JP4277718B2 - Ｃｃｄ固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速フレームレート化を可能にしたＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法に関する。

近年、ＣＣＤ固体撮像素子を搭載したビデオカメラでは、ＴＶ（テレビジョン）方式と無関係にカメラ部分を高速で撮像してスロー再生を行う要望が強く、また、ＣＣＤ固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラでは、多画素化に伴い連写速度が低下してしまうことが問題視され、撮像素子の高速化が求められている。

図９は、従来のＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法の例を示す。図９Ａは、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した要部、すなわち撮像領域から水平転送レジスタ、さらに出力部に至る要部を示す。
本例のＣＣＤ固体撮像素子３０は、画素となる複数の受光センサ３１がマトリクス（行列）状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３３が形成され、各垂直転送レジスタ３３の最終段に接続するようにＣＣＤ構造の水平転送レジスタ３４が形成され、水平転送レジスタ３４の後段に出力部３６が接続されて構成される。

垂直転送レジスタ３３は、１つの受光センサ３１に２つの垂直転送電極が対応するように形成され、４相の垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成される。すなわち４つの転送電極３２〔３２１，３２２，３２３，３２４〕に夫々垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加されるようになされる。この例では、受光センサ３１の位置に対応して転送電極３２１，３２３が形成される。垂直方向の最終に位置する受光センサ３１は、垂直転送パルスφＶ１が印加される転送電極３２１に対応している。

垂直転送レジスタ３３は、最終段の１ビット分の転送電極（φＶ１〜φＶ４が印加される転送電極）３２１〜３２４を介して水平転送レジスタ３４に接続される。各転送電極３２１〜３２４は、夫々各垂直転送レジスタ３３に共通となるように、水平方向に延長して形成される。

水平転送レジスタ３４は、各垂直転送レジスタ３３に対応して２つの水平転送電極３５〔３５１，３５２〕が対応するように成され、２相の水平駆動パルスφＨ１，φＨ２で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成される。

このＣＣＤ固体撮像素子３０では、受光センサ３１において受光され光電変換して受光量に応じた信号電荷が蓄積される。この受光センサ３１の信号電荷は、垂直ブランキング期間に受光センサ３１から垂直転送レジスタ３３へ読み出され、以後、水平ブランキング期間に１水平ライン毎の信号電荷が垂直転送され、いわゆる垂直ラインシフトが行われて、水平転送レジスタ３４に転送される。そして、水平転送レジスタ３４に転送された信号電荷は水平有効転送期間に水平方向に転送され、出力部３６を通じて出力される。

従来のＣＣＤ固体撮像素子における信号電荷の垂直ラインシフトは、ＴＶ方式の水平ブランキング期間中に垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ４）で転送駆動するように設計されていた。垂直ラインシフトの駆動タイミングを図９Ｂに示す。図９Ｂに示すように、信号電荷の垂直ラインシフトは、水平ブランキング期間Ｈｂに４相の垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４によって、例えばφＶ２，φＶ３に対応した転送電極３２２，３２３に待機していた水平転送レジスタ３４へラインシフトされる。すなわち、転送電極３２４の垂直駆動パルスφＶ４の立ち下がりで信号電荷が水平転送レジスタ３４の各水平駆動パルスφＨ１が印加される転送電極３５１へ転送される。なお、図示しないが垂直ラインシフト時の、水平ブランキング期間の垂直転送電極３２１〜３２４に印加される各垂直駆動パスルφＶ１〜φＶ４の立ち上がり及び立ち下がりの傾きΔＶ／ΔＴ（ΔＶは電圧、ΔＴは時間を指す）、いわゆるトランジェントスピード（ΔＶ／ΔＴ）は、垂直ブランキング期間に垂直転送電極３２１〜３２４に印加される垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４のトランジェントスピード（ΔＶ／ΔＴ）と同じにしている。図９Ｂでは駆動パルスが垂直に立ち上がり、立ち下がる矩形パルスで示している。

一方、例えば、ＣＣＤ固体撮像素子を用いたビデオカメラの電子手ぶれ補正時の動作や、放送業務用のフレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子では、垂直ブランキング期間に高速の垂直転送を必要としている。

また、ＣＣＤ撮像素子において水平ブランキング期間に４相の垂直転送パルスによって垂直ラインシフトを行うことが、提案されている（例えば特許文献１の図３参照）。
特開２０００−１３８９４３号公報

従来、上述したＣＣＤ固体撮像素子においては、垂直ラインシフト及び垂直高速転送を、同一特性の垂直駆動走査回路、いわゆる垂直ドライバで駆動しており、一般的にスピードの速いＣＭＯＳタイプの垂直ドライバが用いられている。したがって、水平有効走査期間にこの垂直転送を行うと、垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ４）が印加される瞬間に、ＣＣＤ固体撮像素子内でクロストークによるノイズが発生する。すなわち、水平有効走査期間中に垂直転送を行うときは、ドライバ波形の立ち上がり及び立ち下がりでのトランジェントスピード、すなわち垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ４）の立ち上がり及び立ち下がりの傾きΔＶ／ΔＴが大きいため、ＣＣＤ出力信号にクロストークノイズがのり、縦筋の画像ノイズが表われる。
しかし、垂直ラインシフトを行う場合、この垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ４）の印加は、水平ブランキング期間であれば、画像への弊害は出ないため、従来のＣＣＤ固体撮像素子では、この水平ブランキング期間に転送するような電極抵抗値で設計されてきた。

ＴＶ方式が主流であったころは、そのＴＶ方式で水平ブランキング期間が定義されていたので、水平ブランキング期間内に垂直ラインシフトを行うことができれば十分であった。
しかし、ＴＶ方式とは無関係に多画素化、高フレームレート化を行おうとすると、垂直ラインシフトに必要な水平ブランキング期間が無駄な時間となり、高フレームレート化の障害となっていた。このため、水平ブランキング期間を短縮する必要があるが、これには、転送電極の低抵抗化が必要になる。そして、低抵抗化を図るためには、転送電極の膜厚を厚くする必要がある。このためセンサ開口周囲の段差が高くなってしまい、光が入射されたとき斜め光のケラレが発生し、感度低下やシェーディングの発生を引き起こすという問題があった。

このように、高フレームレート化を行う際、ＴＶ方式でないＣＣＤ固体撮像素子を用いるデジタルスチルカメラ等の電子機器では、信号の出力レートを上げても、水平ブランキング時間が多くなり、ある一定以上高速にすることはできなかった。

本発明は、上述の点に鑑み、水平ブランキング期間を大幅縮め、高フレームレート化を実現するＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法を提供するものである。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子は、マトリックス状に配列された画素と、画素からの信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタと、垂直転送レジスタからの１水平ライン毎の信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを有し、垂直転送が水平有効走査時間に行われ、垂直転送時の垂直転送レジスタに、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔＶ／ΔＴ（ただしΔＶは電圧、ΔＴは時間）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形が供給されるようにして成ることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ固体撮像素子では、信号電荷の垂直転送が水平有効走査期間に行われるので、水平ブランキング期間の短縮が可能になり、高速化を行うことができる。垂直転送時の垂直レジスタには、相関二重サンプリング回路でクロストークノイズを除去できる程度にトランジェントスピードの遅い駆動クロック波形が供給されるので、クロストークノイズは低域ノイズとなるので、後段の相関二重サンプリング回路で除去できる。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔＶ／ΔＴ（ただしΔＶは電圧、ΔＴは時間）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形を供給するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、ブランキング期間中の高速転送の駆動クロック波形よりも立ち上がり及び立ち下がりの傾きが小さい駆動クロック波形を供給するようにしたことを特徴とする。

上記駆動クロック波形は、前記トランジェントスピードΔＶ／ΔＴが、５０ｍＶ／ｎｓｅｃ以下（ただし、０を含まず）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有することが好ましい。垂直転送時の駆動クロック波形としては、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いるのが好ましい。また、垂直転送には、定電流駆動を用いるのが好ましい。

本発明のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法では、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直転送レジスタには、相関二重サンプリング回路でクロストークノイズを除去できる程度に低速となるような、立ち上がり及び立ち下がりの傾きを小さくした駆動クロック波形を供給することにより、その立ち上がり及び立ち下がりにおけるトランジェントスピードが遅くなり、ＣＣＤ出力にクロストークノイズが生じても、このクロストークノイズは低域ノイズとなるので、後段の相関二重サンプリング回路で除去することができる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができ高速化を行うことができる。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、信号電荷の垂直転送を、水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直転送レジスタには、信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を供することを特徴とする。垂直転送には、パルス電流駆動を用いるのが好ましい。

本発明のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法では、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直レジスタには、信号期間に変動がなくリセット期間に変動するような階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形が供給される。この階段状の立ち上がり及び立ち下がりにおいて、信号期間の駆動クロック変化がなく、各リセット期間のクロストークノイズは、相関二重サンプリング回路のクランプパルス及びサンプルホールドパルス間の期間は影響されず、相関二重サンプリング回路の出力に重畳されることが無くなる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができ高速化を行うことができる。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子によれば、水平ブランキング期間を短縮することができ、高フレームレート化を実現できる。

本発明のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法によれば、水平ブランキング期間を短縮でき、高フレームレート化を実現することができる。垂直転送パルスは、比較的低速で動作させればよく、垂直転送電極の薄膜化を行うことができる。よって、センサ開口周囲の段差を減らすことができるので、斜め光の集光効率が向上し、感度を向上することができる。
垂直転送電極の薄膜化を図ることができるので、センサ開口周囲の段差を減らすことができ、画素セルの微細化、多画素化と高速化とを両立することが可能となる。

駆動クロック波形として、立ち上がり及び立ち下がりの傾きを小さくすると共に、波形の角に丸みを帯びた駆動クロック波形を用いるときは、さらにトランジェントスピードが遅くなり、クロストークノイズがより低域ノイズとなり、後段の相関二重サンプリング回路での除去が容易になる。
垂直転送に定電流駆動を用いることにより、立ち上がり及び立ち下がりの傾きの小さい駆動クロック波形を得て上述した水平有効転送期間内での垂直転送を可能にする。

また、リセット期間と信号期間があることを利用してリセット期間にパルス電流で駆動し、駆動クロック波形として、その立ち上がり及び立ち下がりを信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状にすることにより、信号期間の駆動クロック変化をなくすことができ、よりクロストークノイズを低減することができる。これにより、水平ブランキング期間を短縮でき、高フレームレート化を実現することができる。垂直転送にパルス電流駆動を用いることにより、上記階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を得て水平有効転送期間内での垂直転送を可能にする。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す構成図である。図１は、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した要部、すなわち撮像領域から水平転送レジスタ、さらに出力部に至る要部を示す。
本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子１０は、画素となる複数の受光センサ１１がマトリクス（行列）状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１３が形成され、各垂直転送レジスタ１３の最終段に接続するようにＣＣＤ構造の水平転送レジスタ１４が形成され、水平転送レジスタ１４の後段に出力部１６及び相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路１７が接続されて成る。ｔ_ｏｕｔは出力端子である。

垂直転送レジスタ１３は、１つの受光センサ１１に２つの垂直転送電極が対応するように形成され、４相の垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成される。すなわち４つの転送電極１２［１２１，１２２，１２３，１２４］に夫々垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４を印加するようにしている。本例では、受光センサ１１の位置に対応して転送電極１２１，１２３が形成される。垂直方向の最終に位置する受光センサ１１は、垂直転送パルスφＶ３が印加される転送電極１２３に対応している。

垂直転送レジスタ１３は、最終段の転送電極（φＶ４が印加される転送電極）１２４の後段に形成したストレージゲート部ＳＴＧ及びホールドゲート部ＨＬＧを介して水平転送レジスタ１４に接続される。各転送電極１２１〜１２４、ストレージゲート部ＳＴＧの転送電極２１及びホールドゲート部ＨＬＧの転送電極２２は、夫々各垂直転送レジスタ１３に共通となるように、水平方向に延長して形成されている。

水平転送レジスタ１４は、各垂直転送レジスタ１３に対応して２つの水平転送電極１５［１５１，１５２］が対応するように成され、２相の水平駆動パルスφＨ１，φＨ２で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成される。

そして、本実施の形態においては、図２のタイミングチャートに示すように、特に、信号電荷の垂直転送レジスタ１３における垂直転送、すなわち垂直ラインシフトを水平有効走査期間３中に行い、水平ブランキング期間４を短縮するようにしている。このため、上述したように垂直転送レジスタ１３の最終段の転送電極１２４を有する転送部と水平転送レジスタ１４との間にストレージゲート部ＳＴＧとホールドゲート部ＨＬＧが設けられる。

垂直ラインシフト時には、転送電極１２１〜１２４に４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４を印加し、ストレートゲージ部ＳＴＧとホールドゲート部ＨＬＧに夫々ストレートゲート電圧φＶＳＴＧ及びホールドゲージ電圧φＶＨＬＧを印加する。

一方、本実施の形態においては、垂直ラインシフトを水平有効走査期間３中に行うため、ＣＣＤ転送部内での垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４、すなわちそのクロック波形の立ち上がりＴｒ及び立ち下がりＴｆ、いわゆるトランジェントによるクロストークノイズの影響を無くす必要がある。このため、本実施の形態では、図２Ａに示すように、垂直ラインシフトの垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４における立ち上がりＴｒ及び立ち下がりＴｆの傾きΔＶ／ΔＴ（ΔＶはパルス電圧、ΔＴは時間である）を小さくし、すなわちトランジェントスピードを遅くするようになす。ここで、トランジェントスピードΔＶ／ΔＴは、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４を印加したときに発生するクロストークノイズをＣＤＳ回路１７で除去できる程度に低速とする。

垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４のトランジェントスピードを遅くして実験を行ったところ、トランジェントスピードΔＶ／ΔＴが、５０ｍＶ／１ｎｓｅｃ以下（但し、０を含まず）ならば、垂直ラインシフト時に発生する上記クロストークノイズがＣＤＳ回路１７で除去され、水平有効走査期間３中に垂直ラインシフトを行っても固体撮像素子のＣＣＤ出力への画像ノイズ（縦筋）の影響を無くすことが確認された。すなわち、トランジェントスピードΔＶ／ΔＴが５０ｍｖ／１ｎｓｅｃ以下（０を含まず）の垂直駆動パルスによるクロストークノイズは高い周波数成分がなく、ＣＤＳ回路１７で十分除去される。

因みに、従来の垂直ラインシフトの垂直転送パルスのトランジェントスピードΔＶ／ΔＴは、約１Ｖ／１ｎｓｅｃ程度あり、このような垂直転送パルスによるクロストークノイズは高い周波数成分が有りＣＤＳ回路では除去できない。

さらに、図３を用いて水平有効走査期間３中の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４のクロック波形について説明する。図３は、１つのクロック波形についての立ち上がりＴｒ、立ち下がりＴｆの電圧ΔＶと時間ΔＴの変化を示している。この立ち上がりＴｒ、立ち下がりＴｆの傾き、すなわちトランジェントスピードΔＶ／ΔＴを遅くする（傾きをなだらかにする）ことで、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が印加されて垂直ラインシフトするときＣＣＤ固体撮像素子１０内で発生するクロストークノイズを、出力側に接続されたＣＤＳ回路１７で除去することができる。

次に、上述の本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法について説明する。
ＣＣＤ固体撮像素子１０においては、受光センサ１１で受光され光電変換されて、受光量に応じた信号電荷が受光センサ１１に蓄積される。この受光センサ１１の信号電荷は、垂直ブランキング期間５に受光センサ１１から垂直転送レジスタ１３へ読み出され、最下端に位置する受光センサ１１に対応した信号電荷が垂直転送レジスタ１３と水平転送レジスタ１４間のストレージゲート部ＳＴＧに転送される。
以後、水平ブランキング期間４で１水平ライン毎の信号電荷が垂直転送され、いわゆる垂直ラインシフトが行われて、水平転送レジスタ１４に転送される。そして、水平転送レジスタ１４に転送された信号電荷は水平有効走査期間３に水平方向に転送され、出力部１６及びＣＤＳ回路１７を通じて出力端子ｔ_ｏｕｔから出力される。

上述した、垂直ラインシフトは、水平転送レジスタ１４内の信号電荷を水平方向に転送している水平有効走査期間３に行われ、ストレージゲート部ＳＴＧまで転送される。信号電荷の水平転送レジスタ１４への転送は、ストレージゲート電圧φＶＳＴＧとホールドゲージ電圧φＶＨＬＧとにより、ストレージゲート部ＳＴＧから水平転送レジスタ１４へ転送するだけでよいので、従来に比べて水平ブランキング期間４が短縮される。

また、垂直ラインシフト時に印加される垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４のトランジェントスピードΔＶ／ΔＴが遅いので、垂直ラインシフト時に発生するクロストークノイズは、低い周波数成分となり、前述したようにＣＤＳ回路１７により十分除去されることになる。

図５は、図３に示す垂直転送パルスφＶの傾きのゆるやかな立ち上がり部分を拡大して示した立ち上がり波形と定電流波形、さらに水平転送パルスφＨ１，φＨ２、リセットパルスφＲＧ、ＣＣＤ出力、ＣＤＳ回路におけるクランプパルスＳＨＰ、サンプルホールパルスＳＨＤ及びＣＤＳ出力のタイミングチャートである。
定電流ｉ１で駆動することで垂直転送パルスφＶのトランジェントスピードΔＶ１／ΔＴ１を遅くする（なだらかなスロープ状）ことができる。２相駆動の水平転送パルスφＨ１、φＨ２でフローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷は、電荷電圧変換をされ読み出された後、リセット期間６に印加されるリセットゲートパルスφＲＧで各画素ごとにリセットされる。ＳＨＤ回路１７では、ＣＣＤ出力の信号期間７中にクランプパルスＳＨＰとサンプルホールパルスＳＨＤが印加されることで良好なＣＤＳ出力を得ることができる。

本実施の形態では、トランジェントスピードΔＶ／ΔＴを遅くし、極力変化を小さくした垂直転送パルスとすることが重要である。このトランジェントスピードΔＶ／ΔＴが遅い駆動波形の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４は、例えば、通常のＣＭＯＳドライバに変えて、ＣＣＤ構造の転送電極１２１〜１２４が容量負荷となることを利用し、定電流駆動することで一定の傾きΔＶ／ΔＴ＝一定の駆動波形を形成することができる。すなわち、図３に示すように転送電極１２１〜１２４に定電流ｉ１（矩形波）を印加することにより、一定の傾きΔＶ／ΔＴの駆動波形を有する垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が得られる。

定電流が終了する時点での変化によってクロストークノイズの縦筋が問題のときは、図４に示すように、立ち上がりＴｒ２、立ち下がりＴｆ２におけるΔＶ／ΔＴの波形の角を丸めるような変化（ΔＶ２／ΔＴ２）２になるように電流が徐々に絞られるような波形の電流ｉ２を転送電極１２１〜１２４に印加すればよい。

よりクロストークノイズを減らしておく駆動方法を図６及び図７に示す。図６は前述の図３に対応して垂直転送パルスφＶの１つのクロック波形を示す。図７は前述の図５に対応して、図６の垂直転送パルスφＶの立ち上がり部分を拡大した立ち上がり波形及びパルス電流波形と、各パルスφＨ１，φＨ２，φＲＧ，ＳＨＰ，ＳＨＤ及びＣＣＤ出力、ＣＤＳ出力のタイミングチャートである。
この垂直転送パルスφＶのクロック波形は、階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有しており、立ち上がり及び立ち下がり部分の全体の傾き、即ちトランジェントスピードΔＶ／ΔＴを図３で説明したと同様に遅くした波形である。この場合、リセット期間６と信号期間２９を利用して、立ち上がり及び立ち下がりの波形は、信号期間２９に変動なく（平らな状態２７参照）リセット期間６に変動する（ある傾きのある状態２６参照）階段状波形とする。

このような階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動波形の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４は、パルス電流駆動することで形成することができる。すなわち、リセットパルスφＲＧに同期したパルス電流ｉ３を垂直転送電極１２１〜１２４に印加することにより、立ち上がり及び立ち下がりを階段状とし、かつ全体の傾きΔＶ／ΔＴをなだらか傾きとした垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が得られる。１つのパルス電流ｉ３の印加でφＶはある傾きを持つ状態２６となり、次のパルス電流ｉ３が印加されるまでの間はφＶが変動のない平らな状態２７となり、複数回のパルス電流ｉ３の繰り返しによってφＶの立ち上がり波形（立ち下がり波形も同様）は、なだらかな階段状波形となる。
このようなパルス電流駆動を用いることにより、階段状波形において、信号期間２９の駆動クロック変化はなく、また、立ち上がり時点及び立ち下がり時点に対応するリセット期間のクロストークノイズ２８は、ＣＤＳ回路１７のクランプパルスＳＨＰとサンプリングホールドパルスＳＨＤ間の期間に影響しないので、ＣＤＳ出力に重畳することが無くなる。

また、本実施の形態では、通常、垂直転送電極は４相駆動（φＶ１〜φＶ４）が多いが、例えば、１回の垂直ラインシフトにおけるトランジェントの回数を８回、振幅７．５Ｖ、０．０５Ｖ／ｎｓｅｃ（＝５０ｍＶ／１ｎｓｅｃ）とした場合、８×７．５÷０．０５＝１．２μｓ以上の期間であればよいことになる、すなわち１ライン分のＶ転送に必要な期間を示す。ＴＶの水平有効期間は、約５３μｓであるため、数１０倍の高速化が可能である。

また、本実施の形態では、水平有効走査期間３中での垂直ラインシフトで転送電極に印加される垂直駆動パルスのトランジェントスピードを遅くしているが、図２Ｂに示すように、垂直ブランキング期間５中に転送電極へ印加する駆動パルスφＶ１〜φＶ４のトランジェントスピードは速くし、高速転送を可能にする。例えば、高速動作を必要とするカムコーダの電子手ぶれ補正動作、あるいは後述する放送業務用のフレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子などのときは、垂直ブランキング期間５中に高速駆動を行う必要がある。このような場合の垂直ブランキング期間中での高速駆動は、通常のＣＭＯＳドライバにより、垂直転送電極１２１〜１２４にトランジェントスピードの速い垂直駆動パルスφＶ１〜φＶ４を印加することによって行われる。

垂直ブランキング期間５での高速動作と、水平ブランキング期間３での低速動作とを両立させるため、２スピードの切り替え機能を備えたドライバを用いることができる。

本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法によれば、水平有効走査期間３に垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４に傾き及び変化、すなわち、トランジェントスピードΔＶ／ΔＴを遅くして垂直ラインシフトを行うので、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４を印加して発生したクロストークノイズを後段のＣＤＳ回路１７で除去することができる。これによって、画像ノイズ（縦筋）が無くなる。また、ストレージゲート電圧φＶＳＴＧ、ホールドゲート電圧φＶＨＬＤによる駆動のみで水平転送レジスタ１４へ信号電荷を転送できるので、水平ブランキング期間４は短縮することができる。この結果、高速フレームレートを図ることができる。また、ストレージゲート部ＳＴＧ、ホールドゲート部ＨＬＧは、垂直画素ピッチと無関係にデザインできるため、ストレージゲート電極２１及びホールドゲート電極２２の電極幅を大きく取ることができる。このため電極２１、２２の低抵抗化を図ることができ、ストレージゲート部ＳＴＧから水平転送レジスタ１４への信号電荷の転送を高速化することが容易となる。また裏打ち配線などもしやすくなり、より電極２１、２２の低抵抗化を図り、転送の高速化を図ることができる。さらに、短い水平ブランキング期間４で水平転送レジスタ１４への信号電荷の転送可能となる。その結果、さらなる高フレーム化が実現できる。
また、垂直ラインシフトをトランジェントスピードを遅くした垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４でゆっくり行うことができるので、垂直転送電極１２１〜１２４としては、膜厚を薄くして形成することが可能になる。このため、図８に示すように、受光センサ１１、読出しゲート部２３、及び埋込みチャネル領域２４とゲート絶縁膜２５上の転送電極１２［１２１〜１２４］からなる垂直転送レジスタ１３を有するＣＣＤ固体撮像素子１０において、転送電極１２の膜厚ｄ１を従来の膜厚ｄ２より薄くすることにより、センサ開口Ｑの周囲の段差が低くなり、斜め入射光（実線）Ｌ１の蹴られが少なくなる。したがって、センサ開口Ｑが実質的に広がり、斜め入射光の集光効率が向上し、高感度化を図ることができる。Ｌ２は従来の斜め入射光の蹴られ状態を示す。斜め入射光の蹴られが発生しにくいので、シェーディングの発生を低減することができる。

本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法によれば、垂直駆動として低速と高速２つの駆動を備えることで、水平有効期間中に垂直ラインシフトを行っても画像ノイズ（縦筋）が出なくなり、水平ブランキング期間４を大幅に縮め高フレームレート化を実現することができる。したがって、カムコーダの電子手ブレ動作及び放送業務用ＦＩＴなどの高速動作を必要とするときにも本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子を駆動方法を適用することができる。

上例では、本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法をインターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用したが、その他、受光センサ及び垂直転送レジスタを有する撮像領域と、撮像領域での信号電荷を一旦高速転送して蓄積する垂直転送レジスタのみからなる蓄積領域と、蓄積領域に接続された水平転送レジスタとを有して成るフレームインラーライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子にも適用することができる。このフレームインラーライン転送方式では、撮像領域の信号電荷を垂直ブランキング期間中に蓄積領域へ高速転送（フレームシフト）する。このため、垂直転送電極には、垂直ラインシフトでの低速駆動用の上記トランジェントスピードの遅い駆動波形と、フレームシフトでの高速駆動用のトランジェントスピードの速い駆動波形とが印加されるように構成される。

本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動方法は、例えば受光センサと、各受光センサ列に対応した垂直転送レジスタと、各垂直転送レジスタからの信号電荷を各垂直転送レジスタごとに出力アンプが接続された水平走査回路を通じて、水平有効走査期間に１ライン毎の信号電荷を出力するようにしたＣＣＤ固体撮像素子の駆動にも適用することができる。

上述では垂直転送レジスタ１３と水平転送レジスタ１４との間にストレージゲート部２１及びがホールドゲート部２２を設けるようにしたが、その他、ストレージゲート部１３に代えて垂直転送電極１２の最終段のφＶ４が印加される転送電極１２４の転送部を信号電荷の蓄積に用いれば、ストレージゲート部１３を割愛することも可能である。この場合、最終段φＶ４が印加される転送電極１２４を、画素ピッチとは異なる幅広としたり裏打ちシャント配線とすることで、ストレージゲート部１３と同様な機能を持たせることもできる。

なお、本実施の形態においては、水平ブランキング期間３において、高速の垂直転送をする場合にも適用することができる。

本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置の一実施の形態に係る構成図である。 Ａ本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法の一実施の形態に係るタイミングチャート図（低速）である。 Ｂ本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法の一実施の形態に係るタイミングチャート図（高速）である。 水平有効走査期間中の垂直転送パルスφＶと定電流ｉ１の関係を示す波形図である。 水平有効走査期間中の垂直転送パルスφＶと定電流ｉ２の関係を示す波形図である。 図３に対応した垂直転送パルスφＶの立ち上がり部分を拡大した立ち上がり波形及びパルス電流波形と、各パルスφＨ１，φＨ２，φＲＧ，ＳＨＰ，ＳＨＤ及びＣＣＤ出力、ＣＤＳ出力のタイミングチャートである。 水平有効走査期間中の垂直転送パルスφＶと定電流ｉ３の関係を示す波形図である。 図６に対応した垂直転送パルスφＶの立ち上がり部分を拡大した立ち上がり波形及びパルス電流波形と、各パルスφＨ１，φＨ２，φＲＧ，ＳＨＰ，ＳＨＤ及びＣＣＤ出力、ＣＤＳ出力のタイミングチャートである。 本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の構成図である。 Ａ 従来のＣＣＤ固体撮像装置の構成図である。 Ｂ 従来のＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法のタイミングチャート図である。

符号の説明

２・・変化、３・・水平有効走査期間、４・・水平ブランキング期間、５・・垂直ブランキング期間、６・・リセット期間、７・・ＣＣＤ出力の信号期間、１０・・ＣＣＤ固体撮像素子、１１・・受光センサ、１２［１２１，１２２，１２３，１２４］・・転送電極、１３・・垂直転送レジスタ、１４・・水平転送レジスタ、１６・・出力部、１７・・相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、２１・・ストレージゲート電極、２２・・ホールドゲート電極、２３・・読出しゲート部、２４・・埋込みチャネル領域、２５・・ゲート絶縁膜、２６・・ある傾きを持つ状態、２７・・平らな状態、２８・・クロストークノイズ、２９・・信号期間、３０・・ＣＣＤ固体撮像素子、３１・・受光センサ、３２１，３２２，３２３，３２４・・転送電極、３３・・垂直転送レジスタ、３４・・水平転送レジスタ、３５［３５１，３５２］・・水平転送電極、３６・・出力部

Claims (12)

1. マトリックス状に配列された画素と、
   前記画素からの信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタと、
   前記垂直転送レジスタからの１水平ライン毎の信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを有し、
   前記垂直転送が水平有効走査時間に行われ、
   垂直転送時の前記垂直転送レジスタに、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔＶ／ΔＴ（ただしΔＶは電圧、ΔＴは時間）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形が供給されるようにして成る
   ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。
2. マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、
   前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
   前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔＶ／ΔＴ（ただしΔＶは電圧、ΔＴは時間）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形を供給するようにした
   ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
3. マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、
   前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
   前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、ブランキング期間中の高速転送の駆動クロック波形よりも立ち上がり及び立ち下がりの傾きが小さい駆動クロック波形を供給するようにした
   ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記駆動クロック波形は、前記トランジェントスピードΔＶ／ΔＴが、５０ｍＶ／ｎｓｅｃ以下（ただし、０を含まず）となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有する
   ことを特徴とする請求項２記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
5. 垂直転送時の前記駆動クロック波形は、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いる
   ことを特徴とする請求項２記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
6. 垂直転送時の前記駆動クロック波形は、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いる
   ことを特徴とする請求項３記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
7. 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
   ことを特徴とする請求項２記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
8. 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
   ことを特徴とする請求項３記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
9. 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
   ことを特徴とする請求項５記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
10. 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
    ことを特徴とする請求項６記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
11. マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して１水平ライン毎に垂直転送し、１水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するＣＣＤ固体撮像素子の駆動において、
    前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
    前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を供給する
    ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。
12. 前記垂直転送にパルス電流駆動を用いる
    ことを特徴とする請求項１１記載のＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法。

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