(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、
前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送する第１転送部と、
前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、
前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプと
を有し、
前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、
前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送するように配置されている
固体撮像装置。
【請求項２】
吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、
前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送する第１転送部と、
前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、
前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプと
を有する固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、
前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送するように配置されている
請求項２記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に電荷結合素子などの固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置、例えばＣＣＤ（Charge Coupled device ）には、一般にインターライントランスファー方式やフレームトランスファー方式などがある。
インターライントランスファー方式のＣＣＤの平面図を図１６（ａ）に示す。例えば、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を水平転送する水平転送部（水平転送レジスタ）２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０は、図１６（ｂ）に示す単位画素となる受光セル１２が敷きつめられて構成されている。インターライントランスファー方式においては、受光セル１２は、光電変換により信号電荷を生成する受光部（開口部）１２ａと、受光部１２ａで生成した信号電荷を垂直転送する転送部や配線部を有する遮光部１２ｂとから構成される。
【０００３】
一方、フレームトランスファー方式のＣＣＤの平面図を図１７（ａ）に示す。例えば、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印の方向）に垂直転送する受光面１０と、信号電荷を読み出すまでの間一時的に保持する機能を有する遮光された垂直転送部１１と、垂直転送部からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０は、図１７（ｂ）に示す単位画素となる受光セル１２が敷きつめられて構成されている。この受光セル１２は、転送ゲート部１２ｃと仮想ゲート部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）を有する、いわゆる仮想ゲート方式のＣＣＤの受光セルである。仮想ゲート部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）の一部に、アンチブルーミングゲート部１２ｅが形成されている構成である。
【０００４】
上記のインターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式を用いて、ＴＤＩ（time delay integration；時間遅延積算）機能を有するＣＣＤが開発されている。
コンフォーカル顕微鏡として機能することができる上記のＴＤＩセンサは、例えば図１８（ａ）の平面図に示す構成を有しており、フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、単位画素となる受光セル１２が１画素の整数倍毎（図面上は３画素毎）に水平方向に配置され、垂直方向には１段毎に１画素ずつずらして配置されている。
受光面１０上の受光セル１２を除く領域は垂直転送路１３により構成されており、受光セル１２において生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰV の方向に転送する。
垂直転送路１３は、例えば受光セル１２と同じ構成を有し、遮光されていることにより転送のみに機能するようになっている。従って、上記のＴＤＩセンサの受光面１０は、上記の従来のインターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式のＣＣＤの受光面上に、水平方向に１画素の整数倍毎、垂直方向に１段毎に１画素ずつずらして開口した遮光膜を設けることで構成することができる。
【０００５】
上記のＴＤＩセンサの動作について説明する。図１８（ａ）に示すように、被写体Ａを撮像する場合には、被写体Ａをステージに乗せ、所定の方向に一定の速度で動かす。このとき、受光面１０においては、ステージの移動速度に同期して信号電荷の転送を行う。
すなわち、被写体Ａが受光面１０を横切って移動するとき、受光セルＣ１で被写体Ａに対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は矢印ＯＰV の方向に垂直転送され、受光セルＣ２に到達するとその部分の信号電荷と加算される。
得られた信号電荷は、次の垂直転送までの間に矢印ＯＰH の方向に水平転送され、アンプを介して画像信号として取り出される。以上の動作を繰り返すことにより、連続画像を撮像することができる。
【０００６】
従って、図１８（ｂ）に示すように、信号電荷は受光セルに到達するたびにその部分の電荷と加算される。この電荷転送はステージの動作と連動させているので、常に同じ被写体部分の画像が加算されることになる。
すなわち、被写体Ａの移動速度ＯＰA の速度と、被写体Ａに対する信号電荷Ａ’の垂直転送速度ＯＰV を同期させることにより、被写体Ａを多重露光撮像することを可能にしている。
【０００７】
上記のＴＤＩセンサは、インターライントランスファー方式あるいはフレームトランスファー方式のＣＣＤのどちらでも構成することができるが、動作としてはフレームトランスファー方式の方が適している。インターライントランスファー方式の場合には、受光部（開口部）から転送路への電荷転送と転送路内での電荷転送は別のレベルのクロック電圧が必要になるため、駆動系とタイミングが複雑になる。このため、構造的にはフレームトランスファー方式の方が有利である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＴＤＩセンサにおいては、受光面における垂直転送を１回行った後、次の垂直転送を行うまでの間に水平転送を完了させる必要があるため、水平転送速度が遅い場合にはＴＤＩセンサ全体の動作速度を制限しなければならないという問題があった。
例えば、垂直転送を２００ＫＨｚで動作させた場合、水平転送を５μ秒の間に完了させる必要がある。このとき、水平２０００画素のＣＣＤで、デューティ５０％の場合には、８００ＭＨｚの高速水平転送が必要となってくる。
【０００９】
水平転送速度を高めるためには、例えば図１９（ａ）に示すように、水平転送部２０，２０’とアンプ２１，２１’の組を複数組（図面上は２組）設ける方法がある。ｎ組の水平転送部とアンプを設けることで、水平転送部全体の転送速度をｎ倍に速くすることができる。
しかし、この場合には水平転送部の転送セルのピッチがｎ倍に長くなってしまうことになる。例えば、受光面の構成が水平１０００画素、１０μｍピッチである場合には、図１９（ａ）に示すように２組の水平転送部とアンプを設けると水平転送部一本あたり５００画素、２０μｍピッチとなる。１０組の水平転送部とアンプを設けると水平転送部は１００μｍピッチとなり、１００μｍピッチの転送セルで転送させることは事実上不可能になる。このように、セル長が長くなるほど高速転送が困難となってくるので、この方法で大幅に高速化することは難しい。
【００１０】
また、例えば図１９（ｂ）に示すように、１本の水平転送部２０をｎ分割し、それぞれにアンプ２１を設けることで、ｎ組の水平転送部とアンプとする方法が考えられ、この方法によっても水平転送部全体の転送速度をｎ倍に速くすることができる。
しかしながら、上記の方法においてはアンプの配置場所がなく、水平転送部をｎ組に分割することが困難となっている。
【００１１】
上記のように水平転送速度を高めることは、高速駆動をするために、ＴＤＩセンサ以外のＣＣＤなどの固体撮像装置としても実現することが望まれている。
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、水平転送速度を高めることができるＣＣＤなどの固体撮像装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送する第１転送部と、前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００１４】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記受光面においては、前記受光セルが所定の距離をもって離散して配置されており、前記受光面の前記受光セルを除く領域に、前記受光セルにおいて生成した信号電荷を所定の方向に垂直転送する第３転送部が形成されており、前記第１転送部においては、前記第３転送部から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、前記受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めることにより、前記領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送する。
【００１５】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１の方向に転送する第１転送路と、前記第１の方向と異なる第２の方向に転送する第２転送路とを有し、前記第１転送路と前記第２転送路の組み合わせにより前記受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めるように配置されている。
【００１６】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送するように配置されている。
【００１７】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う第２転送部とを接続する第１転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
従って、分割された各第１転送部の専有する幅を狭めた分、水平転送を行う分割された第２転送部のそれぞれにアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送する第１転送部と、前記第１転送部から転送された信号電荷を前記分割された複数の領域毎に所定の方向に水平転送する第２転送部と、前記第２転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００１９】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第１転送部が、第１転送セルと、前記第１転送セルと大きさが異なる第２転送セルとを有し、前記第１転送セルと前記第２転送セルの組み合わせにより、前記分割された複数の領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送するように配置されている。
【００２０】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う第２転送部とを接続する第１転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
従って、水平転送を行う第２転送部の転送方向は、第１転送部の垂直転送方向と直交する方向からずれた方向とすることができ、これにより水平転送を行う分割された第３転送部のそれぞれにアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、吸収する光の量に応じた信号電荷を生成する複数個の受光セルが集積された受光面と、前記受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲しながら所定の方向に水平転送する転送部と、前記転送部から転送された信号電荷を増幅するアンプとを有する。
【００２２】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記転送部が、転送方向を屈曲する転送セルを有する。
【００２３】
上記の本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤなどの固体撮像装置において、受光面と水平転送を行う転送部が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲しながら所定の方向に水平転送を行うように配置されている。
従って、水平転送を行う転送部の屈曲した部分の先端部にアンプを配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るＴＤＩ（time delay integration）センサとして機能する固体撮像装置（ＣＣＤ（Charge Coupled device ））の平面図である。
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
本実施形態においては、垂直転送部１１が、受光面から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割しており、当該領域の専有する幅を狭めながら所定の方向に垂直転送を行うように配置されており、各領域毎に分割された垂直転送部１１に水平転送部２０とアンプ２１をそれぞれ複数個設けて、水平転送速度を高めることが可能となっている。
上記の受光面１０においては、単位画素となる受光セル１２が水平方向に２個、垂直方向に２個並べられた４個を１組として、１画素の整数倍毎（図面上は４画素毎）に水平方向に配置され、垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。
受光面１０上の受光セル１２を除く領域は垂直転送路１３により構成されており、受光面１０全体として、受光セル１２において生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰV の方向に転送する。
【００２６】
上記のＣＣＤの受光セル１２および垂直転送路１３の一部を拡大した平面図を図２に示す。
受光セル１２は、チャネルストップ１４により分離された４個を１組として、垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。このように、転送方向下流の受光セル組をすぐ上流の受光セル組に対して受光セル１個分ずつずらす配置が繰り返される。
従って、図中の４つの受光セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は水平方向に対して同一の位置となり、それぞれが被写体の同一部分を撮像する。
【００２７】
垂直転送路１３は、第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃの３相から１つの転送セルが形成されており、この転送セルが矢印ＯＰV と略同一の方向へ繰り返し並べられている。
垂直転送路１３には、さらに矢印ＯＰV の方向と異なる斜めの方向に延伸する斜伸垂直転送路１３’が形成されており、第１相１３ａ’、第２相１３ｂ’および第３相１３ｃ’の３相から形成される転送セルが矢印ＯＰV に対して斜めに繰り返し並べられている。
【００２８】
上記のＣＣＤのレイアウトにおいては、受光セル１２領域を１００％の仮想ゲート領域として設計するために、垂直転送路１３中に矢印ＯＰV の方向と異なる斜めの方向に延伸する斜伸垂直転送路１３’が必要となっている。
受光セル１２サイズをＸμｍとし、ｎ列毎に受光セル１２を設けるレイアウトの場合には、垂直転送部のゲートピッチは（ｎ列−２画素）Ｘ／ｎ列となる。
例えば、Ｘ＝８μｍとし、ｎ列毎に受光セル１２を設ける場合、垂直転送部のゲートピッチは６．４μｍとなる。
また、コンフォーカル顕微鏡用途のために、４個の受光セルを１組とする受光セル組が垂直方向には所定の行数（例えば１０行）離間した位置に１画素ずつずらして配置されている。垂直転送路１３は、同一列の受光セルに合わせるために、その転送方向は、図中の矢印ＯＰV と略同一の方向であるが、正確には同一列の受光セル間（例えば１０行）で矢印ＯＰV に対して少しずつずらして形成されており、その各行でのずらしの量はＸ／（ｎ列／２画素）／（ｍ行−２画素）となり、ｎ＝ｍ＝１０、Ｘ＝８μｍの場合には、０．２μｍとなる。
【００２９】
上記のＴＤＩセンサとしての動作について説明する。
例えば、被写体をステージに乗せ、所定の方向に一定の速度で動かすとともに、受光面においては、ステージの移動速度に同期して信号電荷の転送を行う。
すなわち、被写体が受光面１０を横切って移動するとき、受光セルＣ１で被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ１の矢印ＯＰV の方向と直交する一方向側から垂直転送路１３に転送され、この垂直転送路１３より矢印ＯＰV の方向に垂直転送される。
次に、被写体が、受光セルＣ１と同じ組であり、受光セルＣ１に対して垂直方向に隣接する受光セルＣ２まで移動すると、受光セルＣ２において被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ２の矢印ＯＰV の方向と直交する一方向側から垂直転送路１３に転送され、被写体の移動と同期して上記の受光セルＣ１から転送されてきた信号電荷と加算される。
次に、信号電荷は斜伸垂直転送路１３’によって矢印ＯＰV に対して斜めに角度を有する方向に転送され、再び矢印ＯＰV の方向に延伸する垂直転送路１３により転送される。
次に、受光セルＣ１，Ｃ２の受光セル組に対して転送方向にすぐ下流に形成された受光セル組の受光セルＣ３およびＣ４においてそれぞれ被写体に対する信号電荷が生成し、得られた信号電荷は受光セルＣ３，Ｃ４の矢印ＯＰV の方向と直交する他方向側から垂直転送路１３に転送され、被写体の移動と同期して上記の受光セルＣ１，Ｃ２から転送されてきた信号電荷と加算される。
上記の動作が垂直転送部１１に到達するまで繰り返され、得られた信号電荷は複数の領域に分割された垂直転送部１１によりさらに垂直転送される。水平転送部２０に達した信号電荷は、分割された各領域毎に次の垂直転送までの間に水平方向に転送され、アンプ２１を介して画像信号として取り出される。
以上の動作を繰り返すことにより、連続画像を撮像することができる。
【００３０】
図３（ａ）は、図２中の領域Ｂの拡大図である。
チャネルストップ１４により分離された受光セル１２に対して、第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃの３相から１つの転送セルが形成されている垂直転送路１３が接続して形成されている。
ここで、受光セル１２と第２相１３ｂが幅Ｌをもって接続している。
【００３１】
図３（ｂ）は図３（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
単結晶シリコンからなるｐ型半導体基板３０のｐ型素子分離層３２で分離された領域に、ｎ型の導電性不純物を含有するシリコンからなるｎ型半導体層３１が形成されており、その上層に例えば酸化シリコンのゲート絶縁膜４０が形成されている。
ゲート絶縁膜４０の上層には、平面図における第１相１３ａ領域において、例えばポリシリコンからなる第１ゲート電極４１が形成されており、第１ゲート電極を被覆して酸化シリコンからなるゲート電極被覆膜４２が形成されている。また、平面図における第３相１３ｃ領域において、第２ゲート電極４３が形成されている。
第１ゲート電極４１および第２ゲート電極４３の下層のｎ型半導体層３１中にはｎ型の導電性不純物の高濃度領域である第１ｎ型不純物高濃度領域３３が形成されている。第１ゲート電極４１が形成されている領域、すなわち第１相１３ａが第１ポリウェルＰＷ１となり、第３ゲート電極４３が形成されている領域、すなわち第３相１３ｃが第２ポリウェルＰＷ２となる。
第１および第２ゲート電極４１，４３の間隙部である第２相１３ｂ領域において、ｎ型半導体層中３１にはｐ型の導電性不純物を含有するｐ型第１反転層３５が形成されており、また、受光セル１２領域において、ｐ型第１反転層３５よりもｐ型の導電性不純物を高濃度に含有するｐ型第２反転層３６が形成されている。
さらに、ｐ型第１反転層３５およびｐ型第２反転層３６の下層の半導体層３１中にはｎ型の導電性不純物の高濃度領域である第２ｎ型不純物高濃度領域３４が形成されており、仮想ゲート領域を構成する。ｐ型第１反転層３５が形成されている領域、すなわち第２相１３ｂが仮想ウェルＶＷとなり、ｐ型第２反転層３６が形成されている領域、すなわち受光セル１２領域が仮想バリアＶＢとなる。
【００３２】
上記の構成において、受光セル１２領域と近接する領域に、不図示のドレイン電極を設けることが好ましく行われる。ドレイン電極は、ブルーミング抑制と待機時間中に生成する暗電流をクリアする機能を有する。
【００３３】
上記の第１相１３ａ、第２相１３ｂおよび第３相１３ｃから構成される転送セルにおいては、第１相１３ａの上層に形成された第１ゲート電極４１に所定のクロックの電圧Ｐ１を印加し、一方第３相１３ｃの上層に形成された第２ゲート電極４３に電圧Ｐ１と異なるクロックの電圧Ｐ２を印加する。
第２相１３ｂおよび受光セル１２領域上にはゲート電極は形成されていなく、一定の電圧が印加されたゲートが形成されているとみなせる仮想ゲート構造となる。
【００３４】
上記のＣＣＤにおけるＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２、およびＶＢの各部のポテンシャルおよび信号電荷の転送方法について説明する。
図４は、上記のＣＣＤのポテンシャル図である。ここで、一方向に連続するポテンシャルであるＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２の各部は実線で示し、ＶＷに接続して形成されているＶＢ（受光セル）のポテンシャルを波線で示している。
各セルの第１ゲート電極４１と第２ゲート電極４３はそれぞれ異なるクロックの電圧パルス（高（Ｈｉｇｈ）と低（Ｌｏｗ））が与えられ、これに対応してＰＷ１とＰＷ２はそれぞれＰＷＬとＰＷＨの２準位をとる。
一方で、仮想ゲート領域においては、ｐ型第１反転層３５およびｐ型第２反転層３６により隣接するゲート電極の影響を受けず、一定電位となる。
信号電荷の転送は、まず図４（ａ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＶＷが最も低い準位となり、ＶＢ（受光セル）で生成した信号電子がＶＷに転送される。
次に、図４（ｂ）に示すように、ＰＷ１＝ＰＷＬ、ＰＷ２＝ＰＷＨとすると、ＶＷから最低準位となるＰＷ２に信号電荷が転送される。
次に、図４（ｃ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＨとすると、隣接する転送セルのＰＷ１がＰＷ２と同じ最低準位となり、信号電荷が隣接する転送セルのＰＷ１にも転送される。
次に、図４（ｄ）に示すように、ＰＷ１＝ＰＷＨ、ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＰＷ２から最低準位となる隣接する転送セルのＰＷ１に信号電荷が転送される。この時点で信号電荷は全て隣接する転送セルに転送されており、以降は隣接する転送セル内での転送となる。
次に、図４（ｅ）に示すように、ＰＷ１，ＰＷ２＝ＰＷＬとすると、ＰＷ１から最低準位となるＶＷに信号電荷が転送される。
以上のステップを繰り返すことにより、１つの転送セルから隣接する転送セルへと信号電荷が転送される。また、上記の各時点で受光セルにおいて新たに生成する信号電荷は直ちにＶＷに転送され、ＶＷよりも低いポテンシャルがある場合には速やかにより低い準位へと転送され、先に転送されている信号電荷と加算される。
上記の転送方法は、受光セルと垂直転送部の配置からはインターライントランスファー方式のようであるが、実際の電荷転送動作はフレームトランスファー方式と同様に動作できる。ＰＷ１、ＶＷ、ＰＷ２、およびＶＢの各部のポテンシャルの設計は、従来より知られている仮想ゲート構造のＣＣＤと同様とすることができる。
【００３５】
上記の垂直転送部１１近傍領域の拡大図を図５に示す。
受光面１０には４個を１組とする受光セルが所定の距離を離間して配置されており、その間隙部に垂直転送路１３が敷きつめられて形成されている。受光面１０の最も転送下流側においても、４個を１組とする受光セル１２が配置されている。
上記の受光面１０の垂直転送路１３に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。垂直転送部１１全体では、信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に転送されるが、垂直転送部１１は矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv と、矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa とから構成されており、第１転送路Ｔv と第２転送路Ｔa の組み合わせにより、受光面１０の最も転送下流側の受光セル１２の幅に相当する距離を詰めるように配置され、これにより、垂直転送部１１の分割された複数の各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うことが可能となっている。
受光面１０の最も転送下流側の受光セル１２の直下部分である転送に寄与しない領域においては、チャネルストップ１４あるいはフィールド酸化膜などが形成されている。
上記の垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０が形成されており、さらに水平転送部２０の転送先にアンプ２１が設けられている。
【００３６】
図５において矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv と矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa が近接して形成されている領域Ｄの拡大図を図６に示す。
矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv は、通常の転送セル１１ａが矢印ＯＰV の方向に並べられて構成されている。
一方、矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa は、転送セル１１ａが例えば１セルごとに１セル長の１割程度の距離をずらすように並べられて構成されている。
【００３７】
上記の構造において、受光セル１２から垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、受光面１０の直下に水平転送部２０が形成された場合には、例えば８μｍのセルを用いて１０セル毎の受光セル配列構成とした場合、８０μｍ分のセル毎に１６μｍ分の信号電荷がなくなることになる。このように、一定の数のセル毎に信号電荷がないことになり、画像信号として不都合を生じる。
しかしながら、本実施形態においては、受光面１０と水平転送部２０の間に、受光面１０の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら所定の方向に垂直転送する垂直転送部１１が形成されているので、水平転送部２０から取り出される信号電荷に上記のような不都合を生じることはない。
【００３８】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１において受光面１０の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら所定の方向に垂直転送しているので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００３９】
本実施形態において、第１転送路Ｔv と第２転送路Ｔa の組み合わせ方に限定はない。
例えば図７に示すように、まず第１転送路Ｔv によって矢印ＯＰV の方向に転送し、次に第２転送路Ｔa によって矢印ＯＰV の方向に対して斜めに転送し、再び第１転送路Ｔv によって矢印ＯＰV の方向に転送する構成とすることも可能である。
【００４０】
第２実施形態
図８は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。
本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００４１】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰV の方向に転送する。
【００４２】
上記の受光面１０に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。垂直転送部１１全体では、信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に転送されるが、垂直転送部１１は矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv と、矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa とから構成されており、第１転送路Ｔv と第２転送路Ｔa の組み合わせにより、垂直転送部１１が、複数に分割された各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うように配置されている。
上記の複数の領域毎に分割毎に分割された垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００４３】
図８において矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv と矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa から構成される垂直転送部１１の拡大図を図９に示す。説明を簡単にするために、図面上転送セルの個数を９個と少なくして簡略化している。
矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv は、通常の幅を有する転送セル１１ａが矢印ＯＰV の方向に並べられて構成されている。
一方、矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa は、通常の転送セル１１ａよりも幅の狭められた転送セル１１ｂが並べられて構成されている。
【００４４】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１が複数に分割された各領域の専有する幅を狭めながら、所定の方向に垂直転送を行うので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００４５】
本実施形態において、第１転送路Ｔv と第２転送路Ｔa の転送セルの大きさを入れ替えることも可能である。
図１０に示すように、矢印ＯＰV に対して斜めの方向に転送する第２転送路Ｔa を通常の幅を有する転送セル１１ａにより構成し、矢印ＯＰV の方向に転送する第１転送路Ｔv を通常の転送セル１１ａよりも幅の狭められた転送セル１１ｂにより構成することができる。
【００４６】
本実施形態のＣＣＤは、ＴＤＩセンサとして機能するＣＣＤに適用することが可能である。
この場合、上記の受光面においては、第１実施形態のように、受光セルが例えば４個を１組として所定の距離を離間して配置されており、受光面の最も転送下流側においても、受光セル組が配置されている。ここで、受光セルから垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、第１実施形態と同様にして、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を詰めながら、さらに幅の異なる転送セルを用いて、複数に分割された各領域の専有する幅を狭めるように垂直転送部を配置することが好ましい。
【００４７】
第３実施形態
図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。
本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００４８】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰV の方向に転送する。
【００４９】
上記の受光面１０に接続して、例えば３０個程度の転送セルから構成される垂直転送部１１が形成されている。
垂直転送部１１は、受光面１０から転送された信号電荷を複数の領域毎に分割して、当該領域の水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように所定の方向に垂直転送を行う。
上記の複数の領域毎に分割毎に分割された垂直転送部１１に接続して、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００５０】
図１１において、複数の領域毎に分割して、各領域毎に水平方向の一方の端部から他方の端部に向かって垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置された垂直転送部１１の拡大図を図１２に示す。説明を簡単にするために、図面上転送セルの個数を７個と少なくして簡略化している。
矢印ＯＰV の方向に転送する垂直転送部１１は、通常のセルサイズを有する転送セル１１ａと、転送セル１１ａよりも転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂが組み合わせて構成されている。
ここで、垂直転送部１１の各領域毎に水平方向の一方の端部における転送セルは全て通常のセルサイズを有する転送セル１１ａを用いて構成され、他方の端部に向けて、転送セル１１ａを１個ずつ転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂに置換していくことにより、水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置されている。
【００５１】
上記の通常のセルサイズを有する転送セル１１ａと、転送方向にセルサイズを拡大された転送セル１１ｂの拡大図を図１３に示す。
転送セル１１ａは、例えばポリバリアＰＢ（ＬPB）、ポリウェルＰＷ（ＬPW）、仮想バリアＶＢ（ＬVB）、仮想ウェルＶＷ（ＬVW）の各相から構成されている。上記の括弧内は、転送方向の幅を示している。これらの４相合計で、例えば８μｍのセルサイズとなっている。
転送セル１１ｂは、例えばポリバリアＰＢ（ＬPB）、ポリウェルＰＷ（ＬPW’）、仮想バリアＶＢ（ＬVB）、仮想ウェルＶＷ（ＬVW’）の各相から構成されている。上記の括弧内は、転送方向の幅を示している。すなわち、ポリバリアＰＢと仮想バリアＶＢの幅は転送セル１１ａの場合と同じで、ポリウェルＰＷと仮想ウェルＶＷのい幅がそれぞれ例えば０．４μｍずつ転送方向に拡大され、これらの４相合計で、転送セル１１ａよりも１割程度転送方向に拡大されたセルサイズとなっている。
【００５２】
本実施形態のＣＣＤによれば、垂直転送部１１が、複数に分割された各領域において、水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置されて、所定の方向に垂直転送を行うので、水平転送を行う分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００５３】
本実施形態において、例えばＴＤＩセンサとして機能するＣＣＤに適用する場合、例えば図１４に示す構成により実現することができる。
受光面１０においては、第１実施形態のように、受光セルが例えば４個を１組として所定の距離を離間して配置されており、受光面の最も転送下流側においても、受光セル組が配置されている。受光セル１２の間隙部に垂直転送路１３が敷きつめられている。
ここで、受光セルから垂直方向に直接信号電荷の転送はなされないので、水平転送により信号を読みだしたときに一定の数のセル毎に信号電荷がなくなることを防止するため、受光面１０と上記の垂直転送部１１の間に、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を補正する副垂直転送部１１’を設けることが好ましい。
上記の副垂直転送部１１’においては、幅の異なる転送セル１１ａ’，１１ｂ’の組み合わせにより、受光面の最も転送下流側の受光セルの幅に相当する距離を補正して水平転送により信号を読みだしたときに一定の数のセル毎に信号電荷がなくならないようにすることができる。
上記の副垂直転送部１１’に対して、本実施形態に係る複数の領域毎に分割されて水平方向の一方の端部から他方の端部に向けて垂直方向の転送距離が単調に変化するように配置された垂直転送部１１が接続し、水平転送部２０とアンプ２１がそれぞれ複数個設けられている。
【００５４】
第４実施形態
図１５（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置（ＣＣＤ）の平面図である。本実施形態に係るＣＣＤは、第１実施形態と異なり、ＴＤＩセンサには限定されず、通常のフレームトランスファー方式のＣＣＤとして構成することができる。
【００５５】
フォトダイオード構造を有して光電変換し、生成した信号電荷を所定の方向（図面上矢印ＯＰV の方向）に垂直転送する受光面１０と、受光面１０からの信号電荷を垂直転送する垂直転送部１１と、垂直転送部１１からの信号電荷を水平転送する水平転送部２０と、得られた信号電荷を増幅するアンプ２１とを有する構成である。アンプ２１は不図示の信号処理回路などへ接続されている。
上記の受光面１０においては、例えば転送機能を有する単位画素となる受光セルが敷きつめられて配置されており、受光面１０全体として、受光セルにおいて生成した信号電荷を図面上矢印ＯＰV の方向に転送する。
【００５６】
上記の受光面１０に接続して、複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲部Ｃにおいて屈曲しながら所定の方向に水平転送する水平転送部２０が設けられている。
各領域に分割された水平転送部２０の先端部にアンプ２１がそれぞれ設けられている。
【００５７】
図１５（ｂ）は、上記の水平転送部２０における屈曲部Ｃ近傍領域を拡大した図である。
転送ゲートＧとウェルＷが矢印ＯＰH の方向に繰り返し並べられているが、屈曲部Ｃに配置されたウェルＷにおいては、信号電荷の転送方向が９０°屈曲する。以降は、再び転送ゲートＧとウェルＷが矢印ＯＰH と直交する方向である矢印ＯＰV の方向に繰り返し並べられる。
上記の屈曲部Ｃに配置されたウェルＷにおいては、円滑に信号電荷を転送するために、水平方向の幅ＬH と垂直方向の幅ＬV をできるだけ近い値に設定することが好ましい。
【００５８】
本実施形態のＣＣＤによれば、水平転送部が複数の領域毎に分割して、各領域毎に転送方向を屈曲部Ｃにおいて屈曲しながら所定の方向転送するように配置されており、これにより分割された水平転送部２０のそれぞれにアンプ２１を配置する場所を確保でき、ＣＣＤなどの固体撮像装置の水平転送速度を高めることができる。
【００５９】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、複数の幅や長さを有する転送セルを用いる場合、その幅や長さの差は設計に応じて選択することができる。
また、受光セル組の一組を構成する受光セルの個数や、垂直転送部に対する配置は適宜選択することができる。
さらに、垂直転送部を構成する転送セルの相数などの必要に応じて選択することが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、水平転送速度を高めることができるＣＣＤなどの固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図２】図２は第１実施形態に係るＣＣＤの受光セルおよび垂直転送路の一部を拡大した平面図である。
【図３】図３（ａ）は図２中の領域Ｂの拡大平面図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、（ｃ）は（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図４】図４は第１実施形態に係るＣＣＤの信号電荷の転送を説明するためのポテンシャル図である。
【図５】図５は垂直転送部の構成を示す平面図である。
【図６】図６は垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図７】図７は垂直転送部の別の構成を示す平面図である。
【図８】図８は本発明の第２実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図９】図９は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１０】図１０は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な別の構成を示す拡大平面図である。
【図１１】図１１は本発明の第３実施形態に係るＣＣＤの平面図である。
【図１２】図１２は第３実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１３】図１３は第３実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部に用いる転送セルの平面図である。
【図１４】図１４は第２実施形態に係るＣＣＤの垂直転送部の詳細な別の構成を示す拡大平面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明の第３実施形態に係るＣＣＤの平面図であり、（ｂ）は水平転送部の詳細な構成を示す拡大平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は第１従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は受光セルの平面図である。
【図１７】図１７（ａ）は第２従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は受光セルの平面図である。
【図１８】図１８（ａ）は第３従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は動作を説明するための模式図である。
【図１９】図１９（ａ）は第４従来例に係るＣＣＤの平面図、（ｂ）は第５従来例に係るＣＣＤの平面図である。
【符号の説明】
１０…受光面、１１…垂直転送部、１２…受光セル、１３…垂直転送部、１３’…斜伸垂直転送部、１４…チャネルストップ、２０…水平転送部、２１…アンプ、３０…ｐ型半導体基板、３１…ｎ型半導体層、３２…ｐ型素子分離層、３３…第１ｎ型不純物高濃度領域、３４…第２ｎ型不純物高濃度領域、３５…ｐ型第１反転層、３６…ｐ型第２反転層、４０…ゲート絶縁膜、４１…第１ゲート電極、４２…ゲート電極被覆膜、４３…第２ゲート電極、Ａ…被写体、Ｃ１〜Ｃ４…受光セル。
【図１】
0004298061.tif 000002
【図２】
0004298061.tif 000003
【図３】
0004298061.tif 000004
【図４】
0004298061.tif 000005
【図５】
0004298061.tif 000006
【図６】
0004298061.tif 000007
【図７】
0004298061.tif 000008
【図８】
0004298061.tif 000009
【図９】
0004298061.tif 000010
【図１０】
0004298061.tif 000011
【図１１】
0004298061.tif 000012
【図１２】
0004298061.tif 000013
【図１３】
0004298061.tif 000014
【図１４】
0004298061.tif 000015
【図１５】
0004298061.tif 000016
【図１６】
0004298061.tif 000017
【図１７】
0004298061.tif 000018
【図１８】
0004298061.tif 000019
【図１９】
0004298061.tif 000020