(57)【要約】微少信号を取り扱うときの転送効率を向上させ、高感度での画質を改善した固体撮像装置を提供する。その固体撮像装置は、オーバーフロードレイン機能を持つ複数のフォトダイオード（１）と、フォトダイオード（１）からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部（２）と、転送されてきた信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部（４）と、垂直転送部（２）を構成する転送電極に印加する駆動パルスと基板に印加する電圧またはパルスを制御するタイミング発生回路（５８）とを備え、タイミング発生回路（５８）は、「高感度スチルモード」では、信号電荷を転送または保持する垂直転送部（２）の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、「通常スチルモード」時における転送容量より小さくなり、フォトダイオード（１）から垂直転送部（２）への読み出し期間において、「通常スチルモード」時における転送容量と同等の容量となるように、制御する。
2010137232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板電圧を調整することによるオーバーフロードレイン機能を持つ複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、前記垂直転送部を構成する転送電極に印加する駆動パルスと前記基板に印加する電圧またはパルスを制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は、
前記光電変換部を露光させている露光期間においては第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第１の基板電圧より高い第２の基板電圧に達する第１の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号を第１の飽和信号量に調整する第１の駆動モードと、
前記光電変換部への露光期間においては前記第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第２の基板電圧より高い第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号量を前記第１の飽和信号量より小さい第２の飽和信号量に調整する第２の駆動モードとを備え、
前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量より小さくなり、光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、または、当該第２の駆動モード時における垂直方向または水平方向への転送期間での転送容量より大きい容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、または光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動制御部はさらに、前記第２の駆動モードにおいて通常転送から高速転送に移行する際には、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量を拡大させるように、前記転送電極に駆動パルスを印加し、
前記第２の駆動モードにおける転送容量から、転送容量を拡大する駆動パルスは、前記通常転送での垂直転送パルスより遅い周波数である
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記転送容量を拡大する駆動パルスは、前記光電変換部から前記垂直転送部への読み出し前に転送容量を拡大する時に、前記転送電極に印加される
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記転送容量を拡大する駆動パルスは、前記光電変換部から垂直転送部への読み出し前に行われる、垂直転送部のノイズ信号を排出する掃出駆動の直前に送容量を拡大する時に、前記転送電極に印加される
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記駆動制御部は、さらに、前記基板と同一基板上に形成され、標準電圧を発生する標準電圧発生回路を備え、当該標準電圧発生回路から出力される標準電圧を参照し、それに応じた重畳用基板電圧調整パルスを発生させ、
前記標準電圧発生回路は、前記駆動制御部からの基板電圧変調用スイッチングパルスを受けて基板に印加する電圧を変調し、
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モード時に、露光期間の終了後、且つ、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出す動作の前に、前記基板電圧変調用スイッチングパルスにより基板電圧を上昇させると共に、前記重畳用基板電圧調整パルスを更に重畳させて基板電圧を上昇させることにより、前記第２の基板電圧調整用パルスを前記基板に印加する
請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記重畳用基板電圧調整パルスは、その波高値が画素混合モードにおける基板電圧調整パルスの波高値と同一である
請求項６に記載の固体撮像装置。 
【請求項８】
前記第１および第２の駆動モードは、前記露光期間終了後に前記複数の光電変換部の信号電荷を複数のフィールドに分割して読み出して出力するスチル駆動の駆動モードであり、
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モードにおいて、前記露光期間終了後の前記読み出し動作前に前記第３の基板電圧に達する前記第２の基板電圧調整パルスを加えた後に、前記第１の基板電圧に変調せずに、前記第２の基板電圧とし、前記複数の光電変換部の信号電荷を分割して読み出す
請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モードにおいて、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、前記第３の基板電圧に達する前記第２の基板電圧調整パルスを印加する
請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モードにおいて、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、基板電圧を調整する前記第２の基板電圧調整パルスを印加し、
前記露光期間終了後から第１回目の前記第２の基板電圧調整パルスの振幅は、前記第３の基板電圧とし、第２回目以降の前記第２の基板電圧調整パルスの振幅は、前記第３の基板電圧より低い第４の基板電圧である
請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記駆動制御部は、前記第２の駆動モードにおいて、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、基板電圧を調整する前記第２の基板電圧調整パルスを印加し、
前記露光期間終了後から第２回目以降の前記第２の基板電圧調整パルスのパルス幅は、前記露光期間終了後から第１回目の前記第２の基板電圧調整パルスのパルス幅より狭い
請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第４の基板電圧は、前記光電変換部の飽和信号を第３の飽和信号量に調整する電圧であり、
前記第３の飽和信号量は、前記第３の基板電圧により調整される第２の飽和信号量より大きく、且つ、前記第２の駆動モード時における転送容量より小さい
請求項１０または１１に記載の固体撮像装置。 
【請求項１３】
基板電圧を調整することによるオーバーフロードレイン機能を持つ複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備える固体撮像装置において、前記垂直転送部を構成する転送電極に印加する駆動パルスと前記基板に印加する電圧またはパルスを制御する駆動方法であって、
第１の駆動モードにおいて、前記光電変換部を露光させている露光期間においては第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第１の基板電圧より高い第２の基板電圧に達する第１の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号を第１の飽和信号量に調整するステップと、
第２の駆動モードにおいて、前記光電変換部への露光期間においては前記第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第２の基板電圧より高い第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号量を前記第１の飽和信号量より小さい第２の飽和信号量に調整するステップとを含み、
前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量より小さくなり、光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、または、当該第２の駆動モード時における垂直方向または水平方向への転送期間での転送容量より大きい容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第２の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する
請求項１３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記第２の駆動モードは、更に、垂直転送部の転送容量を、前記信号電荷を垂直方向に転送している期間の転送容量より、前記読み出し期間での転送容量に、転送容量を拡大するための転送容量拡大ステップを含み、
前記転送容量拡大ステップにおける駆動パルス周波数は、通常転送における垂直転送駆動パルス周波数より遅い
請求項１３または１４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記転送容量拡大ステップは、前記読み出し期間の直前に行われる
請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記第２の駆動モードは、更に垂直転送部に蓄積されたノイズ信号を掃出する高速転送ステップを含み、前記転送容量拡大ステップは、前記高速転送ステップの直前に行われる
請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
前記第１および第２の駆動モードは、前記露光期間終了後に前記複数の光電変換部の信号電荷を複数のフィールドに分割して読み出して出力するスチル駆動の駆動モードであり、
前記第２の駆動モードでは、前記露光期間終了後の前記読み出し動作前に前記第３の基板電圧に達する前記第２の基板電圧調整パルスを加えた後に、前記第１の基板電圧に変調せずに、前記第２の基板電圧とし、前記複数の光電変換部の信号電荷を分割して読み出す
請求項１３から１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
前記第２の駆動モードでは、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、前記第３の基板電圧に達する前記第２の基板電圧調整パルスを印加する
請求項１３から１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
前記第２の駆動モードでは、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、基板電圧を調整する前記第２の基板電圧調整パルスを印加し、
前記露光期間終了後から第１回目の前記第２の基板電圧調整パルスの振幅は、前記第３の基板電圧とし、第２回目以降の前記第２の基板電圧調整パルスの振幅は、前記第３の基板電圧より低い第４の基板電圧である
請求項１３から１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２１】
前記第２の駆動モードでは、前記露光期間終了後、前記複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、基板電圧を調整する前記第２の基板電圧調整パルスを印加し、
前記露光期間終了後から第２回目以降の前記第２の基板電圧調整パルスのパルス幅は、前記露光期間終了後から第１回目の前記第２の基板電圧調整パルスのパルス幅より狭い
請求項２０に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２２】
前記第４の基板電圧は、前記光電変換部の飽和信号を第３の飽和信号量に調整する電圧であり、
前記第３の飽和信号量は、前記第３の基板電圧により調整される第２の飽和信号量より大きく、且つ、前記第２の駆動モード時における転送容量より小さい
請求項２０または２１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクス状に配列された複数の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して、二次元の画像信号を得るように構成された固体撮像装置に関し、特に微少信号の転送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識部を構成し、撮像素子としてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサが広く用いられている。【０００３】
従来例のＣＣＤ型イメージセンサを用いた固体撮像装置の平面構造について、図１１の模式図を参照して説明する（例えば特許文献１参照）。フォトダイオード１は光電変換部を形成し、マトリクス状に複数配列されている。フォトダイオード１の各列間に、垂直転送部２が配列されて撮像領域３が形成されている。各フォトダイオード１に蓄積された電荷は垂直転送部２へ移送され、垂直転送部２により、水平転送部４へ向けて垂直方向に並列転送される。従って水平転送部４には、複数本の垂直転送部２から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平転送部４に達した電荷は水平方向へ転送されて、電荷検出部５により信号電圧に変換され、出力アンプ６で増幅された後、撮像出力ＯＵＴとして導出される。以上の要素がｎ型基板７上に形成されている。【０００４】
垂直転送部２は、タイミング発生回路８から供給される、例えば６相の転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５、φＶ６によって転送駆動される。これにより、垂直転送部２に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に１走査線に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送される。水平転送部４は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１、φＨ２によって転送駆動される。これにより、１走査線分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、順次水平方向に転送される。【０００５】
ｎ型基板７は抵抗１１を介して接地されており、ｎ型基板７と抵抗１１の接続点に、標準電圧発生回路９がダイオード１０を介して接続されている。標準電圧発生回路９が発生する標準電圧は、基板電圧Ｖｓｕｂとしてｎ型基板７に印加される。基板電圧Ｖｓｕｂは、後述するように、フォトダイオード１に蓄積される信号電荷の飽和量を決定するために印加される電圧である。ＣＣＤ型イメージセンサの製造ばらつきに伴う、基板電圧Ｖｓｕｂにより形成されるポテンシャル障壁の高さのばらつきを考慮して、標準電圧は、個々の素子（チップ）ごとに最適値に設定されている。【０００６】
一方、電子シャッター動作が可能なＣＣＤイメージセンサでは、タイミング発生回路８でシャッターパルスＳＰを生成し、このシャッターパルスＳＰがコンデンサ１２で直流カットされた後、ｎ型基板７に印加される。このとき、シャッターパルスＳＰの低レベルは、ダイオード１０によって標準電圧の直流レベルにクランプされる。【０００７】
図１１のＡ−Ａ線に沿った素子断面図を、図１２に示す。ｎ型基板７の上部にｐウェル領域１７が形成され、その中にフォトダイオード１、および垂直ＣＣＤチャンネル２ａが形成されている。その上に、垂直ＣＣＤの転送電極とフォトダイオード１からの信号電荷の移送を制御する電極を兼ねた電極１８が形成されている。１９は素子分離領域である。この構造の素子は、３値のパルスによって駆動され、最も高い電圧が印加された時に、フォトダイオード１から移送ゲート領域２４を通って、信号電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａに移送される。【０００８】
この素子における、ブルーミング抑制のための動作について、図１２のＢ−Ｃ−Ｄ線に沿った電位分布を表わす図１３を参照して説明する。同図において、図面下部には実線と破線で電位分布が示され、図面の上部には、対応する各領域が示されている。電位分布については、図面の下方にむけてポテンシャル（電位）が大きくなるように描かれている。同図における各領域は、対応するフォトダイオード１、移送ゲート領域２４、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ、ｐウェル領域１７、ｎ型基板７と同一の参照番号を用いて示す。ｐウェル領域１７とｎ型基板７間には基板電圧Ｖｓｕｂが印加されているので、ｐｎ接合されたフォトダイオード１の下部のｐウェル領域１７は空乏化され、実線で示される電位分布において電位障壁が形成されている。また、移送ゲート領域２４の実線で示される電位は、信号電荷が移送されないときの状態を示す。信号電荷を移送するときは破線で示される電位になる。【０００９】
移送ゲート領域２４が破線で示す電位になったときに、フォトダイオード１の電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａへ移送されることにより、フォトダイオード１は電位２５ａで示す空の状態になる。移送期間が終了し蓄積期間が開始されると、入射する光により電荷が蓄積されるのに伴い、フォトダイオード１のポテンシャルの井戸は電位２５ｂに示すように浅くなっていく。電位２５ｂが、実線の電位分布におけるｐウェル領域１７の電位２６ａよりも下がると、過剰電荷がｐウェル領域１７を通過してｎ型基板７に排出される。このようにして、ｐウェル領域１７の電位障壁で決まる飽和電荷量を超えてフォトダイオード１に電荷が蓄積されたとき、過剰電荷がｎ型基板７に排出されることにより、ブルーミングが抑制される。基板電圧Ｖｓｕｂを高くすれば、電位分布は破線で示す状態になり、ｐウェル領域１７の電位２６ｂで示される飽和電荷量が低い値に設定される。基板電圧Ｖｓｕｂを適宜設定することにより、素子の特性に適合したブルーミング抑制効果を得ることができる。【００１０】
特許文献１には暗信号を低減するために、駆動モードに合わせてフォトダイオードからの読み出しをするときから垂直転送部の容量を変更する技術が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２８６４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年の固体撮像素子の高画素化（高密度化）に伴う単位画素サイズの微細化により、垂直転送部の転送効率と転送容量の両立が困難になってきている。すなわち、微細化に伴い垂直転送部の転送幅は縮小されていくが、転送容量を保つためには、転送電極のゲート絶縁膜の薄膜化や不純物濃度の高濃度化といった対応を迫られるが、これらの対策は、転送効率を劣化させる。【００１３】
特にＩＳＯ感度を高くしたカメラ設定では、取扱信号量が極端に減少し、転送劣化による信号の取り残しの影響が画質を大幅に劣化させている。【００１４】
本発明は、取り扱う信号量が極小であっても、転送効率の劣化を防止し、画質不良の発生を抑制し、高画素化、微細化の進んだ今日においてもその取扱電荷量と転送効率を両立する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、基板電圧を調整することによるオーバーフロードレイン機能を持つ複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、前記垂直転送部を構成する転送電極に印加する駆動パルスと前記基板に印加する電圧またはパルスを制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、前記光電変換部を露光させている露光期間においては第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第１の基板電圧より高い第２の基板電圧に達する第１の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号を第１の飽和信号量に調整する第１の駆動モードと、前記光電変換部への露光期間においては前記第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第２の基板電圧より高い第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号量を前記第１の飽和信号量より小さい第２の飽和信号量に調整する第２の駆動モードとを備え、前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量より小さくなり、光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する。【００１６】
これにより、取扱電荷量が小さい撮像条件であっても、擬似的に垂直転送部の転送容量を小さくすることにより、相対的に取扱電荷量を減少させない事が出来るため、転送効率の影響が出にくくなる。【００１７】
なお、本発明は、固体撮像装置として実現できるだけでなく、基板電圧を調整することによるオーバーフロードレイン機能を持つ複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備える固体撮像装置において、前記垂直転送部を構成する転送電極に印加する駆動パルスと前記基板に印加する電圧またはパルスを制御する駆動方法であって、第１の駆動モードにおいて、前記光電変換部を露光させている露光期間においては第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第１の基板電圧より高い第２の基板電圧に達する第１の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号を第１の飽和信号量に調整するステップと、第２の駆動モードにおいて、前記光電変換部への露光期間においては前記第１の基板電圧であり、前記露光期間後であって前記光電変換部から垂直転送部へ読み出す前においては前記第２の基板電圧より高い第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを前記基板に印加することにより、前記光電変換部の飽和信号量を前記第１の飽和信号量より小さい第２の飽和信号量に調整するステップとを含み、前記第２の駆動モードでは、信号電荷を転送または保持する前記垂直転送部の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量より小さくなり、光電変換部から垂直転送部への読み出し期間において、前記第１の駆動モード時における転送容量と同等の容量となるように、前記転送電極に駆動パルスを印加する固体撮像装置の駆動方法として実現することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体撮像装置およびその駆動方法によれば、高ＩＳＯ感度時の微少信号時においても、転送効率劣化による画質劣化を防止することが出来るため、転送容量と転送効率を両立した高微細化に適した固体撮像装置を供給することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の「通常スチルモード」における駆動方法を示すタイミング図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の「高感度スチルモード」における駆動方法を示すタイミング図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態の変形例における「高感度スチルモード」における駆動方法を示すタイミング図であり、図２ＢにおけるＡ部を拡大したタイミング図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態の変形例における「高感度スチルモード」における駆動方法を示すタイミング図であり、図２ＢにおけるＢ部を拡大したタイミング図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置のフォトダイオード周辺部における電位分布を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施の形態（高感度スチルモード）における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図７】図７は、「高感度スチルモード」におけるタイミングとその際のフォトダイオードに蓄えられる信号電荷の時間推移を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図９】図９は、第３フィールドにおける信号電荷および白キズ電荷の時間変化を示すタイミング図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施の形態の変形例における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図１１】図１１は、従来の技術における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、従来の技術における固体撮像装置のフォトダイオード周辺部の断面図である。
【図１３】図１３は、従来の技術における固体撮像装置のフォトダイオード周辺部における電位分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態における固体撮像装置およびその駆動方法について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置について説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。この固体撮像装置は、フォトダイオード１および垂直転送部２からなる撮像領域３、水平転送部４、電荷検出部５、出力アンプ６、タイミング発生回路５８、および、標準電圧発生回路９を備える。図１１に示される従来の固体撮像装置に比べ、タイミング発生回路５８だけが異なる。つまり、図１２に示される素子断面構造と、図１３に示される電位分布については、本実施の形態でも同様である。以下、従来と同じ構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
タイミング発生回路５８は、垂直転送部２を構成する転送電極に印加する駆動パルスと基板７に印加する電圧またはパルスを制御する駆動制御部の一例であり、垂直転送部２および水平転送部４にクロックを供給することで信号電荷の垂直転送と水平転送を制御する点において、従来のタイミング発生回路８と同じであるが、通常のＩＳＯ感度での「通常スチルモード（第１の駆動モード）」と高ＩＳＯ感度での「高感度スチルモード（第２の駆動モード）」に応じた独自の駆動（垂直転送部２の転送容量の調整）を行う点で、従来のタイミング発生回路８と異なる。
【００２４】
具体的には、このタイミング発生回路５８（駆動制御部）は、「高速スチルモード」では、垂直転送部２の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、「通常スチルモード」時における転送容量より小さくなり、光電変換部であるフォトダイオード１から垂直転送部２への読み出し期間において、「通常スチルモード」時における転送容量と同等の容量となるように、転送電極に駆動パルスを印加する。
【００２５】
図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法（主に、タイミング発生回路５８の動作）のタイミングを示す模式図である。
【００２６】
図２Ａは通常のＩＳＯ感度での「通常スチルモード」の駆動パルス、図２Ｂは高ＩＳＯ感度での「高感度スチルモード」の駆動パルスを示す。
【００２７】
図２Ａ、図２Ｂ共に総画素数７百万画素ＣＣＤでの読み出し動作、垂直転送動作の例を表しており、どちらも３フィールドで１画面分全画素の信号を出力する内の第１フィールドにおける、読み出し動作と垂直転送動作の例を示している。
【００２８】
転送電極はＶ１からＶ６の６種類の電極を用いており、垂直転送部２での信号電荷の保持と転送はＭＩＤＤＬＥレベルとＬＯＷレベルのパルスにより駆動している。読み出し動作時の読み出しパルスはＨＩＧＨレベルのパルスにより駆動している。本実施の形態に依ればＶ１電極にＨＩＧＨレベルのパルスが印加される。つまり、図２Ａおよび図２Ｂにおける転送電極Ｖ１〜Ｖ６のタイミングチャートは、３値（ＬＯＷ／ＭＩＤＤＬＥ／ＨＩＧＨ）用のタイミングが示されているが、ここでは、ＨＩＧＨレベルとなるのは、「読み出し動作」における転送電極Ｖ１だけであり、他のタイミングでは、ＬＯＷレベルまたはＭＩＤＤＬＥレベルとなっている。
【００２９】
１段１段の垂直転送はＨＤ（水平同期）期間において垂直転送パルスがＶ１からＶ６に印加されることで行われる。
【００３０】
垂直転送パルスが印加されていない期間または、ＨＤ期間外の期間には、図示はしていないが、水平転送パルスが印加され、水平転送部４に転送された信号電荷が水平方向に転送される。この期間を垂直信号保持期間と称しておく。
【００３１】
垂直転送パルスにより各段の垂直転送動作と、その後の垂直信号保持期間（この間に水平転送が行われる）とを繰り返しながら、ＶＤ（垂直同期）期間に、各フィールドでの信号電荷を出力していく。
【００３２】
「通常スチルモード」を示す図２Ａでは、前述の垂直信号保持期間では、図２Ａの「転送動作」における転送電極Ｖ１〜Ｖ６の通常状態でのレベルから分かるように、Ｖ１電極からＶ４電極がＭＩＤＤＬＥレベルとなっており、信号電荷はこのＭＩＤＤＬＥレベルに保持されている４電極に保持される。なお、本明細書において、「信号電荷が電極に保持／転送される」とは、「信号電荷が、電極の直下における垂直転送部２の部位に保持／転送される」ことである。
【００３３】
読み出し動作においても、図２Ａの「読み出し動作」に示されるように、Ｖ１からＶ４電極がＭＩＤＤＬＥレベルであるときに、Ｖ１に更にＨＩＧＨレベルパルスが印加され、該当のフォトダイオードからの信号はこの４電極に転送される。
【００３４】
「高感度スチルモード」を示す図２Ｂでは、読み出し動作においては、図２Ｂの「読み出し動作」に示されるように、「通常スチルモード」と同様、Ｖ１からＶ４電極がＭＩＤＤＬＥレベルであり、これにＶ１電極に更にＨＩＧＨパルスが印加されることで、該当フォトダイオードからの信号電荷がＶ１からＶ４の４電極に読み出される。つまり、フォトダイオード１から垂直転送部２への読み出し期間においては、垂直転送部２の転送容量は、「通常スチルモード」であっても、「高感度スチルモード」であっても、同等の容量（４電極分）である。
【００３５】
しかし、読み出し動作の後における垂直信号保持期間では、「通常スチルモード」と異なり、図２Ｂの「転送動作」における転送電極Ｖ１〜Ｖ６の通常状態でのレベルから分かるように、Ｖ３とＶ４電極のみがＭＩＤＤＬＥレベルとなり、２電極に信号電荷が保持される。つまり、水平転送部４が水平方向に信号電荷を転送している期間では、「高感度スチルモード」における垂直転送部２による信号電荷の転送容量（２電極分）は、「通常スチルモード」における垂直転送部２による信号電荷の転送容量（４電極分）より小さくなる。
【００３６】
垂直転送動作時においては、ＭＩＤＤＬＥレベルの電極が２電極と３電極の変遷を繰り返しながら垂直方向に転送されていく。
【００３７】
図示しないが、垂直転送部２の転送時には、まず、信号電荷が保持されている電極の垂直転送方向側の転送電極がＬＯＷレベルからＭＩＤＤＬＥレベルになり、一時的に３電極により信号電荷を保持する状態が形成される。
【００３８】
その後、信号電荷が保持されている３電極の内、垂直転送方向に最も遠い電極がＭＩＤＤＬＥレベルからＬＯＷレベルに変化し、再度信号電荷が２電極により保持される状態になる。
【００３９】
この時、信号電荷は、１電極分垂直転送方向に移動したことになり、これを繰り返して、垂直転送が行われる。一方、「通常スチルモード」における垂直転送動作も、同様に４電極での保持状態から、ＭＩＤＤＬＥ状態を５電極と４電極とに変化させることで、行われる。つまり、垂直転送部２が垂直方向に信号電荷を転送している期間においては、「高感度スチルモード」における垂直転送部２による信号電荷の転送容量（２または３電極分）は、「通常スチルモード」における垂直転送部２による信号電荷の転送容量（４または５電極分）より小さくなる。
【００４０】
上記のような２種類のスチルモードに対して、例えばＩＳＯ１６００以上の高ＩＳＯ感度時には図２Ｂに示す「高感度スチルモード」の駆動パルスにより垂直転送部２を駆動させ、ＩＳＯ１６００未満のＩＳＯ感度時には図２Ａに示す「通常スチルモード」の駆動パルスにより垂直転送部２を駆動させる。
【００４１】
通常、高ＩＳＯ感度時は信号電荷量が小さいことが殆どであり、この時に「通常スチルモード」の駆動パルスを使用していると、微少信号に対しての転送効率が劣化することがある。
【００４２】
信号電荷の転送は、１）電極と電極の間に形成されるポテンシャルの傾斜、２）信号電荷（通常は電子）同士の反発力、および、３）熱拡散によって行われるが、転送効率を決定づけるのは、１）と２）による転送モードである。
【００４３】
高ＩＳＯ感度時の信号電荷が極端に少ないときには、「通常スチルモード」での垂直転送方法を用いると、常に４電極以上の電極数で電荷を保持、転送するが、その４電極に対しての信号電荷密度が極端に低下してしまい、上記の２）の効果がなくなってしまうことが転送劣化の原因と考えられている。
【００４４】
本実施の形態に依れば、信号電荷が少なくなるような高ＩＳＯ感度時には、「高感度スチルモード」の駆動方法を用いることで、信号電荷を保持、転送する電極数を２電極乃至３電極に減らすことにより、保持する電極に対しての信号電荷密度を見かけ上増加させることで、上記２）の効果を保つことにより、転送効率の劣化を防止することが出来る。
【００４５】
また、フォトダイオードから垂直転送部２への読み出し動作においては、ＭＩＤＤＬＥ状態電極数が４電極となり、「通常スチルモード」と同等の読み出し動作が可能となっている。
【００４６】
読み出し動作時に垂直転送部２でのＭＩＤＤＬＥ状態の電極数は、その動作の瞬間における垂直転送部２のポテンシャル深さに影響することになる。
【００４７】
すなわち、垂直転送部２のＭＩＤＤＬＥ電極数が多い方が、読み出しパルスが印加されたときの垂直転送部２におけるポテンシャルが深くなりやすく、フォトダイオードからの信号が垂直転送部２に読み出されやすくなる。
【００４８】
特に、微少信号の読み出し時は、このポテンシャル深さが十分に取れていることが重要で、そうでないときには、信号の一部がフォトダイオードに残存し、ドット状の画像欠陥を引き起こすことがある。
【００４９】
従って、読み出し動作時におけるポテンシャルコントロールのためには、モードにかかわらず、垂直転送部２のＭＩＤＤＬＥ電極数を一定にすることが望ましい。
【００５０】
特許文献１によれば、暗電流対策として、同様に垂直転送部２の転送容量を減少させる技術が開示されている。この技術では、読み出し時にも転送容量を減らすことで暗電流対策としているが、微少信号時にフォトダイオードから受ける転送電極を減少した状態では、フォトダイオードから垂直転送部２への読み出し特性が劣化するため、読み出し時の転送電極を減少することが問題となる。本発明の技術に依れば読み出し時での転送動作不良をも防止することが出来る。
【００５１】
従って、本発明の実施の形態に依れば、高ＩＳＯ感度時の微少信号時であっても、フォトダイオードから垂直転送部２への読み出し転送動作、および、垂直転送動作が不完全になることがないため、垂直転送効率劣化による画質劣化を防止することが出来、微細高画素化に応じた良好な画像を得ることが出来る。
【００５２】
なお、図２Ｂに示す「高感度スチルモード」の例では、読み出しパルスがＶ１に印加され、その後の転送時にはＶ３、Ｖ４の２電極がＭＩＤＤＬＥ状態で、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６の４電極がＬＯＷ状態となって、信号電荷の転送および保持を行うが、ＭＩＤＤＬＥ状態、ＬＯＷ状態の転送電極はこれに限るものではなく、ＭＩＤＤＬＥ状態の２電極が隣接した電極であれば良いことは自明である。
【００５３】
読み出しパルスが印加される電極は、フィールドによって異なり、読み出し動作時はその電極に対して隣接した最適な位置にある電極がＭＩＤＤＬＥ状態になる。
【００５４】
その後の転送動作においては、垂直転送部と水平転送部との境界領域にある転送電極の構成に依存して、各フィールドで共通の電極がＭＩＤＤＬＥもしくはＬＯＷ状態になることが通常であるが、これに限るものではなく、フィールド間でＭＩＤＤＬＥもしくはＬＯＷ状態の電極を変更しても同様の効果が得られる。
【００５５】
なお、本発明の実施の形態では、「高感度スチルモード」において読み出しパルスが印加されるときに、「通常スチルモード」と同一の４電極がＭＩＤＤＬＥ状態であるが、これが３電極であっても、「高感度スチルモード」における転送時のＭＩＤＤＬＥ状態電極数より多いため、前述の読み出し特性の変動を低減することが出来る。すなわち、「高感度スチルモード」における読み出し動作時のＭＩＤＤＬＥ状態電極数は、「通常スチルモード」における転送時のＭＩＤＤＬＥ電極数と同等でなくてもよく、「高感度スチルモード」における転送時のＭＩＤＤＬＥ電極数より多ければ、読み出し特性の変動を抑制することが出来る。
【００５６】
よって、以上のことをまとめると、本発明に係るタイミング発生回路５８（駆動制御部）は、「高感度スチルモード（第２の駆動モード）」では、信号電荷を転送または保持する垂直転送部２の転送容量が、信号電荷を垂直方向に転送している期間、または、水平方向に転送している期間において、「通常スチルモード（第１の駆動モード）」時における転送容量より小さくなり、フォトダイオード１から垂直転送部２への読み出し期間において、「通常スチルモード」時における転送容量と同等の容量となるように、または、当該「高感度スチルモード」時における垂直方向または水平方向への転送期間での転送容量より大きい容量となるように、垂直転送部２および水平転送部４の転送電極に駆動パルスを印加してもよい。
【００５７】
（第１の実施の形態の変形例）
図２Ｃは、本発明に係る第１の実施の形態の変形例を示した図であり、図２Ｂに示した「高感度スチルモード」の駆動パルスにおける、通常転送から高速転送に移行するタイミングを示すＡ部を拡大した模式図である。
【００５８】
図２Ｃにおいて、高速転送以前はＭＩＤＤＬＥ状態の電極数は２ゲートであるが、高速転送に移行した時点で「通常スチルモード」と同様の４ゲートに増加（つまり、転送容量の拡大を）している。
【００５９】
これは、高速転送の目的が、光電変換部から垂直転送部に信号を読み出す前に垂直転送部にたまったノイズ信号を排出するためであり、且つ、各フィールドで信号を読み出す前の状態を一致させるためである。
【００６０】
高速転送は排出が目的であるため、その期間での転送容量は大きい方が望ましく、電極数を本来の「高感度スチルモード」の転送容量より拡大している。
【００６１】
また、図２Ｃにおいて、２ゲート蓄積から４ゲート蓄積への移行部分において、電極がＬＯＷ状態からＭＩＤＤＬＥ状態に遷移するタイミングが、通常のスピードより遅くなっており、通常は前の電極がＭＩＤＤＬＥに遷移した後、２４Ｔ（１Ｔはこの場合約２８ｎｓｅｃとしている）で次の電極がＭＩＤＤＬＥに遷移するのに対して、この移行期間においては、三倍の７２Ｔで遷移する。つまり、「高感度スチルモード」における転送容量を、通常転送での転送容量から高速転送での転送容量に拡大する駆動パルスは、通常転送における垂直転送パルスより遅い周波数である。
【００６２】
ＬＯＷ状態の電極下にはプラスの電荷であるホールが蓄積されているが、電極がＬＯＷ状態からＭＩＤＤＬＥ状態に遷移するに従って、その電極下にあるホールは別のＬＯＷ状態の電極下に移動する。
【００６３】
「高感度スチルモード」においてＬＯＷ電極数を減少させると、電極数が減少した分のホールはＬＯＷ電極下以外の領域に移動する必要がある。この移動はシリコン基板内部のＰ−ｗｅｌｌ層を伝わって、最終的には接地された電極から吸収される。
【００６４】
ところが、ＬＯＷ電極数の減少が急激に起こると、ホール電荷は逃げ場を失いその場に剰余として留まってしまい、その領域のＰ−ｗｅｌｌは本来の電位より高い電位となってしまう。
【００６５】
このため、固体撮像装置の光電変換部周辺の電位が不安定になり、例えば電子が基板電圧の印加された基板側からオーバーフローバリアを越えて光電変換部に逆流し、ノイズを発生させることがある。
【００６６】
また、この時のＰ−ｗｅｌｌ電位変動がその後の読み出しパルス印加時にも影響すると、読み出し特性を劣化させる可能性もある。
【００６７】
しかるに本発明の変形例であれば、ＬＯＷ電極数を減少するときにホール電荷がＰ−ｗｅｌｌを通じて移動するための十分な時間を与えることにより、Ｐ−ｗｅｌｌの電位は安定を保つため上記の逆流などによるノイズ発生や読み出し特性の劣化を抑制することが出来る。また、このＰ−ｗｅｌｌ電位変動時のノイズ発生を抑制するために、従来技術としては基板電圧を上昇させて対策することも出来るが、基板電圧を上昇させることによりフォトダイオードの飽和信号容量が減少することがあるが、本発明の変形例であれば基板電圧を上昇させることも不要であり、フォトダイオードの容量減少によるダイナミックレンジ低下も抑制することが出来る。
【００６８】
ホールが移動するための時間は、Ｐ−ｗｅｌｌ濃度などの個々のデバイスの設計要因に依存するため限定できないが、ＬＯＷ電極数を減少させるときのパルス周波数は、少なくとも通常の電子を転送させるパルス周波数より遅く設定したものであれば、上記の目的を達成できる。
【００６９】
また図２Ｄは、図２Ｂに示した「高感度スチルモード」の駆動パルスにおける、高速転送から読み出し動作に移行するタイミングを示すＢ部を拡大した模式図である。
【００７０】
図２Ｄは高速転送が終了した時点を拡大した図であるが、この時点で蓄積電極数は４ゲートであり、この状態のまま次の読み出し動作が行われる。
【００７１】
なお、本変形例であれば、ＬＯＷ電極数が減少するタイミングを高速転送前としたが、読み出し期間の直前であっても効果は同様であり、この時にＬＯＷ電極数を減少させる駆動パルス周波数が十分遅ければ、前述の逆流ノイズを抑制することが出来る。
【００７２】
例えば、読み出し動作前の高速転送駆動が省略されている場合には、このように読み出し期間の直前にＬＯＷ電極数を削減し、しかも、通常の転送パルス周波数より遅く動作させる。
【００７３】
またＬＯＷ電極数の減少を最小限に抑制することは、Ｐ−ｗｅｌｌ電位の安定化につながるが、ＬＯＷ電極数が繰り返しの転送電極数の約半分程度までの減少に抑制できれば、チップ全体に占めるＬＯＷ電極面積としては半分の面積が残っているため、読み出し特性への影響としては同等の安定度になる。例えば、図示はしないが１２相の電極で繰り返しの１転送段を構成するのであれば、蓄積電極数が２ゲートから６ゲートへの増加、すなわち、ＬＯＷ電極数が１０ゲートから６ゲートまでの間は、ＬＯＷ電極数としては全体の１２電極中の半分の電極であり、例えば、蓄積電極数を２ゲートから３ゲートへの増加とした時と比べ、その後の読み出し特性としては同等となる。
【００７４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。
【００７５】
図３は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。この固体撮像装置は、フォトダイオード１および垂直転送部２からなる撮像領域３、水平転送部４、電荷検出部５、出力アンプ６、タイミング発生回路１０８、標準電圧発生回路１０９、および、信号処理部３１を備える。
【００７６】
フォトダイオード１、垂直転送部２、撮像領域３、水平転送部４、電荷検出部５、出力アンプ６、撮像出力ＯＵＴ、ｎ型基板７は図１１に示したものと同様である。なお、ｎ型基板７上に形成されたフォトダイオード１、垂直転送部２、撮像領域３、水平転送部４、電荷検出部５、および、出力アンプ６を、併せて、固体撮像素子１０７と呼ぶ。
【００７７】
標準電圧発生回路１０９は上記フォトダイオード１等が配置された固体撮像素子１０７と同一基板上に形成されている。
【００７８】
標準電圧発生回路１０９が発生する電圧は、ダイオード１１０を経由し放電用抵抗１１１との接続点から基板７に基板電圧として印加される。
【００７９】
タイミング発生回路１０８は、垂直転送部２、水平転送部４、基板電圧を制御するパルスを生成する回路であり、第１の実施の形態におけるタイミング発生回路５８の機能に加えて、基板電圧を変調する機能を備える。
【００８０】
電子シャッター用のシャッターパルスＳＰはカップリングコンデンサ１１２を介して固体撮像素子１０７に印加される。このとき、シャッターパルスＳＰの低レベルは、ダイオード１１０によって標準電圧発生回路１０９が発生する電圧の直流レベルにクランプされる。
【００８１】
標準電圧発生回路１０９は更に画素加算モード用の基板電圧コントロールのために、個々の固体撮像素子１０７に最適化されてＶＭパルス用参照電圧（標準電圧）ＶＭＳＵＢを発生させる。タイミング発生回路１０８ではこのＶＭＳＵＢ電圧（標準電圧）を参照し、基板電圧調整用のφＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）を、ＳＰ端子を介して固体撮像素子１０７に印加する。このとき、φＶＭＳＵＢパルスの低レベルは、シャッターパルスと同様にダイオード１１０によって標準電圧発生回路１０９が発生する電圧の直流レベルにクランプされる。
【００８２】
標準電圧発生回路１０９はタイミング発生回路１０８からの基板電圧変調用スイッチングパルス（ＳＵＢＳＷ）を受けて、基板電圧をＨＩＧＨとＬＯＷの２種類に切り替えることが出来る。
【００８３】
信号処理部３１は固体撮像素子１０７からの出力ＯＵＴ信号を受け、信号処理をした後に出力するが、固体撮像素子１０７からの出力信号による撮像シーンを自動判断し、または、カメラのマニュアル設定での信号を受けてＩＳＯ感度設定を行い、それにより使用する駆動モードをタイミング発生回路１０８に対して制御する。
【００８４】
なお、タイミング発生回路１０８、標準電圧発生回路１０９および信号処理部３１によって、本発明に係る駆動制御部が構成されている。この駆動制御部は、垂直転送部２を構成する転送電極に印加する駆動パルスと基板７に印加する電圧またはパルスを制御する回路であり、第１の実施の形態における駆動制御部（タイミング発生回路５８）の機能に加えて、「通常スチルモード」と「高感度スチルモード」それぞれにおいて、独立して、基板７の電圧を調整することにより、光電変換部（フォトダイオード１）の飽和信号量を調整する機能を備える。
【００８５】
つまり、本実施の形態における駆動制御部は、（１）光電変換部（フォトダイオード１）を露光させている露光期間においては第１の基板電圧（ＬＯＷ状態）であり、露光期間後であって光電変換部から垂直転送部２へ読み出す前においては第１の基板電圧より高い第２の基板電圧（ＨＩＧＨ状態）に達する第１の基板電圧調整パルスを基板７に印加することにより、光電変換部の飽和信号を第１の飽和信号量に調整する第１の駆動モード（本実施の形態では「通常スチルモード」）と、（２）光電変換部への露光期間においては第１の基板電圧であり、露光期間後であって光電変換部から垂直転送部２へ読み出す前においては第２の基板電圧より高い第３の基板電圧（ＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス電圧）に達する第２の基板電圧調整パルスを基板７に印加することにより、光電変換部の飽和信号量を第１の飽和信号量より小さい第２の飽和信号量に調整する第２の駆動モード（本実施の形態では「高感度スチルモード」）とを備える。
【００８６】
図４は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図５は、本実施の形態における固体撮像装置のフォトダイオード周辺部における電位分布を示す図である。
【００８７】
図４において、「通常スチルモード」では、信号処理部３１は、メカシャッターが開いている露光期間にて、タイミング発生回路１０８を制御することで、タイミング発生回路１０８からの基板変調用スイッチングパルスＳＵＢＳＷをＨＩＧＨとして出力させ、標準電圧発生回路１０９からの基板電圧をＬＯＷ状態に変調させる。
【００８８】
この時、図５の上部（「通常スチルモード」における電位分布）に示されるように、フォトダイオード１の深部に設けられているオーバーフローバリアが上昇し、且つポテンシャルが広がることにより、ポテンシャルで見たフォトダイオード１の体積と容量そのものを増加させることにより、感度特性と飽和特性を向上させる狙いがある。
【００８９】
図５の上部において、オーバーフローバリアの高さは、フォトダイオード１と垂直転送部２を区別している読み出し遷移領域のバリアの高さより低い図面となっているが、上記露光期間では前記オーバーフローバリアの高さを読み出し遷移領域のバリアの高さより高くなるように基板電圧を更に低く設定しても良い。
【００９０】
そのようにすることで、更にフォトダイオード１の体積と容量を増加させる効果が働き、さらに感度特性、飽和特性を向上させることが出来る。
【００９１】
その後、メカシャッターが閉じられた後、信号処理部３１による制御の下で、一旦、タイミング発生回路１０８からのＳＵＢＳＷパルスはＬＯＷ状態となって、それに応じて基板電圧はＨＩＧＨ状態に上昇させるが、フォトダイオード１に蓄えられた信号量を所定電荷量以下に低下させ、垂直転送部２での取扱電荷量を越えないようにフォトダイオード１の信号電荷量を調整する。
【００９２】
更に、信号処理部３１による制御の下で、タイミング発生回路１０８からのＳＵＢＳＷパルスをＨＩＧＨ状態として再度基板電圧をＬＯＷ状態とする。
【００９３】
この後、メカシャッターが閉じて且つ、基板電圧がＬＯＷになっている状態にて、フォトダイオードに蓄積された信号が垂直転送部２に読み出され、垂直転送、水平転送を経て固体撮像素子１０７から出力される。
【００９４】
フォトダイオード１の信号電荷は数回のフィールド転送により、全画素数分が読み出されるが、基板電圧がＨＩＧＨのままであると、フォトダイオード１に待機中の飽和信号電荷の一部が基板７側に排出されてしまい、飽和信号のフィールド段差を生じることがあるが、信号を転送させている間に基板電圧をＬＯＷにしてあるために、フォトダイオード１の基板７側のオーバーフローバリアが上昇しているため、転送用の駆動パルスによりフォトダイオード１を形成するウェルが揺られても、フォトダイオード１に待機している信号が基板７側へ排出されることが無く、飽和信号のフィールド段差を生じることがない。
【００９５】
一方、図４において、「高感度スチルモード」では、信号処理部３１は、メカシャッターが開いている露光期間においては、「通常スチルモード」と同様に、タイミング発生回路１０８を制御することで、タイミング発生回路１０８からの基板変調用スイッチングパルスＳＵＢＳＷをＨＩＧＨとして、標準電圧発生回路１０９からの基板電圧をＬＯＷ状態に変調させる。
【００９６】
一般に基板電圧が上昇すると、ポテンシャルで見たフォトダイオード１の体積は基板７に対して浅い方向にシフトするため、長波長側の入射光に対しての感度が低下する傾向があり、基板電圧が低下すると長波長側の入射光に対しての感度が上昇する傾向がある。
【００９７】
露光時に基板電圧を「通常スチルモード」と同等とすることにより、駆動モードが変更されても、分光感度が変化することなく、色再現性が失われないようにすることが出来る。
【００９８】
その後、メカシャッターが閉じられた後、信号処理部３１による制御の下で、一旦、タイミング発生回路１０８からのＳＵＢＳＷパルスはＬＯＷ状態となって、それに応じて基板電圧はＨＩＧＨ状態に上昇させるが、これにタイミング発生回路１０８のＳＰ端子からのφＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）を印加し、ＨＩＧＨとなった基板電圧に重畳させる形で基板電圧にＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス（第２の基板電圧調整パルス）を印加させる。つまり、タイミング発生回路１０８は、「高感度スチルモード」時に、露光期間の終了後、且つ、フォトダイオード１に蓄えられた信号電荷を読み出す動作の前に、基板電圧変調用スイッチングパルス（ＳＵＢＳＷパルス）により基板電圧を上昇させると共に、重畳用基板電圧調整パルス（φＶＭＳＵＢパルス）を更に重畳させて基板電圧を上昇させることにより、上記第２の基板電圧調整用パルスを基板７に印加する。
【００９９】
これにより、図５の下部（「高感度スチルモード」における電位分布（実線））に示されるように、フォトダイオード１に蓄えられた電荷は、更に減少することとなり、「高感度スチルモード」において、垂直転送部２の電荷保持電極が２電極に減少したときにも、垂直転送部２にて電荷が溢れないように調整することが出来る。
【０１００】
本実施の形態では、φＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）の電圧は、画素混合駆動時に基板電圧を調整するときの電圧と同じにしてあり、個々の固体撮像素子１０７の内部発生回路から発生させるように調整してある。
【０１０１】
例えば、フォトダイオード９個分を加算する９画素加算モード時に約９００ｍＶの飽和信号出力が得られるようにＶＭＳＵＢ電圧を個々の固体撮像素子１０７として調整をしておけば、これを用いれば、「高感度スチルモード」では、約１００ｍＶの飽和信号出力に抑制することが出来る。
【０１０２】
「通常スチルモード」がＩＳＯ感度として、ＩＳＯ１００の設定で約４００ｍＶを信号処理側でリニア領域として取り扱う信号範囲と設定してあるとすると、ＩＳＯ８００では取り扱う信号量が１／８に減少するため、１００ｍＶの飽和信号があれば十分である。
【０１０３】
当然、この時垂直転送部２が２電極で１００ｍＶ以上の最大転送容量があることが確認されているとする。
【０１０４】
これにより、外部回路として追加の電源電圧を持ち、しかも、個々の固体撮像素子１０７に最適化された電圧を持つことなく、所定の信号を得ることが出来る。
【０１０５】
「高感度スチルモード」時の基板電圧の設定として、基板変調方式をとらないのは、内部電圧として基板電圧を変更するには、その周りのカップリングコンデンサなどの常数によって、変調スピードが遅くなりすぎることがあるからである。
【０１０６】
基板電圧を変調するときには、内部の放電用抵抗１１１を介してカップリングコンデンサ１１２に蓄積された電荷が放電することによって電圧が低下するが、この放電用抵抗１１１とカップリングコンデンサ１１２によって応答スピードが決まってしまう。
【０１０７】
これに対して、本実施の形態であれば、更なる基板電圧上昇分を外部からのパルス信号としてドライブすることで、基板電圧の応答特性が向上する。
【０１０８】
本実施の形態に依れば、「高感度スチルモード」にて垂直転送部２の取扱可能電荷量が減少しても、フォトダイオードの電荷量を最適に調整できるため転送溢れなどによる画像不良の発生を防止でき、転送電極数を減少することによる微少信号の転送効率向上と合わせて、微細高画素化の進んだ固体撮像装置の画質を大幅に向上することが出来る。
【０１０９】
また、そのための基板電圧調整に関しても固体撮像素子１０７そのものに最適電圧を持たせることで、周辺回路での調整を不要にし、且つ部品点数増加などのコストアップを伴わずに画質向上が可能となる。
【０１１０】
また、固体撮像素子内部で発生させる最適電圧の種類は、本実施の形態および変形例に限らず、複数持つ構成であっても良く、さらに、それが外部信号により切り替えることが出来るものであっても良い。
【０１１１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。なお、本実施の形態のおける固体撮像装置の基本構成は、図３に示される第２の実施の形態と同じである。ただし、本実施の形態では、その駆動方法が第２の実施の形態と異なる。
【０１１２】
図６は、本発明の第３の実施の形態（高感度スチルモード）を示したタイミング図であり、一例として３フィールドで１画面分の全画素の信号を出力するモードを示している。図６において、メカシャッターが閉じて露光期間が終了した後に、信号処理部３１による制御の下で、タイミング発生回路１０８からのＳＵＢＳＷをＬＯＷ状態とし、それに応じて基板電圧をＨＩＧＨ状態に上昇させ、これにタイミング発生回路１０８のＳＰ端子からのφＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）を印加し、ＨＩＧＨとなった基板電圧に重畳させる形で基板電圧にＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス（第２の基板電圧調整パルス）を印加させる。前記処理により、「高感度スチルモード」において垂直転送部２の電荷保持電極が２電極に減少したときにも、垂直転送部２にて電荷が溢れないように調整することが出来る。図６ではこの後にＳＵＢＳＷをＬＯＷ状態に固定、つまりは基板電圧をＨＩＧＨ状態に固定している。前記基板電圧の変調が終わった後に、図６に示すように第１フィールドから第３フィールドまで順次フォトダイオード１から垂直転送部２への読み出しが行われ、各フィールドで水平転送部４へむけて電荷が転送される。
【０１１３】
ここで、第２の実施の形態である図４の「高感度スチルモード」において、フォトダイオード１で発生する白キズレベルが小さければ実用上問題は生じないが、大きなフォトダイオード白キズが存在する場合に問題が生じ得る。
【０１１４】
ここで図７を用いて簡単な説明を行う。図７には「高感度スチルモード」におけるタイミングとその際のフォトダイオード１に蓄えられる信号電荷の時間推移を示している。タイミングｔ１においてメカシャッターが閉じると信号電荷の蓄積が終わる。その後タイミングｔ２において基板電圧をＨＩＧＨ状態に上昇させ前記に示すようにフォトダイオード１の電荷量を調整する。次にタイミングｔ３においてタイミング発生回路１０８のＳＰ端子からのφＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）を印加し、ＨＩＧＨとなった基板電圧に重畳させる形で基板電圧にＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス電圧を印加させる。このことにより、フォトダイオード１に蓄えられた電荷は、垂直転送部２の電荷保持電極が２電極に減少したときにも垂直転送部２にて電荷が溢れないように調整している。メカシャッターは閉じられているため、タイミングｔ３以降信号電荷はこれ以上フォトダイオード１に蓄えられることはない。しかしながら金属汚染などにより生成される白キズとなる電荷は、常に生成され続けているため時間経過とともにフォトダイオード１に蓄えられていく。このため、一定時間が経過するタイミングｔ４になると垂直転送部２で蓄えられる電荷量を超え、電荷が溢れる状態となる。このことによりあふれ電荷による白キズ増加など画質劣化をまねくだけでなく、信号処理部３１で白キズアドレスを検出して補正する処理を行うときには、補正されるべきキズアドレスが増加することになり、アドレス記憶のためのメモリ容量の不足などの問題が生じる。これは、電荷保持電極が少ない「高感度スチルモード」においてより顕著になる。
【０１１５】
本発明の第３の実施の形態に依れば、基板電圧がＨＩＧＨ状態に固定されているため、白キズなどの暗電流成分が増加しても、或る一定レベルに抑制されるので画像劣化を防止することが出来る。しかも、ＳＵＢＳＷの変化による基板電圧の応答特性による遅延の問題が解消されるため、タイミングマージンをなくすことが可能となり、フレームレートを向上することが可能となる。従って、高ＩＳＯ感度の「高感度スチルモード」など、微少信号を主として取り扱うモード時の転送電極数を減少することによる微少信号の転送効率向上と併せて、上述の白キズ画像向上により、微細高画素化の進んだ固体撮像装置の画質を大幅に向上することが出来る。
【０１１６】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。なお、本実施の形態における固体撮像装置の基本構成は、図３に示される第２の実施の形態と同じである。ただし、本実施の形態では、その駆動方法が第２の実施の形態と異なる。
【０１１７】
図８は、本発明の第４の実施の形態を示したタイミング図である。図８において図６に示すタイミングと同様に、メカシャッターが閉じて露光期間が終了した後、φＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）をＨＩＧＨとなった基板電圧に重畳させた後に、基板電圧をＬＯＷ状態とせずＨＩＧＨ状態に固定している。その後、各フィールドの読み出し時に、ＨＩＧＨとなった基板電圧に前記同様タイミング発生回路１０８のＳＰ端子からのφＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）を印加させることで、上記第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを基板７に印加している。
【０１１８】
つまり、本実施の形態では、タイミング発生回路１０８は、「高感度スチルモード」において、露光期間終了後の読み出し動作前に第３の基板電圧に達する第２の基板電圧調整パルスを加えた後に、第１の基板電圧（ＬＯＷ状態）に変調せずに、第２の基板電圧（ＨＩＧＨ状態）とし、複数のフォトダイオード７の信号電荷を分割して読み出す。具体的には、タイミング発生回路１０８は、複数のフィールドにおける各フィールドの読み出し動作時に、第３の基板電圧（ＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス電圧）に達する第２の基板電圧調整パルスを印加する。
【０１１９】
本実施の形態では、各フィールドの読み出し時に、基板電圧にφＶＭＳＵＢパルスを印加するため、白キズによりフォトダイオード１に蓄えられた電荷が垂直転送部２にて溢れないように調整することが可能となる。
【０１２０】
図９に本実施の形態の１例として第３フィールドにおける信号電荷、白キズ電荷の時間変化を示す。タイミングｔ１１〜ｔ１３における信号電荷は図７におけるｔ１〜ｔ３と同様である。
【０１２１】
タイミングｔ１４になると白キズ電荷が垂直転送部２の容量を超えるが、タイミングｔ１５においてφＶＭＳＵＢパルス電圧を印加させることにより、前述のように垂直転送部２で溢れないようにフォトダイオード１の信号量を調整することが可能となる。第１フィールドではこの後に読み出しが開始されるため白キズ電荷が垂直転送部２で溢れることなく転送することが可能となる。第２フィールドの電荷はこの後も白キズ電荷が蓄積されていくが、タイミングｔ１６においてφＶＭＳＵＢパルス電圧を印加させることによりフォトダイオード１に蓄積されている信号量を調整する。直後に第２フィールドの読み出しが開始されるため白キズ電荷が垂直転送部２で溢れることなく転送することが可能となる。第３フィールドの電荷も同様にタイミングｔ１７において電荷量を調整しタイミングｔ１８において垂直転送部２へ読み出しが行われる。
【０１２２】
これにより、白キズ電荷あふれにより、見かけ上の白キズが増加するようなことが解消されて画質劣化を防ぐことが可能になると共に、余分なキズ補正をする必要が無くなり、最小限のメモリ容量にすることができ、コストダウンにも寄与する。
【０１２３】
さらに、図１０は、本発明第４の実施の形態の変形例を示したタイミング図である。図１０において図８に示すタイミングと同様に、各フィールドの読み出しごとにφＶＭＳＵＢパルス電圧をＨＩＧＨとなった基板電圧に重畳させているが、本実施の形態では、露光期間終了後２回目以降に印加するφＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅を図８に示す露光期間終了後第１回目に印加するφＶＭＳＵＢパルスの振幅より小さくしている。なお、ＨＩＧＨ電圧プラスφＶＭＳＵＢパルス電圧（第３の基板電圧）が第２の基板電圧調整パルスの電圧に相当するので、φＶＭＳＵＢパルス（重畳用基板電圧調整パルス）の幅は、第２の基板電圧調整パルスの幅を意味する。
【０１２４】
この時、別々のφＶＭＳＵＢパルス振幅を用いることで、フォトダイオード１の飽和容量は、第２回目以降のφＶＭＳＵＢパルスの基板電圧印加時には第１回目のφＶＭＳＵＢパルス印加時より増加するが、垂直転送容量よりは小さい飽和容量に調整してある。
【０１２５】
フォトダイオード１の信号電荷は複数のフィールド転送の総合により、複数回の読み出し動作を経て全画素数分が読み出される、すなわち、それぞれのフィールドにて所定のフォトダイオードのみが読み出されるが、まだ読み出されないフォトダイオードには信号電荷が待機する状態となり、読み出しの順番を待っている。つまり、「通常スチルモード」および「高感度スチルモード」は、露光期間終了後に複数のフォトダイオード１の信号電荷を複数のフィールドに分割して読み出して出力するスチル駆動の駆動モードである。
【０１２６】
この時読み出し時に重畳する２回目以降のφＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅が１回目のφＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅のままであると、フォトダイオード１に待機中の飽和信号電荷の一部が基板７側に排出されてしまい、飽和信号が各フィールド毎の出力で異なるフィールド間差を生じることがあるが、２回目以降、各フィールドの読み出し時に重畳するφＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅を露光終了後第１回目に印加されるφＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅より小さくすると、フォトダイオード１の基板７側のオーバーフローバリアが第１回目に設定される飽和時より上昇しているため、読み出し用のパルスによりフォトダイオード１を形成するウェルが揺られても、フォトダイオード１に待機している信号が基板７側へ排出されることが無く、飽和信号のフィールド間差を生じることがない。
【０１２７】
上記のパルス振幅の調整は、例えば、第１回目のφＶＭＳＵＢパルスの振幅は、例えば９画素混合駆動用に設定されたパルス振幅で、第２回目以降のφＶＭＳＵＢパルスの振幅を、例えば６画素混合駆動用に設定されたパルス振幅を使用しても良い。
【０１２８】
それぞれのパルス振幅は、標準電圧発生回路１０９に設定された参照電圧を参照してタイミング発生回路１０８によって生成され、また、それぞれのパルスに参照される電圧の設定は、個々の固体撮像装置毎に例えば検査工程などで最適な値に設定されるため、本実施の形態では、この個々の固体撮像装置の標準電圧発生回路の設定電圧を利用することにより、複雑な電圧調整であってもカメラ側で特に別電源を準備する必要なく設定が可能であり、部品点数の増加を防止できる。
【０１２９】
また、読み出し時に重畳する第２回目以降のφＶＭＳＵＢパルス電圧のパルス幅を図８に示すパルス幅より狭くすることにより、φＶＭＳＵＢパルス電圧の振幅を第１回目のφＶＭＳＵＢパルスより実効的に小さくすることが可能となる。
【０１３０】
これにより上記に示すように垂直転送部２で電荷があふれることがなく、また飽和信号のフィールド間差を防ぐことも可能となる。
【０１３１】
また、第１回目と第２回目以降とのφＶＭＳＵＢパルスの振幅用に異なる電圧を設定する必要が無く、カメラでの電源設定の簡略化、または、個々の固体撮像装置で参照電圧を持つ場合でもその切り替え回路の省略等が可能となり、コスト削減に貢献できる。
【０１３２】
なお、本発明に係る第４の実施の形態とその変形例において、各フィールドの読み出し前に印加されるφＶＭＳＵＢパルスは、各フィールド毎の読み出しパルスに重ならないようにすることが望ましい。基板電圧を調整するパルスと読み出しパルスが重なると、フォトダイオード１に待機している信号が基板７側に排出されやすくなり、飽和信号のフィールド間差を生じやすくなるからである。
【０１３３】
この時のパルスタイミングの重なりとしては、基本はゼロ以下であるが、実際には固体撮像素子基板の容量やウェル抵抗によって若干の重なりがあっても飽和のフィールド間差として影響が出ない場合もある。
【０１３４】
本発明第４の実施の形態とその変形例を併せて、これにおいても高ＩＳＯ感度の「高感度スチルモード」など、微少信号を主として取り扱うモード時の転送電極数を減少することによる微少信号の転送効率向上に加えて、上述の白キズ画像向上と飽和信号レベル段差不具合の解消による画質向上により、微細高画素化の進んだ固体撮像装置の画質を大幅に向上することが出来る。
【０１３５】
また、本発明第３の実施の形態、第４の実施の形態とその変形例において、タイミングチャートには、各フィールド毎の読み出しパルス印加前に垂直ＣＣＤのノイズ電荷を掃出する高速転送パルスが印加されているが、これは挿入していなくても良い。各フィールドの間隔が短くなりフレームレートが向上すると共に、暗電流成分である白キズレベルも低減され、特に第３の実施の形態においてはキズ信号があふれる不具合の発生確率も減少する。
【０１３６】
以上、本発明に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、第１〜第４の実施の形態および変形例を用いて説明したが、本発明は、これらの実施の形態および変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態および変形例における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【０１３７】
例えば、第１の実施の形態における変形例と第２の実施の形態とを組み合わせると、ＬＯＷ電極数が減少するタイミングにて、垂直転送部の転送容量に合わせた信号量に調整するのと同様に基板電圧を上昇させるパルスを印加することで、実質的なダイナミックレンジ減少を抑制しながらＰ−ｗｅｌｌ電位が不安定になるときのノイズを抑制することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の固体撮像装置は、微少電荷取扱時の転送効率向上により高ＩＳＯ感度での画質向上が可能となるので、一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡のイメージセンサとして好適である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  フォトダイオード
２  垂直転送部
２ａ  垂直ＣＣＤチャンネル
３  撮像領域
４  水平転送部
５  電荷検出部
６  出力アンプ
７  ｎ型基板
９、１０９  標準電圧発生回路
１７  ｐウェル領域
１８  電極
１９  素子分離領域
２４  移送ゲート領域
３１  信号処理部
５８、１０８  タイミング発生回路
１０７  固体撮像素子
１１０  ダイオード
１１１  放電用抵抗
１１２  カップリングコンデンサ
【図１】
2010137232.tif 000003
【図２Ａ】
2010137232.tif 000004
【図２Ｂ】
2010137232.tif 000005
【図２Ｃ】
2010137232.tif 000006
【図２Ｄ】
2010137232.tif 000007
【図３】
2010137232.tif 000008
【図４】
2010137232.tif 000009
【図５】
2010137232.tif 000010
【図６】
2010137232.tif 000011
【図７】
2010137232.tif 000012
【図８】
2010137232.tif 000013
【図９】
2010137232.tif 000014
【図１０】
2010137232.tif 000015
【図１１】
2010137232.tif 000016
【図１２】
2010137232.tif 000017
【図１３】
2010137232.tif 000018
【国際調査報告】
2010137232.tif 000019
2010137232.tif 000020