JP4465309B2 - CCD type solid-state imaging device and transfer control method thereof - Google Patents
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Description
本発明はCCD(電荷結合素子)型固体撮像装置に係り、特に、信号電荷中に含まれる暗電流の低減を図ることができるCCD型固体撮像装置及びその転送制御方法に関する。 The present invention relates to a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device, and more particularly to a CCD type solid-state imaging device capable of reducing dark current contained in signal charges and a transfer control method thereof.
CCD型固体撮像装置は、例えば下記特許文献1記載の様に、フォトダイオードから読み出された受光電荷(信号電荷)を第1方向(これを、以下、垂直方向という。)に転送する垂直転送路(VCCD)と、垂直転送路によって転送されてきた前記受光電荷を受け取り第2方向(これを、以下、水平方向という。)に転送する水平転送路(HCCD)とを備える。
The CCD type solid-state imaging device, for example, as described in
図4は、一般的なCCD型固体撮像装置の表面模式図である。図示する例のCCD型固体撮像装置の半導体基板上には、多数のフォトダイオード1(PD1〜PD8)が正方格子状に配列形成されており、フォトダイオード1の各列に沿って垂直転送路2が形成されている。
FIG. 4 is a schematic diagram of the surface of a general CCD solid-state imaging device. A large number of photodiodes 1 (PD1 to PD8) are arranged in a square lattice pattern on the semiconductor substrate of the CCD type solid-state imaging device of the example shown in the drawing, and the
各垂直転送路2は、1つのフォトダイオード1に対して2枚の垂直転送電極を備え、図示する例では、垂直方向上側の垂直転送電極とフォトダイオード1とが読出ゲート3によって接続され、フォトダイオード1の受光電荷が読出ゲート3を通して対応の垂直転送電極下に形成される電位パケット内に読み出される。
Each
図4に例示するCCD型固体撮像装置は、8相駆動するため、各垂直転送電極内に、V1,V2,…,V8と記載してあり、各転送電極V1〜V8に垂直転送制御部8が転送パルスφV1〜φV8を供給することで、垂直転送制御が行われる。 Since the CCD type solid-state imaging device illustrated in FIG. 4 is driven in eight phases, V1, V2,..., V8 are described in each vertical transfer electrode, and the vertical transfer control unit 8 is provided in each transfer electrode V1 to V8. Supplies transfer pulses φV1 to φV8, thereby performing vertical transfer control.
半導体基板の下辺部には水平転送路4が設けられ、各垂直転送路2によって垂直方向に転送されてきた受光電荷を受け取り、この受光電荷を次に水平方向に転送し、出力段のアンプ5を通して受光電荷量に応じた画像信号が出力される。
A horizontal transfer path 4 is provided on the lower side of the semiconductor substrate. The photoreceived charges transferred in the vertical direction by the
図5,図6は、従来の転送制御方法を示すタイミングチャートであり、垂直転送制御部が各垂直転送電極V1〜V8に図6に示す転送パルスφV1〜φV8を印加することで、信号電荷は、図5に示す様に、垂直転送路に沿って転送される。 5 and 6 are timing charts showing a conventional transfer control method. When the vertical transfer control unit applies the transfer pulses φV1 to φV8 shown in FIG. 6 to the vertical transfer electrodes V1 to V8, the signal charges are changed. As shown in FIG. 5, the data is transferred along the vertical transfer path.
フォトダイオード1から読み出された信号電荷は、例えば時刻t4においては、電極V4,V5,V6,V7,V8,V1の下に形成される6電極幅の電位パケット内に収められ、次の時刻t5で、電極V4の転送電位が高レベル(例えば0V)から低レベル(例えば−8V)に変化されることで電位パケット幅がV5,V6,V7,V8,V1の5電極分に狭められ、次の時刻t6で、転送方向側の電極V2の転送電位が低レベルから高レベルに変化されることで電位パケット幅がV5,V6,V7,V8,V1,V2の6電極分に広げられ、…という動作が繰り返され、信号電荷が垂直方向に転送される。
For example, at time t4, the signal charge read from the
この様にして、垂直転送路の端まで転送されてきた信号電荷は、今度は水平転送路に移される。そして、次に水平転送路に沿って転送されることになるが、水平転送路が信号電荷を転送している最中は、垂直転送路の動作は停止させなければならない。 In this way, the signal charge transferred to the end of the vertical transfer path is now transferred to the horizontal transfer path. Then, the data is transferred along the horizontal transfer path, but the operation of the vertical transfer path must be stopped while the horizontal transfer path is transferring signal charges.
図5,図6に示す時間s1は、水平転送路による転送中を示す時間であり、垂直転送路を停止させる待機時間でもある。この待機時間s1中は、垂直転送路上にある信号電荷を垂直転送路上に保持し移動させない様にする。図示する従来例では、待機時間s1の間、電極V1,V8に印加する転送電位を低レベルに維持してバリアを形成し、隣接する電位パケットの信号電荷と混ざらない様にしている。そして、電極V2〜V7を高レベルに維持することで、電極V2〜V7の下に6電極幅の電位パケットを形成し、ここに信号電荷を保持している。 The time s1 shown in FIGS. 5 and 6 is a time indicating that transfer is being performed by the horizontal transfer path, and is also a standby time for stopping the vertical transfer path. During the waiting time s1, the signal charge on the vertical transfer path is held on the vertical transfer path and is not moved. In the conventional example shown in the figure, during the standby time s1, the transfer potential applied to the electrodes V1 and V8 is maintained at a low level to form a barrier so as not to be mixed with the signal charge of the adjacent potential packet. Then, by maintaining the electrodes V2 to V7 at a high level, a potential packet having a width of 6 electrodes is formed under the electrodes V2 to V7, and signal charges are held therein.
CCD型固体撮像装置で画像を撮像する場合、各フォトダイオードの受光電荷を垂直転送路に読み出し、垂直転送路,水平転送路と順に転送して画像信号を固体撮像装置から出力させるが、転送中の電荷に受光電荷以外の電荷が混入するのを抑制しないと、高画質の画像データを得ることができない。 When imaging an image with a CCD type solid-state imaging device, the light-receiving charge of each photodiode is read out to the vertical transfer path and transferred in the order of the vertical transfer path and horizontal transfer path to output the image signal from the solid-state image pickup apparatus. High-quality image data cannot be obtained unless the charge other than the light-receiving charge is prevented from being mixed into this charge.
フォトダイオードは、受光していない状態でも、例えば熱励起によって電荷を発生しており、この電荷すなわち暗電流が待機時間s1中に電位パケット内の信号電荷に混入すると、画質劣化が生じる。高画質の画像データを得るには、待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減する必要がある。 Even when the photodiode is not receiving light, for example, a charge is generated by thermal excitation. When this charge, that is, a dark current, is mixed into the signal charge in the potential packet during the standby time s1, image quality deterioration occurs. In order to obtain high-quality image data, it is necessary to reduce the dark current mixed in the waiting signal charges.
本発明の目的は、垂直転送路上で待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減できるCCD型固体撮像装置及びその転送制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a CCD type solid-state imaging device and a transfer control method thereof that can reduce dark current mixed in signal charges waiting on a vertical transfer path.
本発明のCCD型固体撮像装置及びその転送制御方法は、半導体基板上に二次元状に配列形成され奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが1/2ピッチずらして配置された複数のフォトダイオードと、該フォトダイオードの受光電荷をゲートを介して読み出し垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路から受け取った前記受光電荷を水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路を構成する複数の連続する転送電極の下に電位パケットを形成し該電位パケットの前記垂直方向の幅を伸縮させながら該電位パケットを前記垂直方向に進め前記受光電荷の転送を行うと共に前記水平転送路の転送中に前記垂直転送路の転送動作を停止させる転送制御部とを備えるCCD型固体撮像装置において、前記転送制御部は、前記垂直転送路の転送動作を停止させるときの前記電位パケットの幅を前記伸縮の「縮」状態に維持し、1列置きの垂直転送路上の前記電位パケットに接続される前記ゲートの数と残りの1列置きの垂直転送路上の前記電位パケットに接続される前記ゲートの数とを同数にすることを特徴とする。 The CCD solid-state imaging device and the transfer control method thereof according to the present invention are a plurality of two-dimensionally arrayed semiconductor substrates on which even-numbered photodiodes are arranged with a 1/2 pitch shift from odd-numbered photodiodes. A photodiode, a vertical transfer path for reading the received charge of the photodiode through the gate and transferring it in the vertical direction, a horizontal transfer path for transferring the received charge received from the vertical transfer path in the horizontal direction, and the vertical A potential packet is formed under a plurality of continuous transfer electrodes constituting the transfer path, the potential packet is advanced in the vertical direction while expanding and contracting the vertical width of the potential packet, and the received charge is transferred. In the CCD solid-state imaging device, comprising: a transfer control unit that stops the transfer operation of the vertical transfer path during transfer of the horizontal transfer path; , Said maintaining the width of the potential packets to "contraction" state of the stretch, the number of the gate connected to the potential packet in the vertical transfer path of every other row when stopping the transfer operation of the vertical transfer paths The number of the gates connected to the potential packets on the remaining vertical transfer paths every other column is the same .
本発明のCCD型固体撮像装置及びその転送制御方法は、前記フォトダイオード1個に対して第1と第2の2枚の転送電極を備え第1の転送電極と該フォトダイオードとが前記ゲートで接続される上記記載のCCD型固体撮像装置において、前記垂直転送路を8相駆動すると共に、前記電位パケットを6電極幅と5電極幅の2状態を交互に実現して前記転送を行い、前記転送動作を停止させるときは前記電位パケットの幅を5電極幅に維持することを特徴とする。 The CCD type solid-state imaging device and the transfer control method thereof according to the present invention include first and second transfer electrodes for one photodiode, and the first transfer electrode and the photodiode are the gate. In the above-described CCD type solid-state imaging device to be connected, the vertical transfer path is driven in eight phases, the potential packet is alternately transferred in two states of 6 electrode width and 5 electrode width, and the transfer is performed. When the transfer operation is stopped, the width of the potential packet is maintained at a width of 5 electrodes.
本発明によれば、待機中の信号電荷を保持している電位パケットがフォトダイオードの読出ゲートと接続される個数を減少させることができるため、信号電荷に混入する暗電流を減らすことができ、高画質の画像を撮像することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the number of potential packets that hold a waiting signal charge connected to the readout gate of the photodiode, thereby reducing the dark current mixed in the signal charge, A high-quality image can be taken.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1,図2は、本発明の第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の転送制御方法を示すタイミングチャートである。本実施形態に係るCCD型固体撮像装置は、図4に例示したものと同じであり、垂直転送制御部8が図2に示す転送パルスφV1〜φV8を生成し転送電極V1〜V8に供給する。
(First embodiment)
1 and 2 are timing charts showing a transfer control method of the CCD type solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. The CCD type solid-state imaging device according to this embodiment is the same as that illustrated in FIG. 4, and the vertical transfer control unit 8 generates transfer pulses φV1 to φV8 shown in FIG. 2 and supplies them to the transfer electrodes V1 to V8.
本実施形態では、従来と同様に、例えば時刻t5においては、電極V4,V5,V6,V7,V8,V1の下に形成される6電極幅の電位パケット内に信号電荷が収められ、次の時刻t6で、電極V4の転送電位が高レベル(例えば0V)から低レベル(例えば−8V)に変化されることで電位パケット幅がV5,V6,V7,V8,V1の5電極分に狭められ、次の時刻t7で、転送方向側の電極V2の転送電位が低レベルから高レベルに変化されることで電位パケット幅がV5,V6,V7,V8,V1,V2の6電極分に広げられ、…という伸縮動作が繰り返され、信号電荷が垂直方向に転送される。 In the present embodiment, as in the prior art, for example, at time t5, signal charges are stored in a potential packet having a width of 6 electrodes formed under the electrodes V4, V5, V6, V7, V8, and V1, At time t6, the transfer potential of the electrode V4 is changed from a high level (for example, 0V) to a low level (for example, -8V), so that the potential packet width is narrowed to five electrodes V5, V6, V7, V8, and V1. At the next time t7, the potential packet width is expanded to six electrodes V5, V6, V7, V8, V1, and V2 by changing the transfer potential of the electrode V2 on the transfer direction side from the low level to the high level. ,... Are repeated, and signal charges are transferred in the vertical direction.
そして、時刻t15で、電極V1〜V6下の6電極幅の電位パケット内に信号電荷が収められ、電極V7,V8の電位が低レベルにされてバリアが形成された後の待機時間s1直前の時刻16で、電極V1の転送電位を高レベル(例えば0V)から低レベル(例えば−8V)に変化させる。
At time t15, signal charges are stored in a potential packet having a width of 6 electrodes under the electrodes V1 to V6, and immediately before the waiting time s1 after the potentials of the electrodes V7 and V8 are lowered to form a barrier. At
これにより、本実施形態では、待機時間s1中に信号電荷を保持する電位パケットは電極V2〜V6下の5電極幅となり、電極V7,V8,V1の転送電位は低レベルに維持される。即ち、本実施形態では、電位パケット間を画成するバリアが3電極幅とされる。 As a result, in this embodiment, the potential packet that holds the signal charge during the standby time s1 has a width of five electrodes below the electrodes V2 to V6, and the transfer potentials of the electrodes V7, V8, and V1 are maintained at a low level. That is, in the present embodiment, the barrier that defines the potential packet has a width of three electrodes.
図1の本実施形態を、図5に示す従来技術と比較すると、待機時間s1中に、電極V7に印加する転送電位を低レベルに(図5の従来技術では高レベル)した点が異なる。即ち、本実施形態では、待機中に信号電荷を保持する電位パケット幅を5電極分とし、従来の6電極分の電位パケットで待機する場合に比較して1電極幅だけ電位パケットを縮めている。 1 is different from the prior art shown in FIG. 5 in that the transfer potential applied to the electrode V7 is set to a low level (high level in the prior art of FIG. 5) during the standby time s1. That is, in this embodiment, the potential packet width for holding the signal charge during standby is set to five electrodes, and the potential packet is reduced by one electrode width as compared with the case of waiting with the potential packet for six conventional electrodes. .
上述した様に、図4に示すCCD型固体撮像装置では、読出ゲート3に接続される電極はV1,V3,V5,V7であり、電極V2,V4,V6,V8は読出ゲート3に接続されていない。本実施形態で待機中の電位パケット幅を従来の6電極幅から5電極幅に縮めるときに使用する電極はV7であり、読出ゲートに接続されている電極である。
As described above, in the CCD type solid-state imaging device shown in FIG. 4, the electrodes connected to the
このため、本実施形態では、待機中に信号電荷を保持する電位パケットを5電極幅にすることで、電位パケットに接続される読出ゲート数を従来の3個(電極V3,V5,V7)から2個(電極V3,V5)に減らすことができ、信号電荷に混入する暗電流を低減することが可能となる。 For this reason, in this embodiment, the number of read gates connected to the potential packet is reduced from the conventional three (electrodes V3, V5, V7) by setting the potential packet for holding the signal charge during standby to a width of 5 electrodes. The number can be reduced to two (electrodes V3 and V5), and the dark current mixed in the signal charge can be reduced.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の表面模式図である。第1の実施形態のCCD型固体撮像装置が半導体基板上にフォトダイオードを正方格子状に配列形成したのに対し、本実施形態では、フォトダイオードを、所謂、ハニカム状に配列したことを特徴としている。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic view of the surface of a CCD solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. Whereas the CCD solid-state imaging device of the first embodiment has photodiodes arranged in a square lattice pattern on a semiconductor substrate, this embodiment is characterized in that the photodiodes are arranged in a so-called honeycomb pattern. Yes.
即ち、本実施形態のCCD型固体撮像装置10は、青色フィルタが積層された受光素子11bと赤色フィルタが積層された受光素子11rとが交互に横一行に配列された受光素子群と、緑色フィルタが積層された受光素子11gが横一行に配列された受光素子群とが1/2ピッチずらして縦方向に交互に配列されている。
That is, the CCD solid-
図面上、各受光素子11r,11g,11bを45度傾けた正方形で表示しているが、この固体撮像装置10では、各受光素子11r,11g,11bの各正方形の各辺に沿って転送電極12が設けられており、これら転送電極の横一行V1は、各受光素子対応にチャネルストップで区分けされているが、横一行の電極群V1に同一タイミングで同一転送電位φV1が印加される。
In the drawing, the
本実施形態のCCD型固体撮像装置10は、8相駆動としているため、各横一行の電極群は、…,V7,V8,V1,V2,V3,V4,V5,V6,…の繰り返しとなっており、電極群V1には電極端子101が接続され、電極群V2には電極端子102が接続され、電極群V3には電極端子103が接続され、…、電極群V8には電極端子108が接続される(即ち、電極群Vxは、電極端子10xに接続される。)。
Since the CCD type solid-
各受光素子11r,11g,11bの周りに設けられた転送電極12は、垂直方向にも整列し、垂直方向に並んだ転送電極群13(一列のみ点線で図示)が垂直転送路13を構成する。
The
CCD型固体撮像装置10が撮像した画像信号(各受光素子11r,11g,11bの受光電荷)を読み出すべく図示しない読出ゲートに読出電位(読出パルス)が印加されたとき、各受光素子11r,11g,11bの受光電荷(信号電荷)は、各受光素子11r,11g,11b上に図示した斜め左下に向く矢印の先の転送電極12に読み出される。
When a readout potential (readout pulse) is applied to a readout gate (not shown) in order to read out an image signal captured by the CCD solid-state imaging device 10 (light-receiving charges of the light-receiving
各電極端子101〜108に転送電位(転送パルス)φV1〜φV8が印加されることで、受光電荷は垂直方向に転送され、次に水平転送路14に受光電荷が移されて転送されて、出力アンプ15から画像信号として出力される。
By applying transfer potentials (transfer pulses) φV1 to φV8 to the
斯かるCCD型固体撮像装置10で転送制御を行うタイミングチャートは、図1,図2と同じである。本実施形態でも、待機時間s1中に、電極V7,V8,V1の転送電位を低レベル(例えば−8V)に維持してバリアとし、電極V2〜V6の転送電位を高レベル(例えば0V)に維持して信号電荷保持用の電位パケットを形成する。
The timing chart for performing the transfer control in the CCD type solid-
これにより、待機時間s1中に電位パケットと接続される読出ゲート数が減り、信号電荷に混入する暗電流を低減することが可能となる。 Thereby, the number of read gates connected to the potential packet during the standby time s1 is reduced, and the dark current mixed in the signal charge can be reduced.
従来の図5に示す転送制御(待機時間s1中に電極V1,V8をバリアとする転送制御)を図3のCCD型固体撮像装置10に適用した場合、図3の最右列の赤色受光素子(フォトダイオード)11rと青色受光素子11bとが垂直方向に交互に並ぶ列(これをA列とする。)では、電位パケットと読出ゲートとは電極V5の1箇所で接続され、隣の緑色受光素子11gが垂直方向に並ぶ列(これをB列とする。)では、電位パケットと読出ゲートとは電極V3,V7の2箇所で接続される。
When the conventional transfer control shown in FIG. 5 (transfer control using the electrodes V1 and V8 as a barrier during the standby time s1) is applied to the CCD solid-
これに対し、本実施形態の転送制御(待機時間s1中に電極V1,V8,V7をバリアとする転送制御)では、A列では電位パケットと読出ゲートとは電極V5の1箇所で接続され、B列では電位パケットと読出ゲートとは電極V3の1箇所で接続される。 On the other hand, in the transfer control of this embodiment (transfer control using the electrodes V1, V8, and V7 as a barrier during the standby time s1), in the A column, the potential packet and the readout gate are connected at one place of the electrode V5. In the B column, the potential packet and the readout gate are connected at one position of the electrode V3.
即ち、全体として従来は3箇所で電位パケットが読出ゲートに接続されていたのに対し、本実施形態では2箇所で接続されるため、信号電荷中に混入するトータルの暗電流が低減される。 That is, as a whole, the potential packet is conventionally connected to the read gate at three locations, whereas in the present embodiment, it is connected at two locations, so that the total dark current mixed in the signal charge is reduced.
更に、待機中に電位パケットに接続される読出ゲート数が、従来はA列で1箇所(電極V5),B列で2箇所(V3,V7)であったものが、本実施形態では、A列で1箇所,B列でも1箇所となり、A列とB列とで暗電流が流れる箇所が同数となり、ハニカム配列のCCD型固体撮像装置でも、従来に比して画像の高画質化を図ることが可能となる。 Further, in the present embodiment, the number of readout gates connected to the potential packet during standby is one in the A column (electrode V5) and two in the B column (V3, V7). The number of locations where dark current flows is the same in rows A and B, and the number of locations where dark current flows is the same in rows A and B. Even in a CCD type solid-state imaging device with a honeycomb arrangement, higher image quality is achieved than in the past. It becomes possible.
本発明に係るCCD型固体撮像装置は、待機中の信号電荷に混入する暗電流を低減でき、高画質な画像を撮像するデジタルカメラに搭載するCCD型固体撮像装置及び転送制御方法として有用である。 The CCD solid-state imaging device according to the present invention can reduce the dark current mixed in the waiting signal charge, and is useful as a CCD solid-state imaging device mounted on a digital camera that captures high-quality images and a transfer control method. .
1,11r,11g,11b 受光素子(フォトダイオードPD1〜PD8)
2,13 垂直転送路
3 読出ゲート
4,14 水平転送路
5,15 出力アンプ
8 垂直転送制御部
V1〜V8 転送電極
φV1〜φV8 転送電位
s1 垂直転送路の待機時間(水平転送路の転送中の時間)
1, 11r, 11g, 11b Light receiving element (photodiodes PD1 to PD8)
2,13
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