JPS59172889A - 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 本発明は、固体撮像装置に関する。

従来例の構成とその問題点 最近、固体撮像素子の開発が進み、性能の点から見て撮
像管に匹敵ないし、上回るものが実用化されつつある。

しかしながら、総合的に評価すれば、開口率が１００％
とれる撮像管に比べて、固体撮像素子は同一平面上に光
電変換部と垂直信号線あるいは垂直転送部とを設けなけ
ればならないため開口率が原理的に１００％とはならず
感度が小さい。また、開口率が小さい、ため画質上アリ
エイジン−グにより種々の偽信号が発生する。さらに撮
像管では発生しないブルーミングやスミアが生じ画質を
劣化させる。その対策として固体撮像素子ではＰウェル
やオーバフロードレインを設けなければならないため、
工程上複雑となり歩留りを劣化させる等の問題点を有し
ている。これらの問題は高解像度化、小型化を図るにつ
れて深刻な問題となってぐる。そこで、撮像管で用いら
れる光導電性膜を従来の固体撮像素子上に積層すること
により、前述した従来の固体撮像素子の欠点を除去しよ
うという試みが行われつつあり、大きな期待がもたれて
きている０ 以下図面を参照しながら従来例の構成とその問題点を説
明する０ 第１図はＭＯ８型撮像装置の概略を示す基本回路図の一
例である。１は水平走査用のＭＯ８型シフトレジスタ、
２は垂直走査用のＭＯ３型シフトレジスタである。これ
らのシフトレジスタ１，２は通常２相のクロックパルス
により駆動され、初段回路に入力されたスタートノぐル
スをクロックの、もつ一定のタイミングずつシフトさせ
て得たシフトパルス列をそれぞれの走査パルス入力線３
−１゜３−２、−・・・・３−ｎ　、　４−１　、４−
２　、・−、４−ｍに出力する。このパルス列により水
平ＭＯＳスイッチ６、垂直ＭＯＳスイッチ６を順次開閉
し、垂直ＭＯＳスイッチ６を順次開閉し、垂直ＭＯＳス
イッチ６のソース部の拡散層を利用したホトダイオード
７からの信号を垂直信号線ａ−１，８−Ｌ２．・・・・
・８−ｎ　を通してビデオ出力線９に取り出す。このビ
デオ出力線９に取り出された信号は、フレーム期間中に
入射した光により放電したダイオードの電荷をビデオ電
源１１より充電するときの充電電流であり、負荷抵抗１
０を通して読み出される。

このＭＯ３型固体撮像素子に光導電性膜を積層して前述
した問題点を除去しようとしたものがある（文献ＴＶ学
会技術報告、ｖｏｌ　５．４２９、ＥＤ−６０７、Ｄｅ
ｃ、、　１９８１　）。これはｎ形基板にＰウェルを用
い、その中に形成したＭＯ８型撮像素子上に５μ程度の
厚さの水素化非晶質シリコン（以下ａ−８ｉと記す）を
形成し、その上に透明電極（工、　Ｔ　、０．）　　を
電極端子として設けたものである。この１．Ｔ、Ｏ，に
印加する電圧によりプルーミングを全く起さない駆動が
可能であるが、その時にはａ−８ｔにバイアス電圧が充
分に印加されないためａ−８ｉの光感度が犬きく低下し
てしまう。

すなわち、ＭＯ８型撮像素子に光導電性膜を積層した固
体撮像装置は光導電性膜の特性を最大限に発揮できず、
当初の目的を遂行できないことになる。

第２図にＣＣＤ型撮像装置の代表例であるインタライン
方式’ＣＯＤの基本構成図を示す。２１は水平転送用埋
込みＣＣＤ（ＢＣＣｌ））、２２は垂直転送用ＢＣＣＤ
である０ホトダイオード２３に蓄積された光信号電荷を
垂直帰線期間中にホトダイオード信号転送用ゲート２４
を共通接続した端子２５に転送用ノ（ルスを印加し垂直
ＢＣＣＤ２２に転送した後、例えば４相クロツクを用い
て垂直転送し、水平ＢＣＣＤ２１に送る。続く水平走査
期間に、例えば２相クロツクを用いて水平転送しアンプ
部２６で読み取る０ このインタラインＣＯＤに光導電性膜（Ｚｎ１−ｘＣｄ
ｘＴｅ−ＺｎＳｅ　）を積層した固体撮像装置の構造断
面図を第３図に示す（文献ＴＶ学会技術報告ｖｏｌ　５
．４２９　、　ＥＤ　７６０７　（Ｄｅｃ、　１９８１
　）　）。

本例ではＣＣＤ素子の平坦化のため２層ポリシリコン法
が用いられている。同図において、３１はｐ型基板、３
２はｎ形不純物層、３３．３４はポリシリコン電極、３
５はＰＳＧ膜、３６は分離酸化膜、３７はＭｏ電極、３
８は光導電性膜、３９は透明電極（１，Ｔ、○、）であ
る。

本構成においては光導電性膜３８の光感度を充分に得る
ためにはＩ、Ｔ、０．３９に充分な電圧を印加しなけれ
ばならないが、その場合、光信号電荷が垂直転送段にも
れこみブルーミングが充分きかない。一方、印加電圧を
下げれば、この種の信号電荷のリークは減少するが、膜
の感度が充分に出ないことになる。また、垂ｉ［Ｂｃｃ
Ｄは最大転送電荷量が大きくとれないため、膜の信号電
流（４！）に輝度の大きい場合）を読み出しきれず、・
・イライト残像が残ってしまい実用上問題である。この
ハイライト残像を除去するには、Ｐウェルやオーバフロ
ードレインを用いて、不要信号分を捨てなければならな
い事になる。また、ｎ＋層を通して膜の光電流を読み出
すため、本質的にフォトダイオード取り残し残像が大き
く、実用上問題となる。

すなわち、インタラインＣＯＤ型撮像装置に光導電性膜
を積層した固体撮像装置は光導電性膜の特性を光分に引
き出すことができず１当初の目的を遂行できないことに
なる。

発明の目的 本発明は上記欠点に鑑み、本発明者らが特願昭５４−１
３５５９０号で提案したＣＰＤ型固体撮像装置に光導電
性膜を積層することにより、前述した問題点を除去する
ことのできる固体撮像装置を提供せんとするものである
。

発明の構成 この目的を達成するだめの固体撮像装置は、ｍ行ｎ列の
行列状に配列された光電変換素子部と、前記光電変換素
子で光電変換された光信号電荷を一行毎に同時に垂直伝
送線上に移すためのＭＯ８構造の垂直シフトレジスタお
よびスイッチ素子よりなる信号電荷移送手段と、前記垂
直伝送線上に移された前記光信号電荷を水平シフトレジ
スタへ転送するための転送ゲートおよび蓄積用容量素子
を含む転送手段と、前記水平シフトレジスタ内を水平転
送された前記光信号電荷を出力する信号出力部とを備え
るとともに、前記水平シフトレジスタが電荷結合型水平
シフトレジスタで構成され、前記光電変換素子部の光電
変換素子に、光導電性膜に所定の電圧を印加するだめの
電極端子とを備えてなることを特徴とする固体撮像装置
である。

実施例の説明 以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明
する。

第４図は特願昭５４−１３’５５９６％本発明者らが提
案したＣＰＤ型固体撮像装置の一例を示す基本回路図で
ある。ホトダイオード４１とこれに接続する垂直ＭＯＳ
スイッチ４２からなる単位画素がｍ行ｎ列の行列状に配
置されている。ここでは、簡単のために４行４列で書か
れている。多数の垂直ＭＯＳスイッチ４２は各行ごとに
そのゲートを共通接続し垂直走査パルス入力線４３とし
てＭｏＳ型垂直シフトレジスタ４４に接続する。垂直Ｍ
ＯＳスイッチ４２群の各ドレインは各列ごとに共通接続
されて垂直伝送線４５を形成する。この垂直伝送線４５
の１端にソース部を介して第１の転送ゲートを有する転
送用ＭＯＳトランジスタ４６が接続される。このＭＯＳ
）ランジスタ４６のゲートの各々は相互接続され第１ゲ
ート入力線４７となる。転送用ＭＯＳトランジスタ４６
のドレイン部には、それぞれの１端を共通にして蓄積ゲ
ート入力線４８を形成するＭＯＳキャノくシタで形成さ
れる蓄積用容量素子４９の他端が接続され、蓄積部を形
成する０前記蓄積用容量素子４９に隣接して第２の転送
ゲート５０が設けられ、それらのゲートを共通接続して
第２ゲート入力線５１が形成される。転送ゲート５０に
隣接して埋込みチャンネル電荷結合型水平シフトレジス
タ５２が配置され、その１°端は信号出力部５３へ接続
する０この撮像装置の動作原理の詳しい説明については
省略するが、ＭｏＳ型で見られる水平子インチのばらつ
きに由来する固定パターンノイズを原理的に除去できる
し、フォトダイオ−上゛４１に印加される電圧も入力線
４７に印加する電圧により比較的自由に設定でき、標準
的な駆動では１ｏｖ以上に容易に達する。また最大信号
電荷量も転送電荷量の小さい垂直Ｂ　Ｃ，ＣＤを用いな
いため、必要十分に取ることができる。

従って、このＣＰＤ型撮像装置に光導電性膜を積層した
撮像装置は、ＭｏＳ型やＣＣＤ型に光導゛電性膜を積層
したデバイスで見られた問題点を解消し、光導電性膜の
特性を最大限に生がしたままで、かつ従来の膜を積層し
ない撮像装置での問題点を除去できることになる。

本発明の一実施例を第６図に示す。同図において、第４
図と同一番号は同一部分を示す。５４は光導電性膜を用
いた感光部、５５は入射する側の電極端子を示す。光導
電性膜の他端は垂直ＭＯＳスイッチ４２のリース部に接
続されており、その接合容量素子を５６で示している。

第６図にこのＣＰＤ型撮像装置に光導電性膜にａ−８ｉ
を用いた本発明の一実施例構造断面図を示す。同図で、
６１はｐ型半導体基板、６２はゲート電極、６３はｎ＋
不純物層、６４はＳ　ｉ、０２膜、６５．６６は第１．
第２金属電極、６７はａ−８ｉ層、６８は透明電極、６
９ｔ／′１ＰｓＧ膜である。

今、垂直Ｍ　ＯＳスイッチのソース部の電位をＶａとし
、透明電極６８側の端子にかける電位をｖ７とする０こ
の場合、ａ−８ｉ層６７にかかるノくイアスミ圧はｖａ
−■７となる。強い光・亦入射した場合、ｖａの電位が
光量に応じて低下する。この状態でフ゛ル−ミングを起
さないだめには、垂直ＭＯＳスイッチのターンオン電圧
■、より大きな電圧で垂直ＭＯＳスイッチのソース部の
電位ｖａがフランツ。

されれば良い。すなわち、ａ−８ｉ層６７の光電流Ｉ　
ｈ’の発生が止った場合の電位ｖａがｖｔより犬きい事
が必要である０これは透明電極６＆の端子印加電圧■７
を制御することにより達成される。さらにこの場合、垂
直ＭＯＳスイッチで光信号電荷が読み出された直後のソ
ース部電位ｖａと■７の差として１−３ｉの光感度を充
分取り出すだけのノくイアスミ圧が必要である。ＣＰＤ
型撮像装置では、このＶ　の電位は端子４７に印加する
電圧により自由に変えられる。従って、ｖａ−ｖ７を必
要十分に大きく取り、かつ、ブルーミングが発生しない
状態す寿わち光電流の発生が起らない状態での電位■８
をｖｔより大きい電位に設定することが透明電極６８に
印加する電圧により両立できる。従って、強い光が入射
した場合にもブルーミング現象は一切生じず、かつ、ａ
−８ｉ層６７にも必要十分な電圧を印加できるため、高
感度化が達成される。

また、ＣＰＤ撮像素子の最大転送電荷量は３μＡ程度（
−インチ光学系）は充分に取れるため、ａ−８ｉ層６７
で発生する光電流１．６μ八程度へ充分運び出せる能力
があり、高輝度での・・イライト残像は一切生じない。

固体撮像素子で一般的に見られるスメアについては、従
来のホトダイオード構造に入射した光により深部で発生
した電子が拡散してドレインに到達してスメアとなる成
分は存在しない。また、ドレイン近隣からの入射光によ
るスメア成分については第６図に示すように光を通さな
い金属電極７６．７６で充分に遮光できるため一切生じ
ない。

すなわち、従来の固体撮像素子で問題となっていたスメ
ア成分について、その原因を根本的に解決できることに
なる。

なお、以上の議論において、ａ−３ｉ層６７と透明電極
６８とのショノトキーノくリヤーによる開放端電圧Ｖ。

０を無視したが、それを考慮する場合、■７を実効的に
Ｖ−ｒ　十Ｖ。。とすれば良く、本質的な議論は変らな
い０ 前述した光導電膜としては他に、微細結晶化非晶質ンリ
コンを用いたもの、あるいはＰＩＮ構造の非晶質／リコ
ンを用いたものにおいても同様の効果があることは明白
である。但し、ＰＩＮ構造の場合は画素間分離をする必
要がある。

発明の効果 以上のように本発明はブルーミング・スミアを原理的に
除去し、かつ高感度化が同時に達成できるため、従来の
固体撮像装置に比して、その実用的効果は犬なるものが
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯ８型固体撮像装置の概略を示す基本回路図
、第２図はインタライン転送方式のＣＣＤ型撮像装置の
概略を示す基本構成図、第３図はインタラインＣＯＤに
ニュービコン膜を積層した固体撮像装置の構造断面図、
第４図はＣＰＤ型撮像装置の概略を示す基本回路図、第
５図は本発明の固体撮像装置の一実施例を示す基本回路
図、第６図は本発明の撮像装置の構造断面図である。 ５４・・・・・・光導電性膜、５６・・・・・・接合容
量素子、６１・・・・・・ｐ型半導体基板、６２・・・
・・・ゲート電極、６３・・・・・・ｎ＋不純物層、６
４・・・・・・ＳｉＯ２膜、６５・・・・・・第１金属
電極、６６・・・・・・第２金属電極、６７・・・・・
・ａ−３ｉ層、６８・・・・・・透明電極、６９・・・
・・・ＰＳＧ膜０ 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 １ 第３図 第４図 、Ｃ；２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｍ行ｎ列の行列状に配列された光電変換素子Ｓと
   、この光電変換素子で光電変換された光信。号電荷を１
   行毎に同時に垂直伝送線上に移すだめのＭＯ８構造の垂
   直シフトレジスタおよびスイッチ素子よりなる信号電荷
   移送手段と、前記垂直伝送線上に移された前記光信号電
   荷を水平シフトレジスタへ転送するだめの転送ゲートお
   よび蓄積用容量素子を含む転送手段と、前記水平シフト
   レジスタ内を水平転送された前記光信号電荷を出力する
   信号出力部とを備え、前記水平シフトレジスタを□電荷
   結合型水平シフトレジスタで構成した０≠α槽個＃損虐
   葉覆袈唸訪く＃前記 光電変換素子に光導電性膜とこの光導電性膜に所定の電
   圧を印加するための電極端子とを備えてなることを特徴
   とする固体撮像装置。
2. （２）光導電性膜に非晶質シリコンを母体とする光導電
   性膜を用いてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。