(57)【要約】【課題】固体撮像素子の受光画素間の暗電流のばらつきに起因して画面ノイズが生じる。【解決手段】電子シャッタ動作の完了時刻ｔ2に引き続く露光期間Ｅにおいて、電位井戸を移動しつつ情報電荷の蓄積を行う。転送クロックφi1〜φi3を印加される転送電極Ｇ1〜Ｇ3が各受光画素毎に配置されたフレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおいて、露光期間Ｅの開始時には、Ｇ2の下に期間αだけ電位井戸を形成する。その後、電位井戸を順次、Ｇ1の下に期間２α、Ｇ2の下に期間α、Ｇ3の下に期間２αずつ形成する。すなわち、各画素に蓄積する情報電荷には、Ｇ1〜Ｇ3それぞれの下にて同じ期間に対応する暗電流が混入する。これにより、画素内での暗電流の平均化が図られ、画素間での暗電流のばらつきが軽減される。【選択図】図５
2007158411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷転送チャネル領域上に配列された複数の転送電極により複数の画素それぞれに対応する電位井戸を形成し、露光により発生する情報電荷を前記電位井戸に蓄積するＣＣＤシフトレジスタを撮像部として備えた固体撮像素子の駆動方法において、
前記各画素毎の複数の前記転送電極のうち前記電位井戸を形成するオン電極を露光期間内にて切り替えて、当該電位井戸と共に前記情報電荷の蓄積位置を前記各画素内にて移動させる移動蓄積過程を有すること、を特徴とする駆動方法。
【請求項２】
請求項１に記載の駆動方法において、
前記露光期間が所定の基準値以下であるとき、前記オン電極とする前記転送電極を露光期間中にて固定する固定蓄積過程を実行し、
前記露光期間が前記基準値を越えるとき、前記移動蓄積過程を実行すること、
を特徴とする駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の駆動方法において、
前記移動蓄積過程は、前記各画素毎の前記複数の転送電極それぞれの下での前記各露光期間における前記情報電荷の蓄積時間を互いに等しく設定されること、を特徴とする駆動方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の駆動方法において、
前記移動蓄積過程は、前記露光期間の長さと共に前記情報電荷の蓄積位置の移動回数を増減すること、を特徴とする駆動方法。
【請求項５】
請求項４に記載の駆動方法において、
任意の前記露光時間に対応する前記移動回数は、前記各転送電極の下での前記情報電荷の蓄積の継続時間が所定の上限値以下となるように設定されること、を特徴とする駆動方法。
【請求項６】
請求項５に記載の駆動方法において、
前記上限値は、前記転送電極に印加する電圧をオフ電圧からオン電圧に切り換えてから当該転送電極の下での暗電流の発生量が定常的な状態に到達するまでの過渡時間に応じて定められること、を特徴とする駆動方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の駆動方法であり、前記ＣＣＤシフトレジスタが埋込チャネル構造の電荷転送チャネルを有する固体撮像素子の駆動方法において、
前記各画素毎の複数の前記転送電極のうち前記電位井戸に対して電位障壁を形成するオフ電極に、当該オフ電極下の前記電荷転送チャネル領域の半導体基板表面をピンニング状態とするピンニング電圧を印加すること、を特徴とする駆動方法。
【請求項８】
電荷転送チャネル領域上に配列された複数の転送電極により複数の画素それぞれに対応する電位井戸を形成し、露光により発生する情報電荷を前記電位井戸に蓄積するＣＣＤシフトレジスタを撮像部として備えた固体撮像素子と、当該固体撮像素子を駆動する駆動回路とを含んだ撮像装置において、
前記駆動回路は、前記各画素毎の複数の前記転送電極のうちオン電圧を印加するオン電極を露光期間内にて切り替えて、前記オン電圧の印加により形成される前記電位井戸と共に前記情報電荷の蓄積位置を前記各画素内にて移動させる移動蓄積動作を行うこと、
を特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載の撮像装置において、
前記駆動回路は、
前記露光期間が所定の基準値以下であるとき、前記オン電極とする前記転送電極を露光期間中にて固定する固定蓄積動作を行い、
前記露光期間が前記基準値を越えるとき、前記移動蓄積動作を行うこと、
を特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の撮像装置において、
前記移動蓄積動作は、前記各画素毎の前記複数の転送電極それぞれの下での前記各露光期間における前記情報電荷の蓄積時間を互いに等しく設定されること、を特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤシフトレジスタにて受光して情報電荷を発生する固体撮像素子に関し、特にその暗電流に起因する画面ノイズの低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子は、露光により画素毎に情報電荷を生成し蓄積する撮像部と、撮像部から高速に転送された情報電荷を水平転送部により１行ずつ読み出されるまでの間、保持する遮光された蓄積部とを含んで構成される。
【０００３】
撮像部及び蓄積部はそれぞれ、垂直方向に延在して互いに平行に配置された複数の電荷転送チャネル領域と、水平方向に延在して互いに平行に配置された複数の転送電極とを含んで構成された複数の垂直ＣＣＤレジスタからなる。当該ＣＣＤシフトレジスタの各ビットは、隣接して配置された複数本の転送電極を含み、それら転送電極に印加する電圧によって、情報電荷を蓄積する電位井戸を１つずつ電荷転送チャネル領域に形成する。このＣＣＤシフトレジスタの各ビットがそれぞれ撮像素子の画素に対応付けられる。
【０００４】
従来の駆動回路は、撮像部のＣＣＤシフトレジスタの各ビットに露光期間中、固定位置に電位井戸を形成し、この電位井戸に入射光量に応じた情報電荷を蓄積させる。すなわち、各ビットの互いに位相がずれた複数相クロックで駆動される複数の転送電極のうち一定の相のクロックに対応する転送電極にオン電圧を印加して、当該転送電極の下に電位井戸を形成する。
【０００５】
図８は、撮像部を３相駆動のＣＣＤシフトレジスタで構成した場合の露光期間における従来の駆動方法での電位井戸を示す模式図である。電荷転送チャネル領域２の上に、クロックパルスφi1，φi2，φi3がそれぞれ印加される転送電極３-1〜３-3が周期的に配置される。連続して配置される転送電極３-1〜３-3のセットが１画素に対応付けられる。図８には、１画素に対応する３本の転送電極３-1〜３-3の上にマイクロレンズアレイを構成する各レンズ４を示している。露光期間には、例えば、レンズ中心に対応する画素の中央の転送電極３-2にオン電圧を印加し、一方、他の転送電極３-1，３-3にはオフ電圧を印加して、転送電極３-2の下に電位井戸５を形成し、当該電位井戸５に入射光により発生する情報電荷６を蓄積する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電荷転送チャネル領域では、例えば、半導体基板表面近傍の界面準位等に起因して暗電流が発生する。露光期間にて形成される電位井戸５には、入射光に応じた発生した情報電荷６と共に、対応する領域で発生した暗電流も蓄積し、Ｓ／Ｎ比の劣化原因となり得る。暗電流の発生量は、界面準位等の制御困難な原因に依存し、電荷転送チャネル領域の場所によって異なり得る。従来の電位井戸を転送電極３本毎に間隔をおいて形成する駆動方法では、各画素の情報電荷に混入する暗電流成分は、もっぱら当該電位井戸の形成位置、すなわちオン電圧を印加した転送電極下で発生した暗電流成分となる。そのため、位置に応じた暗電流の発生量のばらつきの影響を比較的受けやすい。すなわち、従来技術では、この画素毎の暗電流成分量のばらつきに起因した画面上のノイズが大きくなりやすく、画面上、視覚的にざらついた感じ（面ざら感）を与えるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、面ざら感が抑えられた好適な画像が得られる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置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】
【０００８】
本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、電荷転送チャネル領域上に配列された複数の転送電極により複数の画素それぞれに対応する電位井戸を形成し、露光により発生する情報電荷を前記電位井戸に蓄積するＣＣＤシフトレジスタを撮像部として備えた固体撮像素子の駆動方法であって、前記各画素毎の複数の前記転送電極のうち前記電位井戸を形成するオン電極を露光期間内にて切り替えて、当該電位井戸と共に前記情報電荷の蓄積位置を前記各画素内にて移動させる移動蓄積過程を有する方法である。これにより、画素毎の情報電荷に混入する暗電流のばらつきが低減される。
【０００９】
上記駆動方法においては、前記露光期間が所定の基準値以下であるとき、前記オン電極とする前記転送電極を露光期間中にて固定する固定蓄積過程を実行し、前記露光期間が前記基準値を越えるとき、前記移動蓄積過程を実行してもよい。これにより、情報電荷に混入する暗電流成分が多くなり得る露光期間が長い場合に、画素毎の暗電流のばらつき抑制の効果が得られる。
【００１０】
前記移動蓄積過程においては、さらに前記各画素毎の前記複数の転送電極それぞれの下での前記各露光期間における前記情報電荷の蓄積時間を互いに等しくしてもよい。これにより、暗電流のばらつきが好適に抑制され得る。
【００１１】
また前記移動蓄積過程においては、前記露光期間の長さと共に前記情報電荷の蓄積位置の移動回数を増減してもよい。これにより、電位井戸の形成後、発生暗電流量の立ち上がりに時間を要する暗電流生成メカニズムに対して、情報電荷に混入する暗電流量を低減することが可能となる。この観点から、任意の前記露光時間に対応する前記移動回数は、前記各転送電極の下での前記情報電荷の蓄積の継続時間が所定の上限値以下となるように設定することができる。さらに、前記上限値は、前記転送電極に印加する電圧をオフ電圧からオン電圧に切り換えてから当該転送電極の下での暗電流の発生量が定常的な状態に到達するまでの過渡時間に応じて定めることができる。
【００１２】
また、前記ＣＣＤシフトレジスタが埋込チャネル構造の電荷転送チャネルを有する場合の上記駆動方法において、前記各画素毎の複数の前記転送電極のうち前記電位井戸に対して電位障壁を形成するオフ電極に、当該オフ電極下の前記電荷転送チャネル領域の半導体基板表面をピンニング状態とするピンニング電圧を印加することにより、各画素に蓄積する情報電荷に含まれる暗電流成分を好適に低減することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る撮像装置は、電荷転送チャネル領域上に配列された複数の転送電極により複数の画素それぞれに対応する電位井戸を形成し、露光により発生する情報電荷を前記電位井戸に蓄積するＣＣＤシフトレジスタを撮像部として備えた固体撮像素子と、当該固体撮像素子を駆動する駆動回路とを含んだ撮像装置であって、前記駆動回路が、前記各画素毎の複数の前記転送電極のうちオン電圧を印加するものを露光期間内にて切り替えて、前記オン電圧の印加により形成される前記電位井戸と共に前記情報電荷の蓄積位置を前記各画素内にて移動させる移動蓄積動作を行うものである。
【００１４】
上記駆動回路においては、前記露光期間が所定の基準値以下であるとき、前記各画素毎の複数の前記転送電極のうち前記電位井戸を形成するものを露光期間中にて固定する固定蓄積動作を行い、前記露光期間が前記基準値を越えるとき、前記移動蓄積動作を行うこととしてもよい。
【００１５】
前記移動蓄積動作においては、さらに前記各画素毎の前記複数の転送電極それぞれの下での前記各露光期間における前記情報電荷の蓄積時間を互いに等しく設定してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、露光期間にて電位井戸が画素内で移動することにより、画素内の異なる位置での暗電流成分が蓄積される。これにより、各画素の範囲内にて暗電流の位置についての平均化がなされ、画素間での暗電流成分のばらつきが抑制されるので、面ざら感が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本撮像装置の概略の構成を示すブロック図である。この撮像装置は、イメージセンサ１０の他、クロック発生回路１２、タイミング制御回路１４、アナログ信号処理回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１８及びデジタル信号処理回路２０を備えている。
【００１９】
イメージセンサ１０は、フレーム転送方式のＣＣＤイメージセンサであり、半導体基板表面に形成された撮像部１０ｉ、蓄積部１０ｓ、水平転送部１０ｈ及び出力部１０ｄを備える。撮像部１０ｉ及び蓄積部１０ｓは互いに列方向に互いのチャネルが連続した垂直ＣＣＤシフトレジスタからなり、撮像部１０ｉ及び蓄積部１０ｓにはそれら垂直ＣＣＤシフトレジスタが行方向（画像上の水平方向）に複数配列される。これら垂直ＣＣＤシフトレジスタは転送電極として、基板上に行方向に渡され、かつ列方向に複数本並列に配列されたゲート電極を備え、これら転送電極に位相をずらしたクロックを印加することで垂直ＣＣＤシフトレジスタ内を画素毎の情報電荷が垂直転送される。本イメージセンサ１０においては、撮像部１０ｉ及び蓄積部１０ｓのＣＣＤシフトレジスタは３相駆動であり、撮像部１０ｉに３相クロックφi、蓄積部１０ｓに３相クロックφsが供給され、それぞれにおける情報電荷の蓄積、転送が制御される。
【００２０】
撮像部１０ｉの垂直ＣＣＤシフトレジスタの各ビットにより構成される受光画素は入射光に応じて信号電荷を発生し蓄積する。この撮像部１０ｉでの情報電荷の蓄積動作についてはあとで詳述する。設定された露光期間が経過すると、３相クロックφi，φsにより撮像部１０ｉ及び蓄積部１０ｓそれぞれの垂直ＣＣＤシフトレジスタが駆動され、撮像部１０ｉから蓄積部１０ｓへのフレーム転送が行われる。蓄積部１０ｓは遮光膜で覆われ、光の入射による電荷発生を防止されるので、フレーム転送された撮像部１０ｉからの信号電荷をそのまま保持することができる。水平転送部１０ｈはＣＣＤシフトレジスタからなり、その各ビットは蓄積部１０ｓの複数の垂直ＣＣＤシフトレジスタの各出力に接続される。蓄積部１０ｓに保持された１画面分の信号電荷はライン転送動作により、１行単位で水平転送部１０ｈに転送される。水平転送部１０ｈに転送された信号電荷は、水平転送部１０ｈの水平転送駆動によって出力部１０ｄに転送される。出力部１０ｄは、電気的に独立した容量及びその電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部１０ｈから出力される信号電荷を１ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、時系列の画像信号Ｙ0(t)として出力する。
【００２１】
クロック発生回路１２は、撮像部１０ｉの垂直シフトレジスタを駆動するクロックφi、蓄積部１０ｓの垂直シフトレジスタを駆動するクロックφs、水平転送部１０ｈを駆動するクロックφh、出力部１０ｄのリセットゲートを駆動するクロックφr、ｎ型半導体基板に印加される基板電圧Ｖsubを生成してイメージセンサ１０を駆動する。なお、クロック発生回路１２は、タイミング制御回路１４から供給されるタイミング信号に基づいて生成される。
【００２２】
タイミング制御回路１４は、一定周期の基準クロックＣＫをカウントする複数のカウンタを含んで構成され、基準クロックＣＫを分周してタイミング信号、例えば水平同期信号ＨＤ及び垂直同期信号ＶＤを生成する。
【００２３】
アナログ信号処理回路１６は、サンプルホールド、自動利得制御（ＡＧＣ：Auto Gain Control）等の処理を画像信号Ｙ0(t)に施し、所定のフォーマットに従う画像信号Ｙ1(t)を生成する。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換回路１８はアナログ信号処理回路１６から出力される画像信号Ｙ1(t)をデジタルデータに変換して、画像データＤ1(n)を出力する。
【００２５】
デジタル信号処理回路２０はＡ／Ｄ変換回路１８から画像データＤ1(n)を取り込み、各種の処理を行う。例えば、デジタル信号処理回路２０は、画像データＤ1(n)から輝度データや色データを生成し、生成したデータに対して輪郭補正やガンマ補正等の処理を施す。また、デジタル信号処理回路２０は、自動露光制御回路を含み、画像データを１画面単位で積分し、その積分値に応じて露光期間Ｅを伸縮制御する自動露光制御を行う。例えば、自動露光制御回路は１カウントが１水平走査期間（１Ｈ）を意味する露光制御値Ｉoにより露光時間Ｅを指定する。
【００２６】
図２は、撮像部１０ｉの一部の模式的な平面図である。受光画素は垂直シフトレジスタのビットに対応しており、１画素の情報電荷を蓄積することができる。垂直シフトレジスタのチャネル領域３０ｃ同士はチャネル分離領域３０ｓで分離される。それぞれ列方向に延びるチャネル領域３０ｃの上に、転送電極Ｇ1〜Ｇ3（転送電極３２-1〜３２-3）が列方向に周期的に配置される。各受光画素３４の上には、転送電極３２-1〜３２-3が１組ずつ配置される。ここでは、転送電極３２-2が画素の中央部に配置される。転送電極３２-1〜３２-3は、クロック発生回路１２からそれぞれクロックφi1〜φi3を印加されるように構成される。
【００２７】
図３は、撮像部１０ｉのＣＣＤシフトレジスタの電荷転送方向に沿った模式的な断面図であり、図２の直線Ａ−Ａ’に沿った垂直断面を示している。ｎ型半導体基板４０には、ｐ型不純物を拡散して形成されたｐウェル４２及び、ｎ型不純物を拡散してｐウェル４２より浅く形成されたｎウェル４４が形成される。これにより、ＣＣＤシフトレジスタの電荷転送チャネルは埋込チャネルとして形成され、また基板の深さ方向にはｎｐｎ型の構造が形成される。基板表面には間にゲート酸化膜４６を介在して、列方向に転送電極３２-1〜３２-3が周期的に配列される。上述のように転送電極３２-1〜３２-3にはそれぞれ３相クロックφi1〜φi3が印加され、このクロック電圧に応じて、ゲート酸化膜４６下の半導体基板内のチャネル電位が制御される。なお、図３には、マイクロレンズアレイ４８も示している。マイクロレンズアレイ４８を構成する各レンズ４８'はそれぞれ受光画素に対応して配置され、各レンズ４８'に入射する光を受光画素へ向けて集光する。
【００２８】
図４は、図３に断面図を示したＣＣＤシフトレジスタの基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す模式図である。図において横軸が基板表面からの深さを表す。また、縦軸は電位を表し、下が正電位側、上が負電位側となる。曲線５０（ＡＢＣ）は、転送電極３２に転送クロックのオン電圧（所定の正電圧）を印加したときのポテンシャルプロファイル、曲線５２（Ａ’ＢＣ）は、転送電極３２に転送クロックのオフ電圧（所定の負電圧）を印加したときのポテンシャルプロファイルを表す。オン電圧を印加した転送電極下の基板表面寄りの領域５４には、電位の井戸が形成され、ここに電子を蓄積することができる。一方、オフ電圧を印加した転送電極下の基板表面寄りの領域５４は、電位障壁を形成し電位井戸間を分離する。
【００２９】
また、オフ電圧は、これを印加した転送電極下の基板表面の電位をピンニング（pinning）する電圧に設定される。ピンニング状態での基板表面にはチャネル分離領域３０ｓから供給されるホールが蓄積した反転層が形成される。このようにホールによって反転された状態では、ゲート酸化膜との界面での熱励起電子の発生が抑制される。例えば、反転状態では界面の価電子帯の自由なホールの濃度が大きいために、基板とゲート酸化膜との界面に生じる表面準位がホールを捕獲する割合が高くなり、価電子帯から表面準位へ励起された電子がホールを捕獲して再び価電子帯に戻りやすくなる。そのため、オフ電圧を印加した転送電極下では、電子が伝導帯へ励起されにくくなり、表面準位を介した暗電流を抑制することができる。
【００３０】
なお、図４において、点線で示す曲線５６（Ａ'Ｂ'Ｃ'）は、電子シャッタ動作でのポテンシャルプロファイルを表している。電子シャッタ動作では、転送電極にオフ電圧を印加し、基板電圧Ｖsubを通常時より高い正電圧とする。Ｖsubを上げることにより、通常、Ｂ点にあるｐウェル４２の電位がＢ'点まで深くなり、ｐウェル４２による基板深さ方向の電位障壁を消失させることができる。これにより、基板表面側の情報電荷をｐウェル４２を越えて基板裏面へ排出することができる。
【００３１】
次に、本撮像装置におけるイメージセンサの駆動方法について説明する。図５は、クロック発生回路１２がイメージセンサ１０に供給する各種電圧信号の基本的な変化を示す模式的なタイミング図である。図５には撮像部１０ｉの転送電極に印加される転送クロック信号φi1〜φi3、及び基板電圧信号Ｖsubそれぞれの模式的な波形と、蓄積部１０ｓの転送電極に印加される転送クロックφsの発生タイミングとが示されている。なお、図５において時間は横軸右方向に経過する。また、図６は、露光期間Ｅにおいて撮像部１０ｉに形成される電位井戸を示す模式図である。
【００３２】
１画面の撮影において、まず撮像部１０ｉが露光される。露光期間Ｅは、電子シャッタ動作により制御される。電子シャッタ動作では、撮像部１０ｉに配置される転送電極Ｇ1〜Ｇ3に印加されるクロック電圧φi1〜φi3を所定期間、全てオフ電圧とし（期間ｔ1〜ｔ2）、さらに、当該期間にて基板電圧Ｖsubを通常より高い電圧とする。これにより、撮像部１０ｉのチャネル領域に蓄積された情報電荷が一旦、基板裏面へ排出される。
【００３３】
また、電子シャッタ動作が完了する時刻ｔ2では、φiの所定位相のクロック信号、例えばφi2がオン状態とされ、撮像部１０ｉの対応する転送電極下に電位井戸６０が形成される（図６（ａ））。このタイミングから露光期間Ｅが始まる。一方、露光期間Ｅの終了タイミングは、フレーム転送の開始時刻ｔ6で規定される。
【００３４】
本撮像装置は、露光期間Ｅに電位井戸の位置を画素内で移動させる。電位井戸は、各露光期間において、各画素に配置される３本の転送電極Ｇ1〜Ｇ3それぞれの下に互いに同じ時間だけ形成される。具体的には、クロック発生回路１２は、転送クロックφi2を時刻ｔ2から時間αだけオン電圧に保つ。これにより、Ｇ2の下に電位井戸６０が形成され、期間αに応じた情報電荷が蓄積される（図６（ａ））。次に、φi2のオン電圧の終了に所定期間βだけ先行する時刻ｔ3から転送クロックφi1を時間２αだけオン電圧とする。これにより、Ｇ2の下に蓄積された情報電荷がＧ1の下に新たに形成された電位井戸６２へ移動し、当該電位井戸にＧ1下で発生する情報電荷が期間２αに亘ってさらに蓄積される（図６（ｂ）（ｃ））。引き続いて、φi1のオン電圧の終了に所定期間βだけ先行する時刻ｔ4から転送クロックφi2を再び時間αだけオン電圧とする。これにより、Ｇ1の下に蓄積された情報電荷がＧ2の下に新たに形成された電位井戸６４へ移動し、当該電位井戸にＧ2下で発生する情報電荷が期間αに亘って累積される（図６（ｄ）（ｅ））。さらに、φi2のオン電圧の終了に所定期間βだけ先行する時刻ｔ5からフレーム転送の開始時刻ｔ6までの時間２αだけ転送クロックφi3をオン電圧とする。これにより、Ｇ2の下に蓄積された情報電荷がＧ3の下に新たに形成された電位井戸６６へ移動し、当該電位井戸にＧ3下で発生する情報電荷が期間２αに亘って累積される（図６（ｆ）（ｇ））。Ｇ3の下の電位井戸６６に蓄積された情報電荷は、時刻ｔ6から開始されるフレーム転送によって、蓄積部１０ｓへ高速に移動される。
【００３５】
以上の動作により、露光期間Ｅにおいて各転送電極Ｇ1〜Ｇ3の下に電位井戸が形成される期間はそれぞれ２αとなる。よって、蓄積部１０ｓへ転送された各画素の情報電荷には、当該画素の各転送電極Ｇ1〜Ｇ3の下で発生した暗電流が互いに等しい期間に対応する量ずつ含まれることになり、画素内の位置に応じた暗電流の平均化がなされ、画素間での暗電流成分のばらつきが抑制される。
【００３６】
ちなみに、クロック発生回路１２は、フレーム転送において、転送クロックφi（φi1〜φi3）及びφs（φs1〜φs3）として互いに同期した高速なクロックを撮像部１０ｉの列方向の画素数に応じたサイクルだけ発生させる（期間ｔ6〜ｔ7）。これにより、撮像部１０ｉの全画素の信号電荷が全て、遮光膜を備えた蓄積部１０ｓへ短時間に移送される。蓄積部１０ｓへ転送された情報電荷は、ライン転送及び水平転送部１０ｈでの水平転送によって出力部１０ｄへ転送され、出力部１０ｄにて画像信号Ｙ0(t)に変換され順次、出力される。クロック発生回路１２は、タイミング制御回路１４が生成する水平同期信号ＨＤに同期した各タイミングξにて、１サイクルの転送クロックφsを生成しライン転送を実行する。
【００３７】
露光期間Ｅは上述したように、自動露光制御回路により、先行するフレームの画像データの積分値に基づいて伸縮制御される。タイミング制御回路１４は、自動露光制御回路からの露光制御値Ｉoに応じて、各転送電極Ｇ1〜Ｇ3における電位井戸の存在時間を定める上記αを伸縮させる。
【００３８】
また、タイミング制御回路１４は、１つの転送電極の下に形成された電位井戸が継続して存在する時間が所定の上限値τmax以下となるように電位井戸の移動回数を設定する。図７は、電位井戸の移動位置を説明する転送クロックφiの模式的なタイミング図である。図７において横軸が時間軸であり右方向に時間が経過する。転送クロックφi1〜φi3のオン期間がそれぞれ電位井戸の存在する転送電極に対応する。図５の動作例での電位井戸の移動は、図７に示すφiの第１サイクルに対応する。タイミング制御回路１４は、電位井戸の移動回数を増やす場合には、図７に示すサイクル単位でφi1〜φi3の変化の回数を増加させる。この動作では、転送電極Ｇ1及びＧ3の下に形成される電位井戸の持続時間がそれぞれ２αであり、転送電極Ｇ2の下に形成される電位井戸の持続時間αより長くなる。そこで、タイミング制御回路１４は例えば、Ｇ1及びＧ3下での電位井戸の持続時間がそれぞれ上限値τmaxを超えないような最小のサイクル数を選択する。さらに、タイミング制御回路１４は、選択したサイクル数のφiのクロック動作期間が露光期間Ｅに一致するようにαを伸縮制御する。例えば、タイミング制御回路１４は、αを上述した基準クロックＣＫのカウント数で定義することができる。また、露光期間Ｅは上述のように露光制御値Ｉoに基づいて制御されるので、タイミング制御回路１４は、Ｉoに応じてサイクル数を決定するように構成できる。これらサイクル数の決定やαの決定は、タイミング制御回路１４が演算処理により行うように構成できるし、予めテーブルにＩoとサイクル数及びαを表す基準クロックＣＫのカウント数との対応関係を格納し、このテーブルを検索して決定するように構成することもできる。
【００３９】
図７を参照すれば、サイクル数がｋ回である場合の露光期間Ｅは、
Ｅ＝６ｋα−（４ｋ−１）β        ………（１）
であることが容易に理解できる。また電位井戸の持続時間についての制限は、
２α≦τmax                        ………（２）
と表される。これらより、ｋが切り替わるＥの閾値Ｅ'(k)は、
Ｅ'(k)＝３ｋτmax−（４ｋ−１）β ………（３）
であり、次式を満たすＥに対してサイクル数はｎ回と定められる。
Ｅ'(n-1)＜Ｅ≦Ｅ'(n)                  ………（４）
【００４０】
また、サイクル数がｎ回と決定されると、αは、次式により定められる。
α＝｛Ｅ＋（４ｎ−１）β｝／６ｎ             ………（５）
【００４１】
このように、各転送電極の下における電位井戸の持続時間αに上限を設定することで、表面準位がオフ電圧印加時の反転層のホールで満たされた状態に保たれている期間に、情報電荷の蓄積が進み、暗電流が抑制され得る。ここで、電位井戸の持続時間が長くなるにつれて、表面準位を満たしていたホールが電子により捕獲される確率が高くなり、それと共に表面準位を介して電子が伝導帯へ励起される確率が高くなる。これにより、暗電流は、オフ電圧印加による効果のない定常的な状態に到達するまで逓増する。そこで、上限値τmaxは、オフ電圧印加による効果が残存している過渡期間に応じて設定することが暗電流抑制の点で好適である。
【００４２】
なお、上述の構成では、電位井戸が、画素に配置された３本の転送電極Ｇ1〜Ｇ3全てに亘って移動するものであったが、電位井戸が隣接する２本の転送電極、例えばＧ1及びＧ2、又はＧ2及びＧ3の間を行き来するような構成としても面ざら感の低減効果、及び暗電流低減の効果が期待できる。
【００４３】
また、上述の構成は、露光期間Ｅの大小にかかわらず、電位井戸を移動させて情報電荷を蓄積する移動蓄積動作を行うものであった。しかし、電位井戸の移動を行うか否かを露光期間Ｅに応じて切り換える構成とすることも可能である。例えば、高照度環境下である等、露光期間Ｅが所定の基準値以下である場合には、露光期間Ｅにおいて電位井戸を移動させず、所定の転送電極下に固定して情報電荷を蓄積する（固定蓄積動作）。一方、照度が低下して露光期間が長くなり、基準値を越える場合には、上述の移動蓄積動作を行う。例えば、固定蓄積動作は、上述の３相駆動の撮像部１０ｉにおいてレンズ４８'の中央に近い転送電極Ｇ2の下に電位井戸を固定する。露光期間Ｅが短い場合には、情報電荷に混入する暗電流成分が少ないので、画素間での暗電流ばらつきによる面ざら感等が問題になりにくい。よって、この場合には固定蓄積動作として、撮像動作の簡素化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】撮像部の一部の模式的な平面図である。
【図３】撮像部のＣＣＤシフトレジスタの電荷転送方向に沿った模式的な断面図である。
【図４】図３に断面図を示したＣＣＤシフトレジスタの基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す模式図である。
【図５】クロック発生回路がイメージセンサに供給する各種電圧信号の基本的な変化を示す模式的なタイミング図である。
【図６】露光期間Ｅにおいて撮像部に形成される電位井戸を示す模式図である。
【図７】電位井戸の移動位置を説明する転送クロックφiの模式的なタイミング図である。
【図８】撮像部を３相駆動のＣＣＤシフトレジスタで構成した場合の露光期間における従来の駆動方法での電位井戸を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  イメージセンサ、１０ｉ  撮像部、１０ｓ  蓄積部、１０ｈ  水平転送部、１０ｄ  出力部、１２  クロック発生回路、１４  タイミング制御回路、１６  アナログ信号処理回路、１８  Ａ／Ｄ変換回路、２０  デジタル信号処理回路、３０ｃ  チャネル領域、３０ｓ  素子分離領域、３２  転送電極、３４  受光画素、４０  ｎ型半導体基板、４２  ｐウェル、４４  ｎウェル、４６  ゲート酸化膜、４８  マイクロレンズアレイ。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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