JPS6258592B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6258592B2
JPS6258592B2 JP55134085A JP13408580A JPS6258592B2 JP S6258592 B2 JPS6258592 B2 JP S6258592B2 JP 55134085 A JP55134085 A JP 55134085A JP 13408580 A JP13408580 A JP 13408580A JP S6258592 B2 JPS6258592 B2 JP S6258592B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrodes
signal charges
phase
charge transfer
ccd
Prior art date
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Expired
Application number
JP55134085A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5760775A (en
Inventor
Nozomi Harada
Yukio Endo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP55134085A priority Critical patent/JPS5760775A/en
Publication of JPS5760775A publication Critical patent/JPS5760775A/en
Publication of JPS6258592B2 publication Critical patent/JPS6258592B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/148Charge coupled imagers
    • H01L27/14887Blooming suppression

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は再生画像の画質を向上せしめた固体撮
像装置に関する。 固体撮像装置の1つにインターライン転送
(Interline Transfer;IT)方式CCDイメージ・
センサがある。CCD(hange−oupled
evice)はよく知られているように半導体基板上
に形成した絶縁層上に連続して配列された複数の
電極を有し、該複数の電極に所望の電圧を印加す
ることによつて前記半導体基板表面又はその近傍
に空乏層を発生せしめ、該空乏層に電気的又は光
学的な手段により形成した信号電荷を蓄積せしめ
たり、前記半導体基板表面又はその近傍に沿つて
任意の方向に前記信号電荷を転送せしめることが
できる機能を有している。 第1図にIT方式CCDイメージセンサの概略構
成図を示す。図において1ij(i=1、2、…、
m、j=1、2、…n)はマトリクス配列された
感光部であり、光電変換して得られた信号電荷を
蓄積する、例えばホトダイオード等からなる。該
感光部1ijの配列に沿つて該感光部1ijは光電変
換され、その後蓄積された信号電荷を読出すため
の垂直CCD2iと感光部1ijで光電変換された過
剰な信号電荷を除去するためのオーバフロードレ
イン(over flow drain:OFD)4がある。そし
て該OFD4と感光部1ij間に過剰信号電荷を確実
にOFD4より除去するためのオーバフロー制御
電極5iが設けられている。前記感光部1ijで蓄
積された信号電荷は前記垂直CCD2iに移され
た後、1列ごと図中に示された水平CCD3に移
され、次に該水平CCD3内を転送せしめた後、
時系列に出力部6より読出す。垂直CCD2i及
び水平CCD3は単相、2相、3相または4相ク
ロツクパルスを転送電極に印加せしめることによ
つて信号電荷の転送を行なわせしめることができ
る。ここで、垂直CCD2iは光入射に対して無
効部分であるため扱い得る信号電荷量はできるだ
け大きくして占める面積を最小にする必要があ
る。そのためには4相駆動型がよい。しかし、こ
の4相駆動型は他の、特に2相、単相型とくらべ
てこのドライバ回路を作成するに際し、原発振周
波数が高くなり、そして各相間の位相関係を確保
するために回路自体が消費電力が大きくなつたり
複雑になつたりする。これは後述する垂直CCD
を高速動作させる際に大きい問題となる。 このIT−CCDイメージセンサでは感光部1ijで
信号電荷の蓄積を行なつている間、隣に設けられ
た垂直CCD2iでは前フイールドの信号電荷を
1列ごと水平CCD3に転送せしめて読出してい
るため、例えば水平CCD3に一番遠くある感光
部111,121,…1m1にある信号電荷は該固体撮
像装置に実際の蓄積時間に加えてほぼ1フイール
ド期間に近い時間滞在することになる。そして、
これらの感光部に蓄積された信号電荷が垂直
CCD2iにより読出され、次のフイールドの信
号電荷が感光部1ijにより垂直CCD2iへ転送さ
れる前においては、該垂直CCD2i中には何ら
信号電荷は残存されてはならない。しかし、実際
には感光部に入射された光により固体撮像装置を
形成している半導体基板内で信号電荷が形成され
るため、該半導体基板内を拡散した少量の信号電
荷が垂直CCD2iへ漏れ込んでしまう。この少
量の信号電荷の漏れ込みは再生画像上垂直方向の
輝線即ち垂直スミヤを発生する。これは高い輝度
の被写体を撮像した際に顕著に現われるため著し
く画質を変化させる。この垂直スミヤを軽減させ
るためには垂直ブランキング期間において感光部
1ijから信号電荷を垂直CCD2iへ転送させる前
に高速で前述した垂直スミヤの原因となる漏れ電
荷を掃き出さなければならない。この高速掃き出
しは垂直ブランキング期間中に行なわなければな
らないため少なくとも有効期間の信号電荷読出し
動作にくらべて20倍以上高速で行なわなければな
らない。ここで垂直CCDを大きいダイナミツ
ク・レンジを持つようにするため4相駆動型にし
ているとこの高速掃き出しも4相駆動となる。こ
の場合、前述したように高い原発振周波数を必要
とすること、各相の位相関係を保持するために回
路が複雑になつたり消費電力が大きくなつたりす
る欠点がある。 第2図を用いて従来良く知られている4相駆動
型CCDの説明を行う。第2図は代表的な4相駆
動型CCDの断面構造説明図である。これは電子
を信号電荷として扱うNチヤネル型CCDであ
る。そして、通IT−CCDの垂直CCDは信号電荷
の転送効率のよい信号電荷を半導基板内を転送さ
せる埋込みチヤネル型CCDを用いている。従つ
てこの説明も埋込みチヤネルCCDにて行う。図
中に示されるごとくP型半導基板11上に約1μ
m程度の厚さのN+層12を設ける。該N+層12
上に第1の絶縁膜13を形成し、該第1の絶縁膜
13上に例えば第1層目ポリSi電極14,14
,…と第2層目ポリSi電極15,15,…
を形成する。該第1層目ポリSi電極14,14
…と第2層目ポリSi電極15,15,…間
は第2の絶縁膜16で電気的に絶縁されている。
例えば電極15をφ電極として以下電極14
,15,14をφ、φ、φ電極とす
る。4相駆動型CCDは該φ、φ、φ、φ
電極で1セルを構成して信号電荷の転送方向に
複数セル配列されたものである。この信号電荷の
転送は第3図に示されたような4相クロツクパル
スφ、φ、φ、φを印加することによつ
て行なわれる。 ところで、垂直スミヤの原因となる漏れ電荷を
高速で掃き出すためには、垂直CCD単相駆動と
することが望ましい。だが、例えば第2図の構造
はφとφ電極を接続し、φ1′電極とし、残り
のφとφ電極を接続しφ2′電極として、第4
図に示された単相クロツクパルスφ1′とφ2′をこ
れらに印加せしめても、ある決められた方向に信
号電荷を転送させることはできない。このため第
2図で示されたCCD構造を単相駆動型に変えて
しまうか、又はφとφ電極に第4図の単相ク
ロツクパルスφ1′、φ2′にオフセツト電圧を持た
せた擬似単相駆動を行わせることが考えられる
が、前者は垂直CCDのダイナミツクレンジを減
少させることになり、後者は回路を複雑にさせる
欠点がある。 本発明は上記の点に鑑みなされたもので、IT
−CCDイメージセンサ等における垂直CCDを、
垂直有効期間においては4相駆動し、無効期間の
垂直スミヤ軽減のための高速読出しを単相駆動に
せしめた固体撮像装置を提供するものである。 本発明においては、垂直CCDを基本的には4
相駆動型とし、位相がπ/2ずつずれたクロツク
パルスにより、1転送段(4電極)のうち連続す
る少なくとも2電極分の下にウエルが形成された
状態で信号電荷の転送を行う。第8図に示すよう
に、1転送段当り転送し得る信号電荷量を見る
と、2相駆動の場合は1/4段、3相駆動の場合は
1/3段であるのに対して、この4相駆動の場合は
1/2段になるため、他の駆動方式に比べてダイナ
ミツクレンジが大きいからである。第8図で、斜
線を施したのが信号電荷を蓄積する垂直CCD1段
内の電極領域である。なお、2相駆動の場合は周
知のように、第9図に示すような電位変化により
電荷転送が行われる。そして、その第1〜第4の
電極に同じ電圧を印加したときに第1、第3の電
極下と第2、第4の電極下の基板表面電位がわず
かに異なる如く構成する。即ち、基板表面の不純
物濃度を変えるかあるいは絶縁膜の膜厚を変える
等の周知の方法で、基板表面に、電荷転送方向を
規定する電位段差を形成する。そして、垂直スミ
ヤ軽減のための高速読出しを連続する2電極を短
絡して単相駆動することにより行う。即ち、垂直
ブランキング期間内の極めて短い期間に漏れ信号
電荷の掃き出しを行うためには高速転送が必要で
あるが、4相駆動では高速化が困難であり、また
消費電力も大きい。そこで、この漏れ信号電荷の
掃出しには高速化が容易で消費電力も少なくて済
む単相駆動を利用する。単相駆動は他の駆動方式
に比べると転送効率は低いが、上述のように基板
表面電位を選んで電荷転送方向に電界を生ぜし
め、高速クロツクパルスで駆動することにより、
効果的に漏れ信号電荷の掃き出しが行われる。ま
た単相クロツクパルスの数を垂直CCD転送段以
上にすることにより、より効果的に信号電荷掃き
出しが行われる。これより、垂直CCDのダイナ
ミツクレンジの減少をもたらすことなく、かつ回
路構成が簡単で低消費電力の単相駆動により効果
的に垂直スミヤを軽減せしめることができる。 以下、本発明の一実施例を説明する。第5図は
本発明の一実施例のIT−CCDイメージセンサに
おける垂直CCDの断面説明図である。イメージ
センサ全体の構成は第1図と同様である。第5図
の断面図も第2図と対応する部分には第2図と同
一符号を付して詳細な説明は省く。第2図と異な
る点は、第2層目ポリSi電極15,15,…
の下のN+層12表面に該N+層12より若干不純
物濃度の高いN++層17,17,…を形成し
たことである。第6図は第1層目ポリSi電極14
,14,…と第2層目ポリSi電極15,1
,…下のN+層12における最小電位Vnの印
加電圧VG依存性を示す。実線はN++層17
17,…のある第2層目ポリSi電極15,1
,…の位置でのVnのVG依存性を示し、点線
は第1層目ポリSi電極14,14,…の位置
でのそれぞれを示す。ここで第1層目ポリSi電極
14,14,…と第2層目ポリSi電極15
,15,…でのVnは各VGに対して例えば
0.5V程度とわずかな差を生じせしめるようにす
る。また第1層目ポリSi電極14,14,…
と第2層目ポリSi電極15,15,…の隣接
するもの同志を2個ずつ短絡できるようにスイツ
チ18,18,…が設けられている。 このような構成として、大きいダイナミツクレ
ンジを必要とする有効期間では、垂直CCDを4
相駆動させる。このとき、N++層17,17
,…はN+層12よりごく僅か不純物濃度が高
いだけであるからN++層17,17,…がな
いものとくらべてそのダイナミツクレンジはほと
んど変化しない。そして、垂直スミヤを軽減する
ための無効期間の高速読出しは、スイツチ18
,18,…を閉じてφとφ電極そしてφ
とφ電極を互に接続せしめて単相駆動で行
う。第7図はこの高速読出しを説明するためのも
のである。ここにはφ電極とφ電極に印加す
る駆動パルス電圧波形を示す。有効期間において
φ、φ、φ、そしてφ電極に独立に4相
のクロツクパルスを印加せしめる。次に無効期間
で感光部1ijから垂直CCD2iへ信号電荷を転送
せしめる前にφとφ電極そしてφとφ
極を接続して単相駆動させて高速読出を行う。無
効期間においてはφとφ電極に同じ高速パル
スが印加され、同様にφとφ電極に同じ直流
電圧が印加されるため、本発明の説明として第7
図にはφとφ電極に印加される駆動パルス電
圧波形を示している。 通常単相駆動を行なうためには第6図に示した
第1層目ポリSi電極下と第2層目ポリSi電極下で
のVmの差は3〜4V程度を必要とする。だがこの
ようなVmの差を生じせしめて4相駆動を行なう
と垂直CCDのダイナミツクレンジの減少を生じ
る。本発明では高速読出しの単相クロツクパルス
電圧値を小さくせしめても漏れ電荷を十分に除去
せしめることができる。又、該クロツクパルス電
圧波形が矩形波でなく正弦波でもその効果は変ら
ない。これは電圧波形が大きく歪んでもよいこと
を意味し、垂直スミヤを軽減するための回路の消
費電力を小さくせしめ、かつ回路を簡単にせしめ
ることができる。第6図のような微小なVmの差
だけにより行う単相駆動では、通常言われている
確実に転送し得る最大信号電荷量としては少な
い。にもかかわらず垂直スミヤを大幅に軽減でき
る理由は、この高速読出しは垂直CCD2iの各
段の漏れ電荷が、各段において混合することなく
読出されることを要求しているのでなく、垂直
CCD2iに残存している漏れ電荷が垂直の無効
期間において転送効率に関係なく除去さればよい
ことを要求していることによる。従つて、扱い得
る電荷量はわずかであろうとも電荷を転送せしめ
たい方向に何らかの電界を生じせしめることによ
つて垂直スミヤを大幅に軽減せしめることができ
る。以上の説明からこの高速読出しのため、印加
する、単相クロツクパルスの数を垂直CCD2i
の構成段数以上にするとより確実に垂直スミヤを
軽減せしめることができる。 この垂直スミヤは前記高速読出しをより高速の
行うほど経減される。例えば無効期間(1フイー
ルド期間の10%程度)内にこの高速読出しを行な
わなければならないため250kHzで行うとすると
1段転送時間が4μsecとなるため有効期間に印
加される4相クロツクパルス周期60μsecに対し
て垂直スミヤは1/15に軽減される。従つてこの高
速読出しを例えば1MHzで行なうと1/60に軽減さ
れることになる。このような高速化に関して単相
駆動型は他の駆動型とくらべてきわめて有利であ
る。このように高速化が容易にできるならば無効
期間において1回だけでなく複数回垂直スミヤ軽
減のための高速読出しが可能になる。このように
複数回の高速読出しが可能になるとより確実に垂
直スミヤを軽減できると共に、第7図で示した高
速読出しのための単相クロツクパルス電圧振幅値
を更に小さくすることができ低消費電力化が図れ
る。 以上説明したごとく本発明の固体撮像装置で
は、垂直CCDにおける信号電荷に対するダイナ
ミツクレンジを減少することなく、消費電力を少
なく、かつ簡単な回路により垂直スミヤを大幅に
軽減せしめることができる。 なお上記実施例においては第1層目ポリSi電極
14,14,…下のVmが第2層目ポリSi電
極15,15,…下のVmより大きくなつて
いるが、その逆であつてもよい。そのためには、
第2層目ポリSi電極15,15,…下にN+
層12よりドナー不純物濃度の少ないN-層を設
ければよい。この場合は単相駆動するには、第5
図においてはφとφ、φとφを接続すれ
ばよく、これにより上記実施例と同様な垂直スミ
ヤの軽減を得ることとができる。またVmに差を
生じせしめる手段として、第1の絶縁膜13の膜
厚を第1層目ポリSi電極14,14,…の下
と第2層目ポリSi電極15,15,…の下に
おいてそれぞれ異ならせることによつてもよい。
更に、上記実施例の説明は第1図の感光部1ij、
OFD4、OFD制御電極5i、そして感光部1ij
から垂直CCD2iへの移動に必要な領域等に対
して言及していないが、基本撮像動作ができるも
のであればよい。例えば、垂直CCD2iの電極
としてポリSiを用いた場合について説明を行なつ
たが他の導体電極材料を用いてもよいことは言う
までもない。また感光部としては半導体基板と同
一基板上に設けたホトダイオードにより形成され
たものだけでなく、該ホトダイオードに電気的に
接続して形成せしめた光導電膜により形成したも
のでもよい。光導電膜を用いた固体撮像装置にお
いても非常に光強度の大きい光スポツト入射にお
いては前記のごとき垂直CCDへの信号電荷漏れ
が発生し、これを軽減するためには本発明は有効
である。 なお第7図において無効期間において印加され
る単相クロツクパルスの振幅は有効期間に印加さ
れる4相クロツクパルスの振幅より小さくなるご
とくしているが同じでもよいことは言うまでもな
い。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a solid-state imaging device that improves the quality of reproduced images. One of the solid-state imaging devices is an interline transfer (IT) CCD image sensor.
There is a sensor. CCD _ _
As is well known, a semiconductor device has a plurality of electrodes arranged continuously on an insulating layer formed on a semiconductor substrate, and by applying a desired voltage to the plurality of electrodes, the semiconductor device A depletion layer is generated at or near the substrate surface, and signal charges formed by electrical or optical means are accumulated in the depletion layer, or the signal charges are generated in any direction along the semiconductor substrate surface or near the semiconductor substrate surface. It has a function that allows you to transfer. Figure 1 shows a schematic diagram of the IT-based CCD image sensor. In the figure, 1ij (i=1, 2,...,
m, j=1, 2, . The photosensitive sections 1ij undergo photoelectric conversion along the array of the photosensitive sections 1ij, and then a vertical CCD 2i for reading out the accumulated signal charges and an overflow for removing excess signal charges photoelectrically converted in the photosensitive sections 1ij. There are four drains (over flow drain: OFD). An overflow control electrode 5i is provided between the OFD 4 and the photosensitive portion 1ij to ensure that excess signal charges are removed from the OFD 4. The signal charge accumulated in the photosensitive section 1ij is transferred to the vertical CCD 2i, and then transferred column by column to the horizontal CCD 3 shown in the figure, and then transferred within the horizontal CCD 3.
It is read out from the output unit 6 in chronological order. The vertical CCD 2i and the horizontal CCD 3 can transfer signal charges by applying single-phase, two-phase, three-phase or four-phase clock pulses to the transfer electrodes. Here, since the vertical CCD 2i is an ineffective portion for light incidence, it is necessary to maximize the amount of signal charge that it can handle and minimize the area it occupies. For this purpose, a four-phase drive type is preferable. However, compared to other driver circuits, especially 2-phase and single-phase types, this 4-phase drive type requires a higher original oscillation frequency when creating the driver circuit, and the circuit itself has to be adjusted to ensure the phase relationship between each phase. Power consumption increases and complexity increases. This is a vertical CCD that will be explained later.
This becomes a big problem when operating at high speed. In this IT-CCD image sensor, while signal charges are accumulated in the photosensitive section 1ij, the adjacent vertical CCD 2i transfers the signal charges of the previous field column by column to the horizontal CCD 3 and reads them out. For example, the signal charges in the photosensitive sections 1 11 , 1 21 , . . . 1 m 1 that are farthest from the horizontal CCD 3 stay in the solid-state imaging device for a time close to one field period in addition to the actual storage time. and,
The signal charges accumulated in these photosensitive areas are vertically
Before the signal charges of the next field are read out by the CCD 2i and transferred to the vertical CCD 2i by the photosensitive section 1ij, no signal charges must remain in the vertical CCD 2i. However, in reality, signal charges are formed within the semiconductor substrate forming the solid-state imaging device due to light incident on the photosensitive section, so a small amount of signal charges diffused within the semiconductor substrate leak into the vertical CCD 2i. It's gone. This small amount of leakage of signal charges causes bright lines in the vertical direction on the reproduced image, that is, vertical smear. This becomes noticeable when capturing an image of a subject with high brightness, so it significantly changes the image quality. In order to reduce this vertical smear, the leakage charge that causes the above-mentioned vertical smear must be swept out at high speed before the signal charge is transferred from the photosensitive section 1ij to the vertical CCD 2i during the vertical blanking period. Since this high-speed sweep must be performed during the vertical blanking period, it must be performed at least 20 times faster than the signal charge readout operation during the valid period. If the vertical CCD is of a 4-phase drive type in order to have a large dynamic range, this high-speed sweep will also be a 4-phase drive type. In this case, as mentioned above, there are disadvantages in that a high original oscillation frequency is required, and in order to maintain the phase relationship between each phase, the circuit becomes complicated and power consumption increases. A conventionally well-known four-phase drive type CCD will be explained using FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of the cross-sectional structure of a typical four-phase drive type CCD. This is an N-channel CCD that treats electrons as signal charges. The vertical CCD of the IT-CCD uses a buried channel type CCD that transfers signal charges within a semiconductor substrate with high signal charge transfer efficiency. Therefore, this explanation will also be made using the embedded channel CCD. As shown in the figure, about 1 μm is placed on the P-type semiconductor substrate 11.
An N + layer 12 having a thickness of about m is provided. The N + layer 12
A first insulating film 13 is formed on the first insulating film 13, and for example, first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 are formed on the first insulating film 13 .
2 ,... and second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 ,...
form. The first layer poly-Si electrode 14 1 , 14
2 and the second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 , . . are electrically insulated by a second insulating film 16 .
For example, if the electrode 15 1 is a φ 1 electrode, the following electrode 14
1 , 15 2 , and 14 2 are φ 2 , φ 3 , and φ 4 electrodes. The 4-phase drive type CCD has φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ
One cell is composed of four electrodes, and a plurality of cells are arranged in the direction of signal charge transfer. This signal charge transfer is performed by applying four-phase clock pulses φ 1 , φ 2 , φ 3 , and φ 4 as shown in FIG. Incidentally, in order to quickly sweep out the leakage charge that causes vertical smear, it is desirable to use a vertical CCD single-phase drive. However, for example, in the structure shown in Fig. 2, the φ 1 and φ 2 electrodes are connected to form the φ 1 ' electrode, the remaining φ 3 and φ 4 electrodes are connected to form the φ 2 ' electrode, and the fourth
Even if the single-phase clock pulses φ 1 ' and φ 2 ' shown in the figure are applied to these, the signal charges cannot be transferred in a certain determined direction. Therefore, either the CCD structure shown in FIG. 2 should be changed to a single-phase drive type, or the φ2 and φ4 electrodes should have an offset voltage for the single-phase clock pulses φ1 ' and φ2 ' in FIG. It is conceivable to use pseudo-single-phase drive, but the former would reduce the dynamic range of the vertical CCD, and the latter would complicate the circuit. The present invention has been made in view of the above points, and is
-Vertical CCD in CCD image sensor etc.
The object of the present invention is to provide a solid-state imaging device in which four-phase driving is performed during the vertical effective period, and single-phase driving is performed for high-speed readout to reduce vertical smear during the invalid period. In the present invention, the vertical CCD is basically 4
It is of a phase drive type, and signal charges are transferred using clock pulses whose phases are shifted by π/2 in a state where wells are formed under at least two consecutive electrodes of one transfer stage (four electrodes). As shown in Figure 8, when looking at the amount of signal charge that can be transferred per one transfer stage, the amount of signal charge that can be transferred per transfer stage is 1/4 stage in the case of two-phase drive, and 1/4 stage in the case of three-phase drive.
In contrast to the 1/3 stage, in the case of this 4-phase drive
This is because it has a 1/2 step, so the dynamic range is larger than other drive systems. In FIG. 8, the shaded area is the electrode area within one vertical CCD stage where signal charges are accumulated. In the case of two-phase drive, as is well known, charge transfer is performed by changing the potential as shown in FIG. The structure is such that when the same voltage is applied to the first to fourth electrodes, the substrate surface potentials under the first and third electrodes are slightly different from those under the second and fourth electrodes. That is, a potential step that defines the charge transfer direction is formed on the substrate surface by a well-known method such as changing the impurity concentration on the substrate surface or changing the thickness of the insulating film. Then, high-speed readout to reduce vertical smear is performed by short-circuiting two consecutive electrodes and driving in a single phase. That is, high-speed transfer is necessary to sweep out the leakage signal charge in an extremely short period within the vertical blanking period, but it is difficult to increase the speed with four-phase drive, and the power consumption is also large. Therefore, to sweep out this leakage signal charge, single-phase drive is used, which can easily increase the speed and consume less power. Single-phase drive has lower transfer efficiency than other drive methods, but as mentioned above, by selecting the substrate surface potential to generate an electric field in the charge transfer direction and driving with high-speed clock pulses,
Leakage signal charges are effectively swept away. Furthermore, by increasing the number of single-phase clock pulses to the vertical CCD transfer stage or more, signal charges can be swept out more effectively. As a result, vertical smear can be effectively reduced without reducing the dynamic range of the vertical CCD, and with a simple circuit configuration and low power consumption single-phase drive. An embodiment of the present invention will be described below. FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view of a vertical CCD in an IT-CCD image sensor according to an embodiment of the present invention. The overall configuration of the image sensor is the same as that shown in FIG. In the sectional view of FIG. 5, parts corresponding to those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals as in FIG. 2, and detailed explanation thereof will be omitted. The difference from FIG. 2 is that the second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 ,...
This is because N ++ layers 17 1 , 17 2 , etc. having a slightly higher impurity concentration than the N + layer 12 are formed on the surface of the N + layer 12 below the N + layer 12 . Figure 6 shows the first layer poly-Si electrode 14.
1 , 14 2 , ... and second layer poly-Si electrode 15 1 , 1
5 2 , . . . shows the dependence of the minimum potential V n on the applied voltage V G in the lower N + layer 12. The solid line is N ++ layer 17 1 ,
17 2 ,... second layer poly-Si electrode 15 1 , 1
5 2 , . . . The dotted lines indicate the positions of the first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 2 , . . . Here, the first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 2 ,... and the second layer poly-Si electrodes 15
For example, V n at 1 , 15 2 , ... is for each V G
Make sure to create a slight difference of about 0.5V. Moreover, the first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 2 ,...
Switches 18 1 , 18 2 , . . . are provided to short-circuit two adjacent second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 , . In such a configuration, the vertical CCD is
Phase drive. At this time, N ++ layers 17 1 , 17
Since the impurity concentration of the N + layers 17 1 , 17 2 , . . . is only slightly higher than that of the N + layers 12, the dynamic range hardly changes compared to the case where the N ++ layers 17 1 , 17 2 , . And high-speed reading of the invalid period to reduce vertical smear is performed by switch 18.
1 , 18 2 ,... are closed and φ 1 and φ 2 electrodes and φ
3 and φ4 electrodes are connected to each other and single-phase drive is performed. FIG. 7 is for explaining this high-speed reading. Here, the driving pulse voltage waveforms applied to the φ1 electrode and the φ3 electrode are shown. During the effective period, four-phase clock pulses are applied independently to the φ 1 , φ 2 , φ 3 , and φ 4 electrodes. Next, before transferring signal charges from the photosensitive section 1ij to the vertical CCD 2i during the invalid period, the φ1 and φ2 electrodes and the φ3 and φ4 electrodes are connected and driven in single phase to perform high-speed reading. During the invalid period, the same high-speed pulse is applied to the φ1 and φ2 electrodes, and the same DC voltage is similarly applied to the φ3 and φ4 electrodes.
The figure shows the driving pulse voltage waveforms applied to the φ1 and φ3 electrodes. Normally, in order to perform single-phase driving, the difference in Vm between the first layer poly-Si electrode and the second layer poly-Si electrode shown in FIG. 6 needs to be about 3 to 4 V. However, if four-phase driving is performed with such a difference in Vm, the dynamic range of the vertical CCD will be reduced. In the present invention, leakage charges can be sufficiently removed even if the single-phase clock pulse voltage value for high-speed reading is made small. Further, the effect remains the same even if the clock pulse voltage waveform is not a rectangular wave but a sine wave. This means that the voltage waveform can be highly distorted, allowing the circuit for vertical smear mitigation to consume less power and be simpler. In single-phase driving performed using only a minute difference in Vm as shown in FIG. 6, the maximum amount of signal charge that can be reliably transferred is small, as is usually said. However, the reason why vertical smear can be significantly reduced is that this high-speed readout does not require that the leakage charges from each stage of the vertical CCD2i be read out without mixing at each stage;
This is because the leakage charge remaining in the CCD 2i is required to be removed in the vertical invalid period regardless of the transfer efficiency. Therefore, even if the amount of charge that can be handled is small, vertical smear can be significantly reduced by generating some kind of electric field in the direction in which charge is desired to be transferred. From the above explanation, for this high-speed readout, the number of single-phase clock pulses to be applied is
Vertical smear can be more reliably reduced by increasing the number of stages to more than . This vertical smear is reduced the faster the high speed readout is performed. For example, since this high-speed readout must be performed within the invalid period (approximately 10% of one field period), if it is performed at 250 kHz, the one-stage transfer time will be 4 μsec, compared to the 4-phase clock pulse period of 60 μsec applied during the valid period. vertical smear is reduced to 1/15. Therefore, if this high-speed readout is performed at 1 MHz, for example, the reduction will be reduced to 1/60. The single-phase drive type is extremely advantageous compared to other drive types in terms of such speed increases. If the speed can be increased easily in this way, high-speed reading for vertical smear reduction will be possible not only once but multiple times during the invalid period. If multiple high-speed readouts are possible in this way, vertical smear can be more reliably reduced, and the single-phase clock pulse voltage amplitude value for high-speed readout shown in Figure 7 can be further reduced, resulting in lower power consumption. can be achieved. As described above, in the solid-state imaging device of the present invention, vertical smear can be significantly reduced by reducing power consumption and using a simple circuit without reducing the dynamic range for signal charges in the vertical CCD. In the above embodiment, the Vm below the first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 2 , . . . is larger than the Vm below the second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 , . It may be. for that purpose,
Second layer poly-Si electrode 15 1 , 15 2 ,... N + below
An N - layer having a lower donor impurity concentration than layer 12 may be provided. In this case, for single-phase drive, the fifth
In the figure, it is sufficient to connect φ 2 and φ 3 and φ 4 and φ 1 , thereby achieving the same reduction in vertical smear as in the above embodiment. In addition, as a means of creating a difference in Vm, the film thickness of the first insulating film 13 is changed between the thickness of the first insulating film 13 under the first layer poly-Si electrodes 14 1 , 14 2 , ... and the layer under the second layer poly-Si electrodes 15 1 , 15 2 , etc. It is also possible to make them different under...
Furthermore, the description of the above embodiment is based on the photosensitive section 1ij in FIG.
OFD 4, OFD control electrode 5i, and photosensitive section 1ij
Although there is no mention of the area necessary for moving from the CCD 2i to the vertical CCD 2i, any area that can perform basic imaging operations may be used. For example, although the case where poly-Si is used as the electrode of the vertical CCD 2i has been described, it goes without saying that other conductive electrode materials may be used. Furthermore, the photosensitive section may be formed not only by a photodiode provided on the same substrate as the semiconductor substrate, but also by a photoconductive film formed electrically connected to the photodiode. Even in a solid-state imaging device using a photoconductive film, when a light spot of extremely high light intensity is incident, signal charge leakage to the vertical CCD as described above occurs, and the present invention is effective in reducing this leakage. In FIG. 7, the amplitude of the single-phase clock pulse applied during the invalid period is made to be smaller than the amplitude of the four-phase clock pulse applied during the valid period, but it goes without saying that they may be the same.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はインターライン転送方式CCDイメー
ジセンサの概略構成図、第2図は従来の垂直
CCDの断面構造説明図、第3図および第4図は
それぞれ代表的な4相と単相駆動のためのクロツ
クパルス電圧波形図、第5図は本発明の実施例を
説明するための垂直CCDの断面構造説明図、第
6図はその第1層目及び第2層目ポリSi電極下の
最小電位Vnの印加電圧VG依存性を示す図、第7
図は同じくその垂直CCDの転送電極に印加する
クロツクパルス電圧波形を示す図、第8図は各駆
動方式での信号電荷蓄積の様子を比較して示す
図、第9図は2相駆動の場合の電荷転送の様子を
示す図である。 1ij……感光部、2i……垂直CCD、3……水
平CCD、4……オーバーフロードレイン、5i
……オーバーフロードレイン制御電極、6……出
力部、11……P型半導体基板、12……N+
層、13,16……絶縁膜、14,14……
第1層目ポリSi電極、15,15……第2層
目ポリSi電極、17,17……N++層、18
,18……スイツチ。
Figure 1 is a schematic configuration diagram of an interline transfer type CCD image sensor, and Figure 2 is a conventional vertical type CCD image sensor.
3 and 4 are typical clock pulse voltage waveform diagrams for four-phase and single-phase driving, respectively. A cross-sectional structure explanatory diagram, FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the minimum potential V n under the first and second layer poly-Si electrodes on the applied voltage V G , and FIG.
The figure also shows the clock pulse voltage waveform applied to the transfer electrode of the vertical CCD, Figure 8 shows a comparison of signal charge accumulation in each drive method, and Figure 9 shows the case of two-phase drive. FIG. 3 is a diagram showing the state of charge transfer. 1ij...Photosensitive section, 2i...Vertical CCD, 3...Horizontal CCD, 4...Overflow drain, 5i
... Overflow drain control electrode, 6 ... Output section, 11 ... P-type semiconductor substrate, 12 ... N +
Layer, 13, 16...Insulating film, 14 1 , 14 2 ...
1st layer poly-Si electrode, 15 1 , 15 2 ... 2nd layer poly-Si electrode, 17 1 , 17 2 ... N ++ layer, 18
1,18 2 ...Switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 半導体基板上に、光電変換して発生した信号
電荷を蓄積するマトリクス配列された感光部と、
これら感光部の信号電荷をその配列に沿つて一方
向に転送して読出す電荷転送部とが集積形成さ
れ、前記電荷転送部は前記半導体基板上に絶縁膜
を介して連続的に形成された第1〜第4の電極に
より1セルを構成するものとした固体撮像装置に
おいて、前記電荷転送部は、4電極に同一電圧を
印加したときに第1および第3の電極下の基板表
面電位と第2および第4の電極下の基板表面電位
との間に電荷転送方向を規定する電位段差が形成
され、かつ前記感光部に蓄積した信号電荷を読み
出す期間には第1〜第4の電極に位相が順次π/
2ずつずれたクロツクパルスを印加して少なくと
も連続する2電極分の下にウエルが形成された状
態で電荷転送がなされる4相駆動を行ない、前記
感光部から電荷転送部に信号電荷を移動させる前
期間に第1〜第4の4電極のうち連続した2電極
を短絡して前記4相駆動の場合より高周波のクロ
ツクパルスを用いた単相駆動を行なうようにした
ことを特徴とする固体撮像装置。
1. A photosensitive section arranged in a matrix on a semiconductor substrate to accumulate signal charges generated by photoelectric conversion;
A charge transfer section that transfers and reads signal charges from these photosensitive sections in one direction along the arrangement thereof is formed in an integrated manner, and the charge transfer section is continuously formed on the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween. In a solid-state imaging device in which one cell is constituted by first to fourth electrodes, the charge transfer unit is configured to change the substrate surface potential under the first and third electrodes when the same voltage is applied to the four electrodes. A potential difference that defines the charge transfer direction is formed between the substrate surface potential under the second and fourth electrodes, and during a period when the signal charges accumulated in the photosensitive section are read out, the first to fourth electrodes are The phase is sequentially π/
Before transferring signal charges from the photosensitive section to the charge transfer section by applying clock pulses shifted by 2 and performing four-phase driving in which charge transfer is performed with wells formed under at least two consecutive electrodes. A solid-state imaging device characterized in that two consecutive electrodes of the first to fourth four electrodes are short-circuited during a period to perform single-phase driving using a higher frequency clock pulse than in the case of the four-phase driving.
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