JPS6044867B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は残像特性を制御できる固体撮像装置に関する
。

固体撮像装置は残像がないことが長所に挙げられてい
るが、最近の室内照明のほとんどが蛍光灯であるため、
この蛍光灯のフリッカが再生画像上に直接現われて画質
を非常に劣化させる。

その為固体撮像装置で室内の撮像を行なう際、例えばタ
ングステン・ランプ等の特別な照明器具を必要とすると
いう問題を生ずる。これは固体撮像装置を用いたカメラ
の機動性を制限するものである。従つてこのように残像
がないことが一概に固体撮像装置の長所と言えなくなる
。上記のような蛍光灯照明下での撮像においては逆にあ
る程度の残像を有している方がよい。 この対策として
本発明者は感光部に隣接して信号電荷の一部を蓄積する
蓄積領域を設け、該蓄積領域の電極に印加する電圧を制
御して残像を制御した固体撮像装置に関して既に出願し
た。

この出願における技術によつて蛍光灯下における撮像も
フリッカなしに行なうことができる。しかしながら画質
をさらに向上させるためには、残像をさらに細かく制御
できるようにすることが望まれる。 本発明は上記の点
に鑑みなされたものである。即ち本発明は固体撮像装置
の各感光セルの中に信号電荷をトラツプさせる領域と、
この領域への信号電荷の注入を制御する制御電極とを設
けて、この制御電極に印加する電圧の保持時間と感光セ
ル中の信号電荷を該感光セルに隣接して設けた読出し部
に移動せしめる動作期間とを変化せしめることにより残
像の大きさを細かく制御することを特徴としている。こ
こにおける前記感光セルは固体撮像装置における画素を
意味し、該画素は互に独立に半導体基板内に入射光の強
さに応じて発生した信号電荷を蓄積することができ、そ
して各画素に蓄積された信号電荷は任意の手段により独
立に外部に取り出すことができる。以下図面を用いて本
発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例をインターライン転送方式電
荷結合素子（ＣｈａｒｇｅＣＯｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ
：ＣＣＤ）イメージセンサを例にあげて示した図である
。第１図ａはＣＣＤイメージセンサの１感光セルの構成
図である。１感光セルは基本的には感光部１とこの感光
部１に蓄積された信号電荷を転送して読出すためのＣＣ
Ｄ部２より構成されており、この中で細かく説明すると
感光部１の信号電荷をＣＣＤ部２に移す際の経路である
転送ゲート部３そして感光部１とＣＣＤ部２の電気的分
離を行なつているチヤネルストツパ部４が設けられてお
り、さらに前記信号電荷の一部を一時トラツプするため
の残像制御電極部５が感光部１に隣接して設けられてい
る。第１図ｂは第１図ａにおけるＡ−Ｎでの断面構造説
明図である。

例えばシリコン（Ｓｉ）Ｐ型基板６表面に前記ＣＣＤ部
２の埋込みチヤネルのｎ層７と感光部１のｎ＋層８があ
る。前記Ｓｉ基板６上にシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜９
が形成されており、このＳｉＯ２膜９上にＣＣＤ部２の
例えば多結晶シリコンによる転送電極１０と転送ゲート
部３の転送ゲート電極１１そして残像制御電極１２が設
けられる。前記感光部１のｎ＋層８上には多結晶シリコ
ン層はなく例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐＯｒ
ＤｅｐＯｓｉｔｉＯｎ）によるＣＶＤ−ＳｉＯ２膜１３
が形成されている。そしてこのＣＶＤ−ＳｉＯ２膜１３
上に例えば光に対して透過率が高い導電性のある酸化ス
ズ（ＳｒｌＯ２）膜１４が形成されこのＳＯ。膜１４上
のＣＣＤ部２、転送ゲート部３、チヤネルストツパ部４
、及び残像制御電極部５上の全て又は一部に光シールド
のためのアルミニウム（Ａ１）電極１５−１，１５−２
が設けられる。これにより光入射は前記感光部１のｎ＋
層８上からのみ行なわれ、このｎ＋層８及びこの近傍の
Ｓｉ基板６内で光入射により信号電荷１６−１，・・・
，１６−Ｎが発生し、そして耐層８部に形成されている
空乏層１７に蓄積される。これにおいて感光部１のギ層
８の一部の上に設けられている残像制御電極１２と転送
ゲート電極１１に印加する電圧によつて残像を制御する
。第１図ｃに残像制御電極１２と転送ゲート電極１１に
印加する電圧波形φＬＯとφ、。を示す。前記感光部１
に蓄積された信号電荷は、１フイールド又は１フレーム
期間の内の垂直ブランキング期間に転送ゲート電極１１
に高電圧Ｖ″Ｈを印加することによつてＣＣＤ部２に移
動される。一方ブランキング期間の任意の期間ＴＬＯに
残像制御電極１２に高電圧ＶＨを印加して残像制御電極
１２下のｎ＋層８表面に有在する界面準位に信号電荷の
一部をトラツプし、その後残像制御電極１２に低電圧Ｖ
しを印加する。その結果界面にトラツプされた信号電荷
は熱的に界面より遊離され、φ，ｃが高電圧Ｖ″Ｈの状
態に保持されている期間においては、前記ＣＤ部２に移
動する。そしてその後、φ，。が低電圧″，になると信
号電荷の感光部１からＣＤ部２へ移動が行なわれないた
め、次の読出し動作までは移動は停止する。即ちこれは
残像である。従つてφ，。とφゎの電圧波形によつて残
像を制御することができる。すなわちφＬＣがＶＨから
ＶＬに変化し、φゎがＶ″８からＶ″，に変化するまで
の期間（Ｔ，ｃ−ＴＬｃ）を変化せしめるこ゛とによつ
て残像を制御することができる。又φし。のＶＨの値を
変化せしめることによつて残像を制御することもでき、
さらに残像制御電極１２に印加するφし。を。に保持（
ＤＣで保持）したまま転送ゲート電極１１に印加するφ
、。のＶ″ｏ保持期間・Ｔ，ｃを変化させることによつ
て残像を制御することもできる。一方残像を不必要とす
る際にはφ，。をＶＬに保持することによつて残像を小
さくすることができる。この原理説明を第２図を用いて
行なう。

第２図ノａは第１図ｂにおけるＣ及びＢ点でのＳｉ基板
６の深さ方向での電位分布を示している。この電位分布
はｎ＋層８及びＰ型Ｓｉ基板６における不純物濃度が一
様に分布している場合を想定している。前記ＳｒｌＯ２
膜１４＆ごは蓄積電圧Ｖｓが印加されている。そして残
像制御電極１２には残像を発生せしめる場合高レベル電
圧ＶＨｌそして残像が不必要の場合低レベル電圧ＶＬを
印加せしめる。上述のごとく第２図ａには残像の有無の
２通りの場合の電位分布を示している。図中一点鎖線は
前記Ｃ点領域の電位分布を示しており、電位が平坦な領
域Ｘ１に信号電荷が存在している。残像制御電極１２に
印加するＶＨは図中の点線で示すごとき電位分布を取る
ような値であり、電位平坦領域Ｘ２はＳｉＯ２膜９とｎ
＋層８の界面から広がつている。このように電位平坦領
駆。がＳｉＯ２膜９と酎層８の界面に達していることは
信号電荷の一部がＳｉＯ２膜９と耐層８の界面に蓄積さ
れていることを示している。このように界面に蓄積され
た信号電荷の一部はＳｌＯ２膜９と耐層８の界面準位に
トラツプされた信号電荷は前記信号電荷を読み出すため
のＣＣＤ部２に感光部１より転送した後も、感光部に残
存することになる。その後、このトラツプされた信号電
荷は熱的に感光部１内へ放出され、次の読み出し動作に
よつて前記ＣＣＤ部２より読出される。これはまさしく
撮像管における残像と同様な現象である。一方前記Ｃ点
領域に信号電荷が蓄積された時の電位平坦部澹の電位Ｖ
．ｎＨより小さい電位ＶｍＬに電位の底になるように残
像制御電極１２に低レベル電圧，を印加せしめると、前
記Ｂ点領域のＳｌＯ２膜９とｎ＋層８と界面には信号電
荷が蓄積されていないため前述のごとき残像が発生しな
い。このように残像制御電極１２に印加すべき電圧値に
よつて残像を発生せしめたり無くしたりすることができ
る。従つて前述した例で蛍光灯下で撮像を行なう際、こ
れによるフリツカが気になると制御電極１２に電圧を与
えるスイツチ１つでこのフリツカをなくすることができ
る。又通常の太陽光下、又は非常に暗い被写体を撮像す
る際は、残像がない方が望ましく、この場合は残，像を
無すことができる。第２図ｂは本発明の提供するところ
の同一画面中である明るさ以上の部分のみに残像を発生
せしめ、暗部には残像を発生せしめなくするための動作
原理を説明している。

図中の電位分布Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは第１図ｂにおける残像
制御電極１２下のＢ点領域の電位変化を示している。電
位分布Ａは信号電荷が感光部１のｎ＋層８に存在してい
ない場合であり、信号電荷が存在すると電位分布Ｂのよ
うになり図中に示される電位平坦部に信号電荷が存在し
ている。この場合信号電荷はＳｉＯ２膜９とｎ＋層８界
面には存在していないので、残像制御電極１２下のＳｉ
Ｏ２膜９とｎ＋層８界面準位には前記信号電荷はトラツ
プされない。これは信号電荷の少ない即ち暗い被写体部
分では残像が発生しないことを示している。次に信号電
荷が多くなると更に電位平坦部が広がり、電位分布Ｃに
示されるように電位平坦部の端がＳｉＯ２膜９とｎ＋層
８と・の界面に接する。そして更に信号電荷が増加する
と一部の信号電荷ＱはＳｌＯ２膜９と酎層８の界面に蓄
積されてＤに示すように電位平坦部の電位を下げる。こ
の電位をＶｍ２とし、前記電位分布Ｃの場合の電位平坦
部の電位をＶｍｌとするとＱ＝ＳＣＯｘ（．．２−Ｎ，
ｌ）で近似される。ここでＳはｎ＋層８と残像制御電極
１２が重なつている面積でありＣ。Ｘは単位面積当りの
ＳｉＯ２膜９の容量である。ここで電位平坦部の電位が
。１より小さくなると信号電荷の一部はＳｉＯ２膜９と
ｎ＋層８との界面に蓄積され、そしてこの界面に蓄積さ
れた信号電荷の一部が前記界面準位にトラツプされ、こ
れにより残像が発生される。

以上のごとく、同一画面中においても明暗によつて残像
を制御することができる。そして、どの明るさから残像
を発生せしめるかは印加電圧ＶＨにより制御することが
可能である。以上説明したごとく本発明は前記残像制御
電極１２と前記転送ゲート電極１１とに印加する電圧波
形、即ち残像制御電極１２に印加する電圧値のみでなく
残像制御電極１２に高電圧ＶＨを印加している期間及び
転送ゲート電極１１に高電圧Ｖ″９を印加している期間
を制御して、要求に応じてより細かく残像特性を制御す
ることができる。

第３図は本発明の他の実施例を説明するためのものであ
る。即ちこの実施例では残像制御電極１２に垂直ブラン
キング期間Ｖ″８を印加せしめ、一方信号電荷をＣＣＤ
部２に移動せしめるために転送ゲート電極１１に印加す
る高電圧Ｖ″Ｈの印加期間Ｔｔｃを変化させることによ
つて残像を制御するようにしている。この動作において
はある明るさ以上の被写体に対して残像を発生せしめ、
その残像量を制御することができる。第４図は本発明の
更に他の実施例を説明するものであり、本図に示されて
いるようにφＬＣの期間Ｔし。

において残像制御電極１２に印加する電圧を変化せしめ
る。これにより被写体の明るさに応じてより細かく残像
を制御することができる。第５図は第１図における転送
電極１０と残像制御電極１２とを共通にし、さらに転送
電極１０と転送ゲート電極１１とを共通にして高密度化
を図つた場合について示したものである。すなわち第５
図ａは、一感光セルをＳｉ基板６の上よりながめた図で
、図中斜線部と黒部は前記感光部のｎ＋層８に対応し、
斜線部２１は前記ｎ＋層８において前記残像制御電極１
２と重なつていないｎ＋層８に対応した第１のｎ＋層領
域である。

そして黒部２３は図中実線で示されたＣＣＤ転送電極の
第１の電極２２と前記ｎ＋層８が重なつている第２のｎ
＋層領域である。点線で区切られている部分２４はＣＣ
Ｄ転送部である。

そして一点鎖線て区切られている部分２５は第２のＣＣ
Ｄ転送電極を示し、そして実線で囲まれた部分２２は前
述の第１のＣＣＤ転送電極である。この第１のＣＣＤ転
送電極２２及び第２の転送電極２５はＣＣＤ転送部２４
における信号電荷の転送方向Ｙに対して垂直方向にそし
て前記第１のｎ＋層の両側に沿つて設けられＣＣＤ周辺
において各感光セルのそれぞれと接続されている。そし
て、前記第１の転送電極２２は第２の幇層２３と重なつ
ている。このようなＣＣＤにおいて前記第１の転送電極
２２と第２の転送電極２５に印加する電圧を独立に制御
できるようにしておき、同図ｂに示すごとく第１の転送
電極２２にφ１ そして第２の転送電極２５にφ２を印
加する。そしてＣＣＤ転送部２４における信号電荷の転
送は例えば−８から２Ｖまでの電圧変化を有したクロツ
クパルスにより行なうようにしておく。しかして２の電
圧においては前記第２の耐層領域２３は第１図ｃで説明
した低電圧Ｌ以下の電圧に相応しており、次に第２のｎ
＋層２１に蓄積された信号電荷を前記第２の転送電極２
５に例えば１０Ｖを印加して転送ゲート部２６を通つて
移される。この時、第２のｎ＋層２５と重なつている第
１の転送電極２２を低電圧，に相当する電圧Ｖ１に保持
せしめると残像は発生しない。一方、この期間第１図ｃ
において説明したごとき信号電荷の一部力ＧｉＯ２膜９
とｎ＋層８界面に蓄積する条件に高電圧１を第１の転送
電極２２に印加することによつて残像を発生せしめ、Ｖ
１の値とＴＬＯ及びＴ，ｃの期間を変化せしめることに
よつて残像を細かく制御することができる。以上のよう
な残像を任意に制御できることによつて固体撮像装置の
画質の一層の向上を達成させることがきる。

前述の本発明の説明はＣＣＤについて行なつたが、他の
固体撮像装置であるＭＯＳ型ＢＢＤ（ＢｕｃｋｅｔＢｒ
ｉｇａｄｅＤｅｖｉｃｅ）、ＣＩＤ（ＣｈａｒｇｅＩｎ
ｊｅｃｔｉＯｎＤｅｖｉｃｅ）、ライン●アドレス型の
ＲｅｓｉｓｔｉｖｅＧａｔｅＣＣＤ（Ｈ．Ｈｅｙｎｓｅ
ｔａｌ：ＩＥＥＥＴｒａｒｌｓ．，ＶＯｌ．ＥＤ−２５
，Ｎ０．．２．ｐｐ．１３５−１３９．１９７８参照）
、そして前記酎層８と接続せしめた光導電膜を装置上面
に設け、この光導電膜で光電変換を行う固体撮像装置（
馬路 他：テレビジヨン学会技術報告ＥＤ４８Ｏ，ｌ９
８Ｏを参照）にも本発明が適用できることは言うまでも
ない。又本発明は２次元センサのみだけでなく、１次元
センサにも適用できることは言うまでもない。

そして本発明の説明はＰ型Ｓｉ基板を用いた場合につい
て行なつたが、ｎ型Ｓｉ基板そして他の半導体基板につ
いても適用できる。なお、第１図におけるＰ型別基板６
Ｓｉ０２膜９、ｎ＋層８、ｎ層７、ＣＶＤ−ＳｉＯ２膜
１３、多結晶シリコン電極１０，１１，１２、Ｎ電極１
５一１，１５−２等の材料層はこれに限られることはな
く同様の性質を有した他の材料層でよいことは言うまで
もない。

さらに第１図、第５図はブルーミング防止のたｌめのオ
ーバ・フロードレインがない場合について示したが、オ
ーバ・フロードレインを有する構造のものにも本発明を
適用できることは明らかである。

又第１図Ｃ１第３図、第４図、第５図ｂにおいて示した
電圧波形はステツプ状又は階段状に変化したものである
が、その立ち上り、立ち下り時間及びその間における電
圧変化形状は適宜変更し得る。

例えば第４図においてはφＬＯがＨからＶＭに一段変化
するものを用いて説明を行なつたが、こｌれは複数段で
もよい。なお第１図ｂにおいてＳｒｌＯ２膜１４を用い
ることなく、電位的には耐層８上のＣＶＤＳｉＯ２膜１
３表面がフローテイングであつても何ら本発明の効果を
損うものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は本発明の
原理を説明するための図、第３図、第４図及び第５図は
本発明の他の実施例を示す図である。 １・・・感光部、２・・・ＣＣＤ部、３・・・転送ゲー
ト部、４・・・チヤネルストツパ部、５・・・残像制御
電極部、６・・・Ｐ型半導体基板、７，８・・・ｎ＋層
、９・・・ＳｉＯ２膜、１０・・・転送電極、１１・・
・転送ゲート電極、１２・・・残像制御電極、１３・・
・ＣＶＤＳｉＯ２膜、１４・・・ＳｎＯ２膜、１５−１
，１５−２・・・Ａｌシールド膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光入射により半導体層内に信号電荷を発生させる感
   光部と、この感光部において蓄積された信号電荷の読み
   出しを制御するための読み出しゲート部とを有する固体
   撮像装置において、前記感光部に隣接して前記感光部に
   蓄積される信号電荷の一部を蓄積し得る蓄積領域を設け
   、この蓄積領域に設けられた電極に印加する電圧と前記
   読み出しゲート部に設けられた電極に印加する電圧とを
   制御することによつて、前記感光部及び前記蓄積領域に
   蓄積された信号電荷を前記読み出しゲート部を介して読
   み出す読み出し動作期間の後に前記蓄積領域に残存させ
   る信号電荷の量を制御することを特徴とする固体撮像装
   置。 ２ 前記読み出し部に設けられた電極に印加するパルス
   電圧の印加期間と前記蓄積領域に設けられた電極に印加
   するパルス電圧の印加期間との差を変化させることによ
   つて、前記蓄積領域に残存させる信号電荷の量を制御す
   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。 ３ 前記蓄積領域に設けられた電極に印加するパルス電
   圧の値を変化させることにより、前記蓄積領域に残存さ
   せる信号電荷の量を制御す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。 ４ 前記蓄積領域に設けられた電極に所定の直流電圧を
   印加したままの状態で前記読み出しゲート部に設けられ
   た電極に印加するパルス電圧の印加期間を変化させるこ
   とにより、前記蓄積領域に残存させる信号電荷の量を制
   御す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。