JP2009071025A

JP2009071025A - Ｃｃｄ型固体撮像素子

Info

Publication number: JP2009071025A
Application number: JP2007237687A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nishikawa; 哲夫西川
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】２列の画素列が１つの垂直電荷転送路を共用する構成において、１画素１画素の受光面積増大を図ることができ、しかも、高品質な被写体画像を撮像することが可能とする。
【解決手段】ハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子において、Ｒ画素とＢ画素が並ぶ第１画素列と、これに隣接するＧ画素が並ぶ第２画素列とが、第１画素列に隣接する第１垂直電荷転送路２と第２画素列に隣接する第２垂直電荷転送路とを共用する構成とする。共用する構成は、２つの垂直電荷間のチャネルストップ３ａを削除した構成とする。これにより、画素を等ピッチに配列したまま各画素の受光面積増大を図ることができ、撮像画像の画像歪みを回避可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板の表面部に複数の画素（光電変換素子）を二次元アレイ状に配列したＣＣＤ型固体撮像素子に係り、特に、１画素１画素の受光面積が広くしかも高品質の被写体画像を撮像することができるＣＣＤ型固体撮像素子に関する。

近年のＣＣＤ型固体撮像素子は、多画素化の進展に伴い、１画素１画素の受光面積が小さくなり、高感度な撮影が困難になってきている。このため、例えば下記特許文献１記載の従来技術では、本来は画素列毎に設ける垂直電荷転送路を、２列の画素列の間に設けた１本の垂直電荷転送路を共用する構成としている。

また、下記特許文献２の図２に記載されたＣＣＤ型固体撮像素子では、所謂ハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子において、高感度画素列に隣接して設けた垂直電荷転送路と低感度画素列に隣接して設けた垂直電荷転送路との間のチャネルストップを一部削除して２本の垂直電荷転送路を２列の画素列が共用する構成になっている。

特開平８―１０７５２３号公報特開２００４―５５７８６号公報

上述した特許文献１記載の従来技術は、２つの画素列の間に垂直電荷転送路を設け、２つの画素列が中央の垂直電荷転送路を共用する構成になっている。このため、垂直電荷転送路数が減少し、その分だけ画素面積を増大させることが可能である。

しかし、固体撮像素子の受光面には、水平方向に、「画素列」「垂直電荷転送路」「画素列」「画素列」「垂直電荷転送路」「画素列「画素列」…と並び、水平方向に並ぶ画素だけみれば、その画素ピッチが等ピッチになっていない。

これは、被写体の光像を等ピッチでサンプリングしていないことを意味し、固体撮像素子から出力された画像が歪みを持ち、画質低下を起こしている。歪んだ撮像画像信号に補間演算処理を施し、等ピッチで撮像した場合の撮像画像信号に修正することは可能であるが、演算処理負荷が高くなり、高フレームレートでの動画撮影を困難にする。

上述した特許文献２の図２に記載の従来技術では、２本の垂直電荷転送路で転送する信号電荷が、常に異なる色画素の信号電荷となっているため、混色が発生し画質を劣化させる虞がある。

また、この従来技術では、水平方向の画素ピッチを狭くするだけのために２本の垂直電荷転送路の共用を図り、高感度画素の最大蓄積電荷量の増大を図っている訳ではないため、各画素の最大蓄積電荷量の増大を図れる構造になっていない。

本発明の目的は、２列の画素列が１つの垂直電荷転送路を共用する構成において、１画素１画素の受光面積増大を図ることができ、しかも、高品質な被写体画像を撮像することが可能なＣＣＤ型固体撮像素子を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずらして配列された同一受光面積を持つ複数の画素と、該複数の画素で構成される各画素列に沿って形成された複数の垂直電荷転送路と、奇数行（または偶数行）の画素行の各々の画素に積層された緑色フィルタと、偶数行（または奇数行）の画素行の各々の画素のうち市松位置の画素に積層された赤色フィルタと、前記偶数行（または奇数行）の画素行の各々の画素のうち残りの市松位置の画素に積層された青色フィルタと、前記赤色フィルタと前記青色フィルタが交互に積層された画素列に沿って設けられた前記垂直電荷転送路及び該画素列に隣接する前記緑色フィルタが積層された画素列に沿って設けられた前記垂直電荷転送路の２つの垂直電荷転送路を組とし該緑色フィルタが積層された画素列の画素間において前記２つの垂直電荷転送路が接する箇所の埋め込みチャネルが相互に連通する構成とを備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、前記垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って水平電荷転送路が設けられ、前記組を構成する２つの垂直電荷転送路は、別々に分かれた状態で該水平電荷転送路に接続される構成になっていることを特徴とする。

本発明によれば、２列の画素列が１つの垂直電荷転送路を共用する構成において、１画素１画素の受光面積増大を図ることができ、しかも、高品質な被写体画像を撮像することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１００は、半導体基板の表面部に同一受光面積の複数の画素（フォトダイオード）１が二次元アレイ状に配列形成されており、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずらして設けられた、所謂、ハニカム画素配列（例えば、特許文献２や特開平１０―１３６３９１号公報参照）になっている。

各画素列には、図示する例では右側に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２が形成されている。各垂直電荷転送路２は、垂直方向に存在する画素１を避けるように蛇行して形成される。

各垂直電荷転送路２の転送方向端部には、これらの転送方向端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）５が設けられており、水平電荷転送路５の出力端部には、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ５ａが設けられている。

本実施形態の固体撮像素子１００は、単板式のカラー画像撮像用であるため、奇数行（または偶数行）の画素行の各画素には緑色（Ｇ）のカラーフィルタが積層され、偶数行（または奇数行）の画素行の各画素には、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）のカラーフィルタが交互に積層されている。赤色と青色のカラーフィルタが交互に積層される画素行は、列方向にも赤色と青色とが交互に積層される様になっている。つまり、偶数行の各画素だけみれば、各画素は正方格子配列となっており、その市松位置に赤色フィルタが積層され、残りの市松位置に青色フィルタが積層される。

このカラーフィルタ配列を列方向に見てみると、…ＲＢＲＢ…と並ぶ画素列（以下、ＲＢ画素列という。）と、…ＧＧＧＧ…と並ぶ画素列（以下、Ｇ画素列という。）とが水平方向に交互に並ぶことになる。そこで、本実施形態では、ＲＢ画素列と、これに隣接するＧ画素列とを１組として、２つの画素列の各垂直電荷転送路２を、２つの画素列で共用する構成とする。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明しているが、これは、半導体基板の表面に沿う「１方向」「この一方向に略垂直な方向」という意味に過ぎない。

図２は、図１に示す点線矩形枠II内の詳細構成図である。各画素（フォトダイオード）１の形成箇所は、周囲をｐ型高濃度不純物領域でなるチャネルストップ３で囲まれ、その外側の垂直電荷転送路２と画成される。図示する例では、各画素１の右斜め下方向のチャネルストップ３は設けられていない。これはこの箇所４が当該画素１の信号電荷を垂直電荷転送路２に読み出すトランスファーゲート４になっているためである。

そして、ＲＢ画素列においては、垂直方向に隣接する画素１の周囲に設けられるチャネルストップ３同士が、ｐ型高濃度不純物領域でなるチャネルストップ３ａで接続されている。これに対し、Ｇ画素列においては、この様なチャネルストップ３ａは設けていない。

半導体基板の画素１が設けられた周囲には、ｎ型不純物領域（網掛け模様で示す。）が設けられており、これが垂直電荷転送路２の埋め込みチャネルとなっている。この埋め込みチャネルがチャネルストップ３，３ａにより分断区分けされ、ＲＢ画素列及びＧ画素列を１組とする共用垂直電荷転送路２及び各画素１が、隣接するＲＢ画素列及びＧ画素列の組から画成される。

垂直電荷転送路２は、上記の埋め込みチャネルと、その上に絶縁層を介して積層される垂直転送電極膜とで構成される。垂直転送電極膜は、各垂直転送路に渡って水平方向に連続して設けられ、同一転送パルスによって各垂直転送路における転送を同時に起こせる様になっている。垂直転送電極膜は、例えばポリシリコン膜で構成され、図示する例では、１画素当たり２枚の転送電極膜６，７が設けられている。

図３は、図２のIII―III’線位置における断面模式図である。半導体基板１１にはＰウェル層１２が設けられており、このＰウェル層１２の表面部に、ｎ領域１３が形成されることで、フォトダイオード１が設けられる。

ｎ領域１３の表面には暗電流抑制用の高濃度ｐ型表面層１４が設けられる。また、ｎ領域１３の隣には、垂直電荷転送路２の埋め込みチャネルとなるｎ領域１５が設けられ、埋め込みチャネル１５の下側には、高濃度ｐ領域１６が設けられる。図示する例では、画素１の周囲に設けるチャネルストップ３がｐ型高濃度不純物領域として設けられる他、２つの垂直電荷転送路２の埋め込みチャネル１５を区分けするチャネルストップ３ａが設けられている。

半導体基板１１の最表面にはゲート酸化膜１７が設けられ、その上で且つ埋め込みチャネル１５の上に転送電極膜６（７）がポリシリコン膜で形成される。そして、その上に、画素１の上に開口１８ａが設けられた遮光膜１８が設けられる。

図４は、図２のIV―IV’線位置における断面模式図である。図２のIII―III’線位置と異なるのは、２本の垂直転送路２を分けるチャネルストップ３ａが無い位置の断面である点だけである。従って、図３に示すチャネルストップ３ａが存在しない点だけが異なる。

図５は、上述した構成のＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動するタイミングチャートの一例である。このＣＣＤ型固体撮像素子１００では、２フィールドで１画面の撮像画像データを読み出すことを基本とし、先ず、第１フィールドで、ＲＢ画素の検出電荷を右隣の垂直電荷転送路２に読み出し、これを水平電荷転送路５（図１）まで転送し、水平電荷転送路５に沿って転送し、出力する。

次の第２フィールドでは、Ｇ画素の検出電荷を右隣の垂直電荷転送路２に読み出し、これを水平電荷転送路５（図１）まで転送し、水平電荷転送路５に沿って転送し、出力する。

図６は、第１フィールドにおける信号電荷の転送の様子を示す図である。ＲＢ画素の転送電極兼用読出電極Ｖ３，Ｖ７に読出パルスａ（図５参照）を印加すると、ＲＢ画素の各々の信号電荷が、図６のタイミングＴ０に示す様に、垂直電荷転送路２の該当電極Ｖ３，Ｖ７下に形成されている電位パケット内に読み出される。

この電位パケットは、図２に示すチャネルストップ３ａが無い位置に形成されるため、２本の垂直電荷転送路２の同一電極下に渡って形成され、この電位パケット内に１つの画素の信号電荷が読み出される。

次に垂直転送パルスが垂直転送電極に印加されると、例えばＲ画素の信号電荷は、図６のタイミングＴ１，Ｔ２に示す様に、２本の垂直電荷転送路２に分流して転送され、次のタイミングＴ３で、また、チャネルストップ３ａの無い箇所で合流する。以上の分流，合流という動作を繰り返すことで、ＲＢ画素の信号電荷は水平電荷転送路まで転送される。

図７は、第２フィールドにおける信号電荷の転送の様子を示す図である。Ｇ画素の転送電極兼用読出電極Ｖ１，Ｖ５に読み出しパルスｂ（図５参照）を印加すると、Ｇ画素の各々の信号電荷が、図７のタイミングＴ０に示す様に、垂直電荷転送路２の該当電極Ｖ１，Ｖ５下に形成されている電位パケット内に読み出される。

次に垂直転送パルスが垂直転送電極に印加されると、Ｇ画素の信号電荷は、図６のタイミングＴ１，Ｔ２，Ｔ３に示される様に、２本の垂直電荷転送路２に分流して転送され、次に合流するという動作を繰り返し、水平電荷転送路まで転送される。

各垂直転送路２から水平電荷転送路５に信号電荷を転送する場合には、図１に示されるように、各々の垂直電荷転送路２が別々に水平電荷転送路５に接続される。即ち、共用される２本の垂直電荷転送路２が合流状態となって水平電荷転送路５に接続されるのではなく、分流状態となった各々の垂直電荷転送路２が各々水平電荷転送路５に接続される。

上述した特許文献２の図２に示される従来技術では、合流状態で水平電荷転送路に接続される構成を図示している。この従来技術を、各画素が同一受光面積を持つ本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子に適用し、各画素の受光面積増大を図ると、合流状態の電位パケット内の信号電荷量が多くなりすぎ、水平電荷転送路に移せなくなってしまう。しかし、本実施形態では、分流状態で水平電荷転送路５に接続するため、個々の画素の受光面積増大を図ることができる。

この様に、本実施形態では、１本の垂直電荷転送路に１つの画素の信号電荷を読み出し転送する場合と比較して、２本の垂直電荷転送路に１つの画素の信号電荷を読み出し２本の垂直電荷転送路を使って転送すれば良いため、２本の垂直電荷転送路２の幅を狭くでき、それだけ画素１の受光面積を増大させることができる。しかも、画素１は、半導体基板の受光面に等ピッチで配列でき、撮像画像が歪むことも無い。

また、Ｇ画素の信号電荷を転送するときは、当該２本の垂直電荷転送路上には、Ｇ画素の信号電荷しか存在しないため、混色が起きず、画質劣化は抑制される。

以上述べた様に、本実施形態によれば、個々の垂直電荷転送路の埋め込みチャネルの幅を縮小し、２本の垂直電荷転送路の各々の同一転送電極位置における電位パケットの合計容量を、フォトダイオード（画素）１の最大蓄積容量より大きくすればよいため、必要となる垂直電荷転送路の幅を狭くしてその分だけ各画素の受光面積を増大させることができ、高感度な撮像を行うことが可能となる。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、個々の画素の受光面積増大を図ることができるため、高感度撮影を行うデジタルカメラに搭載するＣＣＤ型固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。図１に示す点線矩形枠II内の詳細構成図である。図２のIII―III’線位置における断面模式図である。図２のIV―IV’線位置における断面模式図である。図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動チャートである。図１に示すＲＢ画素列の信号電荷の読み出しと転送の様子を示す図である。図１に示すＧ画素列の信号電荷の読み出しと転送の様子を示す図である。

符号の説明

１画素（フォトダイオード）
２垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
３，３ａチャネルストップ
４トランスファーゲート
５水平電荷転送路
５ａ出力アンプ
１１半導体基板
１２Ｐウェル層
１３ｎ領域（フォトダイオード）
１５ｎ領域（垂直電荷転送路の埋め込みチャネル）
６，７垂直転送電極膜
１８遮光膜
１００ＣＣＤ型固体撮像素子

Claims

半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずらして配列された同一受光面積を持つ複数の画素と、該複数の画素で構成される各画素列に沿って形成された複数の垂直電荷転送路と、奇数行（または偶数行）の画素行の各々の画素に積層された緑色フィルタと、偶数行（または奇数行）の画素行の各々の画素のうち市松位置の画素に積層された赤色フィルタと、前記偶数行（または奇数行）の画素行の各々の画素のうち残りの市松位置の画素に積層された青色フィルタと、前記赤色フィルタと前記青色フィルタが交互に積層された画素列に沿って設けられた前記垂直電荷転送路及び該画素列に隣接する前記緑色フィルタが積層された画素列に沿って設けられた前記垂直電荷転送路の２つの垂直電荷転送路を組とし該緑色フィルタが積層された画素列の画素間において前記２つの垂直電荷転送路が接する箇所の埋め込みチャネルが相互に連通する構成とを備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
前記垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って水平電荷転送路が設けられ、前記組を構成する２つの垂直電荷転送路は、別々に分かれた状態で該水平電荷転送路に接続される構成になっていることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。