JP3704406B2

JP3704406B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3704406B2
Application number: JP28885796A
Authority: JP
Inventors: 哲生山田; 和行益金
Original assignee: Toshiba Corp; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: JPH10136392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に全画素信号同時読み出し型の高解像度化に適した固体撮像装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電荷転送型固体撮像装置いわゆるＣＣＤ固体撮像装置は、ＮＴＳＣ方式等に準拠したテレビジョンやビデオテープレコーダ用のカメラに搭載する事を目的に開発されてきた。この方式では、１フレームの表示画像をインターレース走査し、２フィールドの信号に分ける。従って、１回の信号読み出しでは第１のフィールドに対応する受光素子または第２のフィールドに対応する受光素子から信号電荷を読み出せばよい。換言すれば、２個の受光素子に対して１転送段を有する構成が一般的である。
【０００３】
これに対して、電子スチルカメラや新しいテレビジョン方式のカメラではノンインターレース方式の撮像を必要とする。この場合、１受光素子に対して１転送段（一般に４電極）が必要になる。これを実現する方法として、図５に示す構成の固体撮像装置が提案されている。
【０００４】
図５にノンインターレース方式対応の全画素信号同時読み出し型固体撮像装置の一例のその一部の拡大平面図を示す。図５において、１はフォトダイオードのような光電変換素子（以下、受光素子とも称する）であり、２ａで示すのはその矢印方向（列方向）に配列した複数の受光素子１からなる第１の受光素子列であり、２ｂで示すものはその矢印方向（列方向）に配列した複数の受光素子１からなる第２の受光素子列である。第１と第２の受光素子列２ａ、２ｂは図の左右方向（行方向）に交互に配置される。３はその矢印方向（行方向）に配列した複数の受光素子１からなる第１の受光素子行であり、４はその矢印方向（行方向）に配列した複数の受光素子１からなる第２の受光素子行であり、第１と第２の受光素子行３、４は列方向に隣接して交互に配置される。
【０００５】
さらに図５において、５と６は、第１および第２の受光素子列２ａ、２ｂの受光素子１の信号電荷を読み出してかつ列方向に転送する第１と第２の列方向電荷転送装置であり、第１と第２の列方向電荷転送装置５、６は一つの受光素子列の両側に配置される。
【０００６】
さらに図５において、７は第１と第２の列方向電荷転送装置５、６で転送された信号電荷のいずれか一方を選択的に行方向電荷転送装置８に転送する制御装置であり、９は行方向電荷転送装置８からの信号電荷の電荷量に応じた電圧を生成して外部に出力する出力回路である。以上の受光素子１、列方向電荷転送装置５、６、制御装置７、行方向電荷転送装置８ならびに出力回路９は、いずれも共通の半導体基板（図示せず）の上に形成される。
【０００７】
説明のように、図５の固体撮像装置では、各受光素子列２ａ，２ｂの両側に第１と第２の二つの列方向電荷転送装置５、６を配置することで、１受光素子１に対して１転送段１０を割り当てることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電子スチルカメラや新しいパーソナルコンピュータへの画像入力カメラ（ＰＣカメラ）では、受光素子の配列ピッチが行方向と列方向とで同一であることが望ましい。何故なら、受光素子の配列ピッチが行と列とで同一となることにより正方格子を形成するので、表示装置側の画素ピッチとの整合性ならびに信号処理の容易さの観点から有利であるからである。
【０００９】
ところが、第１と第２の受光素子列２ａと２ｂとの間には２個の列方向電荷転送装置５、６が存在するために、行方向については列方向に比べ間隔が長くなり、また行方向の間隔を短縮することも難しい。このような状況で行と列の配列ピッチを同一にするためには、列方向の配列ピッチを行方向のそれに合わせるために拡大することになり、これは固体撮像装置の高集積化を妨げる。
【００１０】
さらに、図５の構造では、各行における受光素子１からの信号電荷の読み出し方向が、第１の列方向電荷転送装置５と第２の列方向電荷転送装置６とで逆方向となることが明らかである。このため、この固体撮像装置の製造工程において、受光素子列２ａ，２ｂと列方向転送装置５、６列の相対的位置にズレが生じた場合、同時読み出しの特性が隣接する受光素子間で異なってしまう。例えば、列方向電荷転送装置５、６に対して受光素子１が図面の右方向にずれた場合、第１の受光素子行３のうち、受光素子列２ａにある受光素子１ａと第１の列方向電荷転送装置５の相対位置が近づき、逆に第２の受光素子行４のうち、受光素子列２ｂにある受光素子１ｂと第２の列方向電荷転送装置６の相対位置が遠ざかる。これにより受光素子１ａで発生する信号電荷は読み出し易く、受光素子１ｂで発生する信号電荷は読み出し難くなる。さらに、受光素子に入射した光の一部が列方向電荷転送装置に漏洩することで発生するスミアと称される偽信号の量が第１と第２の列方向転送装置５と６間で異なるために縦縞状の致命的な固定パターンが雑音として現れる。
【００１１】
本発明の目的は、従来の製造方法で作成可能であり、かつ各受光素子行において均一な素子特性を実現し、解像度を改善した新規な構造の固体撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、該半導体基板上に行方向と列方向とに互いに所定の配列間隔で形成された複数の光電変換素子と、列方向に沿って配置されている前記光電変換素子の各列の両側に配置され、該光電変換素子から出力される信号電荷を転送する第１と第２の列方向電荷転送装置と、信号電荷を行方向に転送する行方向電荷転送装置と、前記第１と第２の列方向電荷転送装置からの信号電荷を前記行方向電荷転送装置に転送し、前記行方向電荷転送装置上での電荷位置が全ての前記列方向電荷転送装置に対して等間隔に並ぶように行方向位置を調整するチャネル位置変換部と、前記行方向電荷転送装置からの信号電荷を電圧信号として出力する出力回路とを有し、各一つの光電変換素子に対して前記第１、第２の列方向電荷転送装置の一方の一つの転送段が対応して設けられ、該一つの転送段が該一つの光電変換素子から信号電荷を読み出し、前記光電変換素子の同一行において該光電変換素子から該信号電荷を読み出す方向が同一であるように構成してなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の固体撮像装置の一実施例の部分拡大平面図を示す。図１において、１１ａ〜１１ｄは第１の受光素子行、１２ａ〜１２ｄは第２行の受光素子行、１３ａ〜１３ｄは第３行の受光素子行、１４ａ〜１４ｄは第４行の受光素子行、そして１５ａ〜１５ｄは第５行の受光素子行である。さらに、受光素子列の左側に第１の列方向電荷転送装置１６ａ、１６ｂ，１６ｃ及び１６ｄが配列し、同右側に列方向電荷転送装置１７ａ、１７ｂ，１７ｃ及び１７ｄが配列する。１８は、全列方向電荷転送装置の出力端が行方向に同一間隔で並ぶように行方向位置を変換するためのチャネル位置変換部であり、１９は、列方向電荷転送装置間及び受光素子間及び列方向電荷転送装置と受光素子との間をそれぞれ電気的に分離する素子分離層であり、２０は、列方向電荷転送装置からチャネル位置変換部１８を経て転送された信号電荷を１行分毎に受け取り、出力回路２１に転送する行方向電荷転送装置であり、出力回路２１は転送された信号電荷量に対応する電圧信号を出力する。
【００１４】
チャネル位置変換部１８は、それぞれが行方向に同一間隔に並び、各列の電荷が行方向に同一間隔に並ぶように調整し、各列の電荷を行方向電荷転送装置２０に供給する。列方向電荷転送装置１６、１７は、それぞれ行方向に同一間隔に並んでいない。チャンネル位置変換部１８は、列方向電荷装置１６、１７から電荷を受け、各列の電荷がそれぞれ行方向に同一間隔になるように調整し、行方向電荷転送装置２０上の所定の位置に各列の電荷を供給する。
【００１５】
本実施例においては、受光素子１の行方向の配列間隔（ピッチ）Ｗｈと、列方向に隣接する２個の受光素子組を１単位としたときの隣接単位間の列方向の配列間隔（ピッチ）Ｗｖとは互いに等しく設定されている。また、第１と第３と第５の奇数行に配列する受光素子は各受光素子列の左側に配置する第１の列方向電荷転送装置１６ａ〜１６ｄへと信号電荷が読み出され、第２と第４の偶数行に配列する受光素子は各受光素子列の右側に配置する第２の列方向電荷転送装置１７ａ〜１７ｄへと信号電荷が読み出される。すなわち、１行分に着目すれば、１行内ではその行の全受光素子はすべて完全に同一構造となり、同じ方向に信号電荷が読み出されることになる。このような構造では、製造過程で、製造バラツキにより受光素子と列方向電荷転送装置、遮光開口等との相対的位置ずれが生じたとしても１行内においてはそれらの相対的関係は変わらず、各１行分内においては電気的及び光学的特性は常に均一である。
【００１６】
次に、図２には上記した図１の第１の実施例の固体撮像装置の上に３色のカラーフィルタを形成した実施例を示してある。図２の実施例においては、受光素子の受光部上にＧ，Ｂ，Ｒと記した色フィルタが形成されている。ここで、Ｇは緑（グリーン）、Ｂは青（ブルー）そしてＲは赤（レッド）を示す。この実施例では、Ｇフィルタのある受光素子からの信号電荷（Ｇ信号）は第１の列方向電荷転送装置１６ａ〜１６ｄにより、ＢフィルタとＲフィルタのある受光素子からの信号電荷（Ｂ信号とＲ信号）は第２の列方向電荷転送装置１７ａ〜１７ｄによりそれぞれ転送される。ここでは、Ｇ信号、Ｒ信号およびＢ信号がそれぞれ色毎に同一方向に信号電荷が読み出され、色毎に同一構造を有する。従って、各カラー信号の特性は全撮像領域にわたり均一になる。
【００１７】
図３（Ａ）に、図２の本発明の実施例によるカラーフィルタの配置構成を示し、図３（Ｂ）に図５の従来の技術の固体撮像装置のカラーフィルタの配置構成を示す。両者を比較して説明する。太線で囲まれた領域が１つの撮像サンプリング単位で、Ｗｈは行方向配列ピッチであり、Ｗｖは列方向配列ピッチを示す。信号処理上は両ピッチＷｈ，Ｗｖは互いに等しくすることが好ましい。
【００１８】
一般に、画像の解像度を決定する輝度信号はＧ信号を主とし、Ｒ信号とＢ信号を従としてそれらを加重加算して生成される。本発明の実施例では、図３（Ａ）で明らかなように、正方格子（Ｗｈ＝Ｗｖ）をなすサンプリング領域（Ｗｈ×Ｗｖ）のすべてにおいて必ずＧ信号が配置され、ＧとＲあるいはＧとＢとが交互に対を成している。さらに、正方格子には、列方向に２画素が配置される。従って、撮像サンプリング単位の数と同数の解像度を得ることが容易にできる。
【００１９】
一方、図３（Ｂ）で示す従来の技術においては、Ｇ領域の数はサンプリング単位数の半分しかなく、従って解像度も本願実施例に比べ半分となる。図３（Ｂ）の従来技術の構成では信号の補間処理等で見かけ上の解像度を高めることはできるが、本発明のような本質的な解像度の改善とはならない。
【００２０】
本発明の実施例では、一つの正方形サンプリング単位を構成する受光素子間においては、列方向電荷転送装置との相対的位置のズレによる特性の変動が起こりうる。しかし、図３（Ａ）に示す如く、一方がかならずＧで他方がＲまたはＢで互いに異なるカラーフィルタ配列である場合、この変動は問題にならない。何故なら、撮像装置から出力された後、両者は各々分離して増幅等の信号処理が行われるので、この信号処理工程で容易に変動の補正を行うことが出来るためである。
【００２１】
図４に本発明の固体撮像装置の別の実施例の部分拡大平面図を示す。図４において、４１ａ〜４１ｄは第１の受光素子行、４２ａ〜４２ｄは第２行の受光素子行、４３ａ〜４３ｄは第３行の受光素子行、４４ａ〜４４ｄは第４行の受光素子行、そして４５ａ〜４５ｄは第５行の受光素子行である。さらに、受光素子列の左側に第１の列方向電荷転送装置４６ａ、４６ｂ，４６ｃ及び４６ｄが配列し、同右側に列方向電荷転送装置４７ａ、４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄが配列する。
【００２２】
図４から明らかなように、列方向電荷転送装置４６ａ、４７ｂ，４６ｃ及び４７ｄは図の下方に信号電荷を転送し、列方向電荷転送装置４７ａ、４６ｂ，４７ｃ及び４６ｄは逆に図の上方に信号電荷を転送する。下方に転送された信号電荷は下方のチャネル位置変換部４８ａ〜４８ｄを介して下方の行方向電荷転送装置５０に転送され、上方に転送された信号電荷は上方のチャネル位置変換部４９ａ〜４９ｄを介して上方の行方向電荷転送装置５１に転送される。しかる後、下方の出力回路５２と上方の出力回路５３とから信号を上下に分けて出力する。
【００２３】
この実施例では、各行方向電荷転送装置が転送を受け持つ信号数が半減して、行方向電荷転送装置の転送段数を半分にできる。転送段数が半分になることにより、その集積度が半分に緩和できるだけでなく、電荷転送回数も半分になり、１回の転送毎に生じる転送損失の累計を大幅に改善することができる。なお、本実施例では素子分離層１９を挟んで隣接する列方向電荷転送装置を１組として上方向あるいは下方向への転送を担わせしめている。この理由は、隣接列方向電荷転送装置の転送電極を分離層１９をまたいで一体に形成することが加工技術上容易で、構造的にも複雑さを伴わないことにある。
【００２４】
以上では、本発明の実施例に関し、全受光素子の信号を同時に読み出す、所謂全画素同時読み出し型の固体撮像装置の場合を例に説明した。しかし、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではない。本発明は、たとえばＮＴＳＣ方式に準じたインターレース型固体撮像装置として利用することもできる。その場合には、信号電荷が存在しない列方向電荷転送装置あるいは転送段が必然的に生じる。この部分には光漏洩によるスミアや熱的に発生する暗電流等の雑音信号だけが存在する。これらを信号電荷と共に読み出し、信号出力からこの雑音信号を引き去ることで、雑音あるいは偽信号を大幅に減少した出力を得ることができる。
【００２５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００２６】
【発明の効果】
従来の２層重ね合わせ電極製造技術を使用し、特別な動作無効領域を形成することなく、全画素同時読み出し固体撮像装置を実現でき、１受光素子行にわたり均一な素子特性を得ることができる。さらに、受光素子間に形成される２個の列方向電荷転送装置がもたらすサンプリング正方格子の構造により、受光素子の配列ピッチを拡大することなく解像度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の一実施例の部分拡大平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子の上にカラーフィルタを形成した配置図である。
【図３】本発明の実施例のカラーフィルタ配置と従来の実施例のカラーフィルタ配置とを比較するための図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の別の実施例の部分拡大平面図である。
【図５】従来の技術による固体撮像装置の部分拡大平面図である。
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄ・・・・・受光素子行
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ，１７ｃ、１７ｄ・・・・・・・・列方向電荷転送装置
１８・・・・・・チャネル位置変換部
１９・・・・・・素子分離層
２０・・・・・・行方向電荷転送装置
２１・・・・・・出力回路

Claims

半導体基板と、
該半導体基板上に行方向と列方向とに互いに所定の配列間隔で形成された複数の光電変換素子と、
列方向に沿って配置されている前記光電変換素子の各列の両側に配置され、該光電変換素子から出力される信号電荷を転送する第１と第２の列方向電荷転送装置と、
信号電荷を行方向に転送する行方向電荷転送装置と、
前記第１と第２の列方向電荷転送装置からの信号電荷を前記行方向電荷転送装置に転送し、前記行方向電荷転送装置上での電荷位置が全ての前記列方向電荷転送装置に対して等間隔に並ぶように行方向位置を調整するチャネル位置変換部と、
前記行方向電荷転送装置からの信号電荷を電圧信号として出力する出力回路とを有し、
各一つの光電変換素子に対して前記第１、第２の列方向電荷転送装置の一方の一つの転送段が対応して設けられ、該一つの転送段が該一つの光電変換素子から信号電荷を読み出し、前記光電変換素子の同一行において該光電変換素子から該信号電荷を読み出す方向が同一であることを特徴とする固体撮像装置。
列方向に互いに隣接する二つの光電変換素子からなる組を１単位とし、該１単位の光電変換素子が行方向と列方向とに複数単位配列され、各単位の行方向の配列間隔と列方向の配列間隔が実質的に等しいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記１単位を構成する二つの光電変換素子の内、一方の上に緑色フィルタが形成され、他方の上に緑色以外のフィルタが形成されたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
一列の光電変換素子列の両側の前記第１と第２の列方向電荷転送装置の信号電荷の転送方向が互いに逆方向であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像装置。
一列の光電変換素子列の両側の前記第１と第２の列方向電荷転送装置の信号電荷の転送方向が互いに同じ方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。