(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水平方向において同一色が所定画素数ごとに繰り返して配置されるカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像素子であって、
垂直転送部と水平転送部との間に前記カラーコーディングの繰り返し画素数を単位としてその繰り返し画素数おきに設けられて、前記垂直転送部から前記水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止するホールドゲート部を備え、
前記ホールドゲート部は、転送阻止時に低レベルの電圧が与えられるホールド電極と、所定の直流電圧によってバイアスされたストレージ電極とを有し、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止した信号電荷を前記ストレージ電極の下に一旦蓄積する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記ホールドゲート部は、水平転送部の前記ホールドゲート部に隣接する転送段に信号電荷が位置するとき転送阻止を解除する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記垂直転送部を駆動する垂直転送電極の一部が前記ストレージ電極に重なって設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記ホールドゲート部に隣接して設けられ、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止されて前記ストレージ電極の下に蓄積された信号電荷が所定量を越えたときにその越えた分の信号電荷を排出する電荷排出部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記ストレージ電極は、前記垂直転送部のゲート電極と同じパターン形状で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記ストレージ電極は、前記水平転送部のトランスファ部のゲート電極と一体に形成されている
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
少なくとも水平方向において同一色が所定画素数ごとに繰り返して配置されるカラーコーディングのカラーフィルタを有するとともに、垂直転送部と水平転送部との間に前記カラーコーディングの繰り返し画素数を単位としてその繰り返し画素数おきに設けられて、前記垂直転送部から前記水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止するホールドゲート部を備え、前記ホールドゲート部は、転送阻止時に低レベルの電圧が与えられるホールド電極と、所定の直流電圧によってバイアスされたストレージ電極とを有し、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止した信号電荷を前記ストレージ電極の下に一旦蓄積する固体撮像素子の駆動方法であって、
各画素の信号電荷を前記垂直転送部へ読み出した後、前記ホールドゲート部を転送阻止状態にして前記垂直転送部から前記水平転送部への１ライン分の信号電荷の転送動作を行い、
次いで前記水平転送部を前記繰り返し画素数に対応する段数だけ転送させ、
しかる後前記ホールドゲート部を転送状態としてそれまで転送阻止していた信号電荷を前記水平転送部へ転送する
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
前記ホールドゲート部は、水平転送部の前記ホールドゲート部に隣接する転送段に信号電荷が位置するとき転送阻止を解除する
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
前記垂直転送部を駆動する垂直転送電極の一部が前記ストレージ電極に重なって設けられている
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
前記ホールドゲート部に隣接して設けられ、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止されて前記ストレージ電極の下に蓄積された信号電荷が所定量を越えたときにその越えた分の信号電荷を排出する電荷排出部を有する
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１１】
前記ストレージ電極は、前記垂直転送部のゲート電極と同じパターン形状で形成されている
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１２】
前記ストレージ電極は、前記水平転送部のトランスファ部のゲート電極と一体に形成されている
ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１３】
少なくとも水平方向において同一色が所定画素数ごとに繰り返して配置されるカラーコーディングのカラーフィルタを有するとともに、垂直転送部と水平転送部との間に前記カラーコーディングの繰り返し画素数を単位としてその繰り返し画素数おきに設けられて、前記垂直転送部から前記水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止するホールドゲート部を備え、前記ホールドゲート部は、転送阻止時に低レベルの電圧が与えられるホールド電極と、所定の直流電圧によってバイアスされたストレージ電極とを有し、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止した信号電荷を前記ストレージ電極の下に一旦蓄積する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の通常の撮像動作を実現する通常モードと、フレームレートの高速化動作を実現する高速化モードとを択一的に設定可能な動作モード設定手段と、
前記動作モード設定手段によって設定された動作モードに応じて前記固体撮像素子を駆動する駆動手段と
を備えたことを特徴とするカメラシステム。
【請求項１４】
前記ホールドゲート部は、水平転送部の前記ホールドゲート部に隣接する転送段に信号電荷が位置するとき転送阻止を解除する
ことを特徴とする請求項１３記載のカメラシステム。
【請求項１５】
前記垂直転送部を駆動する垂直転送電極の一部が前記ストレージ電極に重なって設けられている
ことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記ホールドゲート部に隣接して設けられ、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止されて前記ストレージ電極の下に蓄積された信号電荷が所定量を越えたときにその越えた分の信号電荷を排出する電荷排出部を有する
ことを特徴とする請求項１３記載のカメラシステム。
【請求項１７】
前記ストレージ電極は、前記垂直転送部のゲート電極と同じパターン形状で形成されている
ことを特徴とする請求項１３記載のカメラシステム。
【請求項１８】
前記ストレージ電極は、前記水平転送部のトランスファ部のゲート電極と一体に形成されている
ことを特徴とする請求項１７記載のカメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に少なくとも水平方向において同一色が所定画素数ごとに繰り返して配置されるカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像素子およびその駆動方法、並びにこれら用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像デバイスとして例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) 撮像素子を用いたカメラシステムにおいて、フレームレートを高速化する用途としては、ＮＴＳＣ方式のテレビジョン信号の６０フィールド／秒よりも早いフレームレートにて撮像する高速撮像や、デジタルスチルカメラなどで多画素／低フレームレートのものをＮＴＳＣ方式の６０フィールド／秒にする用途などがある。
【０００３】
そして、従来、高速撮像では、ＣＣＤ撮像素子の有効画素エリアのうちの特定のエリアの画素情報のみを読み出す、いわゆる画角の切り出しを行うことで、フレームレートの高速化を実現していた。一方、デジタルスチルカメラでは、垂直方向の一部の画素の信号電荷のみを読み出し、残りの画素の信号電荷は使わないようにする、いわゆる垂直間引き動作を行うことで、フレームレートの高速化を実現していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、画角の切り出しによるフレームレートの高速化にあっては、画角の切り出しによって撮像エリアが狭まり、ズーム（ＺＯＯＭ）をかけたときと同じ効果となるため、近くの被写体を撮像するには使い勝手が悪いものとなっていた。一方、垂直間引き動作によるフレームレートの高速化にあっては、画素情報の間引きによる感度の低下や、信号の欠落による不連続性など画質低下の要因が多いため、記録保存を考えないで、あくまでもＮＴＳＣモニター等にモニターリングすることに使用目的が限られていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水平転送周波数や画角を変えず、かつ画質低下を極力抑えつつフレームレートの高速化を実現できる固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像素子は、少なくとも水平方向において同一色が所定画素数ごとに繰り返して配置されるカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像素子であって、垂直転送部と水平転送部との間に上記カラーコーディングの繰り返し画素数を単位としてその繰り返し画素数おきに設けられて、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阻止するホールドゲート部を備え、前記ホールドゲート部は、転送阻止時に低レベルの電圧が与えられるホールド電極と、所定の直流電圧によってバイアスされたストレージ電極とを有し、前記ホールド電極の下のポテンシャルバリアによって転送阻止した信号電荷を前記ストレージ電極の下に蓄積する構成となっている。すなわち、垂直転送部と水平転送部との間（垂直出力ゲート部）には、垂直→水平転送を一時的に阻止し、その阻止した信号電荷を一旦蓄積する部分と通常転送する部分が交互に設けられている。
【０００７】
本発明の駆動方法は、上記構成のカラー方式の固体撮像素子において、各画素の信号電荷を垂直転送部へ読み出した後、ホールドゲート部を転送阻止状態にして垂直転送部から水平転送部への１ライン分の信号電荷の転送動作を行い、次いで水平転送部をホールドゲート部で転送阻止した繰り返し画素数に対応する段数だけ転送させ、しかる後ホールドゲート部を転送状態としてそれまで転送阻止していた信号電荷を水平転送部へ転送する。これにより、水平転送部のホールドゲート部に隣接する転送段において、同一色の信号電荷の加算が行われる。
【０００８】
また、本発明によるカメラシステムは、上記構成の固体撮像素子を撮像デバイスとして用いるとともに、この固体撮像素子に対して通常の撮像動作を実現する通常モードと、フレームレートの高速化動作を実現する高速化モードとを択一的に設定可能な動作モード設定手段を設ける。そして、駆動手段は、この動作モード設定手段で設定された動作モードを実現すべく、固体撮像素子を動作モードに応じた駆動タイミングで駆動する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の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、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図であり、例えばインターライン転送方式のカラーＣＣＤ撮像素子に適用した場合を示している。
【００１０】
図１において、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０は、行列状に２次元配置された複数個のセンサ部（画素）１１、これらセンサ部１１の垂直列ごとに配された複数本の垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１２、これら垂直ＣＣＤ１２の一方の端部側に配された水平ＣＣＤ（水平転送部）１３、垂直ＣＣＤ１２と水平ＣＣＤ１３との間（垂直出力ゲート部）に後述する規則のもとに設けられたホールドゲート部１４、水平ＣＣＤ１３の転送先側の端部に配された電荷検出部１５および出力アンプ１６を有する構成となっている。
【００１１】
また、ＣＣＤ撮像素子１０の撮像エリア（画素エリア）上には、例えば補色市松カラーコーディングのカラーフィルタ１７が配される。このカラーフィルタ１７は、例えば図２に示すように、水平２画素繰り返しのＣ（シアン）Ｙ（イエロー）Ｇ（グリーン）Ｍ（マゼンタ）色差線順次方式のカラーコーディングとなっている。このカラーコーディングに対して、上述したホールドゲート部１４は、水平２画素を単位としてその繰り返し画素数おきに設けられている。
【００１２】
かかる構成のＣＣＤ撮像素子１０において、センサ部１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなり、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換して蓄積する。センサ部１１に蓄積された信号電荷は、図示せぬ読出しゲート部を介して垂直ＣＣＤ１２に読み出される。
【００１３】
垂直ＣＣＤ１２は、例えば図３のタイミングチャートに示す４相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４によって転送駆動されることにより、水平ブランキング期間の一部において１走査線（１ライン）に相当する信号電荷を単位として垂直転送（ラインシフト）して水平ＣＣＤ１３に移送する。
【００１４】
ホールドゲート部１４は、フレームレートの高速化を実現するために設けられたものであり、カラーフィルタ１７の水平２画素繰り返しのカラーコーディングに対応して水平２画素を単位として水平２画素おきに配されている。そして、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３へ信号電荷を移送するラインシフト時に、その信号電荷の転送を水平２画素（垂直２列）おきに阻止する。このホールドゲート部１４の具体的な構成については後述する。
【００１５】
水平ＣＣＤ１３は、例えば図３のタイミングチャートに示す２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動されることにより、垂直ＣＣＤ１２からラインシフトされた１走査線に相当する信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平転送して電荷検出部１５に供給する。この水平ＣＣＤ１３の動作は通常モードでの転送動作である。
【００１６】
ホールドゲート部１４を動作させるフレームレートの高速化モードでは、水平ＣＣＤ１３は、水平方向において２画素単位で隣り合う４画素分の信号電荷を加算する動作も行い、その加算後の信号電荷を順次水平転送して電荷検出部１５に供給する。このフレームレートの高速化モードでの具体的な動作については後述する。
【００１７】
電荷検出部１５は、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプによって構成されている。すなわち、水平ＣＣＤ１４の出力ゲート（ＨＯＧ）１８から信号電荷が注入されるＦＤ（フローティングディフュージョン）１５１と、電荷を排出するＲＤ（リセットドレイン）１５２と、ＦＤ１５１とＲＤ１５２との間に配されたＲＧ（リセットゲート）１５３とからなり、水平ＣＣＤ１３から順次供給される信号電荷を検出し、これを信号電圧に変換する。ＲＤ１５２には、例えば電源電圧Ｖｄｄがバイアス電圧として印加されている。
【００１８】
以上のように構成されたインターライン転送方式のＣＣＤ撮像素子１０では、信号電荷の読み出し方式として、フィールド読み出しが一般的に採られる。このフィールド読み出しでは、各画素において１／６０秒（１フィールド相当期間）だけ信号電荷を蓄積し、各画素から読み出した信号電荷を垂直ＣＣＤ１２において垂直方向にて隣り合う２画素間で混合し、また混合する垂直２画素の組み合わせを奇数フィールドと偶数フィールドで変えることによってインターレース走査を実現している。
【００１９】
次に、ホールドゲート部１４を含む垂直出力ゲート部（ＶＯＧ）の具体的な構成について説明する。図４は、垂直出力ゲート部の第１具体例を示す要部の平面パターン図である。
【００２０】
図４において、先ず、垂直ＣＣＤ１２は、垂直方向に平行に延在する複数本の転送チャネル２１と、これら転送チャネル２１の上方に垂直方向に順に配され、かつ水平方向に延在する４相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４に対応したゲート電極２２-1〜２２-4とを有する構成となっている。これらのゲート電極２２-1〜２２-4において、例えば、２相目，４相目のゲート電極２２-2,〜２２-4が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す。以下、他の具体例でも同様とする）によって形成され、１相目，３相目のゲート電極２２-1,２２-3が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す。以下、他の具体例でも同様とする）によって形成されている。
【００２１】
一方、水平ＣＣＤ１３は、水平方向に延在しかつ垂直ＣＣＤ１２の複数本の転送チャネル２１の各々に連結された転送チャネル２３と、この転送チャネル２３の上方に水平方向に順に配された２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２に対応したゲート電極２４-1〜２４-4とを有する構成となっている。そして、ゲート電極２４-1，２４-2には２相目の水平転送クロックＨφ２が印加され、ゲート電極２４-3，２４-4には１相目の水平転送クロックＨφ１が印加される。
【００２２】
これらのゲート電極２４-1〜２４-4において、第１の電極であるゲート電極２４-1，２４-3が１層目のポリシリコンにより形成されてストレージ部を構成し、第２の電極であるゲート電極２４-2，２４-4が２層目のポリシリコンにより形成されてストレージ部を構成している。また、ゲート電極２４-3，２４-4は、垂直ＣＣＤ１２の転送チャネル２１の部分まで延在している。そして、特にゲート電極２４-4は逆Ｌ字状に屈曲した形状を有し、その屈曲した部分が垂直ＣＣＤ１２の４相目のゲート電極２２-4に対してオーバーラップした形で配されている。
【００２３】
ところで、ホールドゲート部１４は、先述したように、カラーフィルタ１７の水平２画素繰り返しのカラーコーディングに対応して水平２画素を単位として水平２画素おきに配されることになる。このホールドゲート部１４の配置を可能とするために、垂直ＣＣＤ１２の最終転送段付近のゲート電極２２-1〜２２-4は、垂直２列ごとに屈曲して形成されることでホールドゲート部１４を配置するスペースを確保している。そして、このスペースにホールドゲート部１４が配置される。
【００２４】
ホールドゲート部１４は、隣り合う２本の転送チャネル２１，２１の上方に互いにオーバーラップした状態で配されたホールド電極２５およびストレージ電極２６を有する構成となっている。これら電極２５，２６のうち、ホールド電極２５が１層目のポリシリコンによって形成され、ストレージ電極２６が２層目のポリシリコンによって形成されている。
【００２５】
そして、ホールド電極２５には、図に点線で示す如く配線で引き出すことでホールド電圧ＶφＨｏｌｄが印加される。このホールド電圧ＶφＨｏｌｄとして、通常の動作モードでは“Ｈ”レベルが印加され、フレームレートの高速化モードでは各動作状態に応じて“Ｌ”レベル／“Ｈ”レベルが適宜印加される。一方、ストレージ電極２６には、図に点線で示す如く配線で引き出すことで所定の直流電圧がストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅとして与えられる。
【００２６】
図５に、図４のＩ−Ｉ′線に沿った断面でのポテンシャル分布を示す。このポテンシャル分布図から明らかなように、ストレージ電極２６の下は深いポテンシャル状態にあることから、ホールド電圧ＶφＨｏｌｄが“Ｌ”レベルで、ホールド電極２５の下のポテンシャルが浅くなったときには、そのポテンシャルバリアによって垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３への信号電荷の転送が阻止され、その阻止された信号電荷はストレージ電極２６の下に蓄積されることになる。
【００２７】
次に、上記構成の垂直出力ゲート部（ＶＯＧ）を備えた本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０におけるフレームレートの高速化モードでの動作について、図６のタイミングチャートにしたがって図７〜図９の動作説明図を用いて説明する。なお、図７〜図９において、左側が奇数（ＯＤＤ）フィールドの場合を示し、右側が偶数（ＥＶＥＮ）フィールドの場合を示している。
【００２８】
図７（Ａ）は、各センサ部１１に信号電荷が蓄積された状態を示している。この状態から、時点ｔ１で各センサ部１１から垂直ＣＣＤ１２へフィールド読み出しが行われることで、図７（Ｂ）に示すように、ＯＤＤフィールドではある垂直列ｍでＣとＧが、隣りの垂直列ｍ＋１でＭとＹがそれぞれ加算されてあるラインｎの信号電荷となり、次のラインｎ＋１では垂直列ｍでＭとＣが、隣りの垂直列ｍ＋１でＧとＹがそれぞれ加算される。
【００２９】
一方、ＥＶＥＮフィールドではＯＤＤフィールドとは別の垂直２画素の組み合わせで加算が行われる。すなわち、ある垂直列ｍでＣとＧが、隣りの垂直列ｍ＋１でＭとＹがそれぞれ加算されてあるラインｎの信号電荷となり、次のラインｎ＋１では垂直列ｍでＭとＧが、隣りの垂直列ｍ＋１でＧとＹがそれぞれ加算される。
【００３０】
次に、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４による垂直ＣＣＤ１２の駆動により、信号電荷を１ライン分だけシフトするラインシフトが行われる。このラインシフト終了後の時点ｔ２の状態を図７（Ｃ）に示す。このとき、ホールド電極２５に印加されるホールド電圧ＶφＨｏｌｄが“Ｌ”レベルにあることから、ホールド電極２５の下のポテンシャルが浅く、このポテンシャルバリアにより、ホールドゲート部１４は転送阻止状態となる。
【００３１】
これにより、図７（Ｃ）から明らかなように、水平２画素おきに垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３への信号電荷の転送が阻止され、残りの水平２画素おきの信号電荷のみが水平ＣＣＤ１３へ転送される。その結果、水平ＣＣＤ１３には、水平２画素おきの信号電荷のみが、２ビット（転送段）おきに存在することになる。なお、ホールド電極２５の下のポテンシャルバリアによって転送阻止された信号電荷は、ストレージ電極２６の下に蓄積される。
【００３２】
次に、水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２による水平ＣＣＤ１３の駆動により、信号電荷を２ビット分だけシフトする２ビットシフトが行われる。この２ビットシフト終了後の時点ｔ３の状態を図８（Ａ）に示す。この２ビットシフト動作により、２ビットおきに存在する信号電荷が、ホールドゲート部１４に隣接する２つの転送段に位置することなる。
【００３３】
その後、ホールド電圧ＶφＨｏｌｄが“Ｈ”レベルになることで、ホールド電極２５の下のポテンシャルが深くなる。これにより、ホールドゲート部１４は転送状態となり、それまで転送阻止していた水平２画素おきの信号電荷を水平ＣＣＤ１３へ転送する。その結果、先に水平ＣＣＤ１３に転送しておいた２画素右隣りの同一色の信号電荷と混合加算される。この混合加算後の時点ｔ４の状態を図８（Ｂ）に示す。
【００３４】
次に、再びラインシフトが行われる。このとき、前回のラインシフトの場合と同様に、ホールド電圧ＶφＨｏｌｄが“Ｌ”レベルの状態にあることから、ホールドゲート部１４は転送阻止状態にある。したがって、次のラインの水平２画素おきの信号電荷のみが水平ＣＣＤ１３の空の転送段に転送される。このラインシフト終了後の時点ｔ５の状態を図８（Ｃ）に示す。
【００３５】
続いて、再び２ビットシフトが行われる。この２ビットシフト終了後の時点ｔ６の状態を図９（Ａ）に示す。この２ビットシフト動作により、次のラインの２ビットおきに存在する信号電荷が、ホールドゲート部１４に隣接する２つの転送段に位置することなる。その後、ホールド電圧ＶφＨｏｌｄが“Ｈ”レベルになることで、ホールドゲート部１４が転送状態となり、それまで転送阻止していた次のラインの水平２画素おきの信号電荷を水平ＣＣＤ１３へ転送し、次のラインの２画素右隣りの同一色の信号電荷と混合加算する。
【００３６】
その結果、水平ＣＣＤ１３には、水平４画素／垂直４画素の信号電荷が色差信号を保持しながら加算されて存在することになる。この混合加算後の時点ｔ７の状態を図９（Ｂ）に示す。その後、水平ＣＣＤ１３の転送動作によって水平転送されて電荷検出部１５へ出力される。この水平転送動作後の状態を図９（Ｃ）に示す。
【００３７】
以上説明した一連のフレームレートの高速化動作により、水平画素情報を１／２に圧縮し、水平転送周波数（水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２の周波数）や画角を変えずに、２倍のフレームレートを実現できる。また、図９（Ｂ）の動作終了後に、図７（Ｃ）の動作からの一連の動作を繰り返して実行することにより、さらに垂直方向でも加算圧縮することができ、これにより４倍のフレームレートを実現できる。
【００３８】
また、水平方向での加算圧縮の必要がなければ、ホールドゲート部１４を常に転送阻止状態（蓄積状態）としておき、図８（Ｂ）および図９（Ｂ）の各動作を省略することにより、水平２画素おきに間引いた色差信号を得ることができる。これによれば、垂直転送／水平転送に要する時間を短縮できるため、より高速化に適することになる。
【００３９】
上述したように、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０では、フレームレートの高速化が可能であることから、この高速化技術をＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式の動画用ＣＣＤ撮像素子に適用することで、水平転送周波数や画角を変えず、高速撮像が可能となる。また、デジタルスチルカメラ用多画素ＣＣＤ撮像素子に適用することで、画質を低下させることなく、ＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式のテレビジョン画像のモニタリングが可能となる。
【００４０】
なお、本実施形態では、カラーフィルタ１７のカラーコーディングが、水平２画素繰り返しのＣＹＧＭ色差線順次方式の補色市松カラーコーディングに適用した場合を例に挙げて説明したが、水平２画素繰り返しや補色市松への適用に限られるものではなく、例えば水平３画素繰り返しＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）縦ストライプなどのカラーコーディングにも適用可能である。
【００４１】
図１０は、垂直出力ゲート部の第２具体例を示す平面パターン図である。この第２具体例では、第１具体例の構成に加え、ホールドゲート部１４に隣接して電荷排出部２７を設けた構成となっている。具体的には、ホールド電極２５とストレージ電極２６を、両者の中間部分に空間部ができるように屈曲させて形成する。そして、その空間部の中心に例えば円形状のオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２８を形成し、隣り合う２本の転送チャネル２１，２１とオーバーフロードレイン２８との間にオーバーフローバリア（ＯＦＢ）２９を形成する。
【００４２】
この電荷排出部２７において、オーバーフロードレイン２８には、図に点線で示す如く配線で引き出すことでドレイン電圧ＶＤｒａｉｎが与えられる。このドレイン電圧ＶＤｒａｉｎとしては、オーバーフロードレイン２８のポテンシャル（ＯＦＤレベル）がオーバーフローバリア２９のポテンシャルよりもかなり深くなるような電圧値が設定される。一方、オーバーフローバリア２９のポテンシャル（ＯＦＢレベル）は、ストレージ電極２６の下のポテンシャルよりも所定レベルだけ浅くなるように設定される。図１１に、図１０のII−II′線に沿った断面でのポテンシャル分布を示す。
【００４３】
この第２具体例に係る垂直出力ゲート部は、特に水平方向における信号電荷の加算を行わず、間引きを行う場合に有用なものとなる。すなわち、水平方向における間引きを行う際に、ホールドゲート部１４で転送阻止され、ストレージ電極２６の下に蓄積される不要な電荷の量が膨大になった場合に、その不要な電荷が水平ＣＣＤ１３に溢れる虞れがあるが、ホールドゲート部１４に隣接して電荷排出部２７を設けることで、ＯＦＢレベルを越えた電荷がオーバーフロードレイン２８に排出されるため、水平ＣＣＤ１３への電荷の漏れ込みを防ぐことができる。
【００４４】
図１２は、垂直出力ゲート部の第３具体例を示す平面パターン図である。先の第１具体例では、垂直ＣＣＤ１２のゲート電極２２-1〜２２-4を部分的に屈曲させることで、ホールドゲート部１４を配置するためのスペースを確保する構成を採っていた。これに対して、第３具体例においては、垂直ＣＣＤ１２のゲート電極２２-1〜２２-4をストレートに形成するとともに、これらと同様にストレージ電極２６′をもストレートに形成し、ホールド電極２５を必要な部分に配置する構成を採っている。
【００４５】
このように、各ゲート電極をストレート形状とすることにより、これらゲート電極のパターン形成が容易になる。また、ストレージ電極２６′に与えるストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅについては、デバイス内部で所定の直流電圧を発生させ、この直流電圧を与えるようにすることで、デバイス外部からストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅを取り込むための端子を削減できることになる。図１３に、図１１のIII−III′線に沿った断面のポテンシャル分布を示す。
【００４６】
ところで、１層目のポリシリコンからなるゲート電極２２-4に対して、ストレージ電極２６′が２層目のポリシリコンでオーバーラップして形成されることから、ホールド電極２５が存在しない部分には１層目のポリシリコン層が存在しないことになる。そこで、第３具体例では、この１層目のポリシリコン層を特別に形成するのではなく、水平ＣＣＤ１３の１層目（ストレージ部）のゲート電極２４-1′を延長しかつ屈曲させて形成することで、ホールド電極２５が存在しない部分の１層目のポリシリコン層として兼用し、これによってホールドゲート部１４を配置する部分と配置しない部分とでチャネル長のバランスをとっている。
【００４７】
図１４は、垂直出力ゲート部の第４具体例を示す平面パターン図である。この第４具体例では、垂直ＣＣＤ１２のゲート電極２２-1〜２２-4およびストレージ電極２６′をストレートに形成し、ホールド電極２５を必要な部分に配置するとともに、水平ＣＣＤ１３のゲート電極２４-1′を延長しかつ屈曲させて形成することで、ホールド電極２５が存在しない部分の１層目のポリシリコン層として兼用した第３具体例の構成において、ストレージ電極２６′を水平ＣＣＤ１３の２層目（トランスファ部）のゲート電極２４-2′と一体に形成し、ストレージ電極２６′に２相目の水平転送クロックＨφ２を与えるようにしている。
【００４８】
図１５に、図１４のIV−IV′線に沿った断面のポテンシャル分布を示す。このポテンシャル図から明らかなように、ストレージ電極２６′に２相目の水平転送クロックＨφ２を与えるようにしても、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３への信号電荷の転送動作上、何ら支障を来すことはない。したがって、ストレージ電極２６′に２相目の水平転送クロックＨφ２を与えるようにすることで、第３具体例の場合のように、ストレージ電圧ＶＳｒａｇｅをデバイス内部で発生させる必要がなく、その分回路構成の簡略化に寄与できることになる。
【００４９】
図１６は、垂直出力ゲート部の第５具体例を示す平面パターン図である。この第５具体例では、第３具体例の構成に加えて、第２具体例の場合と同様に、ホールドゲート部１４に隣接して電荷排出部２７を設けた構成を採っている。具体的には、ホールド電極２５の中間部とストレートに形成されたストレージ電極２６′の一部を屈曲させて両者の間に空間部を形成し、その空間部に電荷排出部２７を形成した構成となっている。
【００５０】
電荷排出部２７は、第２具体例の場合と同様に、空間部の中心に例えば円形状に形成されたオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２８と、隣り合う２本の転送チャネル２１，２１とオーバーフロードレイン２８との間に形成されたオーバーフローバリア（ＯＦＢ）２９とから構成されている。
【００５１】
この第５具体例の構成によれば、第３具体例に伴う効果、即ちゲート電極のパターン形成を容易にし、かつデバイス外部からストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅを取り込むための端子を削減できるという効果と、第２具体例に伴う効果、即ち水平方向における間引きを行う際にホールドゲート部１４に蓄積された不要電荷の水平ＣＣＤ１３への漏れ込みを防止できるという効果を奏することになる。
【００５２】
図１７は、垂直出力ゲート部の第６具体例を示す平面パターン図である。この第６具体例では、第４具体例の構成に加えて、第２具体例の場合と同様に、ホールドゲート部１４に隣接して電荷排出部３０を設けた構成を採っている。具体的には、ストレートに形成されかつ水平ＣＣＤ１３のゲート電極２４-2′と一体に形成されてなるストレージ電極２６′の一部とホールド電極２５の中間部とをそれぞれ屈曲させて空間部を形成し、その空間部に電荷排出部２７を形成した構成となっている。
【００５３】
電荷排出部２７は、第２具体例の場合と同様に、空間部の中心に例えば円形状に形成されたオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２８と、隣り合う２本の転送チャネル２１，２１とオーバーフロードレイン２８との間に形成されたオーバーフローバリア（ＯＦＢ）２９とから構成されている。図１８に、図１７のＶ−Ｖ′線に沿った断面のポテンシャル分布を示す。
【００５４】
この第６具体例の構成によれば、第４具体例に伴う効果、即ちストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅとして水平転送クロックＨφ２を兼用することで、ストレージ電圧ＶＳｔｒａｇｅをデバイス内部で生成しなくて済むという効果と、第２具体例に伴う効果、即ち水平方向における間引きを行う際にホールドゲート部１４に蓄積された不要電荷の水平ＣＣＤ１３への漏れ込みを防止できるという効果を奏することになる。
【００５５】
図１９は、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０を撮像デバイスとして用いた本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示す概略構成図である。本カメラシステムは、ＣＣＤ撮像素子１０、光学系の一部を構成するレンズ３１、ＣＣＤ駆動回路３２、動作モード設定部３３および信号処理回路３４を有する構成となっている。
【００５６】
かかる構成のカメラシステムにおいて、被写体（図示せず）からの入射光（像光）は、光学系のレンズ３１によってＣＣＤ撮像素子１０の撮像図上に結像される。ＣＣＤ撮像素子１０は、ＣＣＤ駆動回路３２により、動作モード設定部３３で設定された動作モードに応じて駆動される。ここで、動作モード設定部３３は、 通常の撮像動作を行う通常モードと、例えばフレームレートを例えば２倍にする高速化モードとを任意に設定可能となっている。なお、高速化モードとして、２倍モード、４倍モード等を任意に設定できるようにしても良い。
【００５７】
ここで、動作モード設定部３３で通常モードが設定された場合の動作の概略について、図１を用いて説明する。この通常モードでは、ＣＣＤ駆動回路３２は、周知の動作タイミングで垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４や水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２などの各種タイミング信号を発生させ、ホールドゲート部１４に与えるホールド電圧ＶφＨｏｌｄについては“Ｈ”レベルに維持する。
【００５８】
このタイミング設定により、ＣＣＤ撮像素子１０においては、各センサ部１１で光電変換された信号電荷を例えばフィールド読み出しで垂直ＣＣＤ１２に読み出し、これらの信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３へ、さらに電荷検出部１５へ転送することで、通常の撮像動作を行う。そして、ＣＣＤ撮像素子１０から出力されるＣＣＤ撮像信号は、信号処理回路３４で所定の信号処理が行われて出力される。
【００５９】
次に、動作モード設定部３３でフレームレートの高速化モードが設定された場合の動作の概略について説明する。このフレームレートの高速化モードでは、ＣＣＤ駆動回路３２は、図６に示したタイミングで垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４や水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２などの各種タイミング信号、さらにはホールド電圧ＶφＨｏｌｄを発生させる。
【００６０】
このタイミング設定により、ＣＣＤ撮像素子１０においては、図７〜図９の動作説明図に基づいて説明したように、各センサ部１１で光電変換された信号電荷を例えばフィールド読み出しで垂直ＣＣＤ１２に読み出し、これらの信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３へラインシフトする際に、水平２画素おきに２画素分の信号電荷を水平ＣＣＤ１３へ転送する一方、残りの２画素ずつの信号電荷についてはホールドゲート部１４で転送阻止する。
【００６１】
続いて、水平ＣＣＤ１３内の２画素分ずつの信号電荷を２ビットシフトし、しかる後ホールドゲート部１４で転送阻止した２画素分ずつの信号電荷を水平ＣＣＤ１３へ転送することで、２画素右隣りの同一色の信号電荷と混合加算を行う。次いで、水平ＣＣＤ１３の空の転送段に、引き続き次のラインの２画素分の信号電荷を水平２画素おきに転送し、上述した動作を繰り返すことで次のラインについての混合加算を行う。そして、２ライン分の信号電荷を電荷検出部１５へ転送することで、フレームレートを２倍にする高速化動作を行う。
【００６２】
以上により、通常の撮像動作を行う通常モードと、フレームレートの高速化動作を行う高速化モードとを任意に設定可能なカメラシステムを実現できる。これにより、ＣＣＤ撮像素子１０としてＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式の動画用ＣＣＤ撮像素子を用いることで、通常の撮像に加え、画角を変えずに高速撮像も可能となる。また、デジタルスチルカメラ用多画素ＣＣＤ撮像素子を用いることで、画質を低下させることなく、ＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式のテレビジョン画像のモニタリングが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、カラー対応の固体撮像素子において、垂直→水平転送を一時的に阻止し、その阻止した信号電荷を一旦蓄積する部分と通常転送する部分を交互に設け、カラーコーディングに合った信号電荷の加算を水平転送部で行うようにしたことにより、色差信号を維持しながら水平画素情報を圧縮することができるので、水平転送周波数や画角を変えずにフレームレートの高速化を実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ撮像素子を示す概略構成図である。
【図２】カラーコーディングの一例を示す図である。
【図３】通常モードでのタイミングチャートである。
【図４】垂直出力ゲート部の第１具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図５】図４のＩ−Ｉ′線に沿った断面のポテンシャル図である。
【図６】フレームレートの高速化モードでのタイミングチャートである。
【図７】フレームレートの高速化モードの動作説明図（その１）である。
【図８】フレームレートの高速化モードの動作説明図（その２）である。
【図９】フレームレートの高速化モードの動作説明図（その３）である。
【図１０】垂直出力ゲート部の第２具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図１１】図１０のII−II′線に沿った断面のポテンシャル図である。
【図１２】垂直出力ゲート部の第３具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図１３】図１２のIII−III′線に沿った断面のポテンシャル図である。
【図１４】垂直出力ゲート部の第４具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図１５】図１４のIV−IV′線に沿った断面のポテンシャル図である。
【図１６】垂直出力ゲート部の第５具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図１７】垂直出力ゲート部の第６具体例を示す要部の平面パターン図である。
【図１８】図１７のＶ−Ｖ′線に沿った断面のポテンシャル図である。
【図１９】本発明に係るカメラシステムの一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…ＣＣＤ撮像素子、１１…センサ部、１２…垂直ＣＣＤ、１３…水平ＣＣＤ、１４…ホールドゲート部、１５…電荷検出部、２５…ホールド電極、２６，２６′…ストレージ電極、２７…電荷排出部、２８…オーバーフロードレイン、２９…オーバーフローバリア、３２…ＣＣＤ駆動回路、３３…動作モード設定部
【図１】
0004178621.tif 000002
【図２】
0004178621.tif 000003
【図３】
0004178621.tif 000004
【図４】
0004178621.tif 000005
【図５】
0004178621.tif 000006
【図６】
0004178621.tif 000007
【図７】
0004178621.tif 000008
【図８】
0004178621.tif 000009
【図９】
0004178621.tif 000010
【図１０】
0004178621.tif 000011
【図１１】
0004178621.tif 000012
【図１２】
0004178621.tif 000013
【図１３】
0004178621.tif 000014
【図１４】
0004178621.tif 000015
【図１５】
0004178621.tif 000016
【図１６】
0004178621.tif 000017
【図１７】
0004178621.tif 000018
【図１８】
0004178621.tif 000019
【図１９】
0004178621.tif 000020