JPH0214571A - 固体撮像装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像装置にかかり、特に信号電荷の検出部
を有する固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 第８図は電荷検出部を有する従来の固体撮像装置の部分
構成を示す断面図である。

ｐ型半導体基板１０の表面にｎ型不純物層３゜４を形成
し、その上に絶縁層９を介して転送電極７．７′を形成
することにより信号電荷を転送するための電荷転送部を
形成している。

また、高濃度ｎ　型不純物層１′は電荷転送部より転送
された信号電荷を一時蓄積し、検出するためのフローテ
ィング接合型電荷検出部（以下ＦＤという）を構成して
おり、検出された信号はバッファ８を介して出力信号Ｏ
８として取出される。ｎ型不純物層３′は電荷転送部の
ｎ型不純物層４と高濃度ｎ　型不純物層１′との間に形
成され、その上に形成される電極６（以下ＯＧアゲート
いう）と共に出力ゲート部を形成し、電荷転送部から転
送される信号電荷をＦＤに転送する最終ゲートとして機
能する。またこの部分はＦＤとの境界部（以下ＦＪ部と
いう）において信号電荷を蓄積するためのバリアとなる
。

検出された信号電荷は、電極５（以下リセットゲートと
いう）の操作によってｎ型不純物層２を介し電圧ＲＤが
印加された高濃度ｎ＋型不純物層１（以下リセットドレ
インという）に掃出される。

第９図は第８図中に示すＸｌ−Ｘ２の部分のポテンシャ
ル図であり、第１０図はリセットゲート５および転送電
極７，７′に印加されるパルスのタイミングを示すタイ
ミングチャートである。なおこの場合における電荷転送
部の駆動方法は２相駆動であり、φＨ１’　φＨ２は転
送電極７．７′に印加されるパルスで、Ｒ８はリセット
ゲート５に印加されるリセットパルスである。

第９図（ａ）は第１０図中のタイミングａにおいてリセ
ットゲート５にハイレベルパルスが印加されたタイミン
グすなわち電荷掃出し時の状態を示している。この時、
確実な電荷掃出しのためにリセットゲート５下のポテン
シャルはリセットドレイン１の印加電圧値より高くなけ
ればならない。

第９図（ｂ）は第１０図中のタイミングｂにおいてＦＪ
部に電荷が蓄積された状態を示しており、同図中のＱ　
　　はＦＪ部の最大電荷蓄積容量をＦ、Ｊｍａｘ 示している。

このように従来の固体撮像装置では、第９図（ｂ）に示
す電荷蓄積状態において、ＯＧアゲート下のポテンシャ
ルはリセットゲート５下のポテンシャルよりも高く形成
されているため、第１１図および第１２図に示されるよ
うに最大蓄積電荷ｉＱ　　　　はＯＧアゲート下のポテ
ンシャルによＰ、Ｊｍａｘ って制限され、また転送されてきた信号電荷ＱＴが最大
蓄積電荷量Ｑ　　　を超えると、Ｐ、、Ｌｍａｘ ＱＱ　　　　の電荷が電荷転送部に逆流して取残Ｔ−Ｆ
、Ｊｍａｘ される。すなわち、第１１図は第１０図に示すタイミン
グｂで最大蓄積電荷量Ｑ　　　より大きなＰ、Ｊｍａｘ 電荷量の信号電荷Ｑ、がＦＪ部に転送された状態を示し
ており、また第１２図は第１０図に示すタイミングＣで
ＱＱ　　　　の電荷が電荷転送部にＴ−Ｐ、Ｊｍａｘ 取り残された状態をそれぞれ示している。

このような取り残し電荷が生じた場合、見かけ上転送効
率が劣化した状態となり、例えばエリアセンサの場合に
は画像の横流れを生じ、画質を著しく劣化させてしまう
。

また信号電荷が複数存在する場合、例えば二次元上に配
列されたフォトダイオードによって光電変換された信号
電荷を所定期間内に順次転送手段によって転送し、これ
を電荷検出部において従来のように検出する場合におい
ては、複数のフォトダイオードのそれぞれの飽和電荷量
にばらつきがあり、しかもそのすべてまたは一部の飽和
出力が最大蓄積電荷量Ｑ　　　以下の値であったときは
、Ｆ、Ｊｍａｘ 遭数のフォトダイオードのうちもっとも小さい飽和電荷
量Ｑ　　　に達する元以上の強い一様光が５ＡＴａ＋ｉ
ｎ 入射することによって出力にむらを生じてしまう。

第１３図はこのような状態における出力むらを生じた一
所定期間（読み出し周期）の出力波形を示またちのであ
る。図に示すように飽和出力電圧Ｖ、（Ｑ　　　　の出
力電圧）を含むフオトダ５ＡＴＩｌ＋ｎ　　　ＳＡＴｍ
ｉｎ イオードの飽和出力電圧がＶ　　　　（Ｑ　　　　）Ｆ
、Ｊｍａｘ　　　Ｐ、Ｊｓａｘ 出力電圧）より小さいために出力波形にむらが生じてい
る。このような出力をモニター等に出力した場合、強い
光が入射すると位置によってむらが生じ、非常に見苦し
い画像となる。

また、いずれの信号電荷にせよ、装置の外部に出力され
る値の最大値が大きく、これが装置外部の信号処理回路
等の外部回路の入力許容値を超えた場合には、入力許容
値を超えない正常な波形部にも影響を与える場合がある
。そこでこのような影響を軽減するために外部回路の入
力許容値を最大出力値より大きくなるように余裕をもっ
て設計すると、回路の消費電力が大きくなる等の問題が
発生する。

第１４図は一般的な外部回路の入出力特性を示したもの
である。ここでＶ　　　は入力が増加し　Ｎ５ＡＴ でも出力が飽和して増加しなくなる点である入力許容振
幅値を表わしている。

また第１５図（ａ）は外部回路に入力される従来の装置
の出力波形を、第１５図（ｂ）は外部回路の出力波形を
示している。第１５図（ａ）に示すような入力許容振幅
値Ｖ　　　以上の出力が外Ｎ５ＡＴ 部回路に入力されると、第１５図（ｂ）に点円で示した
波形のように人力許容振幅値Ｖ　　　出力　Ｎ５ＡＴ 以下の正常な出力でも入力許容振幅値Ｖ　　　以　Ｎ５
ＡＴ 上の出力から影響を受けて波形が乱れる現像が発生する
。

本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、
固体撮像装置の電荷検出部において生ずる大信号出力時
の転送効率の劣化やフォトダイオードの飽和出力むらの
ない固体撮像装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、電荷転送部から出力ゲートを介して転送され
た信号電荷を一時蓄積し検出するフローティング接合型
電荷検出部と、前記電荷検出部に隣接し前記電荷検出部
に一時蓄積された信号電荷をリセットゲートを介して所
定のタイミングで排出する電荷排出部とを備えた固体撮
像装置において、前記電荷検出部に電荷が蓄積されるタ
イミングでは前記リセットゲート下のポテンシャルが前
記出力ゲート下のポテンシャルよりも高くなるようなタ
イミングパルスを印加する手段を設けたものである。

また電荷検出部に゛蓄積される最大電荷量が複数の画素
から発生した最小電荷量以下となると良い。

（作　用） 本発明の固体撮像装置では電荷蓄積部における蓄積タイ
ミングにおいて、リセットゲート下のポテンシャルが出
力ゲート下のポテンシャルよりも高く設定されるため、
余分な転送電荷が電荷転送部に逆流して取り残されると
いう状態は発生しない。

蓄積電荷量を複数画素からの最小電荷量以下にすると飽
和出力むらが発生しない。

（実施例） 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明にかかる固体撮像装置の構成を示す概略
断面図であって、第８図と同じ部分には同一番号を付し
てその詳細な説明を省略する。

第１図の構成においては、リセットゲートに印加するリ
セットパルスは第８図に示したＲ３そのものではなく、
これをレベル変換器９によりレベルを変えたＲ３’　と
なっている。

第２図は、本発明による電荷蓄積装置のリセットゲート
に印加されるパルスのタイミング波形ヲ示した波形図で
ある。

同図に示すようにリセットゲートに印加されるパルスＲ
Ｓ’　は従来と異なってローレベル値が０より高く設定
されている。

第３図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第２図に示すタイミン
グパルス時のポテンシャルを示したもので、リセットモ
ードに相当するタイミングａにおいてはリセットゲート
にハイレベルが印加され、電荷掃き出しの状態にある。

また、電荷蓄積モードに相当するタイミングｂではリセ
ットゲートにローレベルが印加されており前述したよう
にこのローレベルは従来と異なってＯＶよりも高くなっ
ているので、リセットゲート下のポテンシャルがＯＧア
ゲート下ポテンシャルよりも高くなっている。このため
ＦＪ部の最大蓄積電荷ｆｆ１Ｑ、、、□８は図から明ら
かなように、リセットゲート５下のポテンシャルによっ
て制限されている。

第４図にリセットパルスのローレベルに対する最大蓄積
電荷ＩＡＱ　　　　の値をグラフとして示しＰ、Ｊｍａ
ｘ ている。図中Ａの領域はＯＧアゲート下ポテンシャルよ
りリセットゲート下のポテンシャルの方が低い領域であ
り、最大蓄積電荷ｍＱ　　　　はリセＰ、Ｊｉａｘ ットパルスのローレベル値に関係なく一定となる。

またＢの領域は本発明にかかる領域であって、ＯＧケー
ト下のポテンシャルよりリセットゲート下のポテンシャ
ルの方が高くかつリセットドレインの電圧より低い領域
である。図から明らかなようにリセットパルスのローレ
ベルを変えることによって最大蓄積電荷量Ｑ　　　を制
御することがｐ、ＪＩＩｌａｘ できる。さらにＣの領域はリセットドレイン電圧よりリ
セットゲート下のポテンシャルの方が高い領域を示して
おり、電荷は常に掃き出し状態となって電荷蓄積量は起
らない。

このようにリセットパルスのローレベルの値を高くする
と前述した従来の信号電荷の取り残しが発生せず、画像
の劣化は発生しない。

第１５図は複数の感光画素の全てが飽和状態に達した場
合の読み出し周期の出力波形を示しており、第１３図に
相当するものである。図中Ｖ　　、は全での出力のうち
の最小出力値を示しＳＡＴ＋ｌ１１ｎ ており、本発明によってリセットパルスのローレベルを
制御し、最大蓄積電荷量Ｑ　　　を最小出Ｐ、Ｊｍａｘ 力値Ｖ　　、に相当する電荷量Ｑ　　、と同等もＳＡＴ
ｍ　ｒ　ｎ　　　　　　　　　　５ＡＴｌ１１ｎしくは
それ以下に設定している。このように最大蓄積電荷量Ｑ
　　　を電荷量Ｑ　　、以下に設定Ｐ、Ｊｍａｘ　　　
　　　ＳＡＴｍｔｎすることによりその出力波形は第６
図に示すように＝ｒ＝坦なものとなり、画素ごとの飽和
出力むらを見かけ上なくすことができ、電荷ｆｆ１Ｑ　
　　　に達ＳＡＴｍ　１　ｎ する光より強い光が画素に入力した時に生ずる出力の不
均一をなくすことができる。

第７図は本発明にかかる固体撮像装置を外部回路に接続
した場合の効果を説明するための波形図を示したもので
ある。第７図（ａ）に示すように最大蓄積電荷量Ｑ　　
　の出力値Ｖ　　　の値をＰ、　Ｊｍａｘ　　　　　　
Ｆ、　Ｊｍａｘ■　　　と同等またはそれ以下に制御す
ることに　Ｎ５ＡＴ より、外部回路にＶ　　　以上の出力を入力するＮ５Ａ
Ｔ ことを防止している。

したがって第７図（ｂ）に示すように、外部回路の出力
は良好な歪みのない出力が得られ、従来の装置で問題と
したような波形の乱れを無くすことができる。

なお以上説明した実施例においては、最大蓄積電荷ｍＱ
　　　　の制御方法としてリセットゲートＦ、ノＩＩａ
Ｘ と出力ゲートに印加するタイミングパルスの太きさをレ
ベル変換手段を用いて特定の関係に保つようにしたが、
リセットゲート下のｎ型不純物層の１震度を従来より高
濃度に形成することによっても同様の効果を得ることが
できる。

またＯＧゲートに印加する電圧を低くしたりＯＧアゲー
ト下ｎ型不純物層の濃度を従来より低ｒａ度に形成する
ことによっても同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では電荷検出部における蓄積
容量以上の電荷が転送された場合でも転送とコ〕残し電
荷の発生を防ぐことができるため画像の溝流れを防ぐこ
とができる。又、電荷検出部の蓄積容量の制御によって
画素の飽和出力のばらつきによる強い光の均一光の入射
による出力むらが防止できる。また、外部回路の入力許
容値を越える最大出力値の外部回路出力波形の乱れを防
ぐことができ、高画質を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の部分構成を示す断
面図、第２図は第１図におけるリセットゲートに印加さ
れる入力パルスのタイミング波形を示す波形図、第３図
は第１図のタイミングａ。 ｂにおけるポテンシャル図、第４図はリセットパルスの
ローレベルに対する最大蓄積電荷量の関係を示すグラフ
、第５図および第６図は本発明による？Ｉ！１ｍ蓄積装
置の読み出し周期における複数画素からの出力波形を示
すグラフ、第７図は本発明にかかる装置の出力波形と外
部回路出力波形を示すグラフ、第８図は従来の固体撮像
装置の断面構造図、第９図は第８図に示すＸｌ−Ｘ２の
部分でのポテンシャル図、第１０図は従来の人力パルス
タイミング図、第１１図および第１２図は従来装置にお
ける電荷取り残しの問題点を示すポテンシャル図、第１
３図および第１４図は従来の問題点を示す出力波形図、
第１５図は従来装置における外部回路入出力特性グラフ
である。 １・・・リセットドレイン、１′・・・フローティング
接合型電荷検出部、２．　３．　３’・・・不純物層、
５・・・リセットゲート、６・・・ＯＧアゲート７．７
′・・・転送電極、８・・・バッファ、９・・・レベル
変換器、１０・・・Ｐ型半導体基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電荷転送部から出力ゲートを介して転送された信号
   電荷を一時蓄積し検出するフローティング接合型電荷検
   出部と、前記電荷検出部に隣接し前記電荷検出部に一時
   蓄積された信号電荷をリセットゲートを介して所定のタ
   イミングで排出する電荷排出部とを備えた固体撮像装置
   において、前記電荷検出部に電荷が蓄積されるタイミン
   グで前記リセットゲート下のポテンシャルが前記出力ゲ
   ート下のポテンシャルよりも高くなるようなタイミング
   パルス印加手段を設けたことを特徴とする固体撮像装置
   。 ２、前記電荷検出部に蓄積される最大電荷量が複数の感
   光画素により発生して前記電荷検出部に転送された信号
   電荷のうち最小の電荷量以下となるようにリセットゲー
   ト下および出力ゲート下のポテンシャルが決定されるこ
   とを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。