JP2005101926A

JP2005101926A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2005101926A
Application number: JP2003333337A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kanematsu; 幹雄兼松
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】出力信号差を生じることなく安定した電荷の高速転送を可能にし、複数の駆動モードに充分に対応することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】配列された複数のセンサ部からなる画像取り込み部２と、センサ部から得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部をそれぞれ具備し、電荷蓄積部のポテンシャルを変化させることにより電荷蓄積部間で蓄積された電荷を水平方向に移送する第１の水平電荷転送部５、第２の水平電荷転送部８、第３の水平電荷転送部１１を備え、それぞれの水平電荷転送部の電荷蓄積部の容量が異なると共に、センサ部から得られた電荷の水平方向の移送には、第１の水平電荷転送部、第２の水平電荷転送部または第３の水平電荷転送部のいずれか１つの水平電荷転送部を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に関する。詳しくは、複数の電荷蓄積部をそれぞれ具備する複数の電荷転送部を備え、それぞれの電荷転送部の電荷蓄積部の容量を異ならせると共に、電荷の水平方向の移送には複数の電荷転送部から択一的に選択した電荷転送部を用いることによって、安定した電荷の高速転送を可能にし、複数の駆動モードに充分に対応することができる固体撮像装置に係るものである。

入力光に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードからなるセンサ部が一次元的に配列され、これらのセンサ部からの電荷をＣＣＤ（charge coupled device）の電荷転送方式によって出力部側に転送する水平電荷転送部を有するＣＣＤリニアセンサ（以下、単に「リニアセンサ」と言う）は、コピー，ファクシミリ，ＯＣＲ，パターン認識及び各種計測など、多くの分野で使用されている。
以下、図面を用いて従来のリニアセンサについて説明する。

図５は、従来のリニアセンサを示す模式図であり、複数のセンサ部１０１が一次元的に配列してなる画像取り込み部１０２と、この画像取り込み部に隣接して設けられ画像取り込み部のセンサ部で蓄積した電荷を読み出す読み出しゲート１０３と、読み出しゲートに隣接して設けられ読み出しゲートによって読み出された電荷を出力部側に水平転送する水平電荷転送部１０４が形成されている。

上記の様に構成されたリニアセンサでは、入力光に応じて画像取り込み部の各センサ部に蓄積された電荷は、読み出しゲートを介して水平電荷転送部に読み出され、読み出された電荷は水平電荷転送部により順次出力部側に転送され、電荷電圧変換部１０５で信号電圧に変換され、更にはアンプ等から成る出力回路１０６を経て出力信号となる。

さて、最近のリニアセンサでは、通常駆動モードに加えて高速駆動モードが使用される等、複数の駆動モードが使用されており、それぞれの駆動モードに応じた速度で電荷の転送を行うことが求められている。

以下、電荷の転送速度の高速化を図る方法を説明し、通常駆動モードよりも電荷の高速転送が求められる高速駆動モードを実現するための方法について説明する。
なお、以下では、通常駆動モードと高速駆動モードの２つの駆動モードにそれぞれ対応した電荷の転送速度を実現する方法を例に挙げて説明を行うが、以下に示す電荷の転送速度の高速化を図る方法を応用することによって、３以上の駆動モードにそれぞれ対応した電荷の転送速度を実現することができる。

先ず、電荷の転送速度の高速化を図る方法として、リニアセンサの構成はそのままで、水平電荷転送部に印加する駆動パルスの周波数を高くするという方法が考えられる。即ち、通常駆動モード時に水平電荷転送部に印加する駆動パルスの周波数よりも高い周波数の駆動パルスを水平電荷転送部に印加することによって高速駆動モードを実現するという方法である。
具体例を挙げて説明を行うとすれば、通常駆動モード時には水平電荷転送部に５ＭＨｚの駆動パルスを印加し、高速駆動モード時には水平電荷転送部に１０ＭＨｚの駆動パルスを印加するといった具合である。

また、電荷の転送速度の高速化を図る方法として、図６で示す様に、画像取り込み部１０２の両側に読み出しゲートを介して水平電荷転送部を設け、画像取り込み部の奇数番目のセンサ部で取り込んだ電荷を第１の読み出しゲート１０７を介して第１の水平電荷転送部１０８に読み出し、第１の水平電荷転送部によって出力部側に順次水平転送すると共に、画像取り込み部の偶数番目のセンサ部で取り込んだ電荷を第２の読み出しゲート１０９を介して第２の水平電荷転送部１１０に読み出し、第２の水平電荷転送部によって出力部側に順次水平転送し、第１の水平電荷転送部によって転送された電荷の出力信号と、第２の水平電荷転送部によって転送された電荷の出力信号とを加算する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。即ち、２つの水平電荷転送部で電荷の転送を行い、各水平電荷転送部で転送された電荷の出力信号を加算することによって高速駆動モードを実現するという方法である。

特開平１０−１４４９０８号公報

しかしながら、前者の方法、即ち、単一の水平電荷転送部を用いて、水平電荷転送部に印加する駆動パルスの周波数を高くすることによる電荷の転送速度の高速化を図る方法は、電荷蓄積部の寄生容量があるために電荷の転送速度の高速化に限界がある。従って、電荷の転送速度が不足し、電荷の高速転送が求められる駆動モードに充分に対応できない場合があった。

また、後者の方法、即ち、２つの水平電荷転送部で電荷の転送を行い、各水平電荷転送部で転送された電荷の出力信号を加算することによる電荷の転送速度の高速化を図る方法は、奇数番目のセンサ部で取り込んだ電荷と偶数番目のセンサ部で取り込んだ電荷の出力経路（読み出しゲート、水平電荷転送部、電荷電圧変換部等）が異なり、製造プロセス上、出力経路の出来には必然的にバラツキを有するために、どうしても出力信号差を生じてしまい、出力信号の加算を行うにあたってこの出力信号差の調整が困難であった。

この様に、上記した電荷の転送速度の高速化を図る方法では、出力信号差を生じることなく安定して電荷の高速転送を行うことが難しく、電荷の高速転送が求められる駆動モードに充分に対応することができなかった。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、出力信号差を生じることなく安定した電荷の高速転送を可能にし、複数の駆動モードに充分に対応することができる固体撮像装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、配列された複数のセンサ部と、該センサ部から得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部をそれぞれ具備し、前記電荷蓄積部のポテンシャルを変化させることにより前記電荷蓄積部間で蓄積された電荷を水平方向に移送する複数の電荷転送部を備え、それぞれの前記電荷転送部の電荷蓄積部の容量が異なると共に、前記センサ部から得られた電荷の水平方向の移送は、前記複数の電荷転送部から択一的に選択した電荷転送部を用いる。

ここで、配列された複数のセンサ部から得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部をそれぞれ具備し、電荷蓄積部のポテンシャルを変化させることにより電荷蓄積部間で蓄積された電荷を水平方向に移送する複数の電荷転送部を備えることによって、必要とされる電荷の転送速度に応じて複数の電荷転送部の中から最適な電荷転送部を選択することができる。

また、それぞれの電荷転送部の電荷蓄積部の容量が異なることによって、電荷転送部毎に電荷の高速転送能力の差を設けることができる。
なお、電荷蓄積部の容量が小さな電荷転送部は負荷容量（信号電荷を蓄積する電荷蓄積部の容量及び寄生容量）も小さいため、水平電荷転送部の駆動パルスのなまりが小さく、駆動パルスの周波数を高くしたとしても転送に寄与する実効電圧が充分な時間確保できるために電荷の転送不良が生じ難い。従って、電荷蓄積部の容量が小さな電荷転送部は駆動パルスの周波数を高くしたとしても充分に電荷の転送が可能であり、電荷の高速転送能力が高いといえる。
一方、電荷蓄積部の容量が大きな電荷転送部は負荷容量も大きいため、水平電荷転送部の駆動パルスのなまりが大きく、駆動パルスの周波数を高くすると転送に寄与する実効電圧が充分な時間確保できないために電荷の転送不良が生じ易い。従って、電荷蓄積部の容量が大きな電荷転送部は駆動パルスの周波数を高くすると電荷の転送ができず、電荷の高速転送能力が低いといえる。

また、センサ部から得られた電荷の水平方向の移送は、複数の電荷転送部から択一的に選択した電荷転送部を用いることによって、複数の水平電荷転送部によって電荷を転送することに起因する出力信号差が無く、出力信号差の調整を行う必要が無い。

ここで、それぞれの電荷転送部で電荷蓄積部が形成された領域の面積を異ならせることによって、それぞれの電荷転送部の電荷蓄積部の容量を異ならせることが望ましい。
これは、電荷蓄積部を構成する材料や電荷蓄積部の厚さ等を異ならせることによってもそれぞれの電荷転送部の電荷蓄積部の容量を異ならせることはできるものの、通常の半導体製造プロセスにおいて電荷転送部毎に電荷蓄積部の材料を異ならせたり、厚さを異ならせたりすることは困難であるのに対して、それぞれの電荷転送部で電荷蓄積部が形成された領域の面積を異ならせることは困難でなく、容易にそれぞれの電荷転送部の電荷蓄積部の容量を異ならせることができるからである。

本発明を適用した固体撮像装置では、出力信号差を生じることなく安定した電荷の高速転送を行うことができ、複数の駆動モードに充分に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。

図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるリニアセンサを説明するための模式的な図であり、ここで示すリニアセンサ１は、入力光に応じた電荷を取り込む複数のセンサ部が直列配置された画像取り込み部２、画像取り込み部に隣接して設けられ画像取り込み部で取り込んだ電荷を読み出す第１の読み出しゲート３、第１の読み出しゲートに隣接して設けられ第１の読み出しゲートによって読み出された電荷を第１のＦＤ部４に転送する第１の水平電荷転送部５、画像取り込み部の第１の読み出しゲート側とは逆側に隣接して設けられ画像取り込み部で取り込んだ電荷を読み出す第２の読み出しゲート６、第２の読み出しゲートに隣接して設けられ第２の読み出しゲートによって読み出された電荷を第２のＦＤ部７に転送すると共に、第１の水平電荷転送部よりも面積が小さい第２の水平電荷転送部８、第２の水平電荷転送部に隣接して設けられ第２の水平電荷転送部に転送された電荷を読み出す第３の読み出しゲート９、第３の読み出しゲートに隣接して設けられ第３の読み出しゲートによって読み出された電荷を第３のＦＤ部１０に転送すると共に、第２の水平電荷転送部よりも面積が小さい第３の水平電荷転送部１１、第２のＦＤ部及び第３のＦＤ部からの出力を増幅するバッファーアンプ１２を備える。

なお、第１の水平電荷転送部、第２の水平電荷転送部及び第３の水平電荷転送部はいずれも２相駆動であり、第１の水平電荷転送部には水平駆動パルスφ１、φ２が印加され、第２の水平電荷転送部には水平駆動パルスφ１Ａ、φ２Ａが印加され、第３の水平電荷転送部には水平駆動パルスφ１Ｂ、φ２Ｂが印加され、φ１、φ２、φ１Ａ、φ２Ａ、φ１Ｂ及びφ２Ｂは各々ハイレベル（以下、Ｈレベルと言う）及びローレベル（以下、Ｌレベルと言う）の２値をとり、これらにより電荷の転送が行われる。
また、第１の読み出しゲートには読み出しパルスφＲＯＧ１、第２の読み出しゲートには読み出しパルスφＲＯＧ２、第３の読み出しゲートには読み出しパルスφＲＯＧ３が印加され、φＲＯＧ１、φＲＯＧ２及びφＲＯＧ３は各々Ｈレベル及びＬレベルの２値をとり、読み出しパルスがＨレベルの際に第１の読み出しゲート、第２の読み出しゲートまたは第３の読み出しゲートに電荷が読み出される。

ここで、上記したリニアセンサでは、第２の水平電荷転送部の面積が第１の水平電荷転送部の面積よりも小さく形成され、第３の水平電荷転送部の面積が第２の水平電荷転送部の面積よりも小さく形成されることによって第２の水平電荷転送部の取り扱い電荷量が第１の水平電荷転送部の取り扱い電荷量よりも少なくなると共に、第３の水平電荷転送部の取り扱い電荷量が第２の水平電荷転送部の取り扱い電荷量よりも少なくなる様に形成されている。

また、各水平電荷転送部は画像取り込み部で取り込まれた電荷を各ＦＤ部側に転送することができれば充分であって、必ずしも第１の水平電荷転送部及び第２の水平電荷転送部を画像取り込み部に並設して配置し、第３の水平電荷転送部を第２の水平電荷転送部に並設して配置する必要は無く、図２で示す様に、第１の水平電荷転送部を画像取り込み部に並設して配置し、第２の水平電荷転送部を第１の水平電荷転送部に並設して配置し、第３の水平電荷転送部を第２の水平電荷転送部に並設して配置する等しても良い。

また、上記したリニアセンサでは、電荷の転送速度が異なる３つの駆動モードを実現すべく面積の異なる３つの水平電荷転送部が形成されているが、リニアセンサの駆動モード数は必ずしも３つに限定されるものでは無いために、リニアセンサに形成される水平電荷転送部数も必ずしも３つに限定される必要は無く、２つの水平電荷転送部が形成されたリニアセンサや４つ以上の水平電荷転送部が形成されたリニアセンサであっても構わない。

以下、上記の様に構成されたリニアセンサについて通常モードによって電荷を転送する場合、通常モードよりも電荷の転送速度が早い高速モードによって電荷を転送する場合及び高速モードよりも更に電荷の転送速度が早い超高速モードによって電荷を転送する場合について説明する。

図４（ａ）は本発明を適用したリニアセンサについて通常モードによって電荷を転送する場合のクロックのタイミングチャートの一例である。

ここで、本発明を適用したリニアセンサについて通常モードによって電荷を転送する場合には、先ず、時刻ｔ_１において、φＲＯＧ１及びφ１をＨレベルにすると共に、φＲＯＧ２、φＲＯＧ３及びφ２をＬレベルにすることにより画像取り込み部で取り込みを行った電荷が第１の水平電荷転送部に読み出される。

その後、時刻ｔ_２において、φ１とφ２とを交互にＨレベル、Ｌレベルとする通常の水平電荷転送を行い、画像取り込み部で取り込みを行った電荷を通常モードによって第１のＦＤ部に転送し、出力を行う。

図４（ｂ）は本発明を適用したリニアセンサについて高速モードによって電荷を転送する場合のクロックのタイミングチャートの一例である。

ここで、本発明を適用したリニアセンサについて高速モードによって電荷を転送する場合には、先ず、時刻ｔ_１において、φＲＯＧ２及びφ１ＡをＨレベルにすると共に、φＲＯＧ１、φＲＯＧ３及びφ２ＡをＬレベルにすることにより画像取り込み部で取り込みを行った電荷が第２の水平電荷転送部に読み出される。

なお、高速モードでは取り扱い電荷量が小さい第２の水平電荷転送部を用い、通常モードでは取り扱い電荷量の大きい第１の水平電荷転送部を用いているため、高速モードの電荷の転送量は通常モードでの電荷の転送量と比較して少ない。このために、シャッターパルス等によって画像取り込み部で取り込みを行う電荷量の調整を行わなければならない。

その後、時刻ｔ_２において、φ１Ａをφ２Ａとを交互にＨレベル、Ｌレベルとする通常の水平電荷転送を行い、画像取り込み部で取り込みを行った電荷を高速モードによって第２のＦＤ部に転送し、バッファーアンプによって第２のＦＤ部からの出力を通常モードと同様の出力が得られる様に増幅を行って出力を行う。
なお、φ１Ａ及びφ２Ａには、通常モード時にφ１及びφ２に印加する駆動パルスよりも周波数の高い駆動パルスを印加する。

図４（ｃ）は本発明を適用したリニアセンサについて超高速モードによって電荷を転送する場合のクロックのタイミングチャートの一例である。

ここで、本発明を適用したリニアセンサについて超高速モードによって電荷を転送する場合には、先ず、時刻ｔ_１において、φＲＯＧ２及びφ１ＢをＨレベルにすると共に、φＲＯＧ１、φＲＯＧ３、φ２Ａ及びφ２ＢをＬレベルにすることにより画像取り込み部で取り込みを行った電荷が第２の水平電荷転送部に読み出される。

なお、超高速モードでは取り扱い電荷量が極めて小さい第３の水平電荷転送部を用いているために、超高速モードの電荷の転送量は通常モードでの電荷の転送量及び高速モードでの電荷の転送量と比較して少ない。このために、シャッターパルス等によって画像取り込み部で取り込みを行う電荷量の調整を行わなければならない。

次に、時刻ｔ_２において、φＲＯＧ３をＨレベルにすると共に、φＲＯＧ２をＬレベルにすることによって、第２の水平電荷転送部に読み出された電荷が第３の水平電荷転送部に読み出される。

その後、時刻ｔ_３において、φ１Ｂとφ２Ｂとを交互にＨレベル、Ｌレベルとする通常の水平電荷転送を行い、画像取り込み部で取り込みを行った電荷を超高速モードによって第３のＦＤ部に転送し、バッファーアンプによって第３のＦＤ部からの出力を通常モードと同様の出力が得られる様に増幅を行って出力を行う。
なお、φ１Ｂ及びφ２Ｂは、高速モード時にφ１Ａ及びφ２Ａに印加する駆動パルスよりも周波数の高い駆動パルスを印加する。

上記した本実施の形態では、出力信号差を生じることなく高速モード及び超高速モードといった高速対応が可能である。
即ち、従来は奇数番目のセンサ部で取り込んだ電荷と偶数番目のセンサ部で取り込んだ電荷を別々の出力経路で出力し、出力信号の加算を行うことによって高速対応を行っていたために出力信号差が生じていたが、本実施の形態のリニアセンサでは、駆動モード毎に転送を行う水平電荷転送部を異ならせ、センサ部で取り込んだ電荷を駆動モード毎に第１の水平電荷転送部、第２の水平電荷転送部若しくは第３の水平電荷転送部に読み出しを行い、それぞれ取り扱い電荷量の異なる水平電荷転送部によって電荷の水平転送を行うことにより高速対応を行っているために奇数番目の画素で取り込んだ電荷と偶数番目の画素で取り込んだ電荷の出力経路は同一であり出力信号差を生じることなく高速対応が可能である。

また、本実施の形態のリニアセンサでは、転送不良を発生することなく高速対応が可能である。
即ち、水平電荷転送部は容量成分を有し、容量が大きいほど入力した駆動パルスの波形がなまってしまい、また、波形のなまりは周波数にも依存し、周波数が高くなるほど波形は更になまることとなる。従って、画質重視の通常モードでは容量が大きく取り扱い電荷量が多い第１の水平電荷転送部によって電荷の転送を行い、転送速度重視の高速モード及び超高速モードでは容量が小さく取り扱い電荷量が少ない第２の水平電荷転送部及び第３の水平電荷転送部によって電荷の転送を行うことにより、転送不良を生じることなく同一解像度を持ちながら高速対応が可能である。

更に、本実施の形態のリニアセンサでは、高速モード及び超高速モードでも通常モードと同等の出力を得ることができる。
即ち、取り扱い電荷量の小さな第２の水平電荷転送部及び第３の水平電荷転送部によって電荷の転送を行う高速モード及び超高速モードでは水平電荷転送部で水平転送される電荷量が少なくなるが、バッファーアンプでＦＤ部からの出力を増幅するために通常モードと同等の出力を得ることができる。

本発明を適用した固体撮像装置の一例であるリニアセンサを説明するための模式的な図である。水平電荷転送部の配置位置を説明するための図である。本発明を適用したリニアセンサによって電荷を転送する場合のクロックのタイミングチャートの一例である。従来のリニアセンサの一例を示すための模式図である。従来のリニアセンサの他の一例を示すための模式図である。

符号の説明

１リニアセンサ
２画像取り込み部
３第１の読み出しゲート
４第１のＦＤ部
５第１の水平電荷転送部
６第２の読み出しゲート
７第２のＦＤ部
８第２の水平電荷転送部
９第３の読み出しゲート
１０第３のＦＤ部
１１第３の水平電荷転送部
１２バッファーアンプ

Claims

配列された複数のセンサ部と、
該センサ部から得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部をそれぞれ具備し、前記電荷蓄積部のポテンシャルを変化させることにより前記電荷蓄積部間で蓄積された電荷を水平方向に移送する複数の電荷転送部を備え、
それぞれの前記電荷転送部の電荷蓄積部の容量が異なると共に、
前記センサ部から得られた電荷の水平方向の移送は、前記複数の電荷転送部から択一的に選択した電荷転送部を用いる
ことを特徴とする固体撮像装置。
それぞれの前記電荷転送部で電荷蓄積部が形成された領域の面積が異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。