(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板中に形成された第１導電型半導体層からなる電荷転送路と、
該電荷転送路上に近接して形成された複数の電荷転送電極と、
該電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ（ｎは２以上の整数）相駆動する第１のパルス信号列を印加できるとともに、前記電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ＋１相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加できるパルス信号発生回路とを含む水平電荷転送装置であって、
前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させることを特徴とする水平電荷転送装置。
【請求項２】
前記パルス信号発生回路が、該電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ（ｎは２以上の整数）相駆動する第１のパルス信号列を印加できるとともに、前記電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ×ｍ（ｍは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加できる請求項１記載の水平電荷転送装置。
【請求項３】
前記電荷転送路が、ポテンシャルの高い第１のバリア層とポテンシャルの低い第１のウェル層とが隣接して交互に配置された電荷転送路であり、
前記電荷転送電極が、該電荷転送路上の前記第１のバリア層と前記第１のウェル層との上に近接して交互に形成された複数の第１の電荷転送電極および第２の電荷転送電極とを含み、前記第１の電荷転送電極とそれと隣接する前記第２の電荷転送電極とを相互に１つずつ接続して形成される複数の電荷転送電極対を構成し、
前記パルス信号発生回路が、前記電荷転送路中の電荷を２相駆動する２相の第１のパルス信号列を隣接する２つの前記電荷転送電極対に対して印加できるとともに、前記電荷転送電極対に対して前記電荷転送路中の電荷を２ｋ（ｋは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加できる請求項２記載の水平電荷転送装置。
【請求項４】
さらに、前記電荷転送電極の最終段に隣接して形成され、前記電荷転送路内を転送された電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
該電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部と
を含む請求項３に記載の水平電荷転送装置。
【請求項５】
前記電荷蓄積部は、
前記電荷転送路上において隣接して形成された第２のバリア層及び第２のウェル層と、
前記第２のバリア層と前記第２のウェル層との上に形成された第３の電荷転送電極および第４の電荷転送電極と、
前記第３の電荷転送電極及び前記第４の電荷転送電極と接続され、蓄積電荷放出用パルスを発生する蓄積電荷放出用パルス発生回路と
を含む請求項４記載の水平電荷転送装置。
【請求項６】
さらに、前記電荷転送電極の最終段に隣接して形成され、前記第１のウェル層の電気容量よりも大きい電気容量を有する第２のウェル層と、
該第２のウェル層に隣接して設けられ、前記電荷転送路から転送された電荷の量を検出するフローティングディフュージョン領域と、
を含む請求項３記載の水平電荷転送装置。
【請求項７】
半導体基板と、
該半導体基板中に形成された第１導電型半導体層からなり、電荷を蓄積する第１のウェル層と第１のバリア層とが交互に配置される電荷転送路と、
該電荷転送路上において隣接して形成された複数の電荷転送電極と、
該電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ（ｎは２以上の整数）相駆動する第１のパルス信号列を印加できるとともに、前記電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ×ｍ（ｍは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加するパルス信号発生回路と、
前記電荷転送電極の最終段に隣接して形成され前記電荷転送路内を転送された電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
該電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部と
を含み、
前記電荷蓄積部は、
前記電荷転送路に隣接して形成された第２のバリア層及び第２のウェル層と、
前記第２のバリア層と前記第２のウェル層との上に形成された第３の電荷転送電極および第４の電荷転送電極と、
前記第３の電荷転送電極及び前記第４の電荷転送電極と接続され、蓄積電荷放出用パルスを発生する蓄積電荷放出用パルス発生回路と
を含み、
前記第２のウェル層の電気容量が前記第１のウェル層の電気容量の（ｎ×ｍ−３）倍以上である水平電荷転送装置であって、
前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させることを特徴とする水平電荷転送装置。
【請求項８】
水平電荷転送路として請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の水平電荷転送装置が用いられる
固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板と、該半導体基板上に行方向及び列方向に整列して形成された複数の光電変換素子と、列方向に整列して配置された複数の前記光電変換素子列の各々に近接して配置され、垂直方向に延びる複数の垂直電荷転送路と、前記光電変換素子の各々と前記垂直電荷転送路との間に形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直電荷転送路内に転送する読み出しゲートと、前記複数の垂直電荷転送路の一端に形成され、水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路と、該水平電荷転送路により転送された電荷を増幅して外部に出力する出力アンプとを備え、前記水平電荷転送路は、前記半導体基板中に形成される第１導電型半導体層からなり、ポテンシャルの高い第１のバリア層とポテンシャルの低い第１のウェル層とが隣接して交互に配置された電荷転送路と、該電荷転送路上において前記第１のバリア層と前記第１のウェル層との上に隣接して交互に形成される複数の第１の電荷転送電極および第２の電荷転送電極とを含み、前記第１の電荷転送電極とそれと隣接する前記第２の電荷転送電極とを相互に１つずつ接続して形成された複数の電荷転送電極対と、前記電荷転送路中の電荷を２相駆動する２相の第１のパルス信号列を隣接する２つの前記電荷転送電極対に対して印加できるとともに、前記電荷転送路中の電荷を２ｋ（ｋは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を前記電荷転送電極に対して印加するパルス信号発生回路とを含む電荷転送装置の読み出し方法であって、
前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させ、
前記光電変換素子に蓄積された全ての光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す際には、前記水平電荷転送路中の電荷を２相駆動方式で転送し、
水平方向に隣接するｋ列の光電変換素子に対して、１つの電荷を読み出す水平１／ｋ間引きを行う時には、前記水平電荷転送路中の電荷を２ｋ相駆動方式で転送する
固体撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記水平方向に隣接するｋ列の光電変換素子に対して１つの電荷はｋ列の電荷信号を前記水平電荷転送路内において加算したものである請求項９記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１１】
半導体基板と、該半導体基板上に行方向及び列方向に整列して形成された複数の光電変換素子と、列方向に整列して配置された複数の前記光電変換素子列の各々に近接して配置され、垂直方向に延びる複数の垂直電荷転送路と、前記光電変換素子の各々と前記垂直電荷転送路との間に形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直電荷転送路内に転送する読み出しゲートと、前記複数の垂直電荷転送路の一端に形成され、複数の第１のウェル層に電荷を蓄積し、その電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路と、を備え、前記水平電荷転送路は、前記半導体基板中に形成される第１導電型半導体層からなり、該電荷転送路上において隣接して形成された複数の電荷転送電極と、該電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ（ｎは２以上の整数）相駆動する第１のパルス信号列を印加できるとともに、前記電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ×ｍ（ｍは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加できるパルス信号発生回路とを含み、さらに前記電荷転送電極の最終段に隣接して、前記電荷転送路内を転送された電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、該電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部とが形成され、前記電荷蓄積部は、前記電荷転送路上において隣接して形成された第２のバリア層及び第２のウェル層と、前記第２のバリア層と前記第２のウェル層との上に形成された第３の電荷転送電極および第４の電荷転送電極と、前記第３の電荷転送電極及び前記第４の電荷転送電極と接続され、蓄積電荷放出用パルスを発生する蓄積電荷放出用パルス発生回路とを含み、前記第２のウェル層の電気容量が前記第１のウェル層の電気容量の（ｎ×ｍ−３）倍以上である固体撮像装置の読み出し方法であって、
前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させ、
前記電荷蓄積部に前記第１のウェル層（ｎ×ｍ−３）個分の電荷が蓄積された際に、前記電荷蓄積部から電荷検出部に電荷を転送する
電荷転送装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電荷転送装置、それを用いた固体撮像装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５に一般的な電荷転送装置の例を示す。図１５（Ａ）は平面図を、図１５（Ｂ）は模式的な断面図を示す。
【０００３】
図１５（Ｂ）に示すように、電荷転送装置Ｘは、ｐ型またはｉ型の表面層を有する半導体基板１０１と、その表面付近に形成されたｎ形半導体層１０５と、その上に絶縁膜１１５を介して形成された多結晶シリコンからなる電荷転送電極１２１と、電荷転送電極にパルス電圧を印加するパルス信号発生回路１２５を有している。
【０００４】
電荷転送電極１２１は、第一層目のポリシリコン（１ポリ）により形成される第１の電荷転送電極１２１−１、１２１−３、１２１−５、・・・と、第二層目のポリシリコン（２ポリ）により形成される第２の電荷転送電極１２１−２、１２１−４、１２１−６、・・・とが水平方向に交互に並んで配置されている。
【０００５】
ｎ形半導体層１０５のうち第一層目のポリシリコン（１ポリ）により形成される第１の電荷転送電極１２１−１、１２１−３、１２１−５、・・・の下の領域は、ｎ形不純物の濃度が低く、ポテンシャルバリア（Ｂ）を形成する。第二層目のポリシリコン（２ポリ）により形成される第２の電荷転送電極１２１−２、１２１−４、１２１−６、・・・の下の領域は、ｎ形不純物の濃度が高く、ポテンシャルウェル（Ｗ）を形成する。
【０００６】
水平方向に隣接する第１及び第２の２つの電荷転送電極１２１、例えば第１の電荷転送電極１２１−１と第２の電荷転送電極１２１−２、或いは第１の電荷転送電極１２１−３と第２の電荷転送電極１２１−４とは、共通に配線されている。共通に配線された２つの電荷転送電極１２１−１と１２１−２とに、パルス信号発生回路１２５から信号波形φ２が印加される。共通に配線された２つの電荷転送電極１２１−３と１２１−４とに、パルス信号発生回路１２５から信号波形φ１が印加される。
【０００７】
同様に、水平方向に隣接し、交互に並ぶ２つの電荷転送電極に、パルス信号発生回路１２５から、φ２、φ１、φ２、φ１のように交互に異なる信号波形が印加される。
【０００８】
図１６に、パルス信号発生回路１２５（図１５（Ｂ））から発生するパルス信号波形を示す。
φ１は、ＬｏｗとＨｉｇｈの電圧波形が交互に並ぶ信号波形である。
φ２は、φ１の逆相の信号波形である。
【０００９】
φ１とφ２との信号波形が、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す電荷転送装置Ｘに印加されることにより、図１５（Ｂ）に示すように、電荷が２相駆動方式により水平方向に転送される。
【００１０】
上記の２相駆動方式による電荷転送装置の他にも、３相駆動方式或いは４相駆動方式などにより電荷を転送する場合もある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述の２相駆動方式による電荷転送装置においては、２つの電荷転送電極１２１、１２１が１組となり、１組の電荷転送電極により電荷の１転送段を構成する。
【００１２】
従って、上記のような２相駆動方式の電荷転送装置においては、電荷の１転送段は固定されている。
図１７に、図１５に示す電荷転送装置Ｘを用いた固体撮像装置Ａの平面図を示す。
【００１３】
図１７に示す固体撮像装置Ａは、半導体基板１０１表面の２次元平面上に整列配置された複数の光電変換素子１０３、１０３、１０３と、各光電変換素子１０３に蓄積されている信号電荷を読み出し、読み出した電荷を列方向に順次転送する複数本の垂直電荷転送路１０５と、垂直電荷転送路１０５の一端に接続され垂直電荷転送路１０５から転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路１０７と、水平電荷転送路１０７から転送された電荷を増幅して外部に出力する出力アンプ１１１とを有する。
【００１４】
光電変換素子１０３と垂直電荷転送路１０５との間には、光電変換素子１０３に蓄積されている電荷を垂直電荷転送路１０５に読み出すための読み出しゲート１０３ａが設けられている。
【００１５】
垂直電荷転送路１０５から水平電荷転送路１０７に向けて電荷が転送される。水平電荷転送路１０７として、前述の電荷転送装置Ｘを用いる。
垂直電荷転送路１０５の一端は水平電荷転送路１０７のうち、ウェル層を形成する高濃度ｎ形半導体層１０５ａに接続されている。
【００１６】
上記のような２相駆動形電荷転送装置は、２相駆動パルスで駆動される。
その他、バリア層やウェル層を用いない３相駆動、４相駆動の従来型電荷転送装置においても、３相、４相パルスで駆動される装置は、それ以外の方法で電荷を駆動することはできなかった。
【００１７】
例えば上述の２相駆動の電荷転送装置では、２つの電荷転送電極で電荷の１転送段を構成し、１転送段の幾何学的長さは固定される。
【００１８】
このような制約は、電荷転送装置を固体撮像装置の水平電荷転送路として用いた場合に問題を生じる。
【００１９】
すなわち、固体撮像装置においては、全ての画像信号を垂直電荷転送路から水平電荷転送路に転送できるように、水平電荷転送路の１転送段は１垂直電荷転送路に対応して設けられている。
【００２０】
しかしながら、モニタ時には、画素数を間引いて高速の画像再生を行うことが望まれる。行数を間引くとともに、列数も同様に間引くことが望ましい。この場合、偶数列の信号電荷（電子）だけを選択的に転送しようとすると、信号電荷は、１列おきの偶数列の転送段のみに蓄積され、それと水平方向に隣接する奇数列の転送段は電荷が蓄積されない空の状態になる。この水平電荷転送路は、画像信号と空の信号とを共に信号として扱い、空の電荷を信号と同様にして転送する。
【００２１】
従って、固体撮像装置における信号ビット数を減少させても、水平電荷転送路では、実質的なデータレートが減少せず、消費電力も低減しない。
【００２２】
本発明の目的は、信号数に応じて転送段数を変化させ、データレートを高めること、消費電力を低減することができる電荷転送装置を用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、該半導体基板中に形成された第１導電型半導体層からなる電荷転送路と、該電荷転送路上に近接して形成された複数の電荷転送電極と、該電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ（ｎは２以上の整数）相駆動する第１のパルス信号列を印加できるとともに、前記電荷転送電極に対して前記電荷転送路中の電荷をｎ＋１相以上で駆動する第２のパルス信号列を印加できるパルス信号発生回路とを含む水平電荷転送装置であって、前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させることを特徴とする水平電荷転送装置が提供される。
【００２４】
本発明の他の観点よれば、 半導体基板と、該半導体基板上に行方向及び列方向に整列して形成された複数の光電変換素子と、列方向に整列して配置された複数の前記光電変換素子列の各々に近接して配置され、垂直方向に延びる複数の垂直電荷転送路と、前記光電変換素子の各々と前記垂直電荷転送路との間に形成され、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直電荷転送路内に転送する読み出しゲートと、前記複数の垂直電荷転送路の一端に形成され、水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路と、該水平電荷転送路により転送された電荷を増幅して外部に出力する出力アンプとを備え、前記水平電荷転送路は、前記半導体基板中に形成される第１導電型半導体層からなり、ポテンシャルの高い第１のバリア層とポテンシャルの低い第１のウェル層とが隣接して交互に配置された電荷転送路と、該電荷転送路上において前記第１のバリア層と前記第１のウェル層との上に隣接して交互に形成される複数の第１の電荷転送電極および第２の電荷転送電極とを含み、前記第１の電荷転送電極とそれと隣接する前記第２の電荷転送電極とを相互に１つずつ接続して形成された複数の電荷転送電極対と、前記電荷転送路中の電荷を２相駆動する２相の第１のパルス信号列を隣接する２つの前記電荷転送電極対に対して印加できるとともに、前記電荷転送路中の電荷を２ｋ（ｋは２以上の整数）相以上で駆動する第２のパルス信号列を前記電荷転送電極に対して印加するパルス信号発生回路とを含む電荷転送装置の読み出し方法であって、前記パルス信号列を変更することにより、前記水平電荷転送装置の一転送段の長さを変化させ、前記光電変換素子に蓄積された全ての光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す際には、前記水平電荷転送路中の電荷を２相駆動方式で転送し、水平方向に隣接するｋ列の光電変換素子に対して、１つの電荷を読み出す水平１／ｋ間引きを行う時には、前記水平電荷転送路中の電荷を２ｋ相駆動方式で転送する固体撮像装置の制御方法が提供される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１から図３までを用いて、本発明の第１の実施の形態による電荷転送装置について説明する。
【００２６】
図１は平面図を、図２は模式的な断面図と電荷の分布を示す模式的な断面図を示す。第３図はパルス信号波形を示す。
電荷転送装置Ａは、半導体基板１と、その表面付近に形成された第１導電型（ｎ形）半導体層７と、その上に層間絶縁膜１５を介して形成された多結晶シリコンからなる電荷転送電極２１と、電荷転送電極にパルス電圧を印加するパルス信号発生回路２５（２５ａ、２５ｂ）とを有している。
【００２７】
電荷転送電極２１は、一般的に、第一層目のポリシリコン（１ポリ）により形成される電荷転送電極２１−１、２１−３、２１−５、・・・と、第二層目のポリシリコン（２ポリ）により形成される電荷転送電極２１−２、２１−４、２１−６、・・・とが水平方向に交互に並んで配置されている。ｎ形半導体層７は、ほぼ均一な厚さ、不純物濃度の層を形成している。水平方向に隣接する８つの電荷転送電極２１、例えば２１−１から２１−８までが１組の電荷転送電極群Ｇ１を形成する。
【００２８】
電荷転送電極２１−１に対して、パルス信号発生器２５（２５ａ）からφ１のパルス信号が印加される。
【００２９】
電荷転送電極２１−１と隣接する電荷転送電極２１−２に対して、パルス信号発生器２５（２５ａ）からφ２のパルス信号が印加される。
電荷転送電極２１−２と隣接する電荷転送電極２１−３に対して、パルス信号発生器２５（２５ａ）からφ３のパルス信号が印加される。
電荷転送電極２１−３と隣接する電荷転送電極２１−４に対して、パルス信号発生器２５（２５ａ）からφ４のパルス信号が印加される。
同様に、隣接する電荷転送電極２１−５から２１−８までに、φ１からφ４までのパルス信号が印加される。
【００３０】
φ１からφ４までのパルス信号を第１のパルス信号列と称する。
加えて同じ電荷転送電極２１に対して、パルス信号発生器２５（２５ｂ）から、１組の電荷転送電極群Ｇ１ごとにφ１からφ８までの異なるパルス信号が印加される。φ１からφ８までの異なるパルス信号を第２のパルス信号列と称する。
電荷転送装置Ａの転送電極２１、２１、２１・・・に対して、第１のパルス信号列（４相駆動パルス）が印加されることにより、電荷駆動装置中の電荷は、４相駆動方式で転送される。
【００３１】
尚、４相駆動以外にも２相駆動や３相駆動などｎ相（ｎは２以上の整数）駆動が可能である。
【００３２】
電荷転送装置Ａの転送電極２１、２１、２１・・・に対して、第２のパルス信号列が印加されると、電荷駆動装置中の電荷は、８相駆動方式で転送される。
第２のパルス信号列を印加することにより、８相駆動方式で動作させる場合には、第１のパルス信号列を印加することにより４相駆動方式で動作させる場合の２倍の長さの転送段を有する。第１のパルス信号列を印加する際に、ｎ相駆動方式を用いると、４相駆動方式を用いた場合に比べてｎ／４倍の長さの転送段を有する。
【００３３】
尚、第２のパルス信号列を印加する駆動は、８相駆動以外にも、ｎ＋１相又はｎ×ｍ（ｍは２以上の整数）で駆動しても良い。
図３に、パルス信号発生回路２５から発生する第２のパルス信号列の電圧波形の例を示す。
【００３４】
電圧波形φ１から電圧波形φ８までは、横軸（時間）に対して、ＬｏｗからＨｉｇｈへとφ１からφ８までの順に早く立ち上がり、ＨｉｇｈからＬｏｗへとφ１からφ８までの順に早く立ち下がる。
【００３５】
図３における時間ｔ１、ｔ２、ｔ３の電荷転送装置Ａの電荷分布を図２に示す。垂直電荷転送路から転送された電荷信号は、ｔ１からｔ３までの時刻を追って水平方向に転送される。従来の２相駆動の電荷転送に比べて空の転送段の割合が少なくなっており、電荷の転送効率が向上する。１周期に８電極分の駆動を行うため、電荷の転送速度が速くなる。
【００３６】
尚、第１のパルス信号列と第２のパルス信号列とを印加するパルス信号発生器（回路）は、同じ回路中に含まれていても良いし、別の回路として設けられていても良い。パルス信号発生器（回路）は、同じ半導体基板上に含まれていてもよいし、別の基板（チップ）中に含まれていても良い。
【００３７】
図４および図５に、本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置を示す。
【００３８】
図４に固体撮像装置の断面構造と各電極に印加するパルス信号列を、図５に電荷転送の様子を示す。
【００３９】
図４に示すように、水平電荷転送路３７の最終出力側に、最終転送電極ＦＥ、出力ゲートＯＧ、フローティングディフュージョンＦＤ領域（電荷検出層）、フローティングディフュージョンＦＤ領域に蓄積されている電荷量を初期値にリセットするための電極であるリセットゲートＲＳ、リセット時の電荷を流し込むリセットドレインＲＤが形成されている。
【００４０】
上記の基本的な構造は、第１の実施の形態による電荷転送装置と同様であるが、第２の実施の形態による電荷転送装置においては、水平電荷転送路の最終転送段に隣接して最終転送電極ＦＥが設けられている点が異なる。
【００４１】
水平電荷転送路３７内の電荷を６相駆動方式によりフローティングディフュージョンＦＤ方向に向けて転送していく。最終転送電極ＦＥに、信号波形としてφ１Ｌを印加する。電荷は、最終転送電極ＦＥ下の半導体領域（ｎ形半導体層）からなるウェル内に蓄積される。
【００４２】
図５に電極に印加するパルス信号列の例を示す。
Ｈｉｇｈのパルス信号電圧がφ１からφ６までの順に印加される。６相駆動方式により水平電荷転送路内の電荷を転送する場合のパルス信号の例である。
φ１Ｌに対してＨｉｇｈの信号を印加することにより、最終転送電極ＦＥ下の半導体領域（ｎ形半導体層）からなるウェル内に電荷を蓄積し、Ｌｏｗの信号を印加することにより蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域に転送する。
【００４３】
図４に、図５に示す時刻ｔ１から時刻ｔ７における電荷転送の様子を示す。
時刻ｔ１において、φ１ＬにＨｉｇｈの電圧を印加する。最終転送電極ＦＥ下の半導体領域（ｎ形半導体層）におけるポテンシャルが低くなり、そこにウェル層が形成される。φ１にＬｏｗ、φ２からφ５までにＨｉｇｈ、φ６にＬｏｗの電圧が印加される。Ｈｉｇｈの信号電圧が印加された水平電荷転送電極下の半導体領域に、電荷が蓄積される。φ６の信号電圧がＬｏｗであるため、水平転送路の最終段の半導体領域に、ポテンシャルバリアが形成されている。従って、蓄積された電荷は、最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に転送されない。
【００４４】
時刻ｔ２において、φ２をＬｏｗにし、φ６をＨｉｇｈにする。水平転送路の最終段の半導体領域に形成されていたポテンシャルバリアがなくなる。従って、水平電荷転送路の最終段に蓄積されていた電荷は、最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に転送される。転送された電荷は、その領域内に形成されているウェル内に蓄積される。
【００４５】
時刻ｔ３において、φ３がＬｏｗになる。水平電荷転送路内の電荷がさらに最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に転送される。転送された電荷は、さらに、その領域内に形成されているウェル内に蓄積される。
時刻ｔ４において、φ４がＬｏｗになる。水平電荷転送路内の電荷がさらに最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に転送される。転送された電荷は、さらに、その領域内に形成されているウェル内に蓄積される。
【００４６】
時刻ｔ５においてφ５がＬｏｗになり、上記と同様に電荷は最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に形成されたウェル内にさらに転送され、蓄積される。
時刻ｔ６においてφ６がＬｏｗになり、上記と同様に電荷は最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に形成されたウェル内にさらに転送され、蓄積される。
【００４７】
時刻ｔ７において、出力ゲートＯＧにHighの電圧を印加し、φ１ＬにＬｏｗの電圧を印加する。最終転送電極ＦＥ下の半導体領域に蓄積された電荷は、導領域内のポテンシャルが上がるため、フローティングディフュージョンＦＤ領域に転送される。
【００４８】
同様の動作を繰り返すことにより、水平電荷転送路内に転送された電荷は、時間の経過（ｔ１からｔ６まで）とともに最終転送電極ＦＥ下の半導体領域（ｎ形半導体層）内に形成されたウェル内に徐々に蓄積されていく。時間ｔ７において、蓄積された電荷は、一時にフローティングディフュージョンＦＤ領域に転送される。
【００４９】
水平電荷転送路３７を６相駆動方式で駆動するにもかかわらず、６相目のパルス信号が印加された際に初めて電荷検出層中に電荷が転送される。出力信号波形は、水平電荷転送路３７内の電荷を２相駆動方式で転送した場合と比べて出力周波数が異なるものの、データレートが同じになる。
【００５０】
上記の方法によれば、フローティングディフュージョンＦＤにおける信号ホールド時間を長くすることができる。
最終転送電極ＦＥに電荷を一時的に蓄積し、蓄積された電荷を一時にフローティングディフュージョンに転送することができる。信号の検出、出力タイミングと出力期間をほぼ任意に設定でき、信号処理に適した出力を得ることができる。
ＣＤＳ処理（相関二重サンプリング回路による処理）等の雑音低減処理を行うことができる。
【００５１】
次に、図６から図８までを用いて、本発明の第３の実施の形態による電荷転送装置について説明する。
【００５２】
図６は平面図を、図７は模式的な断面図と電荷の分布を示す模式的な断面図である。第８図はパルス信号波形を示す。
【００５３】
図６及び図７に示す電荷転送装置Ｂは、前述の電荷転送装置Ａと同様に、半導体基板１と、その表面付近に形成されたｎ形半導体層７と、その上に層間絶縁膜１５を介して形成された多結晶シリコンからなる電荷転送電極２１と、電荷転送電極にパルス電圧を印加するパルス信号発生回路２５（２５ｃ、２５ｄ）とを有している。
【００５４】
電荷転送電極２１は、一般的に、第一層目のポリシリコン（１ポリ）により形成される電荷転送電極２１−１、２１−３、２１−５、・・・と、第二層目のポリシリコン（２ポリ）により形成される電荷転送電極２１−２、２１−４、２１−６、・・・とが水平方向に交互に並んで配置されている。
【００５５】
ｎ形半導体層７のうち第一層目のポリシリコン（１ポリ）により形成される電荷転送電極２１−１、２１−３、２１−５、・・・の下の領域は、ｎ形不純物の濃度が低く、ポテンシャルバリアを形成する。第二層目のポリシリコン（２ポリ）により形成される電荷転送電極２１−２、２１−４、２１−６、・・・の下の領域は、ｎ形不純物の濃度が高く、ポテンシャルウェルを形成する。
水平方向に隣接する２つの電荷転送電極２１、例えば電荷転送電極２１−１と電荷転送電極２１−２、電荷転送電極２１−３と電荷転送電極２１−４とは、共通に配線されている。
【００５６】
共通に配線された２つの電荷転送電極２１−１と２１−２とに、パルス信号発生回路２５（２５ｃ）から信号波形φ２が印加される。
共通に配線された２つの電荷転送電極２１−３と２１−４とに、パルス信号発生回路２５（２５ｃ）から信号波形φ１が印加される。
共通に配線された２つの電荷転送電極２１−５と２１−６とに、パルス信号発生回路２５（２５ｃ）から信号波形φ２が印加される。
同様に、水平方向に隣接し、交互に並ぶ２つの電荷転送電極に、パルス信号発生回路２５（２５ｃ）から、φ２、φ１、φ２、φ１と交互に異なる信号波形が印加される。
【００５７】
加えて、電荷転送電極２１−１から２１−６までに対して、φ１からφ６までの電圧波形を独立に印加するパルス信号発生回路２５（２５ｄ）が設けられていする。
【００５８】
電荷転送装置Ｂの転送電極２１、２１、２１・・・に対して、１電極対ごとにφ１とφ２との２相パルスを供給すると２相駆動ＣＣＤとして動作する。
電荷転送装置Ｂの転送電極２１、２１、２１・・・に対して、１電極対ごとにφ１からφ６までの６相のパルスを供給すると６相駆動ＣＣＤとして動作する。
６相駆動方式で動作させる場合には、２相駆動方式で動作させる場合の３倍の長さの転送段を有する。ｋ（ｋは正の整数）相駆動方式では、２相駆動方式のｋ／２倍の長さの転送段を有する。
【００５９】
図８に、パルス信号発生回路２５（２５ｄ）の６相パルス信号波形の例を示す。電圧波形φ１から電圧波形φ６までは、横軸（時間）に対して、ＬｏｗからＨｉｇｈへとφ１からφ６までの順に早く立ち上がり、ＨｉｇｈからＬｏｗへとφ１からφ６までの順に早く立ち下がる。信号波形がＨｉｇｈである期間はφ１からφ６までの期間とほぼ等しくなっている。
【００６０】
図８における時間ｔ１、ｔ２、ｔ３の電荷転送装置Ｂの電荷分布を図７に示す。垂直電荷転送路から転送された電荷信号は、ｔ１からｔ３までの時刻を追って水平方向に転送される。従来の２相駆動の電荷転送に比べて空の転送段の割合が少なくなっており、電荷の転送効率が向上する。
【００６１】
尚、ｎ相駆動とｎ×ｍ（ｍは２以上の整数）駆動との両方の駆動方式で電荷を駆動する場合、第２のウェル層（最終転送電極ＦＥ下の半導体領域）の電気容量が第１のウェル層（水平電荷転送路内のウェル領域）の電気容量の（ｎ×ｍ−３）倍以上であれば良い。
【００６２】
例えば、図８において、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間には、６電極のうち３電極がＬｏｗになる時間が存在する。このような状態が、パルス信号電圧の位相マージンをとりやすい状態といえる。３電極分がＬｏｗであるために、ウェルのうち３つ分のウェルには電荷が蓄積されていない状態となる。従って、上記（ｎ×ｍ−３）倍という値が妥当と言える。
【００６３】
図９及び図１０を参照して、本発明の第４の実施の形態による固体撮像装置について説明する。
【００６４】
図９に示すように、本発明の第４の実施の形態による固体撮像装置Ｃは、半導体基板３１と、半導体基板３１上に形成された整列配置された光電変換素子３３、３３、３３と、列方向（垂直方向）に整列した光電変換素子３３に対応して１本づつ設けられ垂直方向に伸びる垂直電荷転送路３５、３５、３５と、垂直電荷転送路３５を水平方向に区画するよう垂直方向に伸びるチャネルストップ４１と、垂直電荷転送路３５の垂直方向の一端に接続され水平方向に伸びる水平電荷転送路３７とを含む。
【００６５】
さらに、１行の光電変換素子３３に対応して水平方向に延びるように２本設けられる複数の垂直電荷転送電極ＥＶ（ＥＶ１、ＥＶ２、・・・、ＥＶ１２）と、水平電荷転送路３７上において１ポリと２ポリにより水平方向に交互に形成される水平電荷転送電極ＥＨ（ＥＨ１、ＥＨ２、ＥＨ３、・・・）と、光電変換素子３３と垂直電荷転送路３５との間に設けられ、光電変換素子３３に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３５に読み出すための読み出しゲート３３ａが形成されている。
【００６６】
さらに、垂直電荷転送電極ＥＶ、水平電荷転送電極ＥＨに印加するパルス信号を発生するパルス信号発生器２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）が設けられている。水平電荷転送電極ＥＨは、水平方向に隣接する２つの水平電荷転送電極、例えばＥＨ１とＥＨ２とが共通に配線されている。ＥＨ３とＥＨ４とに関しても同様に配線されている。
【００６７】
水平電荷転送電極にパルス電圧を印加するためのパルス信号発生器２５ａ、２５ｂは上記のパルス信号発生器２５の一部を形成している。
垂直電荷転送電極にパルス電圧を印加するためのパルス信号発生器２５ｃも、上記のパルス信号発生器２５の一部を形成している。
【００６８】
光電変換素子３３は、緑色（Ｇ）の光電変換素子３３ａと、赤色（Ｒ）の光電変換素子３３ｂと、青色（Ｂ）の光電変換素子３３ｃとを含む。垂直方向に整列配置された複数のＧ電荷が、１列おきに配置されている。
【００６９】
垂直方向にＧ電荷が配置されている列と水平方向に隣接する列内にはＧ電荷のピッチの１／２分ずれた位置に、Ｂ電荷とＲ電荷とが垂直方向に交互に配置されている。いわゆる画素ずらし構成の固体撮像装置である。
【００７０】
水平方向にＧ電荷が整列配置されている行と垂直方向に隣接する行に、Ｂ電荷とＲ電荷とが整列して配置されている。
【００７１】
図には、この画素ずらし構成の固体撮像装置において、全画素からの信号を読み出す際の信号電荷の転送の様子が示されている。
垂直電荷転送路３５内において、１水平ラインにＲＧＢＧ・・・・の順で配置された電荷信号が並列に転送される様子が示されている。
【００７２】
水平方向に隣接したｋ列分の光電変換素子からの電荷信号を、水平電荷転送路内において転送する際に加算読み出しを行う場合には、水平電荷転送路内の電荷を２ｋ相で駆動する。
【００７３】
水平電荷転送路３７に転送された後に、パルス信号発生器２５（２５ｂ）により、水平電荷転送電極ＥＨに対して６相駆動パルスを印加すると、Ｒ＋Ｇ＋Ｂの合成信号、２Ｇ＋Ｒの合成信号、２Ｇ＋Ｂの合成信号がパルス信号発生器２５（２５ａ）により水平電荷転送電極ＥＨに対して２相駆動方式を用いた場合の１／３のデータレートで外部に出力される。この出力信号を信号処理回路により処理することで、モニタ画像が表示される。
【００７４】
尚、水平電荷転送電極ＥＨに対して２相駆動の信号パルスを印加して２相駆動方式で駆動すれば、通常の固体撮像装置の場合と同様に、全画素からの電荷の読み出しが可能である。
【００７５】
次に上記の実施の形態による固体撮像装置の制御方法の変形例を図１０に示す。図１０に示す固体撮像装置は図９に示す固体撮像装置と同様の構成を有している。
【００７６】
光電変換素子３３に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３５に読み出す際に、例えば、φｖ２に対して高い正の電圧、例えば１５Ｖの電圧を印加する。
光電変換素子３３のうち青色（Ｂ）の光電変換素子と、赤色(Ｒ)の光電変換素子から、垂直電荷転送路３５に電荷が転送される。
【００７７】
垂直電荷転送路３５に転送された電荷は、垂直電荷転送路内を垂直電荷転送電極に対してφｖ１からφｖ４までの信号電圧を印加することにより、４相駆動方式で水平電荷転送路方向に電荷を転送する。
【００７８】
尚、同じ行に形成されている同色の光電変換素子において、読み出しゲートの位置を適宜変化させている。
【００７９】
例えば、φｖ２に読み出しパルス電圧を印加した場合に、同じ行にならぶ青色又は赤色の電荷のうち、所定の光電変換素子のみからの電荷が読み出されるようにする。すなわち、φｖ１又はφｖ２に対応するように光電変換素子の上下のいずれかに読み出しゲート４０が形成される。同様に、他の行に並ぶ光電変換素子についても、同じ行に配置されている同色の光電変換素子に関して、読み出しゲート４０の位置を変えて形成すれば水平間引きを行うことができる。
【００８０】
図１０の例では、Ｒ、Ｂ色又はＧ、Ｇ色の光電変換素子からの電荷を読み出すことができる。さらに、１行に並ぶ光電変換素子に対応して設けられる垂直電荷転送電極の本数を増やせば、水平１／ｎ間引きのｎの数を柔軟に変更することができる。例えば、１行当たりの垂直電荷転送電極の本数を増やし、それぞれ垂直電荷転送電極に対応させて同行の光電変換素子について、読み出しゲートの位置として、４本の垂直電荷転送電極の下の領域のいずれかに設定すれば、いずれの垂直電荷転送電極に読み出しパルスを印加するかにより、水平１／ｎ間引きのｎの数を変えることができる。加えて、垂直電荷転送路と水平電荷転送路との間に制御ゲートを設けることにより、水平１／ｎ間引きのｎの数をより柔軟に設計することができる。すなわち、この方法によれば、制御ゲートを用いて垂直電荷転送路から転送される電荷のうち所望の垂直電荷転送路を選択し、その選択された垂直電荷転送路からの電荷のみを読み出すことができる。制御ゲートを用いて垂直電荷転送路を選択する技術に関しては、特願平１１−１６１２４６号に詳細に記載されている。この出願の内容は、本明細書内に取り込まれ、その一部をなすものとする。
【００８１】
図１０に示す固体撮像装置の制御方法によれば、垂直電荷転送電極ＥＶのうち所定の電極に対して読み出し電圧を印加することにより、４行の光電変換素子３３のうち１行の光電変換素子３３のみから電荷を読み出す（垂直１／４間引き読み出し）。
【００８２】
さらに、垂直電荷転送路３５内の電荷のうち３列ごとに１列だけ存在する電荷を水平電荷転送路３７に転送する（水平１／３間引き読み出し）。
水平方向に隣接するｋ列の光電変換素子のうち１列を選択的に読み出す水平１／ｋ間引きを行い、前記水平電荷転送路中の電荷を２ｋ相駆動方式で転送する
水平電荷転送路３７を６相駆動することにより、φ１からφ６までの６相の電圧波形が印加される。６相駆動方式により電荷を転送するため、垂直電荷転送路から転送された３列につき１列存在する電荷を、空の信号電荷転送が生じないように転送される。
【００８３】
上記の動作により、水平方向に１／３に間引かれた電荷信号が出力される。
図１０に示す実施例では、間引かれて外部に出力された信号も、ＲＧＢＧの順に出力される。
【００８４】
従って、この固体撮像装置をデジタルスチルカメラに使用した際の動画モニタ画像等を表示するのに有用であり、かつ、モニタ画像を鮮明に表示することができる。
【００８５】
水平電荷転送路において電荷を６相駆動することにより、データレートの減少に伴い駆動パルスの周波数が１／３に低下する。消費電力も１／３に削減することができる。
【００８６】
本発明の第５の実施の形態による固体撮像装置について図１１から図１４までに基づいて説明する。
【００８７】
図１１及び図１４までに示す構造は、２つで１組の水平電荷転送電極ＥＨに対してφ１からφ４までの４本の給電線が接続されている。
図１１は全画素読み出しを行う場合の読み出し方法を説明した図である。
光電変換素子３３、３３、３３の色配列は、Ｒ、Ｇ、Ｂの光電変換素子が垂直方向に整列配置されたＲＧＢ縦ストライプ色フィルタ配列である。
【００８８】
図１２は、水平電荷転送路３７を２相駆動する場合のパルス波形を示す。φ１とφ３とが同じ信号波形であり、φ２とφ４は同じ信号波形である。
【００８９】
従って、通常の２相駆動方式による水平電荷転送路の電荷転送と同様に、全ての光電変換素子からの電荷を外部に読み出すことができる。
【００９０】
図１３は、図１１と同じ構成を有している。垂直１／２間引き読み出し、水平１／２間引き読み出しを行ったときの画像信号の分布を示す。水平１／２間引き読み出し法においても、ＲＧＢストライプの信号が外部に出力される。
【００９１】
図１４に、図１３に示す垂直１／２間引き読み出し、水平１／２間引き読み出し法における水平電荷転送電極ＥＨに印加するパルス信号波形を示す。
パルス波形は、ＬｏｗからＨｉｇｈへの電圧の立ち上がりが、φ１からφ４に向けて順に遅れ、ＨｉｇｈからＬｏｗへの電圧の立ち下がりが、φ１からφ４に向けて順に遅れる波形である。
【００９２】
水平電荷転送電極ＥＨに４相駆動パルスを印加することにより、空転送なしに水平１／２間引き動作を行うことができる。消費電力も１／２に低減する。
【００９３】
また、画素の形状としては、正六角形の画素を有するものについて説明したが平方形、多角形の画素に適用しても良い。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の電荷転送装置においては、供給するパルス位相により、１転送段の長さを変化させることができる。
また、電子スチルカメラにおける１／２、１／３、１／４間引き等のモニタ画像撮像動作を空転送なしに実現できる。消費電力の削減が可能となる。
データレートを高めることができ、低消費電力で高品質なモニタ画像の表示が可能となる。
多相動作により、信号転送容量を大幅に増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態による電荷転送装置の平面図である。
【図２】 図１に対応する断面構造と電荷転送の様子とを示す。
【図３】 図２に示す電荷転送の際に水平電荷転送電極に印加されるパルス信号波形である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置の断面図と、電荷転送の様子を示す断面図である。
【図５】  図４に示す電荷転送の際に水平電荷転送電極に印加されるパルス信号波形である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態による電荷転送装置の平面図である。
【図７】 図６に対応する断面構造と、電荷転送の様子を示す図である。
【図８】 図７に示す電荷転送の際に水平電荷転送電極に印加されるパルス信号波形である。
【図９】 本発明の第４の実施の形態による固体撮像装置の平面図である。
【図１０】 図９の変形例であり、間引き読み出し方法を示す。
【図１１】 本発明の第５の実施の形態による固体撮像装置の平面図であり、電荷読み出しの方法を示す。
【図１２】 図１１に示す電荷読み出しの際に水平電荷転送電極に印加されるパルス信号波形である。
【図１３】 本発明の第５の実施の形態による固体撮像装置の変形例を示す平面図であり、間引き読み出しによる電荷読み出しの方法を示す。
【図１４】 図１３に示す電荷読み出しの際に水平電荷転送電極に印加されるパルス信号波形である。
【図１５】 従来の２相駆動方式の電荷転送装置であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図と電荷の転送の様子を示す図である。
【図１６】 従来の２相駆動方式の電荷転送装置に印加するパルス信号の信号波形である。
【図１７】 従来の固体撮像装置の平面図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ 電荷転送装置
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ 固体撮像装置
ＥＶ 垂直電荷転送電極
ＥＨ 水平電荷転送電極
ＦＤ フローティングディフュージョン
ＦＥ 最終電荷転送電極
１ 半導体装置
７ 水平電荷転送路
２５ パルス信号発生回路
３３ 光電変換素子
３３ａ 読み出しゲート
３５ 垂直電荷転送路
３７ 水平電荷転送路
４１ チャネルストップ
【図１】
0004342095.tif 000002
【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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【図１７】
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