JP2006108315A

JP2006108315A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006108315A
Application number: JP2004291754A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kato; 良章加藤; Junshi Tokumoto; 順士徳本; Ayafumi Manabe; 純史真鍋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】垂直転送部の暗電流低減と取り扱い電荷量の確保とを両立する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えている。この固体撮像装置は、垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置とその駆動方法の技術に関する。

近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器が一般に普及している。これらの撮像機器には、２次元状に複数個配列された受光素子の出力信号を、複数の垂直ＣＣＤ及び１以上の水平ＣＣＤを用いて順に出力する固体撮像素子を用いたものがある。

図８は、従来の固体撮像装置の概略構成例を示したものである。図８において、１０１は受光部、１０２は水平ＣＣＤ、１０３は出力部、１０４はフォトダイオード、１０５は垂直ＣＣＤ、１０６は駆動制御部、１０７はＡ／Ｄコンバータ、１０８は信号処理部である。フォトダイオード１０４は、受光部１０１にマトリクス状に設けられている。なお、図８では、垂直方向に８個、水平方向に３列のみのフォトダイオード１０４およびそれらに対応する転送電極を図示したが、フォトダイオードの個数は任意である。

垂直ＣＣＤ１０５は、１つのフォトダイオード１０４に対して２枚ずつの転送電極１０５ａ，１０５ｂを有している。転送電極１０５ａ，１０５ｂの３組に対し、駆動制御部１０６より、受光部１０１の水平端部のバスラインを介して、φＶ１〜φＶ６の６相の転送パルスが供給される。以降、垂直ＣＣＤ１０５においてφＶ１〜φＶ６が供給される転送電極をそれぞれＶ１〜Ｖ６と称する。転送電極１０５ａ，１０５ｂは、ハイレベルの転送パルスが供給されている間は信号電荷を保持し、転送パルスがハイレベルからローレベルへ切り替わると、垂直転送方向へ信号電荷を転送する。なお、図８では、駆動制御部１０６から垂直ＣＣＤ１０５へ転送パルスを印加するバスラインのみを図示したが、駆動制御部１０６は水平ＣＣＤ１０２の動作も制御する。あるいは、駆動制御部１０６が垂直ＣＣＤ１０５のみを制御し、水平ＣＣＤ１０２の動作を制御する制御回路を別途有する構成としても良い。

図８に示した固体撮像装置は、３フィールドにて１フレームを成し、１フィールドにおける信号電荷の転送は、６相の転送パルスφＶ１〜φＶ６で制御される。図９は、このときの転送パルスタイミングを示した図である。また、図１０は、垂直ＣＣＤ１０５の転送電極における電荷の遷移状態を表すポテンシャル図である。

時刻ｔ０においては、図９に示すように、転送パルスφＶ１〜φＶ６のうち、φＶ１〜φＶ４がハイレベルである。これにより、図１０に示すように、電極Ｖ１〜Ｖ４に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ１においては、図９に示すように、φＶ５がローレベルからハイレベルに変わっており、図１０に示すように、Ｖ１〜Ｖ５の５電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ２においては、図９に示すように、φＶ１がハイレベルからローレベルに変わっており、図１０に示すように、Ｖ２〜Ｖ５の４電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ３においては、図９に示すように、φＶ６がローレベルからハイレベルに変わっており、図１０に示すように、Ｖ２〜Ｖ６の５電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ４においては、図９に示すように、φＶ２がハイレベルからローレベルに変わっており、図１０に示すように、Ｖ３〜Ｖ６の４電極に信号電荷が蓄積される。

以下同様な動作を繰り返し、時刻ｔ１２において、時刻ｔ０と同じ状態に戻る。但し時刻ｔ１２の時点では、１サイクル分の信号電荷の転送が完了している。そして、水平ブランキング期間外の期間では、水平ＣＣＤ１０２による出力部１０３への信号電荷の水平転送が行われ、その間、垂直ＣＣＤ１０５では、上記時刻ｔ１２の状態のまま信号電荷が保持される。

以上のように、上記例の従来の固体撮像装置では、６枚を１組とした転送電極構造にて、電荷が蓄積される電極は４枚ないし５枚となっている。この電極数は、垂直ＣＣＤ１０５での取り扱い電荷を最大にできる数である。

一方、特許文献１には、転送する信号電荷を読み出すフォトダイオードの数に応じて、転送時の蓄積電極数を変更する技術が開示されている。

また、特許文献２には、転送電荷が存在しないときに、垂直ＣＣＤでの暗電流発生を防止するための技術が開示されている。
特許第３２６２２１６号特許第２９７７９７５号

しかしながら、上記した従来の構成のように、電荷を蓄積する電極数を増加させると、これに伴って垂直ＣＣＤでの暗電流が増加してしまうといった相反する問題が生じる。垂直ＣＣＤにて発生した暗電流は、転送電極が蓄積状態である時に蓄積され、転送中に全転送電極下において発生したものの総蓄積量として出力される。また、暗電流は、特許文献１に開示されているように取り扱い電荷量を増加させるために蓄積電極数を増加させると、その数に比例して増加していく。

一方、特許文献２に記載された構成では、垂直ＣＣＤへ転送パルスが印加されていないときに、電極に印加する電圧を全てローレベルにしてピンニング状態にすることで、暗電流の蓄積を防止している。しかし、信号電荷が存在する電極をローレベルにすると、信号電荷まで消去してしまうという問題がある。

本発明は、かかる課題を鑑み、垂直転送部の暗電流低減と取り扱い電荷量の確保を両立する固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置は、２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、前記受光素子に蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置であって、前記垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくする垂直転送制御部をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる固体撮像装置の駆動方法は、２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、前記受光素子に蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、前記垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくすることを特徴とする。

本発明によれば、垂直転送を行う期間においては最大取り扱い電荷量を確保しつつ、水平転送を行う期間、すなわち垂直転送部が垂直転送を停止している間は、信号電荷を蓄積する垂直転送電極の数を減らすことにより、暗電流の抑制と、最大取り扱い電荷量の確保とを両立することができる。

すなわち、垂直転送時には、信号電荷の転送残しが発生しやすく、かつ、時間が短いために暗電流蓄積の影響が小さいので、できるだけ多数の垂直転送電極によって信号電荷の最大取り扱い電荷量を確保する。一方、水平転送を行う期間（例えば非水平ブランキング期間等、水平転送部が水平転送を行う一方、垂直転送部が垂直転送を停止している間）は、信号電荷の移動が無いため転送残しが発生しにくく、かつ、時間が長いために、暗電流蓄積の影響が大きい。従って、この間は信号電荷を蓄積する電極数を減らすことにより、暗電流増加を抑制することができる。

本発明にかかる固体撮像装置は、２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、前記受光素子に蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置であって、前記垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくする垂直転送制御部をさらに備えた構成である。

上記の構成において、Ｍを４以上の自然数とし、前記垂直転送制御部が、垂直転送を行う期間には、電荷転送方向において連続する（Ｍ−２）本ないし（Ｍ−１）本の垂直転送電極に信号電荷を蓄積させ、水平転送を行う期間には、電荷転送方向において連続する（Ｍ−３）本以下の垂直転送電極に信号電荷を蓄積させることが好ましい。これにより、垂直転送時には、信号電荷の転送残しが発生しやすく、かつ、時間が短いために暗電流蓄積の影響が小さいので、垂直転送が可能な最大数である（Ｍ−２）本ないし（Ｍ−１）本の電極に信号電荷を蓄積させることにより、信号電荷の最大取り扱い電荷量を確保できる。一方、水平転送を行う期間は、信号電荷の移動が無いため転送残しが発生しにくく、かつ、時間が長いために、暗電流蓄積の影響が大きい。従って、この間は信号電荷を蓄積する電極数を（Ｍ−３）本に減らすことにより、暗電流増加を抑制することができる。

上記の構成において、垂直転送部が、垂直転送電極下の少なくとも一部にポテンシャルバリアを備えた構成とすることが好ましい。ポテンシャルバリアは、例えば、隣接する垂直転送電極間に１つおきに設けても良いし、隣接する垂直転送電極間の全てに設けても良い。ポテンシャルバリアを設けることにより、転送方向の逆方向へ電荷が流れることを防止できる。

上記のポテンシャルバリアを備えた構成において、垂直転送部が、電荷転送方向に長短２本で１組の垂直転送電極を交互に配置してなり、前記１組の垂直転送電極のうち長い方の垂直転送電極の、電荷転送方向後ろ側に、前記ポテンシャルバリアが設けられたことが好ましい。長い方の垂直転送電極の後ろ側にポテンシャルバリアを設けることにより、この垂直転送電極で構成される転送ゲート内にポテンシャル段差を設けることができ、転送方向の逆方向へ電荷が流れることを効果的に防止できる。

上記の構成において、さらに、垂直転送部が、水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積させる垂直転送電極が、長短２本で１組の垂直転送電極のＮ（Ｎ：自然数）組と、前記垂直転送電極のうち短い方の垂直転送電極１本とを含む合計（２Ｎ＋１）本であることが好ましい。この構成は、水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積させる垂直転送電極が、長短２本で１組の垂直転送電極のＮ（Ｎ：自然数）組と、前記垂直転送電極のうち長い方の垂直転送電極１本とを含む合計（２Ｎ＋１）本である場合よりも、水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積させる垂直転送電極の総面積が小さくて済むため、暗電流の抑制効果がさらに大きくなるという利点がある。

上記の各構成において、垂直転送制御部が、動作モードとしてモニタモードとスチルモードを有し、前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合のいずれか一方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくし、前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合のいずれか他方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数の最小値と、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数とを一致させることが好ましい。

あるいは、上記の各構成において、垂直転送制御部が、動作モードとしてモニタモードとスチルモードを有し、前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合の両方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくするようにしても良い。

以下、本発明のより具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における転送パルスタイミングを示した図であり、フレームモード（スチルモード）における垂直転送パルスタイミングを示す。なお、図１において、Ｔは、水平駆動周波数の逆数（単位は秒）である。

本実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成は、図８に示した従来の構成と同様であるが、駆動制御回路から垂直ＣＣＤへ与えられる信号が従来とは異なる。

図１に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置では、水平ブランキング期間内の時刻ｔ０において、駆動制御部１０６から垂直ＣＣＤ１０５の転送電極へ与えられるφＶ１〜φＶ６のうち、φＶ２〜φＶ４がハイレベルである。これにより、Ｖ２〜Ｖ４の３電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ１においては、φＶ５がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ２〜Ｖ５の４電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ２においては、φＶ６がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ２〜Ｖ６の５電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ３においては、φＶ２がハイレベルからローレベルに変わっており、Ｖ３〜Ｖ６の４電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ４においては、φＶ１がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ１とＶ３〜Ｖ６の５電極に信号電荷が蓄積される。以下同様な動作を繰り返し、時刻ｔ１２において、時刻ｔ０の状態と同じ状態に戻る。以上の動作により、１サイクル分、信号電荷が転送されている。時刻ｔ１２における垂直ＣＣＤ１０５の転送電極の電圧レベルは、次の水平ブランキング期間の時刻ｔ０までそのまま維持される。すなわち、水平ブランキング期間外では、φＶ１，φＶ５，φＶ６がローレベル、φＶ２，φＶ３，φＶ４がハイレベルに維持されるので、水平ＣＣＤ１０２が出力部１０３へ水平転送を行っている間、垂直ＣＣＤ１０５では、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の３電極に信号電荷が蓄積されたまま維持される。

以上のように、本実施形態にかかる固体撮像装置では、スチルモードの場合、垂直ＣＣＤ１０５内で信号電荷が転送される水平ブランキング期間内では、電荷が蓄積される電極数は４ないし５となっている。そして、垂直ＣＣＤ１０５内で信号電荷の転送が行われない非水平ブランキング期間、すなわち、水平ＣＣＤ１０２が出力部１０３へ信号電荷の水平転送を行っている期間では、水平ブランキング期間の時刻ｔ１２と同じ状態が維持され、電荷を蓄積する電極数が３に減少された状態で、垂直ＣＣＤ１０５に信号電荷が保持されている。

すなわち、電荷の取り残しが起こりやすい転送中（水平ブランキング期間）には、電荷を蓄積する電極数を最大（４または５）にして転送を行い、暗電流発生の影響が大きい電荷保持期間（非水平ブランキング期間）においては、電荷を蓄積する電極数を減らした状態になっている。

従って、本実施形態にかかる固体撮像装置では、図９および図１０に示した従来の駆動方法のように、転送中の電荷蓄積電極数を４または５とし、電荷保持期間の電荷蓄積電極数を４とする場合に比較して、暗電流を約３／４に抑制できる。しかも、取り扱い電荷量を減少させずに維持することができ、取り扱い電荷量の確保と暗電流抑制とを両立することが可能となる。

例えば、図９および図１０に示したような、水平ブランキング期間において信号電荷転送を４電極ないし５電極で行い、非水平ブランキング期間において信号電荷保持を４電極で行う従来の駆動方法（以下、従来の駆動方法Ａと称する）に対して、信号電荷転送を３電ないし４電極で行い信号電荷保持を３電極で行う駆動方法（以下、従来の駆動方法Ｂと称する）では、暗電流を上記従来の駆動方法Ａの約３／４に抑制できるものの、最大取り扱い電荷量は７２％に減少してしまう。一方、本実施形態のように、信号電荷転送を４電極ないし５電極で行い信号電荷保持を３電極で行えば、暗電流を上記従来の駆動方法Ａの約３／４に抑制しつつ、最大取り扱い電荷量を上記従来の駆動方法Ａの９３％に維持できる。

ここで、本実施形態の固体撮像装置において、非水平ブランキング期間において信号電荷を保持する電極の数を減らしても、取り扱い電荷量を維持できる原理を説明する。図１１は、４電極で信号電荷を保持していた状態から、３電極で信号電荷を保持する状態に遷移する際の電荷の転送状況を示した図である。

図１１に示すように、ハイレベルの電極がローレベルに遷移する時に、該当電極下にある電荷はポテンシャルの変化に従い転送方向に押し出されていく。すなわち、該当電極下のポテンシャルが上昇するに従って、その下にある電荷は上方に押し上げられ、ポテンシャルが低い方向（転送方向前方）に転送されていく。

電荷の転送は、以下の３通りの転送モードに分類できる。すなわち、（ｉ）電荷量が多いときは、お互いのクーロン反発力によりポテンシャルの低い方向に転送が起こる。（ii）電荷量が少なくなると、電圧差や不純物分布により形成されたポテンシャル勾配に従って転送が起こる。（iii）電荷量が少なくポテンシャル勾配がないときは、周辺温度に応じた熱エネルギーによる拡散により転送が起こる。

このうち、（ｉ）、（ii）の転送モードであれば、短時間に転送残りの無い転送が行われるのに対して、（iii）の転送モードでは短時間での転送が困難であり、転送残りが生じ易い。従って、（iii）の転送モードで電荷を完全に転送するためには、時間を要する。

図１１に示すように、４電極で電荷を保持していた状態（Ｓ１）から、３電極で保持する状態（Ｓ６）へ遷移すると、状態Ｓ６における３電極下の電荷量はほぼ満杯の状態となる。この状態では、ハイレベル電極下で電荷が貯まっているポテンシャルレベルと、ローレベル電極下のバリア状態であるポテンシャルレベルとの差が小さくなっており、（ii）の転送モードが起こりにくい状態になっている。従って、ハイレベルの電極がローレベルに遷移するときに、図１１の状態Ｓ６において該当電極下にある電荷（図１１中で円で囲んで示した電荷）が完全に転送されるためには、上記（iii）の転送モードによる電荷転送が完了するために、十分な時間が必要になってくる。

本実施形態にかかる固体撮像装置によれば、垂直転送を行っている期間は４電極ないし５電極で電荷を保持し、上記の（ii）の転送モードが有効になる状態を保ち、垂直転送が行われない非水平ブランキング期間では十分な時間が得られるので、（iii）の転送モードでも電荷を完全に転送することができる。これにより、本実施形態にかかる固体撮像装置では、電荷保持電極数を３電極に減らしたときも（ii）の転送モードが有効でなくなる欠点を補って、電荷転送残りを防止することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置における転送パルスタイミングを示した図であり、モニタモードにおける垂直転送パルスタイミングを示す。なお、図２において、Ｔは水平駆動周波数の逆数（単位は秒）である。

図２に示すように、時刻ｔ０においては、φＶ２〜φＶ４のパルスがハイレベルで、Ｖ２〜Ｖ４の３電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ１においては、φＶ５がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ２〜Ｖ５の４電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ２においては、φＶ６がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ２〜Ｖ６の５電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ３においては、φＶ２がハイレベルからローレベルに変わっており、Ｖ３〜Ｖ６の４電極に信号電荷が蓄積される。時刻ｔ４においては、φＶ１がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ１とＶ３〜Ｖ６の５電極に信号電荷が蓄積される。以降、同様な動作を繰り返し、時刻ｔ３６において時刻ｔ０の状態と同じ状態となり、Ｖ２〜Ｖ４の３電極により信号電荷が蓄積される。ただし、時刻ｔ３６の時点では３サイクル分の信号電荷の転送が完了している。そして、次の水平ブランキング期間の時刻ｔ０までこの状態が維持される。

以上のようにモニタモード時においても、信号電荷の転送が行われる期間では電荷が蓄積される電極数は４組乃至５組となっている。また、上記の一連の転送は１フィールド期間中の水平ブランキング期間中に行われている。それ以外の信号電荷の転送が行われない非水平ブランキング期間では時刻ｔ０と同等の状態で、蓄積電極数が３電極に減少した状態で信号電荷が保持される。

上記のとおり、本実施形態にかかる固体撮像装置においても、垂直転送パルスが印加され信号電荷が転送されている水平ブランキング期間では、４電極ないし５電極にて信号電荷を蓄積しながら転送が行われ、非水平ブランキング期間では、３電極に信号電荷が蓄積された状態が維持される。従って、電荷の取り残しが起こりやすい転送中には電荷蓄積電極数を最大にして転送を行い、暗電流発生の影響が大きい電荷保持期間においては電荷蓄積電極数を減らした状態になっている。

従って、本実施形態にかかる固体撮像装置では、図９および図１０に示した従来の駆動方法Ａのように、転送中の電荷蓄積電極数を４ないし５とし、電荷保持期間の電荷蓄積電極数を４とする場合に比較して、暗電流を約３／４に抑制できる。しかも、取り扱い電荷量を減少させずに維持することができ、取り扱い電荷量の確保と暗電流抑制とを両立することが可能となる。

なお、第１および第２の実施形態では、６相の転送パルスで垂直ＣＣＤを駆動する場合に、垂直転送中の電荷蓄積電極数を４または５とし、電荷保持期間の電荷蓄積電極数を３とする例を示したが、転送パルスの相数と、垂直転送中の電荷蓄積電極数と、電荷保持期間の電荷蓄積電極数との組み合わせは、垂直転送中の電荷蓄積電極数よりも電荷保持期間の電荷蓄積電極数の方が小さいことを条件として、この例に限定されない。例えば、Ｍ（Ｍ：６以上の自然数）相の転送パルスを用いる場合に、垂直転送中の電荷蓄積電極数がＭ−２ないしＭ−１であれば、電荷保持期間の電荷蓄積電極数はＭ−Ｋ（Ｋ：３以上の自然数、ただしＭ−Ｋ≧３）であれば良い。なお、Ｍ−Ｋの値が小さくなるほど、暗電流の抑制効果は高くなるが、転送電荷量が減少するため、暗電流の抑制効果に相反して、転送電荷量の減少による画質の劣化が問題となることがある。従って、暗電流の抑制と転送電荷量の確保とのどちらが画質に与える効果が大きいかを考慮して、例えば駆動モードや撮像シーンの特性に応じて、電荷保持期間の電荷蓄積電極数を切り替えることも好ましい（具体例は後述）。また、転送パルスの相数が８以上の場合であっても、垂直転送中の電荷蓄積電極数を４または５とし、電荷保持期間の電荷蓄積電極数を３とすることも可能である。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の垂直ＣＣＤ１０５の電極構造を示す断面図である。なお、本実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成は、図８に示した従来の構成と同様であるため、重複した説明は省略する。また、本実施形態にかかる固体撮像装置において垂直ＣＣＤ１０５に印加される転送パルスは、第１の実施形態または第２の実施形態において図１または図２に示したものと同様である。

本実施形態にかかる固体撮像装置では、図３に示すように、垂直ＣＣＤ１０５の転送電極膜は、その電荷転送方向における長さが、偶数ゲート（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６）よりも奇数ゲート（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５）の方が長くなるよう形成されている。さらに、奇数ゲートの転送方向後ろ側に、ポテンシャルバリアが設けられている。

具体的には、本実施形態にかかる固体撮像装置の垂直ＣＣＤ１０５は、図３に示すように、Ｐ型ウェル５２上にＮ型ウェル５１が設けられ、さらにその上に、ＳｉＯ₂等の絶縁膜（図示せず）を介して、ポリシリコンゲート５４ａ，５４ｂが交互に設けられた構成である。ポリシリコンゲート５４ａは、垂直ＣＣＤ１０５の電荷転送方向における長さが、ポリシリコンゲート５４ｂよりも長い。ポリシリコンゲート５４ａが奇数ゲート（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５）に相当し、ポリシリコンゲート５４ｂが偶数ゲート（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６）に相当する。そして、奇数ゲート（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５）の転送方向後ろ側の下部のＮ型ウェルにＰ型不純物を注入することにより、Ｎ^-領域５３が設けられている。従って、Ｖ６とＶ１との間、Ｖ２とＶ３との間、Ｖ４とＶ５との間に、Ｎ^-領域５３によるポテンシャルバリアが存在する。このポテンシャルバリアは、Ｖ１からＶ６へ、Ｖ３からＶ２へ、Ｖ５からＶ４へと、転送方向とは逆方向へ信号電荷が逃げないように、奇数ゲート内に電位勾配を設けるものである。

図５は、本実施形態にかかる固体撮像装置に、図２に示す転送パルスを印加した場合の、垂直ＣＣＤ１０５内の電荷の遷移状態を表すポテンシャル図である。なお、図５では、時刻ｔ３１〜ｔ３６の遷移のみを示した。

図５に示すように、時刻ｔ３１では、φＶ５，φＶ６，φＶ１，φＶ２のパルスがハイレベル、φＶ３，φＶ４のパルスがローレベルであるので、Ｖ５，Ｖ６，Ｖ１，Ｖ２の４電極に信号電荷が蓄積されている。時刻ｔ３２では、φＶ３がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ５，Ｖ６，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の５電極に信号電荷が蓄積された状態となる。時刻ｔ３３では、φＶ５がハイレベルからローレベルに変わることにより、Ｖ６，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の４電極に信号電荷が蓄積された状態となる。このとき、図５に示すように、転送電極Ｖ５の転送方向後ろ側にＮ^-領域５３によるポテンシャルバリアが設けられていることにより、φＶ５がハイレベルからローレベルに切り替わるときに、転送電極Ｖ５に蓄積されていた信号電荷が転送電極Ｖ４へ逃げることが防止される。時刻ｔ３４では、φＶ４がローレベルからハイレベルに変わっており、Ｖ６，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の５電極に信号電荷が蓄積された状態となる。時刻ｔ３５では、φＶ６がハイレベルからローレベルに変わっており、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の４電極に信号電荷が蓄積された状態となる。時刻ｔ３６では、φＶ１がハイレベルからローレベルに変わっており、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の３電極に信号電荷が蓄積された状態となる。

図６は、時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の間でφＶ６がハイレベルからローレベルへ切り替わる際の電荷の遷移状態をより詳細に示したポテンシャル図である。また、図７は、時刻ｔ３５から時刻ｔ３６の間でφＶ１がハイレベルからローレベルへ切り替わる際の電荷の遷移状態をより詳細に示したポテンシャル図である。図６および図７から、奇数ゲートの転送方向後ろ側に設けられたポテンシャルバリアにより、信号電荷が電荷転送方向とは逆方向へ逃げずに、効率良く転送されていることが分かる。

加えて、ポテンシャルバリアが設けられている場合には、ポテンシャルバリア領域の転送長が短くなるため、前述の（ii）の転送モードを促進することができ、ポテンシャルバリア上部に存在していた電荷は、量が少ない場合でも容易に転送方向に転送されることになるため、効率よい電荷転送が実現される。

また、時刻ｔ３６においてＶ２，Ｖ３，Ｖ４の３電極に蓄積されている信号電荷は、次の水平ブランキング期間の時刻ｔ０までそのままの状態で維持される。従って、第１または第２の実施形態と同様に、水平ブランキング期間では４ないし５枚の転送電極で信号電荷を蓄積し、非水平ブランキング期間では３枚の転送電極で信号電荷を蓄積したまま保持することにより、上述の従来の固体撮像装置と比較して、暗電流を抑制できるという効果を奏する。

さらに、非水平ブランキング期間において信号電荷を蓄積する３枚の転送電極が、Ｖ２（偶数ゲート：短）、Ｖ３（奇数ゲート：長）、Ｖ４（偶数ゲート：短）の組み合わせであることにより、奇数ゲート（長）、偶数ゲート（短）、奇数ゲート（長）の３枚の組み合わせの場合と比較して、暗電流の低減効果が大きいという効果がある。前者の組み合わせの方が、非水平ブランキング期間において信号電荷を蓄積する電極の総面積が小さいからである。しかし、後者の組み合わせは、飽和量の減少を抑制できるという観点では、前者の組み合わせよりも有利である。

なお、本実施形態にかかる固体撮像装置の変形例として、図４に示すように、Ｎ^-領域５３によるポテンシャルバリアを奇数ゲートと偶数ゲートの両方に設けた構成も、図３に示した構成と同様の効果を奏し、本発明の実施形態に含まれる。

また、図３および図４では、奇数ゲートと偶数ゲートの電極膜の転送方向における長さが異なり、かつ、少なくとも長い方の電極膜の転送方向後ろ側に、ポテンシャルバリアが設けられた構成を例示した。しかし、ポテンシャルバリアが設けられていれば、電極膜の長さは全てのゲートにおいて均一であっても良い。

さらに、図３および図４では、Ｎ型ウェル５１における不純物濃度を調整することによって転送方向にポテンシャル段差を設ける構成を例示したが、単一ゲート内にポテンシャル段差を設ける手段はこれのみに限定されない。

上述の第１〜第３の実施形態では、スチルモードおよびモニタモードのそれぞれにおける垂直転送パルスの例を示したが、スチルモードおよびモニタモードの両方を有する固体撮像装置の場合は、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数を水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数よりも少なくする駆動方法を、スチルモードとモニタモードの両方に適用しても良いし、スチルモードの場合のみ、もしくは、モニタモードの場合のみに適用しても構わない。モニタモードは、一般に、スチルモードに比較して、信号電荷量に対する電荷蓄積電極数が多いので、垂直ＣＣＤの暗電流成分がより多くなる駆動モードであると言える。従って、モニタモードにおいて、第２の実施形態で説明したように、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数を水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数よりも少なくする駆動方法を採用することにより、暗電流を抑制するという効果が大きく得られる。

また、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数を水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数よりも少なくする駆動方法を適用するか否かを、画質に対する要求優先度に合わせて変更できるようにしても良い。例えば、転送容量を大きくとる必要がある場合は、暗電流の抑制効果よりも転送容量の減少が画質に及ぼす影響が大きいため、当該駆動方法を適用せずに、従来のように非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数（例えば６相駆動の場合は４ないし５）の最小値（すなわち４）と、水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数（例えば４）とを等しくする駆動方法を採用することが好ましい。一方、例えば、画素間引きを行うモニタモードや、いわゆる「長秒モード（夜景モード）」のように、転送すべき電荷量が少ない場合は、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数を水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数よりも少なくする駆動方法を適用すれば、転送容量の減少が画質に及ぼす影響が小さいため、暗電流を抑制することによる効果が顕著となる。この反対に、モニタモードでも信号電荷を混合するなどして信号量が大きくなるときは、従来のように、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数と水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数とを等しくする駆動方法を採用する方が、有効である。

また、撮影画像のコントラストが大きい場合は、輝度が低い部分に関して暗電流を抑制することによる効果が大きいため、非水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数を水平ブランキング期間の電荷蓄積電極数よりも少なくする駆動方法を適用することが好ましい。この場合、出力部３からの出力信号を処理する画像処理部（ＤＳＰ）において、撮影画像のコントラストＣｏｎｔと平均出力値Ａｖｇとをそれぞれ算出し、算出された値をコントラストの閾値Ｘ、出力値の閾値Ｙとそれぞれ比較し、Ｃｏｎｔ＞ＸかつＡｖｇ＞Ｙの場合には当該駆動方法を適用し、それ以外の場合は、従来の駆動方法を適用するようにすれば良い。なお、Ｘ，Ｙはあらかじめ定められた値である。あるいは、画像処理部において最小出力値Ｍｉｎをそれぞれ算出し、算出された値を、最小出力値の閾値Ｚと比較し、Ｍｉｎ＜Ｚの場合には当該駆動方法を適用し、それ以外の場合は、従来の駆動方法を適用するようにしても良い。なお、Ｚはあらかじめ定められた値である。

また、上述の実施形態では、スチルモードとモニタモードを例に挙げたが、これ以外の駆動モードでも、信号電荷を垂直転送しているときの電荷蓄積電極数よりも、信号電荷を垂直転送しない期間での電荷蓄積電極数を小さくすれば、同様な効果が得られることは明白である。

本発明は、一体型ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に適用できる固体撮像装置であって、垂直ＣＣＤでの暗電流抑制と同時に最大取り扱い電荷量の減少を抑制することができる固体撮像装置として利用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスの一例を示した図本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスの一例を示した図本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送部の電極構造の一例を示す断面図本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送部の電極構造の他の例を示す断面図第３の実施形態にかかる固体撮像装置に、図２に示す転送パルスを印加した場合の、垂直ＣＣＤ内の電荷の遷移状態を表すポテンシャル図図５の一部（時刻ｔ３４〜ｔ３５）を詳細に示したポテンシャル図図５の一部（時刻ｔ３５〜ｔ３６）を詳細に示したポテンシャル図従来の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図従来の固体撮像装置における垂直転送パルスの一例を示した図従来の固体撮像装置において、垂直ＣＣＤの転送電極の遷移状態を表すポテンシャル図垂直ＣＣＤにおいて信号電荷を保持する電極数が減少する際の電荷の転送状況を詳細に表すポテンシャル図

符号の説明

１０１受光部
１０２水平ＣＣＤ
１０３出力部
１０４フォトダイオード
１０５垂直ＣＣＤ
１０６駆動制御部
１０７Ａ／Ｄコンバータ
１０８信号処理部

Claims

２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、前記受光素子に蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置であって、
前記垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくする垂直転送制御部をさらに備えたことを特徴とする固体撮像装置。
Ｍを４以上の自然数とし、前記垂直転送制御部は、垂直転送を行う期間には、電荷転送方向において連続する（Ｍ−２）本ないし（Ｍ−１）本の垂直転送電極に信号電荷を蓄積させ、水平転送を行う期間には、電荷転送方向において連続する（Ｍ−３）本以下の垂直転送電極に信号電荷を蓄積させる、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記垂直転送部が、垂直転送電極下の少なくとも一部にポテンシャルバリアを備えた、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記垂直転送部が、電荷転送方向に長短２本で１組の垂直転送電極を交互に配置してなり、
前記１組の垂直転送電極のうち長い方の垂直転送電極の、電荷転送方向後ろ側に、前記ポテンシャルバリアが設けられた、請求項３に記載の固体撮像装置。
前記垂直転送部が、水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積させる垂直転送電極が、長短２本で１組の垂直転送電極のＮ（Ｎ：自然数）組と、前記垂直転送電極のうち短い方の垂直転送電極１本とを含む合計（２Ｎ＋１）本である、請求項４に記載の固体撮像装置。
前記垂直転送制御部は、動作モードとしてモニタモードとスチルモードを有し、
前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合のいずれか一方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくし、
前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合のいずれか他方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数の最小値と、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数とを一致させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
前記垂直転送制御部は、動作モードとしてモニタモードとスチルモードを有し、
前記モニタモードで動作する場合およびスチルモードで動作する場合の両方において、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、前記受光素子に蓄積された信号電荷を受け垂直方向に転送する垂直転送電極を有する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記垂直転送電極へＭ相（Ｍは２以上の自然数）の垂直転送パルスを印加することにより、同一フィールド期間内で、垂直転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数よりも、水平転送を行う期間に前記垂直転送電極において信号電荷を蓄積する電極の数を少なくすることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。