JP2008131169A - 撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換手段・電荷蓄積手段の設計自由度を向上させ、光電変換手段から電荷蓄積手段への光の漏れこみ、電荷蓄積手段への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】フォトダイオード２３を形成する受光部基板２１と、ＣＣＤセル４０を形成するＣＣＤ部基板３１とを別々に構成することで、フォトダイオード２３・ＣＣＤセル４０の設計上の制限が少なくなり、フォトダイオード２３・ＣＣＤセル４０の設計自由度を向上させることができる。また、各基板２１，３１を別々に構成しているので、各基板２１，３１上のフォトダイオード２３・ＣＣＤセル４０が互いに切り離され、フォトダイオード２３からＣＣＤセル４０への光の漏れこみ、ＣＣＤセル４０への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う撮像素子およびそれを用いた撮像装置に関する。

この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。近年、かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）において、高速撮像を可能にするために、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換部（例えばフォトダイオード）の傍らに、光電変換部から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積部（例えば蓄積用ＣＣＤセル）を備える（例えば、特許文献１参照）。これらの光電変換部や電荷蓄積部をチップ（半導体基板）上に配設している。このように、複数の電荷蓄積部を備えることで高速撮像が可能になる。
特開平９−５５８８９号公報

しかしながら、フォトダイオードなどに代表される光電変換部や蓄積用ＣＣＤセルなどに代表される電荷蓄積部は、チップ（半導体基板）上に配設する関係上、限られている。例えば、解像度を上げるためにフォトダイオードの数を増やすと蓄積用ＣＣＤセルの数が減って撮影枚数が減ってしまう。一方、撮影枚数を増やすために蓄積用ＣＣＤセルの数を増やすとフォトダイオードの数が減って解像度が下がってしまう。

また、高速撮像の場合には一般の撮像と比較すると蓄積用ＣＣＤセルが撮像素子の面積の大部分の面積を占めてしまう。したがって、撮像素子のセンササイズに対するフォトダイオードの受光部分の比率である開口率が低下して、光に対する感度が低くなってしまう。また、蓄積用ＣＣＤセルがフォトダイオードと同じ半導体基板上に形成されているので、フォトダイオードから蓄積用ＣＣＤセルへの光の漏れこみ、蓄積用ＣＣＤセルへの信号電荷の漏れこみが生じて、その結果、画質が低下してしまう場合がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計自由度を向上させ、光電変換手段から電荷蓄積手段への光の漏れこみ、電荷蓄積手段への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、その電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を読み出して外部に転送する電荷転送手段とを備えた撮像素子であって、前記光電変換手段を形成する基板と、前記電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成し、それらの基板を互いに電気的に接続することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、光電変換手段を形成する基板と、電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成し、それらの基板を互いに電気的に接続する。このように、光電変換手段を形成する基板と、電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成することで、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計上の制限が少なくなる。その結果、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計自由度を向上させることができる。また、各基板を別々に構成しているので、各基板上の光電変換手段および電荷蓄積手段が互いに切り離される。その結果、光電変換手段から電荷蓄積手段への光の漏れこみ、電荷蓄積手段への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる。本明細書中では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上を『高速撮影』とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、その電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を読み出して外部に転送する電荷転送手段とを備え、前記光電変換手段を形成する基板と、前記電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成し、それらの基板を互いに電気的に接続することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項５に記載の発明によれば、光電変換手段を形成する基板と、電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成することで、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計上の制限が少なくなり、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計自由度を向上させることができる。また、各基板を別々に構成しているので、各基板上の光電変換手段および電荷蓄積手段が互いに切り離され、光電変換手段から電荷蓄積手段への光の漏れこみ、電荷蓄積手段への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる。

上述した請求項１に記載の発明の一例は、光電変換手段と所定の電荷蓄積手段とが一対一でそれぞれ対応するように構成するとともに、各光電変換手段に一対一にそれぞれ対応した各々の上述の電荷蓄積手段を始点にして、複数の電荷蓄積手段を直列接続するようにそれぞれを構成し、その直列接続された各々の電荷蓄積手段の終点を電荷転送手段にそれぞれ接続するようにそれぞれを構成することである（請求項２に記載の発明）。このように構成することで、直列接続された電荷蓄積手段の数に応じて信号電荷を蓄積して記憶することができる。

上述したこれらの発明の他の一例は、各々の電荷蓄積手段を直列接続して、その直列接続された電荷蓄積手段内で信号電荷を順次に蓄積しながら転送して、その順次に蓄積しながら転送された信号電荷を所定のタイミングで電荷転送手段は外部に転送することである（請求項３に記載の発明）。このように転送することで、直列接続された電荷蓄積手段の数に応じて信号電荷を蓄積して記憶することができるとともに、信号電荷の転送を滞りなく行うことができる。

上述したこれらの発明のさらなる他の一例は、光電変換手段から発生した信号電荷を収集して、電荷蓄積手段に転送する収集手段を備え、その収集手段を、電荷蓄積手段を形成する基板側に形成することである（請求項４に記載の発明）。電荷蓄積手段を形成する基板側に収集手段を形成することで、光電変換手段から収集手段への光の漏れこみ、収集手段への信号電荷の漏れこみを防止することができる。さらに、収集手段へのこれらの漏れこみを防止することで、収集手段への漏れこみをも防止することができる。

この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像装置によれば、光電変換手段を形成する基板と、電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成することで、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計上の制限が少なくなり、光電変換手段および電荷蓄積手段の設計自由度を向上させることができる。また、各基板を別々に構成しているので、各基板上の光電変換手段および電荷蓄積手段が互いに切り離され、光電変換手段から電荷蓄積手段への光の漏れこみ、電荷蓄積手段への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図であり、図２は、ＣＣＤの構成を示すブロック図である。

実施例に係る撮像装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を信号電荷に変換するとともに電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子（ＣＣＤ）１を備えるとともに、レンズ２と相関二重サンプリング部３とＡＤコンバータ４と画像処理演算部５とモニタ６と操作部７と制御部８とを備えている。さらに、撮像装置は、電源部９ａとタイミングジェネレータ９ｂとを備えている。この撮像装置は、撮影速度が１．０×１０^６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像として用いられる。固体撮像素子（ＣＣＤ）１は、この発明における撮像素子に相当する。

レンズ２は、被写体の光学像を取り込む。相関二重サンプリング部３は、ＣＣＤ１からの信号電荷を低雑音に増幅して電気信号に変換して取り出す。ＡＤコンバータ４は、その電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部５は、ＡＤコンバータ４でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。モニタ６は、その２次元画像を画面に出力する。操作部７は、撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８は、操作部７により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。

電源部９ａは、信号電荷を読み出す読み出しゲート１４（図２を参照）や、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送ゲート３９（図３を参照）などに電圧を印加する。タイミングジェネレータ９ｂは、電圧の印加のタイミングや撮像のタイミングやクロックなどを生成する。本実施例では、タイミングジェネレータ９ｂは、後述する露光時間後に読み出しゲート１４への電圧の印加のタイミングを制御して、電源部９ａは、そのタイミングジェネレータ９ｂに基づいて後述する読み出しゲート１４に電圧を印加する。また、本実施例では、タイミングジェネレータ９ｂは、後述する撮影の１フレームごとに転送ゲート３９（図３を参照）への電圧の印加のタイミングを制御して、電源部９ａは、そのタイミングジェネレータ９ｂに基づいて後述する転送ゲート３９（図３を参照）に電圧を印加する。なお、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂによる図の具体的な説明については、図３、図４で後述する。

次に、ＣＣＤ１は、図２に示すように、入射光（被写体の光学像）を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させるフォトダイオード１１と、そのフォトダイオード１１から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の蓄積用ＣＣＤセル１２と、これら蓄積用ＣＣＤセル１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤセル１３とを備えている。フォトダイオード１１は、この発明における光電変換手段に相当し、蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３は、この発明における電荷蓄積手段に相当する。

各フォトダイオード１１の傍らには読み出しゲート１４をそれぞれ配設しており、このフォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤセル１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。

各蓄積用ＣＣＤセル１２についてはそれぞれをライン状に接続して構成しており、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２を複数本分配設している。フォトダイオード１１から発生した信号電荷を、隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤセル１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤセル１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤセル１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤセル１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤセル１５に転送する。なお、水平転送用ＣＣＤセル１５は、ＣＣＤ１の外部に転送を行う。水平転送用ＣＣＤセル１５は、この発明における転送手段に相当する。

フォトダイオード１１を２次元状に配置しており、水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設する関係上、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２は斜め方向に延びている。本実施例に係るＣＣＤ１は、いわゆる『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』と呼ばれているものである。

このように斜め方向にすることで水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設することができる。なお、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２を垂直方向に延在するように構成すると、各フォトダイオード１１が斜め方向に配置されてしまう。この『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』では、各フォトダイオード１１が、かかる配置にならずに直方配列になる。

ここで、図２中のフォトダイオード１１と後述する図３、図４中のフォトダイオード２３とは同一であるものとして以下を説明する。図２中の読み出しゲート１４と後述する図３、図４中の読み出しゲート３８とは同一であるものとして以下を説明する。また、図２中の蓄積用ＣＣＤセル１２、垂直転送用ＣＣＤセル１３および水平転送用ＣＣＤセル１５をまとめてＣＣＤセルとして、図３、図４中のＣＣＤセル４０とは同一であるものとして以下を説明する。したがって、図３、図４中のＣＣＤセル４０は、信号電荷を蓄積して記憶する部分では、この発明における電荷蓄積手段に相当し、蓄積された信号電荷を読み出して外部に転送する部分では、この発明における転送手段に相当する。図３は、ＣＣＤの構成を示す断面図であり、図４は、ＣＣＤの構成を示す平面図である。

この発明の特徴部分として、この発明における光電変換手段に相当する図３、図４中のフォトダイオード２３（図２中のフォトダイオード１１）を形成する基板（以下、『受光部基板』と呼ぶ）と、この発明における電荷蓄積手段および電荷転送手段に相当する図３、図４中のＣＣＤセル４０（図２中の蓄積用ＣＣＤセル１２、垂直転送用ＣＣＤセル１３および水平転送用ＣＣＤセル１５）を形成する基板（以下、『ＣＣＤ部基板』と呼ぶ）とを別々に構成している。そして、それらの基板を互いに電気的に接続している。

本実施例では、図３、図４に示すように、ＣＣＤ部基板３１の上に受光部基板２１を形成しており、それらの基板２１，３１を互いに電気的に接続するのに、金属バンプ３０を用いている。両基板２１，３１は、約数１００μｍ程度の間隔で離間されて、各フォトダイオード２３に一対一に対応した金属バンプ３０を介して、受光部基板２１はＣＣＤ部基板３１に支持されている。なお、基板２１，３１を互いに電気的に接続する手段は、金属バンプ３０のようなバンプに限定されずに、例えば金属配線を用いてもよい。また、金属バンプ３０については、例えばインジウムなどを用いることができる。

受光部基板２１は、図３に示すように、ｐ型基板２２とフォトダイオード２３とを備えている。また、フォトダイオード２３はｎ領域２４を有している。具体的には、受光部基板２１にはｐ型シリコン基板であるｐ型基板２２にｎ型不純物を注入してｎ領域２４を形成することによりｎ−ｐ型のフォトダイオード２３を形成する。このフォトダイオード２３を、図４に示すように２次元状に配置する。ｎ領域２４には金属バンプ３０を接触させて電気的に接続する。

本実施例では、フォトダイオード２３として、ｐ型基板２２を通ってｎ領域２４に光が入射する『裏面照射型』を用いている。なお、ｐ型基板２２を通ってｎ領域２４に光が入射するフォトダイオードを『裏面照射型』と呼ぶとともに、ｎ領域２４に光が直接的に入射するフォトダイオードを『表面照射型』と呼ぶ。ＣＣＤ部基板３１の上に受光部基板２１を形成する場合には、図４中の図面から見て上から下方向に光を入射して、かつ裏面照射型のフォトダイオード２３を用いるのが好ましい。

仮に、下から上方向に光を入射する場合には、フォトダイオード２３のｎ領域２４に入射するまでに、ＣＣＤ部基板３１を通るので光が到達できない恐れがある。したがって、上から下方向に光を入射する必要がある。

仮に、上から下方向に光を入射して、かつ表面照射型のフォトダイオードを用いる場合には、ｐ型基板２２の上面にｎ領域２４が形成される。したがって、ｎ領域２４とＣＣＤ部基板３１の後述するポリシリコン配線３５とが直接的に対向せずに、ｎ領域２４とポリシリコン配線３５とを電気的に接続するのに、金属バンプ３０でなく金属配線などを介して行うことになる。その結果、金属配線などの引き回しを行うことになりＣＣＤの設計が煩雑になる。したがって、金属バンプ３０を介してｎ領域２４とポリシリコン配線３５とを電気的に接続するためには、ｎ領域２４とポリシリコン配線３５とが対向する必要があり、そのためにはｐ型基板２２の下面にｎ領域２４が形成される裏面照射型のフォトダイオード２３を用いるのが好ましい。もちろん、ＣＣＤの設計を考慮しないのであれば、表面照射型のフォトダイオードを用いてもよい。

上から下方向に光を入射して、かつ裏面照射型のフォトダイオード２３を用いることで、光はｐ型基板２２を通るが、ＣＣＤ部基板３１を通るときと比較してｐ型基板２２による光の減衰が小さい。また、ｐ型基板２２を薄くすることで光の減衰をより確実に防止することができる。

ＣＣＤ部基板３１は、ｎ型基板３２とｐ−ｗｅｌｌ領域３３とｎ＋領域３４とポリシリコン配線３５とＤＣゲート３６と収集ゲート３７と読み出しゲート３８と転送ゲート３９とを備えている。転送ゲート３９および転送ゲート３９の直下にあるｐ−ｗｅｌｌ領域３３でＣＣＤセル４０を構成している。また、受光部基板２１のｐ型基板２２とＣＣＤ部基板３１のｐ−ｗｅｌｌ領域３３とを同電位にして接地するために、接地用配線５０によって電気的に接続するのが好ましい。

具体的には、ＣＣＤ部基板３１にはｎ型シリコン基板であるｎ型基板３２の表面にｐ型不純物を注入してｐ−ｗｅｌｌ領域３３を形成する。このｐ−ｗｅｌｌ領域３３の中に、金属バンプ３０を介して受光部基板２１のｎ領域２４を電気的に接続するために、ｎ型不純物を注入してｎ＋領域３４を形成する。このｎ＋領域３４はフォトダイオード２３のｎ領域２４より高濃度にｎ型不純物が注入されている。ｎ＋領域３４の真上にポリシリコン配線３５を形成して、そのポリシリコン配線３５に金属バンプ３０を接触させて電気的に接続する。このように接続することで、受光部基板２１のｎ領域２４とＣＣＤ部基板３１のｎ＋領域３４とが電気的に接続されて、ひいては両基板２１，３１が互いに電気的に接続される。

ｎ＋領域３４に隣接して、外部への信号電荷の転送方向に向かって、ＤＣゲート３６，収集ゲート３７，読み出しゲート３８，転送ゲート３９の順に形成している。ＤＣゲート３６には一定電圧が加えられている。収集ゲート３７には、ＤＣゲート３６よりも深いポテンシャル（電位井戸）を形成するような所定の電圧が加えられている。

なお、収集ゲート３７は、後述する理由から明らかなように、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）から発生した信号電荷を収集して、読み出しゲート３８（図２では読み出しゲート１４）を介して蓄積用ＣＣＤセル１２（図２を参照）に転送する。収集ゲート３７は、この発明における収集手段に相当する。

その他にも、アンプやリセット部やドレイン部（いずれも図示省略）などが形成されている。これらの構成については説明を省略する。

次に、ＣＣＤ１の動作について説明する。フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）に光が入射すると、光電効果により信号電荷が発生する。フォトダイオード２３のｎ領域２４よりも、金属バンプ３０で接続されたＣＣＤ部基板３１のｎ＋領域３４は深いポテンシャルとなるので、フォトダイオード２３で発生した信号電荷は、金属バンプ３０およびポリシリコン配線３５を通ってｎ＋領域３４に移動する。

ｎ＋領域３４の電位が、収集された信号電荷により、ＤＣゲート３６の加えられた一定電圧で形成される電位を超えると、ｎ＋領域３４から信号電荷がオーバーフローして収集ゲート３７の直下に形成された電位井戸に集められる。撮影枚数の１枚（すなわち１フレーム）分の露光時間の後、読み出しゲート３８（図２では読み出しゲート１４）に電圧を印加して、そのゲートの直下のチャネルをオンにして、収集ゲート３７の直下に収集された信号電荷を蓄積用ＣＣＤセル１２（図２を参照）に転送する。なお、かかる信号電荷の転送は、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂによって行われる。

このように、収集ゲート３７は、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）から発生した信号電荷を収集して、読み出しゲート３８（図２では読み出しゲート１４）を介して蓄積用ＣＣＤセル１２（図２を参照）に転送する。

撮影の１フレームごとに転送ゲート３９に電圧を印加しながら切り替えることで、信号電荷を、線状に配置された蓄積用ＣＣＤセル１２に順次に蓄積しながら転送する。撮影終了後、蓄積された信号電荷を、垂直転送用ＣＣＤセル１３に順次に転送して、水平転送用ＣＣＤセル１５に転送して、アンプを経由してＣＣＤ１の外部へと出力する。かかる信号電荷の転送も、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂによって行われる。なお、ＣＣＤ１の外部へ出力された信号電荷を、図１に示すように、相関二重サンプリング部３やＡＤコンバータ４や画像処理演算部５などで各種の処理を行って、２次元画像を作成する。

上述したＣＣＤ１およびそれを用いた撮像装置によれば、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）を形成する受光部基板２１と、電荷蓄積手段および電荷転送手段に相当するＣＣＤセル４０（図２では蓄積用ＣＣＤセル１２、垂直転送用ＣＣＤセル１３および水平転送用ＣＣＤセル１５）を形成するＣＣＤ部基板３１とを別々に構成し、それらの基板２１，３１を互いに電気的に接続する。本実施例では、金属バンプ３０によって電気的に接続する。このように、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）を形成する受光部基板２１と、ＣＣＤセル４０を形成するＣＣＤ部基板３１とを別々に構成することで、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）およびＣＣＤセル４０の設計上の制限が少なくなる。

その結果、例えば、受光部基板２１のほぼ全面をフォトダイオード２３として利用できて、開口率が向上して光に対する感度が向上する、あるいはＣＣＤ部基板３１においてＣＣＤセル４０が配置可能な面積も増えるので、ＣＣＤセル４０を増やして記憶可能な撮影枚数を増やすなどのフォトダイオード２３およびＣＣＤセル４０の設計自由度を向上させることができる。また、各基板を別々に構成しているので、各基板２１，３１上のフォトダイオード２３およびＣＣＤセル４０が互いに切り離される。その結果、フォトダイオード２３からＣＣＤセル４０への光の漏れこみ、ＣＣＤセル４０への信号電荷の漏れこみを防止して画質の低下を防止することができる。

本実施例では、図２および図４からも明らかなように、フォトダイオード１１（図４ではフォトダイオード２３）とそれに隣接した蓄積用ＣＣＤセル１２（図４では最上流部のＣＣＤセル４０）とが一対一でそれぞれ対応するように構成するとともに、各フォトダイオード２３に一対一にそれぞれ対応した各々の上述の蓄積用ＣＣＤセル１２を始点にして、複数の蓄積用ＣＣＤセル１２、さらには垂直転送用ＣＣＤセル１３を直列接続するようにそれぞれを構成し、その直列接続された各々の蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３の終点を水平転送用ＣＣＤセル１５にそれぞれ接続するようにそれぞれを構成している。このように構成することで、直接接続された蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３のＣＣＤセルの数に応じて信号電荷を蓄積して記憶することができる。

本実施例では、各々の蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３を直列接続して、その直列接続された各ＣＣＤセル１２，１３内で信号電荷を順次に蓄積しながら転送して、その順次に蓄積しながら転送された信号電荷を所定のタイミング（ここでは撮影終了後）で水平転送用ＣＣＤセル１５はＣＣＤ１の外部に転送する。このように転送することで、直接接続された蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３のＣＣＤセルの数に応じて信号電荷を蓄積して記憶することができるとともに、信号電荷の転送を滞りなく行うことができる。

本実施例では、フォトダイオード２３（図２ではフォトダイオード１１）から発生した信号電荷を収集して、読み出しゲート３８（図２では読み出しゲート１４）を介して蓄積用ＣＣＤセル１２（図２を参照）に転送する収集ゲート３７を備えている。この収集ゲート３７も、ＣＣＤ部基板３１側に形成している。ＣＣＤ部基板３１側に収集ゲート３７を形成することで、フォトダイオード２３から収集ゲート３７への光の漏れこみ、収集ゲート３７への信号電荷の漏れこみを防止することができる。さらに、収集ゲート３７へのこれらの漏れこみを防止することで、収集ゲート３７への信号電荷の漏れこみをも防止して画質の低下を防止することができる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上の高速撮像を例に採って説明したが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像に適用してもよい。

（２）上述した実施例では、光電変換手段としてフォトダイオードを例に採って説明したが、これに限定されない。例えば、フォトゲートを光電変換手段として用いてもよい。

（３）上述した実施例では、『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤセルを垂直方向に延在するように構成した撮像素子にもこの発明は適用することができる。

（４）上述した実施例では、ＣＣＤ部基板３１の上に受光部基板２１を形成したが、受光部基板２１の上にＣＣＤ部基板３１を形成してもよい。

（５）上述した実施例では、上下に両基板を積層する構造であったが、左右（水平方向）に基板を並設する構造であってもよい。

（６）この発明では、いずれの撮像方式においても適用することができる。撮像方式としては、主にＩＬ(Interline)方式、ＦＴ(Frame Transfer)方式、ＦＦＴ(Full Frame Transfer)方式、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式などがある。これらの方式に合わせて撮像素子の構造も変化する。

実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図である。 実施例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。 実施例に係るＣＣＤの構成を示す断面図である。 実施例に係るＣＣＤの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ … ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
１１、２３ … フォトダイオード
１２ … 蓄積用ＣＣＤセル
１３ … 垂直転送用ＣＣＤセル
１５ … 水平転送用ＣＣＤセル
２１ … 受光部基板
３０ … 金属バンプ
３１ … ＣＣＤ部基板
３７ … 収集ゲート
４０ … ＣＣＤセル

Claims (5)

1. 入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、その電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を読み出して外部に転送する電荷転送手段とを備えた撮像素子であって、前記光電変換手段を形成する基板と、前記電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成し、それらの基板を互いに電気的に接続することを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、前記光電変換手段と所定の前記電荷蓄積手段とが一対一でそれぞれ対応するように構成するとともに、各光電変換手段に一対一にそれぞれ対応した各々の前記所定の電荷蓄積手段を始点にして、複数の電荷蓄積手段を直列接続するようにそれぞれを構成し、その直列接続された各々の電荷蓄積手段の終点を前記電荷転送手段にそれぞれ接続するようにそれぞれを構成することを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、各々の前記電荷蓄積手段を直列接続して、その直列接続された電荷蓄積手段内で信号電荷を順次に蓄積しながら転送して、その順次に蓄積しながら転送された信号電荷を所定のタイミングで前記電荷転送手段は外部に転送することを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の撮像素子において、前記光電変換手段から発生した信号電荷を収集して、前記電荷蓄積手段に転送する収集手段を備え、その収集手段を、電荷蓄積手段を形成する基板側に形成することを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、その電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を読み出して外部に転送する電荷転送手段とを備え、前記光電変換手段を形成する基板と、前記電荷蓄積手段および電荷転送手段を形成する基板とを別々に構成し、それらの基板を互いに電気的に接続することを特徴とする撮像装置。

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