JPS6362480A - 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＠＠装置にかかり、特に感度調節の可能な
ラインアドレス型ＣＯＤエリアイメージセンサに関する
ものである。

（従来の技術） ＣＯＤエリアイメージセンザは監視用や家庭用のビデオ
カメラ等に多用されている。

このＣＯＤエリアイメージセンザのうらラインアドレス
型のものを使用した場合、入射光の強度変化に対する感
度調節は入射光を導びく光学系に設りられた絞りを調節
するようにしている。これはラインアドレス型ＣＯＤエ
リアイメージセンサでは感光時間がフィールド周期（通
常１／６０秒）またはフレーム周期（通常１／３０秒）
に等しく固定されているため、感光時間を変化させて適
正な出力信号を（９ることが不可能なためである。

（発明が解決しようとする問題点） このように感度調節のために絞りを有する光学系を採用
すると価格を上昇させ、かつ線描上の故障が多発して信
頼性を低下させるため、特に監視用カメラには適さない
という問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためなされたしので
、絞り調節が不要でしか−ｂ安価な固体撮像装置を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明にかかる固体＠像装置によれば、半＞９体ｌｊ板
上に７１へりクス状に配設され、入射光により生成され
る信号電荷を蓄積する感光画素部と、垂直方向に配列さ
れた感光画素部に隣接して垂直方向に配列され、感光画
素部に蓄積された電荷を転送電極により転送する垂直シ
ストレジスタと、この垂直シフトレジスタの一端側に隣
接して設けられ、転送された信号電荷を排出する電荷排
出手段と、垂直シフトレジスタの一端側に隣接して設け
られ、転送された信号電荷を蓄積する蓄積部と、この蓄
積部に隣接して水平方向に配列され、蓄積部に蓄積され
た信号電荷を受取って転送し、その一端側に形成された
出力部より信号電荷を出力する水平シフトレジスタと、
信号電荷を取出すべき感光画素行を所定の順序で順次選
択して垂直レジスタに転送すると共に、設定された感光
時間たり先行して当該行を選択してそこにｒ？積する電
荷を不要電荷として垂直シフトレジスタにそれぞれ転送
し、かつ読出すべき信号電荷を蓄積部に蓄積させ、不要
電荷を電荷排出手段に排出させる制御手段とを備えてい
る。

（作　用） 本発明の固体撮像装置では感光画素行を選択して信号電
荷を読出すことに時間Ｔだけ先行して同一行の感光画素
部の電荷を読出して排出している。

したがって画像信号となる信号電荷の蓄積時間が変化し
て感度が変化する。

（実施例） 以下図面を参照しながら本発明の実施例のいくつかを詳
細に説明する。

第１図は本発明にかかる固体１１Ｈ１ｇｌ装置の一実施
例を示す平面図である。例えばｎ型シリコン基板より成
る半導体基板１上に、入射光により生成される信号電荷
を蓄積する感光画素部２が例えば５００個Ｘ４００個の
マトリクス状に配置されている。この感光画素２に蓄積
された信号電荷を転送電極により転送する垂直シフトレ
ジスタ３に転送する垂直シフトレジスタ３が感光画素部
・２に隣接して垂直ライン状に配設されている。垂直シ
フトレジスタ３に信号電荷を転送する感光画素部２を行
ごとに順次選択するアドレス回路１が感光画素部２のア
レーに隣接して設けられており、このアドレス回路は信
号電荷選択信号入力端子４０および不要電荷選択信ｑ入
力端子４１を備えている。

各垂直シフトレジスタ３の下方には転送電極５゜６を介
して垂直シフトレジスタ３により転送された信号電荷を
蓄積する蓄積部７が配設され、また蓄積部７と転送電極
８を介して水平シフトレジスタ１１が水平ライン状に配
設されている。各転送電極５に隣接して制御ゲート１４
およびドレイン１５が配設されている。各制御ゲート１
４は端子１６に、各ドレイン１５は端子１７に、各転送
電極５は端子１８に、各転送電極６は端子１９に、各蓄
積部７は端子２０に、各転送電極８は端子２１にそれぞ
れ共通接続されている。また蓄積部７の信号電荷を転送
電極により転送する水平シフトレジスタ１１からは出力
端子２５が引き出されている。

第２図および第３図はそれぞれ第１図におけるＡ−Ａｓ
！Ｊ断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。

第２図に示されるように、感光部２はｎ型半導体基板１
表面の接合の浅いｐウェル領域２９の表面に形成された
ｎ型不純物領１４３０からなるホトダイオード構造とな
っている。この感光画素部２に隣接する垂直シフトレジ
スタ３はｎ型半導体基板１表面の接合の深いｐウェル領
域３１の表面に形成された「）型不純物領域からなる埋
込チャネル３２、この埋込みチャネルと隣接画素とを電
気的に分離するためのｐ＋領領域らなるチャネルストッ
プ領域４４、これらの上方に例えばシリコン酸化膜から
なる絶縁層３３を介して形成された転送電極３４から構
成されている。この転送電極３４の上方には絶Ｉ１層３
３を介して例えばアルミニウムよりなる光シールド層３
５が形成され、光の入射を妨げている。’３３３、感光
画素部２のホトダイオード構造上方では光シールド層３
５が開口され、光の入射を許容している。

また、第３図ににれば、転送電極５の下方のｎ型半導体
ＩＪ板１表面のｐつＩル領域３１表面には、埋込みチャ
ネルとしてのｎ型不純物領域３６が形成されており、そ
の−万端にはｐ＋型領領域らなるヂ１７ネルストツブ領
１４４４、他方端には接合の深いｎ＋＋純物領域からな
るドレイン１５が形成されている。転送電極５とドレイ
ン１５の間の上部は制御ゲート１４により覆われている
。これらの転送ゲート５および制御ゲート１４の上方に
は絶縁層３３を介して光シールド層３５が設けられ、不
要な光の入射によるノイズの発生等を防止している。

次に本発明にかかる固体Ｒ像装置の動作を説明する。

第４図は本発明におけるｉ、ＩＩ御信号のタイミング関
係を示すタイミングチャートであって、（ａ）は垂直ブ
ランキングパルスを示しており、この垂直ブランキング
パルスの聞に（ｂ）に示される信号電荷選択信号パルス
が出力され、この信号電荷選択信号パルスから設定感光
時間Ｔだけ先行して（Ｃ）に示される不要電荷選択信号
パルスが出力される様子を示している。なお、感光時間
Ｔは水平走査期間Ｈの整数に倍に選択される。

このような選択パルスを用いた電荷読出しは次のように
行われる。

アドレス回路４に信号電荷選択パルスが印加されると、
奇数フィールドの場合には水平ブランキングパルスの発
生毎に水平シフトレジスタ１１から感光画素行の第１行
、第３行、第５行、・・・を選択し、また、グ月数フィ
ールドの場合には感光画素行の第２行、第４行、第６行
、・・・を順次選択するように動作する。

一方、不要電荷選択パルスが印加されると、２に行だけ
先の行の電荷が排出され、以下、信ｊ；ｊ電荷読出しの
場合と同様に２行おきに感光画素行を選択して不要電荷
として排出する。すなわち、第ｉ行の信号電荷を選択づ
−ろ水平ブランキング１１１１間においては第（ｉ　＋
２Ｋ）行の不要電荷が１ノ１出され、（ｉ＋２Ｋ）が垂
直方向の画素数を超える場合には先頭行の方へ戻るよう
な動作をすることにより、光が強く信号電荷の飽和が生
ずるにうな場合には本来の信号電荷読出しに先立って不
要電荷として捨てるようにし実質的な積分時間を減少さ
せるようにしている。

第５図はこのような読出し動作における装置内の各７１
４下に生ずる電位の井戸およびこれらの電位の井戸に蓄
積される電荷の状態を示す動作説明図であって、垂直シ
フ＋レジスタ３における転送電極３４、転送ｆｆｉ極５
および６、蓄積部７における蓄積電極３８、転送電極８
に所定のパルスを印加することによりそれらの下のｎ型
不純物領域３６下に生ずる電位の井戸の様子を示してい
る。

まず、（ａ）は第ｉ行に対する信号電荷選択直前の電位
の井戸の状態を示しており、蓄積電極３８に信＠電荷Ｑ
ｉ−２が蓄積しており、垂直レジスタ３内には電荷はな
い状態となっている。

アドレス回路４から第ｉ行とそこから２に行だけ離れた
第（ｉ　＋２Ｋ＞行の転送電極３４．および３４　ｉ＋
２Ｋに例えばｐウェル領域３１を基準アース電圧■　の
正の高電圧を有する選択パルスが印加される。これによ
り、感光画素部２に蓄積された信号電荷Ｑｉおよび不要
電荷Ｑｉ＋２にはそれぞれ隣接する垂直シフトレジスタ
３に転送される。

第５図（ｂ）はこの状態を示しており、不要電荷Ｑ　ｔ
＋２にの晒が多いため、隣接する電位の井戸に電荷が流
出し、Ｑｏｌ、Ｑ１０、Ｑｎ３として分散している。こ
の時点では蓄積電極３８の信号電荷Ｑｉ−２は水平シフ
トレジスタに転送が終了している。

選択パルスがアース電圧■。に近い負の電圧Ｖ１１であ
る高レベルになると、転送電極３４．．３４　ｉ＋２に
下の電位の井戸は浅くなり、これらの電位の井戸の蓄積
されていた電荷は隣接げる転送電極下の浅い電位の井戸
に分散する。第５図（Ｃ）　）まこのような状態を表わ
してＪ３す、信号電荷Ｑ、１＋Ｑｎｌ＋Ｑｎ２”　Ｑｎ
３の関係がある。以下同様に垂直シフトレジスタ３の転
送電極３４および転送電極５に、前述した高レベル電圧
ＶｌｌとＶｌｌよりさらに負の低レベル電圧Ｖ、を有す
る４相クロツクパルスを順次印加していくことにより第
５図（Ｃ）に示されるように信号電荷Ｑｓ１、Ｑｓ２、
ＱＳ３と不要戸に分散させて転送することができる。こ
のような転送時には転送電極６には■１、制御ゲート１
４にはＶｏ、転送電ｌ４ｉ８にはＶ。、蓄積電極３８に
は正の高電圧がそれぞれ印加され、保持されている。

このとき、４相クロツクパルスはアース電圧ｖｏに近い
負電圧Ｖ１１あるいは負の電圧■Ｌであるため、第２図
に示されるように感光画素部２のｎ型不純物領域と垂直
シフトレジスタ３のｎ型不純物領域３２との間にｐウェ
ル領域３１が電位降壁として作用し、感光画素部２の信
号電荷および不要電荷が垂直レジスタ３に流入すること
はない。

第５図（ｄ）は信号電荷が順次蓄積Ｍ極３８下の電位の
井戸に転送される様子を示している。信号電荷Ｑｓ１、
Ｑｓ２、ＱＳ３が４相クロツクパルスにより転送用４ｆ
Ａ５下の電位の井戸に転送されてくると、制御ゲート１
４に負の電圧Ｖ、を印加してｉ制御ゲートを閏じ、信号
電荷ＱＱＱ　　がドレイＳ１’　　３２’　　Ｓ３ ン１５に排出されるないようにし、さらに、転送電極６
をアース電位とする。このようにすることにより、信号
電荷Ｑｓｌ、Ｑｓ２、Ｑｓ３は順次蓄積電極３８下の電
位の井戸に転送される。第５図（ｄ）においては蓄積電
極３８下の電位の井戸にはすでに電荷Ｑｓ２およびＱｓ
３が蓄積され、電荷Ｑｓ１が次の転送パルスにより転送
されようとしている状態が示されている。

第５図（ｅ）は信号電荷がすべて蓄積電極下の電位の井
戸に蓄積されて電荷Ｑ・となり、不要電荷■ がドレイン１５に排出されている状態をを示している。

すなわち、信Ｐ３電荷の蓄積終了後、転送電極６に負の
電圧■１、制御ゲート１４にアース電圧Ｖ。がそれぞれ
印加され、この状態が保持される。これにより、その侵
転送電極５下の電位の井戸に転送されて来た不要電荷は
順次ドレイン１５に排出されることになる。第５図（ｅ
）では不要電荷Ｑ。２が排出される直前の状態が示され
ている。

次の水平ブランキング１１間には、再びアドレス回路４
による次の走査線に対応した感光画素部２の行ごとの選
択がなされる。

第５図（ｆ）および（０）は第５図（ａ）および（ｂ）
に対応した状態を示しており、この時点では４相クロツ
クパルスの停止状態が１８０°だけ位相がずれており、
またこれに伴ってアドレスされる転送電極が信号電荷に
ついては３４・　、不要電荷１＋２ については３４・　　どなっている。

１＋２に＋２ 感光画素部２から垂直シフトレジスタ３への信号電荷Ｑ
・　と不要電荷の転送が開始されると同１＋２ 時に転送電極８に正の高電圧が印加されて、蓄積電極３
８下の電位の井戸に蓄積された信＠電荷Ｑｉは水平シフ
トレジスター１に転送される。

水平ブランキング期間が終了する前に、水平シフトレジ
スター１にはクロックパルスが印加され、信号電荷Ｑ、
がそれぞれ転送される。そして次の水平ブランキング期
間までの間に信号電荷Ｑ・に対応した画像出力信号■ｓ
ｉｇがそれぞれ出力端子２５から取出される。

以上のような動作が同様にくり返される。

この実施例によれば、第１行の信号電荷を読出寸ととも
に第（ｉ＋２Ｋ）行の電荷を読出して排出している。し
たがって（ｉ　＋２Ｋ）行の信Ｆ４ｍ荷を読出ず際には
第１行の読出し後に蓄積された電荷が読出されるため、
蓄積時間が１フイ一ルド期間よりも短くなり、換言すれ
ば感度が変動したことになる。

このような感度の変更は例えば次のようにする。

出力を観察し、出力電圧値のピーク値あるいは平均値が
基準値より大きい場合には蓄積時間Ｔを小さく、反対に
出力が基準値より小さい場合には蓄積時間Ｔを大きく設
定するようにすればよい。

次に、スミア電荷について考察する。

これは過大光が入射されたときに信号電荷のもれとして
観察される笛音電荷であって、ラインアドレス型ＣＣＤ
エリアセンサでは画像上に縦の白線を生じさせる。本発
明にかかる固体撮像装置では絞り機構を用いずに光が常
に入力している状態にあるため、スミア電荷が生じやす
い。　　　。

いま、過大光が入射し、感光画素部２に過剰な信号？Ｕ
荷が生成された場合、感光画素部２のｎ型不純物領１４
３０が形成されているｐウェル・領域２９の接合は浅く
、縦形オーバーフロードレイン構造となっているため、
ｎ型半導体基板１に正の高電圧が印加さり、接合の浅い
ｐウェル領域２９にパンチスルーが起こり、過剰な信号
電荷はｎ型半導体基板１に排出されてブルーミング現栄
が防止される。

しかしながら、接合の深いｐウェル領域３１で生成され
た電荷の一部が垂直シフトレジスタ３に流入し、あるい
は入射光の散乱により垂直シフトレジスタ３の埋込みチ
ャネルとしてのｎ型不純物領域３２内で電荷が生成され
るような事態が生じて、これらの電荷がスミア電荷とな
る。スミア電荷は垂直シフトレジスタ３が蓄積部７に近
づくにつれてわずかに増大するが、その増大量はわずか
であり、また電荷量も小さい。しかしスミア電荷は前述
したような画像劣化を生ずるため、できるだけ除去する
ことが望ましい。

ここで各電位の井戸にＳ積されるスミア電荷量を一定値
Ｑ　　とすれば、このスミア電荷は例えＳ■「 電荷Ｑｓｍｒが含まれているばかりでなく空の電位の井
戸にもスミア電荷Ｑｓ＋ｘｒが存在しているが、同図で
は省略している。

スミア電荷を除去するために、信号電荷Ｑｓ１、Ｑｓ２
、Ｑｓ３が転送電極５下の電位の井戸に転送される前に
、ｔ、ＩＩ　ｗＪゲート１４にアース電圧■。を印加す
ると、転送電極５下の電位の井戸に転送されて来たスミ
ア電荷は正の高電圧が印加されているドレイン１５に順
次排出される。同様に、不要電荷の排出の際に（まスミ
ア電荷Ｑ　　【よ不要電荷とｍｒ ともに順次ドレイン１５に排出される。

第６図は特にスミア除去を目的とした本発明の他の実施
例の構成を示す平面図である。この実施例はスミア電荷
が感光時間に比例せず一定であるため、感度を低下させ
たときには相対的にスミアが大きくなってしまうことを
考慮してなされたもので、スミア補正を確実に行う上で
好適なものである。

第６図にＪ３いては、第１図の構成と同じ部分には同じ
参照部分を付してその説明を省略する。

第１図と異なるところは転送電極６と蓄積雷神７との間
にスミア蓄積部６０と転送電極５つを設け、水平シフト
レジスタを５０および５１の２つとし、これらの水平シ
フトレジスタ間に転送電極１３を設定し、ざらに１両シ
フトレジスタ５０゜５１の出力端子５２．５３を減ｌ）
回路５５に接続した点である。

次にこの固体撮像装置の動作を説明する。

第１図の場合と同様に４相クロツクパルスにより不要電
荷および信号電荷が転送され、不要電荷は制御ゲート１
４を開いてドレインに捨てられるが、これらの電荷が蓄
積されない空の井戸に流れ込んだスミア電荷は転送電極
６を開き、制御ゲート１４および転送電極５９を閉じる
ことによってスミア蓄積部６０に蓄積され、さらに水平
ブランキング１１間に水平シフトレジスタ５０に転送す
る。

−力信号電荷は転送電極６．５９．８の制御により、−
旦Ｖ積部７に蓄積された後水平シフトレジスタ５１に転
送される。この信号電荷には前述したようにスミア電荷
が含まれている。

水平シフトレジスタ５１の出力は減算回路５５において
水平シフトレジスタ５０の出力分だけ減算される。これ
により信号電荷からスミア電荷分が除去され、スミア電
荷のない画像信号が端子５６に出力される。

以上の実施例においては各画素に対して信号電荷の選択
を１フレ一ム期間で１回としたが、２行ずつ選択するこ
とにより１フイールドで各画素に対して１回として隣接
する信号電荷を２画素ずつ加算し、あるいは各画素を独
立に読出すようにしてもよい。なお、この場合には２行
ずつの信５）　ｉ重荷選択に先行して２行ずつの不要用
向選択を行う必要がある。

また実施例では垂直シフトレジスタの転送りロックパル
スは４相のしのを使用しているが、中相、２相、３相、
８相などでもよい。

さらに、アドレス回路による選択期間は実施例では水平
ブランキング期間内としているが、これに限られること
なく水平ブランキング期間外でｂにい。

また、感光画素は実施例ではｐｎ接合型フォトダイオー
ドを使用しているが、アモルフ？スシリコン膜を使用し
たダイオード等各種の形式の６のが使用可能である。

なお、本発明により明るい被写体については感光時間を
短くできるが、暗い被写体については読出しの原理上１
フイ一ルド期間または１フレーム用間以上にはできない
ため、感光時間の設定値が所定値を超えた場合には不要
電荷選択動作を省略するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、信号電荷読出し行を感
光時間だけ先行して読出し、その電荷を排出することに
より感光時間を短くし、感光時間を電気的に設定するよ
うにしているので絞り機構のない安価なレンズを使用で
き、カメラ価格を下げ、かつ信頼性を向上させることが
できる。

またスミア電荷を読出して信号電荷より減詐するように
した本発明によればスミアを容易に除去することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる固体躍像装首の一実施例の構成
を示す平面図、第２図そのＡ−Ａ線断面図、第３図はＢ
−Ｂ線断面図、第４図は制御信号のタイミングを示すタ
イミングチャート、第５図は電荷の転送状態を示す説明
図、第６図は本発明の他の実施例を示す平面図である。 １・・・半導体基板、２・・・感光画素部、３・・・垂
直シフトレジスタ、４・・・アドレス回路、５，６．８
゜１３．５９・・・転送電極、１１．５０．５１・・・
水平シフトレジスタ、１４・・・制御ゲート、１５・・
・ドレイン、５５・・・減算回路。 出願人代理人　　Ｖｉ　　　藤　　−雄５１　図 后２　図 ６３　図 も４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上にマトリクス状に配設され、入射光に
   より生成される信号電荷を蓄積する感光画素部と、 垂直方向に配列された前記感光画素部に隣接して垂直方
   向に配列され、前記感光画素部に蓄積された電荷を転送
   電極により転送する垂直シストレジスタと、 この垂直シフトレジスタの一端側に隣接して設けられ、
   転送された信号電荷を排出する電荷排出手段と、 前記垂直シフトレジスタの一端側に隣接して設けられ、
   転送された信号電荷を蓄積する蓄積部と、この蓄積部に
   隣接して水平方向に配列され、前記蓄積部に蓄積された
   信号電荷を受取って転送し、その一端側に形成された出
   力部より信号電荷を出力する水平シフトレジスタと、 信号電荷を取出すべき感光画素行を所定の順序で順次選
   択して前記垂直レジスタに転送すると共に、設定された
   感光時間だけ先行して当該行を選択してそこに蓄積する
   電荷を不要電荷として前記垂直シフトレジスタにそれぞ
   れ転送し、かつ読出すべき信号電荷を蓄積部に蓄積させ
   、前記不要電荷を前記電荷排出手段に排出させる制御手
   段とを備えた固体撮像装置。 ２、電荷排出手段が制御ゲートとドレインからなるもの
   である特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３、感光時間が入射した光強度に応じて設定されるもの
   である特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ４、感光画素行の選択が複数行について行われるもので
   ある特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ５、電荷排出手段が入射光により垂直シフトレジスタに
   注入されたスミア電荷も排出するものである特許請求の
   範囲第１項記載の固体撮像装置。 ６、制御手段が、信号電荷の出力信号の平均値または最
   大値がほぼ一定となるように感光時間を設定するもので
   ある特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ７、制御手段が、所望の感光時間が感光画素部の選択周
   期よりも長い場合には不要電荷選択動作を行わないもの
   である特許請求の範囲１項記載の固体撮像装置。 ８、半導体基板上にマトリクス状に配設され、入射光に
   より生成される信号電荷を蓄積する感光画素部と、 垂直方向に配列された前記感光画素部に隣接して垂直方
   向に配列され、前記感光画素部に蓄積された電荷を転送
   電極により転送する垂直シフトレジスタと、 この垂直シフトレジスタの一端側に隣接して設けられ、
   転送された信号電荷を排出する電荷排出手段と、 前記垂直シフトレジスタの一端側に隣接して設けられ、
   入射光により垂直シフトレジスタに注入され転送された
   スミア電荷を蓄積する第１の蓄積部と、 この第１の蓄積部に隣接し、転送された信号電荷を蓄積
   する第２の蓄積部と、 これら蓄積部に隣接して配列され、前記第１の蓄積部に
   蓄積されたスミア電荷を受取つて転送し、その一端側に
   形成された出力部より出力する第１の水平シフトレジス
   タと、 この第１の水平シフトレジスタに平行に配列され、前記
   第２の蓄積部に蓄積された信号電荷を受取つて転送し、
   その一端側に形成された出力部より出力する第２の水平
   シフトレジスタと、 第２の水平レジスタの出力信号から第１の水平レジスタ
   の出力信号を減算し、スミア成分を含まない画素信号を
   出力する信号処理部と、 信号電荷を取出すべき感光画素行を所定の順序で順次選
   択して前記垂直レジスタに転送すると共に、設定された
   感光時間だけ先行して当該行を選択してそこに蓄積する
   電荷を不要電荷として前記垂直シフトレジスタにそれぞ
   れ転送し、かつ読出すべき信号電荷を第２の蓄積部に蓄
   積させ、前記不要電荷を前記電荷排出手段に排出させる
   制御手段とを備えた固体撮像装置。