JP4171137B2 - 固体撮像装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子を有する固体撮像装置と固体撮像装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に一般的なＣＣＤ方式固体撮像装置の平面図を示す。固体撮像装置は、例えばシリコンのような２次元平面を有する半導体基板１の上に形成されている。半導体基板１上には、複数のフォトダイオード（光電変換素子）２、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）３、トランスファーゲート（読出ゲート）４、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）６、及び出力アンプ７が形成される。
【０００３】
複数のフォトダイオード２は、二次元行列状に配置され，受光した光を電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード２の左隣には、トランスファーゲート４を介して垂直電荷転送路３が設けられる。トランスファーゲート４は、フォトダイオード２内の電荷を垂直電荷転送路３に読み出す。
【０００４】
垂直電荷転送路３は、電荷結合素子（ＣＣＤ）により構成され、フォトダイオード２から読み出された電荷を図の紙面の上から下方向（垂直方向）に転送する。水平電荷転送路６は、ＣＣＤにより構成され、垂直電荷転送路３から転送された電荷を1行単位で受け取り、紙面の左から右方向(水平方向)に転送する。
【０００５】
出力アンプ７は、水平電荷転送路６から転送された電荷量に対応する電圧を出力する。この電圧値は、画素値に相当する。各フォトダイオード２は、画素に相当する。フォトダイオード２を二次元状に配列することにより、二次元画像の信号を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
最近のデジタルカメラでは、画質の向上のために固体撮像装置の画素数を増大する傾向が顕著であり、１００万画素以上のいわゆるメガピクセルと称される多画素の固体撮像装置を備えるものが開発されている。固体撮像装置の画素数が増大するにつれて当然に１フレームの画像信号の読み出し時間は長くなる。静止画像の再生の場合には、画像信号の読み出し時間の増大は、致命的な問題ではないが、動画像の場合では、画像信号の読み出し時間が画像信号のフレームレート（ＮＴＳＣ信号で通常１／３０秒）に追従できない問題が生ずる。
【０００７】
画素数が１００万画素を超えてくると、動画像を１／３０秒のフレームレートに間に合うように読み出すことが困難である。そのために、メガピクセルの固体撮像装置では、動画像をディスプレイで再生する場合には、すべての画素で得られた画像データを再生するのではなく、データ量（画素数）を減らして再生フレームレートに追従できるようにする必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、画像のデータ量を削減しても、感度低下をもたらさず、又はカラーバランスを崩さずに画像データ量を減らすことができる固体撮像装置又はその制御方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、
二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、
前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、
前記光電変換素子から前記隣接する垂直電荷転送路に電荷を読み出す読出しゲートと、
前記読出しゲート及び前記垂直電荷転送路を制御して、前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から、前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出し、該垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送し、電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する垂直加算手段と、
前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路上の電荷を前記水平電荷転送路へ転送する転送ゲートと、
前記転送ゲート及び前記水平電荷転送路を制御して、前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送し、該水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送し、電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する水平加算手段と、
を有する固体撮像装置
が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、
二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路とを有する固体撮像装置の制御方法であって、
（ａ）前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出す工程と、
（ｂ）前記垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送する工程と、
（ｃ）電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する工程と、
（ｄ）前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送する工程と、
（ｅ）前記水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送する工程と、
（ｆ）電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する工程と、
を有する固体撮像装置の制御方法
が提供される。
【００１１】
垂直電荷転送路上で２以上の光電変換素子の電荷が加算され、水平電荷転送路でも２以上の垂直電荷転送路からの電荷が加算されるので、合計４以上の光電変換素子の電荷を加算することができ、画像データ量を削減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の一部の平面図であり、図１（ｂ）〜（ｆ）は水平電荷転送路６での信号電荷の転送と加算動作を示すタイミングチャートである。実施例の固体撮像装置の基本的な構造、すなわち、フォトダイオード２、垂直電荷転送路３−１〜３−６、トランスファーゲート４、水平電荷転送路６、及び出力アンプ７は図５と同じである。制御部８は、固体撮像装置の制御を行う。
【００１３】
制御電極５は、垂直電荷転送路３−１〜３−６から水平電荷転送路６への読み出し（転送）を制御する。水平電荷転送路６上には、絶縁膜を介して破線で示す第１の転送電極６ｂが形成され、その上に他の絶縁膜を介して実線で示す第２の転送電極６ａが形成される。電極６ａ，６ｂに２相転送パルスを印加することにより、水平電荷転送路６は電荷を左から右方向（水平方向）へ転送する。
【００１４】
図１（ａ）のフォトダイオード（画素）２上のカラーフィルタ配列はベイヤ配列である。Ｒは赤の画素、Ｇは緑の画素、そしてＢは青の画素を示す。以下、垂直電荷転送路３−１〜３−６の個々又は全てを垂直電荷転送路３という。
【００１５】
今、一本の垂直電荷転送路３−１だけを着目して示した図２を参照して、まず垂直方向での画素値加算によるデータ量削減の方法を説明する。最初に、図２（ａ）で示すように、Ｒ画素のフォトダイオード２１とその下のＧ画素のフォトダイオード２２の電荷と、さらにそこから２段（２水平ライン分）間をあけた下のＲ画素のフォトダイオード２５とその下のＧ画素のフォトダイオード２６の電荷が読み出される。すなわち、２段(２水平ライン)間をあけて上下隣接するＲとＧのフォトダイオードから電荷がトランスファゲート４を介して垂直電荷転送路３−１に読み出される。
【００１６】
次に、図２（ｂ）で示すように、垂直電荷転送路３−１上の電荷Ｒ，Ｇが下方に一段転送される。さらに、図２（ｃ）で示すように垂直電荷転送路３−１上の電荷がさらに１段下方に転送され、図２（ａ）では読み出されなかったＲ画素のフォトダイオード２３とその下のＧ画素のフォトダイオード２４の電荷と、さらにそこから２段（２水平ライン分）間をあけた下のＲ画素のフォトダイオード２７とその下のＧ画素のフォトダイオード２８の電荷が垂直転送路３−１に読み出される。すなわち、２段(２水平ライン)間をあけて上下隣接するＲとＧのフォトダイオードから電荷がトランスファゲート４を介して垂直電荷転送路３−１に読み出される。
【００１７】
これによって、上方から転送されてきた電荷Ｒ，Ｇとフォトダイオードから読み出された電荷Ｒ，Ｇとがそれぞれ垂直電荷転送路３−１上で加算(混合)される。加算された電荷をそれぞれＲＲ及びＧＧで表す。青の画素の電荷についても同様に加算され、図１（ａ）においてＢＢで表される。これにより、垂直方向に色毎に隣接する２画素が加算され、垂直方向の画素数が１／２に減る。
【００１８】
以上の電荷読み出しと垂直方向の転送動作の繰り返しにより、図１（ａ）で示すように、垂直方向に一段置きに配列された２段分（二つ）の同一カラーの画素（フォトダイオード）からの電荷が加算されて、垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧ，ＢＢとして垂直電荷転送路３上で転送される。これは実質的に垂直方向に画素データ量が半分に減少されたことを意味する。
【００１９】
次に、この垂直方向の２段加算電荷をさらに水平方向にも加算して、水平方向においても画素データ量を減少する動作について図１（ｂ）〜（ｆ）を参照して説明する。
【００２０】
図１（ｂ）〜（ｆ）は水平電荷転送路６における電荷転送の様子を時系列的にあらわしたものである。
【００２１】
まず、図１（ｂ）のタイミングにおいて、垂直電荷転送路３−１〜３−６の最下段にある垂直２段加算電荷ＧＧとＢＢとを水平電荷転送路６に読み出す。この時、図１（ｂ）で示すように、垂直電荷転送路３−１、３−２と３−５、３−６からＧＧとＢＢの加算電荷を読み出すが、それらの間にある垂直電荷転送３−３、３−４からは電荷を読み出さない。
【００２２】
すなわち、２列を１組とし、一つおきの組の垂直電荷転送路３のみから電荷を読み出す。この選択読み出しは、制御電極５の制御により行われる。制御電極５の詳細は、後に図３及び図４を参照しながら説明する。
【００２３】
次に、図１（ｂ）で読み出された加算電荷ＧＧ，ＢＢを水平方向に２段分（２垂直電荷転送路分）転送する。そして、さらに図１（ｂ）で読み出さなかった垂直電荷転送路３−３、３−４の最下段にある垂直２段加算電荷ＧＧとＢＢとを水平電荷転送路６に読み出すと、図１（ｃ）で示すように、水平方向に転送されてきた加算電荷ＧＧとＢＢと垂直電荷転送路３−３、３−４から読み出された加算電荷ＧＧとＢＢとがそれぞれ加算されて、ＧＧＧＧとＢＢＢＢとになる。これにより、水平方向の２列が加算され、合計４画素が加算されたことになる。
【００２４】
次に、垂直電荷転送路３−１〜３−６の電荷を垂直下方向に転送すると、垂直電荷転送路の最下段に加算電荷ＲＲとＧＧが位置する。その後、図１（ｄ）で示すように垂直電荷転送路３−１、３−２、３−５、３−６から水平電荷転送路６に垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧが読み出される。
【００２５】
次に、水平電荷転送路６の電荷を２段分転送すると、図１（ｅ）に示すように、加算電荷が水平方向に２段分転送される。
【００２６】
そして、さらに図１（ｄ）で読み出さなかった垂直電荷転送路３−３、３−４上の電荷を垂直下方向に転送し、垂直電荷転送路の最下段に加算電荷ＲＲとＧＧを位置させる。次に、最下段にある垂直２段加算電荷ＲＲとＧＧとを水平電荷転送路６に読み出すと、図１（ｆ）で示すように、水平方向に転送されてきた加算電荷ＲＲ，ＧＧと垂直電荷転送路３−３、３−４から読み出された垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧとがそれぞれ加算されて、ＲＲＲＲとＧＧＧＧとになる。
【００２７】
図１（ｆ）に示すように、色毎の４画素加算電荷が水平電荷転送路６上に効率的に配置された状態で、水平電荷転送路６上の電荷を水平右方向に転送し、出力アンプ７から実質的４ライン分の画素信号を出力する。その後は、上記の処理を繰り返すことにより、１フレームの画像信号を出力することができる。
【００２８】
これは実質的に垂直方向及び水平方向にそれぞれ画素データ量が半分に減少し、全体として画素データが１／４に減少したことを意味する。しかも、複数の画素データの加算であるために、実質的な感度の向上がある。また、画素データを間引くことにより画素データ量を削減する場合に比べ、情報量が多く、画質が向上する。
【００２９】
図１及び図２を参照して説明した実施例は、垂直２段（２画素）及び水平２段（２垂直電荷転送路）の電荷加算であるが、いずれの方向も２段加算に限るものではなく、３段あるいはそれ以上の電荷加算も読出しタイミングを変更することにより基本的に同様なやり方で行うことができ、さらにデータ量を減少させることができる。
【００３０】
以上説明したような垂直電荷転送路３−１〜３−６から水平電荷転送路６への電荷の選択的な読出しは、制御電極５により制御できる。図３に水平３段加算の場合の制御電極５の一例の構造を平面図で示す。
【００３１】
図４（ａ）は図３のＩ−Ｉ’線に沿った断面図であり、図４（ｂ）は図３のＩＩ−ＩＩ’線に沿った断面図であり、図４（ｃ）は図３のＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面図である。
【００３２】
図３において細い実線が電荷転送路（ｐ型半導体領域１１中のｎ型半導体領域）Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5及び６であり、破線は電荷転送路上に絶縁膜（ＳｉＯ2）１２を介して形成される第１のポリシリコン電極ＶC1、ＶC4であり、太い実線は第１のポリシリコン電極ＶC1、ＶC4上に絶縁膜（ＳｉＯ2）１３を介して形成される第２のポリシリコン電極ＶC2、ＶC3、ＶC5である。
【００３３】
実線で示すＨ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5は垂直電荷転送路である。制御電極５は、５つの制御電極ＶC1、ＶC2、ＶC3、ＶC4、ＶC5を有し、制御部８（図１）からハイあるいはローレベルの転送制御信号を受けることにより、垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5のうちの選択された垂直電荷転送路から水平電荷転送路６への電荷の読出し（転送）が行われる。垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5が１単位として図３の水平方向に繰り返し並ぶ。
【００３４】
図４（ａ）は、垂直電荷転送路Ｈ6nの断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC3及びＶC4が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+1及びその上の電極は、図４（ａ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n及びその上の電極と同じ構成である。
【００３５】
図４（ｂ）は、垂直電荷転送路Ｈ6n+2の断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n+2上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC2及びＶC4が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+3及びその上の電極は、図４（ｂ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n+2及びその上の電極と同じ構成である。
【００３６】
図４（ｃ）は、垂直電荷転送路Ｈ6n+4の断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n+4上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC2、ＶC4、ＶC3及びＶC5が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+5及びその上の電極は、図４（ｃ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n+4及びその上の電極と同じ構成である。
【００３７】
なお、図１に示すように、水平方向に２段加算を行う場合には、垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3が１単位として図３の水平方向に繰り返し並ぶ。
【００３８】
図６は、図１に示す制御電極５の他の構造例の平面図であり、図７（ａ）は図６の７Ａ−７Ａ線に沿った断面図であり、図８（ａ）は図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。制御電極５は、電極３１，３２，３３，３４を有する。
【００３９】
垂直電荷転送路３−１〜３−４及び水平電荷転送路６は、図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、ｐ型半導体領域４１内のｎ型半導体領域である。第１ポリシリコン（電極）層３１，３３，３５ａは、半導体領域３，６上に絶縁膜４３を介して形成される。
【００４０】
垂直電荷転送路３−１及び３−２において、第１ポリシリコン層３１及び３３の間の領域の下の半導体領域３６ａにＢ等のｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型領域３６ａは、第１ポリシリコン層３１，３３をマスクとしたセルフアラインのイオン注入により形成される。
【００４１】
また、全ての垂直電荷転送路３−１〜３−４において、第１ポリシリコン層３３及び３５ａの間の領域の下の半導体領域３７にもｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型領域３７は、第１ポリシリコン層３３，３５ａをマスクとしたセルフアラインのイオン注入により形成される。
【００４２】
その後、第２ポリシリコン（電極）層３２，３４，３５ｂを、半導体領域３，６、３７及び第１ポリシリコン層３１，３３，３５ａの上に、絶縁膜４３を介して形成する。
【００４３】
信号ＳＴは電極３１に供給され、信号Ｃ１は電極３２及び３３に供給され、信号Ｃ２は電極３４に供給される。２相駆動パルスφ１，φ２は、電極３５ａ，３５ｂに供給される。水平電荷転送路６において、電極３５ａの下の半導体領域はｎ型ウエル領域であり、電極３５ｂの下の半導体領域はｐ型バリア領域（または低濃度ｎ型のバリア領域）である。
【００４４】
次に、垂直電荷転送路３−１及び３−２上の電荷のみを水平電荷転送路６に転送し、垂直電荷転送路３−３及び３−４上の電荷を保持するための制御方法を説明する。
【００４５】
図７（ａ）及び図８（ａ）において、信号ＳＴを正電位、信号Ｃ１を０Ｖ、信号Ｃ２を０Ｖ、信号φ１を０Ｖにすると、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、電極３１，３２，３３，３４，３５ａの下の半導体領域のポテンシャルはＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５になる。
【００４６】
図７の垂直電荷転送路３−１はｐ型領域３６ａを有するので、垂直電荷転送路３−１のポテンシャルＰ２は図８の垂直電荷転送路３−３のポテンシャルＰ２に比べて高くなる。両者はその他の点は同じである。信号ＳＴを正電位に変化させることにより、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、垂直電荷転送路３の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に蓄積される。
【００４７】
次に、信号Ｃ１を正電位に変化させる。図７（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２の領域を介してポテンシャルＰ３の領域に移動する。図８（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２及びＰ３の領域に移動する。
【００４８】
次に、信号Ｃ１を０Ｖに戻す。図７（ｄ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ３の領域に電荷Ｑが保持される。図８（ｄ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ２及びＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に戻る。
【００４９】
次に、信号Ｃ２及び信号φ１を正電位に変化させる。図７（ｅ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ４の領域を介してポテンシャルＰ５の水平電荷転送路６に移動する。図８（ｅ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ１の垂直電荷転送路３−３に電荷Ｑが保持される。
【００５０】
図１（ａ）の垂直電荷転送路３−２及び３−４は、それぞれ上記の垂直電荷転送路３−１及び３−３と同様である。上記の制御により、図１（ｂ）に示すように、垂直電荷転送路３−１，３−２の電荷のみを水平電荷転送路６に転送することができ、垂直電荷転送路３−３，３−４の電荷は転送されない。
【００５１】
次に、図１（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−３、３−４の電荷を水平電荷転送路６に転送する制御方法を、図９を参照しながら説明する。
【００５２】
図９（ａ）は、図８（ａ）と同じく、図６に示す８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。
【００５３】
図９（ａ）において、信号ＳＴを正電位、信号Ｃ１を０Ｖ、信号Ｃ２を０Ｖ、信号φ１を０Ｖにすると、図９（ｂ）に示すように、図８（ｂ）と同じく、電極３１，３２，３３，３４，３５ａの下の半導体領域のポテンシャルはＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５になる。信号ＳＴを正電位に変化させることにより、垂直電荷転送路３−３の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に蓄積される。
【００５４】
次に、信号Ｃ１を正電位に変化させると、図９（ｃ）に示すように、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２及びＰ３の領域に移動する。
【００５５】
次に、信号Ｃ２及び信号φ１を正電位に変化させる。図９（ｄ）に示すように、ポテンシャルＰ２及びＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ４の領域を介してポテンシャルＰ５の水平電荷転送路６に移動する。
【００５６】
この際、垂直電荷転送路３−１，３−２も、上記の垂直電荷転送路３−３、３−４と同様の動作を行う。ただし、垂直電荷転送路３−１，３−２の電荷は既に転送され、垂直電荷転送路３−１，３−２は空になっているので、実質的に垂直電荷転送路３−３，３−４の電荷のみが水平電荷転送路６に転送される。
【００５７】
なお、垂直電荷転送路３には必ずしもｐ型領域３７を設ける必要はない。また、図６において、電極３２及び３３に同一の信号Ｃ１を供給する場合に限定されず、電極３２に信号Ｃ１−１を供給し、電極３３に異なる信号Ｃ１−２を設けてもよい。その場合、信号Ｃ１−１及びＣ１−２をずらしたタイミングで制御することにより、より滑らかに電荷を転送することができる。また、電極３２及び３３に同じ信号Ｃ１を供給する場合には電極３２及び３３を１つの電極として形成してもよい。
【００５８】
以上説明した実施例は単なる例示であって、当業者であれば、本願明細書の開示に基づき、様々な変形や応用が可能であろう。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直方向のみならず、水平方向についても光電変換素子の電荷を加算することにより画素混合を行って、画素データ量を削減することができるので、感度を高め、かつカラーバランスのよい圧縮画像データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の一部の平面図であり、図１（ｂ）〜（ｆ）はその水平電荷転送路での信号電荷の転送と加算動作を示すタイミングチャートである。
【図２】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の垂直電荷転送路での信号電荷の読出しと加算動作を説明するための概略平面図である。
【図３】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の構造を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の構造を示す断面図である。
【図５】固体撮像装置の基本的な構成を示す平面図である。
【図６】本実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の他の構造例を示す平面図である。
【図７】図６の７Ａ−７Ａ線に沿った断面図及びポテンシャル図である。
【図８】図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図及びポテンシャル図である。
【図９】図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図及び他のポテンシャル図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３、３−１〜３−６ 垂直電荷転送路
４ トランスファゲート
５ 制御電極
６ 水平電荷転送路
７ アンプ
８ 制御部
１１ ｐ型半導体領域
１２，１３ 絶縁膜
３１，３２，３３，３４，３５ａ，３５ｂ 電極
３６ａ，３７，４１ ｐ型半導体領域
４３ 絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子を有する固体撮像装置と固体撮像装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に一般的なＣＣＤ方式固体撮像装置の平面図を示す。固体撮像装置は、例えばシリコンのような２次元平面を有する半導体基板１の上に形成されている。半導体基板１上には、複数のフォトダイオード（光電変換素子）２、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）３、トランスファーゲート（読出ゲート）４、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）６、及び出力アンプ７が形成される。
【０００３】
複数のフォトダイオード２は、二次元行列状に配置され，受光した光を電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード２の左隣には、トランスファーゲート４を介して垂直電荷転送路３が設けられる。トランスファーゲート４は、フォトダイオード２内の電荷を垂直電荷転送路３に読み出す。
【０００４】
垂直電荷転送路３は、電荷結合素子（ＣＣＤ）により構成され、フォトダイオード２から読み出された電荷を図の紙面の上から下方向（垂直方向）に転送する。水平電荷転送路６は、ＣＣＤにより構成され、垂直電荷転送路３から転送された電荷を1行単位で受け取り、紙面の左から右方向(水平方向)に転送する。
【０００５】
出力アンプ７は、水平電荷転送路６から転送された電荷量に対応する電圧を出力する。この電圧値は、画素値に相当する。各フォトダイオード２は、画素に相当する。フォトダイオード２を二次元状に配列することにより、二次元画像の信号を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
最近のデジタルカメラでは、画質の向上のために固体撮像装置の画素数を増大する傾向が顕著であり、１００万画素以上のいわゆるメガピクセルと称される多画素の固体撮像装置を備えるものが開発されている。固体撮像装置の画素数が増大するにつれて当然に１フレームの画像信号の読み出し時間は長くなる。静止画像の再生の場合には、画像信号の読み出し時間の増大は、致命的な問題ではないが、動画像の場合では、画像信号の読み出し時間が画像信号のフレームレート（ＮＴＳＣ信号で通常１／３０秒）に追従できない問題が生ずる。
【０００７】
画素数が１００万画素を超えてくると、動画像を１／３０秒のフレームレートに間に合うように読み出すことが困難である。そのために、メガピクセルの固体撮像装置では、動画像をディスプレイで再生する場合には、すべての画素で得られた画像データを再生するのではなく、データ量（画素数）を減らして再生フレームレートに追従できるようにする必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、画像のデータ量を削減しても、感度低下をもたらさず、又はカラーバランスを崩さずに画像データ量を減らすことができる固体撮像装置又はその制御方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、
二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、
前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、
前記光電変換素子から前記隣接する垂直電荷転送路に電荷を読み出す読出しゲートと、
前記読出しゲート及び前記垂直電荷転送路を制御して、前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から、前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出し、該垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送し、電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する垂直加算手段と、
前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路上の電荷を前記水平電荷転送路へ転送する転送ゲートと、
前記転送ゲート及び前記水平電荷転送路を制御して、前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送し、該水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送し、電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する水平加算手段と、
を有する固体撮像装置
が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、
二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路とを有する固体撮像装置の制御方法であって、
（ａ）前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出す工程と、
（ｂ）前記垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送する工程と、
（ｃ）電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する工程と、
（ｄ）前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送する工程と、
（ｅ）前記水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送する工程と、
（ｆ）電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する工程と、
を有する固体撮像装置の制御方法
が提供される。
【００１１】
垂直電荷転送路上で２以上の光電変換素子の電荷が加算され、水平電荷転送路でも２以上の垂直電荷転送路からの電荷が加算されるので、合計４以上の光電変換素子の電荷を加算することができ、画像データ量を削減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の一部の平面図であり、図１（ｂ）〜（ｆ）は水平電荷転送路６での信号電荷の転送と加算動作を示すタイミングチャートである。実施例の固体撮像装置の基本的な構造、すなわち、フォトダイオード２、垂直電荷転送路３−１〜３−６、トランスファーゲート４、水平電荷転送路６、及び出力アンプ７は図５と同じである。制御部８は、固体撮像装置の制御を行う。
【００１３】
制御電極５は、垂直電荷転送路３−１〜３−６から水平電荷転送路６への読み出し（転送）を制御する。水平電荷転送路６上には、絶縁膜を介して破線で示す第１の転送電極６ｂが形成され、その上に他の絶縁膜を介して実線で示す第２の転送電極６ａが形成される。電極６ａ，６ｂに２相転送パルスを印加することにより、水平電荷転送路６は電荷を左から右方向（水平方向）へ転送する。
【００１４】
図１（ａ）のフォトダイオード（画素）２上のカラーフィルタ配列はベイヤ配列である。Ｒは赤の画素、Ｇは緑の画素、そしてＢは青の画素を示す。以下、垂直電荷転送路３−１〜３−６の個々又は全てを垂直電荷転送路３という。
【００１５】
今、一本の垂直電荷転送路３−１だけを着目して示した図２を参照して、まず垂直方向での画素値加算によるデータ量削減の方法を説明する。最初に、図２（ａ）で示すように、Ｒ画素のフォトダイオード２１とその下のＧ画素のフォトダイオード２２の電荷と、さらにそこから２段（２水平ライン分）間をあけた下のＲ画素のフォトダイオード２５とその下のＧ画素のフォトダイオード２６の電荷が読み出される。すなわち、２段(２水平ライン)間をあけて上下隣接するＲとＧのフォトダイオードから電荷がトランスファゲート４を介して垂直電荷転送路３−１に読み出される。
【００１６】
次に、図２（ｂ）で示すように、垂直電荷転送路３−１上の電荷Ｒ，Ｇが下方に一段転送される。さらに、図２（ｃ）で示すように垂直電荷転送路３−１上の電荷がさらに１段下方に転送され、図２（ａ）では読み出されなかったＲ画素のフォトダイオード２３とその下のＧ画素のフォトダイオード２４の電荷と、さらにそこから２段（２水平ライン分）間をあけた下のＲ画素のフォトダイオード２７とその下のＧ画素のフォトダイオード２８の電荷が垂直転送路３−１に読み出される。すなわち、２段(２水平ライン)間をあけて上下隣接するＲとＧのフォトダイオードから電荷がトランスファゲート４を介して垂直電荷転送路３−１に読み出される。
【００１７】
これによって、上方から転送されてきた電荷Ｒ，Ｇとフォトダイオードから読み出された電荷Ｒ，Ｇとがそれぞれ垂直電荷転送路３−１上で加算(混合)される。加算された電荷をそれぞれＲＲ及びＧＧで表す。青の画素の電荷についても同様に加算され、図１（ａ）においてＢＢで表される。これにより、垂直方向に色毎に隣接する２画素が加算され、垂直方向の画素数が１／２に減る。
【００１８】
以上の電荷読み出しと垂直方向の転送動作の繰り返しにより、図１（ａ）で示すように、垂直方向に一段置きに配列された２段分（二つ）の同一カラーの画素（フォトダイオード）からの電荷が加算されて、垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧ，ＢＢとして垂直電荷転送路３上で転送される。これは実質的に垂直方向に画素データ量が半分に減少されたことを意味する。
【００１９】
次に、この垂直方向の２段加算電荷をさらに水平方向にも加算して、水平方向においても画素データ量を減少する動作について図１（ｂ）〜（ｆ）を参照して説明する。
【００２０】
図１（ｂ）〜（ｆ）は水平電荷転送路６における電荷転送の様子を時系列的にあらわしたものである。
【００２１】
まず、図１（ｂ）のタイミングにおいて、垂直電荷転送路３−１〜３−６の最下段にある垂直２段加算電荷ＧＧとＢＢとを水平電荷転送路６に読み出す。この時、図１（ｂ）で示すように、垂直電荷転送路３−１、３−２と３−５、３−６からＧＧとＢＢの加算電荷を読み出すが、それらの間にある垂直電荷転送３−３、３−４からは電荷を読み出さない。
【００２２】
すなわち、２列を１組とし、一つおきの組の垂直電荷転送路３のみから電荷を読み出す。この選択読み出しは、制御電極５の制御により行われる。制御電極５の詳細は、後に図３及び図４を参照しながら説明する。
【００２３】
次に、図１（ｂ）で読み出された加算電荷ＧＧ，ＢＢを水平方向に２段分（２垂直電荷転送路分）転送する。そして、さらに図１（ｂ）で読み出さなかった垂直電荷転送路３−３、３−４の最下段にある垂直２段加算電荷ＧＧとＢＢとを水平電荷転送路６に読み出すと、図１（ｃ）で示すように、水平方向に転送されてきた加算電荷ＧＧとＢＢと垂直電荷転送路３−３、３−４から読み出された加算電荷ＧＧとＢＢとがそれぞれ加算されて、ＧＧＧＧとＢＢＢＢとになる。これにより、水平方向の２列が加算され、合計４画素が加算されたことになる。
【００２４】
次に、垂直電荷転送路３−１〜３−６の電荷を垂直下方向に転送すると、垂直電荷転送路の最下段に加算電荷ＲＲとＧＧが位置する。その後、図１（ｄ）で示すように垂直電荷転送路３−１、３−２、３−５、３−６から水平電荷転送路６に垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧが読み出される。
【００２５】
次に、水平電荷転送路６の電荷を２段分転送すると、図１（ｅ）に示すように、加算電荷が水平方向に２段分転送される。
【００２６】
そして、さらに図１（ｄ）で読み出さなかった垂直電荷転送路３−３、３−４上の電荷を垂直下方向に転送し、垂直電荷転送路の最下段に加算電荷ＲＲとＧＧを位置させる。次に、最下段にある垂直２段加算電荷ＲＲとＧＧとを水平電荷転送路６に読み出すと、図１（ｆ）で示すように、水平方向に転送されてきた加算電荷ＲＲ，ＧＧと垂直電荷転送路３−３、３−４から読み出された垂直２段加算電荷ＲＲ，ＧＧとがそれぞれ加算されて、ＲＲＲＲとＧＧＧＧとになる。
【００２７】
図１（ｆ）に示すように、色毎の４画素加算電荷が水平電荷転送路６上に効率的に配置された状態で、水平電荷転送路６上の電荷を水平右方向に転送し、出力アンプ７から実質的４ライン分の画素信号を出力する。その後は、上記の処理を繰り返すことにより、１フレームの画像信号を出力することができる。
【００２８】
これは実質的に垂直方向及び水平方向にそれぞれ画素データ量が半分に減少し、全体として画素データが１／４に減少したことを意味する。しかも、複数の画素データの加算であるために、実質的な感度の向上がある。また、画素データを間引くことにより画素データ量を削減する場合に比べ、情報量が多く、画質が向上する。
【００２９】
図１及び図２を参照して説明した実施例は、垂直２段（２画素）及び水平２段（２垂直電荷転送路）の電荷加算であるが、いずれの方向も２段加算に限るものではなく、３段あるいはそれ以上の電荷加算も読出しタイミングを変更することにより基本的に同様なやり方で行うことができ、さらにデータ量を減少させることができる。
【００３０】
以上説明したような垂直電荷転送路３−１〜３−６から水平電荷転送路６への電荷の選択的な読出しは、制御電極５により制御できる。図３に水平３段加算の場合の制御電極５の一例の構造を平面図で示す。
【００３１】
図４（ａ）は図３のＩ−Ｉ’線に沿った断面図であり、図４（ｂ）は図３のＩＩ−ＩＩ’線に沿った断面図であり、図４（ｃ）は図３のＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面図である。
【００３２】
図３において細い実線が電荷転送路（ｐ型半導体領域１１中のｎ型半導体領域）Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5及び６であり、破線は電荷転送路上に絶縁膜（ＳｉＯ2）１２を介して形成される第１のポリシリコン電極ＶC1、ＶC4であり、太い実線は第１のポリシリコン電極ＶC1、ＶC4上に絶縁膜（ＳｉＯ2）１３を介して形成される第２のポリシリコン電極ＶC2、ＶC3、ＶC5である。
【００３３】
実線で示すＨ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5は垂直電荷転送路である。制御電極５は、５つの制御電極ＶC1、ＶC2、ＶC3、ＶC4、ＶC5を有し、制御部８（図１）からハイあるいはローレベルの転送制御信号を受けることにより、垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5のうちの選択された垂直電荷転送路から水平電荷転送路６への電荷の読出し（転送）が行われる。垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3、Ｈ6n+4、Ｈ6n+5が１単位として図３の水平方向に繰り返し並ぶ。
【００３４】
図４（ａ）は、垂直電荷転送路Ｈ6nの断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC3及びＶC4が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+1及びその上の電極は、図４（ａ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n及びその上の電極と同じ構成である。
【００３５】
図４（ｂ）は、垂直電荷転送路Ｈ6n+2の断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n+2上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC2及びＶC4が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+3及びその上の電極は、図４（ｂ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n+2及びその上の電極と同じ構成である。
【００３６】
図４（ｃ）は、垂直電荷転送路Ｈ6n+4の断面図である。垂直電荷転送路Ｈ6n+4上では、図３の上から下方向（垂直下方向）に向けて順番に、電極ＶC1、ＶC2、ＶC4、ＶC3及びＶC5が並ぶ。垂直電荷転送路Ｈ6n+5及びその上の電極は、図４（ｃ）に示す垂直電荷転送路Ｈ6n+4及びその上の電極と同じ構成である。
【００３７】
なお、図１に示すように、水平方向に２段加算を行う場合には、垂直電荷転送路Ｈ6n、Ｈ6n+1、Ｈ6n+2、Ｈ6n+3が１単位として図３の水平方向に繰り返し並ぶ。
【００３８】
図６は、図１に示す制御電極５の他の構造例の平面図であり、図７（ａ）は図６の７Ａ−７Ａ線に沿った断面図であり、図８（ａ）は図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。制御電極５は、電極３１，３２，３３，３４を有する。
【００３９】
垂直電荷転送路３−１〜３−４及び水平電荷転送路６は、図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、ｐ型半導体領域４１内のｎ型半導体領域である。第１ポリシリコン（電極）層３１，３３，３５ａは、半導体領域３，６上に絶縁膜４３を介して形成される。
【００４０】
垂直電荷転送路３−１及び３−２において、第１ポリシリコン層３１及び３３の間の領域の下の半導体領域３６ａにＢ等のｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型領域３６ａは、第１ポリシリコン層３１，３３をマスクとしたセルフアラインのイオン注入により形成される。
【００４１】
また、全ての垂直電荷転送路３−１〜３−４において、第１ポリシリコン層３３及び３５ａの間の領域の下の半導体領域３７にもｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型領域３７は、第１ポリシリコン層３３，３５ａをマスクとしたセルフアラインのイオン注入により形成される。
【００４２】
その後、第２ポリシリコン（電極）層３２，３４，３５ｂを、半導体領域３，６、３７及び第１ポリシリコン層３１，３３，３５ａの上に、絶縁膜４３を介して形成する。
【００４３】
信号ＳＴは電極３１に供給され、信号Ｃ１は電極３２及び３３に供給され、信号Ｃ２は電極３４に供給される。２相駆動パルスφ１，φ２は、電極３５ａ，３５ｂに供給される。水平電荷転送路６において、電極３５ａの下の半導体領域はｎ型ウエル領域であり、電極３５ｂの下の半導体領域はｐ型バリア領域（または低濃度ｎ型のバリア領域）である。
【００４４】
次に、垂直電荷転送路３−１及び３−２上の電荷のみを水平電荷転送路６に転送し、垂直電荷転送路３−３及び３−４上の電荷を保持するための制御方法を説明する。
【００４５】
図７（ａ）及び図８（ａ）において、信号ＳＴを正電位、信号Ｃ１を０Ｖ、信号Ｃ２を０Ｖ、信号φ１を０Ｖにすると、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、電極３１，３２，３３，３４，３５ａの下の半導体領域のポテンシャルはＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５になる。
【００４６】
図７の垂直電荷転送路３−１はｐ型領域３６ａを有するので、垂直電荷転送路３−１のポテンシャルＰ２は図８の垂直電荷転送路３−３のポテンシャルＰ２に比べて高くなる。両者はその他の点は同じである。信号ＳＴを正電位に変化させることにより、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、垂直電荷転送路３の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に蓄積される。
【００４７】
次に、信号Ｃ１を正電位に変化させる。図７（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２の領域を介してポテンシャルＰ３の領域に移動する。図８（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２及びＰ３の領域に移動する。
【００４８】
次に、信号Ｃ１を０Ｖに戻す。図７（ｄ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ３の領域に電荷Ｑが保持される。図８（ｄ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ２及びＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に戻る。
【００４９】
次に、信号Ｃ２及び信号φ１を正電位に変化させる。図７（ｅ）に示すように、垂直電荷転送路３−１では、ポテンシャルＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ４の領域を介してポテンシャルＰ５の水平電荷転送路６に移動する。図８（ｅ）に示すように、垂直電荷転送路３−３では、ポテンシャルＰ１の垂直電荷転送路３−３に電荷Ｑが保持される。
【００５０】
図１（ａ）の垂直電荷転送路３−２及び３−４は、それぞれ上記の垂直電荷転送路３−１及び３−３と同様である。上記の制御により、図１（ｂ）に示すように、垂直電荷転送路３−１，３−２の電荷のみを水平電荷転送路６に転送することができ、垂直電荷転送路３−３，３−４の電荷は転送されない。
【００５１】
次に、図１（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路３−３、３−４の電荷を水平電荷転送路６に転送する制御方法を、図９を参照しながら説明する。
【００５２】
図９（ａ）は、図８（ａ）と同じく、図６に示す８Ａ−８Ａ線に沿った断面図である。
【００５３】
図９（ａ）において、信号ＳＴを正電位、信号Ｃ１を０Ｖ、信号Ｃ２を０Ｖ、信号φ１を０Ｖにすると、図９（ｂ）に示すように、図８（ｂ）と同じく、電極３１，３２，３３，３４，３５ａの下の半導体領域のポテンシャルはＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５になる。信号ＳＴを正電位に変化させることにより、垂直電荷転送路３−３の電荷ＱがポテンシャルＰ１の領域に蓄積される。
【００５４】
次に、信号Ｃ１を正電位に変化させると、図９（ｃ）に示すように、ポテンシャルＰ１の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ２及びＰ３の領域に移動する。
【００５５】
次に、信号Ｃ２及び信号φ１を正電位に変化させる。図９（ｄ）に示すように、ポテンシャルＰ２及びＰ３の領域の電荷ＱがポテンシャルＰ４の領域を介してポテンシャルＰ５の水平電荷転送路６に移動する。
【００５６】
この際、垂直電荷転送路３−１，３−２も、上記の垂直電荷転送路３−３、３−４と同様の動作を行う。ただし、垂直電荷転送路３−１，３−２の電荷は既に転送され、垂直電荷転送路３−１，３−２は空になっているので、実質的に垂直電荷転送路３−３，３−４の電荷のみが水平電荷転送路６に転送される。
【００５７】
なお、垂直電荷転送路３には必ずしもｐ型領域３７を設ける必要はない。また、図６において、電極３２及び３３に同一の信号Ｃ１を供給する場合に限定されず、電極３２に信号Ｃ１−１を供給し、電極３３に異なる信号Ｃ１−２を設けてもよい。その場合、信号Ｃ１−１及びＣ１−２をずらしたタイミングで制御することにより、より滑らかに電荷を転送することができる。また、電極３２及び３３に同じ信号Ｃ１を供給する場合には電極３２及び３３を１つの電極として形成してもよい。
【００５８】
以上説明した実施例は単なる例示であって、当業者であれば、本願明細書の開示に基づき、様々な変形や応用が可能であろう。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直方向のみならず、水平方向についても光電変換素子の電荷を加算することにより画素混合を行って、画素データ量を削減することができるので、感度を高め、かつカラーバランスのよい圧縮画像データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の一部の平面図であり、図１（ｂ）〜（ｆ）はその水平電荷転送路での信号電荷の転送と加算動作を示すタイミングチャートである。
【図２】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の垂直電荷転送路での信号電荷の読出しと加算動作を説明するための概略平面図である。
【図３】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の構造を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の構造を示す断面図である。
【図５】固体撮像装置の基本的な構成を示す平面図である。
【図６】本実施例によるカラー固体撮像装置の制御電極の他の構造例を示す平面図である。
【図７】図６の７Ａ−７Ａ線に沿った断面図及びポテンシャル図である。
【図８】図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図及びポテンシャル図である。
【図９】図６の８Ａ−８Ａ線に沿った断面図及び他のポテンシャル図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３、３−１〜３−６ 垂直電荷転送路
４ トランスファゲート
５ 制御電極
６ 水平電荷転送路
７ アンプ
８ 制御部
１１ ｐ型半導体領域
１２，１３ 絶縁膜
３１，３２，３３，３４，３５ａ，３５ｂ 電極
３６ａ，３７，４１ ｐ型半導体領域
４３ 絶縁膜
Claims (5)
- 二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、
前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、
前記光電変換素子から前記隣接する垂直電荷転送路に電荷を読み出す読出しゲートと、
前記読出しゲート及び前記垂直電荷転送路を制御して、前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から、前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出し、該垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送し、電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する垂直加算手段と、
前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路上の電荷を前記水平電荷転送路へ転送する転送ゲートと、
前記転送ゲート及び前記水平電荷転送路を制御して、前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送し、該水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送し、電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する水平加算手段と、
を有する固体撮像装置。 - 前記複数色のカラーフィルタがベイヤ配列で配列されている請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記垂直加算手段は、２段（２水平ライン分）間を空けた２水平ライン毎の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出し、２水平ライン分垂直電荷転送路を垂直方向に転送し、電荷を読み出していない２水平ライン分の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出す請求項２記載の固体撮像装置。
- 二次元平面上の垂直方向と水平方向にそれぞれ整列して配置され、複数色のカラーフィルタを備え、複数色の光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、前記垂直方向に整列した光電変換素子に隣接して配置され、垂直方向に電荷を転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の一端に隣接して配置され、前記水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路とを有する固体撮像装置の制御方法であって、
（ａ）前記複数の光電変換素子のうちの一部の、垂直方向複数段の、光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ、間を空けて、電荷を読み出す工程と、
（ｂ）前記垂直電荷転送路上の電荷を等しい段、垂直方向に転送する工程と、
（ｃ）電荷を読み出していない同色の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことにより、２以上の同色の光電変換素子の電荷を前記垂直電荷転送路上で加算する工程と、
（ｄ）前記複数の垂直電荷転送路のうちの一部の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ電荷を転送する工程と、
（ｅ）前記水平電荷転送路上の電荷を水平方向に転送する工程と、
（ｆ）電荷を転送していない他の垂直電荷転送路から前記水平電荷転送路へ同色の電荷を転送することにより、２以上の垂直電荷転送路からの同色の電荷を前記水平電荷転送路上で加算する工程と、
を有する固体撮像装置の制御方法。 - 前記複数色のカラーフィルタがベイヤ配列で配列され、前記工程（ａ）は２段（２水平 ライン分）間を空けた２水平ライン毎の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出し、前記工程（ｂ）は垂直電荷転送路の電荷を２段転送し、前記工程（ｃ）は電荷を読み出していない２段（２水平ライン分）間を空けた２水平ライン毎の光電変換素子から前記垂直電荷転送路へ電荷を読み出すことによりそれぞれ同一色の電荷を加算する請求項４記載の固体撮像装置の制御方法。
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