(57)【要約】【課題】外部操作により電子増倍をするか否かを操作し、ノイズの混在しない電子増倍によって得られる信号のS/N比を向上させることができる固体撮像素子およびその駆動方法を提供。【解決手段】固体撮像素子36は、信号電荷の読出しにおける転送電極42および44を、信号電荷を転送する転送電極42aおよび44aと受光素子38から信号電荷を読み出す転送電極42bおよび44bとに分割して、転送電極42bおよび44bの直下に形成されるポテンシャルの勾配を急峻にすることにより電子増倍の発生に寄与する。【選択図】図１
2008072046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子から読み出した信号電荷を、転送電極を介して供給される駆動信号に応じて転送する転送手段とを含み、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子において、
前記信号電荷の読出しにおける前記転送電極は、前記信号電荷を転送する第１の転送電極と前記受光素子から前記信号電荷を読み出す第２の転送電極とに分割されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、第２の転送電極の直下に読み出した信号電荷を一時的に滞留させる不純物拡散層が形成されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子から読み出した信号電荷を、転送電極を介して供給される駆動信号に応じて転送する転送手段とを含み、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
前記信号電荷の読出しにおける前記転送電極の直下に読み出した信号電荷を一時的に滞留させる第１の不純物拡散層が形成され、第１の不純物拡散層を介して前記転送電極に対向する位置に、読み出した信号電荷を所定の方向に移動させる内蔵電極が形成され、
第１の不純物拡散層は、第１の不純物拡散層と異なるタイプであり、第１の不純物拡散層を上層と下層とに分ける第２の不純物拡散層を含み、
該固体撮像素子は、読み出した信号電荷を前記上層と前記下層に移動させながら、電子増倍を発生させることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子において、第１の不純物拡散層はネガティブタイプであり、第２の不純物拡散層はポジティブタイプであることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子から前記信号電荷を、供給される駆動信号に応じて転送し、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子の駆動方法において、該方法は、
前記信号電荷を読み出す転送電極において、前記信号電荷を転送する第１の転送電極に供給する第１の駆動信号と、前記受光素子から前記信号電荷を読み出す第２の転送電極に供給する第２の駆動信号とを同時に印加し、
第１の駆動信号は、前記信号電荷を増やす電子増倍を発生させる際に、第２の駆動信号の電圧より高い電圧を印加し、
第２の駆動信号は、前記電子増倍時に第２の転送電極の直下に前記電子増倍の発生を支援する勾配のポテンシャルを生成させる電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、該方法は、前記信号電荷の数を保って読み出す際に、第１および第２の駆動信号の電圧を等しくして、印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法において、第１の駆動信号は、第２の駆動信号の電圧より高く、前記電子増倍を発生させる第１の区間と第２の駆動信号の電圧より低い電圧の第２の区間を有し、
該方法は、第１の区間と第２の区間の繰り返す回数を、前記電子増倍による増幅率に応じて調整して、印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項５に記載の方法において、第１の駆動信号は、前記入射光の入射側に形成された第１の層に読み出した信号電荷を移動させる第１の区間において、前記電子増倍を発生させる電圧で印加し、
第２の駆動信号は、第１の層に接する境界層を介した第２の層に読み出した信号電荷を移動させる第１の区間に連続した第２の区間において、前記電子増倍を発生させる電圧で印加し、
該方法は、第１の区間と第２の区間の繰り返す回数を、前記電子増倍による増幅率に応じて調整して、印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の方法において、該方法は、撮像感度と所定の感度閾値とを比較し、判定する第１の工程と、
判定結果において前記撮像感度が前記所定の感度閾値より高い場合、第１の駆動信号を第２の駆動信号の印加電圧より高く設定する第２の工程と、
前記判定結果において前記撮像感度が前記所定の感度閾値以下の場合、第１および第２の駆動信号の印加電圧を等しく設定する第３の工程とを含む固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の方法において、該方法は、撮像感度と第１の感度閾値とを比較し、判定する第４の工程と、
第４の工程の判定結果において前記撮像感度が第１の感度閾値以下の場合、前記信号電荷の数を保つ駆動に設定する第５の工程と、
第４の工程の判定結果において前記撮像感度が前記所定の感度閾値より高い場合、前記撮像感度と第２の感度閾値とを比較し、判定する第６の工程と、
第６の工程の判定結果において前記撮像感度が第２の感度閾値以下の場合、前記電子増倍を発生させる駆動に設定する第７の工程と、
第６の工程の判定結果において前記撮像感度が第２の感度閾値より高い場合、前記電子増倍を発生させる回数を第７の工程での回数より多い駆動に設定する第８の工程とを含む固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関するものであり、とくに、本発明の固体撮像素子は、電子増倍技術により電子を増幅させて、得られる信号を高感度化する技術に関するものである。また、本発明の駆動方法は、得られる信号電荷を増幅させて、高品質な信号として読み出す技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置における電子増幅について記載された引例が提案されている。たとえば、特許文献１はCCD（Charge Coupled Device）の読出しゲートで電子増幅現象であるインパクトイオン化が発生することを開示する。インパクトイオン化が発生し、暗電流が増幅されると、画像にはいわゆる白傷として現れる。特許文献１は、インパクトイオン化を発生させないことを目的にしている。白傷を目立たないように抑制させることから、固体撮像装置は、電荷蓄積部と読出し部との間に形成する半導体の不純物濃度を調整することにより、読出しゲート部に生じる電界強度を緩和させ、結果として電子増幅を抑制させている。
【０００３】
また、特許文献２は実施例としてフレーム転送型-CCDを開示する。特許文献２は、インパクトイオン化を発生させる増幅部を有する。特許文献２の固体撮像装置は、このように電子増幅を積極的に発生させて、感度を向上させている。
【特許文献１】特開平８−340099号公報
【特許文献２】特開2002−290836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体撮像装置は、信号電荷だけを増幅できれば、信号のS/N比は向上する。しかしながら、特許文献１の場合、前述した目的から明らかなように、固体撮像装置は、インパクトイオン化の発生を抑制させていることから、信号のS/N比に着目した観点でこの抑制は、電子増倍の積極的な利用に対して消極的な利用である。
【０００５】
また、特許文献２は、垂直転送後に信号電荷を増幅することから、この転送中に発生するノイズも信号と同時に増幅してしまう。この結果、特許文献２の提案は、信号のS/N比の観点で最善の策とは言えない。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、外部操作により電子増倍をするか否かを操作し、ノイズの混在しない電子増倍によって得られる信号のS/N比を向上させることができる固体撮像素子およびその駆動方法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】
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するために、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、この受光素子から読み出した信号電荷を、転送電極を介して供給される駆動信号に応じて転送する転送手段とを含み、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子において、信号電荷の読出しにおける転送電極は、信号電荷を転送する第１の転送電極と受光素子から信号電荷を読み出す第２の転送電極とに分割されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は上述の課題を解決するために、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、この受光素子から読み出した信号電荷を、転送電極を介して供給される駆動信号に応じて転送する転送手段とを含み、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子において、この固体撮像素子は、信号電荷の読出しにおける転送電極の直下に読み出した信号電荷を一時的に滞留させる第１の不純物拡散層が形成され、第１の不純物拡散層を介して転送電極に対向する位置に、読み出した信号電荷を所定の方向に移動させる内蔵電極が形成され、第１の不純物拡散層は、第１の不純物拡散層と異なるタイプであり、第１の不純物拡散層を上層と下層とに分ける第２の不純物拡散層を含み、この固体撮像素子は、読み出した信号電荷を上層と下層に移動させながら、電子増倍を発生させることを特徴とする。
【０００９】
本発明は上述の課題を解決するために、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子から信号電荷を、供給される駆動信号に応じて転送し、転送した信号電荷を電気信号として読み出す固体撮像素子の駆動方法において、この方法は、信号電荷を読み出す転送電極において、信号電荷を転送する第１の転送電極に供給する第１の駆動信号と、受光素子から信号電荷を読み出す第２の転送電極に供給する第２の駆動信号とを同時に印加し、第１の駆動信号は、信号電荷を増やす電子増倍を発生させる際に、第２の駆動信号の電圧より高い電圧を印加し、第２の駆動信号は、電子増倍時に第２の転送電極の直下に電子増倍の発生を支援する勾配のポテンシャルを生成させる電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固体撮像素子は、信号電荷の読出しにおける転送電極を、信号電荷を転送する第１の転送電極と受光素子から信号電荷を読み出す第２の転送電極とに分割したり、信号電荷の読出しにおける転送電極と内部電極との間に形成された第１の不純物拡散層を第２の不純物拡散層で上層と下層に分けたりして、読み出した信号電荷を移動させる際に電子増倍を発生させ、固体撮像素子の駆動方法は、第１および第２の駆動信号を同時に印加し、電子増倍の発生に際し、第２の駆動信号の電圧より高い電圧の第１の駆動信号を印加し、電子増倍時に第２の転送電極の直下に電子増倍の発生を支援する勾配のポテンシャルを生成させる第２の駆動信号の電圧を印加し、なるべくノイズの混入しない段階で信号を増幅することにより信号だけを増幅させることができ、得られる信号のS/N比および感度を従来よりも高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実施例を詳細に説明する。図１を参照すると、本発明による固体撮像素子の実施例は、信号電荷の読出しにおける転送電極42および44を、信号電荷を転送する転送電極42aおよび44aと受光素子38から信号電荷を読み出す転送電極42bおよび44bとに分割して、転送電極42bおよび44bの直下に形成されるポテンシャルの勾配を急峻にすることにより電子増倍の発生に寄与し、なるべくノイズの混入しない段階で信号を増幅することにより信号だけを増幅させることができ、得られる信号のS/N比および感度を従来よりも高くすることができる。
【００１２】
本実施例は、本発明の固体撮像素子をディジタルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。
【００１３】
ディジタルカメラ10は、図２に示すように、光学系12、撮像部14、前処理部16、信号処理部18、操作部20、システム制御部22、タイミング信号発生部24、ドライバ26、メディアインタフェース（I/F）回路28、メディア30およびモニタ32を含む。各部の構成要素における機能等について簡単に記述する。
【００１４】
光学系12は、被写界からの入射光34を撮像部14にて操作部20の操作に応じた画像に結像させる機能を有する。光学系12は操作部20のズーム操作や半押し操作に応じて画角や焦点距離を調整する。光学系12は、所定の期間にわたって入射光を所定の絞りで開口させる、すなわち露出させた後、入射光を遮光するメカニカルシャッタを設けることが好ましい。メカニカルシャッタは本実施例で図示しない。
【００１５】
撮像部14には、入射光の到来方向に受光素子の配設位置に対応させてマイクロレンズが配され、本実施例では図示しないが、色フィルタセグメントが受光素子それぞれに配される。本実施例における撮像部14は、図１に示すように、固体撮像素子36を含む。固体撮像素子36は、入射光を電気信号に変換する受光素子38が２次元状に配設される。受光素子38は、垂直転送路40の転送方向に長い四角形の形状に感光領域を形成している。受光素子38は、図示しないが、感光領域を完全に覆うマイクロレンズが形成されている。受光素子38は、入射光を光電変換して、信号電荷を生成し、蓄積する。蓄積した信号電荷は、受光素子38に隣接する垂直転送路40に読み出す。
【００１６】
図１の垂直転送路40は、破線で示す転送電極42および44、ならびに一点鎖線で示す転送電極46および48により形成される。一般的に、蓄積した信号電荷は、形成された転送電極42および44を介して、垂直転送路40に読み出される。本実施例において、転送電極42は、単に信号電荷を垂直転送する転送電極42aと、読出しゲートを覆う領域に対応する転送電極42bとに分割される点に特徴がある。また、転送電極44も、信号電荷を垂直転送する転送電極44aと、読出しゲートを覆う領域に対応する転送電極44bとに分割されている。
【００１７】
次に固体撮像素子36を、図１の破断線IA-IA、IB-IBおよびIC-ICに沿って破断して、本実施例における垂直転送路40の分割について、図３および図４を参照しながら、本発明の特徴をより明らかに記述する。まず、破断線IA-IAに沿った破断面および形成するポテンシャルを図３に示す。
【００１８】
固体撮像素子36は、埋込み型の受光素子である。固体撮像素子36は、シリコンのＮ型半導体基板50の表面上に選択的に、Ｐ型ウェル領域52が形成される。Ｐ型ウェル領域52の上には、受光素子38の大きさに応じたＮ型不純物拡散層54が形成される。さらに、Ｎ型不純物拡散層54の上には、Ｐ型不純物拡散層56が形成される。受光素子38は、このようにＮ型半導体基板50の表面上にPNPN接合が形成される。受光素子38は、開口部から入射する光を光電変換により信号電荷を生成し、Ｎ型不純物拡散層54に蓄積する。
【００１９】
固体撮像素子36には、図３の紙面に向かって受光素子38の右側にＰ型不純物拡散層（Ｐ+）58がチャネルストップとして、形成される。また、図３の紙面に向かって受光素子38の左側に読出しゲートとして機能させるように、Ｐ型ウェル領域52が形成される。さらに、Ｐ型ウェル領域52は、この読出しゲート機能を持たせるため、受光素子38に隣接して、ほぼ転送電極42bの幅で転送電極42bの直下まで形成される。
【００２０】
また、垂直転送路40における実質的な垂直転送を担う転送電極42aの直下にほぼ転送電極42aの幅でＰ型ウェル領域52と不純物濃度の異なるＰ型不純物拡散層60が形成される。Ｐ型不純物拡散層60の上には、Ｎ型不純物拡散層62が形成される。図３の紙面に向かって転送電極42aの左端直下には、Ｐ型不純物拡散層（Ｐ+）58がチャネルストップとして、形成される。
【００２１】
固体撮像素子36は、図３に示すように、受光素子の開口部を除く領域を遮光部材64で覆うように形成される。遮光部材64には、たとえばアルミニウムが用いられる。転送電極42aおよび42bは、図示しない酸化膜等が形成された絶縁膜の表面上に選択的に形成される。転送電極42aおよび42bには、ポリシリコンが用いられる。図３のポテンシャルについては後段で記述する。
【００２２】
次に破断線IB-IBおよびIC-ICに沿った転送電極の破断面について開示する。本実施例における転送電極42、44、46および48は、４つで一組である。この中で信号電荷読出しに用いるゲート電極は、転送電極42および44である。本実施例の固体撮像素子36は、信号電荷の読出しにおいて、インパクトイオン化現象を発生するように駆動させる。この駆動は、光電変換により生成した信号電荷の数が増加するように形成するポテンシャル井戸の傾斜または勾配を急にするとよい。急な勾配のポテンシャル井戸は、これまで電界を強めることで得られる。
【００２３】
しかしながら、単に電界強度を強めても、読出しゲート領域では、図３に示すように、落ち込んだポテンシャル66が得られるに過ぎず、十分なインパクトイオン化の効果が得られない。この読出しゲート領域が生成する凹部のポテンシャル66を凸部または形成するポテンシャルを持ち上げる位置関係にできるとよい。
【００２４】
そこで、本実施例の信号電荷読出しにおいて、読出しゲート領域に印加する電圧が凸部のポテンシャルを形成するようにインパクトイオン化現象を発生させる電圧と異なる電圧を区別して、印加する。この印加を実現させるため、転送電極42は、垂直方向に、垂直転送させる転送電極42aおよび読出しゲート用の転送電極42bに分割形成され、転送電極42も垂直転送用の転送電極44aおよび読出しゲート用の転送電極44bに分割形成されている。
【００２５】
さらに、個々の垂直駆動信号は、これら転送電極それぞれに対して独立して、水平方向に供給することから、図４に示すように、および（44a,44b）信号電荷を読み出す分割された転送電極（42a,42b）が破断線IB-IBおよびIC-ICで形成される位置関係が逆になる。これは、転送電極（44a,44b）でも同様に逆の位置関係になっている。
【００２６】
次に固体撮像素子36における駆動およびポテンシャルの生成について図３および図５を参照しながら、記述する。受光素子38は、入射光を信号電荷に変換し、得られた信号電荷を所定のポテンシャル井戸68に蓄積する。蓄積した信号電荷は、信号電荷読出しに際して垂直転送路40に読み出される。信号電荷読出しは、図５に示すように、垂直同期信号V.Syncが立ち下がる時刻T1から所定の時間が経過した後、ドライバ26は、高いレベルの垂直駆動信号を垂直転送の転送電極に印加する。通常、信号電荷を蓄積するために形成されるポテンシャル障壁は、この垂直駆動信号の印加により、読出しゲートのポテンシャルが受光素子38のポテンシャルより高くなり、なくなる。この状態が読出しゲートが開状態である。開状態でポテンシャルは垂直転送路として機能する領域の直下にポテンシャル井戸70を形成する。受光素子38に蓄積した信号電荷は、ポテンシャル井戸70の底に移動し、読み出される。
【００２７】
これまで転送電極は、読出しゲート電極と垂直転送の転送電極とを共通にして用いてきた。このような転送電極の利用により読出しゲート領域に形成されるポテンシャル66は、緩やかな勾配を生成する。生成される緩やかな勾配に沿って信号電荷が移動するため、この信号電荷読出しではインパクトイオン化現象、すなわち信号電荷に電子増倍が発生しない。
【００２８】
本実施例の転送電極は、図１に示すように、垂直転送用と信号電荷読出し用に分けて、転送電極（42a,42b）および（44a,44b）に増やして、形成されている。さらに、垂直駆動信号は、図５に示すように、信号電荷読出し時に転送電極に応じて調整して、印加される。すなわち、転送電極42aおよび44aには、それぞれ、垂直駆動信号φV1aおよびφV3aがレベルHi#aで印加され、転送電極42bおよび44bには、それぞれ、垂直駆動信号φV1bおよびφV3bがレベルHi#bで同時に、印加される。とくに、レベルHi#bは、部分的に、読出しゲート領域のポテンシャルが緩やかな段差を形成せず、急峻なポテンシャルの谷を形成するように調整されたものである。レベルを比較すると、レベルHi#aはレベルHi#bより大きい。この結果、信号電荷には電子増倍が生じ、信号が増幅される。電子増倍が信号電荷読出しというできるだけノイズの発生がない段階で生じさせていることから、ノイズが増幅されず信号電荷、すなわち信号だけを増幅することができる。したがって、得られる信号は、S/N比を高くすることができる。
【００２９】
また、図５の時刻T3以降での垂直転送や時刻T2にて電子増倍を発生させない場合において、転送電極（42a,42b）には、同じレベルの垂直駆動信号を同時に印加する。この印加により転送電極（42a,42b）は従来と同じく１つの転送電極として機能させる。これは、転送電極（44a,44b）においても同じである。具体的に、垂直転送で用いる垂直駆動信号は、区別なく、レベルLおよびMが転送電極（42a,42b）および（44a,44b）に供給される。
【００３０】
なお、信号電荷に電子増倍を発生させる方法は、信号電荷読出しにおける転送電極の分割およびこの転送電極に印加する電圧の与え方に限定されるものではない。
【００３１】
図２に戻って、固体撮像素子36は、このようにして画素それぞれで得られた信号電荷を、順に垂直転送、水平転送させ、図示しない出力アンプに供給して、アナログ電圧信号72に変換する。撮像部14は、得られたアナログ電圧信号72を前処理部16に供給する。
【００３２】
前処理部16は、ノイズ除去に相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling: CDS）回路、ゲイン調整アンプ（GCA: Gain-Controlled Amplifier）、およびA/D変換器（Analog-to-Digital Converter）を含む。CDS回路には、タイミング信号発生器24からサンプリング信号としてCDSパルス74が供給され、A/D変換器には、変換クロック信号76が供給されている。前処理部16は、供給されるアナログ信号72に対してノイズ除去、波形整形、ディジタル化して得られた撮像データすべてをディジタルデータ、すなわち画像データ78としてバス80、信号線82を介して、信号処理部18に出力する。信号線82は、データおよび制御信号を含むラインである。
【００３３】
信号処理部18は、供給されるディジタルデータに対する以下に述べる信号処理機能を有する。信号処理部18は、図示しないが、AWB（Automatic White Balance）処理を含む評価値算出部および画像メモリを備える。信号処理部18は、この他、ガンマ変換、同時化処理、画像変換処理、圧縮/伸長処理および画像縮小処理等を行なっている。評価値算出部は、たとえば予備測光等において供給されるガンマ補正後の画像データに基づいて絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス調整値および階調補正値を演算し、この演算に応じて供給される画像データに対する適切な各パラメータを得られるように積算値を算出する。信号処理部18は、算出された積算値を信号62として、バス80および信号線84を介して、システム制御部22に供給する。
【００３４】
なお、評価値算出部は、信号処理部18への配設に限定することなく、システム制御部22に配設するようにしてもよい。このとき、信号処理部18は、ガンマ補正した画像データをシステム制御部22に供給すればよい。
【００３５】
信号処理部18には、一般に画像信号としてディジタルデータ78がバス80を介して画像メモリに供給される。信号処理部18における制御は、制御バスを介してシステム制御部22から供給される制御信号84に応じて制御される。信号処理部18には、タイミング信号発生器24から図示しないタイミング信号が供給される。このタイミング信号は、水平同期信号HD、垂直同期信号VDおよび後述する各部の動作クロック等を含む。また、信号処理部18は、生成した画像データ86をモニタ32に供給する。
【００３６】
操作部20は、図示しないがモード選択部およびレリーズシャッタボタンを含む。モード選択部は、静止画撮影モードおよび動画撮影モード、ならびに低感度モードおよび高感度モード等のようにいくつかあるモードのうち、いずれのモードにするかを選択する。この低感度モードおよび高感度モードの選択は、ISO感度を考慮して対応設定する。また、モード選択は、たとえばISO感度100〜3200まで設定することができる。モード選択部は、選択したモードを指示信号88としてシステム制御部22に出力する。
【００３７】
レリーズシャッタボタンは、２段階のストロークを有するボタンで、第１段のストロークでディジタルカメラ10を予備撮像の段階（S1）にし、第２段のストロークで本撮像の段階（S2）にするトリガタイミングを指示信号68としてシステム制御部22に出力する。
【００３８】
システム制御部22には、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行なう部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）が用いられている。システム制御部22は、図示しないがシーン判別部や係数を格納するEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、および動作手順の指示プログラムを格納するROM（Read Only Memory）等を含む。システム制御部22は、ソフトウェア的に処理でき、信号処理部18で選択した結果を選択信号64として供給される。
【００３９】
システム制御部22は、信号88として供給される操作部20で設定されたISO感度と感度閾値を比較して、電子増倍させるか否かを判断し、供給される選択信号64に応じて絞りおよびシャッタ速度を設定する。システム制御部22は、判断結果および設定に応じて駆動制御信号90を生成し、ドライバ26に出力する。駆動制御信号90は、ドライバ26が出力する読出しゲートパルスの電圧を制御する。
【００４０】
システム制御部22は、操作部20から供給されるトリガタイミングを示す指示信号88に応じて制御信号92を生成する。システム制御部22は、生成した制御信号92をタイミング信号発生器24に出力する。また、システム制御部22は、信号処理部18内におけるライン補間や信号発生回路に対する制御および信号処理を行なう上での制御も考慮した制御信号84を生成し、メディア30に対する読出し/書込み制御も行なっている。さらに、図示しないが、システム制御部22は、前処理部16における動作タイミングも制御している。
【００４１】
タイミング信号発生器24は、図示しない、基準とするクロック信号を基に各種のタイミング信号を生成する機能を有する。タイミング信号には、水平転送信号の他、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、および電子シャッタパルス等がある。また、タイミング信号発生器24は、CDSパルス74および変換クロック信号76も生成して、前処理部16に供給している。タイミング信号発生器24は、これら生成した垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスを含むタイミング信号94をドライバ26に供給する。
【００４２】
ドライバ26は、供給されるタイミング信号94や制御信号90を基に各種の駆動信号を生成する機能を有する。たとえばドライバ26が４相の垂直駆動信号を生成する場合、ドライバ26は、制御信号90に応じて垂直駆動信号（φV1a,φV1b）96および（φV3a,φV3b）98の電圧を異ならせて生成したり、同じ電圧で生成したりして、撮像部14に供給する。ドライバ26は、垂直駆動信号の他、図示しないがタイミング信号94を基に生成した駆動信号を撮像部14の固体撮像素子36に供給する。ドライバ26は、操作部22のレリーズシャッタボタンから供給される本撮像のタイミングに応動してメカニカルシャッタを開閉させる図示しない駆動信号もメカニカルシャッタに出力する。
【００４３】
メディアインタフェース回路28は、メディア30のカード記録媒体との書込み/読出しにおける電気的な特性を調整したり、タイミング調整したりする入出力インタフェース機能を有する。メディアインタフェース回路28は、画像データ100を入力し、画像データ102としてメディア30に出力する。また、メディアインタフェース回路28は、メディア30に、たとえば圧縮した画像データ100および102を書き込んだり、メディア30から記録された画像データ102および100を読み出したりする。
【００４４】
ストレージ30は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、信号処理部18から供給される画像データ92を記録する。データの書込み/読出しは、図示しないがシステム制御部22からの制御信号に応じて制御される。モニタ32は、図示しない表示コントローラにより供給される画像データ66が表示デバイスにて動作することにより画像表示される。
【００４５】
このように構成して、固体撮像素子36の受光素子38から信号電荷を読み出すというできるだけノイズの発生がない段階で、電子増倍させることにより信号を増幅させることから、ノイズが増幅されず、信号電荷、すなわち信号だけを増幅することができる。したがって、得られる信号は、S/N比を高くすることができる。
【００４６】
次に固体撮像素子36を適用した他の実施例について開示する。本実施例の固体撮像素子36は、内部構造が図１の固体撮像素子と部分的に相違する。本実施例の固体撮像素子36における内部構造は、図１の破断線IA-IAに沿った破断面を基に記述する。共通する部分には、先の実施例で用いた同じ参照符号を付し、同じ参照符号が付された部分に関する記述は煩雑さを回避するため省略する。
【００４７】
本実施例の固体撮像素子36は、図６に示すように、読出しゲート領域に対応する転送電極42bの直下にＮ型不純物拡散層62を形成する。Ｎ型不純物拡散層62は、Ｐ型不純物拡散層60で覆われる。ここで形成されるＰ型不純物拡散層60は、読出しゲートと垂直転送路との境界に対応する。このように転送電極42bの直下にＮ型不純物拡散層62を形成することによりこのＮ型不純物拡散層62は、電子は一時的に滞在させることができるようになる。
【００４８】
これは、転送電極42bに電圧V#bを印加し、転送電極42aに電圧V#aを印加することにより実現することができる。固体撮像素子36は、図６に示すように、ポテンシャルを形成する。このポテンシャル形成は、印加電圧V#aより印加電圧V#bを大きくするとよい。
【００４９】
本実施例の固体撮像素子36は、先の実施例における電子増倍と合わせて動作させると、電子はより増加させることができる。本実施例の固体撮像素子36における駆動および電子増倍の原理について図７および図８を参照しながら、記述する。図７のタイミングチャートは、先の実施例と基本的に同じである。先の実施例との相違点は、時刻T2と時刻T3の間で転送電極42aおよび42bに印加する垂直駆動信号（φV1a,φV3a）および（φV1b,φV3b）の電圧を印加し続ける。垂直駆動信号（φV1a,φV3a）は、時刻T2、T4、T5、T6、T7およびT3で電圧が変化する。
【００５０】
より具体的に記述すると、垂直駆動信号（φV1a,φV3a）は、時刻T2-T4の間、T5-T6の間、およびT7-T3の間で電圧Hi#hを印加する。また、垂直駆動信号（φV1a,φV3a）は、時刻T4-T5の間、およびT6-T7の間で電圧Hi#lを印加する。電圧垂直駆動信号（φV1b,φV3b）には、時刻T2と時刻T3の間で所定の電圧Hi#mを印加する。印加電圧の大小関係は電圧Hi#h＞電圧Hi#m＞電圧Hi#lである。
【００５１】
なお、印加電圧はこの大小関係が満たされていれば、一定の電圧でなくてもよい。
【００５２】
このタイミングの変化にともないポテンシャルは、図８に示すように、変化する。ここで、初期の信号電荷、すなわち電子数を、たとえば10個とする。また、固体撮像素子36の電子増倍率を140％と仮定する。図8(A)のポテンシャルは、時刻T2では、先の実施例で開示したように電子増倍を発生させた状態を示している。電子増倍により初期の電子数は14個に増える。
【００５３】
次に時刻T4-T5の間では、図8(B)に示すポテンシャルが形成される。このポテンシャル形成により電子は、垂直転送路40から読出しゲートに対応する領域、すなわち転送電極42bの領域に移動する。この移動において転送電極42bに印加する電圧が電圧Hi#mであることから、電子増倍は発生しない。したがって、電子数は14個である。
【００５４】
次に時刻T5-T6の間では、転送電極42aに印加する電圧が再び電圧Hi#hになることから、図8(C)に示すポテンシャルが形成される。これより、電子増倍が発生する。この結果、移動後の電子数は20個になる。
【００５５】
時刻T6-T7の間では、図8(B)のポテンシャル形成により垂直転送路40（転送電極42a）の電子は電子増倍しないで移動する。最後に、時刻T7-T3の間では、図8(C)のポテンシャル形成により読出しゲート対応領域（転送電極42b）の電子は電子増倍を伴って移動する。電子数は、移動後28個に増える。このように垂直転送路と読出しゲート対応領域の間を複数回にわたって電子を増倍させながら、移動させることにより電子数を増加させることができる。
【００５６】
これに対して、本実施例の固体撮像素子36において電子増倍を発生させないように駆動させる場合、固体撮像素子36は、図５に示したタイミングで駆動させる。ただし、印加電圧は、電圧Hi#a＞電圧Hi#bである。これらの印加電圧は、読出しゲート対応領域のポテンシャル勾配を緩やかにするように設定する。
【００５７】
ところで、インパクトイオン化現象または電子増倍現象が発生すると、各画素構造が製造上のばらつきにより増倍率が異なり、これにともない固定パターンノイズが増加してしまう懸念がある。また、固定パターンノイズは、入射光量に比例することが知られている。したがって、本来、光量が十分な被写体を撮影した場合、固定パターンノイズの増加割合が、電子増倍による信号の増加割合に比べて勝ってしまうことが考えられる。この場合、固体撮像素子36には、電子増倍現象を発生させない方がS/N比で有利になることがある。このような固定パターンノイズの不利を回避するため、固体撮像素子36は、撮像感度を基に駆動方法を切り換えることが望ましい。
【００５８】
固体撮像素子36を適用したディジタルカメラ10において、図９に示すように、撮像感度（ISO感度）が所定の感度閾値より高いか否かを判断する（ステップS10）。撮像感度（ISO感度）が所定の感度閾値より高い場合（YES）、異なる駆動電圧の設定に進む（ステップS12へ）。また、撮像感度（ISO感度）が所定の感度閾値以下の場合（NO）、等しい駆動電圧の設定に進む（ステップS14へ）。
【００５９】
異なる駆動電圧は、電圧Hi#a＞電圧Hi#bの関係を満たすように設定される（ステップS12）。また、等しい駆動電圧は、電圧Hi#a＝電圧Hi#bの関係に設定する（ステップS14）。これらの駆動電圧の設定後、終了に進んで、駆動電圧設定を終える。これにより、固体撮像素子36を適用するディジタルカメラ10は、効果的な電子増倍機能の活用ができるようになる。
【００６０】
また、ディジタルカメラ10は、より細かな感度モードに応じて駆動させてもよい。ディジタルカメラ10は、図10に示すように、撮像感度（ISO感度）が低感度閾値以下か否かを判断する（ステップS20）。撮像感度（ISO感度）が低感度閾値以下の場合（YES）、低感度設定に進む（ステップS22へ）。また、撮像感度（ISO感度）が低感度閾値より高い場合（NO）、中感度モードの判断処理に進む（ステップS24へ）。低感度設定は、電子増倍させないように設定する（ステップS22）。
【００６１】
次に中感度モードの判断処理は、撮像感度（ISO感度）が中感度閾値以下か否かを判断する（ステップS20）。撮像感度（ISO感度）が中感度閾値以下の場合（YES）、中感度設定に進む（ステップS26へ）。また、撮像感度（ISO感度）が中感度閾値より高い場合（NO）、高感度設定に進む（ステップS28へ）。中感度設定は、たとえば図７のタイミングチャートに示される回数程度に電子増倍させる（ステップS26）。高感度設定は、たとえば図７のタイミングチャートに示されるように電子増倍させる（ステップS28）。ただし、電子増倍させる回数は、中感度設定の回数よりも多く設定する。これら感度モードに応じた各駆動電圧の設定後、終了に進んで、駆動電圧設定を終える。これにより、固体撮像素子36を適用するディジタルカメラ10は、電子増倍機能の活用がより一層効果的にできるようになる。
【００６２】
次に固体撮像素子36を適用した他の実施例について開示する。本実施例の固体撮像素子36も、内部構造が図１の固体撮像素子と部分的に相違する。本実施例の固体撮像素子36における内部構造は、共通する部分に先の実施例で用いた同じ参照符号を付す。本実施例の平面図は図示しないが、固体撮像素子36の内部構造は、図１の破断線IA-IAと同じ位置に沿った破断面を基に記述する。
【００６３】
本実施例の固体撮像素子36は、図11に示すように、分割しない垂直転送で用いる転送電極42を形成する。本実施例の固体撮像素子36は、先の実施例における転送電極42aの領域の直下にＮ型不純物拡散層62を形成する。Ｎ型不純物拡散層62は、Ｐ型不純物拡散層60と異なるＰ型不純物拡散層104で覆われる。Ｎ型不純物拡散層62は、たとえばＰ型不純物拡散層60と同じ不純物濃度のＰ型不純物拡散層106で形成された仕切りにより、上層と下層に２層化されている。Ｎ型不純物拡散層62の下層側には、転送電極42aの領域に対応する電子増倍電極108形成される。電子増倍電極108は、ほぼ転送電極42aと同程度の幅に形成する。電子増倍電極108は、絶縁層110に覆われている。電子増倍電極108には、図示しないが電子を移動させる駆動信号が後述するタイミングで供給されている。
【００６４】
このように固体撮像素子36を形成し、受光素子38から信号電荷を垂直転送路のＮ型不純物拡散層62に読み出した後、転送電極42と電子増倍電極108とに印加する電圧を変化させることにより、読み出した信号電荷をこれら電極間で往復させ、電子増倍を発生させる。上層と下層に電子増倍が発生した際のポテンシャルを図11に示す。受光素子38から信号電荷を上層に信号電荷を読み出す際に、転送電極42に供給する垂直駆動信号φV1aは電圧Hiを印加し、電子増倍電極108に供給する電荷転送信号φVampは電圧Lowを印加する。信号電荷を下層に信号電荷を移動させる際に、転送電極42に供給する垂直駆動信号φV1aは電圧Lowを印加し、電子増倍電極108に供給する電荷転送信号φVampは電圧Hiを印加する。電子増倍率は、変化させる印加電圧と往復の回数を調整して、制御することができる。また、電子増倍を発生させたくない場合、受光素子38から信号電荷を垂直転送路に読み出した後、垂直転送させるとよい。
【００６５】
次に本実施例の固体撮像素子36における駆動タイミングについて記述する。図12のタイミングチャートは、図７に示したタイミングと基本的に同じである。先の実施例との相違点は、各時刻で供給される垂直駆動信号φV1aと電子増幅電極108に供給される電荷転送信号の印加電圧である。垂直駆動信号φV1aは、転送電極42に印加される。本実施例において、転送電極42には、時刻T2と時刻T4の間、時刻T5と時刻T6の間および時刻T7と時刻T3の間で電圧Hiの垂直駆動信号と、時刻T4と時刻T5の間および時刻T6と時刻T7の間で電圧Lowの垂直駆動信号とが印加される。
【００６６】
また、電荷転送信号φVampは、電子増倍電極108に印加される。本実施例において、電子増倍電極108には、時刻T4と時刻T5の間および時刻T6と時刻T7の間で電圧Hiの垂直駆動信号と、時刻T2と時刻T4の間、時刻T5と時刻T6の間および時刻T7と時刻T3の間で電圧Lowの垂直駆動信号とが印加される。
【００６７】
このように垂直駆動信号φV1aと電荷転送信号φVampを印加することにより、時刻T2-T4の間では、受光素子38から蓄積した信号電荷を垂直転送路40の上層に読み出す。次に時刻T4-T5の間での印加により読み出した信号電荷を上層から下層に移動させ、電子増倍を発生させせる。時刻T5-T6の間において、下層にある信号電荷は、印加電圧に応じて上層に移動し、電子増倍も発生させる。時刻T6-T7の間および時刻T7-T3の間において、信号電荷は、印加電圧に応じて上層から下層、下層から上層に順次移動し、それぞれの区間で電子増倍を発生させる。電子増倍は各区間で発生させることができることから、本実施例は、先の実施例よりも効率がよい。受光素子38から信号電荷を読み出した後の上層と下層間の電荷移動回数は、増幅率に応じて調整することが好ましい。
【００６８】
なお、垂直転送を開始する時刻T3では、信号電荷を上層に移動させて、電荷転送を終えることが望ましい。また、本実施例も図９および図10に示したように、感度モードに応じて電子増倍回数を調整するように動作させることが好ましい。
【００６９】
このように垂直転送路直下の上層と下層の間で複数回にわたって信号電荷を移動させて、電子増倍を発生させることで生成する電子数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に係る固体撮像素子を適用した実施例における固体撮像素子の平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子を適用したディジタルカメラにおける概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１の固体撮像素子を破断線IA-IAに沿って破断した場合の断面図である。
【図４】図１の固体撮像素子を破断線IB-IBおよびIC-ICに沿って破断した場合の断面図である。
【図５】図２のディジタルカメラにおけるドライバが出力する垂直駆動信号の電圧およびタイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】本発明に係る固体撮像素子を適用した他の実施例における固体撮像素子を破断線IA-IAに沿って破断した場合の断面図である。
【図７】図６の固体撮像素子に供給される垂直駆動信号の電圧およびタイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】図７の各垂直駆動信号の印加にともない生成されるポテンシャルおよび信号電荷の電子増幅を示す図である。
【図９】図６の固体撮像素子における感度モードに応じた印加電圧の設定手順を記載するフローチャートである。
【図１０】図６の固体撮像素子においてより詳細な感度モードに応じた印加電圧の設定手順を記載するフローチャートである。
【図１１】本発明に係る固体撮像素子を適用した他の実施例における固体撮像素子を破断線IA-IAに沿って破断した場合の断面図である。
【図１２】図11の固体撮像素子に供給される垂直駆動信号および電荷転送信号の電圧およびタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
10  ディジタルカメラ
14  撮像部
22  システム制御部
24  タイミング信号発生器
26  ドライバ
36  固体撮像素子
38  受光素子
40  垂直転送路
42, 42a, 42b, 44, 44a, 44b, 46, 48  転送電極
【図１】
2008072046.tif 000003
【図２】
2008072046.tif 000004
【図３】
2008072046.tif 000005
【図４】
2008072046.tif 000006
【図５】
2008072046.tif 000007
【図６】
2008072046.tif 000008
【図７】
2008072046.tif 000009
【図８】
2008072046.tif 000010
【図９】
2008072046.tif 000011
【図１０】
2008072046.tif 000012
【図１１】
2008072046.tif 000013
【図１２】
2008072046.tif 000014