JP4165346B2 - 固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法に関し、特に複数本の水平転送レジスタ（水平転送部）によって信号電荷を並行して出力するいわゆる多ｃｈ出力の固体撮像素子および当該固体撮像素子の駆動方法に関する。

カメラモジュールの撮像デバイスとして用いられる固体撮像素子、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型撮像素子（以下、ＣＣＤ撮像素子と記す）では、プログレッシブ動作、可変速、スーパーモーションといったカメラ機能を実現するために、高フレームレート化の要求が高い。ＣＣＤ撮像素子の高フレームレート化に対応する技術の一つとして、水平転送レジスタを複数本設けてこれら複数本の水平転送レジスタによって複数行（複数ライン）の信号を並行して出力することにより、水平転送レジスタの駆動周波数を下げる多ｃｈ出力の技術がある。

すなわち、多ｃｈ出力の技術によれば、水平転送レジスタの本数を増やすことで、高フレームレート時の駆動周波数を下げることができる。この多ｃｈ出力の技術の中でも、水平転送レジスタを２本有する２チャネル出力の構造のものが古くから知られている。２本の水平転送レジスタを有するＣＣＤ撮像素子は、例えば多結晶シリコンで形成された水平転送電極を２枚１組とし、これら水平転送電極に対して互いに逆相の２相のクロックパルスφＨ１，φＨ２を与えることによって水平転送を行うとともに、水平転送レジスタ間の転送に関しては、レジスタ間転送チャネルおよびレジスタ間転送ゲートを用いることによって行う構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

図２４に、２本の水平転送レジスタの構造を概略的に示す。図中、斜線部はチャネルストップ領域を、破線で囲まれた部分は同一（同相）のクロックパルスが与えられる転送電極をそれぞれ示している。この２本の水平転送レジスタ１０１，１０２の構造において、従来、送り側の水平転送電極（図中、クロックパルスφＨ１が印加される転送電極）を低レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）にすることによって当該転送電極の下のポテンシャルを浅くし、受け側の水平転送電極（図中、クロックパルスφＨ２が印加される転送極）を高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）にすることによって当該転送電極の下のポテンシャルを深くすることで、水平転送レジスタ１０１，１０２間で信号電荷の転送を行うようにしている。

特開平１０−２００８１９号公報

上述した従来例に係る多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子では、水平転送レジスタが２本の場合には信号電荷の混合等の問題を生じること無く多ｃｈ出力を実現できるが、さらなる高フレームレート化への対応のために水平転送レジスタの本数を３本以上に増やした構造を採る場合には信号電荷が混合されてしまうという課題がある。そのことについて図２４を用いて具体的に説明する。ここでは、簡単のために、水平転送レジスタが３本の場合を例に挙げて説明するものとする。

３本の水平転送レジスタの構造において、信号電荷を３本の水平転送レジスタ１１１，１１２，１１３に順番に並べるためには、図２５から明らかなように、２枚１組の転送電極が３組並ぶ毎に１つのレジスタ間転送チャネル１１４，１１５が必要となる。この構造に対して、水平転送レジスタが２本の場合と同様にしてレジスタ間転送を行うと、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転が生じるために、レジスタ間転送チャネル１１４，１１５があるにもかかわらずレジスタ間転送が行われない上に、一つ右隣の信号電荷が水平転送されてきてしまうために信号電荷が混合されてしまうという問題が生じる。

ただし、前者のレジスタ間転送が行われないという問題については、水平転送レジスタを偶数本にすることで回避することができる。しかし、その場合でも、一度レジスタ間転送を行った後で1回でも水平転送を行うと、同じように信号電荷が混合してしまうことが容易にわかる。

ところで、カメラモジュールでは、１／６０秒インターレース走査や１／３０秒プログレッシブ走査等の通常フレーム動作と、１／６０秒プログレッシブ走査や１／９０秒プログレッシブ走査等の高フレーム動作とを切り替えて使うのが一般的である。ここに、インターレース走査は水平走査を１ライン飛びに行う方式であり、プログレッシブ走査は水平走査を全ライン順次行う方式である。

ＣＣＤ撮像素子では、通常フレーム動作と高フレーム動作との切り替えに伴って水平転送レジスタの駆動周波数が変わる。そのため、高フレーム動作に合わせて、駆動可能な周波数になるように水平転送レジスタの本数、即ちチャンネル数を決めることになる。通常フレーム動作では、（高フレームレート）÷（通常フレームレート）分だけ駆動周波数が低くなる。水平転送レジスタの駆動周波数が低くなると、消費電力が少なくて済むなど、システム的に楽になる。

その反面、複数のチャンネルの信号をマルチプレックスして映像信号を生成することになるので、信号処理系に駆動周波数の成分を除去するためのローパスフィルタを設けて、当該ローパスフィルタで通過限界解像度付近の振幅変調度を低下させる処理を行う必要性が生じる。例えば、３本の水平転送レジスタで１／９０秒プログレッシブ走査による高フレーム動作時に対し、１／６０秒インターレース走査（または、１／３０秒プログレッシブ走査）による通常フレーム動作では、駆動周波数が１／３になるため限界解像度付近の振幅変調度を低下させる。しかし、限界解像度付近の振幅変調度を低下させると、映像信号の帯域を落とすことになるため、解像度の低下をきたすことになる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転や信号電荷の混合を生じさせることなく、レジスタ間転送を確実に行うことができるとともに、ローパスフィルタによる限界解像度付近の振幅変調度の低下を防止可能な多ｃｈ出力の固体撮像素子および当該固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。

本発明による固体撮像素子は、光電変換を行う画素部と、前記画素部で得られる信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、当該電荷転送部が、前記信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは２以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群と、前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与える駆動手段とを有し、前記ゲート電極群の各ゲート電極が、前記レジスタ間転送チャネル群の各転送チャネルごとに島状に配置されていることを特徴としている。

上記構成の固体撮像素子において、転送レジスタの各転送段ごとに転送電極をｍ個ずつ設け、当該転送電極の各々を独立に駆動することで、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができる。したがって、ｍ×ｎ相のクロックパルスのタイミングを適当に設定することにより、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転が生じたり、信号電荷の振り分け中に転送が行われたりしないようにすることができる。その結果、多ｃｈ出力の場合であっても、信号電荷を混合させることなく、レジスタ間転送を確実に行うことができるため、多画素化に伴って転送レジスタの本数を自由に増やし、高フレームレート化を図ることができる。

また、レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極の各々に対して適宜バイアスを与える、具体的には動作モードに応じて使用する転送レジスタに対応したゲート電極にバイアスを与えることで、当該ゲート電極が配された転送チャネルは使用する転送レジスタ間で信号電荷を転送する転送ゲートとして動作し、それ以外の転送チャネルは使用する転送レジスタ間での信号電荷の転送を阻止するブロックゲートとして動作する。これにより、ｎ本の転送レジスタの全てに信号電荷を振り分けて転送する動作モードや、ｎ本の転送レジスタのうちの任意の本数の転送レジスタにのみ信号電荷を振り分けて転送する動作モードの選択が可能になる。前者の動作モードでは高フレームレート化を実現できる。後者の動作モードでは、使用する転送レジスタの本数に応じて転送レジスタの駆動周波数を上げることができる。

本発明による固体撮像素子の駆動方法は、光電変換を行う画素部と、前記画素部で得られる信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは３以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群とを有する電荷転送部とを具備する固体撮像素子において、前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与えることを特徴としている。

上記構成の固体撮像素子の駆動方法において、転送レジスタの各転送段ごとにｍ個ずつ設けられた転送電極の各々を独立に駆動することで、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができる。したがって、ｍ×ｎ相のクロックパルスのタイミングを適当に設定することにより、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転が生じたり、信号電荷の振り分け中に転送が行われたりしないようにすることができる。その結果、多ｃｈ出力の場合であっても、信号電荷を混合させることなく、レジスタ間転送を確実に行うことができるため、多画素化に伴って転送レジスタの本数を自由に増やし、高フレームレート化を図ることができる。

また、レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極の各々に対して適宜バイアスを与える、具体的には動作モードに応じて使用する転送レジスタに対応したゲート電極にバイアスを与えることで、当該ゲート電極が配された転送チャネルは使用する転送レジスタ間で信号電荷を転送する転送ゲートとして動作し、それ以外の転送チャネルは使用する転送レジスタ間での信号電荷の転送を阻止するブロックゲートとして動作する。これにより、ｎ本の転送レジスタの全てに信号電荷を振り分けて転送する動作モードや、ｎ本の転送レジスタのうちの任意の本数の転送レジスタにのみ信号電荷を振り分けて転送する動作モードを選択可能になる。前者の動作モードでは高フレームレート化を実現できる。後者の動作モードでは、使用する転送レジスタの本数に応じて転送レジスタの駆動周波数を上げることができる。

本発明による固体撮像素子によれば、転送レジスタの各転送段ごとにｍ個ずつ転送電極を設けるとともに、これら転送電極の各々を独立に駆動するようにすることで、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができるため、３ｃｈ以上の多ｃｈ出力の場合であっても、信号電荷を混合させることなく、レジスタ間転送を確実に行うことができる。また、使用する転送レジスタの本数に応じて転送レジスタの駆動周波数を上げることができるため、ローパスフィルタによる限界解像度付近の振幅変調度の低下を防ぐことができる。

本発明による固体撮像素子の駆動方法によれば、転送レジスタの各転送段ごとにｍ個ずつ設けられた転送電極の各々を独立に駆動するようにすることで、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができるため、３ｃｈ以上の多ｃｈ出力の場合であっても、信号電荷を混合させることなく、レジスタ間転送を確実に行うことができる。また、使用する転送レジスタの本数に応じて転送レジスタの駆動周波数を上げることができるため、ローパスフィルタによる限界解像度付近の振幅変調度の低下を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（参考例）
図１は、本発明の参考例に係る固体撮像素子、例えばＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す概略構成図である。図１において、撮像部１１は、センサ部（画素）１２が行列状に配置されてなる画素部と、これらセンサ部１２の垂直列ごとに配された複数本の垂直転送レジスタ１３からなる垂直転送部とを有する構成となっている。センサ部１２は、フォトダイオード等を光電変換素子からなり、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。垂直転送レジスタ１３の各々は、信号電荷を順次転送する単位となる転送段（レジスタ段）が多数連なってなるＣＣＤからなり、例えば４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４によって駆動されることで、センサ部１２から読み出された信号電荷を垂直転送し、ライン単位（行単位）で水平転送部１４にシフトする。

水平転送部１４は、垂直転送レジスタ１３の各々からライン単位でシフトされる信号電荷を並行して水平転送する例えば３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３と、これら水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３間に設けられ、撮像部１１に近い方のレジスタ１４１，１４２から遠い方のレジスタ１４２，１４３に信号電荷を転送するレジスタ間転送ゲート１４４，１４５とを有する構成となっている。

図２に、水平転送部１４の具体的な構造を概略的に示す。図中、斜線部はチャネルストップ領域を、破線で囲まれた部分は同一（同相）のクロックパルスが与えられる転送電極をそれぞれ示している。水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の各々は、信号電荷を順次転送する単位となる転送段（レジスタ段）が多数連なってなるＣＣＤからなり、各転送段ごとにｍ個（ｍは２以上の整数）、例えば２つの転送電極１４６，１４７を有する構成となっている。換言すれば、２つの転送電極１４６，１４７とその下のチャンネル部分とによって１つの転送段が構成されている。そして、隣り合う３つの転送段に対応する６個の転送電極を単位とし、これら６つの転送電極の各々には６相（＝２個×３）のクロックパルスφＨ１〜φＨ６が独立に与えられるようになっている。

レジスタ間転送ゲート１４４は、水平転送レジスタ１４１と水平転送レジスタ１４２との間に、２つの転送電極１４６，１４７の少なくとも１単位（１画素）おき、本例では２転送段おき、換言すれば３転送段（６転送電極）ごとに１つ設けられ、ゲート電極にゲートパルスφＨＨＧ１が印加されることにより、ゲート電極の下のチャネルを通して水平転送レジスタ１４１中の信号電荷を水平転送レジスタ１４２に選択的に転送する。具体的には、レジスタ間転送ゲート１４４のチャネルの入口が、水平転送レジスタ１４１の５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のチャネルに連通して形成され、チャネルの出口が水平転送レジスタ１４２の３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のチャネルに連通して形成されている。

レジスタ間転送ゲート１４５は、水平転送レジスタ１４２と水平転送レジスタ１４３との間に、２つの転送電極１４６，１４７の３転送段（６転送電極）ごとに１つ設けられ、ゲート電極にゲートパルスφＨＨＧ２が印加されることにより、ゲート電極の下のチャネルを通して水平転送レジスタ１４２中の信号電荷を水平転送レジスタ１４３に選択的に転送する。具体的には、レジスタ間転送ゲート１４５のチャネルの入口が、水平転送レジスタ１４２の５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のチャネルに連通して形成され、チャネルの出口が水平転送レジスタ１４３の３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のチャネルに連通して形成されている。

すなわち、水平転送部１４は、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３を有する３ｃｈ出力の構造を採り、垂直転送レジスタ１３の各々からライン単位で水平転送レジスタ１４１に転送される信号電荷を、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５の作用によって水平転送レジスタ１４２，１４３に振り分けた後、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって並行して水平転送することになる。

水平転送部１４の３ｃｈ分の信号電荷は、電荷検出部１５によって電気信号に変換されて出力される。電荷検出部１５は、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の各転送先側の端部に設けられた例えばフローティングディフュージョン構成の電荷電圧変換部１５１，１５２，１５３によって構成され、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって転送される３ｃｈ分の信号電荷を電圧信号に変換して出力する。

タイミングジェネレータ１６は図示せぬドライバ等と共に、上記構成の３ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子を駆動制御する制御手段を構成している。このタイミングジェネレータ１６では、垂直転送レジスタ１３を転送駆動する４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３を転送駆動する６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５を転送駆動するゲートパルスφＨＨＧ１，φＨＨＧ２を含む各種のタイミングパルスが生成される。図３に、６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６およびゲートパルスφＨＨＧ１，φＨＨＧ２の駆動タイミング例を示す。

次に、上記構成の本実施形態に係る３ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子の動作について、図３のタイミングチャートを基に、図４〜図１０の動作説明図を用いて説明する。ここで、３ｃｈ出力の場合は、１ライン分の信号電荷において、隣り合う３画素分の信号電荷を単位とし、これら３画素分の信号電荷を３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分けて並行して水平転送することになる。

期間Ｔ０では、奇数相のクロックパルスφＨ１，φＨ３，φＨ５が“Ｈ”レベルの状態にあり、偶数相のクロックパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６が“Ｌ”レベルの状態にある。この状態において、垂直転送レジスタ１３の各々から１ライン分の信号電荷が先ず水平転送レジスタ１４１に転送される。このとき、図４に示すように、垂直転送レジスタ１３の各々から転送された１ライン分の信号電荷は、水平転送レジスタ１４１の転送電極１４６の下に画素単位で蓄積される。ここで、以下の動作説明をわかりやすくするために、図４の左から３番目〜５番目の３つの信号電荷を、左からそれぞれ信号電荷ａ、信号電荷ｂ、信号電荷ｃとし、これら３つの信号電荷ａ〜ｃに着目して説明する。

期間Ｔ１では１回目のレジスタ間転送を行う。すなわち、先ず始めに、ゲートパルスφＨＨＧ１を“Ｈ”レベルとすることで、水平転送レジスタ１４１の５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のチャネル部分と水平転送レジスタ１４２の３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のチャネル部分との間のレジスタ間転送ゲート１４４下に転送チャネルが形成される。その後、クロックパルスφＨ５を“Ｌ”レベルとすることで、図５に示すように、レジスタ間転送ゲート１４４を通して信号電荷ｃが水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２に転送される。

ゲートパルスφＨＨＧ１を“Ｈ”レベルとした後に、クロックパルスφＨ５を“Ｌ”レベルとすることにより、水平転送レジスタ１４１の信号電荷ｃが蓄積されているチャネル部分のポテンシャルが浅くなるため、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２への信号電荷ｃの転送が促進される。最後に、ゲートパルスφＨＨＧ１を再び“Ｌ”レベルにすることで、１回目のレジスタ間転送が完了する。このレジスタ間転送の動作については後でより詳しく説明する。

次に、期間Ｔ２において、先ず始めに６相目のクロックパルスφＨ６を“Ｈ”レベルにし、次いで５相目のクロックパルスφＨ５を“Ｈ”レベルにし、次いで１相目のクロックパルスφＨ１を“Ｌ”レベルにし、最後に６相目のクロックパルスφＨ６を“Ｌ”レベルにする。これにより、図６に示すように、水平転送レジスタ１４１において、信号電荷ａが２つ左隣りの転送電極１４６の下に水平転送される。この水平転送の動作についても後でより詳しく説明する。

次に、期間Ｔ３において、先ず始めに２相目のクロックパルスφＨ２を“Ｈ”レベルにし、次いで１相目のクロックパルスφＨ１を“Ｈ”レベルにし、次いで３相目のクロックパルスφＨ３を“Ｌ”レベルにし、最後に２相目のクロックパルスφＨ２を再び“Ｌ”レベルにする。これにより、図７に示すように、水平転送レジスタ１４１において信号電荷ｂが、水平転送レジスタ１４２において信号電荷ｃがそれぞれ２つ左隣りの転送電極１４６の下に水平転送される。

次に、期間Ｔ４において、先ず始めに４相目のクロックパルスφＨ４を“Ｈ”レベルにし、次いで３相目のクロックパルスφＨ３を“Ｈ”レベルにし、次いで５相目のクロックパルスφＨ５を“Ｌ”レベルにし、最後に４相目のクロックパルスφＨ４を再び“Ｌ”レベルにする。これにより、図８に示すように、水平転送レジスタ１４１において信号電荷ａがさらに２つ左隣りの転送電極１４６の下に水平転送される。

次に、期間Ｔ５において、先ず始めに６相目のクロックパルスφＨ６を“Ｈ”レベルにし、次いで５相目のクロックパルスφＨ５を“Ｈ”レベルにし、次いで１相目のクロックパルスφＨ１を“Ｌ”レベルにし、最後に６相目のクロックパルスφＨ６を再び“Ｌ”レベルにする。これにより、図９に示すように、水平転送レジスタ１４１において信号電荷ｂが、水平転送レジスタ１４２において信号電荷ｃがさらにそれぞれ２つ左隣りの転送電極１４６の下に水平転送される。

次に、期間Ｔ６で２回目のレジスタ間転送を行う。すなわち、先ず始めに、ゲートパルスφＨＨＧ１，φＨＨＧ２を共に“Ｈ”レベルとすることで、水平転送レジスタ１４１の５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のチャネル部分と水平転送レジスタ１４２の３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のチャネル部分との間のレジスタ間転送ゲート１４４下に転送チャネルが形成され、水平転送レジスタ１４２の５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のチャネル部分と水平転送レジスタ１４３の３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のチャネル部分との間のレジスタ間転送ゲート１４５下にも転送チャネルが形成される。

その後、クロックパルスφＨ５を“Ｌ”レベルとすることで、図１０に示すように、レジスタ間転送ゲート１４４を通して信号電荷ｂが水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２に転送され、レジスタ間転送ゲート１４５を通して信号電荷ｃが水平転送レジスタ１４２から水平転送レジスタ１４３に転送される。ゲートパルスφＨＨＧ１，φＨＨＧ２を“Ｈ”レベルとした後に、クロックパルスφＨ５を“Ｌ”レベルとすることで、レジスタ間転送ゲート１４４を通して信号電荷ｂが水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２に、レジスタ間転送ゲート１４５を通して信号電荷ｃが水平転送レジスタ１４２から水平転送レジスタ１４３にそれぞれ転送される。最後に、ゲートパルスφＨＨＧ１，φＨＨＧ２を共に再び“Ｌ”レベルにすることで、水平転送レジスタ１４２，１４３に対する信号電荷ｂ，ｃの振り分けが完了する。

このようにして、撮像部１１からライン単位で順次供給される信号電荷を、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５によるレジスタ間転送により３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分けられた後は、当該水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって並行して水平転送が行われる。

なお、水平転送動作中において、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３間でのレジスタ間転送ゲート１４４，１４５を通しての信号電荷の混合を抑えるために、ゲートパルスφＨＨＧ１，２の“Ｌ”レベルを、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３のクロックパルスφＨ１〜φＨ６の“Ｌ”レベルよりも低い電位に設定し、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５のポテンシャルを、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の浅いときのポテンシャルよりもさらに浅くなるようにしている。

上述したように、ｎ本（本例では、３本）の水平転送レジスタを有する多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子において、水平転送レジスタの各転送段ごとにｍ個（本例では、２つ）の転送電極１４６，１４７を配置するとともに、転送電極１４６，１４７の各々をｍ×ｎ相、本例の場合は６（＝２×３）相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６によって独立に駆動するようにしたことにより、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができるため、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転が生じたり、信号電荷の振り分け中に水平転送が行われたりしないようにすることができる。

これにより、水平転送レジスタが３本以上の多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子であっても、確実にレジスタ間転送を行うことができる。したがって、水平転送レジスタの本数を自由に増やすことができるため、多画素化が進んでも水平転送レジスタの本数を増やすことによって高フレームレート化を図ることができるとともに、高フレームレート化によって水平転送の駆動周波数を下げることができ、これに伴ってＣＣＤ撮像素子の消費電力を抑えることができる。

また、ｎ本の水平転送レジスタ間での信号電荷の振り分けに際しては、隣り合うｎ個の信号電荷、本例では３個の信号電荷ａ，ｂ，ｃを単位とし、先頭の信号電荷ａを一番上の水平転送レジスタに残し、当該信号電荷ａに後続する２つの信号電荷ｂ，ｃについては順にレジスタ間転送ゲート１４４，１４５のチャネルの入口まで水平転送してレジスタ間転送し、最終的に３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の同一クロックパルスが印加される転送電極の下に並べるようにすることで、信号電荷の振り分けに要する時間を短くすることができる。

特に、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５のチャネルの入口を、信号電荷を送る側の水平転送レジスタ１４１，１４２間で同じクロックパルス、本例では５相目のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下に形成し、当該チャネルの出口を信号電荷を受ける側の水平転送レジスタ１４２，１４３間で同じで、送り側のクロックパルスとは異なるクロックパルス、本例では３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に形成した構成を採っていることにより、２回目のレジスタ間転送では信号電荷ｂ，ｃを同時に一気に転送することができるため、別々にレジスタ間転送を行う場合に比べて信号電荷の振り分けを短時間で行うことができる。

なお、水平転送レジスタの各転送段ごとにｍ個ずつ転送電極を配置して、これら転送電極の各々をｍ×ｎ相のクロックパルスによって独立に駆動することにより、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができるという利点を活かして、本来の一方向の水平転送ではなく、例えば水平転送レジスタの中間を境に互いに逆方向に水平転送する構成を採って水平転送に要する転送時間の短縮を図ることも可能である。

［レジスタ間転送］
次に、先述した期間Ｔ１，Ｔ６における水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２へ、水平転送レジスタ１４２から水平転送レジスタ１４３へのレジスタ間転送について、幾つか実施例を挙げてより具体的に説明する。

なお、先述したように、水平転送動作中における水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３相互間での信号電荷の混合を抑えるために、ゲートパルスφＨＨＧ１，２の“Ｌ”レベルは、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３を駆動するクロックパルスφＨ１〜φＨ６の“Ｌ”レベルよりも低い電位に設定されている。以下の説明では、ゲートパルスφＨＨＧ１，２の“Ｌ”レベルを“Ｌ′”レベルと記すものとする。

図１１は、レジスタ間転送の動作説明に供するタイミングチャートであり、３相目、５相目のクロックパルスφＨ３，φＨ５およびゲートパルスφＨＨＧ（φＨＨＧ１，φＨＨＧ２）の期間Ｔ１／Ｔ６におけるタイミング関係を示している。図１２は、レジスタ間転送の動作説明図である。

図３の期間Ｔ１，Ｔ６において、時刻ｔ１１では、クロックパルスφＨ３，φＨ５が共に“Ｈ”レベル、ゲートパルスφＨＨＧが“Ｌ′”レベルの状態にあるため、水平転送レジスタ１４１，１４２において、クロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下に信号電荷が蓄積されている。時刻ｔ１２では、クロックパルスφＨ３，φＨ５およびゲートパルスφＨＨＧが全て“Ｈ”レベルにあるため、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５および水平転送レジスタ１４２，１４３のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に信号電荷が流れ込む。

時刻ｔ１３では、クロックパルスφＨ５が“Ｌ”レベルにあり、当該クロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６の下のポテンシャルが浅くなるため、水平転送レジスタ１４１，１４２のクロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下の信号電荷が、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５および水平転送レジスタ１４２，１４３のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に押し出される。

時刻ｔ１４では、ゲートパルスφＨＨＧが再び“Ｌ′”レベルにあり、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５のポテンシャルが浅くなるため、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５の信号電荷が、水平転送レジスタ１４２，１４３のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に押し出される。

以上の一連の動作により、１回目のレジスタ間転送および２回目のレジスタ間転送が行われる。このレジスタ間転送の動作により、垂直転送レジスタ１３の各々から水平転送レジスタ１４１に転送された１ライン分の信号電荷が、水平転送レジスタ１４２，１４３に振り分けられることになる。

このように、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２へ、また水平転送レジスタ１４２から水平転送レジスタ１４３へのレジスタ間転送において、水平転送レジスタ１４１，１４２の送り側の転送電極の下のチャネルに１画素分の信号電荷が蓄積されているとき、先ず、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５のポテンシャルを深くして当該ポテンシャルまで信号電荷の蓄積を広げ、次いで受け側の転送電極の下のポテンシャルを深くして当該ポテンシャルまで信号電荷の蓄積を広げ、その後送り側の転送電極の下のポテンシャルを、次いでレジスタ間転送ゲート１４４，１４５のポテンシャルを順に浅くすることにより、信号電荷を後ろから順次押し出す形で転送できるため、転送残しなどを生じさせることなく、確実にレジスタ間転送を行うことができる。

［信号電荷の振り分けに際しての水平転送］
続いて、先述した期間Ｔ２での水平転送について、図１３のタイミングチャートおよび図１４のポテンシャル図を用いてより具体的に説明する。図１３には、６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６の期間Ｔ２におけるタイミング関係を示している。

図３の期間Ｔ２において、時刻ｔ２１では、１相目のクロックパルスφＨ１が“Ｈ”レベル、２相目〜６相目のクロックφＨ２〜φＨ６が“Ｌ”レベルの状態にある。この状態では、１相目のクロックパルスφＨ１が印加される転送電極１４６−１の下のポテンシャルが深く、ここに信号電荷ａが蓄積されている。

なお、期間Ｔ２では、本来、３相目のクロックパルスφＨ３も“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に信号電荷ｂが蓄積されているが、ここでは、信号電荷ａの水平転送についてわかりやすく述べることから、信号電荷ｂ，ｃについてのタイミング関係については無視するものとする。

時刻ｔ２２では、６相目のクロックパルスφＨ６が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ６が印加される転送電極１６４−６の下のポテンシャルも深くなるため、転送電極１４６−１の下に蓄積されている信号電荷ａが転送電極１６４−６の下まで広がる。時刻ｔ２３では、５相目のクロックパルスφＨ５が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ５が印加される転送電極１６４−５の下のポテンシャルも深くなるため、転送電極１４６−１，１４６−６の下に蓄積されている信号電荷ａがさらに転送電極１６４−５の下まで広がる。

時刻ｔ２４では、１相目のクロックパルスφＨ１が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ１が印加される転送電極１４６−１の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−１の下の信号電荷ａが転送電極１６４−６側へ押し出される。時刻ｔ２５では、６相目のクロックパルスφＨ６も再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ６が印加される転送電極１４６−６の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−６の下の信号電荷ａが転送電極１６４−５側へ押し出される。

以上の一連の動作により、水平転送レジスタ１４１において、転送電極１４６−１の下の信号電荷ａが２つ左隣りの転送電極１４６−５の下まで水平転送される。期間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５での水平転送についても、基本的に、期間Ｔ２での水平転送の場合と同じである。

このように、信号電荷の振り分けに際しての水平転送において、ある１つの転送電極の下のチャネルに１画素分の信号電荷が蓄積されているとき、先ず、転送先側の隣りの転送電極の下のポテンシャルを深くしてこれら２つの転送電極の下のチャネルに信号電荷を広げ、次いでその先の転送電極の下のポテンシャルを深くしてこれら３つの転送電極の下のチャネルに信号電荷を広げ、その後最初の転送電極の下のポテンシャルを、次いでその隣りの転送電極の下のポテンシャルを順に浅くすることにより、信号電荷を後ろから順次押し出す形で転送できるため、転送残しや信号電荷の戻りなどを生じさせることなく、確実に水平転送を行うことができる。

［信号電荷の振り分け後の水平転送］
最後に、図３の期間Ｔ６以降の水平転送、即ち１ライン分の信号電荷を３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分けた後の水平転送について、図１５のタイミングチャートおよび図１６のポテンシャル図を用いて説明する。なお、水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３においては並行して水平転送が行われ、その動作は同じであるために、ここでは、１つの水平転送レジスタを例に挙げて説明するものとする。図１５には、６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６のタイミング関係を示している。

時刻ｔ３１では、３相目のクロックパルスφＨ３が“Ｈ”レベル、それ以外のクロックパルスφＨ１，φＨ２，φＨ４〜φＨ６が“Ｌ”レベルの状態にある。このタイミング関係は、図３の期間Ｔ６が終了した時点のタイミング関係でもある。この状態では、信号電荷ａ，ｂ，ｃはいずれも３相目のクロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下に蓄積されている。

時刻ｔ３２では、２相目のクロックパルスφＨ２が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ２が印加される転送電極１４６−２の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−３の下の信号電荷が転送電極１４６−２の下まで広がる。時刻ｔ３３では、１相目のクロックパルスφＨ１が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ１が印加される転送電極１４６−１の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−３，１４６−２の下の信号電荷が転送電極１４６−１の下まで広がる。

時刻ｔ３４では、６相目のクロックパルスφＨ６が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ６が印加される転送電極１４６−６の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−３，１４６−２，１４６−１の下の信号電荷が転送電極１４６−６の下まで広がる。時刻ｔ３５では、３相目のクロックパルスφＨ３が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−３の下の信号電荷が転送電極１４６−２側に押し出される。

時刻ｔ３６では、５相目のクロックパルスφＨ５が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−２，１４６−１，１４６−６の下の信号電荷が転送電極１４６−５の下まで広がる。時刻ｔ３７では、２相目のクロックパルスφＨ２が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ２が印加される転送電極１４６−２の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−２の下の信号電荷が転送電極１４６−１側に押し出される。

時刻ｔ３８では、４相目のクロックパルスφＨ４が“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ４が印加される転送電極１４６−４の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−１，１４６−６，１４６−５の下の信号電荷が転送電極１４６−４の下まで広がる。時刻ｔ３９では、１相目のクロックパルスφＨ１が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ１が印加される転送電極１４６−１の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−１の下の信号電荷が転送電極１４６−６側に押し出される。

時刻ｔ４０では、３相目のクロックパルスφＨ３が再び“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ３が印加される転送電極１４６−３の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−６，１４６−５，１４６−４の下の信号電荷が転送電極１４６−３の下まで広がる。時刻ｔ４１では、６相目のクロックパルスφＨ６が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ６が印加される転送電極１４６−６の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−６の下の信号電荷が転送電極１４６−５側に押し出される。

時刻ｔ４２では、２相目のクロックパルスφＨ２が再び“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ２が印加される転送電極１４６−２の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−５，１４６−４，１４６−３の下の信号電荷が転送電極１４６−２の下まで広がる。時刻ｔ４３では、５相目のクロックパルスφＨ５が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ５が印加される転送電極１４６−５の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−５の下の信号電荷が転送電極１４６−４側に押し出される。

時刻ｔ４４では、１相目のクロックパルスφＨ１が再び“Ｈ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ１が印加される転送電極１４６−１の下のポテンシャルが深くなるため、転送電極１４６−４，１４６−３，１４６−２の下の信号電荷が転送電極１４６−１の下まで広がる。時刻ｔ４５では、４相目のクロックパルスφＨ４が再び“Ｌ”レベルの状態にあり、当該クロックパルスφＨ４が印加される転送電極１４６−４の下のポテンシャルが浅くなるため、転送電極１４６−４の下の信号電荷が転送電極１４６−３側に押し出される。

この時刻ｔ４５の状態は、時刻ｔ３３の状態と同じである。すなわち、時刻ｔ３３では、１画素分の信号電荷が３つの転送電極１４６−３，１４６−２，１４６−３の下に溜められた状態にあり、この状態での信号電荷が３画素（６転送電極）分だけ水平転送されて時刻ｔ４５の状態になる。以降、時刻ｔ３４〜時刻ｔ４４の繰り返しにより、信号電荷ａ，ｂ，ｃが３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって並行して水平転送されることになる。

このように、１ライン分の信号電荷を３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分けた後の水平転送において、１画素分の信号電荷を常に最低３つの転送電極の下に溜めた状態を保ちながら転送動作を行うことにより、個々の転送電極の下のチャネル間での信号電荷の転送にかける時間を長くすることができるため、転送残しや信号電荷の戻りなどを生じさせることなく、確実に水平転送を行うことができる。ただし、上述した水平転送における一連の手順は一例に過ぎず、これに限られるものではない。

（実施例）
図１７は、本発明の一実施例に係る固体撮像素子、例えばＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す概略構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示している。

本実施例に係るＣＣＤ撮像素子においては、基本的に、先述した参考例に係るＣＣＤ撮像素子と同様の構成を採っているものの、水平転送部１４Ａの具体的な構成の点で相違している。水平転送部１４Ａは、垂直転送レジスタ１３の各々からライン単位でシフトされる信号電荷を並行して水平転送する例えば３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３と、これら水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３間に設けられ、撮像部１１に近い方のレジスタ１４１，１４２から遠い方のレジスタ１４２，１４３に信号電荷を転送するレジスタ間転送ゲート１４４Ａ，１４５Ａとを有する構成となっている。

そして、本実施例に係るＣＣＤ撮像素子は、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の全てに信号電荷を振り分けて水平転送を行う第１の動作モードと、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３のうちの一部の水平転送レジスタ、例えば２本の水平転送レジスタ１４１，１４２にのみ信号電荷を振り分けて水平転送を行う第２の動作モードとを適宜選定し得る構成を採っている。第１，第２の動作モードの切り替えを指令するための動作モード切替信号は外部から与えられる。

本実施例に係るＣＣＤ撮像素子では、水平転送部１４Ａの動作モードの切り替え、即ち第１，第２の動作モードの切り替えをレジスタ間転送ゲート１４４Ａによって実現するようにしている。すなわち、先述した参考例に係るＣＣＤ撮像素子と異なるのは、レジスタ間転送ゲート１４４Ａの具体的な構成およびその動作にある。また、タイミングジェネレータ１６Ａは、レジスタ間転送ゲート１４４Ａにおけるモード切り替えの動作を実現するために、レジスタ間転送ゲート１４４Ａを転送駆動するゲートパルスφＨＨＧ１として、３種類のゲートパルスφＨＨＧ１Ａ，φＨＨＧ１Ｂ，φＨＨＧ１Ｃを、第１，第２の動作モードにそれぞれ対応したタイミングで生成し、レジスタ間転送ゲート１４４Ａに与えることになる。

図１８は、本実施例に係るＣＣＤ撮像素子における水平転送部１４Ａの具体的な構造を概略的に示した平面パターン図であり、図中、図２と同等部分には同一符号を付して示している。図１８において、斜線部はチャネルストップ領域を、破線で囲まれた部分は同一（同相）のクロックパルスが与えられる転送電極をそれぞれ示している。

水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の各々は、信号電荷を順次転送する単位となる転送段が多数連なってなるＣＣＤからなり、各転送段ごとにｍ個（ｍは２以上の整数）、例えば２つの転送電極１４６，１４７を有する構成となっている。換言すれば、２つの転送電極１４６，１４７とその下のチャンネル部分とによって１つの転送段が構成されている。そして、隣り合う３つの転送段に対応する６個の転送電極を単位とし、これら６つの転送電極の各々には６相（＝２個×３）のクロックパルスφＨ１〜φＨ６が独立に与えられるようになっている。

レジスタ間転送ゲート１４４Ａは、水平転送レジスタ１４１と水平転送レジスタ１４２との間に、５転送段おきに、換言すれば６転送段（１２転送電極）ごとに１つずつ設けられた第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……と、この第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……相互の中間の位置、具体的には転送チャネル２１−１，２１−２，……に対して２転送段分だけずれて６転送段ごとに１つずつ設けられた第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……と、この第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……に隣接する両側の転送段に設けられた第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３，……とを有している。

レジスタ間転送ゲート１４４Ａは更に、第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……上に配された第１系統のゲート電極２４−１，２４−２，……と、第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……上に配された第２系統のゲート電極２５−１，２５−２，……と、第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３，……上に配された第３系統のゲート電極２６−１，２６−２，２６−３，……と、第１系統のゲート電極２４−１，２４−２，……に対してゲートパルス（駆動バイアス）φＨＨＧ１Ａを伝送する第１系統の配線２７と、第２系統のゲート電極２５−１，２５−２，……に対してゲートパルスφＨＨＧ１Ｂを伝送する第２系統の配線２８と、第３系統のゲート電極２６−１，２６−２，２６−３，……に対してゲートパルスφＨＨＧ１Ｃを伝送する第３系統の配線２９とを有している。

第１系統のゲート電極２４−１，２４−２，……、第２系統のゲート電極２５−１，２５−２，……および第３系統のゲート電極２６−１，２６−２，２６−３，……は、対応する転送チャネルごとにポリシリコンによって島状に形成されている。第１，第２，第３系統の各配線２７，２８，２９は、アルミニウムやタングステンなどの金属からなり、水平転送レジスタ１４１，１４２の電荷転送方向に沿って配線され、対応する系統のゲート電極２４（２４−１，２４−２，……），２５（２５−１，２５−２，……），２６（２６−１，２６−２，２６−３，……）にそれぞれコンタクト部３０を介して電気的に接続されている。これらの各配線２７，２８，２９は、ゲート電極２４，２５，２６の裏打ち（シャント）の役目もするシャント配線である。

レジスタ間転送ゲート１４５Ａは、２つの転送電極１４６，１４７の３転送段（６転送電極）ごとに１つずつ設けられた転送チャネル３１−１，３１−２，３１−３，……と、これら転送チャネル３１−１，３１−２，３１−３，……に対して共通に配されたゲート電極３２と、このゲート電極３２に対してゲートパルスφＨＨＧ２を伝送する配線３３とを有し、配線３３がゲート電極３２とコンタクト部３４にて電気的に接続された構成となっている。そして、ゲート電極３２にゲートパルスφＨＨＧ２が印加されることにより、ゲート電極３２の下の転送チャネル３１−１，３１−２，３１−３，……を通して水平転送レジスタ１４２中の信号電荷を水平転送レジスタ１４３に選択的に転送する。

図１９は、図１８のＸ−Ｘ′矢視断面、即ち電極２６−３部分の断面構造の一例を示す断面図である。図１９において、電極２６−３は、例えばＮ型のシリコン基板４１の基板表面に絶縁膜４２を介して１層目のポリシリコンによって島状に形成される。ゲート電極２６−３直下の基板４１の表層部分は、第３系統の転送チャネル２３−３である。ゲート電極２６−３の上には、２層目のポリシリコンによって水平転送レジスタ１４２のφＨ２の転送電極４３が形成され、さらに３層目のポリシリコンによって水平転送レジスタ１４１のφＨ３の転送電極４４が形成される。そして、最上層にアルミニウムやタングステンなどによってシャント配線２７，２８，２９が形成される。

ここで、シャント配線２９をゲート電極２６−３に接続するためには、１層目のポリシリコンで構成されるゲート電極２６−３が、２層目のポリシリコンで構成される転送電極４３と３層目のポリシリコンで構成される転送電極４４で隠れてコンタクトがとれなくなることがないように、コンタクト部分に合わせて２層目、３層目のポリシリコン層に孔４５が開けられる。そして、この孔４５を通してシャント配線２９がゲート電極２６−３と電気的に繋がれる。なお、ここでは、ゲート電極２６−３部分の断面構造を例に挙げて説明したが、他のゲート電極部分の断面構造も基本的に同じ構造となっている。

続いて、上記構成の本実施例に係る３ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子において、３ｃｈ出力の動作モードと２ｃｈ出力の動作モードでの各動作について説明する。

先ず、３ｃｈ出力の動作モードの動作について、図２０のタイミングチャートを基に、図２１の動作説明図を用いて説明する。ここで、３ｃｈ出力の動作モードの場合は、１ライン分の信号電荷において、隣り合う３画素分の信号電荷を単位とし、これら３画素分の信号電荷を３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分けて並行して水平転送することになる。

期間Ｔ０では、奇数相のクロックパルスφＨ１，φＨ３，φＨ５が“Ｈ”レベルの状態にあり、偶数相のクロックパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６が“Ｌ”レベルの状態にある。この状態において、垂直転送レジスタ１３の各々から１ライン分の信号電荷が先ず水平転送レジスタ１４１に転送される。

期間Ｔ１では、ゲートパルスφＨＨＧ１Ａ，φＨＨＧ１Ｂを共に“Ｈ”レベル、ゲートパルスφＨＨＧ１Ｃを“Ｌ”レベルにすると、第１系統の電極２４−１，２４−２，……の下の転送チャネル２１−１，２１−２，……のポテンシャルおよび第２系統の電極２５−１，２５−２，……の下の転送チャネル２２−１，２２−２，……のポテンシャルが深くなり、逆に、第３系統の電極２６−１，２６−２，２６−３，……の下の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……のポテンシャルが浅くなる。

これにより、第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……および第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……は、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２へ信号電荷を転送する転送ゲートとして動作可能な状態になり、第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……は、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２への信号電荷の転送を阻止するブロックゲートとして動作可能な状態になる。この状態は、先述した参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明に供する図３のタイミングチャートにおける期間Ｔ１の状態に相当し、この期間Ｔ１では１回目のレジスタ間転送が行われる。

以降、参考例に係るＣＣＤ撮像素子の場合と同様の動作が行われる。そして、期間Ｔ６で、ゲートパルスφＨＨＧ１Ａ，φＨＨＧ１Ｂを共に“Ｈ”レベル、ゲートパルスφＨＨＧ１Ｃを“Ｌ”レベルにし、ゲートパルスφＨＨＧ２を“Ｈ”レベルにすることで、参考例に係るＣＣＤ撮像素子の場合と同様に、水平転送レジスタ１４１中の信号電荷を第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……および第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……を通して水平転送レジスタ１４２へ転送するとともに、水平転送レジスタ１４２中の信号電荷を転送チャネル３１−１，３１−２，３１−３，……を通して水平転送レジスタ１４３へ転送する２回目のレジスタ間転送が行われる。

このようにして、３ｃｈ出力の動作モードでは、撮像部１１からライン単位で順次供給される信号電荷を、レジスタ間転送ゲート１４４，１４５によるレジスタ間転送により３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に振り分ける処理が行われる。水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３に信号電荷が振り分けられた後は、当該水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって並行して水平転送が行われ、最終的に、３ｃｈの出力信号が導出される。

この３ｃｈ出力の動作モードでは、参考例に係るＣＣＤ撮像素子の場合と同様に、６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６による転送電極１４６，１４７の独立駆動により、転送電極単位でチャネルのポテンシャルを制御することができるため、送り側のチャネルと受け側のチャネルとの間でのポテンシャルの逆転が生じたり、信号電荷の振り分け中に水平転送が行われたりしないため、水平転送レジスタが３本以上の多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子であっても、確実にレジスタ間転送を行うことができる。したがって、多画素化が進んでも水平転送レジスタの本数を増やすことによって高フレームレート化を図ることができるとともに、高フレームレート化によって水平転送の駆動周波数を下げることができ、これに伴ってＣＣＤ撮像素子の消費電力を抑えることができる。

次に、２ｃｈ出力の動作モードの動作について、図２２のタイミングチャートを基に、図２３の動作説明図を用いて説明する。ここで、２ｃｈ出力の動作モードの場合は、１ライン分の信号電荷において、隣り合う２画素分の信号電荷を単位とし、これら２画素分の信号電荷を２本の水平転送レジスタ１４１，１４２に振り分けて並行して水平転送することになる。

期間Ｔ０では、奇数相のクロックパルスφＨ１，φＨ３，φＨ５が“Ｈ”レベルの状態にあり、偶数相のクロックパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６が“Ｌ”レベルの状態にある。この状態において、垂直転送レジスタ１３の各々から１ライン分の信号電荷が先ず水平転送レジスタ１４１に転送される。

期間Ｔ１では、ゲートパルスφＨＨＧ１Ａ，φＨＨＧ１Ｃを共に“Ｈ”レベル、ゲートパルスφＨＨＧ１Ｂを“Ｌ”レベルにすると、第１系統の電極２４−１，２４−２，……の下の転送チャネル２１−１，２１−２，……のポテンシャルおよび第３系統の電極２６−１，２６−２，２６−３，……の下の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……のポテンシャルが深くなり、逆に、第２系統の電極２５−１，２５−２，……の下の転送チャネル２２−１，２２−２，……のポテンシャルが浅くなる。

これにより、第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……および第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……は、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２へ信号電荷を転送する転送ゲートとして動作可能な状態になり、第２系統の転送チャネル２２−１，２２−２，……は、水平転送レジスタ１４１から水平転送レジスタ１４２への信号電荷の転送を阻止するブロックゲートとして動作可能な状態になる。

この状態において、１相目、３相目、５相目のクロックパルスφＨ１，φＨ３，φＨ５を“Ｌ”レベルにすることで、水平転送レジスタ１４１における転送電極１４６下のチャネルの信号電荷が第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……および第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……へ移動する。このとき、２相目、４相目、６相目のクロックパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６は“Ｌ”レベルの状態にある。

その後、期間Ｔ２で１相目、３相目、５相目のクロックパルスφＨ１，φＨ３，φＨ５を“Ｈ”レベルにすることで、第１系統の転送チャネル２１−１，２１−２，……および第３系統の転送チャネル２３−１，２３−２，２３−３……の信号電荷が、水平転送レジスタ１４２における転送電極１４６下のチャネルに移動する。以上により、２本の水平転送レジスタ１４１，１４２に対する信号電荷の振り分け処理が完了する。

このようにして、２ｃｈ出力の動作モードでは、撮像部１１からライン単位で順次供給される信号電荷を、レジスタ間転送ゲート１４４によるレジスタ間転送により２本の水平転送レジスタ１４１，１４２に振り分ける処理が行われる。水平転送レジスタ１４１，１４２に信号電荷が振り分けられた後は、当該水平転送レジスタ１４１，１４２によって並行して水平転送が行われ、最終的に、２ｃｈの出力信号が導出される。この２ｃｈ出力の動作モードでの水平転送の駆動周波数、即ち６相のクロックパルスφＨ１〜φＨ６の周波数は、３ｃｈ出力の動作モードでの水平転送の駆動周波数の１．５倍（＝３／２）に設定される。

上述したように、ｎ本（本例では、３本）の水平転送レジスタを有する多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子において、レジスタ間転送チャネル群の各転送チャネル、本例ではレジスタ間転送ゲート１４４Ａの各転送チャネル上に、３系統のゲート電極２１（２１−１，２１−２，……），２２（２２−１，２２−２，……），２３（２３−１，２３−２，……）を配置し、これらゲート電極の各々に対して適宜駆動バイアス（ゲートパルスφＨＨＧ１Ａ，φＨＨＧ１Ｂ，φＨＨＧ１Ｃ）を与える、具体的には動作モードに応じて使用する転送レジスタに対応したゲート電極に駆動バイアスを与えることで、当該ゲート電極が配された転送チャネルを使用する水平転送レジスタ１４１，１４２間で信号電荷を転送する転送ゲートとして動作させ、それ以外の転送チャネルを使用する転送レジスタ間での信号電荷の転送を阻止するブロックゲートとして動作させる。

これにより、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３の全てに信号電荷を振り分けて転送する３ｃｈ出力の動作モードや、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３のうちの任意の本数の水平転送レジスタ、本例では２本の水平転送レジスタ１４１，１４２にのみ信号電荷を振り分けて転送する２ｃｈ出力の動作モードを選択可能になる。換言すれば、高フレームレート化を目的として水平転送レジスタを複数本設けてなる多チャネル出力のＣＣＤ撮像素子において、常に全ての水平転送レジスタを用いて水平転送を行う動作モード以外に、任意の本数の水平転送レジスタを用いて水平転送を行う動作モードを選択できる。

Ｎ本の水平転送レジスタのうちの任意のＭ本の水平転送レジスタを用いる第２の動作モードを選択する場合は、フレームレートをＮ本の水平転送レジスタ全てを用いる第１の動作モードの場合と同じにするには、水平転送レジスタの駆動周波数を第１の動作モードでの駆動周波数のＮ／Ｍ倍に設定すれば良い。すなわち、第２の動作モードでの駆動周波数が第１の動作モードでの駆動周波数のＮ／Ｍ倍に上がる。このように、動作モードの切り替えによって第２の動作モードでの駆動周波数が上がることで、その分だけ消費電力が上がるものの、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、水平駆動部１４Ａの駆動周波数が高くなることで、複数のチャンネルの信号をマルチプレックスして映像信号を生成する後段の信号処理系において、当該映像信号を駆動周波数の成分を除去するためのローパスフィルタを通す必要がなくなるため、ローパスフィルタによる限界解像度付近の振幅変調度の低下を防止できる。これにより、映像信号の帯域を落とすことがないため、水平転送の駆動周波数が低いが故に、ローパスフィルタによる限界解像度付近の振幅変調度の低下をきたす第１の動作モードの場合よりも解像度を向上できることになる。

なお、上記実施形態では、３本の水平転送レジスタ１４１，１４２，１４３によって信号電荷を並行して水平転送する多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子の場合を例に挙げた説明したが、これに限られるものではなく、２ｃｈあるいは４ｃｈ以上の多ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子にも同様に適用可能である。

ただし、３ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子では、カラー対応の場合に隣り合う３個の信号電荷ａ，ｂ，ｃをＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各信号電荷として取り扱うことができるため、信号処理上、非常に有利となる。その観点からすると、６ｃｈ出力など３の倍数の多ｃｈ出力とするのが好ましいと言える。６ｃｈ出力のＣＣＤ撮像素子の場合には、各転送段ごとに２つずつ配された転送電極の各々を独立に駆動するクロックパルスは１２（＝２×６）相とすれば良いことになる。

また、上記実施形態では、各転送段ごとに転送電極を２つずつ配するとしたが、２つに限られるものではなく、転送電極を３つ以上ずつ配する構成を採ることも可能である。転送電極の数を多く設定すれば、各転送電極ごとの転送距離（転送長）を短くできるため、転送効率の点で有利となる。

さらに、上記実施形態では、光電変換素子を含む画素が行列状に配置されてなるエリアセンサにおける水平転送部に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はエリアセンサへの適用に限られるものではなく、光電変換素子を含む画素が直線状に配置されてなるリニアセンサ（ラインセンサ）の電荷転送部にも同様に適用することが可能である。

本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す概略構成図である。 水平転送部の具体的な構造を概略的に示した平面パターン図である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明に供するタイミングチャートである。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その１）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その２）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その３）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その４）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その５）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その６）である。 本発明の参考例に係るＣＣＤ撮像素子の動作説明図（その７）である。 本発明の参考例に係るレジスタ間転送の動作説明に供するタイミングチャートである。 本発明の参考例に係るレジスタ間転送の動作説明図である。 信号電荷の振り分けに際しての水平転送の動作説明に供するタイミングチャートである。 信号電荷の振り分けに際しての水平転送の動作説明図である。 信号電荷の振り分け後の水平転送の動作説明に供するタイミングチャートである。 信号電荷の振り分け後の水平転送の動作説明図である。 本発明の一実施例に係るＣＣＤ撮像素子の全体構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施例に係るＣＣＤ撮像素子における水平転送部の具体的な構造を概略的に示した平面パターン図であり 図１８のＸ−Ｘ′矢視断面の構造の一例を示す断面図である。 ３ｃｈ出力の動作モードの動作説明に供するタイミングチャートである。 ３ｃｈ出力の動作モードの動作説明図である。 ２ｃｈ出力の動作モードの動作説明に供するタイミングチャートである。 ２ｃｈ出力の動作モードの動作説明図である。 従来例に係る２チャネル出力の水平転送部の構成を概略的に示した平面パターン図である。 従来技術の課題を説明するための動作説明図である。

符号の説明

１１…撮像部、１２…センサ部（画素）、１３…垂直転送レジスタ、１４…水平転送部、１５…電荷検出部、１６…タイミングジェネレータ、２１（２１−１，２１−２）…第１系統の転送チャネル、２２（２１−１，２１−２）…第２系統の転送チャネル、２３（２３−１，２３−２，２３−２）…第３系統の転送チャネル、２４（２４−１，２４−２）…第１系統のゲート電極、２５（２５−１，２５−２）…第２系統のゲート電極、２６（２６−１，２６−２，２６−３）…第３系統のゲート電極、１４１，１４２，１４３…水平転送レジスタ、１４４，１４４Ａ，１４５，１４５Ａ…レジスタ間転送ゲート、１４６，１４７…転送電極

Claims (5)

1. 光電変換を行う画素部と、
   前記画素部で得られる信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
   前記電荷転送部は、
   前記信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは２以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、
   前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、
   各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群と、
   前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与える駆動手段とを有し、
   前記ゲート電極群の各ゲート電極は、前記レジスタ間転送チャネル群の各転送チャネルごとに島状に配置されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 光電変換を行う画素部と、
   前記画素部で得られる信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
   前記電荷転送部は、
   前記信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは２以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、
   前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、
   各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群と、
   前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与える駆動手段とを有し、
   前記ゲート電極群の各ゲート電極に前記駆動バイアスを伝送する電極配線は、前記転送レジスタの電荷転送方向に沿って配線されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
3. 前記電極配線は、前記ゲート電極群中の前記使用する転送レジスタに対応したゲート電極の単位で配線されている
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
4. 光電変換を行う画素部と、
   前記画素部で得られる信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
   前記電荷転送部は、
   前記信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは３以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、
   前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、
   各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群と、
   前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与える駆動手段とを有する
   ことを特徴とする固体撮像素子。
5. 光電変換を行う画素部と、
   前記画素部で得られる信号電荷を順次転送する転送段の各々に転送電極がｍ個（ｍは２以上の整数）ずつ配置されてなり、前記転送電極がｍ×ｎ相（ｎは３以上の整数）のクロックパルスによって駆動されるｎ本の転送レジスタと、前記ｎ本の転送レジスタ間に前記転送電極の少なくとも１つおきに設けられて前記ｎ本の転送レジスタ間での信号電荷の転送を行うレジスタ間転送チャネル群と、各前記レジスタ間転送チャネル群上に配置されたゲート電極群とを有する電荷転送部と
   を具備する固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記ｎ本の転送レジスタのうち、使用する本数に応じた前記ゲート電極群中のゲート電極にバイアスを与える
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

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