JPS60167462A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、固体撮像装置に関し、詳しくは光電変換部に
ホトダイオード・アレーを、また読み出し用レジスタに
電荷移送素子（以下ＣＴ　Ｄと記す）を、それぞれ用い
た２次元固体撮像装置に関するものである。

〔発明の背景〕

光電変換部にホトダイオード・アレーを読み出しレジス
タにＣＴ　Ｄを、そＪｌ、ぞれ用いた固体撮像装置は、
第１回に示すような構成である（実開昭５６−、７８３
６４号公報参照）。第１図に、むいて、１はホトダイオ
ード、２は垂直スイッチＭ　Ｔ　、’号トランジスタ、
３は重置走査回路、４は垂直信号線、５゜（２） ５’　、６．６’はゲートＭＴＳトランジスタ、７゜７
′は出力アンプ、８，８′は水平レジスタであるＣＴＤ
、９，９′はＣＴＤの入力部、１０゜１０′はブルーミ
ング、スメア抑圧回路である。

ＣＴＤＢ、８’は２相で駆動される。

垂直走査回路３から出力Ｖ’Ｇが発生すると、最初の水
平走査期間にその出力に接続されたスイッチＭＴＳＩ−
ランジスタ２がオン状態となり、ホトダイオード１で発
生した光電荷がそれぞれ対応する垂直信号線４に転送さ
れる。垂直走査回路３から次の出力が発生すると、その
出力に接続されたスイッチＭＩＳトランジスタ２がオン
状態となり、対応する垂直信号線４に光電荷が転送され
る。

次に、ゲートＭＩＳＩ−ランジスタ５，６または５’　
、６’　をオン状態にして、光電荷を垂直信号線４から
水平ＣＴＤ８，８’　に転送し、メモリに蓄積される。

第１図において、ホトダイオード１に強い光が入ると、
過剰な電荷が発生し、その電荷が隣接画素や垂直信号線
４に流れ込む。このように、飽和（３） 光量以−ヒの光が入射したときに生じる現象（Ｊ、ニフ
ルーミング（ｂｌｏｏ＋ｎｉｎ几）と云われるむまた、
感光性を持つ部分は、ホ１〜ダイオード１以外にも、ス
イッチＭＩＳＩ−ランジスタ２のドＩツインに具備され
ているＳ台があり、これから発生した光電荷は、スイッ
チＭｌｒＳ＋・ランジスタ２の開閉にかかわりなく垂直
信号線４に転送され、蓄積される。この光電荷は、通常
のホト・ダイオード１で発生した光電荷に重畳して得ら
れるので、再生画面上では、明るい部分が上下方法の尾
引き状態となって現われる。これは、垂直スメアと云わ
れる現象である。

第１図では、水平走査期間中に垂直信号線４に蓄積され
たブルーミングや垂直スメア等の疑似信号電荷を、水平
ブランキング期間の最初に、ゲー１へ５とゲート１０を
通して外部に掃き出すＵ（の後、第１図の■で示す横１
行の画素が選択され、この１行分の信号電荷は一括して
上方の■チャネルのＣＴＤレジスタ８に移送され、メモ
リに蓄積される。この動作を水平ブランキング期ｒ１０
の前半（４） に行い、後半には、■に示す。ホトダイオードの横１行
分の信号を下方の■チャネルのＣＴＤレジスタ８′に移
送し、メモリに蓄積する。水平走査期間は、ゲーｈ６，
６’　をオフにし、Ｃ’Ｊ’　Ｄ　８　。

８′を駆動して出力アンプ７′から２行の信号を同時に
読み出す。２行の信号を同時に読み出すのは、単板カラ
ー・センサとしての画像の解像度を向上させるためであ
る。

第２図は、第１図における各パルス、特に水平ブランキ
ング期間前半のタイミング・チャー１〜である。

最上段のクロックに同期して、ブランキング期間（ＢＬ
Ｋ）に、ゲート・トランジスタ５のゲート電位ＴＸ２Ａ
をハイレベルにするとともに、ブルーミング・スメア抑
圧スイッチ１０のゲート電位ＤＩ、ＧＡにハイレベルし
、トランジスタ１０のドレイン電極の電位ＢＬＤＡを一
旦ローレベルとしてからハイレベルにすることにより、
トランジスタ１０のドレイン電極側に疑似信号電荷を出
力する。疑似信号電荷はＢＬＤＡ線から系外に掃き出さ
れる。ブ（５） ランキング期間（ＢＬＫ）の前の水平走査期間にはゲー
ト・１〜ランジスタロのグー１〜電位ＴＸＬＡをローレ
ベルにして水平ＣＴ　Ｄ　８への電荷移送を抑止する。

また、１似信号の・掃き７−Ｂ　（、が終了するど、垂
直走査回路３から出力ＶＧを与えることにより、ホト・
トランジスタ１の光電荷が垂直信号ｍ４に移送され、か
つゲー］・・・トランジスタ５，６のゲート電位ＴＸ　
２　Ａ、　Ｔ、Ｘ　Ｉ　Ａをハイレベルにすることによ
り、光電荷が垂直信″ｐｆ＆’Ｒ４から水平ＣＴ　Ｄ８
に転送される。以上が■で示された１行の信号電荷を■
チャンネルのＣＴＤレジスタ８に入れる動作である。つ
づいて、同じ水平ブランキング期間の後半に、もう一方
のチャンネル■のＣＴＤレジスタ８′にＯで示された１
行の信号電荷を入れる動作が同様に行われる。

しかし、第１図の回路トこおいては１次のよう′ン問題
点がある。

すなわち、第１図において、ゲー　ト５ど５′の閾値電
圧のばらつきを補正するため、ブルーミン（６） グ抑圧回路１０．１０’　から外部電荷を一旦垂直信号
線４に移し、その後、再びゲー１−１．０．１０’を通
して外部に電荷を掃き出す操作が必要となる。

そのため、所望の信号電荷をＣＴＤ８，８’　に移送す
る時間が、その分だけ短かくなってしまう。

そこで、従来、この問題を解決するため、第３図に示す
固体撮像装置が提案された。第４図は、第３図のＣＴＤ
の断面図および駆動パルスのタイムチャートである。

第３図の新しい点は、水平レジスタとしてのＣＴＤ８が
、例えば、第４図（Ａ）に示す断面構造を有する３相駆
動ＣＴＤ　（特許第９２８７１１号参照）であるという
点である。

第４図（Ａ）において、４１は第１の電極材料、４２は
第２の電極、４６は酸化膜、４３は例えばｎ形Ｓｊ層、
４４はＳｉ層４３とは逆型のｐ型Ｓｉ層、４５は各第１
電極４１の間にボロン等の不純物をイオン打ち込みした
層である。このＣＴＤにおいては、第１の電極４１と第
２電極４２を１つずつ接続したものを１組として、３相
（７） パルス（第４図（Ｂ）に示すφ１．φ２．φ、１）のう
ちの１つのパルスを印加するものである。したがって、
各相のパルスに対応する領域、例えば、第４図（Ａ）に
おけるイの矢印で示す領域を考えると、チャネル４３内
のポテンシャルは均一となる。

第３図のＣＴＤ８に、第４図で示した構造の３相レジス
タを用いると、３相のうちの２つの相に対応する箇所に
情報を蓄積することができる。したがって、２画素（第
３図の■と■）からの２つの信号を、１つのＣＴＤ８に
蓄積することができる。

第３図においては、水平ブランキング期間（ＢＬＫ）の
動作は、次のようになる。

（＋）水平ブランキング期間の最初に垂直信号線４を掃
除し、信号ではない余分な電荷をゲ・−１へｌＯを通し
て外部に掃き出す。（１１）画素■およびその横方向１
行分の信号電荷をＣＴ　］）　８に読み込む。（＊ｉ＋
）ＣＴＤ８を１組分だけシフトする（左方向へ）。（＋
Ｖ）次に１画素■に該当する１（８） 骨分の信号電荷をＣＴＤ８に読み込む。

（Ｖ）水平走査期間には、ゲーｈ５，６をオフして。

ＣＴＤ８を駆動し、順次信号を読み出す。

このように、第３図の装置では、水平ＣＴＤに３相レジ
スタを用いるので、■、■両画素を１ブランキング期間
にＣＴＤ８に読み込むことができ、第１図の装置の欠点
である。ＣＴＤ８，８’への電荷移送時間の短縮は生じ
ない。しかし、第３図の装置においても、次のような問
題がある。すなわち、水平プランジング期間の動作にお
いて、画素■およびその横方向１行分の信号電荷と、画
素■およびその横方向１行分の信号電荷をＣＴＤ　８に
読み込むとき、この期間内に信号に混入する擬似信号は
抑圧されないため、ブルーミングおよび垂直スメア等と
なって現われる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような問題を改善しブルーミング
や垂直スメア等の擬似信号を低減し、かつＣＯＤの高集
積化により小型高性能の固体撮像装置を提供することに
ある。

（９） 〔発明の概要〕 上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半
導体基板上に形成されたホトダイオードとスイッチ用Ｍ
ＯＳトランジスタとから成る画素をマＩ〜リツクス状に
配列して成る光電変換部とこのセンサ部から信号電荷を
読出すための電荷移送素子とを有する固体撮像装置にお
いて、光電変換部の信号出力用拡散層と電荷移送素子の
信号入力端子との間に、水平スイッチ用ＭＯＳトランジ
スタ、転送用ＭＯ８＋〜ランジスタ、および該水平スイ
ッチ用ＭＯ８）−ランジスタと該転送用ＭＯ８Ｉ−ラン
ジスタの結合点に接続するりセラ１〜用ＭＯ８トランジ
スタを設けて、センサ部の該信号出力用拡散層に混入し
た擬似信号を該水平スイッチ用Ｍ　ＯＳ　ｌ−ランジス
タ、誤リセット用ＭＯ８＋−ランジスタを介して掃き出
すようにするとどもに、前記電荷移送素子を４相駆動す
る事に特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面により説明する。

第５図は、本発明の一実施例を示す固体撮像装（１０） 置の構成図であり、第６図（Ａ）（Ｂ’）は第５図に用
いるＣＴＤの断面構造図およびＣＴＤの駆動パルスのタ
イムチーＶ−トである。

従来の構成（第３図）において、信号電荷をＣ’ｒＤ　
８に読み込むときに混入する擬似信号電荷を抑圧するこ
とは、原理的に垂直信号線を共用しているため困難であ
る。そこで、本発明では、擬似信号電荷のみをＣＴＤｌ
、８に読み込み、外部で差をとることにより信号電荷に
混入している擬似信号を低減するような構成にする。こ
れを実現するため、ＣＴＤｌ　８を４相駆動し、３種の
電荷を蓄積して移送できるように夕る。

第６図（Ａ）に示すように、このＣＴＤｌ８は、第１の
電極４１ど第２の電極４２を１つずつ接続したものを１
組として、４相パルスφ、〜φ４（第６図ＣＢ）参照）
のうちの１つのパルスを印加するものである。第６図（
Ｂ）により明らかなような、４相の各パルスは互いに重
複することなく、同一周期で発生するので、任意の時刻
に１つの相のパルスが印加されると、印加された電極の
下方（１１） のみが低ポテンシヤルとなる。次の時刻には、別の相の
パルスが別の電極に印加されることにより、その電極の
下方のポテンシャルのみか低くなる。

このようにして、順次低ポテンシヤル位置が移送してい
くことによって、電荷がＣＴＤｌ、Ｂ中を転送される。

そして、ＣＴＤｌ８を４相駆動すると、４相のうちの３
つの相に対応する箇所に情報を蓄積することができる。

したがって、第５図に示すように、擬似信号Ｃおよび２
画素■■からの２つの信号Ａ、ＢをＣ’ｌ”Ｄ］８に蓄
積することができる。ここで、Ｃは画素電荷（ａ、ｂ）
をＣＴＤｌ８に読み込むときに、垂直信号１．４に混入
するブルーミングとスメア等の擬似信号電荷に相当する
ものである。

なお、第５図において、画素■の電荷をａ９画素■の電
荷をｂとする。ＣＴＴ）１Ｂに蓄積された信号Ａ、Ｂは
、各電荷読み出し時間は同じであり、同旦のＣがＡ、Ｂ
に混入しているため、それぞれＡ　＝　ａ　＋Ｃ，Ｂ＝
　ｂ　＋Ｃで表わすことができる。

これらのＣ，Ａ、Ｂの信号電荷を外部に読み出し、（１
２） Ａ−Ｃ＝ａ、Ｂ−Ｃ＝ｂの演算処理を施こすことにＪ、
リブルーミング、スメア等による擬似信号をほぼ完全に
除去することができる。

第５図の実施例においては、水平ブランキング期間の動
作は、次のようになる。

（ｉ）水平ブランキング期間の最初に垂直信号線４を掃
除し、水平走査期間中に垂直信号線４に混入した信号で
ない余力な電荷をゲート１０を通して外部に掃き出す。

輸）画素■の信号電荷ａをＣＴＤｌ８に読み込む期間内
に、垂直信号線４に混入する擬似信号電荷に相当する訂
似信号電荷Ｃの１行分の電荷をＣＴＤ　］　８に読み込
む。

（ｉｉｉ　）Ｃ，Ｔ　Ｄ　１８を１相づ）だけシフトす
る。

（ｉｖ）画素■の信号電荷ａ、および横方向１行分の信
号電荷を垂直信号線４を介し、ＣＴＤｌ　８に読み込む
。このとき、擬似信号電荷Ｃが混入し、電荷Ａとなる。

なお、画素■の信号をＣＴＤｌ８に読み込む期間と、画
素■の信号をＣＴＤｌ８に読み込む期間とは、同一時間
に設定され（１３） ている。

（Ｖ）ＣＴＤｌ８を１組分だけシフトする。

（ｖｌ）画素■に該当する」骨分のイｄ−！；）電荷を
■Ｌ４直信号＠４を介し、ＣＴＤｌ８に読み込む。ごの
どき、擬似信号電荷Ｃが混入［・て電荷Ｂどなる。

水平走査期間には、ゲート５．６をオフにしで、ＣＴＤ
ｌ、８を駆動し、蓄積電荷を順次読み出す。

第７図は、本発明の他の実施例を示す固体撮像装置の構
成図である。

第７図では、ＣＴＤを」―下に２個設け、上のＣＴＤｌ
８には奇数列の画素信号を、下のＣＴ　Ｉ）１８′には
偶数列の画素信号を、それぞれ読み込む方式、つまりイ
ンタリーブ方式を採用したものである。

第５図では、画素１列当りＣＴＴ’ｌ１ｇは４組分の領
域が必要であるが、第７図では画素２列当り４組分の領
域でよく、Ｃ７［”ＤＩＲ，Ｉ８’の集荷度を上げるこ
とができるとともに、駆動周波数を半分に下げることが
できるので、駆動が簡単になる利点を有している。

（１４） 以上述べた実施例にｊ５いては画素数の少ないもので説
明したが、実際には横方向は約４００画素、縦方向は約
５００画素のものを想定している。しかし、本発明はこ
の画素数に限定されない事は明らかであろう。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、４相ＣＴＤを用
いるので、擬似信号のみの電荷と画素信号電荷を３つま
でＣＴＤに蓄積することができ、外部の減算器で擬似信
号を相殺することにより、ブルーミングや垂直スメア等
を大幅に低減することが可能である。また、４相垂直Ｃ
ＴＤを用いて、２ライン同時読み出しや、上下に４相水
平ＣＴＤを用いて画素２列当り４相領域にすることによ
り、ＣＣＤの高集積化、固体撮像素子の高集積化が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホ１−ダイオード・アレーとＣＴＤを用
いた固体撮像装置の構成図、第２図は第１図における水
平ブランキング期間前半のタイ（１５） ムチヤード、第３図は従来の３相駆動ＣＴＤを用いた固
体撮像装置の構成図、第４図は第３図のＣＴ　Ｄの断面
図および駆動パルスのタイムチャート、第５図は本発明
の一実施例を示す固体撮像装置の構成図、第６図は第５
図のＣＴ　ｌ）の断面図および駆動パルスのタイムチャ
ート、第７図は本発明の他の実施例を示すＣＴＤを上下
に設けた固体撮像装置の構成図である。 １・・・ホト・ダイオード、２一スイツチＭＩＳＩ−ラ
ンジスタ、３・・・垂直走査回路、４・・・垂直信号線
、５．５’　、６．６’・・・ゲートＭＩＳトランジス
タ、７．７’　、８６・・・出力アンプ、９，９’　、
８５・・・ＣＴＤ入力部、１０．１０’ブルーミング・
スメア抑圧回路、８．８’　、１８．１８’・・・水平
（１６） 第１頁の続き ０発　明　者　小　野　秀　行　国分寺市東恋ケｒ央研
究所内 ０発　明　者　小　沢　直　樹　国分寺市東恋ケ因央研
究所内 ０発　明　者　物本　−へ男　国分寺市東恋ケ窪央研究
所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、半導体基板上に形成された、ホ１〜ダイオードとス
   イッチ用ＭｏＳトランジスタとから成る画素をマトリッ
   クス状に配列して成る光電変換部と、とのセンサ部から
   信号電荷を読出すための電荷移送素子とを有する固体撮
   像装置において、光電変換部の信号出力用拡散層と電荷
   移送素子の信号入力端子との間に、水平スイッチ用ＭＯ
   ８Ｉ−ランジスタ、転送用ＭＯ８Ｉ〜ランジスタ、およ
   び該水平スイッチ用ＭＯ８）−ランジスタと該転送用Ｍ
   Ｏ８）−ランジスタの結合点に接続するリセット用ＭＯ
   Ｓトランジスタを設けてセンサ部の該信号出力用拡散層
   に混入した疑似信号を該水平スイッチ用ＭＯ８Ｉ−ラン
   ジスタ、該リセット用ＭＯＳトランジスタを介して掃き
   出すようにするとともに、前記電荷移送素子を４相駆動
   する事を特徴とする固体撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置に（１） おいて、該電荷移送素子の４相分の４電桶のうち、２つ
   の電極には各々、２行のホ１〜ダイオードからの信号電
   荷を蓄積し、他の１つの電極には信号電荷に混入してい
   る１似信号電荷を蓄積し、電荷移送素子を４相３転送モ
   ードで駆動する事を特徴とする固体撮像装置。