JP2002033963A - 構成可能な出力に対応した画像センサの画素 - Google Patents
構成可能な出力に対応した画像センサの画素Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 画像センサにおいて、画素の位置ではなく画
素の属性に固有の、並列の出力チャネルをもつセンサ構
造が必要である。 【解決手段】 アクティブ画素方式の画像センサ２０
は、ローおよびコラム形状に形成された画素１〜４のア
レーであって、これら画素の各々は少なくとも一つのア
クティブな回路素子を含む画素アレー、複数の出力チャ
ネル２１〜２４であって、これら出力チャネルの各々は
少なくとも一つのコラムにおける画素のサブセットに作
動的に接続された出力チャネル２１〜２４、およびチャ
ネル２１〜２４の各々に対してバッファを経た出力を供
給する出力構造を含む。
素の属性に固有の、並列の出力チャネルをもつセンサ構
造が必要である。 【解決手段】 アクティブ画素方式の画像センサ２０
は、ローおよびコラム形状に形成された画素１〜４のア
レーであって、これら画素の各々は少なくとも一つのア
クティブな回路素子を含む画素アレー、複数の出力チャ
ネル２１〜２４であって、これら出力チャネルの各々は
少なくとも一つのコラムにおける画素のサブセットに作
動的に接続された出力チャネル２１〜２４、およびチャ
ネル２１〜２４の各々に対してバッファを経た出力を供
給する出力構造を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体画像センサ装
置に関し、特にＣＭＯＳベースのアクティブな画素セン
サに関する。
置に関し、特にＣＭＯＳベースのアクティブな画素セン
サに関する。
【０００２】
【従来の技術】電荷結合素子（ＣＣＤ）については多く
の先行技術の開示があり、それら開示によって、多重か
つ並列の出力チャネルの形成が画像センサに対して有効
なことが明らかにされている。Ｔ−Ｈ Ｌｅｅ，Ｔ．
Ｊ．Ｔｒｅｄｗｅｌｌ，Ｂ．Ｃ．Ｂｕｒｋｅｙ，Ｃ．Ａ
ｎａｇｎｏｓｔｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｓ．Ｈａｙｗａｒ
ｄ，Ｔ．Ｍ．Ｋｅｌｌｙ，Ｒ．Ｐ．Ｋｈｏｓｌａ，Ｄ．
Ｌ．Ｌｏｓｅｅ，およびＪ．Ｐ．Ｌａｖｉｎｅ著「１秒
当たり２０００フレームでの画像記録用固体画像セン
サ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．ＥＤ−１
９，Ｎｏ．９，１４６９〜１４７７頁、１９８２年９
月）などの先行技術の画像センサの文献に、多重並列出
力チャネルを用いた高速画像センサが開示されている。
これら先行技術の画像センサでは、画素は通常センサ内
での位置に基づいて配置されている。したがって、これ
らの装置は、（色または感度などの）特定の画素属性を
用いたチャネル構成になっていない、という欠点をも
つ。画素の感度は色または感応性などの属性に依存する
ために、高速センサの作製においては、一つのチャネル
をこれら属性中のある一つの属性に割り当てることが望
ましい。
の先行技術の開示があり、それら開示によって、多重か
つ並列の出力チャネルの形成が画像センサに対して有効
なことが明らかにされている。Ｔ−Ｈ Ｌｅｅ，Ｔ．
Ｊ．Ｔｒｅｄｗｅｌｌ，Ｂ．Ｃ．Ｂｕｒｋｅｙ，Ｃ．Ａ
ｎａｇｎｏｓｔｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｓ．Ｈａｙｗａｒ
ｄ，Ｔ．Ｍ．Ｋｅｌｌｙ，Ｒ．Ｐ．Ｋｈｏｓｌａ，Ｄ．
Ｌ．Ｌｏｓｅｅ，およびＪ．Ｐ．Ｌａｖｉｎｅ著「１秒
当たり２０００フレームでの画像記録用固体画像セン
サ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．ＥＤ−１
９，Ｎｏ．９，１４６９〜１４７７頁、１９８２年９
月）などの先行技術の画像センサの文献に、多重並列出
力チャネルを用いた高速画像センサが開示されている。
これら先行技術の画像センサでは、画素は通常センサ内
での位置に基づいて配置されている。したがって、これ
らの装置は、（色または感度などの）特定の画素属性を
用いたチャネル構成になっていない、という欠点をも
つ。画素の感度は色または感応性などの属性に依存する
ために、高速センサの作製においては、一つのチャネル
をこれら属性中のある一つの属性に割り当てることが望
ましい。
【０００３】ＣＭＯＳアクティブ画素方式の画像センサ
は急速に開発が進められ、多くの用途で電荷結合素子を
補完および取り替わってきている。ＣＭＯＳ画像センサ
には、低電力動作に加えて、オンチップでの信号処理お
よび制御機能に適した高度の集積機能をＣＭＯＳ技術に
よって得ることができる、という利点がある。このた
め、この技術は、低価格の携帯型画像形成装置等の多く
のコンシューマ用途に適する。しかしながら、ＣＭＯＳ
センサは、出力チャネルが隣接画素の仕切りに基づく構
造であるために、工業用カメラおよび高フレーム速度記
録の分野においては不利な面があった。
は急速に開発が進められ、多くの用途で電荷結合素子を
補完および取り替わってきている。ＣＭＯＳ画像センサ
には、低電力動作に加えて、オンチップでの信号処理お
よび制御機能に適した高度の集積機能をＣＭＯＳ技術に
よって得ることができる、という利点がある。このた
め、この技術は、低価格の携帯型画像形成装置等の多く
のコンシューマ用途に適する。しかしながら、ＣＭＯＳ
センサは、出力チャネルが隣接画素の仕切りに基づく構
造であるために、工業用カメラおよび高フレーム速度記
録の分野においては不利な面があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上の記述から、画素
の位置ではなく画素の属性に固有の、並列の出力チャネ
ルをもつセンサ構造が当業界で必要なことは明らかであ
る。
の位置ではなく画素の属性に固有の、並列の出力チャネ
ルをもつセンサ構造が当業界で必要なことは明らかであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、高フレーム速
度性能を有し、かつそれによって動画捕獲機能が得られ
る、ＣＭＯＳ画像センサ用の画素構造を提供することに
より先行技術の欠点を解決する。この画素構成は、ロー
(rows)およびコラム(colums)形状に形成された画素アレ
ーを含むＣＭＯＳベースのアクティブ画素方式画像セン
サを備えており、画素の各々は少なくとも一つのアクテ
ィブな回路素子を含む。複数の出力チャネルが存在し、
この出力チャネルは、各画素が同じ属性をもつ画素のサ
ブセットに、各チャネルが作動的に接続するように形成
されている。
度性能を有し、かつそれによって動画捕獲機能が得られ
る、ＣＭＯＳ画像センサ用の画素構造を提供することに
より先行技術の欠点を解決する。この画素構成は、ロー
(rows)およびコラム(colums)形状に形成された画素アレ
ーを含むＣＭＯＳベースのアクティブ画素方式画像セン
サを備えており、画素の各々は少なくとも一つのアクテ
ィブな回路素子を含む。複数の出力チャネルが存在し、
この出力チャネルは、各画素が同じ属性をもつ画素のサ
ブセットに、各チャネルが作動的に接続するように形成
されている。
【０００６】またこの画素構成には、画素の中心に対し
て対称に位置した、出力ゲート領域およびシャッタゲー
ト領域が設けられている。シャッタゲートと転送ゲート
とを、画素の中心に対して対称に配置することによっ
て、上記ゲートへの電子の転送効率を高めることができ
る。「画素出力バス」構造によってコラム方向の信号バ
スへの設計可能な接続が許容され、それにより並列な出
力チャネルが可能になる。画素は一括式の電子的シャッ
タ動作に対応した構造を有して、全ての画素が画素アレ
ー面への入射画像光に同時に露光されるように設計され
る。本発明は、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）ア
クティブ画素センサ（ＡＰＳ）技術を用いた高フレーム
速度画像センサであって、好適にはピンフォトダイオー
ドを組み込んだ画像センサへの適用を目的とする。
て対称に位置した、出力ゲート領域およびシャッタゲー
ト領域が設けられている。シャッタゲートと転送ゲート
とを、画素の中心に対して対称に配置することによっ
て、上記ゲートへの電子の転送効率を高めることができ
る。「画素出力バス」構造によってコラム方向の信号バ
スへの設計可能な接続が許容され、それにより並列な出
力チャネルが可能になる。画素は一括式の電子的シャッ
タ動作に対応した構造を有して、全ての画素が画素アレ
ー面への入射画像光に同時に露光されるように設計され
る。本発明は、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）ア
クティブ画素センサ（ＡＰＳ）技術を用いた高フレーム
速度画像センサであって、好適にはピンフォトダイオー
ドを組み込んだ画像センサへの適用を目的とする。
【０００７】本発明のアクティブ画素方式の画像センサ
は、ローおよびコラム形状に形成された画素のアレーで
あって、画素の各々は少なくとも一つのアクティブな回
路素子を含む画素アレーと、複数の出力チャネルであっ
て、出力チャネルの各々はコラムの少なくとも１つの画
素のサブセットに作動的に接続された複数の出力チャネ
ルと、チャネルの各々に対してバッファを経た出力を供
給する出力構造と、を含むことを特徴とする。
は、ローおよびコラム形状に形成された画素のアレーで
あって、画素の各々は少なくとも一つのアクティブな回
路素子を含む画素アレーと、複数の出力チャネルであっ
て、出力チャネルの各々はコラムの少なくとも１つの画
素のサブセットに作動的に接続された複数の出力チャネ
ルと、チャネルの各々に対してバッファを経た出力を供
給する出力構造と、を含むことを特徴とする。
【０００８】また、本発明の画像センサは、サブセット
の各々はある特定の感度をもつ画素を有することを特徴
とする。
の各々はある特定の感度をもつ画素を有することを特徴
とする。
【０００９】更に、本発明の画像センサは、サブセット
の各々はある特定の色に対して感度が高い画素を含むこ
とを特徴とする。
の各々はある特定の色に対して感度が高い画素を含むこ
とを特徴とする。
【００１０】本発明によって、（１）金属ルーティング
層を変化させるだけで種々の単色出力形式またはＣＦＡ
パターンの画素出力グループの変化に適応できる、
（２）全ての画素が同じ捕獲時間ウィンドウを有するこ
とにより動画場面に対して忠実な電子的シャッタ動作が
可能、（３）対称形の一括形シャッタゲートおよび転送
ゲートを設けたことにより画素に関連した固定パターン
ノイズを最小限にできる、という効果が得られる。
層を変化させるだけで種々の単色出力形式またはＣＦＡ
パターンの画素出力グループの変化に適応できる、
（２）全ての画素が同じ捕獲時間ウィンドウを有するこ
とにより動画場面に対して忠実な電子的シャッタ動作が
可能、（３）対称形の一括形シャッタゲートおよび転送
ゲートを設けたことにより画素に関連した固定パターン
ノイズを最小限にできる、という効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、ＢａｙｅｒＣＦＡパター
ン構造と呼ばれる先行技術の単位カーネル１０の一例で
あり、４画素の単位カーネル１０のＧ（緑）、Ｒ
（赤）、およびＢ（青）は、個々の画素の色感応性を示
している。単位カーネル１０中に図示した２×２パター
ンは、従来の先行技術の画像センサ構造である。この能
動素子の種々の部分を形成する処理ステップの間に、フ
ォトダイオードなどの光電変換手段が半導電層中に形成
される。これらステップとして、フォトリソグラフィに
よるマスク形成、イオン注入、拡散、および酸化があ
る。この種々の部分の例として、フォトダイオード、金
属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）、およびアイソレーションがある。さらに、多結晶
シリコンおよびシリコン酸化膜層が半導電層上に堆積お
よびパターニングされて、トランジスタが形成される。
最後に、アイソレーション用絶縁層が半導体能動素子と
金属配線層間に覆われる。前記金属配線層のパターニン
グにより素子間が接続され、特定の電子的機能を果たす
回路が形成される。画像センサの作製においては、カラ
ーフィルタアレー（ＣＦＡ）およびマイクロレンズなど
の付加的な層が使用される。ＣＦＡ層は、画像を形成す
る画素アレー上に重畳されたモザイク状のＣＦＡカーネ
ルからなる。各カーネルは、パターン化された特定色の
画素領域を含んで、下部の各光検出素子にはある特定の
色の光線のみが照射されるようになっている。
ン構造と呼ばれる先行技術の単位カーネル１０の一例で
あり、４画素の単位カーネル１０のＧ（緑）、Ｒ
（赤）、およびＢ（青）は、個々の画素の色感応性を示
している。単位カーネル１０中に図示した２×２パター
ンは、従来の先行技術の画像センサ構造である。この能
動素子の種々の部分を形成する処理ステップの間に、フ
ォトダイオードなどの光電変換手段が半導電層中に形成
される。これらステップとして、フォトリソグラフィに
よるマスク形成、イオン注入、拡散、および酸化があ
る。この種々の部分の例として、フォトダイオード、金
属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）、およびアイソレーションがある。さらに、多結晶
シリコンおよびシリコン酸化膜層が半導電層上に堆積お
よびパターニングされて、トランジスタが形成される。
最後に、アイソレーション用絶縁層が半導体能動素子と
金属配線層間に覆われる。前記金属配線層のパターニン
グにより素子間が接続され、特定の電子的機能を果たす
回路が形成される。画像センサの作製においては、カラ
ーフィルタアレー（ＣＦＡ）およびマイクロレンズなど
の付加的な層が使用される。ＣＦＡ層は、画像を形成す
る画素アレー上に重畳されたモザイク状のＣＦＡカーネ
ルからなる。各カーネルは、パターン化された特定色の
画素領域を含んで、下部の各光検出素子にはある特定の
色の光線のみが照射されるようになっている。
【００１２】有効画素出力速度が一秒当たり数百万画素
に達する高フレーム速度の画像センサにおいては、多重
並列チャネルが用いられる。このようなセンサを記載し
た文献として、Ｔ−Ｈ Ｌｅｅ，Ｔ．Ｊ．Ｔｒｅｄｗｅ
ｌｌ，Ｂ．Ｃ．Ｂｕｒｋｅｙ，Ｃ．Ａｎａｇｎｏｓｔｏ
ｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｓ．Ｈａｙｗａｒｄ，Ｔ．Ｍ．Ｋｅ
ｌｌｙ，Ｒ．Ｐ．Ｋｈｏｓｌａ，Ｄ．Ｌ．Ｌｏｓｅｅ，
およびＪ．Ｐ．Ｌａｖｉｎｅ著「一秒当たり２０００フ
レームの速度での画像記録用固体画像センサ」（ＩＥＥ
Ｅ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．ＥＤ−１９，Ｎｏ．
９，１４６９〜１４７７頁、１９８２年９月）がある。
この先行技術の文献（およびその他の文献）に、センサ
内の位置に基づいて配置された多重の並列チャネルが開
示されている。しかしながら、これらの文献には、特定
の画素属性を用いたチャネル形成については開示がな
い。画素の感度は色や感応性などの属性に依存するため
に、高速センサの作製においては、一つのチャネルをこ
れら属性中のある一つの属性に割り当てることが望まし
い。チャネルの電子回路はこの特定の属性に合わせて最
適化され、例えば電子回路の利得が最適レベルに設定さ
れる。したがって、同じ属性をもつ画素は全て専用の接
続マトリクスを用いて一つの出力チャネルに接続された
後、該属性をもつ画素はある選択された出力チャネルに
結線される。この出力チャネルは、その出力チャネルに
出力される属性に固有の電子回路をもつ。
に達する高フレーム速度の画像センサにおいては、多重
並列チャネルが用いられる。このようなセンサを記載し
た文献として、Ｔ−Ｈ Ｌｅｅ，Ｔ．Ｊ．Ｔｒｅｄｗｅ
ｌｌ，Ｂ．Ｃ．Ｂｕｒｋｅｙ，Ｃ．Ａｎａｇｎｏｓｔｏ
ｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｓ．Ｈａｙｗａｒｄ，Ｔ．Ｍ．Ｋｅ
ｌｌｙ，Ｒ．Ｐ．Ｋｈｏｓｌａ，Ｄ．Ｌ．Ｌｏｓｅｅ，
およびＪ．Ｐ．Ｌａｖｉｎｅ著「一秒当たり２０００フ
レームの速度での画像記録用固体画像センサ」（ＩＥＥ
Ｅ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．ＥＤ−１９，Ｎｏ．
９，１４６９〜１４７７頁、１９８２年９月）がある。
この先行技術の文献（およびその他の文献）に、センサ
内の位置に基づいて配置された多重の並列チャネルが開
示されている。しかしながら、これらの文献には、特定
の画素属性を用いたチャネル形成については開示がな
い。画素の感度は色や感応性などの属性に依存するため
に、高速センサの作製においては、一つのチャネルをこ
れら属性中のある一つの属性に割り当てることが望まし
い。チャネルの電子回路はこの特定の属性に合わせて最
適化され、例えば電子回路の利得が最適レベルに設定さ
れる。したがって、同じ属性をもつ画素は全て専用の接
続マトリクスを用いて一つの出力チャネルに接続された
後、該属性をもつ画素はある選択された出力チャネルに
結線される。この出力チャネルは、その出力チャネルに
出力される属性に固有の電子回路をもつ。
【００１３】本発明における画素の出力バス領域は、金
属／ビア／接点層を変化させるだけで最終的な接続を決
定することができる。したがって、出力チャネルの割り
当ては、製造プロセスでの金属／ビア／接点のマスキン
グステップに係わる最小限の価格で、種々のＣＦＡパタ
ーンに応じて修正することができる。このことを、２本
または４本のいずれかの出力コラムバスを用いた４チャ
ネル構成例を表した、図２〜図５および図６〜図８に示
す。
属／ビア／接点層を変化させるだけで最終的な接続を決
定することができる。したがって、出力チャネルの割り
当ては、製造プロセスでの金属／ビア／接点のマスキン
グステップに係わる最小限の価格で、種々のＣＦＡパタ
ーンに応じて修正することができる。このことを、２本
または４本のいずれかの出力コラムバスを用いた４チャ
ネル構成例を表した、図２〜図５および図６〜図８に示
す。
【００１４】図２は、本発明の一例を表すブロック図で
あって、画像センサ２０がＣＦＡに接続された並列の出
力チャネル２１，２２，２３，２４をもつ構成例のブロ
ック図である。ＣＦＡは、図１のＢａｙｅｒパターン接
続マトリクスなどの４画素のカーネルをもつ。図２に示
した画像センサ２０には、図１に示した先行技術の画像
センサ９とは基本的に相違点がある。すなわち、カーネ
ル内の四つの画素１，２，３，４の各々は独立した出力
チャネル２１，２２，２３，２４のいずれか一つに接続
され、それにより総ての画素１は、画素１と出力チャネ
ル２１とを接続する導電性トレース１１(conductive t
races)に接続されるようになっている。同様に、画素
２，３，４はそれぞれ導電性トレース１２，１３，１４
を通じて出力チャネル２２，２３，２４に接続される。
導電性トレース１１，１２，１３，１４は、ビア６６を
介して画素１，２，３，４に接続する。このビア６６を
介した接続は、画像センサ２０の製造の初期段階で結線
できるように、または種々の形に構成できるように設計
されている。
あって、画像センサ２０がＣＦＡに接続された並列の出
力チャネル２１，２２，２３，２４をもつ構成例のブロ
ック図である。ＣＦＡは、図１のＢａｙｅｒパターン接
続マトリクスなどの４画素のカーネルをもつ。図２に示
した画像センサ２０には、図１に示した先行技術の画像
センサ９とは基本的に相違点がある。すなわち、カーネ
ル内の四つの画素１，２，３，４の各々は独立した出力
チャネル２１，２２，２３，２４のいずれか一つに接続
され、それにより総ての画素１は、画素１と出力チャネ
ル２１とを接続する導電性トレース１１(conductive t
races)に接続されるようになっている。同様に、画素
２，３，４はそれぞれ導電性トレース１２，１３，１４
を通じて出力チャネル２２，２３，２４に接続される。
導電性トレース１１，１２，１３，１４は、ビア６６を
介して画素１，２，３，４に接続する。このビア６６を
介した接続は、画像センサ２０の製造の初期段階で結線
できるように、または種々の形に構成できるように設計
されている。
【００１５】図３は別のＣＦＡパターンであって、カー
ネルが、総てのロー５，６，７，８を占める色のストラ
イプで（縞模様で）形成されたている。必要なコラムバ
スの数は４に増えている。図２に示したセンサと同様の
Ｂａｙｅｒパターンに変換するには、上記コラムバス中
の二つだけが接続されて、残りのコラムバスは未使用状
態になるように、ビア６６を形成する。画像センサ２９
は、該センサ２９のＣＦＡに接続された、並列の出力チ
ャネル２５，２６，２７，２８をもつ。ＣＦＡはロー
５，６，７，８内に配置された４画素のカーネルをも
ち、カーネル内の画素のロー５，６，７，８の各々は独
立した出力チャネル２５，２６，２７，２８のいずれか
一つに接続される。ロー５，６，７，８内の画素の各々
は導電性トレース３１に接続され、トレース３１は、ビ
ア６６を介して画素と出力チャネル２５，２６，２７，
２８とを接続させる。このビア６６を介した接続は、画
像センサ２０の製造の初期段階で結線できるように、あ
るいは種々の形態に構成できるように設計されている。
ネルが、総てのロー５，６，７，８を占める色のストラ
イプで（縞模様で）形成されたている。必要なコラムバ
スの数は４に増えている。図２に示したセンサと同様の
Ｂａｙｅｒパターンに変換するには、上記コラムバス中
の二つだけが接続されて、残りのコラムバスは未使用状
態になるように、ビア６６を形成する。画像センサ２９
は、該センサ２９のＣＦＡに接続された、並列の出力チ
ャネル２５，２６，２７，２８をもつ。ＣＦＡはロー
５，６，７，８内に配置された４画素のカーネルをも
ち、カーネル内の画素のロー５，６，７，８の各々は独
立した出力チャネル２５，２６，２７，２８のいずれか
一つに接続される。ロー５，６，７，８内の画素の各々
は導電性トレース３１に接続され、トレース３１は、ビ
ア６６を介して画素と出力チャネル２５，２６，２７，
２８とを接続させる。このビア６６を介した接続は、画
像センサ２０の製造の初期段階で結線できるように、あ
るいは種々の形態に構成できるように設計されている。
【００１６】図４は、図３と同じ４本コラムバス構成
を、最小限の内部接続マスキング変換を用いて、図示の
４×４カラーモザイクパターンを色固有の出力チャネル
に結線できるように再構成可能なことを示している。こ
のような４×４パターンの例は、Ｈａｍｉｌｔｏｎ他に
よる米国特許第５，６３１，７０３号に開示されてい
る。図４に示したパターンは補色パターンであって、イ
ェローカラーフィルタＹ、シアンカラーフィルタＣ、マ
ゼンタカラーフィルタＭ、およびグリーンカラーフィル
タＧが備わっている。画素４１，４２，４３，４４内の
画素の各々は、ビア６６を介して導電性トレース３１に
接続され、さらにトレース３１を通じて出力チャネル４
５，４６，４７，４８に接続される。
を、最小限の内部接続マスキング変換を用いて、図示の
４×４カラーモザイクパターンを色固有の出力チャネル
に結線できるように再構成可能なことを示している。こ
のような４×４パターンの例は、Ｈａｍｉｌｔｏｎ他に
よる米国特許第５，６３１，７０３号に開示されてい
る。図４に示したパターンは補色パターンであって、イ
ェローカラーフィルタＹ、シアンカラーフィルタＣ、マ
ゼンタカラーフィルタＭ、およびグリーンカラーフィル
タＧが備わっている。画素４１，４２，４３，４４内の
画素の各々は、ビア６６を介して導電性トレース３１に
接続され、さらにトレース３１を通じて出力チャネル４
５，４６，４７，４８に接続される。
【００１７】図５は、前述の図３および図４と同様の４
本コラムバス構成であって、画素の感度(sensitivity)
に基づくモザイクパターンに合わせて再構成され、かつ
感度固有の出力チャネルをもつ４本コラムバス構成であ
る。図５に示すように、４種類の画素感度Ｓ１，Ｓ２，
Ｓ３，Ｓ４が存在し、各々はビア６６を介して導電性ト
レース５１に接続され、さらにトレース５１を通じて出
力チャネル４５，４６，４７，４８に接続される。
本コラムバス構成であって、画素の感度(sensitivity)
に基づくモザイクパターンに合わせて再構成され、かつ
感度固有の出力チャネルをもつ４本コラムバス構成であ
る。図５に示すように、４種類の画素感度Ｓ１，Ｓ２，
Ｓ３，Ｓ４が存在し、各々はビア６６を介して導電性ト
レース５１に接続され、さらにトレース５１を通じて出
力チャネル４５，４６，４７，４８に接続される。
【００１８】高フレーム速度の画像形成においては、電
子的に制御されたタイミング信号を用いて、一つの場面
に対して全ての画素を同時に露光させることが望まし
い。電荷結合素子（ＣＣＤ）方式の画像センサにおいて
は、通常この操作は、垂直方向オーバフロードレイン
（ＶＯＤ）を用いて行われる。ＣＭＯＳ ＡＰＳでこの
方法を用いると、複雑な処理ステップの追加およびそれ
による価格増加を招く。本発明によって、付加的なリセ
ットトランジスタを画素構造内に用いることで、浮動拡
散検出ノード中の転送ゲートおよびリセットゲートとは
別個にフォトダイオード検出ノードをリセットできる、
ことが明らかにされる。この電子的シャッタノードは、
フォトダイオードのレイアウトが二つのトランジスタゲ
ートに対して対称になるように設計されている。これら
二つのトランジスタゲートは、集積された光キャリアを
検出ノード（転送ゲート）またはリセットノード（電子
的シャッタゲート）のいずれかに転送する働きをする。
この二重ゲート構造のフォトダイオードを用いて、各ゲ
ートをアレー内の全画素に一括して接続することによ
り、画素の露光タイミングを、フォトダイオードの一括
リセットと検出ノードへの光電荷の一括転送との間の時
間間隔によって決定することができる。以上の構成を図
６〜図８に示す。
子的に制御されたタイミング信号を用いて、一つの場面
に対して全ての画素を同時に露光させることが望まし
い。電荷結合素子（ＣＣＤ）方式の画像センサにおいて
は、通常この操作は、垂直方向オーバフロードレイン
（ＶＯＤ）を用いて行われる。ＣＭＯＳ ＡＰＳでこの
方法を用いると、複雑な処理ステップの追加およびそれ
による価格増加を招く。本発明によって、付加的なリセ
ットトランジスタを画素構造内に用いることで、浮動拡
散検出ノード中の転送ゲートおよびリセットゲートとは
別個にフォトダイオード検出ノードをリセットできる、
ことが明らかにされる。この電子的シャッタノードは、
フォトダイオードのレイアウトが二つのトランジスタゲ
ートに対して対称になるように設計されている。これら
二つのトランジスタゲートは、集積された光キャリアを
検出ノード（転送ゲート）またはリセットノード（電子
的シャッタゲート）のいずれかに転送する働きをする。
この二重ゲート構造のフォトダイオードを用いて、各ゲ
ートをアレー内の全画素に一括して接続することによ
り、画素の露光タイミングを、フォトダイオードの一括
リセットと検出ノードへの光電荷の一括転送との間の時
間間隔によって決定することができる。以上の構成を図
６〜図８に示す。
【００１９】図６は、実質的に画素を二等分する対称線
８０が引かれた、高フレーム速度対応の画素構造のブロ
ック図である。画素内で転送ゲート７１およびシャッタ
ゲート７２は、画素の中心からの転送ゲート７１の位置
がシャッタゲート７２と等距離であるように形成され
る。シャッタゲート７２と転送ゲート７１との配置は、
画素の中心から等距離であるだけでなく、対称線８０に
対して対称であるようになっている。これにより画素か
らの電子放出性が著しく向上し、本発明の多重チャネル
素子などの高速素子において有用性が高まる。画素７０
内の対称線８０を中心としたシャッタゲート７２および
転送ゲート７１のレイアウトは、図６に示したものに限
定されない。シャッタゲートと転送ゲートとを画素中心
から等距離であるように設置できる画素構造であれば、
本質的にこれらシャッタゲートと転送ゲートとの間に対
称線を引くことができる。このことは、方形、矩形、円
形、および長円形の形に作製されたフォトディテクタを
もつ画素構造によって容易に理解することができる。好
適な実施形態における「画素出力バス」は、通常チャネ
ル１，２，３，４（８１，８２，８３，８４）に対応し
た４本のコラムバスのいずれか一つに連結した(connec
t)セレクトトランジスタをもつ。この連結は、接点／ビ
ア６１，６２，６３，６４の内の一つを用いて４本のコ
ラムバスの内の一つに画素出力バスを選択的に接続する
ことによって行われ、この接続は、バックエンドメタル
(backend metal)ビアマスク層を変更するだけで実施で
きる。プロセスシーケンスの最終段階で上記マスク変更
を行うことにより、センサを種々のＣＦＡパターンに応
じて構成することができる。
８０が引かれた、高フレーム速度対応の画素構造のブロ
ック図である。画素内で転送ゲート７１およびシャッタ
ゲート７２は、画素の中心からの転送ゲート７１の位置
がシャッタゲート７２と等距離であるように形成され
る。シャッタゲート７２と転送ゲート７１との配置は、
画素の中心から等距離であるだけでなく、対称線８０に
対して対称であるようになっている。これにより画素か
らの電子放出性が著しく向上し、本発明の多重チャネル
素子などの高速素子において有用性が高まる。画素７０
内の対称線８０を中心としたシャッタゲート７２および
転送ゲート７１のレイアウトは、図６に示したものに限
定されない。シャッタゲートと転送ゲートとを画素中心
から等距離であるように設置できる画素構造であれば、
本質的にこれらシャッタゲートと転送ゲートとの間に対
称線を引くことができる。このことは、方形、矩形、円
形、および長円形の形に作製されたフォトディテクタを
もつ画素構造によって容易に理解することができる。好
適な実施形態における「画素出力バス」は、通常チャネ
ル１，２，３，４（８１，８２，８３，８４）に対応し
た４本のコラムバスのいずれか一つに連結した(connec
t)セレクトトランジスタをもつ。この連結は、接点／ビ
ア６１，６２，６３，６４の内の一つを用いて４本のコ
ラムバスの内の一つに画素出力バスを選択的に接続する
ことによって行われ、この接続は、バックエンドメタル
(backend metal)ビアマスク層を変更するだけで実施で
きる。プロセスシーケンスの最終段階で上記マスク変更
を行うことにより、センサを種々のＣＦＡパターンに応
じて構成することができる。
【００２０】図７に、図６に示した画素７０のシャッタ
動作およびキャリア集積期間のタイミングを示す。シャ
ッタゲート７２は時間τExpより以前にアクティブ状態
にされて、画素７０を所定の電位（好適な実施形態の場
合はＶDD）にリセットできるようにされている。これに
より画素７０のシャッタ操作を効率よく行うことができ
る。時間τExpでシャッタゲート７２への信号ＳＧは非
アクティブ状態になり、集積期間τINTが始まる。画素
のキャリア集積期間が終了すると、画素から浮動拡散７
４に光電子を転送する転送信号ＴＧがパルス出力され
る。浮動拡散７４はソースフォロワトランジスタ７６の
ゲートへの入力部として機能する。トランジスタ７６は
増幅用であり、この増幅はローセレクトトランジスタ７
８によってイネーブルされる。
動作およびキャリア集積期間のタイミングを示す。シャ
ッタゲート７２は時間τExpより以前にアクティブ状態
にされて、画素７０を所定の電位（好適な実施形態の場
合はＶDD）にリセットできるようにされている。これに
より画素７０のシャッタ操作を効率よく行うことができ
る。時間τExpでシャッタゲート７２への信号ＳＧは非
アクティブ状態になり、集積期間τINTが始まる。画素
のキャリア集積期間が終了すると、画素から浮動拡散７
４に光電子を転送する転送信号ＴＧがパルス出力され
る。浮動拡散７４はソースフォロワトランジスタ７６の
ゲートへの入力部として機能する。トランジスタ７６は
増幅用であり、この増幅はローセレクトトランジスタ７
８によってイネーブルされる。
【００２１】
【発明の効果】本発明によって、（１）金属ルーティン
グ層を変化させるだけで種々の単色出力形式またはＣＦ
Ａパターンの画素出力グループの変化に適応できる、
（２）全ての画素が同じ捕獲時間ウィンドウを有するこ
とにより動画場面に対して忠実な電子的シャッタ動作が
可能、（３）対称形の一括形シャッタゲートおよび転送
ゲートを設けたことにより画素に関連した固定パターン
ノイズを最小限にできる、といった効果が得られる。
グ層を変化させるだけで種々の単色出力形式またはＣＦ
Ａパターンの画素出力グループの変化に適応できる、
（２）全ての画素が同じ捕獲時間ウィンドウを有するこ
とにより動画場面に対して忠実な電子的シャッタ動作が
可能、（３）対称形の一括形シャッタゲートおよび転送
ゲートを設けたことにより画素に関連した固定パターン
ノイズを最小限にできる、といった効果が得られる。
【図１】 ４画素の単位カーネルを表すＢａｙｅｒＣＦ
Ａパターン構造のセグメントを示す図である。
Ａパターン構造のセグメントを示す図である。
【図２】 図１に示したＢａｙｅｒパターンと同様の４
画素のＣＦＡカーネルに接続された並列の出力チャネル
を表すブロック図である。
画素のＣＦＡカーネルに接続された並列の出力チャネル
を表すブロック図である。
【図３】 カーネルが全部のローを占めている色のスト
ライプからなる、別のＣＦＡパターンを示す図である。
ライプからなる、別のＣＦＡパターンを示す図である。
【図４】 図３と同様の４本コラムバス構成であって、
図中の４×４のカラーモザイクパターンが色に固有の出
力チャネルに結線されるように再構成された４本コラム
バス構成を示す図である。
図中の４×４のカラーモザイクパターンが色に固有の出
力チャネルに結線されるように再構成された４本コラム
バス構成を示す図である。
【図５】 図３および図４と同様の４本コラムバス構成
であって、感度に固有の出力チャネルに応じた種々の感
度をもつ画素パターンに基づくモザイクパターンに合わ
せて再構成された４本コラムバス構成を示す図である。
であって、感度に固有の出力チャネルに応じた種々の感
度をもつ画素パターンに基づくモザイクパターンに合わ
せて再構成された４本コラムバス構成を示す図である。
【図６】 対称形の転送ゲートとシャッタゲート、およ
び「画素出力バス」とその構成可能な出力バスへの接
続、を表す高フレーム速度の画素構造を示すブロック図
である。
び「画素出力バス」とその構成可能な出力バスへの接
続、を表す高フレーム速度の画素構造を示すブロック図
である。
【図７】 シャッタゲート、画素の中心、および転送ゲ
ートを貫通した図６の画素の断面領域における、静電電
位を示す模式図である。
ートを貫通した図６の画素の断面領域における、静電電
位を示す模式図である。
【図８】 非対称配置の転送ゲートとシャッタゲートを
示す素子の断面図であって、フォトダイオードの中心か
らこれらゲートにかけての位置に対応する不均一な電位
経路をもつ素子の断面図である。
示す素子の断面図であって、フォトダイオードの中心か
らこれらゲートにかけての位置に対応する不均一な電位
経路をもつ素子の断面図である。
１〜４ 画素、５〜８ ロー、９ 画像センサ、１０
単位カーネル、１１〜１４ 導電性トレース、２０ 画
像センサ、２２〜２８ 出力チャネル、３１導電性トレ
ース、４１〜４４ 画素、４５〜４８ 出力チャネル、
５１ 導電性トレース、６１〜６６ ビア、７０ 画
素、７１ 転送ゲート、７２ シャッタゲート、７４
浮動拡散、７６ ソースフォロワトランジスタ、７８
ローセレクトトランジスタ、８１ チャネル１、８２
チャネル２、８３ チャネル３、８４ チャネル４、Ｒ
赤、Ｂ 青、Ｙ 黄、Ｃ シアン、Ｍ マゼンタ、Ｓ
１〜Ｓ４ 画素感度。
単位カーネル、１１〜１４ 導電性トレース、２０ 画
像センサ、２２〜２８ 出力チャネル、３１導電性トレ
ース、４１〜４４ 画素、４５〜４８ 出力チャネル、
５１ 導電性トレース、６１〜６６ ビア、７０ 画
素、７１ 転送ゲート、７２ シャッタゲート、７４
浮動拡散、７６ ソースフォロワトランジスタ、７８
ローセレクトトランジスタ、８１ チャネル１、８２
チャネル２、８３ チャネル３、８４ チャネル４、Ｒ
赤、Ｂ 青、Ｙ 黄、Ｃ シアン、Ｍ マゼンタ、Ｓ
１〜Ｓ４ 画素感度。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 9/07 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｄ Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AA10 BA14 CA02 DD12 FA06 FA44 GC08 GC09 GC14 GC15 5B047 BB04 BC01 CA04 CB17 5C024 CX04 GX03 GY31 GZ41 5C051 AA01 BA02 DA06 DB01 DB06 DB08 DC02 DC03 DC07 DE02 5C065 AA01 AA03 BB22 BB48 CC01 DD15 DD17
Claims (3)
- 【請求項１】 アクティブ画素方式の画像センサであっ
て、 ローおよびコラム形状に形成された画素のアレーであっ
て、前記画素の各々は少なくとも一つのアクティブな回
路素子を含む画素アレーと、 複数の出力チャネルであって、前記出力チャネルの各々
は前記コラムの少なくとも１つの画素のサブセットに作
動的に接続された複数の出力チャネルと、 前記チャネルの各々に対してバッファを経た出力を供給
する出力構造と、 を含むことを特徴とする画像センサ。 - 【請求項２】 請求項１の画像センサにおいて、前記サ
ブセットの各々はある特定の感度をもつ画素を有するこ
とを特徴とする画像センサ。 - 【請求項３】 請求項１の画像センサにおいて、前記サ
ブセットの各々はある特定の色に対して感度が高い画素
を含むことを特徴とする画像センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US56143100A | 2000-04-28 | 2000-04-28 | |
| US09/561,431 | 2000-04-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002033963A true JP2002033963A (ja) | 2002-01-31 |
Family
ID=24241941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001128322A Pending JP2002033963A (ja) | 2000-04-28 | 2001-04-25 | 構成可能な出力に対応した画像センサの画素 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1152471A3 (ja) |
| JP (1) | JP2002033963A (ja) |
Cited By (4)
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| US7880786B2 (en) | 2004-04-23 | 2011-02-01 | Sony Corporation | Solid-state image pickup device with an improved reading speed |
| JP2013168634A (ja) * | 2012-01-18 | 2013-08-29 | Canon Inc | 固体撮像装置 |
| JP2014013794A (ja) * | 2012-07-03 | 2014-01-23 | Canon Inc | 固体撮像装置及びカメラ |
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|---|---|---|---|---|
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| US7355641B2 (en) * | 2003-01-10 | 2008-04-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Solid state imaging device reading non-adjacent pixels of the same color |
| JP2005109968A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | カラー固体撮像装置 |
| JP4458236B2 (ja) * | 2003-09-30 | 2010-04-28 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置 |
| US7568628B2 (en) | 2005-03-11 | 2009-08-04 | Hand Held Products, Inc. | Bar code reading device with global electronic shutter control |
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| US4255760A (en) * | 1979-09-28 | 1981-03-10 | Eastman Kodak Company | Multiple, superposed-channel color image sensor |
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