(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置は、
画素繰り返し領域に行列状に配置された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子から読み出した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から電荷を受け取り、受け取った電荷を行方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を制御する転送制御部とを備え、
前記垂直転送部は、列方向に延びる複数の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルの上に形成された複数の垂直転送電極とを有し、
前記水平転送部は、行方向に延びる水平転送チャネルと、前記水平転送チャネルの上に形成された複数の水平転送電極とを有し且つ複数の転送パケットにより構成され、
前記転送パケットは、前記複数の水平転送電極のうちの隣接して形成された２以上の水平転送電極を含み、前記複数の垂直転送チャネルのうちの隣接した２以上の垂直転送チャネルと対応し、
前記転送制御部は、前記転送パケットと対応した複数の単位制御部を有し、
前記単位制御部は、前記垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルの上に形成された複数の制御部電極とを有し、
前記制御部電極は、前記垂直転送部側から順次形成された信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極を含み、
前記垂直転送チャネルは、それぞれ独立して前記水平転送チャネルと接続され、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を停止する場合には、前記信号電荷蓄積電極にハイレベルの電圧を印加し且つ前記転送阻止電極にローレベルの電圧を印加し、
前記垂直転送チャネルの幅は、前記転送制御部において前記画素繰り返し領域よりも広く、
一の前記単位制御部に含まれる隣接した前記垂直転送チャネルの中心間の距離は、前記転送制御部において前記画素繰り返し領域よりも短いことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極は、前記単位制御部ごとに独立して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
互いに隣接し且つ互いに異なる前記単位制御部に含まれる前記信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極は、それぞれ一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
固体撮像装置は、
画素繰り返し領域に行列状に配置された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子から読み出した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から電荷を受け取り、受け取った電荷を行方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を制御する転送制御部とを備え、
前記垂直転送部は、列方向に延びる複数の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルの上に形成された複数の垂直転送電極とを有し、
前記水平転送部は、行方向に延びる水平転送チャネルと、前記水平転送チャネルの上に形成された複数の水平転送電極とを有し且つ複数の転送パケットにより構成され、
前記転送パケットは、前記複数の水平転送電極のうちの隣接して形成された２以上の水平転送電極を含み、前記複数の垂直転送チャネルのうちの隣接した２以上の垂直転送チャネルと対応し、
前記転送制御部は、前記転送パケットと対応した複数の単位制御部を有し、
前記単位制御部は、前記垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルの上に形成された複数の制御部電極とを有し、
前記制御部電極は、前記垂直転送部側から順次形成された信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極を含み、
前記垂直転送チャネルは、それぞれ独立して前記水平転送チャネルと接続され、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を停止する場合には、前記信号電荷蓄積電極にハイレベルの電圧を印加し且つ前記転送阻止電極にローレベルの電圧を印加し、
前記制御部電極は、制御部転送電極を含み、
前記信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極と、前記制御部転送電極とは互いに異なる前記垂直転送チャネルの上に形成され、
前記制御部転送電極は、前記画素繰り返し領域に設けられた垂直転送電極と同一の転送パルスにより駆動されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記制御部転送電極の下における前記垂直転送チャネルの幅は、前記水平転送部側において前記垂直転送部側よりも広いことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
固体撮像装置は、
画素繰り返し領域に行列状に配置された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子から読み出した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から電荷を受け取り、受け取った電荷を行方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を制御する転送制御部と、
前記転送制御部と前記垂直転送部との間において前記垂直転送チャネルの上に形成された中間電極を備え、
前記垂直転送部は、列方向に延びる複数の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルの上に形成された複数の垂直転送電極とを有し、
前記水平転送部は、行方向に延びる水平転送チャネルと、前記水平転送チャネルの上に形成された複数の水平転送電極とを有し且つ複数の転送パケットにより構成され、
前記転送パケットは、前記複数の水平転送電極のうちの隣接して形成された２以上の水平転送電極を含み、前記複数の垂直転送チャネルのうちの隣接した２以上の垂直転送チャネルと対応し、
前記転送制御部は、前記転送パケットと対応した複数の単位制御部を有し、
前記単位制御部は、前記垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルの上に形成された複数の制御部電極とを有し、
前記制御部電極は、前記垂直転送部側から順次形成された信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極を含み、
前記垂直転送チャネルは、それぞれ独立して前記水平転送チャネルと接続され、
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送を停止する場合には、前記信号電荷蓄積電極にハイレベルの電圧を印加し且つ前記転送阻止電極にローレベルの電圧を印加し、
前記中間電極にローレベルの電圧を印加した場合における前記垂直転送チャネルの前記中間電極と対応する位置の電位は、前記垂直転送電極にローレベルの電圧を印加した場合における前記垂直転送チャネルの前記垂直転送電極に対応する位置の電位と等しいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記転送制御部と前記垂直転送部との間において前記垂直転送チャネルの上に形成された中間電極をさらに備え、
前記中間電極に隣接する前記垂直転送電極の下に蓄積された前記電荷を、前記転送制御部へ転送する場合に、前記中間電極と隣接する前記制御部電極は、前記中間電極と同時又は前記中間電極よりも早くハイレベルとなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記転送パケットは、４つの前記水平転送電極を含み且つ３つの前記垂直転送チャネルと対応し、
前記３つの垂直転送チャネルは、互いに隣接する３つの前記水平転送電極が配置された位置において前記水平転送チャネルと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記転送パケットは、４つの前記水平転送電極を含み且つ３つの前記垂直転送チャネルと対応し、
前記３つの垂直転送チャネルは、互いに隣接する２つの前記水平転送電極が配置された位置において前記水平転送チャネルと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記転送パケットは、４つの前記水平転送電極を含み且つ３つの前記垂直転送チャネルと対応し、
水平ブランキング期間において、前記４つの水平転送電極のうちの２つ以上にハイレベルの電圧が印加され、前記水平転送部は前記転送制御部を介して前記３つの垂直転送チャネルから前記電荷を受け取ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記ハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数は３つであることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記転送パケットは、前記転送制御部側における幅が前記転送制御部と反対側における幅よりも広い水平転送電極と、前記転送制御部側における幅が前記転送制御部と反対側における幅よりも狭い水平転送電極とを少なくとも１つずつ含んでいることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記水平転送チャネルとバリア領域を挟んで隣接し、行方向に延びる水平ドレイン領域をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記複数の水平転送電極のうち、前記垂直転送部から前記電荷が転送される場合にハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数と、前記電荷の転送が完了した後にハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数とは互いに異なっていることを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記転送パケットは、４つの前記水平転送電極を含み且つ３つの前記垂直転送チャネルと対応し、
前記４つの水平転送電極のうちの３つにハイレベルの電圧を印加して前記３つの垂直転送チャネルから前記水平転送部に前記電荷を転送する動作と、
前記４つの水平転送電極のうちの１つ又は２つにローレベルの電圧を印加して転送された前記電荷を２つ又は１つの前記水平転送電極の下に蓄積する動作と、
前記４つの水平転送電極のうちの２つにハイレベルの電圧を印加して蓄積された前記電荷を水平方向に転送する動作とを行うことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記単位制御部は、３つの前記垂直転送チャネルを有し、
前記３つの垂直転送チャネルのうちの１つから対応する前記転送パケットへ前記電荷を転送する第１の動作と、
転送された前記電荷を、隣接する前記単位制御部に対応する前記転送パケットまで水平方向に転送する第２の動作と、
前記３つの垂直転送チャネルのうちの残りの２つから対応する前記転送パケットへ前記電荷を転送する第３の動作とを行うことにより３つの前記電荷を水平転送部において混合することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
１ライン分の前記電荷を分割して出力する出力するモードにおいて、
水平ブランキング期間にハイレベルの電圧を印加する前記水平転送電極は、分割フィールドことに異なっていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記転送パケットは、４つの前記水平転送電極を含み且つ３つの前記垂直転送チャネルと対応し、
１ライン分の前記電荷を分割して出力する出力するモードにおいて、
前記４つの水平転送電極のうちの３つにハイレベルの電圧を印加し、
前記３つの垂直転送電極から前記電荷を受け取る前記水平転送電極は、分割フィールドごとに異なっていることを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えていることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は固体撮像装置及びカメラに関し、特に画素加算機能を有する固体撮像装置及びカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ用の電荷結合素子（ＣＣＤ）は、１千万以上の画素を有することが一般的となっている。水平方向の画素数は４０００画素程度に達し、水平転送部を構成する水平転送電極が微細化されている。このため、従来の垂直転送部の１列に水平転送部の１転送パケットが対応する２相駆動では、電極間容量の増大が著しく、消費電力が膨大になるという問題が生じる。
【０００３】
この問題を解決するために、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方式が提案されている。例えば、水平転送部の転送パケット数を垂直転送部の列数の３分の１とし、垂直転送部から水平転送部への転送及び水平転送部から出力部への転送動作を３回に分割する。このようにすれば、水平転送部を構成する電極数を減らすことが可能となり、電極間容量が減少するので、消費電力を低減できる。このような構造の固体撮像装置は、水平転送部の転送パケット数が垂直転送部の列数よりも少なくなる。従って、垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を選択的に制御する転送制御部が必要となる。転送制御部には、最初の転送動作を行っている間、信号電荷を保持しておく機能が必要である。
【０００４】
ＣＣＤには、受光素子の信号を全画素読み出して静止画として用いる撮像モード（以下、通常モードという）だけでなく、液晶モニタへの表示又は動画を記録するための動画モードが要求されている。通常モードの場合２〜３フレーム／秒のフレームレートで出力すればよい。しかし、動画モードの場合には３０フレーム／秒のフレームレートで出力することが必要となる。このため、動画モードにおいて、複数の画素から得られる信号電荷を撮像装置内において加算したり、画素から読み出す信号電荷を選択的に間引いたりして、出力信号数を減らし、高フレームレートの動画を実現する。通常モードが１千万画素の場合、高画質の７２０ｐ出力（１２８０×７２０画素）であっても静止画と比べ、画像を１／１０近くに圧縮する必要があり、加算される信号電荷も多くなる。
【０００５】
デジタルスチルカメラ用固体撮像装置では、一般にベイヤー配列が用いられ、隣接する同色間で信号電荷を加算している。固体撮像装置内における信号電荷の加算は、垂直方向の加算と水平方向の加算とを行う必要がある。垂直方向の信号電荷の加算は、光電変換素子から垂直転送部への読み出しを行う垂直転送電極を複数設け、駆動タイミングを工夫することにより、垂直転送部内において行うことが可能である。しかし、水平方向の信号電荷の加算を行うためには、垂直転送部と水平転送部との間に、信号電荷の転送を選択的に制御する転送制御部を設ける必要がある。
【０００６】
転送制御部を設けた固体撮像装置として次のような例が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図２５に示すように、垂直転送部５０１と水平転送部５０２との間に電荷転送部（ＶＯＧ部）５０４が設けられている。垂直転送部５０１は、隣り合う２以上の垂直転送部ごとにグループを形成している。各グループは水平転送部５０２の単位転送ビットと対応している。ＶＯＧ部５０４は、グループごとに形成されており、グループ内の垂直転送部５０１から水平転送部５０２の対応する単位転送ビットに信号電荷を転送する。同一のグループに含まれる垂直転送部５０１のａ列及びｂ列と、対応するＶＯＧ部５０４との間には、ストレージ部５０５及びホールド部５０６とを有する電荷保持部５０７が形成されている。
【０００７】
以上のように構成された固体撮像装置についてその動作を説明する。先に述べた転送制御部は、この例では、電荷保持部５０７とＶＯＧ部５０４を含んだ領域になる。水平転送部５０２は３相駆動であるとして説明する。通常モードの場合には、ｃ列の信号電荷をＶＯＧ部５０４を介して水平転送部２のＨ１に転送し、続いて出力部へ水平転送を行う。この際、ａ列とｂ列の信号電荷は電荷保持部５０７において保持されている。ｃ列の信号電荷を転送した後、ａ列の信号電荷を水平転送部５０２のＨ１に転送し、続いて出力部へ水平転送を行う。次に、ｂ列の信号電荷を水平転送部２のＨ１に転送し、続いて出力部へ水平転送を行う。このようにすることにより、通常モードでは水平１ラインの信号電荷が、３分割され出力される。
【０００８】
一方、水平３画素加算モードの場合は、ａ列の信号電荷とｃ列の信号電荷とをＶＯＧ部５０４を介して水平転送部２のＨ１に転送する。この後、１単位転送ビット分左方向に信号電荷を転送する。次に、ｂ列の信号電荷をＶＯＧ部５０４を介して水平転送部２のＨ１に転送する。これにより、水平方向の３画素加算を行うことができる。この動作モードでは、加算後の信号電荷数と水平転送部の転送パケット数が一致するため、通常モードのように１ラインを３分割して転送する必要はない。いずれの場合も垂直転送部５０１から水平転送部５０２までは、ＶＯＧ部５０４を介して転送されており、垂直転送部５０１はＶＯＧ部５０４と接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３１０６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成には転送劣化が発生しやすいという問題がある。従来の構成においては、水平転送部の前に配置されたＶＯＧ部において、垂直転送部の垂直転送チャネルが束ねられている。このため、ＶＯＧ部から水平転送部へ信号電荷を転送する場合に信号電荷を受ける水平転送電極内に向けて、垂直転送チャネルを絞り込むことが必要となる。垂直転送チャネルを急峻に絞り込むと電位が水平転送部側で浅くなり転送劣化が発生しやすくなる。一方、垂直転送チャネルを緩やかに絞り込むと、転送長が長くなるため転送劣化が発生しやすくなる。
【００１１】
さらに、近年ＣＣＤの微細化が進んでおり、画素繰り返し領域における垂直転送チャネルの幅が狭くなっている。このため、ナローチャネル効果に起因する取り扱い電荷量の低下や変調度の低下による転送効率の劣化を抑制するために、垂直転送チャネルの不純物濃度を高くする必要がある。しかし、不純物濃度が高い垂直転送チャネルをＶＯＧ部において束ねると、ＶＯＧ部においてナローチャネル効果が減少する。垂直転送チャネルの不純物濃度が高い場合には、ＶＯＧ部の電位が極端に深くなり、垂直最終電極における電位と水平転送部における電位との電位差が小さくなり垂直最終電極から水平転送部への信号電荷の転送が困難となる。ＶＯＧ部において不純物の注入量を変更し電位を浅くすることも可能であるが、工程追加によるコスト上昇が生じたり、合わせズレによる転送劣化が生じやすくなったりするという問題がある。
【００１２】
本開示は、転送制御部における転送劣化が生じにくく、消費電力の低減と高効率の加算動作とを行う固体撮像装置を実現できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
例示の固体撮像装置は、画素繰り返し領域に行列状に配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子から読み出した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から電荷を受け取り、受け取った電荷を行方向に転送する水平転送部と、垂直転送部から水平転送部への電荷の転送を制御する転送制御部とを備えている。垂直転送部は、列方向に延びる複数の垂直転送チャネルと、垂直転送チャネルの上に形成された複数の垂直転送電極とを有している。水平転送部は、行方向に延びる水平転送チャネルと、水平転送チャネルの上に形成された複数の水平転送電極とを有し且つ複数の転送パケットにより構成されている。転送パケットは、複数の水平転送電極のうちの隣接して形成された２以上の水平転送電極を含み、複数の垂直転送チャネルのうちの隣接した２以上の垂直転送チャネルと対応している。転送制御部は、転送パケットと対応した複数の単位制御部を有している。単位制御部は、垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルの上に形成された複数の制御部電極とを有している。制御部電極は、垂直転送部側から順次形成された信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極を含む。垂直転送チャネルは、それぞれ独立して水平転送チャネルと接続されている。垂直転送部から水平転送部への電荷の転送を停止する場合には、信号電荷蓄積電極にハイレベルの電圧を印加し且つ転送阻止電極にローレベルの電圧を印加する。
【００１４】
例示の固体撮像装置は、垂直転送チャネルは、それぞれ独立して水平転送チャネルと接続されている。このため、垂直転送チャネルの電位が水平転送部側においても浅くなりにくいため、転送劣化が生じにくい。また、ナローチャネル効果の減少が生じにくく、最終電極から水平転送部への信号電荷の転送も容易となる。
【００１５】
例示の固体撮像装置において、信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極は、単位制御部ごとに独立して形成されていてもよい。
【００１６】
例示の固体撮像装置において、互いに隣接し且つ互いに異なる単位制御部に含まれる信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極は、それぞれ一体に形成されていてもよい。
【００１７】
例示の固体撮像装置において、制御部電極は、制御部転送電極を含み、制御部転送電極は、信号電荷蓄積電極及び転送阻止電極と、制御部転送電極とは互いに異なる垂直転送チャネルの上に形成され、制御部転送電極は、画素繰り返し領域に設けられた垂直転送電極と同一の転送パルスにより駆動される構成としてもよい。この場合において、制御部転送電極の下における垂直転送チャネルの幅は、水平転送部側において垂直転送部側よりも広くしてもよい。
【００１８】
例示の固体撮像装置は、転送制御部と垂直転送部との間において垂直転送チャネルの上に形成された中間電極をさらに備え、中間電極にローレベルの電圧を印加した場合における垂直転送チャネルの中間電極と対応する位置の電位は、垂直転送電極にローレベルの電圧を印加した場合における垂直転送チャネルの垂直転送電極に対応する位置の電位と等しくすればよい。
【００１９】
例示の固体撮像装置は、転送制御部と垂直転送部との間において垂直転送チャネルの上に形成された中間電極をさらに備え、中間電極に隣接する垂直転送電極の下に蓄積された信号電荷を、転送制御部へ転送する場合に、中間電極と隣接する制御部電極は、中間電極と同時又は中間電極よりも早くハイレベルとなるようにしてもよい。
【００２０】
例示の固体撮像装置において、垂直転送チャネルの幅は、転送制御部において画素繰り返し領域よりも広く、一の単位制御部に含まれる隣接した垂直転送チャネルの中心間の距離は、転送制御部において画素繰り返し領域よりも短くしてもよい。
【００２１】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、４つの水平転送電極を含み且つ３つの垂直転送チャネルと対応し、３つの垂直転送チャネルは、互いに隣接する３つの水平電極が配置された位置において水平転送チャネルと接続されていてもよい。
【００２２】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、４つの水平転送電極を含み且つ３つの垂直転送チャネルと対応し、３つの垂直転送チャネルは、互いに隣接する２つの水平電極が配置された位置において水平転送チャネルと接続されていてもよい。
【００２３】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、４つの水平転送電極を含み且つ３つの垂直転送チャネルと対応し、水平ブランキング期間において、４つの水平転送電極のうちの２つ以上にハイレベルの電圧が印加され、水平転送部は転送制御部を介して３つの垂直転送チャネルから信号電荷を受け取る構成としてもよい。
【００２４】
例示の固体撮像装置において、ハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数は３つである構成としてもよい。
【００２５】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、転送制御部側における幅が転送制御部と反対側における幅よりも広い水平転送電極と、転送制御部側における幅が転送制御部と反対側における幅よりも狭い水平転送電極とを少なくとも１つずつ含んでいてもよい。
【００２６】
例示の固体撮像装置は、水平転送チャネルとバリア領域を挟んで隣接し、行方向に延びる水平ドレイン領域をさらに備えていてもよい。
【００２７】
例示の固体撮像装置において、複数の水平転送電極のうち、垂直転送部から信号電荷が転送される場合にハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数と、信号電荷の転送が完了した後にハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数とは互いに異なっていてもよい。
【００２８】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、４つの水平転送電極を含み且つ３つの垂直転送チャネルと対応し、４つの水平転送電極のうちの３つにハイレベルの電圧を印加して３つの垂直転送チャネルから水平転送部に信号電荷を転送する動作と、４つの水平転送電極のうちの１つ又は２つにローレベルの電圧を印加して転送された信号電荷を２つ又は１つの水平転送電極の下に蓄積する動作と、４つの水平転送電極のうちの２つにハイレベルの電圧を印加して蓄積された信号電荷を水平方向に転送する動作とを行う構成としてもよい。
【００２９】
例示の固体撮像装置において、単位制御部は、３つの垂直転送チャネルを有し、３つの垂直転送チャネルのうちの１つから対応する転送パケットへ信号電荷を転送する第１の動作と、転送された信号電荷を、隣接する単位制御部に対応する転送パケットまで水平方向に転送する第２の動作と、３つの垂直転送チャネルのうちの残りの２つから対応する転送パケットへ信号電荷を転送する第３の動作とを行うことにより３つの信号電荷を水平転送部において混合する構成としてもよい。
【００３０】
例示の固体撮像装置は、１ライン分の信号電荷を分割して出力する出力するモードにおいて、水平ブランキング期間にハイレベルの電圧を印加する水平転送電極は、分割フィールドことに異なっていてもよい。
【００３１】
例示の固体撮像装置において、転送パケットは、４つの水平転送電極を含み且つ３つの垂直転送チャネルと対応し、１ライン分の信号電荷を分割して出力する出力するモードにおいて、４つの水平転送電極のうちの３つにハイレベルの電圧を印加し、３つの垂直転送電極から信号電荷を受け取る水平電極は、分割フィールドごとに異なっていてもよい。
【００３２】
本開示のカメラは、例示の固体撮像装置を備えている。
【発明の効果】
【００３３】
本開示に係る固体撮像装置によれば、転送制御部における転送劣化が生じにくく、消費電力の低減と高効率の加算動作とを行う固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施形態係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置の通常モードにおける電荷の転送を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置の通常モードにおける駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】（ａ）〜ｄ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置の電位の状態を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置の転送制御部付近における電位の状態を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置の動画モードにおける電荷の転送を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る固体撮像装置の動画モードにおける駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置において垂直転送部から水平転送部へ信号電荷を転送する際の電位の状態を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の固体撮像装置において垂直転送部から水平転送部へ信号電荷を転送する際の電位の状態を示す図である。
【図１０】第１の実施形態係る固体撮像装置の変形例の構成を示す平面図である。
【図１１】第２の実施形態係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る固体撮像装置の動画モードにおける駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図１３】第３の実施形態係る固体撮像装置の水平転送部の構成を示す平面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は水平転送電極に印加する駆動パルスの例を示すタイミングチャートであり、（ａ）は第１の実施形態に係る固体撮像装置の場合であり、（ｂ）及び（ｂ）は第３の実施形態に係る固体撮像装置の場合である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は水平転送部において信号電荷を蓄積している状態を示す図である。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は水平転送ドレイン付近における電荷の状態を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は水平転送部において信号電荷を蓄積している状態を示す図である。
【図１８】水平転送ドレイン付近における電荷の状態を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｃ）は第４の実施形態係る固体撮像装置の通常モードにおける電荷の転送を示す図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は第４の実施形態係る固体撮像装置の画素加算モードにおける電荷の転送を示す図である。
【図２１】第５の実施形態係る固体撮像装置の水平転送部の構成を示す平面図である。
【図２２】第６の実施形態係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２３】第７の実施形態係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２４】（ａ）及び（ｂ）は第７の実施形態係る固体撮像装置の画素加算モードにおける電荷の転送を示す図である。
【図２５】従来例に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示している。図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、複数の光電変換素子１０３と、光電変換素子１０３から読み出した電荷を列方向（垂直方向）に転送する垂直転送部１０１と、垂直転送部１０１から電荷を受け取り、受け取った電荷を行方向（水平方向）に転送する水平転送部１０２と、垂直転送部１０１から水平転送部１０２への電荷の転送を制御する転送制御部１０４とを備えている。
【００３６】
垂直転送部１０１は、列方向に延びる不純物拡散層である垂直転送チャネル１１１と垂直転送チャネル１１１の上に絶縁膜（図示せず）を介して形成された複数の垂直転送電極１１２とを有している。図１には、光電変換素子１０３を１行分しか記載していないが、光電変換素子１０３は行列状に設けられており、画素繰り返し領域１０７を形成している。
【００３７】
水平転送部１０２は、行方向に延びる水平転送チャネル１２１と水平転送チャネル１２１の上に絶縁膜（図示せず）を介して形成された水平転送電極１２２とを有している。水平転送部１０２は、複数の転送パケット１２３により構成されている。図１において転送パケット１２３は隣接する４つの水平転送電極１２２を含み、１つの転送パケット１２３は３つの垂直転送チャネル１１１と対応している。
【００３８】
転送制御部１０４は、それぞれが転送パケット１２３と対応する複数の単位制御部１４３を含む。単位制御部１４３は、垂直転送チャネル１１１と、垂直転送チャネル１１１の上に形成された複数の制御部電極１４２とを有する。制御部電極１４２は、垂直転送部１０１側から順次形成された信号電荷蓄積電極１４７と転送阻止電極１４８とを含む。
【００３９】
垂直転送部１０１と転送制御部１０４との間には中間電極１５１が設けられ、転送制御部１０４と水平転送部１０２との間には、最終電極１５２が設けられている。
【００４０】
本実施形態の固体撮像装置は、４つの水平転送電極１２２により１つの転送パケット１２３が構成されており、４相駆動される。１つの転送パケット１２３は、Ｌ列、Ｃ列及びＲ列の３本の垂直転送チャネル１１１と対応している。転送制御部１０４の単位制御部１４３は、１つの転送パケット１２３に対応するＬ列、Ｃ列及びＲ列の３本の垂直転送チャネル１１１に対応して形成されている。Ｌ列の信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８には、転送パルスφＶＳＴ−Ｌ及びφＶＨＬＤ−Ｌが印加される。Ｃ列の信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８には、転送パルスφＶＳＴ−Ｃ及びφＶＨＬＤ−Ｃが印加される。Ｒ列の信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８には、転送パルスφＶＳＴ−Ｒ及びφＶＨＬＤ−Ｒが印加される。
【００４１】
４相駆動は３相駆動と比べて、水平転送電極の転送方向の電極長を短くできるため、低電圧駆動が可能となる利点がある。例えば、画素サイズが１．５μｍ程度の場合には１．８Ｖでの駆動が可能である。１．８Ｖという電圧はデジタルスチルカメラ等に搭載される他の半導体素子においても使用される電圧であり、１．８Ｖでの駆動ができればカメラ等の設計が容易となるという利点がある。なお、以下においては一例として、水平転送部の各電極に印加するパルスのローレベルを０Ｖ、ハイレベルを１．８Ｖとし、垂直転送部及び転送制御部の各電極に印加するパルスのローレベルを−６Ｖ、ハイレベルを０Ｖとして説明する。
【００４２】
本実施形態の固体撮像装置は、転送パケット１２３を構成する４つの水平転送電極１２２のうちの３つに、垂直転送チャネル１１１のＬ列、Ｃ列及びＲ列が対応するように配置されている。４相駆動では４つの電極のうちの１つをバリアとして用いればよい。以下において、Ｒ列に対応した水平転送電極は、水平転送電極１２２（Ｒ）、Ｃ列に対応した水平転送電極は水平転送電極１２２（Ｃ）、Ｌ列に対応した水平転送電極は水平転送電極１２２（Ｌ）、バリアとして用いる水平転送電極は水平転送電極１２２（Ｂ）と表記する。
【００４３】
水平ブランキング期間において、水平転送電極１２２（Ｌ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｒ）をハイレベルとすれば、垂直転送部１０１から信号電荷を受けることが可能である。
【００４４】
以下に、本実施形態の固体撮像装置の動作について説明する。以下において、通常モードとは１行分の信号電荷を３分割して水平転送する３：１インターレース駆動であり、動画モードとは水平方向に隣接する同色３画素の信号電荷を加算する駆動である。
【００４５】
まず、通常モードについて説明する。図２は、通常モードの場合における信号電荷の転送状態を示しており、図３は通常モードの場合における駆動タイミングを示している。
【００４６】
図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、水平転送部２の転送パケット数が垂直転送部１の列数の３分の１であるため、信号電荷はＣ列、Ｒ列及びＬ列の順に３回に分けて垂直転送部１０１から転送制御部１０４を介して水平転送部１０２へ転送され、水平転送部１０２から出力アンプへ転送される。垂直転送部１０１の駆動相数については、６相、８相又は１２相等が使用されるが、本実施形態では１２相駆動の場合を示している。従って、水平転送期間において、８つの垂直転送電極１１２において信号電荷が蓄積される。
【００４７】
さらに詳細に説明すると、まず図２（ａ）に示すように、垂直転送電極１１２に蓄積された信号電荷は、中間電極１５１を介して各列の信号電荷蓄積電極１４７に転送される。図３の時刻ｔ０において、中間電極１５１に印加するパルスφＶ１１をローレベル（例えば−６Ｖ）とし、Ｌ列の信号電荷蓄積電極１４７に印加するφＶＳＴ−Ｌ、Ｃ列の信号電荷蓄積電極１４７に印加するφＶＳＴ−Ｃ、Ｒ列の信号電荷蓄積電極１４７φＶＳＴ−Ｒをハイレベル（例えば０Ｖ）とする。これにより、各列の中間電極１５１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積電極１４７に転送される。また、Ｌ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｌ、Ｃ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｃ、Ｒ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｒをローレベルと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。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１の分割フィールドとしてＣ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。図３の時刻ｔ１〜ｔ２期間において、Ｌ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｌ及びＲ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｒをローレベルに維持し、Ｃ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｃ及び最終電極１５２に印加するφＶＬを遷移させる。並行して水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３をハイレベル（例えば１．８Ｖ）とする。その後、出力部へ向けて水平転送部１０２の転送を行い、Ｃ列の信号電荷を出力する。なお、図３において、信号電荷蓄積電極１４７を、水平転送期間中においてローレベルとしたが、ローレベルでなくてもよい。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、第２の分割フィールドとしてＲ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。図３の時刻ｔ３〜ｔ４期間において、Ｌ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｌをローレベルに維持し、Ｒ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｒ及び最終電極１５２に印加するφＶＬを遷移させる。並行して水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３をハイレベルとする。その後、出力部へ向けて水平転送部１０２の転送を行い、Ｒ列の信号電荷を出力する。
【００５０】
次に、図２（ｄ）に示すように、第３の分割フィールドとしてＬ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。図３の時刻ｔ５〜ｔ６期間において、Ｌ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｌ及び最終電極１５２に印加するφＶＬを遷移させる。並行して水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３をハイレベルとする。その後、出力部へ向けて水平転送部１０２の転送を行い、Ｌ列の信号電荷を出力する。以上の動作により、１ライン分の信号電荷の出力が可能であり、残りの信号電荷も同様の動作により順次出力することができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の固体撮像装置は水平転送中に信号電荷を保持する動作を行う。一般に、画素繰り返し領域１０７においては、４つ以上の垂直転送電極１１２の下側に信号電荷が蓄積される。このため、信号電荷蓄積電極１４７は、複数の垂直転送電極１１２のそれぞれに蓄積されていた信号電荷をまとめて蓄積しなければならない。従って、信号電荷蓄積電極１４７における飽和電荷量を画素繰り返し領域１０７における垂直転送電極１１２よりも大きくしなければならない。飽和電荷量を大きくするためには、信号電荷蓄積電極１４７の電極長を垂直転送電極１１２の電極長よりも広くすればよい。また、転送制御部１０４における垂直転送チャネル１１１の幅Ｗ２を画素繰り返し領域１０７における垂直転送チャネル１１１の幅Ｗ１よりも広くすればよい。信号電荷蓄積電極１４７の電極長を長くしただけでは、転送電界が低下し転送効率が低下する。このため、信号電荷蓄積電極１４７の電極長を長くすると共に、垂直転送チャネル１１１の幅を広くすることが好ましい。
【００５２】
画素の微細化により、画素繰り返し領域１０７における垂直転送チャネル１１１の幅は狭くなる傾向にある。このため、画素繰り返し領域１０７における垂直転送チャネル１１１の電位がナローチャネル効果により浅くならないように、垂直転送チャネル１１１における不純物濃度は高く設定される傾向にある。一方、垂直転送チャネル１１１の不純物濃度を高く設定した場合に、転送制御部１０４において垂直転送チャネル１１１の幅を広くすると、図４（ａ）に示すように転送制御部である信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８において垂直転送チャネルの電位が極端に深くなる。このため、図３に示したように、信号電荷を転送制御部１０４に転送する際には、中間電極１５１と信号電荷蓄積電極１４７とをハイレベルとするタイミングを同じにするか、信号電荷蓄積電極１４７をハイレベルとするタイミングを中間電極１５１をハイレベルとするタイミングよりも早くすることが好ましい。例えば、図４（ｂ）に示すように、中間電極１５１をハイレベルとし、中間電極１５１に隣接する信号電荷蓄積電極１４７、転送阻止電極１４８及び最終電極１５２をローレベルとした場合には、これらの電極におけるローレベルの電位が中間電極１５１のハイレベルの電位と近くなる。このため、信号電荷蓄積電極１４７をローレベルとしても信号電荷に対する障壁として作用せず、信号電荷が水平転送部１０２に先送りされてしまうおそれがある。信号電荷が先送りされると、例えば先に転送された列の信号電荷と混合してしまうという不具合が生じる。このような不具合の発生を抑えるために、まず、図４（ｃ）に示すように信号電荷蓄積電極１４７をハイレベルの状態とし、中間電極１５１をローレベルの状態とする。次に、図４（ｄ）に示すように中間電極１５１をハイレベルに遷移させ中間電極１５１の下側の信号電荷を転送する。このように信号電荷蓄積電極１４７をハイレベルとするタイミングを中間電極１５１をハイレベルとするタイミングよりも早くすることにより、転送阻止電極１４８が障壁として作用し、水平転送部１０２へ信号電荷が先送りされないようにすることができる。
【００５３】
次に、中間電極１５１の構成について図５（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は、中間電極１５１に印加する転送パルスφＶ１１をローレベルとし、中間電極１５１側から順に４つの垂直転送電極１１２に印加する転送パルスφＶ７〜φＶ１０をハイレベルとし、次の２つの垂直転送電極１１２に印加する転送パルスφＶ５及びφＶ６をローレベルとしたときの電位を示している。本例のような４電極蓄積は６相駆動では一般的に使用される電圧印加状態である。信号電荷蓄積電極１４７は、複数の垂直転送電極１１２において蓄積されていた信号電荷を１つの電極で蓄積する必要がある。このため、信号電荷蓄積電極１４７の電極長は、垂直転送電極１１２よりも長くしている。また、垂直転送チャネル１１１の幅は転送制御部１０４において画素繰り返し領域１０７よりも広い。信号電荷蓄積電極１４７の下側における電位は、垂直転送電極１１２の下側における電位より深くなっている。一方、中間電極１５１は、異なるライン間の信号電荷の混合を防止し、４電極に蓄積されている信号電荷に対する電位障壁として機能する。そのため、図５（ａ）に示すように、中間電極１５１のローレベルの電位は、垂直転送電極１１２のローレベルの電位と同じであることが好ましい。例えば、図５（ｂ）に示すように、中間電極１５１の電位の方が垂直転送電極１１２と比べて深い場合には、４電極により信号電荷が蓄積されている箇所において、飽和電荷量が低下し、信号電荷蓄積電極１４７側へ信号電荷が先送りされ、信号電荷が混合してしまう。
【００５４】
中間電極１５１を電位障壁として用いる場合は、図１に示すように、中間電極１５１の電極長を垂直転送電極１１２よりも長くすると共に、垂直転送チャネル１１１の幅を中間電極１５１の水平転送部１０２側の位置において拡大することが好ましい。垂直転送チャネル１１１の幅を拡大することにより、ナローチャネル効果を利用し、水平転送部１０２側の電位を深くできる。このため、中間電極１５１の電極長を長くした場合にも転送電界の低下を抑制することができる。従って、飽和電荷量低下の抑制と転送不良の抑制とを両立することが可能となる。
【００５５】
次に、動画モードについて説明する。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３画素加算する場合を例として示す。図６は、動画モードの場合における信号電荷の転送状態を示しており、図７は動画モードの場合における駆動タイミングを示している。
【００５６】
まず、図６（ａ）に示すように各列の信号電荷を中間電極１５１を介して信号電荷蓄積電極１４７に転送する。この場合、図７の時刻ｔａにおいて、通常モードの動作と同様に、中間電極１５１に印加するパルスφＶ１１をローレベルとし、Ｌ列の信号電荷蓄積電極１４７に印加するφＶＳＴ−Ｌ、Ｃ列の信号電荷蓄積電極１４７に印加するφＶＳＴ−Ｃ、Ｒ列の信号電荷蓄積電極１４７φＶＳＴ−Ｒをハイレベル（例えば０Ｖ）とする。また、各列の転送阻止電極１４８に印加する、φＶＨＬＤ−Ｌ、φＶＨＬＤ−Ｃ及びφＶＨＬＤ−Ｒをローレベルとして電位障壁を形成し、次段への信号電荷転送を阻止する。
【００５７】
次に、図６（ｂ）に示すようにＣ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。この場合、図７の時刻ｔｂからｔｃの期間において、Ｌ列とＲ列の転送阻止電極１４８に印加する転送パルスφＶＨＬＤ−Ｌ及びφＶＨＬＤ−Ｒをローレベルに維持し、信号電荷を信号電荷蓄積電極１４７に保持すると共に、Ｃ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｃ及び最終電極１５２に印加するφＶＬを遷移させる。また、水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３をハイレベルとする。その後、図６（ｃ）に示すように時刻ｔｃからｔｄの期間において信号電荷を左方向に３列転送する。
【００５８】
次に、図６（ｄ）に示すように３画素分の信号電荷を加算する。この場合図７の時刻ｔｅからｔｆの期間において、Ｌ列及びＲ列の転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｌ及びφＶＨＬＤ−Ｒ並びに垂直最終電極１３に印加するφＶＬを遷移させる。また、水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３をハイレベルとし、Ｌ列及びＲ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。
【００５９】
垂直転送部１０１において、読み出し電極を複数設け、駆動を工夫することにより垂直転送部１０１内において３画素加算を行うことも可能である。この場合には、前述の水平３画素加算と合わせて９画素加算動作を実現することができる。なお、水平信号加算の動作として、Ｃ列の信号電荷の転送を先に行い、Ｌ列及びＲ列の信号電荷を水平転送部１０２内において加算する例を前述したが、先にＬ列及びＲ列の信号電荷を転送し、後にＣ列の信号電荷を加算することも可能である。
【００６０】
ただし、１画素の信号電荷を先に水平転送部１０２へ転送する方が、２画素の信号電荷を先に転送するよりも、２回目の転送制御部１０４から水平転送部１０２への信号電荷転送時（３画素加算時）に、最終電極１５２の下側における垂直転送チャネル１１１と水平転送チャネル１２１との電位差を大きくできる。このため、垂直転送部１０１から水平転送部１０２への転送電界を向上できるという利点が得られる。
【００６１】
次に、本実施形態の固体撮像装置が、垂直転送部１０１から水平転送部１０２への転送劣化を防止できる理由について説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は垂直転送部１０１から水平転送部１０２へ信号電荷を転送する際の電位を示している。図８（ａ）は、図７における時刻ｔａに対応し、図８（ｂ）は時刻ｔｂに対応し、図８（ｃ）は時刻ｔｃに対応する。
【００６２】
まず、図８（ａ）に示すように、信号電荷蓄積電極１４７に印加するφＶＳＴ―Ｃはハイレベルであり、転送阻止電極１４８に印加するφＶＨＬＤ−Ｃ及び、最終電極１５２に印加するφＶＬはローレベルであり、信号電荷は信号電荷蓄積電極１４７に保持されている。
【００６３】
次に、図８（ｂ）に示すように、φＶＳＴ−Ｃをローレベルとし、φＶＨＬＤ―Ｃ、φＶＬ、φＨ１、φＨ２及びφＨ３をハイレベルとする。これにより信号電荷蓄積電極１４７に保持していた信号電荷は水平転送部１０２に転送される。
【００６４】
次に、図８（ｃ）に示すように、φＶＬをハイレベルからローレベルに遷移させて、垂直転送部１０１から水平転送部１０２への信号電荷転送を完了させる。垂直転送チャネル１１１を従来例のように束ねていないため、最終電極１５２の電位を浅くすることができる。また、後で詳細に説明するが、水平転送電極１２２（Ｒ）に印加するφＨ１、水平転送電極１２２（Ｃ）に印加するφＨ２及び水平転送電極１２２（Ｌ）に印加するφＨ３を同時にハイレベルとするため、水平転送チャネル１２１の電位を深くすることができる。従って、信号電荷を垂直転送部１０１から水平転送部１０２に転送する際、垂直転送部１０１と水平転送部１０２との電位差を大きくすることができ、強い転送電界を確保し転送劣化を防ぐことができる。
【００６５】
図９は従来の転送制御部において垂直転送チャネルを束ねた場合の電位を示す。図９（ａ）に示すように、φＶＳＴ−Ｃをハイレベルとし、φＶＨＬＤ−Ｃ及び最終電極に印加するφＶＯＧをローレベルとして信号電荷を信号電荷蓄積電極に保持する。
【００６６】
次に、図９（ｂ）に示すように、φＶＳＴ−Ｃをローレベルとし、φＶＨＬＤ−Ｃ、φＶＯＧ、φＨ１、φＨ２及びφＨ３をハイレベルとすることにより、保持されていた信号電荷を水平転送部に転送する。
【００６７】
次に、図９（ｃ）に示すように、φＶＯＧをハイレベルからローレベルに遷移させて、垂直転送部から水平転送部への信号電荷転送を完了させる。このとき、最終電極下の電位は、垂直転送チャネルを束ねているため電位が深く、垂直転送部と水平転送部の電位差が小さく転送電界を十分に確保することができない。
【００６８】
さらに、図９（ｃ）において点線で示すように、垂直転送チャネルを束ね、水平転送部へ向けて垂直転送部を絞り込んだ場合は、垂直最終電極の下側において垂直転送チャネルの水平転送部側の電位が浅くなる。このため、ポテンシャルディップが発生するおそれがある。ポテンシャルディップが発生すると、図９（ｄ）に示すように、信号電荷の転送残りが発生する。
【００６９】
なお、本実施形態の固体撮像装置のように、異なる転送パルスが印加される電極が密になっている場合、２層で電極を構成すると、電極間のオーバーラップにより配線レイアウトが困難となるため、電極は単層で構成することが好ましい。
【００７０】
図１に示した固体撮像装置は、垂直転送チャネル１１１の幅が広くなる部分において、Ｃ列の垂直転送チャネル１１１は左右対称に幅が拡がっている。しかし、Ｒ列及びＬ列の垂直転送チャネル１１１はＣ列側にだけ幅が拡がっている。このため、画素繰り返し領域１０７における垂直転送チャネル１１１の中心間の間隔ｄ１よりも、転送制御部１０４における垂直転送チャネル１１１の中心間の間隔ｄ２は小さくなる。なお、図１０に示すように、Ｌ列、Ｃ列及びＲ列の垂直転送チャネル１１１の幅を左右対称に広げ、転送制御部１０４において、Ｌ列及びＲ列の垂直転送チャネル１１１を、Ｃ列側に寄せて斜めに配置する構成としてもよい。この場合には、転送阻止電極１４８よりも水平転送部１０２側における垂直転送チャネル１１１の中心間の間隔ｄ３はｄ１よりも小さくなる。
【００７１】
以上のように本実施形態の固体撮像装置は、垂直転送部から水平転送部への信号電荷転送を選択的に制御する転送制御部において垂直転送チャネルを束ねないため、転送劣化を抑制することができる。また、３：１の水平インターレースをすることで、同相駆動で水平インターレースをしない場合に比べ、水平転送部における水平転送電極数が約１／３となるため、電極間容量が低減され、低消費電力が実現できる。さらに、水平転送部で信号電荷を効率的に画素加算することができ、効率的な画素加算と低消費電力化の両立が行える固体撮像装置を実現できる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図１１は第２の実施形態における固体撮像装置の構成を示している。図１２は本実施形態の固体撮像装置の動画モードにおける駆動タイミングを示している。図１１において、図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００７３】
第１の実施形態の固体撮像装置は、通常モード及び動画モードにおいて最初に転送制御部１０４から、水平転送部１０２へ信号電荷の転送を行うＣ列にもＲ列、Ｌ列と同様に信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８を設けた。しかし、常に第１に転送されるＣ列においては、転送制御部１０４に信号電荷を保持しておく必要が必ずしもない。このため、Ｃ列における制御部電極は画素繰り返し領域１０７に設けられた垂直転送電極１１２と同じ転送パルスが印加される制御部転送電極１４９としてもよい。
【００７４】
Ｃ列において信号電荷を保持する必要がないため、Ｃ列の垂直転送チャネル１１１はＬ列及びＲ列の垂直転送チャネル１１１よりも幅が狭くてよい。従って、図１１に示すように、Ｃ列の垂直転送チャネル１１１の幅を水平転送部１０２に向けて広げ、ナローチャネル効果を利用すれば、転送電界を向上させることができる。これにより、Ｌ列及びＲ列のように信号電荷蓄積電極１４７と転送阻止電極１４８との２つの制御部電極１４２を設ける必要がなく、１つの制御部転送電極１４９により電位障壁として十分な効果が得られる。
【００７５】
通常モードにおいては、第１の実施形態の固体撮像装置においても、Ｃ列の信号電荷蓄積電極１４７に印加する転送パルスφＶＳＴ−Ｃは、画素繰り返し領域１０７の垂直転送電極１１２に印加する転送パルスφＶ１２と同一のタイミングパルスである。従って、本実施形態の固体撮像装置において、Ｃ列に設けた制御部転送電極１４９に画素繰り返し領域１０７の垂直転送電極１１２に印加する転送パルスφＶ１２を印加しても問題なく動作する。動画モードにおいても、図１２に示すように駆動すれば制御部転送電極１４９に転送パルスφＶ１２を印加しても問題なく動作する。第１の実施形態においてＣ列の信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８に印加していたφＶＳＴ−Ｃ及びφＶＨＬＤ−Ｃは必要ない。従って、転送制御部１０４に印加するパルスはφＶＳＴ−Ｒ、φＶＳＴ−Ｌ、φＶＨＬＤ−Ｒ及びφＶＨＬＤ−Ｌの４つと、φＶ１２となるためパッケージのピン数を削減できる。
【００７６】
（第３の実施形態）
図１３は第３の実施形態における水平転送部の構成を示している。図１３において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。本実施形態の固体撮像装置は、水平転送チャネル１２１に隣接してバリア領域１２５と水平ドレイン１２６とが形成されている。
【００７７】
第１の実施形態においては、図１４（ａ）に示すように水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）により最終電極１５２からの信号電荷を受け、水平転送開始の前まで信号電荷を蓄積していた。しかし、本実施形態では、最終電極１５２から水平転送部１０２への信号電荷転送が完了した後で、ハイレベルの電圧が印加される水平転送電極の数を変更している。
【００７８】
例えば、図１４（ｂ）に示すように転送完了後に水平転送電極１２２（Ｒ）をローレベルとし、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）をハイレベルとする。これにより、３電極に蓄積されていた電荷が２電極に蓄積された状態に遷移する。また、図１４（ｃ）に示すように、水平転送電極１２２（Ｒ）及び水平転送電極１２２（Ｃ）をローレベルとし、水平転送電極１２２（Ｌ）をハイレベルとしてもよい。この場合には、電荷は１電極に蓄積される。
【００７９】
一般にＣＣＤ固体撮像装置においては、図１３に示すように、水平転送チャネル１２１に隣接してバリア領域１２５と水平ドレイン１２６が設けられている。これにより、垂直転送部１０１及び水平転送部１０２から溢れた不要な信号電荷を水平ドレイン１２６に排出することを可能とし、オプティカルブラック部の侵食を抑制している。また、水平転送部１０２の最終段において、過大な信号電荷が電荷検出部（一般的にはフローティングディフュージョンが用いられる）に漏れ、信号電荷リセット後のフィードスルーに信号電荷が漏れこみ、極端な場合にはＣＤＳ後の画像が黒く沈んでしまう不具合を抑制している。
【００８０】
第１の実施形態の固体撮像装置は、３つの水平転送電極をハイレベルとしているため、蓄積電荷量が大きく、信号電荷が水平転送部１０２に転送された後の水平転送部１０２の電位は２電極蓄積又は１電極蓄積の場合と比べて深くなる。従って、水平ドレイン１２６に不要電荷が排出されにくい場合が生じる。しかし、排出可能なようにバリア領域１２５の電位を深くしすぎると、４相駆動において２電極蓄積を行いながら電荷を転送する場合に、飽和信号量が減少する。このため、図１４（ｂ）に示すように水平転送開始前にハイレベルが印加される電極数を転送時と同じく２電極としている。
【００８１】
以下に、水平ブランキング期間に水平蓄積電極を遷移させた状態について詳細に説明する。
【００８２】
図１５（ａ）は水平転送部１０２において３電極において信号電荷を蓄積している状態を示し、点線は水平転送部１０２と水平ドレイン１２６との間に設けられたバリア領域１２５の電位である。また、図１６（ａ）は、水平ドレイン１２６の近傍における３電極蓄積時の電位を示している。図１５（ｂ）に示すように、３電極蓄積から２電極蓄積に遷移させると、図１６（ｂ）に示すように過剰な信号電荷はバリア領域１２５を乗り越え水平ドレイン１２６へ排出される。図１５（ｃ）に示すように余剰電荷を排出した後、図１４（ｂ）の駆動タイミングに従い、図１５（ｄ）に示すように２電極蓄積を行いながら４相駆動により水平転送し信号電荷を出力する。図１４（ｃ）に示すようなハイレベルが印加される電極を１電極とすれば、転送時の飽和電荷信号量が、水平ブランキング期間において２電極蓄積している場合よりも低くなることがない。従って、転送中に信号電荷が水平ドレイン１２６に排出され水平シェーディングが発生する可能性を小さくすることができる。
【００８３】
図１７（ａ）〜（ｅ）は、水平ブランキング期間に水平転送部１０２における３電極で信号電荷を蓄積している状態から、２電極蓄積、さらに１電極蓄積に遷移させた状態を順次示している。１電極蓄積に遷移させ余剰電荷を排出した後は、図１７（ｆ）に示すように２電極蓄積しながら４相駆動で転送し信号電荷を出力する。図１８は、図１７（ｆ）に対応した水平ドレイン１２６の近傍における電位を示している。水平ブランキング期間における１電極蓄積時の飽和信号量は、２電極蓄積で転送中の飽和信号量よりも低いため、水平シェーディングをさらに抑制できる。
【００８４】
なお、本実施形態の駆動方法は、水平転送部の駆動方法であるため、垂直転送部を束ねる、束ねないに関わらず適用可能であり、いずれの構成においても同じ効果が得られる。
【００８５】
以上のように本実施形態によれば、高輝度光撮像時においても、水平シェーディングやフィードスルーへの信号電荷の漏れこみを抑制し、且つ水平転送部の飽和信号量を低下させることがない固体撮像装置を実現できる。
【００８６】
（第４の実施形態）
図１９（ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の通常モードにおける電荷の転送を示している。図１９において、図２と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。第１の実施形態の固体撮像装置は、水平インターレースを行う通常モードにおいて、水平ブランキング期間に垂直転送部から水平転送部に信号電荷を転送する際に、３つの水平転送電極にハイレベルの電圧を印加した。しかし、本実施形態の固体撮像装置は、ハイレベルの電圧を印加する水平電極を、電荷を転送する列に応じて切り換えている。
【００８７】
第１の実施形態の固体撮像装置において、垂直転送チャネル１１１の幅を広くすると、水平転送電極１２２（Ｌ）から水平転送電極１２２（Ｒ）までの間に、３本の垂直転送チャネル１１１が収まらなくなるおそれがある。この場合、Ｌ列及びＲ列の信号電荷はＣ列の信号電荷と比べて水平転送部１０２への転送が困難となり、列ごとの信号電荷にばらつきが生じる。このため、本実施形態の固体撮像装置は、Ｃ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する場合には、図１９（ａ）に示すように水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）にそれぞれハイレベルの電圧を印加し、水平転送電極１２２（Ｂ）にローレベルの電圧を印加する。Ｒ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する場合には、図１９（ｂ）に示すように水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｂ）にそれぞれハイレベルの電圧を印加し、水平転送電極１２２（Ｌ）にローレベルの電圧を印加する。Ｌ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する場合には、図１９（ｃ）に示すように水平転送電極１２２（Ｃ）、水平転送電極１２２（Ｌ）及び水平転送電極１２２（Ｂ）にそれぞれハイレベルの電圧を印加し、水平転送電極１２２（Ｒ）にローレベルの電圧を印加する。これにより、各垂直転送チャネル１１１と信号を受け取る３つの水平転送電極１２２との位置関係をほぼ同一にすることができる。従って、垂直転送チャネル１１１の幅を広くした場合においても、各列の信号電荷の転送のばらつきを抑えＦＰＮ（Fixed Pattern Noise）を生じにくくできる。
【００８８】
また、水平方向に隣接する同色の３画素の加算を行うモードにおいて、第１の実施形態の固体撮像装置は、Ｃ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送した後に、水平転送を行い、その後Ｌ列及びＲ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送することにより３画素加算を実現する。しかし、本実施形態の固体撮像装置は、画素加算モードにおいて図２０に示すように、Ｌ列及びＲ列の信号電荷を同時に水平転送部１０２に転送しない。まず、図２０（ａ）に示すように、水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）をハイレベルとしてＣ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。次に、図２０（ｂ）に示すように、水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｂ）をハイレベルとしてＲ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。次に、図２０（ｃ）に示すように、水平転送電極１２２（Ｃ）、水平転送電極１２２（Ｌ）及び水平転送電極１２２（Ｂ）をハイレベルとしてＬ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。これにより３画素加算を実現する。
【００８９】
以上のように本実施形態の固体撮像装置は、垂直転送部から水平転送部への信号電荷転送の際に、ＦＰＮといった転送不良及び列ごとの転送ばらつきを抑制できるという利点を有している。
【００９０】
（第５の実施形態）
図２１は第５の実施形態に係る固体撮像装置の最終電極１５２付近の構成を示している。図２１において、図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。本実施形態の固体撮像装置は、水平ブランキング期間にハイレベルとなる水平転送電極１２２（Ｒ）、水平転送電極１２２（Ｃ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）の水平方向の電極長を局所的に変更している。垂直転送部１０１と水平転送部１０２との境界部付近において、水平転送電極１２２（Ｒ）及び水平転送電極１２２（Ｌ）の水平方向の電極長を、水平転送電極１２２（Ｃ）よりも長くしている。また、水平転送電極１２２（Ｂ）の水平方向の電極長を水平転送電極１２２（Ｃ）よりも短くしている。このため、Ｌ列の垂直転送チャネル１１１の端部と水平転送電極１２２（Ｌ）の端部との間の水平方向の距離ｄ４及び、Ｒ列の垂直転送チャネル１１１の端部と水平転送電極１２２（Ｒ）の端部との間の水平方向の距離ｄ５を大きくすることができる。従って、垂直転送チャネル１１１の幅を大きくすることができる。これにより、Ｌ列の垂直転送チャネル１１１及びＲ列の垂直転送チャネル１１１から水平転送部１０２への信号電荷の転送効率を改善でき、列ごとの信号電荷の転送ばらつきを抑制できる。
【００９１】
（第６の実施形態）
図２２は、第６の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示している。図２２において、図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。本実施形態の固体撮像装置は、３列の垂直転送チャネル１１１を４つの水平転送電極１２２のうちの２つに対応するように配置している。従って、転送阻止電極１４８よりも水平転送部１０２側における垂直転送チャネル１１１の中心間の間隔ｄ３は、画素繰り返し領域１０７における垂直転送チャネル１１１の中心間の間隔ｄ１よりも小さくなる。
【００９２】
本実施形態の固体撮像装置は、水平ブランキング期間に２つの水平転送電極１２２をハイレベルとすることにより信号電荷を受け取ることが可能である。このため、水平転送部１０２の飽和信号量の低下及び水平シェーディングを抑制することができる。なお、第５の実施形態と同様に、水平ブランキング期間にハイレベルとなる２つの水平転送電極の電極長を最終電極１５２付近において局所的に長くしてもよい。
【００９３】
以上のように本実施形態の固体撮像装置は、１転送パケットを構成する４つの水平転送電極のうちの２つに、Ｒ列、Ｃ列及びＬ列の垂直転送チャネル１１１を対応させている。これにより、高輝度光撮像時においても、水平シェーディング及び水平転送部の飽和信号量低下を抑制できる。
【００９４】
（第７の実施形態）
図２３は、第７の実施形態係る固体撮像装置の構成を示している。図２３において、図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。本実施形態の固体撮像装置は、垂直転送チャネル１１１がＲ列とＬ列の２つを含み、Ｒ列はＲ１列とＲ２列を含み、Ｌ列はＬ１列とＬ２列とを含んでいる。１つの単位制御部１４３は、Ｒ１列とＬ２列又はＲ２列とＬ１列に対応する。また、隣接するＲ１列とＲ２列とに対応する信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８は一体に形成されており、隣接するＬ１列とＬ２列とに対応する信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８は共通に形成されている。つまり、隣接する２つの単位制御部１４３に含まれる信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８は、それぞれ一体に形成されている。
【００９５】
１つの単位制御部１４３に含まれる垂直転送チャネル１１１と、１つの転送パケット１２３に含まれる４つの水平転送電極１２２とが対応している。以下においては、１つの転送パケット１２３に含まれる４つの水平電極を水平転送電極１２２（１）、水平転送電極１２２（２）、水平転送電極１２２（３）及び水平転送電極１２２（４）とする。Ｒ１列又はＬ１列の垂直転送チャネル１１１と水平転送電極１２２（１）とが対応し、Ｒ２列又はＬ２列の垂直転送チャネル１１１と水平転送電極１２２（３）とが対応する。
【００９６】
本実施形態の固体撮像装置は、水平転送部１０２に形成されるパケット数が垂直転送チャネル１１１の列数の２分の１となる。このため、通常モードでは、１ラインの信号電荷は２分割されてインターレース出力される。水平画素加算としては、隣接する同色２画素の加算が可能であり、この場合はインターレースする必要はない。なお、図２３では１例として、転送制御部１０４を、φＶＳＴ−Ｒ、φＶＳＴ−Ｌ、φＶＨＬＤ−Ｒ及びφＶＨＬＤ−Ｌが印加される２つ信号電荷蓄積電極１４７と２つの転送阻止電極１４８とにより構成された例を示した。しかし、異なる電圧が独立して印加できる信号電荷蓄積電極１４７及び転送阻止電極１４８を水平方向に増やせば水平４画素加算も可能となる。
【００９７】
図２４（ａ）及び（ｂ）は、水平２画素加算時の動作を示している。図２４（ａ）に示すように、まず水平転送電極１２２（１）、水平転送電極１２２（２）及び水平転送電極１２２（３）をハイレベルとし、水平転送電極１２２（４）をローレベルとすることにより、Ｒ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送する。この際に、Ｌ列の信号電荷蓄積電極１４７にハイレベルの電圧を印加し、転送阻止電極１４８及び最終電極１５２にローレベルの電圧を印加することにより、Ｌ列の信号電荷は信号電荷蓄積電極１４７の下に保持されている。
【００９８】
次に、水平転送部１０２に転送したＲ列の信号電荷を２列（１単位分）水平転送する。この後、図２４（ｂ）に示すように、Ｌ列の転送阻止電極１４８及び最終電極１５２に印加する電圧を遷移させると共に、水平転送電極１２２（１）、水平転送電極１２２（２）及び水平転送電極１２２（３）をハイレベルとし、水平転送電極１２２（４）をローレベルとする。これにより、Ｌ列の信号電荷を水平転送部１０２に転送し、水平２画素加算を行う。
【００９９】
また、垂直転送部１０１において、読み出し電極を複数設け、駆動を工夫することにより、垂直転送部１０１内において画素加算を行うこともできる。垂直転送部１０１ないにおける画素加算と、水平２画素数加算とを組み合わせることにより４画素加算を実現できる。水平３画素加算は、垂直３画素加算と合わせて９画素加算が実現でき、加算後の重心ズレがなく、モアレが少ない高画質の動画を実現できる。しかし、９画素加算の場合には、加算後の画素数が大きく低下するため、画素数が少ない固体撮像装置では解像度が十分得られない場合がある。一方、水平２画素加算と垂直２画素加算を組み合わせた４画素加算の場合には、画素加算を行わない通常モードよりも高感度であり、加算後の画素数が９画素加算に比べて多い静止画を実現することができる。このため、例えばデジタルスチルカメラにおいて連写を行う場合に有用である。
【０１００】
なお、図２３では、単位制御部１４３に含まれる２列の垂直転送チャネル１１１を、水平方向に非対称に拡張している。このため、単位制御部１４３に含まれる２列の垂直転送チャネル１１１の中心間の距離は、画素繰り返し領域における距離ｄ１よりも転送制御部における距離ｄ３が短くなる。しかし、２列の垂直転送チャネル１１１が水平転送電極１２２（１）、水平転送電極１２２（２）及び水平転送電極１２２（３）の間に収まるのであれば、Ｌ列及びＲ列の垂直転送チャネル１１１を水平方向に対称に拡張してもよい。この場合には、単位制御部１４３に含まれる２列の垂直転送チャネル１１１の中心間の距離は、画素繰り返し領域と転送制御部とで等しくなる。
【０１０１】
以上のように本実施形態の固体撮像装置は、単位制御部１４３に含まれる垂直転送チャネル１１１を２列とすることにより水平２画素加算が可能となり、消費電力も低減できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の固体撮像装置は、低消費電力且つ、水平方向で隣接する同色の信号電荷の画素加算を効率よく行うことが可能であり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。
【符号の説明】
【０１０３】
１０１      垂直転送部
１０２      水平転送部
１０３      光電変換素子
１０４      転送制御部
１０７      領域
１１１      垂直転送チャネル
１１２      垂直転送電極
１２１      水平転送チャネル
１２２      水平転送電極
１２３      転送パケット
１２５      バリア領域
１２６      水平ドレイン
１４２      制御部電極
１４３      単位制御部
１４７      信号電荷蓄積電極
１４８      転送阻止電極
１４９      制御部転送電極
１５１      中間電極
１５２      最終電極
【図１】
0005473951.tif 000002
【図２】
0005473951.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005473951.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005473951.tif 000007
【図７】
0005473951.tif 000008
【図８】
0005473951.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005473951.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0005473951.tif 000013
【図１３】
0005473951.tif 000014
【図１４】
0005473951.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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