JP2007189440A - Ｃｃｄ型固体撮像素子の駆動方法及びその駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】読出電極に印加する読出電圧の低電圧化と、電荷転送効率の経時的劣化の抑制を図る。
【解決手段】電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、転送電極のうちの読出電極を兼用する転送電極Ｖ１に読出電圧が印加されるとき、同時に、転送電極のうちの読出電極Ｖ１から離れている転送電極Ｖ３に読出電圧に対し逆極性となる電圧を印加する。これにより、読出電圧印加による固体撮像素子のＧＮＤ電位の変動が抑制されて読出電圧の低電圧化を図ることができる。しかも、電極Ｖ１より離れた電極Ｖ３に逆極性電圧を印加するため、電極Ｖ１，Ｖ３間の電界強度は弱くなり、電荷転送効率の経時的劣化も抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明はデジタルカメラ及びＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子の駆動方法並びに駆動装置に係り、特に、信号電荷の読み出しを低電圧で良好に行いしかも電荷転送効率の経時劣化も抑制することができるデジタルカメラ及びこのデジタルカメラに搭載されたＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法並びに駆動装置に関する。

ＣＣＤ型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板表面部のｐウェル層に多数のフォトダイオード（ｎ領域）がアレイ状に配列して形成され、各フォトダイオード列の側部に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）が併設されている。また、フォトダイオード列と垂直転送路の組を、隣接するフォトダイオード列及び垂直転送路の組から分離するために、半導体基板表面部に、垂直方向に平行に延びる多数のチャネルストップが設けられている。

ＣＣＤ型固体撮像素子では、例えば下記特許文献１に記載されている様に、このチャネルストップを利用し、チャネルストップの端部や水平転送路近傍部をグランド（基準電位：以下、ＧＮＤ電位という。）に接続している。しかし、チャネルストップは高濃度不純物領域（ｐ^＋領域）で構成され抵抗を持っているため、垂直転送路の読出電極兼用の転送電極に高圧の読出電圧パルス（例えば＋１５Ｖ）を印加すると、チャネルストップのグランド接続端から離れた受光面中央位置ではそのＧＮＤ電位が局所的に変動しまうという問題がある。

つまり、読出電圧が読出電極に印加されると、チャネルストップのＧＮＤ電位がプラス側に変動してフォトダイオードやチャネルストップのポテンシャルが深くなり、信号電荷の垂直転送路への読み出しが困難になるという問題がある。このため、より高い読出電圧が必要になる。

この問題を解決するため、下記特許文献２記載の従来技術では、読出電極兼用の転送電極に読出電圧パルスを印加する時、同時に、この読出電極に隣接する転送電極等の非読出電極に、読出電圧パルスに対して逆極性に変調したパルス電圧を印加し、チャネルストップやフォトダイオードのＧＮＤ電位の変動を抑制している。

特開平１１―１７７０７８号公報 特開平７―３２２１４３号公報

近年のＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が進展し、転送電極もそれに応じて微細化されている。このため、読出電極とこれに隣接する非読出電極との間の距離も極めて小さく、読出電極に高圧の読出電圧パルスを印加する時に隣接電極に逆極性に変調した電圧を印加すると、両者間の電位差が大きくなって両者間に強電界が発生することになる。この強電界は、垂直転送路における電荷転送効率を経時的に劣化させる要因になってしまう。

本発明の目的は、読出電圧の低電圧化と電荷転送効率の経時劣化を抑制したデジタルカメラとこれに搭載されるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法並びに駆動装置を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記転送電極のうちの読出電極を兼用する転送電極に読出電圧が印加されるとき、同時に、前記転送電極のうちの前記読出電極から離れている転送電極に前記読出電圧に対し逆極性となる電圧を印加することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法の前記逆極性の電圧を印加する転送電極は、前記読出電極より少なくとも１転送電極以上離れていることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記読出電極から離れている転送電極が複数あるときは該複数の転送電極に前記逆極性の電圧を同時に印加することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記読出電圧の印加と同時に、前記読出電極に隣接する転送電極に、読出電圧と同極性で該読出電圧より絶対値が小さい所定電圧を印加することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置は、電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記電荷転送路に供給する転送パルスとして、上記のいずれかに記載の前記読出電圧と前記逆極性の電圧とを重畳して生成することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置は、電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記電荷転送路に供給する転送パルスとして、上記記載の前記読出電圧と前記逆極性の電圧と前記所定電圧とを重畳して生成することを特徴とする。

本発明のデジタルカメラは、電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、上記記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、読出電極に読出電圧が印加されるとき近くの転送電極に逆極性電圧を印加するため、固体撮像素子全面のＧＮＤ電位を安定に保つことができ、読出電圧の低電圧化を図ることが可能となる。また、逆極性電圧を印加する転送電極を、読出電極から離れた電極としたので、強電界の発生が抑制され、電荷転送効率の経時的劣化が抑制される。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラの機能構成図である。このデジタルカメラは、撮像部１と、撮像部１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。

撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ１ｂと、光学レンズ系１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア１２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部１３が接続されている。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。図示する例のＣＣＤ型固体撮像素子の半導体基板上には、多数のフォトダイオード１０１（ＰＤ１〜ＰＤ８）が二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成されており、フォトダイオード１０１の各列に沿って垂直転送路１０２が形成されている。

各垂直転送路１０２は、１つのフォトダイオード１０１に対して２枚の垂直転送電極を備え、図示する例では、垂直方向上側の垂直転送電極とフォトダイオード１０１とが読出ゲート１０３によって接続され、フォトダイオード１０１の受光電荷（信号電荷）が読出ゲート１０３を通して対応の垂直転送電極下に形成される電位パケット内に読み出される。

図２に例示するＣＣＤ型固体撮像素子は、８相駆動するため、各垂直転送電極内に、Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８と記載してあり、各転送電極Ｖ１〜Ｖ８に垂直転送制御部１０８が転送パルスφＶ１〜φＶ８を供給することで、垂直転送制御が行われる。この垂直転送路制御部１０８は、図１の駆動部４内に設けられる。

半導体基板の下辺部には水平転送路１０４が設けられ、各垂直転送路１０２によって垂直方向に転送されてきた信号電荷を受け取り、この信号電荷を次に水平方向に転送し、出力段のアンプ１０５を通して受光電荷量に応じた画像信号が出力される。

尚、図２には、従来技術で説明したチャネルストップの図示は省略しているが、チャネルストップは特許文献１記載のものと同様である。また、４列しか図示していないが、各垂直転送路１０２の転送電極Ｖ１には同一の転送パルスφＶ１が印加され、各垂直転送路１０２の転送電極Ｖ２にも同一転送パルスφＶ２が印加され、Ｖ３，Ｖ４，…も同様である。読出電圧パルスや逆変調パルスは、転送パルスφＶに重畳された形で駆動部４（図１参照）が生成し、各電極Ｖ１，…に印加される。

図３は、図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す第１フィールド目のタイミングチャートであり、図４は、図３に示す転送パルスが印加されたときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。尚、図示する例では、ＶＨ＝＋１５Ｖ、ＶＭ＝０Ｖ、ＶＬ＝−８Ｖである。

図３に示す時刻ｔ４の時に、０Ｖ（＝ＶＭ）の転送パルスφＶ１に読出パルスＶＨが重畳され、これが読出電極Ｖ１に印加される。これにより、図４に示す様に、読出電極Ｖ１下に形成されたポテンシャル井戸内に、対応のフォトダイオード１０１から信号電荷が読み出される。

この時刻ｔ４のタイミングで、本実施形態では、転送電極Ｖ３に、逆極性に変調したパルス電圧ＶＬを印加する。これにより、読出電圧パルス（＋１５Ｖ）が電極Ｖ１に印加されてその周囲のＧＮＤ電位がプラス側に変動しようとしたとき、近隣の電極Ｖ３に逆極性パルス（−８Ｖ）が印加されるため、このＧＮＤ電位の変動は抑制される。このため、＋１５Ｖでフォトダイオードの信号電荷は電荷読み残し無く電極Ｖ１下のポテンシャル井戸内に移動することとなる。

しかも、本実施形態では、電極Ｖ１に対して隣接する電極Ｖ２，Ｖ８ではなく、少なくとも１電極分だけ離間した電極Ｖ３に逆極性電圧パルスを印加する構成のため、読出電圧パルスを印加する電極と逆極性パルスを印加する電極との距離が離れ、両者間に発生する電界を弱めることができる。このため、電荷転送効率の経時的な劣化も抑制可能となる。

同様に、時刻ｔ１０のタイミングでは、０Ｖ（＝ＶＭ）の転送パルスφＶ３に読出パルスＶＨが重畳され、これが読出電極Ｖ３に印加される。これにより、図４に示す様に、読出電極Ｖ３下に形成されたポテンシャル井戸内に、対応のフォトダイオード１０１から信号電荷が読み出される。

この時刻ｔ１０のタイミングでも、少なくとも１電極分だけ離間した転送電極Ｖ５に、逆極性に変調したパルス電圧ＶＬを印加する。これにより、読出電圧パルスの印加によるＧＮＤ電位の変動が抑制されると共に、電荷転送効率の経時劣化を引き起こす強電界の発生も抑制される。

尚、上述した実施形態では、読出電極から１電極分だけ離れた電極に逆極性パルスを印加したが、２電極分だけ或いはそれ以上離れた電極に逆極性パルスを印加する構成でもよいことはいうまでもない。逆極性パルスを印加する電極が読出電極から離れすぎるとＧＮＤ電位の変動抑制効果が低下するため、転送電極の寸法等を考慮し、ＧＮＤ電位変動抑制効果と強電界発生抑制効果の両方を勘案し、読出電極と逆極性パルス印加電極との距離を決めるのが良い。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係るデジタルカメラに搭載するＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。デジタルカメラ自体の構成は、図１に示す構成と同様でよい。

本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子２００は、アレイ状に配列形成されたフォトダイオード２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂを備える。フォトダイオード２０１ｒ上には赤色（Ｒ）のカラーフィルタが積層され、フォトダイオード２０１ｇ上には緑色（Ｇ）のカラーフィルタが積層され、フォトダイオード２０１ｂ上には青色（Ｂ）のカラーフィルタが積層されている。

そして、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチづつずらして配列され（所謂、ハニカム画素配列）、垂直転送路２０２は、垂直方向にフォトダイオードを避けるように蛇行して配置されている。ＣＣＤ型固体撮像素子２００の下辺部には水平転送路２０４が設けられ、その出力部にアンプ２０５が設けられている。

このＣＣＤ型固体撮像素子２００は、８相インターレス駆動される様に転送電極が接続されており、転送電極Ｖ１には転送パルスφＶ１が、転送電極Ｖ２には転送パルスφＶ２が、…、転送電極Ｖ８には転送パルスφＶ８が、図１に示す駆動部４から供給される。

図６は、図５の要部拡大模式図であり、チャネルストップの位置を示す図である。フォトダイオード２０１の列と、その左側に配列された垂直転送路２０２との組は、夫々、垂直方向に延びるチャネルストップ２１０によって区画されており、各フォトダイオード２０１は、このチャネルストップ２１０及び該チャネルストップ２１０に連設された画素分離領域２１０ａによって区画されている。

チャネルストップ２１０及び画素分離領域２１０ａは、ｐ＋領域で形成される。図示する例で、各フォトダイオード２０１（ｒ，ｇ，ｂ）の左斜め下位置にはｐ^＋領域を設けない信号読出部２０１ｂが設けられており、この信号読出部２０１ｂから、隣接垂直転送路２０２に、フォトダイオード２０１の信号電荷が読み出される。

図７は、図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す第１フィールド目のタイミングチャートであり、図８は、図７に示す転送パルスが印加されたときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。尚、図示する例でも、ＶＨ＝＋１５Ｖ、ＶＭ＝０Ｖ、ＶＬ＝−８Ｖである。

本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子では、時刻ｔ８に、読出電極Ｖ１に＋１５Ｖの読出パルスを印加する。これにより、時刻ｔ８に読出電極Ｖ１の下にポテンシャル井戸ができ、ここに、対応のフォトダイオード２０１から信号電荷が読み出される。

読出電極Ｖ１への読出パルス（＋１５Ｖ）の印加と同時に、本実施形態では、電極Ｖ１と１電極分だけ離れた電極Ｖ３に、逆極性（−８Ｖ）のパルスを印加し、更に、電極Ｖ３から２電極分離れた電極Ｖ６（読出電極Ｖ１からも２電極分離れている）にも、逆極性（−８Ｖ）のパルスを印加する。

また、時刻ｔ１２では、読出電極Ｖ３に読出パルス（＋１５Ｖ）を印加して読出電極Ｖ３に対応のフォトダイオードから信号電荷を読み出すが、このとき同時に、読出電極Ｖ３から離れた電極Ｖ５，Ｖ８に逆極性パルス（−８Ｖ）を印加する。

この様に、本実施形態では、読出電極への読出電圧印加によるＧＮＤ電位の変動は、読出電極から離れた２つの電極に逆極性変調パルスを印加することにより、抑制される。また、読出電極から離れた電極に逆極性パルスを印加するため、強電界の発生を避けることができ、電荷転送効率の経時的な劣化も抑制される。

（第３実施形態）
図９，図１０は、本発明の第３実施形態に係るデジタルカメラに搭載されたＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す図である。本実施形態のデジタルカメラの構成は図１に示す構成と同様であり、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成は、図５，図６に示す構成と同じであり、異なるのは駆動方法だけである。

図９は、本実施形態に係る駆動方法の第１フィールド目のタイミングチャートであり、図１０は、図９に示す転送パルスが印加されたときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。尚、図示する例でも、ＶＨ＝＋１５Ｖ、ＶＭ＝０Ｖ、ＶＬ＝−８Ｖである。

本実施形態で逆極性パルスを読出電極から離れた電極に印加するのは、第２実施形態と同じであるが、本実施形態では、読出電極に読出パルスを印加し、読出電極から離れた非読出電極に逆極性変調パルスを印加するとき、同時に、読出パルスに隣接する電極に、ＶＭ＜Ｖ＜ＶＨなる電圧Ｖを印加することを特徴とする。例えば、読出電極に＋１５Ｖを印加すると同時に、隣接電極に、＋２Ｖの電圧を印加する。

図示する例では、時刻ｔ８に、読出電極Ｖ１に＋１５Ｖの読出パルスを印加すると共に離れた電極Ｖ３，Ｖ５に−８Ｖの逆極性変調パルスを印加するが、このとき同時に、読出電極Ｖ１に隣接する電極Ｖ２，Ｖ８に、＋２Ｖのパルス電圧を印加する。

この＋２Ｖの電圧を印加することで、読出電極Ｖ１と隣接電極Ｖ２，Ｖ８との間の電位差は１５−２＝１３Ｖとなり、両電極間に発生する電界強度は、隣接電極の電位をＶＭ＝０Ｖに保ったままに比べて弱くなる。このため、電荷転送効率の経時的劣化は更に抑制される。読出電極の隣接電極と逆極性電圧印加電極との間の電位差は逆に広がるが、その電位差は、読出電圧に比較して小さいため問題にはならない。

以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、読出電極から離れた電極に読出電圧と逆極性の電圧を印加するため、固体撮像素子の受光面全面でのＧＮＤ電位の変動を抑制でき、読出電圧の低電圧化を図ることが可能となる。また、読出電極と、逆極性電圧を印加する電極との間に生じる電界強度を弱く抑えることができるため、電荷転送効率の経時的な劣化を抑制することも可能となる。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、読出電圧の低電圧化と電荷転送効率の経時的劣化の抑制とを図ることができるため、デジタルカメラ等に適用すると有用である。

本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラの機能構成図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す１フィールド目のタイミングチャートである。 図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子を図３に示す駆動方法で駆動したときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子の要部拡大模式図であり、チャネルストップを例示する図である。 図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す１フィールド目のタイミングチャートである。 図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子を図７に示す駆動方法で駆動したときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。 本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を示す１フィールド目のタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子を図９に示す駆動方法で駆動したときの垂直転送路のポテンシャル動作図である。

符号の説明

１ 撮像部
４ 駆動部
１００，２００ ＣＣＤ型固体撮像素子
１０１，２０１ フォトダイオード（光電変換素子）
１０２，２０２ 垂直転送路
１０４，２０４ 水平転送路
１０５，２０５ 出力アンプ
２１０ チャネルストップ
２１０ａ 画素分離領域
２１０ｂ 信号電荷の読出部
Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８ 転送電極（奇数番は読出電極兼用）

Claims (7)

1. 電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記転送電極のうちの読出電極を兼用する転送電極に読出電圧が印加されるとき、同時に、前記転送電極のうちの前記読出電極から離れている転送電極に前記読出電圧に対し逆極性となる電圧を印加することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記逆極性の電圧を印加する転送電極は、前記読出電極より少なくとも１転送電極以上離れていることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
3. 前記読出電極から離れている転送電極が複数あるときは該複数の転送電極に前記逆極性の電圧を同時に印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記読出電圧の印加と同時に、前記読出電極に隣接する転送電極に、読出電圧と同極性で該読出電圧より絶対値が小さい所定電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
5. 電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記電荷転送路に供給する転送パルスとして、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の前記読出電圧と前記逆極性の電圧とを重畳して生成することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置。
6. 電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記電荷転送路に供給する転送パルスとして、請求項４に記載の前記読出電圧と前記逆極性の電圧と前記所定電圧とを重畳して生成することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置。
7. 電荷転送路を構成する複数の連続する転送電極を備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項５または請求項６に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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