JP2007306479A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生せず、暗電流がフォトダイオード内に蓄積されない固体撮像素子及びその駆動方法を得る。
【解決手段】電荷転送部３５が、電荷の読み出し転送と信号電荷の転送とを行う第１転送電極と、第１転送電極同士の間に設けられ電荷転送部３５に沿った信号電荷の転送を行う第２転送電極とを有し、タイミング信号供給部４３が、電荷転送路３５に沿った信号電荷の転送時に、第１、第２転送電極に駆動用パルス信号を供給し、電荷転送部３５に沿った信号電荷の転送停止時には、第１転送電極が光電変換素子３１に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する。
【選択図】図１
【解決手段】電荷転送部３５が、電荷の読み出し転送と信号電荷の転送とを行う第１転送電極と、第１転送電極同士の間に設けられ電荷転送部３５に沿った信号電荷の転送を行う第２転送電極とを有し、タイミング信号供給部４３が、電荷転送路３５に沿った信号電荷の転送時に、第１、第２転送電極に駆動用パルス信号を供給し、電荷転送部３５に沿った信号電荷の転送停止時には、第１転送電極が光電変換素子３１に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する。
【選択図】図１
Description
本発明は、光に感応して電荷を発生する光電変換素子を行列状に配置し、発生した信号電荷を転送する電荷転送部が形成された固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子は、光に感応して電荷を発生する光電変換素子を行列状に配置した画素部と、これら光電変換素子に隣接して帯状に設けられ各光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とを有し、電荷転送部ではタイミング信号供給部から供給される駆動パルスによって電荷が転送される。
図１２は従来の４相駆動による固体撮像素子の構成を概略的に表した模式図である。
固体撮像素子の受光領域には垂直配置される光電変換素子（フォトダイオード）ＰＤ１〜ＰＤ８（図示例では簡便に８つで説明する）が２次元行列状に配列される。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の個々又は全てを、以下フォトダイオードＰＤと呼称する。フォトダイオードＰＤは、受光した光を信号電荷に変換し、蓄積する。各フォトダイオードＰＤ列の近傍脇部（図中右側）には、垂直方向に垂直電荷転送路１が延設される。フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は、トランスファゲート３を介してその脇部の垂直電荷転送路１に読み出される。
固体撮像素子の受光領域には垂直配置される光電変換素子（フォトダイオード）ＰＤ１〜ＰＤ８（図示例では簡便に８つで説明する）が２次元行列状に配列される。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の個々又は全てを、以下フォトダイオードＰＤと呼称する。フォトダイオードＰＤは、受光した光を信号電荷に変換し、蓄積する。各フォトダイオードＰＤ列の近傍脇部（図中右側）には、垂直方向に垂直電荷転送路１が延設される。フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は、トランスファゲート３を介してその脇部の垂直電荷転送路１に読み出される。
垂直電荷転送路１上には、４相転送電極Ｖ１〜Ｖ４が繰り返し設けられ、１個のフォトダイオードＰＤ当たり２個の転送電極が設けられる。
ドライバ５は、垂直電荷転送路１上の４層転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相駆動パルスφＶ１〜φＶ４をそれぞれ供給する。これにより、垂直電荷転送路１は、駆動パルスφＶ１〜φＶ４に応じて、信号電荷を下から上方向（垂直方向）に４相駆動で転送する。
ドライバ５は、垂直電荷転送路１上の４層転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相駆動パルスφＶ１〜φＶ４をそれぞれ供給する。これにより、垂直電荷転送路１は、駆動パルスφＶ１〜φＶ４に応じて、信号電荷を下から上方向（垂直方向）に４相駆動で転送する。
また、ドライバ５は、水平電荷転送路７に２相駆動パルスφＨ１、φＨ２を供給する。水平電荷転送路７は、垂直電荷転送路１から電荷を受け、駆動パルスφＨ１、φＨ２に応じて、電荷を右から左方向（水平方向）に２相駆動で転送する。
出力アンプ９は、水平電荷転送路７から信号電荷を受け、電荷量に応じた電圧を増幅して出力する。このようにして、フォトダイオードＰＤを２次元行列状に配列することにより、２次元画像を得ることができる。
次に、インタレース方式の制御方法を説明する。インタレース方式では、第１フィールドと第２のフィールドの画像データの組みが１フレームの画像データを構成する。まず、第１フィールドの画像データを読み出すため、奇数行のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ３，ＰＤ５，ＰＤ７内の電荷を、垂直電荷転送路１上において電極Ｖ１に対応する位置に読み出す。垂直電荷転送路１上の電荷は、水平電荷転送路７に転送される。出力アンプ９からは第１フィールドの画像データが出力される。
次に、第２フィールドの画像データを読み出すため、偶数行のフォトダイオードＰＤ２，ＰＤ４，ＰＤ６，ＰＤ８内の電荷を、垂直電荷転送路１上において電極Ｖ３に対応する位置に読み出す。垂直電荷転送路１上の電荷は、水平電荷転送路７に転送される。出力アンプ９からは第２フィールドの画像データが出力される。
図１３は従来の固体撮像素子における垂直電荷転送路に供給する４相駆動パルスのタイミングチャート、図１４は従来の固体撮像素子による４相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。
図１３、図１４の横軸は時間を示す。電極Ｖ１〜Ｖ４において、図１４に示すようにハッチ付きで表した電極は、Ｌｏレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路上のポテンシャルは浅くなっている。一方、ハッチ無しの電極はハイレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路上のポテンシャルが深くなっている。すなわち、ハッチ無しの電極の垂直電荷転送路にパケットが形成され、電荷が蓄積・転送される。
図１３、図１４の横軸は時間を示す。電極Ｖ１〜Ｖ４において、図１４に示すようにハッチ付きで表した電極は、Ｌｏレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路上のポテンシャルは浅くなっている。一方、ハッチ無しの電極はハイレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路上のポテンシャルが深くなっている。すなわち、ハッチ無しの電極の垂直電荷転送路にパケットが形成され、電荷が蓄積・転送される。
まず、第１フィールドの画像データを読み出す場合を説明する。水平転送期間である垂直転送待機期間Ｓ１には、奇数行のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ３から垂直電荷転送路上において電極Ｖ１に対応する位置に電荷が読み出される。この時、垂直電荷転送路は、電極Ｖ３，Ｖ４がハイレベルになってパケットを形成し、電極Ｖ１，Ｖ２がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
時刻ｔ１では、電極Ｖ３，Ｖ４がハイレベルになってパケットを形成し、電極Ｖ１，Ｖ２がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
時刻ｔ２では、電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４がハイレベルになってパケットを形成し、電極Ｖ２がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
時間の経過と共に、パケット内の電荷が図中において上から下方向に移動する様子がわかる。時刻ｔ１〜ｔ８が電荷転送の１周期である。４相電極Ｖ１〜Ｖ４のうち、時刻ｔ１では２電極がローレベルになり、時刻ｔ２では１電極がローレベルになる。
以上が４相駆動の制御方法である。
次に、上記４相駆動を８相駆動にした場合の垂直電荷転送路について説明する。図１５は従来の固体撮像素子の構成を概略的に表した模式図、図１６は従来の固体撮像素子における垂直電荷転送路に供給する８相駆動パルスのタイミングチャート、図１７は従来の固体撮像素子による８相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。
フォトダイオードＰＤの側方には、垂直電荷転送路が設けられ、その上方には８相電極Ｖ１〜Ｖ８が設けられる。他の構成は、図１２に示した４相駆動の固体撮像素子と同様である。図１６，図１７において、横軸は時間を示す。電極Ｖ１〜Ｖ８において、ハッチ付きで表した電極とハッチ無しの電極の意味は上記同様である。垂直電荷転送路の電極Ｖ１〜Ｖ８には８相駆動パルスが供給され、垂直電荷転送路は８相駆動で信号電荷を転送する。
次に、上記４相駆動を８相駆動にした場合の垂直電荷転送路について説明する。図１５は従来の固体撮像素子の構成を概略的に表した模式図、図１６は従来の固体撮像素子における垂直電荷転送路に供給する８相駆動パルスのタイミングチャート、図１７は従来の固体撮像素子による８相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。
フォトダイオードＰＤの側方には、垂直電荷転送路が設けられ、その上方には８相電極Ｖ１〜Ｖ８が設けられる。他の構成は、図１２に示した４相駆動の固体撮像素子と同様である。図１６，図１７において、横軸は時間を示す。電極Ｖ１〜Ｖ８において、ハッチ付きで表した電極とハッチ無しの電極の意味は上記同様である。垂直電荷転送路の電極Ｖ１〜Ｖ８には８相駆動パルスが供給され、垂直電荷転送路は８相駆動で信号電荷を転送する。
垂直転送待機期間Ｓ１には、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ５から垂直電荷転送路上において電極Ｖ１に対応する位置に電荷を読み出す。この時、垂直電荷転送路は、２個の電極Ｖ５，Ｖ６がハイレベルになってパケットを形成し、６個の電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。時刻ｔ１も同様である。時刻ｔ１は省略してもよい。
時刻ｔ２では、３個の電極Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７がハイレベルになってパケットを形成し、５個の電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ８がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
時刻ｔ３では、２個の電極Ｖ６，Ｖ７がハイレベルになってパケットを形成し、６個の電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ８がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
時間の経過と共に、パケット内の電荷が上から下方向に移動する。時刻ｔ１〜ｔ１７が１周期である。８相駆動では、上記の４相駆動の場合よりも電荷読み出しを行うフォトダイオードＰＤの数は一つおきとなり、インターレース駆動に適する。
特開２０００−１９６０６６号公報
しかしながら、上記した従来の固体撮像素子の駆動方法では、信号電荷の転送時以外、垂直転送電極は、連続したｎ電極（ｎ＝２以上）を蓄積電極とし、残りの電極をバリア電極としていた。このため、連続したｎ電極（ｎ＝２以上）を蓄積電極とする際に、読み出し電極を含むと、白キズが増加する問題があった。
図１８は図１２のI−I断面を（ａ）、（ａ）における電位分布を（ｂ）に表した模式図である。
固体撮像素子では、図１８（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板の表面にｐ型の不純物ウェル層１１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（図示せず）が形成されている。また、不純物層１１の表面から高濃度のｐ型不純物層１３と、さらにその下部にｎ型不純物層１５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素子（フォトダイオード）１７が構成されている。
図１８は図１２のI−I断面を（ａ）、（ａ）における電位分布を（ｂ）に表した模式図である。
固体撮像素子では、図１８（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板の表面にｐ型の不純物ウェル層１１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（図示せず）が形成されている。また、不純物層１１の表面から高濃度のｐ型不純物層１３と、さらにその下部にｎ型不純物層１５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素子（フォトダイオード）１７が構成されている。
また、フォトダイオード１７の読み出しゲート２１を挟んだ側方には、ｎ型不純物層２３が形成されている。ｎ型不純物層２３上方の絶縁層（図示せず）の表面には電極２５が形成され、この電極２５は絶縁層（図示せず）により覆われている。さらに、固体撮像素子では、フォトダイオード１７と垂直電荷転送路となるｎ型不純物層２３とを含む領域を囲むように、高濃度のｐ型不純物層からなる素子分離帯（図示せず）が形成されている。
このような構成を有する固体撮像素子において、電極２５に対して十分に高い電圧を印加することで、図１８（ｂ）に示すように、フォトダイオード１７の電位に対して垂直電荷転送路１に向かっての障壁（Ｐウェル領域）２７がなくなり、蓄積された信号電荷Ｄは垂直電荷転送路１に移動する。フォトダイオード１７に蓄積される信号電荷Ｄの電荷量は、図１８（ｂ）のポテンシャル分布図に示すように、Ｐ型のウェル領域２７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によって決定される。すなわち、このオーバーフローバリアは、フォトダイオード１７に蓄積される飽和信号電荷量を決める。
従来技術ではＳ１期間中において、連続した２つ以上の電極２５を蓄積電極とし、読み出し電極と、読み出し電極ではないものとを交互に構成している。このため、図１４，図１７に示すように、電極２５に読み出し電極Ｖ４，Ｖ６が蓄積電極に含まれ、図１８（ｂ）に示す電位図のＥｖｘ＝Ｍｉｄ（蓄積電極における垂直電荷転送時のロー電圧相当の電圧値）のように、フォトダイオード１７の読み出しゲート２１の表面層に空乏化された領域２９ができた。すなわち、読み出し電極Ｖ４，Ｖ６に、ローレベルより高い電圧値を有するＭｉｄレベルの電圧が印加されることにより、空乏化領域２９が発生した。空乏化領域２９が発生すると、界面付近に存在している自由電子が、フォトダイオード１７内に電荷ｅとして流れ込み、正規に蓄積された信号電荷Ｄに暗電流となって加算・蓄積（Ｄ＋ｅ）され、その暗電流分によって白キズの発生することになる。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生せず、暗電流がフォトダイオード内に蓄積されない固体撮像素子及びその駆動方法を提供し、もって、画像データに含まれる白キズの低減を図ることを目的とする。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生せず、暗電流がフォトダイオード内に蓄積されない固体撮像素子及びその駆動方法を提供し、もって、画像データに含まれる白キズの低減を図ることを目的とする。
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素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部と、前記光電変換素子に隣接して帯状に設けられ該光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とが半導体基板表面層に形成され、タイミング信号供給部から前記電荷転送部の電荷転送を行う駆動パルスを供給する固体撮像素子であって、
前記電荷転送部が、
前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、
前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極と、を有し、
前記タイミング信号供給部が、前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記第１、第２転送電極に駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する固体撮像素子。
（１） 光に感応して電荷を発生する光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部と、前記光電変換素子に隣接して帯状に設けられ該光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とが半導体基板表面層に形成され、タイミング信号供給部から前記電荷転送部の電荷転送を行う駆動パルスを供給する固体撮像素子であって、
前記電荷転送部が、
前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、
前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極と、を有し、
前記タイミング信号供給部が、前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記第１、第２転送電極に駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する固体撮像素子。
この固体撮像素子によれば、転送時以外には読み出し電極に、蓄積電極となるレベルのバリア電位が印加されない。つまり、転送時以外は読み出し電極を避けて蓄積電極とされる。これにより、読み出し電極と、読み出し電極ではない連続した２つ以上の電極を、蓄積電極として交互に構成する場合であっても、読み出し電極に、蓄積電極としてのレベルの電圧が印加されなくなる。したがって、フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生せず、界面付近に存在している電子が、フォトダイオード内に電荷として流れ込まなくなり、電子がフォトダイオード内に電荷として蓄積されない。
（２） （１）項記載の固体撮像素子であって、
前記転送する信号電荷は電子であり、前記バリア電位となるパルス信号が、ローレベルの信号である固体撮像素子。
前記転送する信号電荷は電子であり、前記バリア電位となるパルス信号が、ローレベルの信号である固体撮像素子。
この固体撮像素子によれば、転送停止時にタイミング信号供給部から第１転送電極へローレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路上のポテンシャルが浅くなる。この際、垂直転送時におけるＭｉｄレベルやハイレベルの電圧を印加したときに生じる障壁の痩せ細りがなく、電子を発生させる空乏化領域が形成されない。
（３） 光に感応して電荷を発生する光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部と、前記光電変換素子に隣接して帯状に設けられ該光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とが半導体基板表面層に形成され、前記電荷転送部の電荷転送を行う駆動パルスを供給するタイミング信号供給部を備えた固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極に対して、駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する固体撮像素子の駆動方法。
前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極に対して、駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給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によれば、タイミング信号供給部が、転送時以外には読み出し電極に、蓄積電極となるレベルのバリア電位を印加しない。つまり、転送時以外は読み出し電極を避けて蓄積電極とする。これにより、読み出し電極と、読み出し電極ではない連続した２つ以上の電極を、蓄積電極として交互に駆動する場合であっても、読み出し電極に、蓄積電極としてのレベルの電圧を印加せず、フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生しない。したがって、界面付近に存在している電子が、フォトダイオード内に電荷として流れ込まなくなる。
（４） （３）項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動用パルス信号が、４相駆動用のパルス信号である固体撮像素子の駆動方法。
前記駆動用パルス信号が、４相駆動用のパルス信号であ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によれば、４相電極のうち、異なる時刻で２電極がローレベルになる一方、１電極がローレベルになり、これを交互に繰り返す。したがって、全ての光電変換素子からの信号電荷を一回で取り出すことが可能となる。
（５） （３）項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号である固体撮像素子の駆動方法。
前記駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号であ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によれば、光電変換素子を１つおきに電荷読み出しするようになるので、インターレース駆動に好適な駆動方法となる。
本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法によれば、電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、光電変換素子から電荷の読み出し転送と電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、第１転送電極同士の間に設けられ電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極に対して、駆動用パルス信号を供給し、電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、第１転送電極が光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給するので、タイミング信号供給部が、転送時以外には読み出し電極に、蓄積電極となるレベルのバリア電位を印加しない。つまり、転送時以外は読み出し電極を避けて蓄積電極とする。これにより、読み出し電極と、読み出し電極ではない連続した２つ以上の電極を、蓄積電極として交互に駆動する場合であっても、読み出し電極に、蓄積電極としてのレベルの電圧を印加せず、フォトダイオードの読み出しゲートに空乏化された領域が発生せず、界面付近に存在している電子が、フォトダイオード内に電荷として流れ込まなくなる。この結果、暗電流がフォトダイオード内に電荷として蓄積されなくなり、画像データに含まれる白キズを低減させることができる。
以下、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法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構成を概略的に表した模式図である。
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素子（フォトダイオード）３１を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部３３と、これら画素部３３に隣接して設けられ光電変換素子３１が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直シフトレジスタ３５と、各垂直シフトレジスタ３５の列方向一端側に配置され垂直シフトレジスタ３５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）３７と、この水平シフトレジスタ３７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３９と、各フォトダイオード３１に隣接するオーバーフロードレインと、を基板４１の表面層に形成している。なお、本実施の形態では、基板４１がオーバーフロードレインとなる。
図１は本発明に係る固体撮像素子の構成を概略的に表した模式図である。
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素子（フォトダイオード）３１を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部３３と、これら画素部３３に隣接して設けられ光電変換素子３１が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直シフトレジスタ３５と、各垂直シフトレジスタ３５の列方向一端側に配置され垂直シフトレジスタ３５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）３７と、この水平シフトレジスタ３７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３９と、各フォトダイオード３１に隣接するオーバーフロードレインと、を基板４１の表面層に形成している。なお、本実施の形態では、基板４１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タイミング信号供給部４３とを備えている。タイミング信号供給部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を印加する不図示の基板電圧発生部とを含んで構成される。固体撮像素子１００は、これらタイミング信号供給部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、タイミング信号供給部４３のタイミング信号生成部４５から基板電圧発生部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３１から垂直シフトレジスタ３５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３９まで転送されるまでの期間、フォトダイオード３１の電荷を基板４１側へ掃き出すためのドレイン電圧ＶＤＤが、オーバーフロードレイン（基板４１）に印加される。
ここで、このドレイン電圧ＶＤＤ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３１に蓄積された電荷が基板４１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３１に蓄積された電荷を基板４１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３１に蓄積される蓄積電荷量がＰウェル領域を越えて基板４１側へ掃き出し可能となっている。
図２は４相駆動における垂直転送路の配置を表す平面図、図３は４相駆動における電極の配置を表す模式図である。
図２に示すように、固体撮像素子１００では、垂直方向Ｙの各奇数列（又は偶数列）に配列されたフォトダイオード３１（ＰＤ Ｘｎ）に対して、各偶数列（又は奇数列）のフォトダイオード３１（ＰＤ Ｘｎ＋１）が位相差である半ピッチ分の位置ずれを持って形成されている。
図２に示すように、固体撮像素子１００では、垂直方向Ｙの各奇数列（又は偶数列）に配列されたフォトダイオード３１（ＰＤ Ｘｎ）に対して、各偶数列（又は奇数列）のフォトダイオード３１（ＰＤ Ｘｎ＋１）が位相差である半ピッチ分の位置ずれを持って形成されている。
このように、複数のフォトダイオード３１を列方向に半ピッチ分ずらして配置する、所謂ハニカム構造の固体撮像素子１００では、フォトダイオード３１に沿って基板４１内に垂直シフトレジスタ３５からなる垂直電荷転送路５１を波状パターンに蛇行させて形成している。基板４１上には、この波状パターンの垂直電荷転送路５１に対して直交方向に延在する図３に示す転送電極５３が形成されている。転送電極５３は、４相転送電極Ｖ１〜Ｖ４が繰り返し設けられることで形成されている。この転送電極Ｖ１〜Ｖ４のうち、本実施の形態では、トランスファゲート５５を介してフォトダイオード３１に接続されたものを第１転送電極（Ｖ２，Ｖ４）５３ａと称し、フォトダイオード３１に接続されていないものを第２転送電極（Ｖ１，Ｖ３）５３ｂと称する。
第１転送電極５３ａは、フォトダイオード３１から電荷の読み出し転送と、電荷転送部（垂直電荷転送路５１）に沿った信号電荷の転送とを行う。第２転送電極５３ｂは、第１転送電極５３ａ同士の間に設けられ電荷転送部（垂直電荷転送路５１）に沿った信号電荷の転送を行う。タイミング信号供給部４３は、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送時には、第１、第２転送電極５３ａ，５３ｂに駆動用パルス信号を供給する。一方、タイミング信号供給部４３は、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送停止時には、第１転送電極５３ａがフォトダイオード３１に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する。
より具体的には、垂直電荷転送路５１で転送する信号電荷は電子であり、バリア電位となるパルス信号は、ローレベル（例えば０Ｖ）のＯＦＦ信号となる。このように、転送停止時にタイミング信号供給部４３から第１転送電極５３ａへローレベルの電圧が印加され、その電極（Ｖ２，Ｖ４）に対応する垂直電荷転送路５１上のポテンシャルが高くなる。この際、垂直電荷転送時にＭｉｄレベルの電圧を印加したときに生じる障壁の痩せ細りがなく、電子を発生させる空乏化領域２９（図１８参照）がフォトダイオード３１の読み出しゲートに形成されないようになっている。
換言すると、信号電荷の転送時以外には、読み出し電極となる第１転送電極５３ａに蓄積電極となるレベルのバリア電位が印加されない。つまり、転送時以外は読み出し電極を避けて蓄積電極とされる。これにより、読み出し電極と、読み出し電極ではない連続した２つ以上の電極（第１転送電極５３ａと第２転送電極５３ｂ）を、蓄積電極として交互に構成する場合であっても、読み出し電極である第１転送電極５３ａに、蓄積電極としてのレベルの電圧が印加されなくなる。したがって、フォトダイオード３１の読み出しゲート２１に空乏化された領域が発生せず、界面付近に存在している電子が、フォトダイオード３１内に電荷として流れ込まなくなり、電子がフォトダイオード３１内に電荷として蓄積されなくなる。
次に、上記の固体撮像素子の駆動方法を説明する。
図４は図２に示した垂直電荷転送路に供給する４相駆動パルスのタイミングチャート、図５は本発明に係る固体撮像素子による４相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。
本実施の形態による固体撮像素子の駆動方法では、駆動用パルス信号が、４相駆動用のパルス信号であるので、４相電極のうち、異なる時刻で２電極がローレベルになる一方、１電極がローレベルになり、これを交互に繰り返す。これにより、パケット内の電荷が移動される。
図４は図２に示した垂直電荷転送路に供給する４相駆動パルスのタイミングチャート、図５は本発明に係る固体撮像素子による４相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。
本実施の形態による固体撮像素子の駆動方法では、駆動用パルス信号が、４相駆動用のパルス信号であるので、４相電極のうち、異なる時刻で２電極がローレベルになる一方、１電極がローレベルになり、これを交互に繰り返す。これにより、パケット内の電荷が移動される。
時刻ｔ１〜ｔ１１が垂直電荷転送の１周期であり、４相電極Ｖ１〜Ｖ４のうち、時刻ｔ１では２電極Ｖ２，Ｖ４がローレベルになる。
ドライバ４７は、垂直電荷転送路５１に４相駆動パルスφＶ１〜φＶ４を供給する。具体的には、電極Ｖ１に駆動パルスφＶ１、電極Ｖ２に駆動パルスφＶ２、電極Ｖ３に駆動パルスφＶ３、電極Ｖ４に駆動パルスφＶ４を供給する。垂直電荷転送路５１は、駆動パルスφＶ１〜φＶ４に応じて、電荷を下から上方向（垂直方向）に４相駆動で転送する。ドライバ４７は、水平電荷転送路３７に２相駆動パルスφＨ１，φＨ２を供給する。水平電荷転送路３７は、垂直電荷転送路５１から電荷を受け、駆動パルスφＨ１，φＨ２に応じて、電荷を右から左方向（水平方向）に２相駆動で転送する。
垂直電荷転送路５１上の電極Ｖ１〜Ｖ４において、図５に示すハッチ付きで表した電極はローレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路５１上のポテンシャルが浅くなっており、ハッチ無しの電極はハイレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路５１上のポテンシャルが深くなっている。すなわち、ハッチ無しの電極の垂直電荷転送路５１にパケットが形成され、電荷が蓄積される。
水平転送期間である垂直転送待機期間Ｓ１には、フォトダイオード３１から垂直電荷転送路５１において電荷が読み出される。この時、垂直電荷転送路５１は、電極Ｖ１，Ｖ３がハイレベルになってパケットを形成し、電極Ｖ２，Ｖ４がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
すなわち、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送時には、フォトダイオード３１から電荷の読み出し転送と、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極５３ａと、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極５３ｂに対して、駆動用パルス信号を供給する。一方、垂直電荷転送路５１に沿った信号電荷の転送停止時には、第１転送電極５３ａがフォトダイオード３１に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する。
このようにして、従来では図１４に示したように、垂直転送待機期間Ｓ１にローレベルより高いＭｉｄレベルとなっていた読み出し電極（フォトダイオード３１にトランスファゲート５５を介して接続されたＶ２，Ｖ４電極）が、本実施の形態では、図５に示すように、垂直転送待機期間Ｓ１に読み出し電極（フォトダイオード３１にトランスファゲート５５を介して接続されたＶ２，Ｖ４電極）がＭｉｄレベルより電圧値の低いローレベルになって、転送ゲートがＯＦＦの状態となる。
したがって、本実施の形態による固体撮像素子１００によれば、タイミング信号供給部４３が、電荷転送路（垂直電荷転送路５１）に沿った信号電荷の転送時には、第１、第２転送電極５３ａ，５３ｂに駆動用パルス信号を供給し、電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、第１転送電極５３ａがフォトダイオード３１に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給するので、転送時以外には読み出し電極Ｖ２，Ｖ４に、蓄積電極となるレベルのバリア電位が印加されなくなる。つまり、転送時以外は読み出し電極Ｖ２，Ｖ４を避けて蓄積電極とされる。これにより、読み出し電極Ｖ２，Ｖ４と、読み出し電極ではない連続した２つ以上の電極を、蓄積電極として交互に構成する場合であっても、読み出し電極Ｖ２，Ｖ４に、蓄積電極としてのレベルの電圧が印加されなくなり、図１８の電位図に示すＥｖｘ＝Ｌｏｗのように、空乏化された領域が発生せず、界面付近に存在している電子が、フォトダイオード３１内に電荷として流れ込まなくなる。この結果、暗電流がフォトダイオード３１内に電荷として蓄積されなくなり、画像データに含まれる白キズを低減させることができる。
次に、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法の他の実施の形態を説明する。
図６は８相駆動における垂直転送路の配置を表す平面図、図７は８相駆動における電極の配置を表す模式図、図８は図６に示した垂直電荷転送路に供給する８相駆動パルスのタイミングチャート、図９は本発明に係る固体撮像素子による８相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。なお、図１〜図５に示した部位と同等の部位には同一の符号を付し重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子は、駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号となる。転送電極５３は、８相転送電極Ｖ１〜Ｖ８が繰り返し設けられることで形成されている。この転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、トランスファゲート５５を介してフォトダイオード３１に接続されたものが第１転送電極５３ａ（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）となり、フォトダイオード３１に接続されていないものが第２転送電極５３ｂ（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）となる。
図６は８相駆動における垂直転送路の配置を表す平面図、図７は８相駆動における電極の配置を表す模式図、図８は図６に示した垂直電荷転送路に供給する８相駆動パルスのタイミングチャート、図９は本発明に係る固体撮像素子による８相駆動の垂直電荷転送路の制御方法を示すタイムチャートである。なお、図１〜図５に示した部位と同等の部位には同一の符号を付し重複する説明は省略する。
本実施の形態による固体撮像素子は、駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号となる。転送電極５３は、８相転送電極Ｖ１〜Ｖ８が繰り返し設けられることで形成されている。この転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、トランスファゲート５５を介してフォトダイオード３１に接続されたものが第１転送電極５３ａ（Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）となり、フォトダイオード３１に接続されていないものが第２転送電極５３ｂ（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）となる。
本実施の形態による固体撮像素子の駆動方法では、駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号であるので、８相電極のうち、異なる時刻で６電極がローレベルになる一方、２電極がローレベルになり、これを交互に繰り返すことで、時間の経過と共にパケット内の電荷が移動される。
時刻ｔ１〜ｔ１９が電荷転送の１周期である。８相電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、時刻ｔ１では６電極（Ｖ１〜Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８）がローレベルになる。
ドライバ４７は、電極Ｖ１〜Ｖ８に８相駆動パルスφＶ１〜φＶ８を供給する。垂直電荷転送路５１は、駆動パルスφＶ１〜φＶ８に応じて、信号電荷を図中下から上方向（垂直方向）に８相駆動で転送する。ドライバ４７は、水平電荷転送路３７に２相駆動パルスφＨ１，φＨ２を供給する。水平電荷転送路３７は、垂直電荷転送路５１から電荷を受け、駆動パルスφＨ１、φＨ２に応じて、電荷を右から左方向（水平方向）に２相駆動で転送する。
垂直電荷転送路５１上の電極Ｖ１〜Ｖ８において、図９に示すハッチ付きで表した電極はローレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路５１上のポテンシャルが浅くなっており、ハッチ無しの電極はハイレベルの電圧が印加され、その電極に対応する垂直電荷転送路５１上のポテンシャルが深くなっている。すなわち、ハッチ無しの電極の垂直電荷転送路５１にパケットが形成され、電荷が蓄積される。
水平転送期間である垂直転送待機期間Ｓ１には、フォトダイオード３１から垂直電荷転送路５１において信号電荷が読み出される。この時、垂直電荷転送路５１は、電極Ｖ５，Ｖ７がハイレベルになってパケットを形成し、電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８がローレベルになってポテンシャルバリアを形成する。
このようにして、従来では図１７に示したように、垂直転送待機期間Ｓ１にハイレベルとなっていた読み出し電極（フォトダイオード３１にトランスファゲート５５を介して接続されたＶ６電極）が、本実施の形態では、図９に示すように、垂直転送待機期間Ｓ１に読み出し電極（フォトダイオード３１にトランスファゲート５５を介して接続されたＶ６電極）がローレベルになって、転送ゲートがＯＦＦの状態となる。これにより、８相駆動の固体撮像素子においても上記と同様の効果を奏する。
以上、所謂ハニカム構造における固体撮像装置を例に説明したが、本発明はこれに限らず、正方格子構造の固体撮像装置に対しても適用可能である。
図１０は正方格子構造の４相駆動における垂直転送路の配置を表す平面図、図１１は正方格子構造の４相駆動における電極の配置を表す模式図である。
上記図を前述のハニカム構造における固体撮像装置の駆動方法と照らし合わせてみると、同様の駆動により撮像処理が行えることが分かる。
このように、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法は、直線状の垂直電荷転送路５１Ａに沿って、フォトダイオード３１が行列状に配置される正方格子構造の固体撮像素子にも適用でき、上記と同様の効果を奏するものである。
図１０は正方格子構造の４相駆動における垂直転送路の配置を表す平面図、図１１は正方格子構造の４相駆動における電極の配置を表す模式図である。
上記図を前述のハニカム構造における固体撮像装置の駆動方法と照らし合わせてみると、同様の駆動により撮像処理が行えることが分かる。
このように、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法は、直線状の垂直電荷転送路５１Ａに沿って、フォトダイオード３１が行列状に配置される正方格子構造の固体撮像素子にも適用でき、上記と同様の効果を奏するものである。
また、上記の実施の形態では、固体撮像素子がＣＣＤ型固体撮像素子である場合を例に説明したが、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法は、これに限らず、ＭＯＳ型の撮像素子に対しても好適に用いて同様の効果を奏する。
３１ フォトダイオード（光電変換素子）
３３ 画素部
４１ 半導体基板
４３ タイミング信号供給部
５１ 垂直電荷転送路（電荷転送部）
５３ａ 第１転送電極
５３ｂ 第２転送電極
１００ 固体撮像素子
３３ 画素部
４１ 半導体基板
４３ タイミング信号供給部
５１ 垂直電荷転送路（電荷転送部）
５３ａ 第１転送電極
５３ｂ 第２転送電極
１００ 固体撮像素子
Claims (5)
- 光に感応して電荷を発生する光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部と、前記光電変換素子に隣接して帯状に設けられ該光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とが半導体基板表面層に形成され、タイミング信号供給部から前記電荷転送部の電荷転送を行う駆動パルスを供給する固体撮像素子であって、
前記電荷転送部が、
前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、
前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極と、を有し、
前記タイミング信号供給部が、前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記第１、第２転送電極に駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する固体撮像素子。 - 請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記転送する信号電荷は電子であり、前記バリア電位となるパルス信号が、ローレベルの信号である固体撮像素子。 - 光に感応して電荷を発生する光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置した画素部と、前記光電変換素子に隣接して帯状に設けられ該光電変換素子が発生した信号電荷を転送する複数の電荷転送部とが半導体基板表面層に形成され、前記電荷転送部の電荷転送を行う駆動パルスを供給するタイミング信号供給部を備えた固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷転送路に沿った信号電荷の転送時には、前記光電変換素子から電荷の読み出し転送と前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送とを行うための第１転送電極と、前記第１転送電極同士の間に設けられ前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送を行うための第２転送電極に対して、駆動用パルス信号を供給し、
前記電荷転送部に沿った信号電荷の転送停止時に、前記第１転送電極が前記光電変換素子に対して暗電流を生じさせないレベルのバリア電位となるパルス信号を供給する固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項３記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動用パルス信号が、４相駆動用のパルス信号である固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項３記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動用パルス信号が、８相駆動用のパルス信号である固体撮像素子の駆動方法。
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