JP2003324655A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２次元配列の画素から読み出した各画素信号
を水平転送方向に画素単位で容易に加算できるようにす
る。 【解決手段】 撮像領域１１０の側部に平行に設けられ
た水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂの間にレジスタ
間転送ゲート１１３が設けられている。このレジスタ間
転送ゲート１１３は、その下層に１水平ビットおきに転
送チャネル領域が設けられており、転送チャネル領域を
設けたビットの信号電荷が第１の水平転送レジスタ１１
１Ａから第２の水平転送レジスタ１１１Ｂに読み出され
る。したがって、このレジスタ間転送ゲート１１３によ
り、水平１ライン分の信号電荷が１ビットおきに２つの
水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂに振り分けられ
る。これにより、色成分別の信号電荷を複数ビット加算
した信号出力を行うことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、それぞれ入射光量
に応じた信号電荷を生成する２次元配列の複数の画素
と、各画素の信号電荷を読み出す複数の垂直転送レジス
タ及び水平転送レジスタを有するＣＣＤ型の固体撮像素
子及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラや電子カメラにおい
て、電荷転送部にＣＣＤレジスタを用いたＣＣＤ型の固
体撮像素子が使用されている。このＣＣＤ固体撮像素子
は、光電変換手段（フォトダイオード；ＰＤ）を設けた
複数の画素を半導体基板上の撮像領域（イメージエリ
ア）内に２次元配列のアレイ状に配置したものであり、
各画素に入射した光をフォトダイオードによって光電変
換して信号電荷を生成し、この信号電荷を垂直転送レジ
スタ及び水平転送レジスタを介して出力アンプ部に設け
たフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に転送し、
このＦＤ部の電位変動をＭＯＳトランジスタによって検
出し、これを電気信号に変換、増幅することにより、撮
像信号として出力する。

【０００３】図３は、このような固体撮像素子の各レジ
スタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図であ
り、信号電荷をそれぞれ破線による矢印で示している。
なお、この図３に示す撮像領域（イメージエリア）１０
には、２次元配列の複数の画素と各画素列毎の複数の垂
直転送レジスタが配置されており、撮像領域１０の外側
部に水平転送レジスタ１１及び出力アンプ部１２が配置
されている。まず、各画素の信号電荷は、各画素列毎に
一括して垂直転送レジスタに読み出され、垂直転送パル
スに基づいて各垂直転送レジスタにより垂直（矢印Ａ）
方向に転送され、１水平ライン毎に順次水平転送レジス
タ１１に読み出される。そして、水平転送レジスタ１１
に読み出された１ライン分の信号電荷は、水平転送パル
スに基づいて水平転送レジスタ１１により水平（矢印
Ｂ）方向に転送され、順次出力アンプ部１２に出力され
る。また、出力アンプ部１２においては、水平転送レジ
スタ１１によって転送されてきた信号電荷を順次電気信
号に変換し、さらに後段の信号処理回路に出力する。

【０００４】なお、このような固体撮像素子が形成され
た半導体基板の上には、各転送レジスタを駆動するため
のゲート電極膜や、各画素の受光面だけに外光を入射さ
せるための遮光膜等が配置され、さらにその上層に各画
素に入射する光の色成分を分離するカラーフィルタや、
各画素の受光面に光を集光するオンチップマイクロレン
ズ等が配置される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なＣＣＤ型固体撮像素子では、多画素化が進むととも
に、各画素信号を間引いて出力したり、あるいは、複数
の画素信号を加算して出力するような多機能化が図られ
ている。しかしながら、上記従来のＣＣＤ型固体撮像素
子の場合、垂直方向の画素信号を加算することは、読み
出しタイミングの制御により、垂直転送レジスタの内
部、または、水平転送レジスタの内部において容易に実
現できるが、水平方向の画素信号を加算することは難易
度が高く、隣り合う数画素分の画素信号を水平転送レジ
スタの内部で混合する方式のみ可能である。

【０００６】しかし、上述したカラーフィルタでは、各
色成分の画素フィルタが、たとえば市松模様等の配列で
設けられており、同一の色成分の画素フィルタは連続し
ておらず、たとえば１画素おきに配置されている。した
がって、同一色成分の画素信号を水平方向に加算するた
めには、たとえば水平方向に１画素（ビット）おきに画
素信号を加算する必要がある。したがって、このような
加算動作を上記従来のＣＣＤ型固体撮像素子の内部で行
うことは困難であった。

【０００７】そこで本発明の目的は、２次元配列の画素
から読み出した各画素信号を水平転送方向に画素単位
（水平ビット単位）で容易に加算することが可能なＣＣ
Ｄ型の固体撮像素子及び駆動方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板上に設けた撮像領域に２次元配列
で設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各列毎に
配置されて各画素によって蓄積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、前記複数の垂
直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向
に転送する複数の水平転送レジスタとを有する固体撮像
素子であって、前記複数の水平転送レジスタは、各垂直
転送レジスタの端部近傍に互いに平行に配置される第１
の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタとを含
み、前記第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジ
スタとの間に、前記各垂直転送レジスタから第１の水平
転送レジスタの各水平ビットに転送された信号電荷を、
各水平ビット単位で選択して第２の水平転送レジスタに
転送するレジスタ間転送ゲートを設けたことを特徴とす
る。

【０００９】また本発明は、半導体基板上に設けた撮像
領域に２次元配列で設けられた複数の画素と、前記複数
の画素の各列毎に配置されて各画素によって蓄積された
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、前記複数の垂直転送レジスタによって転送された信
号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送レジスタと
を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数の
水平転送レジスタは、各垂直転送レジスタの端部近傍に
互いに平行に配置される第１の水平転送レジスタと第２
の水平転送レジスタとを含み、前記各垂直転送レジスタ
から前記第１の水平転送レジスタに転送された信号電荷
について、所定の水平ビットの信号電荷を選択して第２
の水平転送レジスタに転送し、前記第１の水平転送レジ
スタ及び第２の水平転送レジスタのそれぞれにおいて水
平方向に転送してきた信号電荷を加算することを特徴と
する。

【００１０】本発明の固体撮像素子では、第１の水平転
送レジスタと第２の水平転送レジスタとの間に設けられ
たレジスタ間転送ゲートにより、各垂直転送レジスタか
ら第１の水平転送レジスタの各水平ビットに転送された
信号電荷を、各水平ビット単位で選択して第２の水平転
送レジスタに転送する。これにより、互いに隣接した水
平ビットの信号電荷を第１、第２の水平転送レジスタに
振り分け、それぞれ個別に転送することができるため、
各画素信号を水平方向に画素単位（水平ビット単位）で
容易に加算することが可能となる。したがって、たとえ
ば異なる色成分の画素信号を分離して、各画素信号を色
成分毎に加算して出力するような処理を容易に実現で
き、固体撮像素子の多機能化に貢献することができる。

【００１１】また、本発明の固体撮像素子の駆動方法で
は、各垂直転送レジスタから第１の水平転送レジスタに
転送された信号電荷について、所定の水平ビットの信号
電荷を選択して第２の水平転送レジスタに転送する。こ
れにより、互いに隣接した水平ビットの信号電荷を第
１、第２の水平転送レジスタに振り分け、それぞれ個別
に転送することができるため、各画素信号を水平方向に
画素単位（水平ビット単位）で容易に加算することが可
能となる。したがって、たとえば異なる色成分の画素信
号を分離して、各画素信号を色成分毎に加算して出力す
るような処理を容易に実現でき、固体撮像素子の多機能
化に貢献することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
及びその駆動方法の実施の形態例について説明する。な
お、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体
例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている
が、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明
を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定さ
れないものとする。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施の形態例によ
るＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の
転送経路を示す概略説明図であり、信号電荷をそれぞれ
破線による矢印で示している。本例の固体撮像素子は、
２本の水平転送レジスタによって出力信号を振り分けて
出力する構成（２チャネル出力型）の例である。図１に
おいて、撮像領域（イメージエリア）１１０には、２次
元配列の複数の画素と各画素列毎の複数の垂直転送レジ
スタが配置されており、撮像領域１１０の外側部に２本
の水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂ及び出力アンプ
部１１２Ａ、１１２Ｂが配置されている。また、水平転
送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂの間には、レジスタ間転
送ゲート（ＨＨＧ）１１３が設けられている。

【００１４】２本の水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１
Ｂは互いに平行に配置され、共通の転送チャネル及び転
送ゲート構造を有している。ただし、図１に示す例で
は、転送方向が逆になっており、出力アンプ部１１２
Ａ、１１２Ｂの位置が反対側に配置されている。そし
て、各水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂのうちの撮
像領域１１０の中央に近い方の第１の水平転送レジスタ
１１１Ａには、図３に示した従来例と同様に、全ての垂
直転送レジスタに対応する水平ビットの転送チャネルに
各垂直転送レジスタの信号電荷が転送される。

【００１５】また、第１の水平転送レジスタ１１１Ａの
外側に配置される第２の水平転送レジスタ１１１Ｂに
は、レジスタ間転送ゲート１１３の動作によって第１の
水平転送レジスタ１１１Ａに転送されてきた各水平ビッ
トの信号電荷のうち１水平ビットおきの信号電荷が転送
される。すなわち、レジスタ間転送ゲート１１３は、そ
の下層に１水平ビットおきに転送チャネル領域が設けら
れており、転送チャネル領域を設けたビットの信号電荷
が第１の水平転送レジスタ１１１Ａから第２の水平転送
レジスタ１１１Ｂに読み出される。なお、このレジスタ
間転送ゲート１１３は、水平転送レジスタ１１１Ａ、１
１１Ｂ間で信号電荷の転送する際に、十分な転送効率を
確保されるだけの転送長を有しているものとする。

【００１６】また、このレジスタ間転送ゲート１１３
は、垂直転送パルスによって水平１ラインの信号電荷を
垂直転送する際にＯＮとなり、水平転送による水平転送
開始の直前にＯＦＦとなる。したがって、垂直転送レジ
スタの最終段の信号電荷が第１の水平転送レジスタ１１
１Ａ側に読み出されるタイミングでは、レジスタ間転送
ゲート１１３がＯＮしており、各水平ビットの信号電荷
のうち、レジスタ間転送ゲート１１３の転送チャネル領
域に対応するビットの信号電荷は、そのまま第１の水平
転送レジスタ１１１Ａから第２の水平転送レジスタ１１
１Ｂに読み出される。この結果、第１の水平転送レジス
タ１１１Ａの各ビットには１ビットおきに信号電荷が蓄
積され（矢印Ａ１）、第２の水平転送レジスタ１１１Ｂ
の各ビットには、第１の水平転送レジスタ１１１Ａと異
なるビットに１ビットおきに信号電荷が蓄積される（矢
印Ａ２）。

【００１７】このようにして、水平１ライン分の信号電
荷が１ビットおきに２つの水平転送レジスタ１１１Ａ、
１１１Ｂに振り分けられる。したがって、２つの水平転
送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂを水平転送パルスによっ
て駆動し、それぞれの信号電荷を転送することにより、
１ビットおきの信号電荷を２つの出力アンプ部１１２
Ａ、１１２Ｂに転送し、２つの撮像信号に変換して取り
出すことできる（矢印Ｂ１、Ｂ２）。また、この際、各
水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂの最終水平転送ゲ
ートにおいて、ＦＤ部に対するリセットタイミングを制
御することにより、複数ビット（水平転送ゲートの４ビ
ット分の加算で実質的には２ビット分）の信号電荷を加
算して出力アンプ部１１２Ａ、１１２Ｂに供給すること
ができ、色成分別の信号電荷を複数ビット加算した信号
出力を行うことが可能である。

【００１８】すなわち、本例の固体撮像素子においても
上記従来例と同様に、固体撮像素子の上には各画素に入
射する光の色成分を分離するカラーフィルタ等が配置さ
れているが、このカラーフィルタは、各色成分の画素フ
ィルタが所定のパターンで配列されており、隣接するビ
ットには異なる色成分の画素フィルタが配置されてい
る。そこで、本例のように１ビットおきに信号電荷を取
り出すことにより、同一色成分の信号電荷を連続させる
ことでき、これを順次加算することにより、各色成分毎
の画素信号を加算することが可能である。したがって、
本例の固体撮像素子では、信号電荷の転送段階で有効な
画素信号の加算を行うことができ、これを後段の信号処
理回路でサンプリングし、撮像信号を得ることにより、
複雑な信号処理を要することなく、有効な加算信号の撮
像出力を得ることが可能である。なお、レジスタ間転送
ゲート１１３をＯＮさせることなく撮像動作を行うこと
により、第１の水平転送レジスタ１１１Ａだけを用いた
通常の撮像信号出力を行うことが可能である。

【００１９】図２は、本発明の第２の実施の形態例によ
るＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の
転送経路を示す概略説明図であり、信号電荷をそれぞれ
破線による矢印で示している。本例の固体撮像素子は、
撮像領域（イメージエリア）２１０を垂直方向に２分割
し、各撮像領域２１０Ａ、２１０Ｂ毎に垂直転送レジス
タによって逆方向に信号電荷を転送するとともに、各撮
像領域２１０Ａ、２１０Ｂに、それぞれ２本の水平転送
レジスタを設け、合計４本の水平転送レジスタ２１１
Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄによって出力信号を
振り分けて出力する構成（４チャネル出力型）の例であ
る。

【００２０】すなわち、図２に示す上段の撮像領域２１
０Ａには、その外側部（図２に示す上側部）に２本の水
平転送レジスタ２１１Ａ、２１１Ｂ及び出力アンプ部２
１２Ａ、２１２Ｂが配置され、水平転送レジスタ２１１
Ａ、２１１Ｂの間には、レジスタ間転送ゲート（ＨＨ
Ｇ）２１３Ａが設けられている。また、図２に示す下段
の撮像領域２１０Ｂにも同様に、その外側部（図２に示
す下側部）に２本の水平転送レジスタ２１１Ｃ、２１１
Ｄ及び出力アンプ部２１２Ｃ、２１２Ｄが配置され、水
平転送レジスタ２１１Ｃ、２１１Ｄの間には、レジスタ
間転送ゲート（ＨＨＧ）２１３Ｂが設けられている。

【００２１】このような構成の固体撮像素子において
も、図１に示した例と同様にして、各撮像領域２１０
Ａ、２１０Ｂの画素信号を水平１ビットおきに振り分
け、さらに複数ビットずつ加算して出力することが可能
である。すなわち、撮像領域２１０Ａの画素信号は矢印
Ａ３、Ａ４、Ｂ３、Ｂ４の経路で転送され、撮像領域２
１０Ｂの画素信号は矢印Ａ５、Ａ６、Ｂ５、Ｂ６の経路
で転送される。なお、個々の動作については図１に示し
た実施の形態例と同様であるので詳細は省略する。

【００２２】なお、本発明は以上の具体例に限定され
ず、種々の変形が可能である。たとえば、上述の例で
は、２本１組みの水平転送レジスタを設けて水平１ビッ
トのおきに信号電荷を転送するようにしたが、３本１組
みの水平転送レジスタを設け、各水平転送レジスタの間
に、それぞれレジスタ間転送ゲートを設けることによ
り、信号電荷を３つの水平転送レジスタに振り分けて転
送するような構成を採用することも可能である。また、
上述の例では、２本１組みの水平転送レジスタの転送方
向を互いに逆方向としたが、同一方向に転送するような
構成としてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、第１の水平転送レジスタと第２の水平転送
レジスタとの間に設けられたレジスタ間転送ゲートによ
り、各垂直転送レジスタから第１の水平転送レジスタの
各水平ビットに転送された信号電荷を、各水平ビット単
位で選択して第２の水平転送レジスタに転送するように
したので、互いに隣接した水平ビットの信号電荷を第
１、第２の水平転送レジスタに振り分け、それぞれ個別
に転送することができ、各画素信号を水平方向に画素単
位（水平ビット単位）で容易に加算することが可能とな
る。したがって、たとえば異なる色成分の画素信号を分
離して、各画素信号を色成分毎に加算して出力するよう
な処理を容易に実現でき、固体撮像素子の多機能化に貢
献することができる。

【００２４】また、本発明の固体撮像素子の駆動方法に
よれば、各垂直転送レジスタから第１の水平転送レジス
タに転送された信号電荷について、所定の水平ビットの
信号電荷を選択して第２の水平転送レジスタに転送する
ようにしたので、互いに隣接した水平ビットの信号電荷
を第１、第２の水平転送レジスタに振り分け、それぞれ
個別に転送することができるため、各画素信号を水平方
向に画素単位（水平ビット単位）で容易に加算すること
が可能となる。したがって、たとえば異なる色成分の画
素信号を分離して、各画素信号を色成分毎に加算して出
力するような処理を容易に実現でき、固体撮像素子の多
機能化に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態例によるＣＣＤ型固
体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示
す概略説明図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態例によるＣＣＤ型固
体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示
す概略説明図である。

【図３】従来のＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによ
る信号電荷の転送経路を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１１０、２１０……撮像領域（イメージエリア）、１１
１Ａ、１１１Ｂ、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ａ、２１
１Ｂ……水平転送レジスタ、１１２Ａ、１１２Ｂ、２１
２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ、２１２Ｄ……出力アンプ
部、１１３、２１３Ａ、２１３Ｂ……レジスタ間転送ゲ
ート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AA10 AB01 BA13 DD04 DD11 DD20 FA06 FA33 FA44 5C024 BX01 CX41 DX01 GY01 GY15 GZ24 GZ26 GZ43 GZ45 GZ47 HX28 5C065 AA01 AA03 BB48 DD03 DD09 GG21

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に設けた撮像領域に２次元
   配列で設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各列
   毎に配置されて各画素によって蓄積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、前記複数
   の垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平
   方向に転送する複数の水平転送レジスタとを有する固体
   撮像素子であって、 前記複数の水平転送レジスタは、各垂直転送レジスタの
   端部近傍に互いに平行に配置される第１の水平転送レジ
   スタと第２の水平転送レジスタとを含み、 前記第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタ
   との間に、前記各垂直転送レジスタから第１の水平転送
   レジスタの各水平ビットに転送された信号電荷を、各水
   平ビット単位で選択して第２の水平転送レジスタに転送
   するレジスタ間転送ゲートを設けた、 ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記レジスタ間転送ゲートは、第１の水
   平転送レジスタの各水平ビットの信号電荷を１水平ビッ
   トおきに選択して前記第２の水平転送レジスタに転送す
   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】 前記レジスタ間転送ゲートの下層に１水
   平ビットおきに転送チャネル領域を設けたことを特徴と
   する請求項２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記第１の水平転送レジスタ及び第２の
   水平転送レジスタによってそれぞれ水平方向に転送して
   きた信号電荷を１水平ビットおきに加算して出力するこ
   とを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 前記加算は、各水平転送レジスタの最終
   転送ゲートで行うことを特徴とする請求項４記載の固体
   撮像素子。
6. 【請求項６】 前記第１の水平転送レジスタと第２の水
   平転送レジスタの組みが複数組み設けられていることを
   特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
7. 【請求項７】 前記第１の水平転送レジスタと第２の水
   平転送レジスタの組みが前記垂直転送レジスタの両端部
   近傍にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像素子。
8. 【請求項８】 前記第１の水平転送レジスタと第２の水
   平転送レジスタは、互いに反対方向に信号電荷を転送す
   ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
9. 【請求項９】 前記レジスタ間転送ゲートは、前記撮像
   領域上に配置されたカラーフィルタの同一色成分の画素
   で生成された信号電荷を選択して前記第１の水平転送レ
   ジスタから第２の水平転送レジスタに転送することを特
   徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
10. 【請求項１０】 半導体基板上に設けた撮像領域に２次
    元配列で設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各
    列毎に配置されて各画素によって蓄積された信号電荷を
    垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記複
    数の垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水
    平方向に転送する複数の水平転送レジスタとを有する固
    体撮像素子の駆動方法であって、 前記複数の水平転送レジスタは、各垂直転送レジスタの
    端部近傍に互いに平行に配置される第１の水平転送レジ
    スタと第２の水平転送レジスタとを含み、 前記各垂直転送レジスタから前記第１の水平転送レジス
    タに転送された信号電荷について、所定の水平ビットの
    信号電荷を選択して第２の水平転送レジスタに転送し、 前記第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジス
    タのそれぞれにおいて水平方向に転送してきた信号電荷
    を加算する、 ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
11. 【請求項１１】 前記加算は、各水平転送レジスタの最
    終転送ゲートで行うことを特徴とする請求項１０記載の
    固体撮像素子の駆動方法。
12. 【請求項１２】 前記所定の水平ビットの信号電荷は、
    前記撮像領域上に配置されたカラーフィルタの同一色成
    分の画素で生成された信号電荷であることを特徴とする
    請求項１０記載の固体撮像素子の駆動方法。