JP2002185871A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

固体撮像素子及びその駆動方法

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JP2002185871A JP2000377573A JP2000377573A JP2002185871A JP 2002185871 A JP2002185871 A JP 2002185871A JP 2000377573 A JP2000377573 A JP 2000377573A JP 2000377573 A JP2000377573 A JP 2000377573A JP 2002185871 A JP2002185871 A JP 2002185871A
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electrode
conversion element
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Koichi Harada
耕一 原田
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各光電変換素子の感度の空間パターンに自由
度を持たせることができ、広いダイナミックレンジと、
高い動解像度とを有し、微細化に適した構造の固体撮像
素子及びその駆動方法を提供する。 【解決手段】 第３の転送電極２３を垂直転送レジスタ
２５と平行に配置し、第２の転送電極２２を垂直転送レ
ジスタ２５と垂直に配置すると共に、それぞれ読み出し
ゲート部２４上にも形成して光電変換素子１１から信号
電荷を読み出す駆動電圧を供給し、これら第３及び第２
の転送電極２３，２２の両方から供給される駆動電圧に
よって信号電荷の垂直転送レジスタ２５への読み出しが
行われ、信号電荷の読み出しが行われる部分では読み出
しゲート部２４側の転送電極２３と光電変換素子１１の
センサ領域２とが隣接して形成され、信号電荷の読み出
しが行われない部分では読み出しゲート部２４側の転送
電極２３と光電変換素子１１のセンサ領域２との間にオ
フセット領域２７Ａを設けた固体撮像素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換素子が２
次元配列された固体撮像素子例えばＣＣＤ固体撮像素子
及びその駆動方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣＤ固体撮像素子を用いたイメージセ
ンサ（以下ＣＣＤイメージセンサと称する）において、
ダイナミックレンジを向上させるため、異なる感度の光
電変換素子を利用して画像を撮像して、合成させる手法
が提案されている。
【０００３】第１の手法は、光学的に複数の透過率の異
なる光軸に分岐させた入射光をそれぞれの光軸上に配置
させたＣＣＤイメージセンサで計測する手法である（特
開平８−２２３４９１号、特開平７−２５４９６５号、
特開平７−２５４９６６号、特開平８−３４０４８６
号、特開平１０−６９０１１号、米国特許５８０１７７
３号等参照）。
【０００４】第２の手法は、１つのＣＣＤイメージセン
サを用いて、露光時間を分割し、異なる時刻で、かつ、
異なる時間幅で、複数枚の画像を撮像した後、それらを
合成する手法である（特開平８−３３１４６１号、特開
平７−２５４９６５号、米国特許５４２０６３５号、米
国特許５４５５６２１号、特開平６−１４１２２９号、
米国特許５８０１７７３号、米国特許５６３８１１８
号、米国特許５３０９２４３号等参照）。
【０００５】第３の手法は、１つのＣＣＤイメージセン
サを用いて、ＣＣＤイメージセンサの各光電変換素子の
感度を異なるようにして撮像した後、複数の異なる感度
の光電変換素子で計測された信号を合成させる手法であ
り、米国特許５７８９７３７号、特開昭５９−２１７３
５８号、米国特許５４２０６３５号に記載されている。
これら先行技術の刊行物においては、１つのＣＣＤイメ
ージセンサ内の光電変換素子の感度を変える手段とし
て、各光電変換素子の上に透過率の異なるフィルタを張
ることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
手法は、複数のＣＣＤイメージセンサと、光を分岐させ
る複雑な光学系が必要となるため、製造コストや装置の
規模が大きくなってしまうという課題があった。
【０００７】また、第２の手法は、異なる感度で計測さ
れた情報が異なる時刻で、かつ異なる時間幅で得られる
ことになるため、動きのある被写体の画像を正しく撮像
することが難しく、動解像度を高くすることができない
という課題があった。
【０００８】さらに、第３の手法は、上記の２つの手法
とは異なり、装置が複雑になるといった課題や、動解像
度を高くすることができないといった課題を解消するこ
とができる。しかしながら、第３の手法は、透過率の異
なるフィルタを張ることによる感度制御がなされるの
で、ＣＣＤイメージセンサの製造時に各光電変換素子の
感度が固定されることになるため、可変制御することが
できなくなり、ダイナミックレンジ拡大率を状況に合わ
せて可変に制御することが困難になるという課題があっ
た。
【０００９】この各光電変換素子の感度が固定されるこ
とにより、ダイナミックレンジ拡大率を状況に合わせて
可変に制御することが困難になるという課題に対して、
特開平９−１９１０９９号には、第１の蓄積時間の後
に、選択された列の信号を読み出し、その後電子シャッ
タをかけ、続く第２の蓄積時間の後に、上記列以外の列
の信号を読み出すことによりダイナミックレンジを拡大
することが記載されている。しかしながら、この手法で
も、フィルタを張る手法と同様に感度の空間パターンの
設計に自由度がないという問題があり、例えば、垂直方
向に３種類以上の複数の露光時間を有する信号を得るこ
とができないという課題があった。
【００１０】また、第１の蓄積時間と第２の蓄積時間と
は互いに電子シャッタによる電荷掃き出しによって時間
的に分離されているため、第１の蓄積時間で電荷を読み
出す列と第２の蓄積時間で電荷を読み出す列とで撮像の
タイミングが異なる。このため、前述した第２の手法と
同様に動解像度を高くすることができない。
【００１１】また、上述のＣＣＤイメージセンサに用い
られるＣＣＤ固体撮像素子において、多画素化や小型化
を図るために、各画素のユニットセルのさらなる微細化
が求められている。
【００１２】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、各光電変換素子の感度の空間パターンに自由度
を持たせることができ、広いダイナミックレンジと、高
い動解像度とを有し、微細化に適した構造の固体撮像素
子及びその駆動方法を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、２次元配列された複数の光電変換素子と、この複数
の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲ
ート部と、このゲート部により読み出された信号電荷を
垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、この複
数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方
向に転送する水平転送レジスタとを有し、垂直転送レジ
スタにそれぞれ垂直方向に信号電荷の転送を行うための
駆動電圧が供給される第１の転送電極及び第２の転送電
極を少なくとも有し、第１の転送電極は垂直転送レジス
タと平行に配置され、第２の転送電極は垂直転送レジス
タと垂直に配置され、第１の転送電極及び第２の転送電
極がゲート部上にも形成されて光電変換素子から信号電
荷を読み出すための駆動電圧が供給され、これら第１の
転送電極及び第２の転送電極の両方から供給される駆動
電圧により、光電変換素子で光電変換された信号電荷の
垂直転送レジスタへの読み出しが行われ、信号電荷の垂
直転送レジスタへの読み出しが行われる部分では光電変
換素子のゲート部側の第１の転送電極又は第２の転送電
極と光電変換素子のセンサ領域とが隣接して形成され、
信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われない
部分では光電変換素子のゲート部側の転送電極と光電変
換素子のセンサ領域との間にオフセット領域が設けられ
たものである。
【００１４】本発明の固体撮像素子の駆動方法は、２次
元配列された複数の光電変換素子と、この複数の光電変
換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部
と、このゲート部により読み出された信号電荷を垂直方
向に転送する複数の垂直転送レジスタと、この複数の垂
直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転
送する水平転送レジスタとを有し、垂直転送レジスタに
第１の転送電極及び第２の転送電極を少なくとも有する
固体撮像素子に対して、第１の転送電極及び第２の転送
電極にそれぞれ垂直方向に信号電荷の転送を行うための
駆動電圧を供給すると共に光電変換素子から信号電荷を
読み出すための駆動電圧も供給して、これら第１の転送
電極及び第２の転送電極の両方から供給される駆動電圧
により複数の光電変換素子に対して列毎に又は／及び行
毎に独立して光電変換素子で光電変換された信号電荷の
垂直転送レジスタへの読み出し動作を行うものである。
【００１５】上述の本発明の固体撮像素子の構成によれ
ば、第１の転送電極及び第２の転送電極の両方から供給
される駆動電圧により、光電変換素子で光電変換された
信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われるこ
とにより、いわゆるＡＮＤ型の固体撮像素子が構成され
る。また、信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが
行われる部分では光電変換素子のゲート部側の第１の転
送電極又は第２の転送電極と光電変換素子のセンサ領域
とが隣接して形成されたことにより、隣接したセンサ領
域と転送電極との間で信号電荷の読み出しを行うことが
できる。さらに、信号電荷の垂直転送レジスタへの読み
出しが行われない部分では光電変換素子のゲート部側の
転送電極と光電変換素子のセンサ領域との間にオフセッ
ト領域が設けられたことにより、信号電荷の読み出しが
行われず、オフセット領域の有無で信号電荷の読み出し
が行われるか行われないかの区別がなされる。
【００１６】上述の本発明の固体撮像素子の駆動方法に
よれば、第１の転送電極及び第２の転送電極の両方から
供給される駆動電圧により読み出し動作を行うので、い
わゆるＡＮＤ型の動作がなされる。また、複数の光電変
換素子に対して列毎に又は／及び行毎に独立して光電変
換素子で光電変換された信号電荷の垂直転送レジスタへ
の読み出し動作を行うことにより、光電変換素子の信号
電荷の蓄積時間を列毎に又は／及び行毎に独立して変え
て、蓄積時間の異なる信号を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明は、２次元配列された複数
の光電変換素子と、複数の光電変換素子で光電変換され
た信号電荷を読み出すゲート部と、ゲート部により読み
出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送
レジスタと、複数の垂直転送レジスタから転送された信
号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタとを有
し、垂直転送レジスタにそれぞれ垂直方向に信号電荷の
転送を行うための駆動電圧が供給される第１の転送電極
及び第２の転送電極を少なくとも有し、第１の転送電極
は垂直転送レジスタと平行に配置され、第２の転送電極
は垂直転送レジスタと垂直に配置され、第１の転送電極
及び第２の転送電極がゲート部上にも形成されて光電変
換素子から信号電荷を読み出すための駆動電圧が供給さ
れ、第１の転送電極及び第２の転送電極の両方から供給
される駆動電圧により、光電変換素子で光電変換された
信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われ、信
号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われる部分
では光電変換素子のゲート部側の第１の転送電極又は第
２の転送電極と光電変換素子のセンサ領域とが隣接して
形成され、信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが
行われない部分では光電変換素子のゲート部側の転送電
極と光電変換素子のセンサ領域との間にオフセット領域
が設けられた固体撮像素子である。
【００１８】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、光電変換素子のゲート部とは反対側の垂直転送レジ
スタの第１の転送電極及び第２の転送電極と、光電変換
素子のセンサ領域との間にもオフセット領域が設けられ
た構成とする。
【００１９】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われ
る部分では、光電変換素子のゲート部側の転送電極が光
電変換素子のセンサ領域側に延出して形成された構成と
する。
【００２０】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、信号電荷の垂直転送レジスタへの読み出しが行われ
る部分では、光電変換素子のセンサ領域がゲート部側に
延出して形成された構成とする。
【００２１】本発明は、２次元配列された複数の光電変
換素子と、複数の光電変換素子で光電変換された信号電
荷を読み出すゲート部と、ゲート部により読み出された
信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタ
と、複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を
水平方向に転送する水平転送レジスタとを有し、垂直転
送レジスタに、第１の転送電極及び第２の転送電極を少
なくとも有する固体撮像素子に対して、第１の転送電極
及び第２の転送電極にそれぞれ垂直方向に信号電荷の転
送を行うための駆動電圧を供給すると共に、第１の転送
電極及び第２の転送電極に光電変換素子から信号電荷を
読み出すための駆動電圧も供給して、第１の転送電極及
び第２の転送電極の両方から供給される駆動電圧により
複数の光電変換素子に対して列毎に又は／及び行毎に独
立して光電変換素子で光電変換された信号電荷の垂直転
送レジスタへの読み出し動作を行う固体撮像素子の駆動
方法である。
【００２２】本発明の具体的な実施の形態に先立ち、本
発明の概要について説明する。本発明は、２次元配列さ
れた複数の光電変換素子（センサ）と、複数の光電変換
素子（センサ）で光電変換された信号電荷を読み出すゲ
ート部と、ゲート部により読み出された信号電荷を垂直
方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、複数の垂直
転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送
する水平転送レジスタとを有する固体撮像素子に適用さ
れるものである。
【００２３】ここで、先に提案した固体撮像素子の概略
構成図（要部平面図）を図９に示す。このＣＣＤ固体撮
像素子は、２次元配列された複数の光電変換素子即ちセ
ンサ１１を有して成り、各センサ１１列の一側に第１層
の多結晶シリコンから成る転送電極２１と第２層の多結
晶シリコンから成る転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）が
配置されている。そして、この転送電極２１，２２に対
応して、各センサ１１列の一側に垂直転送レジスタ２５
が設けられている。さらに、第１層及び第２層の転送電
極２１，２２の上方に、垂直転送レジスタ２５に平行に
第３層の転送電極２３（２３Ａ，２３Ｂ）が配置されて
いる。センサ１１とその左の垂直転送レジスタ２５との
間には、センサ１１で光電変換された信号電荷を読み出
す読み出しゲート部２４があり、センサ１１とその右の
垂直転送レジスタ２５との間には、各センサ列を分離す
るためのチャネルストップ領域２６がある。
【００２４】読み出しゲート部２４により、センサ１１
で光電変換された信号電荷はセンサ１１の左側の垂直転
送レジスタ２５に読み出される。そして読み出された信
号電荷は、垂直転送レジスタ２５において垂直方向に転
送される。尚、垂直転送レジスタ２５の端部には、垂直
転送レジスタ２５から転送された信号電荷を水平方向に
転送する水平転送レジスタ（図示せず）が設けられる。
【００２５】第１層の多結晶シリコンから成る転送電極
２１は、垂直方向のセンサ１１間において水平方向に延
びる導線部と、垂直転送レジスタ２５に沿って図中下側
に突出する電極部とから構成される。第２層の多結晶シ
リコンから成る転送電極２２Ａ，２２Ｂは、垂直方向の
センサ１１間において水平方向に延びる導線部と、垂直
転送レジスタ２５に沿って図中上側に突出する電極部と
から構成されている。この第２層の多結晶シリコンから
成る転送電極２２Ａ，２２Ｂの電極部は、特に読み出し
ゲート部２４において垂直方向図中上側に延長部２２Ｃ
を有し、この延長部２２Ｃが１つ上側の第１層の転送電
極２１上にまで達している。
【００２６】第１層の多結晶シリコンから成る転送電極
２１には、第１相の垂直転送クロックφＶ１が供給され
る。第２層の多結晶シリコンから成る転送電極２２Ａ，
２２Ｂには、それぞれ第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂが供給される。第３層の多結晶シリコンか
ら成る転送電極２３Ａ，２３Ｂには、それぞれ第３相の
垂直転送クロックφＶ３Ａ，φＶ３Ｂが供給される。こ
れらの垂直転送クロックにより、各層の転送電極２１，
２２（２２Ａ，２２Ｂ），２３（２３Ａ，２３Ｂ）にお
いて、３相駆動で信号電荷の垂直転送が行われるように
構成されている。
【００２７】また、第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂ及び第３相の垂直転送クロックφＶ３Ａ，
φＶ３Ｂは、垂直転送レジスタ２５内で信号電荷を垂直
転送するための駆動電圧を供給するだけでなく、センサ
１１で光電変換された信号電荷を垂直転送レジスタ２５
に読み出すための高いレベルの駆動電圧も供給するもの
である。
【００２８】そして、読み出しゲート部２４において、
第２層の多結晶シリコンから成る転送電極２２Ａ又は２
２Ｂと、第３層の多結晶シリコンから成る転送電極２３
Ａ又は２３Ｂとの両方に対して、それぞれ第２相の垂直
転送クロックφＶ２Ａ又はφＶ２Ｂと第３相の垂直転送
クロックφＶ３Ａ又はφＶ３Ｂにより信号電荷を読み出
すための高いレベルの駆動電圧が供給される場合に、セ
ンサ１１において光電変換された信号電荷が垂直転送レ
ジスタ２５に読み出される。即ちいわゆるＡＮＤ型のＣ
ＣＤ固体撮像素子を構成している。
【００２９】転送電極２２Ａに供給される垂直転送クロ
ックφＶ２Ａと、転送電極２２Ｂに供給される垂直転送
クロックφＶ２Ｂとにおいて、上述の高いレベルの駆動
電圧が供給されるタイミングを異ならせれば、複数のセ
ンサ１１の信号電荷を行毎に読み出すように制御するこ
とができる。同様に、転送電極２３Ａに供給される垂直
転送クロックφＶ３Ａと、転送電極２３Ｂに供給される
垂直転送クロックφＶ３Ｂとにおいて、上述の高いレベ
ルの駆動電圧が供給されるタイミングを異ならせれば、
複数のセンサ１１の信号電荷を列毎に読み出すように制
御することができる。
【００３０】さらに、第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂと第３相の垂直転送クロックφＶ３Ａ，φ
Ｖ３Ｂの組み合わせにより、複数のセンサ１１の信号電
荷を行毎にかつ列毎に読み出すように制御することがで
き、第１群のセンサ１１Ａ、第２群のセンサ１１Ｂ、第
３群のセンサ１１Ｃ、第４群のセンサ１１Ｄの読み出す
タイミングを変えて蓄積時間を異ならせることが可能に
なる。即ち光電変換素子に蓄積された信号電荷を画素毎
に独立に読み出すことが可能になる。
【００３１】ところで、この図９に示す構成の場合に
は、読み出しゲート部２４にある第２層の転送電極２２
Ａ，２２Ｂの電極部の延長部２２Ｃが比較的狭い幅に形
成されいる。この延長部２２Ｃは、第３相の転送電極２
３（２３Ａ，２３Ｂ）との位置合わせ等を考慮した幅を
確保する必要性があり、これ以上狭くすることが困難に
なっている。このため、ユニットセルの微細化が難しく
なり、今後のＣＣＤ固体撮像素子の多画素化や小型化に
対応することが難しくなる。
【００３２】そこで、本発明では、図９のＣＣＤ固体撮
像素子と同様のＡＮＤ型の動作が可能であり、かつユニ
ットセルの微細化を容易にする構造の固体撮像素子を構
成するものである。
【００３３】本発明の一実施の形態としてＣＣＤ固体撮
像素子の概略構成図（要部の平面図）を図１に示す。ま
た、図１のＡ−Ａにおける断面図を図２Ａに示し、図１
のＢ−Ｂにおける断面図を図２Ｂに示し、図１のＣ−Ｃ
における断面図を図２Ｃに示す。このＣＣＤ固体撮像素
子は、２次元配列された複数の光電変換素子即ちセンサ
１１を有して成り、各センサ１１列の一側に垂直転送レ
ジスタ２５が設けられている。
【００３４】垂直転送レジスタ２５には、第１層の多結
晶シリコンから成る転送電極２１と第２層の多結晶シリ
コンから成る転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）が配置さ
れている。そして、この転送電極２１，２２に対応し
て、各センサ１１列の一側にさらに、第１層及び第２層
の転送電極２１，２２の上方に、垂直転送レジスタ２５
に平行に第３層の転送電極２３（２３Ａ，２３Ｂ）が配
置されている。センサ１１とその左の垂直転送レジスタ
２５との間には、センサ１１で光電変換された信号電荷
を読み出す読み出しゲート部２４があり、センサ１１と
その右の垂直転送レジスタ２５との間には、図１中斜線
を付して示すように、各センサ列を分離するためのチャ
ネルストップ領域２６がある。
【００３５】読み出しゲート部２４により、センサ１１
で光電変換された信号電荷はセンサ１１の左側の垂直転
送レジスタ２５に読み出される。そして読み出された信
号電荷は、垂直転送レジスタ２５において垂直方向に転
送される。尚、垂直転送レジスタ２５の端部には、垂直
転送レジスタ２５から転送された信号電荷を水平方向に
転送する水平転送レジスタ（図示せず）が設けられる。
【００３６】第１層の多結晶シリコンから成る転送電極
２１には、第１相の垂直転送クロックφＶ１が供給され
る。第２層の多結晶シリコンから成る転送電極２２Ａ，
２２Ｂには、それぞれ第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂが供給される。第３層の多結晶シリコンか
ら成る転送電極２３Ａ，２３Ｂには、それぞれ第３相の
垂直転送クロックφＶ３Ａ，φＶ３Ｂが供給される。こ
れらの垂直転送クロックにより、各層の転送電極２１，
２２（２２Ａ，２２Ｂ），２３（２３Ａ，２３Ｂ）にお
いて、３相駆動で信号電荷の垂直転送が行われるように
構成されている。
【００３７】また、第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂ及び第３相の垂直転送クロックφＶ３Ａ，
φＶ３Ｂは、垂直転送レジスタ２５内で信号電荷を垂直
転送するための駆動電圧を供給するだけでなく、センサ
１１で光電変換された信号電荷を垂直転送レジスタ２５
に読み出すための高いレベルの駆動電圧も供給するもの
である。
【００３８】そして、読み出しゲート部２４において、
第２層の多結晶シリコンから成る転送電極２２Ａ又は２
２Ｂと、第３層の多結晶シリコンから成る転送電極２３
Ａ又は２３Ｂとの両方に対して、それぞれ第２相の垂直
転送クロックφＶ２Ａ又はφＶ２Ｂと第３相の垂直転送
クロックφＶ３Ａ又はφＶ３Ｂにより信号電荷を読み出
すための高いレベルの駆動電圧が供給される場合に、セ
ンサ１１において光電変換された信号電荷が垂直転送レ
ジスタ２５に読み出される。即ち図９に示したＣＣＤ固
体撮像素子と同様に、いわゆるＡＮＤ型のＣＣＤ固体撮
像素子を構成している。
【００３９】図２に示す断面構造を見ると、半導体基体
１の表面付近に、Ｎ+ 不純物領域２とＰ+ の正電荷蓄積
領域３と転送チャネル５が形成されている。Ｎ+ 不純物
領域２及びＰ+ の正電荷蓄積領域３によりセンサ１１の
フォトダイオードが構成され、転送チャネル５とその上
方の転送電極２１，２２，２３により垂直転送レジスタ
２５が構成される。半導体基体１は、例えば半導体基
板、或いは半導体基板とその上の半導体エピタキシャル
層によって構成される。チャンネルストップ領域２６
は、半導体基体１に形成されたＰ型不純物領域により構
成されている。
【００４０】そして、図２Ａの断面図に示すように、第
１層の転送電極２１、第２層の転送電極２２（２２Ａ，
２２Ｂ）、第３層の転送電極２３（２３Ａ）が、順に繰
り返して転送チャネル５に臨むように配置されている。
【００４１】本実施の形態においては、特にセンサ１１
と、読み出しゲート部２４があるセンサ１１の左側の第
２層の多結晶シリコンから成る転送電極２２Ａ，２２Ｂ
及び第３層の多結晶シリコンから転送電極２３Ａ，２３
Ｂとの構成が、図９に示したＣＣＤ固体撮像素子とは異
なっている。
【００４２】即ち第１層の多結晶シリコンから成る転送
電極２１は、垂直方向のセンサ１１間において水平方向
に延びて形成されている。第２層の多結晶シリコンから
成る転送電極２２Ａ，２２Ｂは、垂直方向のセンサ１１
間において水平方向に延びる導線部と、垂直転送レジス
タ２５に沿って図中下側に突出する電極部とから構成さ
れている。読み出しゲート部２４は、この第２層の多結
晶シリコンから成る転送電極２２Ａ，２２Ｂの電極部が
ある部分に形成されている。第３層の多結晶シリコンか
ら成る転送電極２３Ａ，２３Ｂは、読み出しゲート部２
４において、センサ１１側に延出して形成され、この延
出した延長部２３Ｃがセンサ１１に隣接している。即ち
図２Ｂの断面図にも示すように、この延長部２３Ｃが第
２層の転送電極２２Ａに覆い被さるように形成され、セ
ンサ１１に臨むようになっている。これにより、第２層
の転送電極２２Ａ，２２Ｂと第３層の転送電極２３Ａ，
２３Ｂの延長部２３Ｃに共に前述した高いレベルの駆動
電圧が供給されたときに、読み出しゲート部２４におい
てセンサ１１から信号電荷が垂直転送レジスタ２５に読
み出される。
【００４３】一方、センサ１１の左側の読み出しゲート
部２４でない部分、即ち信号電荷の読み出しが行われな
い部分２７においては、図１中斜線を付したセンサ１１
のＮ + 不純物領域２と、第３層の多結晶シリコンから成
る転送電極２３Ａ，２３Ｂとが間をおいて形成され、オ
フセット領域２７Ａが形成されている。また、図１中ド
ットを付したセンサ１１のＰ+ の正電荷蓄積領域３は第
３層の転送電極２３Ａ，２３Ｂに隣接して形成されてい
る。即ち図２Ｃの断面図にも示すように、センサ１１の
Ｎ+ 不純物領域２が第３層の転送電極２３Ａ，２３Ｂに
対して後退して形成されて、その間の部分がオフセット
領域２７Ａとなっている。センサ１１のＮ+ 不純物領域
（センサ領域）２と第３層の転送電極２３Ａ，２３Ｂの
間にオフセット領域２７Ａがあることにより、この部分
２７ではセンサ１１から信号電荷の読み出しが行われな
い。
【００４４】転送電極２２Ａに供給される垂直転送クロ
ックφＶ２Ａと、転送電極２２Ｂに供給される垂直転送
クロックφＶ２Ｂとにおいて、上述の高いレベルの駆動
電圧が供給されるタイミングを異ならせれば、複数のセ
ンサ１１の信号電荷を行毎に読み出すように制御するこ
とができる。同様に、転送電極２３Ａに供給される垂直
転送クロックφＶ３Ａと、転送電極２３Ｂに供給される
垂直転送クロックφＶ３Ｂとにおいて、上述の高いレベ
ルの駆動電圧が供給されるタイミングを異ならせれば、
複数のセンサ１１の信号電荷を列毎に読み出すように制
御することができる。
【００４５】さらに、第２相の垂直転送クロックφＶ２
Ａ，φＶ２Ｂと第３相の垂直転送クロックφＶ３Ａ，φ
Ｖ３Ｂの組み合わせにより、複数のセンサ１１の信号電
荷を行毎にかつ列毎に読み出すように制御することがで
きる。即ち光電変換素子に蓄積された信号電荷を画素毎
に独立に読み出すことが可能になる。図１の場合には、
２画素×２画素の繰り返し単位で、各画素毎に独立して
露光時間を設定することができ、これにより、第１群の
センサ１１Ａ、第２群のセンサ１１Ｂ、第３群のセンサ
１１Ｃ、第４群のセンサ１１Ｄの読み出すタイミングを
変えて蓄積時間を異ならせることが可能になる。
【００４６】従って、各群のセンサ１１Ａ，１１Ｂ，１
１Ｃ，１１Ｄで露光時間の異なる信号を得て、これらの
信号を用いて、いわゆるＳＶＥ（Spatially Varying ex
posure）方式即ち各センサ（光電変換素子）の露光時間
を、センサ毎にいくつかのパターンで変化させる露光方
式で撮像を行うことができ、この方式によりダイナミッ
クレンジが拡大された信号を得ることができる。
【００４７】図３を参照して、図１に示すＣＣＤ固体撮
像素子において、このＳＶＥ方式の動作の一形態につい
て説明する。図３において、φＳＵＢは基板電圧の駆動
波形を示す。１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは各群の
センサ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの電荷の蓄積の
状態を示す。蓄積される電荷のうち、斜線を付した部分
の電荷は読み出されずに基板に捨てられる電荷である。
【００４８】まず、基板電圧φＳＵＢが低レベルにな
り、各群のセンサ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄにお
いて、電荷の蓄積が開始される。次に、垂直転送クロッ
クφＶ２ＢとφＶ３Ａに高レベルの読み出し電圧が供給
されて、転送電極２２Ｂ及び転送電極２３Ａに接続され
た第３群のセンサ１１Ｃの信号電荷が読み出される。続
いて、垂直転送クロックφＶ２ＡとφＶ３Ｂに高レベル
の読み出し電圧が供給されて、転送電極２２Ａ及び転送
電極２３Ｂに接続された第２群のセンサ１１Ｂの信号電
荷が読み出される。その後、垂直転送クロックφＶ２Ａ
とφＶ３Ａに高レベルの読み出し電圧が供給されて、転
送電極２２Ａ及び転送電極２３Ａに接続された第１群の
センサ１１Ａの信号電荷が読み出される。最後に、垂直
転送クロックφＶ２ＢとφＶ３Ｂに高レベルの読み出し
電圧が供給されて、転送電極２２Ｂ及び転送電極２３Ｂ
に接続された第４群のセンサ１１Ｄの信号電荷が読み出
される。この直後に、基板電圧φＳＵＢが高レベルとな
り、センサ１１の電荷が基板側に排出される。これによ
り、第４群のセンサ１１Ｄ以外のセンサ１１Ａ，１１
Ｂ，１１Ｃに蓄積された電荷は読み出されずに捨てられ
る。
【００４９】このようにして、４つの群のセンサ１１か
ら、露光時間の長さが１１Ｃ＜１１Ｂ＜１１Ａ＜１１Ｄ
とそれぞれ異なった信号が読み出される。また、４つの
群のセンサ１１において、信号が蓄積される期間が重複
しているため、前述した第２の手法と比較して時刻のず
れを小さくすることができ、動解像度を高くすることが
可能である。尚、図３は垂直転送クロックのタイミング
の一形態を示すものであり、第２相及び第３相の垂直転
送クロックにおける読み出し用の高レベルの駆動電圧が
供給されるタイミングは図３の関係に固定されるもので
はなく、必要に応じて任意に可変して設定することが可
能である。
【００５０】上述の本実施の形態によれば、第２層の多
結晶シリコンからなる転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）
と第３層の多結晶シリコンからなる転送電極２３（２３
Ａ，２３Ｂ）との両方に読み出し用の高いレベルの駆動
電圧が供給されることによりセンサ１１から信号電荷が
読み出されるＡＮＤ型の構成とされている。そして、第
２層の転送電極２２Ａ，２２Ｂに供給される第２相の垂
直転送クロックφＶ２Ａ，φＶ２Ｂを異ならせたり、第
３層の転送電極２３Ａ，２３Ｂに供給される第３相の垂
直転送クロックφＶ３Ａ，φＶ３Ｂを異ならせたりする
ことにより、センサ１１の信号の読み出しのタイミング
を１列置きや１行置きに異ならせることができる。
【００５１】従って、２画素×２画素の４画素毎の繰り
返し単位で、各画素毎に独立して露光時間を設定するこ
とができ、これにより、第１群のセンサ１１Ａ、第２群
のセンサ１１Ｂ、第３群のセンサ１１Ｃ、第４群のセン
サ１１Ｄの読み出すタイミングを変えて蓄積時間を異な
らせた信号を得ることができ、ダイナミックレンジが拡
大された信号を得ることができる。さらに、蓄積時間の
時刻のずれを小さくすることができるため、動解像度の
向上を図ることができる。
【００５２】また、読み出しが行われない部分２７で
は、オフセット領域２７Ａが形成されているため、読み
出しが行われない。従って、センサ１１から垂直転送レ
ジスタ２５への信号電荷の読み出しは読み出しゲート部
２４において行われ、第２層の転送電極２２の電極部の
下の転送チャネル５に読み出される。
【００５３】そして、第３層の転送電極２３の電極部の
延長部２３Ｃの有無及び転送電極２２，２３とセンサ１
１のセンサ領域２との間のオフセット領域２７Ａの有無
により、読み出しゲート部２４と読み出しが行われない
部分２７とを区別することができる。このため、図９に
示した構成のように読み出しゲート部２４における転送
電極２３を特殊な形状にする必要がなくなる。
【００５４】従って、読み出しゲート部２４を構成する
転送電極、即ち第２層の転送電極２２の電極部及び第３
層の転送電極２３の電極部の延長部２３Ｃを、比較的広
い幅に形成して微細化が容易なパターンとすることがで
き、さらに微細化しても位置合わせのマージンを確保す
ることが可能になる。これにより、ユニットセルをさら
に微細化して、ＣＣＤ固体撮像素子の多画素化や小型化
を図ることができる。
【００５５】尚、本実施の形態では、第３層の転送電極
２３の電極部にセンサ１１側に延出する延長部２３Ｃを
形成したが、読み出しゲート部２４において信号電荷の
読み出しを行うことが可能であれば、その他の構成を採
ることもできる。
【００５６】例えば図４に平面図を示すように、第３層
の転送電極２３を垂直方向にまっすぐ形成し、一方でセ
ンサ１１のセンサ領域２を第３層の転送電極２３側に延
出させて読み出しゲート部２４を構成することも可能で
ある。この図４の場合、読み出しゲート部２４以外の部
分では、センサ１１のＮ+ 不純物領域２が転送電極２３
側に延出していないことにより、その間がオフセット領
域２８となる。このオフセット領域２８により、この部
分ではセンサ１１からの信号電荷の読み出しは行われな
い。これにより、図１及び図２に示した構成と同様に、
第２層の転送電極２２Ａ，２２Ｂ及び第３層の転送電極
２３Ａ，２３Ｂに読み出し用の高レベルの駆動電圧を供
給して、読み出し動作を行うことができる。
【００５７】次に、本発明の他の実施の形態としてＣＣ
Ｄ固体撮像素子の概略構成図（要部の平面図）を図５に
示す。また、図５のＤ−Ｄにおける断面図を図６に示
す。本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子では、特に各セ
ンサ１１列とその右側即ち読み出しゲート部２４とは反
対側の垂直転送レジスタ２５との間にオフセット領域３
１が設けられている。このオフセット領域３１では、図
６の断面図に示すように、センサ１１のＮ+不純物領域
２が転送電極２２Ａ，２３Ａ（２３Ｂ）に対して後退し
て形成されている。その他の構成は、先の実施の形態と
同様であるため、同一符号を付して重複説明を省略す
る。
【００５８】本実施の形態によれば、センサ１１とその
右側の垂直転送レジスタ２５との間にオフセット領域３
１が設けられたことにより、先の実施の形態のチャネル
ストップ領域２６と同様に、隣接する列との分離を行う
ことができる。また、基体１にＰ型のチャネルストップ
領域２６を形成する工程が不要となるため、製造工程数
が削減される。
【００５９】続いて、本発明の別の実施の形態のＣＣＤ
固体撮像素子の概略構成図（要部の平面図）を図７に示
す。本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子は、図１に示し
た先の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の構成に対し
て、第２層の転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）の電極部
の形状を変更したものである。即ち第２層の転送電極２
２（２２Ａ，２２Ｂ）の電極部を読み出しゲート部２４
側では広く、読み出しゲート部２４とは反対の側では狭
く、その間を斜めに直線的に結んで形成している。
【００６０】本実施の形態によれば、第２層の転送電極
２２の電極部が読み出しゲート部２４側で幅が広く形成
されていることにより、読み出し電圧を低減してもセン
サ１１の信号電荷の読み出しを確実に行うことが可能に
なる。これにより、読み出し電圧を低減して、例えばＣ
ＣＤ固体撮像素子の消費電圧を低減したり、電源部や転
送クロックを供給する回路の構成を簡略化することが可
能になる。
【００６１】また、読み出しゲート部２４とは反対の側
では幅が狭く形成されていることにより、結果的に、垂
直転送レジスタ２５において、第２層の転送電極２２の
電極部の面積と、第３層の転送電極２３が第２層の転送
電極２２とオーバーラップせず転送チャネル５に臨む部
分との面積との比率を、図１に示した構成とほぼ同じに
することが可能になる。
【００６２】これにより、垂直転送レジスタ２５におい
て各層の転送電極２１，２２，２３の下に蓄積される電
荷の量を等しくすることで、垂直転送レジスタ２５の取
扱い電荷量の減少を防止し、垂直転送レジスタ２５の取
扱い電荷量を図１に示した構成とほぼ同じにすることが
できる。従って、読み出し電圧以外の他の諸特性は、図
１に示した構成とほとんど変わらないようにすることが
できる。
【００６３】また、本発明のさらに別の実施の形態とし
て、図５に示したＣＣＤ固体撮像素子の構成に対して、
図７と同様に第２層の転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）
の電極部の形状を変更した場合のＣＣＤ固体撮像素子の
概略構成図（要部の平面図）を図８に示す。この図８に
示す構成の場合は、図５に示した構成のチャネルストッ
プ領域を形成する工程を省略することができる利点と、
図７に示した構成の読み出し電圧を低減することができ
る利点とを併せて実現することができる。
【００６４】尚、図７や図８に示した実施の形態では、
第２層の転送電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）の電極部の端
縁が斜めの直線とされているが、垂直転送レジスタ２５
において必要な取扱い電荷量が確保されるならば、その
他の形状例えば階段状や曲線にしてもよい。
【００６５】また、上述の各実施の形態では、第１層の
転送電極２１が水平方向に帯状に形成されているが、図
９に示した構成と同様に、第１層の転送電極２１を垂直
転送レジスタ２５に沿って延長してその電極部の幅がそ
の導線部の幅より大きくなるようにしてもよい。実際に
は、垂直転送レジスタ２５の各相の転送電極の取扱い電
荷量、即ち上述の各実施の形態では第１層、第２層及び
第３層の転送電極２１，２２，２３の取扱い電荷量が等
しくなるように、各転送電極の寸法や間隔を設定する。
【００６６】また、上述の各実施の形態では、第２相の
垂直転送クロックφＶ２Ａ，φＶ２Ｂ及び第３相の垂直
転送クロックφＶ３Ａ，φＶ３Ｂがいずれも２種類ずつ
である構成であったが、これらの垂直転送クロックを３
種類以上にして、読み出しのタイミングの変化をさらに
つけるようにしてもよい。
【００６７】さらに、上述の各実施の形態では、本発明
をＣＣＤ固体撮像素子に適用して説明したが、光電変換
素子（センサ）に蓄積された信号電荷を転送して出力部
で信号電荷を電圧に変換して出力する構成の固体撮像素
子であれば、その他の構成の固体撮像素子にも本発明を
適用することができる。
【００６８】本発明は、上述の実施の形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他
様々な構成が取り得る。
【００６９】
【発明の効果】上述の本発明によれば、ゲート部側の転
送電極と光電変換素子との間のオフセット領域の有無に
より、読み出しが行われるゲート部と読み出しが行われ
ない部分との区別がなされ、ゲート部の転送電極を特殊
な形状にする必要がなくなる。これにより、転送電極を
微細化が容易なパターンとすることができるため、セル
サイズの微細化を図ることを可能にする。従って本発明
により、固体撮像素子の多画素化や小型化を図ることが
できる。
【００７０】また、本発明によれば、いわゆるＡＮＤ型
の動作がなされる固体撮像素子において、複数の光電変
換素子の信号電荷の蓄積時間を列毎に又は／及び行毎に
独立して変えることにより、蓄積時間の異なる信号を得
ることができる。この蓄積時間は任意に変更して設定す
ることが可能である。従って、ダイナミックレンジが拡
大されて広いダイナミックレンジを有する信号を得るこ
とができる。さらに、蓄積時間の時刻のずれを小さくす
ることができるため、動解像度の向上を図ることができ
る。
【００７１】また、光電変換素子のゲート部とは反対側
の垂直転送レジスタの第１の転送電極及び第２の転送電
極と、光電変換素子のセンサ領域との間にもオフセット
領域が設けられた構成としたときには、チャネルストッ
プ領域の形成工程が不要となるため、製造工程数を削減
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の
概略構成図（要部の平面図）である。
【図２】Ａ 図１のＡ−Ａにおける断面図である。 Ｂ 図１のＢ−Ｂにおける断面図である。 Ｃ 図１のＣ−Ｃにおける断面図である。
【図３】図１のＣＣＤ固体撮像素子におけるＳＶＥ方式
の動作の一形態を説明する図である。
【図４】図１の構成に対してセンサのセンサ領域を転送
電極側に延出させた構成の概略構成図（要部の平面図）
である。
【図５】本発明の他の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子
の概略構成図（要部の平面図）である。
【図６】図５のＤ−Ｄにおける断面図である。
【図７】本発明の別の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子
の概略構成図（要部の平面図）である。
【図８】本発明の別の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子
の概略構成図（要部の平面図）である。
【図９】ＡＮＤ型のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図
（要部の平面図）である。
【符号の説明】
１ 半導体基体、２ Ｎ+ 不純物領域（センサ領域）、
３ 正電荷蓄積領域、５転送チャネル、１１ センサ、
２１ 第１層の転送電極、２２，２２Ａ，２２Ｂ 第２
層の転送電極、２３，２３Ａ，２３Ｂ 第３層の転送電
極、２４ 読み出しゲート部、２５ 垂直転送レジス
タ、２６ チャネルストップ領域、２７Ａ，２８，３１
オフセット領域、φＶ１，φＶ２Ａ，φＶ２Ｂ，φＶ
３Ａ，φＶ３Ｂ 垂直転送クロック

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２次元配列された複数の光電変換素子
    と、 上記複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読
    み出すゲート部と、 上記ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に
    転送する複数の垂直転送レジスタと、 上記複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を
    水平方向に転送する水平転送レジスタとを有し、 上記垂直転送レジスタに、それぞれ垂直方向に信号電荷
    の転送を行うための駆動電圧が供給される第１の転送電
    極及び第２の転送電極を少なくとも有し、 上記第１の転送電極は上記垂直転送レジスタと平行に配
    置され、上記第２の転送電極は上記垂直転送レジスタと
    垂直に配置され、 上記第１の転送電極及び上記第２の転送電極が上記ゲー
    ト部上にも形成されて、上記光電変換素子から信号電荷
    を読み出すための駆動電圧が供給され、上記第１の転送
    電極及び上記第２の転送電極の両方から供給される駆動
    電圧により、上記光電変換素子で光電変換された信号電
    荷の上記垂直転送レジスタへの読み出しが行われ、 上記信号電荷の上記垂直転送レジスタへの読み出しが行
    われる部分では、上記光電変換素子の上記ゲート部側の
    上記第１の転送電極又は上記第２の転送電極と、上記光
    電変換素子のセンサ領域とが隣接して形成され、 上記信号電荷の上記垂直転送レジスタへの読み出しが行
    われない部分では、上記光電変換素子の上記ゲート部側
    の転送電極と、上記光電変換素子のセンサ領域との間に
    オフセット領域が設けられたことを特徴とする固体撮像
    素子。
  2. 【請求項２】 上記光電変換素子の上記ゲート部とは反
    対側の上記垂直転送レジスタの上記第１の転送電極及び
    上記第２の転送電極と、上記光電変換素子のセンサ領域
    との間にもオフセット領域が設けられたことを特徴とす
    る請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 上記信号電荷の上記垂直転送レジスタへ
    の読み出しが行われる部分では、上記光電変換素子の上
    記ゲート部側の転送電極が上記光電変換素子のセンサ領
    域側に延出して形成されたことを特徴とする請求項１に
    記載の固体撮像素子。
  4. 【請求項４】 上記信号電荷の上記垂直転送レジスタへ
    の読み出しが行われる部分では、上記光電変換素子のセ
    ンサ領域が上記ゲート部側に延出して形成されたことを
    特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 【請求項５】 ２次元配列された複数の光電変換素子
    と、 上記複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読
    み出すゲート部と、 上記ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に
    転送する複数の垂直転送レジスタと、 上記複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を
    水平方向に転送する水平転送レジスタとを有し、 上記垂直転送レジスタに、第１の転送電極及び第２の転
    送電極を少なくとも有する固体撮像素子に対して、 上記第１の転送電極及び上記第２の転送電極に、それぞ
    れ垂直方向に信号電荷の転送を行うための駆動電圧を供
    給すると共に、 上記第１の転送電極及び上記第２の転送電極に、上記光
    電変換素子から信号電荷を読み出すための駆動電圧も供
    給して、上記第１の転送電極及び上記第２の転送電極の
    両方から供給される駆動電圧により、上記複数の光電変
    換素子に対して、列毎に又は／及び行毎に独立して上記
    光電変換素子で光電変換された信号電荷の上記垂直転送
    レジスタへの読み出し動作を行うことを特徴とする固体
    撮像素子の駆動方法。
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