JP2006081148A

JP2006081148A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法

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Publication number: JP2006081148A
Application number: JP2005144589A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kobayashi; 誠小林; Katsumi Ikeda; 勝己池田
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP4666475B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】２次元表面を画定する半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と第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光電変換素子を配置する。各光電変換素子の列間の複数の垂直電荷転送チャネルとその上方に形成され水平方向に配列された複数の転送電極によって光電変換素子に蓄積される信号電荷を、行方向に隣接する垂直電荷転送チャネルに読み出す。光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、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、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。
【選択図】図４

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。

図１０は、従来の固体撮像装置５１の概略平面図である。

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。

図に示すようなＰＩＡＣＣＤ（ＰｉｘｅｌＩｎｔｅｒｌｅａｖｅｄＡｒｒａｙＣＣＤ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１０−１３６３９１号公報山田哲生他、「A Progressive Scan CCD Imager for DSC Applications」、ISSCC Digest ofTechnical Papers、２０００年２月、ｐ．１１０−１１１

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＯ_２）で形成することもできる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。本発明の第１の実施例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２の二点鎖線で囲んだ部分の拡大平面図である。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。本発明の第１の実施例の変形例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。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。本発明の第２の実施例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。従来の固体撮像装置５１の概略平面図である。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及び拡大断面図である。図１１（Ｂ）の破線ＥＦ間の電位を示す。従来例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１１（Ａ）の二点鎖線で囲んだ部分の拡大平面図である。

符号の説明

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

Claims

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。
前記読み出し期間において前記読み出し電極と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とは同一の光電返還素子に隣接している請求項１記載の固体撮像装置。
前記読み出し期間において前記読み出し電極と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とのそれぞれが異なる列の光電変換素子の読み出し部を構成する請求項１又は２記載の固体撮像装置。
さらに、前記多数個の光電変換素子の信号電荷を各々独立して出力する第１のモードと、前記多数個の光電変換素子の信号電荷を少なくとも２つ以上加算して出力する第２のモードとを切り替える切り替え手段を有し、
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。
前記第１のモードと前記第２のモードにおいて、基板バイアス電圧を異なる値とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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。
前記読み出し期間において前記読み出し電極と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とは同一の光電返還素子に隣接している請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記読み出し期間において前記読み出し電極と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とのそれぞれが異なる列の光電変換素子の読み出し部を構成する請求項４又は５記載の固体撮像装置の駆動方法。
さらに、前記固体撮像装置は、前記多数個の光電変換素子の信号電荷を各々独立して出力する第１のモードと、前記多数個の光電変換素子の信号電荷を少なくとも２つ以上加算して出力する第２のモードとを切り替える切り替え手段を有し、
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。
前記第１のモードと前記第２のモードにおいて、基板バイアス電圧を異なる値とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。