JPH0955883A - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スミア改善のためにセンサ部表面近傍の実効
的な信号電荷の蓄積領域を拡げる場合に、プロセス条件
を変更しなければならなかった。 【解決手段】 ＦＩＴ方式ＣＣＤ固体撮像素子におい
て、イメージ部からストレージ部へ信号電荷を高速転送
するフレームシフト期間に、基板電圧Ｖｓｕｂにシャッ
タパルスΔＶｓｕｂを重畳して基板１１に印加すること
で、センサ部２と垂直転送レジスタ４の間における基板
深さ方向のポテンシャルのピークを垂直転送レジスタ４
側に変移させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子の駆
動方法に関し、特にイメージ部とは別にストレージ部を
独立に有するフレームインターライン転送（ＦＩＴ）方
式などの固体撮像素子の駆動方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】固体撮像素子において
は、そのセンサ部の表面が平坦面として形成されている
ことから、図９から明らかなように、センサ部９１に光
が斜めに入射した場合、センサ部９１の表面で反射した
光のうち遮光膜９２の下端面９２ａに入射する成分があ
り、その反射光成分が基板表面と遮光膜９２の下端面９
２ａや転送電極９３との間で多重反射を繰り返し、最終
的に垂直転送レジスタ９４の信号電荷転送領域９５に飛
び込んで光電子を発生し、スミア成分を増加させるとい
う問題がある。

【０００３】このスミア成分については、センサ部９１
の表面近傍の実効的な信号電荷の蓄積領域を、垂直転送
レジスタ９４の方向（水平方向）に拡げると、その分だ
け信号電荷転送領域９５に飛び込む反射光が減少するこ
とになるため、スミア改善に有効であることがわかる。
これを実現する方策として、不純物のプロファイルを変
えることが考えられる。しかしながら、不純物のプロフ
ァイルを変えるためには、プロセス条件の変更が必要で
あり、又工程数も増えることになる。

【０００４】そこで、本発明は、プロセス条件を変更す
ることなく、スミア改善を実現できる固体撮像素子の駆
動方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像素
子の駆動方法は、２次元配列された複数個のセンサ部お
よびこれらセンサ部の垂直列ごとに配された複数本の垂
直転送レジスタを有するイメージ部と、イメージ部から
高速転送された信号電荷を蓄積するストレージ部とを具
備する固体撮像素子において、センサ部と垂直転送レジ
スタの間における基板深さ方向のポテンシャルのピーク
を、イメージ部からストレージ部へ信号電荷を高速転送
するフレームシフト期間に垂直転送レジスタ側に変移さ
せるようにする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明が
適用される例えばフレームインターライン転送（ＦＩ
Ｔ）方式ＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図である。図１
において、イメージ部１は、マトリクス状に２次元配列
されて入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷（例
えば、電子）に変換して蓄積する複数個のセンサ部（画
素）２と、これらセンサ部２の垂直列ごとに配されて各
センサ部２から読み出しゲート部３を介して読み出され
た信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ４と
によって構成されている。

【０００７】一方、イメージ部１とは独立して設けられ
たストレージ部５は、イメージ部１の垂直転送レジスタ
４に対して各列ごとに連続して設けられた複数本の垂直
転送レジスタ６によって構成されており、イメージ部１
において画素単位で光電変換された１フィールド分の信
号電荷を、イメージ部１から高速転送されることによっ
て蓄積する。なお、ストレージ部５は、その全面が例え
ばアルミニウムからなる遮光層（図示せず）によって覆
われている。

【０００８】イメージ部１において、各センサ部２で光
電変換されて得られた信号電荷は、読み出しゲート部３
を介して垂直転送レジスタ４に読み出されかつ当該レジ
スタ４によってストレージ部５に高速転送され、蓄積さ
れる。この高速転送がフレームシフトである。ストレー
ジ部５に蓄積された信号電荷は、垂直転送レジスタ６に
よって１ラインに相当する部分ずつ水平転送レジスタ７
に転送される。この転送がラインシフトである。この１
ライン分の信号電荷は、水平転送レジスタ７にて順次水
平転送される。

【０００９】なお、本例では、水平転送レジスタ７が１
本の場合の構成を示したが、水平転送レジスタを例えば
２本併置し、１ライン分の信号電荷を２本の水平転送レ
ジスタに振り分けて転送する構成を採ることも可能であ
る。これによれば、水平転送周波数を半減できる利点が
ある。水平転送レジスタ７の転送先の端部には、フロー
ティング・ディフュージョン・アンプ等からなる電荷検
出部８が設けられている。この電荷検出部８は、水平転
送レジスタ７で転送されてきた信号電荷を電気信号に変
換して画像信号として出力する。

【００１０】ここで、イメージ部１の垂直転送レジスタ
４は垂直転送クロックφＩＭ１〜φＩＭ４によって４相
駆動され、ストレージ部６の垂直転送レジスタ６も同様
に垂直転送クロックφＳＴ１〜φＳＴ４によって４相駆
動される。また、水平転送レジスタ７は水平転送クロッ
クφＨ１，φＨ２によって２相駆動される。

【００１１】図２は、センサ部２の周辺部分の断面構造
図である。図２において、センサ部２は、Ｎ型半導体基
板１１上に積層されたＰウェル１２の表面側に形成され
たＰ ⁺ 型不純物からなる正孔蓄積層１３と、その下のＮ
型不純物からなる信号電荷蓄積層１４とからなるＨＡＤ
(Hole Accumulated Diode)構造となっており、このＨＡ
Ｄ構造を採ることで感度の向上と暗電流の低減を図って
いる。この正孔蓄積層１３および信号電荷蓄積層１４に
隣接してチャネルストップ部（ＣＳ）１５が形成されて
いる。

【００１２】垂直転送レジスタ４は、Ｐウェル１２の表
面側に形成された信号電荷転送領域１６と、基板表面上
にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂)からなる絶縁層１７を介し
て形成されたポリシリコンからなる転送電極１８とによ
って構成されている。また、センサ部２と垂直転送レジ
スタ４との間には、センサ部２から垂直転送レジスタ４
へ信号電荷を読み出すための読み出しゲート部３が設け
られており、この読み出しゲート部３のゲート電極とし
て、本例では転送電極１８が兼用されている。そして、
センサ部２を除いて読み出しゲート部３、垂直転送レジ
スタ４およびチャネルストップ部１５の上方には、絶縁
層１７を介して例えばアルミニウムからなる遮光膜１９
が、転送電極１の外側を覆うように設けられている。

【００１３】上記構成のＦＩＴ方式ＣＣＤ固体撮像素子
において、半導体基板１１には所定の基板電圧Ｖｓｕｂ
が加算器２０を介して印加されている。加算器２０に
は、シャッタパルス発生回路２１から発生される所定の
波高値（レベル）のシャッタパルスΔＶｓｕｂがスイッ
チ２２を介して選択的に与えられる。スイッチ２２は、
タイミング制御回路２３によって開閉制御される。タイ
ミング制御回路２３は、水平ブランキング期間中にスイ
ッチ２２を閉状態とすることで、センサ部２に蓄積され
た信号電荷を基板１１に掃き捨てる電子シャッタ動作を
実現する。

【００１４】すなわち、通常の動作時には、スイッチ２
２を開状態とすることで、基板１１には基板電圧Ｖｓｕ
ｂが印加され、これによりセンサ部２には光電変換によ
って信号電荷が蓄積される。一方、電子シャッタ動作時
には、スイッチ２２を閉状態とし、基板電圧Ｖｓｕｂに
シャッタパルスΔＶｓｕｂを重畳して基板１１に印加す
ることで、基板側のバリアが崩れ、センサ部２に蓄積さ
れた信号電荷が基板１１に掃き出される。図３に、セン
サ部２の縦方向（基板深さ方向）のポテンシャル分布を
示す。同図において、実線が通常動作時を、一点鎖線が
電子シャッタ動作時をそれぞれ示している。

【００１５】図４は、センサ部２の周辺部分の横方向
（水平方向）のポテンシャル分布図である。同図から明
らかなように、基板１１に基板電圧Ｖｓｕｂが印加され
ている通常動作時には、センサ部２および垂直転送レジ
スタ４のポテンシャルが深くなり、図４に実線で示すよ
うに、センサ部２と垂直転送レジスタ４の間にポテンシ
ャルのピーク（山）が形成されるようになっている。そ
して、図５のタイミングチャートにおいて、スミア掃き
出し期間の終了後に、転送電極１８に印加される垂直転
送クロックφＩＭ１（図５には、φＩＭ１のみを示す）
に読み出しパルスφＲＯＧを立てることで、センサ部２
と垂直転送レジスタ４の間のポテンシャルのピークが崩
れ、センサ部２に蓄積された信号電荷が垂直転送レジス
タ４に読み出されることになる。

【００１６】次に、本発明の一実施形態について説明す
る。本実施形態では、図５のタイミングチャートにおい
て、イメージ部１からストレージ部５へ信号電荷を高速
転送するフレームシフト期間に、基板１１に印加する電
圧を通常の設定値（基板電圧Ｖｓｕｂ）よりも高くする
ようにしている。基板１１に印加する電圧を高くするこ
とで、図４に点線で示すように、センサ部２のポテンシ
ャルが深くなるため、センサ部２と垂直転送レジスタ４
の間のポテンシャルのピークが、実質的に、垂直転送レ
ジスタ４の方向に変移することになる。

【００１７】ところで、イメージ部１からストレージ部
５へ信号電荷を高速転送するフレームシフト期間は、セ
ンサ部２から読み出された垂直転送レジスタ４中の信号
電荷にスミア成分が混入し易い期間でもある。したがっ
て、上述したように、このフレームシフト期間に基板電
圧を通常の設定値よりも高くし、センサ部２と垂直転送
レジスタ４の間のポテンシャルのピークを垂直転送レジ
スタ４側に変移させることで、センサ部２の表面近傍の
実効的な信号電荷の蓄積領域が横方向（水平方向）に拡
がることになる。

【００１８】これにより、センサ部２に光が斜めに入射
した際に、基板表面と遮光膜１９の下端面１９ａや転送
電極１８との間で繰り返される多重反射による反射光
の、垂直転送レジスタ４の信号電荷転送領域１６に飛び
込む量が減少する。その結果、従来のようにプロセス条
件を変更しなくても、基板電圧を変更するだけでスミア
改善が可能となる。また、フレームシフト期間は、１フ
ィールド期間に対して時間的に非常に短いため、特性上
の影響も少ない。

【００１９】本実施形態では、フレームシフト期間に基
板電圧を通常の設定値よりも高く設定するために、シャ
ッタパルスΔＶｓｕｂを利用している。具体的には、図
２において、タイミング制御回路２３は電子シャッタ動
作時の他に、フレームシフト期間でスイッチ２２を閉状
態とするように構成されている。これにより、フレーム
シフト期間には、電子シャッタ動作時と同様に、（Ｖｓ
ｕｂ＋ΔＶｓｕｂ）の電圧が基板１１に印加されること
になる。

【００２０】なお、上述したように、基板電圧Ｖｓｕｂ
にシャッタパルスΔＶｓｕｂを重畳して基板１１に印加
するというやり方は一例に過ぎず、シャッタパルスΔＶ
ｓｕｂよりも低い電圧を基板電圧Ｖｓｕｂに重畳した
り、Ｖｓｕｂ電圧を発生する電源の他に、それよりも高
い電圧を発生する別電源を用意し、フレームシフト期間
ではこの別電源から発せられる電圧を選択して基板１１
に印加するなど、他の方法を用いることも可能である。
ただし、シャッタパルスΔＶｓｕｂを利用することで、
別電源を新たに用意する必要がなく、タイミング制御回
路２３のタイミングを変更するだけで対応できるという
利点がある。

【００２１】また、基板電圧Ｖｓｕｂにシャッタパルス
ΔＶｓｕｂを重畳すると、ＣＣＤ固体撮像素子の感度が
低下する場合がある。このような場合には、被写体の照
度に応じて選択的にシャッタパルスΔＶｓｕｂを基板電
圧Ｖｓｕｂに重畳するようにしたり、図５に点線で示す
ように、重畳したシャッタパルスΔＶｓｕｂを徐々に低
下させるようにすることで感度低下に対処できる。

【００２２】被写体の照度に応じて選択的にシャッタパ
ルスΔＶｓｕｂを重畳するやり方の一例としては、被写
体の照度が全体的に明るいときは、多少の感度低下は無
視できることから、フレームシフト期間でスイッチ２２
を閉状態にして基板電圧ＶｓｕｂにシャッタパルスΔＶ
ｓｕｂを重畳することによってスミア改善を優先し、被
写体の照度が全体的に暗いときは、通常駆動時と同様に
フレームシフト期間でもスイッチ２２を開状態のままに
して基板電圧ＶｓｕｂにシャッタパルスΔＶｓｕｂを重
畳しないようにすることで、感度が低下しないようにす
れば良い。これは、照度情報をタイミング制御回路２３
に与えることで実現できる。

【００２３】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。本実施形態では、図６に示すように、垂直転送ク
ロックφＩＭ１〜φＩＭ４，φＳＴ１〜φＳＴ４および
水平転送クロックφＨ１，φＨ２などのタイミング信号
を発生するタイミング発生回路２４にレベルシフト回路
２５を内蔵させ、イメージ部１からストレージ部５へ信
号電荷を高速転送するフレームシフト期間で、垂直転送
クロックφＩＭ１〜φＩＭ４，φＳＴ１〜φＳＴ４を通
常の転送時よりも負側にシフトさせるようにする。図７
に、一例として、垂直転送クロックφＩＭ１のみのタイ
ミングチャートを示す。

【００２４】このように、フレームシフト期間で垂直転
送クロックφＩＭ１〜φＩＭ４，φＳＴ１〜φＳＴ４を
負側にシフトさせると、図８に点線で示すように、垂直
転送レジスタ４のポテンシャルが浅くなるため、センサ
部２と垂直転送レジスタ４の間のポテンシャルのピーク
が、実質的に、垂直転送レジスタ４の方向に変移するこ
とになる。これにより、センサ部２の表面近傍の実効的
な信号電荷の蓄積領域が横方向（水平方向）に拡がるこ
とになる。

【００２５】その結果、センサ部２に光が斜めに入射し
た際に、基板表面と遮光膜１９の下端面１９ａや転送電
極１８との間で繰り返される多重反射による反射光の、
垂直転送レジスタ４の信号電荷転送領域１６に飛び込む
量が減少するため、従来のようにプロセス条件を変更し
なくても、レベルシフト回路２５を追加するだけでスミ
ア改善が可能となる。また、フレームシフト期間は、１
フィールド期間に対して時間的に非常に短いため、特性
上の影響も少ない。

【００２６】なお、上記の各実施形態では、フレームシ
フト期間に基板電圧を通常の設定値よりも高く設定する
こと、垂直転送クロックφＩＭ１〜φＩＭ４，φＳＴ１
〜φＳＴ４を通常の転送時によりも負側にシフトさせる
ことをそれぞれ単独で実施するとしたが、これらを組み
合わせて実施することも可能である。

【００２７】また、上記の各実施形態においては、電子
を信号電荷とするＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合に
ついて説明したが、正孔を信号電荷とするＣＣＤ固体撮
像素子にも同様に適用可能であり、この場合には、正負
の極性を反転して考えれば良い。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イメージ部とは別にストレージ部を独立に有する固体撮
像素子において、センサ部と垂直転送レジスタの間にお
ける基板深さ方向のポテンシャルのピークを、イメージ
部からストレージ部へ信号電荷を高速転送するフレーム
シフト期間に垂直転送レジスタ側に変移させるようにし
たことにより、センサ部の表面近傍の実効的な信号電荷
の蓄積領域が水平方向に拡がり、センサ部に光が斜めに
入射した際の垂直転送レジスタへの光の混入を阻止でき
るため、従来のようにプロセス条件を変更しなくても、
スミア改善が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるＦＩＴ方式ＣＣＤ固体撮像
素子の概略構成図である。

【図２】センサ部周辺の断面構造図である。

【図３】電子シャッタ動作を説明するためのポテンシャ
ル分布図である。

【図４】本発明の一実施形態に係るポテンシャル分布図
である。

【図５】本発明の一実施形態に係るタイミングチャート
である。

【図６】本発明の他の実施形態に係る概略構成図であ
る。

【図７】本発明の他の実施形態に係るタイミングチャー
トである。

【図８】本発明の他の実施形態に係るポテンシャル分布
図である。

【図９】課題を説明するためのセンサ部周辺の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ストレージ部 ２ センサ部 ４，６ 垂直転送レジスタ ５ ストレージ部 ７ 水平転送レジスタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元配列された複数個のセンサ部およ
   びこれらセンサ部の垂直列ごとに配された複数本の垂直
   転送レジスタを有するイメージ部と、前記イメージ部か
   ら高速転送された信号電荷を蓄積するストレージ部とを
   具備する固体撮像素子の駆動方法であって、 前記センサ部と前記垂直転送レジスタの間における基板
   深さ方向のポテンシャルのピークを、前記イメージ部か
   ら前記ストレージ部へ信号電荷を高速転送するフレーム
   シフト期間に前記垂直転送レジスタ側に変移させること
   を特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 【請求項２】 前記フレームシフト期間に基板電圧を通
   常の設定値よりも高く設定することを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像素子の駆動方法。
3. 【請求項３】 前記フレームシフト期間に前記イメージ
   部および前記ストレージ部の垂直転送クロックをレベル
   シフトすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素
   子の駆動方法。
4. 【請求項４】 前記フレームシフト期間に基板電圧を通
   常の設定値よりも高くするとともに、前記イメージ部お
   よび前記ストレージ部の垂直転送クロックをレベルシフ
   トすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の
   駆動方法。