JP4212070B2 - 固体撮像素子及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に電荷を読み出して転送する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、固体撮像素子の平面図である。
【0003】
光電変換素子21は、例えばフォトダイオードであり、2次元マトリックス状に多数配列される。フォトダイオード21は、例えば、垂直方向に492個、水平方向に660個配列される。このように構成されたフォトダイオードマトリックスが撮像面を構成する。
【0004】
フォトダイオード21は、受光した光を電荷に変換する。垂直電荷転送路(VCCD)22は、フォトダイオード21から電荷を読み出し、その電荷を垂直方向に転送する。具体的には、駆動パルスφVに応じて電荷を上から下の方向に転送する。
【0005】
水平電荷転送路(HCCD)23は、垂直電荷転送路22から電荷を受け取り、その電荷を水平方向に転送する。具体的には、駆動パルスφHに応じて、電荷を右から左の方向に転送する。
【0006】
アンプ24は、水平電荷転送路23から電荷を受け、その電荷量に応じた電圧を出力する。アンプ24からは、画像信号が出力される。2次元配列された各フォトダイオード21は、画像を構成する画素に相当する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
フォトダイオード21は、外部からの光を受光可能である。垂直電荷転送路22及び水平電荷転送路23は、外部からの光を遮蔽するための遮光膜で覆われている。外部から光を受けると、フォトダイオード21のみに電荷が発生する。
【0008】
しかし、強い光を受けると、フォトダイオード21で発生した電荷が垂直電荷転送路22に洩れることがある。この現象はスミアと呼ばれている。スミアが発生すると、垂直転送路22にノイズとなる電荷が洩れるので、画像の劣化を引き起こす。
【0009】
本発明は、画像の劣化を防止することができる固体撮像素子又はその制御方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、光電変換素子及び電荷転送路を有する基板と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を除去するために、基板に所定の電圧を印加するための電源とを含む固体撮像素子の制御方法であって、(a)基板に第1の直流バイアス電圧を印加し、受光した光を電荷に変換して光電変換素子に蓄積する工程と、(b)前記光電変換素子に蓄積された電荷を電荷転送路に読み出す工程と、(c)基板に前記第1の直流バイアス電圧よりも大きく、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を前記基板に掃き出すことができる大きさの第2の直流バイアス電圧を連続的に印加するとともに、前記電荷転送路に駆動パルスを供給して前記電荷転送路上の電荷を転送する工程とを含む固体撮像素子の制御方法が提供される。
【0011】
基板には、第1又は第2の直流バイアス電圧が印加される。第2の直流バイアス電圧は、第1の直流バイアス電圧よりも大きい。光電変換素子に電荷を蓄積する際には、第1の直流バイアス電圧を基板に印加し、光電変換素子の最大可能蓄積容量を大きくする。光電変換素子に蓄積された電荷は、電荷転送路上に読み出される。電荷転送路上の電荷を転送する際には、第2の直流バイアス電圧を基板に印加し、光電変換素子から電荷転送路への電荷洩れを防止する。すなわち、スミアを防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施例による固体撮像素子を示し、図2に示す固体撮像素子のI−I線に沿う断面図である。
【0013】
n型シリコン基板1の表面に、p型ウエル2が形成される。p型ウエル2の表面部分にフォトダイオード21を構成するn型領域3及び垂直電荷転送路22を構成するn型領域4が形成される。n型領域3とその左隣のn型領域4との間には、チャンネルストップ領域を構成するp+ 型領域5が形成されている。
【0014】
垂直電荷転送路22を構成するn型領域4の上には、絶縁膜6を介してシフトゲート電極7が形成される。シフトゲート電極7には、シフトゲート信号SGが供給される。正電位のシフトゲート信号SGが供給されると、フォトダイオード21に蓄積された電荷は、右隣の垂直電荷転送路22に読み出される。
【0015】
n型基板1は、正極性の可変電源Vodに接続される。p型ウエル2は、グランドに接続される。
【0016】
入射光8は、フォトダイオード21に入射する。光照射によってn型領域3に電荷が溜まる。n型領域3に電荷が溜まり過ぎると、電子9はn型領域3からn型基板1にオーバーフローする。この構造をオーバーフロードレイン構造という。
【0017】
図1の右側に示すグラフは、基板電圧Vodに応じた電位を示す。横軸は電位を示し、縦軸は固体撮像素子の深さ方向(垂直方向)の位置を示す。
【0018】
基板電圧Vodの大きさを変更すると、フォトダイオード21の飽和電荷量が変更される。基板電圧Vodを低い電圧Vod1に制御した場合と高い電圧Vod2に制御した場合を示す。低い基板電圧Vod1では飽和電荷量Q1が多く、高い基板電圧Vod2では飽和電荷量Q2が少ない。
【0019】
p型ウエル2の上端は0Vである。p型ウエル2の深さ方向の中央部付近に、電子に対するポテンシャルバリアのピークが形成される。低い基板電圧Vod1に比べ、高い基板電圧Vod2では、ポテンシャルバリアの位置が基板表面の方向(上方向)PVに移動する。
【0020】
低い基板電圧Vod1のときには、フォトダイオード21に蓄積された電荷をn型基板1に掃き出しにくいが、高い基板電圧Vod2のときには、フォトダイオード21に蓄積された電荷の一部をn型基板1に掃き出すことができる。
【0021】
高い基板電圧Vod2をn型基板1に印加することにより、フォトダイオード21に蓄積された電荷を所定量だけ残してn型基板1に掃き出し、フォトダイオード21から垂直電荷転送路22に電荷が洩れることを防止できる。すなわち、スミアを防止することができる。
【0022】
ただし、必要な電荷をフォトダイオード21に蓄積している間は、フォトダイオード21の飽和電荷量が多いことが望ましいので、基板1に低電圧Vod1を印加する必要がある。すなわち、固体撮像素子の動作状態に応じて、基板電圧Vodを変化させる。次に、その制御方法を説明する。
【0023】
図3は、固体撮像素子を制御するための信号のタイミングチャートである。
垂直電荷転送路駆動パルスφVは、図2に示すように、垂直電荷転送路22を駆動するためのパルスである。水平電荷転送路駆動パルスφHは、図2に示すように、水平電荷転送路23を駆動するためのパルスである。
【0024】
シフトゲートパルスSGは、図1に示すシフトゲート7に供給されるパルスである。基板電圧Vodは、図1に示すn型基板1に印加される電圧である。基板電圧Vodのバイアス電圧は、低電圧Vod1又は高電圧Vod2に制御される。そのバイアス電圧に電子シャッタパルスSHを加算した電圧が基板電圧Vodになる。
【0025】
電子シャッタパルスSHは、高い基板電圧Vod3を生成するためのパルスであり、フォトダイオードに蓄積された電荷を全てn型基板1に掃き出す役割を有する。
【0026】
まず、準備期間T1では、固体撮像素子を初期化する。以下、具体的な動作を説明する。シフトゲートパルスSGがシフトゲート7に印加され、フォトダイオード21に蓄積された不要な電荷が垂直電荷転送路22に読み出される。駆動パルスφVが垂直電荷転送路22に供給され、垂直電荷転送路22は垂直方向に電荷を転送する。駆動パルスφHが水平電荷転送路23(図2)に供給され、水平電荷転送路23は垂直電荷転送路22から受けた電荷を水平方向に転送し、外部に出力する。この時、基板電圧Vodは低電圧Vod1(例えば10V)である。
【0027】
後の期間T2でスミアによる不要電荷を除去するので、準備期間T1でスミアが発生しても、そのスミアが悪影響を及ぼすことはない。そのため、準備期間T1における基板電圧Vodは、低電圧Vod1でも高電圧Vod2でもよい。
【0028】
次に、不要電荷除去期間T2では、垂直及び水平電荷転送路22,23上の不要電荷を除去する。以下、具体的な動作を説明する。基板電圧Vodのバイアス電圧を高電圧Vod2(例えば14V)に変更する。高い基板電圧Vod2が印加されると、ポテンシャルバリアが基板表面側に移動し、フォトダイオード21内の電荷が垂直電荷転送路22に洩れることを防止できる。すなわち、スミアを防止できる。
【0029】
なお、図1において、フォトダイオード21を構成するn型領域3の深さは約3〜4μmであり、垂直電荷転送路22を構成するn型領域4の深さは約0.5〜1μmである。n型領域4の深さは、n型領域3のものに比べて浅いので、基板電圧Vodを変化しても、垂直電荷転送路22はほとんど影響を受けない。
【0030】
この期間T2において、基板電圧Vodは、バイアス電圧Vod2に所定周期の電子シャッタパルスSHが重畳された電圧である。その結果、基板電圧Vodには、電子シャッタパルスSHに対応する所定周期のパルスVod3が現れる。パルス電圧Vod3は、例えば20〜30Vである。
【0031】
パルス電圧Vod3が印加されると、フォトダイオード21に蓄積されている電荷のほとんどがn型基板1に掃き出され、フォトダイオード21が初期化される。
【0032】
なお、電圧Vod3は、必ずしも複数のパルスで構成する必要はなく、所定の期間中に電圧Vod3を維持するようにしてもよい。ただし、高電圧Vod3を所定時間印加するには、大きな電源を必要とする。それに対し、所定周期のパルスVod3は、コンデンサの充放電特性を利用することにより、小型の回路で容易に実現することができる。
【0033】
不要電荷除去期間T2においても、駆動パルスφV及びφHが供給され、垂直及び水平電荷転送路22,23は不要電荷を外部に転送する。
【0034】
次に、電荷蓄積期間T3では、外部からの光照射により、フォトダイオード21が光電変換を行って必要な電荷を生成し、蓄積する。電荷蓄積期間T3は、期間T2中の複数のシャッタパルスVod3のうちの最後のシャッタパルスVod3から次のシフトゲートパルスSGが供給されるまでの時間である。フォトダイオード21は、最後のシャッタパルスVod3により初期化されて電荷の蓄積を開始し、次のシフトゲートパルスSGにより電荷が垂直電荷転送路22に読み出されて電荷の蓄積を終了する。
【0035】
この期間T3では、基板電圧Vodを低電圧Vod1に変更する。低電圧Vod1をn型基板1に印加することにより、フォトダイオード21の飽和電荷量を多くし、蓄積可能な電荷量のダイナミックレンジを広くすることができる。
【0036】
基板電圧Vodの直流バイアスを高電圧Vod2から低電圧Vod1に切り換えるタイミングT5は、最後のシャッタパルスVod3の後が好ましい。
【0037】
次に、電荷読み出し期間T4では、垂直電荷転送路22がフォトダイオード21から読み出した電荷を転送する。具体的には、駆動パルスφV及びφHが供給され、垂直及び水平電荷転送路22,23が電荷を転送する。アンプ24は、転送された電荷の電荷量に応じた電圧を出力する。
【0038】
この期間T4では、基板電圧Vodのバイアス電圧を高電圧Vod2(例えば14V)に変更する。高い基板電圧Vod2を印加することにより、フォトダイオード21内の電荷が垂直電荷転送路22に洩れることを防止できる。すなわち、スミアを防止できる。
【0039】
基板電圧Vodの直流バイアスを低電圧Vod1から高電圧Vod2に切り換えるタイミングT6は、シフトゲートパルスSGの後に限定されず前でもよい。タイミングT6は、シフトゲートパルスSGの直前又は直後が好ましく、特に直後が好ましい。
【0040】
また、基板電圧Vodには、バイアス電圧Vod2に所定周期のパルスVod3(例えば20〜30V)が現れる。このパルスVod3により、フォトダイオード21が初期化され、スミアを防止できる。
【0041】
以上のように、電荷蓄積時間T3では、基板電圧Vodの直流バイアスを低電圧Vod1にすることにより、フォトダイオード21の電荷蓄積可能容量を大きくする。一方、電荷読み出し期間T4では、基板電圧Vodの直流バイアスを高電圧Vod2にすることにより、フォトダイオード21から垂直電荷転送路22への電荷の洩れを防止する。すなわち、スミアを防止する。
【0042】
これにより、フォトダイオード21の電荷蓄積可能容量を大きくし、かつスミアを防止することができる。
【0043】
さらに、不要電荷除去期間T2でも、基板電圧Vodの直流バイアスを高電圧Vod2にすることが望ましい。
【0044】
なお、基板電圧Vodの直流バイアスを高電圧Vod2から低電圧Vod1に切り換えるタイミングT5は、不要電荷除去期間T2における複数のシャッタパルスVod3の前でもよい。すなわち、不要電荷除去期間T2において、基板電圧Vodを高電圧Vod2にして不要電荷を除去した後、基板電圧Vodを低電圧Vod1に下げる。その後、基板電圧Vodの直流バイアスを低電圧Vod1にした状態で、基板電圧VodとしてシャッタパルスVod3を印加してもよい。
【0045】
なお、不要電荷除去期間T2の直流バイアス電圧Vod2と電荷読み出し期間T4の直流バイアス電圧Vod2とは必ずしも同じである必要はない。両電圧は、電荷蓄積期間T2の低バイアス電圧Vod1よりも高い電圧であればよい。
【0046】
本実施例による固体撮像素子は、静止画の撮像に適している。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換素子に電荷を蓄積する際には、第1の直流バイアス電圧を基板に印加し、光電変換素子の最大可能蓄積容量を大きくする。光電変換素子に蓄積された電荷は、電荷転送路上に読み出される。電荷転送路上の電荷を転送する際には、第1の直流バイアス電圧よりも大きな第2の直流バイアス電圧を基板に印加し、光電変換素子から電荷転送路への電荷洩れを防止する。すなわち、スミアを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による固体撮像素子の断面図である。
【図2】固体撮像素子の平面図である。
【図3】本実施例による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 n型基板
2 p型ウエル
3,4 n型領域
5 p+ 型領域
6 絶縁膜
7 シフトゲート電極
8 光
9 電子
21 光電変換素子
22 垂直電荷転送路
23 水平電荷転送路
24 出力アンプ
Claims (9)
- 光電変換素子及び電荷転送路を有する基板と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を除去するために、基板に所定の電圧を印加するための電源とを含む固体撮像素子の制御方法であって、
(a)基板に第1の直流バイアス電圧を印加し、受光した光を電荷に変換して光電変換素子に蓄積する工程と、
(b)前記光電変換素子に蓄積された電荷を電荷転送路に読み出す工程と、
(c)基板に前記第1の直流バイアス電圧よりも大きく、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を前記基板に掃き出すことができる大きさの第2の直流バイアス電圧を連続的に印加するとともに、前記電荷転送路に駆動パルスを供給して前記電荷転送路上の電荷を転送する工程とを含む固体撮像素子の制御方法。 - 前記工程(c)は、前記第2の直流バイアス電圧にパルス電圧を加算した電圧を基板に印加する請求項1記載の固体撮像素子の制御方法。
- さらに、(d)前記工程(b)の前に、前記基板に印加する電圧を第1の直流バイアス電圧から第2の直流バイアス電圧に切り換える工程を含む請求項1又は2記載の固体撮像素子の制御方法。
- さらに、(d)前記工程(b)の後に、前記基板に印加する電圧を第1の直流バイアス電圧から第2の直流バイアス電圧に切り換える工程を含む請求項1又は2記載の固体撮像素子の制御方法。
- さらに、(e)前記工程(a)の前に、基板に前記第1の直流バイアス電圧よりも大きな第3の直流バイアス電圧を印加して前記光電変換素子に蓄積されている電荷を前記基板に掃き出すとともに、前記電荷転送路に駆動パルスを供給して前記電荷転送路上の不要電荷を転送する工程を含む請求項1〜4のいずれかに記載の固体撮像素子の制御方法。
- 前記第2及び第3の直流バイアス電圧は同じ電圧である請求項5記載の固体撮像素子の制御方法。
- さらに、(f)前記工程(e)の前に、光電変換素子に蓄積された不要電荷を前記電荷転送路に読み出す工程を含む請求項5又は6記載の固体撮像素子の制御方法。
- さらに、(g)前記工程(e)の後に、前記基板に印加する電圧を第3の直流バイアス電圧から第1の直流バイアス電圧に切り換える工程を含む請求項5〜7のいずれかに記載の固体撮像素子の制御方法。
- 基板に形成され、受光した光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、
基板に形成され、前記光電変換素子に蓄積される電荷を転送するための電荷転送路と、
前記光電変換素子に蓄積される電荷を前記電荷転送路に読み出すシフトゲートと、
基板に接続され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を除去するために、基板に所定の電圧を印加するための電源と、
前記光電変換素子に電荷を蓄積する期間に基板に第1の直流バイアス電圧を印加し、前記電荷転送路が前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する期間に基板に前記第1の直流バイアス電圧よりも大きく、前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を前記基板に掃き出すことができる大きさの第2の直流バイアス電圧を連続的に印加するように前記電源を制御する制御手段と
を有する固体撮像素子。
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