JP4479964B2 - 固体撮像素子およびその駆動方法、電子情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の駆動モードで駆動される固体撮像素子およびその駆動方法、これを用いたカメラ付き携帯電話装置や、デジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラなどのデジタルカメラなどの電子情報機器に関する。

従来より、固体撮像装置では、受光部で光電変換された電荷を、ＶＣＣＤ（垂直転送電荷結合素子）に読み出して、垂直方向に電荷転送している。

図１４は、従来のＶＣＣＤを構成する転送ゲートの駆動タイミング図、図１５は、図１４の駆動タイミングパルスφＶ（φＶクロック）を各転送ゲートに入力したとき、垂直転送部で最も転送効率が悪くなる転送ゲートの電圧波形と取扱い電荷量Ｅとの関係を示す図、図１６は、従来のＶＣＣＤの信号電荷の転送動作を示すポテンシャル図である。

図１４〜図１６に示すように、φＶクロックがＨ（ハイレベル）のときに、転送ゲート下にポテンシャル井戸（ポテンシャルのくぼみ）が形成され、また、φＶクロックがＬ（ローレベル）のときに、転送ゲート下にポテンシャル障壁を形成して、これを駆動タイミングパルスφＶ1〜φＶ４まで順に切り替えることによって、水平転送部へ信号電荷を転送している。水平転送部へ運ばれた信号電荷は、垂直転送部と同様に水平転送部の転送ゲートを駆動させて出力部へ運ばれる。水平転送部は、垂直転送部で列方向に転送されてきた横一列分の各パケットを行方向に転送するため、
水平転送期間 ＞ 垂直転送期間
の関係が成り立つ。

図１７は、従来のＶＣＣＤによる電荷転送効率の周波数依存性を示す図である。

図１７に示すように、転送ゲートを高速で駆動させるほど、電荷転送効率の特性が劣化する。この場合のＶＣＣＤの最大取り扱い電荷量は、転送ゲートのうち、最も周波数依存性の弱いもの（φＶ３）で制限されるため、このＶＣＣＤを高速駆動させる際に大きな課題となっていた。ここで、図１５で駆動タイミングパルスφＶ３が立ち下がり始め、これが立ち下がりきらないうちに（バリアができないうちに）、駆動タイミングパルスφＶ２がｔ７で立ち上がってポテンシャル井戸ができると、電荷量が減ってしまい、この場合の取り扱い電荷量Ｅが最大取り扱い電荷量Ｅｍａｘである。この波形なまりが生じる原因は、図１８に示す３層（Ｒ１〜Ｒ３）の各転送ゲートの縦断面図に示すように、２層目（Ｒ２）の転送ゲートの容量成分Ｃが最も大きく、これに印加される駆動タイミングパルスφＶ３が最もなまるためである。これについて図１５、図１９および図２０を参照して説明する。

図１５に示すように、取扱い電荷量Ｅは各転送ゲートが順次ポテンシャル井戸を形成する枚数によって増減するものの、ＶＣＣＤの最大取扱い電荷量Ｅｍａｘは、取扱い電荷量Ｅのワースト値で決まる。

図１９は、図１５の駆動タイミングパルスφＶの重なり時間と最大取扱い電荷量Ｅｍａｘとの関係を示す図である。

図１９に示すように、ｔ１〜ｔ８までのφＶクロック重なり時間を、所定時間Ｔｓに設定すると、ＶＣＣＤの最大取扱い電荷量Ｅｍａｘは最も周波数依存性の弱い転送ゲートの駆動タイミングパルスφＶ３の周波数特性で制限されて、図１５に示すように５０％近くまで落ち込む。
図２０は、周波数依存性の弱い転送ゲートが要因となってＶＣＣＤの最大取扱い電荷量Ｅｍａｘが低下する現象を示したポテンシャル図である。

図２０の時間t6a、t6b、t7a、t7b、t8aは、図１５の各時間に対応している。上記最大取扱い電荷量Ｅｍａｘが低下する現象は、垂直転送時、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１のポテンシャル障壁２１が形成される前に、これに隣接する一つ前の転送ゲート１２のポテンシャル障壁２２が下がり始めるために起こるもので、全転送ゲート中、一番高いポテンシャル障壁の高さ２０が、通常の転送ゲートにＬ（ローレベル）が印加されたときの高さ２３に満たないために、取扱い電荷量２４が減るというものである。

これを解決するため第１の従来技術として特許文献１が提案されている。特許文献１では、駆動タイミングパルスφＶ（転送ゲートパルス）の切り替え期間を均等にせず、ポテンシャル井戸を形成する枚数が少なくなる時に、各転送ゲートに印加される駆動タイミングパルスφＶの立ち上がり期間を長くとる方法が提案されている。

第２の従来技術として、特許文献２には、時定数が大きい転送ゲートに印加される駆動タイミングパルスφＶの立ち上がり時間を、他の期間よりも長くとり、波形遅延による影響を解消する方法が提案されている。
特開平１１−３５５６６３号公報 特開２００２−２６２１８３号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１および特許文献２では、以下に示すような問題がある。
即ち、ＶＣＣＤの転送効率や最大取り扱い電荷量を決定するのは、各転送ゲートの時定数だけではなく、実際は、ＶＣＣＤ転送部のポテンシャル深さや、フリンジング電界の勾配、各ゲート間の誘導など様々な要因が関連しており、波形鈍りの少ない転送ゲートでも転送効率が悪くなることがある。ＶＣＣＤの転送効率は、これら全ての要因を含めた周波数依存性から判断するのが望ましく、転送ゲートの時定数のみを考慮した特許文献１および特許文献２では、ＶＣＣＤの転送効率を効率的に向上させ難いという問題がある。

また、上記垂直転送部の駆動タイミングパルスφＶの切り替え期間は、撮像信号を出力する水平転送のブランキング期間によって決まってくるため、この有限の値を、垂直転送部の駆動タイミングパルスφＶの切り替え期間として各転送ゲートで分配しなくてはならない。固体撮像素子を高速駆動した場合、特許文献１および特許文献２では、駆動タイミングパルスφＶの切り替え期間に余裕がなくなり、ＶＣＣＤの転送効率の向上が実現できないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、固体撮像素子の垂直転送駆動において、複数の転送ゲートの電荷転送特性が異なっていても、安定した良好な転送効率を得ることができる固体撮像素子およびその駆動方法、これを用いたカメラ付き携帯電話装置や、デジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラなどのデジタルカメラなどの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数の受光画素部で光電変換された各信号電荷を一方向に電荷転送する一方向転送部の複数の一方向転送ゲートと、該一方向転送部から電荷転送されてきた信号電荷を他方向に電荷転送する他方向転送部の複数の他方向転送ゲートとに各駆動タイミングパルスを出力制御することにより電荷転送制御を行う制御部を有する固体撮像素子において、該制御部は、該他方向転送のブランキング期間中に、該複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、周波数が高いときに当該他の一方向転送ゲートに比べて電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、該一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の該他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行うものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記駆動タイミングパルスの重なり時間を設定する重なり時間設定部と、該重なり時間設定部で該重なり時間が設定された駆動タイミングパルスの駆動タイミングを生成する駆動タイミング生成部と、該駆動タイミング生成部で生成された駆動タイミングで該駆動タイミングパルスを出力する駆動信号出力部とを有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記他方向転送のブランキング期間の最後に、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段以外の一方向転送ゲートであって、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートを、前記一方向転送の所定の繰返し周期毎の最終段とする。また、この制御部は、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに出力する駆動タイミングパルスを、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段に印加する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうち、ポテンシャル障壁を形成する一方向転送ゲートが最小で１枚となるように電荷転送制御を行う。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記駆動タイミングパルスの切り替え期間の配分を前記転送ゲートの転送効率の周波数依存性から求めて、前記他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該一方向転送ゲートに、該他の一方向転送ゲートに比べて多くの転送期間を配分する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうちその最終段を構成するポリシリコン層と、その転送先の前記他方向転送部の他方向転送ゲートを構成するポリシリコン層とが、異なるポリシリコン層のオーバーラップ部による隣接構造をとるように、該一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの所定の繰り返し周期と異なる一または複数の一方向転送ゲートの特別な配置パターンを該一方向転送部と該他方向転送部間に配置させて、該隣接構造をとる各ポリシリコン層を、任意のポリシリコン層で形成する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における一方向転送部の複数の一方向転送ゲートが２層以上のポリシリコン層からなり、異なるポリシリコン層の２枚以上の配置パターンにて該一方向転送部の最終段が形成されており、前記制御部は、該一方向転送部の最終段に、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに入力される駆動タイミングパルスを印加する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記同一の駆動タイミングで印加された２枚以上の一方向転送ゲート下に、転送方向に有利なように電界の勾配付けを行っている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の受光画素部は複数列でそれぞれアレイ状に配置され、各受光画素部は入射光をそれぞれ光電変換して各信号電荷をそれぞれ生成する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における他方向転送部から転送されて来た信号電荷を撮像信号として出力する信号出力部を更に有する。

さらに、本発明の固体撮像素子において、前記一方向は垂直方向であり、前記他方向は水平方向である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記他方向転送のブランキング期間は一方向転送期間であり、一方向転送のブランキング期間は他方向転送期間であって、該一方向転送期間と該他方向転送期間を交互に設けて１パケット毎の電荷転送が繰り返し行われている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、アレイ状に配置され、入射光をそれぞれ光電変換して各信号電荷を生成する受光画素部から読み出された信号電荷を、複数の一方向転送ゲートにて一方向に電荷転送し、該一方向に電荷転送された信号電荷を複数の他方向転送ゲートにて他方向に電荷転送する固体撮像素子の駆動方法において、該他方向転送のブランキング期間中に、該複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、周波数が高いときに当該他の一方向転送ゲートに比べて電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、該一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の該他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行うものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の駆動方法において、前記他方向転送のブランキング期間の最後に、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の駆動方法において、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段以外の一方向転送ゲートであって、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートを、前記一方向転送の所定の繰返し周期毎の最終段とする。また、この場合に、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに出力する駆動タイミングパルスを、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段にも印加する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の駆動方法において、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうち、ポテンシャル障壁を形成する一方向転送ゲートが最小で１枚となるように電荷転送制御を行う。

本発明の電子情報機は、本発明の上記固体撮像素子を用いて画像を撮像するものであり、そのことにより本発明の目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、アレイ状に配置された受光画素に入射された光を光電変換して信号電荷を生成し、各受光画素部から読み出された各信号電荷を、制御部により、一方向転送部の複数の一方向転送ゲートを用いて一方向（垂直方向）に電荷転送し、一方向転送部から転送されて来た信号電荷を他方向（水平方向）に電荷転送するように電荷転送制御を行う。この場合に、他方向転送のブランキング期間（一方向駆動期間）中に、複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、この一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行う。例えば、他方向転送のブランキング期間の最後に、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる。即ち、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い一方向転送ゲートに出力する駆動タイミングパルスを、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段に印加する。

この駆動タイミングパルスは、１回の他方向転送（水平転送）のブランキング期間中に１パケットの信号電荷を一方向転送（垂直転送）するものとし、このとき、最も周波数依存性の弱い転送ゲートへの電圧波形が立ち下がる回数が２回未満である駆動タイミングにおいて有効である。

一方向転送部（垂直転送部）の最終段は、直接またはFIT部や画素加算部を介して他方向転送部（水平転送部）へ接続されているが、いずれも、最も周波数依存性の弱い転送ゲートに繋がる転送ゲートが最終段となるように、通常の転送ゲートの配置パターンと異なる隣接構造を一方向転送部と他方向転送部間に差し挟んで、一方向転送部（垂直転送部）の最終段とする。

本発明では、一方向転送部（垂直転送部）において、最も周波数依存性の弱い転送ゲートに繋がる転送ゲートを垂直転送部の最終段に配置し、この転送ゲートの立ち下がりで水平転送部（または画素加算部）に信号電荷を転送する駆動タイミングを生成することで、垂直転送のブランキング期間（水平転送期間）をも利用して、この最終段の転送ゲートのポテンシャル障壁を高め、次のパケットの転送時、最も周波数依存性の弱い転送ゲートのポテンシャル障壁が十分に上がりきった後に、隣接する転送ゲートのポテンシャル障壁が下がり、従来のようにＶＣＣＤの最大取り扱い電荷量が低下する現象を軽減することが可能となる。
さらに、固体撮像素子を高速駆動させた場合、垂直転送部のタイミングパルス切り替え期間は短くなり、各転送ゲートを駆動させる期間を切り詰めなければならない。本発明では、垂直転送部のタイミングパルス切り替え期間よりも十分長い水平転送期間をも利用して、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを駆動させることができるため、ＣＣＤの高速化にも有効である。

以上により、本発明によれば、固体撮像素子の一方向転送駆動期間（他方向転送のブランキング期間）において、複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、この一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行うため、複数の一方向転送ゲートの電荷転送特性が異なっていても、一方向転送部の最大取扱い電荷量を低下させることなく転送効率を向上させて、安定した良好な転送効率を得ることができる。

以下に、本発明の固体撮像素子およびその駆動方法の実施形態１〜４３および比較例１，２について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の固体撮像素子の実施形態１を示す概略構成図である。

図１において、本実施形態１の固体撮像素子１０は、行列状（またはマトリクス状）に複数配置され、入射光を信号電荷に光電変換する受光画素部としてのフォトダイオード１と、この各フォトダイオード１に蓄積された信号電荷を読み出して列方向（垂直方向）に電荷転送する一方向転送部としての垂直転送部２と、この垂直転送部２からの信号電荷を行方向（水平方向）に電荷転送する他方向転送部としての水平転送部３と、水平転送部３から電荷転送されて来た信号電荷を増幅して撮像信号として出力する信号出力部としての撮像信号増幅器４と、垂直転送部２および水平転送部３の各転送ゲートに転送ゲートパルス（駆動タイミングパルス）を出力制御する電荷転送制御を行う制御部５とを備えている。なお、ここでは、これらの垂直転送部２による垂直転送と水平転送部３による水平転送とは、１パケットの信号電荷転送を交互に行っている。また、６は垂直余剰電荷掃き出しドレイン、７は水平余剰電荷掃き出しドレインである。

フォトダイオード１上には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタが配置されている。

垂直転送部２には、信号電荷を一方向（垂直方向）に転送するための３層で複数の転送ゲートが順次並べられて互いに順次ラップ部を有しつつ転送方向に設置されている。本実施形態１では、駆動タイミングパルスφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の４相ゲートで１パケットの信号電荷を転送するものとする。

制御部５は、各転送ゲートの駆動タイミングパルス出力を含む回路全体の制御を行っている。この制御部５の中には、図２のｔ１〜ｔ８間で垂直転送部２の複数の転送ゲートを駆動する駆動タイミングパルス（φＶクロック）の重なり時間を設定する重なり時間設定部としてのタイミングパルス生成回路５１と、タイミングパルス生成回路５１で設定された重なり時間を持つφＶクロックの駆動タイミングを生成する駆動タイミング生成部としての駆動信号作成回路５２と、駆動信号作成回路５２で生成された駆動タイミングでφＶクロック（駆動タイミングパルス）を出力する駆動信号出力部としての駆動信号出力回路５３とを有している。

図２は、図１の制御部５からの駆動タイミングパルスφＶ１’〜φＶ４’のうち、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１に印加される駆動タイミングパルスφＶ３’を垂直転送の最終段に印加した場合の、垂直転送部２で最も転送効率が悪くなる部分の波形と取扱い電荷量Ｅとの関係を示した図である。

図２に示すように、この駆動タイミングパルスφＶ１’〜φＶ４’では、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１の駆動タイミングパルスφＶ３’の立下りを垂直期間の最後に位置させて、その駆動タイミングパルスφＶ３’の立下りの後に、水平転送期間Ｈｔを利用して、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１がポテンシャル障壁を形成する時間を十分にとるようにしている。この場合、垂直方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の該他方向のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行うこのため、最大取扱い電荷量Ｅｍａｘが従来のように低下するのを大幅に抑制することができる。

図３は、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１を垂直転送部２の最終段に設け、水平転送期間Ｈｔを利用して周波数依存性の最も弱い転送ゲートのポテンシャル障壁を立ち上げるときのポテンシャル図である。

図３に示すように、時間ｔ８ｃ，ｔ８ｄ，ｔ９ｃ，ｔ９ｄ，ｔ１０ｃは、図２の各時間に対応している。垂直転送時、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１を垂直転送部２の最終段に設置すると、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１が最後にポテンシャル障壁を立ち上げて信号電荷を水平転送部１３に転送することになる。このとき、これに隣接する一つ前の転送ゲート１２には、Ｌ（ローレベル）が印加されたままなので、全転送ゲート中、一番高いポテンシャル障壁の高さ２０は、通常の転送ゲートにＬ（ローレベル）が印加された時の高さ２３を保つことができる。よって、一番高いポテンシャル障壁２０の高さが低くなって取扱い電荷量２４が目減りする現象を回避できる。

このように、制御部５は、水平転送のブランキング期間（垂直転送期間）の最後に、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い転送ゲート１１への駆動タイミングパルスφＶ３’の電圧波形を立ち下がらせている。また、制御部５は、垂直転送部２の複数の垂直転送ゲートの最終段以外の垂直転送ゲート１１であって、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い垂直転送ゲート１１を、その垂直転送の所定の繰返し周期（φＶ４’、φＶ１’〜φＶ３’）毎の最終段とし、また、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い垂直転送ゲート１１に出力する駆動タイミングパルスφＶ３’を、垂直転送部２の複数の一方向転送ゲートの最終段にも印加する。

図４は、図３の最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を構成するポリシリコン層と、垂直転送部２の最終段を形成するポリシリコン層が異なる場合の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図であり、図５は、図４のＡ−Ａ’線断面図と、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。

一般的に、転送ゲートを構成する層は、２層以上のポリシリコン層（ここでは例えば３層）を順次オーバーラップさせて順次並べた隣接構造となっており、図４および図５では、白色で示す１層目の転送ゲート２５、波線部で示す２層目の転送ゲート２６、縦線部で示す３層目の転送ゲート２７の３層のポリシリコン層から垂直転送部２が構成されている。駆動タイミングパルスφＶ３’が印加される最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１は、垂直転送部２の繰り返しパターンでは、主に２層目（波線部）の転送ゲート２６で構成されている。垂直転送部２の最終段と水平転送部３が、オーバーラップして隣接構造を取れるよう、垂直転送部２の最終段の転送ゲート１１を任意のポリシリコン層から形成する。ここでは、垂直転送部２の最終段とオーバーラップする水平転送部３の転送ゲート３１を、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を構成する２層目の転送ゲート２６で形成する。この垂直転送部２の最終段の転送ゲート１１を、水平転送部３の転送ゲート２６と隣接できるように、１層目の転送ゲート２５で形成する。そして、通常の転送ゲートの繰り返し転送ゲートパターンと異なる特別パターン２９を間に差し挟むことで、転送先（水平転送部３の転送ゲート２６）に隣接する垂直転送部２の最終段の転送ゲート１１を１層目のゲート２５で構成することが可能となる。
（実施形態２）
上記実施形態１では各転送ゲートを３層で構成したが、本実施形態２では各転送ゲートを２層で構成する場合である。

図６は、各転送ゲートを構成する層が２層のとき、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを構成するポリシリコン層および、垂直転送部２の最終段を形成するポリシリコン層が異なる場合（実施形態２）の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図であり、図７は、図６のＢ−Ｂ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。

図６および図７では、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１が２層目（波線部）の転送ゲート２６で作られており、最終段では１層目の転送ゲート２５で作らなければならない。各転送ゲートを構成するポリシリコン層が最大で２層の場合、層の順番を並べ替えて最終段の層を変更することはできないが、２層目と１層目を共に駆動タイミングパルスφＶ３’の出力端に接続した、通常（従来）と異なる特別パターン３０を間に差し挟むと、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を最終段として１層目の転送ゲート２５で作ることができる。最終段に位置する特別パターン３０には、電荷を転送しやすいように注入で電界の勾配付けを行うことも有効である。なお、これは３層以上のポリシリコン層から形成された転送ゲートでも効果がある。

このように、垂直転送部２の複数の転送ゲートが２層のポリシリコン層からなり、異なるポリシリコン層の２枚の配置パターンで垂直転送部２の最終段が形成され、制御部５は、この最終段に同一の駆動タイミングで駆動タイミングパルスを印加する。また、同一の駆動タイミングで印加された２枚の転送ゲート下に、転送方向に有利なように電界の勾配付けを行っている。
（比較例１）
上記実施形態１と比較するための比較例１について説明する。

図８は、従来の比較例１の各転送ゲートを模式的に示す上面図であり、図９は、図８のＡ−Ａ’線断面図および、時間ｔ８ａの時のポテンシャル図である。

一般的に、各転送ゲートを構成する層は、２層以上（ここでは３層）のポリシリコン層を順次オーバーラップさせて並べた隣接構造となっており、図８および図９では、１層目の転送ゲート２５、２層目の転送ゲート２６、３層目の転送ゲート２７の、３層のポリシリコン層から垂直転送部２が構成されている。駆動タイミングパルスφＶ３が印加される最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１は、垂直転送部２の繰り返し転送ゲートの配置パターンでは、２層目（波線部）の転送ゲート２６で構成されている。

一方、本発明（実施形態１，２）では、水平転送部３へ信号電荷を転送する垂直転送部２の最終段の転送ゲートを、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１で構成しなければならない。

ところが、図８および図９の比較例１の転送ゲートパターンでは、最終段とオーバーラップする水平部転送ゲート３１が、駆動タイミングパルスφＶ３が印加される最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１と同じ２層目の転送ゲート２６で構成されているため、最終段で互いに隣接構造をとることができない。これを回避するために、上記実施形態１や次に示す実施形態３がある。
（実施形態３）
図１０は、垂直転送部２の最終段とオーバーラップする水平部転送ゲート３１を、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを構成するポリシリコン層と異なる層で形成した場合（実施形態３）の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図であり、図１１は、図１０のＡ−Ａ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。

図１０および図１１では、水平部転送部３の転送ゲート３１を、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を構成するポリシリコン層と異なる層から形成した場合に、垂直転送部２の最終段の転送ゲート１１（最も周波数依存性の弱い２層目の転送ゲート２６）と隣接
が可能となる。
（比較例２）
上記実施形態２（図６および図７）と比較するための比較例２について説明する。

図１２は、従来の比較例２の各転送ゲートを模式的に示す上面図であり、図１３は、図１２のＢ−Ｂ’線断面図および、時間ｔ８ａの時のポテンシャル図である。

上記実施形態２（図６および図７）では、転送ゲートを構成する層が２層のとき、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を構成するポリシリコン層と、垂直転送部２の最終段を形成するポリシリコン層が異なる場合である。最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１が２層目のゲートで作られており、最終段では１層目のゲートで作らなければならない。よって、転送ゲートを構成するポリシリコン層が最大で２層の場合、層の順番を並べ替えて最終段の層を変更することはできないが、２層目と１層目を共に駆動タイミングパルスφＶ３’の出力端に接続した、通常と異なる特別パターン３０を差し挟むと、最も周波数依存性の弱い転送ゲート１１を１層目の転送ゲート２５で作ることができる。最終段に位置する特別パターン３０には、電荷を転送しやすいように注入で電界の勾配付けを行うことも有効である。

以上により、本実施形態１〜３によれば、垂直ＣＣＤの電荷転送時、他の転送ゲートに比べて時定数の大きい、またはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い転送ゲートの駆動タイミングパルスφＶ３’が最後に立ち下がって、ポテンシャル障壁となるよう駆動することで、次の垂直転送が始まるまで、水平ＣＣＤの転送時間をも利用して、他の転送ゲートに比べて時定数の大きい、またはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い転送ゲートのポテンシャル障壁を高めることができる。これにより、他の転送ゲートに比べて時定数の大きい、あるいはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い転送ゲートの障壁が立ち上がりきるまえに、隣接する一つ前の障壁が下がり始めて、垂直ＣＣＤの最大取扱い電荷量が低下するという従来の現象を回避することができる。

即ち、一番鈍る駆動タイミングパルスφＶ３’が印加される転送ゲート１１を垂直転送部２の最終段にも設け、垂直転送部２の最終段を構成するポリシリコン層と、転送先の水平転送部３のポリシリコン層を異なる層で形成する全ての固体撮像装置に適用するため、垂直転送部で、複数の転送ゲートで転送特性が異なっていても、安定して良好な転送効率を得ることができる。

なお、上記実施形態１〜３において、ＶＣＣＤの最大取扱い電荷量の低下をφＶクロックの波形鈍りなど、波形の時定数だけではなく、ＶＣＣＤ転送部のポテンシャル深さや、フリンジング電界の勾配、各ゲート間の誘導など様々な要因を考慮した、各転送ゲートの周波数依存性から判断することが望ましい。

よって、図１の制御部５は、他方向転送のブランキング期間の最後に、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い垂直方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる。また、制御部５は、垂直転送部２の複数の垂直転送ゲートの最終段以外の垂直転送ゲート１１であって、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い垂直転送ゲート１１を、その垂直転送の所定の繰返し周期（φＶ４’、φＶ１’〜φＶ３’）毎の最終段とし、また、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い、周波数依存性の最も弱い垂直転送ゲート１１に出力する駆動タイミングパルスφＶ３’を、垂直転送部２の複数の一方向転送ゲートの最終段にも印加する。
さらに、複数の転送ゲートで転送特性が異なっていても、安定して良好な転送効率を得ることができる本発明の目的を達成するためには、制御部５は、水平転送のブランキング期間中に、複数の垂直転送ゲートのうち、他の垂直転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスφＶ３’の電圧波形を立ち下がらせた後に、垂直方向に対し反対方向に当該垂直転送ゲートに隣接する垂直転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の水平転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行うようにすればよい。

また、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを最終段にも設置すると共に、各転送ゲートの周波数依存性の弱い順に、垂直転送部の駆動タイミングパルスの切り替え時間を長く設定すると、転送効率の向上に効果がある。即ち、図１の制御部５は、駆動タイミングパルスの切り替え期間の配分を転送ゲートの転送効率の周波数依存性から求めて、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い、周波数依存性の弱い一方向転送ゲートに、他の一方向転送ゲートに比べて多くの転送期間を配分するように電荷転送制御を行う。

また、本実施形態１〜３では、垂直転送部の最終段から直接水平転送部へと信号電荷を転送する形態について説明したが、その転送先はＦＩＴ部や画素加算部を介していても構わない。

また、本実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、図１の制御部５は、垂直転送部２の複数の垂直転送ゲートのうち、ポテンシャル障壁を形成する垂直転送ゲートが最小で１枚となるように電荷転送制御を行う場合にも、安定して良好な転送効率を得るのに有効である。

また、本実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、本発明の固体撮像素子１０およびその駆動方法は、カメラ付き携帯電話装置や、デジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラなどのデジタルカメラなどの電子情報機器に用いられて、固体撮像素子１０の垂直転送駆動において、複数の転送ゲートで転送特性が異なっていても、安定して良好な転送効率を得ることができる本発明の目的を達成できる。本発明のように、より早い期間で安定して電荷転送ができて撮像信号を読み出せるようになると、画像の駒落ちせず滑らかな動画再生が可能となる。このためにも垂直期間を出来るだけ短くできればよい。従来では駆動タイミングパルスφＶの電圧波形が鈍っている分だけ垂直転送期間が長くかかり、また、画素数を多くしてセルサイズを小さくした場合に、駆動タイミングパルスφＶの電圧波形が鈍っている分だけ取り扱い電荷量Ｅも少なくなったが、これらを解消することができて、高性能の電子情報機器を得ることができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、複数の駆動モードで駆動される固体撮像素子およびその駆動方法、これを用いたカメラ付き携帯電話装置や、デジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラなどのデジタルカメラなどの電子情報機器の分野において、垂直転送部で、複数の転送ゲートで転送特性が異なっていても、安定して良好な転送効率を得ることができる。

本発明の固体撮像装置の実施形態１を示す概略構成図である。 図１の制御部からの駆動タイミングパルスφＶ１’〜φＶ４’のうち、周波数依存性の弱い転送ゲートの駆動タイミングパルスφＶ３’を垂直転送の最終段に印加した場合の、垂直転送部で最も転送効率が悪くなる部分の電圧波形と取扱い電荷量Ｅとの関係を示した図である。 周波数依存性の弱い転送ゲートを垂直最終段に設け、水平転送期間Ｈｔを利用して周波数依存性の弱い転送ゲートのポテンシャル障壁を立ち上げるときのポテンシャル図である。 本発明の実施形態で、通常の転送ゲートの繰り返しパターンと異なる特別パターンを差し挟むことで、最終段の転送ゲートを任意のポリシリコン層から形成した場合（実施形態１）の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図である。 図４のＡ−Ａ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。 転送ゲートを構成する層が２層のとき、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを構成するポリシリコン層および、垂直転送部の最終段を形成するポリシリコン層が異なる場合（実施形態２）の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図である。 図６のＢ−Ｂ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。 従来の比較例１の各転送ゲートを模式的に示す上面図である。 図８のＡ−Ａ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ａの時のポテンシャル図である。 垂直転送部の最終段とオーバーラップする水平部転送ゲートを、最も周波数依存性の弱い転送ゲートを構成するポリシリコン層と異なる層で形成した場合（実施形態３）の各転送ゲートの概略構成例を模式的に示す上面図である。 図１０のＡ−Ａ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ｄの時のポテンシャル図である。 従来の比較例２の各転送ゲートを模式的に示す上面図である。 図１２のＢ−Ｂ’線断面図および、これに対応した図３の時間ｔ８ａの時のポテンシャル図である。 従来のＶＣＣＤを構成する転送ゲートの駆動タイミング図である。 図１４の駆動タイミングパルスφＶを各転送ゲートに入力したとき、垂直転送部で最も転送効率が悪くなる部分の波形と取扱い電荷量Ｅとの関係を示す図である。 従来のＶＣＣＤの信号電荷の転送動作を示すポテンシャル図である。 従来のＶＣＣＤによる電荷転送効率の周波数依存性を示す図である。 従来の３層（Ｒ１〜Ｒ３）の各転送ゲートの縦断面図である。 図１７の駆動タイミングパルスφＶの重なり時間と最大取扱い電荷量Ｅｍａｘとの関係を示す図である。 周波数依存性の弱い転送ゲートが要因となってＶＣＣＤの最大取扱い電荷量Ｅｍａｘが低下する現象を示したポテンシャル図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ 垂直転送部
３ 水平転送部
４ 撮像信号増幅部
５ 制御部
５１ タイミングパルス生成回路
５２ 駆動信号作成回路
５３ 駆動信号出力部
１０ 固体撮像装置
１１ 最も周波数依存性の弱い転送ゲート
１２ 最も周波数依存性の弱い転送ゲートに隣接する一つ前の転送ゲート
１３ 転送先ゲート
２０ 全転送ゲート中、一番高いポテンシャル障壁の高さ
２１ 最も周波数依存性の弱い転送ゲートのポテンシャル障壁
２２ 最も周波数依存性の弱い転送ゲートに隣接する転送ゲートのポテンシャル障壁
２３ 転送ゲートにLが印加されて最大となるポテンシャル障壁の高さ
２４ 取扱い電荷量
２５ １層目の転送ゲート
２６ ２層目の転送ゲート
２７ ３層目の転送ゲート
２９ 垂直部と転送先との間に差し挟む特別パターン（３層）
３０ 垂直部と転送先との間に差し挟む特別パターン（２層）
３２ 特別パターン内での電界方向付け
Ｅ 各時間におけるVCCDの取扱い電荷量
Ｅｍａｘ VCCDの最大取扱い電荷量
Ｈｔ 水平転送期間

Claims (20)

1. 複数の受光画素部で光電変換された各信号電荷を一方向に電荷転送する一方向転送部の複数の一方向転送ゲートと、該一方向転送部から電荷転送されてきた信号電荷を他方向に電荷転送する他方向転送部の複数の他方向転送ゲートとに各駆動タイミングパルスを出力制御することにより電荷転送制御を行う制御部を有する固体撮像素子において、
   該制御部は、該他方向転送のブランキング期間中に、該複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、周波数が高いときに当該他の一方向転送ゲートに比べて電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、該一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の該他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行う固体撮像素子。
2. 前記制御部は、前記駆動タイミングパルスの重なり時間を設定する重なり時間設定部と、該重なり時間設定部で該重なり時間が設定された駆動タイミングパルスの駆動タイミングを生成する駆動タイミング生成部と、該駆動タイミング生成部で生成された駆動タイミングで該駆動タイミングパルスを出力する駆動信号出力部とを有する請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記制御部は、前記他方向転送のブランキング期間の最後に、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記制御部は、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段以外の一方向転送ゲートであって、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートを、前記一方向転送の所定の繰返し周期毎の最終段とする請求項１または３に記載の固体撮像素子。
5. 前記制御部は、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに出力する駆動タイミングパルスを、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段に印加する請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記制御部は、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうち、ポテンシャル障壁を形成する一方向転送ゲートが最小で１枚となるように電荷転送制御を行う請求項１または３に記載の固体撮像素子。
7. 前記制御部は、前記駆動タイミングパルスの切り替え期間の配分を前記転送ゲートの転送効率の周波数依存性から求めて、前記他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該一方向転送ゲートに、該他の一方向転送ゲートに比べて多くの転送期間を配分する請求項１に記載の固体撮像素子。
8. 前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうちその最終段を構成するポリシリコン層と、その転送先の前記他方向転送部の他方向転送ゲートを構成するポリシリコン層とが、異なるポリシリコン層のオーバーラップ部による隣接構造をとるように、該一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの所定の繰り返し周期と異なる一または複数の一方向転送ゲートの特別な配置パターンを該一方向転送部と該他方向転送部間に配置させる請求項１に記載の固体撮像素子。
9. 前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートが２層以上のポリシリコン層からなり、異なるポリシリコン層の２枚以上の配置パターンにて該一方向転送部の最終段が形成されており、前記制御部は、該一方向転送部の最終段に、時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに入力される駆動タイミングパルスを印加する請求項１または８に記載の固体撮像素子。
10. 前記同一の駆動タイミングで印加された２枚以上の一方向転送ゲート下に、転送方向に有利なように電界の勾配付けが行われている請求項９に記載の固体撮像素子。
11. 前記複数の受光画素部は複数列でそれぞれアレイ状に配置され、各受光画素部は入射光をそれぞれ光電変換して各信号電荷をそれぞれ生成する請求項１に記載の固体撮像素子。
12. 前記他方向転送部から転送されて来た信号電荷を撮像信号として出力する信号出力部を更に有する請求項１に記載の固体撮像素子。
13. 前記一方向は垂直方向であり、前記他方向は水平方向である請求項１に記載の固体撮像素子。
14. 前記他方向転送のブランキング期間は一方向転送期間であり、一方向転送のブランキング期間は他方向転送期間であって、該一方向転送期間と該他方向転送期間を交互に設けて１パケット毎の電荷転送が繰り返し行われている請求項１または３に記載の固体撮像素子。
15. アレイ状に配置され、入射光をそれぞれ光電変換して各信号電荷を生成する受光画素部から読み出された信号電荷を、複数の一方向転送ゲートにて一方向に電荷転送し、該一方向に電荷転送された信号電荷を複数の他方向転送ゲートにて他方向に電荷転送する固体撮像素子の駆動方法において、
    該他方向転送のブランキング期間中に、該複数の一方向転送ゲートのうち、他の一方向転送ゲートに比べて時定数の大きいまたはポテンシャルの深い一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスであって、周波数が高いときに当該他の一方向転送ゲートに比べて電荷転送効率の特性劣化が大きくなる当該駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせた後に、該一方向に対し反対方向に当該一方向転送ゲートに隣接する一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形が、次の該他方向転送のブランキング期間まで立ち上がらせないように電荷転送制御を行う固体撮像素子の駆動方法。
16. 前記他方向転送のブランキング期間の最後に、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートへの駆動タイミングパルスの電圧波形を立ち下がらせる請求項１５に記載の固体撮像素子の駆動方法。
17. 前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段以外の一方向転送ゲートであって、前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートを、前記一方向転送の所定の繰返し周期毎の最終段とする請求項１５に記載の固体撮像素子の駆動方法。
18. 前記時定数の最も大きいまたはポテンシャルの最も深い一方向転送ゲートであって、前記周波数が高いときに前記電荷転送効率の特性劣化が最も大きくなる当該一方向転送ゲートに出力する駆動タイミングパルスを、前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートの最終段にも印加する請求項１７に記載の固体撮像素子の駆動方法。
19. 前記一方向転送部の複数の一方向転送ゲートのうち、ポテンシャル障壁を形成する一方向転送ゲートが最小で１枚となるように電荷転送制御を行う請求項１３に記載の固体撮像素子の駆動方法。
20. 請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像素子を用いて画像を撮像する電子情報機器。
    

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