(57)【要約】【課題】フィールドをインターレース読み出しする場合に、ブルーミングの発生を防止する固体撮像装置を提供する。【解決手段】本固体撮像装置は、第１フィールド出力期間において、水平有効期間中にミドルレベル電圧が印加された読み出しゲート電極ＶΦ１から当該フィールドの信号電荷を読み出す駆動手段を備えることにより、第１フィールド出力期間において読み出されていない第２フィールドに対応するゲート電極ＶΦ３をローレベルにする。【選択図】図４
2004328680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直ＣＣＤに読み出す固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備え、フォトダイオードに蓄積された電荷をドレインに排出する電子シャッターから遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、ｎ対１インターレース方式によりフォトダイオードで蓄積された信号電荷をｎ個のフィールド出力期間で順に読み出す固体撮像装置であって、
前記フィールド出力期間中の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、高電圧と低電圧の２種類が存在し、
前記固体撮像装置は、
先頭のフィールド出力期間を含む１つ以上の連続するフィールド出力期間において、前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを優先して信号電荷を読み出す駆動手段を備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、先頭のフィールド出力期間においてのみ前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドから信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、さらに、前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第１のバイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧である第２のバイアス電圧に変更する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直ＣＣＤに読み出す固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備え、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッターから遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、ｎ対１インターレース方式によりフォトダイオードで蓄積された信号電荷をｎ個のフィールド出力期間で順に読み出す固体撮像装置の駆動方法であって、
前記フィールド出力期間中の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、高電圧と低電圧の２種類が存在し、
前記駆動方法は、
先頭のフィールド出力期間を含む１つ以上の連続するフィールド出力期間において、前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを優先して信号電荷を読み出す
ことを特徴とする駆動方法。
【請求項５】
前記駆動方法は、先頭のフィールド出力期間においてのみ前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドから信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項４記載の駆動方法。
【請求項６】
前記駆動方法は、さらに、前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第１のバイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧である第２のバイアス電圧に変更する
ことを特徴とする請求項４又は５記載の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバフロードレイン（ＯＦＤ）構造のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する電子機器が普及し、高解像度化に伴ってＣＣＤ撮像素子等のイメージセンサの微細化が進んでいる。
【０００３】
図１０は、特許文献１等に開示された従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。同図において、固体撮像素子１０は、二次元配列された複数のフォトダイオード１１と、複数の読み出しゲート部１２と、複数の垂直ＣＣＤ１３と、水平ＣＣＤ１５と、出力アンプ１６と、基板バイアス発生回路２０と、トランジスタＱ１とを有する。また、同図には、固体撮像素子の半導体基板のバイアス電圧（以下基板バイアスと呼ぶ）Ｖｓｕｂを変調する回路として、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３も併せて図示してある。
【０００４】
特許文献１等には、基板バイアスＶｓｕｂの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Ｑｓの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておく技術が開示されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後にメカニカルシャッター（図外）を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、１枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【０００５】
図１０において、複数のフォトダイオード１１は二次元配列され撮像エリア１４を形成する。各フォトダイオード１１は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード１１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２に読み出しパルスＸＳＧが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。
【０００６】
垂直ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の垂直列毎に設けられ、各フォトダイオード１１から読み出しゲート部１２を介して読み出された信号電荷を水平ＣＣＤ１５に垂直転送する。インターライン・トランスファー（ＩＴ）方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ１３には、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって転送駆動するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置され、フォトダイオード１１から読み出された信号電荷を順に垂直方向に転送する。これにより、複数の垂直レジスタ１３から水平ブランキング期間において１走査線（１ライン）分の信号電荷が水平レジスタ１５に出力される。４相の垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ４のうち２相目と４相目のΦＶ２とφＶ４とは、垂直転送のためのローレベルとミドルレベルの２値をとりうる。これに対して、１相目および３相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部１２の読み出しゲート電極も兼用しているので、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とは、ローレベル、ミドルレベル及びハイレベルの３値をとりうる。この３値目のハイレベルのパルスは読み出しゲート部１２に与えられる読み出しパルスＸＳＧとなる。
【０００７】
水平ＣＣＤ１５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ１３から転送された１ライン分の電荷を１水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ１６を介して出力する。この水平ＣＣＤ１５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、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、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する。
【０００８】
出力アンプ１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【０００９】
基板バイアス電圧発生回路２０は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して基板１７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときは第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときはより低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００１０】
上記の固体撮像素子１０は、半導体基板（以下基板と呼ぶ）１７上に形成される。基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷を基板１７へ掃き出すための基板シャッターパルスφＳＵＢなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッターパルスφＳＵＢによる基板シャッターをはじめ、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を全てドレインに掃き出す機能は電子シャッターとも呼ばれる。
【００１１】
図１１（ａ）は、フォトダイオード１１の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスＶｓｕｂによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスＶｓｕｂにより制御可能である。
【００１２】
図１２は、基板バイアスＶｓｕｂの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３のハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。
【００１３】
モニター期間では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が読み出され、動画像として表示されている（高速動画撮像モードと呼ぶ）。
【００１４】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モードと呼ぶ）が開始する。まず、基板バイアスＶｓｕｂには、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢ（図中の、基板シャッター電圧のパルス）が印加される。基板シャッターとは、ΦＳＵＢによって基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を基板１７に掃き出すことをいう（図１１（ｂ）参照）。基板シャッターパルスの印加終了によりフォトダイオード１１の信号電荷の蓄積量がゼロになる。基板シャッターパルスの印加終了からメカニカルシャッターが閉じるまでの期間は、露光期間となる。これに続いて、垂直ＣＣＤ１３内の信号電荷を事前に掃き出す高速掃き出し期間、第１フィールド出力期間、高速掃き出し期間、第２フィールド出力期間、無効データ出力期間が順に設けられる。第１、第２フィールドの読み出し期間のそれぞれの先頭では、ΦＶ１、ΦＶ３に重畳される読み出しパルスＸＳＧによるフォトダイオード１１から垂直ＣＣＤへの第１、第２フィールドの信号電荷の読み出しがなされる。その後、無効データ出力期間を経てモニター出力期間に戻る。
【００１５】
基板バイアスＶｓｕｂについては、高速動画撮像モード（モニター期間中）では第１バイアス電圧が印加される。静止画撮像モードでは、同図のように第１バイアス電圧と第２バイアス電圧とが切り換えられる（基板バイアス変調と呼ぶ）。第２バイアス電圧は第１バイアス電圧より低いので、オーバーフローバリアＯＦＢの高さは、第２バイアス電圧の方が高くなり、飽和信号蓄積量Ｑｓが増加する。第２バイアス電圧の期間は、同図では露光期間中からも無効データ出力期間であるが、少なくとも第２フィールド出力期間を含む。第１フィールドと第２フィールドの飽和信号電荷量Ｑｓの違い（段差）を少なくすることが可能となる。
【００１６】
これにより、メカニカルシャッターの遮光時に時間の経過とともに減少する飽和信号電荷量Ｑｓを、その減少分を見込んで増加させることができる。その結果、時間の経過とともに飽和信号電荷量Ｑｓが減少することに起因するＳ／Ｎやダイナミックレンジ等の特性の悪化を防止している。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１０−１５０１８３号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術によれば、近年のセルの微細化に伴って読み出しゲートの幅が短くなりつつあることから読み出しゲート電極（ΦＶ１、ΦＶ３に対応する電極）のブルーミングが発生しやすくなっているという問題がある。
【００１９】
より具体的に、図１３を用いて説明する。図１３は、垂直ＣＣＤ１３とフォトダイオード１１のポテンシャル分布を示す図である。横軸に示したＸ−Ｙ間は垂直ＣＣＤ１３からフォトダイオード１１までの基板水平方向を、Ｙ−Ｚ間はフォトダイオード１１の基板深さ方向を示す。縦軸は下向きに高くなるポテンシャル（電位）を示す。読み出しゲート電極がミドルレベルである場合（図中のＭ）、ローレベルである場合（図中のＬ）と比較してポテンシャルが高くなり、オーバーフローバリアーに対する障壁としての高さが低くなってしまう。その結果、例えば図１３に示した第１フィールド出力期間において垂直転送クロックΦＶ３が印加されている読み出しゲート電極Φ３は、ミドルレベルになっているので、第１フィールド出力期間及び高速掃き出し期間の間、ブルーミングが発生しやすくなっている。
【００２０】
さらに、固体撮像装置の微細化に伴ってゲート電極等が微細化しまた飽和信号電荷量の容量そのものの増大も図り難いことから、量子効率（光電変換効率）を改善し感度を向上させることが必要とされている。
【００２１】
本発明は、メカニカルシャッターを閉じた状態でフィールドをインターレース読み出しする場合に、ブルーミングの発生を防止する固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【００２２】
さらに、本発明は、感度を向上させた固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直ＣＣＤに読み出す固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備え、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する基板シャッターから遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、ｎ対１インターレース方式によりフォトダイオードで蓄積された信号電荷をｎ個のフィールド出力期間で順に読み出す固体撮像装置であって、前記フィールド出力期間の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、高電圧と低電圧の２種類が存在し、前記固体撮像装置は、先頭のフィールド出力期間を含む１つ以上の連続するフィールド出力期間において、前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを優先して信号電荷を読み出す駆動手段を備えている。
【００２４】
この構成によれば、１番目からｍ番目（１≦ｍ＜ｎ）までの各フィールド出力期間において、（ｍ＋１）番目のフィールド以降に読み出されるフォトダイオードに対応した読み出しゲート電極のうち、ミドルレベルに設定される読み出しゲート電極の数を最小にすることができるため、ブルーミングの発生量が抑制される。
【００２５】
ここで、前記駆動手段は、先頭のフィールド出力期間においてのみ前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドから信号電荷を読み出す構成としてもよい。
【００２６】
この構成によれば、例えば２対１や３対１インターレース方式の場合、水平有効期間において、前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフォトダイオードの信号電荷は、第１フィールド出力期間の最初に読み出されてしまうため、全てのフィールド出力期間において以降に読み出されるフォトダイオードに対応した読み出しゲート電極はすべてローレベルに設定されるため、ブルーミングを防止するとができる。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。
【００２７】
ここで、前記駆動手段は、さらに、前記基板シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第１のバイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧である第２のバイアス電圧に変更する構成としてもよい。
【００２８】
この構成によれば、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明における固体撮像装置の駆動方法についても、上記と同様の手段及び作用を有する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置１は、レンズ２、メカニカルシャッター３、駆動部４、信号処理部５、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤを有する固体撮像素子１０を備え、（Ａ）メカニカルシャッター３を閉状態にしてフィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、第１フィールド出力期間の先頭で垂直ＣＣＤの第１フィールド読み出しゲート電極をミドルレベル状態にしておき、その状態でハイレベルのパルスを印加することにより第１フィールドの信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出し、さらに、（Ｂ）露光期間の開始前に基板バイアス電圧を第１基板バイアス電圧から第２バイアス電圧に低下させるバイアス変調を行う構成としている。ここで、第１バイアス電圧は、メカニカルシャッター３の開状態での動画撮像モードにおける基板バイアス電圧である。第２バイアス電圧は、第１バイアス電圧よりも低電圧で、オーバーフローバリアを高くして飽和信号蓄積量Ｑｓを増加させるための基板バイアス電圧である。（Ａ）は、第１フィールド出力期間で読み出されない第２フィールドのブルーミングの発生を防止し、（Ｂ）はフォトダイオード１１の光電変換効率を改善して感度を向上するためである。
【００３１】
同図において、被写体（図示せず）からの入射光は、レンズ２等の光学系およびメカニカルシャッター３を経てＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアに入射する。  メカニカルシャッター３は、ＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアへの入射光を制御する。なお、メカニカルシャッター３の代わりに遮光する機能を有する液晶シャッター等を有していてもよい。
【００３２】
固体撮像素子１０は、図１０に示した固体撮像素子と同様である。図２（ａ）は、固体撮像素子１０におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極の配列を示す一例である。フォトダイオードの配列は、いわゆるベイヤー配列である。同図のように、垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極は、４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４に対応するΦ１〜Φ４の４種類が繰り返し配列される。このうちΦ１、Φ３は、それぞれ奇数ライン、偶数ラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、図２（ｂ）のような、読み出しゲート電極Φ１から読み出された奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しと、図２（ｃ）のような、読み出しゲート電極Φ３から読み出された偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しとが順次になされる。
【００３３】
駆動部４は、固体撮像素子１０の垂直ＣＣＤの転送を制御する４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４、水平ＣＣＤの転送を制御する２層クロックパルスΦＨ１、ΦＨ２、基板バイアス電圧制御信号ＶｓｕｂＣｏｎｔ、基板シャッターパルスΦｓｕｂ等を生成し、固体撮像素子１０に供給する。４相クロックパルスのうちΦＶ１、ΦＶ３は、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの３値をとりうる信号であり、そのハイレベルパルスは読み出しゲート電極に印加される読み出しパルスＸＳＧである。
【００３４】
また、駆動部４は、読み出しゲート電極Φ１をミドルレベル、読み出しゲート電極Φ３をローレベルにするように４相の垂直転送クロックを制御する。これにより、第１フィールド期間の水平有効期間中に、フォトダイオード１１に信号電荷が読み出されずに残っている第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３の電圧がローレベルとなり、水平有効期間中の読み出しゲート電極Φ３でのブルーミングの発生を防止している。このとき第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１はミドルレベルであるが、信号電荷が読み出された後なので読み出しゲート電極Φ１でのブルーミングは発生しない。ここで、水平有効期間とは、第１又は第２フィールド出力期間のうち、水平ＣＣＤ１５において水平転送動作がなされる期間であって、垂直ＣＣＤ１３において垂直転送クロックパルスが変化していない期間をいう。
【００３５】
さらに、駆動部４は、基板バイアス電圧について、静止画撮像モードにおいて露光期間の開始前に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げ、第２フィールド読み出し完了後に第１バイアス電圧に戻すように基板バイアス変調を行う。
【００３６】
信号処理部５は、固体撮像素子１０からの出力信号に対して、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理を行い、撮像信号として外部に出力する。
【００３７】
図３は、フォトダイオード１１及び垂直ＣＣＤ１３周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。同図において、例えばＮ型の基板１７の表面にＰ型のウェル領域３１が形成されている。ウェル領域３１の表面にはＮ型の信号電荷蓄積領域３２が形成され、さらにその上にＰ＋  型の正孔蓄積領域３３が形成され、フォトダイオード１１が構成されている。
【００３８】
このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、Ｐ型のウェル領域３１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合、越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。
【００３９】
このようにして、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード１１が構成されている。
【００４０】
フォトダイオード１１の横方向には、Ｐ型領域３１のうち読み出しゲート部１２を構成する部分を介してＮ型の信号電荷転送領域３５およびＰ＋  型のチャネルストッパ領域３６が形成されている。信号電荷転送領域３５の下には、スミア成分の混入を防止するためのＰ＋  型の不純物拡散領域３７が形成されている。さらに、信号電荷転送領域３５の上方には、例えば多結晶シリコンからなる転送電極３９が配されることにより、垂直ＣＣＤ１３が構成されている。転送電極３９は、Ｐ型領域３１の上方に位置する部分が、読み出しゲート部１２のゲート電極を兼ねている。
【００４１】
基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する（即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める）基板バイアスＶｓｕｂが印加されるようになっている。
【００４２】
＜動作説明＞
図４は、基板バイアスＶｓｕｂ変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置１０の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３に重畳されるハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。
【００４３】
モニター期間（高速動画撮像モード）では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が連続的に読み出され、動画像表示されている。
【００４４】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モード）が開始する。この静止画撮像モードでは、まず、基板バイアスＶｓｕｂに、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢが印加される。
【００４５】
図５（ａ）に基板シャッターパルスΦＳＵＢ印加時のポテンシャル分布を示す。横軸に示したＸ−Ｙは図２に示した垂直ＣＣＤ１３からフォトダイオード１１までの基板水平方向を、Ｙ−Ｚは図２に示すフォトダイオード１１の基板深さ方向を示す。縦軸はポテンシャル（電位）を示す。図５（ａ）に示すように基板シャッターパルス印加時には、基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を半導体基板に掃き出すことになる。こうして、複数の基板シャッターパルスΦＳＵＢの印加終了時にはフォトダイオード１１の全ての信号電荷の掃き出されている。
【００４６】
さらに、露光期間の開始前に、駆動部４は基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げるバイアス変調を行う。ただし、図４では、複数の基板シャッターパルスのうち最後の基板シャッターパルスの印加完了時になっている。
【００４７】
図５（ｂ）は、第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。同図のように、オーバーフローバリアＯＦＢは、第１バイアス電圧よりも第２バイアス電圧印加時の方が高くなり、飽和信号蓄積量Ｑｓが増加する。さらに、飽和信号蓄積量Ｑｓの増加にとどまらず、感度の向上が見られる。感度の向上は、フォトダイオードのオーバーフローバリアが基板深さ方向でより深い位置となり、光電変換により発生した信号電荷をより多くフォトダイオードに蓄積できること、すなわち光電変換効率の向上による。
【００４８】
図６は、第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。実線、破線は、第１、第２バイアス電圧印加時の特性を示す。入射光の波長が長いほど感度の向上が見られる。これは、波長が長い光ほどより深くまで到達し、オーバーフローバリアの深さの影響が大きくなるためである。
【００４９】
露光期間の後、垂直ＣＣＤ１３の電荷を垂直転送により掃き出すために、駆動部４は、高速掃き出しを行う。高速掃き出しでは、垂直ＣＣＤ１３に垂直転送クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４が速い周期で連続的に印加され、垂直ＣＣＤ１３の信号電荷を垂直転送により掃き出す。この高速掃き出しの代わりにダミーフィールドにより掃き出してもよい。
【００５０】
高速掃き出し期間に続く、第１フィールド出力期間の先頭で、駆動部４は、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１の電圧をミドルレベルに、Φ３をローレベルにするよう垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ３の位相を制御する。図４では、モニター出力期間も含めて、読み出しゲート電極Φ１の電圧をミドルレベルに、Φ３をローレベルにするようにタイミング設定されている。
【００５１】
この状態で、駆動部４は、読み出しゲート電極Φ１に読み出しパルスＸＳＧを印加して、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３に第１フィールドの信号電荷を読み出し、水平ＣＣＤ１５が１ライン分の信号電荷を順次水平転送するように水平転送クロックΦＨ１、ΦＨ２を印加し、水平ブランキング期間において垂直ＣＣＤ１３が１ライン分の信号電荷を水平ＣＣＤ１５に垂直転送するように垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ４を印加する。
【００５２】
この第１フィールド出力期間において、水平ブランキング期間以外の水平有効期間が時間的には大部分を占めており、水平有効期間では、読み出しゲート電極を兼用する垂直転送電極Φ１、Φ３は、それぞれミドルレベル、ローレベルに設定されている。読み出しゲート電極Φ３は、まだ読み出されていない信号電荷を保持するフォトダイオード１１に接続されているが、ローレベルに設定されているので、ブルーミングの発生を防止することができる。
【００５３】
第１フィールドに続く高速掃き出し期間の後、駆動部４は、読み出しゲート電極Φ３に読み出しパルスＸＳＧを印加して、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３に第２フィールドの信号電荷を読み出し、水平ＣＣＤ１５が１ライン分の信号電荷を順次水平転送するように水平転送クロックΦＨ１、ΦＨ２を印加し、水平ブランキング期間において垂直ＣＣＤ１３が１ライン分の信号電荷を水平ＣＣＤ１５に垂直転送するように垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ４を印加する。
【００５４】
この第２フィールド出力期間の先頭でフォトダイオード１１から読み出された信号電荷は、第１フィールド期間の間に読み出しゲート電極がローレベルになっていたので、ブルーミングが発生していないきれいな第２フィールドの画像を得ることができる。
【００５５】
これ以降は、無効データ出力期間の後、モニターモードに戻る。
＜第２バイアス電圧＞
上記の基板バイアス電圧は、露光期間の前に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に低下される。これは、露光期間のほぼ全域に渡って第２バイアス電圧を印加させることにより感度が向上するからである。
【００５６】
さらに望ましくは、基板シャッターパルスの印加が完了した直後に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に切り換えるべきである。基板シャッターパルスの印加前あるいは印加中に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げると、オーバーフローバリアＯＦＢがより高い状態で基板シャッターパルスを印加することになってしまい、より波高値の高い基板シャッターを印加しないと信号電荷を掃き出すことができなくなるという不具合が生じるからである。
【００５７】
また、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は、本実施の形態では短いほど望ましい。なぜなら、立ち下げ開始までの時間が短いほど露光時間に占める第２バイアス電圧レベルの期間が長くなり、露光感度が向上するからである。
【００５８】
一般的に、高速電子シャッター時（例えば１／２０００秒）において、機械的要因によりメカニカルシャッターが閉じる時刻がばらつき、露光時間すなわち露光量は１０％程度ばらつくが、カメラシステムにおいて実用上許容されている。したがって、露光時間の誤差として許容される時間は露光時間の１０％程度ある。よって、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は露光時間の１０％以内とすることが望ましい。
【００５９】
具体的には基板シャッターにより実現される高速電子シャッターの露光時間が５００μＳであれば、許容誤差を１０％以内とした場合は５０μＳ以下の時間であることが望ましい。
【００６０】
以上説明してきたように本実施の形態における固体撮像装置によれば、メカニカルシャッター３を閉状態にして第１、第２フィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、第２フィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極Φ１を第１フィールド出力期間の水平有効期間中にローレベルにしている。そのため、第１フィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極Φ３をその水平有効期間中にミドルレベルにしている。これにより、第１フィールド出力期間中に信号電荷を保存しているフォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３へのブルーミングを防止している。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。
【００６１】
さらに、露光期間の開始時点である基板シャッター印加直後に基板バイアス電圧を第１基板バイアス電圧から第２バイアス電圧に低下させるバイアス変調を行う構成としている。これにより、露光期間のほぼ全域に渡って、基板バイアスＶｓｕｂを第２バイアス電圧としているので、光電変換の効率（量子効率）が向上する。その結果、露光感度を向上させることができる。感度の向上により、色のＳ／Ｎが良くなり、低照度であっても撮像時の画質が向上する。また、感度の向上は、波長の長い方つまりＲ（赤）から赤外線（ＩＲ）領域にかけて向上率が高いので、固体撮像装置を監視カメラや暗視カメラとして利用する場合の性能向上を図ることができる。
【００６２】
なお、図１０における基板バイアス電圧発生回路２０、トランジスタＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、Ｃは、その全部又は一部を、固体撮像素子１０の基板上に形成してもよいし、基板外部に設けてもよい。また、基板バイアス電圧発生回路２０は、電源とグラウンド間で直列接続されたブリーダ抵抗による分圧値として基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生させる構成としてもよい。
【００６３】
＜他の実施形態＞
上記実施の形態において、２対１のインターレース・スキャンでのインターライン・トランスファー方式によるフレーム読み出しの場合を例にとって説明したが、３対１、４対１などの多対１インターレース方式の読み出しでもよい。ここでは、本発明を３対１インターレース方式で読み出される固体撮像素子に適用した例について説明する。
【００６４】
図７（ａ）は、３対１インターレース方式で読み出される固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤの転送電極の配列を示す一例である。この場合、垂直ＣＣＤの垂直転送電極は、６相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ６に対応するΦ１〜Φ６の６種類が繰り返し配列される。このうちΦ１、Φ３、Φ５は、それぞれ第１、第２、第３フィールドを構成するラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、３つのフィールドが順に読み出される（図７（ｂ）〜（ｄ）参照）。
【００６５】
３つのフィールド読み出しでは、水平有効期間中にミドルレベルが印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを優先して読み出せばよい。
【００６６】
図８は、この場合の固体撮像装置の動作タイミングの一例をタイムチャートである。同図のように、高速掃き出し期間に続く、３つのフィールド出力期間では、第２フィールド、第１フィールド、第３フィールドの順にフィールド読み出しが行われている。
【００６７】
最初に読み出される第２フィールドの出力期間では、ΦＶ１はローレベル、ΦＶ３はミドル、ΦＶ５はローレベルになっている。最初に読み出された第２フィールドに対応する読み出しゲート電極はΦ３であり、読み出されていない第１及び第３フィールドに対応する読み出しゲート電極はΦ１及びΦ５である。この第２フィールドの出力期間において、信号電荷を保存しているフォトダイオードに接続された読み出しゲート電極Φ１及びΦ５はローレベルになっているので、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへのブルーミングを防止することができる。
【００６８】
２番目に読み出される第１フィールドの出力期間でも、ΦＶ１はローレベル、ΦＶ３はミドル、ΦＶ５はローレベルになっている。この第１フィールドの出力期間において信号電荷を保存しているフォトダイオードに接続された読み出しゲート電極Φ３はローレベルになっているので、フォトダイオードから垂直ＣＣＤへのブルーミングを防止することができる。
【００６９】
３番目に読み出される第３フィールドの出力期間でも、読み出しゲート電極は同様であるが、フォトダイオードが信号電荷を保存していないので、もはやフォトダイオードから垂直ＣＣＤへのブルーミングが生じない。
【００７０】
図８の動作タイミング例では、読み出しフィールドの順序が第２、第１、第３フィールドの順としているのは、垂直ＣＣＤの転送電極Φ６を水平ＣＣＤへの転送の制御電極と兼用することを想定しており、水平有効期間にミドルレベルが印加される電極すなわち蓄積電極が、Φ２、Φ３、Φ４の３電極で、第２フィールドに対応した読み出し電極Φ３を含んでいるためである。
【００７１】
水平有効期間において、ミドルレベルが印加されている読み出しゲート電極に対応するフォトダイオードの信号電荷は、第１番目のフィールド出力期間の最初に読み出されてしまうため、全てのフィールド出力期間において以降に読み出されるフォトダイオード対応した読み出しゲート電極は全てローレベルに設定されて読み出しゲート電極における障壁が高く設定されるためブルーミングを防止することができる。
【００７２】
加えて、図９のように、水平有効期間中のΦＶ１、ΦＶ３、ΦＶ５の電圧がそれぞれミドル、ミドル、ローとなるような駆動にした場合には、ミドル、ミドル、ロー、といった形でミドルを優先して読み出すのが良い。この場合には、水平有効期間中にミドルレベルが印加される蓄積電極は、Φ１、Φ２、Φ３、Ｖ４の４電極となり、垂直ＣＣＤの最大転送電荷量が増大する。
【００７３】
このように、２対１以上の多対１インターレース方式の場合、水平有効期間中にミドルレベルが印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを先に読み出す、あるいは、先頭のフィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極のみがその水平有効期間中にミドルレベル（以下Ｍと略す）となるようにすればよい。これにより、先頭のフィールド出力期間中にまだ読み出されていない他のフィールドの読み出しゲート電極は、先のフィールド出力期間の水平有効期間中にローレベル（以下Ｌと略す）となる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、先頭のフィールド出力期間を含む１つ以上の連続するフィールド出力期間において、先行するフィールドの出力期間をにおいて、後のフィールドの信号電荷を保存しているフォトダイオードから垂直ＣＣＤへのブルーミングを防止することができる。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。また、露光期間における感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤの転送電極の配列を示す一例である。
（ｂ）奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しの説明図である。
（ｃ）偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しの説明図である。
【図３】フォトダイオード及び垂直ＣＣＤ周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図４】固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）基板シャッターパルス印加時のポテンシャル分布を示す。
（ｂ）第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
【図６】第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。
【図７】（ａ）固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤの転送電極の配列を示す一例である。
（ｂ）第１フィールドの読み出しの説明図である。
（ｃ）第２フィールドの読み出しの説明図である。
（ｄ）第３フィールドの読み出しの説明図である。
【図８】固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図９】固体撮像装置の他の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１０】ＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図１１】（ａ）フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
（ｂ）基板シャッター時の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図１２】従来技術における基板バイアスＶｓｕｂの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１３】垂直ＣＣＤとフォトダイオードのポテンシャル分布を示す図である。
【符号の説明】
１  固体撮像装置
２  レンズ
３  メカニカルシャッター
４  駆動部
５  信号処理部
１０  固体撮像素子
１１  フォトダイオード
１２  読み出しゲート
１３  垂直ＣＣＤ
１４  撮像エリア
１５  水平ＣＣＤ
１６  出力アンプ
１７  半導体基板
【図１】
2004328680.tif 000003
【図２】
2004328680.tif 000004
【図３】
2004328680.tif 000005
【図４】
2004328680.tif 000006
【図５】
2004328680.tif 000007
【図６】
2004328680.tif 000008
【図７】
2004328680.tif 000009
【図８】
2004328680.tif 000010
【図９】
2004328680.tif 000011
【図１０】
2004328680.tif 000012
【図１１】
2004328680.tif 000013
【図１２】
2004328680.tif 000014
【図１３】
2004328680.tif 000015