JPH09139486A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブルーミング及びスミアの発生を低減させ
る。 【解決手段】 露光期間に被写体からの入射光をその光
量に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部１と、電
荷転送期間に信号電荷を出力側に転送する転送チャネル
領域１４と、読出し期間に受光部１に蓄積されている信
号電荷を転送チャネル領域１４に転送する読出しゲート
部１７と、受光部１に蓄積される信号電荷の飽和量Ｑｓ
ａｔを決定するオーバーフローバリア領域１２とがシリ
コン基板１１に形成されたイメージセンサにおいて、オ
ーバーフローバリア領域１２により形成されるポテンシ
ャル障壁の高さが、露光期間中において低い位置から規
定の高さまで連続的に変化させるべく、シリコン基板１
１に印加される基板電圧Ｖｓのレベルを連続変化させる
基板電圧印加回路３６を設けて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子及び
その駆動方法に関し、特にブルーミング及びスミアの発
生を減少させる目的で固体撮像素子の基板に印加される
基板電圧の改善を図ったものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の特性において、最も問題
となるのは、キズ欠陥を含む固定パターン雑音とブルー
ミング及びスミアである。このうち、ブルーミングとス
ミアは、固体撮像素子特有の偽信号であり、一般に区別
して用いられる。

【０００３】ブルーミングは、強い光が入射した場合
に、画素が飽和し、信号電荷があふれ、隣接画素や信号
線、垂直転送レジスタ等に入り込み、ちょうど花が咲い
たように周囲に白い部分が広がる現象である。

【０００４】スミアは、信号線や垂直転送レジスタ等に
光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散
により広がり、隣接画素や転送レジスタに混入すること
により発生する。スミアは光の強さに無関係に一定の割
合で発生する。従って、量の少ないときには気にならな
いが、強い光が入射された場合に、その白点が上下に縞
状に伸びて現れてくる。

【０００５】従来から上記ブルーミングやスミアの発生
を軽減するために各種手段が提案され、試みられてい
る。

【０００６】現在では、以下に示す２つの方法が実用化
されている。即ち、１つの方法は、ＭＯＳ形撮像素子に
おいて、Ｎ形のシリコン基板上にＰ形のウェル領域を形
成し、該Ｐ形のウェル領域の表面上、画素となる部分に
Ｎ形の高濃度不純物拡散領域を形成して、縦方向に縦方
向にｎｐｎ構造を形成することである。これによって、
不要電荷がＮ形のシリコン基板に排出され、その結果、
飽和光量の１００倍以上の光でもブルーミングは発生せ
ず、スミアも信号の約５２ｄＢ以下に抑制できる。

【０００７】他の方法は、電荷転送部をＣＣＤにて構成
したＣＣＤ固体撮像素子に適用されているもので、Ｎ形
のシリコン基板上にＰ形のウェル領域を形成し、このＰ
形のウェル領域の表面に垂直転送レジスタ下と受光部
（フォトダイオード）を形成して、いわゆるＶＯＤ（垂
直オーバーフロードレイン）構造としたものである。

【０００８】具体的に、上記ＶＯＤ構造の固体撮像素子
の構成を図９に基づいて説明すると、この固体撮像素子
は、Ｎ形のシリコン基板１０１上に形成されたオーバー
フローバリア領域を構成するＰ形のウェル領域１０２
中、画素となる部分にＮ形の不純物が導入されてそれぞ
れＮ形の不純物拡散領域１０３が形成されて、このＮ形
の不純物拡散領域１０３とＰ形ウェル領域１０２とのｐ
ｎ接合によって構成されるフォトダイオードによる受光
部１０４を有する。

【０００９】また、この固体撮像素子は、上記ｎ形の不
純物拡散領域１０３とは別の領域に導入されたＮ形の不
純物によるＮ形の転送チャネル領域１０５で構成される
垂直転送レジスタ１０６と、Ｐ形の不純物を導入して成
るＰ形のチャネル・ストッパ領域１０７とが形成されて
いる。

【００１０】そして、上記転送チャネル領域１０５上に
ゲート絶縁膜（図示せず）を介して多結晶シリコン層に
よる垂直転送電極１０８が選択的に形成され、この垂直
転送電極１０８の表面には、熱酸化処理によってシリコ
ン酸化膜（図示せず）が形成されている。この垂直転送
電極１０８を含む全面にはＰＳＧ膜１０９が形成され、
更にこのＰＳＧ膜１０９上に、下層の転送電極１０８を
覆うように遮光用のＡｌ膜１１０（Ａｌ遮光膜と記す）
が形成されている。なお、受光部１０４と転送チャネル
領域１０５間のＰ型領域は読出しゲート１１１を構成す
る。

【００１１】また、上記Ａｌ遮光膜１１０は、受光部１
０４上において選択的にエッチング除去されており、光
は、このエッチング除去によって形成された開口１１０
ａを通じて受光部１０４に入射されるようになってい
る。

【００１２】そして、シリコン基板１０１とＰ形のウェ
ル領域１０２間に印加する基板電圧を制御することによ
り、受光部１０４で発生した過剰電荷は、転送チャネル
領域１０５に流れ込むことなく、シリコン基板１０１の
厚み方向に流れ込むことになる。また、シリコン基板１
０１の深い部分で発生した電荷も基板方向に流れて消滅
することになる。これによって、ブルーミング及びスミ
アは低減される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のＶＯ
Ｄ構造の固体撮像素子においては、電荷蓄積期間（露光
期間）等のように信号電荷の基板方向への掃き捨てを行
なわない場合、シリコン基板１０１に印加される基板電
圧を固定としている。

【００１４】また、受光部１０４に蓄積される飽和電荷
量を決定するオーバーフローバリア領域１０２のポテン
シャル障壁が入射光量により変化する、いわゆるｋｎｅ
ｅ特性をもっているため、過大光量が入射した場合にオ
ーバーフローバリア領域１０２のポテンシャル障壁が読
出しゲート部１１１のポテンシャル障壁よりも浅くな
り、受光部１０４に蓄積されていた信号電荷が転送チャ
ネル領域１０５に流れ込んでしまい、結果的にブルーミ
ング現象を引き起こすというおそれがあった。

【００１５】更に、オーバーフローバリア領域１０２付
近で光電変換された信号電荷の一部がやはり転送チャネ
ル領域１０５に流れ、スミアとして再生画面上に現れる
という問題がある。

【００１６】上記ブルーミング及びスミアは、再生画像
の画質を劣化させるため、従来からこれらブルーミング
及びスミアの低減が切望されている。

【００１７】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、ブルーミング及びスミ
アの発生を低減することができる固体撮像素子及びその
駆動方向を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子及びその駆動方法は、蓄積期間に被写体からの入射光
をその光量に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部
と、電荷転送期間に上記信号電荷を出力側に転送する電
荷転送部と、読出し期間に上記受光部に蓄積されている
上記信号電荷を上記電荷転送部に転送する読出しゲート
部と、上記受光部に蓄積される信号電荷の飽和量を決定
するオーバーフローバリア領域とが同一基板に形成され
た固体撮像素子に対して、上記オーバーフローバリア領
域により形成されるポテンシャル障壁の高さが、上記蓄
積期間中において低い位置から規定の高さまで変化させ
るべく上記基板に印加される基板電圧のレベルを変化さ
せることを特徴とするものである。

【００１９】一般に、ブルーミングは、オーバーフロー
バリア領域におけるポテンシャル障壁が読出しゲート部
のポテンシャル障壁より浅くなった場合に発生する。従
って、基板に印加されている基板電圧のレベルを例えば
高い値に設定して、オーバーフローバリア領域のポテン
シャル障壁を読出しゲート部のポテンシャル障壁より低
くすることにより、上記ブルーミングは抑えることが可
能となる。

【００２０】しかし、オーバーフローバリア領域のポテ
ンシャル障壁は受光部に蓄積される飽和電荷量を調節し
ているため、基板電圧を上記のように高い値に固定させ
てオーバーフローバリア領域のポテンシャル障壁を低く
すると飽和電荷量を減らしてしまうこととなり、固体撮
像素子の感度のダイナミックレンジが小さくなってしま
う。

【００２１】ここで、受光部での光電変換を考えた場
合、入射光により発生する信号電荷は時間とともに増加
するため、蓄積期間開始時点においては、オーバーフロ
ーバリア領域のポテンシャル障壁の高さとして、飽和電
荷量分の高さは必要ないことがわかる。

【００２２】従って、蓄積期間の開始時点においては、
オーバーフローバリア領域のポテンシャル障壁が低い位
置にあるように基板電圧を設定し、その後の時間の経過
とともに、蓄積期間中に受光部に必要な信号電荷が蓄積
できるように上記ポテンシャル障壁を連続的に高くなる
方向に基板電圧を連続的に変化させる。

【００２３】本発明では、オーバーフローバリア領域に
より形成されるポテンシャル障壁の高さが、上記蓄積期
間中において低い位置から規定の高さまで連続的に変化
させるべく上記基板に印加される基板電圧のレベルを連
続変化させるようにしているため、蓄積期間の開始時点
から終了時点にかけて受光部に徐々に蓄積される信号電
荷の増加に合わせてオーバーフローバリア領域のポテン
シャル障壁が徐々に高くなることとなる。そして、蓄積
期間終了時において、上記ポテンシャル障壁は、規定の
高さ、即ち受光部に予め決められた飽和電荷量を蓄積で
きる程度の高さになる。

【００２４】従って、本発明に係る固体撮像素子及びそ
の駆動方法においては、上記蓄積期間中に、オーバーフ
ローバリア領域のポテンシャル障壁が読出しゲート部の
ポテンシャル障壁よりも高くなるということがなくなる
ため、ブルーミング現象の低減を抑えることが可能とな
る。また、始めから規定よりも低い位置にオーバーフロ
ーバリア領域のポテンシャル障壁を固定化した場合と異
なり、最終的には決められた飽和電荷量を受光部に蓄積
することが可能となるため、ダイナミックレンジの劣化
を引き起こすことがない。

【００２５】また、スミアについても、従来の場合は、
オーバーフローバリア領域付近で光電変換された一部の
信号電荷が電荷転送部に流れ込み、スミアとなって画質
の劣化を引き起こしていたが、本発明では、オーバーフ
ローバリア領域の基板側へのポテンシャルが深くなるた
め、即ち、蓄積期間のうち、オーバーフローバリア領域
のポテンシャル障壁の高さが規定の高さよりも低い期間
が長いことから、従来電荷転送部に流れていた一部の信
号電荷が基板側に流れることとなり、その結果、スミア
の発生を抑えることが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体撮像素子
を例えばインターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤイメ
ージセンサに適用した実施の形態例（以下、単に実施の
形態に係るイメージセンサと記す）を図１〜図８を参照
しながら説明する。

【００２７】この実施の形態に係るイメージセンサは、
図１に示すように、入射光量に応じた量の電荷に光電変
換する受光部１が多数マトリクス状に配され、更にこれ
ら多数の受光部１のうち、列方向に配列された受光部１
に対して共通とされた垂直転送レジスタ２が多数本、行
方向に配列されたイメージ部（撮像部）３を有する。

【００２８】また、上記イメージ部３に隣接し、かつ多
数本の垂直転送レジスタ２に対して共通とされた水平転
送レジスタ４が１本並設されている。

【００２９】そして、イメージ部３と水平転送レジスタ
４間には、イメージ部３における垂直転送レジスタ２の
最終段に転送された信号電荷を水平転送レジスタ４に転
送するための２つの垂直−水平転送レジスタＶＨ１及び
ＶＨ２が多数の垂直転送レジスタ２に対して共通に、か
つそれぞれ並列に形成されている。これら２本の垂直−
水平転送レジスタＶＨ１及びＶＨ２には、それぞれ垂直
−水平転送パルスφＶＨ１及びφＶＨ２が供給されるよ
うになっており、これら転送パルスφＶＨ１及びφＶＨ
２の供給によって、垂直転送レジスタ２からの信号電荷
が水平転送レジスタ４に転送されることになる。

【００３０】また、上記水平転送レジスタ４の最終段に
は、出力部５が接続されている。この出力部５は、水平
転送レジスタ４の最終段から転送されてきた信号電荷を
電気信号（例えば電圧信号）に変換する例えばフローテ
ィング・ディフュージョンあるいはフローティング・ゲ
ート等で構成される電荷−電気信号変換部６と、この電
荷−電気信号変換部６にて電気信号の変換が行われた後
の信号電荷を、リセットパルスφＲＧの入力に従ってド
レイン領域Ｄに掃き捨てるリセットゲート７と、電荷−
電気信号変換部６からの電気信号を増幅するアンプ８を
有して構成されている。なお、ドレイン領域Ｄには電源
電圧Ｖｄｄが印加されている。

【００３１】そして、イメージ部３における垂直転送パ
ルスφＶ１〜φＶ４の供給によって、イメージ部３にお
ける各垂直転送電極下のポテンシャル分布が順次変化
し、これによって、信号電荷がそれぞれイメージ部３に
おける垂直転送レジスタ２に沿って縦方向（水平転送レ
ジスタ４側）に転送されることになる。

【００３２】また、イメージ部３においては、受光部１
に蓄積されている信号電荷を垂直帰線期間において、ま
ず、垂直転送レジスタ２に読出し、その後の水平帰線期
間において１行単位に水平転送レジスタ４側に転送す
る。これによって、垂直転送レジスタ２の最終段にあっ
た信号電荷は、２つの垂直−水平転送レジスタＶＨ１及
びＶＨ２を経て水平転送レジスタ４に転送される。

【００３３】次の水平走査期間において、水平転送レジ
スタ４上に形成された例えば２層の多結晶シリコン層に
よる水平転送電極への互いに位相の異なる２相の水平転
送パルスφＨ１及びφＨ２の印加によって、信号電荷が
順次出力部５側の電荷−電気信号変換部６に転送され、
この電荷−電気信号変換部６において電気信号に変換さ
れて、アンプ８を介して対応する出力端子９より撮像信
号Ｓとして取り出されることになる。

【００３４】ここで、このイメージセンサの受光部１周
辺の断面をみると、図２に示すように、例えばｎ形のシ
リコン基板１１にＰ形不純物（例えばボロン（Ｂ））の
導入によるＰ形ウェル領域１２と、上記受光部１を形成
するためのＮ形の不純物拡散領域１３と、垂直転送レジ
スタ２を構成するＮ形の転送チャネル領域１４並びにＰ
形のチャネルストッパ領域１５が形成され、更に上記Ｎ
形の不純物拡散領域１３の表面にＰ形の正電荷蓄積領域
１６が形成されている。なお、Ｎ形の不純物拡散領域１
３と転送チャネル領域１４間のｐ形領域は、読出しゲー
ト部１７を構成する。

【００３５】また、このイメージセンサにおいては、上
記Ｎ形の不純物拡散領域１３とＰ形ウェル領域１２との
ｐｎ接合によるフォトダイオード，Ｎ形の不純物拡散領
域１３と読出しゲート部１７とのｐｎ接合によるフォト
ダイオード，Ｎ形の不純物拡散領域１３とチャネルスト
ッパ領域１５とのｐｎ接合によるフォトダイオード、並
びにＮ形の不純物拡散領域１３とＰ形の正孔蓄積領域１
６とのｐｎ接合によるフォトダイオードによって受光部
１（光電変換部）が構成され、この受光部１が多数個マ
トリクス状に配列されてイメージ部３が形成されてい
る。そして、カラー撮像方式の場合、上記受光部１に対
応して形成される色フィルタ（三原色フィルタや補色フ
ィルタ）の配色などの関係によって、例えば互いに隣接
する４つの受光部１にて１つの画素を構成するようにな
っている。

【００３６】また、転送チャネル領域１４，チャネルス
トッパ領域１５及び読出しゲート部１７上に、例えばＳ
ｉＯ₂ 膜を介してＳｉ₃ Ｎ₄ 膜及びＳｉＯ₂ 膜が順次積
層され、これらＳｉＯ₂ 膜，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜及びＳｉＯ₂
膜による３層構造のゲート絶縁膜（図示せず）上に１層
目の多結晶シリコン層及び２層目の多結晶シリコン層に
よる４つの転送電極（図２においては代表的に１層目の
多結晶シリコン層による転送電極１８を示す）が形成さ
れ、これら転送チャネル領域１４，ゲート絶縁膜及び転
送電極１８によって垂直転送レジスタ２が構成される。

【００３７】また、この実施の形態に係るイメージセン
サは、図２に示すように、上記転送電極１８の表面に、
熱酸化による熱酸化膜（図示せず）が形成され、該熱酸
化膜を含む全面には層間絶縁膜であるＰＳＧ膜１９（Ph
osphorate-Silica-Glass；リンをドープしたＳｉＯ
₂ 膜）が形成され、このＰＳＧ膜１９上に下層の転送電
極１８を覆うようにＡｌなどの金属又は金属化合物によ
る遮光膜２０が形成され、更に全面にプラズマＣＶＤ法
によるＳｉＮ膜（図示せず）が形成されている。

【００３８】上記遮光膜２０は、受光部１上において選
択的にエッチング除去されており、光は、このエッチン
グ除去によって形成された遮光膜２０の受光部開口２０
ａを通じて受光部１内に入射されるようになっている。

【００３９】なお、上記図２の断面図においては、簡単
のため、遮光膜２０上の保護膜，平坦化膜，色フィルタ
及びマイクロ集光レンズなどは省略してある。

【００４０】ここで、本実施の形態に係るイメージセン
サの受光部１及びその周辺部分のポテンシャル分布、特
に基板電圧として従来から使用されている規定レベルの
基板電圧を印加した場合のポテンシャル分布について説
明すると、受光部１の深さ方向（図２においてＡ−Ａ’
線で示す方向）については、図３に示すように、基板表
面、即ちＰ形の正孔蓄積領域１６の表面を最下限とし、
該正孔蓄積領域１６下に形成されているＮ形の高濃度不
純物拡散領域１３の有効深さ方向におけるほぼ中央を極
大値φ２とし、Ｐ形ウェル領域１２の有効深さ方向にお
けるほぼ中央から上記不純物拡散領域１３寄りの位置を
極小値φ３とし、更にＮ形シリコン基板１１の深さ方向
にポテンシャルがほぼ直線的に上昇する分布を有する。

【００４１】また、転送チャネル領域１４−読出しゲー
ト部１７−Ｎ形の不純物拡散領域１３の幅方向から受光
部１の深さ方向（図２においてＢ−Ｂ’線で示す方向）
にかけてのポテンシャル分布を上記条件（基板電圧とし
て従来から使用されている規定レベルの基板電圧を印加
した場合）についてみると、図４に示すように、読出し
ゲート部１７のポテンシャル障壁（レベルφｒ）がＰ形
ウェル領域１２のポテンシャル障壁（レベルφ３）より
も浅い位置にあることがわかる。

【００４２】このことから、Ｐ形ウェル領域１２におけ
るポテンシャルの極小値φ３、即ちポテンシャル障壁に
対応する部分が蓄積電荷に対するオーバーフローバリア
を構成することになる。従って、以下の説明において
は、Ｐ形ウェル領域１２をオーバーフローバリア領域１
２と記す。

【００４３】また、上記イメージセンサは、図２に示す
ように、Ｎ形シリコン基板１１の表面にオーバーフロー
バリア領域１２を形成して、このオーバーフローバリア
領域１２よりも浅い位置に上記受光部１を構成するＮ形
の不純物拡散領域１３を形成することで、いわゆる電子
シャッタの機能を有するように構成されている。

【００４４】つまり、シリコン基板１１に供給される基
板電圧をシャッタパルスに同期して高レベルにすること
により、オーバーフローバリア領域１２におけるポテン
シャル障壁（オーバーフローバリア）が下がり、受光部
１に蓄積された電荷（この場合、電子）が上記オーバー
フローバリアを越えて縦方向、即ちシリコン基板１１側
に掃き捨てられることになる。これにより、シャッタパ
ルスの最終印加時点から電荷読出し時点までの期間が実
質的な露光期間となり、残像等の不都合を防止すること
ができるようになっている。

【００４５】一方、上記実施の形態に係るイメージセン
サの周辺回路は、図５に示すように、仕様にて決定され
た基準クロックＰｃを発生する基準クロック発生器３１
と、この基準クロック発生器３１からの基準クロックＰ
ｃの入力に基づいて水平同期信号ＨＤと垂直同期信号Ｖ
Ｄを生成する同期信号生成回路３２と、上記基準クロッ
ク発生器３１からの基準クロックＰｃと同期信号生成回
路３２からの水平同期信号ＨＤ及び垂直同期信号ＶＤの
入力に基づいて少なくとも４相の垂直転送パルスφＶ１
〜φＶ４を生成する垂直ドライブ回路３３と、上記基準
クロック発生器３１からの基準クロックＰｃと同期信号
生成回路３２からの水平同期信号ＨＤの入力に基づいて
２相の水平転送パルスφＨ１及びφＨ２を生成する水平
ドライブ回路３４を有する。

【００４６】また、上記周辺回路は、上記回路群のほ
か、基準クロック発生器３１からの基準クロックＰｃと
同期信号生成回路３２からの水平同期信号ＨＤの入力に
基づいて出力部５、特にリセットゲート７に供給するた
めのリセットパルスφＲＧを生成する出力ドライブ回路
３５と、イメージセンサのシリコン基板１１に対して基
板電圧Ｖｓを供給する基板電圧印加回路３６と、外部か
ら入力されたシャッタスピードに関するデータＤｓ等に
基づいて上記基板電圧印加回路３６等を制御するシステ
ムコントローラ３７を有して構成されている。

【００４７】基板電圧印加回路３６は、図２に示すよう
に、システムコントローラからの第１の起動信号Ｓｄ１
の入力によって活性化され、かつ、基準クロック発生器
３１からの基準クロックＰｃ及び同期信号生成回路３２
からの水平同期信号ＨＤの入力に基づいてシャッタパル
スＰｓを生成するシャッタパルス生成回路４１と、デー
タが記憶される記憶領域に予め露光期間における所定時
間（基準クロックＰｃ）毎の基板電圧の変化値、即ち基
準クロックＰｃ毎の基板電圧データＤｖがアドレス順次
に記憶されたＲＯＭ４２と、システムコントローラ３７
からの第２の起動信号Ｓｄ２の入力によって活性化さ
れ、かつ、基準クロック発生器３１からの基準クロック
Ｐｃの入力タイミングに従ってＲＯＭ４２からアドレス
順次に基板電圧データＤｖを読み出すデータ読出し回路
４３と、該データ読出し回路４３にて読み出された基板
電圧データＤｖをアナログの基板電圧信号Ｖｓに変換す
るＤ／Ａ変換器４４と、スイッチング回路４５とを有し
て構成されている。

【００４８】上記スイッチング回路４５は、シャッタパ
ルス生成回路４１の出力側に接続された第１の固定接点
４５ａと、Ｄ／Ａ変換器４４の出力側に接続された第２
の固定接点４５ｂと、イメージセンサのシリコン基板１
１に取出し電極（図示せず）を通じて接続された可動接
点４５ｃを有して構成されており、該可動接点４５ｃ
は、システムコントローラ３７からのスイッチング制御
信号Ｓｓのレベルに応じて第１の固定接点４５ａ又は第
２の固定接点４５ｂに切り換わるようになっている。

【００４９】スイッチング制御信号Ｓｓのレベルは、シ
ステムコントローラ３７において、外部から入力された
シャッタスピードに関するデータＤｓ（以下、単にシャ
ッタスピードデータと記す）から電荷蓄積期間（露光期
間）を計算することにより得られるものであり、この実
施の形態においては、電荷読出し時点から露光期間の開
始時点までの電荷排出期間において低レベルとされ、上
記露光期間において高レベルとされる。また、第１の起
動信号Ｓｄ１は、上記電荷読出し期間の開始とともにシ
ステムコントローラ３７から出力され、第２の起動信号
Ｓｄ２は、露光期間の開始時点にシステムコントローラ
３７から出力される。

【００５０】ＲＯＭ４２の記憶領域に記憶されている基
板電圧データＤｖは、以下のようにして設定されてい
る。

【００５１】即ち、基板電圧Ｖｓの時間的な変化量につ
いて考えると、一定の光量を考えた場合、受光部１に蓄
積される信号電荷の量をＱ、オーバーフローバリア領域
１２により形成されるポテンシャル障壁が規定の高さに
あるときの受光部１の飽和電荷量をＱｓａｔ、上記露光
期間をｔｓとしたとき、図６の直線ａにも示すように、 Ｑ＝（Ｑｓａｔ／ｔｓ）×ｔ （０≦ｔ≦ｔｓ） ………（１） の関係式を満足するように基板電圧データＤｖが設定さ
れている。

【００５２】実際は、入射光量が時間により変化する場
合があるため、図６の曲線ｂに示すように、露光期間ｔ
ｓの開始当初の蓄積電荷量は上記（１）式より大きくな
るように基板電圧データを設定することが好ましい。ま
た、ｔ＝０の時（露光開始時点）にＱ＝０とする必要は
なく、図６の曲線ｃに示すように、初期状態で、ある程
度蓄積電荷量をもたせるように基板電圧データを設定す
るようにしてもよい。

【００５３】次に、上記本実施の形態に係るイメージセ
ンサの動作を図７も参照しながら説明すると、垂直ブラ
ンキング期間内における電荷読出し時点において、受光
部１に蓄積されていた信号電荷が垂直転送レジスタ２に
読み出され、同時にシステムコントローラ３７からシャ
ッタパルス生成回路４１に第１の起動信号Ｓｄ１が出力
され、同じくシステムコントローラ３７から低レベルの
スイッチング制御信号Ｓｓがスイッチング回路４５に出
力される。

【００５４】これにより、シャッタパルス生成回路４１
にて生成された例えば水平同期信号ＨＤに同期したシャ
ッタパルスＰｓがスイッチング回路４５を通じてイメー
ジセンサのシリコン基板１１に印加され、受光部１に蓄
積された信号電荷が水平同期信号ＨＤに同期してシリコ
ン基板１１側に掃き捨てられることとなる（電子シャッ
タ動作）。

【００５５】そして、上記電子シャッタ動作の終了とと
もに露光期間ｔｓが開始されるが、この露光期間ｔｓの
開始時点においてシステムコントローラ３７からデータ
読出し回路４３に第２の起動信号Ｓｄ２が出力され、同
時にシステムコントローラ３７からスイッチング回路４
５に高レベルの制御信号Ｓｓが出力される。

【００５６】これにより、ＲＯＭ４２の記憶領域に記憶
されている基板電圧データＤｖがアドレス順次にデータ
読出し回路４３を通じて読み出され、該読み出された基
板電圧データＤｖが後段のＤ／Ａ変換器４４にてアナロ
グの基板電圧信号Ｖｓに変換されてスイッチング回路４
５を介してイメージセンサのシリコン基板１１に印加さ
れることになる。

【００５７】このとき、まず、露光期間ｔｓの開始時点
（ｔ＝０の時）においては、図７の曲線ａに示すよう
に、シリコン基板１１に規定の値よりも十分に高い電圧
Ｖｓが印加されるため、これにより、オーバーフローバ
リア領域１２のポテンシャルレベルが高くなり、該領域
１２のポテンシャル障壁の高さは、受光部１のポテンシ
ャル高さよりも低くなるか、あるいは露光開始時点にお
いて受光部１に蓄積される信号電荷を蓄積できる程度の
高さとなる。

【００５８】その後、時間の経過とともに、シリコン基
板１１に印加される基板電圧Ｖｓのレベルが徐々に低く
なることから、オーバーフローバリア領域１２のポテン
シャル障壁は徐々に高くなる。この障壁の高さ方向への
変化の割合は、時間の経過とともに受光部１に蓄積され
る信号電荷の増加量に対応したものとなる。

【００５９】そして、露光期間ｔｓの終了時点（ｔ＝ｔ
ｓ）においては、図７の曲線ｂに示すように、シリコン
基板１１に規定レベルの基板電圧Ｖｓが印加されること
となり、これによって、受光部１は、予め仕様にて決定
されている飽和電荷量Ｑｓａｔの信号電荷が蓄積可能と
なる。ここで、規定レベルは、従来から用いられている
飽和電荷量Ｑｓａｔを決めるための基板電圧レベルであ
る。

【００６０】一般に、ブルーミングは、オーバーフロー
バリア領域１２におけるポテンシャル障壁が読出しゲー
ト部１７のポテンシャル障壁より浅くなった場合に発生
する。従って、シリコン基板１１に印加されている基板
電圧Ｖｓのレベルを例えば高い値に設定して、オーバー
フローバリア領域１２のポテンシャル障壁を読出しゲー
ト部１７のポテンシャル障壁より低くすることにより、
上記ブルーミングは抑えることが可能となる。

【００６１】しかし、オーバーフローバリア領域１２の
ポテンシャル障壁は受光部１に蓄積される飽和電荷量Ｑ
ｓａｔを調節しているため、基板電圧Ｖｓを上記のよう
に高い値に固定させてオーバーフローバリア領域１２の
ポテンシャル障壁を低くすると上記飽和電荷量Ｑｓａｔ
を減らしてしまうこととなり、イメージセンサの感度の
劣化を引き起こす原因となる。

【００６２】ここで、受光部１での光電変換を考えた場
合、入射光により発生する信号電荷は時間とともに増加
するため、露光期間ｔｓの開始時点においては、オーバ
ーフローバリア領域１２のポテンシャル障壁の高さとし
て、飽和電荷量Ｑｓａｔ分の高さは必要ないことがわか
る。

【００６３】従って、露光期間ｔｓの開始時点において
は、オーバーフローバリア領域１２のポテンシャル障壁
が低い位置にあるように基板電圧Ｖｓを設定し、その後
の時間の経過とともに、露光期間ｔｓ中に受光部１に必
要な信号電荷が蓄積できるように上記ポテンシャル障壁
を連続的に高くなる方向に基板電圧Ｖｓを連続的に変化
させる。

【００６４】本実施の形態に係るイメージセンサでは、
オーバーフローバリア領域１２により形成されるポテン
シャル障壁の高さを、上記露光期間ｔｓ中において低い
位置から規定の高さまで連続的に変化させるべく上記シ
リコン基板１１に印加される基板電圧Ｖｓのレベルを連
続変化させるようにしているため、露光期間ｔｓの開始
時点から終了時点にかけて受光部１に徐々に蓄積される
信号電荷の増加に合わせてオーバーフローバリア領域１
２のポテンシャル障壁が徐々に高くなることとなる。そ
して、露光期間ｔｓの終了時において、上記ポテンシャ
ル障壁は、規定の高さ、即ち受光部１に予め決められた
飽和電荷量Ｑｓａｔを蓄積できる程度の高さになる。

【００６５】従って、本実施の形態に係るイメージセン
サにおいては、上記露光期間ｔｓ中に、オーバーフロー
バリア領域１２のポテンシャル障壁が読出しゲート部１
７のポテンシャル障壁よりも高くなるということがなく
なるため、ブルーミング現象の低減を抑えることが可能
となる。また、始めから規定よりも低い位置にオーバー
フローバリア領域１２のポテンシャル障壁を固定化した
場合と異なり、最終的には決められた飽和電荷量Ｑｓａ
ｔを受光部１に蓄積することが可能となるため、感度の
劣化を引き起こすことがない。

【００６６】なお、本実施の形態に係るイメージセンサ
においては、対ブルーミングマージン自体は改善できな
いが、モニタ画面における出力画像上でのブルーミング
状態は大きく改善される。例として、過大光量を入射さ
せた場合、従来方式では、図８Ａに示すように、再生画
像６１中、過大光量を有する被写体画像６２の上下にブ
ルーミングによる縦筋６３が現れる。一方、本実施の形
態に係るイメージセンサにおいては、ある基板電圧レベ
ルまではブルーミングは発生しないため、図８Ｂに示す
ように、過大光量を有する被写体画像６２の周辺に生じ
るブルーミングの縦筋６３は短いものとなり、目立たな
くなる。

【００６７】また、スミアについても、従来の場合は、
受光部中、オーバーフローバリア領域１２付近で光電変
換された一部の信号電荷が転送チャネル領域１４に流れ
込み、スミアとなって画質の劣化を引き起こしていた
が、本実施の形態に係るイメージセンサでは、オーバー
フローバリア領域１２のシリコン基板１１側へのポテン
シャルが深くなる、即ち、露光期間ｔｓのうち、オーバ
ーフローバリア領域１２のポテンシャル障壁の高さが規
定の高さよりも低い期間が長いことから、従来転送チャ
ネル領域１４に流れていた一部の信号電荷がシリコン基
板１１側に流れることとなり、その結果、スミアの発生
を抑えることが可能となる。

【００６８】上記実施の形態においては、ＩＴ方式のイ
メージセンサに適用した例を示したが、その他ＦＩＴ
（フレームインターライン転送）方式のイメージセンサ
にも適用させることができる。

【００６９】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る固体撮像素
子及び固体撮像素子の駆動方法によれば、蓄積期間に被
写体からの入射光をその光量に応じた量の信号電荷に光
電変換する受光部と、電荷転送期間に上記信号電荷を出
力側に転送する電荷転送部と、読出し期間に上記受光部
に蓄積されている上記信号電荷を上記電荷転送部に転送
する読出しゲート部と、上記受光部に蓄積される信号電
荷の飽和量を決定するオーバーフローバリア領域とが同
一基板に形成された固体撮像素子に対して、上記オーバ
ーフローバリア領域により形成されるポテンシャル障壁
の高さが、上記蓄積期間中において低い位置から規定の
高さまで変化させるべく上記基板に印加される基板電圧
のレベルを変化させるようにしたので、ブルーミング及
びスミアの発生を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子を例えばインターラ
イン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤイメージセンサに適用し
た実施の形態例（以下、単に実施の形態に係るイメージ
センサと記す）を示す構成図である。

【図２】本実施の形態に係るイメージセンサの受光部と
その周辺部分の構成及び基板電圧印加回路の構成を示す
構成図である。

【図３】図１のＡ−Ａ’線で示す方向のポテンシャル分
布を示す特性図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ’線で示す方向のポテンシャル分
布を示す特性図である。

【図５】本実施の形態に係るイメージセンサの周辺回路
の構成を示すブロック図である。

【図６】本実施の形態に係る基板電圧印加回路による基
板電圧の変化に伴う受光部での蓄積電荷量の時間変化を
示す特性図である。

【図７】本実施の形態に係るイメージセンサの露光期間
における受光部深さ方向のポテンシャルの時間変化を示
す特性図である。

【図８】再生画像上でのブルーミングの現出度合の比較
を示す説明図であり、同図Ａは従来方式の場合を示し、
同図Ｂは本実施の形態に係るイメージセンサの場合を示
す。

【図９】固体撮像素子の受光部とその周辺部分の一般的
構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 受光部 ２ 垂直転送レジスタ ３ イメージ部 １１ シリコン基板 １２ オーバーフローバリア領域 １３ Ｎ形の不純物拡散領域 １４ 転送チャネル領域 １７ 読出しゲート部 ３１ 基準クロック発生器 ３２ 同期信号生成回路 ３３ 垂直ドライブ回路 ３４ 水平ドライブ回路 ３５ 出力ドライブ回路 ３６ 基板電圧印加回路 ３７ システムコントローラ ４１ シャッタパルス生成回路 ４２ ＲＯＭ ４３ データ読出し回路 ４４ Ｄ／Ａ変換器 ４５ スイッチング回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄積期間に被写体からの入射光をその光
   量に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部と、電荷
   転送期間に上記信号電荷を出力側に転送する電荷転送部
   と、読出し期間に上記受光部に蓄積されている上記信号
   電荷を上記電荷転送部に転送する読出しゲート部と、上
   記受光部に蓄積される信号電荷の飽和量を決定するオー
   バーフローバリア領域とが同一基板に形成された固体撮
   像素子において、 上記オーバーフローバリア領域により形成されるポテン
   シャル障壁の高さが、上記蓄積期間中において低い位置
   から規定の高さまで連続的に変化させるべく上記基板に
   印加される基板電圧のレベルを連続変化させる基板電圧
   可変手段を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 上記蓄積期間において上記受光部に蓄積
   される信号電荷の量をＱ、上記オーバーフローバリア領
   域により形成されるポテンシャル障壁が上記規定の高さ
   にあるときの上記受光部の飽和電荷量をＱｓａｔ、上記
   蓄積期間をｔｓとしたとき、上記基板電圧可変手段は、 Ｑ＝（Ｑｓａｔ／ｔｓ）×ｔ （０≦ｔ≦ｔｓ） ………（１） となるように、上記基板電圧のレベルを変化させること
   を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 上記基板電圧可変手段は、上記蓄積期間
   の開始当初において、上記（１）式により決まる蓄積量
   よりも蓄積電荷量を大きくし、その後徐々に蓄積電荷量
   の増加分を減少させ、上記蓄積期間の終了時に上記蓄積
   電荷量が飽和電荷量Ｑｓａｔとなるように上記基板電圧
   のレベルを変化させることを特徴とする請求項２記載の
   固体撮像素子。
4. 【請求項４】 上記蓄積電荷量の初期値は、０からＱｓ
   ａｔの間の任意の値とすることを特徴とする請求項２又
   は３記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 上記受光部は、少なくとも上記第２導電
   形の不純物拡散領域と該不純物拡散領域から表面側に形
   成された第１導電形の不純物拡散領域とのｐｎ接合を有
   して構成され、 上記読出しゲート部は、上記第２導電形の不純物拡散領
   域から表面側に連続形成された別の第２導電形の不純物
   拡散領域にて構成され、 上記電荷転送部は、上記第２導電形の不純物拡散領域か
   ら表面に上記連続形成された上記別の第２導電形の不純
   物拡散領域を介してその表面側に形成された第１導電形
   の不純物拡散領域を有して構成されていることを特徴と
   する請求項１〜４記載のいずれか１記載の固体撮像素
   子。
6. 【請求項６】 蓄積期間に被写体からの入射光をその光
   量に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部と、電荷
   転送期間に上記信号電荷を出力側に転送する電荷転送部
   と、読出し期間に上記受光部に蓄積されている上記信号
   電荷を上記電荷転送部に転送する読出しゲート部と、上
   記受光部に蓄積される信号電荷の飽和量を決定するオー
   バーフローバリア領域とが同一基板に形成された固体撮
   像素子の駆動方法において、 上記オーバーフローバリア領域により形成されるポテン
   シャル障壁の高さが、上記蓄積期間中において低い位置
   から規定の高さまで変化させるべく上記基板に印加され
   る基板電圧のレベルを変化させることを特徴とする固体
   撮像素子の駆動方法。
7. 【請求項７】 上記蓄積期間において上記受光部に蓄積
   される信号電荷の量をＱ、上記オーバーフローバリア領
   域により形成されるポテンシャル障壁が上記規定の高さ
   にあるときの上記受光部の飽和電荷量をＱｓａｔ、上記
   蓄積期間をｔｓとしたとき、 Ｑ＝（Ｑｓａｔ／ｔｓ）×ｔ （０≦ｔ≦ｔｓ） ………（１） となるように、上記基板電圧のレベルを変化させること
   を特徴とする請求項６記載の固体撮像素子の駆動方法。
8. 【請求項８】 上記蓄積期間の開始当初において、上記
   （１）式により決まる蓄積量よりも蓄積電荷量を大きく
   し、その後徐々に蓄積電荷量の増加分を減少させ、上記
   蓄積期間の終了時に上記蓄積電荷量が飽和電荷量Ｑｓａ
   ｔとなるように上記基板電圧のレベルを変化させること
   を特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の駆動方法。
9. 【請求項９】 上記蓄積電荷量の初期値は、０からＱｓ
   ａｔの間の任意の値とすることを特徴とする請求項７又
   は８記載の固体撮像素子の駆動方法。