WO2011114639A1 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法及びカメラ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof, and more particularly to a structure and a driving method for realizing a moving image function with low power consumption and a high frame rate in a CCD for a digital still camera.
- the shape of the storage electrode of the horizontal transfer unit that performs distribution transfer is devised, or the impurity concentration on the distribution transfer unit side (vertical transfer direction) in the horizontal transfer unit that performs distribution transfer
- a potential gradient is formed in the vertical transfer direction, and distribution transfer failures are suppressed.
- the saturation charge amount of the horizontal transfer unit is reduced, or signal charges meander and are horizontally transferred during horizontal transfer, and per transfer stage.
- the effective transfer length increases and transfer defects are likely to occur.
- the storage electrode of the horizontal transfer unit that performs distribution transfer is configured with a plurality of electrode elements, and different drive pulses are applied to each electrode element during distribution transfer. The charge is transferred by applying.
- FIG. 19 is a configuration diagram showing a part of a horizontal transfer unit of a solid-state imaging device according to the prior art described in Patent Document 2.
- FIG. 20 is a cross-sectional structure of the uppermost layer of the horizontal transfer section along BB ′ shown in FIG. 19, and a potential schematic diagram showing the potential distribution under each electrode and the signal charge transfer state.
- FIG. It is a figure which shows the timing of the transfer pulse applied to each electrode of FIG. 19 in a ranking period.
- FIG. 20 shows the potential distribution under each electrode and the signal charge transfer state in the periods N1 to N5 in FIG.
- the solid-state imaging device in Patent Document 2 includes a channel stop 201, an intermediate transfer unit 206, a final vertical transfer electrode 207, horizontal storage electrodes 209 and 211, a horizontal barrier electrode 210, and a barrier region 213. .
- the horizontal transfer electrodes are composed of horizontal storage electrodes 209 and 211 and a horizontal barrier electrode 210.
- voltages of ⁇ H1 and ⁇ H2A ( ⁇ H2B) are applied to the respective electrodes and provided on the semiconductor substrate 214 shown in FIG. This is a horizontal two-phase drive structure for transferring signal charges in the channel 215.
- the horizontal storage electrode 211 that transfers the signal charge from the first horizontal transfer unit 204 to the second horizontal transfer unit 205 includes a first electrode element 211A and a second electrode element 211B.
- the first electrode element 211A covers the channel of the intermediate transfer unit 206 and the second horizontal transfer unit 205 from almost the center of the channel of the first horizontal transfer unit 204, and covers the first horizontal transfer unit 204 and the second horizontal transfer unit 205.
- the second electrode element 211B covers a channel of the first horizontal transfer unit 204 that is not covered by the first electrode element 211A, and constitutes a storage electrode of the first horizontal transfer unit 204.
- the first electrode element 211A and the second electrode element 211B are electrically insulated, and the width of the second electrode element 211B is substantially the same as that of the first electrode element 211A, and the second horizontal transfer unit 205 As shown in FIG. 19, the second electrode element 211B is placed on the first electrode element 211A when viewed from the top, in the almost half of the upper and first horizontal transfer unit 204 on the distribution transfer electrode 208 side. overlapping.
- the storage electrode of the second horizontal transfer unit 205 is formed of only the first electrode element 211A, and the storage electrode of the first horizontal transfer unit 204 covers almost half of the first horizontal transfer unit 204 on the final vertical transfer electrode 207 side.
- the second electrode element 211B is connected in common with the horizontal barrier electrode 210, and the first electrode element 211A is independently connected to the outside.
- ⁇ H1, ⁇ H2A, ⁇ H2B applied to the horizontal storage electrodes 209 and 211 are simultaneously set to high level, and ⁇ VL applied to the final vertical transfer electrode 207 is set to low level.
- the signal charges (black circles shown in FIG. 19) accumulated under the final vertical transfer electrode 207 of the vertical transfer unit 202 are transferred to the horizontal storage electrode 209 and the horizontal storage electrode 211 (corresponding to the first horizontal transfer unit 204).
- the first electrode element 211A and the second electrode element 211B) are transferred below (period N1, FIG. 20A).
- ⁇ T applied to the distribution transfer electrode 208 is set to the high level
- ⁇ H1 and ⁇ H2B are simultaneously set to the low level
- ⁇ H2A is set to the middle level between the high level and the low level, thereby transferring the signal charge to the intermediate transfer unit 206. (Period N2, FIG. 20B).
- ⁇ H2A is set to the low level to complete the transfer of the signal charge to the distribution channel (period N3, FIG. 20 (c)).
- the signal charges transferred from the vertical transfer unit 203 remain in the first horizontal transfer unit 204 during the periods N2 to N4. Thereby, the signal charges of the vertical transfer units 202 and 203 are distributed to the first horizontal transfer unit 204 and the second horizontal transfer unit 205, and the transfer is completed.
- the distributed signal charges are horizontally transferred through the first horizontal transfer unit 204 and the second horizontal transfer unit 205 toward the output unit (not shown).
- the solid-state imaging device of the prior art disclosed in Patent Document 2 has, as a first feature, the first horizontal transfer unit 204 to the intermediate transfer unit 206 formed by using a multilayer gate process having four or more layers.
- the first horizontal transfer unit 204 to the intermediate transfer unit 206 formed by using a multilayer gate process having four or more layers.
- different drive pulses are applied to form a potential gradient in the first horizontal transfer unit 204 to enhance the transfer electric field. Yes.
- the transfer electric field can be strengthened and signal charge transfer defects can be suppressed.
- the same drive pulse is applied to the first electrode element 211A and the second electrode element 211B formed by using a multi-layer gate process of four or more layers in horizontal transfer after distribution transfer is completed. It is a point to apply.
- the channel potentials under the electrode element 211A and the electrode element 211B are made the same, and the two electrode elements 211A and 211B are trying to function in the same manner as one electrode. That is, a potential gradient is not formed during horizontal transfer, thereby reducing the amount of saturation charge in the horizontal transfer unit and suppressing horizontal transfer defects.
- the configuration of the prior art is a two-layer (multi-layer) electrode configuration in which a horizontal storage electrode 209 and a horizontal barrier electrode 210 are repeated in the horizontal direction. Furthermore, since the first electrode element 211A and the second electrode element 211B are independently configured in order to distribute and transfer the signal charges by the first horizontal transfer unit 204, the first electrode element 211B is adjacent to the second electrode element 211B.
- the horizontal barrier electrode 210 needs to be formed above the first electrode element 211A and the second electrode element 211B, and has a three-layer electrode structure.
- FIGS. 22A to 22D are general process schematic diagrams when forming a multi-layered transfer electrode as in the conventional solid-state imaging device.
- a p-type well 222 is formed in an n-type semiconductor substrate 221, and an n-type diffusion layer 223 of a transfer channel is formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 221.
- FIG. 22A a p-type well 222 is formed in an n-type semiconductor substrate 221, and an n-type diffusion layer 223 of a transfer channel is formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 221.
- an insulating film 224 is formed on the n-type diffusion layer 223 by thermal oxidation, thermal CVD, or both. Thereafter, a polycrystalline silicon film is formed thereon by low pressure CVD, and a resist pattern 227 is formed in a predetermined region where the first transfer electrode 225 is formed by photolithography.
- the region 228 is dry etched until the insulating film 224 is completely exposed. When dry etching is performed, the surface of the insulating film 224 is also removed, and the insulating film thickness 229 in the etched region 228 becomes smaller than the insulating film thickness 230 under the transfer electrode 225.
- the resist pattern 227 is removed and a transfer electrode 225 is formed.
- an insulating film 231 and a second transfer electrode 226 are formed.
- a difference is necessarily generated between the insulating film thickness 230 below the first transfer electrode 225 and the insulating film thickness 230 below the second transfer electrode 226.
- the insulating film thickness under each transfer electrode is different, if the same voltage is applied to each transfer electrode, even if the impurity concentration of the n-type diffusion layer of the transfer channel is the same, the potential under each transfer electrode is They are not the same.
- the electrodes are configured independently in the first horizontal transfer unit 204 like the first electrode element 211A and the second electrode element 211B as in the structure of the prior art, a potential gradient is formed. As a result, as described above, the amount of saturation charge in the horizontal transfer unit is reduced and a horizontal transfer failure occurs.
- the horizontal transfer electrode of the conventional configuration employs a two-phase driving method configured by two electrodes, that is, a storage electrode and a barrier electrode per pixel.
- the number of gate layers increases from three to four, which complicates the process.
- the horizontal electrode length is short. Therefore, in order to secure a necessary saturation charge amount, the width of the horizontal transfer unit needs to be designed wide in the two-phase driving method.
- the width of the horizontal transfer unit for securing the necessary saturation charge amount may be about 10-20 ⁇ m, but if the pixel size is about 1.5 ⁇ m, The width of the horizontal transfer section needs to be about 40-50 ⁇ m.
- the vertical width of the first horizontal transfer unit 204 is greatly enlarged, and the transfer distance from the first horizontal transfer unit 204 to the second horizontal transfer unit 205 becomes extremely long.
- the transfer distance is long.
- the transfer electric field in the vicinity of the center portion of the electrode element 211A and the second electrode element 211B becomes extremely weak.
- the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that suppresses a signal charge transfer failure.
- a solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion units arranged in a two-dimensional manner, and a plurality of vertical transfer electrodes provided in each column of the photoelectric conversion units.
- a plurality of vertical transfer units that transfer the signal charges read from the photoelectric conversion unit in the vertical direction and a plurality of horizontal transfer electrodes, and transfer the signal charges transferred from the vertical transfer unit in the horizontal direction.
- the transfer unit includes a first horizontal transfer unit that receives signal charges from the vertical transfer unit, and a second horizontal transfer unit that receives signal charges from the first horizontal transfer unit.
- One of the horizontal transfer electrodes It is composed of a plurality of column direction electrodes that are arranged adjacent to each other in the vertical direction and transfer signal charges to the second horizontal transfer unit via the intermediate transfer unit, and the plurality of vertical transfer electrodes and the plurality of horizontal electrodes
- the transfer electrode and the distribution transfer electrode are constituted by a single layer electrode.
- the transfer path is shortened and unnecessary transfer operation can be omitted. Therefore, even in a solid-state imaging device with a small pixel size, signal charge transfer defects can be suppressed. Further, since the horizontal transfer electrode is composed of a single layer, the structure of the electrode is simple, and the occurrence of a short circuit between the electrodes can be suppressed.
- each of the plurality of column direction electrodes may have a rectangular shape in which a horizontal length on the vertical transfer unit side is equal to a horizontal length on the intermediate transfer unit side.
- each of the plurality of column direction electrodes may be configured such that a horizontal length on the vertical transfer unit side is shorter than a horizontal length on the intermediate transfer unit side.
- each of the plurality of column direction electrodes may be configured such that a boundary between the plurality of column direction electrodes has a predetermined angle with respect to a horizontal direction.
- the second horizontal transfer unit may have the same column direction electrode as the configuration of the column direction electrode of the first horizontal transfer unit.
- the signal charge can be transferred efficiently, and the signal charge transfer failure can be further suppressed.
- each of the plurality of horizontal transfer units may include three or more horizontal transfer electrodes to which transfer pulses of three or more phases forming one transfer packet are respectively applied.
- the signal charge is transferred by the horizontal transfer electrodes for one column among the three or more horizontal transfer electrodes, so that the transfer path is shortened and unnecessary transfer operation can be omitted. . Therefore, even in a solid-state imaging device with a small pixel size, signal charge transfer defects can be suppressed.
- the signal charge is horizontally transferred by a driving method of three or more layers using three or more horizontal transfer electrodes, it is not necessary to provide a horizontal barrier electrode. As a result, signal charges can be transferred with a low amplitude voltage, and an increase in power consumption of the solid-state imaging device can be prevented.
- a transfer control unit that selects the vertical transfer unit that transfers a signal charge to a predetermined horizontal transfer unit among the plurality of vertical transfer units is provided, and each of the plurality of horizontal transfer units receives one transfer packet.
- Three or more horizontal transfer electrodes to which transfer pulses of three or more phases to be formed are applied may be provided.
- the transfer path is shortened and unnecessary transfer operation can be omitted.
- the number of terminals of the package can be reduced.
- the interelectrode capacitance can be reduced, and low power consumption can be realized if the horizontal drive voltage is the same.
- the vertical transfer unit is continuous with the plurality of first vertical transfer units corresponding to each column of the photoelectric conversion units and transferring the signal charges from the photoelectric conversion units in the horizontal direction adjacent to the vertical direction.
- the first vertical transfer unit m (m is an integer equal to or greater than 2) may be a second vertical transfer unit that is bundled.
- the signal charges can be sequentially transferred to the first horizontal transfer unit every m columns. This shortens the signal charge transfer path and eliminates unnecessary transfer operations. Therefore, even in a solid-state imaging device with a small pixel size, signal charge transfer defects can be suppressed.
- the other end of the second vertical transfer unit opposite to the one end connected to the first vertical transfer unit is the first horizontal transfer corresponding to the position of the column direction electrode of the first horizontal transfer unit. It may be provided continuously in the part.
- the second vertical transfer unit is provided continuously to the first horizontal transfer unit corresponding to the position of the column direction electrode, the signal charge transfer path is further shortened, and unnecessary transfer operation is performed. Can be omitted. Therefore, even in a solid-state imaging device with a small pixel size, signal charge transfer defects can be suppressed.
- the plurality of column direction electrodes may be independently provided at positions not corresponding to any of the plurality of vertical transfer units.
- the column direction electrode is independently provided at a position not corresponding to any of the plurality of vertical transfer units, the signal charge is transferred from the vertical transfer unit to the first horizontal transfer unit below the column direction electrode. It is not directly transferred, and signal charges can be prevented from being erroneously transferred from the first horizontal transfer unit to the second horizontal transfer unit.
- each of the plurality of horizontal transfer units is configured by repetition of four horizontal transfer electrodes to which four-phase transfer pulses forming one transfer packet are applied, and the horizontal transfer electrodes of the first horizontal transfer unit And the horizontal transfer electrode of the second horizontal transfer section may be wired in common by shifting two phases in the horizontal direction.
- the transfer path is shortened and unnecessary transfer operation can be omitted.
- the signal charge is horizontally transferred by a driving method of four or more layers using four or more horizontal transfer electrodes, it is not necessary to provide a horizontal barrier electrode. As a result, signal charges can be transferred with a low amplitude voltage, and an increase in power consumption of the solid-state imaging device can be prevented.
- a method for driving a solid-state imaging device includes: a plurality of photoelectric conversion units arranged in a two-dimensional manner; and each of the photoelectric conversion units A plurality of vertical transfer units provided in a column and configured to transfer a signal charge read from the photoelectric conversion unit in a vertical direction and a plurality of horizontal transfer electrodes, and the signal charge transferred from the vertical transfer unit in the horizontal direction; A plurality of horizontal transfer units arranged in parallel in the vertical direction to transfer, a transfer control unit that selects the vertical transfer unit that transfers signal charges to a predetermined horizontal transfer unit among the plurality of vertical transfer units; An intermediate transfer unit provided between the plurality of horizontal transfer units and configured to transfer signal charges between the plurality of horizontal transfer units, wherein the plurality of horizontal transfer units receive a signal charge from the vertical transfer unit.
- each of the plurality of horizontal transfer units includes four or more horizontal transfer electrodes to which transfer pulses of four phases or more forming one transfer packet are applied.
- first horizontal transfer unit four or more first horizontal transfer units to which transfer pulses of four phases or more forming one transfer packet are applied in the first horizontal transfer unit, one of the plurality of horizontal transfer electrodes is configured.
- a plurality of column-direction electrodes arranged adjacent to each other in the vertical direction and transferring signal charges to the second horizontal transfer unit via the intermediate transfer unit, and transfer signal charges between the plurality of horizontal transfer units.
- different transfer pulses are applied to the plurality of column direction electrodes to provide a potential gradient in the vertical direction, and when the signal charges are horizontally transferred in the horizontal transfer unit, the plurality of column direction electrodes are applied to the plurality of column direction electrodes. It may be the same vertical potential is applied one of the transfer pulse.
- the present invention can be realized not only as a solid-state imaging device but also as a camera equipped with the above-described solid-state imaging device.
- the solid-state imaging device of the present invention it is possible to suppress signal charge transfer failure.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 2A is a detailed configuration diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 2B is a detailed configuration diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3A is a diagram illustrating drive timing in the normal mode according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3B is a diagram illustrating drive timing in the normal mode according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4A is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4B is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4A is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4C is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4D is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4E is a signal charge transfer diagram in the normal mode in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a diagram showing drive timings in the moving image mode (at the time of adding two horizontal pixels) in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 6A is a signal charge transfer diagram in the moving image mode (at the time of adding two horizontal pixels) in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 6B is a signal charge transfer diagram in the moving image mode (at the time of adding two horizontal pixels) in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 6C is a signal charge transfer diagram in the moving image mode (when adding two horizontal pixels) in the first embodiment of the present invention.
- FIG. 7A is a partial plan view of a solid-state imaging device in the prior art.
- FIG. 7B is a partial plan view of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a potential schematic diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a partial configuration diagram (horizontal storage electrode change) of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention (implementing n-type additional injection).
- FIG. 11 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention (implementing p-type additional injection).
- FIG. 12 is a potential schematic diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention (implementing n-type additional injection).
- FIG. 13 is a partial configuration diagram of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 14 is a partial configuration diagram of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is a partial configuration diagram of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 16 is a partial configuration diagram of a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
- FIG. 17A is a partial configuration diagram of a solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 17B is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18A is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18B is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18C is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18D is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18E is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18F is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18A is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18B is a signal charge transfer diagram according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 18C is a signal charge transfer diagram
- FIG. 19 is a partial configuration diagram of a horizontal transfer unit of a solid-state imaging device according to the related art.
- FIG. 20 is a schematic diagram of a potential of a solid-state imaging device in the prior art.
- FIG. 21 is a diagram illustrating the driving timing of the solid-state imaging device in the prior art.
- FIG. 22 is a schematic diagram of a process for forming a transfer electrode of a solid-state imaging device in the prior art.
- a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described.
- a plurality of photoelectric conversion units arranged in a two-dimensional manner and a plurality of vertical transfer electrodes are provided in each column of the photoelectric conversion units, and signal charges read from the photoelectric conversion units are vertically aligned.
- a second horizontal transfer unit for receiving signal charges from the horizontal transfer unit, wherein one of the plurality of horizontal transfer electrodes is arranged adjacent to the vertical direction via the intermediate transfer unit.
- a plurality of rows transferring signal charges to the second horizontal transfer section Is composed from the electrodes, a plurality of vertical transfer electrodes, a plurality of horizontal transfer electrodes, sorting transfer electrodes will be described solid-state imaging device including an electrode of a single layer. Thereby, transfer failure of signal charge can be suppressed.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device 100 according to the first embodiment of the present invention.
- the solid-state imaging device 100 includes a photoelectric conversion unit 1, a signal charge reading unit 103, a first vertical transfer unit 2, a first horizontal transfer unit 3, and a second horizontal transfer unit 4. , A channel stop region 5, a first signal charge output unit 116, and a second signal charge output unit 117.
- FIG. 2A is a detailed configuration diagram of the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment of the present invention.
- the solid-state imaging device 100 includes a photoelectric conversion unit 1, a first vertical transfer unit 2, a pixel repetition unit 6, a vertical transfer electrode 11, an intermediate electrode 12, and a signal charge.
- Transfer controller 7 having storage electrode 8 and transfer blocking electrode 9, second vertical transfer unit 10, transfer electrode 13 of second vertical transfer unit 10, final vertical transfer electrode 14, and first horizontal transfer unit 3
- the second horizontal transfer unit 4 the channel stop region 5, the intermediate transfer unit 21, the distribution transfer electrode 22 provided on the intermediate transfer unit 21, and the first horizontal transfer unit 3.
- Horizontal transfer electrode 18, third horizontal transfer electrode 19, fourth water Constituted by the transfer electrodes 20 The channel stop region 5 is formed in a region where the intermediate transfer unit 21 is not formed between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4.
- the transfer electrode 13 and the final vertical transfer electrode 14 correspond to the vertical transfer electrode in the present embodiment.
- the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, 15C, the second horizontal transfer electrode 18, the third horizontal transfer electrode 19, and the fourth horizontal transfer electrode 19 correspond to the horizontal transfer electrodes in this embodiment.
- first horizontal transfer electrodes 15A and 15B correspond to the column direction electrodes in the present embodiment.
- the horizontal lengths of the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B on the second vertical transfer unit 10 side and the horizontal length on the intermediate transfer unit 21 side are formed to be equal.
- the first vertical transfer unit 2, the second vertical transfer unit 10, the first horizontal transfer unit 3, and the second horizontal transfer unit 4 are formed continuously, and are indicated by a one-dot chain line in FIG. 2A. The same applies to other figures other than FIG. 2A.
- the vertical transfer electrode, the horizontal transfer electrode, and the distribution transfer electrode are all composed of single-layer electrodes.
- the distribution transfer electrode 22 is independent, as shown in FIG. 2B, the distribution transfer electrode 22 is not divided into the intermediate transfer units 21 like the distribution transfer electrode 22 shown in FIG. 2A. It may be integrally formed on the stop region 5 and the intermediate transfer unit 21.
- the horizontal transfer electrodes of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are independent.
- the intermediate transfer unit 21 does not form the channel stop region 5 under the distribution transfer electrode 22 because the intermediate transfer unit 21 vertically transfers the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 to the horizontal transfer unit 4. It is also possible to transfer charges from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 by increasing the potential under the intermediate transfer unit 21 without forming the channel stop region 5 under the distribution transfer electrode 22. Yes (not shown).
- the solid-state imaging device 100 reads the signal charge generated in the photoelectric conversion unit 1 to the first vertical transfer unit 2 by the vertical transfer electrode 11 via the reading unit 103. Thereafter, the signal charges in the first vertical transfer unit 2 are sequentially transferred and transferred to the first horizontal transfer unit 3. Thereafter, a voltage is applied to the intermediate transfer unit 21 provided between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4, and signal charges are transferred from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4. To do.
- the charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are simultaneously transferred.
- the signals are transferred in the horizontal direction, and the first signal charge output unit 116 and the second signal charge output unit 117 detect the signal charges and convert them into signal voltages, and signals for two lines are output.
- one transfer packet of the horizontal transfer unit is configured for one column of the vertical transfer unit.
- the horizontal transfer unit is a two-phase drive
- two horizontal transfer electrodes are used for one column of the vertical transfer unit
- three horizontal transfer electrodes are used for one column of the vertical transfer unit.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are driven by three or more phases, and are constituted by three or more horizontal transfer electrodes.
- the horizontal transfer unit is four-phase drive, and the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are configured by repeatedly arranging horizontal transfer electrodes for four columns.
- one transfer packet is configured for four columns of the first vertical transfer unit 2 instead of one transfer packet for one column of the vertical transfer unit as in the conventional technique. Therefore, the number of transfer packets of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 is not made the same as the number of columns of the first vertical transfer unit 2 as in the conventional case, but with respect to one column of the first vertical transfer unit 2.
- the transfer operation to the signal charge output unit 116 and the second signal charge output unit 117 is divided into four times, and one line of signal charge is divided and output in an interlaced manner (detailed operation will be described later). Thereby, the number of electrodes of the 1st horizontal transfer part 3 and the 2nd horizontal transfer part 4 can be reduced, the capacity
- the signal charge transfer can be selectively controlled by the signal charge storage electrode 8 and the transfer blocking electrode 9 in each column.
- the transfer control unit 7 is repeated in the horizontal direction in units of four columns of L, C1, C2, and R columns, and the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are driven in four phases.
- the horizontal transfer electrodes for four columns of the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, and 15C, the second horizontal transfer electrode 18, the third horizontal transfer electrode 19, and the fourth horizontal transfer electrode 20 provide the first horizontal transfer unit.
- One transfer packet is formed in each of the third and second horizontal transfer units 4. That is, the four horizontal transfer electrodes constituting the transfer packet correspond to the four columns of the transfer control unit 7.
- the L column, the C1 column, and the R column have two electrodes of the signal charge storage electrode 8 and the transfer blocking electrode 9, but the C2 column has two electrodes.
- the structure which has only one electrode even if it is not an electrode may be sufficient. This is because the C2 column that is always transferred first among the four columns of the first vertical transfer units 2 does not need to control the signal charge, so the transfer electrode of the C2 column in the transfer control unit 7 has pixel repetition. This is because the same transfer pulse as that of the vertical transfer electrode of the unit 6 can be applied. Thereby, the number of independent electrodes in the transfer control unit 7 can be reduced, and the number of terminals of the package can be reduced.
- the electrode length of the signal charge storage electrode 8 and the width of the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8 are larger than the electrode length of the vertical transfer electrode of the pixel repeating unit 6 and the width of the first vertical transfer unit 2. It is getting bigger.
- the width of the first vertical transfer unit 2 in the C2 column is the same as that of the first column under the signal charge storage electrodes 8 in the L column, the C1 column, and the R column.
- One vertical transfer unit 2 may be narrower. Therefore, the C2 column of the transfer control unit 7 gradually increases the width of the first vertical transfer unit 2 toward the first horizontal transfer unit 3 and uses the narrow channel effect to improve the transfer electric field, thereby increasing the electrode length. Allows long transfers.
- the first feature of the present embodiment is that the solid-state imaging device 100 corresponds to each column of the photoelectric conversion unit 1 and the first vertical transfer unit 2 that transfers the signal charge from the photoelectric conversion unit 1 and four consecutive columns.
- the second vertical transfer unit 10 is connected to the first vertical transfer unit 2. That is, the second vertical transfer unit 10 bundles four columns of the first vertical transfer units 2, and the four horizontal transfer electrodes (first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, 15C, second, Of the horizontal transfer electrode 18, the third horizontal transfer electrode 19, and the fourth horizontal transfer electrode 20), it continues to the first horizontal transfer unit 3 corresponding to the position of one electrode (first horizontal transfer electrode 15A).
- a second vertical transfer unit 10 is provided.
- a first horizontal transfer electrode 15B is provided in the vertical transfer direction of the first horizontal transfer electrode 15A, and the distributed transfer electrode is provided between the first horizontal transfer electrodes 15B and 15C.
- An intermediate transfer unit 21 having 22 is provided.
- the signal charges in the second vertical transfer unit 10 can be simultaneously transferred to the second horizontal transfer unit 4 via the first horizontal transfer unit 3 and the intermediate transfer unit 21.
- a plurality of horizontal transfer electrodes for example, the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B and the second horizontal transfer electrode 18
- a transfer operation for narrowing down to one horizontal transfer electrode for example, the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B
- efficient transfer is possible.
- the signal charges are vertically transferred from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 via the intermediate transfer unit 21, there is no unnecessary transfer operation and an efficient transfer operation is possible. Can be secured for a long time.
- the signal charge transfer path from the second vertical transfer unit 10 to the second horizontal transfer unit 4 via the first horizontal transfer unit 3 and the intermediate transfer unit 21 is straight in the vertical direction, and solid-state imaging in the prior art is performed.
- the second feature of the present embodiment is that transfer electrodes for vertically transferring signal charges from the first horizontal transfer unit 3 to the intermediate transfer unit 21 are the same as the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B shown in FIG. 2A. And a plurality of independent electrodes and a single layer electrode. Thereby, when transferring the signal charges between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4, different transfer pulses are applied to the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B, thereby causing a potential gradient in the vertical direction.
- the signal charges are horizontally transferred in the first horizontal transfer unit 3, it is possible to apply the same transfer pulse to the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B to make the vertical potentials the same. Become.
- the transfer distance per electrode can be shortened by transferring with two electrodes, and the transfer failure is improved by improving the transfer electric field. Can be further suppressed.
- the horizontal two-phase drive of the solid-state imaging device shown in the prior art is composed of a charge storage region under the horizontal storage electrodes 209 and 211 and a barrier region 213, and at the time of horizontal transfer, signal charges are transferred to the potential of the barrier region. It is necessary to get over the barrier and transfer, and a relatively high driving voltage (for example, 3.3 to 5.0 V) is required.
- a relatively high driving voltage for example, 3.3 to 5.0 V
- the horizontal transfer of the solid-state imaging device 100 in this embodiment is four-phase drive, it is not necessary to form a barrier region, and transfer can be performed with a low amplitude voltage (for example, 1.8 V).
- the structure of the solid-state imaging device 100 shown in the present embodiment has a plurality of first in the horizontal direction as described above. Since it is composed of two horizontal transfer electrodes 15A and 15B and the transfer electric field is strengthened, transfer at a low voltage can be realized. Therefore, the vertical transfer and the horizontal transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 can be performed with low voltage driving, and low power consumption is realized.
- the horizontal transfer electrode of the solid-state imaging device 100 is configured by a single layer, but the configuration of the solid-state imaging device shown in the prior art has horizontal storage electrodes 209 and 211 as shown in FIG.
- the horizontal barrier electrode 210 is a two-layer (multi-layer) electrode configuration that is repeated in the horizontal direction. Further, in the solid-state imaging device shown in the prior art, in order to distribute and transfer signal charges to the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4, the first electrode element 211A and the second electrode element 211A of the horizontal storage electrode 211 are transferred.
- the electrode element 211B is configured independently, and the horizontal barrier electrode 210 adjacent to the second electrode element 211B needs to be formed on top of the first electrode element 211A and the second electrode element 211B, and has three layers. Become a structure. Therefore, in the structure of the solid-state imaging device according to the conventional technique, as described above, even when the same voltage is applied to each transfer electrode, the channel potential under each electrode is different and a potential gradient is formed. Furthermore, the overlapping of the transfer electrodes complicates the wiring structure, and a short circuit between the electrodes is likely to occur. On the other hand, in this embodiment, the above problems do not occur.
- 2A includes transfer pulses ⁇ V1, ⁇ V2, ⁇ V3, ⁇ VST-L, ⁇ VST-C1, ⁇ VST-C2, ⁇ VST-R, ⁇ VHLD-L, ⁇ VHLD-C1, ⁇ VST-R, ⁇ VL1, ⁇ VL2, ⁇ HHT, ⁇ H1a, ⁇ H1b, ⁇ H1c, ⁇ H2, ⁇ H3, and ⁇ H4 are illustrated.
- FIGS. 4A to 4E show signal charge transfer diagrams.
- the number of packets in the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 is 1 ⁇ 4 of the number of columns in the first vertical transfer unit 2.
- the C2 column, the C1 column, the L column, and the R column are divided into four times in the order of the first vertical transfer unit 2 to the first horizontal transfer unit 3 and the first horizontal transfer unit 3 to the intermediate transfer unit 21.
- the signal charges are transferred to the second horizontal transfer unit 4, and then the signal charges are transferred to the first signal charge output unit 116 and the second signal charge output unit 117.
- the first vertical transfer unit 2 of the pixel repeating unit 6 shows a case of four-phase driving. 4A to 4E, the movement of the signal charge in each column is indicated by G and R in order to explain the case where the signal charge is transferred for the G and R pixels.
- the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit 1 is read out to the first vertical transfer unit 2 and transferred below the signal charge accumulation electrode 8 of each column via the vertical transfer electrode 11 and the intermediate electrode 12. Is done.
- the intermediate electrode 12 is transferred to ⁇ V3 as a low level (eg, ⁇ 6V), and the signal charge storage electrode 8 is transferred as ⁇ VST-L, ⁇ VST-C1, and ⁇ VST-R as a middle level (eg, 0V).
- Apply a pulse As described above, the same transfer pulse as that of the vertical transfer electrode of the pixel repeating unit 6 can be applied to one transfer electrode in which the signal charge storage electrode 8 and the transfer blocking electrode 9 in the C2 column are integrated.
- a ⁇ V4 middle level transfer pulse is applied as ⁇ VST-C2.
- a transfer barrier electrode 9 in each column is applied with a low-level transfer pulse as ⁇ VHLD-L, ⁇ VHLD-C1, or ⁇ VHLD-R to form a potential barrier to prevent transfer of signal charges to the next stage. Yes.
- the transfer control unit 7 selects the C2 column among the four columns and transfers the signal charges.
- the transfer pulses ⁇ VHLD-L, ⁇ VHLD-C1, and ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrodes 9 in the non-selected L, C1, and R columns are maintained at a low level, and the signal charges are below the signal charge storage electrode 8.
- ⁇ VST-C2 ⁇ V4
- ⁇ VL2 applied to the transfer electrode 13 of the second vertical transfer unit 10
- the transfer pulse of ⁇ VL1 applied to is transitioned.
- ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A, ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B, and ⁇ H1c applied to the first horizontal transfer electrode 15C are set to a high level (for example, 1.8V).
- a high-level transfer pulse as ⁇ HHT to the distribution transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21, the signal charges in the C2 column are transferred to the first horizontal transfer unit 3, the intermediate transfer unit 21, and the second horizontal transfer unit 4. Forward to.
- the transfer control unit 7 selects the C1 column among the four columns and transfers the signal charge.
- the transfer pulses ⁇ VHLD-L and ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrodes 9 in the non-selected L and R columns are maintained at a low level, and the signal charges in the L and R columns are held in the signal charge storage electrode 8.
- the transfer pulse ⁇ VHLD-C1 applied to the transfer blocking electrode 9 in the C1 column is shifted to the middle level, and the signal charge held in the first vertical transfer unit 2 under the signal charge storage electrode 8 in the C1 column is transferred. Transfer to the first vertical transfer unit 2 under the blocking electrode 9.
- ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A and ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B are set to the high level, and the signal charges in the C1 column are transferred to the first horizontal transfer unit 3.
- the transfer pulse ⁇ HHT applied to the transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21 is maintained at a low level to prevent the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 from mixing. Yes.
- the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are transferred to the first signal charge output unit 116 and the second signal charge output unit 117.
- the signal charges in the C2 column and the C1 column are output (FIG. 4C).
- the transfer control unit 7 selects L of the four columns and transfers signal charges.
- the transfer pulse ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrode 9 in the unselected R column is maintained at a low level, and the signal charge in the R column is held in the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8.
- the transfer pulse ⁇ VHLD-L applied to the transfer blocking electrode 9 in the L column is shifted to the middle level, and the signal charge held in the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8 in the L column is transferred. Transfer to the first vertical transfer unit 2 under the blocking electrode 9.
- the transfer control unit 7 selects the R column of the four columns and transfers the signal charge.
- the transfer pulse ⁇ VHLD-R applied to the transfer block electrode 9 in the R column is shifted to the middle level, and the signal charge held in the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8 in the R column is blocked. Transfer to the first vertical transfer unit 2 under the electrode 9.
- ⁇ VHLD-R applied to the transfer prevention electrode 9 in the R column ⁇ VL2 applied to the transfer electrode 13 of the second vertical transfer unit 10
- ⁇ VL1 applied to the final vertical transfer electrode 14 are changed.
- ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A and ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B are set to the high level, and the signal charges in the R column are transferred to the first horizontal transfer unit 3.
- the transfer pulse ⁇ HHT applied to the transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21 is maintained at a low level to prevent the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 from mixing. Yes.
- one line of signal charges can be distributed to the first horizontal transfer unit and the second horizontal transfer unit 4 and output at high speed, and the remaining signal charges are also sequentially output by the same transfer operation. Can do.
- FIG. 5 the drive timing in the moving image mode is shown in FIG. 5, and signal charge transfer diagrams are shown in FIGS. 6A to 6C.
- FIGS. 6A to 6C signal charge transfer diagrams are shown in FIGS. 6A to 6C.
- a case where two pixels of the same color signal charges adjacent in the horizontal direction are added is shown as an example.
- the transfer control unit 7 selects the C2 column and the L column among the four columns to transfer the signal charges.
- the transfer pulses ⁇ VHLD-C1 and ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrodes 9 in the C1 column and the R column that are not selected are maintained at a low level, and the signal charge is transferred to the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8.
- ⁇ VHLD-L for the transfer blocking electrode 9 in the L column ⁇ VST-C2 for the signal charge storage electrode 8 for the C2 column, ⁇ VL2 for the transfer electrode 13 of the second vertical transfer unit 10, and ⁇ VL1 for the final vertical transfer electrode 14.
- the transfer pulse is transitioned.
- ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A, ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B, and ⁇ H1c applied to the first horizontal transfer electrode 15C are at a high level (eg, 1.8 V).
- a high-level transfer pulse of ⁇ HHT to the transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21
- the signal charges in the L and C2 columns are transferred to the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 ( FIG. 6B).
- the transfer pulses ⁇ H2, ⁇ H3, and ⁇ H4 applied to the second horizontal transfer electrode 18, the third horizontal transfer electrode 19, and the fourth horizontal transfer electrode 20 are maintained at a low level.
- the signal charges for two pixels in the L and C2 columns can be added.
- the transfer control unit 7 selects the C1 column and the R column among the four columns, and transfers the signal charges.
- the transfer pulses ⁇ VHLD-C1 and ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrodes 9 in the C1 and R columns are shifted to the middle level and held in the first vertical transfer unit 2 below the signal charge storage electrode 8 in each column.
- the signal charge that has been transferred is transferred to the first vertical transfer unit 2 below the transfer blocking electrode 9.
- ⁇ VHLD-C1 and ⁇ VHLD-R applied to the transfer blocking electrodes 9 in the C1 and R columns, ⁇ VL2 applied to the transfer electrode 13 of the second vertical transfer unit 10, and ⁇ VL1 applied to the final vertical transfer electrode 14 are changed.
- ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A and ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B are set to the high level, and the signal charges in each column are transferred to the first horizontal transfer unit 3.
- the transfer pulse ⁇ HHT applied to the transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21 is maintained at a low level to prevent the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 from mixing. Yes.
- the signal charges of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are transferred toward the first signal charge output unit 116 and the second signal charge output unit 117.
- the signal charges for the two pixels in the C2 and L columns and the signal charges for the two pixels in the C1 and R columns are output (FIG. 6C).
- the first vertical transfer unit 2 a plurality of readout units 103 are provided and drive is devised, so that two pixels are added in the first vertical transfer unit 2, and four pixels are combined with the horizontal two-pixel addition described above. It is easy to realize the addition operation.
- FIG. 7A shows a plan view of a part of the solid-state imaging device according to the prior art
- FIG. 7B shows a plan view of a part of the solid-state imaging device 100 according to this embodiment
- 7A and 7B the same components as those in FIGS. 2A and 19 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
- both FIG. 7A and FIG. 7B show the case where it comprises with a single layer electrode.
- A0 and A1 are the lengths of the horizontal electrodes of the horizontal transfer electrodes
- B0 and B1 are the vertical lengths of the first horizontal transfer units
- C0 and C1 are the vertical lengths of the intermediate transfer units. The length of the direction is shown.
- the feature of the configuration of the solid-state imaging device in the prior art of FIG. 7A is that the first horizontal transfer unit 204 and the second horizontal transfer unit 205 are configured by two horizontal storage electrodes 209 and 211 for one column of the vertical transfer unit 202, respectively.
- the first horizontal transfer unit 204 and the second horizontal transfer unit 205 are two-phase drive systems.
- an accumulation region 112 and a barrier region 113 are formed under the same electrode, and signal charges are transmitted from the vertical transfer unit 202 as in the charge transfer path 111 shown in FIG.
- the data is transferred to the storage area 112, the intermediate transfer unit 206, and the second horizontal transfer unit 205 of the first horizontal transfer unit 204.
- A0 which is the horizontal length of the horizontal storage electrode 209
- the storage region 112 is reduced, so that the first horizontal transfer unit is secured to secure a predetermined saturation charge amount. It is necessary to greatly increase the vertical length B0 of 204.
- the horizontal length A0 of the horizontal electrode is about 0.7 ⁇ m (half the pixel size), and the horizontal length B0 of the first horizontal transfer unit 204 is 40 to 40 ⁇ m. About 50 ⁇ m is required.
- a state in which signal charges are accumulated only in the intermediate transfer unit 206 is required.
- the direction length C0 also needs to be increased.
- the four columns of the first vertical transfer unit 2 are merged by the second vertical transfer unit 10, and the second vertical transfer unit 10 Is configured to be connected to one horizontal transfer electrode (for example, the first horizontal transfer electrode 15 ⁇ / b> A) of the horizontal transfer electrodes provided in the first horizontal transfer unit 3.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are of a four-phase drive system, and one transfer packet is composed of four columns of horizontal transfer electrodes.
- one transfer packet is formed for four columns of the first vertical transfer unit 2, and in the normal mode, the first horizontal transfer unit 2 to the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer are performed.
- first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are four-phase drive, a barrier is provided under one horizontal transfer electrode as in the two-phase drive of the solid-state imaging device in the prior art shown in FIG. 7A.
- the signal charge can be accumulated in the entire region under one horizontal transfer electrode without forming the region 113.
- about 1/2 of the gate voltage amplitude is applied to the potential displacement of the barrier region that does not contribute to charge accumulation, and the accumulated charge amount depends on the formation condition of the barrier region.
- the potential displacement of the gate voltage amplitude directly contributes to charge accumulation.
- the saturation charge amount per unit gate area can be approximately doubled in three-phase driving or four-phase driving. Therefore, the vertical length B1 of the first horizontal transfer unit 3 for securing the saturation charge amount is shortened. It becomes possible to do. For the same reason, driving with three or more phases can be driven at a lower voltage than the prior art.
- the horizontal gate area can be ensured more than in the prior art, so the vertical length of the first horizontal transfer unit 3 for securing the saturation charge amount.
- B1 can be further shortened.
- A1 is 1.5 ⁇ m (the same as the cell size), and the width B1 of the first horizontal transfer unit 3 is 6 It is possible to make it about 10 ⁇ m.
- the length C1 in the vertical direction of the intermediate transfer unit 21 can be shortened.
- the length C1 in the vertical direction of the intermediate transfer unit 21 only needs to secure a region connected to the wiring, and can be about 1 ⁇ m.
- FIG. 7A shows a signal charge transfer path in dotted lines when the signal charge is transferred from the vertical transfer unit 202 to the second horizontal transfer unit 205 via the first horizontal transfer unit 204 and the intermediate transfer unit 206.
- FIG. 7B the signal charge transfer path when the signal charge is transferred from the first vertical transfer unit 2 to the second horizontal transfer unit 4 via the first horizontal transfer unit 3 and the intermediate transfer unit 21 is indicated by a dotted line. Show.
- the signal charge transfer path of FIG. 7B which is the configuration of the solid-state imaging device 100 in the present embodiment, can be dramatically shortened as described above, compared to FIG. 7A, which is the configuration of the solid-state imaging device in the prior art. Is possible.
- the configuration of the solid-state imaging device in the prior art is a horizontal two-phase drive system, a relatively high voltage (for example, 3.3 to 5.0 V) is necessary to realize horizontal transfer.
- a relatively high voltage for example, 3.3 to 5.0 V
- the vertical transfer and horizontal transfer of signal charges between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are performed at a low voltage (for example, 1.. 8V), and the power consumption of the solid-state imaging device 100 can be reduced.
- the driving method is not limited to four phases, and the number of driving phases may be increased to three or five or more driving phases.
- FIG. 8 shows a transfer from the second vertical transfer unit 10 to the first horizontal transfer unit 3 and a transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 via the intermediate transfer unit 21 in the configuration of the present embodiment.
- the electric potential schematic diagram at the time of transferring a signal charge is shown.
- the potential schematic diagrams of FIGS. 8A to 8D correspond to the period from time t1 to t2 at the drive timings of FIGS. 3A and 3B.
- the transfer pulse ⁇ VL1 applied to the final vertical transfer electrode 14 is set to the low level, the transfer pulses ⁇ H1a, ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, 15C, and the intermediate
- the transfer pulse ⁇ HHT applied to the distribution transfer electrode 22 of the transfer unit 21 is transferred to the first horizontal transfer unit. 3 and the intermediate transfer unit 21 and the second horizontal transfer unit 4.
- transfer pulses ⁇ H1b and ⁇ H1c applied to the first horizontal transfer electrode 15B of the first horizontal transfer unit 3 and the first horizontal transfer electrode 15C of the second horizontal transfer unit 4, and transfer pulses applied to the distribution transfer electrode 22 The ⁇ HHT is maintained at a high level, the transfer pulse ⁇ H1a applied to the first horizontal transfer electrode 15A is shifted to a low level, and the transfer of the signal charge under the first horizontal transfer electrode 15A is completed (FIG. 8B). )).
- the transfer pulse ⁇ H1c applied to the first horizontal transfer electrode 15C and the transfer pulse ⁇ HHT applied to the distribution transfer electrode 22 are maintained at the high level, and the transfer pulse ⁇ H1b applied to the first horizontal transfer electrode 15B is set to the low level.
- the level is changed to complete the transfer of the signal charge under the first horizontal transfer electrode 15B (FIG. 8C).
- the vertical length B1 of the first horizontal transfer unit 3 can be reduced as compared with the configuration of the prior art, the transfer distance is short and transfer deterioration is less likely to occur.
- the signal charge under the first horizontal transfer unit 3 is transferred to the two independent horizontal transfer electrodes 15A and 15B.
- the transfer electric field is improved by transferring with the electrode.
- the first vertical transfer unit below the final vertical transfer electrode 14 is made when the transfer pulse ⁇ VL1 applied to the final vertical transfer electrode 14 is shifted to a low level.
- Most of the signal charges accumulated in 2 can be transferred by self-induced drift or diffusion.
- the second vertical transfer unit 10 is connected to one horizontal transfer electrode (for example, the first horizontal transfer electrode 15A).
- the signal charge of the second vertical transfer unit 10 can be efficiently transferred when transferring to the second horizontal transfer unit 4 via the first horizontal transfer unit 3 and the intermediate transfer unit 21.
- FIG. 9 shows a configuration in which the second vertical transfer unit 10 is connected to two horizontal transfer electrodes (for example, the first horizontal transfer electrode 15A and the second horizontal transfer electrode 18) (horizontal storage electrode change).
- a dotted line in FIG. 9 is a signal charge transfer path.
- the signal charges of the second vertical transfer unit 10 are received by the first horizontal transfer electrode 15A and the second horizontal transfer electrode 18, in order to transfer the signal charges to the second horizontal transfer unit 4, It is necessary to shift the transfer electrode 18 to a low level. For this reason, as compared with the case where the second vertical transfer unit 10 is connected only to the first horizontal transfer electrode 15A, an extra transfer operation is required and the second vertical transfer unit 10 performs the second horizontal transfer operation.
- the transfer path of the signal charge that has moved to the transfer electrode 18 becomes longer. Therefore, with the configuration of the present embodiment, unnecessary transfer operations can be omitted and efficient transfer becomes possible.
- the first horizontal transfer electrode 15A, Transfer pulses ⁇ H1a and ⁇ H1b applied to 15B are made the same. Since the horizontal transfer electrodes including the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B are composed of single-layer electrodes, the impurity concentration of the horizontal transfer unit 3 under the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B is the same. If the transfer pulses ⁇ H1a and ⁇ H1b are the same, the first horizontal transfer unit 3 under the two electrodes has the same potential.
- the two horizontal transfer electrodes of the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B can function in the same manner as in the case of one horizontal transfer electrode, and the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B have ⁇ H1a, ⁇ H1b, Further, horizontal four-phase driving is enabled by applying different transfer pulses of ⁇ H2, ⁇ H3, and ⁇ H4 to the second, third, and fourth horizontal transfer electrodes 18, 19, and 20.
- no potential gradient is formed from the first horizontal transfer unit 3 toward the intermediate transfer unit 21 and the second horizontal transfer unit 4 in order to enhance the transfer electric field.
- the first reason is to realize low voltage driving in both the vertical transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 and the horizontal transfer.
- FIGS. 10 and 11 show a case where a potential gradient is formed from the first horizontal transfer unit 3 toward the intermediate transfer unit 21 and the second horizontal transfer unit 4 in order to enhance the transfer electric field.
- FIG. 10 shows a general method of providing a potential gradient.
- n-type impurities are additionally implanted so that the implantation region becomes wider along the direction of the intermediate transfer unit 21, and a potential gradient is formed by utilizing the narrow channel effect.
- An n-type impurity implantation region 31 is shown in FIG.
- FIG. 12 is a potential schematic diagram along the A-A ′ direction of FIG. 10 and shows a state during horizontal transfer.
- the first horizontal transfer electrode 15 first horizontal transfer electrodes 15A and 15B
- the second horizontal transfer electrode 18 are low level
- the third horizontal transfer electrode 19 and the fourth horizontal transfer electrode 20 are
- a high-level transfer pulse is applied to transfer the signal charges accumulated in the first horizontal transfer unit 3 below the first horizontal transfer electrode 15 to the fourth horizontal transfer electrode 20 in the next stage.
- the implantation region 31 into which the n-type impurity is additionally implanted in the first horizontal transfer unit 3 below the first horizontal transfer electrode 15 has a deep potential, and the first horizontal transfer electrode 15 and the next The potential difference D of the first horizontal transfer unit 3 below the fourth horizontal transfer electrode 20 in the stage is reduced. If the potential difference D is small, the transfer electric field is insufficient, and signal charges remain in the first horizontal transfer unit 3 below the first horizontal transfer electrode 15, resulting in transfer deterioration. Further, if the horizontal drive voltage is increased, the potential difference D can be increased, the transfer electric field can be improved, transfer can be suppressed and transfer deterioration can be suppressed, but the power consumption is greatly increased.
- FIG. 11 shows a p-type impurity implantation region 32.
- the potential on the intermediate transfer unit 21 side of the first horizontal transfer unit 3 below the first horizontal transfer electrode 15 and the fourth horizontal transfer electrode 20 on the next stage are below.
- the difference in potential of the first horizontal transfer unit 3 is the same as in the case of no additional injection, and the transfer electric field at the time of horizontal transfer does not decrease, but the first horizontal transfer below the first horizontal transfer electrode 15 Since the p-type impurity is additionally implanted into most of the portion 3, the amount of saturation charge that can accumulate signal charges is greatly reduced in the first horizontal transfer portion 3 below the first horizontal transfer electrode 15. End up.
- the first horizontal transfer unit 3 includes a plurality of independent column direction electrodes as single-layer electrodes in the vertical direction, and the first horizontal transfer unit 3 does not form a potential gradient. Therefore, it is possible to prevent the saturation charge amount from decreasing and to achieve both vertical transfer and horizontal transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 with a low horizontal drive voltage.
- the signal charge meanders and is horizontally transferred during horizontal transfer, and the signal charge transfer path becomes long and transfer deterioration is likely to occur.
- the signal charges as described above are not meandered and transferred.
- the impurity concentrations of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are the same, the potentials of the respective channels are substantially equal. Thereby, the difference in horizontal transfer efficiency between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 can be reduced.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are applied with four-phase transfer pulses forming one transfer packet to the four columns of the first vertical transfer unit 2.
- the horizontal transfer electrodes for four columns are provided and the transfer of signal charges is repeated in the horizontal direction in units of four columns.
- the present invention shows that the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 Includes a horizontal transfer electrode to which a transfer pulse constituting one transfer packet is applied to two or three columns of the first vertical transfer unit 2, and the transfer control unit 7 is horizontally arranged in units of two or three columns. It can also be applied to repeated structures.
- the transfer control unit 7 that selectively controls the signal charge transfer from the first vertical transfer unit 2 to the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 is provided.
- the width of the first horizontal transfer units 3 arranged in parallel is greatly reduced. It becomes possible.
- the horizontal transfer electrodes for transferring the signal charges to the second horizontal transfer unit 4 are constituted by a plurality of independent column direction electrodes in the vertical direction, and different transfer pulses are applied to the respective electrodes.
- transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 can be performed at a low voltage without causing transfer deterioration.
- the second vertical transfer unit 10 in which the first vertical transfer units 2 are bundled is included in one horizontal transfer electrode (for example, the first horizontal transfer electrode 15A).
- the transfer path can be shortened and an efficient transfer operation can be realized. Can do. Thereby, it is possible to realize a solid-state imaging device capable of achieving both high-speed driving and low power consumption.
- the horizontal length of the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B on the second vertical transfer section 10 side and the horizontal length on the intermediate transfer section 21 side are made equal.
- the horizontal length of the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B on the second vertical transfer unit 10 side may be shorter than the horizontal length on the intermediate transfer unit 21 side.
- FIG. 13 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
- the same reference numerals as those in FIG. 2A represent the same components.
- This embodiment is different from the first embodiment in that two independent column-direction electrodes that transfer signal charges from the first horizontal transfer unit 3 to the intermediate transfer unit 21 have a boundary between the two electrodes with respect to the horizontal direction. This is a point configured to have a predetermined angle. That is, instead of the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B in the first embodiment, as shown in FIG. 13, the boundary between the two electrodes of the first horizontal transfer electrodes 23A and 23B is in the horizontal direction.
- the first horizontal transfer electrodes 23A and 23B are configured to have a predetermined angle.
- the same transfer pulse is applied to the first horizontal transfer electrodes 23A and 23B, so that the two independent first horizontal transfer electrodes 23A and 23B are the same as in the case of one electrode.
- the impurity concentration of the first horizontal transfer unit 3 under the first horizontal transfer electrodes 23A and 23B is the same, the potential of the first horizontal transfer unit 3 under the two electrodes to which the same transfer pulse is applied is They have the same potential and do not form a potential gradient during horizontal transfer. Therefore, in the first embodiment, it is possible to prevent a problem that occurs when horizontal transfer is performed in a state where the potential gradient as described above is formed.
- the transfer electric field can be further enhanced in the transfer from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal transfer unit 4 as compared with the first embodiment.
- a solid-state imaging device capable of low voltage driving can be realized.
- the boundary between the two electrodes with the first horizontal transfer electrodes 23A and 23B is not only configured to have a predetermined angle with respect to the horizontal direction, but the electrode shape of the first horizontal transfer electrode 23B is intermediate. You may form in the trapezoid shape which the transfer part 21 side becomes wide.
- FIG. 14 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. 14, the same reference numerals as those in FIG. 2A denote the same components.
- This embodiment is different from the first embodiment in that the electrode of the second horizontal transfer unit 4 that receives a signal charge from the intermediate transfer unit 21 is 2 in the same manner as the column-direction electrode of the first horizontal transfer unit 3. It is composed of two independent column-direction electrodes. That is, the second horizontal transfer unit 4 includes first horizontal transfer electrodes 25A and 25B as shown in FIG. 14, instead of the first horizontal transfer electrode 15C in the first embodiment.
- the two horizontal transfer electrodes of the first horizontal transfer electrodes 25A and 25B are configured independently, but the same transfer pulse ⁇ H1c is always applied to the first horizontal transfer electrodes 25A and 25B. Therefore, the first horizontal transfer electrodes 25A and 25B function in the same manner as one horizontal transfer electrode, and the transfer operation is the same as in the first embodiment. In this embodiment, the difference in horizontal transfer efficiency between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 is further reduced by configuring the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 to have the same configuration. Can do.
- a solid-state imaging device capable of further reducing the difference in horizontal transfer efficiency between the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 as compared with the first embodiment. Can be realized.
- FIG. 15 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. 15, the same reference numerals as those in FIG. 2A represent the same components.
- the solid-state imaging device 100 includes the second vertical transfer unit 10 to which the first vertical transfer units 2 for four columns are connected, whereas in the present embodiment, the second vertical transfer unit 10 is the second. Since the vertical transfer unit 10 is not provided, the first vertical transfer units 2 for four columns are not bundled into one.
- the second vertical transfer unit 10 is provided at a position corresponding to the first horizontal transfer electrode 15A of the first horizontal transfer unit 3, whereas in the present embodiment, the first vertical transfer unit 10
- the horizontal transfer electrodes 27 ⁇ / b> A and 27 ⁇ / b> B are independently provided at positions that do not correspond to any column of the first vertical transfer unit 2.
- the horizontal length on the first vertical transfer unit 2 side is shorter than the horizontal length on the intermediate transfer unit side 21 side, that is, the intermediate transfer unit. It is configured in a trapezoidal shape with the 21 side spreading.
- the horizontal length of the first horizontal transfer electrode 27A on the first vertical transfer unit 2 side is shortened, so that the signal charge is reduced to the first.
- the first vertical transfer unit 2 is configured without being bundled up to the first horizontal transfer unit 3, for example, the first vertical transfer unit 2 of each column has two or three first plurality of first transfer units 2.
- the transfer pulse applied to the fourth horizontal transfer electrodes (15A, 15B, 15C, 18, 19, 20) is set to the high level, and the signal charges can be simultaneously received by the plurality of horizontal transfer electrodes.
- the potential under the final vertical transfer electrode 14 is made shallower, and the first horizontal transfer unit 3 receives the signal charge from the first vertical transfer unit 2 below the horizontal electrode.
- the transfer electric field from the first vertical transfer unit 2 to the first horizontal transfer unit 3 can be improved, and transfer defects can be suppressed.
- the horizontal transfer electrode of the second vertical transfer unit 10 to which the first vertical transfer unit 2 is connected is not required as in the first embodiment. It is possible to reduce the number of terminals of the package.
- signal charges are transferred from the first vertical transfer unit 2 to the first horizontal transfer unit 3 and from the first horizontal transfer unit 3 to the second horizontal compared to the first embodiment.
- the transfer electric field can be strengthened and transfer defects can be suppressed, and the number of terminals can be further reduced.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 have different gate shapes.
- the gate shape of the second horizontal transfer unit 4 is the same as that of the third embodiment. It is also possible to reduce the difference in transfer efficiency between the two transfer units by forming them symmetrically with the one horizontal transfer unit 3.
- FIG. 16 is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
- the same reference numerals as those in FIG. 2A represent the same components.
- This embodiment is different from the first embodiment in that the horizontal transfer electrodes of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are connected to the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, 15C, and the second horizontal transfer.
- the electrode 18 and the third horizontal transfer electrode 19 are constituted by three horizontal transfer electrodes. That is, one transfer packet is composed of three horizontal transfer electrodes, and the horizontal transfer units 3 and 4 transfer signal charges by horizontal three-phase driving.
- the vertical transfer units 2 for four columns constitute one transfer packet, and the electrodes for transferring signal charges from the first horizontal transfer unit 3 to the intermediate transfer unit 21 are constituted by two independent electrodes. The point is the same as in the first embodiment.
- the horizontal transfer electrode is composed of four transfer electrodes for four columns of vertical transfer units, but in the fifth embodiment, the horizontal transfer electrode is 3 for four columns of vertical transfer units. Since it is composed of one electrode, the horizontal electrode length of the horizontal transfer electrode is about 1.3 times longer than the horizontal transfer electrode length of the first embodiment.
- FIG. 17B is a partial configuration diagram of the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
- FIG. 17A shows the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 of the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment.
- 17A and 17B the same reference numerals as those in FIG. 2B represent the same components.
- the present embodiment is different from the first embodiment in that the horizontal transfer electrode of the first horizontal transfer unit 3 and the horizontal transfer electrode of the second horizontal transfer unit 4 are wired in common by shifting two phases in the horizontal direction. Is a point.
- the first horizontal transfer electrode 15B of the first horizontal transfer unit 3 and the third horizontal transfer electrode 19 of the second horizontal transfer unit 4 are commonly wired, and ⁇ H1b A transfer pulse is applied.
- the second horizontal transfer electrode 18 of the first horizontal transfer unit 3 and the fourth horizontal transfer electrode 20 of the second horizontal transfer unit 4 are commonly wired, and a transfer pulse of ⁇ H4 is applied.
- the third horizontal transfer electrode 19 of the first horizontal transfer unit 3 and the first horizontal transfer electrode 15C of the second horizontal transfer unit 4 are commonly wired, and a transfer pulse of ⁇ H3 is applied.
- the fourth horizontal transfer electrode 20 of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer electrode 18 of the second horizontal transfer unit 4 are commonly wired, and a transfer pulse of ⁇ H2 is applied.
- horizontal four-phase driving is possible by applying four-phase transfer pulses of ⁇ H1b and ⁇ H2 to ⁇ H4 to each electrode.
- the same transfer pulse as ⁇ H1b is applied to the first horizontal transfer electrode 15A of the first horizontal transfer unit 3.
- the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, 15C, the second horizontal transfer electrode 18, the third horizontal transfer electrode 19 and the fourth horizontal transfer electrode 20 are wired independently, and transfer pulses of ⁇ H1a, ⁇ H1b, ⁇ H1c, ⁇ H2, ⁇ H3, and ⁇ H4 are applied, respectively.
- the first horizontal transfer electrode 15C that receives the signal charge from the intermediate transfer unit 21 of the second horizontal transfer unit 4 is composed of an independent electrode, and transfers ⁇ H1c. A pulse is applied.
- the horizontal transfer electrode of the first horizontal transfer unit 3 and the horizontal transfer electrode of the second horizontal transfer unit 4 are shifted by two phases to share the wiring.
- the first horizontal transfer electrode 15C of the second horizontal transfer unit 4 that receives the signal charge from the intermediate transfer unit 21 is connected to the third horizontal transfer electrode 19 of the first horizontal transfer unit 3. Since the terminals are shared, a terminal to which ⁇ H1c is applied becomes unnecessary, and the number of package terminals can be reduced.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 transfer signal charges with a two-phase shift, but the horizontal transfer is performed in the vicinity of the output ends of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4.
- the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 can output in the same phase.
- FIGS. 18A to 18F are diagrams in which the configurations of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 and the horizontal transfer electrodes of the present embodiment are simplified, and the same reference numerals as those in FIG. 17B denote the same components. Represents.
- a transfer pulse applied to each horizontal transfer electrode is shown on each horizontal transfer electrode.
- the colored horizontal transfer electrodes are applied with a horizontal transfer electrode to which a low-level transfer pulse is applied, and the non-colored horizontal transfer electrodes are applied with a high-level transfer pulse.
- the horizontal transfer electrodes are shown, and the circles indicate signal charges.
- a low-level transfer pulse ⁇ VL1 is applied to the final vertical transfer electrode 14, ⁇ H1a, ⁇ H1b, ⁇ H3 are applied to the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, and 15C, and the transfer transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21 is applied.
- a high-level transfer pulse is applied to the transfer pulse ⁇ HHT to be applied, and signal charges (white circles in FIG. 18A) are transferred from the second vertical transfer unit 10 to the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4.
- the fourth horizontal transfer electrode 20 of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer electrode 18 of the second horizontal transfer unit 4 are ⁇ H2, and the second horizontal transfer electrode 18 of the first horizontal transfer unit 3 is used.
- a low level transfer pulse as ⁇ H4 is applied to the fourth horizontal transfer electrode 20 of the second horizontal transfer unit 4 to form a potential barrier.
- the transfer pulses ⁇ H1a, ⁇ H1b, ⁇ H3 applied to the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, and 15C and the transfer pulse ⁇ HHT applied to the distribution transfer electrode 22 are sequentially set to the low level.
- the signal charge (white circle) of the first horizontal transfer unit 3 is transferred to the first horizontal transfer electrode 15C and the fourth horizontal transfer electrode 20 of the second horizontal transfer unit 4 by making a transition.
- the transfer pulse ⁇ HHT applied to the distribution transfer electrode 22 of the intermediate transfer unit 21 is maintained at a low level, and the first horizontal transfer electrodes 15A, 15B, second of the first horizontal transfer unit 3 are maintained.
- the transfer pulses ⁇ H1a and ⁇ H1b applied to the third horizontal transfer electrode 19 of the horizontal transfer unit 4 are set to the high level, and the signal charges (white circles) transferred to the second horizontal transfer unit 4 are placed below the third horizontal transfer electrode 19.
- the next signal charge black circle in FIG. 18E is transferred from the second vertical transfer unit 10 to the first horizontal transfer unit 3.
- the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B, the second horizontal transfer electrode 18, and the third horizontal transfer electrode 19 cause signal charges (black circles) from the second vertical transfer unit 10.
- the signal charges (black circles) may be received by the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B and the second horizontal transfer electrode 18 of the first horizontal transfer unit 3.
- the transfer pulse ⁇ H3 applied to the third horizontal transfer electrode 19 of the first horizontal transfer unit 3 and the first horizontal transfer electrode 15C of the second horizontal transfer unit 4 is set to the low level
- different transfer pulses are sequentially applied to ⁇ H1b, ⁇ H2, ⁇ H3, and ⁇ H4, and the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer are applied.
- the signal charges can be horizontally transferred and output by the horizontal four-phase driving in which the phase is shifted by two phases in the unit 4.
- the structure in which the two horizontal transfer units of the first horizontal transfer unit 3 and the second horizontal transfer unit 4 are arranged in parallel is shown.
- three or more horizontal transfer units are used.
- the present invention can be applied even in the case of the configuration.
- the horizontal transfer electrodes for vertical transfer to the intermediate transfer unit 21 and the second horizontal transfer unit 4 are configured by two column direction electrodes (for example, the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B).
- the first horizontal transfer electrodes 15A and 15B are configured by two column direction electrodes.
- a configuration including three or more horizontal transfer electrodes is also possible.
- the shape of the column direction electrode may be a rectangular shape in which the horizontal length on the vertical transfer portion side and the horizontal length on the intermediate transfer portion side are equal, or the horizontal length on the vertical transfer portion side.
- the trapezoidal shape may be shorter than the horizontal length on the intermediate transfer unit side.
- the boundary between the plurality of column direction electrodes may be configured to have a predetermined angle with respect to the horizontal direction.
- a four-phase drive type solid-state imaging device has been described as an example.
- the drive method is not limited to four phases but may be a drive method using other drive phases.
- the configuration of the solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be any configuration.
- the transfer control unit, the vertical transfer electrode, the intermediate electrode, the final vertical transfer electrode, or a combination thereof may be changed.
- the solid-state imaging device according to the present invention can be implemented by a person skilled in the art without departing from the gist of the present invention with respect to another embodiment realized by combining arbitrary components in the above-described embodiments and the embodiments. Modifications obtained by performing various modifications that can be conceived and various devices including the solid-state imaging device according to the present invention are also included in the present invention. For example, a movie camera including the solid-state imaging device according to the present invention is also included in the present invention.
- the solid-state imaging device of the present invention is particularly useful as a solid-state imaging device for a digital still camera because it can achieve both low power consumption and high driving and can realize a high-speed moving image mode such as a full HD moving image.
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Abstract
信号電荷の転送不良を抑制した固体撮像装置を提供する。 固体撮像装置(100)は、複数の光電変換部(1)と、複数の垂直転送電極(11、14)を有する複数の垂直転送部(2)と、複数の水平転送電極(15A~15C、18、19、20)を有する複数の水平転送部(3、4)と、振分け転送電極(22)を有する中間転送部(21)とを備え、第1水平転送部(3)において、複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され中間転送部(21)を介して第2の水平転送部(4)に信号電荷を転送する複数の列方向電極(15A、15B)から構成されており、複数の垂直転送電極(11、14)、複数の水平転送電極(15A~15C、18、19、20)、振分け転送電極(22)は、単層の電極により構成される。
Description
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特にデジタルスチルカメラ向けCCDにおいて、低消費電力と高フレームレートの動画機能を実現する構造と駆動方法に関する。
以下、図面を参照しながら、従来技術のCCD固体撮像装置について説明する。
近年、固体撮像装置においては高解像度化の要求を満たすため、水平方向の画素数増加が進んでおり、これに伴う水平CCDレジスタ(水平転送部)の高速駆動化による転送効率の劣化及び消費電力の増加の問題を解決する手段として、複数の水平転送部を並列に設けた技術が報告されている(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1に記載の固体撮像装置では、振分け転送を行う水平転送部の蓄積電極の形状を工夫したり、あるいは振分け転送を行う水平転送部において、振分け転送部側(垂直転送方向)の不純物濃度を高くすることで、垂直転送方向に電位勾配を形成し、振分け転送不良を抑制している。しかしながら、これらの構造では、常に水平電極下に電位勾配が形成されているため、水平転送部の飽和電荷量が減少する課題や、水平転送時には信号電荷が蛇行して水平転送され、転送一段当たりの実効的な転送長が大きくなり、転送不良が生じやすい問題があった。
前述の不具合を改善するため、特許文献2に記載の固体撮像装置では、振分け転送を行う水平転送部の蓄積電極を複数の電極要素で構成し、振分け転送の際に各電極要素に異なる駆動パルスを印加することによって、電荷を転送している。
図19は、特許文献2に記載されている従来技術の固体撮像装置の水平転送部の一部を示す構成図である。図20は、図19に示したB-B'に沿った水平転送部の最上層の断面構造及び各電極下の電位分布と信号電荷の転送状態を表す電位模式図、図21は、水平ブランキング期間に図19の各電極に印加する転送パルスのタイミングを示す図である。なお、図20は、図21の期間N1~N5における各電極下の電位分布と信号電荷の転送状態を表す。
特許文献2における固体撮像装置は、図19に示すように、チャネルストップ201、中間転送部206、最終垂直転送電極207、水平蓄積電極209及び211、水平バリア電極210、バリア領域213により構成される。水平転送電極は、水平蓄積電極209、211と水平バリア電極210から構成され、水平転送時は各電極にφH1、φH2A(φH2B)の電圧を印加して図19に示す半導体基板214に設けられたチャネル215において信号電荷を転送する水平2相駆動の構造である。
信号電荷を第1水平転送部204から第2水平転送部205へ転送する水平蓄積電極211は、第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bにより構成される。第1の電極要素211Aは、第1水平転送部204のチャネルのほぼ中央部から中間転送部206側及び第2水平転送部205のチャネルを覆い第1水平転送部204、第2水平転送部205の蓄積電極を構成する。また、第2の電極要素211Bは、第1水平転送部204のうち第1の電極要素211Aで覆われていないチャネルを覆い、第1水平転送部204の蓄積電極を構成する。第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bは、電気的に絶縁されており、第2の電極要素211Bの幅は、第1の電極要素211Aとほぼ同一で、第2水平転送部205上及び第1水平転送部204の振分け転送電極208側のほぼ半分の領域では、図19に示すように、上面から見た場合に、第2の電極要素211Bが第1の電極要素211A上に重なっている。
第2水平転送部205の蓄積電極は第1の電極要素211Aのみで形成され、第1水平転送部204の蓄積電極は第1水平転送部204の最終垂直転送電極207側のほぼ半分を覆う第2の電極要素211Bと第1水平転送部204の中間転送部206側のほぼ半分を覆う第1の電極要素211Aとで構成されている。
また、第2の電極要素211Bは水平バリア電極210と共通に接続されており、第1の電極要素211Aは独立に外部に接続されている。
以下に図19~図21を用いて転送動作を説明する。まず、水平蓄積電極209、211(第1の電極要素211A、第2の電極要素211B)に印加するφH1、φH2A、φH2Bを同時にハイレベルに、最終垂直転送電極207に印加するφVLをローレベルにすることで、垂直転送部202の最終垂直転送電極207下に蓄積されていた信号電荷(図19に示す黒丸)を、第1水平転送部204に対応する水平蓄積電極209及び水平蓄積電極211(第1の電極要素211A、第2の電極要素211B)下に転送する(期間N1、図20(a))。
次に、振分け転送電極208に印加するφTをハイレベル、φH1、φH2Bを同時にローレベルとし、φH2Aをハイレベルとローレベルの中間のミドルレベルとすることで、信号電荷を中間転送部206に転送する(期間N2、図20(b))。
その後、φH2Aをローレベルにし信号電荷の振分けチャネルへの転送を完了する(期間N3、図20(c))。
次に、φH1をハイレベルに、φTをローレベルにすることで、中間転送部206の信号電荷は、第2水平転送部205の水平蓄積電極209下へ転送される(期間N4、図20(d))。
一方、垂直転送部203から転送されてきた信号電荷(図19の白丸)は、期間N2~N4においては第1水平転送部204内に留まっている。これにより、垂直転送部202及び203の信号電荷は第1水平転送部204、第2水平転送部205に振分けられ、振分け転送が完了する。
その後、振分けられた信号電荷は、第1水平転送部204及び第2水平転送部205内をそれぞれ出力部(図示せず)に向かって水平転送される。
近年、CCDを用いたカメラでは、更に高フレームレートのフルHD動画出力(1920×1080)の要望が高まっており、高フレームレート化に対応するためには、水平転送部の更なる高速駆動化が必要であるが、信号電荷の転送効率の劣化が問題となってくる。
一方、特許文献2(図19)に示された従来技術の固体撮像装置は、第1の特徴として、4層以上の多層ゲートプロセスを用いて形成した第1水平転送部204から中間転送部206へ信号電荷を転送する際、第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bに異なる駆動パルスを印加することで、第1水平転送部204に電位勾配を形成し転送電界の強化を図っている。転送距離を実質半分にすることで、転送電界を強化し、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
また、第2の特徴として、振分け転送が完了した後の水平転送において、4層以上の多層ゲートプロセスを用いて形成した第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bに同一の駆動パルスを印加する点である。これにより、第1水平転送部204において、電極要素211Aと電極要素211B下のチャネル電位を同一とし、2つの電極要素211Aと211Bは共同して一電極と同様に機能しようとしている。すなわち、水平転送時には電位勾配を形成しないようにし、前述した水平転送部の飽和電荷量の減少、水平転送不良の抑制を図っている。
しかしながら、従来技術の構成では電位勾配が必然的に生じてしまう。従来技術の構成は、図19に示すように、水平蓄積電極209と水平バリア電極210を水平方向に繰り返した2層(複層)の電極構成である。更に、第1水平転送部204で信号電荷を振分け転送するために、第1の電極要素211A、第2の電極要素211Bを独立に構成しているため、第2の電極要素211Bに隣接している水平バリア電極210は、第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bの上部に形成する必要があり3層の電極構造になる。
一方、複層の電極を形成する過程において、熱処理の増大による不純物の拡散が避けられず不純物分布の制御が困難であるばかりでなく、各電極下の絶縁膜厚を同一にするのは極めて困難であり絶縁膜厚に差が生じる。図22(a)~(d)は、従来技術の固体撮像装置のような複層の転送電極を形成する際の一般的な工程概略図である。まず、図22(a)に示すように、n型半導体基板221内にp型ウェル222を形成し、n型半導体基板221の表面に転送チャネルのn型拡散層223を形成する。次に図22(b)に示すように、n型拡散層223上に絶縁膜224を熱酸化、または熱CVD法、あるいは両方を用いて形成する。その後、その上部に減圧CVD法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより第1の転送電極225が形成される所定領域にレジストパターン227を形成する。次に図22(c)に示すように、レジストパターン227をマスクにして領域228の部分を絶縁膜224が完全に露出するまでをドライエッチングする。ドライエッチングをする際、絶縁膜224の表面も削られてしまい、エッチングされる領域228の絶縁膜厚229は転送電極225下の絶縁膜厚230より小さくなってしまう。その後、レジストパターン227を除去し転送電極225が形成される。次に図22(d)に示すように、絶縁膜231、第2の転送電極226が形成される。以上のように、複層の電極を形成する過程で、第1の転送電極225下部の絶縁膜厚230と第2の転送電極226下部の絶縁膜厚230には必然的に差が生じる。このように、各転送電極下の絶縁膜厚が異なる場合、各転送電極に同じ電圧を印加すると、転送チャネルのn型拡散層の不純物濃度が同じであっても、各転送電極下の電位は異なり同一にならない。つまり、従来技術の構造のように、第1水平転送部204において、第1の電極要素211A、第2の電極要素211Bのように電極を独立に構成すると、電位勾配が形成されてしまう。その結果、前述したような、水平転送部の飽和電荷量の減少、水平転送不良が発生してしまう。
更に、上記従来の構成では、10M以上の画素数を持つような画素サイズが小さいセルで構成されるCCDにおいて、効果が不十分であり転送不良が生じてしまう。
従来技術の構成の水平転送電極は、図19のように1画素あたりに蓄積電極とバリア電極の2つの電極から構成された2相駆動方式を採用している。これによって、ゲート層数が3層から4層に増加しプロセスを複雑化させている。また、画素サイズが小さい場合、水平の電極長は短いため、必要な飽和電荷量を確保するためには、2相駆動方式では水平転送部の幅を広く設計する必要がある。
例えば、画素サイズが5.0μm程度と比較的大きければ、必要な飽和電荷量を確保するための水平転送部の幅は10~20μm程度で良いが、画素サイズが1.5μm程度であれば、水平転送部の幅は40~50μm程度必要である。
図19においては、第1水平転送部204の垂直方向の幅が大幅に拡大し、第1水平転送部204から第2水平転送部205への転送距離が極めて長くなる。第1水平転送部204から第2水平転送部205へ転送する際、第1の電極要素211A、第2の電極要素211Bに異なる転送パルスを印加しても、転送距離が長いために第1の電極要素211A、第2の電極要素211Bの中央部付近での転送電界は極めて弱くなる。
このため、信号電荷の一部が残留し転送不良が生じてしまう。また、水平駆動電圧を高くし転送電界の強化を図っても、各電極端部の電界は強化できるが、電極中央部付近の電界は、電極長が長いため効果がほとんど及ばない。
また、上記の場合は、水平駆動電圧を高くするため、消費電力は飛躍的に増大する問題も生じる。また、第1水平転送部204内で独立した電極を更に増やし1電極あたりの転送距離を短くし転送劣化を抑制することは可能であるが、制御する端子数が増加する欠点がある。
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、信号電荷の転送不良を抑制した固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明の一形態における固体撮像装置は、2次元状に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部の各列に設けられ、複数の垂直転送電極を有し、前記光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、複数の水平転送電極を有し、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送部と、前記複数の水平転送部間に設けられ、振分け転送電極を有し、前記複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、前記複数の水平転送部は、前記垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と前記第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とを有し、前記第1水平転送部において、前記複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され前記中間転送部を介して前記第2の水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極から構成されており、前記複数の垂直転送電極、前記複数の水平転送電極、前記振分け転送電極は、単層の電極により構成される。
この構成によれば、1列分の水平転送電極により信号電荷が転送されるので、転送経路が短くなり不要な転送動作を省略できる。したがって、画素サイズが小さい固体撮像装置おいても、信号電荷の転送不良を抑制することができる。また、水平転送電極は単層で構成されているので、電極の構成が単純であり、電極間の短絡が生じるのを抑制することができる。
ここで、前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記垂直転送部側の水平方向の長さと前記中間転送部側の水平方向の長さとが等しい長方形形状を有していてもよい。
また、前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記垂直転送部側の水平方向の長さが前記中間転送部側の水平方向の長さより短く構成されてもよい。
この構成によれば、第1の水平転送電極の第1垂直転送部側の水平方向の長さを短くすることで、信号電荷を第1水平転送部から中間転送部及び第2水平転送部4へ向けて転送する際、ナローチャネル効果を高め、中間転送部側の電位が深くなるような電位勾配を形成することができ、転送電界を更に強化することができる。
ここで、前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記複数の列方向電極間の境界が水平方向に対して所定の角度を有するように構成されていてもよい。
また、前記第2水平転送部は、前記第1水平転送部の前記列方向電極の構成と同一の前記列方向電極を有してもよい。
この構成によれば、信号電荷の転送を効率よく行うことができ、信号電荷の転送不良をより抑制することができる。
ここで、前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する3相以上の転送パルスがそれぞれ印加される3つ以上の水平転送電極を有してもよい。
この構成によれば、この構成によれば、3つ以上の水平転送電極のうちの1列分の水平転送電極により信号電荷が転送されるので、転送経路が短くなり不要な転送動作を省略できる。したがって、画素サイズが小さい固体撮像装置おいても、信号電荷の転送不良を抑制することができる。また、3つ以上の水平転送電極による3層以上の駆動方式によって信号電荷を水平転送するので、水平バリア電極を設ける必要がない。これにより、低振幅の電圧で信号電荷を転送することができ、固体撮像装置の消費電力が増加するのを防止することができる。
ここで、前記複数の垂直転送部のうち、所定の水平転送部に信号電荷を転送する前記垂直転送部を選択する転送制御部を備え、前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する3相以上の転送パルスがそれぞれ印加される3つ以上の水平転送電極を有してもよい。
この構成によれば、3つ以上の水平転送電極のうちの1列分の水平転送電極により信号電荷が転送されるので、転送経路が短くなり不要な転送動作を省略できる。また、パッケージの端子数を少なくすることができる。更に、電極間容量を減少でき、水平駆動電圧が同じであれば低消費電力を実現できる。
ここで、前記垂直転送部は、前記光電変換部の各列に対応し前記光電変換部からの信号電荷を転送する複数の第1垂直転送部と、垂直方向に隣接して水平方向に連続した前記第1の垂直転送部m(mは2以上の整数)列を束ねた第2の垂直転送部とからなるようにしてもよい。
この構成によれば、m列の第1垂直転送部が第2垂直転送部に接続されるので、信号電荷をm列分ごとに第1水平転送部に順に転送することができる。これにより、信号電荷の転送経路が短くなり、不要な転送動作を省略できる。したがって、画素サイズが小さい固体撮像装置おいても、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
ここで、前記第2垂直転送部の前記第1垂直転送部に接続された一端と反対側の他端は、前記第1水平転送部の前記列方向電極の位置に対応する前記第1水平転送部に連続して設けられていてもよい。
この構成によれば、第2垂直転送部が列方向電極の位置に対応する第1水平転送部に連続して設けられているので、より信号電荷の転送経路が短くなり、不要な転送動作を省略できる。したがって、画素サイズが小さい固体撮像装置おいても、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
ここで、前記複数の列方向電極は、前記複数の垂直転送部のいずれにも対応しない位置に独立に設けられていてもよい。
この構成によれば、列方向電極は複数の垂直転送部のいずれにも対応しない位置に独立に設けられているので、信号電荷が垂直転送部から列方向電極の下の第1水平転送部に直接転送されることがなく、信号電荷が誤って第1水平転送部から第2水平転送部まで転送されるのを防止することができる。
ここで、前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する4相の転送パルスがそれぞれ印加される4つの水平転送電極の繰り返しにより構成され、前記第1水平転送部の水平転送電極と前記第2水平転送部の水平転送電極とを、水平方向に2相ずらして共通に配線するようにしてもよい。
この構成によれば、4つ以上の水平転送電極のうちの1列分の水平転送電極により信号電荷が転送されるので、転送経路が短くなり不要な転送動作を省略できる。また、4つ以上の水平転送電極による4層以上の駆動方式によって信号電荷を水平転送するので、水平バリア電極を設ける必要がない。これにより、低振幅の電圧で信号電荷を転送することができ、固体撮像装置の消費電力が増加するのを防止することができる。
また、上記の課題を達成するため、本発明の一形態における固体撮像装置の駆動方法は、前記固体撮像装置は、2次元状に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部の各列に設けられ、前記光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、複数の水平転送電極を有し、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する、垂直方向に並列に配置された複数の水平転送部と、前記複数の垂直転送部のうち、所定の水平転送部に信号電荷を転送する前記垂直転送部を選択する転送制御部と、前記複数の水平転送部間に設けられ、前記複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、前記複数の水平転送部は、前記垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と前記第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とからなり、前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する4相以上の転送パルスが印加される4つ以上の水平転送電極の繰り返しで構成され、前記第1水平転送部において、1転送パケットを形成する4相以上の転送パルスが印加される4つ以上の第1水平転送部において、前記複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され前記中間転送部を介して前記第2水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極からなり、信号電荷を前記複数の水平転送部間において転送する際には、前記複数の列方向電極に異なる転送パルスを印加して垂直方向に電位勾配を設け、前記信号電荷を前記水平転送部において水平転送する際には、前記複数の列方向電極に同一の転送パルスを印加して垂直方向の電位を同一にしてもよい。
この構成によれば、複数の列方向電極に異なる転送パルスを印加して水平転送部内に電位勾配を設けることができるので、信号電荷の転送を容易に行うことができる。これにより、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
また、本発明は、固体撮像装置として実現できるだけでなく、上記した固体撮像装置を備えたカメラとしてもよい。
この構成によれば、上記した固体撮像装置の特徴を備えたカメラを提供することができる。
本発明の固体撮像装置によれば、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態では、2次元状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部の各列に設けられ、複数の垂直転送電極を有し、光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、複数の水平転送電極を有し、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送部と、複数の水平転送部間に設けられ、振分け転送電極を有し、複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、複数の水平転送部は、垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とを有し、第1水平転送部において、複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され中間転送部を介して第2水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極から構成されており、複数の垂直転送電極、複数の水平転送電極、振分け転送電極は、単層の電極により構成される固体撮像装置について説明する。これにより、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態では、2次元状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部の各列に設けられ、複数の垂直転送電極を有し、光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、複数の水平転送電極を有し、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送部と、複数の水平転送部間に設けられ、振分け転送電極を有し、複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、複数の水平転送部は、垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とを有し、第1水平転送部において、複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され中間転送部を介して第2水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極から構成されており、複数の垂直転送電極、複数の水平転送電極、振分け転送電極は、単層の電極により構成される固体撮像装置について説明する。これにより、信号電荷の転送不良を抑制することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置100を示した概略構成図である。
図1に示すように、固体撮像装置100は、光電変換部1と、信号電荷の読み出し部103と、第1垂直転送部2と、第1水平転送部3と、第2水平転送部4と、チャネルストップ領域5と、第1の信号電荷出力部116と、第2の信号電荷出力部117とを備えている。
また、図2Aは、本発明の第1の実施形態における固体撮像装置100の詳細な構成図である。
図2Aに示すように、固体撮像装置100は、詳細には、光電変換部1と、第1垂直転送部2と、画素繰り返し部6と、垂直転送電極11と、中間電極12と、信号電荷蓄積電極8及び転送阻止電極9とを有する転送制御部7と、第2垂直転送部10と、第2垂直転送部10の転送電極13と、最終垂直転送電極14と、第1水平転送部3と、第2水平転送部4と、チャネルストップ領域5と、中間転送部21と、中間転送部21の上に設けられた振分け転送電極22と、第1水平転送部3に設けられた第1の水平転送電極15A及び15Bと、第2水平転送部4に設けられた第1の水平転送電極15Cと、第1水平転送部3及び第2水平転送部4にそれぞれ設けられた複数の第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20とにより構成される。チャネルストップ領域5は、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の間において、中間転送部21が形成されていない領域に形成されている。ここで、転送電極13及び最終垂直転送電極14が本実施形態における垂直転送電極に相当する。また、第1の水平転送電極15A、15B、15C、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極19が本実施形態における水平転送電極に相当する。
また、第1の水平転送電極15A、15Bが、本実施形態における列方向電極に相当する。本実施形態では、第1の水平転送電極15A、15Bの第2垂直転送部10側の水平方向の長さと中間転送部21側の水平方向の長さとが等しくなるように形成されている。なお、第1垂直転送部2、第2垂直転送部10、第1水平転送部3、第2水平転送部4は、連続して形成されており、図2Aにおいて一点差線で示している。また、図2A以外のその他の図についても同様である。また、図2Aにおいて、垂直転送電極、水平転送電極、振分け転送電極は全て単層電極で構成されている。振分け転送電極22は独立しているが、図2Bに示すように、振分け転送電極22は図2Aに示した振分け転送電極22のように中間転送部21ごとに分割した構成でなくても、チャネルストップ領域5及び中間転送部21の上に一体に形成されていても良い。
つまり、図2Bでは、第1水平転送部3と第2水平転送部4の水平転送電極は独立している。ただし、振分け転送電極22下において、中間転送部21は、第1水平転送部3の信号電荷を水平転送部4へ垂直転送させるため、チャネルストップ領域5を形成しない。また、振分け転送電極22下にチャネルストップ領域5を形成せずに、中間転送部21下の電位を深くし、第1水平転送部3から第2水平転送部4へ電荷転送することも可能である(図示せず)。
図1及び図2Aに示すように、固体撮像装置100は、光電変換部1で発生した信号電荷を、読み出し部103を介して垂直転送電極11により第1垂直転送部2に読み出す。その後、第1垂直転送部2内の信号電荷を順次転送し、第1水平転送部3に転送する。その後、第1水平転送部3と第2水平転送部4との間に設けられた中間転送部21に電圧を印加し、第1水平転送部3から第2水平転送部4へ信号電荷を転送する。
次に、次ラインの信号電荷を第1垂直転送部2から第1水平転送部3及び第2水平転送部4に転送後、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の電荷を同時に水平方向に転送し、第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117で信号電荷を検出して信号電圧に変換し、2ライン分の信号が出力される。
以上のように、並列に配置された第1水平転送部3及び第2水平転送部4の構成により、信号電荷を2ライン分ずつ同時に出力し、高速駆動を実現できる。
ここで、一般的な固体撮像装置は、垂直転送部の1列に対して、水平転送部の1転送パケットが構成されている。水平転送部が2相駆動の場合は、垂直転送部1列に対して水平転送電極は2つ、水平転送部が3相駆動の場合は垂直転送部1列に対して水平転送電極は3つになる。
これに対し、本発明では、第1水平転送部3、第2水平転送部4は3相以上の駆動であり、3つ以上の水平転送電極で構成されることを特徴とする。特に、本実施形態では水平転送部は4相駆動であり、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は、4列分の水平転送電極が繰り返し配置されて構成されている。
また、従来技術のように垂直転送部の1列に対して1転送パケットが構成されるのではなく、第1垂直転送部2の4列に対して1転送パケットが構成されている。よって、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の転送パケット数を従来のように第1垂直転送部2の列数と同じにせず、第1垂直転送部2の1列に対して1/4にし、通常モードでは、第1垂直転送部2から第1水平転送部3及び第2水平転送部4への転送、及び第1水平転送部3及び第2水平転送部4から第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117への転送動作を4回に分け、1ラインの信号電荷を分割してインターレース出力する(詳細の動作は後述する)。これにより、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の電極数を減らすことができ、電極間容量を減少させ低消費電力を実現できる。
また、水平インターレースや動画モード時に信号電荷を加算する場合、信号電荷を一時的に保持する動作が必要である。本実施形態では、図2Aの転送制御部7において、各列の信号電荷蓄積電極8と転送阻止電極9により信号電荷の転送を選択的に制御することができる。
転送制御部7はL列、C1列、C2列、R列の4列単位で水平方向に繰り返され、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は4相駆動され、図2Aにおいては第1の水平転送電極15A、15B、15C、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20の4列分の水平転送電極により、第1水平転送部3及び第2水平転送部4のそれぞれにおいて1転送パケットが形成される。即ち、転送制御部7の4列に対して、転送パケットを構成する4つの水平転送電極が対応するように構成される。
また、図2Aに示すように、転送制御部7において、L列、C1列、R列は信号電荷蓄積電極8と転送阻止電極9の2つの電極を有しているが、C2列は2つの電極でなくても1つの電極のみ有している構成であってもよい。これは、4列の第1垂直転送部2のうち、常に第1に転送されるC2列は信号電荷を制御する必要がないため、転送制御部7におけるC2列の転送電極には、画素繰り返し部6の垂直転送電極と同じ転送パルスを印加することが可能であるためである。これにより、転送制御部7内の独立電極の数を減らすことができ、パッケージの端子数を削減することができる。
また、転送制御部7のL列、C1列、R列において、信号電荷を制御する場合、信号電荷は信号電荷蓄積電極8の1つの転送電極下の第1垂直転送部2で保持される。そのために、信号電荷蓄積電極8の電極長と信号電荷蓄積電極8下の第1垂直転送部2の幅は、画素繰り返し部6の垂直転送電極の電極長や第1垂直転送部2の幅より大きくしている。
一方、転送制御部7のC2列では信号電荷を保持する必要がないため、C2列の第1垂直転送部2の幅は、L列、C1列、R列の信号電荷蓄積電極8下の第1垂直転送部2に比べ狭くてよい。そのため、転送制御部7のC2列は、第1垂直転送部2の幅を第1水平転送部3に向けて除々に広げ、ナローチャネル効果を利用し転送電界を向上させることで、電極長が長い転送を可能にしている。
本実施形態の第1の特徴は、固体撮像装置100が、光電変換部1の各列に対応し光電変換部1からの信号電荷を転送する第1垂直転送部2と、連続した4列の第1垂直転送部2が接続された第2垂直転送部10とを有する点である。つまり、第2垂直転送部10が4列の第1垂直転送部2を束ねており、1転送パケットを構成する4つの水平転送電極(第1の水平転送電極15A、15B、15C、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20)のうちの、1つの電極(第1の水平転送電極15A)の位置に対応する第1水平転送部3に連続して第2垂直転送部10が設けられている。
また、図2Aに示すように、第1の水平転送電極15Aの垂直転送方向には、第1の水平転送電極15Bが設けられ、第1の水平転送電極15B及び15Cの間に、振分け転送電極22を有する中間転送部21が設けられている。
上記構成では、第2垂直転送部10内の信号電荷を第1水平転送部3、及び中間転送部21を介して第2水平転送部4に、同時に転送することが可能になる。また、図9に示すように、第1水平転送部3において、水平方向に複数の水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A、15B、第2の水平転送電極18)で第2垂直転送部10からの信号電荷を受けた後、1つの水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A、15B)に絞りこむ転送動作は必要なく、効率的な転送が可能である。更に、第1水平転送部3から中間転送部21を介して第2水平転送部4への信号電荷の垂直転送の際、不要な転送動作がなく効率的な転送動作が可能なため、転送時間を長く確保することが可能である。
なお、第2垂直転送部10から、第1水平転送部3、中間転送部21を介して第2水平転送部4までの信号電荷の転送経路は垂直方向に真直ぐであり、従来技術における固体撮像装置の構成(図19)のように、中間転送部206で信号電荷を斜めに転送する必要はない。よって、信号電荷の転送距離を短縮でき転送劣化が生じにくい。
また、本実施形態の第2の特徴は、第1水平転送部3から中間転送部21へ信号電荷を垂直転送する転送電極を、図2Aに示した第1の水平転送電極15A、15Bのように独立した複数の電極、かつ単層の電極で構成している点である。これにより、信号電荷を第1水平転送部3及び第2水平転送部4の間において転送する際には、第1の水平転送電極15A、15Bに異なる転送パルスを印加して垂直方向に電位勾配を設け、信号電荷を第1水平転送部3において水平転送する際には、第1の水平転送電極15A、15Bに同一の転送パルスを印加して垂直方向の電位を同一にすることが可能になる。このように、信号電荷を第1水平転送部3から中間転送部21へ転送する際、2つの電極で転送することで1電極あたりの転送距離を短縮でき、転送電界を向上させることで転送不良を更に抑制することができる。
また、従来技術に示した固体撮像装置の水平2相駆動は、水平蓄積電極209、211の下の電荷蓄積領域とバリア領域213で構成されており、水平転送時には、信号電荷をバリア領域の電位障壁を乗越えさせ転送させる必要があり、比較的高い駆動電圧(例えば、3.3~5.0V)が必要である。これに対し、本実施形態における固体撮像装置100の水平転送は4相駆動であるため、バリア領域を形成する必要がなく、低振幅の電圧(例えば、1.8V)で転送が可能となる。第1水平転送部3から第2水平転送部4へ信号電荷を垂直転送する場合においても、本実施形態に示した固体撮像装置100の構造では、上記したように水平方向に複数の第1の水平転送電極15A、15Bの2つの水平転送電極で構成し、転送電界を強化しているため、低電圧での転送を実現することができる。よって、第1水平転送部3から第2水平転送部4への垂直転送と水平転送とを低電圧駆動で可能にし、低消費電力を実現している。
また、本実施形態における固体撮像装置100の水平転送電極は、単層で構成されているが、従来技術に示した固体撮像装置の構成は、図19に示すように、水平蓄積電極209、211と水平バリア電極210を水平方向に繰り返した2層(複層)の電極構成である。更に、従来技術に示した固体撮像装置では、第1水平転送部3と第2水平転送部4に信号電荷を振分け転送するために、水平蓄積電極211の第1の電極要素211A及び第2の電極要素211Bを独立に構成しており、第2の電極要素211Bに隣接する水平バリア電極210は、第1の電極要素211Aと第2の電極要素211Bの上部に形成する必要があり、3層構造になる。そのため、従来技術における固体撮像装置の構造では、前述したように、各転送電極に同じ電圧を印加しても、各電極下のチャネル電位は異なり電位勾配が形成される。更に、各転送電極のオーバーラップにより配線構造が複雑になり、電極間の短絡も生じやすい。これに対し、本実施形態では、上記のような課題が発生することはない。
以上のように構成された固体撮像装置100について、以下その動作を説明する。また、図2Aに示す各電極には、印加される転送パルスφV1、φV2、φV3、φVST-L、φVST-C1、φVST-C2、φVST-R、φVHLD-L、φVHLD-C1、φVST-R、φVL1、φVL2、φHHT、φH1a、φH1b、φH1c、φH2、φH3、φH4を図示している。
本実施形態における通常モード時の駆動タイミングを図3A及び図3Bに、信号電荷転送図を図4A~図4Eに示す。
図4A~図4Eに示すように、通常モードにおいては、第1水平転送部3及び第2水平転送部4のパケット数は、第1垂直転送部2の列数の1/4になっているため、C2列、C1列、L列、R列の順で4回に分けて第1垂直転送部2から第1水平転送部3、及び第1水平転送部3から中間転送部21を経由して第2水平転送部4へ信号電荷が転送され、その後、第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117への信号電荷の転送が実施される。本実施形態では、画素繰り返し部6の第1垂直転送部2は4相駆動の場合を示している。また、図4A~図4Eでは、GとRの画素について信号電荷を転送する場合を説明するため、各列の信号電荷の移動をG及びRで示している。
図2Aにおいて、光電変換部1に蓄積された信号電荷は、第1垂直転送部2に読み出され、垂直転送電極11及び中間電極12を介して各列の信号電荷蓄積電極8の下に転送される。
図3A中の時刻t0において、中間電極12にφV3としてローレベル(例えば、-6V)、信号電荷蓄積電極8にφVST-L、φVST-C1、φVST-Rとしてミドルレベル(例えば、0V)の転送パルスを印加する。C2列の信号電荷蓄積電極8と転送阻止電極9が一体化した1つの転送電極には、前述したように画素繰り返し部6の垂直転送電極と同じ転送パルスを印加することが可能であるため、φVST-C2としてφV4のミドルレベルの転送パルスを印加する。これにより、各列の中間電極12の下の転送領域に蓄積されている信号電荷を信号電荷蓄積電極8の下の転送領域に転送する(図4A)。
また、各列の転送阻止電極9には、φVHLD-L、φVHLD-C1、φVHLD-Rとしてローレベルの転送パルスを印加して電位障壁を形成し、次段への信号電荷転送を阻止している。
次に、時刻t0~t1の期間において、転送制御部7により4列のうちのC2列を選択して信号電荷の転送を行う。選択しないL列、C1列、R列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-L、φVHLD-C1、φVHLD-Rはローレベルに維持して、信号電荷を信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持すると共に、C2列の信号電荷蓄積電極8に印加するφVST-C2(φV4)、第2垂直転送部10の転送電極13に印加するφVL2、最終垂直転送電極14に印加するφVL1の転送パルスを遷移させる。この時、並行して第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1b、第1の水平転送電極15Cに印加するφH1cをハイレベル(例えば、1.8V)にし、中間転送部21の振分け転送電極22にφHHTとしてハイレベルの転送パルスを印加することによって、C2列の信号電荷を第1水平転送部3、中間転送部21及び第2水平転送部4に転送する。
その後、時刻t1~t2の期間において、第1の水平転送電極15A及び15Bに印加する転送パルスφH1a及びφH1b、ならびに中間転送部21に印加する転送パルスφHHTを遷移させ、第1水平転送部3から第2水平転送部4への信号電荷の転送を完了させる(図4B)。
次に、時刻t2~t3の期間において、転送制御部7により4列のうちのC1列を選択して信号電荷の転送を行う。選択しないL列、R列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-L、φVHLD-Rはローレベルに維持して、L、R列の信号電荷を信号電荷蓄積電極8に保持すると共に、C1列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-C1をミドルレベルに遷移させ、C1列の信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持していた信号電荷を転送阻止電極9の下の第1垂直転送部2に転送させる。
その後、時刻t3~t4の期間において、C1列の転送阻止電極9に印加するφVHLD-C1、第2垂直転送部10の転送電極13に印加するφVL2、最終垂直転送電極14に印加するφVL1を遷移させると共に、第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1bをハイレベルにし、C1列の信号電荷を第1水平転送部3へ転送する。このとき、中間転送部21の転送電極22に印加する転送パルスφHHTはローレベルに維持することで、第1水平転送部3と第2水平転送部4の信号電荷が混合するのを防止している。
その後、時刻t4~t5の期間において、第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117へ向けて第1水平転送部3と第2水平転送部4の信号電荷の転送を行うことで、C2列とC1列の信号電荷を出力する(図4C)。
次に、図3Bに示す時刻t6において、転送制御部7により4列のうちのL列を選択して信号電荷の転送を行う。選択しないR列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-Rはローレベルに維持して、R列の信号電荷を信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持すると共に、L列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-Lをミドルレベルに遷移させ、L列の信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持していた信号電荷を転送阻止電極9の下の第1垂直転送部2に転送させる。
その後、時刻t6~t7の期間において、L列の転送阻止電極9に印加するφVHLD-L、第2垂直転送部10の転送電極13に印加するφVL2、最終垂直転送電極14に印加するφVL1の転送パルスを遷移させると共に、並行して第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1b、第1の水平転送電極15Cに印加するφH1cをハイレベル(例えば、1.8V)にし、中間転送部21の転送電極22にφHHTのハイレベルの転送パルスを印加することによって、C2列の信号電荷を第1水平転送部3及び第2水平転送部4に転送する。
その後、時刻t7~t8の期間において、第1の水平転送電極15A及び15Bに印加する転送パルスφH1a及びφH1b、ならびに中間転送部21の転送電極22に印加する転送パルスφHHTを遷移させ、第1水平転送部3から第2水平転送部4への信号電荷の転送を完了させる(図4D)。
続いて、時刻t9において、転送制御部7により4列のうちのR列を選択して信号電荷の転送を行う。R列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-Rをミドルレベルに遷移させ、R列の信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持していた信号電荷を転送阻止電極9の下の第1垂直転送部2に転送させる。
その後、時刻t9~t10の期間においてR列の転送阻止電極9に印加するφVHLD-R、第2垂直転送部10の転送電極13に印加するφVL2、最終垂直転送電極14に印加するφVL1を遷移させると共に、第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1bをハイレベルにし、R列の信号電荷を第1水平転送部3へ転送する。このとき、中間転送部21の転送電極22に印加する転送パルスφHHTはローレベルに維持することで、第1水平転送部3と第2水平転送部4の信号電荷が混合するのを防止している。
その後、時刻t10~t11の期間において、第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117へ向けて第1水平転送部3及び第2水平転送部4の信号電荷の転送を行うことで、L列とR列の信号電荷を出力する(図4E)。
上記の動作により、1ラインの信号電荷を第1水平転送部及び第2水平転送部4へ振分けて高速に出力することが可能であり、残りの信号電荷も同様の転送動作により順次出力することができる。
次に動画モード時における駆動タイミングを図5に、信号電荷転送図を図6A~図6Cに示す。本実施形態においては、水平方向に隣接する同色の信号電荷を2画素加算する場合を例として示す。
まず、図5中の時刻taに示すように、通常モードの動作と同様に、中間電極12にφV3、信号電荷蓄積電極8にφVST-L、φVST-C1、φVST-C2、φVST-Rの転送パルスを印加することにより、各列の中間電極12の下の第1垂直転送部2に蓄積されている信号電荷を信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に転送する(図6A)。また、C1列、R列の転送阻止電極9にはφVHLD-C1、φVHLD-Rにローレベルの転送パルスを印加して電位障壁を形成し、次段への信号電荷転送を阻止している。
次に、時刻ta~tbの期間において、転送制御部7により4列のうちのC2列とL列を選択して信号電荷の転送を行う。選択しないC1列とR列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-C1、φVHLD-Rはローレベルに維持して、信号電荷を信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持すると共に、L列の転送阻止電極9にφVHLD-L、C2列の信号電荷蓄積電極8にφVST-C2、第2垂直転送部10の転送電極13にφVL2、最終垂直転送電極14にφVL1の転送パルスを遷移させる。
また、並行して第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1b、第1の水平転送電極15Cに印加するφH1cをハイレベル(例えば、1.8V)にし、中間転送部21の転送電極22にφHHTのハイレベルの転送パルスを印加することによって、L列、C2列の信号電荷を第1水平転送部3及び第2水平転送部4に転送する(図6B)。このとき、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20に印加する転送パルスφH2、φH3、φH4はローレベルに維持しておく。これによりL列、C2列における2画素分の信号電荷を加算することができる。
その後、時刻tb~tcの期間において、第1の水平転送電極15A及び15Bに印加する転送パルスφH1a及びφH1b、ならびに中間転送部21に印加する転送パルスφHHTを遷移させ、第1水平転送部3から第2水平転送部4への信号電荷の転送を完了させる。
次に、時刻tc~tdの期間において、転送制御部7により4列のうちのC1列とR列を選択して信号電荷の転送を行う。C1列、R列の転送阻止電極9に印加される転送パルスφVHLD-C1、φVHLD-Rをミドルレベルに遷移させ、各列の信号電荷蓄積電極8の下の第1垂直転送部2に保持していた信号電荷を転送阻止電極9の下の第1垂直転送部2に転送させる。その後、C1列、R列の転送阻止電極9に印加するφVHLD-C1、φVHLD-R、第2垂直転送部10の転送電極13に印加するφVL2、最終垂直転送電極14に印加するφVL1を遷移させると共に、第1の水平転送電極15Aに印加するφH1a、第1の水平転送電極15Bに印加するφH1bをハイレベルにし、各列の信号電荷を第1水平転送部3へ転送する。このとき、中間転送部21の転送電極22に印加する転送パルスφHHTはローレベルに維持することで、第1水平転送部3と第2水平転送部4の信号電荷が混合するのを防止している。
その後、時刻td~teの期間において、第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117へ向けて第1水平転送部3と第2水平転送部4の信号電荷の転送を行うことで、C2列とL列の2画素分の信号電荷とC1列とR列の2画素分の信号電荷をそれぞれ出力する(図6C)。
なお、第1垂直転送部2においては、読み出し部103を複数設け、駆動を工夫することで、第1垂直転送部2内で2画素加算を行い、前述の水平2画素加算と合わせて4画素加算の動作を実現することは容易である。
次に、従来技術の課題であった、画素サイズが小さいセルで構成される固体撮像装置の場合に生じる第1水平転送部3から第2水平転送部4への転送劣化を、本実施形態における構成により改善できる理由について、図面を参照しながら説明する。
図7Aに従来技術における固体撮像装置の一部の平面図、図7Bに本実施形態における固体撮像装置100の一部の平面図を示す。図7A及び図7B中の符号は、図2A及び図19と同じ構成のものは同一符号で表し説明を省略する。また、図7A及び図7B共に単層電極で構成された場合を示す。図7A及び7Bにおいて、A0、A1は水平転送電極の水平方向の電極の長さであり、B0とB1は第1水平転送部の垂直方向の長さを、C0、C1は中間転送部の垂直方向の長さを示している。
図7Aの従来技術における固体撮像装置の構成の特徴は、垂直転送部202の1列に対して第1水平転送部204及び第2水平転送部205がそれぞれ2つの水平蓄積電極209、211で構成され、第1水平転送部204及び第2水平転送部205は2相駆動方式である点である。単層電極の場合では、図7Aに示すように、同じ電極下に蓄積領域112とバリア領域113が構成され、信号電荷は、同図に示す電荷転送路111のように、垂直転送部202から第1水平転送部204の蓄積領域112、中間転送部206及び第2水平転送部205へ転送される。よって、画素サイズが小さいセルの場合では、水平蓄積電極209の水平方向の長さであるA0は短くなり蓄積領域112が小さくなるため、所定の飽和電荷量を確保するために第1水平転送部204の垂直方向の長さB0を大幅に広くする必要がある。
例えば、画素サイズが1.5μm程度の場合では、水平電極の水平方向の長さA0は約0.7μm(画素サイズの半分)、第1水平転送部204の水平方向の長さB0は40~50μm程度必要になる。また、従来技術における固体撮像装置の構成では、図20(b)、(c)に示すように、中間転送部206にのみ信号電荷を蓄積する状態が必要になるため、中間転送部206の垂直方向の長さC0も広くする必要がある。
一方、本実施形態における固体撮像装置100の構成においては、図7Bに示すように、第1垂直転送部2の4列を第2垂直転送部10で合流させており、第2垂直転送部10は第1水平転送部3に設けられた水平転送電極のうちの1つの水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A)に接続されるように構成されている。第1水平転送部3及び第2水平転送部4は4相駆動方式であり、1転送パケットは4列分の水平転送電極で構成されている。本構成では、前述したように、第1垂直転送部2の4列に対して1転送パケットを形成し、通常モードでは、第1垂直転送部2から第1水平転送部3及び第2水平転送部4への信号電荷の転送、及び第1水平転送部3及び第2水平転送部4から第1の信号電荷出力部116及び第2の信号電荷出力部117への信号電荷の転送動作を4回に分け、1ラインの信号電荷を2つに分割してインターレースする出力する。このように、水平インターレース方式により、水平電極の水平方向の長さA1を長くすることが可能となる。
また、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は4相駆動であるため、図7Aに示した従来技術における固体撮像装置の2相駆動のように、1つの水平転送電極下にバリア領域113を形成する必要なく、1つの水平転送電極下の全領域で信号電荷を蓄積することができる。また、従来技術における固体撮像装置の2相駆動では、ゲート電圧振幅の約1/2は、電荷蓄積に寄与しないバリア領域のポテンシャル変位に当てられており、蓄積電荷量はバリア領域の形成条件で決定されていたが、バリア領域を形成する必要のない3相以上の駆動方式ではゲート電圧振幅のポテンシャル変位が電荷蓄積にそのまま寄与する。そのため、3相駆動や4相駆動では単位ゲート面積あたりの飽和電荷量が約2倍以上にできるため、飽和電荷量を確保するための第1水平転送部3の垂直方向の長さB1を短くすることが可能になる。同様の理由で、3相以上の駆動方式では従来技術よりも低電圧駆動も可能になる。
本実施形態の構成では、水平インターレース方式を併用しているため水平方向のゲート面積を従来技術以上に確保できるので、飽和電荷量を確保するための第1水平転送部3の垂直方向の長さB1を更に短くすることが可能になる。例えば、4相駆動で、かつ、水平4:1インターレース方式で画素サイズが1.5μm程度の場合では、A1は1.5μm(セルサイズと同じ)、第1水平転送部3の幅B1は6~10μm程度にすることが可能である。
また、中間転送部21にのみ信号電荷を蓄積することも不要であるため、中間転送部21の垂直方向の長さC1も短くできる。中間転送部21の垂直方向の長さC1は、配線と接続する領域さえ確保すればよく、約1μm程度にすることが可能である。
図7Aに、垂直転送部202から第1水平転送部204、中間転送部206を介して第2水平転送部205へ信号電荷を転送する際における信号電荷の転送経路を点線で示す。同様に、図7Bに、第1垂直転送部2から第1水平転送部3、中間転送部21を介して第2水平転送部4へ信号電荷を転送する際における信号電荷の転送経路を点線で示す。本実施形態における固体撮像装置100の構成である図7Bの信号電荷の転送経路は、従来技術における固体撮像装置の構成である図7Aと比較して、上記したように飛躍的に短縮することが可能である。転送経路を大幅に短縮することで、従来の課題であった第1水平転送部から第2水平転送部への転送劣化を改善することができる。また、従来技術における固体撮像装置の構成は水平2相駆動方式のため、水平転送を実現するため比較的高い電圧(例えば、3.3~5.0V)が必要であるが、本実施形態における固体撮像装置100の構成では、水平4相駆動方式により、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の間の信号電荷の垂直転送と水平転送とを、低電圧駆動(例えば、1.8V)により実現することができ、固体撮像装置100の低消費電力化が可能となる。なお、駆動方式は4相に限らず、3または5相以上の駆動相数に駆動相を増加してもよい。
図8は、本実施形態の構成において、第2垂直転送部10から第1水平転送部3への転送、ならびに第1水平転送部3から中間転送部21を介して第2水平転送部4へ信号電荷を転送する際の電位模式図を示している。また、図8において、図8(a)~図8(d)の電位模式図は、図3A及び図3Bの駆動タイミングにおいて、時刻t1~t2の期間に対応している。
まず、図8(a)に示すように、最終垂直転送電極14に印加する転送パルスφVL1をローレベルにし、第1の水平転送電極15A、15B、15Cに印加する転送パルスφH1a、φH1b、及び中間転送部21の振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTをハイレベルに遷移させることで、最終垂直転送電極14の下の第1垂直転送部2に蓄積された信号電荷を、第1水平転送部3、及び中間転送部21、第2水平転送部4に転送する。
次に、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15B及び第2水平転送部4の第1の水平転送電極15Cに印加する転送パルスφH1b及びφH1c、振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTをハイレベルに維持し、第1の水平転送電極15Aに印加する転送パルスφH1aをローレベルに遷移させ、第1の水平転送電極15Aの下の信号電荷の転送を完了させる(図8(b))。
続いて、第1の水平転送電極15Cに印加する転送パルスφH1c、及び振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTをハイレベルに維持し、第1の水平転送電極15Bに印加する転送パルスφH1bをローレベルに遷移させ、第1の水平転送電極15Bの下の信号電荷の転送を完了させる(図8(c))。
その後、第1の水平転送電極15Cに印加する転送パルスφH1cをハイレベルに維持し、振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTをローレベルに遷移させ、振分け転送電極22下の信号電荷の転送を完了させる(図8(d))。
以上により、第1水平転送部3から第2水平転送部4への転送において、低電圧駆動でありながら信号電荷の転送劣化を防止して完全転送することが可能となる。
なお、前述したように、第1水平転送部3の垂直方向の長さB1は、従来技術の構成に比べて縮小可能なため、転送距離が短く転送劣化が生じにくい構造であるが、第1水平転送部3に印加する電圧が低くても(例えば、1.8V)完全転送を実現するため、第1水平転送部3下の信号電荷を第1の水平転送電極15A及び15Bの2つの独立した電極で転送し転送電界を向上させている。
本実施形態の構成では、最終垂直転送電極14の下の第1垂直転送部2に蓄積された信号電荷を第2水平転送部4に転送する過程で、従来技術に示した転送過程(図20(a)~(c))のように、一時的に第一の水平転送部3の水平転送電極下のみに信号電荷を蓄積したり、もしくは中間転送部21の振分け転送電極22の下のみに信号電荷を蓄積したりすることがない。そのため、最終垂直転送電極14の下の第1垂直転送部2に蓄積された信号電荷を第2水平転送部4の第1の水平転送電極15Cの下の第2水平転送部4に効率よく移送することができる。特に、比較的取り扱い電荷量が多く電荷密度が高い場合は、最終垂直転送電極14に印加する転送パルスφVL1をローレベルに遷移させた時点で、最終垂直転送電極14の下の第1垂直転送部2に蓄積された信号電荷の大部分を自己誘起ドリフトや拡散により転送することができる。
また、本実施形態では、図2Aに示すように、第2垂直転送部10が1つの水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A)に接続されている。これにより、第2垂直転送部10の信号電荷を、第1水平転送部3及び中間転送部21を介して、第2水平転送部4に転送する際、効率的に転送することができる。
比較として、図9に第2垂直転送部10が2つの水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A及び第2の水平転送電極18)に接続されている(水平蓄積電極変更)構成を示す。図9中の点線は、信号電荷の転送経路である。第2垂直転送部10の信号電荷を第1の水平転送電極15A、第2の水平転送電極18で受けた場合は、第2水平転送部4に信号電荷を転送するために、第2の水平転送電極18をローレベルに遷移させる必要がある。このため、第2垂直転送部10が第1の水平転送電極15Aのみに接続されている場合と比較して、余分な転送動作が必要となると共に、第2垂直転送部10から第2の水平転送電極18に移動した信号電荷の転送経路は長くなる。よって、本実施形態の構成することで、不要な転送動作を省略でき効率的な転送が可能になる。
また、第1水平転送部3から第2水平転送部4への信号電荷の転送が完了した後に、第1水平転送部3において信号電荷を水平転送する際は、第1の水平転送電極15A、15Bに印加する転送パルスφH1a、φH1bを同一にする。第1の水平転送電極15A、15Bを含め、水平転送電極は単層電極で構成されており、第1の水平転送電極15A、15Bの下における水平転送部3の不純物濃度は同じであるため、転送パルスφH1a、φH1bが同一であれば2つの電極下の第1水平転送部3は同電位になる。よって、第1の水平転送電極15A、15Bの2つの水平転送電極は1つの水平転送電極の場合と同様に機能させることが可能であり、第1の水平転送電極15A、15BにφH1a、φH1b、及び、第2、3、4の水平転送電極18、19、20にφH2、φH3、φH4の異なる転送パルスを印加して水平4相駆動が可能になる。
また、本実施形態の構成では、第1水平転送部3から中間転送部21及び第2水平転送部4へ向けて、転送電界を強化するために電位勾配を形成していない。その第1の理由は、第1水平転送部3から第2水平転送部4への垂直転送と、水平転送のいずれにおいても低電圧駆動を実現するためである。
比較として、第1水平転送部3から中間転送部21及び第2水平転送部4へ向けて、転送電界を強化するために電位勾配を形成した場合を図10及び図11に示す。図10は、電位勾配を設ける一般的な方法で、中間転送部21の方向に沿って注入領域が広くなるようにn型不純物を追加注入し、ナローチャネル効果を活用して電位勾配を形成している。図10中にn型不純物の注入領域31を示す。
また、図12は図10のA-A’方向に沿った電位模式図で水平転送時の状態を示している。図12では、第1の水平転送電極15(第1の水平転送電極15A、15B)、第2の水平転送電極18にローレベル、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20にハイレベルの転送パルスを印加し、第1の水平転送電極15下の第1水平転送部3に蓄積された信号電荷を次段の第4の水平転送電極20に転送する場合を示している。
図12に示すように、第1の水平転送電極15の下の第1水平転送部3においてn型不純物を追加注入した注入領域31は、電位が深くなり、第1の水平転送電極15と次段の第4の水平転送電極20の下の第1水平転送部3の電位差Dは小さくなる。電位差Dが小さいと転送電界が不足し、第1の水平転送電極15の下の第1水平転送部3に信号電荷が残留し転送劣化が生じてしまう。また、水平駆動電圧を高くすれば、電位差Dを大きくでき、転送電界を向上させ、転送劣化を抑制し転送することができるが、大幅な消費電力の増大を招いてしまう。
なお、第1水平転送部3から中間転送部21及び第2水平転送部4へ向けて、転送電界を向上するために、図11に示すように、中間転送部21側で注入領域が狭くなるようにp型不純物を追加注入し、電位勾配を形成することもできる。図11にp型不純物の注入領域32を表している。
この場合、第1水平転送部3において、第1の水平転送電極15の下の第1水平転送部3の中間転送部21側の電位と、次段の第4の水平転送電極20の下の第1水平転送部3の電位の差は、追加注入なしの場合と同じであり、水平転送時の転送電界が低下することはないが、第1の水平転送電極15の下の第1水平転送部3の大部分にp型不純物を追加注入しているため、第1の水平転送電極15の下の第1水平転送部3において、信号電荷を蓄積可能な飽和電荷量が大幅に減少してしまう。
これに対し、本実施形態の構成では、第1水平転送部3で垂直方向に複数の独立した列方向電極を単層電極で構成し、第1水平転送部3で電位勾配を形成していないため、飽和電荷量の低下を防ぎ、低い水平駆動電圧で第1水平転送部3から第2水平転送部4への垂直転送と水平転送の両立が可能である。
また、電位勾配を形成している場合は、水平転送時に信号電荷が蛇行して水平転送され、信号電荷の転送経路が長くなり転送劣化が生じ易い。本実施形態の構成では、電位勾配がないため、上記のような信号電荷が蛇行して転送されることはない。また、本実施形態の構成では、第1水平転送部3と第2水平転送部4の不純物濃度は同じであるため各チャネルの電位はほぼ等しい。これにより、第1水平転送部3と第2水平転送部4の水平転送効率の差を小さくできる。
なお、本実施形態においては、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は、第1垂直転送部2の4列に対して、1転送パケットを形成する4相の転送パルスが印加される4列分の水平転送電極を備え、4列単位で信号電荷の転送が水平方向に繰り返されている例を示したが、本発明は、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は、第1垂直転送部2の2列もしくは3列に対して1転送パケットを構成する転送パルスが印加される水平転送電極を備え、転送制御部7を2列もしくは3列単位で水平方向に繰り返す構造に対しても適用可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第1垂直転送部2から第1水平転送部3及び第2水平転送部4への信号電荷転送を選択的に制御する転送制御部7を設けて水平インターレースが可能な構造にし、第1水平転送部3及び第2水平転送部4は4相駆動の構成にすることで、並列に配置された第1水平転送部3の幅を大幅に縮小することが可能になる。
更に、第1水平転送部3において、信号電荷を第2水平転送部4に転送する水平転送電極を、垂直方向に複数の独立した列方向電極で構成し、それぞれの電極に異なる転送パルスを印加することで、第1水平転送部3から第2水平転送部4への転送を低電圧でありながら、転送劣化を招くことなく完全転送をすることができる。
更に、転送制御部7の第1水平転送部3側で、第1垂直転送部2を束ねた第2垂直転送部10を1つの水平転送電極(例えば、第1の水平転送電極15A)に含まれるように構成し、かつ第2垂直転送部10を含む1つの水平転送電極の垂直転送方向に中間転送部21を構成することで、転送経路を短縮すると共に効率的な転送動作を実現することができる。これにより、高速駆動と低消費電力化の両立が行える固体撮像装置を実現することができる。
なお、本実施形態では、第1の水平転送電極15A、15Bの第2垂直転送部10側の水平方向の長さと中間転送部21側の水平方向の長さとが等しくなるように形成されているが、第1の水平転送電極15A、15Bの第2垂直転送部10側の水平方向の長さが中間転送部21側の水平方向の長さより短くなるように形成されていてもよい。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図13は、本発明の第2の実施形態における固体撮像装置の部分構成図である。図13において、図2Aと同一の符号は同じ構成要素を表す。
本実施形態が第1の実施形態と異なる特徴は、第1水平転送部3から中間転送部21に信号電荷を転送する2つの独立した列方向電極が、2電極間の境界が水平方向に対して所定の角度を有するように構成されている点である。つまり、第1の実施形態における第1の水平転送電極15A、15Bに代えて、図13に示すように、第1の水平転送電極23A、23Bの2電極間の境界が、水平方向に対して所定の角度を有するように、第1の水平転送電極23A、23Bが構成されている。これにより、信号電荷を第1水平転送部3から中間転送部21及び第2水平転送部4へ向けて転送する際、ナローチャネル効果により、中間転送部21側の電位が深くなるような電位勾配を形成することができ、転送電界を更に強化することができる。
一方、水平転送時においては、第1の水平転送電極23A、23Bには同一の転送パルスを印加されるため、2つの独立した第1の水平転送電極23A、23Bは、1電極の場合と同様に機能する。したがって、第1の水平転送電極23A、23Bの下における第1水平転送部3の不純物濃度は同じであるため、同一の転送パルスが印加される2電極下の第1水平転送部3の電位は同電位であり、水平転送時には電位勾配を形成しない。そのため、第1の実施形態において、前述したような電位勾配を形成した状態で水平転送する際に生じる課題を防ぐことができる。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態に比べ、第1水平転送部3から第2水平転送部4への転送において、転送電界を更に強化することができ、更なる低電圧駆動が可能な固体撮像装置を実現できる。
なお、第1の水平転送電極23A、23Bとの2電極間の境界が、水平方向に対して所定の角度を有するように構成するだけでなく、第1の水平転送電極23Bの電極形状を中間転送部21側が広くなる台形形状に形成してもよい。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図14は、本発明の第3の実施形態における固体撮像装置の部分構成図である。図14において、図2Aと同一の符号は同じ構成要素を表す。
本実施形態が第1の実施形態と異なる特徴は、中間転送部21から信号電荷を受ける第2水平転送部4の電極が、第1水平転送部3の列方向電極の構成と同じように2つの独立した列方向電極で構成されている点である。つまり、第2水平転送部4は、第1の実施形態における第1の水平転送電極15Cに代えて、図14に示すように、第1の水平転送電極25A、25Bを備えている。
図14では、第1の水平転送電極25A、25Bの2つの水平転送電極が独立で構成されているが、第1の水平転送電極25A、25Bには常時同じ転送パルスφH1cが印加される。そのため、第1の水平転送電極25A、25Bは、1つの水平転送電極と同じように機能し、転送動作は第1の実施形態と同じである。本実施形態では、第1水平転送部3と第2水平転送部4を同じ構成にすることで、第1水平転送部3と第2水平転送部4における水平転送効率の差を更に低減することができる。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態に比べ、第1水平転送部3と第2水平転送部4の水平転送効率の差を更に低減することが可能な固体撮像装置を実現できる。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図15は、本発明の第4の実施形態における固体撮像装置の部分構成図である。図15において、図2Aと同一の符号は同じ構成要素を表す。
本実施形態が第1の実施形態と異なる特徴は、第1垂直転送部2が第1水平転送部3まで束ねられることがなく構成されている点である。つまり、第1の実施形態では、固体撮像装置100は、4列分の第1垂直転送部2が接続された第2垂直転送部10を有していたのに対し、本実施形態では第2垂直転送部10を有していないので、4列分の第1垂直転送部2は1つに束ねられていない。また、第1の実施形態では、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15Aに対応する位置に第2垂直転送部10が設けられていたのに対し、本実施形態では、第1の水平転送電極27A、27Bは、第1垂直転送部2のいずれの列にも対応しない位置に独立に設けられている。更に、第1の水平転送電極27A、27Bの各転送電極において、第1垂直転送部2側の水平方向の長さが中間転送部側21側の水平方向の長さより短い、つまり、中間転送部21側が広がるような台形形状に構成されている。
第1の実施形態における第1の水平転送電極15Aと比較して、第1の水平転送電極27Aの第1垂直転送部2側の水平方向の長さを短くすることで、信号電荷を第1水平転送部3から中間転送部21及び第2水平転送部4へ向けて転送する際、ナローチャネル効果を高め、中間転送部21側の電位が深くなるような電位勾配を形成することができ、転送電界を更に強化することができる。
また、第1垂直転送部2は第1水平転送部3まで束ねられることがなく構成されているため、各列の第1垂直転送部2に対して、例えば2つもしくは3つの複数の第1~第4の水平転送電極(15A、15B、15C、18、19、20)に印加される転送パルスをハイレベルにして、同時に複数の水平転送電極で信号電荷を受けることが可能になる。これにより、図2Aに示す第1の実施形態に比べ、最終垂直転送電極14下の電位を浅くして、第1水平転送部3において、第1垂直転送部2から信号電荷を受ける水平電極下の電位を深くし、第1垂直転送部2から第1水平転送部3への転送電界を向上させ転送不良を抑制することが可能になる。
また、本実施形態では、第1垂直転送部2を束ねていないため、第1の実施形態のように、第1垂直転送部2を接続させた第2垂直転送部10の水平転送電極は不要であり、パッケージの端子数を削減することが可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態に比べ、第1垂直転送部2から第1水平転送部3への信号電荷の転送、第1水平転送部3から第2水平転送部4への信号電荷の転送において、転送電界を強化し転送不良を抑制することができ、更に端子数を削減することができる。
なお、本実施形態では第1水平転送部3と第2水平転送部4のゲート形状が異なる構成になっているが、第3の実施形態と同様に第2水平転送部4のゲート形状を第1水平転送部3と対称に形成して、両転送部の転送効率の差を低減することも可能である。
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図16は、本発明の第5の実施形態における固体撮像装置の部分構成図である。図16において、図2Aと同一の符号は同じ構成要素を表す。
本実施形態が第1の実施形態と異なる特徴は、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の水平転送電極を、第1の水平転送電極15A、15B、15C、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19の、3つの水平転送電極で構成している点である。すなわち、1転送パケットを3つの水平転送電極で構成し、水平転送部3、4は水平3相駆動で信号電荷を転送する。4列分の垂直転送部2が1転送パケットを構成している点や、第1水平転送部3から中間転送部21に信号電荷を転送する電極を、独立した2つの電極で構成している点は第1の実施形態と同様である。第1の実施形態では、水平転送電極を垂直転送部4列に対して4つの転送電極で構成しているが、第5の実施形態では、水平転送電極を垂直転送部4列に対して3つの電極で構成するため、水平転送電極の水平方向の電極長は、第1の実施形態の水平転送電極長より約1.3倍長くなる。
これにより、水平転送部の電極数は減らすことができ、パッケージの端子数を少なくすることができる。また、電極間容量を減少でき、水平駆動電圧が同じであれば低消費電力を実現できる。水平転送電極長が長くなることで、水平転送時の転送電界が低下するが、追加注入を行うことで電位傾斜を形成し転送電界を向上することができ、転送不良を抑制することが可能である。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態に比べ、端子数を削減することができ、低消費電力化が可能な固体撮像装置を実現できる。
(第6の実施形態)
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。
図17Bは、本発明の第6の実施形態における固体撮像装置の部分構成図である。比較のため、図17Aは、第1の実施形態における固体撮像装置100の第1水平転送部3及び第2水平転送部4を示している。図17A及び図17Bにおいて、図2Bと同一の符号は同じ構成要素を表す。
本実施形態が第1の実施形態と異なる特徴は、第1水平転送部3の水平転送電極と第2水平転送部4の水平転送電極を、水平方向に2相ずらして共通に配線している点である。
つまり、本実施形態では、図17Bに示すように、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15Bと第2水平転送部4の第3の水平転送電極19は共通配線され、φH1bの転送パルスが印加される。また、第1水平転送部3の第2の水平転送電極18と第2水平転送部4の第4の水平転送電極20は共通配線され、φH4の転送パルスが印加される。
同様に、第1水平転送部3の第3の水平転送電極19と第2水平転送部4の第1の水平転送電極15Cは共通配線され、φH3の転送パルスが印加される。また、第1水平転送部3の第4の水平転送電極20と第2水平転送部4の第2の水平転送電極18は共通配線され、φH2の転送パルスが印加される。
このように、水平転送時には、各電極に、φH1b、φH2~φH4の4相の転送パルスを印加することで水平4相駆動が可能になる。なお、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15Aには、φH1bと同じ転送パルスが印加される。
これに対し、第1の実施形態の第1水平転送部3及び第2水平転送部4では、図17Aに示すように、第1の水平転送電極15A、15B、15C、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19、第4の水平転送電極20は独立に配線され、それぞれ、φH1a、φH1b、φH1c、φH2、φH3、φH4の転送パルスが印加される。
例えば、第1の実施形態では、図17Aに示すように、第2水平転送部4の中間転送部21から信号電荷を受ける第1の水平転送電極15Cは独立した電極で構成され、φH1cの転送パルスが印加されている。一方、本実施形態では、図17Bに示すように、第1水平転送部3の水平転送電極と第2水平転送部4の水平転送電極を2相ずらして配線を共用している。これにより、本実施形態では、中間転送部21から信号電荷を受ける第2水平転送部4の第1の水平転送電極15Cは、第1水平転送部3の第3の水平転送電極19と配線を共用しており、φH1cを印加する端子が不要になり、パッケージ端子数を削減することが可能になる。
また、第1水平転送部3と第2水平転送部4は2相ずれて信号電荷が転送されるが、第1水平転送部3と第2水平転送部4の各出力端付近において、水平転送電極のレイアウトや電極数、転送パルスを調整することで第1水平転送部3と第2水平転送部4は同位相で出力することが可能である。
ここで、第2垂直転送部10の信号電荷を第1水平転送部3、及び中間転送部21を介して第2水平転送部4に転送する転送動作について、図18A~図18Fを用いて説明する。
図18A~図18Fは、本実施形態の第1水平転送部3及び第2水平転送部4と、各水平転送電極の構成を簡略化した図であり、図17Bと同一の符号は同じ構成要素を表す。また、各水平転送電極に印加する転送パルスを各水平転送電極に記している。また、図18A~図18Fにおいて、色塗りしている水平転送電極は、ローレベルの転送パルスが印加されている水平転送電極、色塗りしていない水平転送電極は、ハイレベルの転送パルスが印加されている水平転送電極を示し、丸印は信号電荷を表している。
まず、図18Aにおいて、最終垂直転送電極14にローレベルの転送パルスφVL1を印加し、第1の水平転送電極15A、15B、15CにφH1a、φH1b、φH3及び中間転送部21の振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTにハイレベルの転送パルスを印加し、第2垂直転送部10から第1水平転送部3及び第2水平転送部4に信号電荷(図18Aにおける白丸)を転送する。このとき、第1水平転送部3の第4の水平転送電極20及び第2水平転送部4の第2の水平転送電極18にはφH2、第1水平転送部3の第2の水平転送電極18及び第2水平転送部4の第4の水平転送電極20にはφH4としてローレベルの転送パルスが印加されており、電位障壁を形成している。
次に、図18B、図18C、図18Dにおいて、第1の水平転送電極15A、15B、15Cに印加する転送パルスφH1a、φH1b、φH3及び振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTを順にローレベルに遷移させ、第1水平転送部3の信号電荷(白丸)を第2水平転送部4の第1の水平転送電極15C、第4の水平転送電極20下に転送させる。
その後、図18Eに示すように、中間転送部21の振分け転送電極22に印加する転送パルスφHHTをローレベルに維持し、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15A、15B、第2水平転送部4の第3の水平転送電極19に印加する転送パルスφH1a、φH1bをハイレベルにし、第2水平転送部4に転送された信号電荷(白丸)を第3の水平転送電極19下に転送すると共に、次の信号電荷(図18Eにおける黒丸)を第2垂直転送部10から第1水平転送部3に転送させる。なお、図18Eでは、第1水平転送部3において第1の水平転送電極15A、15B、第2の水平転送電極18、第3の水平転送電極19により第2垂直転送部10から信号電荷(黒丸)を受けているが、第1水平転送部3の第1の水平転送電極15A、15B、第2の水平転送電極18により信号電荷(黒丸)を受けても良い。
その後、図18Fのように、第1水平転送部3の第3の水平転送電極19及び第2水平転送部4の第1の水平転送電極15Cに印加する転送パルスφH3をローレベルにして、隣り合う2電極により信号電荷を蓄積し、他の隣り合う2電極によりバリアを形成した後、φH1b、φH2、φH3、φH4に異なる転送パルスを順次印加し、第1水平転送部3及び第2水平転送部4において水平方向に2相ずらした水平4相駆動により信号電荷を水平転送し出力することができる。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態に比べ、各水平転送電極に印加される転送パルスの端子数を削減することが可能な固体撮像装置を実現できる。
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
例えば、第1から第6の実施形態では、第1水平転送部3及び第2水平転送部4の2つの水平転送部が並列に配置された構造を示したが、3つ以上の水平転送部で構成する場合でも、本発明を適用可能である。また、第1水平転送部3において、中間転送部21及び第2水平転送部4に垂直転送する水平転送電極を2つの列方向電極(例えば、第1の水平転送電極15A、15B)で構成した例を示しているが、3つ以上の水平転送電極からなる構成にすることも可能である。
また、列方向電極の形状は、垂直転送部側の水平方向の長さと中間転送部側の水平方向の長さとが等しい長方形形状であってもよいし、垂直転送部側の水平方向の長さが中間転送部側の水平方向の長さより短い台形形状であってもよい。また、複数の列方向電極間の境界が水平方向に対して所定の角度を有するように構成されていてもよい。
また、上記した実施形態では、4相駆動方式の固体撮像装置を例にして説明をしたが、4相に限らずその他の駆動相による駆動方式であってもよい。
また、本発明に係る固体撮像装置の構成は、上記した実施形態に限らず、どのような構成であってもよい。例えば、転送制御部、垂直転送電極、中間電極、最終垂直転送電極の構成やこれらの組み合わせを変更した構成であってもよい。
また、本発明に係る固体撮像装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明に係る固体撮像装置を備えたムービーカメラも本発明に含まれる。
本発明の固体撮像装置は、低消費電力と高駆動の両立が可能であり、フルHD動画のような高速の動画モードを実現できるため、特にデジタルスチルカメラ用の固体撮像装置として有用である。
1 光電変換部
2 第1垂直転送部
3、204 第1水平転送部
4、205 第2水平転送部
7 転送制御部
10 第2垂直転送部
11 垂直転送電極
13 転送電極(垂直転送電極)
14 最終垂直転送電極(垂直転送電極)
15A、15B、15C、23A、23B、25A、25B、27A、27B 第1の水平転送電極(水平転送電極、列方向電極)
18 第2の水平転送電極(水平転送電極)
19 第3の水平転送電極(水平転送電極)
20 第4の水平転送電極(水平転送電極)
21、206 中間転送部
22 振分け転送電極
100 固体撮像装置
2 第1垂直転送部
3、204 第1水平転送部
4、205 第2水平転送部
7 転送制御部
10 第2垂直転送部
11 垂直転送電極
13 転送電極(垂直転送電極)
14 最終垂直転送電極(垂直転送電極)
15A、15B、15C、23A、23B、25A、25B、27A、27B 第1の水平転送電極(水平転送電極、列方向電極)
18 第2の水平転送電極(水平転送電極)
19 第3の水平転送電極(水平転送電極)
20 第4の水平転送電極(水平転送電極)
21、206 中間転送部
22 振分け転送電極
100 固体撮像装置
Claims (13)
- 2次元状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の各列に設けられ、複数の垂直転送電極を有し、前記光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、
複数の水平転送電極を有し、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送部と、
前記複数の水平転送部間に設けられ、振分け転送電極を有し、前記複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、
前記複数の水平転送部は、前記垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と前記第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とを有し、
前記第1水平転送部において、前記複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され前記中間転送部を介して前記第2水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極から構成されており、
前記複数の垂直転送電極、前記複数の水平転送電極、前記振分け転送電極は、単層の電極により構成される
固体撮像装置。 - 前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記垂直転送部側の水平方向の長さと前記中間転送部側の水平方向の長さとが等しい長方形形状を有している
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記垂直転送部側の水平方向の長さが前記中間転送部側の水平方向の長さより短く構成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の列方向電極のそれぞれは、前記複数の列方向電極間の境界が水平方向に対して所定の角度を有するように構成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第2水平転送部は、前記第1水平転送部の前記列方向電極の構成と同一の前記列方向電極を有する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する3相以上の転送パルスがそれぞれ印加される3つ以上の水平転送電極を有する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の垂直転送部のうち、所定の水平転送部に信号電荷を転送する前記垂直転送部を選択する転送制御部を備え、
前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する3相以上の転送パルスがそれぞれ印加される3つ以上の水平転送電極を有する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記垂直転送部は、
前記光電変換部の各列に対応し前記光電変換部からの信号電荷を転送する複数の第1垂直転送部と、
垂直方向に隣接して水平方向に連続した前記第1の垂直転送部m(mは2以上の整数)列を束ねた第2の垂直転送部とからなる
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記第2垂直転送部の前記第1垂直転送部に接続された一端と反対側の他端は、前記第1水平転送部の前記列方向電極の位置に対応する前記第1水平転送部に連続して設けられている
請求項8に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の列方向電極は、前記複数の垂直転送部のいずれにも対応しない位置に独立に設けられている
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の水平転送部のそれぞれは、1転送パケットを形成する4相の転送パルスがそれぞれ印加される4つの水平転送電極の繰り返しにより構成され、
前記第1水平転送部の水平転送電極と前記第2水平転送部の水平転送電極とを、水平方向に2相ずらして共通に配線する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置の駆動方法であって、
前記固体撮像装置は、
2次元状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の各列に設けられ、前記光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、
複数の水平転送電極を有し、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する、垂直方向に並列に配置された複数の水平転送部と、
前記複数の水平転送部間に設けられ、前記複数の水平転送部間の信号電荷の転送を行う中間転送部とを備え、
前記複数の水平転送部は、前記垂直転送部から信号電荷を受け取る第1水平転送部と前記第1水平転送部から信号電荷を受け取る第2水平転送部とからなり、
前記第1水平転送部において、前記複数の水平転送電極のうちの1つは、垂直方向に隣接して配置され前記中間転送部を介して前記第2水平転送部に信号電荷を転送する複数の列方向電極からなり、
信号電荷を前記複数の水平転送部間において転送する際には、前記複数の列方向電極に異なる転送パルスを印加して垂直方向に電位勾配を設け、
前記信号電荷を前記水平転送部において水平転送する際には、前記複数の列方向電極に同一の転送パルスを印加して垂直方向の電位を同一にする
固体撮像装置の駆動方法。 - 請求項1に記載の固体撮像装置を備えたカメラ。
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- 2012-09-11 US US13/609,315 patent/US8730366B2/en not_active Expired - Fee Related
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