JP2009290614A - 固体撮像装置とその駆動方法及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく画素混合を行うことが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】ＶＤｒ１１０は、垂直ＣＣＤ２１０が、バリア領域で区切られる連続したウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送し、かつ、複数個のパケットの電荷転送が停止する待機期間が、パケットによる電荷転送が行われる転送期間よりも長くなり、かつ、待機期間においては、バリア領域として動作する電荷転送段が、７段以上の電荷転送段のうちの少なくとも隣接する３段となり、かつ、待機期間においてバリア領域として動作する隣接する複数段の電荷転送段のうち、最も下流に位置する電荷転送段が少なくとも電荷転送方向にポテンシャルが傾斜した電荷転送段であるように垂直ＣＣＤ２１０による電荷転送を制御する。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特にＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置に関する。

一般的に、ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ等の撮像装置を構成する固体撮像装置には、ＣＣＤ型固体撮像装置が利用されている。ＣＣＤ型固体撮像装置においては、光入射によりフォトダイオードで生成された信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出され、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより電荷検出部（ＦＤ部）まで転送される。

このようなＣＣＤ型固体撮像装置に関し、画素混合を行って映像信号の出力スピードを向上させる技術が例えば特許文献１に開示されている。このＣＣＤ型固体撮像装置では、垂直ＣＣＤの最終段に、他の列の垂直ＣＣＤとは独立に駆動を制御できる転送部が設けられている。そして、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの信号電荷の読み出しが列毎に独立に制御され、水平方向に複数画素の信号電荷が水平ＣＣＤ内で混合される。
特開２００４−１８０２８４号公報

ところで、固体撮像装置の小型化を実現するためにＣＣＤの面積を縮小すると、ＣＣＤのゲート寸法の仕上がり、不純物プロファイルの微妙なばらつき、あるいはゲート絶縁膜の微妙なばらつきに起因してＣＣＤのバリア領域に転送劣化箇所が発生する。例えば１２相駆動の垂直ＣＣＤにおいて、図９の垂直ＣＣＤにおけるポテンシャル分布に示されるように隣接する２つの駆動電極Ｖ１及びＶ２にローレベルの駆動パルスが印加され、該２つの駆動電極Ｖ１及びＶ２下のバリア領域に転送劣化箇所（図９のＡ）が発生する。この転送劣化箇所には垂直転送されているパケット（バリア領域で区切られる連続したウェル領域で転送される信号電荷）４００の一部がトラップされる。そして、垂直転送を停止すると、トラップされた信号電荷が放出され、ウェル領域に蓄積されているパケットに加算される。特許文献１に記載の固体撮像装置は、この現象の影響を受け、転送されるパケットの電荷量がばらつく。これについて図１０の垂直ＣＣＤにおけるポテンシャル分布の変化図を用いて詳述する。

特許文献１に記載の固体撮像装置では、例えば、画素混合を行う場合（９画素の画素混合を行う場合）、１パケット（１画素分の信号電荷）では無く３パケット（３画素分の信号電荷）を水平ＣＣＤに転送した後に垂直転送が停止される待機期間となる（図１０（ａ））。このとき、段間のバリア領域の転送劣化箇所（図１０のＡ）には、信号電荷がトラップされている。このトラップされた信号電荷は、垂直転送が停止されている間に、ウェル領域に蓄積されているパケットに加算される（図１０（ｂ））。そして、垂直転送が再開されると、転送劣化箇所を通過する次のパケットの一部が転送劣化箇所にトラップされる（図１０（ｃ））。このトラップされた信号電荷は、パケットを１段転送するのに要する時間（図１０（ｄ）から図１０（ｅ）に状態が変化するのに要する時間）よりも長い時間転送が停止されると放出され易くなるため、次の２パケットは転送劣化箇所の影響をほとんど受けずに連続して垂直転送される（図１０（ｄ）及び図１０（ｅ））。従って、一部のパケットについては信号電荷量が増加し、また一部のパケットについては信号電荷量が減少するので、転送される信号電荷量のばらつきが生じるのである。この信号電荷量のばらつきは、画像のムラ等の品質劣化を生じさせる。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく画素混合を行うことが可能な固体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、本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を行方向に転送する水平転送部と、前記垂直転送部による電荷転送を制御する転送制御部とを備え、前記垂直転送部は、印加電圧に応じてバリア領域及びウェル領域として動作する７段以上の電荷転送段を含み、前記電荷転送段は、少なくとも電荷転送方向にポテンシャルが傾斜した第１電荷転送段を備え、前記転送制御部は、前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送し、かつ、前記複数個のパケットの電荷転送が停止する待機期間が、前記複数個のパケットによる電荷転送が行われる転送期間よりも長くなり、かつ、前記待機期間においては、前記バリア領域として動作する電荷転送段が、前記７段以上の電荷転送段のうちの少なくとも隣接する３段となり、かつ、前記待機期間においてバリア領域として動作する隣接する複数段の電荷転送段のうち、最も下流に位置する電荷転送段が前記第１電荷転送段であるように前記垂直転送部による電荷転送を制御することを特徴とする。

これにより、待機期間においてバリア領域として動作する隣接する電荷転送段のうち、最も下流に位置する電荷転送段は電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域及びウェル領域として動作し、ポテンシャルが傾斜していない電荷転送段と比較してフリンジ電界が大きくなるため転送劣化箇所に信号電荷がトラップされ難くなるかトラップされなくなるので、信号電荷量のばらつきを低くすることができる。また、待機期間中はバリア領域として動作する隣接する電荷転送段におけるバリアに挟まれた箇所にトラップされた信号電荷は転送劣化箇所から隣接するウェル領域に加算されない。その結果、特許文献１に記載の固体撮像装置のように、転送劣化箇所にトラップされた信号電荷により転送される信号電荷の量がばらつくことがないので、画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく画素混合を行うことが可能となる。

また、ウェル領域の面積を最小限に抑えることで暗電流の増大を抑えることができ、また、低信号量時の転送効率の劣化を抑制することができる。

また、前記転送制御部は、前記待機期間において、前記７段以上の電荷転送段のうちの前記水平転送部に最も近い電荷転送段が、前記バリア領域として動作した後にウェル領域として動作するように前記垂直転送部による電荷転送を制御してもよい。

これにより、水平転送部と垂直転送部の最終段との間の電位差を大きくすることができるので、転送残りを発生させること無くパケットを水平転送部に転送することができ、水平転送部と垂直転送部との間での転送効率の劣化を防止できる。

本発明によれば、画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく画素混合を行うことが可能な固体撮像装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は本実施の形態の撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。
このカメラは、入射光を光電変換し、光電変換することにより生じた信号電荷を転送するＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、クロックドライバ（ＶＤｒ）１１０と、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＤＣ（アナログ・デジタル変換）の処理を行なう前処理部（ＣＤＳ／ＡＤＣ）１２０と、画素補間や輝度・色差処理等を行なって映像信号を出力するデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１３０と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１４０とを備える。なお、固体撮像素子１００、ＶＤｒ１１０及びＴＧ１４０は、本発明の固体撮像装置を構成する。

ＶＤｒ１１０は、本発明の転送制御部の一例であり、垂直ＣＣＤによる電荷転送を制御し、垂直ＣＣＤがパケットを複数個連続して転送し、かつ、複数個のパケットの区切りによって電荷転送が停止する待機期間が、パケットによる電荷転送が行われる転送期間よりも長くなり、かつ、待機期間においては、バリア領域として動作する電荷転送段が、７段以上の電荷転送段のうちの少なくとも隣接する３段となり、かつ、待機期間においてバリア領域として動作する隣接する複数段の電荷転送段のうち最も下流に位置する電荷転送段が、電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜した電荷転送段であるように垂直ＣＣＤによる電荷転送を制御する。具体的には、ＴＧ１４０から出力されたロジック信号Ｖ１〜Ｖ１２、ＣＨ１、２、３、４、５及び６から駆動パルスφＶ１〜φＶ１２、φＶ９Ｒ、φＶ９Ｌ、φＶ１１Ｒ及びφＶ１１Ｌを生成し、駆動パルスφＶ１〜φＶ１２、φＶ９Ｒ、φＶ９Ｌ、φＶ１１Ｒ及びφＶ１１Ｌを固体撮像素子１００の垂直ＣＣＤに供給し、垂直ＣＣＤによる電荷転送を制御する。駆動パルスφＶ１〜φＶ１２、φＶ９Ｒ、φＶ９Ｌ、φＶ１１Ｒ及びφＶ１１Ｌは、ハイレベルの電位Ｖ_H、電位Ｖ_Hよりも低いミドルレベルの電位Ｖ_M、及び電位Ｖ_Mよりも低いローレベルの電位Ｖ_Lの３つの電位を持つパルスである。例えば、駆動パルスφＶ１〜φＶ１２は、電位Ｖ_Hとしての１２Ｖ、電位Ｖ_Mとしての０Ｖ、及び電位Ｖ_Lとしての−６Ｖの３つの電位を持つパルスとされる。

ＴＧ１４０は、ＤＳＰ１３０から水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤ及びクロック信号ＭＣＫの各パルスの入力を受け、固体撮像素子１００の駆動に用いられる駆動パルスφＨ１、φＨ２、φＲと、ロジック信号Ｖ１〜Ｖ１２、ＣＨ１、２、３、４、５及び６とを生成するとともに、前処理部１２０及びＤＳＰ１３０に信号処理パルスＰＲＯＣを出力する。

図２Ａは固体撮像素子１００の概略構成図であり、図２Ｂは振り分け転送部２３０の概略構成図である。

この固体撮像素子１００は、図２Ａに示されるように、複数のフォトダイオード２００、複数の垂直ＣＣＤ２１０、水平ＣＣＤ２２０及び電荷検出部２５０を備える。

複数のフォトダイオード２００は、本発明の光電変換素子の一例であり、画素に対応して２次元状（行列状）に配列され、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３色のカラーフィルタがそれぞれに配置される。

垂直ＣＣＤ２１０は、本発明の垂直転送部の一例であり、駆動電極Ｖ１〜Ｖ１２、Ｖ９Ｒ、Ｖ９Ｌ、Ｖ１１Ｒ及びＶ１１Ｌを具備するＣＣＤにより構成される。垂直ＣＣＤ２１０は、駆動パルスφＶ１〜φＶ１２、φＶ９Ｒ、φＶ９Ｌ、φＶ１１Ｒ及びφＶ１１Ｌの印加に応じてフォトダイオード２００で発生した信号電荷を列方向に転送する。

水平ＣＣＤ２２０は、水平転送部の一例であり、駆動電極Ｈ１及びＨ２を具備するＣＣＤにより構成され、駆動パルスφＨ１及びφＨ２の印加に応じて複数の垂直ＣＣＤ２１０によって転送された信号電荷を行方向に転送する。

垂直ＣＣＤ２１０の水平ＣＣＤ２２０に最も近い最終段、つまり複数のフォトダイオード２００及び垂直ＣＣＤ２１０が形成されてなる撮像部２４０と水平ＣＣＤ２２０との間には、垂直ＣＣＤ２１０から水平ＣＣＤ２２０への信号電荷の読み出しを列毎に独立に制御する振り分け転送部２３０が形成されている。

振り分け転送部２３０は、図２Ｂに示されるように、３列毎に同じ電極構造を有する。具体的には、１列目の垂直ＣＣＤ２１０の振り分け転送部２３０は駆動電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９Ｌ、Ｖ１０、Ｖ１１Ｌ及びＶ１２を具備し、２列目の垂直ＣＣＤ２１０の振り分け転送部２３０は駆動電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９Ｒ、Ｖ１０、Ｖ１１Ｒ及びＶ１２を具備し、３列目の垂直ＣＣＤ２１０の振り分け転送部２３０は駆動電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１及びＶ１２を具備する。ここで、駆動電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ１０及びＶ１２は全列にわたる共通電極であり、駆動電極Ｖ９、Ｖ９Ｒ、Ｖ９Ｌ、Ｖ１１、Ｖ１１Ｒ及びＶ１１Ｌは各列において島状に分離した独立電極である。また、Ｖ９及びＶ１１は振り分け転送部２３０内にては島状の独立電極であるが、振り分け転送部２３０以外の垂直ＣＣＤ２１０に置いては、全列にわたる共通電極となる。

図３は、２列目の垂直ＣＣＤ２１０の構造を示す断面図である。
垂直ＣＣＤ２１０の隣接する２つの駆動電極では一方の電荷転送方向の長さは他方の長さよりも相対的に長い。具体的には、駆動電極Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９及びＶ１１の電荷転送方向の長さが駆動電極Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１０及びＶ１２の電荷転送方向の長さよりも長い。これにより、フォトダイオード２００の信号電荷の読み出し通路上に設けられ、フォトダイオード２００の信号電荷の読み出し電圧、つまり電位Ｖ_Hが印加される転送電極の面積が大きくなる。その結果、画素を微細化した場合でも、信号電荷の読み出しに必要な読み出しチャネル幅を確保することができる。

駆動電極Ｖ１〜Ｖ１２の下方には、ｐ型の基板３００が配設され、この基板３００内には垂直ＣＣＤ２１０の一部としてのｎ型の不純物領域３１０が形成されている。不純物領域３１０内には、不純物領域３１０への不純物の注入段差により、不純物領域３１０より高濃度のｎ⁺型の不純物領域３２０と、不純物領域３１０より低濃度のｎ^-型の不純物領域３３０とが形成されている。これら不純物領域は、駆動電極Ｖ１〜Ｖ１２による電圧印加に応じてポテンシャルのバリア領域及びウェル領域として動作する周期的な１２段の電荷転送段を構成する。具体的には、駆動電極Ｖ１が設けられた第１電荷転送段３４０、駆動電極Ｖ２が設けられた第２電荷転送段３４１、駆動電極Ｖ３が設けられた第３電荷転送段３４２、駆動電極Ｖ４が設けられた第４電荷転送段３４３、駆動電極Ｖ５が設けられた第５電荷転送段３４４、及び駆動電極Ｖ６が設けられた第６電荷転送段３４５、駆動電極Ｖ７が設けられた第７電荷転送段３４６、駆動電極Ｖ８が設けられた第８電荷転送段３４７、駆動電極Ｖ９が設けられた第９電荷転送段３４８、駆動電極Ｖ１０が設けられた第１０電荷転送段３４９、駆動電極Ｖ１１が設けられた第１１電荷転送段３５０、及び駆動電極Ｖ１２が設けられた第１２電荷転送段３５１を構成する。従って、これら不純物領域は、信号電荷を転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）として機能する。

駆動電極Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９及びＶ１１下方の不純物領域３１０それぞれには、不純物領域３２０及び３３０の異なる不純物濃度の領域が設けられるため、第１電荷転送段３４０、第３電荷転送段３４２、第５電荷転送段３４４、第７電荷転送段３４６、第９電荷転送段３４８及び第１１電荷転送段３５０は、電荷転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域及びウェル領域として動作する。

なお、１列目及び３列目の垂直ＣＣＤ２１０は、駆動電極Ｖ９のいずれかが駆動電極Ｖ９Ｒ又はＶ９Ｌに、駆動電極Ｖ１１のいずれかが駆動電極Ｖ１１Ｒ又はＶ１１Ｌに変更されるものの、図３と同様の構造を有する。

図４Ａ及び図４Ｂは、上記構造を有する固体撮像装置における、６０ｆｐｓモニターモードのタイミングを示す図である。図４Ａは１／６０秒で１画像分の信号が出力されるタイミングを示しており、垂直同期信号ＶＤで１枚の画像が出力され、水平同期信号ＨＤで水平ＣＣＤ２２０が１回転送される。図４Ｂは図４Ａの期間Ｔを拡大したもので、水平ＣＣＤ２２０に３行分の信号を転送し、水平転送して出力するタイミングを示している。

このタイミングによると、駆動電極Ｖ１〜Ｖ１２の１２相駆動により転送の１パケットが形成されており、駆動電極Ｖ１〜Ｖ６、及びＶ７〜Ｖ１２の６相駆動での１パケットに対しては、１／２の転送パケット密度となっているが、このタイミングにより垂直転送の高速化が図られている。

図５は、上記構造を有する固体撮像装置における、６相駆動の３０ｆｐｓモニターモードのタイミングを示す図である。つまり、図５は１／３０秒で１画像分の信号が出力されるタイミングを示す図である。

このタイミングによると、駆動電極Ｖ１〜Ｖ６及びＶ７〜Ｖ１２は６相駆動による転送の１パケットを形成しており、駆動電極Ｖ１〜Ｖ１２の１２相駆動での１パケットに対しては、２倍の転送パケット密度となっている。このタイミングにより高画質な動画駆動が実現される。

高画質な動画記録が必要であるときには、６相駆動にて転送パケット数を増加し、高精細な画像出力を行うが、オートフォーカスや露光調整などカメラとして高速処理が必要なモードにおいては、図４Ａ及び図４Ｂに示した１２相駆動にて高速転送を実現している。

図６は、図４Ａのタイミングに従う上記構造を有する垂直ＣＣＤ２１０及び水平ＣＣＤ２２０におけるパケットの転送方法を示す図である。

図１１は図６におけるパケットの転送方法タイミングを示す図である。なお、同転送方法は、本発明の固体撮像装置の駆動方法の一例である。

図６のＡで示される期間において、垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。そして水平ＣＣＤ２２０が２段転送された後、図６のＢで示される期間において、別の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。同様に、図６のＣで示される期間において更に別の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送された後、水平ＣＣＤ２２０の電荷が転送される。そして、合計３パケットを水平ＣＣＤ２２０に転送した後に垂直転送が停止される待機期間となる。このとき、水平ＣＣＤ２２０の転送時間は垂直ＣＣＤ２１０の転送時間よりも長い。

図７は、上記構造を有する垂直ＣＣＤ２１０におけるパケットの転送方法を示すポテンシャル分布の変化図（２列目の垂直ＣＣＤ２１０におけるポテンシャル分布の変化図）である。なお、同転送方法は、本発明の固体撮像装置の駆動方法の一例である。

時間ｔ１〜ｔ７において、２列目の垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。その後、図示していないが、転送されたパケットが行方向に２画素分だけ転送され、３列目の垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。転送されたパケットが行方向に２画素分だけ転送された後、１列目の垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。

時間ｔ８〜ｔ１３及びｔ１４〜ｔ１９においても同様に、２列目の垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送された後、３列目及び１列目の垂直ＣＣＤ２１０の１パケットが水平ＣＣＤ２２０に転送される。これにより、各列の垂直ＣＣＤ２１０の３パケットが連続して水平ＣＣＤ２２０に転送される。

時間ｔ１９において、駆動電極Ｖ１にローレベルの電位Ｖ_Lが印加され、バリア領域として動作する電荷転送段が１２段の電荷転送段のうちの隣接する８段となるように垂直ＣＣＤ２１０が制御された後、垂直転送が停止される。隣接する８段の電荷転送段は、最も下流に位置する電荷転送段が電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域として動作する電荷転送段（駆動電極Ｖ１に対応する段）である。この転送が停止している待機期間、つまり３パケットの転送の区切りによって電荷転送が停止する待機期間は、１パケットによる電荷転送が行われる転送期間（時間ｔ１〜ｔ７、時間ｔ８〜ｔ１３又はｔ１４〜ｔ１９の期間）よりも長い。その後、水平ＣＣＤ２２０内の複数パケットが電荷検出部２５０に転送される。なお、３列目及び１列目の垂直ＣＣＤ２１０においても、待機期間中にはバリア領域として動作する電荷転送段が１２段の電荷転送段のうちの隣接する８段となるようにされる。

上記のようなパケット転送を行うように垂直ＣＣＤ２１０及び水平ＣＣＤ２２０に各駆動パルスを印加し、垂直ＣＣＤ２１０及び水平ＣＣＤ２２０を駆動することにより、水平ＣＣＤ２２０内で行方向に３画素の信号電荷が混合される。

以上のように本実施の形態に係るカメラによれば、待機期間中はバリア領域として動作する電荷転送段が１２段の電荷転送段のうちの隣接する８段となるようにされる。そして隣接する８段の電荷転送段の最も下流に位置する電荷転送段（最下流の電荷転送段）は電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域として動作する電荷転送段（駆動電極Ｖ１に対応する段）である。従って、最下流の電荷転送段は電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域及びウェル領域として動作し、転送劣化箇所に信号電荷がトラップされ難くなるかトラップされなくなるので、信号電荷量のばらつきを低くすることができる。また、待機期間中はバリア領域として動作する隣接する電荷転送段におけるバリアに挟まれた箇所にトラップされた信号電荷は転送劣化箇所から隣接するウェル領域に加算されない。よって、段間の転送劣化箇所にトラップされた信号電荷により転送される信号電荷の量がばらつくことがないので、画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく水平ＣＣＤ内での画素混合を行うことが可能となる。

さらに、本実施の形態に係るカメラによれば、複数パケットの転送が行われて転送動作が停止される。そして、上述した理由により、転送動作が再開された後も転送される信号電荷の量がばらつくことがない。従って、画像のムラ等の品質劣化を生じさせることなく、手ぶれ防止及び電子ズームを行うことが出来る。

また、本発明の実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法を、例えばＥＩＳ（Electric Image Stabilizer）固体撮像装置では、複数パケットの転送が行われて転送動作が停止されるため、本実施の形態に係るパケット転送をＥＩＳ固体撮像装置に利用することにより、ＥＩＳ固体撮像装置における画像のムラ等の品質劣化を防止することもできる。

また、本実施の形態に係るカメラによれば、ウェル領域として動作する電荷転送段を最低限必要な数で電荷転送を制御することで、ウェル領域の面積を最小限に抑えることで暗電流の増大を抑えることができ、また、低信号量時の転送効率の劣化を抑制することができる。

また、本実施の形態に係るカメラによれば、待機期間においてバリア領域として動作させる電荷転送段には、隣接する電荷転送段に向かってポテンシャルが下がる不純物濃度分布が形成される。従って、この電荷転送段は、電荷転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域及びウェル領域として動作する。その結果、転送劣化箇所に信号電荷がトラップされ難くなるかトラップされなくなるので、さらに信号電荷量のばらつきを低くすることができる。

以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態のカメラにおいて、待機期間でバリア領域として動作する電荷転送段のうちの水平ＣＣＤに最も近い電荷転送段が、バリア領域として動作した後に待機期間でウェル領域として動作するように電荷転送が行われてもよい。これによって、水平ＣＣＤと垂直ＣＣＤの最終段との間の電位差を大きくすることができるので、転送残りを発生させること無く１パケットを水平ＣＣＤに転送することができ、水平ＣＣＤと垂直ＣＣＤとの間での転送効率の劣化を防止できる。この場合には、例えば図８のポテンシャル分布の変化図（２列目の垂直ＣＣＤ２１０におけるポテンシャル分布の変化図）に従ってパケット転送が行われる。この転送は、時間ｔ１３の後の時間ｔ１４において駆動電極Ｖ１２にローレベルの電位Ｖ_Lを印加し、駆動電極Ｖ１２が設けられた電荷転送段をバリア領域として動作させた後、時間ｔ１５において駆動電極Ｖ１２に再度ミドルレベルの電位Ｖ_Mを印加し、駆動電極Ｖ１２が設けられた電荷転送段をウェル領域として動作させるという点で図７に示されるパケット転送と異なる。

また、上記実施の形態において、垂直ＣＣＤは、転送電極Ｖ１〜Ｖ１２を有する１２相駆動のＣＣＤであるとした。しかし、上記実施の形態のパケット転送が適用可能なＣＣＤであれば、つまり７段以上の電荷転送段を有し、７相以上の駆動パルスが印加されるＣＣＤであればこれに限られず、例えば７相駆動のＣＣＤであってもよい。この場合には、７段以上の電荷転送段のうちの待機期間においてバリア領域として動作する電荷転送段が少なくとも隣接する３段となるように電荷転送が行われる。そして、隣接する３段は、電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域として動作する２つの電荷転送段と、この２つの電荷転送段に挟まれる、電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜しないバリア領域として動作する１つの電荷転送段とされる。そして隣接する３段の電荷転送段の最も下流に位置する電荷転送段（最下流の電荷転送段）は電荷の転送方向にポテンシャルが傾斜したバリア領域として動作する電荷転送段である。

また、上記実施の形態において、不純物領域への不純物の注入段差によりポテンシャルの傾斜を形成するとした。しかし、電荷転送のチャネル幅を転送方向に広げていく狭チャネル効果を利用することによって、ポテンシャルの傾斜を形成してもよい。

本発明は、固体撮像装置に利用でき、特に画素混合を行うＣＣＤ型固体撮像装置等に利用することができる。

本発明の実施の形態のカメラの概略構成を示す図である。 同実施の形態の固体撮像素子の詳細な構成を示す図である。 振り分け転送部の概略構成図である。 同実施の形態の２列目の垂直ＣＣＤの構造を示す断面図である。 同実施の形態の１画像分の信号が出力されるタイミングを示す図である。 垂直ＣＣＤ−水平ＣＣＤ間の電荷転送タイミングを示す図である。 同実施の形態の１画像分の信号が出力されるタイミングを示す図である。 垂直ＣＣＤ−水平ＣＣＤ間の電荷転送の様子を示す図である。 同実施の形態の２列目の垂直ＣＣＤにおけるパケットの転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。 同実施の形態の２列目の垂直ＣＣＤにおけるパケットの転送方法を示すポテンシャル分布の変化図である。 パケットが転送劣化箇所のある垂直ＣＣＤにおいて転送される様子を示す図である。 パケットが転送劣化箇所のある垂直ＣＣＤにおいて転送される様子を示す図である。 垂直ＣＣＤ−水平ＣＣＤ間の電荷転送のタイミングを示す図である。

符号の説明

１００ 固体撮像素子
１１０ クロックドライバ（ＶＤｒ）
１２０ 前処理部（ＣＤＳ／ＡＧＣ）
１３０ デジタル信号処理部（ＤＳＰ）
１４０ タイミングジェネレータ（ＴＧ）
２００ フォトダイオード
２１０ 垂直ＣＣＤ
２２０ 水平ＣＣＤ
２３０ 振り分け転送部
２４０ 撮像部
２５０ 電荷検出部
３００ 基板
３１０、３２０、３３０ 不純物領域
３４０ 第１電荷転送段
３４１ 第２電荷転送段
３４２ 第３電荷転送段
３４３ 第４電荷転送段
３４４ 第５電荷転送段
３４５ 第６電荷転送段
３４６ 第７電荷転送段
３４７ 第８電荷転送段
３４８ 第９電荷転送段
３４９ 第１０電荷転送段
３５０ 第１１電荷転送段
３５１ 第１２電荷転送段
４００ パケット

Claims (10)

1. ２次元状に配列された複数の光電変換素子と、
   前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
   前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を行方向に転送する水平転送部と、
   前記垂直転送部による電荷転送を制御する転送制御部とを備え、
   前記垂直転送部は、印加電圧に応じてバリア領域及びウェル領域として動作する７段以上の電荷転送段を含み、
   前記電荷転送段は、少なくとも電荷転送方向にポテンシャルが傾斜した第１電荷転送段を備え、
   前記転送制御部は、
   前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送し、かつ、
   前記複数個のパケットの電荷転送が停止する待機期間が、前記複数個のパケットによる電荷転送が行われる転送期間よりも長くなり、かつ、
   前記待機期間においては、前記バリア領域として動作する電荷転送段が、前記７段以上の電荷転送段のうちの少なくとも隣接する３段となり、かつ、
   前記待機期間においてバリア領域として動作する隣接する複数段の電荷転送段のうち、最も下流に位置する電荷転送段が前記第１電荷転送段であるように前記垂直転送部による電荷転送を制御する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送するのは、画素混合時である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送するのは、手ぶれ防止時または電子ズーム時である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記第１電荷転送段では、不純物の注入段差によって、前記ポテンシャルの傾斜が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記第１電荷転送段では、電荷転送のチャネル幅を転送方向に広げていく狭チャネル効果を利用することによって、前記ポテンシャルの傾斜が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記転送制御部は、前記待機期間において、前記７段以上の電荷転送段のうちの前記水平転送部に最も近い電荷転送段が、前記バリア領域として動作した後にウェル領域として動作するように前記垂直転送部による電荷転送を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. ２次元状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部によって転送された電荷を行方向に転送する水平転送部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記垂直転送部は、印加電圧に応じてバリア領域及びウェル領域として動作する７段以上の電荷転送段を含み、
   前記電荷転送段は、少なくとも電荷転送方向にポテンシャルが傾斜した第１電荷転送段を備え、
   前記駆動方法は、
   前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送し、かつ、
   前記複数個のパケットの電荷転送が停止する待機期間が、前記複数個のパケットによる電荷転送が行われる転送期間よりも長くなり、かつ、
   前記待機期間においては、前記バリア領域として動作する電荷転送段が、前記７段以上の電荷転送段のうちの少なくとも隣接する３段となり、かつ、
   前記待機期間においてバリア領域として動作する隣接する複数段の電荷転送段のうち、最も下流に位置する電荷転送段が前記第１電荷転送段であるように前記固体撮像装置を駆動する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送するのは、画素混合時である
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記垂直転送部が、前記バリア領域で区切られる連続した前記ウェル領域で転送される電荷であるパケットを複数個連続して転送するのは、手ぶれ防止時または電子ズーム時である
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
    ことを特徴とするカメラ。

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