(57)【要約】【課題】転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を、飽和特性を損なうことがないように駆動する電荷転送素子の駆動方法を提供する。【解決手段】固体撮像素子は、行列状に配設された複数の光電変換素子１０と、複数の垂直転送部２０と、ラインメモリ３０と、水平転送部４０と、出力部５０、電荷読み出し部６０を含む。水平転送部４０は、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子で構成され、電荷を蓄積した電荷転送段に高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する電荷転送段に前記低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する電荷転送段に高レベルの電圧が印加されることがないように駆動される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子の駆動方法であって、
前記電荷転送段に蓄積される電荷を、前記電荷転送段それぞれに相対的に高レベルの電圧又は相対的に低レベルの電圧を印加することによって転送するに際して、
電荷を蓄積した前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する前記電荷転送段に前記低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されることがないように前記電荷転送素子を駆動する駆動方法。
【請求項２】
請求項１記載の駆動方法であって、
前記電荷転送段に蓄積される電荷は、複数の電荷蓄積領域を有するラインメモリから転送されるものであり、
前記ラインメモリの一部から選択的に、前記電荷転送段へ電荷を転送するステップと、
前記電荷転送段に転送された電荷の少なくとも一部を、前記電荷転送素子内で下流側に転送するステップと、
前記ラインメモリの残部から選択的に前記電荷転送段へ電荷を転送し、前記電荷転送素子内で転送された電荷の少なくとも一部に対して加算するステップとを含む駆動方法。
【請求項３】
半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記水平転送部は、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を含んで構成され、
前記電荷転送段に蓄積される電荷を、前記電荷転送段それぞれに相対的に高レベルの電圧又は相対的に低レベルの電圧を印加することによって転送するに際して、
電荷を蓄積した前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する前記電荷転送段に前記低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されることがないように前記固体撮像素子を駆動する駆動方法。
【請求項４】
請求項３記載の駆動方法であって、
前記固体撮像素子は、さらに垂直転送部の端部に設けられ、垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積するラインメモリを含み、
前記水平転送部は、前記ラインメモリに蓄積された電荷を転送するものであり、
前記ラインメモリの一部から選択的に、前記水平転送部を構成する前記電荷転送素子の前記電荷転送段へ電荷を転送するステップと、
前記電荷転送段に転送された電荷の少なくとも一部を、前記電荷転送素子内で下流側に転送するステップと、
前記ラインメモリの残部から選択的に前記電荷転送段へ電荷を転送し、前記電荷転送素子内で転送された電荷の少なくとも一部に対して加算するステップとを含む駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子の駆動方法、及び転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を含んで構成される固体撮像素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子として、ＣＣＤを利用した電荷転送部によって信号電荷を転送し、撮像データを得るものが知られている。この固体撮像素子は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、光電変換素子に隣接して設けられ、光電変換素子の電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部からの電荷を、行方向に転送する水平転送部と、水平転送部によって転送される電荷に応じた信号を出力する出力部とを有している。
【０００３】
垂直転送部を構成する第１のタイプの電荷転送素子は、不純物濃度がほぼ一定のｎ型電荷転送チャネルと、このチャネル上に膜厚がほぼ一定の絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極を含んで構成される。このタイプの電荷転送素子では、個々の電荷転送電極に印加する電圧の相対的な大小関係に応じて、相対的に高いレベルの電圧を印加した電極の下にはポテンシャル・ウェル領域が、相対的に低いレベルの電圧を印加した電極の下にはポテンシャル・バリア領域が形成され、ポテンシャル・ウェル領域の上流側及び下流側にポテンシャル・バリア領域を形成すれば、このポテンシャル・ウェル領域内に電荷を閉じこめることができる。
【０００４】
したがって、個々の電極に印加する電圧の高さを適宜制御することにより、２つのポテンシャル・バリア領域によって挟まれたポテンシャル・ウェル領域を所望方向に順次移動させることができ、ポテンシャル・ウェル領域内の電荷を所望方向に転送することができる。
【０００５】
なお、本明細書においては、電荷転送素子によって転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定する。
【０００６】
水平転送部を構成する第２のタイプの電荷転送素子は、ｎ型不純物の濃度が相対的に高い領域（以下、この領域を「ｎ型不純物添加領域」という。）と相対的に低い領域（以下、この領域を「ｎ-型不純物添加領域」という。）とが交互に形成された電荷転送チャネルと、このチャネル上に膜厚がほぼ一定の絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極を含んで構成される。電荷転送電極は、通常、ｎ型不純物添加領域及びｎ-型不純物添加領域それぞれの上方に１つずつ配置され、１つのｎ-型不純物添加領域上に配置された電荷転送電極と、その下流側のｎ型不純物添加領域上に配置された電荷転送電極とは共通結線される。共通結線される２つの電荷転送電極は、１つの電極としてもよい。
【０００７】
このタイプの電荷転送素子では、個々のｎ型不純物添加領域はｎ-型不純物添加領域に対して常にポテンシャル・ウェル領域となり、ポテンシャル・ウェル領域内の電荷は、ポテンシャル・バリア領域（この場合は、ｎ-型不純物添加領域）によって、移動が禁止される。したがって、電荷転送電極に印加する電圧の高さを制御することによって、ポテンシャル・バリア領域からポテンシャル・ウェル領域に向かう方向に電荷を転送することができる。
【０００８】
以下の記載では、「ポテンシャル・ウェル領域」を単に「ウェル領域」と、「ポテンシャル・バリア領域」を単に「バリア領域」と記述する。また、第１のタイプの電荷転送素子においては、１つの電荷転送電極とその下方に位置する電荷転送チャネルの一領域とによって構成される要素を、第２のタイプの電荷転送素子においては、１つのｎ-型不純物添加領域型不純物添加領域とその下流側のｎ型不純物添加領域、及びそれらの上方に配置された電荷転送電極とによって構成される要素を、「電荷転送段」と記述する。
【０００９】
このような垂直転送部及び水平転送部を備えた固体撮像素子は、垂直転送部に読み出された信号電荷を水平転送部に転送し、水平転送部によって転送された信号電荷を電圧信号に変換して出力する。固体撮像素子によって静止画撮影を行う場合は、全ての光電変換素子からの信号電荷をそれぞれ画素信号として利用するが、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラにおけるモニタモード（カメラのモニタに撮影画像を表示するモード）や、動画撮影モード（記録画素数が一般に少ない。）では、垂直方向及び水平方向に間引いた信号を得れば充分である。
【００１０】
垂直方向の間引きは、光電変換素子から垂直転送部への読み出しを間引いたり、垂直方向の複数の光電変換素子の電荷を垂直転送路で加算（混合）させたりすることによって実現される。また、水平方向の間引きは、垂直転送部と水平転送部との間に、信号電荷を一時蓄積するラインメモリを設け、垂直転送部から水平転送部への転送列を間引いた入り、水平転送部で複数の垂直転送部から電荷を加算（混合）することによって実現される。信号電荷の加算を行うと、信号処理上１つの画素として扱われる信号量（電荷量）が増加しているので、撮影感度を向上させることができる。
【００１１】
水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子は、特許文献１に示されている。図５は、水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子の一例の概略構成を平面的に示す図であり、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子１０と、光電変換素子１０に隣接して設けられ、光電変換素子１０で発生した信号電荷を列方向Ｙに転送する複数の垂直転送部２０と、垂直転送部２０の端部に設けられ、垂直転送部２０からの信号電荷を一時蓄積するラインメモリ３０と、ラインメモリ３０からの信号電荷を行方向Ｘに転送する水平転送部４０と、水平転送部４０によって転送される信号電荷に応じた信号を出力する出力部５０、光電変換素子１０の信号電荷を垂直転送部２０に読み出す電荷読み出し部６０を含む。なお、図５では、光電変換素子１０、ラインメモリ３０、電荷読み出し部６０は、一部のみに番号を付してある。
【００１２】
光電変換素子１０は、埋込型のフォトダイオードで実現され、入射光量に応じた信号電荷を発生し蓄積する。各光電変換素子１０の上方には、色フィルタ（図示せず）が設けられ、各光電変換素子１０は、フィルタの色に対応した分光感度の信号電荷を発生し蓄積する。色フィルタは、例えば赤色（以下、単に「Ｒ」と記述する場合もある）、緑色（以下、単に「Ｇ」と記述する場合もある）、青色（以下、単に「Ｂ」と記述する場合もある）の３原色で構成される。
【００１３】
垂直転送部２０は、光電変換素子１０から読み出された電荷を蓄積し、転送する垂直転送チャネルとその上方に設けられた垂直転送電極（図５においては、垂直転送チャネル領域に対応する領域を概略的に垂直転送部２０として記載してある。）を含む第１のタイプの電荷転送素子で構成される。光電変換素子１０の信号電荷は、電荷読み出し部６０を介して垂直転送部２０に読み出される。光電変換素子１０、垂直転送部２０、電荷読み出し部６０の形状及び配置、垂直転送電極（図示せず）の形状、配置等は、種々のものが周知であるので、詳細な記載は省略する。
【００１４】
ラインメモリ３０は、垂直転送部２０に続く１つの電荷転送段として構成される。ラインメモリ３０を構成する電荷転送段は、第２のタイプの電荷転送素子の電荷転送段と同様の構成を有し、上流の垂直転送部２０側にｎ-型不純物添加領域、下流の水平転送部４０側にｎ型不純物添加領域が形成されている。したがって、上流側に隣接する垂直転送部２０の電荷転送段に信号電荷を蓄積した後、その電荷転送段に相対的に低いレベルの電圧を印加し、ラインメモリに相対的に高いレベルの電圧を印加することにより、垂直転送部２０からの信号電荷をラインメモリ３０に転送し、蓄積することができる。
【００１５】
図６に、垂直転送部２０の転送段とそれに続くラインメモリ３０の関係を模式的に示す。図６においては、１つの光電変換素子１０に対して電荷転送段が４段（それぞれの電荷転送段に対応する垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４で示す。）形成され、その最下流に連続してラインメモリ３０（転送制御電極をＬＭで示す。）が設けられる。
【００１６】
水平転送部４０は、第２のタイプの電荷転送素子で構成され、１つの垂直転送部２０に対応して１つの電荷転送段を有する。そして、垂直転送部２０の下流端に設けられたラインメモリ３０に蓄積された信号電荷が対応する電荷転送段に転送され、蓄積され、出力部５０に転送される。
【００１７】
図７は、図５に示す固体撮像素子の、垂直転送部、ラインメモリ、及び水平転送部の構成を概略的に示す部分平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、図８は、垂直転送部、ラインメモリ、水平転送部の各電極及び不純物領域相互の位置関係を示すもので、各要素の寸法（例えば、水平転送電極Ｈ１下方のｎ型不純物領域の寸法）は、正確ではない。
【００１８】
チャネルストップ領域２２（一部のみ番号を付してある。）に区画された垂直転送チャネル２１（一部のみ番号を付してある。）上には、最下流の光電変換素子に対応する垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が設けられ、続いて転送制御電極ＬＭ（この例では、第１の転送制御電極ＬＭ１と第２の転送制御電極ＬＭ２が設けられるが、電圧が印加されるので、単に「ＬＭ」と記述する。）が設けられる。図８の断面図に示すように。垂直転送チャネル２１は、ｎ型不純物領域で形成され、垂直転送チャネル２１に続いてラインメモリ３０のｎ-型不純物領域３１、ｎ型不純物領域３２が設けられる。
【００１９】
水平転送部４０は、行方向に帯状に延在する１本の水平転送チャネル４１と、水平転送チャネル４１の上方に形成された多数個の第１水平転送電極Ｈａと第２水平転送電極Ｈｂ（図７では一部にのみ番号を付してある。）とを有する。第１水平転送電極Ｈａは、水平転送チャネルのｎ型不純物領域４３上方に設けられ、第２水平転送電極Ｈｂは、水平転送チャネルのｎ-型不純物領域４２上方に設けられる。第２水平転送電極Ｈｂは、ラインメモリの転送制御電極ＬＭと第１水平転送電極Ｈａとの間の領域に回り込んでおり、回り込んだ部分の下方もｎ-型不純物領域となっている。
【００２０】
垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、４相の駆動パルスφＶ１〜φＶ４で駆動され、水平転送電極Ｈａ、Ｈｂは、８相の駆動パルスφＨ１〜φＨ８で駆動される。同じ電荷転送段を構成する垂直転送電極Ｈａ、Ｈｂには、同一の駆動パルスが印加されるので、必要に応じて、垂直転送電極ＨａとＨｂを、対応する印加される駆動パルスφＨ１〜φＨ８に合わせ、Ｈ１〜Ｈ８と記述する。
【００２１】
図９は、図８に示した部分の不純物領域の電位レベルを、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４、転送制御電極ＬＭ、及び水平転送電極Ｈ１、Ｈ７、Ｈ８に印加される駆動パルスのレベルの変化に対応させて示したものである。図９における「Ｈ」は、対応する電極に相対的に高いレベル（以下、単に「ハイレベル」と記述する。）の電圧が印加されている状態（以下、単に「ハイレベル」と記述する。）を示し、「Ｌ」は、対応する電極に相対的に低いレベルの電圧が印加されている状態（以下、単に「ローレベル」と記述する。）を示す。
【００２２】
図９（ａ）は、電極Ｖ１、Ｖ４、Ｈ１、Ｈ７がローレベル、電極Ｖ２、Ｖ３、ＬＭ、Ｈ８がハイレベルとなっており、垂直転送部２０の信号電荷が電極Ｖ２、Ｖ３の下方に蓄積されている状態を示す。この状態から、図９（ｂ）に示すように、電極Ｖ４をハイレベルにすると、電極Ｖ４下方のバリア領域がなくなるので、信号電荷は電極ＬＭ下方のラインメモリ３０に移動する。
【００２３】
次いで、図９（ｃ）に示すように、電極Ｖ４をローレベルにしてバリア領域を形成して垂直転送部２０への移動を禁止した後、電極Ｈ１をハイレベルにする。しかし、ラインメモリ３０と水平転送部４０との間にはｎ-不純物領域が存在するので、ラインメモリ３０の信号電荷は移動しない。図９（ｄ）に示すように電極ＬＭをローレベルにすると、信号電荷は電極Ｈ１下方に移動する。この状態が、垂直転送部２０から水平転送部４０に信号電荷が移動した状態である。
【００２４】
水平転送部４０における移動は、隣接する電極のレベルを変化させ、上流側をローレベルにすることによって行う。図９（ｅ）に示すように、電極Ｈ１、Ｈ８が共にローレベルの場合も、図Ｘ（ｄ）と同様信号電荷は移動しない。図９（ｄ）の状態から電極Ｈ１をローレベルにしたり、図９（ｅ）の状態から電極Ｈ８をハイレベルにしたりして、上流側の電極をローレベル、下流側の電極をハイレベルにすると、上流側に蓄積された信号電荷は下流側に移動する。
【００２５】
以上説明したラインメモリ３０から水平転送部４０及び水平転送部４０内の電荷移動を整理すると、図１０のようになる。図１０に示すように電荷が移動する条件は、電荷が蓄積された領域に対応する電極の電圧レベルがローレベルで、その電極の次の電極の電圧レベルがハイレベルの場合のみであるので、転送制御電極ＬＭ及び水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に印加する電圧のレベルを制御することにより、電荷の移動を自由に制御できる。
【００２６】
次に、図５〜図１０を用いて説明した従来の固体撮像素子の動作を説明する。図１１及び図１２は、全ての光電変換素子で発生し蓄積した信号電荷を読み出して転送し、各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作を説明する図である。図１１及び図１２においては、便宜的に３２個の光電変換素子が、４行８列に配置されているものとして記載したが、実際には数十万個ないし数百万個の光電変換素子が設けられる。また、各光電変換素子上に配置される色フィルタは、Ｇを正方格子状、ＲとＢを斜め市松状に配列した一般的なＧストライプ配列とする。水平転送電極（図示せず）には、８相の水平転送パルスが印加される。
【００２７】
図１１（ａ）は、光電変換素子１０に各色フィルタに対応した分光感度の検出光に対応した信号電荷が発生し蓄積された状態を示す。なお、図１１及び図１２における「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」は、それぞれ赤、緑、青に対応した信号電荷を示す（蓄積される信号電荷が記載される他の図においても同様である。）。また、参照番号は、一部省略して付してある。
【００２８】
図１１（ｂ）は、光電変換素子１０に蓄積された信号電荷を垂直転送部２０に読み出した状態を示し、図１１（ｃ）は、垂直転送を行って、最下流の光電変換素子行の信号電荷がラインメモリ３０に転送された状態を示す。垂直転送部２０への読み出し及び垂直転送部２０における転送は、垂直転送電極及び垂直転送電極と一体の読み出し電極（いずれも図示せず）に対する駆動パルスを制御することによって行われる。
【００２９】
ラインメモリ３０に蓄積された信号電荷を水平転送部４０に転送し、さらに水平転送部４０を出力部５０に向けて転送するには、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをローレベル、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７をハイレベル、偶数番の水平転送電極Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８をローレベルにする。各電極にこのような電圧を印加すると、奇数番列の信号電荷が、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７の下方の電荷転送段に転送される（図１２（ａ）参照）。そして、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをハイレベルにした後、水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に対する印加電圧をハイレベルとローレベルとで繰り返し反転させることにより、水平転送部４０の信号電荷を出力部５０に転送する。
【００３０】
続いて、ラインメモリ３０に残された偶数番列の信号電荷を水平転送部４０に転送するため、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをローレベル、偶数番の水平転送電極Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８をハイレベル、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７をローレベルにする。各電極にこのような電圧を印加すると、図１２（ｂ）に示すように、偶数番列の信号電荷が水平転送部４０に転送される。そして、奇数番列の信号電荷の転送と同様、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをハイレベルにした後、水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に対する印加電圧をハイレベルとローレベルとで繰り返し反転させることにより、水平転送部４０の信号電荷を出力部５０に転送することができる。
【００３１】
次に、水平転送部４０において、信号電荷を加算して間引く場合の動作について説明する。光電変換素子１０に入射光量に対応した信号電荷が蓄積され、垂直転送部２０に読み出され、ラインメモリ３０に転送されるまでの動作は、図１１で説明した動作と同様であるので、説明を省略する。
【００３２】
図１３〜図１５は、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭ及び水平転送部４０の水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に印加される駆動パルスφＬＭとφＨ１〜φＨ８のタイミングチャート、及び駆動パルスφＬＭとφＨ１〜φＨ８の状態に対応したラインメモリ３０及び水平転送部４０の状態を示すものである。この例では、説明のため便宜的に１６列分の垂直転送部に対応するラインメモリ３０及び水平転送部４０のみを示してあり、図の右上方に、それらの概略平面図を示してある。また、各タイミングにおけるラインメモリ３０及び水平転送部４０の各転送段に対してハイレベルの電圧が印加されている場合、ハッチングを付して示してある。符号、番号は、一部のみに付してある。
【００３３】
時刻ｔ１は、垂直転送部から転送された１行分の信号電荷がラインメモリ３０に蓄積されている状態であり、図１１（ｃ）と同様の状態である。このタイミングでは、駆動パルスφＬＭがハイレベルに、駆動パルスφＨ１〜φＨ８がローレベルに保持される。
【００３４】
次いで、ラインメモリ３０に蓄積された信号電荷の水平転送部４０への転送、及び水平転送部４０内の転送を行うが、まず、水平転送電極Ｈ５に対応する列の信号電荷（赤色フィルタに対応した分光感度の検出光に対応した信号電荷であり、以下「Ｒ電荷」と記述する。同様に、緑色フィルタに対応する信号電荷は「Ｇ電荷」、青色フィルタに対応する信号電荷は「Ｂ電荷」と記述する。）を転送する。
【００３５】
水平転送電極Ｈ５に対応する列のＲ電荷の水平転送部４０への転送は、駆動パルスφＨ５をハイレベルとし（時刻ｔ２参照）、駆動パルスφＬＭをローレベルとすることによって行う（時刻ｔ３参照）。次いで、駆動パルスφＬＭをハイレベルにして、ラインメモリ３０に蓄積された他の信号電荷の移動ができない状態にした後（時刻ｔ４参照）、水平転送部４０のＲ電荷を、水平転送電極Ｈ１下方まで転送する（時刻ｔ８参照）。この間、駆動パルスφＨ１〜φＨ５を、図１０に示すような電荷が移動する状態に制御する（時刻ｔ５〜ｔ７参照）。ラインメモリ３０に蓄積された水平転送電極Ｈ１に対応する列の信号電荷は、Ｒ電荷であるので、その電荷を水平転送部４０に転送すると、電荷の加算ができることになる。
【００３６】
次いで、水平転送電極Ｈ４、Ｈ８に対応する列のＧ電荷、及び水平転送電極Ｈ７に対応する列のＢ電荷の転送を行うため、駆動パルスφＨ４、φＨ７、φＨ８をハイレベルにする（時刻ｔ９参照）。そして、駆動パルスφＬＭをローレベルにしてこれらの信号電荷を水平転送部４０に転送し（時刻ｔ１０参照）、駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにする（時刻ｔ１１参照）。
【００３７】
続いて、水平転送電極Ｈ７下方のＢ電荷を水平転送電極Ｈ６下方に転送し（時刻ｔ１２参照）、水平転送電極Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８下方のＧ電荷、Ｂ電荷、Ｇ電荷を同時に、水平転送電極Ｈ４下方のＧ電荷が水平転送電極Ｈ２下方に達するまで転送する（時刻ｔ１３、ｔ１４参照）。この時Ｂ電荷は水平転送電極Ｈ４下方に蓄積されているが、さらにこのＢ電荷を水平転送電極Ｈ３下方に転送する（時刻ｔ１５参照）。時刻ｔ１５では、図１５から明らかなように、水平転送部４０に蓄積される信号電荷が、ラインメモリ３０に蓄積されたままの信号電荷を同じ色の電荷となっている。
【００３８】
この状態で駆動パルスφＬＭをローレベルにすると、ラインメモリ３０に蓄積された水平転送電極Ｈ１に対応する列のＲ電荷、水平転送電極Ｈ２、Ｈ６に対応する列のＧ電荷、及び水平転送電極Ｈ３に対応する列のＢ電荷が、水平転送部４０に転送されるので、同じ色の信号電荷が水平転送部４０で加算されることになる（時刻ｔ１６参照）。
【００３９】
そして、駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにし（時刻ｔ１７参照）、水平転送電極Ｈ１下方の加算されたＲ電荷を、水平転送電極Ｈ８下方に転送する（時刻ｔ１８参照）。そして、水平転送電極Ｈ２及びＨ６下方の加算されたＧ電荷と、水平転送電極Ｈ８下方の加算されたＲ電荷とを、同時に水平転送電極Ｈ１、Ｈ５、Ｈ７下方に転送する（時刻ｔ１９参照）。
【００４０】
図１５から明らかなように、時刻ｔ１９においては、奇数番の水平転送電極下方にのみ加算された信号電荷が蓄積されており、駆動パルスφＨ１〜φＨ８は、１つおきに反転状態となっているので、駆動パルスφＨ１〜φＨ８の反転を繰り返すことにより、加算された信号電荷を順次出力部へ転送することができる。
【００４１】
以上のように、垂直転送部２０と水平転送部４０との間に信号電荷を蓄積するラインメモリ３０を設け、ラインメモリ３０から水平転送部４０への電荷転送、及び水平転送部４０内の電荷転送を制御することによって、水平転送部４０内で信号電荷の加算が可能となり、間引きされた撮影画像信号を得ることができる。なお、図１３〜図１５では、Ｇストライプ配列の１つの配列の行の信号電荷の転送について説明したが、配列が異なる他の行についても、Ｒ電荷とＢ電荷の位置が異なるだけで同様に加算転送される。また、他のフィルタ配列でも、転送順序を変更することにより、水平転送部４０での加算が可能である（例えば、特許文献１参照）。
【００４２】
水平転送部４０における信号電荷の加算は、第２のタイプの電荷転送素子においては、連続する電荷転送段に信号電荷を蓄積でき、上流側への電荷移動が基本的にないことを利用しているが、駆動の仕方によっては次のような問題が生じる場合がある。
【００４３】
図１６は、連続する３段の電荷転送段に対する印加電圧の組合せに応じて、中央の電荷転送段に蓄積された電荷がどのようになるかを示したものである。図１６（ａ）は、水平転送部４０の３段の電荷転送段の断面を模式的に示すもので、それぞれの転送段には駆動パルスφＨ１、φＨ２、φＨ３が印加されるものとする。図１６（ｂ）〜図１６（ｉ）は、駆動パルスφＨ１、φＨ２、φＨ３の電圧レベルの組合せ（それぞれの図の上方に「Ｈ」又は「Ｌ」で示す。）に応じた水平転送チャネルの電位と、蓄積電荷の振る舞いを示す図である。
【００４４】
図１０で説明したように、図１６（ｆ）と図１６（ｇ）の組合せで、中央の電荷転送段に蓄積された電荷が下流側に移動するが、他の組合せでは上流側にも下流側にも移動しない。しかし、図１６（ｅ）の組合せでは、蓄積された電荷が上流側に移動する場合がある。下流側のｎ-型不純物層の電位と上流側の電極電位との電位差が大きくなって互いに引っ張り合い、電位差が縮まる現象が生じるためである。その結果、中央の電荷転送段の電位の井戸が小さくなってしまい、信号電荷の量によっては上流側に流入してしまう。この現象のため、素子が有する最大電荷転送容量が減少することになり、電荷加算を行って得られるメリットを享受できなくなる。すなわち、電荷転送段が飽和してしまい、電荷加算による所望のダイナミックレンジが得られなくなるとともに、他の加算すべきでない信号電荷に加算され、カラー画像の場合は色信号が混ざって偽色信号をもたらすことになる。
【００４５】
図１３〜図１５に示す転送制御においては、時刻ｔ１０〜ｔ１２、ｔ１４〜ｔ１８に示すタイミングで、上記した組合せが生じており、偽色信号をもたらすおそれがある。この現象は、水平転送電極の水平方向のピッチが短くなるほど顕著な傾向を示すので（ショートチャネル効果）、固体撮像素子の微細化が進むにつれて問題は大きくなる。なお、電荷転送段の電位の井戸が小さくなる現象は、図１６（ｄ）の場合も生じるが、この場合は、上流側の電位が低いので、上流側に電荷が流入することはない。
【００４６】
【特許文献１】
特開２００２−１１２１１９号公報
【００４７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を、飽和特性を損なうことがないように駆動する電荷転送素子の駆動方法を提供するものである。また、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を含んで構成される固体撮像素子を、電荷転送素子の飽和特性を損なうことがないように駆動する固体撮像素子の駆動方法を提供するものである。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子の駆動方法であって、前記電荷転送段に蓄積される電荷を、前記電荷転送段それぞれに相対的に高レベルの電圧又は相対的に低レベルの電圧を印加することによって転送するに際して、電荷を蓄積した前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する前記電荷転送段に前記低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されることがないように前記電荷転送素子を駆動するものである。
【００４９】
本発明の駆動方法における前記電荷転送段に蓄積される電荷は、複数の電荷蓄積領域を有するラインメモリから転送されるものであり、前記ラインメモリの一部から選択的に、前記電荷転送段へ電荷を転送するステップと、前記電荷転送段に転送された電荷の少なくとも一部を、前記電荷転送素子内で下流側に転送するステップと、前記ラインメモリの残部から選択的に前記電荷転送段へ電荷を転送し、前記電荷転送素子内で転送された電荷の少なくとも一部に対して加算するステップとを含むものである。
【００５０】
本発明は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記水平転送部は、転送方向に対して上流側のバリア領域と下流側のウェル領域とを含む電荷転送段を複数有する電荷転送素子を含んで構成され、前記電荷転送段に蓄積される電荷を、前記電荷転送段それぞれに相対的に高レベルの電圧又は相対的に低レベルの電圧を印加することによって転送するに際して、電荷を蓄積した前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する前記電荷転送段に前記低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する前記電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加されることがないように前記固体撮像素子を駆動するものである。
【００５１】
本発明の駆動方法における前記固体撮像素子は、さらに垂直転送部の端部に設けられ、垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積するラインメモリを含み、前記水平転送部は、前記ラインメモリに蓄積された電荷を転送するものであり、前記ラインメモリの一部から選択的に、前記水平転送部を構成する前記電荷転送素子の前記電荷転送段へ電荷を転送するステップと、前記電荷転送段に転送された電荷の少なくとも一部を、前記電荷転送素子内で下流側に転送するステップと、前記ラインメモリの残部から選択的に前記電荷転送段へ電荷を転送し、前記電荷転送素子内で転送された電荷の少なくとも一部に対して加算するステップとを含むものである。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本実施の形態の駆動方法が適用される固体撮像素子は、図５〜図１０を用いて説明した従来の固体撮像素子と同様の構成を有するものである。光電変換素子で蓄積した信号電荷を全て読み出して転送し、各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作は従来と同じである（図１１及び図１２参照）。
【００５３】
図１〜図３は、本発明の駆動方法の実施の形態を説明する図であり、信号電荷を加算して間引いた画像信号を得る場合の動作について説明するものである。図１〜図３は、従来の技術で示した図１３〜図１５と同様、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭ及び水平転送部４０の水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に印加される駆動パルスφＬＭとφＨ１〜φＨ８のタイミングチャート、及び駆動パルスの状態に対応したラインメモリ３０及び水平転送部４０の状態を示すものである。なお、図１〜図３の記載方法は、図１３〜図１５と同様である。
【００５４】
時刻ｔ１は、垂直転送部から転送された１行分の信号電荷がラインメモリ３０に蓄積されている状態であり、図１１（ｃ）及び図１３の時刻ｔ１と同様の状態である。このタイミングでは、駆動パルスφＬＭがハイレベルに、駆動パルスφＨ１〜φＨ８がローレベルに保持される。
【００５５】
次いで、ラインメモリ３０に蓄積された信号電荷の水平転送部４０への転送、及び水平転送部４０内の転送を行うが、まず、水平転送電極Ｈ５及びＨ７に対応する列のＲ電荷及びＢ電荷を転送する。
【００５６】
水平転送電極Ｈ５に対応する列のＲ電荷、及び水平転送電極Ｈ７に対応する列のＢ電荷の水平転送部４０への転送は、駆動パルスφＨ５及びφＨ７をハイレベルとし（時刻ｔ２参照）、駆動パルスφＬＭをローレベルとすることによって行う（時刻ｔ３参照）。次いで、駆動パルスφＬＭをハイレベルにして、ラインメモリ３０に蓄積された他の信号電荷の移動ができない状態にした後（時刻ｔ４参照）、水平転送部４０のＲ電荷を、水平転送電極Ｈ２下方まで転送する（時刻ｔ７参照）。この間、駆動パルスφＨ２〜φＨ５を、図１０に示すような電荷が移動する状態に制御する（時刻ｔ５〜ｔ６参照）。この間、水平転送部４０のＢ電荷は、そのまま保持される。また、時刻ｔ５において、駆動パルスφＨ８がハイレベルとなっているが、駆動パルスφＨ４とφＨ８を同一のタイミングで駆動して駆動パルスの作成を簡単化しているためである。
【００５７】
続いて、駆動パルスφＨ１〜φＨ８を全てローレベルにした後（時刻ｔ８参照）、水平転送電極Ｈ４及びＨ８に対応する列のＧ電荷の転送を行うため、駆動パルスφＨ４及びφＨ８をハイレベルにする（時刻ｔ９参照）。そして、駆動パルスφＬＭをローレベルにしてこれらの信号電荷を水平転送部４０に転送し（時刻ｔ１０参照）、駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにする（時刻ｔ１１参照）。図から明らかなように、この状態では、水平転送部４０の信号電荷は、１つおきの電荷転送段に蓄積されており、図１６で説明したような問題は生じない。
【００５８】
次に、駆動パルスφＨ２及びφＨ６をハイレベルにした後（時刻ｔ１２参照）、駆動パルスφＨ１〜φＨ８を反転させ、１つおきの電荷転送段に蓄積された信号電荷を同時に転送する（時刻ｔ１３参照）。この状態では、Ｒ電荷については、ラインメモリ３０に残った信号電荷と水平転送部４０の信号電荷が同じ列に位置しており、電荷の加算ができる。そのため、駆動パルスφＨ３及びφＨ７をローレベルにした後（時刻ｔ１４参照）、駆動パルスφＬＭをローレベルにして、ラインメモリ３０に蓄積された水平転送電極Ｈ１に対応する列のＲ電荷を水平転送部４０に転送する（時刻ｔ１５参照）。この時、駆動パルスφＨ５もハイレベルであるが、水平転送電極Ｈ５に対応する列のラインメモリ３０には電荷が蓄積されていないので問題は生じない。そして、駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにする（時刻ｔ１６参照）
【００５９】
この状態でも、水平転送部４０の信号電荷は、１つおきの電荷転送段に蓄積されているので、駆動パルスφＨ１、φＨ３、φＨ５及びφＨ７をローレベルにし、駆動パルスφＨ２、φＨ４、φＨ６及びφＨ８をハイレベルにして、１つおきの電荷転送段に蓄積された信号電荷を同時に転送する（時刻ｔ１７参照）。この状態では、Ｇ電荷について、ラインメモリ３０に残った信号電荷と水平転送部４０の信号電荷が同じ列に位置しており、電荷の加算ができるので、駆動パルスφＬＭをローレベルにして、ラインメモリ３０に蓄積されたＧ電荷を水平転送部４０に転送する（時刻ｔ１８参照）。この時、ラインメモリ３０にＢ電荷も残っているが、駆動パルスφＨ４がローレベルなので転送されない。
【００６０】
そして、駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにした後（時刻ｔ１９参照）、駆動パルスφＨ１〜φＨ８を反転させ、１つおきの電荷転送段に蓄積された信号電荷を同時に転送する（時刻ｔ２０参照）。この状態では、ラインメモリ３０に残ったＢ電荷に対応する電荷転送段に蓄積される電荷もＢ電荷であるので、駆動パルスφＬＭをローレベルにして、ラインメモリ３０に蓄積されたＢ電荷を水平転送部４０に転送し（時刻ｔ２１参照）、さらに駆動パルスφＬＭを再度ハイレベルにもどす（時刻ｔ２２参照）。
【００６１】
時刻ｔ２２においては、奇数番の水平転送電極下方にのみ加算された信号電荷が蓄積されており、駆動パルスφＨ１〜φＨ８は、１つおきに反転状態となっているので、駆動パルスφＨ１〜φＨ８の反転を繰り返すことにより、加算された信号電荷を順次出力部へ転送することができる。
【００６２】
以上の説明から明らかなように、このような手順で駆動パルスφＬＭ、φＨ１〜φＨ８を制御すると、図１６で説明したような問題が生じる状態とならないように電荷加算を行うことができる。
【００６３】
図１〜図３で説明した手順は、図１６で説明したような問題が生じる状態、すなわち、電荷を蓄積した電荷転送段に高レベルの電圧が印加されている時に、下流側に隣接する電荷転送段に低レベルの電圧が印加され、かつ上流側に隣接する電荷転送段に前記高レベルの電圧が印加される状態が、全く生じないように制御するものである。しかし、このような状態で常に電荷転送段が飽和するとはかぎらないので、図１６で説明したような問題が生じる状態となる頻度を減らすことでも、電荷転送段の飽和に伴う不都合を減少させることができる。
【００６４】
図４は、そのような駆動方法の一例を説明する図であり、図１〜図３で説明した実施の形態の時刻ｔ１４以降の駆動方法を変更したものである。時刻ｔ１３は、Ｒ電荷について、ラインメモリ３０から水平転送部４０に転送することにより、電荷の加算ができる状態であるが、この駆動方法では、加算を行わなず、駆動パルスφＨ１〜φＨ８を反転させ、１つおきの電荷転送段に蓄積された信号電荷をさらに１段だけ同時に転送する（時刻ｔ１４参照）。
い。
【００６５】
そして、駆動パルスφＨ３とφＨ４を反転させて、Ｂ電荷を１段転送する（時刻ｔ１５参照）。この時、同時に駆動パルスφＨ１とφＨ８も反転させるが、電極Ｈ８下方のＲ電荷は、図１０の移動条件を満たさないのでそのままである。この状態では、電極Ｈ２とＨ３に高レベルの電圧が印加されているが、電極Ｈ１にも高レベルの電圧が印加されているので、図１６で説明したような問題は生じない。
【００６６】
図４から明らかなように、この状態ではＧ電荷とＢ電荷が加算可能であるので、駆動パルスφＬＭをローレベルにして、ラインメモリ３０のＧ電荷とＢ電荷を水平転送部４０に転送して加算し（時刻ｔ１６参照）、駆動パルスφＬＭをハイレベルに戻す（時刻ｔ１７参照）。
【００６７】
続いて、駆動パルスφＨ１とφＨ８を反転させて電極Ｈ１の下方のＲ電荷を電極Ｈ８下方に転送し、Ｒ電荷の加算を行う（時刻ｔ１８参照）。そして、加算されたＧ電荷とＲ電荷を同時に転送し、加算動作を終了する（時刻ｔ１９参照）。この状態は、図３の時刻ｔ２２と同じ状態であり、駆動パルスφＨ１〜φＨ８の反転を繰り返すことにより、加算された信号電荷を順次出力部へ転送することができる。
【００６８】
このような駆動を行うと、図１〜図３に示した駆動に比較して短いタイミングで電荷加算を行うことができる。また、図１６で説明したような問題が生じる状態は、時刻ｔ１８における電極Ｈ１〜Ｈ３に対応する電荷転送段のみであり、電荷転送段の飽和の確率が大きく減少している。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電荷転送素子の飽和特性を損なうことがないような駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水平転送部における電荷加算動作を説明する図
【図２】本発明の水平転送部における電荷加算動作を説明する図
【図３】本発明の水平転送部における電荷加算動作を説明する図
【図４】水平転送部における電荷加算動作の他の例を説明する図
【図５】水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子の一例の概略構成を平面的に示す平面図
【図６】垂直転送部の転送段とそれに続くラインメモリの関係を模式的に示す図
【図７】図５に示す固体撮像素子の、垂直転送部、ラインメモリ、及び水平転送部の構成を概略的に示す部分平面図
【図８】図７のＡ−Ａ断面を示す図
【図９】図８に示した部分の不純物領域の電位レベルを、垂直転送電極、転送制御電極、水平転送電極に印加される駆動パルスのレベルの変化に対応させて示す図
【図１０】転送制御電極及び水平転送電極の印加電圧レベルと電荷移動の関係を示す図
【図１１】全ての各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作を説明する図
【図１２】画素混合を行い、間引いた画像信号を得る場合の動作を説明する図
【図１３】水平転送部における電荷加算動作を従来例を説明する図
【図１４】水平転送部における電荷加算動作を従来例を説明する図
【図１５】水平転送部における電荷加算動作を従来例を説明する図
【図１６】連続する３段の電荷転送段に対する印加電圧の組合せに応じた蓄積電荷の振る舞いを説明する図
【符号の説明】
１０・・・光電変換素子
２０・・・垂直転送部
３０・・・ラインメモリ
４０・・・水平転送部
５０・・・出力部
６０・・・電荷読み出し部
【図１】
2004200310.tif 000003
【図２】
2004200310.tif 000004
【図３】
2004200310.tif 000005
【図４】
2004200310.tif 000006
【図５】
2004200310.tif 000007
【図６】
2004200310.tif 000008
【図７】
2004200310.tif 000009
【図８】
2004200310.tif 000010
【図９】
2004200310.tif 000011
【図１０】
2004200310.tif 000012
【図１１】
2004200310.tif 000013
【図１２】
2004200310.tif 000014
【図１３】
2004200310.tif 000015
【図１４】
2004200310.tif 000016
【図１５】
2004200310.tif 000017
【図１６】
2004200310.tif 000018