JP4004833B2 - 固体撮像素子の駆動方法および撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置に係り、特に、カラー撮影用のＣＣＤ（電荷結合素子）型固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置に関する。本明細書では、ＣＣＤ型固体撮像素子を用いて光学像を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて再生画像用の画素信号を生成することができる装置を「撮像装置」という。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、ビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、イメージスキャナ等の種々の装置において、カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子がイメージセンサとして利用されている。
【０００３】
このＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子（例えばｐｎフォトダイオード）を有し、これらの光電変換素子によって、光学像を電気信号に変換する。
【０００４】
単板式の撮像装置に利用されるカラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子では、一般に、カラー撮影に必要な複数色の色フィルタによって構成された色フィルタアレイが、上記多数個の光電変換素子の上方に配置される。１つの色フィルタが１つの光電変換素子に対応し、１個の光電変換素子と、この光電変換素子の上方に配置された１つの色フィルタとは、１個の画素を構成する。
【０００５】
本明細書においては、個々の画素を、当該画素が有している色フィルタの色に応じて、例えば赤色画素、緑色画素、青色画素のように表記する。
【０００６】
各画素（各光電変換素子）に蓄積された電荷に基づいて電気信号（画素信号）を生成するために、多くのＣＣＤ固体撮像素子では、画素信号を生成するための出力信号生成部が光電変換素子と一緒に１つの半導体基板に集積される。
【０００７】
この出力信号生成部は、例えば１つの画素列に１つずつ配置された第１電荷転送素子と、これら第１電荷転送素子に電気的に電接続された１または複数の電荷検出回路とを有する。
【０００８】
個々の第１電荷転送素子は、ＣＣＤと、１つの画素に１つずつ配置された読出しゲートとによって構成されて、対応する画素の各々に蓄積された電荷の読出し、および、読出した電荷の転送を行う。ＣＣＤは、例えば、半導体基板の一表面に線状ないし帯状に形成されたチャネル（以下、このチャネルを「電荷転送チャネル」という。）と、この電荷転送チャネル上に電気的絶縁膜を介して配置された複数の電極（以下、「転送電極」という。）とを有する。
【０００９】
電荷検出回路は、上記の電荷を検出し、その大きさに応じた信号電圧を生成して出力する。
【００１０】
エリア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子では、第１電荷転送素子の他に第２電荷転送素子が配置され、各第１電荷転送素子は第２電荷転送素子へ電荷を転送する。電荷検出回路は、第２電荷転送素子から電荷を受け取る。リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子では、１つまたは２つの第１電荷転送素子に電荷検出回路１つずつ接続される。いずれのタイプのＣＣＤ型固体撮像素子でも、電荷検出回路からの出力信号が画素信号となる。
【００１１】
カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子を備えた撮像装置では、固体撮像素子から出力される画素信号を用いて色分離を行い、光学像中の赤色光、緑色光、および青色光それぞれの情報を表す電気信号、すなわち、赤色信号、緑色信号、および青色信号を生成する。そして、これらの色信号のホワイトバランスをとってから補間処理、ガンマ（γ）変換等を行って、再生画像用の画素信号（輝度信号および色差信号）を生成し、出力する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子では、画素の色毎にその感度が異なる。このため、カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子を備えた撮像装置においてホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を生成するためには、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれの利得を別個に調整することが必要となる。
【００１３】
この利得調整は、感度の低い画素に蓄積された電荷に基づいて生成された色信号の利得（アンプゲイン）を増大させることによって行われている。
【００１４】
しかしながら、アンプゲインを増大させるとノイズレベルも増幅される。その結果として、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれのノイズレベルが互いに異なることとなる。
【００１５】
本発明の目的は、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を得ることが可能な固体撮像素子の駆動方法を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれの利得を調整しなくてもほぼホワイトバランスのとれた色信号を得ることが可能な撮像装置を提供することである。
【００１７】
本発明の一観点によれば、カラー撮影に必要な複数色の画素を有し、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子の駆動方法は、（Ａ）１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作を間歇的に複数回行うと共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で選択的に前記電荷の読出しを行う工程と、（Ｂ）前記露光期間の終了後に、前記読出した電荷に基づいて前記出力信号を生成する工程とを含む。
【００１８】
本発明の他の観点によれば、撮像装置は、カラー撮影に必要な複数色の画素を備え、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子と、１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作の実施を指示する電子シャッタパルスを間歇的に複数回生成することができると共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に、前記電荷の読出しを指示する読出しパルスを前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で生成することができる駆動信号生成部と、前記出力信号に基づいて、再生画像用の画素信号を生成することができる信号処理部とを有する。
【００１９】
画素からの電荷の読出しを当該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作を行うことができる固体撮像素子を上記のように駆動させることにより、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を画素の色に応じて調整することが可能になる。換言すれば、画素の感度に応じて、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を調整することが可能になる。
【００２０】
その結果として、固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【００２１】
ここで、本明細書でいう「ほぼホワイトバランスのとれた画素信号」とは、色分離を行った段階でほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる画素信号を意味する。
【００２２】
固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることができれば、この固体撮像素子を備えた撮像装置では、ノイズレベルがほぼ同じ赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる。撮像装置において、高画質の再生画像が得られる画素信号を生成することが容易になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子を駆動させるときの、１フレームの露光期間中での電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングを示す。
【００２４】
この駆動方法では、図示のように、電子シャッタ動作の実施を指示する電子シャッタパルスＥＳが、１フレームの露光期間中に一定の周期Ｐ１で間歇的にＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２５】
その一方で、赤色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰR 、緑色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰG 、および、青色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰB が、それぞれ所定の周期でＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２６】
図１は、赤色画素、緑色画素、および青色画素それぞれの感度の比（赤色画素の感度）：（緑色画素の感度）：（青色画素の感度）が概ね２：４：１であるとしたときの電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングを示している。
【００２７】
各画素の感度比が上記の値である場合、読出しパルスＲＰR は上記の周期Ｐ１の２倍の周期で、読出しパルスＲＰG は上記の周期Ｐ１の４倍の周期で、読出しパルスＲＰB は上記の周期Ｐ１と同じ周期で、それぞれ繰り返しＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２８】
これらの読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB は、いずれも、１つの電子シャッタパルスＥＳが立ち下がってから次の電子シャッタパルスＥＳが立ち上がるまでの期間に供給される。その結果として、１つの読出しパルスによって画素から読出される電荷の蓄積期間は、この読出しパルスが供給される前に固体撮像素子に供給された電子シャッタパルスＥＳのうちで当該読出しパルスの供給時刻に最も近い時刻に供給されたものが立ち下がった時をほぼ蓄積開始時刻とし、当該読出しパルスが立ち上がった時をほぼ蓄積終了時刻とするものとなる。
【００２９】
したがって、１フレームの露光期間中での赤色画素の実効的な露光時間は、上記の周期Ｐ１の２倍の周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰR の総和となり、緑色画素の実効的な露光時間は上記の周期Ｐ１の４倍の周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰG の総和となる。青色画素の実効的な露光時間は、上記の周期Ｐ１と同じ周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰB の総和となる。
【００３０】
なお、１フレームの露光期間中、各電荷転送素子は電荷の読出しを行うのみで、読出した電荷の転送は行わない。
【００３１】
ＣＣＤ型固体撮像素子をこのように駆動することによって、１フレームの露光期間中での赤色画素、緑色画素、および青色画素それぞれの実効的な露光時間を、画素の色に応じて別個に設定することが可能になる。換言すれば、画素の感度に応じて、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を調整することが可能になる。その結果として、ＣＣＤ型固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【００３２】
これらの画素信号について色分離を行えば、当該色分離を行った段階で、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる。アンプゲインの調整という電気的な手法によらずに、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができるので、これらの色信号それぞれのノイズレベルをほぼ同じレベルに維持することができる。
【００３３】
上述した駆動方法は、(i) 各画素からの電荷の読出しを、画素の色に応じて別個に制御することができ、かつ、(ii)電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子に適用することができる。
【００３４】
図２〜図４は、上記の駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子の一例を示す。これらの図に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００は、エリア・イメージセンサとして利用されるものである。
【００３５】
図２は、ＣＣＤ型固体撮像素子１００における色フィルタアレイ８０を概略的に示す上面図である。色フィルタアレイ８０と、その下の部材との位置関係を判りやすくするために、同図には、光電変換素子１０、第１電荷転送素子２０（以下、「垂直電荷転送素子２０」という。）、第２電荷転送素子４０（以下、「水平電荷転送素子４０」という。）、および電荷検出回路５０を、それぞれ隠れ線によって併記してある。
【００３６】
図示のように、色フィルタアレイ８０では、赤色フィルタ８０Ｒと青色フィルタ８０Ｂとが画素行方向ＶR に交互に繰り返し配置された第１色フィルタ行ＣＦ１と、緑色フィルタ８０Ｇのみによって構成された第２色フィルタ行ＣＦ２とが、交互に繰り返し配置されている。１つの第２色フィルタ行ＣＦ２を挟んで隣り合う２つの第１色フィルタ行ＣＦ１では、赤色フィルタ８０Ｒと青色フィルタ８０Ｂとの配置が互いに逆になっている。
【００３７】
固体撮像素子１００での個々の画素は、光電変換素子１０と、その上方に配置された１つの色フィルタ８０Ｒ、８０Ｇ、または８０Ｂとを含む。したがって、固体撮像素子１００では、２５個の画素が７行、７列に亘って画素ずらし配置されていることになる。
【００３８】
ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、奇数番目にあたる画素列中の各画素に対し、偶数番目に当たる画素列中の画素の各々が、画素列内での画素のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当たる画素行中の各画素に対し、偶数番目に当たる画素行中の画素の各々が、画素行内での画素のピッチの約１／２、行方向にずれ、画素列の各々が奇数行または偶数行の画素のみを含むような、多数個の画素の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、多数個の画素を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００３９】
上記の「画素列内での画素のピッチの約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「画素行内での画素のピッチの約１／２」についても同様である。
【００４０】
エリア・イメージセンサとして利用される実際のＣＣＤ型固体撮像素子では、例えば数１０万〜１５００万個程度の画素が画素ずらし位置されるか、または、正方行列状（ただし、行数と列数とが異なるものを含む。）に配置される。
【００４１】
以下の説明においては、赤色フィルタ８０Ｒを有する画素を「赤色画素Ｒ」、緑色フィルタ８０Ｇを有する画素を「緑色画素Ｇ」、青色フィルタ８０Ｂを有する画素を「青色画素Ｂ」と表記する。
【００４２】
図３は、図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００での光電変換素子１０、垂直電荷転送素子２０、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０の平面配置を概略的に示す。
【００４３】
光電変換素子１０の各々は、例えば、半導体基板１の一表面に形成された埋込み型のｐｎフォトダイオードによって構成され、平面視上、例えば八角形を呈す。光電変換素子１０に光が入射すると、この光電変換素子１０に電荷が蓄積される。
【００４４】
図３においては、個々の光電変換素子１０が何色の画素を構成しているのかを判りやすくするために、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｒを併記し、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｇを併記し、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｂを併記している。
【００４５】
個々の画素（光電変換素子１０）に蓄積された電荷を電荷検出回路５０へ転送するために、１つの光電変換素子列（画素列）に１つずつ、この光電変換素子列に沿って垂直電荷転送素子２０が配置される。
【００４６】
垂直電荷転送素子２０の各々はＣＣＤによって構成され、それぞれ、半導体基板１に形成されたｎ型の電荷転送チャネル２３（以下、「垂直電荷転送チャネル２３」という。）と、半導体基板１上に第１の電気的絶縁層（図示せず。）を介して形成されて垂直電荷転送チャネル２３を平面視上横切る５種類の転送電極２５ａ〜２５ｅ（以下、「第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ」という。）とを有する。
【００４７】
垂直電荷転送チャネル２３は、平面視上、対応する光電変換素子列に沿った蛇行形状を有する。
【００４８】
第１垂直転送電極２５ａは各光電変換素子行の下流側に１本ずつ配置され、第２垂直転送電極２５ｂは各光電変換素子行の上流側に１本ずつ配置される。これらの第１〜第２垂直転送電極２５ａ〜２５ｂは、対応する光電変換素子行に沿った蛇行形状を有する。１行の光電変換素子行に対応する第１〜第２垂直転送電極２５ａ〜２５ｂは、対応する光電変換素子行中の各光電変換素子１０を平面視上ほぼ取り囲む。
【００４９】
第３〜第５垂直転送電極２５ｃ〜２５ｅは、最も下流の第１垂直転送電極２５ａの下流側にこの順番で並列に配置される。
【００５０】
第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅの各々は、各垂直電荷転送チャネル２３を平面視上横切り、全ての垂直電荷転送素子２０について、その一部を構成する。
【００５１】
なお、本明細書では、光電変換素子１０から電荷検出回路５０へ転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定するものとする。
【００５２】
光電変換素子１０からの電荷の読出しを制御するために、各垂直電荷転送素子２０は、対応する光電変換素子１０それぞれに１つずつ、読出しゲートを有する。図３においては、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｒで示し、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｇで示し、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｂで示し、それぞれにハッチングを付してある。
【００５３】
個々の読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、３０ｂは、半導体基板１に形成された読出しゲート用チャネル領域（図示せず。）と、この読出しゲート用チャネル上に前述した第１の電気的絶縁層を介して配置されたゲート電極とを有する。各ゲート電極は、第１または第２垂直転送電極２５ａ、２５ｂの一領域からなる。各読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、および３０ｂの動作については、後述する。
【００５４】
各垂直電荷転送素子２０へ読出された電荷は、これらの垂直電荷転送素子２０によって水平電荷転送素子４０へ転送される。このとき、垂直電荷転送素子２０の各々は、例えば４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動されて、電荷転送を行う。図３には、４相の垂直駆動信号Ｖ１〜φＶ４を各垂直転送電極２５ａ〜２５ｅに供給するための配線ＷＬV1〜ＷＬV4の例を併記してある。
【００５５】
水平電荷転送素子４０もＣＣＤによって構成される。この水平電荷転送素子４０は、半導体基板１に形成されて光電変換素子行方向に延在するｎ型の電荷転送チャネル４３（以下、「水平電荷転送チャネル４３」という。）と、半導体基板１上に前述した第１の電気的絶縁層を介して形成されて水平電荷転送チャネル４３を平面視上横切る複数本の転送電極（以下、「水平転送電極」という。）とを有する。
【００５６】
図示の水平電荷転送素子４０は、水平駆動信号φＨ１〜φＨ２によって駆動される２相駆動型ＣＣＤによって構成されている。水平電荷転送チャネル４３は、例えば、ｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とを下流側から上流側に向かってこの順番で繰り返し配置した構成を有する。ｎ型不純物添加領域におけるｎ型不純物の濃度は、ｎ- 型不純物添加領域におけるｎ型不純物の濃度よりも高い。
【００５７】
１個の垂直電荷転送素子２０に、ｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とが２つずつ対応する。各ｎ型不純物添加領域上および各ｎ- 型不純物添加領域上に、水平転送電極が１本ずつ配置される。１個の垂直電荷転送素子２０に対応する４本の水平転送電極のうち、下流側の２本が配線ＷＬH2に共通結線されて水平駆動信号φＨ２の供給を受け、上流側の２本が配線ＷＬH1に共通結線されて水平駆動信号φＨ１の供給を受ける。図３においては、個々の水平転送電極の図示を省略し、水平転送電極全体の輪郭形状を水平電荷転送チャネル４３上に概略的に示してある。
【００５８】
水平電荷転送素子４０は、水平駆動信号φＨ１〜φＨ２によって駆動されて、各垂直電荷転送素子２０から受け取った電荷を電荷検出回路５０へ転送する。
【００５９】
電荷検出回路５０は、水平電荷転送素子４０から転送されてくる電荷を順次検出して信号電圧を生成すると共にこの信号電圧を順次増幅して、画素信号を生成する。
【００６０】
この電荷検出回路５０は、例えば、水平電荷転送素子４０の出力端に電気的に接続された出力ゲート５１と、出力ゲート５１に隣接して半導体基板１に形成されたフローティングディフュージョン領域５２（以下、「ＦＤ領域５２」と略記する。）と、このＦＤ領域５２に電気的に接続されたフローティングディフュージョンアンプ５３（以下、「ＦＤＡ５３」と略記する。）とを有する。
【００６１】
出力ゲート５１は、直流電圧ＶOGの供給を受けて、水平電荷転送素子４０からＦＤ領域５２への電荷転送を行う。ＦＤ領域５２の電位は、当該ＦＤ領域５２内の電荷量に応じて変化する。
【００６２】
ＦＤＡ５３は、ＦＤ領域５２の電位変動を検出、増幅して、画素信号を生成する。この画素信号が、固体撮像素子１００からの出力となる。
【００６３】
ＦＤ領域５２に隣接してリセットゲート５４が配置され、このリセットゲート５４に隣接して、リセットドレイン領域５５が半導体基板１に形成される。ＦＤ領域５２と、リセットゲート５４と、リセットドレイン領域５５とは、リセットトランジスタを構成する。
【００６４】
ＦＤＡ５３によって検出された後の電荷、あるいは、ＦＤＡ５３によって検出する必要のない電荷は、リセットゲート５４を介してリセットドレイン領域５５へ掃出され、例えば電源電圧ＶDDに吸収される。リセットゲート５４の動作は、駆動信号φＲＳによって制御される。
【００６５】
電荷検出回路５０は、垂直電荷転送素子２０の各々および水平電荷転送素子４０と共に、出力信号生成部を構成する。
【００６６】
上述した構成を有するＣＣＤ型固体撮像素子１００では、読出しゲート３０ｒでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ１の供給を受ける第２垂直転送電極２５ｂによって構成され、読出しゲート３０ｇでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ４の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａによって構成されている。そして、読出しゲート３０ｂでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ２の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａによって構成されている。
【００６７】
したがって、垂直駆動信号φＶ１の供給を受ける第２垂直転送電極２５ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｒのみが開になり、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。垂直駆動信号φＶ４の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｇのみが開になり、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。そして、垂直駆動信号φＶ２の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｂのみが開になり、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。
【００６８】
すなわち、各画素からの電荷の読出しを、画素の色に応じて、それぞれ別個に制御することができる。
【００６９】
なお、１フレームの露光期間中、垂直駆動信号φ３はローレベル（例えば−８Ｖ）に維持され、他の垂直駆動信号φＶ１、φＶ２、およびφＶ４はハイレベル（例えば０Ｖ）に維持される。
【００７０】
前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させるためには、このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、電子シャッタ動作を行うことができるものであることが必要である。以下、ＣＣＤ型固体撮像素子１００での電子シャッタの構成例を、図４を参照しつつ、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面構造と併せて説明する。
【００７１】
図４は、図２に示したIV−IV線に沿ったＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面を概略的に示す。同図には、色フィルタアレイ８０上に必要に応じて配置されるマイクロレンズアレイ９０も示してある。
【００７２】
図４に示した構成要素のうち、既に図３に示した構成要素については図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【００７３】
図示のように、半導体基板１は、例えばｎ型シリコン基板３の一表面にｐ- 型不純物添加領域５、ｎ- 型不純物添加領域６、およびｐ- 型不純物添加領域７がこの順番で順次形成された層構成を有する。
【００７４】
ｐ- 型不純物添加領域５は、例えば、ｎ型シリコン基板３の一表面から所定の深さ離れた位置にｐ型不純物をイオン注入し、その後に熱処理を施すことによって形成することができる。ｎ- 型不純物添加領域６は、例えばｎ型シリコン基板３の一部からなる。ｐ- 型不純物添加領域７は、例えば、ｎ型シリコン基板３の一表面にｐ型不純物をイオン注入し、その後に熱処理を施すことによって形成される。
【００７５】
本明細書においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ- 型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ+ 型不純物添加領域、あるいはｎ- 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ+ 型不純物添加領域と表記する。
【００７６】
光電変換素子１０は、例えば、ｐ- 型不純物添加領域７の所定箇所にｎ型不純物添加領域１０ａを形成し、さらに、このｎ型不純物添加領域１０ａ上にｐ+ 型不純物添加領域１０ｂを形成することによって作製された埋込み型のフォトダイオードによって構成される。ｎ型不純物添加領域１０ａは電荷蓄積領域として機能し、このｎ型不純物添加領域１０ａの下にはｎ- 型不純物添加領域６が続いている。
【００７７】
垂直電荷転送チャネル２３はｐ- 型不純物添加領域７に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。
【００７８】
水平電荷転送チャネル４３（図３参照）は、前述のように、例えばｐ- 型不純物添加領域７に交互に繰り返し形成されたｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とによって構成される。
【００７９】
読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、３０ｂの各々は、前述のように、読出しゲート用チャネル領域３１を有する。このチャネル領域３１は、例えば、対応する光電変換素子１０（ｎ型不純物添加領域１０ａ）の所定箇所と垂直電荷転送チャネル２３との間においてｐ- 型不純物添加領域７に形成されたｐ型不純物添加領域からなる。
【００８０】
チャネル領域３１の形成箇所を除き、各光電変換素子１０の平面視上の周囲、各垂直電荷転送チャネル２３の平面視上の周囲、および水平電荷転送チャネル４３の平面視上の周囲には、チャネルストップ領域ＣＳが設けられる。このチャネルストップ領域ＣＳは、例えばｐ+ 型不純物添加領域からなる。
【００８１】
第１の電気的絶縁層１５が半導体基板１上に形成され、その上に第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ、水平転送電極、および電荷検出回路５０を構成する各種の電極が配置される。図４には、第１垂直転送電極２５ａおよび第２垂直転送電極２５ｂがそれぞれ１本ずつ示されている。
【００８２】
各光電変換素子１０上には、第１の電気的絶縁層１５として、例えばシリコン酸化膜（例えば熱酸化膜）が配置される。光電変換素子１０上の領域を除いた他の領域上には、第１の電気的絶縁層１５として、例えばＯＮＯ膜やＯＮ膜が配置される。
【００８３】
上記のＯＮＯ膜は、半導体基板１側から順番にシリコン酸化膜（熱酸化膜）、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜をこの順番で堆積させた層構成を有し、上記のＯＮ膜は、半導体基板１側から順番にシリコン酸化膜（熱酸化膜）およびシリコン窒化膜をこの順番で堆積させた層構成を有する。
【００８４】
第１の電気的絶縁層１５上に配置される各電極は、例えばポリシリコンによって形成される。
【００８５】
第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅの各々は、所謂重ね合わせ構造をなす。第２垂直転送電極２５ｂの各々、第３垂直転送電極２５ｃ、および第５垂直転送電極２５ｅそれぞれの線幅方向の縁部が、光電変換素子１０上の領域を除いた領域上において隣り合う他の垂直転送電極の線幅方向の縁部に重なる。個々の第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅは、例えば熱酸化膜等の電気的絶縁膜ＩＦによって覆われる。これらのことは、水平転送電極についても同様である。
【００８６】
第２の電気的絶縁層６０が、各光電変換素子１０、第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ、および水平電荷転送素子４０（図３参照）を覆い、その上に光遮蔽膜６４、層間絶縁膜６８、パッシベーション膜７０、および第１の平坦化膜７５がこの順番で順次配置される。
【００８７】
第２の電気的絶縁層６０は、例えばシリコン酸化物によって形成されて、光遮蔽膜６４とその下の各種の電極との電気的な分離を十分なものとする。
【００８８】
光遮蔽膜６４は、個々の光電変換素子１０の上方を除いて、これらの光電変換素子１０が配置されている領域を覆い、光電変換素子１０以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。この光遮蔽膜６４は、各光電変換素子１０へ光が入射するように、個々の光電変換素子１０の上方に当該光電変換素子１０よりも平面視上の大きさが小さい開口部６４ａを１つずつ有する。個々の光電変換素子１０表面において開口部６４ａ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１０における受光面となる。
【００８９】
光遮蔽膜６４は、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金、前記の金属の化合物等によって形成される。
【００９０】
層間絶縁膜６８は例えばシリコン酸化物によって形成されて、垂直電荷転送素子２０、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０へそれぞれ所定の信号を供給するための配線と、光遮蔽膜６４との導通を防止する。
【００９１】
パッシベーション膜７０は、例えばシリコン窒化膜等によって構成されて、その下の部材を保護する。
【００９２】
第１の平坦化膜７５はフォトレジスト等の有機材料や、シリコン酸化物、ＰＳＧ（フォスホシリケートガラス）、ＢＰＳＧ（ボロフォスホシリケートガラス）、シリコン窒化物等の無機材料によって形成されて、色フィルタアレイ８０を形成するための平坦面を提供する。第１の平坦化膜７５を無機材料によって形成する場合には、パッシベーション膜７０を省略することも可能である。
【００９３】
色フィルタアレイ８０は、例えば、所望色の顔料または染料を含有した樹脂によって形成される。
【００９４】
色フィルタアレイ８０の上方にマイクロレンズアレイを配置する場合には、当該色フィルタアレイ８０上に第２の平坦化膜８５が形成され、その上にマクロレンズアレイ９０が形成される。
【００９５】
第２の平坦化膜８５はフォトレジスト等の有機材料によって形成されて、マイクロレンズアレイ９０を形成するための平坦面を提供する。
【００９６】
マイクロレンズアレイ９０は多数個のマイクロレンズ９０ａによって構成され、１つの光電変換素子１０に１つのマイクロレンズ９０ａが対応する。これらのマイクロレンズ９０ａは、例えば、透明樹脂（フォトレジストを含む。）層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部を丸め込ませた後に冷却することによって形成される。１つの区画から１つのマイクロレンズ９０ａが形成される。
【００９７】
上述した構造を有するＣＣＤ型固体撮像素子１００においては、図４に示すようにｐ- 型不純物添加領域５が接地される。ｎ型シリコン基板３に例えば２３Ｖ程度の電位を有する電子シャッタパルスＥＳを供給すると、パンチスルーによってｎ型不純物添加領域１０ａとｐ- 型不純物添加領域５とが導通し、ｎ型不純物添加領域１０ａに蓄積されていた電荷が排出される。すなわち、電子シャッタ動作が行われる。
【００９８】
前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させるためには、図１に示したように、１フレームの露光期間中に電子シャッタパルスＥＳ、および読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB をそれぞれ所定回数、ＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給することが必要となる。ＣＣＤ型固体撮像素子１００を備えた撮像装置では、これらのパルスを所定のタイミングで生成することが必要となる。
【００９９】
図５は、実施例による撮像装置（例えばディジタルスチルカメラ）を概略的に示すブロック図である。
【０１００】
同図に示す撮像装置２００は、上述したＣＣＤ型固体撮像素子１００（図５においては「固体撮像素子１００」と略記している。）をエリア・イメージセンサとして用いた撮像装置であり、固体撮像素子１００の他に、撮像光学系１１０、駆動信号生成部１３０、信号処理部１４０、モードセレクタ１５０、制御部１６０、表示部１７０、記録部１８０、およびシャッタボタン１９０を備える。
【０１０１】
ＣＣＤ型固体撮像素子１００については既に説明したので、ここではその説明を省略する。
【０１０２】
撮像光学系１１０は、ＣＣＤ型固体撮像素子１００上に光学像を結像させる。この撮像光学系１１０は、例えば、複数枚の光学レンズ、光学レンズを光軸方向に移動させるための光学レンズ駆動機構、光学絞り、光学絞りを開閉する光学絞り開閉機構、オプティカルローパスフィルタ、赤外線カットフィルタ、メカニカルシャッタ等を含んで構成される。図５においては、１枚の光学レンズ１１２によって撮像光学系１１０を代表して示す。図中の矢印Ｌは光を示す。
【０１０３】
駆動信号生成部１３０は、タイミング信号発生器１２０と、駆動回路１２５とを含む。
【０１０４】
タイミング信号発生器１２０は、水平電荷転送素子４０（図３参照）用の駆動信号φＨ１〜φＨ２や電荷検出回路５０（図３参照）用の信号を生成し、これらの信号をＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給する。また、撮像装置２００内の種々の回路の動作タイミングの統一をとるためのタイミング信号を生成し、このタイミング信号を各回路に供給する。
【０１０５】
駆動回路１２５は、タイミング信号発生器１２０から供給されるタイミング信号に基づいて垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４、電子シャッタパルスＥＳ、読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB 等の信号を生成し、固体撮像素子１００に供給する。この駆動回路１２５は例えば垂直ドライバ、ＤＣ電源等を含んで構成される。
【０１０６】
信号処理部１４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路１４１、自動利得調整（ＡＧＣ）回路１４２、Ａ／Ｄ変換回路１４３、映像信号生成回路１４５、オートホワイトバランス回路１４７等を含み、ＣＣＤ型固体撮像素子１００から出力された画素信号に基づいて再生画像用の画素信号を生成する。
【０１０７】
ＣＤＳ回路１４１は、固体撮像素子１００からの画素信号に含まれる雑音信号を低減させる。ＡＧＣ回路１４２は、ＣＤＳ回路１４１からの出力信号のレベルを適正範囲に保つ。Ａ／Ｄ変換回路１４３は、ＡＧＣ回路１４２からの出力信号をディジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換回路１４３から出力されたディジタル信号が、映像信号生成回路１４５へ供給される。
【０１０８】
映像信号生成回路１４５は、供給されたディジタル信号を赤色信号、緑色信号、および青色信号に色分離し、これらの色信号を用いて補間処理、ガンマ（γ）変換等の処理を行った後に、再生画像用の画素信号（輝度信号および色差信号）を生成する。
【０１０９】
オートホワイトバランス回路１４７は、例えば動画を撮影する際に映像信号生成回路１４５から赤色信号、緑色信号、および青色信号の供給を受け、これらの色信号それぞれの利得を調整してホワイトバランスをとる。静止画を撮影する際には、ＣＣＤ型固体撮像素子１００を前述した方法で駆動させ、オートホワイトバランス回路１４７によってホワイトバランスの微調整を行うことが好ましい。
【０１１０】
モードセレクタ１５０は、撮像装置２００の動作モードを選択するための選択スイッチである。撮像装置２００は、例えば、自動露出（ＡＥ）モード、自動合焦（ＡＦ）モード、デジタルズームモード、静止画モード、動画モード、連写モード等の動作モードを有している。モードセレクタ１５０は、撮像装置２００の使用者によって操作される。
【０１１１】
制御部１６０は、モードセレクタ１５０によって選択された動作モードに応じて、タイミング信号発生器１２０、ＡＧＣ回路１４２、映像信号生成部１４５等の動作を制御する。また、映像信号生成部１４５から供給される輝度信号に基づいて撮像光学系１１０中の光学絞り開閉機構の動作を制御し、測距信号に基づいて光学レンズ駆動機構の動作を制御する。この制御部１６０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）によって構成される。
【０１１２】
表示部１７０は、映像信号生成部１４５から供給される画素信号に基づいて、静止画または動画を表示する。この表示部１７０は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置によって構成される。
【０１１３】
記録部１８０は、映像信号生成部１４５から供給される画素信号を、例えばメモリカード等の記録媒体に記録する。
【０１１４】
シャッタボタン１９０は、例えば半押しにすると自動露出や自動測距等の動作の開始スイッチとして機能する。全押しにすると、メカニカルシャッタが動作し、一定時間、撮像光学系１１０からＣＣＤ型固体撮像素子１００への光の入射を遮断する。
【０１１５】
上述した構成を有する撮像装置２００では、モードセレクタによって例えば静止画モードが選択されるときにシャッタボタン１９０が全押しにされると、前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させて当該固体撮像素子１００から１フレーム分の画素信号を出力させるのに必要な種々の信号が、駆動信号生成部１３０によって生成される。
【０１１６】
その結果として、前述した方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００が駆動し、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力する。これらの画素信号が信号処理部１４０に供給されるので、信号処理部１４０においては、オートホワイトバランス回路１４８によってホワイトバランスを微調整するだけでホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができ、これらの色信号を用いて再生画像用の画素信号を生成することができる。赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれのノイズレベルがほぼ同じレベルに維持されているので、高画質の再生画像が得られる画素信号を生成しやすい。
【０１１７】
以上、実施例による固体撮像素子および撮像装置について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。
【０１１８】
例えば、前述した実施例による駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子は、多数個の画素が画素ずらし配置されたものに限定されるものではなく、多数個の画素が正方行列状に配置されたＣＣＤ型固体撮像素子に適用することもできる。
【０１１９】
図６は、多数個の画素が正方行列状に配置されたエリア・イメージセンサ用のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子１０と垂直電荷転送素子２０との平面配置の一例を概略的に示す。他の構成は図２〜図４に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様にすることができるので、ここではその図示および説明を省略する。また、同図に示した構成要素についても、図３に示した構成要素と機能上共通するものには、垂直転送電極を除き、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１２０】
図示のＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａでは、平面形状がほぼ矩形を呈する多数個の光電変換素子１０が正方行列状に配置され、垂直電荷転送チャネル２３の各々は、対応する画素列（光電変換素子列）に沿って直線状に延在する。
【０１２１】
電荷の読出しを画素の色に応じて別個に制御するために、１つの画素行（光電変換素子行）につき４本の垂直転送電極２５Ａ〜２５Ｄが配置される。これら４本の垂直転送電極２５Ａ〜２５Ｄのうち、第１垂直転送電極２５Ａおよび第２垂直転送電極２５Ｂは、それぞれ、所定の読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、または３０ｂのゲート電極を兼ねる。第３垂直転送電極２５Ｃおよび第４垂直転送電極２５Ｅは、いずれも、読出しゲートのゲート電極を兼ねない。
【０１２２】
例えば図示のように、各第３垂直転送電極２５Ｃには配線ＷＬV11 を介して垂直駆動信号φＶ１が供給され、各第４垂直転送電極２５Ｄには配線ＷＬV14 を介して垂直駆動信号φＶ４が供給される。
【０１２３】
全ての第１垂直転送電極２５Ａの中から１本おきに選択された第１垂直転送電極２５Ａには配線ＷＬV12 を介して垂直駆動信号φＶ２ａが供給され、他の１本おきに選択された第１垂直転送電極２５Ａには配線ＷＬV15 を介して垂直駆動信号φＶ２ｂが供給される。
【０１２４】
全ての第２垂直転送電極２５Ｂの中から１本おきに選択された第２垂直転送電極２５Ｂには配線ＷＬV13 を介して垂直駆動信号φＶ３ａが供給され、他の１本おきに選択された第２垂直転送電極２５Ｂには配線ＷＬV16 を介して垂直駆動信号φＶ２ｂが供給される。
【０１２５】
垂直駆動信号φＶ２ａと垂直駆動信号φＶ２ｂとは、読出しパルスが重畳されるか否かが異なるのみで、各垂直電荷転送素子２０によって電荷を転送する際には、互いに同じ位相を有する。垂直駆動信号φＶ３ａ、φＶ３ｂは、重畳される読出しパルスが図１に示した読出しパルスＲＰG であるかＲＰB であるかが互いに異なるのみで、各垂直電荷転送素子２０によって電荷を転送する際には、互いに同じ位相を有する。
【０１２６】
垂直駆動信号φＶ２ｂの供給を受ける第１垂直転送電極２５Ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｒのみが開になり、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。垂直駆動信号φＶ３ａの供給を受ける第２垂直転送電極２５Ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｇのみが開になり、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。そして、垂直駆動信号φＶ３ｂの供給を受ける第２垂直転送電極２５Ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｂのみが開になり、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。
【０１２７】
前述したように、ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａでの光電変換素子１０と垂直電荷転送素子２０との平面配置を除いた構成は、図２〜図４に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様である。ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａは、電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１２８】
したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａは、前述した実施例による駆動方法によって駆動させることができる。
【０１２９】
前述した実施例による駆動方法によって駆動させるＣＣＤ型固体撮像素子は、エリア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子に限定されるものではなく、リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子にも適用することができる。
【０１３０】
図７は、リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置の一例を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図３に示した構成要素と機能上共通するものについては、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１３１】
図示のＣＣＤ型固体撮像素子３００は、白黒撮影およびカラー撮影が共に可能なリニア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子であり、このＣＣＤ型固体撮像素子３００では、半導体基板１の一表面に多数個の光電変換素子１０が４列に亘って配置される。
【０１３２】
紙面中、最も手前に描かれている光電変換素子列ＰＣ１中の各光電変換素子１０は白黒撮影用の画素を構成し、手前から２番目の光電変換素子列ＰＣ２中の各光電変換素子１０は青色画素を構成する。手前から３番目の光電変換素子列ＰＣ３中の各光電変換素子１０は緑色画素を構成し、最も奥の光電変換素子列ＰＣ４中の各光電変換素子１０は赤色画素を構成する。
【０１３３】
１つの光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿って電荷転送素子３２０が配置され、各電荷転送素子３２０の出力端に１つずつ、電荷検出回路５０が接続される。
【０１３４】
個々の電荷転送素子３２０は、例えば、(i) 図３に示した水平電荷転送素子４０と同様の構造を有する２相駆動型のＣＣＤ３２１と、(ii)対応する光電変換素子１０それぞれとの間に１つずつ配置された読出しゲート３０ｍ、３０ｂ、３０ｇ、または３０ｒとによって構成される。読出しゲート３０ｍは、白黒撮影用の画素から電荷を読出すための読出しゲートである。
【０１３５】
１つの光電変換素子列とこの光電変換素子列に対応するＣＣＤ３２１との間に１本の読出しゲート用電極線３３５が配置されて、１つの光電変換素子列に対応する読出しゲートそれぞれのゲート電極を構成する。
【０１３６】
赤色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰR 、緑色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰG 、青色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰB 、および白黒撮影用の画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰm は、それぞれ、所定の１本の読出しゲート用電極線３３５に供給される。
【０１３７】
したがって、赤色画素からの電荷の読出し、緑色画素からの電荷の読出し、および青色画素からの電荷の読出しを、それぞれ別個に制御することができる。
【０１３８】
光電変換素子列ＰＣ２に対応する電荷転送素子３２０、光電変換素子列ＰＣ３に対応する電荷転送素子３２０、光電変換素子列ＰＣ４に対応する電荷転送素子３２０、およびこれらの電荷転送素子３２０に接続された各電荷検出回路５０は、１つの出力信号生成部を構成する。
【０１３９】
１列の光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿ってドレイン領域３６０が配置される。個々のドレイン領域３６０は、例えば、半導体基板１に形成されたｎ+ 型不純物添加領域によって構成される。１つのドレイン領域３６０と、これに対応する光電変換素子列との間には、チャネル領域が介在する。このチャネル領域は、半導体基板１上に電気的絶縁膜を介して配置された１本の掃出しゲート用電極線３６５によって平面視上覆われて、掃出しゲートを構成する。
【０１４０】
光電変換素子列ＰＣ２、ＰＣ３、またはＰＣ４に対応する掃出しゲート用電極線３６５には第１電子シャッタパルスＥＳ１が供給され、光電変換素子列ＰＣ１に対応する掃出しゲート用電極線３６５には第２電子シャッタパルスＥＳ２が供給される。掃出しゲート用電極線３６５に第１または第２電子シャッタパルスＥＳ１またはＥＳ２が供給されると、この掃出しゲート用電極線３６５に対応する光電変換素子１０の各々に蓄積されていた電荷が、当該掃出しゲート用電極線３６５に対応するドレイン領域３６０に掃出される。すなわち、電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１４１】
このように、ＣＣＤ型固体撮像素子３００は、(i) 赤色画素からの電荷の読出し、緑色画素からの電荷の読出し、および青色画素からの電荷の読出しを、それぞれ別個に制御することができ、かつ、(ii)電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子であるので、カラー撮影に際しては、前述した実施例による駆動方法によって駆動させることが可能である。
【０１４２】
上述したＣＣＤ型固体撮像素子１００、１００Ａ、３００についての説明から容易に理解されるように、前述した実施例による駆動方法は、(A) 画素からの電荷の読出しを画素の色に応じて別個に制御することができ、かつ、(B) 電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子であれば、その構造に拘わらず適用可能である。
【０１４３】
画素の配置、電荷転送素子の構造、電荷転送素子に読出した電荷を当該電荷転送素子によって転送する際の駆動信号の相数、電子シャッタ動作を行うための構造、電荷検出回路の構成等は、上記(A) および(B) の条件を満たす範囲内で種々選定可能である。
【０１４４】
同様に、上記(A) および(B) の条件を満たすＣＣＤ型固体撮像素子を利用した撮像装置の構成も、当該ＣＣＤ型固体撮像素子を前述した実施例による駆動法の下に駆動させることができさえすれば、その用途やグレード等に応じて適宜選定可能である。
【０１４５】
勿論、前述した実施例による駆動方法自体も、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号をＣＣＤ型固体撮像素子から出力させることができさえすれば、種々変更可能である。
【０１４６】
例えば、１フレームの露光期間中にＣＣＤ型固体撮像素子に供給する電子シャッタパルスＥＳの数は、概ね６４〜２５６の範囲内で適宜選定可能である。
【０１４７】
１フレームの露光期間中にＣＣＤ型固体撮像素子に供給する読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB の数は、赤色画素の感度ＳR 、緑色画素の感度ＳG 、および青色画素の感度ＳB に応じて適宜選択可能である。
【０１４８】
例えば、上記の各感度の比ＳR ：ＳG ：ＳB が概ね４：２：１であれば、１フレームの露光期間中での赤色画素の露光時間ＴR 、緑色画素の露光時間ＴG 、および青色画素の露光時間ＴB の比ＴR ：ＴG ：ＴB を概ね１：２：４とすることにより、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号をＣＣＤ型固体撮像素子から出力させることが可能となる。
【０１４９】
補色系の色フィルタを用いて画素を構成することも可能である。この場合でも、ＣＣＤ型固体撮像素子から出力された画素信号を基に色分離を行ったときに得られる赤色信号、緑色信号、および青色信号がほぼホワイトバランスのとれた色信号となるように、画素の色毎にその露光時間を選定する。
【０１５０】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは、当業者に自明であろう。
【０１５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＣＣＤ型固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【０１５２】
アンプゲインの調整という電気的な手法によらずに、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができるので、これらの色信号それぞれのノイズレベルをほぼ同じレベルに維持することができる。高画質の再生画像が得られる撮像装置を提供することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子を駆動させるときの、１フレームの露光期間中での電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図２】実施例による駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子での色フィルタアレイの一例を概略的に示す上面図である。
【図３】図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、垂直電荷転送素子、水平電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図４】図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子のIV−IV線に沿った断面を示す概略図である。
【図５】実施例による撮像装置を概略的に示すブロック図である。
【図６】実施例による駆動方法を適用することができる他のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子と垂直電荷転送素子との平面配置の一例を示す概略図である。
【図７】実施例による駆動方法を適用することができる他のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、 １０…光電変換素子、 ２０…垂直電荷転送素子、 ３０ｒ、３０ｇ、３０ｂ…読出しゲート、 ４０…水平電荷転送素子、 ５０…電荷検出回路、 ８０…色フィルタアレイ、 ８０Ｒ…赤色フィルタ、 ８０Ｇ…緑色フィルタ、 ８０Ｂ…青色フィルタ、 １００、１００Ａ、３００…ＣＣＤ型固体撮像素子、 １３０…駆動信号生成部、 １４０…信号処理部、 ２００…撮像装置、 ３２０…電荷転送素子、 ＲＰR …赤色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＲＰG …緑色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＲＰB …青色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＥＳ…電子シャッタパルス。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置に係り、特に、カラー撮影用のＣＣＤ（電荷結合素子）型固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置に関する。本明細書では、ＣＣＤ型固体撮像素子を用いて光学像を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて再生画像用の画素信号を生成することができる装置を「撮像装置」という。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、ビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、イメージスキャナ等の種々の装置において、カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子がイメージセンサとして利用されている。
【０００３】
このＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子（例えばｐｎフォトダイオード）を有し、これらの光電変換素子によって、光学像を電気信号に変換する。
【０００４】
単板式の撮像装置に利用されるカラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子では、一般に、カラー撮影に必要な複数色の色フィルタによって構成された色フィルタアレイが、上記多数個の光電変換素子の上方に配置される。１つの色フィルタが１つの光電変換素子に対応し、１個の光電変換素子と、この光電変換素子の上方に配置された１つの色フィルタとは、１個の画素を構成する。
【０００５】
本明細書においては、個々の画素を、当該画素が有している色フィルタの色に応じて、例えば赤色画素、緑色画素、青色画素のように表記する。
【０００６】
各画素（各光電変換素子）に蓄積された電荷に基づいて電気信号（画素信号）を生成するために、多くのＣＣＤ固体撮像素子では、画素信号を生成するための出力信号生成部が光電変換素子と一緒に１つの半導体基板に集積される。
【０００７】
この出力信号生成部は、例えば１つの画素列に１つずつ配置された第１電荷転送素子と、これら第１電荷転送素子に電気的に電接続された１または複数の電荷検出回路とを有する。
【０００８】
個々の第１電荷転送素子は、ＣＣＤと、１つの画素に１つずつ配置された読出しゲートとによって構成されて、対応する画素の各々に蓄積された電荷の読出し、および、読出した電荷の転送を行う。ＣＣＤは、例えば、半導体基板の一表面に線状ないし帯状に形成されたチャネル（以下、このチャネルを「電荷転送チャネル」という。）と、この電荷転送チャネル上に電気的絶縁膜を介して配置された複数の電極（以下、「転送電極」という。）とを有する。
【０００９】
電荷検出回路は、上記の電荷を検出し、その大きさに応じた信号電圧を生成して出力する。
【００１０】
エリア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子では、第１電荷転送素子の他に第２電荷転送素子が配置され、各第１電荷転送素子は第２電荷転送素子へ電荷を転送する。電荷検出回路は、第２電荷転送素子から電荷を受け取る。リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子では、１つまたは２つの第１電荷転送素子に電荷検出回路１つずつ接続される。いずれのタイプのＣＣＤ型固体撮像素子でも、電荷検出回路からの出力信号が画素信号となる。
【００１１】
カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子を備えた撮像装置では、固体撮像素子から出力される画素信号を用いて色分離を行い、光学像中の赤色光、緑色光、および青色光それぞれの情報を表す電気信号、すなわち、赤色信号、緑色信号、および青色信号を生成する。そして、これらの色信号のホワイトバランスをとってから補間処理、ガンマ（γ）変換等を行って、再生画像用の画素信号（輝度信号および色差信号）を生成し、出力する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子では、画素の色毎にその感度が異なる。このため、カラー撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子を備えた撮像装置においてホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を生成するためには、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれの利得を別個に調整することが必要となる。
【００１３】
この利得調整は、感度の低い画素に蓄積された電荷に基づいて生成された色信号の利得（アンプゲイン）を増大させることによって行われている。
【００１４】
しかしながら、アンプゲインを増大させるとノイズレベルも増幅される。その結果として、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれのノイズレベルが互いに異なることとなる。
【００１５】
本発明の目的は、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を得ることが可能な固体撮像素子の駆動方法を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれの利得を調整しなくてもほぼホワイトバランスのとれた色信号を得ることが可能な撮像装置を提供することである。
【００１７】
本発明の一観点によれば、カラー撮影に必要な複数色の画素を有し、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子の駆動方法は、（Ａ）１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作を間歇的に複数回行うと共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で選択的に前記電荷の読出しを行う工程と、（Ｂ）前記露光期間の終了後に、前記読出した電荷に基づいて前記出力信号を生成する工程とを含む。
【００１８】
本発明の他の観点によれば、撮像装置は、カラー撮影に必要な複数色の画素を備え、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子と、１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作の実施を指示する電子シャッタパルスを間歇的に複数回生成することができると共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に、前記電荷の読出しを指示する読出しパルスを前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で生成することができる駆動信号生成部と、前記出力信号に基づいて、再生画像用の画素信号を生成することができる信号処理部とを有する。
【００１９】
画素からの電荷の読出しを当該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作を行うことができる固体撮像素子を上記のように駆動させることにより、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を画素の色に応じて調整することが可能になる。換言すれば、画素の感度に応じて、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を調整することが可能になる。
【００２０】
その結果として、固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【００２１】
ここで、本明細書でいう「ほぼホワイトバランスのとれた画素信号」とは、色分離を行った段階でほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる画素信号を意味する。
【００２２】
固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることができれば、この固体撮像素子を備えた撮像装置では、ノイズレベルがほぼ同じ赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる。撮像装置において、高画質の再生画像が得られる画素信号を生成することが容易になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子を駆動させるときの、１フレームの露光期間中での電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングを示す。
【００２４】
この駆動方法では、図示のように、電子シャッタ動作の実施を指示する電子シャッタパルスＥＳが、１フレームの露光期間中に一定の周期Ｐ１で間歇的にＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２５】
その一方で、赤色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰR 、緑色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰG 、および、青色画素から電荷転送素子への電荷読出しを指示する読出しパルスＲＰB が、それぞれ所定の周期でＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２６】
図１は、赤色画素、緑色画素、および青色画素それぞれの感度の比（赤色画素の感度）：（緑色画素の感度）：（青色画素の感度）が概ね２：４：１であるとしたときの電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングを示している。
【００２７】
各画素の感度比が上記の値である場合、読出しパルスＲＰR は上記の周期Ｐ１の２倍の周期で、読出しパルスＲＰG は上記の周期Ｐ１の４倍の周期で、読出しパルスＲＰB は上記の周期Ｐ１と同じ周期で、それぞれ繰り返しＣＣＤ型固体撮像素子に供給される。
【００２８】
これらの読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB は、いずれも、１つの電子シャッタパルスＥＳが立ち下がってから次の電子シャッタパルスＥＳが立ち上がるまでの期間に供給される。その結果として、１つの読出しパルスによって画素から読出される電荷の蓄積期間は、この読出しパルスが供給される前に固体撮像素子に供給された電子シャッタパルスＥＳのうちで当該読出しパルスの供給時刻に最も近い時刻に供給されたものが立ち下がった時をほぼ蓄積開始時刻とし、当該読出しパルスが立ち上がった時をほぼ蓄積終了時刻とするものとなる。
【００２９】
したがって、１フレームの露光期間中での赤色画素の実効的な露光時間は、上記の周期Ｐ１の２倍の周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰR の総和となり、緑色画素の実効的な露光時間は上記の周期Ｐ１の４倍の周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰG の総和となる。青色画素の実効的な露光時間は、上記の周期Ｐ１と同じ周期で繰り返し設定される露光期間ＥＰB の総和となる。
【００３０】
なお、１フレームの露光期間中、各電荷転送素子は電荷の読出しを行うのみで、読出した電荷の転送は行わない。
【００３１】
ＣＣＤ型固体撮像素子をこのように駆動することによって、１フレームの露光期間中での赤色画素、緑色画素、および青色画素それぞれの実効的な露光時間を、画素の色に応じて別個に設定することが可能になる。換言すれば、画素の感度に応じて、１フレームの露光期間中での実効的な露光時間を調整することが可能になる。その結果として、ＣＣＤ型固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【００３２】
これらの画素信号について色分離を行えば、当該色分離を行った段階で、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができる。アンプゲインの調整という電気的な手法によらずに、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができるので、これらの色信号それぞれのノイズレベルをほぼ同じレベルに維持することができる。
【００３３】
上述した駆動方法は、(i) 各画素からの電荷の読出しを、画素の色に応じて別個に制御することができ、かつ、(ii)電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子に適用することができる。
【００３４】
図２〜図４は、上記の駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子の一例を示す。これらの図に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００は、エリア・イメージセンサとして利用されるものである。
【００３５】
図２は、ＣＣＤ型固体撮像素子１００における色フィルタアレイ８０を概略的に示す上面図である。色フィルタアレイ８０と、その下の部材との位置関係を判りやすくするために、同図には、光電変換素子１０、第１電荷転送素子２０（以下、「垂直電荷転送素子２０」という。）、第２電荷転送素子４０（以下、「水平電荷転送素子４０」という。）、および電荷検出回路５０を、それぞれ隠れ線によって併記してある。
【００３６】
図示のように、色フィルタアレイ８０では、赤色フィルタ８０Ｒと青色フィルタ８０Ｂとが画素行方向ＶR に交互に繰り返し配置された第１色フィルタ行ＣＦ１と、緑色フィルタ８０Ｇのみによって構成された第２色フィルタ行ＣＦ２とが、交互に繰り返し配置されている。１つの第２色フィルタ行ＣＦ２を挟んで隣り合う２つの第１色フィルタ行ＣＦ１では、赤色フィルタ８０Ｒと青色フィルタ８０Ｂとの配置が互いに逆になっている。
【００３７】
固体撮像素子１００での個々の画素は、光電変換素子１０と、その上方に配置された１つの色フィルタ８０Ｒ、８０Ｇ、または８０Ｂとを含む。したがって、固体撮像素子１００では、２５個の画素が７行、７列に亘って画素ずらし配置されていることになる。
【００３８】
ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、奇数番目にあたる画素列中の各画素に対し、偶数番目に当たる画素列中の画素の各々が、画素列内での画素のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当たる画素行中の各画素に対し、偶数番目に当たる画素行中の画素の各々が、画素行内での画素のピッチの約１／２、行方向にずれ、画素列の各々が奇数行または偶数行の画素のみを含むような、多数個の画素の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、多数個の画素を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００３９】
上記の「画素列内での画素のピッチの約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「画素行内での画素のピッチの約１／２」についても同様である。
【００４０】
エリア・イメージセンサとして利用される実際のＣＣＤ型固体撮像素子では、例えば数１０万〜１５００万個程度の画素が画素ずらし位置されるか、または、正方行列状（ただし、行数と列数とが異なるものを含む。）に配置される。
【００４１】
以下の説明においては、赤色フィルタ８０Ｒを有する画素を「赤色画素Ｒ」、緑色フィルタ８０Ｇを有する画素を「緑色画素Ｇ」、青色フィルタ８０Ｂを有する画素を「青色画素Ｂ」と表記する。
【００４２】
図３は、図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００での光電変換素子１０、垂直電荷転送素子２０、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０の平面配置を概略的に示す。
【００４３】
光電変換素子１０の各々は、例えば、半導体基板１の一表面に形成された埋込み型のｐｎフォトダイオードによって構成され、平面視上、例えば八角形を呈す。光電変換素子１０に光が入射すると、この光電変換素子１０に電荷が蓄積される。
【００４４】
図３においては、個々の光電変換素子１０が何色の画素を構成しているのかを判りやすくするために、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｒを併記し、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｇを併記し、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０には参照符号Ｂを併記している。
【００４５】
個々の画素（光電変換素子１０）に蓄積された電荷を電荷検出回路５０へ転送するために、１つの光電変換素子列（画素列）に１つずつ、この光電変換素子列に沿って垂直電荷転送素子２０が配置される。
【００４６】
垂直電荷転送素子２０の各々はＣＣＤによって構成され、それぞれ、半導体基板１に形成されたｎ型の電荷転送チャネル２３（以下、「垂直電荷転送チャネル２３」という。）と、半導体基板１上に第１の電気的絶縁層（図示せず。）を介して形成されて垂直電荷転送チャネル２３を平面視上横切る５種類の転送電極２５ａ〜２５ｅ（以下、「第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ」という。）とを有する。
【００４７】
垂直電荷転送チャネル２３は、平面視上、対応する光電変換素子列に沿った蛇行形状を有する。
【００４８】
第１垂直転送電極２５ａは各光電変換素子行の下流側に１本ずつ配置され、第２垂直転送電極２５ｂは各光電変換素子行の上流側に１本ずつ配置される。これらの第１〜第２垂直転送電極２５ａ〜２５ｂは、対応する光電変換素子行に沿った蛇行形状を有する。１行の光電変換素子行に対応する第１〜第２垂直転送電極２５ａ〜２５ｂは、対応する光電変換素子行中の各光電変換素子１０を平面視上ほぼ取り囲む。
【００４９】
第３〜第５垂直転送電極２５ｃ〜２５ｅは、最も下流の第１垂直転送電極２５ａの下流側にこの順番で並列に配置される。
【００５０】
第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅの各々は、各垂直電荷転送チャネル２３を平面視上横切り、全ての垂直電荷転送素子２０について、その一部を構成する。
【００５１】
なお、本明細書では、光電変換素子１０から電荷検出回路５０へ転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定するものとする。
【００５２】
光電変換素子１０からの電荷の読出しを制御するために、各垂直電荷転送素子２０は、対応する光電変換素子１０それぞれに１つずつ、読出しゲートを有する。図３においては、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｒで示し、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｇで示し、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に対応する読出しゲートを参照符号３０ｂで示し、それぞれにハッチングを付してある。
【００５３】
個々の読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、３０ｂは、半導体基板１に形成された読出しゲート用チャネル領域（図示せず。）と、この読出しゲート用チャネル上に前述した第１の電気的絶縁層を介して配置されたゲート電極とを有する。各ゲート電極は、第１または第２垂直転送電極２５ａ、２５ｂの一領域からなる。各読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、および３０ｂの動作については、後述する。
【００５４】
各垂直電荷転送素子２０へ読出された電荷は、これらの垂直電荷転送素子２０によって水平電荷転送素子４０へ転送される。このとき、垂直電荷転送素子２０の各々は、例えば４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動されて、電荷転送を行う。図３には、４相の垂直駆動信号Ｖ１〜φＶ４を各垂直転送電極２５ａ〜２５ｅに供給するための配線ＷＬV1〜ＷＬV4の例を併記してある。
【００５５】
水平電荷転送素子４０もＣＣＤによって構成される。この水平電荷転送素子４０は、半導体基板１に形成されて光電変換素子行方向に延在するｎ型の電荷転送チャネル４３（以下、「水平電荷転送チャネル４３」という。）と、半導体基板１上に前述した第１の電気的絶縁層を介して形成されて水平電荷転送チャネル４３を平面視上横切る複数本の転送電極（以下、「水平転送電極」という。）とを有する。
【００５６】
図示の水平電荷転送素子４０は、水平駆動信号φＨ１〜φＨ２によって駆動される２相駆動型ＣＣＤによって構成されている。水平電荷転送チャネル４３は、例えば、ｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とを下流側から上流側に向かってこの順番で繰り返し配置した構成を有する。ｎ型不純物添加領域におけるｎ型不純物の濃度は、ｎ- 型不純物添加領域におけるｎ型不純物の濃度よりも高い。
【００５７】
１個の垂直電荷転送素子２０に、ｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とが２つずつ対応する。各ｎ型不純物添加領域上および各ｎ- 型不純物添加領域上に、水平転送電極が１本ずつ配置される。１個の垂直電荷転送素子２０に対応する４本の水平転送電極のうち、下流側の２本が配線ＷＬH2に共通結線されて水平駆動信号φＨ２の供給を受け、上流側の２本が配線ＷＬH1に共通結線されて水平駆動信号φＨ１の供給を受ける。図３においては、個々の水平転送電極の図示を省略し、水平転送電極全体の輪郭形状を水平電荷転送チャネル４３上に概略的に示してある。
【００５８】
水平電荷転送素子４０は、水平駆動信号φＨ１〜φＨ２によって駆動されて、各垂直電荷転送素子２０から受け取った電荷を電荷検出回路５０へ転送する。
【００５９】
電荷検出回路５０は、水平電荷転送素子４０から転送されてくる電荷を順次検出して信号電圧を生成すると共にこの信号電圧を順次増幅して、画素信号を生成する。
【００６０】
この電荷検出回路５０は、例えば、水平電荷転送素子４０の出力端に電気的に接続された出力ゲート５１と、出力ゲート５１に隣接して半導体基板１に形成されたフローティングディフュージョン領域５２（以下、「ＦＤ領域５２」と略記する。）と、このＦＤ領域５２に電気的に接続されたフローティングディフュージョンアンプ５３（以下、「ＦＤＡ５３」と略記する。）とを有する。
【００６１】
出力ゲート５１は、直流電圧ＶOGの供給を受けて、水平電荷転送素子４０からＦＤ領域５２への電荷転送を行う。ＦＤ領域５２の電位は、当該ＦＤ領域５２内の電荷量に応じて変化する。
【００６２】
ＦＤＡ５３は、ＦＤ領域５２の電位変動を検出、増幅して、画素信号を生成する。この画素信号が、固体撮像素子１００からの出力となる。
【００６３】
ＦＤ領域５２に隣接してリセットゲート５４が配置され、このリセットゲート５４に隣接して、リセットドレイン領域５５が半導体基板１に形成される。ＦＤ領域５２と、リセットゲート５４と、リセットドレイン領域５５とは、リセットトランジスタを構成する。
【００６４】
ＦＤＡ５３によって検出された後の電荷、あるいは、ＦＤＡ５３によって検出する必要のない電荷は、リセットゲート５４を介してリセットドレイン領域５５へ掃出され、例えば電源電圧ＶDDに吸収される。リセットゲート５４の動作は、駆動信号φＲＳによって制御される。
【００６５】
電荷検出回路５０は、垂直電荷転送素子２０の各々および水平電荷転送素子４０と共に、出力信号生成部を構成する。
【００６６】
上述した構成を有するＣＣＤ型固体撮像素子１００では、読出しゲート３０ｒでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ１の供給を受ける第２垂直転送電極２５ｂによって構成され、読出しゲート３０ｇでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ４の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａによって構成されている。そして、読出しゲート３０ｂでのゲート電極が、垂直駆動信号φＶ２の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａによって構成されている。
【００６７】
したがって、垂直駆動信号φＶ１の供給を受ける第２垂直転送電極２５ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｒのみが開になり、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。垂直駆動信号φＶ４の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｇのみが開になり、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。そして、垂直駆動信号φＶ２の供給を受ける第１垂直転送電極２５ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｂのみが開になり、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。
【００６８】
すなわち、各画素からの電荷の読出しを、画素の色に応じて、それぞれ別個に制御することができる。
【００６９】
なお、１フレームの露光期間中、垂直駆動信号φ３はローレベル（例えば−８Ｖ）に維持され、他の垂直駆動信号φＶ１、φＶ２、およびφＶ４はハイレベル（例えば０Ｖ）に維持される。
【００７０】
前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させるためには、このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、電子シャッタ動作を行うことができるものであることが必要である。以下、ＣＣＤ型固体撮像素子１００での電子シャッタの構成例を、図４を参照しつつ、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面構造と併せて説明する。
【００７１】
図４は、図２に示したIV−IV線に沿ったＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面を概略的に示す。同図には、色フィルタアレイ８０上に必要に応じて配置されるマイクロレンズアレイ９０も示してある。
【００７２】
図４に示した構成要素のうち、既に図３に示した構成要素については図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【００７３】
図示のように、半導体基板１は、例えばｎ型シリコン基板３の一表面にｐ- 型不純物添加領域５、ｎ- 型不純物添加領域６、およびｐ- 型不純物添加領域７がこの順番で順次形成された層構成を有する。
【００７４】
ｐ- 型不純物添加領域５は、例えば、ｎ型シリコン基板３の一表面から所定の深さ離れた位置にｐ型不純物をイオン注入し、その後に熱処理を施すことによって形成することができる。ｎ- 型不純物添加領域６は、例えばｎ型シリコン基板３の一部からなる。ｐ- 型不純物添加領域７は、例えば、ｎ型シリコン基板３の一表面にｐ型不純物をイオン注入し、その後に熱処理を施すことによって形成される。
【００７５】
本明細書においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ- 型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ+ 型不純物添加領域、あるいはｎ- 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ+ 型不純物添加領域と表記する。
【００７６】
光電変換素子１０は、例えば、ｐ- 型不純物添加領域７の所定箇所にｎ型不純物添加領域１０ａを形成し、さらに、このｎ型不純物添加領域１０ａ上にｐ+ 型不純物添加領域１０ｂを形成することによって作製された埋込み型のフォトダイオードによって構成される。ｎ型不純物添加領域１０ａは電荷蓄積領域として機能し、このｎ型不純物添加領域１０ａの下にはｎ- 型不純物添加領域６が続いている。
【００７７】
垂直電荷転送チャネル２３はｐ- 型不純物添加領域７に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。
【００７８】
水平電荷転送チャネル４３（図３参照）は、前述のように、例えばｐ- 型不純物添加領域７に交互に繰り返し形成されたｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とによって構成される。
【００７９】
読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、３０ｂの各々は、前述のように、読出しゲート用チャネル領域３１を有する。このチャネル領域３１は、例えば、対応する光電変換素子１０（ｎ型不純物添加領域１０ａ）の所定箇所と垂直電荷転送チャネル２３との間においてｐ- 型不純物添加領域７に形成されたｐ型不純物添加領域からなる。
【００８０】
チャネル領域３１の形成箇所を除き、各光電変換素子１０の平面視上の周囲、各垂直電荷転送チャネル２３の平面視上の周囲、および水平電荷転送チャネル４３の平面視上の周囲には、チャネルストップ領域ＣＳが設けられる。このチャネルストップ領域ＣＳは、例えばｐ+ 型不純物添加領域からなる。
【００８１】
第１の電気的絶縁層１５が半導体基板１上に形成され、その上に第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ、水平転送電極、および電荷検出回路５０を構成する各種の電極が配置される。図４には、第１垂直転送電極２５ａおよび第２垂直転送電極２５ｂがそれぞれ１本ずつ示されている。
【００８２】
各光電変換素子１０上には、第１の電気的絶縁層１５として、例えばシリコン酸化膜（例えば熱酸化膜）が配置される。光電変換素子１０上の領域を除いた他の領域上には、第１の電気的絶縁層１５として、例えばＯＮＯ膜やＯＮ膜が配置される。
【００８３】
上記のＯＮＯ膜は、半導体基板１側から順番にシリコン酸化膜（熱酸化膜）、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜をこの順番で堆積させた層構成を有し、上記のＯＮ膜は、半導体基板１側から順番にシリコン酸化膜（熱酸化膜）およびシリコン窒化膜をこの順番で堆積させた層構成を有する。
【００８４】
第１の電気的絶縁層１５上に配置される各電極は、例えばポリシリコンによって形成される。
【００８５】
第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅの各々は、所謂重ね合わせ構造をなす。第２垂直転送電極２５ｂの各々、第３垂直転送電極２５ｃ、および第５垂直転送電極２５ｅそれぞれの線幅方向の縁部が、光電変換素子１０上の領域を除いた領域上において隣り合う他の垂直転送電極の線幅方向の縁部に重なる。個々の第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅは、例えば熱酸化膜等の電気的絶縁膜ＩＦによって覆われる。これらのことは、水平転送電極についても同様である。
【００８６】
第２の電気的絶縁層６０が、各光電変換素子１０、第１〜第５垂直転送電極２５ａ〜２５ｅ、および水平電荷転送素子４０（図３参照）を覆い、その上に光遮蔽膜６４、層間絶縁膜６８、パッシベーション膜７０、および第１の平坦化膜７５がこの順番で順次配置される。
【００８７】
第２の電気的絶縁層６０は、例えばシリコン酸化物によって形成されて、光遮蔽膜６４とその下の各種の電極との電気的な分離を十分なものとする。
【００８８】
光遮蔽膜６４は、個々の光電変換素子１０の上方を除いて、これらの光電変換素子１０が配置されている領域を覆い、光電変換素子１０以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。この光遮蔽膜６４は、各光電変換素子１０へ光が入射するように、個々の光電変換素子１０の上方に当該光電変換素子１０よりも平面視上の大きさが小さい開口部６４ａを１つずつ有する。個々の光電変換素子１０表面において開口部６４ａ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１０における受光面となる。
【００８９】
光遮蔽膜６４は、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金、前記の金属の化合物等によって形成される。
【００９０】
層間絶縁膜６８は例えばシリコン酸化物によって形成されて、垂直電荷転送素子２０、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０へそれぞれ所定の信号を供給するための配線と、光遮蔽膜６４との導通を防止する。
【００９１】
パッシベーション膜７０は、例えばシリコン窒化膜等によって構成されて、その下の部材を保護する。
【００９２】
第１の平坦化膜７５はフォトレジスト等の有機材料や、シリコン酸化物、ＰＳＧ（フォスホシリケートガラス）、ＢＰＳＧ（ボロフォスホシリケートガラス）、シリコン窒化物等の無機材料によって形成されて、色フィルタアレイ８０を形成するための平坦面を提供する。第１の平坦化膜７５を無機材料によって形成する場合には、パッシベーション膜７０を省略することも可能である。
【００９３】
色フィルタアレイ８０は、例えば、所望色の顔料または染料を含有した樹脂によって形成される。
【００９４】
色フィルタアレイ８０の上方にマイクロレンズアレイを配置する場合には、当該色フィルタアレイ８０上に第２の平坦化膜８５が形成され、その上にマクロレンズアレイ９０が形成される。
【００９５】
第２の平坦化膜８５はフォトレジスト等の有機材料によって形成されて、マイクロレンズアレイ９０を形成するための平坦面を提供する。
【００９６】
マイクロレンズアレイ９０は多数個のマイクロレンズ９０ａによって構成され、１つの光電変換素子１０に１つのマイクロレンズ９０ａが対応する。これらのマイクロレンズ９０ａは、例えば、透明樹脂（フォトレジストを含む。）層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部を丸め込ませた後に冷却することによって形成される。１つの区画から１つのマイクロレンズ９０ａが形成される。
【００９７】
上述した構造を有するＣＣＤ型固体撮像素子１００においては、図４に示すようにｐ- 型不純物添加領域５が接地される。ｎ型シリコン基板３に例えば２３Ｖ程度の電位を有する電子シャッタパルスＥＳを供給すると、パンチスルーによってｎ型不純物添加領域１０ａとｐ- 型不純物添加領域５とが導通し、ｎ型不純物添加領域１０ａに蓄積されていた電荷が排出される。すなわち、電子シャッタ動作が行われる。
【００９８】
前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させるためには、図１に示したように、１フレームの露光期間中に電子シャッタパルスＥＳ、および読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB をそれぞれ所定回数、ＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給することが必要となる。ＣＣＤ型固体撮像素子１００を備えた撮像装置では、これらのパルスを所定のタイミングで生成することが必要となる。
【００９９】
図５は、実施例による撮像装置（例えばディジタルスチルカメラ）を概略的に示すブロック図である。
【０１００】
同図に示す撮像装置２００は、上述したＣＣＤ型固体撮像素子１００（図５においては「固体撮像素子１００」と略記している。）をエリア・イメージセンサとして用いた撮像装置であり、固体撮像素子１００の他に、撮像光学系１１０、駆動信号生成部１３０、信号処理部１４０、モードセレクタ１５０、制御部１６０、表示部１７０、記録部１８０、およびシャッタボタン１９０を備える。
【０１０１】
ＣＣＤ型固体撮像素子１００については既に説明したので、ここではその説明を省略する。
【０１０２】
撮像光学系１１０は、ＣＣＤ型固体撮像素子１００上に光学像を結像させる。この撮像光学系１１０は、例えば、複数枚の光学レンズ、光学レンズを光軸方向に移動させるための光学レンズ駆動機構、光学絞り、光学絞りを開閉する光学絞り開閉機構、オプティカルローパスフィルタ、赤外線カットフィルタ、メカニカルシャッタ等を含んで構成される。図５においては、１枚の光学レンズ１１２によって撮像光学系１１０を代表して示す。図中の矢印Ｌは光を示す。
【０１０３】
駆動信号生成部１３０は、タイミング信号発生器１２０と、駆動回路１２５とを含む。
【０１０４】
タイミング信号発生器１２０は、水平電荷転送素子４０（図３参照）用の駆動信号φＨ１〜φＨ２や電荷検出回路５０（図３参照）用の信号を生成し、これらの信号をＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給する。また、撮像装置２００内の種々の回路の動作タイミングの統一をとるためのタイミング信号を生成し、このタイミング信号を各回路に供給する。
【０１０５】
駆動回路１２５は、タイミング信号発生器１２０から供給されるタイミング信号に基づいて垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４、電子シャッタパルスＥＳ、読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB 等の信号を生成し、固体撮像素子１００に供給する。この駆動回路１２５は例えば垂直ドライバ、ＤＣ電源等を含んで構成される。
【０１０６】
信号処理部１４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路１４１、自動利得調整（ＡＧＣ）回路１４２、Ａ／Ｄ変換回路１４３、映像信号生成回路１４５、オートホワイトバランス回路１４７等を含み、ＣＣＤ型固体撮像素子１００から出力された画素信号に基づいて再生画像用の画素信号を生成する。
【０１０７】
ＣＤＳ回路１４１は、固体撮像素子１００からの画素信号に含まれる雑音信号を低減させる。ＡＧＣ回路１４２は、ＣＤＳ回路１４１からの出力信号のレベルを適正範囲に保つ。Ａ／Ｄ変換回路１４３は、ＡＧＣ回路１４２からの出力信号をディジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換回路１４３から出力されたディジタル信号が、映像信号生成回路１４５へ供給される。
【０１０８】
映像信号生成回路１４５は、供給されたディジタル信号を赤色信号、緑色信号、および青色信号に色分離し、これらの色信号を用いて補間処理、ガンマ（γ）変換等の処理を行った後に、再生画像用の画素信号（輝度信号および色差信号）を生成する。
【０１０９】
オートホワイトバランス回路１４７は、例えば動画を撮影する際に映像信号生成回路１４５から赤色信号、緑色信号、および青色信号の供給を受け、これらの色信号それぞれの利得を調整してホワイトバランスをとる。静止画を撮影する際には、ＣＣＤ型固体撮像素子１００を前述した方法で駆動させ、オートホワイトバランス回路１４７によってホワイトバランスの微調整を行うことが好ましい。
【０１１０】
モードセレクタ１５０は、撮像装置２００の動作モードを選択するための選択スイッチである。撮像装置２００は、例えば、自動露出（ＡＥ）モード、自動合焦（ＡＦ）モード、デジタルズームモード、静止画モード、動画モード、連写モード等の動作モードを有している。モードセレクタ１５０は、撮像装置２００の使用者によって操作される。
【０１１１】
制御部１６０は、モードセレクタ１５０によって選択された動作モードに応じて、タイミング信号発生器１２０、ＡＧＣ回路１４２、映像信号生成部１４５等の動作を制御する。また、映像信号生成部１４５から供給される輝度信号に基づいて撮像光学系１１０中の光学絞り開閉機構の動作を制御し、測距信号に基づいて光学レンズ駆動機構の動作を制御する。この制御部１６０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）によって構成される。
【０１１２】
表示部１７０は、映像信号生成部１４５から供給される画素信号に基づいて、静止画または動画を表示する。この表示部１７０は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置によって構成される。
【０１１３】
記録部１８０は、映像信号生成部１４５から供給される画素信号を、例えばメモリカード等の記録媒体に記録する。
【０１１４】
シャッタボタン１９０は、例えば半押しにすると自動露出や自動測距等の動作の開始スイッチとして機能する。全押しにすると、メカニカルシャッタが動作し、一定時間、撮像光学系１１０からＣＣＤ型固体撮像素子１００への光の入射を遮断する。
【０１１５】
上述した構成を有する撮像装置２００では、モードセレクタによって例えば静止画モードが選択されるときにシャッタボタン１９０が全押しにされると、前述した実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動させて当該固体撮像素子１００から１フレーム分の画素信号を出力させるのに必要な種々の信号が、駆動信号生成部１３０によって生成される。
【０１１６】
その結果として、前述した方法によってＣＣＤ型固体撮像素子１００が駆動し、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力する。これらの画素信号が信号処理部１４０に供給されるので、信号処理部１４０においては、オートホワイトバランス回路１４８によってホワイトバランスを微調整するだけでホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができ、これらの色信号を用いて再生画像用の画素信号を生成することができる。赤色信号、緑色信号、および青色信号それぞれのノイズレベルがほぼ同じレベルに維持されているので、高画質の再生画像が得られる画素信号を生成しやすい。
【０１１７】
以上、実施例による固体撮像素子および撮像装置について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。
【０１１８】
例えば、前述した実施例による駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子は、多数個の画素が画素ずらし配置されたものに限定されるものではなく、多数個の画素が正方行列状に配置されたＣＣＤ型固体撮像素子に適用することもできる。
【０１１９】
図６は、多数個の画素が正方行列状に配置されたエリア・イメージセンサ用のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子１０と垂直電荷転送素子２０との平面配置の一例を概略的に示す。他の構成は図２〜図４に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様にすることができるので、ここではその図示および説明を省略する。また、同図に示した構成要素についても、図３に示した構成要素と機能上共通するものには、垂直転送電極を除き、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１２０】
図示のＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａでは、平面形状がほぼ矩形を呈する多数個の光電変換素子１０が正方行列状に配置され、垂直電荷転送チャネル２３の各々は、対応する画素列（光電変換素子列）に沿って直線状に延在する。
【０１２１】
電荷の読出しを画素の色に応じて別個に制御するために、１つの画素行（光電変換素子行）につき４本の垂直転送電極２５Ａ〜２５Ｄが配置される。これら４本の垂直転送電極２５Ａ〜２５Ｄのうち、第１垂直転送電極２５Ａおよび第２垂直転送電極２５Ｂは、それぞれ、所定の読出しゲート３０ｒ、３０ｇ、または３０ｂのゲート電極を兼ねる。第３垂直転送電極２５Ｃおよび第４垂直転送電極２５Ｅは、いずれも、読出しゲートのゲート電極を兼ねない。
【０１２２】
例えば図示のように、各第３垂直転送電極２５Ｃには配線ＷＬV11 を介して垂直駆動信号φＶ１が供給され、各第４垂直転送電極２５Ｄには配線ＷＬV14 を介して垂直駆動信号φＶ４が供給される。
【０１２３】
全ての第１垂直転送電極２５Ａの中から１本おきに選択された第１垂直転送電極２５Ａには配線ＷＬV12 を介して垂直駆動信号φＶ２ａが供給され、他の１本おきに選択された第１垂直転送電極２５Ａには配線ＷＬV15 を介して垂直駆動信号φＶ２ｂが供給される。
【０１２４】
全ての第２垂直転送電極２５Ｂの中から１本おきに選択された第２垂直転送電極２５Ｂには配線ＷＬV13 を介して垂直駆動信号φＶ３ａが供給され、他の１本おきに選択された第２垂直転送電極２５Ｂには配線ＷＬV16 を介して垂直駆動信号φＶ２ｂが供給される。
【０１２５】
垂直駆動信号φＶ２ａと垂直駆動信号φＶ２ｂとは、読出しパルスが重畳されるか否かが異なるのみで、各垂直電荷転送素子２０によって電荷を転送する際には、互いに同じ位相を有する。垂直駆動信号φＶ３ａ、φＶ３ｂは、重畳される読出しパルスが図１に示した読出しパルスＲＰG であるかＲＰB であるかが互いに異なるのみで、各垂直電荷転送素子２０によって電荷を転送する際には、互いに同じ位相を有する。
【０１２６】
垂直駆動信号φＶ２ｂの供給を受ける第１垂直転送電極２５Ａにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｒのみが開になり、赤色画素Ｒを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。垂直駆動信号φＶ３ａの供給を受ける第２垂直転送電極２５Ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｇのみが開になり、緑色画素Ｇを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。そして、垂直駆動信号φＶ３ｂの供給を受ける第２垂直転送電極２５Ｂにのみ読出しパルスを供給すれば、読出しゲート３０ｂのみが開になり、青色画素Ｂを構成する光電変換素子１０に蓄積された電荷のみを垂直電荷転送素子２０に読出すことができる。
【０１２７】
前述したように、ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａでの光電変換素子１０と垂直電荷転送素子２０との平面配置を除いた構成は、図２〜図４に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様である。ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａは、電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１２８】
したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子１００Ａは、前述した実施例による駆動方法によって駆動させることができる。
【０１２９】
前述した実施例による駆動方法によって駆動させるＣＣＤ型固体撮像素子は、エリア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子に限定されるものではなく、リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子にも適用することができる。
【０１３０】
図７は、リニア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置の一例を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図３に示した構成要素と機能上共通するものについては、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１３１】
図示のＣＣＤ型固体撮像素子３００は、白黒撮影およびカラー撮影が共に可能なリニア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子であり、このＣＣＤ型固体撮像素子３００では、半導体基板１の一表面に多数個の光電変換素子１０が４列に亘って配置される。
【０１３２】
紙面中、最も手前に描かれている光電変換素子列ＰＣ１中の各光電変換素子１０は白黒撮影用の画素を構成し、手前から２番目の光電変換素子列ＰＣ２中の各光電変換素子１０は青色画素を構成する。手前から３番目の光電変換素子列ＰＣ３中の各光電変換素子１０は緑色画素を構成し、最も奥の光電変換素子列ＰＣ４中の各光電変換素子１０は赤色画素を構成する。
【０１３３】
１つの光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿って電荷転送素子３２０が配置され、各電荷転送素子３２０の出力端に１つずつ、電荷検出回路５０が接続される。
【０１３４】
個々の電荷転送素子３２０は、例えば、(i) 図３に示した水平電荷転送素子４０と同様の構造を有する２相駆動型のＣＣＤ３２１と、(ii)対応する光電変換素子１０それぞれとの間に１つずつ配置された読出しゲート３０ｍ、３０ｂ、３０ｇ、または３０ｒとによって構成される。読出しゲート３０ｍは、白黒撮影用の画素から電荷を読出すための読出しゲートである。
【０１３５】
１つの光電変換素子列とこの光電変換素子列に対応するＣＣＤ３２１との間に１本の読出しゲート用電極線３３５が配置されて、１つの光電変換素子列に対応する読出しゲートそれぞれのゲート電極を構成する。
【０１３６】
赤色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰR 、緑色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰG 、青色画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰB 、および白黒撮影用の画素から電荷を読出すための読出しパルスＲＰm は、それぞれ、所定の１本の読出しゲート用電極線３３５に供給される。
【０１３７】
したがって、赤色画素からの電荷の読出し、緑色画素からの電荷の読出し、および青色画素からの電荷の読出しを、それぞれ別個に制御することができる。
【０１３８】
光電変換素子列ＰＣ２に対応する電荷転送素子３２０、光電変換素子列ＰＣ３に対応する電荷転送素子３２０、光電変換素子列ＰＣ４に対応する電荷転送素子３２０、およびこれらの電荷転送素子３２０に接続された各電荷検出回路５０は、１つの出力信号生成部を構成する。
【０１３９】
１列の光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿ってドレイン領域３６０が配置される。個々のドレイン領域３６０は、例えば、半導体基板１に形成されたｎ+ 型不純物添加領域によって構成される。１つのドレイン領域３６０と、これに対応する光電変換素子列との間には、チャネル領域が介在する。このチャネル領域は、半導体基板１上に電気的絶縁膜を介して配置された１本の掃出しゲート用電極線３６５によって平面視上覆われて、掃出しゲートを構成する。
【０１４０】
光電変換素子列ＰＣ２、ＰＣ３、またはＰＣ４に対応する掃出しゲート用電極線３６５には第１電子シャッタパルスＥＳ１が供給され、光電変換素子列ＰＣ１に対応する掃出しゲート用電極線３６５には第２電子シャッタパルスＥＳ２が供給される。掃出しゲート用電極線３６５に第１または第２電子シャッタパルスＥＳ１またはＥＳ２が供給されると、この掃出しゲート用電極線３６５に対応する光電変換素子１０の各々に蓄積されていた電荷が、当該掃出しゲート用電極線３６５に対応するドレイン領域３６０に掃出される。すなわち、電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１４１】
このように、ＣＣＤ型固体撮像素子３００は、(i) 赤色画素からの電荷の読出し、緑色画素からの電荷の読出し、および青色画素からの電荷の読出しを、それぞれ別個に制御することができ、かつ、(ii)電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子であるので、カラー撮影に際しては、前述した実施例による駆動方法によって駆動させることが可能である。
【０１４２】
上述したＣＣＤ型固体撮像素子１００、１００Ａ、３００についての説明から容易に理解されるように、前述した実施例による駆動方法は、(A) 画素からの電荷の読出しを画素の色に応じて別個に制御することができ、かつ、(B) 電子シャッタ動作を行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子であれば、その構造に拘わらず適用可能である。
【０１４３】
画素の配置、電荷転送素子の構造、電荷転送素子に読出した電荷を当該電荷転送素子によって転送する際の駆動信号の相数、電子シャッタ動作を行うための構造、電荷検出回路の構成等は、上記(A) および(B) の条件を満たす範囲内で種々選定可能である。
【０１４４】
同様に、上記(A) および(B) の条件を満たすＣＣＤ型固体撮像素子を利用した撮像装置の構成も、当該ＣＣＤ型固体撮像素子を前述した実施例による駆動法の下に駆動させることができさえすれば、その用途やグレード等に応じて適宜選定可能である。
【０１４５】
勿論、前述した実施例による駆動方法自体も、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号をＣＣＤ型固体撮像素子から出力させることができさえすれば、種々変更可能である。
【０１４６】
例えば、１フレームの露光期間中にＣＣＤ型固体撮像素子に供給する電子シャッタパルスＥＳの数は、概ね６４〜２５６の範囲内で適宜選定可能である。
【０１４７】
１フレームの露光期間中にＣＣＤ型固体撮像素子に供給する読出しパルスＲＰR 、ＲＰG 、ＲＰB の数は、赤色画素の感度ＳR 、緑色画素の感度ＳG 、および青色画素の感度ＳB に応じて適宜選択可能である。
【０１４８】
例えば、上記の各感度の比ＳR ：ＳG ：ＳB が概ね４：２：１であれば、１フレームの露光期間中での赤色画素の露光時間ＴR 、緑色画素の露光時間ＴG 、および青色画素の露光時間ＴB の比ＴR ：ＴG ：ＴB を概ね１：２：４とすることにより、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号をＣＣＤ型固体撮像素子から出力させることが可能となる。
【０１４９】
補色系の色フィルタを用いて画素を構成することも可能である。この場合でも、ＣＣＤ型固体撮像素子から出力された画素信号を基に色分離を行ったときに得られる赤色信号、緑色信号、および青色信号がほぼホワイトバランスのとれた色信号となるように、画素の色毎にその露光時間を選定する。
【０１５０】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは、当業者に自明であろう。
【０１５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＣＣＤ型固体撮像素子からほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力させることが可能になる。
【０１５２】
アンプゲインの調整という電気的な手法によらずに、ほぼホワイトバランスのとれた赤色信号、緑色信号、および青色信号を得ることができるので、これらの色信号それぞれのノイズレベルをほぼ同じレベルに維持することができる。高画質の再生画像が得られる撮像装置を提供することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による駆動方法によってＣＣＤ型固体撮像素子を駆動させるときの、１フレームの露光期間中での電子シャッタ動作および電荷読出し動作の実施タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図２】実施例による駆動方法を適用することができるＣＣＤ型固体撮像素子での色フィルタアレイの一例を概略的に示す上面図である。
【図３】図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、垂直電荷転送素子、水平電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図４】図２に示したＣＣＤ型固体撮像素子のIV−IV線に沿った断面を示す概略図である。
【図５】実施例による撮像装置を概略的に示すブロック図である。
【図６】実施例による駆動方法を適用することができる他のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子と垂直電荷転送素子との平面配置の一例を示す概略図である。
【図７】実施例による駆動方法を適用することができる他のＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、電荷転送素子、および電荷検出回路の平面配置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、 １０…光電変換素子、 ２０…垂直電荷転送素子、 ３０ｒ、３０ｇ、３０ｂ…読出しゲート、 ４０…水平電荷転送素子、 ５０…電荷検出回路、 ８０…色フィルタアレイ、 ８０Ｒ…赤色フィルタ、 ８０Ｇ…緑色フィルタ、 ８０Ｂ…青色フィルタ、 １００、１００Ａ、３００…ＣＣＤ型固体撮像素子、 １３０…駆動信号生成部、 １４０…信号処理部、 ２００…撮像装置、 ３２０…電荷転送素子、 ＲＰR …赤色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＲＰG …緑色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＲＰB …青色画素からの電荷読出しを指示する読出しパルス、 ＥＳ…電子シャッタパルス。
Claims (6)
- カラー撮影に必要な複数色の画素を有し、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子の駆動方法であって、
（Ａ）１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作を間歇的に複数回行うと共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で選択的に前記電荷の読出しを行う工程と、
（Ｂ）前記露光期間の終了後に、前記読出した電荷に基づいて前記出力信号を生成する工程と
を含む固体撮像素子の駆動方法。 - 前記複数色の画素が、赤色画素、緑色画素、および青色画素に分類される請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
- 前記複数色の画素が複数行、複数列に亘って行列状に配置され、
前記固体撮像素子が、さらに、１つの画素列に１つずつ配置されて前記電荷の読出し、および該読み出した電荷の転送を行う第１電荷転送素子と、前記第１電荷転送素子の各々に電気的に接続可能な第２電荷転送素子と、該第２電荷転送素子に接続された電荷検出回路とを有する請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子の駆動方法。 - カラー撮影に必要な複数色の画素を備え、前記複数色の画素それぞれに蓄積された電荷の読出しを該画素の色に応じて別個に制御することができると共に、電子シャッタ動作、および、前記読出した電荷に基づいての出力信号の生成を行うことができる固体撮像素子と、
１フレームの露光期間中に、前記電子シャッタ動作の実施を指示する電子シャッタパルスを間歇的に複数回生成することができると共に、１回の電子シャッタ動作と該電子シャッタ動作の次に行われる電子シャッタ動作との間の期間内に、前記電荷の読出しを指示する読出しパルスを前記複数色の画素の感度比に相関した読み出し周期比で生成することができる駆動信号生成部と、
前記出力信号に基づいて、再生画像用の画素信号を生成することができる信号処理部と
を有する撮像装置。 - 前記複数色の画素が、赤色画素、緑色画素、および青色画素に分類される請求項４に記載の撮像装置。
- 前記複数色の画素が複数行、複数列に亘って行列状に配置され、
前記固体撮像素子が、さらに、１つの画素列に１つずつ配置されて前記電荷の読出し、および該読み出した電荷の転送を行う第１電荷転送素子と、前記第１電荷転送素子の各々に電気的に接続可能な第２電荷転送素子と、該第２電荷転送素子に接続された電荷検出回路とを有する請求項４または請求項５に記載の撮像装置。
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