JP2009049504A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像領域における複数のブロックごとに形成された各水平電荷転送部に電気的に接続される接続部を製造することが容易で、歩留まりを向上することができる撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明にかかる撮像素子は、撮像領域の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で配置され、入射光に応じた信号電荷を発生する複数の光電変換部２と、光電変換部２で発生した信号電荷を列毎に垂直方向に転送する垂直電荷転送部４と、垂直電荷転送部４から転送された信号電荷を水平方向に転送する２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌと、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌそれぞれから転送される信号電荷を一旦蓄積し、出力アンプへ転送する接続部４１とを備え、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌがそれぞれ水平方向に延設され、接続部４１が２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの直線上で、かつ、該２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの間に設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像素子に関し、特に、撮像領域に対して垂直方向及び水平方向に複数配列された光電変換部で発生した信号電荷を、光電変換部の列毎に垂直電荷転送部で転送し、垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平電荷転送部によって水平方向に転送する撮像素子、及び、その撮像素子を備えた撮像装置に関する。

近年、需要が急増しているデジタルカメラやデジタルビデオカメラには、固体撮像素子（ＣＣＤ）などの撮像素子が用いられており、撮像の高解像度化を図るため、撮像素子の改良が進められている。

固体撮像素子は、入射光に応じて信号電荷を生成する光電変換部が撮像領域の垂直方向及び水平方向に複数配列されており、各列の光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路と、垂直電荷転送路から転送された信号電荷を出力部へ転送する水平電荷転送路とを備えている。

従来、撮像素子の解像度を高めることで、撮像時に画像信号を読み出すために要する時間が増大してしまう。そこで、従来の撮像素子においては、下記特許文献に示すように、撮像領域を複数のブロックに分割し、分割されたブロックごとに水平転送部を設け、それぞれの水平転送部によって信号電荷を転送し、出力する構成が提案されていた。

図７は、従来の固体撮像素子の水平電荷転送部の構成を説明する図である。図７に示すように、撮像領域を複数のブロックに分割して信号電荷を出力する構成では、分割されたブロックの垂直方向下方にそれぞれ、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌが設けられている。撮像領域を水平方向に２つに分割した構成では、分割されたブロックのうち、右側のブロックの信号電荷を転送する水平転送部１０５Ｒと、左側のブロックの信号電荷を転送する水平転送部１０５Ｌが設けられている。水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌは水平方向に対してそれぞれ反対向きで、且つ、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌ同士の間に向かって信号電荷を転送している。水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌ同士の中央の領域には、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌの両方に接続され、一時的に信号電荷を蓄積することができるマルチプレクサ部Ｍ１と、マルチプレクサ部Ｍ１に蓄積された信号電荷を読み出すアウトプットゲート１０２と、アウトプットゲート１０２から読み出された信号電荷を出力端子ＯＳに出力するアンプ部Ａが設けられている。水平電荷転送部１０５Ｒ，１０５Ｌの中央側の端部が、マルチプレクサ部Ｍ１へ向かって水平方向に対して略垂直に曲がるように、信号電荷の転送経路が形成され、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌとマルチプレクサ部Ｍ１との間には、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌのそれぞれの端部から延長して設けられた転送電極１０６Ｒ，１０６Ｌが水平方向に併設して形成され、マルチプレクサ部Ｍ１に電気的に接続されている。

特開２００４−８０２８６号公報

ところで、図７に示す撮像素子の構成では、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌ同士の間は大きい面積が確保できない点で問題があった。具体的には、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌを構成する転送電極の垂直方向寸法Ｌが約４０μｍ程度であるのに対して、マルチプレクサ部Ｍ１を形成する領域の水平方向寸法Ｐは、撮像領域において形成された画素同士のピッチ幅に略等しく、通常、約２〜４μｍと小さい。このため、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌの中央側の端部とマルチプレクサ部Ｍ１との間に、水平転送部１０５Ｒ，１０５Ｌから延長される水平転送電極１０６Ｒ，１０６Ｌを製造する場合には、パターン成形するためのスペースを確保することが困難であった。このため、転送不良や、取り扱い信号電荷量の低下などを引き起こし、撮像素子の歩留まりの低下や特性劣化の要因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、撮像領域における複数のブロックごとに形成された各水平電荷転送部と、出力部とを電気的に接続する接続部を容易に製造することができ、歩留まりを向上することができる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）撮像領域の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で配置され、入射光に応じた信号電荷を発生する複数の光電変換部と、
前記光電変換部で発生した信号電荷を列毎に垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する２つの水平転送部と、
前記２つの水平転送部それぞれから転送される信号電荷を一旦蓄積し、出力アンプへ転送する接続部とを備え、
前記２つの水平転送部がそれぞれ水平方向に延設され、前記接続部が前記２つの水平転送部の直線上で、かつ、該２つの水平転送部の間に設けられていることを特徴とする撮像素子。
（２）前記撮像領域が水平方向の略中央で２つに分割され、前記２つの水平転送部が、水平方向に対して分割された側の端部で前記接続部に接続していることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（３）前記接続部が、複数のマルチプレクサ部であって、前記複数のマルチプレクサ部が垂直方向に配列されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の撮像素子。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の撮像素子を備えた撮像装置。

本発明の撮像素子は、信号電荷を水平転送するための水平転送部が２つ設けられており、撮像領域を２つに分割した場合に、分割されたそれぞれの撮像領域で生成された信号電荷を、分割された撮像領域に対応する水平転送部を用いて転送する構成である。２つの水平転送部によって水平転送された信号電荷が、接続部に転送され、出力アンプによって出力される。ここで、接続部が２つの水平転送部の直線上で、かつ、該２つの水平転送部の間に設けられている。こうすれば、２つの水平転送部同士を接続部を介して略水平方向に対して直線状に並べて配置することができ、従来のように、水平転送部を垂直方向に延設させるといった複雑な構成とする必要がない。本願発明の撮像素子は、接続部から出力アンプとを電気的に接続させることができるため、水平転送部を構成する水平転送電極をパターン形成する際に、従来のように、水平転送部の転送方向における端部を出力アンプ側へ垂直に折り曲げて形成することで、水平転送部同士の狭いピッチに２つの水平転送部を並列させる構成に比べて、簡単に製造することができる。
したがって、撮像素子の製造時において、スペースの確保が簡単になり、転送不良や取り扱い信号電荷量の低下を防止でき、撮像素子の歩留まりを向上させることができる。

本発明によれば、撮像領域における複数のブロックごとに形成された各水平電荷転送部に電気的に接続される接続部を製造することが容易で、歩留まりを向上することができる撮像素子及び撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。この実施形態ではデジタルスチルカメラを例に説明するが、デジタルビデオカメラや携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等の他の種類のデジタルカメラにも本発明を適用可能である。

図１に示すデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型の撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルスチルカメラ全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞りの開口量を制御して露光量が適正露光量となるように調整する。

撮像素子１１は、本実施形態では、赤色（Ｒ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素と、緑色（Ｇ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素と、青色（Ｂ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素の他に、輝度検出信号（Ｗ）を検出する輝度検出画素とが設けられている。なお、撮像素子１１は、ＣＣＤ型でなくＣＭＯＳ型などの他の形式のものでもよい。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して、撮像素子１１を詳細は後述するようにして駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

操作部２１はシャッタボタンを含み、シャッタボタンが半押し状態（スイッチＳ１）になったときにフォーカス調整が為され、シャッタボタンが全押し状態（スイッチＳ２）になると、撮像が行われる。

デジタルスチルカメラの電気制御系は、撮像素子１１の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲ，Ｇ，Ｂの各色信号及び輝度検出信号Ｙをそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、詳細は後述する信号処理を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算してホワイトバランスのゲインを調整させる積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

図２は、本発明にかかる撮像素子の第１実施形態の構成を説明する模式的な平面図である。
撮像素子１１は、入射光に応じた信号電荷を発生するフォトダイオードなどによって構成された複数の光電変換部２が、撮像領域に垂直方向及び水平方向に所定のピッチで配列されている。

複数の光電変換部２の列同士の間には、垂直方向に延びる垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）４が、形成されている。垂直電荷転送部４は、各列の光電変換部２に対応して設けられた複数の垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８を垂直方向に順番に繰り返して配列させた構成を有している。本実施形態では、垂直電荷転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７が、それぞれ対応する光電変換部２に対して転送ゲート３を介して接続されている。

撮像素子１１は、垂直電荷転送部４の各垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８に所定レベルの電圧が印加されることで、光電変換部２で発生された信号電荷が当該光電変換部２から対応する垂直電荷転送電極に読み出され、垂直電荷転送部４によって垂直方向に転送される。具体的には、垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８には、図示しない８相の垂直駆動信号を供給するための垂直駆動信号用配線が接続されている。

撮像領域において右側に位置する垂直電荷転送部４の垂直方向の端部が、水平転送部５Ｒに電気的に接続され、撮像領域において左側に位置する垂直電荷転送部４の垂直方向の端部が、水平転送部５Ｌに電気的に接続されている。水平転送部５Ｒ，５Ｌは、それぞれ直線上に配置され、互いに反対向きの転送方向を有している。具体的には、電荷転送時には、水平転送部５Ｒが、水平方向に図２中右側から左側へ信号電荷を転送し、水平転送部５Ｌが、水平方向に同図中右側から左側へ信号電荷を転送する。言い換えると、撮像素子１１は、垂直電荷転送部４から転送された信号電荷を水平方向に転送する２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌから構成された水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）を備え、水平電荷転送部のうち、図２中左右方向（水平方向）に均等に２分割したときの右側に形成された領域が第１水平ＣＣＤとして機能する水平転送部５Ｒに相当し、左側に形成された領域が第２水平ＣＣＤとして機能する水平転送部５Ｒに相当する。

水平転送部５Ｒ，５Ｌは、それぞれ複数の水平電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２を、水平方向に対して交互に接続することで構成されている。本実施形態の撮像素子１１は、水平転送部５Ｒ，５Ｌを構成する水平電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２に、２相の水平駆動信号が印加されることで、信号電荷が水平転送部５Ｒ，５Ｌによって水平方向に転送される。

本実施形態の撮像素子１１は、水平電荷転送部が、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌに分割された構成であり、撮像領域を水平方向に２つに分割したときの左右の領域に対応して水平転送部５Ｒ，５Ｌが配置され、水平転送部５Ｒ，５Ｌのそれぞれ転送方向の端部に、両方の水平転送部５Ｒ，５Ｌに電気的に接続された接続部（図２において、Ｍ１と示す。）４１が設けれている。

図３は、本実施形態の撮像素子１１における接続部の構成を示す図である。
接続部４１には、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌによって転送された信号電荷を読み出すアウトプットゲート（図２において、ＯＧと示す。）４２が接続されている。

アウトプットゲート４２によって読み出された信号電荷を出力部ＯＳへ転送する出力アンプＡが設けられている。出力アンプＡは、フローティングディフュージョン部（図３において、ＦＤと示す。）４３を含むように構成されている。

フローティングディフュージョン部４３には、信号電荷を出力した後、フローティングディフュージョン部４３に残存する不要な信号電荷を掃き出すための所定の電圧が印加されるリセットゲート（図３においてＲＳと示す。）４４が接続されている。また、リセットゲート４４には、掃き出された信号電荷を掃き出すリセットドレイン（図３においてＲＤと示す。）４５が接続されている。

水平転送部５Ｒ，５Ｌの間には、信号電荷の漏れを防ぐためのチャンネルストップが形成されている。

本実施形態の撮像素子１１は、接続部４１が２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの直線上で、かつ、該２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの間に設けられている。

このような構成によれば、図７に示す従来の撮像素子のように、水平転送部を垂直方向に延設させるといった複雑な構成とする必要がない。撮像素子１１は、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌ同士の間に区画されるピッチＷにおいて、水平電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２を延長させて設けることなく、接続部４１から出力アンプＡとを電気的に接続させることができる。このため、水平転送部５Ｒ，５Ｌを構成する水平転送電極Ｈ１，Ｈ２をパターン形成する際に、従来のように、水平転送部の転送方向における端部をそれぞれ出力アンプ側へ垂直に折り曲げて形成して水平転送部同士の狭いピッチに２つの水平転送部を並列させる構成に比べて、簡単に製造することができる。
したがって、撮像素子の製造時において、スペースの確保が簡単になり、転送不良や取り扱い信号電荷量の低下を防止でき、撮像素子の歩留まりを向上させることができる。

本実施形態において、接続部４１を、複数の入力信号を一つの出力信号として出力することができる機構を有するマルチプレクサ部によって構成することができる。

図４は、本実施形態の撮像素子のタイミングチャートである。なお、図４では、水平転送部５Ｒ，５Ｌをそれぞれ、第１水平ＣＣＤ，第２水平ＣＣＤと表現し、接続部４１をマルチプレクサ部と表現している。なお、図４のタイミングチャートでは、第１水平ＣＣＤによって転送される信号電荷を白い丸で示し、第２水平ＣＣＤによって転送される信号電荷を黒い丸で示している。

図４に示すように、電荷転送時には、第１水平ＣＣＤ及び第２水平ＣＣＤのそれぞれの水平電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２に、同じレベルの転送パルスφＨ１，φＨ２が印加される。第１水平ＣＣＤにおいてマルチプレクサ部４１と隣接する垂直電荷転送電極Ｈ１に高いレベルの転送パルスが印加されると、当該垂直電荷転送電極Ｈ１から信号電荷がマルチプレクサ部４１に読み出される。一方、第２水平ＣＣＤにおいてマルチプレクサ部４１と隣接する垂直電荷転送電極Ｈ２に高いレベルの転送パルスが印加されると、当該垂直電荷転送電極Ｈ２から信号電荷がマルチプレクサ部４１に読み出される。

垂直電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２は２相駆動によって転送されるため、第１水平ＣＣＤ及び第２水平ＣＣＤから信号電荷がマルチプレクサ部４１に、周期的に且つ交互に読み出される。マルチプレクサ部４１には、垂直電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２に印加される転送パルスに対して１／２の周期の転送パルスφＭ１が印加され、信号電荷がフローティングディフュージョン部４３を介して出力部ＯＳに順番に転送される。

図５に、本発明にかかる撮像素子の第２実施形態の構成を示す。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

本実施形態では、撮像素子の接続部４１が、複数のマルチプレクサ部４１ａ，４１ｂ，４１ｃによって構成されている。具体的には、第１のマルチプレクサ部４１ａが、２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの直線上で、かつ、該２つの水平転送部５Ｒ，５Ｌの間に設けられている、第１のマルチプレクサ部４１ａの垂直方向に、第２のマルチプレクサ部４１ｂが接続され、該第２のマルチプレクサ部４１ｂに第３のマルチプレクサ部４１ｃが接続されている。

第３のマルチプレクサ部４１ｃには、アウトプットゲート４２が接続され、また、アウトプットゲート４２には信号電荷を出力部ＯＳに転送するための出力アンプＡが接続されている。

このように、本実施形態では、マルチプレクサ部４１ａ，４１ｂ，４１ｃが垂直方向に電気的に接続された状態で配列されている。なお、本実施形態では、３つのマルチプレクサ部を備えた構成としたが、マルチプレクサ部の数は特に限定されない。

図６は、本実施形態の撮像素子のタイミングチャートである。電荷転送時には、第１水平ＣＣＤ及び第２水平ＣＣＤのそれぞれの水平電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２に、同じレベルの転送パルスφＨ１，φＨ２が印加される。第１水平ＣＣＤにおいて第１のマルチプレクサ部４１ａと隣接する垂直電荷転送電極Ｈ１に高いレベルの転送パルスが印加されると、当該垂直電荷転送電極Ｈ１から信号電荷がマルチプレクサ部４１ａに読み出される。一方、第２水平ＣＣＤにおいてマルチプレクサ部４１ａと隣接する垂直電荷転送電極Ｈ２に高いレベルの転送パルスが印加されると、当該垂直電荷転送電極Ｈ２から信号電荷がマルチプレクサ部４１ａに読み出される。

垂直電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２は２相駆動によって転送されるため、第１水平ＣＣＤ及び第２水平ＣＣＤから信号電荷がマルチプレクサ部４１に、周期的に且つ交互に読み出される。マルチプレクサ部４１ａ，４１ｂ，４１ｃには、垂直電荷転送電極Ｈ１，Ｈ２に印加される転送パルスに対して１／２の周期の転送パルスφＭ１Ａ，Ｍ２，Ｍ１Ｂがそれぞれ印加される。第１のマルチプレクサ部４１ａの信号電荷は、第２のマルチプレクサ部４２ｂに転送され、さらに、第３のマルチプレクサ部４２ｃに転送される。そして、第３のマルチプレクサ部４２ｃの信号電荷が、フローティングディフュージョン部４３を介して出力部ＯＳに順番に転送される。

本実施形態の構成によれば、上記実施形態と同様に撮像素子の製造時において、スペースの確保が簡単になり、転送不良や取り扱い信号電荷量の低下を防止でき、撮像素子の歩留まりを向上させることができる。

また、複数のマルチプレクサ部によって出力部へ信号電荷を転送する構成とすれば、マルチプレクサ部を出力部に向って次第に絞り込む形状とする場合に、単一のマルチプレクサ部によって構成する場合に比べて、緩やかに絞り込む形状とすることができるため、より簡単に製造することができる。

本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。 第１実施形態の撮像素子の構成を説明する模式的な平面図である。 第１実施形態の撮像素子における接続部の構成を示す図である。 第１実施形態の撮像素子のタイミングチャートである。 第２実施形態の撮像素子における接続部の構成を示す図である。 第２実施形態の撮像素子のタイミングチャートである。 従来の撮像素子の構成を説明する図である。

符号の説明

２ 光電変換部
４ 垂直電荷転送部
５Ｒ 水平転送部（第１水平ＣＣＤ）
５Ｌ 水平転送部（第２水平ＣＣＤ）
１１ 撮像素子
４１ 接続部（マルチプレクサ部）
４２ アウトプットゲート
４３ フローティングディフュージョン部

Claims (4)

1. 撮像領域の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で配置され、入射光に応じた信号電荷を発生する複数の光電変換部と、
   前記光電変換部で発生した信号電荷を列毎に垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、
   前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する２つの水平転送部と、
   前記２つの水平転送部それぞれから転送される信号電荷を一旦蓄積し、出力アンプへ転送する接続部とを備え、
   前記２つの水平転送部がそれぞれ水平方向に延設され、前記接続部が前記２つの水平転送部の直線上で、かつ、該２つの水平転送部の間に設けられていることを特徴とする撮像素子。
2. 前記撮像領域が水平方向の略中央で２つに分割され、前記２つの水平転送部が、水平方向に対して分割された側の端部で前記接続部に接続していることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記接続部が、複数のマルチプレクサ部であって、前記複数のマルチプレクサ部が垂直方向に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 上記請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像素子を備えた撮像装置。

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