JPS58175374A - 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】 本発明は固体撮像装置に関する。

フォトダイオード、或いは金属−絶餐物一半導停（ｂｌ
ｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓａｗ；ｃＯｎａｔｕ
ｔｏ（：ｂｉ■ｓ）構造の感光素子群に蓄積された信号
′電荷を、垂直および水平走査によって順次読出し、映
像信号を発生する固体撮像装置が知られている。固体撮
像装置の一つの実用的な方式として、１９７４年ＩＥＥ
Ｅ　　Ｉｎｔｅｒｃｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐ
ｅｒｓ、５ｅｓｓｉｏｎ２−２に示されているようなイ
ンターライン・トラフ　スフ　７−　（Ｉｎｔｅｒ−１
ｉｎｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　）方式がある。この方式の
固体撮像装置によれば、フォトダイオード、或いはＭＩ
Ｓ［造の感光素子に１フレ一ム期間蓄積された一画面分
の信号電荷が、フレーム周期で垂直ブランキング期間に
ＣＯＤからなる垂直転送段に読出され、水平ブランキン
グ期間に１ラインずつ垂直転送されてＣＯＤからなる水
平転送段に読込まれ、水平走査期間に水平転送段から読
出されることによって映像信号が得られる。本方式によ
り、高密度集積化とともに高感度化を図るための方法と
して、例えば１９８゜ＩＥＥＥ　　ｌ５ＳＳＣＣＤｉｇ
ｅｓｔ　Ｖｏｌ、ＸＸ−３゜５ｅｓｓｉｏｎ　２　ｐｐ
３４−３５．Ａ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｃｏｌｏｒ
Ｉｍａｇｅ　５ｅｎｓｏｒ　Ｕｓｉｎｇ　Ｚｎ５ｅ−Ｚ
ｎ（１−ｘ）ＣｄｘＴｅ　ｆ（ｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉ
ｏｎ　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｃｔ−ｕ
ｃｔｏｒ″に示されているように、感光領域を転送領域
に対（７積層し、感光素子面イ★を大きくする方法が提
案されている。しかしながら、このように感光素子の面
積を大きくすることによって増えた蓄積電荷鍍を有効に
読出す転送段の技術が確立されていない。

一般に高感度化を図るために感光素子面積を太き、ぐす
ることと、それを水平転送段に転送する垂直転送段の転
蓬容量を大きくすることとの関係は相反しており、固体
撮像素子の高集積度化および筒感度化のためには、感度
素子の信号電荷蓄積容量とともに、転送容量を大きくす
ることが課題である。本発明は、このような課題を解決
することを目的とするものである。

本発明による固体撮像装置は、２次元的に配列された感
光素子群の１水平続出し分の感光素子列からフレーム周
期もしくはフィールド周期で順次読出される信号゛電荷
を１水′平期間内に同時に一時蓄積部に転送する複数の
ＭＩＳ構造列、このＭＩＳ構造列の転送電極に、電荷転
送用の単一の走査パルスもしくは隣接するＭＩＳ構造の
転送型・４間には同時に印加されない複数の走置パルス
を順次印加する垂須走査パルス発生部、一時蓄積部から
電荷転送素子より成る水平出力段へ信号電荷を１水平読
出し分だけ同時に読込むゲート列および前記水平転送段
より成る。

本装置においては、インターライン−トラｌファ一方式
の固体撮像装置と異なり、信号電荷は垂直方向転送用の
複数のＭＩＳ構造列に各水平走査毎に読出され、ＭＩＳ
悄造列を通して一時蓄積部に高速転送されるＭＩＳ構造
を構成する各転送電極下の半導体基板内には、信号電荷
の転送方向側またはそれと反対側に不純物拡散領域が形
成されており、単一または複数の垂直走査パルスによっ
て、信号電荷は順次−次蓄積部へ転送されていく。

本発明によれば、走査パルスを循環させて複数回印加す
ること、あるいはインターライン・トランスファ一方式
の固体撮像装置に比べ転送電極面積を大きくとることが
可能となり、転送容量を大きくすることができる。捷だ
、垂直転送段が電荷転送素子でなく、転送電極が互いに
電気的に共通接続されていないＭＩＳ構造列であるため
、垂直走査部からみた容量成分が極めて小さく、転送に
要する電力を軽減することができる。以下、実施例を用
いて本発明を説明する。

第１図に本発明の一実施例の構成を示す。図中１は被写
体からの光情報を信号電荷として４積する垂直方向にｎ
（ｎは偶数）、水平方向にｍ（ｎ／２＜ｍ）ｎｍｌ己列
されたフォトダイオード、２はＭ　Ｉ　Ｓ　ｇｑ造を示
し、各ＭＩＳ構造は、第２図に示すようにフォトダイオ
ード１と同一の半導体基板１ｏ１、基板上に形成された
絶縁、７１０２およびそれぞれ独立した転送電極１０３
とから成る。各転送電極下の半導体基板（ここではＰ型
半導体とする）内には、ＭＩＳ構成列の信号電荷転送方
向（矢印Ａ）に゛−位勾配を与えるよう、転送方向側に
半導体基板と反対導電型の不純物拡散領域２ａが形成さ
れている。また、転送電極１０３の下の絶縁層の厚さも
、同様な理由で異なるよう構成されている。

３はフォトダイオード１に蓄積された信号電荷を、ライ
ン選択回路４によって選択された１ライン分同時に対応
するＤ／１Ｉｓｉｌ造に読出すラインゲートで、２二１
インターレースを行なうため、第１フイールドではライ
ン選択パルスφＧ１．φＧ３１φＧ５”・・・・・・φ
Ｇ　（ｎｍ１）により奇数番目のラインゲート３が開き
、第２フイールドではライン選択パルスφＧ２．φＧ４
？φＧａｓ・・・・・・φＧｈにより偶数番目のライン
ゲートが開き、それぞれ同一のＭＩＳ悄造２へ読出され
る。５はパルス発生回路６からの水平転送りロックφＨ
１１φＨ２によって駆動たれ、水平転送レートで順次シ
ストする走査パルスφ　、φ　、・・・・φＮ（１’Ｊ
−、−）を発生する走　　　２ 査パルス発生回路、７はキャパシタ７ａ列から成る一時
蓄積領域、８はＭＯＳスィッチ８ａ列から成るゲート回
部、９は転送電極９ａ、９ｂを有する２相：ｇ、＠　Ｃ
ＣＤよりなる水平転送段である。水平転送段へ信号電荷
を転送するパラレル−シリアル変換部の構成は第２図に
示すとおりで、キャパシタ７ａは最終段のＭＩＳ構造２
の拡散領域２ａと半導体基板間のＰ　−ｎ接合の障壁容
量によって構成され、ＭＯＳスイッチ８ａは、ゲート電
極１０４とＣＯＤの転送電極９ａ下の拡散領域１０５お
よびＭＩＳＩ造２の拡散領域２ａによって構成されてい
る。

走査パルス発生回ｗＪ５の構成を第３図に示す。

図中３０はパルス発生回路６からのＨＤ（水平同期パル
ス）によってセットされ、カウンタ３３の出力によって
リセットされるＲＳフリップ７０ッグから成るゲートパ
ルス発生回路、３１および３２は７フトレジスタ３４を
駆動する駆動ノくルスφＨ１′９φｄ２’を発生するＡ
ＮＤｉｏ］路である。カウンタ３３はＨＤによりリセッ
トされ、水平転送りロックの一方φＨ２をカウントする
（Ｎ＋ｌ　）個カウンタで、水平転送りロックφＨ２の
（Ｎ＋１）ｆ同口のパルスをカウントしたときゲートノ
くルス発生回路３０をリセットする。この結果、ゲート
パルス発生回路３０の出力は第４図φＧＴに示すように
なり、駆動パルスφＨ４′、φ１（２’として、水平転
送段９の水平転送りロックφｆ（Ｉ　　ＩφＨ２より（
Ｎ＋１　）Ｉ固のパルスがＡＮＤ回路３１．３２を通し
て得られる。なお、第４図は第１図およびび第３オの各
部信号波形を示しているが、ここでは各フィールドの最
初の２ライン分の信号読出し動作を説明するために必要
な部分のみを示した。

シフトレジスタ３４は、各フィールド毎にＶＤ（垂直同
期パルス）によって、初段の出力φ１のみが正となるよ
うにイニシャライズされる。この状態で第１フイールド
の読出しが開始され、水平ブランキング期間内（ここで
はＨＤパルス期間の前半）に発生する第１ライン選択パ
ルスφＧ１　　によって、１．ライン分の信号電荷が、
φ１によってボテン７ヤルウエルの形成されたＭＩＳｍ
造に読込まれる。次にシフトレジスタ３４にｇｄパルス
φＨ４′、φｊ（２’が印加されると、正パルスＰは順
次φ２．φ３・・・・・・とシフトしていき、ポテンシ
ャルウェルがＭＩＳ構造列中を矢印Ａで示す垂直読出し
方向へ移動する。各ＭＩＳ構造は信号転送方向側に拡散
領域２ａを有しているため、走査）（ルスが苓になった
ときに、信号電荷は拡散領域２ａに保持されており、隣
接しているＭＩＳ構造が走査されたときに、そちらへ転
送される。

（ｒＪ−１）＋面目の駆動パルスφＨ１′、φＨ２の印
加によってＭＩＳｍ造列のｊＩｉｔ後の転送電憧１０３
に正パルスＰが印加されると、（第４図φＮ）キャパシ
タ７ａより成る一時蓄積領域７に信号電荷が連ばれる。

正パルスｐは、続いて印加されるＮ個目の、＝勤ハルス
φＨ１′、φｒ１２′によってシフトレジスタ３４０人
力１１ｊに帰還されてφ、を正とし次の（１（＋１）個
目の駆動パルスによってφ２（第４図φ２）にシフトさ
れる。このとき駆動パルスが停止するので、走査パルス
φ２の印加されている２番月の読出しラインのＭＩＳｇ
造２にポテンシャルウェルを形成し続ける。

この状態で、ＭＯＳスイッチ８ａのゲート電極１０４に
水平グラ／キング期間内（ここではＨＤ期間の後半）に
発生するゲートパルスφＧＨが印加されると、信号電荷
は、１“ライン分同時に、水モ転送段９のＣＣＤのφＨ
２の印加される転送型垂下の拡散頑域１０６へ読込まれ
、水平走査期間に印加されるクロックφＨ１，φＨ２に
よって順次転送され、出力端子１０を通して読出され、
１ラインの映像信号が得られる。一方ゲートパルスφＧ
Ｈとほぼ同じタイミングで、第１フイールドの２ライン
目のラインゲート３が、ライン選択回路４からの第２ラ
イン選択パルスφＧ３によって開かれ、２ライン目のフ
ォトダイオード１にフレーム間蓄積されていた信号′電
荷が、正パルスＰの印刀口によってポテンシャルウェル
の形成されている対応するＭＩＳ構造へ転送される。そ
して１ライン目の信号電荷が水平転送段９を面して読出
され、ている間に是督パルスφ３．φ４・・・・・・φ
Ｎ〜２の印加によって一時蓄積領域７のキャパシタ７ａ
列へと転送される。（Ｎ＋１　）個の駆動パルスが印加
される２ライン目読出しのための垂直走査の終りには、
正パルスＰはφ３にシフトされておシ、次のラインゲー
トφＧ５　による信号読出しを可能とする。−万、第１
ライン読出し時と同様に、第２ライン目の垂直査束によ
って一時蓄積領域に転送された信号電荷は、ゲートパル
スφＧｌ（にょって水平転送段９に読込まれ、３ライン
目の信号電荷が垂直転送されている間に、水平転送段ｅ
を通して読出される。以下同様に、一つおきのフォトダ
イオード列から順次信号が対応するＭＩＳＪＪ造２に読
出され、谷々のＭＩＳ構造列を通して１水平走査期間内
に一時蓄積領域７へ高速転送され、次の１水平走査期間
に水平走査期間に水平転送段９全通して読出され、第１
フィールド分の映慮信号が得られる。第２フイールドで
は、ライン選択回路４からのライン選択パルスφＧ２．
φＧ４．φＱ６ｔ・・・・・・φＵｎによって偶数番目
のラインゲート３が開き２二１インターレース読出しが
行なわれる。

前記動作をするライン選択口＊４の構成は特に説明を要
しないが、例えばＨＤに同期して出力が順次シフトして
い＜Ｎ（−；）段のシフトレジスタ、■Ｌ）によって制
御され、このシフトレジスタの各段の出力を、各フィー
ルド毎に１対のラインゲートの異なる一方に加えるだめ
の切換回路から構成することができる。

本徊成によ汎ば、谷ｒ４　Ｉ　Ｓ構造２はＬ対のフォト
ダイオードに対し１個設けられており、インターライン
・トランスファ一方式の固体撮像装置に比べ転送電極面
積を２倍にすることができ、信号電荷の垂直転送容量を
２倍にすることが可能である。また、垂直転送時に走査
パルスが印加されるのは一ライン分、即ちｍ個のＭＩＳ
構造２の転送電極であるので、縦直転送りロックが全て
の転送’ＩＥ４に印加されるインターライン、トランス
ファ一方式の固体撮像装置に比べ、走査パルス発生回路
５から見た容量負荷が極めて小さく、垂直転送に要する
畦力消費を少なくすることができる。

本実施例、ではさらに走査パルス発生回路５の駆動パル
スφＨ１′、φＨ２’を、水平転送段９の転送りロック
を用いている。本発明においては必ずしも水平駆動パル
ス又はそれと同期したパルスを用いる必要はないが、本
実施例ではクロック源を共通とすることができる利点が
ある。

信号電荷の垂直転送容量をさらに大きくするため、第５
図に示すように、２対（４個ンあるいはそれ以上のフォ
トダイオードに対応して１個のＭＩＳ−造２０ｉ設ける
構成とすることも可能である。ここで２０　ａは５ｇ１
図２ａに対応する。半導体基板と反対２４電型の不純物
拡散領域を示している。不実１Ｍ列の走査パルス発生回
路６ｏは、第３図のナイ成に加えて、シフトレジスタ３
４の各出力のｄｍする２つの出力、φ、とφ２．φ３と
φ４．・・・・・φ１、−１とφＮを２人力とするＯＲ
回路２１を設けた構成で実現できる。この場合には、駆
動パルス″の２Ｉｆｄ期毎に走査パルスがシフトし、そ
れに伴って信号電荷が順次次のｍＩｓ構造２ｏへと転送
されていく。

本発明におけるＭＩＳ構造列の機能は、連続的に入力さ
れる信号を順次転送するものではなく、所定の間隔で（
水平期間、に１度）読込まれる信号′電荷を、所定の４
間内（１水平期間内）に転送するものである。したがっ
て、電荷転送の町ぼヒな範囲で水平転送速度以上の高速
駆動パルスで信号電荷を転送してもよいし、また１水平
期間に２回あるいはそれ以上繰返して走査することも町
ｎヒである。

第６図に水平ブランキング期間の１贋の絖出しに対して
２１Ｍｌ５列を循環走査する実施例における走査パルス
発生回路部を示す。図において、６１は水平転送りロッ
クφＨ２をカウントするＮ個カウンタ、６２．６３およ
び６４はモノステーブル・マルチバイプレ〜り（ｌｖｆ
Ｍ）、６５．６６および６７は０ＲＯｔｌ！１２１路６
８はＲ８Ｔフリップフロック、６９はＡＮＤ回路、７０
はＮ／２段のシフトレジスタである。Ｒ８Ｔフリッグ７
０タブ、６８は各フィ−ルドにおける最初の選択パルス
φＧ、またはφＧ２によってリセットされ、Ｈｌ）をト
リガ入力とすることによって、偶数番目のラインが選択
されたときにハイレベルの出力を発生するものでＯＲ回
路６７とともにライン識別回路を構成している。他の構
成は、同一番号を付した第３図および５ｇｓ図の構成と
同一である。本実施例は、第５図と同様、２対のフォト
ダイオードに対応して１個のｍＩｓ慣造２０が設けられ
ており、Ｎ／２１１ｉ１からなるＭＩＳ構造列を、８個
のパルス列を含む駆動パルスφＨ４′、φＨ２’　と各
フィールドで２ライン毎に発生する１個ずつのライン送
りパルスφｋＩａ、φＨ４によって駆動されるシフトレ
ジスタ６９ＶＣより走査されるものである。

本実施例において、ゲートパルス発生回路３０はφ１（
１９φＨ２が８個を生したとき、即ちＭＩＳ構造２０が
２回走査され、正パルスＰがシフトレジスタ７ｏの元の
段に戻ったときに、８個カウンタ６１の出力によってリ
セットされ（第７図φ（ｊＴ）これによってφＨ１′、
φｔＩ２’の発生が停止する。

（第７図φＨ１′、φ市′の発生が停止する（第７図φ
Ｈ４′、φｒ（２’）。この走査が奇数ラインの信号電
荷転送のだめの走査である一合には、Ｒ８Ｔフリップフ
ロップ６８の出力はローレベルであるので、ＡＮＤ回路
６９の出力は発生せず、同じＩＶＩ　Ｉ　Ｓ構造に次の
偶数ライン目の信号電荷が読出される。この走査が偶数
ラインの場合には、Ｒ８Ｔフリップフロック６８の出力
がノ＼イレベルであり、Ａ　ｒｓｌ　ｌ）回路６９の出
力は、ゲートノ（ルス発生回路３０が８個カウンタ６１
により、リヒットされたときの反転出力Ｑの立上りによ
って７１イレベルになり、１７１Ｍ６２と６３をトリガ
する。ＭＭ６２はφＮ４の立上りタイミング設定のため
のものであり、第７図φｎａ、φＨ４に示すようなライ
ン送りパルスが発生し、これらはＯＲ回路６６および６
６ｆ：通してシフトレジスタ７０に印ツノＤされ、正パ
ルスはさらに１段シフトして、次のラインのＭＩＳ構造
２ｏにポテンシャルウェルを形成し、次の奇数ラインの
信号電荷読出しを可能とする。

本実施例においては、２回の巡回走査を行なうため、Ｍ
ＩＳ構造２ｏの電荷の取残しｔを少なくすることができ
る。

同様に、・正パルスＰに続いて、更に１個または複数個
のパルスを走査パルスとしてＭＩＳ俗造に印加すること
によっても電荷の取残し横を少なくすることができる。

第８図は、正パルスＰに続いて、ＭＭ８／および８２に
よって作成したパルスを、シフトレジスタ３４の帰還入
力にＯＲ回路８３全通して加えることによって、２個の
走査パルスを発生する走査回路を示している。他の構成
は第３図と同一である。ｊｖ１Ｍ８１はＶＤによってト
リガされ、所定パルス巾Ｔ、の出力を発生する。

ＭＭ８２はこの出力によってパルス巾“ｒ２の２個目の
走査パルス金発生する。ここで°ｒ、および１′２は、
シフトレジスタ３４のｌＡ接する出力段に連ｄしてパル
スが生じないように設定しなければならない。この第８
図の走査パルス発生回路を第１図実施例に用いることに
よって、２回の巡回走査と同一の効果を得ることができ
る。また、必要ならこのような複数の走査パルスを複数
回循環するように印加することもできる。

＠ＭＩＳ構造は、フォトダイオード対に対し１個設ける
構成を説明してきたが、フォトダイオード１個に対し１
個設ける構成とすることも可能である。この−合には、
ラインゲートを無くシ、フォトダイオードとＭＩＳ構造
の転送成極下の半導体基板間に電位勾配が形成され、フ
ォトダイオードからＭＩＳ構造への信号＠荷の移動がｉ
５Ｔ　＋ｒＵなように、フォトダイオードに相対的に負
の電圧をライン選択パルス−として刃口える構成が可能
となる。

また、ＭＩＳ侮造の半導体基板中に形成された拡散領域
を基板と同一導電型の不純物拡散で形成することができ
るが、この場合には、拡散領域を転一方向と反対側に形
成する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による固体撮像装置の構成を
示すブロック図、第２図はその要部の概略構造を示す断
面図、第３図は第１図における走査パルス発生回路の構
成を示すブロック図、第４図は第１図および第３図中の
各部゛における波形図、５ｇｔｓ図は本発明の他の実施
例の固体撮像装置の要部の構成を示すブロック図、第６
図は本発明の更に他の実施例の固体撮像装置の走督パル
ス発生回路の構成を示すブロック図、第７図はその各部
の波形図、第８図は本発明の具に他の実施例の固体撮像
装置の走査パルス発生回路のブロック図であある。 １・・・・・・フォトダイオード、２・・・・・・ＭＩ
Ｓ構造、３・・・・・　ラインゲート、４・・・・・ラ
イン選択回路、６・・・・・走査パルス発生回路、６・
・・・・　パルス発生回路、７・・・・・一時蓄積領域
、８・・・・・・ゲート回路部、９・・・・・・水平転
送段。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
ｇ 第２図 第４図 ｆ’５２ＪｌｆｌｆｌＮＬ　−−−−−−−−ｈ；−ユ
皿−−−−−−−几り−−ｊ■−第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）入射光量に応じた信号電荷を蓄積する感光素子群
   と、１水乎ｄ出しのための感光素子列から続出された信
   号電荷列を１水平期間内に転送する複数の金属−絶縁物
   一半ｔＩｒ停（ＭＩ　Ｓ　）＄造列と前日己複数のＭＩ
   Ｓ構造列に前記信号電荷列を各水平走査毎に読出す第１
   のゲート手段と、前記ＭＩＳ構造列の転送電極に単一も
   しくは隣接する転送電・−間では重複しない複数の走査
   パネルを水平走査期間に順次印加する走査手段と、前記
   複数のＭＩＳ構造列により転送された信号電荷を蓄、漬
   する一時蓄積手段と、水平走査期間に信号読出しを行な
   う水平転送手段と、前期一時蓄積手段から前記水平転送
   段へ水平ブランキング期間に信号電荷を転送する第２の
   ゲート手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。 （２）第１のゲート手段が、第１のフィールドにおいて
   第１の感光素子群より１フレ一ム期間蓄積された信号電
   荷をＭＩＳ構造へ読出す第１のゲート構造と、第２のフ
   ィールドにおいて前記第１の感光素子群と異なる第２の
   感光素子群より１フレ一ム期間葺積された信号電荷をＭ
   ＩＳＪｌｌ造へ読出す第２のゲート構造とを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の固体撮像装置
   。 （３）それぞれのＭＩＳ構造がそれぞれの感光素子に対
   して１個設けられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の固体撮像装置。 （４）それぞれのＭＩＳＭ造が、第１の感光素子と第２
   の感光素子の対に対して１個設けられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の固体撮像装置。 （６）それぞれのＭＩＳ構造が、信号電荷の転送方向−
   〇の半導体基板内に、この基板と反対導電型の不純物拡
   散領域を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   、第２項、第３項または第４項記載の固体撮像装置。 （６）それぞれのＭＩＳ構造が、信号電荷の転送方向と
   反対側の半導体基板内に、この基板と同じ導電型の不純
   物拡散領域を有するものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の固
   体撮像装置。 （７）それぞれのＭＩＳ構造が、信号電荷の転送方向に
   段差を有する転送電極を有するものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２ＪＪ。 第３項または第４項記載の固体撮像装置。 （８）定歪手段がＭＩＳｇ造を形成する転送電極に順次
   印加する単一または複数の走査パルスを、１水平走査期
   間内に複数回巡回する。よう発生するものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の
   固体撮像装置。