(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素およびこれら画素の垂直列ごとに配され、１つの画素に対して２つの垂直転送電極が設けられた複数本の垂直転送部を有し、これら垂直転送部の転送方向において分割された撮像領域と、前記撮像領域の垂直転送方向の両側に配置された第１，第２の水平転送部とを具備し、前記複数本の垂直転送部が４相駆動パルスによるフィールド読み出し方式を採る固体撮像素子であって、
前記複数本の垂直転送部における前記撮像領域の分割境界部分の垂直転送電極は、一方のフィールドでは前記第１の水平転送部へ、他方のフィールドでは前記第２の水平転送部へ信号電荷が転送される画素行の読み出し電極を兼ねた垂直転送電極であり、当該垂直転送電極には前記４相駆動パルスとは別の独立した駆動パルスが与えられ、
前記独立した駆動パルスは、前記画素から前記垂直転送部へ信号電荷を読み出す期間以外は低レベルに保たれ、読み出し直前に中間レベルに遷移した後、読み出しタイミングで高レベルとなり、読み出し完了後に低レベルに戻るようにタイミング設定されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記分割境界部分の垂直転送電極の下の転送チャンネルの幅がストレート形状となっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記独立した駆動パルスは、読み出し完了後の中間レベルから低レベルへの遷移スピードが、他の遷移タイミングでの遷移スピードよりも遅く設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
複数の画素およびこれら画素の垂直列ごとに配され、１つの画素に対して２つの垂直転送電極が設けられた複数本の垂直転送部を有し、これら垂直転送部の転送方向において分割された撮像領域と、前記撮像領域の垂直転送方向の両側に配置された第１，第２の水平転送部とを具備し、前記複数本の垂直転送部が４相駆動パルスによるフィールド読み出し方式を採る固体撮像素子において、
前記複数本の垂直転送部における前記撮像領域の分割境界部分の垂直転送電極は、一方のフィールドでは前記第１の水平転送部へ、他方のフィールドでは前記第２の水平転送部へ信号電荷が転送される画素行の読み出し電極を兼ねた垂直転送電極であり、当該垂直転送電極に、前記４相駆動パルスとは別の独立した駆動パルスを与えるとともに、前記独立した駆動パルスを前記画素から前記垂直転送部へ信号電荷を読み出す期間以外は低レベルに保持し、
読み出し直前に中間レベルに遷移させた後、読み出しタイミングで高レベルとし、読み出し完了後に低レベルに戻す
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に撮像領域が垂直転送方向において分割され、各分割領域ごとに信号電荷の読み出しおよび転送出力が行われるとともに、垂直転送部が４相駆動パルスによるフィールド読み出し方式を採る固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ(Charge Coupled Device) タイプ等の固体撮像素子（以下、単にＣＣＤ撮像素子と称す）には、画素数が多くなってもフレームレートを高く保つことを目的として、図７に示すように、撮像領域１０１をその中央で上下に２分割し、撮像領域上部１０１ａと下部１０１ｂの信号電荷を撮像領域１０１の上下に隣接して配置した２つの水平転送部１０２，１０３に別々に転送して、撮像領域１０１の信号電荷を高速に出力する構成のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この超高解像度用途のＣＣＤ撮像素子において、４相駆動の垂直転送部にあっては、フィールド読み出しを行う場合に、上下に分割した撮像領域１０１の中央の画素についての垂直転送部の転送方向が、第１フィールドと第２フィールドで上方向と下方向に変化し、うまく転送できないことになる。このことについて、以下に具体的に説明する。
【０００４】
図８は、図７の撮像領域１０１の分割境界部分の従来例を示す拡大図である。図９に、その駆動タイミングを示す。
【０００５】
図８の構造において、４相の垂直転送電極１０４-1〜１０４-4が、偶数(Even)フィールドの分割ラインに合わせて、４相目の垂直転送電極１０４-4を中心に上下方向に信号電荷を転送するように配置され、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４がそれぞれ印加される。すなわち、４相目の垂直転送電極１０４-4の分割ラインを中心に、撮像領域上部１０１ａでは４相の垂直転送電極１０４-1〜１０４-4が図の上方向に向かって１相目から順に配置され、撮像領域下部１０１ｂでは４相の垂直転送電極１０４-1〜１０４-4が図の下方向に向かって１相目から順に配置されている。
【０００６】
偶数フィールドの場合、撮像領域１０１の上下分割ラインが図８に示すように４相目の垂直転送電極１０４-4の位置になって、読み出した信号電荷ｎとｎ＋１は、図９に示す駆動タイミングチャートにしたがってそれぞれ下方向と上方向にうまく分かれる。一方、奇数(Odd) フィールドにおいては、混合する垂直２画素の組み合わせが変わることから、上述した垂直転送電極１０４-1〜１０４-4の接続と図９の駆動タイミングの下では、上方向に転送されるべき信号電荷ｎ＋１が分割されて上下方向に転送されてしまうことになる。
【０００７】
このような不具合を解消するために、特公平４−７８７４号公報には、撮像領域の分割境界部分に位置する垂直転送電極に対して、４相の駆動パルスとは別の駆動パルスを与えるようにした技術が開示されている。そこで、本発明は、このような従来技術を基に、垂直転送部が４相駆動で、しかもフィールド読み出し方式を採る場合であっても、画素特性などの面内均一性を良好に維持しつつ画面上下２分割転送を容易に実現可能な固体撮像素子およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、複数の画素およびこれら画素の垂直列ごとに配され、１つの画素に対して２つの垂直転送電極が設けられた複数本の垂直転送部を有し、これら垂直転送部の転送方向において分割された撮像領域と、この撮像領域の垂直転送方向の両側に配置された第１，第２の水平転送部とを具備し、複数本の垂直転送部が４相駆動パルスによるフィールド読み出し方式を採る固体撮像素子において、複数本の垂直転送部における撮像領域の分割境界部分の垂直転送電極は、一方のフィールドでは前記第１の水平転送部へ、他方のフィールドでは前記第２の水平転送部へ信号電荷が転送される画素行の読み出し電極を兼ねた垂直転送電極であり、当該垂直転送電極に、４相駆動パルスとは別の独立した駆動パルスを与えるとともに、この独立した駆動パルスを画素から垂直転送部へ信号電荷を読み出す期間以外は低レベルに保持し、読み出し直前に中間レベルに遷移させた後、読み出しタイミングで高レベルとし、読み出し完了後に低レベルに戻すようにする。
【０００９】
垂直転送部が４相駆動で、かつフィールド読み出しの固体撮像素子において、撮像領域をその中央で上下に２分割し、撮像領域上部と下部の信号電荷を撮像領域の上下に隣接して配置した２つの水平転送部に別々に転送して出力する際に、分割境界部分の垂直転送電極を４相駆動パルスとは別の独立した駆動パルスで駆動することで、第１フィールドと第２フィールドで混合する垂直２画素の組み合わせが変わっても、分割境界部分で混合された２画素分の信号電荷が分割されることなく、パケット単位で上下方向に転送される。
【００１０】
また、追加した駆動パルスを読み出し期間以外は低レベルに保つことで、分割境界部分の垂直転送電極の表面電位が、信号電荷と反対符号の正孔の流れやすい状態、即ち抵抗の低い状態になる。これにより、垂直転送部と画素を分離するチャネルストップ内を分割境界部分に向かって集まってきた正孔が、抵抗の低い当該垂直転送電極に沿って横方向に排出され、分割境界部分と他の部分で電位に勾配がつきにくくなる。その結果、画素の特性や垂直転送部の転送特性の面内均一性が保たれる。
【００１１】
【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つつ詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、撮像領域１１は、行列状に２次元配置された複数の画素（光電変換素子）１２と、これら画素１２の垂直列ごとに配されたＣＣＤからなる複数本の垂直転送部（以下、垂直ＣＣＤと称す）１３とからなり、その中央で上下に２分割された構成となっている。
【００１３】
この撮像領域１１において、画素１２は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなる。垂直ＣＣＤ１３は、基本的には、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４によって転送駆動される。但し、撮像領域上部１１ａと撮像領域下部１１ｂの分割境界部分に位置する垂直転送電極２１-5には、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４とは別の独立した垂直駆動パルスφＶ５が与えられるようになっている。なお、これれら垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ５は、低レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）、中間レベル（以下、“Ｍ”レベルと記す）および高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）の３値をとり、３値目の“Ｈ”レベルで画素１２からの信号電荷の読み出しを行う。
【００１４】
撮像領域１１の上下には、ＣＣＤからなる２本の水平転送部（以下、水平ＣＣＤと称す）１４，１５が隣接して配置されている。水平ＣＣＤ１４，１５は、２相の水平駆動パルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動される。これら水平ＣＣＤ１４，１５の転送先側の端部には、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部１６，１７が設けられている。電荷電圧変換部１６，１７は、水平ＣＣＤ１４，１５によって転送されてた信号電荷を信号電圧に変換する。そして、これら信号電圧は出力バッファ１８，１９を介してＣＣＤ出力１，２として導出される。
【００１５】
図２に、図１の撮像領域１１の分割境界部分を拡大して示す。同図において、撮像領域１１の上下分割ラインがフィールド読み出しをする関係上、偶数(Even)フィールドと奇数(Odd) フィールドで１画素分ずれるため、それぞれの分割ラインの真ん中に位置する垂直転送電極２１-5には、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４とは別の独立した垂直駆動パルスφＶ５を与えるようにしている。
【００１６】
そして、この垂直転送電極２１-5を中心にその上側では、４相目の垂直転送電極２１-4、１相目の垂直転送電極２１-1、２相目の垂直転送電極２１-2、３相目の垂直転送電極２１-3、４相目の垂直転送電極２１-4、……のように配置され、その下側では、２相目の垂直転送電極２１-2、３相目の垂直転送電極２１-3、４相目の垂直転送電極２１-4、１相目の垂直転送電極２１-1、……のように配置される。１相目〜４相目の垂直転送電極２１-1〜２１-4には、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４がそれぞれ印加される。
【００１７】
ここで、上記構成の本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子の動作について、図３の読み出し１Ｈ（１水平期間）のタイミングチャートを用いて説明する。
【００１８】
先ず、偶数フィールドでは、垂直駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３が“Ｍ”レベルで、垂直駆動パルスφＶ４が“Ｌ”レベルの状態において、読み出しを行う直前に垂直駆動パルスφＶ５を“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移させ、そのすぐ後に垂直駆動パルスφＶ１と垂直駆動パルスφＶ５を“Ｈ”レベルに立ち上げる。この“Ｈ”レベルのパルスが読み出しパルスとなる。この時点で、垂直駆動パルスφＶ１と垂直駆動パルスφＶ５に関わる画素１２から信号電荷２２を垂直ＣＣＤ１３に読み出す動作が完了し、またすぐ後に垂直駆動パルスφＶ３に関わる画素１２から同様に信号電荷２２を読み出すために垂直駆動パルスφＶ３にも読み出しパルスを立てる。
【００１９】
その結果、図２の右上に示すように、フィールド読み出しに伴って垂直２画素分の混合が行われた信号電荷（……，ｎ，ｎ＋１，……）が垂直ＣＣＤ１３に蓄積される。読み出しが完了したら、撮像領域１１の上下分割ラインに位置する垂直転送電極２１-5に与える駆動パルスφＶ５を“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移させ、撮像領域上部１１ａは図の上方向に、撮像領域下部１１ｂは図の下方向に信号電荷２２を転送するように準備する。あとは、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４を通常通り動作させることで、撮像領域１１の上下分割ラインの上と下の信号電荷はそれぞれ上下にうまく転送される。
【００２０】
一方、奇数フィールドでは、垂直駆動パルスφＶ３，φＶ４，φＶ１が“Ｍ”レベルで、垂直駆動パルスφＶ２が“Ｌ”レベルの状態において、読み出しを行う直前に垂直駆動パルスφＶ５を“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移させ、そのすぐ後に垂直駆動パルスφＶ１と垂直駆動パルスφＶ５の読み出しパルスを立ち上げ（“Ｈ”レベル）、垂直駆動パルスφＶ１と垂直駆動パルスφＶ５に関わる画素１２から信号電荷２２を読み出し、少し位相をずらして垂直駆動パルスφＶ３の読み出しパルスを立ち上げ、垂直駆動パルスφＶ３に関わる画素１２から信号電荷２２を読み出す。
【００２１】
その結果、図２の右下に示すように、フィールド読み出しに伴って偶数フィールドの場合とは異なる組み合わせで垂直２画素分の混合が行われた信号電荷（……，ｎ，ｎ＋１，……）が垂直ＣＣＤ１３に蓄積される。このようにして読み出しが完了したら、偶数フィールドと同様に、駆動パルスφＶ５を“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移させ、４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４を通常通り動作させることで、撮像領域１１の上下分割ラインの上と下の信号電荷はそれぞれ上下にうまく転送される。
【００２２】
ここで、図３のタイミングチャートにおいて、垂直駆動パルスφＶ５の駆動タイミングが、読出し付近以外で“Ｌ”レベルに保つようにしているのは、以下の理由による。
【００２３】
すなわち、撮像領域１１を上下に２分割して信号電荷を垂直方向に転送する場合、図４に示すように、信号電荷（電子）２２は撮像領域１１の上と下に位置する水平ＣＣＤ１４，１５に向かって移動するが、それとは反対に信号電荷２２と反対符号の電荷（正孔）２３は垂直ＣＣＤ１３と画素１２を分離するための素子分離として機能するチャネルストップ（図示せず）内を撮像領域１１の分割境界部分に向かって移動しようとする。
【００２４】
すると、撮像領域１１の分割境界部分に正孔２３が上下方向に集まってこようとするが、チャネルストップの正孔に対する抵抗成分が十分に低い場合は、正孔の量が分割境界部分とその他の部分で違うと、その電位勾配にしたがってすぐに両者の部分の電位が同じになるように正孔がチャネルストップ内を戻るため、大きな電位の差を生じない。
【００２５】
ところが、その抵抗成分が高い場合は、信号電荷と逆向きに移動しようとしている正孔がチャネルストップ内で戻りきらずに、チャネルストップの電位が分割境界部分で高く、その他の部分で低くなってしまう現象を生じる。この結果、このチャネルストップの電位勾配が画素１２の特性や垂直ＣＣＤ１３の転送に悪影響を及ぼすことになる。
【００２６】
この影響を緩和するために、撮像領域１１の分割境界部分に位置する垂直転送電極２１-5に与える垂直駆動パルスφＶ５を読み出しタイミング以外は“Ｌ”レベルに保ち、垂直転送電極２１-5の表面電位を正孔が流れやすい状態、即ち抵抗が低い状態にする。これにより、分割境界部分に集まってきた正孔が抵抗の低い垂直転送電極２１-5に沿って横方向に排出され、撮像領域１１の分割境界部分とその他の部分で電位に勾配がつきにくくなり、その結果、画素１２の特性や垂直ＣＣＤ１３の転送特性の面内均一性が保たれる。
【００２７】
図５は、撮像領域１１の分割境界部分における転送チャネルの形状を示した平面パターン図である。
【００２８】
垂直ＣＣＤ１３では一般的に、転送効率に関わるフリンジ電界を強化するために、狭チャネル効果を利用して転送チャネル２４に電位勾配をつけるチャネルピンチ（図中、○印部分）２５を使い、さらに電極中心部分の電位勾配を高めるために、同一電極内にポテンシャルが高い部分２６と低い部分２７の形成を行うことが多い。しかし、垂直転送電極２１-5に関して言えば、偶数フィールドと奇数フィールドで垂直転送電極２１-5の下にある信号電荷の転送方向が上下逆になるため、ある一方向に対して転送に効果がある上述したフリンジ電界を強化する手法が使えない。
【００２９】
そこで、本実施形態では、垂直転送電極２１-5の下の転送チャネル２８に関しては、図５から明らかなように、そのチャネル幅をストレート形状とし、他の転送チャネルのようなチャネルピンチ２５や、同一電極内のポテンシャルの高い部分２６と低い部分２７の形成を行わないようにしている。但し、この場合、垂直転送電極２１-5の下の転送チャネル２８が転送劣化を起こして撮像素子の歩留りに影響を与える可能性がある。
【００３０】
この転送チャネル２８の形状に伴う転送劣化の問題に関しては、図６のタイミングチャートに示すように、信号電荷の読み出しが完了してから垂直駆動パルスφＶ５が“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移する際の立ち下がりスピード（遷移スピード）を、他の遷移タイミングでの立ち下がりスピードよりも遅くなるようにタイミング設定を行うようにする（図中、破線で囲った部分）。
【００３１】
このように、転送チャネル２８にある信号電荷を上又は下方向に転送開始するときに、垂直駆動パルスφＶ５の波形の立ち下がりをゆっくりするすることで、転送速度が遅くなる。転送効率は転送速度を落とすことで改善できることから、垂直転送電極２１-5の下の転送チャネル２８の幅をストレート形状にしたことに伴う転送劣化が発生することもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直転送部が４相駆動で、かつフィールド読み出しの固体撮像素子において、撮像領域をその中央で上下に２分割し、撮像領域上部と下部の信号電荷を撮像領域の上下に隣接して配置した２つの水平転送部に別々に転送して出力する際に、分割境界部分の垂直転送電極を４相駆動パルスとは別の独立した駆動パルスで駆動するとともに、この駆動パルスを読み出し期間以外は低レベルに保つようにしたことにより、画素特性などの面内均一性を良好に維持しつつ画面上下２分割転送を容易に実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る撮像領域の分割境界部分の拡大図である。
【図３】本実施形態に係る動作説明のためのタイミングチャートである。
【図４】本実施形態に係る動作説明のための模式図である。
【図５】撮像領域の分割境界部分の転送チャネルの形状を示す平面パターン図である。
【図６】本実施形態の変形例に係るタイミングチャートである。
【図７】従来例を示す概略構成図である。
【図８】従来例に係る撮像領域の分割境界部分の拡大図である。
【図９】従来例に係る動作説明のためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１１…撮像領域、１２…画素、１３…垂直ＣＣＤ（垂直転送部）、１４，１５…水平ＣＣＤ（水平転送部）、１６，１７…電荷電圧変換部、２１-1〜２１-5…垂直転送電極、２２…信号電荷、２３…正孔、２４…転送チャネル
【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】
0003858376.tif 000008
【図８】
0003858376.tif 000009
【図９】
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