JPH0248875A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像装置の駆動方法に係シ、特に電荷転送
電極に対する駆動電圧の印加方法に関する。

（従来の技術） 固体撮像装置は小型、軽量、長寿命等の優れた特長を有
しているため、ビデオカメラ等への利用が著しく増加し
ている。この種の固体撮像装置の一部について、第１図
（ａ）に平面図を示し、そのＢ　−Ｂ’線断面を第１図
（ｂ）に示している。即ち、４・・・はそれぞれフォト
ダイオードからなる光電変換部、２０は上記光電変換部
４・・・の配列に沿って設けられた電荷読出し部である
。この電荷読出し部２０は、電荷蓄積・転送用の電荷転
送チャネル３上に絶縁膜２１を介して複数個の転送電極
６〜９゜・・・が電荷転送方向に沿りて配列されて形成
されている。この場合、光電変換部１個に対応して２段
の転送電極（６，ｙ）、（８ｓ９）ｔ・・・が設けられ
ており、この２段の転送電極のうちの前段の転送電極６
，８．・・・の下方には、光電変換部４と電荷転送チャ
ネル３との間にシフトチャネル５が形成されている。ま
た、本例では上記４個の転送電極６．７，８．９を１組
とする複数組の転送電極が設けられている。前記光電変
換部４・・・は、ｎｆｉ半導体基板１内に形成されたＰ
ウェル２の表面部に画素となるｎ型領域が形成されてお
シ、入力光を光電変換して信号電荷を発生すると共にこ
の信号電荷を蓄積する。また、前記電荷転送チャネル３
は、上記Ｐウェル２の表面部忙電荷転送方向にｎ型領域
が形成されてなる。また、前記Ｐウェル２において、画
素用のｎ型領域４の直下は浅くて不純物濃度が薄いオー
バーフローチャネル１０が形成されており、このオーバ
ーフローチャネル１０の下方部のｎ型基板１′が縦聾オ
ーバーフロードレインとなっている。

次に、上記固体撮像装置の駆動方法について、第５図に
示す駆動電圧波形および第６図、第７図に示す基板内電
位・電荷分布を参照して説明する。

即ち、ｎ型基板１に所定の正電圧を印加し、各組の転送
電極におけるある転送段の前段転送電極６の駆動電圧φ
ｖ１　としてＯｖ、その後段転送電極７の駆動電圧φＶ
、として負電圧（−ｖＬ）、電荷転送方向の次段転送段
の前段転送電極８の駆動電圧φＶ、として−■１、その
後段転送電極９の駆動電圧φｖ４としてＯＹを印加した
状態の期間ＴＡには、第１図（ｂ）に示した基板断面に
おける電位・電荷分布は第６図に示すようになりている
。ここで、１１は転送チャネル電位、１２はシフトチャ
ネル電位、１３はフォトダイオードの完全空乏電位、Ｊ
４ｂはオーバーフローチャネル電位、１５はオーバー７
０−ドレイン電位であり、Ｑは電荷である。上記期間Ｔ
Ａでは、シフトチャネル電位１２がほぼＯＶであシ、シ
フトチャネルが閉じておシ、信号電荷Ｑは転送されない
。また、オーバーフローチャネル電位Ｊ４ｂは、ｎ型基
板１の電位がＯＶのときの電位１４＆から正電位側に上
昇しているので、前記信号電荷Ｑが過剰となったときに
オー／４−７１：Ｉ−ｆヤネル１０ｆｇてオーバーフロ
ードレインＪ’に流れ込む。

次に、上記した状態から前段転送電極６に時刻１ｏから
ｔ、１でパルス状に正電圧ｖＨを印加した期間Ｔ、には
、第７図に示すような電位・電荷分布となる。この場合
には、転送チャネル電位１１′およびシフトチャネル電
位１２′がそれぞ４６図の場合に比べて上昇しているの
で、信号電荷Ｑはシフトチャネル５を経て転送チャネル
３へ流れ込む。

このように、前段転送電極６下の転送チャネル３へ流れ
込んだ信号電荷Ｑは、各転送電極６〜９゜・・・に所定
のパターンの駆動パルスを印加することによりて電荷読
出し部２０を電荷転送方向へ順次転送される。

ところで、前記転送電極６とＰウェル２との間で結合容
量Ｃ１が形成されておシ、またＰウェル２は抵抗成分を
持ち、Ｐウェル２とｎ盤基板１との間に容、ｔｃｊが存
在するので、フォトダイオード付近を表わす等価回路は
第８図に示すようになる。

ここで、ＲはＰウェル２の抵抗値、Ｂ点は上記容量Ｃ１
、Ｃｊ、抵抗値Ｒの各一端であシ、フォトダイオード完
全空乏電位１３およびオーバーフローチャネル電位１４
ｂはＢ点の電位を基準に形成される。これに対して、転
送チャネル電位１１’、シフトチャネル電位１２′は、
転送電極電位φ■１の影響を強く受け、はぼ転送電極電
位φｖ１に比例して制御される。また、Ｐウェル２は、
行９列方向に配列されたフォトダイオード４および列方
向に形成された転送チャネル３が存在するので、これら
の外側で接地されている。したがりて、Ｐウェル２の抵
抗値Ｒは、フォトダイオード配列の中心部に向かうほど
大きくなりている。

上記したような容量Ｃ１，Ｃ，、抵抗値Ｒの存在によシ
、転送電極６に第５図に示したように駆動ノ々ルスφＶ
、を印加すると、第８図中のＢ点の電位は、通常、ｃ　
ｔ　）　ｃｊであるので第９図に示すように変化し、シ
フトチャネル５が閉じる直前（時刻ｔ１の直前）になっ
ても、零電位にならずに正電位となってしまう。

一方、固体撮像装置に強い光が入射した場合、光電変換
による電荷が過剰となって過剰電荷をオーバーフロード
レインｌ’ｌ／Ｃ排出している状態を第１０図に示して
いる。この状態のとき、転送電極６に第５図に示したよ
うに駆動パルスを印加すると、前述したように転送電極
６とＰウェル２との間の結合容量Ｃ！を介してＰウェル
２の電位が時刻ｔ０〜ｔ、の間に上昇する。これに伴っ
て、第１１図に示すように、フォトダイオード完全空乏
電位１３′、オーバーフローチャネル電位１４ｂ′が上
昇し、このオーバー７０−チャネル電位１４ｂ′とシフ
トチャネル電位１２′との電位差が小さくなシ、この結
果、・転送チャネル３へ読み出される電荷量が少なくな
ってしまうという問題がある。この場合、Ｐウェル２の
抵抗値Ｒが大きければ大きい程、Ｐウェル電位が零電位
（接地電位）に回復する時定数が犬きくなシ、オーバー
７０−チャネル電位１４ｂ′が元の電位１４ｂまで下降
するのに長時間を要し、前記駆動パルスの印加時間（ｔ
ｏ〜１＋　　）に読み出される電荷量が少なくなる。し
かも、上記Ｐウェル２の抵抗値Ｒは、前述したようにフ
ォトダイオード配列の中心部にいくほど大きくなるので
、フォトダイオード配列の中心と周辺とで過剰電荷の排
出が始まる光量（飽和光量）が異なυ、また過剰電荷が
排出されたときの読み出される電荷量（飽和信号量）が
異な）、不均一になるという問題点がある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は１．上記したように固体撮像装置のフォトダイ
オード配列が形成されているウェル領域と転送電極との
結合容量およびウェル領域の抵抗成分が存在し、かつ上
記抵抗成分の値がフォトダイオード配列内の位置により
て異なることに起因して、従来の転送電極駆動方法では
、駆動パルス印加時における上記ウェル領域の電位変動
が大きくなりて読み出し電荷量が少なくなシ、強い光が
入射した場合にフォトダイオード配列内の位置によって
飽和光量、飽和信号量が不均一になるという問題点を解
決すべくなされたもので、駆動時におけるウェル領域の
電位変動およびこれに伴う読み出し電荷量の減少を防止
でき、強い光が入射した場合でもフォトダイオード配列
内の中心部でも周辺部でも均一な飽和光量、飽和信号量
が得られる固体撮像装置の駆動方法を提供することを目
的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、入射光を光電変換して信号電荷を発生すると
共にこの信号電荷を蓄積する電荷蓄積層を有する複数の
光電変換部と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を
読み出す蓄積領域を有する電荷読み出し部と、前記光電
変換部で発生した過剰電荷を排出する過剰電荷排出部と
を備え、前記複数の光電変換部が半導体基板中のウェル
領域に形成されてなる固体撮像装置の駆動方法において
、前記電荷読み出し部による電荷読み出しに際して、読
み出し駆動パルス電圧が印加される転送電極に対して別
の転送電極に上記駆動パルス電圧の前縁に同期して逆符
号の電圧を印加することを特徴とする。

（作用） 上記のように別の転送電極にも逆符号の７Ｊ？ルス電圧
を印加することによりて、読み出し駆動パルス電圧が印
加される転送電極によるウェル領域の電位変動を相殺で
きるので、駆動パルス印加時におけるウェル領域の電位
変動が抑制され、フォトダイオード電荷蓄積層からの読
み出し電荷量の減少を抑制できる。また、駆動パルス印
加時間終了直前におけるウェル領域の電位が小さくなる
。

従って、フォトダイオード配列内におけるウェル領域の
抵抗値の不均一性の影響を殆んど受けなくなる。これに
よって、フォトダイオード配列の中心部と周辺部とで飽
和光量、飽和信号量が均一に得られるようになる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第２図は、第１図（ａ）　、　（ｂ）を参照して前述し
たような固体撮像装置におけるフォトダイオード蓄積電
荷を読み出すときの転送電極６〜９．・・・に印加され
る駆動電圧φｖ１〜φｖ４　・・・の波形の一例を示し
ている。即ち、本発明方法の実施対象となる固体撮像装
置は、前述したように入射光を光電変換して信号電荷を
発生すると共に、この信号電荷を蓄積する電荷蓄積層を
有する複数の光電変換部と、この光電変換部に蓄積され
た信号電荷を読み出す蓄積領域を有する電荷読み出し部
と、前記光電変換部で発生した過剰電荷を排出する過剰
電荷排出部とを備え、前記複数の光電変換部が半導体基
板中のウェル領域に形成されておシ、前記電荷転送部の
転送電極が上記Ｐウェル領域の一部の上方で対向して設
けられている。そして、本例による駆動方法は、フォト
ダイオードから電荷を読み出す前に、たとえば前段転送
電極６．８に接地電位（ＯＶ　）、後段転送電極７，９
に負電位−ｖＬを印加しておき、電荷読み出し時にたと
えば前段転送電極θに正電位ＶＨの駆動パルスφｖ１を
印加すると共に、別の前段転送電極８に上記駆動パルス
φｖ１の前縁に同期して逆符号（本例では−ＶＬ電位）
の電圧φｖｓを印加する。なお、後段転送電極７には負
電位−ｖＬを印加しておくので、この転送電極７下の基
板内電位は低くなっておシ、電荷転送方向に対する電位
障壁が形成されている。

上記駆動方法によれば、読み出し対象となるフォトダイ
オードの付近を費わす等価回路は第３図に示すようにな
シ、第３図中のＢ点（上記フォトダイオード付近のウェ
ル領域）の電位は第４図に示すように変化する。ここで
、第１図（ａ）　、　（ｂ）を参照して上記第３図中の
Ｃ，＊　Ｃ１ｔ　Ｒ、Ｃｔを説明する・即ち、Ｒは上記
フォトダイオード付近のウェル領域２の抵抗値でｓｂ、
ウェル領域２は通常その端部で接地端にコンタクトして
いる。また、Ｃ１は上記ウェル領域２と駆動電圧φＶ、
が印加される転送電極６との間に存在する結合容量、Ｃ
２は上記ウェル領域２と駆動電圧φＶ、が印加される転
送電極８との間に存在する結合容量、Ｃｔは上記ウェル
領域２と基板１との接合容量、ＶＯＦＤは上記°基板１
に印加されるバイアス電位（オーバーフロードレイン電
位）である。この場合、Ｃ１ユ０２＞Ｃｊの関係がある
ので、駆動パルス印加に対してＣ５分は殆んど影響せず
、正のＡｔルス印加によるＢ点の電位変動と負の７母ル
ス印加によるＢ点の電位変動とが相殺されるようになる
ので、Ｂ点の電位は殆んど上昇しない。このため、第７
図に示したように、７オトダイオ一ド電荷蓄積層電位１
３、オーバーフローチャネル電位１４ｂは殆んど上昇せ
ず、駆動ノヤルス印加終了直前（第１図す中のシフトチ
ャネル５が閉じる直前）におけるＢ点の電位は従来例の
場合の電位（第９図参照）に比べて無視できるほど小さ
い。したがって、オーバーフローチャネル電位１４ｂと
シフトチャネル電位１２′との電位差が不必要に小さく
なることが抑制され、フォトダイオード蓄積層からの読
み出し電荷量が減少することが抑制される。また、フォ
トダイオード配列内におけるウェル領域の抵抗値が不均
一でめったとしても、その影響を殆んど受けなくなる。

即ち、上記駆動方法によれば、第２図中に示した期間Ｔ
Ａ、ＴＢに対応する基板内電位・電荷の分布の様子は、
通常は第６図、第７図に示したものと同様に得られ、強
い光が固体撮像装置の受光面（フォトダイオード配列面
）に入射した場合でも、７ｔトダイオ一ド配列内の中心
部と周辺部とで飽和光量、飽和信号量がそれぞれ均一に
得られるようになる。

なお、上記実施例では、電荷読み出しに際して転送電極
６に正電圧の読み出し駆動ノ千ルス電圧を印加すると同
時に、この前縁に同期して負電圧を転送電極８に印加し
たが、この負電圧を転送電極７．８．９のいずれかに印
加すれば上記実施例と同様な効果が得られる。また、正
電圧の読み出し駆動パルス電圧を上記転送電極６以外の
他の転送電極７，８．９のいずれかに印加する際には、
これ以外の転送電極のいずれか１つの転送電極（６また
は７または８または９）に上記読み出し駆動パルス電圧
の前縁に同期して負電圧を印加すれば、上記実施例と同
様な効果が得られる。

［発明の効果］ 上述したように本発明の固体撮像装置の駆動方法によれ
ば、フォトダイオード蓄積電荷の読み出し駆動時におけ
るウェル領域の電位変動およびこれに伴う読み出し電荷
量の減少を防止でき、強い光が入射した場合でもフォト
ダイオード配列内の中心部でも周辺部でも均一な飽和光
量、飽和信号量が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】 第１図（＆）は本発明の固体撮像装置の駆動方法の実施
対象となる固体撮像装置の一部を示す平面ノナターン、
第１図ｆｂ）は第１図（、）のＢ　−Ｂ’線に沿う断面
図、第２図は本発明方法の一実施例く係る第１図（ａｌ
中の転送電極に対する印加電圧を示す波形図、第３図は
第１図価）中のフォトダイオード付近を表わす等何回路
を示す回路図、第４図は第１図（ｂ）中のフォトダイオ
ード付近のウェル領域の電位変化の様子を示す図、第５
図乃至第１１図は従来の固体撮像装置の駆動方法に係シ
、第５図は第１図（ｂ）中の転送電極に対する印加電圧
を示す波形図、第６図および第７図は第５図中の期間Ｔ
Ａ、　Ｔ、　Ｋ対応する第１図ｆｂｌ中の基板内の電位
・電荷分布の様子を示す図、第８図は第１図（ｂ）中の
フォトダイオード付近を表わす等何回路を示す回路図、
第９図は第１図（ｂｌ中のフォトダイオード付近のウェ
ル領域の電位変化を示す図、第１０図および第１１図は
強い光が固体撮像装置に入射した場合における第５図中
の期間ＴＡ＃　Ｔ、に対応する基板内電位電荷分布の様
子を示す図である。 １・・・ｎ型基板、２・・・Ｐウェル、３・・・転送チ
ャネル、４・・・光電変換部、５・・・シフトチャネル
、６〜９・・・転送電極、５１０・・・オーバーフロー
チャネル、１′・・・オーバーフロードレイン、Ｃ，、
Ｃ，・・・結合容量、Ｃ５・・・接合容量、ル・・ウェ
ル領域の抵抗値。 ２Ｑ・・・電荷読み出し部。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦１図 第２図 第３図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第１０ 図 第 図 第１１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入射光を光電変換して信号電荷を発生すると共にこの信
   号電荷を蓄積する電荷蓄積層を有する複数の光電変換部
   と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出す蓄
   積領域を有する電荷読み出し部と、前記光電変換部で発
   生した過剰電荷を排出する過剰電荷排出部とを備え、前
   記複数の光電変換部が半導体基板中のウェル領域に形成
   されてなる固体撮像装置の駆動方法において、前記電荷
   読み出し部による電荷読み出しに際して、読み出し駆動
   パルス電圧が印加される転送電極に対して別の転送電極
   に上記駆動パルス電圧の前縁に同期して逆符号の電圧を
   印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。