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JP4596872B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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JP4596872B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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JP4596872B2 JP2004281718A JP2004281718A JP4596872B2 JP 4596872 B2 JP4596872 B2 JP 4596872B2 JP 2004281718 A JP2004281718 A JP 2004281718A JP 2004281718 A JP2004281718 A JP 2004281718A JP 4596872 B2 JP4596872 B2 JP 4596872B2
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Description

本発明は、例えばフレーム転送型CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサのように、接続されたシフトレジスタ間で信号電荷の受け渡しを行う電荷転送素子及び固体撮像素子に関し、特に、撮像部のCCDシフトレジスタの連続配置された転送電極の複数本ずつを同相での駆動に切り換えることができる固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a charge transfer element and a solid-state image sensor that transfer signal charges between connected shift registers, such as a frame transfer type CCD (Charge Coupled Device) image sensor, and in particular, a CCD shift register of an imaging unit. The present invention relates to a solid-state imaging device capable of switching a plurality of transfer electrodes arranged in succession to driving in the same phase.

カメラ機能付き携帯電話、デジタルカメラ等には、数百万画素という高解像度の固体撮像素子が搭載されている。それら機器は、撮像しようとする画像をプレビューする表示部を備えている。   A mobile phone with a camera function, a digital camera, and the like are equipped with a high-resolution solid-state imaging device having millions of pixels. These devices include a display unit for previewing an image to be captured.

プレビュー動作においては、フレームレートの確保が必要である。しかし、固体撮像素子から画素毎の信号電荷を読み出すための時間や読み出した信号を処理するための時間は固体撮像素子の画素数に応じて増大し、これが、現在の高画素数の固体撮像素子においてフレームレートの確保を困難としている。すなわち、読み出し速度や信号処理速度の向上が図られているものの、現状はまだ十分とはいえない。特に、CCDイメージセンサは、画素毎の信号電荷を水平シフトレジスタを介してシーケンシャルに読み出すため、水平シフトレジスタを画素数とフレームレートとの積に比例した周波数のクロックで駆動する必要があり、これが転送効率の低下、消費電力の増加、発熱といった問題を生じる。   In the preview operation, it is necessary to ensure the frame rate. However, the time for reading the signal charge for each pixel from the solid-state image sensor and the time for processing the read signal increase according to the number of pixels of the solid-state image sensor, and this is the current high-pixel number solid-state image sensor. However, it is difficult to secure the frame rate. That is, although the reading speed and the signal processing speed are improved, the current situation is still not sufficient. In particular, since a CCD image sensor sequentially reads out signal charges for each pixel via a horizontal shift register, it is necessary to drive the horizontal shift register with a clock having a frequency proportional to the product of the number of pixels and the frame rate. Problems such as a decrease in transfer efficiency, an increase in power consumption, and heat generation occur.

さて、プレビュー画像は、画面が小型であり、またもっぱら被写体の確認等の目的に用いられるものである。そのため、シャッタ動作に応じて取得され、例えば記録媒体に記録される静止画像ほどの解像度は必要とされない。   The preview image has a small screen and is used exclusively for the purpose of confirming the subject. For this reason, it is not necessary to have a resolution as high as that of a still image that is acquired according to the shutter operation and recorded on a recording medium, for example.

そこで、現状、プレビュー動作では、例えば、撮像部の垂直シフトレジスタにて互いに近くに配置される複数画素の情報電荷を加算合成することによって、水平シフトレジスタが転送すべき信号電荷パケット数を削減し、フレームレートを確保することが行われている。なお、ユーザは、プレビューで撮影される画像を確認した上で、シャッタボタンを操作して静止画を撮影する。この静止画撮影では固体撮像素子の全画素を読み出し、高解像度の画像を取得する。   Therefore, in the current preview operation, for example, the number of signal charge packets to be transferred by the horizontal shift register is reduced by adding and combining information charges of a plurality of pixels arranged close to each other in the vertical shift register of the imaging unit. Ensuring the frame rate is done. The user confirms the image to be captured in the preview, and then operates the shutter button to capture a still image. In this still image shooting, all pixels of the solid-state image sensor are read out to obtain a high-resolution image.

従来、このような静止画撮影での画素圧縮を行わない画像の取得とプレビューでの画素圧縮を行った画像の取得とに対応したフレーム転送型CCDイメージセンサとして、撮像部の3相駆動の垂直シフトレジスタの転送電極(撮像部転送電極)を9相ゲート構造としたものが提案されている。   Conventionally, as a frame transfer type CCD image sensor corresponding to the acquisition of an image without pixel compression in still image shooting and the acquisition of an image with pixel compression in preview, the imaging unit has three-phase drive vertical A shift register transfer electrode (image pickup unit transfer electrode) having a nine-phase gate structure has been proposed.

図4は、この従来、提案されているフレーム転送型CCDイメージセンサの撮像部及び蓄積部の構造を示す主要部の平面図である。この構造では、撮像部2、蓄積部4それぞれの垂直シフトレジスタの各ビットにそれぞれ3本の転送電極が対応付けられ、そして連続する3ビットを構成する9本の転送電極は、互いに独立のクロックを印加可能に構成される。すなわち、撮像部2には、垂直シフトレジスタのチャネル領域6上に撮像部転送電極gi1〜gi9が列方向に繰り返して配置され、蓄積部4には蓄積部転送電極gs1〜gs9が列方向に繰り返して配置される。ここで、撮像部2の各ビットが1つの受光画素を構成し、例えば、ベイヤー配列のカラーフィルタであれば2種類の色透過特性の異なるフィルタが、列方向に並ぶ受光画素に交互に配置される。   FIG. 4 is a plan view of the main part showing the structure of the image pickup unit and storage unit of the conventional frame transfer type CCD image sensor. In this structure, three transfer electrodes are associated with each bit of the vertical shift register of each of the image pickup unit 2 and the storage unit 4, and the nine transfer electrodes constituting the three consecutive bits are independent of each other. Can be applied. That is, in the imaging unit 2, the imaging unit transfer electrodes gi1 to gi9 are repeatedly arranged in the column direction on the channel region 6 of the vertical shift register, and the storage unit transfer electrodes gs1 to gs9 are repeatedly arranged in the column direction in the storage unit 4. Arranged. Here, each bit of the imaging unit 2 constitutes one light receiving pixel. For example, in the case of a Bayer color filter, two types of filters having different color transmission characteristics are alternately arranged in the light receiving pixels arranged in the column direction. The

露光期間における撮像部2や、静止画撮影にて行われる標準駆動時の撮像部2及び蓄積部4では、各ビットの3本の転送電極に3相クロックφi1〜φi3又はφs1〜φs3が印加される。例えば、撮像部2においては転送電極gi1,gi4,gi7にクロックφi1、転送電極gi2,gi5,gi8にクロックφi2、転送電極gi3,gi6,gi9にクロックφi3が印加され、各画素での信号電荷の蓄積及びフレーム転送が行われる。また蓄積部4においては転送電極gs1,gs4,gs7にクロックφs1、転送電極gs2,gs5,gs8にクロックφs2、転送電極gs3,gs6,gs9にクロックφs3が印加され、フレーム転送による信号電荷の取り込み、及び信号電荷の一時蓄積といった動作が行われる。   In the imaging unit 2 in the exposure period, the imaging unit 2 and the storage unit 4 at the time of standard driving performed in still image shooting, the three-phase clocks φi1 to φi3 or φs1 to φs3 are applied to the three transfer electrodes of each bit. The For example, in the image pickup unit 2, the clock φi1 is applied to the transfer electrodes gi1, gi4, and gi7, the clock φi2 is applied to the transfer electrodes gi2, gi5, and gi8, and the clock φi3 is applied to the transfer electrodes gi3, gi6, and gi9. Accumulation and frame transfer are performed. In the storage section 4, the clock φs1 is applied to the transfer electrodes gs1, gs4, and gs7, the clock φs2 is applied to the transfer electrodes gs2, gs5, and gs8, and the clock φs3 is applied to the transfer electrodes gs3, gs6, and gs9. In addition, operations such as temporary storage of signal charges are performed.

一方、プレビュー撮影では、撮像部2の列方向に連続する3画素ずつで信号電荷の加算合成処理を行ってからフレーム転送を行う画素圧縮駆動が行われる。例えば、列方向に交互に異なる色の画素が並ぶ場合の信号電荷の加算合成処理として、3画素のうち中央の画素を間引いて、その両側の互いに同じ色の画素の信号電荷を加算することが行われる。その処理では具体的には、まず3画素のうち転送電極gi4〜gi6が配置された中央の画素に蓄積された信号電荷を、それら転送電極にオフ電圧を印加することで基板へ排出し、その後、転送電極gi1〜gi6を駆動して、転送電極gi1〜gi3に対応する画素の信号電荷を転送電極gi7〜gi9に対応する画素に蓄積される信号電荷に加算合成する。   On the other hand, in preview shooting, pixel compression driving is performed in which frame charge transfer is performed after signal charge addition / synthesis processing is performed on three consecutive pixels in the column direction of the imaging unit 2. For example, as a signal charge addition and synthesis process when pixels of different colors are arranged alternately in the column direction, the center pixel of the three pixels is thinned out, and the signal charges of the same color pixels on both sides thereof are added. Done. Specifically, in the processing, first, signal charges accumulated in the central pixel in which the transfer electrodes gi4 to gi6 are arranged among the three pixels are discharged to the substrate by applying an off voltage to the transfer electrodes, and thereafter Then, the transfer electrodes gi1 to gi6 are driven to add and combine the signal charges of the pixels corresponding to the transfer electrodes gi1 to gi3 with the signal charges stored in the pixels corresponding to the transfer electrodes gi7 to gi9.

このように3画素ずつの加算合成処理を行った後、画素圧縮駆動では、撮像部2,蓄積部4の各ビットの3本の転送電極を同相とした3相駆動を行う。すなわち、転送電極gi1〜gi3にクロックφi1、転送電極gi4〜gi6にクロックφi2、転送電極gi7〜gi9にクロックφi3、また転送電極gs1〜gs3にクロックφs1、転送電極gs4〜gs6にクロックφs2、転送電極gs7〜gs9にクロックφs3を印加する。これにより画素圧縮駆動では、標準駆動時と同じクロック周波数で3倍高速のフレーム転送が実現され、スミアの低減が図られる。   After performing the addition / combination processing for every three pixels in this way, in pixel compression driving, three-phase driving is performed in which the three transfer electrodes of each bit of the imaging unit 2 and the storage unit 4 are in phase. That is, clock φi1 is applied to transfer electrodes gi1 to gi3, clock φi2 is applied to transfer electrodes gi4 to gi6, clock φi3 is transferred to transfer electrodes gi7 to gi9, clock φs1 is transferred to transfer electrodes gs1 to gs3, clock φs2 is transferred to transfer electrodes gs4 to gs6, and transfer electrodes are transferred. The clock φs3 is applied to gs7 to gs9. As a result, in pixel compression driving, frame transfer that is three times faster at the same clock frequency as in standard driving is realized, and smear is reduced.

上述のように、フレーム転送の一層の高速化によりスミアを低減するために、撮像部2ではクロック1周期当たりの信号電荷の移動距離を大きくする必要がある。しかし、遮光された蓄積部4ではその必要はない。その観点からは、画素圧縮駆動において、蓄積部4の各ビットの転送電極を同相で駆動する必要はなく、蓄積部は標準駆動時と同様、各ビットの転送電極1本ずつに異なるクロックを印加する3相駆動とする構成も考えられる。そして、そのように構成することで、蓄積部4の面積の縮小が可能な場合がある。   As described above, in order to reduce smear by further speeding up the frame transfer, the imaging unit 2 needs to increase the moving distance of the signal charge per clock cycle. However, this is not necessary for the light-shielding storage unit 4. From this point of view, in pixel compression driving, it is not necessary to drive the transfer electrodes of each bit of the storage unit 4 in the same phase, and the storage unit applies a different clock to each transfer electrode of each bit as in standard driving. A configuration with three-phase driving is also conceivable. And it may be possible to reduce the area of the storage unit 4 by configuring as such.

例えば、画素圧縮を行うCCDイメージセンサでは、撮像部の前にメカニカルシャッタを設け、静止画撮影では露光期間が終了するとメカニカルシャッタを閉じ、1ラインずつ信号電荷を読み出すことが行われる。この構成では、静止画撮影では蓄積部は必要とされず、フレームレートの確保が必要なためメカニカルシャッタを利用することができないプレビュー撮影時にのみ蓄積部は必要となる。そのため、蓄積部のシフトレジスタは画素数が圧縮された画像を格納できるだけのビット数があれば足る。従来、撮像部及び蓄積部それぞれの1本の転送電極は同じ幅に形成されるので、連続するn本(上述した従来技術では3本)ずつの転送電極をクロックの同相で駆動する撮像部に対し、転送電極1本ずつを異なる相のクロックで駆動する蓄積部は、基本的に1/nの面積とすることが可能である。   For example, in a CCD image sensor that performs pixel compression, a mechanical shutter is provided in front of the imaging unit, and in still image shooting, when the exposure period ends, the mechanical shutter is closed and signal charges are read line by line. In this configuration, the storage unit is not required for still image shooting, and the storage unit is required only during preview shooting in which the mechanical shutter cannot be used because it is necessary to ensure the frame rate. Therefore, it is sufficient that the shift register of the storage unit has a number of bits that can store an image in which the number of pixels is compressed. Conventionally, since one transfer electrode of each of the image pickup unit and the storage unit is formed to have the same width, the transfer unit is configured to be an image pickup unit that drives n consecutive transfer electrodes (three in the conventional technology described above) in the same phase of the clock. On the other hand, an accumulation unit that drives each transfer electrode with a clock having a different phase can basically have an area of 1 / n.

しかし、近年の微細化が進んだCCDシフトレジスタでは短チャネル効果を無視することができず、連続する3本に同相クロックを印加して実効的な転送電極幅が増加した場合と転送電極1本の場合とでは短チャネル効果の影響に差が生じる。具体的には、同じクロック電圧を印加しても、当該クロックを個別の転送電極に印加した場合の当該転送電極下のチャネル電位は、当該クロックを連続する3本に共通に印加した場合の転送電極下のチャネル電位より浅くなる。そのため、例えば、画素圧縮駆動において撮像部2の転送電極gi7〜gi9にオフ電圧を印加し、蓄積部4の転送電極gs1にオン電圧を印加して、撮像部2側から蓄積部4側に信号電荷を転送する場合における撮像部側のオフ状態のチャネル電位と蓄積部のオン状態のチャネル電位との差が、従来の転送電極gs1〜gs3に共通にオン電圧を印加した場合より縮小して電荷転送効率の低下を生じるおそれがあるという問題があった。   However, the short-channel effect cannot be ignored in the CCD shift register that has been miniaturized in recent years, and the case where the effective transfer electrode width is increased by applying an in-phase clock to three consecutive ones and one transfer electrode. In this case, there is a difference in the influence of the short channel effect. Specifically, even when the same clock voltage is applied, the channel potential under the transfer electrode when the clock is applied to the individual transfer electrodes is the transfer when the clock is applied to three consecutive lines in common. It becomes shallower than the channel potential under the electrode. Therefore, for example, in pixel compression driving, an off voltage is applied to the transfer electrodes gi7 to gi9 of the imaging unit 2, an on voltage is applied to the transfer electrode gs1 of the storage unit 4, and a signal is transmitted from the imaging unit 2 side to the storage unit 4 side. When transferring charge, the difference between the channel potential in the off state on the imaging unit side and the channel potential in the on state of the storage unit is reduced as compared with the case where the on voltage is commonly applied to the conventional transfer electrodes gs1 to gs3. There has been a problem that transfer efficiency may be lowered.

この転送効率の劣化に対して、埋め込みチャネルを形成するために基板表面に注入する不純物の濃度プロファイルを撮像部と蓄積部とで変え、蓄積部のチャネル電位を撮像部のチャネル電位より深く構成することが対策として考えられる。   In response to this deterioration in transfer efficiency, the concentration profile of impurities injected into the substrate surface to form a buried channel is changed between the imaging unit and the storage unit, and the channel potential of the storage unit is configured deeper than the channel potential of the imaging unit. Can be considered as a countermeasure.

しかし、近年のセルサイズの小さいCCDイメージセンサにおいては、撮像部と蓄積部との境界で、濃度プロファイルの急峻な変化を形成することは難しい。その結果、転送効率の劣化を十分に防止できないことがあるという問題があった。   However, in a CCD image sensor with a small cell size in recent years, it is difficult to form a steep change in the density profile at the boundary between the imaging unit and the storage unit. As a result, there is a problem in that deterioration of transfer efficiency may not be sufficiently prevented.

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、撮像部から蓄積部への信号電荷の転送を、電荷転送効率を確保しつつ高速に行うことが可能であり、また蓄積部のサイズの縮小を図れる固体撮像素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and can transfer signal charges from the imaging unit to the storage unit at high speed while ensuring charge transfer efficiency. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reducing the size.

本発明に係る固体撮像素子は、列方向に配列された複数の第1転送電極により信号電荷の列方向転送を行い、列方向に連続して並ぶnk本(nは2以上の整数、kは3以上の整数である)の前記第1転送電極が互いに独立に駆動可能である第1シフトレジスタと、列方向に配列された複数の第2転送電極により前記第1シフトレジスタから前記信号電荷を取り込んで蓄積し、列方向に連続して並ぶk本の前記第2転送電極が互いに独立に駆動可能である第2シフトレジスタと、を有し、前記第1シフトレジスタが、連続するk本の前記第1転送電極を互いに異なる相としてk相駆動する標準駆動とするか、前記第1転送電極の連続するn本ずつを同相としてk相駆動するビット圧縮駆動とするかを切り換えて駆動可能であり、前記各第2転送電極と前記第2シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積が、前記各第1転送電極と前記第1シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積より大きい。   In the solid-state imaging device according to the present invention, signal charges are transferred in a column direction by a plurality of first transfer electrodes arranged in the column direction, and nk lines (n is an integer of 2 or more, k is a line number) continuously arranged in the column direction. The first transfer electrode (which is an integer greater than or equal to 3) can be driven independently of each other, and the signal charges from the first shift register by a plurality of second transfer electrodes arranged in a column direction. A second shift register in which the k second transfer electrodes that are taken in and accumulated and are continuously arranged in the column direction can be driven independently of each other, and the first shift register has k continuous The first transfer electrode can be driven by switching between standard driving for k-phase driving with different phases or bit compression driving for k-phase driving with n consecutive first transfer electrodes in phase. Yes, each second transfer Area of the unit gate region and To channel region of the second shift register poles intersect is greater than the area of the unit gate region where the a and the first transfer electrode and the channel region of the first shift register intersect.

本発明によれば、第2転送電極に係る単位ゲート電極の面積が第1転送電極に係る単位ゲート電極の面積より大きく構成したことにより、オン電圧を印加した場合の各第2転送電極下のチャネル電位が各第1転送電極下のチャネル電位より深くなる。これにより、第1シフトレジスタの最終ビットから第2シフトレジスタの先頭ビットへの信号電荷の転送時に両ビット間に生じるチャネル電位差を、標準駆動時のみならず、ビット圧縮駆動においても確保することが可能となる。ビット圧縮駆動時には標準駆動時の1/nのクロック数で第1シフトレジスタから第2シフトレジスタへの信号電荷の転送が完了され、その分、信号電荷の移動速度も高速となるが、そのビット圧縮駆動時の高速な信号電荷転送においても電荷転送効率を好適なレベルに維持することが可能となる。   According to the present invention, since the area of the unit gate electrode related to the second transfer electrode is larger than the area of the unit gate electrode related to the first transfer electrode, the area below each second transfer electrode when the on-voltage is applied. The channel potential becomes deeper than the channel potential under each first transfer electrode. As a result, the channel potential difference generated between the two bits when the signal charge is transferred from the last bit of the first shift register to the first bit of the second shift register can be ensured not only in the standard driving but also in the bit compression driving. It becomes possible. At the time of bit compression driving, the transfer of signal charges from the first shift register to the second shift register is completed with a 1 / n number of clocks at the time of standard driving, and the movement speed of the signal charges is correspondingly increased. Charge transfer efficiency can be maintained at a suitable level even in high-speed signal charge transfer during compression driving.

本発明の好適な態様は、前記第2転送電極の幅が、前記第1転送電極の幅より大きい電荷転送素子である。   A preferred aspect of the present invention is a charge transfer device in which a width of the second transfer electrode is larger than a width of the first transfer electrode.

他の本発明に係る電荷転送素子は、前記nが前記kに等しく、前記第1シフトレジスタの各ビットはそれぞれ、k本の前記第1転送電極を対応付けられ、前記ビット圧縮駆動は、前記第1シフトレジスタにて列方向に連続するk個ずつの前記ビットのうちα個に蓄積される前記信号電荷を合成して前記第2シフトレジスタへ列方向転送する電荷転送素子において、前記第2転送電極の幅wsが、前記第1転送電極の幅wiに応じた次の関係式、
wi<ws<αwi+(α−1)d(ここで、dは第1の転送電極又は第2の転送電極相互間の間隙幅である)
を満たすものである。
In another charge transfer device according to the present invention, the n is equal to the k, each bit of the first shift register is associated with the k first transfer electrodes, and the bit compression drive In the charge transfer element that synthesizes the signal charges accumulated in α out of k consecutive bits in the column direction by the first shift register and transfers them to the second shift register in the column direction. The width ws of the transfer electrode is the following relational expression corresponding to the width wi of the first transfer electrode:
wi <ws <αwi + (α−1) d (where d is the gap width between the first transfer electrodes or the second transfer electrodes)
It satisfies.

本発明によれば、第2シフトレジスタの各ビットには、α個のビットにてそれぞれ蓄積された信号電荷の合成量が転送され蓄積される。第1シフトレジスタ及び第2シフトレジスタでの電荷蓄積容量は、基本的に信号電荷を蓄積するチャネル領域の面積及びそのチャネル電位の深さに応じて増加する。ここで、1本の転送電極をオン状態として形成される電位井戸は、フリンジ電界により隣接転送電極との間のギャップまで広がる。第1転送電極の幅をwi、第2転送電極の幅をws、ギャップ幅をdとすると、個々の第1転送電極の実効的な幅はwi+d、また個々の第2転送電極の実効的な幅はws+dとなる。個々の第1転送電極及び第2転送電極の下の電位井戸の深さが同じである場合、第2転送電極の実効幅がα本の第1転送電極の実効幅の合計に等しければ、第2転送電極の下にα個の画素を合成した信号電荷を保持できる。この観点から、ws=αwi+(α−1)dとなる。ここで、第1シフトレジスタから第2シフトレジスタへの転送効率を良好に保つために、wi<wsとされるので、短チャネル効果の相違により、1本の第1転送電極下の電位井戸の深さは第2転送電極下の電位井戸より浅くなる。よって、実際にはwsはαwi+(α−1)dより狭くすることができる。すなわち、wsはwi<ws<αwi+(α−1)dを満たすように設定することができる。このように、第2転送電極を第1転送電極より大きな幅とすることで、ビット圧縮駆動での第1シフトレジスタから第2シフトレジスタへの電荷転送効率を維持することができ、また、第1シフトレジスタにて信号電荷を蓄積していたα本の転送電極の配置に必要な幅〔αwi+(α−1)d〕より小さい幅とすることができる分、第2シフトレジスタの面積を縮小し得る。   According to the present invention, each bit of the second shift register is transferred and stored with the combined amount of signal charges stored in α bits. The charge storage capacities in the first shift register and the second shift register basically increase according to the area of the channel region that stores the signal charge and the depth of the channel potential. Here, a potential well formed with one transfer electrode in an ON state spreads to a gap between adjacent transfer electrodes by a fringe electric field. When the width of the first transfer electrode is wi, the width of the second transfer electrode is ws, and the gap width is d, the effective width of each first transfer electrode is wi + d, and the effective width of each second transfer electrode is The width is ws + d. If the depth of the potential well under each of the first transfer electrode and the second transfer electrode is the same, if the effective width of the second transfer electrode is equal to the sum of the effective widths of the α first transfer electrodes, The signal charge obtained by synthesizing α pixels under the two transfer electrodes can be held. From this viewpoint, ws = αwi + (α−1) d. Here, in order to maintain good transfer efficiency from the first shift register to the second shift register, wi <ws is set, so that the potential well under one first transfer electrode is different due to the short channel effect. The depth is shallower than the potential well below the second transfer electrode. Therefore, in practice, ws can be made narrower than αwi + (α−1) d. That is, ws can be set to satisfy wi <ws <αwi + (α−1) d. Thus, by making the second transfer electrode wider than the first transfer electrode, it is possible to maintain the charge transfer efficiency from the first shift register to the second shift register in the bit compression drive, The area of the second shift register is reduced by a width smaller than the width [αwi + (α-1) d] necessary for the arrangement of α transfer electrodes that have accumulated signal charges in one shift register. Can do.

本発明に係る固体撮像素子は、列方向に配列された複数の撮像部転送電極により複数の画素毎の信号電荷の蓄積及び列方向転送を行う、行方向に配列された複数の撮像部シフトレジスタを含み、列方向に連続して並ぶ9本の前記撮像部転送電極が互いに独立に駆動可能である撮像部と、前記複数の撮像部シフトレジスタに対応して行方向に複数配列され、列方向に配列された複数の蓄積部転送電極により前記撮像部シフトレジスタから前記信号電荷を取り込んで一時蓄積する蓄積部シフトレジスタを含み、列方向に連続して並ぶ3本の前記蓄積部転送電極が互いに独立に駆動可能である蓄積部と、を有し、前記撮像部シフトレジスタが、連続する3本の前記撮像部転送電極を互いに異なる相として3相駆動する標準駆動とするか、前記撮像部転送電極の連続する3本ずつを同相として3相駆動する画素圧縮駆動とするかを切り換えて駆動可能であり、前記蓄積部転送電極が、前記撮像部転送電極の幅の2倍に応じた幅を有し、前記各蓄積部転送電極と前記各蓄積部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積は、前記各撮像部転送電極と前記各撮像部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積より大きいものである。   A solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of imaging unit shift registers arranged in a row direction, in which signal charges are accumulated and transferred in a column direction for a plurality of pixels by a plurality of imaging unit transfer electrodes arranged in a column direction. The nine image pickup unit transfer electrodes continuously arranged in the column direction can be driven independently from each other, and a plurality of image pickup units are arranged in the row direction corresponding to the plurality of image pickup unit shift registers, and the column direction A storage unit shift register that takes in the signal charge from the imaging unit shift register and temporarily stores the signal charge by a plurality of storage unit transfer electrodes arranged in a row. A storage unit that can be driven independently, and the imaging unit shift register is set to a standard drive that drives three consecutive imaging unit transfer electrodes in different phases from each other, or the imaging unit It is possible to switch between pixel compression driving for three-phase driving with three consecutive transmission electrodes in the same phase, and the storage unit transfer electrode has a width corresponding to twice the width of the imaging unit transfer electrode The area of the unit gate region where each storage unit transfer electrode and the channel region of each storage unit shift register intersect is the same as the area of each imaging unit transfer electrode and the channel region of each imaging unit shift register. It is larger than the area of the unit gate region.

本発明によれば、第1シフトレジスタ(撮像部)と第2シフトレジスタ(蓄積部)との境界で不純物の濃度プロファイルの制御が容易となり、標準駆動だけでなくビット圧縮駆動(画素圧縮駆動)においても第1シフトレジスタ(撮像部)から第2シフトレジスタ(蓄積部)への信号電荷の転送を、電荷転送効率を確保しつつ高速に行うことが可能となる。   According to the present invention, it becomes easy to control the impurity concentration profile at the boundary between the first shift register (imaging unit) and the second shift register (storage unit), and not only standard driving but also bit compression driving (pixel compression driving). In this case, the signal charge can be transferred from the first shift register (imaging unit) to the second shift register (storage unit) at high speed while ensuring the charge transfer efficiency.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係るCCDイメージセンサ10の概略構成を示す模式的な平面図である。CCDイメージセンサ10はフレーム転送型の構造を有し、半導体基板表面に形成された撮像部10i、蓄積部10s、水平転送部10h及び出力部10dを備える。   FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a CCD image sensor 10 according to the present invention. The CCD image sensor 10 has a frame transfer type structure, and includes an imaging unit 10i, a storage unit 10s, a horizontal transfer unit 10h, and an output unit 10d formed on the surface of a semiconductor substrate.

撮像部10iには入射光量に応じた電荷(情報電荷)を発生するセル(画素)が複数、行列配置される。撮像部10iにはカラーフィルタ(図示せず)が装着され、これにより各セルに色感度特性が付与される。撮像部10iに行列配置されたセルの各列は垂直CCDシフトレジスタ(第1シフトレジスタ)を構成する。この撮像部10iの垂直CCDシフトレジスタは基板上に行方向に複数本渡された転送電極(ゲート電極)を備え、これら転送電極に印加されるクロックφiによって、撮像部10iでの情報電荷の蓄積及び垂直転送が制御される。ここで、撮像部10iの転送電極は連続配置される9本が互いに独立に駆動可能に構成される(9相ゲート構造)。このCCDイメージセンサ10は、後述するように、撮像部10iの前面に別途、メカニカルシャッタを配置して利用される。   A plurality of cells (pixels) that generate charges (information charges) according to the amount of incident light are arranged in a matrix in the imaging unit 10i. A color filter (not shown) is attached to the imaging unit 10i, thereby giving color sensitivity characteristics to each cell. Each column of cells arranged in a matrix in the imaging unit 10i constitutes a vertical CCD shift register (first shift register). The vertical CCD shift register of the image pickup unit 10i includes a plurality of transfer electrodes (gate electrodes) provided in the row direction on the substrate. By the clock φi applied to these transfer electrodes, accumulation of information charges in the image pickup unit 10i and Vertical transfer is controlled. Here, nine transfer electrodes of the imaging unit 10i are configured to be driven independently of each other (9-phase gate structure). As will be described later, the CCD image sensor 10 is used by separately providing a mechanical shutter on the front surface of the imaging unit 10i.

蓄積部10sは遮光膜で覆われ、光の入射による電荷発生を防止される。蓄積部10sは、行方向に複数配列された垂直CCDシフトレジスタ(第2シフトレジスタ)を備える。蓄積部10sの垂直CCDシフトレジスタは、撮像部10iの垂直CCDシフトレジスタそれぞれに対応して設けられる。撮像部10iと蓄積部10sとの互いに対応する垂直CCDシフトレジスタはチャネルが連続し、両シフトレジスタを同期させて駆動することにより、信号電荷を撮像部10iから蓄積部10sへ転送することができる。ちなみに、蓄積部10sの垂直CCDシフトレジスタは、後述する理由から撮像部10iの行数の1/3に応じたビット数を有する。蓄積部10sの垂直CCDシフトレジスタは撮像部10iと同様、行方向に渡された転送電極を複数本備える。これら蓄積部10sの転送電極は連続配置される3本が互いに独立に駆動可能に構成される(3相ゲート構造)。これら転送電極に印加される3相クロックφsによって、蓄積部10sでの情報電荷の蓄積及び垂直転送が制御される。   The storage unit 10s is covered with a light shielding film, and charge generation due to incidence of light is prevented. The storage unit 10s includes a plurality of vertical CCD shift registers (second shift registers) arranged in the row direction. The vertical CCD shift registers of the storage unit 10s are provided corresponding to the vertical CCD shift registers of the imaging unit 10i. The vertical CCD shift registers corresponding to each other of the imaging unit 10i and the storage unit 10s have continuous channels, and by driving both shift registers in synchronization, signal charges can be transferred from the imaging unit 10i to the storage unit 10s. . Incidentally, the vertical CCD shift register of the storage unit 10s has a bit number corresponding to 1/3 of the number of rows of the imaging unit 10i for the reason described later. The vertical CCD shift register of the storage unit 10s includes a plurality of transfer electrodes passed in the row direction, like the imaging unit 10i. The three transfer electrodes of the storage section 10s are configured to be driven independently of each other (three-phase gate structure). The storage and vertical transfer of information charges in the storage unit 10s are controlled by the three-phase clock φs applied to these transfer electrodes.

設定された露光期間が終了すると、撮像部10iに蓄積された情報電荷は、蓄積部10sを経由して水平転送部10hに垂直転送される。ここで、イメージセンサ10は、例えば、高解像度の静止画を撮影する場合には撮像部10iの各受光画素の信号電荷を個別に読み出す(標準駆動)。この撮影モードでは、露光期間が終了すると、メカニカルシャッタを閉じて撮像部10iを遮光し、撮像部10iに蓄積された信号電荷を蓄積部10s及び水平転送部10hを介して出力部10dに読み出す。   When the set exposure period ends, the information charges accumulated in the imaging unit 10i are vertically transferred to the horizontal transfer unit 10h via the accumulation unit 10s. Here, for example, when shooting a high-resolution still image, the image sensor 10 individually reads out the signal charge of each light receiving pixel of the imaging unit 10i (standard drive). In this photographing mode, when the exposure period ends, the mechanical shutter is closed to shield the imaging unit 10i, and the signal charges accumulated in the imaging unit 10i are read out to the output unit 10d via the accumulation unit 10s and the horizontal transfer unit 10h.

一方、それほど解像度を要しないプレビュー画面への表示や動画撮影を行う場合には、撮像部10iの複数画素ずつを加算合成して読み出すことにより(画素圧縮駆動)、フレームレートの確保が図られる。ここで、画素圧縮駆動では、列方向に関しては、3画素ずつが撮像部10iにて加算合成処理され、1つの信号電荷パケットが生成される。これにより列方向の画素数が1/3に圧縮される。この撮影モードでは、露光期間が終了すると、列方向の加算合成処理を行った後、撮像部10iから蓄積部10sに信号電荷を高速にフレーム転送する。その後、蓄積部10sから信号電荷を1ラインずつ水平転送部10hに垂直転送し、出力部10dに読み出す。   On the other hand, when performing display on a preview screen or video recording that does not require much resolution, the frame rate can be ensured by adding and synthesizing a plurality of pixels of the imaging unit 10i (pixel compression driving). Here, in the pixel compression driving, with respect to the column direction, every three pixels are added and combined by the imaging unit 10i, and one signal charge packet is generated. As a result, the number of pixels in the column direction is compressed to 1/3. In this shooting mode, when the exposure period ends, after performing addition synthesis processing in the column direction, signal charges are transferred from the imaging unit 10i to the storage unit 10s at high speed. Thereafter, the signal charges from the storage unit 10s are vertically transferred line by line to the horizontal transfer unit 10h and read out to the output unit 10d.

上述のように、静止画撮影ではメカニカルシャッタを用いることでスミアを防止することができるため、蓄積部は必要とされず、蓄積部はもっぱらプレビュー時等のフレーム転送での信号電荷の格納先として設けられている。すなわち、蓄積部10sの垂直CCDシフトレジスタは基本的に、列方向に画素数が圧縮されたプレビュー画像又は動画像を格納できれば足り、そのため上述のように、そのビット数は撮像部10iの行数の1/3に応じた値に設定される。   As described above, since a smear can be prevented by using a mechanical shutter in still image shooting, an accumulation unit is not required, and the accumulation unit is exclusively used as a signal charge storage destination in frame transfer during preview or the like. Is provided. That is, the vertical CCD shift register of the storage unit 10s basically only needs to be able to store a preview image or a moving image in which the number of pixels is compressed in the column direction. Therefore, as described above, the number of bits is the number of rows of the imaging unit 10i. Is set to a value corresponding to 1/3 of.

水平転送部10hはその複数本のゲート電極に印加される水平転送クロックφhに応じて、蓄積部10sからライン転送された情報電荷を順次、出力部10dに転送する。出力部10dは、電気的に独立した容量及びその電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部10hから出力される情報電荷を1ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、時系列の画像信号として出力する。   The horizontal transfer unit 10h sequentially transfers information charges transferred from the storage unit 10s to the output unit 10d in response to a horizontal transfer clock φh applied to the plurality of gate electrodes. The output unit 10d is composed of an electrically independent capacitor and an amplifier that extracts the potential change thereof. The information charge output from the horizontal transfer unit 10h is received by the capacitor in units of 1 bit and converted into a voltage value. Output as a signal.

図2は、CCDイメージセンサ10の撮像部10i及び蓄積部10sの構造を示す主要部の平面図である。撮像部10i、蓄積部10sには、列方向に延びる複数のチャネル領域12が間に素子分離領域14を挟んで行方向に配列され、チャネル領域12を横切って転送電極が配列される。撮像部10iには撮像部転送電極gi1〜gi9が列方向に繰り返して配置される。撮像部転送電極gi1〜gi9は既に述べたように9相ゲート構造であり、互いに独立のクロックを印加可能に構成される。垂直シフトレジスタ16iの各ビットは受光画素を構成し、また各ビットにはそれぞれ3本の転送電極が対応付けられる。撮像部10iには例えば、ベイヤー配列のカラーフィルタが配置され、2種類の色透過特性の異なるフィルタが、列方向に並ぶ受光画素に交互に配置される。   FIG. 2 is a plan view of the main part showing the structure of the imaging unit 10 i and the storage unit 10 s of the CCD image sensor 10. In the imaging unit 10 i and the storage unit 10 s, a plurality of channel regions 12 extending in the column direction are arranged in the row direction with the element isolation region 14 interposed therebetween, and transfer electrodes are arranged across the channel region 12. The imaging unit transfer electrodes gi1 to gi9 are repeatedly arranged in the column direction in the imaging unit 10i. The imaging unit transfer electrodes gi1 to gi9 have a nine-phase gate structure as described above, and are configured to be able to apply independent clocks. Each bit of the vertical shift register 16i constitutes a light receiving pixel, and each transfer bit is associated with three transfer electrodes. For example, a Bayer color filter is arranged in the imaging unit 10i, and two types of filters having different color transmission characteristics are alternately arranged in the light receiving pixels arranged in the column direction.

一方、蓄積部10sには蓄積部転送電極gs1〜gs3が列方向に繰り返して配置される。蓄積部転送電極gs1〜gs3は既に述べたように3相ゲート構造であり、互いに独立のクロックを印加可能に構成される。蓄積部転送電極gs1〜gs3が垂直シフトレジスタ16sの1ビットを規定し、これら電極gs1〜gs3にはそれぞれクロックφs1〜φs3が供給され、3相駆動される。   On the other hand, storage unit transfer electrodes gs1 to gs3 are repeatedly arranged in the column direction in the storage unit 10s. The storage unit transfer electrodes gs1 to gs3 have a three-phase gate structure as described above, and are configured to be able to apply independent clocks. The storage unit transfer electrodes gs1 to gs3 define one bit of the vertical shift register 16s, and clocks φs1 to φs3 are supplied to these electrodes gs1 to gs3, respectively, and three-phase driving is performed.

ここで、蓄積部転送電極gs1〜gs3と垂直シフトレジスタ16sのチャネル領域とが交差する面積Ssは、撮像部転送電極gi1〜gi9と垂直シフトレジスタ16iのチャネル領域とが交差する面積Siより大きく設定される。ここで、両垂直シフトレジスタ16i,16sのチャネル幅は共通に構成されるので、蓄積部転送電極gs1〜gs3それぞれの幅wsが、撮像部転送電極gi1〜gi9それぞれの幅wiより大きく設定される。すなわち、その倍率κ(≡ws/wi)がκ>1となるように構成する。これにより、オン電圧を印加した場合の蓄積部転送電極下のチャネル電位が撮像部転送電極下のチャネル電位より深くなる。このように、蓄積部転送電極下のチャネル電位が深くなる分、撮像部10iの垂直シフトレジスタ16iの最終ビットの電極gi9から蓄積部10sの垂直シフトレジスタ16sの先頭ビットの電極gs1への信号電荷の転送時に両ビット間に生じるチャネル電位差が大きくなり、電荷転送効率の維持、向上が図られる。   Here, the area Ss where the storage unit transfer electrodes gs1 to gs3 intersect with the channel region of the vertical shift register 16s is set larger than the area Si where the imaging unit transfer electrodes gi1 to gi9 intersect with the channel region of the vertical shift register 16i. Is done. Here, since the channel widths of both the vertical shift registers 16i and 16s are configured in common, the width ws of each of the storage unit transfer electrodes gs1 to gs3 is set larger than the width w i of each of the imaging unit transfer electrodes gi1 to gi9. . That is, the magnification κ (≡ws / wi) is configured so that κ> 1. As a result, the channel potential under the storage unit transfer electrode when the ON voltage is applied becomes deeper than the channel potential under the imaging unit transfer electrode. Thus, the signal charge from the last bit electrode gi9 of the vertical shift register 16i of the imaging unit 10i to the first bit electrode gs1 of the vertical shift register 16s of the storage unit 10s is increased by the amount of the channel potential below the storage unit transfer electrode. The channel potential difference generated between the two bits at the time of transfer is increased, and the charge transfer efficiency is maintained and improved.

また、後述するように、画素圧縮駆動において、各蓄積部転送電極には、2つの受光画素にてそれぞれ蓄積された信号電荷の合成量が転送され蓄積される。これを可能とするように幅ws(又は面積Ss)は設定される。ここで、1本の転送電極をオン状態として形成される電位井戸は、フリンジ電界により隣接転送電極との間のギャップまで広がる。そのギャップ幅をdとすると、個々の撮像部転送電極の実効的な幅はwi+d、また個々の蓄積部転送電極の実効的な幅はws+dとなる。個々の撮像部転送電極及び蓄積部転送電極の下の電位井戸の深さが同じである場合、蓄積部転送電極の実効幅が2本の撮像部転送電極の実効幅の合計に等しければ、蓄積部転送電極の下に2つの受光画素を合成した信号電荷を保持できる。この観点から、ws=2wi+dとなる。ここで、撮像部から蓄積部への転送効率を良好に保つために、wi<wsとされるので、短チャネル効果の相違により、1本の撮像部転送電極下の電位井戸の深さは蓄積部転送電極下の電位井戸より浅くなる。よって、実際にはwsは2wi+dより狭くすることができる。すなわち、wsはwi<ws<2wi+dを満たすように設定することができる。このように、蓄積部転送電極を撮像部転送電極より大きな幅とすることで、画素圧縮駆動での撮像部から蓄積部への電荷転送効率を維持することができ、また、撮像部にて信号電荷を蓄積していた2本の転送電極の配置に必要な幅(2wi+d)より小さい幅とすることができる分、蓄積部の面積を縮小し得る。κの具体的な数値は、幅を広げた蓄積部転送電極と、撮像部転送電極とでの短チャネル効果の程度の相違を例えば、実験やシミュレーション等で求め、それに応じて定めることができる。ここでは、κ=2に設定して、転送効率及び蓄積部転送電極の電荷蓄積容量の双方を好適に保っている。   Further, as will be described later, in pixel compression driving, the combined amount of the signal charges accumulated in the two light receiving pixels is transferred and accumulated in each accumulation unit transfer electrode. The width ws (or area Ss) is set to enable this. Here, a potential well formed with one transfer electrode in an ON state spreads to a gap between adjacent transfer electrodes by a fringe electric field. When the gap width is d, the effective width of each image pickup unit transfer electrode is wi + d, and the effective width of each storage unit transfer electrode is ws + d. If the depth of the potential well under each image pickup unit transfer electrode and the storage unit transfer electrode is the same, if the effective width of the storage unit transfer electrode is equal to the sum of the effective widths of the two image pickup unit transfer electrodes, storage is performed. A signal charge obtained by synthesizing two light receiving pixels can be held under the partial transfer electrode. From this point of view, ws = 2wi + d. Here, in order to maintain good transfer efficiency from the imaging unit to the storage unit, wi <ws is set, and therefore, the depth of the potential well under one imaging unit transfer electrode is stored due to the difference in the short channel effect. It becomes shallower than the potential well under the partial transfer electrode. Therefore, in practice, ws can be made smaller than 2wi + d. That is, ws can be set to satisfy wi <ws <2wi + d. Thus, by setting the storage unit transfer electrode to be wider than the imaging unit transfer electrode, it is possible to maintain the charge transfer efficiency from the imaging unit to the storage unit in the pixel compression drive, and in the imaging unit Since the width can be smaller than the width (2wi + d) necessary for the arrangement of the two transfer electrodes that have accumulated the charge, the area of the accumulation portion can be reduced. The specific numerical value of κ can be determined according to, for example, an experiment or simulation that determines the difference in the degree of the short channel effect between the storage unit transfer electrode and the imaging unit transfer electrode with an expanded width. Here, κ = 2 is set, and both the transfer efficiency and the charge storage capacity of the storage unit transfer electrode are suitably maintained.

次にCCDイメージセンサ10の垂直シフトレジスタの駆動について説明する。   Next, driving of the vertical shift register of the CCD image sensor 10 will be described.

露光期間における撮像部10iや、静止画撮影にて行われる標準駆動時の撮像部10iは、各ビットの3本の転送電極に3相クロックφi1〜φi3が印加される。例えば、転送電極gi1,gi4,gi7にクロックφi1、転送電極gi2,gi5,gi8にクロックφi2、転送電極gi3,gi6,gi9にクロックφi3が印加され、各画素での信号電荷の蓄積及び垂直転送が行われる。   In the imaging unit 10i in the exposure period and the imaging unit 10i in standard driving performed in still image shooting, the three-phase clocks φi1 to φi3 are applied to the three transfer electrodes of each bit. For example, the clock φi1 is applied to the transfer electrodes gi1, gi4, gi7, the clock φi2 is applied to the transfer electrodes gi2, gi5, gi8, and the clock φi3 is applied to the transfer electrodes gi3, gi6, gi9. Done.

蓄積部10sでは、各ビットの3本の転送電極gs1〜gs3に3相クロックφs1〜φs3が印加され、垂直転送及び信号電荷の一時蓄積といった動作が行われる。撮像部10iから蓄積部10sへの信号電荷の垂直転送時には、各クロックφs1〜φs3は、それぞれクロックφi1〜φi3に同期したクロック信号とされる。   In the storage unit 10s, three-phase clocks φs1 to φs3 are applied to the three transfer electrodes gs1 to gs3 of each bit, and operations such as vertical transfer and temporary storage of signal charges are performed. At the time of vertical transfer of signal charges from the imaging unit 10i to the storage unit 10s, the clocks φs1 to φs3 are clock signals synchronized with the clocks φi1 to φi3, respectively.

一方、プレビュー撮影では、撮像部10iの列方向に連続する3画素ずつで信号電荷の加算合成処理を行ってからフレーム転送を行う画素圧縮駆動が行われる。例えば、列方向に交互に異なる色の画素が並ぶ本CCDイメージセンサ10における加算合成処理として、3画素のうち中央の画素を間引いて、その両側の互いに同じ色の画素の信号電荷を加算することが行われる。その処理では具体的には、まず3画素のうち転送電極gi4〜gi6が配置された中央の画素に蓄積された信号電荷を、それら転送電極にオフ電圧を印加することで、電子シャッタと同様の原理で基板へ排出し、その後、転送電極gi1〜gi6を駆動して、転送電極gi1〜gi3に対応する画素の信号電荷を転送電極gi7〜gi9に対応する画素に蓄積される信号電荷に加算合成する。   On the other hand, in preview shooting, pixel compression driving is performed in which frame charge transfer is performed after signal charge addition / synthesis processing is performed on three consecutive pixels in the column direction of the imaging unit 10i. For example, as an addition synthesis process in the CCD image sensor 10 in which pixels of different colors are arranged alternately in the column direction, the center pixel of the three pixels is thinned out, and the signal charges of the pixels of the same color on both sides thereof are added. Is done. Specifically, in the processing, first, signal charges accumulated in the central pixel in which the transfer electrodes gi4 to gi6 are arranged among the three pixels are applied to the transfer electrodes by applying an off voltage to the same as in the electronic shutter. After discharging to the substrate in principle, the transfer electrodes gi1 to gi6 are driven, and the signal charges of the pixels corresponding to the transfer electrodes gi1 to gi3 are added to the signal charges accumulated in the pixels corresponding to the transfer electrodes gi7 to gi9. To do.

このように3画素ずつの加算合成処理を行った後、画素圧縮駆動では、撮像部10iの各ビットの3本の転送電極を同相とした3相駆動を行う。すなわち、転送電極gi1〜gi3にクロックφi1、転送電極gi4〜gi6にクロックφi2、転送電極gi7〜gi9にクロックφi3を印加する。これにより画素圧縮駆動では、標準駆動時と同じクロック周波数で3倍高速のフレーム転送が実現され、スミアの低減が図られる。なお、このフレーム転送時において、蓄積部10sに印加される各クロックφs1〜φs3は、それぞれクロックφi1〜φi3に同期したクロック信号とされる。   After performing the addition / combination processing for every three pixels in this way, in pixel compression driving, three-phase driving is performed in which the three transfer electrodes of each bit of the imaging unit 10i are in phase. That is, the clock φi1 is applied to the transfer electrodes gi1 to gi3, the clock φi2 is applied to the transfer electrodes gi4 to gi6, and the clock φi3 is applied to the transfer electrodes gi7 to gi9. As a result, in pixel compression driving, frame transfer that is three times faster at the same clock frequency as in standard driving is realized, and smear is reduced. In this frame transfer, the clocks φs1 to φs3 applied to the storage unit 10s are clock signals synchronized with the clocks φi1 to φi3, respectively.

図3は、信号電荷の垂直転送時における、撮像部10iの垂直シフトレジスタ16iの出力端と蓄積部10sの垂直シフトレジスタ16sの入力端とでのチャネル電位の変化を示す模式図である。同図の撮像部10iに示す実線20a,20bは、標準駆動時におけるチャネル電位、一点鎖線22a,22bは、画素圧縮駆動時におけるチャネル電位を表す。図において、横方向が垂直シフトレジスタのチャネルに沿った向きを表す。また、縦方向がチャネル電位を表し、下に行くほど、チャネル電位は深いことを意味する。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a change in channel potential at the output terminal of the vertical shift register 16i of the imaging unit 10i and the input terminal of the vertical shift register 16s of the storage unit 10s during the vertical transfer of signal charges. The solid lines 20a and 20b shown in the image pickup unit 10i in the figure represent channel potentials during standard driving, and the alternate long and short dash lines 22a and 22b represent channel potentials during pixel compression driving. In the figure, the horizontal direction represents the direction along the channel of the vertical shift register. Further, the vertical direction represents the channel potential, and the lower the channel direction, the deeper the channel potential.

図3(a)は、撮像部10iの垂直シフトレジスタ16iの出力端に電位井戸が形成され、一方、蓄積部10sにおいてはφs1がオフ電圧であり電極gs1下のチャネル電位がバリア電位Ψsbとされている状態を示している。標準駆動時においては電極gi9のみにオン電圧が印加され、チャネル電位がΨisの電位井戸20aが形成される。画素圧縮駆動時においては電極gi7〜gi9が共通にオン電圧を印加され、チャネル電位がΨis'の電位井戸22aが形成される。ここで、標準駆動時の電位井戸20aは、単独の電極下に形成され短チャネル効果を強く受け、一方、画素圧縮駆動時の電位井戸22aは、3電極を共通に駆動することにより実効的な電極幅が拡大し短チャネル効果が緩和される。よって、Ψis<Ψis'となる。   In FIG. 3A, a potential well is formed at the output end of the vertical shift register 16i of the imaging unit 10i. On the other hand, in the storage unit 10s, φs1 is an off voltage and the channel potential below the electrode gs1 is set as a barrier potential ψsb. It shows the state. In standard driving, an on-voltage is applied only to the electrode gi9, and a potential well 20a having a channel potential of ψis is formed. During pixel compression driving, the electrodes gi7 to gi9 are commonly applied with an on-voltage, and a potential well 22a having a channel potential of Ψis ′ is formed. Here, the potential well 20a at the time of standard driving is formed under a single electrode and strongly receives the short channel effect, while the potential well 22a at the time of pixel compression driving is effective by driving three electrodes in common. The electrode width is increased and the short channel effect is mitigated. Therefore, Ψis <Ψis ′.

図3(b)は、撮像部10iの垂直シフトレジスタ16iの出力端に電位井戸20a,22aが形成された状態にて、蓄積部10sにおいてφs1がオン電圧とされ電極gs1下にチャネル電位Ψssの電位井戸24が形成された状態を示している。蓄積部10sの転送電極の幅wsは上述したように、wi<ws<2wi+dに設定される。よって、短チャネル効果の相違によりΨis<Ψss<Ψis'となる。   FIG. 3B shows a state in which the potential wells 20a and 22a are formed at the output end of the vertical shift register 16i of the imaging unit 10i, the φs1 is turned on in the storage unit 10s, and the channel potential Ψss is below the electrode gs1. The state where the potential well 24 is formed is shown. As described above, the width ws of the transfer electrode of the storage unit 10s is set to wi <ws <2wi + d. Therefore, Ψis <Ψss <Ψis ′ due to the difference in the short channel effect.

図3(c)は、図3(b)に示す状態から、撮像部10iの垂直シフトレジスタ16iの出力端に形成された電位井戸20a,22aを消滅させてバリア電位20b,22bとした状態を示している。標準駆動時においてはΨis<Ψssであり、かつ信号電荷が移動すべき距離も撮像部10iの転送電極幅wiに応じた比較的短い距離であることから、信号電荷は良好な電荷転送効率で電極gs1へ移動する。一方、画素圧縮駆動時においては、実効的な転送電極幅が拡大した分、信号電荷が移動すべき距離も増加しており、特にフレーム転送のように高速駆動では電荷転送効率が低下するおそれがある。この問題に対して、本CCDイメージセンサでは、蓄積部10sの転送電極幅wsを拡大することで、短チャネル効果を緩和してΨssを増加させている。これにより、図3(c)に示す状態にて、撮像部と蓄積部との境界でのフリンジ電界が増加し、電荷転送効率の劣化が抑制される。   FIG. 3C shows a state in which the potential wells 20a and 22a formed at the output end of the vertical shift register 16i of the imaging unit 10i are eliminated to form barrier potentials 20b and 22b from the state shown in FIG. Show. In standard driving, Ψis <Ψss, and the distance that the signal charge should move is a relatively short distance corresponding to the transfer electrode width wi of the imaging unit 10i, so that the signal charge is an electrode with good charge transfer efficiency. Move to gs1. On the other hand, at the time of pixel compression driving, the distance that the signal charge should move is increased by the increase in the effective transfer electrode width, and there is a possibility that the charge transfer efficiency may be lowered particularly at high speed driving like frame transfer. is there. In order to solve this problem, in this CCD image sensor, the transfer channel width ws of the accumulating unit 10s is enlarged to reduce the short channel effect and increase Ψss. Thereby, in the state shown in FIG. 3C, the fringe electric field at the boundary between the imaging unit and the storage unit is increased, and the deterioration of the charge transfer efficiency is suppressed.

本発明に係るCCDイメージセンサの概略構成を示す模式的な平面図である。1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a CCD image sensor according to the present invention. CCDイメージセンサの撮像部及び蓄積部の構造を示す主要部の平面図である。It is a top view of the principal part which shows the structure of the imaging part and storage part of a CCD image sensor. 信号電荷の垂直転送時における、撮像部の垂直シフトレジスタの出力端と蓄積部の垂直シフトレジスタの入力端とでのチャネル電位の変化を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a change in channel potential at the output end of the vertical shift register of the imaging unit and the input end of the vertical shift register of the storage unit during vertical transfer of signal charges. 従来のフレーム転送型CCDイメージセンサの撮像部及び蓄積部の構造を示す主要部の平面図である。It is a top view of the principal part which shows the structure of the imaging part and storage part of the conventional frame transfer type CCD image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

10 CCDイメージセンサ、10i 撮像部、10s 蓄積部、10h 水平転送部、10d 出力部、12 チャネル領域、14 素子分離領域、16i,16s 垂直シフトレジスタ。
10 CCD image sensor, 10i imaging unit, 10s storage unit, 10h horizontal transfer unit, 10d output unit, 12 channel region, 14 element separation region, 16i, 16s vertical shift register.

Claims (4)

列方向に配列された複数の撮像部転送電極により信号電荷の列方向転送を行い、列方向に連続して並ぶnk本(nは2以上の整数、kは3以上の整数である)の前記撮像部転送電極が互いに独立に駆動可能である撮像部シフトレジスタと、
前記撮像部シフトレジスタと同じ幅のチャネル領域を有し、列方向に配列された複数の蓄積部転送電極により前記撮像部シフトレジスタから前記信号電荷を取り込んで蓄積し、列方向に連続して並ぶk本の前記蓄積部転送電極が互いに独立に駆動可能である蓄積部シフトレジスタと、
を有し、
前記撮像部シフトレジスタは、連続するk本の前記撮像部転送電極を互いに異なる相としてk相駆動する標準駆動とするか、前記撮像部転送電極の連続するn本ずつを同相としてk相駆動するビット圧縮駆動とするかを切り換えて駆動可能であり、
前記各蓄積部転送電極と前記蓄積部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積は、前記各撮像部転送電極と前記撮像部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積より大きいこと、
を特徴とする固体撮像素子
The signal charges are transferred in the column direction by a plurality of imaging unit transfer electrodes arranged in the column direction, and nk (n is an integer of 2 or more, k is an integer of 3 or more) arranged in the column direction continuously. an imaging unit shift register imaging unit transfer electrodes can be driven independently of each other,
A channel region having the same width as that of the imaging unit shift register, the signal charges are taken in from the imaging unit shift register and accumulated by a plurality of storage unit transfer electrodes arranged in the column direction, and continuously arranged in the column direction an accumulator shift register in which the k accumulator transfer electrodes can be driven independently of each other;
Have
The image pickup unit shift register is configured to perform standard driving in which k consecutive image pickup unit transfer electrodes are driven in k phases as different phases, or k phase drive in which n successive image pickup unit transfer electrodes are in phase. It can be driven by switching whether to use bit compression drive,
The area of the unit gate region where each storage unit transfer electrode and the channel region of the storage unit shift register intersect is the area of the unit gate region where each imaging unit transfer electrode and the channel region of the imaging unit shift register intersect Greater than,
A solid-state imaging device characterized by the above.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
前記蓄積部転送電極の幅は、前記撮像部転送電極の幅より大きいことを特徴とする固体撮像素子
The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device , wherein a width of the storage unit transfer electrode is larger than a width of the imaging unit transfer electrode.
請求項1又は請求項2に記載の固体撮像素子であって、前記nが前記kに等しく、前記撮像部シフトレジスタの各ビットはそれぞれ、k本の前記撮像部転送電極を対応付けられ、前記ビット圧縮駆動は、前記撮像部シフトレジスタにて列方向に連続するk個ずつの前記ビットのうちα個に蓄積される前記信号電荷を合成して前記蓄積部シフトレジスタへ列方向転送する固体撮像素子において、
前記蓄積部転送電極の幅wsは、前記撮像部転送電極の幅wiに応じた次の関係式、
wi<ws<αwi+(α−1)d(ここで、dは撮像部転送電極又は蓄積部転送電極相互間の間隙幅である)
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the n is equal to the k, and each bit of the imaging unit shift register is associated with the k imaging unit transfer electrodes, bit compression driving a solid-state imaging to column transferring the signal charges accumulated in the α-number of the bits of each k or continuous in the column direction by the imaging unit shift register synthesis and continue the storage unit shift register In the element
The width ws of the storage unit transfer electrode is the following relational expression corresponding to the width wi of the imaging unit transfer electrode:
wi <ws <αwi + (α−1) d (where d is the gap width between the imaging unit transfer electrodes or the storage unit transfer electrodes)
The solid-state image sensor characterized by satisfy | filling.
列方向に配列された複数の撮像部転送電極により複数の画素毎の信号電荷の蓄積及び列方向転送を行う、行方向に配列された複数の撮像部シフトレジスタを含み、列方向に連続して並ぶ9本の前記撮像部転送電極が互いに独立に駆動可能である撮像部と、
前記複数の撮像部シフトレジスタに対応して行方向に複数配列され、列方向に配列された複数の蓄積部転送電極により前記撮像部シフトレジスタから前記信号電荷を取り込んで一時蓄積する蓄積部シフトレジスタを含み、列方向に連続して並ぶ3本の前記蓄積部転送電極が互いに独立に駆動可能である蓄積部と、
を有し、
前記撮像部シフトレジスタは、連続する3本の前記撮像部転送電極を互いに異なる相として3相駆動する標準駆動とするか、前記撮像部転送電極の連続する3本ずつを同相として3相駆動する画素圧縮駆動とするかを切り換えて駆動可能であり、
前記蓄積部転送電極は、前記撮像部転送電極の幅の2倍に応じた幅を有し、前記各蓄積部転送電極と前記各蓄積部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積は、前記各撮像部転送電極と前記各撮像部シフトレジスタのチャネル領域とが交差する単位ゲート領域の面積より大きいこと、
を特徴とする固体撮像素子。
It includes a plurality of imaging unit shift registers arranged in the row direction, and stores signal charges for each of the plurality of pixels and transfers in the column direction by a plurality of imaging unit transfer electrodes arranged in the column direction, and continuously in the column direction. An imaging unit in which the nine imaging unit transfer electrodes arranged side by side can be driven independently of each other;
A storage unit shift register that takes in the signal charge from the imaging unit shift register and temporarily stores it by a plurality of storage unit transfer electrodes arranged in a row direction and in a column direction corresponding to the plurality of imaging unit shift registers. A storage section in which the three storage section transfer electrodes arranged continuously in the column direction can be driven independently of each other;
Have
The imaging unit shift register is configured to perform standard driving in which three consecutive imaging unit transfer electrodes are driven in three phases as phases different from each other, or three consecutive imaging unit transfer electrodes in three phases are driven in phase. It can be driven by switching whether to use pixel compression drive,
The storage unit transfer electrode has a width corresponding to twice the width of the imaging unit transfer electrode, and an area of a unit gate region where each storage unit transfer electrode and the channel region of each storage unit shift register intersect Is larger than the area of the unit gate region where each of the imaging unit transfer electrodes and the channel region of each imaging unit shift register intersect,
A solid-state imaging device characterized by the above.
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