(57)【要約】【課題】電源電圧低下時、過大な出力を抑制可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】感光素子列１１に隣接し、感光素子列１１が発生する信号電荷の読出しを制御するシフトゲート１３と、シフトゲート１３に隣接し、信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂに基づいて順次転送するシフトレジスタ１５と、シフトレジスタ１５に接続し、信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号φ２Ｂに基づいて次へ送る最終段シフトレジスタ１６と、最終段シフトレジスタ１６に接続し、信号電荷を蓄積するフローティング拡散領域２４と、リセットゲート電極２９を介してフローティング拡散領域２４と接続し、正の電源電圧ＯＤが供給されるリセットドレイン領域２５と、電源電圧ＯＤが規定値より低下したときに、接地電圧を最終段シフトレジスタ１６のゲートに供給する電圧設定回路３０とを備える。【選択図】  図１
2011130320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じて信号電荷を発生する複数の感光素子が配列した感光素子列と、
前記感光素子列に隣接し、前記感光素子列が発生する信号電荷の読出しを制御するシフトゲートと、
前記シフトゲートに隣接し、発生した前記信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号に基づいて順次転送するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷をゲートに供給される前記転送クロック信号に基づいて次段へ転送する最終段シフトレジスタと、
前記最終段シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷を蓄積するフローティング拡散領域と、
リセットゲート電極を介して前記フローティング拡散領域と接続し、正の電源電圧が供給され、前記信号電荷を排出するリセットドレイン領域と、
前記電源電圧が規定値より低下したときに、接地電圧を前記最終段シフトレジスタのゲートに供給する電圧設定回路と、
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電圧設定回路は、前記電源電圧に接続するインバータと、前記インバータの出力がゲートに接続され、ソース及びドレインの一方が前記最終段シフトレジスタのゲート電極に接続され、他方が接地されたトランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
入射光量に応じて信号電荷を発生する複数の感光素子が配列した感光素子列と、
前記感光素子列に隣接し、前記感光素子列が発生する信号電荷の読出しを制御するシフトゲートと、
前記シフトゲートに隣接し、発生された前記信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号に基づいて順次転送するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷をゲートに供給される前記転送クロック信号に基づいて次段へ転送する最終段シフトレジスタと、
前記最終段シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷を蓄積するフローティング拡散領域と、
リセットゲート電極を介して前記フローティング拡散領域と接続し、正の電源電圧が供給され、前記信号電荷を排出するリセットドレイン領域と、
内部で発生する基準電圧を出力レベルとするクランプ回路を有し、前記フローティング拡散領域に接続され、前記信号電荷に基づく信号電圧を出力する出力回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法において、
前記クランプ回路は、前記感光素子列から前記信号電荷を前記シフトレジスタに転送する期間及びその前後の転送クロック信号が「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定される期間の初めにおいて、前記転送クロック信号の少なくとも半周期の期間だけ前記基準電圧を出力レベルと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】
前記クランプ回路は、前記感光素子列から前記信号電荷を前記シフトレジスタに転送する期間及びその前後の転送クロック信号が「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定される全期間において、前記転送クロック信号と同様なクロック信号が供給されて、断続的に前記基準電圧を出力レベルとすることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記クランプ回路は、前記感光素子列から前記信号電荷を前記シフトレジスタに転送する期間及びその前後の転送クロック信号が「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定される全期間において、前記基準電圧を出力レベルとすることを特徴とする請求項３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、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置（例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device））は、複写機やデジタルカメラ等に広く使われている。固体撮像装置は、光電変換機能を有するために、外からの電源供給のみで動作する半導体装置と異なり、様々な使用状況において、接続される回路及び回路部品等に重大な影響を与えないことが要求されている。
【０００３】
固体撮像装置は、感光素子列、水平転送レジスタ、及び出力回路を有している。感光素子列が２次元の場合、更に垂直転送レジスタを有している。水平転送レジスタは、感光素子列に対応した複数のシフトレジスタを有し、例えば、２相の転送クロック信号が印加され、信号電荷を水平方向に転送するように構成される。水平転送レジスタは、最終段のシフトレジスタの先に配設されたゲート電圧が固定された出力ゲート電極を介して、フローティング拡散領域に接続されている。
【０００４】
フローティング拡散領域は、リセットゲート電極を介して、リセットドレイン領域と接続されている。フローティング拡散領域に送られた信号電荷はここで電圧に変換され、接続される出力回路で増幅や低インピーダンス化され、出力される。信号電荷はリセットドレイン領域に移され、排出される。
【０００５】
水平転送レジスタに与えられる転送クロック信号、特に最終段のシフトレジスタの転送クロック信号及びリセットクロック信号は、ほぼ同じタイミングで立ち上がるように与えられる。リセットゲート電極部のポテンシャルと出力ゲート電極部のポテンシャルのマージンが十分にとれていないと、フローティング拡散領域に蓄積された信号電荷が水平転送レジスタのシフトレジスタの側へ逆流する。
【０００６】
この問題を解決するために、水平転送レジスタの最終段のシフトレジスタに与える転送クロック信号の立ち上りよりも、リセットゲート電極に与えるリセットクロック信号の立ち上りを早くする固体撮像素子の駆動方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
開示された固体撮像素子の駆動方法は、リセットドレイン領域に移され、排出するための電源電圧が印加されて、信号電荷が水平方向に転送されるときは、逆流を防止する効果を有する。しかしながら、リセット機能が働かなくなった後、例えば、待機もしくは電源がオフ状態に移行するときの電源電圧低下するときに、リセットドレインからの流入が始まる逆流現象については、言及がなされていない。この逆流現象は、時間的には数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃ程度の短い時間であるが、固体撮像装置に接続されている回路及び回路部品等に対して過大な出力として現れ、重大な影響を与えかねないという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９‐１０７５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電源電圧低下時、過大な出力を抑制可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の固体撮像装置は、入射光量に応じて信号電荷を発生する複数の感光素子が配列した感光素子列と、前記感光素子列に隣接し、前記感光素子列が発生する信号電荷の読出しを制御するシフトゲートと、前記シフトゲートに隣接し、発生した前記信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号に基づいて順次転送するシフトレジスタと、前記シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷をゲートに供給される前記転送クロック信号に基づいて次段へ転送する最終段シフトレジスタと、前記最終段シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷を蓄積するフローティング拡散領域と、リセットゲート電極を介して前記フローティング拡散領域と接続し、正の電源電圧が供給され、前記信号電荷を排出するリセットドレイン領域と、前記電源電圧が規定値より低下したときに、接地電圧を前記最終段シフトレジスタのゲートに供給する電圧設定回路とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の別態様の固体撮像装置の駆動方法は、入射光量に応じて信号電荷を発生する複数の感光素子が配列した感光素子列と、前記感光素子列に隣接し、前記感光素子列が発生する信号電荷の読出しを制御するシフトゲートと、前記シフトゲートに隣接し、発生された前記信号電荷をゲートに供給される転送クロック信号に基づいて順次転送するシフトレジスタと、前記シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷をゲートに供給される前記転送クロック信号に基づいて次段へ転送する最終段シフトレジスタと、前記最終段シフトレジスタに接続し、転送された前記信号電荷を蓄積するフローティング拡散領域と、リセットゲート電極を介して前記フローティング拡散領域と接続し、正の電源電圧が供給され、前記信号電荷を排出するリセットドレイン領域と、内部で発生する基準電圧を出力レベルとするクランプ回路を有し、前記フローティング拡散領域に接続され、前記信号電荷に基づく信号電圧を出力する出力回路と、を備えた固体撮像装置の駆動方法において、前記クランプ回路は、前記感光素子列から前記信号電荷を前記シフトレジスタに転送する期間及びその前後の転送クロック信号が「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定される期間の初めにおいて、前記転送クロック信号の少なくとも半周期の期間だけ前記基準電圧を出力レベルとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電源電圧低下時、過大な出力を抑制可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を模式的に示す図で、図１（ａ）は固体撮像装置の平面的な図、図１（ｂ）は固体撮像装置の出力回路を示す図、図１（ｃ）は固体撮像装置の信号の流れを示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の電源電圧及び出力電圧を模式的に示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のポテンシャルを模式的に示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図、及び出力電圧を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態の変形例１に係る固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図。
【図９】本発明の第２の実施形態の変形例２に係る固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図。
【図１０】本発明の第２の実施形態の変形例３に係る固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明者は、固体撮像装置に、次のような現象が起こることを見出した。特許文献１に開示された固体撮像装置では、リセット機能が働いている場合に逆流が起こること、すなわち、信号電荷の逆流を問題にしている。しかしながら、本提案では、リセット機能が働かなくなった後のリセットドレインからの流入が始まった後、またはリセット機能が働く前の現象であり、感光素子列からの信号電荷の有無とは無関係に起こる逆流によって引き起こされることを問題とする。
【００１５】
図３（ａ）は、従来から適用されている固体撮像装置のクロック信号を模式的に示すタイミング図である。問題点を見出した固体撮像装置は、例えば、図６に示すような構成を有する。信号電荷が感光素子列から水平転送レジスタに転送（読出し）される期間は、シフトレジスタ及びリセットゲートのクロック信号が、「Ｈ」レベルまたは「Ｌ」レベルにそれぞれ固定され、かつこの期間はある程度の長さ（１μｓｅｃ以上）が必要である。この感光素子列からの読出し期間（図３（ａ）のＴＡ）と、シフトレジスタの転送期間（図３（ａ）のＴＢの「Ｌ」レベル）の差により、逆流による出力差が生じる。
【００１６】
つまり、固体撮像装置が組み込まれた機器が、待機もしくは電源がオフ状態に移行するとき、固体撮像装置に供給される電源から分割されたリセットドレイン領域に接続される排出のための電源電圧も急激に低下する。このとき、パルス関係の電源（５Ｖ乃至３Ｖ系）はオフ状態にならず、クロック信号が固体撮像装置に印加され続ける期間が存在する場合があり、読出し期間ＴＡで、リセットドレイン領域から信号電荷以上の電荷がフローティング拡散領域に流入し、水平転送レジスタのシフトレジスタの側へ逆流することが起こり得るという問題が発生する。また、電源がオン直後の電圧が上昇中で、リセット機能が働き始める電圧に到達する前に、パルス関係の電源が先にオンし、クロック信号を与える状態にあると、同様な逆流が起こり得るという問題が発生する。
【００１７】
後述するように、このシフトレジスタの側への逆流は、フローティング拡散領域に集まる電荷によって、信号電荷が感光素子列から水平転送レジスタに転送（読出し）される期間（図３（ａ）のＴＡ）において、出力信号（ＯＳ）端子に接続されるアナログフロントエンド（図１参照）の入力定格を越える高い出力電圧を発生することになるので、避ける対策が必要となった。
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１に示すように、固体撮像装置１は、感光素子列１１が水平方向（紙面横方向）に配設され、シフトゲート１３が感光素子列１１に隣接して並行に配設され、シフトレジスタ１５がシフトゲート１３に隣接して並行に、感光素子列１１に対向するように配設されている。転送ゲート電極２６は、感光素子列１１の各感光素子に対応するように、それぞれシフトレジスタ１５に配設されている。
【００２０】
固体撮像装置１は、信号電荷の水平転送方向の端部に、シフトレジスタ１５に接続した最終段シフトレジスタ１６が配設され、更に、出力ゲート電極２８を経て、フローティング拡散領域２４、リセットゲート電極２９を介してリセットドレイン領域２５が順に配設されている。水平転送レジスタは、シフトレジスタ１５及び最終段シフトレジスタ１６で構成される。
【００２１】
シフトゲートクロック信号φＳが、感光素子列１１の各感光素子から対向のシフトレジスタ１５に信号電荷を読出すために与えられる。２相の水平転送クロック信号φ１、φ２Ａが、信号電荷を水平方向に転送するために、隣接の転送ゲート電極２６で相異なるように与えられる。水平転送クロック信号φ２Ｂが、最終段シフトレジスタ１６の最終段転送ゲート電極２７に与えられる。水平転送クロック信号φ２Ｂは、１つ飛ばして近接の転送ゲート電極２６に与えられる水平転送クロック信号φ２Ａと同じ位相である。従って、水平転送クロック信号φ２Ｂを水平転送クロック信号φ２Ａとすることは可能である。リセットクロック信号φＲがリセットゲート電極２９に与えられる。
【００２２】
出力ゲート電極２８には、任意の電圧に固定された出力ゲート電圧ＯＧが与えられる。フローティング拡散領域２４は、電荷検出部ＦＪであり、電荷検出部ＦＪは出力回路３５（図１（ｂ）参照）に接続される。リセットドレイン領域２５には、信号電荷を排出するために正の電源電圧ＯＤが与えられる。水平転送クロック信号φ２Ｂ、すなわち、最終段転送ゲート電極２７に接続する電圧設定回路３０を有している。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、出力回路３５は、初段のソースフォロア回路と後段の増幅・バッファ回路との間に、クランプ回路３６を有している。電荷検出部ＦＪの出力はソースフォロア回路に入力され、ソースフォロア回路の出力はクランプ回路３６のカップリング用のコンデンサ３７を介して、増幅・バッファ回路に入力され、増幅等がなされて出力信号ＯＳとなる。クランプ回路３６はトランジスタ３８を有し、ゲートにクランプ回路クロック信号φＣ０が接続され、ソース／ドレインの一方が基準電圧源３９の正側に接続され、負側が接地されている。ソース／ドレインの他方がコンデンサ３７と増幅・バッファ回路との間に接続されている。
【００２４】
トランジスタ３８は、例えば、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴとすることが可能で、ソースがコンデンサ３７の出力側に接続され、ドレインが接地される。ゲートに印加される電圧により、トランジスタ３８が導通状態になると、増幅・バッファ回路に入力される信号は、基準電圧源３９の電圧レベルにクランプ（保持）される。
【００２５】
図１（ｃ）に示すように、固体撮像装置１は、例えば、パルス発生装置５で生成されたシフトゲートクロック信号φＳ、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂ、リセットクロック信号φＲ、クランプ回路クロック信号φＣ０が与えられる。固体撮像装置１は、アナログフロントエンド（以下、ＡＦＥという）７へ出力信号ＯＳを出力する。出力回路３５は、固体撮像装置１の中に配設されている。なお、パルス発生装置５は、ＡＦＥ７に組み込まれていても差し支えない。
【００２６】
図２に示すように、固体撮像装置１は、ｐ型の半導体基板２１に、転送チャネルとなるｎ型チャネル２２が形成され、ｎ型チャネル２２上に転送ゲート２６が配設されている。転送ゲート電極２６は、水平方向の感光素子ピッチ毎に２つ配設され、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａがそれぞれに接続される。水平転送クロック信号φ１に接続される転送ゲート電極２６下のｎ型チャネル２２の領域に信号電荷が読み出される。水平転送クロック信号φ２Ａに接続される転送ゲート電極２６下のｎ型チャネル２２の領域は、転送のための領域である。水平転送クロック信号φ１に接続される転送ゲート電極２６に隣接する最終段転送ゲート電極２７下のｎ型チャネル２２の領域は、水平転送クロック信号φ２Ｂに接続される転送のための領域である。なお、半導体基板２１はｎ型として、その中にｐ型ウェル領域を有する構成とすることは可能である。
【００２７】
転送ゲート電極２６及び最終段転送ゲート電極２７の下のｎ型チャネル２２は、転送方向の後方位置に、それぞれ、ｐ型領域２３が形成されている。ｐ型領域２３は、ポテンシャル差が形成できればよいので、ｎ型チャネル２２より不純物濃度の低いｎ型領域に置き換えることは可能である。
【００２８】
フローティング拡散領域２４及びリセットドレイン領域２５は、リセットゲート電極２９下の領域を挟んだ両側のｎ型チャネル２２に、ｎ型チャネル２２より不純物濃度が高く形成されている。転送ゲート電極２６、最終段転送ゲート電極２７、及びリセットゲート電極２９とｎ型チャネル２２及びｐ型領域２３との間の絶縁膜は、それぞれ図示が省略されている。
【００２９】
最終段転送ゲート電極２７に接続する電圧設定回路３０は、インバータ３１の入力が電源電圧ＯＤに接続され、出力がトランジスタ３２のゲートに接続されている。トランジスタ３２のソース／ドレインの一方が水平転送クロック信号φ２Ｂに接続され、他方が接地されている。トランジスタ３２は、例えば、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴとすることが可能である。
【００３０】
インバータ３１は、閾値電圧を規定の電圧、例えば７Ｖにすると、電源電圧ＯＤが７Ｖ以下になると「Ｈ」レベル、すなわち、ほぼ電源電圧ＯＤがトランジスタ３２のゲートに印加され、トランジスタ３２が導通し、最終段転送ゲート電極２７は接地電圧になる。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、固体撮像装置１は、シフトゲートクロック信号φＳ、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂ、クランプ回路クロック信号φＣ０、リセットクロック信号φＲが、従来のクロック信号と同様に与えられる。読出し期間ＴＡは、水平転送クロック信号φ１が「Ｈ」レベル、水平転送クロック信号φ２Ａ、φ２Ｂが「Ｌ」レベルにある期間に相当し、シフトゲートクロック信号φＳが「Ｈ」レベルとなる読出し期間を含むように設定されている。転送期間ＴＢは、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂの１周期分の水平転送期間に対応する。例えば、読出し期間ＴＡは数μｓｅｃ、転送期間ＴＢは数１０ｎｓｅｃの程度である。
【００３２】
信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出されるとき、つまり、シフトゲートクロック信号φＳが「Ｈ」レベルにあるとき、水平転送クロック信号φ１が「Ｈ」レベルに、水平転送クロック信号φ２Ａ、φ２Ｂ、クランプ回路クロック信号φＣ０、リセットクロック信号φＲは「Ｌ」レベルに必ず固定された状態にあり、信号電荷は水平方向に転送されない。通常の稼働状態では、最終段転送ゲート電極２７に水平転送クロック信号φ２Ｂが与えられる。
【００３３】
固体撮像装置１が組み込まれた機器等の電源が、オフ状態に移る場合を考える。図４（ａ）は、縦軸に電源電圧、横軸に時間をとる。例えば、約１０Ｖの電源電圧ＯＤは、オフされた時点から、図４（ａ）に示すように、ほぼ一定の傾きで接地電圧に向かって低下する。電源がオフされても、パルス発生装置５は、直ぐにはオフされずに、クロック信号を正常状態とほぼ同様に出し続ける場合である。例えば、待機状態からの復帰を早めるためにクロック信号を入れ続ける場合や、比較的大きな容量のキャパシタをパルス発生装置に入れた場合も含まれる。
【００３４】
電源電圧ＯＤが低下して、規定の電圧（例えば閾値電圧７Ｖ）に達すると、電圧設定回路３０が働いて、最終段転送ゲート電極２７は、図３（ｂ）に示すように、水平転送クロック信号φ２Ｂに代わって、接地電圧（「Ｌ」レベル）に固定される。図３（ｂ）は、最終段転送ゲート電極２７が、読出し期間ＴＡ内で規定の電圧に達する場合であって、その時点以降で「Ｌ」レベルに固定されることになる。その結果、最終段転送ゲート電極２７が「Ｈ」レベルになって最終段の蓄積部に逆流電荷が流れ込み、「Ｌ」レベルになって最終段転送ゲート電極２７から電荷検出部ＦＪに電荷がまた戻る電荷変動がなくなり、過大な出力は発生しなくなる。なお、パルス発生装置５から送られるクロック信号は、図３（ａ）と同じである。
【００３５】
図５は、縦軸に下方に高いポテンシャルをとり、横軸を図２の構成図の横軸に対応させて、ポテンシャル分布を示す。電圧設定回路３０が設けられていない比較例においては、電源電圧ＯＤの低下に伴い、電源電圧ＯＤに接続されるリセットドレイン領域２５のポテンシャルは低下して行き、電荷がシフトレジスタ１５に読み出される期間の中のある時点で、図５に示すような許容範囲（接続されたＡＦＥ７の定格電圧以内）を超えるような状態になる。リセットドレイン領域２５のポテンシャルは、リセットゲート電極２９下の領域のポテンシャル（例えば８．６Ｖ）を超えて低下すると、リセットドレイン領域２５のポテンシャルに相当する電荷（点状部）が、フローティング拡散領域２４に逆流して、蓄積することになる。そして、最終段転送ゲート電極２７が「Ｈ」レベルにあると、出力ゲート電極２８のポテンシャルを超えて、最終段転送ゲート電極２７下の領域にも蓄積する。その後に、最終段転送ゲート電極２７が「Ｌ」レベルに移行すると、フローティング拡散領域２４下に過大な電荷の蓄積が起こり、定格電圧を超える電圧がＡＦＥ７に出力される。
【００３６】
そこで、固体撮像装置１は、この逆流に伴う電荷の蓄積による出力電圧が、許容範囲を超えないように、つまり、規定の電圧（例えば閾値電圧７Ｖ）を上記のように設定することにより、電圧設定回路３０が稼動する。最終段転送ゲート電極２７は、図３（ｂ）に示すように、水平転送クロック信号φ２Ｂに代わって、接地電圧（「Ｌ」レベル）に固定されることになり、最終段転送ゲート電極２７下への電荷の蓄積が抑制される。
【００３７】
図４（ｂ）に、縦軸に電圧をとり、本実施例の固体撮像装置１の電荷蓄積による出力電圧の変化を、電圧設定回路３０が設けられていない比較例と対比して示す。図４（ｂ）に示すように、線Ｌ１（実線）は電荷の逆流による蓄積が起こらない場合の電圧であって、電源電圧ＯＤの変化に対応して変化して行く電位（クランプ回路３６の基準電圧源３９の電圧）である。線Ｌ２（点線）で表わしたピーク値は、比較例の固体撮像装置の読出し時（読出し期間ＴＡ時）に発生するフローティング拡散領域２４の電位である。線Ｌ３（破線）で表わしたピーク値は、固体撮像装置１の転送時（転送期間ＴＢの水平転送クロック信号φ２Ｂの「Ｌ」レベル時）に発生するフローティング拡散領域２４の電位である。線Ｌ３は、比較例の固体撮像装置においても同様である。線Ｌ１と線Ｌ２との電位差、線Ｌ１と線Ｌ３との電位差（それぞれ上下方向の両端矢印線）が、それぞれ、読出し時の出力電圧となる。ここで、比較例の電位差が大きくなっている。なお、図４（ｂ）の横軸の全幅は、例えば、数１０ｍｓｅｃの程度である。
【００３８】
図４（ｃ）に、比較例の固体撮像装置の図４（ｂ）の時間軸の中央部分を拡大して示す。線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ、図３に示すクロック信号の周期に従って出現する電位のピーク値を接続している。線Ｌ２に沿ったピーク値は、読出し期間ＴＡに対応して、比較的長い曲線となり、線Ｌ３に沿ったピーク値は、読出し期間ＴＢに対応して、比較的短い曲線となる。線Ｌ３に沿ったピーク値の個数は、感光素子列に対応した個数の間の転送となるため、線Ｌ２に沿った１つのピーク値に比較して、大きな数、例えば数千〜数万個となる。
【００３９】
図４（ｂ）に示すように、本実施例の固体撮像装置１において、読出し時のフローティング拡散領域２４の電位は、電源電圧が電圧設定回路３０の規定電圧に達するまで、比較例と同様に線Ｌ２で表わされる電位に沿って変化し、規定電圧に達した時点で、線Ｌ４で表わされるように、ほぼ縦軸に沿って上方向に変化し、以降、「Ｈ」／「Ｌ」レベルによる電荷変動がなくなるので、電荷の逆流による蓄積が起こらない場合の線Ｌ１に沿って変化する。規定電圧を適切に設定することにより、逆流に伴う電荷の蓄積による出力電圧が過大となることを制御することが可能となる。
【００４０】
上述したように、固体撮像装置１は、電圧設定回路３０を設けてある。電源電圧ＯＤが規定の電圧より低下した場合及び低下状態にある場合、パルス発生装置５及びＡＦＥ７等が稼働状態にあっても、最終段転送ゲート電極２７は接地され、「Ｈ」／「Ｌ」レベルによる電荷変動がなくなり、過大な出力を発生することはなくなる。つまり、固体撮像装置１は、過大な出力信号ＯＳを発生することが抑制される。固体撮像装置１が組み込まれた応用機器において、電源電圧ＯＤがパルス発生装置５及びＡＦＥ７等に先立って停止される場合が発生し、リセットドレイン領域２５の側から最終段転送ゲート電極２７の側に向かって電荷の逆流が起こり始めても、電荷変動が適切に止められて、ＡＦＥ７等の周囲の機器に及ぼす影響を軽減することが可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について、図６及び図７を参照しながら説明する。第１の実施形態とは、固体撮像装置のクランプ回路クロック信号による駆動方法が異なる。なお、第１の実施形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４２】
図６に示すように、固体撮像装置２は、第１の実施形態の固体撮像装置１から電圧設定回路３０が省略された構成を有している。最終段転送ゲート電極２７は、水平転送クロック信号φ２Ｂと接続されている。図１（ｂ）を参照すると、クランプ回路３６のトランジスタ３８のゲートへは、固体撮像装置１のクランプ回路クロック信号φＣ０を置き換えて、クランプ回路クロック信号φＣ１が接続される。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ１は、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂが「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定されて信号電荷の水平方向の転送が止められ、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出されるときも、信号電荷が転送されるときと同様の周期及び振幅のパルス（転送期間ＴＢ）で構成される。つまり、第１の実施形態の固体撮像装置１のクランプ回路クロック信号φＣ０が、同様の期間（読出し期間ＴＡに相当）において、「Ｌ」レベルに固定されていた（図３（ａ）参照）のに対して、クランプ回路クロック信号φＣ１は、一定の「Ｈ」／「Ｌ」レベルのパルスの繰り返しが与えられる。
【００４４】
図７（ｂ）に、縦軸に電圧をとり、本実施例の固体撮像装置２の電荷蓄積による出力電圧の変化を示す。図７（ｂ）に示すように、線Ｌ１（実線）は、図４（ｂ）に示す線Ｌ１と同様である。線Ｌ５（破線）は、固体撮像装置２の転送時及び読出し時に発生する電位のピーク値を結んだ線である。線Ｌ５は、読出し時に発生するピーク値を含んでいるものの、図４（ｂ）に示す線Ｌ３と同様である。線Ｌ５は、図４（ｂ）に示す線Ｌ２に示すように大きく変化することはない。出力電圧は、線Ｌ１と線Ｌ５との電位差として現れる。
【００４５】
固体撮像装置２は、電源電圧ＯＤがオフされ電圧低下が起こり、フローティング拡散領域２４に蓄積した電荷に基づく検出電圧が大きくなる前に、読出し期間ＴＡの水平転送クロック信号φＣ１が「Ｈ」レベルになりクランプ回路３６が働き、検出電圧は強制的に基準電圧源３９の電圧になるため、出力回路３５の出力電圧ＯＳが大きくなり過ぎることが抑制される。
【００４６】
また、電源電圧ＯＤがオンするときは次のようになる。パルス発生装置５及びＡＦＥ７等は、電源電圧ＯＤがオンするより先に駆動していて、リセットが機能する前であれば出力電圧ＯＳが大きくなることは起こる。しかし、電源電圧ＯＤがオンして、次第に電源電圧が上昇する状況においても、読出し期間ＴＡにクランプ回路クロック信号φＣ１は、一定の「Ｈ」／「Ｌ」レベルのパルスの繰り返しを与えるので、電位のピーク値は、時間軸を逆方向にした図７（ｂ）に示す線Ｌ５に類する曲線となる。電源電圧ＯＤがオン時においても、固体撮像装置２は、出力回路３５の出力電圧ＯＳがＡＦＥ７の定格電圧を超える等の周囲の機器に及ぼす影響を軽減することが可能である。
【００４７】
本発明の第２の実施形態の変形例１に係る固体撮像装置について、図８を参照しながら説明する。第２の実施形態とは、読出し期間ＴＡにおけるクランプ回路クロック信号の継続期間が短い点が異なる。なお、第１及び第２の実施形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４８】
図８（ａ）に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ２は、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出されるとき、信号電荷の転送が止められて信号電荷が転送されるときと同様の周期及び振幅のパルスが、シフトゲートクロック信号φＳの「Ｈ」レベルにある期間より短い期間だけ継続される。その後、クランプ回路クロック信号φＣ２は、信号電荷が転送される期間に至るまで、「Ｌ」レベルに設定されて継続する。
【００４９】
図８（ｂ）に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ３は、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出されるとき、信号電荷の転送が止められて信号電荷が転送されるときと同様の周期及び振幅のパルスが、シフトゲートクロック信号φＳの「Ｈ」レベルにある期間よりずっと短い期間継続される。すなわち、クランプ回路クロック信号φＣ３は、従来、信号電荷の転送が止められた直後に、信号電荷が転送されるときと同様の１周期分の「Ｈ」／「Ｌ」レベルのパルスが余分に継続される。その後、クランプ回路クロック信号φＣ３は、信号電荷が転送される期間に至るまで、「Ｌ」レベルに設定されて継続する。
【００５０】
その結果、クランプ回路クロック信号φＣ２が与えられた固体撮像装置は、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出される期間の途中まで、信号電荷を転送する周期で基準電圧源３９の電圧にクランプされる。クランプ回路クロック信号φＣ３が与えられた固体撮像装置は、信号電荷の転送が止められた時点の最初に、信号電荷を転送する周期程度で基準電圧３９にクランプされる。読出し期間ＴＡの直前の水平転送クロック信号φ２Ｂが「Ｈ」レベルであるため、最終段の蓄積部に逆流電荷が流れ込み、読出し期間ＴＡに水平転送クロック信号φ２Ｂが「Ｌ」レベルになって最終段転送ゲート電極２７から電荷検出部ＦＪに電荷がまた戻るが、その後、転送期間ＴＢと同じ周期でクランプ回路３６が働く。その結果、本変形例のそれぞれの固体撮像装置は、検出電圧は強制的に基準電圧源３９の電圧になるため、出力回路３５の出力電圧ＯＳが過大となることを抑制することが可能となる。
【００５１】
本発明の第２の実施形態の変形例２に係る固体撮像装置の駆動方法について、図９を参照しながら説明する。第２の実施形態とは、固体撮像装置のクランプ回路クロック信号のパルス形状が異なる。なお、第１及び第２の実施形態及びその変形例と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５２】
図９に示すように、本変形例２の固体撮像装置は、第２の実施形態の固体撮像装置２と同じ構成を有している。図１（ｂ）を参照すると、クランプ回路３６のトランジスタ３８のゲートへは、固体撮像装置１のクランプ回路クロック信号φＣ０を置き換えて、クランプ回路クロック信号φＣ４が接続される。
【００５３】
図９に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ４は、水平転送クロック信号φ１、φ２Ａ、φ２Ｂが「Ｈ」または「Ｌ」レベルに固定されて信号電荷の水平方向の転送が止められ、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出されるとき、信号電荷が転送されるときと同様の振幅の「Ｈ」レベルで、信号電荷の水平方向の転送が止められた全期間（読出し期間ＴＡに相当）に亘る周期を有するパルスで構成される。つまり、第２の実施形態の固体撮像装置２のクランプ回路クロック信号φＣ１が、同様の期間において、一定の「Ｈ」／「Ｌ」レベルパルスの繰り返しであるのに対して、クランプ回路クロック信号φＣ４は、「Ｈ」レベルに固定される。
【００５４】
クランプ回路クロック信号φＣ４は、信号電荷の転送が止められて信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出される期間中も、常に基準電圧源３９の電圧にクランプされる。その結果、本実施形態の固体撮像装置は、電源電圧ＯＤがオフされ電圧が低下して、フローティング拡散領域２４に蓄積した電荷に基づく検出電圧が大きくなったとしても、出力回路３５の出力電圧ＯＳが大きくなり過ぎることが抑制される。
【００５５】
本発明の第２の実施形態の変形例３に係る固体撮像装置について、図１０を参照しながら説明する。第２の実施形態の変形例３とは、読出し期間ＴＡにおけるクランプ回路クロック信号の「Ｈ」レベルの周期が相対的に短い点が異なる。なお、第１及び第２の実施形態及びその実施形態の変形例１、２と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５６】
図１０（ａ）に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ５は、信号電荷の転送が止められた全期間（読出し期間ＴＡに相当）より短い期間、例えば、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出される期間の途中まで、クランプ回路クロック信号φＣ４と同様な「Ｈ」レベルが継続される。その後、クランプ回路クロック信号φＣ５は、信号電荷が転送される期間に至るまで、「Ｌ」レベルに設定されて継続する。
【００５７】
図１０（ｂ）に示すように、クランプ回路クロック信号φＣ６は、信号電荷の転送が止められた全期間よりずっと短い期間、クランプ回路クロック信号φＣ４と同様な「Ｈ」レベルが継続される。つまり、例えば、クランプ回路クロック信号φＣ６は、従来、信号電荷の転送が止められた直後に、信号電荷が転送されるときと同様の少なくとも１周期分の「Ｈ」レベルが余分に継続される。その後、クランプ回路クロック信号φＣ６は、信号電荷が転送される期間に至るまで、「Ｌ」レベルに設定されて継続する。
【００５８】
その結果、クランプ回路クロック信号φＣ５が与えられた固体撮像装置は、信号電荷がシフトレジスタ１５に読み出される期間の途中まで、信号電荷を転送する周期で基準電圧３９にクランプされる。クランプ回路クロック信号φＣ６が与えられた固体撮像装置は、信号電荷の転送が止められた時点の最初に、信号電荷を転送する周期程度で基準電圧３９にクランプされる。読出し期間ＴＡの直前の水平転送クロック信号φ２Ｂが「Ｈ」レベルであるため、最終段の蓄積部に逆流電荷が流れ込み、読出し期間ＴＡに水平転送クロック信号φ２Ｂが「Ｌ」レベルになって最終段転送ゲート電極２７から電荷検出部ＦＪに電荷がまた戻るが、この期間はクランプ回路３６が働き続け、基準電圧源３９の電圧の状態が続くため、本変形例のそれぞれの固体撮像装置は、出力回路３５の出力電圧ＯＳが過大となることを抑制することが可能となる。
【００５９】
以上、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【００６０】
例えば、実施形態では、感光素子列は感光素子が水平方向に配列している例を示したが、感光素子列は感光素子が二次元の配列をしていることは可能である。
【００６１】
また、実施形態では、固体撮像装置はシフトレジスタがＣＣＤである例を示したが、固体撮像装置が、感光素子列、感光素子列からの読出しを制御するシフトゲート、最終段シフトレジスタ、フローティング拡散領域、及びリセットドレイン領域またはこれらに類する構成要素を持っていれば、感光素子列がＣＭＯＳセンサ及び他のセンサであってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１、２  固体撮像装置
５  パルス発生装置
７  アナログフロントエンド（ＡＦＥ）
１１  感光素子列
１３  シフトゲート
１５  シフトレジスタ
１６  最終段シフトレジスタ
２１  半導体基板
２２  ｎ型チャネル
２３  ｐ型層
２４  フローティング拡散領域
２５  リセットドレイン領域
２６  転送ゲート電極
２７  最終段転送ゲート電極
２８  出力ゲート電極
２９  リセットゲート電極
３０  電圧設定回路
３１  インバータ
３２、３８  トランジスタ
３５  出力回路
３６  クランプ回路
３７  コンデンサ
３９  基準電圧源
φ１、φ２Ａ、φ２Ｂ  水平転送クロック信号
φＣ０、φＣ１、φＣ２、φＣ３、φＣ４、φＣ５、φＣ６  クランプ回路クロック信号
φＲ  リセットクロック信号
φＳ  シフトゲートクロック信号
ＦＪ  電荷検出部
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５  線
ＯＤ  電源電圧
ＯＧ  出力ゲート電圧
ＯＳ  出力信号
ＴＡ  読出し期間
ＴＢ  転送期間
【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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