JPS59132659A - 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】 産業上の利用分野 この発明は、特に過大な強度の入射光に対しても良質な
画像出力信号が得られるブルーミング抑止機能を備え、
しかも小さな面積で上記機能を持たせることができるの
で、安価で高性能な固体撮像装置を歩留り良く提供する
ものであり、今後の発展に大きな期待が寄せられる固体
カメラ分野の業界への寄与は多大なものであると考えら
れる。

従来例の構成とその問題点 固体撮像装置は従来の撮像管と比較して、小型軽量、低
消費電力性、高信頼性等の特長を有しているため撮像管
にとって代わって小型カメラへの応用が検討されている
。しかし、このような固体撮像装置の欠点のうちの最大
のものに、入射光が過大な強度を有する場合に発生する
ブルーミング３−：　ご と呼ばれる強い明かるさの画像のにじみが存在すること
が挙げられる。したがって良好な画像出力信号を得るた
めにブルーミング抑止機能を備えた各種の固体撮像装置
が提案されつつある。

第１図および第２図は上記ブルーミング抑止機能が備え
られた従来の固体撮像装置の一例の平面図を示す。第１
図において、１　ａ　、　１　ｂ；・・・・・および１
１ａ、１１ｂ、・・・・・・は半導体基板の表面領域に
形成されたフォトダイオード（感光画素）、３ａ　、　
３ｂｊ・−−−−（１３ａ　、　１３ｂ　、−、、・）
および４ａ、４ｂ、・・・・・・（１４ａ、１４ｂ、・
・・・・・）は上記フォトダイオードで得られた光電変
換信号を信号出力端へ転送するだめの転送ゲート電極列
であ勺、３ａ　、３ｂ　１−−−−−・（１３ａ　、　
１ｓｂ　＋・−−−−−）はＣＯＤのストレージ電極、
４ａ、４ｂ、・・・・・・（１４ａ１１４ｂ、・・・・
・・）はＣＯＤのトランスファ電極を示し、また２ａ、
２ｂ、・・・・・・および１２ａ、１２ｂ、・・・・・
・は上記フォトダイオードと信号電荷読み出しＣＯＤと
の間の読み出しゲートを示す。さらに上記フォトダイオ
ード１　ａ　、　１　ｂ。

・・・・・・および１１　ａ　＋　１　ｌ　ｂ　＋・・
・・・・それぞれの配列方向に沿った側面には制御ゲー
ト電極５，１５が形成され、」−記各制御ゲート電極６
，１５に隣接する上記半導体基板の表面置載には、高い
直流電圧が常時供給されているドレイン領域６，１６が
形成されている。なお、上記フォトダイオードと信号電
荷読み出しｃａｎの各転送ゲート電極列との間にはチャ
ネルストップ領域が形成されている。

このような構成において、上記半導体基板上に光が照射
されると、フォトダイオード１　ａ　、　１　ｂ。

・・・・・・および１１　ａ　、　１　ｌ　ｂ　＋・・
・・・・でその入射光量に応じた信号電荷が発生し、こ
の信号電荷はいったん各フォトダイオードに蓄積される
。次に信号電荷読み出しゲー）２ａ　、　２ｂ　、・・
・・・・および１２ａ、１２ｂ、・・・・・・に制御パ
ルスが印加されると、上記各フォトダイオード１ａ、１
ｃ、・・・・・・および１１ａ、１１Ｃ９・・・・・・
で蓄積された信号電荷は信号電荷読み出しＣＯＤのスト
レージ電極３ａ。

３Ｃ，・・・・・・および１３ａ、１３０．・・・・・
・の下のポテンシャル井戸内に移動する（インターレー
ス走６７・二・ 査の他のフィールドではフォトダイオード１ｂ。

・・・・・・および１１ｂ、・・・・・・の信号電荷が
ストレージ電極３ｂ、・・・・・および１３ｂ、・・・
・・・の下に移動する）。さらに次にクロックパルスを
各転送ゲート電極３ａ、３ｂ、・・・・・・および４ａ
　、４ｂ　、・・・・・また１　３ａ　、　１３ｂ　、
−−−−−−および１４ａ　、　１４ｂ　。

・・・・・・に印加すると、上記の各電極下に予め移動
した信号電荷は第１図中上方に向って順次転送され、さ
らに水平方向の図示しない水平ＣＣＩ）を介して、シリ
アルの画像信号として出力される。

ところで、上記従来の装置において、各制御ゲ−）５　
、１５には制御電圧が供給され、また各ドレイン領域６
，１６にはこれより高い直流電圧が供給されているため
、各制御ゲー）５．１５の下の半導体基板内部にはポテ
ンシャル障壁が形成されている０したがって上記の入射
光の強度が非常に強くてフォトダイオードで発生する信
号電荷が過剰となり上記ポテンシャル障壁を越えれば、
この過剰電荷は各ドレイン領域６．１６に流れ込むこと
になるｏしたがって第１図の従来装置でブルーミングの
発生を抑止することができる。しかしながら、ドレイン
領域６，１６とフォトダイオード１ａ、１ｂ、・・・・
・・および１１ａ、１１ｂ、・・・・・・との間に制御
ゲート電極６，１５を形成する必要があシ、このため高
集積化が困難となる〇そこで、第２図のような装置が考
えられる。第２図の装置では、信号電荷読み出しＣＣＤ
３ａ　。

３ｂ、・・・・・・＋４ａ、４ｂ、・・・・・・および
１３ａ。

１３ｂ、・・・・・・＋１４ａ、１４ｂ、・・・・・・
の２本のラインに対してたった１本のドレイン領域６を
具備するだけで、ブルーミング抑止効果は全く同じであ
る。なお、第２図の装置では第１図の装置に対して９１
％の大きさとなっている。しかしながら、もっと高集積
化されることが希望されている。捷た特に高集積化を図
るため多層電極構造を採用すれば、製造工程数が増加し
て製造歩留りが低下する。さらに従来の装置では制御ゲ
ート電極６゜１５に制御電圧を供給するための電源も必
要になる０ 発明の目的 ７　・　−・ この発明は上記のような事情を考慮してなされたもので
あり、その目的は高集積化が可能であり、しかも制御電
極の数の少ない、ブルーミング抑止機能を備えた、さら
に製造歩留りが低下することのない固体撮像装置を提供
することにある。

発明の構成 この発明は、フォトダイオードの側面のドレイン領域と
信号電荷読み出し手段との間に制御ゲート領域を具備し
、さらに上記の制御ゲート領域を駆動するための電極が
該固体撮像装置におけるフォトダイオードと信号電荷読
み出し手段との間の信号読み出しゲート領域を駆動する
ための電極と共通の電極であシ、また同一の制御パルス
を印加するような構造で構成される。

実施例の説明 以下、図面によりこの発明の一実施例を説明する。第３
図はこの発明に係る固体撮像装置の一実　。

流側の構成を平面図で示したものである。なお、従来の
ものと対応する箇所には同一の符号を付してその説明は
省略し、従来と異なるところのみを抽出して説明する。

すなわち、この実施例の装置ではフォトダイオード１ａ
、１ｂ、・・・・・および１１ａ、１１ｂ、・・・・・
・とドレイン領域６の間の制御ゲート電極５，１５を取
り除き、その代りにドレイン領域６と信号電荷読み出し
ＣＯＤのストレージ電極３ａ、３ｂ、−−−−−−およ
び１３ａ、１３ｂ。

・・・・・・との間でフォトダイオード１ａ、１ｂ、・
・・・・・および１１ａ、１１ｂ、・・・・・・の側面
の半導体基板の表面領域に制御ゲート領域７　ａ　、　
７　ｂ　＋・・・・・・および１７ａ、１７ｂ、・・・
・・・を形成したものであり、しかも例えば１つのフォ
トダイオード１ａに蓄積された信号電荷をストレージ電
極３ａに読み出す際に、ストレージ電極３ａ、読み出し
ゲート領域２ａ、制御ゲート領域７ａのそれぞれの電極
に同一のクロックパルスを印加するように構成したもの
である０このことは第３図に斜線部２２が同一の電極で
形成されていることで示しである。

また、第４図には第３図の一実施例のムー人線に沿う断
面図である。第４図において、２ｏは半導体基板、２１
はゲート絶縁膜、２２は多結晶シリコン電極であり、基
板２０の表面領域にフォトダイオード１ａ１ドレイン領
域６、ストレージ電極３ａ、読み出しゲート領域２ａ、
制御ゲート領域７ａがそれぞれ形成されている。なお、
第６図ては、第４図の断面図に示す領域１ａ、２ａ。

３　ａ　Ｈ７ａ　＋　６のそれぞれ領域に対応するポテ
ンシャル（電位）障壁の高さが示しである。

以下、この第６図を用いてこの実施例装置の動作を説明
する。フォトダイオード１ａが空の時の電位が２３、第
４図の多結晶シリコン電極２２への印加電圧が低レベル
ｖＬの時の領域２ａ、３ａ。

７ａのポテンシャルの高さが２ｒ；、２７’、２８とす
る。このようにストレージ電極３ａの電位２７′は信号
読み出しゲート領域２ａと制御ゲート領域７ａのそれぞ
れの電位障壁の高さ２ｇ、２８′よりも低いことはもち
ろんであるが、しかも電位障壁の高さ２６′よりも２８
′の高さの方がたとえば少なくとも０．１ｒ以上は低く
したことがこの実施例の要点である。この状態で、フォ
トダイオード１ａに光が入射されると、フォトダイオー
ド１ａの電位は入射光の強度に対応した電位捷で上昇す
る。

次に多結晶シリコン電極２２に高レベルｖＨを印加して
、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す場
合の領域２ａ　、３ａ　、７ａのそれぞれの電位障壁の
高さを２６．２７．２８とすると、この時、フォトダイ
オード１ａに蓄積された信号電荷が２３〜２４までの間
であシ、その電荷量が信号読み出しＣＯＤのストレージ
領域３ａによって転送できる最大電荷量以内の間の信号
電荷である場合は電位障壁２８を越える電荷は全く存在
し　　　□ない０ しかるに、入射光の強度が過大でプルーミングを発生す
るような信号電荷（例えば第５図では２６の電位）がフ
ォトダイオード１ａに蓄積された場合には、ＣＯＤのス
トレージ領域３ａには転送できる最大の電荷量が転送さ
れ、残りのいかなる量の信号電荷も、電位障壁２８を越
えてドレイン領域６（電位２９）に排出される０このよ
うにして、次にクロックパルスが印加されて、出力端子
の方向すなわち第５図では紙面の垂直方向、第３図では
紙面の上の方向に転送される信号電荷の量は決して１つ
のストレージ電極で転送できる最大電荷量を越えること
はない訳である。このように過剰な電荷が出力丑で到達
しないのであるから、入射光が過大な強度であってもブ
ルーミングが発生することを抑止できるのである０ なお、第３図の装置では第１図の装置に対して８４％の
大きさ、第２図の装置に対しては９２％の大きさとなっ
ている。これは従来装置のゲート領域よりもチャネルス
トップ領域の方が小さな長さで実現できることを利用し
ている。

発明の詳細 な説明したように、この発明によれば、従来の装置に比
べてブルーミング抑止効果は全く低下させることなく、
大きさを縮少できる構造であるため、高集積化が可能で
ある。また、制御・＜ルスを印加するための電極は信号
電荷読み出しＣＯＤの転送電極と全く同一で良く、従来
のような複雑な電極構造をとる必要がなく、この点でも
高集積化て寄与し、さらに駆動電源を増加させることも
ない。さらに、製造工程を考えても、従来のＣＯＤを作
成する工程においては、あたりまえの電位障壁の高さの
制御を例えばイオン注入によって行なう工程を一つだけ
増加することであり、現在のプロセス技術においては、
従来の装置よりも高い歩留りを得ることが期待できる。

なお、この発明の効果について、本明細書では微細化に
よる高集積化可能性という観点で述べたが、レンズの大
きさが決１り画素領域の定１つだ固体撮像装置を考えて
も、この発明によれば、従来装置より多くの水平画素数
を持つ高解像度の装置やストレージ領域を犬きくできる
ので従来より多くの最大転送可能量を持つ、すなわち、
ダイナミック１／ンジの大きな装置を実現するととが可
能であるというように高性能の固体撮像装置を提供でき
るという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれブルーミング抑止機能が
備えられた従来の固体撮像装置の概略平面構成を示す図
、第３図および第４図はそれぞれ、１３ノ　− この発明の一実施例の構成を示すもので、第３図は平面
図、第４図は第３図のｈ−Ａ′線に沿う断面図、第５図
は上記実施例を説明するためのポテンシャル障壁の高さ
を示す図である。 １ａ、１ｂ、・・・、１１ａ、１１ｂ、・・・・・フォ
トダイオード、２ａ　、　２ｂ　、＝＝ｌ、　１２ａ　
、１２ｂ。 ・・・・・読み出しゲート領域、３ａ、３ｂ、・・・・
・・。 １３ａ、１３ｂ・・・・・・読み出しＣＯＤのストレー
ジ領域、４ａ　、　４ｂ　、−、１４ａ　、　１４ｂ　
、−・・・−・読み出しＣＯＤのトランスファ領域、５
，１５゜７ａ　、　７ｂ　、・・・・・・、１７ａ、１
７ｂ・・・・・・制御ゲート、２ｏ・・・半導体基板、
２１・・・・・・ゲート絶縁膜、２２・・・・・・多結
晶シリコン電極。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　夫　ほか１名第１
図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、入射した光量て応じた光電変換
   信号を発生し蓄積する複数の感光画素と、上記複数の感
   光画素に蓄積された信号電荷を読み出す手段と、上記複
   数の感光画素の配列方向にそって上記半導体基板の表面
   領域に設けられる基板とは逆導電型のドレイン領域と、
   上記感光画素の側部に上記ドレイン領域と上記信号電荷
   読み出し手段との間のゲート領域とを具備し、上記ゲー
   ト領域に制御信号を印加することによシ上記複数の各感
   光画素て発生した過剰の信号電荷を上記ドレイン領域へ
   排出することを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）感光画素と信号電荷読み出し手段との間の信号読
   み出しゲート領域と、ドレイン領域と信号電荷読み出し
   手段との間の制御ゲート領域とを共通の電極で形成する
   とともに、上記信号読み出しゲート領域の電位障壁の高
   さよりも前記制御ゲート領域の電位障壁の高さを低くし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の固体
   撮像装置。