JP2000134540A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 垂直レジスタの電極、バスライン構成を変更
することなく、任意の間引き読み出しを可能にする固体
撮像装置を提供する。 【解決手段】 本固体撮像装置は、４相駆動垂直レジス
タを有するプログレッシブスキャン方式のインターライ
ン転送型ＣＣＤイメージセンサであって、図１に示すよ
うに、フォトダイオード１、トランスファゲート２、垂
直レジスタ３、水平レジスタ４、コントロールゲート
５、及びドレイン６を備えていて、不要な電荷を排出す
るドレイン６と排出を制御するコントロールゲート５
が、水平レジスタ４に隣接して設けられている。不要電
荷を行単位でドレイン６に排出することによって、垂直
方向に連続する任意の画素数の信号のうち、１画素の信
号を独立に、あるいは複数画素の信号を水平レジスタ４
で加算して読み出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
その駆動方法に関し、特にデジタルスチルカメラに好適
な電荷結合素子型固体撮像装置及びその駆動方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンシューマ向けのデジタルスチ
ルカメラの高画質化が急速に進んでおり、１００万画素
以上の画素数を有する固体撮像装置、特にＣＣＤイメー
ジセンサが、広く使われるようになっている。これらの
ＣＣＤイメージセンサは、低消費電力化を図るために、
２０ＭＨｚ程度以下のデータレートで動作しているの
が、一般的であり、この時のフレームレートは、毎秒１
０枚前後である。デジタルスチルカメラでは、ＣＣＤイ
メージセンサの信号を用いてオートフォーカスや露出の
制御を行ったり、液晶モニタをファインダーとして使用
したりしているが、これらの機能を確実に果たすために
は、毎秒３０枚程度のフレームレートが必要となる。こ
のため、従来は、垂直方向の一部の画素からの信号電荷
のみを読み出してライン数を間引くことにより、フレー
ムレートを向上させている。

【０００３】図１４、１５は、従来の間引き読み出しの
例を示す。本例では、４相駆動垂直レジスタを有するプ
ログレッシブスキャン方式のインターライン転送型ＣＣ
Ｄイメージセンサとする。図１４は、画素列を模式的に
表した図で、１はフォトダイオード、２はトランスファ
ゲート、３は垂直レジスタ、４は水平レジスタを示す。
垂直レジスタ３では、４個の転送電極が、１個のフォト
ダイオード１に対応して配置されている。そのうち、フ
ォトダイオード１から垂直レジスタ３への信号電荷の転
送を行なうトランスファゲート２を覆う電極は、３画素
を繰り返し単位として、１画素がφ _V3A 、残りの２画素
がφ_V3B のパルスが印加されるバスラインに、それぞれ
接続されている。なお、簡略化のために、水平レジスタ
の転送電極は、省略している。

【０００４】図１５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、全
画素読み出しモード及び間引き読み出しモードにおけ
る、垂直ブランキング、水平ブランキング期間中に垂直
レジスタの各電極に印加される駆動パルス波形を示す。
デジタルスチルカメラの通常の撮影に相当する全画素読
み出しモードでは、φ _V3A およびφ_V3B には、いずれも
ハイレベル（ＶＨ）が印加されてトランスファゲートが
オンとなり、全ての画素の信号電荷が同時に垂直レジス
タへ転送される。その後、各水平ブランキング期間中の
駆動パルスにより、垂直レジスタ内を１段ずつ転送さ
れ、水平レジスタへ転送される。

【０００５】ここでは、図示していないが、信号電荷
は、有効期間中に水平レジスタ内を転送され、出力アン
プを通って外部に出力される。一方、間引き読み出しモ
ードでは、φ_V3A のみにハイレベルが印加され、３画素
毎の信号電荷が垂直レジスタへ転送される。その後、各
水平ブランキング期間中の駆動パルスにより、垂直レジ
スタ内を３段ずつ転送され、水平レジスタへ転送され
る。その後の動作は、全画素読み出しモードと同様であ
る。なお、ここでは詳細な説明は省略するが、φ_V3B に
対応した画素の垂直レジスタに転送されなかった信号電
荷は、インターライン転送型ＣＣＤイメージセンサで一
般的に用いられている縦型オーバーフロードレイン構造
により、基板にパルスを印加することによってフォトダ
イオード直下の基板に排出される。

【０００６】図１０に画素間引き動作における画素間引
きを模式的に示す。垂直方向に３画素を繰り返しとし
て、１画素のみの信号が読み出される。これにより、全
画素読み出しモードのフレームレートが毎秒１０枚と仮
定すると、間引きモードでは、垂直方向の画素信号が１
／３に間引かれるとすると、フレームレートが３倍とな
り、毎秒３０枚のフレームレートを実現できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１４、１５では、ラ
イン数を１／３に間引いてフレームレートを３倍にする
例を示したが、この場合には、フォトダイオードの信号
を読み出す画素のトランスファゲートのみオンにするた
め、３画素毎の繰り返しのうち、信号を読み出す１画素
と読み出さない２画素とで、トランスファゲートを覆う
電極に印加するパルスを変える必要がある。すなわち、
間引きの方法に応じて垂直レジスタの転送電極に接続さ
れるバスラインの構成を変えなければならない。

【０００８】したがって、間引き方法が異なる場合に
は、それぞれに応じたフォトダイオードを有する専用の
イメージセンサが必要とされる。また、逆に、バスライ
ンの構成が固定している場合には、間引きの方法は限定
される。このため、例えば、あるイメージセンサを、画
素数の異なる液晶モニタを備えた他のデジタルスチルカ
メラに搭載して、液晶モニタをファインダーとして間引
いた画像を表示させるのは、技術的に難しい。また、要
求されるフレームレートの異なるデジタルスチルカメラ
に同一のイメージセンサを適用することは、技術的に不
可能である。

【０００９】そこで、本発明の目的は、間引きの方法に
応じて垂直レジスタのバスライン構成を変えることな
く、繰り返しのライン数や読み出すライン数、あるいは
フレームレートを選択できる自由度の高い間引き読み出
しのできる固体撮像装置及びその駆動方法を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の固体撮像装置は、垂直レジスタを含む画素
部と水平レジスタとを備える固体撮像装置において、垂
直レジスタ内を転送される画素信号のうち、垂直方向に
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）を繰り返し数としてＭ−Ｎ個
（Ｎは１≦Ｎ＜Ｍの整数）を排出することにより、行単
位に信号電荷を排出するようにした信号電荷排出手段
と、残るＮ個の画素信号を読み出す読み出し手段とを備
えていることを特徴としている。これによって、同一の
イメージセンサを、間引き後のライン数やフレームレー
トに対する要求の異なる多くの種類のカメラに適用する
ことが可能となる。

【００１１】本発明の好適な実施態様では、前記水平レ
ジスタが、前記Ｎ個の画素信号を加算して読み出す読み
出し手段として機能する。また、前記Ｎ個の画素信号が
同色のカラーフィルタを形成した画素の信号である。更
には、前記信号電荷の排出手段が、水平レジスタに隣接
して形成されたドレインを含む。また、前記信号電荷を
排出する手段が、画素部と水平レジスタとの間に位置す
る垂直レジスタに隣接する素子分離領域に形成されたド
レインを含む。

【００１２】本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、
行単位に信号電荷を排出する手段を有する固体撮像装置
の駆動方法であって、垂直方向にＭ個（Ｍは２以上の整
数）を繰り返し数として、垂直レジスタ内を転送される
画素信号のうちＭ−Ｎ個（Ｎは１≦Ｎ＜Ｍの整数）を前
記信号電荷を排出する手段により掃き捨て、残るＮ個の
画素信号を読み出すことを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例１ 本実施形態例は、本発明に係る固体撮像装置の実施形態
の一例であって、図１は本実施形態例の固体撮像装置の
要部の構成図、図２は図１の水平レジスタ近傍の詳細図
である。本実施形態例の固体撮像装置の要部は、４相駆
動垂直レジスタを有するプログレッシブスキャン方式の
インターライン転送型ＣＣＤイメージセンサであって、
図１に示すように、フォトダイオード１、トランスファ
ゲート２、垂直レジスタ３、水平レジスタ４、コントロ
ールゲート５、及びドレイン６を備えていて、不要な電
荷を排出するドレイン６と排出を制御するコントロール
ゲート５が、水平レジスタ４に隣接して設けられてい
る。

【００１４】本実施形態例では、垂直レジスタ３の転送
電極は、１つのフォトダイオード１に対応して４個配置
されている。図１４に示す従来例とは異なり、フォトダ
イオード１から垂直レジスタ３への信号電荷の転送を行
なうトランスファゲート２を覆う電極が、すべて共通
に、φ_V3のパルスが印加されるバスラインに接続されて
いる。なお、簡略化のため水平レジスタの転送電極は省
略している。図２は、図１の水平レジスタ４近傍の詳細
を示している。ここに示した垂直レジスタ３の転送電極
は、φ_V1が１層目、φ_V2およびφ_V4が２層目、φ_V3が３
層目の電極材料、例えば多結晶シリコンで構成されてい
る。

【００１５】実施形態例１の固体撮像装置の駆動方法 実施形態例１の固体撮像装置の駆動方法として、図１及
び図２に示す構成を備えた固体撮像装置に図７に示す駆
動パルスを適用した時の間引きの動作を説明する。垂直
ブランキング期間中にφ_V3にＶＨが印加されてトランス
ファゲートがオンとなり、全てのフォトダイオードに蓄
積された信号電荷が同時に対応する垂直レジスタに転送
される。その後、信号電荷は、水平ブランキング期間
に、垂直レジスタを３段転送され、垂直方向に隣接する
３画素からの信号電荷が水平レジスタに転送される。３
画素からの信号のうち、１番目と２番目の電荷はドレイ
ンに排出され、３番目の電荷が水平レジスタを転送され
外部に出力される。

【００１６】図３は、図２のＡ−Ａ'に沿った断面の模
式図および電位分布を示しており、この図を用いてドレ
インへの排出の動作を説明する。水平ブランキング期間
中に、φ_H1がＶＨの状態で、φ_V4をＶＬにすることで電
荷が垂直レジスタから水平レジスタに転送される。φ_V4
をＶＭに戻した後、φ_CGをＶＬからＶＨにすることで、
コントロールゲートの電位は水平レジスタの電位よりも
深くなり、電荷はＶＤにバイアスされたドレインに排出
される。その他の期間ではφ_CGはＶＬに保たれており、
水平レジスタ中の信号電荷がドレインに排出されること
はない。上記の動作により、従来例と同様に、３画素を
繰り返しとして１画素の信号が読み出され、図１０に示
すように画素信号が１／３に間引かれ、フレームレート
は３倍になる。

【００１７】図１４に示した従来の構成の固体撮像装置
では、信号を読み出す画素と読み出さない画素とで、ト
ランスファゲートに印加するパルスを分ける必要があっ
たが、本例では水平レジスタに転送した後に電荷をドレ
インに掃き捨てるため、同じ画素の電極構成のままで
も、ここで説明した３画素繰り返しに１画素を読み出す
間引きのみならず、駆動パルスを変更することによっ
て、２画素、４画素、５画素などの繰り返しに１画素を
読み出すことも可能となり、この場合にはフレームレー
トはそれぞれ２倍、４倍、５倍になる。以上のように、
本実施形態例によれば、間引き動作の自由度が大きくな
り、同一のイメージセンサを、間引き後のライン数やフ
レームレートに対する要求の異なる広い用途に適用する
ことが可能となる。

【００１８】実施形態例１の固体撮像装置の別の駆動方
法 次に、実施形態例１の固体撮像装置の別の駆動方法とし
て、図１及び図２に示す構成の固体撮像装置に図８に示
す駆動パルスを適用した時の間引きの動作を説明する。
この例では、垂直レジスタ内の信号電荷は、水平ブラン
キング期間に垂直レジスタを４段転送され、垂直方向に
隣接する４画素からの信号電荷が水平レジスタに転送さ
れる。４画素からの信号のうち、１番目と２番目の電荷
はドレインに排出され、３番目と４番目の電荷が水平レ
ジスタに転送される。この時、φ_H1はＶＨの状態にある
ので、２画素の信号は水平レジスタ内で加算される。上
記の動作により、４画素を繰り返しとして連続する２画
素の信号が加算されて読み出され、図１１に示すように
画素信号が１／４に間引かれ、フレームレートは４倍に
なる。ここで説明した以外にも、繰り返しの画素数や連
続して加算する画素数など、自由に選択することが可能
である。

【００１９】実施形態例２ 本実施形態例は、本発明に係る固体撮像装置の実施形態
の一例であって、図４は本実施形態例の固体撮像装置の
要部の構成図、図５は図４の垂直レジスタと水平レジス
タの接続部の詳細図である。本実施形態例の固体撮像装
置が、実施形態例１の固体撮像装置の構成と異なるの
は、不要な電荷を排出するドレイン６が、水平レジスタ
４に隣接してではなく、フォトダイオード１が形成され
ている有効画素部と水平レジスタ４との間に位置する垂
直レジスタ３に隣接する素子分離領域に形成されている
ことである。

【００２０】図５は、図４の垂直レジスタと水平レジス
タの接続部の詳細を示している。ここに示した垂直レジ
スタの転送電極は、φ_V1およびφ_V3が１層目、φ_V2およ
びφ _V4が２層目の電極材料、例えば多結晶シリコンで構
成されている。φ_V4に対応するチャネルストッパに、コ
ントロールゲート５およびドレイン６が設けられてお
り、コントロールゲート電極φ_CGは３層目の多結晶シリ
コンで形成されている。また、ドレインはコンタクト８
を介して、金属層などの配線に接続され、外部からバイ
アス電圧ＶＤが印加されている。

【００２１】図６は、図５のＢ−Ｂ'に沿った断面の模
式図および電位分布を示している。通常の垂直レジスタ
内の電荷転送時には、φ_CGはＶＬに保たれており、φ_V4
がＶＬの状態でも垂直レジスタの電荷がドレインに排出
されることはない。φ_V4がＶＭの状態の時にφ_CGをＶＨ
にすると、コントロールゲートがオンになり、垂直レジ
スタの電荷がドレインに排出される。

【００２２】実施形態例２の固体撮像装置の駆動方法 実施形態例２の固体撮像装置の駆動方法として、図４及
び図５に示しが構成を有する固体撮像装置に図７に示す
駆動パルスを適用した時の間引きの動作を説明する。垂
直レジスタ内の信号電荷は、水平ブランキング期間に垂
直レジスタを３段転送されるが、垂直方向に隣接する３
画素からの信号電荷のうち、１番目と２番目の電荷はド
レインに排出され、３番目の電荷のみが水平レジスタに
転送され、水平レジスタを通って外部に出力される。

【００２３】その結果、実施形態例１と同様に、図１０
に示すように画素信号が、１／３に間引かれ、フレーム
レートは３倍になる。図１、図２に示した構成と異な
り、水平レジスタに転送する前に不要な電荷をドレイン
に排出するため、連続した３画素の信号のうち読み出す
信号が必ずしも３番目の画素である必要はなく、何番目
の信号でも読み出すことが可能である点で自由度が高
い。

【００２４】実施形態例２の固体撮像装置の別の駆動方
法 実施形態例２の固体撮像装置の別の駆動方法として、図
４及び図５に示す構成を有する固体撮像装置に図８に示
す駆動パルスを適用した時の間引きの動作を説明する。
この例では、垂直レジスタ内の信号電荷は、水平ブラン
キング期間に垂直レジスタを４段転送されるが、垂直方
向に隣接する４画素からの信号電荷のうち、１番目と２
番目の電荷はドレインに排出され、３番目と４番目の電
荷が水平レジスタに転送され加算される。

【００２５】こうした動作により、４画素を繰り返しと
して連続する２画素の信号が加算されて読み出され、図
１１に示すように画素信号が１／４に間引かれ、フレー
ムレートは４倍になる。図１及び図２に示した構成と異
なり、水平レジスタに転送する前に不要な電荷をドレイ
ンに排出するため、加算して読み出す信号は必ずしも３
番目と４番目の画素である必要はなく、また、連続した
画素の必要もなく、どの２画素の組み合せでも可能であ
る。ここで説明した以外にも、繰り返しの画素数や加算
する画素数など、自由に選択できる点は、実施形態例２
と同様である。

【００２６】実施形態例２の固体撮像装置の更に別の駆
動方法 実施形態例２の固体撮像装置の更に別の駆動方法とし
て、図４及び図５に示した構成を有する固体撮像装置に
図９に示す駆動パルスを適用した時の間引きの動作を説
明する。本例では、垂直レジスタ内の信号電荷は、水平
ブランキング期間に垂直レジスタを３段転送されるが、
垂直方向に隣接する３画素からの信号電荷のうち、２番
目の電荷はドレインに排出され、１番目と３番目の電荷
が水平レジスタに転送され加算される。

【００２７】こうした動作により、３画素を繰り返しと
して２画素の信号が加算されて読み出され、画素信号が
１／３に間引かれて、フレームレートは３倍になる。本
実施形態例では、例えばカラーフィルタ配列が図１２に
示すように水平２画素、垂直２画素を単位として繰り返
しになっている場合、３画素のうち両側の２画素は同じ
色のフィルタが形成されているので、図１３のように加
算しても元の色の情報を保ったまま、感度を向上させる
ことができる。これによって、従来では困難だったよう
な暗い場所でのオートフォーカスが可能になるなどの効
果を奏する。

【００２８】図１２の場合においても、３画素毎に２画
素加算する方法に制限されるものではなく、５画素毎に
２画素、あるいは３画素の加算も可能である。また、フ
ィルタ配列の繰り返しが水平２画素、垂直２画素以外の
場合においても、繰り返しの画素数に応じて本発明を適
用できることは明らかである。

【００２９】なお、本発明では４相駆動垂直レジスタを
有するプログレッシブスキャン方式のインターライン転
送型ＣＣＤイメージセンサを例に説明したが、４相駆動
以外の垂直レジスタを有するＣＣＤイメージセンサや、
インターライン転送型以外のＣＣＤイメージセンサにも
適用できる。また、プログレッシブスキャン方式のＣＣ
Ｄイメージセンサに限定されるものではなく、インター
レース方式のＣＣＤイメージセンサにおいても、フレー
ムを構成する各フィールドにおいて本発明を適用すれば
同様の効果を得ることができる。さらに、不要な電荷を
排出する手段についても、ここで説明した以外の例でも
可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、垂直レジスタの電極お
よびバスラインを間引きの方法に応じて専用の構成とす
る必要はなく、垂直レジスタ内の画素信号をライン単位
でドレインに排出することにょって、繰り返しのライン
数や読み出すライン数、加算する画素数、フレームレー
トなどを選択できる自由度の高い間引き読み出し方法を
実現するという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の固体撮像装置の要部の構成図で
ある。

【図２】実施形態例１の水平レジスタ近傍の詳細図であ
る。

【図３】実施形態例１の固体撮像装置のドレインの断面
および電位分布を示す図である。

【図４】実施形態例２の固体撮像装置の要部の構成図で
ある。

【図５】図４の垂直レジスタと水平レジスタの接続部近
傍の詳細を示す図である。

【図６】図５のドレインの断面および電位分布を示す図
である。

【図７】実施形態例１の固体撮像装置の動作を説明する
ための第１の駆動パルス例である。

【図８】実施形態例１の固体撮像装置の動作を説明する
ための第２の駆動パルス例である。

【図９】実施形態例１の固体撮像装置の動作を説明する
ための第３の駆動パルス例である。

【図１０】実施形態例２の固体撮像装置の第１の動作を
示す図である。

【図１１】実施形態例２の固体撮像装置の第２の動作を
示す図である。

【図１２】カラーフィルタの配列の一例を示す図であ
る。

【図１３】実施形態例２の固体撮像装置の第３の動作を
示す図である。

【図１４】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。

【図１５】従来の固体撮像装置の動作を説明するための
駆動パルス例である。

【符号の説明】

１ フォトダイオード ２ トランスファゲート ３ 垂直レジスタ ４ 水平レジスタ ５ コントロールゲート ６ ドレイン ７ チャネルストッパ ８ コンタクト

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直レジスタを含む画素部と水平レジス
   タとを備える固体撮像装置において、 垂直レジスタ内を転送される画素信号のうち、垂直方向
   にＭ個（Ｍは２以上の整数）を繰り返し数としてＭ−Ｎ
   個（Ｎは１≦Ｎ＜Ｍの整数）を排出することにより、行
   単位に信号電荷を排出するようにした信号電荷排出手段
   と、 残るＮ個の画素信号を読み出す読み出し手段とを備えて
   いることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記水平レジスタが、前記Ｎ個の画素信
   号を加算して読み出す読み出し手段として機能すること
   を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記Ｎ個の画素信号が同色のカラーフィ
   ルタを形成した画素の信号であることを特徴とする請求
   項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記信号電荷排出手段が、水平レジスタ
   に隣接して形成されたドレインを含むことを特徴とする
   請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の固体撮像
   装置。
5. 【請求項５】 前記信号電荷排出手段が、前記画素部と
   前記水平レジスタとの間に位置する垂直レジスタに隣接
   する素子分離領域に形成されたドレインを含むことを特
   徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の
   固体撮像装置。
6. 【請求項６】 行単位に信号電荷を排出する信号電荷手
   段を有する固体撮像装置の駆動方法であって、 垂直レジスタ内を転送される画素信号のうち、垂直方向
   にＭ個（Ｍは２以上の整数）を繰り返し数としてＭ−Ｎ
   個（Ｎは１≦Ｎ＜Ｍの整数）を前記信号電荷を排出する
   手段により掃き捨て、残るＮ個の画素信号を読み出すこ
   とを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
7. 【請求項７】 前記Ｎ個の画素信号を水平レジスタによ
   って加算して読み出すことを特徴とする請求項６に記載
   の固体撮像装置の駆動方法。
8. 【請求項８】 前記Ｎ個の画素信号が同色のカラーフィ
   ルタを形成した画素の信号であることを特徴とする請求
   項６又は７に記載の固体撮像装置の駆動方法。