(57)【要約】【課題】垂直電荷転送路から水平電荷転送路への信号電荷の転送効率の低下を防止できる撮像素子及び撮像装置を提供する。【解決手段】撮像領域の列方向及び行方向に配列され、入射光に応じて信号電荷を生成する複数の光電変換部１２と、光電変換部１２で生成された信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部１４と、垂直電荷転送路１４の転送方向下流から転送された信号電荷を行方向に転送する水平電荷転送部１６と、垂直電荷転送部１４の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部１８とを備え、転送接続部１８が信号電荷を列方向に転送する電荷転送チャネル３２を有し、電荷転送チャネル３２は、その全体又は一部のチャネル幅が転送方向に連続的に大きくなるように形成され、該電荷転送チャネル３２の転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きい。【選択図】図２
2009070902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像領域の列方向及び行方向に配列され、入射光に応じて信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を前記列方向に転送する垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送路の転送方向下流から転送された前記信号電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部とを備え、
前記転送接続部が前記信号電荷を前記列方向に転送する電荷転送チャネルを有し、前記電荷転送チャネルは、その全体又は一部のチャネル幅が転送方向に連続的に大きくなるように形成され、該電荷転送チャネルの転送方向上流側に比べて下流側の前記チャネル幅の広がり度合いが大きいことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記電荷転送チャネルが、転送方向に向かって連続的にチャネル幅が大きくなるように形成された第１チャネル拡大部と第２チャネル拡大部とを有し、前記第１チャネル拡大部が転送方向上流側に形成され、前記第２チャネル拡大部が転送方向下流側に形成され、前記第２チャネル拡大部が前記第１チャネル拡大部よりもチャネル幅が大きくなる度合いが大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記第１チャネル拡大部と前記第２チャネル拡大部との間に、転送方向に向かってチャネル幅が等しい領域が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記転送接続部が、ラインメモリであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記転送接続部が、前記垂直電荷転送部の転送方向に配列された転送段のうち最終の転送段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像素子。
【請求項６】
前記電荷転送チャネルが、Ｎ型の不純物拡散領域であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の撮像素子。
【請求項７】
上記請求項１から６に記載の撮像素子を備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光に応じて信号電荷を生成し、信号電荷を出力部へ転送する撮像素子及び該撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラなどの撮像装置において、入射光に応じて信号電荷を生成し、該信号電荷を出力して画像データを生成するためのイメージセンサとして撮像素子が用いられている。撮像素子としては、撮像領域において行方向及び列方向に複数の光電変換部が配列され、各光電変換部において入射光を受光することで信号電荷を生成し、光電変換部から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）と、各ＶＣＣＤの転送方向下流側から転送される信号電荷を行方向へ転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）とを備えた固体撮像素子がある。
【０００３】
固体撮像素子を備えた撮像装置としては、静止画記録モードと動画記録モードとを備えたものが開発されている。このような撮像装置では、静止画の画素数は、４００万〜６００万画素などの高画素であるが、動画撮像時の画素数は、高速処理を実現するため、少ない画素数となる。このため、動画記録モードでは、信号電荷の一部をＶＣＣＤにおいて加算（垂直加算）し、更にＶＣＣＤからＨＣＣＤに信号電荷を転送した後、ＨＣＣＤにおいて信号電荷を加算（水平加算）することで実質的に画素が間引かれた画像データが生成される。
【０００４】
固体撮像素子は、水平加算を実現するため、ＶＣＣＤの転送方向下流側において、該ＶＣＣＤとＨＣＣＤとのつなぎ目の部分にラインメモリを設けている。ラインメモリが所定の列のＶＣＣＤによって垂直転送される信号電荷を一時的に蓄積させてからＨＣＣＤへ転送するため、ＨＣＣＤにおいて信号電荷の加算を行うことができる。従来、ラインメモリ備えた固体撮像素子としては、例えば下記特許文献に示すものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８５８７０号公報
【特許文献２】特開平７−１６１９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、固体撮像素子の高画素化及び高密度化に伴い、微細化が進み、ラインメモリの電荷転送チャネルのチャネル幅が狭くなることによって、ラインメモリからＨＣＣＤへの信号電荷の転送効率が低下しやすくなる。すると、ＶＣＣＤからＨＣＣＤへの信号電荷の転送が適正に行われず、撮像した画像に列方向に延びる縦線が表示される不具合（いわゆる、縦線不良）が発生してしまうおそれがあった。
【０００７】
特に、上記特許文献１に示す撮像素子のように、ＶＣＣＤとＨＣＣＤとのつなぎ目にラインメモリも形成する構成では、ラインメモリの電荷転送チャネルのチャネル幅を転送方向に向かって連続的に広がるように形成されているが、信号電荷の転送効率と電荷飽和量とがトレードオフの関係になるうえ、電荷転送チャネルの転送方向下流側でポテンシャルの勾配が緩くなり、転送不良が発生する点で改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、垂直電荷転送路から水平電荷転送路への信号電荷の転送効率の低下を防止できる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）撮像領域の列方向及び行方向に配列され、入射光に応じて信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を前記列方向に転送する垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送路の転送方向下流から転送された前記信号電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部の転送方向下流側の端部に形成された転送接続部とを備え、
前記転送接続部が前記信号電荷を前記列方向に転送する電荷転送チャネルを有し、前記電荷転送チャネルは、その全体又は一部のチャネル幅が転送方向に連続的に大きくなるように形成され、該電荷転送チャネルの転送方向上流側に比べて下流側の前記チャネル幅の広がり度合いが大きいことを特徴とする撮像素子。
（２）前記電荷転送チャネルが、転送方向に向かって連続的にチャネル幅が大きくなるように形成された第１チャネル拡大部と第２チャネル拡大部とを有し、前記第１チャネル拡大部が転送方向上流側に形成され、前記第２チャネル拡大部が転送方向下流側に形成され、前記第２チャネル拡大部が前記第１チャネル拡大部よりもチャネル幅が大きくなる度合いが大きいことを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（３）前記第１チャネル拡大部と前記第２チャネル拡大部との間に、転送方向に向かってチャネル幅が等しい領域が形成されていることを特徴とする上記（２）に記載の撮像素子。
（４）前記転送接続部が、ラインメモリであることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（５）前記転送接続部が、前記垂直電荷転送部の転送方向に配列された転送段のうち最終段であることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（６）前記電荷転送チャネルが、Ｎ型の不純物拡散領域であることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（７）上記（１）から（６）に記載の撮像素子を備えた撮像装置。
【００１０】
本発明の撮像素子は、駆動時に光電変換部で生成された信号電荷を垂直電荷転送部と水平電荷転送部とによって転送する構成であり、垂直電荷転送部の転送方向下流から信号電荷が転送接続部を介して水平電荷転送部に転送される。転送接続部は、チャネル幅が転送方向に連続的に大きくなるように形成された部位を有するため、転送方向に対して電位のポテンシャルの深さが転送方向に浅くなるように形成される。ここで、電荷転送チャネルは転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きくなるように形成されている。すると、従来のように、転送方向に向かってチャネル幅が一定の度合いで大きくなる構成のように転送方向下流側でポテンシャルの勾配が緩くなることを防止することができる。こうして、本発明は、電荷転送チャネルのポテンシャルの勾配が緩くなりやすい下流側の領域を上流側の領域に比べてチャネル幅の広がり度合いを大きくすることで、ポテンシャルの勾配の傾斜を確保し、信号電荷の転送効率の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、垂直電荷転送路から水平電荷転送路への信号電荷の転送効率の低下を防止できる撮像素子及び撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる撮像素子の構成を示す図である。固体撮像素子１０は、シリコンなどの半導体基板上に撮像領域が区画され、該撮像領域の列方向（図１中の上下方向）及び行方向（図１中の左右方向）に複数の光電変換素子１２がマトリクス状に配列されている。光電変換素子１２は、入射光を光電変換し、該入射光に応じた信号電荷を生成する構成で、例えば、フォトダイオードなどによって構成することができる。
【００１３】
光電変換素子１２の列同士の間には、列方向に延在する垂直電荷転送部１４がそれぞれ設けられている。垂直電荷転送部１４は、列方向に配列された複数の電荷転送電極を備え、各電荷転送電極には垂直駆動信号が入力される。複数の電荷転送電極のそれぞれと、各電荷転送電極に対応して半導体基板表面側に形成されたｎ型チャネルとによって転送段が構成される。各転送段に所定の垂直駆動信号が入力されることで、信号電荷が列方向に沿って転送される。それぞれの垂直電荷転送部１４の転送方向に向かって端部に位置する最終の転送段には、ラインメモリ１８が接続されている。ラインメモリ１８はそれぞれ、水平電荷転送部１６に接続されている。水平電荷転送部１６は、ラインメモリ１８から転送された信号電荷を行方向（図１では左方向）に転送し、出力アンプ２２から出力する。
【００１４】
図２は、撮像素子の第１実施形態に関し、図１の破線で囲まれた部位の構成を説明する拡大図である。図２に示すように、水平電荷転送部１６は、光電変換素子１２の配列の行方向に帯状に延在する一本の水平電荷転送チャネルを有している。この水平電荷転送チャネル上に第１水平電荷転送電極４２と第２水平電荷転送電極４４とが、行方向に向かって交互に形成されている。第１水平電荷転送電極４２と第２水平電荷転送電極４４とは、撮像素子１０が形成される半導体基板上に絶縁膜を介してポリシリコン等によって形成される。本実施形態では、１つの垂直電荷転送部１４に対して第１水平電荷転送電極４２と第２水平電荷転送電極４４とからなる１つのペアが、水平転送時において１つの転送段となるように構成する。
【００１５】
水平電荷転送部１６を２相の水平駆動信号φＨ１，Ｈ２によって駆動させる場合には、同じ垂直電荷転送部１４に対応する第１水平電荷転送電極４２と第２水平電荷転送電極４４とが１つ転送段として共通の信号配線に結線され、隣り合う転送段と異なる水平駆動信号φＨ１，Ｈ２が図示しない駆動回路から入力される。
【００１６】
ラインメモリ１８は、垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷を水平電荷転送部１６へ転送する電荷転送チャネル３２と、隣り合うラインメモリ１８と電気的絶縁を確保するための電荷分離領域３４とを備えている。本実施形態において、電荷転送チャネル３２は、撮像素子１０の半導体基板にＮ型不純物をイオン注入することで形成されたＮ型の不純物拡散領域である。
【００１７】
電荷転送チャネル３２は、転送方向に向かって連続的にチャネル幅が大きくなるように形成された第１チャネル拡大部３２ａと第２チャネル拡大部３２ｂとを有している。本実施形態では、第１チャネル拡大部３２ａが電荷転送チャネル３２の転送方向上流側に形成され、第２チャネル拡大部３２ｂが転送方向下流側に形成されている。第２チャネル拡大部３２ｂが第１チャネル拡大部３２ａよりもチャネル幅が大きくなる度合いが大きくなるように形成されている。
【００１８】
電荷転送チャネル３２の転送方向の端部と水平電荷転送部１６との間には、信号電荷の障壁として機能するバリア領域３６が形成されている。バリア領域３６は不純物をイオン注入することで形成されている。
【００１９】
電荷転送チャネル３２は、行方向における一方の端縁（図２中左側の縁）を列方向に対して略平行な直線形状とし、他方の端縁（図２中右側の縁）を、一方の端縁から転送方向に向かって離れていくように傾斜させた形状としている。しかし、電荷転送チャネル３２の形状は、特に限定されず、電荷転送チャネル３２の転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きくなるように形成されていれば、変形可能である。
【００２０】
また、本実施形態では、ラインメモリ１８の電荷転送チャネル３２を転送接続部として用いて垂直電荷転送部１４と、水平電荷転送部１６との間で信号電荷の転送を行う構成としたが、垂直電荷転送部１４の転送方向に配列された転送段のうち最終の転送段を転送接続部としてもよい。
【００２１】
本実施形態の撮像素子１０は、ラインメモリ１８の電荷転送チャネル３２が転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きくなるように形成されている。すると、従来のように、転送方向に向かってチャネル幅が一定の度合いで大きくなる構成のように転送方向下流側でポテンシャルの勾配が緩くなることを防止することができる。したがって、本発明によれば、電荷転送チャネル３２のポテンシャルの勾配が緩くなりやすい下流側の領域を上流側の領域に比べてチャネル幅の広がり度合いを大きくすることで、ポテンシャルの勾配の傾斜を確保し、信号電荷の転送効率の低下を防止することができる。
【００２２】
図３は、本発明にかかる撮像素子の第２実施形態を説明する図である。本実施形態の撮像素子は、図２に示す第１実施形態の撮像素子１０の電荷転送領域の形状を除いて、他の部位やその機能は、図２のものと同じ構成である。このため、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
【００２３】
図３に示すように、本実施形態では、電荷転送チャネル５２は、転送方向に向かって連続的にチャネル幅が大きくなるように形成された第１チャネル拡大部５２ａと第２チャネル拡大部５２ｃとを有し、第１チャネル拡大部５２ａと第２チャネル拡大部５２ｃとの間には、転送方向に向かってチャネル幅が等しい領域５２ｂが形成されている。第１チャネル拡大部５２ａが電荷転送チャネル５２の転送方向上流側に形成され、第２チャネル拡大部５２ｃが転送方向下流側に形成されている。第２チャネル拡大部５２ｃが第１チャネル拡大部５２ａよりもチャネル幅が大きくなる度合いが大きくなるように形成されている。具体的には、電荷転送チャネル５２は、行方向における一方の端縁（図３中左側の縁）を列方向に対して略平行な直線形状とし、第１チャネル拡大部５２ａ及び第２チャネル拡大部５２ｃにおけるそれぞれの他方の端縁（図３中右側の縁）を、一方の端縁から転送方向に向かって離れていくように傾斜させた形状としている。なお、図３中、５４は、電荷分離領域を示し、５６は、バリア領域を示している。
【００２４】
本実施形態は、ポテンシャルの勾配が緩くならない上流側をあえて浅くし、電荷転送チャネルの転送方向中央のチャネル幅を一定に延在させて、勾配が緩くなりやすい下流側でチャネル幅の大きくする度合いを上流側より大きくしている。言い換えると、電荷転送チャネルの転送方向中央をチャネル幅が一定となる領域とすることで、下流側のチャネル幅を大きくする距離を確保している。
【００２５】
本実施形態の構成によれば、ラインメモリ１８の電荷転送チャネル５２が転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きくなるように形成されている。このため、転送方向下流側でポテンシャルの勾配が緩くなることを防止することができ、本発明は、電荷転送チャネル５２における信号電荷の転送効率の低下を防止することができる。
【００２６】
次に、上記実施形態の撮像素子の構成について、従来の撮像素子の構成とポテンシャルの勾配を比較する。
図４は、従来の撮像素子の構成を説明する図である。図５は、図２の撮像素子のポテンシャルの勾配、図３の撮像素子のポテンシャルの勾配、図４に示す従来の撮像素子のポテンシャルの勾配を比較したグラフである。図５では、図２から図４中にそれぞれ示す矢印Ｙ方向の距離に対するポテンシャル深さを示している。また、図２から図４の撮像素子の電荷転送チャネルにおいて矢印Ｙ方向距離に共通のＡ，Ｂ，Ｃの位置を設定した。Ｂの位置は、Ａ−Ｃの略中央の位置とした。
【００２７】
図４に示すように、従来の撮像素子は、ラインメモリ１８の電荷転送チャネル６２のチャネル幅が転送方向に向かって連続的に大きくなるように形成されている。ただし、チャネル幅が大きくなる度合いは、転送方向において一定である。なお、図４中、６４は、電荷分離領域を示し、６６は、バリア領域を示している。
【００２８】
図５に示すように、図２の撮像素子のポテンシャルＰ１、及び、図３の撮像素子のポテンシャルＰ２は、電荷転送チャネル３２，５２におけるＡ−Ｂ間でのポテンシャルの勾配と、Ｂ−Ｃ間でのポテンシャルの勾配が略同じになる。しかし、図４に示す撮像素子のポテンシャルＰ０は、Ｂ−Ｃ間の勾配が水平な状態となり、また、Ｃ近傍において勾配の向きが逆転する現象がみられる。これは、電荷転送チャネルの下流側端部に接続されたバリア領域を形成するためイオン注入されたことによる影響のためである。一方で、図２及び図３に示す撮像素子は、電荷転送チャネルの転送方向上流側に比べて下流側のチャネル幅の広がり度合いが大きく形成されているため、Ｃの位置でバリア領域のドーピングイオンの影響を抑制することで、電荷転送チャネルのポテンシャルの勾配を確保することができる。このように、図２及び図３に示す撮像素子によれば、駆動時に、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間の転送接続部において、信号電荷の転送効率の低下を防止することができる。
【００２９】
また、上記実施形態の撮像素子をデジタルカメラなどの撮像装置のイメージセンサとして用いれば、撮像時に転送効率の低下を防止できるため、縦線不良などの不具合の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】撮像素子の構成を説明する図である。
【図２】第１実施形態の構成を説明する図である。
【図３】第２実施形態の構成を説明する図である。
【図４】従来の撮像素子の構成を説明する図である。
【図５】図２の撮像素子のポテンシャルの勾配、図３の撮像素子のポテンシャルの勾配、図４に示す従来の撮像素子のポテンシャルの勾配を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０    撮像素子
１２    光電変換部
１４    垂直電荷転送部
１６    水平電荷転送部
１８    ラインメモリ
３２，５２    電荷転送チャネル
【図１】
2009070902.tif 000003
【図２】
2009070902.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009070902.tif 000006
【図５】
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