JPH0324873A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は受光部で発生する信号電荷を電荷転送部で転送
する固体撮像装置に関し、特に取り扱い電荷量を改善し
たものである． 〔発明の概要〕 本願の第１の発明は、複数の受光部からの電荷を第１及
び第２の電荷転送部のそれぞれを介して転送する固体撮
像装置において、受光部に対応して第２の電荷転送部の
電荷を一時的に蓄積する複数の電荷蓄積部を設け、その
電荷蓄積部で複数回分の電荷をで加算することにより、
その取り扱い電荷量を増大させるものである． また、本願の第２の発明は、受光部から電荷転送部への
転送が読み出しゲートにより制御される固体撮像装置に
おいて、電荷の蓄積期間中、上記読み出しゲートを転送
状態にして電荷を上記電荷転送部に蓄積し、電荷の転送
期間中、上記読み出しゲートを遮断状態にすることによ
り、同様に取り扱い電荷量を増大させるものである．〔
従来の技術〕 ビデオカメラ，イメージリーダー等に用いられ、画像信
号を出力する固体撮像装置は、半導体微細加工技術の進
歩に伴って、その高解像度化が進められている． ところで、固体撮像装置特にＣＣＤイメージャは、半導
体基板上にフォトダイオードからなる受光部を有してお
り、この受光部で光電変換された信号電荷が電荷転送部
によって転送される．これら受光部と電荷転送部は基板
の表面に２次元的に配置される． 〔発明が解決しようとする課題〕 固体撮像装置の高解像度化を図る場合、各受光部や電荷
転送部等の微細化が行われる．すると、個々の受光部の
面積や電荷転送部の面積が縮小化されることになり、単
位セル当たりの取り扱い電荷量が低下する．このように
取り扱い電荷量が添加した時では、ダイナ稟ツクレンジ
が不足し、Ｓ／Ｎ比が劣化するという問題が生ずる．そ
こで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、取り扱い電
荷量を増大させ、高解像度化と高感度化を同時に実現さ
せるような固体撮像装置の提供を目的とする． 〔課題を解決するための手段〕 上述の目的を達威するための本願の第１の発明の固体撮
像装置は、複数の受光部と、それら受光部からの電荷を
転送する第１の電荷転送部と、その第１の電荷転送部か
らの電荷を転送する第２の電荷転送部と、その第２の電
荷転送部の側部に設けられ上記受光部に対応して上記第
２の電荷転送部の電荷を一時的に蓄積する複数の電荷蓄
積部を有し、上記受光部から転送された複数回分の電荷
を上記電荷蓄積部で加算することを特徴とする。

ここで、上記受光部は例えばマトリクス状或いはライン
状に配列される．受光部がマトリクス状に配列される場
合、第１の電荷転送部は受光部の垂直列に沿って形成で
き、第２の電荷転送部の転送方向も垂直方向とすること
ができる．この場合、第２の電荷転送部の端部には、水
平電荷転送部を設けることができ、或いは蓄積レジスタ
部を介して水平電荷転送部を設けても良い．上記電荷蓄
積部の容量は、受光部や電荷転送部の容量よりも大きく
されることが好ましい。上記複数回は２以上の回数であ
って、限定されるものではない．また、本願の第２の発
明の固体撮像装置は、前述の如き複数の受光部と、それ
ら受光部からの電荷を転送する電荷転送部と、その電荷
転送部と上記受光部の間に形威された読み出しゲートと
を有する．マトリクス状に受光部が配列されるものでは
、水平電荷転送部や一時蓄積用の第２の電荷転送部等を
設けることができる。そして、本発明は、電荷の１４１
１期間中、上記読み出しゲートを転送状態にして電荷を
上記電荷転送部にＭ８ｌし、電荷の転送期間中、上記読
み出しゲートを遮断状態にすることを特徴とする。

〔作用〕

本願の第１の発明の固体撮像装置では、第２の電荷転送
部の側部に設けられた電荷蓄積部に、複数の回数分に応
じて倍増した電荷量が蓄積され、受光部や第１及び第２
の電荷転送部の取り扱い電荷量を増大させることなく、
その電荷転送の時分割によって取り扱い電荷量の増大が
図られることになる． また、第２の発明の固体撮像装置では、電荷の蓄積期間
中は、読み出しゲートが転送状態にされ、受光部で発生
した信号電荷は電荷転送部にも流れ込むことになる。従
って、受光部のみならず電荷転送部も信号電荷が蓄積さ
れることになり、その取り扱い電荷量が増大し、感度を
高めることができる．また、電荷の転送期間中、上記読
み出しゲートを遮断状態にすることで、他の受光部との
間で電荷が混じることが防止される． 〔実施例〕 本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する． 第１の実施例 本実施例の固体撮像装置は、第２の電荷転送部へ複数回
の電荷の転送を行うＣＣＤイメージャの例である。

第１図にその構造を示す。このＣＣＤイメージャ１は、
半導体基板を微細加工して形威されるものであり、第１
図に示すように、マトリクス状に所定間隔で並んだ複数
の受光部２が形威される。

受光部２はフォトダイオードを有して入射光に応じた信
号電荷を発生させる．この受光部２の垂直列に沿って各
列毎に第１の電荷転送部３が形成される．この受光部２
と第１の電荷転送部３の関係は通常のインターライン転
送型ＣＣＤイメージ十のものと同じである．第１の電荷
転送部３は、所要の転送電極群が形成され、その転送電
極群に多相の転送クロック（ＩＭΦ）を供給することで
電荷の転送が行われる．なお、図示を省略するが、受光
部２と第１の電荷転送部３の間には、読み出しゲートを
形威しても良く、その読み出しゲートにより受光部２と
第１の電荷転送部３の間の電荷の転送すなわち読み出し
を制御できる．各列の第１の電荷転送部３の転送方向の
端部には、それぞれ第２の電荷転送部４が形威される。

第２の電荷転送部４は、第１の電荷転送部３と電気的に
接続し、同様に所要の転送電極群が形放され、その転送
電極群に多相の転送クロンク（ＳＴΦ）を与えることで
電荷の転送が行われる．これら第２の電荷転送部４の側
部には電荷蓄積部５が形威される．この電荷蓄積部５は
、各列の第２の電荷転送部４の間に設けられ、上記受光
部２の画素数に対応して配列される．この電荷蓄積部５
で複数回分の信号電荷が加算される．この電荷蓄積部５
と第２の電荷転送部４の間には電荷の転送が双方向に行
われる．その電荷蓄積部５と第２の電荷転送部４の間に
は、双方向の電荷の転送を制御するために、転送制御ゲ
ートを設けることができこの第２の電荷転送部４の転送
方向の端部には、さらに水平電荷転送部６がその端部と
それぞれ電気的に接続して設けられる．この水平電荷転
送部６は各列の第２の電荷転送部４の信号電荷を一水平
ライン毎に転送するためのものである．この水平電荷転
送部６にも、所要の転送クロックが供給される転送電極
によって、電荷が転送されて行く。

この水平電荷転送部６の終端部には、電荷を電圧に換え
て出力するための出力バッファ７が形威されており、こ
の出力バッファ７からビデオ信号が出力される。なお、
上記受光部２以外の領域には、それぞれアルミニウム膜
等からなる遮光膜が形威される． このような構造の本実施例のＣＣＤイメージャは、ビデ
オ信号の垂直プランキング期間内に複数回の電荷蓄積部
５への電荷の転送を行う。この動作の一例について第２
図を参照して説明する．まず、第２図に示すように、信
号Ｖ　ｍＬＫが立ち下がり、垂直プランキング期間Ｔ　
８ＬＫが開始したものとする．すると、垂直プランキン
グ期間Ｔ　ｌｔｘ中に、周期的に３度の読み出しバルス
Φｌｌｏｌ＋ΦＲ。！Φ，。，が第１の電荷転送部３の
転送電極に供給される．この各読み出しパルスΦ，。１
，Φ５。２，Φ７。，のタイミングで受光部２から第１
の電荷転送部３への電荷の転送が行われる。これら転送
時には、垂直プランキング期間以外の期間を蓄積期間と
して蓄積された信号電荷を３分割して読み出すため、例
えば各読み出しバルスΦ，。，，Φ，。２，ΦＲＯ２の
レベルをｔＪ４節して１回分の取り扱い電荷を調整した
り、読み出しゲートのレベルを調節して読み出しゲート
のポテンシャルバリアの高さを調整したりできる．この
ように電荷量を３度に分けて転送できるため、第１の電
荷転送部３の取り扱い電荷量は１度に転送する場合に比
較して３分の１で良いことになる． 各読み出しバルスΦア。１．Φ８。２，Φ８。，のタイ
ミングの直後では、信号電荷が第１の電荷転送部３にあ
る．そこで、信号ＩＭΦ，信号ＳＴΦに示すように、第
１及び第２の電荷転送部３．４の各転送電極に供給され
る信号を転送用のクロンク信号の状態にさせ、各期間Ｔ
．で第１の電荷転送部３と第２の電荷転送部４の連動に
よって、信号電荷を第２の電荷転送部４まで転送する．
そして、第２の電荷転送部４まで転送された信号電荷は
、図中それぞれ時刻Ｍのタイミングで、第２の電荷転送
部４の側部に設けられた電荷蓄積部５へ転送され、その
電荷蓄積部５で一時的に蓄積されて加算される．なお、
期間ＴＩＬＫ中の最終の時刻Ｍのタイミングでは電荷蓄
積部５へ電荷を蓄積しなくとも良い． このような３度の電荷蓄積部５への蓄積動作が行われた
後、電荷蓄積部５から再び第２の電荷転送部４への読み
出しがバルスΦＰのタイミングで行われる．そして、垂
直プランキング期間ＴＩＬＫが終わり、映像期間中では
、第２の電荷転送部４からラインシフトパルスΦ１，に
より水平電荷転送部６に信号電荷が送られる．その水平
電荷転送部６に転送された電荷は、ラインシフトパルス
Φｔｓの間の期間に水平電荷転送部６中で転送され、最
終的に出力バッファ７から所要のビデオ信号が取り出さ
れる． なお、上述の実施例では、受光部２から第１の電荷転送
部３への垂直プランキング期間内の電荷の転送回数を３
回としているが、これに限定されるものではない． 第２の実施例 本実施例の固体撮像装置は、上記第１の実施例の第２の
電荷転送部と水平電荷転送部の間に、第３の電荷転送部
を設けた構造のＣＣＤイメージャの例である． その構造を第３図に示す．このＣＣＤイメージ＋１１は
、第１の実施例と同様に、半導体基板を微細加工して形
威されるものであり、マトリクス状に所定間隔で並んだ
複数の受光部１２が形成される．受光部１２はフォトダ
イオードを有して入射光に応じた信号電荷を発生させる
。この受光部１２の垂直列に沿って各列毎に第１の電荷
転送部１３が形威される．第１の電荷転送部ｌ３は、所
要の転送電極群が形或され、その転送電極群に多相の転
送クロック（ＩＭΦ）を供給することで電荷の転送が行
われる．なお、図示を省略するが、受光部１２と第１の
電荷転送部１３の間には読み出しゲートを形威しても良
い． 各列の第１の電荷転送部ｌ３の転送方向の端部には、そ
れぞれ第２の電荷転送部ｌ４が形威される．第２の電荷
転送部１４は、第１の電荷転送部１３と電気的に接続し
、同様に所要の転送電極群が形威され、その転送電極群
に多相の転送クロック（ＳＴΦ）を与えることで電荷の
転送が行われる。これら第２の電荷転送部ｌ４の側部に
は電荷蓄積部ｌ５が形成される．これら電荷蓄積部１５
は、各列の第２の電荷転送部１４の間に設けられ、上記
受光部ｌ２の画素数に対応して配列される．これら電荷
蓄積部１５で複数回分の電荷が加算れる．この電荷蓄積
部１５と第２の電荷転送部ｌ４の間には電荷の転送が双
方向に行われる。電荷蓄積部Ｉ５と第２の電荷転送部１
４の間の電荷の転送を制御するために転送制御ゲートを
設ける構造としても良い． この第２の電荷転送部ｌ４の転送方向の端部には、第３
の電荷転送部ｌ８が形威される。この第３の電荷転送部
１８は、第２の電荷転送部１４と電気的に接続し、同様
に所要の転送電極群が形成され、その転送電極群に多相
の転送クロソク（ＳＴ２Φ）を与えることで電荷の転送
が行われる。

この第３の電荷転送部１日は、次の水平電荷転送部ｌ６
への電荷の転送の順番を待たせるために用いられ、フレ
ームインターライン型ＣＣＤの蓄積部の如き機能を有す
る。

この第３の電荷転送部ｌ８の電荷の転送方向の端部には
、水平電荷転送部１６が電気的に接続して設けられる。

この水平電荷転送部１６は各列の第３の電荷転送部１８
の信号電荷を一水平ライン毎に転送するためのものであ
る．この水平電荷転送部１６にも、所要の転送クロンク
が供給される転送電極によって、電荷が転送されて行く
。この水平電荷転送部１６の終端部には、電荷を電圧に
換えて出力するための出力バッファ１７が形戒さ？てお
り、この出力バッファ１７からビデオ信号が出力される
．なお、上記受光部ｌ２以外の領域には所要の遮光膜が
形成される． 次に、このＣＣＤイメージャの動作について第４図を参
照しながら説明する．本実施例のＣＣＤイメージャでは
、受光部ｌ２から第１の電荷転送部ｌ３への電荷の転送
のタイξングが垂直プランキング期間以外の期間でも可
能となる。

まず、第４図に示すように、垂直プランキング期間ＴＩ
ＬＥの終了後、第１の電荷転送部１３に供給される信号
ＩＭΦとして、読み出しバルスΦ，■が第１の電荷転送
部１３の転送電極に供給される．この読み出しパルスΦ
２■によって、受光部ｌ２から第１の電荷転送部１３に
電荷が読み出される．この第１の電荷転送部１３への読
み出し動作の後、第１の電荷転送部１３及び第２の電荷
転送部１４の転送電極に共に転送クロック信号が与えら
れ、期間Ｔ．中に第１の電荷転送部１３から第２の電荷
転送部１４の電荷の転送が行われる。その第２の電荷転
送部１４への転送の後、図中時刻Ｍのタイミングで、第
２の電荷転送部１４から電荷蓄積部ｌ５への電荷の蓄積
動作が行われる．このような受光部１２から第１及び第
２の電荷転送部１３．１４を介した電荷蓄積部１５への
転送動作は、本実施例のＣＣＤイメージャでは、映像期
間中に繰り返しｎ回行われる。すなわち、このｎ回の繰
り返した転送によって、電荷蓄積部１５でｎ回分の電荷
が加算される．その結果、取り扱い電荷量はｎ倍になる
ことになり、大きな取り扱い電荷量が得られることにな
る。また、次に説明する第３の電荷転送部１８の機能に
より、本実施例の読み出しでは、受光部１２からの転送
を垂直プランキング期間のみに行う必要がないため、映
像期間の均等な分割によって、取り扱い電荷量を増大さ
せることができる．そして、本実施例のＣＯＤイメージ
ャでは、読み出しのタイミングに対する受光部１２の蓄
積期間を均等にでき、読み出しゲートやパルスのレベル
の調整等は不要である． ｎ回の繰り返した受光部１２から電荷蓄積部１５への転
送の後、信号ＳＴΦには、読み出しパルスΦＰが与えら
れる．すると、電荷蓄積部ｌ５に加算されていったｎ回
分の電荷は、第２の電荷蓄積部１４に一度に戻される．
そのパルスΦＰを与えた後、垂直プランキング期間Ｔ　
ＩＬＸ中の期間Ｔ２に、第２の電荷転送部ｌ４から第３
の電荷転送部１５への電荷の転送が行われる．その結果
、１フィールド分の信号電荷は、全部第３の電荷転送部
ｌ８に移動させられたことになり、次の映像期間中では
第１及び第２の電荷転送部１３．１４において、再びｎ
回の電荷の転送が可能である。

このように第３の電荷転送部１５まで、転送されて来た
電荷は、次の映像期間にラインシフトバルスΦ，，のタ
イミングで１水平ライン毎に水平電荷転送部ｌ６に送ら
れ、それらラインシフトバルスΦＬ，の間の期間に水平
電荷転送部ｌ６中を転送され、最終的に出力バッファ１
７から所要のビデオ信号が取り出される。

このような第３の電荷転送部ｌ８を水平電荷転送部ｌ６
と第２の電荷転送部１４の間に設けた本実施例のＣＣＤ
イメージャは、垂直プランキング期間中にのみ複数回の
電荷の転送が行われる分けではなく、ｌフィールド期間
中に、ｎ回の電荷の転送が行われる．このため配線の遅
延等により短時間内に何回も転送することが困難な場合
でも、十分な読み出しが可能である．そして、そのｎ回
の読み出しにより、取り扱い電荷量がｎ倍になり、ダイ
ナミックレンジやＳ／Ｎ比を改善できることになる。

第３の実施例 本実施例は、受光部における電荷の蓄積期間に、読み出
しゲートを転送状態にして、電荷転送部を電荷の蓄積用
に用いるＣＣＤイメージャの例である． まず、その構造は、第５図に示すように、通常のフレー
ムインターライン転送型のＣＣＤの構造を有する．すな
わち、ＣＣＤイメージャ３ｌは、半導体基板を微細加工
して形成されるものであり、マトリクス状に所定間隔で
並んだ複数の受光部３２が形威され、受光部３２はフォ
トダイオードを有して入射光に応じた信号電荷を発生さ
せる．これら受光部３２の垂直列に沿って各列毎に第１
の電荷転送部３３が形威される．各受光部３２の周囲に
はチャンネルストッパー領域が形威され、各受光部３２
と第１の電荷転送部３３の間では読み出しゲートが形威
される．この読み出しゲートは転送電極の一部を用いた
構造とされ、３値レベルで駆動される転送電極に最も高
い電圧が印加された時に、読み出しゲートの部分のポテ
ンシャルバリアが低くなり、受光部３２の電荷が第１の
電荷転送部３３に読み出される．そして、受光部３２か
らの電荷は、その読み出しゲートを介して第１の電荷転
送部３３に転送される，なお、転送電極の一部を読み出
しゲートとする構造ではなく、独立の読み出しゲートを
有する構造とすることもできる． 第１の電荷転送部３３は、所要の転送電極群が形威され
、その転送電極群に多相の転送クロック（ＩＭΦ）を供
給することで電荷の転送が行われる．それら各列の第１
の電荷転送部３３の転送方向の端部には、それぞれ第２
の電荷転送部３４が形威される．第２の電荷転送部３４
は、第１の電荷転送部３３と電気的に接続し、同様に所
要の転送電極群が形威され、その転送電極群に多相の転
送クロック（ＳＴΦ）を与えることで電荷の転送が行わ
れる．第２の電荷転送部３４には、第１の電荷転送部３
３から高速に電荷が転送されて、その電荷は当該第２の
電荷転送部３４に一時的に蓄積される． この第２の電荷転送部３４の転送方向の端部には、さら
に水平電荷転送部３６がその端部とそれぞれ電気的に接
続して設けられる。この水平電荷転送部３６は各列の第
２の電荷転送部３４の信号電荷を一水平ライン毎に転送
するためのものである．この水平電荷転送部３６にも、
所要の転送クロックが供給される転送電極によって、電
荷が転送されて行く．この水平電荷転送部３６の終端部
には、電荷を電圧に換えて出力するための出力バッファ
３７が形成されており、この出力バッファ３７からビデ
オ信号が出力される．なお、上記受光部３２以外の領域
には、それぞれアルミニウム膜等からなる遮光膜が形威
される． 上述の如き構造を有する本実施例のＣＣＤイメージャは
、次のように作動する． まず、電荷の転送期間中では、読み出しゲートは遮断状
態とされる．すなわち、受光部３２付近のポテンシャル
の状態は、第６図に示すように、読み出しゲートのポテ
ンシャルΦつ。。の障壁が高くされる．第１の電荷転送
部３３のポテンシャル井戸Φ、に蓄積された電荷は多相
の転送クロックに従って転送されて行くが、その間読み
出しゲートのポテンシャルΦ．。。の障壁は高いままで
あり、他の受光部の電荷が混じるようなことはない．こ
の電荷の転送は、第１の電荷転送部３３から第２の電荷
転送部３４への転送であって、垂直プランキング期間に
行われることは、通常のフレームインターライン転送型
のＣＣＤイメージャと同様である． 次に、電荷の蓄積期間では、読み出しゲートは？送状態
とされる．すなわち、受光部３２付近のポテンシャルの
状態は、第７図に示すように、一読み出しゲートのポテ
ンシャルΦ．。。が受光部３２のポテンシャルΦ門と同
じ程度の値となる．また、第１の電荷転送部３３のポテ
ンシャル井戸Φ、も深くされる．このような転送状態は
、転送電極に高い電圧の．信号を供給することで可能で
ある．このポテンシャルの分布からは、受光部３２で発
生する電荷は受光部３２に蓄積されると共に第１の電荷
転送部３３にも蓄積される．これは実質的に蓄積するた
めの容量が増大したことになり、取り扱い電荷量が増大
することを意味する．このような電荷の蓄積期間中の読
み出しゲートのポテンシャルΦ■。６を下げる動作は、
蓄積期間中に読み出しゲートにかかる転送電極に高いＤ
Ｃ電圧を与えることで行っても良く、受光部３２が蓄積
を行っている期間に、周期的に読み出しゲートのポテン
シャルΦＩＩＯＧを下げるパルスを供給することで行う
ようにして良い． なお、第２の電荷転送部３４から水平１荷転送部３６へ
の電荷の転送は、映像期間中に１水平ライン毎に行われ
る。

このように本実施例のＣＣＤイメージ中では、蓄積期間
中に、信号電荷が受光部３２だけでなく、第１の電荷転
送部３３にも蓄積されるため、その取り扱い電荷量が増
大する．その結果、ダイナミックレンジやＳ／Ｎ比の改
善がなされることになる。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像装置は、第２の電荷転送部の側部の電
荷蓄積部へ複数回電荷を転送する構造や受光部と電荷転
送部の間の読み出しゲートを電荷の蓄積期間中に転送状
態としておく構戒により、その取り扱い電荷量を増大さ
せることができる．このため、高感度化，ダイナξツク
レンジの向上やＳ／Ｎ比の改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置の一例の平面構造を示す
模式図、第２図はその一例の動作を説明するためのタイ
ミングチャート、第３図は本発明の固体撮像装置の他の
一例の平面構造を示す模式図、第４図は上記他の一例の
動作を説明するためのタイミングチャートである．また
、第５図は本発明の固体撮像装置のさら４他の一例の平
面構造を示す模式図、第６図は上記さらに他の一例の転
送時の受光部付近のポテンシャルの状態を示すポテンシ
ャル分布図、第７図は上記さらに他の一例の蓄積時の受
光部付近のポテンシャルの状態を示すポテンシャル分布
図である． １．１１．３１・・・ＣＣＤイメージャ２，１２．３２
・・・受光部 ３，１３．３３・・・第１の電荷転送部４．１４．１４
・・・第２の電荷転送部５，１５・・・電荷蓄積部 ６，１６．３６・・・水平電荷転送部 ７，１７．３７・・・出力バッファ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の受光部と、それら受光部からの電荷を転送
   する第１の電荷転送部と、その第１の電荷転送部からの
   電荷を転送する第２の電荷転送部と、その第２の電荷転
   送部の側部に設けられ上記受光部に対応して上記第２の
   電荷転送部の電荷を一時的に蓄積する複数の電荷蓄積部
   を有し、上記受光部から転送された複数回分の電荷を上
   記電荷蓄積部で加算することを特徴とする固体撮像装置
   。
2. （２）複数の受光部と、それら受光部からの電荷を転送
   する電荷転送部と、その電荷転送部と上記受光部の間に
   形成された読み出しゲートとを有し、電荷の蓄積期間中
   、上記読み出しゲートを転送状態にして電荷を上記電荷
   転送部に蓄積し、電荷の転送期間中、上記読み出しゲー
   トを遮断状態にすることを特徴とする固体撮像装置。