JP2007159024A - Ｃｃｄ型固体撮像素子の駆動方法及びｃｃｄ型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤ型固体撮像素子を構成する垂直転送路のスミア電荷高速掃出駆動時における電荷逆注入を阻止する。
【解決手段】 半導体基板上にアレイ状に配列形成され夫々が受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と、各光電変換素子から読み出された前記信号電荷をｎ相駆動（ｎ≧３）用の転送パルスに従って転送する電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記電荷転送路に前記信号電荷を読み出し転送する前に該電荷転送路を掃出駆動用転送パルスで駆動するときの該掃出駆動用転送パルスの印加初期時に、前記電荷転送路を構成する連続する複数の転送電極のうち隣接する転送電極の夫々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの変位位置をずらす（パターンＡ）。
【選択図】 図３

Description

本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子の駆動方法等に係り、特に、信号電荷をフォトダイオードから読み出し垂直転送路によって転送する前に垂直転送路の高速掃出駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及びＣＣＤ型固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ型固体撮像装置では、例えば下記特許文献１に記載されている様に、信号電荷をフォトダイオードから読み出し垂直転送路によって転送する前に垂直転送路を高速駆動し、垂直転送路上のスミア電荷等の不要電荷を予め掃き出した後に、信号電荷の垂直転送路への読み出しと垂直転送路による信号電荷の転送を行うものがある。

図４は、垂直転送路を８相駆動するＣＣＤ型固体撮像装置における従来の高速掃出駆動を示すタイミングチャートである。電子シャッタが「開」となってからメカニカルシャッタが「閉」となるまでが露光時間となり、ＣＣＤ型固体撮像素子の各フォトダイオードに信号電荷が蓄積される。この露光時間中は、垂直転送路（ＶＣＣＤ）の動作は停止される（以下、垂直転送路の駆動を停止しながら行う露光を「ピニング露光」という。）。

露光時間終了後に、垂直転送路（ＶＣＣＤ）に高速掃出パルスを印加して垂直転送路上の不要電荷を掃き出し、その後に、タイミングジェネレータ（ＴＧ）から読み出しパルスが出力されると、フォトダイオードから信号電荷が垂直転送路に読み出され、垂直転送路に通常駆動の転送パルスが印加されることで、信号電荷の転送が行われる。

図４の下段は、高速掃出駆動で用いる駆動パルス（転送パルス）の詳細図である。垂直転送路の垂直方向に連続する８つの電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８には、図示する様に、夫々位相が順にずれた駆動パルスが印加され、不要電荷の転送が行われる。

高速掃出駆動は、位相のずれた高速の転送パルスを各転送電極に印加することで行われるが、従来の場合、高速掃出駆動を開始する最初の瞬間には、図示の例では、電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７にハイレベル信号が印加され、Ｖ１，Ｖ８に低レベル信号が印加され、以後、順に位相がずれる様に、各電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８に印加されるパルス幅（ハイレベル信号の幅）の制御が行われる。

これとは別に、ＣＣＤ型固体撮像装置では、垂直転送路へのフォトダイオードからの信号電荷の読み出しを一斉に行うと、半導体基板表面部におけるＰウェル層の接地電位が変動し、半導体基板側からフォトダイオードに光入射に起因しない電荷が逆注入してしまうという現象が起きることが知られている。この電荷逆注入の問題を解決するため、特許文献２記載の従来技術では、フォトダイオードからの信号電荷の読み出しを、一斉に行うのではなくライン毎に別々に行ない、しかも、あるラインの信号読出パルスの立ち下がりタイミングが別ラインの信号読出パルスの立ち上がりタイミングとなるようにし、Ｐウェル層の接地電位の変動が相殺される様にしている。

特開２００１―１４５０２７号公報 特開２０００―２３０４５号公報

近年のＣＣＤ型固体撮像装置は多画素化が進展し、垂直転送路の転送電極とフォトダイオードとの距離も小さくなっている。このため、図４に示す従来の高速掃出駆動を行うと、信号読出パルスより低電圧な高速掃出用の駆動パルスを用いて垂直転送路を駆動しただけで、垂直転送路の埋め込みチャネルやフォトダイオードが形成される半導体基板表面部のＰウェル層の接地電位が大きく揺れ、電荷の逆注入が発生する虞が生じてしまう。

本発明の目的は、高速掃出駆動を行うときでも電荷逆注入の発生を抑制することができるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及びＣＣＤ型固体撮像装置を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板上にアレイ状に配列形成され夫々が受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と、各光電変換素子から読み出された前記信号電荷をｎ相駆動（ｎ≧３）用の転送パルスに従って転送する電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記電荷転送路に前記信号電荷を読み出し転送する前に該電荷転送路を掃出駆動用転送パルスで駆動するときの該掃出駆動用転送パルスの印加初期時に、前記電荷転送路を構成する連続する複数の転送電極のうち隣接する転送電極の夫々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの変位位置をずらすことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法における前記変位位置は掃出駆動用転送パルスの立ち上がり位置であることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記ｎ数の連続する前記転送電極の各々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの前記印加初期時における前記変位位置を順にずらすことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記ｎ数の連続する前記転送電極の各々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの前記印加初期時における各転送電極の電位を、１転送電極毎に変位させることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記掃出駆動用転送パルスの印加をピニング露光後に行うことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像装置は、上述したＣＣＤ型固体撮像素子と、上述したいずれかに記載の掃出駆動用転送パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に供給する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明よれば、電荷転送路を構成する連続する転送電極の各々に、同時に変位する（例えば同時に立ち上がる）転送パルスが電荷転送路掃出駆動初期時に印加されることがないため、電荷転送路が形成される半導体基板のＰウェル層の接地電位の揺れが抑制され、電荷逆注入が阻止される。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部１と、撮像部１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。

撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ１ｂと、光学レンズ系１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア１２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部１３が接続されている。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。図示する例のＣＣＤ型固体撮像素子の半導体基板上には、多数のフォトダイオード１０１（ＰＤ１〜ＰＤ８）が二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成されており、フォトダイオード１０１の各列に沿って垂直転送路１０２が形成されている。

各垂直転送路１２は、１つのフォトダイオード１０１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１０１とが読出ゲート１０３によって接続され、フォトダイオード１０１の受光電荷（信号電荷）が読出ゲート１０３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２に例示するＣＣＤ型固体撮像素子は、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１０８が転送パルスφＶ１〜φＶ８を供給することで、垂直転送制御（高速掃出駆動を含む）が行われる。この垂直転送路制御部１０８は、図１の駆動部４内に設けられる。

半導体基板の下辺部には水平転送路１０４が設けられ、各垂直転送路１０２によって垂直方向に転送されてきた信号電荷を受け取り、この信号電荷を次に水平方向に転送し、出力段のアンプ１０５を通して受光電荷量に応じた画像信号が出力される。

図３は、本発明の一実施形態に係る高速掃出駆動パルスを示すタイミングチャートである。Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８は、夫々、図２の垂直転送路１０２中に記載した電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８に印加する転送パルス（高速掃出駆動パルス）を示し、図２の垂直転送制御部１０８で発生される。

本実施形態のデジタルカメラでは、ユーザがシャッタボタンを半押ししたとき、露出計測や自動焦点合わせが行われ、絞り開口量やシャッタ速度がＣＰＵ９（図１参照）によって決定される。そして、シャッタボタンが全押しされたとき、電子シャッタが「開」になると共に前記シャッタ速度で決まる時間後にメカニカルシャッタ１ｂが「閉」となる。このとき、垂直転送路１０２の駆動は停止状態にあり、ピニング露光が行われる。

メカニカルシャッタ１ｂが「閉」になると、垂直転送路１０２が高速掃出駆動され、その後に、フォトダイオード１０１から垂直転送路１０２に信号電荷が読み出され、信号電荷が垂直転送路１０２に沿って水平転送路１０４まで転送される。

本実施形態の図３に示す高速掃出駆動では、図４で説明した従来例に比較して、パターンＡの部分が、高速掃出駆動の初期時に挿入される構成となっている。即ち、本実施形態では、８相駆動であるため、連続する８個の電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８のうち、連続する任意の複数の電極Ｖに、同時に転送パルスの変位位置（図示の例では、低レベル（例えば−８Ｖ）から高レベル（例えば０Ｖ）への立ち上がり位置）が来ないようにしている。

また、図示の例では、Ｖ２→Ｖ３→Ｖ４→Ｖ５→Ｖ６→Ｖ７→Ｖ８→Ｖ１→Ｖ２→…の順で、高速掃出駆動パルスが立ち上がる様にしている。上述した特許文献２では、フォトダイオードから垂直転送路に信号電荷を読み出す読出パルスが重ならないようにして、Ｐウェル層の接地電位の変動を抑制している。これは、読出パルスが高電位パルスであるため、多数の読出パルスが重なると、Ｐウェル層の接地電位が変動してしまうためである。

これに対し、高速掃出駆動パルスは、読出パルスに比較して低電位パルスであるため、高速掃出駆動パルスが複数重なっても（複数の高速掃出パルスの各ハイレベル位置が重なっても）、それほどＰウェル層の接地電位は変動しない。しかし、隣接する転送電極の夫々に印加される高速掃出駆動パルスの変位位置が一致すると、Ｐウェル層の接地電位が変動する虞が高くなる。このため、本実施形態では、連続する転送電極の夫々に印加する高速掃出パルスの変位位置がずれる様に、１電極毎に変位させている。これにより、高速掃出駆動時における電荷逆注入が阻止される。

図３に示す実施形態では、高速掃出パルスの印加初期時において、高速掃出パルスのパルス立ち上がり位置をＶ２→Ｖ３→Ｖ４→…と順に変位させているが、１転送電極毎に変位させればＰウェル層の接地電位の変動を抑制できるため、「順」に変位させる必要はない。つまり、高速掃出パルスの印加初期時におけるパルスでスミア電荷の転送が行われなくてもよい。スミア電荷の転送は、高速掃出パルスの印加初期時以後の高速掃出パルスによって転送される廃棄されるため問題はない。

尚、上述した実施形態では、８相駆動のＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、６相駆動や４相駆動など、少なくとも３相駆動以上のＣＣＤ型固体撮像素子であれば、本実施形態と同様の高速掃出駆動を行うことができる。また、フォトダイオードが半導体基板上に正方格子配列されたＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、二次元アレイ状に配列形成されたフォトダイオードの奇数行が偶数行に対して１／２ピッチづつずれた、所謂、ハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子にも適用可能であることはいうまでもない。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像装置及びその駆動方法は、垂直転送路の高速掃出駆動時に電荷逆注入が発生しないため、デジタルカメラ等に用いるＣＣＤ型固体撮像装置やその駆動方法として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の垂直転送路を高速掃出駆動する駆動パルスの一例を示すタイミングチャートである。 従来のＣＣＤ型固体撮像素子の垂直転送路を高速掃出駆動する駆動パルスのタイミングチャートである。

符号の説明

１ 撮像部
１ｂ メカニカルシャッタ
４ 駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）
１００ ＣＣＤ型固体撮像素子
１０１ フォトダイオード（光電変換素子）
１０２ 垂直転送路
１０３ 読出ゲート
１０４ 水平転送路
１０５ 出力アンプ
１０８ 垂直転送制御部
Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８ 垂直転送路の転送電極（８相駆動用）

Claims (6)

1. 半導体基板上にアレイ状に配列形成され夫々が受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と、各光電変換素子から読み出された前記信号電荷をｎ相駆動（ｎ≧３）用の転送パルスに従って転送する電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記電荷転送路に前記信号電荷を読み出し転送する前に該電荷転送路を掃出駆動用転送パルスで駆動するときの該掃出駆動用転送パルスの印加初期時に、前記電荷転送路を構成する連続する複数の転送電極のうち隣接する転送電極の夫々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの変位位置をずらすことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記変位位置は掃出駆動用転送パルスの立ち上がり位置であることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
3. 前記ｎ数の連続する前記転送電極の各々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの前記印加初期時における前記変位位置を順にずらすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記ｎ数の連続する前記転送電極の各々に印加する前記掃出駆動用転送パルスの前記印加初期時における各転送電極の電位を、１転送電極毎に変位させ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型固体撮像素子の駆動方法。
5. 前記掃出駆動用転送パルスの印加をピニング露光後に行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
6. 請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の掃出駆動用転送パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に供給する制御手段とを備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置。

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