JPH0775405B2

JPH0775405B2 - 固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH0775405B2
Application number: JP1096713A
Authority: JP
Inventors: 満沖川; 一弘数井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH02274184A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は縦型オーバーフロードレイン方式のCCD固体撮
像素子の駆動方法に関する。

（ロ）従来の技術従来、CCD固体撮像素子を用いた撮像装置に於いては、C
CDの動作原理を活用して電子的に露光制御を行うことが
考えられている。このような露光制御方法に於いては、
電気的に走査される撮像素子の垂直走査期間毎の光電変
換期間の途中でそれまで撮像部に蓄積される光電荷を排
出させ、残余の光電変換期間に得た光電荷を蓄積するよ
うに構成している。ここで、問題となるのは、撮像部の
光電荷を排出する方法であり、撮像素子の出力する映像
信号に影響なく、不要な光電荷を十分に排出させるため
の方法が種々考えられている。

例えば、日経マイクロデバイス1987年10月号P60〜P67の
「38万画素に達した固体撮像素子」では、撮像部の光電
荷を基板側に排出させる、所謂縦型オーバーフロードレ
イン方式のCCD固体撮像素子が記載されている。

また、本出願人既提案の特願昭63−95881号では、縦型
オーバーフロードレイン方式のCCDB固体撮像素子に於い
て、転送電極の電位を下げることで転送電極の下のチャ
ネル領域のポテンシャルを浅くして光電荷を基板側に排
出させることが示されている。

第４図は、上述の如き縦型オーバーフロードレイン方式
のCCD固体撮像素子の撮像部を示す平面図であり、第５
図はそのＸ−Ｘ′線断面図である。

Ｎ型の半導体基板（１）の一方の面には、Ｐ−Well領域
（２）が形成され、このＰ−Well領域（２）内にはP⁺型
のチャネルストップ領域（３）が複数本平行に配列形成
される。各チャネルストップ領域（３）の間にはＮ型の
拡散領域（４）が形成されて埋込型の蓄積転送チャネル
が構成される。そして、拡散領域（３）上にチャネルス
トップ領域（３）に直交する転送電極（5a）（5b）が絶
縁膜（６）を介して形成される。この転送電極（5a）
（5b）は、２層構造を成し、このうち上層の転送電極
（5b）はチャネルストップ領域（３）上でその幅が細く
なっていると共に、隣り合う下層の転送電極（5a）間に
跨がって設けられる。これら転送電極（5a）（5b）は、
４相の転送クロックφ_F1〜φ_F4に依ってパルス駆動され
るものであり、各転送電極（5a）（5b）には４層の転送
クロックφ_F1〜φ_F4が順次印加される。

一方、半導体基板（１）は、一定の電位Vsubに固定さ
れ、Ｐ−Well領域（２）はチャネルストップ領域（３）
を介し接地電位に固定される。このように、半導体基板
（１）及びＰ−Well領域（２）に特定の電位を印加した
ときのＹ−Ｙ′線（第５図中）のポテンシャルの状態を
第６図に示す。このとき、転送電極（5b）は、接地レベ
ルに対して一定の値だけ高いレベルに保持され、Ｐ−We
ll領域（２）付近にポテンシャル障壁が形成される。従
って、このポテンシャル障壁と半導体基板（１）表面の
ポテンシャル障壁との間に形成されるポテンシャル井戸
に光電荷ｅが蓄積されることになる。この光電荷ｅの転
送は、Ｐ−Well領域（２）付近のポテンシャル障壁が十
分な高さを維持できる範囲で各転送電極（5a）（5b）の
電位を変動して行う。

ここで、転送電極（5a）（5b）の電位を一定レベル以
下、或いは負にすると、第６図に破線で示す如く半導体
基板（１）表面のポテンシャルが浅くなり、これに伴っ
て拡散領域（４）内のポテンシャルが浅くなるためにＰ
−Well領域（２）付近のポテンシャル障壁が消滅して光
電荷ｅが全て半導体基板（１）側に流れる。従って、蓄
積転送チャネルに蓄積される光電荷ｅを排出する場合に
は、転送電極（5a）（5b）の電位を下げることに依って
行うことができる。

（ハ）発明が解決しようとする課題上述の如き縦型オーバーフロードレイン方式のCCDに於
いては、転送電極（5a）（5b）の電位を下げたときに光
電荷ｅが半導体基板（１）側に流れるようにＰ−Well領
域（２）の濃度や各電位を設定する必要がある。即ち、
光電荷ｅを転送駆動するときの転送電極（5a）（5b）の
電位に対しては、第６図の実線の如くＰ−Well領域
（２）付近にポテンシャル障壁を形成し、光電荷ｅを排
出するときの転送電極（5a）（5b）の電位に対しては、
第６図の破線の如く半導体基板（１）の表面から裏面に
かけてポテンシャル障壁を形成しないようにＰ−Well領
域（２）の濃度及び深さを設定する。そこで、Ｐ−Well
領域（２）の不純物濃度を低くするか、或いはＰ−Well
領域（２）を半導体基板（１）の浅い位置に設けると、
転送電極（5a）（5b）の電位を下げたときに光電荷ｅが
半導体基板（１）に流れ易くなることから、転送電極
（5a）（5b）の電位変動の幅を小さくできる。ところ
が、Ｐ−Well領域（２）の濃度を低くすると、Ｐ−Well
領域（２）のポテンシャル障壁が低くなり、光電荷ｅを
蓄積できる容量が小さくなると共に、Ｐ−Well領域
（２）を浅くすると、光電変換に有効な領域が狭くなる
ことから、受光感度が低下する。

逆に、蓄積容量の増大や受光感度の向上を図るためにＰ
−Well領域（２）の濃度を高くしたり、Ｐ−Well領域
（２）を深く形成すると光電荷ｅが排出され難くなるた
めに転送電極（5a）（5b）の電位の変動の幅を広くする
必要があるのに加え、光電荷ｅの排出が不完全となる虞
れがある。

そこで本発明は、縦型オーバーフロードレイン方式のCC
Dに於いて、光電荷の排出動作を損うことなく蓄積容量
の増大や受光感度の向上を図ることを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、
半導体基板の一主面に設けられた基板とは逆導電型の拡
散領域上に転送電極が形成され、光電変換に依って発生
する光電荷を蓄積するチャネル領域が上記拡散領域内に
形成される縦型オーバーフロードレイン方式のCCD固体
撮像素子の駆動方法に於いて、上記チャネル領域と上記
半導体基板との間に電位障壁を形成しうる上記転送電極
及び上記半導体基板の両電位に対し、上記転送電極を低
電位とすると共に上記半導体基板を高電位とすること
で、上記チャネル領域と上記半導体基板との間の電位障
壁を消滅させ、上記チャネル領域中の不要な光電荷を上
記半導体基板側に排出せしめることを特徴とする。

（ホ）作用本発明に依れば、転送電極の電位を下げると共に半導体
基板の電位を上げることで、拡散領域が高濃度に設けら
れる場合や基板に深く設けられる場合でもチャネル領域
の光電荷を確実に半導体基板側に排出させる。逆に、転
送電極の電位を上げると共に半導体基板の電位を下げる
ことで、拡散領域付近に形成されるポテンシャル障壁が
高くなりチャネル領域の蓄積容量を大きくできる。

（ヘ）実施例本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明駆動方法に依るCCD固体撮像素子のポテ
ンシャルの状態を示す図である。CCD固体撮像素子自体
は、第４図及び第５図と同一のものであり、ここでは説
明を省略する。

本発明の特徴とするところは、転送電極（5a）（5b）の
電位の変動に合わせて半導体基板（１）の電位を変動す
ることにある。即ち、半導体基板（１）には、第５図に
示す一定電位Vsubに換えて、排出動作時に高レベルとな
る排出制御クロックφsubが印加されることになる。こ
の排出制御クロックφsubは、排出動作の期間中上述の
電位Vsubに保持され、光電荷を蓄積する期間には電位Vs
ubより低電位に保持される。

転送電極（5a）（5b）が高電位で且つ半導体基板（１）
が低電位となると、CCD固体撮像素子の深さ方向のポテ
ンシャル（第５図Ｙ−Ｙ′線に対応）は第４図の実線に
示す如くＰ−Well領域（２）付近にポテンシャル障壁が
形成される。従って、このポテンシャル障壁と半導体基
板（１）表面のポテンシャル障壁との間に光電荷ｅが蓄
積される。

逆に転送電極（5a）（5b）が低電位で且つ半導体基板
（１）が高電位（Vsub）となると第１図の破線で示す如
く半導体基板（１）の表面から裏面に向ってポテンシャ
ルの勾配ができ、光電荷ｅはその勾配に沿って半導体基
板（１）側に流れる。

ここで、第１図のポテンシャルの状態を第６図の場合と
比較すると、排出動作時のポテンシャルの状態（図中破
線で示す）は同一であるが、光電荷ｅの蓄積時のポテン
シャルの状態（図中実線で示す）に於いては、電荷の蓄
積容量が大きくなっていることが分かる。

第２図は本発明駆動方法を採用してCCD固体撮像素子の
露光制御を行う際の構成を示すブロック図である。

CCD（10）は、受光した画像を光電変換して映像情報を
得るもので、パルス駆動されることに依り、画面単位で
連続する映像信号X_(t)を出力する。この映像信号X_(t)は
信号処理回路（11）に於いてサンプルホールド、ガンマ
補正等の処理が施されてビデオ信号Y_(t)として外部機器
に出力される。

一方CCD（10）の転送電極には、読出クロック発生回路
（12）から転送クロックφ_Ｆが供給され、基板には排出
クロック発生回路（13）から排出制御クロックφsubが
供給される。これらクロック発生回路（12）（13）に
は、動作タイミング及び動作期間を設定する読出タイミ
ング信号FT及び排出期間設定信号DTが夫々読出タイミン
グ発生回路（14）及び排出期間設定回路（15）から供給
される。この読出タイミング発生回路（14）及び排出期
間設定回路（15）は、垂直走査信号VD及び水平走査信号
HDに基づいて動作し、排出期間設定回路（15）は露光量
判定回路（16）の判定出力に応じて排出期間を伸縮制御
する。

露光量判定回路（16）は、CCD（10）から得られる映像
信号X_(t)のレベルを判定し、適正範囲よりレベルが高け
れば露光抑制信号CLOSEを出力し、逆に適正範囲よりレ
ベルが低ければ露光促進信号OPENを出力する。

第３図は、第２図の動作を示すタイミング図である。

読出タイミング信号FTは、垂直走査信号VDのブランキン
グ期間毎の所定のタイミングにタイミングパルスイを
発生し、このタイミングパルスイの入力で読出クロッ
ク発生回路（12）はクロックパルスロを発生する。一
方、排出期間設定信号DTは垂直走査信号VDの立上りで低
レベルとなり、CCD（10）の露光量に応じて決まるタイ
ミングで再び高レベルとなるもので、低レベルの期間を
排出期間として設定する。また、この排出期間設定信号
DTの低レベルから高レベルへの立上りのタイミングは、
露光抑制信号CLOSEで遅らせられ、露光促進信号OPENで
早められるように構成される。この様な構成は、例えば
水平走査信号HDでカウントアップされるステップカウン
タと、立上りのタイミングを水平走査線数で記憶し、露
光抑制信号CLOSEでカウントアップ、露光促進信号OPEN
でカウントダウンされるアップダウンカウンタとを用
い、両カウンタの出力の一致をコンパレータで検知し、
そのコンパレータの出力をフリップフロップのセット入
力とし、垂直走査信号VDの立上りをリセット入力とし
て、そのフリップフロップの出力を排出期間設定信号DT
とすることで得られる。

排出期間設定信号DTが低レベルとなると、転送クロック
φ_Ｆは水平走査信号HDのブランキング期間に低レベルに
なると共に、排出制御クロックφsubが高レベルとな
る。従って、水平走査信号HDのブランキング期間中にCC
D（10）の深さ方向のポテンシャルが第１図の破線で示
すようになり、光電荷が排出される。

排出期間設定信号DTが低レベルから高レベルに立上った
後には、転送クロックφ_Ｆは、読出タイミング信号FTの
タイミングパルスイが入力されるまで高レベルに保持
され、排出制御クロックφsubは低レベルに保持され
る。このときには、第１図の実線のようなポテンシャル
が形成され、光電荷に蓄積される。従って、排出期間設
定信号DTが低レベルから高レベルに立上るタイミングか
ら読出タイミング信号FTがタイミングパルスイを発生
するタイミングまでの期間が光電変換期間Ｅとして設定
され、この光電変換期間Ｅに一画面分の映像情報が蓄積
される。

以上の構成に依れば、CCD（10）の露光量が適正範囲よ
り高くなると排出期間設定信号DTの立上りのタイミング
が1H（水平走査信号HDの１周期）単位で遅れるために光
電変換期間Ｅが短縮され、逆に適正範囲より低くなると
排出期間設定信号DTの立上りのタイミングが早められる
ために光電変換期間Ｅが伸長され、何れの場合にもCCD
（10）の露光量が適正範囲内に収まるように制御され
る。

ところで、通常のCCD（10）に於いては、光電荷の排出
動作を行っている期間中にも映像信号X_(t)を順次出力し
ていることから、排出動作の際のノイズが映像信号X_(t)
に重畳する虞れがある。そこで、本実施例では上述の転
送クロックφ_Ｆを第３図に示す如く変動させ水平走査信
号HDのブランキング期間に同期して光電荷の排出を行え
ば映像信号X_(t)への影響は極めて少なくなる。また、排
出制御クロックφsubを水平走査信号HDのブランキング
期間に同期して変動させることでも同様に映像信号X_(t)
へのノイズの重畳を防止できる。

尚、本実施例に於いては、光電荷の排出期間を垂直走査
信号VDの立上りから露光量に応じて決まるタイミングま
での期間に設定しているが、排出期間の終了時点が同じ
であれば排出期間の始まりを垂直走査信号VDの立上りの
タイミングに一致させる必要はない。

特に、本発明の如き駆動方法に於いては、極めて短い期
間で光電荷の排出を完了することも可能であるために排
出期間を1H期間以内とすることも考えられる。

（ト）発明の効果本発明に依れば、CCD固体撮像素子の受光感度の向上及
び蓄積容量の増大が望める。また、受光感度の低下及び
蓄積容量の減少なしにCCDの駆動クロックの変動範囲を
小さくすることが可能であることから、省電力化が望め
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明駆動方法を説明するポテンシャル図、第
２図は本発明駆動方法を採用した露光制御方法の構成を
示すブロック図、第３図はそのタイミング図、第４図は
縦型オーバーフロードレイン方式のCCD固体撮像素子の
要部平面図、第５図はＸ−Ｘ′線断面図、第６図はＹ−
Ｙ′線のポテンシャル図である。（１）……半導体基板、（２）……Ｐ−Well領域、
（３）……チャネルストップ領域、（４）……拡散領
域、（5a）（5b）……転送電極、（10）……CCD、（1
1）……信号処理回路、（12）……読出クロック発生回
路、（13）……排出制御クロック発生回路、（14）……
読出タイミング発生回路、（15）……排出期間設定回
路、（16）……露光量判定回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一主面に所定の深さで基板と
は逆導電型のウェル領域が設けられると共に、上記半導
体基板上に上記ウェル領域を被って複数の転送電極が配
置され、光電変換に依って発生する光電荷を蓄積するチ
ャネル領域が上記転送電極の下の上記ウェル領域内に形
成される縦型オーバーフロードレイン方式のCCD固体撮
像素子の駆動方法に於いて、上記半導体基板の表面側か
ら深部への電荷の移動を阻止する電位障壁を上記ウェル
領域内に形成して上記光電荷を上記チャネル領域に蓄積
する際に上記転送電極に印加する第１の電位及び上記半
導体基板に印加する第２の電位に対し、上記転送電極に
印加する電位を上記第１の電位より低電位とすると共に
上記半導体基板に印加する電位を上記第２の電位より高
電位として上記ウェル領域内の電位障壁を消滅させ、上
記チャネル領域中の不要な光電荷を上記半導体基板側に
排出せしめることを特徴とする固体撮像素子の駆動方
法。
【請求項２】請求項第１項記載の固体撮像素子の駆動方
法に於いて、水平及び垂直方向に走査される固体撮像素
子の垂直走査期間中、垂直走査期間の始まりから途中ま
での第１の期間に上記チャネル領域の光電荷を上記半導
体基板側に排出せしめた後、残余の第２の期間に上記半
導体基板の表面側から深部側への電荷の移動を阻止する
電位障壁を上記ウェル領域内に形成して上記チャネル領
域に光電荷を蓄積し、この第２の期間に蓄積した光電荷
から一画面分の映像情報を得ることを特徴とする固体撮
像素子の駆動方法。
【請求項３】請求項第２項記載の固体撮像素子の駆動方
法に於いて、上記チャネル領域中の光電荷を水平走査の
帰線期間内に限って上記半導体基板側に排出せしめるこ
とを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。