JP2010157893A - 固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流の生成を抑制しながら、混色や感度不均一性を低減することができる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムを提供することを課題とする。
【解決手段】入射した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部により変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散領域へ転送するための第２の転送部と、前記浮遊拡散領域の電荷を増幅するための増幅部と、を含む複数の画素を有し、前記第１の転送部は、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に複数回転送し、前記複数回転送した電荷を前記蓄積部にまとめて蓄積させることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【選択図】図４

Description

本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムに関する。

従来の固体撮像装置においては、入射光を光電変換する光電変換部が、電荷を蓄積する蓄積部を兼ねる構成の画素が一般に知られている。

これに対し、光電変換部とは別に蓄積部を設ける技術が下記の特許文献１に開示されている。特許文献１では、光電変換部に蓄積された電荷を全画素同時に光電変換部から蓄積部へと転送することによりグローバルシャッタを実現できる。

また、下記の特許文献２には、光電変換部とは別に蓄積部を設け、光電変換部で発生した電荷の大部分を光電変換部では蓄積せずに電荷蓄積領域に転送する構成が開示されている。図９は特許文献２の図６を引用したものである。図９の３０１はＮ型フォトダイオード層で、Ｐ型のシリコン基板とＰＮ接合を形成している。３０２はフォトダイオード上に位置する導光部であり、周囲の領域より高い誘電率を有し、入射光を集める。３０３は表面マイクロレンズであり、表面から入射した光を導光部３０２に導く。３０５はＮ型電荷蓄積層であり、フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する。３０６は電荷蓄積層表面を反転状態に維持するための保持電極である。３０７は第２の転送電極であり、電荷蓄積層３０５に蓄積された電荷を転送するパルスが印加される。３０８はフォローティングディフュージョンであり、電荷蓄積層３０５から転送された電荷を再度蓄え、電圧信号に変換する。３０９は遮光膜であり、フォトダイオード部以外の部分を遮光している。３１０はＰ型ウエル領域であり、電荷蓄積層３０５、フローティングディフュージョン３０８などのＮ型層と逆バイアスされたＰＮ接合を形成している。３１１は深いＰウエル層で、シリコン内部深い位置で光電変換されて生じた電荷がフォトダイオード部に集まるようにレトログレード型のポテンシャルを形成している。３１２はＮ型オーバーフロードレイン領域で、フォトダイオードからあふれ出た電荷を電源に吐き出す役割を果たす。１１０１は第１の転送電極であり、フォトダイオードで発生した電荷が電荷蓄積層３０５に蓄積されるように、ポテンシャルバリアを制御している。また１１０２はオーバーフロードレインの制御電極で、所定の電位が与えられることにより、フォトダイオード中の余分な電荷を電源に吐き出す。

図９（ｂ）〜（ｇ）はフォトダイオードで発生した電荷がフローティングディフュージョンに転送されるまでの、断面図９（a）に対応した電子のポテンシャル図を示したものである。図９（ｂ）は光が入射する前のポテンシャル図を示したものである。図９（ｃ）は光が入射し、フォトダイオードで光電変換されて発生した電荷が電荷蓄積層に流れ出す状態を示したものである。図９（ｄ）は、第１の転送電極１１０１に正電圧が印加され、フォトダイオードの電荷が完全に電荷蓄積層３０５に転送される状態を示したものである。図９（e）はフォトダイオードに入射する電荷を排出するために、オーバーフロードレイン電極１１０２に正電圧が印加された状態を示すものである。図９（ｆ）は電子シャッタ動作により、第２の転送電極３０７に正電圧が印加され、電荷蓄積層３０５の電荷が、フォローティングディフュージョン３０８に転送されている状態を示しているものである。また、図９（ｇ）は発生した電荷がフォローティングディフュージョン３０８に転送し終わった状態を示すものである。

なお、上述の特許文献２に開示される構成では、光電変換部と蓄積部との間の第１の転送電極１１０１によるポテンシャルバリアの制御方法として、二種類の方法を開示している。一つは、表面チャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いて、トランジスタを光電変換期間中に常に緩くオンしておく手法である。もう一つは、埋め込みチャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いて、トランジスタを光電変換期間中に強くオフしながら、表面からある深さにポテンシャルの低い位置をもうける手法である。特許文献２によれば、光電変換部は受光に必要な最低限の大きさに留めることが可能であるとしている。この構成により、面内すべての画素の蓄積開始時刻と終了時刻を揃える面内同期型電子シャッタが実現できる。

また、下記の非特許文献１には、埋め込みチャネルＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）の転送チャネルにおいて、１回当たりの転送時間を短くすることで、転送時の平均暗電流を低減できることが示されている。

特開２００４−１１１５９０号公報 特開２００６−２４６４５０号公報 Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−Ｓｔａｔｅ Ｄａｒｋ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ Ｂｕｒｒｉｅｄ−Ｃｈａｎｎｅｌ ＣＣＤ'ｓ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＶＯＬ．３８，Ｎｏ．２， Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９１

第１の転送電極１１０１によるポテンシャルバリアの制御方法として、表面チャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いる手法により、図９（ｂ）のようなポテンシャル構造を作成する場合を考える。その場合、転送部のＭＯＳトランジスタを構成する基板表面が空乏化していることによる暗電流の増加という課題が生じる。光電変換部から蓄積部へ電子が流入するようにするためには電位障壁を下げる必要があるために上述のＭＯＳトランジスタをオンさせる必要があり、その際に基板表面が弱反転、もしくは強反転してしまい、電子が生成され、暗電流として見えてしまう。

また、第１の転送電極１１０１によるポテンシャルバリアの制御方法として、埋め込みチャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いる手法により、図９（ｂ）のようなポテンシャル構造を作成する場合を考える。その場合、図９（ｂ）において、表面からある程度の深さのところにチャネルポテンシャルの高いところが現れる。すると、フォトダイオード部において光電変換によって生成された電荷は、ＭＯＳトランジスタによって作られる電位障壁に遮られるため、フォトダイオードにある程度蓄積され、そこからあふれた分の電荷が信号電荷として順次蓄積部に送られる。また、蓄積部に電子を送りながらも、基板表面には信号電荷と反対導電型のキャリアが蓄積しており、そのために暗電流の生成が抑制される。

しかし、フォトダイオードに電荷が蓄積された状態で長い時間光電変換を行うと光電変換期間中にフォトダイオードの内部電界が弱い状態が続くため、生成された電荷がフォトダイオード内に留まることができずに、隣接画素や基板に逃げてしまう確率が増大する。このように、本来蓄積部に蓄積されるべき電荷が別の場所に逃げる確率が増大すると、混色や感度不均一性（ＰＲＮＵ：Ｐｈｏｔｏ−Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）が増大する原因となってしまう。ここで、混色はカラー光電変換装置においてある画素に入射した光により生成された電荷が隣接画素に逃げることで本来の色とは異なる色になってしまうことである。感度不均一性は、同じ入射光強度に対して、画素そのものの感度のばらつきや読み出し系のゲインのばらつきにより、各画素において信号強度がばらつくことで形成される画像ムラの度合いのことであり、どちらも撮像装置としては望ましくない。

本発明の目的は、上述の問題を解決することであり、暗電流の生成を抑制しながら、混色や感度不均一性を低減することができる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムを提供することである。

本発明の固体撮像装置は、入射した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部により変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散領域へ転送するための第２の転送部と、前記浮遊拡散領域の電荷を増幅するための増幅部と、を含む複数の画素を有し、前記第１の転送部は、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に複数回転送し、前記複数回転送した電荷を前記蓄積部にまとめて蓄積させることを特徴とする。

また、本発明の撮像システムは、上記の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光像を結像させるための光学部と、前記固体撮像装置により出力された信号を処理する信号処理部とを有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部により変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散領域へ転送するための第２の転送部と、前記浮遊拡散領域の電荷を増幅するための増幅部と、を含む複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１の転送部は、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に複数回転送し、前記複数回転送した電荷を前記蓄積部にまとめて蓄積させるステップを有することを特徴とする。

第１の転送部が複数回電荷を転送することにより、暗電流の生成を抑制することが可能となる。また、光電変換部に蓄積されている電荷量を低減し、光電変換部の内部電界を強めることで、混色や感度不均一性を低減することが可能になる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す概略ブロック図であり、図２は撮像領域１０１に含まれる画素の等価回路図である。図３は図２に示した画素を半導体基板上に形成する場合の断面図であり、図４は固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。

図１において、固体撮像装置は、画素が複数配された撮像領域１０１、制御部である垂直走査回路１０２及び水平走査回路１０３を含む。ここでは、撮像領域１０１に配された画素は、行列状に配列されているものとする。水平走査回路１０３は、撮像領域１０１の画素の列に対応して設けられた信号線を順次走査することにより１行分の画素からの信号を出力回路１０４から出力させる。

図２において、説明の簡略化のために撮像領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素での領域を例にとっているが、画素の数をこれに限定するものではない。２はフォトダイオード（ＰＤ）、４は浮遊拡散領域、８は第１の転送スイッチ、９は第２の転送スイッチ、１０はリセットトランジスタ、１１は選択トランジスタ、１２は増幅トランジスタ、１３は第３の転送スイッチ、２１は画素、ＭＥＭは蓄積部を表す。

フォトダイオード２は、入射した光を電荷に変換する光電変換部である。蓄積部ＭＥＭは、フォトダイオード２により変換された電荷を蓄積する。第１の転送スイッチ８は、フォトダイオード２により変換された電荷を蓄積部ＭＥＭに転送する第１の転送部である。第２の転送スイッチ９は、蓄積部ＭＥＭに蓄積された電荷を浮遊拡散領域４へ転送する第２の転送部である。フォトダイオード（ＰＤ）２のアノードは固定電位に接地され、カソードは第１の転送部８を介して蓄積部ＭＥＭの一方の端子に接続される。フォトダイオード２のカソードはさらに第３の転送部である第３の転送スイッチ１３を介してオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）として機能する第２の電源である電源線と接続される。蓄積部ＭＥＭの他方の端子は固定電位に接地されている。蓄積部ＭＥＭの一方の端子はさらに第２の転送部９を介して増幅部である増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタ１２のゲート端子はリセット部であるリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。第１〜第３の転送部８，９，１３がトランジスタで構成されている例を示している。図２では、ＯＦＤとして機能する電源線と画素電源線とを分けている。これらは共通の電源に接続されてもよいし、異なる電源に接続されてもよい。

選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレイン端子と接続されている。アクティブな信号ＳＥＬが制御電極に入力されると選択トランジスタ１１の両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現れる。垂直信号線ＯＵＴに現れた信号に基づいて固体撮像装置の出力回路１０４から信号が出力され、後述する信号処理回路部などを経て画像として表示される。また、増幅トランジスタ１２のゲート端子と、リセットトランジスタ１０及び第２の転送スイッチ９の主電極とが共通に接続される浮遊拡散領域（以下、ＦＤ領域と称す）４は容量値を有しており、電荷を保持することができる。

図３において、図２の各構成部に対応する構成に同様の符号を付している。半導体領域の導電型は信号電荷として電子を用いる場合を例にとって説明する。ホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。

２０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。

２０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域２０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。

２０３はＮ型の半導体領域２０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部２を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部２は少なくとも第１の半導体領域２０２と、該第１の半導体領域２０２とＰＮ接合を形成する第２の半導体領域２０１とを含んで構成される。

２０４は第２の転送スイッチ９を構成する第２の転送電極である。第２の転送電極２０４に供給する電圧によって、蓄積部ＭＥＭの一部を構成する第３の半導体領域２０５と浮遊拡散領域４の一部を構成するＮ型の半導体領域２０８（第１導電型の第４の半導体領域）との間のポテンシャル状態を制御可能である。第２の転送電極２０４は、後述の第３の半導体領域２０５と第４の半導体領域２０８との間の第２の経路上に絶縁膜を介して配される。

２０５は蓄積部ＭＥＭの一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）である。光電変換部２から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成となっている。２０６は制御電極であり、第３の半導体領域２０５上に絶縁膜を介して配され、第３の半導体領域２０５の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。蓄積部ＭＥＭにおいて電荷を保持する期間中に制御電極２０６に電圧を供給することにより、Ｎ型の半導体領域２０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。後述するように、この時、供給される電圧は、第３の半導体領域２０５と絶縁膜との界面にホールを集める必要があるため負電圧が好ましく、例えば−３Ｖ程度の電圧が供給される。この電圧は第３の半導体領域２０５の不純物濃度により適宜変更される。

蓄積部ＭＥＭは、Ｎ型の半導体領域２０５及び制御電極２０６を含んで構成される。

２０７は第１の転送スイッチ８を構成する第１の転送電極である。光電変換部２と蓄積部ＭＥＭとの間の第１の経路のポテンシャル状態を制御可能である。第１の転送電極２０７の下部で、Ｎ型の半導体領域２０２とＮ型の半導体領域２０５との間にそれらよりも濃度の低いＮ型の半導体領域２１３を持つ。このような埋め込みチャネルを有する構成にすることで、図５で説明するようなポテンシャル関係を持たせることができる。

２０８は浮遊拡散領域４の一部を構成するＮ型の半導体領域であり、増幅部である増幅トランジスタ１２のゲートとプラグ２０９等を介して電気的に接続されている。

２１０は遮光膜である。入射光が蓄積部へ侵入しないように配置されている。少なくとも蓄積部ＭＥＭを覆っていることが必要であるが、図示するように、第１の転送電極２０７の全体及び第２の転送電極２０４の一部の上部まで延在して配置されていると更に遮光機能が高まり好ましい。

２１１は第３の転送スイッチ１３を構成する電荷排出用の制御電極であり、光電変換部２とＯＦＤ領域４との間の第３の経路のポテンシャル状態を制御可能である。電荷排出制御電極２１１は第３の経路上に絶縁膜を介して配されている。入射光により光電変換部２に生じた電荷をＯＦＤに排出可能なようにポテンシャル状態を制御する。電荷排出制御電極２１１に供給する電圧により、光電変換部２での蓄積期間（露光期間）の長さを制御可能である。

２１２はＯＦＤを構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第５の半導体領域）、２１５は第５の半導体領域２１２へ電源電圧を供給するためのプラグであり、不図示の電源と接続されている。つまり、第５の半導体領域２１２やプラグ２１５を含めて第２の電源としている。

第１の転送スイッチ８は、光電変換部２と蓄積部ＭＥＭとともに第１の転送トランジスタを構成する。また、第２の転送スイッチ９は蓄積部ＭＥＭと浮遊拡散領域４とともに第２の転送トランジスタを構成する。そして第３の転送スイッチ１３は、光電変換部２と第２の電源とともに第３の転送トランジスタを構成する。

図２及び３を用いて説明した単位画素が、複数個二次元状に配されて、固体撮像装置の撮像領域１０１が構成されている。画素はリセット部、増幅部、選択部などを複数の光電変換部で共有することも可能である。

次に、本実施形態の動作を説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートであり、図５は、図４に示すタイミングのうち、時刻ｔ０の直前から蓄積時間の終了までの各タイミングにおける画素のポテンシャル状態を示す図である。ここでは、フォトダイオード２、第１の転送部８（ＴＸ１）、蓄積部ＭＥＭとで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型のトランジスタである場合を例にとって説明する。

図４には、第１〜第３の転送部８，９，１３の制御電極に与えられる信号ＴＸ１〜ＴＸ３と、リセットトランジスタ１０の制御電極に与えられる信号ＲＥＳの変遷を示している。添え字のｎ、ｎ＋１、ｎ＋２は、撮像領域１０１における行の番号を表し、例えばＴＸ１（ｎ）は１行目の画素の第１の転送部８に与えられる信号を意味している。

まず、時刻ｔ０以前の初期状態では、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルであり、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）及び信号ＲＥＳ（ｎ）〜ＲＥＳ（ｎ＋２）がハイレベルである。このときの画素のポテンシャル状態を図５（ａ）に示す。この期間では、蓄積部ＭＥＭに蓄積される電荷に対して、第１の転送部８（ＴＸ１）に形成されたポテンシャル障壁が存在する。その一方で、第３の転送部１３（ＴＸ３）にはポテンシャル障壁が存在しないため、フォトダイオード（ＰＤ）２で発生した電荷（図中の黒丸）は蓄積部ＭＥＭに移動することなく、第３の転送部１３（ＴＸ３）を介してＯＦＤへと排出される。ここで、第１の転送部８（ＴＸ１）に形成されるポテンシャル障壁が第２の転送部９（ＴＸ２）に形成されるポテンシャル障壁よりも低い。その理由は、先述したとおり、フォトダイオード２、第１の転送部８（ＴＸ１）、蓄積部ＭＥＭとで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型である例を考えているためである。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間では信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がハイレベルになるので、蓄積部ＭＥＭとＦＤ領域（ＦＤ）４との間の第２の転送部９（ＴＸ２）に形成されるポテンシャル障壁がなくなる。これにより、時刻ｔ０以前に蓄積部に保持されていた電荷がＦＤ領域４に転送される。この期間における画素のポテンシャル状態を図５（ｂ）に示した。この期間では信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）はローレベルであり、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がハイレベルであるため、フォトダイオード２で発生した電荷は第３の転送部１３（ＴＸ３）を介してＯＦＤへと排出される。したがって、この時点における蓄積部ＭＥＭには、フォトダイオード２で発生した電荷が理想的には存在しないことになる。

時刻ｔ１に、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルになると、画素のポテンシャル状態は図５（ｃ）に示すようなものになる。これは、図５（ａ）に示した状態と同様である。この期間においても第１の転送部８（ＴＸ１）に形成されたポテンシャル障壁が存在する一方で、第３の転送部１３（ＴＸ３）にはポテンシャル障壁が存在しない。そのため、フォトダイオード２で発生した電荷は蓄積部ＭＥＭに移動することなく、第３の転送部１３（ＴＸ３）を介してＯＦＤへと排出される。

次に、時刻ｔ２に信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がローレベルに遷移すると、画素のポテンシャル状態は図５（ｄ）に示すようなものになる。この期間では、蓄積部ＭＥＭに蓄積される電荷に対するポテンシャル障壁は、第１の転送部８（ＴＸ１）よりも第３の転送部１３（ＴＸ３）の方が高い。そして、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルであることから、この期間にフォトダイオード２で発生した電荷のうち、ＴＸ１におけるポテンシャル障壁を超えた電荷はフォトダイオード２又は蓄積部ＭＥＭに留まることになる。したがって、時刻ｔ２に信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がローレベルに遷移したタイミングから各画素の蓄積時間が開始される。

次に、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がハイレベルになると、第１の転送部８に形成されたポテンシャル障壁がなくなり、フォトダイオード２で発生した電荷が蓄積部ＭＥＭに転送される（図５（ｅ））。以降、時刻ｔ５までに信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルになる期間とハイレベルになる期間が複数回繰り返される。転送する回数は特に限定されない。例えば、フォトダイオード２の最大飽和電荷量が５００電子で、蓄積部ＭＥＭの最大飽和電荷量が５００００電子である場合を説明する。その場合、転送回数をフォトダイオード２の最大飽和電荷量に対する蓄積部ＭＥＭの最大電荷飽和量の比、あるいはそれ以上の回数即ちこの場合１００回以上に設定することで最も高い効果が得られる。このような駆動方法を採用することで、フォトダイオード２に蓄積している電荷を定期的に蓄積部ＭＥＭに転送することができる。

ここで、図５（ｄ）に示されているようにフォトダイオード２に電荷が蓄積されている状態を長時間維持すると、フォトダイオード２のポテンシャルが低い状態が長くなる。光励起された電荷の一部は、隣接画素や基板との間に形成されているポテンシャル障壁を乗り越え易くなり、信号電荷が消失する割合が増加する。そのため混色や感度不均一性（ＰＲＮＵ：Ｐｈｏｔｏ−Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）が悪化する原因になる。そこで、本実施形態ではフォトダイオード２に蓄積された電荷を定期的に蓄積部ＭＥＭに転送することで、フォトダイオード２のポテンシャルを高い状態に長時間維持し、混色や感度不均一性の問題を改善することが可能になる。

また、フォトダイオード２の電荷蓄積容量が小さい場合、同じ光量に対してフォトダイオード２がすぐに飽和状態に近づく。従って、図５（ｄ）に示すようなフォトダイオード２に電荷が飽和している状態で、ポテンシャル障壁を越えて蓄積部ＭＥＭに電荷が流れ込む状態の時間がより長くなり、混色や感度不均一性の問題がさらに大きくなる。そこで、フォトダイオード２の電荷蓄積容量が小さい場合に、本実施形態の方法を用いることで、混色や感度不均一性を改善する効果がより顕著となる。つまり、ポテンシャル障壁を乗り越えて溢れ出した電荷が、フォトダイオード２から蓄積部ＭＥＭに“流れ込む”よりも、本実施形態のように強制的に転送を繰り返してフォトダイオード２が飽和している時間を低減することにより混色や感度不均一性が低減する。

画素の縮小に伴い画素間の距離が短くなることで、画素間のアイソレーションのための領域の幅が狭くなり隣接する画素間のポテンシャルバリアが低くなると、本実施形態の効果がより顕著になる。

時刻ｔ５に、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルに遷移するのと入れ替わりに信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がハイレベルになると、画素のポテンシャル状態は図５（ｆ）に示すようなものになる。時刻ｔ５以降にフォトダイオード２で発生した電荷は第３の転送部１３を介してＯＦＤへと排出されるので、全画素の蓄積時間は時刻ｔ５を以って終了する。

全画素同時にフォトダイオード２から蓄積部ＭＥＭに転送することで、全画素の蓄積開始及び終了時刻を合わせることができるので、面内同期型電子シャッタ動作を実現できる。

次に、時刻ｔ６から時刻ｔ８までの信号ＲＥＳ１（ｎ）がローレベルとなっている期間に、信号ＴＸ２（ｎ）が時刻ｔ６にハイレベルになると、ｎ行目の各画素の蓄積部ＭＥＭに保持された電荷が第２の転送部９（ＴＸ２）を介してＦＤ領域４へと転送される。少なくともこのタイミングでは選択トランジスタ１１がオン状態になっており、増幅トランジスタ１２と定電流源とで形成されるソースフォロワ回路によって、ＦＤ領域４に転送された電荷量に応じたレベルが垂直信号線ＯＵＴに現れる。垂直信号線ＯＵＴに現れたレベルに応じた信号は出力回路１０４から出力される。

ｎ＋１行目及びｎ＋２行目の画素についても同様の動作が行われ、それぞれの行の画素に応じた信号が出力回路１０４から出力される。以上で１フレーム分の動作が完了する。

ここで、本実施形態ではＯＦＤを使用しているが、本実施形態は必ずしもＯＦＤを使用しなくてもよい。ＯＦＤがない場合には、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）及びＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）をハイレベルにすることで、フォトダイオード２で生成される電荷を全てＦＤ領域４に転送することができる。この時点における蓄積部ＭＥＭには図５（ｂ）の状態と同様に電荷がない状態を作り出すことができる。また、時刻ｔ５で蓄積が終了した後、フォトダイオード２で生成される電荷がポテンシャル障壁を越えて蓄積部ＭＥＭに溢れ出す前に１フレーム分の信号出力が完了するようにすれば、ＯＦＤを用いなくても全画素の蓄積時間を図４の時刻ｔ５で規定することができる。

以上のように、本実施形態の撮像装置の駆動方法を用いると、フォトダイオード２に電荷が蓄積している時間を実質的に減少できるため、混色や感度不均一性の少ない優れた画像を得ることが可能になる。

さらに、光電変換期間中にフォトダイオード２から蓄積部ＭＥＭへの１回当たりの転送時間を短くすることで、暗電流を大幅に減少させることが可能になり、より低ノイズの画像を得ることができる。具体的には、図４の信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）が時刻ｔ３からｔ５の間でハイレベルになっている１回当たりの時間、例えば時刻ｔ３からｔ４の間隔で規定される時間を、１００μｓ以下の短い時間に制御する。第１の転送部８のＭＯＳトランジスタのシリコンとシリコン酸化膜界面から発生する暗電流を、表面が空乏化する時間を短くすることで抑制する。

また、より好ましくは上記の時間を１０μｓ以下とすることで動作環境に影響されにくい良好な画像を得ることが可能になる。

図１０は、上記の非特許文献１からの引用であり、埋め込みチャネルＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）の転送チャネルにおいて、１回当たりの転送時間を短くすることで、転送時の平均暗電流を低減できることを示している。一般に、転送チャネルの電圧をローレベルからハイレベルに変化させると、転送チャネルの界面酸化膜に存在する界面準位に電荷がトラップされ、トラップされた電荷がさらに励起されて暗電流が発生する。非特許文献１によれば、１回当たりの転送時間を短くすると、電荷が励起されて暗電流となる前に、転送チャネルの電圧がローレベルに戻るため、界面準位にトラップされた電荷を除去することが可能になり、暗電流を低減できることを指摘している。また、非特許文献１によると、一度転送を終了してから次に再開するまでの時間は、理論上は２ｎｓ、実用上も１μｓ〜３μｓの間で十分とされている。一回当たりの転送時間に比べて十分短いので、次の転送が始まるまでに電荷が溢れてしまうことも防止することができる。

なお、図１０は、埋め込みチャネル型の構造についてのデータではあるが、表面チャネル型においても表面の生成再結合準位密度などが特段変わるわけではなく、表面が強反転状態での暗電流の生成の度合いに原理的な差異は無い。故に本データは第１の転送部８が埋め込みチャネルの場合のみではなく、表面チャネルの場合でも同様に適用できる。

本実施形態では、非特許文献１で指摘している現象と類似の現象をＣＣＤの転送部ではなく、固体撮像装置のフォトダイオード２と蓄積部ＭＥＭの間の第１の転送部８において見出した。さらにこの暗電流低減の効果を、フォトダイオード２の飽和する時間を低減して混色や感度不均一性を低減できる効果に付加することで、相乗的な効果が期待できる新たな固体撮像装置の駆動方法を見出した。

（第２の実施形態）
以下では、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の駆動方法を図面を参照して詳細に説明する。第２の実施形態は、第１の転送部８が表面チャネル型トランジスタであること以外は第１の実施形態と同じである。図６は、本実施形態による画素を半導体基板上に形成する場合の断面図であり、第１の実施形態の図３に対応する。図６で、６０１はＰ型の半導体領域であり、Ｐ型の半導体領域２０１と不純物濃度が異なっていても同等でも構わない。

また、図８は、図４に示すタイミングのうち、時刻ｔ０の直前から蓄積時間の終了までの各タイミングにおける画素のポテンシャル状態を示す図である。第１の実施形態の図５との違いは、第１の転送部８（ＴＸ１）に形成されるポテンシャルがローレベルの時に第２の転送部９（ＴＸ２）に形成されるポテンシャルあるいは第３の転送部１３（ＴＸ３）に形成されるポテンシャルと同等に設定されているところである。第１の転送部８（ＴＸ１）が表面チャネル型トランジスタであるため、暗電流の発生を防止するためにローレベル時にできるだけポテンシャルが下がる構造を採用している。従って、この場合は、第１の転送部８（ＴＸ１）がローレベル時にできるだけ電荷が第２の転送部９（ＴＸ２）に溢れないように制御することが好ましい。

第１の実施形態と全く同様に、図４のタイミングチャートに従って、固体撮像装置を駆動させる。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がハイレベルになると、第１の転送部８に形成されたポテンシャル障壁がなくなり、フォトダイオード２で発生した電荷が蓄積部ＭＥＭに転送される（図８（ｅ））。以降、時刻ｔ５までに信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルになる期間とハイレベルになる期間が複数回繰り返される。このような駆動方法を採用することで、フォトダイオード２に蓄積している電荷を定期的に蓄積部ＭＥＭに転送することができる。

第１の転送部８が表面チャネル型トランジスタにおいても、フォトダイオード２に蓄積された電荷を定期的に蓄積部ＭＥＭに転送することで、フォトダイオード２のポテンシャルを高い状態に長時間維持し、混色や感度不均一性の問題を改善することが可能になる。

ところで、図６において、第１の転送部８を構成するＰ型の半導体領域６０１は表面チャネルを形成しているため、転送される電荷量は表面の状態の影響を受けやすくなり、暗電流が増加しやすくなる。そこで、１回当たりの転送時間を１００μｓ以下にすることで暗電流の低減効果がより向上し、混色や感度不均一性の低減と合わせて大きな相乗効果が期待できる。より好ましくは1回当たりの転送時間を１０μｓ以下とすることで動作環境に影響を受けにくい良好な画像を得ることが可能になる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。撮像システムは、第１又は第２の実施形態の固体撮像装置を適用した撮像システムである。撮像システムは、例えば、光学部７１１、固体撮像装置７００、信号処理回路部７０８、記録・通信部７０９、タイミング発生器７０６、ＣＰＵ７０７、再生・表示部７１０、操作部７１２を含む。

レンズなどの光学系である光学部７１１は、被写体からの光を固体撮像装置７００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部７０１に光像を結像させ、被写体の像を形成する。画素部７０１には先述の撮像領域１０１が含まれる。固体撮像装置７００は、タイミング発生器７０６からの信号に基づくタイミングで、画素部７０１に結像された光に応じた信号を出力する。

固体撮像装置７００は、図１の撮像領域１０１に対応する画素部７０１及び、画素部７０１の各画素から垂直信号線に出力された信号を一時的に保持する保持部を備える水平読み出し回路７０５を含む。水平読み出し回路７０５には、図１の出力回路１０４に対応する出力部が含まれても良い。固体撮像装置７００はさらに画素部７０１の画素の行を選択する垂直走査回路７０２及び、水平読み出し回路７０５からセンサ信号出力として信号を出力するように制御する水平走査回路７０３とを含む。

固体撮像装置７００から出力された信号は、信号処理部である信号処理回路部７０８に入力され、信号処理回路部７０８が、プログラムなどによって定められた方法に従って、入力された電気信号に対してＡＤ（アナログデジタル）変換などの信号処理を行う。信号処理回路部７０８での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部７０９に送られる。記録・通信部７０９は、画像を形成するための信号を再生・表示部７１０に送り、再生・表示部７１０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部７０９は、信号処理回路部７０８からの信号を受けて、ＣＰＵ７０７とも通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

ＣＰＵ７０７は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部７１１、タイミング発生器７０６、記録・通信部７０９、及び再生・表示部７１０の駆動を制御するための制御信号を出力する。また、ＣＰＵ７０７は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラムなどが記録される。ＣＰＵ７０７は、駆動モード指示信号及び撮影指示信号をタイミング発生器７０６に対して出力する。なお、駆動モード指示信号及び撮影指示信号は互いに異なる信号ではなく、単一の信号であっても良い。

タイミング発生器７０６はＣＰＵ７０７から駆動モード指示信号及び撮影指示信号を受けると、その信号に応じた駆動モードで固体撮像装置７００を動作させるように、垂直走査回路７０２及び水平走査回路７０３に対して信号を供給する。

例えばＣＰＵ７０７が、面内同期型電子シャッタに係る駆動モードにより撮影を行うようにタイミング発生器７０６に駆動モード指示信号及び撮影指示信号を供給する。これによりタイミング発生器７０６は面内同期型電子シャッタに係る動作を行うための信号を固体撮像装置７００に供給する。これを受けて固体撮像装置７００は例えば図４に示したタイミングで駆動され、撮像面内で蓄積時刻が同時である信号を信号処理回路部７０８へと出力する。

操作部７１２はユーザが操作するインターフェースであり、ユーザが操作することに応じた操作信号をＣＰＵ７０７へと出力する。より具体的には、動画を撮影するモードや静止画を撮影するモードなどを切り替えたり、シャッタのタイミングを決定したりすることができる。

再生・表示部７１０は入力された画像データを画像として表示するためのもので、例えば記録・通信部７０８を介して不図示の記録媒体に保持された画像データを画像として表示することができる。また、後述する電子ビューファインダ（ＥＶＦ）として用いる場合には、記録・通信部７０９を介することなく信号処理回路部７０８から供給された画像データを画像として表示することができる。

第１〜第３の実施形態によれば、光電変換期間中に、フォトダイオード２から第１の転送部８を通して蓄積部ＭＥＭに複数回電荷を転送することで、暗電流の生成を抑制することが可能となる。また、光電変換部であるフォトダイオード２に蓄積されている電荷量を低減し、フォトダイオード２の内部電界を強めることで、混色や感度不均一性も低減することが可能になる。

第１及び第２の固体撮像装置は、複数の画素２１を有する。画素２１は、入射した光を電荷に変換する光電変換部２と、光電変換部２により変換された電荷を蓄積する蓄積部ＭＥＭと、第１の転送部８と、第２の転送部９とを有する。第１の転送部８は、光電変換部２により変換された電荷を蓄積部ＭＥＭに転送する。第２の転送部９は、蓄積部ＭＥＭに蓄積された電荷を浮遊拡散領域４へ転送する。増幅部１２は、浮遊拡散領域４の電荷を増幅する。第１の転送部８は、光電変換部２により変換された電荷を蓄積部ＭＥＭに複数回転送し、その複数回転送した電荷を蓄積部ＭＥＭにまとめて蓄積させる。

第１の転送部８は、上記の複数回転送の間の転送しない期間（信号ＴＸ１がローレベルの期間）では、光電変換部２に隣接する素子のうちで最もポテンシャル障壁が低い。第１の転送部８及び第３の転送部１３は、光電変換部２に隣接する素子である。図５（ｄ）に示すように、第１の転送部８（ＴＸ１）は、第３の転送部１３（ＴＸ３）よりもポテンシャル障壁が低い。

第１の転送部８が光電変換部２から蓄積部ＭＥＭに電荷を転送する１回当たりの転送時間は１００μｓ以下であることが好ましい。光電変換部２の最大電荷蓄積量が蓄積部ＭＥＭの最大電荷蓄積量よりも小さいことが好ましい。

第３の実施形態の撮像システムは、第１又は第２の実施形態の固体撮像装置７００と、固体撮像装置７００に光像を結像させるための光学部７１１と、固体撮像装置７００により出力された信号を処理する信号処理部７０８とを有する。

第１〜第３の実施形態によれば、第１の転送部８が複数回電荷を転送することにより、暗電流の生成を抑制することが可能となる。また、光電変換部２に蓄積されている電荷量を低減し、光電変換部２の内部電界を強めることで、混色や感度不均一性を低減することが可能になる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す概略ブロック図である。 撮像領域に含まれる画素の等価回路図である。 画素を半導体基板上に形成する場合の断面図である。 固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 画素のポテンシャル状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態による画素を半導体基板上に形成する場合の断面図である。 本発明の第３の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。 画素のポテンシャル状態を示す図である。 固体撮像装置の構成図である。 転送時間と平均暗電流を示すグラフである。

符号の説明

２ フォトダイオード（ＰＤ）
４ 浮遊拡散領域（ＦＤ）
８ 第１の転送部
９ 第２の転送部
１０ リセットトランジスタ
１１ 選択トランジスタ
１２ 増幅トランジスタ
１３ 第３の転送部
２１ 画素
１０１ 撮像領域
１０２ 垂直走査回路
１０３ 水平走査回路
１０４ 出力回路
２０１ Ｐ型の半導体領域（第２導電型の第２の半導体領域）
２０２ Ｎ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）
２０３ Ｐ型の半導体領域
２０４ 第２の転送電極
２０５ Ｎ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）
２０６ 制御電極
２０７ 第１の転送電極
２０８ Ｎ型の半導体領域（第１導電型の第４の半導体領域）
２０９ プラグ
２１０ 遮光膜
２１１ 制御電極
２１２ Ｎ型の半導体領域（第１導電型の第５の半導体領域）
２１３ Ｎ型の半導体領域
２１５ プラグ
３０１ Ｎ型フォトダイオード領域
３０２ 導光部
３０３ 表面マイクロレンズ
３０５ Ｎ型電荷蓄積層
３０６ 蓄積電極
３０７ 第２の転送電極
３０８ フローティングディフュージョン
３０９ 遮光層
３１０ Ｐ型ウエル領域
３１１ 深いウエル領域
３１２ Ｎ型オーバーフロードレイン領域
６０１ Ｐ型の半導体領域
７００ 固体撮像装置
７０１ 画素部
７０２ 垂直走査回路
７０３ 水平走査回路
７０５ 水平読み出し回路
７０６ タイミング発生器
７０７ ＣＰＵ
７０８ 信号処理回路部
７０９ 記録・通信部
７１０ 再生・表示部
７１１ 光学部
７１２ 操作部
１１０１ 第１の転送電極
１１０２ オーバーフロードレイン制御電極

Claims (6)

1. 入射した光を電荷に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部により変換された電荷を蓄積する蓄積部と、
   前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送部と、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散領域へ転送するための第２の転送部と、
   前記浮遊拡散領域の電荷を増幅するための増幅部と、を含む複数の画素を有し、
   前記第１の転送部は、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に複数回転送し、前記複数回転送した電荷を前記蓄積部にまとめて蓄積させることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１の転送部は、前記複数回転送の間の転送しない期間では、前記光電変換部に隣接する素子のうちで最もポテンシャル障壁が低いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 第１の転送部が前記光電変換部から前記蓄積部に電荷を転送する１回当たりの転送時間は１００μｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換部の最大電荷蓄積量が前記蓄積部の最大電荷蓄積量よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置に光像を結像させるための光学部と、
   前記固体撮像装置により出力された信号を処理する信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。
6. 入射した光を電荷に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部により変換された電荷を蓄積する蓄積部と、
   前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送部と、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散領域へ転送するための第２の転送部と、
   前記浮遊拡散領域の電荷を増幅するための増幅部と、を含む複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第１の転送部は、前記光電変換部により変換された電荷を前記蓄積部に複数回転送し、前記複数回転送した電荷を前記蓄積部にまとめて蓄積させるステップを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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