JP2003303951A - 電荷転送装置および固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 水平電荷転送素子を１つのみ備えたＣＣＤ型
固体撮像素子を用いて撮像装置を構成した場合、光電変
換素子の数をある程度多くして解像度を高めると、１秒
間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが困難に
なる。本発明の目的は、例えばＣＣＤ型固体撮像素子に
用いることができる新たな電荷転送装置を提供すること
である。 【解決手段】 垂直電荷転送素子用の転送電極として使
用する電極線を、１つの光電変換素子行に２本ずつ配置
し、これら２本の電極線１２５ａ，１２５ｂを、垂直電
荷転送チャネル部上での互いの相対的な位置が垂直電荷
転送チャネル部１２３毎に平面視上入れ替わるように配
置することによって、１つおきに選択された垂直電荷転
送素子１２０では光電変換素子列方向の一端に配置した
第１の水平電荷転送素子へ電荷を転送し、他の１つおき
に選択された垂直電荷転送素子では光電変換素子列方向
の他端に配置した第２の水平電荷転送素子へ電荷を転送
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、電荷転送装置およ
び固体撮像素子に係り、特に、ＣＣＤ（電荷結合素子）
型の電荷転送装置およびＣＣＤ型の固体撮像素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体
撮像素子をエリア・イメージセンサとして利用した撮像
装置、例えばビデオカメラやデジタルスチルカメラが急
速に普及しており、この撮像装置を搭載したパーソナル
コンピュータや携帯情報端末も開発されている。

【０００３】エリア・イメージセンサとして利用される
ＣＣＤ型の固体撮像素子（以下、単に「ＣＣＤ型固体撮
像素子」という。）では、半導体基板の一表面に多数個
の光電変換素子が複数行、複数列に亘って行列状に配置
される。各光電変換素子は一般にフォトダイオードによ
って構成され、入射光量に応じた電荷を蓄積する。

【０００４】ＣＣＤ型固体撮像素子上に光学像を結像さ
せると、各光電変換素子に電荷が蓄積される。これらの
電荷を読出して電気信号に変換すれば、この電気信号を
基に上記の光学像を再生することが可能である。

【０００５】ＣＣＤ型固体撮像素子は、各光電変換素子
に蓄積された電荷を読出して電気信号に変換するため
に、２種類の電荷転送素子を有する。

【０００６】１つは、光電変換素子からの電荷の読出
し、および読出した電荷の転送を行う電荷転送素子（以
下、この電荷転送素子を「垂直電荷転送素子」というこ
とがある。）であり、１つの光電変換素子列に１つず
つ、当該光電変換素子列に沿って配置される。個々の垂
直電荷転送素子は、一般に、ＣＣＤと、１つの光電変換
素子に１つずつ配置された読出しゲートとを有する。

【０００７】ＣＣＤは、例えば、半導体基板の一表面に
線状ないし帯状にチャネルを形成し、このチャネル上に
電気的絶縁膜を介して複数の電極を配置することによっ
て得られる。

【０００８】他の１つは、各垂直電荷転送素子から電荷
を受け取り、これらの電荷を所定方向に転送する電荷転
送素子（以下、この電荷転送素子を「水平電荷転送素
子」ということがある。）であり、ＣＣＤによって構成
される。

【０００９】多くのＣＣＤ型固体撮像素子では、水平電
荷転送素子の出力端に接続される電荷検出回路が、上記
の半導体基板上に集積される。この電荷検出回路は、水
平電荷転送素子から送られてくる電荷を順次検出し、そ
の大きさに応じた電気信号（信号電圧）を順次生成し、
出力する。

【００１０】ところで、ＣＣＤ型固体撮像素子の解像度
を向上させるうえからは、多くの光電変換素子を半導体
基板に集積することが望まれる。多数の光電変換素子を
できるだけ小さなピッチの下に配列させることが望まれ
る１つの光電変換素子列に１つずつ垂直電荷転送素子を
配置するにあたって、これらの垂直電荷転送素子を互い
に電気的に分離したのでは、隣り合う光電変換素子列の
間それぞれに、垂直電荷転送素子に駆動信号を供給する
ための配線を配置することが必要となり、光電変換素子
の集積度を向上させにくくなる。

【００１１】このため、一般には、１つの光電変換素子
列に１つずつ、この光電変換素子列に沿って垂直電荷転
送素子用のチャネル（以下、「垂直電荷転送チャネル」
ということがある。）を形成すると共に、各々がこれら
の垂直電荷転送チャネルを横切る多数の電極線を上記の
半導体基板上に配置することによって、必要個の垂直電
荷転送素子が形成される。

【００１２】上記の電極線は、１つの光電変換素子行あ
たり１〜４本程度、半導体基板上に電気的絶縁膜を介し
て設けられる。個々の電極線における電荷転送チャネル
との平面視上の交差部が、垂直電荷転送素子の転送電極
として機能する。

【００１３】このように形成された垂直電荷転送素子の
各々は、互いに同期して、水平電荷転送素子に向けて電
荷を転送する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ＣＣＤ型固体撮像素子
における光電変換素子の数は増加の一途にあり、光電変
換素子列の数は、多いものでは数千に達する。したがっ
て垂直電荷転送素子の数も、多いものでは数千に達す
る。

【００１５】その結果として、動画を撮影する際や、１
秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影する際には、水
平電荷転送素子の駆動周波数を高くしてフレームレート
を上げることが必要となり、消費電力が増大する。

【００１６】また、光電変換素子の数がある程度多くな
ると、たとえ水平電荷転送素子の駆動周波数を高くして
も、各光電変換素子から読出した電荷を垂直電荷転送素
子内および水平電荷転送素子内で間引かない限り、１秒
間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが困難に
なる。

【００１７】本発明の目的は、例えばＣＣＤ型固体撮像
素子に用いることができる新たな電荷転送装置を提供す
ることである。

【００１８】本発明の他の目的は、高いフレームレート
を得ることが容易な固体撮像素子を提供することであ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、(i) 半導体基板と、(ii)前記半導体基板の一表面に
形成された複数の第１電荷転送チャネル部と、(iii) 前
記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜と、
(iv)前記電気的絶縁膜上に配置された複数の電極線対で
あって、各々が２本の電極線によって構成され、該２本
の電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの
相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視
上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横
切る複数の電極線対とを有する電荷転送装置が提供され
る。

【００２０】本発明の他の観点によれば、(i) 半導体基
板と、(ii)前記半導体基板の一表面に複数行、複数列に
亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子と、(i
ii)１つの光電変換素子列に１つずつ該光電変換素子列
に近接して前記半導体基板の一表面に形成され、各々
が、対応する光電変換素子列に沿って延在する複数の第
１電荷転送チャネル部と、(iv)前記半導体基板の一表面
上に形成された電気的絶縁膜と、(v) １つの光電変換素
子行に１対ずつ該光電変換素子行に沿って前記電気的絶
縁膜上に配置された第１電極線対であって、各々が２本
の第１電極線によって構成され、該２本の第１電極線
が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対的な
位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入れ替
えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る第１
電極線対と、(vi)光電変換素子列方向の一方の端に配置
され、前記複数の第１電荷転送チャネル部の中から１つ
おきに選択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気
的に接続される第１の電荷転送素子と、(vii) 前記光電
変換素子列方向の他方の端に配置され、前記複数の第１
電荷転送チャネル部の中から他の１つおきに選択された
第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第
２の電荷転送素子とを有する固体撮像素子が提供され
る。

【００２１】上記の構成を有する電荷転送装置では、例
えば各第１電荷転送チャネル部をその延在方向を互いに
揃えて形成すると、１つおきの第１電荷転送チャネル部
内の電荷をある向きＡに転送し、他の１つおきの第１電
荷転送チャネル部内の電荷を向きＡとは逆の向きＢに転
送することができる。勿論、駆動信号は、各電極線が第
１電荷転送チャネル部を横切っていることから、個々の
電極線の一端にのみ供給すればよい。隣り合う第１電荷
転送チャネル部を互いに近接させることができる。

【００２２】この電荷転送装置の構成をＣＣＤ型固体撮
像素子の垂直電荷転送素子に応用すれば、各光電変換素
子に蓄積された電荷を２つの水平電荷転送素子に分散さ
せて転送することができる。すなわち、１つおきの光電
変換素子列から読出した電荷は、光電変換素子列方向の
一端に配置した第１の水平電荷転送素子へ転送し、他の
１つおきの光電変換素子列から読出した電荷は、光電変
換素子列方向の他端に配置した第２の水平電荷転送素子
へ転送することが可能になる。

【００２３】第１の水平電荷転送素子および第２の水平
電荷転送素子は、それぞれ、全ての垂直電荷転送素子の
半数から電荷を受け取ればよい。１つの水平電荷転送素
子が全ての垂直電荷転送素子から電荷を受け取る場合に
比べて、ほぼ２倍のフレームレートを得ることが可能で
ある。

【００２４】このＣＣＤ型固体撮像素子を用いて撮像装
置を構成することにより、多くの光電変換素子を集積し
て解像度を高めた場合でも、１秒間当たり複数コマの静
止画を連続撮影することが容易になる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、第１の実施例による電荷
転送装置１０での第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂお
よび電極線対５の平面配置を概略的に示す。

【００２６】図２は、図１に示したII−II線に沿った電
荷転送装置１０の断面を概略的に示す。

【００２７】図１に示すように電荷転送装置１０は、半
導体基板１と、半導体基板１の一表面に形成された２つ
の第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂと、半導体基板１
の上方に互いに並列に配置された複数の電極線対５とを
有する。

【００２８】個々の電極線対５は、２本の電極線５ａ、
５ｂによって構成され、これらの電極線５ａ、５ｂは、
第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上での互いの相対的
な位置を第１電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送
チャネル部３ｂ上とで平面視上入れ替えながら、第１電
荷転送チャネル部３ａ、３ｂを横切る。

【００２９】例えば、半導体基板１はｐ型シリコン基板
からなり、各第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂは、半
導体基板１に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。

【００３０】図２に示すように、半導体基板１上（第１
電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上を含む。）に電気的絶
縁層４が形成され、その上に、各電極線５ａ、５ｂが配
置される。

【００３１】電気的絶縁層４としては、例えば、シリコ
ン酸化膜（熱酸化膜を含む。）、シリコン酸化膜とシリ
コン窒化膜との積層膜（以下、「ＯＮ膜」と略記す
る。）、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸
化膜との積層膜（以下、「ＯＮＯ膜」と略記する。）等
が用いられる。

【００３２】電極線５ａの各々は例えば第１ポリシリコ
ンによって形成され、電極線５ｂの各々は例えば第２ポ
リシリコンによって形成される。個々の電極線５ａ、５
ｂの表面には、例えば熱酸化膜からなる電気的絶縁膜Ｉ
Ｆが形成される。

【００３３】第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上にお
いて隣り合う電極線５ａと電極線５ｂとを、所謂重ね合
わせ構造とすることにより、電荷の転送効率を高めるこ
とが容易になる。この重ね合わせ構造では、個々の電極
線５ｂでの線幅方向の縁部が、その上流側の電極線５ａ
および下流側の電極線５ａそれぞれの線幅方向の縁部に
重なる。

【００３４】なお、本明細書では、電荷の移動を１つの
流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要
に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特
定するものとする。

【００３５】必要に応じて、第１電荷転送チャネル部３
ａの一端近傍に第１転送電極７ａを配置し、他端近傍に
第２転送電極８ａを配置することができる。同様に、第
１電荷転送チャネル部３ｂの一端近傍に第３転送電極７
ｂを配置し、他端近傍に第４転送電極８ｂを配置するこ
とができる。これら第１〜第４転送電極７ａ、７ｂ、８
ａ、８ｂも、電気的絶縁層４上に配置される。

【００３６】第１〜第４転送電極７ａ、７ｂ、８ａ、８
ｂに供給する電圧を制御することにより、各第１電荷転
送チャネル部３ａ、３ｂへの電荷の入力、および各第１
電荷転送チャネル部３ａ、３ｂからの電荷の出力を制御
しやすくなる。

【００３７】例えば図１に示すように、１つおきに選択
された電極線対５に、配線ＷＬ１を介して第１駆動信号
φ１を供給すると共に、配線ＷＬ２を介して第２駆動信
号φ２を供給する。他の１つおきに選択された電極線対
５に、配線ＷＬ３を介して第３駆動信号φ３を供給する
と共に、配線ＷＬ４を介して第４駆動信号φ４を供給す
る。第１駆動信号φ１と第３駆動信号φ３とは、それぞ
れ、所定の電極線５ａに供給し、第２駆動信号φ２と第
４駆動信号φ４とは、それぞれ、所定の電極線５ｂに供
給する。

【００３８】第１〜第４駆動信号φ１〜φ４の波形を適
宜選定することにより、各第１電荷転送チャネル部３内
の電荷を所定方向に転送することができる。

【００３９】図３は、図１に示した電荷転送装置１０に
よって電荷を転送する際の転送方向の一例を示す。同図
においては、各電極線５ａ、５ｂ上に、当該電極線５
ａ、５ｂに供給される駆動信号を参照符号φ１、φ２、
φ３、φ４で示している。

【００４０】前述したように、各電極線対５における電
極線５ａと電極線５ｂとの平面視上の相対的な位置は、
第１電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送チャネル
部３ｂ上とで入れ替わっている。このため、駆動信号φ
１〜φ４が供給される電極線５ａ〜５ｂの分布が、第１
電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送チャネル部３
ｂ上とで互いに逆になる。

【００４１】すなわち、第１電荷転送チャネル部３ａ上
においては、紙面奥から紙面手前にかけて駆動信号φ１
〜φ４が降順に供給されるように電極線５ａ〜５ｂが分
布し、第１電荷転送チャネル部３ｂ上においては、紙面
奥から紙面手前にかけて駆動信号φ１〜φ４が昇順に供
給されるように電極線５ａ〜５ｂが分布する。

【００４２】その結果として、第１電荷転送チャネル部
３ａにおいて電荷が矢印Ａの方向に転送されるとすれ
ば、第１電荷転送チャネル部３ｂにおいては矢印Ａの方
向とは逆の矢印Ｂの方向に電荷が転送される。

【００４３】第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂに別個
に配線ＷＬ１〜ＷＬ４を配置することなく、第１電荷転
送チャネル部３ａ内の電荷と第１電荷転送チャネル部３
ｂ内の電荷とを異なる方向に転送することができる。

【００４４】このような特性を有する電荷転送装置１０
は、例えば、複数の遅延素子を備えた遅延装置として使
用することができる。この場合、１つの遅延素子は、１
つの第１電荷転送チャネル部３ａまたは３ｂと、その上
方に配置された複数の電極線対５とを含む。

【００４５】また、電荷転送装置１０の構成を、ＣＣＤ
型固体撮像素子での垂直電荷転送素子に応用することも
できる。この場合、１つの垂直電荷転送素子は、１つの
第１電荷転送チャネル部３ａまたは３ｂと、その上方に
配置された複数の電極線対５とを含む。

【００４６】次に、第２の実施例による電荷転送装置に
ついて説明する。

【００４７】図４は、本実施例による電荷転送装置２０
での電荷転送チャネル部および電極線対の平面配置を概
略的に示す。

【００４８】この電荷転送装置では、第１電荷転送チャ
ネル部３ａ、３ｂに加えて、(i) 第１電荷転送チャネル
部３ａの一端と第１電荷転送チャネル部３ｂの一端とを
電気的に接続する第２電荷転送チャネル部１２、およ
び、(ii) 第１電荷転送チャネル部３ａの他端と第１電
荷転送チャネル部３ｂの他端とを電気的に接続する第３
電荷転送チャネル部１５が形成されている。

【００４９】また、第２電荷転送チャネル部１２が第１
転送電極７ａと第３転送電極７ｂとによって平面視上覆
われ、第３電荷転送チャネル部１５が第３転送電極８ａ
と第４転送電極８ｂとによって平面視上覆われる。

【００５０】これらの点を除けば、電荷転送装置２０の
構成は前述した第１の実施例による電荷転送装置１０の
構成と同様である。図４に示した構成要素のうち、図１
に示した構成要素と機能上共通するものは図１で用いた
参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

【００５１】電荷転送装置２０では、２つの第１電荷転
送チャネル部３ａ、３ｂと、第２電荷転送チャネル部１
２と、第３電荷転送チャネル部１５とによって、１つの
閉じた電荷転送路を形成することができる。

【００５２】例えば第１電荷転送チャネル部３ａの一端
を電荷の入力端ＩＴとして利用し、他端を電荷の出力端
ＯＴとして利用すれば、入力端ＩＴから電荷転送装置２
０に供給した電荷を当該電荷転送装置２０内で１周以上
循環させた後に、出力端ＯＴから出力することができ
る。

【００５３】勿論、電荷の入力端ＩＴおよび出力端ＯＴ
は、第１、第２および第３電荷転送チャネル部３ａ、３
ｂ、１２、１５のいずれかに電気的に接続可能であれば
よく、例えばこれら第１、第２および第３電荷転送チャ
ネル部３ａ、３ｂ、１２、１５の任意の一領域を利用し
て構成することができる。

【００５４】電荷転送装置２０を遅延素子として利用し
た場合には、直線的に形成された遅延素子に比べてほぼ
半分の長さで、同じ遅延時間ないしはより多くの遅延時
間を稼ぐことができる。

【００５５】また、電荷転送装置２０の構成を応用し
て、フレーム転送式、またはフレームインターライン転
送式のＣＣＤ型固体撮像素子における電荷蓄積部を構成
することもできる。

【００５６】次に、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮
像素子について説明する。

【００５７】図５は、本実施例によるＣＣＤ型固体撮像
素子１００での光電変換素子１１０、垂直電荷転送素子
１２０、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電
荷転送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、および
第２の電荷検出回路１５５の平面配置を概略的に示す。

【００５８】このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、カラ
ー撮影が可能な単板式の撮像装置に利用されるものであ
り、図５においては図示を省略しているが、個々の光電
変換素子１１０の上方に色フィルタが１つずつ配置さ
れ、さらに、個々の光電変換素子１１０の上方にマイク
ロレンズが１つずつ配置されている。

【００５９】同図に示すように、このＣＣＤ型固体撮像
素子１００においては、多数個の光電変換素子１１０が
画素ずらし配置されている。

【００６０】ここで、本明細書でいう「画素ずらし配
置」とは、奇数番目に当たる光電変換素子列中の各光電
変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子列中の
光電変換素子の各々が、光電変換素子列内での光電変換
素子のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当
たる光電変換素子行中の各光電変換素子に対し、偶数番
目に当たる光電変換素子行中の光電変換素子の各々が、
光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／
２、行方向にずれ、光電変換素子列の各々が奇数行また
は偶数行の光電変換素子のみを含むような、多数個の光
電変換素子の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、
多数個の光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状
に配置する際の一形態である。

【００６１】上記の「光電変換素子列内での光電変換素
子のピッチの約１／２」とは、１／２を含む他に、製造
誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる光電変換素子
位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはい
るものの、得られる固体撮像素子の性能およびその画像
の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことがで
きる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内
での光電変換素子のピッチの約１／２」についても同様
である。

【００６２】エリア・イメージセンサとして利用される
実際のＣＣＤ型固体撮像素子では、例えば数１０万〜１
５００万個程度の光電変換素子が画素ずらし位置される
か、または、正方行列状（ただし、行数と列数とが異な
るものを含む。）に配置される。

【００６３】光電変換素子１１０の各々は、例えば、半
導体基板１０１の一表面に形成された埋込み型のｐｎフ
ォトダイオードによって構成され、平面視上、例えば八
角形を呈す。光電変換素子１１０に光が入射すると、こ
の光電変換素子１１０に電荷が蓄積される。

【００６４】個々の光電変換素子１１０に蓄積された電
荷を第１または第２の電荷検出回路１５０または１５５
へ転送するために、１つの光電変換素子列に１つずつ、
この光電変換素子列に沿って垂直電荷転送素子１２０が
配置される。

【００６５】垂直電荷転送素子１２０の各々は、ＣＣＤ
と、対応する光電変換素子１１０の１つに１つずつ配置
された読出しゲートとによって構成され、平面視上、対
応する光電変換素子列に沿った蛇行形状を有する。個々
の垂直電荷転送素子１２０の構成については、後に図６
を参照しつつ詳述する。

【００６６】これらの垂直電荷転送素子１２０は、例え
ば４相の垂直駆動信号によって駆動されて、対応する光
電変換素子１１０から読出した電荷を所定方向に転送す
る。すなわち、図５の左から数えて偶数番目に当たる垂
直電荷転送素子１２０の各々は、対応する光電変換素子
１１０から読出した電荷を第１の水平電荷転送素子１４
０へ転送する。図５の左から数えて奇数番目に当たる垂
直電荷転送素子１２０の各々は、対応する光電変換素子
１１０から読出した電荷を第２の水平電荷転送素子１４
５へ転送する。

【００６７】第１の水平電荷転送素子１４０および第２
の水平電荷転送素子１４５は、共に、ＣＣＤによって構
成される。これら第１〜第２の水平電荷転送素子１４
０、１４５は、いずれも、半導体基板１０１に形成され
て光電変換素子行方向に延在する１つのｎ型の電荷転送
チャネル（以下、「水平電荷転送チャネル」という。）
と、半導体基板１０１上に第１の電気的絶縁層（図示せ
ず。）を介して形成されて水平電荷転送チャネルを平面
視上横切る複数本の転送電極（以下、「水平転送電極」
という。）とを有する。

【００６８】第１〜第２の水平電荷転送素子１４０、１
４５の各々を例えば２相駆動型ＣＣＤによって構成する
場合、これらの水平電荷転送素子１４０、１４５におけ
る水平電荷転送チャネルは、例えば、ｎ型不純物添加領
域とｎ^- 型不純物添加領域とを下流側から上流側に向か
ってこの順番で繰り返し配置した構成を有する。ｎ型不
純物添加領域におけるｎ型不純物の濃度は、ｎ^- 型不純
物添加領域におけるｎ型不純物の濃度よりも高い。

【００６９】このとき、電気的に接続される１個の垂直
電荷転送素子１２０につき、ｎ型不純物添加領域とｎ^-
型不純物添加領域とが２つずつ対応して配置される。各
ｎ型不純物添加領域上および各ｎ^- 型不純物添加領域上
に、水平転送電極が１本ずつ配置される。１個の垂直電
荷転送素子１２０に対応する４本の水平転送電極のう
ち、下流側の２本が１つの配線に共通結線されて第１相
の水平駆動信号の供給を受け、上流側の２本が他の配線
に共通結線されて、第２相の水平駆動信号の供給を受け
る。

【００７０】第１の水平電荷転送素子１４０は、対応す
る垂直電荷転送素子１２０の各々から受け取った電荷を
第１の電荷検出回路１５０へ転送する。

【００７１】第２の水平電荷転送素子１４５は、対応す
る垂直電荷転送素子１２０の各々から受け取った電荷を
第２の電荷検出回路１５５へ転送する。

【００７２】第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５
は、対応する第１または第２の水平電荷転送素子１４０
または１４５から転送されてくる電荷を順次検出して信
号電圧を生成すると共にこの信号電圧を順次増幅して、
画素信号を生成する。

【００７３】これら第１〜第２の電荷検出回路１５０、
１５５は、例えば、対応する第１または第２の水平電荷
転送素子１４０または１４５の出力端に電気的に接続さ
れた出力ゲートと、出力ゲートに隣接して半導体基板１
０１に形成されたフローティングディフュージョン領域
（以下、「ＦＤ領域」と略記する。）と、このＦＤ領域
に電気的に接続されたフローティングディフュージョン
アンプ（以下、「ＦＤＡ」と略記する。）とを有する。

【００７４】出力ゲートは、水平電荷転送素子からＦＤ
領域への電荷転送を行う。ＦＤ領域の電位は、当該ＦＤ
領域内の電荷の大きさに応じて変化する。

【００７５】ＦＤＡは、ＦＤ領域の電位変動を検出、増
幅して、画素信号を生成する。この画素信号が、ＣＣＤ
型固体撮像素子１００からの出力となる。

【００７６】ＦＤ領域に隣接してリセットゲートが配置
され、このリセットゲートに隣接して、リセットドレイ
ン領域が半導体基板１０１に形成される。ＦＤ領域と、
リセットゲートと、リセットドレイン領域とは、リセッ
トトランジスタを構成する。

【００７７】ＦＤＡによって検出された後の電荷、ある
いは、ＦＤＡによって検出する必要のない電荷は、リセ
ットゲートを介してリセットドレイン領域へ掃出され、
例えば電源電圧に吸収される。リセットゲートの動作
は、所定の駆動信号によって制御される。

【００７８】図６は、図５に示したＣＣＤ型固体撮像素
子１００における垂直電荷転送素子１２０の構成を概略
的に示す。同図には、各垂直電荷転送素子１２０に４相
の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４を供給するための配線例
も併記している。

【００７９】同図に示すように、個々の垂直電荷転送素
子１２０は、半導体基板１０１の一表面に形成された第
１電荷転送チャネル部１２３（以下、「垂直電荷転送チ
ャネル部１２３」という。）を有する。個々の垂直電荷
転送チャネル部１２３は、例えばｎ型不純物添加領域か
らなり、対応する光電変換素子列に沿った蛇行形状を有
する。

【００８０】これらの垂直電荷転送チャネル部１２３を
横切るようにして、多数の第１電極線対１２５が半導体
基板１０１上に第１の電気的絶縁層（図示せず。）を介
して配置される。１つの光電変換素子行に１つの第１電
極線対１２５が対応し、各第１電極線対１２５は、対応
する光電変換素子行に沿って延在する。

【００８１】例えば、個々の第１電極線対１２５を、対
応する光電変換素子行からみてその第２の水平電荷転送
素子１４５側に配置した場合には、第１の水平電荷転送
素子１４０に最も近い光電変換素子行と第１の水平電荷
転送素子１４０との間にも、当該第１の水平電荷転送素
子１４０に最も近い光電変換素子行に沿って、更にもう
１つの第１電極線対１２５が配置される。

【００８２】逆に、個々の第１電極線対１２５を、対応
する光電変換素子行からみてその第１の水平電荷転送素
子１４０側に配置した場合には、第２の水平電荷転送素
子１４５に最も近い光電変換素子行と第２の水平電荷転
送素子１４５との間にも、当該第２の水平電荷転送素子
１４５に最も近い光電変換素子行に沿って、更にもう１
つの第１電極線対１２５が配置される。

【００８３】必要に応じて、第１の水平電荷転送素子１
４０に最も近い第１電極線対と第１の水平電荷転送素子
１４０との間に１つ以上の第２電極線対が配置され、第
２の水平電荷転送素子１４５に最も近い第１電極線対１
２５と第２の水平電荷転送素子１４５との間にも、１つ
以上の第２電極線対が配置される。これらの第２電極線
対は、対応する光電変換素子行がない点を除き、第１電
極線対１２５と同様に構成される。勿論、対応する光電
変換素子行がない分、個々の第２電極線対は、例えば図
１に示した各電極線対５のように、第１電極線対１２５
よりも直線的に形成することができる。

【００８４】個々の第１電極線対１２５は、２本の第１
電極線１２５ａ、１２５ｂによって構成され、これら第
１電極線１２５ａ、１２５ｂは、垂直電荷転送チャネル
部１２３上での互いの相対的な位置を当該垂直電荷転送
チャネル部１２３部毎に平面視上入れ替えながら、これ
ら垂直電荷転送チャネル部１２３の各々を横切る。個々
の第１電極線１２５ａ、１２５ｂは、その表面に設けら
れた電気的絶縁膜（図示せず。）によって、互いに電気
的に分離される。

【００８５】上記の説明から明らかなように、ＣＣＤ型
固体撮像素子１００における各垂直電荷転送素子１２０
の構成は、第１の実施例による電荷転送層装置１０の構
成を応用したものである。

【００８６】個々の第１電極線１２５ａ、１２５ｂにお
ける垂直電荷転送チャネル部１２３との平面視上の交差
部が、垂直電荷転送素子１２０の転送電極として機能す
る。垂直電荷転送チャネル部１２３上において隣り合う
第１電極線１２５ａ、１２５ｂを所謂重ね合わせ構造と
することにより、各垂直電荷転送素子１２０による電荷
の転送効率を高めることが容易になる。この重ね合わせ
構造では、個々の第１電極線１２５ｂでの線幅方向の縁
部が、その上流側の第１電極線１２５ａおよび下流側の
第１電極線１２５ａそれぞれの線幅方向の縁部に重な
る。第１電極線１２５ｂにおいて第１電極線１２５ａ上
に位置する領域は、垂直電荷転送素子１２０の転送電極
としては機能しない。

【００８７】これらの第１電極線１２５ａ、１２５ｂの
うち、全ての第１電極線１２５ａの中から１本おきに選
択された第１電極線１２５ａと、全ての第１電極線１２
５ｂの中から１本おきに選択された第１電極線１２５ｂ
とは、それぞれ、所定の読出しゲート１３０のゲート電
極としても機能する。

【００８８】図７は、図６に示した半導体基板１０１、
光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部１２３、
および第１電極線１２５ａの平面配置を概略的に示す。
同図に示すように、１本おきの第１電極線１２５ａが、
１行おきの各光電変換素子１１０に対応する読出しゲー
ト１３０のゲート電極として機能する。

【００８９】図８は、図６に示した半導体基板１０１、
光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部１２３、
および第１電極線１２５ｂの平面配置を概略的に示す。
同図に示すように、１本おきの第１電極線１２５ｂが、
他の１行おきの各光電変換素子１１０に対応する読出し
ゲート１３０のゲート電極として機能する。

【００９０】ゲート電極として機能する第１電極線１２
５ａ、１２５ｂに例えば１５Ｖ程度の読出しパルスを印
加すると、当該第１電極線１２５ａ、１２５ｂをゲート
電極としている読出しゲート１３０の各々が開となる。
各読出しゲート１３０の開閉を制御することにより、光
電変換素子１１０に蓄積されていた電荷の垂直電荷転送
素子１２０への読出しを制御することができる。

【００９１】各垂直電荷転送素子１２０を４相の垂直駆
動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動する場合には、図６
に示したように、１つおきに選択された第１電極線対１
２５に、配線ＷＬ_V1を介して垂直駆動信号φＶ１を供給
すると共に、配線ＷＬ_V2を介して垂直駆動信号φＶ２を
供給する。他の１つおきに選択された第１電極線対１２
５に、配線ＷＬ_V3を介して垂直駆動信号φＶ３を供給す
ると共に、配線ＷＬ_V4を介して垂直駆動信号φＶ４を供
給する。垂直駆動信号φＶ１と垂直駆動信号φＶ３と
は、それぞれ、所定の第１電極線１２５ｂに供給し、垂
直駆動信号φＶ２と垂直駆動信号φＶ４とは、それぞ
れ、所定の第１電極線１２５ａに供給する。

【００９２】垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４それぞれの波
形を適宜選定することにより、各垂直電荷転送素子１２
０によって電荷を所定方向に転送することができる。こ
のとき、図５の左から数えて偶数番目に当たる垂直電荷
転送素子１２０は第１の水平電荷転送素子１４０へ向け
て電荷を転送し、図５の左から数えて奇数番目に当たる
垂直電荷転送素子１２０の各々は第２の水平電荷転送素
子１４５へ向けて電荷を転送する。

【００９３】第１の水平電荷転送素子１４０および第２
の水平電荷転送素子１４５は、それぞれ、全ての垂直電
荷転送素子１２０の半数から電荷を受け取ればよい。１
つの水平電荷転送素子が全ての垂直電荷転送素子１２０
から電荷を受け取る場合に比べて、駆動周波数が同じで
あればほぼ２倍のフレームレートを容易に得ることが可
能である。

【００９４】このＣＣＤ型固体撮像素子１００を用いて
撮像装置を構成することにより、多くの光電変換素子１
１０を集積して解像度を高めた場合でも、各光電変換素
子１１０から読出した電荷を垂直電荷転送素子１２０内
または第１〜第２水平電荷転送素子１４０、１４５内で
間引くことなく、１秒間当たり複数コマの静止画を連続
撮影することが容易になる。

【００９５】ただし、第１の水平電荷転送素子１４０か
らは、当該第１の水平電荷転送素子１４０に近い光電変
換素子行から順番に光電変換素子行単位で電荷が出力さ
れ、第２の水平電荷転送素子１４５からは、第１の水平
電荷転送素子１４０からみて遠い光電変換素子行から順
番に光電変換素子行単位で電荷が出力される。

【００９６】したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子１００
を用いた撮像装置では、第１の電荷検出回路１５０およ
び第２の電荷検出回路１５５から出力される各画素信号
を一旦、フレームメモリに記憶させ、このフレームメモ
リから所定の順番で画素信号を読出して、再生画像用の
画素信号を生成することが好ましい。

【００９７】なお、ＣＣＤ型固体撮像素子１００では、
前述したように、個々の光電変換素子１１０の上方に色
フィルタが１つずつ配置され、さらに、個々の光電変換
素子の上方にマイクロレンズが１つずつ配置される。

【００９８】これらの色フィルタおよびマイクロレンズ
の配置も含めて、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面構
造を図９を参照しつつ説明する。

【００９９】図９は、図６に示すIX−IX線に沿ったＣＣ
Ｄ型固体撮像素子１００の断面を概略的に示す。

【０１００】同図に示すように、半導体基板１０１は、
例えばｎ型シリコン基板１０１ａの一表面にｐ^- 型不純
物添加領域１０１ｂが形成された層構成を有する。

【０１０１】ｐ^- 型不純物添加領域１０１ｂは、例え
ば、ｎ型シリコン基板１０１ａの一表面にｐ型不純物を
イオン注入し、その後に熱処理を施すことによって形成
される。あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ
型シリコン基板１０１ａの一表面上にエピタキシャル成
長させることによって形成される。

【０１０２】本明細書においては、同じ導電型を有する
不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するため
に、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ^- 型
不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ⁺ 型不純物添
加領域、あるいはｎ^- 型不純物添加領域、ｎ型不純物添
加領域、ｎ⁺ 型不純物添加領域と表記する。ｐ^- 型不純
物添加領域１０１ｂをエピタキシャル成長法によって形
成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入
とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。

【０１０３】光電変換素子１１０は、例えば、ｐ^- 型不
純物添加領域１０１ａの所定箇所にｎ型不純物添加領域
１１０ａを形成し、さらに、このｎ型不純物添加領域１
１０ａ上にｐ⁺ 型不純物添加領域１１０ｂを形成するこ
とによって作製された埋込み型のフォトダイオードによ
って構成される。ｎ型不純物添加領域１１０ａは電荷蓄
積領域として機能する。

【０１０４】垂直電荷転送チャネル部１２３は、ｐ^- 型
不純物添加領域１０１ｂに形成されたｎ型不純物添加領
域からなる。

【０１０５】読出しゲート１３０の各々は、読出しゲー
ト用チャネル領域１３１を有する。このチャネル領域１
３１は、例えば、対応する光電変換素子１１０（ｎ型不
純物添加領域１１０ａ）の所定箇所と垂直電荷転送チャ
ネル部１２３との間に形成されたｐ型不純物添加領域か
らなる。

【０１０６】チャネル領域１３１の形成箇所を除き、各
光電変換素子１１０の平面視上の周囲、各垂直電荷転送
チャネル部１２３の平面視上の周囲、および前述した水
平電荷転送チャネルの平面視上の周囲には、チャネルス
トップ領域ＣＳが設けられる。このチャネルストップ領
域ＣＳは、例えばｐ⁺ 型不純物添加領域からなる。

【０１０７】第１の電気的絶縁層１１５が半導体基板１
０１上に形成され、その上に第１電極線対１２５、第２
電極線対、水平転送電極、および、第１〜第２の電荷検
出回路１５０、１５５を構成する各種の電極が配置され
る。

【０１０８】各光電変換素子１１０上には、第１の電気
的絶縁層１１５として、例えばシリコン酸化膜（例えば
熱酸化膜）が配置される。光電変換素子１１０上の領域
を除いた他の領域上には、第１の電気的絶縁層１１５と
して、例えばＯＮＯ膜やＯＮ膜が配置される。

【０１０９】第１の電気的絶縁層１１５上に配置される
各電極線ないし電極は、例えばポリシリコンによって形
成される。個々の電極線ないし電極の表面には、例えば
熱酸化膜からなる電気的絶縁膜ＩＦが設けられる。図９
には、第１電極線１２５ａと第１電極線１２５ｂとがそ
れぞれ１本ずつ示されている。

【０１１０】第１電極線１２５ａ、１２５ｂの各々は、
前述のように、所謂重ね合わせ構造をなす。水平転送電
極についても同様である。

【０１１１】第２の電気的絶縁層１６０が、各光電変換
素子１１０、各第１電極線対１２５、第１および第２の
水平電荷転送素子１４０、１４５、ならびに第１および
第２の電荷検出回路１５０、１５５を覆い、その上に光
遮蔽膜１６４、層間絶縁膜１６８、パッシベーション膜
１７０、および第１の平坦化膜１７５がこの順番で順次
配置される。

【０１１２】第２の電気的絶縁層１６０は、例えばシリ
コン酸化物によって形成されて、光遮蔽膜１６４とその
下の各種の電極線ないし電極との電気的な分離を十分な
ものとする。

【０１１３】光遮蔽膜１６４は、各垂直電荷転送素子１
２０、第１〜第２の水平電荷転送素子１４０、１４５、
ならびに第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５を平
面視上覆って、光電変換素子１１０以外の領域で無用の
光電変換が行われるのを防止する。その一方で、各光電
変換素子１１０へは光が入射するように、個々の光電変
換素子１１０の上方に当該光電変換素子１１０よりも平
面視上の大きさが小さい開口部１６４ａを１つずつ有す
る。個々の光電変換素子１１０表面において開口部１６
４ａ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１
１０における受光面となる。

【０１１４】光遮蔽膜１６４は、タングステン、アルミ
ニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これ
らの金属の２種以上からなる合金、前記の金属の化合物
等によって形成される。

【０１１５】層間絶縁膜１６８は例えばシリコン酸化物
によって形成されて、垂直電荷転送素子１２０、第１ま
たは第２の水平電荷転送素子１４０、１４５、ならびに
第１または第２の電荷検出回路１５０、１５５へそれぞ
れ所定の信号を供給するための配線と、光遮蔽膜１６４
との導通を防止する。

【０１１６】パッシベーション膜１７０は、例えばシリ
コン窒化膜等によって構成されて、その下の部材を保護
する。

【０１１７】第１の平坦化膜１７５はフォトレジスト等
の有機材料や、シリコン酸化物、ＰＳＧ（フォスホシリ
ケートガラス）、ＢＰＳＧ（ボロフォスホシリケートガ
ラス）、シリコン窒化物等の無機材料によって形成され
て、色フィルタアレイ１８０を形成するための平坦面を
提供する。第１の平坦化膜１７５を無機材料によって形
成する場合には、パッシベーション膜１７０を省略する
ことも可能である。

【０１１８】色フィルタアレイ１８０は、カラー撮影に
必要な複数色の色フィルタによって構成される。１つの
光電変換素子１１０に１つの色フィルタが対応する。図
９には、１つの赤色フィルタ１８０Ｒと１つの青色フィ
ルタ１８０Ｂとが示されている。個々の色フィルタは、
例えば、所望色の顔料または染料を含有した樹脂によっ
て形成される。

【０１１９】色フィルタアレイ１８０の上方にマイクロ
レンズアレイを配置する場合には、当該色フィルタアレ
イ１８０上に第２の平坦化膜１８５が形成され、その上
にマクロレンズアレイ１９０が形成される。

【０１２０】第２の平坦化膜１８５はフォトレジスト等
の有機材料によって形成されて、マイクロレンズアレイ
１９０を形成するための平坦面を提供する。

【０１２１】マイクロレンズアレイ１９０は多数個のマ
イクロレンズ１９０ａによって構成され、１つの光電変
換素子１１０に１つのマイクロレンズ１９０ａが対応す
る。これらのマイクロレンズ１９０ａは、例えば、透明
樹脂（フォトレジストを含む。）層をフォトリソグラフ
ィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって
各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部
を丸め込ませた後に冷却することによって形成される。
１つの区画から１つのマイクロレンズ１９０ａが形成さ
れる。

【０１２２】なお、白黒撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子
では、色フィルタアレイ１８０に代えて、単色の着色
層、例えば緑色もしくは青色の着色層、または透明樹脂
層が用いられる。単板式の撮像装置に利用されるＣＣＤ
型固体撮像素子では、色フィルタアレイ１８０に代え
て、赤色、緑色または青色の着色層が用いられる。マイ
クロレンズアレイは任意の構成部材であり、省略可能で
ある。

【０１２３】次に、第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮
像素子について説明する。

【０１２４】図１０は、本実施例による固体撮像素子２
００での光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部
１２３、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電
荷転送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、および
第２の電荷検出回路１５５の平面配置を概略的に示す。

【０１２５】同図に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子
２００では、第１の水平電荷転送素子１４０に最も近い
光電変換素子行と第１の水平電荷転送素子１４０との間
に電荷蓄積部ＡＲ１が形成され、第２の水平電荷転送素
子１４５に最も近い光電変換素子行と第２の水平電荷転
送素子１４５との間に電荷蓄積部ＡＲ２が形成されてい
る。図示のＣＣＤ型固体撮像素子２００は、フレームイ
ンターライン転送式のＣＣＤ型固体撮像素子である。

【０１２６】ＣＣＤ型固体撮像素子２００における他の
構成は、前述したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と
同様であるので、ここではその説明を省略する。図１０
についても、図５または図６に示した構成要素と共通す
るものには図５または図６で用いた参照符号と同じ参照
符号を付して、その説明を省略する。

【０１２７】電荷蓄積部ＡＲ１は、第１の水平電荷転送
素子１４０に電気的に接続可能な垂直電荷転送チャネル
部１２３それぞれに１つずつ、この垂直電荷転送チャネ
ル部１２３から間隔をあけて半導体基板１０１の一表面
に形成された第２電荷転送チャネル部２０５を有する。

【０１２８】第２電荷転送チャネル部２０５の一端は、
第３電荷転送チャネル部２１０によって、この第２電荷
転送チャネル部２０５に対応する垂直電荷転送チャネル
部１２３に電気的に接続される。第２電荷転送チャネル
部２０５の他端は、第４電荷転送チャネル部２１５によ
って、この第２電荷転送チャネル部２０５に対応する垂
直電荷転送チャネル部１２３に電気的に接続される。

【０１２９】第２電荷転送チャネル部２０５、第３電荷
転送チャネル部２１０、および第４電荷転送チャネル部
２１５は、いずれも、例えば半導体基板１０１の一表面
に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。

【０１３０】電荷蓄積部ＡＲ１は、上述の電荷転送チャ
ネル部１２３、２０５、２１０、２１５の他に、前述し
た第１の電気的絶縁層１１５（図９参照）上に配置され
た複数の第２電極線対の第２電極線対を有する。

【０１３１】電荷蓄積部ＡＲ１に配置される第２電極線
対の数は、例えば、１フレームの撮影時に転送されてく
る全ての電荷を当該電荷蓄積部ＡＲ１に蓄積することが
できるように、１列の光電変換素子列中の光電変換素子
１１０の数に応じて適宜選定される。

【０１３２】個々の第２電極線対は、その平面視上の形
状が図４に示した電極線対５を更に紙面の左右方向に延
長させた形状である点を除いて、図４に示した電極線対
５と同様の構造を有するので、ここではその図示を省略
する。勿論、第２電極線対を構成する２本の第２電極線
は、互いの相対的な位置を垂直電荷転送チャネル部１２
３上と第２電荷転送チャネル部２０５上とで平面視上入
れ替えながら、これら第１電荷転送チャネル部１２３の
各々および第２電荷転送チャネル部２０５の各々を横切
る。

【０１３３】電荷蓄積部ＡＲ２は、上述した電荷蓄積部
ＡＲ１と同様の構成を有する。電荷蓄積部ＡＲ１および
ＡＲ２は、共に、光遮蔽膜１６４によって覆われる。

【０１３４】このように構成されたＣＣＤ型固体撮像素
子２００は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子
１００と同様の効果を奏する。

【０１３５】さらに、光電変換素子１１０から読出した
電荷を比較的短時間の内に電荷蓄積部ＡＲ１またはＡＲ
２に転送することができるので、各光電変換素子１１０
に強い光が入射したときでも、スミアの発生を抑制しや
すい。

【０１３６】また、１つの垂直電荷転送チャネル部１２
３と、これに対応する第２電荷転送チャネル部２０５、
第３電荷転送チャネル部２１０、第４電荷転送チャネル
部２１５と、各第２電極線対とによって、１つの閉じた
電荷転送路を形成することができるので、この電荷転送
路内で電荷の加算（混合）等を行うことができる。

【０１３７】例えば、１フレーム（以下「、第１フレー
ム」という。）を撮影したとき各光電変換素子１１０に
蓄積された電荷を、電荷蓄積部ＡＲ１および電荷蓄積部
ＡＲ２へ転送すると共に、この転送期間中に次の１フレ
ーム（以下「、第２フレーム」という。）の撮影を開始
し、その後に第１フレームの電荷と第２フレームの電荷
とを電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ２内で加算（混合）するこ
とができる。この加算（混合）は、例えば以下のように
して行うことができる。

【０１３８】まず、第１フレームの撮影時に光電変換素
子列のそれぞれから読出した電荷（以下、これらの電荷
を「電荷Ａ」という。）を、当該光電変換素子列に対応
する上記閉じた電荷転送路へ転送する。次いで、第２フ
レームの撮影時に各光電変換素子列に蓄積された電荷
（以下、これらの電荷を「電荷Ｂ」という。）を対応す
る垂直電荷転送素子１２０へ読出し、当該光電変換素子
列に対応する第１または第２の水平電荷転送素子１４
０、１４５へ向けて転送する。

【０１３９】個々の電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ２における
第２電極線対の数を予め選定して、電荷Ｂのうちの先頭
の電荷が上記閉じた電荷転送路に達した時点で、当該閉
じた電荷転送路内に既に分布している電荷Ａが第４電荷
転送チャネル部２１５から垂直電荷転送チャネル部１２
３へ転送され始めるように調整しておく。

【０１４０】この調整により、電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ
２における各垂直電荷転送チャネル部１２３内で電荷Ａ
と電荷Ｂとを１つずつ加算し、加算された電荷から順次
第１または第２の水平電荷転送素子１４０、１４５へ転
送すること可能になる。

【０１４１】このとき電荷Ａの各々は、例えば、先頭の
電荷が第４電荷転送チャネル部２１５内で垂直電荷転送
チャネル部１２３の手前に分布し、最後尾の電荷が垂直
電荷転送チャネル部１２３内で上記閉じた電荷転送路内
に入った所に分布する。電荷Ｂのうちの先頭の電荷が上
記閉じた電荷転送路内に入るときには、当該先頭の電荷
と一緒に、電荷Ａのうちの先頭の電荷が第４電荷転送チ
ャネル部２１５から垂直電荷転送チャネル部１２３へ転
送される。１つの電荷Ａと１つの電荷Ｂとが加算され
る。以降、１つの電荷Ｂが上記閉じた電荷転送路内に入
るたび毎に、第４電荷転送チャネル部２１５から垂直電
荷転送チャネル部１２３へ１つの電荷Ａが転送されるの
で、これらの電荷が加算される。

【０１４２】上述した電荷の加算を行うことにより、例
えば、夜景や暗い被写体の撮影が容易になる。また、高
感度で撮影することが容易になる。さらに、光電変換素
子１１０の高集積化に伴って各光電変換素子１１０の飽
和容量が低下した場合でも、ダイナミックレンジを容易
に拡大することが可能になる。

【０１４３】また、ＣＣＤ型固体撮像素子２００を用い
た撮像装置では、フレームメモリを用いることなく再生
画像用の画素信号を生成することが可能である。

【０１４４】例えば、第２の水平電荷転送素子１４５に
最も近い光電変換素子行を基準にすると、電荷蓄積部Ａ
Ｒ２に転送された各電荷は、上記閉じた電荷転送路内を
１周させた後に再び垂直電荷転送チャネル部１２３を介
して第２の水平電荷転送素子１４５へ転送する。

【０１４５】その一方で、電荷蓄積部ＡＲ１に転送され
た各電荷は、上記閉じた電荷転送路を概ね１周半させた
後、より具体的には、最後尾の電荷が垂直電荷転送チャ
ネル部１２３内で第３電荷転送チャネル部２１０の手前
に来るまで、または、第３電荷転送チャネル部２１０に
入るまで転送した後、最後尾の電荷から第１の電荷転送
素子１４０へ転送する。

【０１４６】上述のように電荷を転送すると、第１の水
平電荷転送素子１４０および第２の水平電荷転送素子１
４５それぞれへ、上記基準とした光電変換素子行から光
電変換素子行単位で順次電荷が転送されることになる。

【０１４７】その結果として、ＣＣＤ型固体撮像素子２
００を用いた撮像装置では、フレームメモリを用いるこ
となく再生画像用の画素信号を生成することが可能にな
る。

【０１４８】垂直電荷転送素子１２０（図６参照）によ
る電荷の転送、ならびに、電荷蓄積部ＡＲ１およびＡＲ
２内での電荷の転送は、例えば図６に示した４相の垂直
駆動信号φＶ１〜φＶ４によって行うことができる。こ
のとき、第１電極線対１２５（図６参照）の各々と上述
した第２電極線の各々とを合わせた電極線全体への垂直
駆動信号φＶ１〜φＶ４の供給パターンが、各第１電極
線対１２５への垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４の供給パタ
ーンと同じになるようにして、垂直駆動信号φＶ１〜φ
Ｖ４を供給する。

【０１４９】ただし、電荷蓄積部ＡＲ１またはＡＲ２に
転送した各電荷を、前述のように最後尾の電荷から第１
または第２の水平電荷転送素子１４０または１４５へ転
送する場合には、少なくとも当該電荷蓄積部ＡＲ１また
はＡＲ２を構成する各第２電極線へは、各第１電極線対
へ垂直駆動信号を供給するために配線とは別の配線によ
って、駆動信号を供給することが好ましい。前記別の配
線を設けることにより、動画についても、フレームメモ
リを用いることなく再生画像用の画素信号を生成するこ
とが容易になる。

【０１５０】次に、第３の実施例によるＣＣＤ型固体撮
像素子について説明する。

【０１５１】図１１は、本実施例による固体撮像素子２
１０での光電変換素子１１０、垂直電荷転送素子１２
０、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電荷転
送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、第２の電荷
転出回路１５５、および第３の電荷検出回路１５８の平
面配置を概略的に示す。

【０１５２】図示のＣＣＤ型固体撮像素子２１０は、カ
ラー撮影用の単板式撮像装置に利用されるＣＣＤ型固体
撮像素子であり、半導体基板１０１の上方には、カラー
撮影に必要な原色系の色フィルタアレイ（図示せず。）
が配置されている。個々の光電変換素子１１０の上方に
は、赤色フィルタ、緑色フィルタ、および青色フィルタ
のいずれか１つが位置する。

【０１５３】図１１には、個々の光電変換素子１１０の
上方に位置している色フィルタの種類を参照符号Ｒ、
Ｇ、Ｂで示している。参照符号Ｒは赤色フィルタを意味
し、参照符号Ｇは緑色フィルタを意味し、参照符号Ｂは
青色フィルタを意味する。

【０１５４】これらの参照符号の分布から明らかなよう
に、上記の色フィルタアレイでは、赤色フィルタＲと青
色フィルタＢとが光電変換素子列方向に交互に繰り返し
配置された第１色フィルタ列と、緑色フィルタＧのみに
よって構成された第２色フィルタ列とが交互に繰り返し
配置されている。１つの第２色フィルタ列を挟んで隣り
合う２つの第１色フィルタ列では、赤色フィルタと青色
フィルタとの配置が互いに逆になっている。

【０１５５】また、ＣＣＤ型固体撮像素子２１０では、
第２の水平電荷転送素子１４５の出力端に、第２の電荷
検出回路１５５の他に第３の電荷検出回路１５８が接続
されている。

【０１５６】ＣＣＤ型固体撮像素子２１０における他の
構成は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１０
０の構成と同様であるので、ここではその説明を省略す
る。図１１についても、図５に示した構成要素と共通す
るものには図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付し
て、その説明を省略する。

【０１５７】このように構成されたＣＣＤ型固体撮像素
子２１０では、上方に緑色フィルタＧが配置されている
光電変換素子１１０から読出された電荷が第１の水平電
荷転送素子１４０へ転送され、上方に赤色フィルタＲま
たは青色フィルタＢが配置されている光電変換素子１１
０から読出された電荷が第２の水平電荷転送素子１４５
へ転送される。

【０１５８】第２の水平電荷転送素子１４５は、例え
ば、上方に赤色フィルタＲが配置されている光電変換素
子１１０から読出された電荷を第２の電荷検出回路１５
５へ転送し、上方に青色フィルタＢが配置されている光
電変換素子１１０から読出された電荷を第３の電荷検出
回路１５５へ転送する。

【０１５９】第１の電荷検出回路１５０、第２の電荷検
出回路１５５、および第３の電荷検出回路１５８それぞ
れの利得は、別個に調整することが可能である。

【０１６０】換言すれば、上方に緑色フィルタＧが配置
されている光電変換素子１１０から読出された電荷に基
づく画素信号、上方に赤色フィルタＲが配置されている
光電変換素子１１０から読出された電荷に基づく画素信
号、および、上方に青色フィルタＢが配置されている光
電変換素子１１０から読出された電荷に基づく画素信号
それぞれの利得を、別個に調整することが可能である。

【０１６１】したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子２１０
は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１００と
同様の効果を奏する他に、ダイナミックレンジの拡大
や、低ノイズ化が容易になるという効果を奏し、さらに
は、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力する
ことができるという効果も奏する。

【０１６２】以上、実施例による電荷転送装置およびＣ
ＣＤ型固体撮像素子について説明したが、本発明は上述
した実施例に限定されるものではない。

【０１６３】例えば、第２の実施例による電荷転送装置
２０（図４参照）では、第２電荷転送チャネル部１２と
第３電荷転送チャネル部１５が配置されているが、これ
ら第２電荷転送チャネル部１２および第３電荷転送チャ
ネル部１５のいずれか一方のみを配置して電荷転送装置
を構成することもできる。このようにして構成された電
荷転送装置でも、直線的に形成された遅延素子に比べて
ほぼ半分の長さで、同じ遅延時間を稼ぐことができる。
また、電荷の入力端と出力端とを同じ方向に設けること
ができる。

【０１６４】また、第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮
像素子２００では、垂直電荷転送チャネル部１２３の他
に第２電荷転送チャネル部２０５を形成したが、電荷蓄
積部ＡＲ１内の第２電荷転送チャネル部２０５は、第１
の水平電荷転送素子１４０に電気的に接続されない垂直
電荷転送チャネル部１２３の一端を第１の水平電荷転送
素子１４０側に延長することによっても形成することが
できる。

【０１６５】同様に、電荷蓄積部ＡＲ２内の第２電荷転
送チャネル部２０５は、第２の水平電荷転送素子１４５
に電気的に接続されない垂直電荷転送チャネル部１２３
の一端を第２の水平電荷転送素子１４０側に延長するこ
とによっても形成することができる。

【０１６６】ＣＣＤ型固体撮像素子における光電変換素
子は、画素ずらし配置する他に、正方行列状（行数と列
数とが異なるものを含む。）に配置してもよい。

【０１６７】実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子では、
偶数番目に当たる光電変換素子列と奇数番目に当たる光
電変換素子列とで光電変換素子の数が異なるが、実際の
ＣＣＤ型固体撮像素子では、多くの場合、各光電変換素
子列が同数の光電変換素子によって構成される。

【０１６８】電荷転送装置の駆動に使用する駆動信号、
およびＣＣＤ型固体撮像素子で各垂直電荷転送素子の駆
動に使用する垂直駆動信号は、いずれも４相に限定され
るものではなく、適宜選定可能である。例えば、光電変
換素子が画素ずらし配置されているＣＣＤ型固体撮像素
子においては、８相の垂直駆動信号によって各垂直電荷
転送素子を駆動させることにより、全画素読出し動作の
他に、１／２間引き読出し動作や、垂直２画素加算動作
（個々の垂直電荷転送素子内で、対応する光電変換素子
列から読出した電荷のうちの近接する２つの電荷同士を
加算する動作）を行うことが可能になる。

【０１６９】ＣＣＤ型固体撮像素子における水平電荷転
送素子の構成および駆動方法は、製造しようとするＣＣ
Ｄ型固体撮像素子の用途やグレード等に応じて適宜選定
可能である。同様に、電荷検出回路それぞれの構成も、
製造しようとするＣＣＤ型固体撮像素子の用途やグレー
ド等に応じて適宜選定可能である。

【０１７０】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能であることは、当業者に自明であろう。

【０１７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
新たな電荷転送装置が提供される。この電荷転送装置の
構成を、ＣＣＤ型固体撮像素子での垂直電荷転送素子に
応用すれば、高いフレームレートを得ることが容易なＣ
ＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。

【０１７２】このＣＣＤ型固体撮像素子を用いて撮像装
置を構成すれば、多くの光電変換素子を集積して解像度
を高めた場合でも、１秒間当たり複数コマの静止画を連
続撮影することが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による電荷転送装置での第１電荷
転送チャネル部および電極線対の平面配置を示す概略図
である。

【図２】図１に示したII−II線に沿った電荷転送装置の
断面を示す概略図である。

【図３】図１に示した電荷転送装置によって電荷を転送
する際の転送方向の一例を示す概略図である。

【図４】第２の実施例による電荷転送装置での電荷転送
チャネル部および電極線対の平面配置を示す概略図であ
る。

【図５】第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子での
光電変換素子、垂直電荷転送素子、第１の水平電荷転送
素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回路、
および第２の電荷検出回路の平面配置を示す概略図であ
る。

【図６】図５に示したＣＣＤ型固体撮像素子における垂
直電荷転送素子の構成を示す概略図である。

【図７】図６に示した半導体基板、光電変換素子、垂直
電荷転送チャネル部、および第１電極線の平面配置を示
す概略図である。

【図８】図６に示した半導体基板、光電変換素子、垂直
電荷転送チャネル部、および他の第１電極線の平面配置
を示す概略図である。

【図９】図６に示すIX−IX線に沿ったＣＣＤ型固体撮像
素子の断面を示す概略図である。

【図１０】第２の本実施例による固体撮像素子での光電
変換素子、垂直電荷転送チャネル部、第１の水平電荷転
送素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回
路、および第２の電荷検出回路の平面配置を示す概略図
である。

【図１１】第３の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子で
の光電変換素子、垂直電荷転送素子、第１の水平電荷転
送素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回
路、第２の電荷転出回路１５５、および第３の電荷検出
回路の平面配置を示す概略図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、 ３ａ、３ｂ…第１電荷転送チャネル
部、 ５ａ、５ｂ…電極線、 ５…電極線対、 ７ａ…
第１転送電極、 ７ｂ…第３転送電極、 ８ａ…第２転
送電極、 ８ｂ…第４転送電極８ｂ、 １０、２０…電
荷転送装置、１２…第２電荷転送チャネル部、 １５…
第３電荷転送チャネル部、 １００、２００、２１０…
ＣＣＤ型固体撮像素子、 １０１…半導体基板、 １１
０…光電変換素子、 １２０…垂直電荷転送素子、 １
２３…垂直電荷転送チャネル部、 １２５ａ、１２５ｂ
…第１電極線、 １２５…第１電極線対、 １３０…読
出しゲート、 １４０…第１の水平電荷転送素子、 １
４５…第２の水平電荷転送素子、 １５０…第１の電荷
検出回路、 １５５…第２の電荷検出回路、 １５８…
第３の電荷検出回路、 ２０５…第２電荷転送チャネル
部、 ２１０…第３電荷転送チャネル部、 ２１５…第
４電荷転送チャネル部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 勝己 宮城県黒川郡大和町松坂平１丁目６番地 富士フイルムマイクロデバイス株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA12 BA13 CA03 CA04 CA20 CA34 CB14 DA13 DA23 DA28 DB08 FA02 FA06 FA26 FA38 FA44 GB11 GC08 GC14 GD04 5C024 CX41 EX43 EX52 GX22 GY01 GZ02 GZ28 GZ42 JX25

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板の一表面に形成された複数の第１電荷転
   送チャネル部と、 前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜
   と、 前記電気的絶縁膜上に配置された複数の電極線対であっ
   て、各々が２本の電極線によって構成され、該２本の電
   極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対
   的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入
   れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る
   複数の電極線対とを有する電荷転送装置。
2. 【請求項２】 さらに、互いに近接する２つの第１電荷
   転送チャネル部によって構成されるチャネル対それぞれ
   に設けられ、一方の第１電荷転送チャネル部の一端を他
   方の第１電荷転送チャネル部の一端に電気的に接続する
   第２電荷転送チャネル部を有する請求項１に記載の電荷
   転送装置。
3. 【請求項３】 さらに、前記第２電荷転送チャネル部の
   上方に前記電気的絶縁膜を介した配置された少なくとも
   １つの第１転送電極を有する請求項２に記載の電荷転送
   装置。
4. 【請求項４】 さらに、 前記チャネル対それぞれに設けられ、前記一方の第１電
   荷転送チャネル部の他端を前記他方の第１電荷転送チャ
   ネル部の他端に電気的に接続する第３電荷転送チャネル
   部と、 前記第３電荷転送チャネル部の上方に前記電気的絶縁膜
   を介して配置された少なくとも１つの第２転送電極と、 前記２つの第１電荷転送チャネル部、前記第２電荷転送
   チャネル部、および前記第３電荷転送チャネル部のいず
   れかに電気的に接続可能な電荷入力端と、 前記２つの第１電荷転送チャネル部、前記第２電荷転送
   チャネル部、および前記第３電荷転送チャネル部のいず
   れかに電気的に接続可能な電荷出力端と、を有する請求
   項２または請求項３に記載の電荷転送装置。
5. 【請求項５】 半導体基板と、 前記半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列
   状に配置された多数個の光電変換素子と、 １つの光電変換素子列に１つずつ該光電変換素子列に近
   接して前記半導体基板の一表面に形成され、各々が、対
   応する光電変換素子列に沿って延在する複数の第１電荷
   転送チャネル部と、 前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜
   と、 １つの光電変換素子行に１対ずつ該光電変換素子行に沿
   って前記電気的絶縁膜上に配置された第１電極線対であ
   って、各々が２本の第１電極線によって構成され、該２
   本の第１電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での
   互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に
   平面視上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各
   々を横切る第１電極線対と、 光電変換素子列方向の一方の端に配置され、前記複数の
   第１電荷転送チャネル部の中から１つおきに選択された
   第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第
   １の電荷転送素子と、 前記光電変換素子列方向の他方の端に配置され、前記複
   数の第１電荷転送チャネル部の中から他の１つおきに選
   択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続
   される第２の電荷転送素子とを有する固体撮像素子。
6. 【請求項６】 さらに、前記多数個の光電変換素子と前
   記第１の電荷転送素子との間、および、前記多数個の光
   電変換素子と前記第２の電荷転送素子との間にそれぞれ
   形成された電荷蓄積部を有する請求項５に記載の固体撮
   像素子。
7. 【請求項７】 前記電荷蓄積部の各々が、 該電荷蓄積部に近接する前記第１電荷転送素子もしくは
   前記第２電荷転送素子に電気的に接続可能な前記第１電
   荷転送チャネル部それぞれに１つずつ、該第１電荷転送
   チャネル部から間隔をあけて前記半導体基板の一表面に
   形成された第２電荷転送チャネル部と、 前記第２電荷転送チャネル部の一端と該第２電荷転送チ
   ャネル部に対応する第１電荷転送チャネル部とを電気的
   に接続する第３電荷転送チャネル部と、 前記第２電荷転送チャネル部の他端と該第２電荷転送チ
   ャネル部に対応する前記第１電荷転送チャネル部とを電
   気的に接続する第４電荷転送チャネル部と、 前記多数個の光電変換素子と前記第１の電荷転送素子と
   の間の前記電気的絶縁膜上に配置された複数の第２電極
   線対であって、各々が２本の第２電極線によって構成さ
   れ、該２本の第２電極線が、互いの相対的な位置を前記
   第１電荷転送チャネル部上と前記第２電荷転送チャネル
   部上とで平面視上入れ替えながら前記第１電荷転送チャ
   ネル部の各々および前記第２電荷転送チャネル部の各々
   を横切る複数の第２電極線対とを有する請求項６に記載
   の固体撮像素子。
8. 【請求項８】 さらに、前記第１の電荷転送素子の出力
   端に接続された第１電荷検出回路と、前記第２の電荷転
   送素子の出力端に接続された第２電荷検出回路とを有す
   る請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像
   素子。
9. 【請求項９】 さらに、前記第１の電荷転送素子および
   前記第２の電荷転送素子のいずれか一方の出力端に電気
   的に接続された第３電荷検出回路を有する請求項８に記
   載の固体撮像素子。