JP2000012819A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
れた画素(又は光電変換部)の信号ばらつきが低減さ
れ、S/N比が高い固体撮像素子を提供する。 【解決手段】市松状に配置された特定画素の信号は、2
つの水平信号線(又は水平転送レジスタ)の内の一方に
出力され、または一つの出力端子から外部に出力され
る。本発明は、市松状に配置された色フィルタを使用し
てカラー撮像するのに好適である。
Description
するものであり、さらに詳しくは、並列出力構成の固体
撮像素子に関するものである。本発明の固体撮像素子
は、市松状に配置された色フィルタを使用してカラー撮
像するのに好適である。
レス型やCCD型など様々な方式が提案され、実用化に
至っている。まず、従来のX−Yアドレス型固体撮像素
子を図面を参照して説明する。図23は、従来のX−Y
アドレス型固体撮像素子の主な構成を示す回路図であ
る。従来のX−Yアドレス型固体撮像素子は、2次元マ
トリクス状に配置された複数の画素Px1−1〜Px3
−4と、上記画素が接続された垂直信号線22a〜22
dと、列バッファアンプ29a〜29d、クランプ容量
Cc1〜Cc4、列選択トランジスタTH1〜TH4を
介して上記垂直信号線が接続された水平信号線27a,
27bと、水平信号線に接続された出力バッファアンプ
28a,28bと、各画素Px1−1〜Px3−4を駆
動する垂直走査回路7と、各列選択トランジスタTH1
〜TH4を駆動する水平走査回路8から構成されてい
る。
される。画素数が少ない固体撮像素子ならば、1系列の
水平信号線でも良い。しかし、画素数が増大すると感度
や動作速度が不足するという問題が生じるので、複数の
水平信号線を形成し並列に出力するのがより好ましい。
画素Px1−1〜Px3−4の信号は、JFET2のソ
ース(S)から垂直信号線22a〜22dに出力され、
列バッファアンプ29a〜29d、クランプ容量Cc1
〜Cc4、列選択トランジスタTH1〜TH4を経由し
て水平信号線27a,27bに出力され、出力バッファ
アンプ28a,28bを経て出力端子35a,35bか
ら出力(Vout1、Vout2)される。
択トランジスタTH1〜TH4の間にはクランプトラン
ジスタTc1〜Tc4が接続され、クランプ容量の一方
の電極に一定電圧(図23では接地電位GND)を印加
できるようになっている。これは、各画素で生ずるノイ
ズを除去するために配置される。次に図23、図24を
参照しながら画素構造を説明する。図24は、マトリク
ス状に配置された複数の画素の平面図である。各画素
は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイ
オード1と、ソースフォロワ動作により上記電荷に応じ
た信号をソース(S)から出力する接合型電界効果トラ
ンジスタ(以下、JFETという)2と、上記電荷をフ
ォトダイオード1からJFET2に転送する転送ゲート
3と、JFET2を制御するリセットドレイン4とリセ
ットゲート5から構成されている。そして、各JFET
2は、列毎に垂直信号線22a〜22dに接続されてい
る。なお、単位画素構造に関しては、特開平8−293
591にその詳細が開示されている。
を参照して説明する。図25は、従来のCCD型固体撮
像素子の概略構成図である。本素子は、2次元マトリク
ス状に配置された複数のフォトダイオード210と、フ
ォトダイオード210から信号電荷を受け取り列方向に
転送する複数の垂直転送レジスタ220と、垂直転送レ
ジスタ220から信号電荷を受け取り行方向に転送する
水平転送レジスタ240a,240bと、電荷検出部2
50a,250bから構成されている。
電荷は、垂直転送レジスタ220、水平転送レジスタ2
40a、240bを転送され、電荷検出部250a,2
50bで電圧信号に変換されて、出力端子260a,2
60bから出力(Vout1、Vout2)される。図26
は、図25のX1−X2線に沿ったCCD型固体撮像素
子の断面図である。N型半導体基板200上には、P型
ウエル201が設けられる。フォトダイオード210
は、このP型ウエル中に配置される。
電荷は、N型電荷蓄積領域211に蓄積される。N型電
荷蓄積領域211に蓄積された上記信号電荷は、転送電
極224の動作により、先ず垂直転送レジスタ220の
N型転送チャネル領域221に転送され、次いで列方向
に順次転送される。ところで、固体撮像素子をカラー撮
像に使用する場合は、固体撮像素子の各フォトダイオー
ドの上に赤(R)、緑(G)、青(B)のいずれかの色
フィルタが配置される。各々の画素は、それぞれの画素
に配置されたフィルタに対応する色信号を出力する。
は、様々なものが提案されている。図27、図28は、
カラー撮像の際固体撮像素子に配置させる代表的な色フ
ィルタ配列を示している。図27に示す配列において
は、緑(G)の色フィルタが画素に対応して1列おきに
ストライプ状に配置され、残されたその他の画素に対応
して赤(R)及び青(B)の色フィルタが配置されてい
る。
色フィルタが市松状に配置され、残されたその他の画素
に対応して赤(R)及び青(B)の色フィルタが線順次
に配置(一般にベイヤ配列と呼ぶ)されている。従来の
固体撮像素子は、緑(G)の色フィルタが1列おきにス
トライプ状に配置された、図27に示す色フィルタ配列
が好適である。それは、輝度信号の主成分となる緑
(G)の色フィルタを備えた画素の信号が、1つの水平
信号線(図23の27aまたは27b)、または1つの
水平転送レジスタ(図25の240a,または240
b)を経由して、一つの出力端子(図23の35aまた
は35b、図25の260aまたは260b)から出力
されるため、後段の信号処理が容易になると同時に、固
定パターンノイズが減少して、映像信号のS/N比が向
上するためである。
固体撮像素子は、例えば、緑(G)の色フィルタが市松
状に配置された図28に示す色フィルタ配列を備えた時
に、固定パターンノイズが発生し、S/N比が低下する
という問題点があった。これは、市松状に配置された画
素の信号が、2つの異なる経路(水平信号線または水平
転送レジスタ)を経て、2つの異なる出力端子から出力
されるためである。
であり、並列出力構成であって、且つ、市松状に配置さ
れた画素(又は光電変換部)の信号ばらつきが低減さ
れ、S/N比が高い固体撮像素子を提供することを目的
とする。
は、2次元マトリクス状に配置された複数の画素と、前
記画素の信号を出力する複数の出力端子とを備えたX−
Yアドレス型固体撮像素子であって、前記画素のうち、
市松状に配置された特定画素の信号が1つの出力端子か
ら出力され、他の画素の信号が他の出力端子から出力さ
れることを特徴とするものである。
力端子から出力されるため、市松状に配置された画素か
ら出力される信号の固定パターンノイズは減少し、S/
N比が向上する。特に、市松状配列の色フィルタを備え
たときに好適である。請求項2に記載の発明は、2次元
マトリクス状に配置された複数の画素と、前記画素が接
続された複数の垂直信号線と、スイッチを介して前記垂
直信号線が接続された2つの水平信号線とを備えた固体
撮像素子であって、前記垂直信号線のそれぞれには、隣
り合う2列の画素列のうち一方の画素列の奇数行目の画
素、及び、他方の画素列の偶数行目の画素が接続され、
一方の前記水平信号線には奇数番目の前記垂直信号線が
接続され、他方の前記水平信号線には偶数番目の前記垂
直信号線が接続されていることを特徴とするものであ
る。
の信号は、1つの水平信号線を経由して出力されるた
め、固定パターンノイズが減少し、S/N比が向上す
る。特に、市松状配列の色フィルタを備えたときに好適
である。請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記
載された固体撮像素子において、前記画素は、入射光に
応じた電荷を生成する光電変換部と、前記電荷に応じた
信号を垂直信号線に出力する出力部とを有することを特
徴とするものである。また、請求項4に記載の発明は、
請求項3に記載された固体撮像素子において、前記画素
は前記電荷を前記光電変換部から前記出力部に転送する
転送部と、前記出力部を制御する制御部とをさらに有す
ることを特徴とするものである。
そのものではなく、この電荷によって変換された信号
(例えば電荷増幅された信号や電流増幅された信号)を
出力することが可能となる。請求項5に記載の発明は、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子
であって、前記画素の一部に遮光領域が形成され、奇数
行目に配置された画素と偶数行目に配置された画素で、
前記遮光領域の形状が同一であることを特徴とするもの
である。
となり、固定パターンノイズが減少し、S/N比が向上
する。請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5
のいずれかに記載された固体撮像素子であって、前記画
素に対応して複数の種類の色フィルタが配置され、少な
くとも一種類の前記色フィルタが市松状に配置されてい
ることを特徴とする。
素には、色フィルタが配置される。色フィルタは、一般
に複数の色の種類が有る。請求項7の発明は、この複数
の色フィルタの内、少なくとも一色の色フィルタが市松
状に配置される。このため、この色に対応する信号は固
定パターンノイズが減少し、S/N比が向上する。請求
項7に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか
に記載された固体撮像素子であって、前記画素に対応し
て、緑の色フィルタが市松状に配置され、その他の前記
画素に対応して、赤と青の色フィルタが線順次に配置さ
れていることを特徴とするものである。この請求項は、
具体的な色フィルタの種類を示したものである。
ス状に配置された複数の光電変換部と、前記光電変換部
の信号を出力する複数の出力端子とを備えたCCD型固
体撮像素子であって、前記光電変換部のうち、市松状に
配置された特定の光電変換部の信号が1つの出力端子か
ら出力され、他の光電変換部の信号が他の出力端子から
出力されることを特徴とするものである。
つの出力端子から出力されるため、市松状に配置された
光電変換部から出力される信号の固定パターンノイズは
減少し、S/N比が向上する。特に、市松状配列の色フ
ィルタを備えたときに好適である。請求項9に記載の発
明は、2次元マトリクス状に配置された複数の光電変換
部と、前記光電変換部から信号電荷を受け取り列方向に
転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジ
スタから前記信号電荷を受け取り、行方向に転送する2
つの水平転送レジスタとを備えた固体撮像素子であっ
て、前記垂直転送レジスタのそれぞれは、隣り合う2列
の光電変換部のうち一方の列の奇数行目の光電変換部、
及び、他方の列の偶数行目の光電変換部から信号電荷を
受け取り、一方の前記水平転送レジスタは奇数番目の前
記垂直転送レジスタから信号電荷を受け取り、他方の前
記水平転送レジスタは偶数番目の前記垂直転送レジスタ
から信号電荷を受け取ることを特徴とするものである。
1つの水平転送レジスタを経由して出力される。このた
め、固定パターンノイズが減少し、S/N比が向上す
る。市松状配列の色フィルタを備えたときに特に好適で
ある。請求項10に記載の発明は、請求項8または請求
項9のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記光
電変換部の一部に遮光領域が形成され、奇数行目に配置
された光電変換部と偶数行目に配置された光電変換部
で、前記遮光領域の形状が同一であることを特徴とする
ものである。
が同一となり、固定パターンノイズが減少し、S/N比
が向上する。請求項11に記載の発明は、請求項8から
請求項10のいずれかに記載された固体撮像素子であっ
て、前記光電変換部に対応して複数の種類の色フィルタ
が配置され、少なくとも一種類の前記色フィルタが市松
状に配置されていることを特徴とする。
電変換部には、色フィルタが配置される。色フィルタ
は、一般に複数の色の種類が有る。請求項11の発明
は、この複数の色フィルタの内、少なくとも一色の色フ
ィルタが市松状に配置される。このため、この色に対応
する信号は固定パターンノイズが減少し、S/N比が向
上する。
請求項10のいずれかに記載された固体撮像素子であっ
て、前記光電変換部に対応して、緑の色フィルタが市松
状に配置され、その他の前記光電変換部に対応して、赤
と青の色フィルタが線順次に配置されていることを特徴
とする。この請求項は、具体的な色フィルタの種類を示
したものである。
を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は同一ま
たは相当部分を示し、重複する説明は省略する。 〔実施形態1〕図1は、本発明の実施形態1による固体
撮像素子の概略を示す回路図である。
アドレス型固体撮像素子であり、2次元マトリクス状に
配置された複数の画素Px1−1〜Px3−4と、隣り
合う2列の画素が1画素おきに交互に接続された垂直信
号線22a〜22dと、列選択トランジスタTH1〜T
H4を介して垂直信号線22a〜22dが交互に接続さ
れた水平信号線27a、27bと、水平信号線27a、
27bに設けられた出力端子35a,35bと、各画素
Px1−1〜Px3−4を駆動する垂直走査回路7と、
各列選択トランジスタTH1〜TH4を駆動する水平走
査回路8から構成されている。
画素は、行方向、列方向ともに100以上配置される。
図1(並びに別の実施形態を示す各回路図)は、便宜上
その一部を示している。ここでは、画素数を上記のよう
にしたが、本発明は、これに限られるものではない。例
えば、用途に応じて画素は、行方向、列方向とも100
0以上配置させても良い。
22a〜22dのそれぞれに、隣り合う2列の画素列の
うち一方の画素列の奇数行目の画素と他方の画素列の偶
数行目の画素が接続され、また、2つの水平信号線を有
している。即ち、垂直信号線22aは、一行目が図面に
おいて向かって左側の画素(Px1−1)、二行目が右
側の画素(Px2−2)、三行目が左側の画素(Px3
−1)を接続している。そして、垂直信号線22a、2
2cは、列選択トランジスタTH1、TH3を介して一
方の水平信号線27aに接続される。垂直信号線22
b、22dは列選択トランジスタTH2、TH4を介し
て他方の水平信号線27bに接続される。
−3,Px2−2,Px2−4,Px3−1,Px3−
3の画素(市松状に配置された画素)から出力される信
号は、同じ水平信号線を経由して固体撮像素子の外部に
出力することが可能となる。同じ水平信号線を経由する
ので、固定パターンノイズは低減される。また、緑
(G)の色フィルタが市松状に設けられて、対応する画
素(Px1−1,Px1−3,Px2−2,Px2−
4,Px3−1,Px3−3)上に配置される。残され
たその他の画素には、赤(R)と青(B)の色フィルタ
が線順次に配置(ベイヤ配列)される。
(G)の信号が同じ水平信号線27aを経由して出力端
子35aから出力される。また、赤(R)と青(B)の
信号は、他方の水平信号線27bを経由して出力端子3
5bから出力される。以上のように、実施形態1の固体
撮像素子は、市松状に配置された緑(G)の色フィルタ
を備えた画素の信号が、1つの水平信号線27aを経由
して、1つの出力端子35aから出力される。従って、
従来のX−Yアドレス型固体撮像素子と比べて、後段の
信号処理が容易になると同時に、固定パターンノイズが
減少し、S/N比が向上する。 〔実施形態2〕図2は、本発明の実施形態2による固体
撮像素子の概略を示す回路図である。
アドレス型固体撮像素子であり、1つの画素(例えばP
x1−1)が入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフ
ォトダイオード41と、フォトダイオード41の電荷を
垂直信号線22aに転送する行選択トランジスタ42か
ら構成されている。各画素は、フォトダイオード41以
外の領域を遮光性を有する膜(遮光膜)で被覆し、奇数
行目の画素と偶数行目の画素で、遮光領域の形状を同一
としても良い。このようにすれば、奇数行目の画素と偶
数行目の画素は、受光部の面積、形状、光学的重心の位
置が同一となり、受光特性のバラツキが低減される。そ
の他の構成は、実施形態1の固体撮像素子と同一であ
る。
ォトダイオード41に対応して、実施形態1の固体撮像
素子と同様に、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色フ
ィルタが配置されている。このため、緑(G)の信号
は、すべて一方の水平信号線27aを経由して出力端子
35aから出力される。また、赤(R)と青(B)の信
号は、他方の水平信号線27bを経由して出力端子35
bから出力される。
施形態1の固体撮像素子と同様、後段の信号処理が容易
になると同時に、固定パターンノイズが減少し、S/N
比が向上する。 〔実施形態3〕図3は、本発明の実施形態3による固体
撮像素子の概略を示す回路図である。
アドレス型固体撮像素子であり、1つの画素(例えばP
x1−1)が入射光に応じた電荷を生成して蓄積するフ
ォトダイオード51と、フォトダイオード51の電位を
検出しソースフォロワ動作によりソース(S)から出力
するトランジスタ52と、トランジスタ52のソース
(S)と垂直信号線22aとを接続する行選択トランジ
スタ54と、フォトダイオード51とトランジスタ52
を初期化するリセットトランジスタ53から構成されて
いる。なお、フォトダイオード51の電位は、蓄積され
た電荷の量に応じて変動する。
ランジスタ52のソース(S)から行選択トランジスタ
54を介して垂直信号線22a〜22dに出力され、列
バッファアンプ29a〜29d、クランプ容量Cc1〜
Cc4、列選択トランジスタTH1〜TH4を経由して
水平信号線27a,27bに出力され、出力バッファア
ンプ28a,28bを経て、出力端子35a,35bか
ら出力(Vout1、Vout2)される。
2dとの接続関係は実施形態1と同様であり、垂直信号
線22a〜22dのそれぞれに隣り合う2列の画素が1
画素おきに交互に接続される。また、垂直信号線22a
〜22dは、垂直負荷容量Cv1〜Cv4に接続される
とともに、列バッファアンプ29a〜29d、クランプ
容量Cc1〜Cc4を介してクランプトランジスタTC
1〜TC4に接続され、さらに列選択トランジスタTH
1〜TH4を経て、水平信号線27a,27bに交互に
接続される。
施形態1の固体撮像素子と同様、後段の信号処理が容易
になると同時に、固定パターンノイズが減少し、S/N
比が向上する。また、実施形態3の固体撮像素子は、実
施形態2の固体撮像素子と同様に各画素のフォトダイオ
ード51以外の領域を遮光膜で被覆し、奇数行目の画素
と偶数行目の画素で遮光領域の形状を同一にしても良
い。
てトランジスタ52のソースフォロワ動作の帯域が制限
されるためノイズがさらに減少する。即ち、本実施形態
の固体撮像素子は、フォトダイオード51が信号電荷を
蓄積した時のソースフォロワ出力と、フォトダイオード
51の信号電荷をリセットした後のソースフォロワ出力
をクランプ容量Cc1〜Cc4を介して減算処理する。
この処理によって、トランジスタ52のしきい値電圧の
ばらつきによる固定パターンノイズ、ソースフォロワ動
作時の1/fノイズ、列バッファアンプ29a〜29d
のオフセット電圧のばらつきによる固定パターンノイズ
は減少し、S/N比がさらに向上する。 〔実施形態4〕図4は、本発明の実施形態4による固体
撮像素子の構成を示す回路図である。実施形態4による
固体撮像素子はX−Yアドレス型固体撮像素子であり、
実施形態3の固体撮像素子とは画素構成が異なってい
る。また、それに伴って、垂直走査回路やそれに接続さ
れる走査用の配線が異なる。
素、例えばPx1−3は、入射光に応じた電荷を生成し
て蓄積するフォトダイオード1と、ソースフォロワ動作
により上記電荷に応じた信号をソースSから出力する接
合型電界効果トランジスタ(以下、JFETという)2
と、上記電荷をフォトダイオード1からJFET2に転
送する転送ゲート3と、JFET2を制御するリセット
ドレイン4とリセットゲート5から構成されている。
子とほぼ同一である。図5は、本実施形態に係る固体撮
像素子の複数の画素の平面図である。各画素は、フォト
ダイオード1、JFET2、転送ゲート3、リセットド
レイン4、リセットゲート5から構成されている。そし
て、奇数行目に配置された画素と偶数行目に配置された
画素は、構造が反転しており、隣り合う2列の画素のJ
FET2が、1画素おきに交互に垂直信号線22(図4
の垂直信号線22a〜22dに対応する)に接続されて
いる。
の転送ゲート配線20a〜20cに対応する)に、リセ
ットゲート5はリセットゲート配線21(図4のリセッ
トゲート配線21a〜21cに対応する)に、それぞれ
接続されている。リセットドレイン4は、中継配線23
を介して、リセットドレイン配線24(図4のリセット
ドレイン配線24a〜24cに対応する)に接続されて
いる(図7参照)。
は、アルミニウム等の遮光性を有する材料で形成された
リセットドレイン配線24及び垂直信号線22によって
遮光されている。このことにより、奇数行目の画素と偶
数行目の画素は、受光領域の面積、形状、光学的重心の
位置が同一となる。このため、固定パターンノイズがさ
らに減少し、S/N比がさらに向上する。
うに走査用配線や垂直信号線を遮光膜として兼用した。
従って、遮光膜として専用の膜を配置させるよりも製造
工程が減少する。このため、歩留まりが向上し、製造コ
ストが低減される。しかし、逆に、遮光膜専用にアルミ
ニウム膜を形成し、受光領域が開口するようにパターニ
ングしても良い。このようにすれば、配線を遮光膜に兼
用する必要が無く、配線設計の自由度が向上する。
形態1に係る固体撮像素子と同様に各画素のフォトダイ
オード1に赤(R)、緑(G)、青(B)の各色フィル
タを配置している。このため、緑(G)の信号は、すべ
て一方の水平信号線27aを経由して出力端子35aか
ら出力される。このため、後段の信号処理が容易になる
と同時に、固定パターンノイズが減少し、S/N比が向
上する。
固体撮像素子の画素構造をさらに詳細に説明する。図6
は、本実施形態に係る固体撮像素子の1つの画素の平面
図、図7は図6のX1−X2線に沿った断面図、図8は
図6のY1−Y2線に沿った断面図、図9は図6のY3
−Y4線に沿った断面図である。なお、これらの図にお
いて色フィルタは省略されている。
ように、P型半導体基板10上に形成されたN型ウエル
領域11、P型電荷蓄積領域12、高濃度のN型半導体
領域13によって構成される。これにより、NPNP型
の縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォトダ
イオードが形成されている。即ち、埋め込み型のフォト
ダイオード(N,P,N)と縦型オーバーフロードレイ
ン構造(P,N,P)の合わさった構造が形成されてい
る。縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォト
ダイオードの構成は、暗電流、残像、リセットノイズ、
ブルーミング、及びスミアを低減する効果を有する。
N型ソース領域14、P型ゲート領域15、N型ドレイ
ン領域16、N型チャネル領域17から構成されてい
る。転送ゲート3は、図8に示すようにフォトダイオー
ド1とJFET2の境界領域上に絶縁膜33を介して形
成されている。リセットドレイン4は、図7,図9に示
すようにN型ウエル領域11中のP型電荷排出領域18
から構成されている。リセットゲート5は、図7に示す
ようにJFET2とリセットドレイン4の境界領域上に
絶縁膜33を介して形成されている。
は、市松状に配置された緑(G)の色フィルタを備えた
画素の信号が、1つの水平信号線27a、1つの出力バ
ッファアンプ28aを経由して、1つの出力端子35a
から出力される。従って、実施形態1の固体撮像素子と
同様、後段の信号処理が容易になると同時に、固定パタ
ーンノイズが減少し、S/N比が向上する。
素のフォトダイオード1以外の領域が、リセットドレイ
ン配線24及び垂直信号線22によって遮光され、奇数
行目の画素と偶数行目の画素で、遮光領域の形状が同一
であるため、固定パターンノイズが減少し、さらにS/
N比が向上する。また、縦型オーバーフロードレイン構
造及び埋込型のフォトダイオード構造のため、暗電流、
残像、リセットノイズ、及びブルーミング、スミアが低
減される。さらに、垂直負荷容量Cv1〜Cv4によっ
てJFET2のソースフォロワ動作の帯域が制限される
ためノイズが減少し、さらにS/N比が向上する。
ET2のソースフォロワ出力と、フォトダイオード1か
らJFET2へ信号電荷転送後のJFET2のソースフ
ォロワ出力を、クランプ容量Cc1〜Cc4を介して減
算処理(いわゆる相関二重サンプリング処理)すること
によって、JFET2のしきい値電圧のばらつきによる
固定パターンノイズ、ソースフォロワ動作時の1/fノ
イズ、列バッファアンプ29a〜29bのオフセット電
圧のばらつきによる固定パターンノイズが低減するばか
りでなく、リセットゲート5を介してJFET2を初期
化したときに発生するリセットノイズも低減される。こ
のため、さらにS/N比が向上する。 〔実施形態5〕図10は、本発明の実施形態5による固
体撮像素子の構成を示す回路図であり、図11は、その
マトリクス状に配置された複数の画素の平面図である。
ドレス型固体撮像素子であり、実施形態4の固体撮像素
子とは画素構成が異なっている。その他の構成は、実施
形態4の固体撮像素子と同一であり、その説明は省略す
る。ここで、図面を参照して本実施形態に係る固体撮像
素子の画素構造を説明する。図12は、本実施形態に係
る固体撮像素子の1つの画素の平面図であり、図13は
図12のX1−X2線に沿った断面図、図14は図12
のY1−Y2線に沿った断面図、図15は図12のY3
−Y4線に沿った断面図である。
ET2、転送ゲート3、リセットドレイン4、1画素当
たり2つのリセットゲート5、1画素当たり2つのオー
バーフロー制御領域6aから構成されている(図12参
照)。上記フォトダイオード1、JFET2、リセット
ドレイン4、オーバーフロー制御領域6aは、高濃度の
N型半導体基板100上のN型半導体層101中に設け
られる。転送ゲート3、リセットゲート5は、N型半導
体層101上に絶縁膜33を介して設けられる。
示すように、高濃度のN型半導体基板100上に形成さ
れたN型半導体層101、P型電荷蓄積領域12、高濃
度のN型半導体領域13によって構成される。即ち、N
PN型の埋込フォトダイオードが設けられている。JF
ET2は、図13,図14に示すように、高濃度のN型
半導体基板100上のN型半導体層101中に設けられ
ている。従って、JFET2のドレイン領域16は、N
型半導体層101を介して高濃度のN型半導体基板10
0と電気的に接続されている。従って、高濃度のN型半
導体基板100を経由してJFET2のドレイン領域1
6にドレイン電圧VD(図10参照)を供給することが
できる。高濃度のN型半導体基板100は、電気抵抗が
小さいため、たとえ多数の画素を配列しても各JFET
毎のドレイン電圧の変動を抑圧することができる。
がマトリクス状に複数配置された領域)の周囲にコンタ
クトを設けて半導体基板100を経由して供給しても、
又、半導体基板100の裏面にコンタクトを設けて供給
しても良い。リセットドレイン4のP型電荷排出領域1
8は、図13に示すように、中継配線23を介して、リ
セットドレイン配線24に接続されている。
すように、1画素当たり2つの割合で形成されている。
従って、JFET2のP型ゲート領域15とリセットド
レイン4のP型電荷排出領域18はリセットゲート5を
介して行方向に直列に接続されている。オーバーフロー
制御領域6aは、オーバーフローのためにフォトダイオ
ード1とリセットドレイン4の境界領域に配置される。
一般に、過剰な光量がフォトダイオードに入射し、生成
した電荷がフォトダイオードの容量(最大電荷蓄積量)
を越えると、過剰電荷があふれ出しブルーミングを生ず
る。オーバーフロー制御領域6aは、この過剰電荷をリ
セットドレイン4に排出するものであり、ブルーミング
を防止するものである。オーバーフロー制御領域6a
は、図12、図14、図15に示すように、フォトダイ
オード1と、これに隣接する2つのリセットドレイン4
との間に配置される。即ち、オーバーフロー制御領域6
aは、フォトダイオード1とリセットドレイン4の境界
領域に1画素当たり2つの割合で配置される。
画素構造は、NPN型の埋込フォトダイオード1、オー
バーフロー制御領域6a、リセットドレイン4によって
構成され、これにより、埋め込み型フォトダイオードと
横型オーバーフロードレイン構造が形成されている。こ
こで、図10、11に戻って説明する。本実施形態の固
体撮像素子は、上記の画素がマトリクス状に配置され
る。ところで、行方向(図10、11において横方向)
に配置された各画素のJFET2のゲート領域とリセッ
トドレイン4は、リセットゲート5を介して全て直列に
接続されている。この構成により、リセットドレイン配
線の断線による不良が低減される。即ち、ある画素にお
いて、リセットドレイン4とリセットドレイン配線2
4,24a〜24cとの接続が不完全となる解放モード
の不良が発生しても、他の画素のリセットドレイン4か
ら上記画素のJFET2と接続される。このため、断線
となる可能性が非常に小さくなる。
と同一である。このため、実施形態5の固体撮像素子
は、実施形態4の固体撮像素子と同様に固定パターンノ
イズが低減し、S/N比が向上する。また、実施形態5
の固体撮像素子は、リセットドレイン4への接続が不完
全となる解放モードの不良が発生してもJFET2が制
御可能なため、製造歩留まりが向上する。
100を経由して、JFET2のドレイン領域16にド
レイン電圧VDを供給するので、ドレイン電圧の画素毎
の揺らぎが減少して、固定パターンノイズが減少する。
また、フォトダイオード1のP型電荷蓄積領域12と、
反対導電型のN型半導体基板100を使用している。こ
のため、フォトダイオード1深部で発生した信号電荷
(この場合は正孔)もフォトダイオード1に蓄積され感
度が向上する。 〔実施形態6〕図16は、本発明の実施形態6に係る固
体撮像素子のマトリクス状に配置された複数の画素の平
面図である。
ス型固体撮像素子であり、画素に配置されたフォトダイ
オード1,JFET2、転送ゲート3、リセットドレイ
ン4、リセットゲート5及びオーバーフロー制御領域6
aの相対的な位置関係と配線部の形状が実施形態5の固
体撮像素子と異なっている。即ち、実施形態6の固体撮
像素子は、リセットドレイン配線24で覆われた遮光領
域におけるリセットゲート5、垂直信号線22、及び中
継配線23が、奇数行目の画素と偶数行目の画素で同一
の形状及び配置となっている。従って、遮光領域の平面
的な形状のみならず、配線や絶縁膜を含めた画素全体の
断面形状まで同一である。このため、受光特性のばらつ
きがさらに減少する。
の固体撮像素子と同一である(図10参照)。従って、
実施形態6の固体撮像素子は、実施形態5の固体撮像素
子と同様に固定パターンノイズが低減し、S/N比、歩
留まり、及び感度が向上する。また、実施形態6の固体
撮像素子は、偶数行目の画素と奇数行目の画素で、配線
や絶縁膜の断面形状も同一となるため、固定パターンノ
イズが減少し、さらにS/N比が向上する。 〔実施形態7〕図17は、本発明の実施形態7による固
体撮像素子の概略を示す回路図である。実施形態7の固
体撮像素子はX−Yアドレス型固体撮像素子であり、垂
直信号線22a〜22dから出力端子35a,35bま
での構成が、実施形態5の固体撮像素子と異なってい
る。
接続された垂直信号線22a〜22dは、信号出力転送
用トランジスタTS1〜TS4を介して、信号出力蓄積
容量CS1〜CS4に接続されるとともに、列選択トラ
ンジスタTHS1〜THS4を経て、水平信号線27a
または27c(信号出力線)に接続されている。さら
に、垂直信号線22a〜22dは、暗出力転送用トラン
ジスタTD1〜TD4を介して、暗出力蓄積容量CD1
〜CD4に接続されるとともに、列選択トランジスタT
HD1〜THD4を経て、水平信号線27bまたは27
d(暗出力線)に接続されている。つまり、垂直信号線
22a〜22dは、1組の水平信号線(信号出力線27
a,暗出力線27b)と他の組の水平信号線(信号出力
線27c,暗出力線27d)に交互に接続されている。
ァアンプ28a〜28dを介して、差動アンプ34a、
34bに接続されている。このように水平信号線27a
〜27dは、4本配置される。しかし、水平信号線27
aと27b、及び水平信号線27cと27dは、対にな
っている。即ち、2組(2つ)の水平信号線が配置され
ている。
−1,Px2−2,Px3−1が接続される。垂直信号
線22aは、ノイズ(暗出力)を含む光信号を蓄積して
出力する経路(即ち、TS1−CS1−THS1−27
a−28a)と、ノイズ(暗出力)を蓄積して出力する
経路(即ち、TD1−CD1−THD1−27b−28
b)が接続される。それぞれの経路に接続された出力バ
ッファアンプ28a及び28bは、差動アンプ34aに
接続される。そして、それぞれの経路から出力された信
号は、減算処理されて一方の出力端子35aから出力さ
れる。
2,Px2−3,Px3−2が接続される。そして、垂
直信号線22bは、暗出力を含む光信号を蓄積して出力
する経路(即ち、TS2−CS2−THS2−27c−
28c)と、暗出力を蓄積して出力する経路(即ち、T
D2−CD2−THD2−27d−28d)が接続され
る。それぞれの経路に接続された出力バッファアンプ2
8c及び28dは差動アンプ34bに接続され、それぞ
れの経路から出力された信号は減算処理されて他方の出
力端子35bから出力される。
を簡単に説明する。先ず、初期化後(信号電荷転送前)
のJFET2のソースフォロワ出力(暗出力)をCD1
〜CD4に蓄積する。次に、フォトダイオード1からJ
FET2へ信号電荷転送後のJFET2のソースフォロ
ワ出力(信号出力。暗出力成分を含む)をCS1〜CS
4に蓄積する。次いで、列選択トランジスタTHS1〜
THS4、THD1〜THD4、水平信号線27a〜2
7d、出力バッファアンプ28a〜28dを介して、差
動アンプ34a、34bにて、信号出力と暗出力を減算
処理する。この動作によって、いわゆる相関二重サンプ
リング処理がなされ、暗出力成分が差し引かれた真の信
号出力が得られる。
T2のしきい値電圧のばらつきによる固定パターンノイ
ズ」「列バッファアンプ29a〜29dのオフセット電
圧のばらつきによる固定パターンノイズ」「ソースフォ
ロワ動作時の1/fノイズ」「JFET2を初期化した
ときのリセットノイズ」が含まれる。なお、外部のノイ
ズの影響を避けるため、出力バッファアンプ28a〜2
8dは、固体撮像素子の内部に設けることが好ましい。
一方、差動アン34a,34bは、固体撮像素子の外部
に設けても良い。
けて対応する画素(Px1−1,Px1−3,Px2−
2,Px2−4,Px3−1,Px3−3)上に配置し
ているため、緑(G)の信号は、すべて一方の組の水平
信号線27a、27bを経由して出力端子35aから出
力される。また、赤(R)と青(B)の信号は、他方の
組の水平信号線27c、27dを経由して出力端子35
bから出力される。このため、後段の信号処理が容易に
なると同時に、固定パターンノイズが減少し、S/N比
が向上する。 〔実施形態8〕図18は、本発明の実施形態8による固
体撮像素子の概略を示す構成図である。実施形態8によ
る固体撮像素子は、CCD型固体撮像素子であり、2次
元マトリクス状に配置された複数のフォトダイオード2
10と、隣り合う2列のフォトダイオード210から1
つおきに交互に信号電荷を受け取り、列方向に転送する
複数の垂直転送レジスタ220と、垂直転送レジスタ2
20から信号電荷を受け取り行方向に転送する2つの水
平転送レジスタ240a,240bと、電荷検出部25
0a,250bを有している。
には振り分け転送電極(図示せず)が配置され、この電
極によって信号電荷が水平転送レジスタ240aまたは
水平転送レジスタ240bのいずれかに転送される。φ
V1〜φV3は垂直転送レジスタ220の転送電極(後
述)に印加されるパルス電圧であり、φHGは水平転送
レジスタ240a,240b間の振り分け転送電極に印
加されるパルス電圧である。
形態1と同様な配列で赤(R)、緑(G)、青(B)の
色フィルタが配置される。フォトダイオード210で生
成された信号電荷は、垂直転送レジスタ220、水平転
送レジスタ240a、240bを転送され、電荷検出部
250a,250bで電圧信号に変換されて、出力端子
260a,260bから出力(Vout1、Vout2)され
る。
は、垂直転送レジスタ220のそれぞれが、隣り合う2
列のフォトダイオード210から1つおきに交互に信号
電荷を受け取っている。即ち、各々の垂直転送レジスタ
は、一行目が図面において向かって左側の画素、二行目
が右側の画素、三行目が左側の画素から電荷信号を受け
取る。
れから出力される信号電荷は、交互に水平信号レジスタ
240a,240bに転送される。このように接続すれ
ば、市松状に配置された画素から出力される信号電荷
は、同じ水平転送レジスタを経由して固体撮像素子の外
部に出力される。同じ水平転送レジスタを経由するの
で、固定パターンノイズは低減される。
4の固体撮像素子の画素構造をさらに詳細に説明する。
図19は図18の破線で囲まれた領域300の平面図、
図20は図19のX1−X2線に沿った断面図、図21
は図19のX3−X4線に沿った断面図である。なお、
同図において色フィルタは省略されている。フォトダイ
オード210は、図20に示すように、N型半導体基板
200上に形成されたP型ウエル領域201、N型電荷
蓄積領域211、高濃度のP型半導体領域212によっ
て構成される。これにより、PNPN型の縦型オーバー
フロードレイン構造で埋込型のフォトダイオードが形成
されている。即ち、埋め込みフォトダイオード(P,
N,P)と縦型オーバーフロードレイン構造(N,P,
N)の合わさった構造が形成されている。縦型オーバー
フロードレイン構造で埋め込み型のフォトダイオードの
構成は、暗電流、残像、リセットノイズ、ブルーミン
グ、及びスミアを低減する効果を有する。
0に示すように、N型転送チャネル領域221、スミア
ノイズを抑圧するための第2のP型ウエル領域222、
N型転送チャネル領域221上部に絶縁膜202を介し
て形成された転送電極223〜225から構成されてい
る。上記転送電極223〜225は、列方向に3つの電
極で1段分のレジスタ(3相駆動CCD)を構成してお
り、それぞれに駆動パルスφV1〜φV3が印加されて
いる。即ち、行方向に延在する転送電極223、225
と、列方向に延在する転送電極224とが配置され、1
つのフォトダイオード210に対して1段分の垂直転送
レジスタが設けられる。従って、本固体撮像素子は、い
わゆる全画素読み出し方式のCCD型固体撮像素子であ
る。
イオード210の周囲に形成され、フォトダイオード2
10と垂直転送レジスタ220間、及び、列方向に隣接
するフォトダイオード210間を分離している。P型チ
ャネルストッパ230は、図19に示すように、転送ゲ
ートTGの下部には形成されない。従って、各フォトダ
イオード210で生成された信号電荷は、フォトダイオ
ード210に蓄積され、転送ゲートTGがオンすること
によって転送ゲートTGの下部の領域を経由して垂直転
送レジスタ220に転送される。図19〜図21では、
信号電荷の移動する向きを矢印にて示してある。
すように垂直転送レジスタ上の転送電極223〜225
上部に絶縁膜202を介して形成される。転送ゲートT
Gの配置される位置は、奇数行目と偶数行目とで反転し
ている。しかし、遮光膜226によって、受光部の形状
が同一となり、受光特性が均一化される。なお、本実施
形態において、垂直転送レジスタは、3相駆動CCDを
用いた。しかし、これに限らず、4相駆動CCDでも構
わない。
は、市松状に配置された緑(G)の色フィルタを備えた
フォトダイオード210の信号電荷が、1つの水平転送
レジスタ240aを転送され、1つの電荷検出部250
aにて電圧信号に変換され、1つの出力端子260aか
ら出力される。従って、後段の信号処理が容易になると
同時に、固定パターンノイズが減少し、S/N比が向上
する。
行目と偶数行目で、遮光膜226の平面的な形状と配線
や絶縁膜を含めた断面形状が同一であるため、固定パタ
ーンノイズが減少し、さらにS/N比が向上する。ま
た、縦型オーバーフロードレイン構造で埋込型のフォト
ダイオード210を採用しているため、暗電流、残像、
リセットノイズ、及びブルーミング、スミアが減少し、
また、電荷検出部250a,250bの後段で、いわゆ
る相関二重サンプリング処理をすることによって、電荷
検出部250a,250bで発生するリセットノイズ、
及び、1/fノイズが減少する。従って、さらにS/N
比が向上する。
される信号を処理するシステムを説明する。図22は本
発明に係る固体撮像素子から出力された信号を処理する
信号処理装置の一例を示す構成図である。本発明に係る
固体撮像素子は、上記の説明の如く市松状に配置された
画素からの信号を一方の出力端子から、残りの画素から
の信号を他方の信号端子より外部に出力する。そして、
市松状に配置された画素に対応して緑(G)の色フィル
タ、その他の画素に赤(R)と青(B)の色フィルタを
線順次に配置(ベイヤ配列)させるカラー用の固体撮像
素子として好適である。
タが各画素に配置された本発明の固体撮像素子を用いて
カラー撮像し、2つの端子に振り分けられて出力される
信号を画素の位置に対応した時系列信号に戻すものであ
る。実施形態1から実施形態8に示す本発明の固体撮像
素子においては、2つの出力端子から得られる画素の信
号(G信号およびR/B信号)は、同一の駆動クロック
で出力される。従って駆動周波数は画素数で決まる走査
クロック(PIXCLK)の周波数の1/2の周波数に
なっている。そのため、第1のチャネルの走査先頭画素
を基準に水平方向の出力タイミングを見ると、第1のチ
ャネルでは画素に合ったタイミングで出力されて第2の
チャネルでは1画素分早く出力されるラインと、第1の
チャネルでは1画素分早く出力されて第2のチャネルで
は2画素分早く出力されるラインが交互に配置されてい
ることになる。
R,Bの線順次信号が第2のチャネルとして出力され
る。G信号は固体撮像素子の信号出力周波数と同一の周
波数で、出力信号にタイミングに合わせてAD変換され
る。AD変換周波数はPIXCLKの1/2である。G
信号は第1のチャネル出力であるから、水平方向にタイ
ミングをずらさない信号と1画素分DL82(実体はP
IXCLKに同期したDFF)で遅らせた信号をMPX
84において切換え信号HMPXでライン毎に切換え、
どちらの信号も画素位置に対応したPIXCLKに同期
したDFF86でタイミングをとり、信号処理部89に
送られる。なお、信号処理の都合上、各G画素の信号は
水平方向に2画素分の大きさとして信号処理部に送って
いる。これは、緑(G)の色フィルタが配置されていな
い画素に黒画素(0レベル信号)を挿入して出力される
ようにしてもよい。
のチャネルは、第1のチャネル(G信号)と同様に信号
処理された後、DFF88でもう1画素分遅らせて信号
処理部89に送られる。信号処理部89はベイヤ配列用
の信号処理部であり、R/Bの色分離、RGB各色の空
格子点の画素補間、γ処理などの信号処理を施して、全
画素にRGB全ての色信号があるRGB信号として出力
される。
撮像素子は、市松状に配置された画素または光電変換部
から出力される信号の固定パターンノイズを低減するこ
とができ、S/N比が向上するという効果がある。ま
た、本発明の固体撮像素子に少なくとも一種類の色フィ
ルタを市松状に配置してカラー映像信号を出力させれ
ば、固定パターンノイズが低減されたカラー映像信号が
得られ、良好な画質を得ることが可能となる。本発明の
固体撮像素子は、このような配列の色フィルタを使用す
る際に特に好適である。
画素(又は光電変換部)と偶数行目の画素(又は光電変
換部)で遮光領域の平面的な形状を同一とするなら、固
定パターンノイズが減少し、S/N比が向上するという
効果もある。さらに、配線や絶縁膜等を含む画素全体の
断面形状も同一にすれば、固定パターンノイズがさらに
減少し、S/N比がさらに向上する。
部を配置させれば、光電変換部で生じた電荷によって変
換された信号(例えば電荷増幅された信号や電流増幅さ
れた信号)を出力することが可能となる。出力部に蓄積
された信号電荷は、初期化されるまで保持される。従っ
て、このような構成で複数回読み出すことも可能とな
る。
を示す回路図である。
を示す回路図である。
図である。
を示す回路図である。
平面図である。
平面図である。
成を示す回路図である。
状に配置された複数の画素の平面図である。本発明の実
施形態5による固体撮像素子の平面図である。
つの画素の平面図である。
る。
る。
る。
トリクス状に配置された複数の画素の平面図である。
略を示す回路図である。
略を示す構成図である。
である。
る。
る。
号を処理する信号処理装置の一例を示す構成図である。
構成を示す回路図である。
リクス状に配置された複数の画素の平面図である。
ある。
撮像素子の断面図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 2次元マトリクス状に配置された複数の
画素と、前記画素の信号を出力する複数の出力端子とを
備えたX−Yアドレス型固体撮像素子であって、 前記画素のうち、市松状に配置された特定画素の信号が
1つの出力端子から出力され、他の画素の信号が他の出
力端子から出力されることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項2】 2次元マトリクス状に配置された複数の
画素と、 前記画素が接続された複数の垂直信号線と、 スイッチを介して前記垂直信号線が接続された2つの水
平信号線とを備えた固体撮像素子であって、 前記垂直信号線のそれぞれには、隣り合う2列の画素列
のうち一方の画素列の奇数行目の画素、及び、他方の画
素列の偶数行目の画素が接続され、 一方の前記水平信号線には奇数番目の前記垂直信号線が
接続され、他方の前記水平信号線には偶数番目の前記垂
直信号線が接続されていることを特徴とする固体撮像素
子。 - 【請求項3】 前記画素は、入射光に応じた電荷を生成
する光電変換部と、 前記電荷に応じた信号を垂直信号線に出力する出力部と
を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体
撮像素子。 - 【請求項4】 前記画素は前記電荷を前記光電変換部か
ら前記出力部に転送する転送部と、 前記出力部を制御する制御部とをさらに有することを特
徴とする請求項3記載の固体撮像素子。 - 【請求項5】 前記画素の一部に遮光領域が形成され、
奇数行目に配置された画素と偶数行目に配置された画素
で、前記遮光領域の形状が同一であることを特徴とする
請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体撮像素
子。 - 【請求項6】 前記画素に対応して複数の種類の色フィ
ルタが配置され、少なくとも一種類の前記色フィルタが
市松状に配置されていることを特徴とする請求項1から
請求項5のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 【請求項7】 前記画素に対応して、緑の色フィルタが
市松状に配置され、その他の前記画素に対応して、赤と
青の色フィルタが線順次に配置されていることを特徴と
する請求項1から請求項5のいずれかに記載の固体撮像
素子。 - 【請求項8】 2次元マトリクス状に配置された複数の
光電変換部と、前記光電変換部の信号を出力する複数の
出力端子とを備えたCCD型固体撮像素子であって、 前記光電変換部のうち、市松状に配置された特定の光電
変換部の信号が1つの出力端子から出力され、他の光電
変換部の信号が他の出力端子から出力されることを特徴
とする固体撮像素子。 - 【請求項9】 2次元マトリクス状に配置された複数の
光電変換部と、 前記光電変換部から信号電荷を受け取り列方向に転送す
る複数の垂直転送レジスタと、 前記垂直転送レジスタから前記信号電荷を受け取り、行
方向に転送する2つの水平転送レジスタとを備えた固体
撮像素子であって、 前記垂直転送レジスタのそれぞれは、隣り合う2列の光
電変換部のうち一方の列の奇数行目の光電変換部、及
び、他方の列の偶数行目の光電変換部から信号電荷を受
け取り、 一方の前記水平転送レジスタは奇数番目の前記垂直転送
レジスタから信号電荷を受け取り、他方の前記水平転送
レジスタは偶数番目の前記垂直転送レジスタから信号電
荷を受け取ることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項10】 前記光電変換部の一部に遮光領域が形
成され、奇数行目に配置された光電変換部と偶数行目に
配置された光電変換部で、前記遮光領域の形状が同一で
あることを特徴とする請求項8または請求項9のいずれ
かに記載の固体撮像素子。 - 【請求項11】 前記光電変換部に対応して複数の種類
の色フィルタが配置され、少なくとも一種類の前記色フ
ィルタが市松状に配置されていることを特徴とする請求
項8から請求項10のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 【請求項12】 前記光電変換部に対応して、緑の色フ
ィルタが市松状に配置され、その他の前記光電変換部に
対応して、赤と青の色フィルタが線順次に配置されてい
ることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか
に記載の固体撮像素子。
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JP10169874A JP2000012819A (ja) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | 固体撮像素子 |
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JP10169874A JP2000012819A (ja) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | 固体撮像素子 |
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Publication Number | Publication Date |
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