JP2007251594A - 固体撮像装置および固体撮像装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転送電極の容量に起因する転送不良を抑制し、電荷の転送にかかる時間を短縮する
【解決手段】固体撮像装置の電荷転送部（６）を、第１電荷転送素子（１３−３）と、前記第１電荷転送素子（１３−３）に隣接して設けられた第２電荷転送素子（１３−４）と、前記第２電荷転送素子（１３−４）に隣接して連続的に設けられた複数の電荷転送素子として特定する。
そして、第１期間（Ｔ１、Ｔ３）に、前記第１電荷転送素子（１３−３）に前記第１クロックを供給し、前記第２電荷転送素子（１３−４）に前記第２クロックを供給し、前記複数の電荷転送素子のそれぞれに定電位の電圧を供給する。
【選択図】図８

Description

本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の動作方法に関する。

半導体技術の進歩に伴って、撮影対象物から発せられた光をレンズなどの光学系によって撮像素子の受光平面に結像させ、その発せられた光の明暗を電荷の量に光電変換し、その電荷を順次読み出して電気信号に変換する半導体装置（以下、固体撮像装置と呼ぶ。）が普及してきている。一般的に普及している固体撮像装置には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）が備えられている。ＣＣＤは、固体撮像装置か撮像した画像を電気信号に変換する動作において、受光素子から読み出された電荷を電気信号に変換する回路に転送している。

ＣＣＤを備える固体撮像装置では、撮影対象物の状態や、ユーザが要求する画質に対応して、複数の解像度に対応していることが好ましい。そのため、解像度の切り換えが可能な固体撮像装置の技術が知られている（例えば、特許文献１から５参照。）。

特許文献１（特開２００２−３１４８８３号公報）では、半導体基板上に列を成して配設された複数の光センサーと、同光センサーが受光して生成した電荷を取り込み転送する電荷転送レジスタとを含み、前記電荷転送レジスタは、半導体基板に形成された電荷転送路に沿って前記電荷転送路上に所定ピッチで配列された複数の転送電極対を有し、前記転送電極対はそれぞれ電荷転送方向で隣接配置された第１および第２の転送電極から成り、第１および第２の転送電極には同一の駆動パルスが印加される固体撮像装置であって、第１および第２の駆動回路を備え、前記転送電極対は連続する４つの転送電極対ごとにグループを形成し、前記第１の駆動回路は、前記転送電極対の各グループを成す第１ないし第４の転送電極対のうち前記第１および第３の転送電極対に同相の駆動パルスを印加するとともに、前記第２および第４の転送電極対に、前記第１および第３の転送電極対に印加する駆動パルスとは逆相の駆動パルスを印加して、信号電荷を前記電荷転送路に沿って移動させ、前記第２の駆動回路は、光センサーから前記電荷転送レジスタに信号電荷が読み出された直後に、前記第２および第３の転送電極対に対して相互に逆相の駆動パルスを印加し、その間、前記第１および第４の転送電極対に印加する前記駆動パルスはともに一定レベルに保持して、前記第３の転送電極対下の信号電荷を前記第１の転送電極対下まで前記電荷転送路に沿って移動させる固体撮像装置に関する技術を開示している。特許文献１に記載の技術では、それによって、小規模な素子構成で解像度の切り換えを可能としている。

また、特許文献２（特表２００３−５０４９７２号公報）では、最大の走査速度で所定の解像度を得るために、２つの隣接する画素の内容を加算する加算手段を用いる固体撮像装置に関する技術を開示している。

また、特許文献３（特開２００１−７３１２号公報）では、電極の結線を変更することなく、解像度を変更することを目的としている。その目的を達成するために、各画素に対応する光電変換部を複数一列に配置した画素列と、前記各光電変換部で光電変換された信号電荷を所定の方向に順次転送するＣＣＤレジスタとを備えた固体撮像装置を開示している。そしてその装置において、前記ＣＣＤレジスタは、それぞれ半導体基板上に絶縁膜を介して形成された電極ユニットを複数有し、複数の前記電極ユニットに複数相のパルスを順番に印加する第１のモードと、少なくとも一つの電極ユニットを挟んで配置される複数の電極ユニットに前記複数相のパルスを順番に印加するとともに、これら複数の電極ユニットに挟まれる電極ユニットのそれぞれに前記複数相のパルスよりもパルス幅の狭いパルスまたは、直流電圧を印加する第２のモードとのいずれかのモードを任意に選択可能な電極電圧制御手段を備えている。

また、特許文献４（特開平１０−２７１３９４号公報）では、転送チャネルの上方にその転送方向において交互に繰り返して配列された第１相，第２相の電極対からなり、かつ前記第１相の電極対が前記第２相の電極対を挟んで独立に駆動可能に配線された電極構造と、前記第２相の電極対に直流電圧を印加する手段と、前記第２相の電極対を挟む前記第１相の電極対の各々に逆相の転送クロックを供給する手段とを備えた固体撮像装置に関する技術を開示している。特許文献４の装置では、駆動周波数を変えずに、出力期間の短縮を可能とした電荷転送装置およびこれを水平転送レジスタとして用いることによって水平１ラインの出力期間の短縮に伴うフレームレートの増加を可能にしている。

さらに、特許文献５（特開２００１−２４４４４８号公報）では、多数のフォトダイオード１０８を一方向に配列した受光部１０１と、受光部１０１の一方の側に設けられた第１の信号電荷読み出し部１０２及びＣＣＤシフトレジスタによる第１の信号電荷転送部１０４を有する高解像度モード手段と、受光部１０１の他方の側に設けられた第２の信号電荷読み出し部１０３及びＣＣＤシフトレジスタによる第２の信号電荷転送部１０５を有する低解像度モード手段とを具備するリニアイメージセンサに関する技術を開示している（図１参照）。特許文献５に記載の技術では、低解像度モード手段を備えることによって、低解像度で情報を読み込むときの時間を短縮させている。また、特許文献５に記載の技術では、ゲートパルス配線数を減少させることにより半導体チップコストの増大を防いでいる。

上述のように、従来の固体撮像装置においては、全画素のデータを必要としない低解像度の場合には、隣接画素を加算したり、浮遊拡散層領域で加算したりすることで複数の解像度に対応している。またオーバーフロードレインを設け、そこから不要な電荷をはきだして画素数を減らして出力するなどの技術によって、複数の解像度に対応している。

現在の情報化社会における処理速度の高速化に対する要求は、固体撮像装置にも及んでいる。従来の固体撮像装置では、電荷転送に用いられるクロックの周波数を上げて電荷転送に要する時間を短縮させることで処理速度の向上を図っている。また、上記特許文献５に記載の技術では、通常時のＣＣＤとは別に低解像度用のＣＣＤを設けることで周波数を上げずに転送時間の短縮を実現している。

特開２００２−３１４８８３号公報 特表２００３−５０４９７２号公報 特開２００１−７３１２号公報 特開平１０−２７１３９４号公報 特開２００１−２４４４４８号公報

半導体プロセスの微細化に対応して、高解像度の固体撮像装置が製造されてきている。解像度の高い固体撮像装置では、ＣＣＤを構成する素子が密集して配置されている。素子が密集して配置されることにより、隣り合う二つの素子の電極間の間隔が狭くなり電極の間に容量（以下、層間容量と呼ぶ）が形成される。従来の固体撮像装置において、転送電極の容量が電荷転送の高速化を阻害する場合があった。近年普及してきている解像度の高い固体撮像装置では、ゲート容量に加えて相間容量も電荷転送の高速化を抑制している。

また上述のように、複数のＣＣＤを設けることで周波数を上げずに転送時間の短縮を実現する場合には、固体撮像装置の構造が複雑になり、製造コストが増加してしまう場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、転送電極の容量に起因する転送不良を抑制し、電荷の転送にかかる時間を短縮することが可能な固体撮像装置を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

上記課題を解決するために、受光する光に応答して電荷（ＥＣ１〜ＥＣｎ）を蓄積する受光部（４）と、蓄積された前記電荷（ＥＣ１〜ＥＣｎ）を読み出す電荷読み出し部（５）と、第１クロックと第２クロックとに応答して、前記電荷読み出し部（５）から供給される前記電荷（ＥＣ１〜ＥＣｎ）を電荷検出部（７）に転送する電荷転送部（６）と、前記第１クロックと前記第２クロックとを生成するクロック生成部（２１）とを具備する固体撮像装置（１０）を構成する。
その固体撮像装置（１０）において、前記電荷転送部（６）は、第１電荷転送素子（１３−３）と、前記第１電荷転送素子（１３−３）に隣接して設けられた第２電荷転送素子（１３−４）と、前記第２電荷転送素子（１３−４）に隣接して連続的に設けられ、前記第１電荷転送素子と前記第２電荷転送素子と異なる複数の電荷転送素子を含んで構成された固定電位供給素子群とを備えることが好ましい。
また、前記クロック生成部は、第１期間（Ｔ１、Ｔ３）に、前記第１電荷転送素子（１３−３）に前記第１クロックを供給し、前記第２電荷転送素子（１３−４）に前記第２クロックを供給し、前記固定電位供給素子群を構成する前記複数の電荷転送素子のそれぞれに定電位の電圧を供給する。これによって、相間容量が形成される電荷転送素子を低減させ、電荷転送における高速化を実現している。

本発明によると、転送電極の容量に起因する転送不良を抑制することが可能な固体撮像装置を構成することが可能となる。
また、本発明によると、構造の複雑化を抑制しつつ、電荷を転送する時間を短縮することが可能な固体撮像装置を構成することが可能となる。 また、本発明によると、転送周波数をあげることなく電荷の転送時間を短縮することが可能な固体撮像装置を構成することが可能となる。

言い換えると、転送電極の一部を一定電圧で固定することで実質的な転送電極数が少なくなり、転送周波数を上げずに転送時間を短縮できる。また、転送電極数が減少したことにより電極容量が小さくなったことで周波数を上げるのが容易になり、これらを組み合わせればさらに転送時間が短縮できる。

以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明を行う。本発明の固体撮像装置は、解像度の異なる複数の動作モードに対応しているものとする。以下に述べる実施形態において、低解像度で撮像対象を撮像する場合の動作モードを低解像度モードと称し、高解像度で撮像する場合の動作モードを高解像度モードと称して説明を行う。また、上記の低解像度モードと高解像度モードとの中間の解像度で動作する場合の動作モードを中解像度モードと称する。

図２は、本実施形態の固体撮像装置１０の構成を例示するブロック図である。図２を参照すると、本実施形態における固体撮像装置１０は、撮像部１と、クロック供給回路２と、解像度制御部３とを含んで構成されている。撮像部１は、撮影対象物から発せられた光を、固体撮像装置１０を搭載する機器に備えられたレンズなどの光学系（図示されず）を介して受光し、その光に対応する電気信号を出力する半導体装置である。図２に示されているように、撮像部１は、受光部４と、電荷読み出し部５と、ＣＣＤ６と、出力回路７とを含んで構成されている。

クロック供給回路２は、撮像部１のＣＣＤ６に対して動作クロックを提供する回路ブロックである。クロック供給回路２の構成に関する説明は後述する。解像度制御部３は、本実施形態における動作モード（低、中、高解像度モード）の切り換えを実行させるための命令を出力する機能ブロックである
以下に、上述の撮像部１の構成に関して説明を行う。上述のように、撮像部１は、受光部４と電荷読み出し部５とＣＣＤ６と出力回路７とを含んで構成されている。受光部４は、複数の受光素子（フォトダイオード）を含んで構成されている。図２に示されているように、各受光素子（４−１〜４−ｎ）のそれぞれからは、個々の受光素子には電荷（ＥＣ１〜ＥＣｎ）が蓄積され、電荷読み出し部５の動作に応答して各電荷が読み出される。

電荷読み出し部５が読み出した各電荷（ＥＣ１〜ＥＣｎ）は、ＣＣＤ６に供給される。ＣＣＤ６は、クロック供給回路２から出力されるクロックに応答して電荷を転送する半導体装置である。図２に示されているように、ＣＣＤ６は複数の端子（９−１〜９−６）を介してクロック供給回路２に接続されている。

ＣＣＤ６が転送する電荷は、出力回路７に供給される。出力回路７は、受光部４から読み出され、ＣＣＤ６によって転送されてきた電荷に応答して電気信号を生成する信号生成機能ブロックである。ＣＣＤ６によって転送された電荷は、浮遊拡散領域によって形成され、信号電荷を信号電圧に変換する出力回路７から図中には記述されていないソースフォロワ、インバータ等のアナログ回路からなる出力回路によって外部に出力される。

上述のＣＣＤ６の構成に関し、以下に図面を参照して説明する。図３は、ＣＣＤ６の断面構造を例示する断面図である。図３を参照すると、ＣＣＤ６は、Ｎ基板上に構成されたＰウェル１１と、そのＰウェル１１上に構成されたＮウェル１２を有している。図３に示されているように、ＣＣＤ６は複数の電荷転送素子１３を含んで構成され、各電荷転送素子１３にはバリア電極下にボロン等を注入し形成されたＮ−領域１６が備えられている。ＣＣＤ６は、Ｎ−領域１６を備えることによって電荷の逆転送を防止するようにしている。電荷転送素子１３には、酸化膜等の絶縁膜上に形成された複数の異なる電極（第１電極１４、第２電極１５）が備えられている。図３に示されているように、一つの電荷転送素子１３に備えられた第１電極１４（バリア電極）と第２電極１５（ストレージ電極）とは、互いに接続されている。以下の実施形態において、複数の電荷転送素子１３を区別して述べる場合には、電荷転送素子１３の後ろに枝符号または枝番号を付して説明を行なう。

図４は、上記のＣＣＤ６の一部を拡大して例示する断面図である。上述のように、ＣＣＤ６を構成する複数の電荷転送素子１３は、それぞれ同様の構成である。図４を参照すると第１電荷転送素子１３−１の各電極には第１信号電位Ｖａが印加され、第２電荷転送素子１３−２の各電極には第２信号電位Ｖｂが印加されている。図４に示されているように、この場合において、第１電荷転送素子１３−１の第２電極１５と、Ｎウェル１２との間にゲート容量Ｃ１が形成されている。また、第１電荷転送素子１３−１の第１電極１４と、第２電荷転送素子１３−２の第２電極１５との間に相間容量Ｃ２が形成されている。

以下に、上述のクロック供給回路２の構成に関して詳細に説明する。図５は、クロック供給回路２の構成を例示する回路図である。本実施形態のクロック供給回路２は、クロック生成部２１と、解像度切り換え部２２と、複数の信号線（φ１Ａ〜φ１Ｃ、φ２Ａ〜φ２Ｃ）を含んで構成されている。図５に示されているように、第１信号線φ１Ａは、第１端子９−１を介して撮像部１のＣＣＤ６に接続されている。同様に、第２信号線φ１Ｂは、第２端子９−２を介してＣＣＤ６に接続され、第３信号線φ１Ｃは、第３端子９−３を介してＣＣＤ６に接続され、第４信号線φ２Ａは、第４端子９−４を介してＣＣＤ６に接続され、第５信号線φ２Ｂは、第５端子９−５を介してＣＣＤ６に接続され、第６信号線φ２Ｃは、第６端子９−６を介してＣＣＤ６に接続されている。

図５を参照すると、クロック生成部２１は、第１クロック生成部２３と第２クロック生成部２４とを含んで構成されている。第１クロック生成部２３および第２クロック生成部２４は、ＣＣＤ６に供給するクロックを生成するクロックジェネレータである。以下に述べる実施形態においては、第１クロック生成部２３から出力される第１クロックが、第２クロック生成部２４から出力される第２クロックと位相が逆のクロックである場合を例示して説明を行う。なお、第１クロックを反転させて生成された第２クロックを、本実施形態に適用しても良い。

また、解像度切り換え部２２は、複数のスイッチ（３１〜３４）と複数の直流電源（３５〜３８）とを含んで構成されている。図５に示されているように、第１スイッチ３１は、第２信号線φ１Ｂと第１直流電源３５、または、第２信号線φ１Ｂと第１ノードＮ１とを接続する。同様に、第２スイッチ３２は第３信号線φ１Ｃと第２ノードＮ２との接続、または、第３信号線φ１Ｃと第２直流電源３６との接続を制御している。第３スイッチ３３は第５信号線φ２Ｂと第３ノードＮ３との接続、または、第５信号線φ２Ｂと第３直流電源３７との接続を制御している。第４スイッチ３４は第６信号線φ２Ｃと第４ノードＮ４との接続、または、第６信号線φ２Ｃと第４直流電源３８との接続を制御している。本実施形態において、複数のスイッチ（３１〜３４）は、解像度制御部３から供給される解像度切り換え信号８に応答して、ＣＣＤ６にクロックを印加するか、定電位の信号を供給するかを切り換えている。

図６は、クロック供給回路２の各信号線（φ１Ａ〜φ１Ｃ、φ２Ａ〜φ２Ｃ）を伝播する電位の時間変化を示すタイミングチャートである。ここにおいて、図６の（ａ）に示されている波形は、第１信号線φ１Ａの動作波形を示している。図６の（ｂ）は、第１スイッチ３１によって、第２信号線φ１Ｂと第１直流電源３５とが接続されたときの第２信号線φ１Ｂの動作波形を示している。図６の（ｃ）は、第３信号線φ１Ｃと第２直流電源３６とが接続されている場合の第３信号線φ１Ｃの動作波形を示している。図６の（ｄ）に示されている波形は、第４信号線φ２Ａの動作波形を示している。図６の（ｅ）は、第３スイッチ３３によって、第５信号線φ２Ｂと第３直流電源３７とが接続されたときの第５信号線φ２Ｂの動作波形を示している。図６の（ｆ）は、第４スイッチ３４によって、第６信号線φ２Ｃと第４直流電源３８とが接続されたときの第６信号線φ２Ｃの動作波形を示している。

図６を参照すると、第１信号線φ１Ａには第１クロックが供給され、第４信号線φ２Ａには第２クロックが供給されている。また、図６に示されているように、第２信号線φ１Ｂ、第３信号線φ１Ｃ、第５信号線φ２Ｂおよび第６信号線φ２Ｃには、それぞれ定電位の信号が供給されている。以下に、図６に示される電位の信号がＣＣＤ６供給されているときの、電荷転送の様子を説明する。なお、図６に示されている、第２信号線φ１Ｂ、第３信号線φ１Ｃ、第５信号線φ２Ｂおよび第６信号線φ２Ｃの電位を得るのに全画素転送時の第１クロックと第２クロックとの振幅では厳しい場合は、それぞれの振幅を大きくすることが好ましい。

図７は、本実施形態のＣＣＤ６による電荷転送の様子をポテンシャルの井戸を用いて例示する図である。図７の（ａ）は、図６のタイミングチャートにおける時刻ｔ１から時刻ｔ２まで（期間Ｔ１）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示している。同様に、図７の（ｂ）は、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで（期間Ｔ２）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示し、図７の（ｃ）は、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで（期間Ｔ３）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示している。

図７を参照すると、第３電荷転送素子１３−３と第５電荷転送素子１３−５には第１クロックが供給され、第４電荷転送素子１３−４には、第２クロックが供給されている。期間Ｔ１において、第３電荷転送素子１３−３に電荷が蓄積されている。期間Ｔ２において、第２クロックがＨｉｇｈレベルになり、第４信号線φ２Ａを介して第４電荷転送素子１３−４に第１電位Ｖ１が印加される。このとき、第１クロックはＬｏｗレベルになっているので、第３電荷転送素子１３−３には０Ｖが印加される。したがって、期間Ｔ１から期間Ｔ２に時間が経過したときに、第３電荷転送素子１３−３に蓄積されていた電荷が第４電荷転送素子１３−４に転送される。

時刻Ｔ３において、第１クロックはＨｉｇｈレベルになり、第２クロックはＬｏｗレベルになる。時刻ｔ１から時刻ｔ４（またはそれ以降）の期間において、第１クロック及び第２クロックが供給されている電荷転送素子１３以外の電荷転送素子１３には、定電位の信号電圧がゲートに印加されている。また、第４電荷転送素子１３−４と第５電荷転送素子１３−５との間に備えられている複数の電荷転送素子１３には、図６の（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）に示されている定電位の信号電圧が印加されている。

図７に示されているように、期間Ｔ２において第４電荷転送素子１３−４に蓄積されている電荷は、期間Ｔ３において、４つの電荷転送素子１３を経由して第５電荷転送素子１３−５に転送される。したがって、本実施形態のＣＣＤ６は、動作クロック１周期で、６つ先の電荷転送素子１３に電荷を転送することが可能である。このときの、電極容量に関して、以下に説明を行う。

図８は、図７に示される動作を実行するときのＣＣＤ６の電極容量を示す断面図である。図８を参照すると、第１の電荷転送素子１３ａには第１クロックが供給され、第１の電荷転送素子１３ａに隣り合う第２の電荷転送素子１３ｂには、固定第４電位が供給されている。また、第３の電荷転送素子１３ｃには固定第１電位が供給され、その第３の電荷転送素子１３ｃに隣り合う第４の電荷転送素子１３ｄには、第２クロックが供給されている。さらに、第４の電荷転送素子１３ｄと隣り合う電荷転送素子１３に第１クロックが供給されている。

図８に示されているように、第１の電荷転送素子１３ａの第１電極１４と第２の電荷転送素子１３ｂの第２電極１５との間に第１相間容量Ｃ２−１が形成されている。また、第３の電荷転送素子１３ｃの第１電極１４と第４の電荷転送素子１３ｄの第２電極１５との間に第２相間容量Ｃ２−２が形成され、第４の電荷転送素子１３ｄの第１電極１４と第１の電荷転送素子１３ａの第２電極１５との間には第３相間容量Ｃ２−３が形成されている。

上述のように、第２の電荷転送素子１３ｂと第３の電荷転送素子１３ｃのゲート電極には、定電位が印加されている。また、第１の電荷転送素子１３ａには第１クロックが印加され、第４の電荷転送素子１３ｄには第２クロックが印加されている。ここにおいて、ＣＣＤ６が動作しているときの第１相間容量Ｃ２−１、第２相間容量Ｃ２−２および第３相間容量Ｃ２−３の比は、
第１相間容量Ｃ２−１：第２相間容量Ｃ２−２：第３相間容量Ｃ２−３
＝１：１：２
となる。したがって、ある第１の電荷転送素子１３ａから次の第１の電荷転送素子１３ａまでの電荷転送素子１３を一つのグループとして考えた場合、そのグループでの相間容量Ｃａは、第１相間容量Ｃ２−１を基準として、
相間容量Ｃａ＝４
で表すことが可能となる。

従来の電荷転送装置において、例えば、上述の特許文献４（特開平１０−２７１９３４号公報）に記載の技術では、同じ数の電荷転送素子１３をグループとした場合、そのグループでの相間容量Ｃｂは、
相間容量Ｃｂ＝６
で表される。このように、本実施形態のＣＣＤ６は、電荷を高速に転送しようとする場合に、その高速化を阻害する相間容量を低減させることが可能となる。

以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明を行う。以下の第２の実施形態における固体撮像装置１０は、複数の解像度を切り換えて動作している。なお
以下に述べる実施形態に参照する図面において、上述の第１の実施形態で用いた符号と同じ符号が付されている要素は、第１の実施形態で述べた要素と同様の構成・動作である。したがって、以下に述べる説明においては、その要素に関する詳細な説明は省略するものとする。

図９は、第２の実施形態におけるクロック供給回路２の構成を例示する回路図である。図９を参照すると、第２の実施形態における解像度切り換え部３０は、低解像度部２５と、中解像度部２６と、スイッチ部２７とを含んで構成されている。低解像度部２５は、上述の第１の実施形態の解像度切り換え部２２と同様の構成である。中解像度部２６は、第５スイッチ４１と第６スイッチ４２とを備えている。図９に示されているように、第５スイッチ４１は、第２端子９−２に対し、第１クロック生成部２３または第５直流電源４３を接続させている。同様に、第６スイッチ４２は、第４端子９−４に対し、第２クロック生成部２４または第６直流電源４４を接続させている。

また、スイッチ部２７は、複数のスイッチ（５１〜５４）を含んで構成されている。図９に示されているように、第７スイッチ５１は、第３端子９−３に対し、第２クロック生成部２４または第２スイッチ３２を接続させている。第８スイッチ５２は、第４端子９−４に対し、第６スイッチ４２または第２クロック生成部２４を接続させている。第９スイッチ５３は、第５端子９−５に対し、第１クロック生成部２３または第３スイッチ３３を接続させている。第１０スイッチ５４は、第６端子９−６に対し、第５スイッチ４１または第４スイッチ３４を接続させている。

第２の実施形態のクロック供給回路２は、解像度制御部３から供給される解像度切り換え信号８に応答して、上記の複数のスイッチ（３１〜３４、４１〜４２、５１〜５４）を切り換えることで、ＣＣＤ６を構成する電荷転送素子１３の電極に印加する信号電圧を制御している。以下に、固体撮像装置１０が解像度切り換え信号８に応答して中解像度モードで動作する場合に関して説明を行う。第２の実施形態において、固体撮像装置１０が中解像度モードで動作する場合、スイッチ部２７の第７スイッチ５１は、第４端子９−４と第２クロック生成部２４とを接続する。また、第８スイッチ５２は、第４端子９−４と第６スイッチ４２を接続し、第９スイッチ５３は、第５端子９−５と第１クロック生成部２３を接続する。更に、第１０スイッチ５４は、第６端子９−６と第５スイッチ４１と接続する。

またこのとき第５スイッチ４１は、第２端子９−２と第５直流電源４３とを接続し、第６スイッチ４２は、第４端子９−４と第６直流電源４４とを接続する。したがって、低解像度モードにおいて、第３信号線φ１Ｃとして作用していた信号線は、第４信号線φ２Ａとして作用する・また、低解像度モードにおいて、第４信号線φ２Ａとして作用していた信号線は、第５信号線φ２Ｂとして作用する。また、低解像度モードにおいて、第５信号線φ２Ｂとして作用していた信号線は、第１信号線φ１Ａとして作用する。また、低解像度モードにおいて、第６信号線φ２Ｃとして作用していた信号線は、第２信号線φ１Ｂとして作用する。これによって、定電位が供給される電荷転送素子１３が二つとなり、それ以外の電荷転送素子１３には、第１クロックまたは第２クロックが供給される。

以下、中解像度モードでの動作を、図１０を用いて説明する。図１０は、中解像度モードにおける動作を示すタイミングチャートである。図１０の（ａ）は、中解像度モードにおける第１信号線φ１Ａの動作を示している。図１０の（ｂ）は、中解像度モードにおける第２信号線φ１Ｂの動作を示している。図１０の（ｃ）は、中解像度モードにおける第４信号線φ２Ａの動作を示している。図１０の（ｄ）は、中解像度モードにおける第５信号線φ２Ｂの動作を示している。

図１０に示されているように、第２信号線φ１Ｂと第５信号線φ２Ｂの電位を比較すると、
第２信号線φ１Ｂ＜第５信号線φ２Ｂ
となっている。また、第１クロック（または第２クロック）がＨｉｇｈレベルのときの電位は、第２信号線φ１Ｂと第５信号線φ２Ｂの電位よりも高電位である。更に、図１０に示されているように、第１信号線φ１Ａと第４信号線φ２Ａとは、互いに逆相のクロックが供給されている。

以下に、上記の信号電圧がＣＣＤ６に供給されているときに、電荷転送の様子を、図面を参照して説明する。図１１は、中解像度モードにおける電荷転送の様子を例示する図である。図１１の（ａ）は、図１０のタイミングチャートにおける時刻ｔ１から時刻ｔ２まで（期間Ｔ１）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示している。同様に、１１の（ｂ）は、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで（期間Ｔ２）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示し、図１１の（ｃ）は、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで（期間Ｔ３）のＣＣＤ６の電荷転送状態を示している。

図１１の（ａ）を参照すると、期間Ｔ１において、第１クロックが印加されている電荷転送素子１３の電荷は、期間Ｔ２において、第４信号線φ２Ａに接続される電荷転送素子１３に転送される。期間Ｔ２から期間Ｔ３に遷移するとき、第４信号線φ２Ａに接続される電荷転送素子１３に蓄積されている電荷は、定電位が供給されている電荷転送素子１３を経由して、第１クロックが印加される電荷転送素子１３に転送される。このように、第２の実施形態の固体撮像装置１０は、撮像対象に応じて低解像度と中解像度とを切り換えることが可能となる。また、図１２に示すように、第１および第２の実施形態の固体撮像装置１０は、高解像度での電荷転送にも対応している。中解像度モードは、第１信号線φ１Ａと第４信号線φ２Ａにのみ動作クロックが印加され、転送電極は全画素転送時の半分になっている。したがって、同じ駆動周波数であれば転送時間は半分に短縮される。高解像度時に第２クロック信号線φ２に接続される電荷転送素子１３に読み出されていた電荷は、低解像度時はそのままレジスタ上で第１クロック信号線φ１に接続される電荷転送素子１３と合成することが好ましい。または、その電荷が読み出される前に、オーバーフロードレイン（図示されず）などで引き抜くことが好ましい。

第２クロック信号線φ２の電荷をレジスタ上で合成する場合において、ＴＧ電圧下のチャネル電位が、第１直流電源３５の電圧印加されている第２電極１５のチャネル電位より大きい事が好ましい。また、この条件を満たさないのであれば、読み出し時のみ第１直流電源３５の電圧を上げることで対応することが可能である。

図１は、従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態の固体撮像装置の構成を例示するブロックである。 図３は、ＣＣＤ６の断面構造を例示する断面図である。 図４は、ＣＣＤ６の一部を拡大して例示する断面図である。 図５は、クロック供給回路２の構成を例示する回路図である。 図６は、信号線の電位の時間変化を示すタイミングチャートである。 図７は、本実施形態のＣＣＤ６による電荷転送を例示する図である。 図８は、ＣＣＤ６の電極容量を示す断面図である。 図９は、第２の実施形態におけるクロック供給回路２の構成を例示する回路図である。 図１０は、中解像度モードでの動作を示すタイミングチャートである。 図１１は、中解像度モードにおける電荷転送の様子を例示する図である。 図１２は、高解像度モードにおける電荷転送の様子を例示する図である。

符号の説明

１０…固体撮像装置
１…撮像部
２…クロック供給回路
３…解像度制御部
４…受光部
４−１〜４−ｎ…第１〜第ｎ受光素子
５…電荷読み出し部
６…ＣＣＤ
７…出力回路
８…解像度切り換え信号
９−１〜９−６…第１〜第６端子
１１…Ｐウェル
１２…Ｎウェル
１３…電荷転送素子
１４…第１電極
１５…第２電極
１６…Ｎ−領域
２１…クロック生成部
２２…解像度切り換え部
２３…第１クロック生成部
２４…第２クロック生成部
２５…低解像度部
２６…中解像度部
２７…スイッチ部
３０…解像度切り換え部
３１〜３４…第１〜第４スイッチ
３５〜３８…第１〜第４直流電源部
４１、４２…第５、第６スイッチ
４３、４４…第５、第６直流電源部
５１〜５４…第７〜第１０スイッチ
ＥＣ１〜ＥＣｎ…第１電荷〜第ｎ電荷
ＴＧ…読み出しパルス
Ｃ１…ゲート容量
Ｃ２…相間容量
Ｎ１〜Ｎ４…ノード
φ１…第１クロック信号線
φ２…第２クロック信号線
φ１Ａ…第１信号線
φ１Ｂ…第２信号線
φ１Ｃ…第３信号線
φ２Ａ…第４信号線
φ２Ｂ…第５信号線
φ２Ｃ…第６信号線
１０１…受光部
１０２…第１の信号電荷読み出し部
１０３…第２の信号電荷読み出し部
１０４…第１の信号電荷転送部
１０５…第２の信号電荷転送部
１０６…第１の出力回路
１０７…第２の出力回路
１０８…フォトダイオード
１０９…φ１Ａのパルスライン
１１０…φ２Ａのパルスライン
１１１…φ１Ｂのパルスライン
１１２…φ２Ｂのパルスライン
Ｑ１…第１画素の信号電荷
Ｑ２…第２画素の信号電荷
Ｑ３…第３画素の信号電荷
Ｑ４…第４画素の信号電荷
ＱＬ…最終画素の信号電荷

Claims (15)

1. 受光する光に応答して電荷を蓄積する受光部と、
   蓄積された前記電荷を読み出す電荷読み出し部と、
   第１クロックと第２クロックとに応答して、前記電荷読み出し部から供給される前記電荷を電荷検出部に転送する電荷転送部と、
   前記第１クロックと前記第２クロックとを生成するクロック生成部と
   を具備し、
   前記電荷転送部は、
   第１電荷転送素子と、
   前記第１電荷転送素子に隣接して設けられた第２電荷転送素子と、
   前記第２電荷転送素子に隣接して設けられ、前記第１電荷転送素子と前記第２電荷転送素子と異なる複数の電荷転送素子を含んで構成された固定電位供給素子群と
   を備え、
   前記クロック生成部は、
   第１期間に、
   前記第１電荷転送素子に前記第１クロックを供給し、
   前記第２電荷転送素子に前記第２クロックを供給し、
   前記固定電位供給素子群を構成する前記複数の電荷転送素子のそれぞれに定電位の電圧を供給する
   固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記クロック生成部は、
   前記第１期間に続く第２期間に、
   前記第１電荷転送素子に前記第１クロックを反転させた反転第１クロックを供給し、
   前記第２電荷転送素子に前記第２クロックを反転させた反転第２クロックを供給し、
   前記固定電位供給素子群に前記低電位の前記電圧を供給する
   固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記クロック生成部は、
   前記固定電位供給素子群に隣接し、前記第２電荷転送素子と異なる電荷転送素子を他の第１電荷転送素子として特定する
   固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記固体撮像装置は、解像度が低い低解像度モードと、解像度が高い高解像度モードとに対応し、
   前記クロック生成部は、前記低解像度モードにおいて、
   前記第２電荷転送素子と前記他の第１電荷転送素子との間に設けられた４の電荷転送素子を前記固定電位供給素子群とする
   固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記動作モードは、更に、前記低解像度モードと前記高解像度モードとの中間の解像度に対応する中解像度モードを含み、
   前記クロック生成部は、前記中解像度モードにおいて、
   前記第１電荷転送素子と前記第２電荷転送素子との間に設けられた２の電荷転送素子を前記固定電位供給素子群として特定する
   固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記クロック生成部は、
   前記第１クロックと前記第２クロックとを生成するクロック生成回路と、
   前記クロック生成回路に接続される駆動切り換え回路と
   を含み、
   前記駆動切り換え回路は、
   解像度切り換え部から供給される制御信号に応答して、前記動作モードを切り換える
   固体撮像装置。
7. （ａ）第１クロックと前記第１クロックを反転して得られる第２クロックとを生成するステップと
   （ｂ）受光する光に応答して受光素子に蓄積された電荷を読み出し、前記電荷を電荷転送部に供給するステップと、
   （ｃ）供給された前記電荷を、前記第１クロックと前記第２クロックとに応答して電荷検出部に転送するステップと
   を具備し、
   前記（ｃ）ステップは、
   第１期間に、
   第１電荷転送素子に前記第１クロックを供給するステップと、
   前記第１電荷転送素子に隣接して設けられた第２電荷転送素子に前記第２クロックを供給するステップと、
   前記第２電荷転送素子に隣接する電荷転送素子から連続的に設けられ、前記第１電荷転送素子と前記第２電荷転送素子と異なる複数の電荷転送素子のそれぞれに定電位の電圧を供給するステップ
   を含む
   固体撮像装置の動作方法。
8. 請求項７に記載の固体撮像装置の動作方法において、
   前記（ｃ）ステップは、
   前記第１期間に続く第２期間に、
   前記第１電荷転送素子に前記第１クロックを反転させた反転第１クロックを供給するステップと、
   前記第２電荷転送素子に前記第２クロックを反転させた反転第２クロックを供給するステップと、
   前記複数の電荷転送素子のそれぞれに定電位の電圧を供給するステップ
   を含む
   固体撮像装置の動作方法。
9. 請求項８に記載の固体撮像装置の動作方法において、
   前記（ｃ）ステップは、
   前記複数の電荷転送素子を前記固定電位供給素子として特定するステップと、
   前記固定電位供給素子群に隣接し、前記第２電荷転送素子と異なる電荷転送素子を他の第１電荷転送素子として特定するステップ
   を含む
   固体撮像装置の動作方法。
10. 請求項９に記載の固体撮像装置の動作方法において、さらに、
    （ｄ）解像度が低い低解像度モードと、解像度が高い高解像度モードと、記低解像度モードと前記高解像度モードとの中間の解像度に対応する中解像度モードとを切り換えるステップと、
    （ｅ）前記低解像度モードにおいて、
    前記第２電荷転送素子と前記他の第１電荷転送素子との間に設けられた４の電荷転送素子を前記固定電位供給素子群とするステップ
    を含む固体撮像装置の動作方法。
11. 請求項１０に記載の固体撮像装置の動作方法において、
    前記（ｅ）ステップは、
    前記中解像度モードにおいて、
    前記第１電荷転送素子と前記第２電荷転送素子との間に設けられた２の電荷転送素子を前記固定電位供給素子群として特定するステップ
    を含む
    固体撮像装置の動作方法。
12. 多数の画素を配列した受光部と、前記受光部の電荷の読み出し部と、前記読み出し部から電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部がストレージ電極とバリア電極の組が複数に設けられている２相駆動固体撮像素子において、
    前記電荷転送部の隣接するストレージ電極とバリア電極の組に互いに異なる相の駆動パルスを印加し、かつ、それぞれのストレージ電極とバリア電極の組の反対側のストレージ電極とバリア電極の組には駆動パルスとＤＣ電圧とを切り替える機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
13. 請求項１２に記載の固体撮像装置において、
    前記電荷転送部のＤＣ電圧が印加可能なストレージ電極とバリア電極の組の数が２の整数倍であることを特徴とする固体撮像装置。
14. 請求項１２または１３に記載の固体撮像装置において、
    前記ＤＣ電圧を加えるストレージ電極には、前記読み出し部から前記電荷転送部へ転送するときに前記ＤＣ電圧より高い電圧が加えられることを特徴とする固体撮像装置。
15. 請求項１２から１４の何れか１項に記載の固体撮像装置において、
    前記ストレージ電極とバリア電極にＤＣ電圧を印加する駆動時に、駆動パルスを加えるストレージ電極とバリア電極の組の振幅を、前記ストレージ電圧とバリア電圧にＤＣを加えないときより大きくすることを特徴とする固体撮像装置。

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