JPH01500471A - ホトダイオードを用いたイメージセンサのための電子シャッタ - 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】 ホトダイオードを用いたイメージセンサのための電子シャッタ この発明はホトダイオードの蓄積電荷を空にする電子シャッタを備えたイメージ センサに関係している。

背景技術 イメージセンサは、場面からの入射光に応答して電荷を集める多（の異なった形 式の光検出素子を備えている。

ホトダイオードはしばしばこの検出素子として有利に使用される。ホトダイオー ドは高い量子効率を有し、低い限られていることである。

多（の応用装置においては、積分期間（露光時間）があまりにも長いので、ダイ オードのあるものは電荷であふれている。余剰の電荷はこぼれ出て「ブルーミン グ」として知られている問題を引き起こす。積分期間を短（するためには、例え ば、機械的シャッタによるか又はホトダイオードをリセットしてその電荷を空に するなどの方法によって光を遮断しなければならない。

ホトダイオードは、周知のように、ｐ形及びｎ彫物質の接合部に準備されている 。これら二つの物質量の境界面の空乏領域には電位井戸が発生される。入射照明 によって電子−正孔の対が形成される。電子（問題の電荷）は電位井戸へ移動し てこれに捕えられる。ブルーミングをなくするために二つの方法が案出されてい る。これは「横方向あふれドレーン」及び「縦方向あふれドレーン」として知ら れている。

第１図は横方向ドレーンを図解した典型的な従来技術構造物の断面図を示してい る。センサ１０はア形基板１２及び三つの隔置されたｎ影領域を備えている。一 つの５形領域には参照数字１４が付いている。このｎ影領域及び基板１２が組み 合わされてホトダイオードを形成している。参照数字１４は又ホトダイオードを 指すとも考えられる。同様に、領域１６はインタラインＣＣＤ（第３図参照）の 埋込みチャネル構造部の一部分であり、又領域１８は余剰の電荷を除去するため の横方向ドレーンの一部分である。基板１２の上面には入射照明に対して透明な 薄い酸化物層２０がある。二つのポリシリコン電極２２及び２４が準備されてい る。電極２２は電位φ１の源に接続されるように構成されている。電極２２は転 送電極として仰られている。それは又リセット電極でもある。電極２４は電位− ７の源に接続されるように構成されており、あふれドレーン電極として知られて いる。これらの電極２２及び２４の上方には別の酸化物層が準備されている。こ の酸化物層の上面にはホトダイオード１４の領域を除いて入射光が基板１２に入 らないようにするアルミニウム層２６がある。隣り合ったホトダイオードを分離 するためにチャネル阻止部２８が準備されている。ただ一つのそのようなチャネ ル阻止部が図示されている。チャネル阻止部２８は比較的厚い酸化物部分及びｐ ＋はう素性入部からなっている。

動作の際には、光の光子がダイオードを照明した後に電極−正孔の対が形成され る。電子は３領域１４の空乏領域に配置された電位井戸に蓄積される。電荷を埋 込みチャネルに転送するために正電位がｆｌに加えられる。

電子は表面チャネルに沿って流れて、それからＣＯＤの埋込みチャネルにおける 電位井戸に流れ込む。この時点でφ、の電位が除去される。今度は望まれない電 荷がホトダイオードに蓄積し続けることになる。これが起こるのを防止するため に正電位がφ、に加えられる。このためにホトダイオードに蓄積する電荷はドレ ーンのｎ十領域１８へ転送されて、ここで周知の方法で除去される。

各ホトダイオードに対する′１ｔＮ２４のすべては一緒に接続されている。同様 に、すべての電極２２は一緒に接続されている。不幸にも、素子の電気的特性の 変化はリセットφ、及び読出しφ、電圧によって与えられる電位井戸のダイオー ド間の変化を必然的に生じることになる。

これは次の方程式によって説明され得るセンサ空間パターン雑音を生じることに なる。

ここで、 雑音は電子の数で計算され、 Ｃはホトダイオード１４のキャパシタンスであり、又Ｖ８１及びＶ＃！はそれぞ れφ、及びφ、電極の下における表面電位のＲＭＳ値である。

そのような空間パターン雑音はある種の応用装置においてはセンサの感度を厳し く減小させることがある。

従来技術の縦方向ドレーン構成が第２図に示されている。構成部分が第１図にお けるものと同じである場合には、同じ参照番号が施されている。この素子（デバ イス）においては、ｎ形基板３ｏが準備されている。外形基板３０の上面にはｐ 形の井戸３２がある。３形基板３ｏは電位Ｖｈの源に接続され且つｐ井戸３２は 接地されている。ホトダイオード１４の中心部分の真下には、外形基板領域３０ がホトダイオード１４に比較的接近するように上方へ延びている。この構成では 、Ｖｂが正電位であり且つホトダイオードの電位井戸があふれ始めた場合には、 電子はｐ井戸３２の狭い部分を通過してｎ形基板３０に流れ込む。この構成は縦 方向あふれドレーンとして示されている。それは余剰電荷のＣＯＤへの横方向あ ぶれを防止する。横方向及び縦方向あふれドレーンは、ブルーミング問題を最小 化するためには有効であるけれども、望まれない電荷が非積分期間中ホトダイオ ードの電位井戸に蓄えられるのを排除しない。

この発明の目的は、非積分期間中電荷がホトダイオードに蓄積されないよ５にす る電子シャッタを提供することである。

発明の開示 この目的は、場面からの光を積分して電位井戸に電荷を蓄積する複数のホトダイ オード、各ホトダイオードと関連していてこのダイオードから蓄積電荷を転送す ることのできる装置、及び各ホトダイオードに対する電子シャッタを備えたイメ ージセンサであって、（α）各ホトダイオードの上方に配置された浅いダイオー ドであってこれの上面部分を固定電圧にクランプする基準電位の源に接続されて いる前記の浅いダイオード、及び（ｂ）ホトダイオードから電位井戸を除去して ホトダイオードの電荷を空にする電位を選択的に加えるための装置、を備えてい る前記のイメージセンサにおいて達成される。

図面の説明 第１図は横方向ドレーンを用いたホトダイオードの使用した従来技術のイメージ センサの断面図であり、第２図は縦方向トレー７を用いたホトダイオードを用い ている従来技術のイメージセンサの断面図であり、第３図はこの発明に従って使 用され得るインタライン（行間）イメージセンサの一部分の平面図であり、第４ 図はこの発明による縦方向ドレーン・イメージセンサの第３図の線４−４に沿っ て取られた断面図であり、第５ａ図及び５ｂ図はそれぞれ第２図及び４図におけ る縦方向ドレーン・イメージセンサに関する電位図を例示しており、又 第６図はこの発明による横方向ドレーン・イメージセンサの断面図である。

発明を実施する方法 今度は第３図に移ると、インタラインイメージセンサｌＯの概略的構成が示され ている。センサｌＯは配列（複数）のホトダイオード１４を備えている。場面か らの入射光に応答して、各ホトダイオードは電位井戸に電子を蓄積する。正孔は 重要ではない。電子は表面チャネルを通して埋込みチャネルＣ０Ｄ１６に転送さ れる。ホトダイオード１４の隣り合った列のどちらの側にも縦方向ＣＣＤ埋込み チャネル１６がある。このアーキテクチャは「インタライン（行間）」と呼ばれ ている。ホトダイオード１４を除いてセンサの全表面はアルミニウム層２６（第 ４図参照）で覆われている。電荷は垂直ＣＣＤ１６から水平ＣＣＤ３７へ転送さ れる。同様の方法で、電荷は水平ＣＣＤから、出力電圧（Ｖｏｓｔ）を発生する 浮動（フローチング）拡散９３８へ転送される。この特定の構成の詳細事項は技 術に通じた者によってよく理解されているので、ここではこれ以上論述される必 要はない。

今度は第４図に移ると、第３図の線４−４に沿って取られた縦方向ドレーン・イ メージセンサの一部分が断面図で示されている。このイメージセンサの構成は第 ２図に示されたものに類似しており、従って構成部分が対応している場合には同 じ数字が使用されている。例えば、３形基板３０、ｐ井戸３２．３領域（ホトダ イオード）１４及び埋込みチャネルＣＣＤ１６がある。これらの外に電位源φ１ に接続されたポリシリコン転送電極２２がある。又、通常のチャネル阻止部２８ が準備されている。

この発明に従って、ｎ領域１４の上面には浅いｐ十形領域４０がある。領域４０ は領域１４との組合せにおいて浅いダイオードを与える。ここで注意されるべき ことであるが、センサは外形基板を備えたものとして示されているけれども、反 転された不純物極性が可能である（全体的に３形物質をｐ形物質で置き換えるこ とができ）層４０は短波長量子効率を与えるように浅くなっており、場面からの 光の到来光子を妨げない。図示さ才したように、左のチャネル阻止部２８はその ｐ＋はう素性入部が接地されている。このｐ＋注入部は直接ｐ＋層４０に接続さ れており、従ってこの層を接地している。更に、ｐ井戸３２も又電気的に接地さ れている。１１４０を接地することによって、浅いホトダイオードの層４０の上 面位置が基板に加えられた電圧ＣＶｂ）に関係なく基準電位にクランプさｎる。

これは第５ａ図及び５ｂ図に図解されている。

第５ａ図は第２図に示さ扛た縦方向ドレーンに関する電位図が（概略的形式で） 示されている。最上の状況においては、約５ボルトがＶｂに加えられていると仮 定しよう。電位井戸がホトダイオードに形成されて電子（ａ−）を集める。電位 井戸が過負荷状態になるべき冶金には、電子はｐ井戸３２を横切って基板３０へ 流れ込む。

これは矢印を伴った電子−一によって示されている。

Ｗｂにおける電圧が約１５ボルトに増大されたと仮定しよう。これは第５ａ図に おいて点線の状況で示されている。浅いホトダイオードの上面部分（Ｖｌ）は今 度は約７．５ボルトになる。用語Ｖａは浅いホトダイオードの表面電位を実際上 表している。電位井戸が再び形成される。

両方の場合（Ｖｂ＝５Ｖ及びＦ６　＝　ｌ　５　Ｖ　）において、余剰の電荷は 電位井戸に蓄積することができる。この余剰の電荷が雑音を引き起こす。この発 明はこの問題を認識し、第５ｂ図に図解されたように、十分に高い電圧をＶｂに 選択的に加えることによって電位井戸を除去する。

第５ｂ図の実線部分に示されたように、Ｖｂに加えられた電位が約５ボルトであ ると仮定しよう。シリコン表面の近くの浅いダイオード層４０の電位（Ｖ、）は 固定基準電位に維持されている。電荷は電位井戸に集められるので、蓄積余剰電 荷はｐ井戸３２を通って基板３０へ流れ込むことができる。今度は約１５ボルト の高い電位がＶｂに加えられたと仮定しよう。この場合には図示されたように、 電位井戸が実質上除去さ才しるので、発生したすべての電子は「坂を下って」流 れて、領域３２を通って基板３０へ流れ込み、散逸させられるであろう。第５Ｇ 図に例示されたようにこの上面ダイオードがない場合には、電圧Ｖ＃は浮動する ことができる。これは実際上、隣り合った電界領域（一対する横方向キャパシタ ンス及び直接の転送ゲートに対するキャパシタンスに起因する容食性分割作用に よるものである。これらのキャパシタンスはホトダイオードのキャパシタンスよ りも一般にはるかに小さく、ホトダイオードの表面電位を制御するのには効果的 でない。

今度は第６図に移ると、横方向ドレーン・イメージセンサの一部分の断面図が示 されている。この図は第１図に示されたものに類似している。ここでは、第４図 に示されたように、浅いダイオードの浅いｐ十領域４０がホトダイオードの上面 に形成されている。この浅い領域４０も又ｐ形基板を通して基準電位の源に接続 されている。第１図に示されたものと同じである、この素子の各構成部分には同 じ参照数字が施されている。正電位がφ。

に加えられると、層４０の電位が（その空乏領域を除いて）固定基準電位にクラ ンプさｎ、そして第５ｂ図の点線部分に示されたものに類似した方法で、電位井 戸が完全に排除されて電荷がドレーン１８へ流れ込む。もちろん、同様の方法で 、電荷が埋込みチャネル１６へ転送されるべきであり且つ正電位がｌ１１．に加 えられたときには、ホトダイオードの電位井戸も又完全に排除されて電荷は表面 チャネルを通って埋込みチャネル１６へ流れ込む。

産業上の適用性及び利点 この発明のイメージセンサは電子カメラに有効である。

この発明の特徴はホトダイオードが電荷を完全に空にされ得ること及び上の方程 式ｌによって説明されたパターン雑音が除去され得ることである。

この発明の利点は電子シャッタを使用して機械的シャッタに対する必要性を排除 することができることである。

０ｖｂ ＦＩＧ　２　（役士稜暫Ｊ ｍ２問ドレーン ＦＩＧ　３ ＦＩＧ　６ ＬＯｖｂ ＦＩＧ　４ 国際調査報告 ［Ｔｏ　ＴｋｔＥ　ＩＮτＥλＮＡＴ！０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　 ＵＮ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．電荷を蓄積するのに使用され且つあふれドレーン及び読出し素子と関連して いて、望まれない電荷が第１レベルの電位によつてあふれドレーンヘ転送される ようになつているホトダイオードの井戸を除去する方法であつて、電位井戸を除 去し且つホトダイオードの電荷をドレーンヘ流れ込ませるためにその電位が使用 されることによつて特徴づけられている前記の方法。
2. ２．基準電位が接地されていることによつて特徴づけられている、請求項１に記 載の方法。
3. ３．各ホトダイオードが場面からの光を積分して電位井戸に電荷を蓄積する複数 のホトダイオード、各ホトダイオードと関連していてこのホトダイオードの電位 井戸から場面明るさを表す蓄積電荷を転送することのできる装置、及び電位井戸 から余剰の電荷を除去するドレーンを備えたイメージセンサであつて、 （ａ）ホトダイオードの上方に配置されており且つ上面部分を固定電位にクラン プするための基準電位の源に接続されている浅いダイオード、及び （ｂ）ホトダイオードから電位井戸を除去し且つホトダイオードの電荷をドレー ンヘ流れ込ませる電位を選択的に加えるための装置、 によつて特徴づけられている前記のイメージセンサ。
4. ４．浅いダイオードが接地されていることによつて特徴づけられている、請求項 ３に記載のイメージセンサ。
5. ５．ドレーンが縦方向あふれドレーンであることによつて特徴づけられている、 請求項３又は４に記載のイメージセンサ。
6. ６．選択的に第１電位レベルを基板に加えてこれを縦方向ドレーンとして作用さ せ且つ又第２電位レベルを加えてホトダイオードの電位井戸を除去してこの井戸 から電荷を空にするための装置を備えていることによつて特徴づけられている、 請求項５に記載のイメージセンサ。
7. ７．（ａ）第１電圧ψ１に応答して蓄積電荷を更なる処理のために転送すること のできる読出し装置、及び（ｂ）第２電圧ψ２に応答して電位井戸を除去してホ トダイオードの電荷を空にすることのできるリセット装置、を備えていることに よつて特徴づけられている、請求項３又は４に記載のイメージセンサ。