JP4321008B2

JP4321008B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4321008B2
Application number: JP2002130253A
Authority: JP
Inventors: 匡雄木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-05-02
Also published as: JP2003324655A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、それぞれ入射光量に応じた信号電荷を生成する２次元配列の複数の画素と、各画素の信号電荷を読み出す複数の垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタとを有するＣＣＤ型の固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラや電子カメラにおいて、電荷転送部にＣＣＤレジスタを用いたＣＣＤ型の固体撮像素子が使用されている。
このＣＣＤ固体撮像素子は、光電変換手段（フォトダイオード；ＰＤ）を設けた複数の画素を半導体基板上の撮像領域（イメージエリア）内に２次元配列のアレイ状に配置したものであり、各画素に入射した光をフォトダイオードによって光電変換して信号電荷を生成し、この信号電荷を垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタを介して出力アンプ部に設けたフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に転送し、このＦＤ部の電位変動をＭＯＳトランジスタによって検出し、これを電気信号に変換、増幅することにより、撮像信号として出力する。
【０００３】
図３は、このような固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図であり、信号電荷をそれぞれ破線による矢印で示している。
なお、この図３に示す撮像領域（イメージエリア）１０には、２次元配列の複数の画素と各画素列毎の複数の垂直転送レジスタが配置されており、撮像領域１０の外側部に水平転送レジスタ１１及び出力アンプ部１２が配置されている。
まず、各画素の信号電荷は、各画素列毎に一括して垂直転送レジスタに読み出され、垂直転送パルスに基づいて各垂直転送レジスタにより垂直（矢印Ａ）方向に転送され、１水平ライン毎に順次水平転送レジスタ１１に読み出される。
そして、水平転送レジスタ１１に読み出された１ライン分の信号電荷は、水平転送パルスに基づいて水平転送レジスタ１１により水平（矢印Ｂ）方向に転送され、順次出力アンプ部１２に出力される。
また、出力アンプ部１２においては、水平転送レジスタ１１によって転送されてきた信号電荷を順次電気信号に変換し、さらに後段の信号処理回路に出力する。
【０００４】
なお、このような固体撮像素子が形成された半導体基板の上には、各転送レジスタを駆動するためのゲート電極膜や、各画素の受光面だけに外光を入射させるための遮光膜等が配置され、さらにその上層に各画素に入射する光の色成分を分離するカラーフィルタや、各画素の受光面に光を集光するオンチップマイクロレンズ等が配置される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようなＣＣＤ型固体撮像素子では、多画素化が進むとともに、各画素信号を間引いて出力したり、あるいは、複数の画素信号を加算して出力するような多機能化が図られている。
しかしながら、上記従来のＣＣＤ型固体撮像素子の場合、垂直方向の画素信号を加算することは、読み出しタイミングの制御により、垂直転送レジスタの内部、または、水平転送レジスタの内部において容易に実現できるが、水平方向の画素信号を加算することは難易度が高く、隣り合う数画素分の画素信号を水平転送レジスタの内部で混合する方式のみ可能である。
【０００６】
しかし、上述したカラーフィルタでは、各色成分の画素フィルタが、たとえば市松模様等の配列で設けられており、同一の色成分の画素フィルタは連続しておらず、たとえば１画素おきに配置されている。
したがって、同一色成分の画素信号を水平方向に加算するためには、たとえば水平方向に１画素（ビット）おきに画素信号を加算する必要がある。
したがって、このような加算動作を上記従来のＣＣＤ型固体撮像素子の内部で行うことは困難であった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、２次元配列の画素から読み出した各画素信号を水平転送方向に画素単位（水平ビット単位）で容易に加算することが可能なＣＣＤ型の固体撮像素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板上に設けられた撮像領域に２次元配列で設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各列毎に配置されて各画素によって蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記複数の垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送レジスタとを有する固体撮像素子であって、
前記複数の水平転送レジスタは、前記各垂直転送レジスタの端部近傍に互いに平行に配置される第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタとを含み、
前記第１の水平転送レジスタと前記第２の水平転送レジスタとの間に、前記各垂直転送レジスタから前記第１の水平転送レジスタの各水平ビットに転送された信号電荷を、各水平ビット単位で選択して前記第２の水平転送レジスタに転送するレジスタ間転送ゲートを設け、前記レジスタ間転送ゲートの動作により前記第１の水平転送レジスタ及び前記第２の水平転送レジスタのそれぞれに１水平ビットの信号電荷を１ビットおきに振り分けて蓄積し、前記第１の水平転送レジスタ及び前記第２の水平転送レジスタに蓄積された１ビットおき信号電荷を個別に転送可能に構成し、かつ前記転送されてきた複数ビットの信号電荷を加算して出力するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像素子では、第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタとの間に設けたレジスタ間転送ゲートにより、第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジスタのそれぞれに１水平ビットの信号電荷を１ビットおきに振り分けて蓄積し、第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジスタに蓄積された１ビットおき信号電荷を個別に転送可能にし、かつ前記転送されてきた複数ビットの信号電荷を加算して出力する。
これにより、互いに隣接した水平ビットの信号電荷を第１、第２の水平転送レジスタに振り分け、それぞれ個別に転送することができるため、各画素信号を水平方向に画素単位（水平ビット単位）で容易に加算することが可能となる。
したがって、たとえば異なる色成分の画素信号を分離して、各画素信号を色成分毎に加算して出力するような処理を容易に実現でき、固体撮像素子の多機能化に貢献することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態例によるＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図であり、信号電荷をそれぞれ破線による矢印で示している。
本例の固体撮像素子は、２本の水平転送レジスタによって出力信号を振り分けて出力する構成（２チャネル出力型）の例である。
図１において、撮像領域（イメージエリア）１１０には、２次元配列の複数の画素と各画素列毎の複数の垂直転送レジスタが配置されており、撮像領域１１０の外側部に２本の水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂ及び出力アンプ部１１２Ａ、１１２Ｂが配置されている。
また、水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂの間には、レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）１１３が設けられている。
【００１４】
２本の水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂは互いに平行に配置され、共通の転送チャネル及び転送ゲート構造を有している。ただし、図１に示す例では、転送方向が逆になっており、出力アンプ部１１２Ａ、１１２Ｂの位置が反対側に配置されている。
そして、各水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂのうちの撮像領域１１０の中央に近い方の第１の水平転送レジスタ１１１Ａには、図３に示した従来例と同様に、全ての垂直転送レジスタに対応する水平ビットの転送チャネルに各垂直転送レジスタの信号電荷が転送される。
【００１５】
また、第１の水平転送レジスタ１１１Ａの外側に配置される第２の水平転送レジスタ１１１Ｂには、レジスタ間転送ゲート１１３の動作によって第１の水平転送レジスタ１１１Ａに転送されてきた各水平ビットの信号電荷のうち１水平ビットおきの信号電荷が転送される。
すなわち、レジスタ間転送ゲート１１３は、その下層に１水平ビットおきに転送チャネル領域が設けられており、転送チャネル領域を設けたビットの信号電荷が第１の水平転送レジスタ１１１Ａから第２の水平転送レジスタ１１１Ｂに読み出される。
なお、このレジスタ間転送ゲート１１３は、水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂ間で信号電荷の転送する際に、十分な転送効率を確保されるだけの転送長を有しているものとする。
【００１６】
また、このレジスタ間転送ゲート１１３は、垂直転送パルスによって水平１ラインの信号電荷を垂直転送する際にＯＮとなり、水平転送による水平転送開始の直前にＯＦＦとなる。
したがって、垂直転送レジスタの最終段の信号電荷が第１の水平転送レジスタ１１１Ａ側に読み出されるタイミングでは、レジスタ間転送ゲート１１３がＯＮしており、各水平ビットの信号電荷のうち、レジスタ間転送ゲート１１３の転送チャネル領域に対応するビットの信号電荷は、そのまま第１の水平転送レジスタ１１１Ａから第２の水平転送レジスタ１１１Ｂに読み出される。
この結果、第１の水平転送レジスタ１１１Ａの各ビットには１ビットおきに信号電荷が蓄積され（矢印Ａ１）、第２の水平転送レジスタ１１１Ｂの各ビットには、第１の水平転送レジスタ１１１Ａと異なるビットに１ビットおきに信号電荷が蓄積される（矢印Ａ２）。
【００１７】
このようにして、水平１ライン分の信号電荷が１ビットおきに２つの水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂに振り分けられる。
したがって、２つの水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂを水平転送パルスによって駆動し、それぞれの信号電荷を転送することにより、１ビットおきの信号電荷を２つの出力アンプ部１１２Ａ、１１２Ｂに転送し、２つの撮像信号に変換して取り出すことできる（矢印Ｂ１、Ｂ２）。
また、この際、各水平転送レジスタ１１１Ａ、１１１Ｂの最終水平転送ゲートにおいて、ＦＤ部に対するリセットタイミングを制御することにより、複数ビット（水平転送ゲートの４ビット分の加算で実質的には２ビット分）の信号電荷を加算して出力アンプ部１１２Ａ、１１２Ｂに供給することができ、色成分別の信号電荷を複数ビット加算した信号出力を行うことが可能である。
【００１８】
すなわち、本例の固体撮像素子においても上記従来例と同様に、固体撮像素子の上には各画素に入射する光の色成分を分離するカラーフィルタ等が配置されているが、このカラーフィルタは、各色成分の画素フィルタが所定のパターンで配列されており、隣接するビットには異なる色成分の画素フィルタが配置されている。
そこで、本例のように１ビットおきに信号電荷を取り出すことにより、同一色成分の信号電荷を連続させることでき、これを順次加算することにより、各色成分毎の画素信号を加算することが可能である。
したがって、本例の固体撮像素子では、信号電荷の転送段階で有効な画素信号の加算を行うことができ、これを後段の信号処理回路でサンプリングし、撮像信号を得ることにより、複雑な信号処理を要することなく、有効な加算信号の撮像出力を得ることが可能である。
なお、レジスタ間転送ゲート１１３をＯＮさせることなく撮像動作を行うことにより、第１の水平転送レジスタ１１１Ａだけを用いた通常の撮像信号出力を行うことが可能である。
【００１９】
図２は、本発明の第２の実施の形態例によるＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図であり、信号電荷をそれぞれ破線による矢印で示している。
本例の固体撮像素子は、撮像領域（イメージエリア）２１０を垂直方向に２分割し、各撮像領域２１０Ａ、２１０Ｂ毎に垂直転送レジスタによって逆方向に信号電荷を転送するとともに、各撮像領域２１０Ａ、２１０Ｂに、それぞれ２本の水平転送レジスタを設け、合計４本の水平転送レジスタ２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄによって出力信号を振り分けて出力する構成（４チャネル出力型）の例である。
【００２０】
すなわち、図２に示す上段の撮像領域２１０Ａには、その外側部（図２に示す上側部）に２本の水平転送レジスタ２１１Ａ、２１１Ｂ及び出力アンプ部２１２Ａ、２１２Ｂが配置され、水平転送レジスタ２１１Ａ、２１１Ｂの間には、レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）２１３Ａが設けられている。
また、図２に示す下段の撮像領域２１０Ｂにも同様に、その外側部（図２に示す下側部）に２本の水平転送レジスタ２１１Ｃ、２１１Ｄ及び出力アンプ部２１２Ｃ、２１２Ｄが配置され、水平転送レジスタ２１１Ｃ、２１１Ｄの間には、レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）２１３Ｂが設けられている。
【００２１】
このような構成の固体撮像素子においても、図１に示した例と同様にして、各撮像領域２１０Ａ、２１０Ｂの画素信号を水平１ビットおきに振り分け、さらに複数ビットずつ加算して出力することが可能である。
すなわち、撮像領域２１０Ａの画素信号は矢印Ａ３、Ａ４、Ｂ３、Ｂ４の経路で転送され、撮像領域２１０Ｂの画素信号は矢印Ａ５、Ａ６、Ｂ５、Ｂ６の経路で転送される。
なお、個々の動作については図１に示した実施の形態例と同様であるので詳細は省略する。
【００２２】
なお、本発明は以上の具体例に限定されず、種々の変形が可能である。
たとえば、上述の例では、２本１組みの水平転送レジスタを設けて水平１ビットのおきに信号電荷を転送するようにしたが、３本１組みの水平転送レジスタを設け、各水平転送レジスタの間に、それぞれレジスタ間転送ゲートを設けることにより、信号電荷を３つの水平転送レジスタに振り分けて転送するような構成を採用することも可能である。
また、上述の例では、２本１組みの水平転送レジスタの転送方向を互いに逆方向としたが、同一方向に転送するような構成としてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタとの間に設けたレジスタ間転送ゲートにより、第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジスタのそれぞれに１水平ビットの信号電荷を１ビットおきに振り分けて蓄積し、第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジスタに蓄積された１ビットおき信号電荷を個別に転送可能にし、かつ転送されてきた複数ビットの信号電荷を加算して出力する第１の水平転送レジスタ及び第２の水平転送レジスタによってそれぞれ水平方向に転送してきた信号電荷を１水平ビットおきに加算して出力するようにしたので、互いに隣接した水平ビットの信号電荷を第１、第２の水平転送レジスタに振り分け、それぞれ個別に転送することができ、各画素信号を水平方向に画素単位（水平ビット単位）で容易に加算することが可能となる。
したがって、たとえば異なる色成分の画素信号を分離して、各画素信号を色成分毎に加算して出力するような処理を容易に実現でき、固体撮像素子の多機能化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例によるＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態例によるＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図である。
【図３】従来のＣＣＤ型固体撮像素子の各レジスタによる信号電荷の転送経路を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１１０、２１０……撮像領域（イメージエリア）、１１１Ａ、１１１Ｂ、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ａ、２１１Ｂ……水平転送レジスタ、１１２Ａ、１１２Ｂ、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ、２１２Ｄ……出力アンプ部、１１３、２１３Ａ、２１３Ｂ……レジスタ間転送ゲート。

Claims

半導体基板上に設けられた撮像領域に２次元配列で設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各列毎に配置されて各画素によって蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記複数の垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送レジスタとを有する固体撮像素子であって、
前記複数の水平転送レジスタは、前記各垂直転送レジスタの端部近傍に互いに平行に配置される第１の水平転送レジスタと第２の水平転送レジスタとを含み、
前記第１の水平転送レジスタと前記第２の水平転送レジスタとの間に、前記各垂直転送レジスタから前記第１の水平転送レジスタの各水平ビットに転送された信号電荷を、各水平ビット単位で選択して前記第２の水平転送レジスタに転送するレジスタ間転送ゲートを設け、
前記レジスタ間転送ゲートの動作により前記第１の水平転送レジスタ及び前記第２の水平転送レジスタのそれぞれに１水平ビットの信号電荷を１ビットおきに振り分けて蓄積し、
前記第１の水平転送レジスタ及び前記第２の水平転送レジスタに蓄積された１ビットおき信号電荷を個別に転送可能に構成し、かつ前記転送されてきた複数ビットの信号電荷を加算して出力するように構成した、
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記加算は、前記各水平転送レジスタの最終転送ゲートで行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記第１の水平転送レジスタと前記第２の水平転送レジスタとは、互いに反対方向に信号電荷を転送することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記レジスタ間転送ゲートは、前記撮像領域上に配置されたカラーフィルタの同一色成分の画素で生成された信号電荷を選択して前記第１の水平転送レジスタから前記第２の水平転送レジスタに転送することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。