JPS5850873A - 高感度固体撮像装置およびその駆動法 - 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】 本発明は電荷転送装置１を用いた高感度固体撮像装置に
関するものである。

電荷転送装置を用いた個体撮像装置にはフレーム転送方
式とインターライン転送方式があり、小型、軽量低消費
電力、高（＋１頼性とい−た固体撮像　　・装置に特有
の長所を柱に急速に発展している。電荷転送装置ｄを用
いた撮像装置は特性面からは雑音。

残置、焼き付き等では現在使用されている撮像管他の固
体撮像装置より優れるがブルーミングスミアが大きいと
いう欠点を有している。またフレーム転送方式の欠点は
チップ面積が大きいことであり、インターライン転送方
式の欠点は垂直レジスター領域で光電変換が行なわれな
いため光電変換効率が低いことである。本発明はインタ
ーライン転送方式についてブルーミングスミアを減少せ
しめかつ光電変換効率を向上せしめることを目的とする
。

ｆ１来のインターライン転送方式によるｔｍ荷転送撮像
装置は第１図に示すように図示されていない同一の電荷
転送電極群で転動する複数列の垂直シフトレジスター１
００と各垂直レジスターの一側に隣接し、かつ電気的に
分離された光電変換部１０１と垂直シフトレジスターと
光電変換部間の信号電荷の転送ケ制御するトランスファ
ーゲート電極１０２と各垂直レジスターの一端に設けら
れた水平シフトレジスター１０３と水平レジスターの一
端に設けられた信号電荷を検出する装置１０４よりなる
。

垂直レジスターは端子１０６．１０７よりパルスφ、φ
。

によって駆動され、トランスファーゲートは端子１０５
からパルス〜゛によって駆動される。

このようなインターライン転送方式による撮像装置では
、光電変換部１０１に入射光量に応じて蓄積された信号
電子はトランスファーゲート１０２を介してそれぞれ対
応するシフトレジスター１００へ転送される。垂直シフ
トレジスターへ信号電荷を転送したのちトランスファー
ゲートが閉じられ光電変換部１０１は次の周期（フィー
ルドあるいはフレーム）に読みだされる信号電荷を蓄積
する。一方垂直Ｉ／シスター１００に転送された信号電
荷は並列に垂直方向に転送され、各垂直レジスターの一
水平ラインごとに水平レジスター１０３に転送される。

水平レジスターに送られた電荷は次に垂直レジスターか
ら信号電荷が転送されてくるまでに水平方向に転送され
電荷検出部１０４から映像信号として取りだされる。

このようなインターライン転送方式の無形的な単位セル
の断面図を第２図（ａ）に電位分布を第２図（ｂ）に示
す。これらの図において２０１はＰ型基板、２０２はゲ
イト咳化展、２０３はフィールド酸化機、２０４はチャ
ンネルストップ拡散、２０５，２０６は垂直レジスター
のＮ領域およびＰ領域であり、２０７は光電変換領域の
Ｖ領域、亦はＭ　などよりなる光透光層、２０９は電荷
転送電極、２１０はチャネルスト、ブ拡散２１１は層間
絶縁膜である。一般に垂直レジスターのバリアー領域は
本図のようにＮ領域２０５．Ｐ領域別よりなるが、蓄積
領域ではＰ領域２０６はない。

光電変換領域に光が当ると信号電子２１２かＮ＋領域２
０７に蓄わえられる。。この信号電子はトランスファー
ゲートがＯＮするとＣＯＤ　　に移る。次にトランスフ
１−ゲートをＯＦＦすると光電変換領域では信号電子の
蓄積が始談り、ＣＣＤ　　に移、た電荷は第１図に説明
した方法で出力部まで移動する。

第２図を一見すれば解るように光電変換領域以外はすべ
て電極や遮光層でお＼われでいるので光電変換効率は低
い。

また光電変換領域に強い光が入側するとＮ＋領竣に多く
の信号電子が蓄積し、それが垂直レジスターに移ったと
きそれｔオーバーフローさせる。また強い光が入射する
と信号電子がＮ　憤斌をオーバーフローｔ、Ｌ、Ｐ基板
の中でも過剰信号電子が発生する。これらの過ｍ＊子の
一部も垂直レジスターに流れこむ。このような現象によ
っていわゆるスミアセブルーミングが生ずる。

第３図はインターラインｊ４澹素子における上記の欠点
を改善するための本発明の一実施例である。

第３図＋８）はその単位セルの断面図、（ｂ）　、　（
Ｃ）は単位セルの等・−回路および電位分布である。第
３図に゛おいテ３０３ハオーバーフローコントロールデ
イト、難はオーバフロードレインであり、３ｏ５はＡＩ
などの連光１−をおおう絶縁膜、３０１は高抵抗の光導
電膜（１層）、３０２は透明電極であり、光導４膜のＮ
＋領域２０７と接触する側はＮ型、透明−極と接触する
側はＰ型であることが望ましい。

また透明４極には電池より−Ｅボルトが供給されている
。そのときの等価回路は基板２０１とＮ　領域２０７よ
りなるＰ−Ｎ接合３０６と、Ｎ　層と光導′（膜と透明
−極よりなるｔ”−４−Ｎ接合（資）７が電池Ｅを介し
て並列に接続し、それらのＮ　側はオ−バーフローコン
トロールゲイト３０３およびトランスフ１−ゲー”ト１
０２を介してそれぞれオーツく一フロードレインおよび
αＤに接続したものとみなすことが出来る◎ 動作は次の通りである。まずトランスファーゲートをオ
ンしてＰ−Ｎ接合場やＰ−Ｎ接合に蓄積した信号電子３
０８をＣｃＤ　Ｋ移したのちオフ（ＯＦＩ’）すると第
２図（ａ）のノードＮの電位がリセットされる。

この電位はトランスフ１−ゲートが側したときときのゲ
ート下の表面電位−５ｏｎ　　に等しい、このときＰ−
Ｎ接合にはψ’ｒｏ　ｅ　ｏｎ　　だけの逆バイアス電
圧が、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合３０７にはＥ＋へ、。ｎ　だけの
逆バイアスが印加されている。次に光導電膜に光が入射
すると信号電子がＰ二Ｎ接合渇やＰ−Ｉ−Ｎ接合に蓄積
しＮ層側の電位を低下させる。

しかしいくら強い光が入射しても過剰な信号電荷はオー
バーフロードレイン謝に流入する゛ので、その電位降下
はオーバーフローコントロールゲイト３０３の下の表面
電位ψ。に押さえられる。この場合光電変換はデバ′イ
ス上全面に存在する光導電膜で行なわれるので高い光ｖ
１変換効率が得られる０才た一般にＰ−Ｉ−Ｎ接合で光
電変換を行う場合１層に高′−界が加わらないと亮い光
電変換効率が得られないが−この場合は電池電圧を所望
の高い電圧に設定することが出来る。この構造でオーバ
ーフローコントロールゲイト３０３とオーバーフロード
レイン期がない場合には強い光が入射すると前記Ｎ＠側
の電位は電池Ｅによりてマイナスになり、多鷲の電荷が
ＣＯＤ　　にオーバーフローしブル−ミングを、起して
しまう。

結局この＃１遺ではオーバーフローコントロールゲイト
３０３とオーバーフロードレインがあることがＰ−Ｉ−
Ｎ接合に高い電圧會印加することを可能にし、ブルーミ
ンク防止を可能にしている。

第４図（ａ）は本発明による第２の実施例で単位セルの
構造を示す。本図において４０１はＮ型基板半導体、４
０２°はＰ−ウ菰ル、４′６３はＮｕ基板とＰウェルを
逆バイアスする電池である。才たＰつ、ルの光電変換領
域２０７の下の部分は薄くなっており、その他の部分は
厚くなっている。電池４０３の電圧を大きくすると光電
変換領域２０７の下のＰ−ウェルが空乏化してその部分
の電位を任意に大きく出来る。このとき厚いＰ−ウェル
の部分は全域が空乏化することはなく接地電位に保たれ
る。

単位セルの等価回路はｍ４＆４（ｂ）のように示される
。

４０５はピンチオフトランジスタである。光＃−ｗ膜に
光が入射すると信ぢ・電荷がＰ−Ｎ接合３０６．Ｐ−Ｉ
−Ｎ接合３０７に蓄積し、前記Ｎ層側の電位を低下さぜ
る。しかしいくら強い光が入射してもその電位は光電変
換領域２０７の下のＰ−ウェルの最小電位で押さえられ
るので過剰電荷がＣＯＤ　　に流入。

することはない。即ちこの構造でもブルーミングは防止
川床るわけである。

第５図（ａ）は本発明による第３の実施例で単位セルの
構造を示す。

本図において５０１はＮ型、５０２はＰ型層であって１
〜４図のトランスファーゲートに対応する領域である。

５０３は垂直レジスターの転送電極で垂直方向の単一電
極よりなる。５０４は垂直レジスターの電荷転送チャネ
ル′で奇数行の光電変換領ＭＫ対応する部分と偶数行の
光電変換領域に対応する部分でその不純物プロファイル
が異っている０５０５はＮ基板４０１とＰ−ウェル４０
２の間の可変逆バイアス電圧である。

１４４５図（ｂｌは！！！−直レシスレシスターに印加
する電圧φ２と転送チャネル中の最大電位−８との関係
を示す。５０６と５０７は偶数行の光電変換領域に対応
するレジスターのバリアー領域および蓄積領域に対する
関係ｔあられし、　５０８．５０９は奇数行の光電変換
領域に対応するレジスターの蓄積領域に対　　　　　゛
する関係を示す。また５１０はトランスフ１−ゲートに
対応する部分の最大電位−１１ＭＡｌを示している。こ
のような電位関係をつる不純−ブロワ１イルは当業者に
とりては公知である。才だ第５図（Ｃ）は単位セルの等
１ｄｌｌ１ｇ回路である。

このデバイスの動作は次の通りである。

ｋＩｓ−Ｏ゛にしてＰ−Ｎ接合窮やｆ’−Ｉ−Ｎ接合３
０７に蓄積された信号電子かＣＣＵ　　に転送されたら
Ｚ　　ｔａい電圧にして光電変換を開始する。このとき
トランジスタ価はピンチオフしノードＮの電位は上昇す
る。光導電膜に光が入射するとそれによる信号電子によ
つてノードＮの電位は低下する。信号電子によっである
糧度ノードＮの電位が低下すると信号電子はトランジス
タ４０５ヲ通。

てＮ基板４０１にぬけてしまう。すなわちノードＮの電
位低下はＮ＋領域２０７下のＰつ累ル中の最大電位まで
である。信号電荷の蓄積が完了したらら；０にするとト
ランジスタ価はピンチオフ状態ではなくなり、−８領域
２０７の下のＰつ・ルにはＰ領域が生じノードＮの電位
は低下する。（＋に保たれる）。このときφ、がφ２に
あるとデバイス全面で信号電子は垂直レジスターに移り
ノードＮはトランスファーゲート下の最大電位へ。ｅｍ
ｘに設定される。次にＥ８　を高い電圧にして次のフィ
ールドのための光電変換および蓄積を再開する。

この間にまず、偶数行や光電変換領域から垂直レジスタ
ーに移−た信埜電荷は（第１図で）その上方に存在する
奇数行の光電変換領域から垂直レジスターに移った信号
電子に合流する。これらの信り水平レジスターに移され
第１図で説明したように出力信号として取り出される。

このような信号の取り田し万をＡフィールドとする。

再び光電変換か終了したら鳥−０，φ２−φ；にしてｇ
、ｓ＊ａ、に戻すと光電変換領域では次のフィルードの
４１１号電荷を蓄積か始まる。このとき信号電子はデバ
イス全域で光電変換領域に移され、更に奇数行目の光電
変換領域から垂直レジスターに移った信号電子は第１図
でその上方に存在する偶数行の光電変換４ｐＡ域から垂
直レジスターに移った１６号′−荷に合流する。これら
の信号電荷もＡフィールドの場合と同じように取り出さ
れ出力１６号となる。

このような信号のとりだし方ｔＢフィールドとする。こ
のようなＡ、１５両フィールドを交互にくり返すことに
よってインターレース走査を行なうことが出来る。本来
施Ｈにおいても、これまでの説明から理解出来るように
デバイス全面で光電変換が行なわれるため＾い光電変換
効率が得られることと強い光が入射しても一定量以上の
信号電子はＮ基板４０１に流れるのでブルーミングを生
じないという特徴がある。

一般にＰ−Ｉ−Ｎ接合になりでいる光導電膜で篩い光電
変換効率を得るためには厚さ方向に強い電界を必要する
。本発明の実施例はいずれもオーバーフローピンドロー
ル機能があるために膜への印加電圧を任意に大きくする
ことが出来、しかも、デバイス全面に光導′−性の膜を
有するので商い光電変換効率が得られる。

もしこれらの実施例においてオーバーフローコントロー
ル機能がない場合には光導電膜に強い光が当ると第３図
（ｂ）、第４図（ｂ）、第５図（Ｃ）のノードＮの電位
が負になり多量の電荷が電荷を転送しているＣＣＤニ流
入しスミアやブルーミングになるので膜には正の電圧を
与えざるを得ない。しかしＰ−Ｉ−Ｎ接合が順方向にバ
イアスされてはいけないとムう動作上の制約から膜に大
きな正電圧を与えることはほとんど不可能である。従り
て高い光電変換効率を得ることは出来ない。かくして、
本発明のようにセルにオーバーフローコントロール機能
をもたせたことと、光導電膜に負−圧を与えたことの相
乗効果として初めて高い光電変換効率とブルミングの防
止が達成出来たのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインターライン撮像装置の構成例で１０
０は垂直レジスター、１０１は光電変換領域、１０２は
トランスファーゲート、１０３ハ水平レジスター、１０
４は電荷検出器、１０５はトランスファーゲートの駆動
端子、φ７　はこの端子に印加するパルス、１０６．１
０７は垂直レジスターの駆動端子であり、φｌ、φ、は
この端子に印加する駆動パルスである。第２図（ａｌ　
、　（ｂ）は第１図の装置の単位セルと電位図で２０１
はＰ基板、２ｏ２はディト酸化膜、２０３はフィールド
酸化膜、２０５，２０６はそれぞれ垂直レジスターのＮ
領域およびＰ領域、２０７は光電変換領域のＮ＋層、園
は光速へい層、２０９は電向転送電極、２１０はチャネ
ルストテプ拡散、２１１は層間絶縁膜、２１２は信号電
荷である。第３図（ａ）、　（ｂ）　、　（ＣＪは本発
明の一実施例で３０１は光導電性のある膜、、３０２は
透明１！ＩＬ極、３０３はオーバーフローコントロール
ゲイト、３０４はオーバーフロードレイン、３０５は絶
縁膜、３０６はＰ−Ｎ接合、３０７はＰ−１−Ｎ機付、
３０８は信号電荷である。第４図（ａｌ　、　（ｂ）は
本発明の他の実施例であって４０１はＮ基板、４０２は
Ｐ−ウェル、４０３は電池である。第５図（ａ）　、　
（ｂ）　、　（Ｃ）は本発明の別の実施例であって５０
１はＮ層、５０２はＰ層、５０３は垂直レジスターの駆
動％極、５０４はｔ夕」転送チャネル、５０５は電圧加
変の′電池、５０６〜５０９　は電荷転送チャネル中の
最大電位、５１ＯはＮ領域、５０１中の最大電位である
。 発１回 阜４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の主面に二次元的に配列した前記基板
   と反対導電型層有する領域と複数個の電荷転送垂直レジ
   スター領域と前記二領竣の間の電荷の転送を制御するト
   ランスファーゲートと電荷転送水平レジスターと電荷検
   出器と前記基板と反対導を型を有する領域に蓄積した過
   剰な信号電荷を除去する手段を備え、かつ前記基板と反
   対導電型を有する領域上に光導電膜と透明電極を積層せ
   しめたことを特徴とする高感度固体撮像装置。
2. （２）半導体基板の主面に二次元的に配列した前記基板
   と反対導電型を有する領域と、複数個の電荷転送垂直レ
   ジスター領域と踊記二領域の間の電荷の転送を制御する
   トランスフ１−ゲートと電荷転送水平レジスターと電荷
   検出器と前記基板と反対導電型を有する領域に蓄積した
   過剰な信号電荷を除去する手段を備えかつ前記基板と反
   対導電型を有する領域上に光導゛べ膜と透明′−極を積
   層せしめてなる固体撮像装置において前記透明電極に基
   板（Ｐ型）より低い電圧を与え、かつ前記基板と反対導
   電型層に蓄積する入射光による信号電子がオーバーフロ
   ーして垂直レジスターに流入する前にその領域から除去
   することを特徴とする固体撮像装置の駆動法。