(57)【要約】【課題】全画素読出するときの空乏化電圧の上昇を回避し、また、読出パルス印加時の電界集中を回避する。【解決手段】半導体基板の受光面に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子１と、各光電変換素子列に沿って設けられ光電変換素子列の全光電変換素子の各々の検出電荷が読み出され同時に転送する電荷転送路２とを備える固体撮像装置において、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子１を１つ置きの２グループに分け各グループ毎に電荷転送路２に時間差を持って読み出す。これにより、読出パルス印加電極から離れた転送電極に逆極性パルスを印加して空乏化電圧の上昇を抑制することができ、電界集中も回避できる。【選択図】図１
2008028645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の受光面に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子列に沿って設けられ光電変換素子列の全光電変換素子の各々の検出電荷が読み出され同時に転送する電荷転送路とを備える固体撮像装置の駆動方法において、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子を１つ置きの２グループに分け各グループ毎に前記電荷転送路に時間差を持って読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記電荷転送路を構成する読出パルス印加電極から離れた位置の電荷転送電極に該読出パルスと逆極性パルスを印加することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記読出パルス印加電極に隣接する電荷転送電極に対し、読出パルス電位と前記逆極性パルスの電位との中間の電位を印加することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
半導体基板の受光面に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子列に沿って設けられ光電変換素子列の全光電変換素子の各々の検出電荷が読み出され同時に転送する電荷転送路とを備える固体撮像装置において、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子を１つ置きの２グループに分け各グループ毎に前記電荷転送路に時間差を持って読み出す駆動パルス供給手段を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記駆動パルス供給手段は、いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記電荷転送路を構成する読出パルス印加電極から離れた位置の電荷転送電極に該読出パルスと逆極性パルスを印加することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記駆動パルス供給手段は、いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記読出パルス印加電極に隣接する電荷転送電極に対し、読出パルス電位と前記逆極性パルスの電位との中間の電位を印加することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型の固体撮像装置に係り、特に、プログレッシブ走査で全画素読出を行う固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像装置の画素（光電変換素子）から電荷転送路に信号電荷を読み出す場合、例えば特許文献１，２に記載されている様に、読出電極に読出パルスを印加すると同時に隣接電極などに読出パルスと逆極性のパルスを印加し、空乏化電圧の上昇を抑制することが行われている。これを、図５〜図８で説明する。
【０００３】
図５は、画素補完型の固体撮像装置の模式図である。半導体基板の表面には多数のフォトダイオード（光電変換素子）１が市松状に配列形成されている。各フォトダイオード１上に記載したＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）は、フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色を示している。Ｇのカラーフィルタが積層されたフォトダイオード行と、ＲとＢのカラーフィルタが交互に積層されたフォトダイオード行とが交互に且つ１／２ピッチづつずらして配列されている。
【０００４】
この固体撮像装置は画素補完型であり、市松状に配列された各フォトダイオード（実画素）が検出した信号を補間演算することで、残りの市松位置における虚画素の信号を求める構成になっている。
【０００５】
各フォトダイオード列の右隣には、それぞれ各フォトダイオードを避ける様に蛇行した垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２が設けられ、各垂直電荷転送路２の端部に連絡する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）３が半導体基板の下辺部に設けられ、水平電荷転送路３の出力段に、出力アンプ４が設けられる。
【０００６】
垂直電荷転送路２は、半導体基板に設けられた埋め込みチャネルと、その上にゲート絶縁層を介して設けられた転送電極膜２ａとで構成される。図示する例の固体撮像装置では、１つのフォトダイオードに対して４枚の垂直転送電極膜２ａが設けられている。各垂直電荷転送路２の同一垂直位置の垂直転送電極膜２ａは、水平方向に電気的に接続され各フォトダイオード１を避けるように蛇行して形成されており、同一パルスが印加される。上記４枚の垂直転送電極膜２ａには、夫々、φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４のパルスが印加される。
【０００７】
図６は、プログレッシブ走査によって各フォトダイオードから信号電荷を読み出し垂直方向に転送するパルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４の波形図である。ＶＨ＝＋１５Ｖ，ＶＭ＝０Ｖ，ＶＬ＝−８Ｖである。
【０００８】
図７，図８は、パルスφＶ１〜φＶ４で駆動される第一ラインと第二ラインの垂直電荷転送路におけるポテンシャル遷移図である。時刻ｔ３でφＶ１がＶＨレベル（読み出しパルス）になると、図５に示すフォトダイオードＧ（Ｇのカラーフィルタが積層されたフォトダイオード１）の右斜め下方向の転送電極膜下に深い電位井戸か形成され（図７の黒矢印ａ）、この電位井戸内に、フォトダイオードＧの信号電荷が読み出される。このとき、φＶ３の電位を逆極性すなわちＶＬレベルにすることで、図７の黒矢印ｂに示す様にこの電極膜位置のポテンシャルが持ち上げられ、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【０００９】
以後、時刻ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７と経過し、これに合わせて、φＶ１〜φＶ４のパルス電位を図６に示す様に変化させると、フォトダイオードＧの信号電荷は、丁度、垂直転送電極膜２ａの２枚分だけ、垂直方向に転送される。
【００１０】
この時刻ｔ７において、φＶ３がＶＨレベル（読み出しパルス）になると、図５に示すフォトダイオードＲ，Ｂの右斜め下方向の転送電極膜下に深い電位井戸が形成され（図８の黒矢印ｃ）、この電位井戸内に、フォトダイオードＲ，Ｂの信号電荷が読み出される。このとき、φＶ１はＶＬレベルにあるため、φＶ２の電位を逆極性側即ちＶＬレベルとすることで、図８の黒矢印ｄに示す様に、この電位φＶ２が印加される電極膜位置のポテンシャルが持ち上げられ、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００１１】
この時刻ｔ７の状態で、フォトダイオードＧの信号電荷の転送位置とフォトダイオードＲ，Ｂの信号電荷の読み出し位置とが同一垂直位置に並び、以後、垂直転送方向への転送を行う。
【００１２】
【特許文献１】特開平７―３２２１４３号（特許第３５０９１８４号）公報
【特許文献２】特開２００１―１６５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図８の時刻ｔ７において、ＶＨレベルとなるφＶ３が印加される垂直転送電極膜と、ＶＬレベルとなるφＶ２が印加される垂直転送電極膜とは、隣接した位置にある。このため、両電極膜間の電位差はＶＨ−ＶＬ＝２３Ｖと大きくなってしまう。
【００１４】
近年の固体撮像装置は、数百万画素以上を搭載するため微細化が進み、ゲート絶縁膜も薄くなってきている。このため、隣接電極膜間の電位差が大きいと、信頼性上、様々な問題を引き起こす要因になってしまう。例えば、ゲート絶縁膜の局所的破壊によるリーク性の縦線が撮像画像中に現れたり、電位差が大きくなることで発生する電界の集中時に、インパクトイオンに起因する界面準位が変動し、暗時特性を劣化させてしまうという問題が生じる。
【００１５】
本発明の目的は、空乏化電圧の上昇を伴うことなく、読み出しパルスの印加時の電界集中による信頼性の低下を回避する全画素読出型の固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法は、半導体基板の受光面に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子列に沿って設けられ光電変換素子列の全光電変換素子の各々の検出電荷が読み出され同時に転送する電荷転送路とを備える固体撮像装置において、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子を１つ置きの２グループに分け各グループ毎に前記電荷転送路に時間差を持って読み出すことを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法は、いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記電荷転送路を構成する読出パルス印加電極から離れた位置の電荷転送電極に該読出パルスと逆極性パルスを印加することを特徴とする。
【００１８】
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法は、いずれかの前記グループから前記検出電荷を読み出すとき前記読出パルス印加電極に隣接する電荷転送電極に対し、読出パルス電位と前記逆極性パルスの電位との中間の電位を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、全画素読出するときの空乏化電圧の上昇を回避でき、また、読出パルス印加時の電界集中による信頼性の低下も回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像装置の模式図である。この固体撮像装置は、図５で説明した固体撮像装置と基本的な構成は同一であり、フォトダイオード１，垂直電荷転送路２，水平電荷転送路３，出力アンプ４を備える。
【００２２】
本実施形態の固体撮像装置が図５の固体撮像装置と異なるのは、各垂直転送電極膜２ａと図示しない駆動パルス出力部との配線接続と、駆動パルスの種類である。
【００２３】
図５で説明した様に、１つのフォトダイオードに対して４枚の転送電極膜２ａが設けられており、従来は、４枚の夫々に、φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４のいずれかのパルスを印加する構成にしている。
【００２４】
これに対し、本実施形態では、１つのフォトダイオードに対して設けられた４枚の転送電極膜２ａと、垂直方向に隣接するフォトダイオードに設けられた４枚の転送電極膜２ａの計８枚の転送電極膜２ａに対し、φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４，φＶ５，φＶ６，φＶ７，φＶ８のいずれかのパルスを印加する接続構成になっている。即ち、８相駆動を行う配線接続になっている。
【００２５】
図１に示す例では、或るフォトダイオードＧ行の下側に並ぶ転送電極膜２ａ行にパルスφＶ１が印加され、次のフォトダイオードＲ，Ｂ行の上側に並ぶ転送電極膜２ａ行にパルスφＶ２が印加され、このフォトダイオードＲ，Ｂ行の下側に並ぶ転送電極膜２ａ行にパルスφＶ３が印加され、…、フォトダイオードＧ行の上側に並ぶ転送電極膜２ａ行にパルスφＶ８が印加される。即ち、８行の転送電極膜２ａ毎に、繰り返し、パルスφＶ１〜φＶ８が印加される接続構成になっている。
【００２６】
図２は、パルスφＶ１〜φＶ８の波形図である。ＶＨ＝＋１５Ｖ，ＶＭ＝０Ｖ，ＶＬ＝−８Ｖである。時刻ｔｉにおける「φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４，φＶ５，φＶ６，φＶ７，φＶ８」は
時刻ｔ１：ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ
時刻ｔ２：ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ
時刻ｔ３：ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ
時刻ｔ４：ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ
時刻ｔ５：ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ
時刻ｔ６：ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ
……
時刻ｔ10：ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ
時刻ｔ11：ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＨ，ＶＭ
時刻ｔ12：ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ
時刻ｔ13：ＶＬ，ＶＭ，ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ
時刻ｔ14：ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＭ，ＶＬ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＭ
……
となっている。
【００２７】
図３は、上記のパルスφＶ１〜φＶ８で垂直電荷転送路を駆動したときの第一ラインの垂直電荷転送路（フォトダイオードＧ列の垂直電荷転送路）におけるポテンシャル遷移図であり、図４は、第二ラインの垂直電荷転送路（フォトダイオードＲ，Ｂ列の垂直電荷転送路）におけるポテンシャル遷移図である。
【００２８】
時刻ｔ３で、φＶ１がＶＨレベル（読出パルス）になると、第一ラインに沿う１つ置きのフォトダイオードＧの右斜め下の転送電極膜２ａ位置における電位井戸が黒矢印ｅに示す様に深くなり、このフォトダイオードＧから信号電荷がこの電位井戸内に移る。このとき同時に、読出パルス印加電極の隣接電極への印加電圧レベルをＶＭ（φＶ２，φＶ８）とするため、読出パルス印加時の電界集中が緩和される。
【００２９】
更に同時（時刻ｔ３）に、φＶ５をＶＬレベルにするため、φＶ１を印加した電極から最も離れた電極（信号電荷を読み出さないフォトダイオードＧの読出電極）のポテンシャルが黒矢印ｆに示す様に持ち上がり、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００３０】
次の時刻ｔ４では、信号電荷を収納した電位井戸が浅く且つ３電極分に広がり、次の時刻ｔ５で、φＶ５がＶＨレベル（読出パルス）になると、この第一ラインに信号電荷が読み出されていないフォトダイオードＧの右斜め下の電極膜２ａ位置における電位井戸が黒矢印ｇに示す様に深くなり、この電位井戸内にこのフォトダイオードＧの信号電荷が読み出される。
【００３１】
このとき同時に、読出パルス印加電極の隣接電極への印加電圧レベルをＶＭ（φＶ４，φＶ６）とするため、読出パルス印加時の電界集中が緩和される。
【００３２】
更に同時（時刻ｔ５）に、ＶＨレベルが印加された電極から最も離れた電極にＶＬレベルのφＶ８が印加されるため、この電極のポテンシャルが黒矢印ｈに示す様に持ち上がり、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００３３】
以後、時刻ｔ６，ｔ７，ｔ８，ｔ９，ｔ１０と経過するに従って、信号電荷を収納した第一ラインにおける電位井戸は３電極幅→２電極幅→３電極幅→…と伸縮を繰り返しながら、垂直方向に移動する。
【００３４】
時刻ｔ１１になると、第一ライン上の信号電荷（Ｇの信号電荷）が第二ラインに沿うフォトダイオードの読出位置まで転送され、このとき、φＶ７がＶＨレベル（読出パルス）になる。これにより、第二ラインに沿う１つ置きのフォトダイオードＲ，Ｂの右斜め下の転送電極膜位置の電位井戸が図４の黒矢印ｊに示す様に深くなり、この電位井戸内にフォトダイオードＲ，Ｂから信号電荷が移動する。
【００３５】
このとき同時に、読出パルス印加電極の隣接電極への印加電圧レベルをＶＭ（φＶ６，φＶ８）とするため、読出パルス印加時の電界集中が緩和される。
【００３６】
更にこの時刻ｔ１１に、ＶＨレベルが印加されている電極から最も離れた電極にＶＬレベルのφＶ２が印加され、この電極のポテンシャルが図４の黒矢印ｋに示す様に持ち上がり、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００３７】
次の時刻ｔ１２では、第二ライン上で信号電荷を収納した電位井戸が浅く且つ３電極分に広がり、次の時刻ｔ１３で、φＶ３がＶＨレベル（読出パルス）になると、この第二ラインに信号電荷が読み出されていないフォトダイオードＲ，Ｂの右斜め下の電極膜２ａ位置における電位井戸が図４の黒矢印ｍに示す様に深くなり、この電位井戸内にこのフォトダイオードＲ，Ｂの信号電荷が読み出される。
【００３８】
このとき同時に、読出パルス印加電極の隣接電極への印加電圧レベルをＶＭ（φＶ２，φＶ４）とするため、読出パルス印加時の電界集中が緩和される。
【００３９】
更に同時刻に、ＶＨレベルが印加された電極から最も離れた電極にＶＬレベルのφＶ６が印加されるため、この電極のポテンシャルが黒矢印ｎに示す様に持ち上がり、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００４０】
以後、転送パルス（ＶＨレベルが重畳されないＶＭ，ＶＬの２値レベルのパルス）がφＶ１〜φＶ８として垂直電荷転送路に印加されることで、各垂直電荷転送路上の信号電荷は水平電荷転送路まで転送される。
【００４１】
以上述べた様に、本実施形態の固体撮像装置では、信号電荷をプログレッシブ読み出しするときに、同一電荷転送路に沿う全てのフォトダイオードから同時に信号電荷を読み出すのではなく、１個置きのフォトダイオードと残りの１個置きのフォトダイオードの２グループに分け、各グループ毎に時間差を持って信号電荷の読み出しを行う。
【００４２】
このため、読出パルスを印加するときに、逆極性（ＶＬ）パルスを、読出パルス（ＶＨ）を印加する電極に隣接しない離れた電極に印加することが可能となり、空乏化電圧の上昇が抑制される。
【００４３】
また、読出パルス（ＶＨ）を印加するとき、読出パルス印加電極の隣接電極に、ＶＭレベルの電位を印加する構成としているため、電界集中が緩和され、電界集中に起因する不具合発生も回避される。
【００４４】
尚、本実施形態では、画素補完型配列の固体撮像装置を例に説明したが、インターライン・トランスファー方式やフレーム・インターライン・トランスファー方式のＣＣＤ型固体撮像装置でも同様の駆動が可能である。また、本実施形態では８相駆動を例に説明しているが、５相駆動以上であれば適用できる。更に、上記実施形態は、垂直間引き駆動を実施する場合や他の駆動方法を実施する際にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像装置では、プログレッシブ読み出しが可能でしかも空乏化電圧上昇が抑制されるため、微細化を図った固体撮像装置を搭載するデジタルカメラ等に適用すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の説明図である。
【図２】図１に示すＣＣＤ型固体撮像装置を駆動するパルス波形図である。
【図３】図２に示す駆動パルスで動作する第一ラインの垂直電荷転送路のポテンシャル遷移図である。
【図４】図２に示す駆動パルスで動作する第二ラインの垂直電荷転送路のポテンシャル遷移図である。
【図５】従来のＣＣＤ型固体撮像装置の一例の説明図である。
【図６】図５に示すＣＣＤ型固体撮像装置を駆動するパルス波形図である。
【図７】図５に示す駆動パルスで動作する第一ラインの垂直電荷転送路のポテンシャル遷移図である。
【図８】図５に示す駆動パルスで動作する第二ラインの垂直電荷転送路のポテンシャル遷移図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  フォトダイオード
２  垂直電荷転送路
２ａ  垂直転送電極
３  水平電荷転送路
４  出力アンプ
Ｒ，Ｇ，Ｂ  フォトダイオードに積層したカラーフィルタ
【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】
2008028645.tif 000007
【図６】
2008028645.tif 000008
【図７】
2008028645.tif 000009
【図８】
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