JPH04279062A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- JPH04279062A JPH04279062A JP3065207A JP6520791A JPH04279062A JP H04279062 A JPH04279062 A JP H04279062A JP 3065207 A JP3065207 A JP 3065207A JP 6520791 A JP6520791 A JP 6520791A JP H04279062 A JPH04279062 A JP H04279062A
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- H01L27/14—Devices 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
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-
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
フルフレーム走査読出しにより高解像度の静止画撮像を
行う電荷結合型固体撮像装置に関する。
ス・フルフレーム走査読出しで静止画を撮像する電荷結
合型固体撮像装置(CCD)を、特願平2−17865
4号、特願平2−178655号、特願平2−1786
56号等で開示した。この電荷結合型固体撮像装置は、
従来から知られている4相駆動方式等を適用した電荷結
合型固体撮像装置に較べて、スメアの影響を受けず、且
つ、垂直解像度を向上することができる等の効果がある
。
図7と図8と共に述べると、まず図7の構造図において
、この電荷結合型固体撮像装置は、半導体集積回路製造
技術により、半導体基板中に適宜の種類且つ不純物濃度
の層を埋設すると共に、該半導体基板上に電極層等を積
層することにより形成される。
図示せず)内にn+ 形不純物からなる複数の不純物層
を列方向Y及び行方向Xに沿ってマトリクス状に埋設す
ることにより、n×m個のフォトダイオード(図中、各
列毎にP1 , P2 〜Pn で示す)を形成し、更
に、列方向Yに配列される各フォトダイオード群に隣接
してn形の不純物層を埋設すると共に、後述の転送ゲー
ト電極を積層することにより、m行の垂直電荷転送路L
1 〜Lm (図中には、一部の垂直電荷転送路Li
, Li+1, Li+2 を示す)が形成されている
。
、高濃度のn型不純物から成り不要電荷を廃棄するため
のドレイン部2が埋設され、終端部分には、2相駆動方
式又は4相駆動方式の駆動信号α1 , α2 に同期
して電荷を転送する水平電荷転送路3が形成されている
。
るように、各列のフォトダイオードに対して一対ずつの
転送ゲート電極G11 ,G21, G31 ,G41
、G12, G22 ,G32,G42 〜 G1
n/2, G2n/2 ,G3n/2, G4n/2が
設けられている。尚、Y列方向にn列のフォトダイオー
ドP1 〜Pn が形成されるので、転送ゲート電極の
総数は2×n本となる。
して示す)トランスファゲートとなる部分とフォトダイ
オードの部分と、垂直電荷転送路及び水平電荷転送路の
部分を除く周囲にp+ 形の不純物層から成るチャンネ
ルストッパ(図中の点線で囲む斜線部分)が形成されて
いる。
, G31 ,G41 〜 G1n/2, G2n
/2 ,G3n/2 ,G4n/2は、第1の駆動回路
4、第2の駆動回路5及びシフトレジスタ6,7から供
給される所定タイミングの駆動信号に同期して画素信号
の転送動作を行う。
徴として、水平電荷転送路9に最も近い側の転送ゲート
電極G11を基準にして、4本ずつの転送ゲート電極に
組分けして制御する。第1の駆動回路4は、各組の第1
番目の転送ゲート電極G11,G12,G13,G14
〜G1n/2の各端部がNMOSトランジスタM11,
M12,M13,M14〜M1n/2を介して、タイミ
ング信号φL1の信号線に接続し、各組の第2番目の転
送ゲート電極G21,G22,G23,G24〜G2n
/2の各端部がNMOSトランジスタM21,M22,
M23,M24〜M2n/2を介して、タイミング信号
φL2の信号線に接続し、各組の第3番目の転送ゲート
電極G31,G32,G33,G34〜G3n/2の各
端部がNMOSトランジスタM31,M32,M33,
M34〜M3n/2を介して、タイミング信号φL3の
信号線に接続し、各組の第4番目の転送ゲート電極G4
1,G42,G43,G44〜G4n/2の各端部がN
MOSトランジスタM41,M42,M43,M44〜
M4n/2を介して、タイミング信号φL4の信号線に
接続する。そして、シフトレジスタ6の各出力信号SL
1〜SLn/2が各組毎の4個ずつのNMOSトランジ
スタのゲート電極に印加される。
21,G22,G23〜G2n/2の各端部には、ベー
ス接点に信号φFSA が印加されるnpnトランジス
タQ21,Q22,Q23〜G2n/2の各エミッタ接
点が接続し、各組の第4番目の転送ゲート電極G41,
G42,G43〜G4n/2の各端部には、ベース接点
に信号φFSB が印加されるnpnトランジスタQ4
1,Q42,Q43〜G4n/2の各エミッタ接点が接
続し、全てのnpnトランジスタQ21〜Q4n/2の
コレクタ接点には電圧VS が印加されている。第2の
駆動回路5は、タイミング信号φR1〜φR4をシフト
レジスタ7からの信号SR1, SR2, SR3〜S
Rn/2に同期して切換え動作する2×n個のNMOS
トランジスタm11 ,m21 ,m31 ,m41〜
m1n/2,m2n/2,m3n/2,m4n/2から
成る。
NMOSトランジスタm11を基準にして4個ずつのト
ランジスタを組にし、各組毎の各トランジスタのゲート
電極にシフトレジスタ7からの駆動信号SR1, SR
2〜SRn/2が順番に供給される。次に、静止画撮像
の動作を第8図のチャイミングチャートと共に説明する
。尚、静止画撮像時には、タイミング信号φL1とφL
3は常時“L”レベル、φL2とφL4は常時“M”レ
ベルに設定される。 まず図8において、垂直ブランキングTVBの開始時点
において、シフトレジスタ7の全ての出力信号SR1〜
SRn/2を“L”レベル、シフトレジスタ6の全ての
出力信号SL1〜SLn/2を“L”レベルに初期化す
る。
1 において、信号φFSA とφFSB を同時に“
HH”レベルにすることによりフィールドシフト動作を
行う。即ち、信号φFSA とφFSB が同時に“H
H”レベルとなることで、全てのnpnトランジスタQ
21, Q41〜Q2n/2 ,Q4n/2が導通状態
となり、受光部7中の偶数番目の転送ゲート電極G21
, G41, G22, G42〜G2n/2, G4
n/2下の転送エレメントにフォトダイオードP1 〜
Pn の全ての画素信号がフィールドシフトされる。
G31, G12, G32 〜G1n/2, G3
n/2は、タイミング信号φL1, φL3によって“
L”レベルに設定されるので、相互に隣接関係にある画
素信号を混合させないためのポテンシャル障壁を垂直電
荷転送路L1 〜Lm 中に発生させる。
トレジスタ7の出力SR1〜SRn/2の全てが“L”
レベルに設定されているので、第2の駆動回路5中のN
MOSトランジスタm11〜m4n/2はオフ状態とな
る。したがって、第2の駆動回路5と全ての転送ゲート
電極G11〜G4n/2は遮断状態となり、転送ゲート
電極G11〜G4n/2は第1の駆動回路4からの信号
によってのみ制御される。
すると、水平ブランキング期間H1 において、シフト
レジスタ7がシフト駆動信号φA1 ,φB1に同期し
て“M”レベルのスタート信号φIN1 を入力すると
共に、シフトレジスタ27がシフト駆動信号φA2 ,
φB2に同期して“L”レベルのスタート信号φIN2
を入力する。次に、水平走査期間T1 において、水
平電荷転送路3がタイミング信号α1 , α2 に同
期して水平転送することにより、水平電荷転送路3中の
不要電荷を外部へ廃棄する。
の期間に、シフトレジスタ7がシフト駆動信号φA1
,φB1に同期してシフト動作することにより、第1番
目の出力信号SR1が“M”レベルとなり、他の出力信
号SR2〜SRn/2が“L”レベルのままとなる。又
、シフトレジスタ6がシフト駆動信号φA2 ,φB2
に同期してシフト動作することにより、第1番目の出力
信号SL1が“L”レベルとなり、他の出力信号SL2
〜SLn/2が“H”レベルのままとなる。
,φR2,φR3 ,φR4が第2の駆動回路5に印
加されることにより、駆動信号S11, S21, S
31, S41だけがタイミング信号φR1 ,φR2
,φR3 ,φR4と等しいタイミングで第1組目の
転送ゲート電極G11, G21, G31, G41
に印加され、第1組目に該当する画素信号(P1 とP
2 の列の画素信号)が1列分水平電荷転送路3側へ転
送されることとなり、P1の列の画素信号だけが水平電
荷転送路3へ転送される。次に、水平走査期間T2 に
おいて、水平電荷転送路3がタイミング信号α1 ,
α2 に同期して水平転送することにより、第1列目(
P1 の列)の画素信号が点順次に読み出される。
の期間に、シフトレジスタ7がシフト駆動信号φA1
,φB1に同期しシフト動作することにより、第1番目
と第2番目の出力信号SR1 ,SR2が“M”レベル
となり、他の出力信号SR3〜SRn/2が“L”レベ
ルのままとなる。又、シフトレジスタ6がシフト駆動信
号φA2 ,φB2に同期しシフト動作することにより
、第1番目と第2番目の出力信号SL1, SL2が“
L”レベルとなり、他の出力信号SL3〜SLn/2が
“H”レベルのままとなる。
,φR2,φR3 ,φR4が第2の駆動回路5に印加
されることにより、駆動信号S11, S21, S3
1, S41,S12, S22, S32, S42
だけがタイミング信号φR1 ,φR2 ,φR3 ,
φR4と等しいタイミングで第1組目と第2組目の転送
ゲート電極G11, G21, G31, G41,G
12, G22, G32, G42に印加され、P2
の列及び第2組目(P3 とP4 の列)に該当する
画素信号が水平電荷転送路3側へ転送されることとなり
、P2 の列の画素信号だけが水平電荷転送路3へ転送
される。
、水平電荷転送路3がタイミング信号α1 , α2
に同期して水平転送することにより、第2列目(P2
の列)の画素信号が点順次に読み出される。このように
、水平ブランキング期間毎に、シフトレジスタ7が毎回
シフト動作を行うことで出力信号SR1〜SRn/2を
順番に“L”レベルから“M”レベルに反転すると同時
に、シフトレジスタ6が毎回シフト動作を行うことによ
り出力信号SL1〜SLn/2を順番に“M”レベルか
ら“L”レベルに反転して、タイミング信号φR1 ,
φR2 ,φR3 ,φR4による転送ゲート電極の駆
動範囲を徐々に拡大させ、全ての画素信号を読み出すま
で継続する。
送路L1 〜Lm は、水平電荷転送路3に近い側の画
素信号から所謂ドミノ倒しのようにして転送動作を行う
ので、従来の4相駆動方式による電荷転送の場合に較べ
て少ない転送ゲート電極数で、ノンインターレース・フ
ルフレーム走査読出しを行うことができ、フィールド走
査のようなスメアの問題等を改善することができる。又
、転送ゲート電極数を少なくすることができる分だけ垂
直解像度の向上を図ることができる。
うな従来の電荷結合型固体撮像装置にあっては、図9の
要部拡大図及び図10の断面図に示すように、垂直電荷
転送路の画素信号を保持するための転送エレメントとポ
テンシャル障壁を発生させるための転送ゲート電極G1
1〜G4n/2の電荷転送方向の幅がほぼ等しく設計さ
れ、フィールドシフト時には、これらの転送ゲート電極
下(図10では、転送ゲート電極G21 ,G41,
G22を代表して示す)に交互に転送エレメントを発生
させると同時に、残りの転送ゲート電極(図10では、
G11 ,G31, G12, G32を代表して示す
)下にポテンシャル障壁を発生させて、全てのフォトダ
イオードの画素信号を転送エレメントへフィールドシフ
トさせる。そして、上述したように各列の画素信号毎に
ドミノ倒しのように順番に読み出す。
信号の保持及び転送を実現するので、電荷転送の効率は
良いが、各画素に対応する各画素信号の電荷量は少なく
なり、ダイナミックレンジの向上が課題となっていた。 尚、周知の4相駆動方式のように多数の転送ゲート電極
で1画素信号を転送すれば、転送可能な電荷量を増加す
ることができるが、ノンインターレースフルフレーム走
査読出しのような高解像度の走査読出しを行うことがで
きなくなり、新たな手段の開発が望まれていた。
ものであり、垂直解像度を低下させることなく、転送可
能な電荷量を増加させることができる電荷結合型固体撮
像装置を提供することを目的とする。
発明は、画素に相当する複数の光電変換素子を列方向及
び行方向にマトリクス状に配列形成すると共に、列方向
に配列する各光電変換素子群に隣接する垂直電荷転送路
をトランスファゲートを介して形成し、これらの垂直電
荷転送路の転送ゲート電極を各列の光電変換素子に対応
して2列ずつ形成して成る受光部を具備し、静止画撮像
時に、上記垂直電荷転送路の転送ゲート電極の配列順に
交互に転送エレメントとポテンシャル障壁を発生させて
、光電変換素子に発生した全ての画素信号を上記トラン
スファゲートを介して対応する転送エレメントへフィー
ルドシフトした後、相互に隣合う転送ゲート電極を所定
数ずつ組にして、各組毎の転送ゲート電極への所定タイ
ミングの転送ゲート信号の印加を、水平電荷転送路に最
も近い側の組から順番に拡大していくことによって、上
記水平電荷転送路に最も近い側の組の画素信号から順番
に水平電荷転送路へ転送し、該水平電荷転送路が画素信
号を受信する毎に水平電荷転送動作により時系列に画素
信号を読出す転送動作を繰り返すことにより、画素信号
をノンインターレース・フルフレーム走査読出しする電
荷結合型固体撮像装置を対象とするものであり、上記フ
ィールドシフト時に転送エレメントを発生させる転送ゲ
ート電極の転送方向の幅(W1)とポテンシャル障壁を
発生させる転送ゲート電極の転送方向の幅(W2)を、
垂直電荷転送路の埋込チャンネル接合深さ(XJBC
)に対して、 W2>2・XJBC の条件を満足し且つ、W1≫W2の関係となるように形
成することとした。
体撮像装置によれば、画素信号を保持及び転送するため
の転送エレメントをポテンル障壁より大きな領域にする
ことが出来るので、転送可能な電荷量を従来より増加す
ることができる。この結果、ダイナミックレンジの向上
やスメアの影響を低減することができ、より鮮明が画質
の再生画像を実現することができる。
転送ゲート電極の最小幅(W2)を、埋込チャンネル接
合深さ(XJBC )の2倍を超える値に設定すること
により、確実にポテンル障壁を発生させることができ、
転送エレメント間で画素信号が混合するような問題を生
じない。
る。尚、この実施例の電荷結合型固体撮像装置は、第7
図及び第8図で説明した従来例と同様の構造及び動作を
行うものとする。
違点を図1ないし図6と共に説明すると、まず図1にお
いて、トランスファゲートTg を挟んで各フォトダイ
オードに隣接する位置に転送エレメント(ポテンシャル
井戸)を発生させるための偶数番目の転送ゲート電極G
21,G41, G22〜G4n/2の電荷転送方向の
幅W1と、それらの間に設けられる奇数番目の転送ゲー
ト電極G11, G31, G12, G32〜G3n
/2の電荷転送方向の幅W2の比W1/W2を可能な限
り大きくしてあり、更に、図2及び図3に示すように、
幅W2が、垂直電荷転送路を形成するためにウェル層に
埋設されるn形不純物層の埋込チャンネル接合深さXJ
BC の2倍を超える値に設定されている。即ち、幅W
1とW2の設計条件を数式で示せば、 W2>2・XJBC 及び、W1≫W2の関係に設定さ
れる。
作を行うと、フィールドシフト時には、図4に示すよう
に広い幅W1に形成された転送ゲート電極下に転送エレ
メントが発生し、狭い幅W2に形成された転送ゲート電
極下にポテンシャル障壁が発生し、転送エレメントへ各
画素毎の画素信号がフィールドシフトされる。又、W2
>2・XJBC の関係に設定されているので、転送エ
レメント間を分離するのに十分なレベルのポテンル障壁
が発生し、例えば図5に示すように、レベルが不十分で
隣合う転送エレメント中の画素信号が混合する問題を生
じない。これは、埋込チャンネル接合深さXJBC の
約2倍の幅を境にして、それより狭い幅の転送ゲート電
極を設計すると、図6に示すように、ポテンシャル障壁
の発生レベルが低下し、それより広い幅の転送ゲート電
極の場合には、ほぼ一定の飽和レベルに維持することが
できることから、ポテンシャル障壁の確実な発生を保証
することができる。このようにこの実施例によれば、比
較的簡単な構造であるが、転送可能な電荷容量を増加さ
せて、ノンインターラインフルフレーム走査読出しを行
うことができ、垂直解像度を低下させることなくダイナ
ミックレンジの向上及び雑音の影響を低減することがで
きる。
固体撮像装置によれば、画素信号を保持及び転送するた
めの転送ゲート電極を発生させるための転送ゲート電極
を広くし、ポテンシャル障壁を発生させるための転送ゲ
ート電極を狭く形成したので、転送可能な電荷量を従来
に較べて増加することができ、ダイナミックレンジの向
上や雑音成分の影響を低減する等の効果が得られる。更
に、ポテンシャル障壁を発生させるための転送ゲート電
極の最小幅を垂直電荷転送路を形成するために埋設され
る埋込層の埋込チャンネル接合深さの2倍を超える幅に
設定するようにしたので、ポテンシャル井戸の発生を保
証することができ、電荷転送効率の低下を招来しない。
面図である。
ための説明図である。
ための説明図である。
ルの関係を示す説明図である。
ミングチャートである。
G11, G21, G31, G41〜 転送ゲー
ト電極Tg トランスファゲート
Claims (1)
- 【請求項1】 画素に相当する複数の光電変換素子を
列方向及び行方向にマトリクス状に配列形成すると共に
、列方向に配列する各光電変換素子群に隣接する垂直電
荷転送路をトランスファゲートを介して形成し、これら
の垂直電荷転送路の転送ゲート電極を各列の光電変換素
子に対応して2列ずつ形成して成る受光部を具備し、静
止画撮像時に、上記垂直電荷転送路の転送ゲート電極の
配列順に交互に転送エレメントとポテンシャル障壁を発
生させて、光電変換素子に発生した全ての画素信号を上
記トランスファゲートを介して対応する転送エレメント
へフィールドシフトした後、相互に隣合う転送ゲート電
極を所定数ずつ組にして、各組毎の転送ゲート電極への
所定タイミングの転送ゲート信号の印加を、水平電荷転
送路に最も近い側の組から順番に拡大していくことによ
って、上記水平電荷転送路に最も近い側の組の画素信号
から順番に水平電荷転送路へ転送し、該水平電荷転送路
が画素信号を受信する毎に水平電荷転送動作により時系
列に画素信号を読出す転送動作を繰り返すことにより、
画素信号をノンインターレース・フルフレーム走査読出
しする電荷結合型固体撮像装置において、前記フィール
ドシフト時に転送エレメントを発生させる転送ゲート電
極の転送方向の幅(W1)とポテンシャル障壁を発生さ
せる転送ゲート電極の転送方向の幅(W2)を、垂直電
荷転送路の埋込チャンネル接合深さ(XJBC )に対
して、W2>2・XJBC の条件を満足し且つ、W1≫W2の関係となるように形
成することを特徴とする電荷結合型固体撮像装置。
Priority Applications (2)
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