JP2007006261A - 固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない消費電力で余分な電荷を基板へ掃き出しできる固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置を得る。
【解決手段】 光電変換部３を行列状に配置した多数個の画素４１と、これら各画素４１に隣接して設けられ各画素が発生した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部５と、各垂直転送部５の列方向一端側に配置され垂直転送部５から転送される信号電荷を行方向に転送する水平転送部７と、水平転送部７の電荷転送方向下流側に接続された出力アンプ部９と、各光電変換部３に隣接するオーバーフロードレインと、を基板１１表面層に形成した固体撮像素子１００の駆動方法であって、光電変換部３から垂直転送部５に信号電荷を読み出してから、読み出した信号電荷の全てが出力アンプ９まで転送されるまでの期間、光電変換部３の電荷を基板１１側へ掃き出すためのバイアス電圧をオーバーフロードレインに印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）構造のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する携帯電子機器に搭載される。
図４は固体撮像素子の概略構成を表す平面模式図である。
この種の固体撮像素子１は、二次元状に配列された複数のフォトダイオード（光電変換部）３と、各フォトダイオード３で発生した信号電荷をフォトダイオード３の列方向に読み出して、この列方向に順次転送する複数列の垂直シフトレジスタ（以下、垂直電荷転送路とも呼称する）５と、これらの垂直シフトレジスタ５の端部に配置されそれぞれの垂直シフトレジスタ５からの信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタ（以下、水平電荷転送路とも呼称する）７と、さらに水平シフトレジスタ７の電荷転送方向先端側に配置され、転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ９と、を備えている。この固体撮像素子１は、一般に電荷結合素子（ＣＣＤ）と呼ばれる。

図５は図４のI−I断面の構造を表す模式図である。
固体撮像素子１では、図５に示すように、ｎ型のシリコン基板１１の表面にｐ型の不純物ウェル層１３が形成され、さらにその上にＳｉｎ／ＳｉＯ₂／ＳｉＮ膜（ＯＮＯ膜）からなる絶縁層１５が形成されている。また、不純物ウェル層１３の表面から高濃度のｐ型不純物層１７と、さらにその下部にｎ型不純物層１９が形成され、これにより光に感応して電荷を発生する光電変換部（フォトダイオード）３が構成されている。

また、フォトダイオード３の読み出しゲート２１を挟んだ側方には、ｎ型不純物層２３が形成され、このｎ型不純物層２３の下部に高濃度のｐ型不純物層２５が形成されている。ｎ型不純物層２３上方の絶縁層１５の表面には第２の電極２７が形成され、この第２の電極２７は絶縁層２９により覆われている。
さらに、固体撮像素子１では、フォトダイオード３と垂直電荷転送路となるｎ型不純物層２３とを含む１画素領域を囲むように、高濃度のｐ型不純物層からなる素子分離帯３１が形成されている。

図６は図５のII−II断面における電位分布の模式図である。
このような構成を有する固体撮像素子１において、第２の電極２７に対して十分に高い電圧を印加することで、図６に示すように、フォトダイオード３の電位に対して垂直シフトレジスタ５に向かっての障壁（Ｐウェル領域）３３がなくなり、蓄積された信号電荷Ｄは全て垂直シフトレジスタ５に移動する。フォトダイオード３に蓄積される信号電荷Ｄの電荷量は、図６のポテンシャル分布図に示すように、Ｐ型のウェル領域３５で構成されるオーバーフローバリアのポテンシャルバリアの高さによって決定される。即ち、このオーバーフローバリアは、フォトダイオード３に蓄積される飽和信号電荷量を決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量を越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１１側へ掃き出される。

オーバーフローバリアのポテンシャルは、基板バイアスの電圧値によって決まる。換言すれば、基板バイアスの電圧値により、フォトダイオード３の飽和信号電荷量が設定される。

図７は従来の固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。
固体撮像素子１では、電荷蓄積期間Ｔ、即ち露光期間の前後において、フォトダイオード３に蓄積された電荷が完全に基板１１に掃き捨てられる電圧（完全基板掃き出し電圧）を、パルス（電子シャッターパルス電圧ＯＦＤ２）として読み出し前に印加することにより、不要な信号電荷を掃き捨て、実効的な露光期間を電子的に制御することができる。このときの露光期間は、最後の電子シャッターパルスＰｅから読み出しパルスＰｗまでの期間となる。

また、パルスを印加することで、実効的な露光期間を電子的に制御するものに、例えば特許文献１に開示される固体撮像装置がある。この固体撮像素子では、信号電荷の加算モード時において、例えば２画素分の信号を加算して転送する場合、フォトダイオード部の飽和信号をフレーム読み出し時の約１／２になるように、基板バイアス電圧（オーバーフロードレイン電圧；ＯＦＤ）を設定することで、画素信号加算に伴って垂直転送部及び水平転送部で信号電荷が溢れることを防止している。

特開２０００−３０７９６１号公報

しかしながら、動画モードなどＣＣＤイメージセンサが連続動作する状況においては、メカニカル・シャッターの代わりに電子シャッターを用いて露光期間を制御すると、電子シャッターパルスＰの発生に起因して電力消費量が増大する問題が生じた。即ち、従来のように、シリコン半導体基板の純度がさほど高くない場合では、ＯＦＤ電圧を高く設定する必要があり、そのような高い電圧信号は、印加期間の短いパルスとする以外には信号生成が困難であった。一般に、このようなパルス信号を生成すると、他のバイアス信号等と比較して、駆動回路に余分な負担がかかるため、消費電力を大幅に増大させた。特にデジタル式の撮像装置にあっては、消費電力がバッテリーによる駆動時間に大きく影響を及ぼすため、消費電力を如何に抑えるかが課題となっていた。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、少ない消費電力で余分な電荷を基板へ掃き出しできる固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）光に感応して電荷を発生する光電変換部を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素と、これら各画素に隣接して設けられ前記各画素が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記各垂直転送部の列方向一端側に配置され該垂直転送部から転送される前記信号電荷を行方向に転送する水平転送部と、該水平転送部の電荷転送方向下流側に接続された出力アンプ部と、前記各光電変換部に隣接するオーバーフロードレインと、を基板表面層に形成した固体撮像素子の駆動方法であって、前記光電変換部から前記垂直転送部に前記信号電荷を読み出してから、該読み出した前記信号電荷の全てが前記出力アンプまで転送されるまでの期間、前記光電変換部の電荷を前記基板側へ掃き出すためのバイアス電圧を前記オーバーフロードレインに印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

この固体撮像素子の駆動方法では、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に基板に掃き捨てるための完全基板掃き出し電圧が、バイアス電圧としてオーバーフロードレインに印加可能となり、従来の駆動方法のように、基板掃き出し電圧を電子シャッターパルス電圧として印加する必要がなくなる。なお、低電圧のバイアス電圧で電位ポテンシャルの障壁（Ｐウェル）を低くすることは、近年にあって容易に得られるようになった高純度の半導体を用いることで可能となる。

（２）前記バイアス電圧は、前記オーバーフロードレインの領域に形成される電位ポテンシャルの障壁を、前記光電変換部に蓄積された電荷が前記基板側に掃き出すことのできる電圧であることを特徴とする（１）記載の固体撮像素子の駆動方法。

この固体撮像素子の駆動方法では、バイアス電圧が印加されることで、オーバーフロードレインの領域に形成される電位ポテンシャルの障壁が、光電変換部に蓄積された電荷を基板側に掃き出すことのできる低さとなり、フォトダイオードに蓄積される蓄積電荷量がＰウェル領域を越えて基板側へ掃き出される。

（３）固体撮像素子と、被写体像を前記固体撮像素子に結像する光学系と、前記固体撮像素子の前記出カアンプ部から出力されてくる信号を処理し画像を生成する信号処理部と、この生成された画像を表示する表示部と、を備えた固体撮像装置であって、前記固体撮像装置により静止画撮影を行う場合に、前記固体撮像素子を（１）又は（２）記載の固体撮像素子の駆動方法で動作させ、前記表示部に被写体像をモニタ表示させる制御部を備えたことを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像装置では、電子シャッターパルス電圧が印加されずに、制御部によって一定のバイアス電圧がオーバーフロードレインに印加されることで、光電変換部の電荷が基板側へ掃き出される。したがって、従来、パルス電圧動作によって消費された電力が低減され、少ない消費電力で被写体像が表示部にモニタ表示可能となる。

本発明に係る固体撮像素子の駆動方法によれば、光電変換部から垂直転送部に信号電荷を読み出してから、読み出した信号電荷の全てが出力アンプまで転送されるまでの期間、光電変換部の電荷を基板側へ掃き出すためのバイアス電圧をオーバーフロードレインに印加するので、従来の駆動方法のように、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に基板に掃き捨てるための完全基板掃き出し電圧を、電子シャッターパルス電圧として印加する必要がなく、駆動回路に余分な負担がかからず、消費電力を低減することができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像装置により静止画撮影を行う場合に、固体撮像素子を前記固体撮像素子の駆動方法で動作させ、表示部に被写体像をモニタ表示させる制御部を備えたので、駆動回路に余分な負担をかける電子シャッターパルス電圧を印加せずに、一定のバイアス電圧を印加して光電変換部の電荷を基板側へ掃き出せる。この結果、従来のパルス電圧動作によって消費された電力を低減でき、デジタル式の撮像装置においてバッテリーによる駆動時間を延長することができる。

以下、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る固体撮像素子の平面模式図である。なお、図４〜図７に示した部材及び部位と同等の部材及び部位には同一の符号を付して説明するものとする。
本実施の形態によるＣＣＤ等の固体撮像素子１００は、光に感応して電荷を発生する光電変換部（フォトダイオード）３を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素４１と、これら各画素４１に隣接して設けられ各画素４１が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部（垂直シフトレジスタ）５と、各垂直シフトレジスタ５の列方向一端側に配置され垂直シフトレジスタ５から転送される信号電荷を行方向に転送する水平転送部（水平シフトレジスタ）７と、この水平シフトレジスタ７の電荷転送方向下流側に接続され転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ部（出力アンプ）９と、各フォトダイオード３に隣接するオーバーフロードレインと、を基板１１（図５参照）表面層に形成している。なお、本実施の形態では、基板１１がオーバーフロードレインとなる。

固体撮像装置１００は、駆動信号を入力する素子駆動部４３とを備えている。素子駆動部４３は、水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤに基づいて、固体撮像素子１００を駆動するための種々のパルス信号を生成するタイミング信号生成部４５と、タイミング信号生成部４５から供給された種々のパルスを所定レベルのドライブパルス（垂直転送パルス、水平転送パルス）にして固体撮像素子１００に供給するドライバ４７と、タイミング信号生成部４５からのタイミング信号に基づき固体撮像素子１００にドレイン電圧ＶＤＤを印加する基板電圧発生部４９と、を含んで構成される。固体撮像素子１００は、これら素子駆動部４３からの出力信号に基づいて駆動制御される。

この固体撮像素子１００では、素子駆動部４３のタイミング信号生成部４５から基板電圧発生部４９へタイミング信号が送出されることで、フォトダイオード３から垂直シフトレジスタ５に信号電荷を読み出してから、読み出した信号電荷の全てが出力アンプ９まで転送されるまでの期間、フォトダイオード３の電荷を基板１１側へ掃き出すためのドレイン電圧ＶＤＤ（バイアス電圧）が、オーバーフロードレイン（基板１１）に印加される。

ここで、このバイアス電圧は、オーバーフロードレインの領域に形成される電位ポテンシャルの障壁（Ｐウェル領域）を、フォトダイオード３に蓄積された電荷が基板１１側に掃き出すことのできる電圧となっている。これにより、電位ポテンシャルの障壁が、フォトダイオード３に蓄積された電荷を基板１１側に掃き出すことのできる低さとなり、フォトダイオード３に蓄積される蓄積電荷量がＰウェル領域を越えて基板１１側へ掃き出し可能となっている。つまり、従来、印加されていた電子シャッターパルスを、バイアス電圧に代えることで、電圧の変調のみで余分な電荷の掃き出しを行い、従来のパルス動作によって消費される電圧を低減している。

図２は本発明に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。
固体撮像素子１００では、電荷蓄積期間Ｔ、即ち露光期間において、フォトダイオード３に蓄積された電荷が完全に基板１１に掃き捨てられる電圧（完全基板掃き出し電圧）を、バイアス電圧ＯＦＤ２として印加する。この不要な信号電荷を掃き捨てする期間は、前の読み出しパルスＰ１が印加される読出処理が終了した後ｔ１から、次の読み出しパルスＰ２が印加される読出処理前の電荷蓄積期間Ｔの直前ｔ２までとなって繰り返される。

固体撮像素子１００の駆動方法では、近年にあって容易に得られるようになった高純度の半導体を用いることで、低電圧で電位ポテンシャルの障壁（Ｐウェル）を低くすることが可能となる。これにより、フォトダイオード３に蓄積された電荷を完全に基板１１に掃き捨てるための完全基板掃き出し電圧が、バイアス電圧としてオーバーフロードレインに印加可能となる。このため、従来の駆動方法のように、基板掃き出し電圧を電子シャッターパルス電圧として印加する必要がなくなる。なお、完全基板掃き出し電圧は、従前では３０Ｖを要していたが、高純度の半導体基板を用いることで、２０Ｖ程度まで電圧値を抑えることができる。

したがって、本実施の形態による固体撮像素子１００の駆動方法によれば、フォトダイオード３から垂直転送部に信号電荷を読み出してから、読み出した信号電荷の全てが出力アンプ９まで転送されるまでの期間、フォトダイオード３の電荷を基板１１側へ掃き出すためのバイアス電圧をオーバーフロードレインに印加するので、従来の駆動方法のように、掃き出し電圧を、電子シャッターパルス電圧として印加する必要がなく、駆動回路に余分な負担がかからず、消費電力を低減することができる。

次に、本発明に係る固体撮像素子が用いられた固体撮像装置の例を説明する。
図３は本発明に係る固体撮像装置の概略構成図である。
上記した固体撮像素子１００は、例えば固体撮像装置であるデジタルスチルカメラ２００に好適に用いることができる。
このデジタルスチルカメラ２００は、固体撮像素子１００と、被写体像を固体撮像素子１００に結像する光学系５１と、固体撮像素子１００の出力アンプ部９から出力されてくる信号を処理し画像を生成する信号処理部５３と、この生成された画像を表示する表示部５５とを基本構成要素として備える。

また、デジタルスチルカメラ２００には、固体撮像装置１００と光学系５１との間に設けられるメカニカル・シャッター５７と、固体撮像装置１００を駆動するドライブ回路５９と、固体撮像装置１００から読み出されたアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換するアナログ／デジタル変換部６１と、信号処理部５３で信号処理された画像信号を記憶する記録部６３と、制御部６５とを備える。

信号処理部５３は、アナログ／デジタル変換部６１から出力されるデジタル画像信号の出力先を切り替えるスイッチ５３ａと、スイッチ５３ａを通して取り込んだデジタル画像信号を動画処理する動画処理部５３ｂと、スイッチ５３ａを通して取り込んだデジタル画像信号を静止画処理する静止画処理部５３ｃと、動画処理部５３ｂ及び静止画処理部５３ｃの処理結果を受け取りその他の画像処理を行う共通信号処理部５３ｄとを備える。

そして、制御部６５は、ドライブ回路５９や信号処理部５３、記録部６３の制御に加え、固体撮像装置１００により静止画撮影を行う場合に、固体撮像素子１００を上記の駆動方法で動作させ、表示部５５に被写体像をモニタ表示させる制御を行う。

このデジタルスチルカメラ２００では、従来の固体撮像素子の場合のように電子シャッターパルス電圧が印加されず、制御部６５によって一定のバイアス電圧がオーバーフロードレインに印加され、フォトダイオード３の電荷が基板側へ掃き出される。これにより、従来、パルス電圧動作によって消費された電力が低減され、少ない消費電力で被写体像が表示部５５にモニタ表示可能となる。

したがって、本実施の形態による固体撮像装置２００によれば、静止画撮影を行う場合に、固体撮像素子１００を上記の駆動方法で動作させ、表示部５５に被写体像をモニタ表示させる制御部６５を備えたので、駆動回路に余分な負担をかける電子シャッターパルス電圧を印加せずに、一定のバイアス電圧を印加してフォトダイオード３の電荷を基板１１側へ掃き出せる。この結果、従来のパルス電圧動作によって消費された電力を低減でき、デジタル式の撮像装置においてバッテリーによる駆動時間を延長することができる。

本発明に係る固体撮像素子の平面模式図である。 本発明に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。 本発明に係る固体撮像装置の概略構成図である。 固体撮像素子の概略構成を表す平面模式図である。 図４のI−I断面の構造を表す模式図である。 図５のII−II断面における電位分布の模式図である。 従来の固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。

符号の説明

３ フォトダイオード（光電変換部）
５ 垂直シフトレジスタ（垂直転送部）
７ 水平シフトレジスタ（水平転送部）
９ 出力アンプ部
１１ 基板
３３ Ｐウェル領域（障壁）
４１ 画素
５１ 光学系
５３ 信号処理部
５５ 表示部
６５ 制御部
１００ 固体撮像素子
２００ デジタルスチルカメラ（固体撮像装置）

Claims (3)

1. 光に感応して電荷を発生する光電変換部を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素と、
   これら各画素に隣接して設けられ前記各画素が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
   前記各垂直転送部の列方向一端側に配置され該垂直転送部から転送される前記信号電荷を行方向に転送する水平転送部と、
   該水平転送部の電荷転送方向下流側に接続された出力アンプ部と、
   前記各光電変換部に隣接するオーバーフロードレインと、を基板表面層に形成した固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記光電変換部から前記垂直転送部に前記信号電荷を読み出してから、該読み出した前記信号電荷の全てが前記出力アンプまで転送されるまでの期間、前記光電変換部の電荷を前記基板側へ掃き出すためのバイアス電圧を前記オーバーフロードレインに印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記バイアス電圧は、前記オーバーフロードレインの領域に形成される電位ポテンシャルの障壁を、前記光電変換部に蓄積された電荷が前記基板側に掃き出すことのできる電圧であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法。
3. 固体撮像素子と、
   被写体像を前記固体撮像素子に結像する光学系と、
   前記固体撮像素子の前記出力アンプ部から出力されてくる信号を処理し画像を生成する信号処理部と、
   この生成された画像を表示する表示部と、を備えた固体撮像装置であって、
   前記固体撮像装置により静止画撮影を行う場合に、前記固体撮像素子を請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子の駆動方法で動作させ、前記表示部に被写体像をモニタ表示させる制御部を備えたことを特徴とする固体撮像装置。

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