JP2005286933A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤイメージセンサの高画素数化に伴い撮像部からの信号電荷の読み出しに時間がかかる。
【解決手段】 撮像部２を構成する行シフトレジスタ１２を複数本ずつ反対方向に転送可能に構成する。撮像部２の左には複数の列シフトレジスタ１４が並列配置され、そのそれぞれに出力回路１８が設けられる。また撮像部２の右には複数の列シフトレジスタ１６が並列配置され、そのそれぞれに出力回路２０が設けられる。撮像部２で生じた信号電荷は左右に振り分けられ、さらに複数の列シフトレジスタ１４，１６に振り分けられ、並列に読み出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、行列配置された受光画素から電荷結合装置（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）を用いて信号電荷を読み出す固体撮像装置に関する。

固体撮像装置においては受光画素が行列配置される。受光画素で得られた信号電荷を読み出す手段としてＣＣＤを用いた固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）が存在する。ＣＣＤイメージセンサでは、画像の垂直方向に沿った各列毎に、ＣＣＤで構成されたシフトレジスタ（垂直シフトレジスタ）が配置され、垂直シフトレジスタの出力端には水平シフトレジスタが配置され、さらに水平シフトレジスタの出力端に出力部が設けられる。各垂直シフトレジスタに保持された信号電荷は所定の水平走査期間に同期して水平シフトレジスタに向かって順次、垂直転送され、水平シフトレジスタには１行単位で信号電荷が移送される。水平シフトレジスタはそれら移送された１行分の信号電荷を水平走査期間に同期して出力部へ転送する。出力部は、受光画素毎の信号電荷を電圧信号に変換し検出する。

このようにＣＣＤイメージセンサにおいては、信号電荷の読み出しは、出力部において画素毎の逐次処理となる。そのため、画素数の増大と共に、１画面の読み出し時間が長くなる。この読み出し時間を短縮するためには、特に水平シフトレジスタ及び出力部の駆動の高速化が必要となる。しかし、現在のように非常に高画素数となると、高速化に際して、駆動クロックの周波数増大に伴う消費電力の増大や、水平シフトレジスタでの転送効率の劣化等の性能低下が問題となる。

従来の構成として、受光画素の配列を上下左右にそれぞれ分割して４領域に分け、各領域毎に水平シフトレジスタ及び出力部を設けるものがある。このように、複数の水平シフトレジスタ及び出力部で、信号電荷の読み出し処理を並列化することにより、その処理の高速化を緩和することができる。また、並列化の他の構成として、水平シフトレジスタを２本又は３本並列配置し、垂直シフトレジスタから読み出された１行分の信号電荷を列毎にそれら水平シフトレジスタに振り分ける構成も提案されている。ちなみに下記特許文献１には、水平シフトレジスタを２本並列配置して、それらの間で信号電荷を振り分ける構成が示されている。
特許第２５２５７９６号公報

受光画素の配列を分割して、分割された画面の部分領域毎に異なる出力部を対応付ける構成では、出力部の特性のばらつきが、各部分領域間の画質の違いとして現れる。特に、各部分領域のサイズが比較的大きい場合は、出力部の特性のばらつきによる部分領域間の画質の違いが目立ちやすく、一方、分割数が増えると出力部の数が増大して、その特性のばらつきが増大することによる画質の劣化が問題となる。

一方、水平シフトレジスタを複数並列配置し、列毎に信号電荷を振り分ける構成では、例えば、受光画素にモザイクフィルタを配した場合、垂直シフトレジスタから読み出した１行の信号電荷のうち奇数列に対応する一色と偶数列に対応する他の一色とを、２本の水平シフトレジスタの各々に振り分けることができる。よって、各出力部には、互いに異なる色に対応した信号電荷が転送される。このように、画素の種類毎に別々の出力部を割り当てれば、その特性のばらつきが目立ちにくくなる利点がある。しかし、並列に配置する水平シフトレジスタの本数が増えるにつれて、それらの間での信号電荷の振り分けを行う構造、駆動方法が複雑化することが問題であった。すなわち、それにより、信号電荷の読み出しの並列化が制限され、読み出し時間の一層の短縮が難しくなるという問題があった。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、より簡単な素子構造で、かつ画質を良好に維持しつつ、高画素数の受光画素からの信号電荷の読み出し時間の一層の短縮を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、行列配置された受光画素の各行に対応して設けられ、当該各行の前記受光画素にて生じた信号電荷をｎ相クロック（ｎは２以上の整数）の印加により行方向に転送する複数のシフトレジスタを備えたものにおいて、前記複数のシフトレジスタをそれぞれ連続するｍ行ずつ（ｍは２以上の整数）からなる複数のレジスタセットに区切り、前記複数のシフトレジスタが、前記レジスタセット毎に行方向に複数配列され、当該レジスタセットに属するｍ行のシフトレジスタでの前記信号電荷の転送を担う複数の転送電極と、前記レジスタセット毎にｎ本ずつ配置され、当該レジスタセットの前記転送電極に前記ｎ相クロックの各相を供給する複数のクロック配線と、を有し、前記各相のクロック配線が、それぞれ前記行の一方端から他方端に渡され、交差する前記転送電極に所定の接続順序で接続され、前記接続順序が、隣接する前記レジスタセット相互間で、前記転送電極と前記ｎ相クロックの各相との対応が行方向に関して互いに逆順となり、隣接する前記レジスタセットにて信号電荷が互いに行の反対方向に転送される。

本発明によれば、外部の駆動回路からのｎ相クロックを転送電極に供給するクロック配線は、レジスタセット毎に１組ずつ配置される。すなわち、ｎ本からなる１組のクロック配線は、当該レジスタセットの配置領域に対応して配置される。これにより、各レジスタセットに行方向に配列される各転送電極は、基本的に当該レジスタセット内のｍ行のシフトレジスタ上にて連続していれば、１組のクロック配線と交差し、その交差位置にてクロック配線に接続することができる。すなわち、各転送電極は基本的に、隣接するレジスタセット間では繋がっている必要はない。また、各転送電極は１組のクロック配線のいずれとも交差する。そこで、各転送電極をいずれの相のクロック配線と接続するかは任意に選択でき、その接続の対応関係を相違させることで、隣接するレジスタセットでの転送方向を互いに反対とすることができる。なお、２相クロックでの駆動を行う場合には、チャネル内の不純物濃度の調整等により転送方向に沿ってチャネル電位を非対称とすることにより、所定方向への転送が実現される。また、行方向は、水平走査方向、垂直走査方向のいずれでもよい。

他の本発明に係る固体撮像装置においては、ｍ≧ｎであり、前記各相のクロック配線が、前記シフトレジスタ相互間を分離する素子分離領域上のうち互いに異なるものの上に沿って配置され、当該素子分離領域上にて前記転送電極に接続される。

シフトレジスタ間は受光画素配列の端から端へ行方向に延びる素子分離領域によって分離される。本発明によれば、この素子分離領域の上にクロック配線を配置する。各レジスタセットはｍ個のシフトレジスタを含み、各レジスタセット当たりｍ本の素子分離領域が形成される。よって、ｍ≧ｎとすることで、クロックの各相に対応するクロック配線はそれぞれ１本の素子分離領域上に１本ずつ配置することができる。

さらに他の本発明に係る固体撮像装置においては、隣接する前記レジスタセットに関し、行方向に並ぶそれぞれの前記転送電極のうちｎ個毎の１つを互いに連続した共通電極とし、当該共通電極を、当該隣接するレジスタセット相互間の境界の前記素子分離領域上に配置される前記クロック配線に接続する。

本発明によれば、転送電極はレジスタセットを構成するｍ行のシフトレジスタのチャネル上に架け渡され、その端部はレジスタセット相互間の境界の素子分離領域上にオーバーラップされる。ここで境界の素子分離領域での転送電極の当該オーバーラップは、隣接するレジスタセット双方から行われる。これら素子分離領域の両側からオーバーラップされる２つの転送電極が互いに異なる相のクロックを印加される場合には、さらに素子分離領域上にてそれら転送電極相互を分離する間隔が必要となる。そのため、素子分離領域が狭い場合には、素子分離領域に対する転送電極端部のオーバーラップ量が少なく、当該素子分離領域上にて転送電極とクロック配線とのコンタクト領域が確保されないことがある。本発明によれば、そのような場合において、隣接するレジスタセットそれぞれの転送電極のうち境界の素子分離領域上のクロック配線に対応付けられるものを互いに連続した形状に形成する。これにより、当該素子分離領域上にて転送電極相互を分離する間隔が不要となり、コンタクト領域を確保できる。ちなみに、ｍ＞ｎの場合には、レジスタセット境界の素子分離領域上にクロック配線を配置しないことが可能であるが、ｍ＝ｎの場合には、境界の素子分離領域上にクロック配線を配置し、これにより転送電極にクロックを供給する必要があり、本発明は特にこの場合に効果を発揮する。

別の本発明に係る固体撮像装置においては、奇数番目の前記レジスタセットから読み出された前記信号電荷を列方向に転送する第１の列方向転送部と、偶数番目の前記レジスタセットから読み出された前記信号電荷を列方向に転送する第２の列方向転送部と、前記第１の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出する第１の出力部と、前記第２の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出する第２の出力部と、を有する。

本発明によれば、２組の列方向転送部及び出力部を受光素子の配列領域に対して互いに反対側に分けて構成することができる。

また、別の本発明に係る固体撮像装置においては、奇数番目の前記レジスタセットと偶数番目の前記レジスタセットとでそれぞれに対応する前記受光画素が互いに異なる信号生成特性を有する。

本発明によれば、互いに異なる信号生成特性を有する受光画素の信号電荷の読み出しが２つの出力部によって別々に行われる。よって、２つの出力部の特性差が目立たない。

別の本発明に係る固体撮像装置においては、奇数番目の前記レジスタセットに属するシフトレジスタそれぞれに対応して設けられ、当該各シフトレジスタから読み出された前記信号電荷を列方向に転送するｍ個の第１の列方向転送部と、偶数番目の前記レジスタセットに属するシフトレジスタそれぞれに対応して設けられ、当該各シフトレジスタから読み出された前記信号電荷を列方向に転送するｍ個の第２の列方向転送部と、前記第１の列方向転送部それぞれに対応して設けられ、当該第１の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出するｍ個の第１の出力部と、前記第２の列方向転送部それぞれに対応して設けられ、当該第２の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出するｍ個の第２の出力部と、を有する。

本発明によれば、２ｍ組の列方向転送部及び出力部を半分ずつ、受光素子の配列領域に対して互いに反対側に分けて構成することができる。２ｍ組を半分ずつ分散配置することで素子構造や駆動を簡単とすることができる。

また、別の本発明に係る固体撮像装置においては、前記行列配置された受光画素は行方向に同じ信号生成特性を有し、前記奇数番目のレジスタセット及び前記偶数番目のレジスタセットに対応する連続した２ｍ行の前記受光画素は各行毎に前記信号生成特性が互いに異なる。

本発明によれば、互いに異なる信号生成特性を有する２ｍ種類の受光画素の信号電荷の読み出しが２ｍ個の出力部によって別々に行われる。よって、それら出力部の特性差が目立たない。

さらに別の本発明に係る固体撮像装置においては、前記連続した２ｍ行の受光画素の前記信号生成特性は、感度と分光感度特性との組み合わせが異なる。

例えば、感度は受光部の開口を変えることで変えることができ、分光感度特性は、カラーフィルタの色に応じて相違する。例えば、信号生成特性として、フィルタの色がそれぞれ緑、青、赤であって、感度が相対的に高い受光画素（それぞれ記号Ｇ，Ｂ，Ｒで表す）と、フィルタの色がそれぞれ緑、青、赤であって、感度が相対的に低い受光画素（それぞれ記号ｇ，ｂ，ｒで表す）との６種類を有する場合（すなわちｍ＝３）に、奇数番目のレジスタセットに対応する各行の受光画素は順にＧ，Ｂ，Ｒの特性に設定され、偶数番目のレジスタセットに対応する各行の受光画素は順にｇ，ｂ，ｒの特性に設定することができる。

また、別の本発明に係る固体撮像装置においては、前記連続した２ｍ行の受光画素の前記信号生成特性は、α・β＝２ｍなる関係を満たすα種類の感度とβ種類の分光感度特性との組み合わせが異なり、前記感度はα行周期で繰り返され、前記分光感度特性はβ行周期で繰り返される。

本発明によれば、例えば、信号生成特性が上述の６種類である場合、α＝２，β＝３であり、奇数番目のレジスタセットに対応する各行の受光画素は順にＧ，ｂ，Ｒの特性に設定され、偶数番目のレジスタセットに対応する各行の受光画素は順にｇ，Ｂ，ｒの特性に設定される。すなわち、Ｇ，ｂ，Ｒ，ｇ，Ｂ，ｒ，Ｇ，ｂ，Ｒ，…の順に色生成特性が配列され、同じ色は３行周期、同じ感度は２行周期で現れる。このように本発明によれば、感度の異なる受光画素と分光感度特性の異なる受光画素とが好適に混合配置され、それにより画質の向上が図られる。

他の本発明に係る固体撮像装置においては、前記行方向が、前記受光画素が配列された撮像部の長手方向であり、前記受光画素上に、前記行方向に同じ色透過特性を有したストライプ型のカラーフィルタを備える。

カラーフィルタは受光画素の上に配置されるため、斜めに入射する光成分により隣接画素間にて混色が起こり得る。斜め入射は撮像部の中心から離れるほど起こりやすく、よって撮像部の長手方向の端部にて起こりやすい。この長手方向の端部では、光は当該長手方向にずれた受光画素に斜め入射しやすい。そこで本発明によれば、長手方向に沿ったストライプフィルタを配置することで、同じ色に対応する受光画素に斜め入射しやすくし、混色による画質劣化を抑制する。また、長手方向を行方向とすることにより、同じ色に対応する各行の信号電荷を行方向に関する２つの向きのうち同一の向きに順次読み出すことができ、同じ出力部に読み出すことも可能となる。

本発明によれば、行列配置された受光画素の信号電荷をｍ行ずつ互いに反対方向に読み出すことで、読み出し動作が２重化され、読み出し時間の短縮が図られる。また、従来技術で述べたような列方向転送部を並列配置する構成を採用する場合も、反対に読み出したそれぞれの側に分けてその並列配置構成を設けることができるので、それぞれの側の当該並列配置構成の複雑化を回避しつつ、より高い並列度での読み出しが可能となり、読み出し時間の一層の短縮が図られる。また、並列読み出しに伴い出力部が複数設けられ、画素の種類毎に別々の出力部を割り当てることが可能となる。これにより、出力部の特性のばらつきを目立ちにくくすることができる。特に、本発明によれば、並列度を従来より高くできることにより、例えば、色だけでなく、感度との組み合わせなどにより生じ得るより多くの画素の種類毎に出力部を割り当てることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態であるＣＣＤイメージセンサの模式的な全体構成図である。図において横方向が行に沿った方向（行方向）、縦方向が列に沿った方向（列方向）である。本ＣＣＤイメージセンサは、半導体基板上に形成され、撮像部２、列方向転送部４，６、及び出力部８，１０を含んで構成される。撮像部２は、複数の行シフトレジスタ１２が列方向に並列配置されて構成される。各行シフトレジスタ１２は３相駆動のＣＣＤで構成され、かつそのチャネルは光電変換領域としての機能も有し、シフトレジスタの各セルがそれぞれ受光画素に対応する。

行シフトレジスタ１２は受光画素で発生した信号電荷を行方向に転送するが、その転送方向は３行毎に反対となるように構成される。例えば、出力部８，１０に近い側から数えて、第（６ｋ−５）〜（６ｋ−３）行の行シフトレジスタ１２のグループ（奇数番目のレジスタセット）は図において左向きに行転送され、第（６ｋ−２）〜６ｋ行の行シフトレジスタ１２のグループ（偶数番目のレジスタセット）は図において右向きに行転送される。なお、ｋは自然数である。

撮像部２の表面上にはストライプ型のカラーフィルタが配置される。このストライプフィルタは、同一行の各画素に同一色を対応付け、例えば、３行周期で順に緑、青、赤成分を主として透過するフィルタが配置される。また、撮像部２には感度が異なる２種類の受光画素が行毎に交互に形成される。例えば、この感度の相違は、受光画素の開口を変えることにより実現される。撮像部２には、これら３種類の色と２種類の感度との組み合わせによって信号生成特性が異なる６種類の受光画素が配列される。

ここでは、フィルタの色がそれぞれ緑、青、赤であって、感度が相対的に高い受光画素をそれぞれ記号Ｇ，Ｂ，Ｒで表し、フィルタの色がそれぞれ緑、青、赤であって、感度が相対的に低い受光画素をそれぞれ記号ｇ，ｂ，ｒで表す。例えば、受光画素の信号生成特性は、第（６ｋ−５）行がＧ、第（６ｋ−４）行がｂ、第（６ｋ−３）行がＲ、第（６ｋ−２）行がｇ、第（６ｋ−１）行がＢ、第６ｋ行がｒに設定される。この配置により、奇数番目の各レジスタセットを構成する３行には順にＧ，ｂ，Ｒが対応付けられ、偶数番目の各レジスタセットを構成する３行には順にｇ，Ｂ，ｒが対応付けられる。

列方向転送部４は並列配置された３本の列シフトレジスタ１４−１〜１４−３からなり、また列方向転送部６は並列配置された３本の列シフトレジスタ１６−１〜１６−３からなる。これら各列シフトレジスタはＣＣＤで構成される。

列シフトレジスタ１４−１〜１４−３それぞれに対応して、出力部８は出力回路１８−１〜１８−３を備え、また、列シフトレジスタ１６−１〜１６−３それぞれに対応して、出力部１０は出力回路２０−１〜２０−３を備える。各出力回路は、対応する列シフトレジスタから出力される信号電荷を容量に蓄積して電圧信号に変換する信号検出回路と、検出された電圧信号を増幅するアンプとを含んでいる。

これら各列方向転送部を構成する３本の列シフトレジスタは、行シフトレジスタ１２から出力された信号電荷を、それらの間で振り分けて、出力部８へ並列転送することができる。例えば、第（６ｋ−５）行の行シフトレジスタ１２から出力されたＧに対応する信号電荷は、初めに列シフトレジスタ１４−１のセルに蓄積され、次に列シフトレジスタ１４−１と列シフトレジスタ１４−２との間に設けられたチャネルを介して列シフトレジスタ１４−２のセルに転送される。さらに、列シフトレジスタ１４−２と列シフトレジスタ１４−３との間に設けられたチャネルを介して列シフトレジスタ１４−３のセルに転送される。同様に、第（６ｋ−４）行の行シフトレジスタ１２から出力されたｂに対応する信号電荷は、列シフトレジスタ１４−２のセルに転送される。第（６ｋ−３）行の行シフトレジスタ１２から出力されＲに対応する信号電荷は、列シフトレジスタ１４−１のセルに蓄積される。このように奇数番目のレジスタセットから読み出されたＲ，ｂ，Ｇの信号電荷はそれぞれ列シフトレジスタ１４−１，１４−２，１４−３に振り分けられる。この振り分けを行うための列方向転送部４の構成、駆動方法は従来技術を利用して行うことができる。画素の種類別に振り分けられた信号電荷は、各列シフトレジスタ１４を駆動することで並列に転送される。出力回路１８−１〜１８−３は、それぞれ対応する列シフトレジスタ１４−１〜１４−３を転送されたＲ，ｂ，Ｇの信号電荷を電圧信号へ変換し、増幅して外部回路へ出力する。

一方、偶数番目のレジスタセットから読み出されたｒ，Ｂ，ｇの信号電荷は、列シフトレジスタ１４におけると同様にして、それぞれ列シフトレジスタ１６−１，１６−２，１６−３に振り分けられ、それぞれ出力回路２０−１〜２０−３へ並列に転送される。そして出力回路２０−１〜２０−３は、それぞれ対応する列シフトレジスタ１６−１〜１６−３を転送されたｒ，Ｂ，ｇの信号電荷を電圧信号へ変換し、増幅して外部回路へ出力する。

図２は、撮像部２を構成する複数の行シフトレジスタ１２の構造を示す模式的な平面図である。図には、奇数番目のレジスタセットと偶数番目のレジスタセットとがそれぞれ１組ずつ示されている。隣接する行シフトレジスタ１２それぞれのチャネル領域３０は互いに素子分離領域３２で分離される。例えば、行シフトレジスタ１２がｎチャネルに構成される場合には、この素子分離領域３２の基板表面には高濃度のｐ型不純物領域が形成され、チャネル間での信号電荷（電子）の移動を阻止される。素子分離領域３２には、このｐ型不純物領域の上に局所酸化膜（ＬＯＣＯＳ）が形成され、さらにその上に行シフトレジスタ１２の転送電極にクロックを供給するクロック配線３４が形成される。クロック配線３４は素子分離領域３２に沿って行方向に延在され、撮像部２の左右の端部から引き出されて外部回路に接続される。なお、図２では図を簡潔にするために、クロック配線３４と素子分離領域３２とを一致させて表しているが、実際には、クロック配線３４の幅と素子分離領域３２の幅とは異なり得る。また、チャネル領域３０上には複数の転送電極３６が行方向に配列される。

行シフトレジスタ１２は例えば、上述したように３相駆動に構成され、これに対応して、クロック配線３４にはクロックφ１〜φ３を印加される３種類が用意され、またそれぞれクロックφ１〜φ３に接続される転送電極３６−１〜３６−３が行方向に周期的に配置される。奇数番目のレジスタセットの転送電極３６と偶数番目のレジスタセットの転送電極３６とは行方向の位置を揃えて配置される。ここで、上述のように奇数番目のレジスタセットと偶数番目のレジスタセットとで互いに逆方向に信号電荷を転送させるために、両レジスタセットでの転送電極３６−１〜３６−３の行方向の並び順は互いに逆になる。しかし、そのうちクロックの或る１相に対応する転送電極３６については両レジスタセットで行方向の位置を一致させることができ、当該転送電極３６は両レジスタセットに跨って連続した電極として形成することができる。一方、他の２相に対応する転送電極３６は隣接するレジスタセットの行方向の同じ位置の転送電極３６とは異なる相のクロックを印加される。そのため、それら２相の転送電極３６は、各レジスタセット毎に分離して形成される。

図２に示す例では、クロックφ１に対応する転送電極３６−１が両レジスタセットに跨って連続するストライプ形状の電極として形成される。そして、クロックφ２，φ３に対応する転送電極３６−２，３６−３が各レジスタセット毎に独立した電極として形成され、隣接するレジスタセット同士の同じ行方向には転送電極３６−２と転送電極３６−３とが配置される。転送電極３６−２，３６−３は各レジスタセットに含まれる３本のチャネル領域３０に跨る長さを有するストライプ形状に構成される。

この転送電極３６−１〜３６−３の配置、形状は、各転送電極３６が単純なストライプ形状であり、互いに交差する部分を有さないので、例えば、単一のポリシリコン層をパターニングして形成することができる利点がある。パターニングにより形成された長短の矩形の電極パターンは、その上を横切るように形成される複数のクロック配線３４のいずれに接続するかによって、転送電極３６−１〜３６−３の別が定まる。

クロックφ１〜φ３に対応する１組のクロック配線３４は、各レジスタセット当たり３本形成される各素子分離領域３２の上に１本ずつ配置される。ここで、転送電極３６−２，３６−３の端部は、隣接するレジスタセットとの境界の素子分離領域３２上にオーバーラップする。しかし、当該素子分離領域３２上では隣接するレジスタセットの転送電極３６−３，３６−２とのギャップも形成する必要があり、素子分離領域３２の幅が狭い場合、転送電極３６−２，３６−３と素子分離領域３２上に配置されるクロック配線３４とのコンタクト領域を確保できないことがある。ここで示す例では、これに対応してφ２，φ３のクロック配線３４は各レジスタセットの内部に位置する素子分離領域３２、つまりレジスタセット間の境界以外の素子分離領域３２の上に配置し、これらをコンタクト３８を介して転送電極３６−２,３６−３に接続する構成としている。一方、転送電極３６−１はレジスタセット間の境界の素子分離領域３２を横断するので、φ１のクロック配線３４は当該素子分離領域３２の上に配置することができ、当該素子分離領域３２上にてコンタクト３８を介して転送電極３６−１とクロック配線３４とが接続される。なお、転送電極３６−１は原理的には撮像部２を列方向に横切る連続電極として形成することができ、例えば、その電極端部だけをクロック配線に接続すれば十分であるが、ここで示すように、各レジスタセット毎に設けたクロック配線３４に接続することで、転送電極３６の抵抗等に起因するクロックパルスの劣化の影響を回避して、各行シフトレジスタ１２にφ２，φ３と同様の良好なクロックφ１を供給することができる。

例えば、奇数番目のレジスタセットでは行方向に沿って右から左に転送電極３６−１〜３６−３が順に配置され、一方、偶数番目のレジスタセットでは行方向に沿って左から右に転送電極３６−１〜３６−３が順に配置される。そして、行シフトレジスタ１２の転送動作時には、奇数番目のレジスタセットにて電荷パケットが右から左へ転送されるようなφ１〜φ３が供給される。これにより、奇数番目のレジスタセットにて露光期間により生成された信号電荷の電荷パケットは、撮像部２左側の列方向転送部４に読み出され、一方、偶数番目のレジスタセットの信号電荷の電荷パケットは、反対方向に転送され、撮像部２右側の列方向転送部６に読み出される。

また、露光期間においては、例えば、転送電極３６−１の下のチャネル電位が深くなり電位井戸が形成され、転送電極３６−２，３６−３の下のチャネル電位が浅くなり隣接電極下の電位井戸を分離する電位障壁が形成させるようにクロックφ１〜φ３が制御される。これにより、互いに隣接する３本の転送電極３６毎に１画素に対応する電位井戸が形成され、これに露光により発生する信号電荷が蓄積される。

本ＣＣＤイメージセンサでは、行シフトレジスタ１２は受光領域も兼ねるため、基本的には遮光されないが、素子分離領域３２の上に沿って遮光膜を形成することはできる。例えば、その遮光膜の列方向のギャップ幅で規定される行シフトレジスタ１２の開口の大きさを変えることで、行シフトレジスタ１２の受光感度を調整することができる。その他、各行シフトレジスタ１２の不純物プロファイルを変えることや、チャネル領域３０の幅を変えることでも受光感度を調整することが可能である。このような調整により、画素の種類のＧ，Ｂ，Ｒとｇ，ｂ，ｒとの上述の感度差が設けられる。

感度の高い画素は低輝度でも高いゲインが得られ、一方、感度の低い画素は高輝度でも飽和しにくい信号特性を有する。このような感度の違う画素からの信号を組み合わせることで、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。その際、上述のように、感度の違う画素が隣接した配置は、良好な解像度を得る上で好都合である。感度の違いと同時に色に関し混在配置することも解像度の確保に都合がよい。

その一方で、画素種類の別の配列を採用することもできる。例えば、奇数番目のレジスタセットはＧ，Ｂ，Ｒ、偶数番目のレジスタセットはｇ，ｂ，ｒが各行シフトレジスタ１２に対応付けられる構成が可能である。

また、例えば、列方向転送部４，６は単一の列シフトレジスタで構成してもよい。例えば、上述の奇数番目のレジスタセットにＧ，Ｂ，Ｒ、偶数番目のレジスタセットにｇ，ｂ，ｒを配置し、列方向転送部４，６を単一シフトレジスタで構成した場合、Ｇ，Ｂ，Ｒは共通の出力回路１８で出力され、ｇ，ｂ，ｒは共通の出力回路２０で出力される。そこで、出力回路２０のアンプのゲインを出力回路１８より大きく設定して、低感度の画素からの信号を比較的大きな電圧信号として低雑音で外部回路に取り出すことが可能となる。

レジスタセットを構成する行シフトレジスタ１２の数ｍは、行シフトレジスタ１２を駆動するクロックの相数ｎ以上とすることができる。例えば、上述の３相クロックの場合にはｍ≧３とすることができる。例えば、色の種類がシアン、マゼンタ、イエロー、グリーンといった４つであり、それらと感度２種類との組み合わせにより得られる８種類の画素が行毎に割り当てられる場合には、ｍ＝４とすることが好適である。その場合、列方向転送部４，６をそれぞれ４本ずつの列シフトレジスタ１４，１６の並列配置で構成し、各色をそれら複数の列シフトレジスタ１４，１６に振り分けることができる。また、この場合に、列シフトレジスタ１４，１６を例えば、２本ずつとして、それら各列シフトレジスタに画素を２種類ずつ振り分ける構成とすることもできる。

ｍ＞ｎの場合には、クロック配線３４の種類よりもレジスタセット当たりの素子分離領域３２の本数が多い。そのため、隣接するレジスタセット間の境界の素子分離領域３２にクロック配線３４を配置する必要がなくなり、それと共に当該素子分離領域３２上にコンタクトを設ける必要もなくなる。よって、全ての転送電極３６を当該素子分離領域３２上にて隣接するレジスタセットの転送電極３６から分離して形成することができる。すなわち、上述の転送電極３６−１のように隣接するレジスタセットに跨る転送電極３６を設けなくても互いに反対方向に転送する隣接するレジスタセットの各転送電極３６にクロックを供給することができる。

また、上述の構成ではストライプ型のカラーフィルタを行方向に同じ色が並ぶように取り付け、またそれに対応して撮像部２に行方向の転送を行う行シフトレジスタ１２を配置した。ここで、撮像部２の長手方向の端部では、斜め入射光が或る画素のカラーフィルタを通過後、当該方向に隣接した受光部に入射することが起こりやすい。本ＣＣＤイメージセンサは上述のカラーフィルタの配向により、この斜め入射による混色を抑制している。

その一方で、上述の左右に振り分けて読み出す素子構成において、モザイクフィルタ等の他の配列のカラーフィルタを搭載することも可能である。また、行シフトレジスタ１２を垂直シフトレジスタ、列シフトレジスタ１４，１６を水平シフトレジスタとする構成も可能である。

ちなみに、上述のＣＣＤイメージセンサは、受光領域を兼ねる行シフトレジスタ１２が素子自体では遮光されないため、行シフトレジスタ１２の転送時のスミアの抑制は、例えば、素子とは別途にメカニカルシャッタを設けることにより行うことができる。その一方で、上述の本発明の基本的な構成は、撮像部２を構成する受光領域及びシフトレジスタの他の構造にも適用することが可能である。例えば、撮像部２を、受光部とシフトレジスタとを別個に構成したインターライン転送型の構成とすることができる。この構成ではシフトレジスタは遮光することができるので、素子自体でスミアを好適に抑制することができる。また、フレーム転送型の構成とすることもできる。その構成では、撮像部２のシフトレジスタに連続し遮光されたシフトレジスタからなる蓄積部が設けられる。本発明では撮像部２から両側に信号電荷が転送されるので、蓄積部も撮像部２の両側に設けられる。列方向転送部４，６はその蓄積部を構成するシフトレジスタの出力端に接続して配置される。

本ＣＣＤイメージセンサの複数の出力回路から並列に読み出される信号は、例えば、一旦フレームメモリ等に記憶し、用途に応じた走査順序に変換することができる。

本発明の実施形態であるＣＣＤイメージセンサの模式的な全体構成図である。 撮像部を構成する複数の行シフトレジスタの構造を示す模式的な平面図である。

符号の説明

２ 撮像部、４，６ 列方向転送部、８，１０ 出力部、１２ 行シフトレジスタ、１４，１６ 列シフトレジスタ、１８，２０ 出力回路、３０ チャネル領域、３２ 素子分離領域、３４ クロック配線、３６ 転送電極、３８ コンタクト。

Claims (10)

1. 行列配置された受光画素の各行に対応して設けられ、当該各行の前記受光画素にて生じた信号電荷をｎ相クロック（ｎは２以上の整数）の印加により行方向に転送する複数のシフトレジスタを備えた固体撮像装置において、
   前記複数のシフトレジスタをそれぞれ連続するｍ行ずつ（ｍは２以上の整数）からなる複数のレジスタセットに区切り、
   前記複数のシフトレジスタは、
   前記レジスタセット毎に行方向に複数配列され、当該レジスタセットに属するｍ行のシフトレジスタでの前記信号電荷の転送を担う複数の転送電極と、
   前記レジスタセット毎にｎ本ずつ配置され、当該レジスタセットの前記転送電極に前記ｎ相クロックの各相を供給する複数のクロック配線と、
   を有し、
   前記各相のクロック配線は、それぞれ前記行の一方端から他方端に渡され、交差する前記転送電極に所定の接続順序で接続され、
   前記接続順序は、隣接する前記レジスタセット相互間で、前記転送電極と前記ｎ相クロックの各相との対応が行方向に関して互いに逆順となり、
   隣接する前記レジスタセットにて信号電荷が互いに行の反対方向に転送されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   ｍ≧ｎであり、
   前記各相のクロック配線は、前記シフトレジスタ相互間を分離する素子分離領域上のうち互いに異なるものの上に沿って配置され、当該素子分離領域上にて前記転送電極に接続されること、
   を特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   隣接する前記レジスタセットに関し、行方向に並ぶそれぞれの前記転送電極のうちｎ個毎の１つを互いに連続した共通電極とし、当該共通電極を、当該隣接するレジスタセット相互間の境界の前記素子分離領域上に配置される前記クロック配線に接続すること、
   を特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
   奇数番目の前記レジスタセットから読み出された前記信号電荷を列方向に転送する第１の列方向転送部と、
   偶数番目の前記レジスタセットから読み出された前記信号電荷を列方向に転送する第２の列方向転送部と、
   前記第１の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出する第１の出力部と、
   前記第２の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出する第２の出力部と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   奇数番目の前記レジスタセットと偶数番目の前記レジスタセットとでそれぞれに対応する前記受光画素が互いに異なる信号生成特性を有すること、
   を特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
   奇数番目の前記レジスタセットに属するシフトレジスタそれぞれに対応して設けられ、当該各シフトレジスタから読み出された前記信号電荷を列方向に転送するｍ個の第１の列方向転送部と、
   偶数番目の前記レジスタセットに属するシフトレジスタそれぞれに対応して設けられ、当該各シフトレジスタから読み出された前記信号電荷を列方向に転送するｍ個の第２の列方向転送部と、
   前記第１の列方向転送部それぞれに対応して設けられ、当該第１の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出するｍ個の第１の出力部と、
   前記第２の列方向転送部それぞれに対応して設けられ、当該第２の列方向転送部から出力される前記信号電荷を検出するｍ個の第２の出力部と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
   前記行列配置された受光画素は行方向に同じ信号生成特性を有し、
   前記奇数番目のレジスタセット及び前記偶数番目のレジスタセットに対応する連続した２ｍ行の前記受光画素は各行毎に前記信号生成特性が互いに異なること、
   を特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項７に記載の固体撮像装置において、
   前記連続した２ｍ行の受光画素の前記信号生成特性は、感度と分光感度特性との組み合わせが異なること、
   を特徴とする固体撮像装置。
9. 請求項７に記載の固体撮像装置において、
   前記連続した２ｍ行の受光画素の前記信号生成特性は、α・β＝２ｍなる関係を満たすα種類の感度とβ種類の分光感度特性との組み合わせが異なり、
   前記感度はα行周期で繰り返され、前記分光感度特性はβ行周期で繰り返されること、
   を特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
    前記行方向は、前記受光画素が配列された撮像部の長手方向であり、
    前記受光画素上に、前記行方向に同じ色透過特性を有したストライプ型のカラーフィルタを備えること、
    を特徴とする固体撮像装置。

Images