(57)【要約】【課題】簡単な構成で画素の間引き駆動が可能な固体撮像素子を得ること。【解決手段】マトリクス状に配置された複数の第１および第２光電変換部と、各光電変換部から電荷を読み出すための読み出し部と、読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され垂直転送部から転送される電荷を転送して出力する水平転送部を備え、読み出し部は第１および第２読み出しゲート電極からなり、第１光電変換部は第１読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第１チャネルストップ領域を備え、第２光電変換部は第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第２チャネルストップ領域を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された複数の第１および第２光電変換部と、各光電変換部から電荷を読み出すための読み出し部と、読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され垂直転送部から転送される電荷を転送して出力する水平転送部を備え、読み出し部は第１および第２読み出しゲート電極からなり、第１光電変換部は第１読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第１チャネルストップ領域を備え、第２光電変換部は第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第２チャネルストップ領域を備える固体撮像素子。
【請求項２】
第１および第２光電変換部が、それぞれ垂直方向に配置され、かつ、第１および第２光電変換素子の列が交互に水平方向に配列されてなる請求項１の固体撮像素子。
【請求項３】
第１光電変換部が垂直方向に配列されて第１列を形成し、第１および第２光電変換部が交互に垂直方向に配列されて第２列を形成し、かつ、第１および第２列が交互に水平方向に配列されてなる請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
第１および第２光電変換部を互いに分離する分離用チャネルストップ領域をさらに備え、第１および第２チャネルストップ領域が分離用チャネルストップ領域に結合されてなる請求項１記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に画素の情報を選択的に読み出すことができ、イメージセンサに適用可能な固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子を使用したビデオカメラ、スチルカメラなどにおいては、全受光部の情報を表示画面上に表示する必要がない場合がある、そのような場合、サンプリングする数を減らして表示する。この時垂直方向のサンプリング数を減らすと、偽信号（Ａｌｉａｓｉｎｇ）、特に、色偽信号が発生し、画質の劣化が大きくなる。このため垂直方向のサンプリング数を減らすのみならず、水平方向のサンプリング数も同時に少なくすれば、垂直方向のみのサンプリング数を減らすのと比較して、垂直方向のサンプリング間隔をそれほど大きくしなくても、同様のフレームレートを達成することが可能である。
【０００３】
２次元配列された受光部と、受光部の間に設けられ、受光部からの信号電荷を水平転送部へ転送するための垂直転送部と、水平転送部に接続された信号電荷検出部とを有するＣＣＤ撮像素子において、水平方向のサンプリングを行う一つの方法として、次のようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
つまり、図４に示すように、２次元配列された受光部１１と、前記受光部１１で光電変換された信号電荷を読み出し、且つ垂直方向へ転送する垂直転送部１２と、前記垂直転送部１２からの１行分の信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部１３とを有し前記水平転送部１３は少なくとも３相のゲート構造を有しかつ前記垂直転送部１２の信号電荷を掃き出すための掃き出し部１７とを備え、該掃き出し部１７は列の信号電荷を選択的に掃き出す機能１８を有する。
【０００５】
掃き出し部１７により掃き出された列の少なくとも１つの空転送電荷と掃き出されなかった列の１つの信号電荷とを前記水平転送部１３にて混合し、これにより、水平転送部１３内で、空転送電荷と信号電荷の画素混合を行い、実質上の水平画素間引きをカラーＣＣＤ固体撮像素子において実現し、水平の間引きされた全イメージの信号電荷を水平転送部で高速転送（転送レートではなく物理距離）することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、これを実現するためには、掃き出しドレイン１７と掃き出し用ゲート１８を形成するプロセスが必要であり、また取り残し無しで掃き出し動作を完了させることは非常に困難であるため、様々な対策を組み合わせてこれに対処する必要がある。
【０００７】
また他の方法としては、図５に示すように、偶数番目の垂直転送部１２の途中に掃き出し用のドレイン２７とドレインゲート２８とを形成したものである。ドレインゲート２８を介して信号電荷をドレイン２７に掃き出すことによって、水平方向のサンプリング数を半分とすることができる。この場合、受光部１１の領域と同じ面積の領域にドレイン２７およびドレインゲート２８を作成しなければならず、ＣＣＤを製造するのが困難である。
【０００８】
さらに他の方法としては、図６に示すように、水平転送部１３の下側（イメージエリアの反対側）に掃き出し用のドレイン３７およびドレインゲート３８を持ち、奇数番目の垂直転送に対応するドレイン３７とドレインゲート３８の間を分離するチャネルストップ３５を形成したものがある。偶数番目の垂直転送部１２を転送された信号電荷は、チャネルストップ３５が形成されていないので、ドレイン３７に掃き捨てられる。この場合、幅の広い水平転送部１３において、信号電荷検出部１６への水平方向の転送と、掃き出し用のドレイン３７への垂直方向の転送との両方向に完全に信号電荷を転送しなければならず、非常に困難である。
【０００９】
これらの課題を解決するための一つの方法として、次のようなものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
つまり、撮像素子の構造は、図７に示すように、Ｎ列、Ｍ行のマトリクス状に配置された複数の受光部４１、複数の受光部４１から読出された電荷を垂直方向に連なる受光部４１からの電荷を転送する垂直転送部４２と、垂直転送部４２と結合され、垂直転送部４２から転送された電荷を１水平期間周期で出力する水平転送部４３とを有し、Ｎ列の内でｎ列（Ｎおよびｎは、自然数であって、１≦ｎ＜Ｎ）の垂直転送部４２上に、上下の受光部に対する第１の読出しゲート電極４４Ａと、第２の読出しゲート電極４４Ｂとを、垂直方向に１画素ずらして交互に配置することである。
【００１０】
図７の構成によれば、第１の読出しゲート電極４４Ａによって、ｎ列の垂直転送部４２Ａにｎ列の受光部４１Ａから信号電荷を読出す構造を有しており、すなはち、第１の読出しゲート電極４４Ａのみに読出し電圧を印加することによって、Ｎ列からｎ列に画素数の間引きを実現させている。また、第１および第２の読出し電極４４Ａ、４４Ｂに読出し電圧を印加することによって、全画素から信号電荷を読出すこともできる。
【００１１】
この構成では、特定の列（例えば奇数番目の列）の受光部４１の信号電荷のみを垂直転送部４２に読出すことができ、水平方向で画素数を間引くことができるため、水平方向のサンプリング数を減少させ、フレームレートを変更することが可能となる。前記実施例では、イメージエリアの１列おきに間引きを行っているが、一般的には、水平Ｎ画素を持つインターライン型ＣＣＤ撮像素子において、ｎ（Ｎおよびｎは、自然数であって、１≦ｎ＜Ｎ）列の転送チャネルに上下に読出しゲート電極を持つ電極４４Ａと、読出しゲート電極を持たない電極（配線）４４Ｂを交互に配置した構造とされる。
【００１２】
そして、水平方向の画素間引きを行う場合には、電極４４Ａおよび４４Ｂの一方のみに読出しパルスを印加して、読出しパルスが印加された電極に対応する転送チャネルに受光部から信号電荷を読出す。一方、全画素読出し時には、電極４４Ａおよび４４Ｂに読出しパルスを印加する。このように、Ｎ列の内でｎ列の垂直転送部の転送チャンネルから信号電荷を読出すようになされる。
【００１３】
それによって、全画素を読出すフルフレームの動作モードと、水平方向の画素間引きを行う動作モードとを選択することが可能とされている。従って、画素間引きによって、フレームメモリ、ＶＲＡＭ（Ｖｉｄｅｏ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の大容量メモリを使用しなくても、撮像信号をモニタに表示することができる。また、高速で撮像信号を出力できることにより、オートフォーカス等の自動制御装置の応答を速くすることができる。
【００１４】
また、垂直方向のみに画素数を減らす場合に生じる、色偽信号の発生による画質の劣化、自動白バランスの誤判定の問題を生じない。また、水平転送部の下側にドレインおよびドレインゲートを設ける方法では、水平転送部で通常の転送と垂直転送との両者を行う必要があるが、この構成ではそのような必要がない。
【００１５】
しかしながら、図７の電極構造は、従来の電極構造とは形状が異なり、転送のみに使用されるゲート電極形状と、転送ゲート電極と読出しゲート電極を兼ねている電極形状が相違している。また、画素部構造は一般に、画素受光部に開口部を有した遮光膜がゲート電極を覆うように設けられ、受光部上部にはカラーフィルターやマイクロレンズが形成されている。
【００１６】
従って、画素ゲート電極の形状の相違はそのまま遮光膜形状やカラーフィルター形状さらにマイクロレンズ形状の形成状態に影響を及ぼすことになる。遮光膜形状、カラーフィルター形状、マイクロレンズ形状のバラツキは光学特性のバラツキとなるため、このような画素ゲート電極構造の採用は画質の低下を生む原因とになる。
【００１７】
上記のように、画素信号の信号間引きによりフレームレートを変化させる手段として、撮像センサーの構造自体を工夫してこれを実現する方法は以前から提案されている。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００１−２３０９７５公報
【特許文献２】
特開２０００−１５２０９３公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、必要な画素信号のみを選択的に読み出す上記のイメージセンサにおいては、上下画素部で異なった読出しゲート電極構造となる上、同時に読み出さなくてはならないことや、または水平転送部に掃き出しドレインを設けなくてはならないことなど、従来の読出しゲート電極構造または水平転送部の構造を変更しなければならないため、構造が複雑になり、製造を困難にしている。さらに図７のものでは垂直方向の間引きに関しては、上下２画素を同時に読み出さなければならないので、読み出し方法に制約が生じてしまう。
【００２０】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、簡単な構成で、必要な画素信号のみを選択的に読み出すことによって、フレームレートの切り替えができる固体撮像素子を提供するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、マトリクス状に配置された複数の第１および第２光電変換部と、各光電変換部から電荷を読み出すための読み出し部と、読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され垂直転送部から転送される電荷を転送して出力する水平転送部を備え、読み出し部は第１および第２読み出しゲート電極からなり、第１光電変換部は第１読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第１チャネルストップ領域を備え、第２光電変換部は第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第２チャネルストップ領域を備える固体撮像素子を提供するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
この発明による固体撮像素子は、マトリクス状に配置された複数の第１および第２光電変換部と、各光電変換部から電荷を読み出すための読み出し部と、読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され垂直転送部から転送される電荷を転送して出力する水平転送部を備え、読み出し部は第１および第２読み出しゲート電極からなり、第１光電変換部は第１読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第１チャネルストップ領域を備え、第２光電変換部は第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第２チャネルストップ領域を備える固体撮像素子を備えることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、第１および第２読み出しゲート電極の両方を動作させることにより、全光電変換部から電荷を垂直転送部へ読み出すことができる。そして、第２読み出しゲート電極のみを作動させることにより第１光電変換部からの電荷を、また、第１読み出しゲート電極のみを作動させることにより第２光電変換部からの電極を垂直転送部へ読み出すことができる。これによって、光電変換部を選択的に駆動して、いわゆる、間引きを行うことが可能となる。
【００２４】
ここで、複数の第１および第２光電変換部とは、被写体からの光をうけて、光量に応じた量の電荷を出力するフォトダイオードのような光電変換素子であり、具体的には、シリコン基板上に全面にボロンのイオン注入を行い、その後熱拡散により第１拡散層（Ｐ−層）を形成する。次に第１および第２読み出しゲート電極形成後に、セルフアライメントかつ、フォトレジストにより、リンのイオン注入を行い、第５拡散層（Ｎ層）を形成する。次にフォトレジストにより、ボロンのイオン注入を行い、光電変換部反転層である第６拡散層（Ｐ＋層）を形成することにより形成することができる。
【００２５】
また、各光電変換部から電荷を読み出すための読み出し部は第１および第２読み出しゲート電極から構成されるが、第１および第２読み出しゲート電極は、例えばシリコン基板上に全面に第１ゲート絶縁膜を熱酸化により形成する。次に第１読み出しゲート電極である第１ポリシリコン膜を、ＣＶＤを用いて形成する。次に第１ポリシリコン膜を規定の抵抗率にするため、第１ポリシリコン膜にリンのイオン注入をするか、ＰＯＣｌ３法により第１ポリシリコン膜にリンをドープする。次に第１ポリシリコン膜上にフォトレジストにより、第１読み出しゲート電極以外の領域の第１ポリシリコン膜を、反応性イオンエッチングを用いて、除去する。次に第２ゲート絶縁膜を第１読み出しゲート電極上に熱酸化により形成する。次に第２ゲート絶縁膜上に第２読み出しゲート電極である第２ポリシリコン膜を、ＣＶＤを用いて形成する。次に第２ポリシリコン膜を規定の抵抗率にするため、第２ポリシリコン膜にリンのイオン注入をするか、ＰＯＣｌ３法により第２ポリシリコン膜にリンをドープする。次に第２ポリシリコン膜上にフォトレジストにより、第２読み出しゲート電極以外の領域の第２ポリシリコン膜を、反応性イオンエッチングを用いて、除去することにより形成することができる。
【００２６】
読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部は、第１および第２読み出しゲート電極形成前に、第１拡散層（Ｐ−層）上にフォトレジストにより、ボロンのイオン注入を行い、第２拡散層（Ｐ層）を形成する。次にリンのイオン注入により、第３拡散層（Ｎ層）を形成することにより形成することができる。垂直転送部と結合され垂直転送部から転送される電荷を転送して出力する水平転送部は、垂直転送部形成と同時に、第１拡散層（Ｐ−層）上にフォトレジストにより、ボロンのイオン注入を行い、第２拡散層（Ｐ層）を形成する。次にリンのイオン注入により、第３拡散層（Ｎ層）を形成することにより形成することができる。
第１および第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止する第１および第２チャンネルストップ領域は、垂直転送部形成後、フォトレジストにより、ボロンのイオン注入を行い、第４拡散層（Ｐ＋層）を形成することにより形成することができる。
【００２７】
また、第１および第２光電変換部は、それぞれ垂直方向に配置され、かつ、第１および第２光電変換素子の列が交互に水平方向に配列されてもよい。
これによって、垂直方向の光電変換部列を、１列おきに間引くことができる。
第１光電変換部が垂直方向に配列されて第１列を形成し、第１および第２光電変換部が交互に垂直方向に配列されて第２列を形成し、かつ、第１および第２列が交互に水平方向に配列されてもよい。
これによって垂直方向の光電変換部列の１列おきの光電変換部を１行おきに間引くことが可能となる。
【００２８】
この発明において、変換部を互いに分離する分離用チャネルストップ領域をさらに備え、第１および第２チャネルストップ領域が分離用チャネルストップ領域に結合されてもよい。
この場合、分離用チャンネルストップ領域は、第１および第２チャネルストップ領域と同時に、フォトレジストにより、ボロンのイオン注入を行い、第４拡散層（Ｐ＋層）を形成することにより形成することができる。
【００２９】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
第１実施例
図１はこの発明の固体撮像装置の第１実施例の要部を示す上面図である。
図１に示すように入射光の光量に応じた量の電荷に光電変換する受光部（光電変換部）１Ａ，１Ｂが多数マトリクス状に配置され、受光部１Ａおよび受光部１Ｂの各列から読み出される電荷を垂直方向に転送する垂直転送部２、垂直転送部２と結合され垂直転送部２から転送された電荷を１水平期間周期で出力する水平転送部３とを有する。この実施例では、複数の受光部１Ａが垂直方向に配列された列と、受光部１Ｂが垂直方向に配列された列とが、交互に水平方向に配列されている。
【００３０】
また、図３の（Ａ），（Ｂ）に読み出し部を構成する読み出しゲート電極４Ａ，４Ｂの配線状態を示す。
受光部１Ａおよび受光部１Ｂの電荷読み出し部には第１読出しゲート電極４Ａと第２読出しゲート電極４Ｂが隣接して設けられている。受光部１Ａは、垂直転送部２との間に第１読み出しゲート電極４Ａの読み出し動作を阻止するための第１チャネルストップ領域５Ａを有し、また、受光部１Ｂは、垂直転送部２との間に第２読み出しゲート電極の読み出し動作を阻止するための第２チャネルストップ領域５Ｂを有しており、これらの領域５Ａ，５Ｂはそれぞれ受光部１Ａと受光部１Ｂを分離するためのチャネルストップ領域５Ｃに結合されるように形成されている。
【００３１】
これにより、まず、電荷蓄積期間に、受光部１Ａおよび受光部１Ｂの両方において、被写体からの入射光の光量に応じた量の信号電荷に光電変換される。その後、電荷読み出し期間において、第１および第２読み出しゲート電極４Ａ，４Ｂの両方を作動させることにより、受光部１Ａおよび受光部１Ｂの両方に蓄積されている信号電荷が垂直転送部２に読み出される。一方、第１読み出しゲート電極４Ａのみを作動させることにより第２チャネルストップ領域５Ｂの配されてない受光部１Ａに蓄積されている信号電荷のみが垂直転送部２に読み出され、第２チャネルストップ領域５Ｂの配されている受光部１Ｂの信号電荷は読み出されない。また、第２読み出しゲート電極４Ｂのみを作動させることにより第１チャネルストップ領域５Ａの配されてない受光部１Ｂに蓄積されている信号電荷のみが垂直転送部２に読み出される。
【００３２】
このように、第１読出しゲート電極４Ａおよび第２読出しゲート電極４Ｂで受光部１Ａおよび受光部１Ｂの両方の信号電荷を読み出すことにより、全画素読出しができる。一方、第１読み出しゲート電極４Ａ又は第２読み出しゲート電極４Ｂだけで受光部１Ａ又は１Ｂの信号電荷を読み出すことにより、選択的に信号電荷を読み出すことができ、水平方向に間引き読み出しができる。
【００３３】
第２実施例
この実施例では、第１チャネルストップ領域５Ａを有する受光部１Ａを垂直方向に配列して第１列を形成し、第１チャネルストップ領域５Ａを有する受光部１Ａと第２チャネルストップ領域５Ｂを有する受光部１Ｂとを交互に垂直方向に配列した第２列を形成し、かつ、第１列と第２列とを水平方向に交互に配列している。その他の構成は第１実施例と同等である。
図２に示す構成において、第１読み出しゲート電極４Ａおよび第２読み出しゲート電極４Ｂを作動させることにより、受光部１Ａおよび１Ｂの両方の信号電荷が読み出される。一方、第１読み出しゲート電極４Ａのみを作動させることにより、受光部１Ａの信号電荷のみが読み出される。また、第２読み出しゲート電極４Ｂのみを作動させることにより、受光部１Ｂの信号電荷のみが読み出される。
従って、第２実施例は水平方向および垂直方向の両方に関して画素間引き読み出しができるものである。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば簡単な構成で全画素を読み出すフルフレームの動作モードと、水平方向および／又は垂直方向の画素間引きを行う動作モードとを選択することが可能となる。従って、この画素間引きによって、フレームメモリ、ＶＲＡＭ等の大容量メモリを使用することなく、撮像信号をモニタに表示することができる。また、ゲート形状が全ての画素で同一となる為、ゲート上に形成される遮光膜、オンチップレンズ、及びカラーフィルター等を均一な加工精度で配列することができる。
【００３５】
また、この発明によれば、垂直方向のみに画素数を減らす場合に生じる、色偽信号の発生による画素の劣化がなく、さらに水平転送部に掃き出しドレインを設ける方法で必要とされる水平転送部における通常の転送と垂直転送が不要となるので、垂直転送部構造および水平転送部構造を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の要部を示す上面図である。
【図２】この発明の第２実施形態の図１対応図である。
【図３】この発明の第１および第２実施例の電極配線を示す上面図である。
【図４】従来例を示す説明図である。
【図５】他の従来例を示す説明図である。
【図６】さらに他の従来例を示す説明図である。
【図７】他の従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
２    垂直転送部
３    水平転送部
４Ａ  第１読み出しゲート
４Ｂ  第２読み出しゲート
５Ａ  第１チャネルストップ領域
５Ｂ  第２チャネルストップ領域
５Ｃ  チャネルストップ領域
【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】
2004288706.tif 000008
【図７】
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