JP2007036860A - 電荷結合素子の駆動装置及び電荷結合素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電荷結合素子の情報電荷の転送効率を高める。
【解決手段】情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極24−1〜24−3,30,32,34を備え、転送電極24−1〜24−3,30,32,34に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子に対して、転送電極24−1〜24−3,30,32,34の少なくとも1つを着目転送電極として、着目転送電極をオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる駆動装置によって上記課題を解決することができる。
【選択図】図3
【解決手段】情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極24−1〜24−3,30,32,34を備え、転送電極24−1〜24−3,30,32,34に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子に対して、転送電極24−1〜24−3,30,32,34の少なくとも1つを着目転送電極として、着目転送電極をオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる駆動装置によって上記課題を解決することができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、情報電荷の転送効率を高めた電荷結合素子の駆動装置及び電荷結合素子の駆動方法に関する。
外部から入射する光を受けた画素において光電変換によって情報電荷を発生し、転送電極に印加された電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子を備えたCCD固体撮像装置が広く用いられている。
フレーム転送方式のCCD固体撮像素子10は、図8に示すように、撮像部10i、蓄積部10s、水平転送部10h及び出力部10dを含んで構成される。撮像部10iは、複数列の垂直シフトレジスタを備える。撮像部10iの垂直シフトレジスタは、外部からの光を受けて、その入射光の強度に応じた量の情報電荷を生成する行列配置された受光画素を備える。外部のドライバ回路から撮像部10iへ垂直クロックパルスが入力されることによって、各受光画素で生成された情報電荷は垂直シフトレジスタに沿って蓄積部10sへ転送される。カラー撮像用のCCD固体撮像素子では、撮像部10iの各受光画素は赤(R)、緑(G)、青(B)の波長に対応する透過フィルタのいずれかで被われる。通常、各透過フィルタはモザイク状に配置されている。例えば、垂直シフトレジスタの奇数列では赤(R)及び緑(G)に対応する情報電荷が交互に転送され、垂直シフトレジスタの偶数列では緑(G)及び青(B)に対応する情報電荷が交互に転送される。蓄積部10sは、撮像部10iの垂直シフトレジスタと連続して配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部10sの垂直シフトレジスタは遮光されており、情報電荷を1フレーム分だけ蓄積しておくために用いられる。蓄積部10sには、ドライバ回路から垂直クロックパルス及び出力制御クロックが入力される。垂直クロックパルス及び出力制御クロックが印加されることによって、蓄積部10sに保持された情報電荷が水平転送部10hへ1行分ずつ転送される。水平転送部10hは、水平シフトレジスタを備える。水平転送部10hの水平シフトレジスタの各ビットには蓄積部10sの各垂直シフトレジスタからそれぞれ1画素分の情報電荷が順次転送される。水平転送部10hには、ドライバ回路から水平クロックパルスが入力される。水平転送部10hでは、水平クロックパルスを受けて、1画素単位で情報電荷が出力部10dへ転送される。出力部10dは1画素毎の情報電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化が出力信号とされる。
ところが、撮像部10iから蓄積部10sへの境界部分、蓄積部10sから水平転送部10hへの境界部分などにおいて情報電荷がうまく転送されずに前段部のポテンシャル井戸に残留してしまうといった情報電荷の転送効率の低下が生ずる問題がある。情報電荷の転送効率の低下は、例えば、同列の垂直シフトレジスタに複数の色の画素が配置されている素子では異なる色に対する情報電荷の混じり合いを生じさせ、出力画像の色味の低下を引き起こす原因となる。また、異なる列の垂直シフトレジスタにおいて情報電荷の転送効率がばらついた場合、出力画像に混色が原因の縦方向に延びるノイズを生じさせる原因となる。
図9を参照して転送効率の低下の原因について説明する。図9には、蓄積部10sから水平転送部10hへの境界部分を例として挙げている。図9(a)は、蓄積部10sから水平転送部10hへの境界部分の素子の断面模式図である。半導体基板50の表面上に絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上には紙面に対して垂直方向に垂直シフトレジスタの転送電極54−1〜54−3及び紙面の面内方向に水平転送レジスタの転送電極56が配置される。このとき、半導体基板へのドーピング領域と垂直シフトレジスタの最終段の転送電極54−3とのアライメントのずれ等によって、図9(b)に示すように、境界部分の転送電極54−3下に形成されるポテンシャル井戸60内にノッチやスパイクのような転送方向に向けての電荷転送の妨げとなるエネルギー障壁62が発生する場合がある。転送電極54−3をオフ状態とした場合、図9(c)に示すように、エネルギー障壁62は垂直シフトレジスタから水平シフトレジスタへの情報電荷の転送の障壁となり、情報電荷の転送効率を低下させる原因となると考えられる。
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、情報電荷の転送効率を高めた電荷結合素子の駆動装置及び電荷結合素子の駆動方法を提供することを目的とする。
本発明は、情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極を備え、前記転送電極に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子の駆動装置であって、前記転送電極の少なくとも1つを着目転送電極として、前記着目転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させることを特徴とする。
例えば、情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極を備え、前記転送電極に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子を備えた固体撮像装置であって、前記転送電極の少なくとも1つに対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させる駆動装置を含むことを特徴とする。
このように、情報電荷の転送時に前段から情報電荷が再び転送されてくる前に単一の転送電極を繰り返しオン・オフさせる駆動方法を適用することによって、次段のポテンシャル井戸に転送する情報電荷量を増加させ、残留する情報電荷を減少させることができる。したがって、情報電荷の転送効率を高めることができる。
また、前記電荷結合素子が第1の転送方向に交差するように情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合には、前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることが好適である。
例えば、第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタを備えた撮像部と、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて前記第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第2のシフトレジスタを備えた蓄積部と、を有する固体撮像装置である場合、前記駆動装置は、前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させることが好適である。
また、前記電荷結合素子が第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて前記第1の転送方向に交差する第2の転送方向に沿って情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合には、前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることが好適である。
例えば、第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて前記第1の転送方向に交差する第2の転送方向に沿って情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を有する固体撮像装置である場合、前記駆動装置は、前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させることが好適である。
ここで、前記第1のシフトレジスタと前記第2のシフトレジスタとは、半導体基板へのドーピング条件を異ならせて形成されていることが好ましい。また、前記着目転送電極は、前記着目転送電極以外の他の転送電極とは独立に制御可能であることが好ましい。
異なるシフトレジスタの境界部分において半導体基板へのドーピング領域と転送電極とのアライメントのずれの影響が大きくなる場合が多い。そこで、その境界部分となる前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることによって特に残留し易い情報電荷を減少させて前記第2のシフトレジスタに転送することができる。したがって、情報電荷の転送効率を特に高めることができる。
本発明によれば、電荷結合素子の情報電荷の転送効率を高めることができる。また、電荷結合素子を備えた固体撮像装置から出力される画像の画質を向上させることができる。
本発明の実施の形態における固体撮像装置100は、図1に示すように、固体撮像素子10及び駆動装置12(ドライバ回路)を含んで構成される。固体撮像素子10は、情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極を備え、転送電極に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子(CCD:Charge Coupled Device)等の電荷転送素子を含んで構成される。固体撮像素子10は、駆動装置12に接続され、駆動装置12から出力される各種のクロックパルス(制御信号)を受けて情報電荷を蓄積及び転送する。
例えば、フレーム転送方式のCCD固体撮像素子10は、図8に示した従来の固体撮像素子10と同様に、撮像部10i、蓄積部10s、水平転送部10h及び出力部10dを含んで構成される。
撮像部10i及び蓄積部10sは、図2の素子内部の平面図に示すように、半導体基板の表面領域に形成された垂直シフトレジスタから構成される。撮像部10iは、複数列の垂直シフトレジスタを備える。撮像部10iの垂直シフトレジスタは、外部からの光を受けて、その入射光の強度に応じた量の情報電荷を生成する行列配置された受光画素を備える。カラー撮像用のCCD固体撮像素子では、撮像部10iの各受光画素は赤(R)、緑(G)、青(B)の波長に対応する透過フィルタのいずれかで被われる。通常、各透過フィルタはモザイク状に配置されている。例えば、垂直シフトレジスタの奇数列では赤(R)及び緑(G)に対応する情報電荷が交互に転送され、垂直シフトレジスタの偶数列では緑(G)及び青(B)に対応する情報電荷が交互に転送される。蓄積部10sは、撮像部10iの垂直シフトレジスタと連続して配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部10sは、情報電荷を撮像部10iの1フレーム分だけ蓄積しておくための転送段数の垂直シフトレジスタを備える。蓄積部10sの垂直シフトレジスタは全体が遮光されている。
垂直シフトレジスタは以下のように形成される。N型半導体基板内にP型拡散層であるPウェル(PW)が形成され、その上にN型拡散層であるNウェルが形成される。また、垂直シフトレジスタの延伸方向に沿ってP型の不純物が添加された分離領域28が所定の間隔をもって互いに平行に設けられる。Nウェルは、隣接する分離領域28によって電気的に区画される。分離領域28に挟まれた領域が情報電荷の転送経路であるチャネル領域26となる。分離領域28は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、各チャネル領域26を電気的に分離する。さらに、半導体基板の表面上には絶縁膜が成膜される。この絶縁膜を介してチャネル領域26と交差するように、ポリシリコン膜からなる複数の転送電極24−1〜24−3が互いに平行に配置される。
本実施の形態では、連続する3つの転送電極24−1,24−2,24−3の組が1つの受光画素を構成する。一組の転送電極24−1,24−2,24−3を高電位にすることによって半導体基板のチャネル領域26にポテンシャル井戸を形成することができる。
撮像時には、一組の転送電極24−1,24−2,24−3のいずれか1つを高電位に保持しておくことによって、各画素において光電変換によって生成された情報電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。転送時には、一組の転送電極24−1,24−2,24−3の各々に対して所定の周期の転送クロックφi1〜φi3を印加することによって撮像部10iで生成された情報電荷が順に垂直転送方向へ送られて蓄積部10sへ転送される。
図3は、蓄積部10sと水平転送部10hとの境界領域における素子の内部構造の平面図である。図4は、図3のラインA−Aに沿った素子の断面構造を示す断面図である。
第1の出力転送電極30は、奇数列で水平転送部10hから離れ、偶数列で水平転送部10hに近づくように蛇行して垂直シフトレジスタの出力側に転送電極24−1〜24−3に並列に配置される。第2の出力転送電極32は、第1の出力転送電極30とは逆に、奇数列で水平転送部10hに近づき、偶数列で水平転送部10hから離れるように蛇行して、分離領域28上で第1の出力転送電極30と絶縁膜を介して交差するように配置される。第3の出力転送電極34は、第1の出力転送電極30及び第2の出力転送電極32よりもさらに出力側に配置される。第3の出力転送電極34は、奇数列で第2の出力転送電極32に近接し、偶数列で第1の出力転送電極30に近接するように配置される。
水平転送部10hは、蓄積部10sの垂直シフトレジスタから出力される情報電荷を受けて転送する水平シフトレジスタを含んで構成される。水平シフトレジスタは、水平チャネル領域40及び水平転送電極36−1,36−2から構成される。水平チャネル領域40は、蓄積部10sの垂直シフトレジスタから延伸された分離領域28と蓄積部10sと対向して設けられたP型拡散層である水平分離領域42とにより垂直シフトレジスタの延伸方向に対して交差する方向に区画される。垂直シフトレジスタのチャネル領域26と水平シフトレジスタの水平チャネル領域40は延伸された分離領域28の間隙を介して接続される。第1の水平転送電極36−1は、第3の出力転送電極34と水平分離領域42との間を跨るように、垂直シフトレジスタのチャネル領域26を伸ばした方向に絶縁膜を介して半導体基板上に配置される。第1の水平転送電極36−1は、絶縁膜を介して第3の出力転送電極34の近傍まで延伸される。第2の水平転送電極36−2は、第1の水平転送電極36−1の間隙を覆い、その一部が第1の水平転送電極36−1と絶縁膜を介して重なり合うようにして水平チャネル領域40と交差するように配置される。
転送電極24−1〜24−3には、駆動装置12からそれぞれ垂直クロックパルスφs1〜φs3が印加される。これによって、撮像部10iから蓄積部10sへと転送されてバッファリングされた情報電荷が順に垂直転送方向へ送られる。また、第1の出力転送電極30及び第2の出力転送電極32には、駆動装置12からそれぞれ出力制御クロックTG1及びTG2が印加される。さらに、第3の出力転送電極34には、駆動装置12から出力制御クロックTG1,TG2とは独立に制御可能な出力制御クロックTG3が印加される。
出力転送電極30,32,34に印加される出力制御クロックTG1,TG2,TG3を垂直クロックパルスφs1〜φs3とは独立に制御可能とすることによって、垂直シフトレジスタの奇数列と偶数列から交互に水平シフトレジスタに情報電荷を転送することができる。例えば、カラー撮像を行った場合、水平シフトレジスタにおいて異なる波長成分(異なる色)に対応する情報電荷の混合を防ぐことができる。
図5に、図3のラインA−Aに沿った奇数列の垂直シフトレジスタから水平シフトレジスタへ情報電荷を垂直転送する際の出力制御クロックTG1,TG2,TG3及び水平クロックパルスHS1のタイミングチャートを示す。初期状態(時刻t0)では、第3の出力転送電極34に印加される出力制御クロックTG3はハイレベル(H)とされ、図6(a)に示すように、既に第3の出力転送電極34下に形成されたポテンシャル井戸60に情報電荷が転送されているものとする。
時刻t1では、出力制御クロックTG1,TG2をローレベル(L)及び水平クロックパルスHS1をハイレベル(H)に保持しつつ、第3の出力転送電極34に印加される出力制御クロックTG3をハイレベル(H)からローレベル(L)に変更してオン状態からオフ状態へ変更する。これによって、図6(b)に示すように、第3の出力転送電極34下に形成されていたポテンシャル井戸60が浅くなり、水平チャネル領域40に形成されているポテンシャル井戸64に情報電荷が転送出力される。
このとき、半導体基板へのドーピング領域と最終段となる第3の出力転送電極34とのアライメントのずれ等によって、図6(b)に示すように、第3の出力転送電極34と水平シフトレジスタとの境界にエネルギー障壁62が発生する場合がある。このようなエネルギー障壁62は垂直シフトレジスタから水平シフトレジスタへの情報電荷の転送の障壁となり、情報電荷の転送効率を低下させる原因となると考えられる。特に、撮像部10iと蓄積部10sとの境界部及び蓄積部10sと水平転送部10hとの境界部のように異なるシフトレジスタの境界部では半導体基板へのドーピング領域と転送電極とのアライメントのずれの影響が大きくなり、エネルギー障壁62による情報電荷の転送効率の低下が問題となる場合が多い。
そこで、時刻t2〜t3にかけて出力制御クロックTG1,TG2をローレベル(L)及び水平クロックパルスHS1をハイレベル(H)に保持しつつ、第3の出力転送電極34に印加される出力制御クロックTG3をハイレベル(H)とローレベル(L)とに繰り返し変更する。すなわち、前段の情報電荷が転送されてくる前に垂直シフトレジスタの最終段である第3の出力転送電極34に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる。
これによって、図6(c)に示すように、オン状態では第3の出力転送電極34下にポテンシャル井戸60が形成され、図6(d)に示すように、オフ状態では第3の出力転送電極34下にポテンシャル井戸60が消滅するサイクルが繰り返される。このサイクルの繰り返しによって、第3の出力転送電極34と水平シフトレジスタとの境界に存在するエネルギー障壁62によって第3の出力転送電極34下に残留していた情報電荷が水平シフトレジスタへと徐々に転送される。
エネルギー障壁62を超えて情報電荷が転送される原理については次のように推定される。第3の出力転送電極34に印加される出力制御クロックTG3をハイレベル(H)からローレベル(L)に変更した場合、図7(a)のポテンシャル井戸が形成された定常状態から図7(c)のポテンシャル井戸が消滅した定常状態に至るまでに出力制御クロックTG3の瞬間的なオーバーシュート等の作用によって図7(b)に示すようにエネルギー障壁62が低くなる状態が発生する。このようにエネルギー障壁62が低くなった状態において第3の出力転送電極34下に残留していた情報電荷が水平シフトレジスタへ転送される。したがって、第3の出力転送電極34に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクル毎に情報電荷が少しずつ転送され、このサイクルを繰り返すことによって第3の出力転送電極34下に残留していた情報電荷を従来よりも多く水平シフトレジスタへ出力することができると考えられる。なお、第1の出力転送電極30下はドーピング濃度を低くし、ポテンシャル障壁を高くしている。これによって、図6(b)の残留電荷が転送方向に対して逆流することを防いでいる。
前段から情報電荷が転送されてくる前に転送電極をオン・オフさせるサイクルを連続して繰り返す処理は他の転送電極に対しても同様に適用することができる。例えば、垂直シフトレジスタの偶数列から水平シフトレジスタへ情報電荷を転送する場合、垂直シフトレジスタの最終段である第3の出力転送電極34に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせることによって情報電荷を従来よりも多く水平シフトレジスタへ転送することができる。また、撮像部10iから蓄積部10sへの境界部においても撮像部10iの最終段の転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせることによって情報電荷を従来よりも多く蓄積部10sへ転送することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、電荷結合素子の情報電荷の転送効率を高めることができる。また、電荷結合素子を備えた固体撮像装置において出力画像の画質を向上させることができる。特に、異なる色に対する情報電荷の混じり合いを抑制し、また、出力画像に縦方向に延びるノイズを抑制して出力画像の画質を向上させることができる。
なお、本実施の形態ではフレーム転送方式のCCD固体撮像素子を例に説明したが、本発明の技術思想の適用範囲はこれに限定されるものではなく、ポテンシャル井戸を利用して電荷を蓄積及び転送する素子であればよい。例えば、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子等が挙げられる。
10 固体撮像素子、10i 撮像部、10s 蓄積部、10h 水平転送部、10d 出力部、12 駆動装置、24 転送電極、26 チャネル領域、28 分離領域、30 第1の出力転送電極、32 第2の出力転送電極、34 第3の出力転送電極、36 水平転送電極、40 水平チャネル領域、42 水平分離領域、50 半導体基板、52 絶縁膜、54 転送電極、56 転送電極、60 ポテンシャル井戸、62 エネルギー障壁、100 固体撮像装置。
Claims (8)
- 情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極を備え、前記転送電極に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子の駆動装置であって、
前記転送電極の少なくとも1つを着目転送電極として、前記着目転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させることを特徴とする駆動装置。 - 請求項1に記載の駆動装置であって、
前記電荷結合素子が第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合において、
前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることを特徴とする駆動装置。 - 請求項1に記載の駆動装置であって、
前記電荷結合素子が第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて前記第1の転送方向に交差する第2の転送方向に沿って情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合において、
前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることを特徴とする駆動装置。 - 請求項2又は3に記載の駆動装置において、
前記第1のシフトレジスタと前記第2のシフトレジスタとは、半導体基板へのドーピング条件を異ならせて形成されていることを特徴とする駆動装置。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の駆動装置において、
前記着目転送電極は、前記着目転送電極以外の他の転送電極とは独立に制御可能であることを特徴とする駆動装置。 - 情報電荷の転送方向に交差するように配置された複数の転送電極を備え、前記転送電極に印加する電圧によって半導体基板内に形成されるポテンシャル井戸を利用して情報電荷を蓄積及び転送する電荷結合素子の駆動方法であって、
前記転送電極の少なくとも1つを着目転送電極として、前記着目転送電極に対してオン状態からオフ状態へ移行させるサイクルを複数回連続して行わせる電圧を印加して情報電荷を転送させることを特徴とする電荷結合素子の駆動方法。 - 請求項6に記載の電荷結合素子の駆動方法であって、
前記電荷結合素子が第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合において、
前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることを特徴とする電荷結合素子の駆動方法。 - 請求項6に記載の電荷結合素子の駆動方法であって、
前記電荷結合素子が第1の転送方向に沿って情報電荷を転送する第1のシフトレジスタと、前記第1のシフトレジスタから出力された情報電荷を受けて前記第1の転送方向に交差する第2の転送方向に沿って情報電荷を転送する第2のシフトレジスタと、を備える場合において、
前記第1のシフトレジスタの最終段の転送電極を前記着目転送電極とすることを特徴とする電荷結合素子の駆動方法。
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