JP2009070901A - Imaging element, imaging apparatus and method of driving imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射光に応じて信号電荷を生成し、信号電荷を出力部へ転送する撮像素子及び該撮像素子を備えた撮像装置、及び撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to an image sensor that generates a signal charge in response to incident light and transfers the signal charge to an output unit, an image pickup apparatus including the image sensor, and a method for driving the image sensor.
従来、デジタルカメラなどの撮像装置において、入射光に応じて信号電荷を生成し、該信号電荷を出力して画像データを生成するためのイメージセンサとして撮像素子が用いられている。撮像素子としては、撮像領域において行方向及び列方向に複数の光電変換部が配列され、各光電変換部において入射光を受光することで信号電荷を生成し、光電変換部から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部(VCCD)と、各垂直電荷転送部の転送方向下流側から転送される信号電荷を行方向へ転送する水平電荷転送部(HCCD)とを備えた固体撮像素子がある。水平電荷転送部は、転送方向に向かって直列状に配置され複数の電荷転送段を有し、複数の電荷転送段のそれぞれには、駆動回路から水平駆動信号が入力される。電荷転送時には、電荷転送段が水平駆動信号の印加電圧レベルに応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作することで、水平電荷転送部において信号電荷が水平転送される構成である。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an imaging device such as a digital camera, an image sensor is used as an image sensor for generating a signal charge according to incident light and outputting the signal charge to generate image data. As the imaging device, a plurality of photoelectric conversion units are arranged in the row direction and the column direction in the imaging region, and a signal charge is generated by receiving incident light in each photoelectric conversion unit, and the signal read from the photoelectric conversion unit A solid-state device including a vertical charge transfer unit (VCCD) that transfers charges in the column direction and a horizontal charge transfer unit (HCCD) that transfers signal charges transferred from the downstream side of each vertical charge transfer unit in the row direction. There is an image sensor. The horizontal charge transfer unit is arranged in series in the transfer direction and has a plurality of charge transfer stages. A horizontal drive signal is input from the drive circuit to each of the plurality of charge transfer stages. At the time of charge transfer, the charge transfer stage operates as a charge accumulation region or a barrier region in accordance with the applied voltage level of the horizontal drive signal, whereby the signal charge is horizontally transferred in the horizontal charge transfer unit.
固体撮像素子を備えた撮像装置としては、静止画記録モードと動画記録モードとを備えたものが開発されている。このような撮像装置では、静止画の画素数は、400万〜600万画素などの高画素であるが、動画撮像時の画素数は、高速処理を実現するため、少ない画素数となる。このため、動画記録モードでは、信号電荷の一部を垂直電荷転送部において加算(垂直加算)し、更に垂直電荷転送部から水平電荷転送部に信号電荷を転送した後、水平電荷転送部において信号電荷を加算(水平加算)することで実質的に画素が間引かれた画像データが生成される。 As an image pickup apparatus including a solid-state image pickup device, an image pickup apparatus having a still image recording mode and a moving image recording mode has been developed. In such an imaging apparatus, the number of pixels of a still image is a high pixel such as 4 million to 6 million pixels, but the number of pixels at the time of moving image capturing is a small number of pixels in order to realize high-speed processing. For this reason, in the moving image recording mode, a part of the signal charge is added (vertical addition) in the vertical charge transfer unit, and further, the signal charge is transferred from the vertical charge transfer unit to the horizontal charge transfer unit, and then the signal is transferred to the horizontal charge transfer unit. By adding charges (horizontal addition), image data in which pixels are substantially thinned out is generated.
固体撮像素子は、水平加算を実現するため、垂直電荷転送部の転送方向下流側において、該垂直電荷転送部と水平電荷転送部とのつなぎ目となる部分(転送接続部)にラインメモリを設けている。ラインメモリが所定の列の垂直電荷転送部によって垂直転送される信号電荷を一時的に蓄積させてから水平電荷転送部へ転送するため、水平電荷転送部において信号電荷の加算を行うことができる。従来、垂直電荷転送部と水平電荷転送部とのつなぎ目の部分にラインメモリ等を設ける構成としては、例えば、下記特許文献に示すものがある。 In order to realize horizontal addition, the solid-state imaging device is provided with a line memory at a portion (transfer connecting portion) that is a joint between the vertical charge transfer portion and the horizontal charge transfer portion on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer portion. Yes. Since the line memory temporarily accumulates the signal charge vertically transferred by the vertical charge transfer unit in a predetermined column and then transfers it to the horizontal charge transfer unit, the signal charge can be added in the horizontal charge transfer unit. Conventionally, as a configuration in which a line memory or the like is provided at a joint between a vertical charge transfer unit and a horizontal charge transfer unit, for example, there is a configuration shown in the following patent document.
また、現在、水平電荷転送部のサイズを拡大することなく、多画素化を進めた場合に、水平電荷転送部の電荷転送容量の減少、消費電力の増加、転送効率の劣化といった問題が生じる。そこで、水平電荷転送部の複数の電荷転送段のそれぞれに垂直電荷転送部が複数接続されている構成が検討されている。 Further, when the number of pixels is increased without increasing the size of the horizontal charge transfer unit, problems such as a decrease in charge transfer capacity, an increase in power consumption, and a deterioration in transfer efficiency of the horizontal charge transfer unit occur. Therefore, a configuration in which a plurality of vertical charge transfer units are connected to each of a plurality of charge transfer stages of the horizontal charge transfer unit has been studied.
ところで、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間にラインメモリ等のつなぎ目となる転送接続部において、信号電荷の転送効率と信号電荷の飽和量とがトレードオフの関係となる。特に、水平電荷転送部の複数の電荷転送段のそれぞれに垂直電荷転送部が複数接続されている構成では、上記従来の技術のように、全ての電荷転送段と垂直電荷転送部との間に、同じ障壁を形成することになる。すると、光電変換部で生成される信号電荷の電荷量が異なる撮像素子の場合には、信号電荷の電荷量が多い垂直電荷転送部に合わせて電荷転送段の駆動を行う必要があり、転送効率や転送時間にロスが生じてしまうことが懸念される。 By the way, in the transfer connection part which becomes a joint of a line memory etc. between the vertical charge transfer part and the horizontal charge transfer part, there is a trade-off relationship between the transfer efficiency of the signal charge and the saturation amount of the signal charge. In particular, in a configuration in which a plurality of vertical charge transfer units are connected to each of a plurality of charge transfer stages of the horizontal charge transfer unit, as in the above-described conventional technique, the interval between all the charge transfer stages and the vertical charge transfer unit. , Will form the same barrier. Then, in the case of an image sensor in which the amount of signal charge generated by the photoelectric conversion unit is different, it is necessary to drive the charge transfer stage in accordance with the vertical charge transfer unit having a large amount of signal charge. There is a concern that the transfer time may be lost.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、垂直電荷転送部から水平電荷転送部への信号電荷の飽和量を確保でき、転送効率の低下を防止できる撮像素子、撮像装置及び撮像素子の駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an image pickup device and an image pickup apparatus that can secure a saturation amount of signal charges from a vertical charge transfer unit to a horizontal charge transfer unit and prevent a decrease in transfer efficiency. And it is providing the drive method of an image pick-up element.
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
(1)撮像領域の列方向及び行方向に配列され、入射光に応じて信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれの転送方向下流から転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部と、
前記水平電荷転送部と前記転送接続部との間に形成された、転送される信号電荷のポテンシャルバリアとして機能する障壁と、を備え、
前記水平電荷転送部には、印加電圧に応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作する複数の電荷転送段が形成され、前記複数の電荷転送段のそれぞれに、前記垂直電荷転送部が複数接続され、各電荷転送段に接続された前記複数の垂直電荷転送部ごとに前記障壁のポテンシャル高さが異なることを特徴とする撮像素子。
(2)前記転送接続部が、前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記水平電荷転送部とを結ぶ複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とを有するラインメモリであって、
前記メモリ電極には、それぞれ独立に電圧が印加可能であることを特徴とする上記(1)に記載の撮像素子。
(3)1つの電荷転送段に接続された前記複数の前記垂直電荷転送部のうち、転送する信号電荷の電荷量が多い垂直電荷転送部の転送方向下流側の前記障壁が、他の垂直電荷転送部の転送方向下流側の前記障壁に比べて、列方向寸法が大きいことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の撮像素子。
(4)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して所定の画素を配列してなる画素列が形成され、前記画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に、前記画素列のうち生成される信号電荷の量に応じて異なるポテンシャル高さの前記障壁が形成されていることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の撮像素子。
(5)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して、R画素とB画素とからなる第1画素列とG画素からなる第2画素列とが形成され、前記障壁は、前記第2画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側が、前記第1画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に比べて、ポテンシャル高さが高いことを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の撮像素子。
(6)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して、R画素及びG画素、又は、G画素及びB画素とからなる第1画素列とW画素からなる第2画素列とが形成され、前記障壁は、前記第2画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側が、前記第1画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に比べて、ポテンシャル高さが高いことを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の撮像素子。
(7)前記障壁が、不純物をイオン注入することで形成された不純物拡散領域であることを特徴とする上記(1)から(6)に記載の撮像素子。
(8)上記(1)から(7)に記載の撮像素子を備えた撮像装置。
(9)撮像領域の列方向及び行方向に配列され、入射光に応じて信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれの転送方向下流から転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部と、
前記水平電荷転送部と前記転送接続部との間に形成された、転送される信号電荷のポテンシャルバリアとして機能する障壁と、を備えた撮像素子の駆動方法であって、
前記水平電荷転送部に形成された複数の電荷転送段のそれぞれに、前記垂直電荷転送部が複数接続され、各電荷転送段に接続された前記複数の前記垂直電荷転送部ごとに前記障壁のポテンシャル高さが異なり、転送接続部が前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記水平電荷転送部とを結ぶ複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とを有するラインメモリであって、前記ラインメモリから前記水平電荷転送部に信号電荷を転送する際に、前記障壁の前記ポテンシャル高さに応じて、前記メモリ電極に転送時間が異なる駆動信号を印加することを特徴とする撮像素子の駆動方法。
(10)1つの電荷転送段に接続された前記複数の前記垂直電荷転送部のうち、転送する信号電荷の電荷量が多い垂直電荷転送部の転送方向下流側の前記障壁が、他の垂直電荷転送部の転送方向下流側の前記障壁に比べて、列方向寸法が大きいことを特徴とする上記(9)に記載の撮像素子の駆動方法。
(11)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して所定の画素を配列してなる画素列が形成され、前記画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に、前記画素列のうち生成される信号電荷の量に応じて異なるポテンシャル高さの前記障壁が形成されていることを特徴とする上記(9)又は(10)に記載の撮像素子の駆動方法。
(12)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して、R画素とB画素とからなる第1画素列とG画素からなる第2画素列とが形成され、前記障壁は、前記第2画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側が、前記第1画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に比べて、ポテンシャル高さが高いことを特徴とする上記(9)から(11)のいずれか1つに記載の撮像素子の駆動方法。
(13)前記複数の光電変換部の前記行方向に対応して、R画素及びG画素、又は、G画素及びB画素とからなる第1画素列とW画素からなる第2画素列とが形成され、前記障壁は、前記第2画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側が、前記第1画素列の信号電荷を転送する前記垂直電荷転送部の転送方向下流側に比べて、ポテンシャル高さが高いことを特徴とする上記(9)から(11)のいずれか1つに記載の撮像素子の駆動方法。
(14)前記障壁が、不純物をイオン注入することで形成された不純物拡散領域であることを特徴とする上記(9)から(13)のいずれか1つに記載の撮像素子の駆動方法。
The above object of the present invention is achieved by the following configurations.
(1) A plurality of photoelectric conversion units that are arranged in the column direction and the row direction of the imaging region and generate signal charges according to incident light;
A plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photoelectric conversion unit in a column direction;
A horizontal charge transfer unit for transferring the signal charge transferred from the downstream in the transfer direction of each of the plurality of vertical charge transfer units in a row direction;
A transfer connection portion formed at an end on the downstream side in the transfer direction of the plurality of vertical charge transfer portions;
A barrier formed between the horizontal charge transfer unit and the transfer connection unit and functioning as a potential barrier of the transferred signal charge,
The horizontal charge transfer unit is formed with a plurality of charge transfer stages that operate as a charge accumulation region or a barrier region according to an applied voltage, and a plurality of the vertical charge transfer units are connected to each of the plurality of charge transfer stages. An image pickup device, wherein the potential height of the barrier is different for each of the plurality of vertical charge transfer units connected to each charge transfer stage.
(2) The transfer connection portion is provided independently above each of the plurality of charge storage regions connecting each of the plurality of vertical charge transfer portions and the horizontal charge transfer portion, and above each of the plurality of charge storage regions. A line memory having a memory electrode,
The image pickup device according to (1), wherein a voltage can be independently applied to each of the memory electrodes.
(3) Among the plurality of vertical charge transfer units connected to one charge transfer stage, the barrier on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit having a large amount of signal charge to be transferred is another vertical charge. The imaging device according to (1) or (2), wherein a dimension in a column direction is larger than the barrier on the downstream side in the transfer direction of the transfer unit.
(4) A pixel column formed by arranging predetermined pixels corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units is formed, and the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit that transfers signal charges of the pixel column The barriers having different potential heights are formed according to the amount of signal charges generated in the pixel columns, according to any one of (1) to (3), Image sensor.
(5) A first pixel column including R pixels and B pixels and a second pixel column including G pixels are formed corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units, and the barrier includes the first pixel column. The potential height is higher on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit for transferring the signal charges of the two pixel columns than on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit for transferring the signal charges on the first pixel column. The imaging device according to any one of (1) to (4) above, wherein
(6) A first pixel column composed of R pixels and G pixels, or G pixels and B pixels, and a second pixel column composed of W pixels are formed corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units. The barrier includes a downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit that transfers the signal charges of the second pixel column, and a downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit that transfers the signal charges of the first pixel column. The imaging device according to any one of (1) to (4), wherein the potential height is higher than that of the imaging device.
(7) The imaging device according to any one of (1) to (6), wherein the barrier is an impurity diffusion region formed by ion implantation of impurities.
(8) An imaging device including the imaging device according to (1) to (7) above.
(9) A plurality of photoelectric conversion units that are arranged in the column direction and the row direction of the imaging region and generate signal charges according to incident light;
A plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photoelectric conversion unit in a column direction;
A horizontal charge transfer unit for transferring the signal charge transferred from the downstream in the transfer direction of each of the plurality of vertical charge transfer units in a row direction;
A transfer connection portion formed at an end on the downstream side in the transfer direction of the plurality of vertical charge transfer portions;
A barrier that functions as a potential barrier for transferred signal charges, formed between the horizontal charge transfer section and the transfer connection section,
A plurality of the vertical charge transfer units are connected to each of a plurality of charge transfer stages formed in the horizontal charge transfer unit, and the potential of the barrier for each of the plurality of vertical charge transfer units connected to each charge transfer stage. The transfer connection portions are provided independently of each other above the plurality of charge storage regions and the plurality of charge storage regions that connect each of the plurality of vertical charge transfer portions and the horizontal charge transfer portion. A line memory having a memory electrode, wherein when the signal charge is transferred from the line memory to the horizontal charge transfer unit, the transfer time varies depending on the potential height of the barrier. A method for driving an image sensor, wherein a signal is applied.
(10) Of the plurality of vertical charge transfer units connected to one charge transfer stage, the barrier on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit having a large amount of signal charge to be transferred is another vertical charge. The image sensor driving method according to (9) above, wherein the dimension in the column direction is larger than the barrier on the downstream side of the transfer unit in the transfer direction.
(11) A pixel column in which predetermined pixels are arranged corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units is formed, and the transfer direction downstream side of the vertical charge transfer unit that transfers signal charges of the pixel column The image sensor driving method according to (9) or (10), wherein the barriers having different potential heights are formed according to the amount of signal charges generated in the pixel columns. .
(12) Corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units, a first pixel column including R pixels and B pixels and a second pixel column including G pixels are formed, and the barrier includes the first pixel column. The potential height is higher on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit for transferring the signal charges of the two pixel columns than on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit for transferring the signal charges on the first pixel column. The image pickup element driving method according to any one of (9) to (11) above, wherein:
(13) A first pixel column including R pixels and G pixels, or G pixels and B pixels, and a second pixel column including W pixels are formed corresponding to the row direction of the plurality of photoelectric conversion units. The barrier includes a downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit that transfers the signal charges of the second pixel column, and a downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit that transfers the signal charges of the first pixel column. The image sensor driving method according to any one of (9) to (11) above, wherein the potential height is higher than that of the image sensor.
(14) The image sensor driving method according to any one of (9) to (13), wherein the barrier is an impurity diffusion region formed by ion implantation of impurities.
本発明の撮像素子は、水平電荷転送部の電荷転送段ごとに複数の垂直電荷転送部が接続された構成であって、各電荷転送段に接続された複数の垂直電荷転送部ごとに障壁のポテンシャル高さが異なる。すると、転送接続部から水平電荷転送部に信号電荷を転送する際に、ポテンシャル高さが高い障壁では、転送速度が低下するものの、信号電荷の飽和量を増加させることができる。一方で、ポテンシャル高さが低い障壁では、信号電荷の飽和量が低下するものの、転送速度を向上させることができる。このような構成によれば、所定の画素配列において、光電変換部で生成される信号電荷の量が多い画素と信号電荷の量が少ない画素が存在する場合に、信号電荷の多い画素の列方向に配置された垂直電荷転送部の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁を形成し、信号電荷の低い画素の列方向に配置された垂直電荷転送部の転送方向下流側にポテンシャル高さの低い障壁を形成することができる。このとき、信号電荷の多い画素列の垂直電荷転送部の転送方向下流側の障壁のポテンシャル高さを高くすることで信号電荷の飽和量を確保することができる。また、障壁のポテンシャル高さに応じてそれぞれの転送接続部の転送時間を調節することで、信号電荷の飽和量を確保しつつ、転送効率を向上させることができる。こうすれば、ポテンシャル高さの高い障壁に信号電荷を転送する転送接続部のみ転送時間を長くすればよいため、フレームレートの低下を最小限に抑えることができる。 The imaging device of the present invention has a configuration in which a plurality of vertical charge transfer units are connected to each charge transfer stage of the horizontal charge transfer unit, and a barrier is provided to each of the plurality of vertical charge transfer units connected to each charge transfer stage. The potential height is different. Then, when the signal charge is transferred from the transfer connection portion to the horizontal charge transfer portion, the saturation amount of the signal charge can be increased with a barrier having a high potential height although the transfer speed is reduced. On the other hand, a barrier having a low potential height can improve the transfer rate although the saturation amount of signal charge is reduced. According to such a configuration, in a predetermined pixel arrangement, when there are pixels with a large amount of signal charge generated by the photoelectric conversion unit and pixels with a small amount of signal charge, the column direction of pixels with a large amount of signal charge A barrier with a high potential height is formed on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit arranged in the vertical direction, and the potential height is set on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit arranged in the column direction of the pixel with a low signal charge. A low barrier can be formed. At this time, the saturation amount of the signal charge can be ensured by increasing the potential height of the barrier on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit of the pixel column with a large amount of signal charge. In addition, by adjusting the transfer time of each transfer connection portion according to the potential height of the barrier, it is possible to improve transfer efficiency while securing a saturation amount of signal charge. In this case, it is only necessary to lengthen the transfer time only for the transfer connection portion that transfers the signal charge to the barrier having a high potential, so that the decrease in the frame rate can be minimized.
本発明によれば、垂直電荷転送部から水平電荷転送部への信号電荷の飽和量を確保でき、転送効率の低下を防止できる撮像素子、撮像装置及び撮像素子の駆動方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the saturation amount of the signal charge from a vertical charge transfer part to a horizontal charge transfer part can be ensured, and the imaging device which can prevent the fall of transfer efficiency, an imaging device, and the drive method of an image sensor can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明にかかる撮像素子の構成を示す図である。固体撮像素子10は、シリコンなどの半導体基板上に撮像領域が区画され、該撮像領域の列方向(図1中の上下方向)及び行方向(図1中の左右方向)に複数の光電変換素子12がマトリクス状に配列されている。光電変換素子12は、入射光を光電変換し、該入射光に応じた信号電荷を生成する構成で、例えば、フォトダイオードなどによって構成することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image sensor according to the present invention. The solid-
光電変換素子12の列同士の間には、列方向に延設された垂直電荷転送部14がそれぞれ設けられている。垂直電荷転送部14は、列方向に配列された複数の電荷転送電極を備え、各電荷転送電極には垂直駆動信号が入力される。複数の電荷転送電極のそれぞれと、各電荷転送電極に対応して半導体基板表面側に形成された転送チャネルとによって転送段が構成される。各転送段に所定の垂直駆動信号が入力されることで、信号電荷が列方向に沿って転送される。それぞれの垂直電荷転送部14の転送方向に向かって端部に位置する最終の転送段には、転送接続部として機能するラインメモリ18が接続されている。ラインメモリ18はそれぞれ、水平電荷転送部16に接続されている。水平電荷転送部16は、ラインメモリ18から転送された信号電荷を行方向(図1では左方向)に転送し、出力アンプ22から出力する。
Between the columns of the
図2は、図1に示す撮像素子の破線で囲まれた部位の構成を説明する拡大図である。
図2に示すように、ラインメモリ18は、垂直電荷転送部14のそれぞれと水平電荷転送部16とを結ぶ電荷蓄積領域21を有している。電荷蓄積領域21は、例えば、撮像素子10のn型半導体基板上に形成されるpウェル層内にn型不純物イオンをイオン注入することによって形成された不純物拡散領域とすることができる。また、ラインメモリ18は、電荷蓄積領域21上に独立して設けられたメモリ電極25を有している。ラインメモリ18には、行方向に隣り合うラインメモリ18に対して電気的絶縁を確保するための分離領域24が、隣り合うラインメモリ18との境界部分に設けられている。なお、図2では、説明のため、ラインメモリ18のメモリ電極25を透視した状態を示している。
FIG. 2 is an enlarged view illustrating a configuration of a part surrounded by a broken line of the image sensor shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the
水平電荷転送部16は、転送電極26aと転送電極26bとのペアからなる電極組を備え、この電極組を水平方向に直列状に配列した構成を有している。水平電荷転送部16を2相駆動する場合には、電極組は、水平転送パルスφH1が印加される第1電極組と、水平転送パルスφH2が印加される第2電極組とから構成され、第1電極組と第2電極組とが水平方向に交互に配置される。このような構成においては、印加される水平転送パルスφH1,φH2の印加電圧のレベルに応じて、第1電極組及び第2電極組のうち一方の下方領域が電荷蓄積領域として動作し、他方の下方領域が電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。このように、水平電荷転送路2には、第1電極組と第2電極組との重なる部分により、印加電圧に応じてバリア領域又は電荷蓄積領域として動作する複数の電荷転送段が形成される。
The horizontal
水平電荷転送部16の各電荷転送段には、隣接する2つの垂直電荷転送路14の各々が電荷蓄積領域21を介して接続されている。各電荷転送段に接続される2つの電荷蓄積領域21のうち、水平電荷転送部16の電荷転送方向上流側(図中右側)にある電荷蓄積領域21上方のメモリ電極25には、ラインメモリパルスφLM1が印加され、水平電荷転送路16の電荷転送方向下流側(図中左側)にある電荷蓄積領域21上方のメモリ電極25には、ラインメモリパルスφLM2が印加される。ラインメモリパルスφLM1,φLM2は、それぞれハイレベルとローレベルの状態をとることができ、ラインメモリ18から水平電荷転送部16へ信号電荷を転送する際に駆動信号として機能する。
Each of the adjacent vertical
水平電荷転送部16とラインメモリ18との間には、水平電荷転送部16に転送される信号電荷のポテンシャルバリアとして機能する障壁23が形成されている。障壁23は、撮像素子10の半導体基板表面に不純物イオンをイオン注入することによって形成された不純物拡散領域とすることができる。
A
本実施形態の撮像素子10によれば、水平電荷転送部16の1つの電荷転送段に対して2つの垂直電荷転送部14を接続し、この2つの垂直電荷転送部14に接続された電荷蓄積領域21上方の2つのメモリ電極25にそれぞれ独立に電圧を印加可能とすることで、ラインメモリ18から水平電荷転送路16へ転送する電荷を選択することができる。このため、消費電力を増加させることなく、水平電荷転送部14の電荷転送容量を増加することができる。又、電荷転送段数を減少させることができるため、転送効率の劣化を防ぐこともできる。
According to the
なお、本実施形態では、水平電荷転送部16の各電荷転送段に2つの垂直電荷転送路14が接続されるものとしているが、本発明にかかる撮像素子では、各電荷転送段に接続される垂直電荷転送路1の数は3つ以上であってもよい。
In the present embodiment, two vertical
撮像素子10は、水平電荷転送部16の電荷転送段に接続された2つの垂直電荷転送部14ごとに障壁23のポテンシャル高さが異なる構成を有している。具体的には、1つの電荷転送段に接続された2つの垂直電荷転送部14のうち、転送する信号電荷の電荷量が多い垂直電荷転送部(本実施形態では、図2中右側の垂直電荷転送部とした。)の転送方向下流側の障壁23bが、他の垂直電荷転送部(図2中左側の垂直電荷転送部とした。)の転送方向下流側の障壁23aに比べて、列方向寸法が大きくなるように形成している。なお、障壁23aを形成する手順は、後述する。
The
図3は、図2の撮像素子の点線で示した部分の、信号電荷の転送時におけるポテンシャル勾配を示す図である。図4は、図2の撮像素子の点線で示した部分の、信号電荷を保持している状態におけるポテンシャル勾配を示す図である。図3(a)及び図4(a)において「左側」とは、図2の左側の垂直電荷転送部の転送方向下流側の点線で示すポテンシャルを意味し、図3(b)及び図4(b)において「右側」とは、図2の右側の垂直電荷転送部の転送方向下流側の点線で示すポテンシャルを意味している。 FIG. 3 is a diagram showing a potential gradient at the time of signal charge transfer in a portion indicated by a dotted line of the image sensor in FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a potential gradient in a state where a signal charge is held in a portion indicated by a dotted line of the image sensor in FIG. In FIG. 3A and FIG. 4A, “left side” means a potential indicated by a dotted line on the downstream side in the transfer direction of the left vertical charge transfer unit in FIG. 2, and FIG. In b), “right side” means a potential indicated by a dotted line on the downstream side in the transfer direction of the vertical charge transfer unit on the right side of FIG.
図3は、ラインメモリ18に低い電圧が印加され、水平電荷転送部16に高い電圧が印加されることで、信号電荷がラインメモリ18から水平電荷転送部16に転送されている状態を示している。右側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23bの方が、左側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23aよりもポテンシャル高さが高いため、信号電荷の転送速度が遅くなるが、信号電荷の飽和量が左側よりも大きくなる。反対に、左側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23aの方は、右側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23bよりもポテンシャル高さが低いため、信号電荷の転送速度が速くなるものの、信号電荷の飽和量が右側よりも小さくなる。
FIG. 3 shows a state in which a signal charge is transferred from the
図4は、ラインメモリ18と水平電荷転送部16に低い電圧が印加されることで、信号電荷がラインメモリ18から水平電荷転送部16に転送されず、保持されている状態を示している。右側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23bの方が、左側のラインメモリ18の転送方向下流側にある障壁23aよりもポテンシャル高さがより高くなる。
FIG. 4 shows a state in which a signal charge is not transferred from the
本実施系形態では、ラインメモリ18が各垂直電荷転送部14の転送方向下流側の端部に形成され、転送接続部として機能する構成を例に説明したが、転送接続部はこれに限定されない。例えば、ラインメモリ18を形成せずに、垂直電荷転送部14の転送方向下流側端部の最終の転送段を転送接続部として、垂直電荷転送部から水平電荷転送部に信号電荷が転送される構成とすることもできる。このとき、垂直電荷転送部14と水平電荷転送部16との間に障壁を形成し、水平電荷転送部16の電荷転送段のそれぞれに、垂直電荷転送部14が複数接続され、各電荷転送段に接続された複数の垂直電荷転送部14ごとに障壁23のポテンシャル高さが異なる構成とすればよい。
In the present embodiment, the
本発明の撮像素子10は、水平電荷転送部16の電荷転送段ごとに複数の垂直電荷転送部14が接続された構成であって、各電荷転送段に接続された複数の垂直電荷転送部14ごとに障壁23(23a,23b)のポテンシャル高さが異なる。すると、ラインメモリ18から水平電荷転送部16に信号電荷を転送する際に、ポテンシャル高さが高い障壁23bでは、転送速度が低下するものの、信号電荷の飽和量を増加させることができる。一方で、ポテンシャル高さが低い障壁23aでは、信号電荷の飽和量が低下するものの、転送速度を向上させることができる。このような構成によれば、所定の画素配列において、光電変換部12で生成される信号電荷量が多い画素と信号電荷量が少ない画素が存在する場合に、信号電荷量の多い画素の列方向に配置された垂直電荷転送部14の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁23bを形成し、信号電荷量の少ない画素の列方向に配置された垂直電荷転送部の転送方向下流側にポテンシャル高さの低い障壁23aを形成することができる。このとき、信号電荷量の多い画素列の垂直電荷転送部14の転送方向下流側の障壁23のポテンシャル高さを高くすることで信号電荷の飽和量を確保することができる。また、障壁23のポテンシャル高さに応じてそれぞれのラインメモリ18の転送時間を調節することで、信号電荷の飽和量を確保しつつ、転送効率を向上させることができる。こうすれば、ポテンシャル高さの高い障壁23bに信号電荷を転送するラインメモリ18のみ転送時間を長く制御することで、フレームレートの低下を最小限に抑えることができる。
The
図5は、撮像素子の障壁を形成する手順の一例を説明する図である。図5に示すように、なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a procedure for forming a barrier of the image sensor. As shown in FIG. 5, in the embodiment described below, members having the same configuration / action as those already described are denoted by the same or corresponding reference numerals in the drawing. Simplify or omit.
障壁23を形成する前に、予め水平電荷転送部16の、ポテンシャル高さの低い障壁23aを形成する側の転送電極26aを第1ポリシリコンによって形成する。その後、障壁23を形成するマスクMによって、ラインメモリ18と水平電荷転送部16との間の水平方向に延在する長尺帯形状の領域をイオン注入によって障壁23の不純物イオンをイオン注入する。図5において、マスクMによって不純物イオンを打ち込む領域をハッチングで示している。このとき、イオン注入される領域の一部が転送電極26aの一部と重複し、重複した領域においてはイオン注入されず、結果として障壁23が形成されず、転送領域26aが形成ていない側に、垂直方向(図5中の上下方向)に寸法の長い障壁23bが形成される。その後、第2ポリシリコンで障壁23bの転送方向下流側(図5の下側)に転送電極26bを形成する。こうすれば、一枚のマスクMを用いて一回のイオン注入を行うことで、イオン注入の際に注入するイオン濃度などを変更することなく、垂直電荷転送部14の位置に対応させて形状の異なる障壁23をセルフアラインによって形成することができる。
Before forming the
次に、上記構成の撮像素子を参照して、撮像素子の駆動方法の手順を説明する。
図6は、撮像素子のラインメモリから水平電荷転送部へ信号電荷を転送する際のタイミングチャートを示している。図6(a)は、図2に示す撮像素子10において、左側の垂直電荷転送部14に対応する、ポテンシャル高さの低い障壁23aから水平電荷転送部14へ転送する場合を示し、図6(b)は、右側の垂直電荷転送部14に対応する、ポテンシャル高さの高い障壁23bから水平電荷転送部14へ転送する場合を示している。
Next, the procedure of the driving method of the image sensor will be described with reference to the image sensor having the above configuration.
FIG. 6 shows a timing chart when signal charges are transferred from the line memory of the image sensor to the horizontal charge transfer unit. 6A shows a case where transfer is performed from the
図6(a)及び(b)に示すように、ポテンシャル高さの高い障壁23bから水平電荷転送部16へ信号電荷を転送する場合には、ポテンシャル高さの低い障壁23aよりも転送時間が長くなる。このとき、転送不良による縦筋などの不具合を回避するため、ポテンシャル高さの高い障壁23bの転送方向上流側のラインメモリ18の転送時間t2をポテンシャル高さの低い障壁23aの転送方向上流側のラインメモリ18の転送時間t1より長くなるように制御する。従来の撮像素子では、信号電荷の飽和量を大きくした場合には、飽和量が小さいラインも含めて全てのラインにおいて転送時間を長くする必要があった。上記のように、ポテンシャル高さの異なる障壁を設けた構成において、障壁ごとにそのラインメモリの転送時間の長さを制御することで、フレームレートの低下を最小限に抑えることができる。転送時間の長さは、ラインメモリ18のメモリ電極25に転送時間(ハイレベル又はローレベルとなる期間)が異なるラインメモリパルスを印加することによって制御することができる。本実施形態では、半分のラインのみ、ラインメモリの転送時間を長くすればよい。水平転送時にブランキングレス駆動などを行う場合には、ラインメモリ18の転送時間の短縮はフレームレートに大きな影響を与えるため、効果が顕著である。
As shown in FIGS. 6A and 6B, when signal charges are transferred from the
上記実施形態の撮像素子10は、撮像領域の行方向及び列方向に配列された複数の光電変換部12の行方向に対応して所定の画素を配列してなる画素列が形成され、画素列の信号電荷を転送する垂直電荷転送部14の転送方向下流側に、画素列のうち生成される信号電荷の量に応じて異なるポテンシャル高さの障壁23を形成することができる。
In the
図7は、撮像素子の光電変換部に対応してR画素、G画素、B画素からなる画素配列を有する構成を示す図である。図8は、撮像素子の光電変換部に対応してR画素、G画素、B画素、W画素からなる画素配列を有する構成を示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration having a pixel array including R pixels, G pixels, and B pixels corresponding to the photoelectric conversion unit of the image sensor. FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration having a pixel array including R pixels, G pixels, B pixels, and W pixels corresponding to the photoelectric conversion unit of the image sensor.
図7に示す画素配列は、列方向及び行方向に配置した画素のうち、列方向に配列されてなる画素列それぞれが、隣り合う画素列に対して画素が1/2ピッチだけずれた位置に設けられている。また、R画素とB画素となる第1画素列とG画素の第2画素列を行方向に交互に配置している。通常、R画素とB画素となる画素列から読み出される信号電荷の量よりもG画素の画素列から読み出される信号電荷の量が多くなる。このため、信号電荷の量が少ない第1画素列に対応する垂直電荷転送部14の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁23aが配置され、信号電荷の量が多い第2画素列に対応する垂直電荷転送部14の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁23bが配置されるように構成する。こうすれば、画素配列に基づく信号電荷の量の相違に応じて、ラインメモリ18の信号電荷の飽和量を確保することができる。
In the pixel array shown in FIG. 7, among the pixels arranged in the column direction and the row direction, each of the pixel columns arranged in the column direction is located at a position where the pixels are shifted by 1/2 pitch with respect to the adjacent pixel columns. Is provided. In addition, first pixel columns that are R pixels and B pixels and second pixel columns that are G pixels are alternately arranged in the row direction. Usually, the amount of signal charge read from the pixel column of the G pixel is larger than the amount of signal charge read from the pixel column of the R pixel and B pixel. For this reason, a
図8に示す画素配列は、図7と同様に、列方向及び行方向に配置した画素のうち、列方向に配列されてなる画素列それぞれが、隣り合う画素列に対して画素が1/2ピッチだけずれた位置に設けられている。また、R画素及びG画素、又は、G画素及びB画素とからなる第1画素列と、W(ホワイト)画素のみからなる第2画素列を行方向に交互に配置している。通常、R画素及びG画素、又は、G画素及びB画素とからなる第1画素列から読み出される信号電荷の量よりもW画素の第2画素列から読み出される信号電荷の量が多くなる。このため、信号電荷の量が少ない第1画素列に対応する垂直電荷転送部14の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁23aが配置され、信号電荷の量が多い第2画素列に対応する垂直電荷転送部14の転送方向下流側にポテンシャル高さの高い障壁23bが配置されるように構成する。こうすれば、画素配列に基づく信号電荷の量の相違に応じて、ラインメモリ18の信号電荷の飽和量を確保することができる。
8, as in FIG. 7, among the pixels arranged in the column direction and the row direction, each of the pixel columns arranged in the column direction has half the pixels with respect to the adjacent pixel columns. It is provided at a position shifted by the pitch. In addition, first pixel columns made up of R pixels and G pixels, or G pixels and B pixels, and second pixel columns made up of only W (white) pixels are alternately arranged in the row direction. Usually, the amount of signal charge read from the second pixel column of W pixels is larger than the amount of signal charge read from the first pixel column consisting of R pixels and G pixels, or G pixels and B pixels. For this reason, a
本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置によれば、垂直電荷転送部から水平電荷転送部への転送効率を向上することできる。また、信号電荷の飽和量も適切に確保することができ、出力した画像に縦筋などの不具合が発生することを回避することができる。 According to the imaging device including the imaging device according to the present invention, it is possible to improve the transfer efficiency from the vertical charge transfer unit to the horizontal charge transfer unit. Further, the saturation amount of the signal charge can be ensured appropriately, and it is possible to avoid the occurrence of problems such as vertical stripes in the output image.
10 撮像素子
12 光電変換部
14 垂直電荷転送部
16 水平電荷転送部
18 ラインメモリ(転送接続部)
23(23a,23b) 障壁
DESCRIPTION OF
23 (23a, 23b) Barrier
Claims (14)
前記光電変換部で生成された信号電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれの転送方向下流から転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部と、
前記水平電荷転送部と前記転送接続部との間に形成された、転送される信号電荷のポテンシャルバリアとして機能する障壁と、を備え、
前記水平電荷転送部には、印加電圧に応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作する複数の電荷転送段が形成され、前記複数の電荷転送段のそれぞれに、前記垂直電荷転送部が複数接続され、各電荷転送段に接続された前記複数の垂直電荷転送部ごとに前記障壁のポテンシャル高さが異なることを特徴とする撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion units arranged in the column direction and the row direction of the imaging region and generating signal charges according to incident light;
A plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photoelectric conversion unit in a column direction;
A horizontal charge transfer unit for transferring the signal charge transferred from the downstream in the transfer direction of each of the plurality of vertical charge transfer units in a row direction;
A transfer connection portion formed at an end on the downstream side in the transfer direction of the plurality of vertical charge transfer portions;
A barrier formed between the horizontal charge transfer unit and the transfer connection unit and functioning as a potential barrier of the transferred signal charge,
The horizontal charge transfer unit is formed with a plurality of charge transfer stages that operate as a charge accumulation region or a barrier region according to an applied voltage, and a plurality of the vertical charge transfer units are connected to each of the plurality of charge transfer stages. An image pickup device, wherein the potential height of the barrier is different for each of the plurality of vertical charge transfer units connected to each charge transfer stage.
前記メモリ電極には、それぞれ独立に電圧が印加可能であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 A plurality of charge storage regions each connecting the plurality of vertical charge transfer units and the horizontal charge transfer unit; and a memory electrode provided independently above each of the plurality of charge storage regions. A line memory having
The image sensor according to claim 1, wherein a voltage can be independently applied to each of the memory electrodes.
前記光電変換部で生成された信号電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれの転送方向下流から転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記複数の垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部と、
前記水平電荷転送部と前記転送接続部との間に形成された、転送される信号電荷のポテンシャルバリアとして機能する障壁と、を備えた撮像素子の駆動方法であって、
前記水平電荷転送部に形成された複数の電荷転送段のそれぞれに、前記垂直電荷転送部が複数接続され、各電荷転送段に接続された前記複数の前記垂直電荷転送部ごとに前記障壁のポテンシャル高さが異なり、転送接続部が前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記水平電荷転送部とを結ぶ複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とを有するラインメモリであって、前記ラインメモリから前記水平電荷転送部に信号電荷を転送する際に、前記障壁の前記ポテンシャル高さに応じて、前記メモリ電極に転送時間が異なる駆動信号を印加することを特徴とする撮像素子の駆動方法。 A plurality of photoelectric conversion units arranged in the column direction and the row direction of the imaging region and generating signal charges according to incident light;
A plurality of vertical charge transfer units that transfer signal charges generated in the photoelectric conversion unit in a column direction;
A horizontal charge transfer unit for transferring the signal charge transferred from the downstream in the transfer direction of each of the plurality of vertical charge transfer units in a row direction;
A transfer connection portion formed at an end on the downstream side in the transfer direction of the plurality of vertical charge transfer portions;
A barrier that functions as a potential barrier for transferred signal charges, formed between the horizontal charge transfer section and the transfer connection section,
A plurality of the vertical charge transfer units are connected to each of a plurality of charge transfer stages formed in the horizontal charge transfer unit, and the potential of the barrier for each of the plurality of vertical charge transfer units connected to each charge transfer stage. The transfer connection portions are provided independently of each other above the plurality of charge storage regions and the plurality of charge storage regions that connect each of the plurality of vertical charge transfer portions and the horizontal charge transfer portion. A line memory having a memory electrode, wherein when the signal charge is transferred from the line memory to the horizontal charge transfer unit, the transfer time varies depending on the potential height of the barrier. A method for driving an image sensor, wherein a signal is applied.
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