JP2006228801A

JP2006228801A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2006228801A
Application number: JP2005037622A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Inoue; 知己井上; Atsuhiko Ishihara; 淳彦石原
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP4538337B2; US20080055437A1; US7932942B2

Abstract

【課題】高速な動画撮影や連写を可能とする積層型の固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板１上方に積層されたそれぞれ異なる色を検出する３つの光電変換膜と、半導体基板１に形成され、前記３つの光電変換膜の各々で発生した信号電荷を蓄積する３つの信号電荷蓄積部５〜７と、半導体基板１に形成され、信号電荷蓄積部５〜７に蓄積された信号電荷に応じた信号を外部に読み出す信号読出回路（垂直転送部２、水平転送部３、及び出力部４）とを有する固体撮像素子１００であって、半導体基板１表面には、３つの信号電荷蓄積部５〜７をＹ方向に配列した画素部が、Ｙ方向及びＸ方向に正方格子状に多数配列され、奇数行の各画素部内に配列される３つの信号電荷蓄積部５〜７は、該各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列を見たときに、該配列が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む配列になるように配列される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上方に積層されたそれぞれ異なる色を検出する３つの光電変換膜と、前記半導体基板に形成され、前記３つの光電変換膜の各々で発生した信号電荷を蓄積する３つの信号電荷蓄積部と、前記半導体基板に形成され、前記信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた信号を外部に読み出す信号読出回路とを有する固体撮像素子に関する。

近年、半導体基板表面部に多数のフォトダイオード（ＰＤ）を集積すると共に各ＰＤ上に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層したＣＣＤ型固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子が著しく進歩し、現在では、数百万ものＰＤを１チップ上に集積した固体撮像素子がデジタルカメラに搭載されるようになっている。

上記固体撮像素子では、カラーフィルタを用いる構成のため、光利用効率が悪い、偽色が発生する等の欠点が生じてしまう。そこで、これらの欠点を無くす固体撮像素子として、例えば特許文献１記載の積層型固体撮像素子が提案されている。この積層型固体撮像素子は、半導体基板上方に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の光を検出する３つの光電変換膜を積層し、各膜で発生した信号電荷を半導体基板に形成された蓄積ダイオードに蓄積し、蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷を、半導体基板表面に形成されている垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ等の信号読出回路で読み出して転送するという構成になっている。この積層型固体撮像素子によれば、上記欠点をなくして、高画質の画像を生成することが可能となる。

特開２００２−８３９４６号公報

特許文献１記載の積層型固体撮像素子は、１フレーム目でＲ信号を読み出し、２フレーム目でＧ信号を読み出し、３フレーム目でＢ信号を読み出し、３フレーム終了後、読み出したＲＧＢ信号を用いて１つのカラー画像データを生成する必要がある。これでは、カラー画像データの生成処理に時間がかかってしまい、例えば動画撮影や連写等を高速に行うことが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高速な動画撮影や連写を可能とする積層型の固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上方に積層されたそれぞれ異なる色を検出する３つの光電変換膜と、前記半導体基板に形成され、前記３つの光電変換膜の各々で発生した信号電荷を蓄積する３つの信号電荷蓄積部と、前記半導体基板に形成され、前記信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた信号を外部に読み出す信号読出回路とを有する固体撮像素子であって、前記半導体基板表面には、前記３つの信号電荷蓄積部を列方向に配列した画素部が、前記列方向とこれに直交する行方向に正方格子状に多数配列され、前記信号電荷蓄積部は、所定行の各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列との３つの配列を見たときに、該３つの配列のいずれかが前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列になるように配列される。

この構成により、所定行の各画素部内に配列される全ての信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すことなく、１つのカラー画像データを生成することが可能となる。このため、カラー画像データを高速に生成することができ、高速な動画撮影が可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記信号電荷蓄積部が前記３つの配列の各々が前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列になるように配列される。

この構成により、３つの配列毎にカラー画像データを生成することができる。このため、各配列に対応する光電変換膜の露光タイミングを制御することで、短い時間間隔でカラー撮像を行うことができ、高速な動画撮影や高速な連写撮影が可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列がベイヤー配列、縦ストライプ配列、及び横ストライプ配列のいずれかである。

本発明の固体撮像素子は、前記所定行とは、前記半導体基板表面に配列される全ての画素部行の一部である。

この構成により、動画撮影時に信号の間引き読出しが可能となり、より高速の動画撮影が可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜が緑色光を検出する緑色光電変換膜を含み、前記信号電荷蓄積部は、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列との３つの配列を見たときに、該３つの配列のいずれかが前記緑色光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部のみを含む配列になるように配列される。

この構成により、緑色光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部のみを含む配列から得られる信号をＡＦ（オートフォーカス）に利用することができ、ＡＦ処理時に、この配列のみから信号を読み出す駆動を行うことで、ＡＦを高速に行うことが可能となる。

本発明によれば、高速な動画撮影や連写を可能とする積層型の固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図２（ａ）は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図、図２（ｂ）は、図１に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図、図２（ｃ）は、図１に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図である。

図２に示すように、固体撮像素子１００は、半導体基板１上方に、赤色（Ｒ）の光を検出すると共に、それに応じた赤色の信号電荷を発生するＲ光電変換膜８と、緑色（Ｇ）の光を検出すると共に、それに応じた緑色の信号電荷を発生するＧ光電変換膜９と、青色（Ｂ）の光を検出すると共に、それに応じた青色の信号電荷を発生するＢ光電変換膜１０とがこの順に積層されている。尚、各光電変換膜の積層順序はこれに限らない。又、各光電変換膜の材料としては有機材料を用いるのが好ましい。

半導体基板１表面には、Ｒ光電変換膜８で発生したＲ信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部５（図１及び図２では“Ｒ”で示す）と、Ｇ光電変換膜９で発生したＧ信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部６（図１及び図２では“Ｇ”で示す）と、Ｂ光電変換膜１０で発生したＢ信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部７（図１及び図２では“Ｂ”で示す）とが正方格子状に形成されている。

Ｒ光電変換膜８と信号電荷蓄積部５は配線１１によって電気的に接続され、Ｇ光電変換膜９と信号電荷蓄積部６は配線１２によって電気的に接続され、Ｂ光電変換膜１０と信号電荷蓄積部７は配線１３によって電気的に接続される。各光電変換膜で発生した信号電荷は、配線１１〜１３を通って各信号電荷蓄積部に蓄積される。

固体撮像素子１００は、列方向（図１中のＹ方向）に配列された３つの信号電荷蓄積部５〜７を１つの画素部として、この画素部が列方向とこれに直交する行方向（図１中のＸ方向）に正方格子状に多数配列された構成となっている。各画素部からは、各画素部に含まれる信号電荷蓄積部に接続された光電変換膜で発生した信号電荷に応じたＲ信号、Ｇ信号、及びＢ信号が得られる。このため、１つの画素部から得られる信号によって１画素データを生成することができる。この画素部の数は、固体撮像素子１００で撮像して得られる画像データの画素数に対応する。

多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第１画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第２画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第３画素部とが含まれる。

奇数行には、第１画素部、第２画素部、第３画素部、及び第２画素部がこの順に繰り返し行方向に配列され、偶数行には、第１画素部のみが行方向に配列されている。

以下では、各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列を第１の配列とし、各画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列を第２の配列とし、各画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列を第３の配列と定義する。又、奇数行の各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列を第４の配列とし、奇数行の各画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列を第５の配列とし、奇数行の各画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列を第６の配列とし、偶数行の各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列を第７の配列とし、偶数行の各画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列を第８の配列とし、偶数行の各画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列を第９の配列と定義する。

半導体基板１表面には、信号電荷蓄積部５〜７の各々に蓄積された信号電荷を読み出して列方向に転送する垂直転送部２と、垂直転送部２から転送されてきた信号電荷を行方向に転送する水平転送部３と、水平転送部３から転送されてきた信号電荷に応じた信号を外部に出力する出力部４とが形成されている。垂直転送部２、水平転送部３、及び出力部４は、信号読出回路を構成する。

固体撮像素子１００は、例えば６相で駆動することで、奇数行の画素部のみから信号を読み出す間引き読み出しと、奇数行と偶数行の双方の画素部から信号を読み出す通常読み出しとを切り替えることができる。動画撮影を行う場合には、間引き読み出しを行って解像度を落とした画像データを生成することで、動画撮影を高速に行うことができる。静止画撮影を行う場合は、通常読み出しを行って画像データを生成することで、高解像度の静止画撮影を行うことができる。

固体撮像素子１００では、第４の配列と、第５の配列と、第６の配列とを見たときに、第４の配列が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図３に示した縦ストライプ配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図３は、固体撮像素子１００の第４の配列を示す図である。
図３に示すように、第４の配列は、信号電荷蓄積部５が列方向に配列された列と、信号電荷蓄積部６が列方向に配列された列と、信号電荷蓄積部７が列方向に配列された列とが行方向に配列された、いわゆる縦ストライプ配列となっている。このため、第４の配列から読み出された信号のみでカラー画像データを生成することができる。したがって、従来のように第４〜第６の配列の各々から信号を読み出す必要がなく、高速な動画撮影が可能となる。一方、静止画撮影時には、第１〜第３の配列の各々からＲ，Ｇ，Ｂ信号を読み出して１画素データを生成することで、高解像度の静止画像データを生成することができる。

又、固体撮像素子１００では、第７の配列と、第８の配列と、第９の配列とを見たときに、第８の配列が信号電荷蓄積部６のみを含む配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。このように配列することで、第８の配列から読み出される信号はＧ信号のみとなり、このＧ信号を用いて合焦位置を決定することができるため、自動焦点調節（ＡＦ）機能を有するデジタルカメラにおいてそのＡＦ処理を高速に行うことが可能となる。

尚、本実施形態では、奇数行と偶数行とで画素部の配列を変えているが、図１に示す偶数行の画素部の配列を、図１に示す奇数行の画素部の配列と同一とした図４に示すような構成であっても良い。図４のような構成にした場合には、動画撮影時に、第１の配列から読み出された信号のみで、最大解像度のカラー画像データを生成することができる。図４に示す固体撮像素子２００では、全画素部から信号を読み出すため、動画撮影時の処理時間が固体撮像素子１００よりも長くなってしまうが、従来よりは処理を早くすることができる。又、固体撮像素子２００によれば、固体撮像素子１００よりも高解像度の動画撮影が可能となる。又、図４に示す構成であっても、動画撮影時には第４の配列のみから信号を読み出すように固体撮像素子２００を駆動することで、図１と同様に、高速な動画撮影が可能である。

又、図１の例では、第４の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む縦ストライプ配列となっているが、これは第４の配列に限らず、第４〜第６の配列のいずれかが、信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む縦ストライプ配列となっていれば良い。又、図４の例では、第１の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む縦ストライプ配列となっているが、これは第１の配列に限らず、第１〜第３の配列のいずれかが、信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む縦ストライプ配列となっていれば良い。

又、図１の例では、第８の配列が信号電荷蓄積部６のみを含む配列となっているが、これは第８の配列に限らず、第７〜第９の配列のいずれかが、信号電荷蓄積部６のみを含む配列となっていれば良い。

（第二実施形態）
本実施形態を説明するための固体撮像素子３００は、図４に示した固体撮像素子２００において、第１〜第３の配列の各々が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む縦ストライプ配列となるように、各信号電荷蓄積部５〜７の配列を変えた構成である。

図５は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図６（ａ）は、図５に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図、図６（ｂ）は、図５に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図、図６（ｃ）は、図５に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図である。図５及び図６において図２及び図４と同様の構成には同一符号を付してある。

固体撮像素子３００の多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第１画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第４画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６がこの順に列方向に配列された第５画素部とが含まれる。全ての行には、第１画素部、第４画素部、第５画素部、及び第４画素部がこの順に繰り返し行方向に配列されている。

固体撮像素子３００では、第１の配列と、第２の配列と、第３の配列との３つの配列を見たときに、第１〜第３の配列の各々が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図７に示した配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図７（ａ）は、固体撮像素子３００の第１の配列を示す図であり、図７（ｂ）は、固体撮像素子３００の第２の配列を示す図であり、図７（ｃ）は、固体撮像素子３００の第３の配列を示す図である。
図７に示すように、第１〜第３の配列の各々は、信号電荷蓄積部５が列方向に配列された列と、信号電荷蓄積部６が列方向に配列された列と、信号電荷蓄積部７が列方向に配列された列とが行方向に配列された、いわゆる縦ストライプ配列となっている。このため、第１〜第３の配列のいずれから読み出された信号を用いても、カラー画像データを生成することができる。したがって、動画撮影時には、第１〜第３の配列のいずれかのみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、図４に示す固体撮像素子２００と同様に高画質且つ高速な動画撮影が可能となる。

又、第１〜第３の配列のいずれから読み出された信号を用いても、カラー画像データを生成することができるため、第１〜第３の配列のそれぞれの信号電荷蓄積部に信号電荷を蓄積させるタイミング（電子シャッタの開閉タイミング）を、第１〜第３の配列の各々でずらすことで、更なる高速動画撮影や静止画の高速連写が可能となる。

例えば、図８に示すように、まず、第１の配列において電子シャッタを開にし、光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積させ、その後、電子シャッタを閉にして、蓄積した信号電荷に応じた信号を読み出させる。そして、第１の配列から得られた信号の読み出し中に、第２の配列において電子シャッタを開にして光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積させ、第１の配列からの信号の読み出しが終わるタイミングで電子シャッタを閉にして、蓄積した信号電荷に応じた信号を読み出させる。更に、第２の配列から得られた信号の読み出し中に、第３の配列において電子シャッタを開にして光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積させ、第２の配列からの信号の読み出しが終わるタイミングで電子シャッタを閉にして、蓄積した信号電荷に応じた信号を読み出させる。

このようにすることで、異なるタイミングで撮影されたカラー画像データを高速に３つ生成することができる。この撮影タイミングの非常に近い３つのカラー画像データを、動画像データを構成する静止画像データとして扱ったり、単に静止画像データとして扱ったりすることで、高速な動画撮影や、３つの静止画の高速連写が可能となる。

尚、固体撮像素子３００でも固体撮像素子１００と同様に、図５に示す各画素部行の間に画素部行（これが偶数行となる）を追加した構成とし、奇数行の画素部のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、より高速な動画撮影が可能となる。この場合、追加した偶数行の画素部の配列は特に限定されないが、図１と同様であることが好ましい。

（第三実施形態）
本実施形態を説明するための固体撮像素子４００は、図４に示した固体撮像素子２００において、第１の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む横ストライプ配列となるように、各信号電荷蓄積部５〜７の配列を変えた構成である。

図９は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図１０は、図９に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図である。図９及び図１０において図２及び図４と同様の構成には同一符号を付してある。

固体撮像素子４００の多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第１画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第４画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第３画素部とが含まれる。多数の画素部のうち、全ての列には、第１画素部、第４画素部、第３画素部、及び第４画素部がこの順に繰り返し列方向に配列されている。

固体撮像素子４００では、第１の配列と、第２の配列と、第３の配列との３つの配列を見たときに、第１の配列が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図１１に示した横ストライプ配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図１１は、固体撮像素子３００の第１の配列を示す図である。
図１１に示すように、第１の配列は、信号電荷蓄積部５が行方向に配列された行と、信号電荷蓄積部６が行方向に配列された行と、信号電荷蓄積部７が行方向に配列された行とが列方向に配列された、いわゆる横ストライプ配列となっている。このため、第１の配列から読み出された信号のみでカラー画像データを生成することができる。したがって、従来のように第１〜第３の配列の各々から信号を読み出す必要がなく、高速な動画撮影が可能となる。

尚、本実施形態では、第１の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む横ストライプ配列となっているが、これは第１の配列に限らず、第１〜第３の配列のいずれかが、信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む横ストライプ配列となっていれば良い。

又、固体撮像素子３００でも固体撮像素子１００と同様に、図９に示す各画素部行の間に画素部行（これが偶数行となる）を追加した構成とし、奇数行の画素部のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、より高速な動画撮影が可能となる。この場合、追加した偶数行の画素部の配列は特に限定されないが、図１と同様であることが好ましい。

（第四実施形態）
本実施形態を説明するための固体撮像素子５００は、図９に示した固体撮像素子４００において、第１〜第３の配列の各々が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含む横ストライプ配列となるように、各信号電荷蓄積部５〜７の配列を変えた構成である。

図１２は、本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図１３は、図１２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図である。図１２及び図１３において図９及び図１０と同様の構成には同一符号を付してある。

固体撮像素子５００の多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部６がこの順に列方向に配列された第６画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第２画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第３画素部とが含まれる。全ての列には、第６画素部、第２画素部、第３画素部、及び第２画素部がこの順に繰り返し列方向に配列されている。

固体撮像素子５００では、第１の配列と、第２の配列と、第３の配列との３つの配列を見たときに、第１〜第３の配列の各々が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図１４に示した横ストライプ配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図１４（ａ）は、固体撮像素子５００の第１の配列を示す図であり、図１４（ｂ）は、固体撮像素子５００の第２の配列を示す図であり、図１４（ｃ）は、固体撮像素子５００の第３の配列を示す図である。
図１４に示すように、第１〜第３の配列の各々は、信号電荷蓄積部５が行方向に配列された行と、信号電荷蓄積部６が行方向に配列された行と、信号電荷蓄積部７が行方向に配列された行とが列方向に配列された、いわゆる横ストライプ配列となっている。このため、第１〜第３の配列のいずれから読み出された信号を用いても、カラー画像データを生成することができる。したがって、動画撮影時には、第１〜第３の配列のいずれかのみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、図４に示す固体撮像素子２００と同様に高画質且つ高速な動画撮影が可能となる。

又、第１〜第３の配列のいずれから読み出された信号を用いても、カラー画像データを生成することができるため、第１〜第３の配列のそれぞれの信号電荷蓄積部に信号電荷を蓄積させるタイミング（電子シャッタの開閉タイミング）を、図８に示したように、第１〜第３の配列の各々でずらすことで、更なる高速動画撮影や静止画の高速連写が可能となる。

尚、固体撮像素子５００でも固体撮像素子１００と同様に、図１２に示す各画素部行の間に画素部行（これが偶数行となる）を追加した構成とし、奇数行の画素部のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、より高速な動画撮影が可能となる。この場合、追加した偶数行の画素部の配列は特に限定されないが、図１と同様であることが好ましい。

（第五実施形態）
本実施形態を説明するための固体撮像素子６００は、図４に示した固体撮像素子２００において、第１の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含むベイヤー配列となるように、各信号電荷蓄積部５〜７の配列を変えた構成である。

図１５は、本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図１５において図４と同様の構成には同一符号を付してある。
固体撮像素子６００の多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第１画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第２画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第３画素部とが含まれる。

奇数行には、第１画素部と第２画素部がこの順番で行方向に交互に配列され、偶数行には、第２画素部と第３画素部がこの順番で行方向に交互に配列されている。

固体撮像素子６００では、第１の配列と、第２の配列と、第３の配列との３つの配列を見たときに、第１の配列が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図１６に示したベイヤ−配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図１６は、固体撮像素子６００の第１の配列を示す図である。
図１６に示すように、第１の配列は、信号電荷蓄積部５と信号電荷蓄積部６が行方向に交互に配列された行と、信号電荷蓄積部６と信号電荷蓄積部７が行方向に交互に配列された行とが列方向に交互に配列された、いわゆるベイヤー配列となっている。したがって、動画撮影時には、第１の配列のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、図４に示す固体撮像素子２００と同様に高画質且つ高速な動画撮影が可能となる。

尚、本実施形態では、第１の配列が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含むベイヤー配列となっているが、これは第１の配列に限らず、第１〜第３の配列のいずれかが、信号電荷蓄積部５〜７の全てを含むベイヤー配列となっていれば良い。

又、固体撮像素子６００でも固体撮像素子１００と同様に、図１５に示す各画素部行の間に画素部行（これが偶数行となる）を追加した構成とし、奇数行の画素部のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、より高速な動画撮影が可能となる。この場合、追加した偶数行の画素部の配列は特に限定されないが、図１と同様であることが好ましい。

（第六実施形態）
本実施形態を説明するための固体撮像素子７００は、図４に示した固体撮像素子２００において、第１〜第３の配列の各々が信号電荷蓄積部５〜７の全てを含むベイヤー配列となるように、各信号電荷蓄積部５〜７の配列を変えた構成である。

図１７は、本発明の第六実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図１７において図４と同様の構成には同一符号を付してある。

固体撮像素子７００の多数の画素部には、信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７がこの順に列方向に配列された第１画素部と、信号電荷蓄積部６，信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部５がこの順に列方向に配列された第４画素部と、信号電荷蓄積部７，信号電荷蓄積部５，信号電荷蓄積部６がこの順に列方向に配列された第５画素部とが含まれる。奇数行には、第１画素部と第４画素部がこの順番で行方向に交互に配列され、偶数行には、第４画素部と第５画素部がこの順番で行方向に交互に配列されている。

固体撮像素子７００では、第１の配列と、第２の配列と、第３の配列との３つの配列を見たときに、第１〜第３の配列の各々が３つの信号電荷蓄積部５〜７を全て含む例えば図１８に示したベイヤー配列になるように、信号電荷蓄積部５〜７が半導体基板１表面に配列されている。

図１８（ａ）は、固体撮像素子７００の第１の配列を示す図であり、図１８（ｂ）は、固体撮像素子７００の第２の配列を示す図であり、図１８（ｃ）は、固体撮像素子７００の第３の配列を示す図である。
図１８（ａ）に示すように、第１の配列は、信号電荷蓄積部５と信号電荷蓄積部６が行方向に交互に配列された行と、信号電荷蓄積部６と信号電荷蓄積部７が行方向に交互に配列された行とが列方向に交互に配列された、いわゆるベイヤー配列となっている。又、図１８（ｂ）に示すように、第２の配列は、信号電荷蓄積部６と信号電荷蓄積部７が行方向に交互に配列された行と、信号電荷蓄積部７と信号電荷蓄積部５が行方向に交互に配列された行とが列方向に交互に配列された、いわゆるベイヤー配列となっている。又、図１８（ｃ）に示すように、第３の配列は、信号電荷蓄積部７と信号電荷蓄積部５が行方向に交互に配列された行と、信号電荷蓄積部５と信号電荷蓄積部６が行方向に交互に配列された行とが列方向に交互に配列された、いわゆるベイヤー配列となっている。

このため、第１〜第３の配列のいずれから読み出された信号を用いても、カラー画像データを生成することができる。したがって、動画撮影時には、第１〜第３の配列のいずれかのみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、図４に示す固体撮像素子２００と同様に高画質且つ高速な動画撮影が可能となる。

尚、固体撮像素子７００でも固体撮像素子１００と同様に、図１７に示す各画素部行の間に画素部行（これが偶数行となる）を追加した構成とし、奇数行の画素部のみから信号を読み出してカラー画像データを生成することで、より高速な動画撮影が可能となる。この場合、追加した偶数行の画素部の配列は特に限定されないが、図１と同様であることが好ましい。

又、第一〜第六実施形態では、信号電荷蓄積部５〜７と、垂直転送部２とを別々に設けた、いわゆるインターライン型の固体撮像素子としたが、信号電荷蓄積部５〜７に垂直転送部２の機能を兼用させたフレームトランスファー型の固体撮像素子とすることもできる。この場合は、信号電荷蓄積部５〜７と水平転送部３との間に、読み出したい信号電荷以外の信号電荷を半導体基板１に掃き捨てるためのドレインを設けておく必要がある。例えば、第１の配列のみから信号電荷を読み出したい場合、フレームトランスファー型では、第２の配列、第３の配列からも信号電荷が読み出されて転送されてしまう。そこで、垂直方向に転送された信号電荷のうち、第２の配列、第３の配列から読み出された信号電荷はドレインによって掃き捨て、第１の配列から読み出された信号電荷のみを水平転送部３によって転送することで、第１の配列のみから信号を読み出すことができる。

（第七実施形態）
図１９は、本発明の第七実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図１９のデジタルカメラは、撮像部２１と、アナログ信号処理部２２と、Ａ／Ｄ変換部２３と、駆動部２４と、ストロボ２５と、デジタル信号処理部２６と、圧縮／伸張処理部２７と、表示部２８と、システム制御部２９と、内部メモリ３０と、メディアインタフェース３１と、記録メディア３２と、操作部３３とを備える。デジタル信号処理部２６、圧縮／伸張処理部２７、表示部２８、システム制御部２９、内部メモリ３０、及びメディアインタフェース３１は、システムバス４０に接続されている。

撮像部２１は、撮影レンズ等の光学系及び第一〜第六実施形態で説明した固体撮像素子１００〜７００のいずれかによって被写体の撮影を行うものであり、アナログの撮像信号を出力する。アナログ信号処理部２２は、撮像部２１で得られた撮像信号に所定のアナログ信号処理を施す。Ａ／Ｄ変換部２３は、アナログ信号処理部２２で処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換する。

撮影に際しては、駆動部２４を介して光学系の制御が行われる。固体撮像素子１００〜７００のいずれかは、操作部３３の一部であるレリーズボタン（図示せず）の操作によるレリーズスイッチ（図示せず）オンを契機として、所定のタイミングで、駆動部２４に含まれるタイミングジェネレータ（図１９ではＴＧと記載）からの駆動信号によって駆動される。駆動部２４は、システム制御部２９によって所定の駆動信号を出力する。

デジタル信号処理部２６は、Ａ／Ｄ変換部２３からのデジタル信号に対して、操作部３３によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行う。デジタル信号処理部２６が行う処理には、黒レベル補正処理（ＯＢ処理）、リニアマトリクス補正処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ補正処理、同時化処理、及びＹ／Ｃ変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部２６は、例えばＤＳＰで構成される。

圧縮／伸張処理部２７は、デジタル信号処理部２６で得られたＹ／Ｃデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア３２から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施す。

表示部２８は、例えばＬＣＤ表示装置を含んで構成され、撮影されてデジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディアに記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。

内部メモリ３０は、例えばＤＲＡＭであり、デジタル信号処理部２６やシステム制御部２９のワークメモリとして利用される他、記録メディアに３２に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリや表示部２８への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース３１は、メモリカード等の記録メディア３２との間のデータの入出力を行うものである。

システム制御部２９は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。

操作部３３は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うものである。

本実施形態のデジタルカメラは、駆動部２４によって固体撮像素子１００〜７００のいずれかの駆動方法を工夫することで、高速な動画撮影や静止画撮影を行うことができる。

本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図（ａ）は図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図、（ｂ）は図１に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図、（ｃ）は図１に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図第１の配列を示す図本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の変形例を示す平面模式図本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図（ａ）は図５に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図、（ｂ）は図５に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図、（ｃ）は図５に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図（ａ）は図６に示す固体撮像素子の第１の配列を示す図、（ｂ）は図６に示す固体撮像素子の第２の配列を示す図、（ｃ）は図６に示す固体撮像素子の第３の配列を示す図本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャート本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図図９に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の第１の配列を示す図本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図（ａ）は図１２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図、（ｂ）は図１２に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図、（ｃ）は図１２に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図（ａ）は本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の第１の配列を示す図、（ｂ）は本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の第２の配列を示す図、（ｃ）は本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の第３の配列を示す図本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像素子の第１の配列を示す図本発明の第六実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図（ａ）は本発明の第六実施形態を説明するための固体撮像素子の第１の配列を示す図、（ｂ）は本発明の第六実施形態を説明するための固体撮像素子の第２の配列を示す図、（ｃ）は本発明の第六実施形態を説明するための固体撮像素子の第３の配列を示す図本発明の第七実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図

符号の説明

１００固体撮像素子
１半導体基板
２垂直転送部
３水平転送部
４出力部
５，６，７信号電荷蓄積部
１１，１２，１３配線

Claims

半導体基板上方に積層されたそれぞれ異なる色を検出する３つの光電変換膜と、前記半導体基板に形成され、前記３つの光電変換膜の各々で発生した信号電荷を蓄積する３つの信号電荷蓄積部と、前記半導体基板に形成され、前記信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた信号を外部に読み出す信号読出回路とを有する固体撮像素子であって、
前記半導体基板表面には、前記３つの信号電荷蓄積部を列方向に配列した画素部が、前記列方向とこれに直交する行方向に正方格子状に多数配列され、
前記信号電荷蓄積部は、所定行の各画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列との３つの配列を見たときに、該３つの配列のいずれかが前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列になるように配列される固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記信号電荷蓄積部は、前記３つの配列の各々が前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列になるように配列される固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記３つの信号電荷蓄積部を全て含む配列は、ベイヤー配列、縦ストライプ配列、及び横ストライプ配列のいずれかである固体撮像素子。
請求項１〜３のいずれか記載の固体撮像素子であって、
前記所定行とは、前記半導体基板表面に配列される全ての画素部行の一部である固体撮像素子。
請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換膜は、緑色光を検出する緑色光電変換膜を含み、
前記信号電荷蓄積部は、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第１行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第２行目にある信号電荷蓄積部の配列と、前記所定行の各画素部を除く画素部内の第３行目にある信号電荷蓄積部の配列との３つの配列を見たときに、該３つの配列のいずれかが前記緑色光電変換膜で発生した信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部のみを含む配列になるように配列される固体撮像素子。