JP2007019823A - Ｃｃｄ型固体撮像装置及びその転送制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤ型固体撮像装置で高画質の画像を撮像する。
【解決手段】 半導体基板上に二次元状に配列形成されたフォトダイオードと、フォトダイオードの受光電荷をゲートを介して読み出し垂直方向に転送する垂直転送路と、垂直転送路から受け取った受光電荷を水平方向に転送する水平転送路と、垂直転送路を構成する複数の連続する転送電極の下に電位パケットを形成し該電位パケットの垂直方向の幅を伸縮させながら該電位パケットを垂直方向に進め受光電荷の転送を行うと共に水平転送路の転送中に垂直転送路の転送動作を停止させる転送制御部とを備えるＣＣＤ型固体撮像装置において、垂直転送路の転送動作を停止させるときの電位パケットの幅を前記伸縮の「縮」状態に維持して該縮状態の直前の「伸」状態時に該電位パケットの端部分で接続されていた前記ゲートとの接続を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明はＣＣＤ（電荷結合素子）型固体撮像装置に係り、特に、信号電荷中に含まれる暗電流の低減を図ることができるＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法に関する。

ＣＣＤ型固体撮像装置は、例えば下記特許文献１記載の様に、フォトダイオードから読み出された受光電荷（信号電荷）を第１方向（これを、以下、垂直方向という。）に転送する垂直転送路（ＶＣＣＤ）と、垂直転送路によって転送されてきた前記受光電荷を受け取り第２方向（これを、以下、水平方向という。）に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）とを備える。

図４は、一般的なＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。図示する例のＣＣＤ型固体撮像装置の半導体基板上には、多数のフォトダイオード１（ＰＤ１〜ＰＤ８）が正方格子状に配列形成されており、フォトダイオード１の各列に沿って垂直転送路２が形成されている。

各垂直転送路２は、１つのフォトダイオード１に対して２枚の垂直転送電極を備え、図示する例では、垂直方向上側の垂直転送電極とフォトダイオード１とが読出ゲート３によって接続され、フォトダイオード１の受光電荷が読出ゲート３を通して対応の垂直転送電極下に形成される電位パケット内に読み出される。

図４に例示するＣＣＤ型固体撮像装置は、８相駆動するため、各垂直転送電極内に、Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８と記載してあり、各転送電極Ｖ１〜Ｖ８に垂直転送制御部８が転送パルスφＶ１〜φＶ８を供給することで、垂直転送制御が行われる。

半導体基板の下辺部には水平転送路４が設けられ、各垂直転送路２によって垂直方向に転送されてきた受光電荷を受け取り、この受光電荷を次に水平方向に転送し、出力段のアンプ５を通して受光電荷量に応じた画像信号が出力される。

図５，図６は、従来の転送制御方法を示すタイミングチャートであり、垂直転送制御部が各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８に図６に示す転送パルスφＶ１〜φＶ８を印加することで、信号電荷は、図５に示す様に、垂直転送路に沿って転送される。

フォトダイオード１から読み出された信号電荷は、例えば時刻ｔ４においては、電極Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の下に形成される６電極幅の電位パケット内に収められ、次の時刻ｔ５で、電極Ｖ４の転送電位が高レベル（例えば０Ｖ）から低レベル（例えば−８Ｖ）に変化されることで電位パケット幅がＶ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の５電極分に狭められ、次の時刻ｔ６で、転送方向側の電極Ｖ２の転送電位が低レベルから高レベルに変化されることで電位パケット幅がＶ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２の６電極分に広げられ、…という動作が繰り返され、信号電荷が垂直方向に転送される。

この様にして、垂直転送路の端まで転送されてきた信号電荷は、今度は水平転送路に移される。そして、次に水平転送路に沿って転送されることになるが、水平転送路が信号電荷を転送している最中は、垂直転送路の動作は停止させなければならない。

図５，図６に示す時間ｓ１は、水平転送路による転送中を示す時間であり、垂直転送路を停止させる待機時間でもある。この待機時間ｓ１中は、垂直転送路上にある信号電荷を垂直転送路上に保持し移動させない様にする。図示する従来例では、待機時間ｓ１の間、電極Ｖ１，Ｖ８に印加する転送電位を低レベルに維持してバリアを形成し、隣接する電位パケットの信号電荷と混ざらない様にしている。そして、電極Ｖ２〜Ｖ７を高レベルに維持することで、電極Ｖ２〜Ｖ７の下に６電極幅の電位パケットを形成し、ここに信号電荷を保持している。

特開２０００―１９６０６６号公報

ＣＣＤ型固体撮像装置で画像を撮像する場合、各フォトダイオードの受光電荷を垂直転送路に読み出し、垂直転送路，水平転送路と順に転送して画像信号を固体撮像装置から出力させるが、転送中の電荷に受光電荷以外の電荷が混入するのを抑制しないと、高画質の画像データを得ることができない。

フォトダイオードは、受光していない状態でも、例えば熱励起によって電荷を発生しており、この電荷すなわち暗電流が待機時間ｓ１中に電位パケット内の信号電荷に混入すると、画質劣化が生じる。高画質の画像データを得るには、待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減する必要がある。

本発明の目的は、垂直転送路上で待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減できるＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法は、半導体基板上に二次元状に配列形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの受光電荷をゲートを介して読み出し垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路から受け取った前記受光電荷を水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路を構成する複数の連続する転送電極の下に電位パケットを形成し該電位パケットの前記垂直方向の幅を伸縮させながら該電位パケットを前記垂直方向に進め前記受光電荷の転送を行うと共に前記水平転送路の転送中に前記垂直転送路の転送動作を停止させる転送制御部とを備えるＣＣＤ型固体撮像装置において、前記垂直転送路の転送動作を停止させるときの前記電位パケットの幅を前記伸縮の「縮」状態に維持して該縮状態の直前の「伸」状態時に該電位パケットの端部分で接続されていた前記ゲートとの接続を遮断することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法は、前記フォトダイオード１個に対して第１と第２の２枚の転送電極を備え第１の転送電極と該フォトダイオードとが前記ゲートで接続される上記記載のＣＣＤ型固体撮像装置において、前記垂直転送路を８相駆動すると共に、前記電位パケットを６電極幅と５電極幅の２状態を交互に実現して前記転送を行い、前記転送動作を停止させるときは前記電位パケットの幅を５電極幅に維持することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法は、前記フォトダイオードが、前記半導体基板上に正方格子状に配列されることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像装置及びその転送制御方法は、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチずらして配置されることを特徴とする。

本発明によれば、待機中の信号電荷を保持している電位パケットがフォトダイオードの読出ゲートと接続される個数を減少させることができるため、信号電荷に混入する暗電流を減らすことができ、高画質の画像を撮像することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１，図２は、本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法を示すタイミングチャートである。本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置は、図４に例示したものと同じであり、垂直転送制御部８が図２に示す転送パルスφＶ１〜φＶ８を生成し転送電極Ｖ１〜Ｖ８に供給する。

本実施形態では、従来と同様に、例えば時刻ｔ５においては、電極Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の下に形成される６電極幅の電位パケット内に信号電荷が収められ、次の時刻ｔ６で、電極Ｖ４の転送電位が高レベル（例えば０Ｖ）から低レベル（例えば−８Ｖ）に変化されることで電位パケット幅がＶ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の５電極分に狭められ、次の時刻ｔ７で、転送方向側の電極Ｖ２の転送電位が低レベルから高レベルに変化されることで電位パケット幅がＶ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２の６電極分に広げられ、…という伸縮動作が繰り返され、信号電荷が垂直方向に転送される。

そして、時刻ｔ１５で、電極Ｖ１〜Ｖ６下の６電極幅の電位パケット内に信号電荷が収められ、電極Ｖ７，Ｖ８の電位が低レベルにされてバリアが形成された後の待機時間ｓ１直前の時刻１６で、電極Ｖ１の転送電位を高レベル（例えば０Ｖ）から低レベル（例えば−８Ｖ）に変化させる。

これにより、本実施形態では、待機時間ｓ１中に信号電荷を保持する電位パケットは電極Ｖ２〜Ｖ６下の５電極幅となり、電極Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の転送電位は低レベルに維持される。即ち、本実施形態では、電位パケット間を画成するバリアが３電極幅とされる。

図１の本実施形態を、図５に示す従来技術と比較すると、待機時間ｓ１中に、電極Ｖ７に印加する転送電位を低レベルに（図５の従来技術では高レベル）した点が異なる。即ち、本実施形態では、待機中に信号電荷を保持する電位パケット幅を５電極分とし、従来の６電極分の電位パケットで待機する場合に比較して１電極幅だけ電位パケットを縮めている。

上述した様に、図４に示すＣＣＤ型固体撮像装置では、読出ゲート３に接続される電極はＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７であり、電極Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８は読出ゲート３に接続されていない。本実施形態で待機中の電位パケット幅を従来の６電極幅から５電極幅に縮めるときに使用する電極はＶ７であり、読出ゲートに接続されている電極である。

このため、本実施形態では、待機中に信号電荷を保持する電位パケットを５電極幅にすることで、電位パケットに接続される読出ゲート数を従来の３個（電極Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７）から２個（電極Ｖ３，Ｖ５）に減らすことができ、信号電荷に混入する暗電流を低減することが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。第１の実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置が半導体基板上にフォトダイオードを正方格子状に配列形成したのに対し、本実施形態では、フォトダイオードを、所謂、ハニカム状に配列したことを特徴としている。

即ち、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置１０は、青色フィルタが積層された受光素子１１ｂと赤色フィルタが積層された受光素子１１ｒとが交互に横一行に配列された受光素子群と、緑色フィルタが積層された受光素子１１ｇが横一行に配列された受光素子群とが１／２ピッチずらして縦方向に交互に配列されている。

図面上、各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを４５度傾けた正方形で表示しているが、この固体撮像装置１０では、各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各正方形の各辺に沿って転送電極１２が設けられており、これら転送電極の横一行Ｖ１は、各受光素子対応にチャネルストップで区分けされているが、横一行の電極群Ｖ１に同一タイミングで同一転送電位φＶ１が印加される。

本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置１０は、８相駆動としているため、各横一行の電極群は、…，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，…の繰り返しとなっており、電極群Ｖ１には電極端子１０１が接続され、電極群Ｖ２には電極端子１０２が接続され、電極群Ｖ３には電極端子１０３が接続され、…、電極群Ｖ８には電極端子１０８が接続される（即ち、電極群Ｖｘは、電極端子１０ｘに接続される。）。

各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの周りに設けられた転送電極１２は、垂直方向にも整列し、垂直方向に並んだ転送電極群１３（一列のみ点線で図示）が垂直転送路１３を構成する。

ＣＣＤ型固体撮像装置１０が撮像した画像信号（各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの受光電荷）を読み出すべく図示しない読出ゲートに読出電位（読出パルス）が印加されたとき、各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの受光電荷（信号電荷）は、各受光素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ上に図示した斜め左下に向く矢印の先の転送電極１２に読み出される。

各電極端子１０１〜１０８に転送電位（転送パルス）φＶ１〜φＶ８が印加されることで、受光電荷は垂直方向に転送され、次に水平転送路１４に受光電荷が移されて転送されて、出力アンプ１５から画像信号として出力される。

斯かるＣＣＤ型固体撮像装置１０で転送制御を行うタイミングチャートは、図１，図２と同じである。本実施形態でも、待機時間ｓ１中に、電極Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１の転送電位を低レベル（例えば−８Ｖ）に維持してバリアとし、電極Ｖ２〜Ｖ６の転送電位を高レベル（例えば０Ｖ）に維持して信号電荷保持用の電位パケットを形成する。

これにより、待機時間ｓ１中に電位パケットと接続される読出ゲート数が減り、信号電荷に混入する暗電流を低減することが可能となる。

従来の図５に示す転送制御（待機時間ｓ１中に電極Ｖ１，Ｖ８をバリアとする転送制御）を図３のＣＣＤ型固体撮像装置１０に適用した場合、図３の最右列の赤色受光素子（フォトダイオード）１１ｒと青色受光素子１１ｂとが垂直方向に交互に並ぶ列（これをＡ列とする。）では、電位パケットと読出ゲートとは電極Ｖ５の１箇所で接続され、隣の緑色受光素子１１ｇが垂直方向に並ぶ列（これをＢ列とする。）では、電位パケットと読出ゲートとは電極Ｖ３，Ｖ７の２箇所で接続される。

これに対し、本実施形態の転送制御（待機時間ｓ１中に電極Ｖ１，Ｖ８，Ｖ７をバリアとする転送制御）では、Ａ列では電位パケットと読出ゲートとは電極Ｖ５の１箇所で接続され、Ｂ列では電位パケットと読出ゲートとは電極Ｖ３の１箇所で接続される。

即ち、全体として従来は３箇所で電位パケットが読出ゲートに接続されていたのに対し、本実施形態では２箇所で接続されるため、信号電荷中に混入するトータルの暗電流が低減される。

更に、待機中に電位パケットに接続される読出ゲート数が、従来はＡ列で１箇所（電極Ｖ５），Ｂ列で２箇所（Ｖ３，Ｖ７）であったものが、本実施形態では、Ａ列で１箇所，Ｂ列でも１箇所となり、Ａ列とＢ列とで暗電流が流れる箇所が同数となり、ハニカム配列のＣＣＤ型固体撮像装置でも、従来に比して画像の高画質化を図ることが可能となる。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像装置は、待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減でき、高画質な画像を撮像するデジタルカメラに搭載するＣＣＤ型固体撮像装置及び転送制御方法として有用である。

本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の転送説明図である。 図１に示す転送を実施する転送パルスのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。 フォトダイオードを正方格子状に配列した一般的なＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。 従来の垂直転送路における転送の様子を説明する図である。 図５に示す転送を実施する転送パルスのタイミングチャートである。

符号の説明

１，１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ 受光素子（フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８）
２，１３ 垂直転送路
３ 読出ゲート
４，１４ 水平転送路
５，１５ 出力アンプ
８ 垂直転送制御部
Ｖ１〜Ｖ８ 転送電極
φＶ１〜φＶ８ 転送電位
ｓ１ 垂直転送路の待機時間（水平転送路の転送中の時間）

Claims (8)

1. 半導体基板上に二次元状に配列形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの受光電荷をゲートを介して読み出し垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路から受け取った前記受光電荷を水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路を構成する複数の連続する転送電極の下に電位パケットを形成し該電位パケットの前記垂直方向の幅を伸縮させながら該電位パケットを前記垂直方向に進め前記受光電荷の転送を行うと共に前記水平転送路の転送中に前記垂直転送路の転送動作を停止させる転送制御部とを備えるＣＣＤ型固体撮像装置において、前記転送制御部は、前記垂直転送路の転送動作を停止させるときの前記電位パケットの幅を前記伸縮の「縮」状態に維持して該縮状態の直前の「伸」状態時に該電位パケットの端部分で接続されていた前記ゲートとの接続を遮断する手段を備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置。
2. 前記フォトダイオード１個に対して第１と第２の２枚の転送電極を備え第１の転送電極と該フォトダイオードとが前記ゲートで接続される請求項１記載のＣＣＤ型固体撮像装置において、前記転送制御部は、前記垂直転送路を８相駆動すると共に、前記電位パケットを６電極幅と５電極幅の２状態を交互に実現して前記転送を行い、前記転送動作を停止させるときは前記電位パケットの幅を５電極幅に維持することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置。
3. 前記フォトダイオードが、前記半導体基板上に正方格子状に配列されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像装置。
4. 奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチずらして配置されることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置。
5. 半導体基板上に二次元状に配列形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの受光電荷をゲートを介して読み出し垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路から受け取った前記受光電荷を水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路を構成する複数の連続する転送電極の下に電位パケットを形成し該電位パケットの前記垂直方向の幅を伸縮させながら該電位パケットを前記垂直方向に進め前記受光電荷の転送を行うと共に前記水平転送路の転送中に前記垂直転送路の転送動作を停止させる転送制御部とを備えるＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法において、前記垂直転送路の転送動作を停止させるときの前記電位パケットの幅を前記伸縮の「縮」状態に維持して該縮状態の直前の「伸」状態時に該電位パケットの端部分で接続されていた前記ゲートとの接続を遮断することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法。
6. 前記フォトダイオード１個に対して第１と第２の２枚の転送電極を備え第１の転送電極と該フォトダイオードとが前記ゲートで接続される請求項５記載のＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法において、前記垂直転送路を８相駆動すると共に、前記電位パケットを６電極幅と５電極幅の２状態を交互に実現して前記転送を行い、前記転送動作を停止させるときは前記電位パケットの幅を５電極幅に維持することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法。
7. 前記フォトダイオードが、前記半導体基板上に正方格子状に配列されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法。
8. 奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチずらして配置されることを特徴とする請求項５に記載のＣＣＤ型固体撮像装置の転送制御方法。

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