JP2010161629A - 固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子内部で垂直画素加算を容易に行える構造とする。
【解決手段】半導体基板に二次元アレイ状に配列形成されカラーフィルタが積層された複数の画素２４と、画素２４で構成される複数の画素列に沿って形成され画素２４が検出した信号電荷が読み出され転送される複数の垂直電荷転送路２５と、複数の垂直電荷転送路２５の転送方向端部に沿って形成される水平電荷転送路２６と、複数の各垂直電荷転送路２５対応に且つ垂直電荷転送路２５の転送方向端部２５ａと水平電荷転送路２６との間に設けられ垂直電荷転送路２５に沿って転送されてきた信号電荷を一時蓄積し水平電荷転送路２６に転送する分岐型電荷一時蓄積部２８と、分岐型電荷一時蓄積部２８を構成する個々の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂの各々に別個に接続された制御信号φＬＭ１，φＬＭ２の印加用の配線３６，３７とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像素子(Charge Coupled Device Image Sensor)及びその駆動方法並びに撮像装置に関し、特に、水平画素加算及び垂直画素加算を固体撮像素子内部で容易に実現できる構造を備えたＣＣＤ型の固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置に関する。

ＣＣＤ型の固体撮像素子は、特許文献１に記載されている様に、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）と水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）を備えている。特許文献１記載の固体撮像素子は、フレームインターライントランスファ（ＦＩＴ）型であり、垂直電荷転送路で転送されてきた信号電荷を、遮光膜下に設けられた１画面分の信号電荷を蓄積できる蓄積部に一旦蓄積する構成になっている。このため、垂直電荷転送路による蓄積部への転送は高速に行い、その後、低速で、蓄積部の信号電荷を水平転送路に転送できるという利点がある。

しかも、この特許文献１記載の固体撮像素子では、２列の画素列が１本の垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）を共用する構成にし、蓄積部に信号電荷を入れるとき、２本の蓄積部に振り分けて転送する構成になっている。つまり、蓄積部の本数と、画素列の本数とは同数となっている。

蓄積部は、「蓄積」という用語を用いているが、１画面分の信号電荷を蓄積できるため実際には垂直電荷転送路と同様に多段構成となっており、信号電荷は、垂直電荷転送路と同様に転送パルスによって１段づつ水平電荷転送路の方向に転送される。従って、広義の意味では電荷転送路ということもできる。

上記の例はＦＩＴ型であるが、蓄積部を有しないインターライントランスファ型の固体撮像素子等、他の方式のＣＣＤ型固体撮像素子も、各画素（フォトダイオード）が受光量に応じて検出した信号電荷を垂直電荷転送路（ＦＩＴ型では多段転送型の蓄積部）に沿って水平電荷転送路まで転送し、次に、水平電荷転送路に沿って転送する構成は同じである。

斯かるＣＣＤ型の固体撮像素子において、水平方向に設けられた同色カラーフィルタを搭載した複数画素の検出電荷を固体撮像素子内部で加算できる構造を備えた固体撮像素子を、本出願人は先に提案している（特許文献２，３）。

この特許文献２記載の固体撮像素子は、垂直電荷転送路の転送方向端部と、水平電荷転送路との境界部分に電荷蓄積段を１段だけ設け、この電荷蓄積段の電位制御を垂直電荷転送路の転送パルスとは異なる制御パルスで制御し、水平転送パルスと制御パルスとの位相関係を制御することで、水平方向の画素加算を実現している。この電荷蓄積段は、各垂直電荷転送路毎に１段づつ設けられるため、ラインメモリ（ＬＭ）と称される。この明細書でもラインメモリＬＭの用語を用いて説明する。

特開平４―３４１０７４号公報 特開２００２―１１２１１９号公報 特開２００７―２７９７７号公報

ＣＣＤ型固体撮像素子は、垂直電荷転送路と水平電荷転送路との接続部分にラインメモリを設けることで、固体撮像素子内部で容易に信号電荷の水平画素加算を行うことができる。しかし、従来のラインメモリでは、垂直方向の画素加算は容易でない。

固体撮像素子内部で画素加算すなわち信号電荷の混合を行うには、加算対象の信号電荷が同色画素によって検出された信号電荷である必要があり、色の異なる画素から検出された信号電荷を加算しても混色が発生してしまうためできない。

例えばカラーフィルタ配列が縦ストライプであれば、同色の画素が１本の垂直電荷転送路に沿って並ぶため、垂直画素加算は、垂直電荷転送路上で可能である。しかし、ベイヤー配列や横ストライプの様に、垂直方向に異なる色のカラーフィルタが交互に設けられたＣＣＤ型固体撮像素子の場合、異なる色の画素が１本の垂直電荷転送路に沿って並ぶため、垂直画素加算はできない。

本発明の目的は、固体撮像素子内部で、水平画素加算及び垂直画素加算を容易に行う構造を有する固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成されカラーフィルタが積層された複数の画素と、該画素で構成される複数の画素列に沿って形成され前記画素が検出した信号電荷が読み出され転送される複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成される水平電荷転送路と、前記複数の各垂直電荷転送路対応に且つ該垂直電荷転送路の転送方向端部と前記水平電荷転送路との間に設けられ該垂直電荷転送路に沿って転送されてきた前記信号電荷を一時蓄積し前記水平電荷転送路に転送する分岐型電荷一時蓄積部と、該分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部の各々に別個に接続された制御信号印加用の配線とを備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部には、同一の該電荷一時蓄積部に同一色のカラーフィルタを持つ画素で検出された信号電荷が振り分けられることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子に垂直転送パルスと水平転送パルスと前記制御信号とを供給する撮像素子駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、並列に分岐する分岐型電荷一時蓄積部を個々の垂直電荷転送路に設け、異なる色の信号電荷を、分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部に振り分けて蓄積するため、水平画素加算と垂直画素加算が固体撮像素子内部で容易に実現可能となる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。 図１に示すＣＣＤ型の固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示す固体撮像素子の要部拡大図である。 図３に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図である。 図５に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図である。 図７に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図である。 図９に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図である。 図１１に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図である。 図１３に示す固体撮像素子の動作を説明するタイミングチャートである。

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。
図１は、本実施形態の固体撮像装置（図示する例は、デジタルスチルカメラ）の概略構成を示す機能ブロック図である。この固体撮像装置１００は、被写体画像を撮像する撮像部１と、撮像部１から出力される撮像画像信号を相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理や利得制御処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログの撮像画像信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部３と、後述のシステム制御部９からの指示に基づいて撮像部１，アナログ信号処理部２，Ａ／Ｄ変換部３に制御パルスを出力する駆動部（撮像素子駆動手段を含む）４とを備える。

固体撮像装置１００は更に、Ａ／Ｄ変換部３から出力されるデジタルの撮像画像信号を画像処理するデジタル信号処理部（ＤＳＰ）６と、画像処理後の撮像画像信号をＪＰＥＧ画像やＭＰＥＧ画像等に圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸張処理部７と、スルー画像や撮像画像を表示するカメラ背面等に設けられた表示部８と、撮像装置１００を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、記録メディア１２にＪＰＥＧ画像データやＭＰＥＧ画像データを格納するメディアインタフェース１１と、これらを相互に接続するシステムバス１４とを備える。

システム制御部９には、シャッタボタンやメニュー操作ボタン等の操作部１３が接続され、操作部１３から入力されるユーザ指示に基づき、システム制御部９が撮像装置１００を制御する。

撮像部１は、撮影レンズ１２や絞り，赤外光カットフィルタ，光学的ローパスフィルタを含む光学系と、これら光学系を通して結像した被写体からの光像を電気信号に変換するＣＣＤ型の固体撮像素子２２とを備える。固体撮像素子２２の前段にメカニカルシャッタを備える場合もある。

図２は、図１に示すＣＣＤ型の固体撮像素子２２の表面模式図である。この固体撮像素子２２は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に、図示する例では正方格子状に配列形成された複数の画素（フォトダイオード：ＰＤ）２４と、画素２４で構成される各画素列の各々に沿って形成される垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２５と、各垂直電荷転送路２５の転送方向端部に沿って形成される水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）２６と、水平電荷転送路２６の転送方向端部に設けられ転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を撮像画像信号として図１のアナログ信号処理部２に出力するアンプ２７とを備える。

各画素２４と図示する例では左隣の垂直電荷転送路２５とは、読出ゲート部２４ａにより接続され、各画素２４が受光量に応じて蓄積した信号電荷（この例では電子）を読出パルスが印加されたとき隣接の垂直電荷転送路２５に読み出す様になっている。

この実施形態の固体撮像素子２２では、各画素２４上に、原色系カラーフィルタＲ（赤），緑（Ｇ），青（Ｂ）がベイヤー配列されている。即ち、奇数行の画素行にはＧＢＧＢＧＢ…、偶数行の画素行にはＲＧＲＧＲＧ…とカラーフィルタが積層されている。

尚、ベイヤー配列を例として以下の実施形態を説明するが、本発明はカラーフィルタ配列がベイヤー配列に限るものではなく、また、原色系カラーフィルタではなく補色系カラーフィルタでも良い。カラーフィルタはストライプ状でも良いが、市松配列の様なモザイク状が良い。更に、本発明は、画素配列が正方格子配列でなく所謂ハニカム画素配列（奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずれた配列）にも適用できる。

図２に示す本実施形態の固体撮像素子２２は、更に、各垂直電荷転送路２５の転送方向端部における水平電荷転送路２６との間に、転送段が１段の電荷一時蓄積部２８が設けられている。この電荷一時蓄積部２８は、各垂直電荷転送路２５に対応して設けられており、１つ１つの電荷一時蓄積部２８について説明する場合には「電荷一時蓄積部２８」といい、１ライン全ての電荷一時蓄積部２８について説明する場合にはラインメモリ（ＬＭ）２８と呼ぶことにする。

個々の電荷一時蓄積部２８は、詳細は図３で説明する様に、並列に２分岐されており、２分岐状態で水平電荷転送路２６に接続される。

この固体撮像素子２２は、図１に示す駆動部４の一部を構成する撮像素子駆動手段４ａにより駆動される。即ち、駆動手段４ａは、システム制御部９からの指示に基づいて駆動パルスを生成し、垂直転送パルスφＶｉ（ｉ＝１〜４：４相駆動の場合）を垂直電荷転送路２５を構成する転送電極に印加して垂直電荷転送路２５を転送駆動する。また、水平転送パルスφＨｉ（ｉ＝１，２：２相駆動の場合）を水平電荷転送路を構成する転送電極に印加して水平電荷転送路２６を転送駆動する。

また、撮像素子駆動手段４ａは、ラインメモリ制御パルスφＬＭ１，φＬＭ２をラインメモリ（ＬＭ）２８に印加してラインメモリ（ＬＭ）２８の電位レベル制御を後述する様に行う。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明しているが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直交する方向」の意味に過ぎない。

図３は、図２に示す固体撮像素子の要部拡大図であり、図４は、撮像素子駆動手段４ａから固体撮像素子に与えられる転送パルス，制御パルスを示すタイミングチャートである。

図３には、奇数列（左側とする）とそれに隣接する偶数列（右側とする）の２列の垂直電荷転送路２５及び画素２４と、垂直電荷転送路端部の２分岐された電荷一時蓄積部２８と、水平電荷転送路２６が示されている。

垂直電荷転送路２４，電荷一時蓄積部２８，水平電荷転送路２６は、半導体基板の表面ｐウェル層に形成されたｎ型不純物領域（埋め込みチャネル）と、その上にゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコン膜等でなる電極膜とで構成され、図３には主にその電極膜部分が図示されている。

図４の見方は次の通りである。各パルス信号の電位がハイ（Ｈ）のとき、その下部の埋め込みチャネルに電位井戸が形成され、中に信号電荷が中に入ることができる。パルス信号の電位がロー（Ｌ）のときは、この電位井戸は消失し、バリア（障壁部）となる。

図３で、画素（ＰＤ）２４の左隣に示す「Ｇ」「Ｒ」「Ｂ」のある箇所は、夫々電位井戸が形成されており、その中に「Ｇフィルタ」「Ｒフィルタ」「Ｂフィルタ」が積層された画素から読み出され転送されてきた信号電荷が入っている状態を示している。垂直電荷転送路２５のうちＧ，Ｒ，Ｂの記載のない箇所は、上記のバリア（障壁部）となっている箇所である。

各垂直電荷転送路２５の端部には分岐部２５ａが設けられており、転送パルスφＶ４が印加される分岐部２５ａに、２分岐された電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂが並列に連設され、各電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂ間は、素子分離帯２９で分離されている。そして、一方の電荷一時蓄積部２８ａの制御電極膜にはラインメモリ制御パルスφＬＭ１が印加される配線３６が、また、他方の電荷一時蓄積部２８ｂにはラインメモリ制御パルスφＬＭ２が印加される配線３７が接続されている。

水平電荷転送路２６の転送電極は、水平転送１段分に対して２枚の電極２６ａ，２６ｂを組として、この電極組が水平方向に連続して設けられる。電極２６ａはＬ字形をなし、その短手部分が、１本の垂直電荷転送路すなわち１組の電荷蓄積部２８ａ，２８ｂに対し対面して設けられ、長手部分が、水平電荷転送方向に直交する様に設けられる。

そして、Ｌ字形の凹部矩形箇所に電極２６ｂが設けられる。電極２６ｂは組となる電極２６ａに対して水平転送方向すなわちアンプ２７方向に設けられる。電極２６ａ，２６ｂの各組下に形成される埋め込みチャネルは、電位井戸が形成されたとき電極２６ｂ下の電位井戸が電極２６ａ下の電位井戸より深く（電荷が多く溜まる様に）形成される様に、不純物濃度勾配が設けられている。

各電極組の夫々に対して、奇数列の垂直電荷転送路に対応する電極組には水平転送パルスφＨ１が印加され、偶数列の垂直電荷転送路に対応する電極組にはφＨ１と逆位相の水平転送パルスφＨ２が印加される配設接続となっている。

次に、図４のタイミングチャートに従って、固体撮像素子２２の動作を説明する。図３に示すＲ，Ｇ，Ｂの各信号電荷の転送位置は、図４の時刻ｔにおける状態を示している。

この図３は、固体撮像素子２２を用いて全画素の信号電荷を全画素読出する場合を説明する図であり、奇数列の垂直電荷転送路２５にはＧＲＧＲＧＲ…の信号電荷が転送されてきており、偶数列の垂直電荷転送路２５にはＢＧＢＧＢＧ…の信号電荷が転送されてきている。

奇数列の垂直電荷転送路２５（左側）だけみると、Ｇ信号電荷とＲ信号電荷とが交互に転送されてきており、電荷一時蓄積部２８ａにはＲ信号電荷が、電荷一時蓄積部２８ｂにはＧ信号電荷が一時蓄積されている。

電荷一時蓄積部２８ｂ内のＧ信号電荷は、図４の時刻ｔに先行するφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４の垂直転送パルスに従って、図４に「Ｇ」の移動を図示するように、垂直電荷転送路に沿って転送される。そして、転送パルスφＶ４で分岐部２５ａに転送されてきたとき、制御パルスφＬＭ２がハイ（Ｈ）で電荷一時蓄積部２８ｂに電位井戸が形成されており、このとき制御パルスφＬＭ１がロー（Ｌ）で電荷一時蓄積部２８ａがバリア（障壁部）となっているため、Ｇ信号電荷は電荷一時蓄積部２８ｂ内に入り込み、蓄積部２８ａには入らない。

このＧ信号電荷の蓄積部２８ｂ内への転送に先立つタイミングでは、Ｒ信号電荷が垂直電荷転送路に沿って転送され、分岐部２５ａに転送されてきたＲ信号電荷は、φＬＭ１がハイ（Ｈ）でφＬＭ２がロー（Ｌ）のため、電位井戸が形成されている電荷一時蓄積部２８ａ内に入り、電荷一時蓄積部２８ｂには入らない。

この様にして、奇数列の垂直電荷転送路ではＲ信号電荷は、常に電荷一時蓄積部２８ａ内に振り分けられ、Ｇ信号電荷は、常に電荷一時蓄積部２８ｂ内に振り分けられ、常に、同色の信号電荷が同じ電荷一時蓄積部内に蓄積されることになる。これは偶数列の電荷一時蓄積部でも同様である。

時刻ｔの後は、水平転送パルスφＨ１がハイ（Ｈ）４０（パルスφＨ２はロー（Ｌ）４１）のときにラインメモリ制御パルスφＬＭ１が一時的にロー（Ｌ）４２となる。これにより、奇数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部２８ａ内のＲ信号電荷が水平電荷転送路２６に転送される。そして、高速駆動の水平転送パルス４３によりＲ信号電荷はアンプ２７まで送られ、撮像画像信号として出力される。

偶数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部内の信号電荷は、対応の水平転送電極２６ａ下（特に、短手部分）が印加電圧（φＨ２）によってバリア（障壁）になっているため、水平電荷転送路側に移動できず、電荷一時蓄積部内に留まっている。

次に、水平転送パルスφＨ１がハイ（Ｈ）４０（φＨ２はロー（Ｌ）４１）が保たれている状態でラインメモリ制御パルスφＬＭ２が一時的にロー（Ｌ）４４になると、奇数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部２８ｂ内のＧ信号電荷が水平電荷転送路２６に転送され、高速駆動の水平転送パルス４５によりＧ信号電荷がアンプ２７まで送られ、撮像画像信号として出力される。

次に、水平転送パルスφＨ１がロー（Ｌ）４６となり且つ水平転送パルスφＨ２がハイ（Ｈ）４７となる。これにより、奇数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部端部と水平電荷転送路との間にバリアが形成されると共に、偶数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部端部と水平電荷転送路との間のバリアは消失する。

そして、ラインメモリ制御パルスφＬＭ１が一時的にロー（Ｌ）４８になると、偶数列（図３の右側）の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部２８ａのＧ信号電荷が水平電荷転送路に移動し、次の高速駆動の水平転送パルス４９により、Ｇ信号電荷はアンプ２７まで送られ、撮像画像信号として出力される。

次に、ラインメモリ制御パルスφＬＭ２が一時的にロー（Ｌ）５０になると、偶数列の垂直電荷転送路に対応する電荷一時蓄積部２８ｂのＢ信号電荷が水平電荷転送路に移動し、次の高速駆動の水平転送パルス５１により、Ｂ信号電荷はアンプ２７まで送られ、撮像画像信号として出力される。

次に、図４には図示していないが、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が印加されて、上記と同様にして信号電荷が電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂに振り分けられながら転送され、以後、上記と同様にして、全画素の信号電荷が撮像画像信号として出力される。

この様に、本実施形態では、垂直電荷転送路を水平電荷転送路に接続する部分に設ける電荷一時蓄積部２８を並列の２分岐型としたため、撮像画像信号の品質劣化を回避できるという効果を奏する。その理由は以下の通りである。

もし、電荷一時蓄積部２８を分岐型とせず１個だけとし、ある電荷一時蓄積部から水平電荷転送路への転送不良が発生したとする。即ち、この電荷一時蓄積部の物理的特性が他の電荷一時蓄積部と異なっていたとする。この場合、この転送不良に起因する縦スジが撮像画像中に見えてしまい、画像品質を劣化させる。

しかし、本実施形態の様に、２分岐型（２分岐型に限らず、３分岐型，４分岐型でも良い。）とし、しかも、同色の信号電荷が同じ電荷一時蓄積部を通って水平電荷転送路に転送される構造のため、いずれかの電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂに転送不良が発生したとしても、その転送残り電荷は後段の同色の信号電荷と混合されるため、縦スジが目立たない。

また、同色の信号電荷を分岐させずに片方の電荷一時蓄積部だけを通過させることにより、垂直電荷転送路から夫々の電荷一時蓄積部への転送効率に差があってもその影響を受けずに、同色で分岐させた場合に発生する虞のある横スジも回避可能となる。

図５，図６は、本発明の別実施形態の動作説明図である。図３，図４は、全画素の信号電荷を全画素（プログレッシブ）読出して静止画像を作成する場合の動作であったが、本実施形態は、例えば、マルチフィールド読出で、ＧＲＧＲ…行の信号電荷を読み出す例を示している。

この場合、奇数列の垂直電荷転送路にはＲ信号電荷だけが転送され、偶数列の垂直電荷転送路にはＧ信号電荷だけが転送される構成となる。この場合には、２分岐された電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂのうち一方（図示の例では２８ａ）だけを用いて転送駆動することになる。

図５は、図６のタイミングチャートの時刻ｔにおける状態を示す図である。図６のタイミングチャートは、図４のタイミングチャートのうち垂直電荷転送路から電荷一時蓄積部２８ｂへの転送と、電荷一時蓄積部２８ｂから水平電荷転送路への転送部分が削除されたタイミングチャートになっているだけなので、図４と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。

図７，図８は、本発明の更に別実施形態の動作説明図である。図７は、図８に示すタイミングチャートにおける時刻ｔの状態を示す図である。図３，図４の実施形態では、電荷一時蓄積部２８ａにＲ信号電荷が蓄積され、電荷一時蓄積部２８ｂにＧ信号電荷が蓄積されたとき、これら信号電荷Ｒ，Ｇを水平電荷転送路に転送し出力したが、本実施形態では、垂直２画素加算を電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂで行っている点が異なる。

即ち、奇数列の垂直電荷転送路ではＧ信号電荷とＲ信号電荷とが交互に転送されて来るため、分岐部２５ａで交互に振り分け、図８の時刻ｔ前に転送によって、Ｒ信号電荷２個分を電荷一時蓄積部２８ａに蓄積させ、Ｇ信号電荷２個分を電荷一時蓄積部２８ｂに蓄積させた後、図４と同じ時刻ｔ後の転送パルスによって水平電荷転送路に転送しアンプ２７から出力させる。

この様に、本実施形態では、垂直電荷転送路毎に電荷一時蓄積部を並列に２分岐させているため、同色の信号電荷の垂直加算が容易となり、垂直画素加算を固体撮像素子内部で行うことが可能となる。

勿論、この実施形態の様に垂直２画素加算を行う場合には、電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂの容量として、夫々、画素２４の飽和電荷量の少なくとも２倍の容量を持たせる必要があり、垂直ｎ（ｎ＝３以上の整数）画素加算を行う場合には、少なくともｎ倍の容量が必要となる。

また、水平画素加算を行う場合には、従来と同様にして、水平転送パルスとラインメモリ制御パルスの各タイミングを調整することで容易に行うことができる。例えば水平電荷転送路上をＧ信号電荷が転送されて来て、Ｇ信号電荷を保持している電荷一時蓄積部の前の水平転送段に来たとき、電荷一時蓄積部のＧ信号電荷を水平電荷転送路に転送させれば、水平方向画素加算が水平電荷転送路上で実現できる。

尚、図示する例では、電荷一時蓄積部２８ａ内にＲ信号電荷を２個分蓄積するのであるが、１個分が蓄積された状態で垂直電荷転送路の分岐部２５ａからＧ信号電荷を電荷一時蓄積部２８ｂ内に転送するとき、電荷一時蓄積部２８ａの電位をバリア状態にするが、各電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂ内の埋め込みチャネルの不純物濃度に濃度勾配を付けたり制御電極形状に工夫をしておけば、Ｒ信号電荷が電荷一時蓄積部２８ａから外部に漏れ出ることはない。

この様に、本実施形態によれば、垂直画素加算を容易に固体撮像素子内部で行うことができるため、水平転送する画素数（信号電荷数）が減り、フレームレートを向上させることができ、動画像の撮像に有利となる。

図９，図１０は、本発明の更に別実施形態の動作説明図である。本実施形態では、図５，図６の実施形態に対して、２分岐された電荷一時蓄積部の一方を用いて垂直方向２画素加算を行う例を示しており、図７，図８の実施形態の片側の電位一時蓄積部２８ａだけの動作となるため、その説明は省略する。

図１１，図１２は、本発明の更に別実施形態の動作説明図である。図５，図６に示す実施形態では、Ｒ信号電荷，Ｇ信号電荷を夫々２分岐型電荷一時蓄積部の片側２８ａにだけ転送したが、この実施形態では、両方の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂに分割して転送している点が異なる。

本実施形態では、分岐部２５ａに信号電荷が転送されてきたとき、両方の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂは共に電位井戸となるため、信号電荷は、両方の電位井戸内に流れ込む。夫々の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂ内に入り込む電荷量がどのような割合になるかは制御できないが、両方の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂは、同一製造工程で製造され物理的構造が同一となるため、略１／２づつ分割される。

しかし、信号電荷がどの様な比率で分割されても問題はない。それは、図１２に示す様に、時刻ｔ後に、ラインメモリ制御パルスφＬＭ１，φＬＭ２共に同時にローパルス５５，５６が印加され、水平電荷転送路の同一転送段に、分割された信号電荷が同時に転送され水平電荷転送路上で結合されるからである。

この実施形態によれば、１画素の信号電荷を２つの電荷一時蓄積部に蓄積するので、概ね２倍の信号量を扱うことができ、画像のダイナミックレンジを向上させることができる。また、飽和信号量が多くなった分、電荷一時蓄積部を小さく設計でき、固体撮像素子のチップ面積を縮小可能となる。

図１３，図１４は、本発明の更に別実施形態の動作説明図である。図５，図６の実施形態と図９，図１０の実施形態との関係と同じであり、本実施形態では、図１１，図１２の実施形態に対して垂直２画素加算を両方の電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂを用いて行う構成となっている。

図３〜図１４に示す実施形態では、分岐型電荷一時蓄積部２８を構成する個々の枝部（電荷一時蓄積部２８ａ，２８ｂ）毎に異なる配線３６，３７を接続し、一方にラインメモリ制御パルスφＬＭ１を印加し、他方にパルスφＬＭ２を印加する配線接続したが、この図１１〜図１４の実施形態では、パルスφＬＭ１，φＬＭ２を同じパルスとして印加している。

このように、配線接続として、異なる位相のパルスφＬＭ１，φＬＭ２を印加できる配線にしておくことで、図３〜図１４で説明した様々な動作を１つの固体撮像素子２２に実行させることができ、様々な撮影モードに対応した信号読出方法（プログレッシブ読出，マルチフィールド読出，動画像読出，画素間引読出など）に柔軟に対応可能となる。

尚、上述した各実施形態において、垂直電荷転送路に沿って転送されてくる信号電荷が何色になるかは、固体撮像素子の各画素に積層されるカラーフィルタ配列に依存することになる。また、マルチフィールド読出する場合に、垂直電荷転送路に沿う信号電荷配列がどの様な色の配列になるかや、動画像読出時の画素間引き読み出し時にどの様な信号電荷の色配列になるかは、予め分かるため、それに合わせて２分岐型電荷一時蓄積部への電荷振り分け制御を行えばよい。

電荷一時蓄積部は、３分岐型，４分岐型とすることも可能である。２分岐型の場合にはラインメモリ制御パルスを２相駆動可能な配線接続としたが、３分岐型であれば３相駆動可能な配線接続にする必要があり、４分岐型であれば４相駆動可能な配線接続する必要がある。複数分岐型としたとき、分岐した電荷一時蓄積部を全て水平電荷転送路の同一転送段に接続する構成とするのが良いが、異なる転送段に接続する構成としても良い。

以上述べた様に、本発明の実施形態は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成されカラーフィルタが積層された複数の画素と、該画素で構成される複数の画素列に沿って形成され前記画素が検出した信号電荷が読み出され転送される複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成される水平電荷転送路と、前記複数の各垂直電荷転送路対応に且つ該垂直電荷転送路の転送方向端部と前記水平電荷転送路との間に設けられ該垂直電荷転送路に沿って転送されてきた前記信号電荷を一時蓄積し前記水平電荷転送路に転送する分岐型電荷一時蓄積部と、該分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部の各々に別個に接続された制御信号印加用の配線とを備える固体撮像素子を特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部は、前記垂直電荷転送路から受け取った前記信号電荷を転送段１段で前記水平電荷転送路に転送する構成を特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部は前記水平電荷転送路の同一転送段に接続される構成を特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部は、各々が、前記画素の飽和電荷量の少なくとも２倍の電荷を蓄積する容量を備える構成を特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子であって、前記画素には原色系のカラーフィルタがモザイク状に積層される構成を特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子であって、前記画素には補色系のカラーフィルタがモザイク状に積層される構成を特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子に垂直転送パルスと水平転送パルスと前記制御信号とを供給する撮像素子駆動手段とを備えることを特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部には、同一の該電荷一時蓄積部に同一色のカラーフィルタを持つ画素で検出された信号電荷が振り分けられることを特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部には、複数の画素が検出した信号電荷複数個分を蓄積した後に前記水平電荷転送路に転送されることを特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子の駆動方法であって、１本の垂直電荷転送路が同一色のカラーフィルタを持つ画素が検出した信号電荷だけを転送しているときは前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部に並行に該信号電荷を分割して転送することを特徴とする。

また、実施形態は、上記記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部には、複数の画素が検出した信号電荷複数個分を蓄積した後に前記水平電荷転送路に転送されることを特徴とする。

これにより、固体撮像素子内部で水平画素加算と水平画素加算を容易に行うことができ、また、プログレッシブ読出，マルチフィールド読出，動画像読出，画素間引読出に柔軟に対応して高品質な画像読出を行うことが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子は、固体撮像素子内部で水平画素加算と垂直画素加算とを容易に行うことができるため、ＣＣＤ型の固体撮像素子を搭載するデジタルカメラ（デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機を含む。）等に適用すると有用である。

１ 撮像部
４ 駆動部
４ａ 撮像素子駆動手段
９ システム制御部
２２ ＣＣＤ型固体撮像素子
２４ 画素（フォトダイオード：光電変換素子）
２５ 垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
２６ 水平電荷転送路
２７ 出力アンプ
２８ ２分岐型電荷一時蓄積部
２８ａ，２８ｂ 電荷一時蓄積部
３６ ラインメモリ制御パルスφＬＭ１用の配線
３７ ラインメモリ制御パルスφＬＭ２用の配線

Claims (11)

1. 半導体基板に二次元アレイ状に配列形成されカラーフィルタが積層された複数の画素と、該画素で構成される複数の画素列に沿って形成され前記画素が検出した信号電荷が読み出され転送される複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成される水平電荷転送路と、前記複数の各垂直電荷転送路対応に且つ該垂直電荷転送路の転送方向端部と前記水平電荷転送路との間に設けられ該垂直電荷転送路に沿って転送されてきた前記信号電荷を一時蓄積し前記水平電荷転送路に転送する分岐型電荷一時蓄積部と、該分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部の各々に別個に接続された制御信号印加用の配線とを備える固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部は、前記垂直電荷転送路から受け取った前記信号電荷を転送段１段で前記水平電荷転送路に転送する構成の固体撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部は前記水平電荷転送路の同一転送段に接続される構成の固体撮像素子。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部は、各々が、前記画素の飽和電荷量の少なくとも２倍の電荷を蓄積する容量を備える構成の固体撮像素子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記画素には原色系のカラーフィルタがモザイク状に積層される固体撮像素子。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記画素には補色系のカラーフィルタがモザイク状に積層される固体撮像素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子に垂直転送パルスと水平転送パルスと前記制御信号とを供給する撮像素子駆動手段とを備える撮像装置。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部には、同一の該電荷一時蓄積部に同一色のカラーフィルタを持つ画素で検出された信号電荷が振り分けられる固体撮像素子の駆動方法。
9. 請求項８に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部には、複数の画素が検出した信号電荷複数個分を蓄積した後に前記水平電荷転送路に転送される固体撮像素子の駆動方法。
10. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、１本の垂直電荷転送路が同一色のカラーフィルタを持つ画素が検出した信号電荷だけを転送しているとき前記分岐型電荷一時蓄積部を構成する個々の電荷一時蓄積部に並行に該信号電荷を分割して転送する固体撮像素子の駆動方法。
11. 請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記分岐型電荷一時蓄積部には、複数の画素が検出した信号電荷複数個分を蓄積した後に前記水平電荷転送路に転送される固体撮像素子の駆動方法。

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