JPH07183491A - 電荷転送装置及びこれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置を大型化することなく、信号電荷の高速
転送を可能とした固体撮像装置を提供する。 【構成】 水平シフトレジスタ４によって転送された信
号電荷を振分けゲート１０にて２つの径路に振り分け、
出力ゲート９を通して２個の電荷検出部５，６に転送
し、これを検出するようにして信号電荷の出力レートを
信号電荷の転送周波数の１／２にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送装置及びこれ
を用いた固体撮像装置に関し、特に信号電荷の高速転送
が可能な電荷転送装置及びこれを信号電荷の転送部に用
いた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置、例えばＨＤＴＶ(high de
finition television)用ＣＣＤエリアセンサでは、デー
タの転送レートが速く、特に水平シフトレジスタではそ
の転送周波数が７４ＭＨｚに達する。水平シフトレジス
タを７４ＭＨｚもの高い周波数で駆動すると、出力トラ
ンジスタに非常に高速な素子が要求され、その設計はか
なり困難なものとなる。また、ＣＣＤエリアセンサの出
力系には、通常、リセット雑音を除去するためにＣＤＳ
（相関二重サンプリング）回路を用いているが、データ
レートが７４ＭＨｚとなると、ＣＤＳを行うことも困難
になる。

【０００３】そのため、水平シフトレジスタを２段構成
とすることにより、信号電荷の転送速度を半分に下げる
技術が用いられている。しかし、この構造では、２段の
水平シフトレジスタ間で信号電荷を転送する必要がある
ことから、それに伴い発生する種々の問題、例えば水平
シフトレジスタ間での転送効率や、必要とされる取扱電
荷量の確保などを克服するために、新たにいくつかのプ
ロセスの工程を追加する必要があった。

【０００４】一方、ＣＣＤリニアセンサでは、図７に示
すように、直線状に配列された画素列６１の両側に設け
られ、トランスファゲート６２，６３を介して読み出さ
れた画素列６１の偶数番目と奇数番目の信号電荷を別々
に同一方向に転送する２列のシフトレジスタ６４，６５
の各々において、その転送方向の先端部分で２本のシフ
トレジスタ６４ａ，６４ｂ及び６５ａ，６５ｂに分岐さ
せるとともに、分岐されたシフトレジスタ６４ａ，６４
ｂ及び６５ａ，６５ｂのそれぞれに出力バッファ６６
ａ，６６ｂ及び６７ａ，６７ｂを設けることにより、転
送電荷の高速出力を可能とした構成のものが知られてい
る（例えば、特開平４−２４３１３８号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来装置では、１本のシフトレジスタ６４（６５）で
転送した信号電荷をその先端部分で２系統に振り分けた
後、さらにシフトレジスタ６４ａ，６４ｂ（６５ａ，６
５ｂ）で転送する構成となっているため、分岐されたシ
フトレジスタ６４ａ，６４ｂ（６５ａ，６５ｂ）ではシ
フトレジスタ６４（６５）の最大取扱電荷量と同じ電荷
量を取り扱えることが必要である。したがって、シフト
レジスタ６４ａ，６４ｂ（６５ａ，６５ｂ）としては、
図８の模式図に示すように、シフトレジスタ６４（６
５）の転送路幅Ｌ１と同じだけの転送路幅Ｌ２を確保す
る必要があるため、分岐後のレジスタ部分の全体の幅が
広くなり、装置が大型化するという問題があった。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、装置を大型化するこ
となく、信号電荷の高速転送を可能とした電荷転送装置
及びこれを用いた固体撮像装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電荷転送
装置は、信号電荷を転送するシフトレジスタと、このシ
フトレジスタの最終段ゲートに隣接して設けられて当該
シフトレジスタによって転送された信号電荷を複数の径
路に振り分ける振分けゲートと、この振分けゲートにて
振り分けられた信号電荷を出力する出力ゲートと、複数
の径路に対応して設けられて出力ゲートから出力される
信号電荷を検出する複数の電荷検出部とを具備した構成
となっている。

【０００８】請求項２記載の電荷転送装置は、請求項１
記載の電荷転送装置において、振分けゲートが複数の径
路に対応して互いに異なる層にて形成された複数のゲー
ト電極を有し、隣り合うゲート電極の一方が他方にオー
バーラップするように構成されている。請求項３記載の
電荷転送装置は、請求項１又は２記載の電荷転送装置に
おいて、複数の径路の分岐点が振分けゲート内に位置す
るように構成されている。請求項４記載の固体撮像装置
は、少なくとも１列分のセンサ列からなるセンサ部と、
このセンサ部から画素単位で読み出された信号電荷を転
送する電荷転送部とを具備し、電荷転送部として請求項
１，２又は３記載の電荷転送装置を用いた構成となって
いる。

【０００９】

【作用】請求項１記載の電荷転送装置において、シフト
レジスタによって転送された信号電荷を振分けゲートに
てｎ個（ｎは２以上の整数）の径路に振り分ける。そし
て、これをｎ個の電荷検出部にて検出する。これによ
り、信号電荷の出力レートを信号電荷の転送周波数の１
／ｎにできる。したがって、シフトレジスタの本数を増
やすことなくデータの出力レートを下げることができ
る。また、シフトレジスタの最終段と出力ゲートとの間
に振分けゲートを設け、この振分けゲートによって信号
電荷を各電荷検出部に対して振り分ける。これにより、
振分け後の信号電荷は直接電荷検出部に転送される。し
たがって、信号電荷の転送路を確保する必要がないた
め、装置が大型化することもない。

【００１０】請求項２記載の電荷転送装置において、振
分けゲートのｎ個のゲート電極を互いに異なる層にて互
いにオーバーラップするように形成したことで、ｎ個の
ゲート電極を隙間なく配列できる。したがって、振分け
ゲートの幅を最小限に抑えることができる。請求項３記
載の電荷転送装置において、複数の径路の分岐点が振分
けゲート内に位置することで、複数の径路に対する信号
電荷の振分けを確実に行える。請求項４記載の固体撮像
装置において、センサ部から読み出された信号電荷をシ
フトレジスタで転送し、このシフトレジスタの最終段ゲ
ートに隣接して設けられた振分けゲートによって振り分
ける。そして、振り分けられた信号電荷を出力ゲートを
介してｎ個の電荷検出部に転送する。これにより、シフ
トレジスタでの信号電荷の転送速度を出力レートのｎ倍
に高速化できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例を示す要部の平面
パターン図、図２は本発明が適用されたＣＣＤエリアセ
ンサの一例の概略構成図である。先ず、図２において、
水平及び垂直方向に２次元配列されかつ入射光を光電変
換して蓄積する複数個のフォトセンサ（画素）１と、こ
れらフォトセンサ１の垂直列毎に配されてフォトセンサ
１から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数
本の垂直シフトレジスタ２とによって受光部３が構成さ
れている。

【００１２】フォトセンサ１で光電変換された信号電荷
は、垂直ブランキング期間の一部で垂直シフトレジスタ
２に読み出される。垂直シフトレジスタ２に読み出され
た信号電荷は、水平ブランキング期間の一部で１走査線
に相当する部分ずつ水平シフトレジスタ４へ転送され
る。１走査線分の信号電荷は、水平シフトレジスタ４に
て順次水平方向に転送される。水平シフトレジスタ４に
よって転送された信号電荷は、当該レジスタ４の出力部
分で画素単位で例えば２つの径路に振り分けられて２つ
の電荷検出部５，６に供給される。

【００１３】この水平シフトレジスタ４の出力部分の構
成が本発明による電荷転送装置の特徴とするところであ
り、以下、本発明の特徴とする部分について図１に基づ
いて説明する。水平シフトレジスタ４は、２層構造のポ
リシリコン(1PS,2PS) からなる一対のゲート電極７，８
を有し、これら電極対に水平転送クロックＨ１，Ｈ２が
印加されることによって２相駆動される。この水平シフ
トレジスタ４の最終段ゲートに隣接して出力ゲート(1PS
のゲート電極）９との間に振分けゲート１０が設けられ
ている。

【００１４】この振分けゲート１０は、異なる層のポリ
シリコン(3PS,2PS) によって互いにオーバーラップする
ように形成された例えば２つのゲート電極１１，１２を
有しており、各ゲート電極１１，１２にセレクトパルス
ＳＧ１，ＳＧ２が印加されることにより、水平シフトレ
ジスタ４によって転送された信号電荷を画素単位で２つ
の径路に振り分ける。この２つの径路は、図１から明ら
かなように、その分岐点Ａが振分けゲート１０内に位置
するように構成されている。これにより、２つの径路に
対する信号電荷の振分けを確実に行うことができる。

【００１５】なお、上記分岐点Ａが振分けゲート１０外
に位置する場合には、以下のような問題が生ずる虞れが
ある。すなわち、図３（Ａ）に示すように、分岐点Ａが
振分けゲート１０よりも水平シフトレジスタ４側に位置
する場合には、分岐点ＡからＯＦＦ側（本例では、ゲー
ト電極１１側）の近傍に溜まった信号電荷ａには充分な
電界が与えられないために、この部分の信号電荷ａを転
送できなく、転送残しが生ずることになる。

【００１６】一方、図３（Ｂ）に示すように、分岐点Ａ
が振分けゲート１０よりも出力ゲート９側に位置する場
合には、一部の信号電荷ｂがＯＮ側（本例では、ゲート
電極１２側）の振分けゲート１０を通過した後に非選択
側の径路に流れ込んで転送されてしまうことになる。振
分けゲート１０にて振り分けられた２系統の信号電荷
は、出力ゲート９を介して２つの電荷検出部５，６に供
給される。本例では、電荷検出部５，６としては、例え
ばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成のも
のが用いられている。

【００１７】すなわち、電荷検出部５は、フローティン
グディフュージョン（ＦＤ）１３、リセットドレイン
（ＲＤ）１４及びゲート電極１５によって構成され、ゲ
ート電極１５にはリセットパルスＲＧ１が印加されるよ
うになっている。電荷検出部６も同様に、ＦＤ１６、Ｒ
Ｄ１７及びゲート電極１８によって構成され、ゲート電
極１８にはリセットパルスＲＧ２が印加されるようにな
っている。なお、電荷検出部５，６としては、フローテ
ィング・ディフュージョン・アンプ構成のものに限定さ
れるものではなく、例えばフローティング・ゲート・ア
ンプ構成のものを用いることも可能である。

【００１８】次に、上記構成のＣＣＤエリアセンサにお
ける水平シフトレジスタ４の出力部分における動作につ
き、図４のタイミングチャートに基づいて図５のポテン
シャル図を参照しつつ説明する。なお、図４では、各ゲ
ート電極の駆動波形を示しているが、各波形の振幅は高
低のレベルを示しているに過ぎず、絶対的な電圧値を示
しているのではない。また、図５では、各部のポテンシ
ャルを示しており、図の下方向が電子に対するポテンシ
ャルが低いものとする。

【００１９】時刻Ｔ０において２相目（Ｈ２）のゲート
下に蓄積されている信号電荷は、時刻Ｔ１において２相
目（Ｈ２）のゲート下から１相目（Ｈ１）のゲート下に
転送される。このとき、セレクトパルスＳＧ１は“Ｌ”
レベル、セレクトパルスＳＧ２は“Ｈ”レベルとなって
いるため、信号電荷は最終段ゲート（Ｈ１）下から振分
けゲート１０のゲート電極１２側を通して電荷検出部６
のＦＤ１６に転送され、そこで信号電荷が検出される。
検出された信号電圧は、図示せぬ出力トランジスタＴＲ
１へ供給される。

【００２０】なお、図５において、振分けゲート（Ｓ
Ｇ）１０のポテンシャルは、セレクトパルスＳＧ１，Ｓ
Ｇ２が“Ｈ”レベルのときは、水平転送クロックＨ１が
“Ｌ”レベルのときの最終段ゲート（Ｈ１）下のポテン
シャルよりも深くなっており、セレクトパルスＳＧ１，
ＳＧ２が“Ｌ”レベルのときは、水平転送クロックＨ１
が“Ｌ”レベルのときの最終段ゲート（Ｈ１）下のポテ
ンシャルよりも浅くなっていることが必要である。

【００２１】時刻Ｔ２において２相目（Ｈ２）のゲート
下に蓄積されている信号電荷は、時刻Ｔ３において２相
目（Ｈ２）のゲート下から１相目（Ｈ１）のゲート下に
転送される。このとき、セレクトパルスＳＧ１は“Ｈ”
レベル、セレクトパルスＳＧ２は“Ｌ”レベルとなって
いるため、信号電荷は最終段ゲート下（Ｈ１）から振分
けゲート１０のゲート電極１１側を通して電荷検出部５
のＦＤ１３に転送され、そこで信号電荷が検出される。
検出された信号電圧は、図示せぬ出力トランジスタＴＲ
２へ供給される。

【００２２】上述したように、水平シフトレジスタ４に
よって転送された信号電荷を振分けゲート１０によって
画素単位で２個の電荷検出部５，６の各ＦＤ１３，１６
にそれぞれ振り分けるようにしたことにより、電荷検出
部５，６のゲート電極１５，１８に印加するリセットパ
ルスＲＧ１，ＲＧ２の周波数を水平シフトレジスタ４の
水平転送クロックＨ１，Ｈ２の周波数の１／２にするこ
とができる。これにより、信号電荷の出力レートは信号
電荷の転送周波数の１／２になる。すなわち、２ｆh の
転送周波数で転送されてきた信号電荷は、ｆh の周波数
で出力されることになる。

【００２３】したがって、本発明による電荷転送装置
を、ＨＤＴＶ用エリアセンサの水平シフトレジスタに適
用した場合、水平シフトレジスタが１本で、転送周波数
が７４ＭＨｚであっても、出力信号のデータレートが転
送周波数の半分の３７ＭＨｚになるため、水平シフトレ
ジスタの本数を増やさなくても、データの出力レートを
下げることができる。これにより、電荷検出部５，６の
後段の出力トランジスタＴＲ１，ＴＲ２としては、高速
な素子でなくても済むことになる。また、ＣＤＳ（相関
二重サンプリング）も支障なく行えることになる。

【００２４】また、図６の模式図から特に明らかなよう
に、振分けゲート（ＳＧ）１０によって振り分けた信号
電荷を、出力ゲート（ＯＧ）９を通して電荷検出部５，
６のＦＤ１３，１６に直接転送するようにしているた
め、図７に示す従来例の場合のように、水平シフトレジ
スタ４の最大取扱電荷量に対応した転送路を確保する必
要がない。したがって、電荷検出部１個分を追加する程
度の面積の拡大で本装置を実現できるため、装置が大型
になることもない。さらには、振分けゲート１０におい
て、そのゲート電極１１，１２を互いに異なる層にてオ
ーバーラップするように形成したので、ゲート電極１
１，１２を隙間なく配列できる。これにより、振分けゲ
ート１０の幅を最小限に抑えることができるため、装置
の小型化に寄与できることになる。

【００２５】なお、上記実施例では、振分けゲート１０
によって信号電荷を２つの径路に振り分けるとしたが、
２つの径路に限らず、３つ以上の径路に振り分けるよう
にすることも可能である。このとき、当然のことなが
ら、電荷検出部についても３個以上配する必要がある。
また、上記実施例においては、ＣＣＤエリアセンサに適
用した場合について説明したが、これに限定されるもの
ではなく、ＣＣＤリニアセンサ等の固体撮像装置や、Ｃ
ＣＤ遅延線等の電荷転送装置にも同様に適用し得るもの
である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、シフトレジスタによって転送された信号電
荷を振分けゲートにてｎ個の径路に振り分けてｎ個の電
荷検出部に転送し、これを検出するようにしたことによ
り、信号電荷の出力レートを信号電荷の転送周波数の１
／ｎにできるので、シフトレジスタの本数を増やすこと
なくデータの出力レートを下げることができることにな
る。

【００２７】また、シフトレジスタの最終段と出力ゲー
トとの間に振分けゲートを設け、この振分けゲートにて
振り分けられた信号電荷を各電荷検出部に直接転送する
ようにしたことにより、信号電荷の転送路を確保する必
要がなく、例えばｎ＝２の場合には、電荷検出部１個分
を追加する程度の面積の拡大で対応できるため、装置が
大型化することもない。

【００２８】請求項２記載の発明によれば、振分けゲー
トのｎ個のゲート電極を互いに異なる層にて互いにオー
バーラップするように形成したことにより、ｎ個のゲー
ト電極を隙間なく配列できるため、振分けゲートの幅を
最小限に抑えることができ、よって装置の小型化に寄与
できることになる。請求項３記載の発明によれば、複数
の径路の分岐点が振分けゲート内に位置するように構成
したので、複数の径路に対する信号電荷の振分けを確実
に行うことができることになる。

【００２９】請求項４記載の発明によれば、センサ部か
ら読み出された信号電荷をシフトレジスタで転送し、こ
のシフトレジスタの最終段ゲートに隣接して設けられた
振分けゲートによって振り分け、振り分けられた信号電
荷を出力ゲートを介してｎ個の電荷検出部に転送するよ
うに電荷転送部を構成したことにより、シフトレジスタ
での信号電荷の転送速度を出力レートのｎ倍に高速化で
きることになる。その結果、ＨＤＴＶ用エリアセンサの
水平シフトレジスタに適用した場合、水平シフトレジス
タが１本でも、出力信号のデータレートが転送周波数の
半分になるため、水平シフトレジスタの本数を増やさな
くても、データの出力レートを下げることができること
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す要部の平面パターン図
である。

【図２】本発明が適用されたＣＣＤエリアセンサの一例
の概略構成図である。

【図３】振分けゲートにおける分岐点Ａの位置に応じた
信号電荷の振分け動作の説明図である。

【図４】本発明の動作説明のためのタイミングチャート
である。

【図５】本発明に係る各部のポテンシャル図である。

【図６】本発明に係る要部の模式図である。

【図７】従来例を示す概略構成図である。

【図８】従来例に係る要部の模式図である。

【符号の説明】

１ フォトセンサ ２ 垂直シフトレジスタ ３ 受光部 ４ 水平シフトレジスタ ５，６ 電荷検出部 ９ 出力ゲート １０ 振分けゲート １１，１２ ゲート電極 １３，１６ フローティングディフュージョン １４，１７ リセットドレイン １５，１８ リセットゲート

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｆ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号電荷を転送するシフトレジスタと、 前記シフトレジスタの最終段ゲートに隣接して設けられ
   て前記シフトレジスタによって転送された信号電荷を複
   数の径路に振り分ける振分けゲートと、 前記振分けゲートにて振り分けられた信号電荷を出力す
   る出力ゲートと、 前記複数の径路に対応して設けられて前記出力ゲートか
   ら出力される信号電荷を検出する複数の電荷検出部とを
   具備したことを特徴とする電荷転送装置。
2. 【請求項２】 前記振分けゲートは、前記複数の径路に
   対応して互いに異なる層にて形成された複数のゲート電
   極を有し、隣り合うゲート電極の一方が他方にオーバー
   ラップするように構成されたことを特徴とする請求項１
   記載の電荷転送装置。
3. 【請求項３】 前記複数の径路は、その分岐点が前記振
   分けゲート内に位置することを特徴とする請求項１又は
   ２記載の電荷転送装置。
4. 【請求項４】 少なくとも１列分のセンサ列からなるセ
   ンサ部と、 前記センサ部から画素単位で読み出された信号電荷を転
   送する電荷転送部とを具備し、 前記電荷転送部として請求項１，２又は３記載の電荷転
   送装置を用いたことを特徴とする固体撮像装置。