JP2007174059A - 撮像方法および撮像装置並びに駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷転送方向における読出転送電極と電荷生成部の各中心位置が略一致した構造の撮像素子において、逆変調パルスを効果的に印加できるようにする。
【解決手段】読出転送電極１２Ｂに読出パルスΦＲＯＧを供給してセンサ部から垂直転送レジスタへ信号電荷を読み出す際に（ｔ１１〜４１４）、読出転送電極１２Ｂを挟む両側の専用転送電極１２Ａに、読出パルスΦＲＯＧとは逆極性の逆変調パルスを供給する（ｔ１２）。信号電荷を読み出す際に、読出転送電極１２Ｂに読出パルスを印加した瞬間に両側の専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを均等に印加することにより、読出しの間口に対して電荷転送方向の上流側と下流側の双方から対称に逆変調を加えることができ、センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の均等かつ完全なる読出しを可能にし、さらに読出電圧を低減化することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、被写体を撮像しこの被写体像に応じた画像信号を出力する固体撮像素子（イメージセンサ）を使用した撮像方法および固体撮像素子を駆動する駆動装置、並びに固体撮像素子と駆動装置とを備えた固体撮像装置や電子スチルカメラや撮像装置モジュールなどの、撮像方法を実施する撮像装置（カメラシステム）に関する。より詳細には、いわゆる垂直転送ＣＣＤへセンサ部から信号電荷を読み出す際の効率の改善に関する。

今日、受光センサが２次元状に配列されるとともに電荷転送部が行方向および列方向に配されているＣＣＤ固体撮像素子を搭載したビデオカメラやデジタルスチルカメラが広く用いられている。

ＣＣＤ固体撮像素子において、各受光センサが検知した信号電荷を受け取る垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ）の上部には、垂直転送レジスタを転送駆動するための垂直転送電極が垂直列方向に複数本設けられる。また、受光センサと垂直転送レジスタとの間には、読出ゲート部が形成される。ここで、読出ゲート部のゲート電極（特に読出電極という）を、一部の垂直転送電極が兼用するようにした構造のものがある（たとえば特許文献１を参照）。

特開平０７−３２２１４３号公報

このような構造のＣＣＤ固体撮像素子において、受光センサが検知した信号電荷を垂直転送レジスタに読み出す際には、受光センサと垂直転送レジスタ間に形成される読出ゲート部の読出電極に、電荷転送時より高い電圧の読出パルスを印加するとともに、読出パルス以外の他のクロックパルス（垂直転送パルス）は停止状態にする。停止状態にするのは、垂直転送電極に印加される駆動電圧の変化により瞬間的に追従しＧＮＤ電位が変動することで、チャネルストップ部の電位や受光センサの電位が局部的に変動することによる悪影響を防止するためであり、高電圧にするのは、転送残りが生じないようにするためである（たとえば特許文献１の“発明が解決しようとする課題”の項、特に段落１１〜１３を参照）。

また、特許文献１に記載の仕組みでは、さらに、低い読出電圧で完全読出しを可能にし、併せてスミアや暗電流電荷による分配雑音の防止を可能にするべく、受光センサから垂直転送レジスタへの電荷読出し時に、読出電極以外の所要の非読出電極に逆変調パルスを印加する仕組みが提案されている。

逆変調パルスを印加することにより、読出パルスによるチャネルストップ部および受光センサのポテンシャルの変動を相殺でき、あるいはチャネルストップ部および受光センサのポテンシャルをより浅くできるので、信号電荷の完全な読出しが行なえるようになり、読出電圧の低減化を図ることができるし、奇数フィールドの読出しおよび偶数フィールドの読出しの何れにおいても、スミアや暗電流電荷の分配が起こらず、分配雑音を防止できるようになっている。

また、特許文献１に記載の仕組みでは、逆変調パルスを印加する読出電極以外の所要の非読出電極として、読出電極としても機能する垂直転送電極に隣接する１つの垂直転送電極に限らず、読出電極としても機能する垂直転送電極以外（非読出電極）で、読み出す受光センサに接する２つ以上の非読出電極に逆変調パルスを印加する仕組みも開示している（たとえば特許文献１の段落４６を参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の仕組みでは、読出電極の垂直転送方向の中心位置が、垂直転送方向の受光センサの中心位置とずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子において、２つ以上の非読出電極に逆変調パルスを印加することのみが開示されているに過ぎず、２つ以上の非読出電極に逆変調パルスを印加することによる特有の利点が全く開示されていない。

加えて、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子において、２つ以上の非読出電極に逆変調パルスを印加すると、垂直転送方向の下流側（あるいは上流側）の非読出電極に印加した逆変調パルスが、そこに近接する読出電極に読出パルスを印加して受光センサから垂直転送レジスタに信号電荷を読み出そうとする動作の弊害になってしまう、あるいは逆変調パルスの効果が十分に得られないなど、好ましくない問題が起こり得る。

たとえば、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子において、２つの非読出電極に逆変調パルスを印加する場合、読出し間口の中心（読出電極のセンサ部と対応する転送方向の中心）から離れた方の非読出電極だけでなく読出し間口の中心に近い方の非読出電極にも逆変調パルスを供給することになり、読出し間口を狭めてしまい、読出効率が低下してしまう弊害が起こり得る。

また、垂直転送方向の受光センサ間（画素間部）には、読出電極としての機能をも兼用する垂直転送電極と専用の垂直転送電極である非読出電極とが２層で配線されているので（たとえば特許文献１の段落２３を参照）、電極間のオーバーラップ容量が大きく、読出電極兼用の垂直転送電極へ供給する読出パルスと専用の垂直転送電極へ供給する逆変調パルスが、電極間に形成されるオーバーラップ容量を介して緩衝し合うことによる弊害も懸念される。

したがって、その結果として、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子においては、垂直転送方向の上流側（あるいは下流側）の読出し間口の中心から離れた一方の非読出電極のみにしか逆変調パルスを印加できないのが実情である。

また、特許文献１に記載の仕組みでは、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子において、垂直転送方向の上流側の非読出電極に逆変調パルスを印加することで、その効果が効率的に得られる仕組みを開示しているに過ぎず、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子以外のものについては、逆変調パルスを効果的に印加するための仕組みは何ら開示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、中心位置がずれた構造のＣＣＤ固体撮像素子以外についても、逆変調パルスを効果的に印加することで、センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の完全読出しを可能にし、かつ読出電圧を低減化することができる仕組みを提供することを目的とする。

本発明に係る仕組みにおいては、先ず、読出電極を兼ねる読出転送電極の垂直転送方向の中心位置が、垂直転送方向の電荷生成部の中心位置と略一致した構造の撮像素子を対象とする（たとえば本願出願人に係る特願２００４−３３０８０７号を参照）。

そして、このような中心位置が略一致した構造の撮像素子において、電荷生成部からの信号電荷の読出し時に、この読出しに関わる読出転送電極に対して対向した複数の、つまり読出転送電極の両隣の専用転送電極に、読出転送電極に供給する読出信号とは逆極性の変調信号（いわゆる逆変調パルス）を印加する。

「読出信号とは逆極性の変調信号」とは、読出信号の電位方向に対して逆の電位方向の信号を意味し、たとえば、読出信号がより高電圧方向に変化するものであれば、逆により低電圧方向に変化させる信号である。

つまり、本発明に係る仕組みにおいては、読出転送電極と電荷生成部の垂直転送方向の各中心位置が略一致した構造の撮像素子において、逆変調パルスを効果的に印加する仕組みとして、読出転送電極に対して、垂直転送方向の上流側の専用転送電極（読出電極を兼用しない非読出電極）と垂直転送方向の下流側の専用転送電極の双方に、逆変調パルスを同位相もしくはずらして印加するようにした。

本発明によれば、電荷転送方向における読出転送電極と電荷生成部の各中心位置が略一致した構造の撮像素子において、読出転送電極を挟む両側の専用転送電極に逆変調パルスを供給するようにしたので、読出しの間口に対して、電荷転送方向の上流側と下流側の双方から対称に逆変調を加えることができる。

電荷生成部の信号電荷を電荷転送部に読み出す際に、読出転送電極に読出電圧（読出パルス）を印加した瞬間に所要の専用転送電極に逆変調パルスを均等に印加することにより、電荷生成部から電荷転送部への信号電荷の均等かつ完全なる読出しを可能にし、さらに読出電圧を低減化することができる。

読出しの間口に対して、電荷転送方向の上流側と下流側の双方から対称に逆変調を加えることで、片方の専用転送電極を利用して逆変調する方法に対して、電荷生成部内のポテンシャルを浅くする効果が大きくなるため、完全読出しに必要な読出電圧の低減を確実に図ることができ、駆動電圧の低減や飽和信号量の増大を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜撮像装置の全体構成＞
図１は、本発明に係る電子機器の一例である撮像装置（カメラシステム）の一実施形態を示す構成図である。なお、ここでは、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子を用いた事例で示す。垂直転送電極としては、２フィールド読出方式（Ｎ＝）の場合で示す。

ここで一般的なＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子は、多数のセンサ部（フォトセル、受光センサ）が２次元マトリクス（行列）状に配され、各垂直列のフォトセルの間にそれぞれ複数の垂直転送ＣＣＤ（Ｖレジスタ）が配列され、最後の行の垂直転送ＣＣＤに隣接して水平転送ＣＣＤが通常１ライン分設けられた構造となっている。以下具体的に説明する。

図示するように、本実施形態の撮像装置１は、ＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子１０と、このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動する駆動装置の一例である駆動制御部５０とを備えている。

なお、図示しないが、撮像装置１は、図示したＣＣＤ固体撮像素子１０や駆動制御部５０の他に、たとえば図示しない撮像レンズを含めて撮像装置モジュールが構成され、さらに、この撮像装置モジュールの他に、たとえば撮像装置モジュールにより得られる撮像信号に基づいて映像信号を生成しモニタ出力したり所定の記憶メディアに画像を格納したりする本体ユニットが設けられ、全体として、たとえばビデオカメラやデジタルスチルカメラなどが構成される。撮像装置モジュールは、ＣＣＤ固体撮像素子１０と駆動制御部５０とが、１枚の回路基板上に配されたものとして提供されるものであるのがよい。

撮像装置１の処理系統は、大別して、光学系、画像処理部やＣＯＤＥＣ（Code/Decode あるいはCompression/Decompression の略）を主要部とする信号処理系、ＣＯＤＥＣによりデータ圧縮した画像データを所定の記憶媒体に記録する記録系、画像を液晶表示装置（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）などの所定の表示デバイスに表示する表示系、および撮像装置１の各部を制御する制御系から構成される。なお、撮像装置モジュールおよび本体ユニットが、図示しない外装ケースに収容されて、実際の製品（完成品）が仕上がるのは言うまでもない。

光学系は、シャッタ、被写体の光画像を集光するレンズ、および光画像の光量を調整する絞りを有する撮像レンズと、集光された光画像を光電変換して電気信号に変換するＣＣＤ固体撮像素子１０とから構成される。被写体からの光は、シャッタおよび撮像レンズを透過し、絞りにより調整されて、適度な明るさでＣＣＤ固体撮像素子１０に入射する。このとき、撮像レンズは、被写体からの光からなる映像が、ＣＣＤ固体撮像素子１０上で結像されるように焦点位置を調整する。

制御系は、駆動制御部５０の他に、ディスク駆動装置を制御して磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリに記憶されている制御用プログラムを読み出し、読み出した制御用プログラム、あるいはユーザからのコマンドなどに基づいて撮像装置１の全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit ）などよりなる中央制御部を備える。

また制御系は、画像処理部に送られた画像の明るさが適度な明るさを保つようにシャッタや絞りを制御する露出コントローラ、ＣＣＤ固体撮像素子１０から画像処理部やＣＯＤＥＣまでの各機能部の動作タイミングを制御するタイミング信号生成部（タイミングジェネレータ；ＴＧ）を具備した駆動制御部５０やユーザがシャッタタイミングやその他のコマンドを入力する操作部を有する。

中央制御部は、撮像装置１のバスに接続された画像処理部、ＣＯＤＥＣ、メモリ、露出コントローラ、およびタイミング信号生成部を制御する。

ここで、本実施形態の特徴部分である駆動制御部５０には、ＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するための各種のパルス信号であるクロックパルスを生成するタイミング信号生成部５２と、このタイミング信号生成部５２からのパルス信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバ（駆動部）５４と、ＣＣＤ固体撮像素子１０やドライバ５４などに電源供給する駆動電源５６が設けられている。

タイミング信号生成部５２は、一例として、センサ部（受光センサ）１１から垂直転送レジスタ１３に信号電荷を読み出すための読出クロックＲＯＧや、ＣＣＤ固体撮像素子１０を垂直方向に４相で駆動するための４種類の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ４や、水平方向に２相で駆動するための２種類の水平転送クロックＨ１，Ｈ２や、電子シャッタパルスＸＳＧなどをドライバ５４に供給するようになっている。

ドライバ５４は、タイミング信号生成部５２から受け取った読出クロックＲＯＧと垂直転送クロックＶ１〜Ｖ４とに基づき、垂直転送レジスタ１３を垂直転送駆動するための２値レベルもしくは３値レベルのドライブパルス（垂直転送パルス）ΦＶ１〜ΦＶ４や水平転送レジスタ１５を水平転送駆動するためのドライブパルス（水平転送パルス）ΦＨ１，ΦＨ２を生成する。なお、Ｌ／Ｈ／ＳＨの３値レベルを持つドライブパルス（垂直転送パルス）ΦＶ１，ΦＶ３のうち、読出クロックＲＯＧに対応するＳＨレベルのドライブパルス部分を特に読出パルスΦＲＯＧと呼ぶ。

本実施形態の駆動制御部５０は、詳細は後述するが、垂直転送方向の読出電極の中止位置とセンサ部１１の垂直転送方向の中心位置の関係を考慮するべく電極配置情報の入力を受け、読出電極に読出パルスを供給する際に、読出パルスとは逆極性の逆変調パルスを供給するべき垂直転送電極やこの逆変調パルスの出力タイミングを決定する。

これは、駆動制御部５０、特にタイミング信号生成部５２を、他種類のＣＣＤ固体撮像素子１０に対応可能な汎用の駆動装置として、半導体集積回路（ＩＣ；Integrated Circuit）で提供するためである。汎用品にする必要がなければ、駆動対象とするＣＣＤ固体撮像素子１０の前記中心位置の関係に応じた逆変調にのみ対応するものとして提供してもかまわない。

ＣＣＤ固体撮像素子１０は、画素となる複数のセンサ部１１が２次元マトリクス（行列）状に配列され、また各受光センサ列に対応して図の上下方向に延在する複数のＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ（第１電荷転送部の一例）１３が形成された撮像部（受光部）１０ａを備えている。センサ部１１は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。図示しないが、カラー撮像に対応するべく、センサ部１１の受光面にはオンチップカラーフィルタが設けられる。

撮像部１０ａにおいては、さらに垂直転送レジスタ１３と各センサ部１１との間に読出ゲート部ＲＯＧが介在し、また各画素（ユニットセル）の境界部分にはチャネルストップ部ＣＳが設けられている。

撮像部１０ａの外側には、各垂直転送レジスタ１３の最終段に接続するように、図の左右方向に延在するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ１５が１ライン分形成されている。そして、水平転送レジスタ１５の後段には電荷信号を電気信号（通常は電圧信号）に変換する電荷検出部（あるいは出力部）としての出力アンプ部１７が接続されている。

出力アンプ部１７は、水平転送レジスタ１５から順に注入される信号電荷を図示しないフローティングディフュージョンに蓄積し、この蓄積した信号電荷を信号電圧に変換して、たとえば図示しないソースフォロア構成のトランジスタ回路で構成された出力回路を介してＣＣＤ出力信号Ｓout として出力端子ｔout から素子外部に出力する。

列（垂直）方向に延在した垂直転送レジスタ１３の上（受光面側）には、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ１３に共通となるように、４種類の垂直転送電極１２（それぞれに参照子_1，_2，_3，_4を付して示す）が、垂直方向に所定の順序で、センサ部１１の受光面に開口部（後述する図２を参照）を形成するように配置されている。

本実施形態の４種類の垂直転送電極１２は、概ね、１つのセンサ部１１に１つの垂直転送電極１２の全体が対応し、その両側の垂直転送電極１２の一部も対応するように形成され、かつ駆動制御部５０から供給される４種類の垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_2，ΦＶ_3，ΦＶ_4で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成されている。

すなわち、４種類の垂直転送電極１２のうちの２種類はほぼ１つのセンサ部１１のみに対応し、この１つのセンサ部１１のみに対応する垂直転送電極１２の両隣に配される２種類の垂直転送電極１２は、両側のセンサ部１１に対応するように配置されている。また、２つのセンサ部１１を１組にして（水平転送レジスタ１５側の最終段も含めて）、４つの垂直転送電極１２にそれぞれ垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_2，ΦＶ_3，ΦＶ_4が駆動制御部５０から印加されるようになっている。

図示した例では、水平転送レジスタ１５側において、垂直方向に４つの垂直転送レジスタ１３の一組に対応して、組ごとに垂直転送電極１２が設けられ、その中で、垂直方向の最上部に位置するセンサ部１１_1は、３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1が印加される読出電極兼用の第１垂直転送電極１２_1に対応している。さらに１段前（より水平転送レジスタ１５側）の第２垂直転送電極１２_2には２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2が印加される。さらに垂直方向の２段目に位置するセンサ部１１_3は、さらに１段前（より水平転送レジスタ１５側）の３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_3が印加される読出電極兼用の第３垂直転送電極１２_3に対応し、最も水平転送レジスタ１５側の第４垂直転送電極１２_4には２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_4が印加される。

以下２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2，ΦＶ_4が印加される垂直転送電極１２_2，１２_4を読出電極兼用の垂直転送電極１２_1，１２_3と区別するため専用転送電極（あるいは非読出電極）１２Ａともいい、読出パルスΦＲＯＧをも含む３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_3が印加される垂直転送電極１２_1，１２_3を読出転送電極１２Ｂともいう。

また、本実施形態の特徴部分として、４種類の垂直転送電極１２のうちの第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3の垂直転送方向の中心位置が、センサ部１１の垂直転送方向の中心位置と略同一なり、その両隣の第２垂直転送電極１２_2と第４垂直転送電極１２_4の垂直転送方向の中心が、垂直方向に隣接するセンサ部１１間（画素間１１ａ）の中心位置と略同一なり、両側のセンサ部１１に対応するように配置されている。

垂直転送レジスタ１３は、最終段の１組分の垂直転送電極１２（ΦＶ_1〜ΦＶ_4が印加される転送電極）１２_1〜１２_4を介してさらに水平転送レジスタ１５に引き継がれる。

水平転送レジスタ１５は、各垂直転送レジスタ１３に対応して２つの水平転送電極１６（それぞれに参照子_1，_2を付して示す）が対応するように形成され、駆動制御部５０から供給される２相の水平駆動パルスΦＨ_1，ΦＨ_2で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成されている。

このような構成の撮像装置１の動作概要を纏めると以下の通りである。すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子１０のセンサ部１１の各々に蓄積された信号電荷が、駆動制御部５０から発せられた読出パルスΦＲＯＧが読出ゲート部ＲＯＧのゲート電極に印加されそのゲート電極下のポテンシャルが深くなることにより、当該読出ゲート部ＲＯＧを通して垂直転送レジスタ１３に読み出される。

撮像部１０ａの垂直転送レジスタ１３は４種類の垂直転送電極１２に対応する４種類の垂直転送パルスΦＶ_1〜ΦＶ_4によって転送駆動される。これにより、各センサ部１１から読み出された信号電荷は、１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送され水平転送レジスタ１５に送られる。

水平転送レジスタ１５は、駆動制御部５０から発せられた２相の水平転送パルスΦＨ_1，ΦＨ_2に基づいて、複数本の垂直転送レジスタ１３の各々から垂直転送された１ラインに相当する信号電荷を順次出力アンプ部１７側に水平転送する。

出力アンプ部１７は、水平転送レジスタ１５から順に注入される信号電荷を信号電圧に変換してＣＣＤ出力信号Ｓout として出力端子ｔout から出力する。このＣＣＤ出力信号Ｓout は、図示しない信号処理系に引き継がれ、所定の信号処理が施された後に、表示デバイスにて表示されたり記憶媒体に記録されたりする。

たとえば、信号処理系の初段には、ＣＣＤ固体撮像素子１０からのアナログ撮像信号（ＣＣＤ出力信号Ｓout ）を増幅する増幅アンプや、増幅された撮像信号をサンプリングすることによってノイズを低減させるＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング）回路などを有するプリアンプ部が配される。さらにその後段には、プリアンプ部が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換部、Ａ／Ｄ変換部から入力されるデジタル信号に所定の画像処理を施すＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成された画像処理部が配される。

＜垂直転送電極の配線構造＞
図２は、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子１０の４種類の垂直転送電極１２の配置構造の一例を示す図である。図３〜図５は、読出電極の画素間１１ａにおける水平方向の電気的な接続手法を説明する図である。

また、図６は、比較例としての、特許文献１に示されているＣＣＤ固体撮像素子３０の４種類の垂直転送電極３２の配置構造の一例を示す図である。図７は、特許文献１に示されているＣＣＤ固体撮像素子３０の垂直転送電極３２の配置構造の変形例を示す図である。

図２に示すように、本実施形態のＣＣＤ固体撮像素子１０では、２次元マトリクスに配されたセンサ部１１の各垂直列のセンサ部１１の間にそれぞれ複数の垂直転送レジスタ（Ｖ−ＣＣＤ）１３が配列され、各センサ部１１と垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域１３ａとの間には読出ゲート部ＲＯＧが介在している。また各画素（ユニットセル）の境界部分にはチャネルストップ部ＣＳが設けられている。

垂直転送レジスタ１３の受光面（紙面の前面）側には、薄膜化した多結晶シリコン膜（Poly）などでなる４種類の垂直転送電極１２が、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ１３に共通となり、またセンサ部１１の受光面にセンサ開口部１１８を形成し、撮像部１０ａ（図１参照）のほぼ全面を覆うように配置されている。

特に本実施形態のＣＣＤ固体撮像素子１０では、２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2，ΦＶ_4が供給される専用の垂直転送電極１２_2，１２_4（専用転送電極１２Ａ）は、センサ部１１の垂直転送方向間（画素間１１ａ）を介して水平方向に延在するように形成されている。これら第２垂直転送電極１２_2と第４垂直転送電極１２_4とは、パターン形状が殆ど同じ構造である。

概略的には、専用転送電極１２Ａは、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間（画素間１１ａ）に水平方向に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ１３内に配置された対応する専用転送電極１２Ａ同士が一体的に連結されるように、両側辺がともに櫛歯状に形成されている。

これに対して、３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_3が供給され、読出電極１４（それぞれに対応する参照子_1，_3を付して示す）としても機能するようになっている垂直転送電極１２_1，１２_3（読出転送電極１２Ｂ）は、その垂直転送方向の中心位置が、センサ部１１の垂直転送方向の中心位置と略一致するように形成されている。これら第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3とは、パーン形状が殆ど同じ構造である。

垂直転送レジスタ１３上では、両側辺がともに櫛歯状に形成されている専用転送電極１２Ａは、読出転送電極１２Ｂに対向するように櫛歯をなす延長部が形成されている。概略的には、読出転送電極１２Ｂは、垂直転送レジスタ１３上では、専用転送電極１２Ａに挟まれて、専用転送電極１２Ａと同一の層にて、表面上は、他の何れの垂直転送電極１２にも物理的に連結されることなく分離された状態で形成された、いわゆる浮島状の電極として形成されている。なお、図では、垂直転送レジスタ１３上において専用転送電極１２Ａと読出転送電極１２Ｂとが接触した状態で示しているが、実際には、電気的に接触せず近接してパターン形成される。

ここで、浮島状の電極として形成されている読出転送電極１２Ｂを、水平方向の同列の他の読出転送電極１２Ｂと如何様にして電気的に接続するかに関しては、様々な手法を採ることができる。たとえば、読出転送電極１２Ｂ、すなわち第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3の水平方向への電気的な接続手法としては、垂直転送電極１２_2，１２_4の上部から２層で配線する２層配線構造を採ることができる。あるいは、垂直転送電極１２_2，１２_4の上部から２層配線構造とならないように別配線したものを、読出電極１４を兼ねる垂直転送電極１２_1，１２_3と接続する構造を採ることもできる。

特に、画素間１１ａで、垂直転送電極１２_１，１２_2もしくは垂直転送電極１２_3，１２_4が２層配線とならないような後者の態様の方が好ましい。電極間のオーバーラップ容量を介した垂直転送電極１２_１，１２_2もしくは垂直転送電極１２_3，１２_4間でのパルス緩衝を防止するためである。

なお、後者の場合、１つの画素間１１ａに第１および第３の垂直転送電極１２_1，１２_3の何れか一方のみを配するように、たとえば図３に示す第１例の配線態様のように、第１と第２の垂直転送電極１２_1，１２_2の組合せおよび第３と第４の垂直転送電極１２_3，１２_4の組合せで２本配置した単層の構造とすることもできる。浮島状の読出転送電極１２Ｂは、この読出転送電極１２Ｂと同じ層（同一材料）で幅ｔ２のシャント配線１４Ａをなす部分を介して一体的に接続される。

あるいは、１つの画素間１１ａに第１および第３の垂直転送電極１２_1，１２_3の双方を配するように、図４に示す第２例の配線態様のように、第２垂直転送電極１２_2を挟んだ第１と第３の垂直転送電極１２_1，１２_3の組合せおよび第４垂直転送電極１２_4を挟んだ第３と第１の垂直転送電極１２_3，１２_1の組合せで３本配置した単層の構造とすることもできる。浮島状の読出転送電極１２Ｂは、この読出転送電極１２Ｂと同じ層（同一材料）で幅ｔ２_1のシャント配線１４Ａ_1をなす部分と幅ｔ２_3のシャント配線１４Ａ_3をなす部分とを介して一体的に接続される。あらゆる面におけるバランス的には、図４に示す第２例の配線態様の方が好ましいと考えられる。

なお、図３や図４に示す何れの配線態様でも、専用転送電極１２Ａの延長部の水平方向の幅Ｗ１は、対向する読出転送電極１２Ｂの水平方向の幅Ｗ２と同じ幅になるように形成されている。つまり、同一の垂直転送レジスタ１３上に存在する専用転送電極１２Ａと読出転送電極１２Ｂの水平方向の幅Ｗ１，Ｗ２は、同じ幅になるように形成されている。このように、同一の垂直転送レジスタ１３上に配置された転送電極の水平方向の幅を揃えることにより、垂直転送レジスタ１３内の信号電荷の転送を効率よく行なうことができる。

また、同一の垂直転送レジスタ１３上における読出転送電極１２Ｂの形状は、他の読出転送電極１２Ｂの形状と同じ形状となるように形成されている。このように、垂直転送レジスタ１３上の転送電極の形状を揃えることで、垂直転送レジスタ１３内の信号電荷の転送を効率よく行なうことができる。

なお、専用転送電極１２Ａの垂直転送方向の幅Ｌ１と、読出電極１４を兼ねる読出転送電極１２Ｂの垂直転送方向、すなわち電荷転送方向の幅Ｌ２との関係は、好ましくは、同じ幅となるように形成するのがよい。すなわち、垂直転送レジスタ１３上に設けられた専用転送電極１２Ａに電荷転送方向へ延びる延長部を設け、延長部の垂直方向の幅ｔ３，ｔ４と、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間の垂直方向の幅ｔ０とを足した長さＬ１が、読出転送電極１２Ｂの垂直方向の幅Ｌ２と同じになるように形成するのがよい。なお、専用転送電極１２Ａの各延長部の長さｔ３，ｔ４は、対称性を持たせるべく、読出転送電極１２Ｂの垂直転送方向の中心から上下に同じ長さが延長されるように形成するのがよい。

垂直転送レジスタ１３上で専用転送電極１２Ａと読出転送電極１２Ｂの垂直方向の幅Ｌ１，Ｌ２を同じ幅にすれば、垂直転送レジスタ１３内で信号電荷を転送する際の転送バランスをよくすることができる。また、読出転送電極１２Ｂの中心位置が、センサ部１１の中心位置と一致するように形成することができるので、センサ部１１からの信号電荷の読出効率を向上することができる。

また、図示を割愛するが、専用転送電極１２Ａが垂直転送レジスタ１３上で垂直方向に延長部を持たず、撮像領域において、専用転送電極１２Ａの垂直方向の幅Ｌ１が画素間１１ａの幅ｔ１とも同じで、総て同じ幅となるように形成することもできる。この場合、垂直転送レジスタ１３上の読出転送電極１２Ｂの垂直方向、すなわち電荷転送方向の幅Ｌ２を、垂直方向に隣り合う専用転送電極１２Ａの間隔とほぼ同じ長さになるように形成することができる。つまり、読出転送電極１２Ｂの垂直方向の幅の長さＬ２を、センサ部１１の垂直方向の長さと同じになるように形成することができる。

この場合、読出転送電極１２Ｂの垂直方向、すなわち電荷転送方向へ幅Ｌ２の長さを大きくでき、読出転送電極１２Ｂに読出パルスΦＲＯＧを印加する際の間口を広くすることができる。これによって、低い読出電圧でセンサ部１１から信号電荷を読み出すことができるようになる。また、専用転送電極１２Ａは垂直方向の延長部を有さないので、製造を容易にできる。

ただし、図３や図４に示すような配線態様では、画素間１１ａ間にシャント配線１４Ａを専用転送電極１２Ａと同層でパターン形成するので、配線抵抗が問題となる。たとえば、図３に示す第１例の配線態様では、専用転送電極１２Ａの幅ｔ１とシャント配線１４Ａの幅ｔ２をともに画素間１１ａの幅ｔ０よりも狭くする必要があるし、図４に示す第２例の配線態様では、専用転送電極１２Ａの幅ｔ１とシャント配線１４Ａ_1の幅ｔ２_1やシャント配線１４Ａ_3の幅ｔ２_3をともに画素間１１ａの幅ｔ０よりも狭くする必要があり、配線抵抗の低下に伴う問題が発生する。

また、図３や図４に示すような配線態様では、事実上の読出転送電極１２Ｂをなすシャント配線１４Ａが垂直方向に隣り合うセンサ部１１間（画素間１１ａ）に延長して配置されるので、この部分にも読出パルスΦＲＯＧが印加される。画素間１１ａには画素分離のためにチャネルストップ層が形成されているが、この読出パルスΦＲＯＧの印加で電極直下のチャネルストップ層のポテンシャルバリアが崩れ（いわゆる変調し）、センサ部１１に蓄積されていた信号電荷が垂直方向にも移動し、垂直方向に隣接するセンサ部１１間において、垂直方向で混色が生じるという問題が発生する。

すなわち、垂直転送レジスタ１３に読みださなければならない信号電荷が、垂直方向に隣り合う他のセンサ部１１へ一部漏れてしまう現象が生じる。特に、画素サイズを微細化するために、垂直方向に隣り合う画素間１１ａの間隔を狭くしたり、また、チャンネルストップ領域の幅を狭くしたりする場合には、このような混色の問題がさらに発生し易くなる。

この問題を解消する一手法として、たとえば図５に示す第３例の配線態様のように、専用転送電極１２Ａと読出電極１４を兼ねる読出転送電極１２Ｂとを単層でパターン形成した後に、別配線のシャント配線１４Ａを画素間１１ａの専用転送電極１２Ａ上に形成する手法を採ることが考えられる（たとえば、本願出願人に係る特願２００４−３３０８０７号の明細書を参照）。

具体的には、垂直方向に隣り合う画素間１１ａに設けられた専用転送電極１２Ａ上には、たとえば特開２００２−１５８９２５号や特開２００３−７９９７号に記載のように、その水平方向に亘って、シート抵抗の小さいアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）などを用いたシャント配線１４Ａを形成することができる。シャント配線１４Ａは、その一部が垂直方向に延長し、各読出転送電極１２Ｂ上に延びるように延長部１４Ｂが形成されている。延長部１４Ｂにはコンタクト部１４Ｃが形成されている。図示しないが、このコンタクト部１４Ｃにおいて、シャント配線１４Ａが、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを介して、読出転送電極１２Ｂに接続される。

なお、シャント配線１４Ａの垂直方向の幅ｔ２は、専用転送電極１２Ａの垂直方向の幅ｔ１よりも狭くなるように形成する。また、読出転送電極１２Ｂ上に延びるシャント配線１４Ａの延長部１４Ｂは、その水平方向の幅Ｗ３が読出転送電極１２Ｂの水平方向の幅Ｗ２よりも狭くなるように形成する。

なお、水平方向に延在したシャント配線１４Ａから延長部１４Ｂを突き出す際は、延長部１４Ｂの水平方向の幅Ｗ３と同じで突き出してもよいが、図中に点線で示すように、境界部分の幅Ｗ４よりも水平方向の幅Ｗ３の方を広く取り、読出転送電極１２Ｂの幅Ｗ２により近くなる（ただしＷ２＞Ｗ３）ようにしてもよい。この場合、読出転送電極１２Ｂ上で、延長部１４Ｂの面積を大きくすることができるので、コンタクトのマージンを大きくすることができる。すなわち、読出転送電極１２Ｂ上におけるコンタクト部１４Ｃを作成するための加工作業が容易にできる。

図５に示す第３例の配線態様では、シャント配線１４Ａが読出転送電極１２Ｂ上に配されるので、垂直方向に隣り合うセンサ部１１の間（画素間１１ａ）間には読出転送電極１２Ｂが直接には配置されないので、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間に対応するP+チャネルストップ層への読出パルスΦＲＯＧの印加が避けられ、P+チャネルストップ層のポテンシャルバリアを変調することがない。

すなわち、読出パルスΦＲＯＧを印加した場合に、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間における混色を防止することができる。また、シャント配線１４Ａを用いることにより、確実に読出パルスΦＲＯＧを読出転送電極１２Ｂに印加することができる。さらに、シャント配線１４Ａを専用転送電極１２Ａ上に設けたので、シャント配線１４Ａに印加された読出パルスΦＲＯＧが、その直下のP+チャネルストップ層に影響を及ぼすことがなく、P+シャネルストップ層のポテンシャルバリアを変調させることがない。

また、画素間１１ａでのシャント配線１４Ａの幅ｔ２を専用転送電極１２Ａの幅ｔ１より狭くし、垂直転送レジスタ１３上のシャント配線１４Ａの幅Ｗ３を読出転送電極１２Ｂの幅Ｗ２より狭くすることにより、受光時に入射光がシャント配線１４Ａに蹴られることがなく、センサ部１１への集光効率を向上することができる。

さらに、チャネルストプ層の形成の際に、イオン注入工程を減らすことができ、また、不純物濃度を抑制することができるので、イオン注入後の活性化のアニール工程でチャネルストップ層の不純物が横方向に拡散することが抑えられる。

したがって、センサ部１１の領域を大きくすることができ、高感度化が図れる。特に、単層構造で転送電極を形成した場合に、垂直方向に隣り合う画素間の混色を防止することができる。

一方、図６に示すように、特許文献１に示されているＣＣＤ固体撮像素子３０では、画素となる複数のセンサ部３１がマトリックス状に配列され、各センサ部３１列の一側に垂直転送電極３２を多数配列したＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３３が設けられている。

垂直転送電極３２は、垂直転送専用の第２および第４の垂直転送電極３２_2，３２_4（専用転送電極３２Ａ）がたとえば１層目（紙面の奥側）の多結晶シリコン膜で形成され、読出電極３４をも兼ねる第１および第３の垂直転送電極３２_1，３２_3（読出転送電極３２Ｂ）がたとえば２層目（紙面の手前側）の多結晶シリコン膜で形成される。

なお、ここでは、画素間３１ａで、２層配線となるように、各垂直転送電極３２を形成しているが、画素間３１ａに、第１と第２の垂直転送電極３２_1，３２_2の組合せおよび第３と第４の垂直転送電極３２_3，３２_4の組合せで２本配置した単層の構造でもかまわない。単層構造で配線すると、１本当たりの配線幅が狭くなり線抵抗が大きくなるので、一般的には、１本当たりの配線幅を画素間幅と略同幅にできる２層配線が採用される。

垂直転送レジスタ３３の各垂直転送電極３２は、各センサ部３１に対して２つの転送電極が対応してセンサ開口部３１８をセンサ部３１部分に形成するように配列される。たとえば１つおきの水平ラインのセンサ部３１Ａではこれに接するように第１および第４の垂直転送電極３２_1，３２_4が対応し、他の１つおききの水平ラインのセンサ部３１Ｂではこれに接するように第２および第３の垂直転送電極３２_2，３２_3が対応するようになされる。この例の垂直転送レジスタ３３では、垂直転送電極３２_1〜３２_4に４相の駆動パルスΦＶ１，ΦＶ２，ΦＶ３，ΦＶ４を印加する４相駆動方式が採用される。

垂直転送レジスタ３３の転送チャネル領域３３ａと各センサ部３１間には読出ゲート部ＲＯＧが形成される。読出ゲート部ＲＯＧのゲート電極（読出電極３４という）は、第１垂直転送電極３２_1と第３垂直転送電極３２_3の延長部で形成されるようになっている。つまり、この従来構成のＣＣＤ固体撮像素子３０では、第１垂直転送電極３２_1と第３垂直転送電極３２_3は、垂直転送レジスタ３３用の転送電極として機能するだけでなく、読出電極３４としても機能するようになっているのである。

また、センサ部３１列の他側と、垂直方向に隣り合うセンサ部３１間とには、センサ部３１を分離するためのチャネルストップ部ＣＳが形成される。

ここで、従来のＣＣＤ固体撮像素子３０では、３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_3が供給され、読出電極３４（それぞれに対応する参照子_1，_3を付して示す）としても機能するようになっている垂直転送電極３２_1，３２_3（読出転送電極３２Ｂ）は、その垂直転送方向の中心位置が、センサ部３１の垂直転送方向の中心位置よりも下流側となるように形成されている。

なお、図７に示すように、特許文献１に示されている電極配置の変形例として、読出電極３４としても機能するようになっている垂直転送電極３２_1，３２_3（読出転送電極３２Ｂ）を、その垂直転送方向の中心位置が、センサ部３１の垂直転送方向の中心位置よりも上流側となるように形成する場合もあり得る。

＜逆変調パルスの印加タイミング＞
図８は、図１や図２に示したＣＣＤ固体撮像素子１０のセンサ部１１から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（両側逆変調駆動）を説明する図である。また、図９は、比較例としての、図６に示したＣＣＤ固体撮像素子３０のセンサ部３１から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（片側逆変調駆動）を説明する図である。また、図１０は、比較例としての、図７に示したＣＣＤ固体撮像素子３０のセンサ部３１から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（片側逆変調駆動）を説明する図である。また、図１１は、比較例としての、図６に示したＣＣＤ固体撮像素子３０のセンサ部３１から信号電荷を読み出して垂直転送する手法の変形例（両側逆変調駆動）を説明する図である。

ここで、各図の（Ａ）は、駆動タイミングを示したタイミングチャートである。特に、読出電極を兼ねる読出転送電極に読出パルスを印加する際に、専用の垂直転送電極に逆変調パルスを印加する点に着目して示している。また、各図の（Ｂ）は、信号電画の読出しと垂直転送の様子を示す図である。この各図（Ｂ）では、それぞれ（Ａ）に示す垂直転送パルスΦＶ_1〜ΦＶ_4と対応するような向きで示している。

ここでは、一例として、Ｈ（ハイ）レベルおよびＬ（ロー）レベルの２値レベルに加えて、Ｈ（ハイ）レベルよりもさらに高電圧の読出パルスΦＲＯＧ_3に対応するＳＨレベルを含む３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_3が供給される第３垂直転送電極１２_3において、センサ部１１から垂直転送レジスタ１３への読み出し動作を行なう際の駆動タイミングを示している。

本実施形態の駆動タイミングにおいては、読出電極１４（本実施形態では読出電極１４の機能を持つ読出転送電極１２Ｂ）に対して垂直転送方向の両隣に配された専用転送電極１２Ａに、同位相でもしくは少しずらして逆変調パルスを印加する点に特徴を有する。以下具体的に説明する。

図８（Ａ）に示すように、センサ部１１から垂直転送レジスタ１３へ信号電荷を読み出す直前の時点ｔ１０では、第１垂直転送パルスΦＶ_1がＬレベル、第２垂直転送パルスΦＶ_2がＨレベル、第３垂直転送パルスΦＶ_3がＨレベル、第４垂直転送パルスΦＶ_4が低レベルにあり、センサ部１１に信号電荷が蓄積されている。つまり、読出電極１４を兼ねる第３垂直転送電極１２_3に信号電荷読出し用の高電圧を印加する前は、第３垂直転送電極１２_3に印加する電圧のみローレベルの状態にし、他の全ての垂直転送電極１２_2〜１２_4に印加する電圧はハイレベルの状態とする。

次に、時点ｔ１１にて、読出電極１４_3を兼ねる第３垂直転送電極１２_3に、Ｈレベルの第３垂直転送パルスΦＶ_3による電荷転送時よりもさらに高電圧（ＳＨレベル）の読出パルスΦＲＯＧを印加する。そうすると、垂直転送レジスタ１３の第３垂直転送電極１２_3下のポテンシャルが深くなり、対応するセンサ部１１_3（図８（Ｂ）の画素２）の信号電荷ｅが第３垂直転送電極１２_3下に読み出される。

この時点ｔ１１では、第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加されたことにより、第３垂直転送電極１２_3下のチャネルストップ部ＣＳおよびセンサ部１１の電位が変動し、ポテンシャルが深くなって電荷残りが生じている。

しかし、次の瞬間の時点ｔ１２（読出パルスΦＲＯＧが印加されている期間内の任意の時点）で、第３垂直転送電極１２_3の垂直転送方向の両隣に配されている第２垂直転送電極１２_2および第４垂直転送電極１２_4に読出パルスΦＲＯＧとは逆の電圧変化特性を持つ逆極性の逆変調パルスを略同時にもしくは少しずらして印加する。ここでは、具体的には、第２垂直転送パルスΦＶ_2および第４垂直転送パルスΦＶ_4がともにＨレベルからＬレベルに変化する。

「少しずらして印加」とは、逆変調パルス印加時には、第２垂直転送電極１２_2と第４垂直転送電極１２_4への印加電圧の変化を同時に行なう必要が無いことを意味している。読出パルスΦＲＯＧが第３垂直転送電極１２_3に印加されている間に第２および第４の垂直転送電極１２_2，１２_4へ逆変調パルスを印加すればよく、何れを先に変化させるかも自由である。

この第２垂直転送電極１２_2や第４垂直転送電極１２_4における読出パルスΦＲＯＧとは逆特性の電圧変化により、第２垂直転送電極１２_2下や第４垂直転送電極１２_4下のチャネルストップ部ＣＳおよびセンサ部１１の電位が逆方向に変動し、チャネルストップ部ＣＳおよびセンサ部１１のポテンシャルが浅くなる方向に変化する。すなわち、この第２および第４の垂直転送電極１２_2，１２_4の電位変化で第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加されたことによるポテンシャル変動が相殺され、もしくは、より浅いポテンシャルにシフトする。この結果、センサ部１１の信号電荷ｅの垂直転送レジスタ１３への読み出しが完全に行なわれるようになる。

読出パルスΦＲＯＧを第３垂直転送電極１２_3（読出転送電極１２Ｂ）に印加している間に、その両隣の第２および第４の垂直転送電極１２_2，１２_4（専用転送電極１２Ａ）の電圧をＨレベルからＬレベルの状態に変化させてセンサ部１１のポテンシャルを浅く変調することで、センサ部１１から垂直転送レジスタ１３への電界を強くして読み出し易くすることが可能となるのである。これによって、読出電圧（読出パルスΦＲＯＧの大きさ）の低減化が図れる。

次に、垂直転送レジスタ１３の取扱い電荷量が少なくならないよう、また電荷転送方向とも整合するように、第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加されている間に、読出電極１４_3を兼ねる第３垂直転送電極１２_3に対して垂直転送方向下流側に配置された第４垂直転送電極１２_4の電圧をＨレベルの状態に再度変化させ、チャージパケットを大容量化する（ｔ１３）。

なお、「読出パルスΦＲＯＧが印加されている間」とは、第３垂直転送電極１２_3の電圧が読出パルスΦＲＯＧレベルからＨレベルに戻る時点ｔ１４までの間であり、第３垂直転送電極１２_3の電圧が読出パルスΦＲＯＧレベルからＨレベルに戻るのと略同時でもよい。

ただし、第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加されている間は、センサ部１１が取得する信号電荷がどんどんと垂直転送レジスタ１３に読み出されるので、その信号電荷がチャージパケットから溢れ出さないように、読出パルスΦＲＯＧの印加が停止され第３垂直転送電極１２_3がＨレベルに戻るよりもある程度早く第４垂直転送電極１２_4をＨレベルに戻すのがよい。

第３垂直転送電極１２_3への読出パルスΦＲＯＧの印加を停止した後（ｔ１４）、第１垂直転送電極１２_1をハイレベルに変化させることで、チャージパケットを１電極分だけ下流側に移動させる（ｔ１５）。これにより、信号電荷ｅは１電極分だけ転送される。

ここで本実施形態において、読出転送電極１２Ｂの垂直転送方向両隣の専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを供給するようにしたことで得られる効果についてさらに詳しく説明する。

本実施形態で用いるＣＣＤ固体撮像素子１０は、図２に示すように、読出電極１４の垂直転送方向の中心位置がセンサ部１１の垂直転送方向の中心位置と略一致し読出電極１４が画素の中心部に配置されるため、センサ部１１から垂直転送レジスタ１３への信号電荷の読出し方向が真横の向きとなるし、逆変調パルスを加えた際のＡ−Ａ切断線およびＢ−Ｂ切断線上の電圧ポテンシャルを読出電極１４の電荷転送方向の中心に対して均等にすることができる。

センサ部１１から垂直転送レジスタ１３への信号電荷の読出し方向が真横の向きの場合、読出パルスΦＲＯＧが印加される読出電極１４_3を兼ねる第３垂直転送電極１２_3（読出転送電極１２Ｂ）の転送方向上流側の垂直転送専用の第２垂直転送電極１２_2（専用転送電極１２Ａ）に逆変調パルスを印加してＨレベルからＬレベルにするだけでは、逆変調パルスを印加することにより得られる読出電圧低減効果が低い。

何故なら、逆変調パルスを転送方向上流側の第２垂直転送電極１２_2（もしくは下流側の第４垂直転送電極１２_4）のみに印加して電極電圧をＨレベルからＬレベルに変化させるだけでは、センサ部１１内の転送方向上流側から下流側（もしくは下流側から上流側）に向かう電界だけしか付けらず、電荷読出方向と同様の真横の向きの電界とならず、センサ内のポテンシャル変動が十分でないためである。

これに対して、上流側に配置されている第２垂直転送電極１２_2だけでなく下流側に配置されている第４垂直転送電極１２_4にも、つまり読出対象のセンサ部１１の真横に位置する読出電極１４_3の垂直転送方向両隣の垂直転送電極１２、つまり読出転送電極１２Ｂに対して転送方向両隣の専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを印加してＨレベルからＬレベルにする方が読出電圧低減効果が高くなる。

何故なら、第２垂直転送電極１２_2や第４垂直転送電極１２_4は、垂直転送レジスタ１３上だけでなく、画素間１１ａ部にも配置され、その画素間１１ａにも電圧が印加されるようになっているため、読出転送電極１２Ｂに対して両隣の垂直転送電極１２_2，１２_4に逆変調パルスを印加して電極電圧をＨレベルからＬレベルに変化させることで、電荷読出方向と同様の真横の向きの電界を付けることができる。

逆変調パルスを加えた際のＡ−Ａ切断線およびＢ−Ｂ切断線上の電圧ポテンシャルを読出電極１４の電荷転送方向の中心に対して均等にすることができるからである。すなわち、センサ部１１内の転送方向上流側と転送方向下流側の双方から斜め方向で垂直転送レジスタ１３に向かう電界を付けることができ、その合成電界が、電荷読出方向と同様の真横の向きの電界となり、センサ内のポテンシャル変動を大きくできるからである。

この点は、図６もしくは図７に示したように、読出電極の垂直転送方向の中心位置が、センサ部３１の垂直転送方向の下流側（図６）もしくは上流側（図７）に位置するようになっているＣＣＤ固体撮像素子３０では、読出電極３４が画素の下流側もしくは上流側に配置されるため、センサ部３１から垂直転送レジスタ３３への信号電荷の読出し方向が左下向きの方向もしくは左上向きの方向となるので、図９や図１０に示すように、時点ｔ２２にて、読出電極３４の両隣の垂直転送専用の垂直転送電極１２内の何れか一方のみを逆変調すれば十分であるのと大きく異なる。

すなわち、図６もしくは図７に示す電極配置関係の場合には、読出パルスΦＲＯＧの印加中に逆変調パルスを印加して転送電極電圧をＨレベルからＬレベルに変化させるべき垂直転送電極３２を、読み出される画素に対して上流側に配置されたもの（図６）もしくは下流側に配置されたもの（図７）とすればよい。画素間３１ａ部にも電圧が印加されているため、印加電圧をＨレベルからＬレベルに変化させることで、センサ領域内上流側から下流側に向かう電界（図６の場合）、もしくはセンサ領域内下流側から上流側に向かう電荷読出方向と同様の向きの電界（図７の場合）を付けることができ、センサ内のポテンシャル変動が十分である。

一方、図６もしくは図７に示す電極配置関係の場合に、読出パルスΦＲＯＧの印加中に逆変調パルスを印加して転送電極電圧をＨレベルからＬレベルに変化させるべき垂直転送電極３２を、本実施形態と同様に、読出電極３４に対して垂直転送方向の両隣の垂直転送電極３２とすることも考えられる。

たとえば、図１１は、その場合におけるセンサ部３１から信号電荷を読み出して垂直転送する手法を説明する図である。ここで、たとえば図６に示す電極配置関係の場合に、読出電極３４_3の両隣の垂直転送電極３２_2，３２_4に逆変調パルスを印加すると、読出電極３４_3のセンサ部３１と対応する転送方向の中心である読出し間口の中心から離れた方の非読出電極垂直転送電極３２_2だけでなく読出し間口の中心に近い方の垂直転送電極３２_4にも逆変調パルスを供給することになる。

その結果として、読出し間口の中心に近いところで逆変調パルスが印加されることにより読出し間口のポテンシャルが浅くなり、読出し間口を狭めてしまう影響が発生し、読出効率が低下してしまう弊害が起こり得る。つまり、逆変調パルスを読出し間口中心に近い垂直転送電極に供給することは、読出電極３４に読出パルスΦＲＯＧを印加してセンサ部３１から垂直転送レジスタ３３に信号電荷を読み出そうとする動作の弊害になり得るのである。

また、各垂直転送電極３２を水平方向に延在するように配線するべく、画素間３１ａでは、一般的に、２層配線構造が採用されるので、電極間にオーバーラップ容量が形成され、たとえば読出電極３４_3に対する両隣の垂直転送電極３２_2，３２_4の内の一方（図６では下流側のもの、図７では上流側のもの）では、オーバーラップ容量を介して、読出パルスΦＲＯＧと逆変調パルスとが緩衝し合うので、前述の読出し間口のポテンシャルが浅くなり読出し間口を狭めてしまう影響がより大きくなり得る。

一方、図１や図２に示すように、読出電極１４の中心がセンサ部１１の中心と一致する電極配置構造のＣＣＤ固体撮像素子１０では、読出電極１４を兼ねる読出転送電極１２Ｂの中心に対して等距離、つまり読出し間口の中心から等距離の２つの専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを供給するので、一方の専用転送電極１２Ａによって読出し間口のポテンシャルが浅くなり読出効率が低下してしまうという弊害は殆ど考慮しなくてもよい。むしろ、前述のように、読出電極１４を兼ねる読出転送電極１２Ｂの中心に対して等距離にある２つの専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを供給するので、その効果を均等に発揮し得ることの効果の方が遙かに大きい。

＜Ｎ≧３への適用例＞
上記実施形態では、２フィールド読出方式として、垂直転送電極１２の相数が４相の場合で示したが、Ｎフィールド読出方式（Ｎ≧３）の場合でも適用可能である。たとえば最近では、高解像度化（多画素化）あるいは小型化のため、セルサイズが縮小化されており、フレーム読出方式においても、従来のような２つのフィールドに分けて読み出す２フィールド読出方式以外に、３フィールド読出方式や４フィールド読出方式によるフレーム読出方式が実用化されている。

これらＮフィールド読出し方式（Ｎ≧３）に対応する場合は、第４垂直転送電極１２_4の後段の読出電極を兼ねる第１垂直転送電極１２_1を第５の垂直転送パルスΦＶ５が印加される専用転送電極１２Ａとして、それより後段側に配置されている電極を順次ＶΦ６，ＶΦ７，…が印加される専用転送電極１２Ａとすればよい。

そして、上記実施形態で説明したΦＶ１〜ΦＶ４までの電圧が印加される以外の残り（第４垂直転送電極１２_4よりも後段側）の専用転送電極１２Ａに印加する電圧を全てＨレベルの状態にしておけばよい。この状態で、読出転送電極１２Ｂ以外でその読み出すセンサ部１１に接する２つ以上の専用転送電極１２Ａに逆変調パルスを同位相もしくはずらして印加する。

たとえば、図１２は、垂直転送電極１２の相数を６相にした６相垂直転送駆動として、３フィールド読出方式を実現する場合の駆動タイミングを示した図であり、図１２（Ａ）が、上記実施形態で説明した仕組みを適用する場合を示し、図１２（Ｂ）が、従来の駆動タイミングを示している。

図１２（Ａ）に示すように、上述した実施形態と同様に、時点ｔ６１で、第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加された後の時点ｔ６２（読出パルスΦＲＯＧが印加されている期間内の任意の時点）で、第３垂直転送電極１２_3の垂直転送方向の両隣に配されている第２垂直転送電極１２_2および第４垂直転送電極１２_4に読出パルスΦＲＯＧとは逆の電圧変化特性を持つ逆極性の逆変調パルスを略同時にもしくは少しずらして印加する。

また、図１３は、垂直転送電極１２の相数を８相にした８相垂直転送駆動として、４フィールド読出方式を実現する場合の駆動タイミングを示した図であり、図１３（Ａ）が、上記実施形態で説明した仕組みを適用する場合を示し、図１３（Ｂ）が、従来の駆動タイミングを示している。

図１３（Ａ）に示すように、上述した実施形態と同様に、時点ｔ８１で、第３垂直転送電極１２_3に読出パルスΦＲＯＧが印加された後の時点ｔ６２（読出パルスΦＲＯＧが印加されている期間内の任意の時点）で、第３垂直転送電極１２_3の垂直転送方向の両隣に配されている第２垂直転送電極１２_2および第４垂直転送電極１２_4に読出パルスΦＲＯＧとは逆の電圧変化特性を持つ逆極性の逆変調パルスを略同時にもしくは少しずらして印加する。

このように、６相垂直転送駆動および８相垂直転送駆動の何れにおいても、読出転送電極１２Ｂに対して読出パルスΦＲＯＧを印加中に、読出転送電極１２Ｂの上下に配置された専用転送電極１２Ａに印加している垂直転送パルスΦＶをＨレベルからＬレベルに変化させることで、従来技術の片方の転送電極の電圧を変化させる方法に対して、センサ内のポテンシャルを浅くする効果が大きくなるため、完全読出しに必要な読出電圧の低減が可能になり、駆動電圧の低減や飽和信号量の増大を実現することができる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

たとえば、上記実施形態では、インターライン転送（ＩＴ）型ＣＣＤ固体撮像素子に適用して説明したが、その他、フレームインターライン転送（ＦＩＴ）型ＣＣＤ固体撮像素子に適用することができる。

また、上記実施形態では、可視光を色分離して検知することでカラー画像を撮像する場合について説明したが、カラー画像に限らずモノクロ画像の撮像であってもよい。また。可視光に限らず、赤外線や紫外線などの任意の波長帯域の電磁波を検知することで、その所定波長帯域の画像を撮像する場合においても、上記実施形態の仕組みを同様に適用することができる。

本発明に係る撮像装置の一実施形態を示す構成図である。 図１に示したＣＣＤ固体撮像素子の４種類の垂直転送電極の配置構造の一例を示す図である。 読出電極の画素間における水平方向の電気的な接続手法（第１例）を説明する図である。 読出電極の画素間における水平方向の電気的な接続手法（第２例）を説明する図である。 読出電極の画素間における水平方向の電気的な接続手法（第３例）を説明する図である。 比較例としての、特許文献１に示されているＣＣＤ固体撮像素子の４種類の垂直転送電極の配置構造の一例を示す図である。 特許文献１に示されているＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送電極の配置構造の変形例を示す図である。 図１や図２に示したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（両側逆変調駆動）を説明する図である。 比較例としての、図６に示したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（片側逆変調駆動）を説明する図である。 比較例としての、図７に示したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部から信号電荷を読み出して垂直転送する手法（片側逆変調駆動）を説明する図である。 比較例としての、図６に示したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部から信号電荷を読み出して垂直転送する手法の変形例（両側逆変調駆動）を説明する図である。 ６相垂直転送駆動／３フィールド読出方式を実現する場合の駆動タイミングを示した図である。 ８相垂直転送駆動／４フィールド読出方式を実現する場合の駆動タイミングを示した図である。

符号の説明

１…撮像装置、１０…ＣＣＤ固体撮像素子、１０ａ…撮像部、１１…受光センサ、１１ａ…画素間、１２…垂直転送電極、１２Ａ…専用転送電極、１２Ｂ…読出転送電極、１３…垂直転送レジスタ、１４…読出電極、１５…水平転送レジスタ、１６…水平転送電極、１７…出力アンプ部、１１８…センサ開口部、５０…駆動制御部、５２…タイミング信号生成部、５４…ドライバ（駆動部）、５６…駆動電源

Claims (3)

1. 入力される電磁波の強度に応じた信号電荷を取得する複数の電荷生成部が配置され、前記電荷生成部で取得した信号電荷を読み出すための読出電極を兼用する読出転送電極と前記読出電極を兼用しない専用転送電極が上面に形成された電荷転送部を備えた撮像素子を用いて画素信号を取得する撮像方法であって、
   前記撮像素子は、前記読出転送電極の電荷転送方向の中心が、前記電荷生成部の前記電荷転送方向の中心と略一致するように各転送電極が形成されているものであり、
   前記電荷生成部からの信号電荷の読出し時に、当該読出しに関わる前記読出転送電極に対して対向した複数の前記専用転送電極に、前記読出転送電極に供給する読出信号とは逆極性の変調信号を印加する
   ことを特徴とする撮像方法。
2. 入力される電磁波の強度に応じた信号電荷を取得する複数の電荷生成部が配置され、前記電荷生成部で取得した信号電荷を読み出すための読出電極を兼用する読出転送電極と前記読出電極を兼用しない専用転送電極が上面に形成された電荷転送部を備えるとともに、前記読出転送電極の電荷転送方向の中心が、前記電荷生成部の前記電荷転送方向の中心と略一致するように各転送電極が形成された撮像素子を駆動制御する駆動装置であって、
   前記電荷生成部からの信号電荷の読出し時に、当該読出しに関わる前記読出転送電極に対して対向した複数の前記専用転送電極に、前記読出転送電極に供給する読出信号とは逆極性の変調信号を印加するように制御する駆動制御部
   を備えたことを特徴とする駆動装置。
3. 入力される電磁波の強度に応じた信号電荷を取得する複数の電荷生成部が配置され、前記電荷生成部で取得した信号電荷を所定方向に転送する電荷転送部を具備した撮像素子を備えた撮像装置であって、
   前記撮像素子は、前記電荷生成部で取得した信号電荷を読み出すための読出電極を兼用する読出転送電極と前記読出電極を兼用しない専用転送電極が上面に形成された電荷転送部を備えるとともに、前記読出転送電極の電荷転送方向の中心が、前記電荷生成部の前記電荷転送方向の中心と略一致するように各転送電極が形成されており、
   前記電荷生成部からの信号電荷の読出し時に、当該読出しに関わる前記読出転送電極に対して対向した複数の前記専用転送電極に、前記読出転送電極に供給する読出信号とは逆極性の変調信号を印加するように制御する駆動制御部
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
   

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