(57)【要約】【課題】二系統に分岐された信号出力経路をもつ電荷結合素子における、分岐部分への実効的な電荷転送時間を長くして、転送効率を改善すること。【解決手段】分岐電極（Ｈ５）を、一次元状に配列された電荷結合素子の電極（Ｈ１，Ｈ２）から独立させ、分岐電極（Ｈ５）には、固定の直流電圧（Ｖ５）を印加する。分岐電極（Ｈ５）に隣接する上流側の電極（Ｈ１，Ｈ２）ならびに下流側の電極（Ｈ３，Ｈ４）の駆動電圧や駆動タイミング、構造等を工夫し、時間的に連続した階段状のポテンシャルが形成されるようにし、上流側の電極（Ｈ２）下のチャネル領域から転送された電荷が、蓄積されることなく、分岐電極（Ｈ５）下を通過し、さらに、下流側の電極（Ｈ３，Ｈ４）下のチャネル領域まで移動するようにする。【選択図】図１
2007201160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型半導体基板上において一次元状に配列された複数の連続した電極と、それらの電極の各々の下に形成されるチャネル領域と、を具備する一次元状の第１電荷結合素子と、該第１電荷結合素子の端部に連接する、二系統に分岐された第２電荷結合素子と、該第２電荷結合素子の各々により転送される電荷を電気信号として検出する検出部と、この検出部で検出された信号を出力する信号出力部と、を有する電荷結合素子であって、
前記二系統に分岐された第２電荷結合素子に隣接する、前記一次元状の第１電荷結合素子の端部の電極を、前記第１電荷結合素子の複数の連続した電極から独立させて所定の直流電位に固定すると共に、電荷転送方向下流側に向けて連なる階段状の電位ポテンシャルが形成されるように、前記第１電荷結合素子の前記電極および前記第２電荷結合素子の前記第１電荷結合素子の端部の電極と隣接する電極の各々を駆動し、前記第１電荷結合素子の電極下のチャネル領域からの信号電荷が、前記第１電荷結合素子から前記第２電荷結合素子への転送途中で蓄積されることなく、前記第１電荷結合素子における所定の直流電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を通過させ、前記第２電荷結合素子の電極下のチャネル領域に至るように転送することを特徴とする電荷結合素子。
【請求項２】
請求項１記載の電荷結合素子であって、
前記第１電荷結合素子の複数の連続した電極は、逆位相で所定周波数の２相クロックによって駆動され、また、前記第２電荷結合素子における前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極に隣接する電極の各々は、前記２相クロックの２倍の周期をもつ２相クロックによって駆動されることを特徴とする電荷結合素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の電荷結合素子であって、
前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を境として、該チャネル領域の電荷転送方向下流側のチャネル領域の一部に、電位ポテンシャルを増加させる導電型の不純物層を有することを特徴とする電荷結合素子。
【請求項４】
請求項１又は請求項２記載の電荷結合素子であって、
前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を境として、該チャネル領域の電荷転送方向上流側のチャネル領域の一部に、電位ポテンシャルを減少させる導電型の不純物層を有することを特徴とする電荷結合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分岐された信号出力経路を有する電荷結合素子に関し、特に、電荷転送効率の改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な、分岐された信号出力経路を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）の構成例を図１１に示した。図１１は電荷結合素子の要部の平面図である。この電荷結合素子は、信号出力経路を二系統に分岐させて信号電荷を交互に振り分けて出力することによって、信号を出力する部分の回路の動作周波数が１／２にされている。
【０００３】
図中、参照符号７は第一層電極であり、参照符号８は第２層電極であり、参照符号３，４は、各々の電極（７，８）下の不純物領域である。また、参照符号５は、フローティングディフュージョン領域（電位が固定されない不純物拡散層：ＦＤ１，ＦＤ２とも記載される）であり、参照符号９は出力回路である。
【０００４】
図示されるように、この電荷結合素子（ＣＣＤ）は、２相クロックＨ１，Ｈ２により駆動される電極を一次元状に配列して形成され、その一次元状のＣＣＤの端部においてチャネルが二系統に分岐され、その二系統に分岐された部分のＣＣＤの各々の電極は、２相クロックＨ３，Ｈ４によって駆動される。
【０００５】
一次元状のＣＣＤを転送されてきた電荷は、分岐されたＣＣＤ側の電極の駆動によって二系統のＣＣＤの各々に交互に分配されて出力される。すなわち、二系統に分岐されたＣＣＤの端部には、転送された信号電荷を検出するフローティングディフュージョン領域５（ＦＤ１，ＦＤ２）が設けられ、そのＦＤ１，ＦＤ２には、電位変動を検出し出力する出力回路９が接続されている。そして、各出力回路９の信号出力端（ＯＳ１，ＯＳ２）から検出信号が出力される。
【０００６】
また、ＦＤ１，ＦＤ２には、検出された信号電荷を所望のタイミングで排出するリセットトランジスタ（ＲＳ１，ＲＳ２）が接続される。各リセットトランジスタ（ＲＳ１，ＲＳ２）の共通接続点が、リセットドレイン（ＲＤ）となる。
【０００７】
ＣＣＤは２相駆動型であり、２相クロックの各々が第１層電極７、第２層電極８の各々に与えられる。第一層電極７の直下のチャネルは、第二層電極８の直下のチャネルより深い電位に形成され、信号電荷転送時には、第一層電極７の直下のチャネルに信号電荷が一時的に蓄積される。
【０００８】
図１１の構成をもつ電荷結合素子（ＣＣＤ）は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１のＣＣＤでは、チャネルの分岐後の電極がＯＧ電極からＦＤに至っている。図１１の説明では、便宜上、ＯＧを固定電圧として、その間に制御用電極Ｈ３及びＨ４を配していることにしているが、特許文献１におけるＯＧによる制御とＨ３，Ｈ４による制御は、等価なものと解釈される。
【０００９】
次に、このような電荷結合素子（ＣＣＤ）の動作について、図１２に示すＣＣＤを駆動するタイミングを示す信号波形図を用いて説明する。
φＨ１とφＨ２は、デューティ比５０％の互いに逆相となる２値パルスであり、図１１のＨ１，Ｈ２の各電極に印加される。φＨ３とφＨ４は、デューティ比５０％で互いに逆相となる2値パルスであり、φＨ１とφＨ２を2分周した周波数で駆動され、図１１の電極Ｈ３，Ｈ４に各々印加される。
【００１０】
φＲＳ１，φＲＳ２はφＨ３，φＨ４と同周波数であるが、デューティ比２５％であり、φＲＳ１はφＨ３の立ち上がりに一致し、φＲＳ２はφＨ４の立ち上がりに一致しており、各々、図１１の端子ＲＳ１，ＲＳ２に印加される。
【００１１】
図１３（ａ），（ｂ）は各々、図１１のＣ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ’で示す部分の構造を示す断面図である。
図示されるように、一導電型（例えばＮ型）の半導体基板１の表層側に、半導体基板１と反対導電型（Ｐ型）の不純物層２が形成され、不純物層２中の基板１の表面には不純物層２と反対導電型（Ｎ型）の不純物層３，４が形成されている。この不純物層３，４は４の方が相対的に薄い不純物層をなす。また、不純物層３，４の横方向端部には拡散層５が形成されている。
【００１２】
半導体基板１の上には絶縁層６を介して第一層電極７が形成され、この第一層電極７と基板１それぞれに対し絶縁層６，６ａを介して第二層電極８が形成されている。また、ＯＧ下には不純物層３を配置し、それ以外のＨ１〜Ｈ４の電極下は第一層電極７下で不純物層３を配置し、第二層電極８下には不純物層４を配置している。また、第一層電極７と第二層電極８は、図１１に示したように電気的に接続されており、図１２に示される各駆動信号によって駆動され、これによって、周知の２相駆動ＣＣＤの動作が実現される。
【００１３】
以下、二系統に分岐された部分のＣＣＤの駆動に関して説明する。
図１４は、図１２の信号波形図中に示される時刻ｔ１から時刻ｔ４に至るまでの期間における、図１３（ａ），（ｂ）のＣ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’部のポテンシャル図である。
図示されるように、電極Ｈ１，Ｈ２の駆動によって転送された信号電荷は、電極Ｈ３，Ｈ４の駆動制御によって、２つの出力端子（ＯＳ１とＯＳ２）に向けて分岐される。電極Ｈ３，Ｈ４の駆動周期は、電極Ｈ１，Ｈ２の駆動周期の２倍である。例えば、電極Ｈ１，Ｈ２が６０ＭＨｚで駆動されるとすると、電極Ｈ３，Ｈ４は３０ＭＨｚで駆動されることになる。
【特許文献１】特開平５−３０８５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、図１１に示される二系統に分岐された信号出力経路をもつＣＣＤでは、一次元状に配列されたＣＣＤから、二系統に分岐された部分のＣＣＤに電荷を転送する際に、その転送時間が長くかかるにもかかわらず、実際には、十分な転送時間を確保することが困難であり、このために、転送効率が低下する。
【００１５】
以下、この点につき具体的に説明する。
図１５は、図１１のＣＣＤを構成するチャネル領域における電荷の移動の様子を、模式的に示す図である。図１５は、図１２および図１４における時刻ｔ３における電荷の移動の様子を示している。なお、図中、電荷は“ｅ”で示している。
【００１６】
図示されるように、一次元状のＣＣＤにおいては、２相クロックに同期して、電荷は右側から左側に順調に転送される。しかし、一次元状のＣＣＤの最終端のチャネル領域から、二系統に分岐された部分のＣＣＤのチャネル領域への電荷転送は、単に、右から左に転送すればよいというものではなく、電荷転送距離が必然的に長くなるために状況が異なってくる。
【００１７】
すなわち、図１５では、分岐された一方（上側）のＣＣＤに電荷が転送されているが、その分岐されたＣＣＤに隣接する、一次元状に配列されたＣＣＤの最終端のチャネル領域（Ｘ）には、広く電荷が分布しており、図１５では、そのチャネル領域（Ｘ）の、図中下側の部分の電荷（ｅ）は、図中上側に向けて大きく移動した後、分岐された一方（図中上側）のＣＣＤのチャネルに流れ込む。電荷の転送時間は、ポテンシャルと転送距離によって決まるため、転送距離が長くなると、転送時間が長くかかることになる。
【００１８】
したがって、二系統に分岐した部分のＣＣＤへの電荷転送時間が、十分に長くとれれば、転送効率は改善することになるが、実際は、２相駆動の周期によって電荷転送時間は厳密に規定されており、二系統に分岐した部分のＣＣＤへの電荷転送時間だけを長くすることはできない。
【００１９】
図１６は、図１２に示される各転送パルスの、実際に近い詳細な波形と位相を示すタイミング図である。
図１６中、Tst１，Tst２は各々、φＨ１のＬ，Ｈの期間（φＨ２のＨ，Ｌの期間）であり、Tsrf１，Tsrf２は遷移時間である。また、Tpt1，Tpt2は各々、φＨ３のＨ，Ｌの期間（φＨ４のＬ，Ｈの期間）であり、Tprf１，Tprf２は遷移時間である。また、Tsp3，Tsp4は、Tst1，Tst2に対応する期間である。
【００２０】
図１２のt１〜ｔ4に示す期間において、電極（Ｈ１，Ｈ２）下のチャネル内の電荷転送時間は、図１６のTst1とTst2によって決まる。つまり、２層クロックφＨ１，φＨ２によって、信号電荷の蓄積／転送を繰り返しているため、実効的な転送時間として使用できるのは、φＨ１（φＨ２）の１／２周期のうちの、遷移時間を除く部分（つまりTst1とTst2）ということになる。
【００２１】
同様に、電極Ｈ３，Ｈ４に隣接した電極Ｈ１（図１５中のチャネル領域Ｘ上の電極であり、以下、「分岐電極」と称す）から、電極（Ｈ３，Ｈ４）下のチャネル領域への電荷転送時間は、Tsp3，Tsp4となる。つまり、信号出力経路を二系統に分岐して信号電荷を交互に振り分けて出力することによって、信号を出力する部分の回路の動作周波数は１／２となって、その部分に関連する回路の負担は軽減されるものの、電荷の転送時間に関しては、従来と何ら変わらず、実効的な転送時間として使用できるのは、φＨ３（φＨ４）ののうちのTsp3，Tsp4（＝Tst1とTst2）のみということになる。
【００２２】
このように、二系統に分岐される部分のＣＣＤへの電荷転送には、そのデバイスの構造上、必然的に余分に時間がかかるのに対し、実際の電荷の転送時間は、従来と同様に２相クロックの周波数に支配され、転送時間を長くすることは困難である。この場合、所定の転送時間内に電荷転送が完了しないことが起こり得て、電荷の転送効率が低下する。
【００２３】
従って、例えば、フォトダイオードが二次元状に配列された固体撮像装置の水平ＣＣＤに、図１１のＣＣＤを用いた場合には、画像の横流れや解像度の劣化を招く場合がある。また、フォトダイオード上にカラーフィルタを積層し、カラー信号を得る固体撮像装置の場合は、色偽信号が生じて画像の劣化を招く場合もあり得る。
【００２４】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二系統に分岐された信号出力経路をもつＣＣＤにおける、分岐部分への実効的な電荷転送時間を長くして、転送効率を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係る上記目的は、以下の構成によって達成される。
（１）  一導電型半導体基板上において一次元状に配列された複数の連続した電極と、それらの電極の各々の下に形成されるチャネル領域と、を具備する一次元状の第１電荷結合素子と、該第１電荷結合素子の端部に連接する、二系統に分岐された第２電荷結合素子と、該第２電荷結合素子の各々により転送される電荷を電気信号として検出する検出部と、この検出部で検出された信号を出力する信号出力部と、を有する電荷結合素子であって、前記二系統に分岐された第２電荷結合素子に隣接する、前記一次元状の第１電荷結合素子の端部の電極を、前記第１電荷結合素子の複数の連続した電極から独立させて所定の直流電位に固定すると共に、電荷転送方向下流側に向けて連なる階段状の電位ポテンシャルが形成されるように、前記第１電荷結合素子の前記電極および前記第２電荷結合素子の前記第１電荷結合素子の端部の電極と隣接する電極の各々を駆動し、前記第１電荷結合素子の電極下のチャネル領域からの信号電荷が、前記第１電荷結合素子から前記第２電荷結合素子への転送途中で蓄積されることなく、前記第１電荷結合素子における所定の直流電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を通過させ、前記第２電荷結合素子の電極下のチャネル領域に至るように転送することを特徴とする電荷結合素子。
【００２６】
本発明の電荷結合素子によれば、電極構造と駆動方式の変更によって、その２相クロックの周波数による支配を断ち切り、より長い転送時間を確保できるようになる。すなわち、分岐電極を、一次元状に配列されたＣＣＤの電極から独立させ、その分岐電極には、所定の直流電位を印加する。つまり、分岐電極下のポテンシャルは変化しない。そして、その分岐電極に隣接する上流側の電極ならびに下流側の電極（つまり、二系統に分岐されたＣＣＤの電極）を駆動する電圧や駆動タイミング等を工夫し、時間的に連続した階段状の電位ポテンシャルが形成されるようにしている。これによって、分岐電極に隣接する上流側の電極の下のチャネル領域から転送された電荷が、蓄積されることなく、分岐電極下をそのまま「通過」し、そして、さらに、下流側の電極（つまり、二系統に分岐されたＣＣＤの電極）下のチャネル領域まで移動するようになる。上記のとおり、分岐電極の電位は所定の直流電位に固定されているため、高周波数の２相クロックによる電荷転送時間の規制は、ここで断ち切られており、上流側から押し出された電荷は、蓄積されずに、分岐電極下を「通過」し、さらに二系統に分岐したＣＣＤのチャネル領域に流れ込む。このため、実効的な転送時間として、その二系統に分岐されたＣＣＤの電極の駆動周期の略１／２を有効に使うことが可能となる。よって、転送時間が長くなり、転送効率が改善され、画質低下が生じることが防止される。
【００２７】
（２）  （１）記載の電荷結合素子であって、前記第１電荷結合素子の複数の連続した電極は、逆位相で所定周波数の２相クロックによって駆動され、また、前記第２電荷結合素子における前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極に隣接する電極の各々は、前記２相クロックの２倍の周期をもつ２相クロックによって駆動されることを特徴とする電荷結合素子。
【００２８】
この電荷結合素子によれば、分岐側の電極に隣接する下流側の電極（つまり、二系統に分岐された第２電荷結合素子の電極）を、分岐側の電極に隣接する上流側の電極（第１電荷結合素子の電極）の１／２の周波数の２相クロックで駆動し、信号出力端の周囲の回路の負担を軽減することができる。
【００２９】
（３）  （１）又は（２）記載の電荷結合素子であって、前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を境として、該チャネル領域の電荷転送方向下流側のチャネル領域の一部に、電位ポテンシャルを増加させる導電型の不純物層を有することを特徴とする電荷結合素子。
【００３０】
この電荷結合素子によれば、第１電荷結合素子の端部の電極下のチャネル領域を境として、電荷転送方向下流側のチャネル領域の一部に電位ポテンシャルを増加させる導電型の不純物層を形成することにより、第１電荷結合素子から第２電荷結合素子にかけて連続した階段状の電位ポテンシャルが構造上形成されることになる。これによって、第１電荷結合素子のチャネル領域から転送された電荷を、途中で蓄積されることなく第２電荷結合素子のチャネル領域まで移動させることができる。
【００３１】
（４）  （１）又は（２）記載の電荷結合素子であって、前記第１電荷結合素子の所定の固定電位に固定された端部の電極下のチャネル領域を境として、該チャネル領域の電荷転送方向上流側のチャネル領域の一部に、電位ポテンシャルを減少させる導電型の不純物層を有することを特徴とする電荷結合素子。
【００３２】
この電荷結合素子によれば、第１電荷結合素子の端部の電極下のチャネル領域を境として、電荷転送方向上流側のチャネル領域の一部に電位ポテンシャルを減少させる導電型の不純物層を形成することにより、第１電荷結合素子から第２電荷結合素子にかけて連続した階段状の電位ポテンシャルが構造上形成されることになる。これによって、第１電荷結合素子のチャネル領域から転送された電荷を、途中で蓄積されることなく第２電荷結合素子のチャネル領域まで移動させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明により、信号出力経路が二系統に分岐された構造をもつ電荷結合素子においても、分岐部分への電荷転送時間を長くすることが可能となり、電荷の転送効率を改善することが可能となる。従って、フォトダイオードが二次元状に配列された固体撮像装置の水平ＣＣＤ等に用いられた場合、画像の横流れや解像度の劣化が生じない。また、フォトダイオード上にカラーフィルタを積層し、カラー信号を得ようとした場合に、色偽信号が生じない。よって、良好な画質を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、本発明に係る電荷結合素子の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る、二系統に分岐された信号出力経路をもつ電荷結合素子の構成を示す要部の平面図である。
本実施形態の電荷結合素子１００においては、信号出力経路を二系統に分岐させて信号電荷を交互に振り分けて出力することで、信号を出力する部分の回路の動作周波数を１／２にして回路の負担を軽減している。
【００３５】
固体撮像素子１５０は、一次元状に配列される複数の光電変換素子（フォトダイオード）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，…、フォトダイオードから読み出される信号電荷を一時的に蓄積するラインメモリ２３、一次元状に配列されて端部近傍で２系統にチャネルが分岐される電荷結合素子（ＨＣＣＤ：分岐前が第１電荷結合素子、分岐後が第２電荷結合素子）１００、分岐後のＨＣＣＤの各端部に設けられ、転送された信号電荷を検出するフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域２５、ＦＤ領域２５の電位変動を検出して出力する出力回路（出力アンプ）２９を含んで構成される。さらに、ＦＤ領域２５は検出された信号電荷を所望のタイミングで排出するリセットトランジスタＲＳ１及びＲＳ２とリセットドレインＲＤとを有する。なお、ラインメモリ２３は省略して構成することもできる。
【００３６】
図中、第一層電極２７、第２層電極２８、各々の電極（２７，２８）下の不純物領域２３，２４、ＦＤ領域２５、出力回路２９は、図１０に示すものと同様であるが、Ｈ１，Ｈ２の一部をＨ５に変更している点で異なっている。
【００３７】
Ｈ１，Ｈ２は、各クロックで駆動される一次元状に連続して配列された電極で、それぞれ逆位相で所定周波数の２相クロックであるφＨ１，φＨ２が入力される。また、Ｈ３，Ｈ４は、各クロックで駆動される二系統に分岐された部分の電極を示す。φＨ３，φＨ４は、二系統に分岐された部分の電極を駆動する２相クロックで、φＨ１，φＨ２の２倍の周期をもつ。また、ＯＧは、二系統に分岐されたＨＣＣＤの信号電荷を、ＦＤ領域２５（ＦＤ１，ＦＤ２）に転送する部分の電極である。
【００３８】
このように、電荷結合素子（ＨＣＣＤ）は、２相クロックφＨ１，φＨ２により駆動される電極を備え、一次元状に配列されることで形成される。そして、その一次元状のＨＣＣＤの端部においてチャネルが二系統に分岐され、その二系統に分岐された部分のＨＣＣＤの各々の電極は、２相クロックφＨ３，φＨ４によって駆動される。
【００３９】
一次元状の第１電荷結合素子を転送されてきた電荷は、分岐された第２電荷結合素子側の電極の駆動によって二系統の電荷結合素子の各々に交互に分配されて出力される。すなわち、二系統に分岐された第２電荷結合素子の端部に設けられ、転送された信号電荷を検出するＦＤ領域２５（ＦＤ１，ＦＤ２）のそれぞれに、電位変動を検出し出力する出力回路２９が接続されている。これら各出力回路２９の信号出力端（ＯＳ１，ＯＳ２）からそれぞれの検出信号が出力される。
【００４０】
ＦＤ１，ＦＤ２には、検出された信号電荷を所望のタイミングで排出するリセットトランジスタ（ＲＳ１，ＲＳ２）が接続される。各リセットトランジスタ（ＲＳ１，ＲＳ２）の共通接続点が、リセットドレイン（ＲＤ）となる。
【００４１】
ＨＣＣＤは２相駆動型であり、２相クロックの各々が第１層電極２７、第２層電極２８の各々に与えられる。第一層電極２７の直下のチャネルは、第二層電極２８の直下のチャネルより深い電位に形成され、信号電荷転送時には、第一層電極２７の直下のチャネルに信号電荷が一時的に蓄積される。
【００４２】
図１１に示される従来の電荷結合素子では、分岐電極Ｈ５（一次元状に配置されたＣＣＤの最終端の電極であり、分岐された電荷結合素子に隣接する電極である）下のチャネル領域から、二系統に分岐された部分の電荷結合素子のチャネル領域への電荷転送の時間は、高周波数の２相クロック（φＨ１，φＨ２）の周期によって支配されていたが、図１に示す本発明の電荷結合素子では、電極構造と駆動方式の変更によって、その２相クロック（φＨ１，φＨ２）の周波数による支配を断ち切り、より長い転送時間を確保できるようにする。
【００４３】
すなわち、図１のＨＣＣＤでは、分岐電極（Ｈ５）を、一次元状に配列されたＨＣＣＤの電極２７，２８（Ｈ１，Ｈ２）から独立させ、その分岐電極（Ｈ５）には、所定の直流電圧Ｖ５を印加する。つまり、分岐電極（Ｈ５）下のポテンシャルは変化しない。
【００４４】
そして、その分岐電極（Ｈ５）に隣接する電荷搬送方向上流側の電極（Ｈ２）ならびに下流側の電極Ｈ３，Ｈ４（つまり、二系統に分岐された第２電荷結合素子の電極）を駆動する電圧や駆動タイミング、構造等を工夫し、時間的に連続した階段状のポテンシャルが形成されるようにする。
【００４５】
図２（ａ），（ｂ）は、各々、図1のＣ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ’で示す部分の構造を示すデバイスの断面図である。
図示されるように、一導電型（例えばＮ型）の半導体基板１０の表層側に、半導体基板１０と反対導電型（Ｐ型）の不純物層１２が形成され、不純物層１２中の基板１０の表面には不純物層１２と反対導電型（Ｎ型）の不純物層２３，２４が形成されている。この不純物層２３，２４は２４の方が相対的に薄い不純物層をなす。また、不純物層２３，２４の横方向端部には拡散層２５が形成されている。
【００４６】
半導体基板１０の上には絶縁層２６を介して第一層電極２７が形成され、この第一層電極２７と基板１０それぞれに対し絶縁層２６，２６ａを介して第二層電極２８が形成されている。また、ＯＧ下には不純物層２１を配置し、Ｈ１〜Ｈ５の電極下は第一層電極２７下で不純物層２３を配置し、第二層電極２８下には不純物層２４を配置している。また、ＯＧからＨ３，Ｈ４及びＨ５の各々下のチャネル内に新たに不純物層２９を形成している。不純物層２9は，不純物層１２と反対導電型である。また、第一層電極２７と第二層電極２８は、図１に示したように電気的に接続されており、図１２に示される各駆動信号によって駆動され、これによって、周知の２相駆動型ＣＣＤの動作が実現される。
【００４７】
上記構成によって、分岐電極（Ｈ５）に隣接する上流側の電極（Ｈ２）の下のチャネル領域から送り出された信号電荷が、蓄積されることなく、分岐電極（Ｈ５）下を通過し、そして、さらに、下流側の電極Ｈ３，Ｈ４（二系統に分岐された第２電荷結合素子の電極）下のチャネル領域まで移動するようになる。
【００４８】
分岐電極の電位は所定の直流電位（Ｖ５）に固定されているため、高周波数の２相クロック（φＨ１，φＨ２）による電荷転送時間の規制は、ここで断ち切られており、上流側から押し出された電荷は、蓄積されずに、分岐電極（Ｈ５）下を通過し、さらに二系統に分岐した電荷結合素子のチャネル領域に流れ込む。このため、実効的な転送時間として、その二系統に分岐された電荷結合素子の電極の駆動周期の略１／２を有効に使うことが可能となる。よって、転送時間が長くなり、転送効率が改善され、画質低下が生じることが防止される。
【００４９】
ここで、上記した転送時間が長くなる理由を詳述する。
図３は、図１のＨＣＣＤのＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’におけるポテンシャルの変化を示す図である。
図３において、実線が各々電極に印加される駆動信号がローレベルである時の電位（ポテンシャル）分布であり、点線がハイレベルである時の電位（ポテンシャル）分布である。図３の中央に斜線を施して示される電極（Ｈ５）に対応するポテンシャルは、固定の直流電圧Ｖ５によって固定された、時間的に変化しないポテンシャルである。また、図中のＨ３，Ｈ４、ＯＧの電位が、Ｈ１，Ｈ２側の電位より高く（図中では低く）なっているのは、不純物層２９の存在により、ポテンシャル分布が変化しているためである。
【００５０】
ここでは、この電極（Ｈ５）に対応する固定されたポテンシャルが一種の障壁として存在している。いま、上流側の電極（Ｈ２）の駆動信号がローレベルとなって、そのポテンシャルが、電極（Ｈ５）のポテンシャルよりも低くなると（図３中、実線で示される電極Ｈ２のポテンシャル）、信号電荷は、電極（Ｈ５）下のチャネル領域に転送され、信号電荷は電極（Ｈ５）のチャネル領域を通過していく。
【００５１】
そして、下流側の電極（Ｈ３，Ｈ４）の駆動信号がハイレベルに変化することによって、電極（Ｈ５）下のポテンシャル（固定）に連なるような階段状のポテンシャルがさらに形成され、電極（Ｈ５）下を通過した信号電荷は、電極（Ｈ５）の領域に蓄積されることなく、引き続いて高電位側に転送される。よって、信号電荷は無理なく、二系統に分岐された電荷結合素子のチャネル領域へ確実に転送されることになる。
【００５２】
なお、図３から明らかなように、隣接電極との相対電位が満足されるように、ＦＤ１，ＦＤ２の電圧およびＯＧの電圧、電極Ｈ５に印加される電圧Ｖ５の各値を適正に選択する。勿論これに限らず、例えば不純物層２９を設けずに、図１３と同様な層構成にした場合には、各電極への印加電圧を図３に示すような階段状となるように設定すればよい。
【００５３】
図４は、図１のＨＣＣＤの駆動信号の波形と駆動タイミングを示すタイミング図である。図４が、図１２と異なる点は、電圧Ｖ５が、所定の直流電圧に固定されている点、ならびに、φＨ１，φＨ２の位相が反転している点である。
図５は、図４の信号波形図中に示される時刻ｔ１から時刻ｔ４に至るまでの期間における、図２（ａ），（ｂ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’部のポテンシャル図である。
【００５４】
分岐電極（Ｈ５）直前の電極（Ｈ２）がLになるｔ１，ｔ３において、分岐電極（Ｈ５）を介して電極（Ｈ３，Ｈ４）直下のチャネル領域に電荷が転送される。従来は、例えば、分岐電極（Ｈ５）の直前の電極（Ｈ２）がローレベルのときのみしか電荷を転送できなかったが、本発明の構造では、電極（Ｈ２）がハイレベルに復帰することとは関係なく、一度、転送された電荷はそのまま分岐電極（Ｈ５）のチャネル領域を通過していくため、実効的な電荷転送を長くとることが可能となる。
【００５５】
図６は、図４に示される各転送パルスの、実際に近い詳細な波形と位相を示すタイミング図である。
図６中、Tst1，Tst2は各々、φＨ１のＬ，Ｈの期間（φＨ２のＨ，Ｌの期間）であり、Tsrf1，Tsrf2は遷移時間である。また、Tpt1，Tpt2は各々、φＨ３のＨ，Ｌの期間（φＨ４のＬ，Ｈの期間）であり、Tprf1，Tprf2は遷移時間である。また、Tsp3，Tsp4は、Tst1，Tst2に対応する期間である。
【００５６】
図１６を参照して説明したように、図１１の従来構造の場合、分岐電極（Ｈ５）から、電極（Ｈ３，Ｈ４）下のチャネル領域への電荷転送時間は、Tsp3，Tsp4（＝Tst1，Tst2）に限定されていた。つまり、信号出力経路を二系統に分岐して信号電荷を交互に振り分けて出力することによって、信号を出力する部分の回路の動作周波数は１／２となって、その部分に関連する回路の負担は軽減されるものの、電荷の転送時間に関しては、実効的な転送時間として使用できるのは、φＨ３（φＨ４）の１／２周期のうちの、遷移時間を除く部分（つまりTsp3とTsp4）であった。
【００５７】
これに対し、図１の本発明の構造を採用した場合、時刻ｔ１，ｔ３において、分岐電極（Ｈ５）の直前のＨ２がＬになる期間はTst1，Tst2の期間である。しかし、分岐電極（Ｈ５）下のチャネルから分岐部分の電極（Ｈ３，Ｈ４）下への電荷の転送期間は、Tsp3，Tsp4（＝Tst1，Tst2）に何ら拘束されず、φＨ３（φＨ４）の１／２周期のうちの、遷移時間を除く部分（つまりＴpt1，Tpt2）の全体を、電荷転送時間として有効に利用することが可能となる。
【００５８】
このように、従来例では、分岐電極下のチャネルから分岐部分のチャネルへの電荷転送時間がTst1，Tst2であったものが、本発明の適用により、Tpt1，Tpt2の如く長い転送時間を確保できるようになり、よって、転送効率を改善することができる。
【００５９】
なお、図３に示されるような、連続した階段状のポテンシャルを適正に形成するためには、図２に示すように、チャネル領域（３，４）とウエル領域２との境界の一部に、新たな不純物層２９を設けるのが望ましい（ただし、この不純物層２９が必須というわけではない）。また、図２に示す不純物層２９は一例であって、例えば、次のようにしてもよい。
【００６０】
図７でも不純物層３０が設けられているが、図２と比較すると、その位置が異なっている。すなわち、図７においては不純物層３０が設けられるのは、ＯＧからＨ３，Ｈ４の各々下のチャネル内までとなる。
【００６１】
図８では、Ｈ１，Ｈ２下のチャネル内に新たに不純物層３２を形成されている。不純物層３２は、ウエル２と同一導電型である。
【００６２】
図９でも不純物層３４が設けられているが、その位置が異なっている。すなわち、図９では、不純物層３４が設けられるのは、Ｈ１，Ｈ２下からＨ５下のチャネル内までとなる。
【００６３】
図２、図７〜図９の各デバイスは、新たな不純物層の導電型や形成位置に若干の違いがあるものの、基本構造は同じであり、駆動電圧が印加された時のチャネル電位は、すべて共通である。
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、信号出力経路が二系統に分岐された構造をもつ電荷結合素子においても、分岐部分への電荷転送時間を長くすることが可能となり、電荷の転送効率を改善することが可能となる。
なお、本発明で示した分岐電極（Ｈ５）は、従来例との差異をわかり易くするために二層の電極にて形成しているが、一層の電極で形成することも可能である。この場合も、上記と同様の効果が得られる。
【００６５】
本構成により、フォトダイオードが二次元状に配列された固体撮像装置のＨＣＣＤ等に用いられた場合、画像の横流れや解像度の劣化が生じない。また、フォトダイオード上にカラーフィルタを積層し、カラー信号を得ようとした場合に、色偽信号が生じない。よって、良好な画質を実現することができる。
【００６６】
なお、図１の電荷結合素子は、フォトダイオード（２０ａ〜２０ｃ）が一次元状に配列された所謂リニアイメージセンサの転送路及び電荷検出部に用いた一例で説明したが、これに限らず、図１０に示すような、フォトダイオード４０が二次元状に配列された所謂エリアイメージセンサの水平転送路及び電荷検出部に用いられるものである。なお、図１０において、参照符号４１は読み出し部、参照符号４２は垂直転送路、参照符号４３は水平転送路である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、分岐部分への電荷転送時間を長くすることを可能として電荷の転送効率を改善するという効果を奏し、したがって、信号出力経路が二系統に分岐された構造をもつ電荷結合素子に用いて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る、二系統に分岐された信号出力経路をもつ電荷結合素子の構成を示す要部の平面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、各々、図1のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’で示す部分の構造を示すデバイスの一例を示す断面図である。
【図３】図１のＨＣＣＤのＡ−Ａ’，Ｃ−Ｃ’におけるポテンシャルの変化を示す図である。
【図４】図１のＨＣＣＤの駆動信号の波形と駆動タイミングを示すタイミング図である。
【図５】図４の信号波形図中に示される時刻ｔ１から時刻ｔ４に至るまでの期間における、図２（ａ），（ｂ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’部のポテンシャル図である。
【図６】図４に示される各転送パルスの、実際に近い詳細な波形と位相を示すタイミング図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、各々、図1のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’で示す部分の構造を示すデバイスの他の例を示す断面図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、各々、図1のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’で示す部分の構造を示すデバイスの他の例を示す断面図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、各々、図1のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’で示す部分の構造を示すデバイスの他の例を示す断面図である。
【図１０】エリアイメージセンサの全体構成を示す図である。
【図１１】従来の、分岐された信号出力経路をもつ電荷結合素子の構成例を示す要部の平面図である。
【図１２】図１１のＣＣＤを駆動するタイミングを示す信号波形図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は各々、図１１のＣ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ’で示す部分の構造を示す断面図である。
【図１４】図１２の信号波形図中に示される時刻ｔ１から時刻ｔ４に至るまでの期間における、図１３（ａ），（ｂ）のＣ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’部のポテンシャル図である。
【図１５】図１１のＨＣＣＤを構成するチャネル領域における電荷の移動の様子を、模式的に示す図である。
【図１６】図１２に示される各転送パルスの、実際に近い詳細な波形と位相を示すタイミング図である。
【符号の説明】
【００６９】
２３，２４  不純物領域
２５  フローティングディフュージョン領域（ＦＤ１，ＦＤ２）
２７  第一層電極
２８  第二層電極
Ｈ５  分岐電極
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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