(57)【要約】【課題】信号電荷の移動をスムースに行うことができ、しかも、低電圧駆動を可能としたＣＣＤ型固体撮像素子を提供する。【解決手段】受光量に応じて光電変換素子が蓄積した信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３と、垂直転送路２３を転送されてきた信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）２５と、水平転送路の端部に設けられ該端部まで転送されてきた信号電荷の量に応じた電圧値信号を出力する出力部２６とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、水平転送路２５の電位を垂直転送路２３の電位と略同一に設定し、水平転送路２５と垂直転送路２３との接続箇所に垂直転送路２３から受け取った信号電荷を一時蓄積し制御電圧が印加されたとき信号電荷を水平転送路２５に移動させる電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）２７を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じて光電変換素子が蓄積した信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路を転送されてきた前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路と、該水平転送路の端部に設けられ該端部まで転送されてきた前記信号電荷の量に応じた電圧値信号を出力する出力部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記水平転送路の電位を前記垂直転送路の電位と略同一に設定し、前記水平転送路と前記垂直転送路との接続箇所に該垂直転送路から受け取った前記信号電荷を一時蓄積し制御電圧が印加されたとき該信号電荷を前記水平転送路に移動させる電荷一時蓄積部を設けたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
【請求項２】
前記略同一に設定する代わりに、前記水平転送路の電位を、前記電荷一時蓄積部の電位より低く設定したことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷一時蓄積部を用いて前記信号電荷の画素加算を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルカメラ等に搭載されるＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子に係り、特に、低消費電力化を図ることができるＣＣＤ型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。従来のＣＣＤ型固体撮像素子１の半導体基板表面部には多数の光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ）２がアレイ状に配列形成され、フォトダイオード２の各列の左隣には夫々垂直転送路（ＶＣＣＤ）３が形成され、垂直転送路３とその右列の各フォトダイオード２とは夫々トランスファーゲート（読み出しゲート（ＴＧ））４を介して接続されている。半導体基板下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）５が形成されており、水平転送路５の端部に出力部６が設けられている。
【０００３】
斯かるＣＣＤ型固体撮像素子１では、シャッタ「開」期間の受光量に応じた信号電荷が各フォトダイオード２に蓄積される。そして、信号電荷の読み出し動作が開始すると、フォトダイオード２の蓄積電荷（信号電荷）はトランスファーゲート４を介して垂直転送路３に移動される。垂直転送路３に移動された信号電荷は、垂直転送パルスに従い垂直転送路３に沿って水平転送路５まで転送され、次に水平転送パルスに従い水平転送路５に沿って転送され、最後に、信号電荷に応じた電圧信号が出力部６から出力される。
【０００４】
図５は、図４に示す従来のＣＣＤ型固体撮像素子の電位図（ポテンシャルプロファイル）である。垂直転送路（ＶＣＣＤ）３や水平転送路（ＨＣＣＤ）５等の各部の図示する電位（ポテンシャル）は、各部３，５，…に外部から電圧を印加していない状態における電位を示しており、各部３，５，…の不純物濃度を設計することで図５に示す電位を実現している。
【０００５】
信号電荷がフォトダイオード（ＰＤ）２に蓄積された後、トランスファーゲート（ＴＧ）４に読出電圧を印加すると、フランスファーゲート（ＴＧ）４の障壁が下がり、フォトダイオード（ＰＤ）２の蓄積電荷が垂直転送路（ＶＣＣＤ）３に移動する。
【０００６】
垂直転送路３を転送されてきた信号電荷は、垂直転送路３の端部において、水平転送路５のバリア（ＢＡ）５ａを通って水平転送路（ＨＣＣＤ）５に移動する。出力部６においては、水平転送路５から転送されてきた信号電荷がアウトプットゲート（ＯＧ：水平転送路最終段）部８を通ってフローティングディフュージョン（ＦＤ）部９に移動し、フローティングディフュージョン（ＦＤ：電荷検出）部９の信号電荷量に比例する電圧値信号が、出力アンプ（ＡＭＰ）１０によって外部に出力される。
【０００７】
電圧値信号が出力アンプ１０から出力された後、リセット（ＲＳ）ゲート部１１にリセット電圧が印加されると、リセットゲート部１１の障壁が下がってＦＤ部９の信号電荷がリセットドレイン（ＲＤ）部１２に廃棄され、その後に、次の画素（フォトダイオード）の信号電荷がＦＤ部９に送られてくる様になっている。
【０００８】
尚、従来のＣＣＤ型固体撮像素子に関連するものとして、下記の特許文献１がある。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１―８８７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図５で説明したように、ＣＣＤ型固体撮像素子では、フォトダイオード（ＰＤ）２→垂直転送路（ＶＣＣＤ）３→水平転送路（ＨＣＣＤ）５→ＯＧ部８→ＦＤ部９→ＲＤ部１２と信号電荷が順に移動するが、この信号電荷の移動がスムースに行われるように、信号電荷の流れに沿って順に電位が高くなる（信号電荷が「電子」のため）よう各部２，３，５，…の不純物濃度が設定される。このため、従来のＣＣＤ型固体撮像素子は、出力部６のリセットドレイン（ＲＤ）部１２に１５Ｖ程度の高電圧が印加される構成になっている。
【００１１】
出力アンプ１０の電源電圧（アウトプットドレイン（ＯＤ）電圧）として、リセットドレイン（ＲＤ）部１２の印加電圧を共通に使用する場合が多いため、出力アンプ１０は１５Ｖ程度の高電圧で駆動され、これがＣＣＤ型固体撮像素子の消費電力を高める要因になっている。
【００１２】
図５に示すリセットドレイン（ＲＤ）部１２の電位を下げるように不純物濃度を設計すれば、ＣＣＤ型固体撮像素子の消費電力を低減することは可能である。しかし、図４に示すＣＣＤ型固体撮像素子の構成を保ったまま単にリセットドレイン（ＲＤ）部１２の電位が下がる様に不純物濃度の設計を行うと、信号電荷の移動がスムースに行えなくなってしまうという問題が生じる。
【００１３】
本発明の目的は、信号電荷の移動をスムースに行うことができ、しかも、低電圧駆動を可能とし消費電力の低減を図ることが可能なＣＣＤ型固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、受光量に応じて光電変換素子が蓄積した信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送路と、該垂直転送路を転送されてきた前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路と、該水平転送路の端部に設けられ該端部まで転送されてきた前記信号電荷の量に応じた電圧値信号を出力する出力部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記水平転送路の電位を前記垂直転送路の電位と略同一に設定し、前記水平転送路と前記垂直転送路との接続箇所に該垂直転送路から受け取った前記信号電荷を一時蓄積し制御電圧が印加されたとき該信号電荷を前記水平転送路に移動させる電荷一時蓄積部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子はまた、前記略同一に設定する代わりに、前記水平転送路の電位を、前記電荷一時蓄積部の電位より低く設定したことを特徴とする。
【００１６】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、更に、前記電荷一時蓄積部を用いて前記信号電荷の画素加算を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電荷一時蓄積部を設けることで信号電荷のスムースな移動（＝高い転送効率）を阻害することなく水平転送路やそれ以降の出力部の電位を低く設定でき、ＣＣＤ型固体撮像素子の消費電力の低減を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像素子２０の半導体基板表面部には、多数の光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ）２２がアレイ状に、図示の例では正方格子状に配列形成され、フォトダイオード２２の各列の左隣には夫々垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３が形成され、垂直転送路２３とその右列の各フォトダイオード２２とは夫々トランスファーゲート（ＴＧ）２４を介して接続されている。半導体基板の下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）２５が形成されており、水平転送路２５の端部に出力部２６が設けられている。
【００２０】
尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。
【００２１】
本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子２０では、水平転送路２５に接続する各垂直転送路２３の水平転送路側端部２７における埋め込みチャネルの不純物濃度を、端部２７以外の垂直転送路２３の埋め込みチャネルの不純物濃度と異ならせ、その電位を垂直転送路２３より高電位（信号電荷が「電子」であるため）となるように設計している。そして、この端部２７に電圧を印加する図示しない電極に対して、垂直転送パルスとは異なる制御電圧を印加する構成となっている。また、端部２７の垂直転送路２３側には、後述するバリア部２７ａを設けている。
【００２２】
本実施形態では更に、水平転送路（ＨＣＣＤ）以下、図５で説明したＯＧ部、ＦＤ部、ＲＤ部の各電位の相対的電位差は同じで、且つ図５に示す電位より夫々低電位例えば夫々５Ｖづつ低電位となる様に、各部の不純物濃度の設定を行っている。
【００２３】
図２は、本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子２０の電位図（ポテンシャルプロファイル）である。本実施形態では、図１で説明した垂直転送路（ＶＣＣＤ）の端部（水平転送路（ＨＣＣＤ）との接続箇所：以下、電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）という。）２７の電位を、図５に示す従来の水平転送路（ＨＣＣＤ）５と同程度の電位とし、次段の水平転送路（ＨＣＣＤ）２５の電位を、垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３と同程度の電位としている。以下、水平転送路（ＨＣＣＤ）２５，ＯＧ部２８，ＦＤ部２９，ＲＤ部３２の相対電位差を、図５に示す水平転送路５，ＯＧ部８，ＦＤ部９，ＲＤ部１２と同じとしている。
【００２４】
上述した本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子２０では、シャッタ「開」期間の受光量に応じた信号電荷が各フォトダイオード２２に蓄積される。そして、信号電荷の読み出し動作が開始すると、トランスファーゲート（ＴＧ）２４に読出電圧が印加されてその障壁が下がり、フォトダイオード２２の蓄積電荷（信号電荷）が垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３に移動する。
【００２５】
垂直転送路２３上に信号電荷が読み出された後は、垂直転送路２３に転送パルスが印加され、各信号電荷の垂直方向への転送が行われる。各垂直転送路２３の端部において、各垂直転送路２３上の水平方向横一ラインの各信号電荷が一転送電極分だけ垂直方向に転送されると、各垂直転送路端部の信号電荷は、図３（ａ）に示す様に、垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３より電位が高い図２の電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）２７に流れ込む。
【００２６】
次のタイミングで、電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）２７の印加電圧を低くする。例えば、信号電荷が流れ込むときの電荷一時蓄積部２７の印加電圧が「５Ｖ」であったとき、この「５Ｖ」を「−５Ｖ」に変化させる。これにより、図３（ｂ）に示す様に、電荷一時蓄積部２７の電位が、そのバリア部２７ａ（このバリア部２７ａは、信号電荷がＶＣＣＤ２３側に逆流しないように、電荷一時蓄積部２７より若干電位が低くなるように（垂直転送路側に障壁ができるように）設けられており、電荷一時蓄積部２７と一体にその電位が上下する。）と共に低下して水平転送路（ＨＣＣＤ）２５のバリア部２５ａの電位より低くなる。
【００２７】
この結果、電荷一時蓄積部２７に一時蓄積されていた信号電荷が水平転送路（ＨＣＣＤ）２５に流れ込み、以下、図５で説明したと同様にして、出力部２６によってその信号電荷に応じた電圧信号が出力アンプ３０から読み出される。本実施形態の出力アンプ３０は、ＲＤ部３２の印加電圧１０Ｖと共通の電圧で駆動されるため、１５Ｖで駆動するＣＣＤ型固体撮像素子に比較して消費電力が低減される。
【００２８】
以上述べた様に、従来は、水平転送路の電位を垂直転送路より高く設定する必要があるためにＲＤ部の印加電圧を高電圧にしなければならなかったが、本実施形態では、水平転送路と垂直転送路との接続箇所に電荷一時蓄積部を設けてその印加電圧を任意に制御可能としたため、水平転送路の電位が垂直転送路の電位と同程度となるように不純物濃度の設定ができ、信号電荷のスムースな移動（＝高い転送効率）と共にＣＣＤ型固体撮像素子の低電圧駆動，消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００２９】
尚、上述した実施形態では、水平転送路（ＨＣＣＤ）２５の電位を垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３の電位と略同一に設定したが、略同一にする必要はなく、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の図５に示す水平転送路（ＨＣＣＤ）５の電位程度に設定される電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）２７の電位より水平転送路（ＨＣＣＤ）２５の電位を低電位（ポテンシャルが浅い）にしさえすれば、信号電荷のスムースな移動を図るポテンシャルプロファイルの実現とＲＤ部の低電圧化（低消費電力化）を図ることができる。
【００３０】
また、例えば、水平転送路と垂直転送路との接続箇所に信号電荷のメモリ部を設け、信号電荷の画素加算（隣接するフォトダイオードから読み出された信号電荷との加算）を行う技術が特開２００２―１１２１１９号公報等に提案されているが、このメモリ部を上述した電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）２７として使用することも可能であり、逆に、本実施形態の電荷一時蓄積部２７を利用して画素加算を行うこともできる。但し、メモリ部を画素加算に用いるだけであればメモリ部への印加電圧は例えば０〜５Ｖで良いが、ＲＤ部への印加電圧低減を図るためには、メモリ部への印加電圧の可変範囲を大きく、例えば−５Ｖ〜＋５Ｖとする必要があり、また、それに合わせた各部の不純物濃度の設計をしなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、信号電荷のスムースな移動を阻害することなく出力アンプの駆動電圧を下げて消費電力の低減を図ることができるため、省電力型，低電圧駆動のＣＣＤ型固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図２】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の電位図である。
【図３】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の動作説明図である。
【図４】従来のＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図５】図４に示す従来のＣＣＤ型固体撮像素子の電位図である。
【符号の説明】
【００３３】
２０  ＣＣＤ型固体撮像素子
２２  フォトダイオード（光電変換素子）
２３  垂直転送路（ＶＣＣＤ）
２４  トランスファーゲート（ＴＧ）
２５  水平転送路（ＨＣＣＤ）
２６  出力部
２７  電荷一時蓄積部（ＢＵＦ）
２７ａ  電荷一時蓄積部のバリア部（ＢＡ）
２８  ＯＧ部（水平転送路の最終段）
３０  出力アンプ
３２  ＲＤ部（リセットドレイン部）
【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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