(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配列された複数の光センサと、
前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、
タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、
前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、
前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第１および第２の読み出しゲートから成り、
前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第１および第２の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第１および第２のタイミング信号を発生し、
前記第１の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第１の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、
前記第２の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第２の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、
前記第１の対と前記第２の対は、垂直方向で交互に配列され、
前記タイミング信号発生部は、前記第２のタイミング信号を、継続時間ｔ１の前記第１のタイミング信号の発生開始より時間ｔ２（ｔ２＜ｔ１）だけ遅延させて発生させる、
固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりビデオカメラや、デジタルカメラに用いる固体撮像装置は、一般にＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子を用いて構成されている。
この種の固体撮像素子は、マトリクス状に配列された複数の光センサと、光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた信号電荷を各光センサから読み出して垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートとを含んで構成されている。
【０００３】
上記タイミング信号は、固体撮像装置を構成するタイミング信号発生部より供給され、固体撮像素子では、タイミング信号が供給されたとき、１５Ｖまたは１２Ｖのバイアスを読み出しゲートに印加し、これにより光センサからの信号電荷の読み出しが行われる。
図５は、上記タイミング信号を示すタイミングチャートである。
垂直転送部が３相駆動方式の場合、上記タイミング信号発生部は図５に示したように、３相のタイミング信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を発生して垂直転送部に供給する。そして、タイミング信号Ｖ２がハイレベルの期間ｔ１において読み出しゲートに上記バイアス電圧が印加される。
【０００４】
ところで、電子装置の消費電力を削減する１つの有効な方法は電源電圧を下げることであり、固体撮像素子においても電源電圧を低下させることで消費電力を削減することが可能である。
しかし、この方法を単純に固体撮像素子に適用して、上記読み出しゲートに印加するバイアス電圧を下げたとすると、光センサから信号電荷を充分に読み出せないという不具合が生じる。
図６は固体撮像素子の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図、図７は光センサ周辺を示す断面側面図である。図６は図７におけるＩＩ’線に沿ったポテンシャル分布を示している。図７において、半導体基板（ＳＵＢ）１０２上に光センサ１０４が形成され、この光センサ１０４に隣接して垂直転送部１０６が形成されている。そして、光センサ１０４と垂直転送部１０６との間に読み出しゲート１０８が形成されている。
【０００５】
読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧が充分に高い場合には、図６に実線１１０で示したように、垂直転送部１０６におけるポテンシャルは充分に低く、光センサ１０４から垂直転送部１０６へと信号電荷が確実に読み出される。一方、読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧が低い場合には、図６に点線１１２で示したように、垂直転送部１０６におけるポテンシャルが高くなってしまい、光センサ１０４からの信号電荷の読み出しが不十分となる。
【０００６】
また、従来、読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧を下げる手法としては光センサ部を構成する半導体材料における不純物濃度を調整してセンサポテンシャルを下げるという手法が用いられていたが、この手法では、光センサ１０４に蓄積した過剰な電荷が半導体基板１０２へ適切に吐き出されないという問題が生じやすい。
【０００７】
図８は、センサポテンシャルを下げた場合の光センサ１０４周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図であり、上記図６と同じ位置のポテンシャル分布を示している。図中点線の曲線１１４がセンサポテンシャルを下げた場合の分布を示している。図から分かるように、図７におけるＰ型ウェル領域１１６で構成されるオーバーフローバリア（ＯＦＢ）のバリアポテンシャル１１８が大きく上昇しており、光センサ１０４に蓄積した過剰な電荷が半導体基板１０２へ吐き出され難くなっている。
【０００８】
図８中、曲線１２０は光センサ１０４から信号電荷を読み出す際のポテンシャルを示し、曲線１２２、曲線１２４は垂直転送部１０６において信号電荷を転送する際のポテンシャルを示している。バリアポテンシャル１１８が図７の状態にまで高くなると、その高さは信号電荷転送時の読み出しゲート１０８のポテンシャル１２６を超えており、したがって、この場合には信号電荷転送時にも光センサ１０４から垂直転送部１０６へ信号電荷が読み出されてしまうという問題も生じる。
なお、図８において、ＡないしＦの各領域はそれぞれ画素分離部分、垂直転送部１０６、読み出しゲート１０８、光センサ１０４、オーバーフローバリア、ならびに半導体基板１０２の各領域を示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、性能を低下させることなく読み出しゲートに印加する電圧を抑え、消費電力の削減を可能とする固体撮像装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、マトリクス状に配列された複数の光センサと、前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第１および第２の読み出しゲートから成り、前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第１および第２の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第１および第２のタイミング信号を発生し、前記第１の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第１の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第２の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第２の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第１の対と前記第２の対は、垂直方向で交互に配列され、前記タイミング信号発生部は、前記第２のタイミング信号を、継続時間ｔ１の前記第１のタイミング信号の発生開始より時間ｔ２（ｔ２＜ｔ１）だけ遅延させて発生させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の発明者による実験の結果、第２のタイミング信号を第１のタイミング信号より遅延させると、一定の遅延量までの範囲では、光センサから読み出される信号電荷の量を低下させることなく、第２のタイミング信号の遅延量を大きくするほど、読み出しゲートに印加する電圧を低下させ得ることが判明した。
そして本発明では、光センサ周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本発明により、性能を低下させることなく読み出しゲートの印加電圧を抑えて固体撮像装置の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲートに印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサからの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は本発明による固体撮像装置の一例を構成する固体撮像素子を示す概略部分構成図、図２は本発明による固体撮像装置の一例を示す構成図である。図中、図７と同一の要素には同一の符号が付されている。
図１、図２に示したように、実施の形態例の固体撮像装置２は、固体撮像素子３を構成する半導体基板１０２上にマトリクス状に配列された複数の光センサ１０４と、光センサ１０４で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部１０６と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサ１０４で得られた信号電荷を各光センサ１０４から読み出して垂直転送部１０６に供給する複数の読み出しゲート１０８と、読み出しゲート１０８にタイミング信号を供給するタイミング信号発生部４とを備えている。
【００１３】
本実施の形態例では、読み出しゲート１０８は、それぞれ異なる光センサＡ、Ｂ（１０４）から信号電荷を読み出す第１および第２の読み出しゲート６、８（図１）から成り、タイミング信号発生部４はこれら第１および第２の読み出しゲート６、８を駆動するためのタイミング信号としてタイミング信号Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ（本発明に係わる第１および第２のタイミング信号）を生成する。そして、本実施の形態例では、タイミング信号Ｖ２Ｂはタイミング信号Ｖ２Ａより１００ｎｓ以上遅延させる。
【００１４】
固体撮像素子３には読み出しゲート１０８を駆動するために不図示のドライバ回路が設けられており、上記タイミング信号Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂがタイミング信号発生部４から供給されたとき、上記ドライバ回路は信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を各読み出しゲート１０８に印加する。
【００１５】
図１に示したように、第１の読み出しゲート６が信号電荷を読み出す光センサＡと、第２の読み出しゲート８が信号電荷を読み出す光センサＢとは垂直方向（矢印Ｖの方向）で交互に配列されている。
より詳しくは、本実施の形態例では一例として図１に示したように、第１の読み出しゲート６が信号電荷を読み出す光センサＡは対を成し、各対を成す光センサＡは垂直方向で隣接して配置され、第２の読み出しゲート８が信号電荷を読み出す光センサＢも対を成し、各対を成す光センサＢは垂直方向で隣接して配置されている。
【００１６】
垂直転送部１０６は本実施の形態例では一例として、各光センサ１０４から受け取った信号電荷を３相駆動方式にもとづいて転送し、そのためにタイミング信号発生部４は三相のタイミング信号として、第１相のタイミング信号Ｖ１と、第２相の上記タイミング信号Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂと、第３相のタイミング信号Ｖ３とを生成して垂直転送部１０６に供給する。
【００１７】
図１、図２に示したように、垂直転送部１０６の下端部には水平転送部１０が配置され、各垂直転送部１０６から信号電荷を受け取って順次水平方向に転送する構成となっている。
また、この固体撮像装置２はメカニカルシャッタ１１を備え、メカニカルシャッタ１１は、タイミング信号発生部４の制御のもとで動作するコントロール部１２からの信号により開閉する。光センサ１０４はこのメカニカルシャッタ１１により必要な時間、露光され、信号電荷を蓄積する。
【００１８】
次に、このように構成された固体撮像装置２の動作について説明する。
図３は実施の形態例の固体撮像装置２の動作を示すタイミングチャートである。
図３に示したように、本実施の形態例では、タイミング信号発生部４は、タイミング信号Ｖ１を出力した後、まずタイミング信号Ｖ２Ａ（ハイレベル）を生成して固体撮像素子３に供給する。これにより、上記ドライバ回路は、タイミング信号Ｖ２Ａの継続時間ｔ１の間、信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を第１の読み出しゲート６に印加し、第１の読み出しゲート６を通じて各光センサＡから信号電荷が読み出され、垂直転送部１０６に供給される。
【００１９】
その後、タイミング信号発生部４は、１００ｎｓ以上の時間ｔ２が経過した後に、タイミング信号Ｖ２Ｂ（ハイレベル）を生成して固体撮像素子に供給する。これにより、上記ドライバ回路は信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を第２の読み出しゲート８に印加し、第２の読み出しゲート８を通じて各光センサＢから信号電荷が読み出され、垂直転送部１０６に供給される。
なお、タイミング信号発生部４は、タイミング信号Ｖ２Ａを出力した後、タイミング信号Ｖ１をローレベルとし、タイミング信号Ｖ２Ａの立ち上がりからタイミング信号Ｖ１のの立ち下りまでの時間ｔ３は、本実施の形態例では、約ｔ２／２となっている。
【００２０】
垂直転送部１０６に供給された信号電荷は垂直方向に転送されて水平転送部１０に到達し、その後、水平転送部１０において、タイミング信号発生部４から供給される２相のタイミング信号Ｈ１、Ｈ２に同期して水平方向に転送され、映像信号として端子１４より出力される。
【００２１】
本発明の発明者は、タイミング信号Ｖ２Ｂのタイミング信号Ｖ２Ａに対する遅延時間と、読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧との関係を調べるために実験を行った。具体的には、上記遅延時間を徐々に大きくしながら、必要な信号電荷の読み出し量を確保できるバイアス電圧の大きさを測定した。
図４はこの測定結果を示すものであり、タイミング信号Ｖ２Ｂのタイミング信号Ｖ２Ａに対する遅延時間と読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧との関係を示すグラフである。図中、横軸は遅延時間ｔ２を表し、縦軸は、従来のバイアス電圧ＶＴからの低下量ΔＶＴを表している。
【００２２】
このグラフから分かるように、遅延時間ｔ２が６００ｎｓまでは、遅延時間に比例してバイアスの低下量ΔＶＴが増大しており、遅延時間ｔ２が６００ｎｓのときの低下量ΔＶＴｍａｘは約０．５Ｖとなっている。
したがって、この実験結果から、固体撮像素子３やタイミング信号発生部４における素子のバラツキなどを考慮して、遅延時間ｔ２を１００ｎｓ以上、７００ｎｓ以下の範囲内に設定することで、読み出しゲート１０８に印加するバイアス電圧を効果的に低下させ得るといえる。
【００２３】
そして本実施の形態例では、光センサ１０４周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本実施の形態例の固体撮像装置２では、性能を低下させることなく読み出しゲート１０８の印加電圧を抑えて固体撮像装置２の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲート１０８に印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサ１０４からの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置２の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
なお、本実施の形態例では、光センサおよび読み出しゲートは２系統に分割したが、３系統以上に分割して、それぞれ異なるタイミングで各光センサから信号電荷を読み出す構成としてもよく、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、マトリクス状に配列された複数の光センサと、前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第１および第２の読み出しゲートから成り、前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第１および第２の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第１および第２のタイミング信号を発生し、前記第１の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第１の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第２の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第２の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第１の対と前記第２の対は、垂直方向で交互に配列され、前記タイミング信号発生部は、前記第２のタイミング信号を、継続時間ｔ１の前記第１のタイミング信号の発生開始より時間ｔ２（ｔ２＜ｔ１）だけ遅延させて発生させることを特徴とする。
【００２５】
本発明の発明者による実験の結果、第２のタイミング信号を第１のタイミング信号より遅延させると、一定の遅延量までの範囲では、光センサから読み出される信号電荷の量を低下させることなく、第２のタイミング信号の遅延量を大きくするほど、読み出しゲートに印加する電圧を低下させ得ることが判明した。
そして本発明では、光センサ周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本発明により、性能を低下させることなく読み出しゲートの印加電圧を抑えて固体撮像装置の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲートに印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサからの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置の一例を構成する固体撮像素子を示す概略部分構成図である。
【図２】本発明による固体撮像装置の一例を示す構成図である。
【図３】実施の形態例の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】タイミング信号Ｖ２Ｂのタイミング信号Ｖ２Ａに対する遅延時間と読み出しゲートに印加するバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図５】従来の固体撮像装置におけるタイミング信号を示すタイミングチャートである。
【図６】固体撮像素子の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図である。
【図７】光センサ周辺を示す断面側面図である。
【図８】センサポテンシャルを下げた場合の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図である。
【符号の説明】
２……固体撮像装置、３……固体撮像素子、４……タイミング信号発生部、６……第１の読み出しゲート、８……第２の読み出しゲート、１０……水平転送部、１２……コントロール部、１４……端子、１０２……半導体基板、１０４……光センサ、１０６……垂直転送部、１０８……読み出しゲート、１１０……実線、１１２……点線、１１４……曲線、１１６……Ｐ型ウェル領域、１１８……バリアポテンシャル、１２０……曲線、１２２……曲線、１２４……曲線、１２６……ポテンシャル。
【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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