JP4731278B2 - 固体撮像素子の駆動法方法 - Google Patents

Description

本発明は、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子の駆動法方法に関する。

従来、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子が知られており、この固体撮像素子から得た映像信号に基づいて画像を表示するディジタルカメラが知られている。近年では、このような固体撮像素子を用いたカメラは、画質および機能のさらなる向上が要望され、画素の高密度化が進んでいる。

このような固体撮像素子において、例えば動画表示を実現するために、映像信号の出力スピードを向上させることを目的として、信号電荷を読み出す画素を間引くことにより出力映像信号中の画素数を減らす駆動方法が、従来から提案されている。

例えば特許文献１（特開２００４−１８０２８４号公報）および特許文献２（特開２００５−１６６８２６号公報）には、垂直転送部における水平転送部に最も近い転送段である最終転送段（振り分け転送部）が、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段に、当該垂直最終段から水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した転送電極が設けられた構成が開示されている。この構成によれば、垂直転送段から水平転送部への転送と、水平転送部による水平方向への転送とを組み合わせることにより、画素出力の並べ替えや混合が任意に可能になり、映像信号の出力スピードを向上させることができる。

図２３は、前記の特許文献２に開示された振り分け転送部の構造を示す断面図である。振り分け転送部は、第１層目のポリシリコン（図示せず）および第２層目のポリシリコン２６０が積層されてなる２層構造を有する駆動電極と、垂直転送部（図示せず）の遮光の役割も兼ねるアルミニウム層である第１の配線２７０と、タングステンで形成され、遮光膜も兼ねる第２の配線２８０と、第１の配線２７０と第２層目のポリシリコン２６０とを電気的に接続するコンタクトプラグ２９０とを有する。
特開２００４−１８０２８４号公報 特開２００５−１６６８２６号公報

しかしながら、図２３に示す構成では、ＯＢ領域直下の領域（有効画素領域の左右に設けられたＯＢ領域と、水平転送部との間の領域）において、プラグ２９０と第２の配線２８０との隙間から光が漏れ込むことにより、ＯＢクランプミスが生じることがあるという問題がある。

本発明はこれらの問題を解決するために、水平方向における画素混合を行う固体撮像素子においてＯＢクランプミスを防止することにより、良質な画像を高速に出力できる固体撮像素子とこれを備えたカメラとを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法は、２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、有効画素領域と水平転送部との間の領域においては、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有すると共に、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段において、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した独立転送電極が設けられ、前記垂直最終段が、有効画素領域の水平方向両側の少なくとも一方に設けられたＯＢ領域を含む領域と水平転送部との間の領域においては、全ての列において共通した共通転送電極を有し、前記垂直最終段において、前記ｍ列の独立転送電極をｍ回に分けて駆動して転送動作を行うことにより、水平転送部へ信号電荷を転送するステップと、前記ｍ回の転送動作の各々の後に、前記水平転送部へ転送された信号電荷を一定画素分水平転送して、次の回の転送動作により前記水平転送部へ転送される同一番号列の信号電荷と混合されるように前記信号電荷を配置するステップと、前記ｍ回のうち、ｋ回目（ｋは１以上、ｍ以下の整数）の転送動作を行うとき、前記共通転送電極の転送動作により、前記水平転送部へ前記ＯＢ領域の信号電荷も同時に転送するステップとを備え、前記ｍ回の転送動作をｍサイクル繰り返すことによりｍ行分の信号電荷を前記水平転送部へ転送することを特徴とする。

本発明によれば、水平方向における画素混合を行う固体撮像素子においてＯＢクランプミスを防止することにより、良質な画像を高速に出力できる固体撮像素子とこれを備えたカメラとを提供できる。

本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法は、２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、有効画素領域と水平転送部との間の領域においては、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有すると共に、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段において、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した独立転送電極が設けられ、前記垂直最終段が、有効画素領域の水平方向両側の少なくとも一方に設けられたＯＢ領域を含む領域と水平転送部との間の領域においては、全ての列において共通した共通転送電極を有し、前記垂直最終段において、前記ｍ列の独立転送電極をｍ回に分けて駆動して転送動作を行うことにより、水平転送部へ信号電荷を転送するステップと、前記ｍ回の転送動作の各々の後に、前記水平転送部へ転送された信号電荷を一定画素分水平転送して、次の回の転送動作により前記水平転送部へ転送される同一番号列の信号電荷と混合されるように前記信号電荷を配置するステップと、前記ｍ回のうち、ｋ回目（ｋは１以上、ｍ以下の整数）の転送動作を行うとき、前記共通転送電極の転送動作により、前記水平転送部へ前記ＯＢ領域の信号電荷も同時に転送するステップとを備え、前記ｍ回の転送動作をｍサイクル繰り返すことによりｍ行分の信号電荷を前記水平転送部へ転送することを特徴とする。

上記の構成において、「ＯＢ領域を含む領域」とは、少なくともＯＢ領域を含んでいれば良く、ＯＢ領域以外にその近傍の有効画素領域を含んでいても良いことを意味する。この構成によれば、前記垂直最終段が、有効画素領域の水平方向両側の少なくとも一方に設けられたＯＢ領域を含む領域と水平転送部との間の領域においては、全ての列において共通した共通転送電極を有し、それにより、前記有効画素領域の画素を水平方向に混合し、前記ＯＢ領域の画素を水平方向に混合しないように制御することにより、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域のほぼ全面を遮光可能なように遮光膜を配置できるため、効率的に遮光膜で覆うことができるようになり、ＯＢクランプミスが防止される。これにより、良質な画像を高速に出力できる固体撮像素子を提供できる。

上記固体撮像素子の駆動方法は、前記垂直最終段において、前記ＯＢ領域と水平転送部との間の領域の全体が遮光膜で覆われていることが好ましい。

また、上記固体撮像素子の駆動方法において、前記共通転送電極の一端部に接続された配線が、水平転送部の上層をまたがって延設されていることが好ましい。独立転送電極の配線は、水平転送部の上層をまたがって延設されるので、これと同様に配線をパターニングすることができ、製造工程を簡略化できるからである。

また、上記固体撮像素子の駆動方法において、前記共通転送電極へ印加される駆動信号が、前記有効画素領域におけるいずれかの転送電極へ印加される駆動信号と共通であることが好ましい。ＯＢ領域の前記垂直最終段が前記共通転送電極となることで、有効領域とＯＢ領域の境界部分にて混合させる画素が変化し、混合画素数が不均一になるため、暗信号も増加することがあるが、かかる構成であれば暗信号の増加を最低限にすることが出来る利点がある。また、駆動パルスの種類と端子数を削減できるからである。
また、上記固体撮像素子の駆動方法において、ｍ＝３であって、３列単位毎の各列を水平転送方向の逆方向に順次、第１列、第２列、及び第３列と定義したとき、前記垂直最終段において、前記第２列のみを駆動することにより、前記第２列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送するステップと、前記第２列の信号電荷を順方向へ２画素分水平転送するステップと、前記垂直最終段において、前記第３列のみを駆動することにより、前記第３列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送するステップと、前記第３列の信号電荷を順方向へ２画素分水平転送するステップと、前記垂直最終段において、前記第１列のみを駆動することにより、前記第１列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送すると同時に、前記ＯＢ領域直下における垂直最終段の前記共通電極を駆動することにより、前記垂直最終段における前記ＯＢ領域直下の領域の信号電荷を全て前記水平転送部へ転送するステップとを備え、前記第２列の駆動、前記第３列の駆動、及び、前記第１列の駆動を３サイクル繰り返すことにより、３行分の信号電荷を前記水平転送部へ転送することが好ましい。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態にかかる固体撮像素子の概略構成を示す模式図であり、特に、転送電極の構造を示したものである。図２は、本実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す模式図であり、特に、画素と転送段との関係を示したものである。

本実施形態の固体撮像素子１は、図２に示すように、画素に対応して二次元状に配列された光電変換部２と、垂直転送部３と、水平転送部４とを備えている。垂直転送部３および水平転送部４のそれぞれは、ＣＣＤにより構成される。光電変換部２としては、フォトダイオードが用いられる。光電変換部２の各々には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色のカラーフィルタが配置されている。本実施形態では、垂直・水平方向共に２画素おきにＲＧＢのそれぞれのフィルタが周期的に配置されている。例えば、図２に示すように、垂直方向２画素×水平方向２画素の計４画素を単位とすれば、左下の画素がＲ、右下および左上の画素がＧ、右上の画素がＢとなるように、カラーフィルタが配置されている。なお、垂直転送部３および水平転送部４の転送電極へ、図示しない制御部から制御信号が送られることにより、固体撮像素子１の動作が制御される。前記の制御部は、固体撮像素子１の外部に設けられており、信号線により固体撮像素子１に接続されている。あるいは、固体撮像素子１と一体的に形成されていても良い。

本実施形態の固体撮像素子１では、垂直転送部３は、垂直方向における光電変換部２の３行分（すなわち垂直方向３画素分）を、一つの転送段（「垂直転送段」と称する。）とする。固体撮像素子１は、垂直転送部３内で、垂直方向において１画素（１行）おきの３画素の信号電荷を加算するよう構成されている。垂直転送部３内で、垂直方向において１行おきの３画素分の信号電荷を混合する方法は、例えば、以下の（１）〜（３）の手順によって実現できる。

（１）まず、垂直方向に２行おきの１／３の画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出し、２画素分垂直転送する。

（２）次に、前回読み出した画素から順方向（垂直転送方向）に２行目の画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出し、前回読み出した画素と混合し、２行分垂直転送する。

（３）さらに、残りの画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出す。

以上の（１）〜（３）の手順により、１行おきの３画素の信号電荷を混合することができる。これにより、固体撮像素子１では、垂直方向の画素数が１／３に削減される。

また、固体撮像素子１の有効画素領域に位置する垂直転送部３は、水平方向において、３列単位で同じ構造を持つように構成されている。本実施形態の各図では、水平転送部４の信号電荷は図中左側に出力されるものとし、この３列単位の垂直転送部３のそれぞれを、水平転送部４の出力側に近い方から順に、第１列、第２列、第３列と称する（図中では１列、２列、３列と表記した。）。また、垂直転送部３において、水平転送部４に最も近い転送段を、以下、垂直最終段と称する。

ここで、図１を参照し、固体撮像素子１の電極構造について説明する。なお、図１では、垂直最終段と、その直上の１段の垂直転送段とにおいて、水平転送部４の出力側と反対側（有効画素領域の右側）の端部のみを図示した。なお、図１では、図示を簡略化するために、水平転送部４の出力側と反対側のＯＢ領域において、４ビット分のみの電極構造を図示したが、実際の固体撮像素子においては、水平転送部４の出力側と反対側において、一般的に４０〜５０ビット分のＯＢ領域が確保されている。

図１に示すように、固体撮像素子１では、垂直転送部３の垂直転送段の各々は、Ｖ１〜Ｖ６の６相の転送電極（共通電極）で構成されている。ただし、垂直最終段のみは、他の垂直転送段と電極構造が異なっている。さらに、垂直最終段は、有効画素領域直下の領域（有効画素領域と水平転送部４との間の領域）と、ＯＢ領域直下の領域（ＯＢ領域と水平転送部４との間の領域）とにおいて、電極構造が互いに異なっている。

図１に示すように、垂直最終段の第１相、第２相、第４相、第６相は、他の垂直転送段の転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６と共通の電極により構成されている。垂直最終段における有効画素領域直下の領域においては、第１列の第３相の転送電極が、他の垂直転送段の第３相の転送電極（Ｖ３）から独立した独立電極Ｖ３−１により構成され、第１列の第５相の転送電極が、他の垂直転送段の第５相の転送電極（Ｖ５）から独立した独立電極Ｖ５−１により構成されている。同様に、第２列の第３相の転送電極が独立電極Ｖ３−２により構成され、第２列の第５相の転送電極が独立電極Ｖ５−２により構成されている。さらに、第３列の第３相の転送電極が独立電極Ｖ３−３により構成され、第３列の第５相の転送電極が独立電極Ｖ５−３により構成されている。

一方、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域においては、第３相および第５相の転送電極も、第１相、第２相、第４相、第６相の電極と同様に、各列共通して連続的に形成されている。図１の例では、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域においては、第３相および第５相の転送電極は、前述の独立電極Ｖ３−１，Ｖ５−１と共通の電極として形成されている。

図３〜図５は、垂直最終段における有効画素領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。図３は、アルミニウム配線レイアウトを示す図であり、図４は、図３に示した構成から前記アルミニウム配線を取り除いた状態を示す図、図５は、図４に示した構成から遮光膜を取り除いた状態を示す図である。なお、図３〜図５において、図中上方に水平転送部４が位置している。また、図６は、図３に示したＡ−Ａ線における断面図である。

図３〜図６から分かるように、固体撮像素子１の垂直最終段における有効画素領域直下の領域における第５相の電極（Ｖ５−１，Ｖ５−２，Ｖ５−３）は、島状にパターニングされた第２層のポリシリコンゲート１６０（特に図５および図６参照）により、独立電極として形成されている。なお、固体撮像素子１の垂直最終段における有効画素領域直下の領域における第３相の電極も、この第５相の電極と同様に島状に形成されている。なお、第１相の電極も第２層のポリシリコンゲート１６０により形成されている。なお、第２相、第４相、第６相の電極は、第２層のポリシリコンゲート１６０とは異なる層にパターニングされた第１層のポリシリコンゲート１８０（図５参照）によって形成されている。なお、第２相、第４相、第６相の電極を形成する第１層のポリシリコンゲート１８０は、図５に示すように、各列に共通して連続的に形成されている。

第２層のポリシリコンゲート１６０の上層には、層間絶縁膜１６１を介して、タングステン遮光膜１６２が設けられている。層間絶縁膜１６１のさらに上層には、アルミニウム配線１６４がパターニングされている。配線１６４の上層は、保護膜１６５で覆われている。また、遮光膜１６２には開口部１６２ａが設けられ、この開口部１６２ａと層間絶縁膜１６１とを貫通するコンタクトプラグ１６３によって、第２層のポリシリコンゲート１６０とアルミニウム配線１６４とが電気的に接続されている。なお、第２層のポリシリコンゲート１６０は、シリコン基板１６７上に形成されたゲート絶縁膜１６６の表面に形成されており、第２層のポリシリコンゲート１６０の下方のシリコン基板１６７内に、垂直転送路１６８が形成されている。

また、図３に示すように、垂直最終段における第５相の独立電極Ｖ５−１，Ｖ５−２，Ｖ５−３にコンタクトプラグ１６３により接続されたアルミニウム配線１６４は、信号電荷の垂直転送方向に向かって延設され、水平転送部４上を通るように配線されている（図１参照）。一方、垂直最終段における第３相の独立電極Ｖ３−２，Ｖ３−３にコンタクトプラグ１６３により接続されたアルミニウム配線１６４は、信号電荷の垂直転送方向とは逆方向に向かって延設され、遮光膜を兼ねるタングステン配線１７０へ、コンタクトプラグ１７１によって電気的に接続されている。また、独立電極Ｖ３−１にコンタクトプラグ１６３により接続されたアルミニウム配線１６４は、これと同じ層に形成されたアルミニウム配線１７２に接続されている。

図７〜図９は、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。図７は、アルミニウム配線レイアウトを示す図であり、図８は、図７に示した構成から前記アルミニウム配線を取り除いた状態を示す図である。なお、図７および図８において、図中上方に水平転送部４が位置している。また、図９は、図７に示したＢ−Ｂ線における断面図である。

図９に示すように、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域では、第２層のポリシリコンゲート１６０は各列共通の共通電極として連続的に形成されている。そして、図７〜図９に示すように、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域においては、有効画素領域側の最端部の列に２箇所設けられた開口部１６２ａを除いて、全面にタングステン遮光膜１６２が形成されている。この開口部１６２ａは、アルミニウム配線１６４と、各列に共通に形成された電極Ｖ３−１，Ｖ５−１としての第２層のポリシリコンゲート１６０とを電気的にそれぞれ接続するコンタクトプラグ１６３を貫通させるために設けられたものである。このように、固体撮像素子１では、タングステン遮光膜１６２により、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域のほぼ全面を遮光することができるので、クランプミスが防止される。

なお、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の共通電極（Ｖ３−１，Ｖ５−１）に対しては、図１および図７に示したように、これらの共通電極の両端部に対して、駆動パルスを印加する配線が設けられていることが好ましい。共通電極の両端から駆動パルスを印加することにより、駆動波形のなまりが改善されるからである。しかし、図７に示したアルミニウム配線１６４、開口部１６２ａ、およびコンタクトプラグ１６３は必須ではなく、駆動波形のなまりが問題にならない場合は、省略することができる。この場合、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の全面が、開口部なく、タングステン遮光膜１６２によって覆われるので、ＯＢ領域を完全に遮光することができ、クランプミスをより確実に防止できるという効果が得られる。

以下、固体撮像素子１における水平方向の画素混合動作の一例について説明する。

固体撮像素子１は、制御部（図示せず）が垂直転送部３および水平転送部４の転送動作を制御することにより、水平方向における１列おきの３画素の信号電荷を混合し、水平方向の画素数を１／３に削減する。すなわち、固体撮像素子１では、前述のように垂直方向の画素数が１／３に削減されると共に、水平方向の画素数が１／３に削減されることにより、全体の画素数は１／９に削減されることとなる。

図１０に、水平方向において信号電荷を混合する画素の組み合わせを示す。なお、混合される画素の組み合わせを、以下、混合画素群と称する。図１０において、例えばＲｘｙのように示した記号は、Ｒ、Ｇ、Ｂが当該画素のフィルタの色を表し、ｘが当該画素の垂直位置（水平転送部４に近い方から第１段，第２段，・・・とする）、ｙが混合画素群における当該画素の位置（水平転送部４の出力側に近い方から第１番目、第２番目、・・・とする）をそれぞれ表すものとする。

図１０に示すように、固体撮像素子１は、例えば、Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１３のように１画素おきに３つずつの緑の画素を、第１の混合画素群とする。さらに、この第１の混合画素群によって生成される混合画素の重心と等間隔になるように、青の画素による混合画素群が決定されている。すなわち、第１の混合画素群のＧ１２とＧ１３との間のＢ１１と、このＧ１３の隣の混合画素群のＧ１１との間の画素であるＢ１２と、隣の混合画素群のＧ１１とＧ１２との間の画素であるＢ１３との３つの画素を、第２の混合画素群とする。このように、水平方向において交互に配置された二色の画素を、１画素おきに３つずつ組み合わせて混合することにより、混合後の各色の画素重心が等間隔となるので、モワレや偽信号が生じない。なお、図１０においてａで示した３行分，ｂで示した３行分が、垂直方向においてそれぞれ混合される。

次に、図１０に示す組み合わせで画素混合を行うための固体撮像素子１の駆動手順について、図１１〜図１５を参照しながら説明する。なお、図１１〜図１５において、有効画素領域の各画素について例えばＲｘｙのように示した記号は、Ｒ、Ｇ、Ｂが当該画素のフィルタの色を表し、ｘが当該画素の垂直位置（水平転送部４に近い方から第１段，第２段，・・・とする）、ｙが混合画素群における当該画素の位置（水平転送部４の出力側に近い方から第１番目、第２番目、・・・とする）をそれぞれ表すものとする。また、ＯＢ領域の画素については、水平方向での混合がなされないので、例えばＲｘＯの記号で示した。ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂは当該画素のフィルタの色を表し、ｘが当該画素の垂直位置（水平転送部４に近い方から第１段，第２段，・・・とする）を表す。末尾のＯは、ＯＢ領域の画素であることを表している。また、図１１〜図１５並びに後述する図１７〜図２１において、各列の上部に示した数字は、有効画素領域についてはそれぞれの列が第１列〜第３列のいずれかに該当するかを表し、ＯＢ領域についてはそれぞれの列と同時に駆動される有効画素領域の列の番号（第１列または第３列）を表す。

前述のとおり、３列単位に構成された垂直転送部３の垂直最終段の各列は、同じ列の他の垂直転送段並びに他の列の垂直最終段のいずれとも別個に独立して転送を行えるように構成されている。例えば、第１列および第３列の垂直最終段に信号電荷を保持したままで、第２列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部４へ転送することができる。また、第１列および第２列の垂直最終段に信号電荷を保持したままで、第３列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部４へ転送することができる。

図１１（ａ）に示す状態は、光電変換部２から信号電荷が読み出され、垂直転送部３において垂直方向の画素数が１／３に削減された状態、すなわち、各垂直転送段において、混合された３画素分の信号電荷が保持されている状態を示す。

ここで、垂直最終段において第２列（Ｖ３−２，Ｖ５−２）のみを駆動することにより、図１１（ｂ）に示すように、第２列の垂直最終段の信号電荷のみが、水平転送部４へ転送された状態となる。

次に、水平転送部４の信号電荷を、順方向へ２画素分だけ転送した後、垂直最終段において第３列（Ｖ３−３，Ｖ５−３）のみを駆動することにより、図１２（ｃ）に示すように、第３列の垂直最終段の信号電荷のみが水平転送部４へ転送される。これにより、図１２（ｃ）に示すように、Ｇ１２とＧ１３、および、Ｂ１２とＢ１３の２画素ずつの信号電荷が、水平転送部４内でそれぞれ混合されることとなる。

そして、さらに、水平転送部４の信号電荷を順方向へ２画素分だけ転送した後、垂直最終段において第１列（Ｖ３−１，Ｖ５−１）を駆動することにより、垂直最終段に残っていたＧ１１およびＢ１１の信号電荷が水平転送部４へ転送される。このとき、ＯＢ領域直下の領域における垂直最終段の共通電極Ｖ３−１，Ｖ５−１も同時に駆動されるので、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の信号電荷（Ｂ１Ｏ，Ｇ１Ｏ）が全て水平転送部４へ転送される。

これにより、図１２（ｄ）に示すように、有効画素領域から転送されたＧ１１とＧ１２とＧ１３の３画素の信号電荷、および、Ｂ１１とＢ１２とＢ１３の信号電荷が、水平転送部４内でそれぞれ混合される。このように、同じ段における二色の画素が、１画素おきに３画素ずつの組み合わせでそれぞれ混合されて、水平方向における画素数が１／３に削減されることとなる。また、図１２（ｄ）から分かるように、緑の混合画素と青の混合画素は等間隔に出力されるので、モワレや偽信号が生じない。

この後、上記と同様に、第２列の駆動、第３列の駆動、第１列の駆動をさらに２サイクル繰り返すことにより、図１３（ｅ）、図１３（ｆ）、図１４（ｇ）、図１４（ｈ）、図１５（ｉ）、図１５（ｊ）に示すように、３行分（図１０においてａで示した行）の信号電荷の水平転送部４への転送が完了する。

図１５（ｊ）に示すように水平転送部４へ転送された信号電荷は、水平転送部４から順次出力される。水平転送部４から出力される画像信号は、画素が１次元に配置されたものであるので、この信号を元の２次元配列に戻すために、固体撮像素子１の外部の画像処理装置において、水平転送部４からの出力信号を２次元的に再配置する処理が行われる。

なお、図１５（ｊ）に示すように水平転送部４へ転送された信号電荷は、有効画素領域とＯＢ領域では水平混合の様式が異なった結果、その境界部において混合画素数のバラツキが生じている。１段分の信号は垂直方向に３画素混合されたものであるので、最大で１２画素混合となっている。

なお、図１１（ａ）〜図１５（ｊ）に示した画素混合手順を実現するための駆動タイミング図は、図１６に示すとおりである。図１６において、各電極に与えられる駆動パルスが高レベルの場合に、当該電極はストレージ部となり、駆動パルスが低レベルの場合に、当該電極はバリア部となる。

以上、図１１〜図１５を参照し、固体撮像素子１の駆動方法の一例について説明したが、固体撮像素子１の駆動方法はこの例のみに限定されない。例えば、図１１〜図１５に示した例は、図１に示すように、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の共通電極が、有効画素領域直下の垂直最終段における独立電極Ｖ３−１，Ｖ５−１と同じ配線に接続された構成を前提としている。しかし、固体撮像素子１の構成はこれに限定されず、例えば、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の共通電極を、有効画素領域直下の垂直最終段独立電極Ｖ３−３，Ｖ５−３と同じ配線に接続しても良い。その場合、固体撮像素子１における水平方向の画素混合の手順は、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１８（ｃ）、図１８（ｄ）、図１９（ｅ）、図１９（ｆ）、図２０（ｇ）、図２０（ｈ）、図２１（ｉ）、図２１（ｊ）に示すとおりとなる。

なお、図２１（ｊ）に示すように水平転送部４へ転送された信号電荷は、図１５（ｊ）で示した信号電荷と同様に有効画素領域とＯＢ領域の境界部において混合画素数のバラツキを持っており、最大で１５画素混合となっている。

なお、上記の実施形態では、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の共通電極を、有効画素領域直下の垂直最終段における独立電極Ｖ３−１およびＶ５−１、あるいはＶ３−３，Ｖ５−３と同じ配線に接続するものとした。しかし、これ以外に、垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の共通電極を、有効画素領域の共通電極（Ｖ３，Ｖ５）と同じ配線に接続した構成としても良い。この構成によれば、駆動パルスの種類および電極端子数を削減できるので、固体撮像素子１の構成が簡略化されるという利点がある。また、独立電極Ｖ３−１およびＶ５−１も同時に有効画素領域の共通電極（Ｖ３，Ｖ５）と同じ配線にしても良く、このときには上記固体撮像素子１の構成簡略化のみでなく、最大混合画素数を１２画素とできることで、混合画素数のバラツキによる暗信号の増加を最低限に抑制できる利点もある。

以上、本発明にかかる一実施形態としての固体撮像素子について説明したが、上述の説明にかかる固体撮像素子１は、あくまでも一具体例に過ぎない。例えば、本発明は、図２に示したようなフィルタ配列の固体撮像素子に限定されるものではなく、他の配列にも適用可能である。さらに、カラーフィルタを用いないモノクロ画像の固体撮像素子にも適用できる。

また、上述では、ｍ＝３の例を説明したが、ｍ＝３に限らず、最終転送段において各列の転送電極を独立に駆動することによって水平方向の画素混合を行う構成に対しては、本発明を適用することが可能である。

さらに、本実施形態で説明した固体撮像素子をディジタルカメラに適用すれば、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能であり、かつ、画質に優れたディジタルカメラを実現できる。本発明の高速動作と通常の全画素読み出し動作を切り替えて使用することができるため、動画（高速動作）モードと静止画（全画素読み出し動作）モードを兼ね備えたディジタルカメラを実現できる。

図２２に、本発明にかかるディジタルカメラの構成例を示す。本ディジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子１の撮像面に結像するためのレンズなどを含む光学系３１と、固体撮像素子１の駆動を制御する制御部３２と、固体撮像素子１からの出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部３３とを備えている。この構成によれば、固体撮像素子１におけるＯＢクランプミスが防止されることにより、良質な映像信号を高速に出力できるディジタルカメラを実現できる。

本発明は、水平方向における画素混合を行う固体撮像素子においてＯＢクランプミスを防止することにより、良質な画像を高速に出力できる固体撮像素子とこれを備えたカメラとして利用可能である。

本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子において混合される画素の組み合わせを示す説明図である。 垂直最終段における有効画素領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。 垂直最終段における有効画素領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。 垂直最終段における有効画素領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。 図３に示したＡ−Ａ線における断面図である。 垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。 垂直最終段におけるＯＢ領域直下の領域の電極および配線のレイアウトを示す図である。 図７に示したＢ−Ｂ線における断面図である。 水平方向において信号電荷が混合される画素の組み合わせを示す説明図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部を説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１１の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１２の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１３の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１４の続きを説明する模式図である。 図１１〜図１５に示した画素混合を実現するための駆動信号を表すタイミング図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部を説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１７の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１８の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図１９の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかる固体撮像素子における画素混合の手順の一部であって、図２０の続きを説明する模式図である。 本発明の一実施形態にかかるカメラの概略構成を示すブロック図である。 従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ 光電変換部
３ 垂直転送部
４ 水平転送部
３１ 光学系
３２ 制御部
３３ 画像処理部
１６０ 第２層のポリシリコンゲート
１６１ 層間絶縁膜
１６２ タングステン遮光膜
１６２ａ 開口部
１６３ コンタクトプラグ
１６４ アルミニウム配線
１６５ 保護膜
１６６ ゲート絶縁膜
１６７ シリコン基板
１６８ 垂直転送路
１７０ タングステン配線
１８０ 第１層のポリシリコンゲート

Claims (5)

1. ２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、
   前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、
   前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、有効画素領域と水平転送部との間の領域においては、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有すると共に、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段において、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した独立転送電極が設けられ、
   前記垂直最終段が、有効画素領域の水平方向両側の少なくとも一方に設けられたＯＢ領域を含む領域と水平転送部との間の領域においては、全ての列において共通した共通転送電極を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記垂直最終段において、前記ｍ列の独立転送電極をｍ回に分けて駆動して転送動作を行うことにより、水平転送部へ信号電荷を転送するステップと、
   前記ｍ回の転送動作の各々の後に、前記水平転送部へ転送された信号電荷を一定画素分水平転送して、次の回の転送動作により前記水平転送部へ転送される同一番号列の信号電荷と混合されるように前記信号電荷を配置するステップと、
   前記ｍ回のうち、ｋ回目（ｋは１以上、ｍ以下の整数）の転送動作を行うとき、前記共通転送電極の転送動作により、前記水平転送部へ前記ＯＢ領域の信号電荷も同時に転送するステップとを備え、
   前記ｍ回の転送動作をｍサイクル繰り返すことによりｍ行分の信号電荷を前記水平転送部へ転送することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記垂直最終段において、前記ＯＢ領域と水平転送部との間の領域の全体が遮光膜で覆われている、請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
3. 前記共通転送電極の両端部の一方に接続された配線が、水平転送部の上層をまたがって延設されている、請求項１又は２に記載の固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記共通転送電極へ印加される駆動信号が、前記有効画素領域におけるいずれかの転送電極へ印加される駆動信号と共通である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像素子の駆動方法。
5. ｍ＝３であって、３列単位毎の各列を水平転送方向の逆方向に順次、第１列、第２列、及び第３列と定義したとき、
   前記垂直最終段において、前記第２列のみを駆動することにより、前記第２列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送するステップと、
   前記第２列の信号電荷を順方向へ２画素分水平転送するステップと、
   前記垂直最終段において、前記第３列のみを駆動することにより、前記第３列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送するステップと、
   前記第３列の信号電荷を順方向へ２画素分水平転送するステップと、
   前記垂直最終段において、前記第１列のみを駆動することにより、前記第１列の垂直最終段の信号電荷のみを、前記水平転送部へ転送すると同時に、前記ＯＢ領域直下における垂直最終段の前記共通電極を駆動することにより、前記垂直最終段における前記ＯＢ領域直下の領域の信号電荷を全て前記水平転送部へ転送するステップとを備え、
   前記第２列の駆動、前記第３列の駆動、及び、前記第１列の駆動を３サイクル繰り返すことにより、３行分の信号電荷を前記水平転送部へ転送することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像素子の駆動法方法。

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