JPS60183881A - 固体撮像素子 - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は、信号の読み出しく走査傭栴）に特徴を有す
る２次元の固体撮像素子に関するものである。

［従来技術］ 一般、に、固体撮像素子はシリコンのような半Ω体材料
上に光検出器と走査俯イｎどを設けたものであり、光検
出器に適当なものを）バベば、可視から赤外領域までの
撮像が可能となる。そしＣ１固体１１１６１＞素子は従
来の撮像管に比べて、小形、軽ね。

高信頼性である上、ぬ像装口を製作する上で調整箇所が
非常に少なくなるという利点を持っており、広い分野か
ら注目を集めている。

さて、固体Ｒ像素子の走査間借としては、従来ＭＯＳス
イッチを用いたものやＣＯＤ　（ＣｂａｒｇｅＣｏｕｐ
ｌｅｄ　［）ｅｖｉｃｅ　）を用いたものが主であった
が、前者のＭＯＳスイッチを用いたものの場合、信号を
読み出すときに用いるＭＯＳスイッチに起因したスパイ
ク雑音が信号に混入し、Ｓ／Ｎ比を低下さＶるとともに
、このスパイク雑音は読み出し列間でｎなっており、こ
れが固定パターン雑音と呼ばれる雑音となって、Ｓ／Ｎ
比をさらに低下させるという欠点を有し、凸いＳ、／Ｎ
比が製水される微弱な信号検出には用いることができな
いという問題を右していた。

また、後者のＣＯＤを用いたもののうち、特に前者のＭ
　ＯＳ方式と同様に光検出器を自由に選択できるため最
近広く用いられているインターライン方式のＣＣＤ方式
では、検出器列と検出器列どの間にＣＯＤが配置される
ため、検出器の右効面稍を大きく覆るためにＣＣＤ部の
面積はできるだけ小さく設ｚ１づることか望ましい。−
ブノ、ＣＯＤの電荷転送能力は］ａ造を同一とＪれは、
ＣＯＤ　１段あたりの蓄積グー１へ面積に比例する。し
たがって、ＣＣＤ部の面積を小さく覆ることは、取扱え
る電荷の最大値が制限されるという問題点を含んでくる
。こうした問題は、特に、赤外線固体撮像素子のように
大きな背ｍ中の小さな信号を検出づる際には人さｔ問題
となる。

［発明の概要コ それゆえに、この発明は、従来のＭＯ３方式およびＣＣ
Ｄ方式の欠点を改善し、大きな信号取扱い肖でかつ低い
ｉｔ音の固体１１ｉ４Ｂ素子を提供することを目的とし
ている。

この発明は、簡１１１に四えば、トランスフアゲ−１−
を複数個ずつ１相にして電気的に接続し、これらのトラ
ンス７１ゲートの各相を順次選択する走査回路を設け、
該１−ランスファゲート選択走査回路を用いて垂直電荷
転送素子の１垂直線内から、同時期に１画素のみの信号
を読み出すように制御する固体１に画素子である。

以下には、この発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。

［発明の実施例］ 第１図は、この発明の一実施例の平面構成ブロック図で
ある。この図では、簡単のために、３×１３のアレイを
示している。

図中、１′１１〜１４９は光検出器で、ＰＮ接合。

Ｍ　Ｉ　Ｓ　４？ｊ造、ショットキー接合等の検出器が
用いられる。２１゛ｌ〜２４９はトランス７１ゲートで
、上記光検出器′１１１〜１４９から垂直電荷転送素子
への信号の転送を制御り′るものである。トランスノア
グーｈ　２　’１１〜２４９は、横方向に並んだ絹（た
とえば、２１１，２２４．２３７）を１相どじて゛電気
的に接続され、トランスファグー１−２１１〜２４９庖
富択りる走査回路３００より信号を供給されるＪ、うに
なっている。走査回路３００は、３０１〜３１３の１３
段より４４成され、各段はトランスファ・クー１への横
の１相につながっている（たとえば、走査回路の３０１
段は、１−ランスフアゲ−・＋−２１１，２２４，２３
に接続されている）。４１゛ｌ〜４３１および５１１へ
・５２８は垂直電荷転送素子を（ｎ成するグー１−であ
り、１１１１〜４３１および５１１〜５２８は、それそ
゛れ、電気的に接続され、信号Ｖｎとφ■とが、それぞ
れ与えられる。ここに、信号Ｖ１は信号φ■の振幅の中
間値のＤＣ′電圧信号であり、φ■は検出信号の転送り
ロック１ａ＠である。

ざらに、６１１，６２０，６３０は垂直電荷転送素子に
より転送されてきた電荷を一時スドアする蓄積部で、こ
の部分は、同時に、垂直電荷転送素子から水平電荷転送
素子７００への電荷の移送を制御する。水平電荷転送素
子７００（Ｉ３よび出力プリアンプ８００の惜造ｉＪ３
よび動作は、従来の電荷転送素子（ＣＯＤ）を用いたイ
メージセンサと全く同じであり、ここでの説明は省略す
る。

第２図は、第１図の線■−■に沿った断面図である。第
２図では、−例として、この実施例が２層ポリシリコン
借造を用いたものを示している。

図中、′１はシリコン基板で、［１ヂヤネルとする揚台
には、ｐ形基板を用いる。２は、Ｊ！Ｉ！め込みチャネ
ルを形成するためのｎ形不糺物のウェルである。３１〜
３４は各ゲート下に設けられたポテンシャルバリヤを形
成する不粍物領域で、２の領域、すなわちｎ形不粍物の
ウェルより不粍物儂度は汚くなっている。５１１〜５１
６は、第１図の５１１〜５１６に対応するゲート電（ゑ
で、第１０目のポリシリコンにより形成される。４００
は、第１図の４１１〜４１７に対応するゲートで、第２
０目のポリシリコンで゛形成される。このグー１＝　４
００は、同一ポリシリコン〈第２膚目のポリシリコン）
にＪ、って電気的に接続されており、断面図に３３いて
は連続的につながった４ｎ成となっている。

なＪ３、平面図的には、第１図の４１１〜４１７に示ず
にうに、電気的に接続されている。

さらに、６１１は蓄積ゲートであり、６１２はＦ　ｆｎ
グーｈ　６１１　カら水平：Ｒ荷転送＞Ｋ　」ｊ　７０
０　ｌ＼の１５号の移送を制ｔ！＋＋−！ｌ−る制御叩
グー１〜で、６゛１１と６１２とで苔ｆ、’を部０１０
が格成される。また、７０１は水３Ｆ　ｉ！、Ｔ荷転送
＞９．　ｆ　７００　（７）　１　つ（１）　ケ−１−
テ、５１．５２は奈ｆ間分ＦＨｊｔ用の厚い酸化膜であ
る。

次に、この実施例の動作についＣ説明する。

第３図（ａ）〜（ｉ）は、この実施例の動作を説明づる
１、：めの１゛トネル内のボテフシ１１ル図である。ず
なわも、第３図の各図は、１）ブーヤネル（電子）に対
ターるボテンントル状ＩＣ：　ヲ示う図であり、第２図
に対応した各ゲート下のボアンシャル状態を、転送り１
」ツクφＶの変化に伴ない、Ｍ次示している。

この実施例では、信号ｖＭは、上述のように、クロック
φＶのハイレベル（ＩＩ　Ｈｌ）レベル）とローレベル
（”　Ｌ　”レベル）の中間レベルに設定されている。

そのような設定状態において、まず、クロックφ■のレ
ベルを信号■ｉと同じレベルにし、その接トランスファ
ゲート選択用の走査回路３００を駆動して、トランスフ
ァゲートの１列の組をオン状態にする。たとえば、走査
回路３００のうち、３０５によって、２１５，２２８，
２４１の［・ランスフ１ゲートの相をオン状態にする。

この状態のチャネル内のポテンシャル図が第３図（ａ　
）て゛ある。

１〜ランスノアゲ〜トは表面チャネルであり、オン状態
でも第３図（ａ　）に示した垂直電荷転送用のポテンシ
ャルバリヤ部分よりそのポテンシャルは浅いものとする
。すると、１垂直線に対して１つの検出器からの信号が
垂直電荷転送素子に転送されるが、このとき、第３図（
ａ）の斜線で示したように信８肖が多い場合は、通常の
インターライン方式とは異なり複数個のポテンシャルウ
ェル内に信号が収容される。

通常のインターライン方式では、この上二）な３９合信
弓が４−−バー７１」−シて、ブルーミング現象が生じ
る。しかしながら、この・に施例Ｃは、同一時間内に同
−垂直電荷転送県子１垂直ｒ４分に１画素に対応づる信
号しか含まないので、ブルーミング現象は生じない６ 次に、信号■門はそのままひ、クロックφ！ｌメ１１　
Ｈ１ルベルになると、第３図（１））のようなボテンシ
へル−１八ｔ１月（二なる７１．さらに、り１」・ンく
ンφＶが”　Ｌ　”　１ノベルになると、第３図（Ｃ）
のＪ、うに、通常のＣＯＤ動作での最大電荷転送ｈ１が
１段の最大信号電荷となるように電荷の分割が行なわれ
る。

その後のボテンシトル状態の変Ｉヒ（第３１図（ｄ　）
、（ｅ）に示づ）は、通常のＣＯＤの動作易同俤で、ク
ロックφＶのｌ　ｌ−１ｊ＋　＋、ベル→Ｉｌ　ｌ−Ｉ
Ｉ　ｌノベルの変化および“Ｌ″レベル→１１１」＃ｌ
レベルの変化に伴ない、信号電荷は菩偵部６１０へ転送
される。

そして、最低、垂直電荷’Ｆｂ送素子のグーｌ−数だけ
転送を行なうど、第３図（ｆ　）に示づように、垂直型
ｖｉ転送泰子内のすべての［３号電荷は蓄積ゲート６１
１下に集められる。ツな４つら、通常のインターライン
ＧＣＤにｄ３いＣ１′１画素の出力をＣＣ［Ｉの一部分
で転３’Ａ　Ｌ／　’（いたのに対し、この実ｈｍ例で
は、′ｌ垂直線で１度に１画素の信号のみを転送覆るの
である。これがこの実施例の特徴の１つである。それゆ
え転送信号がＣＯＤの少数段に拡がったとしても、拡が
った信号はア１ノイ外部に設（プた十分な容Ｗを持った
蓄積ゲートで１つにまとめられるので、ブルーミング環
ｆ！を起こづことなく、従来のものに比べて、飛躍的に
最大取扱い信＋ｊＤを増やりことができるのである。

蓄積ゲート６１１下に集められた信号電荷は、次に、制
御グーｈ　６１２を゛ト１゛ルベルにし、水平電荷転送
素子グー７０１４゛’　Ｈ”レベルにすることににす、
第３図（Ｇ）に示すポテンシャル状態どなる。その後、
蓄積ゲート６１１．制御ゲート６１２をＩ　Ｌ　Ｈレベ
ルにすることにより、第３図（ｈ）、（ｉ）に示すよう
に、水平電荷転送素子７００へ転送される。

なＪｌ、鈎１３図（ａ　）　＝　（１）　ノＩＭＩニ、
水４”　７４　荷転送索子７００はそのＯ’Ｊに転送さ
れた電荷の６・、送を行％　）（Ｊｊす、第３１込１（
ｕ　ン・〜、くｉ）に小吏ポデンシＴ／ル状（ｆ＝ｊの
変化は、１水平線の読み出しが終わ・）！、役の水平帰
５’、？：　］νＪ間に？Ｔ　Ｉｄ：われる。Ｊ、って
、イム号電荷が水軍電荷転送素子をＩＷ肋しく信号を読
み出りが、ｌ’ｉ」］１１．’７　ＬＪ、垂ａ　’＋’
ｔｊ　倚ｆ）°λ送Ｍ　子ト苔ｆｔ＜部０１０とのホ）
ンエｌ＋７ルが第３図＜ａ　）に承り１人前に戻り、ト
ランスノア・ゲート１バ択走ｒＥ回路３００を駆動し＝
（、次の１４１１のｒ！！ｉｉ素を読、θ出し、上記動
作を繰返ずことになる。

以、トの汀！明では、垂直型ＦＩ転ｊバ素「は２イロ駆
動のご２形のｊ？似１１４　（ｉｌ　ｊ！ｌ動のしのを
用いたが、こ１目二限らず、通常ＣＣＬ）どして使用さ
１しているしのであればどのようなものでも用いるヒと
が′ｒ″きる。

また、ＣＣＩ）のＩｌｌ　’＞Ｍし、ｎヂャネル埋め込
み２ｎポリシリコンに限らず、いか４【るｈｌ　造のＣ
ＣＯにも使用可能である。

さらにまた、」ニ記実施例では、垂直の画素ｚｋと垂直
電荷転送素子のゲート故が符しくして（す・］たが、こ
れらの数は特に等しくなくても、発明の効果と（−７て
同様の効婁を行ることができる。

さらに、電荷苔梢部は２つのゲートで８成されている１
］）のをとりあげたが、これＩｙ、十のグー１〜数で壱
成されていて４）何ら問題１よ１，７い。

さらにまた、フｒ−ルド菩悄方式で行なわれているよう
に、２ｉｉ１ｉｉ素の信号を合成１ノで読み出−４−Ｊ
！’；ｉ合は、同時に２両塁分の信号が垂直電荷転送素
子内に存在していても椙わないことを指摘しておく。

［発明の効用１ 以１−のＪ−うに、この発明によれば、トランスノ、−
シ“−１−選択走査回路を用いて垂直電荷転送素子１重
直納内に、１時明に１画素のみの信号を読み出１ように
（Ｊたので、信号がＣＧ　［）の祖数段にわたって拡が
ってもよく、垂直電荷転送素子の面積割合を小さくして
も取扱い信号肖が大きい、がっ、たとえばＭＯ３方式の
ような雑音を有しない固体ＩＨ像素子を９ｑることがで
きる。

また−一般に、ＣＯＤでは転送効率が有限で、転送時に
とり残しが生じるが、このとり残し電荷は現状得られる
転送効率では主商号が存在した電位ウェルの後、数個の
ウェル内を％Ａ送され（くるの（゛、！ｌｊ　ｆｉ電荷
転送；ｒ、　ｊ（７）１ラー（部分（１）　スキＩＦ　
ン時に数段分余分にス１ｌ−）１ンすることで、実効１
１９な転送効率のＬ：に７’ｊｊ　４と１町るＬどが−
（゛き・ｂという効果もある。

ざらにまた、）Ｉ！Ｊｌ’＋の１゛ンターラインＣＣし
で１よ、信号電荷は最大１ル−ム時１７’ａ　（ノイー
ルド読力出し方式て゛は、１フィールドｕ、７間）かか
つ−ＣＧＣＤの中を中入）ン（されＣくるの−（、−ε
の転）入ｎｉ７　［ｔ’ｄ　）’Ｊ−比較的Ｆ＜　＜　
、フ（３ミアｐ　ｕａ　＋、、Ｈ１ｊｒｃのＩ’；　’
、′７　矛”ｉ’：：け”２すい。

これに対し、この元１ｔｉＪ　ｋＬ：よれは、転送０１
１間か２４ζτＩＬ椅ＩＩ！ｊ　ｉ７′１１内と４’ｒ
’　７ｊ；に’Ｉｉくなるの１゛′、これ−しの影゛を
ンを受けにくいという効果しｄ）６）。

【図面の簡単な説明】

２０１図は、この発明の一実施例の平ｒｒｕ楊成ブロッ
ク図υある。、第２図は、２１１図の線■−・川に治っ
た［仔１ａ内八漬をカーσ図である。第３図（ａンない
しくｉ）は、この実施例の動作を１穐明ジるた０）の第
２図に対応づるボテフシ１フル因である。 図において、１１１〜１４９は光検出器、２１１〜２４
９は１ヘランスファゲ−１−１３００はトランスファグ
ー１〜選択走査回路、４１１〜４３１　Ｊｌよび５１１
〜５２８は垂直電荷転送素子グー１−１Ｇ１０．（３２
０，（３３０Ｌｔ蓄梢部、７００は水平電荷転送素子を
示り。 なＪｌ、図中、同一番号は同一または相当する部分を示
Ｊ０ 代理人　大　岩　増　Ｊｌ［ 昭和　年　月　１ １．踵′ト庁長宮殿 １、事件の表示　特願昭５９−４０７６８号２、発明の
名称 固体撮像素子 ３、補正をする者 代表者片由仁へ部 、’　；−、、、−１１，゛パ ′１．・ノー イし−１ ５、補正の対象 明町書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）　明細書第１０頁第４行の「一部分」を「一部分
」に補正する。 （２）　明輔書第１３頁第１２行ないし第１３行の「転
送時間が２水平線明間内」を「転送時間が１水平線期間
内」に補正する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光検出器を２次元に配置した固体撮像素子において、 前記光検出器から垂直電荷転送素子への１ａ号電荷の転
   送を制御するトランファゲートをｍ　Ｆ１個ずつ１相に
   して電気的に接続し、これらの各相を順次選択する走査
   回路を設け、 １水平期間内に各１列の垂直電荷転送素子内に、同一信
   号として読み出されるべき特定の画素の信号のみが存在
   するように該走査回路を駆動し、かつ、該１水平期間内
   に、１列の垂直電荷転送素子内のすべての信号電荷を前
   記光検出器アレイの外側に配置されたＭ稍部へ転送し、
   該蓄積部へ転送された悟り電荷を水平帰線期間内に水平
   電荷転送芳子に転送し、すべての画素の信号を順次読み
   出すように駆動するようにしたことを特徴とする、固体
   １扉像素子。