JPS61199382A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、撮像装置に係り、時に高感度化に好適な固体
撮像装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、撮像装置の高感度化を達成するために、撮像装置
とは別個に外部信号処理回路を設けたち（例えば、「画
像のデジタル信号処理」吹抜敬彦著、昭和５６年日刊工
業発行、第１１５頁がら第１１８頁に記載）。第１図に
示したノイズ・リデューサについて説明する。撮像装置
１から出力された信号Ｓは増幅器５によって（１−Ｋ）
倍される。この（１−Ｋ）倍された信号５（１−ｋ）　
　はフレーム・メモリ２に記録される。フレーム・メモ
リ２から出力された信号Ｓ　＋ｘ−ｈ）　　は、増幅器
６によってに倍される。増幅器６によってに倍された信
号５Ｋｔｘ−ｈ）　　は、撮像装置１がら出力された次
の信号Ｓの（１−Ｋ）倍された信号ＳＬ□−ｋｌ　　と
加算され、再びフレーム・メモリ２に入力される。以上
の動作が順次繰り返される。これによって、出力端子３
に出力される信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は　（１＋
Ｋ）／　（１−Ｋ）倍に改善される。こ１と同程度の容
量をもったフレーム・メモリ２及び高速のＡ／Ｄ、Ｄ／
Ａ変換器が必要であり、装置全体の小型化、低コスト化
の点で問題であった。

する固体撮像装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、固体搬像装置の出力を増幅手段と電荷入力用
電荷転送手段とを介して固体撮像装置の垂直電荷転送手
段にフィード・バックしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第２図〜第７図を用いて説明す
る。１−１．１−２．・・・・・・、３−３は受光部、
Ｌ１〜Ｌ３は垂直ＣＣＤレジスタ、１１は水平ＣＣＤレ
ジスタ、１２は出力アンプ、１３は入力アンプ、１４は
電荷入力用ＣＣＤレジスタである。第２図では各垂直Ｃ
ＣＤレジスタＬ１〜Ｌ３には信号電荷は無く、入射光に
応じた光信号電荷Ｓ。−８ｇが二次元状に配列された受
光部１−１〜３−３に蓄積されている。光信号電荷８１
〜Ｓｇは垂直ブランキング期間に垂直ＣＣＤレジスタＬ
１〜Ｌ３へ転送される（第３図）。垂直ＣＣＤレジスタ
Ｌ１〜Ｌ３に転送された光信号電荷８１〜Ｓ、のうち、
−行分の光信号電荷８７〜Ｓ９が水平走査期間に水平Ｃ
ＣＤレジスタ１１へ転送され（第４図）、順次出力アン
プ１２を介して読み出される。この読み出し動作を行な
っている水平走査期間中に入力アンプ１３によってに倍
に増幅された信号に−８，〜に−８，は電荷入力用ＣＣ
Ｄレジスタ１４に転送される（第５図）。続いて、次の
水平ブランキング期間中に、垂直ＣＣＤレジスタＬ１〜
Ｌ３から水平ＣＣＤレジスタ１１に、次の一行分の光信
号電荷８４〜Ｓ６が転送される。これと同時に電荷入力
用ＣＯＤレジスタ１４に既に蓄積されていた光信号電荷
に−８，〜に−８，が垂直ＣＣＤレジスタＬ１〜Ｌ３に
転送される（第６図）。以下、第４図から第６図の動作
を順次くり返す。この結果、１フイ一ルド期間後には、
垂直ＣＯＤレジスタＬ１〜Ｌ３の光信号電荷８１〜Ｓ。

は全で読み出されており、入力アンプ１３によってに倍
に増幅された光信号電荷に−８１〜に−８゜が垂直ＣＯ
ＤレジスタＬ１〜Ｌ３に蓄えられ、受光部１−１〜３−
３には次の光信号電荷Ｓ□′〜Ｓｇ′　　が蓄積されて
いる。そして、次の１フイ一ルド期間には、Ｋ倍された
光信号電荷に−５，〜Ｋ・Ｓ、と新たな光信号電荷Ｓ１
′〜Ｓ、′　とが加えられて、上述の一連の動作をくり
返す。

例えば、静止画を撮像する場合を考えると、Ｋ倍された
光信号電荷に−３，〜に−８，と新たな光信号電荷８１
′〜８９′　とには相関があるので、加えられた光信号
電荷は、最初の光信電荷Ｓ工〜Ｓ９の（１＋Ｋ）倍にな
る。一方、雑音に関しては、最初の雑音と新たな雑音と
の開には相関がないので、読み出される雑音は５．ｐ倍
になる。

倍に向上することが分かる。ここで、入力アンプ１３の
ゲインに＆に＝０．５とすれば、Ｓ／Ｎは１．３４倍に
改善される。現実には、上述の動作が順１−に カアンプ１２から出力される光信号電荷のＳ／Ｎ１３の
ゲインＫをに＝０．５とすると、Ｓ／Ｎは１゜７３倍に
改善される。以上の様に、本発明によれば、電荷注入用
のＣＣＤレジスター４を新たに付加することによって、
撮像装置にノイズ・リデューサの機能を持たすことがで
きる。また、入カアンプ１３のゲインＫを大きくするこ
とによって、残像効果（螢光灯などの照度の時間変化に
より発生するプリンカ現象等）を抑圧することもできる
。

第２図〜第７図においては入力アンプ１３にに倍のゲイ
ンをもたせたが、出力アンプ１２にに倍のゲインをもた
せれば、入力アンプ１３は省略できる。ここで、ゲイン
にの設定は、撮影する人間が手動で調節しても良いし、
あるいは、被写体照度あるいは被写体の動きを検出して
自動的に設定しても良い。以上本実施例では、撮像特性
の観点から説明したが、画像信号処理の観点からも特長
を有している。すなわち、本素子は、１フイールド前の
信号と次のフィールド間の演算ができることである。例
えばに＝１とするとフィールド間の加算ができ、に＝−
１とするとフィールド間の減算処理ができることである
。特に後者の減算処理でき、画像の動き部の検出等の処
理が高速に行なえる。

第８図は、第２図における本発明の実施例をさらに具体
的に示したものである。図中、２１は受光部であるホト
ダイオード、２２は垂直ＣＣＤレジスタ２７のチャネル
領域であり、垂直ＣＣＤＩノジスタＬ４〜Ｌ７のゲート
電極２３〜２６（点線で囲む部分）が第１層目のポリシ
リコンゲート、ゲート電極２７〜３０（一点鎖線で囲む
部分）カス第２層目のポリシリコンゲートで形成される
。各ゲート電極２３〜３０は４相のクロックツ（ルスが
印加され、垂直ＣＣＤレジスタＬ４〜Ｌ７の転送が行な
える。ホトダイオード２１と垂直ＣＣＤレジスタＬ７と
の間のスイッチ動作は、ゲート電極２４により制御され
る。垂直ブランキング期間中に、垂直パルスのＩＩ　Ｈ
Ｉ７レベルがゲート電極２４に印加されるとホトダイオ
ード２１−と垂直ＣＯＤレジスタＬ７のチャネル領域と
が導通状態になり、ホトダイオード２１に蓄積されてい
た信号電荷が垂直ＣＣＵレジスタＬ７に読み込まれる。

このとき、あらかじめ垂直ＣＣＤレジスタＬ７にノベイ
アス電荷を入力しておけば、電極グーｌ−２８下に存在
するバイアス電荷を電極ゲート２８をＩＩ　Ｌ　Ｉ＋レ
ベルにすることによりホ１−ダイオード２１側に逆流さ
れ、再び電極ゲート２８を１１　ＨＩ＋レベルレこする
ことによりホトダイオード２１の信号を効率良く読み込
むことができる。この様にして、全ホトダイオード２１
の信号電荷を垂直ＣＯＤレジスタし４〜Ｌ７に転送した
後、水平ブランキング期間中に二行分の信号を水平ＣＣ
Ｄレジスタ１１４こ転送する。水平ＣＣＤレジスタ１１
を１本で行なう場合には、例えば３電極あたり２つの信
号を割り当てれば良い。あるいは、水平ＣＣＤレジスタ
１１を複数本用いても良い。このことは後に述べる電荷
人力用ＣＣＤレジスタ１４にもあてはまる。

水平ＣＣＤレジスタ１１に転送された信号は、水平走査
期間に出力アンプ３４を介して外部に読み出されると同
時に、入力アンプ１３によりに倍（０＜Ｋ＜１）された
後、加算器１５に入力される。加算器１５においては、
さらに入力端子１６が設けられており、バイアス電荷を
入力できるようにしてもよい。加算器１５の出力は、電
荷入力用水平ＣＣＤレジスタ１４の入力部に接続される
。

水平走査期間に電荷入力用ＣＯＤレジスタ１４に二行分
の信号が格納された後、水平ブランキング期間に、垂直
ＣＣＤレジスタＬ４〜Ｌ７に転送が行なわれ、この動作
が繰り返される。垂直ＣＣＤレジスタに１フイールド前
の信号が全て格納された後、再び垂直ブランキング期間
内に全フォトダイオードの信号を読み込み、１フイール
ド前の信号に加え、これを順次読み出していく。このよ
うにして、信号対雑音比を向上して、信号読み出しがで
きる訳である。本実施例では、水平走査期間中に、二行
分の信号を読み出すことができる。例えば、第１フイー
ルドでは、１行目と２行目、３行目と４行目、５行目と
６行目・・・・・順次読んでゆき、第２フイールド目で
は１行目、２行目と３行目、４行目と５行目・・・・・
・というようにインターレース動作行なわせることも問
題なく出来、解像度の高い撮像素子を作ることができる
。なお、工業用等の画像処理人力装置として本素子を利
用する場合には、あえてインターレース動作を行なわさ
なくてもよいことは勿論である。

第９図は、第８図におけるホ１−ダイオード２１と垂直
レジスタＬ７の一部をＡ−Ａ’面で切り取った素子の断
面図を示す。ｎ型半導体基板４１上に形成されたｐ型ウ
ェル４２内にｎ′″型不純物拡散層４３を形成する。ｐ
型ウェルとｎ゛型不純物拡散層４３とでｐｎホトダイオ
ード２１を形成する。ｎ゛型不純物拡散層４３に蓄積さ
れた電荷は、第１層目のポリシリコンゲートで構成され
るゲート電極２４の電位を“ＨＩＩレベルにすることに
より、垂直ＣＯＤレジスタＬ７の第２層目ポリシリコン
ゲート電極２８下のチャネル領域４７とつながる。ここ
で４６はゲート電極２４のしきい値電圧を高くするため
のインプラ層、４７は垂直ＣＯＤレジスタＬ　７のチャ
ネル領域を深くするためのｎ一層、４８はフィールド酸
化膜、４９ば酸化膜である。

図を示したものである。まず、垂直ブランキング期間に
ホトダイオード２１の信号を読み出す動作を考える。ゲ
ート電極２８がＬ（Ｈ”レベルのときバイアス電荷と前
フィールドの信号電荷との合成電荷Ｑ０　がゲート電極
２８に保持されている。次に、電極２４が１１　ＨＤレ
ベル、電極２８が゛′Ｌ″レベルになると合成電荷＜Ｑ
ｘ　がホトダイオード２１側に移される。このとき、ホ
トダイオード２１で蓄積されていた光信号電荷Ｑ２　に
合成電荷−Ｑ工が加わり、ホトダイオード２１の電位が
下がる。このホトダイオード２１の電位がウェル電圧Ｖ
　ｗ　ａ　ｋ　＆とビルトイン電圧Ｖｂｌの和Ｖ、、ｔ
ｔ＋Ｖ−ｔより下がると第９図における、ｎ３型不純物
拡散層４３、Ｐ型ウェル４２、ｎ型半導体基板４１から
なるｎｐｎ　トランジスタにより過剰電荷がｎ型半導体
基板４１側に吸収される。したがって画面の一部に強い
光があたっている場合には、ホトダイオード２１側で吸
い出されるので、垂直ＣＯＤレジスタＬ７に電荷が蓄積
されすぎる現象は発生しない。ゲート電極２４の電位を
を“ＨＩＩレベルにした状態で、再びゲート電極２８の
電位を“Ｈ１１レベルにすると、光信号電荷Ｑ２と合成
電荷Ｑ１の加わった電荷Ｑｘ　＋　Ｑｚがゲート電極２
８下に読み出せる。ゲート電極２４をＩＩ　Ｌ　）Ｊレ
ベルにしてホトダイオード２１からの信号読取りが完了
する。

垂直ＣＣＤレジスタＬ４〜Ｌ７の転送時は、ゲート電極
２４には“Ｈ１７レベルと１′Ｌ”レベルの中間の電圧
と、″゛Ｌ″Ｌ″レベルが交互に印加されるので、ホト
ダイオード２１と垂直ＣＣＤレジスタＬ４〜Ｌ７とは完
全にしゃ断状層になる。

垂直ＣＯＤレジスタＬ４〜Ｌ７はゲート電極２３〜３０
にパルスを印加して通常の４相りロック動作を行なう。

第早図は、本発明の別の受光部断面構造に対する実施例
であり、図中、４１〜４９は第９図と同じものである。

６ｏはｎ＋型不純物拡散層４３とオーミック接触のとれ
た電極（アルミニウム等）であり、その上面に光導電膜
６１（アモルファス明 ・シリコン等）、さらにその上面に透關電極６２（Ｓ、
０２，１．□Ｏ，＋Ｓ、Ｏ，等）　を設けている。

本実施例では光導電膜６１によって、受光部の面積を大
幅に増大することができるので、素子全体の感度の大幅
な向上を図れる６また、光導電膜６１下の素子（特に垂
直ＣＯＤレジスタ）部分を十分にじゃ光することができ
るので、スメア現象の大幅な抑圧もできる。

第１２図は、第２図で示した本発明の固体撮像装置のフ
ィード・バック系（水平ＣＣＤレジスタ１１、出力アン
プ１２、入力アンプ１３及び電荷入力用ＣＣＤレジスタ
ー４）の具体的回路構成を示す図である。この回路の動
作を第１３図のタイミングチャートを用いて説明する。

半導体基板７６上に形成された水平ＣＯＤレジスター１
及び電荷入力用ＣＣＤレジスター４の各電極Ｅ工〜Ｅ、
。

Ｅ工′〜Ｅ３′　にクロッグパルスφ□〜φ３がそれぞ
れ印加される。このグロックパルスφ１〜φ、によって
、ポリシリコンゲート７７下の電荷は順次転送される。

まず、水平ＣＣＤレジスター１を転送してきた光信号電
荷は、出力拡散層７８に出力される６出力拡散Ｎ７８に
蓄えられた光信号電荷は、ソ 出力アンプ１２（２段のせ−ス・フォロワ回路）により
増幅され外部に出力される。この出力波形は第１３図の
０ｔＪＴに示す。次に、出力ＯＵＴは入力アンプ１３に
入力される。入力アンプ１３は、サンプル・ホールド用
のＭＯＳトランジスタ８３ソ とサース・フォロワ回路を構成するＭＯＳトランジスタ
８４．８５とからなる。ＭＯＳトランジスタ８３に加え
られるパルスφ６は、出力アンプ】２の出力ＯＵＴをサ
ンプル・ホールドするパルスである。ＭＯＳ）−ランジ
スタ８５のゲート電圧ｖｏを制御することにより、入力
アンプ１３の電圧利得を調節することができる。入力ア
ンプ１３から電荷入力用ＣＣＤレジスタに入力される電
荷Ｑ１は、電極Ｅ４に加えられるパルスＩＤの電圧を適
当に選ぶことにより、次式で表現できる。

Ｑ＋−＝Ｃｒａ・（（Ｖｘａ　　Ｖｔ−ｒａ）　　（Ｖ
ｔ。−Ｖ、、、、））・・・・・・（１） ここで、Ｃ７ａはゲート８６の容量、ｖ４はゲート８６
の電位、Ｖ　ｔ　ｋ　Ｘ　ａはゲート８６のしきい電圧
、■、。はゲート８７の電圧、Ｖ　ｔ　ｋ　！。はゲー
ト８７のしきい電圧である。したがって、ゲート８６の
電位を適当に選ぶことによっても、バイアス電荷Ｑ０の
制御もできる。このようにして、入力された電荷Ｑ８．
は転送ゲート電極Ｅ１′〜Ｅ、′にクロックパルスφ１
．φ２．φ、を印加することにより転送されていくこと
がわかる。

なお、転送ゲート電極Ｅ１〜Ｅ、、Ｅ１’〜Ｅ、′のし
きい電圧としては、第１層目の電極のしきい電圧を第２
層目の電極のしきい電圧より低くすることにより、電荷
の転送を一方向にすることができる。本実施例では、レ
ジスタのクロックを３相の場合について説明したが、２
相あるいは４相などでも良い。

第８図に示した素子は、ウェル内に形成しても良いこと
は言までもない。

第１４図は、本発明の固体撮像装置のフィード・バック
系の回路を具体的に示す別の実施例であり、第１５図は
、これに対応するタイミング図である。第１２図と異な
る点は、出力アンプ］−２からの出力ＯＵＴをＭＯＳト
ランジスタ９６．９７からなるインバータ回路により増
幅し、これを電荷入力用ＣＣＤレジスタ１４のＩＳゲー
ト９８に伝えるものである。インバータ回路の増幅率は
ＭＯＳトランジスタ９６のゲート電圧ｖ０で制御できる
。電荷入力用ＣＯＤレジスタに入力される電荷量Ｑ１．
は（１）式を満足するので、ゲート９９の電位を制御す
ることによりバイアス電荷の調節ができることは言まで
もない。

第１６図は、本発明の別の実施例を示したものである。

基本的に第８図と同じであるが、水平ＣＣＤレジスタ１
１、出力アンプ１２、入力アンプ１３、電荷入力用ＣＯ
Ｄレジスタ１４の入力部１５、その入力端子１６および
電荷入力用ＣＣＤレジスフへそれぞれ２系統化したもの
である。構成は若干複雑になるが、水平ＣＯＤレジスタ
および電荷入力用ＣＯＤレジスタの駆動周波数が低減で
きる。本発明の特長であるノイズ・リデューサとしての
機能は何らそこなうものではない。

なお、以上の実施例ではインターライン型ＣＣＤ撮像素
子を用いて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り
、他の方式であるフレーム・トランスファ型ＣＯＤある
いは、ＦＩＴ型Ｃ（、Ｄ等を用いてもよいことは言うま
でもない。

また、本発明の固体撮像装置を同一基板上で構成するこ
とによって、一層小型化が図れる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、素子規模を増大することなく、高感度
化を達成できるノイズ・リデューサ機能を有した固体撮
像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術を説明するための図、第２図から第７
図は本発明の詳細な説明するための図、第８図は本発明
の他の実施例を説明するための図。 第９図は第８図の実施例の一部断面図、第１０図は第９
図のポテンシャル図、第１１図は第９図の他の実施例の
一部断面図、第１２図は第２図の本発明の特徴部分の具
体的回路図、第１３図は第１２図のタイミングチャート
図、第１４図は第１２図の他の実施例を示す図、第１５
図は第１４図のタイミングチャート図、第１６図は第８
図の他の実施例を示す図である。 １−１．１−２〜３−３・・・受光部、Ｌ１〜Ｌ３・・
垂直ＣＣＤレジスタ、１１・・水平ＣＣＤレジスタ、１
２・・出力アンプ、１３・入力アンプ、１４・・・電荷
入力用ＣＣＤレジスタ。 乙　　　　へ Ｖ　　　　／ ＼、−／ 第　２　区 第　３　図 革　４　え 第　５　図 ）５　　　乙　　　　トロ 第　ｇ　圀 第　９　区 ＋Ｉ 羞／θ　口 第　１２　　国 Ｍ　　／４　　図 Ｉ −−−−−−−−−−−−丁一−−−−−−−−−一−
−Ｊ　　ヒ＝−一一−−ｒ　−−−−−Ｊｌ≠　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　１３’ｆ４　　ｔｓ　
　図 第　　　／乙　　　し口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、垂直、水平方向に規則的に配列された受光手段と、
   該受光手段に蓄積された信号電荷を順次垂直方向に転送
   する垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段によつて
   転送されてきた、該信号電荷を順次出力する水平電荷転
   送手段とからなる固体撮像装置において、前記水平電荷
   転送手段の出力を増幅する増幅手段と、該増幅手段の出
   力を前記垂直電荷転送手段に順次入力する電荷入力用電
   荷転送手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記電荷入力用電
   荷転送手段にバイアス電荷を入力することを特徴とする
   固体撮像装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記増幅手段が可
   変増幅手段であることを特徴とする固体撮像装置。