(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に複数のフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を出力部に転送する転送レジスタと、前記信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを有し、前記フォトセンサの露光によって生成される信号電荷を前記転送レジスタに読み出して出力部に転送する固体撮像素子において、
前記フォトセンサの露光前に、メカニカルシャッタをクローズした状態で、前記転送レジスタの複数の駆動電圧を全てオフした後、前記半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てる、
固体撮像素子。
【請求項２】
前記フォトセンサは半導体基板に２次元マトリクス状に配列され、前記転送レジスタは、前記フォトセンサの各列毎に設けられた複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタからの信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを有する請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記転送レジスタの各駆動電圧のオフは、各駆動電圧をローレベルに制御する動作である請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板に複数のフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を出力部に転送する転送レジスタと、前記信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを有し、前記フォトセンサの露光によって生成される信号電荷を前記転送レジスタに読み出して出力部に転送する固体撮像素子の電荷掃き捨て方法において、
前記フォトセンサの露光前に、メカニカルシャッタをクローズした状態で、前記転送レジスタの複数の駆動電圧を全てオフする第１の動作ステップと、
前記半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てる第２の動作ステップと、
を有する固体撮像素子の電荷掃き捨て方法。
【請求項５】
前記フォトセンサは半導体基板に２次元マトリクス状に配列され、前記転送レジスタは、前記フォトセンサの各列毎に設けられた複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタからの信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを有する請求項４記載の固体撮像素子の電荷掃き捨て方法。
【請求項６】
前記転送レジスタの各駆動電圧のオフは、各駆動電圧をローレベルに制御する動作である請求項４記載の固体撮像素子の電荷掃き捨て方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種イメージセンサに用いられる固体撮像素子に関し、特にフォトセンサの露光前の不要電荷掃き捨て方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の固体撮像素子は、半導体基板上に２次元マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、このフォトセンサの各列毎に設けられた複数の垂直転送レジスタと、この垂直転送レジスタからの信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタと、信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを有し、フォトセンサの露光によって生成される信号電荷を垂直転送レジスタに読み出して水平転送レジスタに順次転送し、さらに、この信号電荷を水平転送レジスタから出力部に順次転送することで、信号電荷を順次電圧信号に変換し、撮像信号として出力するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような固体撮像素子においては、フォトセンサに溜った不要な信号電荷を半導体基板にある一定以上の電圧を加える、いわゆる電子シャッタ機能を用いて半導体基板側に掃き捨てることが可能であるが、垂直転送レジスタに留まっている不要信号電荷については、水平転送レジスタへの掃き捨て転送を行う方法しかなく、不要信号電荷の掃き捨てに水平転送レジスタへの転送時間分だけ時間を要してした。
【０００４】
図３は、従来の電荷掃き捨て動作を示すタイミングチャートである。
まず、露光前にフォトセンサの電荷の掃き捨てを行うため半導体基板に電圧パルスφＳＵＢを立てる。
その後、各垂直転送レジスタの各クロックパルスＶφ１、Ｖφ２、Ｖφ３によって信号電荷の高速転送を行い、垂直転送レジスタの電荷を掃き捨てる。
このように、フォトセンサの露光前に、信号電荷の掃き捨てを行う場合に、垂直転動レジスタの転送動作が必要となり、ある程度の時間が必要となる。
例えば、カメラの連写を行う場合に、露光前に、この掃き捨て転送を行わなければならず、連写スピードを落としてしまう。
【０００５】
そこで本発明の目的は、転送レジスタの転送動作を行うことなく、信号電荷の掃き捨てを行うことができ、動作時間の短縮を図ることが可能な固体撮像素子及びその電荷掃き捨て方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板に複数のフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を出力部に転送する転送レジスタと、前記信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを有し、前記フォトセンサの露光によって生成される信号電荷を前記転送レジスタに読み出して出力部に転送する固体撮像素子において、前記フォトセンサの露光前に、メカニカルシャッタをクローズした状態で、前記転送レジスタの複数の駆動電圧を全てオフした後、前記半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てることを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、半導体基板に複数のフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を出力部に転送する転送レジスタと、前記信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを有し、前記フォトセンサの露光によって生成される信号電荷を前記転送レジスタに読み出して出力部に転送する固体撮像素子の電荷掃き捨て方法において、前記フォトセンサの露光前に、メカニカルシャッタをクローズした状態で、前記転送レジスタの複数の駆動電圧を全てオフする第１の動作ステップと、前記半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てる第２の動作ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像素子においては、フォトセンサの露光前に、まず、転送レジスタの駆動電圧をオフし、電荷が溜りにくく、かつ、暗電流が発生しにくい状態とする。
その後、半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てる。この後、フォトセンサの露光動作を行う。
これにより、転送レジスタの転送動作を行うことなく、フォトセンサの露光前にフォトセンサ及び転送レジスタの信号電荷を一括して掃き捨てることができ、動作時間の短縮を図ることが可能となる。
【０００９】
本発明の電荷掃き捨て方法においては、フォトセンサの露光前に、まず、第１の動作ステップで転送レジスタの駆動電圧をオフし、電荷が溜りにくく、かつ、暗電流が発生しにくい状態とする。
その後、第２の動作ステップで半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てる。この後、フォトセンサの露光動作を行う。
これにより、転送レジスタの転送動作を行うことなく、フォトセンサの露光前にフォトセンサ及び転送レジスタの信号電荷を一括して掃き捨てることができ、動作時間の短縮を図ることが可能となる。
【００１０】
【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参照して詳細に説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【００１１】
本実施の形態は、半導体基板上に多数のフォトセンサをマトリクス状に配置し、各フォトセンサで生成した信号電荷を垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタによって出力部に転送し、この出力部で電荷−電圧変換を行うことにより、撮像信号として出力する２次元イメージセンサに適用したものであり、この２次元イメージセンサにおけるフォトセンサの露光前の電荷の掃き捨てを、垂直転送レジスタの転送動作を行うことなく実現するため、まず、垂直転送レジスタの駆動電圧を全てオフ、すなわちローレベルに設定することにより、転送路に電荷を貯めにくい状態とし、次に、フォトセンサの電子シャッタ機能よりも大きな電圧を半導体基板にかけることにより、フォトセンサの電荷だけでなく、垂直転送レジスタの電荷も一括して半導体基板側に掃き捨てるようにしたものである。
【００１２】
まず、本発明の特徴となる電荷の掃き捨て動作の説明に先立って、本実施の形態における２次元イメージセンサの概要について説明する。
図１は、本実施の形態による２次元イメージセンサの構成を示す概略平面図である。
この２次元イメージセンサは、シリコン基板等よりなる素子チップ３００上に被写体を撮像する撮像部１００と、この撮像部１００による撮像信号を外部に出力する出力部２００とを設けたものである。
撮像部１００は、垂直（Ｖ）方向と水平（Ｈ）方向の２次元マトリクス状に配列された多数の単位画素を構成するフォトセンサ１１０と、垂直方向の各フォトセンサ列毎に配置され、各フォトセンサ１１０の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタ１２０とを有している。
また、撮像部１００の側部には、各垂直転送レジスタ１２０から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ１３０が配置され、この水平転送レジスタ１３０の終端部に出力部２００が設けられている。
また、撮像部１００の上面には、図示しないオンチップレンズ（ＯＣＬ）やカラーフィルタ等が配置され、各フォトセンサ１１０の受光部に対する光の入射を制御している。
【００１３】
このような２次元イメージセンサでは、フォトセンサ１１０によって蓄積された信号電荷を読み出しゲート（図示せず）を介して垂直転送レジスタ１２０に読み出し、この信号電荷を垂直方向に順次転送する。
そして、この垂直転送レジスタ１２０から転送された信号電荷を読み出しゲートを介して水平転送レジスタ１３０に順次読み出し、これを水平方向に順次転送して出力部２００に送る。
出力部２００では、水平転送レジスタ１３０によって転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換して出力する。
【００１４】
次に、以上のような本例の２次元イメージセンサにおけるフォトセンサの露光前の不要電荷掃き捨て方法について説明する。
図２は、本例の２次元イメージセンサにおける電荷掃き捨て動作を示すタイミングチャートである。
本例の２次元イメージセンサでは、例えばデジタルカメラのメカニカルシャッタオープンによるフォトセンサ１１０の露光前に、垂直転送レジスタ１２０の駆動電圧をローレベルにオフする第１の動作ステップと、素子チップ３００のシリコン基板に電子シャッタ機能より大きい大電圧をかけ、フォトセンサ１１０及び垂直転送レジスタ１２０に貯留した信号電荷を一度にシリコン基板側に掃き捨てる第２の動作ステップとによって不要電荷の掃き捨て動作を行うものである。
【００１５】
すなわち、図２において、メカニカルシャッタをクローズした状態で、フォトセンサ１１０及び垂直転送レジスタ１２０内の電荷を同時に掃き捨てるため、まず、垂直転送レジスタ１２０の駆動電圧となるクロックパルスＶφ１、Ｖφ２、Ｖφ３をローレベルに設定し、垂直転送レジスタ１２０内に電荷を溜りにくくかつ、暗電流の発生を防ぐ。
すなわち、図３に示す従来例では、露光前の状態で、逆極性のクロックパルスＶφ２がオン（ハイレベル）になっているが、本例では、このクロックパルスＶφ２を他のクロックパルスＶφ１、Ｖφ３と同様にオフ（ローレベル）に制御する。
【００１６】
次に、電圧パルスφＳＵＢをオンし、素子チップ３００の基板に大きな電圧をかけることにより、フォトセンサ１１０及び垂直転送レジスタ１２０の電荷を基板側に一機に排出させる。
これにより、垂直転送レジスタ１２０の電荷を、水平転送レジスタ１３０に向けて掃き捨て転送することなく、素子チップ３００の基板側に掃き捨てることができる。
この後、メカニカルシャッタをオープンして所定期間の露光を行い、クロックパルスＶφ１による読み出しゲートパルスをオンして、フォトセンサ１１０に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ１２０に読み出す。
そして、クロックパルスＶφ１、Ｖφ２、Ｖφ３を作動させて、垂直転送レジスタ１２０による転送を行う。ここで、クロックパルスＶφ２はクロックパルスＶφ１、Ｖφ３に対して同極性の動作となる。
【００１７】
以上のような２次元イメージセンサを例えばデジタルカメラに用いた場合、次のようなメリットを得ることが可能である。
すなわち、従来のデジタルカメラでは、１ショット画像を取り込む場合、垂直転送レジスタのダーク成分を水平転送レジスタに掃き捨て転送を行い、その後、画像を取り込む露光を行っていたが、この方法では、連続取り込みを行った場合に垂直転送レジスタの電荷掃き捨てに時間がかかり、カメラの重要性能である連写コマ数を低下させていた。
これに対し、本例の構成を用いた場合、垂直転送レジスタの電荷もフォトセンサと一括して掃き捨てる方法を採用することにより、フォトセンサと垂直転送レジスタの電荷を同時に掃き捨てることが可能となり、掃き捨て転送の時間をロスすることがなくなり、連写コマ数の低下を防止できる。
【００１８】
なお、本発明の固体撮像素子は、上述のようなデジタルカメラ以外の撮像装置に用いることも可能であり、また、２次元イメージセンサではなく、例えば複数本のセンサ列による撮像信号を個別に出力するようなラインセンサに用いても良い。
また、本発明にかかる固体撮像素子は、上記図１に示す構成のものに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変形が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の固体撮像素子によれば、フォトセンサの露光前に、まず、転送レジスタの駆動電圧をオフし、電荷が溜りにくく、かつ、暗電流が発生しにくい状態とし、その後、半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てるようにしたことから、転送レジスタの転送動作を行うことなく、フォトセンサの露光前にフォトセンサ及び転送レジスタの信号電荷を一括して掃き捨てることができ、動作時間の短縮を図ることができる。
【００２０】
本発明の電荷掃き捨て方法によれば、フォトセンサの露光前に、まず、第１の動作ステップで転送レジスタの駆動電圧をオフし、電荷が溜りにくく、かつ、暗電流が発生しにくい状態とし、その後、第２の動作ステップで半導体基板に大電圧をかけ、フォトセンサ及び転送レジスタに貯留した信号電荷を一度に半導体基板側に掃き捨てるようにしたことから、転送レジスタの転送動作を行うことなく、フォトセンサの露光前にフォトセンサ及び転送レジスタの信号電荷を一括して掃き捨てることができ、動作時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による２次元イメージセンサの構成を示す概略平面図である。
【図２】図１に示す２次元イメージセンサにおける電荷掃き捨て動作を示すタイミングチャートである。
【図３】従来の２次元イメージセンサにおける電荷掃き捨て動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００……撮像部、１１０……フォトセンサ、１２０……垂直転送レジスタ、
１３０……水平転送レジスタ、２００……出力部、３００……素子チップ。
【図１】
0004696426.tif 000002
【図２】
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【図３】
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