JP4010446B2 - 電荷転送装置および固体撮像素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送装置および固体撮像素子に係り、特に、ＣＣＤ（電荷結合素子）型の電荷転送装置およびＣＣＤ型の固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像素子をエリア・イメージセンサとして利用した撮像装置、例えばビデオカメラやデジタルスチルカメラが急速に普及しており、この撮像装置を搭載したパーソナルコンピュータや携帯情報端末も開発されている。
【０００３】
エリア・イメージセンサとして利用されるＣＣＤ型の固体撮像素子（以下、単に「ＣＣＤ型固体撮像素子」という。）では、半導体基板の一表面に多数個の光電変換素子が複数行、複数列に亘って行列状に配置される。各光電変換素子は一般にフォトダイオードによって構成され、入射光量に応じた電荷を蓄積する。
【０００４】
ＣＣＤ型固体撮像素子上に光学像を結像させると、各光電変換素子に電荷が蓄積される。これらの電荷を読出して電気信号に変換すれば、この電気信号を基に上記の光学像を再生することが可能である。
【０００５】
ＣＣＤ型固体撮像素子は、各光電変換素子に蓄積された電荷を読出して電気信号に変換するために、２種類の電荷転送素子を有する。
【０００６】
１つは、光電変換素子からの電荷の読出し、および読出した電荷の転送を行う電荷転送素子（以下、この電荷転送素子を「垂直電荷転送素子」ということがある。）であり、１つの光電変換素子列に１つずつ、当該光電変換素子列に沿って配置される。個々の垂直電荷転送素子は、一般に、ＣＣＤと、１つの光電変換素子に１つずつ配置された読出しゲートとを有する。
【０００７】
ＣＣＤは、例えば、半導体基板の一表面に線状ないし帯状にチャネルを形成し、このチャネル上に電気的絶縁膜を介して複数の電極を配置することによって得られる。
【０００８】
他の１つは、各垂直電荷転送素子から電荷を受け取り、これらの電荷を所定方向に転送する電荷転送素子（以下、この電荷転送素子を「水平電荷転送素子」ということがある。）であり、ＣＣＤによって構成される。
【０００９】
多くのＣＣＤ型固体撮像素子では、水平電荷転送素子の出力端に接続される電荷検出回路が、上記の半導体基板上に集積される。この電荷検出回路は、水平電荷転送素子から送られてくる電荷を順次検出し、その大きさに応じた電気信号（信号電圧）を順次生成し、出力する。
【００１０】
ところで、ＣＣＤ型固体撮像素子の解像度を向上させるうえからは、多くの光電変換素子を半導体基板に集積することが望まれる。多数の光電変換素子をできるだけ小さなピッチの下に配列させることが望まれる
１つの光電変換素子列に１つずつ垂直電荷転送素子を配置するにあたって、これらの垂直電荷転送素子を互いに電気的に分離したのでは、隣り合う光電変換素子列の間それぞれに、垂直電荷転送素子に駆動信号を供給するための配線を配置することが必要となり、光電変換素子の集積度を向上させにくくなる。
【００１１】
このため、一般には、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垂直電荷転送素子用のチャネル（以下、「垂直電荷転送チャネル」ということがある。）を形成すると共に、各々がこれらの垂直電荷転送チャネルを横切る多数の電極線を上記の半導体基板上に配置することによって、必要個の垂直電荷転送素子が形成される。
【００１２】
上記の電極線は、１つの光電変換素子行あたり１〜４本程度、半導体基板上に電気的絶縁膜を介して設けられる。個々の電極線における電荷転送チャネルとの平面視上の交差部が、垂直電荷転送素子の転送電極として機能する。
【００１３】
このように形成された垂直電荷転送素子の各々は、互いに同期して、水平電荷転送素子に向けて電荷を転送する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＣＤ型固体撮像素子における光電変換素子の数は増加の一途にあり、光電変換素子列の数は、多いものでは数千に達する。したがって垂直電荷転送素子の数も、多いものでは数千に達する。
【００１５】
その結果として、動画を撮影する際や、１秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影する際には、水平電荷転送素子の駆動周波数を高くしてフレームレートを上げることが必要となり、消費電力が増大する。
【００１６】
また、光電変換素子の数がある程度多くなると、たとえ水平電荷転送素子の駆動周波数を高くしても、各光電変換素子から読出した電荷を垂直電荷転送素子内および水平電荷転送素子内で間引かない限り、１秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが困難になる。
【００１７】
本発明の目的は、例えばＣＣＤ型固体撮像素子に用いることができる新たな電荷転送装置を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、高いフレームレートを得ることが容易な固体撮像素子を提供することである。
【００１９】
本発明の一観点によれば、電荷転送装置は、半導体基板と、前記半導体基板の一表面に形成された複数の第１電荷転送チャネル部と、前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜と、前記電気的絶縁膜上に配置された複数の電極線対であって、各々が２本の電極線によって構成され、該２本の電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る複数の電極線対と、互いに近接する２つの第１電荷転送チャネル部によって構成されるチャネル対それぞれに設けられ、一方の第１電荷転送チャネル部の一端を他方の第１電荷転送チャネル部の一端に電気的に接続する第２電荷転送チャネル部とを有する。
【００２０】
本発明の他の観点によれば、固体撮像素子は、半導体基板と、前記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と、１つの光電変換素子列に１つずつ該光電変換素子列に近接して前記半導体基板の一表面に形成され、各々が、対応する光電変換素子列に沿って延在する複数の第１電荷転送チャネル部と、前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜と、１つの光電変換素子行に１対ずつ該光電変換素子行に沿って前記電気的絶縁膜上に配置された第１電極線対であって、各々が２本の第１電極線によって構成され、該２本の第１電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る第１電極線対と、光電変換素子列方向の一方の端に配置され、前記複数の第１電荷転送チャネル部の中から１つおきに選択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第１の電荷転送素子と、前記光電変換素子列方向の他方の端に配置され、前記複数の第１電荷転送チャネル部の中から他の１つおきに選択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第２の電荷転送素子と、前記多数個の光電変換素子と前記第１の電荷転送素子との間、および、前記多数個の光電変換素子と前記第２の電荷転送素子との間にそれぞれ形成された電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の各々が、該電荷蓄積部に近接する前記第１電荷転送素子もしくは前記第２電荷転送素子に電気的に接続可能な前記第１電荷転送チャネル部それぞれに１つずつ、該第１電荷転送チャネル部から間隔をあけて前記半導体基板の一表面に形成された第２電荷転送チャネル部と、前記第２電荷転送チャネル部の一端と該第２電荷転送チャネル部に対応する第１電荷転送チャネル部とを電気的に接続する第３電荷転送チャネル部と、前記第２電荷転送チャネル部の他端と該第２電荷転送チャネル部に対応する前記第１電荷転送チャネル部とを電気的に接続する第４電荷転送チャネル部と、前記多数個の光電変換素子と前記第１の電荷転送素子との間の前記電気的絶縁膜上に配置された複数の第２電極線対であって、各々が２本の第２電極線によって構成され、該２本の第２電極線が、互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部上と前記第２電荷転送チャネル部上とで平面視上入れ替えながら前記第１電荷転送チャネル部の各々および前記第２電荷転送チャネル部の各々を横切る複数の第２電極線対とを有する。
【００２１】
上記の構成を有する電荷転送装置では、例えば各第１電荷転送チャネル部をその延在方向を互いに揃えて形成すると、１つおきの第１電荷転送チャネル部内の電荷をある向きＡに転送し、他の１つおきの第１電荷転送チャネル部内の電荷を向きＡとは逆の向きＢに転送することができる。勿論、駆動信号は、各電極線が第１電荷転送チャネル部を横切っていることから、個々の電極線の一端にのみ供給すればよい。隣り合う第１電荷転送チャネル部を互いに近接させることができる。
【００２２】
この電荷転送装置の構成をＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送素子に応用すれば、各光電変換素子に蓄積された電荷を２つの水平電荷転送素子に分散させて転送することができる。すなわち、１つおきの光電変換素子列から読出した電荷は、光電変換素子列方向の一端に配置した第１の水平電荷転送素子へ転送し、他の１つおきの光電変換素子列から読出した電荷は、光電変換素子列方向の他端に配置した第２の水平電荷転送素子へ転送することが可能になる。
【００２３】
第１の水平電荷転送素子および第２の水平電荷転送素子は、それぞれ、全ての垂直電荷転送素子の半数から電荷を受け取ればよい。１つの水平電荷転送素子が全ての垂直電荷転送素子から電荷を受け取る場合に比べて、ほぼ２倍のフレームレートを得ることが可能である。
【００２４】
このＣＣＤ型固体撮像素子を用いて撮像装置を構成することにより、多くの光電変換素子を集積して解像度を高めた場合でも、１秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが容易になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例による電荷転送装置１０での第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂおよび電極線対５の平面配置を概略的に示す。
【００２６】
図２は、図１に示したII−II線に沿った電荷転送装置１０の断面を概略的に示す。
【００２７】
図１に示すように電荷転送装置１０は、半導体基板１と、半導体基板１の一表面に形成された２つの第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂと、半導体基板１の上方に互いに並列に配置された複数の電極線対５とを有する。
【００２８】
個々の電極線対５は、２本の電極線５ａ、５ｂによって構成され、これらの電極線５ａ、５ｂは、第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上での互いの相対的な位置を第１電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送チャネル部３ｂ上とで平面視上入れ替えながら、第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂを横切る。
【００２９】
例えば、半導体基板１はｐ型シリコン基板からなり、各第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂは、半導体基板１に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。
【００３０】
図２に示すように、半導体基板１上（第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上を含む。）に電気的絶縁層４が形成され、その上に、各電極線５ａ、５ｂが配置される。
【００３１】
電気的絶縁層４としては、例えば、シリコン酸化膜（熱酸化膜を含む。）、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜（以下、「ＯＮ膜」と略記する。）、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層膜（以下、「ＯＮＯ膜」と略記する。）等が用いられる。
【００３２】
電極線５ａの各々は例えば第１ポリシリコンによって形成され、電極線５ｂの各々は例えば第２ポリシリコンによって形成される。個々の電極線５ａ、５ｂの表面には、例えば熱酸化膜からなる電気的絶縁膜ＩＦが形成される。
【００３３】
第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ上において隣り合う電極線５ａと電極線５ｂとを、所謂重ね合わせ構造とすることにより、電荷の転送効率を高めることが容易になる。この重ね合わせ構造では、個々の電極線５ｂでの線幅方向の縁部が、その上流側の電極線５ａおよび下流側の電極線５ａそれぞれの線幅方向の縁部に重なる。
【００３４】
なお、本明細書では、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。
【００３５】
必要に応じて、第１電荷転送チャネル部３ａの一端近傍に第１転送電極７ａを配置し、他端近傍に第２転送電極８ａを配置することができる。同様に、第１電荷転送チャネル部３ｂの一端近傍に第３転送電極７ｂを配置し、他端近傍に第４転送電極８ｂを配置することができる。これら第１〜第４転送電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂも、電気的絶縁層４上に配置される。
【００３６】
第１〜第４転送電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂに供給する電圧を制御することにより、各第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂへの電荷の入力、および各第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂからの電荷の出力を制御しやすくなる。
【００３７】
例えば図１に示すように、１つおきに選択された電極線対５に、配線ＷＬ１を介して第１駆動信号φ１を供給すると共に、配線ＷＬ２を介して第２駆動信号φ２を供給する。他の１つおきに選択された電極線対５に、配線ＷＬ３を介して第３駆動信号φ３を供給すると共に、配線ＷＬ４を介して第４駆動信号φ４を供給する。第１駆動信号φ１と第３駆動信号φ３とは、それぞれ、所定の電極線５ａに供給し、第２駆動信号φ２と第４駆動信号φ４とは、それぞれ、所定の電極線５ｂに供給する。
【００３８】
第１〜第４駆動信号φ１〜φ４の波形を適宜選定することにより、各第１電荷転送チャネル部３内の電荷を所定方向に転送することができる。
【００３９】
図３は、図１に示した電荷転送装置１０によって電荷を転送する際の転送方向の一例を示す。同図においては、各電極線５ａ、５ｂ上に、当該電極線５ａ、５ｂに供給される駆動信号を参照符号φ１、φ２、φ３、φ４で示している。
【００４０】
前述したように、各電極線対５における電極線５ａと電極線５ｂとの平面視上の相対的な位置は、第１電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送チャネル部３ｂ上とで入れ替わっている。このため、駆動信号φ１〜φ４が供給される電極線５ａ〜５ｂの分布が、第１電荷転送チャネル部３ａ上と第１電荷転送チャネル部３ｂ上とで互いに逆になる。
【００４１】
すなわち、第１電荷転送チャネル部３ａ上においては、紙面奥から紙面手前にかけて駆動信号φ１〜φ４が降順に供給されるように電極線５ａ〜５ｂが分布し、第１電荷転送チャネル部３ｂ上においては、紙面奥から紙面手前にかけて駆動信号φ１〜φ４が昇順に供給されるように電極線５ａ〜５ｂが分布する。
【００４２】
その結果として、第１電荷転送チャネル部３ａにおいて電荷が矢印Ａの方向に転送されるとすれば、第１電荷転送チャネル部３ｂにおいては矢印Ａの方向とは逆の矢印Ｂの方向に電荷が転送される。
【００４３】
第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂに別個に配線ＷＬ１〜ＷＬ４を配置することなく、第１電荷転送チャネル部３ａ内の電荷と第１電荷転送チャネル部３ｂ内の電荷とを異なる方向に転送することができる。
【００４４】
このような特性を有する電荷転送装置１０は、例えば、複数の遅延素子を備えた遅延装置として使用することができる。この場合、１つの遅延素子は、１つの第１電荷転送チャネル部３ａまたは３ｂと、その上方に配置された複数の電極線対５とを含む。
【００４５】
また、電荷転送装置１０の構成を、ＣＣＤ型固体撮像素子での垂直電荷転送素子に応用することもできる。この場合、１つの垂直電荷転送素子は、１つの第１電荷転送チャネル部３ａまたは３ｂと、その上方に配置された複数の電極線対５とを含む。
【００４６】
次に、第２の実施例による電荷転送装置について説明する。
【００４７】
図４は、本実施例による電荷転送装置２０での電荷転送チャネル部および電極線対の平面配置を概略的に示す。
【００４８】
この電荷転送装置では、第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂに加えて、(i) 第１電荷転送チャネル部３ａの一端と第１電荷転送チャネル部３ｂの一端とを電気的に接続する第２電荷転送チャネル部１２、および、(ii) 第１電荷転送チャネル部３ａの他端と第１電荷転送チャネル部３ｂの他端とを電気的に接続する第３電荷転送チャネル部１５が形成されている。
【００４９】
また、第２電荷転送チャネル部１２が第１転送電極７ａと第３転送電極７ｂとによって平面視上覆われ、第３電荷転送チャネル部１５が第３転送電極８ａと第４転送電極８ｂとによって平面視上覆われる。
【００５０】
これらの点を除けば、電荷転送装置２０の構成は前述した第１の実施例による電荷転送装置１０の構成と同様である。図４に示した構成要素のうち、図１に示した構成要素と機能上共通するものは図１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。
【００５１】
電荷転送装置２０では、２つの第１電荷転送チャネル部３ａ、３ｂと、第２電荷転送チャネル部１２と、第３電荷転送チャネル部１５とによって、１つの閉じた電荷転送路を形成することができる。
【００５２】
例えば第１電荷転送チャネル部３ａの一端を電荷の入力端ＩＴとして利用し、他端を電荷の出力端ＯＴとして利用すれば、入力端ＩＴから電荷転送装置２０に供給した電荷を当該電荷転送装置２０内で１周以上循環させた後に、出力端ＯＴから出力することができる。
【００５３】
勿論、電荷の入力端ＩＴおよび出力端ＯＴは、第１、第２および第３電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ、１２、１５のいずれかに電気的に接続可能であればよく、例えばこれら第１、第２および第３電荷転送チャネル部３ａ、３ｂ、１２、１５の任意の一領域を利用して構成することができる。
【００５４】
電荷転送装置２０を遅延素子として利用した場合には、直線的に形成された遅延素子に比べてほぼ半分の長さで、同じ遅延時間ないしはより多くの遅延時間を稼ぐことができる。
【００５５】
また、電荷転送装置２０の構成を応用して、フレーム転送式、またはフレームインターライン転送式のＣＣＤ型固体撮像素子における電荷蓄積部を構成することもできる。
【００５６】
次に、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子について説明する。
【００５７】
図５は、本実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１００での光電変換素子１１０、垂直電荷転送素子１２０、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電荷転送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、および第２の電荷検出回路１５５の平面配置を概略的に示す。
【００５８】
このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、カラー撮影が可能な単板式の撮像装置に利用されるものであり、図５においては図示を省略しているが、個々の光電変換素子１１０の上方に色フィルタが１つずつ配置され、さらに、個々の光電変換素子１１０の上方にマイクロレンズが１つずつ配置されている。
【００５９】
同図に示すように、このＣＣＤ型固体撮像素子１００においては、多数個の光電変換素子１１０が画素ずらし配置されている。
【００６０】
ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、奇数番目に当たる光電変換素子列中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子列中の光電変換素子の各々が、光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当たる光電変換素子行中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子行中の光電変換素子の各々が、光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２、行方向にずれ、光電変換素子列の各々が奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含むような、多数個の光電変換素子の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００６１】
上記の「光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約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光電変換素子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「光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２」についても同様である。
【００６２】
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１０万〜１５００万個程度の光電変換素子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。
【００６３】
光電変換素子１１０の各々は、例えば、半導体基板１０１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１１０に光が入射すると、この光電変換素子１１０に電荷が蓄積される。
【００６４】
個々の光電変換素子１１０に蓄積された電荷を第１または第２の電荷検出回路１５０または１５５へ転送するために、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垂直電荷転送素子１２０が配置される。
【００６５】
垂直電荷転送素子１２０の各々は、ＣＣＤと、対応する光電変換素子１１０の１つに１つずつ配置された読出しゲートとによって構成され、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。個々の垂直電荷転送素子１２０の構成については、後に図６を参照しつつ詳述する。
【００６６】
これらの垂直電荷転送素子１２０は、例えば４相の垂直駆動信号によって駆動されて、対応する光電変換素子１１０から読出した電荷を所定方向に転送する。すなわち、図５の左から数えて偶数番目に当たる垂直電荷転送素子１２０の各々は、対応する光電変換素子１１０から読出した電荷を第１の水平電荷転送素子１４０へ転送する。図５の左から数えて奇数番目に当たる垂直電荷転送素子１２０の各々は、対応する光電変換素子１１０から読出した電荷を第２の水平電荷転送素子１４５へ転送する。
【００６７】
第１の水平電荷転送素子１４０および第２の水平電荷転送素子１４５は、共に、ＣＣＤによって構成される。これら第１〜第２の水平電荷転送素子１４０、１４５は、いずれも、半導体基板１０１に形成されて光電変換素子行方向に延在する１つのｎ型の電荷転送チャネル（以下、「水平電荷転送チャネル」という。）と、半導体基板１０１上に第１の電気的絶縁層（図示せず。）を介して形成されて水平電荷転送チャネル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。
【００６８】
第１〜第２の水平電荷転送素子１４０、１４５の各々を例えば２相駆動型ＣＣＤによって構成する場合、これらの水平電荷転送素子１４０、１４５における水平電荷転送チャネルは、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。
【００６９】
このとき、電気的に接続される１個の垂直電荷転送素子１２０につき、ｎ型不純物添加領域とｎ^- 型不純物添加領域とが２つずつ対応して配置される。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１２０に対応する４本の水平転送電極のうち、下流側の２本が１つの配線に共通結線されて第１相の水平駆動信号の供給を受け、上流側の２本が他の配線に共通結線されて、第２相の水平駆動信号の供給を受ける。
【００７０】
第１の水平電荷転送素子１４０は、対応する垂直電荷転送素子１２０の各々から受け取った電荷を第１の電荷検出回路１５０へ転送する。
【００７１】
第２の水平電荷転送素子１４５は、対応する垂直電荷転送素子１２０の各々から受け取った電荷を第２の電荷検出回路１５５へ転送する。
【００７２】
第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５は、対応する第１または第２の水平電荷転送素子１４０または１４５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。
【００７３】
これら第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５は、例えば、対応する第１または第２の水平電荷転送素子１４０または１４５の出力端に電気的に接続された出力ゲートと、出力ゲートに隣接して半導体基板１０１に形成されたフローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」と略記する。）と、このＦＤ領域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（以下、「ＦＤＡ」と略記する。）とを有する。
【００７４】
出力ゲートは、水平電荷転送素子からＦＤ領域への電荷転送を行う。ＦＤ領域の電位は、当該ＦＤ領域内の電荷の大きさに応じて変化する。
【００７５】
ＦＤＡは、ＦＤ領域の電位変動を検出、増幅して、画素信号を生成する。この画素信号が、ＣＣＤ型固体撮像素子１００からの出力となる。
【００７６】
ＦＤ領域に隣接してリセットゲートが配置され、このリセットゲートに隣接して、リセットドレイン領域が半導体基板１０１に形成される。ＦＤ領域と、リセットゲートと、リセットドレイン領域とは、リセットトランジスタを構成する。
【００７７】
ＦＤＡによって検出された後の電荷、あるいは、ＦＤＡによって検出する必要のない電荷は、リセットゲートを介してリセットドレイン領域へ掃出され、例えば電源電圧に吸収される。リセットゲートの動作は、所定の駆動信号によって制御される。
【００７８】
図６は、図５に示したＣＣＤ型固体撮像素子１００における垂直電荷転送素子１２０の構成を概略的に示す。同図には、各垂直電荷転送素子１２０に４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４を供給するための配線例も併記している。
【００７９】
同図に示すように、個々の垂直電荷転送素子１２０は、半導体基板１０１の一表面に形成された第１電荷転送チャネル部１２３（以下、「垂直電荷転送チャネル部１２３」という。）を有する。個々の垂直電荷転送チャネル部１２３は、例えばｎ型不純物添加領域からなり、対応する光電変換素子列に沿った蛇行形状を有する。
【００８０】
これらの垂直電荷転送チャネル部１２３を横切るようにして、多数の第１電極線対１２５が半導体基板１０１上に第１の電気的絶縁層（図示せず。）を介して配置される。１つの光電変換素子行に１つの第１電極線対１２５が対応し、各第１電極線対１２５は、対応する光電変換素子行に沿って延在する。
【００８１】
例えば、個々の第１電極線対１２５を、対応する光電変換素子行からみてその第２の水平電荷転送素子１４５側に配置した場合には、第１の水平電荷転送素子１４０に最も近い光電変換素子行と第１の水平電荷転送素子１４０との間にも、当該第１の水平電荷転送素子１４０に最も近い光電変換素子行に沿って、更にもう１つの第１電極線対１２５が配置される。
【００８２】
逆に、個々の第１電極線対１２５を、対応する光電変換素子行からみてその第１の水平電荷転送素子１４０側に配置した場合には、第２の水平電荷転送素子１４５に最も近い光電変換素子行と第２の水平電荷転送素子１４５との間にも、当該第２の水平電荷転送素子１４５に最も近い光電変換素子行に沿って、更にもう１つの第１電極線対１２５が配置される。
【００８３】
必要に応じて、第１の水平電荷転送素子１４０に最も近い第１電極線対と第１の水平電荷転送素子１４０との間に１つ以上の第２電極線対が配置され、第２の水平電荷転送素子１４５に最も近い第１電極線対１２５と第２の水平電荷転送素子１４５との間にも、１つ以上の第２電極線対が配置される。これらの第２電極線対は、対応する光電変換素子行がない点を除き、第１電極線対１２５と同様に構成される。勿論、対応する光電変換素子行がない分、個々の第２電極線対は、例えば図１に示した各電極線対５のように、第１電極線対１２５よりも直線的に形成することができる。
【００８４】
個々の第１電極線対１２５は、２本の第１電極線１２５ａ、１２５ｂによって構成され、これら第１電極線１２５ａ、１２５ｂは、垂直電荷転送チャネル部１２３上での互いの相対的な位置を当該垂直電荷転送チャネル部１２３部毎に平面視上入れ替えながら、これら垂直電荷転送チャネル部１２３の各々を横切る。個々の第１電極線１２５ａ、１２５ｂは、その表面に設けられた電気的絶縁膜（図示せず。）によって、互いに電気的に分離される。
【００８５】
上記の説明から明らかなように、ＣＣＤ型固体撮像素子１００における各垂直電荷転送素子１２０の構成は、第１の実施例による電荷転送層装置１０の構成を応用したものである。
【００８６】
個々の第１電極線１２５ａ、１２５ｂにおける垂直電荷転送チャネル部１２３との平面視上の交差部が、垂直電荷転送素子１２０の転送電極として機能する。垂直電荷転送チャネル部１２３上において隣り合う第１電極線１２５ａ、１２５ｂを所謂重ね合わせ構造とすることにより、各垂直電荷転送素子１２０による電荷の転送効率を高めることが容易になる。この重ね合わせ構造では、個々の第１電極線１２５ｂでの線幅方向の縁部が、その上流側の第１電極線１２５ａおよび下流側の第１電極線１２５ａそれぞれの線幅方向の縁部に重なる。第１電極線１２５ｂにおいて第１電極線１２５ａ上に位置する領域は、垂直電荷転送素子１２０の転送電極としては機能しない。
【００８７】
これらの第１電極線１２５ａ、１２５ｂのうち、全ての第１電極線１２５ａの中から１本おきに選択された第１電極線１２５ａと、全ての第１電極線１２５ｂの中から１本おきに選択された第１電極線１２５ｂとは、それぞれ、所定の読出しゲート１３０のゲート電極としても機能する。
【００８８】
図７は、図６に示した半導体基板１０１、光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部１２３、および第１電極線１２５ａの平面配置を概略的に示す。同図に示すように、１本おきの第１電極線１２５ａが、１行おきの各光電変換素子１１０に対応する読出しゲート１３０のゲート電極として機能する。
【００８９】
図８は、図６に示した半導体基板１０１、光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部１２３、および第１電極線１２５ｂの平面配置を概略的に示す。同図に示すように、１本おきの第１電極線１２５ｂが、他の１行おきの各光電変換素子１１０に対応する読出しゲート１３０のゲート電極として機能する。
【００９０】
ゲート電極として機能する第１電極線１２５ａ、１２５ｂに例えば１５Ｖ程度の読出しパルスを印加すると、当該第１電極線１２５ａ、１２５ｂをゲート電極としている読出しゲート１３０の各々が開となる。各読出しゲート１３０の開閉を制御することにより、光電変換素子１１０に蓄積されていた電荷の垂直電荷転送素子１２０への読出しを制御することができる。
【００９１】
各垂直電荷転送素子１２０を４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動する場合には、図６に示したように、１つおきに選択された第１電極線対１２５に、配線ＷＬ_V1を介して垂直駆動信号φＶ１を供給すると共に、配線ＷＬ_V2を介して垂直駆動信号φＶ２を供給する。他の１つおきに選択された第１電極線対１２５に、配線ＷＬ_V3を介して垂直駆動信号φＶ３を供給すると共に、配線ＷＬ_V4を介して垂直駆動信号φＶ４を供給する。垂直駆動信号φＶ１と垂直駆動信号φＶ３とは、それぞれ、所定の第１電極線１２５ｂに供給し、垂直駆動信号φＶ２と垂直駆動信号φＶ４とは、それぞれ、所定の第１電極線１２５ａに供給する。
【００９２】
垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４それぞれの波形を適宜選定することにより、各垂直電荷転送素子１２０によって電荷を所定方向に転送することができる。このとき、図５の左から数えて偶数番目に当たる垂直電荷転送素子１２０は第１の水平電荷転送素子１４０へ向けて電荷を転送し、図５の左から数えて奇数番目に当たる垂直電荷転送素子１２０の各々は第２の水平電荷転送素子１４５へ向けて電荷を転送する。
【００９３】
第１の水平電荷転送素子１４０および第２の水平電荷転送素子１４５は、それぞれ、全ての垂直電荷転送素子１２０の半数から電荷を受け取ればよい。１つの水平電荷転送素子が全ての垂直電荷転送素子１２０から電荷を受け取る場合に比べて、駆動周波数が同じであればほぼ２倍のフレームレートを容易に得ることが可能である。
【００９４】
このＣＣＤ型固体撮像素子１００を用いて撮像装置を構成することにより、多くの光電変換素子１１０を集積して解像度を高めた場合でも、各光電変換素子１１０から読出した電荷を垂直電荷転送素子１２０内または第１〜第２水平電荷転送素子１４０、１４５内で間引くことなく、１秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが容易になる。
【００９５】
ただし、第１の水平電荷転送素子１４０からは、当該第１の水平電荷転送素子１４０に近い光電変換素子行から順番に光電変換素子行単位で電荷が出力され、第２の水平電荷転送素子１４５からは、第１の水平電荷転送素子１４０からみて遠い光電変換素子行から順番に光電変換素子行単位で電荷が出力される。
【００９６】
したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子１００を用いた撮像装置では、第１の電荷検出回路１５０および第２の電荷検出回路１５５から出力される各画素信号を一旦、フレームメモリに記憶させ、このフレームメモリから所定の順番で画素信号を読出して、再生画像用の画素信号を生成することが好ましい。
【００９７】
なお、ＣＣＤ型固体撮像素子１００では、前述したように、個々の光電変換素子１１０の上方に色フィルタが１つずつ配置され、さらに、個々の光電変換素子の上方にマイクロレンズが１つずつ配置される。
【００９８】
これらの色フィルタおよびマイクロレンズの配置も含めて、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面構造を図９を参照しつつ説明する。
【００９９】
図９は、図６に示すIX−IX線に沿ったＣＣＤ型固体撮像素子１００の断面を概略的に示す。
【０１００】
同図に示すように、半導体基板１０１は、例えばｎ型シリコン基板１０１ａの一表面にｐ^- 型不純物添加領域１０１ｂが形成された層構成を有する。
【０１０１】
ｐ^- 型不純物添加領域１０１ｂは、例えば、ｎ型シリコン基板１０１ａ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。あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ型シリコン基板１０１ａの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
【０１０２】
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。ｐ^- 型不純物添加領域１０１ｂをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。
【０１０３】
光電変換素子１１０は、例えば、ｐ^- 型不純物添加領域１０１ａの所定箇所にｎ型不純物添加領域１１０ａを形成し、さらに、このｎ型不純物添加領域１１０ａ上にｐ⁺ 型不純物添加領域１１０ｂ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１１０ａは電荷蓄積領域として機能する。
【０１０４】
垂直電荷転送チャネル部１２３は、ｐ^- 型不純物添加領域１０１ｂに形成されたｎ型不純物添加領域からなる。
【０１０５】
読出しゲート１３０の各々は、読出しゲート用チャネル領域１３１を有する。このチャネル領域１３１は、例えば、対応する光電変換素子１１０（ｎ型不純物添加領域１１０ａ）の所定箇所と垂直電荷転送チャネル部１２３との間に形成されたｐ型不純物添加領域からなる。
【０１０６】
チャネル領域１３１の形成箇所を除き、各光電変換素子１１０の平面視上の周囲、各垂直電荷転送チャネル部１２３の平面視上の周囲、および前述した水平電荷転送チャネル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。
【０１０７】
第１の電気的絶縁層１１５が半導体基板１０１上に形成され、その上に第１電極線対１２５、第２電極線対、水平転送電極、および、第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５を構成する各種の電極が配置される。
【０１０８】
各光電変換素子１１０上には、第１の電気的絶縁層１１５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１１０上の領域を除いた他の領域上には、第１の電気的絶縁層１１５として、例えばＯＮＯ膜やＯＮ膜が配置される。
【０１０９】
第１の電気的絶縁層１１５上に配置される各電極線ないし電極は、例えばポリシリコンによって形成される。個々の電極線ないし電極の表面には、例えば熱酸化膜からなる電気的絶縁膜ＩＦが設けられる。図９には、第１電極線１２５ａと第１電極線１２５ｂとがそれぞれ１本ずつ示されている。
【０１１０】
第１電極線１２５ａ、１２５ｂの各々は、前述のように、所謂重ね合わせ構造をなす。水平転送電極についても同様である。
【０１１１】
第２の電気的絶縁層１６０が、各光電変換素子１１０、各第１電極線対１２５、第１および第２の水平電荷転送素子１４０、１４５、ならびに第１および第２の電荷検出回路１５０、１５５を覆い、その上に光遮蔽膜１６４、層間絶縁膜１６８、パッシベーション膜１７０、および第１の平坦化膜１７５がこの順番で順次配置される。
【０１１２】
第２の電気的絶縁層１６０は、例えばシリコン酸化物によって形成されて、光遮蔽膜１６４とその下の各種の電極線ないし電極との電気的な分離を十分なものとする。
【０１１３】
光遮蔽膜１６４は、各垂直電荷転送素子１２０、第１〜第２の水平電荷転送素子１４０、１４５、ならびに第１〜第２の電荷検出回路１５０、１５５を平面視上覆って、光電変換素子１１０以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。その一方で、各光電変換素子１１０へは光が入射するように、個々の光電変換素子１１０の上方に当該光電変換素子１１０よりも平面視上の大きさが小さい開口部１６４ａを１つずつ有する。個々の光電変換素子１１０表面において開口部１６４ａ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１１０における受光面となる。
【０１１４】
光遮蔽膜１６４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。
【０１１５】
層間絶縁膜１６８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１２０、第１または第２の水平電荷転送素子１４０、１４５、ならびに第１または第２の電荷検出回路１５０、１５５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１６４との導通を防止する。
【０１１６】
パッシベーション膜１７０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。
【０１１７】
第１の平坦化膜１７５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１８０を形成するための平坦面を提供する。第１の平坦化膜１７５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１７０を省略することも可能である。
【０１１８】
色フィルタアレイ１８０は、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る。１つの光電変換素子１１０に１つの色フィルタが対応する。図９には、１つの赤色フィルタ１８０Ｒと１つの青色フィルタ１８０Ｂとが示されている。個々の色フィルタは、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。
【０１１９】
色フィルタアレイ１８０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１８０上に第２の平坦化膜１８５が形成され、その上にマクロレンズアレイ１９０が形成される。
【０１２０】
第２の平坦化膜１８５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１９０を形成するための平坦面を提供する。
【０１２１】
マイクロレンズアレイ１９０は多数個のマイクロレンズ１９０ａによって構成され、１つの光電変換素子１１０に１つのマイクロレンズ１９０ａが対応する。これらのマイクロレンズ１９０ａ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１９０ａが形成される。
【０１２２】
なお、白黒撮影用のＣＣＤ型固体撮像素子では、色フィルタアレイ１８０に代えて、単色の着色層、例えば緑色もしくは青色の着色層、または透明樹脂層が用いられる。単板式の撮像装置に利用されるＣＣＤ型固体撮像素子では、色フィルタアレイ１８０に代えて、赤色、緑色または青色の着色層が用いられる。マイクロレンズアレイは任意の構成部材であり、省略可能である。
【０１２３】
次に、第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子について説明する。
【０１２４】
図１０は、本実施例による固体撮像素子２００での光電変換素子１１０、垂直電荷転送チャネル部１２３、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電荷転送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、および第２の電荷検出回路１５５の平面配置を概略的に示す。
【０１２５】
同図に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子２００では、第１の水平電荷転送素子１４０に最も近い光電変換素子行と第１の水平電荷転送素子１４０との間に電荷蓄積部ＡＲ１が形成され、第２の水平電荷転送素子１４５に最も近い光電変換素子行と第２の水平電荷転送素子１４５との間に電荷蓄積部ＡＲ２が形成されている。図示のＣＣＤ型固体撮像素子２００は、フレームインターライン転送式のＣＣＤ型固体撮像素子である。
【０１２６】
ＣＣＤ型固体撮像素子２００における他の構成は、前述したＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様であるので、ここではその説明を省略する。図１０についても、図５または図６に示した構成要素と共通するものには図５または図６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。
【０１２７】
電荷蓄積部ＡＲ１は、第１の水平電荷転送素子１４０に電気的に接続可能な垂直電荷転送チャネル部１２３それぞれに１つずつ、この垂直電荷転送チャネル部１２３から間隔をあけて半導体基板１０１の一表面に形成された第２電荷転送チャネル部２０５を有する。
【０１２８】
第２電荷転送チャネル部２０５の一端は、第３電荷転送チャネル部２１０によって、この第２電荷転送チャネル部２０５に対応する垂直電荷転送チャネル部１２３に電気的に接続される。第２電荷転送チャネル部２０５の他端は、第４電荷転送チャネル部２１５によって、この第２電荷転送チャネル部２０５に対応する垂直電荷転送チャネル部１２３に電気的に接続される。
【０１２９】
第２電荷転送チャネル部２０５、第３電荷転送チャネル部２１０、および第４電荷転送チャネル部２１５は、いずれも、例えば半導体基板１０１の一表面に形成されたｎ型不純物添加領域からなる。
【０１３０】
電荷蓄積部ＡＲ１は、上述の電荷転送チャネル部１２３、２０５、２１０、２１５の他に、前述した第１の電気的絶縁層１１５（図９参照）上に配置された複数の第２電極線対の第２電極線対を有する。
【０１３１】
電荷蓄積部ＡＲ１に配置される第２電極線対の数は、例えば、１フレームの撮影時に転送されてくる全ての電荷を当該電荷蓄積部ＡＲ１に蓄積することができるように、１列の光電変換素子列中の光電変換素子１１０の数に応じて適宜選定される。
【０１３２】
個々の第２電極線対は、その平面視上の形状が図４に示した電極線対５を更に紙面の左右方向に延長させた形状である点を除いて、図４に示した電極線対５と同様の構造を有するので、ここではその図示を省略する。勿論、第２電極線対を構成する２本の第２電極線は、互いの相対的な位置を垂直電荷転送チャネル部１２３上と第２電荷転送チャネル部２０５上とで平面視上入れ替えながら、これら第１電荷転送チャネル部１２３の各々および第２電荷転送チャネル部２０５の各々を横切る。
【０１３３】
電荷蓄積部ＡＲ２は、上述した電荷蓄積部ＡＲ１と同様の構成を有する。電荷蓄積部ＡＲ１およびＡＲ２は、共に、光遮蔽膜１６４によって覆われる。
【０１３４】
このように構成されたＣＣＤ型固体撮像素子２００は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１００と同様の効果を奏する。
【０１３５】
さらに、光電変換素子１１０から読出した電荷を比較的短時間の内に電荷蓄積部ＡＲ１またはＡＲ２に転送することができるので、各光電変換素子１１０に強い光が入射したときでも、スミアの発生を抑制しやすい。
【０１３６】
また、１つの垂直電荷転送チャネル部１２３と、これに対応する第２電荷転送チャネル部２０５、第３電荷転送チャネル部２１０、第４電荷転送チャネル部２１５と、各第２電極線対とによって、１つの閉じた電荷転送路を形成することができるので、この電荷転送路内で電荷の加算（混合）等を行うことができる。
【０１３７】
例えば、１フレーム（以下「、第１フレーム」という。）を撮影したとき各光電変換素子１１０に蓄積された電荷を、電荷蓄積部ＡＲ１および電荷蓄積部ＡＲ２へ転送すると共に、この転送期間中に次の１フレーム（以下「、第２フレーム」という。）の撮影を開始し、その後に第１フレームの電荷と第２フレームの電荷とを電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ２内で加算（混合）することができる。この加算（混合）は、例えば以下のようにして行うことができる。
【０１３８】
まず、第１フレームの撮影時に光電変換素子列のそれぞれから読出した電荷（以下、これらの電荷を「電荷Ａ」という。）を、当該光電変換素子列に対応する上記閉じた電荷転送路へ転送する。次いで、第２フレームの撮影時に各光電変換素子列に蓄積された電荷（以下、これらの電荷を「電荷Ｂ」という。）を対応する垂直電荷転送素子１２０へ読出し、当該光電変換素子列に対応する第１または第２の水平電荷転送素子１４０、１４５へ向けて転送する。
【０１３９】
個々の電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ２における第２電極線対の数を予め選定して、電荷Ｂのうちの先頭の電荷が上記閉じた電荷転送路に達した時点で、当該閉じた電荷転送路内に既に分布している電荷Ａが第４電荷転送チャネル部２１５から垂直電荷転送チャネル部１２３へ転送され始めるように調整しておく。
【０１４０】
この調整により、電荷蓄積部ＡＲ１、ＡＲ２における各垂直電荷転送チャネル部１２３内で電荷Ａと電荷Ｂとを１つずつ加算し、加算された電荷から順次第１または第２の水平電荷転送素子１４０、１４５へ転送すること可能になる。
【０１４１】
このとき電荷Ａの各々は、例えば、先頭の電荷が第４電荷転送チャネル部２１５内で垂直電荷転送チャネル部１２３の手前に分布し、最後尾の電荷が垂直電荷転送チャネル部１２３内で上記閉じた電荷転送路内に入った所に分布する。電荷Ｂのうちの先頭の電荷が上記閉じた電荷転送路内に入るときには、当該先頭の電荷と一緒に、電荷Ａのうちの先頭の電荷が第４電荷転送チャネル部２１５から垂直電荷転送チャネル部１２３へ転送される。１つの電荷Ａと１つの電荷Ｂとが加算される。以降、１つの電荷Ｂが上記閉じた電荷転送路内に入るたび毎に、第４電荷転送チャネル部２１５から垂直電荷転送チャネル部１２３へ１つの電荷Ａが転送されるので、これらの電荷が加算される。
【０１４２】
上述した電荷の加算を行うことにより、例えば、夜景や暗い被写体の撮影が容易になる。また、高感度で撮影することが容易になる。さらに、光電変換素子１１０の高集積化に伴って各光電変換素子１１０の飽和容量が低下した場合でも、ダイナミックレンジを容易に拡大することが可能になる。
【０１４３】
また、ＣＣＤ型固体撮像素子２００を用いた撮像装置では、フレームメモリを用いることなく再生画像用の画素信号を生成することが可能である。
【０１４４】
例えば、第２の水平電荷転送素子１４５に最も近い光電変換素子行を基準にすると、電荷蓄積部ＡＲ２に転送された各電荷は、上記閉じた電荷転送路内を１周させた後に再び垂直電荷転送チャネル部１２３を介して第２の水平電荷転送素子１４５へ転送する。
【０１４５】
その一方で、電荷蓄積部ＡＲ１に転送された各電荷は、上記閉じた電荷転送路を概ね１周半させた後、より具体的には、最後尾の電荷が垂直電荷転送チャネル部１２３内で第３電荷転送チャネル部２１０の手前に来るまで、または、第３電荷転送チャネル部２１０に入るまで転送した後、最後尾の電荷から第１の電荷転送素子１４０へ転送する。
【０１４６】
上述のように電荷を転送すると、第１の水平電荷転送素子１４０および第２の水平電荷転送素子１４５それぞれへ、上記基準とした光電変換素子行から光電変換素子行単位で順次電荷が転送されることになる。
【０１４７】
その結果として、ＣＣＤ型固体撮像素子２００を用いた撮像装置では、フレームメモリを用いることなく再生画像用の画素信号を生成することが可能になる。
【０１４８】
垂直電荷転送素子１２０（図６参照）による電荷の転送、ならびに、電荷蓄積部ＡＲ１およびＡＲ２内での電荷の転送は、例えば図６に示した４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４によって行うことができる。このとき、第１電極線対１２５（図６参照）の各々と上述した第２電極線の各々とを合わせた電極線全体への垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４の供給パターンが、各第１電極線対１２５への垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４の供給パターンと同じになるようにして、垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４を供給する。
【０１４９】
ただし、電荷蓄積部ＡＲ１またはＡＲ２に転送した各電荷を、前述のように最後尾の電荷から第１または第２の水平電荷転送素子１４０または１４５へ転送する場合には、少なくとも当該電荷蓄積部ＡＲ１またはＡＲ２を構成する各第２電極線へは、各第１電極線対へ垂直駆動信号を供給するために配線とは別の配線によって、駆動信号を供給することが好ましい。前記別の配線を設けることにより、動画についても、フレームメモリを用いることなく再生画像用の画素信号を生成することが容易になる。
【０１５０】
次に、第３の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子について説明する。
【０１５１】
図１１は、本実施例による固体撮像素子２１０での光電変換素子１１０、垂直電荷転送素子１２０、第１の水平電荷転送素子１４０、第２の水平電荷転送素子１４５、第１の電荷検出回路１５０、第２の電荷転出回路１５５、および第３の電荷検出回路１５８の平面配置を概略的に示す。
【０１５２】
図示のＣＣＤ型固体撮像素子２１０は、カラー撮影用の単板式撮像装置に利用されるＣＣＤ型固体撮像素子であり、半導体基板１０１の上方には、カラー撮影に必要な原色系の色フィルタアレイ（図示せず。）が配置されている。個々の光電変換素子１１０の上方には、赤色フィルタ、緑色フィルタ、および青色フィルタのいずれか１つが位置する。
【０１５３】
図１１には、個々の光電変換素子１１０の上方に位置している色フィルタの種類を参照符号Ｒ、Ｇ、Ｂで示している。参照符号Ｒは赤色フィルタを意味し、参照符号Ｇは緑色フィルタを意味し、参照符号Ｂは青色フィルタを意味する。
【０１５４】
これらの参照符号の分布から明らかなように、上記の色フィルタアレイでは、赤色フィルタＲと青色フィルタＢとが光電変換素子列方向に交互に繰り返し配置された第１色フィルタ列と、緑色フィルタＧのみによって構成された第２色フィルタ列とが交互に繰り返し配置されている。１つの第２色フィルタ列を挟んで隣り合う２つの第１色フィルタ列では、赤色フィルタと青色フィルタとの配置が互いに逆になっている。
【０１５５】
また、ＣＣＤ型固体撮像素子２１０では、第２の水平電荷転送素子１４５の出力端に、第２の電荷検出回路１５５の他に第３の電荷検出回路１５８が接続されている。
【０１５６】
ＣＣＤ型固体撮像素子２１０における他の構成は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１００の構成と同様であるので、ここではその説明を省略する。図１１についても、図５に示した構成要素と共通するものには図５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。
【０１５７】
このように構成されたＣＣＤ型固体撮像素子２１０では、上方に緑色フィルタＧが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷が第１の水平電荷転送素子１４０へ転送され、上方に赤色フィルタＲまたは青色フィルタＢが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷が第２の水平電荷転送素子１４５へ転送される。
【０１５８】
第２の水平電荷転送素子１４５は、例えば、上方に赤色フィルタＲが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷を第２の電荷検出回路１５５へ転送し、上方に青色フィルタＢが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷を第３の電荷検出回路１５５へ転送する。
【０１５９】
第１の電荷検出回路１５０、第２の電荷検出回路１５５、および第３の電荷検出回路１５８それぞれの利得は、別個に調整することが可能である。
【０１６０】
換言すれば、上方に緑色フィルタＧが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷に基づく画素信号、上方に赤色フィルタＲが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷に基づく画素信号、および、上方に青色フィルタＢが配置されている光電変換素子１１０から読出された電荷に基づく画素信号それぞれの利得を、別個に調整することが可能である。
【０１６１】
したがって、ＣＣＤ型固体撮像素子２１０は、第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１００と同様の効果を奏する他に、ダイナミックレンジの拡大や、低ノイズ化が容易になるという効果を奏し、さらには、ほぼホワイトバランスのとれた画素信号を出力することができるという効果も奏する。
【０１６２】
以上、実施例による電荷転送装置およびＣＣＤ型固体撮像素子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。
【０１６３】
例えば、第２の実施例による電荷転送装置２０（図４参照）では、第２電荷転送チャネル部１２と第３電荷転送チャネル部１５が配置されているが、これら第２電荷転送チャネル部１２および第３電荷転送チャネル部１５のいずれか一方のみを配置して電荷転送装置を構成することもできる。このようにして構成された電荷転送装置でも、直線的に形成された遅延素子に比べてほぼ半分の長さで、同じ遅延時間を稼ぐことができる。また、電荷の入力端と出力端とを同じ方向に設けることができる。
【０１６４】
また、第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子２００では、垂直電荷転送チャネル部１２３の他に第２電荷転送チャネル部２０５を形成したが、電荷蓄積部ＡＲ１内の第２電荷転送チャネル部２０５は、第１の水平電荷転送素子１４０に電気的に接続されない垂直電荷転送チャネル部１２３の一端を第１の水平電荷転送素子１４０側に延長することによっても形成することができる。
【０１６５】
同様に、電荷蓄積部ＡＲ２内の第２電荷転送チャネル部２０５は、第２の水平電荷転送素子１４５に電気的に接続されない垂直電荷転送チャネル部１２３の一端を第２の水平電荷転送素子１４０側に延長することによっても形成することができる。
【０１６６】
ＣＣＤ型固体撮像素子における光電変換素子は、画素ずらし配置する他に、正方行列状（行数と列数とが異なるものを含む。）に配置してもよい。
【０１６７】
実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子では、偶数番目に当たる光電変換素子列と奇数番目に当たる光電変換素子列とで光電変換素子の数が異なるが、実際のＣＣＤ型固体撮像素子では、多くの場合、各光電変換素子列が同数の光電変換素子によって構成される。
【０１６８】
電荷転送装置の駆動に使用する駆動信号、およびＣＣＤ型固体撮像素子で各垂直電荷転送素子の駆動に使用する垂直駆動信号は、いずれも４相に限定されるものではなく、適宜選定可能である。例えば、光電変換素子が画素ずらし配置されているＣＣＤ型固体撮像素子においては、８相の垂直駆動信号によって各垂直電荷転送素子を駆動させることにより、全画素読出し動作の他に、１／２間引き読出し動作や、垂直２画素加算動作（個々の垂直電荷転送素子内で、対応する光電変換素子列から読出した電荷のうちの近接する２つの電荷同士を加算する動作）を行うことが可能になる。
【０１６９】
ＣＣＤ型固体撮像素子における水平電荷転送素子の構成および駆動方法は、製造しようとするＣＣＤ型固体撮像素子の用途やグレード等に応じて適宜選定可能である。同様に、電荷検出回路それぞれの構成も、製造しようとするＣＣＤ型固体撮像素子の用途やグレード等に応じて適宜選定可能である。
【０１７０】
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。
【０１７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、新たな電荷転送装置が提供される。この電荷転送装置の構成を、ＣＣＤ型固体撮像素子での垂直電荷転送素子に応用すれば、高いフレームレートを得ることが容易なＣＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。
【０１７２】
このＣＣＤ型固体撮像素子を用いて撮像装置を構成すれば、多くの光電変換素子を集積して解像度を高めた場合でも、１秒間当たり複数コマの静止画を連続撮影することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による電荷転送装置での第１電荷転送チャネル部および電極線対の平面配置を示す概略図である。
【図２】図１に示したII−II線に沿った電荷転送装置の断面を示す概略図である。
【図３】図１に示した電荷転送装置によって電荷を転送する際の転送方向の一例を示す概略図である。
【図４】第２の実施例による電荷転送装置での電荷転送チャネル部および電極線対の平面配置を示す概略図である。
【図５】第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、垂直電荷転送素子、第１の水平電荷転送素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回路、および第２の電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図６】図５に示したＣＣＤ型固体撮像素子における垂直電荷転送素子の構成を示す概略図である。
【図７】図６に示した半導体基板、光電変換素子、垂直電荷転送チャネル部、および第１電極線の平面配置を示す概略図である。
【図８】図６に示した半導体基板、光電変換素子、垂直電荷転送チャネル部、および他の第１電極線の平面配置を示す概略図である。
【図９】図６に示すIX−IX線に沿ったＣＣＤ型固体撮像素子の断面を示す概略図である。
【図１０】第２の本実施例による固体撮像素子での光電変換素子、垂直電荷転送チャネル部、第１の水平電荷転送素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回路、および第２の電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図１１】第３の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子での光電変換素子、垂直電荷転送素子、第１の水平電荷転送素子、第２の水平電荷転送素子、第１の電荷検出回路、第２の電荷転出回路１５５、および第３の電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、 ３ａ、３ｂ…第１電荷転送チャネル部、 ５ａ、５ｂ…電極線、 ５…電極線対、 ７ａ…第１転送電極、 ７ｂ…第３転送電極、 ８ａ…第２転送電極、 ８ｂ…第４転送電極８ｂ、 １０、２０…電荷転送装置、 １２…第２電荷転送チャネル部、 １５…第３電荷転送チャネル部、 １００、２００、２１０…ＣＣＤ型固体撮像素子、 １０１…半導体基板、 １１０…光電変換素子、 １２０…垂直電荷転送素子、 １２３…垂直電荷転送チャネル部、 １２５ａ、１２５ｂ…第１電極線、 １２５…第１電極線対、 １３０…読出しゲート、 １４０…第１の水平電荷転送素子、 １４５…第２の水平電荷転送素子、 １５０…第１の電荷検出回路、 １５５…第２の電荷検出回路、 １５８…第３の電荷検出回路、 ２０５…第２電荷転送チャネル部、 ２１０…第３電荷転送チャネル部、 ２１５…第４電荷転送チャネル部。

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一表面に形成された複数の第１電荷転送チャネル部と、
   前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜と、
   前記電気的絶縁膜上に配置された複数の電極線対であって、各々が２本の電極線によって構成され、該２本の電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る複数の電極線対と、
   互いに近接する２つの第１電荷転送チャネル部によって構成されるチャネル対それぞれに設けられ、一方の第１電荷転送チャネル部の一端を他方の第１電荷転送チャネル部の一端に電気的に接続する第２電荷転送チャネル部と
   を有する電荷転送装置。
2. さらに、前記第２電荷転送チャネル部の上方に前記電気的絶縁膜を介した配置された少なくとも１つの第１転送電極を有する請求項１に記載の電荷転送装置。
3. さらに、前記チャネル対それぞれに設けられ、前記一方の第１電荷転送チャネル部の他端を前記他方の第１電荷転送チャネル部の他端に電気的に接続する第３電荷転送チャネル部と、前記第３電荷転送チャネル部の上方に前記電気的絶縁膜を介して配置された少なくとも１つの第２転送電極と、前記２つの第１電荷転送チャネル部、前記第２電荷転送チャネル部、および前記第３電荷転送チャネル部のいずれかに電気的に接続可能な電荷入力端と、前記２つの第１電荷転送チャネル部、前記第２電荷転送チャネル部、および前記第３電荷転送チャネル部のいずれかに電気的に接続可能な電荷出力端と、を有する請求項１または請求項２に記載の電荷転送装置。
4. 半導体基板と、
   前記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と、
   １つの光電変換素子列に１つずつ該光電変換素子列に近接して前記半導体基板の一表面に形成され、各々が、対応する光電変換素子列に沿って延在する複数の第１電荷転送チャネル部と、
   前記半導体基板の一表面上に形成された電気的絶縁膜と、
   １つの光電変換素子行に１対ずつ該光電変換素子行に沿って前記電気的絶縁膜上に配置された第１電極線対であって、各々が２本の第１電極線によって構成され、該２本の第１電極線が、前記第１電荷転送チャネル部上での互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部毎に平面視上入れ替えながら該第１電荷転送チャネル部の各々を横切る第１電極線対と、
   光電変換素子列方向の一方の端に配置され、前記複数の第１電荷転送チャネル部の中から１つおきに選択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第１の電荷転送素子と、
   前記光電変換素子列方向の他方の端に配置され、前記複数の第１電荷転送チャネル部の中から他の１つおきに選択された第１電荷転送チャネル部の各々に電気的に接続される第２の電荷転送素子と、
   前記多数個の光電変換素子と前記第１の電荷転送素子との間、および、前記多数個の光電変換素子と前記第２の電荷転送素子との間にそれぞれ形成された電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部の各々が、該電荷蓄積部に近接する前記第１電荷転送素子もしくは前記第２電荷転送素子に電気的に接続可能な前記第１電荷転送チャネル部それぞれに１つずつ、該第１電荷転送チャネル部から間隔をあけて前記半導体基板の一表面に形成された第２電荷転送チャネル部と、
   前記第２電荷転送チャネル部の一端と該第２電荷転送チャネル部に対応する第１電荷転送チャネル部とを電気的に接続する第３電荷転送チャネル部と、
   前記第２電荷転送チャネル部の他端と該第２電荷転送チャネル部に対応する前記第１電荷転送チャネル部とを電気的に接続する第４電荷転送チャネル部と、
   前記多数個の光電変換素子と前記第１の電荷転送素子との間の前記電気的絶縁膜上に配置された複数の第２電極線対であって、各々が２本の第２電極線によって構成され、該２本の第２電極線が、互いの相対的な位置を前記第１電荷転送チャネル部上と前記第２電荷転送チャネル部上とで平面視上入れ替えながら前記第１電荷転送チャネル部の各々および前記第２電荷転送チャネル部の各々を横切る複数の第２電極線対と
   を有する固体撮像素子。
5. さらに、前記第１の電荷転送素子の出力端に接続された第１電荷検出回路と、前記第２の電荷転送素子の出力端に接続された第２電荷検出回路とを有する請求項４に記載の固体撮像素子。
6. さらに、前記第１の電荷転送素子および前記第２の電荷転送素子のいずれか一方の出力端に電気的に接続された第３電荷検出回路を有する請求項５に記載の固体撮像素子。

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