JPH10136264A

JPH10136264A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH10136264A
Application number: JP8288858A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Yamada; 哲生山田; Kazuyuki Masukane; 和行益金
Original assignee: Toshiba Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の製造方法で作成可能で、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を課題とする。【解決手段】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（１１、１
２）と、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（Ｗｈ）と列方向の配列間隔（Ｗｖ）が実質的に
等しくなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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６に示す構成の固体撮像装置が提案され
ている。

【０００４】図６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６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、受光素子と称する）で
あり、２ａで示すのは図の縦方向（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、２
ｂで示すものは図の縦方向（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は図の左右方向（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は図の左右方向（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６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６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６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１５０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】図６において、Ｗｈと
Ｗｖは行方向と列方向の隣接受光素子間の配列ピッチ
（間隔）を示す。この従来の固体撮像装置の構造では、
素子分離層１０を間に置いて隣接する第１と第２の列方
向電荷転送装置５、６の行方向の配列ピッチは、受光素
子を間において隣接する第１と第２の列方向電荷転送装
置５、６の行方向の配列ピッチとは異なる。第１と第２
の列方向電荷転送装置をそれぞれ行方向電荷転送装置８
に結合させるためには、すべての第１と第２の列方向電
荷転送装置の行方向の配列ピッチと行方向電荷転送装置
の転送段の配列ピッチと一致させる必要がある。このた
めに、従来の構造では列方向電荷転送装置と行方向電荷
転送装置との間に制御装置７を設けて、隣接する２本の
第１と第２の列方向電荷転送装置を実質的に１本にまと
めて行方向電荷転送装置８に結合している。しかし、こ
の場合には、１行の全信号電荷を行方向に転送するに際
して、煩雑な２回の転送動作を必要とするという欠点を
有する。

【０００９】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。

【００１０】

【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くなるように構
成する。

【００１１】

【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チャネル（転送段）が行方
向に同一間隔で並ぶように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。

【００１２】本実施例においては、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と行方向の受光素子１の配
列間隔（ピッチ）Ｗｈとは、互いにほぼ等しく設定され
ている。さらに、本実施例では、チャネル位置変換部１
８を各列方向電荷転送装置と行方向電荷転送装置との間
に配置したことによって、列方向電荷転送装置の最終転
送段の配列ピッチを実質的に行方向電荷転送装置２０の
転送段の配列ピッチと整合させている。これにより、行
方向電荷転送装置２０への信号電荷の転送を各列同時に
かつ円滑に行うことができる。

【００１３】図６に示す従来の固体撮像装置は、制御装
置７が、隣接する２本の第１と第２の列方向電荷転送装
置５，６を実質的に１本にまとめて行方向電荷転送装置
８に結合し、第１と第２の列方向電荷転送装置５，６の
いずれかを選択して、行方向電荷転送装置８に信号電荷
を転送する。すなわち、１行の全信号電荷を行方向に転
送するに際して、煩雑な２回の転送動作を必要とすると
いう欠点を有する。

【００１４】図１に示す本実施例の固体撮像装置は、チ
ャネル位置変換部１８が第１および第２の列方向電荷転
送装置１６、１７の全ての信号電荷を同一のタイミング
で行方向電荷転送装置２０に転送することができる。１
行の全信号電荷を行方向に転送するに際して、１回の転
送動作で済む。

【００１５】図１の実施例の各固体撮像素子の上に３色
のカラーフィルタを形成している。すなわち、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〜１
７ｄ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信号が各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。

【００１６】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
はそれらの相対的位置関係は変わらず、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。

【００１７】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１の
構造で明らかなように、列方向（上下）に隣接する受光
素子対を撮像サンプリング単位とし、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。

【００１８】一方、図６で示す従来の技術においては、
撮像サンプリング単位のすべてにおいてＧ信号を得るよ
うに色フィルタを配置することはできず、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。

【００１９】さらに本発明の実施例では、同一色のカラ
ーフィルタが形成されたすべての受光素子にわたり、列
方向電荷転送装置に信号電荷を読み出す方向が同一であ
る。具体的には、Ｇ信号はすべて図１の左方向に、Ｒと
Ｂ信号はすべて図１の右方向に位置する列方向電荷転送
装置にそれぞれ読み出される。この場合、製造工程のバ
ラツキに起因する例えば受光素子と列方向電荷転送装置
との相対的距離の変動が同一色内では均一になる。従っ
て構造的バラツキがもたらす特性変動は同一色間には均
一に起こるために、実質的には固定パターン雑音として
の受光素子間のバラツキは発生しない。

【００２０】但し、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
相対的距離のズレによる特性の変動が起こりうる。しか
し、図１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を受け
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２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２において、４１ａ〜４１
ｄ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４７
ａ、４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄが配列する。

【００２２】図２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、信号を上下に振り分ける
ことによって、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１
９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】図３は、図２同様の固体撮像装置の３行分
の領域内の列方向電荷転送装置の電極パターンを示す部
分拡大平面図である。７１ａと７３ａで示すＧ信号は列
方向電荷転送装置７４に、７１ｂと７３ｂで示すＧ信号
は列方向電荷転送装置７５に各々読み出される。同様に
して、７１ｃと７３ｃで示すＧ信号は列方向電荷転送装
置７６に、７１ｄと７３ｄで示すＧ信号は列方向電荷転
送装置７７に各々読み出される。一方、７２ｂと７２ｃ
で示すＲ，Ｂ信号は列方向電荷転送装置７８，７９に各
々読み出される。

【００２５】列方向電荷転送装置は、公知の２層重ね合
わせ電極を有する。８３、８５、８７は第１層電極で、
８４、８６、８８は第２層電極を示す。隣接する列で
は、第１層と第２層の位置が反転している。各電極には
公知の４相転送パルスＶ₁，Ｖ ₂，Ｖ₃，Ｖ₄が端子９
１、９２、９３及び９４を介して入力される。列方向電
荷転送装置７４、７５及び７６、７７に属する各電極の
並びは図面の下方に向かってＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄の
順に並び、列方向電荷転送装置７８、７９に属する各電
極の並びは図面の上方に向かってＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ
₄の順である。従って、列方向電荷転送装置７４、７５
及び７６、７７は信号電荷を下方に転送し、列方向電荷
転送装置７８、７９は信号電荷を上方に転送する。この
場合、７４と７５、又は７６と７７、あるいは７８と７
９に属する電極同志を一体に形成することがパターンレ
イアウト上、あるいは高集積化に有利であることが同図
から明らかである。

【００２６】図４に図２（図３）同様の固体撮像装置を
単板カラー撮像装置に応用した場合の平面構造図を示
す。同図では、６１ａ，６１ｂで示すＧ信号電荷は列方
向電荷転送装置４６ａ，４７ｂ，４６ｃ，４７ｄに読み
出され、図の下方の行方向電荷転送装置５０に転送され
る。６２ａ，６３ｂで示すＲ，Ｂ信号電荷は列方向電荷
転送装置４７ａ，４６ｂに読み出され、図の上方の行方
向電荷転送装置５１に転送される。続いてＧ信号は出力
回路５２から、Ｒ，Ｂ信号は出力回路５３から出力され
る。このようにＧとＲ，Ｂとを別のチャネルで並列に出
力することにより、その後の信号処理を容易にするだけ
てなく、実質的に１チャネルのデータレートを２倍にす
ることができる。

【００２７】図５に、本発明による固体撮像装置のさら
に別の実施例の部分拡大平面図を示す。図５において、
１０１ａ〜１０１ｄは第１の受光素子行、１０２ａ〜１
０２ｄは第２行の受光素子行、１０３ａ〜１０３ｄは第
３行の受光素子行、１０４ａ〜１０４ｄは第４行の受光
素子行、そして１０５ａ〜１０５ｄ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，４７
ｃ及び４７ｄが配列する。他の図面と同一の参照番号で
示されるものは同一要素を示す。

【００２８】図５の実施例の構造の特徴は、受光素子か
ら列方向電荷転送装置に信号電荷を読み出す方向が、１
受光素子行にわたって同一であり、かつ列方向の転送を
上下方向に振り分けた２チャネル信号として出力するに
際して一方はＧ信号出力で他方がＲ，Ｂ信号出力となる
ようにカラーフィルタを配置した点にある。１０１ａ〜
１０１ｄと１０２ａ〜１０２ｄの第１と第２の受光素子
行ではＧフィルタとＲフィルタとが交互に配置される。
列方向に隣接する受光素子間では、Ｒ信号とＧ信号とは
互いに逆方向に信号電荷が読み出される。１０３ａ〜１
０３ｄと１０４ａ〜１０４ｄの第３と第４行の受光素子
行ではＧフィルタとＢフィルタとが交互に配置される。
列方向に隣接する受光素子間では、Ｇ信号とＢ信号とは
互いに逆方向に信号電荷が読み出される。列方向電荷転
送装置４６ａ、４７ｂ，４６ｃ及び４７ｄはＧ信号を読
み出し、図面の下方に転送する。列方向電荷転送装置４
７ａ、４６ｂ，４７ｃ及び４６ｄはＲ，Ｂ信号を読み出
し、図面の上方に転送する。その後、既に説明した経路
を通って出力回路５２からＧ信号が、出力回路５３から
Ｒ，Ｂ信号が出力される。

【００２９】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
幅に減少させた出力を得ることができる。

【００３０】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。

【００３１】

【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】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３】図２の実施例の固体撮像素子の上にカラーフィ
ルタを形成した場合の３行分の領域内の列方向電荷転送
装置の電極構造を示す拡大図である。

【図４】図２の実施例の固体撮像素子の上にカラーフィ
ルタを形成した場合の配置図である。

【図５】本発明の固体撮像装置のさらに別の実施例の部
分拡大平面図である。

【図６】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、１
４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄ・・・・・受光素子行１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ，１
７ｃ、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者益金和行宮城県黒川郡大和町松坂平１丁目６番地富士フイルムマイクロデバイス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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固
体撮像装置。
【請求項２】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列方向に転送する第１と第２の列
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と結合し、該列方
向電荷転送装置からの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に変
換して出力する出力回路とをさらに有することを特徴と
する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記チャネル位置変換部は、前記全ての
列方向電荷転送装置からの信号電荷を同一のタイミング
で前記行方向電荷転送装置に転送する請求項２記載の固
体撮像装置。
【請求項４】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１あるいは２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】各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
いに逆方向であり、前記行方向電荷転送装置はさらに前
記第１の列方向電荷転送装置からの信号電荷を行方向に
転送する第１の行方向電荷転送装置と前記第２の列方向
電荷転送装置からの信号電荷を行方向に転送する第２の
行方向電荷転送装置とを含み、前記出力回路はさらに前
記第１の行方向電荷転送装置からの信号電荷を電圧信号
に変換する第１の出力回路と前記第２の行方向電荷転送
装置からの信号電荷を電圧信号に変換する第２の出力回
路とを含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに
記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記第１の列方向電荷転送装置が読み出
す光電変換素子の上に緑色フィルタが形成され、前記第
１の出力回路から緑信号が出力され、前記第２の列方向
電荷転送装置が読み出す光電変換素子の上に赤あるいは
青色フィルタが形成され、前記第２の出力回路から赤あ
るいは青信号が出力されることを特徴とする請求項５記
載の固体撮像装置。
【請求項７】一列の光電変換素子列の両側の前記第１
と第２の前記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２〜４
のいずれかに記載の固体撮像装置。