KR101575378B1 - 고체 촬상 장치 및 이를 포함하는 ｘ선 ｃｔ 장치 - Google Patents

고체 촬상 장치 및 이를 포함하는 ｘ선 ｃｔ 장치 Download PDF

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도 높은 해상도의 화상을 얻기 위한 구조를 구비한 고체 촬상 장치 등에 관한 것이다. 당해 고체 촬상 장치(1)는 M행 N열의 매트릭스 형상으로 2차원 배열된 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 갖는 수광부(10)를 구비한다. 수광부(10)의 화소부(Pm,n)는 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 포토다이오드(PD)와, 이 포토다이오드(PD)와 접속된 독출용 스위치(SW1)를 포함한다. 화소부(Pm,n)는 거의 정방형의 영역을 차지하고 있고, 그 영역의 대부분이 포토다이오드(PD)의 영역이다. 그 영역의 한 코너부에 독출용 스위치(SW1)로서의 전계 효과 트랜지스터가 형성되어 있다. 화소부에 의해 낀 영역에는 채널 스토퍼(CS)가 연속하여 형성되어 있다. 서로 인접하는 임의의 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸여진 영역에는 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸인 더미용 포토다이오드(PD1)가 형성되어 있다.

Description

고체 촬상 장치 및 이를 포함하는 Ｘ선 ＣＴ 장치{SOLID-STATE IMAGER AND X-RAY CT APPARATUS INCLUDING SAME}
본 발명은 2차원적으로 배치된 복수의 수광부를 구비한 고체 촬상 장치, 및 이를 포함하는 X선 CT 장치에 관한 것이다.
고체 촬상 장치로서 CMOS 기술을 이용한 것이 알려져 있고, 그 중에서도 패시브 픽셀 센서(PPS: Passive Pixel Sensor) 방식의 고체 촬상 장치가 알려져 있다(특허 문헌 1을 참조). PPS 방식의 고체 촬상 장치는 입사광 강도에 따른 양(量)의 전하를 발생하는 포토다이오드를 포함하는 PPS형의 화소부가 M행 N열로 2차원 배열된 구조를 갖는다. 각 화소부에서는 광입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하가 적분 회로의 용량 소자에 축적되고, 그 축적 전하량에 따른 전압값이 출력된다.
일반적으로, 각 열에 속하는 M개의 화소부 각각의 출력단은 그 열에 대응하여 마련되어 있는 독출용 배선을 통하여, 그 열에 대응하여 마련되어 있는 적분 회로의 입력단과 접속되어 있다. 그리고 제1행으로부터 제M행까지 순서대로, 화소부의 포토다이오드에서 발생한 전하는 대응하는 독출용 배선을 거쳐 대응하는 적분 회로에 입력되고, 그 적분 회로로부터 전하량에 따른 전압값이 출력된다.
또, 각 행에 속하는 N개의 화소부 각각은 그 행에 대응하여 마련되어 있는 행 선택용 배선을 통하여 제어부와 접속되어 있다. 이 제어부로부터 행 선택용 배선을 통하여 전해지는 행 선택 제어 신호에 따라서, 각 화소부는 포토다이오드에서 발생한 전하를 독출용 배선에 출력한다.
PPS 방식의 고체 촬상 장치는 여러 가지 용도로 이용된다. 예를 들어, PPS 방식의 고체 촬상 장치는 신틸레이터 패널과 조합되어 X선 플랫 패널로서 의료 용도나 공업 용도로도 이용된다. 또한 PPS 방식의 고체 촬상 장치는 구체적으로 X선 CT 장치나 마이크로포커스 X선 검사 장치 등에 있어서도 이용된다. 이와 같은 용도로 이용되는 고체 촬상 장치는 M×N개의 화소부가 2차원 배치된 대면적의 수광부를 구비하고, 이 수광부는 각 변의 길이가 10cm를 넘는 크기의 반도체 기판에 집적화되는 경우가 있다. 따라서, 1매의 반도체 웨이퍼로부터 1개의 고체 촬상 장치밖에 제조될 수 없는 경우가 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2006－234557호 공보
특허 문헌 2: 일본 특개 2001-027673호 공보
발명자들은 종래의 고체 촬상 장치에 대해 검토한 결과, 이하와 같은 과제를 발견하였다. 즉, 종래의 고체 촬상 장치에 있어서, 어느 열에 대응하는 독출용 배선이 제조 도중에 단선된 경우, 그 열에 속하는 N개의 화소부 중, 적분 회로에 대해 단선 위치로부터 가까운 곳에 위치하는 화소부는 독출용 배선에 의해 적분 회로와 접속되어 있으나, 적분 회로에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부는 적분 회로와 접속되어 있지 않다.
즉, 종래의 고체 촬상 장치에서는 적분 회로에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부에 있어서 광입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하는 적분 회로로 독출되는 일이 없으며, 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다.
동양(同樣)으로, 어느 행에 대응하는 행 선택용 배선이 제조 도중에 단선된 경우, 그 행에 속하는 N개의 화소부 중, 행 선택부에 대해 단선 위치로부터 가까운 곳에 위치하는 화소부는 행 선택용 배선을 통해 행 선택부와 접속되어 있으나, 행 선택부에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부는 행 선택부와 접속되어 있지 않다. 이 때, 행 선택부에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부에 있어서 광 입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하는 적분 회로에 독출되는 일 없이, 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다. 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되는 전하의 양이 포화 레벨을 넘으면, 포화 레벨을 넘은 만큼의 전하가 이웃의 화소부로 오버플로우(overflow)된다.
따라서, 종래의 고체 촬상 장치에서는 1개의 독출용 배선이 단선되면, 그 영향은 그 독출용 배선과 접속된 열의 화소부에 미칠 뿐만 아니라, 양 이웃의 열의 화소부에도 미쳐, 결국, 연속한 3열의 화소부에 대해 결함 라인이 생기게 된다. 동양으로, 1개의 행 선택용 배선이 단선되면, 그 영향은 그 행 선택용 배선과 접속된 행의 화소부에 미칠 뿐만 아니라, 양 이웃의 행의 화소부에도 미쳐, 결국, 연속한 3행의 화소부에 대해 결함 라인이 생기게 된다.
한편, 결함 라인이 연속되지 않고, 1개의 결함 라인의 양 이웃이 정상 라인이면, 이들 양 이웃의 정상 라인의 각 화소 데이터를 이용하여 결함 라인의 화소 데이터를 보간하는 것도 가능하다. 그러나 연속한 3행 또는 3열의 화소부에 대해 결함 라인이 생긴 경우에는, 상기와 같은 보간을 하는 것이 곤란하다. 특히, 상술한 바와 같은 대면적의 수광부를 가지는 고체 촬상 장치는 독출용 배선 및 행 선택용 배선이 길기 때문에 단선이 생길 확률이 높아진다.
상기 특허 문헌 1에는 이와 같은 문제점을 해소하는 것을 의도한 발명이 제안되어 있다. 즉, 상기 특허 문헌 1에서 제안된 기술에서는 결함 라인의 이웃에 있는 인접 라인의 전체 화소 데이터의 평균값을 구함과 아울러, 더욱 이웃에 있는 정상적인 수(數) 라인분의 전체 화소 데이터의 평균값도 구하고, 이들 2개의 평균값의 차가 일정값 이상이면 인접 라인도 결함이라고 판정하고, 이 인접 라인의 화소 데이터를 보정하고, 또한 이 인접 라인의 화소 데이터의 보정 후의 값에 기초하여 결함 라인의 화소 데이터를 보정한다.
상기 특허 문헌 1에서 제안된 기술에서, 결함이라고 판정된 인접 라인의 화소 데이터의 보정시에는 이 인접 라인에 대해 양측의 가장 가까운 정상 라인 상의 2개의 화소 데이터의 평균값을 구하고, 그 평균값을 이 인접 라인의 화소 데이터로 한다. 또, 결함 라인의 화소 데이터의 보정시에는 이 결함 라인에 대해 양측의 인접 라인 상의 2개의 화소 데이터의 평균값을 구하고, 그 평균값을 이 결함 라인의 화소 데이터로 한다.
그러나 상기 특허 문헌 1에서 제안된 기술에서는 결함 라인(및 결함 라인의 근방에 있는 결함이라고 판정된 라인)의 화소 데이터를 보정하기 위해, 2개의 화소 데이터의 평균을 구하는 처리를 복수 회 반복하게 되므로, 보정 후의 화상에 있어서 결함 라인 근방에서는 해상도가 낮아진다.
또, 상기 특허 문헌 2에도, 상술한 종래의 고체 촬상 장치가 안고 있는 불편을 해소하는 것을 의도한 기술이 제안되고 있다. 이 종래 기술에서는 결함 라인 상의 화소부에서 포화한 전하가 이웃의 정상 라인 상의 화소부로 유입되는 것을 방지하기 위해, 화소부 사이의 영역에 더미용 포토다이오드가 형성되어 있고, 결함 라인 상의 화소부에서 포화한 전하를 더미용 포토다이오드로 포착하여 배출한다. 그러나 특허 문헌 2에 기재된 발명에서는 정상 라인 상의 화소부로의 전하 유입을 충분히 억제하지 못하고, 결국, 얻어진 화상에 있어서 결함 라인 근방에서는 해상도가 낮아진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것이고, 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도, 높은 해상도의 화상을 얻는 것을 가능하게 하기 위한 구조를 구비한 고체 촬상 장치 및 이를 포함하는 이를 포함하는 X선 CT 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 고체 촬상 장치는, M(2 이상의 정수)행 N행(2 이상의 정수)열의 매트릭스를 구성하도록 2차원 배열된 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 가지는 수광부를 구비한다. 또한, 화소부(P1,1~PM,N)의 각각은 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 포토다이오드와, 이 포토다이오드에 접속된 독출용 스위치를 포함하고 있다.
특히 본 발명에 관한 고체 촬상 장치에 있어서, 수광부에 있어서 화소부(Pm,n)(m은 1 이상 M 이하의 정수, n은 1 이상 N 이하의 정수)에 포함되는 포토다이오드는 제1 도전형의 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 반도체 영역에 의해 구성되어 있다. 또, 수광부는 화소부(P1,1~PM,N) 각각에 끼워진 영역에 마련된 채널 스토퍼(channel stopper)를 가진다. 이 채널 스토퍼는 제1 반도체 영역보다 불순물 농도가 높은 제1 도전형의 제3 반도체 영역으로 이루어진다. 추가로, 수광부는 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역(구체적으로는 임의의 화소부의 코너(corner) 부분)에, 채널 스토퍼에 의해 둘러싸여진 상태로 마련된 제1 더미용 포토다이오드를 구비한다. 이 제1 더미용 포토다이오드는 공통의 제1 반도체 영역과, 이 제 1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제4 반도체 영역에 의해 구성되어 있다. 또한, 제1 도전형 및 제2 도전형 중 한 쪽은 P형이며 다른 쪽은 N형이다.
본 발명에 관한 고체 촬상 장치에 있어서, 수광부는 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에, 채널 스토퍼에 의해 둘러싸여진 상태로 마련된 제2 더미용 포토다이오드를 추가로 포함해도 된다. 이 경우, 제2 더미용 포토다이오드는 공통의 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제5 반도체 영역에 의해 구성된다.
상술한 바와 같이, 종래의 고체 촬상 장치에서는 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선됨으로써 결함 라인이 생기는 경우, 그 결함 라인 상의 화소부에서는 광 입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하가 독출되는 일 없이, 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다. 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되는 전하의 양이 포화 레벨을 넘으면, 포화 레벨을 넘은 만큼의 전하가 당해 화소부의 밖으로 오버플로우된다. 그렇지만 본 발명에 관한 고체 촬상 장치에서는 수광부 내에, 화소부 사이의 영역(각 화소부의 코너 주변이나 2개의 화소부에 끼워진 영역)에 있어서 채널 스토퍼에 의해 둘러싸인 상태로 더미용 포토다이오드가 마련되어 있다. 이로 인해, 결함 라인 상의 화소부로부터 오버플로우된 전하는 이 더미용 포토다이오드에 의해 포착되어 배출된다. 그 결과, 결함 라인 상의 화소부(전하가 누출된 화소부)에 인접하는 다른 화소부로 전하가 유입되는 것이 억제되어, S/N 비의 저하가 억제된다. 따라서, 본 발명에 관한 고체 촬상 장치는 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
일반적으로 각 화소부는 거의 정방형의 영역을 차지하고 있다. 그 거의 정방형 영역의 대부분이 포토다이오드의 영역이며, 또 그 거의 정방형 영역의 한 코너부에 독출용 스위치로서의 전계 효과 트랜지스터가 형성되어 있다. 포토다이오드의 거의 정방형 영역의 코너부에서는 전계 강도가 높기 때문에, 전하가 오버플로우되기 쉽다. 또, 이 독출용 스위치가 마련되어 있는 영역 부근에서는 불요(不要) 전하가 발생하기 쉽다. 여기서, 본 발명에서는 적어도, M×N개의 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2×2개 화소부에 의해 둘러싸인 영역(임의의 화소부 각각이 공통되는 코너 부분)에 있어서 더미용 포토다이오드가 형성됨으로써, 포토다이오드의 거의 정방형 영역의 코너부에서 발생한 전하는 더미용 포토다이오드에 의해 효율적으로 배출될 수 있다.
본 발명에 관한 X선 CT 장치는 X선 출력부와, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 고체 촬상 장치(본 발명에 관한 고체 촬상 장치)와, 이동 수단과, 화상 해석부를 구비한다. X선 출력부는 피사체를 향하여 X선을 출력한다. 당해 고체 촬상 장치는 X선 출력부로부터 피사체를 거쳐 도달한 X선을 수광하여 촬상한다. 이동 수단은 X선 출력부 및 고체 촬상 장치를 피사체에 대해 상대 이동시킨다. 화상 해석부는 고체 촬상 장치로부터 출력되는 프레임 데이터를 입력하고, 그 프레임 데이터에 기초하여 피사체의 단층 화상을 생성한다.
또한, 본 발명에 관한 각 실시예는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 이해 더욱 충분히 이해 가능하게 된다. 이들 실시예는 단순히 예시를 위해 도시된 것으로서, 본 발명을 한정하는 것으로 생각해야 하는 것은 아니다.
또, 본 발명의 추가적인 적용 범위는 이하의 상셍한 설명으로부터 알 수 있다. 그러나 상세한 설명 및 특정 사례는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것이지만, 예시를 위해서만 나타난 것으로서, 본 발명의 범위에 있어서 다양한 변형 및 개량은 본 상세한 설명으로부터 당업자에게 자명함은 분명하다.
본 발명에 관한 고체 촬상 장치 등에 의하면, 어느 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제1 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타난 고체 촬상 장치(1)에 포함되는 화소부(Pm,n), 적분 회로(Sn) 및 홀딩 회로(Hn) 각각의 회로도이다.
도 3은 도 1에 나타난 고체 촬상 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 4는 도 1에 나타난 고체 촬상 장치에 있어서 수광부의 구성예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 1에 나타난 고체 촬상 장치에 있어서 수광부의 다른 구성예를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5에 나타난 A-A 선을 따른 화소부 사이에 위치하는 영역의 단면도이다.
도 7은 도 5에 나타난 B-B 선을 따른 화소부 사이에 위치하는 영역의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 관한 X선 CT 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 관한 고체 촬상 장치 및 이를 포함하는 X선 CT 장치의 각 실시예를, 도 1 ~ 8을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일 부위, 동일 요소에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제1 실시예의 구성을 나타내는 도면이다. 이 제1 실시예에 관한 고체 촬상 장치(1)는 수광부(10), 신호 독출부(20) 및 제어부(30)를 구비한다. 또, X선 플랫 패널로서 이용되는 경우, 고체 촬상 장치(1)의 수광면(10)의 상에 신틸레이터 패널이 겹쳐진다.
수광부(10)는 M행 N열의 매트릭스 형상으로 2차원 배열된 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 갖는다. 이 수광부(10)에 있어서, 화소부(Pm,n)는 제m행 제n열에 위치하는 화소부를 의미한다. 여기서, M, N 각각은 2 이상의 정수이고, m은 1 이상 M 이하의 정수이고, n은 1 이상 N 이하의 정수이다. 수광부(10)에 있어서, 화소부(Pm,n)는 PPS 방식의 화소부로서, 공통의 구성을 가지고 있다.
제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각은 제m행 선택용 배선(LV,m)을 통하여 제어부(30)에 접속되어 있다. 제n열에 속하는 M개의 화소부(P1,n~PM,n) 각각의 출력단은 제n열 독출용 배선(LO,n)을 통하여, 신호 독출부(20)에 포함되는 적분 회로(Sn)와 접속되어 있다.
신호 독출부(20)는 N개의 적분 회로(S1~SN) 및 N개의 홀딩 회로(H1~HN)를 포함한다. 각 적분 회로(Sn)는 공통의 구성을 가지고 있다. 또, 각 홀딩 회로(Hn)는 공통의 구성을 가지고 있다.
각 적분 회로(Sn)는 독출용 배선(LO,n)과 접속된 입력단을 깆는다. 각 적분 회로(Sn)는 이 입력단을 통해 입력된 전하를 축적하고, 이 축적 전하량에 따른 전압값을 출력단으로부터 홀딩 회로(Hn)에 출력한다. N개의 적분 회로(S1~SN) 각각은 방전 제어용 배선(LR)에 의해 제어부(30)에 접속되어 있다.
각 홀딩 회로(Hn)는 적분 회로(Sn)의 출력단에 접속된 입력단을 갖는다. 각 홀딩 회로(Hn)는 이 입력단을 통해 입력되는 전압값을 홀딩하고, 이 홀딩한 전압값을 출력단으로부터 출력용 배선(Lout)에 출력한다. N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각은 홀딩 제어용 배선(LH)을 통해 제어부(30)에 접속되어 있다. 또, 각 홀딩 회로(Hn)는 제n열 선택용 배선(LH,n)을 통하여 제어부(30)에 접속되어 있다.
제어부(30)는 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))를 제m행 선택용 배선(LV,m)에 출력하여, 이 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))를 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각에 준다. M개의 행 선택 제어 신호(Vsel(1) ~ Vsel(M))는 순차 유의값(有意値)이 된다. 제어부(30)는 M개의 행 선택 제어 신호(Vsel(1) ~ Vsel(M))를 순차 유의값으로서 출력하기 위해 시프트 레지스터를 포함한다.
제어부(30)는 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n))를 제n열 선택용 배선(LH,n)에 출력하여, 이 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n))를 홀딩 회로(Hn)에 준다. N개의 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N))도 순차 유의값이 된다. 제어부(30)는 N개의 열선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N))를 순차 유의값으로서 출력하기 위해 시프트 레지스터를 포함한다.
또, 제어부(30)는 방전 제어 신호(Reset)를 방전 제어용 배선(LR)에 출력하여, 이 방전 제어 신호(Reset)를 N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 준다. 제어부(30)는 홀딩 제어 신호(Hold)를 홀딩 제어용 배선(LH)에 출력하여, 이 홀딩 제어 신호(Hold)를 N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 준다.
제어부(30)는 이상과 같이, 수광부(10)에 있어서 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)의 개폐 동작을 제어함과 아울러, 신호 독출부(20)에 있어서 전압값의 홀딩 동작 및 출력 동작을 제어한다. 이로 인해, 제어부(30)는 수광부(10)에 있어서 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N) 각각에 포함되는 포토다이오드(PD)에서 발생한 전하의 양에 따른 전압값을 프레임 데이터로서 신호 독출부(20)로부터 반복해서 출력시킨다.
도 2는 도 1에 나타난 고체 촬상 장치에 포함되는 화소부(Pm,n), 적분 회로(Sn) 및 홀딩 회로(Hn) 각각의 회로도이다. 여기서는 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 대표하여 화소부(Pm,n)의 회로도, N개의 적분 회로(S1~SN)를 대표하여 적분 회로(Sn)의 회로도, 또 N개의 홀딩 회로(H1~HN)를 대표하여 홀딩 회로(Hn)의 회로도를 나타낸다. 즉, 도 2에는 제m행 제n열의 화소부(Pm,n) 및 제n열 독출용 배선(LO,n)에 관련되는 회로 부분이 나타나 있다.
화소부(Pm,n)는 포토다이오드(PD) 및 독출용 스위치(SW1)를 포함한다. 포토다이오드(PD)의 애노드 단자는 접지되고, 포토다이오드(PD)의 캐소드 단자는 독출용 스위치(SW1)를 통하여 제n열 독출용 배선(LO,n)과 접속되어 있다. 포토다이오드(PD)는 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하고, 그 발생한 전하를 접합 용량부에 축적한다. 독출용 스위치(SW1)에는 제어부(30)로부터 제m행 선택용 배선(LV,m)을 거쳐 제m행 선택 제어 신호가 주어진다. 제m행 선택 제어 신호는 수광부(10)에 있어서 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)의 개폐 동작을 지시하는 전기 신호이다.
이 화소부(Pm,n)에서는 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))가 로 레벨일 때, 독출용 스위치(SW1)가 열린다. 이 때, 포토다이오드(PD)에서 발생한 전하는 제n열 독출용 배선(LO,n)에 출력되는 일 없이, 접합 용량부에 축적된다. 한편, 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))가 하이 레벨일 때에, 독출용 스위치(SW1)가 닫힌다. 이 경우, 그때까지 포토다이오드(PD)에서 발생하여 접합 용량부에 축적되어 있던 전하는 독출용 스위치(SW1)를 거쳐 제n열 독출용 배선(LO,n)에 출력된다.
제n열 독출용 배선(LO,n)은 수광부(10)에 있어서 제n열에 속하는 M개의 화소부(P1,n~PM,n) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)와 접속되어 있다. 제n열 독출용 배선(LO,n)은 M개의 화소부(P1,n~PM,n) 중 어느 화소부에 포함되는 포토다이오드(PD)에서 발생한 전하를, 이 화소부에 포함되는 독출용 스위치(SW1)를 통하여 독출하고, 적분 회로(Sn)에 전송한다.
적분 회로(Sn)는 앰프(A2), 적분용 용량 소자(C2) 및 방전용 스위치(SW2)를 포함한다. 적분용 용량 소자(C2) 및 방전용 스위치(SW2)는 서로 병렬적으로 접속되어 있다. 앰프(A2)의 입력 단자와 출력 단자 사이에 마련되어 있다. 앰프(A2)의 입력 단자는 제n열 독출용 배선(LO,n)에 접속되어 있다. 방전용 스위치(SW2)는 제어부(30)로부터 방전용 배선(LR)을 거친 방전 제어 신호(Reset)가 주어진다. 방전 제어 신호(Reset)는 N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 포함되는 방전용 스위치(SW2)의 개폐 동작을 지시하는 전기 신호이다.
이 적분 회로(Sn)에서는 방전 제어 신호(Reset)가 하이 레벨일 때, 방전용 스위치(SW2)가 닫힌다. 이로 인해, 적분용 용량 소자(C2)가 방전되어, 적분 회로(Sn)로부터 출력되는 전압값이 초기화된다. 방전 제어 신호(Reset)가 로 레벨일 때, 방전용 스위치(SW2)가 열린다. 그래서, 입력단에 입력된 전하가 적분용 용량 소자(C2)에 축적되고, 그 축적 전하량에 따른 전압값이 적분 회로(Sn)로부터 출력된다.
홀딩 회로(Hn)는 입력용 스위치(SW31), 출력용 스위치(SW32) 및 홀딩용 용량 소자(C3)를 포함한다. 홀딩용 용량 소자(C3)의 일단은 접지되어 있다. 홀딩용 용량 소자(C3)의 타단은 입력용 스위치(SW31)를 통하여 적분 회로(Sn)의 출력단에 접속되고, 출력용 스위치(SW32)를 통하여 전압 출력용 배선(Lout)에 접속되어 있다. 입력용 스위치(SW31)는 제어부(30)로부터 홀딩 제어용 배선(LH)을 거친 홀딩 제어 신호(Hold)가 주어진다. 홀딩 제어 신호(Hold)는 N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 입력용 스위치(SW31)의 개폐 동작을 지시하는 전기 신호이다. 출력용 스위치(SW32)는 제어부(30)로부터 제n열 선택용 배선(LH,n)을 거친 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n))가 주어진다. 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n))는 홀딩 회로(Hn)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 전기 신호이다.
이 홀딩 회로(Hn)에서는 홀딩 제어 신호(Hold)가 하이 레벨로부터 로 레벨로 바뀌면, 입력용 스위치(SW31)가 닫힘 상태로부터 열림 상태로 바뀌고, 그 때, 입력단에 입력되어 있는 전압값이 홀딩용 용량 소자(C3)에 홀딩된다. 또, 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n))가 하이 레벨일 때에, 출력용 스위치(SW32)가 닫힌다. 그래서, 홀딩용 용량 소자(C3)에 홀딩되어 있는 전압값이 전압 출력용 배선(Lout)에 출력된다.
제어부(30)는 수광부(10)에 있어서 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각의 수광 강도에 따른 전압값을 출력할 때, 방전 제어 신호(Reset)에 의해, N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 포함되는 방전용 스위치(SW2)를 일단 닫은 후에 열도록 지시한다. 그 후, 제어부(30)는 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))에 의해, 수광부(10)에 있어서 제m행의 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)를 소정 기간에 걸쳐 닫도록 지시한다. 제어부(30)는 그 소정 기간에, 홀딩 제어 신호(Hold)에 의해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 입력용 스위치(SW31)를 닫힘 상태로부터 열림 상태로 바뀌도록 지시한다. 그리고 제어부(30)는 그 소정 기간 이후에, 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N))에 의해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 출력용 스위치(SW32)를 순차로 일정 기간만 닫도록 지시한다. 제어부(30)는 이상과 같은 제어를 각 행에 대해 순차로 행한다.
다음으로, 제1 실시예에 관한 고체 촬상 장치의 일 실시예(도 1)의 동작에 대해 설명한다. 이 제1 실시예에 관한 고체 촬상 장치(1)에서는 제어부(30)에 의한 제어 하에, M개의 행 선택 제어 신호(Vsel(1) ~ Vsel(M)), N개의 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N)), 방전 제어 신호(Reset) 및 홀딩 제어 신호(Hold) 각각이 소정의 타이밍에 레벨 변화하는 것에 의해, 수광면(10)에 입사된 광의 상(像)을 촬상하여 프레임 데이터를 얻을 수 있다.
도 3은 제1 실시예에 관한 고체 촬상 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 이 도 3에 있어서, (a) N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 포함되는 방전용 스위치(SW2)의 개폐 동작을 지시하는 방전 제어 신호(Reset), (b) 수광부(10)에 있어서 제1행에 속하는 N개의 화소부(P1,1~P1,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)의 개폐 동작을 지시하는 제1행 선택 제어 신호(Vsel(1)), (c) 수광부(10)에 있어서 제2행에 속하는 N개의 화소부(P2,1~P2,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)의 개폐 동작을 지시하는 제2행 선택 제어 신호(Vsel(2)), 및 (d) N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 입력용 스위치(SW31)의 개폐 동작을 지시하는 홀딩 제어 신호(Hold)가 나타나 있다.
또, 이 도 3에는 (e) 홀딩 회로(H1)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 제1열 선택 제어 신호(Hsel(1)), (f) 홀딩 회로(H2)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 제2열 선택 제어 신호(Hsel(2)), (g) 홀딩 회로(H3)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 제3열 선택 제어 신호(Hsel(3)), (h) 홀딩 회로(Hn)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 제n열 선택 제어 신호(Hsel(n)), 및 (i) 홀딩 회로(HN)에 포함되는 출력용 스위치(SW32)의 개폐 동작을 지시하는 제N열 선택 제어 신호(Hsel(N))도 나타나 있다.
제1행에 속하는 N개의 화소부(P1,1~P1,N) 각각에 포함되는 포토다이오드(PD)에서 발생하여 접합 용량부에 축적된 전하의 독출은 이하와 같이 하여 행해진다.
즉, 시각 t10 전에는 M개의 행 선택 제어 신호(Vsel(1) ~ Vsel(M)), N개의 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N)), 방전 제어 신호(Reset) 및 홀딩 제어 신호(Hold) 각각은 로 레벨로 되어 있다. 시각 t10으로부터 시각 t11까지의 기간, 제어부(30)로부터 방전용 배선(LR)에 출력되는 방전 제어 신호(Reset)가 하이 레벨로 되고, 이로 인해 N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 있어서 방전용 스위치(SW2)가 닫힌다. 이 때, 적분용 용량 소자(C2)가 방전된다. 또, 시각 t11보다 후의 시각 t12로부터 시각 t15까지의 기간, 제어부(30)로부터 제1행 선택용 배선(LV,1)에 출력되는 제1행 선택 제어 신호(Vsel(1))가 하이 레벨로 되고, 이로 인해 수광부(10)에 있어서 제1행에 속하는 N개의 화소부(P1,1~P1,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)가 닫힌다.
기간(t12~t15) 내에 있어서, 시각 t13으로부터 시각 t14까지의 기간, 제어부(30)로부터 홀딩 제어용 배선(LH)에 출력되는 홀딩 제어 신호(Hold)가 하이 레벨로 되고, 이로 인해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 있어서 입력용 스위치(SW31)가 닫힌다.
기간(t12~t15) 내에서는 제1행에 속하는 각 화소부(P1,n)에 포함되는 독출용 스위치(SW1)가 닫혀 있고, 각 적분 회로(Sn)의 방전용 스위치(SW2)가 열려 있다. 그 때문에, 그때까지 각 화소부(P1,n)의 포토다이오드(PD)에서 발생하여 접합 용량부에 축적되어 있던 전하는 그 화소부(P1,n)의 독출용 스위치(SW1) 및 제n열 독출용 배선(LO,n)을 거쳐, 적분 회로(Sn)의 적분용 용량 소자(C2)에 전송된다(축적된다). 그리고 각 적분 회로(Sn)의 적분용 용량 소자(C2)에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압값이 적분 회로(Sn)의 출력단으로부터 출력된다.
기간(t12~t15) 내의 시각 t14에, 홀딩 제어 신호(Hold)가 하이 레벨로부터 로 레벨로 바뀌면, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 있어서, 입력용 스위치(SW31)가 닫힘 상태로부터 열림 상태로 바뀐다. 그 때, 적분 회로(Sn)의 출력단으로부터 출력되어 홀딩 회로(Hn)의 입력단에 입력되어 있는 전압값이 홀딩용 용량 소자(C3)에 홀딩된다.
그리고 기간(t12~t15)의 후에, 제어부(30)로부터 열 선택용 배선(LH,1~LH,N)에 출력되는 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N))가 순차로 일정 기간만 하이 레벨로 된다. 이로 인해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 출력용 스위치(SW32)가 순차로 일정 기간만 닫힌다. 이 때, 각 홀딩 회로(Hn)의 홀딩용 용량 소자(C3)에 홀딩되고 있는 전압값은 출력용 스위치(SW32)를 거쳐 전압 출력용 배선(Lout)에 순차로 출력된다. 이 전압 출력용 배선(Lout)에 출력되는 전압값(Vout)은 제1행에 속하는 N개의 화소부(P1,1~P1,N) 각각에 포함되는 포토다이오드(PD)에 있어서 수광 강도를 나타내고 있다.
계속해서, 제2행에 속하는 N개의 화소부(P2,1~P2,N) 각각에 포함되는 포토다이오드(PD)에서 발생하여 접합 용량부에 축적된 전하의 독출이 이하와 같이 하여 행해진다.
시각 t20으로부터 시각 t21까지의 기간, 제어부(30)로부터 방전 제어용 배선(LR)에 출력되는 방전 제어 신호(Reset)가 하이 레벨로 된다. 이로 인해, N개의 적분 회로(S1~SN) 각각에 있어서, 방전용 스위치(SW2)가 닫힌다. 그 결과, 적분용 용량 소자(C2)가 방전된다. 또, 시각 t21보다 후의 시각 t22로부터 시각 t25까지의 기간, 제어부(30)로부터 제2행 선택용 배선(LV,2)에 출력되는 제2행 선택 제어 신호(Vsel(2))가 하이 레벨로 된다. 이로 인해, 수광부(10)에 있어서 제2행에 속하는 N개의 화소부(P2,1~P2,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)가 닫힌다.
기간(t22~t25) 내에 있어서, 시각 t23으로부터 시각 t24까지의 기간, 제어부(30)로부터 홀딩 제어용 배선(LH)에 출력되는 홀딩 제어 신호(Hold)가 하이 레벨로 된다. 이로 인해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 있어서 입력용 스위치(SW31)가 닫힌다.
그리고 기간(t22~t25)의 후에, 제어부(30)로부터 열 선택용 배선(LH,1~LH,N)에 출력되는 열 선택 제어 신호(Hsel(1) ~ Hsel(N))가 순차로 일정 기간만 하이 레벨로 된다. 이로 인해, N개의 홀딩 회로(H1~HN) 각각에 포함되는 출력용 스위치(SW32)가 순차로 일정 기간만 닫힌다.
이상과 같이 하여, 제2행에 속하는 N개의 화소부(P2,1~P2,N) 각각에 포함되는 포토다이오드(PD)에 있어서 수광 강도를 나타내는 전압값(Vout)이 전압 출력용 배선(Lout)에 출력된다.
이상과 같은 제1행 및 제2행에 대한 동작에 이어서, 이후, 제3행으로부터 제M행까지 동양의 동작이 행해진다. 그 결과, 1회의 촬상으로 얻어지는 화상을 나타내는 프레임 데이터를 얻을 수 있다. 또, 제M행에 대해 동작이 종료하면, 다시 제1행으로부터 동양의 동작이 행해져서, 다음의 화상을 나타내는 프레임 데이터가 얻어진다. 이와 같이, 일정 주기에 동양의 동작을 반복함으로써, 수광부(10)가 수광한 광의 상의 2차원 강도 분포를 나타내는 전압값(Vout)이 전압 출력용 배선(Lout)에 출력된다. 이 출력이 반복됨으로써 프레임 데이터가 얻어진다.
그런데 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 각각에 포함되는 독출용 스위치(SW1)가 닫혀 있는 기간에 있어서, 제m행에 속하는 각 화소부(Pm,n)의 포토다이오드(PD)에서 발생하여 접합 용량부에 축적되어 있던 전하는 그 화소부(Pm,n)의 독출용 스위치(SW1) 및 제n열 독출용 배선(LO,n)을 거쳐, 적분 회로(Sn)의 적분용 용량 소자(C2)에 전송된다. 이 때에, 제m행에 속하는 각 화소부(Pm,n)의 포토다이오드(PD)의 접합 용량부의 축적 전하가 초기화된다.
그러나 어느 제n열 선택용 배선(LO,n)이 도중에 단선되어 있는 경우에는, 그 제n열에 속하는 M개의 화소부(P1,n~PM,n) 중, 적분 회로(Sn)에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부는 적분 회로(Sn)와 접속되지 않아, 적분 회로(Sn)에 전하를 전송할 수 없다. 그 때문에, 이 전하 전송에 의한 포토다이오드(PD)의 접합 용량부의 축적 전하의 초기화를 할 수 없다. 이대로는 이러한 화소부에 있어서 광 입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하는 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다. 포화 레벨을 넘으면 양 이웃의 열에 속하는 화소부에 오버플로우되어, 연속한 3열의 화소부에 대해 결함 라인을 만들게 된다.
또한, 동양으로, 어느 제m행 선택용 배선(LV,m)이 도중에 단선되어 있는 경우에는, 그 제m행에 속하는 N개의 화소부(Pm,1~Pm,N) 중 제어부(30)에 대해 단선 위치로부터 먼 곳에 위치하는 화소부는 제어부(30)로부터 제m행 선택 제어 신호(Vsel(m))가 전해지지 않는다. 이 경우, 독출용 스위치(SW1)가 열린 채로 되어, 적분 회로(Sn)에 전하를 전송할 수 없다. 이 때문에, 이 전하 전송에 의한 포토다이오드(PD)의 접합 용량부의 축적 전하의 초기화를 할 수 없다. 이대로는 이들 화소부에 있어서 광 입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하는 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다. 포화 레벨을 넘으면 양 이웃의 행의 화소부로 오버플로우되어, 연속한 3행의 화소부에 대해 결함 라인을 만들게 된다.
도 1에 나타난 고체 촬상 장치(1)(본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 일 실시예)는 상술한 바와 같은 과제에 대처하기 위하여, 도 4 ~ 도 7을 참조하면서 이하에 설명하는 바와 같이 동작한다. 즉, 당해 고체 촬상 장치(1)에 있어서, 수광부(10)는 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역(각 화소부가 공통되는 코너 부분)에 있어서, 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸인 상태로 마련된 더미용 포토다이오드(PD1)(제1 더미용 포토다이오드)를 포함한다.
도 4 및 도 5 각각에는 당해 고체 촬상 장치(1)에 있어서 수광부(10)의 구성예(평면도)가 나타나 있다. 이들 도 4 및 도 5에서는 수광부(10)에 있어서 1개의 화소부(Pm,n)를 중심으로 하여, 이 화소부(Pm,n)의 이웃의 화소부의 일부도 나타나 있다. 또, 이들 도 4 및 도 5에서는 반도체 영역의 레이아웃이 주로 나타나 있지만, 그 반도체 영역의 상에 있는 금속 배선(행 선택용 배선, 독출용 배선)이나 절연층은 나타나 있지 않다.
도 4 및 도 5 각각에 나타난 레이아웃 예에서, 화소부(Pm,n)는 거의 정방형의 영역을 차지하고 있다. 그 거의 정방형 영역의 대부분이 포토다이오드(PD)의 영역이고, 또 그 거의 정방형 영역의 한 코너부에 독출용 스위치(SW1)로서의 전계 효과 트랜지스터가 형성되어 있다. 화소부(Pm,n)의 독출용 스위치(SW1)로서의 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자는 포토다이오드(PD)의 캐소드 단자와 접속되고, 이 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자는 독출용 배선(LO,n)에 접속되고, 또 이 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자는 행 선택용 배선(LV,m)에 접속되어 있다.
또, 도 4 및 도 5 각각에 나타난 레이아웃 예에서는 화소부 사이의 영역에 채널 스토퍼(CS)가 연속하여 형성되어 있다. 또, 서로 인접하는 2×2개의 임의의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에 있어서, 더미용 포토다이오드(PD1)가 형성되어 있다. 이 더미용 포토다이오드(PD1)가 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸여 있다.
도 4에 나타난 레이아웃 예에서는 임의의 서로 인접하는 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에 있어서만, 더미용 포토다이오드(PD1)가 형성되어 있다. 도 5에 나타나는 레이아웃 예에서는 임의의 서로 인접하는 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에 있어서 더미용 포토다이오드(PD1)가 형성되는 것에 더하여, 임의의 서로 인접하는 2개의 화소부에 의해 끼여 있는 영역에 있어서도 더미용 포토다이오드(PD2)가 형성되어 있다.
도 6은 도 5에 있어서 A-A 선을 따른 화소부(Pm,n) 주변 영역의 단면도이다. 또, 도 7은 도 5에 있어서 B-B 선을 따른 화소부(Pm,n) 주변 영역의 단면도이다. 도 6 및 도 7 각각에서는 화소부 사이의 영역을 중심으로 하여, 양 이웃의 화소부의 일부에 대해 단면이 나타나 있다. 도 6에서는 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)가 형성되어 있지 않은 영역의 단면이 나타나 있다. 도 7에서는 더미용 포토다이오드(PD2)가 형성되어 있는 부분의 단면이 나타나 있다.
반도체 영역(201)은 P형 불순물이 첨가된 반도체 영역으로, 기판 및 그 기판 상에 형성된 에피텍셜층을 포함하고 있다. 화소부(Pm,n)에 포함되는 포토다이오드(PD)는 P형 반도체 영역(201)과, 이 P형 반도체 영역(201) 상에 마련된 N+형 반도체 영역(202)에 의해 구성되어 있다. P형 반도체 영역(201)과 N+형 반도체 영역(202) 사이의 경계를 포함하는 영역에는 공핍층(203)이 형성된다. 화소부 사이의 영역(N+형 반도체 영역(202) 사이의 영역)에, P형 반도체 영역(201)보다 P형 불순물 농도가 높은 P+형 반도체 영역(204)으로 이루어진 채널 스토퍼(CS)가 형성되어 있다. 이 P+형 반도체 영역(204)은 절연층(205)에 형성된 컨택트홀(206)을 통하여, 금속 배선(207)에 접속되어 있다.
더미용 포토다이오드(PD1, PD2) 각각은 P형 반도체 영역(201)과, 이 P형 반도체 영역(201) 상에 마련된 N+형 반도체 영역(212)에 의해 구성되어 있다. P형 반도체 영역(201)과 N+형 반도체 영역(212) 사이의 경계를 포함하는 영역에는 공핍층(213)이 형성된다. 이 N+형 반도체 영역(212)은 절연층(205)에 형성된 컨택트홀(216)을 통하여 금속 배선(207)에 접속되어 있다. 또, N+형 반도체 영역(212)은 P+형 반도체 영역(204)에 의해 둘러싸여 있고, 더미용 포토다이오드(PD1, PD2) 각각은 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸여 있다.
일례로서, 기판을 포함하는 반도체 영역(201)의 두께는 750㎛이다. N+형 반도체 영역(202), P+형 반도체 영역(204) 및 N+형 반도체 영역(212) 각각의 두께는 1㎛이다. P+형 반도체 영역(204) 및 N+형 반도체 영역(212) 각각의 폭은 1.4㎛이다. 더미용 포토다이오드(PD2)가 형성되어 있지 않은 부분(도 6)에 있어서, 서로 이웃하는 2개의 N+형 반도체 영역(202) 사이의 간격은 3.6㎛이고, 금속 배선(207)의 폭은 4.8㎛이다. 또, 더미용 포토다이오드(PD2)가 형성되어 있는 부분(도 7)에 있어서, N+형 반도체 영역(202)과 N+형 반도체 영역(212) 사이의 간격은 3.6㎛이고, 금속 배선(207)의 폭은 9.8㎛이다.
상술한 바와 같이, 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우, 이 단선에 의해 신호 독출부(20) 또는 제어부(30)에 접속되어 있지 않은 화소부에서는 광 입사에 따라 포토다이오드에서 발생한 전하는 적분 회로에 독출되는 일 없이, 이 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되어 갈 뿐이다. 포토다이오드의 접합 용량부에 축적되는 전하의 양이 포화 레벨을 넘으면, 포화 레벨을 넘은 만큼의 전하가 당해 화소부의 밖으로 오버플로우된다.
그렇지만 이상과 같은 구조를 구비하는 고체 촬상 장치(1)(이 발명에 관한 고체 촬상 장치의 일 실시예)에서는 화소부 사이의 영역에 있어서 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸여 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)가 형성되어 있다. 필연적으로, 화소부로부터 오버플로우된 전하는 이 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)에 의해 포착되어 배출된다. 이로 인해, 이 고체 촬상 장치(1)에서는 화소부의 이웃에 있는 화소부에 전하가 유입되는 것이 억제되어, S/N 비의 저하가 억제된다. 따라서, 당해 고체 촬상 장치(1)에 의하면, 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
또, 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 결함 라인이 생긴 경우, 프레임 데이터 중 결함 라인 상의 화소부에 대응하는 전압값을, 인접하는 정상 라인 상의 화소부에 대응하는 전압값에 기초하여 결정할 수 있다. 이 결정시에는 양 이웃의 인접 라인 상의 화소부에 대응하는 전압값에 기초하여 보간 계산을 하여 결정하는 것이 바람직하다.
더미용 포토다이오드(PD1, PD2)는 화소부로부터 오버플로우된 전하를 배출하는 것을 의도하고 있고, 이른바 크로스토크 캐리어를 적극적으로 수집하는 것을 의도하는 것은 아니다. 따라서, 단선이 생기지 않을 때에는 공핍층(213)이 지나치게 확장하는 것은 바람직하지 않다. 왜냐하면, 이 고체 촬상 장치(1)가 신틸레이터 패털과 조합되어 X선 플랫 패널 센서로서 이용되는 경우, 신틸레이터 패널로부터는 등방적으로 신틸레이터 광이 발생된다. 그 때문에, 화소부 사이의 영역에 있어서도 어느 정도의 전하가 생성되지만, 이 전하가 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)에 의해 배출되는 것은 출력이 작아져 버릴 가능성이 있다. 여기서, 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)는 화소부 사이의 영역에 있어서 연속적으로 연재(延在)되도록 마련되어 있는 것이 아니라, 이산적(離散的)으로(도트 형상) 마련되어 있다. 또한, 더미용 포토다이오드(PD1, PD2)는 어느 쪽도 채널 스토퍼(CS)에 의해 둘러싸여 있다. 이 구성에 의해, 출력 저하의 억제와 S/N 비 저하의 억제의 적당한 밸런스를 실현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 화소부(Pm,n)는 거의 정방형의 영역을 차지하고 있고, 그 거의 정방형 영역의 대부분이 포토다이오드(PD)의 영역이고, 또 그 거의 정방형 영역의 한 코너부에 독출용 스위치(SW1)로서의 전계 효과 트랜지스터가 형성되어 있다. 포토다이오드(PD)의 거의 정방형 영역의 코너부에서는 전계 강도가 높기 때문에, 전하가 오버플로우되기 쉽다. 또, 이 독출용 스위치(SW1)가 마련되어 있는 영역 부근에서는 불요 전하가 발생되기 쉽다. 여기서, 당해 고체 촬상 장치(1)에서는 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역(각 화소부가 공통되는 코너 부분)에 있어서, 더미용 포토다이오드(PD1)가 형성되어 있다. 따라서, 포토다이오드(PD)의 거의 정방형 영역의 코너부에서 발생한 전하는 더미용 포토다이오드(PD1)에 의해 효율적으로 배출될 수 있다.
또한, 도 5에 나타난 레이아웃과 비교하고, 도 4에 나타난 레이아웃에서는 인접하는 2개의 화소부에 의해 끼워진 영역에는 더미용 포토다이오드(PD2)가 마련되지 않는다. 인접하는 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에 더미용 포토다이오드(PD1)만이 마련되어 있으므로, 각 화소부의 포토다이오드(PD)의 광 감응 영역을 넓게 할 수 있고, 개구 비율을 높게 할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구조를 구비한 고체 촬상 장치(1)는 X선 CT 장치에 바람직하게 이용될 수 있다. 따라서, 당해 고체 촬상 장치(1)(본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 일 실시예)를 구비한 X선 CT 장치(본 발명에 관한 X선 CT 장치)의 일 실시예에 대해 이하에 설명한다.
도 8은 본 발명에 관한 X선 CT 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 8에 나타난 X선 CT 장치(100)에서, X선원(106)은 피사체를 향하여 X선을 발생한다. X선원(106)으로부터 발생한 X선의 조사 필드는 1차 슬릿판(106b)에 의해 제어된다. X선원(106)은 X선관이 내장되고, 그 X선관의 관전압, 관전류 및 통전 시간 등의 조건이 조정되는 것에 의해, 피사체로의 X선 조사량이 제어된다. X선 촬상기(107)는 2차원 배열된 복수의 화소부를 가지는 CMOS의 고체 촬상 장치를 내장하여, 피사체를 통과한 X선상(線像)을 검출한다. X선 촬상기(107)의 전방(前方)에는 X선 입사 영역을 제한하는 2차 슬릿판(107a)이 마련된다.
선회 암(104)은 X선원(106) 및 X선 촬상기(107)를 대향시키도록 홀딩한 상태에서, 이들을 파노라마 단층 촬영시에 피사체의 주위에 선회시킨다. 또한, 리니어 단층 촬영시에 X선 촬상기(107)를 피사체에 대해 직선 변위시키기 위한 슬라이드 기구(113)가 마련된다. 선회 암(104)은 회전 테이블을 구성하는 암 모터(110)에 의해 구동되고, 그 회전 각도가 각도 센서(112)에 의해 검출된다. 또, 암 모터(110)는 XY 테이블(114)의 가동부에 탑재되어, 회전 중심이 수평면 내에서 임의로 조정된다.
X선 촬상기(107)로부터 출력되는 화상 신호는 AD 변환기(120)에 의해 예를 들어 10 비트(=1024 레벨)의 디지털 데이터로 변환되어, CPU(중앙 처리 장치)(121)에 일단 받아들여진다. 그 후, 프레임 메모리(122)에 격납된다. 프레임 메모리(122)에 격납된 화상 데이터로부터, 소정의 연산 처리에 의해 임의의 단층면을 따른 단층 화상이 재생된다. 재생된 단층 화상은 비디오 메모리(124)에 출력되어, DA 변환기(125)에 의해 아날로그 신호로 변환된 후, CRT(음극 선관) 등의 화상 표시부(126)에 의해 표시되어, 각종 진단에 제공된다.
CPU(121)에는 신호 처리에 필요한 워크 메모리(123)가 접속되고, 또한 패널 스위치나 X선 조사 스위치 등을 구비한 조작 패널(119)이 접속되어 있다. 또, CPU(121)는 암 모터(110)를 구동하는 모터 구동 회로(111), 1차 슬릿판(106b) 및 2차 슬릿판(107a)의 개구 범위를 제어하는 슬릿 제어 회로(115, 116), X선원(106)을 제어하는 X선 제어 회로(118)에 각각 접속되고, 또한 X선 촬상기(107)를 구동하기 위한 클록 신호를 출력한다.
X선 제어 회로(118)는 X선 촬상기(107)에 의해 촬상된 신호에 기초하여, 피사체로의 X선 조사량을 피드백 제어하는 것이 가능하다.
이상과 같이 구성되는 X선 CT 장치(100)에 있어서, X선 촬상기(107)는 상기 고체 촬상 장치(1)에 있어서 수광부(10), 신호 독출부(20) 및 제어부(30)에 상당하며, 수광부(10)의 전면(前面)에는 신틸레이터 패널이 마련되어 있다.
X선 CT 장치(100)는 상술한 제1 실시예에 관한 고체 촬상 장치(1)를 구비함으로써, 결함 라인 근방에 있어서 해상도가 높은 단층 화상을 얻을 수 있다. 특히, X선 CT 장치에서는 단기간에 다수(예를 들어 300)의 프레임 데이터를 연속적으로 취득함과 아울러, 당해 고체 촬상 장치(1)에 있어서 수광부(10)로의 입사광 양이 프레임마다 변동한다. 또, 결함 라인 상의 화소부로부터 인접 라인 상의 화소부로 오버플로우되는 전하의 양은 프레임마다 변동한다. 이와 같은 X선 CT 장치(100)는 상술한 바와 같은 구조를 갖는 고체 촬상 장치(1)를 구비함으로써, 이 X선 CT 장치(100)는 어느 독출용 배선 또는 행 선택용 배선이 단선되어 있는 경우라도 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
이상의 본 발명의 설명으로부터, 본 발명을 여러 가지로 변경할 수 있음은 분명하다. 그와 같은 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하는 것으로는 인정할 수는 없으며, 모든 당업자에게 있어서 자명한 개량은 이하의 청구 범위에 포함되는 것이다.
1, 2ㆍㆍㆍ고체 촬상 장치,
10, 10A, 10Bㆍㆍㆍ수광부,
20, 20A, 20Bㆍㆍㆍ신호 독출부,
30ㆍㆍㆍ제어부,
201ㆍㆍㆍP형 반도체 영역,
202ㆍㆍㆍN+형 반도체 영역,
203ㆍㆍㆍ공핍층,
204ㆍㆍㆍP+형 반도체 영역,
205ㆍㆍㆍ절연층,
206ㆍㆍㆍ컨택트홀,
207ㆍㆍㆍ금속 배선,
212ㆍㆍㆍN+형 반도체 영역,
213ㆍㆍㆍ공핍층,
216ㆍㆍㆍ컨택트홀,
P1,1~PM,Nㆍㆍㆍ화소부,
PDㆍㆍㆍ포토다이오드,
SW1ㆍㆍㆍ독출용 스위치,
S1~SNㆍㆍㆍ적분 회로,
C2ㆍㆍㆍ적분용 용량 소자,
SW2ㆍㆍㆍ방전용 스위치,
A2ㆍㆍㆍ앰프
H1~HNㆍㆍㆍ홀딩 회로,
C3ㆍㆍㆍ홀딩용 용량 소자,
SW31ㆍㆍㆍ입력용 스위치,
SW32ㆍㆍㆍ출력용 스위치,
LV,mㆍㆍㆍ제m행 선택용 배선,
LH,nㆍㆍㆍ제n열 선택용 배선,
LO,nㆍㆍㆍ제n열 독출용 배선,
LRㆍㆍㆍ방전 제어용 배선,
LHㆍㆍㆍ홀딩 제어용 배선,
Loutㆍㆍㆍ전압 출력용 배선.
CSㆍㆍㆍ채널 스토퍼
PD1, PD2ㆍㆍㆍ더미용 포토다이오드

Claims (5)

  1. M(2 이상의 정수)행 N(2 이상의 정수)열의 매트릭스를 구성하도록 2차원 배열된 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 갖는 수광부로서, 상기 화소부(P1,1~PM,N)의 각각이 입사광 강도에 따른 양(量)의 전하를 생성하는 포토다이오드와, 이 포토다이오드와 접속된 독출용 스위치를 포함하고 있는 수광부를 구비한 고체 촬상 장치로서,
    상기 수광부에 있어서 화소부(Pm,n)(m은 1 이상 M 이하의 정수, n은 1 이상 N 이하의 정수)에 포함되는 포토다이오드는 제1 도전형의 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 반도체 영역에 의해 구성되고,
    상기 수광부는 상기 화소부(P1,1~PM,N) 각각에 끼워진 영역에 마련된 채널 스토퍼로서, 상기 제1 반도체 영역보다 불순물 농도가 높은 제1 도전형의 제3 반도체 영역으로 이루어진 채널 스토퍼를 갖고, 그리고
    상기 수광부는 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2×2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에, 상기 임의의 2×2개의 화소부 중 어느 것도 완전히는 둘러싸지 않고 상기 채널 스토퍼에 의해 둘러싸여진 상태로 마련된 제1 더미용 포토다이오드로서, 상기 제1 반도체 영역과, 이 제 1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제4 반도체 영역에 의해 구성된 제1 더미용 포토다이오드를 포함하는 고체 촬상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수광부는 상기 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에, 상기 임의의 2×2개의 화소부 중 어느 것도 완전히는 둘러싸지 않고 상기 채널 스토퍼에 의해 둘러싸여진 상태로 마련된 제2 더미용 포토다이오드로서, 상기 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제5 반도체 영역에 의해 구성된 제2 더미용 포토다이오드를 추가로 포함하는 고체 촬상 장치.
  3. M(2 이상의 정수)행 N(2 이상의 정수)열의 매트릭스를 구성하도록 2차원 배열된 M×N개의 화소부(P1,1~PM,N)를 갖는 수광부로서, 상기 화소부(P1,1~PM,N)의 각각이 입사광 강도에 따른 양(量)의 전하를 생성하는 포토다이오드와, 이 포토다이오드와 접속된 독출용 스위치를 포함하고 있는 수광부를 구비한 고체 촬상 장치로서,
    상기 수광부에 있어서 화소부(Pm,n)(m은 1 이상 M 이하의 정수, n은 1 이상 N 이하의 정수)에 포함되는 포토다이오드는 제1 도전형의 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제2 반도체 영역에 의해 구성되고,
    상기 수광부는 상기 화소부(P1,1~PM,N) 각각에 끼워진 영역에 마련된 채널 스토퍼로서, 상기 제1 반도체 영역보다 불순물 농도가 높은 제1 도전형의 제3 반도체 영역으로 이루어진 채널 스토퍼를 갖고, 그리고
    상기 수광부는, 각각이 1개의 화소부를 완전히는 둘러싸지 않고 서로 떨어진 상태로, 상기 1개의 화소부의 주위에 배치된 복수의 제1 더미용 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제1 더미용 포토다이오드의 각각은, 상기 화소부(P1,1~PM,N) 중 서로 인접하는 임의의 적어도 2개의 화소부에 의해 둘러싸인 영역에 배치됨과 아울러, 상기 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제4 반도체 영역에 의해 구성되어 있는 고체 촬상 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수광부는, 각각이 1개의 화소부를 완전히는 둘러싸지 않고 서로 떨어진 상태로, 상기 1개의 화소부의 주위에 배치된 복수의 제2 더미용 포토다이오드를 더욱 포함하고,
    상기 제2 더미용 포토다이오드의 각각은 서로 인접하는 상기 제1 더미용 포토다이오드의 사이에 마련됨과 아울러, 상기 제1 반도체 영역과, 이 제1 반도체 영역 상에 형성된 제2 도전형의 제5 반도체 영역에 의해 구성되어 있는 고체 촬상 장치.
  5. 피사체를 향하여 X선을 출력하는 X선 출력부와,
    상기 X선 출력부로부터 출력되어 상기 피사체를 거쳐 도달한 X선을 수광하여 촬상하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 장치와,
    상기 X선 출력부 및 상기 고체 촬상 장치를 상기 피사체에 대해 상대 이동시키는 이동 수단과,
    상기 고체 촬상 장치로부터 출력되는 프레임 데이터를 입력하고, 이 프레임 데이터에 기초하여 상기 피사체의 단층 화상을 생성하는 화상 해석부를 구비하는 것을 특징으로 하는 X선 CT 장치.
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