JP2007142696A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位セルのサイズの微細化に伴って、垂直転送部の１パケットの蓄積容量が減少すると、高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出した際に、垂直転送部から溢れ出て周辺画素に漏れ込む。
【解決手段】シャッタ動作を行う第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１よりも電圧値が低い第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を、受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出しタイミングと同時もしくはそれよりも前に半導体基板１８に印加する駆動を行うことで、特に高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部を半導体基板１８側に掃き捨てるようにする。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置に関し、特にＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置、当該固体撮像装置の駆動方法および当該固体撮像装置を画像入力デバイス（撮像デバイス）として用いた撮像装置に関する。

固体撮像装置、例えばＣＣＤイメージセンサでは、画素ごとに受光部で光電変換され、当該受光部内に蓄積された信号電荷は、受光部に隣接する読出しゲート部による読出し動作によって垂直転送部に読み出される。

ここで、垂直転送部の１パケット（１画素分の信号電荷を扱う単位）の蓄積容量は、カメラ性能に必要な高い輝度レベルの光が入射したときでも、その輝度レベルに応じた信号電荷を蓄積できる程度に十分に確保されている必要がある。具体的には、垂直転送部の１パケットの蓄積容量としては、一般的に、受光部の蓄積容量の１．５倍から２倍程度の容量が必要である。

ところで、近年、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置においては、高解像度化（多画素化）を図るために、単位セル（１つの画素とこれに対応した垂直転送部のパケットとが１単位）のサイズの微細化が進められている。単位セルのサイズの微細化が進む中で、感度等のセンサ特性の確保に重要なセンサ開口の領域を確保するために、決められたセルサイズの範囲内において画素サイズをできるだけ大きく確保しようとすると、垂直転送部の領域を狭くせざるを得ない。

上述した理由から、即ちセルサイズの微細化に伴って垂直転送部の領域を狭くせざるを得ないという理由から、垂直転送部の１パケットの蓄積容量として、受光部の蓄積容量の１．５倍から２倍程度の容量を確保するのが難しくなってきているのが現状である。すなわち、セルサイズの微細化に伴って、１パケットの蓄積容量（垂直転送部の取扱電荷量）が減少する傾向にある。

このような状況下において、従来、水平ブランキング期間内における信号電荷の垂直転送の前にシャッタパルスを印加することにより、露光期間の制御を行うためのシャッタパルスを印加したときに、垂直転送部の取扱電荷量が減少するのを防止するようにした技術が提案させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２０１４７号公報

しかしながら、上記従来技術では、シャッタパルスの印加時における垂直転送部の取扱電荷量の低減を抑えることはできるものの、特に高輝度レベルの光が受光部に入射し、その輝度レベルに応じて光電変換された信号電荷が受光部から垂直転送部に読み出されたときに、１パケットの蓄積容量が減少したことに起因して、その読み出された信号電荷の一部が垂直転送部から溢れ出て周辺画素に漏れ込んだりするのを防止することはできない。この周辺画素への信号電荷の漏れは、ブルーミングなどの発生原因となる。

そこで、本発明は、単位セルの微細化が進んだ場合であっても、受光部から垂直転送部へ電荷を読み出した際の垂直転送部での電荷の溢れを確実に防止可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、光電変換を行う受光部、当該受光部に蓄積された電荷を読み出す読出しゲート部および当該読出しゲートによって読み出された電荷を転送する電荷転送部とが半導体基板上に形成されてなる固体撮像装置において、前記受光部に蓄積された電荷を前記半導体基板側に掃き捨てるために当該半導体基板に印加する前記第１のシャッタパルスよりも電圧値が低い第２のシャッタパルスを、前記受光部から前記垂直転送部への電荷の読出しタイミングと同時もしくはそれよりも前に前記半導体基板に印加する駆動を行う構成を採っている。

上記構成の固体撮像装置において、半導体基板に第１のシャッタパルスを印加し、受光部内の電荷を半導体基板側に掃き捨てるタイミングから、読出しゲート部に読出しパルスを印加し、受光部から垂直転送部へ電荷を読み出すタイミングまでの期間が、受光部で光電変換され、当該受光部内に電荷が蓄積される蓄積期間、即ち露光期間となる。そして、露光期間に受光部に蓄積された電荷が垂直転送部に読み出されるタイミングもしくはその前に第２のシャッタパルスが半導体基板に印加されることで、垂直転送部下のオーバーフローバリアのポテンシャルが、第２のシャッタパルスの電圧値に応じて浅くなるために、特に高輝度レベルの光が受光部に入射したときなど、オーバーフローバリアのポテンシャルを超える量の電荷が受光部から垂直転送部に読み出されたときには、その読み出された電荷の一部が第２のシャッタパルスからその下のオーバーフローバリアを超えて半導体基板側に掃き捨てられる。

ここで、垂直転送部に読み出された電荷の一部を捨てたとしても、その電荷は高輝度レベルの入射光に基づくものであり、捨てない場合には隣接画素に溢れてブルーミングの発生原因となるものであることから、撮像画に何ら影響が及ぶことはない。また、第１のシャッタパルスによって受光部内の電荷を掃き捨てるシャッタ動作を行った後に、第２のシャッタパルスを半導体基板に印加したとしても、第２のシャッタパルスの電圧値が第１のシャッタパルスの電圧値よりも低いことから、光電変換によって受光部に蓄積されている電荷が、第２のシャッタパルスの印加によってさらに半導体基板側に掃き捨てられることはないために、次の露光期間に影響が及ぶこともない。

本発明によれば、特に高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部から垂直転送部に読み出された電荷の一部を半導体基板側に捨てることができるために、単位セルの微細化が進んだ場合であっても、受光部から垂直転送部へ電荷を読み出した際の当該垂直転送部での電荷の溢れを確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、固体撮像装置として、例えばインターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明するものとする。

図１は、本発明に係るＣＣＤイメージセンサの一例を示す概略構成図である。図１において、撮像部１１は、行列状に２次元配置された複数の受光部（画素）１２と、これら受光部１２の各々に隣接して設けられた読出しゲート部１３と、行列状の画素配列に対して列ごとに設けられたＣＣＤからなる垂直転送部１４とから構成されている。

この撮像部１１において、１つの受光部１２、これに隣接した読出しゲート部１３および１つの受光部１２に対応した垂直転送部１４のパケットからなる１単位が単位セル１５となる。ここで、垂直転送部１４のパケットとは、垂直転送部１４において１画素分の信号電荷を扱う単位を言う。そして、このパケットが連続して連なることで垂直転送部１４の転送チャネルが形成される。

受光部１２は、例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなり、入射光をその輝度レベルに応じた電荷量の信号電荷に光電変換して蓄積する。読出しゲート部１３は、読出しパルスφＲＯＰが印加されることにより、受光部１２に蓄積された信号電荷を垂直転送部１４へ読み出す。垂直転送部１４は、例えば４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４によって転送駆動され、読出しゲート部１３によって受光部１２から読み出された信号電荷を、水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。

ここで、垂直転送部１４において、パケットが連なってなる転送チャネルの上方には、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４に対応した４つの転送電極が転送方向に繰り返して配置されている。そして、例えば１相目と３相目に対応する各転送電極が、読出しゲート部１３のゲート電極を兼ねている。このことから、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４のうち、１相目と３相目の垂直転送パルスφＶ１，φＶ３が低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値をとり、その３値目の高レベルのパルスが読出しゲート部１３に印加される読出しパルスφＲＯＰとなる。

すなわち、１相目と３相目の垂直転送パルスφＶ１，φＶ３の３値目の読出しパルスφＲＯＰが１相目と３相目に対応する各転送電極（読出しゲート部１３のゲート電極）に印加されることで、受光部１２に蓄積された信号電荷が垂直転送部１４に読み出される。２相目と４相目の垂直転送パルスφＶ２，φＶ３は、低レベルと中間レベルの２値をとる。そして、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が低レベルと中間レベルとの間で周期的に遷移することで垂直転送部１４の転送駆動が行われ、受光部１２から読み出された信号電荷が当該垂直転送部１４によって垂直転送される。

垂直転送部１４の一方の端部側には、ＣＣＤからなる水平転送部１６が配されている。この水平転送部１６には、複数本の垂直転送部１４から１ラインに相当する信号電荷が順にシフト（転送）される。水平転送部１６は、例えば２相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直転送部１４からシフトされる１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。

水平転送部１６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・アンプ構成の電荷電圧変換部１７が設けられている。この電荷電圧変換部１７は、水平転送部１６によって水平転送される信号電荷を順次信号電圧に変換して出力する。この信号電圧は、被写体を経て撮像部１１に入射し、受光部１２でその輝度レベルに応じて光電変換されて得られる撮像信号ＯＵＴとして出力される。

上述した受光部１２、読出しゲート部１３、垂直転送部１４、水平転送部１６および電荷電圧変換部１７等の構成要素は、半導体基板１８上に形成されている。半導体基板１８は、後述する基板バイアス電圧Ｖｓｕｂによってバイアスされている。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤイメージセンサ１０が構成される。

このＣＣＤイメージセンサ１０の駆動制御は、タイミング制御回路２１によるタイミング制御によって行われる。タイミング制御回路２１は、垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤおよびマスタークロックＭＣＫを基に、受光部１２での信号電荷の蓄積期間（露光期間）の制御、受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出し、垂直転送部１４での垂直転送、水平転送部１６での水平転送、電荷電圧変換部１７のリセット動作などの制御を行うために、ＣＣＤ駆動回路２２およびシャッタ駆動回路２３を制御する。

具体的には、タイミング制御回路２１は、フィールド読出しを行うために、２つのフィールドで１コマ（フレーム）の映像が得られるようにＣＣＤ駆動回路２２の駆動制御を行う。このタイミング制御回路２１によるタイミング制御の下に、ＣＣＤ駆動回路２２は、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４（１相目と３相目の垂直転送パルスφＶ１，φＶ３は読出しパルスφＲＯＰを含む）および２相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって垂直転送部１４および水平転送部１６を駆動する。

シャッタ駆動回路２２は、タイミング制御回路２１によるタイミング制御の下に、シャッタパルスφＶｓｕｂを半導体基板１８に所定のタイミングで印加することにより、受光部１２に蓄積された信号電荷を半導体基板１８側に掃き捨てる電子シャッタ動作を行う。すなわち、タイミング制御回路２１およびＣＣＤ駆動回路２２は、特許請求の範囲における第１の駆動手段を構成し、タイミング制御回路２１およびシャッタ駆動回路２３は、特許請求の範囲における第２の駆動手段を構成している。

タイミング制御回路２１およびシャッタ駆動回路２３の駆動制御による電子シャッタ動作により、受光部１２に信号電荷を蓄積する蓄積期間、即ち露光期間の制御が行われる。このとき、シャッタパルスφＶｓｕｂは、半導体基板１８をバイアスする基板バイアス電圧Ｖｓｕｂに重畳される形で印加される。

図２に、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４および読出しパルスφＲＯＰのタイミング関係を示す。ここでは、一例として、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４の低レベルを−８．５Ｖ、高レベル（中間レベル）を０Ｖ、読出しパルスφＲＯＰの電圧値（高レベル）を１５Ｖとした場合を例に挙げている。

図２から明らかなように、各フィールドの垂直ブランキング期間（Ｖ−Ｂｌｋ）に読出しパルスφＲＯＰがアクティブ（高レベル）になる。これにより、読出しゲート部１３による受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出しが行われる。また、水平ブランキング期間（Ｈ−Ｂｌｋ）に４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が低レベル（−８．５Ｖ）と中間レベル（０Ｖ）との間で周期的に遷移する。これにより、垂直転送部１４が信号電荷を垂直転送する。

図３に、読出しパルスφＲＯＰおよびシャッタパルスφＶｓｕｂのタイミング関係を示す。

電子シャッタ動作を行わない場合は、受光部１２に蓄積される信号電荷は１フィールド期間の間増加していく。電子シャッタ動作を行う場合は、図３に示すように、１フィールドのある適当なタイミングでシャッタパルスφＶｓｕｂをアクティブ（高レベル）にし、それまでに受光部１２に蓄積された信号電荷を一旦半導体基板１８側に掃き捨て、そこから再度そのフィールドの終わりまで光電変換した信号電荷を蓄積し、読出しパルスφＲＯＰをアクティブにすることによって垂直転送部１４へ読み出す。したがって、この有効となる光電変換の期間（露光期間）が電子シャッタのシャッタスピードになる。

図４は、受光部１２周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。

図４において、第１導電型、例えばＮ型の半導体基板３０（図１の半導体基板１８に相当する）上に第２導電型であるＰ型のウェル領域３１が形成されている。このウェル領域３１の表層部には、Ｎ⁺ の信号電荷蓄積領域３２が形成され、その上にさらにＰ⁺ の正孔蓄積領域３３が形成されることにより、いわゆるＨＡＤ（正孔蓄積ダイオード）構造の受光部１２が構成されている。

この受光部１２に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、図５のポテンシャル図に示すように、Ｐ型のウェル領域３１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢの高さ（ポテンシャル）によって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、受光部１２に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。そして、飽和信号電荷量Ｑｓを超えた信号電荷は、オーバーフローバリアＯＦＢを超えて半導体基板１０側へオーバーフローする。

以上により、半導体基板１０をオーバーフロードレインとするいわゆる縦型オーバーフロードレイン構造の受光部１２が構成されている。

受光部１２の横方向には、読出しゲート部１３を構成するＰ型領域３４を介してＮ⁺ の信号電荷転送領域３５およびＰ⁺ のチャネルストップ領域３６が形成されている。信号電荷転送領域３５の下には、スミア成分の混入を防止するためのＰ⁺ の不純物拡散領域３７が形成されている。さらに、信号電荷転送領域３５の上方には、ゲート酸化膜３８を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極３９が配されることにより、垂直転送部１４が構成されている。転送電極３９は、Ｐ型領域３４の上方に位置する部分が、読出しゲート部１３のゲート電極を兼ねている。

垂直転送部１４の上方には、層間膜４０を介してＡｌ（アルミニウム）遮光膜４１が転送電極３９を覆うようにして形成されている。このＡｌ遮光膜４１は、受光部１２において選択的にエッチングされており、外部からの光Ｌはこのエッチングによって形成された開口４２を介して受光部１２内に入射する。そして、半導体基板３０には、受光部１２に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する、即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める基板バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加されるようになっている。

上記構成のＣＣＤイメージセンサ１０において、本発明では、第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１よりも電圧値が低い第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を、受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出しタイミングと同時もしくはそれよりも前（第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の印加タイミング以降の露光期間内）に半導体基板１８（３０）に印加する駆動を行うことを特徴としている。

この駆動を実現するために、図１において、シャッタ駆動回路２３には、第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の電圧値を決める電圧Ｖ_H と、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の電圧値を決める電圧Ｖ_L （Ｖ_H ＞Ｖ_L ）とが電源回路（図示せぬ）から供給されるようになっている。

そして、シャッタ駆動回路２３は、タイミング制御回路２１によるタイミング制御の下に、電子シャッタ動作時には、シャッタスピード、即ち露光時間を決めるタイミングで、電圧値Ｖ_H の第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１（図３のφＶｓｕｂに相当）を半導体基板１８に印加する。この第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の半導体基板１８への印加により、受光部１２下のオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルが深くなるために、受光部１２にそれまで蓄積された信号電荷が半導体基板１８側へ掃き捨てられる（シャッタ動作）。

そして、この電子シャッタの動作タイミングから再度そのフィールドの終わりまで、即ちシャッタスピードに対応した露光期間だけ受光部１２において光電変換が行われ、信号電荷が受光部１２内に蓄積される。この蓄積された信号電荷は、読出しパルスφＲＯＰがアクティブになることにより、読出しゲート部１３によって受光部１２から垂直転送部１４へ読み出される（読出し動作）。

また、タイミング制御回路２１によるタイミング制御の下に、図６に示すように、読出しパルスφＲＯＰがアクティブになるタイミングと同時（図中、実線で示す）もしくはそれよりも前（図中、点線で示す）に、電圧値Ｖ_L の第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を半導体基板１８に印加する。この第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の印加により、Ｐ型のウェル領域３１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルが深くなる。

ここで、高輝度レベルの光が受光部１２に入射した場合を考える。例えば、単位セル１５の微細化に伴って垂直転送部１４の１パケットの蓄積容量（垂直転送部１４の取扱電荷量）が低下し、一般的に必要とされる受光部１２の蓄積容量の１．５倍から２倍程度の容量を確保できなかったとすると、高輝度レベルに応じて光電変換された信号電荷が受光部１２から垂直転送部１４に読み出されたときに、その読み出された信号電荷の一部が垂直転送部１４から溢れ出て周辺画素に漏れ込んだりする懸念がある。

これに対して、読出しパルスφＲＯＰがアクティブになるタイミングと同時もしくはそれよりも前に、即ち受光部１２から垂直転送部１４に信号電荷が読み出されるタイミングもしくは読み出される前に、電圧値Ｖ_L の第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を半導体基板１８に印加することで、オーバーフローバリアＯＦＢとなるＰ型のウェル領域３１のポテンシャルが深くなるために、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部がオーバーフローバリアＯＦＢを超えて半導体基板１８側に掃き捨てられる（掃き捨て動作）。

このとき、受光部１２から読み出された信号電荷の一部を捨てたとしても、その電荷は高輝度レベルの入射光に基づくものであり、捨てない場合には隣接画素に溢れてブルーミングの発生原因となるものであることから、撮像画に何ら影響が及ぶことはない。

また、第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１によって受光部１２内の信号電荷を掃き捨てるシャッタ動作を行った後に、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を半導体基板１８に印加したとしても、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の電圧値Ｖ_L が第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の電圧値Ｖ_H よりも低く、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルがシャッタ動作時よりも浅いために、光電変換によって受光部１２に蓄積されている信号電荷がさらに半導体基板１８側に掃き捨てられることはないために、次の露光期間に影響が及ぶこともない。

なお、受光部１２、読出しゲート部１３および垂直転送部１４の不純物プロファイルについては、読出しパルスφＲＯＰの電圧（読出し電圧）、耐ブルーミング性を保ちつつ、上述した掃き捨て動作に必要なポテンシャルバランスを維持する条件で形成することになる。

上述したように、シャッタ動作を行う第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１よりも電圧値が低い第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を、受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出しタイミングと同時もしくはそれよりも前（第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の印加タイミング以降の露光期間内）に半導体基板１８に印加する駆動を行うことで、特に高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部を半導体基板１８側に捨てることができるために、単位セルの微細化が進んだ場合であっても、受光部１２から垂直転送部１４へ信号電荷を読み出した際に、ブルーミングの発生原因となる垂直転送部１４での信号電荷の溢れを確実に防止することができる。

これにより、単位セル１５のサイズの微細化を図る上で、垂直転送部１４の１パケットの蓄積容量として、受光部１２の蓄積容量と同程度の容量を確保できれば良いことになるために、垂直転送部１４の領域を抑制できるとともに、垂直転送部１４の領域を抑制できる分だけ受光部１２の開口領域を大きくすることができるために、受光部１２の主要特性である飽和信号量の向上、感度の向上、スミアの抑制を図ることができる。

ここで、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の印加タイミングおよび電圧値（パルス振幅）について説明する。

まず、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の印加タイミングについては、図６に示すように、読出しパルスφＲＯＰがアクティブになるタイミングと同時（図中、実線で示す）もしくはそれよりも前（図中、点線で示す）のタイミングで半導体基板１８に印加するようにすることで、読出しパルスφＲＯＰの読出しゲート部１３への印加によって受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部を確実に半導体基板１８側へ掃き捨てることができる。

特に、読出しパルスφＲＯＰがアクティブになるタイミングよりも前のタイミング（第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の印加タイミング以降の露光期間内）で半導体基板１８に印加することで、受光部１２から垂直転送部１４へ信号電荷を読み出す前に既に、オーバーフローバリアＯＦＢとなるＰ型のウェル領域３１のポテンシャルが深くなっているために、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部をより確実に半導体基板１８側に掃き捨てることができる。

一方、印加の終了タイミングについては、読出しパルスφＲＯＰが非アクティブになるタイミングと同時もしくはそれよりも後のタイミングに設定する、即ち読出しパルスφＲＯＰの消滅タイミングと同時もしくはそれよりも後まで第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を半導体基板１８に印加することで、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部を捨て残すことなく、より確実に半導体基板１８側へ掃き捨てることができる。なお、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２を垂直転送期間中にも半導体期間１８に印加したとしても、残りの信号電荷についての垂直転送動作に対して何ら影響を及ぼすことはない。

次に、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の電圧値（パルス振幅）については、図７に示すように、第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の電圧値よりも低く、かつ、受光部１２の飽和信号量を決めるオーバーフローバリアＯＦＰのポテンシャルを設定する電圧、即ち基板バイアス電圧Ｖｓｕｂよりも高い範囲内において、垂直転送部１４の不純物プロファイルを考慮しつつ、垂直転送部１４に必要な信号電荷を残し、不要分を掃き捨てるために必要な電圧値に設定することになる。

一例として、第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１の電圧値を２２．５Ｖ程度とした場合に、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の電圧値を１５Ｖ前後に設定すると、高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部１２から垂直転送部１４へ読み出された信号電荷の一部を半導体基板１８側に確実に掃き捨てることができる。

特に、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２の電圧値を、読出しパルスφＲＯＰの電圧値（本例では、１５Ｖ）と同一に設定することで、第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２のために電源回路を用意する必要がなく、読出しパルスφＲＯＰのための既存の電源回路を兼用することができるために、タイミング制御回路２１のタイミングを変更するだけの簡単な構成で、所期の目的、即ち単位セル１５の微細化が進んだ場合であっても、受光部１２から垂直転送部１４へ信号電荷を読み出した際の垂直転送部１４での信号電荷の溢れを確実に防止するという目的を達成することができる。

なお、上記実施形態では、ＣＣＤイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、この適用例に限られるものではなく、受光部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部を有する電荷転送型固体撮像装置全般に適用可能である。

［適用例］
上記実施形態に係るＣＣＤイメージセンサ１０は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、その撮像デバイス（画像入力デバイス）として用いて好適なものである。

ここに、撮像装置とは、撮像デバイスとしての固体撮像装置、当該固体撮像装置の撮像面（受光面）上に被写体の像光を結像させる光学系および当該固体撮像装置の信号処理回路を含むカメラモジュール（例えば、携帯電話等の電子機器に搭載されて用いられる）、当該カメラモジュールを搭載したデジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムを言うものとする。

図８は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、本例に係る撮像装置は、レンズ５１を含む光学系、撮像デバイス５２、デバイス駆動回路５３および信号処理回路５４等によって構成されている。

レンズ５１は、被写体からの像光を撮像デバイス５２の撮像面に結像する。撮像デバイス５２は、レンズ５１によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる画像信号を出力する。この撮像デバイス５２として、先述した実施形態に係るＣＣＤイメージセンサ１０が用いられる。

デバイス駆動回路５３は、図１に示すタイミング制御回路２１、ＣＣＤ駆動回路２２およびシャッタ駆動回路２３等によって構成され、受光部１２での信号電荷の蓄積期間（露光期間）の制御、受光部１２から垂直転送部１４への信号電荷の読出し、垂直転送部１４での垂直転送、水平転送部１６での水平転送、電荷電圧変換部１７のリセット動作などの制御を行う。

信号処理回路５４は、撮像デバイス５２から出力される撮像信号に対してＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)によるノイズ除去や、ＡＧＣ(Automatic Gain Control;自動利得制御)によるゲインコントロールなどの各種の信号処理を行う。

上述したように、ビデオカメラや電子スチルカメラ、さらには携帯電話等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置において、その撮像デバイス５２として先述した実施形態に係るＣＣＤイメージセンサ１０を用いることで、当該ＣＣＤイメージセンサ１０では、単位セルの微細化が進んだ場合であっても、特に高輝度レベルの光が受光部に入射したときなどに、受光部から垂直転送部へ信号電荷を読み出した際に、ブルーミングの発生原因となる垂直転送部での信号電荷の溢れを確実に防止することができるために、より高画質の撮像画を得ることができる。

本発明に係るＣＣＤイメージセンサの一例を示す概略構成図である。 ４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４および読出しパルスφＲＯＰのタイミング関係を示すタイミングチャートである。 読出しパルスφＲＯＰおよびシャッタパルスφＶｓｕｂのタイミング関係を示すタイミングチャートである。 受光部周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。 受光部の基板深さ方向のポテンシャルを示すポテンシャル図である。 読出しパルスφＲＯＰと第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２とのタイミング関係を示すタイミングチャートである。 第１のシャッタパルスφＶｓｕｂ１と第２のシャッタパルスφＶｓｕｂ２との電圧値の関係を示す波形図である。 本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０…ＣＣＤイメージセンサ、１１…撮像部、１２…受光部、１３…読出しゲート部、１４…垂直転送部、１５…単位セル、１６…水平転送部、１７…電荷電圧変換部、１８，３０…半導体基板、２１…タイミング制御回路、２２…ＣＣＤ駆動回路、２３…シャッタ駆動回路

Claims (5)

1. 光電変換を行う受光部、当該受光部に蓄積された電荷を読み出す読出しゲート部および当該読出しゲートによって読み出された電荷を転送する電荷転送部とが半導体基板上に形成されてなる固体撮像装置であって、
   前記読み出しゲート部に読出しパルスを印加することによって前記受光部から前記垂直転送部への電荷の読出し駆動を行う第１の駆動手段と、
   第１のシャッタパルスを前記半導体基板に印加することによって前記受光部に蓄積された電荷を前記半導体基板側に掃き捨てる駆動を行うとともに、前記読出しパルスの印加タイミングと同時もしくはそれよりも前に前記第１のシャッタパルスよりも電圧値が低い第２のシャッタパルスを前記半導体基板に印加する駆動を行う第２の駆動手段と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２のシャッタパルスは、前記読み出しパルスと電圧値が同一である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第２の駆動手段は、前記読出しパルスの消滅タイミングと同時もしくはそれよりも後まで前記第２のシャッタパルスを前記半導体基板に印加する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 光電変換を行う受光部、当該受光部に蓄積された電荷を読み出す読出しゲート部および当該読出しゲートによって読み出された電荷を転送する電荷転送部とが半導体基板上に形成されてなる固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記受光部に蓄積された電荷を前記半導体基板側に掃き捨てるために当該半導体基板に印加する前記第１のシャッタパルスよりも電圧値が低い第２のシャッタパルスを、前記受光部から前記垂直転送部への電荷の読出しタイミングと同時もしくはそれよりも前に前記半導体基板に印加する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
5. 光電変換を行う受光部、当該受光部に蓄積された電荷を読み出す読出しゲート部および当該読出しゲートによって読み出された電荷を転送する電荷転送部とが半導体基板上に形成されてなる固体撮像素子と、
   被写体からの光を前記固体撮像素子の撮像面上に導く光学系と
   前記読み出しゲート部に読出しパルスを印加することによって前記受光部から前記垂直転送部への電荷の読出し駆動を行う第１の駆動手段と、
   第１のシャッタパルスを前記半導体基板に印加することによって前記受光部に蓄積された電荷を前記半導体基板側に掃き捨てる駆動を行うとともに、前記読出しパルスの印加タイミングと同時もしくはそれよりも前に前記第１のシャッタパルスよりも電圧値が低い第２のシャッタパルスを前記半導体基板に印加する駆動を行う第２の駆動手段と
   を具備することを特徴とする撮像装置。
   

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