(57)【要約】【課題】安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像素子は、二次元配列された複数の第１フォトセンサ２０及び第１垂直転送レジスタ２５を有する受光領域と、二次元配列された複数の第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５を有するオプティカルブラック領域とを備える。第１垂直転送レジスタ２５は、複数の読出し電極２９ａと第１転送電極２９ｂとが交互に配設されて構成される。一方、第２垂直転送レジスタ３５は、読出し電極を備えず、複数の第２転送電極３９が並設されて構成される。【選択図】図４
2011198880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元配列された複数の第１フォトセンサ、及び前記第１フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第１垂直転送レジスタを有し、入射光を受光する受光領域と、
前記受光領域に隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ、及び前記第２フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第２垂直転送レジスタを有し、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域と、
前記複数列の第１垂直転送レジスタから転送された信号電荷及び前記第２垂直転送レジスタから転送された暗電荷を水平転送する水平転送レジスタとを備え、
前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにより光電変換された信号電荷を第１垂直転送レジスタ内に移動させるとともに前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の読出し電極と、前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第１転送電極とからなり、
前記第２垂直転送レジスタは、前記第２垂直転送レジスタ内の暗電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第２転送電極からなる固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１フォトセンサは、Ｎ型拡散層及びＰ型拡散層を有して構成され、
前記第２フォトセンサは、Ｐ型拡散層のみから構成される請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにゲートを介して接続された複数の前記読出し電極と、前記垂直列において隣接する前記読出し電極の間に設けられた前記第１転送電極とが交互に並んで構成され、
前記第２垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第２フォトセンサに対応して設けられた前記第２転送電極が順次並んで構成されており、
各前記第２転送電極の面積が、各前記読出し電極の面積と各前記第１転送電極の面積との和に実質的に等しくなるように構成される請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
固体撮像素子を備え、
前記固体撮像素子は、
二次元配列された複数の第１フォトセンサ、及び前記第１フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第１垂直転送レジスタを有し、入射光を受光する受光領域と、
前記受光領域に隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ、及び前記第２フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第２垂直転送レジスタを有し、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域と、
前記複数列の第１垂直転送レジスタから転送された信号電荷及び前記第２垂直転送レジスタから転送された暗電荷を水平転送する水平転送レジスタとを備え、
前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにより光電変換された信号電荷を第１垂直転送レジスタ内に移動させるとともに前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の読出し電極と、前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第１転送電極とからなり、
前記第２垂直転送レジスタは、前記第２垂直転送レジスタ内の暗電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第２転送電極からなる撮像機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光領域に隣接して暗電流補償用のオプティカルブラック領域が形成された固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からデジタルビデオカメラやデジタルカメラなどの撮像機器用の撮像素子として、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子が広く用いられている。これらの固体撮像素子は基本構造が半導体であることから、半導体内部で生じる熱的な電荷の励起に起因して暗電流ノイズが不可避的に発生する。そこで、暗電流ノイズによる影響を除去するため、遮光したオプティカルブラック（Optical Black）領域を受光領域に隣接して設け、この領域の垂直転送レジスタから転送される信号を黒レベルの基準とする構成が用いられる（例えば、特許文献１,２を参照）。
【０００３】
受光領域とオプティカルブラック領域とは、入射光を効率的にフォトセンサに導くための導光構造と、入射光がフォトセンサに到達しないように遮光する遮光構造とが相違し、フォトセンサ及び垂直転送レジスタは同じ半導体構造で構成されていた。例えば、ＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）と称されるＣＣＤ撮像素子は、Ｎ型シリコン基板に、受光領域、オプティカルプティカルブラック領域ともＰ＋ＮＰＮ接合のフォトセンサが形成されていた。垂直転送レジスタについても同様であり、例えば、フォトセンサの電荷を読み出す読出し電極と、電荷を転送する転送電極とが交互に並ぶ４相ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタが同じ構造で構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５６７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の固体撮像素子では、オプティカルブラック領域のフォトセンサに、遮光膜とシリコン基板との隙間に入り込んで多重反射した漏れ光が侵入して光電変換され、黒レベルが変動することがあった。
【０００６】
そこで、オプティカルブラック領域のフォトセンサについては電荷蓄積作用をもつＮ型拡散層を形成せず、Ｐ型拡散層のみとする構成とすることで、この問題を解決することができるとも考えられる。ところがこの構成について鋭意研究を進めてゆくと、以下のような課題が生じた。
【０００７】
オプティカルブラック領域のフォトセンサはＮ型拡散層を持たないため、Ｎ型拡散層を有する受光領域のフォトセンサのように電荷を蓄積することができない。そのため、図７に示すように、読出し電極に読出し用の高い電圧が印加されブレークダウンが発生したときに、Ｐ型拡散層から電子がチャネルストップを越えて溢れ出て隣接する垂直転送レジスタに流れ込み、黒レベルを低下させるという現象が見いだされた。すなわち、オプティカルブラック領域は受光領域よりもブレークダウンに対する耐性が低く、黒レベルが低下して変動するおそれがあるという課題である。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、二次元配列された複数の第１フォトセンサ、及び前記第１フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第１垂直転送レジスタを有し、入射光を受光する受光領域と、前記受光領域に隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ、及び前記第２フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第２垂直転送レジスタを有し、遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域と、前記複数列の第１垂直転送レジスタから転送された信号電荷及び前記第２垂直転送レジスタから転送された暗電荷を水平転送する水平転送レジスタとを備え、前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにより光電変換された信号電荷を第１垂直転送レジスタ内に移動させるとともに前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の読出し電極と、前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第１転送電極とからなり、前記第２垂直転送レジスタは、前記第２垂直転送レジスタ内の暗電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第２転送電極からなる固体撮像素子とした。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、前記第１フォトセンサはＮ型拡散層（Ｎ型の不純物拡散領域）及びＰ型拡散層（Ｐ型の不純物拡散領域）を有して構成され、前記第２フォトセンサはＰ型拡散層のみから構成した。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１または２に記載の固体撮像素子において、前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにゲートを介して接続された複数の前記読出し電極と、前記垂直列において隣接する前記読出し電極の間に設けられた前記第１転送電極とが交互に並んで構成され、前記第２垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第２フォトセンサに対応して設けられた前記第２転送電極が順次並んで構成されており、各前記第２転送電極の面積が、各前記読出し電極の面積と各前記第１転送電極の面積との和に実質的に等しくなるように構成した。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、固体撮像素子を備える撮像機器であり、前記固体撮像素子は、二次元配列された複数の第１フォトセンサ、及び前記第１フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第１垂直転送レジスタを有し、入射光を受光する受光領域と、前記受光領域に隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ、及び前記第２フォトセンサの垂直列毎に設けられた複数列の第２垂直転送レジスタを有し遮光膜により前記入射光が遮光されたオプティカルブラック領域と、前記複数列の第１垂直転送レジスタから転送された信号電荷及び前記第２垂直転送レジスタから転送された暗電荷を水平転送する水平転送レジスタとを備えている。前記第１垂直転送レジスタは、垂直列の各前記第１フォトセンサにより光電変換された信号電荷を第１垂直転送レジスタ内に移動させるとともに前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の読出し電極と、前記第１垂直転送レジスタ内の信号電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第１転送電極とからなり、前記第２垂直転送レジスタは、前記第２垂直転送レジスタ内の暗電荷を前記水平転送レジスタに転送する複数の第２転送電極からなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、オプティカルブラック領域の第２垂直転送レジスタが、第２垂直転送レジスタ内の暗電荷を水平転送レジスタに転送する複数の第２転送電極から構成される。すなわち、オプティカルブラック領域の垂直転送レジスタである第２垂直転送レジスタは、受光領域の垂直転送レジスタである第１垂直転送レジスタのような読出し電極が設けられずに構成される。そのため、固体撮像素子を作動させたときに、オプティカルブラック領域の第２垂直転送レジスタの電極にフォトセンサの電荷を読みだす高い電圧が作用することがない。従って、第２垂直転送レジスタでのブレークダウンの発生を抑止し、安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子を提供することができる。
【００１４】
なお、オプティカルブラック領域の第２フォトセンサがＰ型拡散層のみから構成されるような構成にすることができる。これにより、受光領域から入り込む漏れ光による黒レベルの変動を抑止し、且つ、フォトセンサの電荷読み取り時に発生し得たブレークダウンに起因する黒レベルの変動を抑止して、高品質の画像データを提供可能な固体撮像素子を提供することができる。
【００１５】
また、オプティカルブラック領域の第２転送電極の面積が、受光領域の読出し電極の面積と第１転送電極の面積との和に実質的に等しくなるような構成とすることにより、簡明な構成で精度良く黒レベルを実現可能な固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像素子を有する撮像機器の概要構成図である。
【図２】図１中に付記するII−II矢視の断面図である。
【図３】図１中に付記するIII−III矢視の断面図である。
【図４】(ａ)第１垂直転送レジスタ内部の電極構成と、(ｂ)第２垂直転送レジスタ内部の電極構成とを対比して示す模式図である。
【図５】図４に示す第１垂直転送レジスタにおけるＶ１電極〜Ｖ８電極の駆動パルスのタイミングチャートの構成例である。
【図６】(ａ)第１垂直転送レジスタの転送ポテンシャル図と、(ｂ)第２垂直転送レジスタの転送ポテンシャル図である。
【図７】従来の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における撮像機器Ａの概要構成図である。本実施形態の撮像機器Ａは、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラである。なお、撮像機器Ａは、デジタルスチルカメラに限定されるものではなく、デジタルビデオカメラや、あるいは携帯電話などに内蔵されるカメラユニットであってもよい。
【００１８】
図１には、撮像機器Ａにおける撮像のためのＣＣＤ型の固体撮像素子１と、この固体撮像素子１を所定タイミングで駆動させるための駆動用信号を生成するタイミングジェネレータ６とを示している。この他に、撮像機器Ａには、バッテリなどの電源部、撮像して生成した画像データ信号を記憶する記憶部、撮像機器Ａ全体を制御する制御部などがある。これらを構成する回路は、本図では別回路（固体撮像素子１以外のチップ）としているが、同一チップに設けたり、あるいはいくつかのチップに分割して設けたりすることもある。
【００１９】
固体撮像素子１は、インターライン・トランスファ方式（Interline Transfer：ＩＴ方式）の撮像素子であり、Ｎ型シリコン基板１０をベースとし、受光領域２、オプティカルブラック領域３、水平転送出力部４、処理回路５などから構成される。受光領域２は、入射光を受光する受光領域であり、一般的には被写体からの光を受光する撮像領域と呼ばれる。オプティカルブラック領域３は、遮光膜により入射光が遮断された領域である。水平転送出力部４は、これらの領域２，３から転送されて来る電荷を水平転送し、電圧信号に変換して出力する。水平転送出力部４から出力された信号は処理回路５により処理される。オプティカルブラック領域３と水平転送出力部４には、斜線で示すように遮光膜１８が形成される。
【００２０】
受光領域２は、二次元配列された複数の第１フォトセンサ２０と、第１フォトセンサ２０の側方（図１の構成例では左側）に第１フォトセンサ２０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第１垂直転送レジスタ２５とを備えて構成される。すなわち、固体撮像素子１は、Ｎ型シリコン基板１０の受光領域２に、第１フォトセンサ２０をマトリクス状に二次元配列した画素構造を基本として構成される。この第１フォトセンサ２０はフォトダイオードにより構成される。なお、図１においては、図面の複雑化を避けるため斜線を省略しているが、第１垂直転送レジスタ２５は水平転送出力部４等と同様に遮光膜１８で覆われており、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって駆動される。
【００２１】
オプティカルブラック領域３は、受光領域２に隣接して二次元配列された複数の第２フォトセンサ３０と、第２フォトセンサ３０の側方に第２フォトセンサ３０の垂直列毎に設けられたＣＣＤ構造の第２垂直転送レジスタ３５とを備えて構成される。オプティカルブラック領域３は、第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５の全体が遮光膜１８により覆われており、入射光が第２フォトセンサ３０に入射しないようになっている。第２垂直転送レジスタ３５は、第１垂直転送レジスタ２５と同様に、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８によって駆動される。また、第１フォトセンサ２０と同様に、第２フォトセンサ３０はフォトダイオードにより構成される。
【００２２】
水平転送出力部４は、受光領域２の第１垂直転送レジスタ２５，２５…及びオプティカルブラック領域３の第２垂直転送レジスタ３５，３５…が接続されたＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４５を備えている。この水平転送レジスタ４５は、公知の２相駆動方式によって各第２垂直転送レジスタ３５から転送される信号電荷を水平転送するように構成されており、互いに位相が異なる水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２により駆動される。この水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２は、タイミングジェネレータ６から出力される。また、水平転送出力部４には、水平転送レジスタ４５の出口に設けられたＦＤアンプ（フローティング・ディフュージョンアンプ）４８が備えられている。そして、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送された信号電荷、及び第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送された暗電荷（暗電流の電荷）が、水平走査１ライン分ずつＦＤアンプ４８に入力される。
【００２３】
ＦＤアンプ４８は、水平転送レジスタ４５から入力された信号電荷を電荷量に応じた電圧の信号（便宜的に画素信号という）に変換する。また、水平転送レジスタ４５から入力された暗電荷を電荷量に応じた電圧の信号（同様、便宜的に「黒信号」という）に変換する。そして、各垂直列の画素信号及び黒信号を水平走査１ライン分ずつ処理回路５に出力する。
【００２４】
処理回路５は、水平転送出力部４から出力された画素信号及び黒信号に基づいて、黒レベルの補償処理やＦＤリセットノイズの減算処理などを行い、受光領域２に入射した入射光の像（被写体の像）を生成する。
【００２５】
このような構成の固体撮像素子１においては、読出し方式に応じた時間（例えば１／６０秒）内に、各第１フォトセンサ２０において光電変換された受光量に応じた信号電荷が、後述する読出しゲート２４を介して接続された第１垂直転送レジスタ２５に読み出される。読出された信号電荷と、半導体構造の熱的励起により第１垂直転送レジスタ２５内に生じた暗電荷とは第１垂直転送レジスタ２５内で混じり合い、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に転送される。また、半導体構造の熱的励起により第２垂直転送レジスタ３５内に生じた暗電荷は、第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に転送される。
【００２６】
そして、第２垂直転送レジスタ３５から転送された暗電荷を電圧変換した黒信号を基準として黒レベルが設定される。そして、処理回路５において、第１垂直転送レジスタ２５から転送され、暗電荷が付加された信号電荷を電圧信号に変換した画素信号から、上記黒信号を差し引くことにより、熱的励起状態の変動に起因した画像の明度の浮動が除去されるようになっている。
【００２７】
以上のように概要構成される固体撮像素子１にあって、図１中に付記するII−II矢視の断面図（受光領域２の画素の断面図）を図２に、III−III矢視の断面図（オプティカルブラック領域３の画素の断面図）を図３に示す。
【００２８】
受光領域２の各画素は、図２に示すように、入射光を受光する第１フォトセンサ２０、読出しゲート２４、第１垂直転送レジスタ２５、チャネルストップ２８などからなる。
【００２９】
第１フォトセンサ２０は、Ｎ型シリコン基板１０のＰウェル領域１１上に形成されたＮ型拡散領域２１と、このＮ型拡散領域２１上に形成されたＰ型拡散領域２２とを基本的な構成要素とする。そして、これらのＰ＋ＮＰＮ接合によりＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode Sensor）を構成する。Ｎ型拡散領域２１はＮ型の不純物拡散領域であり、Ｐ型拡散領域２２はＰ型の不純物拡散領域である。
【００３０】
読出しゲート２４を挟んで、Ｐウェル領域１１上に第２のＰウェル領域２６、この第２のＰウェル領域２６上にＮ型の不純物拡散領域（以下、転送チャネル領域という）２７が形成される。転送チャネル領域２７と隣の画素の第１フォトセンサ２０との間には、Ｐ型の不純物拡散領域が形成されてチャネルストップ２８が構成される。そして、読出しゲート２４、転送チャネル領域２７及びチャネルストップ２８の上にゲート絶縁膜（不図示）を挟んで多結晶シリコンからなる読出し電極２９ａ／第１転送電極２９ｂが形成され、第１垂直転送レジスタ２５が構成される。なお、第１垂直転送レジスタ２５における読出し電極２９ａ、第１転送電極２９ｂについては後に詳述する。
【００３１】
第１フォトセンサ２０及び第１垂直転送レジスタ２５を覆う全面に、例えばリン・シリケートガラス（ＰＳＧ）からなる光透過性の層間絶縁膜１７が積層される。層間絶縁膜１７の上には、第１フォトセンサ２０の上方に開口部を有し、第１垂直転送レジスタ２５を覆う遮光膜（例えばＡｌ膜やＷ膜）１８が形成され、最上層には基板全面を覆って表面保護層１９が形成される。
【００３２】
一方、オプティカルブラック領域３の各画素は、図３に示すように、第２フォトセンサ３０、第２垂直転送レジスタ３５、チャネルストップ３８などから構成される。
【００３３】
ここで、オプティカルブラック領域３の第２フォトセンサ３０は、Ｎ型シリコン基板のＰウェル領域１１上にＰ型拡散領域３２が形成されて構成される。すなわち、受光領域２の第１フォトセンサ２０（図２を参照）と対比して明らかなように、オプティカルブラック領域３の第２フォトセンサ３０はＮ型拡散領域が設けられず、Ｐ型拡散領域３２のみからなる構成となっている。これにより、Ｎ型拡散領域への電荷の蓄積に起因する黒レベルの変動を抑止することができる。
【００３４】
第２垂直転送レジスタ３５の形成領域では、Ｐウェル領域１１上に第２のＰウェル領域３６、この第２のＰウェル領域３６上に転送チャネル領域３７が形成される。転送チャネル領域３７と隣の画素の第２フォトセンサ３０との間には、Ｐ型の不純物拡散（インプラント）によりチャネルストップ３８が形成される。そして、転送チャネル領域３７及びチャネルストップ３８の上に絶縁膜（不図示）を挟んで多結晶シリコンからなる第２転送電極３９が形成され、第２垂直転送レジスタ３５が構成される。第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５を覆う全面（オプティカルブラック領域全域）に、層間絶縁膜１７及び遮光膜１８が形成され、最上層に表面保護層１９が形成される。
【００３５】
既述した受光領域２の第１垂直転送レジスタ２５と比較して、オプティカルブラック領域３の第２垂直転送レジスタ３５は、電荷を転送する第２転送電極３９のみからなり、フォトセンサに蓄積された電荷を読み出す読出し電極を備えない構成になっている。端的には、垂直転送時に用いる低電圧Ｌ（以下、転送Ｌ信号という）または中電圧Ｍ（以下、転送Ｍ信号という）が作用するが、読出し時に読出しゲート２４を開けるためにかける高電圧Ｈ（以下、読出し信号という）が作用しない構成になっている。そのため、第２転送電極３９に高い電圧が作用してブレークダウンを生じるようなことがなく、ブレークダウンに起因する黒レベルの変動を抑止することができる。なお、転送Ｌ信号は、例えばＬ＝−７．５[Ｖ]、転送Ｍ信号は、例えばＭ＝０[Ｖ]であり、読出し信号は、例えばＨ＝１５[Ｖ]である。
【００３６】
さらに、第１垂直転送レジスタ２５の読出し電極２９ａ及び第１転送電極２９ｂと、第２垂直転送レジスタ３５の第２転送電極３９とは、以下に説明するように、異なる構成になっている。
【００３７】
図４(ａ)(ｂ)に、第１垂直転送レジスタ２５内部の電極構成(ａ)と、第２垂直転送レジスタ３５内部の電極構成(ｂ)とを対比して示す。
【００３８】
図４(ａ)に示すように、受光領域２に設けられた第１垂直転送レジスタ２５は、垂直列の各第１フォトセンサ２０にゲート２４を介して接続された読出し電極２９ａと、垂直列において隣接する読出し電極の間に設けられた第１転送電極２９ｂとが交互に並んで構成される。
【００３９】
読出し電極２９ａは、第１フォトセンサ２０に蓄積された電荷を読み出すときにゲート２４を開ける高電圧Ｈの読出し信号が作用し、読出し後の転送時には、中電圧Ｍの転送Ｍ信号と低電圧Ｌの転送Ｌ信号とに切り替えられる電極である。一方、第１転送電極２９ｂは、高電圧Ｈの読出し信号が作用せず、中電圧Ｍの転送Ｍ信号と低電圧Ｌの転送Ｌ信号とに切り替えられる電極である。換言すれば、読出し電極２９ａは「読み出し」と「転送」の両方の機能を備えた電極であり、第１転送電極２９ｂは「転送」の機能のみを実行する電極である。なお、図４（ａ）におけるＶ１〜Ｖ８は、電極２９ａ，２９ｂに印加される垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ８の種類を意味する。例えば、Ｖ１の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ１が印加され、Ｖ５の読出し電極２９ａは、垂直転送クロックＶφ５が印加され、Ｖ８の第１転送電極２９ｂは、垂直転送クロックＶφ８が印加される。以下、Ｖ１〜Ｖ８の電極をＶ１電極〜Ｖ８電極という場合がある。このことはオプティカルブラック領域３についても同様である。
【００４０】
これに対し、オプティカルブラック領域３に設けられた第２垂直転送レジスタ３５は、図４(ｂ)に示すように、垂直列の各第２フォトセンサ３０に対応して設けられた第２転送電極３９が順次並んで構成される。第２転送電極３９は、第１転送電極２９ｂと同様に、高電圧Ｈの読出し信号が作用せず、中電圧Ｍの転送Ｍ信号と低電圧Ｌの転送Ｌ信号とに切り替えられる電極である。すなわち、第２垂直転送レジスタには、第２フォトセンサ３０の電荷を読み出す読出し電極を備えず、「転送」機能を実行する第２転送電極３９が連接された構成になっている。
【００４１】
そして、第２垂直転送レジスタ３５における各第２転送電極３９の面積は、第１垂直転送レジスタ２５における各読出し電極２９ａの面積と各第１転送電極２９ｂの面積との和に実質的に等しくなるように構成される。例えば、図４における第２垂直転送レジスタ３５の電極３９の面積が、第１垂直転送レジスタ２５の読出し電極２９ａの面積と第１転送電極２９ｂの面積の和と略同一になるように構成される。このように構成することで、後述するように、第１垂直転送レジスタ２５に発生する暗電荷と第２垂直転送レジスタ３５に発生する暗電荷との電荷量の差が生じることを抑制することができ、簡明な構成で精度良く黒レベルを実現することができる。なお、面積同一とするには各電極の幅と長さを適宜設定すればよく、次述するポテンシャル図において電荷転送の溝の部分の面積が同一となるように設定すればよい。
【００４２】
次に、上記のように構成される第１垂直転送レジスタ２５及び第２垂直転送レジスタ３５の作用について説明する。図５は、図４に示す第１垂直転送レジスタ２５におけるＶ１電極〜Ｖ８電極に対する駆動パルスのタイミングチャートの構成例を示す。また、図６(ａ)に、図５のタイミングチャートに対応する第１垂直転送レジスタ２５の転送ポテンシャル図を示し、図６(ｂ)に、第２垂直転送レジスタ３５の転送ポテンシャル図を示す。なお、これらの図中に付記するＶφ１〜Ｖφ８、転送ポテンシャル図における符号１〜８は、各々図４(ａ)(ｂ)のＶ１電極〜Ｖ８電極に対応するものである。また、図５では電荷転送時の駆動状態を明瞭化するため読出し信号の記載を省略している。
【００４３】
図５のタイミングチャートは、第１垂直転送レジスタ２５における電荷転送時のＶ１〜Ｖ８電極の駆動タイミングを示す。本例は８相ＣＣＤでノーマリー２ゲートロー、すなわち通常時（時刻ｔ0）においてＶ１電極及びＶ８電極の二電極を転送Ｌ信号、Ｖ２〜Ｖ７の六電極を転送Ｍ信号とした構成例である。このとき、連接された前後各段の８相ＣＣＤも同様にＶ１電極及びＶ８電極の二電極が転送Ｌ信号、Ｖ２電極〜Ｖ７電極の六電極が転送Ｍ信号になっている。このため、第１垂直転送レジスタ２５においては、Ｖ１電極，Ｖ８電極に挟まれたＶ２電極〜Ｖ７電極下に六電極面積のポテンシャルの井戸（ポテンシャル・ウェル。以下、単に井戸という）が形成され、ここに第１フォトセンサ２０から読みだされた信号電荷、及び半導体構造の熱的励起に起因して第１垂直転送レジスタ２５内に湧き出た暗電荷が停留される。
【００４４】
第２垂直転送レジスタ３５についてはタイミングチャートの図示を省略するが、４相ＣＣＤでノーマリー１ゲートロー、すなわち通常時（時刻ｔ0）にＶ８電極が転送Ｌ信号で、Ｖ２電極，Ｖ４電極，Ｖ６電極の三電極が転送Ｍ信号となっている。このとき、連接された前後各段の４相ＣＣＤも同様にＶ８電極が転送Ｌ信号、Ｖ２電極，Ｖ４電極，Ｖ６電極の三電極が転送Ｍ信号になっている。このため、第２垂直転送レジスタ３５においては、Ｖ８電極と前段のＶ８電極に挟まれたＶ２電極〜Ｖ６電極下に三電極面積の井戸が形成され、ここに半導体構造の熱的励起に起因して第２垂直転送レジスタ３５内に湧き出た暗電荷が停留される。
【００４５】
最初の駆動タイミング（時刻ｔ1）では、第１垂直転送レジスタ２５においてＶ１電極，Ｖ２電極が転送Ｌ信号、他の六電極が転送Ｍ信号となり、第２垂直転送レジスタ３５においてＶ２電極が転送Ｌ信号、他の三電極が転送Ｍ信号となる。このため、第１垂直転送レジスタ２５においては、時刻ｔ0にＶ２電極〜Ｖ７電極下の井戸に停留されていた信号電荷及び暗電荷が、時刻ｔ1にＶ３電極〜Ｖ８電極下に形成された井戸に移動する。第２垂直転送レジスタ３５においては、時刻ｔ0にＶ２電極〜Ｖ６電極下の井戸に停留されていた暗電荷が、時刻ｔ1にＶ４電極〜Ｖ８電極下に形成された井戸に移動する。
【００４６】
次の駆動タイミング（時刻ｔ2）では、第１垂直転送レジスタ２５においてＶ２電極，Ｖ３電極が転送Ｌ信号、他の六電極が転送Ｍ信号となるが、第２垂直転送レジスタ３５ではＶ２電極が転送Ｌ信号、他の三電極が転送Ｍ信号のまま保持される。このため、第１垂直転送レジスタ２５においては、時刻ｔ1にＶ３電極〜Ｖ８電極下の井戸に停留されていた信号電荷及び暗電荷が、時刻ｔ2にＶ４電極〜次段のＶ１電極下に形成された井戸に移動する。第２垂直転送レジスタ３５ではＶ４電極〜Ｖ８電極下の井戸に停留された暗電荷がその状態のまま保持される。
【００４７】
さらに次の駆動タイミング（時刻ｔ3）では、第１垂直転送レジスタ２５においてＶ３，Ｖ４電極が転送Ｌ信号、他の六電極が転送Ｍ信号となり、第２垂直転送レジスタ３５においてＶ４電極が転送Ｌ信号、他の三電極が転送Ｍ信号となる。このため、第１垂直転送レジスタ２５においては、時刻ｔ2にＶ４電極〜次段のＶ１電極下の井戸に停留されていた信号電荷及び暗電荷が、時刻ｔ3にＶ５電極〜次段のＶ２電極下に形成された井戸に移動する。また、第２垂直転送レジスタ３５においては、時刻ｔ2にＶ４電極〜Ｖ８電極下の井戸に停留されていた暗電荷が、時刻ｔ3にＶ６電極〜次段のＶ２電極下に形成された井戸に移動する。
【００４８】
このように、第１垂直転送レジスタ２５においては、一つの駆動タイミングに一電極ずつ垂直列の下流方向（すなわち水平転送レジスタ４５に向けて）電荷が移動される。一方、第２垂直転送レジスタ３５においては、第１垂直転送レジスタ２５の二つの駆動タイミングに一電極ずつ垂直列の下流方向（同様、水平転送レジスタ４５に向けて）電荷が移動される。そして以降同様の駆動タイミングで、第１垂直転送レジスタ２５及び第２垂直転送レジスタが駆動される。
【００４９】
ここで、前述したように、第２垂直転送レジスタ３５の各第２転送電極３９の面積は、第１垂直転送レジスタ２５における各読出し電極２９ａの面積と各第１転送電極２９ｂの面積との和に実質的に等しくなるように構成されている。例えば、第２垂直転送レジスタ３５のＶ４電極の面積が、第１垂直転送レジスタ２５のＶ３電極の面積とＶ４電極の面積の和と略同一になるように構成されている。
【００５０】
そのため、第１垂直転送レジスタ２５に形成される六電極分のポテンシャルの井戸の面積と、第２垂直転送レジスタ３５に形成される三電極分のポテンシャルの井戸の面積は同一であり、両者に湧きだす暗電荷は同一（等価）である。また、第２垂直転送レジスタ３５の駆動タイミングを、第１垂直転送レジスタ２５の二つの駆動タイミングごととしているため、水平転送レジスタ４５には同じ走査タイミングの電荷が各々掃き出される。従って、第２垂直転送レジスタ３５から水平転送レジスタ４５に掃き出された暗電荷を、第１垂直転送レジスタ２５から水平転送レジスタ４５に掃き出された信号電荷及び暗電の混合電荷に対する黒レベルの基準として、好適に用いることができる。
【００５１】
以上説明したような固体撮像素子１によれば、オプティカルブラック領域３の第２垂直転送レジスタ３５に高い読み出し電圧が作用することなく、この領域でのブレークダウンの発生を抑止して、安定した黒レベルを実現可能な固体撮像素子を提供することができる。
【００５２】
なお、以上では、オプティカルブラック領域３全域について図３及び図４(ａ)の構成とした構成例を示したが、以下のように２種類の構成とすることもできる。すなわち、オプティカルブラック領域３を、第１フォトセンサ２０及び第１垂直転送レジスタ２５と同様であるがその上方全体を遮光膜１８で覆った３Ａ領域と、第２フォトセンサ３０及び第２垂直転送レジスタ３５から構成される（図３及び図４(ａ)の）３Ｂ領域とから構成する。
【００５３】
そして、通常撮影時には３Ｂ領域の黒信号を黒レベルの基準として用い、長時間露光モードのように信号電流に対して相対的に暗電流の影響が大きく作用するようなモード時には３Ａ領域の黒信号を黒レベルの基準として用いる。
【００５４】
このような構成によれば、３Ａ領域はフォトセンサにＮ型拡散領域を備え、受光部２と同等のブレークダウン耐性を有しているため、ブレークダウンの影響で黒レベルが変動して画像が白浮きするようなことがない。なお、３Ａ領域と３Ｂ領域の切り替えは、図示しない制御部によって行われる。
【００５５】
また、受光領域２とオプティカルブラック領域３の境界部分にあっては、境界から複数列（例えば２〜８bit）について、黒レベルの演算処理から除外するように構成することができる。これにより、迷光による暗電荷の変動を抑止できるとともに、受光領域側の第１フォトセンサ２０においてブレークダウンが生じた場合の影響を除去し、安定した黒レベルを実現することができる。
【００５６】
また、実施例では、本発明をＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子に適用した場合について説明したが、本発明は係る方式のＣＣＤ撮像素子に限定されるものではない。例えば、ＦＩＴ方式等の他の方式のＣＣＤ撮像素子についても同様に適用し同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  固体撮像素子
２  受光領域
３  オプティカルブラック領域
４  水平転送出力部
１０  Ｎ型シリコン基板
２０  第１フォトセンサ
２１  Ｎ型拡散領域（Ｎ型拡散層）
２２  Ｐ型拡散領域（Ｐ型拡散層）
２４  読出しゲート
２５  第１垂直転送レジスタ
２９ａ  読出し電極
２９ｂ  第１転送電極
３０  第２フォトセンサ
３２  Ｐ型拡散領域（Ｐ型拡散層）
３５  第２垂直転送レジスタ
３９  第２転送電極
４５  水平転送レジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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