(57)【要約】【課題】固体撮像装置におけるブルーミングを低減すると共に撮像の感度を向上させる。【解決手段】それぞれが少なくとも３つの転送電極を有し、外部からの光を受けて情報電荷を生成する画素が連続して配置された撮像部を備え、転送電極に印加された電位によって形成されたポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する撮像装置において、撮像時に、転送電極のうち１つをオン状態に維持すると共に、転送電極のうち別の少なくとも１つをオン状態とオフ状態とに交互に切り替える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ少なくとも３つの転送電極を有し、外部からの光を受けて情報電荷を生成する画素、が連続して配置された撮像部を備え、前記転送電極に印加された電位によって形成されたポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する撮像装置であって、
撮像時において、前記転送電極のうち１つをオン状態に維持すると共に、前記転送電極のうち別の少なくとも１つをオン状態とオフ状態とに交互に切り替えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
撮像時において、前記オン状態に維持される転送電極の両側の転送電極を交互にオン状態に切り替えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
撮像時において、前記転送電極のオン状態とオフ状態との切り替えを１００μ秒〜１ｍ秒で行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像装置において、
オン状態とオフ状態とに交互に切り替える前記転送電極のうち１つをオン状態に維持して撮像期間を終了することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
それぞれ少なくとも３つの転送電極を有し、外部からの光を受けて情報電荷を生成する画素、が連続して配置された撮像部を備え、前記転送電極に印加された電位によって形成されたポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する撮像装置の駆動方法であって、
撮像時において、前記転送電極のうち１つをオン状態に維持すると共に、前記転送電極のうち別の少なくとも１つをオン状態とオフ状態とに交互に切り替えることを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像装置の駆動方法において、
撮像時において、前記オン状態に維持される転送電極の両側の転送電極を交互にオン状態に切り替えることを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の撮像装置の駆動方法において、
撮像時において、前記転送電極のオン状態とオフ状態との切り替えを１００μ秒〜１ｍ秒で行うことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
請求項５に記載の撮像装置の駆動方法において、
オン状態とオフ状態とに交互に切り替える前記転送電極のうち１つをオン状態に維持して撮像期間を終了することを特徴とする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、撮像される画像の画質を向上させる撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像素子は、マトリックス状に配置された画素においてそれぞれ生成された情報電荷を一塊の信号パケットとして、外部クロックパルスに同期した速度で移動させる電荷転送素子である。
【０００３】
フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子は、図４に示すように、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを有する。撮像部２ｉは、垂直方向（図４の縦方向）に互いに平行に延伸された複数の垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットはそれぞれ２次元行列として配置されたフォトダイオードとして機能する。蓄積部２ｓも、垂直方向に互いに平行に延伸された複数の垂直シフトレジスタを備える。蓄積部２ｓの各垂直シフトレジスタは、撮像部２ｉに備わる垂直シフトレジスタの１つと連続するように配置される。蓄積部２ｓは遮光され、各垂直シフトレジスタの各ビットが撮像部２ｉから転送されてきた情報電荷を蓄積する蓄積画素として機能する。水平転送部２ｈは、水平方向（図４の横方向）に延伸して配置される水平シフトレジスタを備える。水平シフトレジスタの各ビットに蓄積部２ｓの各垂直シフトレジスタの出力が接続される。水平シフトレジスタは、蓄積部２ｓの各垂直シフトレジスタから出力された情報電荷を出力部２ｄへ向けて転送する。出力部２ｄは、水平転送部２ｈの水平シフトレジスタから転送されてくる電荷を一時的に蓄積する容量及びその容量に蓄積された電荷を排出するリセットトランジスタを備える。
【０００４】
撮像部２ｉに入射された光が撮像部２ｉの各ビットで光電変換されて情報電荷が生成される。撮像部２ｉにおいて生成された情報電荷の２次元配列は、撮像部２ｉの垂直シフトレジスタにより蓄積部２ｓに高速で転送される。これにより、１フレーム分の情報電荷が蓄積部２ｓの垂直シフトレジスタに保持される。その後、情報電荷は１行分ずつ蓄積部２ｓから水平転送部２ｈへ転送される。さらに、情報電荷は１画素単位で水平転送部２ｈから出力部２ｄへ転送される。出力部２ｄは１画素毎の電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がＣＣＤ出力とされる。
【０００５】
撮像部２ｉ及び蓄積部２ｓは、図５〜図７に示すように、半導体基板１０の表面領域に形成された複数のシフトレジスタから構成される。図５は従来の撮像部２ｉの一部を示す模式的な平面図、図６及び図７はそれぞれＡ−Ａライン及びＢ−Ｂラインに沿った側断面図である。
【０００６】
Ｎ型半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）１０内にＰ型の不純物が添加されたＰウェル（ＰＷ）１１が形成される。このＰウェル１１の表面領域に、Ｎ型の不純物が高濃度に添加されたＮウェル（ＮＷ）１２が形成される。また、垂直シフトレジスタのチャネル領域間を分離するために分離領域２０が設けられる。Ｎウェル１２に、所定の間隔をもって互いに平行にＰ型の不純物をイオン注入することによってＰ型不純物領域が形成される。このＰ型不純物領域が分離領域２０に相当することになる。Ｎウェル１２は、隣接する分離領域２０によって電気的に区画され、分離領域２０に挟まれた領域が情報電荷の転送経路であるチャネル領域２２となる。
【０００７】
半導体基板１０の表面上には絶縁膜１３が成膜される。この絶縁膜１３を介してチャネル領域２２の延伸方向に交差（直交）するように、ポリシリコン膜からなる複数の転送電極２４が互いに平行に配置される。隣接する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組が１つの画素に相当する。
【０００８】
図８に、撮像時及び転送時における転送電極２４−１〜２４−３に印加される電圧のタイミングチャートを示す。また、図９に、撮像時におけるチャネル領域２２に沿ったＮウェル１２内のポテンシャル分布の様子を示す。撮像時には、１組の転送電極２４のうち１つの転送電極２４−２をオン状態にしてその転送電極２４−２下のチャネル領域２２にポテンシャル井戸５０を形成し、残りの転送電極２４−１，２４−３をオフ状態にすることによりオン状態の転送電極下のポテンシャル井戸５０に情報電荷を蓄積する。その後、転送電極２４−１，２４−２，２４−３の下にあるチャネル領域２２のポテンシャルが制御されて情報電荷が転送される。
【０００９】
ところが、ＣＣＤ固体撮像素子の画素が微細化されるにつれて、各画素のポテンシャル井戸５０の容量が小さくなり、ポテンシャル井戸５０に蓄積可能な飽和電荷量が低下し、撮像時の感度が悪くなる。そこで、図１０のタイミングチャートに示すように、撮像時において１組の転送電極２４のうち２つの転送電極２４−１，２４−２をオン状態にして２つの転送電極２４−１，２４−２下のチャネル領域２２にポテンシャル井戸５０を形成し、残りの転送電極２４−３のみをオフ状態にすることによりオン状態の転送電極下のポテンシャル井戸５０の容量を大きくし、感度を向上させる２ゲート・オン撮像方法が考えられている。
【００１０】
【非特許文献１】Albert J.P. Theuwissen, Solid-State Imaging with Charge-Coupled Devices, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, (1995年), Solid-State Science and Technology Library. Vol 1 p178-183.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記２ゲート・オン撮像方法では、撮像時において転送電極２４−３下のポテンシャル障壁が低くなるため、隣り合う画素間で相互に情報電荷が漏れるブルーミングが発生し易くなり、飽和出力を大きく出来ない問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、ブルーミングを低減すると共に、撮像時の飽和電荷量を大きくして撮像の感度を向上させる撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、それぞれ少なくとも３つの転送電極を有し、外部からの光を受けて情報電荷を生成する画素、が連続して配置された撮像部を備え、前記転送電極に印加された電位によって形成されたポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する撮像装置において、撮像時に、前記転送電極のうち１つをオン状態に維持すると共に、前記転送電極のうち別の少なくとも１つをオン状態とオフ状態とに交互に切り替えることを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記オン状態に維持される転送電極の両側の転送電極を交互にオン状態に切り替えることが好適である。なお、前記転送電極のオン状態とオフ状態との切り替えを１００μ秒〜１ｍ秒で行うことが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、撮像時おける画素間のブルーミングを低減すると共に、撮像の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態における撮像装置２００は、図１に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子２０２、タイミング制御回路２０４及び駆動ドライバ２０６を含んで構成される。
【００１７】
ＣＣＤ固体撮像素子２０２は、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを有する。また、タイミング制御回路２０４は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子２０２の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。これらの制御信号は、タイミング制御回路２０４から駆動ドライバ２０６へ入力される。駆動ドライバ２０６は、タイミング制御回路２０４から制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子２０２の撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄに各々に対して必要なタイミングでクロックパルスを出力する。
【００１８】
撮像部２ｉ及び蓄積部２ｓは、従来技術と同様に、垂直方向（図１の縦方向）に互いに平行に延伸された複数のチャネル領域とそれに交差する複数の転送電極とを含んで構成される垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットはそれぞれ情報電荷の転送方向に連続して配置された受光画素の１つとして機能する。撮像部２ｉ及び蓄積部２ｓの構造は従来技術と同様である。隣接する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組が１つの画素に相当する。各画素の転送電極２４−１，２４−２，２４−３に対して電圧を印加することによって情報電荷の蓄積（撮像）及び転送が行われる。
【００１９】
図２に、撮像時及び転送時におけるタイミングチャートを示す。タイミングチャートにおいて縦軸は電位、横軸は時間を示す。また、図３に、撮像時におけるチャネル領域２２に沿ったＮウェル１２内のポテンシャル分布の様子を示す。
【００２０】
撮像時には、１組の転送電極２４のうち１つの転送電極２４−２をオン状態に維持し、その両脇の転送電極２４−１及び転送電極２４−３を交互にオン状態に切り替えて撮像を行う。
【００２１】
時刻Ｔ0では、総ての転送電極２４−１〜２４−３をローレベルにして撮像部２ｉに残留する電荷を基板深部に排出する電子シャッター動作が行われる。
【００２２】
時刻Ｔ1では、転送電極２４−２をハイレベルにしてオン状態にすると共に、残りの転送電極２４−１，２４−３をローレベルに保ってオフ状態にすることにより、転送電極２４−２下のチャネル領域２２にポテンシャル井戸を形成する。時刻Ｔ2では、転送電極２４−２をオン状態に維持すると共に、転送電極２４−１をハイレベルに変更してオン状態とする。転送電極２４−３はローレベルに保ってオフ状態を維持する。時刻Ｔ3では、転送電極２４−２をオン状態に維持すると共に、転送電極２４−１をハイレベルからローレベルに戻してオフ状態とする。転送電極２４−３はローレベルに保ってオフ状態を維持する。時刻Ｔ4では、転送電極２４−２をオン状態に維持すると共に、転送電極２４−３をハイレベルに変更してオン状態とする。転送電極２４−１はローレベルに保ってオフ状態を維持する。時刻Ｔ5では、転送電極２４−２をオン状態に維持すると共に、転送電極２４−３をハイレベルからローレベルに戻してオフ状態とする。転送電極２４−１はローレベルに保ってオフ状態を維持する。
【００２３】
時刻Ｔ2〜Ｔ5の処理を撮像期間において繰り返す。例えば、転送電極２４−１，２４−３のオン／オフを１００μ秒〜１ｍ秒程度で繰り返すことによって、転送電極２４−１〜２４−３下に形成されるポテンシャル井戸の飽和電荷量を１ゲート・オン撮像方法に対して３０％程度増加させることができ、撮像の感度も１０％程度向上させることができる。このとき、図３に示すように、転送電極２４−１，２４−２下のチャネル領域２２、又は、転送電極２４−２，２４−３下のチャネル領域２２に広がった状態でポテンシャル井戸が形成されることによって、ポテンシャル井戸の飽和電荷量が増加すると考えられる。また、転送電極２４−１，２４−３のオン／オフの切り替え間隔を隣接する画素への電荷の漏れが増加し始める時間よりも短い時間（例えば、１００μ秒程度）に設定することによって、２ゲート・オン撮像方法に対してブルーミングが抑制されると考えられる。
【００２４】
従来の撮像時に２ゲート・オンにする撮像方法では、カラー撮像を行う際に画素の中心がずれないようにするためには、転送電極２４−１及び転送電極２４−２の中心にカラーフィルタの中心が一致するように１ゲート・オン撮像方法とはカラーフィルタの位置をずらして配置する必要がある。従って、画像のずれを生じさせることなく、１ゲート・オン撮像方法と２ゲート・オン撮像方法とを切り替えて行うことができない。
【００２５】
本実施の形態においては、撮像時において各画素に形成されるポテンシャル井戸の中心の時間的平均位置は転送電極２４−２のほぼ中心となるので、１ゲート・オン撮像方法を適用する場合と同様に転送電極２４−２の中心にカラーフィルタの中心が一致するように配置すれば良い。従って、画像のずれを生じさせることなく、従来の１ゲート・オン撮像方法と本実施の形態における撮像方法とを切り替えて行うことができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、中心となる転送電極２４−２の両側に配置された転送電極２４−１及び転送電極２４−３の両方をオン状態とオフ状態に切り替えて撮像を行ったが、転送電極２４−１又は転送電極２４−３のいずれか一方のみをオン状態とオフ状態に切り替えて撮像を行ってもポテンシャル井戸の飽和電荷量を増加させることができ、撮像の感度も向上させることができる。ただし、各転送電極下における暗電流等の発生量にはばらつきがあるので、転送電極２４−１及び転送電極２４−３の両方をオン状態とオフ状態に切り替えて撮像を行うことによって暗電流の発生量を３つの転送電極下で平均化させることがより好適である。これによって、画素間における暗電流の発生量の差を低減させ、画像のざらつき感を低減することができる。
【００２７】
転送時には、図２の時刻Ｔ6以降のように、隣接する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組み合わせ毎に３相の転送クロックφ１〜φ３が印加される。これによって、転送電極２４−１，２４−２，２４−３の下にあるチャネル領域２２のポテンシャルが制御されて情報電荷が垂直シフトレジスタの延伸方向へ転送される。
【００２８】
なお、情報電荷の転送を開始する直前は、時刻Ｔ2又は時刻Ｔ4のように転送電極２４−１〜２４−３のうち２つがオン状態となっている状態から転送を開始することが好適である。これによって、撮像時の飽和電荷量及び感度を維持しつつ転送処理に移行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明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２】本発明の実施の形態における固体撮像装置の撮像時及び転送時のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態における固体撮像装置の撮像時における転送電極下のポテンシャル井戸を説明する図である。
【図４】固体撮像素子の構成を示す図である。
【図５】固体撮像素子の撮像部及び蓄積部の構造を示す平面図である。
【図６】固体撮像素子の撮像部及び蓄積部の構造を示す断面図である。
【図７】固体撮像素子の撮像部及び蓄積部の構造を示す断面図である。
【図８】１ゲート・オン撮像方法における撮像時及び転送時のタイミングチャートである。
【図９】従来の固体撮像装置の撮像時における転送電極下のポテンシャル井戸を説明する図である。
【図１０】２ゲート・オン撮像方法における撮像時及び転送時のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
２ｉ  撮像部、２ｓ  蓄積部、２ｈ  水平転送部、２ｄ  出力部、１０  半導体基板、１１  Ｐウェル、１２  Ｎウェル、１３  絶縁膜、２０  分離領域、２２  チャネル領域、２４（２４−１，２４−２，２４−３）  転送電極、５０  ポテンシャル井戸、２００  撮像装置、２０２  固体撮像素子、２０４  タイミング制御回路、２０６  駆動ドライバ。
【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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