JPS58188156A - 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】 不発明は固体撮像装置に関する。

７．４トダイオード、或いはＭ　Ｉ　Ｓ　（Ｍｅｔａｌ
　−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−８ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　）構造の感光素子群よって順次読出し、映像信号を発
生する固体撮像装置が知らｎている。固体撮像装置の一
つの実用的な方式として、１９了４　　ＩＥＥＥ　　Ｉ
ｎｔｅｒｃｏｎＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ　、
　　５ｅｓｓｉｏｎ　２−２に示さｎてい′るようなイ
ンターライントランスファー（Ｉｎｔｅｒ−１ｉｎｅ　
Ｔｒａｎｓｆｅｒ　）方式がある。コノ方式の固体撮像
装置によｎば、フォトダイオード、或いはＭＩＳ構造の
感光素子に１フレ一ム期間蓄積さｎだ一画面分の信号電
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ｎ１水平ブランキング期間に
１ラインずつ垂直転送さ扛てＣＯＤからなる水平転送段
に読込壕ｎ、水平走査期間に水平転送段から読出さｎる
ことによって映像信号が得らする。不方式により、冒密
度集積化とともに高感度化を図るだめの方法として、例
えば１９８０　ＩＥＥＥ　ｌ５ＳＣＣＤｉｇｅｓｔＶｏ
ｌ、　ＸＸ−３＋　５ｅｓｓｉｏｎ　２　ｐｐｓ４−３
５．　”　Ａ　５ｏｌｉｄＳｔａｔｅ　Ｃｏ１ｏｒ　Ｉ
ｍａｇｅ　５ｅｎｓｏｒ　Ｕｓｉｎｇ　Ｚｎ５ｅ　−Ｚ
ｎ（＋　−ｘ　）Ｃｄｘ　Ｔｅ　Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃ
ｔｉｏｎ　Ｔｈ１ｎ　−ＦｉｌｍＰｈｏｔｏｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ　”に示さｎているように、感光領域を転送領
域に対し積層し、感光素子面積を大きくする方法が提案
さｎ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量を有効に読
出す転送段の技術が確立さｎていない。

一般に高感度化を図るために感光素子面積を犬さくする
ことと、そｎを水平転送段に転送する垂直転送段の転送
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高感度化のためには、感光素
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。

不発明は、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。

不発明による固体撮像装置は、２次元的に配列さ扛た感
光素子群の１水平読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ｎ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Ｍ
ＩＳ構造列、信号電荷の読出し時に、ＭＩＳ構造列の連
続する複数のＭＩＳ構造の転送電極に所定の電圧を印加
することによって複数のＭＩＳ構造を通して半導体基板
中にチャネルを形成するとともに、信号電荷の読出し後
、転送電極の電圧を転送方向に順次変化させる走査手段
、一時蓄積部から信号電荷を水平転送段へ１水平読出し
分だけ同時に読込むゲート列および前配水乎転送段より
成る。

本装置においては、インターライン・トランスファ一方
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構造列へと各水平走査毎に１水平読出し
分だけ読出さ；ｒｔ、ＭＩＳ構造列を通して１水平期間
内に一時蓄積部に高速転送さ扛る。信号電荷の垂直方向
転送のための走査パルスは、感光素子からの読出し時に
、連続する複数のＭＩＳ構造を通してチャネルを形成し
ているため、大容量の信号電荷転送が可能となる。また
電荷転送のモードが、前記チャネル内での拡散と、走査
時における転送電極の電圧変化点に発生する電界ドリフ
トおよび走査に伴なう電圧変化点の移動によるため、十
分な転送効率を得ることができる。

更に、ＭＩＳ構造構造−ＢＢＩ）や（５０Ｄ等の従来の
電荷転送素子のように電圧変化が繰り返す転送りロック
を全ての転送電極に印加するのではなく、信号読出し時
に複数の転送電極に同時に一定の電圧を印加しておき、
転送時に例えば１ライン分だけの転送電極に電圧変化を
与える駆動を可能にしたもので、駆動に必要な電力を小
さくすることができる。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蓄積する、垂直方向に
ｎ（ｎは偶数）個、水平方向にｍ（ｎ／２　＜　ｍ　）
　個配列さｔたフォトダイオード、２はＭＩＳ構造を示
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１０１、基板上に形成さｎ
た絶縁層１０２およびそ扛ぞ扛独立した転送電極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刃側に半導体基
板と反対導電型の不純物拡散領域２ａが形成さｎている
。壕だ、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ｎている。

３はフォトダイオード１に蓄積さｆした信号電荷を、ラ
イン選択回路４によって選択さ扛た１ライン分同時に対
応するＭＩＳ構造に読出すう゛インゲートで、２：１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φＧ＋＋・φＧ３１φＧ５１・・・・・・φ
ｃ（ｎ＝＋）により奇数番目のラインゲート３が開ｕ、
　第２フイールドではライン選択パルス九２゜φＧ４＋
φＧ６＋・・・・・・、φＧｆｉにより偶数番目のライ
ンゲートが開き、そｆぞ扛同−のＭＩＳ構造２へ読出さ
ｎる。６はパルス発生回路６からの水平転送りロックφ
ｌ（１，φＨ２によって駆動さｎ、水平転送レートで順
次シストする走査パルスφ１．φ２．・・・・・・φＮ
（Ｎ一旦）を発生する走査パルス発生回路、７はキャパ
シタ了ａ列から成る一時蓄積領域、８はＭＯＳスィッチ
８１Ｌ列から成るゲート回部、９は転送電極９ａ＋　９
ｂを有する２相、駆動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７
１Ｌ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形成さｎ、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１０６およびＭＩＳ構造２の拡散領域
２ａによって構成さｎている。

走査パルス発生回路５は、第３図に示すようにパルス発
生回ｗｊ６からの水平転送りロックφＨ＋１φＨ２（第
４図φＨ１，φＨ２）を、駆動パルスとするシフトレジ
スタ３０より構成さｎている。シフトレジスタ３０は、
・各ライン読出し毎に、ＨＤ（水平同期パルス、第４図
ＨＤ）によって各段の出力φ１．φ２゜・・・・・・、
φ、が全でハイレベルになるようにイニシャライズさｎ
る構成となっており、スタートパルス入力端子は接地さ
扛ている。尚第４図におけるＶＤは垂直同期パルスの極
性反転さｎたパルス波形を示している。

不実施例の全体動作説明の前に、ＭＩＳ構造構造−ける
電荷Ｃ送について説明する。第６図ムは第２図と一部重
複するが、ＭＩＳ構造構造一部の構造を示している。第
６図ＢおよびＣば、転送電極に印加さ扛る・・イ旧）レ
ベルもしくはロー（Ｌ）レベルの電圧によっ５て形成さ
ｎるポチンシャルウェルと、信号電荷の移動を模式的に
示した図、である。

走査パルスが（ｉ　−１’）番目（ここでｉ＜Ｎ−３）
のＭＩＳ構造２０転送電極昔でかＬレベルとなり、ｉ番
目以降がＨレベルであるときには、第６図Ｂに示すよう
に、信号電荷は主としてφ、の印加さ扛ているＭＩＳ構
造内にあり、一部がφ１＋１フφｉ＋２＋・・・・・・
の印加さｎているＭＩＳ構造内へと拡散している。次に
φ、がＨレベルからＬレベルに変化すると、同図Ｃに示
すようにφ、の印加さｆているＭＩＳ構造からポテン／
ヤルウェルの深さが減じていき、このときの電界ドリフ
トにより信号電荷は隣接するＭＩＳ構造へ移動する。１
だ過来電荷は、さらに隣りのＭＩＳ構造内へと拡散して
いく。ここで、転送方間に沿った絶縁層の２層構造と、
半導体基板１０１と反対導電型の不純物拡散領域２ａと
は、ボテン／ヤル勾配を有効に形成するために設けらｆ
ている。

今、第１フイールドの信号読出しにおいて、第１ライン
目の選択に対応するＨＤによって、シフトレジスタ３０
の各出力段がすべてＨレベルにイニシャライズさ扛るこ
とにより、走査パルス発生回路６における走査パルスφ
１．φ２．・・・・・・φ、は全てＨレベルの状態にな
り、垂直方向（Ａ）転送のためのＭ　Ｉ　Ｓ　構造２内
にポテンシャルウェルが形成さｎｌそｎぞ扛のＭＩＳ構
造列に沿って、一時蓄積領域７に延びるチャネルが形成
さ扛る。この状態で、水平ブランキング期間内（ここで
はＨＤパルス期間の後半）に発生する第１ライン選択パ
ルスφ、１（第４図φ。、）によって、１ライン目の信
号電荷が、フォトダイオード１から対応するＭＩＳ構造
２に読込ま１、チャネルに清って拡散していく。次に、
／フトレジスタ３０へ水平転送りロックφ８１．φＨ２
が印加さｎると、スタートパルス入力端子が接地さｔて
いるため、第４図に示すように各段の出力φ４．φ２．
φ３．・・・・・・、φ、が順次Ｌレベル（零）に変化
していさ、このときの電界ドリフトによって信号電荷は
チャネル内を一時蓄積領域７のキヤパシタ７ａへと転送
さｆる。Ｎサイクル目の水平転送りロックφＨ１ｔ　　
φＨ２にＩっでシフトレジスタ３０のＮ段目の出力φＮ
がＬレベルとなり、この時に信は電荷の一時蓄積領域７
への転送が終了する。以降の（Ｎ＋１　）ザイクル目か
らｍサイクル目捷での水平転送りロックφＨ１＋　　φ
Ｈ２によっては、シフトレジスタ３０の各出力段の状態
は変わらず、Ｌレベルの１１である。

この状態で、ＭＯＳスイッチ８ａのゲート電極１０４に
、次の水平ブランキング期間内（ここではＨＤ期間の前
半）に発生するゲートパルスφ、、ｌ（第４図φＧＨ）
が印力Ｕさすると、信号電荷は、１ライン分同時に、水
平転送段９のＣＣＤのφＨ２の印加さ扛る転送電極下の
拡散領域１０６へ読込ま扛、水平走査期間に印加さ扛る
クロックφＨ１ｌ　　φＨ２によって順次転送さ扛、出
力端子１０全通して読出さ扛、１ラインの映像信号が得
らｎる。−リハ　１ライン１−１の信号電荷が水平転送
段９全通して転送さ扛る水子期間においても、ＨＤの立
上りにおいてシフトレジスタ３０がイニシャライズさ扛
、第１ライン読出し時と同様にＭＩＳ構造列に泪ってチ
ャネルが形成さ扛、ゲートパルスφ、の後で第２ライン
選択パルスによって２ライン目のラインゲート２が開か
扛ることによって、２ライン目のフォトダイオード２か
ら信号電荷がチャネル内に読込１ｎる。そして、１ライ
ン目の信号電荷が水平転送段を通して読出さ１．ている
水平走査期間に、２ラインＩ］の信号電荷が同一の転送
りロックで駆動さ扛るンフ］・レジスタ３０からの走査
パルスφ、。

φ２．・・・・・、φ、によってＭＩＳ構造列内を−・
時蓄積領域７へと転送さｎ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ＭＩＳ構造２に読出さ扛、各々の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ｎ１次の１水平走査期間に水平転送段９を通して
読出さｎ１第１フイ一ルド分の映像信号が得らｎ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φ、２．φ、４．φ、６．・・・・・・、φＧｎ
によって偶数番目のラインゲート３が開き、２：１イン
ターレース読吊しが行なわする。前記動作をするライン
選択回路４の構成は特に説明金製しないが、例えばＨＤ
に同期して出力が順次ソフトしてい＜　Ｎ（−）段のン
フトレジスタＶＤによって制（財）さｎｌ　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
ンゲートの異なる一万に加えるための切換回路から構成
することができる。

杢構成によｎば、フォトダイオード１からの信→電荷は
、ＭＩＳ構造列に浴って一時蓄積領域７に延びたチャネ
ルに読出されるため、インターライノ・トラノスファ一
方式の固体撮像装置にように垂直転送容駄が垂直転送用
ＣＯＤの各ビットセルの太ささによらず、大さくと扛る
利点がある。

そ７Ｌ故、ＭＩＳ構造の巾を狭くすることが可能となり
、より高集積化、或いは感光素子面積を大きくとること
による高感度化が可能となる。−また、ＭＩＳ構造の転
送電極へは、谷水平期間の初めに全ての電極に・・イレ
ベルが印〃口さ扛、以降はローレベルに変化するだけで
あるだめ、垂直転送りロックが全ての転送電極に印カロ
さｎ容量負荷が駆動さ【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、電力消費が少なくなる
。

各水平期間の初めの印加電圧波形は、大きな容量負荷の
ために立上りにおいて鈍９が生じるが、ライン選択パル
スの印加時にＭＩＳ構造構造用ャネルが形成さｎていｎ
ばよいから、問題はない。

以−）二は、ＭＩＳ構造構造用しての信号電荷転送が、
拡散と単一の電界ドリフトを利用して為さｎる例を示し
たが、２つ以上の電界ドリフトを利用することも可能で
ある。このような実施例の走査パルス発生回路６の一例
を第６図に示す。

本ｌｉ例では、モノステープル・マルチバイブレーク（
ＭＭ）４１．　　カウンタ４２およびＡＮＤ回路４３が
第３図走査パルス発生回路のスタートパルス発生部に置
換さｎている。本実施例において、ＭＭ４１はＨＤによ
ってトリガ１へ水平転送り口Ｊりφ１．φＨ２の７細柱
度のパルスが発生するまでの時間ｒｌ＞をイイするパル
スを発生する（第７図）。

カウンタ４２は３１固カウンタで、ＨＤによってリセッ
トさｒ１φ６．をカウントするものであり、ＡＮＤ回路
４３からは第７図φＳＴに示すようなスタートパルスが
得らする。この結果として、ンフトレジスタ３０の各段
から得らｎる走査パルスは第７図φ、′、φ２′、・・
・・・・のようになる。

この場合には、各ＭＩＳ構造は最初のポデンンヤルウェ
ルの消滅時に続き、次の正パルスによって形成さｎたボ
テン／ヤルウェルの消滅時の第２の電界ドリフトが発生
することになり、最初の電界ドリフトによって転送さ【
ずに残っていた残存電荷を転送することができる。

以上の実施例では、走査パルス発生回路５の４駆動パル
スとして、水平転送段９の転送りロックパルスφ□４．
φＨ２を用いている。不発明においては必ずしも水平転
送りロックパルスを用いる必要はないが、不実施例では
クロック源を共通とすることがでさる、ノイズ対策が困
難にならない等の利点がある。水平方間の絵素数ｍが垂
直方回絵素数ｎ、ｌ：ｖ等しいか或いはそ扛より大きい
ときには、走査パルス発生回路６の駆動パルスとして水
平転送りロックφ□４．φＨ２を１７２の周波数に分周
して用いることもできる。

垂直刃回転送用のＭＩＳ構造２は、第８図人に示すよう
に、第６図の構造に付加して、信号電荷の転送方向と反
対側の半導体基板１０１中に基板と同−導電導型の不純
物領域２ｂを形成し、同図Ｂに示すように、信号電荷の
転送方向に滑ったポテンシャル勾配の段差を多くするこ
とにより、電界ドリフト効果を高めることかでさる。

ＭＩＳ構造の転送電極下の拡散領域２ａあるいは２ｂは
、不発明においては必須なものではない。

第９図ＩＡおよびＢに示すように、そｎらの拡散領域を
設けないＭＩＳ構造構造用いることもできる。

同［ツ１に、１番目のＭＩＳ構造の転送電極１０５ある
いは１０３がＨレベル状態からＬレベル状態に変化する
時のボテンンヤルウェルの変化と、信号電荷の転送の様
子を模式的に示している。第９図人では絶縁層の厚さは
ＭＩＳ構造構造用して一定であり、この場合にはポテン
ンヤルウエルの起伏が少なく、（ｄ号電荷が拡散し易い
。こｎらの場合、電界ドリフト効果を高めるため、ＭＩ
Ｓ構造の信号転送方向の長さが第１図構成より短かくな
るよう、１個の感光素子に対してＭＩＳ構造を１個、あ
るいはそｎ以上設けることも可能である。

さらに、感光素子から信号電荷全１ライン分読出すとき
に形成するチャネルは、必ずしも一時蓄積領域に寸で延
びている必要はなく、信号電荷がｄ出きｆＬる１１固を
含む連続する複数のＭＩＳ構造にボテンンヤルウェルが
形成さｎ１短いチャネルが形成さ７してもよいっこの場
合には、走査回路によって、短いチャネルを水平走査期
間に移動すること（てよって垂直方向の信号電荷転送を
行なつとともに、選択ラインに対応して、ライン毎にチ
ャネルの形成さする位ｆｊＬｋずらしていく必要がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の構成金
子す回路図、第２図は同装置における要部の概略構造を
示す断面図、第３図は同装置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図は同装置の要部の波
形図、第６図は同装置のヅ部であるＭＫＳ構造列の動作
全説明するための断面図およびポテンシャル図、第６図
は不発明の他の実施例における固体撮像装置の走査パル
ス発生回路の構成を示すブロック図、第７図はその要部
の波形図、第８図および第９図は本発明のさらに他の実
施例における固体撮像装置のＭｒＳ構造を示す断面図お
よびポテンシャル図である。 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
図 ２図 第４図 第５図 第６図 １ 第７図 ｖ φＨ７−几Ｗｔ几−−−−−−−Ｊｌ几−φＨ・−」用
」几−一−−−−−且且一φ；」−１］−１ヨヨー−「
ユ 第８図 第９図 番、・

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水平読出しのだめの感光素子列から読出さ扛た信
   号電荷列を１水平期間内に転送する複数のＭＩＳ構造列
   と、前記複数のＭＩＳ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、前記信号電荷の読
   出し時に前記信号電荷を転送する連続する複数のＭＩＳ
   構造の転送電極に所定の電圧を印加することにより複数
   のＭＩＳ構造に清って半導体基板中にチャネルを形成す
   るとともに、前記信号電荷の読出し後、前記転送電極の
   電圧を信号電荷の転送方向に清って順次変化させること
   によって前記信号電荷の転送を行なわせる走査手段と、
   前記複数のＭＩＳ構造列により転送さ扛た信号電荷を蓄
   積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、前記一時蓄積手段から前記水平転
   送手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！ｌｌｉｌｌ−ム期間蓄積さ扛た信
   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の感光素子群よジ１フレーム期間蓄積さ赴た信号電荷
   をＭＩ３構造へ読出す第２のゲート構造を含む特許請求
   の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （■　各ＭＩＳ構造が、各感光素子に対して１個もしく
   は複数個設けら扛た特許請求の範囲第２項６己載の固体
   撮像装置。 （４）各ＭＩＳ構造が、第１の感光素子と第２の感光素
   子対に対して１側設けらｔた特許請求の範囲第２項記載
   の固体撮像装置。 （５）各ＭＩＳ構造が、信号電荷の転送方向側の半導体
   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）各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）各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。 （８）走査手段が、感光素子からの読出し時に、ＭＩＳ
   構造列を構成する全てのＭＩＳ構造の転送電極に所定の
   電圧を印加することによって前記各ＭＩＳ構造列に清っ
   て半導体基板中に一時蓄積部に達するチャネルを形成す
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。