JP2012146692A - 固体撮像素子および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ部により検出される偽信号の原因となるチャネルストップと垂直転送レジスタとの間の降伏電流を抑制し、構造的に信号電荷の逆読み出しを防止する。
【解決手段】固体撮像素子は、半導体基板上の撮像領域２にて行列状に配列され、光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサ部３と、複数のセンサ部３の配列における列方向に沿って前記配列の２列毎にセンサ部３の列間に設けられ、センサ部３により生成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４と、各垂直転送レジスタ４とこの垂直転送レジスタ４の前記配列における行方向の両側に位置する各センサ部３との間に設けられ、センサ部３により生成された信号電荷を垂直転送レジスタ４に読み出す読み出しゲート７と、隣り合う垂直転送レジスタ４の間にて前記行方向に隣接するセンサ部３の間に設けられるチャネルストップ８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子および固体撮像装置に関する。詳しくは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子およびそれを備えた固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ型の固体撮像素子は、半導体基板上の撮像領域にて２次元行列状に配置されて画素を構成する複数のセンサ部と、各センサ部において光電変換により生成された信号電荷を転送する転送レジスタとを備える。転送レジスタとしては、一般に、行列状に配置されるセンサ部の各垂直列に沿って設けられ、信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、水平方向に配された状態で垂直転送レジスタの端部に接続され、信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタとが備えられる。

複数のセンサ部に入射する光は、各センサ部上に設けられる各色のカラーフィルタを通過することで、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離され、光電変換によって光の強度に応じた信号電荷として、センサ部に蓄積される。センサ部に蓄積された信号電荷は、垂直転送レジスタに読み出される。垂直転送レジスタに読み出された信号電荷は、垂直転送レジスタから水平転送レジスタに転送され、水平転送レジスタにより転送された信号電荷は、水平転送レジスタの終端側に設けられる出力部から出力される。出力部は、転送された信号電荷を、ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）アンプ等の出力アンプによって電気信号に変換して出力する。

このようなＣＣＤ固体撮像素子において、センサ部から垂直転送レジスタに読み出される信号電荷は、センサ部と垂直転送レジスタとの間に設けられる読み出しゲートを通って、垂直転送レジスタに転送される。センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しは、垂直転送レジスタを構成する所定の電極に信号電荷を読み出すための所定の読み出し電圧を印加することで、読み出しゲートおよび垂直転送レジスタの電位を変動させ、センサ部から垂直転送レジスタの方向に電位の勾配を生じさせることにより行われる。

従来のＣＣＤ固体撮像素子においては、一般に、垂直転送レジスタは、行列状に配置されるセンサ部に対して、センサ部の各垂直列に沿って垂直列の水平方向の一側に設けられる。このため、センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しは、センサ部に対して水平方向（行方向）の一側に位置する垂直転送レジスタに対して行われる（例えば、特許文献１参照）。つまり、従来の構造では、同じ垂直列に配置される複数のセンサ部からの信号電荷の読み出しは、その垂直列に沿って垂直列の一側に設けられる垂直転送レジスタに対して行われる。

そして、上記のような従来の構造においては、センサ部から本来信号電荷を読み出す側となる読み出しゲート側とは逆側に位置する垂直転送レジスタに信号電荷が読み出される現象（逆読み出し）を防止するため、センサ部に対して読み出しゲートと逆側にチャネルストップを設ける技術が用いられている。すなわち、このチャネルストップによれば、センサ部の読み出しゲート側と反対側に、障壁となる電位が形成され、センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しに際し、電極への読み出し電圧の印加による垂直転送レジスタの電位の変動にともなう逆読み出しが防止される。

特開２００９−２９０８９０号公報

しかしながら、上記従来の構造においては、次のような問題がある。上述したように、チャネルストップによって逆読み出しを防止する構成においては、センサ部からの逆側への信号電荷の移動を確実に規制するため、チャネルストップにより形成される障壁となる電位（障壁電位）を、センサ部の部分の電位等に対して十分に大きくする必要がある。

しかし、チャネルストップによる障壁電位が大きくなると、チャネルストップの部分と、このチャネルストップに隣接してチャネルストップにより逆読み出しとしての信号電荷の転送が規制される垂直転送レジスタの部分との間の電位勾配が急になる。チャネルストップと垂直転送レジスタとの間の電位勾配が急になることは、センサ部からの信号電荷の読み出し時における電極への読み出し電圧の印加にともない、降伏電流を生じさせる原因となる。

このようにして生じる降伏電流は、センサ部により主にノイズとして検出される偽信号を発生させる。つまり、チャネルストップと垂直転送レジスタとの間で生じる降伏電流は、センサ部により検出される信号についてノイズの原因となる偽信号を生じさせる。

上記のような降伏電流を抑制するためには、チャネルストップと垂直転送レジスタとの間の電位の急勾配を解消することが有効である。しかし、昨今の画素の微細化傾向にともない、チャネルストップと垂直転送レジスタとの間の電位の勾配は、ますます急になる傾向にある。このように、従来の構造によれば、偽信号の原因となるチャネルストップと垂直転送レジスタとの間の降伏電流の解消と、画素の微細化との両立は困難である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、センサ部により検出される偽信号の原因となるチャネルストップと垂直転送レジスタとの間の降伏電流を抑制することができ、構造的に信号電荷の逆読み出しを防止することができる固体撮像素子および固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上の撮像領域にて行列状に配列され、光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の配列における列方向に沿って前記配列の２列毎に前記センサ部の列間に設けられ、前記センサ部により生成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、前記各垂直転送レジスタと該垂直転送レジスタの前記配列における行方向の両側に位置する前記各センサ部との間に設けられ、前記センサ部により生成された信号電荷を前記垂直転送レジスタに読み出す読み出しゲートと、隣り合う前記垂直転送レジスタの間にて前記行方向に隣接する前記センサ部の間に設けられるチャネルストップと、を備えるものである。

また、本発明の固体撮像素子においては、好ましくは、前記センサ部および前記読み出しゲートは、前記各垂直転送レジスタに対して前記行方向に線対称に配置され、前記垂直転送レジスタを介して対向する一対の前記センサ部から前記垂直転送レジスタに読み出される信号電荷を単位出力とするものである。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上の撮像領域にて行列状に配列され、光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサユニットと、前記複数のセンサユニットの配列における列方向に沿って前記各センサユニットを前記配列における行方向に２つのセンサ部に分離する態様で設けられ、前記センサ部により生成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、前記各垂直転送レジスタと該垂直転送レジスタにより分離された前記センサユニットを構成する前記各センサ部との間に設けられ、前記センサ部により生成された信号電荷を前記垂直転送レジスタに読み出す読み出しゲートと、前記行方向に隣り合う前記センサユニット間にて前記行方向に隣接する前記センサ部の間に設けられるチャネルストップと、を備えるものである。

本発明の固体撮像装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動手段と、を備えるものである。

本発明によれば、センサ部により検出される偽信号の原因となるチャネルストップと垂直転送レジスタとの間の降伏電流を抑制することができ、構造的に信号電荷の逆読み出しを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の概略構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の詳細構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の露光時におけるポテンシャル図。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の読み出し時におけるポテンシャル図。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図。 従来構造の固体撮像素子の詳細構成を示す図。 従来構造の固体撮像素子の露光時におけるポテンシャル図。 従来構造の固体撮像素子の読み出し時におけるポテンシャル図。

本発明は、行列状に配列される複数のセンサ部のうち、隣り合う２列のセンサ部が、その２列間に配置される１本の垂直転送レジスタを共有する構成を採用することにより、センサ部からの信号電荷の読み出し時における電極への読み出し電圧の印加にともなって生じる降伏電流を抑制するとともに、信号電荷の逆読み出しの構造的な防止を図ろうとするものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。

（固体撮像素子の概略構成）
図１を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子１の概略構成について説明する。本実施形態の固体撮像素子１は、奇数と偶数のラインを別々のフィールドで走査し、その２つのフィールドを合わせて１つのフレームとする走査方式を採用するいわゆるインターレース方式のＣＣＤ固体撮像素子である。ただし、走査方式は、特に限定されず、例えば、１つのフレームのすべてのラインを順番に１回で走査するノンインターレース方式等であってもよい。

図１に示すように、固体撮像素子１は、半導体基板上に構成される矩形状の撮像領域２を有する。固体撮像素子１は、撮像領域２に、複数のセンサ部３を備える。複数のセンサ部３は、半導体基板上の撮像領域２にて行列状に配列される。つまり、複数のセンサ部３は、矩形状の撮像領域２に沿って、縦方向・横方向に２次元行列状に配置される。本実施形態の固体撮像素子１では、図１において、縦方向（列方向）を垂直方向とし、横方向（行方向）を水平方向とする。

センサ部３は、フォト・ダイオードにより受光素子として構成され、撮像領域２における画素を構成する。センサ部３は、光電変換により信号電荷を生成し、蓄積する。つまり、センサ部３は、受光面を有し、その受光面に入射した光の光量（強度）に応じた量の信号電荷を生成し、生成した信号電荷を蓄積する。

固体撮像素子１は、センサ部３で生成された信号電荷を転送する電荷転送部（転送レジスタ）として、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４を備える。垂直転送レジスタ４は、複数のセンサ部３の行列状の２次元配列における各列方向（垂直方向）に沿って設けられる。つまり、図１に示すように、複数の垂直転送レジスタ４は、センサ部３の垂直方向の並びに沿って互いに平行に配された状態で設けられる。センサ部３により生成された信号電荷は、垂直転送レジスタ４に読み出され、垂直転送レジスタ４によって垂直方向に転送される。

また、固体撮像素子１は、センサ部３で生成された信号電荷を転送する電荷転送部（転送レジスタ）として、垂直転送レジスタ４により転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ５を備える。水平転送レジスタ５は、矩形状の撮像領域２に対して垂直方向の一側（図１では下側）の水平方向の辺に沿って配置される。したがって、垂直転送レジスタ４は、センサ部３から読み出された信号電荷を、水平転送レジスタ５側（図１では下側）に向けて垂直方向に転送する。

垂直転送レジスタ４および水平転送レジスタ５により転送された信号電荷は、各水平転送レジスタ５の終端側に設けられる出力部６から出力される。出力部６は、転送された信号電荷を、ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）アンプ等の出力アンプによって電気信号に変換して出力する。

本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４は、４相駆動パルスにより駆動される。このため、垂直転送レジスタ４は、４相駆動に対応する４種類の垂直転送電極を有する。垂直転送レジスタ４においては、４種類の垂直転送電極は、２画素ごとに垂直方向に所定の順序で繰り返し設けられる。そして、垂直転送レジスタ４を構成する４種類の垂直転送電極には、駆動電圧としての４相のクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４が、各電極に独立して与えられる。この４相のクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４の大きさとタイミングが適切に制御されることにより、各センサ部３から垂直転送レジスタ４に読み出された信号電荷が、垂直転送レジスタ４の電極の並びに従って転送される。

本実施形態の固体撮像素子１においては、水平転送レジスタ５は、２相駆動パルスにより駆動される。このため、水平転送レジスタ５を構成する転送電極には、駆動電圧としての２相のクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２が与えられる。この２相のクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２の大きさとタイミングが適切に制御されることにより、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送された信号電荷が、水平方向に転送される。

（固体撮像素子の詳細構成）
本実施形態の固体撮像素子１の詳細構成について、図１および図２を用いて説明する。本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４が、複数のセンサ部３の行列状の配列の２列毎にセンサ部３の列間に設けられている。つまり、図１および図２に示すように、固体撮像素子１を構成する垂直転送レジスタ４のそれぞれが、２列のセンサ部３により水平方向の両側から挟まれた状態で設けられ、垂直転送レジスタ４に対して水平方向の両側に、センサ部３の列が配される。

したがって、本実施形態の固体撮像素子１では、水平方向について、２列のセンサ部３およびこの２列の間に挟まれる垂直転送レジスタ４を単位とする配列が繰り返される。言い換えると、固体撮像素子１では、水平方向について、順番に、センサ部３の列、垂直転送レジスタ４、センサ部３の列の並びが繰り返される。

固体撮像素子１においては、各センサ部３上に、カラーフィルタが装着されている。本実施形態では、カラーフィルタとして、いわゆるＲＧＢ原色フィルタが用いられており、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のいずれか１色のカラーフィルタが、各センサ部３上に装着される。これにより、複数のセンサ部３に入射する光は、各センサ部３上に装着された各色のカラーフィルタ等を通過することで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離され、光電変換によって光の強度に応じた信号電荷として、センサ部３に蓄積される。

本実施形態の固体撮像素子１では、カラーフィルタの色の配置は、次のとおりである。図２に示すように、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３のカラーフィルタは同色である。この同色となる一対のセンサ部３の色について、垂直方向に赤（Ｒ）および緑（Ｇ）が交互に配置される並びと、同じく垂直方向に緑（Ｇ）および青（Ｂ）が交互に配置される並びとが水平方向に交互に配置されるとともに、水平方向に赤（Ｒ）および緑（Ｇ）が交互に配置される並びと、同じく水平方向に緑（Ｇ）および青（Ｂ）が交互に配置される並びとが垂直方向に交互に配置されている。なお、図２では、各センサ部３上に配置されるカラーフィルタの色を、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）で表している。

以上のようにセンサ部３および垂直転送レジスタ４が配置される固体撮像素子１においては、各垂直転送レジスタ４は、その水平方向の両側に配置されるセンサ部３から読み出される信号電荷の転送を受ける。このため、図２に示すように、各センサ部３と垂直転送レジスタ４との間には、読み出しゲート７が設けられている。

読み出しゲート７は、各垂直転送レジスタ４とこの垂直転送レジスタ４の行方向（水平方向）の両側に位置する各センサ部３との間に設けられる。つまり、読み出しゲート７は、各センサ部３が信号電荷を読み出す側となる、各センサ部３の水平方向における垂直転送レジスタ４側に設けられている。

読み出しゲート７は、センサ部３により生成された信号電荷を垂直転送レジスタ４に読み出す。読み出しゲート７は、垂直転送レジスタ４を構成する所定の転送電極が読み出し用の電圧（クロック・パルス）の印加を受けることで電位を変動させ、センサ部３において生成され蓄積されている信号電荷を垂直転送レジスタ４に転送させる。

また、固体撮像素子１においては、上記のとおり２列のセンサ部３およびこの２列の間に挟まれる垂直転送レジスタ４からなる水平方向の繰り返しの単位間に、チャネルストップ８が設けられている。つまり、チャネルストップ８は、隣り合う垂直転送レジスタ４の間にて行方向（水平方向）に隣接するセンサ部３の間に設けられる。

チャネルストップ８は、隣接するセンサ部３の間、つまり隣接する画素間において、障壁となる電位（以下「障壁電位」という。）を形成することで、センサ部３において蓄積された信号電荷の移動を規制する。したがって、本実施形態の固体撮像素子１では、チャネルストップ８により、隣り合う垂直転送レジスタ４の間において水平方向に隣接するセンサ部３間の信号電荷の移動が規制され、この隣接するセンサ部３間の混色が防止される。なお、図１では、チャネルストップ８は、垂直方向に連続して形成される態様で示されているが、水平方向に隣接するセンサ部３間ごとに独立して形成されてもよい。

本実施形態の固体撮像素子１におけるセンサ部３から垂直転送レジスタ４への信号電荷の読み出しについて、図３および図４を用いて具体的に説明する。図３および図４は、いずれも図２におけるＡ−Ａ’位置の電位φの分布を示すポテンシャル図であり、図３は、センサ部３が光を受光する露光時の電位の分布を示し、図４は、センサ部３に蓄積された信号電荷が垂直転送レジスタ４に読み出される読み出し時の電位の分布を示す。なお、図３および図４の各図に示すポテンシャル図では、下側ほど電位φの値は高い。

図３に示すように、露光時では、各センサ部３において光電変換により生成された信号電荷が、各センサ部３で形成される電位の井戸に集まり蓄積される。各センサ部３で信号電荷を蓄積する電位の井戸は、フォト・ダイオードにより構成されるセンサ部３の電位φｐｄに対する、読み出しゲート７の読み出しゲート電位φｒｇおよびチャネルストップ８による障壁電位の電位差として形成される。露光時では、垂直転送レジスタ４の転送電極の電位φｖｃｃｄは、読み出し時に比べて低い値である。

本実施形態の固体撮像素子１では、上述したように、垂直転送レジスタ４に対して水平方向の両側にセンサ部３の列が配される。このため、図３に示すように、１本の垂直転送レジスタ４に対して、水平方向の両側でそれぞれセンサ部３による信号電荷の蓄積が行われ、この水平方向の両側のセンサ部３で蓄積されている信号電荷が、両側のセンサ部３の間の垂直転送レジスタ４に読み出される。

センサ部３から垂直転送レジスタ４への信号電荷の読み出しに際しては、垂直転送レジスタ４を構成する所定の転送電極に、比較的高い読み出し用の電圧（クロック・パルス）が印加される。この読み出し電圧の印加により、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する２つの読み出しゲート７および垂直転送レジスタ４の電位が変動する。具体的には、図４に示すように、転送電極の電位φｖｃｃｄが露光時から信号電荷の読み出し時の所定の電位まで高くなり、読み出しゲート電位φｒｇがセンサ部３の電位φｐｄより高くなる（矢印ａ１参照）。

このような電位の変動により、センサ部３の電位φｐｄと転送電極の電位φｖｃｃｄとの電位差によって垂直転送レジスタ４において電位の井戸が形成されるとともに、各センサ部３で信号電荷の蓄積に際して読み出しゲート電位φｒｇにより形成されていた電位による障壁が除かれる。そして、各センサ部３に蓄積されていた信号電荷が、読み出しゲート７を介して垂直転送レジスタ４に読み出し転送される（矢印ｂ１，ｂ２参照）。

上述したように垂直転送レジスタ４の水平方向の両側に同色のセンサ部３の列が配される本実施形態の固体撮像素子１では、各垂直転送レジスタ４において、水平方向の両側に位置する同色のセンサ部３からの信号電荷が同時に読み出される。このように、本実施形態の固体撮像素子１は、行列状に配列される複数のセンサ部３のうち、隣り合う２列のセンサ部３が、その２列間に配置される１本の垂直転送レジスタ４を共有する構成を備える。

以上のように、垂直転送レジスタ４の水平方向の両側からセンサ部３に蓄積された信号電荷が読み出される構成を備える本実施形態の固体撮像素子１においては、センサ部３および読み出しゲート７が、各垂直転送レジスタ４に対して行方向（水平方向）に線対称に配置される。つまり、図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子１では、各垂直転送レジスタ４を中心として、行方向に線対称に（左右線対称に）、センサ部３および読み出しゲート７が配置されている。

したがって、センサ部３および読み出しゲート７は、各垂直転送レジスタ４を中心として、水平方向の両側に、垂直転送レジスタ４側から、読み出しゲート７、センサ部３の順に配置される。また、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対応するセンサ部３同士、および読み出しゲート７同士は、それぞれ撮像領域２において同じ大きさの領域を占めるように形成される。

そして、本実施形態の固体撮像素子１では、垂直転送レジスタ４を中心として左右線対称に配置された２つのセンサ部３で光電変換により得られた信号電荷が、垂直転送レジスタ４内で合算されて１出力として垂直転送レジスタ４に読み出し転送される。つまり、垂直転送レジスタ４を介して対向する一対のセンサ部３から垂直転送レジスタ４に読み出される信号電荷が、固体撮像素子１における単位出力とされる。

上記のとおり、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３のカラーフィルタは同色である（図２参照）。この同色のカラーフィルタが装着された一対のセンサ部３からの信号電荷の読み出しが、一対のセンサ部３の間に位置する垂直転送レジスタ４に対して行われる。そして、この一対のセンサ部３のうち、水平方向の一側（例えば図４において左側）からの信号電荷の読み出し（矢印ａ１参照）と、水平方向の他側（例えば図４において右側）からの信号電荷の読み出し（矢印ａ２参照）とが同時に行われる。

このため、垂直転送レジスタ４の左右両側に配置される一対のセンサ部３に対しては、信号電荷の読み出しに際し、垂直転送レジスタ４を構成する同一の転送電極によって電圧が印加される。つまり、上述したようなセンサ部３からの信号電荷の読み出しにおいて、垂直転送レジスタ４の左右両側にて読み出しゲート電位φｒｇにより形成される電位による障壁が同時に除かれ、左右両側のセンサ部３からの信号電荷の読み出し転送が同じタイミングで行われる。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子１は、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３からの信号電荷の読み出しを単位出力（１出力）として、各画素からの信号の出力を受ける。そこで、本実施形態の固体撮像素子１においては、行列状に配列される複数のセンサ部３からの出力に着目すると、垂直転送レジスタ４に読み出される信号電荷が合わせて１出力とされる、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３が、構成単位となる。この構成単位としての一対のセンサ部３を、センサユニット３０とする。

このように、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３をセンサユニット３０とする固体撮像素子１は、半導体基板上の撮像領域２にて行列状に配列される複数のセンサユニット３０を備える。そして、各センサユニット３０は、光電変換により信号電荷を生成し、生成した信号電荷を、１出力として垂直転送レジスタ４に読み出し転送する。

このように複数のセンサユニット３０を備える固体撮像素子１においては、センサユニット３０の列は、垂直転送レジスタ４毎に設けられる。そして、垂直転送レジスタ４は、複数のセンサユニット３０の配列における列方向に沿って各センサユニット３０を行方向（水平方向）に２つのセンサ部３に分離する態様で設けられる。

つまり、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３を１つのセンサユニット３０として捉えた場合、垂直方向に延びる垂直転送レジスタ４は、垂直方向に並ぶ各センサユニット３０に交わることで各センサユニット３０を水平方向に２つのセンサ部３に分断したような状態で設けられる。本実施形態の固体撮像素子１では、上述したように、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３は、読み出しゲート７とともに、垂直転送レジスタ４を中心として左右線対称に配置される。

このことから、垂直転送レジスタ４がセンサユニット３０を水平方向に２つのセンサ部３に分離する位置は、センサユニット３０の水平方向の中心位置である。つまり、本実施形態では、垂直転送レジスタ４は、各センサユニット３０を水平方向の中心位置で２つのセンサ部３に分離する態様で設けられる。

また、複数のセンサユニット３０を備える固体撮像素子１においては、読み出しゲート７は、各垂直転送レジスタ４とこの垂直転送レジスタ４により分離されたセンサユニット３０を構成する各センサ部３との間に設けられる。つまり、読み出しゲート７は、各垂直転送レジスタ４と、この垂直転送レジスタ４が交わるセンサユニット３０を構成する左右両側の各センサ部３との間に設けられる。

また、複数のセンサユニット３０を備える固体撮像素子１においては、チャネルストップ８は、行方向（水平方向）に隣り合うセンサユニット３０間にて水平方向に隣接するセンサ部３の間に設けられる。つまり、チャネルストップ８は、水平方向に隣り合うセンサユニット３０間に設けられ、隣接するセンサ部３間において信号電荷の移動を規制する。

以上説明した本実施形態の固体撮像素子１によれば、センサ部３により検出される偽信号の原因となるチャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間の降伏電流を抑制することができ、構造的に信号電荷の逆読み出しを防止することができる。このような効果が得られることについて、従来構造との比較により説明する。なお、従来構造については、本実施形態の固体撮像素子１と共通する内容については適宜説明を省略する。

図６に、本実施形態の固体撮像素子１の比較対象としての従来構造の一例を示す。図６に示すように、従来構造の固体撮像素子は、半導体基板上の撮像領域にて２次元行列状に配置されて画素を構成する複数のセンサ部１０３と、行列状に配置されるセンサ部１０３の各垂直列に沿って設けられる垂直転送レジスタ１０４と、水平転送レジスタ（図示略）とを備える。

図６に示すように、従来構造においては、複数の垂直転送レジスタ１０４は、行列状に配置される複数のセンサ部１０３の垂直方向に並ぶ列毎に、各列の一側（図６では左側）に隣接するように、センサ部１０３の垂直方向の並びに沿って設けられる。つまり、各センサ部１０３により生成された信号電荷は、その水平方向の一側（図６では左側）に設けられる垂直転送レジスタ１０４に読み出され、垂直転送レジスタ１０４によって垂直方向に転送される。

このため、各センサ部１０３と、このセンサ部１０３から信号電荷が読み出される垂直転送レジスタ１０４との間に、読み出しゲート１０７が設けられている。つまり、読み出しゲート１０７は、各センサ部１０３が信号電荷を読み出す側となる、各センサ部１０３の水平方向における垂直転送レジスタ４側（図６において左側）に設けられている。

一方、センサ部１０３の読み出しゲート１０７側と反対側には、センサ部３と垂直転送レジスタ４との間に、チャネルストップ１０８が設けられている。チャネルストップ１０８は、センサ部１０３に対して読み出しゲート１０７側と反対側の垂直転送レジスタ１０４への信号電荷の転送を防止するため、センサ部１０３と垂直転送レジスタ１０４との間に障壁電位を形成する。

また、従来構造においては、各センサ部１０３上に装着されるカラーフィルタの色の配列として、一般的なＲＧＢ原色フィルタの配列で主流を占めるいわゆるベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列が採用されている。ベイヤ配列では、緑（Ｇ）のフィルタが市松状に配置され、２行２列の４つのカラーフィルタを構成単位として、緑（Ｇ）のフィルタが配置される対角とは異なる対角に、赤（Ｒ）のフィルタと青（Ｂ）のフィルタが配置される。なお、図６では、各センサ部１０３上に配置されるカラーフィルタの色を、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）で表している。

以上のような従来構造においては、複数のセンサ部１０３に入射した光は、各センサ部１０３上に装着されたカラーフィルタ等を通過することで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離され、光電変換によって光の強度に応じた信号電荷として、センサ部１０３に蓄積される。各センサ部１０３に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート１０７を介して垂直転送レジスタ１０４に読み出し転送され、垂直転送レジスタ１０４から水平転送レジスタに転送される。そして、水平転送レジスタにより転送された信号電荷は、出力部において出力アンプによって電気信号に変換されて検出される。

従来構造におけるセンサ部１０３から垂直転送レジスタ１０４への信号電荷の読み出しについて、図７および図８を用いて説明する。図７および図８は、いずれも図６におけるＢ−Ｂ’位置の電位φの分布を示すポテンシャル図であり、図７は、センサ部１０３が光を受光する露光時の電位の分布を示し、図８は、センサ部１０３に蓄積された信号電荷が垂直転送レジスタ１０４に読み出される読み出し時の電位の分布を示す。なお、図７および図８の各図に示すポテンシャル図では、下側ほど電位φの値は高い。

図７に示すように、露光時では、各センサ部１０３において光電変換により生成された信号電荷が、各センサ部１０３で形成される電位の井戸に集まり蓄積される。各センサ部１０３で信号電荷を蓄積する電位の井戸は、フォト・ダイオードにより構成されるセンサ部１０３の電位φｐｄに対する、読み出しゲート１０７の読み出しゲート電位φｒｇおよびチャネルストップ１０８による障壁電位の電位差として形成される。露光時では、垂直転送レジスタ１０４の転送電極の電位φｖｃｃｄは、読み出し時に比べて低い値である。

センサ部１０３から垂直転送レジスタ１０４への信号電荷の読み出しに際しては、垂直転送レジスタ１０４を構成する所定の転送電極に、比較的高い読み出し用の電圧（クロック・パルス）が印加される。この読み出し電圧の印加により、垂直転送レジスタ１０４に対して水平方向の一側（図７、図８では右側）に位置する読み出しゲート１０７および垂直転送レジスタ１０４の電位が変動する。具体的には、図８に示すように、転送電極の電位φｖｃｃｄが露光時から信号電荷の読み出し時の所定の電位まで高くなり、読み出しゲート電位φｒｇがセンサ部１０３の電位φｐｄより高くなる（矢印ａ１０１参照）。

このような電位の変動により、センサ部１０３の電位φｐｄと転送電極の電位φｖｃｃｄとの電位差によって垂直転送レジスタ１０４において電位の井戸が形成されるとともに、各センサ部１０３で信号電荷の蓄積に際して読み出しゲート電位φｒｇにより形成されていた電位による障壁が除かれる。そして、各センサ部１０３に蓄積されていた信号電荷が、読み出しゲート１０７を介して垂直転送レジスタ１０４に読み出し転送される（矢印ｂ１０１参照）。

以上のような従来構造においては、センサ部１０３から垂直転送レジスタ１０４への信号電荷の読み出し時に、チャネルストップ１０８によって、信号電荷の逆読み出しが防止される。ここで、逆読み出しとは、センサ部１０３から本来信号電荷を読み出す側となる読み出しゲート１０７側とは逆側に位置する垂直転送レジスタ１０４に信号電荷が読み出される現象である。つまり、従来構造においては、チャネルストップ１０８により、センサ部１０３の読み出しゲート１０７側と反対側に、障壁電位が形成され、センサ部１０３から垂直転送レジスタ１０４への信号電荷の読み出しに際し、電極への読み出し電圧の印加による垂直転送レジスタ１０４の電位の変動にともなう逆読み出しが防止される。

このように、チャネルストップ１０８によって逆読み出しを防止する従来構造においては、センサ部１０３からの逆側への信号電荷の移動を確実に規制するため、チャネルストップ１０８により形成される障壁電位を、センサ部１０３の部分の電位等に対して十分に大きくする必要がある。

しかし、チャネルストップ１０８による障壁電位が大きくなると、チャネルストップ１０８の部分と、このチャネルストップ１０８に隣接してチャネルストップ１０８により逆読み出しとしての信号電荷の転送が規制される垂直転送レジスタ１０４の部分との間の電位勾配が急になる（図８、矢印ｃ１０１参照）。チャネルストップ１０８と垂直転送レジスタ１０４との間の電位勾配が急になることは、センサ部１０３からの信号電荷の読み出し時における電極への読み出し電圧の印加にともない、降伏電流を生じさせる原因となる。

このようにして生じる降伏電流は、センサ部１０３により主にノイズとして検出される偽信号を発生させる。つまり、チャネルストップ１０８と垂直転送レジスタ１０４との間で生じる降伏電流は、センサ部１０３により検出される信号についてノイズの原因となる偽信号を生じさせる。

この点、本実施形態の固体撮像素子１においては、障壁電位を形成するチャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間にセンサ部３が存在するため、従来構造との比較において、信号電荷の読み出し時の電位の勾配を小さくすることができ、降伏電流の発生を抑えることができる。

具体的には、本実施形態の固体撮像素子１においては、障壁電位を形成するチャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間にセンサ部３が配置されることから、チャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間に物理的な距離が確保される。これにより、転送電極に読み出し電圧が印加される信号電荷の読み出し時に、チャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間の電位の変化が段階的となり、チャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間の電位勾配が、従来構造に比べて大幅に緩和される。結果として、降伏電流の発生が抑制される。

ここで、信号電荷の読み出し時に転送電極に印加される読み出し電圧としては、センサ部３に蓄積されている信号電荷を転送することができる大きさであれば足りることからも、通常使用される読み出し電圧の範囲では、降伏電流を効果的に防止することができる。降伏電流による信号は、センサ部３によってランダムなノイズとして検出される場合があるが、降伏電流の発生が抑制されることにより、ノイズが低減され、Ｓ／Ｎ比が向上する。

このように降伏電流の発生が抑制されることは、チャネルストップ８および垂直転送レジスタ４との関係におけるセンサ部３の配置に基づくものであるため、画素が微細化されることによっても確保される。したがって、本実施形態の固体撮像素子１によれば、偽信号の原因となるチャネルストップ８と垂直転送レジスタ４との間の降伏電流の解消と、画素の微細化との両立を容易に達成することができる。

また、本実施形態の固体撮像素子１においては、センサ部３に対して、チャネルストップ８を介して存在する部分が、カラーフィルタの色が異なるセンサ部３であり、垂直転送レジスタ４ではないため、構造上、信号電荷の逆読み出しが生じることはない。つまり、本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４とセンサ部３との間には、読み出しゲート７のみが存在することから、信号電荷の読み出し時において読み出し電圧の印加によって障壁電位等が変動することによっても、構造上逆読み出しは生じない。このように、本実施形態の固体撮像素子１によれば、信号電荷の逆読み出しを完全に防止することができる。

また、本実施形態の固体撮像素子１においては、各垂直転送レジスタ４に対して左右線対称に配置される２つのセンサ部３で生成された信号電荷が、１出力として検出される。このため、本実施形態の固体撮像素子１では、光学中心は、左右線対称に配置される同色の２つのセンサ部３の中心となる。この点、上述したような従来構造においては、光学中心は、各センサ部１０３の中心となる。

また、本実施形態の固体撮像素子１においては、行列状に配置される複数のセンサ部３のカラーフィルタの配列は、上述したように従来構造が採用するベイヤ配列（図６参照）の１色を水平方向に２つに分割した態様の配列である。このため、固体撮像素子１では、ベイヤ配列と同様に緑（Ｇ）のフィルタが市松状に配置されるとともに、隣り合う垂直転送レジスタ４間における２行２列の４つのカラーフィルタ（センサ部３）に着目すると、一方の対角に緑（Ｇ）のフィルタが配置され、他方の対角に赤（Ｒ）のフィルタと青（Ｂ）のフィルタが配置される。

このように、本実施形態の固体撮像素子１のフィルタの色配列は、従来構造のベイヤ配列とは異なるが、いわば変則型のベイヤ配列ということができる。したがって、本実施形態の固体撮像素子１においては、信号電荷の出力自体は従来通りのベイヤ配列として対応することが可能であり、従来の技術を用いて画像変換を行うことは容易である。

また、本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４を介して水平方向に対向する一対のセンサ部３からなるセンサユニット３０が、光学的な１画素として機能する。そして、垂直転送レジスタ４は、センサユニット３０の配列における列方向に沿って各センサユニット３０を水平方向に２つのセンサ部３に分離する態様で設けられる。

つまり、本実施形態の固体撮像素子１は、構造上、光学的な１画素として、１つのセンサユニット３０を構成する同色の２画素（２つのセンサ部３）を使用し、光学画素中心に垂直転送レジスタ４を配置する構造をとる。そして、センサユニット３０を構成する同色の２つのセンサ部３の信号を同時に読み出し、垂直転送レジスタ４内で合算して１出力とすることで、出力として取り出される信号は、従来通りのベイヤ配列として対応することができる。

このように、従来構造では１つのセンサ部１０３で光電変換された信号電荷を１出力としていたが、本実施形態の固体撮像素子１では、垂直転送レジスタ４を中心として左右線対称に配置される２つのセンサ部３で光電変換された信号電荷を、センサユニット３０からの１出力として垂直転送レジスタ４へ読み出し転送する。このような構成により、水平方向について、画素数を容易に維持することができ、解像度の確保が容易となる。

例えば、上述したような従来構造が採用される場合のセンサ部の寸法を維持したまま、本実施形態の固体撮像素子１の構成が適用された場合、固体撮像素子１全体としての寸法を維持しようとすると、水平方向について画素数を維持することが困難となる。そこで、上記のとおり光学的な１画素として同色の２画素を使用し、光学画素中心に垂直転送レジスタ４を配置する構造、つまり垂直転送レジスタ４によりセンサユニット３０を同色の２つのセンサ部３に分離する構造を採用することにより、水平方向について、画素数を容易に維持することができ、解像度を確保することが容易となる。

（固体撮像装置の構成）
以下では、本実施形態の固体撮像素子１を備える固体撮像装置５０について、図５を用いて説明する。本実施形態に係る固体撮像装置５０は、例えば、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話器等に内蔵されるカメラユニット等において、撮像装置モジュールを構成する。

固体撮像装置５０は、本実施形態に係る固体撮像素子１と、固体撮像素子１を所定のタイミングで駆動するための駆動信号を生成するタイミングジェネレータ５１とを備える。タイミングジェネレータ５１は、固体撮像素子１を駆動するための各種のパルス信号を生成する機能と、生成したパルス信号を、固体撮像素子１を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバとしての機能とを有する。また、固体撮像装置５０は、タイミングジェネレータ５１等に電源を供給するバッテリ等の電源部、撮像により生成した画像データ等を記憶する記憶部、装置全体を制御する制御部等を有する。

本実施形態では、固体撮像素子１が有する電源部、記憶部、および制御部を構成する回路は、固体撮像素子１とは別回路（別チップ）として設けられる。ただし、これらの各部を構成する回路は、固体撮像素子１と同一のチップに設けたり、複数のチップに機能を分割して設けたりしてもよい。

タイミングジェネレータ５１は、固体撮像素子１が備える垂直転送レジスタ４を駆動する４相駆動パルスを固体撮像素子１に入力する。つまり、タイミングジェネレータ５１は、垂直転送レジスタ４を構成する４種類の垂直転送電極に、駆動電圧としての４相のクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４を、各電極に独立して供給・印加する。

固体撮像素子１は、タイミングジェネレータ５１からのクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４の入力を独立して受けるための入力部を有する。すなわち、固体撮像素子１は、クロック・パルスＶφ１が入力される信号入力端子である第１駆動信号入力部５２ａと、クロック・パルスＶφ２が入力される信号入力端子である第２駆動信号入力部５２ｂと、クロック・パルスＶφ３が入力される信号入力端子である第３駆動信号入力部５２ｃと、クロック・パルスＶφ４が入力される信号入力端子である第４駆動信号入力部５２ｄとを有する。

各駆動信号入力部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄに入力されるクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４は、バスラインや所定の配線等を介して、各垂直転送レジスタ４を構成する各電極に印加される。この４相のクロック・パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４の大きさとタイミングが、固体撮像素子１が有する制御部によって適切に制御されることにより、各センサ部３から垂直転送レジスタ４に読み出された信号電荷が、垂直転送レジスタ４の電極の並びに従って転送される。

タイミングジェネレータ５１は、固体撮像素子１が備える水平転送レジスタ５を駆動する２相駆動パルスを固体撮像素子１に入力する。つまり、タイミングジェネレータ５１は、水平転送レジスタ５を構成する転送電極に、駆動電圧としての２相のクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２を供給・印加する。固体撮像素子１は、タイミングジェネレータ５１からのクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２の入力を独立して受けるための入力部を有する。この２相のクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２の大きさとタイミングが、固体撮像素子１が有する制御部によって適切に制御されることにより、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送された信号電荷が、水平方向に転送される。

以上のような構成を備える本実施形態の固体撮像装置５０においては、タイミングジェネレータ５１が、固体撮像素子１を駆動するための駆動信号を生成する駆動手段として機能する。そして、本実施形態の固体撮像素子１を備える固体撮像装置５０によれば、上述したように固体撮像素子１において降伏電流を抑制することができるとともに、構造的に信号電荷の逆読み出しを防止することができる。

１ 固体撮像素子
２ 撮像領域
３ センサ部
４ 垂直転送レジスタ
７ 読み出しゲート
８ チャネルストップ
３０ センサユニット
５０ 固体撮像装置
５１ タイミングジェネレータ（駆動手段）

Claims (4)

1. 半導体基板上の撮像領域にて行列状に配列され、光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサ部と、
   前記複数のセンサ部の配列における列方向に沿って前記配列の２列毎に前記センサ部の列間に設けられ、前記センサ部により生成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、
   前記各垂直転送レジスタと該垂直転送レジスタの前記配列における行方向の両側に位置する前記各センサ部との間に設けられ、前記センサ部により生成された信号電荷を前記垂直転送レジスタに読み出す読み出しゲートと、
   隣り合う前記垂直転送レジスタの間にて前記行方向に隣接する前記センサ部の間に設けられるチャネルストップと、を備える、
   固体撮像素子。
2. 前記センサ部および前記読み出しゲートは、前記各垂直転送レジスタに対して前記行方向に線対称に配置され、
   前記垂直転送レジスタを介して対向する一対の前記センサ部から前記垂直転送レジスタに読み出される信号電荷を単位出力とする、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 半導体基板上の撮像領域にて行列状に配列され、光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサユニットと、
   前記複数のセンサユニットの配列における列方向に沿って前記各センサユニットを前記配列における行方向に２つのセンサ部に分離する態様で設けられ、前記センサ部により生成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、
   前記各垂直転送レジスタと該垂直転送レジスタにより分離された前記センサユニットを構成する前記各センサ部との間に設けられ、前記センサ部により生成された信号電荷を前記垂直転送レジスタに読み出す読み出しゲートと、
   前記行方向に隣り合う前記センサユニット間にて前記行方向に隣接する前記センサ部の間に設けられるチャネルストップと、を備える、
   固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動手段と、を備える、
   固体撮像装置。

Images