JP2006081148A - Solid-state imaging apparatus and method for driving the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関し、より詳しくは、固体撮像装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a method for driving a solid-state imaging device.
図10は、従来の固体撮像装置51の概略平面図である。
FIG. 10 is a schematic plan view of a conventional solid-
固体撮像装置51は、多数の光電変換素子52及び光電変換素子で発生する信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置(VCCD)64を含む受光領域62、VCCD54によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置(HCCD)73及び出力アンプ74を含んで構成される。
The solid-
図に示すようなPIACCD(Pixel Interleaved Array CCD)を採用した撮像装置における受光領域62は、多数の光電変換素子52をいわゆる画素ずらし配置に配置して構成されている。それぞれの光電変換素子52の列間には、光電変換素子52で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送装置64が、光電変換素子52の間隙を垂直方向に蛇行するように設けられている。画素ずらし配置により形成された空隙部に蛇行する転送チャネルが配置され、隣接する転送チャネルは光電変換素子を介して離れたり、チャネルストップ領域53を挟んで近接したりする。(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)
垂直電荷転送装置64は、図11に示す垂直転送チャネル54と該垂直転送チャネル54上方に、絶縁膜60aを挟んで光電変換素子52の間隙を蛇行するように水平方向に形成される転送電極56aおよび56bを含んで形成されている。
The
The vertical
図11(A)は、従来の固体撮像装置51の受光領域52の一部の拡大平面図である。図11(B)は、図11(A)の破線AB部分の拡大断面図である。
FIG. 11A is an enlarged plan view of a part of the
光電変換素子52の各列に対応して垂直転送チャネル54が形成され、各光電変換素子52に隣接して形成される読出しゲート用チャネル領域51cを介して読み出される信号電荷を垂直方向に転送する。読出しゲート用チャネル領域51cの反対側には垂直転送チャネル54に隣接してチャネルストップ領域53が設けられる。また、垂直転送チャネル54の上方には、絶縁膜60aをはさんで転送電極56(第1層ポリシリコン電極56a及び第2層ポリシリコン電極56b)が形成される。なお、この部分の断面においては、第2層ポリシリコン電極56bのみが垂直転送チャネル54の上方に存在する。また、2本の垂直転送チャネル54がチャネルストップ領域53を介して隣り合う構造を有している。
A
読み出し期間において、光電変換素子(画素)52で発生した信号電荷を読出しゲート用チャネル領域(読み出し部)51c上に設けられた第2層ポリシリコン電極56b(ΦV1)又は56d(ΦV3)にハイレベル(VH)を印加することにより垂直転送チャネル54に読み出す。
In the readout period, the signal charge generated in the photoelectric conversion element (pixel) 52 is set to the second
その後、転送期間において転送電極56a〜56dにミッドレベル(VM)又はローレベル(VL)のパルスを順次印加することにより、信号電荷をHCCD73に転送する。転送期間中のVCCD64の転送動作の合間にHCCD73の水平転送をHM/HLパルスの2相駆動動作を行う。
Thereafter, signal charges are transferred to the
図12に、図11(B)の破線EF間の電位を示す。n型基板51aに逆バイアスを加え光電変換素子52との間に適切な電位障壁を形成することで、光電変換素子52の過剰な電荷を排出するオーバーフロードレインを形成する。
FIG. 12 shows a potential between the broken lines EF in FIG. By applying a reverse bias to the n-
図中、実線で示した電位は光電変換素子52に電荷が蓄積された状態であり、電極56bに低い電圧(VM又はVL)が印加されているため、読み出し部51cは閉じており、蓄積された信号電荷は垂直転送チャネル54に読み出されない。
In the figure, the potential indicated by a solid line is a state in which charges are accumulated in the
図中、破線で示した電位は、電極56bに高い電圧(VH)が印加された状態であり、十分に高い電圧を印加することで光電変換素子52に対し垂直転送チャネル54に向かっての電位障壁がなくなり信号電荷は全て垂直転送チャネル54に移動する。なお、2本のチャネルストップ領域53を介して隣り合う垂直転送チャネル54はチャネルストップ領域53によって分断されるものの同様に高電位となる。読み出し時には、読み出し部51cに隣接する垂直転送チャネル54に信号電荷を蓄積するので、電位的には垂直転送チャネル54に蓄積できる信号電荷はチャネルストップ領域53の電位を超えないものとなる。
In the figure, the potential indicated by a broken line is a state in which a high voltage (VH) is applied to the
図13(A)は、従来の固体撮像装置51の電極56a及び電極56bから成るV1〜V4電極に印加される駆動波形を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートはVH/VM/VLの波高値で示され、VHは読み出し時の電圧であり、VM/VLの変化は転送時の動作に係る。図13(B)は、図13(A)に示す駆動波形を印加したときの垂直転送チャネル54の電位状態及び信号電荷の動きを表す概念図である。図中、それぞれ白い四角がVL、斜線の四角がVM、黒い四角がVHが印加された状態を示し、斜線の丸は信号電荷を示す。VMが印加された状態では信号電荷を蓄積することができ、VLが印加した状態では障壁となる。
FIG. 13A is a timing chart showing drive waveforms applied to the V1 to V4 electrodes including the
タイミングt1では、光電変換素子52に信号電荷が蓄積され、タイミングt3ではV1の読み出し電極にVHが印加され垂直方向1ライン置きの光電変換素子52から信号電荷が垂直転送チャネル54に移動する。タイミングt5では、残りの垂直方向1ライン置きの光電変換素子52から信号電荷が垂直転送チャネル54に移動する。タイミングt7では、V2、V3電極下に信号電荷が蓄積された状態となり、この状態から転送期間に移行する。
At timing t1, signal charges are accumulated in the
図14は、図11(A)の二点鎖線で囲んだ部分の拡大平面図である。図中、S2は、読み出し時に電極56bにより形成されるチャネルの領域を示す。読み出し時の蓄積容量は、図12に示した読み出し部51cに隣り合う垂直転送チャネル54の電位とチャネルストップ領域53の障壁電位との差ΦaとS2の面積及び単位面積あたりの静電容量でほぼ決定される(最大蓄積容量≒α×S2×Φa、ただしαは単位面積あたりの静電容量)。
FIG. 14 is an enlarged plan view of a portion surrounded by a two-dot chain line in FIG. In the figure, S2 indicates a channel region formed by the
この最大蓄積容量が光電変換素子52の最大蓄積容量よりも小さい場合は、光電変換素子52の蓄積容量程度の信号電荷が読み出された場合に、チャネルストップ領域53の障壁電位を超えて隣の垂直転送チャネル54に信号電荷が流れ込んでしまいブルーミング現象を引き起こし、固体撮像装置51として明部の画像を著しく劣化させる。すなわち、取り扱い信号量の縮小としてダイナミックレンジが損なわれる。なお、このブルーミング現象は、図13(B)のタイミングt3及びt5で発生する。
When the maximum storage capacity is smaller than the maximum storage capacity of the
本発明の目的は、ダイナミックレンジが損なわれることを回避することができる固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of avoiding a loss of dynamic range.
また、本発明の他の目的は、ダイナミックレンジが損なわれることを回避するとともに、消費電力を低減することができる固体撮像装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of avoiding damage to the dynamic range and reducing power consumption.
本発明の一観点によれば、2次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第1正方格子と前記第1正方格子の格子間位置に格子点を有する第2正方格子とのそれぞれの格子点に配置される多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネル上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置は、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする。 According to an aspect of the present invention, a semiconductor substrate that defines a two-dimensional surface, a first square lattice of a square matrix, and lattice points at interstitial positions of the first square lattice in a light receiving region of the semiconductor substrate. A large number of photoelectric conversion elements arranged at respective lattice points of the two square lattice, a plurality of vertical charge transfer channels arranged in a vertical direction between columns of the respective photoelectric conversion elements, and formed above the vertical charge transfer channels A vertical charge transfer device including a plurality of transfer electrodes arranged in a horizontal direction, and a read electrode that also serves as a transfer electrode constituting the vertical charge transfer device, corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements, A solid-state imaging device having a readout unit that reads out the signal charge accumulated in the corresponding photoelectric conversion element to the vertical charge transfer channel adjacent in the row direction, reads the signal charge from the photoelectric conversion element. In the readout period in which a voltage capable of reading out the signal charge is applied to the readout electrode, at least one transfer electrode adjacent to the readout electrode has a signal charge in the vertical charge transfer channel below the transfer electrode. A voltage capable of storing the voltage is applied.
本発明によれば、ダイナミックレンジが損なわれることを回避することができる固体撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state imaging device which can avoid that a dynamic range is impaired can be provided.
また、本発明によれば、ダイナミックレンジが損なわれることを回避するとともに、消費電力を低減することができる固体撮像装置を提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of avoiding damage to the dynamic range and reducing power consumption.
図1は、本発明の実施例による固体撮像装置1の概略平面図である。
FIG. 1 is a schematic plan view of a solid-
固体撮像装置1は、多数の光電変換素子12及び光電変換素子で発生する信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置(VCCD)24を含む受光領域2、VCCD24によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置(HCCD)3及び出力アンプ4を含んで構成される。
The solid-
受光領域2は、多数の光電変換素子12をいわゆる画素ずらし配置に配置して構成されている。ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、2次元テトラゴナル行列の第1格子と、その格子間位置に格子点を有する2次元テトラゴナル行列の第2格子とを合わせた配置を指す。例えば、奇数列(行)中の各光電変換素子12に対し、偶数列(行)中の光電変換素子12の各々が、光電変換素子12の列(行)方向ピッチの約1/2、列(行)方向にずれ、光電変換素子列(行)の各々が奇数行(列)または偶数行(列)の光電変換素子2のみを含む。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子12を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
The
なお、ピッチの「約1/2」とは、1/2を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって1/2から外れてはいるものの、得られる固体撮像装置12の性能およびその画像の画質からみて実質的に1/2と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子12のピッチの約1/2」についても同様である。
Note that the pitch “about ½” includes ½, but it is out of ½ due to factors such as manufacturing error and rounding error of pixel position that occurs in design or mask fabrication. Further, it includes values that can be regarded as substantially equivalent to ½ in view of the performance of the solid-
それぞれの光電変換素子12の列間には、光電変換素子12で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送装置24が、光電変換素子12の間隙を垂直方向に蛇行するように設けられている。画素ずらし配置により形成された空隙部に蛇行する転送チャネルが配置され、隣接する転送チャネルは光電変換素子を介して離れたり、チャネルストップ領域13(図2)を挟んで近接したりする。
Between the columns of the
垂直電荷転送装置24は、図2に示す垂直転送チャネル14と該垂直転送チャネル上方に、絶縁膜10a(図3)を挟んで形成される転送電極16a及び16b(図2)が光電変換素子12の間隙を蛇行するように水平方向に形成されている。
In the vertical
図2は、本発明の第1の実施例による固体撮像装置1の受光領域2の一部の拡大平面図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子12、転送電極16を露出した状態を示す。
FIG. 2 is an enlarged plan view of a part of the
図3は、本発明の第1の実施例による固体撮像装置1の拡大断面図である。なお、この断面図は、図2に示す一点鎖線x−yで固体撮像装置1を切断したものである。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the solid-
以下の説明においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、p−型不純物添加領域、p型不純物添加領域、p+ 型不純物添加領域、あるいはn− 型不純物添加領域、n型不純物添加領域、n+型不純物添加領域と表記する。p− 型不純物添加領域11bをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。
In the following description, in order to distinguish between large and small impurity concentrations between impurity doped regions having the same conductivity type, a p − type impurity doped region and a p type impurity doped region are ordered in descending order of impurity concentration. It is expressed as a region, a p + -type impurity added region, or an n − -type impurity added region, an n-type impurity added region, and an n + -type impurity added region. Except for the case where the p − -type impurity doped
半導体基板11は、例えばn−型シリコン基板11aと、その一表面に形成されたp−型不純物添加領域11bとを有する。p− 型不純物添加領域11bは、n−型シリコン基板11aの一表面にp型不純物をイオン注入した後に熱処理を施すことによって、あるいは、p型不純物を含有したシリコンをn型シリコン基板11aの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
The semiconductor substrate 11 includes, for example, an n −
次いで、後に形成される1列の光電変換素子列に1本ずつ対応して、p− 型不純物添加領域11bにn型不純物添加領域(垂直転送チャネル)14が例えば、0.5μmの幅で形成される。個々の垂直転送チャネル14は、その全長に亘ってほぼ均一な不純物濃度を有し、対応する光電変換素子列に沿って延在する。
Next, an n-type impurity doped region (vertical transfer channel) 14 having a width of 0.5 μm, for example, is formed in the p − -type impurity doped
次に、チャネルストップ領域13が、垂直転送チャネル14の隣(読出しゲート用チャネル領域11cとなる箇所の反対側)に形成される。チャネルストップ領域13は、例えばp+型不純物添加領域、或いは、トレンチアイソレーション又は局所酸化(LOCOS)によって構成される。
Next, the
後に形成される各光電変換素子12(n型不純物添加領域12a)の右側縁部に沿って、p型不純物添加領域11cが一部残される。各p型不純物添加領域11cは、読出しゲート用チャネル領域11cとして利用される。
A part of the p-type
次に、酸化膜(ONO膜)15を、半導体基板11の表面に形成する。ONO膜は、例えば、膜厚が20〜70nm程度のシリコン酸化膜(熱酸化膜)と、膜厚が30〜80nm程度のシリコン窒化膜と、膜厚が1〜50nm程度のシリコン酸化膜とを、半導体基板11上にこの順番で堆積させた積層膜によって構成される。図2においては、便宜上、1つの層で酸化膜15を表している。なお、上記の酸化膜15は、ONO膜の代わりに単層の酸化膜(SiO2)で形成することもできる。 Next, an oxide film (ONO film) 15 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. The ONO film includes, for example, a silicon oxide film (thermal oxide film) having a thickness of about 20 to 70 nm, a silicon nitride film having a thickness of about 30 to 80 nm, and a silicon oxide film having a thickness of about 1 to 50 nm. The laminated film is deposited on the semiconductor substrate 11 in this order. In FIG. 2, for convenience, the oxide film 15 is represented by one layer. The oxide film 15 may be formed of a single layer oxide film (SiO 2 ) instead of the ONO film.
次に、電極形成工程を行う。この工程では、酸化膜15上に、転送電極(多層ポリシリコン電極)16を形成する。半導体基板1の表面上に形成された酸化膜15の上に第1の多結晶Si層16aを0.2μm〜3μm(例えば、1μm)の厚さで堆積し、第1の多結晶Si層16a表面に、ホトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ(露光、現像)によって所定のパターンにホトレジスト膜をパターニング後、これをマスクとして異方性の強い(マスク面に垂直方向のエッチング速度の大きな)ドライエッチング(塩素系ガス等使用)によりマスクレス領域(マスクの存在しない領域)の第1の多結晶層16aをエッチオフし、ホトレジスト膜を除去する。これにより、第1層ポリシリコン電極16aが形成される。
Next, an electrode formation process is performed. In this step, a transfer electrode (multilayer polysilicon electrode) 16 is formed on the oxide film 15. A first
次に、Si表面を酸化しSiO2 膜(第2の酸化膜)を第1層ポリシリコン電極16aの上に300Å〜1000Åの膜厚で形成する。さらに、第2の酸化膜上に減圧CVD法等を用いて第2の多結晶Si層16bを0.2μm〜3μm(例えば、1μm)の厚さで堆積する。引続き、フォトリソグラフィを用いて第2の多結晶Si層16bのパターニングを行い、第2層ポリシリコン電極16bが形成される。なお、この部分の断面においては、第2層ポリシリコン電極16bのみが垂直転送チャネル14の上方に存在する。また、2本の垂直転送チャネル14がチャネルストップ領域13を介して隣り合う構造を有している。
Next, a SiO 2 film by oxidizing the Si surface (second oxide film) with a film thickness of 300Å~1000Å on the first layer poly-
次に、p− 型不純物添加領域11bの所定箇所を、イオン注入によりn型不純物添加領域12aに転換する。なお、n型不純物添加領域12aは、電荷蓄積領域として機能する。転換したn型不純物添加領域12aの表層部をイオン注入によりp+型不純物添加領域12bに転換することによって、埋込み型のフォトダイオードである光電変換素子12を形成する。
Next, a predetermined portion of the p − type impurity doped
次に、多層ポリシリコン電極16及びシリコン基板11前面を覆うように絶縁膜10を形成し、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の2種以上からなる合金等をPVDまたはCVDによって絶縁膜10上に堆積させることで遮光膜(図示せず)を形成する。この遮光膜は、各転送電極16等を平面視上覆って、光電変換素子12以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。各光電変換素子12へ光が入射することができるように、遮光膜は、個々の光電変換素子12の上方に開口部を1つずつ有する。さらに、遮光膜の上に、パッシベーション層、平坦化絶縁層、カラーフィルタ層、第2の平坦化膜、マイクロレンズを形成する。
Next, the insulating film 10 is formed so as to cover the front surface of the
以下に、本発明の第1の実施例による固体撮像装置1の駆動方法を説明する。
Below, the drive method of the solid-
図4(A)は、固体撮像装置1の電極16a及び電極16bから成るV1〜V4電極に印加される駆動波形を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートはVH/VM/VLの波高値で示され、VHは読み出し時の電圧であり、VM/VLの変化は転送時の動作に係る。図4(B)は、図4(A)に示す駆動波形を印加したときの垂直転送チャネル14の電位状態及び信号電荷の動きを表す概念図である。図中、それぞれ白い四角がVL、斜線の四角がVM、黒い四角がVHが印加された状態を示し、斜線の丸は信号電荷を示す。VMが印加された状態では信号電荷を蓄積することができ、VLが印加した状態では障壁となる。
FIG. 4A is a timing chart illustrating drive waveforms applied to the V1 to V4 electrodes including the
タイミングt1では、光電変換素子12に信号電荷が蓄積され、タイミングt3ではV1の読み出し電極にVHが印加されると同時にV2の読み出し電極にVHが印加され、垂直方向1ライン置きの光電変換素子12から信号電荷が垂直転送チャネル14に移動する。タイミングt7では、V4の読み出し電極にVHが印加されると同時にV3の読み出し電極にVHが印加され、残りの垂直方向1ライン置きの光電変換素子12から信号電荷が垂直転送チャネル14に移動する。タイミングt9では、V2、V3電極下に信号電荷が蓄積された状態となり、この状態から転送期間に移行する。なお、タイミングt3においてV2に印加される電圧は、VHに限らず少なくとも信号電荷を蓄積可能な電圧でも良い。また、タイミングt7においてV3に印加される電圧は、VHに限らず少なくとも信号電荷を蓄積可能な電圧でも良い。
At timing t1, signal charges are accumulated in the
図5は、図2の二点鎖線で囲んだ部分の拡大平面図である。図中、S1は読み出し時に電極16aにより形成されるチャネルの領域を示し、S2は読み出し時に電極16bにより形成されるチャネルの領域を示す。
FIG. 5 is an enlarged plan view of a portion surrounded by a two-dot chain line in FIG. In the figure, S1 indicates a channel region formed by the
本発明の第1の実施例では、タイミングt3とt7において各々V1とV2及びV3とV4の電極にVHを印加することにより、垂直転送チャネル14が隣接する部分において、図5に示す最大蓄積容量を成すチャネルの平面積はS1+S2となり、従来の固体撮像装置51に比べて読み出し時の垂直転送チャネル14の最大蓄積容量をほぼ倍増させることができる。従って、固体撮像装置1のダイナミックレンジを損なう問題を回避することができる。
In the first embodiment of the present invention, VH is applied to the electrodes V1 and V2 and V3 and V4 at timings t3 and t7, respectively, so that the maximum storage capacity shown in FIG. The plane area of the channel forming S is S1 + S2, and the maximum storage capacity of the
上述の第1の実施例では、十分なダイナミックレンジを確保するために2電極にVHパルスを印加したが、静止画撮像モードでは、フレームレートが少ないために消費電力増加の影響は小さい。しかし、動画撮像モードでは、静止画撮像モードに比べて、フレームレートが増加するので、単位時間当たりのVHパルス印か回数が増加する。従って、動画撮像モードでは、2電極にVHパルスを印加することによる消費電力増加の影響が発生する。この動画モードにおける消費電力増大の影響を極力抑えた固体撮像装置の駆動方法を、以下に、上述の第1の実施例による固体撮像装置1を動画モードで駆動する場合を変形例として説明する。
In the first embodiment described above, the VH pulse is applied to the two electrodes in order to ensure a sufficient dynamic range. However, in the still image capturing mode, the influence of the increase in power consumption is small because the frame rate is small. However, in the moving image capturing mode, the frame rate increases compared to the still image capturing mode, so the number of VH pulse marks per unit time increases. Therefore, in the moving image capturing mode, the effect of increasing the power consumption due to the application of the VH pulse to the two electrodes occurs. A method of driving the solid-state imaging device that suppresses the influence of the increase in power consumption in the moving image mode as much as possible will be described below as a modification example in which the solid-
この第1の実施例の変形例では、固体撮像装置1のハードウェア構成は第1の実施例と同様のものを用い、駆動方法のみを変更している。なお、本明細書において動画モードとは、通常の動画撮像のみではなくモニタ画面表示用の映像を撮像する場合等、1秒間に数〜数十フレームを連続した画像として撮像する場合を含む。さらに、静止画、動画の区別にかかわらず、信号電荷を各々独立に出力する(非加算)場合を静止画モードとし、複数の信号電荷を加算して出力する(画素加算)場合を動画モードとする。
In the modification of the first embodiment, the hardware configuration of the solid-
図6は、静止画モード及び動画モードにおける図11(B)の破線EF間の電位を示す。 FIG. 6 shows a potential between broken lines EF in FIG. 11B in the still image mode and the moving image mode.
従来例として、上述したように、読み出し時には、読み出し部51cに隣接する垂直転送チャネル54に信号電荷を蓄積するので、電位的には垂直転送チャネル54に蓄積できる信号電荷はチャネルストップ領域53の電位を超えないものとなる。従って、図2に示す構造においては、光電変換素子12の最大蓄積容量は、(フォトダイオードと基板の間に存在する)p−型不純物添加領域11bの電位を超えないものとなる。p− 型不純物添加領域11bの電位は、基板バイアス電圧(OFD電圧)で制御できるので、光電変換素子12の最大蓄積容量はOFD電圧で制御できる。通常、第1の実施例のような静止画撮像モード(静止画モード)では、図中OFD1で示される電圧を加え、動画撮像モード(動画モード)では、OFD2(OFD2>OFD1)で示される電圧を加える。これは、動画モードにおいて、フレームレートを向上させるために画素加算を行う際、転送路(垂直転送チャネル14)の許容信号電荷量を超えないように光電変換素子12の信号電荷蓄積量を適度に減少させるためのものである。
As a conventional example, as described above, since signal charges are accumulated in the
図7は、本発明の第1の実施例の変形例(動画モード)による駆動波形を示すタイミングチャート及び垂直転送チャネル14の電位状態及び信号電荷の動きを表す概念図である。図7(A)は、本発明の第1の実施例の変形例による固体撮像装置1の電極16a及び電極16bから成るV1〜V4電極に印加される駆動波形を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートはVH/VM/VLの波高値で示され、VHは読み出し時の電圧であり、VM/VLの変化は転送時の動作に係る。図7(B)は、図7(A)に示す駆動波形を印加したときの垂直転送チャネル14の電位状態及び信号電荷の動きを表す概念図である。図中、それぞれ白い四角がVL、斜線の四角がVM、黒い四角がVHが印加された状態を示し、斜線の丸は信号電荷を示す。VMが印加された状態では信号電荷を蓄積することができ、VLが印加した状態では障壁となる。
FIG. 7 is a timing chart showing driving waveforms according to a modification (moving image mode) of the first embodiment of the present invention, and a conceptual diagram showing the potential state of the
タイミングt1では、光電変換素子12に信号電荷が蓄積され、タイミングt3ではV1の読み出し電極のみにVHが印加され、垂直方向1ライン置きの光電変換素子12から信号電荷が垂直転送チャネル14に移動する。タイミングt7では、V4の読み出し電極のみにVHが印加され、残りの垂直方向1ライン置きの光電変換素子12から信号電荷が垂直転送チャネル14に移動する。タイミングt9では、V2、V3電極下に信号電荷が蓄積された状態となり、この状態から転送期間に移行する。
At timing t1, signal charges are accumulated in the
動画モードでは、光電変換素子12から垂直転送チャネル14に読み出される信号電荷が少ないため、上述のように1電極(V1又はV3)にVHパルスを印加することでダイナミックレンジは確保され、同時に静止画モード(第1の実施例)に比べてVHパルスを印加する電極が半減するので、動画撮像による消費電力増加の影響を少なくすることができる。
In the moving image mode, since the signal charge read from the
以上のように、第1の実施例を静止画モードその変形例を動画モードとして、適宜切り替えることにより、読み出し時の垂直シフトレジスタ容量をそれぞれのモードに適した量確保でき、同時に消費電力を低減することができる。 As described above, by appropriately switching the first embodiment as a still image mode and its modified example as a moving image mode, it is possible to secure the amount of vertical shift register capacity suitable for each mode at the time of reading and simultaneously reduce power consumption. can do.
図8は、本発明の第2の実施例による固体撮像装置1の受光領域2の一部の拡大平面図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子12、転送電極16を露出した状態を示す。第1の実施例との構造的差異は、読み出し部11cが光電変換素子12に隣接する2電極で構成されている点である。その他の点については第1の実施例と同様であるので、その説明を省略する。
FIG. 8 is an enlarged plan view of a part of the
以下に、本発明の第2の実施例による固体撮像装置1の駆動方法を説明する。
A method for driving the solid-
図9(A)は、固体撮像装置1の電極16a及び電極16bから成るV1〜V4電極に印加される駆動波形を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートはVH/VM/VLの波高値で示され、VHは読み出し時の電圧であり、VM/VLの変化は転送時の動作に係る。図9(B)は、図9(A)に示す駆動波形を印加したときの垂直転送チャネル14の電位状態及び信号電荷の動きを表す概念図である。図中、それぞれ白い四角がVL、斜線の四角がVM、黒い四角がVHが印加された状態を示し、斜線の丸は信号電荷を示す。VMが印加された状態では信号電荷を蓄積することができ、VLが印加した状態では障壁となる。
FIG. 9A is a timing chart showing drive waveforms applied to the V1 to V4 electrodes including the
タイミングt1では、光電変換素子12に信号電荷が蓄積され、タイミングt3ではV1の読み出し電極にVHが印加されると同時にV2の読み出し電極にVHが印加され、全列の光電変換素子12から信号電荷が垂直転送チャネル14に移動する。タイミングt5では、V2、V3電極下に信号電荷が蓄積された状態となり、この状態から転送期間に移行する。
At timing t1, signal charges are accumulated in the
このように読み出すことにより、第2の実施例では、ΦV1〜ΦV4の全てにVHを印加する必要がなくなり、読み出し時の電圧VHを印加する3値ドライバーが従来の半分で済む。従って、3値ドライバーを削減することでコストの低減及び低消費電力を図ることができる。 By reading in this way, in the second embodiment, it is not necessary to apply VH to all of ΦV1 to ΦV4, and a half of the ternary driver for applying the voltage VH at the time of reading is sufficient. Therefore, cost reduction and low power consumption can be achieved by reducing the ternary driver.
更には、読み出し時のタイミングに全ての画素において同時刻性を持たせることができ、例えば、読み出し時の直前にn型基板11aに高電圧を印加して光電変換素子12を完全空乏化して短時間の蓄積時間による信号電荷を得ようとする場合において、列毎の蓄積時間の違いをなくすことができる。例えば、カラー信号を得るべく列ごとに色の構成が異なる場合に、短時間の蓄積時間の場合と長時間の蓄積時間の場合とで色信号比が異なる、いわゆるホワイトバランスの違いをなくすことができる。
Furthermore, all the pixels can have the same time property at the time of reading. For example, a high voltage is applied to the n-
なお、第2の実施例においても、第1の実施例と同様に最大蓄積容量を成すチャネルの平面積を倍増させることにより、固体撮像装置1のダイナミックレンジを損なう問題を回避することができる。
In the second embodiment as well, the problem of impairing the dynamic range of the solid-
また、第2の実施例においても、第1の実施例の変形例と同様に、動画モードにおいては、1電極(V1)のみにVHパルスを印加することで、静止画モード(第2の実施例)に比べてVHパルスを印加する電極を半減して、動画撮像による消費電力増加の影響を少なくすることができる。 Also in the second embodiment, as in the modification of the first embodiment, in the moving image mode, the VH pulse is applied only to one electrode (V1), so that the still image mode (second embodiment) is applied. Compared with Example), the electrode to which the VH pulse is applied can be halved, and the influence of the increase in power consumption due to moving image imaging can be reduced.
なお、上述の実施例では、4相(ΦV1〜ΦV4)駆動により説明したが、周知の8相駆動や6相駆動においても同様の効果を得ることができる。 In the above-described embodiment, the four-phase (ΦV1 to ΦV4) drive has been described. However, the same effect can be obtained in the known eight-phase drive and six-phase drive.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1…固体撮像装置、2…受光領域、3…HCCD、4…周辺回路、10…絶縁膜、11…半導体基板、12…光電変換素子、13…チャネルストップ領域、14…転送チャネル、15…絶縁膜、16a…第1層転送電極、16b…第2層転送電極、24…垂直電荷転送装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第1正方格子と前記第1正方格子の格子間位置に格子点を有する第2正方格子とのそれぞれの格子点に配置される多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネル上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、
前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置であって、
前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate defining a two-dimensional surface;
A large number of photoelectric conversion elements arranged at lattice points of a first square lattice of a square matrix and a second square lattice having lattice points at interstitial positions of the first square lattice in the light receiving region of the semiconductor substrate. When,
A vertical charge transfer device including a plurality of vertical charge transfer channels arranged in a vertical direction between columns of photoelectric conversion elements and a plurality of transfer electrodes formed above the vertical charge transfer channels and arranged in a horizontal direction;
A readout electrode that also serves as a transfer electrode that constitutes the vertical charge transfer device is included, corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements, and signal charges accumulated in the corresponding photoelectric conversion elements are adjacent in the row direction. A solid-state imaging device having a readout unit for reading to the vertical charge transfer channel,
When a signal charge is read from the photoelectric conversion element, at least one transfer electrode adjacent to the read electrode is at least below the transfer electrode in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. A solid-state imaging device, wherein a voltage capable of storing signal charges is applied to the vertical charge transfer channel.
前記第1のモードにおいては、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加し、
前記第2のモードにおいては、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極のみに信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A first mode for independently outputting the signal charges of the plurality of photoelectric conversion elements; and a second mode for adding and outputting at least two signal charges of the plurality of photoelectric conversion elements; Switching means for switching between
In the first mode, when the signal charge is read from the photoelectric conversion element, at least one transfer electrode adjacent to the read electrode is applied in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. On the other hand, at least a voltage capable of storing signal charges is applied to the vertical charge transfer channel below the transfer electrode,
In the second mode, when the signal charge is read from the photoelectric conversion element, a voltage capable of reading the signal charge only to the read electrode in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3.
前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第1正方格子と前記第1正方格子の格子間位置に格子点を有する第2正方格子とのそれぞれの格子点に配置される多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の列間に垂直方向に配列された複数の垂直電荷転送チャネルと前記垂直電荷転送チャネル上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極を含む垂直電荷転送装置と、
前記垂直電荷転送装置を構成する転送電極を兼ねた読み出し電極を含み、前記複数個の光電変換素子のそれぞれに対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する前記垂直電荷転送チャネルに読み出す読み出し部とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 A semiconductor substrate defining a two-dimensional surface;
A large number of photoelectric conversion elements arranged at lattice points of a first square lattice of a square matrix and a second square lattice having lattice points at interstitial positions of the first square lattice in the light receiving region of the semiconductor substrate. When,
A vertical charge transfer device including a plurality of vertical charge transfer channels arranged in a vertical direction between columns of photoelectric conversion elements and a plurality of transfer electrodes formed above the vertical charge transfer channels and arranged in a horizontal direction;
A readout electrode that also serves as a transfer electrode that constitutes the vertical charge transfer device is included, corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements, and signal charges accumulated in the corresponding photoelectric conversion elements are adjacent in the row direction. A method of driving a solid-state imaging device having a readout unit that reads out to the vertical charge transfer channel,
When a signal charge is read from the photoelectric conversion element, at least one transfer electrode adjacent to the read electrode is at least below the transfer electrode in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. A method for driving a solid-state imaging device, wherein a voltage capable of storing signal charges is applied to the vertical charge transfer channel.
前記第1のモードにおいては、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極に隣接する少なくとも一つの転送電極に対して、少なくとも該転送電極下方の垂直電荷転送チャネルに信号電荷を蓄積可能な電圧を印加し、
前記第2のモードにおいては、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記読み出し電極に信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する読み出し期間において、前記読み出し電極のみに信号電荷を読み出し可能な電圧を印加する請求項6〜8のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法。 Further, the solid-state imaging device adds a first mode for independently outputting the signal charges of the multiple photoelectric conversion elements, and outputs by adding at least two or more signal charges of the multiple photoelectric conversion elements. Switching means for switching between the second mode and
In the first mode, when the signal charge is read from the photoelectric conversion element, at least one transfer electrode adjacent to the read electrode is applied in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. On the other hand, at least a voltage capable of storing signal charges is applied to the vertical charge transfer channel below the transfer electrode,
In the second mode, when the signal charge is read from the photoelectric conversion element, a voltage capable of reading the signal charge only to the read electrode in a read period in which a voltage capable of reading the signal charge is applied to the read electrode. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 6, wherein the solid-state imaging device is applied.
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