JP4326021B2 - 電荷結合撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は行及び列状に配置され、入射した電磁放射の強度に応じて電荷を発生する光感知素子の２次元マトリックスが表面に形成されている半導体本体を具え、前記発生した電荷が、電荷結合装置の形態の平行な転送ラインの系を介して離散的な電荷パケットの形態として前記列方向に読出レジスタに向けて転送され、この読出レジスタが前記行方向に平行な方向に電荷パケットを転送する電荷結合装置の形態をなす電荷結合撮像装置に関するものである。
この装置は、例えば１９８９年に発行されたプロシーディングス スパイヤ Ｖｏｌ １０７１ オプティカル センサ アンド エレクトロニクス フォトグラフィー 第１９７〜２０２頁に記載された文献“エレクトロニクス フォー クォードラント リードアウト １０２４×１０２４ ＣＣＤイメージセンサから既知である。この文献において、光感知マトリックスを構成する多数の隣接する縦型ＣＣＤチャネルを有するＣＣＤ撮像装置について記載されている。マトリックスの上側及び下側には２個の水平読出レジスタがそれぞれ設けられ、これらレジスタは４個の出力増幅器のうらの１個の増幅器にそれぞれ接続されている。この装置の動作中、積分期間中に画像は、ある形式の電荷の電荷パケット、例えばｎチャネルＣＣＤの場合電子の電荷パケットに変換される。次に、種々の４分割領域の電荷パケットは縦型チャネルを介して読み出される関連する水平読出レジスタに転送される。４個の読出レジスタを用いることにより記憶された情報を極めて高速で読み出すことができる。この効果は、特に“フルフレーム”撮像装置のように光電素子の数が極めて多数の場合に極めて重要である。
一般的なＣＣＤ撮像装置において、マトリックス中の複数の領域に電気的接続部を設けて電流を供給し又は取り出し或いは特定の電圧を印加する必要がある。後述の図面の記載から明らかなように、この状況は、マトリックスで発生した電荷を流出させる必要のある過露光から撮像装置を保護する必要のある（ブルーミング防止）場合に発生する。水平読出レジスタが一方の側、例えば下側だけに設けられている撮像装置の場合、この接続部は、マトリックスの水平レジスタが存在していない上側に設けることができる。勿論、この場合、例えばこの電気的接続部を下側に設ける必要がある場合４分割撮像装置について上述した問題と同一の問題が生じてしまう。
本発明の目的は、マトリックスの一部を構成する領域に水平読出レジスタに接近して電気的接続部が設けられた電荷結合撮像装置を提供することにある。さらに、本発明は、マトリックスのいずれかの側に水平読出レジスタを具えるＣＣＤ撮像装置であって、過露光から保護する集積化された手段を具えるＣＣＤ撮像装置を提供することを目的とする。
本発明では、冒頭で述べた型式の電荷結合撮像装置において、前記読出レジスタと光感知マトリックスの一部を構成するとともに前記読出しレジスタに最も接近した光感知素子の行とが、前記２次元マトリックスの光感知素子の最終行と前記読出しレジスタとの間に設けられた１個又はそれ以上のダミーラインを具える半導体本体の中間領域により互いに分離され、この中間領域には１個又はそれ以上の逆の導電型の表面領域が形成され、この表面領域は中間領域から光感知素子のマトリックスの隣接する全ての列間に延在すると共に前記中間領域の区域に電気的接続部が形成され、前記ダミーラインの数が、前記光感知素子の行数より少なく、前記読出レジスタに、前記１個又はそれ以上のダミーラインより上に延在する光シールドを設け、前記光感知素子が、前記転送ラインの系に直接又は複数のダミーラインを通じて接続され、前記表面領域が、ＣＣＤチャネル間又は電極によってカバーされていない領域に配置されたことを特徴とする。上記中間領域は、アクティブなビデオ情報が発生する１個又はそれ以上のダミーラインで構成することができる。これらダミーライン上のゲート電極は、これらの領域にコンタクトを設けることができる形状とすることができる。これらの接続部は光感知マトリックスの外側全体に亘って位置するので、撮像装置の感度に対してほとんど影響を及ぼすことはない。
本発明は、マトリックスの一方の側だけに読出レジスタを具える撮像装置に有益に用いることができる。この特有の利点は、前記第１の読出レジスタとは別に、前記第１の読出レジスタと平行に延在すると共に光感知素子のマトリックスの第１の読出レジスタとは反対側に位置する電荷結合装置の形態の第２の読出レジスタを具えることを特徴とする電荷結合撮像装置において得られる。
本発明による撮像装置の重要な実施例は、前記中間領域に電気的接続部が形成されている前記１個又はそれ以上の表面領域と、前記１個又はそれ以上のダミーラインに接続した複数の電極の上に設けられるとともにこれら電極から電気的に絶縁した相互接続部との間にコンタクトを具え、前記１個又はそれ以上のダミーラインに接続した複数の電極を、前記電気的接続部が通過できるように構成した前記１個または複数個の領域が、装置の動作中に過剰な電荷を取り出す手段の一部を形成し、過剰露光の結果として生ずるブルーミングを防止するように構成したことを特徴とする。例えば、上述した４分割撮像装置とは異なり、マトリックスの一方の側だけに設けた読出レジスタ及び反対側に設けた電荷取り出し接続部を有する通常のＣＣＤ撮像装置においてブルーミング防止手段を用いることは一般に既知である。既知であると共に横方向ブルーミング防止とも称せられているブルーミング防止の形態において、過剰な電荷（ｎチャネル装置の場合電子、ｐチャネル装置の場合正孔）はマトリックスの列間に延在する表面領域（ｎチャネル装置の場合ｎ形、ｐチャネル装置の場合ｐ形）を介して取り出される。このブルーミング防止の形態は、中間領域と接触する領域が発生した過剰電荷用のドレイン領域により構成される本発明の撮像装置に有益に用いることができる。別の形態の電荷、すなわち例えばｎチャネル装置の場合に発生する正孔は、この実施例の場合、本例においてはｐ形基板である基板を介して取り出すことができる。
本発明による電荷結合撮像装置の別の実施例は、電荷結合装置が埋め込み型とされる共に前記表面又は表面の近傍に位置する第１導電型の領域の形態の電荷転送チャネルを具え、この電荷転送チャネルが、過剰露光の場合の過剰な電荷に対するドレインを構成する基板領域と称する第１導電型の下側の領域から、第１導電型とは反対の第２導電型の中間領域により分離され、この中間領域が光感知素子のマトリックスの電荷結合装置間で前記半導体本体の表面まで延在すると共に、中間領域の区域に電気的接続部が形成されている上記領域を構成することを特徴とする。以後縦方向ブルーミング防止と称するこの形態のブルーミング防止において、過剰電荷は、ｎチャネル装置の場合ｎ形基板を介してｐチャネル装置の場合ｐ形基板を介して取り出される。
上記最後の実施例において、過露光が生じていない場合電流は電気的接続部を流れる。この電流は、吸収された放射の全光量を表す。本発明による電荷結合撮像装置の別の実施例は、前記接続部を経て、装置の動作中に光電素子のマトリックスに発生した光電流を決定する手段に接続されていることを特徴とする。得られた信号により、例えばカメラのシャッタ又は絞りを設定することができる。
以下、実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。
図面において、
図１は本発明による４分割読出部を有するＣＣＤ撮像装置の線図を示す。
図２は本装置のＩＩ−ＩＩ線で切って示す断面図である。
図３は本装置の並列−直列接続部の一部の平面図である。
図４は図３のＩＶ−ＩＶで切った撮像装置の断面図である。
図面は純粋に線図的であり、この装置の種々の部材はスケール通りに表示されていない。本発明は４分割読出部を有する撮像装置として詳細に説明する。本発明が４分割読出部を有する撮像装置に限定されないことはこの装置の説明から明らかであり、マトリックス状の半導体領域に対して水平読出レジスタの側にコンタクトを設けることが必要であるか又は望ましいいかなる形式のＣＣＤ撮像装置にもこの装置を有益に用いることができる。
この撮像装置はシリコンの半導体本体１に形成され、複数の受光素子のマトリックス２具え、これら受光素子は行及び列状に配置され半導体本体１の表面又はその近傍に形成される。本例では、受光素子は垂直方向すなわち図１の列方向に延在する多数の併置された電荷結合装置３により構成する。図面を明瞭にするため、図１はこれらＣＣＤチャネルのうち数個だけを示す。図２は３個のＣＣＤチャネル３を有する電荷結合装置の一部を電荷転送方向と直交する面で切った断面図である。本例では、これらＣＣＤ３は垂直転送ラインを構成するだけでなく、印加電圧により受光素子すなわち画素を規定する。他の実施例において、画素は行及び列状に配置された個別のフォトダイオードにより構成され、ＣＣＤは発生した電荷パケットを垂直方向に水平読出レジスタまで転送する転送ラインを構成するだけである。
この撮像装置は垂直レジスタ３の端面に配置した４個の水平読出レジスタ４，５，６及び７を具える。レジスタ４〜７を用いてマトリックスの４分割された領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ及びＩＶをそれぞれ読み出す。４分割された領域間の境界は図１の破線で示す。読出レジスタ４〜７の各々には読出増幅器８を設ける。この増幅器は通常の構造のものとすることができ、その説明は省略する。
マトリックス２の表面は電極又はゲートで覆い、これら多数の電極は図１において４分割領域ＩとＩＩ及びＩＩＩとＩＶ毎にそれぞれ示す。マトリックスの上側部分の４分割された領域Ｉ及びＩＩ用の電極に適当なクロック電圧φ_1A〜φ_4Aを印加し下側部分の４分割された領域ＩＩＩ及びＩＶ用の電極に適当なクロック電圧φ_1B〜φ_4Bを印加することにより上側部分の電荷パケットをレジスタ４及び５に転送することができ下側部分の電荷パケットばレジスタ６及び７に転送することができる。４個の折り畳まれた読出部により、このマトリックスは、例えばＥＳＰの用途の「フル−フレーム」撮像装置の場合又は例えば医療用のＸ線スキャナのような撮像装置の場合のようにたとえ極めて大きくとも比較的短い時間期間でマトリックスを読出ことができる。
この撮像装置は、いわゆる垂直方向反ブルーミング（ＶＡＢ）による過露光から保護される。これは、一例としてｎチャネルデバイスが用いられている図示の実施例においては、過露光の場合の過剰な電子に対してドレインとして作用するｎ形基板９を具える半導体装置により達成される。この基板９には、比較的低い不純物レベルの深いｐ形領域すなわちウエル１０がその表面に形成されている。この電荷結合装置は埋め込みチャネル型であり、ｐ形ウェルに形成されたｎ形領域３をそれぞれ具える。ＣＣＤチャネル３と基板９との間に適当な大きさのポテンシャル障壁を形成するため、ｐ形ウエルの不純物濃度を適切に低くなるように選択し、この電荷結合装置の動作中に領域３と基板９との間に位置するｐ形ウエルの一部をその厚さ全体に亘って空乏化させる。有効なブルーミング防止効果に対してポテンシャル障壁の大きさが大きくなり過ぎるのを回避するため、図２に示すように、ｐ形ウエルに領域３の下側において細条部分１１を形成することができる。関連する文献から知られているように、前述した垂直方向のｎｐｎ構造はこの装置を過露光から保護する場合だけでなく、例えば露光時間を設定するための電荷リセットとしても利用することができる。積分期間の最初の期間中に形成される電荷は基板に印加される電圧パルス及び／又は基板を介して電極に印加される電圧パルスにより取り出すことができ、その後積分期間の保持期間中に形成された電荷だけがマトリックスにおいて積分されアクティブビデオ情報として用いられる。ｐ形ウエル１０には、ｎ形のチャネル３を相互に分離するより高い不純物レベルのｐ形の表面領域１２を形成する。
電磁放射を吸収すると、電子−正孔対が半導体材料中に形成される。この電子はビデオ情報としてポテンシャルウエル中に蓄積され又はｎ形基板を介して取り出される。正孔はｐ形ウエル及びこのｐ形ウエル中に形成したチャネルストッパ領域１２を介して取り出される。マトリックスの両端面に読出レジスタが存在することにより、マトリックスの一方の端面だけに読出レジスタを有し電気的接続部がマトリックスの反対側に形成される通常の撮像装置において一体化されている方法で必要な接続部を形成することはできない。図示の実施例における領域１０／１２が接触している形態について図３及び図４により説明する。図３は破線で示す図１の一部１３の平面図であり、この領域１３はマトリックス２と読出レジスタ６との間の遷移を有する。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
図３に示す部分３はチャネルストッパ領域１２により相互に分離されている数個のチャネル３を具える。この撮像マトリックスはクロック電圧φ₁，φ₂，φ₃及びφ₄を有する４位相ＣＣＤとして動作し、これらクロック電圧は図面の右半部に示す４本のクロックラインを介して電極１４，１５，１６及び１７にそれぞれ供給する。図４に示すように、電極１５及び１７は多結晶シリコンの第１の層（以下、ポリＩと称する）に形成し、電極１４及び１６は第２の多結晶シリコン層（以下、ポリIIと称する）に形成する。これらの電極は、例えばシリコン酸化物の薄いゲート誘電体層１８により半導体表面から分離する。従って、本例において、撮像素子は４個のクロック電極に対応する。電極１４〜１７の有効長、すなわち電荷転送方向に平行な方向の電極の寸法は、例えば３μｍとする。
水平読出レジスタ６は例えば３個の電極１９，２０及び２１の列を有する３位相ＣＣＤで構成され、これら３個の電極にクロック電圧Ｓ₁，Ｓ₂及びＳ₃をそれぞれ印加する。図３に示すように、この電荷結合装置は、撮像マトリックスの水平方向のピッチが水平レジスタ６の３個の電極に対応し、チャネルストッパ領域１２の中心線が電極１９の中心線とほぼ一致するように構成する。電極１９及び２０は、電極１４〜１７と同一の多結晶層に、すなわちポリＩ及びポリIIにそれぞれ形成することができ、電極２１は、ポリ層IIIと称する第３の多結晶層に形成することができる。
この装置はゲート電極を含み、ガラス層２３によりカバーする。各チャネルストッパ領域１２の各々に電気的接続部を形成するため、参照符号１４′，１５′，１６′及び１７′が付された対応する電極を有し以後ダミーラインと称す特別なラインを、マトリックスの撮像素子１４〜１７の最後の行と水平読出レジスタ６との間に設ける。このダミーの行は、領域１２に電気的接続部が設けられている区域におけるマトリックス２と読出レジスタ６との間の中間領域を形成する。この目的のために、電極１５′及び１６′に、これら電極が領域１２と重なり合う位置に凹部２２を形成する。この凹部は、例えば３μｍの幅ａと例えば３μｍの高さｂを有する（従って、電極１５′及び１６′の各々の凹部の高さは約１．５μｍとなる）。凹部２２には、層２３に例えば１μｍ×１μｍのコンタクト窓を形成する。これらのコンタクト窓は図３においてハッチングにより図示する。コンタクトは例えばＡｌのような金属層２５により形成され、この金属層は開口２４の位置における領域１２と電気的に接続する。基準ポテンシャルをＡｌ層２５に印加して発生した正孔を取り出すことができる。
ここで説明した適当な電極構造を有するダミー行を用いることにより、領域を電気的に接続することができ、従って４分割した読出部を有する撮像装置に縦方向のブルーミング防止を適用することができる。図面に示すように、Ａｌ層２５は読出レジスタ６の上方に突出し、レジスタ６を電磁放射から保護する光シールドを形成する。この実施例において、Ａｌ層２５はレジスタ６に最も接近したマトリックス行の上方に突出する。
この装置の動作中にこの行に蓄積される電荷は、リーク電流から少なくとも優勢に発生し、ブラック基準として用いることができる。実際には、多数のブラック基準ラインを用いてマトリックスを表すブラック基準値が得られる。
所望の場合、Ａｌ層２５を流れる電流を用いてマトリックスで吸収される単位時間当たりの放射の全量を指示することができる。このために、図４に示すように、Ａｌ層２５は例えばレジスタのような読出部材２６に接続することができるので、出力端子２７のポテンシャルは放射の強度の測定値を表す。この信号は、種々の目的のために、例えば露光時間又は絞りを設定するために用いることができる。
ある実施例において、領域１２を一方の側において電気的に接続することで十分である。しかしながら、好ましくは、４分割された領域は、領域１２にマトリックスの両端面に電気的接続部が形成されるようにできるだけ同一の形態とする。この構成とすることは、領域１３の抵抗に起因する領域１２の電圧勾配ができるだけ小さくなる別の利点を有する。
本発明は上述した実施例に限定されず種々の変形が可能であること明らかである。例えば、本発明は、ｎ形基板の代わりにｐ形基板を用いる横方向のブルーミング防止を有する撮像装置にも適用することができる。この場合、基板を介して正孔を取り出すことができる。過剰な電子は、ＣＣＤチャネル３間に形成されｐ形のチャネルストッパ領域により列チャネルから分離されているｎ形の表面領域を介して取り出すことができる。この場合、Ａｌ層２５はこれらのｎ形ドレイン領域のための電気的接続部を形成する。
図面に基づいて説明した実施例において、光感知素子は、電荷が発生し積分期間中に積分され読出レジスタに転送される縦方向ＣＣＤチャネルにより構成される。本発明は、このような構成のものだけに限定されず、縦方向ＣＣＤラインがフォト電流の発生及び積分が行われるフォトダイオード列により分離されると共にＣＣＤラインが電荷転送のためだけに作用するインタライン型の撮像装置にも有益に用いることができる。

Claims (5)

1. 行及び列状に配置され、入射した電磁放射の強度に応じて電荷を発生する一方の導電型の光感知素子の２次元マトリックスが表面に形成されている半導体本体を具え、前記発生した電荷が、電荷結合装置の形態の平行な転送ラインの系を介して離散的な電荷パケットの形態として前記列方向に読出レジスタに向けて転送され、この読出レジスタが前記行方向に平行な方向に電荷パケットを転送する電荷結合装置の形態をなす電荷結合撮像装置において、
   前記読出レジスタと光感知マトリックスの一部を構成するとともに前記読出しレジスタに最も接近した光感知素子の行とが、前記２次元マトリックスの光感知素子の最終行と前記読出しレジスタとの間に設けられた１個又はそれ以上のダミーラインを具える半導体本体の中間領域により互いに分離され、この中間領域には１個又はそれ以上の逆の導電型の表面領域が形成され、この表面領域は中間領域から光感知素子のマトリックスの隣接する全ての列間に延在すると共に前記中間領域の区域に電気的接続部が形成され、前記ダミーラインの数が、前記光感知素子の行数より少なく、前記読出レジスタに、前記１個又はそれ以上のダミーラインより上に延在する光シールドを設け、前記光感知素子が、前記転送ラインの系に直接又は複数のダミーラインを通じて接続され、前記表面領域が、ＣＣＤチャネル間に配置されたことを特徴とする電荷結合撮像装置。
2. 請求項１に記載の電荷結合撮像装置において、前記読出レジスタとは別に、前記読出レジスタと平行に延在すると共に光感知素子のマトリックスの読出レジスタとは反対側に位置する電荷結合装置の形態の第２の読出レジスタを具えることを特徴とする電荷結合撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の電荷結合撮像装置において、前記中間領域に電気的接続部が形成されている前記１個又はそれ以上の表面領域と、前記１個又はそれ以上のダミーラインに接続した複数の電極の上に設けられるとともにこれら電極から電気的に絶縁した相互接続部との間にコンタクトを具え、前記１個又はそれ以上のダミーラインに接続した複数の電極を、前記電気的接続部が通過できるように構成した前記１個または複数個の領域が、装置の動作中に過剰な電荷を取り出す手段の一部を形成し、過剰露光の結果として生ずるブルーミングを防止するように構成したことを特徴とする電荷結合撮像装置。
4. 請求項３に記載の電荷結合撮像装置において、前記電荷結合装置が埋め込み型とされる共に前記表面又は表面の近傍に位置する第１導電型の領域の形態の電荷転送チャネルを具え、この電荷転送チャネルが、過剰露光の場合の過剰な電荷に対するドレインを構成する基板領域と称する第１導電型の下側の領域から、第１導電型とは反対の第２導電型の中間領域により分離され、この中間領域が光感知素子のマトリックスの電荷結合装置間で前記半導体本体の表面まで延在すると共に、中間領域の区域に電気的接続部が形成されている前記１個又はそれ以上の領域を構成することを特徴とする電荷結合撮像装置。
5. 請求項４に記載の電荷結合撮像装置において、前記１個又はそれ以上の領域が、前記電気的接続部を経て、装置の動作中に光電素子のマトリックスに発生した光電流を決定する手段に接続されていることを特徴とする電荷結合撮像装置。

Images