JP4098444B2 - Control method of solid-state image sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子の制御方法に関し、より詳細には、隣接する画素が垂直方向及び水平方向に1/2ピッチずれて配置された画素ずらし固体撮像素子の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子、たとえば静止画を撮像するためのCCD固体撮像素子において、画素の高密度化が望まれている。
【0003】
図13は、一般的なインターライン型CCD固体撮像装置の平面図である。
【0004】
固体撮像素子は、たとえばシリコン等の半導体基板101上に形成されている。
【0005】
画素103、垂直電荷転送路105、水平電荷転送路107、出力アンプ111が半導体基板101上に形成され、全体として一つのCCD固体撮像素子Xを構成する。複数の画素103が半導体基板101上において、垂直方向及び水平方向に整列配置されている。
【0006】
画素103は、フォトダイオード(光電変換素子)103aと読み出しゲート(トランスファーゲート)103bを含む。フォトダイオード103aは、受光した光を電荷に変換して蓄積する。トランスファーゲート103bは、フォトダイオード103aに蓄積されている電荷を垂直電荷転送路105に読み出す。
【0007】
複数の画素103、103,103が垂直方向に整列して配置された各画素列P11、P11、P11の間には、1画素列P11に対応して各1本の垂直電荷転送路105が配置されている。垂直電荷転送路105は、例えば半導体基板101に形成されたn型導電層である。垂直電荷転送路105の下端には、水平電荷転送路107が設けられている。
【0008】
水平電荷転送路107は、半導体基板101中にn型導電層108と、半導体基板1上に形成される2層のポリシリコン(1ポリ、2ポリ)からなる水平電荷転送電極121とを主要構成要素とする。
【0009】
n型導電層108は、n型不純物濃度の高い高濃度領域108aと、n型不純物度の低い低濃度領域108bとが交互に設けられている。高濃度領域108aは、ポテンシャルエネルギーの低いポテンシャルウェルを形成する。低濃度領域108bは、ポテンシャルエネルギーの高いポテンシャルバリアを形成する。ポテンシャルバリアとポテンシャルウェルとが水平方向に交互に並ぶ。1つのポテンシャルバリアと1つのポテンシャルウェルとを1組とし、この1組が連続して2回繰り返された構造により、電荷の1転送単位(以下「1パケット」という。)を形成する。パケットが水平方向に多数形成されている。
【0010】
高濃度領域108a(ポテンシャルウェル)上に第一層目のポリシリコン電極(水平転送電極121−1、121−3、121−5、・・・)が、高濃度領域108b(ポテンシャルバリア)上に第二層目のポリシリコン電極(水平転送電極121−0、121−2、121−4、121−6、・・・)が形成されている。
【0011】
水平電荷転送電極121−0と水平電荷転送電極121−1とが接続されて電圧波形φ1が印加されている。水平転送電極121−2と水平転送電極121−3とが接続されて電圧波形φ2が印加される。同様に、水平転送電極121−4と水平転送電極121−5とが接続されて電圧φ1が印加される。
【0012】
図14に示すように、垂直電荷転送路105上には、行方向に並ぶ画素の隙間に、例えば垂直電荷転送電極115−1と垂直電荷転送電極115−2との2本の垂直電荷転送電極115が設けられている。
【0013】
垂直電荷転送電極115−1、115−2、115−3、115−4に対して、V1からV4までの電圧波形が印加される。垂直転送電極115−5から115−8まで、垂直転送電極115−9から15−112までについても同様にV1からV4までの電圧波形が印加される。電圧波形V1からV4は、例えば垂直電荷転送路中にポテンシャルバリアを形成する場合に0V、電荷転送用ポテンシャルウェルを形成する場合に8V、画素から電荷を読み出す場合に15Vに設定される。
【0014】
垂直電荷転送路105は、水平電荷転送路107の各パケットごとに1本づつの割合でポテンシャルウェルが形成されている領域と電気的に接続されている。
【0015】
以下に図13及び図14を参照して上記の固体撮像素子の動作を説明する。
【0016】
V1を15Vにすると、V1に接続された全画素のフォトダイオード103aに蓄積されている電荷は、トランスファーゲート103bを介して垂直電荷転送路105に読み出される。
【0017】
垂直転送電極115−1に正の比較的低い電圧、例えば8Vの電圧を印加し、垂直転送電極115−2にも8Vの電圧を印加し、垂直転送電極115−3にも8Vの電圧を印加する。垂直転送電極115−1の電圧を0Vに戻し、垂直転送電極115−4に8Vの電圧を印加する。この動作を繰り返すことにより、垂直電荷転送路105中を4相駆動方式で水平電荷転送路の方向に電荷を転送する。
【0018】
V1、V2、V3を正の比較的低い電圧、例えば8Vとし、V4を0Vとすると、読み出された電荷は、V1、V2、V3が印加される3つの垂直電荷転送電極下に分布する。
【0019】
V1を0Vに戻すと、電荷はV2、V3の電極下に閉じ込められる。V4を8Vにすると、電荷はV2、V3、V4の電極下に拡がる。この動作を繰り返すことにより、垂直電荷転送路5内を4相駆動方式で水平電荷転送路に向かって電荷を転送する。
【0020】
水平電荷転送電極のφ1を例えば0Vに、φ2を例えば8Vとすると、φ1の電極下の電荷は右側のφ2の電極下に転送される。この時、φ1の電極下の左側領域にはポテンシャルバリアが形成され、電荷の逆流を防止する。
【0021】
従って、画素混合を起こさずに、2相駆動で水平電荷転送路107中において電荷を転送できる。
【0022】
以上のようにφ1とφ2との2層駆動方式により、水平電荷転送路107中を電子がアンプ方向へ転送される。
【0023】
以上の動作により、V1に接続されている行の画素からの電荷を読み出す。
【0024】
次いで、他の行の画素からの電荷を同様の方法で読み出す。全電荷を読み出した後、V2に読み出しパルスを印加し、V2に接続された画素の電荷を読み出す。同様にV3、V4に接続された画素の電荷を順次読み出す。
【0025】
水平電荷転送路107内に転送された電荷は、例えば2相駆動方式により出力アンプ111まで転送される。出力アンプ111により信号を増幅して外部に画像情報として取り出す。
【0026】
フォトダイオード103aを二次元状に配列することにより、二次元画像の信号を得ることができる。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
画素の高密度化の要求に伴って、画素サイズ自体の微細化も必要となる。
【0028】
しかしながら、上記の固体撮像素子Xでは、1画素列P11に対して1本の垂直電荷転送路105が形成されている。1本の垂直電荷転送路105から水平電荷転送路107まで転送された電荷を、水平方向に隣接する2本の垂直電荷転送路105と接続された水平電荷転送路107まで転送する間に、4つの水平転送電極108a、108b、108a、108bが必要となる。
【0029】
画素103を、例えば2から3ミクロン角程度まで微細化する際に水平電荷転送電極121の微細加工が難しくなる。加えて、画素103の微細化に伴い、光電変換素子103a、例えばフォトダイオードの面積が小さくなり蓄積信号電荷が減少するため、ダイナミックレンジを大きくすることができない。
【0030】
加えて、固体撮像素子の総画素数が増大するに従って、1フレームの画像信号を読み出すための所用時間は増大する。
【0031】
一般的なデジタルカメラの場合、画像信号のフレームレートは、NTSC(National Television System Commitee)方式の場合、1/30秒である。
【0032】
デジタルカメラを用いて撮影した静止画像を再生する場合には、画像信号を読み出すための所用時間が増大しても特に問題とはならない。
【0033】
デジタルカメラに備えられているモニター用の表示素子の場合に、動画像をリアルタイムに表示する必要がある。動画像を表示する場合には、画素数の増大に伴って上記のフレームレートに追従できなくなってくる。画素数が100万画素を超えると、1/30秒の間に全画素からの画像信号を読み出すことは困難になる。鮮明な画像が得られなくなる。
【0034】
本発明の目的は、水平転送電極の微細精度を緩くしつつ画素密度を高くできる固体撮像素子の制御方法を提供することにある。
【0035】
加えて、画素数が大きくなっても、特にモニター用の動画像を鮮明に表示できる固体撮像素子の制御方法を提供することにある。
【0037】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、二次元平面上に配列された複数の画素群であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間に、1本ずつ、蛇行しつつ垂直方向に延びて形成された垂直電荷転送路であって、同じ画素群に属する第1の画素列及び第2の画素列に含まれる画素の電荷の両方が読み出される垂直電荷転送路と、前記第1の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第1の画素行と、該第1の画素行と垂直方向に隣接し、前記第2の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第2の画素行との間に、1本ずつ、蛇行しつつ水平方向に延びて形成され、前記垂直電荷転送路中の電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送電極であって、該第1の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第1種の垂直電荷転送電極と、該第2の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第2種の垂直電荷転送電極とが、垂直方向に交互に並んだ垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送路と、前記水平電荷転送路中で電荷を転送する水平電荷転送電極と、該水平電荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の読み出し方法であって、(a)前記第1種の垂直電荷転送電極に、垂直方向に該第1種の垂直電荷転送電極1つおきに、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素列から、列方向に画素1つおきに、緑色に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した緑色に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、(b)前記工程(a)で電荷を読み出す電圧を印加しなかった残りの前記第1種の垂直電荷転送電極に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素列の、前記工程(a)で電荷を読み出さなかった残りの画素から、緑色に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した緑色に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、(c)前記第2種の垂直電荷転送電極に、垂直方向に該第2種の垂直電荷転送電極1つおきに、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第2の画素列から、列方向に画素1つおきに、赤色または青色の一方に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した赤色または青色の一方に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、(d)前記工程(c)で電荷を読み出す電圧を印加しなかった残りの前記第2種の垂直電荷転送電極に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第2の画素列の、前記工程(c)で電荷を読み出さなかった残りの画素から、赤色または青色の他方に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した赤色または青色の他方に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程とを含む固体撮像素子の制御方法が提供される。
【0038】
本発明の他の観点によれば、二次元平面上に配列された複数の画素群であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間に、1本ずつ、蛇行しつつ垂直方向に延びて形成された垂直電荷転送路であって、同じ画素群に属する第1の画素列及び第2の画素列に含まれる画素の電荷の両方が読み出される垂直電荷転送路と、前記第1の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第1の画素行と、該第1の画素行と垂直方向に隣接し、前記第2の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第2の画素行との間に、1本ずつ、蛇行しつつ水平方向に延びて形成され、前記垂直電荷転送路中の電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送電極であって、該第1の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第1種の垂直電荷転送電極と、該第2の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第2種の垂直電荷転送電極とが、垂直方向に交互に並んだ垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送路と、前記水平電荷転送路中で電荷を転送する水平電荷転送電極と、該水平電荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の間引き読み出し方法であって、(e)前記8本ごとの垂直電荷転送電極の組のうち、前記第1種の垂直電荷転送電極の1本に、電荷を読み出す電圧を印加して、第1の画素群の第1の画素列に含まれる画素から、該第1の画素群に対応する垂直電荷転送路に、緑色に対応する電荷を読み出すとともに、該第1の画素群と水平方向に隣接する第2の画素群の第1の画素列に含まれる画素から、該第2の画素群に対応する前記垂直電荷転送路に、緑色に対応する電荷を読み出し、その後、読み出された前記第1の画素群及び第2の画素群の緑色に対応する電荷の双方を、それぞれが読み出された垂直電荷転送路を通って、前記水平電荷転送路に転送する工程と、(f)前記8本ごとの垂直電荷転送電極の組のうち、前記第2種の垂直電荷転送電極の1本に、前記工程(e)で読み出された緑色に対応する電荷が、前記第1及び第2の画素群に対応する垂直電荷転送路を転送されている期間中に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素群の第2の画素列に含まれる画素から、該第1の画素群に対応する垂直電荷転送路に、赤色または青色の一方に対応する電荷を読み出すとともに、前記第2の画素群の第2の画素列に含まれる画素から、該第2の画素群に対応する前記垂直電荷転送路に、赤色または青色の他方に対応する電荷を読み出し、その後、読み出された前記第1の画素群の赤色または青色の一方に対応する電荷、及び、第2の画素群の赤色または青色の他方に対応する電荷の双方を、それぞれが読み出された垂直電荷転送路を通って、前記水平電荷転送路に転送する工程と、(g)前記工程(e)及び(f)で読み出された、緑色に対応する電荷、赤色または青色の一方に対応する電荷、及び、赤色または青色の他方に対応する電荷を、前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程とを含む固体撮像素子の制御方法が提供される。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0040】
図1は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子の平面図である。
【0041】
固体撮像素子Aは、半導体基板1上に複数の画素3が整列配置された画素部Bと、画素部B内に配置され画素3からの電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路5と、画素部Bの下方に配置され、垂直電荷転送路5から転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路7と、水平電荷転送路7から転送された電荷を増幅する出力アンプ部17とを含む。
【0042】
画素部Bには、複数の画素3が、半導体基板1の二次元平面上の水平方向(行方向)及び垂直方向(列方向)に配置されている。一の画素と、それと隣接する画素とは、垂直方向に1/2ピッチづつずれて配置される。いわゆる画素ずらし固体撮像素子である。
【0043】
各画素の形状は略正方形である。正方形の対角線が垂直方向及び水平方向に整列して並ぶように画素が配置されている。
【0044】
垂直方向に整列して配置されている画素を画素列と称する。
【0045】
複数の緑色用の画素3a、3a、3aが垂直方向に整列して第1の画素列P1aを形成している。第1の画素列P1aと水平方向に隣接し、垂直方向に整列する複数の画素が第2の画素列P2aを形成する。第2の画素列P2aを形成する画素は、青色用の画素3bと赤色用の画素3cとが、垂直方向に交互に配列されている。
【0046】
第1の画素列P1aとこれと水平方向に隣接する第2の画素列P2aとにより一組の画素群PG1が形成される。複数の画素群PG1、PG2、PG3・・・が水平方向に隣接して配置され全体として画素部Bを形成する。
【0047】
図1では、簡単のために2つの画素群PG1、PG2のみを示しているが、実際には多数の画素群が形成されている。
【0048】
例えば第1の画素群PG1に含まれる第1の画素列P1aと第2の画素列P2aとの間に形成される隙間に沿って、半導体基板1内にn型半導体層からなる垂直電荷転送路5(図1において太い実線で示される。)が蛇行する形状又はジグザグの形状で設けられる。画素群PG間には垂直電荷転送路5は形成されない。すなわち、水平方向に隣接する画素群PG1と画素群PG2との間には、垂直電荷転送路は形成されない。
【0049】
水平方向に整列して配置されている画素を画素行と称する。
【0050】
図1において、緑色用の画素3a、3aからなる第1の画素行Q1の下方の2斜辺に沿うように、垂直電荷転送電極、例えば垂直電荷転送電極11−1(点線で示される)が蛇行する形状又はジグザグ形状で水平方向に延びている。
【0051】
水平方向に整列して配置されている青色用の画素3bと赤色用の画素3cとが水平方向に交互に配置された第2の画素行Q2の下方の2斜辺に沿うように、垂直電荷転送電極11−2(細い実線で示される)が蛇行する形状又はジグザグ形状で水平方向に延びている。
【0052】
符号11−1から11−8までの8本の垂直電荷転送電極が1組の電極群EGを形成する。図1には1の電極群のみが示されているが、実際には多数の電極群EG、EG、EGが画素部Bに形成されている。
【0053】
8本の垂直電荷転送電極11−1から11−8までに対して、駆動回路を用いることによりV8からV1までの独立した電圧波形を印加することができる。
【0054】
垂直電荷転送電極11のうち水平電荷転送路7側の最終段の垂直電荷転送電極11−8と水平電荷転送路7との間には、水平方向に延び垂直方向に隣接する2本の転送電極Va、Vbが形成されている。2本の転送電極Va、Vbにより、垂直電荷転送路5から水平電荷転送路7へと電荷を転送する。
【0055】
尚、転送電極Va、Vbは、任意に設けられる。転送電極数も2つには限られない。
【0056】
垂直電荷転送路5の一端には、水平電荷転送路7が形成されている。水平電荷転送路7上に、1ポリと2ポリとが交互に並んだ複数の水平電荷転送電極15が形成される。水平電荷転送電極15−0と水平電荷転送電極15−1とが共通に接続されており、電圧φ1が印加される。水平電荷転送電極15−2と水平電荷転送電極15−3とが共通に接続されており、電圧φ2が印加される。水平電荷転送電極15−4と水平電荷転送電極15−5とが共通に接続されており、電圧φ1が印加される。
【0057】
水平方向に隣接する2本の垂直電荷転送路5との間には、4本の水平電荷転送電極15(例えば図1では、符号15−1、15−2、15−3、15−4で示される)が並ぶ。
【0058】
画素列P1aは、上からG(緑色)GGGGの画素が垂直方向に並ぶ。画素列P2aは、B(青色)R(赤色)BRBRの画素が垂直方向に並ぶ。
【0059】
画素列P1bは、上からGGGGG・・・に色配列を有する画素が垂直方向に並ぶ。画素列P2bは、RBRBRB・・・の色配列を有する画素が垂直方向に並ぶ。
【0060】
尚、図1に例示した色配列は、GストライプRB完全市松型と呼ばれる色配置である。
【0061】
図示の構成においては、各画素は4つの斜辺をもつ略菱形の形状を有する。
【0062】
第2の画素列P2の画素は第1の画素列P1の画素3c、3b、3c・・・が形成する行列の隙間に配置されていると見ることもできる。
【0063】
一方、図面を45度傾けて見れば、第1及び第2の画素列の画素が協同して略正方行列を形成しているとも考えられる。
【0064】
図2に図1の要部を示す。図2は、断面図である。
【0075】
図2に示すように、半導体基板1内に、深いpウェル43が形成されており、フォトダイオード41b、垂直電荷転送路31a、トランスファーゲート45,分離領域47はpウェル43内に形成されている。
【0076】
垂直電荷転送路31aが形成されている領域の上に、垂直電荷転送電極11−5が形成されている。
【0077】
平坦化膜Hを介して半導体基板1上にカラーフィルタCFが形成されている。
【0078】
カラーフィルタCFの上に、例えばフォトレジストにより形成されたマイクロレンズMLが設けられている。マイクロレンズMLにより、光をフォトダイオード41の表面上に集光する。
【0079】
図3から図10までに基づき、上記固体撮像素子Aの制御方法について以下に説明する。
【0080】
図3から図6までのタイミングチャートにより、静止画を撮影した後に全画素読み出しをする場合の動作について説明する。
【0081】
図3に示すように、垂直電荷転送電極11−7(V2)と垂直電荷転送電極11−3(V6)に読み出し電圧として高いパルス電圧を印加する。読み出しパルス電圧は、例えば15Vである。垂直電荷転送電極11−7下の垂直電荷転送路5と垂直電荷転送電極11−3下の垂直電荷転送路5とにフォトダイオード3a、3aからの緑色に対応する電荷(以下「G電荷」という。)が読み出される。タイミングチャートにおいて、G電荷は、黒塗りの丸印で表される。
【0082】
垂直電荷転送電極11−7(V2)下の垂直電荷転送路5に蓄積されたG電荷は、垂直電荷転送電極11−8(V1)、第1転送電極Va、第2転送電極Vbに対して、順次High(8V程度)の電圧を印加していくことにより、水平電荷転送路7に向けて転送される。
【0083】
垂直電荷転送電極11−3(V6)下の垂直電荷転送路5に蓄積されたG電荷は、垂直電荷転送電極11−4(V5)から垂直電荷転送電極11−8(V1)まで、第1転送電極Va、第2転送電極Vbに対して、順次High(8V程度)の電圧を印加していくことにより、垂直電荷転送路5内を水平電荷転送路7に向けて転送される。
【0084】
垂直電荷転送路5から水平電荷転送路7に転送されたG電荷は、水平電荷転送路7を2相駆動方式により出力アンプ17の方向に向けて転送する。出力アンプ17により増幅されたG信号は、外部回路に記憶される。
【0085】
次に、残りのG電荷を読み出す。
【0086】
図4に示すように、垂直電荷転送電極11−5(V4)と垂直電荷転送電極11−1(V8)に読み出し電圧として高い電圧を印加する。残りのG電荷が垂直電荷転送路5に読み出される。
【0087】
以下、上記図3において説明した動作と同様の動作により、G電荷を水平電荷転送路7まで転送する。
【0088】
水平電荷転送路7に転送されたG電荷は、水平電荷転送路7を2相駆動方式により出力アンプ17の方向に向けて転送する。出力アンプ17により増幅されたG信号は、外部回路に記憶される。
【0089】
上記のG電荷の読み出しに関しては、水平方向の全ての画素群PG(図1ではPG1とPG2)で同じ動作となる。
【0090】
B電荷とR電荷を読み出す。
【0091】
図5に示すように、垂直電荷転送電極11−8(V1)と垂直電荷転送電極11−4(V5)に読み出し電圧として高い電圧を印加する。垂直電荷転送路5aにR電荷(黒塗りの四角印)が、垂直電荷転送路5bにB電荷(斜線が引かれた四角印)が読み出される。
【0092】
以下、図3で説明した動作と同様に、R電荷とB電荷とを外部回路に読み出す。
【0093】
図6に示すように、垂直電荷転送電極11−6(V3)と垂直電荷転送電極11−2(V7)に読み出し電圧として高い電圧を印加する。垂直電荷転送路5aにB電荷が、垂直電荷転送路5bにR電荷が読み出される。
【0094】
上記の動作と同様の動作により、B電荷とR電荷とを外部回路に読み出す。
以上の動作により、全画素読み出しが可能である。静止画を鮮明に再生することができる。
【0095】
垂直電荷転送電極に対して読み出しパルスを印加して画素からの信号読み出しを行う際に、同時に読み出しパルスを印加する垂直電荷転送電極11は、垂直方向に4電極分離れている。加えて、信号読み出し時において、同じ1本の垂直電荷転送路5には、同色の画素信号のみが読み出される。
【0096】
従って、読み出し時に同じ垂直電荷転送路に異なるカラー信号が存在する場合に生じる転送電荷の混合(混色)が防止される。転送電荷の混合が防止されるため、本実施の形態による固体撮像素子では、静止画像を再生する際に画像の劣化が起こりにくい。
【0097】
デジタルカメラのモニター画像のような動画像を再生するビデオモードにおける画像信号の読み出し方法について図7から図12までに基づいて説明する。
【0098】
ビデオモードでは、全画素からの読み出しを行わずに、8行で1組の画素列Qのうち2行から7行までの特定の行に含まれる画素の電荷のみを読み出す。
【0099】
図7から図9までに、V1(電極11−8)及びV8(電極11−1)、V4(電極11−5)及びV5(電極11−4)にのみ読み出し電圧を印加して、間引き読み出しを行う方法を示す。
【0100】
図7に示すように、V8に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV8に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0101】
画素群PG1に含まれる垂直電荷転送路5aに、Gの信号が読み出される。V8(電極11−1)からV4(電極11−5)までに順に正の電圧を印加することで、Gの信号電荷を転送する。電極11−5下の垂直電荷転送路5aにG信号に対応する電荷が蓄積される。
【0102】
この状態、すなわちV4に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V4に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0103】
画素群PG1に含まれる垂直電荷転送路5aに、Gの信号が読み出される。電極11−5下の垂直電荷転送路5にG信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号GG)。
【0104】
V4(電極11−5)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号に対応する信号電荷を転送する。
【0105】
電極12に正の電圧を印加することによりGG信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0106】
V1に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV1に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0107】
画素群PG1に含まれる垂直電荷転送路5aに、Rの信号が読み出される。V1(電極10−8)からV5(電極11−4)までに順に正の電圧を印加することで、Rの信号電荷を転送する。電極11−4下の垂直電荷転送路5にR信号に対応する電荷が蓄積される。
【0108】
この状態、すなわちV5に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V5に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0109】
画素群PG1に含まれる垂直電荷転送路5aに、Rの信号が読み出される。電極11−4下の垂直電荷転送路5にR信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号RR)。
【0110】
V5(電極11−4)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、RR信号に対応する信号電荷を転送する。
【0111】
電極12に正の電圧を印加することによりRR信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0112】
図8に画素群PG2に含まれる画素からの電荷の読み出し方法を示す。
【0113】
V1に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV1に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0114】
画素群PG2に含まれる垂直電荷転送路5bに、Bの信号が読み出される。V1(電極10−8)からV5(電極11−4)までに順に正の電圧を印加することで、Bの信号電荷を転送する。電極11−4下の垂直電荷転送路5bにB信号に対応する電荷が蓄積される。
【0115】
この状態、すなわちV5に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V5に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0116】
画素群PG2に含まれる垂直電荷転送路5bに、Bの信号が読み出される。電極11−4下の垂直電荷転送路5bにB信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号BB)。
【0117】
V5(電極11−4)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、BB信号に対応する信号電荷を転送する。
【0118】
電極12に正の電圧を印加することによりBB信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0119】
V8に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV8に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0120】
画素群PG2に含まれる垂直電荷転送路5bに、Gの信号が読み出される。V8(電極11−1)からV4(電極11−5)までに順に正の電圧を印加することで、Gの信号電荷を転送する。電極11−5下の垂直電荷転送路5にG信号に対応する電荷が蓄積される。
【0121】
この状態、すなわちV4に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V4に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0122】
画素群PG2に含まれる垂直電荷転送路5bに、Gの信号が読み出される。電極11−5下の垂直電荷転送路5にG信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号GG)。
【0123】
V4(電極11−5)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号に対応する信号電荷を転送する。
【0124】
電極12に正の電圧を印加することによりGG信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0125】
図9に、上記の読み出し方法によりフォトダイオードから垂直電荷転送路5a及び垂直電荷転送路5bに読み出された電荷の色配置を示す。
【0126】
垂直電荷転送路5aのV1電極下にR電荷が加算されたRR電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5aのV4電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積される。
【0127】
垂直電荷転送路5bのV1電極下にB電荷が加算されたBB電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5bのV4電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積される。
【0128】
同様の電荷が垂直電荷転送路5a、5bにそれぞれ蓄積される。
【0129】
上記の固体撮像素子において、図7から図9までにおいて説明したように、画素の間引き読み出しを行うことにより、動画像を速やかに表示させることができる。
【0130】
加えて、同色の信号を加算することにより、画像の感度が向上し鮮明な画像を得ることができる。
【0131】
図10から図13までに、V2(電極11−7)及びV3(電極11−6)、V6(電極11−3)及びV7(電極11−2)にのみ読み出し電圧を印加して、間引き読み出しを行う方法を示す。
【0132】
図10に示すように、V2に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV2に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0133】
垂直電荷転送路5aに、Gの信号が読み出される。V2(電極10−7)からV6(電極11−3)までに順に正の電圧を印加することでGの信号電荷を転送する。電極11−3下の垂直電荷転送路5aにG信号に対応する電荷が蓄積される。
【0134】
この状態、すなわちV6に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V6に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0135】
垂直電荷転送路5aに、Gの信号が読み出される。電極11−3下の垂直電荷転送路5aにG信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号GG)。
【0136】
V6(電極11−3)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号に対応する信号電荷を転送する。
【0137】
電極Va、Vbに正の電圧を印加することによりGG信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0138】
V7に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV7に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0139】
垂直電荷転送路5aにBの信号が読み出される。V7(電極11−2)からV3(電極11−6)までに順に正の電圧を印加することで、Bの信号電荷を転送する。電極11−6下の垂直電荷転送路5aにB信号に対応する電荷が蓄積される。
【0140】
この状態、すなわちV3に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V3に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0141】
垂直電荷転送路5aにBの信号が読み出される。電極11−6下の垂直電荷転送路5aにB信号に対応する電荷が加算されて蓄積される。垂直電荷転送路5aにB信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号BB)。
【0142】
V3(電極11−6)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、BB信号に対応する信号電荷を転送する。
【0143】
電極Va、Vbに正の電圧を印加することによりBB信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0144】
図11に第2フィールドの画素の読み出し動作を示す。
【0145】
V2に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV2に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0146】
画素群PG2に含まれる垂直電荷転送路5bにGの信号が読み出される。V2(電極11−7)からV6(電極11−3)までに順に正の電圧を印加することで、Gの信号電荷を転送する。電極11−3下の垂直電荷転送路5bにG信号に対応する電荷が蓄積される。
【0147】
この状態、すなわちV6に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V6に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0148】
垂直電荷転送路5bに、さらにGの信号が読み出される。電極11−3下の垂直電荷転送路5bにG信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号GG)。
【0149】
V6(電極11−3)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号に対応する信号電荷を転送する。
【0150】
電極12に正の電圧を印加することによりGG信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0151】
V7に正の電圧、例えば8Vを印加した状態でV7に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0152】
垂直電荷転送路5bにRの信号が読み出される。V7(電極11−2)からV3(電極11−6)までに順に正の電圧を印加することで、Rの信号電荷を転送する。電極11−6下の垂直電荷転送路5bにR信号に対応する電荷が蓄積される。
【0153】
この状態、すなわちV3に正の電圧、例えば8Vを印加した状態で、V3に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパルスを印加する。
【0154】
垂直電荷転送路5bに、さらにRの信号が読み出される。電極11−6下の垂直電荷転送路5bにR信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号RR)。
【0155】
V3(電極11−6)からV1(電極11−8)までに順に正の電圧を印加することで、RR信号に対応する信号電荷を転送する。
【0156】
電極12に正の電圧を印加することによりRR信号を水平電荷転送路7に転送する。
【0157】
図12に、上記の読み出し方法によりフォトダイオードから垂直電荷転送路5a及び垂直電荷転送路5bに読み出された電荷の色配置を示す。
【0158】
垂直電荷転送路5aのV3電極下にB電荷が加算されたBB電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5aのV6電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積される。
【0159】
垂直電荷転送路5bのV3電極下にR電荷が加算されたRR電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5bのV3電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積される。
【0160】
同様の電荷が他の垂直電荷転送路5a、5bにもそれぞれ蓄積される。
【0161】
上記の固体撮像素子において、図10から図11までにおいて説明したように、画素の間引き読み出しを行うことにより、動画像を速やかに表示させることができる。
【0162】
加えて、同色の信号を加算することにより、画像の感度が向上し鮮明な画像を得ることができる。
【0163】
尚、上記の固体撮像方法では、GG/RB交互フィルタ配列の場合を示したが、別のカラーフィルタの配列でも画素からの信号の読み出しは可能である。
【0164】
間引き読み出し方法として、8本1組の垂直電荷転送電極群のうち垂直方向に隣接する2本の電極に読み出し電圧を印加して信号を読み出す方法について説明したが、3本以上の垂直電荷転送電極に読み出し電圧を印加する方法も可能である。
【0165】
上記固体撮像素子においては、隣接する2画素列の信号を1本の共有の垂直電荷転送路に読み出す。垂直電荷転送路の加工精度を緩くすることができる。画素の大きさ、例えばフォトダイオードの寸法を相対的に大きくすることができ、画素に蓄積される電荷の量を大きくすることできる。別の観点からみると、垂直電荷転送路の加工精度を同じとすれば、画素サイズを微細化できる。
【0166】
垂直電荷転送路に繋がる水平電荷転送路の段数は、行方向に並ぶ画素に含まれるフォトダイオードの数の1/2で良い。従って、水平電荷転送電極のピッチを大きくすることができ、水平電荷転送路を緩い加工精度で加工することができる。固体撮像素子の製造歩留まりを向上させることができる。
【0167】
上記固体撮像素子において、本実施の形態による読み出し方法を用いると、静止画像の全画素読み出しが可能である。加えて、間引き読み出しを行うことも容易であるため、動画像を表示するモニター画像の読み出し及び再生が容易にできる。
【0168】
尚、本実施の形態による固体撮像素子においては、画素の形状を略正方形の形状として説明した。画素形状は正方形以外の形状でも良い。例えば、長方形や正六角形の画素形状でも良い。
【0169】
また、固体撮像素子に画素の色配置に関しては、カラー撮像を可能にする構成を有していれば良い。3原色(赤(R)、緑(G)、青(B))系の色配置の他に、いわゆる補色タイプの色配置もある。
【0170】
補色タイプの色フィルタアレイとしては、例えば(i) 緑(G)、シアン(Cy)および黄(Ye)の各色フィルタからなるもの、(ii)シアン(Cy)、黄(Ye)および白もしくは無色(W)の各色フィルタからなるもの、(iii) シアン(Cy)、マゼンダ(Mg)、黄(Ye)および緑(G)の各色フィルタからなるもの、および、(iv)シアン(Cy)、黄(Ye)、緑(G)および白もしくは無色(W)の各色フィルタからなるもの、等が知られている。
【0171】
原色系の色フィルタアレイにおける色フィルタの配置パターンとしては、本実施の形態において例示したGストライプRB完全市松型の配置の他に、ベイヤー型、インターライン型、GストライプRB市松型等の色配置が用いられる。
【0172】
その他、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あろう。
【0173】
【発明の効果】
固体撮像素子において、加工精度、特に垂直転送路及び垂直転送電極の加工精度を緩くできる。さらに、水平電荷転送路の加工精度も緩くできる。同じ加工精度であれば、画素の高密度化が可能である。
【0174】
製造歩留まりを向上させることが可能となる。固体撮像素子の信頼性をも高めることが可能となる。
【0175】
固体撮像素子の読み出し方法によれば、静止画像の全画素読み出しが可能である。加えて、間引き読み出しを行うことも容易であるため、動画像を表示するモニター画像の読み出し及び再生が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による固体撮像素子の平面図である。
【図2】上記の固体撮像素子の画素部の要部拡大図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は断面図である。
【図3】上記の固体撮像素子の静止画像を読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図4】上記の固体撮像素子の静止画読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図5】上記の固体撮像素子の静止画読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図6】上記の固体撮像素子の静止画読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図7】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図8】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図9】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作における垂直電荷転送路における色信号の配置を示す図ある。
【図10】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図11】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図12】上記の固体撮像素子のモニター画像読み出し動作における垂直電荷転送路における色信号の配置を示す図である。
【図13】従来の固体撮像素子の平面図であり、主として半導体領域内の構造を示す。
【図14】従来の固体撮像素子の平面図であり、主として電荷転送電極の構造を示す。
【符号の説明】
A 固体撮像素子
B 表示部
EG 垂直電荷転送電極群
P1 第1の画素列
P2 第2の画素列
PG 画素列群
Q1 第1の画素行
Q2 第2の画素行
V1〜V8 垂直転送電極への印加電圧
φ1、φ2 水平転送電極への印加電圧
1 半導体基板
3 画素
3a 画素(緑色)
3b 画素(青色)
3c 画素(赤色)
11 垂直電荷転送電極
15 水平電荷転送電極
17 出力アンプ
41 フォトダイオード(光電変換素子)
45 トランスファーゲート(読み出しゲート)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a solid-state imaging device Control method More specifically, a pixel-shifted solid-state imaging element in which adjacent pixels are arranged with a 1/2 pitch shift in the vertical and horizontal directions. Of child It relates to a control method.
[0002]
[Prior art]
In a solid-state image sensor, for example, a CCD solid-state image sensor for capturing a still image, it is desired to increase the density of pixels.
[0003]
FIG. 13 is a plan view of a general interline CCD solid-state imaging device.
[0004]
The solid-state imaging device is formed on a
[0005]
A
[0006]
The
[0007]
Between each pixel column P11, P11, P11 in which a plurality of
[0008]
The horizontal
[0009]
In the n-type
[0010]
The first-layer polysilicon electrodes (horizontal transfer electrodes 121-1, 121-3, 121-5,...) Are formed on the high concentration region 108b (potential barrier). Second-layer polysilicon electrodes (horizontal transfer electrodes 121-0, 121-2, 121-4, 121-6,...) Are formed.
[0011]
The horizontal charge transfer electrode 121-0 and the horizontal charge transfer electrode 121-1 are connected and a voltage waveform φ1 is applied. The horizontal transfer electrode 121-2 and the horizontal transfer electrode 121-3 are connected and the voltage waveform φ2 is applied. Similarly, the horizontal transfer electrode 121-4 and the horizontal transfer electrode 121-5 are connected and the voltage φ1 is applied.
[0012]
As shown in FIG. 14, on the vertical
[0013]
A voltage waveform from V1 to V4 is applied to the vertical charge transfer electrodes 115-1, 115-2, 115-3, and 115-4. Similarly, voltage waveforms from V1 to V4 are applied to the vertical transfer electrodes 115-5 to 115-8 and the vertical transfer electrodes 115-9 to 15-112. The voltage waveforms V1 to V4 are set to, for example, 0V when forming a potential barrier in the vertical charge transfer path, 8V when forming a potential well for charge transfer, and 15V when reading charge from a pixel.
[0014]
The vertical
[0015]
Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS.
[0016]
When V1 is set to 15 V, the charges accumulated in the
[0017]
A positive relatively low voltage, for example, a voltage of 8V is applied to the vertical transfer electrode 115-1, a voltage of 8V is applied to the vertical transfer electrode 115-2, and a voltage of 8V is also applied to the vertical transfer electrode 115-3. To do. The voltage of the vertical transfer electrode 115-1 is returned to 0V, and a voltage of 8V is applied to the vertical transfer electrode 115-4. By repeating this operation, charges are transferred in the vertical
[0018]
When V1, V2, and V3 are positive relatively low voltages, for example, 8V, and V4 is 0V, the read charges are distributed under the three vertical charge transfer electrodes to which V1, V2, and V3 are applied.
[0019]
When V1 is returned to 0V, the charge is confined under the electrodes of V2 and V3. When V4 is set to 8V, the charge spreads under the electrodes of V2, V3, and V4. By repeating this operation, charges are transferred in the vertical
[0020]
If φ1 of the horizontal charge transfer electrode is set to 0 V, for example, and φ2 is set to 8 V, for example, the charge below the φ1 electrode is transferred to the right side of the φ2 electrode. At this time, a potential barrier is formed in the left region under the φ1 electrode to prevent backflow of charges.
[0021]
Therefore, charges can be transferred in the horizontal
[0022]
As described above, electrons are transferred in the horizontal
[0023]
With the above operation, the charge from the pixels in the row connected to V1 is read out.
[0024]
Next, charges from pixels in other rows are read out in the same manner. After reading out all charges, a read pulse is applied to V2 to read the charges of the pixels connected to V2. Similarly, the charges of the pixels connected to V3 and V4 are sequentially read out.
[0025]
The charges transferred into the horizontal
[0026]
By arranging the
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
With the demand for higher pixel density, it is also necessary to reduce the pixel size itself.
[0028]
However, in the solid-state imaging device X described above, one vertical
[0029]
For example, when the
[0030]
In addition, as the total number of pixels of the solid-state image sensor increases, the time required for reading out one frame of image signal increases.
[0031]
In the case of a general digital camera, the frame rate of the image signal is NTSC ( N national T elvision S system C In the case of the ommitee) method, it is 1/30 second.
[0032]
When reproducing a still image taken using a digital camera, there is no particular problem even if the time required for reading out an image signal is increased.
[0033]
In the case of a display element for a monitor provided in a digital camera, it is necessary to display a moving image in real time. When displaying a moving image, it becomes impossible to follow the frame rate as the number of pixels increases. When the number of pixels exceeds 1 million pixels, it is difficult to read out image signals from all pixels in 1/30 seconds. A clear image cannot be obtained.
[0034]
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of increasing the pixel density while relaxing the fine accuracy of the horizontal transfer electrode. Control method Is to provide.
[0035]
In addition, a solid-state imaging device that can clearly display moving images for monitoring even when the number of pixels increases. Of child It is to provide a control method.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
Of the present invention one According to an aspect, there are a plurality of pixel groups arranged on a two-dimensional plane, each pixel group including a first pixel column including a plurality of pixels aligned in a vertical direction at a first pixel pitch; A second pixel column including a plurality of pixels arranged in alignment with a shift of ½ pixel of the first pixel pitch in a direction perpendicular to the first pixel column, and the second pixel column includes: Formed between a plurality of pixel groups arranged at a position half the second pixel pitch between the first pixel columns of adjacent pixel groups and a pair of pixel groups adjacent in the horizontal direction with respect to the horizontal direction. Between the first separation region and the first pixel column and the second pixel column of each pixel group A vertical charge transfer path formed in a vertical manner while meandering one by one, and both the charges of the pixels included in the first pixel column and the second pixel column belonging to the same pixel group are read out. A vertical charge transfer path, a first pixel row in which pixels included in the first pixel column are aligned in a horizontal direction, and the second pixel column adjacent to the first pixel row in the vertical direction. Vertical charges that are formed to extend in the horizontal direction while meandering one by one between the second pixel rows in which the included pixels are aligned in the horizontal direction, and transfer the charges in the vertical charge transfer path in the vertical direction A first type of vertical charge transfer electrode to which a voltage for reading out charges from the pixels included in the first pixel row to the vertical charge transfer path is applied; and the second pixel row A second type of voltage is applied to read out charges from the pixel to the vertical charge transfer path. A straight charge transfer electrodes, and the vertical charge transfer electrodes alternately arranged in the vertical direction, A drive circuit for independently applying a voltage to each vertical charge transfer electrode for each set of eight vertical charge transfer electrodes adjacent in the vertical direction among the vertical charge transfer electrodes, and a plurality of the vertical charge transfer paths A horizontal charge transfer path provided at the lower end and receiving the charge transferred from the vertical charge transfer path and transferring it in the horizontal direction; A horizontal charge transfer electrode for transferring charges in the horizontal charge transfer path; And an output amplifier that is formed at one end of the horizontal charge transfer path and amplifies the charge from the horizontal charge transfer path and reads it out. The pixels included in the first pixel column include a photoelectric conversion element and a green filter. In the pixel included in the second pixel column, red pixels including photoelectric conversion elements and red filters, and blue pixels including photoelectric conversion elements and blue filters are alternately arranged in the vertical direction. A method of reading a solid-state imaging device in which red pixels and blue pixels included in a plurality of the second pixel columns are alternately arranged in the horizontal direction, a) A voltage for reading out charges is applied to the first type vertical charge transfer electrodes in the vertical direction every other vertical type charge transfer electrode of the first type, so that the first pixel columns in the column direction For every other pixel, the charge corresponding to green is read out to the vertical charge transfer path, and then the read charge corresponding to green is passed through the vertical charge transfer path and the horizontal charge transfer path to the output amplifier. A step of transferring, amplifying by the output amplifier and outputting to the outside; (b) reading out the charge to the remaining first type vertical charge transfer electrodes to which the voltage for reading out the charge in step (a) has not been applied. A voltage is applied to read out charges corresponding to green color from the remaining pixels of the first pixel column from which charges have not been read out in the step (a) to the vertical charge transfer path, and then read out green color. The electric charge corresponding to Transferring to the output amplifier through the transfer path and the horizontal charge transfer path, amplifying by the output amplifier and outputting to the outside; and (c) the second type vertical charge transfer electrode in the vertical direction. A voltage for reading out charges is applied to every other two vertical charge transfer electrodes, and a charge corresponding to one of red or blue is applied to every other pixel in the column direction from the second pixel column. Read to the vertical charge transfer path, and then transfer the charge corresponding to one of the read red or blue to the output amplifier through the vertical charge transfer path and the horizontal charge transfer path, and amplify by the output amplifier And (d) applying a voltage for reading out charges to the remaining second type vertical charge transfer electrodes to which the voltage for reading out charges in step (c) is not applied, The step (c) of the pixel column The charge corresponding to the other of red or blue is read from the remaining pixels from which the charge has not been read out to the vertical charge transfer path, and then the charge corresponding to the other of the read red or blue is transferred to the vertical charge transfer path. And transferring to the output amplifier through the horizontal charge transfer path, amplifying by the output amplifier, and outputting to the outside A method for controlling a solid-state imaging device is provided.
[0038]
According to another aspect of the present invention, a plurality of pixel groups arranged on a two-dimensional plane, each pixel group including a plurality of pixels arranged in a vertical direction at a first pixel pitch. A first pixel column and a second pixel column including a plurality of pixels arranged in alignment with a shift of ½ pixel of the first pixel pitch in a direction perpendicular to the first pixel column; The pixel columns in the horizontal direction are a plurality of pixel groups arranged at a position half the second pixel pitch between the first pixel columns of the adjacent pixel groups, and a pixel group adjacent in the horizontal direction. A first separation region formed between the pair, and between the first pixel column and the second pixel column of each pixel group; A vertical charge transfer path formed in a vertical manner while meandering one by one, and both the charges of the pixels included in the first pixel column and the second pixel column belonging to the same pixel group are read out. A vertical charge transfer path, a first pixel row in which pixels included in the first pixel column are aligned in a horizontal direction, and the second pixel column adjacent to the first pixel row in the vertical direction. Vertical charges that are formed to extend in the horizontal direction while meandering one by one between the second pixel rows in which the included pixels are aligned in the horizontal direction, and transfer the charges in the vertical charge transfer path in the vertical direction A first type of vertical charge transfer electrode to which a voltage for reading out charges from the pixels included in the first pixel row to the vertical charge transfer path is applied; and the second pixel row A second type of voltage is applied to read out charges from the pixel to the vertical charge transfer path. A straight charge transfer electrodes, and the vertical charge transfer electrodes alternately arranged in the vertical direction, A drive circuit for independently applying a voltage to each vertical charge transfer electrode for each set of eight vertical charge transfer electrodes adjacent in the vertical direction among the vertical charge transfer electrodes, and a plurality of the vertical charge transfer paths A horizontal charge transfer path provided at the lower end and receiving the charge transferred from the vertical charge transfer path and transferring it in the horizontal direction; A horizontal charge transfer electrode for transferring charges in the horizontal charge transfer path; And an output amplifier that is formed at one end of the horizontal charge transfer path and amplifies the charge from the horizontal charge transfer path and reads it out. The pixels included in the first pixel column include a photoelectric conversion element and a green filter. In the pixel included in the second pixel column, red pixels including photoelectric conversion elements and red filters, and blue pixels including photoelectric conversion elements and blue filters are alternately arranged in the vertical direction. A thinning-out readout method for a solid-state imaging device in which red pixels and blue pixels included in a plurality of the second pixel columns are alternately arranged in the horizontal direction, (E) A voltage for reading out charges is applied to one of the first type of vertical charge transfer electrodes among the set of every eight vertical charge transfer electrodes, so that the first pixel of the first pixel group The charge corresponding to green is read from the pixels included in the column to the vertical charge transfer path corresponding to the first pixel group, and the second pixel group adjacent to the first pixel group in the horizontal direction is read out. A charge corresponding to green is read from the pixels included in one pixel column to the vertical charge transfer path corresponding to the second pixel group, and then the read first pixel group and second read Transferring both of the charges corresponding to green of the pixel group to the horizontal charge transfer path through the read vertical charge transfer paths, and (f) the vertical charge transfer electrodes of the eight vertical charge transfer electrodes. One of the pairs of vertical charge transfer electrodes of the second type is read in the step (e). A voltage for reading out charges is applied to the first pixel group during a period in which the charge corresponding to the emitted green color is transferred through the vertical charge transfer path corresponding to the first and second pixel groups. The charge corresponding to one of red or blue is read out from the pixels included in the second pixel column to the vertical charge transfer path corresponding to the first pixel group, and the second pixel group includes a second charge of the second pixel group. A charge corresponding to the other of red and blue is read from the pixels included in the pixel column to the vertical charge transfer path corresponding to the second pixel group, and then the red color of the read first pixel group is read. Alternatively, both the charge corresponding to one of blue and the charge corresponding to the other of red or blue of the second pixel group pass through the vertical charge transfer path from which they are read out to the horizontal charge transfer path. Transferring (g) said step (e) and The electric charge corresponding to green, the electric charge corresponding to one of red or blue, and the electric charge corresponding to the other of red or blue read in (f) are passed through the horizontal charge transfer path to the output amplifier. Transferring, amplifying by the output amplifier, and outputting to the outside A method for controlling a solid-state imaging device is provided.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0040]
FIG. 1 is a plan view of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
[0041]
The solid-state imaging device A includes a pixel portion B in which a plurality of
[0042]
In the pixel portion B, a plurality of
[0043]
Each pixel has a substantially square shape. The pixels are arranged so that the diagonal lines of the square are aligned in the vertical direction and the horizontal direction.
[0044]
Pixels arranged in the vertical direction are referred to as pixel columns.
[0045]
A plurality of green pixels 3a, 3a, 3a are aligned in the vertical direction to form a first pixel column P1a. A plurality of pixels adjacent to the first pixel column P1a in the horizontal direction and aligned in the vertical direction form the second pixel column P2a. In the pixels forming the second pixel column P2a, blue pixels 3b and red pixels 3c are alternately arranged in the vertical direction.
[0046]
A set of pixel groups PG1 is formed by the first pixel column P1a and the second pixel column P2a adjacent thereto in the horizontal direction. A plurality of pixel groups PG1, PG2, PG3,... Are arranged adjacent to each other in the horizontal direction to form a pixel portion B as a whole.
[0047]
In FIG. 1, only two pixel groups PG1 and PG2 are shown for simplicity, but a large number of pixel groups are actually formed.
[0048]
For example, a vertical charge transfer path made of an n-type semiconductor layer in the
[0049]
Pixels arranged in the horizontal direction are referred to as pixel rows.
[0050]
In FIG. 1, a vertical charge transfer electrode, for example, a vertical charge transfer electrode 11-1 (indicated by a dotted line) meanders along two oblique sides below the first pixel row Q1 including the green pixels 3a and 3a. Or a zigzag shape that extends horizontally.
[0051]
Vertical charge transfer so that the blue pixels 3b and the red pixels 3c arranged in the horizontal direction are along the two hypotenuses below the second pixel row Q2 arranged alternately in the horizontal direction. The electrode 11-2 (indicated by a thin solid line) extends in the horizontal direction in a meandering or zigzag shape.
[0052]
Eight vertical charge transfer electrodes 11-1 to 11-8 form a set of electrode groups EG. Although only one electrode group is shown in FIG. 1, a large number of electrode groups EG, EG, EG are actually formed in the pixel portion B.
[0053]
An independent voltage waveform from V8 to V1 can be applied to the eight vertical charge transfer electrodes 11-1 to 11-8 by using a drive circuit.
[0054]
Between the vertical charge transfer electrode 11-8 at the final stage on the horizontal
[0055]
The transfer electrodes Va and Vb are arbitrarily provided. The number of transfer electrodes is not limited to two.
[0056]
A horizontal
[0057]
Between two vertical
[0058]
Pixel row P1a is from above G (green) GGGG Pixels are arranged in the vertical direction. Pixel row P2a is B (blue) R (red) BRBR Pixels are arranged in the vertical direction.
[0059]
Pixel row P1b is from above GGGGG ... Pixels having a color arrangement are arranged in the vertical direction. Pixel column P2b is RBRBRB ... Pixels having the color arrangement are arranged in the vertical direction.
[0060]
The color arrangement illustrated in FIG. 1 is a color arrangement called a G stripe RB complete checkered pattern.
[0061]
In the illustrated configuration, each pixel has a substantially rhombus shape having four hypotenuses.
[0062]
It can also be considered that the pixels of the second pixel column P2 are arranged in the gaps of the matrix formed by the pixels 3c, 3b, 3c... Of the first pixel column P1.
[0063]
On the other hand, if the drawing is tilted 45 degrees, it can be considered that the pixels of the first and second pixel columns cooperate to form a substantially square matrix.
[0064]
FIG. 2 shows a main part of FIG. FIG. Is It is sectional drawing.
[0075]
Figure 2 As shown, a deep p-well 43 is formed in the
[0076]
A vertical charge transfer electrode 11-5 is formed on a region where the vertical
[0077]
A color filter CF is formed on the
[0078]
On the color filter CF, for example, a microlens ML formed of a photoresist is provided. Light is collected on the surface of the photodiode 41 by the microlens ML.
[0079]
A method for controlling the solid-state imaging device A will be described below with reference to FIGS.
[0080]
With reference to the timing charts of FIGS. 3 to 6, an operation in the case of reading all pixels after taking a still image will be described.
[0081]
As shown in FIG. 3, a high pulse voltage is applied as a read voltage to the vertical charge transfer electrode 11-7 (V2) and the vertical charge transfer electrode 11-3 (V6). The read pulse voltage is 15 V, for example. Charges corresponding to the green color from the photodiodes 3a and 3a (hereinafter referred to as "G charges") in the vertical
[0082]
The G charge accumulated in the vertical
[0083]
The G charge accumulated in the vertical
[0084]
The G charges transferred from the vertical
[0085]
Next, the remaining G charge is read out.
[0086]
As shown in FIG. 4, a high voltage is applied as a read voltage to the vertical charge transfer electrode 11-5 (V4) and the vertical charge transfer electrode 11-1 (V8). The remaining G charge is read out to the vertical
[0087]
Thereafter, the G charge is transferred to the horizontal
[0088]
The G charges transferred to the horizontal
[0089]
Regarding the readout of the G charge, the same operation is performed in all the pixel groups PG (PG1 and PG2 in FIG. 1) in the horizontal direction.
[0090]
Read B charge and R charge.
[0091]
As shown in FIG. 5, the vertical charge transfer electrode 11-8 (V1) and the vertical charge transfer electrode 11- 4 A high voltage is applied as a read voltage to (V5). The R charge (black square mark) is read out to the vertical charge transfer path 5a, and the B charge (hatched square mark) is read out to the vertical charge transfer path 5b.
[0092]
Thereafter, similarly to the operation described with reference to FIG. 3, the R charge and the B charge are read out to the external circuit.
[0093]
As shown in FIG. 6, a high voltage is applied as a read voltage to the vertical charge transfer electrode 11-6 (V3) and the vertical charge transfer electrode 11-2 (V7). B charge is read out to the vertical charge transfer path 5a, and R charge is read out to the vertical charge transfer path 5b.
[0094]
The B charge and the R charge are read out to the external circuit by the same operation as the above operation.
Through the above operation, all pixel readout is possible. Still images can be reproduced clearly.
[0095]
When a readout pulse is applied to the vertical charge transfer electrode to read a signal from the pixel, the vertical charge transfer electrode 11 to which the readout pulse is applied simultaneously is separated into four electrodes in the vertical direction. In addition, at the time of signal readout, only the same color pixel signal is read out to the same single vertical
[0096]
Therefore, mixing (color mixing) of transfer charges that occurs when different color signals are present in the same vertical charge transfer path during reading is prevented. Since the transfer charge is prevented from being mixed, the solid-state imaging device according to the present embodiment is unlikely to deteriorate when reproducing a still image.
[0097]
A method for reading an image signal in a video mode for reproducing a moving image such as a monitor image of a digital camera will be described with reference to FIGS.
[0098]
In the video mode, without reading from all the pixels, only the charges of the pixels included in a specific row from the second row to the seventh row in the set of pixel columns Q in eight rows are read.
[0099]
From FIG. 7 to FIG. 9, the readout voltage is applied only to V1 (electrode 11-8) and V8 (electrode 11-1), V4 (electrode 11-5) and V5 (electrode 11-4), and thinning readout is performed. Shows how to do.
[0100]
As shown in FIG. 7, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V8 in a state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V8.
[0101]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5a included in the pixel group PG1. By applying a positive voltage in order from V8 (electrode 11-1) to V4 (electrode 11-5), the G signal charge is transferred. Charges corresponding to the G signal are accumulated in the vertical charge transfer path 5a under the electrode 11-5.
[0102]
In this state, that is, in the state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V4, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V4.
[0103]
In the vertical charge transfer path 5a included in the pixel group PG1, G Are read out. Charge corresponding to the G signal is added and accumulated in the vertical
[0104]
By applying a positive voltage sequentially from V4 (electrode 11-5) to V1 (electrode 11-8), the signal charge corresponding to the GG signal is transferred.
[0105]
The GG signal is transferred to the horizontal
[0106]
With a positive voltage applied to V1, for example, 8V, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V1.
[0107]
The R signal is read out to the vertical charge transfer path 5a included in the pixel group PG1. By applying a positive voltage in order from V1 (electrode 10-8) to V5 (electrode 11-4), the R signal charge is transferred. Charge corresponding to the R signal is accumulated in the vertical
[0108]
In this state, that is, a positive voltage such as 8V is applied to V5, a high positive voltage such as 15V is applied to V5.
[0109]
The R signal is read out to the vertical charge transfer path 5a included in the pixel group PG1. Charges corresponding to the R signal are added and accumulated in the vertical
[0110]
V 5 (Electrode 11- 4 ) To V1 (electrode 11-8) in order, a signal charge corresponding to the RR signal is transferred.
[0111]
The RR signal is transferred to the horizontal
[0112]
FIG. 8 shows a method of reading charges from the pixels included in the pixel group PG2.
[0113]
With a positive voltage applied to V1, for example, 8V, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V1.
[0114]
The B signal is read out to the vertical charge transfer path 5b included in the pixel group PG2. By applying a positive voltage sequentially from V1 (electrode 10-8) to V5 (electrode 11-4), the B signal charge is transferred. Electrode 11- 4 Charges corresponding to the B signal are accumulated in the lower vertical charge transfer path 5b.
[0115]
In this state, that is, a positive voltage such as 8V is applied to V5, a high positive voltage such as 15V is applied to V5.
[0116]
The B signal is read out to the vertical charge transfer path 5b included in the pixel group PG2. Charges corresponding to the B signal are added and accumulated in the vertical charge transfer path 5b below the electrode 11-4 (signal BB).
[0117]
By applying a positive voltage in order from V5 (electrode 11-4) to V1 (electrode 11-8), signal charges corresponding to the BB signal are transferred.
[0118]
The BB signal is transferred to the horizontal
[0119]
With a positive voltage applied to V8, for example, 8V, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V8.
[0120]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5b included in the pixel group PG2. By applying a positive voltage in order from V8 (electrode 11-1) to V4 (electrode 11-5), the G signal charge is transferred. Charge corresponding to the G signal is accumulated in the vertical
[0121]
In this state, that is, in the state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V4, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V4.
[0122]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5b included in the pixel group PG2. Charge corresponding to the G signal is added and accumulated in the vertical
[0123]
V4 (electrode 11− 5 ) To V1 (electrode 11-8) in order, a signal charge corresponding to the GG signal is transferred.
[0124]
The GG signal is transferred to the horizontal
[0125]
FIG. 9 shows the color arrangement of charges read from the photodiode to the vertical charge transfer path 5a and the vertical charge transfer path 5b by the above-described reading method.
[0126]
The RR charge obtained by adding the R charge is accumulated under the V1 electrode of the vertical charge transfer path 5a. The GG charge added with the G charge is accumulated under the V4 electrode of the vertical charge transfer path 5a.
[0127]
The BB charge obtained by adding the B charge is accumulated under the V1 electrode of the vertical charge transfer path 5b. The GG charge added with the G charge is accumulated under the V4 electrode of the vertical charge transfer path 5b.
[0128]
Similar charges are accumulated in the vertical charge transfer paths 5a and 5b, respectively.
[0129]
In the above-described solid-state imaging device, as described with reference to FIGS. 7 to 9, moving images can be quickly displayed by performing pixel thinning readout.
[0130]
In addition, by adding signals of the same color, the sensitivity of the image is improved and a clear image can be obtained.
[0131]
From FIG. 10 to FIG. 13, the read voltage is applied only to V2 (electrode 11-7) and V3 (electrode 11-6), V6 (electrode 11-3) and V7 (electrode 11-2), and thinning-out reading is performed. Shows how to do.
[0132]
As shown in FIG. 10, a high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V2 while a positive voltage, for example, 8V, is applied to V2.
[0133]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5a. The signal charge of G is transferred by applying a positive voltage in order from V2 (electrode 10-7) to V6 (electrode 11-3). Charges corresponding to the G signal are accumulated in the vertical charge transfer path 5a under the electrode 11-3.
[0134]
In this state, that is, a positive voltage such as 8V is applied to V6, a high positive voltage such as 15V is applied to V6.
[0135]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5a. Charges corresponding to the G signal are added and accumulated in the vertical charge transfer path 5a below the electrode 11-3 (signal GG).
[0136]
By applying a positive voltage in order from V6 (electrode 11-3) to V1 (electrode 11-8), signal charges corresponding to the GG signal are transferred.
[0137]
A GG signal is transferred to the horizontal
[0138]
A high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V7 in a state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V7.
[0139]
The B signal is read out to the vertical charge transfer path 5a. V7 (electrode 11- 2 ) To V3 (electrode 11-6) in order, the B signal charge is transferred. Charges corresponding to the B signal are accumulated in the vertical charge transfer path 5a under the electrode 11-6.
[0140]
In this state, that is, in the state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V3, a high positive voltage, for example, a 15V read pulse is applied to V3.
[0141]
The B signal is read out to the vertical charge transfer path 5a. A charge corresponding to the B signal is added and accumulated in the vertical charge transfer path 5a under the electrode 11-6. Charges corresponding to the B signal are added and accumulated in the vertical charge transfer path 5a (signal BB).
[0142]
By applying a positive voltage sequentially from V3 (electrode 11-6) to V1 (electrode 11-8), the signal charge corresponding to the BB signal is transferred.
[0143]
The BB signal is transferred to the horizontal
[0144]
FIG. 11 shows the readout operation of the pixels in the second field.
[0145]
In the state where a positive voltage, for example, 8V, is applied to V2, a high positive voltage, for example, a 15V readout pulse is applied to V2.
[0146]
The G signal is read out to the vertical charge transfer path 5b included in the pixel group PG2. V2 (
[0147]
In this state, that is, a positive voltage such as 8V is applied to V6, a high positive voltage such as 15V is applied to V6.
[0148]
Further, a G signal is read out to the vertical charge transfer path 5b. Charges corresponding to the G signal are added and accumulated in the vertical charge transfer path 5b below the electrode 11-3 (signal GG).
[0149]
[0150]
The GG signal is transferred to the horizontal
[0151]
A high positive voltage, for example, 15V read pulse is applied to V7 in a state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V7.
[0152]
The R signal is read out to the vertical charge transfer path 5b. By applying a positive voltage sequentially from V7 (electrode 11-2) to V3 (electrode 11-6), the signal charge of R is transferred. Charges corresponding to the R signal are accumulated in the vertical charge transfer path 5b under the electrode 11-6.
[0153]
In this state, that is, in the state where a positive voltage, for example, 8V is applied to V3, a high positive voltage, for example, a 15V read pulse is applied to V3.
[0154]
Further, an R signal is read out to the vertical charge transfer path 5b. Charges corresponding to the R signal are added and accumulated in the vertical charge transfer path 5b below the electrode 11-6 (signal RR).
[0155]
By applying a positive voltage sequentially from V3 (electrode 11-6) to V1 (electrode 11-8), signal charges corresponding to the RR signal are transferred.
[0156]
The RR signal is transferred to the horizontal
[0157]
FIG. 12 shows the color arrangement of charges read from the photodiodes to the vertical charge transfer path 5a and the vertical charge transfer path 5b by the above-described reading method.
[0158]
The BB charge obtained by adding the B charge is accumulated under the V3 electrode of the vertical charge transfer path 5a. The GG charge added with the G charge is accumulated under the V6 electrode of the vertical charge transfer path 5a.
[0159]
The RR charge obtained by adding the R charge is accumulated under the V3 electrode of the vertical charge transfer path 5b. The GG charge added with the G charge is accumulated under the V3 electrode of the vertical charge transfer path 5b.
[0160]
Similar charges are accumulated in the other vertical charge transfer paths 5a and 5b, respectively.
[0161]
In the above solid-state imaging device, as described with reference to FIGS. 10 to 11, moving images can be quickly displayed by performing pixel thinning readout.
[0162]
In addition, by adding signals of the same color, the sensitivity of the image is improved and a clear image can be obtained.
[0163]
In the above solid-state imaging method, GG / R B Although the case of the alternate filter array is shown, it is possible to read out signals from the pixels even with another color filter array.
[0164]
As a thinning-out reading method, a method of reading a signal by applying a read voltage to two vertically adjacent electrodes in a set of eight vertical charge transfer electrode groups has been described. It is also possible to apply a read voltage to.
[0165]
In the solid-state imaging device, signals of two adjacent pixel columns are read out to one shared vertical charge transfer path. The processing accuracy of the vertical charge transfer path can be relaxed. The size of the pixel, for example, the size of the photodiode can be relatively increased, and the amount of charge accumulated in the pixel can be increased. From another viewpoint, if the processing accuracy of the vertical charge transfer path is the same, the pixel size can be reduced.
[0166]
The number of horizontal charge transfer paths connected to the vertical charge transfer path may be ½ of the number of photodiodes included in the pixels arranged in the row direction. Therefore, the pitch of the horizontal charge transfer electrodes can be increased, and the horizontal charge transfer path can be processed with a low processing accuracy. The production yield of the solid-state imaging device can be improved.
[0167]
When the readout method according to this embodiment is used in the solid-state imaging device, all pixels of a still image can be read out. In addition, since it is easy to perform thinning readout, it is possible to easily read out and reproduce a monitor image for displaying a moving image.
[0168]
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the pixel shape has been described as a substantially square shape. The pixel shape may be a shape other than a square. For example, a rectangular or regular hexagonal pixel shape may be used.
[0169]
In addition, regarding the color arrangement of the pixels in the solid-state image sensor, it is sufficient if it has a configuration that enables color imaging. In addition to the three primary color (red (R), green (G), and blue (B)) color arrangements, there is a so-called complementary color arrangement.
[0170]
Complementary color filter arrays include, for example, (i) green (G), cyan (Cy) and yellow (Ye) color filters, (ii) cyan (Cy), yellow (Ye), and white or colorless (Iii) consisting of color filters of (W), (iii) consisting of color filters of cyan (Cy), magenta (Mg), yellow (Ye) and green (G), and (iv) cyan (Cy), yellow Known are (Ye), green (G), and white or colorless (W) color filters.
[0171]
As a color filter arrangement pattern in the primary color filter array, in addition to the G-strip RB perfect checkered pattern exemplified in the present embodiment, a color layout of Bayer type, interline type, G stripe RB checkered pattern, etc. Is used.
[0172]
It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like are possible.
[0173]
【The invention's effect】
In the solid-state imaging device, the processing accuracy, particularly the processing accuracy of the vertical transfer path and the vertical transfer electrode can be relaxed. Further, the processing accuracy of the horizontal charge transfer path can be relaxed. With the same processing accuracy, it is possible to increase the density of pixels.
[0174]
The production yield can be improved. It is also possible to improve the reliability of the solid-state imaging device.
[0175]
According to the reading method of the solid-state imaging device, all pixels of a still image can be read. In addition, since it is easy to perform thinning readout, it is possible to easily read out and reproduce a monitor image for displaying a moving image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are enlarged views of main parts of a pixel portion of the solid-state imaging device, in which FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation for reading a still image of the solid-state imaging device.
FIG. 4 is a timing chart showing a still image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 5 is a timing chart showing a still image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 6 is a timing chart showing a still image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 7 is a timing chart showing a monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 8 is a timing chart showing a monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement of color signals in a vertical charge transfer path in the monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 10 is a timing chart showing a monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 11 is a timing chart showing a monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 12 is a diagram illustrating an arrangement of color signals in a vertical charge transfer path in the monitor image reading operation of the solid-state imaging device.
FIG. 13 is a plan view of a conventional solid-state imaging device, mainly showing a structure in a semiconductor region.
FIG. 14 is a plan view of a conventional solid-state imaging device, mainly showing the structure of a charge transfer electrode.
[Explanation of symbols]
A Solid-state image sensor
B Display section
EG vertical charge transfer electrode group
P1 first pixel column
P2 second pixel column
PG pixel array group
Q1 first pixel row
Q2 Second pixel row
V1 to V8 Applied voltage to vertical transfer electrode
φ1, φ2 Applied voltage to horizontal transfer electrode
1 Semiconductor substrate
3 pixels
3a pixel (green)
3b pixel (blue)
3c pixel (red)
11 Vertical charge transfer electrode
15 Horizontal charge transfer electrode
17 Output amplifier
41 Photodiode (photoelectric conversion element)
45 Transfer gate (readout gate)
Claims (4)
水平方向に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域と、
各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間に、1本ずつ、蛇行しつつ垂直方向に延びて形成された垂直電荷転送路であって、同じ画素群に属する第1の画素列及び第2の画素列に含まれる画素の電荷の両方が読み出される垂直電荷転送路と、
前記第1の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第1の画素行と、該第1の画素行と垂直方向に隣接し、前記第2の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第2の画素行との間に、1本ずつ、蛇行しつつ水平方向に延びて形成され、前記垂直電荷転送路中の電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送電極であって、該第1の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第1種の垂直電荷転送電極と、該第2の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第2種の垂直電荷転送電極とが、垂直方向に交互に並んだ垂直電荷転送電極と、
該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、
複数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送路と、
前記水平電荷転送路中で電荷を転送する水平電荷転送電極と、
該水平電荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプと
を含み、
前記第1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の読み出し方法であって、
(a)前記第1種の垂直電荷転送電極に、垂直方向に該第1種の垂直電荷転送電極1つおきに、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素列から、列方向に画素1つおきに、緑色に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した緑色に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、
(b)前記工程(a)で電荷を読み出す電圧を印加しなかった残りの前記第1種の垂直電荷転送電極に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素列の、前記工程(a)で電荷を読み出さなかった残りの画素から、緑色に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した緑色に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、
(c)前記第2種の垂直電荷転送電極に、垂直方向に該第2種の垂直電荷転送電極1つおきに、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第2の画素列から、列方向に画素1つおきに、赤色または青色の一方に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した赤色または青色の一方に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と、
(d)前記工程(c)で電荷を読み出す電圧を印加しなかった残りの前記第2種の垂直電荷転送電極に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第2の画素列の、前記工程(c) で電荷を読み出さなかった残りの画素から、赤色または青色の他方に対応する電荷を、前記垂直電荷転送路に読み出し、その後、読み出した赤色または青色の他方に対応する電荷を、該垂直電荷転送路及び前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と
を含む固体撮像素子の制御方法。A plurality of pixel groups arranged on a two-dimensional plane, each pixel group including a first pixel column including a plurality of pixels arranged in a vertical direction at a first pixel pitch and the first pixels A second pixel column including a plurality of pixels aligned in a vertical direction with respect to the column and shifted by 1/2 pixel of the first pixel pitch, and the second pixel column is adjacent to the horizontal direction. A plurality of pixel groups arranged at a position half of the second pixel pitch between the first pixel columns of the pixel groups to be
A first separation region formed between a pair of pixel groups adjacent in the horizontal direction;
A vertical charge transfer path formed between the first pixel column and the second pixel column of each pixel group and extending in the vertical direction while meandering one by one, and belongs to the same pixel group A vertical charge transfer path from which both charges of pixels included in the first pixel column and the second pixel column are read out;
A first pixel row in which pixels included in the first pixel column are aligned in the horizontal direction, and a pixel adjacent to the first pixel row in the vertical direction, and a pixel included in the second pixel column in the horizontal direction A vertical charge transfer electrode formed in a horizontal direction while meandering one by one between the aligned second pixel rows and transferring charges in the vertical charge transfer path in the vertical direction; A first type of vertical charge transfer electrode to which a voltage for reading out charges from the pixels included in the first pixel row is applied to the vertical charge transfer path, and the vertical charge transfer path from the pixels included in the second pixel row. Vertical charge transfer electrodes alternately arranged in the vertical direction with a second type of vertical charge transfer electrodes to which a voltage for reading out charges is applied;
A drive circuit for independently applying a voltage to each vertical charge transfer electrode with respect to a set of every eight vertical charge transfer electrodes adjacent in the vertical direction among the vertical charge transfer electrodes;
A horizontal charge transfer path that is provided at the lower end of the plurality of vertical charge transfer paths, receives charges transferred from the vertical charge transfer paths, and transfers them in the horizontal direction;
A horizontal charge transfer electrode for transferring charges in the horizontal charge transfer path;
An output amplifier that is formed at one end of the horizontal charge transfer path and amplifies the charge from the horizontal charge transfer path and reads it out,
The pixel included in the first pixel column is a green pixel including a photoelectric conversion element and a green filter, and the pixel included in the second pixel column is a red pixel including a photoelectric conversion element and a red filter. Solid-state imaging device in which blue pixels including conversion elements and blue filters are alternately arranged in the vertical direction, and red pixels and blue pixels included in the plurality of second pixel columns are alternately arranged in the horizontal direction Read method,
(A ) A voltage for reading out charges is applied to the first type vertical charge transfer electrodes every other vertical charge transfer electrode of the first type in the vertical direction from the first pixel column in the column direction. For every other pixel, the charge corresponding to green is read out to the vertical charge transfer path, and then the read charge corresponding to green is passed through the vertical charge transfer path and the horizontal charge transfer path to the output amplifier. And amplifying by the output amplifier and outputting to the outside,
(B) Applying a voltage for reading out charges to the remaining first type vertical charge transfer electrodes to which no voltage for reading out charges in the step (a) was applied, and the step of the first pixel column The charge corresponding to green is read out to the vertical charge transfer path from the remaining pixels from which charges have not been read out in (a), and then the charge corresponding to the read green color is transferred to the vertical charge transfer path and the horizontal charge transfer path. Transferring to the output amplifier through a path, amplifying by the output amplifier and outputting to the outside;
(C) A voltage for reading out charges is applied to the second type vertical charge transfer electrodes in the vertical direction every other vertical type charge transfer electrode of the second type, so that the second pixel column For every other pixel, the charge corresponding to one of red or blue is read out to the vertical charge transfer path, and then the charge corresponding to one of the read red or blue is read out from the vertical charge transfer path and the horizontal charge. Transferring to the output amplifier through a transfer path, amplifying by the output amplifier and outputting to the outside;
(D) Applying a voltage for reading out charges to the remaining second type vertical charge transfer electrodes to which no voltage for reading out charges in the step (c) was applied, and the step of the second pixel column The charge corresponding to the other of red or blue is read from the remaining pixels from which the charge has not been read in (c) to the vertical charge transfer path, and then the charge corresponding to the other of the read red or blue is transferred to the vertical charge transfer path. A control method for a solid-state imaging device, including a step of transferring to the output amplifier through a charge transfer path and the horizontal charge transfer path, amplifying by the output amplifier, and outputting to the outside .
水平方向に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域と、
各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間に、1本ずつ、蛇行しつつ垂直方向に延びて形成された垂直電荷転送路であって、同じ画素群に属する第1の画素列及び第2の画素列に含まれる画素の電荷の両方が読み出される垂直電荷転送路と、
前記第1の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第1の画素行と、該第1の画素行と垂直方向に隣接し、前記第2の画素列に含まれる画素が水平方向に整列した第2の画素行との間に、1本ずつ、蛇行しつつ水平方向に延びて形成され、前記垂直電荷転送路中の電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送電極であって、該第1の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第1種の垂直電荷転送電極と、該第2の画素行に含まれる画素から前記垂直電荷転送路に電荷を読み出す電圧が印加される第2種の垂直電荷転送電極とが、垂直方向に交互に並んだ垂直電荷転送電極と、
該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、
複数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送路と、
前記水平電荷転送路中で電荷を転送する水平電荷転送電極と、
該水平電荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプと
を含み、
前記第1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の間引き読み出し方法であって、
(e)前記8本ごとの垂直電荷転送電極の組のうち、前記第1種の垂直電荷転送電極の1本に、電荷を読み出す電圧を印加して、第1の画素群の第1の画素列に含まれる画素から、該第1の画素群に対応する垂直電荷転送路に、緑色に対応する電荷を読み出すとともに、該第1の画素群と水平方向に隣接する第2の画素群の第1の画素列に含まれる画素から、該第2の画素群に対応する前記垂直電荷転送路に、緑色に対応する電荷を読み出し、その後、読み出された前記第1の画素群及び第2の画素群の緑色に対応する電荷の双方を、それぞれが読み出された垂直電荷転送路を通って、前記水平電荷転送路に転送する工程と、
(f)前記8本ごとの垂直電荷転送電極の組のうち、前記第2種の垂直電荷転送電極の1本に、前記工程(e)で読み出された緑色に対応する電荷が、前記第1及び第2の画素群に対応する垂直電荷転送路を転送されている期間中に、電荷を読み出す電圧を印加して、前記第1の画素群の第2の画素列に含まれる画素から、該第1の画素群に対応する垂直電荷転送路に、赤色または青色の一方に対応する電荷を読み出すとともに、前記第2の画素群の第2の画素列に含まれる画素から、該第2の画素群に対応する前記垂直電荷転送路に、赤色または青色の他方に対応する電荷を読み出し、その後、読み出された前記第1の 画素群の赤色または青色の一方に対応する電荷、及び、第2の画素群の赤色または青色の他方に対応する電荷の双方を、それぞれが読み出された垂直電荷転送路を通って、前記水平電荷転送路に転送する工程と、
(g)前記工程(e)及び(f)で読み出された、緑色に対応する電荷、赤色または青色の一方に対応する電荷、及び、赤色または青色の他方に対応する電荷を、前記水平電荷転送路を通って前記出力アンプに転送し、該出力アンプにより増幅し外部に出力する工程と
を含む固体撮像素子の制御方法。A plurality of pixel groups arranged on a two-dimensional plane, each pixel group including a first pixel column including a plurality of pixels arranged in a vertical direction at a first pixel pitch and the first pixels A second pixel column including a plurality of pixels aligned in a vertical direction with respect to the column and shifted by 1/2 pixel of the first pixel pitch, and the second pixel column is adjacent to the horizontal direction. A plurality of pixel groups arranged at a position half of the second pixel pitch between the first pixel columns of the pixel groups to be
A first separation region formed between a pair of pixel groups adjacent in the horizontal direction;
A vertical charge transfer path formed between the first pixel column and the second pixel column of each pixel group and extending in the vertical direction while meandering one by one, and belongs to the same pixel group A vertical charge transfer path from which both charges of pixels included in the first pixel column and the second pixel column are read out;
A first pixel row in which pixels included in the first pixel column are aligned in the horizontal direction, and a pixel adjacent to the first pixel row in the vertical direction, and a pixel included in the second pixel column in the horizontal direction A vertical charge transfer electrode formed in a horizontal direction while meandering one by one between the aligned second pixel rows and transferring charges in the vertical charge transfer path in the vertical direction; A first type of vertical charge transfer electrode to which a voltage for reading out charges from the pixels included in the first pixel row is applied to the vertical charge transfer path, and the vertical charge transfer path from the pixels included in the second pixel row. Vertical charge transfer electrodes alternately arranged in the vertical direction with a second type of vertical charge transfer electrodes to which a voltage for reading out charges is applied;
A drive circuit for independently applying a voltage to each vertical charge transfer electrode with respect to a set of every eight vertical charge transfer electrodes adjacent in the vertical direction among the vertical charge transfer electrodes;
A horizontal charge transfer path that is provided at the lower end of the plurality of vertical charge transfer paths, receives charges transferred from the vertical charge transfer paths, and transfers them in the horizontal direction;
A horizontal charge transfer electrode for transferring charges in the horizontal charge transfer path;
An output amplifier that is formed at one end of the horizontal charge transfer path and amplifies the charge from the horizontal charge transfer path and reads it out,
The pixel included in the first pixel column is a green pixel including a photoelectric conversion element and a green filter, and the pixel included in the second pixel column is a red pixel including a photoelectric conversion element and a red filter. Solid-state imaging device in which blue pixels including conversion elements and blue filters are alternately arranged in the vertical direction, and red pixels and blue pixels included in the plurality of second pixel columns are alternately arranged in the horizontal direction A thinning-out reading method,
(E) A voltage for reading out charges is applied to one of the first type of vertical charge transfer electrodes among the set of every eight vertical charge transfer electrodes, so that the first pixel of the first pixel group The charge corresponding to green is read from the pixels included in the column to the vertical charge transfer path corresponding to the first pixel group, and the second pixel group adjacent to the first pixel group in the horizontal direction is read out. A charge corresponding to green is read from the pixels included in one pixel column to the vertical charge transfer path corresponding to the second pixel group, and then the read first pixel group and second read Transferring both of the charges corresponding to the green color of the pixel group to the horizontal charge transfer path through the vertical charge transfer path from which each was read;
(F) Out of the set of every eight vertical charge transfer electrodes, one of the second type vertical charge transfer electrodes has a charge corresponding to the green color read in the step (e). From a pixel included in the second pixel column of the first pixel group, a voltage for reading out charges is applied during a period in which the vertical charge transfer paths corresponding to the first and second pixel groups are transferred. A charge corresponding to one of red or blue is read out to a vertical charge transfer path corresponding to the first pixel group, and the second pixel column includes a second pixel column. A charge corresponding to the other of red or blue is read out to the vertical charge transfer path corresponding to the pixel group, and then the charge corresponding to one of red or blue of the read first pixel group and Both of the charges corresponding to the other of red or blue in the two pixel groups, Respectively passes through the vertical charge transfer paths read out, a step of transferring to the horizontal charge transfer path,
(G) The charges corresponding to green, the charge corresponding to one of red or blue, and the charge corresponding to the other of red or blue, read in the steps (e) and (f), are converted into the horizontal charge. A method of controlling the solid-state imaging device, comprising : transferring to the output amplifier through a transfer path, amplifying by the output amplifier, and outputting to the outside .
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