JPH06268923A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 垂直ＣＣＤ転送電極の最大転送信号電荷量の
増大をクロックパルスを工夫することで実現し、高ダイ
ナミックレンジの固体撮像装置を提供すること。 【構成】 半導体基板上に二次元的に配列された感光画
素と、この感光画素の垂直配列方向に沿って設けた複数
本の垂直転送部と、この垂直転送部の端部に水平転送部
を備えて信号電荷を出力する固体撮像装置の駆動方法に
おいて、感光画素から信号電荷を読み出すフィールドシ
フトゲートと垂直転送電極が共通でない垂直転送電極へ
プラス，マイナスのクロックパルスを印加して、共通の
垂直転送電極は０とマイナスのクロックパルスを印加す
るようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ（固体撮像装
置）の駆動方法に係わり、特にダイナミックレンジの拡
大を図った駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ固体撮像素子は、その特徴を生か
して広い分野に使われている。特に、小型化、高解像度
化のカメラへの応用が大きい。図１１に、インターライ
ン転送型のＣＣＤの構成図を示す。このＣＣＤは、感光
画素（ＰＤ）、垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）、水平ＣＣＤ
（ＨＣＣＤ）、出力アンプ（ＡＭＰ）で構成される。感
光画素で光電変換された信号電荷は、ＶＣＣＤへ印加さ
れる４相パルスφＶ₁ ，φＶ₂ ，φＶ₃ ，φＶ₄ で水平
ＣＣＤ方向へ転送され、そして水平ＣＣＤでは２相パル
スφＨ₁ ，φＨ₂ で信号電荷はＡＭＰ方向へ転送され
る。そして信号電荷は出力ＯＳへ読出される。

【０００３】このＣＣＤの感度、ダイナミックレンジと
向上する方法として感光画素部を二階建て構造するもの
がある。第１２図に示す二階建て固体撮像装置の構造図
を用いて従来の問題点を以下に説明する。１１は例えば
ｐ型Ｓｉ基板であり、その表面には信号電荷読み出しチ
ャネルである第１のｎ⁺ 型層１２₁ と信号電荷蓄積部の
ｎ⁺ 型層１２₂ 、この蓄積部と例えばアルミニウム（Ａ
ｌ）で形成された金属電極１７ａとをオーミック接続さ
せるためのｎ^{+ +} 型層１４及びチャネルストッパとなる
ｐ⁺ 型層１３がある。そしてＣＣＤチャネル上にはゲー
ト酸化膜を介して例えば２層多結晶シリコン膜により形
成されたＣＣＤ転送電極１５ａ，１５ｂがある。この２
層転送電極１５ａ，１５ｂ上には第１の絶縁膜１６ａが
堆積され、これに開けられたコンタクトホールを介して
前記ｎ^{+ +} 型層１４に接続される第２の金属電極１７ｂ
が各画素領域に設けられる。この上に例えばアモルファ
スＳｉによる光導電膜１８とＩＴＯなどの透明導電膜１
９が形成されている。

【０００４】ここで信号電荷蓄積部ｎ⁺ 型層１２₂ 、ｎ
^{+ +} 型層１４、第１の金属電極１７ａ及び第２の金属電
極１７ｂは、各画素毎に独立に二次元的に配列形成され
る。即ち、第２の金属電極１７ｂが撮像画素領域を定義
するものとなり、光導電膜１８による撮像の結果第２の
金属電極１７ｂに得られる電位変化が第１の金属電極１
７ａを介して信号電荷蓄積部のｎ⁺ 型層１２₂ に伝達さ
れ、ここに信号電荷として蓄積される。図ではチャネル
ストッパであるｐ⁺ 型層１３が見える断面を示している
が、各画素毎にｎ⁺ 型層１２₂ の信号電荷をＣＣＤチャ
ネルであるｎ⁺型層１２₁ にに転送する転送部を有し、
インタライン転送型ＣＣＤ撮像素子を構成している。

【０００５】このように二階建構造にしたインターライ
ン転送型（ＩＴ）ＣＣＤでは光利用率が向上するため、
高感度化が実現できる。しかし、この二階建構造のＩＴ
−ＣＣＤでは、感度が高いため、光電変換された信号電
荷量も多くなる。この多量の信号電荷を運ぶには垂直Ｃ
ＣＤの転送電荷量を大きくしなければならない、しか
し、垂直ＣＣＤを大きくすることは、画素サイズを大き
くすることになり、小型，多画素化に対して不利となる
問題が生じる。

【０００６】また、多画素化を行った場合、垂直ＣＣＤ
のチャネル幅が小さくなり、扱う転送電荷量が下がると
いう問題も生じる。さらに、ハイビジョン用ＣＣＤでは
垂直ＣＣＤで転送する時間が水平ブランキング時間３．
７７μｓ少ないことになり、短時間で多量の信号電荷量
が運べずダイナミックレンジが低下する問題が生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体撮像素子では２階建構造にした場合や、多画素化にし
た場合や、ハイビジョン用に製作した場合などでは垂直
ＣＣＤの最大転送電荷量が下がり、ダイナミックレンジ
の低下、飽和電荷量の低下の問題があり、再生画像を劣
化させる問題があった。

【０００８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、垂直ＣＣＤのチャネル幅を現行のままで最大転送
電荷量を増大させることのできる、高ダイナミックレン
ジの固体撮像装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、複数の
垂直ＣＣＤ転送電極のうち感光画素からの信号電荷を読
み出すゲートと共通に接続されてない電極をプラス・マ
イナスパルスで転送し、感光画素からの信号電荷を読み
出すゲートと共通に接続されている電極は０とマイナス
のクロックパルスで転送することにある。

【００１０】

【作用】本発明によれば、従来の構造のままの垂直ＣＣ
Ｄで最大信号電荷を増加することができる。すなわち、
本発明では、二階建構造にしたＩＴ−ＣＣＤにおける高
感度の信号電荷量を損失なく転送することが可能にな
る。また、ハイビジョン用固体撮像装置などのように水
平ブランキング期間が小さくなった場合においても、信
号電荷量を扱うことなく転送することが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。図１は本発明の第１の実施例に係わる固体撮
像装置の一部の拡大図と動作図を示す。図２は図１に印
加するクロックパルスの全体図、図３は図１に印加する
クロックパルスの拡大図を示し、図４は図３のクロック
パルス印加時の垂直ＣＣＤのチャネルポテンシャル動作
図を示す図である。この装置はフォトダイオードＰＤ，
垂直ＣＣＤのＶＣＣＤ，チャネルストッパＣＳ，フィー
ルドシフトゲートＦＳＧ，垂直ＣＣＤの転送電極φＶ
₁ ，φＶ₂ ，φＶ₃ ，φＶ₄ の４相電極，で構成されて
いる。なお、従来例で説明した二階建構造のＩＴ−ＣＣ
Ｄではこの図のＰＤ部を信号電荷蓄積部のｎ⁺ 型層１２
₂ ，ｎ^{+ +} 型層１４に代えた構造で見れば垂直ＣＣＤ部
については同様となる。

【００１２】ＶＣＣＤのチャネル幅は多画素化になって
くると狭くなるそして、ＦＳＧのあるチャネル幅Ａと両
側がチャネルストッパＣＳに挟まれたチャネル幅Ｂの２
つのチャネル幅ができる。このときチャネルＢでは狭チ
ャネル効果により図１（Ｃ）のポテンシャル図に示すよ
うに段差ができ、ちょうどφＶ₂ とφＶ₄ の電極下では
信号電荷がＱ_2a，Ｑ_4aとチャネル幅Ａの場所のＱ₁ ，₃
に比べ小さくなってしまう。このことは、最大転送電荷
量を下げてしまうことになる。

【００１３】本実施例では、この垂直ＣＣＤのチャネル
ストッパＣＳに挟まれた電極の信号電荷量の減少分を、
他の電極と同じにするだけではなく、むしろ、それ以上
に増加できる駆動法である。そのポジシャルの状態は図
１（ｄ）に示す。すなわち、垂直ＣＣＤのチャネルスト
ッパＣＳにはさまれた電極のみ通常の０とマイナスのク
ロックパルスからプラスとマイナスのクロックパルスを
印加してＱ_2b，Ｑ_4bとなると にして、図に示すように
Ｑ_max 増加分だけ最大転送電荷量が大きくできる。この
増加電荷量は発明者の実験結果によれば４電極とも従来
法の０とマイナスのクロックパルスを印加した場合に比
べ２倍以上になった。

【００１４】図２はφＶ₁ 〜φＶ₄ に印加する具体的ク
ロックパルス波形である。インタレース動作を行なうの
でＯＤＤフィールドとＥＶＥＮフィールドで画素からの
信号読出しタイミングが異ならしている。ＦＳはフィー
ルドシフトパルス期間、ＡＤは２つの画素の信号電荷を
加算する期間、ＬＳは垂直ＣＣＤの信号電荷を転送する
ラインシフト期間、このラインシフト期間の動作が本発
明の第１の実施例の駆動法である。この期間のクロック
パルスの電圧を、ここではφＶ₁ とφＶ₃ は０Ｖとマイ
ナスのＶ_LV、そしてφＶ₂ とφＶ₄ はプラスのＶ_HVとマ
イナスのＶ_LVにして垂直ＣＣＤを駆動する。

【００１５】より具体的なパルスタイミングを図３に示
す。ＨＢＬは水平ブランキング期間である。ラインシフ
ト動作はこの期間内で行なうことがノイズ防止の観点か
ら必要である。したがって高速でかつダイナミックレン
ジの広い転送法が要求される。ここに示したパルスのポ
テンシャル動作図を図４に示す。パルスタイミングのｔ
₁ 〜ｔ₉ はポテンシャル動作図のｔ₁ 〜ｔ₉ に対応して
いる。垂直ＣＣＤ転送電極φＶ₁ ，φＶ₂ ，φＶ₃ ，φ
Ｖ₄ を印加したときの高レベル側で生じるポテンシャル
レベルをＰ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ ，Ｐ₄ で示している。信号電
荷Ｑはｔ₁ から順次ｔ₉ へと正確に信号電荷量を増大し
た状態で転送されていくのが明らかである。

【００１６】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。この実施例ではプラス，マイナスを印加するクロッ
クパルスを２段にすることが特徴である。図５にクロッ
クパルス波形を示す。φＶ₂ ，φＶ₄ のクロックパルス
の立上り時間，立下り時間とを示すようにφＶ₂ の立下
りではｔ₄ ，ｔ₅ 、φＶ₄ の立上りではｔ₂ ，ｔ₃ 、φ
Ｖ₂ の立上りではｔ₈ ，ｔ₉ 、φＶ₄ の立下りでは
ｔ₁₀，ｔ₁₁と２段階にする。これにより、本発明の効果
をより確実に引き出すことが可能になる。この理由を図
６で説明する。図６（ｂ）に示すようにクロックパルス
の振幅が大きくなると波形６３で示したパルスリンギン
ギングが生じる。これにより、垂直ＣＣＤのチャネルポ
テンシャルがかすれ、信号電荷量が各画素で分離してい
たものが混合して、扱かう信号電荷量が減少することも
ある。図６（ａ）に示す回路構成でマルチプレクサ６１
とその出力をドライバ６２で出力し、φＶ₁ へ印加す
る。マルチプレクサ入力は図６（ｄ），（ｅ）に示すＰ
_A ，Ｐ_B のパルスを入力する。そしてＶ_H ，Ｖ_M ，Ｖ
_L ，Ｖ_C の電圧をマルチプレクサで選択すれば図６
（ｃ）に示す２段のクロックパルスが作れる。図６
（ｂ）に比べパルスの立上り，立下り時間が半分になり
リンギングがなくなる。

【００１７】次に第３の実施例について説明する。ここ
では、フィールドシフト動作時の信号電荷量の増大法に
ついて説明する。図７はクロックパルス波形を示し、図
８は図７のクロックパルス波形印加時のフィールドシフ
ト期間と信号電荷加算期間のポテンシャル動作図を示
す。フィールドシフト直後にφＶ₁ とφＶ₃ の電極をＶ
_F →Ｖ_B →Ｖ_M と２段階に下げていく。そして、この期
間φＶ₂ 又はφＶ₄ はプラスとマイナスの中間の電圧に
設置する。この一連の動作ｔ_A 〜ｔ_E でのポテンシャル
動作図は図８のｔ_A 〜ｔ_E に示す。ポテンシャルＰ_A は
電圧Ｖ_F ，ポテンシャルＰ_B は電圧Ｖ_L 、ポテンシャル
Ｐ_C は電圧Ｖ_B 、ポテンシャルＰ_D は電圧Ｖ_D 、ポテン
シャルＰ_E は電圧Ｖ_M 、ポテンシャルＰ_F は電圧Ｖ_H に
対応する。この２段フィールドシフト動作がない場合は
ｔ_B の期間に相当する。このときはポテンシャルＰ_E と
Ｐ_B の差によって最大転送電荷量が決まる。図から明ら
かなようにｔ_B の動作に比べ電荷量は半分以下で各画素
であふれてしまう。本第３の実施例と第１又は第２の実
施例を絡み合わせることにより、最大の信号電荷転送量
が得られる。

【００１８】次に第４の実施例について説明する。本実
施例は水平ブランキング期間が狭い場合、特にハイビジ
ョン用固体撮像装置の駆動法に有効である。本発明のφ
Ｖ₂とφＶ₄ をプラス，マイナスの電圧で駆動すること
で、クロックパルスの形状を簡単にして、短かい時間で
の転送が可能になる。第１の実施例での４相駆動パルス
ではパルスの立上り，立下り変化時差が８ヶ所あるのに
対して第４の実施例では５ヶ所で済む。このことは、高
速転送が可能であることになる。又は、短い期間で信号
電荷の転送が可能になる。この動作は図９に示すように
４相駆動パルスのうち、高レベルが３電極，１電極，３
電極になるよう繰り返し、さらにφＶ₂とφＶ₄ はプラ
ス，マイナス電圧に設定し、φＶ₁ とφＶ₃ は０，マイ
ナス電圧に設定する。このパルスを印加したときのポテ
ンシャル動作図を図１０に示す。ここでｔ₁ 〜ｔ₆ は図
９のタイミングのｔ₁ 〜ｔ₆ に対応する。ハッチング部
は信号電荷を示す矢印は信号電荷の流れを示す。特にｔ
₂ 〜ｔ₃ とｔ₄ 〜ｔ₅ に示す期間は点線のようにポテン
シャルが変化し信号電荷が矢印の方向へ転送できること
を示している。この動作を行なう場合は垂直ＣＣＤの電
極の大きさをφＶ₁とφＶ₃ を大きくし、φＶ₂ とφＶ₄
を小さくすると効果はより大きくできる。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、複
数の垂直ＣＣＤ転送電極のうちフィールドシフトゲート
と共有してなり垂直ＣＣＤ転送電極にプラス，マイナス
パルスを印加し、フィールドシフトゲートと共有してい
る垂直ＣＣＤ転送電極は０，マイナスパルスを印加する
駆動法を行なうことによって最大信号電荷量を増大させ
ることができる。これによって従来見られた再生画像上
での目つぶれ現象を大幅に改善することが可能となる。
さらに、本発明では垂直ＣＣＤ転送電極を従来より小さ
くしても最大転送信号電荷量が下がらない効果もあり、
将来の微細化素子や、多画素化素子に有効な手段とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係わる固体撮像装置
の一部拡大図と動作図。

【図２】 第１の実施例におけるクロックパルス波形
図。

【図３】 第１の実施例におけるクロックパルス波形の
拡大図。

【図４】 第１の実施例におけるチャネルポテンシャル
動作図。

【図５】 第２の実施例のクロックパルス波形の拡大
図。

【図６】 第２の実施例におけるクロックパルス波形発
生を説明する図。

【図７】 第３の実施例におけるクロックパルス波形
図。

【図８】 第３の実施例におけるチャネルポテンシャル
動作図。

【図９】 第４の実施例におけるクロックパルス波形拡
大図。

【図１０】 第４の実施例におけるチャネルポテンシャ
ル動作図。

【図１１】 インターライン転送型ＣＣＤの構成図。

【図１２】 二階建て固体撮像装置の構造図。

【符号の説明】

ＰＤ…感光画素 ＦＳＧ…フィールドシフトゲート ＶＣＣＤ…垂直ＣＣＤ転送チャネル φＶ₁ ，φＶ₂ ，φＶ₃ ，φＶ₄ …垂直ＣＣＤ転送電極 ＣＳ…チャネルストッパ ＦＳ…フィールドシフトパルス ＬＳ…ラインシフトパルス Ｖ_H …プラス電圧 Ｖ_L …マイナス電圧

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に二次元的に配列された感光
   画素と、これらの感光画素の垂直配列方向に沿って設け
   られた複数本の垂直転送部と、これらの垂直転送部の転
   送端部に隣接して設けられた水平転送部とを備え、感光
   画素で光電変換された信号電荷を垂直転送部と水平転送
   部を通して出力する固体撮像装置の駆動方法において、 前記感光画素から前記垂直転送部へ信号電荷を読み出す
   フィールドシフトゲート電極と複数の垂直転送電極の一
   部の電極が共通に構成された手段と、複数の垂直転送電
   極の残りの電極はフィールドシフトゲート電極と非共通
   に構成された手段と、フィールドシフトゲート電極と非
   共通の電極はプラス・マイナスのクロックパルスを印加
   する手段とを具備してなることを特徴とする固体撮像装
   置の駆動方法。
2. 【請求項２】前記プラス・マイナスのクロックパルスの
   立上り、立下り波形は２段以上で行うことを特徴とする
   請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 【請求項３】前記フィールドシフトゲート電極のフィー
   ルドシフト動作は、前記フィールドシフトゲート電極と
   非共通の電極少なくもの１個の印加パルスを前記プラス
   ・マイナス電圧中間に設定し、フィールドシフトパルス
   の立下りを２段以上の階段パルスで行なうことを特徴と
   する請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 【請求項４】前記垂直転送電極は４相駆動であり、印加
   するクロックパルスは高レベルが３電極印加、１電極印
   加、３電極印加と繰り返す手段で行なうことを特徴とす
   る請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。