(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構を有する複数個の光電変換部と、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、前記光電変換部から信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する出力手段とを有し、前記出力手段は前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の基板電圧により第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構の縦型ＯＦＤ構造を有する光電変換部と、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、前記光電変換部から信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する出力手段とを有し、前記出力手段は前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、第２の基板電圧により前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構を有する複数個の光電変換部を有し、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、光電変換部から信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する固体撮像装置の駆動方法において、前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の基板電圧により第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構の縦型ＯＦＤ構造の光電変換部を有し、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、複数の光電変換部の所望の領域に分割して信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する固体撮像装置の駆動方法において、前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、第２の基板電圧により前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記第２の電位障壁と前記第１の電位障壁の電位差が０．４Ｖ以上あり、かつ前記第３の電位と前記第２の電位障壁の電位差が０．４Ｖ以上あることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置の構成およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在スチルカメラ、パソコンの入力として使用されている固体撮像装置は、カメラ一体型ＶＴＲ用に開発されたものを流用しており、標準テレビ受像機の表示方式（インタレース方式）とパソコン用モニタとの表示方式（プログレッシブ方式）の違いのため、画素数や走査方式を変換する等の信号処理が必要となっている。
【０００３】
このため、電子スティルカメラ、パソコンの入力として使用される固体撮像装置は、画素数や走査方式を変換する等の信号処理が不要で、全画素読み出し可能なプログレッシブ方式固体撮像装置が用いられてきた。
【０００４】
しかし、工程数が少なく、セル部の高集積化が容易であり、カメラ一体型ＶＴＲ用と兼用できるインターレース方式固体撮像装置も数多く使用されている（参考文献：竹村裕夫著「ＣＣＤカメラ技術」ラジオ技術社、昭和６１年１１月３日初版発行、ｐｐ２３−３０、ｐｐ４６−５０）。
第７図は、従来の２層電極４相駆動方式の電荷転送装置を垂直電荷転送部に有するインタレース方式の固体撮像装置の平面概念図である。第７図において、従来のインタレース方式の固体撮像装置は、１０１の光電変換部、１０２の２層電極４相駆動方式の電荷転送装置からなる垂直電荷転送部、１０３の水平電荷転送部、１０４の出力回路部で構成されている。また、垂直方向の２個の光電変換部に対して１段の垂直電荷転送部、すなわち１個の光電変換部に対して１／２段の垂直電荷転送部が対応して配置されている構成となっている。
【０００５】
第８図は、従来の固体撮像装置のセル部の平面図であり、光電変換部１０１、垂直電荷転送部１０２、第１の電荷転送電極１０５、第２の電荷転送電極１０６から構成されている。
【０００６】
第９図は、第８図のＩ−Ｉ’面のセル部の断面図であり、Ｎ−型半導体基板１０７、Ｐ−型半導体基板１０８、Ｎ型半導体領域１０９、Ｐ＋型半導体領域１１０、１層目の多結晶シリコン１１１で形成された第１の電荷転送電極１０５、２層目の多結晶シリコン１１２で形成された第２の電荷転送電極１０６、遮光膜となるアルミニウム膜１１３、絶縁膜１１４、カバー絶縁膜１１５から構成されている。
【０００７】
このようなインターレース方式の固体撮像装置は、第１０図に示したタイミングチャートにより以下のように動作される。
【０００８】
まず、時間ｔ１に光電変換部に存在する不要電荷をリセットするために、第１１図に示したようにＮ−型半導体基板１０７に逆バイアス電圧ＶＨｓｕｂを印加することにより、光電変換部１０１を構成するＮ型半導体領域１０９、および直下形成された濃度の薄いＰ−型半導体領域１０８を完全に空乏化させ不要電荷をすべてＮ−半導体基板１０７に除去する。このような構造は一般に縦型オーバフロードレイン（縦型ＯＦＤ）構造と呼ばれている。（参考文献：テレビジョン学会誌  Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１０（１９８３）  ｐｐ７８２−７８７）
続いて、Ｎ−型半導体基板１０７に電圧ＶＢｓｕｂを印加し、光電変換部１０１にて入射光量に応じた信号電荷の蓄積を開始するとともに、光電変換部１０１に蓄積しきれない余剰電荷を縦型ＯＦＤ構造を使ってＮ−半導体基板１０７に除去するブルーミング制御を行う。次に、時間ｔ２に所定の採光時間（ｔ２−ｔ１）が経過したのち、固体撮像装置の前面に配置された機械式シャッタ等の光遮断手段により入射光を遮断する。
【０００９】
次に、時間ｔ４に水平方向の奇数行の光電変換部、たとえば信号電荷１１，１２，１３，３１，３２，３３，５１，５２，５３が対応する垂直電荷転送部１０２へと読み出されたのち、各垂直電荷転送部１０２中を垂直方向に転送された水平の１ライン毎に水平電荷転送部１０３へ送られ、水平電荷転送部１０３中を水平方向に転送され出力回路部１０４を介して出力される。
【００１０】
最後に、時間ｔ５に水平方向の偶数行の光電変換部、たとえば信号電荷２１，２２，２３，４１，４２，４３，６１，６２，６３が対応する垂直電荷転送部１０２へと読み出されたのち、前記の場合と同様にして出力される。これにより、１画面分のすべての画素の信号電荷が得られる。（参考文献：竹村裕夫著「ＣＣＤカメラ技術」ラジオ技術社  ｐｐ２３−３０，ｐｐ４６−５０）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の固体撮像装置では、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、光電変換部を所望の領域に分割し、複数回に分けて垂直電荷転送部に信号電荷を読み出し、出力する場合において、読み出しの回数を重ねる毎に飽和信号量が減少するという欠点があった。
【００１２】
本発明の目的は、読み出しの回数を重ねる毎に飽和信号量が減少するという欠点を改善した固体撮像装置と駆動方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構を有する複数個の光電変換部と、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、前記光電変換部から信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する出力手段とを有し、前記出力手段は前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする。
【００１７】
また本発明の固体撮像素子の駆動方法は、入射光量に対して所望の時間、信号電荷を蓄積し、第１の電位障壁を設定することにより過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構を有する複数個の光電変換部を有し、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、光電変換部から信号電荷を読み出し、出力する動作を複数回繰り返して全光電変換部の信号電荷を出力する固体撮像装置の駆動方法において、前記光遮蔽手段により入射光が閉ざし、前記第１の電位障壁より高く、前記光電変換部に隣接した信号読み出し領域に信号読み出し期間外に形成される第３の電位より低い第２の電位障壁に設定した後、信号電荷の読み出しを開始することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施例を図面を参照して説明する。
【００１９】
本発明の第１の実施例の過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構として縦型ＯＦＤ構造を有するインターレース方式の固体撮像装置は、第１図に示したタイミングチャートにより以下のように動作される。
【００２０】
まず、時間ｔ１に光電変換部に存在する不要電荷をリセットするために、第２図に示したようにＮ−型半導体基板１０７に逆バイアス電圧ＶＨｓｕｂを印加することにより、光電変換部１０１を構成するＮ型半導体領域１０９、および直下形成された濃度の薄いＰ−型半導体領域１０８を完全に空乏化させ不要電荷をすべてＮ−半導体基板１０７に除去する。
【００２１】
続いて、Ｎ−型半導体基板１０７に電圧ＶＢｓｕｂを印加し、光電変換部１０１にて入射光量に応じた信号電荷の蓄積を開始するとともに、光電変換部１０１に蓄積しきれない余剰電荷を縦型ＯＦＤ構造を使ってＮ−半導体基板１０７に除去するブルーミング制御を行う。次に、時間ｔ２に所定の採光時間（ｔ２−ｔ１）が経過したのち、固体撮像装置の前面に配置された機械式シャッタ等の光遮断手段により入射光を遮断する。
【００２２】
次に、時間ｔ３にＮ−型半導体基板１０７に電圧ＶＬｓｕｂを印加し、信号電荷に対する縦型ＯＦＤ構造の電位障壁を△Φだけ高くすることにより、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制し、蓄積された信号電荷が減少するのを抑制する。この現象は△Φの値に敏感に依存し、図６に示したように０．４Ｖ以上電位障壁を高くすることにより、実用上問題のないレベルに改善されるが、マージンを考慮すると０．７Ｖ程度に設定することが望ましい。
【００２３】
また、△Φだけ電位障壁を高くした電位Φ’は、光電変換部１０１に隣接した信号読み出し部１２０に信号読み出し期間外に電荷転送電極１０６に印加される電圧ＶＭｃｌにて形成される電位Φｔｇより深いことが望ましい。この電位Φ’が電位Φｔｇと同電位、あるいは浅くなった場合、光電変換部１０１に蓄積された電荷が信号読み出し部１２０を介して、垂直電荷転送部１０２に漏れ込むという問題点が生じる。この現象も、電位Φｔｇと電位Φ’の電位差△Φ’の値に敏感に依存し、電位差△Φ’を０．４Ｖ以上にすることにより改善されるが、０．７Ｖ程度に設定することが望ましい。
【００２４】
次に、時間ｔ４に水平方向の奇数行の光電変換部、たとえば信号電荷１１，１２，１３，３１，３２，３３，５１，５２，５３が対応する垂直電荷転送部１０２へと読み出されたのち、各垂直電荷転送部１０２中を垂直方向に転送された水平の１ライン毎に水平電荷転送部１０３へ送られ、水平電荷転送部１０３中を水平方向に転送され出力回路部１０４を介して出力される。
【００２５】
最後に、時間ｔ５に水平方向の偶数行の光電変換部、たとえば信号電荷２１，２２，２３，４１，４２，４３，６１，６２，６３が対応する垂直電荷転送部１０２へと読み出されたのち、前記の場合と同様にして出力される。これにより、１画面分のすべての画素の信号電荷が得られる。
【００２６】
本発明の第１の実施例の固体撮像装置は、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、基板電圧をＶＬｓｕｂ値に設定し、信号電荷に対する電位障壁を高くし、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制したのち、光電変換部の所望の領域から垂直電荷転送部に信号電荷を読み出し、出力するため、蓄積時間の違いにより飽和信号量が減少するという欠点を抑制できる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施例を図面を参照して説明する。第４図は、ＸＹアドレス方式の固体撮像装置の平面概念図である。
【００２８】
第４図において、ＸＹアドレス方式の固体撮像装置は、２０１の光電変換部、２０２の垂直シフトレジスタ、２０３の水平シフトレジスタ、２０４のロードトランジスタ、２０５のアドレス線、２０６の信号線で構成されている。
【００２９】
第５図（ａ）は、光電変換部２０１の断面図であり、Ｐ−型半導体基板２２１、Ｐ型半導体領域２２２、Ｐ＋型半導体領域２２３、Ｎ型半導体領域２２４、Ｎ＋型半導体領域２２５、リセットトランジスタ２１１、ソースフォロア回路のドライブトランジスタ２１２、選択トランジスタＸ２１３から構成されている。
【００３０】
本発明の第２の実施例の過剰電荷を除去するブルーミング抑制機構として横型ＯＦＤ構造を有するＸＹアドレス方式の固体撮像装置は、第３図に示したタイミングチャートにより以下のように動作される。
【００３１】
まず、時間ｔ１に光電変換部に存在する不要電荷をリセットするために、第５図（ｃ）に示したようにリセットトランジスタ２１１に電圧ＶＨｇを印加することにより、リセットトランジスタ２１１下の電位を深くし、光電変換部２０１を構成するＮ型半導体領域２２４の電位を電源電圧ＶＤＤにセットする。
【００３２】
続いて、リセットトランジスタ２１１に電圧ＶＢｇを印加し、光電変換部２０１にて入射光量に応じた信号電荷の蓄積を開始するとともに、光電変換部２０１に蓄積しきれない余剰電荷を水平ＯＦＤ構造を使って電源電圧ＶＤＤが印加されたＮ＋半導体領域２２５に除去するブルーミング制御を行う。
【００３３】
次に、時間ｔ２に所定の採光時間（ｔ２−ｔ１）が経過したのち、固体撮像装置の前面に配置された機械式シャッタ等の光遮断手段により入射光を遮断する。
【００３４】
次に、時間ｔ３にリセットトランジスタ２１１に電圧ＶＬｇを印加し、信号電荷に対する横型ＯＦＤ構造の電位障壁を△Φだけ高くすることにより、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制し、蓄積された信号電荷が減少するのを抑制する。この現象は△Φの値に敏感に依存し、０．４Ｖ以上電位障壁を高くすることにより、実用上問題のないレベルに改善されるが、マージンを考慮すると０．７Ｖ程度に設定することが望ましい。
【００３５】
次に、時間ｔ４に水平方向の奇数行の光電変換部から信号電荷が読み出されたのち、出力される。
【００３６】
最後に、時間ｔ５に水平方向の偶数行の光電変換部から信号電荷が読み出されたのち、同様にして出力される。これにより、１画面分のすべての画素の信号電荷が得られる。
【００３７】
本発明の第２の実施例の固体撮像装置は、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、リセットゲート電圧をＶＬｇ値に設定し、信号電荷に対する電位障壁を高くし、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制したのち、光電変換部の所望の領域から信号電荷を読み出し、出力するため、蓄積時間の違いにより飽和信号量が減少するという欠点を抑制できる。
【００３８】
なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。たとえば、第２の実施例では、光電変換部１０１に隣接した信号読み出し部１２０がない例を記載したが、信号読み出し部１２０があるものに対しても、同様に適用できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の実施例の固体撮像装置は、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、基板電圧をＶＬｓｕｂ値に設定し、信号電荷に対する電位障壁を高くし、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制したのち、光電変換部の所望の領域から垂直電荷転送部に信号電荷を読み出し、出力するため、蓄積時間の違いにより飽和信号量が減少するという欠点を抑制できるという効果がある。
【００４０】
本発明の第２の実施例の固体撮像装置は、光遮蔽手段により入射光が閉ざされた後、リセットゲート電圧をＶＬｇ値に設定し、信号電荷に対する電位障壁を高くし、ｓｅｌｆ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｒｉｆｔ（静電反発）あるいはｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（熱拡散）電流に起因したリークを抑制したのち、光電変換部の所望の領域から信号電荷を読み出し、出力するため、蓄積時間の違いにより飽和信号量が減少するという欠点を抑制できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート。
【図２】本発明の第１の実施例の縦型ＯＦＤ構造を有する光電変換部の電位ポテンシャル図。
【図３】本発明の第２の実施例の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート。
【図４】本発明の第２の実施例の固体撮像装置の平面概念図。
【図５】本発明の第２の実施例の水平ＯＦＤ構造を有する光電変換部の断面図と電位ポテンシャル図。
【図６】本発明の第１の実施例の電位差と飽和信号減少比率の関係を示す図。
【図７】従来の固体撮像装置の平面概念図。
【図８】従来の固体撮像装置の光電変換部の平面図。
【図９】従来の固体撮像装置の光電変換部のＩ−Ｉ’面の断面図。
【図１０】従来の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート。
【図１１】従来の縦型ＯＦＤ構造を有する光電変換部の電位ポテンシャル図。
【符号の説明】
１０１    光電変換部
１０２    垂直電荷転送部
１０３    水平電荷転送部
１０４    出力回路部
１０５    第１の電荷転送電極
１０６    第２の電荷転送電極
１０７    Ｎ−型半導体基板
１０８    Ｐ−型半導体領域
１０９    Ｎ型半導体領域
１１０    Ｐ＋型半導体領域
１１１    １層目の多結晶シリコン
１１２    ２層目の多結晶シリコン
１１３    アルミニウム膜
１１４    絶縁膜
１１５    カバー絶縁膜
１２０    信号読み出し部
２０１    光電変換部
２０２    垂直シフトレジスタ
２０３    水平シフトレジスタ
２０４    ロードトランジスタ
２０５    アドレス線
２０６    信号線
２２１    Ｐ−型半導体基板
２２２    Ｐ型半導体領域
２２３    Ｐ＋型半導体領域
２２４    Ｎ型半導体領域
２２５    Ｎ＋型半導体領域
２１１    リセットトランジスタ
２１２    ソースフォロア回路のドライブトランジスタ
２１３    選択トランジスタＸ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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