JP2007124635A - 固体撮像素子及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子上に設けて所定の色によるフィルタリングを行う複数色のカラーフィルタと、受光素子に隣接させて配置して、受光素子から水平転送レジスタに電荷を転送する複数の垂直転送レジスタと、垂直転送レジスタから転送された電荷をそれぞれ転送するとともに、この電荷に基づく信号をそれぞれ出力する複数の水平転送レジスタを有する固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、各水平転送レジスタから出力された信号の出力特性差の調整を不要とすることができる固体撮像素子及び固体撮像装置を提供する。
【解決手段】カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の水平転送レジスタで転送し、信号として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像装置に関するものであり、特に水平転送レジスタを２つ以上備えたＣＣＤ（Charge‐Coupled Device）型の固体撮像素子及び固体撮像装置に関するものである。

従来、ＣＣＤ（Charge‐Coupled Device）型の固体撮像素子は、半導体基板上に、縦横に並設した複数の受光素子と、この受光素子にそれぞれ隣接させた複数の垂直転送レジスタと、この垂直転送レジスタの一端に隣接させた水平転送レジスタを設けて構成し、受光にともなって各受光素子に蓄積された電荷を垂直転送レジスタと水平転送レジスタとにより転送している。

水平転送レジスタには終端部分に出力アンプ回路を設けており、この出力アンプ回路では転送されてきた電荷の電荷量に対応させた電圧を出力し可能として、各受光素子で蓄積した電荷量情報を電圧信号として出力している。

このような固体撮像素子を備えた固体撮像装置では、さらなる高機能化が求められていることにより、固体撮像装置に用いる固体撮像素子には、さらなる高画素化、高フレームレート化が求められている。

特に、固体撮像素子を高画素化した場合には、半導体基板上に形成する受光素子の数が増えることによってフレームレートは低下することとなり、撮影間隔の短縮化が困難となったり、連写枚数の上限を高くできなかったりするなど、固体撮像装置の使用時における取り扱い性の低下を招くおそれがあった。

そこで、昨今では、固体撮像素子を高画素化するとともにフレームレートも向上させるために、固体撮像素子では、駆動周波数を増加させたり、水平転送レジスタから出力される信号の出力チャネルを複数化したりすることが行われている。

出力チャネルを複数化する場合には、水平転送レジスタを複数設ければよく、具体的には、図２７に示すように、複数の受光素子100を縦横に配置した撮像領域200を挟んで第１水平転送レジスタ300aと第２水平転送レジスタ300bとを対向させて配置することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

受光素子100に隣接させて配置して、受光素子100に蓄積された電荷を第１水平転送レジスタ300aまたは第２水平転送レジスタ300bに転送する垂直転送レジスタは、撮像領域200内に必要数だけ並設しており、特に、図１０に示す固体撮像素子では、第１水平転送レジスタ300aに電荷を転送する第１垂直転送レジスタ400aと、第２水平転送レジスタ300bに電荷を転送する第２垂直転送レジスタ400bとを交互に配置している。

このように、第１水平転送レジスタ300aと第２水平転送レジスタ300bから信号を出力させることにより、フレームレートを向上させることができる。図２７中、500aは第１水平転送レジスタ300aの端部に設けた第１出力アンプ回路、500bは第２水平転送レジスタ300bの端部に設けた第２出力アンプ回路である。
特開平０８−１２５１５８号公報

前述した固体撮像素子には、ほとんどの場合でカラーフィルタが装着されている。カラーフィルタは、各受光素子上にそれぞれ単色のフィルタを配置しているものであって、いわゆるＲＧＢ原色フィルタの場合には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色で構成されて、この３色のいずれか１色のフィルタを配置している。

図２７では、各受光素子100上に設けたフィルタの色を「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」で表しており、「Ｒ」はその部分が赤色フィルタであること、「Ｇ」はその部分が緑色フィルタであること、「Ｂ」はその部分が青色フィルタであることを示している。なお、図２７のカラーフィルタは、一般的なＲＧＢ原色フィルタで広く用いられているベイヤ配列（市松模様状の配列）でのカラーフィルタ構成を示している。

このようなカラーフィルタは、各色のフィルタを所定のパターンに配置した基本ユニットを繰り替えし配列して構成しており、特に、ベイヤ配列のカラーフィルタでは、繰り返しパターンにおける基本ユニットを、一方の対角に配置した２つの緑色のフィルタと、他方の対角に配置した１つの赤色のフィルタと１つの青色のフィルタからなる２列２行配列の４つのフィルタで構成している。

したがって、前述したように第１垂直転送レジスタと第２垂直転送レジスタとを交互に設けた場合には、２つの緑色のフィルタでの電荷量のうち、一方の受光素子で蓄積された電荷と、他方の受光素子で蓄積された電荷が、第１水平転送レジスタと第２水平転送レジスタとでそれぞれ転送されるとともに、別々に信号に変換されて出力されることとなっていた。

この場合、出力された信号には、第１水平転送レジスタに設けた第１出力アンプ回路におけるプロセスバラツキの影響と、第２水平転送レジスタに設けた第２出力アンプ回路におけるプロセスバラツキの影響とがそれぞれ個々に加わることによって、第１水平転送レジスタから出力された信号と、第２水平転送レジスタから出力された信号との間には不確定な出力特性差が生じるという問題があった。この出力特性とは、アンプ回路の出力特性、出力のリニアリティ、出力に重畳するノイズなどが挙げられ、この特性は垂直転送レジスタ、水平転送レジスタ、出力回路それぞれの特性の重ね合わせとなっている。

フィルタの色が互いに異なっている信号では、これらの信号を用いた画像データ信号の生成時に、別回路による色ごとの出力特性補正処理によって出力特性差を補正することが可能であるが、緑色のフィルタのように同色の場合には、同じ色同士が同時に視覚的に比較されるために、出力特性差が目立ちやすく、画質を劣化させるおそれがあった。

そこで、本発明の固体撮像素子では、半導体基板の撮像領域内に設けた複数の受光素子と、受光素子上に設けて所定の色によるフィルタリングを行う複数色のカラーフィルタと、受光素子に隣接させて配置して、受光素子から水平転送レジスタに電荷を転送する複数の垂直転送レジスタと、この垂直転送レジスタから転送された電荷をそれぞれ転送するとともに、この電荷に基づく信号をそれぞれ出力する複数の水平転送レジスタとを有する固体撮像素子において、カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の水平転送レジスタで転送することとした。

さらに、本発明の固体撮像素子では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）カラーフィルタは、各色のフィルタを所定のパターンに配置した基本ユニットを繰り替えし配列して構成するとともに基本ユニットには同色のフィルタを２つ以上設けたこと。
（２）複数の水平転送レジスタは撮像領域を挟む少なくとも２つ以上の水平転送レジスタであって、複数の垂直転送レジスタは、それぞれ１つの水平転送レジスタに接続し、カラーフィルタにおける基本ユニット中の同色のフィルタによってフィルタリングされた受光素子に蓄積された電気電荷を、同一の垂直転送レジスタに読み出させること。
（３）基本ユニットはベイヤ配列であって、同色とは緑色であること。

また、本発明の固体撮像装置では、半導体基板の撮像領域内に設けた複数の受光素子と、受光素子上に設けて所定の色によるフィルタリングを行う複数色のカラーフィルタと、受光素子に隣接させて配置して、受光素子から水平転送レジスタに電荷を転送する複数の垂直転送レジスタと、この垂直転送レジスタから転送された電荷をそれぞれ転送するとともに、この電荷に基づく信号をそれぞれ出力する複数の水平転送レジスタを有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、固体撮像素子は、カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の水平転送レジスタで転送することとした。

本発明によれば、カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の水平転送レジスタで転送して信号として出力することによって、同一色の信号において水平転送レジスタの出力特性の差による影響が生じることを防止できる。

本発明の固体撮像素子及びこの固体撮像素子を備えた固体撮像装置では、半導体基板の所定位置に受光素子と、垂直転送レジスタと、水平転送レジスタを形成するとともに、半導体基板上に複数色のフィルタから成るカラーフィルタを設けて固体撮像素子を構成しており、特に、水平転送レジスタは複数設けてフレームレートの高速化を図っているものである。

特に、本発明の固体撮像素子では、カラーフィルタにおける同一色のフィルタでフィルタリングされた光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の水平転送レジスタで転送して信号として出力しているものである。

したがって、同一色の信号は、各水平転送レジスタの後段に設けられている同一の出力アンプ回路によって生成されるので、同一色の信号で出力特性差の影響が生じることを原理的に防止できる。

しかも、複数の水平転送レジスタは撮像領域を挟む少なくとも２つ以上の水平転送レジスタとしており、複数の垂直転送レジスタは、それぞれ１つの水平転送レジスタに接続しておき、カラーフィルタにおける基本ユニット中の同色のフィルタによってフィルタリングされた受光素子に蓄積された電気電荷を、同一の垂直転送レジスタに読み出させることによって、その電気電荷をそのまま同一の水平転送レジスタで転送して信号として出力することができる。

以下において、説明の便宜上、「カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過させることによりフィルタリングした光に基づいて受光素子でそれぞれ蓄積された電荷」を、「信号用電荷」と呼ぶことにする。

同一色の信号において出力特性差の影響が解消されることにより、この信号から所定の画像データ信号を生成する場合には、ホワイトバランスなどのゲイン補正処理だけで、各水平転送レジスタの出力アンプ回路の出力特性差を確実に補正でき、画像データ信号にノイズが生じることを防止できる。

しかも、従来必要であった同一色に対する出力特性差を補正する補正用の補正信号処理を不要とすることができるので、固体撮像素子及び固体撮像装置の製造効率の向上を図ることができる。

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。図１は、本実施形態の固体撮像装置Ａの概略ブロック図である。本実施形態の固体撮像装置Ａは、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラとしている。なお、固体撮像装置Ａは、デジタルスチルカメラに限定するものではなく、デジタルビデオカメラや、あるいは携帯電話などに内蔵されるカメラユニットなどであってもよい。

図１は、固体撮像装置Ａにおける撮像のための固体撮像素子10と、この固体撮像素子10を所定タイミングで駆動させるための駆動用信号を生成するタイミングジェネレータ20を示す。この他に、固体撮像装置Ａには、バッテリなどの電源部、撮像して生成した画像データ信号を記憶する記憶部、固体撮像装置Ａ全体を制御する制御部などがある。これらを構成する回路は、本図では別回路（固体撮像素子10以外のチップ）としているが、同一チップに設けたり、あるいは幾つかのチップに機能を分割して設けたりすることもある。なお、本実施形態の固体撮像素子10は、インターレース方式のＣＣＤ固体撮像装置として説明するものとする。

固体撮像素子10は半導体基板で構成し、この半導体基板上には、所定間隔で縦横に並設したフォトダイオードからなる複数の受光素子11と、この受光素子11が配設された撮像領域12を挟んで配置した第１水平転送レジスタ13aと第２水平転送レジスタ13bと、縦方向に一列状に配置した受光素子11の一方側に配置した第１垂直転送レジスタ14aと、他方側に配置した第２垂直転送レジスタ14bを設けている。

さらに、半導体基板上にはカラーフィルタを設けている。本実施形態では、カラーフィルタは、ベイヤ配列としたいわゆる２×２原色フィルタであって、緑色のフィルタが市松状に配置されているものである。説明の便宜上、図１において、各受光素子11上に配設されたフィルタの色を「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」で標示しており、「Ｒ」は赤色のフィルタが配設され、「Ｇ」は緑色のフィルタが配設され、「Ｂ」は青色のフィルタが配設されていることを示している。なお、本実施形態では、図１中、Ｕで示す二点鎖線の矩形枠で囲んだ領域がカラーフィルタの基本ユニットである。

本実施形態では、水平転送は広く知られている２相駆動方式を用いており、駆動信号の２相は、それぞれ第１水平駆動信号Ｈφ１と、第２水平駆動信号Ｈφ２で示し、第１水平転送レジスタ13aと第２水平転送レジスタ13bの双方に供給・印加して転送を行っている。

特に、第１水平転送レジスタ13aと第２水平転送レジスタ13bは、受光素子11が配設された撮像領域12を挟んで対向させて配設しており、タイミングジェネレータ20から入力された第１水平駆動信号Ｈφ１と、第２水平駆動信号Ｈφ２とによって、第１水平転送レジスタ13aは、図１の図面上、左から右に信号用電荷を転送し、第２水平転送レジスタ13bは、図１の図面上、右から左に信号用電荷を転送している。

第１水平転送レジスタ13a及び第２水平転送レジスタ13bの終端にはそれぞれ第１出力アンプ回路15a及び第２出力アンプ回路15bを設けており、この第１出力アンプ回路15a及び第２出力アンプ回路15bによって、転送されてきた信号用電荷に基づいて所要の電圧信号を生成して出力している。

本実施形態では、第１出力アンプ回路15aを含めて第１水平転送レジスタ13aであり、第２出力アンプ回路15bを含めて第２水平転送レジスタ13bとして説明を行う。

第１垂直転送レジスタ14aは、図１において縦方向に一列状に配置した受光素子11の一方側に設けるとともに、第２垂直転送レジスタ14bはその他方側に設け、撮像領域12に受光素子11を挟んで第１垂直転送レジスタ14aと第２垂直転送レジスタ14bとを交互に配置している。

第１垂直転送レジスタ14a及び第２垂直転送レジスタ14bは、タイミングジェネレータ20から入力された第１垂直駆動信号Ｖφ１と、第２垂直駆動信号Ｖφ２と、第３垂直駆動信号Ｖφ３と、第４垂直駆動信号Ｖφ４とによって駆動しており、第１垂直転送レジスタ14aは、図１の図面上、下から上に信号用電荷を転送して第１水平転送レジスタ13aに信号用電荷を読み出しており、第２垂直転送レジスタ14bは、図１の図面上、上から下に信号用電荷を転送して第２水平転送レジスタ13bに信号用電荷を読み出している。

このように構成した固体撮像素子10で撮像した画像データを取り出す場合には、第１フィールドとして図１に示す撮像領域12の奇数列の受光素子11から信号用電荷を読み出して転送し、次いで、第２フィールドとして図１に示す撮像領域12の偶数列の受光素子11から信号用電荷を読み出して転送している。

ここで、本実施形態では、図２（ａ）に示すように第１フィールドでの信号用電荷の読み出しを行う場合には、撮像領域12の奇数列の受光素子11において、緑色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷は、第１垂直転送レジスタ14aに読み出し、赤色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷は、第２垂直転送レジスタ14bに読み出している。

第１垂直転送レジスタ14aに読み出された信号用電荷は、第１水平転送レジスタ13aに受け渡し、第１水平転送レジスタ13aから第１緑色信号として出力している。また、第２垂直転送レジスタ14bに読み出された信号用電荷は、第２水平転送レジスタ13bに受け渡し、第２水平転送レジスタ13bから赤色信号として出力している。

次いで、図２（ｂ）に示すように、第２フィールドでの信号用電荷の読み出しを行う場合には、撮像領域12の偶数列の受光素子11において、緑色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷は、第１垂直転送レジスタ14aに読み出し、青色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷は、第２垂直転送レジスタ14bに読み出している。

第１垂直転送レジスタ14aに読み出された信号用電荷は、第１水平転送レジスタ13aに受け渡し、第１水平転送レジスタ13aから第２緑色信号として出力している。また、第２垂直転送レジスタ14bに読み出された信号用電荷は、第２水平転送レジスタ13bに受け渡し、第２水平転送レジスタ13bから青色信号として出力している。

このように、第１フィールドで読み出された第１緑色信号と、第２フィールドで読み出された第２緑色信号は、それぞれ第１垂直転送レジスタ14aのみによって転送されて第１水平転送レジスタ13aから出力されることによって、第１緑色信号と第２緑色信号とに出力特性差がなく、良質な画像データ信号を生成することができる。

しかも、基本ユニット中の同色のフィルタによってフィルタリングされた受光素子における信号用電荷を、同一の垂直転送レジスタに読み出して転送していることにより、そのまま同一の水平転送レジスタでの転送を行うことができ、水平転送レジスタの設計を容易とすることができる。

前述したように、第１フィールドにおいては、緑色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷を第１垂直転送レジスタ14aに読み出し、赤色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷を第２垂直転送レジスタ14bに読み出すとともに、第２フィールドにおいては、緑色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷を第１垂直転送レジスタ14aに読み出し、青色のフィルタが設けられた受光素子11の信号用電荷を第２垂直転送レジスタ14bに読み出すために、図３に示すように、各受光素子11は信号用電荷の読み出し方向を調整している。

緑色のフィルタが設けられた受光素子11では、第１垂直転送レジスタ14aとは反対の第２垂直転送レジスタ14b側にチャネルストップ16を設け、赤色及び青色のフィルタが設けられた受光素子11では、第２垂直転送レジスタ14bとは反対の第１垂直転送レジスタ14a側にチャネルストップ16を設け、このチャネルストップ16によって信号用電荷の移動方向を規制して、所定の第１垂直転送レジスタ14aまたは第２垂直転送レジスタ14bに信号用電荷を読み出している。

垂直転送レジスタの両端に互い違いに設けられたチャネルストップ16は、図３に示すように、互い違いに配置しながらも所定の画素間で連結して電気的に孤立しないようにしており、従来のチャネルストップの機能を果たすようにしている。すなわち、チャネルストップ16では、所定電位（現在ＧＮＤ電位が広く用いられている）の印加による撮像領域の端部と中央部での基板表面の電位差の抑制、受光素子または垂直転送レジスタで発生したホールの所定電位への廃棄によるノイズの抑制などの機能を損なわないようにしている。

図３中、第１垂直転送レジスタ14a及び第２垂直転送レジスタ14bにおいて、「１」「２」「３」「４」は、第１垂直駆動信号Ｖφ１と、第２垂直駆動信号Ｖφ２と、第３垂直駆動信号Ｖφ３と、第４垂直駆動信号Ｖφ４のバイアスが印加される各レジスタを示しており、第１フィールドでは、「１」のレジスタ部分の電極に読み出し用の電圧を印加することによって読み出し用のポテンシャルを形成して、緑色のフィルタが設けられた受光素子11から第１垂直転送レジスタ14aへの信号用電荷の読み出しを行うとともに、赤色のフィルタが設けられた受光素子11から第２垂直転送レジスタ14bへの信号用電荷の読み出しを行い、第２フィールドでは、「３」のレジスタ部分の電極に読み出し用の電圧を印加することによって読み出し用のポテンシャルを形成して、緑色のフィルタが設けられた受光素子11から第１垂直転送レジスタ14aへの信号用電荷の読み出しを行うとともに、青色のフィルタが設けられた受光素子11から第２垂直転送レジスタ14bへの信号用電荷の読み出しを行っている。

第１垂直駆動信号Ｖφ１、第２垂直駆動信号Ｖφ２、第３垂直駆動信号Ｖφ３、第４垂直駆動信号Ｖφ４がそれぞれ入力される電極は、以下のようにして形成している。

図４（ａ）に示すように、まず、半導体基板上には、垂直転送レジスタの「２」の領域を覆うように第２電極22を設けるとともに、垂直転送レジスタの「４」の領域を覆うように第４電極24を設ける。特に、第２電極22及び第４電極24は、図４（ａ）に示すようにそれぞれ直線状に形成して横方向に繋がったパターンとし、図示しない画素領域外に設けたバスラインから印加された垂直駆動信号を、図中の横方向に印加するようにしている。

次いで、図４（ｂ）に示すように、前記第２電極22上には、この第２電極22と同様に直線状に第１電極21を設けるとともに、第４電極24上には、この第４電極24と同様に直線状に第３電極23を設けている。

特に、第１電極21は第２電極22よりも細幅の直線状とするとともに、直交方向に突出して垂直転送レジスタの「１」の領域を覆う突出部を設けている。第３電極23は第４電極24よりも細幅の直線状とするとともに、直交方向に突出して垂直転送レジスタの「３」の領域を覆う突出部を設けている。

そして、この第１電極21、第２電極22、第３電極23、第４電極24の上には、第１垂直転送レジスタ14a及び第２垂直転送レジスタ14bとなる半導体層を形成している。

前述した実施形態では、第１水平転送レジスタ13aの信号用電荷の転送方向と、第２水平転送レジスタ13bの信号用電荷の転送方向とを反対方向としているが、図５に示すように、第１水平転送レジスタ13aと第２水平転送レジスタ13bとで同一方向に信号用電荷を転送するようにしてもよい。

また、前述した実施形態では、第１水平転送レジスタ13a及び第２水平転送レジスタ13bを、図１に示すように図面中の左右方向と平行に設け、第１垂直転送レジスタ14aと第２垂直転送レジスタ14bを図１に示すように図面中の左右方向と平行に設けているが、図６に示すように、第１水平転送レジスタ13a'及び第２水平転送レジスタ13b'を撮像領域12を挟んで図面中の上下方向と平行に設け、第１垂直転送レジスタ14a'と第２垂直転送レジスタ14b’を図面中の上下方向と平行に設けてもよい。

第１水平転送レジスタ13a,13a'及び第２水平転送レジスタ13b,13b'の「水平」の語と、及び第１垂直転送レジスタ14A,14a'及び第２垂直転送レジスタ14b,14b’の「垂直」の語は、第１水平転送レジスタ13a,13a'及び第２水平転送レジスタ13b,13b'と、第１垂直転送レジスタ14A,14a'及び第２垂直転送レジスタ14b,14b’とを区別するために慣用的に用いているに過ぎない語であって、方向性を限定するものではない。

上述した実施形態では、カラーフィルタを２×２原色フィルタとしているが、２×２原色フィルタに限定されるものではなく、原色フィルタ以外ではシアン「Cy」、イエロー「Ye」、マゼンダ「Mg」、グリーン「Ｇ」を用いた補色フィルタであってもよい。また、フィルタの配列も、２×２に限らず、２×４であってもよい。

図７には、２×４補色フィルタを用いた場合における第１垂直転送レジスタ14aと第２垂直転送レジスタ14bへの信号用電荷の読み出し方向を示しており、図７（ａ）では第1フィールドでの読み出し状態、図７（ｂ）では第２フィールドでの読み出し状態を示している。第１フィールドでは、第１電極21に読み出し用の信号を印加し、第２フィールドでは、第３電極23に読み出し用の信号を印加して、所定の受光素子11からの信号用電荷の読み出しを行っている。

図８は、図７における２×４補色フィルタの変形例の場合における第１垂直転送レジスタ14aと第２垂直転送レジスタ14bへの信号用電荷の読み出し方向を示しており、図８（ａ）では第1フィールドでの読み出し状態、図８（ｂ）では第２フィールドでの読み出し状態を示している。

図８の２×４補色フィルタは、図７の２×４補色フィルタにおけるシアン「Cy」とイエロー「Ye」の配置が一部入れ替わっているものである。

図９には、２×８補色フィルタを用いた場合における第１垂直転送レジスタ14aと第２垂直転送レジスタ14bへの信号用電荷の読み出し方向を示しており、図９（ａ）では第1フィールドでの読み出し状態、図９（ｂ）では第２フィールドでの読み出し状態を示している。第１フィールドでは、第１電極21に読み出し用の信号を印加し、第２フィールドでは、第３電極23に読み出し用の信号を印加して、所定の受光素子11からの信号用電荷の読み出しを行っている。

第１水平転送レジスタ13a,13a'及び第２水平転送レジスタ13b,13b'は、２つに限定するものではなく、必要に応じて２つ以上の水平転送レジスタを設けてもよい。具体的には、図１０に示すように、複数の受光素子31を縦横に配置した撮像領域32を挟んで一方の側縁に第１水平転送レジスタ33-1と第２水平転送レジスタ33-2とを設けるとともに、他方の側縁に第３水平転送レジスタ33-3と第４水平転送レジスタ33-4とを設けてもよい。すなわち、いわゆる４チャンネル出力である。また、２本ずつ設けるのではなく、それ以上設けてもよい。

このように水平転送レジスタの数を倍以上とすることによって、水平転送レジスタでの転送効率を大きく向上させることができ、高フレームレートでの高画素化を可能とすることができる。図１０中、34-1は第１垂直転送レジスタ、34-2は第２垂直転送レジスタであって、縦方向に一列状に配置した受光素子31の列の間に交互に配置している。また、図１０中、35-1は第１水平転送レジスタ33-1の終端に設けた第１出力アンプ回路、35-2は第２水平転送レジスタ33-2の終端に設けた第２出力アンプ回路、35-3は第３水平転送レジスタ33-3の終端に設けた第３出力アンプ回路、35-4は第４水平転送レジスタ33-4の終端に設けた第４出力アンプ回路である。

ただし、図１０に示すように、撮像領域32の側縁に水平転送レジスタを２本ずつ設けた場合には、別の新たな問題が生じることとなっている。すなわち、図１０に示すように、第１フィールドで、緑色のフィルタが設けられた受光素子31から第１垂直転送レジスタ34-1に信号用電荷の読み出しを行うとともに、赤色のフィルタが設けられた受光素子31から第２垂直転送レジスタ34-2に信号用電荷の読み出しを行って、第１垂直転送レジスタ34-1から第３水平転送レジスタ33-3と第４水平転送レジスタ33-4に信号用電荷を転送し、第２垂直転送レジスタ34-2から第１水平転送レジスタ33-1と第２水平転送レジスタ33-2に信号用電荷を転送した場合には、第１出力アンプ回路35-1と第２出力アンプ回路35-2とから赤色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷に基づく信号が出力され、第３出力アンプ回路35-3と第４出力アンプ回路35-4とから緑色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷に基づく信号が出力されることとなって、同一色の信号を２つの水平転送レジスタから出力することとなっている。なお、第２フィールドでも同じ問題を有している。

そこで、前述したように、第１フィールドと第２フィールドで、それぞれ垂直転送レジスタの伸延方向に沿った画素からの信号用電荷の読み出しを行うのではなく、図１０に示すように、撮像領域32を挟んで２本の水平転送レジスタを設けた場合には、各フィールドにおいて垂直転送レジスタの伸延方向に沿った２つの画素を単位として読み出すことにより、各水平転送レジスタからそれぞれ同一色の信号を出力させることとした。

なお、図１０では、カラーフィルタが２×２原色フィルタであるために、基本ユニットに２つの緑色のフィルタを備えっており、以下においては、図１１に示すように、青色のフィルタの図１１中での左右方向に隣接する緑色のフィルタを「Gb」と標示し、赤色のフィルタの図１１中での左右方向に隣接する緑色のフィルタを「Gr」と標示することとする。

また、説明の便宜上、「Ｂ」で標示される青色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷を「Ｂ信号用電荷」と呼び、「Ｒ」で標示される赤色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷を「Ｒ信号用電荷」と呼び、「Gb」で標示される緑色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷を「Gb信号用電荷」と呼び、「Gr」で標示される緑色のフィルタが設けられた受光素子31における信号用電荷を「Gr信号用電荷」と呼ぶこととする。

各水平転送レジスタからそれぞれ同一色の信号を出力させるためには、第１フィールド及び第２フィールドでは、それぞれGb信号用電荷と、Gr信号用電荷と、Ｂ信号用電荷と、Ｒ信号用電荷を各垂直転送レジスタに読み出す必要があり、この読み出しを行うために図４（ｂ）で説明した第１電極21と、第２電極22と、第３電極23と、第４電極24のうち、図１２に示すように、１つおきの第１電極21を主第１電極21aとし、この主第１電極21a以外の第１電極21を副第１電極21bとするとともに、１つおきの第３電極23を主第３電極23aとし、この主第３電極23a以外の第３電極23を副第３電極23bとして、第１フィールドでは主第１電極21aと主第３電極23aの電位を同時に「High」とすることによって、図１１における白抜き文字で示されるフィルタが設けられた受光素子31から信号用電荷の読み出しを行い、第２フィールドでは副第１電極21bと副第３電極23bの電位を同時に「High」とすることによって、残りの受光素子31から信号用電荷の読み出しを行うことを検討した。

このようにすることによって、図１１の場合では、第１水平転送レジスタ33-1でＢ信号用電荷を読み出し、第２水平転送レジスタ33-2でＲ信号用電荷を読み出し、第３水平転送レジスタ33-3でGb信号用電荷を読み出し、第４水平転送レジスタ33-4でGr信号用電荷を読み出すことができ、同一色の信号を同一の水平転送レジスタから出力することができるはずである。

ただし、この場合には、以下のような問題が生じることにより、実際には適正な動作が行えないおそれがあった。

すなわち、主第１電極21aと、副第１電極21bと、第２電極22と、主第３電極23aと、副第３電極23bと、第４電極24に、図１３のタイミングチャートに示す主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａと、副第１垂直駆動信号Ｖφ１ｂと、第２垂直駆動信号Ｖφ２と、主第３垂直駆動信号Ｖφ３ａと、副第３垂直駆動信号Ｖφ３ｂと、第４垂直駆動信号Ｖφ４によるバイアスをそれぞれ印加すると、第１垂直転送レジスタ34-1では、図１４に示すように、Gb信号用電荷とGr信号用電荷が転送される。

ここで、図１４では、説明の便宜上、第１垂直転送レジスタ34-1及び第２垂直転送レジスタ34-2における各レジスタのうち、主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａに基づくバイアスが印加されるレジスタをV1a、副第１垂直駆動信号Ｖφ１ｂに基づくバイアスが印加されるレジスタをV1b、第２垂直駆動信号Ｖφ２に基づくバイアスが印加されるレジスタをV2、主第３垂直駆動信号Ｖφ３ａに基づくバイアスが印加されるレジスタをV3a、副第３垂直駆動信号Ｖφ３ｂに基づくバイアスが印加されるレジスタをV3b、第４垂直駆動信号Ｖφ４に基づくバイアス電位のバイアスが印加されるレジスタをV4と標示している。したがって、第１垂直転送レジスタ34-1は、信号用電荷の転送方向に沿って、V4→V1a→V2→V3a→V4→V1b→V2→V3b→V4→V1a→V2→V3a→・・・の順でレジスタが並んでおり、第２垂直転送レジスタ34-2は、信号用電荷の転送方向に沿って、V1a→V2→V3b→V4→V1b→V2→V3a→V4→V1a→V2→V3b→V4→・・・の順でレジスタが並んでいる。

このとき、第２垂直転送レジスタ34-2では、図１５に示すように、Ｒ信号用電荷とＢ信号用電荷が転送され、t3のタイミングにおいてＲ信号用電荷とＢ信号用電荷との混色が発生することとなり、信号用電荷の正常な転送が困難となっていた。

すなわち、Gb信号用電荷とGr信号用電荷の転送と、Ｒ信号用電荷とＢ信号用電荷の転送とを４相の駆動信号で行った場合には、信号を分離するゲートがそれぞれで異なるために、少なくともどちらか一方で混色を生じさせてしまうこととなっていた。

そこで、各垂直駆動信号のうち、図１６のタイミングチャートに示すように、主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａと主第３垂直駆動信号Ｖφ３ａ、及び第４垂直駆動信号Ｖφ４とを用いて、混色の発生を防止するための障壁を形成するバイアスの印加を行うこととした。すなわち、本実施形態では、図１６のタイミングチャートにおけるt2のタイミングでバイアスを調整することによって、混色の発生を防止しているものである。

特に、主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａが印加されるレジスタV1aと、主第３垂直駆動信号Ｖφ３ａが印加されるレジスタV3aとは、第４垂直駆動信号Ｖφ４が印加されるレジスタV4を挟んで設ける必要があり、本実施形態では、以下のように各垂直駆動信号が入力される電極を形成している。

すなわち、図１７に示すように、まず、半導体基板上には、垂直転送レジスタの「V2」の領域を覆う第２電極42を設けるとともに、垂直転送レジスタの「V4」の領域を覆う第４電極44を設ける。特に、第２電極42及び第４電極44は、それぞれ直線状に形成して横方向に繋がったパターンとし、さらに、それぞれ転送方向に隣接したレジスタの一部分を覆う突出部45を設けている。

次いで、図１８に示すように、第４電極44上には、この第４電極44と同様に直線状とした直線部と、この直線部から垂直転送レジスタの「V3a」の領域を覆う突出部を設けた主第３電極43aと、直線部から垂直転送レジスタの「V3b」の領域を覆う突出部を設けた副第３電極43bとを交互に設けている。

次いで、図１９に示すように、第２電極42上には、この第２電極42と同様に直線状とした直線部と、この直線部から垂直転送レジスタの「V1a」の領域を覆う突出部を設けた主第１電極41aと、直線部から垂直転送レジスタの「V1b」の領域を覆う突出部を設けた副第１電極41bとを交互に設けている。

特に、主第１電極41aは、主第３電極43a上を横断させて「V1a」の領域を覆う突出部を設けることによって、第４垂直駆動信号Ｖφ４が印加されるレジスタV4を挟んで主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａが印加されるレジスタV1aと、主第３垂直駆動信号Ｖφ３ａが印加されるレジスタV3aとを配置している。

なお、図１７〜１９は、主第１電極41a、副第１電極41b、第２電極42、主第３電極43a、副第３電極43b、第４電極44の配設状態を説明する説明図であって、配線幅の関係を示しているものではなく、各電極を構成する配線幅は適宜としてよい。また、当然ながら、本実施形態で第２電極42と第４電極44が設けられている最下層の配線層と、主第３電極43aと副第３電極43bが設けられている中間層の配線層と、主第１電極41aと副第１電極41bが設けられている最上層の配線層との間にはそれぞれ絶縁層を設けており、各配線層の積層の順番は、これに限るものではなく、適宜の順番に積層してもよい。

このように構成した場合の図１６に示すタイミングチャートに基づく第１垂直転送レジスタ34-1の動作状態を図２０に示し、第２垂直転送レジスタ34-2の動作状態を図２１に示す。t2のタイミングで混色の発生が防止されていることが明らかである。

なお、他の実施形態として、前述のように３層の電極によって各レジスタを構成するのではなく、２層の電極で各レジスタを構成しながら、レジスタの配置と転送タイミングの調整とによって混色の発生を防止することも可能である。

ここで、本実施形態では、前述した主第３電極23aと副第３電極23bを設ける代わりに、図２２に示すように、交互に設ける第２電極と第４電極54のうち、第２電極は、主第２電極52aと、副第２電極52bとを交互に配置している。

したがって、垂直転送レジスタは、主第１垂直駆動信号Ｖφ１ａに基づくバイアスが印加されるレジスタV1aと、副第１垂直駆動信号Ｖφ１ｂに基づくバイアスが印加されるレジスタV1bと、主第２垂直駆動信号Ｖφ２ａに基づくバイアスが印加されるレジスタV2aと、副第２垂直駆動信号Ｖφ２ｂに基づくバイアスが印加されるレジスタV2bと、第３垂直駆動信号Ｖφ３に基づくバイアスが印加されるレジスタV3と、第４垂直駆動信号Ｖφ４に基づくバイアス電位のバイアスが印加されるレジスタV4とで構成され、第１垂直転送レジスタは、信号用電荷の転送方向に沿って、V4→V1a→V2a→V3→V4→V1b→V2b→V3→V4→V1a→V2a→V3→・・・の順でレジスタが並んでおり、第２垂直転送レジスタは、信号用電荷の転送方向に沿って、V4→V1a→V2a→V3→V4→V1b→V2b→V3→V4→V1a→V2a→V3→・・・の順でレジスタが並んでいる。

図２２に示すように、まず、半導体基板上には、垂直転送レジスタの「V4」の領域を覆うように第４電極54を設けるとともに、垂直転送レジスタの「V2a」の領域を覆うように主第２電極52aを設け、さらに、直転送レジスタの「V2b」の領域を覆うように副第２電極52bを設けており、特に、主第２電極52a、副第２電極52b及び第４電極54は、それぞれ直線状に形成して横方向に繋がったパターンとし、さらに、垂直転送レジスタの転送方向に向けて突出させた突出部55をそれぞれ設けている。

次いで、図２３に示すように、第４電極54上には、この第４電極54と同様に直線状とした直線部と、この直線部から垂直転送レジスタの「V3」の領域を覆う突出部を設けた第３電極53を設けている。

さらに、主第２電極52a上には、この主第２電極52aと同様に直線状とした直線部と、この直線部から垂直転送レジスタの「V1a」の領域を覆う突出部を設けた主第１電極51aを設け、副第２電極52b上には、この副第２電極52bと同様に直線状とした直線部と、この直線部から垂直転送レジスタの「V1b」の領域を覆う突出部を設けた副第１電極41bを設けている。

なお、図２２及び図２３は、主第１電極51a、副第１電極51b、主第２電極52a、副第２電極52b、第３電極53、第４電極54の配設状態を説明する説明図であって、配線幅の関係を示しているものではなく、各電極を構成する配線幅は適宜としてよい。また、当然ながら、本実施形態で主第２電極52a、副第２電極52b及び第４電極44が設けられている配線層と、第３電極43、主第１電極41a及び副第１電極41bが設けられている配線層との間には絶縁層を設けている。

ここで、主第２電極52a、副第２電極52b及び第４電極54に設けた突出部55の張り出しの長さ、及び第３電極53における突出部の第４電極54の側縁からの張り出しの長さ、主第１電極51aにおける突出部の主第２電極52aの側縁からの張り出しの長さ、副第２電極52bにおける突出部の副第２電極52bの側縁からの張り出しの長さは、それぞれ等しくしていることが望ましい。

このように構成した場合に、図２４に示すタイミングチャートに基づく第１垂直転送レジスタの動作状態を図２５に示し、第２垂直転送レジスタの動作状態を図２６に示す。t2のタイミングで混色の発生が防止されていることが明らかである。

すなわち、本実施形態では、第１フィールドでは、垂直転送レジスタのV1aとV2aとで読み出しを行っており、この場合、垂直転送レジスタのV1aと、垂直転送レジスタのV2aに同時に読み出し電圧を印加すると、Ｒ信号用電荷とＢ信号用電荷との分離、及びGb信号用電荷とGr信号用電荷との分離を垂直転送レジスタのV2aで行えないことにより、混色が生じることとなる。

そこで、まず、t1のタイミングで垂直転送レジスタのV1aに読み出し電圧を印加して、第１垂直転送レジスタにGb信号用電荷を読み出すとともに、第２垂直転送レジスタにＲ信号用電荷を読み出している。このとき、垂直転送レジスタのV1bには読み出し電圧を印加しないことにより、垂直転送レジスタのV1bの隣に位置するGb信号用電荷及びＲ信号用電荷が読み出されることはない。

次いで、４層の垂直転送サイクルを行って、第１垂直転送レジスタに読み出されているGb信号用電荷を垂直転送レジスタのV1b及びV2bのゲート下に転送するとともに、第２垂直転送レジスタに読み出されているＲ信号用電荷を垂直転送レジスタのV1b及びV2bのゲート下に転送する。

この状態で垂直転送レジスタのV2aに読み出し電圧を印加して、第１垂直転送レジスタにGr信号用電荷を読み出すとともに、第２垂直転送レジスタにＢ信号用電荷を読み出している。このとき、すなわちt1のタイミングでは、図２４のタイミングチャートに示すように、垂直転送レジスタのV3に印加する第３垂直駆動信号Ｖφ３、及び垂直転送レジスタのV4に印加する第４垂直駆動信号Ｖφ４を「Low」としていることによって、第１垂直転送レジスタでGb信号用電荷とGr信号用電荷との混色が生じることを防止できるとともに、第２垂直転送レジスタでＲ信号用電荷とＢ信号用電荷との混色が生じることを防止できる。

このように各信号用電荷を読み出した後、各信号用電荷をそれぞれ第１垂直転送レジスタまたは第２垂直転送レジスタで所要の水平転送レジスタに転送している。したがって、信号用電荷の混色を防止しながら、同一の水平転送レジスタからは同一色のフィルタに基づく信号用電荷から生成された信号を出力することができる。

なお、第２フィールドでは、垂直転送レジスタのV1bとV2bとで読み出しを行っており、前述の方法と同様に信号用電荷の混色を防止しながら、同一の水平転送レジスタからは同一色のフィルタに基づく信号用電荷から生成された信号を出力することができる。

本実施形態に係る固体撮像装置の概略ブロック図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の説明図であって、（ａ）は第１フィールドの読出状態、（ｂ）は第２フィールドの読出状態である。 本実施形態に係る固体撮像素子の説明図であって、（ａ）は第１フィールドの読出状態、（ｂ）は第２フィールドの読出状態である。 垂直転送用の電極形成方法の説明図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の変形例の説明図である。 ２×４補色フィルタの場合の説明図である。 ２×４補色フィルタの場合の説明図である。 ２×８補色フィルタの場合の説明図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の変形例の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用のタイミングチャートである。 変形例の固体撮像素子における第１垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 変形例の固体撮像素子における第２垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用のタイミングチャートである。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における第１垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 変形例の固体撮像素子における第２垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用の電極形成の説明図である。 変形例の固体撮像素子における垂直転送用のタイミングチャートである。 変形例の固体撮像素子における第１垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 変形例の固体撮像素子における第２垂直転送レジスタのポテンシャル図である。 従来の固体撮像素子の説明図である。

符号の説明

Ａ 固体撮像装置
10 固体撮像素子
20 タイミングジェネレータ
11 受光素子
12 撮像領域
13a 第１水平転送レジスタ
13b 第２水平転送レジスタ
14a 第１垂直転送レジスタ
14b 第２垂直転送レジスタ
15a 第１出力アンプ回路
15b 第２出力アンプ回路
16 チャネルストップ

Claims (5)

1. 半導体基板の撮像領域内に設けた複数の受光素子と、
   前記受光素子上に設けて所定の色によるフィルタリングを行う複数色のカラーフィルタと、
   前記受光素子に隣接させて配置して、前記受光素子から水平転送レジスタに電荷を転送する複数の垂直転送レジスタと、
   この垂直転送レジスタから転送された電荷をそれぞれ転送するとともに、この電荷に基づく信号をそれぞれ出力する複数の前記水平転送レジスタと
   を有する固体撮像素子において、
   前記カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて前記受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の前記水平転送レジスタで転送することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記カラーフィルタは、各色のフィルタを所定のパターンに配置した基本ユニットを繰り替えし配列して構成するとともに、前記基本ユニットには同色のフィルタを２つ以上設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の水平転送レジスタは前記撮像領域を挟む少なくとも２つ以上の水平転送レジスタであって、
   前記複数の垂直転送レジスタは、それぞれ１つの前記水平転送レジスタに接続し、
   前記カラーフィルタにおける前記基本ユニット中の同色の前記フィルタによってフィルタリングされた前記受光素子に蓄積された電気電荷を、同一の前記垂直転送レジスタに読み出させることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記基本ユニットはベイヤ配列であって、前記同色は緑色としたことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
5. 半導体基板の撮像領域内に設けた複数の受光素子と、
   前記受光素子上に設けて所定の色によるフィルタリングを行う複数色のカラーフィルタと、
   前記受光素子に隣接させて配置して、前記受光素子から水平転送レジスタに電荷を転送する複数の垂直転送レジスタと、
   この垂直転送レジスタから転送された電荷をそれぞれ転送するとともに、この電荷に基づく信号をそれぞれ出力する複数の前記水平転送レジスタと
   を有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、
   前記固体撮像素子は、前記カラーフィルタにおける同一色のフィルタを透過した光に基づいて前記受光素子でそれぞれ蓄積された電荷を、同一の前記水平転送レジスタで転送することを特徴とする固体撮像装置。

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