JP4181871B2

JP4181871B2 - 固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP4181871B2
Application number: JP2002370381A
Authority: JP
Inventors: 誠小林; 裕生梅津; 勝己池田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP2004200592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、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、前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部とを含む固体撮像素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子として、ＣＣＤを利用した電荷転送部によって信号電荷を転送し、撮像データを得るものが知られている。この固体撮像素子は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、光電変換素子に隣接して設けられ、光電変換素子の電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部からの電荷を、行方向に転送する水平転送部と、水平転送部によって転送される電荷に応じた信号を出力する出力部とを有している。
【０００３】
垂直転送部を構成する第１のタイプの電荷転送素子は、不純物濃度がほぼ一定のｎ型電荷転送チャネルと、このチャネル上に膜厚がほぼ一定の絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極を含んで構成される。このタイプの電荷転送素子では、個々の電荷転送電極に印加する電圧の相対的な大小関係に応じて、相対的に高いレベルの電圧を印加した電極の下にはポテンシャル・ウェル領域が、相対的に低いレベルの電圧を印加した電極の下にはポテンシャル・バリア領域が形成され、ポテンシャル・ウェル領域の上流側及び下流側にポテンシャル・バリア領域を形成すれば、このポテンシャル・ウェル領域内に電荷を閉じこめることができる。
【０００４】
したがって、個々の電極に印加する電圧の高さを適宜制御することにより、２つのポテンシャル・バリア領域によって挟まれたポテンシャル・ウェル領域を所望方向に順次移動させることができ、ポテンシャル・ウェル領域内の電荷を所望方向に転送することができる。
【０００５】
なお、本明細書においては、電荷転送素子によって転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定する。
【０００６】
水平転送部を構成する第２のタイプの電荷転送素子は、ｎ型不純物の濃度が相対的に高い領域（以下、この領域を「ｎ型不純物添加領域」という。）と相対的に低い領域（以下、この領域を「ｎ^-型不純物添加領域」という。）とが交互に形成された電荷転送チャネルと、このチャネル上に膜厚がほぼ一定の絶縁膜を介して設けられた複数の電荷転送電極を含んで構成される。電荷転送電極は、通常、ｎ型不純物添加領域及びｎ^-型不純物添加領域それぞれの上方に１つずつ配置され、１つのｎ^-型不純物添加領域上に配置された電荷転送電極と、その下流側のｎ型不純物添加領域上に配置された電荷転送電極とは共通結線される。共通結線される２つの電荷転送電極は、１つの電極としてもよい。
【０００７】
このタイプの電荷転送素子では、個々のｎ型不純物添加領域はｎ^-型不純物添加領域に対して常にポテンシャル・ウェル領域となり、ポテンシャル・ウェル領域内の電荷は、ポテンシャル・バリア領域（この場合は、ｎ^-型不純物添加領域）によって、移動が禁止される。したがって、電荷転送電極に印加する電圧の高さを制御することによって、ポテンシャル・バリア領域からポテンシャル・ウェル領域に向かう方向に電荷を転送することができる。
【０００８】
以下の記載では、「ポテンシャル・ウェル領域」を単に「ウェル領域」と、「ポテンシャル・バリア領域」を単に「バリア領域」と記述する。また、第１のタイプの電荷転送素子においては、１つの電荷転送電極とその下方に位置する電荷転送チャネルの一領域とによって構成される要素を、第２のタイプの電荷転送素子においては、１つのｎ^-型不純物添加領域型不純物添加領域とその下流側のｎ型不純物添加領域、及びそれらの上方に配置された電荷転送電極とによって構成される要素を、「電荷転送段」と記述する。
【０００９】
このような垂直転送部及び水平転送部を備えた固体撮像素子は、垂直転送部に読み出された信号電荷を水平転送部に転送し、水平転送部によって転送された信号電荷を電圧信号に変換して出力する。固体撮像素子によって静止画撮影を行う場合は、全ての光電変換素子からの信号電荷をそれぞれ画素信号として利用するが、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラにおけるモニタモード（カメラのモニタに撮影画像を表示するモード）や、動画撮影モード（記録画素数が一般に少ない。）では、垂直方向及び水平方向に間引いた信号を得れば充分である。
【００１０】
垂直方向の間引きは、光電変換素子から垂直転送部への読み出しを間引いたり、垂直方向の複数の光電変換素子の電荷を垂直転送路で加算（混合）させたりすることによって実現される。また、水平方向の間引きは、垂直転送部と水平転送部との間に、信号電荷を一時蓄積するラインメモリを設け、垂直転送部から水平転送部への転送列を間引いた入り、水平転送部で複数の垂直転送部から電荷を加算（混合）することによって実現される。信号電荷の加算を行うと、信号処理上１つの画素として扱われる信号量（電荷量）が増加しているので、撮影感度を向上させることができる。
【００１１】
水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子は、特許文献１に示されている。図５は、水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子の一例の概略構成を平面的に示す図であり、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子１０と、光電変換素子１０に隣接して設けられ、光電変換素子１０で発生した信号電荷を列方向Ｙに転送する複数の垂直転送部２０と、垂直転送部２０の端部に設けられ、垂直転送部２０からの信号電荷を一時蓄積するラインメモリ３０と、ラインメモリ３０からの信号電荷を行方向Ｘに転送する水平転送部４０と、水平転送部４０によって転送される信号電荷に応じた信号を出力する出力部５０、光電変換素子１０の信号電荷を垂直転送部２０に読み出す電荷読み出し部６０を含む。なお、図５では、光電変換素子１０、ラインメモリ３０、電荷読み出し部６０は、一部のみに番号を付してある。
【００１２】
光電変換素子１０は、埋込型のフォトダイオードで実現され、入射光量に応じた信号電荷を発生し蓄積する。各光電変換素子１０の上方には、色フィルタ（図示せず）が設けられ、各光電変換素子１０は、フィルタの色に対応した分光感度の信号電荷を発生し蓄積する。色フィルタは、例えば赤色（以下、単に「Ｒ」と記述する場合もある）、緑色（以下、単に「Ｇ」と記述する場合もある）、青色（以下、単に「Ｂ」と記述する場合もある）の３原色で構成される。
【００１３】
垂直転送部２０は、光電変換素子１０から読み出された電荷を蓄積し、転送する垂直転送チャネルとその上方に設けられた垂直転送電極（図５においては、垂直転送チャネル領域に対応する領域を概略的に垂直転送部２０として記載してある。）を含む第１のタイプの電荷転送素子で構成される。光電変換素子１０の信号電荷は、電荷読み出し部６０を介して垂直転送部２０に読み出される。光電変換素子１０、垂直転送部２０、電荷読み出し部６０の形状及び配置、垂直転送電極（図示せず）の形状、配置等は、種々のものが周知であるので、詳細な記載は省略する。
【００１４】
ラインメモリ３０は、垂直転送部２０に続く１つの電荷転送段として構成される。ラインメモリ３０を構成する電荷転送段は、第２のタイプの電荷転送素子の電荷転送段と同様の構成を有し、上流の垂直転送部２０側にｎ^-型不純物添加領域、下流の水平転送部４０側にｎ型不純物添加領域が形成されている。したがって、上流側に隣接する垂直転送部２０の電荷転送段に信号電荷を蓄積した後、その電荷転送段に相対的に低いレベルの電圧を印加し、ラインメモリに相対的に高いレベルの電圧を印加することにより、垂直転送部２０からの信号電荷をラインメモリ３０に転送し、蓄積することができる。
【００１５】
図６に、垂直転送部２０の転送段とそれに続くラインメモリ３０の関係を模式的に示す。図６においては、１つの光電変換素子１０に対して電荷転送段が４段（それぞれの電荷転送段に対応する垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４で示す。）形成され、その最下流に連続してラインメモリ３０（転送制御電極をＬＭで示す。）が設けられる。
【００１６】
水平転送部４０は、第２のタイプの電荷転送素子で構成され、１つの垂直転送部２０に対応して１つの電荷転送段を有する。そして、垂直転送部２０の下流端に設けられたラインメモリ３０に蓄積された信号電荷が対応する電荷転送段に転送され、蓄積され、出力部５０に転送される。
【００１７】
図７は、図５に示す固体撮像素子の、垂直転送部、ラインメモリ、及び水平転送部の構成を概略的に示す部分平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、図８は、垂直転送部、ラインメモリ、水平転送部の各電極及び不純物領域相互の位置関係を示すもので、各要素の寸法（例えば、水平転送電極Ｈ１下方のｎ型不純物領域の寸法）は、正確ではない。
【００１８】
チャネルストップ領域２２（一部のみ番号を付してある。）に区画された垂直転送チャネル２１（一部のみ番号を付してある。）上には、最下流の光電変換素子に対応する垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が設けられ、続いて転送制御電極ＬＭ（この例では、第１の転送制御電極ＬＭ１と第２の転送制御電極ＬＭ２が設けられるが、電圧が印加されるので、単に「ＬＭ」と記述する。）が設けられる。図８の断面図に示すように。垂直転送チャネル２１は、ｎ型不純物領域で形成され、垂直転送チャネル２１に続いてラインメモリ３０のｎ^-型不純物領域３１、ｎ型不純物領域３２が設けられる。
【００１９】
水平転送部４０は、行方向に帯状に延在する１本の水平転送チャネル４１と、水平転送チャネル４１の上方に形成された多数個の第１水平転送電極Ｈａと第２水平転送電極Ｈｂ（図７では一部にのみ番号を付してある。）とを有する。第１水平転送電極Ｈａは、水平転送チャネルのｎ型不純物領域４３上方に設けられ、第２水平転送電極Ｈｂは、水平転送チャネルのｎ^-型不純物領域４２上方に設けられる。第２水平転送電極Ｈｂは、ラインメモリの転送制御電極ＬＭと第１水平転送電極Ｈａとの間の領域に回り込んでおり、回り込んだ部分の下方もｎ^-型不純物領域となっている。
【００２０】
垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、４相の駆動パルスφＶ１〜φＶ４で駆動され、水平転送電極Ｈａ、Ｈｂは、８相の駆動パルスφＨ１〜φＨ８で駆動される。同じ電荷転送段を構成する垂直転送電極Ｈａ、Ｈｂには、同一の駆動パルスが印加されるので、必要に応じて、垂直転送電極ＨａとＨｂを、対応する印加される駆動パルスφＨ１〜φＨ８に合わせ、Ｈ１〜Ｈ８と記述する。
【００２１】
図９は、図８に示した部分の不純物領域の電位レベルを、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４、転送制御電極ＬＭ、及び水平転送電極Ｈ１、Ｈ７、Ｈ８に印加される駆動パルスのレベルの変化に対応させて示したものである。図９における「Ｈ」は、対応する電極に相対的に高いレベル（以下、単に「ハイレベル」と記述する。）の電圧が印加されている状態（以下、単に「ハイレベル」と記述する。）を示し、「Ｌ」は、対応する電極に相対的に低いレベルの電圧が印加されている状態（以下、単に「ローレベル」と記述する。）を示す。
【００２２】
図９（ａ）は、電極Ｖ１、Ｖ４、Ｈ１、Ｈ７がローレベル、電極Ｖ２、Ｖ３、ＬＭ、Ｈ８がハイレベルとなっており、垂直転送部２０の信号電荷が電極Ｖ２、Ｖ３の下方に蓄積されている状態を示す。この状態から、図９（ｂ）に示すように、電極Ｖ４をハイレベルにすると、電極Ｖ４下方のバリア領域がなくなるので、信号電荷は電極ＬＭ下方のラインメモリ３０に移動する。
【００２３】
次いで、図９（ｃ）に示すように、電極Ｖ４をローレベルにしてバリア領域を形成して垂直転送部２０への移動を禁止した後、電極Ｈ１をハイレベルにする。しかし、ラインメモリ３０と水平転送部４０との間にはｎ^-不純物領域が存在するので、ラインメモリ３０の信号電荷は移動しない。図９（ｄ）に示すように電極ＬＭをローレベルにすると、信号電荷は電極Ｈ１下方に移動する。この状態が、垂直転送部２０から水平転送部４０に信号電荷が移動した状態である。
【００２４】
水平転送部４０における移動は、隣接する電極のレベルを変化させ、上流側をローレベルにすることによって行う。図９（ｅ）に示すように、電極Ｈ１、Ｈ８が共にローレベルの場合も、図Ｘ（ｄ）と同様信号電荷は移動しない。図９（ｄ）の状態から電極Ｈ１をローレベルにしたり、図９（ｅ）の状態から電極Ｈ８をハイレベルにしたりして、上流側の電極をローレベル、下流側の電極をハイレベルにすると、上流側に蓄積された信号電荷は下流側に移動する。
【００２５】
以上説明したラインメモリ３０から水平転送部４０及び水平転送部４０内の電荷移動を整理すると、図１０のようになる。図１０に示すように電荷が移動する条件は、電荷が蓄積された領域に対応する電極の電圧レベルがローレベルで、その電極の次の電極の電圧レベルがハイレベルの場合のみであるので、転送制御電極ＬＭ及び水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に印加する電圧のレベルを制御することにより、電荷の移動を自由に制御できる。
【００２６】
次に、図５〜図１０を用いて説明した従来の固体撮像素子の動作を説明する。図１１及び図１２は、全ての光電変換素子で発生し蓄積した信号電荷を読み出して転送し、各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作を説明する図である。図１１及び図１２においては、便宜的に３２個の光電変換素子が、４行８列に配置されているものとして記載したが、実際には数十万個ないし数百万個の光電変換素子が設けられる。また、各光電変換素子上に配置される色フィルタは、Ｇを正方格子状、ＲとＢを斜め市松状に配列した一般的なＧストライプ配列とする。水平転送電極（図示せず）には、８相の水平転送パルスが印加される。
【００２７】
図１１（ａ）は、光電変換素子１０に各色フィルタに対応した分光感度の検出光に対応した信号電荷が発生し蓄積された状態を示す。なお、図１１及び図１２における「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」は、それぞれ赤、緑、青に対応した信号電荷を示す（蓄積される信号電荷が記載される他の図においても同様である。）。また、参照番号は、一部省略して付してある。
【００２８】
図１１（ｂ）は、光電変換素子１０に蓄積された信号電荷を垂直転送部２０に読み出した状態を示し、図１１（ｃ）は、垂直転送を行って、最下流の光電変換素子行の信号電荷がラインメモリ３０に転送された状態を示す。垂直転送部２０への読み出し及び垂直転送部２０における転送は、垂直転送電極及び垂直転送電極と一体の読み出し電極（いずれも図示せず）に対する駆動パルスを制御することによって行われる。
【００２９】
ラインメモリ３０に蓄積された信号電荷を水平転送部４０に転送し、さらに水平転送部４０を出力部５０に向けて転送するには、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをローレベル、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７をハイレベル、偶数番の水平転送電極Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８をローレベルにする。各電極にこのような電圧を印加すると、奇数番列の信号電荷が、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７に対応する電荷転送段に転送される（図１２（ａ）参照）。そして、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをハイレベルにした後、水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に対する印加電圧をハイレベルとローレベルとで繰り返し反転させることにより、水平転送部４０の信号電荷を出力部５０に転送する。
【００３０】
続いて、ラインメモリ３０に残された偶数番列の信号電荷を水平転送部４０に転送するため、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをローレベル、偶数番の水平転送電極Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８をハイレベル、奇数番の水平転送電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７をローレベルにする。各電極にこのような電圧を印加すると、図１２（ｂ）に示すように、偶数番列の信号電荷が水平転送部４０に転送される。そして、奇数番列の信号電荷の転送と同様、ラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭをハイレベルにした後、水平転送電極Ｈ１〜Ｈ８に対する印加電圧をハイレベルとローレベルとで繰り返し反転させることにより、水平転送部４０の信号電荷を出力部５０に転送することができる。
【００３１】
１行分の信号電荷を出力部５０への転送が終了すると、さらに、垂直転送を行って、最下流の光電変換素子行の信号電荷をラインメモリ３０に転送し、同様の水平転送部４０への転送及び水平転送部４０内の転送を繰り返す。
【００３２】
図１３に、垂直転送部２０の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４とラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭに印加される駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭのタイミングチャート、及び駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭの状態に対応した垂直転送部２０及びラインメモリ３０の状態を示す。図１３は、図１１及び図１２に示す転送動作に対応するものである。
【００３３】
図１３における期間Ａは、垂直転送期間であり、垂直転送部２０に蓄積された信号電荷が光電変換素子１行に対応する段数だけ下流側に転送されると共に、最下流の電荷蓄積領域となっている垂直転送段の信号電荷がラインメモリ３０に転送される期間である。期間Ａの初期状態においては、垂直転送電極Ｖ２とＶ３、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧がハイレベル、垂直転送電極Ｖ１とＶ４の印加電圧がローレベルであり、垂直転送電極Ｖ２とＶ３に対応する電荷転送段がウェル領域となって、信号電荷が蓄積されている（時刻ｔ１の状態参照）。転送制御電極ＬＭに対応する電荷転送段もウェル領域となっているが、図１１及び図１２で説明したように、この状態では水平転送部４０を経て出力されているので、ラインメモリ３０には信号電荷の蓄積はない。
【００３４】
次いで、垂直転送電極Ｖ３とＶ４、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧をハイレベル、垂直転送電極Ｖ１とＶ２の印加電圧をローレベルとすると、垂直転送電極Ｖ３とＶ４に対応する電荷転送段がウェル領域となって、信号電荷が蓄積され、垂直転送部２０の最終段の信号電荷は、ラインメモリ３０に転送される（時刻ｔ２の状態参照）。続いて、垂直転送電極Ｖ１とＶ４、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧をハイレベル、垂直転送電極Ｖ２とＶ３の印加電圧をローレベルにし（時刻ｔ３の状態参照）、垂直転送電極Ｖ１とＶ２、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧をハイレベル、垂直転送電極Ｖ３とＶ４の印加電圧をローレベルにし（時刻ｔ４の状態参照）、さらに垂直転送電極Ｖ２とＶ３、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧をハイレベル、垂直転送電極Ｖ１とＶ４の印加電圧をローレベルにして初期状態と同じ印加電圧とすると、ラインメモリ３０に信号電荷が蓄積され、信号電荷が垂直転送部２０を１行だけ転送した状態となる（時刻ｔ５の状態参照）。この状態は、図１１（ｃ）の状態である。
【００３５】
期間Ａの終わりには、転送制御電極ＬＭの印加電圧が一時的にローレベルとなり、蓄積された信号電荷の一部が水平転送部４０に転送される（図１２（ａ）の状態参照）。期間Ａに続く期間Ｂは、水平転送部４０に転送された信号電荷を出力部５０に出力する水平転送期間であり、水平転送部４０に蓄積されているすべての信号電荷が出力される期間となる。
【００３６】
期間Ｂに続く期間Ｃは、ラインメモリ３０に残った信号電荷を水平転送部４０に転送する期間であり、期間Ｃの終わりに、期間Ａの終わりと同様転送制御電極ＬＭの印加電圧が一時的にローレベルとなり、蓄積された信号電荷の残りが水平転送部４０に転送される（図１２（ａ）の状態参照）。そして、期間Ｃに続く期間Ｄ（水平転送期間）で水平転送部４０に転送された残りの信号電荷を出力部５０に転送する。したがって、期間Ａの初期状態をほぼ同じ状態となっている（時刻ｔ６の状態参照）。
【００３７】
図１３から明らかなように、期間Ｂ、Ｃ、及びＤの間は、垂直転送部２０の信号電荷が垂直転送電極Ｖ２とＶ３に対応する電荷転送段に蓄積された状態が継続される。すなわち、垂直転送電極Ｖ２とＶ３の印加電圧がハイレベル、垂直転送電極Ｖ１とＶ４がローレベルの状態が継続される。
【００３８】
次に、垂直転送電極への印加電圧のレベルが一定時間固定される場合に、固体撮像素子からの出力画像データに基づく画像に白縦線が発生する理由を、図１４を用いて説明する。
【００３９】
図１４（ａ）は、垂直転送部２０の転送方向（図５の方向Ｙ）断面の一部を示す図であり、図１４（ｂ）は、対応する電荷転送段の電位レベルの一例を示す図である。垂直転送チャネル２１は、ｎ型不純物領域で形成され、その上方に絶縁膜２２を介して垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４が形成される。このようなＣＣＤ型撮像素子の絶縁膜２２は、製造上のばらつき等により、絶縁性が低下した部分（便宜的に「欠陥部」と記述する。）２３、２４を有する場合がある。このような絶縁膜２２の欠陥が、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４下方の部分に生じると、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４から垂直転送チャネル２１へのリークが起こる場合がある。
【００４０】
垂直転送部２０においては、ローレベルの電圧が印加される垂直転送電極は負の電位であり、ローレベルの電圧が印加される垂直転送電極（以下、「ＶＬ電極」と記述する。）から、ハイレベルの電圧が印加される垂直転送電極（以下、「ＶＨ電極」と記述する。）下方のシリコン基板表面に向けて最も大きな電位勾配となる。したがって、ＶＬ電極の下方に絶縁膜２２の欠陥部が存在すると、ＶＬ電極からＶＭ電極下方の電荷転送チャネル２１にリーク性の電流がわずかに流れる。そして、ＶＬ電極に対応する電荷転送段に電荷が蓄積される。
【００４１】
図１４の例では、図示上最右端の垂直転送電極Ｖ４の下方に欠陥部２４が、右側の垂直転送電極Ｖ１の下方に欠陥部２３が存在している。図１４に示すように、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４の駆動パルスφＶ１〜φＶ４の内、駆動パルスφＶ２とφＶ３がハイレベル、駆動パルスφＶ１とφＶ４がローレベルとすると、記号Ｉで示すリーク性の電流が流れる。この状態が、図１３の時刻ｔ５〜ｔ６の状態であるとすると、継続してリーク性の電流が流れるため、垂直転送電極Ｖ２とＶ３に対応する電荷転送段には、図１４の符号Ｑで示すような欠陥に依存する電荷が蓄積される。この電荷Ｑは、同一列の欠陥箇所より上流側の信号電荷全てに加算されることになるので、出力画像データに基づく画像には白縦線が発生することになる。また、この電荷Ｑのレベルは固定であるので、特に低照度撮影時に撮影信号回路のゲインを挙げた場合に、画像に白縦線が目立つことになる。
【００４２】
【特許文献１】
特開２００２−１１２１１９号公報
【００４３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、白縦線の発生による画像劣化が少ない撮影画像を得ることができる固体撮像素子の駆動方法を提供するものである。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
本発明の駆動方法は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、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、前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直転送部は、印加電圧のレベルに応じてバリア領域又はウェル領域として動作する複数の電荷転送段を含んで構成され、前記電荷転送段に蓄積される電荷を前記列方向に転送するに際して、前記垂直転送部の転送動作が停止している期間には、前記バリア領域として動作する電荷転送段が前記転送すべき光電変換素子当たり１段となると共に、１行分の前記光電変換素子で発生した電荷を水平転送する間に、前記転送すべき光電変換素子当たり１段の、バリア領域として動作していた前記電荷転送段に隣接するウェル領域として動作していた前記電荷転送段をバリア領域に、バリア領域として動作していた前記電荷転送段をウェル領域に変化させることにより、バリア領域として動作する前記電荷転送段が変化するように前記固体撮像素子を駆動するものである。このような駆動を行うと、撮影画像データに基づく画像に白縦線が発生する場合、その最大レベルを小さくすることができ、白縦線の発生による画像劣化を減少させることができる。
【００４６】
本発明の駆動方法は、さらに前記垂直転送部の端部に設けられ、前記垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積し、前記水平転送部に転送するラインメモリを含み、前記水平転送部は、前記ラインメモリに蓄積された電荷を複数回に分けて転送する前記固体撮像素子の駆動方法であって、１行分の前記光電変換素子で発生した電荷を水平転送する間であって、前記ラインメモリから前記水平転送部への電荷転送時に、バリア領域として動作する前記電荷転送段が変化するように前記固体撮像素子を駆動するものである。このような駆動を行うと、バリア領域として動作する前記電荷転送段を変化させるための駆動信号を容易に生成することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本実施の形態の駆動方法が適用される固体撮像素子は、図５〜図１０を用いて説明した従来の固体撮像素子と同様の構成を有するものである。光電変換素子で蓄積した信号電荷を全て読み出して転送し、各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作は従来と同じである（図１１及び図１２参照）。
【００４８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の駆動方法の第１の実施の形態を説明する図であり、従来の技術で示した図１３と同様、垂直転送部２０の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４とラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭに印加される駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭのタイミングチャート、及び駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭの状態に対応した垂直転送部２０及びラインメモリ３０の状態を示すものである。同様に、図１１及び図１２に示す転送動作に対応するものである。
【００４９】
期間Ａ〜Ｄも図１３における期間Ａ〜Ｄと同様であり、期間Ａは垂直転送期間、期間Ｂは水平転送期間、期間Ｃはラインメモリ３０に残った信号電荷を水平転送部４０に転送する期間、期間Ｄは水平転送期間である。
【００５０】
期間Ａの初期状態においては、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧がハイレベル、垂直転送電極Ｖ４の印加電圧がローレベルであり、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３に対応する電荷転送段がウェル領域となって、信号電荷が蓄積されている（時刻ｔ１１の状態参照）。転送制御電極ＬＭに対応する電荷転送段もウェル領域となっているが、図１１及び図１２で説明したように、この状態では水平転送部４０を経て出力されているので、ラインメモリ３０には信号電荷の蓄積はない。
【００５１】
次いで、垂直転送電極Ｖ１の印加電圧をローレベルに変化させ、さらに垂直転送電極Ｖ４の印加電圧をハイレベルに変化させると、垂直転送電極Ｖ２〜Ｖ４に対応する電荷転送段がウェル領域となって、この領域が信号電荷の蓄積領域となり、垂直転送部２０の最下流の蓄積領域の信号電荷は、ラインメモリ３０に転送される（時刻ｔ１２の状態参照）。この状態は、垂直転送部２０の信号電荷を蓄積する電荷転送段のウェル領域が１段シフトした状態である。そして、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４への印加電圧を順次変化させ、電荷転送段のウェル領域を１段づつシフトさせすことにより、蓄積された信号電荷を１段づつシフトさせる（時刻ｔ１３、ｔ１４、及び時刻ｔ１５の状態参照）。この状態は、図１１（ｃ）の状態である。
【００５２】
期間Ａの終わりに、転送制御電極ＬＭの印加電圧が一時的にローレベルとなり、蓄積された信号電荷の一部が水平転送部４０に転送される（図１２（ａ）の状態参照）点は、図１３に示す従来の駆動方法と同様である。また、期間Ａに続く期間Ｂ（水平転送期間）、期間Ｃ（ラインメモリ３０から水平転送部４０への転送期間）、期間Ｄ（水平転送期間）における駆動方法も図１３に示す従来の駆動方法と同様である。
【００５３】
期間Ｂ〜期間Ｄの間、垂直転送部２０の状態が変化しない点も図１３に示す従来の駆動方法と同じであるが、この間、電荷転送電極Ｖ４に対応する電荷転送段のみがバリア領域となっている点が、図１３に示す従来の駆動方法と異なる点である。すなわち、垂直転送部２０の転送休止期間（期間Ｂ〜期間Ｃ）に、ＶＬ電極となっている垂直転送電極の数が１／２になっている点が異なる。
【００５４】
したがって、リークが発生し易い絶縁膜の欠陥部の上方にＶＬ電極が存在する確率が１／２となり、出力画像データに基づく画像に白縦線が発生する頻度も１／２となる。図３に、白縦線の最大レベルと発生するする頻度の関係を示す。図３は、図１３に示す駆動方法によって駆動したときに発生する白縦線の最大レベルと発生頻度との関係が、破線で表される場合、同じ固体撮像素子を第１の実施の形態の駆動方法で駆動したときには、実線に示す関係となることを示している。
【００５５】
以上、発生した電荷を列方向に転送すべき光電変換素子それぞれに対応して４段の電荷転送段が設けられ、垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積し、水平転送部４０に転送するラインメモリ３０を含む固体撮像素子の駆動方法について説明したが、転送すべき光電変換素子それぞれに対応する電荷転送段が４段以上のものに対しても適用可能である。また、ラインメモリ３０が設けられてないものに対しても適用可能である。
【００５６】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の駆動方法の第２の実施の形態を説明する図であり、図１及び図１３と同様、垂直転送部２０の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４とラインメモリ３０の転送制御電極ＬＭに印加される駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭのタイミングチャート、及び駆動パルスφＶ１〜φＶ４とφＬＭの状態に対応した垂直転送部２０及びラインメモリ３０の状態を示すものである。同様に、図１１及び図１２に示す転送動作に対応するものである。図１と大きく異なる点は、１行分の光電変換素子で発生した信号電荷を水平転送する間に、バリア領域として動作する電荷転送段を変化させている点である。
【００５７】
期間Ａ〜Ｄも図１及び図１３における期間Ａ〜Ｄと同様であり、期間Ａは垂直転送期間、期間Ｂは水平転送期間、期間Ｃはラインメモリ３０に残った信号電荷を水平転送部４０に転送する期間、期間Ｄは水平転送期間である。
【００５８】
期間Ａの初期状態においては、図１と同様、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３、及び転送制御電極ＬＭの印加電圧がハイレベル、垂直転送電極Ｖ４の印加電圧がローレベルであり、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３に対応する電荷転送段がウェル領域となって、信号電荷が蓄積されている（時刻ｔ２１の状態参照）。同様に、ラインメモリ３０には信号電荷の蓄積はない。
【００５９】
垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４への印加電圧を順次変化させ、電荷転送段のウェル領域を１段づつシフトさせすことにより、蓄積された信号電荷を１段づつシフトさせる点も、図１と同様である。図２の時刻ｔ２２〜ｔ２５の状態は、それぞれ図１の時刻ｔ１２〜ｔ１５の状態と同じである。
【００６０】
時刻ｔ２５の状態とすることによって、ラインメモリ３０への電荷転送を完全に行った後、駆動パルスφＶ３をローレベルに、次いで駆動パルスφＶ４をハイレベルに変化させることにより、電荷転送電極Ｖ３に対応する電荷転送段をバリア領域とする。そして、期間Ａの終わりに、転送制御電極ＬＭの印加電圧を一時的にローレベルとし、蓄積された信号電荷の一部を水平転送部４０に転送する（事項ｔ２６の状態参照）。図２は、信号電荷転送されない列について示したのものであるので、ラインメモリ３０に信号電荷が残った状態となっている。
【００６１】
そして、ラインメモリ３０から水平転送部４０に転送された信号電荷が水平転送部４０内を転送される期間Ｂの間、垂直転送部２０は、時刻ｔ２６の状態のまま保持される。
【００６２】
期間Ｂに続く期間Ｃでラインメモリ３０から水平転送部４０へ残り信号電荷が転送されるが、水平転送部４０への転送に先だって、バリア領域として動作する電荷転送段を変化させる。期間Ｃの初期状態は、時刻ｔ２６の状態のままであって、電荷転送電極Ｖ３に対応する電荷転送段がバリア領域となっている（時刻ｔ２７の状態参照）が、電荷転送電極Ｖ４に対応する電荷転送段をバリア領域に変化させる。そのため、駆動パルスφＶ４をローレベルにし（時刻ｔ２８の状態参照）、次いで駆動パルスφＶ３をハイレベルに変化させる（時刻ｔ２９の状態参照）。期間Ｂは、水平転送が停止されているので、バリア領域となる電荷転送段を変更する駆動パルスを生成するのが簡単である。
【００６３】
その後、期間Ａの終わりと同様転送制御電極ＬＭの印加電圧を一時的にローレベルとし、ラインメモリ３０に蓄積された信号電荷の残りを水平転送部４０に転送する。
【００６４】
期間Ｃに続く期間Ｄにおいては、水平転送部４０に転送された信号電荷を出力部５０に転送する。この間垂直転送部２０の状態は変更されないので、期間Ｄの終わりには、期間Ａの初期状態をほぼ同じ状態となっている（時刻ｔ３０の状態参照）。
【００６５】
以上説明したように、第２の実施の形態においては、１行分の光電変換素子で発生した信号電荷を水平転送する間に、バリア領域として動作する電荷転送段を変化させている。
【００６６】
したがって、リークが発生し易い絶縁膜の欠陥部の上方にＶＬ電極が存在しても、リーク電流に基づく電荷蓄積期間が減少（図２の例ではラインメモリの信号電荷を半分づつ２回に分けて転送しているので１／２に減少）するので、出力画像データに基づく画像に発生する白縦線の最大レベルが減少する。図４に、白縦線の最大レベルと発生するする頻度の関係を示す。図４は、図１３に示す駆動方法によって駆動したときに発生する白縦線の最大レベルと発生頻度との関係が、破線で表される場合、同じ固体撮像素子を第２の実施の形態の駆動方法で駆動したときには、実線に示す関係となることを示している。
【００６７】
なお、図２では、発生した電荷を列方向に転送すべき光電変換素子それぞれに対応して４段の電荷転送段が設けられ、垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積し、水平転送部４０に転送するラインメモリ３０を含む固体撮像素子を駆動方法ついて説明したが、転送すべき光電変換素子それぞれに対応する電荷転送段が３段以上のものに対しても適用可能である。また、ラインメモリ３０に蓄積された電荷を複数回に分けて転送するものでなくても、適用可能である。すなわち、水平転送の途中でバリア領域として動作する前記電荷転送段を変化させることによって白縦線の最大レベルを減少させることが可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、白縦線の発生による画像劣化が少ない撮影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の駆動方法における垂直転送部の垂直転送電極とラインメモリの転送制御電極に印加される駆動パルスのタイミングチャート、及び駆動パルスの状態に対応した垂直転送部及びラインメモリの状態を示す図
【図２】本発明の第２の実施の形態の駆動方法における垂直転送部の垂直転送電極とラインメモリの転送制御電極に印加される駆動パルスのタイミングチャート、及び駆動パルスの状態に対応した垂直転送部及びラインメモリの状態を示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態の駆動方法による駆動時の白縦線の最大レベルと発生するする頻度の関係を、従来の駆動方法と対比させて示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の駆動方法による駆動時の白縦線の最大レベルと発生するする頻度の関係を、従来の駆動方法と対比させて示す図。
【図５】水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子の一例の概略構成を平面的に示す平面図
【図６】垂直転送部の転送段とそれに続くラインメモリの関係を模式的に示す図
【図７】図５に示す固体撮像素子の、垂直転送部、ラインメモリ、及び水平転送部の構成を概略的に示す部分平面図
【図８】図７のＡ−Ａ断面を示す図
【図９】図８に示した部分の不純物領域の電位レベルを、垂直転送電極、転送制御電極、水平転送電極に印加される駆動パルスのレベルの変化に対応させて示す図
【図１０】転送制御電極及び水平転送電極の印加電圧レベルと電荷移動の関係を示す図
【図１１】全ての各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作を説明する図
【図１２】全ての各光電変換素子に対応した撮影画像信号を出力する場合の動作を説明する図
【図１３】従来の駆動方法における垂直転送部の垂直転送電極とラインメモリの転送制御電極に印加される駆動パルスのタイミングチャート、及び駆動パルスの状態に対応した垂直転送部及びラインメモリの状態を示す図
【図１４】出力画像データに基づく画像に白縦線が発生する理由を説明する図
【符号の説明】
１０・・・光電変換素子
２０・・・垂直転送部
３０・・・ラインメモリ
４０・・・水平転送部
５０・・・出力部
６０・・・電荷読み出し部

Claims

半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、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、前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記垂直転送部は、印加電圧のレベルに応じてバリア領域又はウェル領域として動作する複数の電荷転送段を含んで構成され、
前記電荷転送段に蓄積される電荷を前記列方向に転送するに際して、前記垂直転送部の転送動作が停止している期間には、前記バリア領域として動作する電荷転送段が前記転送すべき光電変換素子当たり１段となると共に、１行分の前記光電変換素子で発生した電荷を水平転送する間に、前記転送すべき光電変換素子当たり１段の、バリア領域として動作していた前記電荷転送段に隣接するウェル領域として動作していた前記電荷転送段をバリア領域に、バリア領域として動作していた前記電荷転送段をウェル領域に変化させることにより、バリア領域として動作する前記電荷転送段が変化するように前記固体撮像素子を駆動する駆動方法。
請求項１記載の駆動方法であって、
前記固体撮像素子は、さらに前記垂直転送部の端部に設けられ、前記垂直転送部から転送される電荷を一時蓄積し、前記水平転送部に転送するラインメモリを含み、
前記水平転送部は、前記ラインメモリに蓄積された電荷を複数回に分けて転送するものであり、
１行分の前記光電変換素子で発生した電荷を水平転送する間であって、前記ラインメモリから前記水平転送部への電荷転送時に、バリア領域として動作する前記電荷転送段が変化するように前記固体撮像素子を駆動する駆動方法。