第１導電型を有する第３不純物領域と、前記第３
不純物領域と接して前記ウェルに形成された高濃度の第
２導電型を有する第４不純物領域とを有する。

【００１４】本発明方法は、入射光に対して電子とホー
ルの信号電荷を発生させる段階と、前記発生した信号電
荷を一定時間蓄積する段階と、前記蓄積された信号電荷
を１ラインずつ抽出する段階と、１ラインずつ抽出され
る信号電荷のうち、電子に対する信号電荷を検出する段
階と、１ラインずつ抽出される信号電荷のうち、ホール
に対する信号電荷を検出する段階と、電子に対する検出
信号とホールに対する検出信号を合成処理して出力する
段階とを含むことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳しく説明する。図５は本発明の実施の形態
によるＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すものである。図
５によれば、本発明の実施の形態によるフレーム転送Ｃ
ＣＤ固体撮像素子は、入射光に対して信号電荷を発生す
る受光領域５１と、受光領域５１からの信号電荷を一定
時間蓄積する蓄積領域５２と、蓄積領域５２に蓄積され
た信号電荷を１ラインずつ抽出するＨＣＣＤ５３と、Ｈ
ＣＣＤ５３から出力される信号電荷のうち、電子に対す
る信号電荷を検出し増幅する高感度用信号電荷検出及び
増幅回路５４と、ＨＣＣＤ５３から出力される信号電荷
のうち、ホールに対する信号電荷を検出し増幅する低感
度用信号電荷検出及び増幅回路５５とを含む。

【００１６】図５のような構造を有する本発明のフレー
ム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子において、受光領域５
１は入射光に対して信号電荷、即ち電子とホールとを発
生させ、発生したそれらの信号電荷を一定時間累積させ
る。受光領域５１に累積された信号電荷は垂直消去期間
に蓄積領域５２へ転送されて蓄積される。蓄積領域５２
に蓄積された信号電荷はその次の垂直消去期間まで１ラ
インずつ抽出されてＨＣＣＤ５３へ転送される。蓄積領
域１２に蓄積されていた信号電荷が全て抽出されると、
その間に受光領域で発生して累積された信号電荷がさら
に蓄積領域に移動して前記動作を繰り返し行う。一方、
ＨＣＣＤ５３に転送された信号電荷のうち、電子は高感
度用信号電荷検出及び増幅回路５４で検出されて信号処
理され、ホールは低感度用信号電荷検出及び増幅回路５
５で検出されて信号処理される。

【００１７】図６は図５のフレーム転送方式のＣＣＤ固
体撮像素子の蓄積領域５２に対する断面構造図であり、
（Ａ）は信号電荷が転送される方向に垂直な断面の構造
図、（Ｂ）は信号電荷が転送される方向に平行な断面の
構造図である。図６には本発明の実施の形態によるフレ
ーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の蓄積領域５２に対
する断面構造のみを示したが、受光領域５１と蓄積領域
５２はほぼ同じ断面構造をもつ。但し、蓄積領域上には
入射光を遮断するためのアルミニウム製遮光膜と転送電
極が形成されているのに対して、入射光に対して信号電
荷を発生する受光領域上には遮光膜と転送電極が形成さ
れない。

【００１８】図６によれば、本発明の実施の形態による
フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の蓄積領域５２
に対する構造は、ｎ^- 型基板５２１と、ｎ^- 型基板５２
１に形成されたｐ^- 型ウェル５２２と、ｐ^- 型ウェル５
２２に形成された電子用の埋込チャンネル領域として作
用する第１のｎ型領域５２３と、第１のｎ型領域５２３
の表面に形成されたホール用の埋込チャンネル領域とし
て作用するｐ型領域５２４と、前記第１のｎ型領域５２
３及びｐ型領域５２４と接してその両側に形成されたホ
ールに対してチャンネルストップ領域となり、電子に対
して埋込チャンネル領域として作用する第２のｎ型領域
５２５と、第２のｎ型領域５２５と接してｐ^- 型ウェル
５２２に形成された電子に対するチャンネルストップ領
域及びホールに対してドレイン領域として作用するｐ⁺
型領域５２６と、基板上に形成されたＳｉＯ₂ からなる
絶縁膜５２７と、絶縁膜５２７上に形成された転送電極
５２８とからなる。図６には図示しなかったが、転送電
極５２８上には遮光膜が形成されている。

【００１９】図７（Ａ）と（Ｂ）は図６の５Ａ−５Ａ′
線における断面構造及びバンドダイアグラムをそれぞれ
示すものである。伝導帯では電子の埋込チャンネルが形
成され、価電子帯ではホールの埋込チャンネルが形成さ
れる。

【００２０】図８（Ａ）と（Ｂ）は、図６（Ａ）の５Ａ
−５Ａ′及び５Ｂ−５Ｂ′線における断面構造を示し、
図８（Ｃ）は図６（Ａ）の５Ａ−５Ａ′及び５Ｂ−５
Ｂ′線における伝導帯のプロファイルを示す。入射光に
よって発生した信号電子のうち、電子は図８（Ｃ）の線
５３１と５３２で示されたように、電子用の埋込チャン
ネル領域として作用する第１のｎ型領域５２３に蓄積さ
れ、第１のｎ型領域５２３の容量以上に過剰の電子が発
生すると、過剰の電子はｐ^- 型ウェル５２２の電位障壁
をオーバーフローしてｎ^- 型基板５２１へ流れ出る。従
って、本発明の固体撮像素子は電子に対して垂直オーバ
ーフロードレイン構造が形成される。

【００２１】図９（Ａ）と（Ｂ）は図６（Ａ）の５Ａ−
５Ａ′及び５Ｂ−５Ｂ′線における断面構造を示し、図
９（Ｃ）は図６（Ａ）の５Ａ−５Ａ′及び５Ｂ−５Ｂ′
線における価電子帯のプロファイルを示す。図９を参照
すると、第２のｎ型領域５２５はホールに対するチャン
ネルストップ領域として作用し、ｐ型領域５２４はホー
ルの埋込チャンネル領域として作用することが分かる。

【００２２】図１０（Ａ）は図６（Ａ）の５Ｃ−５Ｃ′
線における断面構造を示し、図１０（Ｂ）は図６（Ａ）
の５Ｃ−５Ｃ′線における価電子帯のプロファイルを示
す。転送電極５２８や基板５２１等の印加電圧を適切に
調整すれば、図１０（Ｂ）のように、図６（Ａ）の５Ｃ
−５Ｃ′線における価電子帯のプロファイルが得られ
る。入射光によって発生した信号電荷のうち、ホールは
図１０（Ｂ）に示すようにホール埋込チャンネル領域と
して作用するｐ型領域５２４に蓄積される。ｐ⁺ 型領域
５２６はホールに対する水平オーバーフロードレインと
して作用する。従って、電子に対する無感度期間にはｎ
^- 型基板５２１に十分大きな正電圧を印加する。この期
間にはｎ^- 型基板５２１に印加された正電圧によって第
１のｎ型領域５２３には電子が蓄積されない。よって、
第１のｎ型領域５２３は電子の埋込チャンネル領域とし
て作用しない。従って、電子に対する無感度期間には入
射光によって生成した電子は第１のｎ型領域５２３に蓄
積されずにすべてｎ^- 型基板５２１へ掃き出される。一
方、ホールに対する無感度期間は転送電極５２８に負電
圧を印加する。この期間には転送電極に印加された負電
圧によってｐ型領域５２４にホールが蓄積されない。よ
って、ｐ型領域２５４はホールの埋込チャンネル領域と
して作用しない。従って、ホールに対する無感度期間に
は入射光によって生成したホールはｐ型領域５２４に蓄
積されずにすべてｐ⁺ 型領域５２６を通過して掃き出さ
れる。

【００２３】以下、電荷の転送について説明する。本発
明のＣＣＤ固体撮像素子は４相駆動方式と２相駆動方式
の両方が適用可能である。図１１（Ａ）〜（Ｄ）は４相
駆動クロックパルスの波形図を示し、図１２（Ａ）〜
（Ｈ）は各期間毎のチャンネル領域の電位分布を示す。
図１２に示すように、４相駆動方式を採用した本発明の
ＣＣＤ固体撮像素子の場合には、電子５５１とホール５
５２が同一方向へ転送される。

【００２４】図１３（Ａ）〜（Ｂ）は２相駆動クロック
パルスの波形図を示し、図１４（Ａ）〜（Ｄ）は各期間
毎のチャンネル領域の電位分布を示す。図１４に示すよ
うに、２相駆動方式を採用した本発明のＣＣＤ固体撮像
素子の場合には電子５５１とホール５５２が互いに反対
の方向に転送される。このように２相駆動方式で電子と
ホールの転送方向が逆になる特性を用いて電子とホール
の分離が可能となる。

【００２５】以上説明したように、本発明のＣＣＤ映像
素子は電子ばかりではなくホールも信号電荷として利用
するので信号電荷が従来の２倍近く増加し、感度も大幅
向上する。即ち、信号電荷検出及び増幅回路の感度を電
子用は高感度に、ホール用は低感度に設定して２種類の
信号電荷をスイッチングすることにより、高照度撮影と
低照度撮影の両方に対応するＣＣＤカメラを実現するこ
とができる。前記信号電荷検出及び増幅回路の感度を電
子用は高感度に、ホール用は低感度に設定し、アナログ
／ディジタル変換器とディジタル信号プロセッサ等によ
って同一画面に対する２種類の信号を合成処理すれば、
従来より照度に対するダイナミックレンジの広く且つ高
感度な映像を得ることが可能となる。

【００２６】次に、図４に示したＣＣＤ固体撮像素子の
光電変換特性を用いて説明する。例えば、ＡとＢをそれ
ぞれ電子の信号に対する出力感度、ホールに対する出力
感度特性とし、Ｃ＝Ａ＋Ｂとして、合成の感度特性を定
義する。この場合、低照度領域では高感度用電子信号に
対する出力感度に低感度用ホール信号に対する出力感度
を加えた値が本発明による固体撮像素子の新たな感度と
なる。従って、本発明の固体撮像素子では従来のように
電子信号に対する出力感度だけを利用する場合よりもや
や高い感度が得られる。尚、高照度領域では、電子信号
に対する出力感度は飽和状態にあるので、低感度用ホー
ル信号に対する出力感度が得られる。従って、本発明の
固体撮像素子では従来の固体撮像素子のように電子信号
に対する出力感度だけを利用する場合より２倍以上広い
照度に対するダイナミックレンジを実現することができ
る。

【００２７】

【発明の効果】前記本発明によれば、電子とホールを信
号電荷として同時に出力することにより、同一画面に対
して低照度領域は高感度に、高照度領域は低感度に撮像
するＣＣＤ固体撮像素子を実現することができる。電子
とホールを全て信号電荷として用いる本発明の固体撮像
素子は、電子信号にホール信号が追加されることによっ
て、信号量が増加し素子の感度が向上する。また、電子
とホールにそれぞれ異なる感度を有する信号電荷検出及
び増幅回路を接続して電子とホール信号を同時に検出す
ることにより、入射光に対するダイナミックレンジが拡
大し素子の感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のフレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素
子の構成図である。

【図２】 図１のフレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素
子の蓄積領域の断面構造図である。

【図３】 図２の２Ａ−２Ａ′線及び２Ｂ−２Ｂ′線に
おける各断面構造及びそれに対する電位分布図である。

【図４】 図１のＣＣＤ固体撮像素子の光電変換特性図
である。

【図５】 本発明の実施の形態によるフレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子の構成図である。

【図６】 本発明の実施の形態によるフレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子の断面構造図である。

【図７】 図６（Ａ）の２Ａ−２Ａ′線における断面構
造及びそれに対するバンドダイアグラムである。

【図８】 図６（Ａ）の２Ａ−２Ａ′線及び２Ｂ−２
Ｂ′線における断面構造及びそれに対する伝導帯のプロ
ファイルである。

【図９】 図６（Ａ）の２Ａ−２Ａ′線及び２Ｂ−２
Ｂ′線における断面構造及びそれに対する価電子帯のプ
ロファイルである。

【図１０】 図６（Ａ）のＣ−Ｃ′線における断面構造
及びそれに対する価電子帯のプロファイルである。

【図１１】 本発明のＣＣＤ固体撮像素子に採用された
４相駆動クロック信号の波形図である。

【図１２】 本発明のＣＣＤ固体撮像素子の各期間毎の
電位分布図である。

【図１３】 本発明のＣＣＤ固体撮像素子に採用された
２相駆動クロック信号の波形図である。

【図１４】 本発明のＣＣＤ固体撮像素子の各期間毎の
電位分布図である。

【符号の説明】

５１…受光領域、５２…蓄積領域、５３…ＨＣＣＤ、５
４，５５…電荷検出及び増幅回路。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光に対して信号電荷を発生する受光
   領域と、 受光領域からの信号電荷を一定時間蓄積する蓄積領域
   と、 蓄積領域に蓄積された信号電荷を１ラインずつ抽出する
   ＨＣＣＤと、 ＨＣＣＤから出力される信号電荷のうち、電子に対する
   信号電荷を検出し増幅する高感度用信号電荷検出及び増
   幅回路と、 ＨＣＣＤから出力される信号電荷のうち、ホールに対す
   る信号電荷を検出し増幅する低感度用信号電荷検出及び
   増幅回路と、を有することを特徴とするＣＣＤ固体撮像
   素子。
2. 【請求項２】 前記受光領域は、 第１導電型の低濃度基板と、 基板上に形成された第２導電型のウェルと、 前記ウェルに形成された第１導電型を有する第１不純物
   領域と、 前記第１不純物領域の表面に形成された第２導電型を有
   する第２不純物領域と、 第１及び第２不純物領域と接して前記ウェルに形成され
   た第１導電型を有する第３不純物領域と、 前記第３不純物領域と接して前記ウェルに形成された高
   濃度の第２導電型を有する第４不純物領域と、を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記蓄積領域は、 第１導電型の低濃度基板と、 基板上に形成された第２導電型のウェルと、 前記ウェルに形成された第１導電型を有する第１不純物
   領域と、 前記第１不純物領域の表面に形成された第２導電型を有
   する第２不純物領域と、 第１及び第２不純物領域と接して前記ウェルに形成され
   た第１導電型を有する第３不純物領域と、 前記第３不純物領域と接して前記ウェルに形成された高
   濃度の第２導電型を有する第４不純物領域と、を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記受光領域は、 基板の全面に形成された絶縁膜と、 絶縁膜上に形成された転送電極と、 転送電極上に形成された遮光膜と、をさらに有すること
   を特徴とする請求項３記載のＣＣＤ固体撮像素子。
5. 【請求項５】 入射光に対して電子とホールの信号電荷
   を発生する段階と、前記発生した信号電荷を一定時間蓄
   積する段階と、 前記蓄積された信号電荷を１ラインずつ抽出する段階
   と、 １ラインずつ抽出される信号電荷のうち、電子に対する
   信号電荷を検出する段階と、 １ラインずつ抽出される信号電荷のうち、ホールに対す
   る信号電荷を検出する段階と、 電子に対する検出信号とホールに対する検出信号を合成
   処理して出力する段階と、を有することを特徴とするＣ
   ＣＤ固体撮像素子の信号処理方法。
6. 【請求項６】 電子に対する検出信号とホールに対する
   検出信号を合成処理するとき、低照度領域では電子に対
   する検出信号にホールに対する検出信号を加えた値を出
   力し、高照度領域ではホールに対する検出信号を出力す
   ることを特徴とする請求項５記載のＣＣＤ固体撮像素子
   の信号処理方法。