JP2009278241A - 固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部で蓄積可能な電荷量以上の電荷が発生するような用途や、光電変換部が受光に必要な最低限の大きさに設計されているような撮像装置では蓄積時間の開始を正確に規定することができない。また、暗電流並びに入射光の影響がライン毎に異なるおそれがある。
【解決手段】光電変換部と、光電変換部と電荷を蓄積する蓄積部とを接続する第１の転送部と、蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、光電変換部と電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素を複数配した画素部を有する固体撮像装置に対して、第１の転送部にポテンシャル障壁が形成され、かつ、第３の転送部にポテンシャル障壁がない状態において、第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態からポテンシャル障壁を形成し、さらに、第３の転送部にポテンシャル障壁を形成させることで画素が電荷を蓄積する動作を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置、撮像システム、固体撮像装置の駆動方法に係る。

従来の撮像装置においては、入射光を光電変換する光電変換部が、電荷を蓄積する蓄積部を兼ねる構成の画素が一般に知られている。

これに対し、光電変換部とは別に電荷蓄積部を設ける技術が特許文献１に開示されている。特許文献１では、光電変換部に蓄積された電荷を全画素同時に光電変換部から蓄積部へと転送することによりグローバルシャッタを実現できる。

また、特許文献２には、光電変換部とは別に蓄積部を設け、光電変換部で発生した電荷の大部分を光電変換部では蓄積せずに電荷蓄積領域に転送する構成が開示されている。図９は特許文献２の図６を引用したものである。特許文献２に開示される構成では、光電変換部と電荷蓄積部との間の転送部に埋め込みチャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いている。特許文献２によれば、光電変換部は受光に必要な最低限の大きさに留めることが可能であるとしている。この構成により、面内すべての画素の蓄積の開始時刻と終了時刻を揃える面内同期型電子シャッタが実現できる。
特開２００４−１１１５９０号公報 特開２００６−２４６４５０号公報

図１０および１１に、特許文献１の図２および図５を引用した図を示す。特許文献１においては、まず、光電変換部であるフォトダイオードに蓄積された電荷を電源（ＶＤＤ）に排出するための制御スイッチ（ＡＢＧ）をオフ状態にする。そして、光電変換部に蓄積された電荷を蓄積部に転送する動作が完了したタイミングである、図１１における時刻ｔ２を露光蓄積期間の開始としている。その後、露光蓄積時間が開始した後に蓄積部に転送された電荷をフローティングディフュージョンＦＤへと転送している。

しかしながら、このような動作は画素における蓄積時間を正確に規定できない場合がある。言い換えると、画素に蓄積される電荷がどの期間に発生したものであるのかを正確に把握できない場合がある。例えば、特許文献２における光電変換部のように、受光に必要な最低限の大きさになるように設計されている場合を考えると、図１１（Ａ）で示される状態において、光電変換部で発生する電荷が光電変換部で蓄積可能な電荷量を超えてしまうおそれがある。光電変換部で蓄積可能な電荷量を超えた分の電荷は、ＡＢＧやＦＳＧに形成されるポテンシャル障壁を越えて電源や蓄積部へと排出されてしまう。つまり、蓄積時間が開始してから発生した電荷の一部が排出されてしまうので、蓄積時間を正確に規定できないという問題が生じる。したがって、特許文献１に開示される駆動方法は、光電変換部で蓄積可能な電荷量以上の電荷が発生するような用途や、光電変換部が受光に必要な最低限の大きさに設計されているような撮像装置では蓄積時間の開始を正確に規定することができない。

また、図９に示す特許文献２に係る動作は、図９（ｇ）にて画素からの信号を読み出す動作を終えた後に、図９（ａ）の状態に戻して蓄積動作を開始することが考えられる。しかしながら、面内同期型電子シャッタ動作を行うと、画素が電荷を蓄積する期間の開始および終了時刻は全行で同時となるが、画素から信号を読み出すのは行毎になる。そのため、図９に示す動作を繰り返すと画素の行によって図９（ｇ）の状態から図９（ａ）の状態になる時刻に至るまでの時間の長さが異なる。この時間の長さが異なると、図９（ｇ）の状態から図９（ａ）の状態になるまでの期間に蓄積部に蓄積される暗電流成分が行によって異なり、行毎に暗電流による影響が変わってしまう。さらに、暗電流のみならず、この期間に画素領域に入射する光の影響も行毎に異なり、結果として得られる画像の明るさが行毎に異なることが考えられる。このことから、被写体の明暗に依存した偽信号が生じることが考えられ、画質の低下が懸念される。

本発明の目的は、上述の問題を解決することであり、光電変換部の蓄積可能な電荷量を超える量の電荷が発生しても、蓄積時間の開始を規定できるとともに、暗電流並びに入射光の影響の違いを低減する好適な手法を提供することである。

本発明の第１の側面である固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部と前記蓄積部とを接続する第１の転送部と、前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、前記光電変換部と電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、前記第１の転送部にポテンシャル障壁が形成され、かつ、前記第３の転送部にポテンシャル障壁がない状態において、前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態から該ポテンシャル障壁を形成し、さらに、前記第３の転送部にポテンシャル障壁を形成させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始することを特徴とする。

本発明の別の側面である固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、前記第１の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第３の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態で、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させ、さらに、前記第３の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させることを特徴とする。

本発明のさらに別の側面である固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部と前記蓄積部とを接続する第１の転送部と、前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、前記光電変換部と電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間の一部において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、前記第３の転送部にポテンシャル障壁が形成され、かつ、前記第１および第２の転送部にポテンシャル障壁がない状態において、前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態から該ポテンシャル障壁を形成することで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始し、さらに、前記第１の転送部にポテンシャル障壁を形成することを特徴とする。

本発明のさらに別の側面である固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、前記第３の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第１および第２の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態において、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させ、さらに、前記第１の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることを特徴とする。

本発明のさらに別の側面である固体撮像装置は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部と、前記第１ないし第３の転送トランジスタの制御電極に対して信号を供給する制御部と、を有する固体撮像装置において、前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、前記制御部は、前記第１の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第３の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態で、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させ、さらに、前記第３の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させることを特徴とする。

本発明のさらに別の側面である固体撮像装置は、入射光を光電変換する光電変換部と、電荷を蓄積する蓄積部と、該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部と、前記第１ないし第３の転送トランジスタの制御電極に対して信号を供給する制御部と、を有する固体撮像装置において、前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、前記制御部は、前記第３の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第１および第２の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態において、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させ、さらに、前記第１の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることを特徴とする。

本発明によれば、光電変換部の蓄積可能な電荷量を超える量の電荷が発生しても、蓄積時間の開始を好適に規定できる。

（第１の実施形態）
本発明を適用できる第１の実施例を説明する。図１は固体撮像装置の概略ブロック図であり、画素が複数配された撮像領域１０１、制御部である垂直走査回路１０２及び水平走査回路１０３を含む。ここでは、撮像領域１０１に配された画素は、行列状に配列しているものとする。水平走査回路１０３は、撮像領域の画素の列に対応して設けられた信号線を順次走査することにより１行分の画素からの信号を出力回路１０４から出力させる。

図２は、撮像領域１０１に含まれる画素の等価回路図である。説明の簡略化のために撮像領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素での領域を例に取っているが、画素の数をこれに限定するものではない。光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）２のアノードは固定電位に接地され、カソードは第１の転送部である第１転送スイッチ８を介して蓄積部ＭＥＭの一方の端子に接続される。カソードはさらに第３の転送部である第３転送スイッチ１３を介してオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）として機能する第２の電源である電源線と接続される。蓄積部ＭＥＭの他方の端子は固定電位に接地されている。蓄積部ＭＥＭの一方の端子はさらに第２の転送部である第２転送スイッチ９を介して増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタ１２のゲート端子はリセット部であるリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。ここでは第１から第３の転送部がトランジスタで構成されている例を示している。図２では、ＯＦＤとして機能する電源線と画素電源線とを分けているが、これらは共通の電源に接続されてもよいし、異なる電源に接続されてもよい。

選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレインと接続されている。アクティブな信号ＳＥＬが制御電極に入力されると選択トランジスタの両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現れる。垂直信号線ＯＵＴに現れた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、後述する信号処理回路部などを経て画像として表示される。また、増幅トランジスタ１２のゲート端子と、リセットトランジスタ１０及び第２転送スイッチ９の主電極とが共通に接続される浮遊拡散部であるノード（以下、ＦＤと称す）４は容量値を有しており、電荷を保持することができる。

次に、図２に示した画素を半導体基板上に形成する場合の断面図の一例を図３に示す。図２の各構成部に対応する構成に同様の符号を付している。ここでは半導体領域の導電型は信号電荷として電子を用いる場合を例にとって説明する。ホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。

２０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。

２０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域２０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。

２０３はＮ型半導体領域２０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部は少なくとも第１の半導体領域と、該第１の半導体領域とＰＮ接合を形成する第２の半導体領域とを含んで構成される。

２０４は第２転送スイッチを構成する第２の転送電極である。第２の転送電極に供給する電圧によって、電荷保持部と電荷電圧変換部（後述の第４の半導体領域）の間のポテンシャル状態を制御可能である。第２の転送電極は、後述の第３の半導体領域と第４の半導体領域との間の第２の経路上に絶縁膜を介して配される。

２０５は蓄積部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）である。光電変換部から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成となっている。２０６は制御電極である。第３の半導体領域上に絶縁膜を介して配され、第３の半導体領域の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。蓄積部において電荷を保持する期間中に制御電極２０６に電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域２０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。後述するように、この時、供給される電圧は、第３の半導体領域と絶縁膜との界面にホールを集める必要があるため負電圧が好ましく、例えば−３Ｖ程度の電圧が供給される。この電圧は第３の半導体領域の不純物濃度により適宜変更される。

蓄積部ＭＥＭは、Ｎ型半導体領域２０５及び制御電極２０６を含んで構成される。

２０７は第１転送スイッチ８を構成する第１の転送電極である。光電変換部と電蓄積部との間の第１の経路のポテンシャル状態を制御可能である。第１の転送電極の下部で、２０２と２０５との間に２０２よりも濃度の低い半導体領域２１３を持つ。このような埋め込みチャネルを有する構成にすることで、図３で説明するようなポテンシャル関係を持たせることができる。

２０８はフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）である。電荷電圧変換部として機能する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートとプラグ２０９等を介して電気的に接続されている。

２１０は遮光膜である。入射光が電荷蓄積部へ侵入しないように配置されている。少なくとも蓄積部ＭＥＭを覆っていることが必要であるが、図示するように、第１の転送電極の全体及び第２の転送電極の一部の上部まで延在して配置されていると更に遮光機能が高まり好ましい。

２１１は第３転送スイッチを構成する電荷排出用の制御電極である。光電変換部とＯＦＤ領域との間の第３の経路のポテンシャル状態を制御可能である。電荷排出制御電極は第３の経路上に絶縁膜を介して配されている。入射光により光電変換部に生じた電荷をＯＦＤに排出可能なようにポテンシャル状態を制御する。２１１に供給する電圧により、光電変換部での蓄積期間（露光期間）の長さを制御可能である。

２１２はＯＦＤを構成する一部（第５の半導体領域）、２１５は２１２へ電源電圧を供給するためのプラグであり、不図示の電源と接続されている。つまり、２１２や２１５を含めて第２の電源としている。

第１転送スイッチ８は、光電変換部と蓄積部とともに第１の転送トランジスタを構成する。また、第２転送スイッチ９は蓄積部と浮遊拡散部４とともに第２の転送トランジスタを構成する。そして第３転送スイッチ１３は、光電変換部と第２の電源とともに第３の転送トランジスタを構成する。

図２および３を用いて説明した単位画素が、複数、好ましくは二次元状に配されて、固体撮像装置の撮像領域が構成されている。画素はリセット部、増幅部、選択部などを複数の光電変換部で共有することも可能である。

次に、本実施形態に係る動作を説明する。図４は、本実施形態に係る動作を説明するためのタイミングチャートであり、図５は、図４に示すタイミングのうち、時刻ｔ０の直前から蓄積時間の終了までの各タイミングにおける画素のポテンシャル状態を示す図である。ここでは、フォトダイオード、ＴＸ１、蓄積部とで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型のトランジスタである場合を例にとって説明する。

図４には、第１ないし第３の転送部の制御電極に与えられる信号ＴＸ１ないしＴＸ３と、リセット部の制御電極に与えられる信号ＲＥＳの変遷を示している。添え字のｎ、ｎ＋１、ｎ＋２は、撮像領域における行の番号を表し、例えばＴＸ１（ｎ）はｎ行目の画素の第１の転送部に与えられる信号を意味している。つまり、信号ＴＸ１（ｎ）がハイレベルになるとその行（ライン）に含まれる画素の第１の転送部が一括してアクティブになる。

まず、時刻ｔ０以前の初期状態では、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルであり、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）及び信号ＲＥＳ（ｎ）〜ＲＥＳ（ｎ＋２）がハイレベルである。このときの画素のポテンシャル状態を図５（ａ）に示す。この期間では、蓄積部（ＭＥＭ）に蓄積される電荷に対して、第１の転送部に当たるＴＸ１に形成されたポテンシャル障壁が存在する。その一方で、第３の転送部に当たるＴＸ３にはポテンシャル障壁が存在しないため、フォトダイオード（ＰＤ）で発生した電荷（図中の黒丸）は蓄積部（ＭＥＭ）に移動することなく、第３の転送部を介してＯＦＤへと排出される。したがって、画素は電荷を蓄積しない状態にある。図から明らかなように、ＴＸ２におけるポテンシャル状態には依存しない。ここで、ＴＸ１に形成されるポテンシャル障壁がＴＸ２に形成されるポテンシャル障壁よりも低いのは、先述したとおり、フォトダイオード、ＴＸ１、蓄積部とで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型である例を考えているためである。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間では信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がハイレベルになるので、蓄積部とＦＤ領域（ＦＤ）との間の第２転送部であるＴＸ２に形成されるポテンシャル障壁がなくなる。これにより、時刻ｔ０以前に蓄積部に保持されていた電荷がＦＤ領域に転送される。この期間における画素のポテンシャル状態を図５（ｂ）に示した。この期間では信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）はローレベルであり、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がハイレベルであるため、フォトダイオードで発生した電荷は第３の転送部を介してＯＦＤへと排出される。したがって、この時点における蓄積部には、フォトダイオードで発生した電荷が理想的には存在しないことになる。

時刻ｔ１に、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルになると、画素のポテンシャル状態は図５（ｃ）に示すようなものになる。これは、図５（ａ）に示した状態と同様である。この期間においても第１の転送部に当たるＴＸ１に形成されたポテンシャル障壁が存在する一方で、第３の転送部に当たるＴＸ３にはポテンシャル障壁が存在しない。そのため、フォトダイオードで発生した電荷は蓄積部に移動することなく、第３の転送部を介してＯＦＤへと排出される。

次に、時刻ｔ２に信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がローレベルに遷移すると、画素のポテンシャル状態は図５（ｄ）に示すようなものになる。この期間では、蓄積部に蓄積される電荷に対するポテンシャル障壁は、第１の転送部に当たるＴＸ１よりも第３の転送部に当たるＴＸ３の方が高い。そして、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルであることから、この期間にフォトダイオードで発生した電荷のうち、ＴＸ１におけるポテンシャル障壁を超えた電荷はフォトダイオードまたは蓄積部に留まることになる。したがって、時刻ｔ２に信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がローレベルに遷移したタイミングから各画素の蓄積時間が開始される。つまり、本実施形態では時刻ｔ０において、信号ＴＸ１がローレベルであり、かつ、ＴＸ３がハイレベルである状態において、時刻ｔ１に信号ＴＸ２がハイレベルローレベルに遷移し、さらに時刻ｔ２に信号ＴＸ３がローレベルに遷移する。これより、画素が電荷を蓄積する動作の開始が規定される。このような駆動方法によれば、フォトダイオードが蓄積できるよりも多くの電荷がフォトダイオードで発生しても、特許文献１に開示された動作のように不要な電荷と合わせて排出されることがなくなるので、蓄積時間の開始を好適に規定することができる。

次に、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がハイレベルになると、第１の転送部に形成されたポテンシャル障壁がなくなり、フォトダイオードで発生した電荷が蓄積部ＭＥＭに転送される（図５（ｅ））。

時刻ｔ４に、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルに遷移するのと入れ替わりに信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がハイレベルになると、画素のポテンシャル状態は図５（ｆ）に示すようなものになる。時刻ｔ４以降にフォトダイオードで発生した電荷は第３の転送部を介してＯＦＤへと排出されるので、全画素の蓄積時間は時刻ｔ４を以って終了する。

このように全画素について共通にフォトダイオードから蓄積部に転送することで、全画素の蓄積開始及び終了時刻を合わせることができ、面内同期型電子シャッタ動作を実現できる。

次に、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの信号ＲＥＳ１（ｎ）がローレベルとなっている期間に、信号ＴＸ２（ｎ）が時刻ｔ６にハイレベルになると、ｎ行目の各画素の蓄積部ＭＥＭに保持された電荷が第２の転送部ＴＸ２を介してＦＤ領域へと転送される。少なくともこのタイミングでは選択部がオン状態になっており、増幅トランジスタと定電流源とで形成されるソースフォロワ回路によって、ＦＤ領域に転送された電荷量に応じたレベルが垂直信号線に現れる。垂直信号線に現れたレベルに応じた信号は出力回路から出力される。

ｎ＋１行目およびｎ＋２行目の画素についても同様の動作が行われ、それぞれの行の画素に応じた信号が出力回路から出力される。以上で１フレーム分の動作が完了する。

図４に示した動作においては、各行の画素から信号を読み出す期間を除いて信号ＲＥＳがハイレベルとなっているが、信号ＴＸ２がハイレベルとなる前に、信号ＲＥＳをパルス状にハイレベルにしてもよい。

特許文献１に開示された動作では、フォトダイオードに蓄積できるよりも多くの電荷がフォトダイオードで発生すると不要電荷として排出されてしまい、画素の蓄積時間の開始を適切に規定することができないという問題があった。つまり、画素に蓄積された電荷がどの期間に発生したものであるのかを正確に把握できない。これに対し、上述した動作を行えば、フォトダイオードが蓄積できるよりも多くの電荷がフォトダイオードで発生しても、蓄積時間の開始を好適に規定することができる。

また、特許文献２によれば、図１０（ｇ）から図１０（ａ）までの動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に行うことが考えられる。その場合には蓄積時間の開始を規定することができるものの、図１０（ｇ）から図１０（ａ）までの期間が異なることで暗電流並びに入射光による影響の違いから縞状のノイズが発生するおそれがある。これに対し、本実施例によれば、暗電流並びに入射光の影響の違いを低減することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る動作を説明する。図６は、本実施形態に係る動作を説明するためのタイミングチャートであり、図７は、図６に示すタイミングのうち、時刻ｔ０の直前から蓄積時間の終了までの各タイミングにおける画素のポテンシャル状態を模式的に示す図である。本実施形態においてもフォトダイオード、ＴＸ１、蓄積部とで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型のトランジスタである場合を例にとって説明する。

図６には、第１ないし第３の転送部に与えられる信号ＴＸ１ないしＴＸ３と、リセット部に与えられる信号ＲＥＳの変遷を示している。添え字のｎ、ｎ＋１、ｎ＋２は、図４と同様に撮像領域における行の番号を表し、例えばＴＸ１（ｎ）は１行目の画素の第１の転送部に与えられる信号を意味している。

まず、時刻ｔ０に先立っては、第１の転送部であるＴＸ１に供給される信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）および第２の転送部ＴＸ２に供給される信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルであるとする。さらに、第３の転送部ＴＸ３に供給される信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）およびリセット部ＲＥＳに供給される信号ＲＥＳ（ｎ）〜ＲＥＳ（ｎ＋２）がハイレベルであるとする。このときのポテンシャル状態は図７（ａ）に示すような状態になっている。フォトダイオード（ＰＤ）と蓄積部（ＭＥＭ）との間にポテンシャル障壁が存在するため、フォトダイオードで発生した電荷（黒丸）は、ＯＦＤへと排出される。また、図７（ａ）には示していないが、信号ＲＥＳがハイレベルであることからＦＤ領域（ＦＤ）には電荷が溜まらずに画素電源線へと排出される。ここで、ＴＸ１に形成されるポテンシャル障壁が、ＴＸ２に形成されるポテンシャル障壁よりも低いのは、先述したとおり、フォトダイオード、ＴＸ１、蓄積部とで構成されるトランジスタが埋め込みチャネル型である例を考えているためである。

時刻ｔ０に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がハイレベルに遷移すると、画素のポテンシャル状態は図７（ｂ）のようになる。この期間ではフォトダイオードと蓄積部との間の第１の転送部であるＴＸ１にはポテンシャル障壁が形成されていないので、フォトダイオードで発生した電荷はＯＦＤまたは蓄積部へと移動する。図７には示していないが、信号ＲＥＳがハイレベルであることから、ＦＤに移動した電荷は画素電源線へと排出される。

続く時刻ｔ１に信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がハイレベルに、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がローレベルに遷移し、画素のポテンシャル状態は図７（ｃ）に示すようになる。ここでは第３の転送部であるＴＸ３にポテンシャル障壁が形成され、第２の転送部であるＴＸ２に形成されていたポテンシャル障壁がなくなる。従って、フォトダイオードで発生した電荷は第１の転送部、蓄積部、および第２の転送部を介してＦＤ部へと移動する。

時刻ｔ２に信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）がローレベルに遷移すると、第２の転送部であるＴＸ２にポテンシャル障壁が形成される。このときの画素のポテンシャル状態は図７（ｄ）に示すようなものになる。図から明らかなように、この状態ではフォトダイオードで発生した電荷はフォトダイオードから蓄積部までの領域に留まるので、時刻ｔ２を以って画素の蓄積時間すなわち画素が電荷を蓄積する動作の開始を規定することができる。

蓄積時間が開始した後の時刻ｔ３に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルに遷移すると、第１の転送部であるＴＸ１にポテンシャル障壁が形成される。しかし、図７（ｅ）に示すように、ＴＸ１に形成されるポテンシャル障壁は、ＴＸ３に形成されるポテンシャル障壁よりも低いので、フォトダイオードで発生した電荷のうち、ＴＸ１に形成されるポテンシャル障壁を超えるものは蓄積部に移動する。

時刻ｔ４に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）が再びハイレベルになると、画素のポテンシャル状態は図７（ｆ）に示すようなものになり、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間にＴＸ１に形成されたポテンシャル障壁を超えなかった電荷が蓄積部へと移動する。

そして、時刻ｔ５に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）がローレベルに遷移し、これと入れ替わりに信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がハイレベルに遷移する。このときの画素のポテンシャル状態は図７（ｇ）に示すようになっており、第１の転送部であるＴＸ１にポテンシャル障壁が形成され、第３の転送部であるＴＸ３に形成されたポテンシャル障壁がなくなる。従って、フォトダイオードで発生する電荷は蓄積部へは移動せずに、ＯＦＤに排出されるので、このタイミングを以って画素の蓄積時間の終了を規定することができる。

その後、時刻ｔ６〜時刻ｔ８の信号ＲＥＳ（ｎ）がローレベルとなっている期間に、信号ＴＸ２（ｎ）が時刻ｔ７にハイレベルとなると、ｎ行目の各画素の蓄積部に保持された電荷が第２の転送部ＴＸ２を介してＦＤ領域へと転送される。少なくともこのタイミングでは選択部がオン状態となっているので、増幅トランジスタと定電流源とで形成されるソースフォロワ回路により、ＦＤ領域に転送された電荷量に応じたレベルが垂直信号線に現れる。垂直信号線に現れたレベルに応じた信号は出力回路から出力される。

ｎ＋１行目およびｎ＋２行目の画素についても同様の動作が行われ、それぞれの行の画素についても同様の動作が行われ、それぞれの行の画素に応じた信号が出力回路から出力される。以上で面内同期型電子シャッタを実現する１フレーム分の動作が完了する。

図４に示した動作においては、各行の画素から信号を読み出す期間を除いて信号ＲＥＳがハイレベルとなっているが、信号ＴＸ２がハイレベルとなる前に、信号ＲＥＳをパルス状にハイレベルにしてもよい。

本実施形態に係る駆動方法では、信号ＴＸ３がローレベルであり、かつ、信号ＴＸ１およびＴＸ２がハイレベルである状態において、信号ＴＸ２をローレベルに遷移させることで画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させる。さらに信号ＴＸ１をローレベルにする。本実施形態に係る駆動方法によれば、フォトダイオードが蓄積できるよりも多くの電荷がフォトダイオードで発生しても、蓄積時間の開始を好適に規定することができる。また、本実施例によれば、暗電流並びに入射光の影響の違いを低減することができる。

（その他）
図８は撮像システムの概略構成を示す図であり、は、例えば、光学部７１１、固体撮像装置７００、信号処理回路部７０８、記録・通信部７０９、タイミング発生器７０６、ＣＰＵ７０７、再生・表示部７１０、操作部７１２を含む。

レンズなどの光学系である光学部７１１は、被写体からの光を固体撮像装置７００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部７０１に結像させ、被写体の像を形成する。画素部には先述の撮像領域が含まれる。固体撮像装置７００は、タイミング発生器７０６からの信号に基づくタイミングで、画素部７０１に結像された光に応じた信号を出力する。

固体撮像装置７００は、図１の撮像領域に対応する画素部７０１及び、画素部７０１の各画素から垂直信号線に出力された信号を一時的に保持する保持部を備える水平読み出し回路７０５を含む。水平読み出し回路７０５には、図１の出力回路１０４に対応する出力部が含まれても良い。固体撮像装置７００はさらに画素部の画素の行を選択する垂直走査回路７０２及び、水平読み出し回路７０５からセンサ信号出力として信号を出力するように制御する水平走査回路７０３とを含む。

固体撮像装置７００から出力された信号は、信号処理部である信号処理回路部７０８に入力され、信号処理回路部７０８が、プログラムなどによって定められた方法に従って、入力された電気信号に対してＡＤ変換などの処理を行う。信号処理回路部７０８での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部７０９に送られる。記録・通信部７０９は、画像を形成するための信号を再生・表示部７１０に送り、再生・表示部１７０に動画や静止画像が再生・表示させる。記録通信部７０９は、信号処理回路部７０８からの信号を受けて、ＣＰＵ７０７とも通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

ＣＰＵ７０７は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部７１１、タイミング発生器７０６、記録・通信部７０９、及び再生・表示部７１０の駆動を制御するための制御信号を出力する。また、ＣＰＵ７０７は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラムなどが記録される。ＣＰＵ７０７は、駆動モード指示信号及び撮影指示信号をタイミング発生器７０６に対して出力する。なお、駆動モード指示信号及び撮影指示信号は互いに異なる信号ではなく、単一の信号であっても良い。

タイミング発生器７０６はＣＰＵから駆動モード指示信号及び撮影指示信号を受けると、その信号に応じた駆動モードで固体撮像装置７００を動作させるように、垂直走査回路７０２及び水平走査回路７０３に対して信号を供給する。

例えばＣＰＵ７０７が、面内同期型電子シャッタに係る駆動モードにより撮影を行うようにタイミング発生器７０６に駆動モード指示信号及び撮影指示信号を供給する。これによりタイミング発生器７０６は面内同期型電子シャッタに係る動作を行うための信号を固体撮像装置７００に供給する。これを受けて固体撮像装置７００は例えば図４に示したタイミングで駆動され、撮像面内で蓄積時刻が同時である信号を信号処理回路部７０８へと出力する。

また、例えばＣＰＵ７０７が、ローリング電子シャッタに係る駆動モードにより撮影を行うようにタイミング発生器７０６に駆動モード指示信号及び撮影指示信号を供給する。これによりタイミング発生器７０６はローリング電子シャッタに係る動作を行うための信号を固体撮像装置７００に供給する。これを受けて固体撮像装置７００は例えば図８に示したタイミングで駆動され、撮像面内での蓄積時刻が画素の行毎に異なる信号を信号処理回路部７０８へと出力する。

操作部７１２はユーザが操作するインターフェースであり、ユーザが操作することに応じた操作信号をＣＰＵ７０７へと出力する。より具体的には、動画を撮影するモードや静止画を撮影するモードなどを切り替えたり、シャッタのタイミングを決定したりすることができる。

再生・表示部７１０は入力された画像データを画像として表示するためのもので、例えば記録・通信部７０８を介して不図示の記録媒体に保持された画像データを画像として表示することができる。また、後述する電子ビューファインダ（ＥＶＦ）として用いる場合には、記録・通信部７０８を介することなく信号処理回路部７０８から供給された画像データを画像として表示することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図 本発明の実施形態に係る画素の等価回路図 図２に係る画素の断面図 第１の実施形態に係るタイミングチャート 第１の実施形態に係る画素のポテンシャル状態を示す図 第２の実施形態に係るタイミングチャート 第２の実施形態に係る画素のポテンシャル状態を示す図 撮像システムの概略構成を示す図 特許文献２の図６を引用した図 特許文献１の図２を引用した図 特許文献１の図５を引用した図

符号の説明

２ フォトダイオード（ＰＤ）
４ 浮遊拡散領域（ＦＤ）
８ 第１転送スイッチ
９ 第２転送スイッチ
１０ リセットトランジスタ
１１ 選択トランジスタ
１２ 増幅トランジスタ
１３ 第３転送スイッチ
２１ 画素
１００ 固体撮像装置
１０１ 撮像領域
１０２ 垂直走査回路
１０３ 水平走査回路
１０４ 出力回路
７００ 固体撮像装置
７０１ 画素部
７０２ 垂直走査回路
７０３ 水平走査回路
７０５ 水平読み出し回路
７０６ タイミング発生器
７０７ ＣＰＵ
７０８ 信号処理回路部
７０９ 記録・通信部
７１０ 再生・表示部
７１１ 光学部
７１２ 操作部

Claims (12)

1. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部と前記蓄積部とを接続する第１の転送部と、
   前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、
   前記光電変換部と電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、
   前記第１の転送部にポテンシャル障壁が形成され、かつ、前記第３の転送部にポテンシャル障壁がない状態において、前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態から該ポテンシャル障壁を形成し、
   さらに、前記第３の転送部にポテンシャル障壁を形成させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、
   前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、
   前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、
   前記第１の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第３の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態で、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させ、
   さらに、前記第３の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
3. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部と前記蓄積部とを接続する第１の転送部と、
   前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、
   前記光電変換部と電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間の一部において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、
   前記第３の転送部にポテンシャル障壁が形成され、かつ、前記第１および第２の転送部にポテンシャル障壁がない状態において、前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態から該ポテンシャル障壁を形成することで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始し、
   さらに、前記第１の転送部にポテンシャル障壁を形成することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
4. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、
   前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法において、
   前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、
   前記第３の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第１および第２の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態において、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させ、
   さらに、前記第１の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記画素が電荷を蓄積する動作を、前記画素部の全画素で同時に開始させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散部と電源とを接続するリセット部をさらに備え、
   前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態においては、前記リセット部にはポテンシャル障壁が存在しないようにすることを特徴とする請求項１または３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散部と電源とを接続するためのリセットトランジスタをさらに備え、
   前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給される信号がハイレベルである状態においては、前記リセットトランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給することを特徴とする請求項２または４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、
   前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部と、
   前記第１ないし第３の転送トランジスタの制御電極に対して信号を供給する制御部と、を有する固体撮像装置において、
   前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、
   前記制御部は、
   前記第１の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第３の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態で、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させ、
   さらに、前記第３の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させることを特徴とする固体撮像装置。
9. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   電荷を蓄積する蓄積部と、
   該光電変換部で発生した電荷を前記蓄積部に転送するための第１の転送トランジスタと、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を浮遊拡散部に転送するための第２の転送トランジスタと、
   前記光電変換部で発生した電荷を電源に転送するための第３の転送トランジスタと、を含む画素を行列状に複数配した画素部と、
   前記第１ないし第３の転送トランジスタの制御電極に対して信号を供給する制御部と、を有する固体撮像装置において、
   前記第１の転送トランジスタは埋め込みチャネル型のトランジスタであり、
   前記制御部は、
   前記第３の転送トランジスタの制御電極にローレベルの信号を供給し、かつ、前記第１および第２の転送トランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給する状態において、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をハイレベルからローレベルに遷移させることで前記画素が電荷を蓄積する動作を行列状に配された画素の複数のラインで同時に開始させ、
   さらに、前記第１の転送トランジスタの制御電極に供給する信号をローレベルに遷移させることを特徴とする固体撮像装置。
10. 前記制御部は、前記画素が電荷を蓄積する動作を、前記画素部の全画素で同時に開始させることを特徴とする請求項８または９に記載の固体撮像装置。
11. 前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散部と電源とを接続するリセット部をさらに備え、
    前記制御部は、前記第２の転送部にポテンシャル障壁が存在しない状態においては、前記リセット部にはポテンシャル障壁が存在しないようにすることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の制御方法。
12. 前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散部と電源とを接続するためのリセットトランジスタをさらに備え、
    前記制御部は、前記第２の転送トランジスタの制御電極に供給される信号がハイレベルである状態においては、前記リセットトランジスタの制御電極にハイレベルの信号を供給することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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